JP4776695B2 - 固体物を含む汚染した液体を圧送するポンプ - Google Patents

Description

本発明は、全体として、汚水及び廃水用ポンプの分野、より詳細には、プラスチック材料、衛生製品、繊維製品、ぼろ屑等のような固体物を含むろ過されていない汚染した液体を圧送するポンプに関する。上記ポンプは、該ポンプのポンプ室内にて回転可能なインペラを備え、該インペラは、インペラ座部に隣接する第一の位置と、上記インペラ座部から隔てられた第二の位置との間にてシールハウジングのカバーに対して軸方向に可動であり、上記ポンプは、また、シールハウジングのカバー及びインペラにより画成されたキャビティと、該キャビティと上記ポンプ室とを接続する少なくとも１つの開口空隙とを備えている。

汚水処理施設、浄化槽、井戸等において、ソックス、生理用パッド、紙等のような固体物、又は汚染物がシステムの液体浴内に下降される水中ポンプを詰まらせることが多い。汚染物は、インペラ及びインペラ座部が互いに一定の距離に配置される場合、過大であってポンプを通過できないことがある。固体物がポンプを詰まらせるという問題点を解決する１つの方策は、インペラがシールハウジングのカバー及びインペラ座部に対して軸方向に可動であり、ポンプを通る瞬間的に大きい通路を形成することを許容することである。

通常、インペラは、ポンプの密封区画内に配置されたエンジンから伸びる駆動軸と接続されている。このため、シールが駆動軸とシールハウジングのカバーとの間に配置されて、液体が密封したエンジン区画に入るのを防止する。上記シールに隣接して、シールハウジングのカバーとインペラの頂面とにより画成されたキャビティがあり、該キャビティは、開口空隙を介してポンプのポンプ室と連通している。固体物がキャビティに入った場合、固体物はシールを損傷させるであろうから、開口空隙は可能な限り小さいことが必須である。しかし、これと同時に、液体は、キャビティ内に且つキャビティ外に流れて上記シールを冷却し且つ潤滑し得なければならない。

インペラがシールハウジングのカバーに対して可動であり、従って、シールハウジングのカバーとインペラとにより画成されたキャビティの容積が変化する、すなわち減少又は増大するとき、決定的な問題が生じる。これと同時に、上記キャビティは、インペラの適正な動きを許容し得るよう、静止したインペラを有するポンプの場合よりも大きくなければならない。インペラが上方に動き始めるとき、キャビティ内に保持された流体の殆どは、小さい開口空隙を通って押し出されなければならず、これは、数秒間又は何分の１秒間にて行われる。これにより、キャビティ内にて大きい圧力ピークが生じ、シールを損傷させる危険性が増大する。

上記シールが損傷された場合、エンジン及びポンプの全体が損傷される可能性があり、かかる意図しない稼動停止は、費用が掛かり、面倒で且つ計画外の保守作業のため、コスト高となる。

当該出願人に係る、密接に関連したスウェーデン国特許出願番号ＳＥ０５０１５４２−５には、固体物を含む汚染された液体を圧送するポンプが示されている。ポンプは、第一の位置と第二の位置との間にてシールハウジングのカバー又はポンプハウジングに対して軸方向に可動である回転可能なインペラを備えている。しかし、上述した特許出願は、上述した問題点について論じていない。

更に、保守のためアクセスすることが困難な液体浴から流体を圧送するため水中ポンプが使用され、該ポンプは、１日に１２時間以上も稀ではない長時間、作動されることが多い。このため、長い耐久性を有するポンプを提供することが極めて望まれる。

本発明は、従来から既知のポンプの上述した不利益な点を緩和し且つ、改良されたポンプを提供することを目的とするものである。本発明の１つの目的は、シールハウジングのカバーと駆動軸との間に配置されたシールに対する圧力が、作動中、上記シールを損傷させ得ないようにされた、当初記載の型式のポンプを提供することである。本発明の別の目的は、インペラの軸方向への動きに対する慣性力が減少するようにした、ポンプを提供することである。本発明の更に別の目的は、特に、シールの耐久性に関して改良された耐久性を有するポンプを提供することである。

本発明に従って、少なくとも主目的は、独立請求項に記載された特徴を有する当初記載のポンプによって実現される。本発明の好ましい実施の形態は、従属請求項に更に記載されている。

