(57)【要約】【課題】羽根車の入口角度を大きくするとともに、自吸性能をより高めて、従来の構造の自吸水ポンプに比較して、空気排出時間をより短縮できるようにする。【解決手段】吸込口１０ａと羽根車１６を収納した吐出しボリュート２２との間に、吸込口１０ａから連続して延びポンプの回転方向に沿って断面積が徐々に減少するボリュート形状の貯水空間（吸込ボリュート）４０を設け、この貯水空間（吸込ボリュート）４０の後流側の気液分離室２４と該貯水空間（吸込ボリュート）４０とを戻り流路２６で連通させた。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸込口と羽根車を収納した吐出しボリュートとの間に、ポンプ停止時に水を溜める貯水空間を、前記吐出しボリュートの後流側に気液分離室をそれぞれ設けた自吸水ポンプにおいて、
前記貯水空間を、前記吸込口から連続して延びポンプの回転方向に沿って断面積が徐々に減少するボリュート形状にするとともに、
前記気液分離室と前記ボリュート形状の貯水空間とを戻り流路で連通させたことを特徴とする自吸水ポンプ。
【請求項２】
前記戻り流路の内部に、回転または軸方向に移動させることで該戻り流路を開閉する円筒状の弁を配置したことを特徴とする請求項１記載の自吸水ポンプ。
【請求項３】
前記戻り流路の一部は、ポンプケーシングの前面に取付けた配管によって構成され、この配管中に開閉弁を付属させたことを特徴とする請求項１記載の自吸水ポンプ。
【請求項４】
前記羽根車として、クローズ羽根またはセミオープン羽根を使用したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の自吸水ポンプ。
【請求項５】
前記吐出しボリュートを２重渦巻構造としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の自吸水ポンプ。
【請求項６】
前記吐出しボリュート内部の前記羽根車の出口直後に複数のディフューザ案内翼を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の自吸水ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポンプ起動時に吸込管内に空気が充満していても、空気を吸上げて排出し、次いで水を排出するようにした自吸水ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常のポンプにおいて、吸込管内に空気が存在する状態でポンプを起動する場合には、ポンプに付属する呼び水供給部から予め水を供給して吸込管内に水を満たしてから、ポンプを起動しない限り、ポンプの揚水作用を発揮させることはできない。これに対して、自吸水ポンプは、ポンプ起動と同時に、先ず吸込管内の空気を吸上げて排出し、更にそれに伴って吸込管内を上昇してくる水を揚水し、これによって、呼び水を自動的に行って通常の運転に入ることができる。
【０００３】
従来の自吸水ポンプの一般的な構造を図７に示す。図７に示すように、この自吸水ポンプは、吸込口１０ａと吐出し口１０ｂを有するポンプケーシング１０と、内部に軸受及び軸封装置（メカニカルシール）等を収納したケーシングカバー１２とを有している。そして、ケーシングカバー１２の内部を貫通して延びる回転自在な主軸１４の先端に羽根車１６が該主軸１４と一体に回転するように取付けられている。
【０００４】
ポンプケーシング１０の内部には、吸込口１０ａから連続し、ポンプ停止時に水を滞留させる貯水空間１８が区画形成されている。この貯水空間１８の入口には、ポンプ停止時に貯水空間１８内に残った水がサイホン効果で吸込管内に流れ出ないようにするための逆止弁２０が取付けられている。貯水空間１８の背面側には、ポンプの回転方向に沿って断面積が徐々に増加する吐出しボリュート（渦巻室）２２が区画形成され、この吐出しボリュート２２の内部に羽根車１６が収納されている。この吐出しボリュート２２は、気液分離室２４を経由して吐出し口１０ｂに連通している。更に、気液分離室２４に連通しポンプ前面の貯水空間１８の下方に達する戻り流路２６が区画形成され、気液分離室２４で分離された水は、戻り流路２６から細孔２８を通って羽根車１６の吸込側（羽根車入口）１６ａに戻り、再度、羽根車１６へ吸込まれるようになっている。細孔２８の戻り流路２６側には、ポンプが通常運転に入った時に該細孔２８を自動的に閉じる補給水弁３０が設けられている。
【０００５】
