(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸芯を中心として回転される回転体であって、
前記軸芯側から径方向外側に流体を案内する内部流路を備え、
前記内部流路は、幾何学的に配列された複数の流路からなり、
前記流路として、
前記軸芯と交差する断面に沿って延在し、前記軸芯に沿う方向に複数形成され、かつ、外周面に接続された複数の交差流路と、
前記軸芯に沿う方向に延在し、前記交差流路同士を接続し、かつ、前記軸芯に沿う方向に向かう面に接続された軸芯方向流路と
を有し、
前記交差流路と前記軸芯方向流路とが格子状に配設されている
ことを特徴とする回転体。
【請求項２】
軸芯を中心として回転される回転体であって、
前記軸芯側から径方向外側に流体を案内する内部流路を備え、
前記内部流路は、幾何学的に配列された複数の流路からなり、
前記流路として、
前記軸芯と交差する断面に沿って延在し、前記軸芯に沿う方向に複数形成され、かつ、外周面に接続された複数の交差流路と、
前記軸芯に沿う方向に延在し、前記交差流路同士を接続し、かつ、前記軸芯に沿う方向に向かう面に接続された軸芯方向流路と
を有し、
前記交差流路と前記軸芯方向流路とが井桁状に配設されている
ことを特徴とする回転体。
【請求項３】
軸芯を中心として回転される回転体であって、
前記軸芯側から径方向外側に流体を案内する内部流路を備え、
前記内部流路は、幾何学的に配列された複数の流路からなり、
前記流路として、
前記軸芯と交差する断面に沿って延在し、前記軸芯に沿う方向に複数形成され、かつ、外周面に接続された複数の交差流路と、
前記軸芯に沿う方向に延在し、前記交差流路同士を接続し、かつ、前記軸芯に沿う方向に向かう面に接続された軸芯方向流路と
を有し、
前記交差流路は、
前記軸芯に対して同心円状に形成された第１横流路と、
前記軸芯に対して放射状に形成された第２横流路と
を有する
ことを特徴とする回転体。
【請求項４】
前記外周面と前記軸芯方向流路が接続される面である底面との境界に立設される境界壁を有することを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の回転体。
【請求項５】
前記軸芯に沿う方向から見て円形であると共に前記交差流路が接続される前記外周面と、
前記外周面と屈曲して接続されると共に前記軸芯方向流路が接続される円状の底面と
を有する円柱体に形状設定されている
ことを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載の回転体。
【請求項６】
前記回転体の前記内部流路の容積の割合を示す空隙率が４０％以上であることを特徴とする請求項１記載の回転体。
【請求項７】
回転体と、当該回転体を囲うケーシングと、当該回転体を回転させる動力源とを有する回転機械であって、
前記回転体として、請求項１〜６いずれか一項に記載の回転体を備えることを特徴とする回転機械。
【請求項８】
回転体と、当該回転体を囲うケーシングと、当該回転体を回転させる動力源とを有し、流体を輸送するポンプであって、
前記回転体として、請求項１〜６いずれか一項に記載の回転体を備えることを特徴とするポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体、回転機械及びポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、複数枚のブレードを有するインペラを備えたポンプが開示されている。このようなポンプでは、インペラを回転させ、ブレードを液体に衝突させることで、液体を輸送している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５４８４９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このようなインペラが備えるブレードは、液体との接触面積が広い。このため、インペラ回転時におけるブレードに作用する付加質量が大きい。さらに、ブレードの場合、流入の不均一流れによって、各々のブレードに作用する付加質量が均一とならない。このため、従来のインペラにおいては、付加質量のバラツキが大きくなることを避けられない。このように、付加質量のバラツキが大きいと、インペラ周囲の圧力分布のバラツキが大きくなり、振動の原因となる。また、このような振動は、インペラを備える他の回転機械（例えば撹拌装置）も同様に生じる。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、振動が少ない、低比速度の回転機械を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、回転体に係る第１の手段として、軸芯を中心として回転される回転体であって、上記軸芯側から径方向外側に流体を案内する内部流路を備え、上記内部流路は、幾何学的に配列された複数の流路からなり、上記流路として、上記軸芯と交差する断面に沿って延在し、上記軸芯に沿う方向に複数形成され、かつ、外周面に接続された複数の交差流路と、上記軸芯に沿う方向に延在し、上記交差流路同士を接続し、かつ、上記軸芯に沿う方向に向かう面に接続された軸芯方向流路とを有する、という構成を採用する。
【０００７】
本発明では、回転体に係る第２の手段として、上記第１の解決手段において、上記外周面と上記軸芯方向流路が接続される面との境界に立設される境界壁を有する、という構成を採用する。
【０００８】
本発明では、回転体に係る第３の手段として、上記第１または第２の解決手段において、上記軸芯に沿う方向から見て円形であると共に上記交差流路が接続される外周面と、上記外周面と屈曲して接続されると共に上記軸芯方向流路が接続される円状の底面とを有する円柱体に形状設定されている、という構成を採用する。
【０００９】
