JP6526453B2 - 渦流ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、起動時における砂等の異物による拘束事故の発生を防止すると共に、揚水性能の向上を図る渦流ポンプに関する。

渦流ポンプは、インペラの回転によりポンプ室内部の水を吐出し側に押し出し、吸込側に負圧を発生させ、吸込管内部の空気を吸引し、ポンプ室内部の水と撹拌・混合して、気泡を分離して大気中に放出し、ポンプ室内部の水をポンプ部の吸込口等へ返流することにより、自吸水を循環している。ポンプ部の吸込側と吐出側は狭いギャップでシールされており、気泡を含有した水が吸込側へ逆流することが少ないため、自吸能力に優れ、その吸上揚程は−７〜−８ｍに及び、自吸時間も渦巻ポンプに比べて短く、施工後の試運転作業が簡便で済む。

このため、吸込側に逆止弁を装備すれば、呼水と呼ばれるポンプ部内部に自吸水を充満する作業だけで、自吸運転により井戸からの揚水を完了することができ、渦巻ポンプのように、吸込管の先端にフート弁を取り付けて、吸込管内に水を充満させる必要が無いという利点があり、井戸用途に適したポンプである。

さらに、渦流ポンプは羽根枚数分のインペラを有するリニア多段ポンプの特性を有しており、小さなモータ出力で高揚程が得られ、家庭用井戸ポンプとして最適である。

しかし、小水量になるほど消費電力が大きくなるため、多くの家庭で使用される蛇口１，２個（１０〜２０Ｌ／ｍｉｎ）程度での省エネルギー化が求められていた。

そこで、インバータを使用して吐出圧力一定制御を行うことにより、小水量側での消費電力を削減することが可能となるが（例えば、特許文献１（図５）参照。）、最大動力点は蛇口２個分に相当する流量となり、その消費電力は、従来と同じく最高周波数になるため、同じ消費電力となっており、大流量量側での特性向上と共に、消費電力低減が求められていた。

一方、渦流ポンプのポンプ効率は、インペラとケーシングカバー及びケーシングのライナー部との間の狭隘なギャップを介して、吐出側から吸込側へ逆流する漏れ量による影響が大きい。このため、両面インペラを主軸に固定すると共に主軸を軸方向に移動可能な特殊な構造を有するモータを用い、インペラと狭隘なギャップを介して相対するライナー部とカバーにインペラが接触しないように調整可能とするものが開示されている（例えば、特許文献５参照。）。

特開平１０−２８８１８５号公報 実開平０５−０７３２８７号公報 特開２００４−１８３６３０号公報 特開２０１２−０９２９２７号公報 実開平０５−０７８９８９号公報

上述した渦流ポンプでは、次のような問題があった。すなわち、主軸を軸方向に移動可能な特殊な構造を有するモータを用いる場合、製造コストが非常に高くなり、さらに、主軸の移動・固定など、ポンプ組立時のギャップ調整が煩雑であった。

また、ギャップを小さくしすぎると、井戸水に含有されている細かい砂がギャップ内に残留し、起動時に拘束事故が発生する虞があった。

さらに、渦流ポンプの基本構造に起因する問題があった。すなわち、吸込口から流入した流体が流路を進むにつれ、羽根溝の根元と先端との角運動量の差によって、生ずる乱れが漸増し、ポンプ作用が強まっていく。このとき、羽根溝内の流体は羽根先端から円環状の流路中に流出し、再度、羽根溝の根元に戻っていく流動を繰り返していると考えられる。

この作用がインペラが有する複数の羽根によって同時に行われ、流路中で流体同士の衝突と混合により乱れ流動が促進されるため、その結果として、流体圧力が上昇するものである。そして、吐出側から吸込口付近に回転移動してきた羽根溝内の流体は吸込口から流入した流体と衝突・混合して極めて不規則な流動状態となり、無駄な動力損失が発生している。

