JP2016148306A - ガイド体、及びポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】幅広い運転領域でエネルギ効率が高いガイド体、及びポンプ装置を提案する。【解決手段】ガイド体は、羽根車と同心上に配置され、羽根車の回転に伴って誘引される流体を案内する。このガイド体は、円筒状の流路を画定するケース部と、円筒状の流路に複数配置され、円筒状の流路を螺旋状に区画する複数のガイド翼部と、を備える。また、複数のガイド翼部の少なくとも１つにおける流体の流入側の端部は、円筒状の流路における外周側が長く内周側が短い段差状に形成されている。【選択図】図６

Description

本発明は、ガイド体、及びポンプ装置に関するものである。

従来から、流体を移送するために多段ポンプが広く用いられている。多段ポンプは、駆動軸に沿って配置された複数段の羽根車が、流体の流路を画定するガイド体に収容されて構成される。ガイド体は、羽根車が昇圧した流体を螺旋状に案内して整流し、次の段の羽根車へと移送する。多段ポンプでは、羽根車とガイド体との段数を変更することにより、所望の揚程を得ることができる。

特開平６−３２３２９１号公報

一般に、多段ポンプのようなポンプ装置は、所定の定格吐出量で運転するときに最もエネルギ効率が高くなるようにガイド体の翼部角度が設計される。このため、運転吐出量が定格吐出量から増減すると、流体の流れとガイド体の翼部角度とが合わなくなり、ガイド体流入側のガイド翼部で流れが阻害される量が大きくなり、ポンプ装置のエネルギ効率が低下する。特に運転吐出量が増加すると、ガイド翼部の内周側で大きく流れが阻害される。しかし、作業環境、又は使用者のニーズなどによって、定格吐出量に対して増減した吐出量でポンプ装置が使用される場合も多く、幅広い吐出量領域でエネルギ効率が高いことが望まれる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、幅広い運転領域でエネルギ効率が高いガイド体、及びポンプ装置を提案することを目的とする。

本発明のガイド体は、羽根車と同心上に配置され、羽根車の回転に伴って誘引される流体を案内するガイド体である。このガイド体は、円筒状の流路を画定するケース部と、円筒状の流路に複数配置され、円筒状の流路を螺旋状に区画する複数のガイド翼部と、を備える。そして、複数のガイド翼部の少なくとも１つにおける流体の流入側の端部は、円筒状の流路における外周側が長く内周側が短い段差状に形成されている。
このガイド体によれば、羽根車の回転に伴って誘引される流体量が比較的少ないときには、流体の多くが、長い部位である延出部によって案内される。一方、誘引される流体量が比較的多いときには、流体の多くが、短い部位である凹部を通って案内される。このため、幅広い運転領域でエネルギ効率を高くすることができる。

また、段差状に形成された端部の短い部位である凹部は、段差状に形成された端部の長い部位である延出部との境界部が曲線状に形成されてもよい。
こうすれば、誘引される流体量が多いときに、凹部を通って案内される流体のエネルギロスを小さくすることができる。

また、段差状に形成された端部は、円筒状の流路における径方向の中央よりも外周側が長く円筒状の流路における径方向の中央よりも内周側が短い段差状に形成されていてもよい。

また、ケース部は、流体の流入側から流出側に向けて径が細くなるように流路を画定してもよい。

本発明のポンプ装置は、上記の本発明のガイド体と、このガイド体と同心円状に配置され、ガイド体に流体を誘引する羽根車と、を備える。
このポンプ装置によっても、本発明のガイド体と同様の効果を奏することができる。

また、羽根車を回転させる動力源を、更に備えてもよい。

本実施形態の多段ポンプを模式的に示す縦断面図である。 本実施形態のガイド体を示す外観図である。 図２中Ａ−Ａ断面を示す斜視図である。 図２中Ａ−Ａ断面を示すＡ−Ａ視図である。 図２中Ｂ−Ｂ断面を示すＢ−Ｂ視図である。 図４中のガイド翼部２８０を示す図である。 １枚のガイド翼部２８０を示す斜視図である。 ポンプの吐出し量が比較的小さいときの流体の主な移動を説明する模式図である。 ポンプの吐出し量が比較的大きいときの流体の主な移動を説明する模式図である。 （Ａ）は、吐き出し量に対する揚程曲線および効率曲線を示す図であり、（Ｂ）は、吐き出し量に対するガイド損失揚程を示す図である。

