JP7073137B2 - 遠心ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、遠心ポンプに関するものである。

周知のように、遠心ポンプでは高揚程化等に伴い、ポンプケーシング内周面と羽根車外周との間に形成される環状隙間（側方クリアランス）が狭められた構造となっている。しかし、高揚程化等に対応させて側方クリアランスを狭くすれば、例えば汚水中では異物の噛み込みによる羽根車拘束（ロック）事故が問題となる。また、異物の噛み込みを生じさせないため側方クリアランスを大きくすれば、高揚程ポンプとしての揚液の高所或いは長距離移送機能が損われることになる。

このため、下記特許文献１に記載された遠心ポンプでは、ポンプケーシングの内周面上方部と、前記羽根車のシュラウド外周面との対向面間に狭小な環状隙間を保有させ、ポンプケーシングの内周面上方部および羽根車のシュラウド外周面の双方またはいずれか一方に羽根車の回転方向に沿って巻き下がる螺子溝が刻設されている、という構成を採用している。このような螺子溝を刻設することで、環状隙間に下方向の流れを形成し、異物の噛み込みを抑制することができる。

特開２００５－２４０６２９号公報

しかしながら、遠心ポンプの中では、部品加工精度等の影響で、ポンプケーシングの中心と羽根車の中心がずれ、環状隙間の隙間寸法が均等にならないものが存在する。そうすると、環状隙間のうち隙間寸法が広いところから異物が入り込み、入った異物が羽根車の回転に伴って環状隙間のうち隙間寸法が狭いところに移動し、クサビ状に噛み込んでしまう場合がある。この異物が、上記螺子溝が刻設されていない羽根車とポンプケーシングとの平行な部分で噛み込んでしまうと、異物が自然に外れることは無く、ポンプの分解が必要となる、という問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、高揚程ポンプとしての揚液の高所或いは長距離移送機能を損うことなく、異物の噛み込みを抑制することができる遠心ポンプの提供を目的とする。

（１）本発明の一態様に係る遠心ポンプは、所定軸回りに回転する羽根車と、前記羽根車を収容するポンプケーシングと、を有する遠心ポンプであって、前記羽根車の外周部と、該外周部と対向する前記ポンプケーシングの対向部と、の間に、環状隙間が形成され、前記環状隙間は、前記羽根車の軸方向における表面側から裏面側にかけて、前記羽根車の径方向における隙間寸法が連続的に減少、増加、または、減少後増加している。

（２）上記（１）に記載された遠心ポンプであって、前記羽根車の外周部及び前記ポンプケーシングの対向部の少なくともいずれか一方側に、前記環状隙間を形成する面取り部が形成されていてもよい。
（３）上記（２）に記載された遠心ポンプであって、前記面取り部は、前記羽根車の外周部の前記表面側及び前記裏面側の少なくともいずれか一方側に形成されていてもよい。
（４）上記（２）または（３）に記載された遠心ポンプであって、前記面取り部は、前記ポンプケーシングの対向部の前記表面側及び前記裏面側の少なくともいずれか一方側に形成されていてもよい。
（５）上記（２）～（４）に記載された遠心ポンプであって、前記面取り部は、前記羽根車の外周部の前記表面側及び前記裏面側のいずれか一方側と、前記ポンプケーシングの対向部の前記表面側及び前記裏面側のうち前記一方側と異なる他方側に形成されていてもよい。
（６）上記（５）に記載された遠心ポンプであって、前記面取り部が形成された前記羽根車の外周部及び前記ポンプケーシングの対向部には、鈍角部が形成されていてもよい。

上記本発明の態様によれば、高揚程ポンプとしての揚液の高所或いは長距離移送機能を損うことなく、異物の噛み込みを抑制することができる遠心ポンプを提供できる。

一実施形態に係る遠心ポンプの断面図である。 図１に示す矢視Ａ－Ａ図である。 一実施形態に係る遠心ポンプの要部拡大断面図である。 一実施形態に係る遠心ポンプによる作用を説明する説明図である。 一実施形態に係る遠心ポンプの要部構成の一変形例を示す図である。 一実施形態に係る遠心ポンプの要部構成の一変形例を示す図である。 一実施形態に係る遠心ポンプの要部構成の一変形例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る遠心ポンプを、図面を参照しながら説明する。以下の説明では、遠心ポンプとして、例えば、汚水、廃水、または、河川水のように、夾雑物および汚物が混じった液体を移送するための水中ポンプを例示する。なお、本発明は、遠心ポンプ一般に広く適用可能であって、当該水中ポンプに限定されるものではない。

