JP4489394B2 - 渦流ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、渦流ポンプに関するものである。

渦流ポンプとは、円環状の流体通路内に配置された複数の羽根を流体通路に沿って駆動することにより、流体通路内の流体に運動エネルギーを与えるポンプである。渦流ポンプは、例えば内燃機関からの排気に空気を送り込んで、排気中のエミッションを低減するために用いられている。

従来の渦流ポンプ１００には、図８や特許文献１に示すごとく、羽根通過断面が半円形であり、羽根非通過断面も半円形であるものがある。ここで、羽根通過断面とは、流体通路内の流体の主流方向に垂直な流体通路断面の一部であって、羽根１０１が通過する部分を指す。また、羽根非通過断面とは、流体通路内の流体の主流方向に垂直な流体通路断面の一部であって、羽根１０１が通過しない部分を指す。また、図９や特許文献１に示すごとく、羽根通過断面が、略四半円であり、羽根非通過断面が、半円形とその直径の一端側から所定幅を有して延びる線分とからなる形状であるものもある。

そして、渦流ポンプ１００内の流体は、図１０および図１１に示すごとく、羽根１０１により運動エネルギーを与えられながら、羽根通過部分と羽根非通過部分との間を旋回しつつ、隣り合う羽根１０１間に構成される凹部を逐次移動する。ここで、羽根通過部分とは、流体通路の一部であって羽根１０１が通過する部分を指す。また、羽根非通過部とは、流体通路の一部であって羽根１０１が通過しない部分を指す。

ところで、羽根通過部分と羽根非通過部分との間を旋回する流体の流れは（以降、旋回流と呼ぶ）、羽根通過断面および羽根非通過断面の外周では速いが、内周に向かうほど遅くなり、中心部近傍ではほとんど旋回流が生じていない。このため、図１０および図１１に示す渦流ポンプ１００の旋回流のように、中心が羽根１０１の回転軸方向外縁から離れて羽根非通過部分の方に偏在すると、流体が羽根通過部分に戻らない領域が発生する（以下、回転軸方向を軸方向と呼ぶ）。この領域の流体は羽根１０１から運動エネルギーを得ることができないので、主流方向の流速が低下する。これにより、ポンプの吐出量が減少しポンプ効率が低下する。

また、旋回流の中心を羽根１０１の軸方向外縁に近づけて、流体が羽根通過部分に戻らない領域を減少させたとしても、羽根非通過断面と羽根通過断面との断面積比によりポンプ効率が低下する場合がある。

例えば、羽根非通過断面の断面積が羽根通過断面の断面積に対して小さすぎると、流体が主流方向に向かって移動できる通過面積が小さくなるため、主流方向の流速が大きくなりすぎる。このため、流体通路の壁部から受ける摩擦損失が大きくなり、ポンプ効率が低下する。この傾向は、特に低圧吐出を行う場合に顕著である。

逆に、羽根非通過断面の断面積が羽根通過断面の断面積に対して大きすぎると、図７に示すごとく、径方向壁部で旋回流がない領域が生じる。この領域の流体は、羽根１０１から運動エネルギーを得ることができないので、主流方向の流速が低下する。これにより、ポンプの吐出量が減少しポンプ効率が低下する。この傾向は、特に高圧吐出を行う場合に顕著である。
特開平７−１１９６８６号公報（図２、図６）