以下、本願発明の一実施形態に係るポンプ装置およびガイド体を図面に基づいて説明する。以下の実施形態は、一例として、多段ポンプ、及び多段ポンプに適用されるガイド体を説明するが、これには限られない。

図１は、本実施形態の多段ポンプを模式的に示す縦断面図である。図１中、太線矢印は、流体の流れを模式的に示すものである。図１に示すように、多段ポンプ１０は、動力源としてのモータ１００と、モータ１００の上部に取り付けられるポンプ部２００とを備える。

モータ１００は、電気ケーブル１０２を介して図示しない外部電源に接続されている。モータ１００は、その駆動軸１０４が、継手１０６を介してポンプ部２００の主軸２３０に接続されている。モータ１００は、ポンプ部２００の主軸２３０を回転させることができるものであれば、如何なるものを用いてもよい。モータ１００は、本発明の中核をなさないため、詳細な構成については説明を省略する。

ポンプ部２００は、吸込ケース２１０と、吐出ケース２２０と、主軸２３０と、羽根車２４０と、ガイド体２５０と、を備える。

吸込ケース２１０は、モータ１００の上部に設けられ、ポンプ部２００の最下段として配置される。吸込ケース２１０は、下部の組付部２１２とモータ１００のケース１０８とがビス２１４により締結されて、モータ１００に固定される。吸込ケース２１０は、略円筒状に形成され、流体を吸い込むための吸込口２１６が組付部２１２の上部に形成されている。吸込ケース２１０の上部の組付部２１８には、ガイド体２５０の組付部２５２がビス２５３により締結されて、ガイド体２５０が固定される。

吐出ケース２２０は、ガイド体２５０の上部に設けられ、ポンプ部２００の最上段として配置される。吐出ケース２２０は、下部の組付部２２２とガイド体２５０の組付部２５４とがビス２５５により締結されて、ガイド体２５０に固定される。吐出ケース２２０は、略円筒状に形成され、上部の組付部２２４が図示しない吐出配管に取り付けられる。吐出ケース２２０は、流体が逆流するのを抑制する逆止弁２２６を内部に備える。

主軸２３０は、モータ１００に継手１０６を介して接続され、吸込ケース２１０およびガイド体２５０の内部を挿通する。主軸２３０は、ガイド体２５０の軸受スリーブ２６８によって軸支される。主軸２３０には、複数の羽根車２４０が取り付けられ、主軸２３０の回転に伴って複数の羽根車２４０が回転する。

羽根車２４０は、主軸２３０を挿入するための円筒状の挿入部と、挿入部の外周面に取り付けられた複数の羽根と、を有する。羽根車２４０は、主軸２３０と一体に回転し、複数の羽根により流体を上流（図中下方）から下流（図中上方）に圧送する。

ガイド体２５０は、金属または樹脂などにより形成されている。ガイド体２５０は、この実施形態では、主軸２３０と、羽根車２４０とを収容し、流体の流路を画定する。ガイド体２５０は、流体の逆流を防ぐために、羽根車２４０との間にライナリング２５８を備える。ガイド体２５０は、上下に組付部２５２、２５４を有し、吸込ケース２１０および吐出ケース２２０との固定が可能であるとともに、ガイド体２５０と羽根車２４０との組を１段として、複数段を積層可能に形成されている（図１の例では、２段が積層されている）。

図２は、本実施形態の１段のガイド体を示す外観図であり、図３は、図２中Ａ−Ａ断面を示す斜視図であり、図４は、図２中Ａ−Ａ断面を示すＡ−Ａ視図である。また、図５は、図２中Ｂ−Ｂ断面を示すＢ−Ｂ視図である。なお、図２〜図５では、組付部２５２、２５４を省略して示している。また、図５中、太線矢印は、流体の流れを模式的に示すものである。

ガイド体２５０は、流路の内壁を画定する内側ケース部２６０と、流路の外壁を画定する外側ケース部２７０と、内側ケース部２６０と外側ケース部２７０とを接続する複数のガイド翼部２８０と、を備える。なお、内側ケース部２６０、外側ケース部２７０、およびガイド翼部２８０は、例えば金属の鋳造などにより一体に形成されてもよいし、別々に形成されて接続されてもよい。

