JP6283928B2 - インペラ及びカスケードポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ポンプ内に回転可能に収容され、回転することによってポンプ流路内の流体を昇圧させるインペラ及びそれを用いたカスケードポンプに関する。

従来、外周面に複数の羽根が所定の間隔で形成された円板状のインペラをケーシング内に収容し、インペラの回転に伴ってインペラの外周面に沿って形成されたポンプ流路内の流体を昇圧するカスケードポンプが多数提供されている。例えば、下記特許文献１に従来のカスケードポンプが開示されている。

特開２０００−３３７２８４号公報

しかし、上記特許文献１に開示されたインペラの羽根は平板形状であるため、ポンプ流路内の流体が羽根間の溝内に流入する際に羽根表面に強く衝突したり、羽根とインペラ本体との境界角部に衝突したりすることで、大きな圧力損失が発生し、回転駆動するインペラから流体への圧力伝達効率が低下するといった問題があった。

また、羽根が平板形状であると、回転駆動する羽根の背面側に流体が回り込む際に剥離による渦が発生して、羽根間の溝内での流体の流れに乱れが生じ、羽根から流体への圧力伝達効率が低下するといった問題もあった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、流体が羽根に衝突することによる圧力損失を抑え、効率的な圧力伝達を実現できるインペラ及びそれを用いたカスケードポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るインペラは、カスケードポンプ内に回転軸周りに回転可能に収容されるインペラにおいて、略円板状の基板と、前記基板の外周面に回転方向に所定の間隔で設置された複数の羽根と、複数の前記羽根と一体に並行に延在して前記基板の前記外周面に形成された側壁と、を備え、前記羽根は、その回転方向前面に、隣接する前記羽根との間に形成される溝空間に流体を導入するために根元部分に形成された入口曲面と、前記溝空間内の流体に圧力を伝達するために先端部分に形成された回転方向に垂直な押圧平面と、前記入口曲面から前記溝空間内に流入した流体を出口である前記押圧平面へと滑らかに案内するための案内曲面と、が形成されており、前記側壁の側面は、前記側壁の径方向外側の先端部分から径方向内側の根元部分に向けて前記羽根側に迫り出すと共に、前記根元部分が前記基板の外周面につながる曲面となっており、前記曲面は、回転方向に垂直な断面が円弧であることを特徴とする。

また、本発明に係るカスケードポンプは、上記インペラと、前記インペラを回転軸周りに回転可能に収容するケーシングと、前記インペラを回転させる駆動モータと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、回転駆動するインペラにおいて、流体を溝空間内に滑らかに導入すると共に、溝空間内の流体を滑らかに押圧平面に案内することで、インペラから流体への効率的な圧力伝達を実現することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るカスケードポンプの回転軸方向に垂直な縦断面図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るカスケードポンプの回転方向に垂直な部分拡大断面図である。 図３は、本発明の実施の形態に係るインペラの正面図である。 図４は、本発明の実施の形態に係るインペラの斜視図である。 図５は、本発明の実施の形態に係るインペラを径方向外側から見た部分拡大平面図である。 図６は、本発明の実施の形態に係るインペラの部分拡大斜視図である。 図７は、本発明の実施の形態に係るインペラの部分拡大斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るカスケードポンプについて説明する。図１は、本実施形態に係るカスケードポンプの回転軸方向に垂直な縦断面図である。図２は、本実施形態に係るカスケードポンプの回転方向に垂直な断面の一部を拡大して示す部分拡大断面図であり、回転方向前側から見た図である。

図１に示すように、カスケードポンプ１は、筐体となるケーシング３と、ケーシング３内の空間に回転可能に収容されたインペラ１０とを備えている。ケーシング３内には、ポンプ内に流体を導入するための吸込流路５、ポンプ内で昇圧された流体をポンプ外に導出するための吐出流路６と、インペラ１０の外周縁に沿って延在する略円環形状の昇圧流路７が形成されている。ケーシング３は、上部に形成された吸込流路５と吐出流路６とが短絡しないように、両者を仕切る隔壁８を備えている。

