(57)【要約】  【課題】昇圧流路の入口部分と出口部分との圧力差によって生じるインペラの回転軸の傾きを抑えることのできるカスケードポンプを提供する。  【解決手段】カスケードポンプ１は、多数の羽根３７が設置された羽根部３５を有する略円板状のインペラ３０と、インペラ３０を回転可能に収容するハウジング１０とを備え、インペラ３０は、羽根部３５の半径方向内側において、輪帯凹溝が形成された薄板部３４を有し、ハウジング１０は、上記輪帯凹溝に嵌まり込む輪帯凸部１９を有し、昇圧流路１５内の流体の漏れを防止するためのシール部４５は、インペラ３０の羽根部３５と薄板部３４との間の段差によって、インペラ３０の半径方向に直交する方向に延在する段差シール部４８を有し、羽根部３５の段差シール部４８に面する内周面３５ｂには、段差シール部４８に位置する流体から半径方向外側に向かう圧力Ｐ2が作用する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周縁に周方向に多数の羽根が設置された羽根部を有する略円板状のインペラと、前記インペラを回転可能に収容するハウジングとを備え、前記インペラを回転軸回りに回転させることで、前記インペラの外周縁に沿って延在する昇圧流路において流体を昇圧させるカスケードポンプにおいて、
前記インペラは、前記羽根部の半径方向内側において、輪帯凹溝が形成された薄板部を有し、
前記ハウジングは、前記インペラの前記輪帯凹溝に嵌まり込む輪帯凸部を有し、
前記昇圧流路内の流体の漏れを防止するために、前記インペラの表面と前記ハウジングの内壁面とが近接することで形成されたシール部は、前記インペラの前記羽根部と前記薄板部との間の段差によって、前記インペラの半径方向に直交する方向に延在する段差シール部を有し、
前記羽根部の前記段差シール部に面する面には、前記段差シール部に位置する流体から、前記インペラの半径方向外側に向かう圧力が作用することを特徴とするカスケードポンプ。
【請求項２】
前記シール部は、前記インペラの前記羽根部と前記ハウジングとの間に形成された羽根シール部と、前記インペラの前記薄板部と前記ハウジングとの間に形成された薄板シール部と、を有し、
前記羽根シール部の前記インペラの半径方向の長さをＬ1、前記薄板シール部の前記インペラの半径方向の長さをＬ2としたときに、２Ｌ1≦Ｌ2≦６０Ｌ1を満たすように構成されたことを特徴とする請求項１記載のカスケードポンプ。
【請求項３】
前記ハウジングは、前記昇圧流路の入口部分において、当該昇圧流路が徐々に狭くなる移行区間が形成されるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のカスケードポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ内に収容されたインペラを回転させることによってポンプ流路内の流体を昇圧させるカスケードポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、外周面に複数の羽根が所定の間隔で形成された円板状のインペラをハウジング内に収容し、インペラの回転に伴ってインペラの外周面に沿って形成された略円環形状の昇圧流路内の流体を昇圧するカスケードポンプが多数提供されている。例えば、下記特許文献１，２に従来のカスケードポンプが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３３７２８４号公報
【特許文献２】特開２００７−１３２１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、昇圧流路内の圧力は、出口に向かうに従って大きくなり、入口部分の圧力よりも出口部分の圧力が大きい。よって、昇圧流路に面するインペラの外周面に対して、回転軸に垂直な半径方向内側に向けてかかる流体圧力は、入口部分において小さく、出口部分において大きくなる。
【０００５】
このように、インペラの外周面に作用する流体圧力が、出口部分で大きくなると、インペラ回転軸に対して、出口部分から入口部分へ倒す方向の力が作用するため、インペラ回転軸が昇圧流路の入口方向へ撓んでしまうおそれがある。
【０００６】
カスケードポンプにおいては、昇圧流路内の流体の漏れを防止するためにインペラとハウジングとを微小隙間を介して近接させたシール部が形成されているが、インペラ回転軸が昇圧流路の入口方向に撓むと、インペラがハウジングの内壁面に接触してしまってインペラのスムーズな回転が阻害されるおそれがある。
【０００７】
