JPS5849717B2 - トルク変換形再生ポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は再生ポンプに関するものであるが、従来の再
生ポンプの改善というよりも、基本的な作動原理が異な
る新規なトルク変換形再生ポンプとしテ位置づけること
ができるものである。

従来、吐出し量に比べて揚程の高いポンプとして、往復
ポンプや回転ポンプが広く使われている。

これらのポンプは吐出し圧力に脈動があり、その弊害を
避けるために種々の方法が考えられている。

しかし本来は脈動のないポンプが望まれる所であり、こ
れに叶うものとしてウエスコポンプ（商品名）の呼び名
で知られる再生ポンプがあるが、このポンプは作動原理
上効率が低く、小形の井戸ポンプ以外にはさほど利用さ
れていない。

これが改善され高効率となれば、その利用範囲は広がり
犬形化も可能となる。

従来の再生ポンプの作動原理は、羽根車の回転によって
生じる循環流れが自由流路内の流体に運動量変化を与え
、これに吸込口から吐出口に向けての圧力上昇をもつ円
周流れを発生させることにある。

羽根車が流体に与える角運動量の変化は、円周流れの圧
力上昇と自由流路内の流れの摩擦抵抗の和に比例するか
ら、流れの摩擦抵抗が無視できる場合にポンプ駆動トル
クはポンプ吐出圧力（ポンプ出口圧力と入口圧力の差）
に比例することになる。

一方ポンプ締切時における吐出圧力は最高効率点におけ
る吐出圧力よりもはるかに高い値を示すから、最高効率
点付近における駆動トルクに比べ締切時の駆動トルクが
きわめて大きくなる。

これが再生ポンプの一つの欠点となっている。次に再生
ポンプの効率は、羽根車回転速度に対する吐出流量の比
に比例する値を越えることができず、又自由流路内の流
れの摩擦抵抗のために、羽根車回転速度に対する吐出流
量の比が増すにつれて効率が低下するから、再生ポンプ
の効率は原理的に低い値に抑えられることになる。

これが再生ポンプのもう一つの欠点とされている。

この発明は係る点に鑑み、従来の再生ポンプを見直し、
作動原理面の検討を行ない、これらの再生ポンプの欠点
を除いた、新たな作動原理に係る再生ポンプを提供する
ことを目的とするものである。

この発明の再生ポンプを要約すれば、その自由流路は、
従来の自由流路内の流れの摩擦抵抗にもとづく乱流を起
す欠点を除くように配慮した構成によって自由流路内の
流れの特性を改善するために、その流路内の吐出部分に
案内羽根を設けた新しい形式のものである。

再生ポンプは、別名摩擦ポンプとも呼ばれるように、循
環流れに際してケーシング内の摩擦による影響を大きく
受けて流動するが、先ず、羽根車から自由流路に流出さ
れる時に、その流体の主流は羽根車によって与えられた
流れの相対速度と羽根車の周速度により定まる流れの絶
対速度によって自由流路に流れ込む。

次いで、自由流路内進行過程で速度エネルギーは圧力上
昇に変換されると共に、自由流路の内壁面との摩擦抵抗
による影響を受けて減速し、自由流路の出口に向うにつ
れて円周方向速度成分が大きく減少して流線が内周方向
にカーブするフローパターンとなる。

この様子を、流量が犬なる場合から小なる場合について
第３図ｂｔｃｔｄに示した図にもとづいて詳述すれば、
ポンプ羽根３から自由流路５に流れ込む流体は、ポンプ
羽根３を通過する相対速度Ｗｌ ，Ｗ２ ｓＷ３と、ポ
ンプ羽根車２０周速度Ｕとで定まる流れの絶対速度Ｃ１
ｔｃ２ １Ｃ３によって自由流路５内に流入し自由
流路の出口に向うにつれて周方向速度成分を減じる。

その結果自由流路内の流線は内側に曲げられ図示の如き
フローパターンを呈する。

流量大なる時の絶対速度Ｃ１から流量小な時の絶対速度
Ｃ３までそのフローパターンは同じで、ただ流量が変化
した時の自由流路への流れの流入角度の変化によって自
由流路内で流線が変節する位置が移動する。

このような自由流路内の流れでは、再びポンプ羽根車２
に流体が循環流入する際にその流入ベクトルがポンプ羽
根３０入口で衝突損失を生じる方向となるので、これに
よって性能低下、駆動トルクの増大となってポンプ効率
が低下する。