このような構成において、インペラ１０が駆動モータにより回転させられると、昇圧流路７に位置する流体が、インペラ１０の回転方向（図１において、反時計回り）に流れながら昇圧され、吸込流路５からポンプ内に導入された流体が吐出流路６からポンプ外へと圧送される。なお、この昇圧流路７での反時計回りの流れは、図２に示す回転方向に垂直な面において、反時計回りに溝空間３０と昇圧流路７とを周回する渦流となる。

続いて、インペラ１０の構成について、図３〜図７をさらに参照しながら説明する。図３は、本実施形態に係るインペラ１０の正面図である。図４は、本実施形態に係るインペラ１０の斜視図である。図５は、本実施形態に係るインペラ１０の径方向外側から見た部分拡大平面図である。

図６は、本実施形態に係るインペラ１０の部分拡大斜視図であり、回転方向前側から見た斜視図である。図７は、本実施形態に係るインペラ１０の部分拡大斜視図であり、回転方向後側から見た斜視図である。なお、図３〜図７においては、インペラ１０の形状が分かり易いように、背景を灰色に着色している。

インペラ１０は、例えば、ステンレス等の金属や硬質樹脂から形成され、全体として略円板形状をしている。インペラ１０は、略円板形状の基板１２と、基板１２の外周面１４に周方向に全周にわたって形成された側壁１５と、同じく外周面１４に周方向に所定の間隔で一列に形成された複数の羽根２０とを備えている。ここで、本実施形態では、インペラ１０の回転軸に平行な方向を回転軸方向、インペラ１０の回転する方向である周方向を回転方向、インペラ１０の半径方向を径方向と称する。

インペラ１０を構成する基板１２、側壁１５及び羽根２０は、同一の材料から一体に成形されている。基板１２は、中心に回転軸穴１３が形成されている。カスケードポンプ１の駆動モータのモータ軸９が回転軸穴１３に貫通固定されており、モータ軸９の回転に伴って基板１２が回転軸周りに回転する。図１において、インペラ１０は、反時計回りに回転する。

側壁１５及び羽根２０は、基板１２の外周面１４上に回転方向に並行に全周にわたって形成されており、外周面１４を回転軸方向において略二等分した片側（図２において、左側）に側壁１５が形成され、もう一方の片側（図２において、右側）に羽根２０が形成されている。よって、図３では、手前側に羽根２０が位置し、奥側に側壁１５が位置している。側壁１５と羽根２０の高さは同じである。

側壁１５の羽根２０側の側面である内側面１６は、側壁１５の径方向外側の先端から径方向内側の根元に向けて、羽根２０側に迫り出すような曲面Ｒ１となっており、内側面１６の根元部分は、基板１２の外周面１４にスムーズにつながっている。曲面Ｒ１は、回転方向に垂直な断面において、半径ｒ１の円弧となるようなＲ面である（図２参照）。なお、側壁１５の内側面１６と逆側の外側面は、基板１２の表面と同一面となっている。

多数の羽根２０が、外周面１４上に所定の一定間隔で列んで形成されている。羽根２０は、外周面１４から径方向外側に延在した板状部材であり、隣接する羽根２０の間に形成される溝空間３０内に流入した流体を回転方向に移動する羽根２０の前面２１で押すことで、流体に圧力が伝達されて昇圧される。

羽根２０の回転方向の前面２１は、外周面１４側の根元から径方向先端に向けて順に、入口曲面２２、案内曲面２４、押圧平面２６が形成されている。なお、前面２１において、押圧平面２６以外の部分は滑らかな曲面となっている。

そして、インペラ１０が回転すると、周囲の流体は、入口曲面２２から溝空間３０内に入り、案内曲面２４によって径方向外側の押圧平面２６へと案内され、押圧平面２６によって回転方向に押されながら径方向外側に向かって溝空間３０の外部へと出ていく。