さらにまた、井戸水を揚水する用途に使用され、吸込側の真空圧力が−６〜−８ｍと高い場合、キャビテーションによる圧力降下が発生して、最大流量が低下するという問題があった。

そこで本発明は、砂等の異物による拘束事故の発生を防止すると共に、揚水性能の向上を図る渦流ポンプを提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の渦流ポンプは次のように構成されている。

モータの主軸に挿入され、その上面及び下面にそれぞれ上側羽根溝及び下側羽根溝、円筒状の上側円環部及び下側円環部が形成されたインペラと、前記インペラの上面に狭隘なギャップをもって対向配置され、前記上側羽根溝に対向する位置に上側流路が形成されたケーシングカバーと、前記下面に狭隘なギャップをもって対向配置され、前記下側羽根溝に対向する位置に下側流路が形成されたケーシングのライナー部と、前記ケーシングカバーに設けられ、前記上側円環部の外周面が嵌合する凹状に形成された上側シール部と、前記ライナー部に設けられ、前記下側円環部の外周面が嵌合する凹状に形成された下側シール部を備え、前記上側シール部の内径と、前記主軸を液密に、かつ、回転自在に収納する軸シール収納部の内径とを同一とし、前記下側シール部の内径を、前記ライナー部の底部最下端まで同一寸法で形成した。

本発明によれば、砂等の異物による拘束事故の発生を防止すると共に、揚水性能の向上が可能である。

本発明の一実施の形態に係る渦流ポンプを備えた給水ユニットを示す縦断面図。 同渦流ポンプの要部を示す縦断面図。 同渦流ポンプの要部を分解して示す説明図。 同渦流ポンプの要部を示す側面図。 同渦流ポンプに組み込まれたライナー部を示す上面図。 同渦流ポンプのポンプ特性を示す説明図。 同渦流ポンプの流路角度と吐出し揚程との関係を示す説明図。

図１は本発明の一実施の形態に係る渦流ポンプ３０を備えた給水ユニット１０を示す縦断面図、図２は渦流ポンプ３０の要部を示す縦断面図、図３は渦流ポンプ３０の要部を分解して示す説明図、図４は渦流ポンプ３０の要部を示す側面図、図５は渦流ポンプ３０に組み込まれたライナー部を示す上面図、図６は渦流ポンプ３０のポンプ特性を示す説明図、図７は渦流ポンプ３０のポンプ特性を示す説明図である。

給水ユニット１０は、縦型モータ２０と、この縦型モータ２０に回転駆動される渦流ポンプ３０と、縦型モータ２０を可変速制御する制御部１００とを備えている。縦型モータ２０は、その主軸（回転軸）２１が鉛直方向に配置されており、渦流ポンプ３０内に配置された後述するインペラ６０と結合している。なお、以下、主軸２１の軸方向を軸方向と称する。

渦流ポンプ３０は、縦型モータ２０に取り付けるためのケーシングカバー３１を備えている。また、ケーシングカバー３１は、ケーシング３２に締結されており、このケーシング３２の上方の開口部３３は、下方に開口する上面シール部４２が形成されたブラケット４０によって蓋されている。さらに、ケーシング３２の下方の筒状開口部３４は、有底筒状のライナー部５０によって蓋されている。

ブラケット４０は、円盤状のブラケット本体４1と、このブラケット本体４1に設けられた凹状の上面シール部４２内に主軸２１を配置し、主軸２１は、軸シール固定部４３と軸シール回転部４４によりシール性が維持されている。さらに、ブラケット本体４1には、後述する上側羽根溝６２から圧送された水を後述する吐出管９０に案内する上側流路４５が形成されている。

