特許 7397258 ２段遠心ポンプ

(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】

(24)【登録日】2023-12-05

(45)【発行日】2023-12-13

(54)【発明の名称】２段遠心ポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/041 20060101AFI20231206BHJP

【ＦＩ】

F04D29/041

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020135337

(22)【出願日】2020-08-07

(65)【公開番号】P2022030979

(43)【公開日】2022-02-18

【審査請求日】2023-04-04

(73)【特許権者】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】デロイトトーマツ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】仙石 幸治

【審査官】中村 大輔

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１３－５０３９９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５３－１２２７０２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平１１－２８０６９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２９１５８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｄ １／００－１３／１６

Ｆ０４Ｄ １７／００－１９／０２

Ｆ０４Ｄ ２１／００－２５／１６

Ｆ０４Ｄ ２９／００－３５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

支軸（６）と、
前記支軸（６）に回転自在に保持された中空のロータ軸（３）と、
前記ロータ軸（３）の端部外周に固着されている円筒状のロータ（１４）と、
前記ロータ（１４）の外周側に配置されて前記ロータ（１４）を回転させるための回転磁界を発生するステータ（１５）と、
吸入口（２２ａ）を有するカバー部材（２２）と、
隔壁（２１Ａ）を有する円筒状の筒状部（２１）と、
前記吸入口（２２ａ）側に開口して前記ロータ（１４）が収納される有底円筒部（２３Ａ）を有して、前記ロータ（１４）と前記ステータ（１５）とを仕切るケース部材（２３）とを備え、
前記ロータ軸（３）に２つの第１及び第２インペラ（４，５）を軸方向に沿って取り付け、前記筒状部（２１）の軸方向で２つの開口部に前記カバー部材（２２）及び前記ケース部材（２３）をそれぞれ連結一体化して構成されているポンプケース（２）内で前記隔壁（２１Ａ）によって画成された２つのポンプ室（Ｒ１，Ｒ２）に前記第１インペラ（４）と前記第２インペラ（５）をそれぞれ収容して構成される２段遠心ポンプ（１）であって、
前記カバー部材（２２）とこれに対向する前記第１インペラ（４）の前面シュラウド（４ａ）との間に、前記前面シュラウド（４ａ）の内周部に位置する第１ラビリンスシール部（Ｌ１）を設けるとともに、
前記ケース部材（２３）とこれに対向する前記第２インペラ（５）の背面シュラウド（５ｂ）との間に、前記背面シュラウド（５ｂ）の外周部に位置する第２ラビリンスシール部（Ｌ２）を設け、
前記カバー部材（２２）内の前記第１ラビリンスシール部（Ｌ１）よりも軸心側で前記吸入口（２２ａ）を臨む第１空間（Ｓ１）と、前記第２ラビリンスシール部（Ｌ２）よりも軸心側で前記有底円筒部（２３Ａ）に臨む第２空間（Ｓ２）とを形成するとともに、前記第１空間（Ｓ１）及び前記第２空間（Ｓ２）相互間を互いに連通させる連通路（３ａ）が前記ロータ軸（３）に形成されていることを特徴とする２段遠心ポンプ。

【請求項2】

前記第２インペラ（５）の前面シュラウド（５ａ）とこれに対向する前記隔壁（２１Ａ）との間に第３ラビリンスシール部（Ｌ３）を設け、前記ポンプケース（２）内の前記第３ラビリンスシール部（Ｌ３）よりも軸心側に第３空間（Ｓ３）を形成したことを特徴とする請求項１に記載の２段遠心ポンプ。

【請求項3】

前記隔壁（２１Ａ）を、前記筒状部（２１）と共に一体に樹脂成形したことを特徴とする請求項２に記載の２段遠心ポンプ。

【請求項4】

前記有底円筒部（２３Ａ）に前記ロータ（１４）の体積の８０％以上に亘る内部容積を有するリザーバ室を構成したことを特徴とする請求項１～３の何れかに記載の２段遠心ポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スラストバランス機構を備える２段遠心ポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

流体機械の一形態としての２段遠心ポンプには、電動モータなどの駆動源によって回転駆動されるロータ軸に２つの第１及び第２インペラを軸方向に沿って取り付け、ポンプケース内に隔壁によって画成された２つのポンプ室に前記第１インペラと前記第２インペラをそれぞれ収容して構成されるものがある（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

ところで、一般に遠心ポンプにおいては、インペラの吸入側である軸方向前面側は取扱流体の圧力が低く、インペラの吐出側である遠心方向では取扱流体の圧力が高まる。したがって、インペラの吸入側を臨むインペラの前面側と、インペラの吐出側に囲繞されているインペラの背面との間にはインペラの回転中に常に圧力差（吸入側＜吐出側）が生じており、この圧力差が、インペラの吸入側に押すスラスト力の発生源となることが知られている。このスラスト力が過大である場合には、ロータ軸を介してインペラを回転可能に支持する滑り軸受が摩耗してその耐久性が低下するなどの問題が発生する。

