特開 2025-34738 渦巻きポンプ

(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】P2025034738

(43)【公開日】2025-03-13

(54)【発明の名称】渦巻きポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/42 20060101AFI20250306BHJP

【ＦＩ】

F04D29/42 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023141312

(22)【出願日】2023-08-31

(71)【出願人】

【識別番号】000152170

【氏名又は名称】株式会社酉島製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100106518

【弁理士】

【氏名又は名称】松谷 道子

(74)【代理人】

【識別番号】100111039

【弁理士】

【氏名又は名称】前堀 義之

(72)【発明者】

【氏名】増田 直樹

【テーマコード（参考）】

3H130

【Ｆターム（参考）】

3H130AA03

3H130AB22

3H130AB43

3H130AC30

3H130BA74A

3H130BA74J

3H130CA05

3H130CA09

3H130CA21

3H130DF03Z

3H130DG04X

3H130DG09Z

3H130EA07A

3H130EA07H

3H130EA07J

(57)【要約】

【課題】部分流量での運転時のラジアルスラストを効果的に低減できる渦巻きポンプを提供する。
【解決手段】渦巻きポンプ１は、渦巻き流路５に接続された第１端部１１ａと羽根車３の入口３ｂ側に接続された第２端部１１ｂとをそれぞれ有する複数のバランス配管１１Ａ～１１Ｈを備える。個々のバランス配管１１Ａ～１１Ｈは、渦巻き流路５の圧力Ｐ１の羽根車３の入口３ｂ側の圧力Ｐ２に対する差圧（Ｐ１－Ｐ２）が閾値Ｐｔｈ未満であれば渦巻き流路５と入口３ｂ側との連通を遮断し、差圧（Ｐ１－Ｐ２）が閾値Ｐｔｈ以上であれば渦巻き流路５と入口３ｂ側とを連通させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

渦巻きケーシングと、
内周側に入口を有して外周側に出口を有する複数の羽根を備え、前記渦巻きケーシング内に配置された羽根車と、
前記渦巻きケーシング内において前記羽根車の外周側に前記出口に隣接して設けられた渦巻き流路と、
前記渦巻き流路に接続された第１端部と前記入口側に接続された第２端部とをそれぞれ有し、前記渦巻き流路の圧力の前記羽根車の前記入口側の圧力に対する差圧が閾値未満であれば前記渦巻き流路と前記羽根車の前記入口側との連通を遮断し、前記渦巻き流路の圧力の前記羽根車の前記入口側の圧力に対する差圧が閾値以上であれば前記渦巻き流路と前記羽根車の前記入口側とを連通させる複数のバランス配管と
を備える、渦巻きポンプ。

【請求項2】

複数のバランス配管にそれぞれ設けられ、前記渦巻き流路側の圧力の前記羽根車の前記入口側の圧力に対する差圧が閾値未満であれば閉弁し、前記渦巻き流路側の圧力の前記羽根車の前記入口側の圧力に対する差圧が閾値以上であれば開弁する複数の差圧制御弁を備える、請求項１に記載の渦巻きポンプ。

【請求項3】

前記複数のバランス配管は、前記渦巻き流路の周方向に均等に配置されている、請求項２に記載の渦巻きポンプ。

【請求項4】

前記第１端部に隣接して配置されて前記渦巻き流路の前記圧力をそれぞれ検出する複数の第１圧力センサと、
前記羽根車の入口側の前記圧力を検出する第２圧力センサと、
前記複数のバランス配管にそれぞれ設けられた、複数の開閉弁と、
前記第１圧力センサが検出する前記圧力の前記第２圧力センサが検出する圧力に対する差圧が前記閾値未満であれば、対応する前記バランス配管に設けられた前記開閉弁を閉弁状態とし、前記第１圧力センサが検出する前記圧力の前記第２圧力センサが検出する圧力に対する差圧が前記閾値未満であれば、対応する前記バランス配管に設けられた前記開閉弁を開弁状態とする、制御部と
を備える、請求項１に記載の渦巻きポンプ。