本発明では、回転体に係る第４の手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、上記交差流路と上記軸芯方向流路とが格子状に配設されている、という構成を採用する。
【００１０】
本発明では、回転体に係る第５の手段として、上記第４の解決手段において、回転体の上記内部流路の容積の割合を示す空隙率が４０％以上である、という構成を採用する。
【００１１】
本発明では、回転体に係る第６の手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、上記交差流路と上記軸芯方向流路とが井桁状に配設されている、という構成を採用する。
【００１２】
本発明では、回転機械に係る第１の手段として、回転体と、当該回転体を囲うケーシングと、当該回転体を回転させる動力源とを有する回転機械であって、上記第１〜第６の解決手段のいずれかに記載の回転体を備える、という構成を採用する。
【００１３】
本発明では、ポンプに係る第１の手段として、回転体と、当該回転体を囲うケーシングと、当該回転体を回転させる動力源とを有し、流体を輸送するポンプであって、上記回転体として、上記第１〜第６の解決手段のいずれかに記載の回転体を備える、という構成を採用する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、軸芯方向流路から流入した流体を遠心力によって交差流路を通じて外周面に露出された開口から吐出する。このため、ブレードを流体に衝突させることなく、流体に運動エネルギを付与することができる。したがって、本発明によれば、付加質量が大きなブレードを用いることなく、流体の輸送等ができ、振動が少ない、低比速度の回転機械を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係るポンプの装置構成図である。
【図２】本発明の（ａ）は第１実施形態に係るポンプが備える回転体の底面側からの斜視図であり、（ｂ）は上面側からの斜視図であり、（ｃ）は回転軸芯Ｌ１を通る面における回転体の断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る回転体の内部流路の拡大図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るポンプの内部流路の幅、柱の幅及び回転速度を変化させたときの流量と、性能の関係を示したグラフである。
【図５】本発明の第１実施形態に係るポンプと各種ポンプの比速度と効率比との関係を示したグラフである。
【図６】本発明の第１実施形態に係るポンプの内部流路の幅、柱の幅及び回転速度を変化させたときの効率比と比速度との関係を示すグラフである。
【図７】回転数３３００ｒｐｍにてそれぞれ回転させた際の、本実施形態のポンプにおける振動と、インペラを備えた従来のポンプにおける振動とを比較したグラフである。
【図８】本実施形態のポンプにおいて、内部流路の幅と柱の幅を変化させたときの、回転数ごとの揚程の違いを表したグラフである。
【図９】回転数３０００ｒｐｍ、揚程０ｍでの、空隙率の異なる回転体の水量（水の送液量）の関係を表したグラフである。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る曝気装置の装置構成図である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る曝気装置の変形例を示す装置構成図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る曝気装置の実験機を示す装置構成図である。
【図１３】図１２に示す曝気装置の実験機において測定した、図２に示す回転体の曝気量と回転数の関係を表したグラフである。
【図１４】図１２に示す曝気装置の実験機において測定した、図２に示す底面を塞いだ形態の回転体の曝気量と回転数の関係を表したグラフである。
【図１５】液流量計を備えた実験機において測定した、回転体への水の流入量（送液量）及び曝気量と、回転数との関係を表したグラフである。
【図１６】図１５と同じ実験機において計測した、第１実施形態のようにポンプとして使用した場合の回転体の送液量と内部流路の幅との関係、第２実施形態のように曝気装置として使用した場合の回転体の曝気量と内部流路の幅との関係を表したグラフである。
【図１７】図１２に示す曝気装置の実験機において計測した、回転体に加わる水圧（圧力）と曝気量の関係を表したグラフである。
【図１８】本発明の第２実施形態の曝気装置の変形例に係る回転体の上面側からの斜視図である。
【図１９】図１８に示す回転体の内部流路の拡大図である。
【図２０】図１２に示す曝気装置の実験機において計測した、図１８に示す回転体の曝気量と回転数の関係を表したグラフである。
【図２１】図１２に示す曝気装置の実験機において撮影した、図１８に示す回転体の曝気の様子を示す画像である。
【図２２】本発明の第１実施形態に係るポンプの変形例である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明に係る回転体、回転機械及びポンプＰの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１７】
[第１実施形態]
本発明の第１実施形態であるポンプＰについて、図１〜図５を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るポンプＰの概略構成図である。本実施形態に係るポンプＰは、図１に示すように、回転体１、シャフト２、モータ３（動力源）、ケーシング４及びボルト５（図２（ｃ）参照）を備えている。このようなポンプＰは、回転体１の中心にシャフト２が接続されており、さらにシャフト２にはモータ３が接続されている。また、回転体１の外側はケーシング４によって囲われている。
