JPH018709Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は開放型羽根車の羽根車開放端前方に円
板を配置し、上記円板を羽根車の主軸方向に移動
させることにより特性を変更し得る所謂クリアラ
ンス制御を利用して、吐出圧を一定に自動制御す
る定吐出圧ポンプに関する。

定速ポンプの特性を変更するには、クリアラン
ス制御方式は有効で、従来円板を外部から機械的
手段により移動させるようにしたクリアランス制
御機構は各種提案されている。ところがその場合
は円板を移動させるための動力（電力等）が別に
必要となるばかりでなく、制御機構全体が複雑に
なりやすい。上記問題を解決し同時に定吐出圧ポ
ンプを得るために、開放型羽根車のポンプケーシ
ングに羽根車開放端前縁を覆う円板を羽根車の主
軸方向のみに摺動自在に設け、円板の背面（羽根
車と反対側の面）の一部に羽根車の主軸を中心と
する同心の一対の筒状フランジを設け、上記筒状
フランジをポンプケーシング側の環状シリンダに
嵌合して定圧室を形成し、上記定圧室に所望吐出
圧に対応した圧力を供給して円板を水力的に釣合
わせ、遠心ポンプのもつ圧力上昇特性（大流量か
ら小流量へ次第に圧力が上昇する特性）を利用し
て、吐出圧力が設定圧より上昇した時釣合いが破
れて羽根前縁と円板の隙間が増し、逆に吐出圧が
設定圧より低下した時上記隙間が減少するように
円板が自動的に作動するようにした機構も既に提
案されている。ところがその場合は水量最大から
水量零へ向う使用方法の時は吐出圧力が一定にな
るが、その反対の場合、即ち円板が羽根側へ移動
する使用方法の時は、円板が羽根に近づくにつれ
て円板にかゝる羽根車側からの推力が全体として
増加するため、円板が更に羽根車に接近するには
余分の力がいることになる。しかし定圧室の圧力
を変更しない限り円板を羽根車側へ押す力は増加
しないから力不足となり、円板は推力の釣合う位
置にとゞまらざるを得ない。即ち円板は必要位置
へ到達しないため性能は下回り、吐出圧力は必要
値より低下することになる。

本考案は、設定圧と流体機械内の圧力との差圧
を利用して制御用部材を動作させるだけでなく、
その差圧を積極的に増幅して力不足を補うことに
より上記不具合を解消することを目的とするもの
である。次に図面により説明する。

（実施例） 第１図中主軸１は継手を介して原動機に接続さ
れる。軸受２はころがり軸受、すべり軸受など
で、これにより主軸１を支承する。３は軸封部、
４は主軸１の左端にキーを介して固定された開放
型羽根車、５は裏羽根、６は羽根である。７はケ
ーシングで、内部の渦巻室８は吐出通路２７を経
て吐出口９に連通し、吐出通路２７からポンプ吐
出圧が取出される。２０は一端が通路２７に開口
した変動圧通路である。

１０は羽根６の前縁（図の左端縁）を覆う環状
の円板で、１乃至複数個の孔１１をへだてゝ調圧
室１２と羽根６，６間の流路をつないでいる。１
３はカバー７ａに固定されたシリンダで、筒状部
１３ａの内面に円板１０と一体の筒状部１０ａが
Ｏリングを介して嵌合している。１４は変動圧室
でシリンダ１３とピストン１５により形成されて
おり、シリンダ１３の内向きフランジ部１３ｂが
ピストン１５の筒状部１５ａの外面にＯリングを
介して嵌合し、ピストン１５の外周面はシリンダ
１３の筒状部１３ｄの内面にＯリングを介して嵌
合している。ピストン１５は筒状部１５ａを介し
て円板１０に固定されている。変動圧室１４には
変動圧通路２０の一端が開口している。１６はカ
バー７ａに固定されたシリンダで、その外面にピ
ストン筒状部１５ａが嵌合し、シリンダ１６、ピ
ストン１５、カバー７ａにより設定圧室１７が形
成され、設定圧室１７には一定圧通路２１の一端
が開口している。１９は定圧弁（又は調節弁）で
ある。円板１０が一定量以上羽根６に接近しない
ように、即ち所定の羽根前縁間隙を保持するた
め、シリンダ１３の内面にストツパーとなる段部
１３Ｃが設けてあり、第１図に於てはピストン１
５が段部１３Ｃに接している。なお第１図中１８
は吸込口、２６は吸込通路（ポンプ低圧部）であ
り、２２は本考案を応用して水量一定制御、管端
圧一定制御等を行なう際採用することのできる圧
力設定調整機構、２３は設定圧通路、２４は外部
圧力供給通路である。