【請求項5】

前記複数のバランス配管と前記第１圧力センサは、前記渦巻き流路の周方向に均等に配置されている、請求項４に記載の渦巻きポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は渦巻きポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

渦巻きポンプでは、定格流量を下回る部分流量での運転時に羽根車出口の流れの軸対称性が損なわれ、羽根車出口の渦巻き流路における圧力分布が不均一となり、羽根車にラジアル方向の不釣り合い合力（ラジアルスラスト）が作用することが知られている。

【0003】

特許文献１に開示された渦巻きポンプでは、渦巻きケーシングの外側に設けた環状配管に対して渦巻き流路をそれぞれ接続する複数の接続配管を設けることで、渦巻き流路における圧力分布を均一化して、ラジアルスラストの低減を図っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特公昭５７－２３１１５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に開示された渦巻きポンプでは、複数の接続配管が共通の環状配管に接続されているため、圧力勾配の影響で圧力分布を効果的に均一化できない。つまり、特許文献１に開示された渦巻きポンプでは、ラジアルスラストを効果的に低減できない。

【0006】

本発明は、部分流量での運転時のラジアルスラストを効果的に低減できる渦巻きポンプを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、渦巻きケーシングと、内周側に入口を有して外周側に出口を有する複数の羽根を備え、前記渦巻きケーシング内に配置された羽根車と、前記渦巻きケーシング内において前記羽根車の外周側に前記出口に隣接して設けられた渦巻き流路と、前記渦巻き流路に接続された第１端部と前記入口側に接続された第２端部とをそれぞれ有し、前記渦巻き流路の圧力の前記羽根車の前記入口側の圧力に対する差圧が閾値未満であれば前記渦巻き流路と前記羽根車の前記入口側との連通を遮断し、前記渦巻き流路の圧力の前記羽根車の前記入口側の圧力に対する差圧が閾値以上であれば前記渦巻き流路と前記羽根車の前記入口側とを連通させる複数のバランス配管とを備える、渦巻きポンプを提供する。

【0008】

バランス配管は、渦巻き流路の圧力の羽根車の入口側の圧力の差圧が閾値未満であれば、渦巻き流路と羽根車の入口側の連通を遮断するが、この差圧が閾値以上になれば渦巻き流路と羽根車の入口側を連通させる。従って、渦巻きポンプの部分流量での運転時に、渦巻き流路の圧力分布が不均一となって圧力増加領域が生じ、差圧が閾値以上となると、圧力増加領域と羽根車の入口側とを接続するバランス配管は圧力増加領域と羽根車の入口側とを連通させる。そして、連通状態となったバランス配管を介して、圧力増加領域から羽根車の入口側へ戻る流れが発生する。その結果、圧力増加領域の圧力が低下して、渦巻き流路の圧力分布が均一化されてラジアルスラストが低減される。複数のバランス配管がそれぞれ個別に渦巻き流路と羽根車の入口側とを接続しているので、１本のバランス配管を介した圧力増加領域から羽根車の入口側に向かう流れは、他のバランス配管の圧力損失等の影響を受けない。よって、圧力分布の均一化によるラジアルスラストの低減を効果的に実現できる。

【0009】

一つの具体的な態様では、複数のバランス配管にそれぞれ設けられ、前記渦巻き流路側の圧力の前記羽根車の前記入口側の圧力に対する差圧が閾値未満であれば閉弁し、前記渦巻き流路側の圧力の前記羽根車の前記入口側の圧力に対する差圧が閾値以上であれば開弁する複数の差圧制御弁を備える。

【0010】

この場合、前記複数のバランス配管は、前記渦巻き流路の周方向に均等に配置されている。

【0011】

別の具体的な態様では、前記第１端部に隣接して配置されて前記渦巻き流路の前記圧力をそれぞれ検出する複数の第１圧力センサと、前記羽根車の入口側の前記圧力を検出する第２圧力センサと、前記複数のバランス配管にそれぞれ設けられた、複数の開閉弁と、前記第１圧力センサが検出する前記圧力の前記第２圧力センサが検出する圧力に対する差圧が前記閾値未満であれば、対応する前記バランス配管に設けられた前記開閉弁を閉弁状態とし、前記第１圧力センサが検出する前記圧力の前記第２圧力センサが検出する圧力に対する差圧が前記閾値未満であれば、対応する前記バランス配管に設けられた前記開閉弁を開弁状態とする、制御部とを備える。

