JP5957243B2 - 水中ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、夾雑物等の固形物を含んだ汚水等の搬送に好適な水中ポンプに関する。

例えば特許文献１には、夾雑物等の固形物を含んだ汚水等の搬送に好適なポンプとして、ノンクロッグ型の羽根車を有する水中ポンプが開示されている。この水中ポンプでは、通過粒径（流路を通過することができる球の最大直径）を大きくするために、羽根車を、下面に形成された入口から上方に向かって螺旋状に延びる内部流路と、遠心羽根によって区画されることにより外周面に沿って周回する外部流路とを有する構成としている。このような水中ポンプでは、この水中ポンプよりも上流側の配管の通過粒径以上となるように、羽根車の内部流路の径等が設定されることになる。尚、この水中ポンプにおいては、吸込口の口径は、羽根車の入口の口径以上となるように構成されている。

特許第４７１３０６６号公報

ところで、ポンプの下流側に設けられる配管の都合によって、その配管の径が水中ポンプの通過粒径よりも小さくなる、言い換えると、水中ポンプの通過粒径が、その下流側の配管の通過粒径よりも大きくなる場合がある。このような場合には、汚水と共に、水中ポンプ内に吸い込まれた固形物は、その水中ポンプ内を通過することは可能であるが、水中ポンプから吐出された後の配管内において、詰まってしまう場合がある。配管の途中で固形物が詰まってしまうと、それを取り除く作業は、極めて困難である。

こうした水中ポンプの下流側に設けられる配管内での固形物の詰まりを防止する一方で、水中ポンプにおけるケーシングや羽根車の構造を大きく変更することは、極力回避しようとすれば、例えば水中ポンプの吸込口の口径を小さくすることが考えられる。つまり、水中ポンプの吸込口の口径を、その水中ポンプの下流側に設けられる配管の通過粒径以下に設定することで、配管内で詰まるような大きさの固形物は、水中ポンプに吸い込まれないため、配管内での固形物の詰まりを確実に防止することが可能になる。

ところが、水中ポンプの吸込口の口径を小さくしてしまうと、その吸込口の開口面積が縮小することになるから、水中ポンプが大流量側で運転されるときに、吸込口付近での流速が高まることになる。その結果、水中ポンプの損失が大きくなったり、ポンプ効率の低下を招いたりする。また、流速が高くなることは、局所的な圧力低下によりキャビテーションの発生を招く虞もある。

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水中ポンプの下流側に設けられる配管の通過粒径が、水中ポンプの通過粒径よりも小さくなるときに、その配管内での詰まりを回避しつつも、水中ポンプの性能低下を抑制することにある。

ここに開示する技術は、羽根車と、前記羽根車を収容するケーシングとを含むポンプ部を備えた水中ポンプに係る。

この水中ポンプにおいて、前記ケーシングには、水中で開口する吸込口と、配管が接続される吐出口とが形成されており、前記吸込口は、その通過粒径がｄに設定されると共に、当該通過粒径は、前記ポンプ部において最小の通過粒径であり、前記吸込口はまた、その開口内の任意の点を中心とした半径ｄ／２の範囲内に、少なくとも１箇所の開口縁が存在する形状に形成されていると共に、前記吸込口の開口面積は、πｄ^２／４よりも大に設定されている。

この構成によると、水中ポンプのケーシングに設けられかつ、水中で開口する吸込口は、通過粒径がｄに設定されると共に、この通過粒径ｄは、ポンプ部において最も小さい通過粒径に設定される。従って、水中ポンプの通過粒径は、この吸込口の通過粒径ｄによって決定される。この通過粒径ｄは、水中ポンプの下流側に設けられる配管（例えば水中ポンプの吐出口に接続される配管等を含む）の通過粒径に応じて、その配管の通過粒径以下となるように設定すればよい。こうすることで、吸込口から吸い込まれた固形物が水中ポンプ内を通過した後、水中ポンプの下流側の配管内において詰まることは、確実に回避される。