ポンプ運転中、調圧室１２内には孔１１を通し
て羽根６，６間の流路内の水圧が導入されるた
め、調圧室１２の直径Ｄと主軸１の中心から孔１
１の外縁までの半径Ｒとの選び方により、円板１
０に対する反羽根車側からの推力を自由に加減で
きるので、羽根車４側からの推力と差引きした残
存推力を自由に設計できる。零とすることもでき
る。然し最小限羽根車４側への押圧は必要であ
る。調圧室１２を設ける理由は羽根車４側から円
板１０に作用する大部分の力を相殺して、変動圧
室１４、設定圧室１７、ピストン１５からなる水
力的釣合機構を小型化するためである。

吐出圧力を一定に保つ運転をする時、水量零０
から大水量へ向う場合にも円板１０を羽根車４側
へ押す力が不足しないように、第１図の装置には
第２図に示す推力バランス弁を使用した変動圧室
内圧自動降圧装置（水力的釣合促進機構の１例）
が組込まれている。

第２図は変動圧室１４の自動降圧装置（水力的
釣合促進機構）として電磁弁又は電動弁４６と圧
力スイツチ４４を使用した回路を示しており、４
５は電気配線である。吐出圧部２７の圧力が低下
したことを圧力スイツチ４４が検出し、電磁弁４
６が開く。電磁弁４６は変動圧室１４へつながつ
ているため、必要な時流れを起させて変動圧室１
４を降圧することができる。吐出圧力が所定値ま
で上ると圧力スイツチ４４が作動して電磁弁４６
が閉じる。

即ち、ポンプの運転中、吐出圧部２７の圧力が
僅かでも下れば、圧力スイツチ４４が働き、電磁
弁４６が開くため流れが起り、変動圧室１４の圧
力が下る。そうすると円板１０を羽根車４側へ動
かす力が増し、即ち設定圧室１７内の圧力がピス
トン１５に有効に働き、円板１０は羽根車４側へ
接近し、吐出圧力が増す。吐出圧力が上昇し過ぎ
ると、圧力スイツチ４４が働いて電磁弁４６を閉
じるから、本来の修正動作が行われ吐出圧力は必
要値へ下る。以上のように動作して吐出圧力は一
定に保たれる。

電磁弁４６を通つた水は、通路４１を経てポン
プ低圧部２６へ導き回収する。制御水量は前者に
ついては1000／ｍの小型ポンプで0.5％、後者
で0.1％を上回らぬ微量であり、電磁弁４６及び
通路はきわめて小型、小容量である。

吐出圧力一定制御に於て、ポンプ圧力特性がゆ
るやかな（水平により近い）ものを用いる場合
は、変動圧室１４と設定圧室１７の間の圧力差を
増すため、第３図に示す設定圧室降圧装置を併用
することができる。第３図は圧力スイツチ４４，
４４′、電磁弁等４６，４６′を用いて、両効きと
した装置を示している。従つて吐出圧力一定の制
御を行う場合、吐出圧力が基準圧力より増すと圧
力スイツチ４４′が作動して電磁弁４６′が開き、
設定圧室１７が吸込部２６に連通して減圧される
ため、変動圧室１４と設定圧室１７の圧力差が増
し、円板１０（第１図）は積極的に羽根車４から
離れ、吐出圧力が低下する。第３図中には第２図
と同様の圧力スイツチ４４、電磁弁４６による変
動圧室降圧装置も組合わされている。即ち使用水
量が大から小０へ向う時、小０から大へ向かう
時、又は以上の混合状態の何れの場合にも有効に
作動する制御機構となる。なお、室１７と室１４
の互いの受圧面積を考慮し、室１７を室１４より
僅かに大きくすれば円板１０を羽根車側へ付勢で
きるから、設定圧室１７への設定圧は必ずしも定
圧を要せず、吐出圧を導入し、最小隙間Ｓではじ
めに円板を釣合わせればよいから、第３図に於い
て定圧弁１９はなしでも差し支えない。