図１は、一実施形態に係る遠心ポンプ１の断面図である。
図１に示す遠心ポンプ１は、ポンプ２と、ポンプ２の上部に取り付けられたモータ３と、ポンプ２とモータ３との間において上下に挿通される回転軸４と、を有する。

以下、回転軸４の軸線ＡＬが延びる方向を軸方向、軸線ＡＬと直交する方向を径方向、軸線ＡＬ回りに周回する方向を周方向という。また、軸線ＡＬに沿う回転軸４のポンプ２側を下側、回転軸４のモータ３側を上側として説明する。

ポンプ２は、回転軸４に接続された羽根車１０と、羽根車１０を収容するポンプケーシング１１と、を有する。羽根車１０は、回転軸４の下端部に固定され、軸線ＡＬを中心に回転する。ポンプケーシング１１には、羽根車１０を収容するポンプ室１２と、ポンプ室１２に連通する吸込口１３及び吐出口１４と、羽根車１０と径方向で対向する対向部１５と、が形成されている。

吸込口１３は、ポンプケーシング１１の下部に軸線ＡＬと同軸で形成されている。ポンプ室１２は、吸込口１３を中心にスクロール状に形成されている。吐出口１４は、スクロール状のポンプ室１２の外周部に連通するように形成されている。対向部１５は、ポンプケーシング１１の上部に軸線ＡＬと同軸で、羽根車１０の外径よりも僅かに大きく形成されている。

羽根車１０の外周部１０３は、ポンプケーシング１１の対向部１５と径方向において隙間をあけて対向している。外周部１０３は、羽根車１０のシュラウド１０１の外径側周縁部によって形成されている。シュラウド１０１には、羽根車１０の表面１０ａ側（吸込口１３側）に複数のブレード１０２が設けられている。

ポンプケーシング１１の上部には、中間ケーシング２０が取り付けられている。中間ケーシング２０は、羽根車１０の裏面１０ｂ側に配置されると共に、回転軸４が挿通される挿通孔２１が形成されている。挿通孔２１の上側の開口周縁部には、シール保持部２２が形成されている。シール保持部２２は、メカニカルシール２３を保持している。

中間ケーシング２０の上部には、下部軸受ブラケット４０が取り付けられている。下部軸受ブラケット４０には、回転軸４を軸支する下部軸受４１が設けられている。また、下部軸受ブラケット４０には、メカニカルシール２３を保持するシール保持部４２が形成されている。中間ケーシング２０の側壁部には、不図示の注油栓が設けられており、メカニカルシール２３が配置された空間Ｓに外部から潤滑油を供給できるようになっている。

空間Ｓは、有底筒状の中間ケーシング２０と有頂筒状の下部軸受ブラケット４０との間に形成されている。メカニカルシール２３は、ダブル型であり、ポンプケーシング１１側からメカニカルシール２３側への液体の浸入を阻止すると共に、メカニカルシール２３側から後述するステータ５０及びロータ５１側への潤滑油の漏出を阻止する。

下部軸受ブラケット４０には、円筒状のモータフレーム３０が外嵌している。モータフレーム３０は、軸線ＡＬと同軸に配置され、挿通孔２１を介してポンプケーシング１１の外部（上方）に延びた回転軸４を囲っている。モータフレーム３０には、ステータ５０（ステータコア５０ａ）が内嵌されている。

ステータ５０は、モータフレーム３０の内周面に固定（例えば焼き嵌め）されたステータコア５０ａと、ステータコア５０ａに巻回されたステータコイル５０ｂと、を有する。一方、回転軸４には、ロータ５１が取り付けられている。ロータ５１は、磁石などを有し、ステータコア５０ａと径方向において隙間をあけて対向している。

モータフレーム３０の上端開口部は、上部軸受ブラケット６０によって閉塞されている。上部軸受ブラケット６０には、回転軸４を軸支する上部軸受６１が設けられている。モータフレーム３０の上部には、上部軸受ブラケット６０を覆うように、モータカバー７０が取り付けられている。モータカバー７０には、水中ケーブル７１が接続されており、内部には運転用コンデンサ７２などが収容されている。

