特開 2024-135831 カスケードポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024135831

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】カスケードポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04D 5/00 20060101AFI20240927BHJP

【ＦＩ】

F04D5/00 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023046713

(22)【出願日】2023-03-23

(71)【出願人】

【識別番号】000176383

【氏名又は名称】三相電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003801

【氏名又は名称】ＫＥＹ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】趙 香月

(72)【発明者】

【氏名】今川 優

(72)【発明者】

【氏名】則定 健太

【テーマコード（参考）】

3H130

【Ｆターム（参考）】

3H130AA02

3H130AB22

3H130AB55

3H130AC30

3H130BA14A

3H130CA02

3H130CB01

3H130DA02Z

3H130EA07A

3H130EA07C

3H130EB01A

3H130EC09A

(57)【要約】      （修正有）

【課題】静粛性に優れたカスケードポンプを提供する。
【解決手段】所定の半径位置から半径方向外側に羽根部と溝部とが回転方向に交互に形成されたインペラと、インペラを回転自在に収容したケーシングとを備え、ケーシング内にインペラの外周部とケーシングの内周部との間に形成された優弧状の昇圧流路と、吸込口から吸込まれる液体を昇圧流路の一端部に導入する吸込流路と、昇圧流路の他端部から流出する液体を吐出口に導出する吐出流路と、昇圧流路の両端部の間を隔てるためにケーシングの内面が羽根部の先端部および側端部の近傍まで張り出してなる隔壁部とを含み、隔壁部には、羽根部の先端部が内接する仮想円筒面に対向する円弧面が形成され、インペラが何れの回転位置にあっても、円弧面の吸込流路側に形成された輪郭線と、前記羽根部の正回転方向後側の羽根面の延長面とが、前記羽根面の全幅に亘って合致しないように形成されているカスケードポンプ。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の半径位置から半径方向外側に羽根部と溝部とが回転方向に交互に形成されたインペラと、
前記インペラを回転自在に収容したケーシングと、
を備え、
前記ケーシング内に、
前記インペラの外周部と前記ケーシングの内周部との間に形成された優弧状の昇圧流路と、
吸込口から吸込まれる液体を前記昇圧流路の一端部に導入する吸込流路と、
前記昇圧流路の他端部から流出する液体を吐出口に導出する吐出流路と、
前記昇圧流路の両端部の間を隔てるために、前記ケーシングの内面が前記羽根部の先端部および側端部の近傍まで張り出してなる隔壁部と、
を含むカスケードポンプであって、
前記隔壁部には、前記羽根部の先端部が内接する仮想円筒面に対向する円弧面が形成されており、
前記インペラが何れの回転位置にあっても、前記円弧面の前記吸込流路側に形成された輪郭線と、前記羽根部の正回転方向後側の羽根面の延長面とが、前記羽根面の全幅に亘って合致しないように形成されている、ことを特徴とするカスケードポンプ。

【請求項2】

請求項１に記載のカスケードポンプにおいて、
前記輪郭線は、前記インペラの径向視において、前記インペラの回転軸線と交わる方向に延びている、ことを特徴とするカスケードポンプ。

【請求項3】

請求項１に記載のカスケードポンプにおいて、
前記ケーシングは、前記インペラの一側に配された一側壁を有する第１ケーシングと、前記インペラの他側に配された他側壁を有する第２ケーシングとを含み、
前記隔壁部の前記円弧面は、前記第１ケーシングに形成されており、
前記輪郭線は、前記第２ケーシングの前記他側壁に近づくにつれて、前記インペラの逆回転方向に移動するように形成されている、
ことを特徴とするカスケードポンプ。

【請求項4】

請求項１～３の何れか１項に記載のカスケードポンプにおいて、
前記輪郭線は、直線状であることを特徴とするカスケードポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、カスケードポンプ（渦流ポンプ）に関する。

【背景技術】

【0002】

遠心ポンプの一種であるカスケードポンプが広く用いられている。カスケードポンプは、ケーシング内の収容部に収容したインペラを回転させることにより送液に渦流を形成しながら昇圧し吐出するように構成される（例えば、特許文献１）。