【００１８】
図２（ａ）は回転体１の底面１１側から見た斜視図であり、（ｂ）は上面１３側から見た斜視図であり、（ｃ）は回転軸芯Ｌ１を通る面における回転体１の断面図である。また、図３は、回転体１の内部流路１０の拡大図である。回転体１は、図２に示すように、円柱体に形状設定され、当該円柱体の中心軸が回転軸芯Ｌ１とされている。また、回転体１は、内部流路１０と、底面１１と、外周面１２と、上面１３と、境界壁１４とを有している。内部流路１０は、回転体１の内部を流体が流通するための流路であり、横流路１０ａ（交差流路）と、縦流路１０ｂ（軸芯方向流路）とを有している。
【００１９】
横流路１０ａは、図３に示すように、第１横流路１０ｃと、第１横流路１０ｃと直交する第２横流路１０ｄとからなる。第１横流路１０ｃは、回転体１の回転軸芯Ｌ１と直交する断面に沿って延在する流路であり、同一断面に沿って複数形成されている。これら複数の第１横流路１０ｃは、上記断面に対してそれぞれが平行にかつ等間隔に配置されており、その両端が外周面１２と接続している。さらに、第１横流路１０ｃは、回転軸芯Ｌ１に沿う方向にも多数配列されている。
【００２０】
第２横流路１０ｄは、第１横流路１０ｃが延在する断面と同一断面に沿って延在する流路であり、当該断面に沿って複数形成されている。これらの第２横流路は、第１横流路１０ｃに対して直交して接続されている。これら複数の第２横流路１０ｄは、それぞれが平行にかつ等間隔に配置されており、その両端が外周面１２と接続している。また、第２横流路１０ｄは、回転軸芯Ｌ１に沿う方向にも複数の断面に沿って多数配列されており、多層構造とされている。
【００２１】
これらの第１横流路１０ｃと第２横流路１０ｄとは同一断面において格子状に配設されている。また、第１横流路１０ｃ及び第２横流路１０ｄとは、上述のように回転軸芯Ｌ１に沿う方向に多数配列されている。このため、内部流路１０は、同一断面に沿って格子状に交差された第１横流路１０ｃと第２横流路１０ｄとの組が、回転軸芯Ｌ１に沿う方向に多数配列された多層構造とされている。
【００２２】
縦流路１０ｂは、回転体１の回転軸芯Ｌ１に対して平行に設けられた流路であり、複数形成されている。これら複数の縦流路１０ｂは、等間隔で配列されており、一端が底面１１と接続している。また、縦流路１０ｂは、第１横流路１０ｃ及び第２横流路１０ｄの接続箇所に接続している。これにより、全体としては、横流路１０ａと縦流路１０ｂとが格子状に配設されている。
【００２３】
このような内部流路１０は、幾何学的に配列された横流路１０ａ及び縦流路１０ｂからなる。なお、幾何学的な配列とは、一定の規則性を有して配列されることを意味し、例えば等間隔での上下左右あるいは／及び斜めに配列される場合や、配列間隔が一定の規則性を持って増加あるいは減少して上下左右あるいは／及び斜めに配列される場合や、所定のパターン配列から成る単位を繰り返し並べることによって上下左右あるいは／及び斜めに配列される場合を含む。また、内部流路１０が形成されることにより、回転体１の内部は、同じ太さの複数の柱を格子状に組んだ形状となっている。なお、本実施形態においては、回転体１の内部の柱と内部流路１０（空隙）の間隔は、どの位置においても一定である。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、底面１１は、回転軸芯Ｌ１に沿う方向から見て円状となっている。この底面１１は、流入開口１１ａと、ボルト差込口１１ｂとを有している。流入開口１１ａは、縦流路１０ｂが底面１１に接続されることにより形成された開口であり、底面１１全体に等間隔に並んで並列されている。この流入開口１１ａより、流体は内部流路１０に流入する。
【００２５】
外周面１２は、回転体１の周面であり、回転軸芯Ｌ１方向から見て円形である。また、外周面１２は、吐出開口１２ａを有している。吐出開口１２ａは、横流路１０ａが外周面１２に接続することで形成された開口であり、外周面１２に等間隔に並んでいる。この吐出開口１２ａより、内部流路１０内の流体は回転軸芯Ｌ１側から径方向外側へと吐出する。
【００２６】
図２（ｂ）に示すように、上面１３は、回転軸芯Ｌ１に沿う方向から見て円状となっており、底面１１と平行とされている。また、上面１３は、図２（ｃ）に示すように、中心にボルト挿入口１３ａを有している。なお、この上面１３には、ボルト挿入口１３ａ以外に開口はなく、流体が上面１３から流出することがないようになっている。ボルト挿入口１３ａは、ボルト５が挿通される開口であり、ボルト差込口１１ｂと連通されている。
【００２７】
境界壁１４は、底面１１の端部に形成されている。この境界壁１４は、回転軸芯Ｌ１に沿う方向から見て円環状とされ、底面１１から上面１３と反対側に突出するように形成されている。すなわち、境界壁１４は、外周面１２と底面１１との境界に立設されている。
この境界壁１４は、吐出開口１２ａより吐出された流体が流入開口１１ａへ逆流することを防止している。
【００２８】
ボルト５は、回転体１とシャフト２とを締結する。このボルト５は、底面１１のボルト差込口１１ｂからボルト挿入口１３ａへと挿入され、さらに、シャフト２のタップ２ａのネジ穴に挿入されている。これにより、ボルト５は、回転体１とシャフト２とを締結する。
【００２９】
シャフト２は、モータ３の回転運動を回転体１に伝達する回転軸である。図２（ｃ）に示すように、シャフト２は、タップ２ａを有している。タップ２ａは、シャフト２の一端に設けられている。このタップ２ａにボルト５が螺合することで、シャフト２と回転体１とが締結される。モータ３は本発明における動力源であり、モータ３の動力によって回転体１は回転する。また、モータ３は不図示の電源に接続されている。
【００３０】
