JP6719103B2 - 渦流ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、渦流ポンプに関し、特に自吸式の渦流ポンプに関する。

自吸式の渦流ポンプにおいては、外周部に複数の羽根を有するインペラがケーシング内に回転自在に収容されている。ケーシングには、液体を吸い込む吸込口及び液体を吐出する吐出口が形成されており、ケーシング内を液体で充満させた状態でインペラを回転駆動させることにより、吸込口から吸い込んだ液体を吐出口から吐出していた。ケーシング内に液体を充満させた状態になるまでは、正常な吸い込みが行われないため、ポンプの起動からこの状態になるまでの時間（自吸時間）を短縮化することが望まれている。

従来では、インペラよりも下流の地点に、吸い込んだ気水混合液を衝突させて分流する衝突板を有する渦流ポンプが知られている（例えば特許文献１参照）。この渦流ポンプでは、気水混合液を衝突板に衝突させることで、気泡を多く含まない気水混合液を下方へ、気泡を多く含む気水混合液を上方へと分けて、下方へと案内された気水混合液から気泡を上昇させて、気泡を取り除く。これにより、自吸効率が高められて自吸時間を短縮している。

特公平２−６０８７７号公報

ところで、上記の渦流ポンプであると、自吸時間は短縮できるものの、通常運転時には衝突板が液体の流れを妨げてしまうため、通常運転時における性能を低下させてしまう。

このため、本発明は、通常運転時の性能低下を抑制しつつ、自吸時間を短縮することのできる渦流ポンプを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る渦流ポンプは、インペラと、インペラを回転自在に収容し、インペラの回転によって吸い込まれた液体を吐出する吐出口が形成されたケーシングと、を備え、ケーシングは、インペラが収容される渦室であって、吐出口よりも下方に配置された渦室と、渦室から吐出口まで液体を案内するとともに、液体内の気泡を取り除くための気液分離室と、を備え、気液分離室における渦室側の領域には、当該領域を分けて２つの流路を形成するための壁部が設けられており、２つの流路のうち、インペラの回転方向の下流側に位置する一方の流路は、渦室から吐出された液体が流れる吐出流路であり、他方の流路は、渦室に戻る液体が流れる戻り流路であり、戻り流路若しくは当該戻り流路の近傍には、渦室に戻る液体の流れを、戻り流路に向かう第１の流れと、吐出流路から吐出した液体に向かう第２の流れとに分流させる仕切板が設けられている。

本発明によれば、通常運転時の性能低下を抑制しつつ、自吸時間を短縮することができる。

実施の形態に係る渦流ポンプの外観を示す斜視図である。 実施の形態に係る渦流ポンプの内部構造を示す断面図である。 図２の渦流ポンプからインペラを取り除いた状態を示す断面図である。 実施の形態に係る渦流ポンプに備わる仕切板の各変形例を示す断面図である。 実施例及び比較例１〜４の要部構成を示す斜視図である。 実施例及び比較例１〜４の駆動時間と揚程との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例１〜４の流量と揚程との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例１〜４の流量と効率との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例１〜４の流量とトルクとの関係を示すグラフである。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態の順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。

［全体構成］
以下、実施の形態に係る渦流ポンプについて説明する。図１は、実施の形態に係る渦流ポンプ１の外観を示す斜視図である。図２は、実施の形態に係る渦流ポンプ１の内部構造を示す断面図である。図３は、図２の渦流ポンプ１からインペラ３を取り除いた状態を示す断面図である。なお、図２においては、自吸時における渦流ポンプ１内部の液体及び気泡の状態を模式的に図示している。また、図２においては、インペラ３は断面図ではなく、正面図としている。

図１〜図３に示すように、渦流ポンプ１は、ケーシング２と、インペラ３と、カバー４とを備えており、ケーシング２に収納されて、カバー４で覆われたインペラ３を回転させることで、水などの液体を吸い込んで、吐出するポンプである。以下、各部について具体的に説明する。

ケーシング２は、水などの液体を吸い込む吸込口２１と、液体を外部へ吐出する吐出口２２とを備えている。吸込口２１は、ケーシング２の一側面に形成されており、図示しない配管が取り付けられる。吐出口２２は、ケーシング２の上面に形成されており、図示しない配管が取り付けられる。ケーシング２の上面には、自吸時に必要な呼び水が注がれる注入口２３が形成されている。注入口２３には、図示しない着脱自在の栓が取り付けられるようになっている。そして、注入口２３は、ケーシング２の上面であって吸込口２１に近い側の端部に配置されており、吐出口２２は、ケーシング２の上面であって吸込口２１から遠い側の端部に配置されている。