この発明は係る現象に着眼し、このフローパターンを改
善して自由流路から羽根車２への流入を滑らかにすると
共に、更に前記フローパターンにおいてみられる流量大
なる場合と小なる場合で変化する流れの絶対速度ＣＩ
，Ｃ２ ｔＣ３の大きさにもとづく自由流路内前半部
における流れの流入角度変化についても、この挙動に十
分適応できる条件な与えるものである。

以下図について本発明の実施例を説明すると、第１図及
び第２図に於て、駆動軸１に取付けられた円形主板２の
外周部２ａを半円状に膨出し、その内側にポンプ羽根３
を放射状に突設してポンプ羽根車２を形成する。

次にポンプ羽根３及び円形主板２に対向してケーシング
４を設け、前記ポンプ羽根３に対向する部分４ａは、反
対側に膨出せしめ、その内側に循環流路を設けて、その
流路の吐出口部分即ちポンプ羽根３０入口直前部分に、
ポンプ羽根３と相対する案内羽根６を設ける。

従って前記循環流路は、その前半部分の自由流路５と案
内羽根６を有する流路とにより構成する訳である。

こうして形或されたポンプ羽根車２および循環流路５，
６で形成された流路のほぼ中間にコアーリング７を設げ
て環状の流路を形成し、他方ケーシング４の外周の一部
に循環流路の内周側に吸込口８を設け、外周側に吐出口
９を備え、双方の間のケーシング部分は膨出流路とせず
コアーリング７に近接する仕切壁部１０とするものであ
る。

尚図に於いてはケーシング４の外周端に、ポンプ羽根車
２を覆い中心部を駆動軸１が貫通するカバー１１を設け
て、ケーシング４と共に固定されている状態を概略的に
示している。

第４図は本発明ポンプの具体的実施例の断面構造図であ
るが、羽根車および自由流路の子午面断面形状は図に示
すものから種々に変化させることができる。

又図のコアーリング７は羽根３に固定されて羽根車２と
共に回転し、循環流れを案内すると共に案内羽根６０機
能を十分発揮させる為に役立つものであるが、これをケ
ーシング４、あるいは案内羽根６に固定しても作用効果
に於いて変りはない。

又このコアーリング７の形状も図に示す以外に種種変形
させることもでき、場合によってはコアーリング７を除
去した設計も可能である。

そして又案内羽根６の形状も第１図〜第３図に示す流れ
の基本によって設計されるが、この取付角度を吐出流量
に応じて、可変案内羽根とすることもできる。

更に又第５図ａ ｙ ｂに示す如く、循環回路を相反的
に接続した双子回路形として、羽根車に作用する推力を
平衡させることもできる。

次に上述のように構戒した本発明ポンプの作用を説明す
る。

すなわち駆動軸１の他端に設けられる駆動装置（図示せ
ず）により羽根車２を回転させれば、羽根３内の流体は
自由流路５及び案内羽根６を経て再び羽根３に戻り循環
される。

こうして、吸込口８から流入した流体はポンプの外周を
前記循環をくり返しながら昇圧されて吐出口９に至る。

このポンプの羽根車２及びケーシング４内の流動は、第
３図ａに示す羽根の展開図の例から分るように、羽根３
から自由流路５、そして案内羽根６、そして再びポンプ
羽根３へとスムーズに流過出来る。

即ち案内羽根６の前に自由流路５があるから、流量変化
に応じた自由流路内の流入角度に適応し、次いで案内羽
根６がポンプ羽根３に近接した状態で構成されているか
ら、第３図ａに示すフローパターンのように、羽根３か
ら自由流路５に流入する流れの絶対速度Ｃ４の流線はや
がて案内羽根６で整流されてスムーズにポンプ羽根３に
環流する。

従って従来の再生ポンプに見られる乱流による効率低下
が生じない。

次に駆動トルクの点で考えれば、 ポンプ羽根車の駆動トルクＴｉおよび案内羽根６が流体
に与えるトルクＴｓは次式で与えられる。

ここにρ：流体の密度、Ｑｃ：循環流量、■θ１２：ポ
ンプ羽根車出口における絶対速度の円周方向成分、ｒ１
２：ポンプ羽根車出口半径、■θ２２：案内羽根出口に
おける絶対速度の円周方向或分、ｒ２２：案内羽根出口
半径、■θ２１：案内羽根入口直前（自由流路内）に於
ける絶対速度の円周方向或分、ｒ２１：案内羽根入口半
径である。