押圧平面２６は、回転方向に垂直な平面であり、図２に破線で示した略逆三角形状の領域Ａが、押圧平面２６である。このように、羽根２０の前面２１の最外周部である先端に、押圧平面２６を形成することで、羽根２０の回転動力を流体に無駄なく伝達することができる。

なお、羽根２０の先端部分が回転方向に垂直な状態よりも回転方向後側に倒れていると、溝空間内の流体が径方向外側に逃げやすくなってしまい、羽根２０から流体に対して良好に圧力を伝達するのが困難である。反対に、羽根２０の先端部分が前側に倒れていると、径方向外側に出ようとする流体を溝空間３０内に押さえ込むようになってしまい、上述した渦流の渦巻方向の流れに悪影響を与えてしまい、昇圧流路７での昇圧が不十分になってしまう。

ここで、羽根２０の前面２１において、押圧平面２６が相対的に大きければ、インペラ１０の回転駆動力を流体に伝達する点では有利であるが、入口曲面２２及び案内曲面２４が相対的に小さくなってしまうと、流体が溝空間３０内に流入するときや、押圧平面２６へと流体を案内する際の衝突損失が大きくなってしまう。

また、押圧平面２６が小さ過ぎると、溝空間３０内の流体への圧力伝達効率が大きく低下してしまう。よって、羽根２０の前面２１における押圧平面２６の占める割合は、回転方向に垂直な平面への投影面において、40〜70％程度としておくのが望ましい。

図６及び図７等に示すように、羽根２０の根元側の部分は、軸方向の外側部分（図６及び図７において、手前側）に向かうにつれて、インペラ１０の回転方向前側へ曲げられた形状をしている。また、上述したように、側壁１５の内側面１６は、根元側が羽根２０側に迫り出す曲面Ｒ１となっているので、羽根２０は、根元側に向けて回転軸方向の幅が狭くなっている（図２参照）。

ここで、昇圧流路７から羽根２０の間の溝空間３０内に流入する流体は、羽根２０根元側に位置する入口曲面２２の側壁１５と逆側の側方から流入し、案内曲面２４、押圧平面２６を順に経て、羽根２０の先端から径方向外側へと流出する。このとき、流体は、昇圧流路７における流体の速度ベクトルと、インペラ１０の回転速度成分のベクトルとの差を示すベクトルに対応して、溝空間３０内へ所定の角度を持って斜め方向に流入してくる。

本実施形態では、溝空間３０への入口となる入口曲面２２は、径方向に垂直な断面において、この流入方向と略平行となるように形成されている。インペラ１０の回転速度等を考慮して、予め流入方向を想定し、入口曲面２２の設計を行えば良い。ボイラ給水用ポンプ等、流量に対して高い吐出圧が要求される場合には、インペラ１０の回転速度が流体速度の回転方向成分と比して大きくなり、流入方向が回転方向と平行な方向に近付く。このような場合には、入口曲面２２の入口端部は、回転方向に垂直な平面である押圧平面２６から回転方向前側に向けて略90°近く大きく曲げて形成するのが望ましい。

このように、入口曲面２２を流体が溝空間３０内に流入する際の流入方向と略平行となるように形成することで、インペラ１０の外側に位置する流体を滑らかに溝空間３０内に導くことができ、流入時の衝突による圧力損失を小さくして、効率的な圧力伝達を行うことができる。

また、羽根２０の回転方向の厚みは、回転軸方向の外側部分がエッジ化されるように、側壁１５側の内側から外側へ向けて薄くなるように形成されている。このとき、羽根２０の前面２１は、先端の押圧平面２６が平面であると共に、根元に向けて回転方向前側に迫り出す形状となっており、羽根２０の背面２８が、回転軸方向外側に向かうにつれて前面２１へと近付くことで、羽根２０が肉薄化し、羽根２０の外側の側面部がエッジ化されている。ここで、背面２８は、その径方向に垂直な断面が半径ｒ２の円弧となるようなＲ面（曲面Ｒ２）となっている（図５等参照）。

