(57)【要約】【課題】  取り付けや組み立てが簡易な構成で、エアロック運転ないしはハンチング運転のない先行待機運転を行うことができる先行待機型立軸ポンプを提供する。【解決手段】  先行待機型立軸ポンプ１１は、インペラ１８よりも下方のケーシング１２内に配置され、主軸１９と交差する軸まわりの姿勢を切り換え可能な静置翼３１，３２を備える。検出水位がインペラ１８による揚水可能な水位に対応する設定水位ＷＬ３未満であれば静置翼３１，３２を主軸１９方向から見た面積が最大となる第１の姿勢とし、設定水位ＷＬ３以上であれば静置翼３１，３２を主軸１９方向から見た面積が最小となる第２の姿勢とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸水槽内に配置され、その下端開口が吸込口を構成している鉛直方向に延びるケーシングと、
前記ケーシング内に延びる主軸の下端側に固定されたインペラと、
前記インペラよりも下方の前記ケーシング内に配置され、前記主軸と交差する軸まわりの姿勢を切り換え可能な静置翼と、
前記静置翼の姿勢を、前記主軸方向から見た面積が最大となる第１の姿勢と、前記主軸方向から見た面積が最小となる第２の姿勢とに切り換えるための静置翼駆動機構と、
前記吸水槽内の水位を検出する水位検出手段と、
前記検出水位が前記インペラによる揚水可能な水位に対応する設定水位未満であれば前記静置翼駆動機構により前記静置翼を第１の姿勢とし、前記検出水位が前記設定水位以上であれば前記静置翼駆動機構により前記静置翼を第２の姿勢とする制御部と
を備える、先行待機型立軸ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、先行待機型立軸ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、市街地化や道路の舗装化により雨水の地下浸透率が低下している。また、ヒートアイランド現象等による局地的集中豪雨の発生が増加している。これらの原因により、下水道の排水ポンプ場へ短時間に多量の雨水が流入する傾向がある。この短時間かつ多量の雨水流入に対処するために、降雨情報等に基づいて予めポンプを始動しておいて雨水が排水ポンプ場に流入するのと同時に排水を開始し、かつ吸水槽内の水位が変動しても運転状態を維持することができる先行待機型のポンプに対する要求が高まっている。
【０００３】
立軸ポンプで先行待機運転を実現する上で、いわゆるハンチング運転が最も問題となる。このハンチング運転について図８（Ａ）〜（Ｄ）を参照して説明する。図８において、１は立軸ポンプのケーシング、２は主軸、３はインペラ、４は吐出管である。図８（Ａ）に示すように吸水槽内の水位がインペラ３より上方にあるときは通常の揚水運転であり、立軸ポンプによって吸い上げられた吸水槽内の水が吐出管４から排水される。図８（Ｂ）に示すようにケーシング１の下端（吸込ベルの下端）付近まで水位が低下すると、ケーシング１の下端から多量の空気が瞬間的にケーシング１内に入る。その結果、図８（Ｃ）に示すように、ケーシング１内のインペラ３より下方の領域に空気だまり５が形成され、上方の領域には水柱６が形成される。図８（Ｃ）の状態はエアロック運転と呼ばれている。しかし、空気だまり５の空気が水柱６内に上昇するのでエアロック運転は直ちに解消され、図８（Ｄ）に示すように揚水運転に移行する。図８（Ｄ）の揚水運転で吐出管４に水が吐出されると、図８（Ｃ）のエアロック運転に直ちに戻る。結局、図８（Ｃ）エアロック運転と図８（Ｄ）の通常の揚水運転が極めて短時間に繰り返されることになり、これがハンチング運転である。このハンチング運転は、大きな振動を発生し立軸ポンプの運転の安定性及び耐久性に対して悪影響を及ぼす。
【０００４】
従来、このハンチング運転をなくすために種々の試みがなされている。例えば、特許文献１に記載の先行待機型立軸ポンプは、一端がインペラよりも下方でケーシング内に開口して他端が大気に開放した吸気管と、この吸気管に介設された吸気弁とを備え、インペラの下端まで水位が低下した時に吸気弁を開弁してケーシング内に空気を導入することで前記ハンチング運転を回避している。
