JP7312140B2

JP7312140B2 - ポンプ装置

Info

Publication number: JP7312140B2
Application number: JP2020088978A
Authority: JP
Inventors: 康雄半田
Original assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2020-05-21
Filing date: 2020-05-21
Publication date: 2023-07-20
Anticipated expiration: 2040-05-21
Also published as: JP2021183819A

Description

本発明は、ポンプ装置に関する。

従来、吐出管に共鳴室を接続し、この共鳴室の容積をポンプの回転数に基づく振動周波数に共鳴するように調節する調節機構を備えたポンプ装置が公知である（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、前記従来のポンプ装置は、ポンプの駆動に伴って発生する脈動を抑制する機能はあるが、効果音を発生させる機能までは備えていない。

特開昭６２-２９７５９１号公報

本発明は、ポンプの運転による流体の圧力を利用して音響管から効果音を出力させて、ポンプの駆動状態を監視することができるようにしたポンプ装置を提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、揚水及び前記揚水管の上方開口部に接続される吐出しエルボを含むポンプケーシングと、前記吐出しエルボを貫通して上下方向に延び、下端部に前記揚水管内に配置される羽根車を有する回転軸と、前記回転軸を介して前記羽根車を回転させる駆動手段と、を備えた立軸ポンプであって、前記ポンプケーシングに接続され、前記駆動手段を駆動して前記回転軸を介して前記羽根車を回転させた際に発生する脈動を抑制しつつ、前記ポンプケーシング内の流体が流入することにより空気を送り出す空気発生装置と、前記空気発生装置に接続されて効果音を発生させる音響発生部と、をさらに備えるポンプ装置を提供する。

この構成によれば、空気発生装置によってポンプの脈動を抑制しつつ、空気発生装置から音響発生部に送り出された空気が気泡となって上昇して効果音を発生させ、ポンプが駆動していることを報知することができる。

前記空気発生装置は、一端部を吐出しエルボに接続された圧力管と、前記圧力管の他端部が下端部に接続された空気発生部とを備え、前記空気発生部は、上端部が注入管を介して前記音響発生部に接続されているのが好ましい。

この構成によれば、ポンプケーシングから圧力管を介して空気発生部内に流体が流入し、ポンプの駆動により発生する圧力脈動を減衰させることができる。

前記空気発生部は、上端部に外気に連通する通気管を接続され、下端部にドレン管を接続され、前記圧力管はストップ弁、前記通気管は開閉弁、ドレン管はドレン弁をそれぞれ有し、前記ストップ弁を開放し、前記開閉弁及び前記ドレン弁を閉鎖する第１処理と、前記ストップ弁を閉鎖し、前記開閉弁及び前記ドレン弁を開放する第２処理を繰り返す制御装置をさらに備えるのが好ましい。

この構成によれば、第１処理により、吐出しエルボから空気発生部内へと流体を導いて圧力脈動を減衰させることができる。このとき、音響発生部により効果音を発生させてポンプの駆動状態を知らせることができる。また、第２処理により、空気発生部内に流入した流体を排出して次の第１処理に備えることができる。

前記空気発生部は、前記駆動手段で発生する脈動を抑制する共鳴管である。

前記音響発生部は音響管であるのが好ましい。

この構成によれば、共鳴管に音響管を接続するだけで効果音を発生させる構成を得ることができる。

前記音響管は、固有振動数が前記駆動手段の駆動により発生する圧力脈動の周波数と合致するように構成されているのが好ましい。

この構成によれば、圧力脈動の周波数を音響管で共鳴させて効果音を増大させることができる。また、圧力脈動とは異なる周波数の効果音が発生したときは、音色が異なるので、異常の検知が可能となる。

本発明によれば、ポンプケーシングに接続した空気発生装置によってポンプの駆動により発生する圧力脈動を減衰させて騒音の発生を抑制することができる。また、空気発生装置に接続した音響管によって効果音を発生させて、ポンプの駆動状態を知らせることができる。

