JPWO2009096226A1 - 流体機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、極低比速度領域において実用的且つ有効に運転可能な回転形式の流体機械を提供する。回転形式の流体機械(1,1')は、回転駆動軸(2)に一体的に連結されたインペラ(10,10')を有する。インペラはケーシング(3)内に収容される。吸引流路(4)の被圧送流体(a)がインペラの中心部(11)に流入する。回転するインペラの遠心力の作用でインペラの外周部分(12)から外方に流出する流体(b)が、吐出流路(5)からケーシング外に送出される。インペラの中心部からインペラの外周縁に向かって延びる多数の溝(15)がインペラに形成される。溝は、インペラの外周面(18)に開口し、インペラの回転時にインペラの外縁部近傍に強い再循環渦(R)を生じさせる。

Description

本発明は、回転形式の流体機械に関するものであり、より詳細には、インペラの回転によって流体を圧送する遠心ポンプ等の流体機械に関するものである。

流体を圧送する流体機械として、軸流ポンプ、斜流ポンプ及び遠心ポンプ等に代表される回転形式（ターボ形）のポンプと、プランジャポンプ等に代表される往復動形式（容積形）のポンプとが知られている。一般に、前者の形式（ターボ形）のポンプは、比速度が高い低揚程・大流量の運転領域において好適に作動可能な特性を有する。他方、後者の形式(容積形)のポンプは、比速度が大変低い高揚程・小流量の運転領域において好適に作動可能な特性を有する。ターボ形ポンプと容積形ポンプとの中間的な運転領域(比速度＝30程度の運転領域)で作動可能なポンプとして、渦流ポンプ（カスケードポンプ）が知られている。

本発明者等は、「右上がり不安定特性」又は「右上がり特性」と呼ばれるターボ形ポンプ特有の不安定特性を防止すべく、再循環流の予旋回を抑制するための多数の浅い溝を圧力勾配の方向にケーシング内壁面に形成した構造のターボ機械を特許第３８８４８８０号公報、特開２００３−１３８９８号公報、特開２００４−１３２２０９号公報（特許文献１〜３）において提案している。この溝は、通称「Jグルーブ」として当業界に知られている。上記特許文献１〜３に記載されたターボ機械においては、ケーシング壁面に溝を形成するにすぎない非常に簡易な構造によって予旋回流を制動して各種の異常流動現象を抑制することができる。

本発明者等は又、遠心ポンプのインペラ（羽根車）の背面外周帯域に短い溝又は凹所を局所的に形成することにより、インペラから外方に放出される流体が溝内に再流入する現象を確認している。このような背面外周域の短溝は、前述した不安定特性を解消する上で有効な手段として使用することができる。

外周帯域に少数の溝を形成したインペラを有する遠心ポンプが、特開２００２−２２７７９５号に記載されている。図１８（Ａ）は、この遠心ポンプの構成を概略的に示す断面図である。インペラ１０１の溝１０２は、インペラ１０１の外周帯域１０４に形成される。遠心ポンプは、径方向中心部に吸込口１０５を有する。溝１０２は、インペラ１０１の外周縁１０３から径方向内方に延びるが、吸引口１０５に達しない。溝１０２と吸引口１０５との間には、流量制限部１０６が形成される。流量制限部１０６では、ポンプケーシングの静止壁面１０７は、インペラの円形表面１０８と近接する。インペラ１０１は軸線Ｘ−Ｘを中心に回転し、被圧送流体ａを圧送する。

同様に少数の溝を形成したインペラを有する渦巻ポンプが、特開２００４−３５３５６４号に記載されている。図１８（Ｂ）は、この渦巻ポンプの構成を概略的に示す断面図である。遠心ポンプは、径方向中心部に吸込口１１５を有する。小数の溝１１２は、吸込口１１５の領域からインペラ１１１の外周縁１１３に延びる。インペラ１１１の外周帯域１１４には、動圧軸受を形成する多数のスパイラル状溝１１９が形成される。スパイラル状溝１１９の深さｈは、１０〜１００μｍ程度の寸法である。ポンプケーシングの側壁面１１７は、インペラの円形表面１１８と近接する。側壁面１１７と円形表面１１８との間に形成される間隙の寸法ｖも又、１０〜１００μｍ程度の寸法である。
特許第３８８４８８０号公報 特開２００３−１３８９８号公報 特開２００４−１３２２０９号公報 特開２００２−２２７７９５号公報 特開２００４−３５３５６４号公報

一般に、遠心ポンプ等のターボ形ポンプの効率は比速度の低下に伴って大きく低下するので、比速度約７０以下のような極低比速度領域においては、ターボ形ポンプを実用運転することは極めて困難である。このため、このような低比速度領域では、通常は、容積形ポンプ又は渦流ポンプが使用される。しかし、容積形ポンプや渦流ポンプにおいては、以下の如き問題が指摘されている。

・流体の漏れがポンプ効率に大きく影響するので、インペラとケーシングとの間の隙間等を厳密に寸法設定し且つ管理する必要があり、高度な部品加工精度が要求される。
・インペラとケーシングとの間の狭小間隙は、塵、粉塵等の影響を受け易い。
・振動・騒音が比較的大きい。
・全体的に部品点数が多く、摺動作用を受ける部品の数も比較的多い。
・高速化が困難であり、流量増大及び小型化を達成し難い。

このような問題は、遠心ポンプ等のターボ形ポンプを採用することにより克服し得ると考えられる。しかし、前述の如く、極低比速度領域においてターボ形ポンプを運転した場合、ポンプの効率は極端に低下する。このため、ターボ形ポンプを極低比速度領域において実用的且つ有効に運転することはできない。