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の先行待機型立軸ポンプでは、予想される吸水槽の最高水位よりも高い位置まで吸気管を配管する必要があり、取り付けや組み立てが非常に煩雑である。
【特許文献１】特公平５−９６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記従来の先行待機型立軸ポンプにおける問題に鑑み、本発明は、取り付けや組み立てが簡易な構成で、エアロック運転ないしはハンチング運転のない先行待機運転を行うことができる、先行待機型立軸ポンプを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、本発明は、吸水槽内に配置され、その下端開口が吸込口を構成している鉛直方向に延びるケーシングと、前記ケーシング内に延びる主軸の下端側に固定されたインペラと、前記インペラよりも下方の前記ケーシング内に配置され、前記主軸と交差する軸まわりの姿勢を切り換え可能な静置翼と、前記静置翼の姿勢を、前記主軸方向から見た面積が最大となる第１の姿勢と、前記主軸方向から見た面積が最小となる第２の姿勢とに切り換えるための静置翼駆動機構と、前記吸水槽内の水位を検出する水位検出手段と、前記検出水位が前記インペラによる揚水可能な水位に対応する設定水位未満であれば前記静置翼駆動機構により前記静置翼を第１の姿勢とし、前記検出水位が前記設定水位以上であれば前記静置翼駆動機構により前記静置翼を第２の姿勢とする制御部とを備える、先行待機型立軸ポンプを提供する。
【０００８】
検出水位がインペラによる揚水可能な水位に対応する設定水位以上であれば静置翼は主軸方向から見た面積が最小となる第２の姿勢となるので、揚水運転時には静置翼はインペラにより揚水される水の流れに対する抵抗が最小となる。一方、検出水位が設定水位未満であれば静置翼は主軸方向から見た面積が最大となる第１の姿勢となる。検出水位がインペラの下端より低い水位であれば気中運転となる。また、検出水位がインペラの下端に対応する水位であれば、第１の姿勢にある静置翼がインペラ内への水の流入を阻止するように作用するので、静置翼とインペラとの間に空気だまりが形成される。その結果、揚水が遮断され、空気だまりの空気が徐々に上昇するので気水混合運転となる。従って、本発明の先行待機型立軸ポンプの運転状態は、通常の揚水運転、気中運転、及び気水混合運転の３種類であり、エアロック運転ないしはハンチング運転のない先行待機運転を実現することができる。また、ケーシング内に空気を供給するための吸気管を配管する必要がない点で構造が簡易で、取り付けや組み立ても容易である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の先行待機型立軸ポンプでは、インペラよりも下方のケーシング内に配置された静置翼の姿勢を水位検出手段の検出水位に応じて切り換えることにより、エアロック運転ないしはハンチング運転のない先行待機運転を実現することができる。また、ケーシング内に空気を供給するための吸気管を配管する必要がない点で構造が簡易で、取り付けや組み立ても容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【００１１】
図１に示す本実施形態の先行待機型立軸ポンプ（以下、単に立軸ポンプという）１１は、図示しない流入側管路から排水ポンプ場の吸水槽１０内に流入する雨水等の水を下流側に排水するためのものであり、吸水槽１０内に配置された鉛直方向に延びるケーシング１２を備えている。ケーシング１２は、直管状の揚水管１３、揚水管１３の下端に連結されたポンプケーシング１４、ポンプケーシング１４の下端に連結された吸込ベル１５、及び揚水管１３の上端に連結されて鉛直方向から水平方向に湾曲した吐出エルボ１６を備えている。吸込ベル１５の下端開口がこの立軸ポンプ１１の吸込口を構成している。一方、吐出エルボ１６には吐出管１７が連結されている。前記ポンプケーシング１２内にインペラ１８が配設されている。このインペラ１８が下端に固定されている主軸１９はケーシング１２内で鉛直方向に延びている。ケーシング１２の外部に突出している主軸１９の上端側は、概略的に示すモータ、減速機構等からなるポンプ駆動機構２０に機械的に連結されている。２１，２２は主軸１９を支持する軸受である。
【００１２】