内側ケース部２６０は、主軸２３０が挿入される軸受スリーブ２６８を有する。図５に示すように、内側ケース部２６０の外壁面は、上方に向かうほど径が小さくなる略円筒形状に形成されている。外側ケース部２７０は、内側ケース部２６０との間に流路が画定されるように、内側ケース部２６０の外郭に対応した形状の空間を内部に有する。つまり、外側ケース部２７０は、中空の形状に形成され、外側ケース部２７０の内壁面は、上方に向かうほど径が小さくなる略円筒形状に形成されている。内側ケース部２６０と外側ケース部２７０とは、互いに離間して配置されることにより、羽根車２５０から誘引される流体が通過する円筒状の流路Ｆｃを画定する。

内側ケース部２６０と外側ケース部２７０とは、互いに離間した状態で複数（本実施形態では、７つ）のガイド翼部２８０によって接続されている。複数のガイド翼部２８０は、周方向に均等な位置関係で円筒状の流路Ｆｃに配置され（図３、図４参照）、それぞれ滑らかな曲面状の板面を有する板状に形成されている。図６は、図４中の内側ケース部２６０および外側ケース部２７０を省略してガイド翼部２８０を示す図であり、図７は、１
枚のガイド翼部２８０を示す斜視図である。なお、図６及び図７中、一点鎖線は、比較的吐出し量が小さいときの流体の主な流れを模式的に示すものであり、太線は、比較的吐出し量が大きいときの流体の主な流れを模式的に示すものである。

ガイド翼部翼部２８０は、図５〜図７に示すように、周方向に回転しながら、内側ケース部２６０と外側ケース部２７０とにより画定される円筒状の流路Ｆｃを板面によって区画するように配置されている。ガイド翼部２８０は、下端部（流路の流入側の端部）では、板面が主軸２３０の軸方向と略垂直となり、上端部（流路の流出側の端部）では、板面が主軸２３０の軸方向と略並行となるように設けられている。これにより、ガイド翼部２８０は、内側ケース部２６０と外側ケース部２７０とにより画定される空間が複数の螺旋状の流路となるように区画する。

ガイド翼部２８０の下端部は、外周側（外側ケース部２７０に近い側）が長く、内周側（内側ケース部２６０および主軸２３０に近い側）が短い、段差状に形成されている。つまり、ガイド翼部２８０の下端部は、内周側が切り欠かれている。以下、外周側の長い部位を延出部２８２、内周側の短い部位を凹部２８４という。本実施形態では、延出部２８２と凹部２８４とは、主軸２３０の軸方向と垂直な方向である径方向に関して、中央より外周側が延出部２８２、中央より内周側が凹部２８４となるように形成されている（図６中、Ｗａ＝Ｗｂ）。また、延出部２８２は、凹部２８４との境界部２８３が略直角となるように形成され、凹部２８４は、延出部２８２との境界部２８５が滑らかな曲面状に形成されている。この実施形態では、一例として、凹部２８４の延出部２８２との境界部２８５は、主軸２３０の軸方向に沿って見たときの流路の幅Ｗｆの２分の１（Ｗｆ／２）を曲率半径とする曲面状に形成されている。

図８は、ポンプの吐出し量が比較的小さいときの流体の主な移動を説明する模式図であり、図９は、ポンプの吐出し量が比較的大きいときの流体の主な移動を説明する模式図である。なお、図８中の一点鎖線、図９中の太線は、主軸２３０周りの移動について考慮することなく、流体の動きを示している。本実施形態の多段ポンプ１０では、モータ１００からの動力によって主軸２３０が回転すると、主軸２３０と一体に羽根車２４０が回転し、羽根車２４０の複数の羽根によって、流体が上方に誘引される。羽根車２４０によって誘引された流体は、ガイド翼部２８０によって螺旋状に案内されることにより整流される。そして、ガイド体２５０内部の流路を通過した流体は、そのまま後段の羽根車２４０または吐出ケース２３２０内部に案内される。これにより、多段ポンプ１０は、流体を移送することができる。