極低比速度領域において効率的に運転することを意図した遠心ポンプが、前述の特開２００２−２２７７９５号に記載されている。しかし、このポンプは、図１８（Ａ）に示すように、溝１０２と吸引口１０５とを流量制限部１０６によって分離した構造を有する。このため、このポンプを極低比速度領域において運転したとしても、ポンプ流量の増大に伴ってポンプの効率が極端に低下する。また、このような流量制限部１０６を設けた場合には、キャビテーション等による振動・騒音が発生し易く、従って、特開２００２−２２７７９５号に記載されたポンプでは、ポンプ流量を所望の如く増大させることはできない。

また、インペラの中心部に達する少数の溝を備えた渦巻ポンプが、前述の特開２００４−３５３５６４号に記載されている。しかし、このポンプでは、外周帯域１１４に形成されたスパイラル状溝１１９は、動圧軸受を形成しなければならず、このため、側壁面１１７と円形表面１１８との間の寸法ｖを１０〜１００μｍ程度の寸法に制限しなければならない。即ち、前述の特開２００４−３５３５６４号に記載されたポンプ構造では、間隙の寸法ｖを厳密に寸法設定し且つ管理する必要があり、極めて高度な部品加工精度又は精密性が要求される。

本発明は、（１）容積形又は渦流形の流体機械に共通する前述の課題（極端な部品加工精度又は精密性の確保、厳密且つ狭小なクリアランスの形成、部品点数の増大等の問題）を解消することができ、(2)回転駆動軸の回転数増大によって流体機械の高速化及び流量増大を図ることができ、しかも、(3)極低比速度領域において実用的且つ有効に運転することができる回転形式の流体機械を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成すべく、回転駆動軸に一体的に連結されたインペラと、インペラを収容するケーシングと、インペラの径方向中心部と対向するように配置された吸入口とを有する回転形式の流体機械において、
吸入口側に位置するインペラの側面には、インペラの径方向中心部から径方向外方に角度間隔を隔てて延びる多数の溝が形成され、該溝は、前記吸入口の径方向内方の領域からインペラの外周縁に向かって延びて、インペラの外周面に開口しており、
前記インペラの側面と前記ケーシングの側壁面との間の間隙は、インペラ直径(d₂)×０．００２以上の寸法(q)又は０．４mm以上の寸法(q)を有し、
前記溝は、インペラ直径(d₂)×０．００２以上の寸法の深さ(h)又は０．４mm以上の深さ(h)を有し、前記インペラの回転時にインペラの外縁部近傍に再循環渦を生じさせることを特徴とする流体機械を提供する。

他の観点より、本発明は、回転駆動軸に一体的に連結されたインペラと、インペラを収容するケーシングと、インペラの径方向中心部と対向するように配置された吸入口とを有する回転形式の流体機械において、
前記インペラの回転時にインペラの外縁部近傍に再循環渦を生じさせる多数の溝がインペラの両側の面に形成され、各面の溝は、前記吸入口の径方向内方の領域からインペラの外周縁に向かって角度間隔を隔てて延び、インペラの外周面に開口することを特徴とする流体機械を提供する。
好ましくは、インペラの各面とケーシングの側壁面との間に夫々形成されたインペラの両側の間隙を相互連通させる流体連通穴が、インペラの径方向中心部を貫通する。

更に他の観点より、本発明は、回転駆動軸に一体的に連結されたインペラと、インペラを収容するケーシングと、インペラの径方向中心部と対向するように配置された吸入口とを有する回転形式の流体機械において、
吸入口側に位置する前記インペラの側面には、インペラの回転時にインペラの外縁部近傍に再循環渦を生じさせる多数の溝が形成され、該溝は、前記吸入口の径方向内方の領域からインペラの外周縁に向かって角度間隔を隔てて延び、インペラの外周面に開口しており、
前記ケーシングは、前側壁面、後側壁面及び環状内周壁面を有し、前記インペラの回転軸線を中心とした円形のケーシング内領域を形成する円形ケーシングからなり、
前記再循環渦(R)は、前記溝の内部に形成される径方向外方の流れ(F)と、前記ケーシングの側壁面の近傍に形成される径方向内方の流れ(E)と、径方向内方の流れ(E)から分流して前記溝の中に再循環する再循環流(G)とによって形成されることを特徴とする流体機械を提供する。

本発明の上記構成によれば、回転駆動軸の回転によってインペラが回転すると、インペラの外周部に向かう強い流れ(F)が溝の内部及びその近傍に生起する。同時に、インペラの側面と対向するケーシングの静止壁面（側壁面）近傍には、径方向内方に向かう強い流れ(E)が形成される。この結果、インペラの外縁部近傍には強い再循環渦(R)が発生する。このような再循環渦の形成によってケーシング内流路の流体速度が上昇し、流体機械の揚程が大きく上昇する。従って、この構成を有する回転形式の流体機械は、極低比速度領域において有効且つ実用的に運転することができる。

また、上記構成の流体機械は、回転するインペラの遠心力の作用で流体を径方向外方に付勢する構造を有するので、回転駆動軸の回転数増大によって流体機械を高速化し、流量増大を図ることができる。これは、容積形ポンプ又は渦流ポンプ等ではその装置構造上の理由で実現し得なかった流体機械の小型化を可能にする。

