JP4846823B2 - ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、両吸込型遠心ポンプ、両吸込型斜流ポンプ、片吸込型遠心ポンプ、片吸込型斜流ポンプ、多段ポンプおよび多段タービンポンプなど、吸引した液体を羽根車の回転軸に対して直交方向に流動させて吐出するポンプに関するものである。

この種のポンプは、一端を原動機に連結した回転軸の他端がケーシングに挿入または貫通され、この回転軸に羽根車が配設されている。このポンプは、原動機の駆動により羽根車が回転されると、ケーシングの吸込口から液体を吸引し、羽根車を収容した渦巻室を経て吐出口から吐出する。

また、このポンプは、流動により圧力が高くなっている液体が、ケーシングと回転軸の隙間から漏出することを防止するために、ケーシングの支持部にメカニカルシール部を形成している。しかし、このメカニカルシール部は、摺接により発熱するため、冷却する必要がある。

そこで、吸込ポンプのメカニカルシール部に位置するように貫通孔を設け、この貫通孔から所定圧力で水を供給するものがある。しかし、このセルフフラッシング式のポンプは、オリフィスやバルブによる減圧機構を設ける必要があり、構造が複雑でコスト高になるという問題がある。しかも、これらによるフラッシング流量の調整が極めて困難である。

これに対して、特許文献１には、片吸込型遠心ポンプにおいて、羽根車に形成されたつりあい穴を通る液体を利用したメカニカルシール部の冷却構造が記載されている。

しかしながら、この特許文献１の冷却構造では、安定して液体を供給できない。即ち、ケーシング内の圧力は、回転軸からの距離が同一でも異なる。よって、つりあい穴を通る液体の流れが安定しないため、安定した冷却作用を得ることができない。

また、特許文献２には、ケーシングの吸込口近傍とメカニカルシール部に貫通孔を設け、これら貫通孔にかけて連結管を配管し、圧力差により液体を流動させるようにした軸封装置が記載されている。

しかしながら、この特許文献２の冷却構造では、ポンプの外部に還流用の連結管を配管する必要があるため、部品点数が増大し、コスト高になるという問題がある。しかも、連結管が外部に露出しているため、無駄な配置スペースが必要になる。

実開平５−１２６９６号公報 特開２００２−２２１１８９号公報

本発明は、従来の問題に鑑みてなされたもので、不要な配管を行うことなく、確実にメカニカルシール部を冷却可能なポンプを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明のポンプは、吸込口と連通する吸込室と吐出口に連通する吐出室が内部に形成されたケーシングと、前記ケーシングを貫通する回転軸に連結されるとともに前記吐出室に配設され、入口が前記回転軸への連結部に位置し、出口が前記回転軸に対して径方向外側に位置する羽根車と、前記ケーシングの回転軸が貫通する部分に配置されたメカニカルシール部と、を備え、前記吸込口が回転軸の延び方向に対して直交する方向に開口し、前記吸込室が吸込口から吸引した液体を前記回転軸に対して旋回させつつ前記羽根車の入口に案内した後、該羽根車の出口から前記吐出室を経て吐出口から吐出するポンプにおいて、前記ケーシングは、前記メカニカルシール部を配設する支持部を前記回転軸の軸方向に沿って前記吸込室内へ膨出させた形状をなし、前記ケーシングの前記膨出部に、前記回転軸に対して直交方向に延びる貫通孔を設けることにより、前記メカニカルシール部の近傍に入口が位置し、この入口の流動圧力より低い吸込室の上流側の低圧力領域に出口が位置し、液体を還流させる還流路を設けた構成としている。

このポンプによれば、ケーシングに、メカニカルシール部に入口が位置し、この入口より流動圧力が低い上流側の低圧力領域に出口が位置する還流路を設けているため、その差圧による還流作用でメカニカルシール部を確実に冷却できる。そして、還流路は、固定されたケーシングに設けられているため、出口での圧力を安定させることができる。その結果、安定した還流作用を得ることができる。また、還流路は、既存のメカニカルシール部の構造を、部分的に追加加工を施すだけで形成でき、連結管などの付加部品は必要ないため、コストの増大を防止できる。しかも、セルフフラッシング機構は勿論、外部に突出する余分な連結管がないため、無駄な設置スペースも必要ない。