ここで、羽根車２４０によって誘引される流体は、ポンプの吐出し量が比較的小さいときには、羽根車２４０内部の二次流れの影響により、外周側を通って上方（下流）に案内される傾向がある。一方、ポンプの吐出し量が比較的大きいときには、近い経路である内周側を通って上方（下流）に案内される傾向がある。これに対して、本実施形態のガイド翼部２８０の下端部（流体の流入側の端部）は、外周側は、延出部２８２が形成されて流路が長くなっており（ガイド翼部２８０に案内される距離が長くなっており）、内周側は、凹部２８４が形成されて流路が短くなっている（ガイド翼部２８０に案内される距離が短くなっている）。このため、ポンプの吐出量が比較的小さいときには、図８に示すように、流体の多くが延出部２８２によって案内され、流体をより的確に上方（後段）に案内することができる。一方、ポンプの吐出し量が比較的大きいときには、図９に示すように、流体の多くが凹部２８４を通過し、流体の流れを阻害しない。これにより、幅広い運転領域において、多段ポンプ１０のエネルギ効率を高くすることができる。

図１０（Ａ）は、多段ポンプの吐き出し量に対する揚程曲線および効率曲線を示す図であり、図１０（Ｂ）は、多段ポンプの吐き出し量に対するガイド損失を示す図である。こ
こで、図１０（Ａ）、（Ｂ）中、実線は、ガイド翼部２８０の下端部が段差状に形成されている本実施形態のグラフであり、破線は、ガイド翼部２８０の下端部に凹部２８４が形成されていない比較例のグラフである。図１０（Ａ）に示すように、多段ポンプ１０は、特定の吐き出し量を定格Ｍｄとして、最も効率がよくなるようにガイド翼部２８０の角度が設計されており、吐き出し量が定格Ｍｄから離れると流体の流れとガイド翼部２８０の角度が合わなくなってエネルギ効率が低下する。しかし、本実施形態の多段ポンプでは、図１０（Ｂ）に示すように、ガイド翼部２８０の下端部を段差状に形成することにより、吐き出し量が大きいときに、従来の多段ポンプに比べて、ガイド体２５０内部を通過することによるガイド損失が小さくなっている。これにより、図１０（Ａ）に示すように、本実施形態の多段ポンプ１０では、吐き出し量が大きいときに、比較例の多段ポンプに比べて効率の低下を抑制することができる（効率を高くできる）。また、本実施形態の多段ポンプ１０では、吐き出し量が小さいときに比較例の多段ポンプとエネルギ効率の差はほとんどなく、すべての吐き出し量の範囲で揚程の差もほとんどない。つまり、本実施形態の多段ポンプ１０は、揚程を変えずに、吐き出し量が大きいときのエネルギ効率を向上させることができる。なお、吐き出し量に対する揚程、効率、ガイド損失は、ガイド体２５０と羽根車２４０との段数を変更した場合にも、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示す関係と同様の結果が得られた。

以上説明した本実施形態の多段ポンプ１０は、円筒状の流路を画定する内側ケース部２６０および外側ケース部２７０と、内側ケース部２６０および外側ケース部２７０を接続して円筒状の流路Ｆｃを螺旋状に区画するガイド翼部２８０とを備える。そして、ガイド翼部２８０の下端部（流体の流入側の端部）は、外周側が長い延出部２８２として形成され、内周側が短い凹部２８４として形成されている。これにより、羽根車２４０の回転に伴って誘引される流体量が比較的少ないときには、流体の多くが延出部２８２によって案内される。また、誘引される流体量が比較的多いときには、流体の多くが凹部２８４を通って案内される。このため、幅広い運転領域でエネルギ効率を高くすることができる。

しかも、ガイド翼部２８０の凹部２８４は、延出部２８２との境界部２８５が曲面状に形成されているので、凹部２８４を通って案内される流体のエネルギロスを小さくすることができる。さらに、ガイド体２５０の内側ケース部２６０と外側ケース部２７０とは、流体の流入側から流出側に向けて径が細くなるように流路を画定するので、羽根車２４０によって誘引される流体を効果的に整流して下流に案内することができる。

上記したガイド翼部２８０は、延出部２８２と凹部２８４とを有する１段の段差状に形成されるものとしたが、複数段の段差状に形成されてもよい。

上記したガイド翼部２８０の凹部２８４は、延出部２８２との境界部２８５が曲面状に形成されるものとしたが、略直角な境界部とするなど、曲面状以外の形状に形成されてもよい。また、ガイド翼部２８０の延出部２８２は、凹部２８４との境界部２８３が略直角に形成されるものとしたが、流路の幅Ｗｆの２分の１（Ｗｆ／２）の曲率半径の曲面状とするなど、曲面状に形成されてもよい。また、延出部２８２、凹部２８４の境界部２８３、２８５を曲面状に形成する場合には、その曲率半径は流路の幅Ｗｆの２分の１（Ｗｆ／２）に限らず、種々の曲率半径で曲面状に形成すればよい。