本発明が解決しようとする課題は、渦流ポンプ内の旋回流の中心を羽根の軸方向外縁に近づけて、流体が羽根通過部分に戻らない領域を減少させることにより、ポンプ効率が低下するのを防止することにある。さらに、羽根非通過断面と羽根通過断面との断面積の比を適正に保つことにより、ポンプ効率が低下するのを防止することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の発明によれば、羽根車に周設された羽根によって、流体通路内の流体
に運動エネルギーが与えられる。そして、羽根の回転軸方向の幅をａとし、流体通路の軸方向内壁と羽根の回転軸方向外縁との距離をｂとしたとき、０．６０≦ｂ／ａ≦０．７６の関係を満たしている。
これにより、ａとｂとの比率を適正に保って、旋回流の中心を羽根の軸方向外縁に近づ
けることができる。
すなわち、従来の渦流ポンプでは、ｂがａに対して大きすぎるため、旋回流の中心が羽
根の軸方向外縁から離れて羽根非通過部分の方に偏在していた（図１０および図１１参照
）。しかし、ｂ／ａ≦０．７６の関係を満たせば、旋回流の中心を羽根の軸方向外縁に近
づけて、流体が羽根通過部分に戻らない領域を減少させ、ポンプ効率が低下するのを防止
することができる（図４参照）。
逆に、ｂがａに対して小さすぎると、羽根の径方向外縁が流体通路の径方向内壁との間
に隙間を有している場合、径方向内壁近傍で旋回流がない領域が生じる（図７参照）。こ
のため、主流方向の流速が低下しポンプ効率が低下する。しかし、０．６０≦ｂ／ａの関
係を満たせば、この問題を解消することができ、ポンプ効率が低下するのを防止すること
ができる（図４参照）。
さらに、上記の関係式０．６０≦ｂ／ａ≦０．７６を満たしているのに加え、羽根通過断面の面積値Ｓ１と、羽根非通過断面の面積値Ｓ２とは、１．０≦Ｓ２／Ｓ１≦１．２の関係を満たしている。
これにより、羽根通過断面の面積値Ｓ１と、羽根非通過断面の面積値Ｓ２との比率を適
正に保って、ポンプ効率の低下を防止することができる。
すなわち、羽根非通過断面の断面積が羽根通過断面の断面積に対して小さすぎると、流
体が主流方向に向かって移動できる通過面積が小さくなるため、主流方向の流速が大きく
なりすぎる。このため、流体通路の壁部から受ける摩擦損失が大きくなり、ポンプ効率が
低下する。しかし、１．０≦Ｓ２／Ｓ１の関係を満たせば、この問題を解消することがで
き、ポンプ効率が低下するのを防止することができる（図５参照）。
逆に、羽根非通過断面の断面積が羽根通過断面の断面積に対して大きすぎると、径方向
内壁近傍で旋回流がない領域が生じる（図７参照）。このため、主流方向の流速が低下し
ポンプ効率が低下する。しかし、Ｓ２／Ｓ１≦１．２の関係を満たせば、この問題を解消
することができ、ポンプ効率が低下するのを防止することができる（図５参照）。

渦流ポンプの流体通路内に生じる旋回流の中心を羽根の軸方向外縁に近づけるとともに、羽根非通過断面と羽根通過断面との断面積の比を適正に保つことにより、ポンプ効率が低下するのを防止することができた。

〔実施例１の構成〕
本実施例の渦流ポンプ１を図面に基づいて説明する。本実施例の渦流ポンプ１は、円環状の流体通路２内に配置された複数の羽根３を流体通路２に沿って駆動することにより、流体通路２内の流体に運動エネルギーを与えるポンプである。この渦流ポンプ１は、例えば、内燃機関（図示せず）からの排気に空気を送り込んで、排気中のエミッションを低減するために用いられる。

渦流ポンプ１は、図１および図２に示すごとく、流体通路２を形成するケーシング４と、このケーシング４内に収容されるとともに、流体通路２内の流体に運動エネルギーを与える羽根３が周設された円板状の羽根車５と、羽根車５を回転駆動する駆動軸６とからなる。

ケーシング４は、図１に示すごとく、前後２つに分割された前側部材７と後側部材８とからなる。そして、ケーシング４内には、図１および図２に示すごとく、羽根３を収容する円環状の流体通路２、羽根車本体９を収容する羽根車本体収容部１０、吸入通路１１、吐出通路１２、および通路挟小部１３が形成されている。なお、前後方向は図１に示すとおりとする。また、この前後方向は、羽根車５の回転軸方向と一致する（以下、羽根車５の回転軸方向を単に軸方向と呼ぶ）。