なお、ケーシングカバー３１とブラケット４０、ケーシング３２とライナー部５０は、一体に形成されていてもよい。

ライナー部５０の底部中央には上方に向けて突出した筒体に設けられた凹状の下面シール部５１が設けられている。また、ライナー部５０には、後述する下側羽根溝６３から圧送された水を後述する吐出管９０に案内する下側流路５２が設けられている。また、図４に示すように、ライナー部５０の内部には、インペラ６０の側面に対向して、インペラ６０の軸方向の寸法と同一で、かつ、下側流路５２の外径の寸法とほぼ同一内径の筒状の障壁７０が設けられている。なお、図４中Ｔは吐出口、Ｓ１は吸込口（上側）、Ｓ２は吸込口（下側）を示している。

ライナー部５０は、図５に示すように、下側流路５２を吸込側流路５２ａと吐出側流路５２ｂとに隔てる水切部５３を有し、吐出側流路５２ｂの突端部近傍に凹部（空洞）５４が設けられている（図４参照）。

ブラケット４０の上面シール部４２とライナー部５０の下面シール部５１との間には、インペラ６０が収容されている。

インペラ６０は、円盤状の本体６１を備えている。本体６１はブラケット４０に対向する上面６１ａと、ライナー部５０に対向する下面６１ｂが設けられている。本体６１の上面６１ａ側には上側羽根溝６２、本体６１の下面６１ｂ側には下側羽根溝６３が設けられている。

さらにインペラ６０の上面６１ａ側には上側円環部６４、本体６１の下面６１ｂ側には下側円環部６５が設けられている。上側円環部６４の外周は、上面シール部４２に嵌合し、下側円環部６５の外周は下面シール部５１に嵌合している。

渦流ポンプ３０の出口には吐出管９０が接続されている。

制御部１００は、インバータにより縦型モータ２０を可変速制御する。図６は、この時の可変速制御によるポンプ特性を示している。

このように構成された渦流ポンプ３０は、制御部１００により縦型モータ２０が可変速制御される。

インペラ６０の上下水平面は、ブラケット４０の上面水平シール部４６、ライナー部５０に設けられた下面水平シール部５６に、狭隘なギャップによって対向配置されているが、上記のギャップは従来と同等であるため、井戸水に含有されている細かい砂がギャップ内に残留する可能性も、従来と同等である。

さらに、インペラ６０は、ブラケット４０に設けられた上面シール部４２、ライナー部５０に設けられた下面シール部５１によって狭隘なギャップによって対向配置されている。このため、における吐出側から吸込側への主軸中心を経路とする逆流を防止でき、揚水性能の向上を図ることができる。また、揚水性能を従来と同等に低下させるために、インペラ寸法を変更して、消費電力を低減してもよい。

また、上面シール部４２及び下面シール部５１によって形成されたギャップは軸方向の寸法が短く、上面シール部４２には、井戸水に含有されている細かい砂がギャップ内に残留する可能性が少なく、下面シール部５１に侵入した細かい砂も下面シール部５１内に落下するため、起動時に拘束事故が発生することを防止できる。

また、障壁７０が設けられているので、吐出側から吸込側に回転移動してきた上側羽根溝６２、下側羽根溝６３内の水（流体）は、一定に離れた距離にある障壁７０に衝突して上側羽根溝６２、下側羽根溝６３内に拡散する一方で、吸込側から流入した水は、障壁７０の上下にある上側流路４５及び下側流路５２に流入したのち、上側羽根溝６２、下側羽根溝６３の根元に流入するため、上記２つの異なる方向に運動エネルギーを持つ水は衝突することなく、無駄な動力損失を軽減することができる。

図６は、従来の渦流ポンプを破線、本案の渦流ポンプ３０を実線で、それぞれの揚水性能、ポンプ効率及び消費電力を示している。この図からも判るように、全流量域におけるポンプ効率の向上により、動力損失を軽減して消費電力を低減できる。
図７は、吸上揚程−８ｍにおける渦流ポンプの流路角度に対する吐出し揚程の分布を、本案の渦流ポンプ３０を実線、従来の渦流ポンプを破線で示しており、障壁７０を設けた場合、吸込側から５０〜７０度付近の圧力低下が低減されており、キャビテーションの発生を防止できていることがわかる。従って、吸上揚程が−６〜−８ｍ程度の井戸を揚水する用途に使用される場合も、キャビテーションによる圧力降下を軽減することができ、水深６ｍ未満の場合は、最大流量における低下率をほとんどゼロに抑えることができる。