図２から図５を併せて参照すると、インペラ１８よりも下方側、詳細には吸込ベル１５内に一対の静置翼３１，３２が配置されている。これらの静置翼３１，３２は水平方向（主軸１９と直交する方向）に延びる共通の回転軸３３に固定されている。回転軸３３は吸込ベル１５に取り付けられた一対の軸受３４，３５によって、その両端が回転可能に支持されている。
【００１３】
静置翼３１，３２は厚みが均一な平板であり、同一平面上に位置するように回転軸３３に固定されている。図４に最も明瞭に表れているように、静置翼３１，３２の厚み方向と直交して広がる面（主面３１ａ，３２ａ）は、吸込ベル１５の内周面と適合する円弧状の外縁３１ｂ，３２ｂと、この外縁３１ｂ，３２ｂと対向する円弧状の内縁３１ｃ，３２ｃとを備えている。一方、図５に最も明瞭に表われているように、静置翼３１，３２の厚み方向に広がる面（端面３１ｄ，３２ｄ）の幅は、回転軸３３の直径とほぼ同一である。換言すれば、静置翼３１，３２の厚みは回転軸３３の直径とほぼ同一である。
【００１４】
また、回転軸３３は概略的に示すモータ、減速機等からなる静置翼駆動機構３７に機械的に連結されており、この静置翼駆動機構３７により回転駆動される。回転軸３３が回転することで、静置翼３１，３２の回転軸３３回りの姿勢が変化する。
【００１５】
図において３８はフロート式の水位計（水位検出手段）である。この水位計３８は、吸水槽１０内の水面に浮かぶフロート３９と、このフロート３９とワイヤ４０で連結された錘４１と、ワイヤ４０が巻き掛けられたプーリ４２とを備え、このプーリ４２の回転を電気的に検出することで、吸水槽１０内の水位を検出する。
【００１６】
図において４４はコントローラ（制御部）である。このコントローラ４４は、ポンプ駆動機構２０により立軸ポンプ１１の運転及び停止等を制御する他、水位計３８の検出する水位に応じて静置翼駆動機構３７により静置翼３１，３２の姿勢を切り換える。
【００１７】
以上のように本実施形態の立軸ポンプ１１はケーシング１２内に空気を供給するための吸気管を備えていないので、構造が簡易であり、取り付けや組み立ても容易である。
【００１８】
次に、この立軸ポンプ１１の動作を説明する。なお、以下の説明では、ポンプ駆動機構２０によりインペラ１８が固定された主軸１９が回転駆動される状態、すなわち立軸ポンプ１１の運転状態が継続されているものとする。
【００１９】
図１に示すように、水位計３８により検出される吸水槽１０内の水位（検出水位）が吸込ベル１５の下端に待たない水位ＷＬ１にあるときには、コントローラ４４は静置翼駆動機構３７により静置翼３１，３２の姿勢を図２及び図４に示す姿勢（第１の姿勢）に設定する。この第１の姿勢では、静置翼３１，３２の主面３１ａ，３２ａが主軸１９が延びる方向（インペラ１８の揚水によりケーシング１２内で水が流れる方向）を向く。換言すれば、この第１の姿勢では、静置翼３１，３２の主軸１９が延びる方向に対する角度（翼角）θが９０°である。従って、この第１の姿勢では、主軸１９が延びる方向から見た静置翼３１，３２の面積が最大となる。ケーシング１２内の水はインペラ１８まで達していないので、吸込ベル１５下端の吸込口からの水の流入はなく、インペラ１８は空気中で空転する（気中運転）。図２に示すように、吸水槽１０内の水位がインペラ１８の下端に達するまでは気中運転の状態が維持される。
【００２０】
図６に示すように、吸水槽１０内の水位がインペラ１８の下端が没水する水位ＷＬ２まで上昇すると、吐出管１７への揚水は開始されないが、インペラ１８の周囲で循環する水の流れが発生する。静置翼３１，３２は第１の姿勢（図２及び図４）であり、インペラ１８内部への水の流入を阻止するように作用することから、静置翼３１，３２とインペラ先端１８との間は水が循環する狭い空間（循環水槽）を構成する。この流れの循環によりインペラ１８の中心部に空洞（空気だまり５０）が発生し、この空気だまり５０により揚水が遮断される。空気だまり５０の空気はケーシング１２内を徐々に上昇するので、気水混合運転状態となる。
【００２１】
静置翼３１，３２とインペラ１８との間の空間に回転座標系のベルヌーイの式を適用すると、空気だまりに相当するヘッド（静置翼３１，３２とインペラ１８のレベル差）ｈは、以下の式で表される。ここでＲはインペラ１８の半径、ｎはインペラの回転数、ｇは重力定数である。