【0012】

この場合、前記複数のバランス配管と前記第１圧力センサは、前記渦巻き流路の周方向に均等に配置されている。

【発明の効果】

【0013】

本発明に係る渦巻きポンプは、部分流量での運転時のラジアルスラストを効果的に低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の第１実施形態に係る渦巻きポンプを示す模式的な斜視図。

【図2】図１の渦巻きポンプのシャフトに直交する断面での模式的な断面図。

【図3】図１の渦巻きポンプの定格流量での運転時におけるシャフトに直交する断面での模式的な断面図。

【図4】図１の渦巻きポンプの部分流量での運転時におけるシャフトに直交する断面での模式的な断面図。

【図5】本発明の第２実施形態に係る渦巻きポンプを示す模式的な斜視図。

【図6】図５の渦巻きポンプのシャフトに直交する断面での模式的な断面図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

【0016】

（第１実施形態）
図１及び図２を参照すると、本発明の実施形態に係る片吸込型の渦巻きポンプ１は、渦巻きケーシング２を備え、渦巻きケーシング２内には羽根車３が収容されている。羽根車３にはシャフト４が機械的に連結されており、シャフト４は図示しないモータ等の駆動機構により回転駆動され、羽根車３はシャフト４と共に回転する。羽根車３は複数の羽根３ａを備え、個々の羽根３ａの入口３ｂと出口３ｃ（羽根車３自体の入口と出口でもある）は、それぞれ内周側と外周側に位置している。

【0017】

渦巻きケーシング２内には、羽根車３の外周側を隣接して取り囲みように、従って個々の羽根３ｂの出口３ｃに隣接して、渦巻き流路５が設けられている。渦巻きケーシング２には、羽根車３の入口３ｂに対向するように吸込口２ａが設けられ、渦巻き流路５と連続するように吐出口２ｂが設けられている。吸込口２ａには吸込側配管６が接続され、吐出口２ｂには吐出側配管７が接続されている。

【0018】

渦巻きケーシング２は、８本のバランス配管１１Ａ～１１Ｈを備える。個々のバランス配管１１Ａ～１１Ｈは、渦巻きケーシング２に取り付けられて渦巻き流路５の一部ないし限定された領域に流体的に接続された第１端部１１ａと、吸込側配管６に取り付けられて羽根車３の入口３ｂ側に流体的に接続された第２端部１１ｂとを備える。８本のバランス配管１１Ａ～１１Ｈの第１端部１１ａは渦巻き流路５の周方向に均等に配置されている。具体的には、８本のバランス配管１１Ａ～１１Ｈの第１端部１１ａはシャフト４の軸線Ｌ周りに等角度間隔（４５度間隔）で設けられている。以下の説明では、バランス配管１１Ａ～１１Ｈのうちの１本について言及し、かつバランス配管１１Ａ～１１Ｈのうちのいずれであるのかを特定する必要がない場合は、バランス配管１１という場合がある。

【0019】

個々のバランス配管１１Ａ～１１Ｈには、第１端部１１ａと第２端部１１ｂの間に、差圧駆動式自力調整弁（以下、自力調整弁と呼ぶ）１２が介設されている。自動調整弁１２は、開閉に動力を必要とせず、一次側と二次側の差圧に応じてばね等で付勢された弁体が移動することで自動的に開閉する。

【0020】

自力調整弁１２は、一次側である第１端部１１ａ側、つまりバランス配管１１が流体的に接続されている渦巻き流路５の一部ないし限定された領域における圧力Ｐ１の、二次側である第２端部１１ｂ側、つまり羽根車３の入口３ｂ側の圧力Ｐ２に対する差圧（Ｐ１－Ｐ２）の、規定圧力ないし閾値Ｐｔｈに対する大小で開閉状態が変化する。