この自吸水ポンプにあっては、ポンプ据付け後の最初の運転時に、貯水空間１８内に外部から水を供給する。そして、ポンプ起動時に、羽根車１６が回転すると、貯水空間１８に残されていた水は、羽根車１６に吸込まれ、ポンプの揚水作用により吐出しボリュート（渦巻室）２２へ移動し、吐出しボリュート２２を出た流れは、気液分離室２４を通る。空気排出時には、この気液分離室２４で気液を分離して、空気のみを吐出し口１０ｂから吐出し管へ排出する。分離した水（戻り水）は、気液分離室２４から戻り流路２６に沿って流れ、細孔２８を通ってポンプ羽根車１６の吸込側１６ａに戻り、再度、羽根車１６へ吸込まれて揚水作用が継続する。これにより、羽根車１６の空気排出作用が継続して行われる。
【０００６】
この羽根車１６の空気排出作用により、羽根車１６の吸込側１６ａは負圧になり、このため、ポンプ起動後、しばらくの間は、ポンプ吸込口１０ａから空気が吸込まれる。この時に吸込まれた空気も、部分的に水で満たされた羽根車１６の中を通って吐出しボリュート２２へ流入する。この時、羽根車１６の内部は気液２相流になるが、空気の量と水（液体）の割合に見合った水と空気が排出される。吸込管内の空気を徐々に排出すると、吸込管内の水が上昇してきて、やがて吸込口１０ａに達し、これにより、ポンプは液体のみの揚水を行うようになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の自吸水ポンプにあっては、羽根車の２相流による揚水作用に伴って、吸込管内の空気を排出させるために、予めポンプの内部にかなりの量の水を滞留させることが必要不可欠で、そのために、羽根車の入口直前に貯水空間を設けてここに水を貯留していた。ここで、ポンプ起動時から吸込管内の空気を完全に排出させるまでの時間は、羽根車の空気排出能力に依存する。
【０００８】
しかしながら、従来の自吸水ポンプのように、単なる水溜めとしての役割を果たす貯水空間を通過させて水を羽根車に導くと、水は、予旋回なしで羽根車に入るため、ポンプ羽根車の入口角度は小さく、起動直後の空気排出時の空気流量が少ないといった問題があった。このため、空気の排出時間を極力短くして、ポンプ起動後に迅速に揚水作用に入ることができるようにした自吸水ポンプの開発が望まれていた。
【０００９】
本発明は、かかる要請に応えるためになされたもので、羽根車の入口角度を大きくするとともに、自吸性能をより高めて、従来の構造の自吸水ポンプに比較して、空気排出時間をより短縮できるようにした自吸水ポンプを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、吸込口と羽根車を収納した吐出しボリュートとの間に、ポンプ停止時に水を溜める貯水空間を、前記吐出しボリュートの後流側に気液分離室をそれぞれ設けた自吸水ポンプにおいて、前記貯水空間を、前記吸込口から連続して延びポンプの回転方向に沿って断面積が徐々に減少するボリュート形状にするとともに、前記気液分離室と前記ボリュート形状の貯水空間とを戻り流路で連通させたことを特徴とする自吸水ポンプである。
【００１１】
これにより、ボリュート形状の貯水空間（吸込ボリュート）は、ポンプ停止時には、水溜めの役割を果たし、しかも、貯水空間をボリュート形状とすることで、羽根車の入口角度を大きくして、ポンプ起動後の空気排出時における空気の排出流量を従来の自吸水ポンプに比べて多くすることができる。つまり、このように、貯水空間をボリュート形状とすると、水は、ポンプの回転方向に曲げられた予旋回をもって羽根車に流れ込み、この結果、羽根車の入口角度は大きくなる。
【００１２】
ここで、ポンプ起動直後の空気吸込時における単位時間当たりの吸込空気量は、水の設計点流量よりかなり少ないと考えられ、設計したより大きい入口角度に対してより大きな迎角を持ってポンプへ入る。この時、空気であるゆえ、キャビテーションの心配がなく、単に空気量が従来に比べて増大し、空気排出時間が短縮される。一方、羽根車全体で水を排出する、いわゆる通常運転時には、水は、ボリュート形状の貯水空間を回転して予旋回し、羽根車の入口角度に合致した状態で羽根車に吸込まれて運転が続行される。
【００１３】
吐出しボリュートの後流側に設ける貯水空間と羽根車吸込側を結ぶ戻り流路を、例えば、下向きの流れを作る下向き流路部とポンプの軸心付近の高さに達する上向きの流れを作る上向き流路部で構成し、戻り流路の下向き流路部の断面積を拡げて、ここを流れる水（戻り水）の流速を落とすことで、この戻り流路（下向き流路部）を流れる水に含まれる空気を十分に抜いて自吸性能を高めることができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、前記戻り流路の内部に、回転または軸方向に移動させることで該戻り流路を開閉する円筒状の弁を配置したことを特徴とする請求項１記載の自吸水ポンプである。これにより、ポンプの揚水作用時に戻り流路を閉じる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、前記戻り流路の一部は、ポンプケーシングの前面に取付けた配管によって構成され、この配管中に開閉弁を付属させたことを特徴とする請求項１記載の自吸水ポンプである。