【００２２】
2005090305.tif 000003
【００２３】
図７に示すように、水位計３８の検出水位がインペラ１８により揚水可能な設定水位ＷＬ３（本実施形態ではインペラ１８の上端が完全に没水する水位）まで上昇すると、コントローラ４４は静置翼駆動機構３７により静置翼３１，３２の姿勢をそれまでの第１の姿勢（図２及び図４）から、図３及び図５に示す第２の姿勢に切り換える。この第２の姿勢では、静置翼３１，３２の端面３１ｄ，３２ｄが主軸１９が延びる方向（インペラ１８の揚水によりケーシング１２内で水が流れる方向）を向き、翼角θが０°である。従って、この第２の姿勢では、主軸１９が延びる方向から見た静置翼３１，３２の面積は最小で、静置翼３１，３２のケーシング１２内を流れる水に対する抵抗は最小となる。また、静置翼３１，３２はインペラ１８よりもケーシング１２の下端側に配置されているので、吸込口からインペラ１８への流れを円滑にする整流板として機能する（通常の揚水運転）。
【００２４】
図６の通常の揚水運転から吸水槽１０内の水位が低下する場合、コントローラ４４は検出水位がインペラ１８による揚水可能な設定水位ＷＬ３未満に低下するまでは静置翼３１，３２を第２の姿勢（図３及び図５）で維持する。検出水位が設定水位ＷＬ３未満に低下するとコントローラ４４は静置翼３１，３２の姿勢を第１の姿勢（図２及び図４）に切り換える。従って、吸水槽１０内のインペラ１８の下端に対応する水位ＷＬ２となれば図６に示す気水混合運転となり、さらに低い水位（例えば吸込ベル１５より低い水位ＷＬ１）となれば、図１に示す気中運転となる。
【００２５】
以上のように本実施形態の立軸ポンプ１１の運転状態は気中運転（図１）、気水混合運転（図６）、及び通常の揚水運転（図７）の３種類であり、エアロック運転ないしはハンチング運転のない先行待機運転を実現することができる。なお、本実施形態では、静置翼３１，３２を吸込ベル１５に設けているので、既存の立軸ポンプの吸込ベルを本実施形態の吸込ベル１５と取り替えると共に、コントローラ４４と水位計３８を追加するだけで本実施形態の立軸ポンプ１１を製作できる。すなわち、既存の立軸ポンプの比較的簡単な改造で本実施形態の立軸ポンプ１１を製作することができる。
【００２６】
本実施形態は前記実施形態に限定されず種々の変形が可能である。例えば、静置翼の形状や枚数は立軸ポンプの性能に応じて任意に設定することができる。また、フロート式の水位計に代えて、例えば水圧から水位を検出する方式等の他の方式の水位計を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る先行待機型立軸ポンプの気中運転を示す縦断面図。
【図２】静置翼が第１の姿勢である本発明の実施形態に係る先行待機型立軸ポンプの部分拡大縦断面図。
【図３】静置翼が第２の姿勢である本発明の実施形態に係る先行待機型立軸ポンプの部分拡大縦断面図。
【図４】図２のIV−IV線での断面図。
【図５】図３のV−V線での断面図。
【図６】本発明の実施形態に係る先行待機型立軸ポンプの気水混合運転を示す縦断面図。
【図７】本発明の実施形態に係る先行待機型立軸ポンプの揚水運転を示す断面図。
【図８】（Ａ）〜（Ｄ）は従来の立軸ポンプにおける水位と運転状態の関係を説明するための概略的な縦断面図。
【符号の説明】
【００２８】
１０  吸水槽
１１  先行待機型立軸ポンプ
１２  ケーシング
１３  揚水管
１４  ポンプケーシング
１５  吸込ベル
１６  吐出エルボ
１７  吐出管
１８  インペラ
１９  主軸
２０  ポンプ駆動機構
２１，２２  軸受
３１，３２  静置翼
３１ａ，３２ａ  主面
３１ｂ，３２ｂ  外縁
３１ｃ，３２ｃ  内縁
３１ｄ，３２ｄ  端面
３３  回転軸
３４，３５  軸受
３７  静置翼駆動機構
３８  水位計
３９  フロート
４０  ワイヤ
４１  錘
４２  プーリ
４４  コントローラ
【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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【図８】
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