【0004】

そこで、スラスト力を低減させるためのスラストバランス機構が今までに種々提案されている。

【0005】

例えば、特許文献２，３には、インペラの背面シュラウドの背面側にポンプケースとの間でスラストバランス室を形成し、かつ、インペラの背面シュラウドに形成されたバランスホールを介してスラストバランス室をインペラの吸入側（背面シュラウドの前面側）に連通させ、インペラの背面シュラウドの前面と背面との間に作用する圧力差を低減させ、これによりロータ軸に作用する吸入方向のスラスト力を小さく抑えるようにしたスラストバランス機構が提案されている。

【0006】

また、特許文献４には、ロータ軸にスラストバランスディスクを取り付けることによって、ロータ軸に作用するスラスト力を小さく抑える構成が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特許第５５９９４６３号公報

【文献】実開昭５８－０８４３９４号公報

【文献】特開平９－０４２１９０号公報

【文献】実開昭５４－００２２０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ところが、特許文献２，３において提案されたスラストバランス機構は、単段の遠心ポンプに対して有効ではあるが、多段の遠心ポンプに対しては有効ではない。つまり、多段遠心ポンプにおいては、２段目以降のインペラの前面側に前段のインペラの吐出圧が作用するため、インペラにバランスホールを形成するだけではポンプ全体のスラストバランスを適正に調整することが困難である。

【0009】

また、特許文献４において提案された構成においては、多段遠心ポンプのロータ軸に複数のインペラとは別にスラストバランスディスクを取り付けるため、構造が複雑化するとともに、多段遠心ポンプ全体の軸方向長さが長くなってポンプ自体が大型化するという問題がある。

【0010】

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、構造の複雑化や大型化を招くことなく、ロータ軸に作用するスラスト力を小さく抑えて滑り軸受の耐久性を高めることができる２段遠心ポンプを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、支軸と、前記支軸に回転自在に保持された中空のロータ軸と、前記ロータ軸の端部外周に固着されている円筒状のロータと、前記ロータの外周側に配置されて前記ロータを回転させるための回転磁界を発生するステータと、吸入口を有するカバー部材と、隔壁を有する円筒状の筒状部と、前記吸入口側に開口して前記ロータが収納される有底円筒部を有して、前記ロータと前記ステータとを仕切るケース部材とを備え、前記ロータ軸に２つの第１及び第２インペラを軸方向に沿って取り付け、前記筒状部の軸方向で２つの開口部に前記カバー部材及び前記ケース部材をそれぞれ連結一体化して構成されているポンプケース内で前記隔壁によって画成された２つのポンプ室に前記第１インペラと前記第２インペラをそれぞれ収容して構成される２段遠心ポンプであって、前記カバー部材とこれに対向する前記第１インペラの前面シュラウドとの間に、前記前面シュラウドの内周部に位置する第１ラビリンスシール部を設けるとともに、前記ケース部材とこれに対向する前記第２インペラの背面シュラウドとの間に、前記背面シュラウドの外周部に位置する第２ラビリンスシール部を設け、前記カバー部材内の前記第１ラビリンスシール部よりも軸心側で前記吸入口を臨む第１空間と、前記第２ラビリンスシール部よりも軸心側で前記有底円筒部に臨む第２空間とを形成するとともに、前記第１空間及び前記第２空間相互間を互いに連通させる連通路が前記ロータ軸に形成されていることを第１の特徴とする。

【0012】

請求項２に記載の発明は、前記第１の特徴に加えて、前記第２インペラの前面シュラウドとこれに対向する前記隔壁との間に第３ラビリンスシール部を設け、前記ポンプケース内の前記第３ラビリンスシール部よりも軸心側に第３空間を形成したことを第２の特徴とする。

【0013】

請求項３に記載の発明は、前記第２の特徴に加えて、前記隔壁を、前記筒状部と共に一体に樹脂成形したことを第３の特徴とする。

【0014】

請求項４に記載の発明は、前記第１～第３の何れかの特徴に加えて、前記有底円筒部に前記ロータの体積の８０％以上に亘る内部容積を有するリザーバ室を構成したことを第４の特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

