JP6612110B2 - ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ポンプに関し、特に、落水検知器を備えたポンプに関する。

海水や河川水などの液体を移送するポンプにおいては、羽根車を吸込水槽内の液面よりも高い位置に配置するタイプのものがある。このようなポンプを起動する場合には、真空ポンプによってポンプケーシング内に負圧を形成して、ポンプケーシング内の水位を上昇させ、羽根車を液中に没した後に羽根車を回転させる（例えば、特許文献１参照）。

一方、ポンプを停止する場合には、羽根車の回転を停止させた後に、ポンプケーシングに空気を導入してポンプから液体を排出させる（以下、これを落水という）。具体的には、斜流ポンプの場合は、まず吐出弁を閉じて液体の吐出側からの逆流を防ぎ、その後羽根車の回転を停止させ、次いでポンプから液体を排出（落水）させる。軸流ポンプの場合は、まず羽根車の回転を停止させ、その後吐出弁を閉じ、次いでポンプから液体を排出（落水）させる。

定常運転時においても、シールの不良などの原因により落水が発生することがある。定常運転時に落水が起こると、液体の移送ができなくなるだけでなく、羽根車が空転し、軸受などが損傷する恐れがある。そこで、落水を検知するために、吸込管に音叉式又は電極式のセンサ（落水検知器）を設け、定常運転時に落水検知器によって落水を検知することが知られている。

特開２０１２−１２７３６０号公報

上述した落水検知器は、液体に直接接触することで液面位置を検知する。このため、液体が汚水である場合には、汚水に含まれる汚泥等の不純物が落水検知器に付着して、落水検知器が誤検知する虞がある。また、液体が腐食性を有する液体である場合には、落水検知器が腐食する虞がある。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的の一つは、落水検知器に処理液が直接接触することなく、ポンプ内に液体が存在するか否かを正確に検知することができるポンプを提供することである。

本発明の一形態によれば、ポンプが提供される。このポンプは、回転軸と、前記回転軸に設けられ、複数の羽根を備えた羽根車と、前記羽根車を収容するケーシングと、前記ケーシングのひずみを測定するように構成されるひずみゲージと、を有し、前記ひずみゲージは、前記ケーシングの、前記羽根車の下流側であって処理液と接触しない位置に設けられる。

この一形態によれば、ひずみゲージが処理液と接触しない位置に設けられるので、ひずみゲージに汚泥等が付着したり、ひずみゲージが腐食したりすることを防止することができる。また、羽根車の下流側のケーシングは、羽根車によって昇圧された処理液によって
ひずむ。即ち、ケーシング内に処理液が存在するときにケーシングに生じるひずみを、ひずみゲージが検知することができる。したがって、ひずみゲージに処理液が直接接触することなく、ポンプ内に液体が存在するか否かを正確に検知することができる。

上記ポンプの一形態において、前記ポンプは横軸斜流ポンプであり、前記ひずみゲージは、摺動部の下流側であって、処理液と接触しない位置に設けられる。

ポンプの摺動部とは、ポンプの回転部と非常に狭いクリアランスを介して対向しているポンプの固定部をいう。ポンプは、回転部と固定部とが互いに接触しないように設計され、例えば、このクリアランスの大きさは約１ｍｍ〜２ｍｍ以下となるようにポンプが設計される。この摺動部の下流側では処理液が羽根車によって昇圧されるので、摺動部の下流側に位置するケーシングは、羽根車によって昇圧された処理液によってひずむ。したがって、この一形態によれば、横軸斜流ポンプにおいても、ひずみゲージに処理液が直接接触することなく、ポンプ内に液体が存在するか否かを正確に検知することができる。

上記ポンプの一形態において、前記ポンプは、両吸込遠心ポンプであり、前記ひずみゲージは、吐出室を構成する前記ケーシングの、処理液と接触しない位置に設けられる。

両吸込遠心ポンプの吐出室には、羽根車によって昇圧された処理液が流れ込む。したがって、両吸込遠心ポンプの吐出室を構成するケーシングは、羽根車によって昇圧された処理液によってひずむ。したがって、この一形態によれば、両吸込遠心ポンプにおいても、ひずみゲージに処理液が直接接触することなく、ポンプ内に液体が存在するか否かを正確に検知することができる。

