JPH0468480B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は縦軸型の高圧多段式のシールレスポン
プに関し、特に塩酸、硫酸などの強酸、又は強ア
ルカリなどのスラリーを含む化学薬液の高圧移送
に適したシール部材不要の縦軸型高圧多段式シー
ルレスポンプに関するものである。

従来の技術およびその問題点 従来、清水及び化学薬液等の液体を移送する為
の高圧を要する縦軸多段式の金属製ポンプ及びプ
ラスチツク製のケミカルポンプにおいては、必ず
メカニカルシールか或いはマグネツトポンプ等の
軸受等、摺動部には何らかの摺動部材が必要であ
つた。

しかし、特に化学薬液等のように、結晶化した
スラリーを含んでいたり、ガス化しやすい薬液の
移送には、摺動部が摩耗したり、軸受部に空気が
溜つて発熱し、発熱による事故を生じたり、異常
摩耗により偏心して、軸部の接触部が部分的に減
つて中心がずれたりする等の多くのトラブルが生
じていた。また、ケミカルポンプを高圧にするに
は、回転羽根の段数を増加させなければならない
が、段数の増加に伴いメカニカルシールの信頼性
が最重点となり、高圧になるほどメカニカルシー
ルを薬液に合せて耐熱性や摺動性、あるいは熱伝
動性の良い材質を選定したり、精密に製作したり
しなければならず、高価につき、また、それらの
制約条件により最大吐出圧力も５Kg／cm²以上の高
圧は得られず、限度があつた。

したがつて、薬液の移送用として用いる場合に
は、シール部材が薬液には耐えるが、摩耗に弱
く、あるいは熱伝導性が悪いために樹脂が変形し
たりする、等のことが生じ、さらには、超純粋用
として用いる場合は、摺動部材があるため、シー
ル摩耗が大きな問題とする。そのため、ポンプ構
造を高圧にしようとすれば、メカニカルシール等
のシール部材の選定が非常に難しく、解決困難な
問題点が多くあつた。

例えば、超硬合金などのメカニカルシールを用
いた場合でも、液中に泡が生じたり、キヤビテー
シヨンが発生すると、必ず発熱による事故が生じ
るので、メカニカルシールを用いて５Kg／cm²以
上、例えば８Kg／cm²、９Kg／cm²の高圧のポンプ揚
程を得ることは困難であり、現状ではそのような
高圧に耐えられる適当なメカニカルシールは存在
しない。特に、塩酸、硫酸、強アルカリで、スラ
リーを含んだ化学薬液の移送の場合、８Kg／cm²、
９Kg／cm²の高圧に耐えられるメカニカルシールは
現状のところ全く無く、採用可能なメカニカルシ
ールが存在しないのが現像である。そこでケミカ
ルポンプをシールレスにし、かつ高圧にすること
が考えられるが、シールレスかつ高圧にするに
は、次のような解決すべき技術的課題がある。

自吸式ポンプ等において、一段のみの回転羽根
を有し、その一面に揚水羽根、他面に裏羽根（シ
ール羽根）を一体的に設け、シール羽根の遠心作
用により液体シールを行うもの、同様の構造の一
段のみの回転羽根の外周部をラビリンス構造でポ
ンプ内室に支持し、シール羽根の液体シールと同
時に、ラビリンス構造によりエアシールを行うも
の、が本出願人によつて従来より数多く提案され
ている。しかし、これらの従来提案されているポ
ンプ構造は、シールレスではあるものの、一段の
みの回転羽根によつて吸い込んだ液の揚水と、液
体シール、さらにはエアシールを行うものであ
り、高圧にすることはできず、もつぱら低圧・低
揚程のものに用途が限定され、ケミカルポンプを
高圧かつシールレスにするといつた目的のもので
はない。