請求項１に記載の発明によれば、前段側の第１インペラの吸入側である軸方向前面側を臨む第１空間と次段側の第２インペラの軸方向背面側を臨む第２空間とは互いに連通しているため、第１空間と第２空間の圧力がバランスして両圧力が略等しくなる。これに対して、第１インペラの軸方向背面側及び第２インペラの軸方向前面側を臨む第３空間には、第１インペラによって昇圧された液体の圧力がそれぞれ作用する。この場合、第３空間に流れ込む昇圧された液体の圧力の方が第１及び第２空間に作用する吸入圧力よりも高い。したがって、第１インペラの前背面相互間で同インペラの回転中に生じる圧力差（第１インペラの前面側＜第１インペラの背面側）と、第２インペラの前背面相互間で同インペラの回転中に生じる圧力差（第２インペラの前面側＞第２インペラの背面側）とが拮抗する。すなわち、第１インペラに作用する吸入方向へのスラスト力と第２インペラに作用する反吸入方向へのスラスト力とが略等しくなり、ロータ軸に作用するスラスト力がほぼ相殺される。このため、滑り軸受がロータ軸から受ける負荷が小さくなって該滑り軸受の摩耗が抑えられ、該滑り軸受の耐久性が高められる。そして、このような効果は、ロータ軸にスラストバランスディスクを設けることなく得られるため、当該２段遠心ポンプの構造の複雑化や大型化を招くことがない。

【0016】

また、第１インペラから送出された流体の第１空間への回り込みが第１ラビリンスシール部によって抑えられるため、流体の吐出流量が増えてポンプ効率が高められる。

【0017】

請求項２に記載の発明によれば、第２インペラにおいては、該第２インペラの前面シュラウドとこれに対向する前記隔壁との間に第３ラビリンスシール部を設けることにより、前面シュラウドの前背面双方にほぼ第３空間の圧力が作用する。これにより第２インペラの前面シュラウドでのスラスト力がほぼ相殺し合うため、前面シュラウドの前面に第２ポンプ室の圧力が作用するよりも反吸入口方向のスラスト力は小さく抑えられる。したがって、第２インペラからロータ軸に伝達される反吸入口方向へのスラスト力を校正して第１インペラからロータ軸に伝達される吸入口方向へのスラスト力と適正にバランスさせることができる。このため、第１インペラに作用する吸入方向のスラスト力と第２インペラに作用する反吸入方向の力とが適正に相殺し合い、ロータ軸から滑り軸受にスラスト力として作用する両スラスト力の差が可及的に小さく抑えられる。この結果、滑り軸受がロータ軸から受ける負荷が小さくなって該滑り軸受の摩耗が抑制される。

【0018】

また、第２インペラによって昇圧された流体の第２及び第３空間への回り込みが第２ラビリンスシール部と第３ラビリンスシール部によって抑えられるため、流体の吐出流量が増えてポンプ効率が高められる。

【0019】

請求項３に記載の発明によれば、第２インペラの前面シュラウドと対向して第３ラビリンスシール部を構成するポンプケースの隔壁を、筒状部と共に一体に樹脂成形したため、構造の単純化とコストダウンを実現することができる。

【0020】

請求項４に記載の発明によれば、比較的高圧の流体が流れ込む第２空間の容積がリザーバ室として機能する有底円筒部により拡張されるため、２段遠心ポンプの負荷変動による第２空間の内圧の変動が抑えられ、該第２空間と第１空間の圧力が適正にバランスしてロータ軸に作用するスラスト力が小さく抑えられる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明に係る２段遠心ポンプの縦断面図である。

【図2】本発明に係る２段遠心ポンプの案内羽根部材を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は底面図である。

【図3】本発明に係る２段遠心ポンプのスラストバランス機構部の基本構成を示す模式的断面図、（ｂ）は同２段遠心ポンプの第１インペラと第２インペラに作用するスラスト力を従来との比較において示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

【0023】

図１は本発明に係る２段遠心ポンプの縦断面図、図２は同２段遠心ポンプの案内羽根部材を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は底面図である。

【0024】

図１に示す２段遠心ポンプ１は、キャンドモータポンプであって、図１において上下（軸方向）に配置されたポンプ部Ｐと駆動源であるモータ部Ｍとを同一中心軸線に沿って連結一体化して構成されており、その中心軸線上には、支軸６と、この支軸６に回転自在に保持されモータ部Ｍの発揮する回転動力をポンプ部Ｐに伝達するための中空状のロータ軸３とが収容されており、このロータ軸３及び支軸６間には滑り軸受７，８が介設されている。なお、本実施の形態に係る２段遠心ポンプ１は、ポンプ部Ｐとモータ部Ｍが上下に配置された状態、つまり縦置き状態で使用されているが、ポンプ部Ｐとモータ部Ｍが左右方向に対置される横置き状態でも使用することができる。

【0025】

上記ポンプ部Ｐは、ポンプケース２内に形成された上下の第１ポンプ室Ｒ１と第２ポンプ室Ｒ２に、前記ロータ軸３の上半部で上下に並べて取り付けられた１段目の第１インペラ４、２段目の第２インペラ５と、該第１及び第２インペラ４，５間に挿入する形で設ける案内羽根部材１０とをそれぞれ収容して構成されている。なお、本実施の形態においては、ポンプケース２と第１及び第２インペラ４，５及び案内羽根部材１０は、何れも樹脂によって構成されている。