本実施形態に係る共鳴管及び音響管を備えた立軸ポンプの概略図。本実施形態に係る立軸ポンプの動作を示すフローチャート。

以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは相違している。

図１は、本実施形態に係るポンプ装置を示す。このポンプ装置は、立軸ポンプ１に空気発生装置２と音響管３を順次接続したものである。

立軸ポンプ１は、ポンプケーシング４を備える。ポンプケーシング４は、揚水管５と、その上方開口部に接続される吐出しエルボ６とを有する。また立軸ポンプ１は、吐出しエルボ６を貫通して上下方向に延びる回転軸７を備える。回転軸７の下端部には、前記揚水管５内に配置される羽根車８が設けられている。羽根車８は、モータ等の駆動手段である駆動機９によって回転軸７を介して回転駆動する。

空気発生装置２は、圧力管１０と共鳴管（空気発生部）１１を備える。圧力管１０は、水平方向に延び、その一端部が吐出しエルボ６に接続されている。圧力管１０の他端部は共鳴管１１の下方部に接続されている。共鳴管１１は、その軸心が鉛直方向に延びる筒状である。圧力管１０にはストップ弁１２が設けられ、吐出しエルボ６から共鳴管１１に流入する流体量を調整可能となっている。

ところで、駆動手段で発生する圧力脈動がポンプケーシング４を伝搬して振動を発生させ、この振動が騒音の原因となる。本実施形態では、共鳴管１１を、その固有振動数ｆ１が圧力脈動周波数ＮＺと等しくなるように構成することで、圧力脈動を抑制している。具体的に、共鳴管１１の構成は以下のように決定している。

駆動手段の圧力脈動周波数ＮＺは、次式で表される。
ＮＺ＝ｆ１＝α１・１００／２π（Ａ１／Ｌ１・Ｖ１）０．５（１）
α１：共鳴管１１内での圧力波の伝搬速度
Ａ１：圧力管１０の断面積
Ｌ１：圧力管１０の長さ
Ｖ１：共鳴管１１の内容積

また、共鳴管１１内での圧力波の伝搬速度α１は、次式で表される。
α１＝√（Ｋｇ／γ）／√（１＋（Ｋ／Ｅ）（ｄ／ｅ）（２）
Ｋ：共鳴管１１を流動する流体の体積弾性係数
ｇ：重力の加速度
Ｅ：共鳴管１１を構成する材料の弾性係数
ｄ：共鳴管１１の内径
ｅ：共鳴管１１の厚さ

ここでは、共鳴管１１にはステンレス鋼を使用し、流体は水としている。そして、前記式（１）及び（２）に従って、流動する流体に応じて、空気発生装置２（圧力管１０及び共鳴管１１）の構成（サイズ）を決定している。

また、共鳴管１１の下端部にはドレン管１３が接続されている。ドレン管１３の途中にはドレン弁１４が設けられ、開放することにより共鳴管１１内に貯留された流体を排出できるようになっている。共鳴管１１の上端部には通気管１５が接続されている。また、通気管１５の途中には開閉弁１６が設けられている。開閉弁１６を開放することにより、共鳴管１１内に外気を取り込むことができるようになっている。

音響管３は、その軸心が上下方向に延びる筒状で、内部には液体として水が収容されている。音響管３の下方部と共鳴管１１の上方部とは注入管１７によって接続されている。注入管１７には逆止弁１８が設けられ、音響管３から共鳴管１１への流体の逆流が防止されている。これにより、共鳴管１１から音響管３にのみ気体（空気）が流入可能となっている。

音響管３では、圧力脈動の定在波を形成して効果音を出力できるように、音響管３の固有振動数ｆ２が圧力脈動周波数ＮＺと等しくなるように設定されている。
ＮＺ＝ｆ２＝α２・１００／２π（Ａ２／Ｌ２・Ｖ２）０．５（３）
α２：音響管３内での圧力波の伝搬速度
Ａ２：注入管１７の断面積
Ｌ２：注入管１７の長さ
Ｖ２：音響管３の内容積

そして、音響管３内での圧力波の伝搬速度α２は次式で表される。
α２＝√（Ｋ／ρ）（４）
Ｋ＝Ｋｗ／（１＋（Ｖａ・Ｖ）（Ｋｗ／Ｋａ－１））
ρ＝ρａ（Ｖａ／Ｖ）＋ρｗ（Ｖｗ／Ｖ）
Ｋ：音響管３内の流体の体積弾性係数
Ｋａ：音響管３内の空気の体積弾性係数
Ｋｗ：音響管３内の水の体積弾性係数
Ｖ：音響管３の内容積
Ｖａ：音響管３内での気体の容積
Ｖｗ：音響管３内での液体の容積
ρ：音響管３内での流体の密度
ρａ：音響管３内での気体の密度
ρｗ：音響管３内での液体の密度

