JP5342639B2 - 遠心ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ポンプ室内で羽根車を回転させ気体や液体等の流体を吸込み吐出する遠心ポンプに関する。

従来、水や油並びにエアー等の流体を吸込みポンプ室内で加圧して吐出するほか、液体中に吸込口側から供給される空気等を混合して吐出する加圧遠心ポンプは、特許文献１で示されるように既に公知である。
この加圧遠心ポンプは、吸込口と吐出口を有するポンプ室内で、羽根板の側面に羽根を放射状に突設した羽根車に、吸込口側から吐出口側に向けて近接するように傾斜させた加圧面（溝面）と、羽根の側面に近接して羽根室内の流体の漏出を防止する加圧仕切り壁（仕切壁）とを有する流路部（流路溝）を対向させている。これにより流体を羽根車と流路溝によって収束状に形成されるポンプ室内で加圧し吐出口から吐出する。そして、吸込口側に空気等をポンプ室内に供給する気体供給装置（混合供給部）を設置している。

特開２００５−２９０９９９号公報

上記特許文献１で示される加圧遠心ポンプによれば、吐出口に向けて断面積を徐々に小さくしたポンプ室内で、流体は流路溝と各羽根室との間で羽根方向渦流となり吐出口側に運ばれる間に羽根の作用を何度も受ける。これにより流体は、在来の遠心ポンプや再生ポンプに比べ大きく昇圧される。また空気のように圧縮可能な流体（圧縮流体）を送る場合には、多段ポンプのように高い圧力で吐出させることができる。

然し、水や粘度の高い流体（非圧縮流体）を送る場合に、上記加圧遠心ポンプでは、吐出口及び吐出管部分においてキャビテーションや騒音の発生、並びにケース部の部分昇温が認められた。このことはポンプ室を吐出口側に向けて先細り状に狭めているため、前記羽根方向渦流が吐出口に至る収束流路によって、渦の形状が崩れたり渦が急速に小さくなることから、渦流運動が縮小するため圧力低下を生ずること、及びポンプの運転負荷も大きくなるものである。

さらに、回転する羽根の先端に対向する吐出口は、ポンプケースの周方向に羽根幅と同じ横幅によって長方形で開口し吐出管を接続している。このため、長方形の断面形状及びそのコーナ部が抵抗になり、流体自身が有する渦を弱め流圧を低下させる。
また吐出管の形状は、吐出口から流出方向に向けて大きく屈曲させているため、管路抵抗の差異によって流体中に速度差を生じ運動エネルギが損失すると共に、例えば水に空気を混合する場合に、気泡が屈曲部の内壁側に偏って流出する欠点がある。
従って、水等の液体に対し吸込口側から空気を混入したとき、吐出口近傍において乱流によって生ずる騒音の発生が著しく、またポンプ室中で均一的に混合された空気が吐出管の屈曲部で分離した状態で流出される等の課題がある。

本発明による遠心ポンプは係る課題を解決するために、第１に、複数の羽根２１を羽根板２３の側面に回転中心から放射状に突設した羽根車５を、羽根車室１８内に回転自在に軸支した羽根車ケース４ａと、羽根車５の羽根２１に対向する仕切壁２７と流路溝６を形成した流路ケース４ｂとを対設することにより、流路溝６と羽根車５と羽根車ケース４ａとの間に流体を流通回転させるポンプ室９を形成し、上記仕切壁２７の両側に、流体をポンプ室９内に供給する吸込口２と、ポンプ室９内の流体を流出させる吐出口３とを設けた遠心ポンプ１において、前記流路溝６を、吸込口２側から吐出口３側に至る溝面３６の深さが、徐々に深くなるように形成するか、或いは略一定の深さで形成し、前記吐出口３の内径を、流路溝６の流路溝吐出口６ａの深さと羽根２１の断面高さとを合わせたポンプ室吐出幅Ｌと等しくするか、或いは該ポンプ室吐出幅Ｌよりも大きくすることにより、該吐出口３を上記ポンプ室吐出幅Ｌの全てを含む内径に形成し、前記流路溝６を円弧状方向に形成し、前記吐出口３を上記流路溝６の接線方向に形成したことを特徴とすることを特徴としている。

第２に、前記流路溝６における吸込口２側から吐出口３側に至る範囲の溝面３６の断面形状を、円弧状に湾曲した形状に成形したことを特徴としている。

第３に、羽根車５を、羽根２１の先端を羽根板２３の外周から突出させて形成することを特徴としている。

第４に、前記流路溝６の溝面３６の溝谷部に平坦面を形成し、該溝面３６を、上記平坦面の幅が流路溝６の下流側に向かって次第に狭くなるように形成したことを特徴としている。

第５に、吸込口２には、ポンプ室９の流体の流通方向に沿わせて流体を供給する吸込流路２ａを形成し、該吸込口流路２ａは、羽根車５の回転方向に向かって鋭角に前傾する吸込角αを有し、該吸込口流路２ａからの流体の供給方向が、羽根車５の羽根車軸８の軸方向視で、前記吐出口３からの流体の吐出方向に対して交差するように、該吸込口流路２ａを、該羽根車軸８の軸方向視で流路溝６の接線方向に形成したことを特徴としている。