このポンプでは、前記羽根車の回転軸に、径方向外向きの水流を付与する攪拌羽根を配設することが好ましい。このようにすれば、メカニカルシール部から還流路を介して吸込室上流側へ所定圧力で強制的な水流（還流作用）を生じさせることができる。よって、特に液体に異物が含まれている場合に、その異物を確実に吸込室上流側へ排除することができる。

また、前記ケーシングの内壁に、前記回転軸に向けて突出する流動抑制部を設け、この流動抑制部により液体流動方向先方に形成される低圧力領域に、前記還流路の出口を開口させることが好ましい。このようにすれば、吸込室内に確実に低圧力領域を形成できるため、差圧による還流作用を更に確実に得ることができる。

本発明のポンプでは、還流路の出口での圧力を安定させることができるため、安定した還流作用を得ることができ、確実にメカニカルシール部を冷却することができる。また、連結管などの付加部品は必要ないため、コストの増大を防止できるとともに、無駄な設置スペースも不要である。

本発明の第１実施形態のポンプを示す断面図である。 両吸込型遠心ポンプを示す概略図である。 図１の他の位置を切断した断面図である。 図３の要部拡大断面図である。 図１のポンプの圧力分布を示す中間調画像である。 攪拌羽根を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）側面図、（Ｃ）は断面図である。 第２実施形態のポンプの圧力分布を示す中間調画像である。 図１のポンプによる圧力および潤滑水量を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るポンプの一例である横軸の両吸込型遠心ポンプを示す。この両吸込型遠心ポンプは、ケーシング１０の内部に吸込室２１と吐出室２２とを形成し、吐出室２２内に配設した羽根車２４を回転駆動させることにより、吸込口１４ａから液体を吸引し、この液体を羽根車２４の回転軸２７に対して旋回させつつ吐出室２２に案内し、吐出口１５ａから吐出するものである。

そして、本実施形態では、ケーシング１０に、メカニカルシール部３１から吸込室２１の上流側へ向けて延びる還流路３７を設け、この還流路３７を通した差圧による還流作用によって、回転軸２７のメカニカルシール部３１を送出する液体で冷却するようにしている。

具体的には、前記ケーシング１０は、上側ケーシング１１および下側ケーシング１２を備えている。このケーシング１０は、図２に概略的に示すように、略円形状をなす中央の液体旋回部１３の下部両側、即ち、下側ケーシング１２の前後に両側から突出するように吸込管部１４と吐出管部１５とが一体成形されている。なお、吸込管部１４は後述する吸込室２１のみに連通し、吐出管部１５は後述する吐出室２２のみに連通するように設けられている。

図１に示すように、ケーシング１０の内部には、上側ケーシング１１の幅方向中央に一対の上側仕切壁１７，１７が設けられるとともに、下側ケーシング１２の幅方向中央に一対の下側仕切壁１８，１８が設けられている。これら仕切壁１７，１８には、やや上方に偏った位置が中心となるように、組付状態で円形状をなす連通口部１９が設けられている。この連通口部１９の内周部にはベアリングが配設されている。また、下側仕切壁１８，１８は、図３に示すように、吸込管部１４から臨んだ状態で現れる端部が閉塞壁２０により閉塞されている。なお、この図３は、吸込管部１４から連通口部１９にかけて流動する液体の流線に沿って切断した状態を示すものである。

このケーシング１０は、吸込管部１４内と連続する仕切壁１７，１８の外側領域が渦巻形状をなす吸込室２１を構成し、この吸込室２１と連通口部１９を介して連続する仕切壁１７，１８の内側領域が対称な渦巻形状をなす吐出室２２を構成する。そして、この吐出室２２は吐出管部１５に連通するように設けられている。なお、吐出室２２は、下側ケーシング１２の下側仕切壁１８，１８間に仕切板２３を設けることにより、内側の吐出室１５ａと外側の吐出室２２ｂとに更に区画されている。

前記吐出室２２の内部には、複数の羽根を有する遠心羽根車からなる羽根車２４が回転可能に配設されている。この羽根車２４は、回転により吸込管部１４の開口端である吸込口１４ａから液体を吸引し、吸込室２１および吐出室２２を経て吐出管部１５の開口端である吐出口１５ａから液体を吐出するための水流を形成する。この羽根車２４の中心には、ケーシング１０の連通口部１９のベアリングに内嵌し、回転軸２７と一緒に相対的に回転可能に連結する連結部２５が設けられている。また、この羽根車２４の羽根は、連結部２５に入口２６ａが位置し、出口２６ｂが回転軸２７に対して径方向外側に位置するように設けられている。