これらの数式から音響管３の内容積Ｖを決定している。なお、音響管３内を占める水量に比べて空気量が十分に大きいため、Ｖａ／Ｖの値は十分に大きく（ほぼ１に近い）、流体の密度はほぼ空気の密度に近い。したがって、音響管３内での圧力波の伝搬速度α２はほぼ空気中の圧力波の伝搬速度と等しい。また、音響管３の高さＨａは、Ｈａ＝α／２ｆ２である。

駆動機９の駆動は、制御装置１９からの制御信号によって行われる。また制御装置１９は、内蔵するタイマーでの計時時間に基づいてストップ弁１２、開閉弁１６及びドレン弁１４の開閉を制御する。

次に、前記構成からなる立軸ポンプ１の共鳴管１１及び音響管３の動作について、図２のフローチャートに従って説明する。

まず、ポンプの駆動を開始し（ステップＳ１）、ドレン弁１４及び開閉弁１６を閉鎖すると共に（ステップＳ２、Ｓ３）、ストップ弁１２を開放する（ステップＳ４）。これにより、ポンプケーシング４と共鳴管１１とが圧力管１０を介して連通する（第１処理）。さらに、ストップ弁１２の開放からタイマーによるカウントを開始する（ステップＳ５）。

共鳴管１１は、その固有振動数ｆが圧力脈動周波数ＮＺと等しくなるように構成されている。したがって、ポンプの駆動により発生した圧力脈動が減衰され、騒音が低減される。また、ポンプケーシング４内を流動する流体が圧力管１０を介して共鳴管１１内へと流入する。これにより、内部の空気が加圧され、注入管１７を介して音響管３へと流出する。

音響管３では、共鳴管１１から流入した空気が気泡となって上方へと移動する。この気泡により音響管３内で音響が発生する。さらに音響管３は、固有振動数が圧力脈動周波数ＮＺと等しくなるように構成されている。このため、音響管３が共鳴し、圧力脈動に基づく定常波を形成して効果音を発生させる。これにより、ポンプの駆動状態を聴覚によって認識することができる。また、圧力脈動周波数ＮＺとは異なる周波数の音が発生した場合には、効果音の音色が相違し、異常診断が可能となる。

この間、タイマーによりストップ弁１２の開放から第１設定時間経過したか否かを判断する（ステップＳ６）。共鳴管１１の内容積及びポンプケーシング４内の流体の圧力が分かっている。このため、ストップ弁１２の開放からの経過時間に基づいて共鳴管１１内に所定量以上の流体が流入したことが分かる。そこで、ストップ弁１２の開放からの経過時間が共鳴管１１内に所定量の流体が流入したと判断される第１設定時間となれば、タイマーをリセットし（ステップＳ７）、ストップ弁１２を閉鎖する（ステップＳ８）。そして、ドレン弁１４及び開閉弁１６を開放し（ステップＳ９、Ｓ１０）、共鳴管１１内の流体をドレン弁１４から排出する（第２処理）。このとき、再びタイマーによるカウントを開始し（ステップＳ１１）、共鳴管１１内の流体が全て排出されたと判断される第２設定時間となったか否かを判断する（ステップＳ１２）。第２処理の開始からの経過時間が第２設定時間となれば、ステップＳ２に戻る。

以下、前記第１処理と前記第２処理を繰り返すことによりポンプケーシング４内の流体の共鳴管１１内への流入、共鳴管１１から音響管３への空気の排出、共鳴管１１からの流体の排出を行う。

前記実施形態に係る立軸ポンプ１によれば、次のような効果が得られる。
（１）ポンプケーシング４に圧力管１０を介して共鳴管１１を接続するようにしたので、ポンプの駆動により発生する圧力脈動を低減して騒音の発生を抑制することができる。
（２）共鳴管１１に音響管３を接続して効果音を発生させるようにしたので、ポンプの駆動状態を聴覚により報知することができる。また、異常が発生した場合には効果音の音色の違いから簡単に判断することができる。
（３）ポンプケーシング４に共鳴管１１を接続し、共鳴管１１に音響管３を接続するだけの簡単な構成で、騒音の抑制とポンプの駆動状態の報知とを同時に実現することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に記載された構成に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