図１に戻り、ケーシング４は、回転体１の周囲を囲っており、流入口４ａと、吐出口４ｂと、シャフト開口４ｃとを有している。流入口４ａは、ケーシング４の底面１１側に形成されており、外部からポンプＰに流体を取り込むための開口である。この流入口４ａは、例えば、不図示の配管又はホースが接続されている。吐出口４ｂは、ケーシング４の外周面１２側の２か所に形成された開口である。２つの吐出口４ｂは、対向的に配置されている。この吐出口４ｂは、回転体１から吐出された流体をポンプＰの外部へと吐出するために設けられている。シャフト開口４ｃは、回転体１に接続されたシャフト２を通すための開口であり、上面１３側の中央に設けられている。なお、シャフト開口４ｃは、不図示のシール部材によりシールされている。
【００３１】
このようなポンプＰは、流体を吸入及び吐出することで流体を輸送するポンプである。
なお、本願の流体には、液体のみ、液体に気体あるいは／及び固体が含まれた流体、気体のみ、気体に固体が含まれた流体を含む。また、本願の流体は、ニュートン流体に限られるものではなく、例えば、ダイラタンシー流体等の非ニュートン流体を含む。
【００３２】
以下、上記の構成を採用する本実施形態に係るポンプＰが、例として液体Ｘを輸送するときの動作を説明する。
モータ３が駆動すると、シャフト２が回転し、回転体１もシャフト２と共に回転される。回転体１には、回転軸芯Ｌ１側から径方向外側に向かって、回転による遠心力がはたらく。回転体１の内部流路１０内にある液体Ｘは、遠心力により外周面１２の吐出開口１２ａより、吐出口４ｂを介して外部へと吐出される。これにより、回転体１の内部流路１０が負圧となり、流入口４ａから内部流路１０に引き込む方向に吸引力が作用する。
【００３３】
この吸引力により、流入口４ａより液体Ｘが流入する。流入した液体Ｘは、流入開口１１ａより縦流路１０ｂへと供給される。縦流路１０ｂ内部の液体Ｘは、回転軸芯Ｌ１の径方向外側にはたらく遠心力により、横流路１０ａへと流入し、加速され、外周面１２の吐出開口１２ａより吐出口４ｂを介して外部に吐出される。このとき、吐出開口１２ａから流入開口１１ａへと逆流しようとする液体Ｘは、境界壁１４によって阻まれ、逆流することが抑止される。
【００３４】
続いて、本実施形態のポンプＰの性能を検証するために行った実験について、図４〜図８を参照して説明する。
【００３５】
図４は、ポンプＰの内部流路１０の幅Ａ、柱の幅及び回転速度を変化させたときの流量と、性能の関係を示したグラフである。図４に示すグラフの横軸はポンプＰの流量（Ｌ／ｍｉｎ）であり、縦軸は揚程（ｍ）及び効率比である。図４に示すグラフの実線で表されるデータは、本実施形態の回転体１の内部流路１０の流路幅Ａと柱の幅について、内部流路５ｍｍ柱３ｍｍ（回転数１５００ｒｐｍ）、内部流路５ｍｍ柱５ｍｍ（回転数１５００ｒｐｍ）、内部流路３ｍｍ柱３ｍｍ（回転数１５００ｒｐｍ）とした場合の揚程を流量ごとに計測したものである。また、点線で表されるデータは、内部流路５ｍｍ柱３ｍｍ（回転数１５００ｒｐｍ）、内部流路５ｍｍ柱５ｍｍ（回転数１５００ｒｐｍ）、内部流路３ｍｍ柱３ｍｍ（回転数１５００ｒｐｍ）、内部流路３ｍｍ柱５ｍｍ（回転数２０００ｒｐｍ）とした場合の効率比を流量ごとに計測したものである。なお、効率比は、内部流路５ｍｍ柱３ｍｍ（回転数１５００ｒｐｍ）の最大効率を１とする。
【００３６】
ところで、ポンプの選定に当たっては、最大効率時の回転速度ｎ、排出流量Ｑ及び揚程Ｈと、下式（１）とに基づいて算出される比速度Ｎｐが用いられる。ここで、図４に示されるグラフによれば、ポンプＰの効率が最大となるのは、内部流路５ｍｍ柱３ｍｍ（回転数１５００ｒｐｍ）の流量が３．２Ｌ／ｍｉｎの場合である。最大効率のときの揚程Ｈは０．５５ｍであることから、下式（１）より、高効率時における比速度Ｎｐを算出することができる。この式（１）より、ポンプＰの比速度Ｎｐは、１３５であるとわかる。
【００３７】
【数１】
0006785000.tif 000002
【００３８】
図５は、ポンプＰと各種ポンプの比速度と効率比との関係を示したグラフである。一般的に、ポンプの高効率時の比速度Ｎｐは、ポンプの大きさに関らず、ポンプの形状ごとに一定である。従来のポンプでは、高効率時における比速度Ｎｐが、容積式で１００以下、遠心式で１５０程度、斜流式や軸流式は１０００以上であり、高効率時の比速度Ｎｐが１００〜１５０の間のポンプが現状では存在していない。ポンプＰは、比速度Ｎｐが１３５であり、図５に示すように、容積式と遠心式等のターボ機械との中間程度の値であることから、従来にはない低比速度ポンプである。
【００３９】
また、回転体１の排出流量Ｑは、１つの内部流路１０の幅Ａ及び１つの柱の幅の合計をＬとすると、下式（２）により求められる。なお、Ｄは回転体１の直径、Ｔは境界壁１４を除いた回転体１の高さ、φは流量係数（定数）を表している。この式（１）及び（２）を用いると、必要とされる揚程Ｈから、下式（３）より、必要とされる回転体１のＡとＬとの比率（Ａ／Ｌ）を算出することが可能である。なお、この式（３）は、回転速度ｎに、モータ３の回転速度Ｎ（定数）を代入している。このＡとＬとの比率（Ａ／Ｌ）を算出することで、回転体１の空隙率（回転体１の流路容積の割合）が決定される。したがって、必要とされる揚程から、回転体１の空隙率を導出することが可能である。なお、回転体１の理論空隙率αは、下式（２）の（Ａ／Ｌ）を用い、下式（４）により求められる。
【００４０】
【数２】
0006785000.tif 000003
【００４１】
【数３】
0006785000.tif 000004
【００４２】
【数４】
0006785000.tif 000005
【００４３】
また、ＡとＬとの比率（Ａ／Ｌ）を決定したときに、式（２）及び（３）から算出される揚程Ｈ及び排出流量Ｑの理論値と、実際にポンプＰを稼働させて計測した実験値との比較を表１に示す。表１に示すように、理論値と実験値とを比較して、揚程に大きな差がない。したがって、式（３）はＡとＬとの比率からポンプ性能を推測することに有効である。