【0026】

上記ポンプケース２は、円筒状の筒状部２１と、該筒状部２１の上下２つの開口部をそれぞれ覆うカバー部材２２及びケース部材２３を軸方向に連結一体化して構成されている。ここで、筒状部２１の内周壁の軸方向中間部からはリング円板状にして筒状部２１の横断面に沿う方法に延在しつつ同筒状部２１の内部空間を上下に画成する隔壁２１Ａが一体に設けられており、而してポンプケース２内には、隔壁２１Ａによって第１ポンプ室Ｒ１と第２ポンプ室Ｒ２が画成されている。そして、筒状部２１の外周からは、第２ポンプ室Ｒ２に連通する円筒状の不図示の吐出管が接線方向に延びている。なお、隔壁２１Ａの中心軸線上には第１ポンプ室Ｒ１と第２ポンプ室Ｒ２間を連通する円孔２１ａが形成されており、この円孔２１ａと第１ポンプ室Ｒ１と第２ポンプ室Ｒ２にはロータ軸３が挿通している。また、隔壁２１Ａの第１ポンプ室Ｒ１側には案内羽根部材１０が載置されており、この案内羽根部材１０には円孔２１ａと同軸な中心孔１０ａが形成されている。そして、この円孔２１ａ、中心孔１０ａ、第１ポンプ室Ｒ１及び第２ポンプ室Ｒ２には上記ロータ軸３及び支軸６が挿通している。

【0027】

前記カバー部材２２は、前記中心軸線に対応する部位に円筒状の吸入管２２Ａが一体に立設されており、この吸入管２２Ａの上端は、吸入口２２ａとして上方に向かって開口している。そして、カバー部材２２内の吸入管２２Ａの基端部中央には、整流コーン２２Ｂが一体に形成されており、この整流コーン２２Ｂの周囲には、複数枚（図示例では、２枚）の整流板２２ｂが形成されている。そして、上記第１インペラ４は、その外周が案内羽根部材１０に囲繞され、且つ、その吸入側を前記吸入管２２Ａの基端部に臨ませる姿勢で筒状部２１上側の第１ポンプ室Ｒ１内に収容され、ロータ軸３に固定されている。また、上記第２インペラ５は、隔壁２１Ａ下面側で、その吸入側を前記円孔２１ａに臨ませる姿勢で筒状部２１下側の第２ポンプ室Ｒ２内に収容され、ロータ軸３に固定されている。

【0028】

前記ケース部材２３は、その中心部にカップ状の有底円筒部２３Ａを備えており、この有底円筒部２３Ａの上端からはフランジ部２３Ｂが径方向外方に向かって一体に形成されている。そして、このケース部材２３の有底円筒部２３Ａの底部中心部には、円柱状のボス部２３ａが上方に向かって一体に立設されており、このボス部２３ａとカバー部材２２に形成された整流コーン２２Ｂの各中心部には、支軸６の両端がそれぞれ嵌着されている。

【0029】

また、カバー部材２２の整流コーン２２Ｂと上側の滑り軸受７との間には、支軸６によってスラストワッシャ９が連れ回り不能に保持されている。

【0030】

駆動源であるモータ部Ｍは、前記ケース部材２３の下方から連結されるモータケース１１を備えており、このモータケース１１は、筒状の外郭部１１Ａと、この外郭部１１Ａの下面開口部を下方から覆う有底筒状のカバー部材１１Ｂとを上下に連結一体化して構成されている。ここで、外郭部１１Ａは、ケース部材２３のフランジ部２３Ｂの下面にリング状のシール部材１２を介して液密に連結されている。また、カバー部材１１Ｂは、その上端面がリング状のシール部材１３を介して外郭部１１Ａの下側へ液密に連結されている。

【0031】

そして、モータ部Ｍは、ロータ軸３の下半側に固着された円筒状のロータ１４と、ケース部材２３の有底円筒部２３Ａを介してロータ１４に対向配置されたステータ１５を備えている。ここで、ロータ１４は、ポンプケース２のケース部材２３に設けられた有底円筒部２３Ａの内部に収容されており、ロータ軸３の下端部外周に固着されている。なお、ロータ１４は、永久磁石によって構成されている。

【0032】

ステータ１５は、ステータコア１６にインシュレータ１７を介して三相のコイル１８が巻装されて成るものであり、前記ステータコア１６は、例えば筒状に形成されるヨーク１６ａと、そのヨーク１６ａの内周の周方向に等間隔をあけた複数箇所から半径方向内方に突出するＴ字状のティース１６ｂとを一体に有する。