上記構成によれば、吐出口を流路溝の流路溝吐出口の深さと羽根の幅とを合わせたポンプ室吐出幅と略等しい大きさに形成したことにより、吐出口はポンプ室終端で流路溝の流路溝吐出口と羽根に跨って開口されるため、ポンプ室の流路溝側と羽根室側から流出される流体を、そのまま吐出口から吐出管に向けて直接的に吐出することができるので、流体吐出時の抵抗を少なくした状態で流体を吐出管側に向けてスムーズに流出させることができる。また吐出抵抗を抑制し水の吐出を速やかに行うことができるため、吸込口から多量の水をスムーズに吸込むことが容易になり、ポンプ室内の水の流通を促進しポンプ効率を向上させることができる。

また、流路溝を、吸込口２側から吐出口側に至る溝面の深さを、徐々に深くなるように形成するか、或いは略一定の深さで形成するものによれば、ポンプ室の吐出口側の断面を従来のもののように狭くさせないため、羽根車によって吸込まれて加速される流体に、溝面による大きな絞り抵抗を生じさせることなく、吐出口側への流通をスムーズに行わせることができる。また吸込口側から吐出口側に至る溝面を徐々に深くなるように形成した流路溝は、吐出口側に至るに従いポンプ室の断面を大きくするので、絞り抵抗を減少させ且つ羽根車の遠心力により加速されていく流体の回転渦流の生成を効率よく増大させることができる。

また、流路溝における吸込口側から吐出口側に至る間を円弧状に湾曲させた断面よりなる溝面によって形成するものによれば、羽根室から遠心方向に流出する流体を、円弧状に湾曲させた溝面によってコーナ渦を生じさせることなく滑らかに回転移動させ、流路溝内に羽根方向渦流を形成して羽根車のトルクを流体にスムーズに伝えることができる。またポンプ室の横断面形状を、全体として円形状又は楕円形状に形成することができるので、羽根車で加速される回転渦流れを増幅させながら吐出させることができる。従って、キャビテーションや騒音等を抑制することができる。

さらに、羽根の先端が羽根板の外周から突出するように羽根車を形成したものによれば、羽根板を大径にすることなく羽根を長くすることができ、羽根車の軽量化を図ることができる。また長く突出させる羽根は、水を遠心方向に強く押し出すとともに羽根外周側でも回転方向への強力な押し出しを行うことができ、羽根先端を所望の形状に容易に加工することができる利点がある。

なお、ポンプ室の外側内面の断面形状を、流路溝と羽根先端の形状に沿う羽根車室の羽根対向面とにより、半円状の湾曲面に形成するものによれば、円形又は楕円形をなす湾曲面に形成することにより、ポンプ室の断面形状を円形又は楕円形状にすることができるので、流体をポンプ室内でコーナ渦の発生を抑制しながら、羽根による遠心方向の回転渦流の生成をスムーズにさせることができる。

また、羽根車における隣接する羽根間の溝内面である羽根板面を、円弧状に湾曲させて形成するものによれば、羽根板面を湾曲面からなる流路溝に連ならせてポンプ室の断面形状を円形又は楕円形状にするので、流体をポンプ室内でコーナ渦の発生を防止しながら遠心方向の流出をスムーズにさせることができる。

また、吸込口に、羽根車に対し流体の流通方向に沿わせて流体を供給するように羽根車の回転方向に向かって鋭角に前傾する吸込角を有する吸込口流路を形成するものによれば、流体をポンプ室内に流通方向に沿うようにスムーズに供給することができる。また吸込口流路に接続する吸込接続管を、吸込角による配管角度によって流路ケース側に沿わせて設けることができるので、ポンプのコンパクト化を図ることができる。

本発明に関わる遠心ポンプの正面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 遠心ポンプの分解斜視図である。 ポンプ室の構成を展開して示す展開断面図である。 流路ケースの構造を示す正面図である。 図５のＡ−Ａ線断面図である。 図５のＢ−Ｂ線断面図である。 図５のＣ−Ｃ線断面図である。 図５のＤ−Ｄ線断面図である。 図５のＥ−Ｅ線断面図である。 羽根車の正面図である。 羽根車の側面図である。 図１１のＡ−Ａ線断面図である。 羽根車の作用を示す斜視図である。 別実施形態に関わる流路溝を備えた遠心ポンプの断面図である。 別実施形態に関わる流路溝を備えた流路ケースの構造を示す正面図である。 図１６のＡ−Ａ線断面図である。 図１６のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明を適用した遠心ポンプ１と、従来公知の遠心ポンプとを性能比較する実験の際に用いる実験装置の説明図である。 第１ポンプの実験結果を示すものであって、流体圧力に対する吐出量の一覧表である。 第２ポンプの実験結果を示すものであって、流体圧力に対する吐出量の一覧表である。 第３ポンプの実験結果を示すものであって、流体圧力に対する吐出量の一覧表である。 加圧遠心ポンプの実験結果を示すものであって、流体圧力に対する吐出量の一覧表である。 第１〜３のポンプ及び加圧遠心ポンプのそれぞれに関する流体圧力−吐出量の特性グラフである。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１，図２において符号１は遠心型のポンプであり、このポンプ（遠心ポンプ）１は、吸込口２と吐出口３を有するドラム型のケース４を、羽根車５を回転自在に軸支する羽根車ケース４ａと、羽根車５に対向する流路溝６を形成した流路ケース（ポンプカバー）４ｂとを対設して構成される。また必要により上記吸込口２側には、ケース４内に空気やガス等の気体又は粘性状流体或いは粉体等の混合物を混合供給する混合供給部７が設置される。