これにより、戻り流路をポンプケーシングに一体に成形する必要をなくして、ポンプケーシングの成形性を向上させることができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、前記羽根車として、クローズ羽根またはセミオープン羽根を使用したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の自吸水ポンプである。羽根車として、セミオープン羽根を使用すると、クローズ羽根を使用した場合に比べて、自吸吸上げ時間がやや長くなり、最大吸上げ高さも低くなると考えられるが、使用条件等によっては十分である場合があり、これにより仕様範囲を拡大することができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、前記吐出しボリュートを２重渦巻構造としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の自吸水ポンプである。このように、吐出しボリュートを２重渦巻構造とすることで、吐出しボリュート（渦巻室）の巻始め（舌部）を２箇所となして、羽根車から出てくる水の流れを受ける箇所を増やし、これによって、自吸作用を行う際に、羽根車の吸込圧が低下してもポンプ羽根車の揚水作用を継続できるようにするとともに、自吸水ポンプの自吸吸上げ時間をより短縮し、更に最大吸上げ高さをより高くすることができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、前記吐出しボリュート内部の前記羽根車の出口直後に複数のディフューザ案内翼を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の自吸水ポンプである。このように、複数のディフューザ案内翼を羽根車後流側に付けることにより、２重渦巻構造の場合より舌部の箇所を更に多くして、自吸性能を更に向上させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１及び図２は、本発明の第１の実施の形態の自吸水ポンプを示す。この自吸水ポンプは、吸込口１０ａと吐出し口１０ｂを有するポンプケーシング１０と、内部に軸受及び軸封装置（メカニカルシール）等を収納したケーシングカバー１２とを有している。そして、ケーシングカバー１２の内部を貫通して延びる回転自在な主軸１４の先端に羽根車１６が該主軸１４と一体に回転するように取付けられている。この例は、羽根車１６として、主板６０ａと側板６０ｂとを有するクローズ羽根６０を使用した例を示している。
【００２０】
ポンプケーシング１０の内部には、吸込口１０ａから連続し、ポンプ停止時に水を滞留させるボリュート形状の貯水空間（以下、吸込ボリュートという）４０が区画形成されている。この吸込ボリュート４０は、図２に示すように、ポンプの回転方向Ｒに沿って断面積（ボリュート面積）が徐々に減少する形状に形成されている。
ここで、吸込ボリュート４０には種々の形状があり、通常、ポンプ入口から、渦巻きの巻終りまでの断面積の変化過程は、内部損失が最小になり、羽根車の入口の周囲に亘って一様な回転（予旋回）が与えられるようなボリュート形状が最適とされている。
【００２１】
この吸込ボリュート４０の入口には、ポンプ停止時に吸込ボリュート４０内に残った水がサイホン効果で吸込管内に流れ出ないようにするための逆止弁２０が取付けられている。吸込ボリュート４０の背面側には、ポンプの回転方向に沿って断面積が徐々に増加する吐出しボリュート（渦巻室）２２が区画形成され、この吐出しボリュート２２の内部に羽根車１６が収納されている。この吐出しボリュート２２は、気液分離室２４を経由して吐出し口１０ｂに連通している。更に、気液分離室２４に連通しポンプ前面の貯水空間１８の下方に達する戻り流路２６が区画形成され、この戻り流路２６は、下向きの流れを作る下向き流路部２６ａと、該下向き流路部２６ａと連通しポンプの軸心付近の高さに達する上向きの流れを作る上向き流路部２６ｂとを有している。これにより、気液分離室２４で分離した水は、この戻り流路２６を通って羽根車１６の吸込側１６ａに戻り、再度、羽根車１６へ吸込まれるようになっている。
【００２２】
ここで、戻り流路２６を開いたままでポンプを運転すると、ポンプ通常運転時に昇圧された水が羽根車１６の吸込側１６ａに戻ってポンプ動力の損失に繋がる。そこで、この例では、手動開閉弁４２を設けて、ポンプが通常運転に入ったら、この手動開閉弁４２により戻り流路２６を手動で閉じるようにしている。つまり、図１に示すように、上向き流路部２６ｂの上端には、横断面円形で、水平方向に延びる連通孔２６ｃが形成され、この連通孔２６ｃ内に該連通孔２６ｃの内径とほぼ同じ外径の弁体４４が回転自在に収納されている。この弁体４４は、中空円筒状で、その外周面の長さ方向に沿った所定の位置に通孔４４ａが設けられ、その反吸込ボリュート側端面は塞板４６で閉塞されている。そして、この塞板４６に弁棒４８が連結され、この弁棒４８の露出端にハンドル５０が取付けられている。