さらに、ライナー部５０の下側流路５２を吸込側流路５２ａと吐出側流路５２ｂとに隔てる水切部５３を設け、吐出側流路５２ｂの突端部近傍に凹部（空洞）５４を設けることで、吐出側の水流が水切部５３の突端に衝突して生じる振動が、ライナー部５０より、ケーシング３２やブラケット４０に伝搬することを軽減して、ポンプ騒音を低減している。

本発明に係る渦流ポンプ３０によれば、砂等の異物による拘束事故の発生を防止すると共に、揚水性能の向上が可能である。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］モータの主軸に挿入され、その上面及び下面にそれぞれ上側羽根溝及び下側羽根溝、円筒状の上側円環部及び下側円環部が形成されたインペラと、
前記インペラの上面に狭隘なギャップをもって対向配置され、前記上側羽根溝に対向する位置に上側流路が形成されたケーシングカバーと、
前記下面に狭隘なギャップをもって対向配置され、前記下側羽根溝に対向する位置に下側流路が形成されたケーシングのライナー部と、
前記ケーシングカバーに設けられ、前記上側円環部の外周面が嵌合する凹状に形成された上側シール部と、
前記ライナー部に設けられ、前記下側円環部の外周面が嵌合する凹状に形成された下側シール部とを備えている渦流ポンプ。
［２］前記ライナー部には、前記インペラの側面に対向して、前記インペラの軸方向の寸法と同一で、かつ、前記下側流路外径の寸法とほぼ同一内径の障壁が設けられている［１］に記載の渦流ポンプ。
［３］前記ライナー部は、前記下側流路を吸込側流路と吐出側流路とに隔てる水切部を有し、前記吐出側流路の突端部近傍に凹部が設けられている［１］または［２］に記載の渦流ポンプ。

１０…給水ユニット、２０…縦型モータ、２１…主軸、３０…渦流ポンプ、３１…ケーシングカバー、３２…ケーシング、４０…ブラケット、４２…上面シール部、４５…上側流路、５０…ライナー部、５１…下面シール部、５２…下側流路、６０…インペラ、６１ａ…上面、６１ｂ…下面、６２…上側羽根溝、６３…下側羽根溝、６４…上側円環部、６５…下側円環部、７０…障壁、９０…吐出管、１００…制御部。

Claims (2)

1. 縦型モータの主軸に挿入され、その上面及び下面にそれぞれ上側羽根溝及び下側羽根溝、円筒状の上側円環部及び下側円環部が形成されたインペラと、
   前記インペラの上面に狭隘なギャップをもって対向配置され、前記上側羽根溝に対向する位置に上側流路が形成されたケーシングカバーと、
   前記下面に狭隘なギャップをもって対向配置され、前記下側羽根溝に対向する位置に下側流路が形成されたケーシングのライナー部と、
   前記ケーシングカバーに設けられ、前記上側円環部の外周面が嵌合する凹状に形成された上側シール部と、
   前記ライナー部に設けられ、前記下側円環部の外周面が嵌合する凹状に形成された下側シール部を備え、
   前記上側シール部の内径と、前記主軸を液密に、かつ、回転自在に収納する軸シール収納部の内径とを同一とし、
   前記下側シール部の内径を、前記ライナー部の底部最下端まで同一寸法で形成したことを特徴とする渦流ポンプ。
2. 前記ライナー部は、前記下側流路を吸込側流路と吐出側流路とに隔てる水切部を有し、前記吐出側流路の突端部近傍に、円筒状の凹部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の渦流ポンプ。