ケーシング２の内部には、インペラ３を回転自在に収納する渦室２４と、吸込口２１から吸い込まれた液体を渦室２４まで案内する吸込流路２５と、渦室２４から吐出口２２まで液体を案内する気液分離室２６とが形成されている。

渦室２４は、ケーシング２における下部に形成されており、これにより吸込口２１、吐出口２２及び注入口２３よりも下方に配置されている。渦室２４には、図３に示すように、インペラ３の外周部に対応する部分に円弧状に形成された渦室流路２４１が形成されている。

吸込流路２５は、上下方向に延在する流路であり、その上端部が吸込口２１に連通し、下端部が渦室流路２４１の一端部に連通している。また、渦室２４には、インペラ３の回転軸３２が貫通する軸孔２４２が形成されている。渦室２４は開放されており、インペラ３が渦室２４内に収容されると、インペラ３の一方の主面が露出した状態となる。このため、図１に示すように、ケーシング２には、インペラ３を覆うようにカバー４が取り付けられている。

図２に示すように、インペラ３は、回転することにより、液体にエネルギーを与えるための羽根３１を有する回転体である。具体的に、インペラ３は外周部に複数の羽根３１を有している。また、インペラ３の回転軸３２には、ケーシング２の軸孔２４２を介して、図示しないモータが連結されている。インペラ３は、モータを駆動源として回転するようになっている。インペラ３が回転することによって、当該インペラ３の複数の羽根３１で渦室２４内の液体を気液分離室２６に吐出する。

図２及び図３に示すように、気液分離室２６は、渦室２４の上方に配置されており、上底が下底よりも広い略台形状の断面形状を有している。気液分離室２６の下部は、渦室流路２４１の他端部に連通しており、上部は吐出口２２及び注入口２３に連通している。

また、気液分離室２６における渦室２４側の領域、つまり、気液分離室２６における下部領域には、当該領域に直面するインペラ３の回転方向（図２における矢印Ｙ１参照）で、この領域を分けて２つの流路を形成するための壁部２６１が設けられている。本実施の形態では、吸込流路２５に近い側が回転方向の下流側となり、吸込流路２５に対して遠い側が回転方向の上流側となる。壁部２６１は、板状の壁体であり、気液分離室２６内において、上下方向に沿うように配置されている。このため、２つの流路も上下方向に沿う経路を形成している。

壁部２６１によって形成された２つの流路のうち、回転方向の下流側に位置する一方の流路は、渦室２４から吐出された液体が流れる吐出流路２７であり、他方の流路は、渦室２４に戻る液体が流れる戻り流路２８である。壁部２６１における渦室２４側とは反対側の端部（上端部）には、仕切板２９が取り付けられている。

仕切板２９は、気液分離室２６における壁部２６１よりも上方の領域（上部領域２６５）から、渦室２４内に戻る液体の流れＲを、戻り流路２８に向かう第１の流れＲ１と、吐出流路２７から吐出した液体に向かう第２の流れＲ２とに分流させる板体である。具体的に、仕切板２９は、壁部２６１の上端部から、壁部２６１の主面に対して交差する方向に沿って延在して、戻り流路２８側に突出するとともに、吐出流路２７側には突出していない。本実施の形態では、仕切板２９は水平方向に沿って延在している。また、壁部２６１に対する仕切板２９の突出長さＬ１と、壁部２６１の上端部から気液分離室２６の内壁面までの水平方向の長さＬ２とは、種々の実験、シミュレーション、経験則によって適切な関係に決定されている。適切な関係とは、通常運転時の性能低下を抑制しつつ、自吸時間の短縮化を実現することのできる関係性である。適切な関係の一例としては、突出長さＬ１を長さＬ２の略半分とすることが挙げられる。なお、長さＬ２は、戻り流路２８の入口側の幅の長さでもある。