このように吸込口の通過粒径ｄを比較的小さく設定する一方で、吸込口の開口面積は、直径ｄの円の面積（πｄ^２／４）よりも大に設定する。そのために吸込口は、その開口内の任意の点を中心とした半径ｄ／２の範囲内に、少なくとも１箇所の開口縁が存在する形状にする。このことは、直径ｄの球体よりも大きい固形物が吸込口を通過しようとしても、その固形物は、吸込口における少なくとも１箇所の開口縁と干渉してしまうことを意味する。「吸込口は、通過粒径ｄに設定された非円形で、その開口面積が直径ｄの円の面積（πｄ^２／４）よりも大きい形状である」と言い換えてもよい。このように、吸込口の開口面積は、比較的大きくなるから、水中ポンプが大流量側で運転されるときに、吸込口付近での流速が高まることが抑制される。その結果、通過粒径を比較的小さく設定しつつも、大流量側での損失の増大やポンプ効率の低下が回避されると共に、キャビテーションの発生も回避することが可能になる。

前記羽根車は、その回転軸上に入口が形成された遠心羽根車であり、前記吸込口は、前記遠心羽根車の前記入口と同心となる直径ｄの円形開口部と、当該円形開口部における周縁の一部を、径方向の外方に向かって切り欠いた切欠部とを含んだ形状を有している、としてもよい。

これにより、通過粒径がｄでかつ、開口面積がπｄ^２／４以上となる吸込口が実現する。ここにおいて、開口内の任意の点を円形開口部の中心（これは、回転軸と一致する）としたときには、そこを中心とした半径ｄ／２の範囲は、円形開口部そのものとなる。従って、「半径ｄ／２の範囲内に、少なくとも１箇所の開口縁が存在する」ことには、半径ｄ／２の範囲の境界と開口縁とが一致する場合を含む。

また、直径ｄの円形開口部を、遠心羽根車の入口と同心となるように配置することによって、ポンプ性能の向上と共に、固形物の通過性能を良好にすることが可能になる。

前記切欠部分は、互いに同一形状でかつ、前記回転軸を中心とした周方向に等間隔となるように複数、設けられている、としてもよい。

こうすることで、吸込口の開口形状は、羽根車の回転軸に対して均等な形状となるから、ケーシング内、ひいては羽根車内への水の吸込が偏らず、水中ポンプを安定して運転することが可能になる。

以上説明したように、前記の水中ポンプによると、吸込口の通過粒径を、ポンプ部において最小となる通過粒径ｄに設定しつつ、その開口面積を通過粒径ｄの円の面積よりも拡大することによって、水中ポンプの下流側において固形物の詰まりが発生することを防止しつつ、水中ポンプの損失増大、効率低下及びキャビテーションの発生等を回避することができる。

水中ポンプの正面図である。 図３のII−II断面と、吸込口の形状とを示す説明図である。 水中ポンプの底面図である。 図３とは異なる吸込口形状の水中ポンプを示す底面図である。 実施例に係る水中ポンプの性能曲線図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は例示である。図１〜３に示すように、実施形態に係るポンプは、夾雑物等の固形物を含んだ汚水の吸込及び吐出が可能に構成された汚水処理用の水中ポンプ１である。この水中ポンプ１は、遠心羽根車２１と、遠心羽根車２１を覆うケーシング２２とを含むポンプ部２と、遠心羽根車２１を回転させる密閉型の水中モータを含むモータ部３とを備えている。

モータ部３は、その詳細な構造の図示は省略するが、図１の紙面上下方向に延びる駆動軸を有するモータを、モータケーシング内に収容して構成されている。駆動軸の下端には、前記の遠心羽根車２１が取り付けられ、これによって、モータの回転駆動力が遠心羽根車２１に伝達される。

図２に示すように、ポンプ部２のケーシング２２は、その内部に、遠心羽根車２１を覆う渦形室２３を有している。渦形室２３の、上下方向の幅は、後述する遠心羽根車２１の出口の幅と略同じに設定されている。

ケーシング２２の下端には、下方に突出する吸込部２４が一体に形成されている。この吸込部２４には、遠心羽根車２１の入口２１１に向かって開口する連通開口２４１と、下方に向かって開口することで、水中で開口する吸込口４とが形成されている。連通開口２４１の口径φＤは、吸込口４の径よりも大きくかつ、遠心羽根車２１の入口２１１の開口よりも大に設定されている。尚、吸込口４の特徴的な形状の詳細は、後述する。