更に、上記構成の流体機械は、簡単な構造を有する回転形式の流体機械であり、しかも、インペラとケーシングの静止壁面（側壁面）との間のクリアランスを比較的大きく設定することができる。従って、本発明によれば、容積形ポンプ又は渦流ポンプ等のようにクリアランスを狭小寸法に厳密に制限する必要がないので、容積形又は渦流形の流体機械に共通する前述の課題（極端な部品加工精度又は精密性の確保、厳密且つ狭小なクリアランスの形成、部品点数の増大等の問題）は解消する。

また、本発明の流体機械は、前述の流量制限部（特開２００２−２２７７９５号）を利用した構成のものではないので、流量増大時に生じる極端な効率低下や、キャビテーション発生等による振動・騒音の問題は生じない。従って、本発明の流体機械によれば、上記の如く、回転駆動軸の回転数増大によって流量を増大することができる。

更に、本発明の流体機械は、インペラ外周部の溝を用いた前述の動圧軸受（特開２００４−３５３５６４号）を利用した構成のものではないので、径方向内方の流れ(E)及び再循環流(G)を形成する間隙がインペラの側面とケーシングの側壁面との間に形成される。このため、本発明の流体機械においては、インペラの回転時にインペラの外縁部近傍に再循環渦(R)が発生する。再循環渦は、上記の如く流体機械の揚程を大きく上昇させる。

なお、本明細書において、「多数」の溝は、少なくとも１０本の溝を意味するものとし、インペラの「中心部」又は「中心部分」は、インペラ直径の１／２以下の直径を有するインペラの中央領域であって、回転駆動軸に連結されるインペラの部分（ボス部、嵌合部、キー連結部等）を含むインペラの部分を意味するものとする。

本発明の流体機械によれば、以下の効果が得られる。
(1)容積形又は渦流形の流体機械に共通する課題（極端な部品加工精度又は精密性の確保、厳密且つ狭小なクリアランスの形成、部品点数の増大等の問題）を解消することができる。
(2)回転駆動軸の回転数増大によって流体機械の高速化及び流量増大を図ることができる。
(3)極低比速度領域において実用的且つ有効に運転することができる。

図１は、本発明を適用した遠心ポンプの実施例を示す縦断面図、Ｉ−Ｉ線断面図及び部分拡大断面図である。 ２種類のインペラの構造を示す正面図及び断面図である。 図２に示すインペラの斜視図及び部分拡大断面図である。 図３（Ａ）に示すインペラの前側の外観を示す斜視図である。 図２に示すインペラを備えたポンプ機構の全体構成を概念的に示す前側及び後側の斜視図である。 ２種類のインペラとケーシングの位置関係を示す遠心ポンプの部分拡大断面図である。 放射溝の溝内及びその近傍に形成される液体の流れを概念的に示す断面図である。 溝付きインペラを備えた遠心ポンプのポンプ性能を示す線図である。 溝付きインペラを備えた遠心ポンプのポンプ性能を示す線図である。 インペラの側面とケーシングの静止壁面との間のクリアランスと、ポンプ性能との関係を示す線図及び断面図である。 溝の長さと、ポンプ性能との関係を示す線図及び斜視図である。 溝の両面配置及び片面配置と、ポンプ性能との関係を示す線図である。 バランスホールの有無と、ポンプ性能との関係を示す線図である。 液体のレイノルズ数（Ｒｅ数）と、ポンプ性能との関係を示す線図である。 溝の変形例を示すインペラの概略正面図である。 図３（Ｂ）に示すインペラの前側の外観を示す斜視図（外観写真）である。 図３（Ｂ）に示すインペラの後側の外観を示す斜視図（外観写真）である。 従来構造のインペラを有する遠心ポンプ又は渦巻ポンプの構成を示す概略断面図である。

符号の説明

１、１’ 遠心ポンプ（流体機械）
２ 回転駆動軸
３ ケーシング
４ 流入管
５ 吐出管
６ 軸受
７ ケーシング内液体流路（メリディアン流路断面）
８ 液体供給管
９ 液体送出管
１０，１０’ インペラ（羽根車）
１１ 中心部分
１２ 環状外側部分
１３ ボス部
１４ バランスホール（貫通穴）
１５ 放射溝
１６ 外縁溝（短溝）
１７ 陸部
１８ 外周面
Ｘ−Ｘ 回転軸線

本発明の好適な実施形態において、本発明の流体機械は、比速度７０以下の極低比速度領域で作動する遠心ポンプである。好ましくは、溝は、均一な角度間隔を隔ててインペラの側壁面全体に均等に配置され、溝の角度間隔(k)は、１０度以下の角度に設定される。

インペラの中心部から径方向に延びる多数の溝は、インペラの中心部において集合する。溝の本数を増大させると、隣接する溝の境界は失われ、隣接する溝は一体化し、この結果、多数の溝は、インペラの中心部において円形又は環状に連続する。即ち、溝の本数を増大させると、溝は、円形又は環状の窪み又は凹所をインペラの中心部に形成する。好ましくは、窪み又は凹所の直径(d₁)は、吸入口の直径(d₀)よりも大きく、吸入口は、窪み又は凹所の外形輪郭に全体的に包囲される。

本発明の好適な実施形態によれば、溝は、インペラの中心部から直線的に外側に延びる真っ直ぐな溝、或いは、インペラの中心部から湾曲し又は螺旋状に径方向外方に湾曲して延びる湾曲溝又は螺旋溝からなる。直線的な溝は、回転中心から径方向外方に延びる放射状の溝のみならず、径方向に対して所定角度をなして傾斜した方向に延びる真っ直ぐな溝を含む概念である。なお、溝の傾斜方向や、湾曲溝又は螺旋溝の方向は、必ずしもインペラの回転方向後方に傾斜するものに限定されず、回転方向前方に傾斜するものであっても良い。