【0033】

前記インシュレータ１７は、前記ティース１６ｂの内周側先端部を前記有底円筒部２３Ａの外側に臨ませるために露呈しつつ前記ステータコア１６を被覆する。一方、前記モータケース１１の外郭部１１Ａは、この実施の形態では前記インシュレータ１７をインサートした電気絶縁性樹脂材で成形され、これにより前記ステータ１５は、その少なくとも一部が前記外郭部１１Ａで包まれて固定されている。なお、三相コイル１８は、後述する制御基板１９に形成された制御回路にそれぞれ電気的に接続されている。

【0034】

ところで、モータケース１１の外郭部１１Ａの下面からは支持脚１１ａがカバー部材１１Ｂ内に向かって一体に延びており、この支持脚１１ａの下端には、ステータ１５の各三相コイル１８への通電を制御するための制御基板１９が支持脚１１ａの下端に形成されたスナップフィット爪１１ａ１によって係合支持されている。

【0035】

次に、前記案内羽根部材１０の構成の詳細を図２に基づいて以下に説明する。

【0036】

上記したように、隔壁２１Ａの第１ポンプ室Ｒ１側に載置されている案内羽根部材１０の中心部には中心孔１０ａが形成されており、この中心孔１０ａにはロータ軸３が挿通している。そして、図２（ａ）に示すように、案内羽根部材１０の上面外周部には、第１インペラ４の回転周面を臨む姿勢で平面視三角状の６枚のディフューザベーン（翼列）３１が周方向に等角度ピッチ（６０度間隔）で一体に突設されており、周方向に隣接する２枚のディフューザベーン３１の間には、径方向外方に向かって通路面積が漸増しつつ周方向（第１インペラの回転方向）に湾曲する溝状のディフューザ通路３２がそれぞれ形成されている。すなわち、案内羽根部材１０の上面外周部には、ディフューザベーン３１と同数の６つのディフューザ通路３２が周方向に等角度ピッチ（本実施の形態では、６０度間隔）かつその外周端が案内羽根部材１０の外接円Ｃとして示す筒状部２１の内壁面へと漸近的に近づく形状に区画されており、しかも、各ディフューザ通路３２の溝底は、筒状部２１の内壁へと近づくに連れて高さが低くなる（溝底が隔壁２１Ａに近づく）弦巻線状に形成されている。

【0037】

他方、案内羽根部材１０の隔壁２１Ａに対向する下面には、図２（ｃ）に示すように、径方向外方から中心孔１０ａに向かって湾曲しながら渦巻状に延びる６枚のリターンガイドベーン（翼列）３３が周方向に等角度ピッチ（６０度間隔）で一体に突設されている。そして、周方向に隣接する２枚のリターンガイドベーン３３の間には、リターンガイドベーン３３と同数の６つのリターン通路３４がそれぞれ区画されている。

【0038】

ここで、各６つのディフューザ通路３２とリターン通路３４とは第１ポンプ室Ｒ１内で連絡（連通）しており、各リターン通路３４の外周端は、ディフューザ通路３２と立体交差する姿勢でディフューザベーン３１の下方に開口する矩形の流入口３４ａを有するように区画されており、しかも、各リターン通路３４の流入口３４ａには隣接して各ディフューザ通路３２の外周端である流出口３２ａが開口している。したがって、各ディフューザ通路３２と各リターン通路３４は、流出口３２ａ及び流入口３４ａを介して連通している。

【0039】

ところで、本実施の形態に係る２段遠心ポンプ１には、ロータ軸３に作用するスラスト力を軽減するためのスラストバランス機構が備えられている。以下、このスラストバランス機構の構成を図１及び図３に基づいて説明する。

【0040】

前段側の第１インペラ４の前面シュラウド４ａの内周部とこれに対向するカバー部材２２の内面との間には、リング状の第１ラビリンスシール部Ｌ１が設けられており、ポンプケース２内において、第１ラビリンスシール部Ｌ１よりもロータ軸３側（軸心側）には、第１空間Ｓ１が形成されている。

【0041】

また、次段側の第２インペラ５の背面シュラウド５ｂの外周部とこれに対向するケース部材２３のフランジ部２３Ｂとの間には、リング状の第２ラビリンスシール部Ｌ２が設けられており、ポンプケース２内において、第２ラビリンスシール部Ｌ２よりもロータ軸３側（軸心側）で第２インペラ５の背面側には、第２空間Ｓ２が形成されている。ここで、第２空間Ｓ２は、ケース部材２３の有底円筒部２３Ａと、これの上方開口を第２ラビリンスシール部Ｌ２を介して実質的に蓋している第２インペラ５と、有底円筒部２３Ａの底側に収容される前記ロータ１４とによって囲繞される円筒状空間であって、この実施の形態においては、少なくとも前記ロータ１４の体積の８０％以上に亘る内部容積を有するリザーバ室として構成されている。

