JP5468918B2 - Gas-liquid mixed fluid pumping device - Google Patents
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Description
本発明は、空気と水などの気液混合流体を供給先へ圧送する気液混合流体圧送装置に関する。 The present invention relates to a gas-liquid mixed fluid pumping apparatus that pumps a gas-liquid mixed fluid such as air and water to a supply destination.
水中に空気を微細気泡として混合した微細気泡含有水は、洗浄効果、入浴効果などを高めるものとして注目され、空気の微細気泡を水中に発生させる微細気泡発生装置が、様々に提案され、提供されている。このような微細気泡発生装置には、遠心ポンプなどの各種の圧送装置が設けられている。 Water containing fine bubbles mixed with air as fine bubbles in water is attracting attention as enhancing the washing effect, bathing effect, etc., and various fine bubble generating devices that generate fine bubbles of air in water have been proposed and provided. ing. Such a microbubble generator is provided with various pumping devices such as a centrifugal pump.
圧送装置については、たとえば、下記特許文献1に記載されたものが知られている。
As for the pressure feeding device, for example, the one described in
特許文献1に記載された渦巻きポンプでは、羽根車の吸込口から径方向の外方へと湾曲状に延びる羽根が、羽根車の周方向に間隔をあけて複数設けられ、吸込口から吸い込んだ流体を、羽根間に形成される流路を通じて外方へと吐出する。また、渦巻きポンプでは、流路内に流路の途中から出口端に延びる中間羽根が設けられ、中間羽根によって流路を枝分かれさせている。
In the spiral pump described in
このような渦巻きポンプは、中間羽根によって流路の断面積を実質的に小さくし、運転効率の低下を抑制するとともに、吐出圧力を一定に保つことができる。 Such a centrifugal pump can substantially reduce the cross-sectional area of the flow path by means of the intermediate vanes, suppress a decrease in operating efficiency, and keep the discharge pressure constant.
その一方で、特許文献1に記載された渦巻きポンプは、水などの流体を圧送するものであるが、上記微細気泡発生装置に圧送装置として適用する場合には解決しなければならない課題がある。
On the other hand, the spiral pump described in
空気などの気体を流体とともに吸い込み、気液混合流体として吐出し、この気液混合流体を、気体を液体中に溶解させる溶解タンクに供給する微細気泡発生装置では、圧送装置には、単相流体ではない、気液混合流体を圧送することが要求される。 In a fine bubble generator that sucks a gas such as air together with a fluid, discharges it as a gas-liquid mixed fluid, and supplies this gas-liquid mixed fluid to a dissolution tank that dissolves the gas in the liquid, the pressure feeding device includes a single-phase fluid. However, it is required to pump the gas-liquid mixed fluid.
気液混合流体中では、気体は気泡として液体中に存在する。このため、圧送装置の内部において気泡の排出性能が低下すると、気泡は、圧送装置の内部にとどまり、合一して空運転を引き起こす原因となる。 In the gas-liquid mixed fluid, the gas exists in the liquid as bubbles. For this reason, if the discharge performance of bubbles is reduced inside the pressure feeding device, the bubbles stay inside the pressure feeding device and unite to cause idling.
上記渦巻きポンプでは、羽根車とケーシングの間の間隔が、流体の吐出方向に次第に拡大されているため、気液混合流体の流速勾配が次第に小さくなると考えられる。流速勾配の減少にともない流体せん断力は小さくなるので、気泡の合一が発生しやすくなり、空運転の発生が懸念される。 In the spiral pump, since the interval between the impeller and the casing is gradually enlarged in the fluid discharge direction, it is considered that the flow velocity gradient of the gas-liquid mixed fluid gradually decreases. As the flow velocity gradient decreases, the fluid shear force decreases, so that bubble coalescence is likely to occur and there is a concern about the occurrence of idling.
本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、気泡の排出性能が向上した気液混合流体圧送装置を提供することを課題としている。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and it is an object of the present invention to provide a gas-liquid mixed fluid pumping apparatus with improved bubble discharge performance.
本発明は、上記の課題を解決するために、以下の特徴を有している。 The present invention has the following features in order to solve the above problems.