ケーシング２２の側部には、側方に突出する吐出部２５が一体に形成されている。この吐出部２５は、渦形室２３に連通していると共に、側方に向かって開口する吐出口２５１が形成されている。吐出部２５は、この実施形態では、下流側に向かって一定の流路径となるように形成されており、その流路径は、遠心羽根車２１の出口の径と略同じに設定されている。

遠心羽根車２１は、この実施形態ではノンクロッグ型に構成されており、その下端面に、下向きに開口する入口２１１が形成されている一方、その周面に、側方に向かって開口する出口が形成されており、入口２１１と出口とは、遠心羽根車２１の内部に形成されかつ、回転軸Ｘ回りに周回しながらその軸方向に延びる、螺旋状の内部流路２１２によって互いに連結されている。ここで、入口２１１及び出口を含む内部流路２１２は、この水中ポンプ１よりも上流側の配管径に応じて設定される通過粒径となるように構成されている。

遠心羽根車２１の外周面には、径方向の内方に窪んだ外部流路２１３が形成されている。この外部流路２１３は、回転軸Ｘ方向に延びる流路ではなく、その流路中心は遠心羽根車２１の回転軸Ｘと直交する直交面上に位置している。外部流路２１３は、出口において内部流路２１２の下流側と連続しており、そこから、遠心羽根車２１の半周以上の長さにわたって周回している。尚、外部流路２１３の長さは、半周以上かつ１周未満が好ましいが、特に限定されるものではない。

この外部流路２１３は、いわゆる半径流形の遠心羽根によって区画される流路であり、この遠心羽根によって、外部流路２１３内の水が昇圧されて外周側（径方向外側）に吐出されることになる。

ここで、この水中ポンプ１の下流側に設けられる配管の径は、比較的小さくされており、その配管径は、前記遠心羽根車２１の内部流路２１２等の径よりも小さい。つまり、水中ポンプ１の通過粒径（但し、以下に説明する吸込口４の通過粒径を除く）は、その下流側の配管の通過粒径よりも大きくなっている。そのため、吸込口４から吸い込んで水中ポンプ１内を通過した固形物が、下流側の配管内において詰まってしまう虞がある。

そこで、この水中ポンプ１では、吸込口４の形状を工夫することにより、通過粒径を小さくしつつ、その開口面積は比較的大きくしている。具体的には、図２、３に示すように、吸込口４は、円形状ではなく、遠心羽根車２１の入口２１１と同心に設定される直径ｄの円形開口部４１と、その円形開口部４１の周縁の一部を、径方向の外方に向かって切り欠いた切欠部４２とを含んで構成されている。切欠部４２は、図例では、短軸長さをｂとした半楕円のような形状を有しており、吸込口４の中心から、径方向の外方にＬ１の距離だけ延びている。切欠部４２の端部は円弧状である。そうして、互いに同一形状の３つの切欠部４２が、遠心羽根車２１の回転軸Ｘを中心とした周方向に等間隔となるように配置されている。つまり、３つの切欠部４２は、１２０°だけ間隔を空けて、配置されている。

吸込口４は、このような円形開口部４１と、３つの切欠部４２とを含む、非円形の形状であるため、通過粒径は、円形開口部４１によって決定される。つまり、吸込口４の通過粒径は、ｄであり、この通過粒径は、ポンプ部２において最も小さい通過粒径とする。従って、水中ポンプ１の通過粒径は、吸込口４の通過粒径ｄによって決定される。一方で、吸込口４の開口面積は、直径ｄの円の面積（πｄ^２／４）よりも、切欠部４２の分だけ大きくなる。尚、吸込口４には、図２の上図に示すように、アールが付けられている。

このような吸込口４は、言い換えると、通過粒径がｄでかつ、開口面積はπｄ^２／４よりも大であると共に、その開口内の任意の点（例えば図２下図のＰ参照）を中心とした半径ｄ／２の範囲内（同図のＣ参照）に、少なくとも１箇所の（図例では、２箇所の）開口縁が存在する（同図のＥ参照）形状である、ということができる。開口内の任意の点を回転軸としたときには、それを中心とした半径ｄ／２の範囲は、円形開口部４１となり、半径ｄ／２の範囲の境界と、吸込口４の開口縁とは互いに一致することになる。また、吸込口４の形状は、通過粒径がｄでかつ、開口面積はπｄ^２／４よりも大の、非円形である、と言い換えてもよい。