従って羽根車駆動トルクと圧力の関係は次式で与えられ
る。

ここにＪＰｅ：ポンプ吐出圧力（出口圧力と入口圧力の
差）、ＡＰｆ ：自由流路内の流れの円周方向圧力損
失、Ａｆ ：自由流路の子午面断面積、ｒｍ：自由流路
の有効半径である。

そして出力（流体動力）はＪＰｅＱ，入力（駆動動力）
はＴｉωで表わされる。

ここにＱ：吐出流となり、（３）式と（３）′式との比
較から、本発明のポンプの羽根車駆動トルクＴｉは、従
来の再生ポンプのそれよりＴｓだげ小さい。

又（４）式と（４）′式との比較から、本発明ポンプの
効率については（４）式Ｔｓ の第１項が従来より（１＋−）倍に高められる。

Ｔｉ 本発明のポンプは、羽根車が流体に与える角運動量変化
と案内羽根が流体に与える角運動量変化の和をもって円
周流れの圧力上昇をもたらそうとするものであるから、
これによってポンプ吐出圧力は従来の再生ポンプに比べ
上昇させることが出来、又これと、前述の式からも分る
様に、ポンプ駆動トルクが案内羽根の受持つトルク分だ
け減少する点は、ポンプ締切時に於いて如実に表われる
から、効率が駆動トルクの減少分に相当して高められる
点も、特に低流量域に於ける従来の再生ポンプの低効率
が大きく改善される事になる。

即ち、自由流路内に案内羽根を持つ本発明ポンプによっ
て、前述した従来の再生ポンプの二つの欠点が除かれる
ことになる。

この性能改善の様子を性能曲線図で示せば第６図に示す
様に、本発明ポンプを実線で、従来の再生ポンプを破線
で示し、更に両ポンプの最高効率点に於ける流量係数と
圧力係数を一致させて表わし、流量係数Φ＝Ｑ／ （
Ａｆ ｒ １２ω）、圧力係数Ｆ＝ＪＰｅ／（ρｒｔｚ
ω ）、トルク係数ｒ−＝Ｔｉ／（ρＡｃｒ１２ ω
）、（ここにＡｃは羽根出口の流路断面積）で表わす
ことができ、この図からも本発明ポンプの性能が従来の
再生ポンプの性能より優れていることが知れる。

以上の如く、本発明ポンプは円周流れに伴う循環流れが
乱流を生じることなく整流された状態で流動すると同時
に、案内羽根の採用によって、それが流体に与える角運
動量変化をポンプ作用に活用することを可能にしており
、従来の再生ポンプと広範囲の流量域において原理的に
高効率となし得なかったのに対し、本発明ポンプはこれ
を原理的に高効率化することを可能にしている。

これは工学的にみて、従来の再生ポンプの改善というよ
りも、基本的に異なる作動原理に基づく再生ポンプとし
て位置付けることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るトルク変換形再生ポンプの原埋構
造を示す断面図、第２図Ｉ，■は第１図のＩ 一Ｉ線お
よび■−■線による循環流路の矢視断面図、第３図は本
発明ポンプの循環流路の展開図、第４図は本発明ポンプ
の実施例の断面図、第５図ａ，ｂはその循環流路の他の
実施例図、第６図は本発明ポンプの性能を説明する曲線
図である。 １・・・・・・駆動軸、２・・・・・・円形主板（ポン
プ羽根車）、３・・・・・・ポンプ羽根、４・・・・・
・ケーシング、５・・曲自由流路、６・・・・・・案内
羽根、７・・曲コアーリング、８・・・・・・吸込口、
９・・・・・牡出口、１ｏ・・曲仕切壁部、１１・・・
・・・カバー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 円形主板の外周部に半円状膨山部分を設け、その内
   側に羽根を設けたポンプ羽根車と、これに対向して同じ
   く半円状膨出部分の内側を循環流路としたケーシングを
   設けて環状流路を構成する再生ポンプにおいて、前記循
   環流路の一部吐出部分でポンプ羽根入口直前部分にポン
   プ羽根と相対する案内羽根を設けると共に、該案内羽根
   より入口側の前部循環流路内を自由流路とした事により
   案内羽根が流体に与える角運動量の変化をポンプ作用に
   活用することを特徴とするトルク変換形再生ポンプ。