【0003】

特許文献１に示されるように、カスケードポンプ（１）のインペラ（１５）は、その外周部に回転方向に交互に形成された羽根部（１５ｃ）と溝部（１５ｂ）とを有する。羽根部（１５ｃ）および溝部（１５ｂ）は、放射状に形成されている。溝部（１５ｂ）は、インペラの両面に形成されており、一方の面に形成された溝部（１５ｂ）と他方の面に形成された溝部（１５ｂ）とが仕切部（１５ｄ）によって仕切られている。インペラ（１５）の外周部と、ケーシングカバー（１４）およびケーシングライナー（１７）からなるケーシング（１４，１７）の内周部との間には、優弧状の昇圧流路が形成される。昇圧流路の一端部には吸込口（１１）から吸込まれる液体を導入する吸込流路が接続され、昇圧流路の他端部には流出する液体を吐出口（１２）に導出する吐出流路が接続されている。また、昇圧流路の両端部の間には、ケーシング（１４，１７）の内面が羽根部の先端部および側端部の近傍まで張り出している。この張り出し部が昇圧流路の両端部を隔てる隔壁部（１７ｄ）となって、昇圧流路の他端部から一端部への液体の逆流を阻止する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２２－５３７２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、カスケードポンプの騒音に関する研究開発を行っていた本願発明者らは、カスケードポンプ特有の耳障りな騒音を低減するために、カスケードポンプのインペラの羽根部の先端部と隔壁部の吸込流路側の形状との関係に着目し、カスケードポンプ特有の騒音が発生するメカニズムの一部を見つけ出すに至った。以下では、そのメカニズムについて、従来例に係るカスケードポンプ（１）を使って説明する。

【0006】

図８および図９は、従来のカスケードポンプ（１）におけるケーシング（１４，１７）の隔壁部（１７ｄ）近傍を模式的に示すものであり、隔壁部（１７ｄ）近傍をインペラの径方向の外側から内側に向かって視た図である。

【0007】

従来のカスケードポンプ（１）では、吸込流路から昇圧流路に流入し、昇圧流路をほぼ一周して昇圧流路の他端部に到達する液体の大部分は、隔壁部（１７ｄ）によって流れ方向を変えて吐出流路に送り出される。しかし、その液体の一部は、吐出流路に送り出されることなく、インペラの溝部（１５ｂ）に入り込んで、図８に示すように、羽根部（１５ｃ）と仕切部（１５ｄ）と隔壁部（１７ｄ）との間に形成されるスペースＳにほぼ出入不能に閉じ込められた状態で、吸込流路側へ移送される。

【0008】

ここで、従来のカスケードポンプ（１）では、図８に示すように、隔壁部（１７ｄ）のインペラ（１５）の外周部と対向するインペラ対向面の吸込流路側の輪郭線（１７１）が、インペラの半径方向から視て、インペラの羽根部（１５ｃ）の羽根面の先端の回転方向後側の輪郭線（１５１）と平行になっている。このため、図８に示す状態からインペラが更に回転すると、羽根面の先端の回転方向後側の輪郭線（１５１）がインペラ対向面の吸込流路側の輪郭線（１７１）と一瞬重複した後、図９に示すように、スペースＳの一部が吸込流路および昇圧流路に開放され、スペースＳにほぼ閉じ込められていた流体は、隔壁部（１７ｄ）の吸込流路側を高速で流れる流体に引き込まれる形で合流する。

【0009】

一般に、流れの無い状態の液体が急激に流動し始める際には、振動や騒音を伴うと考えられることから、スペースＳにほぼ閉じ込められ、流れの無い状態にあった液体が、隔壁部（１７ｄ）の吸込流路側を高速で流れる流体に引き込まれる形で、急激に流動し始めることにより騒音が発生すると考えられる。