［渦流ポンプの動作］
次に、渦流ポンプ１の動作について図２に基づいて説明する。

まず、作業者は、注入口２３から呼び水（液体）を注いで、少なくとも渦室２４を液体で満たし、注入口２３に栓をする。

次いで、作業者は、モータを駆動し、インペラ３を回転させると、吸込流路２５を介して吸込口２１から配管内空気の吸込みが発生する。

吸込口２１から吸い込まれた液体は、吸込流路２５を介して渦室２４の渦室流路２４１に流れ込む（矢印Ｙ２）。渦室流路２４１ではインペラ３が回転しているので、当該回転によって渦室流路２４１内の水が、気液分離室２６の吐出流路２７に案内され、吐出流路２７から上部領域２６５に放出される（矢印Ｙ３）。上部領域２６５では、吐出流路２７から放出された液体によって、縦方向の渦流（矢印Ｙ４）が発生する。この渦流によって、渦室２４内に戻る液体の流れＲも発生する。流れＲは、仕切板２９によって、戻り流路２８に向かう第１の流れＲ１と、吐出流路２７から吐出した液体に向かう第２の流れＲ２とに分流される。第２の流れＲ２に乗った液体は、吐出流路２７から吐出した液体と合流する。第１の流れＲ１に乗った液体は、戻り流路２８及び渦室２４を通過してから吐出流路２７に至る。液体は気液分離室２６内を循環する。インペラ３の回転と液体の循環により、配管内の空気は液体と混合されて気泡となり、気泡の一部は吐出口２２から外部へ排出される。これにより配管内の真空度が高まり、配管内の水位を引き上げる（自吸）。

そして、吸込流路２５を介して吸込口２１から液体が渦室２４へと流れ込み、上部領域２６５が液体によってある程度満たされると、吐出口２２から液体が吐出され、通常運転に切り替わる。

渦流ポンプ１の駆動開始からポンプ設置位置まで液体を吸い上げる時間が自吸時間である。

自吸時においては、図２に示すように、気泡Ｂが気液分離室２６内の循環する液体中に残存している。一部の気泡Ｂは、吐出口２２から吐出される液体とともに外部に放出されるが、渦流によって戻り流路２８に流れ込んで渦室２４に進入する気泡Ｂも存在する。ところで、渦流によって生じた流れＲは、仕切板２９によって第１の流れＲ１と第２の流れＲ２とに分流される。第２の流れＲ２の方が第１の流れＲ１よりも上方にあるので、浮力を有する気泡Ｂは、その多くが第２の流れＲ２に乗ることになり、戻り流路２８内には進入しにくいこととなる。したがって、渦室２４内に進入する気泡Ｂを少なくすることができ、インペラ３による配管内の空気の吸込量が低減することを抑制できる。配管内の空気の吸込量の低減が抑えられていると、それだけ早く、気液分離室２６内の気泡Ｂを吐出口２２から放出することができるので、自吸時間を短縮することができる。

また、第１の流れＲ１に乗った液体は、吐出流路２７から吐出した液体と合流するため、吐出流路２７から吐出した液体の流れを遮ることもない。仕切板２９による分流が、通常運転時に生じていたとしても、吐出流路２７から吐出した液体の流れが遮られないので、通常運転時の性能低下も抑制することができる。

［まとめ］
以上説明したように、本実施の形態に係る渦流ポンプ１は、渦室２４に戻る液体の流れＲを、戻り流路２８に向かう第１の流れＲ１と、吐出流路２７から吐出した液体に向かう第２の流れＲ２とに分流させる仕切板２９が戻り流路２８に設けられている。これにより、気液分離室２６内に残存している気泡Ｂを渦室２４に進入しにくくすることができる。これにより、インペラ３による吸い込み力が低減することを抑制でき、自吸時間を短縮することができる。

また、上述したように、仕切板２９による分流が通常運転時に生じていたとしても、吐出流路２７から吐出した液体の流れは第２の流れＲ２によって遮られないので、通常運転時の性能低下も抑制することができる。

また、仕切板２９が壁部２６１の主面に対して交差する方向に沿って延在しているので、第２の流れＲ２を確実に壁部２６１の上方へと案内することができ、この第２の流れＲ２に乗った気泡Ｂを、より渦室２４内に進入しにくくすることができる。これにより、自吸時間をより短縮することができる。

また、仕切板２９が壁部２６１における渦室２４側とは反対側、つまり壁部２６１の上端部に配置されているので、渦室２４から離れた位置で分流が行われる。したがって、気泡Ｂが渦室２４内に進入しにくくなり、自吸時間をより短縮することができる。

［その他の実施の形態］
以上、実施の形態に係る渦流ポンプ１について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。なお、以下の説明において、上記実施の形態と同一の部分については同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。

以下、仕切板の変形例について説明する。

図４は、実施の形態に係る渦流ポンプに備わる仕切板の各変形例を示す断面図である。具体的に、図４の（ａ）は、変形例１の概略構成を示し、図４の（ｂ）は、変形例２の概略構成を示し、図４の（ｃ）は、変形例３の概略構成を示し、図４の（ｄ）は、変形例４の概略構成を示している。