上記ポンプの一形態において、前記ひずみゲージは、前記ケーシングの外側に設けられる。

ポンプの処理液はケーシングの内部に存在するので、この一形態によれば、処理液がひずみゲージに接触することがない。したがって、ひずみゲージに汚泥が付着すること、及びひずみゲージが腐食することなく、ポンプ内に液体が存在するか否かを正確に検知することができる。

上記ポンプの一形態において、前記ケーシングは、ケーシング本体部と、前記ケーシングの内面の一部を形成する、前記ケーシング本体部よりもヤング率の小さい板状部材を有し、前記ケーシング本体部と前記板状部材とによって気密な空洞が画定され、前記ひずみゲージは、前記空洞内に設けられ、前記板状部材のひずみを測定するように構成される。

ひずみゲージは、板状部材とケーシング本体部との間の気密な空洞の内部に設けられるので、処理液がひずみゲージに接触することがない。また、板状部材は、ケーシング本体部よりもヤング率が小さいので、昇圧された処理液によって板状部材に加わる圧力が比較的小さくても、板状部材が容易にひずむ。このため、ひずみゲージは、比較的小さい圧力が板状部材に加わった場合でも、板状部材のひずみを測定することができ、ポンプ内に液体が存在するか否かをより正確に検知することができる。

本発明によれば、落水検知器に処理液が直接接触することなく、ポンプ内に液体が存在するか否かを正確に検知することができるポンプを提供することができる。

第１実施形態に係る横軸斜流ポンプを示す側断面図である。 図１に示した矩形枠で囲まれた部分の拡大図である。 図１に示した矩形枠で囲まれた部分の他の例を示す拡大図である。 第２実施形態に係る両吸込遠心ポンプを示す断面図である。 図４に示した丸枠で囲まれた部分の拡大図である。 図４に示した丸枠で囲まれた部分の他の例を示す拡大図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下で説明する図面において、同一の又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。なお、以下で説明する実施形態では、本発明のポンプの一例として横軸斜流ポンプ及び両吸込遠心ポンプが説明されるが、本発明は昇圧された処理液（作動流体）によりケーシングにひずみが生じ得る他のポンプ、及びポンプにより昇圧された処理液が通水する配管にも適用することができる。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る横軸斜流ポンプを示す側断面図である。図示のように、横軸斜流ポンプ１０は、湾曲した管路を有する吸込ケーシング１２と、吸込ケーシング１２の下流側にフランジ接続される管状の吐出ケーシング１４（ケーシングの一例に相当する）とを有する。また、横軸斜流ポンプ１０は、略水平方向に延在する回転軸１１を有する。回転軸１１は、吸込ケーシング１２を貫通し、吐出ケーシング１４の内部まで延在する。回転軸１１と吸込ケーシング１２との隙間は、軸封部１３により液密に封止される。

回転軸１１の先端側は、吐出ケーシング１４内に配置される水中軸受装置２１によって回転可能に支持される。水中軸受装置２１は、複数の案内羽根１８を介して吐出ケーシング１４に固定された内部ケーシング２２内に、図示しないリブ等によって固定される。

回転軸１１には、羽根車１７がキー１５によって固定される。これにより、回転軸１１の回転に伴って羽根車１７が回転する。羽根車１７と内部ケーシング２２により、水中軸受装置２１を収容する空間である水中軸受室１９が形成される。羽根車１７は、複数の羽根１７ａを備え、羽根車１７及び羽根１７ａが回転することにより、処理液を昇圧し、吸込ケーシング１２から吐出ケーシング１４に向かって処理液を移送することができる。

回転軸１１の後端側は、回転軸１１を回転させるためのエンジンやモータ等の原動機の軸継手２４に接続される。また、軸継手２４と軸封部１３との間には、吸込ケーシング１２の外部において回転軸１１を回転可能に支持する外部軸受２３が設けられる。