間隙の寸法(q)は、好ましくは、インペラ直径(d₂)×０．００５以上の寸法又は１．０mm以上の寸法、更に好ましくは、インペラ直径(d₂)×０．０１５以上の寸法又は３．０mm以上の寸法に設定される。好適には、溝の深さ(h)は、インペラ直径(d₂)×０．０３以下の寸法又は６．０mm以下の寸法に設定され、溝の幅(w)は、インペラ直径(d₂)×０．２以下の寸法又は４０mm以下の寸法（更に好適には、インペラ直径(d₂)×０．１０以下の寸法又は２０mm以下の寸法）に設定される。

所望により、径方向外方に延びて外周面に開口する短い溝又は凹所（以下、短溝という）が、隣り合う溝の間の陸部に更に形成される。短溝は、外周部分に配置され、短溝の外端は上記溝と同じくインペラの外周面に開口する。

本発明の好適な実施形態において、溝は、インペラの両側の面に形成され、インペラは、インペラの両側に形成されるケーシング内流路を流体連通させる連通手段を有する。好ましくは、連通手段は、インペラの中央部を回転軸線方向に貫通する貫通穴からなる。例えば、複数の円形貫通穴がインペラの径方向中心部に均等な角度間隔を隔てて穿設される。

本発明の好適な実施形態において、インペラの中心部の厚さ（T）はインペラの外周部の厚さ(T')よりも大きな寸法に設定され、インペラの厚さは径方向外方に向かって漸減する。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した遠心ポンプの実施例を示す縦断面図、Ｉ−Ｉ線断面図及び部分拡大断面図である。

回転形式の流体機械(fluid machine)を構成する遠心ポンプ１が図１に示されている。ポンプ１は、回転軸線Ｘ−Ｘを中心に同心に配置された回転駆動軸２、円形ケーシング３、流入管（吸引管）４及びインペラ（羽根車）１０を有する。インペラ１０はケーシング３内に同心状に収容され、ポンプ１の主軸を構成する回転駆動軸２に一体的に連結される。回転駆動軸２は軸受６を貫通し、軸受６に回転可能に支承される。回転駆動軸２は、電動モータ等の駆動源（図示せず）に連結される。ケーシング３の前側壁面３１、後側壁面３２及び環状内周壁面３３は、回転軸線Ｘ−Ｘを中心とした円形（円筒形又は円柱形）のケーシング内領域（直径Ｄ、厚さＳ）を形成する。ケーシング内領域に配置されたインペラ１０の両側（前側及び後側）には、液体流路７が形成される。

流入管４は、回転軸線Ｘ−Ｘと同心にケーシング３に接続される。流入管４には、液体供給管８（仮想線で示す）が接続される。液体供給管８は、液体供給源（図示せず）と連通する。吐出管５は、ケーシング３に接線方向に接続される。吐出管５には液体送出管９（仮想線で示す）が接続される。液体送出管９は、任意の機器又は配管系（図示せず）と連通する。

遠心ポンプ１は、回転するインペラ１０の遠心力の作用により、液体供給源の液体（水等）をケーシング３内に吸引する。図１（Ａ）に矢印ａで示す如く、液体供給源の液体は、遠心ポンプ１の吸引圧力下に管路４、８を介して液体流路７内に流入する。液体流路７内の液体は、回転するインペラ１０の遠心力の作用でインペラの外周部から外方に放出され、図１（Ｂ）に矢印ｂで示す如く吐出管５に流出して後続の機器又は配管系に送出される。

図２、図３及び図４は、インペラの構造を示す正面図、断面図及び斜視図であり、図５は、インペラを備えたポンプ機構の構成を概念的に示す斜視図である。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）及び図３（Ａ）には、図１に示すインペラ１０の正面図、断面図及び斜視図が示されている。図２（Ｃ）及び図３（Ｂ）には、インペラ１０の変形例に係るインペラ１０’の構造が示されている。

インペラ１０は、ボス部１３及びバランスホール１４を有する中心部分１１（直径d₁の範囲）と、中心部分１１を除く環状外側部分１２（直径d₂−d₁の範囲）とから構成される。多数の放射溝１５及び外縁短溝１６が環状外側部分１２に形成される。放射溝１５は、均一な角度間隔ｋを隔てて配置される。放射溝１５及び外縁短溝１６の外端部は、インペラ１０の外周面１８において開口する。図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）には、放射溝１５の断面が示されている。溝１５は、インペラ１０の径方向に連続的に延びる凹部又は窪みからなり、放射状のチャンネル流路をインペラ１０の面に形成する。図３（Ｃ）に示すように、陸部１７が溝１５の間に形成される。インペラ１０の外縁部では、陸部１７の幅は、溝１５の幅ｗよりも大きく、インペラ１０の外周帯域には、外縁短溝１６が陸部１７に形成される（図３（Ｄ））。

ボス部１３は回転駆動軸２に嵌着し、回転駆動軸２に一体的に連結される。連通手段を構成するバランスホール１４は、周方向に等間隔(本例では、６０度の角度間隔)を隔てて中心部分１１に穿設され、中心部分１１を貫通する。液体が流動するインペラ１０の両側の領域（液体流路７）は、バランスホール１４を介して流体連通する。