上記実施の形態では、仕切板２９が壁部２６１に取り付けられている場合を例示して説明したが、図４の（ａ）に示す変形例１では、仕切板２９ａと、壁部２６１ａとが一体成形されている。これにより、仕切板２９ａと壁部２６１ａとの剛性を高めることができ、これらの変形を抑制することができる。したがって耐久性を向上させることが可能である。

また、上記実施の形態では、仕切板２９が壁部２６１の上端部に取り付けられている場合を例示して説明したが、渦流によって生じた流れＲを第１の流れＲ１と第２の流れＲ２とに分流することができるのであれば、壁部２６１の配置箇所は如何様でもよい。例えば、図４の（ｂ）に示す変形例２のように壁部２６１ｂの中央部から伸び出る位置に仕切板２９ｂを配置してもよい。また、図４の（ｃ）に示す変形例３のように、壁部２６１ｃから離れた位置に仕切板２９ｃを配置してもよい。壁部２６１ｃから離れた位置に仕切板２９ｃを配置する場合には、仕切板２９ｃを戻り流路２８内に配置しても、戻り流路２８の近傍に配置してもよい。仕切板２９ｃを戻り流路２８の近傍に配置する場合においても、流れＲを第１の流れＲ１と第２の流れＲ２とに分流することができる位置に仕切板２９ｃを配置する必要がある。さらに、吸込流路２５から吐出された液体の流れを妨げない領域であることが望まれる。

また、図４の（ｄ）に示す変形例４のように、仕切板２９ｄと壁部２６１ｄとに、第２の流れＲ２に沿って延在する補助板３０を取り付けてもよい。具体的に、補助板３０は、仕切板２９ｄの先端部から壁部２６１ｄの中央部まで延在する平面状或いは湾曲面状の板体である。ここで、補助板３０がない場合であると、仕切板２９ｄと壁部２６１ｄがなす角部内に気泡Ｂが滞留してしまって、自吸時間を長時間化するおそれがある。しかしながら、変形例４のように、補助板３０がある場合には、仕切板２９ｄと壁部２６１ｄがなす角部が補助板３０によって覆われるため、当該角部内に気泡Ｂが滞留しない。したがって、自吸時間をより短縮することができる。なお、この変形例４では、補助板３０が板体であるので、仕切板２９ｄと壁部２６１ｄとの間に空間が形成されている。この空間を閉塞する形状に補助板が形成されていてもよい。空間が閉塞されることでより気泡Ｂの滞留を抑制することができる。

さらには、補助板３０があることにより、壁部２６１ｄ及び仕切板２９ｄの剛性も高められ、耐久性を向上させることができる。

また、上記実施の形態では、仕切板２９が水平方向に沿って配置されている場合を例示して説明した。しかし、仕切板２９と壁部２６１がなす角度を第１の流れＲ１及び第２の流れＲ２に基づいて決定し、当該角度に対応するように仕切板２９を配置してもよい。具体的には、第１の流れ及び第２の流れＲ２を種々の実験、シミュレーションによって解析し、渦室２４に対する気泡Ｂの戻り量が小さくなるように、仕切板２９と壁部２６１がなす角度を決定する。これにより、渦室２４への気泡Ｂの戻り量を抑制することができ、自吸時間をより短縮することができる。

なお、ここでは、仕切板２９と壁部２６１とがなす角度が固定されている場合を例示したが、仕切板２９を壁部２６１に対して回動自在とすることで、当該角度を調整可能としてもよい。

また、上記実施の形態及び上記変形例をそれぞれ組み合わせてもよい。

［実施例］
次に、上記実施の形態に係る渦流ポンプ１の実施例と各比較例１〜４との性能について比較する。

まず、比較例１〜４との要部構成について説明する。

図５は、実施例及び比較例１〜４の要部構成を示す斜視図である。具体的に、図５の（ａ）は実施例の要部構成を示し、図５の（ｂ）は比較例１の要部構成を示し、図５の（ｃ）は比較例２の要部構成を示し、図５の（ｄ）は比較例３の要部構成を示し、図５の（ｅ）は比較例４の要部構成を示している。なお、図５の（ａ）は、比較例１〜４との違いをわかりやすくするために、上述した実施の形態に係る壁部２６１と仕切板２９とを斜視図で示したものである。このため、実施例の壁部２６１と仕切板２９とは、上述した実施の形態の構成と同じである。また、比較例１〜４における壁部２６１ｈ，２６１ｉ，２６１ｊ，２６１ｋは、いずれも実施例の壁部２６１と同じ位置に配置されている。また、比較例１，２，４の壁部２６１ｈ，２６１ｉ，２６１ｋにおいては、実施例の壁部２６１と同じ形状である。