上記ポンプ１は、羽根車ケース４aに軸支される羽根車軸８の軸側を、原動機側から駆動して羽根車５を図１，図４，図１４の矢印方向に回転させることができる。これにより吸込口２から水，油等の流体を吸込むと共に、混合供給部７から供給される混合物を、ケース４内に形成されるポンプ室９に同時に吸い込むことができる。これによりポンプ１は、吸込口２から供給される流体中に混合物を均一に攪拌混合しながら、吐出口３から混合流体として吐出することができる。

図示例のケース４は、吐出口３が形成される羽根車ケース４ａと吸込口２が形成される流路ケース４ｂとを、両者の接合部或いは対向部にリング状のシール部材１１を設けて、外周の複数箇所をボルト等の固定具１２で締着することにより、吸込口２と吐出口３に通ずる気密構造のポンプ室９を形成している。
以下各部の詳細な構成及び作用について説明する。尚、この実施形態で使用する流体は水とし、混入する流体はエアーとして説明する。

羽根車ケース４ａは、円筒状の内部に円形の皿状面で形成される側壁１４の外周に、羽根車５と流路ケース４ｂの流路本体部１６を内嵌する巾の周壁１７を一体的に設け、図２，図３で示す形状の羽根車室１８を形成している。
上記周壁１７は、羽根車５と流路本体部１６とに対向する位置にポンプ室９の終端（下流側）に通ずる吐出口３を設けている。この吐出口３には、流体の吐出方向に向けて吐出管３ａを設けており、該吐出管３ａには流体の流出を誘導する流体誘導パイプ３ｂが接続される。

また羽根車ケース４ａは、羽根車軸８を回転可能に軸支する支持部１９を、側壁１４の他側に一体的に形成している。そして、支持部１９に軸支される羽根車軸８は、羽根車室１８内に突出する軸端に、複数の羽根２１を有する羽根車５をナット等の取付手段２２によって着脱自在に取付けている。
これにより羽根車５は、羽根２１をポンプ室９側に向けてフランジ状に突設する円盤状の羽根板２３を側壁１４に接近させ、且つ周壁１７に対し羽根２１と羽根板２３の外周を小隙を有して軸支される。

羽根車５は図３，図４，図１１〜図１４で示すように、円盤状の羽根板２３に形成する複数の羽根２１を、羽根板２３の中心部で羽根車軸８を挿入する円筒状のボス部２４の外周に所定間隔を有して放射状に突出している。これにより隣接する羽根２１と羽根板２３及びボス部２４とで形成される谷状空間部を、流体を収容する羽根室２６にしている。また羽根車５は、各羽根２１とボス部２４の側端を同一平面に形成しており、羽根車ケース４ａに装着した際に、ボス部２４の端面を流路ケース４ｂの中心部から半径方向に形成される仕切壁２７及びその仕切壁基部２７ａの側面に平面接触させている。

さらに、羽根２１は羽根先端２１ｅを羽根板２３の外周から突出する長さにしており、羽根先端２１ｅの形状を羽根板２３側から側端に向けて順次径大となるように半円弧状に形成している。また各羽根２１は、半径方向に沿う羽根面２１ａを全体として羽根回転方向上手側（流体の流通方向上流側）に向けた後退角を有して傾斜させ、且つ羽根面２１ａの中途部からさらに大きな後退角を有して傾斜させている。
上記のように、羽根２１の先端部を羽根板２３の外周から突出させる羽根車５は、羽根２１を長くしながら羽根板２３を小径にすることができ、羽根車５の軽量化を図ることができる。また長く突出させる羽根２１は、水を遠心方向に強く押し出すことができると共に、羽根先端２１ｅを所望の形状に加工することができる等の特徴がある。

また隣接する羽根２１は図４で示すように、各羽根面を滑らかな円弧面で連ならせた断面形状にすることにより羽根室２６を形成している。即ち、羽根室２６は、羽根車５の回転方向上手側（以下単に上手側と言う）の羽根２１の羽根面２１ａと、隣接する下手側の羽根２１の羽根裏面２１ｂと、両者間で羽根板２３側に形成される羽根板面２１ｃとを滑らかな湾曲面で連ならせている。また羽根２１の外側端面（板厚端）２１ｄは羽根面２１ａの凹面部から掬い角θを有して先行させている。そして、羽根２１の肉厚は、基端部側を厚くし先端部側に至るほど薄くし、羽根耐久性を保持しながら羽根室２６の容積を大きくしている。

これにより羽根車５は回転に伴い、各羽根２１がその羽根形状により吸込口２から流体を掻き込んで羽根室２６内に収容保持し、後退傾斜させた羽根形状によって羽根室２６内の流体に遠心力を加えながら吐出口３に至らせる。次いで、流体を羽根板２３の外周に突出する羽根面２１ａの羽根先端２１ｅから、遠心方向へあたかもキックをして押し出すようにして吐出口３から吐出させる。

また図４で示すように羽根車５は、羽根室２６を滑らかな半円形状にしているため、流体を各羽根面形状に沿って羽根室２６の矢印周方向に移動させながら、羽根室２６内で周方向渦流Ａを形成する。さらに、上記構成からなる羽根室２６は、その半径方向に沿って形成される羽根方向渦流Ｂの流通移動をスムーズにする。これによりポンプ室９内で後述するような竜巻状に旋回しながら移動する螺旋状渦流Ｃを、抵抗の少ない状態で生成させることができる。

