JP5106368B2 - 羽根車の芯材、羽根車及び撹拌機 - Google Patents

Description

本発明は、羽根が連節されたボスの内部に、繊維強化樹脂を介して固定され、回転軸からの回転力を前記ボスに伝達する羽根車の芯材、羽根車及び撹拌機に関する。

従来、下水処理場、浄水場、排水処理場等では、水処理施設に反応槽が備えられている。例えば、下水処理場においては、汚水中の窒素，リン等の栄養塩類の除去、バルキング対策のために、嫌気槽や無酸素槽を設けることがあり、これらの槽には、撹拌機が備えられている。

撹拌機９０は、図８に示すように、電動機９１の回転軸９２の一端に羽根車９３が固設され、回転軸９２の回転とともに羽根車９３が回転し、反応槽８１ａ内に旋回流を発生させる。撹拌機９０には槽内の活性汚泥を沈殿させないように反応槽８１ａの底部から０．１ｍの高さでの流速が０．１ｍ／ｓ以上となるような性能が求められている。
特開２００３−１４４８８６号公報

羽根車９３は、その回転により発生する流れと嫌気槽内の旋回流との速度差によるエネルギー損失が大きくなるのを防ぐために羽根９４を長くし、ゆっくりと回転させることがある。

このように、羽根９４を長くすると羽根車９３を回転させるトルクが大きくなるため、回転軸９２と羽根車９３の接続部に応力が集中して、前記接続部が空回りしたり破損したりする虞があった。

また、撹拌機９４は、設置される槽によって、上向きの流れを発生させたり、下向きの流れを発生させる場合がある。例えば、少ない消費電力で底部から０．１ｍの高さでの流速が０．１ｍ／ｓ以上を満足させる場合、羽根車により発生した流れが槽の底部に向かうように下向きの流れを発生させる。一方、水面に発生するスカムを破壊するためには、上向きの流れを発生させ、水面部の流速をあげる等の使い分けがある。

上向きの流れと下向きの流れを変更するには、例えば、単に羽根車９３を逆回転させる手段も考えられるが、後退角のついた羽根９４の場合は、羽根車９３を逆回転させると異物が羽根にからみつくので好ましくない。また、上向きの流れを発生させるための羽根車と、下向きの流れを発生させるための羽根車の二種類を製作すると製作コストが高くなる。これを回避するためには、羽根車を構成する羽根とボスを別体で製作し、羽根のボスへの取り付け方向を反転させることで、流れが発生する方向を切り替えることが考えられる。

特許文献１には、図９に示すように、羽根９６を筒状のボス９７ａから延設された支持腕９７ｂに複数本のボルト９９ｂを用いて着脱自在に取着し、ボス９７ａを回転軸９８の周囲に嵌挿して、ボス９７ａ周壁に螺挿されたねじ９９ａを締め付けることにより、回転軸９８の所定部位に取着できるように構成した羽根車９５が開示されている。

しかし、上述のように、ボス９７ａを回転軸９８にねじ９９ａで螺着する構成では、羽根車９５を回転させるトルクが大きくなると、螺着した部分に応力が集中して、破損し、空回りしたり、回転軸９８の回転軸芯が偏心したりする虞があった。

また、羽根９６をボス９７ａから延設された支持腕９７ｂに複数本のボルト９９ｂを用いて着脱自在に取着した構成では、ボス９７ａとねじ９９ａの隙間や羽根９６と支持腕９７ｂの隙間やねじ９９ａ、ボルト９９ｂ等に汚水中のし渣が絡みつく虞があり、前記隙間等に汚水中のし渣が絡みつくと、羽根９６のバランスが偏って回転軸９８の回転軸心が偏心したり、余分な動力が必要となり、エネルギー損失が大きくなる虞があった。

本発明は、回転軸からのトルクを羽根車に十分に付与することができ、安定的な運転が可能な羽根車の芯材、羽根車及び撹拌機を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明による羽根車の芯材の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載したとおり、羽根が連節されたボスの内部に、繊維強化樹脂を介して固定され、回転軸からの回転力を前記ボスに伝達する羽根車の芯材であって、前記繊維強化樹脂に対する前記芯材の接合部に、前記回転軸の周方向と交差し、前記回転軸の軸心方向に幅をもつトルク伝達面が前記回転軸のまわりに形成され、前記回転軸から付与されるトルクが前記トルク伝達面を介して前記繊維強化樹脂に伝達されるように構成されている羽根車の芯材。点にある。