次に作動をまとめて第４ａ図、第４ｂ図、第４
ｃ図により説明する。(1)本考案によるポンプはク
リヤランス制御によりポンプ性能を変える形式で
あり、変動圧室１４、設定圧室１７、及び両室を
区画するピストン１５等からなる水力的釣合機構
を併用し、最大水量点Qmaxで水力釣合をさせて
おく。水量が小さくなると、吐出圧力が上るとい
う一般のポンプ特性を利用し、吐出圧力が上る
と、上記水力的釣合が破れ、円板１０が羽根車４
から遠ざかり、クリヤランス大となる。即ち性能
が低下し、吐出圧力が下る方へ（第４ａ図の曲線
から乃至へ）変化する。初めの釣合より吐
出圧力が下ると、動きは逆転し、円板１０は羽根
車４側へ動き、クリアランス小となり、吐出圧力
を上げる方へ変化する（曲線から乃至へ）。
吐出圧力を上げる場合ポンプ圧力上昇特性がゆる
やか、又は前記の理由により円板１０の動く力が
不足する時は、変動圧室降圧装置（第２図、第３
図等）が動いて修正する。このことを第４ｂ図で
説明すると、第４ｂ図は基準吐出圧力Ｐに対する
変動圧室の圧力変化の模様を示している。はＱ
−Ｈ曲線の傾き、即ち圧力上昇特性がふつうの場
合、′はＱ−Ｈの傾きのゆるやかな場合の夫々
の変動圧室の内圧を示すものとする。今、円板を
羽根車側へ押すのに差圧が−△ｈでは不足すると
きは、変動圧室から水量△Ｑを放出して差圧を必
要な大きさ−△h″とすればよい。圧力上昇がゆる
やかなときは、−△h′から同じく−△h″は差圧を
増せばよく、このときの放出量は△Q′となる。
水量が大きい方から小さい方へ向う使用状態の
時、ポンプ圧力上昇特性がゆるやかで力不足とな
る場合（曲線′，′など）は、設定圧室降圧装
置（第４図、第５図）が働き修正動作をする。こ
のことを第４Ｃ図で説明すると、第４Ｃ図に於
て、Ｐは基準吐出圧力、P′は設定圧室内圧とす
る。′は圧力上昇のゆるやかなポンプの特性と
する。（第４ａ図′と対応）。今、円板を羽根車
から遠去けるのに＋△ｈの差圧では不足するとき
は、設定圧室降圧装置により必要な差圧−△h′ま
で設定圧室内圧を下げればよい。これらの動作に
より使用水量が零を含めて最大まで如可なる形で
変動しても吐出圧力は一定に保たれる。

第４図はポンプのＱ−Ｈ曲線の傾きが普通で、
使用水量が小０から大へ向う時作用する制御機構
を示しており、圧力スイツチ４４と電磁弁４６等
電気的制御弁が採用されている。吐出圧が下ると
圧力スイツチ４４が働いて電磁弁４６が開き、吐
出圧部２７圧力が設定圧室１７に作用し、設定圧
を上げるように作動する。

第５図はポンプのＱ−Ｈ曲線の傾きが緩やか
で、使用水量が大から小０へ向う時、小０から大
へ向う時、以上の混合状態の何れでも作用する制
御機構で、圧力スイツチ４４，４４′、電磁弁４
６，４６′が採用されている。吐出圧が下ると圧
力スイツチ４４′が働いて電磁弁４６′が開き設定
圧が上昇し、吐出圧が上ると圧力スイツチ４４が
働いて電磁弁４６が開き変動圧が上る。なお、室
１７と室１４の互の受圧面積を考慮し、室１７を
室１４より僅かに大きくすれば円板１０を羽根車
側へ付勢できるから、設定圧室１７への設定圧は
必ずしも定圧を要せず、裏羽根部３０からの圧力
を導入して最小隙間Ｓではじめに円板を釣合わせ
ればよいから、第５図に於て定圧弁１９及びポン
プ吐出圧部２７から設定圧室１７に至る導圧経路
はなしとしても差し支えない。

設定圧室１７の圧力を変更し、例えば増加する
と、第６図の如く、新しい釣合点１′から水平に
７′に至る新しい吐出圧力ロの一定制御が行われ
る。

次に実験結果を示す。第７図は本考案による単
段片吸込うず巻ポンプの実験結果で、吐出圧力を
一定に制御した時である。図中丸印は水量最大か
らスタートさせて０に至るまで、Ｘ印は水量０か
らスタートさせて最大に至るまでを示しており、
両者共近似した吐出圧力で一定となつていること
が判る。Ｘ印は変動圧室降圧装置の効果をも示し
ていることになる。