尚、以上のように構成される羽根車５は、例えば羽根２１の外周直径を１２５ｍｍ程度、ボス部２４の直径を５５ｍｍ程度とし、羽根先端の板厚を３ｍｍ程度にして、羽根板２３に１２枚の羽根２１を等間隔に突設した場合に、相隣る羽根２１の基部間隔を略１０ｍｍ程度にする。隣接する羽根２１，２１間の溝深さは羽根車５の中心側で１３ｍｍ、外周側で１９ｍｍ程度に設定されている。
また羽根室２６は図１３に点線Ｘで示すように、羽根板面２１ｃを羽根板２３に湾曲させて入り込ませて形成することもでき、この場合には、羽根室２６の流体収容量をより増大させることができる。

次に流路ケース４ｂについて図３，図５〜図１０を参照し説明する。この流路ケース４ｂは、前記流路本体部１６の外周に鍔状のケース蓋部３１を一体的に突出形成している。 これにより流路ケース４ｂは、流路本体部１６を羽根車ケース４ａの開口部に嵌挿し、ケース蓋部３１を周壁１７に固定することにより、ケース４を構成し内部にポンプ室９を形成する。上記流路ケース４ｂは、流路本体部１６の内壁側に形成される流路溝６の上流側に吸込口２を設け、該吸込口２の吸込口流路２ａを仕切壁２７の下部側を通して外部と連通するように形成している。吸込口流路２ａはその口端部に吸込接続管２ｂを着脱可能に固設している。吸込接続管２ｂは水源等に通ずる吸込管３２を着脱可能に接続することができる。尚、吸込接続管２ｂは流路ケース４ｂに対し、吸込口流路２ａから一体的に形成してもよい。

上記吸込口流路２ａは図１，図４で示すように、ポンプ室９内で回転する羽根車５に対し、周面視で鋭角状に交差する吸込角αを有して形成している。これにより吸込口２は、吸込口流路２ａを介し吸込接続管２ｂから送られる流体を、羽根車５に直交状に衝突する直交流体を低減させて、ポンプ室９内の流体流通方向に沿わせスムーズに供給することができる。従って、羽根車５に対し吸込口流路２ａを図４に点線で示すように直交状に設けた従来型のポンプに比較し、ポンプ室９内への流体の吸込み抵抗が少なく動力損失を低減するので、吸込効率を向上させることができる。

また吸込接続管２ｂは、上記吸込角αの配管角度を有して吸込口流路２ａに接続し、流路ケース４ｂに沿わせることができるため、ポンプ１をコンパクトな設置構造にすることができる。また吸込管３２をポンプ１と直交させることなく配管することができるので、ポンプ設置時の取扱い性及び利便性を向上させることができる等の特徴がある。
また混合供給部７は、吸込接続管２ｂの中途部の上部又は下部に設けることが望ましく、この場合には混合供給部７をポンプ１に近接させて設置することができる。

次に、ポンプ室９及び流路ケース４ｂに形成される流路溝６について説明する。先ず、羽根車ケース４ａと流路ケース４ｂとを接合したケース４は、ポンプ室９を流路溝６と羽根車５と羽根車ケース４ａの周壁１７とによって形成している。ポンプ室９には、その上流側と下流側とを仕切る仕切壁２７の両側に吸込口２と吐出口３とが配設される。
仕切壁２７は図３〜図５に示すように、流路本体部１６の厚さを有し複数の羽根２１の外側端面２１ｄに跨って近接する平坦面を中心側に有し、前記羽根車５のボス部２４に対向して円形状に形成される仕切壁基部２７ａから外周に向かって形成される。

流路溝６は流路ケース４ｂに対し図５で示すように、吸込口２の直径と同等の溝幅として羽根車５の羽根２１に対向させ、所定の溝深さを有して吐出口３と連なるようにケースと同芯の円弧状方向に凹設されている。流路溝６の外周には、仕切壁２７と同高さの溝外壁３３が形成される。
また流路溝６は吐出口３に通ずる流路溝吐出口６ａを、仕切壁２７の一側で仕切壁基部２７ａの接線方向に直線的に形成される溝吐出壁３４と、前記溝外壁３３終端との間に半円状の断面をなすように形成してる。

吐出口３は、羽根車ケース４ａの周壁１７に円形孔として開口しており、その直径（横幅）を上記流路溝吐出口６ａの深さと羽根２１の高さとを合わせたポンプ室吐出幅（横幅）Ｌと等しいか又はやや大きくするように内径を形成している。即ち、ポンプ室９終端において吐出口３は、流路溝吐出口６ａと羽根２１とに跨って開口されている。これによりポンプ１は、ポンプ室９の流路溝６側と羽根室２６側から流出される流体に、吐出口３側で絞り抵抗を生じさせることのない状態で、そのまま吐出口３から吐出管３ａに向けて直接的に吐出させることができる。また吐出口３は、流路溝６の接線方向延長上で溝面３６の形状に沿って形成していることにより、ポンプ室９内に生成される前記螺旋状渦流Ｃを維持させながらスムーズに送り出すことができる。