本実施形態の回転軸２７は、ケーシング１０を貫通するように配設され、その中間位置に羽根車２４が連結される。この回転軸２７は、吸込口１４ａを設けた吸込管部１４の軸方向に対して直交する方向に延びるように配設されている。また、回転軸２７は、ケーシング１０の両側に設けた軸受ブラケット２８Ａ，２８Ｂに回転自在に支持されている。軸受ブラケット２８Ａは、回転軸２７の端部を収容した状態で支持する。また、軸受ブラケット２８Ｂは、回転軸２７を貫通させた状態で支持する。そして、この軸受ブラケット２８Ｂを貫通した回転軸２７の端部には、図示しない原動機に連結されている。

また、ケーシング１０には、回転軸２７を貫通させる両側部分に、該回転軸２７を回転可能に支持するための支持部２９が設けられている。これら支持部２９，２９は、連通口部１９の中心に一致するように設けられている。本実施形態では、上側ケーシング１１と下側ケーシング１２とを、この支持部２９，２９の位置で分割成形している。そのため、各支持部２９，２９は、それぞれのケーシング１１，１２に半円筒部を形成することにより構成されている。この支持部２９は、回転軸２７の軸方向に沿って吸込室２１内へ向けて膨出する膨出部３０を備えている。この支持部２９の内径は、回転軸２７の外径より大きく、膨出部３０の先端開口は、ケーシング１０内の吸込室２１と連通している。

支持部２９の内部には、回転軸２７を密封しつつ回転可能に支持するメカニカルシール部３１が配設されている。このメカニカルシール部３１は、図４に示すように、回転軸２７に密着固定したベース３２と、該ベース３２の外周部に回転可能に配設したドライブリング３３と、これらの間に配設したシールリング３４および回転環３５を備えている。

さらに、ケーシング１０には、図２に示すように、回転軸２７に向けて突出する流動抑制部３６が設けられている。この流動抑制部３６は、吸込室２１において最も下流側となる領域に位置するように上側ケーシング１１から下向きに傾斜して設けられている。この流動抑制部３６は、図示のように、回転軸２７に向けて略径方向に延びるように、上側ケーシング１１に対して一体的に、または、板状をなす別体のものを配設することにより形成されている。

そして、本実施形態では、メカニカルシール部３１を配設した支持部２９に、吸込室２１の上流側に向けて延びる還流路３７が設けられている。この還流路３７は、その入口３７ａがメカニカルシール部３１の近傍に位置し、出口３７ｂが入口３７ａの流動圧力より低い上流側の低圧力領域に位置するように設けられている。また、この還流路３７は、支持部２９の膨出部３０の壁に、回転軸２７に対して直交方向に延びるように貫通孔を設けることにより形成されている。この還流路３７は、ポンプの新規製造時に形成する方法だけに限られず、既存ポンプに対して後から追加加工を施して形成することもできる。

ここで、羽根車２４によりケーシング１０の吸込口１４ａから液体を吸い込むことによる吸込室２１の圧力分布を図５に示す。なお、この図５のディスプレー上に表示した中間調画像を参考カラー画像１として物件提出書で提出する。この図に示すように、吸込室２１内を液体が流動することによる圧力は、吸込口１４ａの側から連通口部１９に向けて徐々に高くなる。かつ、回転軸２７を中心として、ケーシング１０の内壁に向けて外側へ徐々に高くなる。これは、連通口部１９から吸込室２１内の液体が吐出室２２内に流入するためである。そして、本実施形態のケーシング１０には流動抑制部３６を設けているため、回転軸２７の延び方向から見て、流動抑制部３６に向けて反時計回りに旋回して流動され、流動抑制部３６に衝突した殆どの液体が、羽根車２４の入口２６ａから吐出室２２へと案内される。その結果、流動抑制部３６の反時計回り方向である液体流動方向先方には、流動圧力が低い低圧力領域が形成される。但し、流動抑制部３６の液体流動方向手前は、液体の流動が抑制（阻止）されるため、流動圧力が高くなる。そのため、本実施形態では、還流路３７は、入口３７ａを流動抑制部３６の延び方向の延長線上近傍に位置するように設け、出口３７ｂを流動抑制部３６の液体流動方向先方に形成される低圧力領域に位置するように設けている。