流体通路２の主流方向に垂直な断面は、図１に示すごとく、羽根通過断面１４が、略四半長円を前後対称に重ねた略矩形形状である。また、羽根非通過断面１５が、略半長円とその直径の一端側から所定幅を有して延びる線分とを前後対称に重ねた形状である。ここで、主流方向とは、流体通路２の中心線に沿った方向を指すものとする。また、羽根通過断面１４とは、主流方向に垂直な流体通路２の断面の一部であって、羽根３が通過する部分を指す。また、羽根非通過断面１５とは、主流方向に垂直な流体通路２の断面の一部であって、羽根３が通過しない部分を指す。そして、羽根通過断面１４と羽根非通過断面１５とで、流体通路２の断面をなしている。

通路挟小部１３は、吸入通路１１と吐出通路１２との間で羽根３を収容する部分である。そして、図１に示すごとく、運動エネルギーを与えられ加圧された流体を効率よく吐出するため、通路挟小部１３の内壁と羽根３の外縁とのクリアランスは所定の微小値に設定されている。このため、通路挟小部１３の断面は羽根３の形状に合わせた略矩形状である。

羽根車５は、図１および図２に示すごとく駆動軸６により回転駆動される円板状の羽根車本体９、および羽根車本体９の外縁から外側に向かい周設されて流体通路２内に配置される複数の羽根３からなる。

羽根車本体９は、図１に示すごとく、軸方向に肉厚の外周部１６を有する。外周部１６は、羽根車本体収容部１０の外周縁に設けられた段部１７に、軸方向および径方向に所定のクリアランスを有して収容されている。外周部１６の断面の径方向外縁は、外側から前後対称に四半円が凹状に切り取られ、軸方向中央部が外側に向かって膨出した形状をなしている。また、この外縁の前後端は滑らかに流体通路２の軸方向内壁に連なっている。これにより、図３に示すごとく羽根通過部分１８において異常滞留部を生じさせることなく、旋回流を生じさせることができる。ここで、羽根通過部分１８とは、流体通路２の一部であって羽根３が通過する部分を指す。これに対し、流体通路２の一部であって羽根３を含む羽根車５が通過しない部分を、羽根非通過部分１９と呼ぶ。また、羽根通過部分１８と羽根非通過部分１９との間を旋回する流体の流れを、旋回流と呼ぶ。

なお、段部１７は流体通路２の内周側に沿って設けられ、通路挟小部１３の内周側に沿う部分は、通路挟小部１３の一部となって略矩形状の断面の一部をなしている。そして、羽根３の外縁と同様に、外周部１６の軸方向外縁および径方向内縁とこの部分の内壁との間に、微小のクリアランスが形成されている。

羽根３は、図１に示すごとく羽根通過断面１４と同様の略矩形状をなし、図２に示すごとく外周部１６の外縁から外側に向かって放射状かつ直線状に周設されている。そして、隣り合う羽根３同士がなす凹状空間は、羽根通過部分１８をなす。また、図１に示すごとく、流体通路２の径方向内壁と羽根３の径方向外縁との間、および流体通路２の軸方向内壁と羽根３の軸方向外縁との間に形成される空間は、羽根非通過部分１９をなす。

駆動軸６は、図１に示すごとく、後側部材８を挿通して羽根車本体９の中心に取り付けられている。そして、電動モータ等（図示せず）により回転トルクが伝達されて、羽根車９を回転駆動する。