【0021】

渦巻き流路５の一部ないし限定された領域における圧力Ｐ１の羽根車３の入口３ｂ側の圧力Ｐ２に対する差圧（Ｐ１－Ｐ２）が閾値Ｐｔｈ未満であれば、自力調整弁１２は閉弁状態を維持する。つまり、差圧（Ｐ１－Ｐ２）が閾値Ｐｔｈ未満であれば、バランス配管１１は、渦巻き流路５の第１端部１１ａが接続された部分ないし領域と、羽根車３の入口側３ｂとの連通を遮断する。一方、渦巻き流路５の一部ないし限定された領域における圧力Ｐ１の羽根車３の入口３ｂ側の圧力Ｐ２に対する差圧（Ｐ１－Ｐ２）が閾値Ｐｔｈ以上であれば、自力調整弁１２が開弁する。つまり、差圧（Ｐ１－Ｐ２）が閾値Ｐｔｈ以上となると、バランス配管１１は、渦巻き流路５の第１端部１１ａが接続された部分ないし領域と、羽根車３の入口側３ｂとを連通させ、渦巻き流路５の第１端部１１ａが接続された部分ないし領域から吸込側配管６へ水（他の液体であってもよい）が流れる。

【0022】

図３を参照すると、定格流量での運転時には、羽根車３の個々の羽根３ａの入口３ｂから出口３ｃに流れる水の流量ＦＬは概ね均一である。そのため、定格流量での運転時には、渦巻き流路５の周方向、つまり渦巻き流路５における水の経路ＦＰに沿った圧力分布（経路ＦＰを示す線の太さで概念的に示す）が概ね均一であるので、羽根車３にはラジアルスラストが作用しないか、作用したとしても十分に小さい。自力調整弁１２の閾値Ｐｔｈは、定格流量での運転時の渦巻き流路５の一部ないし限定された領域における圧力Ｐ１の羽根車３の入口３ｂ側の圧力Ｐ２に対する差圧（Ｐ１－Ｐ２）よりも十分大きく設定している。そのため、定格流量での運転時には、すべてのバランス配管１１Ａ～１１Ｈの自力調整弁１２は閉弁状態を維持している。つまり、定格流量での運転時には、バランス配管１１Ａ～１１Ｈを設けたことは、渦巻きポンプ１の性能に影響せず、バランス配管１１Ａ～１１Ｈを設けない場合と同じポンプ最高効率を維持できる。

【0023】

一方、図４を参照すると、定格流量を下回る部分流量での運転時には、羽根車３の個々の羽根３ａの入口３ｂから出口３ｃに流れる水の流量ＦＬが不均一となり、渦巻き流路５の周方向、つまり渦巻き流路５における水の経路ＦＰに沿った圧力分布が不均一となる。図４の例では、渦巻き流路５のうちバランス配管１１Ａ，１１Ｂの第１端部１１ａが接続されている領域に圧力増加領域ＨＰＡが生じ、この圧力増加領域ＨＰＡに対して周方向反対側に圧力低下領域ＬＰＡが生じている。自力調整弁１２の閾値Ｐｔｈは、圧力増加領域ＨＰＡにおける前述した差圧（Ｐ１－Ｐ２）以上となるように設定しているので、バランス配管１１Ａ～１１Ｈのうち、バランス配管１１Ｃ～１１Ｈの自力調整弁１２は閉弁状態を維持するが、第１端部１１ａが圧力増加領域ＨＰＡに接続されているバランス配管１１Ａ，１１Ｂの自力調整弁１２が閉弁状態から開弁状態に切り替わる。かかる自力調整弁１２の開弁により、バランス配管１１Ａ，１１Ｂを介して、圧力増加領域ＨＰＡから吸込側配管６に戻る水の流れが発生する。その結果、圧力増加領域ＨＰＡの圧力が低下して、渦巻き流路５の圧力分布が均一化されてラジアルスラストが低減される。バランス配管１１Ａ～１１Ｈがそれぞれ個別に渦巻き流路５と吸込側配管６を接続しているので、バランス配管１１Ａを介した圧力増加領域ＨＰＡから吸込側配管６に向かう流れは、バランス配管１１Ｂを介した圧力増加領域ＨＰＡから吸込側配管６に向かう流れにおける圧力損失等の影響を受けない。この点は、バランス配管１１Ｂを介した圧力増加領域ＨＰＡから吸込側配管６に向かう流れについても同様である。よって、圧力分布の均一化によるラジアルスラストの低減を効果的に実現できる。そして、ラジアルスラストの低減により、渦巻きポンプ１の振動低減、長寿命化、及び構造簡素化を図ることができる。また、ラジアルスラストの低減により、シャフト４やそれを支持する軸受（図示せず）の小型化、渦巻きポンプ１全体の低剛性化や重量低減を図ることもできる。