上記したガイド翼部２８０は、主軸２３０の軸方向と垂直な方向である径方向に関して、中央より外周側が延出部２８２、中央より内周側が凹部２８４となるように形成されるものとした。しかし、延出部２８２と凹部２８４とは、中央を境に区分けされるものに限定されるものではなく、適宜定めた幅、割合とすればよい。

上記した多段ポンプ１０では、モータ１００が下方に設置され、その上方にポンプ部２
００が設置されるものとしたが、ポンプ部２００の上方にモータ１００が設置されてもよい。また、ポンプ部１００は、図１に示すように縦置きに限定されるものではなく、横置きなどとしてもよい。また、多段ポンプ１０は、水中で使用してもよいし、陸上で使用してもよい。

上記したガイド体２５０では、内側ケース部２６０と外側ケース部２７０との間に、７つのガイド翼部２８０が設けられるものとしたが、ガイド翼部２８０は、１つ〜６つ、又は８つ以上であってもよい。

上記したガイド体２５０では、すべてのガイド翼部２８０の下端部が段差状に形成されるものとしたが、少なくとも１つのガイド翼部２８０の下端部が段差状に形成されればよい。たとえば、下端部が段差状に形成されたガイド翼部と、段差状に形成されていないガイド翼部とが１つ置きに交互に設けられるものとしたり、所定数置きに交互に設けられるものとしてもよい。

上記したガイド体２５０は、下流に向かうほど径が小さくなる円筒状の流路Ｆｃを画定するものとしたが、この例に限定されず如何なるものとしてもよい。また、上記したガイド体２５０は、羽根車２４０を収容するものとしたが、ガイド体２５０とは別に羽根車２４０を収容するケースを備えてもよい。

上記した多段ポンプ１０では、２段のガイド体２５０と羽根車２４０とが設けられるものとしたが、ガイド体２５０と羽根車２４０とは、１段だけで用いられてもよいし、３段以上が設けられてもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその均等物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、実施形態および変形例の任意の組み合わせが可能であり、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。

１０ 多段ポンプ
１００ モータ
１０２ 電気ケーブル
１０４ 駆動軸
１０６ 継手
２００ ポンプ部
２１０ 吸込ケース
２２０ 吐出ケース
２３０ 主軸
２４０ 羽根車
２５０ ガイド体
２６０ 内側ケース部
２７０ 外側ケース部
２８０ ガイド翼部
２８２ 延出部
２８４ 凹部
２８５ 境界部

Claims (6)

1. 羽根車と同心上に配置され、前記羽根車の回転に伴って誘引される流体を案内するガイド体であって、
   円筒状の流路を画定するケース部と、
   前記円筒状の流路に複数配置され、前記円筒状の流路を螺旋状に区画する複数のガイド翼部と、
   を備え、
   前記複数のガイド翼部の少なくとも１つにおける流体の流入側の端部は、前記円筒状の流路における外周側が長く内周側が短い段差状に形成されている、
   ガイド体。
2. 請求項１に記載のガイド体であって、
   前記段差状に形成された端部の短い部位である凹部は、前記段差状に形成された端部の長い部位である延出部との境界部が曲線状に形成されている、
   ガイド体。
3. 請求項１又は２に記載のガイド体であって、
   前記段差状に形成された端部は、前記円筒状の流路における径方向の中央よりも外周側が長く前記円筒状の流路における径方向の中央よりも内周側が短い段差状に形成されている、
   ガイド体。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のガイド体であって、
   前記ケース部は、流体の流入側から流出側に向けて径が細くなるように流路を画定する、
   ガイド体。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載のガイド体と、
   前記ガイド体と同心円状に配置され、前記ガイド体に流体を誘引する羽根車と、
   を備えるポンプ装置。
6. 請求項５に記載のポンプ装置であって、
   前記羽根車を回転させる動力源を更に備える、
   ポンプ装置。

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