【0042】

さらに、第２インペラ５の前面シュラウド５ａの外周部とこれに対向する隔壁２１Ａとの間には、リング状の第３ラビリンスシール部Ｌ３が設けられている。ここで、第３ラビリンスシール部Ｌ３は、前面シュラウド５ａから隔壁２１Ａに向かって突出される軸方向視環状の絞り片Ｌ３ａと、隔壁２１Ａに凹設されて絞り変Ｌ３ａの周面を囲繞する絞り部Ｌ３ｂとで構成されており、ポンプケース２内において、第３ラビリンスシール部Ｌ３よりもロータ軸３側（軸心側）には、第３空間Ｓ３が形成されている。

【0043】

そして、本実施の形態では、図１に示すように、ロータ軸３の周面と第１インペラ４及び第２インペラ５の間で、連通路３ａがロータ軸３の軸方向（上下方向）に形成されており、この連通路３ａの上端は、第１空間Ｓ１に開口しており、同連通路３ａの下端は、第２空間Ｓ２に連通している。したがって、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とは、連通路３ａを介して互いに連通している。

【0044】

而して、スラストバランス機構は、第１ラビリンスシール部Ｌ１とその内側に形成された第１空間Ｓ１と、第２ラビリンスシールＬ２とその内側に形成された第２空間Ｓ２と、第３ラビリンスシール部Ｌ３とその内側に形成された第３空間Ｓ３を備え、ロータ軸３に形成された連通路３ａによって第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とを連通することによって構成されている。

【0045】

次に、以上のように構成された２段遠心ポンプ１の作動について説明する。

【0046】

ステータ１５の各三相コイル１８への通電制御下に、ステータ１５が発生する磁界によってロータ１４及び該ロータ１４を保持しているロータ軸３が支軸６を中心として所望の速度で回転駆動される。

【0047】

ポンプ部Ｐにおいて、ロータ軸３に取り付けられた第１インペラ４と第２インペラ５がポンプケース２内の第１ポンプ室Ｒ１と第２ポンプ室Ｒ２においてそれぞれ回転する。すると、第１インペラ４の回転によってポンプケース２のカバー部材２２に形成された吸入管２２Ａ内に負圧が発生し、この負圧に引かれて取扱液体（冷却水）が図１に矢印にて示すように吸入管２２Ａの吸入口２２ａから吸入管２２Ａ内に吸引される。そして、吸入管２２Ａ内に吸引された液体は、吸入管２２Ａ内を下方に向かって流れ、１段目の第１インペラ４に吸引される。

【0048】

第１インペラ４に吸引された液体は、回転する第１インペラ４から運動エネルギを与えられて昇圧されながら径方向外方へと流れ、この第１インペラ４の外周端から第１ポンプ室Ｒ１へと流出する。そして、第１ポンプ室Ｒ１内で案内羽根部材１０の上面に形成された複数（本実施の形態では６つ）のディフューザベーン３１により区画されたディフューザ通路３２を図２（ａ）に矢印にて示すように径方向外方に向かってそれぞれ流れ、各ディフューザ通路３２の外周端に開口する流出口３２ａへと進行する。なお、液体は、案内羽根部材１０の径方向外方に向かって通路断面積を漸増しつつ湾曲する各ディフューザ通路３２を流れる過程で減速されてさらに圧力が高められる。

【0049】

而して、各ディフューザ通路３２の外周開口端面に開口する流出口３２ａからそれぞれ流出する液体は、流出口３２ａと隣接して開口する流入口３４ａから案内羽根部材１０の下面に区画された６つの各リターン通路３４にそれぞれ流入する。

【0050】

その後、各リターン通路３４へと流れ込んだ液体は、図２（ｃ）に矢印にて示すように、各リターン通路３４を径方向内方に向かってそれぞれ進行し、図１に矢印にて示すように、隔壁２１Ａの中心部に形成された円孔２１ａを通過して該円孔２１ａを臨む２段目の第２インペラ５の吸入側へと導かれる。そして、第２インペラの吸入側へと導かれた液体は、該第２インペラ５の回転によって運動エネルギを付与されながら径方向外方へと流れ、この第２インペラ５の外周端から第２ポンプ室Ｒ２へと流出するとともに、第２ポンプ室Ｓ２に形成されたボリュート部を流れる過程で減速されつつ一層圧力が高められた状態となる。このように第１インペラ４と第２インペラ５を通じて加圧された液体は、第２ポンプ室Ｒ２から不図示の吐出管へと接線方向に流れ込み、この吐出管からポンプケース２外へと吐出される。

【0051】

次に、スラストバランス機構の作用を図３を参照しながら以下に説明する。

【0052】

前述のように第１空間Ｓ１内から前面シュラウド４ａの背面（すなわち第１インペラ４の内側）には、吸入管２２Ａに吸入された昇圧前の液体が存在する。また、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とは、ロータ軸３に形成された連通路３ａを介して互いに連通しているため、第２空間Ｓ２にも、吸入管２２Ａに吸入された昇圧前の液体が存在する。

