特許第6805003号(P6805003)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6805003
(24)【登録日】2020年12月7日
(45)【発行日】2020年12月23日
(54)【発明の名称】羽根車及びポンプ
(51)【国際特許分類】
   F04D 29/22 20060101AFI20201214BHJP
   F04D 11/00 20060101ALI20201214BHJP
【FI】
   F04D29/22 E
   F04D11/00 101
   F04D29/22 C
【請求項の数】6
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2017-11936(P2017-11936)
(22)【出願日】2017年1月26日
(65)【公開番号】特開2018-119484(P2018-119484A)
(43)【公開日】2018年8月2日
【審査請求日】2019年11月18日
(73)【特許権者】
【識別番号】000000239
【氏名又は名称】株式会社荏原製作所
(74)【代理人】
【識別番号】230104019
【弁護士】
【氏名又は名称】大野 聖二
(74)【代理人】
【識別番号】230112025
【弁護士】
【氏名又は名称】小林 英了
(74)【代理人】
【識別番号】230117802
【弁護士】
【氏名又は名称】大野 浩之
(74)【代理人】
【識別番号】100106840
【弁理士】
【氏名又は名称】森田 耕司
(74)【代理人】
【識別番号】100131451
【弁理士】
【氏名又は名称】津田 理
(74)【代理人】
【識別番号】100167933
【弁理士】
【氏名又は名称】松野 知紘
(74)【代理人】
【識別番号】100174137
【弁理士】
【氏名又は名称】酒谷 誠一
(74)【代理人】
【識別番号】100184181
【弁理士】
【氏名又は名称】野本 裕史
(72)【発明者】
【氏名】三好 竜介
(72)【発明者】
【氏名】島津 雅彦
【審査官】 田中 尋
(56)【参考文献】
【文献】 特開平11−101194(JP,A)
【文献】 特開2009−235932(JP,A)
【文献】 特開2000−009081(JP,A)
【文献】 特開2009−115047(JP,A)
【文献】 米国特許第06220819(US,B1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F04D 1/00−13/16
17/00−19/02
21/00−25/16
29/00−35/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
中空の構造であり、当該中空に回転軸が嵌まって回転力が伝達されるボスと、
前記ボスに取り付けられており、且つ複数の穴が設けられたハブと、
前記ハブの外表面に取り付けられた複数の羽根と、
前記ボスの外表面に取り付けられ、前記穴に比べて前記ハブと前記ボスの接合部から離れた位置において前記ハブの内表面に取り付けられており、且つ複数の開口が設けられた補強部材と、
を備え、
前記ハブと前記ボスとの角度が規定の角度より小さく、
前記複数の開口それぞれの開口の断面積は、前記穴の断面積より小さく、
前記開口の数は、前記穴の数よりも多く、
前記複数の開口の断面積の合計が、前記複数の穴の断面積の合計以上である
羽根車。
【請求項2】
前記ボスの長軸に対して略垂直方向における前記補強部材の内縁から前記補強部材の外縁までの長さが、前記穴の長径以下である
請求項1に記載の羽根車。
【請求項3】
前記補強部材は、リング状のプレートであり、
前記ボスの長軸に対して略垂直方向における前記補強部材の内縁から前記補強部材の外縁までの長さは、前記補強部材の内外径差である
請求項2に記載の羽根車。
【請求項4】
前記穴の形状は略円であり、
前記ボスの長軸に対して略垂直方向における前記補強部材の内縁から前記補強部材の外縁までの長さが、前記穴の直径以下である
請求項2または3に記載の羽根車。
【請求項5】
前記穴の形状は略円であり、
前記開口の形状は略円であり、
前記開口の直径は、前記穴の直径よりも小さい
請求項1から4のいずれか一項に記載の羽根車。
【請求項6】
請求項1から5のいずれか一項に記載の羽根車を備えるポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、羽根車及びポンプに関する。
【背景技術】
【0002】
ポンプに用いられる羽根車について薄肉で軽量な構造を実現するために、羽根車を製缶化することが行われている。しかし、薄肉な板構造では鋳物構造に比べハブとボスの接合部の強度が著しく低下する。厚肉な構造では軽量化は実現できないため、薄肉な板構造でハブとボスの接合の強度を向上させる構造が求められる。
【0003】