第1の発明は、円形状のインペラが、その中心部を回転の中心として回転自在に円筒状の形状を有するケーシングの内部に設けられ、インペラでは、中央部分に吸込口が形成されるとともに、吸込口の外周部から径方向外側に湾曲して延びる複数の羽根が設けられ、羽根間に水路が形成された気液混合流体圧送装置であって、インペラの外径をφd、ケーシングの内径をφDとしたときのインペラとケーシングの間の間隔ΔLが、次式(1)の関係を満足し、
ΔL=(φD−φd)×(1/2)≦10mm (1)
羽根では、インペラの回転方向の後端が鋭角状に尖って形成され、かつインペラでは、吸込口において内側に突出するリブが設けられていることを特徴としている。
In the first invention, a circular impeller is provided inside a casing having a cylindrical shape so as to be rotatable around the center of the impeller. In the impeller, a suction port is formed in the central portion. A gas-liquid mixed fluid pumping device in which a plurality of blades extending in a radially outward direction from the outer peripheral portion of the suction port is provided, and a water channel is formed between the blades, wherein the outer diameter of the impeller is φd and the inner diameter of the casing is The distance ΔL between the impeller and the casing when φD satisfies the relationship of the following formula (1):
ΔL = (φD−φd) × (1/2) ≦ 10 mm (1)
The blade is characterized in that the rear end in the rotational direction of the impeller is formed to have an acute angle , and the impeller is provided with a rib protruding inward at the suction port .
第2の発明は、上記第1の発明の特徴において、インペラでは、羽根間に形成された水路の途中から径方向外側に延びる小羽根が設けられていることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, the impeller is characterized in that the impeller is provided with small blades extending radially outward from the middle of the water channel formed between the blades .
上記第1の発明によれば、インペラとケーシングの間の間隔が10mm以下とされているので、間隔は十分小さく、気液混合流体の流速勾配の低下を抑えることができる。気液混合流体に作用するせん断力は十分大きく、気液混合流体中に含まれる気泡の合一の発生を防ぐことができ、ケーシングの内部に貯留させずに排出することができる。空運転の発生を抑制することができる。また、羽根では、インペラの回転方向に後端が鋭角状に尖って形成されているので、羽根の後端付近に気泡が貯留するのを抑制することができる。気泡は、微細なまま気液混合流体中に均一に分散し、気液混合流体は、単相流体と同様な挙動を示す。このため、吐出圧力の低下を抑制することができ、空運転の発生をより一層抑制することができる。 According to the first aspect, since the distance between the impeller and the casing is 10 mm or less, the distance is sufficiently small, and a decrease in the flow velocity gradient of the gas-liquid mixed fluid can be suppressed. The shear force acting on the gas-liquid mixed fluid is sufficiently large, so that the coalescence of bubbles contained in the gas-liquid mixed fluid can be prevented, and the gas can be discharged without being stored in the casing. The occurrence of idling can be suppressed. Further, since the rear end of the blade is formed with an acute angle in the rotation direction of the impeller, it is possible to suppress the accumulation of bubbles near the rear end of the blade. The bubbles are uniformly dispersed in the gas-liquid mixed fluid while being fine, and the gas-liquid mixed fluid behaves like a single-phase fluid. For this reason, the fall of discharge pressure can be suppressed and generation | occurrence | production of idling can be suppressed further.
また、上記第1の発明によれば、リブに気泡が当たることによって、気泡を細かく砕くことができ、気泡の合一の発生をさらに防ぐことができる。 Further, according to the first invention, by bubbles hits the re blanking can comminuting bubbles can further prevent the occurrence of coalescence of bubbles.
上記第2の発明によれば、上記第1の発明の効果に加え、小羽根によって、羽根間に形成された水路の出口付近と羽根の外側部分における圧力勾配を小さくすることができ、気泡の貯留をより一層抑制することができる。 According to the second aspect of the invention, in addition to the effect of the first aspect of the invention, the small blade can reduce the pressure gradient in the vicinity of the outlet of the water channel formed between the blades and the outer portion of the blade. Storage can be further suppressed.
上記のとおり、図1は、本発明の気液混合流体圧送装置の一実施形態を背面側から示した要部斜視図である。図2は、図1に示した気液混合流体圧送装置の背面図であり、図3は、図1に示した気液混合流体圧送装置の全体を示した斜視図である。また、図4は、図1に示した気液混合流体圧送装置におけるインペラを示した正面図と要部拡大図である。 As described above, FIG. 1 is a main part perspective view showing an embodiment of the gas-liquid mixed fluid pumping apparatus of the present invention from the back side. 2 is a rear view of the gas-liquid mixed fluid pumping apparatus shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a perspective view showing the entire gas-liquid mixed fluid pumping apparatus shown in FIG. FIG. 4 is a front view and an enlarged view of a main part showing an impeller in the gas-liquid mixed fluid pumping device shown in FIG.