なお、ケミカルポンプを高圧かつシールレスに
する場合、上記のような揚水羽根とシール羽根と
を一体的に有する一段のみの回転羽根でも、羽根
の径を十分に大きくすれば理論的には可能であ
る。しかし、高圧を得るために羽根の径を大きく
すると、揚水羽根とシール羽根との間には定つた
大きさの比率があり、揚水羽根に比例してシール
羽根を大きくしなければならず、例えば両者が同
一外径位であると、シール羽根の方にポンプ動力
が相当喰われることになる。例えば、半分程度喰
われることになり、ポンプ効率が著しく悪くなつ
てしまう。したがつて、理論的には可能である
が、一段のみの回転羽根の径を大きくすること
は、実際には採用できない。

そこで、複数の回転羽根をポンプ室内に他段直
列に配列し、吸い込んだ液を各段で順次加圧して
行く形式の高圧多段式のポンプが必要になるが、
このような高圧多段式のポンプには上述したよう
に従来のようなメカニカルシールは適用できず、
採用可能なメカニカルシールは現状では存在しな
い。したがつて、高圧多段にすると同時に、メカ
ニカルシール等のシール部材不要のシール構造を
得ることが必要になるが、そのようなポンプ構造
を構成する場合、以下のような問題が生じる。

高圧多段にすると同時に、シー部材不要のシ
ール構造にする場合、液体シール及びエアシー
ルの構造をどのように構成するのか。

例えば、一段目の回転羽根に揚水羽根と同時
に、シール羽根の機能を持たせたとき、液体シ
ールの効果を得るために裏面のシール羽根を含
む全体の外形を大きくするとシール羽根の遠心
作用で空気をポンプ内室に吸い込ませてしま
い、泡やキヤビテーシヨンの発生により発熱で
事故を引き起こしてしまう。また、シール羽根
の回転にポンプ動力の相当部分が喰われてしま
い、ポンプ効率が著しく悪くなつてしまう。一
方、シール羽根を含む外形を小さくすると、シ
ール羽根による空気の吸い込みは防止できる
が、液体シールの役割を果たさなくなつてしま
う。

高圧多段にしたとき、吸い込まれた液は各段
で順次加圧されて高圧になるのであるが、その
場合、各段で加圧された液の吐出圧が前段に戻
らないように各段の圧を当該段で遮断し、そし
て、最終段の高圧が一段目に戻らないようにす
るには、どのようにすれば良いのか。

最終段の吐出口を締め切つたとき、最終段の
高圧が一段目に戻らないようにし、締め切り運
転が可能な高圧多段式のポンプ構造にするには
どのようにすれば良いのか。

以上のような問題点を解決しない限り、ケミカ
ルポンプを高圧多段とし、かつシール部材不要の
シール構造にすることはできない。

この発明は以上のような点に鑑みなされたもの
で、一段羽根はエアシールと液体シールのみの作
用を行い、吸い込まれた液は２段目以下の揚水用
回転羽根によつて順次加圧されるようにし、高圧
多段にすると同時に、シール部材不要のシール構
造を実現すると共に、最終段を締め切つた状態で
の締め切り運転が可能な多段構造を実現し、か
つ、スラリーを含む強酸、強アルカリなどの化学
薬液の高圧移送に適した高圧多段式シールレスポ
ンプを提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段 上記の目的を達成するために、本発明は、液吸
い込み側に面の液の案内を兼ねる揚水羽根、その
他面側に上記揚水羽根よりも大径のシール羽根を
備えた一段羽根を設け、この一段羽根を液吸込口
の一方側に配設して得体シールを構成すると共
に、一段羽根の外周縁部に形成したフランジ部
か、上記シール羽根側の面に形成した凸条環かの
いずれか一方とケーシング内壁の凹条溝とを一定
の間隙を有して凹凸嵌合させ、該間隙部によつて
エアシールを形成し、かつ、液吸込口の他方側に
揚水用回転羽根を所定段数配列し、上記吸込口か
ら吸い込まれた液を上記揚水用回転羽根によつて
順次高圧に加圧するようにポンプ構造を構成し
た。