【0024】

本実施形態の渦巻きポンプ１はさらに以下の利点ないし特徴を有する。

【0025】

自力調整弁１２を備える複数のバランス配管１１を設けるだけで、本実施形態の渦巻きポンプ１を実現できる。つまり、本実施形態の渦巻きポンプ１は、新たに設計して製造することで実現できるだけでなく、既存の渦巻きポンプに自力調整弁１２を備える複数のバランス配管１１を設ける改造を行うことによっても実現できる。

【0026】

前述のように自力調整弁１２は一次側と二次側の差圧で動作し、開閉に動力を必要としない。そのため、追加の電化設備や制御回路は不要である。

【0027】

自力調整弁１２の設定圧力ないし閾値Ｐｔｈを調整することで、渦巻きポンプのサイズ及び比速度によらず、自力調整弁１２を備える複数のバランス配管１１を設けるという同じ構造で、本実施形態の渦巻きポンプ１を実現できる。

【0028】

締切運転時には、すべてのバランス配管１１Ａ～１１Ｈについて、自力調整弁１２の一次側である渦巻き流路５側の圧力Ｐ１が上昇し、二次側である吸込側配管６側の圧力Ｐ２に対する差圧（Ｐ１－Ｐ２）が閾値Ｐｔｈを上回り、自力調整弁１２が開弁状態となる。つまり、締切運転時には、バランス配管１１Ａ～１１Ｈを介して渦巻き流路５から羽根車３の入口３ｂ側に戻る水の流れが発生する。そのため、締切運転時であっても、ポンプ内部では締切運転とならず、過大なラジアルスラストの発生を防止することができる。また、締切運転時でもポンプ内部の締切運転を回避可能であるので、吐出側配管７の圧力レーティングを決定する締切全揚程を低減することができ、吐出側配管７の管厚の薄肉化とそれにより低コスト化を達成できる。この効果は比速度が大きい場合に顕著である。

【0029】

（第２実施形態）
以下、図５及び図６を参照して本発明の第２実施形態に係る渦巻きポンプ１を説明する。以下の説明において、特に言及しない点については本実施形態の渦巻きポンプ１は第１実施形態のものと同様である。また、図５及び図６において、第１実施形態と同一又は同様の要素には同一の符号を付している。

【0030】

本実施形態の渦巻きポンプ１では、個々のバランス配管１１Ａ～１１Ｈは、第１実施形態における自力調整弁１２（例えば図１参照）に代えて、オン／オフ型の電磁弁２２を備えている。これらの電磁弁２２は後述する制御部２５から開弁信号受信しない限り閉弁状態を維持する常閉型である。