次に、横軸斜流ポンプ１０に設けられる落水検知器について説明する。図２は、図１に示した矩形枠Ｓ１で囲まれた部分の拡大図である。上述したように、従来の音叉式又は電極式の落水検知器では、処理液に含まれる不純物が落水検知器に付着すると誤検知が発生する虞があった。また、処理液が腐食性の液体である場合は、処理液が落水検知器に接触すると落水検知器が腐食する虞があった。そこで、第１実施形態及び後述する第２実施形態では、落水検知器としてひずみゲージを採用し、ケーシングの、羽根車の下流側であって処理液と接触しない位置にひずみゲージを設ける。ここで、本明細書において、「ケーシングの羽根車の下流側」とは、羽根車によって昇圧された処理液が接触し得るケーシングの部分をいう。具体的には、第１実施形態において「羽根車の下流側」のケーシングとは、羽根車と非常に狭いクリアランスを介して対向しているポンプの固定部（以下、これを摺動部という）と、これより下流側に位置するポンプのケーシング（吐出領域）をいう。

図２に示すように、吐出ケーシング１４は、羽根車１７の羽根１７ａと対向する位置に
摺動部１４ｂを有する。摺動部１４ｂは、羽根１７ａと非常に狭いクリアランスを有して対向する吐出ケーシング１４の一部であり、このクリアランスの大きさが例えば約１ｍｍ〜２ｍｍ以下になるように横軸斜流ポンプ１０が設計される。摺動部１４ｂの外側（吐出ケーシング１４の外側）には、ひずみゲージ８０が取り付けられる。

ひずみゲージ８０には、通信線８１が接続される。ひずみゲージ８０が検知したひずみデータは、通信線８１を介して横軸斜流ポンプ１０の図示しない制御部へ送信される。図示しない制御部は、ひずみゲージ８０から受信したひずみデータに基づいて、横軸斜流ポンプ１０内に水が存在するか否かを判定することができる。ひずみゲージ８０は、摺動部１４ｂに複数設けてもよいし、摺動部１４ｂよりも下流側の吐出ケーシング１４の外側に一つ又は複数設けてもよい。

吸込ケーシング１２及び吐出ケーシング１４内に処理液が存在しない状態（落水した状態）で横軸斜流ポンプ１０を運転すると、羽根車１７は空転する。回転軸１１及び羽根車１７の回転の振動により、吸込ケーシング１２及び吐出ケーシング１４はわずかにひずむので、ひずみゲージ８０は、吐出ケーシング１４のわずかなひずみを検知する。

一方で、吸込ケーシング１２及び吐出ケーシング１４内に処理液が満たされた状態で横軸斜流ポンプ１０を運転すると、処理液は羽根車１７によって昇圧される。昇圧された処理液は、吐出ケーシング１４の摺動部１４ｂ及びこれより下流側の吐出ケーシング１４に圧力を加え、吐出ケーシング１４をひずませる。ひずみゲージ８０は、この吐出ケーシング１４のひずみを検知する。

液体（処理液）と気体（空気）との密度差に起因する圧力差により、横軸斜流ポンプ１０内に処理液が存在しない状態と処理液が存在する状態とにおける吐出ケーシング１４のひずみ量は大きく異なる。即ち、横軸斜流ポンプ１０内に処理液が存在する場合は、昇圧された処理液によって比較的大きなひずみが吐出ケーシング１４に生じ、一方で、横軸斜流ポンプ１０内に処理液が存在しない場合は、吐出ケーシング１４にはわずかなひずみしか生じない。図示しない制御部は、ひずみゲージ８０から取得したひずみデータに基づいて、そのひずみ量が所定値以上であるか否かを判定する。ひずみ量が所定値以上である場合には、横軸斜流ポンプ１０内に処理液が存在すると判断し、ひずみ量が所定値未満である場合には、落水していると判断する。

また、ひずみゲージ８０は、吐出ケーシング１４の外側に設けられているので、ひずみゲージ８０に処理液が接触することがない。このため、第１実施形態の横軸斜流ポンプ１０は、不純物の付着によるひずみゲージ８０の誤検知を防止して、処理液の有無を正確に検知することができる。また、処理液が腐食性の液体であっても、処理液がひずみゲージ８０に接触しないので、ひずみゲージ８０が腐食することもない。