本発明に従って、上記開口空隙は、インペラが第一の位置にあるとき、第一の流動面積を有し、インペラが上記第一の位置から隔てられたとき、上記第一の面積よりも大きい第二の流動面積を有することを特徴とする、当初記載の型式のポンプが提供される。

このように、本発明は、インペラがシールハウジングのカバーに対して軸方向に可動であることが、作動中、固体物がキャビティ内に通過しないと同時に、極めて迅速に行わなければならない、インペラの軸方向への動きに起因してインペラ上方のキャビティが部分的に排出され且つ再充填されることに帰結することの重要性の認識に基づくものである。より正確には、開口空隙は、インペラが第一の位置にあるとき、小さく、また、インペラが第一の位置から隔てられたとき、大きくなければならない。

本発明の１つの好ましい実施の形態において、開口空隙は、環状であり且つ、シールハウジングのカバーとインペラとの周縁により画成される。このことは、開口空隙の形状及び機能は、インペラの回転速度と独立的であることを意味する。

１つの好ましい実施の形態に従い、インペラは、軸方向に向けてインペラ座部から大きい距離だけ、好ましくは、インペラ座部の開口通路の直径だけ動くことができるようにする。このとき、固体物がポンプを通過する能力は、著しく増大する。

本発明の上述及びその他の特徴及び有利な効果は、添付図面と共に、好ましい実施の形態に関する以下の詳細な説明からより完全に理解されよう。
図１から図３には、インペラ１と、ポンプのポンプハウジング内に受容されたインペラ座部２と、シールハウジングのカバー３とが示されている。ポンプ／ポンプハウジングのその他の部品は、図面の参照の簡略化のため、除去されている。本発明は、全体としてポンプに関するが、好ましい実施の形態において、ポンプは、水中遠心ポンプにより構成されている。

本発明の１つの好ましい実施の形態において、インサートがポンプハウジングに対して回転し得ないような態様にてポンプハウジング内の座部（図示せず）内に配置されることによってポンプハウジングと解放可能に接続された該インサートによりインペラ座部２が構成される。インペラ１は、上方から伸びる駆動軸４内に懸架されており且つ、ポンプ内にて回転可能に軸支されている。より正確には、インペラ１は、ポンプのポンプ室内にて回転可能である。駆動軸４の上端（図示せず）は、ポンプのエンジン（図示せず）と接続されている。この点に関して、駆動軸４は、図面にて切断されていることを指摘すべきである。図示した実施の形態において、駆動軸４の下端は、インペラ１が駆動軸４に沿って軸方向に可動であるが、駆動軸４と共に回転するような態様にて継手によりインペラ１と接続されている。

シールハウジングのカバー３に対するインペラ１の軸方向への可動性は、用途に依存して任意の適正な長さ、すなわち０ｍｍ以上としなければならない。好ましくは、上記可動性は、少なくとも１５ｍｍ、より好ましくは、少なくとも４０ｍｍ、最も好ましくは、少なくともインペラ座部２の開口通路５の直径に等しいものとする。図示した実施の形態において、開口通路５の直径は、約１５０ｍｍである。更に、軸方向への可動性は、多数の態様にて実現することができるが、本発明の好ましい実施の形態において、インペラ１は、駆動軸４の軸方向に沿って可動である。

ポンプの上述した継手は、駆動軸４が回転運動をインペラ１に不可避的に伝達すると同時に、インペラ１が駆動軸４に対して軸方向に動くことを許容する。図示した実施の形態において、継手は、インペラ１の接続部分６を備えており、該接続部分６は、インペラ１の中心部分に設けられ且つ、ボルト７又は同様のものによりインペラ１と接続されている（図４参照）。これと代替的に、接続部分６は、インペラ１と一体化してもよい。接続部分６は、その中央部分に穴８を提供し、該穴８は、駆動軸４の下端を受容する。本発明の好ましい実施の形態において、駆動軸４には、その下端にスリーブ９が設けられ、該スリーブ９は、ボルト１０又は同様のものにより駆動軸４と接続されている。これと代替的に、スリーブ９は、駆動軸４と一体化することができる。