前記実施形態では、音響管３を構成する材料については特に言及しなかったが、透光性を有する材料で構成することにより、気泡の上昇具合を観察することができ、効果音と共にポンプの駆動状態を視覚によっても把握することが可能となる。この場合、音響管３に収容する液体を色つきにしたり、音響管３をライトアップして視覚効果を高めたりするのが好ましい。

前記実施形態では、音響管３から圧力脈動に基づく定常波の形成により効果音を発生させるようにしたが、単に音響管３に供給される空気を排出する位置にノズル（笛）のような音を発生させる構造を配置した構成としてもよい。

前記実施形態では、制御装置１９に内蔵するタイマーによって弁の開閉時期を決定するようにしたが、共鳴管１１に水位センサを設け、検出される水位が予め設定した水位に到達することにより、前記同様にして各弁を開閉制御するようにしてもよい。

前記実施形態では、共鳴管１１に供給した流体は、ドレン管１３から排出するだけとしたが、共鳴管１１の内部をダイヤフラム構造として、再びポンプケーシング４側に戻すように構成することも可能である。これによれば、ポンプケーシング４からの漏洩が望ましくない流体の場合に有効である。

前記実施形態では、音響管３を鉛直方向に向かう縦向きとしたが、水平方向や斜め上方に向かう横向きとしてもよい。

前記実施形態では、共鳴管１１及び音響管３を立軸ポンプ１に採用する場合について説明したが、横軸ポンプであっても同様に採用することができる。但し、共鳴管１１に接続する条件は、音響管３の水頭高さよりも高くする必要がある。したがって、この条件を満足していれば、羽根車８の上流（吸込）側に接続することも可能である。

１…立軸ポンプ
２…空気発生装置
３…音響管（音響発生部）
４…ポンプケーシング
５…揚水管
６…吐出しエルボ
７…回転軸
８…羽根車
９…駆動機（駆動手段）
１０…圧力管
１１…共鳴管（空気発生部）
１２…ストップ弁
１３…ドレン管
１４…ドレン弁
１５…通気管
１６…開閉弁
１７…注入管
１８…逆止弁
１９…制御装置

Claims

揚水管、及び前記揚水管の上方開口部に接続される吐出しエルボを含むポンプケーシングと、
前記吐出しエルボを貫通して上下方向に延び、下端部に前記揚水管内に配置される羽根車を有する回転軸と、
前記回転軸を介して前記羽根車を回転させる駆動手段と、
を備えたポンプ装置であって、
前記ポンプケーシングに接続され、前記駆動手段を駆動して前記回転軸を介して前記羽根車を回転させた際に発生する脈動を抑制しつつ、前記ポンプケーシング内の流体が流入することにより空気を送り出す空気発生装置と、
前記空気発生装置に接続されて効果音を発生させる音響発生部と、
をさらに備えるポンプ装置。
前記空気発生装置は、一端部を吐出しエルボに接続された圧力管と、前記圧力管の他端部が下端部に接続された空気発生部とを備え、
前記空気発生部は、上端部が注入管を介して前記音響発生部に接続されている、請求項１に記載のポンプ装置。
前記空気発生部は、上端部に外気に連通する通気管を接続され、下端部にドレン管を接続され、
前記圧力管はストップ弁、前記通気管は開閉弁、ドレン管はドレン弁をそれぞれ有し、
前記ストップ弁を開放し、前記開閉弁及び前記ドレン弁を閉鎖する第１処理と、前記ストップ弁を閉鎖し、前記開閉弁及び前記ドレン弁を開放する第２処理を繰り返す制御装置をさらに備える、請求項２に記載のポンプ装置。
前記音響発生部は音響管である、請求項１から３のいずれか１項に記載のポンプ装置。
前記音響管は、固有振動数が前記駆動手段の駆動により発生する圧力脈動の周波数と合致するように構成されている、請求項４に記載のポンプ装置。