【0010】

また、羽根部（１５ｃ）と仕切部（１５ｄ）と隔壁部（１７ｄ）との間に形成される閉塞的状態のスペースＳの容積は小さいため、１つのスペースＳに閉じ込められた流体が、隔壁部（１７ｄ）の吸込流路側に急激に流動し始めることによって生じる騒音は瞬間的に発生し、その騒音レベルが小さいとしても、カスケードポンプ（１）の稼働中は、常に、多数のスペース（Ｓ）が閉塞的状態から開放状態になることを繰り返すため、カスケードポンプ全体として、問題となるレベルの騒音を発生し続けることになる。

【0011】

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、隔壁部の吸込流路側における液体の急激な流れの発生による騒音を抑え、静粛性に優れたカスケード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】

【0012】

本発明の第１の態様に係るカスケードポンプは、所定の半径位置から半径方向外側に羽根部と溝部とが回転方向に交互に形成されたインペラと、前記インペラを回転自在に収容したケーシングと、を備え、前記ケーシング内に、前記インペラの外周部と前記ケーシングの内周部との間に形成された優弧状の昇圧流路と、吸込口から吸込まれる液体を前記昇圧流路の一端部に導入する吸込流路と、前記昇圧流路の他端部から流出する液体を吐出口に導出する吐出流路と、前記昇圧流路の両端部の間を隔てるために、前記ケーシングの内面が前記羽根部の先端部および側端部の近傍まで張り出してなる隔壁部と、を含むカスケードポンプであって、前記隔壁部には、前記羽根部の先端部が内接する仮想円筒面に対向する円弧面が形成されており、前記インペラが何れの回転位置にあっても、前記円弧面の前記吸込流路側に形成された輪郭線と、前記羽根部の正回転方向後側の羽根面の延長面とが、前記羽根面の全幅に亘って合致しないように形成されている、ことを特徴とする。

【0013】

本発明の第２態様に係るカスケードポンプは、第１の態様に係るカスケードポンプにおいて、前記輪郭線は、前記インペラの径向視において、前記インペラの回転軸線と交わる方向に延びている、ことを特徴とする。

【0014】

本発明の第３態様に係るカスケードポンプは、第１の態様に係るカスケードポンプにおいて、前記ケーシングは、前記インペラの一側に配された一側壁を有する第１ケーシングと、前記インペラの他側に配された他側壁を有する第２ケーシングとを含み、前記隔壁部の前記円弧面は、前記第１ケーシングに形成されており、前記輪郭線は、前記第２ケーシングの前記他側壁に近づくにつれて、前記インペラの逆回転方向に移動するように形成されている、ことを特徴とする。

【0015】

本発明の第４態様に係るカスケードポンプは、第１～第３の態様に係るカスケードポンプにおいて、前記輪郭線は、直線状であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、隔壁部の吸込口部側における送液の急激な流れの発生による騒音を抑え、静粛性に優れたカスケードポンプを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施形態に係るカスケードポンプを示す図であり、カスケードポンプのインペラおよび第１ケーシングの正面図である。

【図2】図１対応図であり、インペラを収容しない状態の第１ケーシングの正面図である。

【図3】図１の第１ケーシングの開口部を覆う第２ケーシングの正面図である。

【図4】図１のIV-IV線断面視による隔壁部近傍のインペラ、第１ケーシングおよび第２ケーシングの組付け状態を示す図である。

【図5】第１ケーシングの要部を示す斜視図と、その一部領域Ｐを拡大して示す斜視図である。

【図6】図１のカスケードポンプにおける騒音低減構造の説明図であり、図１の第１ケーシングに設けられた隔壁部近傍の模式図である。

【図7】図１のカスケードポンプの騒音と従来型のカスケードポンプの騒音との比較実験の結果を示す図である。

【図8】従来のカスケードポンプにおける騒音発生の説明図である。

【図9】従来のカスケードポンプにおける騒音発生の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。図１～図３に示すように、本実施形態のカスケードポンプ１０は、インペラ２０と、このインペラ２０を回転自在に収容するケーシング（４０，５０）とを備え、ケーシング（４０，５０）内にてインペラ２０が回転することにより送液（液体）に渦流を形成し、この渦流で送液を圧送するように構成されている。インペラ２０は、軸穴４３を介して図示しないモータの回転軸と回転一体に連結されている。さらに、本実施形態のカスケードポンプ１０は、後述するように騒音を低減するための構造を備えている。はじめに、本実施形態のカスケードポンプ１０の基本的な構造について説明する。