気液混合流体圧送装置1は、有底で略円筒状の形状を有するケーシング2を備え、ケーシング2の内部に円形状のインペラ3が設けられている。
The gas-liquid mixed
ケーシング2は、その背面側に、水道などの液体の供給源から延びる液体供給配管に接続される給水口4を有している。給水口4は、ケーシング2の背面から外側に突出して配置されている。また、ケーシング2は、給水口4の付近の上流側に空気などの気体の取込口5を有している。取込口5は、たとえば、取り込む気体が空気の場合には、外気に開放したり、また、空気に限らず、種々の気体を取り込む場合には、気体の供給源から延びる気体供給配管を取込口5に接続したりすることができる。さらに、ケーシング2は、その上端部に、溶解タンクに連通可能とした吐出口6を有している。吐出口6は、ケーシング2の上方に突出して配置されている。
The
インペラ3には、図示していないが、磁石が埋め込まれており、インペラ3は、ケーシング2側に設けられるコイルに通電することによって、中心部に仮想的に存在する回転軸7を回転の中心として回転する。このように、インペラ3は、ケーシング2の内部に、図2および図4図中に示した矢印方向に回転自在に設けられている。
Although not shown, the
インペラ3では、仮想した回転軸7を含む中央部分に円形状の吸込口8が形成されている。吸込口8は、ケーシング2の内部を介して給水口4に連通している。また、インペラ3では、その正面に、吸込口8の外周部から径方向外側に湾曲して延びる複数の羽根9が、突出して設けられている。羽根9は、インペラ3の外周端縁まで延びている。隣り合う2つの羽根9の間には水路10が形成されている。水路10の幅は、吸込口8側に位置する入口10aからインペラ3の外周端縁に位置する出口10bに向かって次第に拡大されている。さらに、インペラ3では、水路10の出口10b側において、水路10の途中からインペラ3の径方向外側に延びる小羽根11が設けられている。これらの羽根9および小羽根11では、インペラ3の回転方向の後端9a、11aは鋭角状に尖って形成されている。
In the
また、インペラ3では、複数のリブ12が、吸込口8において中心方向内側に向かって突出して設けられている。
Further, in the
このような気液混合流体圧送装置1では、ケーシング2側に設けられるコイルに通電することによって、インペラ3は、その中心部に仮想的に存在する回転軸7を回転の中心として回転する。インペラ3がケーシング2の内部で回転すると、給水口4から水などの液体が吸い込まれ、ケーシング2の内部に導入される。これと同時に、取込口5から空気などの気体が吸引され、気体もケーシング2の内部に取り込まれる。ケーシング2の内部において気体は液体に混入し、気泡となって気液混合流体が生成する。生成した気液混合流体は、羽根9間の水路10内で遠心力にともない加圧されるとともに、加速され、吐出口6を通じてケーシング2の外部に送り出される。
In such a gas-liquid mixed
気液混合流体圧送装置1では、インペラ3とケーシング2の間の間隔ΔLが10mm以下とされている。すなわち、インペラ3の外径をφd、ケーシング2の内径をφDとしたとき、ΔLは、次式(1)の関係を満足している。
In the gas-liquid mixed
ΔL= (φD−φd)×(1/2) ≦ 10 (1)
間隔ΔLが10mmを超えて大きくなると、気液混合流体の流速勾配が小さくなり、気液混合流体に作用するせん断力が小さくなる。その結果、気液混合流体中に含まれる気泡が集まって合一しやすくなり、空運転の原因となる。
ΔL = (φD−φd) × (1/2) ≦ 10 (1)
When the interval ΔL increases beyond 10 mm, the flow velocity gradient of the gas-liquid mixed fluid decreases, and the shearing force acting on the gas-liquid mixed fluid decreases. As a result, bubbles contained in the gas-liquid mixed fluid are easily collected and united, which causes an idling operation.