これに対し、特許文献1では、ハブとボスの接合部に補強部材としての補強用プレートを、ハブの内表面とボスの外表面に接合して配置することにより、ハブとボスの接合の強度を向上させることが開示されている。更に特許文献1では、ハブ内外の圧力差を減少させるための穴(バランスホールともいう)がハブに設けられており、ハブとボスの接合部と補強プレートの間にバランスホールが開けられ、補強プレートに開口が開けられていることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2009−235932号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ハブに設ける穴(バランスホール)は、ハブの吸い込み側と吐き出し側との差圧を逃がすために、できるだけハブの吸い込み側に設けられることが望ましい。ここで、ハブとボスとの角度が規定の角度より小さい場合には、ボスの長軸に対して略垂直方向における補強部材の内縁から補強部材の外縁までの長さ(例えば補強部材がリング状のプレートの場合、内外径差)が小さくなり、バランスホールと同じ長径(例えば真円の場合、直径)の開口を補強部材に開けると、補強部材の強度が落ちてしまい、補強部材の表面と裏面に圧力差に耐えることができないという問題がある。また、ハブとボスとの角度が更に小さくなって、ボスの長軸に対して略垂直方向における補強部材の内縁から補強部材の外縁までの長さが、バランスホールの長径(例えば真円の場合、直径)以下になるほどハブとボスとの角度が小さい場合には、バランスホールと同じ長径(例えば真円の場合、直径)の開口を補強部材に開けることが物理的にできなくなるという問題もある。
【0006】
このため、ハブに設ける穴(バランスホール)を、補強部材よりも吐き出し側に配置せざるを得なくなってしまう。ここでハブの吸い込み側から吐き出し側に沿って圧力が高くなるので、バランスホールが補強部材よりも吐き出し側(すなわち圧力が高い側)に配置されると、ハブ内外の圧力差を十分に減少させることができない。これにより、回転軸には、吐き出し側から吸い込み側に大きなスラスト力が働いてしまうという問題がある。
【0007】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ハブとボスとの角度が小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することを可能とする羽根車及びポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の第1の態様に係る羽根車は、中空の構造であり、当該中空に回転軸が嵌まって回転力が伝達されるボスと、前記ボスに取り付けられており、且つ複数の穴が設けられたハブと、前記ハブの外表面に取り付けられた複数の羽根と、前記ボスの外表面に取り付けられ、前記穴に比べて前記ハブと前記ボスの接合部から離れた位置において前記ハブの内表面に取り付けられており、且つ複数の開口が設けられた補強部材と、を備え、前記ハブと前記ボスとの角度が規定の角度より小さく、前記複数の開口それぞれの開口の断面積は、前記穴の断面積より小さく、前記開口の数は、前記穴の数よりも多く、前記複数の開口の断面積の合計が、前記複数の穴の断面積の合計以上である。
【0009】
この構成によれば、複数の開口の断面積の合計が、複数の穴の断面積の合計以上であるため、補強部材の表面と裏面に圧力差が生じない。このため、ハブとボスとの角度が規定の角度より小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することができる。
【0010】
本発明の第2の態様に係る羽根車は、第1の態様に係る羽根車であって、前記ボスの長軸に対して略垂直方向における前記補強部材の内縁から前記補強部材の外縁までの長さが、前記穴の長径以下である。
【0011】
この構成によれば、ボスの長軸に対して略垂直方向における補強部材の内縁から補強部材の外縁までの長さが当該穴の長径以下であるほどハブとボスとの角度が小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することができる。
【0012】
本発明の第3の態様に係る羽根車は、第1または2の態様に係る羽根車であって、前記補強部材は、リング状のプレートであり、前記ボスの長軸に対して略垂直方向における前記補強部材の内縁から前記補強部材の外縁までの長さは、前記補強部材の内外径差である。
【0013】
この構成によれば、補強部材がリング状のプレートにおいて、補強部材の内外径差が当該穴の長径以下であるほどハブとボスとの角度が小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することができる。
【0014】
本発明の第4の態様に係る羽根車は、第2または3の態様に係る羽根車であって、前記穴の形状は略円であり、前記ボスの長軸に対して略垂直方向における前記補強部材の内縁から前記補強部材の外縁までの長さが、前記穴の直径以下である。
【0015】
この構成によれば、穴の形状を略円にしたときにおいて、ボスの長軸に対して略垂直方向における補強部材の内縁から補強部材の外縁までの長さが当該穴の直径以下であるほどハブとボスとの角度が小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することができる。
【0016】
本発明の第5の態様に係る羽根車は、第1から4のいずれかの態様に係る羽根車であって、前記穴の形状は略円であり、前記開口の形状は略円であり、前記開口の直径は、前記穴の直径よりも小さい。
【0017】