更に本実施形態の回転軸２７には、図１および図４に示すように、ケーシング１０のメカニカルシール部３１の近傍に位置するように、支持部２９内に係方向外向きの水流を付与するための攪拌羽根３８が配設されている。この攪拌羽根３８は、図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すように、筒状をなす装着部３９の一端にフランジ状をなすように突出する羽根部４０を設けたものである。この羽根部４０は円環状をなし、その外周部には周方向に所定間隔をもって攪拌溝４１が設けられている。この攪拌溝４１は、羽根部４０の外周縁にかけて延びるように設けられている。また、装着部３９の内周部には、パッキン配設溝４２が設けられている。さらに、装着部３９には、内外に貫通する挿通孔４３が設けられ、この挿通孔４３を通して回転軸２７に対してネジで締め付けることにより、該回転軸２７に対して相対的に移動不可能な状態で連結されている。なお、支持部２９内には、膨出部３０の先端開口から回転軸２７に沿って液体が流入する。そのため、この攪拌羽根３８は、攪拌溝４１が膨出部３０の先端開口の側に位置するように装着する。

このように構成したポンプは、原動機の駆動により回転軸２７を介して羽根車２４を回転させると、吸込管部１４の吸込口１４ａから液体が流入され、円形状をなす液体旋回部１３では、液体が回転軸２７を中心として旋回しながら流動する。そして、液体は、回転軸２７の周囲の羽根車２４の入口２６ａから吸い込まれ、出口２６ｂから吐出室２２内に噴出された後、吐出管部１５の吐出口１５ａから排出される。

この際、本実施形態では、メカニカルシール部３１を配設する支持部２９が、吸込室２１と連通するように設けられている。そして、この支持部２９には、内部（入口３７ａ）の流動圧力より低い低圧力領域に出口３７ｂが位置するように還流路３７が設けられている。そのため、この入口３７ａと出口３７ｂの差圧により、連通口部１９の周囲に位置する液体の一部は、図３中矢印で示すように、支持部２９の開口から支持部２９内に流入し、還流路３７を経て吸込室２１の上流側に還流される。そして、還流路３７は、固定されたケーシング１０に設けられているため、出口３７ｂでの圧力が物理的に変動することはない。よって、図３に示す還流作用を安定して得ることが可能である。その結果、使用により発熱するメカニカルシール部３１を確実に冷却することができる。

また、本実施形態では、メカニカルシール部３１の近傍に位置するように、支持部２９内に攪拌羽根３８を設けているため、支持部２９内の液体に回転軸２７に対して径方向外向きに向かう水流が付与される。そして、還流路３７は、回転軸２７に対して直交（径）方向に延びるように設けられている。そのため、液体は、攪拌羽根３８による水流で、強制的に還流路３７を通して上流側に通水される。よって、液体に異物が含まれている場合に、その異物を確実に吸込室２１の上流側へ排除することができ、メカニカルシール部３１への異物の堆積を防止できる。しかも、還流路３７の出口３７ｂに対して入口３７ａの流動圧力が確実に高くなる。そのため、ケーシング１０に対する還流路３７の製造誤差や、送出する液体量に伴う圧力変動が生じても、確実に還流作用を得ることができ、メカニカルシール部３１の冷却を実現できる。

さらに、本実施形態では、ケーシング１０に流動抑制部３６を設けているため、この流動抑制部３６に対して液体流動方向の前後に流動圧力が異なる領域を形成することができる。よって、確実に還流路３７の出口３７ｂを設定し、差圧による還流作用を確実に得ることができる。しかも、還流路３７は、既存のメカニカルシール部３１の構造を、部分的に追加加工を施すだけで形成でき、連結管などの付加部品は必要ないため、コストの増大を防止できる。また、外部に突出する余分な連結管がないため、無駄な設置スペースも必要ない。

図７は第２実施形態のポンプの圧力分布を示す。なお、この図７のディスプレー上に表示した中間調画像を参考カラー画像２として物件提出書で提出する。この第２実施形態では、流動抑制部３６を下側ケーシング１２から斜め上向きに傾斜するように設けた点で、第１実施形態と相違している。このようにしても、図示のように、流動抑制部３６に対して液体流動方向の前方に流動圧力が低い低圧力領域を形成することができる。よって、第１実施形態と同様に、回転軸２７の周辺の液体を支持部２９内に吸い込み、還流路３７を通して入口３７ａから低流動圧力の出口３７ｂから吸込室２１の上流側に流れる還流作用を得ることができる。そのため、確実にメカニカルシール部３１を冷却することができる。