図３は、図１に示した矩形枠Ｓ１で囲まれた部分の他の例を示す拡大図である。この例では、吐出ケーシング１４は、ケーシング本体部１４ｃと、吐出ケーシング１４の内面の一部を形成する板状部材１６と、を有する。板状部材１６は、ケーシング本体部１４ｃよりもヤング率が小さい材料で形成されることが好ましい。ケーシング本体部１４ｃは、吐出ケーシング１４の板状部材１６以外の部分を指す。吐出ケーシング１４には、ケーシング本体部１４ｃと板状部材１６とによって、気密な空洞１４ａが画定される。ひずみゲージ８０は、空洞１４ａ内に設けられ、板状部材１６のひずみを測定するように構成される。なお、板状部材１６は、高耐食性を有する部材であることが好ましい。また、板状部材１６の形状は、例えば、円形、矩形、円筒形、円錐台形とすることができる。板状部材１６の形状が円筒形又は円錐台形である場合は、板状部材１６は複数に分割されていてもよい。

板状部材１６は、羽根１７ａと非常に狭いクリアランスを有して対向する吐出ケーシング１４の一部であり、摺動部１４ｂを構成する。このクリアランスの大きさは、例えば約１ｍｍ〜２ｍｍ以下になるように横軸斜流ポンプ１０が設計される。図示の例では、板状部材１６は羽根車１７の羽根１７ａに対向する位置に設けられて摺動部１４ｂを構成するが、これに限らず、板状部材１６は、摺動部１４ｂよりも下流側に設けられてもよい。

図３に示す例によれば、ひずみゲージ８０は、板状部材１６とケーシング本体部１４ｃとの間の気密な空洞１４ａの内部に設けられるので、処理液がひずみゲージ８０に接触することがない。また、板状部材１６が、吐出ケーシング１４のケーシング本体部１４ｃよりもヤング率が小さい材料で形成される場合は、昇圧された処理液によって板状部材１６に加わる圧力が比較的小さくても、板状部材１６が容易にひずむ。このため、例えば空気と密度差が小さい液体が処理液であっても、ひずみゲージ８０は板状部材１６のひずみを測定することができ、ポンプ内に液体が存在するか否かをより正確に検知することができる。

＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態に係る両吸込遠心ポンプを示す断面図である。図示のように両吸込遠心ポンプ３０は、羽根車３２と、この羽根車３２が固定される回転軸３１とを有する。回転軸３１は水平に延びる。回転軸３１の一端は図示しない電動機などの駆動機に連結されており、この駆動機によって回転軸３１および羽根車３２が回転される。図示の例では、駆動機は、図の右側に配置され、回転軸３１の右端部が回転軸３１に結合している。また、回転軸３１は、その両端部近傍に設けられた軸受装置３９，３９に回転自在に支持される。

羽根車３２は、ポンプケーシング３５（ケーシングの一例に相当する）の内部に配置される。ポンプケーシング３５は、その内部に羽根車３２により吐出された流体を受ける吐出室３５ａを有する。吐出室３５ａは、渦巻き形状を有する渦巻き室である。吐出室３５ａの軸方向の両側には、隔壁３５ｂをはさんで吸込室３３が配置されている。羽根車３２の吐出口は吐出室３５ａの内部に配置される。羽根車３２の吸込口は軸方向に開口し、隔壁３５ｂを貫通して吸込室３３と連通している。回転軸３１の回転とともに羽根車３２が回転すると、不純物を含む処理液が、吸込室３３から吸い込まれ、羽根車３２の作用によりその圧力が上昇し、ポンプの吐出口３４から吐き出される。

回転軸３１はポンプケーシング３５を貫通して延びている。回転軸３１とポンプケーシング３５との間の隙間は、軸封装置３８，３８（たとえば、メカニカルシールなど）によって、ポンプケーシング３５内部の水がケーシング外部に漏れないようにシールされる。