上述の構成によれば、回転軸から付与されるトルクを繊維強化樹脂に伝達するトルク伝達面が回転軸のまわりに形成されているので、回転軸の動力がトルク伝達面からボスに安定的に伝達され、羽根車を安定して回転させることができる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載したとおり、上述の第一特徴構成に加えて、前記トルク伝達面が、前記回転軸の周方向と交差する角度が４５度より大きな鋭角または直角となるように形成されている点にある。

トルク伝達面が繊維強化樹脂に与える力は、トルク伝達面に垂直な力の成分と、平行な力の成分で構成され、トルク伝達面に垂直な力の成分は、繊維強化樹脂に伝達されるが、トルク伝達面に平行な力の成分は、芯材と繊維強化樹脂の相対的なズレの原因となる。よって、トルク伝達面が、回転軸の周方向と交差する角度が少なくとも４５度より大きな鋭角または直角となるように形成されることで、トルク伝達面に平行な力の成分を小さくできるので芯材と繊維強化樹脂の相対的なズレを抑制することができる。トルク伝達面に垂直な力の成分は、繊維強化樹脂を介して効率よくボスに伝達される。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載したとおり、上述の第一または第二の何れかの特徴構成に加えて、前記トルク伝達面が前記芯材の外周部に形成されている点にある。

上述の構成によれば、芯材の外周部に形成するトルク伝達面が回転軸から離れるほど、トルク伝達面にかかる力を小さくでき、芯材と繊維強化樹脂の相対的なズレの原因となるトルク伝達面に平行な力の成分を小さくできる。

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載したとおり、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記トルク伝達面が前記芯材に形成された孔部の内周面に形成されている点にある。

上述の構成によれば、芯材の大きさを変えることなく、トルク伝達面の面積を増やすことができる。また、芯材と繊維強化樹脂との物理的な結合がより大きくなる。

同第五の特徴構成は、同請求項５に記載したとおり、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記トルク伝達面が前記芯材の表面に形成された突起部に形成されている点にある。

同第六の特徴構成は、同請求項６に記載したとおり、上述の第一から第五の何れかの特徴構成に加えて、前記芯材の外周が凹凸面で構成されている点にある。

同第七の特徴構成は、同請求項７に記載したとおり、上述の第一から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記芯材が、上下対称に形成され、前記ボスに連接される前記羽根の基端部の中心の軸心方向の高さと略同じ高さに配設されている点にある。

上述の構成によれば、芯材の軸心方向の何れからも回転軸を接続することができるので、回転軸に接続する羽根車の上下を変えることにより、羽根車の回転により発生する流れの方向を、上向きまたは下向きにすることができる。そして、芯材が羽根の基端部と略同じ高さに配設されているので、回転軸に接続する羽根車の上下を変えても、反応槽内での羽根の位置を大きく変更することがない。

同第八の特徴構成は、同請求項８に記載したとおり、上述の第一から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記芯材と前記回転軸との接合部がテーパー面接触による摩擦式締結であり、前記芯材の外表面が上下対称に形成されている点にある。

上述の構成によれば、回転軸と芯材の密着度が高くなり、回転軸と芯材とが一体化するので、撹拌機の起動時等のガタつきが少なくなり、撹拌機の耐久性が向上する。また、ボスに芯材を固定する際に芯材の向きを入れ替えれば、上向きの流れと下向きの流れの羽根車を任意に選択して製造することもでき、成形型の共用が出来るのでコストダウンが図れる。

本発明による羽根車の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項９に記載したとおり、上述の第一から第八の何れかの特徴構成を備えた羽根車の芯材を備え、前記羽根と前記ボスが繊維強化樹脂で一体形成されている点にある。

上述の構成によれば、表面の抵抗を減らす継ぎ目のない滑らかな形状に形成することができるので、汚水中の固形物や繊維物等の異物（し渣）が絡み難い形状となり、異物を多く含む汚水や汚泥に対しても安定した運転が実現できる。

本発明による撹拌機の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１０に記載したとおり、上述の特徴構成を備えた羽根車が、回転軸に取り付けられている点にある。