【００４４】
【表１】
0006785000.tif 000006
【００４５】
図６は、ポンプＰの内部流路１０の幅Ａ、柱の幅及び回転速度を変化させたときの効率比と比速度との関係を示すグラフである。図６のグラフによれば、ポンプＰの回転速度に関らず、最大効率時の比速度は同程度であることが示されている。したがって、比速度は、回転速度について、相似則が成り立つ。また、式（１）には、回転体１の体積を示すパラメータが存在しない。このことから、回転体１の体積を変化させても、比速度が変化しないことがわかる。つまり、式（１）には、比速度は、体積についても、相似則が成り立つ。
【００４６】
図７は、回転数３３００ｒｐｍにてそれぞれ運転を行った際の、本実施形態のポンプＰにおける振動と、インペラを備えた従来のポンプにおける振動とを比較したグラフである。図７に示すグラフの横軸は時間（ｓ）を示し、縦軸は振動による加速度（ｍ／ｓ２）を示している。なお、破線は、ＪＩＳ規格における振動基準データの回転数３３００ｒｐｍにおける振動による加速度（ｍ／ｓ２）を示している。
【００４７】
このグラフが示すように、インペラを備えた従来のポンプを駆動したときの振動による加速度と、本実施形態のポンプＰを駆動させたときの加速度とを比較すると、本実施形態のポンプＰの加速度の方が平均的に下回っている。また、本実施形態のポンプＰは、ＪＩＳの振動基準（Ｂ８３０１）の加速度を常に下回っている。つまり、本実施形態のポンプＰは、インペラを備えた従来のポンプと比較して振動が少ないと言える。
【００４８】
図８は、本実施形態のポンプＰにおいて、内部流路１０の幅Ａと柱の幅を変化させたときの、回転速度との揚程の違いを表したグラフである。縦軸は揚程（単位：ｍｍ）を表し、横軸は回転速度（単位：ｒｐｍ）を表す。図８に示すグラフでは、従来のポンプＰと、本実施形態のポンプＰにおいて内部流路３ｍｍ柱５ｍｍ、内部流路４ｍｍ柱４ｍｍ、内部流路５ｍｍ柱３ｍｍとした場合の揚程を表している。
【００４９】
このグラフに示すように、内部流路１０の幅Ａが広く、柱の太さが細く内部流路１０の幅が広いほど、内部流路１０に流通する液体Ｘの量は増加するため、揚程は高くなる。また、内部流路３ｍｍ柱５ｍｍ、内部流路４ｍｍ柱４ｍｍ、内部流路５ｍｍ柱３ｍｍの場合の結果を比較すると、内部流路４ｍｍ柱４ｍｍ、内部流路５ｍｍ柱３ｍｍにおいて特に高い揚程が得られている。内部流路１０の幅Ａ及び柱の幅から求められるＡとＬとの比率（Ａ／Ｌ）から、回転体１の空隙率を算出することができる。上記結果に基づき、高い揚程を得られる回転体１の空隙率（理論空隙率α）を算出すると、４０％以上であることが好ましいといえる。また、いずれの回転速度の場合においても、従来のポンプの揚程と比較して、本実施形態のポンプＰの揚程は高いことを示している。
【００５０】
図９は、回転数３０００ｒｐｍ、揚程０ｍでの、空隙率の異なる回転体１の水量（水の送液量）の関係を表したグラフである。図９に示すグラフの横軸は理論空隙率（‐）を示し、縦軸は流量（Ｌ／ｍｉｎ）を示している。また、図９に示すグラフでは、空隙なし（内部流路０ｍｍ）、内部流路３ｍｍ柱５ｍｍ、内部流路３ｍｍ柱３ｍｍ、内部流路５ｍｍ柱３ｍｍとした場合の流量を表している。
【００５１】
このグラフに示すように、回転体１の空隙率の上昇に伴い、流量が増加することが分かる。また、内部流路３ｍｍ柱５ｍｍ、内部流路３ｍｍ柱３ｍｍ、内部流路５ｍｍ柱３ｍｍの場合の結果から、理論空隙率が０．８程度までは、上式（２）に示すように、（Ａ／Ｌ）が大きいと流量が大きくなるという傾向と一致していることが分かる。なお、空隙なし（内部流路０ｍｍ）の回転体１は、回転体１の回転によって、この回転体１の表面と水の摩擦によって水流が発生している。
【００５２】
以上に説明したような本実施形態に係るポンプＰは、回転体１に、内部流路１０として横流路１０ａと、縦流路１０ｂとを備える。本実施形態に係るポンプＰは、この回転体１を回転させることで、遠心力により流体を輸送している。このため、ブレードを用いることなく流体を輸送することが可能となり、振動の原因となるブレードを排除することができる。したがって、振動が少ない、低比速度の回転機械を実現できる。
【００５３】
また、本実施形態に係る回転体１は、境界壁１４を備える。これにより、吐出開口１２ａから流入開口１１ａへと流体が逆流することを防いでいる。したがって、ポンプＰの損失を減少させることができ、ポンプＰの揚程と流量をより向上させることができる。
【００５４】
また、本実施形態に係る回転体１は、横流路１０ａと縦流路１０ｂとが格子状に配設されている。これにより、内部流路１０の形状に規則性を生じ、回転体１を備えるポンプ性能の推測が容易となる。
【００５５】
また、本実施形態に係る回転体１は、上記各実験の結果から、内部流路１０の空隙率を４０％以上とすると、好ましい揚程を得ることが可能である。さらに、回転数を調整できない場合は、回転体１の空隙率を調節することで、ポンプＰの要求される揚程及び流量を調節することができる。
【００５６】
［第２実施形態］
本発明に係る回転機械の第２実施形態である曝気装置について、図１０を参照して説明する。なお、本実施形態に係る曝気装置において、第１実施形態と共通する部分については同一の符号を用い、説明は省略する。図１０は、本実施形態に係る曝気装置の装置構成図である。
【００５７】
本実施形態に係る曝気装置は、図１０に示すように、回転体１と、モータ３と、中空シャフト６とを備えている。このような曝気装置において、回転体１は水槽内の液体Ｙの中に設置され、中空シャフト６のモータ３側（上側）の一部は気体Ｚと触れる位置に設置される。
【００５８】
本実施形態における回転体１は、第１実施形態と内部流路１０は同一の構成を有するが、底面１１のボルト差込口１１ｂ及び上面１３のボルト挿入口１３ａを設けず、例えば、上面１３に中空シャフト６が接着や嵌合等の方法によって接続されている。また、回転体１は境界壁１４を備えている必要はない。