次に、流路ケース４ｂに形成する流路溝６の第１実施形態について、図４，図５〜図１０を参照し説明する。羽根車５に対向して仕切壁２７を介し吸込口２と吐出口３とをリング状に繋ぐ流路溝６は、仕切壁２７，２７ａと溝外壁３３との間で、円弧状に凹設される溝面３６により形成される。そして、溝面３６の溝底部の深さ（溝深さ）を、吸込口２側から吐出口３側に至るほど順次深くなるように形成するか、或いは吸込口２側から吐出口３側に至る全範囲で略一定になるように形成（図示する例では、吸込口２側から吐出口３側に至るほど順次深くなるように形成）している。
これによりポンプ１は、ポンプ室９の横幅を吸込口２側を最小幅にしながら徐々に広くし、吐出口３側が最大横幅（ポンプ室吐出幅Ｌ）となるように構成している。

即ち、図６で示すように、吸込口２側で浅い流路溝６を形成する溝面３６は、前記吸込口流路２ａの流路面と滑らかな曲面により接続している。この溝面３６は図７で示すように、溝谷部が平坦面状に形成されて両側に円弧面を連続させて、仕切壁基部２７ａと溝外壁３３との間に形成している。そして、図８〜図１０で示すように流路溝６は、下流側に至るに従い上記平坦面の幅を狭くしながら溝深さを徐々に深くしている。さらに図６〜図８に示すように、流路溝６は下流側に至るに従い、徐々に半円弧状となるように湾曲させて溝深さを深くしており、図８で示す流路溝吐出口６ａにおいて最大深さとなるようにしている。

次に、以上のように構成されるポンプ１の運転態様並びに作用について説明する。先ず、水源と吸込管３２によって接続されるポンプ１は、羽根車５の回転により吸込角αを有する吸込口流路２ａを介して吸込口２から、各羽根２１が水を羽根室２６内に掻き込むように吸い込み、羽根室２６に水を収容した状態で持ち回りポンプ室９内に充満させる。次いで、新たな水が連続的に供給されることにより、ポンプ室９内で圧力を高められた水は、流路溝吐出口６ａ及び吐出口３を介して吐出され、吐出管３ａ及び流体誘導パイプ３ｂを介して適所に流出される。

この運転初期においてポンプ１は、ポンプ室９内の空気を各羽根２１の遠心力によって排出するので、呼び水を必要とすることなく通常運転を速やかに行うことができる。
そして、ポンプ１は、ポンプ室９の終端に開口される吐出口３を、前記ポンプ室吐出幅Ｌと略等しい大きさ（内径）とし、且つ吸込口２側から吐出口３側に至る流路溝６の溝面３６が徐々に深くなるように形成したポンプ室９を構成しているため、以下のような作用と特徴を有する運転を行うことができる。

即ち、ポンプ室９は流路溝６の形状によって断面積を、吐出口３側に至るほど大きくしているので、水の収容量を増大させ水の移動を自由にして吐出口３側に至らせる。つまり、従来の加圧遠心ポンプのように、流路溝６によってポンプ室９を収束させないので、吐出口３側で流体に大きな絞り抵抗を生じさせることがない。
さらに、ポンプ室９の終端においてポンプ室吐出口幅Ｌを有する吐出口３は、流路溝６の 流路溝吐出口６ａと羽根２１に跨って開口しているため、ポンプ室９の流路溝６内と羽根室２６内にある水を、そのまま吐出管３ａに向けて直接的に吐出する。

これによれば、ポンプ１は羽根車５によって連続的に供給される水を、ポンプ室９内で絞り抵抗を加えることなく昇圧することができ、且つ昇圧した水を吐出口３で大きな抵抗を生じさせることなく吐出する。また吐出抵抗を低減したポンプ１は、水の吐出を速やかに行うことができるため、吸込口２から水をスムーズに吸込むことができ、ポンプ室９内の水の流通を促進しポンプ能率を上げることができる。
また吸込管３２を接続する吸込口流路２ａを、羽根車５に対し鋭角状の吸込角αを有して設けたポンプ１は、ポンプ室９内への水の吸込み抵抗を低減することができ、吸込効率を向上させる。従って、ポンプ１の駆動負荷を低減し羽根車５の高速回転化を容易にすることができ、作業能率の高いポンプ運転を行うことができる等の特徴がある。

さらに、上記ポンプ１は、羽根車５の羽根先端２１ｅを羽根板２３の外周側から外側端面２１ｄの先端に向けて円弧状に形成し、且つ同じ円弧面で形成される羽根車室１８の羽根対向面１８ａに近接させている。そして、羽根対向面１８ａは流路ケース４ｂの流路溝６と接続し、且つ該流路溝６は羽根室２６の下部と接続させることにより、ポンプ室９の断面形状を円形又は楕円形状にしている。

また上記断面形状を有し仕切壁２７で区画されるポンプ室９は図２，図４で示すように、その一側（左側）に羽根車５を備えて水を強制回転させる羽根流路と、他側（右側）に円弧状に湾曲させた溝面３６からなる流路溝６の断面形状による広い溝流路を形成している。このため、ポンプ１はポンプ室９内において、吸込んだ水をコーナ渦を生じさせることなく滑らかに回転移動させ、流路溝６内に羽根方向渦流Ｂを形成して羽根車のトルクを流体にスムーズに伝えるので、効率よく昇圧しスムーズな吐出を行いポンプ性能を向上させることができる。