このように、羽根２０の流体入口側の側面部をエッジ化することで、流体が溝空間３０内に流入する際の羽根２０の側面への衝突による圧力損失を抑えると共に、羽根２０の背面２８付近において溝空間３０内に流入する流体の羽根２０からの剥離を抑え、滑らかに流体を流入させることができる。

羽根２０の前面２１は、押圧平面２６以外の入口曲面２２及び案内曲面２４の部分において、径方向に垂直な断面及び回転軸方向に垂直な断面の双方において曲線となるような曲面に形成されている。流体が接触する面に鋭角や鈍角で面がつながるような角部が存在すると、流体が角部に衝突することで、流れが乱れて衝突損失が発生する。本実施形態では、押圧平面２６以外の羽根２０の前面２１を角部のない曲面で構成することで、溝空間３０内に流入した流体を、衝突による圧力損失を抑えて、滑らかに押圧平面２６まで案内することができる。

羽根２０の前面２１と側壁１５の内側面１６との境界は、径方向外側の最外周部分では、前面２１と内側面１６とが直角に交差しているが、最外周部分から径方向内側（羽根２０の根元側）に向かうにつれて、境界部分に小曲面Ｒ３が形成され、前面２１と内側面１６とがＲ面により滑らかに接続されている。

羽根２０の背面２８と側壁１５の内側面１６との境界は、径方向外側の最外周部分では、背面２８と内側面１６とが直角に交差しているが、最外周部分から径方向内側（羽根２０の根元側）に向かうにつれて、境界部分に小曲面Ｒ４が形成され、背面２８と内側面１６とがＲ面により滑らかに接続されている。

このように、羽根２０の根元側では、前面２１と内側面１６との境界を小曲面Ｒ３にすることで、溝空間３０内に流入した流体が内側面１６から前面２１へと移動する際にも、衝突により圧力損失を抑え、滑らかに案内することができる。

また、背面２８と内側面１６との境界を小曲面Ｒ４にすることで、羽根２０の後側に回り込んだ流体が、背面２８から内側面１６へと移動する際にも、衝突による圧力損失を抑え、滑らかに案内することができる。

以上、本実施形態に係るカスケードポンプ１の構成について詳細に説明したが、続いて、カスケードポンプ１における作用について説明する。カスケードポンプ１のスイッチが入れられると、電力が供給された駆動モータのモータ軸９が回転し始め、モータ軸９に固定されたインペラ１０が回転を始める。

図１において、インペラ１０が反時計回りに回転をすると、溝空間３０内に位置する流体が反時計回りに回転する羽根２０の前面２１によって反時計回りに押されて圧力を伝達される。溝空間３０内に位置する流体は、前面２１の押圧平面２６によって押され、遠心力により径方向外側へと溝空間３０から昇圧流路７へと出て行く。

昇圧流路７へ出た流体は、渦流となりながら再度溝空間３０内へと流入する。この渦流は、昇圧流路７と溝空間３０との間を回転方向に沿って螺旋状に移動しながら、反時計回りに吐出流路６に向けて移動する。また、昇圧流路７内には、引き続き吸込流路５から順次流体が流入してくる。昇圧流路７上には、隔壁８が形成されて流路が遮断されており、昇圧されながら反時計回りに昇圧流路７を移動した流体は、吐出流路６からポンプ外へと吐出される。

本実施形態では、溝空間３０内の流体に圧力を伝達する羽根２０の前面２１において、根元部分に溝空間３０内に流体を導入するための入口曲面２２を形成し、先端部分に溝空間３０内の流体に圧力を伝達する回転方向に垂直な押圧平面２６を形成し、入口曲面２２と押圧平面２６との間に、入口曲面２２から押圧平面２６へと流体を滑らかに案内するための案内曲面２４を形成したことで、流体が溝空間３０内に流入する際や溝空間３０内を移動する際に、流体の羽根２０への衝突等による圧力損失を大きく抑えると共に、回転駆動する羽根２０から流体へと効率的に圧力伝達を行うことができる。