比較例１では、図５の（ｂ）に示すように、仕切板のない壁部２６１ｈが用いられている。比較例２では、図５の（ｃ）に示すように、壁部２６１ｉにおける戻り流路２８側の主面に、上下方向に沿って延在したリブ２６５ｉが設けられている。比較例３では、図５の（ｄ）に示すように、仕切板のない壁部２６１ｊに対して、上端が開放し、上下方向に延在するスリット２６５ｊが形成されている。比較例４では、図５の（ｅ）に示すように、実施例と同等の壁部２６１ｋと仕切板２９ｋとに加えて、仕切板２９ｋに平行な板体２６８ｋが戻り流路２８内に設けられている。

そして、実施例及び各比較例１〜４において、自吸時間と揚程との関係を実験によって求めた。

図６は、実施例１及び比較例１〜４の駆動時間と揚程との関係を示すグラフである。なお、ここでは、揚程が８ｍ以上になるまでの時間を自吸時間とする。

図６に示すように、比較例１〜３においては自吸時間は約３４５秒である。また、比較例４では、自吸時間は約４３５秒である。一方、実施例では、自吸時間は約２７４秒である。例えば、比較例１〜３の自吸時間を１とすると、比較例４の自吸時間は１．２６であり、実施例の自吸時間は０．７９である。このように、実施例では各比較例１〜４と比べても大幅に自吸時間が短縮されていることが分かる。

次いで、実施例及び各比較例１〜４において、通常運転時における性能を比較した。具体的に通常運転時における性能として、流量と揚程との関係、流量と効率との関係及び流量とトルクとの関係を実験により求め、比較した。

図７は、実施例及び比較例１〜４の流量と揚程との関係を示すグラフである。図７に示すように、実施例と比較例１〜４とには、流量と揚程との関係性に大きな違いがないことが分かる。

図８は、実施例及び比較例１〜４の流量と効率との関係を示すグラフである。図８に示すように、実施例と比較例１〜４とには、流量と効率との関係性に大きな違いがないことが分かる。

図９は、実施例及び比較例１〜４の流量とトルクとの関係を示すグラフである。図９に示すように、実施例と比較例１〜４とには、流量とトルクとの関係性に大きな違いがないことが分かる。

このように、本実施例によれば、通常運転における性能低下を抑制しつつ、自吸時間を大幅に短縮することができる。

１ 渦流ポンプ
２ ケーシング
３ インペラ
２２ 吐出口
２４ 渦室
２６ 気液分離室
２７ 吐出流路
２８ 戻り流路
２９，２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ，２９ｋ 仕切板
３０ 補助板
３１ 羽根
２６１，２６１ａ，２６１ｂ，２６１ｃ，２６１ｄ，２６１ｈ，２６１ｉ，２６１ｊ，２６１ｋ 壁部
Ｂ 気泡

Claims (5)

1. インペラと、
   前記インペラを回転自在に収容し、前記インペラの回転によって吸い込まれた液体を吐出する吐出口が形成されたケーシングと、を備え、
   前記ケーシングは、
   前記インペラが収容される渦室であって、前記吐出口よりも下方に配置された渦室と、
   前記渦室から前記吐出口まで液体を案内するとともに、液体内の気泡を取り除くための気液分離室と、を備え、
   前記気液分離室における前記渦室側の領域には、当該領域を分けて２つの流路を形成するための壁部が設けられており、
   前記２つの流路のうち、前記インペラの回転方向の下流側に位置する一方の流路は、前記渦室から吐出された液体が流れる吐出流路であり、他方の流路は、前記渦室に戻る液体が流れる戻り流路であり、
   前記戻り流路若しくは当該戻り流路の近傍には、前記渦室に戻る液体の流れを、前記戻り流路に向かう第１の流れと、前記吐出流路から吐出した液体に向かう第２の流れとに分流させる仕切板が設けられており、
   前記壁部の上部であって、前記戻り流路側の面には、前記壁部から前記戻り流路側に突出した仕切板が設けられている
   渦流ポンプ。
2. 前記仕切板は、前記壁部における前記渦室側とは反対側に配置されている
   請求項１に記載の渦流ポンプ。
3. 前記仕切板は、水平方向に沿って延在している
   請求項１または２に記載の渦流ポンプ。
4. 前記仕切板と前記壁部とには、前記第１の流れに沿って延在する補助板が取り付けられている
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の渦流ポンプ。
5. 前記仕切板と前記壁部とがなす角度は、前記第１の流れ及び前記第２の流れに基づいて決定されている
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の渦流ポンプ。

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