即ち、ポンプ室９の羽根流路側において充満する水は、羽根車５の高速回転（３５００〜３６００ｒｐｍ）により羽根室２６内に渦流Ａを生じながら、羽根２１の形状及び遠心力によって半径方向に蹴り出されるように移動し強い羽根方向渦流Ｂを発生させる。
この羽根方向渦流Ｂは図４，図１４で示すように、ポンプ室９内で主として羽根先端２１ｅから流出する水が、羽根車室１８の周壁に沿って流路溝６側に移動し、流路溝６の半径方向に沿って流動し再び羽根室２６内に至り循環する作用によって形成される。

このとき羽根方向渦流Ｂは、羽根室２６と流路溝６との間で渦を描きながら流通方向に移動する間に、新たな水が供給され何度も羽根２１作用を受けるので、羽根車５によるトルクが供給されて角運動量を増大し、大きく昇圧されて吐出口３に至る。そして、吐出口３側では、羽根先端２１ｅが臨む側から羽根２１によって水の吐出が強制的に速やかに行われる。またこれにより各羽根室２６に生ずる羽根方向渦流Ｂは、流路溝６内の回転渦流を誘導して合流させながら、図１４で示すような竜巻状に旋回する強い螺旋渦運動エネルギを有する螺旋状渦流Ｃを形成する。

即ち、上記螺旋状渦流Ｃは、水の吸込み初期では小さく下流側に至るほど、羽根車の遠心力により加速される水の回転渦流の生成が増大されて仕切壁２７の直前で最大になるため、吐出口３に至る水は螺旋渦運動が加速されて大きく強い渦流になる。そして、螺旋状渦流Ｃは吐出口３に臨むとき、羽根２１によってさらに旋回力が付加されながら流路溝６の接線方向に向けて流出される。
これにより、吐出口３から吐出される水は、吐出管３ａに送り込まれても強い螺旋状渦流Ｃを維持するので、その回転渦流れ運動（螺旋渦運動）によるエネルギが流体誘導パイプ３ｂ内で水の流出を促進するエネルギに変換される。従って、このポンプ１は、水等の流体を効率よく吸込んで吐出することができ、キャビテーションや騒音等を低減することができる等の特徴がある。

また上記ポンプ１に混合供給部７を設置した場合には、混合供給部７から吸込管路２ａの水中に大きな空気気泡となって入り込み、吸込口２から羽根車５によって掻き込まれる。そして、空気気泡は羽根車５の回転に伴い各羽根室２６の羽根方向渦流Ｂ中に分散しながら、流通方向に移動する間に羽根２１で掻き回される。これにより空気は微細な気泡となって水中に均一に混合され、空気混合水となって螺旋状渦流Ｃを形成しながら吐出口３に至る。

このとき、吸込口２側から吐出口３側に至る溝面３６を徐々に深くなるように形成した流路溝６を有するポンプ１は、ポンプ室９の断面を流路溝６によって流通方向に順次拡大しているため、空気混合水の流通を促進すると共に溝面３６に対する気泡付着及び付着気泡の堆積を生じない等の特徴がある。
また吐出管３ａは流路溝６の接線方向に沿ったストレート管にしているので、従来の吐出管３ａを屈曲させたもののように、屈曲壁面への気泡付着を抑制した空気混合水の排出をすることができる。従って、ポンプ１による空気混合流出性能を向上させることができる。

次に、図１５〜図１８を参照し第２実施形態の流路溝６を備えるポンプ１について説明する。尚、前記実施形態のものと同様な構成及び作用については説明を省略する。このポンプ１の流路ケース４ｂは前記したものと同様の構成において、図１５〜図１８及び図４に点線Ｄで示すように流路溝６を形成している。即ち、流路溝６は流路ケース４ｂに対し、吸込口２側から吐出口３側に至る溝面３６を略一定の溝深さにしていると共に、同一半径による円弧面によって形成している。これによりポンプ１は、羽根車５と羽根車室１８と流路溝６からなるポンプ室９を、図１５で示すように円形状の断面にしている。

即ち、このポンプ１も従来のもののようにポンプ室９を収束させることなく、溝面３６が水に絞り抵抗を生じさせないので、水を円形状面に沿わせ滑らかに回転移動させることができる。従って、流路溝６内でコーナ渦の発生を防止しながら羽根方向渦流Ｂを形成し、羽根車５のトルクを水にスムーズに伝え螺旋状渦流Ｃの生成も助長することができる。 さらに、流路溝６の深さをより大きくすることにより、吸込口２側のポンプ室９の断面を大きくし、水の吸込みをより行い易くすることができる。
また流路溝６は一定深さの半円形状の断面によって形成するため、溝成形を切削加工等によっても容易に行うことができる等の特徴がある。

尚、上記構成からなるポンプ１は、流通方向の溝面３６の傾斜角度並びに断面の形状を変化させると、流量や吐出圧を調節することができるものであり、その変化量は流体の性状や目的とされる吐出態様の条件及び混合される混合物の特性等によって選択される。従って、例えば軽油及び水からなる混合液体（流体）に空気を混ぜ合わせたエマルジョン燃料を製造する場合に、混合液体に対し空気を短時間で均質に混合することができるので、省エネ型のエマルジョン燃料を容易に得ることができる。