また、インペラ回転軸が撓むと、インペラがハウジング内壁面から離れてシール部分の隙間が大きくなってしまい、シール部分から昇圧流路内の流体が漏れてしまって、昇圧流路において圧力損失が生じてしまうおそれもある。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、昇圧流路の入口部分と出口部分との圧力差によって生じるインペラの回転軸の傾きを抑えることのできるカスケードポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係るカスケードポンプは、外周縁に周方向に多数の羽根が設置された羽根部を有する略円板状のインペラと、前記インペラを回転可能に収容するハウジングとを備え、前記インペラを回転軸回りに回転させることで、前記インペラの外周縁に沿って延在する昇圧流路において流体を昇圧させるカスケードポンプにおいて、前記インペラは、前記羽根部の半径方向内側において、輪帯凹溝が形成された薄板部を有し、前記ハウジングは、前記インペラの前記輪帯凹溝に嵌まり込む輪帯凸部を有し、前記昇圧流路内の流体の漏れを防止するために、前記インペラの表面と前記ハウジングの内壁面とが近接することで形成されたシール部は、前記インペラの前記羽根部と前記薄板部との間の段差によって、前記インペラの半径方向に直交する方向に延在する段差シール部を有し、前記羽根部の前記段差シール部に面する面には、前記段差シール部に位置する流体から、前記インペラの半径方向外側に向かう圧力が作用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、昇圧流路の入口部分と出口部分との圧力差によってインペラの回転軸に作用する力を軽減し、インペラの回転軸の傾きを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係るカスケードポンプの回転軸に平行な水平断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係るカスケードポンプの回転軸に垂直な縦断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係るカスケードポンプの回転方向に垂直な部分拡大断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係るカスケードポンプの回転軸に垂直な部分拡大縦断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態の変形例１に係るカスケードポンプの回転方向に垂直な部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るカスケードポンプについて説明する。図１は、本実施形態に係るカスケードポンプの回転軸に平行な水平断面図である。図２は、本実施形態に係るカスケードポンプの回転軸に垂直な縦断面図である。図３は、本実施形態に係るカスケードポンプの回転方向に垂直な断面の一部を拡大して示す部分拡大断面図である。
【００１３】
カスケードポンプ１は、筐体となるハウジング１０と、ハウジング１０内の空間に回転可能に収容されたインペラ３０と、インペラ３０を回転させるモータ４０とを備えている。
【００１４】
ハウジング１０内には、ポンプ内に流体を導入するための吸込流路１１と、ポンプ内で昇圧された流体をポンプ外に導出するための吐出流路１３と、インペラ３０の外周縁に沿って延在する略円環形状の昇圧流路１５とが形成されている。ハウジング１０は、上部に形成された吸込流路１１と吐出流路１３とが短絡しないように、両者を仕切る隔壁１８を備えている。
【００１５】
また、ハウジング１０は、昇圧流路１５の内側でインペラ３０の表面に対向している部分（後述するシール部４５）において、後述するインペラ３０の薄板部３４に嵌まり込む幅広の円環形状に突出する輪帯凸部１９を備えている。
【００１６】
インペラ３０は、全体として略円板形状であり、中心から半径方向外側に向けて、回転軸部３２と、薄板部３４と、羽根部３５とを備えている。回転軸部３２は、その中心に、モータ４０の回転軸４２が挿入固定される軸穴３３が形成されている。図２において、インペラ３０は、反時計回りに回転する。
【００１７】
羽根部３５は、インペラ３０の外周部に周回設置されており、羽根基部３６と、羽根基部３６上に周方向に周回設置されている側壁３８と、羽根基部３６上の側壁３８の両側において、それぞれ周方向に沿って所定の間隔で一列に周回設置された複数の羽根３７とを備えている。
【００１８】
薄板部３４は、回転軸部３２と羽根部３５との間において、インペラ３０の両側表面に幅広の円環形状に凹んだ輪帯凹溝が形成された部分であり、回転軸部３２及び羽根部３５における板厚よりも薄くなっている部分である。
【００１９】
このような構成において、インペラ３０がモータ４０により回転させられると、昇圧流路１５に位置する流体が、隣接する羽根３７の間の空間に順次流入し、回転方向に移動する羽根３７によって押されて昇圧されながら、インペラ３０の回転方向（図２において、反時計回り）に流れる渦流となる。このように昇圧流路１５において反時計回りの渦流となった流体は、吐出流路１３からポンプ外へと圧送される。
【００２０】
ここで、昇圧流路１５内の流体がインペラ３０とハウジング１０との間の隙間から回転軸部３２側に漏れて圧力損失が生じないように、インペラ３０の両側表面と、ハウジング１０の内壁面とは、インペラ３０回転時の接触を防止しつつ、微少隙間を形成するように近接して設置されている。このインペラ３０とハウジング１０との微小隙間部分がシール部４５として機能する。