作 用 吸込口から吸い込まれた液体の一部は、一段羽
根の外周縁部のフランジ部か、シール羽根側の面
の凸条環とケーシング内壁の凹条溝との凹凸嵌合
部に形成された間隙部に入り込む。この間隙部に
液が介在された状態で一段羽根が回転すると、間
隙部内で液が流動し、摩擦抵抗作用によつてその
一方側からの空気の吸い込みが遮断されエアシー
ルされる。

吸込口から吸い込まれた液は、一段羽根のシー
ル羽根の回転による遠心作用を受けて間隙部から
押し戻され、間隙部内の摩擦抵抗との相乗作用で
液体シールされる。その際、一段羽根の液吸い込
み側に設けた揚水羽根は吸い込まれた液を案内す
る機能を兼用し、揚水作用はそれほど大きくない
ので、一段羽根の遠心作用による空気の吸い込み
は生じない。

吸込口から吸い込まれた液は、一段羽根の揚水
羽根で次段に案内され、二段目以下の揚水用回転
羽根の遠心作用で順次加圧されて後段に押し込ま
れる。そして、段を増す毎に順次加圧されて段数
に応じた高圧になる。各段で加圧された液の吐出
圧は、当該段で戻りの圧と出の圧とが打ち消しあ
つてプラスマイナスゼロとなり、圧がバランスす
るので、前段へは戻らず当該段の吸込口で遮断さ
れる。すなわち、次段から前段への加圧された吐
出圧の戻りが阻止される。したがつて、最終高圧
の吐出口を締切つても、各段で加圧された吐出圧
は当該段の戻りと出の圧のバランスで夫々止めら
れることになり、最終段の高圧が一段目に戻るよ
うなことはない。

実施例 以下、本発明の実施例について図面を参照して
説明する。

先ず、第１図に基づき本発明を縦軸タイプのカ
スケードポンプに適用した一実施例について説明
する。

ケーシング１４は、吸込口３と吐出口４とを有
し、その内部にはシヤフト２が回転可能に支持さ
れている。シヤフト２には、下端から上方に、ボ
ス８、三段羽根７、二段羽根６、一段羽根５がこ
の順で間隔をおいて固定支持されている。シヤフ
ト２の上端は駆動用モータ１に連結され、これに
より回転駆動されている。その下端部には上述の
ボス８Ｂが螺着されている。その上部に三段羽根
７、段羽根６、一段羽根５がこの順で取付けられ
ている。

一段羽根５の吸込口３と対応する下面には揚水
羽根５２…が径方向の内方中心部から外方に向
け、周方向に一定間隔をおいて湾曲形状をなして
形成されている。揚水羽根５２の高さは予め設定
した高さにされている。揚水羽根５２は、吸込口
３から吸い込まれた液を案内する機能を兼ねてお
り、揚水作用がそれほど大きく生じないようにそ
の大きさ、径が設定されている。

また、一段羽根５の上面にはより詳しくは第３
図に示すように、揚水羽根５２よりも径が大きい
シール羽根５１…が放射状をなして一体的に突出
形成されている。一段羽根５は略円盤状に形成さ
れ、シール羽根５１…の外側の外周縁部にフラン
ジ部５３が形成されている。このフランジ部５３
の上面に凸条環５４が円環状をなして形成されて
いる。凸状環５４は、一段羽根５の外集縁部と対
応するケーシング１４の内壁に円環状をなして設
けられた凹状溝（環）１０内に非接触状態で、か
つ一定の間隔をもつて嵌合されており、モータ１
の駆動による一段羽根５の回転に伴つて凹状環
（溝）１０内を非接触状態で回転駆動される。一
段羽根５は、シール羽根５１の回転による液体シ
ールが可能であつて、かつ、その回転に伴う遠心
作用で空気の吸い込みが生じないように、最小限
の小形形状に形成されている。

吸込口３より吸い込まれた液体は一段羽根５に
形成された揚水羽根５２…の回転で遠心作用を受
け、外方向に案内されて流動し、一段目で加圧さ
れた後、渦室１２を経て二段羽根６に送り込まれ
る。そして、ここで遠心作用により外方向に流動
されて加圧された後、渦室１３を経て三段羽根７
に送り込まれ、その遠心作用により高圧液体とな
つて順次連続して吐出口４より吐出される。