モータカバー７０の内部は、上部軸受ブラケット６０に設けられた連通部６２を介して、モータフレーム３０の内部と連通している。モータフレーム３０の内部に配置されたステータコイル５０ｂから延びる図示しない口出線は、連通部６２を介してモータカバー７０の内部に引き出され、運転用コンデンサ７２及び水中ケーブル７１と電気的に接続されている。

図２は、図１に示す矢視Ａ－Ａ図である。
図２に示すように、羽根車１０の外周部１０３と、該外周部１０３と対向するポンプケーシング１１の対向部１５と、の間には、環状隙間ＡＧが形成されている。この環状隙間ＡＧを狭く形成することで、高揚程ポンプとしての揚液の高所或いは長距離移送機能を得ることができる。しかしながら、環状隙間ＡＧを狭く形成すると、異物（細かい砂等）が噛み込み易くなる。

また、部品精度の影響で、羽根車１０の中心とポンプケーシング１１の中心がずれ、羽根車１０とポンプケーシング１１との隙間寸法Ｌ１，Ｌ２が均等にならないものが発生する場合がある。例えば、羽根車１０の中心が、軸線ＡＬから図２において紙面右側にずれると、隙間寸法Ｌ１よりも隙間寸法Ｌ２の方が小さくなる。

このような状態の場合、隙間寸法Ｌ２の部分では、環状隙間ＡＧがクサビ状に狭くなるために、異物が噛み込み易くなる。また、反対側の隙間寸法Ｌ１の部分では、隙間寸法Ｌ２よりも広いために、異物が入り込み易く、入った異物が羽根車１０の回転に伴って隙間寸法Ｌ２の方に移動し、噛み込んでしまう虞がある。
このような異物の噛み込みを抑制するため、遠心ポンプ１は、図３に示す構造を備えている。

図３は、一実施形態に係る遠心ポンプ１の要部拡大断面図である。
図３に示すように、羽根車１０の外周部１０３には、面取り部１０４が形成されている。面取り部１０４は、所謂Ｃ面取り加工によって形成された傾斜面であってもよく、羽根車１０の外周部１０３の裏面１０ｂ側に形成されている。面取り部１０４の傾斜角は、羽根車１０の裏面１０ｂに対して略－４５度であり、外周部１０３には、略１３５度の鈍角部θ１が形成されている。

一方、ポンプケーシング１１の対向部１５にも、面取り部１５１が形成されている。面取り部１５１も、所謂Ｃ面取り加工によって形成された傾斜面であってもよく、羽根車１０の外周部１０３の表面１０ａ側に形成されている。面取り部１５１の傾斜角は、面取り部１０４と同様に羽根車１０の裏面１０ｂに対して略－４５度であり、対向部１５には、略１３５度の鈍角部θ２が形成されている。なお、面取り部１０４，１５１と鈍角部θ１，θ２は、それぞれ同じ角度でなくてもよい。

羽根車１０に形成された面取り部１０４は、外周部１０３の軸方向における上半分の領域（裏面１０ｂ側）に形成されている（なお、図３において符号Ｂで示す水平線は、外周部１０３の軸方向中間位置を通っている）。一方、ポンプケーシング１１に形成された面取り部１５１は、対向部１５の面取り部１０４の下端（水平線Ｂ）位置から下側の領域（表面１０ａ側）に形成されている。

これら面取り部１０４，１５１によって形成される環状隙間ＡＧは、羽根車１０の軸方向における表面１０ａ側から裏面１０ｂ側にかけて、羽根車１０の径方向における隙間寸法が連続的に変化している。具体的には、環状隙間ＡＧの隙間寸法は、羽根車１０の軸方向における表面１０ａ側から裏面１０ｂ側にかけて、Ｌ２－１→Ｌ２－２→Ｌ２－３のように連続的に減少後増加に転じている。

隙間寸法Ｌ２－１は、面取り部１５１の下端位置における隙間寸法である。また、隙間寸法Ｌ２－２は、面取り部１５１の上端位置（面取り部１０４の下端位置）における隙間寸法である。そして、隙間寸法Ｌ２－３は、面取り部１０４の上端位置における隙間寸法である。環状隙間ＡＧの隙間寸法は、表面１０ａ側から裏面１０ｂ側にかけて、Ｌ２－１からＬ２－２に徐々に小さくなり、Ｌ２－２からＬ２－３に徐々に大きくなっている。