【００２１】
シール部４５は、羽根部３５の羽根基部３６とハウジング１０との間の羽根シール部４６と、薄板部３４とハウジング１０との間の薄板シール部４７と、羽根部３５と薄板部３４との間の段差部に位置し、羽根シール部４６と薄板シール部４７との間に介在して両者を接続する、インペラ３０の回転方向に垂直な断面において半径方向に略直交して延在するシール部である段差シール部４８とを備えている。
【００２２】
このように、シール部４５として、羽根部３５の半径方向内側にインペラ３０の半径方向に略直交する段差シール部４８を設置することで、羽根部３５の羽根基部３６の段差シール部４８に面する内周面３５ｂには、段差シール部４８に位置する流体からインペラ３０の半径方向外側に向かう圧力Ｐ1が作用する（図３参照）。
【００２３】
そうすると、羽根部３５の外周面３５ａに対して、昇圧流路１５内の流体からインペラ３０の半径方向内側に向けて作用する圧力Ｐ2の一部が、上記圧力Ｐ1によってキャンセルされる。ここで、圧力Ｐ1及び圧力Ｐ2は、インペラ３０の全周にわたって内周面３５ｂ及び外周面３５ａに作用しており、全周にわたって、圧力Ｐ2の一部が圧力Ｐ1によってキャンセルされる。
【００２４】
よって、昇圧流路１５の入口部分でインペラ３０の羽根部３５に半径方向において作用する圧力Ｐinは、Ｐ2in−Ｐ1inとなり、出口部分でインペラ３０の羽根部３５に半径方向において作用する圧力Ｐoutは、Ｐ2out−Ｐ1outとなるため、回転軸４２に対して出口部分から入口部分に向けて撓むように作用する圧力は、（Ｐ2out−Ｐ1out）−（Ｐ2in−Ｐ1in）、すなわち、（Ｐ2out−Ｐ2in）−（Ｐ1out−Ｐ1in）となる。つまり、この回転軸４２を撓める圧力は、段差シール部４８を設置することで、Ｐ1out−Ｐ1inだけ小さくなる。
【００２５】
このように、インペラ３０の回転軸４２の撓みを軽減することができれば、インペラ３０がハウジング１０の内壁面に接触する可能性も低くなり、シール部４５の隙間を設計段階で縮めることができる。シール部４５の隙間を縮めることができれば、シール部４５からの流体の漏れによる圧力損失の発生を大きく抑えることができ、カスケードポンプ１の効率を大きく向上させることができる。
【００２６】
なお、圧力Ｐ1が大きくなるほど、圧力Ｐ2のキャンセルされる分が増えるため、回転軸４２の撓みを減らすためには、なるべく圧力Ｐ1を大きくするのが望ましい。圧力Ｐ1を大きくするためには、段差シール部４８をより半径方向外側に位置させれば良い。
【００２７】
段差シール部４８を外側に位置させるためには、シール部４５において、羽根部３５における羽根シール部４６の長さＬ1を短くする一方、薄板シール部４７の長さＬ2を長くして全体のシール性能を担保するようにすれば良い。
【００２８】
しかし、段差シール部４８を外側に位置させるために、羽根シール部４６の長さＬ1を短くすると、羽根基部３６の半径方向の厚みが小さくなるため、羽根部３５における強度上の問題等が生じてしまう。
【００２９】
これらを考慮すると、２Ｌ1≦Ｌ2…（式１）、且つ、Ｌ2≦６０Ｌ1…（式２）、すなわち、２Ｌ1≦Ｌ2≦６０Ｌ1であるのが望ましい。式１を満たさない場合には、シール部４５の全体に対して羽根シール部４６の占める割合が大きくなってしまうため、シール部４５のシール性を確保するためには、羽根シール部４６の長さＬ1も長くする必要があるが、そうすると圧力Ｐ1が小さくなってしまい望ましくない。
【００３０】
これに対して、式１を満たせば、羽根シール部４６の長さＬ1をある程度短くしつつ、薄板シール部４７の長さＬ2をある程度確保することが可能となり、全体としてシール部４５のシール性を担保することができる。
【００３１】
また、式２を満たさない場合には、シール部４５の全体に対して、羽根シール部４６の占める割合が小さくなってしまうため、羽根シール部４６の長さＬ1が短くなってしまう。そうすると、羽根部３５における強度問題が発生したり、薄板シール部４７の長さＬ2が長くなりすぎて、薄板シール部４７の半径方向内側が回転軸部３２に干渉したりするおそれがあり、望ましくない。
【００３２】
これに対して、式２を満たせば、羽根シール部４６の長さＬ1をある程度確保して、羽根部３５の強度を確保できると共に、薄板シール部４７の長さＬ2が長くなりすぎて、回転軸部３２と干渉するといったことを防ぐことができる。
【００３３】
続いて、ハウジング１０の昇圧流路１５の移行区間１６の構成について、図４を参照しながら詳細に説明する。図４は、本実施形態に係るカスケードポンプの回転軸に垂直な縦断面の一部を拡大して示す部分拡大縦断面図である。
【００３４】
同図に示すように、昇圧流路１５の移行区間１６は、吸込流路１１との境界部分から下流に向かって、徐々に流路が狭くなるように構成されている。すなわち、昇圧流路１５は、インペラ３０の回転方向に垂直な断面における断面積が移行区間１６の入口から出口まで徐々に小さくなるように構成されている。
【００３５】