【００２３】
これにより、弁体４４に設けた通孔４４ａが上向き流路部２６ｂの上端と連通するようにハンドル５０を介して弁体４４を回転させることで、戻り流路２６を開き、弁体４４の周壁が上向き流路部２６ｂの上端を閉塞するようにハンドル５０を介して弁体４４を回転させることで、戻り流路２６を閉じるようになっている。
【００２４】
このように、ポンプの揚水作用時に戻り流路２６を閉じる際、戻り流路２６内を流れる水の一次圧力が、弁体４４の移動方向（回転方向）とは異なる方向、すなわち弁体４４の塞板４６及び外周面に作用するようにすることで、弁体４４の移動方向に作用する前後差圧を極力小さくして、弁体４４の回転を小さな操作力で容易に行って、戻り流路２６を閉じることができる。
【００２５】
なお、この例では、手動開閉弁４２を用いて、手動で戻り流路２６を開閉するようにしているが、この手動開閉弁４２の代わりに、電気または空気などの動力で開閉する自動弁を設けて戻り流路２６を開閉するようにしてもよく、また円柱状の弁体を軸方向に移動させることで、戻り流路２６を開閉するようにしてもよい。
この自吸水ポンプにあっては、ポンプ据付け後の最初の運転時に、吸込ボリュート４０内に外部から水を供給する。また、ポンプ起動時における動作は、前述の従来例とほぼ同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００２６】
次に、図３を参照して、この実施の形態（本発明）の自吸水ポンプと、図７に示す従来例の自吸水ポンプにおける羽根車の入口速度（入口角度）の関係を説明する。
【００２７】
吸込ボリュート４０がない従来例の自吸水ポンプにあっては、水は、予旋回がつかずに羽根車１６に流れ込み、羽根車入口１６ａにおける流れの相対速度Ｗ０は、周方向速度ｕとの間に角度α０を持つ。一方、吸込ボリュート４０を有する本発明の自吸水ポンプにあっては、水は、ポンプの回転方向Ｒに曲げられた予旋回をもって羽根車１６に流れ込み、羽根車入口１６ａにおける流れの相対速度Ｗ１は、周方向速度ｕとの間に角度α１を持ち、この角度α１は、従来例における角度α０より明らかに大きく（α１＞α０）なる。羽根車１６は、この設計点の流量に対して設計されるのが普通であるので、この場合の羽根車は、入口角度α１で設計される。
【００２８】
このように、入口角度の大きな羽根車を自吸水ポンプに適用すると、自吸水ポンプの起動時の空気吸込時における空気の量は、水を流す場合の設計点流量より遥かに少ない流量であるため、空気は、吸込ボリュート４０の入口から羽根車１６へ向かって直進する。その流れは、図２に矢印Ｂに示すようになり、羽根車１６の入口全体から流入するのではなく、偏った流れになる。この時、図３に示すように、羽根車入口１６ａにおける相対速度Ｗ２は、周方向速度ｕとの間に角度α２を持つ。
【００２９】
前述のように、本発明の自吸水ポンプにあっては、羽根車１６は、入口角度α１で設計製作されているため、空気の流れと羽根車１６の入口角度α１が合致せず、迎角β＝α１−α２を持って羽根車１６に吸い込まれる。ところが、水を吸込む場合とは違って、キャビテーションの心配がないから、迎角がついても、羽根車入口１６ａで水の場合などのような強い力を発生させる心配がない。むしろ空気の吸込量が増大して、空気を吸上げきる全時間が短縮される。
【００３０】
つまり、このように、貯水空間をボリュート形状とすることで、水がポンプの回転方向に曲げられた予旋回をもって羽根車に流れ込むようにして、羽根車の入口角度を大きくして、これによって、ポンプ起動後の空気排出時における空気の排出流量を従来の自吸水ポンプに比べて多くすることができる。
更に、下向きの流れを作る下向き流路部２６ａとポンプの軸心付近の高さに達する上向きの流れを作る上向き流路部２６ｂで戻り流路２６を構成し、戻り流路２６の下向き流路部２６ａの断面積を拡げて、この下向き流路部２６ａを流れる水（戻り水）の流速を水中に含まれる空気泡の上昇速度より低下させることで、この水に含まれる空気を十分に抜いて自吸性能を高めることができる。
【００３１】
そして、羽根車全体で水を排出する、いわゆる通常運転時には、水は、吸込ボリュート（ボリュート形状の貯水空間）４０を回転して予旋回し、羽根車１６の入口角度に合致した状態で羽根車１６に吸込まれて運転が続行される。
【００３２】