この構成によれば、穴の形状を略円且つ開口の形状を略円にしたときにおいて、ハブとボスとの角度が規定の角度より小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することができる。
【0018】
本発明の第6の態様に係るポンプは、第1から5のいずれかの態様に係る羽根車を備える。
【0019】
この構成によれば、複数の開口の断面積の合計が、複数の穴の断面積の合計以上であるため、補強部材の表面と裏面に圧力差が生じない。このため、ハブとボスとの角度が規定の角度より小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することができる。
【発明の効果】
【0020】
本発明の一態様によれば、複数の開口の断面積の合計が、複数の穴の断面積の合計以上であるため、補強部材の表面と裏面に圧力差が生じない。このため、ハブとボスとの角度が規定の角度より小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
図1】本実施形態に係るポンプの斜視図である。
図2】本実施形態に係る羽根車の斜視図である。
図3】本実施形態に係る羽根車の正面図である。
図4図3のA−A’断面図である。
図5図4の矢印A1から見た場合における本実施形態に係る補強部材の正面図である。
図6図4の矢印A1から見た場合における変形例に係る補強部材の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、各実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係るポンプは一例としてポンプ機場などで用いられる大型の立軸ポンプである。なお、ポンプは、横軸ポンプであってもよいし、小型のものであってもよいし、羽根車は1段ではなく複数段であってもよい。
【0023】
図1は、本実施形態に係るポンプの模式図である。図1に示すように、本実施形態に係るポンプ100は、ポンプベース114を有し、ポンプベース114は水槽上部のポンプ据付床101に設置される。羽根車1を収容するガイドケーシング106が吊下管102を介してポンプ据付床101から吊り下げられる。羽根車1は回転軸109の一端部に固定されており、回転軸109は外軸受110および水中軸受108により回転自在に支持される。回転軸109は、ガイドケーシング106、吊下管102、及び吐出曲管104内を通って鉛直方向に延びている。回転軸109の他端部は、駆動機の一例である電動機111の回転軸112に連結されている。
【0024】
電動機111により回転軸109を介して羽根車1を回転させると、水槽内の水(取扱液)が、ガイドケーシング106の下端から吸い込まれ、ガイドケーシング106、吊下管102、吐出曲管104を通って図示しない吐出配管に移送される。なお、ポンプ運転時においては、羽根車1や水中軸受108を収容するガイドケーシング106は、液面よりも下に位置している。
【0025】
図2は、本実施形態に係る羽根車の斜視図である。図3は、本実施形態に係る羽根車の正面図である。図2に示すように、羽根車1は、中空16の構造であり、当該中空16に回転軸109が嵌まって回転力が伝達されるボス3が設けられている。また羽根車1にはハブ2が設けられており、このハブ2は、ボス3に取り付けられており且つ複数の穴21、…、25(図3参照)が設けられている。図3に示すように、穴の形状は一例として略円であり、穴(バランスホールともいう)21、…、25の直径はD1である。
【0026】
更に図2及び3に示すように、羽根車1には、略円錐形状のハブ2の外表面に溶接で取り付けられた複数の羽根11、…、15が設けられている。なお、羽根が5枚あるのは一例であって、羽根の数は何枚であってもよい。
【0027】
図4は、図3のA−A’断面図である。図4に示すようにハブ2には穴21が設けられている。図5は、図4の矢印A1から見た場合における本実施形態に係る補強部材の正面図である。図4のハブ2とボス3の接合部4において、ハブ2は、ボス3の外表面に溶接によって取り付けられている。また、図4に示すように、羽根車1には、補強部材5が設けられている。図4のボス3と補強部材5の接合部6において、補強部材5は、ボス3の外表面に溶接によって取り付けられている。また図4のハブ2と補強部材5の接合部7において、補強部材5は、穴21に比べてハブ2とボス3の接合部4から離れた位置においてハブ2の内表面に溶接によって取り付けられている。図5に示すように、本実施形態に係る補強部材5は、一例としてリング状のプレートであり、図4に示すように、補強部材5は一例として、吸い込み側(z軸負側)より吐き出し側(z軸正側)の方が、内外径差が小さくなっている。図5に示すように複数の開口31、…、48が周回上に設けられており、その一つの開口34が図4に示されている。
【0028】
ハブ2とボス3との角度は規定の角度より小さい。ここで規定の角度とは、補強部材5を、ハブ2とボス3の接合部4とは反対側のボス3の端部に配置した場合において、ボス3の長軸に対して略垂直方向における補強部材5の内縁から補強部材5の外縁までの長さ(すなわち補強部材5の内外径差)が、穴21、…、25の直径D1に所定のマージンを足した長さになる角度である。ここで所定のマージンは、補強部材5の強度が、補強部材5の表面と裏面にかかる圧力差に耐えられるように設定される。