気液混合流体圧送装置1は、上記のとおり、間隔ΔL≦10を満たすものであるので、間隔ΔLは十分小さく、気液混合流体の流速勾配の低下を抑えることができる。気液混合流体圧送装置1では、気液混合流体に作用するせん断力が十分大きく、気泡の合一を防ぐことができ、ケーシング2の内部に貯留させずに吐出口6から外部に排出することができる。したがって、気液混合流体圧送装置1では、空運転の発生が抑制され、気液混合流体の圧送効率を十分高く維持することが可能となっている。そのため、気液混合流体をスムーズに溶解タンクに圧送することができ、微細気泡発生装置の小型化、省エネルギー化を図ることができる。
Since the gas-liquid mixed
また、気液混合流体圧送装置1では、リブ12が、インペラ3の吸込口8において内側に突出して設けられているので、吸込口8から吸い込まれる気液混合流体中の気泡がリブ12に当たる。リブ12に当たるとき、気泡は細かく砕け、微細化される。リブ12は、気泡の微細化を促進させ、気泡の排出性能を向上させる。
Further, in the gas-liquid mixed
そして、気液混合流体圧送装置1では、羽根9間に形成された水路10において、その途中から径方向外側に延びる小羽根11が設けられているので、水路10の出口10b付近と羽根9の外側部分における圧力勾配も小さくすることができる。したがって、気泡の貯留をより一層抑制することができる。しかも、小羽根11では、インペラ3の回転方向の後端11aが、羽根9の後端9aと同様に、鋭角状に尖って形成されているため、流れ13、14の合流部15に発生しやすい気泡溜まりをより一層抑制することができる。
In the gas-liquid mixed
図5(a)(b)は、それぞれ、羽根におけるインペラの回転方向の後端の形状に起因する気泡溜まりの発生について示した要部拡大図である。 FIGS. 5 (a) and 5 (b) are enlarged views of main parts showing the occurrence of bubble accumulation due to the shape of the rear end of the impeller in the rotation direction of the impeller.
気液混合流体圧送装置1では、図5(a)にも示したように、羽根9では、インペラ3の回転方向の後端9aは鋭角状に尖って形成されている。
In the gas-liquid mixed
羽根9の後端9aが鋭角状ではなく、R状に比較的大きく湾曲する後端9bが羽根9に形成される場合(図5(b))では、気液混合流体において羽根9の外側を流れる流れ13と、羽根9の内側を水路10に沿って流れる流れ14とが、後端9a付近において合流する合流部15に、圧力の低下が起こる。この圧力の低下にともなって気液混合流体中の気泡が引き寄せられ、気泡は合一し、気泡溜まりとなってケーシング2の内部に貯留する。このようにケーシング2の内部に貯留する気泡は、空運転の原因となる。
In the case where the
これに対し、気液混合流体圧送装置1では、羽根9の後端9aは鋭角状に尖って形成されているので、流れ13、14の合流部15の大きさが、後端9bの場合に比べて小さく、気泡溜まりの形成が抑制され、気泡を微細なまま水中に分散させておくことができる。気液混合流体は、気泡が微細であることから単相流体のような挙動を示し、気液混合比の高い気液混合流体の場合にも吐出圧力の低下を抑制することができる。したがって、空運転の発生はより一層抑制される。
On the other hand, in the gas-liquid mixed
なお、鋭角状に尖る後端9aは、2直線が鋭角に交わる場合だけに限定されず、以下に示すように、尖っているとみなすことのできる、非常に小さいRが形成されている場合も含む。
In addition, the
実際に、羽根9の後端9a、9bの形状によるエアロックする気液比を調べた。ここで、エアロックとは、吸い込み流量が高くならず、吐出流量が低下する状態(エアがみ限界)を意味する。
Actually, the air-liquid ratio of the air lock according to the shape of the
図6(a)は、実験装置の構成を示した構成図である。 FIG. 6A is a configuration diagram showing the configuration of the experimental apparatus.