多数の放射溝１５は、インペラ１０の中央領域において集合するので、隣接する放射溝１５の境界は失われ、隣接する放射溝１５は一体化する。この結果、多数の放射溝１５は、インペラの中央領域において環状に連続し、インペラ１０の中心部分１１には、放射溝１５の溝底１５ａと連続するように全体的にインペラ１０の面内に後退した円形又は環状の側面１１ａが形成される。即ち、インペラ１０の中心部分１１に形成された円形又は環状の窪み又は凹所は、放射溝１５の集合である。なお、独立した放射溝１５の部分（側面１１ａの外側の部分）は、インペラの半径の１／２以上の長さを有することが望ましい。

本例において、放射溝１５及び外縁短溝１６は、同一の幅１(w)及び深さ(h)を有し、インペラ１０の外周帯域において周方向に交互に配置される。インペラ１０の各部寸法等は、例えば、以下の如く設定される。
・中心部分１１の直径d₁＝９０mm
・インペラ１０の直径（外径）d₂＝２０２mm
・放射溝１５のみを形成した領域の直径d₃＝１６０mm
・溝の幅ｗ＝２mm
・溝の深さｈ＝３mm
・放射溝１５の本数＝９０本(各側)
・外縁短溝１６の本数＝９０本(各側)
・角度間隔ｋ＝４°

図２（Ｂ）に示すように、インペラ１０は中心部分１１において均一な厚さ寸法Ｔを有する。環状外側部分１２の厚さは径方向外方に向かって漸減し、環状外側部分１２の外周縁は最小寸法Ｔ’を有する。このように中心部分１１の厚さを増大することにより、インペラ１０の構造強度及び剛性を比較的容易に確保するとともに、その軽量化を図ることができる。

図２（Ｃ）及び図３（Ｂ）には、インペラ１０の変形例に係るインペラ１０’が示されている。図２（Ｃ）及び図３（Ｂ）において、インペラ１０の構成要素と実質的に同一の構成要素については、同一の参照符号が付されている。なお、図２（Ｃ）は、インペラ１０’の片側のみを破断して示す部分破断断面図である。

図２（Ｃ）及び図３（Ｂ）に示すインペラ１０’の環状外側部分１２は、全体的に均一な厚さＴを有する。インペラ１０’は、環状側板（図示せず）を取付け可能な放射状隆起部１９を有する。隆起部１９に環状側板を固定することにより、インペラ１０’をクローズド形式のインペラに更に変形することができる。インペラ１０’の他の構造は、前述のインペラ１０と実質的に同一である。なお、図１６及び図１７は、図２（Ｃ）及び図３（Ｂ）に示すインペラ１０’の外観を示す斜視図（外観写真）である。

図６は、インペラ１０、１０’及びケーシング３の位置関係を示す遠心ポンプ１、１’の部分拡大断面図である。インペラ１０を備えたポンプ１（図６（Ａ））では、インペラ１０とケーシング３の内壁面３１、３２との間に画成されるメリディアン流路断面（流路７）は、中心部分１１の厚さＴと外周面１８の厚さＴ’との寸法差によって径方向外方に拡開する形状を有し、メリディアン流路断面（流路７）の流路寸法（流路幅Ｎ、Ｍ）は、インペラ１０の外縁部において拡大する。他方、インペラ１０’を備えたポンプ１’ （図６（Ｂ））では、均一な寸法（流路幅Ｎ、Ｍ）のメリディアン流路断面（流路７）がインペラ１０’とケーシング３の内壁面３１、３２との間に形成される。

インペラ１０、１０’の側面とケーシングの内壁面３１、３２との間の間隙の寸法ｐ、ｑは、少なくともインペラ直径(d₂)×０．００２以上の寸法且つ０．４mm以上に設定され、好ましくは、インペラ直径(d₂)×０．００５以上の寸法且つ１．０mm以上の寸法、更に好ましくは、インペラ直径(d₂)×０．０１５以上の寸法又は３．０mm以上の寸法に設定される。溝の深さ(h)は、インペラ直径(d₂)×０．００２以上且つ０．４mm以上の寸法に設定される。好ましくは、溝の深さ(h)は、インペラ直径(d₂)×０．００５以上の寸法且つ１．０mm以上の寸法、インペラ直径(d₂)×０．０３以下の寸法且つ６．０mm以下の寸法に設定される。また、溝の幅(w)は、インペラ直径(d₂)×０．２以下の寸法且つ４０mm以下の寸法、好適には、インペラ直径(d₂)×０．１０以下の寸法且つ２０mm以下の寸法に設定される。

ケーシング３の前側及び後側の内壁面(静止壁面)３１、３２は、インペラ１０、１０’の前側及び後側の側面から離間しており、ケーシング３及びインペラ１０、１０’の間のクリアランスは、容積形ポンプや渦流ポンプ等においてケーシングとピストンとの間（又はケーシングとインペラとの間）に許容される狭小なクリアランスとは全く相違しており、かなり大きな寸法ｐ、ｑを有する。

図７は、インペラ１０を備えたポンプ１における液体の流れを概念的に示す断面図であり、放射溝１５の内部及びその近傍に形成される液体の流れが矢印で示されている。

インペラ１０の回転時には、回転するインペラ１０の遠心力の作用により、径方向外方に向かう強い流れＦが放射溝１５の内部及びその近傍に発生する。流れＦは、インペラ１０の外周縁とケーシング３の環状内周壁面３３との間で径方向内方に転向し（転向流Ｃ）、径方向内方の流れＥとして静止壁面３1、３２の近傍を逆流する。このため、静止壁面３1、３２の近傍には、径方向内方に向かう強い流れＥが形成される。対向する流れＥ、Ｆの間には、径方向内方の流れＥから分流して溝１５の中に再循環する再循環流Ｇが形成される。インペラ１０の外縁部近傍には、このような流れＣ、Ｅ、Ｆ、Ｇの作用により、強い再循環渦(recirculation vortex)Ｒが形成される。再循環渦Ｒは、インペラ１０の外側の環状流路（周方向流路）の圧力を全周に亘って実質的に均一に加圧する。このような再循環渦Ｒは、従来のポンプでは形成されない新規な性質の渦であり、この渦は、流体機械の揚程を大きく上昇させる。