【0019】

カスケードポンプ１０のインペラ２０は、所定の半径位置から半径方向外側に渡り、回転方向に沿って多数の溝部２１が刻設され、各溝部２１間を隔てる羽根部２２が多数形成されてなる。後に参照する図６に示すように、本実施形態では、インペラ２０において仕切部２８を境にした一方側の溝部２１ａおよび羽根部２２ａと他方側の溝部２１ｂおよび羽根部２２ｂとは、回転方向における形成位置が互いに異なっており、各羽根部２２ａ，２２ｂは千鳥状の配置となっている。なお、本実施形態では羽根部２２は、仕切部２８から延びており、回転方向に対して直角方向に延びている。

【0020】

溝部２１と羽根部２２は、図１に示すように、所定の半径位置から半径方向外側に向かって放射状に形成されている。図１における矢印Ｄ１はインペラ２０の正回転方向を示し、図２における矢印Ｄ２はインペラ２０の正回転時の送液の流れ方向を示している。

【0021】

ケーシング（４０，５０）は、一側壁４１を有しインペラ２０を収容する第１ケーシング４０（図１）と、他側壁５１を有し第１ケーシング４０の開口部を覆う第２ケーシング５０（図３）とを含む。図２および図３に示すように、第１ケーシング４０および第２ケーシング５０には、インペラ２０の回転方向に沿って優弧状の第１弧状溝部４２および第２弧状溝部５２がそれぞれ形成されている。

【0022】

図４に示すように、第１ケーシング４０における第１弧状溝部４２の外周部４２ａとインペラ２０の羽根部２２の先端部２３との間、第１弧状溝部４２の底面部４２ｂとインペラ２０の羽根部２２の一方側の側端部２４ａとの間、第２弧状溝部５２の底面部５２ｂとインペラ２０の羽根部２２の他方側の側端部２４ｂとの間には空間が形成されるようになっている。なお、インペラ２０における多数の羽根部２２の先端部２３は、特許請求の範囲に記載する、インペラの外周部の一部をなす。また、第１弧状溝部４２の外周部４２ａは、特許請求の範囲に記載する、第１ケーシングの内周部に相当する。

【0023】

インペラ２０の羽根部２２と第１ケーシング４０と第２ケーシング５０とにより形成された上記空間は、第１弧状溝部４２および第２弧状溝部５２が延びる方向に沿う全体優孤状をなし、送液を昇圧して移送する昇圧流路６０となる。

【0024】

送液は、図１および図２に示すように、インペラ２０の回転に伴い第１ケーシング４０側に設けられた吸込口４４から吸い込まれ昇圧流路６０の一端部６１に導入される。優弧状の昇圧流路６０の一端部６１に導入された送液は、昇圧流路６０を進むにつれて繰り返し形成される渦流により次第に昇圧されながら他端部６２に至り吐出口４５から流出する。本明細書では、吸込口４４から昇圧流路６０の一端部６１までの流路を吸込流路と呼び、昇圧流路６０の他端部６２から吐出口４５までの流路を吐出流路と呼ぶ。なお、本実施形態では、吸込口４４の水路幅（流路断面）は、吐出口４５の水路幅（流路断面）よりも大きい。

【0025】

第１ケーシング４０には、図１および図４に示すように、昇圧流路６０の両端部となる先述の一端部６１と他端部６２との間を隔てるために、第１ケーシング４０の第１弧状溝部４２における内面がインペラ２０の羽根部２２の先端部２３および一方側の側端部２４ａの近傍まで張り出してなる隔壁部４６が設けられている。隔壁部４６のインペラ２０の外周に臨む部分４７（以下、「底面部４７」ともいう。）は、図２に示すようにインペラ２０の羽根部２２の先端部２３が内接する仮想円筒面に対向する円弧面で形成されている。