また図示するポンプ１とは別に本発明は、従来のもと同様に溝面３６を吸込口２側を深くしながら吐出口３側を浅くするように傾斜させた場合でも、吐出口３を羽根室２６と流路溝６に跨るポンプ室吐出幅Ｌにすることにより使用することができる。この場合には、例えば、ヨーグルトや食用油等の粘性を有する主流体にブルーベリや野菜等の副資材を混合する際に好適化することができる。

この場合には、収束するポンプ室９での乱流を利用して両者の均一な混合をより促進させながら、混合流体の吐出は吐出抵抗を低減させながらスムーズに能率よく行わせることができる。従って、ジュースやドレッシング等の食品類や他の混合流体の製造を容易にすることができる。尚、ポンプ１は羽根車５の好適回転数を各用途や使用条件により任意に調整することができる。

次に、図１９乃至図２４に基づき、本発明を適用した遠心ポンプ１と、従来公知の遠心ポンプとについて行った性能比較実験について説明する。
まず、遠心ポンプＰとしては、ケース４及び羽根車５をアルミ製とした本発明の遠心ポンプ（第１ポンプ）１と、ケース４をアルミ製とし且つ羽根車５を鉄製とした本発明の遠心ポンプ（第２ポンプ）１と、ケース４をアルミ製とし且つ羽根車５をステンレス製とした本発明の遠心ポンプ（第３ポンプ）１と、特開２００５−２９０９９９号公報に示す従来公知の遠心ポンプ（加圧遠心ポンプ）とを用いる。

また、第１〜３のポンプ１は、流路溝６（溝面３６）の深さが、吸込口２から吐出口３に至る全範囲で略一定に形成され、第１〜３のポンプ１に設けられた羽根２１の外周直径は１２５ｍｍに設定され、且つ各羽根２１とポンプカバー４ｂとのクリアランスは０．２ｍｍに設定される。この他、第１ポンプ１及び第２ポンプ１は、羽根２１を１１枚設け、第３ポンプ１は、羽根２１を１２枚設けている。

さらに、第１〜３のポンプ１の吸込口２及び吐出口３の直径は何れも４０ｍｍに設定される。

一方、加圧遠心ポンプには、第１〜３のポンプ１に設けたものと略同一構成の吸込管３２及び流体誘導パイプ３ｂが備付けられている。また、羽根の外周直径は、第１〜３のポンプ１と同様に１２５ｍｍに設定されている。また、各羽根とポンプカバーとのクリアランスは、本発明を適用したものと同様に０．２ｍｍに設定される他、羽根も同様に１１枚設けられている。

なお、上記４つの各遠心ポンプＰの駆動用の電動モータは、出力が５．５ｋｗに設定され、６０Ｈｚの交流電源を用い、羽根の回転数が３６００ｒｍｐに設定される。

図１９は、本発明を適用した遠心ポンプ１と、従来公知の遠心ポンプとを性能比較する実験の際に用いる実験装置の説明図である。同図に示す実験装置５１の構成を説明すると、上記４種類の各遠心ポンプＰにおける吸込管３２が水平方向に一直線状に延設されるとともに、流体誘導パイプ３ｂが真上側に一直線状に突出している。

上記吸込管３２の始端部には、フランジ状の継手３２ａ，５２ａを介して、吸込管３２と一直線状をなす接続管５２の終端部が接続されており、この接続管５２を介して、流体である水が遠心ポンプＰに導入される他、この接続管５２の中途部には、コック付の開閉バルブ５３が配設されている。この開閉バルブ５３によって、流体供給の有無及び開度（具体的には、流体の圧力）が調整される。

上記流体誘導パイプ３ｂの終端側である上端側には、Ｌ字状の接続管５４を介して、水平方向に延びる排出管５６の始端部が接続されており、この排出管５６の中途部には、コック付の開閉バルブ５７が配設され、この開閉バルブ５７によって、流体排出の有無及び開度（具体的には、流体の圧力）が調整される。この他、この排出管５６における開閉バルブ５７の上流側には、所定値を測定する測定装置であるＰゲージ５８が設置されている。

今回の実験では、流体吸込側に配置された吸込管３２及び接続管５２の直径を４０ｍｍに設定するとともに、流体吐出側に配置された流体誘導パイプ３ｂ及び排出管５６の直径を５０ｍｍに設定しており、吸込管３２及び接続管５２が流体誘導パイプ３ｂ及び排出管５６の径よりも小さくなるように設定されている。

同図に示す例では、遠心ポンプＰの下端から中心までの高さｈ１が２７０ｍｍに設定され、吸込管３２と接続管５２との接続部分から遠心ポンプＰの中心までの長さＬ１が２００ｍｍに設定され、流体誘導パイプ３ｂの始端（下端）から排出管５６の軸心までの長さＬ２は２００ｍｍに設定される。

また、排出管５６の軸心からの流体誘導パイプ３ｂの上方突出高さｈ２は５５ｍｍに設定され、流体誘導パイプ３ｂの軸心から開閉バルブ７までの長さＬ３は３１５ｍｍに設定され、排出管５６の軸心からのＰゲージ５８の中心までの高さｈ３は１３０ｍｍに設定され、遠心ポンプＰの下端に対する排出管５６の軸心まで相対高さｈ４は５８５ｍｍに設定される。