羽根車３２は、その両側から処理液を吸い込む両吸込構造を有している。両吸込遠心ポンプ３０の運転中、羽根車３２の作用によって昇圧された処理液によって吐出室３５ａ内の圧力が、吸込室３３内の圧力よりも高くなる。このとき、吐出室３５ａ内の処理液が、羽根車入口部４１とポンプケーシング３５との隙間を通じて、吸込室３３へ逆流する流れが生じる。このため、ポンプケーシング３５の羽根車入口部４１に対向する部分には、羽根車３２により加圧された処理液が吐出室３５ａから吸込室３３に逆流することを抑制するための、ライナリング４０がそれぞれ取り付けられている。ライナリング４０によって処理液の逆流が抑制されるが、少量の処理液がライナリング４０と羽根車入口部４１との間を通過する。

次に、両吸込遠心ポンプ３０に設けられる落水検知器について説明する。図５は、図４に示した丸枠Ｃ１で囲まれた部分の拡大図である。図示のように、第２実施形態に係る両
吸込遠心ポンプ３０は、落水検知器としてひずみゲージ８０を有し、ひずみゲージ８０は、ポンプケーシング３５の、羽根車３２の下流側であって処理液と接触しない位置に設けられる。具体的には、第２実施形態において「羽根車の下流側」のケーシングとは、羽根車３２の吐出口より下流側に位置するポンプのケーシング（吐出領域）をいう。

図５に示すように、ひずみゲージ８０は、吐出室３５ａ（図４参照）を構成するポンプケーシング３５の外側に設けられる。第１実施形態と同様に、ひずみゲージ８０には、通信線８１が接続される。ひずみゲージ８０が検知したひずみデータは、通信線８１を介して両吸込遠心ポンプ３０の図示しない制御部へ送信される。図示しない制御部は、ひずみゲージ８０から受信したひずみデータに基づいて、両吸込遠心ポンプ３０内に液体が存在するか否かを判定することができる。ひずみゲージ８０は、吐出室３５ａ（図４参照）を構成するポンプケーシング３５の外側に複数設けてもよい。

ポンプケーシング３５内に処理液が存在しない状態（落水した状態）で両吸込遠心ポンプ３０を運転すると、羽根車３２は空転する。回転軸３１及び羽根車３２の回転の振動により、ポンプケーシング３５はわずかにひずむので、ひずみゲージ８０はこのポンプケーシング３５のわずかなひずみを検知する。

一方で、ポンプケーシング３５内に処理液が満たされた状態で両吸込遠心ポンプ３０を運転すると、処理液は羽根車３２によって昇圧される。昇圧された処理液は、吐出室３５ａに圧力を加え、吐出室３５ａを構成するポンプケーシング３５をひずませる。ひずみゲージ８０は、このポンプケーシング３５のひずみを検知する。

液体（処理液）と気体（空気）との密度差に起因する圧力差により、両吸込遠心ポンプ３０内に処理液が存在しない状態と処理液が存在する状態とにおけるポンプケーシング３５のひずみ量は大きく異なる。即ち、両吸込遠心ポンプ３０内に処理液が存在する場合は、昇圧された処理液によって比較的大きなひずみがポンプケーシング３５に生じ、一方で、両吸込遠心ポンプ３０内に処理液が存在しない場合は、ポンプケーシング３５にはわずかなひずみしか生じない。図示しない制御部は、ひずみゲージ８０から取得したひずみデータに基づいて、そのひずみ量が所定値以上であるか否かを判定する。ひずみ量が所定値以上である場合には、両吸込遠心ポンプ３０内に処理液が存在すると判断し、ひずみ量が所定値未満である場合には、落水していると判断する。

また、ひずみゲージ８０は、ポンプケーシング３５の外側に設けられているので、ひずみゲージ８０に処理液が接触することがない。このため、第２実施形態の両吸込遠心ポンプ３０は、不純物の付着によるひずみゲージ８０の誤検知を防止して、処理液の有無を正確に検知することができる。また、処理液が腐食性の液体であっても、処理液がひずみゲージ８０に接触しないので、ひずみゲージ８０が腐食することもない。