なお、図４では、インペラ３０の回転軸４２に垂直な断面により、昇圧流路１５の高さが移行区間１６において徐々に低くなることを示しており、回転軸４２に平行な方向の昇圧流路１５の幅については示していないが、移行区間１６において、昇圧流路１５の幅も下流側に向けて徐々に狭くなるように構成されている。
【００３６】
また、移行区間１６は、昇圧流路１５の入口部分から周方向に70°の区間にわたって設置されており、移行区間１６の出口部分から下流側は、昇圧流路１５の流路は同じ大きさである。
【００３７】
ここで、流体が吸込流路１１から昇圧流路１５に入る際に一気に流路が小さくなると、流体の圧力が急激に上昇してキャビテーションが発生してしまい、ポンプの吸込能力が一気に低下してしまう。
【００３８】
これに対して、本願発明のように、昇圧流路１５の入口部分に移行区間１６を設け、徐々に流路を狭くすることで、昇圧流路１５内に吸い込まれた流体の圧力を徐々に上昇させることができ、キャビテーションの発生を防ぐことができる。
【００３９】
もちろん、移行区間１６の長さは適宜変更可能であり、キャビテーションの発生を防ぐことができる程度に、徐々に流路が狭くなるような形状及び長さであれば良い。
【００４０】
以上、本実施形態について詳細に説明したが、カスケードポンプ１によれば、羽根部３５の半径方向内側に半径方向と略直交する方向に延在する段差シール部４８を設置することで、段差シール部４８に面する羽根部３５の内周面３５ｂに対して、半径方向外側に向かう圧力Ｐ1が作用し、羽根部３５の外周面３５ａに対して、半径方向内側に向けて作用する圧力Ｐ2の一部が打ち消されることなる。
【００４１】
したがって、段差シール部４８を設置することで、昇圧流路１５の入口部分と出口部分での圧力Ｐ2の圧力差に起因して、インペラ３０が入口側に押されることによって生じる回転軸４２の撓みを抑えることができ、昇圧流路１５における圧力損失等を抑えて、カスケードポンプ１の効率を大きく向上させることができる。
【００４２】
続いて、本実施形態の変形例１について説明する。図５は、本実施形態の変形例１に係るカスケードポンプの回転方向に垂直な断面の一部を拡大して示す部分拡大断面図である。図５において、図示しないモータ４０は図中左側に位置している。本変形例１は、インペラ３０’の薄板部３４の構成が上記実施形態に係るインペラ３０と異なることを特徴としている。
【００４３】
よって、ここでは、上記実施形態と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については、同じ番号を付して説明を省略する。インペラ３０’の薄板部３４では、輪帯凹溝がインペラ３０’の一方の面にのみ形成され、他方の面は羽根部３５の羽根基部３６の側面と面一の平面のままである。
【００４４】
変形例１に係る輪帯凹溝は、上記実施形態の輪帯凹溝よりも二倍の深さで形成されている。また、ハウジング１０’もインペラ３０’に合わせた形状となっており、輪帯凸部１９’は、輪帯凹溝に対向する一方の内壁面にのみ形成され、輪帯凸部１９’の高さが二倍になっている。
【００４５】
本実施形態においても段差シール部４８の長さは、上記実施形態と同じ長さであり、上記実施形態と同様の作用効果を奏する。また、本変形例１では、圧力Ｐ1の作用する内周面３５ｂが回転軸４２のより先端側に位置することになり、回転軸４２を傾ける圧力（Ｐ2−Ｐ1）が作用する位置が回転軸４２を支える軸受側（図中左側）に近付くことになる。よって、圧力（Ｐ2−Ｐ1）のモーメントが小さくなり、回転軸４２の撓みをより効果的に抑えることができる。
【００４６】
以上、本発明の実施の形態について、変形例を含めて説明したが、本発明の実施の形態は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、カスケードポンプを構成する各部材の形状やサイズ、素材等は適宜変更可能である。また、上記実施形態では、羽根を側壁の両側に設置しているが、側壁の片面にだけ設置するようにしても良い。
【００４７】
また、上記実施形態では、インペラの羽根部と薄板部との間の段差部を一段の段差としているが、二段以上の段差でも良いし、段差部の面が傾斜していたり、曲面になっていても良い。
【符号の説明】
【００４８】
１      カスケードポンプ
１０    ハウジング
１１    吸込流路
１３    吐出流路
１５    昇圧流路
１６    移行区間
１８    隔壁
１９    輪帯凸部
３０    インペラ
３２    回転軸部
３３    軸穴
３４    薄板部
３５    羽根部
３５ａ  外周面
３５ｂ  内周面
３６    羽根基部
３７    羽根
３８    側壁
４０    モータ
４２    回転軸
４５    シール部
４６    羽根シール部
４７    薄板シール部
４８    段差シール部
【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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