この吸込口４の通過粒径ｄを、前述した水中ポンプ１の下流側の配管の通過粒径に対応して、少なくとも配管の通過粒径以下に設定することにより、配管を通過し得ない大きさの固形物は、水中ポンプ１にも吸い込まれないため、下流側の配管内における、固形物の詰まりは確実に回避することが可能になる。

一方で、吸込口４の通過粒径を小さくするべく、例えば小径の吸込口に設定して、その開口面積も小さくしてしまうと、水中ポンプ１を大流量側で運転するときに、吸込口４の付近での流速が高くなりすぎて、損失が増大したり、ポンプ効率が低下したりするところ、前述の通り、吸込口４の開口面積は、πｄ^２／４よりも大にして、開口面積をできるだけ大きくしているため、大流量側での運転時でも、吸込口４の付近での流速が高くなることを抑制して、損失の増大や、ポンプ効率の低下が抑制される。また、流速が抑制されるため、キャビテーションの発生も回避することが可能になる。

また、通過粒径φｄを確保するための円形開口部４１を、遠心羽根車２１の回転軸Ｘと同心に配置することによって、ポンプ性能の向上と共に、固形物の通過性能を良好にすることが可能になり、さらに、切欠部４２を、回転軸Ｘを中心とした周方向に等間隔に配置することにより、吸込流れの偏りが回避されて、水中ポンプ１を安定して運転することが可能になる。

さらに、水中ポンプ１における吸込口４の形状を工夫することによって、水中ポンプ１の性能低下を回避しつつ、通過粒径を小さくしているため、水中ポンプ１自体の構成の変更はほとんど行わなくてもよい。通過粒径がｄ以上に設定された既存の水中ポンプの吸込部２４（例えば、連通開口２４１の口径φＤと等しい吸込口を有する水中ポンプ）に対して、前記の形状を有する吸込口４が貫通形成された板状の部材を後付けすることによっても、前述した水中ポンプ１を構成することが可能である。

尚、吸込口４の形状は、図３に示すような形状に限らず、種々の形状を採用することが可能である。例えば図４に示すように、円形開口部４１に対し、４つの切欠部４２を設けた形状としてもよい。この吸込口４０も、図３に示す吸込口４と同様の作用効果を奏することが可能である。

また、吸込口は、前述の通り、通過粒径がｄであること、開口面積がπｄ^２／４よりも大であること、及び、開口内の任意の点を中心とした半径ｄ／２の範囲内に、少なくとも１箇所の開口縁が存在すること、という３つの条件を満足する形状であればよい。従って、図示は省略するが、例えば、内接円が設定される正三角形状の吸込口としたり、同じく内接円が設定される正方形状の吸込口としてもよい。

次に、具体的に実施した実施例について説明する。図５は、吸込口の形状を異ならせた、実施例、比較例及び従来例の各例の水中ポンプの性能曲線（流量係数に対する（ａ）動力係数、（ｂ）揚程係数及びポンプ効率）を示している。

ここで、従来例は、ポンプ部における遠心羽根車及びケーシング等の、吸込口を除く部分の通過粒径がφｄに設定されている一方で、吸込口が円形状でかつ、その通過粒径がφＤ＝１．６９ｄとされており（これは、図２における連通開口２４１に相当する）、ポンプ部の全体としての通過粒径は、φｄに設定される例である。尚、吸込口の開口面積Ａは、２．８４×πｄ^２／４である。つまり、従来例は、吸込口の通過粒径は、ポンプ部において最小ではなく、ポンプ部の通過粒径が、φｄであるため、この水中ポンプの下流側に、φｄ未満の通過粒径の配管が設けられたときには、その配管内において詰まりが発生する可能性がある。