以上説明したとおり、本発明によれば、回転軸からのトルクを羽根車に十分に付与することができ、安定的な運転が可能な羽根車の芯材、羽根車及び撹拌機を提供することができる。

以下に、本発明による羽根車の芯材、羽根車及び撹拌機を説明する。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、撹拌機は羽根車１と図示しない電動機を備え、電動機の回転軸２が羽根車１に備えられた芯材３と接続されることで、羽根車１は回転軸２と一体的に回転するように構成されている。

羽根車１は、複数の羽根４とボス５が繊維強化樹脂で一体形成される。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、芯材３の中心部には、回転軸２を挿通可能な開口３１が形成され、開口３１にはキー溝３２が形成され、外周には複数の凹部３３と凸部３４が形成され、凸部３４には孔部３５が形成されている。

凸部３４の外周面及び孔部３５の内周面のうち、回転軸２の周方向と交差し、回転軸２の軸心方向に幅をもつトルク伝達面ＴＰ１，ＴＰ２が回転軸２のまわりに回転対称に形成され、回転軸２の周方向の力Ｆ１，Ｆ２がトルク伝達面ＴＰ１，ＴＰ２を介して繊維強化樹脂に伝達される。

ここで、回転軸２の周方向の力Ｆ１とトルク伝達面ＴＰ１とがなす角をθとすると、回転軸２の周方向の力Ｆ１は、トルク伝達面ＴＰ１に垂直な力Ｆ１ｓｉｎθと、平行な力Ｆ１ｃｏｓθに分けることができ、トルク伝達面ＴＰ１に垂直な力Ｆ１ｓｉｎθは、繊維強化樹脂に伝達されるが、トルク伝達面ＴＰ１に平行な力Ｆ１ｃｏｓθは、芯材３と繊維強化樹脂の相対的なズレの原因となる。周方向の力Ｆ２も同様である。よって、トルク伝達面ＴＰ１が、回転軸２の周方向の力Ｆ１と交差する角度θが４５度より大きい鋭角または直角となるように形成することで、トルク伝達面ＴＰ１に平行な力Ｆ１ｃｏｓθを小さくできるので芯材３と繊維強化樹脂の物理的な結合がより大きくなり相対的なズレの発生を抑制することができる。

回転軸２の周方向の力Ｆ２とトルク伝達面ＴＰ２とがなす角度をωとすると、上述と同様に、トルク伝達面ＴＰ２が、回転軸２の周方向の力Ｆ２と交差する角度ωが少なくとも４５度より大きい鋭角または直角となるように形成することで、トルク伝達面ＴＰ２に平行な力Ｆ２ｃｏｓθを小さくできるので芯材３と繊維強化樹脂の物理的な結合がより大きくなり相対的なズレの発生を抑制することができる。

さらに、回転軸２のトルクを繊維強化樹脂に伝達するトルク伝達面を増やすことで、芯材の回転により繊維強化樹脂にかかる力を分散して伝達させることができ、芯材３と繊維強化樹脂の物理的な結合がより大きくなり相対的なズレの発生を抑制することができる。

また、トルク伝達面を回転軸のまわりに回転対称に形成することで、トルク伝達面に垂直な力の成分同士と、トルク伝達面に平行な力の成分同士が回転軸に対して釣り合い、羽根車を安定して回転させることができる。さらに、図２のように、凸部を線対称な形状にすると、トルク伝達面ＴＰ１の反対側にも反対向きのトルク伝達面が形成されるので、羽根車を逆回転させるときにも、回転軸のトルクを安定して羽根車に伝達することができる。

芯材３は、回転軸２から付与されるトルクを繊維強化樹脂に伝達するのに十分な強度を持った鉄、ステンレス、セラミック、鋳物、樹脂等により、回転軸２に対して対称、側面視で上下対称に形成されている。

以下、羽根車１の内部に、繊維強化樹脂を介して芯材３を接合する工程について説明する。

図３（ａ）に示すように、芯材３を、図示しない冶具等により、中空の円筒状に形成されたボス５内部であってボス５と羽根４の基端部の中心の軸心方向の高さと略同じ高さに配置し、図３（ｂ）に示すように、ボス５の内面と芯材３の表面を、ハンドレイアップ法により樹脂を含浸させたガラスマット等の繊維強化樹脂７で一体に被覆し、図３（ｃ）に示すように、ボス５を反転して裏側も同様に繊維強化樹脂で被覆しボス５と芯材３を一体的に接合する。