第８図は本考案によるポンプを多段タービンポ
ンプの最終圧力発生部として有する多段タービン
ポンプに対する実験結果で、設定圧力を種々変更
した時の性能変化の状態を示している。図中黒丸
は無制御時の揚程、三角、四角、十字の各マーク
は各種設定圧力時の揚程である。この図から多段
ポンプに応用した時の効果が証明される。

吐出圧力一定のポンプは、単に水道給水設備だ
けでなく各所で待望されている。水圧の変動は不
快であるばかりでなく、生産設備に於ては有害で
すらある。しかるに従来は回転数制御など高価な
装置しか利用されていないのが実情である。一方
クリヤランス制御の所要動力についての経済性
は、各種の資料によると、可変速継手式可変速電
動機による回転数制御にやゝ劣る程度である。

（別の実施例） (a) ポンプ取扱液を直接調圧室１２（第１図）へ
導入したくない時（スラリー液、夾雑物混入
液、粘稠液その他）は小孔１１を廃止して室１
２を密閉とし、他の制御可能な液体を導入する
ことも出来る。

その際は密圧を下げるために、ポンプ低圧部
２６と隔膜等を介して接続する。

(b) 羽根車４は第１図の片側開放（セミオープ
ン）の場合の他、両側開放、裏羽根付、バラン
ス孔式を採用することもでき、羽根枚数（１以
上）や、羽根の形状（２次元か３次元か等）は
自由に遊び得る。前面開放端が軸に対し垂直な
もの又は湾曲したもの、後面シユラウドが傾斜
したもの等、斜流ポンプ用羽根車を含み、クリ
ヤランス制御可能なものは総て使用できる。

(c) 第９図は別の実施例を示しており、円板１０
にリブ５４、ボス５５、スピンドル５６を一体
に設け、スピンドル５６の先端にピストン１５
を取付け、ピストン１５をシリンダ２５内にＯ
リングを介して嵌合し、シリンダ２５内を変動
圧室１４と設定圧室１７に区画している。５７
は吸込通路２６内にシリンダ２５を保持するた
めのリブである。円板１０の羽根車４側への移
動量を制限するため、例えばシリンダ２５の内
面にピストン１５の係合する環状段部を形成す
ることができる。シリンダ２５が小型化するた
め圧力増巾機構５３をい採用しており、具体的
には第２図〜第５図の機構により制御される。
第９図の構造によるとピストン１５、シリンダ
２５等からなる水力的釣合機構が小型化するた
め、全体がコンパクトにまとまる利点がある。

シリンダ１３，１６、円板１０、ピストン１
５等の間の滑動シール方式は、Ｏリング、革、
樹脂等軽動を防げないシール材により行われ、
ゴム、樹脂等のベローズ構造であつても差支え
ない。設定圧室１７は図示の如くポンプ発生圧
力を利用する場合の他、外部圧力を利用するこ
ともできる。

(d) 第１０図の実施例に於ては、シリンダ２５を
ポンプケーシングの外部に配置している。この
構造によるとシリンダ２５及びその内部の保守
点検が容易になる利点がある。

(e) 本考案を適用できるポンプは、横軸、立軸、
陸上用、水中用、電動機と同軸、別軸、渦巻ポ
ンプ（片吸込、両吸込）、自吸式ポンプ、斜流
ポンプ、多段渦巻ポンプ（多段タービンポン
プ、多段ボリーユトポンプを含む）、汚水、汚
物ポンプ等であるが、多段ポンプに関しては、
本考案の羽根車１枚のみが最終圧力部として組
み込まれる。或は通常の多段ポンプと本考案に
よる単段ポンプとの組合せでも同様の効果が得
られる。