すなわち、一段羽根に吸い込まれた液体は、各
段で順次加圧されて高揚程になる。

一方、ケーシング内部にあつて、一段羽根５の
上方のシヤフト２の外周部には中空軸部１９が形
成されている。中空軸部１９の上部のケーシング
１４の周壁には、排出口１４０，１４０が形成さ
れており、この排出口１４０，１４０から中空軸
部１９内に溜るガスが排出されるようになつてい
る。中空軸部１９の下部は一段羽根５を介して下
方に連通している。

以上の構成によると、一段羽根５から三段羽根
７まで順次段数を増した高圧・多段のポンプ構造
であつても、渦室１２から中空軸部１９への液漏
れはなく、かつ中空軸部１９内の空気が一段羽根
５を通して渦室１２へ入り込むこともない。

次にその動作原理について説明する。

一段羽根５の揚水羽根５２の回転作用で圧力
の加わつた液体は、渦室１２を経て二段羽根６
へと送り込まれるが、フランジ部５３の上部に
回り込む作用も加わり凸条環５４と凹条溝１０
との間に形成された間隙部９へも流動してゆ
く。しかし、この間隙部９へ流動した液体はシ
ール羽根５１の周速の大きい回転による遠心作
用で押し戻され間隙部９に介在した状態でフラ
ンジ部５３の回転と共に流動し、摩擦抵抗が与
えられる。したがつて、ここでバランスが保た
れて液体シールが形成される。この液体シール
作用にシール羽根の遠心作用によるシール作用
が相乗して加わり、一段羽根における確実な液
封効果が得られる。

中空軸部１９内の空気はシール羽根５１の回
転作用で渦室１２内に吸い込まれようとして
も、先ずケーシングの固定凹条環１１に当た
り、更に固定凹条環１１の部分を通過した残り
の空気は一段羽根５の凸条環５４に当たり、
夫々の部分で抵抗力を受ける。しかも、渦室１
２内の液体の一部は項で述べたように、間隙
部９内に介在された状態で流動し、摩擦抵抗力
を発揮する。これにより、渦室１２側と中空軸
部１９側との圧力の均衡が保たれる。したがつ
て、間隙部９によつて中空軸部１９からの空気
の吸い込みが防止され、渦室１２内への流入が
防止される。

以上により渦室１２内の液封及び中空軸部１９
からの空気の流入防止が一段羽根のシール作用の
みによつてなされる。

第１図の実施例構造によると、一段羽根５が必
要最小限の小形形状であり、エアシール及び液体
シールの作用を主に行い、揚水作用は２段目以下
の揚水用回転羽根が行うので、カスケードポンプ
の特徴を活かした多段シールレスのポンプを構成
することができる。

次に、第２図は本発明を縦軸多段式ボリユート
ポンプに応用した他の実施例を示すもので、第１
図と同一部分には同一符号を付してある。

第２図において、ケーシング１４には液体の吸
込口３と吐出口４とが設けられている。吐出口４
は吸込口３の下方にあつて、ケーシング１４の下
部の設けられている。ケーシング１４の内部中央
には、モータ１で回転駆動されるシヤフト２が上
下方向に沿つて軸支されている。シヤフト２の
上、下端部にはガスシール８Ａ、取付ボス８Ｂ、
が夫々嵌着されており、その間に一段羽根５、二
段羽根６、三段羽根７、四段羽根１５および五段
羽根１６が上方から下方に順次この順で嵌合固定
される。

一段羽根５の構造は上述した第３図、第４図に
示すものと同一であり、下面には液の案内を兼ね
る揚水羽根５２が形成されている。また、その上
面には、揚水羽根５２よりも径の大きいシール羽
根５１…が放射状に形成されている。一段羽根５
のシール羽根５１…から外側の外周縁部にフラン
ジ部５３が形成されている。このフランジ部５３
の上面に凸状環５４が形成されている。