芯材３が、上下対称に形成され、羽根車ボスに連接される羽根４の基端部の中心の軸心方向の高さと略同じ高さに配設されているので、回転軸に接続する羽根車の上下の向きを変えた場合でも、トルク伝達面ＴＰ１，ＴＰ２により伝達されるトルクを同じように効率よく羽根４に伝達することができる。

次に、羽根車１と回転軸２の接続について説明する。

図４（ａ）に示すように、繊維強化樹脂によりボス５と一体的に接合された芯材３の開口３１に、キー３０を嵌装した回転軸２を挿通し、図４（ｂ）に示すように、回転軸２の先端に形成されたネジ部８にナット９を締着することで、回転軸２と羽根車１が一体的に回転することとなる。

芯材３の開口３１は、回転軸２を紙面上下方向から挿通可能に形成されているので、回転軸２へ接続する上下の方向を変えることで、図５（ａ）に示すように、羽根車１が発生させる流れを上向きにしたり、図５（ｂ）に示すように、羽根車１が発生させる流れを下向きにしたりすることができる。

上述のように、羽根車１が回転軸２に取り付けられている撹拌機が構成されるのである。

以下、本発明による羽根車の芯材の別実施形態について説明する。

上述の実施形態では、回転軸と芯材をキーにより固定する構成を説明したが、図７に示すように、回転軸２と芯材３０との接触面にテーパー面３１を形成し、例えば、芯材３０に挿通した回転軸２の端部を螺子３２により締め付けるなど、芯材と回転軸との接合がテーパー面接触による摩擦式締結となるように構成してもよい。

トルク伝達面は、芯材に孔部を形成したり、芯材の表面に突起部を形成したり、芯材の外周に凹凸面を形成したり、芯材の表面の仕上げを粗くし、表面に微小な凹凸面を形成したり、またこれらの何れかを組み合わせて構成することができる。

例えば、図６（ａ），（ｂ）に示すように、芯材１１は、中心部に回転軸を挿通可能な開口１２を形成し、開口１２にキー溝１３を形成し、回転軸のまわりに回転対称となるように略台形状の平板１４を複数形成して構成してもよい。

平板１４を構成する面のうち、回転軸の周方向と交差し、回転軸の軸芯方向に幅を持つトルク伝達面ＴＰ３が回転軸まわりに回転対称に形成され、回転軸の周方向の力Ｆ３がトルク伝達面ＴＰ３を介して繊維強化樹脂に伝達されることとなる。回転軸の周方向の力Ｆ３とトルク伝達面ＴＰ３がなす角度γは４５度より大きい鋭角または直角である。

また、図６（ｃ），（ｄ）に示すように、芯材１７は、中心部に回転軸を挿通可能な開口１８を形成し、開口１８にキー溝１９を形成し、回転軸のまわりに回転対称となるように円板状の平板２０の表面に楕円柱状の突起部２１、角柱状の突起部２２を形成して構成してもよい。

突起部２１，２２を構成する面のうち、回転軸の周方向と交差し、回転軸の軸新方向に幅を持つトルク伝達面ＴＰ４，ＴＰ５が回転軸まわりに回転対称に形成され、回転軸の周方向の力Ｆ４，Ｆ５がトルク伝達面ＴＰ４，ＴＰ５を介して繊維強化樹脂に伝達されることとなる。回転軸の周方向の力Ｆ４，Ｆ５とトルク伝達面ＴＰ４，ＴＰ５がなす角度η，ζは夫々４５度より大きい鋭角または直角である。

以上のように、トルク伝達面を、回転軸の周方向と交差する角度が少なくとも４５度より大きな鋭角または直角となるように形成することで、回転軸からのトルクを芯材と接合された繊維強化樹脂を介して羽根車に十分に付与することができる。

上述した実施形態では、羽根４とボス５をハンドレイアップ法で連接する場合について説明したが、スプレーアップ法、射出成型法等により一体形成してもよい。なお、羽根とボスの境界を滑らかな形状に仕上げることで、より異物の絡み難い形状となり、安定した運転が実現できる。また、回転方向に対して、羽根に後退角を設けることで、動力損失を少なくすることができる。