〔実施例１の特徴〕
本実施例の渦流ポンプ１の特徴を、図面に基づいて説明する。まず、図１に示すごとく、羽根３の軸方向の幅をａとし、流体通路２の軸方向内壁と羽根３の軸方向外縁との距離（以降、軸方向距離と呼ぶ）をｂとすると、０．６０≦ｂ／ａ≦０．７６の関係を満たしている（本実施例では、ｂ／ａは０．６８である）。本実施例では、流体通路２の軸方向内壁と羽根３の軸方向外縁との間に形成される空間が、前後対称となる位置に２箇所ある。このため、前側空間の軸方向距離（ｂ／２）と、後側空間の軸方向距離（ｂ／２）の合計が全体の軸方向距離（ｂ）となっている。
また、羽根通過断面１４の面積値をＳ１とし、羽根非通過断面１５の面積値をＳ２とすると、１．０≦Ｓ２／Ｓ１≦１．２の関係を満たしている（本実施例では、Ｓ２／Ｓ１は１．１である）。
さらに、羽根３の形状が略矩形状である。

〔実施例１の作用〕
本実施例の渦流ポンプ１の作用を説明する。本実施例の渦流ポンプ１の羽根３は、駆動軸６により回転駆動されて、図２に示すごとく反時計方向に回転する。そして、本実施例の流体である空気は、まず吸入通路１１を通って流体通路２へ吸入される。吸入された空気は、羽根通過部分１８の一区画であって隣り合う羽根３同士がなす凹状空間（以後、この凹状空間を凹部と呼ぶ）に流入する。凹部に流入した空気は、羽根３により運動エネルギーを与えられながら、羽根通過部分１８から羽根非通過部分１９へと旋回する。羽根非通過部分１９へ旋回した空気は、反時計方向に１つ隣の凹部へ旋回して流入し、再度、羽根３から運動エネルギーを与えられる。その後、空気は同様の旋回を繰り返しつつ、運動エネルギーを与えられながら隣り合う凹部を逐次移動し吐出通路１２に到達する。そして、吐出通路１２から渦流ポンプ１の外へ吐出される。このようにして、空気は所定の圧力に加圧されて供給される。

〔実施例１の効果〕
本実施例では、ｂ／ａは０．６８であり、０．６０≦ｂ／ａ≦０．７６の関係を満たしている。これにより、ａとｂとの比率を適正に保って、旋回流の中心を羽根３の軸方向外縁に近づけることができる。
すなわち、従来の渦流ポンプでは、図１０および図１１に示すごとく、ｂがａに対して大きすぎるため、旋回流の中心が羽根の軸方向縁部から離れて羽根非通過部分の方に偏在していた。しかし、図４に示すごとくｂ／ａ≦０．７６の関係を満たせば、旋回流の中心を羽根３の軸方向外縁に近づけて、空気が羽根通過部分１８に戻らない領域を減少させ、ポンプ効率が低下するのを防止することができる。なお、図６に示すごとく、吐出圧を変えたときの最高効率を、所定のｂ／ａ、所定のＳ２／Ｓ１に対するポンプ性能の尺度とした。
逆に、ｂがａに対して小さすぎると、図７に示すごとく、羽根の径方向外縁が流体通路の径方向内壁との間に隙間を有している場合、径方向内壁近傍で旋回流がない領域が生じる。このため、主流方向の流速が低下しポンプ効率が低下する。しかし、図４に示すごとく０．６０≦ｂ／ａの関係を満たせば、これらの問題を解消することができ、ポンプ効率が低下するのを防止することができる。

本実施例では、Ｓ２／Ｓ１は１．１であり、１．０≦Ｓ２／Ｓ１≦１．２の関係を満たしている。これにより、羽根通過断面１４の面積値Ｓ１と、羽根非通過断面１５の面積値Ｓ２との比率を適正に保って、ポンプ効率の低下を防止することができる。
すなわち、Ｓ２がＳ１に対して小さすぎると、空気が主流方向に向かって移動できる通過面積が小さくなるため、主流方向の流速が大きくなりすぎる。このため、流体通路の壁部から受ける摩擦損失が大きくなり、ポンプ効率が低下する。しかし、図５に示すごとく１．０≦Ｓ２／Ｓ１の関係を満たせば、この問題を解消することができ、ポンプ効率が低下するのを防止することができる。
逆に、Ｓ２がＳ１に対して大きすぎると、図７に示すごとく、径方向内壁近傍で旋回流がない領域が生じる。このため、主流方向の流速が低下しポンプ効率が低下する。しかし、図５に示すごとくＳ２／Ｓ１≦１．２の関係を満たせば、この問題を解消することができ、ポンプ効率が低下するのを防止することができる。