この凸条環５４は、上記外周縁部と対応するケ
ーシング１４の内壁の凹条溝１０内に非接触状態
で一定の間隙を持つて嵌合されており、モータ１
の駆動によりシヤフト２の回転に伴つて凹条溝１
０内を間隙９を有して回動する。一段羽根５１の
揚水羽根５２の遠心作用はそれほど大きくなく、
吸い込まれた液を案内・流動させるに必要な程度
の大きさである。また、シール羽根５１…間隙部
９とは、上記同様の液体シール作用とエアシール
作用とを行う。

二段羽根６の上部には一段羽根５の揚水羽根５
２と吸込口３を介して相対向する揚水羽根６１
が、径方向の中心部から外方に周方向に間隔をお
き、かつ湾曲形状をなして形成されている。この
ように構成すると、一段羽根５の部分で液封され
てさえいれば、段数を増すごとに揚程が上るが、
各段で順次加圧されて液は当該段の羽根の回転で
遠心作用を受け、戻りと出の圧力のバランスによ
りその吐出圧は前段へは戻らず、当該段の吸込み
側で止められる。したがつて、例えば、最終段の
高圧の羽根車の吐出口を閉じても、その羽根車の
高圧の吐出圧は当該段の吸込口までしか戻らず、
最終段が高圧でも、その吐出圧は一段羽根には戻
らない。これにより、各段毎に逆流防止がなされ
る。このことは、上記第１図に示す第１実施例に
ついても同様である。

そして、吸込口３より吸い込まれた液体は一段
羽根５に設けた揚水羽根５２の回転により案内さ
れ、その遠心作用と、二段羽根６に設けた揚水羽
根６１の回転による遠心作用とにより、径方向の
外方に流動して加圧され、渦室１２および１３を
経て三段羽根７に送り込まれ、その遠心作用によ
り加圧されて渦室１７に流入し、この渦室１７を
経て四段羽根１５に送り込まれる。四段羽根１５
に送り込まれた液体は、その遠心作用で加圧さ
れ、渦室１８を経て五段羽根１６に押し押まれ、
その遠心作用で各羽根車の段数に応じた高圧とな
つて連続して吐出口４より吐出される。

上記のようにな各実施例構造によると、一段羽
根は吸込口３の一方に位置して液体シール及びエ
アシール作用のみを行い、吸い込まれた液は吸込
口３の他方に配置された２段目以下の揚水揚回転
羽根によつて順次加圧されるので、二段羽根以下
の段数が増え、高圧になるほど中空軸部１９から
離れ、中空軸部１９からの負荷は全く掛からな
い。

したがつて、メカニカルシールのようなシール
部材を設けることなくシール部材不要のシール構
造を構成し、かつ、完全シールレスで段数を増し
高圧多段の縦軸型ポンプを構成することができ
る。

そして、上述のような構成であると、最終段の
吐出口を締切りにしても、その最大吐出圧は一段
羽根に戻らず、それぞれの段の出と戻りの圧力の
バランスにより各段で液の戻り防止が行われるの
で、ポンプ内室からの液の洩れは生じない。これ
によつて、最終吐出口を締め切つての締め切り運
転が可能になる。また、一段羽根５の部分で確実
にシールされているので、吸込口３の他方側で２
段目以下の揚水用回転羽根を必要段数だけ増加
し、所望の高圧を得ることができる。

さらに、第２図の実施例構造によると、上記同
様に一段羽根５が液体シールとエアシールとを行
い、その液吸い込み側の揚水羽根は液の案内とし
て主に働くので、シール羽根の遠心作用による空
気の吸い込みは生じず、かつ２段目以下のボリユ
ート型回転羽根の大きさ、骨厚（羽根厚）を種々
改変して組込め、ボリユートポンプとしての特長
を十分に活かした縦軸高圧多段のシールレスポン
プを構成することができる。