続いて、上記構成の遠心ポンプ１による作用について、図４を参照して説明する。
図４は、一実施形態に係る遠心ポンプ１による作用を説明する説明図である。図４（ａ）は、上述した面取り部１０４，１５１を備える遠心ポンプ１の要部拡大断面を示し、図４（ｂ）は、比較例として面取り部１０４，１５１を備えない遠心ポンプ１´の要部拡大断面を示す。

図４（ｂ）に示すように、上述した面取り部１０４，１５１を備えない遠心ポンプ１´では、羽根車１０の外周部１０３と、該外周部１０３と対向するポンプケーシング１１の対向部１５と、の間に、羽根車１０の軸方向における表面１０ａ側から裏面１０ｂ側にかけて、隙間寸法Ｌ２の平行な環状隙間ＡＧが形成される。このような環状隙間ＡＧでは、上述したようにクサビ状に異物Ｘが噛み込んだ場合、異物Ｘが自然に外れることはなく、遠心ポンプ１の分解が必要になる。

一方で、図４（ａ）に示すように、面取り部１０４，１５１を備える遠心ポンプ１では、羽根車１０の外周部１０３と、該外周部１０３と対向するポンプケーシング１１の対向部１５と、の間に、羽根車１０の軸方向における表面１０ａ側から裏面１０ｂ側にかけて、羽根車１０の径方向における隙間寸法が連続的に変化した環状隙間ＡＧが形成される。このような環状隙間ＡＧでは、図４（ｂ）に示すような平行な部分が無くなるため、異物Ｘが噛み込み難くなる。また、このような環状隙間ＡＧは、羽根車１０の表面１０ａ側及び裏面１０ｂ側に向かって徐々に広がっているので、表面１０ａ側または裏面１０ｂ側に異物Ｘを吐き出し易くなる。

また、面取り部１０４は、羽根車１０の外周部１０３の裏面１０ｂ側に形成されているため、羽根車１０の裏面１０ｂ側に入ってきた異物Ｘの噛み込みを抑制できる。また、面取り部１０４が形成された羽根車１０の外周部１０３には、鈍角部θ１が形成されるため、例えば、羽根車１０の裏面１０ｂから表面１０ａにかけて面取り部１０４を形成し、外周部１０３に鋭角部が形成される場合よりも強度が上がり、羽根車１０の外周部１０３における角落ちや削れ等を抑制できるため、環状隙間ＡＧを狭めることができ、高揚程ポンプとしての揚液の高所或いは長距離移送機能を損うことはなくなる。

また、面取り部１５１は、ポンプケーシング１１の対向部１５の表面１０ａ側に形成されているため、羽根車１０の表面１０ａ側（吸込口１３側）における異物Ｘの噛み込みを抑制できる。また、面取り部１５１が形成されたポンプケーシング１１の対向部１５には、鈍角部θ２が形成されるため、同様に、対向部１５における角落ちや削れ等を抑制できる。

このように、上述の本実施形態によれば、所定軸回りに回転する羽根車１０と、羽根車１０を収容するポンプケーシング１１と、を有する遠心ポンプ１であって、羽根車１０の外周部１０３と、該外周部１０３と対向するポンプケーシング１１の対向部１５と、の間に、環状隙間ＡＧが形成され、環状隙間ＡＧは、羽根車１０の軸方向における表面１０ａ側から裏面１０ｂ側にかけて、羽根車１０の径方向における隙間寸法が連続的に減少後増加している、という構成を採用することによって、高揚程ポンプとしての揚液の高所或いは長距離移送機能を損うことなく、異物Ｘの噛み込みを抑制することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。

例えば、本発明は、環状隙間ＡＧに平行な部分がなくなればよいため、図５～図７に示すような変形例を採用し得る。なお、以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