【0031】

渦巻きケーシング２の渦巻き流路５に臨む壁面には、バランス配管１１Ａ～１１Ｈの第１端部１１ａのそれぞれの近傍に、第１圧力センサ２３Ａ～２３Ｈが設けられている。個々の第１圧力センサ２３Ａ～２３Ｈは、渦巻き流路５のうち対応するバランス配管１１Ａ～１１Ｈの第１端部１１ａが接続されている部分ないし領域の圧力を検出する。例えば、第１圧力センサ２３Ａは、渦巻き流路５のうちバランス配管１１Ａの第１端部１１ａが接続されている部分ないし領域の圧力を検出する。つまり、個々の第１圧力センサ２３Ａ～２３Ｈは、第１実施形態で説明した圧力Ｐ１を検出する。一方、吸込側配管６の内壁面には、第２圧力センサ２４が設けられている。つまり、第２圧力センサ２４は、第１実施形態で説明した圧力Ｐ２を検出する。

【0032】

本実施形態の渦巻きポンプ１は、制御部２５を備える。制御部２５には、個々の第１圧力センサ２３Ａ～２３Ｈから圧力Ｐ１が時々刻々と入力されると共に、第２圧力センサ２４から圧力Ｐ２が時々刻々と入力される。制御部２５は入力される圧力Ｐ１，Ｐ２に基づいて、個々のバランス配管１１Ａ～１１Ｈの電磁弁２２の開閉状態を制御する。制御部２５は、ＲＯＭ、ＲＡＭのような記憶装置と、ＣＰＵのような演算装置により構築できる。制御部２５に対する第１圧力センサ２３Ａ～２３Ｈ、第２圧力センサ２４、及び電磁弁２２の通信接続は、有線であっても無線であってもよい。

【0033】

制御部２５は、第１実施形態で説明した閾値Ｐｔｈを記憶している。制御部２５は第１圧力センサ２３Ａ～２３Ｈのそれぞれについて、差圧（Ｐ１－Ｐ２）が閾値Ｐｔｈ未満であれば対応する電磁弁２２に対して開弁信号を出力せず当該電磁弁２２を閉弁状態で維持するが、差圧（Ｐ１－Ｐ２）が閾値Ｐｔｈ以上となると対応する電磁弁２２に対して開弁信号を出力して当該電磁弁２２を開弁状態とする。

【0034】

例えば、２個の圧力センサ２３Ａ，２３Ｂについて差圧（Ｐ１－Ｐ２）が閾値Ｐｔｈ以上となると、制御部２５はバランス配管１１Ａ，１１Ｂの電磁弁２２に対して開弁信号を出力し開弁状態とする。これにより、バランス配管１１Ａ，１１Ｂを介して、渦巻き流路５の圧力増加領域ＨＰＡ（図４参照）から吸込側配管６に戻る水流れが発生する。その結果、圧力増加領域ＨＰＡの圧力が低下して、渦巻き流路５の圧力分布が均一化されてラジアルスラストが低減される。

【0035】

本実施形態では、制御部２５に記憶された閾値Ｐｔｈの値を変更することで、部品の交換等を伴うことなく閾値Ｐｔｈを調整できる。

【0036】

本発明は以上の実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。

【0037】

例えば、バランス配管１１の本数は実施形態のような８本に限定されず、例えば４本から１２本の範囲で設定できる。

【0038】

実施形態では、バランス配管１１の第２端部１１ｂは吸込側配管６に接続されている。しかし、第２端部１１ｂの接続箇所は羽根車３の入口３ａ側であれば特に限定されない。

【符号の説明】

【0039】

１ 渦巻きポンプ
２ 渦巻きケーシング
２ａ 吸込口
２ｂ 吐出口
３ 羽根車
３ａ 羽根
３ｂ 入口
３ｃ 出口
４ シャフト
５ 渦巻き流路
６ 吸込側配管
７ 吐出側配管
１１Ａ～１１Ｈ バランス配管
１１ａ 第１端部
１１ｂ 第２端部
１２ 差圧駆動式自力調整弁
２２ 電磁弁
２３Ａ～２３Ｈ 第１圧力センサ
２４ 第２圧力センサ
２５ 制御部
ＡＸ 軸線
ＦＬ 個々の羽根３ａにおける水の流量
ＦＰ 渦巻き流路５における水の経路
ＨＰＡ 圧力増加領域
ＬＰＡ 圧力低下領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】