【0053】

そして、第１インペラ４によって加速されて第１ポンプ室Ｒ１へと流出する液体は、案内羽根部材１０において昇圧されつつ第２インペラ５の吸入側（第３空間Ｓ３）へと導入されるが、この昇圧された液体の一部は、前面シュラウド４ａの図３（ａ）において上方にある隙間（前面シュラウド４ａの前面）にも進入する。けだし、前面シュラウド４ａの内周部とこれに対向するカバー部材２２の内面との間に形成されている第１ラビリンスシール部Ｌ１により堰止めされるため、前記昇圧された液体の一部は、前面シュラウド４ａの上面部にほぼ滞留する。

【0054】

第３空間Ｓ３に導入された液体は、そこから第２インペラ５内に進行し、該第２インペラ５によって再加速されつつ第２ポンプ室Ｒ２へと導出されるが、この液体は、第２ラビリンスシール部Ｌ２及び第３ラビリンスシール部Ｌ３により堰止めされるため、第２ポンプ室Ｒ２から前面シュラウド５ａの上方や背面シュラウド５ｂの下方にある隙間への液体の進入は阻止される。したがって、前面シュラウド５ａの上方にある隙間には前記第３空間Ｓ３に導入された液体がほぼ滞留し、背面シュラウド５ｂの下方にある隙間には前記第２空間Ｓ２に導入された液体がほぼ滞留する。

【0055】

ここで、第１インペラ４においては、前面シュラウド４ａの前面（上面）には案内羽根部材１０で昇圧された第３空間Ｓ３の液体圧力ｐ３が作用し、前面シュラウド４ａの背面（第１インペラ４の内側）には第１空間Ｓ１の前記昇圧以前の液体圧力ｐ１が作用する。また、第１空間Ｓ１を臨む背面シュラウド４ｂの前面（上面）には第１空間Ｓ１の液体圧力ｐ１が作用し、第３空間Ｓ３を臨む背面シュラウド４ｂの背面（下面）には第３空間Ｓ３の液体圧力ｐ３が作用する。ここで、第３空間Ｓ３の液体圧力ｐ３の方が第１空間Ｓ１の液体圧力ｐ１よりも高いため（ｐ３＞ｐ１）、スラストバランス機構を備えていない従来の２段遠心ポンプでは、図３（ｂ）の左欄に示すように、図３において上向き（吸入口方向）の比較的大きなスラスト力Ｆ１’が第１インペラ４に作用する。これに対して、スラストバランス機構を備えた本発明に係る２段遠心ポンプ１においては、前面シュラウド４ａで、図３において下向きの（反吸入口方向）のスラスト力Ｆ１downが作用し、且つ、背面シュラウド４ｂにおいては図３において上向き（吸入口方向）のスラスト力Ｆ１upが作用している。そして、これらの作用方向が相反するスラスト力Ｆ１up，Ｆ１downを総じて第１インペラ４には、図３（ｂ）の右欄に示すように、吸入口方向のスラスト力Ｆ１（＜Ｆ１’）が作用する。換言すると、本発明に係る２段遠心ポンプ１では、その第１インペラ４において、背面シュラウド４ｂの背面に従来生じていた吸入口方向のスラスト力Ｆ１’がスラストバランス機構である第１ラビリンスシール部Ｌ１を付加した前面シュラウド４ａの前面に生じる下向きのスラスト力Ｆ１downで相殺されてＦ１（＜Ｆ１’）に減少する。

【0056】

他方、第２インペラ５においては、スラストバランス機構を備えていない２段遠心ポンプでは、第２インペラ５の背面シュラウド５ｂの背面には、第２インペラ５の外周端から第２ポンプ室Ｒ２のボリュート部へと流出した不図示の液体圧力ｐ４が作用するが、前述のように、ボリュート部で昇圧された液体圧力ｐ４は、昇圧前である第２空間Ｓ２の圧力ｐ２及び第３空間Ｓ３の圧力ｐ３よりもさらに高いため（ｐ４＞ｐ３＞ｐ２）、図３（ｂ）の左欄に示すように、図３において上向き（吸入口方向）の比較的大きなスラスト力Ｆ２’が作用するのであるが、これに対して、スラストバランス機構である第２ラビリンスシール部Ｌ２、第３ラビリンスシール部Ｌ３及び連通路３ａを備えた本発明に係る２段遠心ポンプ１においては、その前面シュラウド５ａの前面（上面）と同前面シュラウド５ａの背面及び背面シュラウド５ｂの前面（すなわち第２インペラ５の内側）には第３空間Ｓ３の液体圧力ｐ３が作用し、そして、背面シュラウド５ｂの下面（第２インペラ５の外側かつ下面）には第２空間Ｓ２の液体圧力ｐ２が作用する。前述のように、案内羽根部材１０により昇圧された第３空間Ｓ３の液体圧力ｐ３は、昇圧前である第２空間Ｓ２の圧力ｐ２よりも高いため（ｐ３＞ｐ２）、第２インペラ５の前面シュラウド５ａでのスラスト力は、その表裏ではほぼ相殺されており、しかも、背面シュラウド５ｂにおいては、反吸入口方向（図３において下向き）のスラスト力Ｆ２が作用する。