これに対し、比較例は、ポンプ部における吸込口を除く部分の通過粒径は、従来例と同じφｄに設定されている一方で、吸込口が円形状でかつ、その通過粒径がφｄ’＝０．７８ｄとされており、ポンプ部の全体としての通過粒径はφｄ’＝０．７８ｄに設定されている例である。尚、吸込口の開口面積Ａは、０．６０×πｄ^２／４である。つまり、比較例は、吸込口の通過粒径は、ポンプ部において最小であるため、ポンプ部の通過粒径が、この吸込口の通過粒径φｄ’によって決定され、水中ポンプの下流側に設けられた配管内での詰まりは回避可能であるものの、吸込口の形状は、従来例に比べて小さくした円形状であり、その開口面積Ａは、比較的小さく設定される例である。

実施例は、ポンプ部における吸込口を除く部分の通過粒径は、従来例と同じφｄに設定されている一方で、吸込口が、図２、３に示すような、３つの切欠部４２を有する非円形状であり、その通過粒径は、比較例と同じφｄ’＝０．７８ｄとされ、ポンプ部の全体としての通過粒径はφｄ’＝０．７８ｄに設定されている。一方で、吸込口の開口面積Ａは、比較例よりも大きい１，３７×πｄ^２／４となった例である。つまり、実施例は、吸込口の通過粒径は、ポンプ部において最小であるため、ポンプ部の通過粒径が、この吸込口の通過粒径φｄ’によって決定され、水中ポンプの下流側に設けられた配管内での詰まりは回避可能であると共に、吸込口の形状は非円形で、その開口面積は比較的大きく設定されている例である。

先ず、図６（ｂ）の揚程係数を見ると、三角印で示される比較例は、四角印で示される従来例と比較して、高流量側において揚程係数が低下しており、図６（ｂ）のポンプ効率においても、比較例は、従来例と比較して、高流量側においてポンプ効率が低下している。また、図６（ａ）の動力係数において、比較例は、従来例と比較して、高流量側において動力係数が、若干、高くなっている。これらの結果から、吸込口を円形のままで、その開口面積を小さくしただけの比較例は、高流量側において、損失の増大及びポンプ効率の低下を招いている。

これに対し、丸印で示される実施例は、揚程係数、ポンプ効率及び動力係数のそれぞれについて、従来例と同等の性能が確保されている。つまり、実施例は、吸込口の開口面積を、比較的大きな面積に設定していることにより、特に高流量側における損失の増大や、ポンプ効率の低下が回避されている。

従って、実施例に係る水中ポンプは、前述の通り、通過粒径は、従来例よりも小さく設定される（φｄ＝０．７８ｄ）一方で、従来例と同程度のポンプ特性が確保されている。

尚、ここに開示する技術は、前述した内部流路２１２と外部流路２１３とが形成された遠心羽根車２１を有する水中ポンプに限らず、その他の様々な形式の羽根車を有する水中ポンプに適用することも可能である。

以上説明したように、本発明は、流体を搬送する水中ポンプについて有用であり、例えば、夾雑物等の固形物を含んだ汚水を搬送する汚水処理用ポンプ等について有用である。

１ 水中ポンプ
２ ポンプ部
２１ 遠心羽根車
２２ ケーシング
２５１ 吐出口
４ 吸込口
４０ 吸込口
４１ 円形開口部
４２ 切欠部
Ｘ 回転軸

Claims (3)

1. 羽根車と、前記羽根車を収容するケーシングとを含むポンプ部を備えた水中ポンプであって、
   前記ケーシングには、水中で開口する吸込口と、配管が接続される吐出口とが形成されており、
   前記吸込口は、その通過粒径がｄに設定されると共に、当該通過粒径は、前記ポンプ部において最小の通過粒径であり、
   前記吸込口はまた、その開口内の任意の点を中心とした半径ｄ／２の範囲内に、少なくとも１箇所の開口縁が存在する形状に形成されていると共に、前記吸込口の開口面積は、πｄ^２／４よりも大に設定されている水中ポンプ。
2. 請求項１に記載の水中ポンプであって、
   前記羽根車は、その回転軸上に入口が形成された遠心羽根車であり、
   前記吸込口は、前記遠心羽根車の前記入口と同心となる直径ｄの円形開口部と、当該円形開口部における周縁の一部を、径方向の外方に向かって切り欠いた切欠部とを含んだ形状を有している水中ポンプ。
3. 請求項２に記載の水中ポンプであって、
   前記切欠部分は、互いに同一形状でかつ、前記回転軸を中心とした周方向に等間隔となるように複数、設けられている水中ポンプ。

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