【００５９】
中空シャフト６は、内部に流路６ａを有する中空構造となっている。また、中空シャフト６は、回転体１の上面１３に当接して固定されている。流路６ａは、回転体１に気体Ｚを取り込むための空間である。この流路６ａは、回転体１の内部流路１０（図２等参照）に接続されている。また、中空シャフト６は、気体取込口６ｂを有している。気体取込口６ｂは、気体Ｚを流路６ａへと取り込むために設けられた複数の開口であり、流路６ａのモータ３側（上側）の気体Ｚと接する位置に設けられる。
【００６０】
このような曝気装置を駆動すると、中空シャフト６と回転体１は伴って回転される。回転により遠心力が働き、内部流路１０内部の液体Ｙが外周面１２の吐出開口１２ａより押し出される。これにより、内部流路１０の内部は負圧となり、底面１１側から液体Ｙが内部流路１０に流入する。さらに、内部流路１０と接続された中空シャフト６の流路６ａも負圧となり、気体Ｚが気体取込口６ｂより流入する。これにより、流路６ａを介して内部流路１０へ気体Ｚが流入する。
【００６１】
流入した気体Ｚは、内部流路１０内で液体Ｙの流れと柱によって微細な気泡となる。気体Ｚは、液体Ｙの流れと柱によって内部流路１０内で撹拌されつつ吐出開口１２ａより吐出される。このような曝気装置によれば、気体Ｚは、細かい気泡として液体Ｙ中に吐出されるため、液体Ｙと接触する表面積が大きくなり、液体Ｙに溶け込みやすくなる。
【００６２】
また、図１１に示すように、回転体１の下方に気体Ｚを案内する配管１５を設置し、気体Ｚを回転体１の内部に取り込むようにしても良い。このような場合には、中空シャフト６を設ける必要はなく、中実のシャフト２によってモータ３と回転体１とを接続すれば良い。なお、気体取込口１５ａにブロワを接続することで、より多くの気体Ｚを取り込むことができる。
【００６３】
図１２は、本発明の第２実施形態に係る曝気装置の実験機を示す装置構成図である。
この実験機は、図１２に示すように、回転体１と、モータ３と、中空シャフト６と、水槽２０と、測定器３０と、風速計３１と、カメラ３２とを備えている。回転体１は、水槽２０内の液体Ｙの中に設置されている。中空シャフト６は、円筒状に形成されており、流路６ａの下端が回転体１に接続され、流路６ａの上端が大気に開放されている。
【００６４】
モータ３は、出力軸に接続されたプーリ３ａと、中空シャフト６に接続されたプーリ３ｂと、プーリ３ａ，３ｂに架設されたベルト３ｃと、を備えている。モータ３によってプーリ３ａが回転すると、ベルト３ｃを介してプーリ３ｂが回転し、中空シャフト６と共に回転体１が回転する。
測定器３０は、モータ３に接続され、モータ３のトルク、回転速度等を測定する。
【００６５】
風速計３１は、中空シャフト６の流路６ａの上端開口の近傍に配置された熱線流速測定子３１ａを有する。この風速計３１は、熱線流速測定子３１ａで測定した空気の主流速にハーゲン・ポアズイユ流れ（Hagen-Poiseuille flow）を適用し、流量に変換している。
カメラ３２は、水槽２０の下方に配置され、回転体１による曝気の様子を底面１１側から撮影する。このカメラ３２は、高速度カメラを使用することが好ましい。
【００６６】
図１３は、図１２に示す曝気装置の実験機において測定した、図２に示す回転体１の曝気量と回転数の関係を表したグラフである。図１３に示すグラフの横軸は回転数（ｒｐｍ）であり、縦軸は曝気量（Ｌ／ｍｉｎ）を示している。また、図１３に示すグラフでは、内部流路３ｍｍ柱３ｍｍの回転体１を水深１４０ｍｍで回転させた場合の曝気量を示している。なお、ここでいう水深は、回転体１の上面１３の位置を基準（ゼロ）としたものである。
【００６７】
このグラフに示すように、回転体１の回転数の上昇に伴い、曝気量が増加することが分かる。また、このグラフによれば、回転体１が、曝気装置として使用可能であることが分かる。
【００６８】
図１４は、図１２に示す曝気装置の実験機において測定した、図２に示す底面１１を塞いだ形態の回転体１の曝気量と回転数の関係を表したグラフである。図１４に示すグラフの横軸は回転数（ｒｐｍ）であり、縦軸は曝気量（Ｌ／ｍｉｎ）を示している。また、図１４に示すグラフでは、内部流路３ｍｍ柱３ｍｍの回転体１の底面１１を塞いだものを水深０ｍｍ、水深１６０ｍｍで回転させた場合の曝気量を示している。
【００６９】
このグラフに示すように、底面１１を塞いだ形態であっても回転体１の回転数の上昇に伴い、曝気量が増加することが分かる。また、このグラフによれば、回転体１の水深位置によって曝気量が異なることが分かる。具体的に、水深０ｍｍ、水深１６０ｍｍの結果を比較すると、水深１６０ｍｍの方が回転数に対する曝気量の上昇率が大きい。
また、回転数２０００ｒｐｍで、図１３と比較すると、回転体１の底面１１を塞いだ図１４の方が曝気量は少ない。このため、曝気量を多くするためには、図２に示すように回転体１の底面１１を塞がない形態の方が好ましいことが分かる。
【００７０】
図１５は、液流量計を備えた実験機において測定した、回転体１への水の流入量（送液量）及び曝気量と、回転数との関係を表したグラフである。図１５に示すグラフの横軸は回転数（ｒｐｍ）であり、縦軸は気液流量（Ｌ／ｍｉｎ）を示している。また、図１５に示すグラフでは、内部流路３ｍｍ柱３ｍｍの回転体１（底面１１を塞いでないもの）を回転させた場合の気液流量を示している。回転体１への水の流入量は、例えば、図１に示す流入口４ａ等に液流量計を設置することで測定することができる。
【００７１】
このグラフに示すように、曝気時の回転体１への水の流入量（送液量）は、回転体１の回転数と共に増加することが分かる。なお、図１５に示す曝気量は、液流量計の設置による機械抵抗の増加のため、参考値とする。
【００７２】