【0026】

一方、第２ケーシング５０における第１ケーシング４０の隔壁部４６に対向する範囲には、図３および図４に示すように、インペラ２０の羽根部２２の他方側の側端部２４ｂの近傍まで張り出した張り出し部５３が形成されており、この張り出し部５３も隔壁部４６の一部を構成している。この張り出し部５３を含む隔壁部４６が昇圧流路６０の両端部を隔てる壁となり、昇圧流路６０の他端部６２から一端部６１への送液の逆流を阻止する。

【0027】

次に、カスケードポンプ１０の騒音を低減するためのケーシング構造について説明する。カスケードポンプ１０の騒音は、ケーシング（４０，５０）に設けられる隔壁部４６の吸込流路側の形状設定により低減される。以下、本実施形態の隔壁部４６の構造を具体的に説明する。

【0028】

隔壁部４６は、図５および図６に示すように、インペラ２０が何れの回転位置にあっても、底面部４７における円弧面の吸込流路側に形成された輪郭線４８と、インペラ２０の羽根部２２の正回転方向（図１の矢印Ｄ１方向）後側の羽根面２５の延長面２７とが、羽根面２５の全幅に亘って合致しないように形成されている。なお、羽根面２５の全幅はインペラ２０の回転軸方向の寸法である。

【0029】

本実施形態では、羽根面２５の延長面２７は、インペラ２０の径方向に延びている。そして、隔壁部４６の輪郭線４８は、インペラ２０の径向視において図１に示す回転軸線Ｃ１と交わる方向に延びている。別の言い方をすれば、隔壁部４６の輪郭線４８は、羽根面２５の回転軸線Ｃ１の長手方向に対して傾斜するように非平行状に形成されている。

【0030】

なお、第１ケーシング４０は、隔壁部４６を含む全体が射出成型で製造されている。製造時において第１ケーシング４０を金型から抜き出せるように、隔壁部４６は、完成時に第２ケーシング５０の他側壁５１に近づくにつれてインペラ２０の逆回転方向（図１の矢印Ｄ１方向と逆の方向）に移動するように形成されている。また、隔壁部４６の輪郭線４８は、全長にわたって直線状になっており、曲線状である場合と比較して製造が容易なものになっている。

【0031】

以上説明した本実施形態のカスケードポンプ１０の効果について、図６および図７を用いて説明する。図６は、本実施形態のカスケードポンプ１０におけるケーシング（４０，５０）の隔壁部４６近傍を模式的に示すものであり、隔壁部４６近傍をインペラ２０の径方向の外側から内側に向って視た図である。

【0032】

本実施形態のカスケードポンプ１０の基本的な動作は、先述した従来のカスケードポンプ１と同様である。インペラ２０の回転に伴い吸込流路から昇圧流路６０に流入し、昇圧流路６０をほぼ一周してこの昇圧流路６０の他端部６２に到達した送液の大部分は、隔壁部４６によって流れ方向を変えて吐出流路に送り出される。また、昇圧流路６０の他端部６２に到達した送液の一部は、吐出流路に送り出されることなく、インペラ２０の溝部２１に入り込んで、図６に示すように羽根部２２（２２ａ，２２ｂ）と仕切部２８と隔壁部４６との間に形成されるスペースＳにほぼ出入不能に閉じ込められた状態で吸込流路側へ移送される。

【0033】

ここで、本実施形態のカスケードポンプ１０では、図５を用いて説明したように、インペラ２０が何れの回転位置にあっても、隔壁部４６の円弧面状の底面部４７における吸込流路側に形成された輪郭線４８と、インペラ２０の羽根部２２の正回転方向（図１の矢印Ｄ１方向）後側の羽根面２５の延長面２７とが、羽根面２５の全幅に亘って合致しないように形成されている。図６の視点で視ると、隔壁部４６の上記輪郭線４８が、インペラ２０の半径方向から視て、インペラ２０の羽根部２２の羽根面２５の回転方向後側の輪郭線２６と交わる方向に延びている。

