(57)【要約】【課題】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とともに小型軽量化した自吸水ポンプを提供する。【解決手段】吸込口１０ａと羽根車１６との間に、ポンプ停止時に水を溜める貯水空間を設けた自吸水ポンプにおいて、貯水空間４０を、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、羽根車を収容した吐出しボリュート２２の後流に吐出口１０ｂに向けて上向きに傾けて配置した流路拡大部２４を備え、吐出しボリュートの後端付近あるいは流路拡大部の一部２５に開口し、ポンプの軸心高さ以下の位置まで下がって上方に上がり、ポンプ軸心の高さ位置で羽根車中心に向けて開口する戻り流路２６を形成し、戻り流路に開閉弁４２を配置した。【選択図】        図１
2004162591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸込口と羽根車との間に、ポンプ停止時に水を溜める貯水空間を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、
前記羽根車を収容した吐出しボリュートの後流に吐出口に向けて上向きに傾けて配置した流路拡大部を備え、前記吐出しボリュートの後端付近あるいは該流路拡大部の一部に開口し、前記ポンプの軸心高さ以下の位置まで下がって上方に上がり、ポンプ軸心の高さ位置で羽根車中心に向けて開口する戻り流路を形成し、該戻り流路に開閉弁を配置したことを特徴とする自吸水ポンプ。
【請求項２】
前記戻り流路が前記ポンプ軸心の下まで下がった位置において、ケーシングの外部へ開口し、該開口に配管を接続して上方へ曲げ、該配管に開閉弁を備えるとともに、該配管をポンプ軸心の高さ位置で羽根車中心に向けて開口するケーシングの開口に接続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】
前記戻り流路は、前記吐出しボリュートの後端付近あるいは前記流路拡大部の下面側に設けた開口に接続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４】
前記戻り流路は、前記吐出しボリュートの後端付近あるいは前記流路拡大部の外周側に設けた開口に接続したことを特徴とする請求項１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４に示す。図４に示すように、この自吸水ポンプは、吸込口１０ａと吐出口１０ｂを有するポンプケーシング１０と、内部に軸受および軸封装置（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】
また、自吸水ポンプはなるべく小型軽量化することが好ましい。特に、大口径（吸込口径３５０ｍｍ以上）の自吸水ポンプを製作する場合には、設置基礎やハンドリング性の問題、あるいは経済的な観点から、いっそうポンプを小型軽量化することが要請されている。
【００１０】
本発明は、かかる要請に応えるためになされたもので、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とともに小型軽量化した自吸水ポンプを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、吸込口と羽根車との間に、ポンプ停止時に水を溜める貯水空間を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、前記羽根車を収容した吐出しボリュートの後流に吐出口に向けて上向きに傾けて配置した流路拡大部を備え、前記吐出しボリュートの後端付近あるいは該流路拡大部の一部に開口し、前記ポンプの軸心高さ以下の位置まで下がって上方に上がり、ポンプ軸心の高さ位置で羽根車中心に向けて開口する戻り流路を形成し、該戻り流路に開閉弁を配置したことを特徴とする自吸水ポンプである。
【００１２】
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、ポンプの自吸性能を高めることができるとともに、貯水空間を小型化することができる。
【００１３】
また、上記自吸水ポンプにおいては、従来の吐出しボリュートの後流側にある気液分離室を省略して、吐出しボリュート後流側に水平から上向きに４５゜の範囲で吐出口に向けて傾けて設けた流路拡大部を該吐出しボリュートの上部に配置している。このように、吐出口に向かう流路拡大部を水平から斜め上方に向けて配置し、直接その流路拡大部の一部に戻り流路の一端を開口しても、自吸性能即ち吸上げ時間は遅くならないことが確かめられている。ここで、流路拡大部は従来の気液分離室の径を若干大きくする程度でよい。従って、上述した吸込ボリュートによる小型化と併せて、気液分離室の省略により、自吸水ポンプ本体の重量を例えば３０％程度低減することが可能である。
【００１４】
また、吐出しボリュートの後流側に設けた流路拡大部と羽根車吸込側を結ぶ戻り流路を、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。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、前記戻り流路が前記ポンプ軸心の下まで下がった位置において、ケーシングの外部へ開口し、該開口に配管を接続して上方へ曲げ、該配管に開閉弁を備えるとともに、該配管をポンプ軸心の高さ位置で羽根車中心に向けて開口するケーシングの開口に接続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、外部配管により戻り流路の一部を形成するので、ポンプケーシングの構造を簡素化することができ、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。また、外部配管に対して開閉弁の装着が容易となる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記戻り流路は、前記吐出しボリュートの後端付近あるいは前記流路拡大部の下面側に設けた開口に接続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、流路拡大部の下部に開口した戻り流路により、流路拡大部から上部に流れた水の一部は空気を放出してその重力により戻り流路に入る。このため、空気の含有量が少なくなった水が戻り流路に入るので、ポンプの自吸性能の向上が期待される。また、戻り流路をコンパクトに配置することが可能となり、全体としての小型化に有効である。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、前記戻り流路は、前記吐出しボリュートの後端付近あるいは前記流路拡大部の外周側に設けた開口に接続したことを特徴とする請求項１に記載の自吸水ポンプである。これにより、羽根車後流においては、水と空気は気液２相流となって吐出しボリュートを流れ出ていくが、水と空気の遠心力の差により外側を流れる気液２相流の空気の量は内側のそれより少ない。従って、自吸性能の向上が期待される。戻り流路の開口をボリュートの後端付近あるいは流路拡大部の外周側に設けることで、空気含有量の少ない戻り水を羽根車の吸込側に戻すことができる。
【００１８】