スリーブ９は、接続部分６のフランジ１１の内径にほぼ等しい第一の外径を有する第一の上側部分を備えている。更に、スリーブ９は、スリーブ９の上記第一の直径よりも大きい直径を有する第二の下側部分を備えている。スリーブ９の第二の部分の直径は、上記穴８の内径とほぼ等しい。これらの寸法上の関係のため、インペラ１は、スリーブ９の第二の部分が接続部分６のフランジ１１に対して着座するとき、駆動軸４内にて懸架される。穴８は、スリーブ９の第二の部分よりも長い軸方向への伸長部を提供し、接続部分６、従って、インペラ１は、その差にほぼ等しい軸方向距離だけ可動である。

本発明の好ましい実施の形態において、上記継手は、接続部分６（又は、インペラ１）とスリーブ９（又は駆動軸４）との間の境界面に配置された少なくとも１つの別個の要素１２を備えている。要素１２は、回転運動を駆動軸４からインペラ１まで強制的に伝達すると共に、インペラ１が駆動軸４及びシールハウジングのカバー３、又はポンプハウジングに対して軸方向に動くことを許容する。接続部分６には、要素１２の各々に対する少なくとも１つの凹所（図示せず）が設けられており、該凹所は、駆動軸４の軸方向に伸びている。接続部分６の凹所と対向してスリーブ９には、相互作用する凹所（図示せず）が設けられ、該凹所は、接続部分６の凹所と共に、上記要素１２を受容する。好ましくは、多数の要素１２が使用され、これらの要素は、駆動軸４の円周に沿って等距離、分離されており、また、要素１２の寸法は、駆動軸４からインペラ１に伝達されるトルクにより決まる。図１から図３にて示した実施の形態において、別個の要素１２は、製造上の観点から、バー、好ましくは、円形のバーにより構成される。

１つの代替的な実施の形態において、別個の要素１２は、インペラ１が軸方向に動くとき、スリーブ９の凹所に従う多数のボールによって構成することができることを指摘すべきである。より正確には、スリーブ９の凹所は、この場合、ボールの各々に１つずつ当てられる幾つかの半球状の凹所により構成することができる。これと代替的に、別個の要素１２は、スプライン継手のように、スリーブ９の内面と一体化し、すなわち、接続部分６の凹所内に伸びる内面上のリッジとし、又はその逆にすることができる。

インペラ１は、本発明の１つの好ましい実施の形態において、駆動軸４に沿って自由に可動である、すなわち、この動きに影響を与え又は妨害するばね又は同様のものは存在しない。作動中、インペラの下流の圧力は、インペラの上流の圧力よりも高く、これにより上記インペラは、インペラ座部に向けて押し付けられる。下方からインペラ１に加わる固体物による全ての力は、インペラ１の頂側部に加わるより高い圧力に打勝ち、インペラ１をインペラ座部２から上昇させようとする。インペラ１の頂側部に加わる圧力は、インペラ１の底側部に加わる圧力よりも高いから、固体物が除去されたとき、インペラ１は、自動的に、図１による位置に戻る。

インペラ１は、インペラ１の中心からその周縁に向けて伸びる、好ましくは、ら旋状の形状をした少なくとも１つのベーン１３を備えている。図示した実施の形態において、インペラ１は、２つのベーン１３を有しているが、ベーン１３の数及びその伸びは、異なる液体及び用途に適するように大幅に変更可能であることを指摘すべきである。

インペラ座部２の頂面１４にて且つ、その開口通路５に隣接して、少なくとも１つの溝すなわち逃がし溝１５が設けられている。溝１５は、インペラ座部２の開口通路５からその周縁に向けて、好ましくは、インペラ１の回転方向に向けて外方に掃引するら旋状の形状にて伸びている。溝１５の数及びそれらの形状並びに向きは、異なる液体及び用途に適合するよう大幅に変更可能である。溝１５の機能は、固体物をインペラ１の下方の開口通路５からポンプ室の周縁まで外方に案内することである。固体物がポンプを通過するとき、その一部は、インペラ１のベーン１３の下方にて固着し、インペラ１の回転運動を遅くし、酷い場合には、その回転運動を停止させることさえある。しかし、溝１５は、ベーン１３が固体物を通過する毎に、固体物を掃引することによりベーン１３を清浄な状態に保つのに寄与する。固体物が過大であり、インペラ１とインペラ座部２との間にて、溝１５に嵌まることができない場合、インペラ１は、固体物によりインペラ座部２から上方に動かされて離れ、これにより、固体物がポンプを通過するのを許容する（図２及び図３に示したように）。