本発明者等は、上記構成のインペラ１０、１０’を備えた遠心ポンプ１、１’の性能を評価すべく、各種の実験を実施するとともに、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析等の数値解析を実行した。図８は、遠心ポンプ１（実施例１）のポンプ性能を示す線図である。異なる３種類のケーシング（最高効率点の比速度ｎ_{S BEP}＝８０、６０、３０）を使用したポンプ性能の実験結果（実験値）及び数値解析結果が図８（Ａ）〜（Ｃ）に示されている。従来構造のインペラを備えた遠心ポンプ等では、比速度６０以下では、ほぼ全域で揚程曲線に右上がり不安定特性が生じて振動・騒音が増大する傾向があり、しかも、揚程係数ψは１．１〜１．２程度であるにすぎなかった。しかし、インペラ１０を備えた遠心ポンプ１では、図８（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、かなり高い揚程が得られる。しかも、遠心ポンプ１の揚程曲線には、右上がり不安定特性が実質的に生じておらず、従って、安定且つ静寂な運転が実現する。また、ポンプ効率に関し、従来のフルオープン形インペラ（不安定特性が比較的少ない）を有する従来構造のポンプと遠心ポンプ１とを対比した結果が、図８（Ｄ）に示されている。図８（Ｄ）に示される如く、遠心ポンプ１（ｎ_S＝８０）は、ｎ_S＝８０のケーシングを用いた従来構造のポンプと比べ、全比速度範囲に亘って高い効率を発揮する。比速度が更に低い領域では、遠心ポンプ１のケーシングの比速度を低下させると、遠心ポンプ１は、更に高い効率を発揮する。

図９は、インペラ１０を備えた遠心ポンプ１（実施例１）と、インペラ１０’を備えた遠心ポンプ１’（実施例２）と、クローズド形インペラを備えた遠心ポンプ（比較例１）の各ポンプ性能示す線図である。比較例１のインペラは、インペラ１０’の隆起部１９に円形側板（図示せず）を取り付けてインペラ１０’をクローズド形に設計変更した構成のものである。なお、実施例１、２及び比較例１の各遠心ポンプは同一の円形ケーシングを備える。

側板によって放射溝１５を遮蔽してインペラをクローズド形に設計変更した比較例１の遠心ポンプでは、遠心ポンプ１’（実施例２）と対比し、揚程が低下する。従って、放射溝１５を開放することによってメリディアン流路断面（流路７）に生起する三次元的な逆流Ｃ、Ｅ、Ｇ及び再循環渦Ｒは、遠心ポンプ１の揚程を増大するのに有効に作用する（実施例１、２）。

また、実施例１と実施例２とを対比すると、実施例１の遠心ポンプ１は相対的に高い揚程を発揮する。これは、実施例１の遠心ポンプ１では、実施例２の遠心ポンプ１’に比べて混合損失が低下することに起因すると考えられる。

図１０は、インペラ１０’とケーシング３との間のクリアランスの影響を示す線図及び断面図である。

本発明者等は、図１０（Ｂ）に示すようにインペラ１０’を使用し、インペラ１０’とケーシング３の静止壁面３１、３２との間のクリアランスの影響を考察するための実験を実施した。この実験においては、インペラ１０’と後側の静止壁面３２との間の距離ｃ’を１．１７×ｈ（h＝溝１５の深さ）に固定し、インペラ１０’と前側のケーシング壁面３１との間の距離ｃを０．０６７×ｈ、０．３３×ｈ、１．０×ｈ、１．７×ｈに変化させた。測定結果が図１０（Ａ）に示されている。なお、図１０（Ａ）の括弧内数値は、距離ｃの寸法値である。

図１０（Ａ）に示す如く、クリアランスの変化は、ポンプ性能にほとんど影響しないことが判明した。これは、本発明の遠心ポンプがオープン形遠心インペラを備えた遠心ポンプや渦流ポンプ（いずれも、クリアランスの変化がポンプ性能に大きく影響する）と全く相違する性質又は特性を有する新規なポンプであることを意味する。

図１１（Ａ）は、放射溝１５の長さと、ポンプ性能との関係を示す線図であり、図１１（Ｂ）は、比較例に係るインペラ１０”を示す斜視図である。

図１１（Ｂ）には、外縁短溝１６のみを備えたインペラ１０”が比較例２として示されている。インペラ１０”は、インペラ１０’（実施例２）の全ての放射溝１５を外縁短溝１６に置換した構成を有する。本発明者等は、図１１（Ｂ）に示すインペラ１０”を円形ケーシングに組み込んでポンプ性能を測定した。その結果、短い外縁短溝１６だけを備えたインペラ１０”（即ち、長い放射溝１５を備えていないインペラ１０”）では、図１１（Ａ）に示す如く、揚程が大きく低下することが判明した。他方、インペラ１０’において全ての外縁短溝１６を埋め殺した場合であっても、インペラ１０’の揚程は、大きく低下しない。従って、本発明の遠心ポンプ１、１’においては、インペラに形成される溝１５の長さが重要である。