【0057】

したがって、本実施の形態に係る２段遠心ポンプ１のロータ軸３には、上記相反するスラスト力Ｆ１，Ｆ２が共に作用することとなる。換言すると、本発明に係る２段遠心ポンプ１では、そのロータ軸３において、第１インペラ４に残る吸入口方向へのスラスト力Ｆ１が第２インペラ５で発生される下向きのスラスト力Ｆ２で相殺されている。このため、滑り軸受７，８がロータ軸３から受ける負荷が小さくなって該滑り軸受７，８の摩耗が抑えられ、これらの滑り軸受７，８の耐久性が高められる。そして、このような効果は、ロータ軸３にスラストバランスディスクを設けることなく得られるため、当該２段遠心ポンプ１の構造の複雑化や大型化を招くことがない。

【0058】

また、第１インペラ４によって昇圧された流体の第１空間Ｓ１への回り込みが第１ラビリンスシール部Ｌ１によって抑えられるとともに、第２インペラ５によって昇圧された流体の第２空間Ｓ２と第３空間Ｓ３への回り込みが第２ラビリンスシール部Ｌ２と第３ラビリンスシール部Ｌ３によって抑えられるため、液体の吐出流量が増えて当該２段ポンプ１のポンプ効率が高められる。

【0059】

そして、本実施の形態においては、追加部品を要することなく、ロータ軸３に軸方向の連通路３ａを形成するだけの簡単な構成によって第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とを連通させることができるため、当該２段遠心ポンプ１の構造単純化とコストダウンを図ることができる。

【0060】

また、本実施の形態に係る２段遠心ポンプ１においては、比較的高圧の流体が流れ込む第２空間Ｓ２の容積が比較的大きく設定されており、該第２空間Ｓ２がリザーバ室として機能する。すなわち、吸入口２２ａに連通しつつ容積が比較的大きく設定されたリザーバ室は、第２インペラ５によって昇圧された液体が第２ラビリンスシール部Ｌ２を越えて第２空間Ｓ２へと漏出した流れに伴う圧力変化が小さいので、上記第２空間Ｓ２の液体圧力ｐ２の変動が抑えられ、該液体圧力ｐ２に係る上記スラスト力Ｆ２を円滑に作用させることができるという効果も得られる。

【0061】

なお、以上の実施の形態においては、冷却液を取扱液体として用いる２段ウォータポンプに対して本発明を適用した例について説明したが、本発明は、冷却液以外の任意の液体を取扱液体として用いる２段遠心ポンプに対しても同様に適用可能である。

【0062】

また、実施形態では、第３ラビリンスシール部Ｌ３を第２インペラ５の前面シュラウド５ａの外周部に形成した例について説明したが、本発明は、これに限定されない。例えば、第３ラビリンスシール部Ｌ３を第２インペラ５の前面シュラウド５ａの径方向中間部や、或いは前面シュラウド５ａの内周部に形成することができる。これにより、反吸入口方向へ作用する上記スラスト力Ｆ２の大きさを調整することができるので、第１インペラ４のスラスト力Ｆ１と第２インペラ５のスラスト力Ｆ２とを適切に相殺させ滑り軸受７に作用するスラスト力を可及的に小さく抑えることができる。

【0063】

その他、本発明は、以上説明した実施の形態に適用が限定されるものではなく、特許請求の範囲及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。

【符号の説明】

【0064】

１ ２段遠心ポンプ
２ ポンプケース
２１ 筒状部
２１Ａ 隔壁
２２ カバー部材
２２ａ 吸入口
２３ ケース部材
２３Ａ 有底円筒部（リザーバ室）
３ ロータ軸
３ａ ロータ軸の連通路
４ 第１インペラ
４ａ 第１インペラの前面シュラウド
５ 第２インペラ
５ａ 第２インペラの前面シュラウド
５ｂ 第２インペラの背面シュラウド
６ 支軸
１０ 案内羽根部材
１４ ロータ
１５ ステータ
Ｌ１ 第１ラビリンスシール部
Ｌ２ 第２ラビリンスシール部
Ｌ３ 第３ラビリンスシール部
Ｍ モータ部（駆動源）
Ｐ ポンプ部
Ｒ１ 第１ポンプ室
Ｒ２ 第２ポンプ室
Ｓ１ 第１空間
Ｓ２ 第２空間
Ｓ３ 第３空間

【図1】

【図2】

【図3】