例えば、図５に示す遠心ポンプ１Ａのように、所謂Ｒ面取り加工によって形成された曲面状の面取り部１０４Ａ，１５１Ａを備えてもよい。なお、この場合にも、外周部１０３及び対向部１５に、上述した鈍角部θ１，θ２が形成されているとみなすことができる。すなわち、面取り部１０４Ａを形成すると、面取り部１０４の曲面は、図５に示す断面視において、裏面１０ｂと外周部１０３とに交わる。裏面１０ｂとの交点を交点Ｐ１、外周部１０３との交点を交点Ｐ２とし、交点Ｐ１と交点Ｐ２とを直線で結ぶと、当該直線と外周部１０３とが鈍角（θ１）で交わる。この鈍角で交わる部分は、上述した鈍角部θ１相当の作用効果を奏するため、鈍角部θ１とみなすことができる。すなわち、Ｒ面取り加工であっても、Ｃ面取り加工に見たてて、Ｃ面取り加工と同様の鈍角部θ１が形成されているとみなすことができ、これにより鈍角部θ１と同様の作用効果を得ることができる。なお、対向部１５側でも同様に交点Ｐ３，Ｐ４を定義することで鈍角部θ２が形成されているとみなすことができる。

また、例えば、図６（ａ）に示す遠心ポンプ１Ｂのように、羽根車１０の外周部１０３のみに、面取り部１０４Ｂ１，１０４Ｂ２を備えてもよい。なお、面取り部１０４Ｂ１，１０４Ｂ２は、図５と同様に、Ｒ面取り加工によって曲面状に形成されていてもよい。

また、例えば、図６（ｂ）に示す遠心ポンプ１Ｃのように、ポンプケーシング１１の対向部１５のみに、面取り部１５１Ｃ１，１５１Ｃ２を備えてもよい。なお、面取り部１５１Ｃ１，１５１Ｃ２も、図５と同様に、Ｒ面取り加工によって曲面状に形成されていてもよい。

また、例えば、図７に示す遠心ポンプ１Ｄのように、羽根車１０の外周部１０３のみに、面取り部１０４Ｄを備えてもよい。なお、面取り部１０４Ｄも、図５と同様に、Ｒ面取り加工によって曲面状に形成されていてもよい。この場合、環状隙間ＡＧの隙間寸法は、羽根車１０の表面１０ａ側から裏面１０ｂ側にかけて連続的に減少する。
また、面取り部１０４Ｄを裏面１０ｂ側に形成（逆傾斜に）して、環状隙間ＡＧの隙間寸法を、羽根車１０の表面１０ａ側から裏面１０ｂ側にかけて連続的に増加させてもよい。

１…遠心ポンプ、１０…羽根車、１０ａ…表面、１０ｂ…裏面、１１…ポンプケーシング、１５…対向部、１０３…外周部、１０４…面取り部、１５１…面取り部、ＡＧ…環状隙間、ＡＬ…軸線、Ｂ…水平線、Ｌ１…隙間寸法、Ｌ２…隙間寸法、Ｌ２－１…隙間寸法、Ｌ２－２…隙間寸法、Ｌ２－３…隙間寸法、Ｘ…異物、θ１…鈍角部、θ２…鈍角部

Claims (6)

1. 所定軸回りに回転する羽根車と、前記羽根車を収容するポンプケーシングと、を有する遠心ポンプであって、
   前記羽根車は、複数のブレードと、前記羽根車の軸方向における表面側に前記複数のブレードが設けられた円板状のシュラウドを備え、
   前記シュラウドの外周部と、該外周部と対向する前記ポンプケーシングの対向部と、の間に、環状隙間が形成され、
   前記環状隙間は、前記羽根車の軸方向における表面側から裏面側にかけて、前記羽根車の径方向における隙間寸法が連続的に減少後増加している、ことを特徴とする遠心ポンプ。
2. 前記シュラウドの外周部及び前記ポンプケーシングの対向部の少なくともいずれか一方側に、前記環状隙間を形成する面取り部が形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ。
3. 前記面取り部は、前記シュラウドの外周部の前記表面側及び前記裏面側の少なくともいずれか一方側に形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の遠心ポンプ。
4. 前記面取り部は、前記ポンプケーシングの対向部の前記表面側及び前記裏面側の少なくともいずれか一方側に形成されている、ことを特徴とする請求項２または３に記載の遠心ポンプ。
5. 前記面取り部は、前記シュラウドの外周部の前記表面側及び前記裏面側のいずれか一方側と、前記ポンプケーシングの対向部の前記表面側及び前記裏面側のうち前記一方側と異なる他方側に形成されている、ことを特徴とする請求項２～４のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
6. 前記面取り部が形成された前記シュラウドの外周部及び前記ポンプケーシングの対向部には、鈍角部が形成されている、ことを特徴とする請求項５に記載の遠心ポンプ。

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