特に、入口曲面２２及び案内曲面２４が、径方向に垂直な断面及び回転軸に垂直な断面の双方において曲線となるような曲面で構成されており、溝空間３０内への流体の流入及び溝区間３０内での流体の移動をより滑らかに行うことができる。

また、羽根２０が、回転軸方向において、溝空間３０に流体が流入する入口側（側壁１５と反対側）に向かうにつれて、背面側が前面２１に近付くことで、羽根２０の厚みが薄くなるように形成され、羽根２０の流体入口側の側面部がエッジ化されているので、流体が溝空間３０内に流入する際の衝突損失や背面２８からの剥離を抑え、滑らかに流体を流入させることができる。

また、羽根２０の前面２１と側壁１５の内側面１６との境界を曲面としたこと、及び、羽根２０の背面２８と側壁１５の内側面１６との境界を曲面としたことで、これらの境界を流体が滑らかに通過し、より衝突損失を抑えることができる。

また、本実施形態では、基板１２の外周面１４に所定間隔で設置された羽根２０が、側壁１５の片側だけに設置されているため、従来のように側壁の両側に羽根が設置された場合に発生していた、両側からの流体が中央で衝突することによる圧力損失が発生することがない。

なお、本発明の実施の形態は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、カスケードポンプを構成する各部材の形状やサイズ、素材等は適宜変更可能である。また、上記実施形態では、羽根を側壁の片側だけに設置しているが、両側に設置するようにしても良い。

１ カスケードポンプ
３ ケーシング
５ 吸込流路
６ 吐出流路
７ 昇圧流路
８ 隔壁
９ モータ軸
１０ インペラ
１２ 基板
１３ 回転軸穴
１４ 外周面
１５ 側壁
１６ 内側面
２０ 羽根
２１ 前面
２２ 入口曲面
２４ 案内曲面
２６ 押圧平面
２８ 背面
３０ 溝空間

Claims (7)

1. カスケードポンプ内に回転軸周りに回転可能に収容されるインペラにおいて、
   略円板状の基板と、
   前記基板の外周面に回転方向に所定の間隔で設置された複数の羽根と、
   複数の前記羽根と一体に並行に延在して前記基板の前記外周面に形成された側壁と、を備え、
   前記羽根は、その回転方向前面に、隣接する前記羽根との間に形成される溝空間に流体を導入するために根元部分に形成された入口曲面と、前記溝空間内の流体に圧力を伝達するために先端部分に形成された回転方向に垂直な押圧平面と、前記入口曲面から前記溝空間内に流入した流体を出口である前記押圧平面へと滑らかに案内するための案内曲面と、が形成されており、
   前記側壁の側面は、前記側壁の径方向外側の先端部分から径方向内側の根元部分に向けて前記羽根側に迫り出すと共に、前記根元部分が前記基板の外周面につながる曲面となっており、
   前記曲面は、回転方向に垂直な断面が円弧であることを特徴とするインペラ。
2. 前記入口曲面及び前記案内曲面は、径方向に垂直な断面及び回転軸に垂直な断面の双方において曲線となるような曲面であることを特徴とする請求項１記載のインペラ。
3. 前記羽根は、回転軸方向において前記側壁から離れるにつれて、回転方向背面が前記回転方向前面に近付くことで前記羽根の厚みが薄くなるように形成され、前記羽根の前記側壁と反対側の側面部がエッジ化されていることを特徴とする請求項１又は２記載のインペラ。
4. 前記羽根の前記回転方向前面と前記側壁との境界を曲面としたことを特徴とする請求項３記載のインペラ。
5. 前記羽根の回転方向背面と前記側壁との境界を曲面としたことを特徴とする請求項３又は４記載のインペラ。
6. 前記羽根は、回転軸方向において前記側壁の片側だけに設置されていることを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項記載のインペラ。
7. 請求項１乃至６何れか１項記載のインペラと、
   前記インペラを回転軸周りに回転可能に収容するケーシングと、
   前記インペラを回転させる駆動モータと、
   を備えることを特徴とするカスケードポンプ。