開口通路５が詰まらないことを保証するため、インペラ座部２には、固体物を溝１５に向けて案内する手段が設けられることが好ましい。案内手段は、インペラ座部２の開口通路５から伸びる少なくとも１つの案内ピン１６を備えている。案内ピン１６は、全体としてインペラ座部２の半径方向に伸びて且つ、インペラ１の下方に配置されている。好ましくは、案内ピン１６は、上記溝１５の「入口」に隣接する位置にて終わるようにする。溝１５の最も好ましい数は、１つであることを指摘すべきである。更に、ポンプは、１つの案内ピン１６を備えることが好ましい。さもなければ、開口通路５は、極めて妨害され、このことは、ポンプの機能に悪影響を及ぼすであろう。

キャビティ１７は、シールハウジングのカバー３及びインペラ１の頂面により、又は、図示した実施の形態におけるように、接続部分６の頂面により画成される。上記キャビティ１７は、シールハウジングのカバー３内の逆カップ形状の凹所として説明することができ、駆動軸４は、キャビティ１７及びポンプのエンジン区画を接続する穴１８から突き出している。上記穴１８は、カップ形状の凹所／キャビティ１７に対して同心状であることが好ましい。液体がエンジン区画に入るのを防止するため、穴１８のオリフィスにて駆動軸４の回りにメカニカルシール１９が設けられる。図示した実施の形態において、メカニカルシール１９は、幾つかの協働する部材から成っている。より正確には、第一の部材は、シールハウジングのカバー３に固定され、第二の部材は、回転する駆動軸４に固定され、これら２つの部材は、接触せずに、互いに極めて近接する位置に配置された対向する金属面を提供し、これら２つの面の間にて密封する流体膜が確立される。上記シール１９は、圧送した液体により冷却され且つ、潤滑され、この液体は、ポンプの作動中、開口空隙２０を通ってキャビティ内に且つキャビティ外に流れる。より正確には、上記開口空隙２０は、ポンプ室及びキャビティ１７を接続し且つ、両方向への流れ連通を許容する。好ましくは、開口空隙２０は、全体として環状の開口空隙２０が確立される（図４参照）ような態様にてシールハウジングのカバー３とインペラ１の周縁又は接続部分６とにより画成されるようにする。リング形状の部材２１は、シールハウジングのカバー３のカップ形状凹所１７内に挿入することができ、この部材２１の下縁部は、シールハウジングのカバー３の下方に突き出すことが好ましい。１つの代替的な実施の形態において、上記部材２１は、シールハウジングのカバー３と一体化することができる。キャビティ１７は、好ましくは、インペラ１の接続部分６と比較して全体として相補的な形状を有することを指摘すべきである。

図１において、インペラ１は、ポンプの通常の作動に従って第一の下方位置にある、すなわち、インペラ１がシールハウジングのカバー３に対して軸方向に動くことなく、液体及び固体物が圧送される。この位置にあるとき、開口空隙は、第一の流動面積を有し、液体が通り抜けるのを許容するのに十分に大きいが、これと同時に、固体物がキャビティ１７に入るのを防止するのに十分に小さい。固体物がキャビティ１７に入ったとき、シール１９は、損傷される危険性がある。図示した実施の形態において、開口空隙は、約１ｍｍの幅である。しかし、用途及び圧送される液体に依存して、その他の適宜な寸法とすることが考えられる。

インペラ１の接続部分６は、インペラ１に近い第一の外径と、接続部分６の頂面にて半径方向外方に突き出す外側フランジ２２とを有する。外側フランジ２２は、上記第一の外径よりも大きい第二の外径を有する。外方を向いた外側フランジ２２の縁部は、任意の適宜な形状とすることができ、例えば、尖った形状又は図示した実施の形態におけるように、四角形とすることができる。更に、シールハウジングのカバー３の部材２１（又は、カップ形状凹所１７）は、シールハウジングのカバー３の部材２１の上側部分における第一の内径と、上記部材２１のオリフィス（又は、凹所１７）にて半径方向内方に突き出す内側フランジ２３とを有している。内側フランジ２３は、上記第一の内径よりも小さいが、外側フランジ２２の第二の外径よりも大きい第二の内径を有する。内方に面する内側フランジ２３の縁部は、任意の適宜な形状とし、例えば、尖った形状又は図示した実施の形態におけるように、四角形とすることができる。