以上のように構成される実験装置５１を用いて、４つの各遠心ポンプＰについて、流体の圧力（具体的には、吐出側の流圧）を変化させ、吐出される流体の量（吐出量）をその圧力ごとに測定し、各測定の際に安定的に得られた１分当りの吐出量の値を、その圧力値での吐出量の測定値として記録した。その際の測定値の一覧を図２０〜図２３に示し、これらをグラフ化したものを図２４に示す。

図２０は、第１ポンプの実験結果を示すものであって、流体圧力に対する吐出量の一覧表であり、図２１は、第２ポンプの実験結果を示すものであって、流体圧力に対する吐出量の一覧表であり、図２２は、第３ポンプの実験結果を示すものであって、流体圧力に対する吐出量の一覧表であり、図２３は、加圧遠心ポンプの実験結果を示すものであって、流体圧力に対する吐出量の一覧表であり、図２４は、第１〜３のポンプ及び加圧遠心ポンプのそれぞれに関する流体圧力−吐出量の特性グラフである。

図２４に示す通り、４つの遠心ポンプは、共に吐出量の増加に伴って流体の圧力（同図では全揚程［ｍ］）が単調減少し、吐出量が所定値に達すると、圧力が０になるが、本発明の第１〜３ポンプ１は、従来公知の加圧遠心ポンプに比べて、吐出量の増加に伴う流体の圧力減少割合が低く、さらに流体の圧力が０になる際の吐出量の値も、第１〜３ポンプの方が、加圧遠心ポンプよりも２倍程度大きな値になっており、第１〜３ポンプ１の性能が、加圧遠心ポンプよりも高いことを示す実験結果になった。

しかも、第１〜第３ポンプ１は、羽根車５の材質に関係無く、加圧遠心ポンプに対して、優位な結果になっており、羽根車５の材質に殆ど影響されないことも実証された。

なお、本発明の遠心ポンプ１として、流路溝６（溝面３６）の深さが、吸込口２から吐出口３に向かって徐々に深くなるものを用いて同一の実験を行った場合でも、吐出口３等の機能は略同一であるため、図２０〜２４に示す結果と同様の結果が得られるものと思われる。

１ ポンプ（遠心ポンプ）
２ 吸込口
２ａ 吸込口流路
３ 吐出口
４ ケース
４ａ 羽根車ケース
４ｂ 流路ケース
５ 羽根車
６ 流路溝
６ａ 流路溝吐出口
９ ポンプ室
１８ 羽根車室
１８ａ 羽根対向面
２１ 羽根
２１ｃ 羽根板面
２３ 羽根板
２６ 羽根室
２７ 仕切壁
２１ｅ 羽根先端
３６ 溝面
α 吸込角

Claims (5)

1. 複数の羽根（２１）を羽根板（２３）の側面に回転中心から放射状に突設した羽根車（５）を、羽根車室（１８）内に回転自在に軸支した羽根車ケース（４ａ）と、羽根車（５）の羽根（２１）に対向する仕切壁（２７）と流路溝（６）を形成した流路ケース（４ｂ）とを対設することにより、流路溝（６）と羽根車（５）と羽根車ケース（４ａ）との間に流体を流通回転させるポンプ室（９）を形成し、上記仕切壁（２７）の両側に、流体をポンプ室（９）内に供給する吸込口（２）と、ポンプ室（９）内の流体を流出させる吐出口（３）とを設けた遠心ポンプにおいて、前記流路溝（６）を、吸込口（２）側から吐出口（３）側に至る溝面（３６）の深さが、徐々に深くなるように形成するか、或いは略一定の深さで形成し、前記吐出口（３）の内径を、流路溝（６）の流路溝吐出口（６ａ）の深さと羽根（２１）の断面高さとを合わせたポンプ室吐出幅（Ｌ）と等しくするか、或いは該ポンプ室吐出幅（Ｌ）よりも大きくすることにより、該吐出口（３）を上記ポンプ室吐出幅（Ｌ）の全てを含む内径に形成し、前記流路溝（６）を円弧状方向に形成し、前記吐出口（３）を上記流路溝（６）の接線方向に形成したことを特徴とする遠心ポンプ。
2. 前記流路溝（６）における吸込口（２）側から吐出口（３）側に至る範囲の溝面（３６）の断面形状を、円弧状に湾曲した形状に成形した請求項１に記載の遠心ポンプ。
3. 羽根（２１）の先端が羽根板（２３）の外周から突出するように羽根車（５）を形成した請求項１又は２の何れかに記載の遠心ポンプ。
4. 前記流路溝（６）の溝面（３６）の溝谷部に平坦面を形成し、該溝面（３６）を、上記平坦面の幅が流路溝（６）の下流側に向かって次第に狭くなるように形成した請求項１乃至３の何れかに記載の遠心ポンプ。
5. 吸込口（２）には、ポンプ室（９）の流体の流通方向に沿わせて流体を供給する吸込流路（２ａ）を形成し、該吸込口流路（２ａ）は、羽根車（５）の回転方向に向かって鋭角に前傾する吸込角（α）を有し、該吸込口流路（２ａ）からの流体の供給方向が、羽根車（５）の羽根車軸（８）の軸方向視で、前記吐出口（３）からの流体の吐出方向に対して交差するように、該吸込口流路（２ａ）を、該羽根車軸（８）の軸方向視で流路溝（６）の接線方向に形成した請求項１乃至４の何れかに記載の遠心ポンプ。

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