図６は、図４に示した丸枠Ｃ１で囲まれた部分の他の例を示す拡大図である。この例では、ポンプケーシング３５は、ケーシング本体部３５ｃと、ポンプケーシング３５の内面の一部を形成する板状部材１６と、を有する。板状部材１６は、ケーシング本体部３５ｃよりもヤング率が小さい材料で形成されることが好ましい。ケーシング本体部３５ｃは、ポンプケーシング３５の板状部材１６以外の部分を指す。ポンプケーシング３５には、ケーシング本体部３５ｃと板状部材１６とによって、気密な空洞３５ｄが画定される。ひずみゲージ８０は、空洞３５ｄ内に設けられ、板状部材１６のひずみを測定するように構成される。なお、板状部材１６は、高耐食性を有する部材であることが好ましい。また、板状部材１６の形状は、例えば、円形、矩形、円筒形、円錐台形とすることができる。板状部材１６の形状が円筒形又は円錐台形である場合は、板状部材１６は複数に分割されていてもよい。

図示の例では、板状部材１６及び空洞３５ｄは羽根車３２の吐出口に対向する位置に設けられるが、これに限らず、板状部材１６及び空洞３５ｄは、羽根車３２によって昇圧される処理液が接触し得るポンプケーシング３５の任意の場所に設けることができる。

図６に示す例によれば、ひずみゲージ８０は、板状部材１６とケーシング本体部３５ｃとの間の気密な空洞３５ｄの内部に設けられるので、処理液がひずみゲージ８０に接触することがない。また、板状部材１６が、ポンプケーシング３５のケーシング本体部３５ｃよりもヤング率が小さい材料で形成される場合は、昇圧された処理液によって板状部材１６に加わる圧力が比較的小さくても、板状部材１６が容易にひずむ。このため、例えば空気と密度差が小さい液体が処理液であっても、ひずみゲージ８０は板状部材１６のひずみを測定することができ、ポンプ内に液体が存在するか否かをより正確に検知することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲及び明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、又は省略が可能である。

１０ 横軸斜流ポンプ
１１ 回転軸
１４ 吐出ケーシング
１４ａ 空洞
１４ｂ 摺動部
１４ｃ ケーシング本体部
１６ 板状部材
１７ 羽根車
１７ａ 羽根
３０ 両吸込遠心ポンプ
３１ 羽根車
３５ ポンプケーシング
３５ｃ ケーシング本体部
３５ｄ 空洞
８０ ひずみゲージ

Claims (6)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に設けられ、複数の羽根を備えた羽根車と、
   前記羽根車を収容するケーシングと、
   前記ケーシングのひずみを測定するように構成されるひずみゲージと、を有し、
   前記ひずみゲージは、前記ケーシングの、前記羽根車との摺動部又はこれより下流側であって、処理液と接触しない位置に設けられる、ポンプ。
2. 請求項１に記載されたポンプにおいて、
   前記ポンプは横軸斜流ポンプである、ポンプ。
3. 回転軸と、
   前記回転軸に設けられ、複数の羽根を備えた羽根車と、
   前記羽根車を収容するケーシングと、
   前記ケーシングのひずみを測定するように構成されるひずみゲージと、を有し、
   前記ひずみゲージは、前記ケーシングの、前記羽根車の吐出口より下流側であって、処理液と接触しない位置に設けられる、ポンプ。
4. 請求項３に記載されたポンプにおいて、
   前記ポンプは、両吸込遠心ポンプであり、
   前記ひずみゲージは、吐出室を構成する前記ケーシングの、処理液と接触しない位置に設けられる、ポンプ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載されたポンプにおいて、
   前記ひずみゲージは、前記ケーシングの外側に設けられる、ポンプ。
6. 請求項１から４のいずれか一項に記載されたポンプにおいて、
   前記ケーシングは、ケーシング本体部と、前記ケーシングの内面の一部を形成する、前記ケーシング本体部よりもヤング率の小さい板状部材を有し、
   前記ケーシング本体部と前記板状部材とによって気密な空洞が画定され、
   前記ひずみゲージは、前記空洞内に設けられ、前記板状部材のひずみを測定するように構成される、ポンプ。

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