なお、第２図のボリユート型ポンプにおいて、
シール羽根５１を含む一段羽根５を液体シールが
可能な最小限の小形形状に形成しておくと、その
回転に伴う中空軸部からの空気の吸い込みを確実
に防止できる。また、上記各実施例に係るポンプ
構造によると、メカニカルシールなどのシール部
材が不要であり、シール部材不要のシール構造を
構成しているので、発熱・焼き付き等の問題を考
慮することなく、空運転を行うことができる。

発明の効果 以上の説明で明らかな通り、本発明によれば、
下記の効果を奏することができる。

一段羽根は液体シール及びエアシールのシー
ル作用のみを主として行う構造とし、吸い込ま
れた液を２段羽根以下の揚水用回転羽根によつ
て順次高圧に加圧するようにしているので、２
段目以下の回転羽根をシール構造を考慮するこ
となく必要段数だけ増加させることができ、高
圧多段のポンプをシール部材不要のシールレス
構造で構成することができる。

メカニカルシールなどのシール部材が不要で
あり、摺動部分の無い多段式ポンプを構成でき
るので、スラリーを含む化学薬液（強酸、強ア
ルカリ等）の高圧移送にも適用できる高圧多段
で、かつ完全シールレスのケミカルポンプを提
供することができる。

最終吐出口を締め切つても各段の吐出圧が当
該段でバランスして前後には戻らず、かつ、最
終段の高圧が一段目に戻らず、しかも、一段目
で確実にシールされるので、最終吐出口を締め
切つてもポンプ内室からの液洩れは生じない。
したがつて、液の逆流や洩れの生じない締め切
り運転可能な高圧多段のシールレスポンプを提
供することができる。

一段羽根はエアシール及び液体シールの機能
のみを主として有し、一段羽根の部分で確実に
シールできるので、その液吸込口の他方にボリ
ユート型、あるいはカスケード型等、種々の揚
水羽根をシール構造を考慮することなく必要段
数だけ多段に配列し、種々の形式の縦軸多段式
ポンプ構造を構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を縦軸型のカスケードポンプに
応用した要部縦断面図、第２図は本発明を縦軸型
のボリユートポンプに適用した他の実施例を示す
要部縦断面図、第３図は、第１図、第２図の要部
拡大斜視図で、一段羽根の裏面構造およびその裏
面と対応するケーシングの内壁構造を示す。第４
図は一段羽根の液体吸込み側の表面構造を示す斜
視図である。 ５……一段羽根、２……シヤフト、５２……揚
水羽根、５１……シール羽根、５３……フランジ
部、５４……凸条環、１４……ケーシング、１０
……凹条溝、９……間隙部、６……二段羽根、７
……三段羽根、３……吸込口、４……吐出口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数の回転羽根を多段直列に配列し、これら
   の回転羽根をケーシング内部に軸支されたシヤフ
   トに支持して成る縦軸多段式ポンプにおいて、 液吸い込み側の面に液の案内を兼ねる揚水羽
   根、その他面側に前記揚水羽根よりも大径のシー
   ル羽根を備えた一段羽根を設け、この一段羽根を
   液吸込口の一方側に配設して液体シールを構成す
   ると共に、前記一段羽根の外周縁部に形成したフ
   ランジ部か、前記シール羽根側の面に形成した凸
   条環かのいずれか一方と前記ケーシング内壁の凹
   条溝とを一定の間隙を有して凹凸嵌合させ、該間
   隙部によつてエアシールを形成し、かつ、前記液
   吸込口の他方側に揚水用回転羽根を所定段数配列
   し、前記吸込口から吸い込まれた液を前記揚水用
   回転羽根によつて順次高圧に加圧するようにして
   成ることを特徴とする高圧多段式シールレスポン
   プ。 ２ 液吸込口の他方側にカスケード型の揚水用回
   転羽根を所定段数配列し、多段のカスケードポン
   プを構成したことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の高圧多段式シールレスポンプ。 ３ 液吸込口の他方側にボリユート型の揚水用回
   転羽根を所定段数配列し、多段のボリユートポン
   プを構成したことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の高圧多段式シールレスポンプ。