（考案の効果） 単段及び多段の遠心ポンプにおいて；開放型羽
根車４の開放前端縁を覆う円板１０を、羽根車４
の主軸１方向に摺動自在に設け；上記円板１０に
対し羽根車４側から作用する水力と概ね釣合う水
力を、円板１０の背面に加え；円板１０にピスト
ン１５を連結し；ピストン１５をケーシング７に
対し固定のシリンダ１３，１６内に嵌合し；ピス
トン１５により、シリンダ１３，１６内を羽根車
４側の変動圧室１４と、その反対側の設定圧室１
７に区画し；設定圧室１７に所望吐出圧力に対応
した設定圧を供給し；ポンプ吐出圧を変動圧室１
４に供給する変動圧通路２０を設け；変動圧通路
２０から分岐し、吸込通路２６に連通する放流水
通路３４，４１を設け；放流水通路３４，４１に
電磁弁又は電動弁４６を設け；電磁弁又は電動弁
４６を駆動し、かつポンプ吐出圧の圧力が低下し
たことを検出する圧力スイツチ４４を設け；ポン
プ吐出圧の圧力が低下したときに電磁弁又は電動
弁４６が開くようにして、設定圧室１７と変動圧
室１４との間の圧力差を積極的に増幅した定吐出
圧を保持するようにしたので、次の効果が期待で
きる。

(a) 高価な可変速モータを使用しなくてもよくな
るため、総合的な経済性において格段に有利と
なる。しかも自動的かつ確実に一定制御できる
範囲は回転制御と変らない。

(b) 吐出圧一定制御の時は、設定圧を変更すれば
簡単に新たな一定圧力を得ることができる。こ
の変更は、使用現場においてすら極簡単に変更
できる。

(c) 円板１０が羽根車４へ移動する場合でも力不
足の心配がなくなり、速やかに円板１０が必要
位置に自動的に配置され、吐出圧力が必要値よ
り低下することがなくなる。

(d) Ｑ−Ｈ曲線の傾きの緩やかなポンプであつて
も確実に円板１０を速やかに必要位置に移動さ
せることができる。

(e) 圧力スイツチ４４により吐出圧変動の下限を
設定することで、容易に任意の制御感度を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案による単段渦巻ポンプの縦断面
図、第２図〜第５図は本考案による各種制御機構
の略線図、第４ａ図水量と吐出圧力の関係を示す
グラフ、第４ｂ図は変動圧室降圧説明用拡大図、
第４ｃ図は設定圧室降圧説明図、第６図は吐出圧
力一定制御を説明するためのＱ−Ｈ曲線図、第７
図、第８図は実験結果を示すグラフ、第９図、第
１０図は更に別の実施例を示す縦断面図である。 １……主軸、４……開放型羽根車、７……ケー
シング、１０……円板、１３，１６……シリン
ダ、１４……変動圧室、１５……ピストン、１７
……設定圧室、２０……変動圧通路、２６……吸
込通路、３４，４１……放流水通路、４４……圧
力スイツチ、４６……電磁弁又は電動弁。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 単段及び多段の遠心ポンプにおいて；開放型羽
   根車４の開放前端縁を覆う円板１０を、羽根車４
   の主軸１方向に摺動自在に設け；上記円板１０に
   対し羽根車４側から作用する水力と概ね釣合う水
   力を、円板１０の背面に加え；円板１０にピスト
   ン１５を連結し；ピストン１５をケーシング７に
   対し固定のシリンダ１３，１６内に嵌合し；ピス
   トン１５により、シリンダ１３，１６内を羽根車
   ４側の変動圧室１４と、その反対側の設定圧室１
   ７に区画し；設定圧室１７に所望吐出圧力に対応
   した設定圧を供給し；ポンプ吐出圧を変動圧室１
   ４に供給する変動圧通路２０を設けて、設定圧室
   １７と変動圧室１４との圧力差により円板１０を
   移動させる構造とし、変動圧通路２０から分岐し
   て低圧の吸込通路２６に連通する放流水通路３
   ４，４１を設け、変動圧室１４を吸込通路２６に
   対して開閉する電磁弁又は電動弁４６を上記放流
   水通路３４，４１に設け、ポンプ吐出圧の圧力が
   設定圧より低下したことを検出する圧力スイツチ
   ４４を設け、ポンプ吐出圧の圧力が設定圧より低
   下した時に、電磁弁又は電動弁４６を開くように
   圧力スイツチ４４と電磁弁又は電動弁４６を接続
   し、電磁弁又は電動弁４６が開の時に、吸込通路
   ２６と変動圧室１４が通過することにより、変動
   圧室１４の圧力低下量を増幅するようにしたこと
   を特徴とする定吐出圧ポンプ。