図４は、本発明の第２の実施の形態の自吸水ポンプを示す。この例は、羽根車１６として、第１の実施例におけるクローズ羽根６０の代わりに、側板を欠き、主板７０ａのみを有するセミオープン羽根７０を使用し、下向き流路部２６ａと、ポンプケーシング１０の該下向き流路部２６ａの下端部とポンプの軸心と対向する位置にそれぞれ設けた貫通孔１０ｃ，１０ｄを繋ぐ配管７２からなる上向き流路部２６ｂで戻り流路２６を形成し、更に配管（上向き流路部）７２の途中に開閉弁７６を組込んだものである。その他の構成は、第１の実施の形態とほぼ同様である。
【００３３】
このように、ポンプケーシングの前面に取付けた配管７２によって戻り流路２６の上向き流路部２６ｂを構成することで、戻り流路２６の上向き流路部２６ｂをポンプケーシング１０に一体に成形する必要をなくして、ポンプケーシング１０の成形性を向上させることができる。
【００３４】
羽根車１６として、セミオープン羽根７０を使用すると、クローズ羽根を使用した場合に比べて、自吸吸上げ時間がやや長くなり、最大吸上げ高さも低くなると考えられるが、使用条件等によっては十分である場合があり、これにより仕様範囲を拡大することができる。
【００３５】
図５は、本発明の第３の実施の形態の自吸水ポンプを示す。この例の第１の実施の形態と異なる点は、吐出しボリュート（渦巻室）２２を、ポンプケーシング１０の内部に仕切壁８０を設けて２重の渦巻室２２ａ，２２ｂを形成した２重渦巻構造とした点である。その他の構成は、第１の実施の形態とほぼ同様である。
【００３６】
このように、吐出しボリュート２２を２重渦巻構造とすることで、ポンプケーシング１０の吐出しボリュート（渦巻室）の巻始め（舌部）１０ｅの他に、仕切壁８０の巻始め（舌部）８０ａを有するようになし、しかもこの舌部１０ｅ，８０ａと羽根車１６の外径とを近接させることにより、羽根車１６を出た流れを吐出しボリュート２２内に流入させて、羽根車作用を継続させ、たとえ、内部の水が少なくなって気液２相流になっても、羽根車１６の吸込口の圧力の低下を防止して、吸込管内の水を引き上げる作用が減少しないようにすることができる。
【００３７】
図６は、本発明の第４の実施の形態の自吸水ポンプを示す。この例の第１の実施の形態と異なる点は、吐出しボリュート（渦巻室）２２内部の羽根車１６の出口直後に、複数のディフューザ案内翼８２を設けた点にある。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。このように、複数のディフューザ案内翼８２を羽根車１６後流側に設け、更にその端部８２ａを羽根車１６の外径に近接させることで、この端部８２ａを流体力学的に渦巻室の舌部に相当する箇所となし、舌部の箇所を更に多くして、自吸性能を更に向上させることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、自吸水ポンプの吸込側の貯水空間をボリュート形状とすることで、羽根車の入口角を大きくして自吸性能、即ち自吸時間と最大揚水可能高さを増加させ、しかも戻り流路から吸込側に戻る戻り水に空気が含まれないようにすることで、自吸性能を更に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の自吸水ポンプの縦断正面図である。
【図２】図１に示す自吸水ポンプの側断面図である。
【図３】図１に示す自吸水ポンプの羽根車の入口速度３角形を従来例と比較して示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の自吸水ポンプの縦断正面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態の自吸水ポンプの吐出しボリュートの縦断面図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態の自吸水ポンプの吐出しボリュートの縦断面図である。
【図７】従来の自吸水ポンプの縦断正面図である。
【符号の説明】
１０　ポンプケーシング
１０ａ　吸込口
１０ｂ　吐出し口
１０ｅ　巻始め（舌部）
１４　主軸
１６　羽根車
１６ａ　吸込側（羽根車入口）
１８　貯水空間
２０　逆止弁
２２　吐出しボリュート（渦巻室）
２２ａ，２２ｂ　渦巻室
２４　気液分離室
２６　戻り流路
２６ａ　下向き流路部
２６ｂ　上向き流路部
４０　吸込ボリュート
４２　手動開閉弁
４４　弁体
４６　塞板
４８　弁棒
５０　ハンドル
６０　クローズ羽根
７０　セミオープン羽根
７２　配管（上向き流路部）
７６　開閉弁
８０　仕切壁
８０ａ　端部（舌部）
８２　ディフューザ案内翼
８２ａ　端部（舌部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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