図１２は、放射溝１５の両面配置及び片面配置の影響を示すポンプ性能の線図であり、図１３は、バランスホール１４の有無の影響を示すポンプ性能の線図である。

本発明者等は、実施例１のインペラ１０を備えた遠心ポンプ１と、インペラ１０の後側面の放射溝１５及び外縁短溝１６を埋め殺してなるインペラを備えた遠心ポンプとを運転し、ポンプ性能を測定した。前者のインペラ（以下、「両面溝形インペラ」という）は、放射溝１５及び外縁短溝１６を両面に備えるのに対し、後者のインペラ（以下、「片面溝形インペラ」という）は、放射溝１５及び外縁短溝１６を前側面のみに有する。なお、これらのインペラは、図１に示す如く、６箇所のバランスホール１４を備える。本発明者等は又、３箇所のバランスホール１４を埋め殺した片面溝形インペラ（３つのバランスホール１４を備えた片面溝形インペラ）と、全てのバランスホール１４を埋め殺した片面溝形インペラ（バランスホール１４を全く備えない片面溝形インペラ）とを用いた遠心ポンプに関し、ポンプ性能を更に測定した。

図１２に示す如く、放射溝１５を片側にのみ配設したインペラの場合、低流量域において右上がり不安定性能が生じ易い。また、バランスホール１４の個数を低減すると、それに伴って揚程及び軸動力は低下するが、効率は実質的に変化しない。

図１３には、実施例１のインペラ１０を備えた遠心ポンプ１においてバランスホール１４をなくした場合に生じるポンプ性能の変化が示されている。図１２に示す片面溝形インペラに関する測定結果と、図１３に示すバランスホール完全省略の両面溝形インペラに関する測定結果とを対比することにより、後側面（背面）の放射溝１５の作用を考察することができる。これらの測定結果の対比より明らかなとおり、バランスホール１４を完全に省略した場合であっても、後側面の放射溝１５は、揚程を増大させ且つ効率を向上させる。

図１４は、ＣＦＤによってインペラ周速から求められた液体のレイノルズ数（Re数）と、ポンプの揚程及び効率との関係を示す線図である。

インペラ１０、１０’を備えた遠心ポンプ１、１’ は、構造が極めて簡単であることから、回転数（回転速度）を比較的容易に高速化し得る優位性を有する。図１４には、レイノルズ数増大と関連したクローズド形遠心ポンプ及び遠心ポンプ１、１’の揚程及び効率の変化が示されている。図１４に示す如く、クローズド形遠心ポンプ及び遠心ポンプ１、１’は、いずれも、回転数の増大（レイルノズ数増大）に伴って揚程が向上して効率も向上する。従って、遠心ポンプ１、１’は高速化に適すると考えられる。

図１５は、溝の変形例を示すインペラの概略正面図である。

図１〜図７に示す実施例においては、インペラ１０、１０’は、回転軸線Ｘ−Ｘを中心に放射状に外方に延びる放射溝１５及び外縁短溝１６を備えるが、図１５（Ａ）に示すような湾曲溝（又は螺旋溝）１５’と、同様に湾曲した外縁短溝１６’とをインペラ１０、１０’に形成しても良い。

また、図１〜図７に示す外縁短溝１６は、図１５（Ｂ）に示す如く省略しても良い。

更には、図１５（Ｃ）に示す如く径方向に対して所定角度をなして傾斜する方向に延びる直線的な溝１５”をインペラ１０、１０’に形成しても良い。また、図１５（Ｃ）に破線で示す如く、外縁短溝１６” を各溝１５”の間に形成しても良い。

以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。

例えば、上記実施例は、本発明を遠心ポンプに適用したものであるが、本発明を回転形式（ターボ形）のコンプレッサに適用しても良い。

また、上記実施例においては、溝は、均等な角度間隔を隔てて配置されているが、溝を不規則な間隔に配置することも可能である。

更には、上記実施例においては、全長に亘って均一な断面（形状、幅及び深さ）を有する方形断面の溝を例示したが、溝の断面（形状、幅及び深さ）を徐々に変化させても良く、或いは、溝の断面を方形断面以外の断面に設計することも可能である。

本発明は、遠心ポンプ、遠心コンプレッサ等の回転形式の流体機械に好適に適用し得る。本発明の流体機械によれば、従来は渦流ポンプ等を使用せざるを得なかった高揚程・小流量の極低比速度領域において実用的に運転可能な回転形式の流体機械が提供される。回転形式の流体機械は、回転速度増大によって、極端な騒音上昇を伴わずに高速運転することができる。これは、極低比速度領域において実用運転可能な小型流体機械の設計を可能にする。

本発明の流体機械は、超高圧又は高揚程の配管系に使用し得るので、化学プラントの原料又は燃料移送系、工作機械の油圧回路、半導体製造装置の液体輸送系、海水淡水化プラントの海水・給水配管系、CO₂地下貯留施設の流体輸送系等の各種配管系又はシステムにおいて使用することが可能である。

Claims (20)