上述した実施形態では、羽根車１を構成する羽根４は２枚である場合を説明したが、羽根４の枚数は２枚に限らず３枚やそれ以上の複数であってもよい。

なお、本発明による撹拌機は、下水処理場の嫌気槽、無酸素槽等の反応槽に用いる場合に限らず、下水処理以外の排水処理等にも用いることができ、槽内に設置さる羽根車の高さも適宜設定すればよい。

以上説明した羽根車の芯材、羽根車及び撹拌機の各部の具体的構成は実施形態の記載に限定されるものではなく、本発明による作用効果を奏する範囲で各部の具体的構成や寸法等は適宜変更設計可能であることはいうまでもない。

（ａ）は本発明による撹拌機の平面図、（ｂ）は撹拌機の側面図 （ａ）は芯材の平面図、（ｂ）は芯材の側面図 （ａ）はボスと芯材の接合についての説明図、（ｂ）はボスと芯材の接合についての説明図、（ｃ）はボスと芯材の接合についての説明図 （ａ）は回転軸と羽根車の接続について説明図、（ｂ）は回転軸と羽根車が接続された説明図 （ａ）は上向きの流れを発生させる羽根車の取り付け方向の説明図、（ｂ）は下向きの流れを発生させる羽根車の取り付け方向の説明図 （ａ）は別実施形態による芯材の平面図、（ｂ）は別実施形態による芯材の側面図、（ｃ）は別実施形態による芯材の平面図、（ｄ）は別実施形態による芯材の側面図、 別実施形態による芯材の説明図 従来の撹拌機の概略図 従来の撹拌機の羽根車の概略図

符号の説明

１：羽根車
２：回転軸
３：芯材
４：羽根
５：ボス
７：繊維強化樹脂
８：ネジ部
９：ナット
１１：芯材
１２：開口
１３：キー溝
１４：平板
１７：芯材
１８：開口
１９：キー溝
２０：平板
２１：突起部
２２：突起部
３０：キー
３１：開口
３２：キー溝
３３：凹部
３４：凸部
３５：孔部
Ｆ１：力
Ｆ２：力
Ｆ３：力
Ｆ４：力
Ｆ５：力
θ：角度
ω：角度
γ：角度
η：角度
ζ：角度
ＴＰ１：トルク伝達面
ＴＰ２：トルク伝達面
ＴＰ３：トルク伝達面
ＴＰ４：トルク伝達面
ＴＰ５：トルク伝達面

Claims (10)

1. 羽根が連節されたボスの内部に、繊維強化樹脂を介して固定され、回転軸からの回転力を前記ボスに伝達する羽根車の芯材であって、
   前記繊維強化樹脂に対する前記芯材の接合部に、前記回転軸の周方向と交差し、前記回転軸の軸心方向に幅をもつトルク伝達面が前記回転軸のまわりに形成され、前記回転軸から付与されるトルクが前記トルク伝達面を介して前記繊維強化樹脂に伝達されるように構成されている羽根車の芯材。
2. 前記トルク伝達面が、前記回転軸の周方向と交差する角度が４５度より大きな鋭角または直角となるように形成されている請求項１記載の羽根車の芯材。
3. 前記トルク伝達面が前記芯材の外周部に形成されている請求項１または２記載の羽根車の芯材。
4. 前記トルク伝達面が前記芯材に形成された孔部の内周面に形成されている請求項１から３の何れかに記載の羽根車の芯材。
5. 前記トルク伝達面が前記芯材の表面に形成された突起部に形成されている請求項１から４の何れかに記載の羽根車の芯材。
6. 前記芯材の外周が凹凸面で構成されている請求項１から５の何れかに記載の羽根車の芯材。
7. 前記芯材が、上下対称に形成され、前記ボスに連接される前記羽根の基端部の中心の軸心方向の高さと略同じ高さに配設されている請求項１から６の何れかに記載の羽根車の芯材。
8. 前記芯材と前記回転軸との接合部がテーパー面接触による摩擦式締結であり、前記芯材の外表面が上下対称に形成されている請求項１から６の何れかに記載の羽根車の芯材。
9. 請求項１から８の何れかに記載された羽根車の芯材を備え、前記羽根と前記ボスが繊維強化樹脂で一体形成されている羽根車。
10. 請求項９に記載の羽根車が、回転軸に取り付けられている撹拌機。

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