本発明者らは、本発明の構成による効果を確認するために、第１実施形態に示すポンプを用いて実験を行った。この実験では、還流路３７での流量を計測するために流量計を設置するとともに、攪拌羽根３８の外周部、支持部２９の入口３７ａおよび還流路３７の出口３７ｂ近傍に圧力センサを設置し、原動機を１０００ｍｉｎ^−１で回転させ、８０００L／minの液体を吐出口１５ａから送出するポンプの運転状態で、所定部位の圧力kgf／cm^２と潤滑水量１／hrとを測定した。

図８に示すように、攪拌羽根３８の外周部での圧力Ｐ１は、支持部２９内（入口３７ａ）の圧力Ｐ２より高く、この圧力Ｐ２より還流路３７の出口３７ｂ近傍の圧力Ｐ３が高い状態となる。また、潤滑水量は、スラスト軸受（軸受ブラケット２８Ａ）側での水量が、カップリング（軸受ブラケット２８Ｂ）側での水量より多くなる。そのため、このポンプでは、液体が支持部２９の開口から支持部２９内に流入し、還流路３７の入口３７ａから出口３７ｂへ流れる還流作用を得ることが可能であることを確認できた。

なお、本発明のポンプは、前記実施形態の構成に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、前記実施形態では、等間隔に攪拌溝４１を設けた羽根部４０を有するバランスタイプの攪拌羽根３８を支持部２９内に配設したが、不均等に攪拌溝４１を設けた羽根部４０を有するアンバランスタイプの攪拌羽根３８を配設する構成としてもよい。また、前記実施形態では、ケーシング１０内に流動抑制部３６を設けたが、この流動抑制部３６は設けない構成であってもよい。そして、この攪拌羽根３８の形状（例えば攪拌溝４１）は、還流に必要な流量に応じて変更することが好ましい。

さらに、前記実施形態では、ポンプとして両吸込型遠心ポンプに本発明の還流路３７を設ける構成を採用したが、両吸込型斜流ポンプ、片吸込型遠心ポンプ、片吸込型斜流ポンプ、多段ポンプおよび多段タービンポンプなどのポンプであっても同様に適用可能であり、同様の作用および効果を得ることができる。即ち、メカニカルシール部３１を配設する回転軸２７の支持部２９が、ケーシング１０内の吸込室２１に連通するポンプであれば、いずれでも適用可能である。

１０…ケーシング
１４ａ…吸込口
１５ａ…吐出口
１９…連通口部
２１…吸込室
２２…吐出室
２４…羽根車
２５…連結部
２６ａ…入口
２６ｂ…出口
２７…回転軸
２９…支持部
３０…膨出部
３１…メカニカルシール部
３６…流動抑制部
３７…還流路
３７ａ…入口
３７ｂ…出口
３８…攪拌羽根

Claims (3)

1. 吸込口と連通する吸込室と吐出口に連通する吐出室が内部に形成されたケーシングと、
   前記ケーシングを貫通する回転軸に連結されるとともに前記吐出室に配設され、入口が前記回転軸への連結部に位置し、出口が前記回転軸に対して径方向外側に位置する羽根車と、
   前記ケーシングの回転軸が貫通する部分に配置されたメカニカルシール部と、
   を備え、前記吸込口が回転軸の延び方向に対して直交する方向に開口し、前記吸込室が吸込口から吸引した液体を前記回転軸に対して旋回させつつ前記羽根車の入口に案内した後、該羽根車の出口から前記吐出室を経て吐出口から吐出するポンプにおいて、
   前記ケーシングは、前記メカニカルシール部を配設する支持部を前記回転軸の軸方向に沿って前記吸込室内へ膨出させた形状をなし、
   前記ケーシングの前記膨出部に、前記回転軸に対して直交方向に延びる貫通孔を設けることにより、前記メカニカルシール部の近傍に入口が位置し、この入口の流動圧力より低い吸込室の上流側の低圧力領域に出口が位置し、液体を還流させる還流路を設けたことを特徴とするポンプ。
2. 前記羽根車の回転軸に、径方向外向きの水流を付与する攪拌羽根を配設したことを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
3. 前記ケーシングの内壁に、前記回転軸に向けて突出する流動抑制部を設け、この流動抑制部により液体流動方向先方に形成される低圧力領域に、前記還流路の出口を開口させたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のポンプ。