1. 回転駆動軸に一体的に連結されたインペラと、インペラを収容するケーシングと、インペラの径方向中心部と対向するように配置された吸入口とを有する回転形式の流体機械において、
   吸入口側に位置するインペラの側面には、インペラの径方向中心部から径方向外方に角度間隔を隔てて延びる多数の溝が形成され、該溝は、前記吸入口の径方向内方の領域からインペラの外周縁に向かって延びて、インペラの外周面に開口しており、
   前記インペラの側面と前記ケーシングの側壁面との間の間隙は、インペラ直径(d₂)×０．００２以上の寸法(q)又は０．４mm以上の寸法(q)を有し、
   前記溝は、インペラ直径(d₂)×０．００２以上の寸法の深さ(h)又は０．４mm以上の深さ(h)を有し、前記インペラの回転時にインペラの外縁部近傍に再循環渦を生じさせることを特徴とする流体機械。
2. 前記溝は、前記インペラの中心部から径方向外方に直線的に延び又は湾曲して延びることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
3. 前記溝は、前記インペラの径方向中心部において集合し、該中心部に円形又は環状の窪み又は凹所を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の流体機械。
4. 前記窪み又は凹所の直径(d₁)は、前記吸入口の直径(d₀)よりも大きく、前記吸入口は、前記窪み又は凹所の外形輪郭に全体的に包囲されることを特徴とする請求項３に記載の流体機械。
5. 前記間隙の寸法(q)は、インペラ直径(d₂)×０．０１５以上の寸法又は３．０mm以上の寸法に設定されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流体機械。
6. 前記インペラの中心部から径方向外方に延びる多数の前記溝が、前記吸入口と反対の側に位置するインペラの側面に更に形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流体機械。
7. 前記インペラの両側に形成された前記間隙を流体連通させる連通手段が、インペラの径方向中心部に設けられることを特徴とする請求項６に記載の流体機械。
8. 前記溝の深さ(h)は、インペラ直径(d₂)×０．０３以下の寸法又は６．０mm以下の寸法に設定され、前記溝の幅(w)は、インペラ直径(d₂)×０．２０以下の寸法又は４０mm以下の寸法に設定されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の流体機械。
9. 前記インペラの中心部は、該インペラの外周部の厚さ(T')よりも大きい厚さ（T）を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の流体機械。
10. 前記ケーシングは、前側壁面、後側壁面及び環状内周壁面を有し、前記インペラの回転軸線を中心とした円形のケーシング内領域を形成する円形ケーシングからなり、
    被圧送流体の吸引流路が前記吸入口に接続され、
    前記ケーシング内の流体をケーシング内流路の圧力下にケーシング外に送出する吐出流路が前記環状内周壁面に接続されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の流体機械。
11. 前記再循環渦(R)は、前記溝の内部に形成される径方向外方の流れ(F)と、前記ケーシングの側壁面の近傍に形成される径方向内方の流れ(E)と、径方向内方の流れ(E)から分流して前記溝の中に再循環する再循環流(G)とによって形成されることを特徴とする請求項１乃至１０に記載の流体機械。
12. 径方向外方の前記流れ(F)は、前記インペラの外周縁と前記ケーシングの環状内周壁面(33)との間で径方向内方に転向し、径方向内方の前記流れ(C,E)として前記側壁面の近傍を逆流することを特徴とする請求項１１に記載の流体機械。
13. 回転駆動軸に一体的に連結されたインペラと、インペラを収容するケーシングと、インペラの径方向中心部と対向するように配置された吸入口とを有する回転形式の流体機械において、
    前記インペラの回転時にインペラの外縁部近傍に再循環渦を生じさせる多数の溝がインペラの両側の面に形成され、各面の溝は、前記吸入口の径方向内方の領域からインペラの外周縁に向かって角度間隔を隔てて延び、インペラの外周面に開口していることを特徴とする流体機械。
14. 前記インペラの各面と前記ケーシングの側壁面との間に夫々形成されたインペラの両側の間隙を相互連通させる流体連通穴が、前記インペラの径方向中心部を貫通することを特徴とする請求項１３に記載の流体機械。
15. 前記溝は、前記インペラの径方向中心部において集合して、該中心部に円形又は環状の窪み又は凹所を形成し、前記連通穴は、前記窪み又は凹所に配置されることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の流体機械。
16. 前記ケーシングは、前側壁面、後側壁面及び環状内周壁面を有し、前記インペラの回転軸線を中心とした円形のケーシング内領域を形成する円形ケーシングからなり、
    被圧送流体の吸引流路が前記吸入口に接続され、
    前記ケーシング内の流体をケーシング内流路の圧力下にケーシング外に送出する吐出流路が前記環状内周壁面に接続されることを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の流体機械。
17. 回転駆動軸に一体的に連結されたインペラと、インペラを収容するケーシングと、インペラの径方向中心部と対向するように配置された吸入口とを有する回転形式の流体機械において、
    吸入口側に位置する前記インペラの側面には、インペラの回転時にインペラの外縁部近傍に再循環渦を生じさせる多数の溝が形成され、該溝は、前記吸入口の径方向内方の領域からインペラの外周縁に向かって角度間隔を隔てて延び、インペラの外周面に開口しており、
    前記ケーシングは、前側壁面、後側壁面及び環状内周壁面を有し、前記インペラの回転軸線を中心とした円形のケーシング内領域を形成する円形ケーシングからなり、
    前記再循環渦(R)は、前記溝の内部に形成される径方向外方の流れ(F)と、前記ケーシングの側壁面の近傍に形成される径方向内方の流れ(E)と、径方向内方の流れ(E)から分流して前記溝の中に再循環する再循環流(G)とによって形成されることを特徴とする流体機械。
18. 径方向外方の前記流れ(F)は、前記インペラの外周縁と前記ケーシングの環状内周壁面(33)との間で径方向内方に転向し、径方向内方の前記流れ(C,E)として前記側壁面の近傍を逆流することを特徴とする請求項１７に記載の流体機械。
19. 前記溝は、均一な角度間隔(k)を隔てて前記インペラの側壁面全体に均等に配置され、前記角度間隔は、１０度以下の角度に設定されることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の流体機械。
20. 前記流体機械は、比速度７０以下の極低比速度領域で作動する遠心ポンプであることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の流体機械。

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