【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および図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と吐出口１０ｂを有するポンプケーシング１０と、内部に軸受および軸封装置（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。
【００１９】
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、ポンプの回転方向に沿って断面積（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。
【００２０】
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図示しない逆止弁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、流路拡大部２４を経由して吐出口１０ｂに連通している。更に、拡大部２４に開口２５を介して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が区画形成されている。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、拡大部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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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およ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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
この自吸水ポンプにおいては、吐出しボリュート後流側に通常備えられている気液分離室を省略して、吐出口１０ｂに向かう流路拡大部２４を水平から４５゜程度の角度θで斜めに配置して、その拡大部の一部に開口２５を設け、戻り流路２６に接続している。流路拡大部２４は羽根車１６による昇圧空間の上部に配置されている。このように、従来の自吸水ポンプに備えられた気液分離室を省略して、吐出口１０ｂに向かう拡大部２４を斜めに配置して、その拡大部の一部に戻り流路の一端を開口しても、流路拡大部の直径を若干大きくすれば、自吸性能即ち吸い上げ時間は遅くならないことが確認されている。これにより、気液分離室を省略することができ、自吸水ポンプの小型化・軽量化に寄与することができる。
【００２７】
ポンプの起動時には、内部に貯留されていた水を循環して使用して、羽根車１６に負圧を発生させて吸込管内の空気を吸い上げ排出する。排出の際の水は、吐出しボリュート２２の後流に斜めに上向きに配置されている拡大部２４から吐出口１０ｂの方向へ流れる。一部の水は拡大部２４を通過して吐出口１０ｂに流れ出るが、拡大部２４を通過して上部に流れた水の一部は空気を放出して、その重力により下部にある拡大部２４に戻る。そして、その拡大部２４の下側に開口２５を配置し戻り流路２６に接続しているため、空気の含有量が少なくなった水はここから戻り流路２６（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ）を経て、ポンプ吸込側１６ａに供給される。従って、この拡大部２４および以下に述べる戻り流路２６により気液分離作用を行うことができる。
【００２８】
戻り流路２６は、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ようにしている。即ち、下向き流路部２６ａを流れる水の流速を１ｍ／ｓ以下にすることで、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。
【００２９】
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。
【００３０】
図３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、流路拡大部２４から戻り流路２６に連通する開口２５ａを拡大部２４の外周側（外側）に配置して、下向き戻り流路２６ａに接続するようにしたものである。その他の構成は、第１の実施の形態とほぼ同様である。
【００３１】
このように接続する流路拡大部２４における開口２５ａを、その外周側（外側）に配置することで、自吸性能を更に向上させることができる。即ち、羽根車１６の後流においては、水と空気は気液２相流となって吐出しボリュート２２を流れ出ていくが、吐出しボリュート２２の曲線に沿って流れる場合には、水と空気の遠心力の差により、水と空気の量に差が出る。即ち、吐出しボリュート２２の外側を流れる気液２相流の空気の量は、内側を流れる気液２相流の空気の量よりも少ない。そこで、吐出しボリュート２２に連通した拡大部２４に戻り流路２６の一端を開口２５ａとして外周側に設けることで、空気含有量の少ない戻り水を戻り流路２６に導入することができ、これにより気液分離性能を高めることができる。但し、この構造においては戻り流路２６の形状が長くなるため、重量が若干増加するという問題点も存在する。
【００３２】
上記実施形態においては、戻り流路２６はポンプケーシング１０と一体的に構成されている例について説明した。しかしながら、戻り流路の一部を外部配管とするようにしてもよい。即ち、戻り流路２６がポンプ軸心の下まで下がった位置においてケーシング１０の外部へ開口し、外部において配管を接続してその配管を上方へ曲げて戻り流路の上昇部を形成して、ポンプ軸心の高さ位置で吸込ボリュートの中心部に向けて開口するようにケーシングに接続する。そして、その配管中に開閉弁を付属させる。これにより、戻り流路の上昇部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。また、開閉弁を装着する際の設計の自由度が拡大する。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、自吸水ポンプの吐出しボリュートの後流における流路拡大部を水平から上向きに４５゜程度傾けて設け、吐出口に接続すると共に、その拡大部の一部に吸込側への戻り流路を形成し、ポンプの吸込側に吸込ボリュートを備えることで、自吸性能を高めるとともに自吸水ポンプの大幅な小型・軽量化が達成できる。一例として、大口径（吸込口径３５０ｍｍ以上）の自吸水ポンプにおいて、従来の自吸水ポンプよりもポンプ本体の重量を３０％程度低減することが可能である。
【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】本発明の第２の実施の形態の自吸水ポンプの側断面図である。
【図４】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  吐出口
１４  主軸
１６  羽根車
１６ａ  吸込側（羽根車入口）
２２  吐出しボリュート（渦巻室）
２４  流路拡大部
２５，２５ａ  開口
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（貯水空間）
４２  手動開閉弁
４４  弁体
４６  塞板
４８  弁棒
５０  ハンドル
【図１】
2004162591.tif 000003
【図２】
2004162591.tif 000004
【図３】
2004162591.tif 000005
【図４】
2004162591.tif 000006