図１６は、図１５と同じ実験機において計測した、第１実施形態のようにポンプとして使用した場合の回転体１の送液量と内部流路１０の幅Ａとの関係、第２実施形態のように曝気装置として使用した場合の回転体１の曝気量と内部流路１０の幅Ａとの関係を表したグラフである。図１６に示すグラフの横軸は第１実施形態、第２実施形態（共に低速回転時１５００ｒｐｍ）、第２実施形態の高速回転時７５００ｒｐｍであり、縦軸は気液流量（Ｌ／ｍｉｎ）を示している。また、第１実施形態では、内部流路３ｍｍ柱５ｍｍ、内部流路５ｍｍ柱３ｍｍの結果を示し、第２実施形態では、内部流路２．５ｍｍ柱３．５ｍｍ、内部流路３．５ｍｍ柱２．５ｍｍの結果を示している。なお、第１実施形態での送液量は、揚程０．５ｍ時のものである。
【００７３】
このグラフに示すように、第２実施形態（曝気）の低速回転時（１５００ｒｐｍ）は、第１実施形態（送液）と同様に、内部流路１０の幅Ａが広く、柱の太さが細く内部流路１０の幅が広いほど曝気量が増加する、すなわち、上式（２）で示すように（Ａ／Ｌ）が大きいほど流量Ｑが増加する傾向と同様であることが分かる。しかしながら、第２実施形態（曝気）の高速回転時（７５００ｒｐｍ）では、内部流路２．５ｍｍ柱３．５ｍｍの方が、内部流路３．５ｍｍ柱２．５ｍｍよりも曝気量が多く、上式（２）とは逆の傾向があることが分かる。
【００７４】
図１７は、図１２に示す曝気装置の実験機において計測した、回転体１に加わる水圧（圧力）と曝気量の関係を表したグラフである。図１７に示すグラフの横軸は圧力（ｋＰａ（Ｇ））であり、縦軸は気液流量（Ｌ／ｍｉｎ）を示している。図１７に示すグラフでは、回転体１の回転数を１５００ｒｐｍ、３０００ｒｐｍ、５０００ｒｐｍとした場合の曝気量を示している。なお、水圧は、回転体１の水深を圧力に変換したものである。
【００７５】
このグラフに示すように、回転体１への水圧の有無によって曝気量が異なることが分かる。このグラフによれば、回転体１の高速回転時（３０００ｒｐｍ、５０００ｒｐｍ）では、水圧０ｋＰａよりも水圧１．６ｋＰａの方が曝気量は多くなるため、水圧の増加によって内部流路１０の幅Ａが小さくなり、図１６の高速回転時（７５００ｒｐｍ）と同じ状態になったことによって、曝気量が増加したと考えられる。一方、回転体１の低速回転時（１５００ｒｐｍ）では、水圧０ｋＰａよりも水圧１．６ｋＰａの方が曝気量は少なくなるため、水圧の存在によって曝気量が減少したと考えられる。なお、極端に水圧が大きい場合、すなわち、極端に回転体１の水深が大きい場合は、曝気量は０（ゼロ）になる。
【００７６】
図１８は、本発明の第２実施形態の曝気装置の変形例に係る回転体１Ａの上面１３側からの斜視図である。図１９は、図１８に示す回転体１Ａの内部流路１０の拡大図である。
この回転体１Ａでは、図１８及び図１９に示すように、横流路１０ａ（交差流路）と、縦流路１０ｂ（軸芯方向流路）とが井桁状に配設されている。
【００７７】
横流路１０ａは、図１９に示すように、第１横流路１０ｃと、第１横流路１０ｃと直交する第２横流路１０ｄとからなる。第１横流路１０ｃは、回転体１の回転軸芯Ｌ１と直交する断面に沿って延在する流路であり、同一断面に沿って複数形成されている。第２横流路１０ｄは、第１横流路１０ｃが延在する断面とは異なる断面に沿って延在する流路であり、当該断面に沿って複数形成されている。このように、内部流路１０は、異なる断面において交差して配置された第１横流路１０ｃと第２横流路１０ｄとの組が、回転軸芯Ｌ１に沿う方向に多数配列された井桁状の多層構造とされている。なお、縦流路１０ｂは、異なる断面において交差する第１横流路１０ｃと第２横流路１０ｄとの交差箇所に形成される。
【００７８】
上記構成の内部流路１０は、図１９に示すように、複数の角柱部材１６を井桁状に組んでいくことで製作することができる。図３に示す格子状の内部流路１０は、例えば３Ｄプリンターで製作することが可能であっても、簡易的に作ることは容易でないため、図１９に示す構成によれば、内部流路１０を簡易的に作ることができる。例えば、複数の角柱部材１６を井桁状に組んで、角柱部材１６の交点の適所に回転軸芯Ｌ１に沿って接合ピンを挿通し、当該接合ピンを介して井桁状に組んだ角柱部材１６の上下を円板部材で挟み込む。そして、上面１３を形成する円板部材の中央には、雌ネジを形成しておき、中空シャフト６の端部に形成した雄ネジを螺合させれば、図１８に示すような回転体１Ａを簡易的に作成することができる。
【００７９】
図２０は、図１２に示す曝気装置の実験機において計測した、図１８に示す回転体１Ａの曝気量と回転数の関係を表したグラフである。図２０に示すグラフの横軸は回転数（ｒｐｍ）であり、縦軸は曝気量（Ｌ／ｍｉｎ）を示している。また、図２０に示すグラフでは、内部流路３ｍｍ柱３ｍｍの回転体１Ａ（底面１１を塞いだもの）を水深０ｍｍ、水深１６０ｍｍで回転させた場合の曝気量を示している。また、図２０に示すグラフでは、図１４に示す実験結果（格子型の回転体１（底面１１を塞いだもの））を比較例として示している。
【００８０】
このグラフに示すように、回転体１Ａの回転数の上昇に伴い、曝気量が増加することが分かる。すなわち、このグラフによれば、井桁型の回転体１Ａは、格子型の回転体１と同様の傾向を示すことが分かる。また、井桁型の回転体１Ａと、格子型の回転体１の結果を比較すると、井桁型の回転体１の方が、回転数に対する曝気量の上昇率が大きいことが分かる。
【００８１】
図２１は、図１２に示す曝気装置の実験機において撮影した、図１８に示す回転体１Ａの曝気の様子を示す画像である。図２１は、図１２に示すカメラ３２を用いて、回転体１による曝気の様子を底面１１側から撮影したものである。
図２１においては、水槽中の水が回転体１Ａの内部に浸水している様子が破線の領域Ａにおいて確認できる。この領域Ａでは、水が角柱部材に沿って存在している。また、回転体１Ａの回転方向は、図２１において反時計回りに回転しているので空隙を囲う柱の一方に水が浸透している。
【００８２】