実験装置31では、羽根9の形状の異なるインペラ3を備えた気液混合流体圧送装置をポンプ32として設け、その吸込側に吸気エジェクタ33を接続した。吸気エジェクタ33は、給水流量18リットル/minのときの吸引圧が−10kPaになるものを使用した。吸気エジェクタ33には、整流用のバッファタンク34を接続し、バッファタンク34の上流側に空気流量計35を設けた。吸気量は、空気流量計35の上流側に接続したオリフィス36によって調整し、吸気流量を0.9リットル/minに設定した。
In the
また、実験装置31では、吸気エジェクタ33の上流側に流量計37を接続した。また、ポンプ32の吐出側に圧力計38を接続し、圧力計38の上流側に圧力調整バルブ39を接続した。
In the
実験では、ポンプ32の給水流量と吐水圧力の関係を測定した。インペラ3における羽根9の後端9aはR=0.08の鋭角状とし、別のインペラ3における羽根9の後端9bはR=0.6とした。それぞれのインペラ3について、水に空気の気泡を混入しない場合(エアなし)に対する混入する場合(エアあり)の圧力変化率を次式(2)によって算出した。測定結果を表1および図7に示す。表1には、式(2)による算出結果を併せて示す。
In the experiment, the relationship between the water supply flow rate of the
圧力変化率={(エアあり圧力)/(エアなし圧力)−1}×100 (2) Pressure change rate = {(pressure with air) / (pressure without air) -1} × 100 (2)
表1および図7から明らかなように、後端9aが鋭角状のR=0.08であるインペラ3は、後端9bがR=0.6であるインペラ3に比べ、エアがみによる圧力の低下が小さいことが確認される。エアがみによる性能低下は、R=0.08により25〜30%改善されることが分かる。
As apparent from Table 1 and FIG. 7, the
次に、図6(b)に示した実験装置を用い、給水流量と吸気流量を測定した。図6(b)に示した実験装置40は、図6(a)に示した実験装置31とほぼ同様な構成としているが、オリフィス36を吸気調整バルブ41に替えている。
Next, the feed water flow rate and the intake air flow rate were measured using the experimental apparatus shown in FIG. The
実験では、エアなし状態から吸気調整バルブ41を徐々に開放し、吸気流量が上昇せずにポンプ32の給水流量が低下し始めた状態をポンプ32のエアロック(エアがみ限界)とし、そのときの給水流量と吸気流量を測定した。そして、測定結果からエアがみ限界の気液比を算出した。測定結果および算出結果を表2および図8に示す。
In the experiment, the intake adjustment valve 41 is gradually opened from the air-free state, and the state in which the feed water flow rate of the
表2および図8から明らかなように、後端9aが鋭角状のR=0.08であるインペラ3は、後端9bがR=0.6であるインペラ3に対し、エアがみ限界の気液比が約1.2倍向上している。このことから、後端9aが鋭角状のR=0.08であるインペラ3は、後端9bがR=0.6であるインペラ3に比べ、空運転の発生が抑制されることが確認される。
As is apparent from Table 2 and FIG. 8, the
もちろん、本発明は、以上の実施形態によって限定されるものではない。インペラやケーシングの形状および構造、リブの形状および大きさなどの細部については様々な態様が可能である。 Of course, the present invention is not limited to the above embodiment. Various aspects are possible for details such as the shape and structure of the impeller and casing, and the shape and size of the ribs.
1 気液混合流体圧送装置
2 ケーシング
3 インペラ
7 回転軸
8 吸込口
9 羽根
9a 後端
10 水路
11 小羽根
12 リブ
ΔL 間隔
DESCRIPTION OF
Claims (2)
インペラの外径をφd、ケーシングの内径をφDとしたときのインペラとケーシングの間の間隔ΔLが、次式(1)の関係を満足し、
ΔL=(φD−φd)×(1/2)≦10mm (1)
羽根では、インペラの回転方向の後端が鋭角状に尖って形成され、かつ
インペラでは、吸込口において内側に突出するリブが設けられていることを特徴とする気液混合流体圧送装置。 A circular impeller is provided inside a casing having a cylindrical shape so as to be rotatable around the center of the impeller. In the impeller, a suction port is formed in the central portion, and from the outer periphery of the suction port. A gas-liquid mixed fluid pumping device provided with a plurality of blades extending curvedly outward in the radial direction and having a water channel formed between the blades,
The distance ΔL between the impeller and the casing when the outer diameter of the impeller is φd and the inner diameter of the casing is φD satisfies the relationship of the following formula (1):
ΔL = (φD−φd) × (1/2) ≦ 10 mm (1)
In the blade, the rear end in the rotational direction of the impeller is formed with a sharp point , and
In the impeller, a gas-liquid mixed fluid pressure feeding device is provided with a rib protruding inward at the suction port .
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