本実施例では、羽根３は略矩形状である。
これにより、通路挟小部１３の断面を、矩形状にすることができ、ケーシング４の加工および組立が容易になる。

〔変形例〕
本実施例の渦流ポンプ１では、羽根通過断面１４が略四半長円を前後対称に重ねた形状であり、羽根非通過断面１５が略半長円とその直径の一端側から所定幅を有して延びる線分とを前後対称に重ねた形状であったが、これに限定されるものではない。例えば、羽根通過断面１４が半円形であり、羽根非通過断面１５も半円形であり、これらを前後対称に配置したものであってもよい。また、本実施例や上記変形例のように前後対称になっていなくてもよい。

本実施例の渦流ポンプ１は、羽根３が外周部１６の外縁から外側に向かって放射状かつ直線状に延設されたラジアル型遠心ポンプであったが、羽根３は、外側に向かって回転方向に傾いている前向き羽根や、回転方向と反対側に傾いている後向き羽根であってもよく、複数の羽根３を軸方向に並べた多翼であってもよい。また、遠心ポンプに限定されず、軸流ポンプ、斜流ポンプであってもよい。

本実施例では、空気が被加圧流体であったが、被加圧流体は気体に限定されず、水などの液体でもよく、気体と液体の気液２相流体でもよく、粉体と気体との固気２相流体でもよく、スラリ状の固液２相流体でもよい。

本実施例では、羽根３の形状が略矩形状であったが、他の形状であってもよい。例えば外縁の一部が、凹状に窪んでいたり、凸状に膨出していたりしてもよく、外縁全体が、滑らかな曲線で形成されていてもよい。

渦流ポンプの軸方向断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 流体通路の旋回流を説明する説明図である。 ポンプの最高効率とｂ／ａとの相関図である。 ポンプの最高効率とＳ２／Ｓ１との相関図である。 ポンプ効率と吐出圧との相関図である。 流体通路の径方向壁部で旋回流がない領域の説明図である。 従来の渦流ポンプの軸方向断面図である。 従来の渦流ポンプの軸方向断面図である。 従来の流体通路の旋回流を説明する説明図である。 従来の流体通路の旋回流を説明する説明図である。

符号の説明

１ 渦流ポンプ
２ 流体通路
３ 羽根
４ ケーシング
５ 羽根車
６ 駆動軸
７ 前側部材（ケーシング）
８ 後側部材（ケーシング）
９ 羽根車本体
１０ 羽根車本体収容部
１４ 羽根通過断面
１５ 羽根非通過断面
１８ 羽根通過部分
１９ 羽根非通過部分

Claims (1)

1. 円環状の流体通路を形成するケーシングと、
   このケーシング内に収容されるとともに、前記流体通路内の流体に運動エネルギーを与
   える羽根が周設された羽根車と
   を備えた渦流ポンプにおいて、
   前記羽根の回転軸方向の幅をａとし、前記流体通路の回転軸方向内壁と前記羽根の回転
   軸方向外縁との距離をｂとしたとき、
   ０．６０≦ｂ／ａ≦０．７６の関係を満たすとともに、
   前記流体通路内の流体の主流方向に垂直な流体通路断面の一部であって、前記羽根が通
   過する羽根通過断面の面積値をＳ１とし、
   前記流体通路内の流体の主流方向に垂直な流体通路断面の一部であって、前記羽根が通
   過しない羽根非通過断面の面積値をＳ２としたとき、
   １．０≦Ｓ２／Ｓ１≦１．２の関係を満たすことを特徴とする渦流ポンプ。

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