以上の実験結果から以下のことが分かる。
・回転体１の回転軸に中空シャフト６を用いて水中で回転させることで、大気を吸気し水中の曝気を行うことができる。
・回転体１への吸水量によって、曝気量が変化する。
・回転体１を用いて曝気した際は、内部流路１０の幅Ａと柱の割合（空隙率）が、回転数によって逆の傾向を示す場合がある。
・比較的容易に製造できる井桁型の回転体１Ａでは、格子型の回転体１と同様の傾向を示した。
・回転体１が曝気している映像を解析した結果、回転数が高くなると外周付近に液体と気体の境界面ができ、その後遠心力と圧力との均衡が破られ、曝気を開始する。
【００８３】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）本実施形態では、横流路１０ａ及び縦流路１０ｂは、等間隔で配列されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。横流路１０ａ及び縦流路１０ｂの配列間隔はランダムとしてもよい。
【００８４】
（２）本実施形態では、回転体１の横流路１０ａと縦流路１０ｂとは直交しているものとしたが、本発明はこれに限定されない。横流路１０ａと縦流路１０ｂとは直交していなくてもよい。
【００８５】
（３）本実施形態では、横流路１０ａは、回転軸芯Ｌ１に対して直交する断面に沿って形成されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。横流路１０ａは、回転軸芯Ｌ１に対して直交せずに交差する断面に沿って形成していてもよい。
【００８６】
（４）本実施形態では、回転体１の第１横流路１０ｃが直線状としたが、本発明はこれに限定されない。第１横流路１０ｃは、回転軸芯Ｌ１に対して同心円状に形成していてもよい。
【００８７】
（５）本実施形態では、回転体１の縦流路１０ｂ、第１横流路１０ｃ、第２横流路１０ｄが格子状としたが、本発明はこれに限定されない。第２横流路１０ｄは、回転軸芯Ｌ１に対して放射状に形成していてもよい。
【００８８】
（６）本実施形態では、回転体１の横流路１０ａと縦流路１０ｂとは格子状に配設されているものとしたが、本発明はこれに限定されない。横流路１０ａと縦流路１０ｂとがテトラ構造状で配設していてもよい。
【００８９】
（７）本実施形態では、回転体１は、境界壁１４を設けるものとしたが、本発明はこれに限定されない。境界壁１４を設けないことで、回転体１の製造がより容易となる。
【００９０】
（８）第２実施形態においては、液体Ｙを曝気する曝気装置としたが、本発明はこれに限定されない。気体取込口６ｂに接続して液体Ｘを流入させる装置を備える構成とし、液体同士を混合する混合装置とすることも可能である。このような混合装置では、回転体１が回転を開始すると、流入開口１１ａより内部流路１０に液体Ｘ及び液体Ｙが流入する。したがって、内部流路１０において液体Ｘと液体Ｙが接触し、回転体内の複雑な流路を通過することにより撹拌される混合装置として用いることができる。
【００９１】
（９）さらに、上記混合装置において、液体Ｘとして、液体Ｙと化学反応する物質を用いれば、内部流路１０内で化学反応する反応器とすることも可能である。このとき、回転体１の空隙率を小さくすると、乱流が発生しやすくなるため、液体Ｘ及び液体Ｙが内部流路１０内でより混合され、反応を促進させることができる。
【００９２】
（１０）また、内燃器において、燃料の輸送等のために回転体１を備える回転機械を用いることも可能である。
【００９３】
（１１）また、第１実施形態において、ポンプＰは、シャフト２を設ける構成としたが、本発明はこれに限定されない。ポンプＰは、シャフト２を設けず、例えば、磁力を利用して回転体１を回転させる構成としてもよい。
【００９４】
（１２）また、図２２に示すように、境界壁１４を回転体１に設けず、ケーシング４に設ける構造としてもよい。
【符号の説明】
【００９５】
Ｐ……ポンプ
１……回転体
１Ａ……回転体
１０……内部流路
１０ａ……横流路（交差流路）
１０ｂ……縦流路（軸芯方向流路）
１０ｃ……第１横流路
１０ｄ……第２横流路
１１……底面
１１ａ……流入開口
１１ｂ……ボルト差込口
１２……外周面
１２ａ……吐出開口
１３……上面
１３ａ……ボルト挿入口
１４……境界壁
２……シャフト
２ａ……タップ
３……モータ（動力源）
４……ケーシング
４ａ……流入口
４ｂ……吐出口
４ｃ……シャフト開口
５……ボルト
６……中空シャフト
６ａ……流路
６ｂ……気体取込口
Ｌ１……回転軸芯
【図１】
0006785000.tif 000007
【図２】
0006785000.tif 000008
【図３】
0006785000.tif 000009
【図４】
0006785000.tif 000010
【図５】
0006785000.tif 000011
【図６】
0006785000.tif 000012
【図７】
0006785000.tif 000013
【図８】
0006785000.tif 000014
【図９】
0006785000.tif 000015
【図１０】
0006785000.tif 000016
【図１１】
0006785000.tif 000017
【図１２】
0006785000.tif 000018
【図１３】
0006785000.tif 000019
【図１４】
0006785000.tif 000020
【図１５】
0006785000.tif 000021
【図１６】
0006785000.tif 000022
【図１７】
0006785000.tif 000023
【図１８】
0006785000.tif 000024
【図１９】
0006785000.tif 000025
【図２０】
0006785000.tif 000026
【図２１】
0006785000.tif 000027
【図２２】
0006785000.tif 000028