上記固体物の大きい片がポンプに入った場合、インペラ１は、インペラ座部２から離れるように動くよう押されて大きい片を通過させる（図２及び図３参照）。この作動中、ピストンがシリンダ内に入るように、インペラ１の接続部分６は、キャビティ１７内に上方に動く。これにより、外側フランジ２２の縁部は、内側フランジ２３の縁部に対して上方に動く。インペラ１が僅かに軸方向に動いた後、外側フランジ２２の縁部は、第一の内径を有する部材２１の部分に面し、また、内側フランジ２３の縁部は、第一の外径を有する接続部分６の部分に面する。これにより、開口空隙２０の幅は増大し、開口空隙２０は、上述した第一の流動面積よりも大きい流動面積を呈し、図示した実施の形態にて、開口空隙２０の幅は約４ｍｍである（図２参照）。換言すれば、インペラ１がインペラ座部２に隣接する第一の位置から隔てられるとき、開口空隙２０は増大する、すなわち、開口空隙２０の流動面積は増大する。

開口空隙２０の増大した流動面積のため、特定の時間、より多量の液体流量がキャビティ１７からポンプ室まで、又はその逆に流れることができる。
図３にて、インペラ１は、部材２１の下縁部が接続部分６を取り囲むインペラ１の上面に当接する、第二の上方位置に到達している。上記当接が生じる直前、開口空隙２０を通る液体の流れは、益々、制限され、最終的に完全に閉塞し、インペラ１の上面が部材２１（又はシールハウジングカバー）の縁部と当接する前に、インペラ１の動きを遅くする。

図４には、図１の線ＩＶ−ＩＶに沿った上方から見た断面図が示されている。図面の外側部分には、溝１５を有するものとして示したインペラ座部２の頂面１４が図示されている。インペラ座部２の内方には、インペラ１の上面及び２つのベーン１３が示されている。外側断面のリングは、部材２１、より正確には、部材２１の内側フランジ２３である。部材２３の内方には、図示したインペラ１の接続部分６があり、この接続部分は、ねじ７又は同様のものによりインペラ１と接続されている。内側フランジ２３は、凹所２４を呈し、また、外側フランジ２２は、相応する凹所２５を呈し、これらの凹所２４、２５は、内側フランジ２３及び外側フランジ２２に付着するであろう固体物を除去する機能を果たす。外側フランジ２２の凹所２５は、固体物を内側フランジ２３から除去し、また、内側フランジ２３の凹所２４は、固体物を外側フランジ２２から除去する。

本発明の実現可能な改変例

本発明は、上述し且つ図に示した実施の形態にのみ限定されるものではない。このため、ポンプ、より正確には、インペラ及びシールハウジングのカバーは、特許請求の範囲内のあらゆる型式の態様にて改変することができる。

インペラ座部は、ポンプハウジングと一体化し、また、インペラ及び駆動軸は、シールハウジングのカバーに対して軸方向に向けて一緒に可動であるようにすることができることを指摘すべきである。

接続部分の外側フランジ及びシールハウジングカバーの部材の内側フランジは、必ずしも明確なフランジである必要はないことも指摘すべきである。その代わり、キャビティは、内方下方にテーパーを付け、接続部分は、円錐形の形状とし、インペラが第一の下方位置から隔てられたとき、開口空隙のより大きい断面積を有するようにすることができる。

更に、接続部分及びインペラ並びにリング形状の部材及びシールハウジングのカバーは、特許請求の範囲及び本説明にて適用可能である場合、同義語であることも指摘すべきである。

本明細書及び特許請求の範囲にて使用した、「流動面積」という用語は、開口空隙がキャビティとポンプ室との間にて有する瞬間的な最小流動面積、すなわち開口空隙の狭隘部として定義されることを指摘すべきである。

上側、下側等に関する全ての情報は、参照記号を正確に読むことができるような態様にて向き決めされた図面を含む、図１から図３にて示したように、それらの通常の作動方向にある装置を有するものとして解釈し／読むべきであることも指摘される。