【0034】

このため、本実施形態のカスケードポンプ１０では、インペラ２０が何れの回転位置にあっても、先述の従来例とは異なり、羽根面２５の輪郭線２６全体が隔壁部４６の輪郭線４８と重複する状態は生じない。したがって、カスケードポンプ１０では、図６に示すように、たとえば溝部２１ａが隔壁部４６の領域から出てスペースＳが開放状態となる際には、初期に羽根部２２の輪郭線２６の一部が隔壁部４６の領域から出て、羽根部２２の輪郭線２６の一部に対応する部分的な開放部Ｓ１が生じる。その後、インペラ２０の回転に伴って隔壁部４６の領域から出る羽根部２２の輪郭線２６が徐々に増大し、開放部Ｓ１が次第に拡大していく。つまり、本実施形態の隔壁部４６を有するカスケードポンプ１０では、図８に示す隔壁部１７ｄを有する従来のカスケードポンプに比べ、隔壁部４６の吸込流路側における液体の急激な流れの発生の勢いを抑えることができる。

【0035】

図６の隔壁部４６を有するカスケードポンプ１０の騒音と、図８の隔壁部１７ｄを有する従来型のカスケードポンプの騒音との比較に関する実験結果を図７に示す。図７に示すように、本実施形態のカスケードポンプ１０では、従来型のカスケードポンプに比べ、少なくとも３３００Ｈｚ付近、６７５０Ｈｚ付近、１０１００Ｈｚ付近で見られる、他の周波数域の音よりも大きい特定周波数域の音（ピーク）が大きく低下している。人の耳はこのピークの音を異音と捉え、耳障りだと感じてしまう。本実施形態のカスケードポンプ１０では、従来型のカスケードポンプに比べてこのピークが小さくなり、異音を感じにくいと言える。なお、図７に関する実験は、隔壁部以外は同じ構造のカスケードポンプで行ったものである。

【0036】

図７に示す実験結果によると、先述したように図８に示す隔壁部１７ｄを有する従来型のカスケードポンプでは、スペースＳ内の液体が瞬時かつ勢いよく昇圧流路６０に向かって流入するために、図７の如きピーク（耳障りな騒音）が大きくなっていると考えられる。本実施形態のカスケードポンプ１０では、図６に示すように隔壁部４６の形状設定により開放部Ｓ１が小さい開放度から大きい開放度へと次第に変化し、スペースＳ内の液体が昇圧流路６０に向かって流入する際における当該流れの勢いが抑えられたことにより、上記ピークが小さく抑えられたものと考えられる。

【0037】

以上、本発明に係るカスケードポンプを１つの実施形態に基づいて説明してきたが、本発明の具体的な構成については、本実施形態に限られるものではない。

【0038】

たとえば、隔壁部４６の輪郭線４８は、第２ケーシング５０の他側壁５１に近づくにつれてインペラ２０の逆回転方向に移動するように形成しているが、第２ケーシング５０の他側壁５１に近づくにつれてインペラ２０の正回転方向に移動するように形成してもよい。

【0039】

また、隔壁部４６の輪郭線４８は直線状で構成しているが、この輪郭線４８は曲線状や階段状などでもよい。

【産業上の利用可能性】

【0040】

本発明は、カスケードポンプに広く適用できる。

【符号の説明】

【0041】

１０ カスケードポンプ
２０ インペラ
２１ａ 一方側の溝部
２１ｂ 他方側の溝部
２２ａ 一方側の羽根部
２２ｂ 他方側の羽根部
２３ 羽根部の先端部（羽根部の外周部の一部）
２４ 羽根部の側端部
２５ 羽根面
２７ 羽根面の延長面
４０ 第１ケーシング
４１ 一側壁
４２ａ 第１弧状溝部の外周部（第１ケーシングの内周部）
４４ 吸込口
４５ 吐出口
４６ 隔壁部
４８ 隔壁部の輪郭線
５０ 第２ケーシング
５１ 他側壁
６０ 昇圧流路
６１ 昇圧流路の一端部
６２ 昇圧流路の他端部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】