【0029】
本実施形態では、ハブ2とボス3との角度の一例として、図4に示すように、ボス3の長軸に対して略垂直方向における補強部材5の内縁から補強部材5の外縁までの長さ(すなわち補強部材5の内外径差)L1(図4参照)が穴21、…、25の直径D1以下になるほどハブ2とボス3との角度が小さい。
【0030】
図5に示すように開口の形状は一例として略円であり、複数の開口31、…、48の直径はD2である。ここで破線の円BL1は、ハブ2に設けられた穴21、…、25の大きさを表している。このように、開口31、…、48の直径D2は、ハブ2に設けられた穴21、…、25の直径D1よりも小さい。また、補強部材5の内外径差L1が穴21、…、25の直径D1以下になるほどハブ2とボス3との角度が小さい。そして、複数の開口31、…、48の断面積の合計(=18×π×(D2/2)2)が、複数の穴21、…、25の断面積の合計(=5×π×(D1/2)2)以上である。
【0031】
この構成により、吸い込み側(羽根車1の正面側)から吸い込まれ、羽根11とボス2に沿って増圧された水の一部が、吐き出し側(羽根車1の裏面側)から、補強部材5の開口31、…、48を通り、更にハブ2の穴21、…、25を通って、吸い込み側(羽根車1の表面側)に戻される。このとき、補強部材5の内外径差が穴21、…、25の直径以下になるほどハブ2とボス3との角度が小さい場合であっても、複数の開口31、…、48の断面積の合計が、複数の穴21、…、25の断面積の合計以上であるため、補強部材5の表面と裏面に圧力差が生じない。このため、ハブ2とボス3との角度が小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することができる。
【0032】
本実施形態では一例として、鉄板からリング状のプレートを切り出し、切り出したプレートに開口31、…、48を設けることで補強用プレートが補強部材5として製造される。そして、本実施形態の羽根車1は、ハブ2とボス3と補強用プレートとを溶接することにより製造する。ここで補強用プレートの溶接は、補強用プレートの全周に渡って溶接してもよいし、部分的に溶接してもよい。
【0033】
例えば、ボス3にハブ2を取り付け、その後に補強用プレートを取り付けて製造してもよいし、ボス3に補強用プレートを取り付け、その後にハブ2を取り付けてもよいし、ハブ2に補強用プレートを取り付け、その後に、ハブ2と補強用プレートが合体したものをボス3に取り付けてもよい。また、ハブ2に羽根11〜15を予め付けておく場合と、ハブ2をボス3及び/または補強用プレートに取り付けてから羽根11〜15を付ける場合がある。
【0034】
続いて図6を用いて補強部材の変形例について説明する。図6は、図4の矢印A1から見た場合における変形例に係る補強部材の正面図である。図6に示すように、変形例に係る補強部材5bには、異なる直径を有する二つの周回上に開口51、…、80が設けられている。ここで破線の円BL2は、ハブ2に設けられた穴21、…、25の大きさを表している。このように、開口51、…、80の直径D2’は、ハブ2に設けられた穴21、…、25の直径D1よりも小さい。また、補強部材5bの内外径差L1’が穴21、…、25の直径D1以下になるほどハブ2とボス3との角度が小さい。
【0035】
なお、穴21、…、25の形状は一例として略円としたが、これに限らず、三角形以上の多角形でも、星形でもよく、どんな形状であってもよい。また、開口31、…、48の形状は一例として略円としたが、これに限らず、三角形以上の多角形でも、星形でもよく、どんな形状であってもよい。この場合であっても、補強部材5の複数の開口それぞれの開口の断面積は、ハブ2の穴の断面積より小さい。そして、補強部材5の開口の数は、ハブ2の穴の数よりも多い。複数の開口の断面積の合計が、複数の穴の断面積の合計以上である。ボス3の長軸に対して略垂直方向における補強部材5の内縁から補強部材5の外縁までの長さが穴21、…、25の長径以下になるほどハブ2とボス3との角度が小さい。
【0036】
この場合であっても、複数の開口31、…、48の断面積の合計が、複数の穴21、…、25の断面積の合計以上であるため、補強部材5の表面と裏面に圧力差が生じない。このため、ハブ2とボス3との角度が小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することができる。
【0037】
なお、補強部材はリング状のプレートとしたが、複数のリブであってもよい。その場合、補強部材の開口は、リブの間の空間が該当する。しかし、リブの場合、位置合わせが大変であるので溶接が難しい。
【0038】
以上、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【0039】
1 羽根車
11〜15 羽根
16 中空
2 ハブ
21〜25 穴
3 ボス
31〜48 開口
4、6、7 接合部
5、5b 補強部材
51〜80 開口
100 ポンプ
101 ポンプ据付床
102 吊下管
104 吐出曲管
106 ガイドケーシング
108 水中軸受
109 回転軸
110 外軸受
111 電動機
112 回転軸
114 ポンプベース
図1
図2
図3
図4
図5
図6