インペラが第一の下方位置にある、インペラ、インペラ座部及びシールハウジングのカバーを示す断面図である。 インペラが上記第一の位置から隔てられた、中間位置にある、図１に相応する断面図である。 インペラが第二の上方位置にある、図１に相応する断面図である。 図１の線ＩＶ−ＩＶに沿った上方から見た断面図である。

Claims (12)

1. 固体物を含む汚染した液体を圧送するポンプであって、該ポンプのポンプ室内にて回転可能な開放状のインペラ（１）を備え、該インペラ（１）は、インペラ座部（２）に隣接する第一の位置と、前記インペラ座部（２）から隔てられた第二の位置との間にてシールハウジングのカバー（３）に対して軸方向に可動であり、前記ポンプは、また、シールハウジングのカバー（３）とインペラ（１）とにより画成されたキャビティ（１７）と、前記キャビティと前記ポンプ室とを接続する少なくとも１つの半径方向の開口空隙（２０）とを備える、前記固体物を含む汚染した液体を圧送するポンプにおいて、前記開口空隙（２０）は、インぺラ（１）が、ポンプの通常の作用時にて第一の位置にあるとき、第一の流動面積を有し、インぺラ（１）が前記第一の位置から隔てられたとき、前記第一の面積よりも大きい第二の流動面積を有することを特徴とする、固体物を含む汚染した液体を圧送するポンプ。
2. 請求項１に記載のポンプにおいて、開口空隙（２０）は、環状であり且つ、シールハウジングのカバー（３）及びインペラ（１）の周縁により画成される、ポンプ。
3. 請求項１又は２に記載のポンプにおいて、キャビティ（１７）は、シールハウジングのカバー（３）のカップ形状をした凹所と、インペラ（１）の接続部分（６）の全体として平坦な面とにより画成され、前記接続部分（６）は前記凹所内に可動である、ポンプ。
4. 請求項３に記載のポンプにおいて、インペラ（１）の接続部分（６）は、第一の外径を有し、接続部分（６）の前記面にて半径方向外方に突き出す外側フランジ（２２）は、前記第一の外径よりも大きい第二の外径を有し、シールハウジングのカバー（３）のカップ形状をした凹所は、第一の内径を有し、前記凹所のオリフィスにて半径方向内方に突き出す内側フランジ（２３）は、前記第一の内径よりも小さく且つ接続部分（６）の前記第二の外径よりも大きい第二の内径を有する、ポンプ。
5. 請求項４に記載のポンプにおいて、接続部分（６）の外側フランジ（２２）及びシールハウジングのカバー（３）の内側フランジ（２３）は、インペラ（１）が第一の位置にあるとき互いに面一となる、ポンプ。
6. 請求項１から５の何れかの１つの項に記載のポンプにおいて、インペラ（１）は、インペラ座部（２）から少なくとも１５ｍｍだけ可動である、ポンプ。
7. 請求項１から６の何れかの１つの項に記載のポンプにおいて、インペラ（１）は、インペラ座部（２）から少なくとも４０ｍｍだけ可動である、ポンプ。
8. 請求項１から７の何れかの１つの項に記載のポンプにおいて、インペラ（１）は、ポンプの駆動軸（４）にて懸架され且つ前記駆動軸（４）に対して軸方向に可動である、ポンプ。
9. 請求項８に記載のポンプにおいて、インペラ（１）と駆動軸（４）との間の境界面に配置されて、軸方向に相互に動くのを許容し且つ回転運動を伝達する、少なくとも１つの別個の要素（１２）を備える、ポンプ。
10. 請求項９に記載のポンプにおいて、インペラ（１）及び駆動軸（４）は、前記境界面にて対向する面に凹所を有し、前記凹所は共に前記要素（１２）を受容する、ポンプ。
11. 請求項９又は１０に記載のポンプにおいて、境界面は、駆動軸（４）の円周に沿って互いに等距離だけ分離した少なくとも２つの別個の要素（１２）を受容する、ポンプ。
12. 請求項９から１１の何れか１つの項に記載のポンプにおいて、要素（１２）の各々は、駆動軸（４）の長手方向に向けて伸びるバーによって構成される、ポンプ。

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