(57)【要約】      （修正有）【課題】低圧側から高圧側までディフューザ羽根を同じ角度で安定して制御でき、かつ低流量域でもサージングなどの不安定現象を発生させずに安定して運転することができる多段ポンプを提供する。【解決手段】多段ポンプは、複数段の羽根車１５、１６と、複数段の羽根車１５、１６の半径方向外側に配置された複数の可変ディフューザ羽根９を有する複数段のディフューザ５５、５６と、複数の可変ディフューザ羽根９の角度を変えるディフューザ駆動機構６０とを備える。ディフューザ駆動機構６０は、アクチュエータ３１と、複数段のディフューザ５５、５６のそれぞれの可変ディフューザ羽根９に連結された複数段の動力伝達機構７０と、アクチュエータ３１の動力を複数段の動力伝達機構７０に分配する分配機構９０とを備える。【選択図】図２
2017044083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を昇圧するための多段ポンプであって、
複数段の羽根車と、
前記複数段の羽根車の半径方向外側に配置された複数の可変ディフューザ羽根を有する複数段のディフューザと、
前記複数の可変ディフューザ羽根の角度を変えるディフューザ駆動機構とを備え、
前記ディフューザ駆動機構は、
アクチュエータと、
前記複数段のディフューザのそれぞれの前記可変ディフューザ羽根に連結された複数段の動力伝達機構と、
前記アクチュエータの動力を前記複数段の動力伝達機構に分配する分配機構とを備えたことを特徴とする多段ポンプ。
【請求項２】
前記複数段の動力伝達機構のうちの高圧側の動力伝達機構は、低圧側の動力伝達機構よりも強度の高い材料から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の多段ポンプ。
【請求項３】
前記液体の流量を検出する流量検出装置と、
前記液体の流量に基づいて前記複数の可変ディフューザ羽根の角度を決定し、前記複数の可変ディフューザ羽根が前記決定された角度となるように前記アクチュエータを操作する制御装置とをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の多段ポンプ。
【請求項４】
前記液体の圧力を検出する圧力検出装置と、
前記液体の圧力に基づいて前記複数の可変ディフューザ羽根の角度を決定し、前記複数の可変ディフューザ羽根が前記決定された角度となるように前記アクチュエータを操作する制御装置とをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の多段ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を加圧して移送する多段ポンプに関し、特にディフューザを備えた多段ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ポンプを設計点以下の低流量域で運転すると、羽根車、ディフューザ等の構成要素で液体の流れの剥離等が発生することがある。これらの原因によって、該ポンプで発生できる流量に対する圧力の上昇率が低下して、不安定現象（サージング等）が発生してしまい、ポンプの運転が不能となることがある。
【０００３】
この問題を解決するために、液体の流量および羽根車の回転速度に応じてディフューザ羽根の角度を変えて、液体の流れの剥離や、この剥離に起因するサージングを抑制する技術が開発されている。また、ディフューザ羽根の角度を変える駆動機構の効率を上げるために、ディフューザ羽根の長さを変えたり、ディフューザ羽根の支点の半径位置を所定の範囲内に設定する技術が開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−６１５９４号公報
【特許文献２】特開平８−２３２８８７号公報
【特許文献３】特開平８−４２４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
多段ポンプの取り扱い流体である液体は非圧縮性流体であり、多段ポンプ内の低圧側から高圧側まで液体の流量は一定であるため、多段ポンプの低圧側から高圧側までディフューザ羽根の角度は同じであることが望ましい。しかしながら、液体は複数段の羽根車によって順次昇圧されるため、高圧側に配置されたディフューザ羽根には液体の高い圧力がかかり、このディフューザ羽根を駆動するための駆動機構には大きな応力が発生する。
【０００６】
特許文献１には、ディフューザ羽根の角度を変える複数のアクチュエータを各段に配置し、それぞれのアクチュエータによって各段のディフューザ羽根の角度を変えるガス用の流体機械としての多段コンプレッサーが開示されている。しかしながら、それぞれのアクチュエータによって各段に配置されたディフューザ羽根の角度を独立に変える機構は複雑である。さらに、液体を取り扱う多段ポンプでは、高圧側に配置されたディフューザ羽根には液体の高い圧力がかかるため、高圧側のディフューザ羽根の角度が不安定になる可能性が高くなる。
【０００７】
本発明は上述の事情に鑑みてなされたもので、低圧側から高圧側までディフューザ羽根を同じ角度で安定して制御でき、かつ低流量域でもサージングなどの不安定現象を発生させずに安定して運転することができる多段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】
【０００８】
上述した目的を達成するため、本発明の一態様は、液体を昇圧するための多段ポンプであって、複数段の羽根車と、前記複数段の羽根車の半径方向外側に配置された複数の可変ディフューザ羽根を有する複数段のディフューザと、前記複数の可変ディフューザ羽根の角度を変えるディフューザ駆動機構とを備え、前記ディフューザ駆動機構は、アクチュエータと、前記複数段のディフューザのそれぞれの前記可変ディフューザ羽根に連結された複数段の動力伝達機構と、前記アクチュエータの動力を前記複数段の動力伝達機構に分配する分配機構とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の好ましい態様は、前記複数段の動力伝達機構のうちの高圧側の動力伝達機構は、低圧側の動力伝達機構よりも強度の高い材料から構成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記液体の流量を検出する流量検出装置と、前記液体の流量に基づいて前記複数の可変ディフューザ羽根の角度を決定し、前記複数の可変ディフューザ羽根が前記決定された角度となるように前記アクチュエータを操作する制御装置とをさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記液体の圧力を検出する圧力検出装置と、前記液体の圧力に基づいて前記複数の可変ディフューザ羽根の角度を決定し、前記複数の可変ディフューザ羽根が前記決定された角度となるように前記アクチュエータを操作する制御装置とをさらに備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
アクチュエータの動力は、分配機構によって複数段の動力伝達機構に分配され、さらにこれら動力伝達機構から各段の複数の可変ディフューザ羽根に伝達されるので、ディフューザ駆動機構は、可変ディフューザ羽根を低圧側から高圧側まで同じ角度で安定して制御できる。したがって、多段ポンプは、その設計点以下の低流量域でもサージングなどの不安定現象を発生させずに安定して運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る多段ポンプを示す模式断面図である。
【図２】図１に示す多段ポンプの一部を示す模式断面図である。
【図３】歯車機構および複数の可変ディフューザ羽根の一部を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る多段ポンプを示す模式断面図である。本実施形態に係る多段ポンプは、複数段の中胴２および外胴２５を備える二重胴構造の多段ディフューザポンプである。多段ポンプは回転部材３０と静止部材４０とから基本的に構成されている。回転部材３０は静止部材４０内に回転可能に装着されている。回転部材３０は、回転軸１０と、複数段（第１〜第７）の羽根車１１〜１７とから構成されており、羽根車１１〜１７は回転軸１０に取り付けられている。高圧側の羽根車１５〜１７は低圧側の羽根車１２〜１４とは反対方向を向いている。
【００１３】
静止部材４０は、吸込口Ｗｉと吐出口Ｗｏとを有する円筒状の外胴２５と、外胴２５内に収容される複数段の中胴２と、外胴２５の両端開口部を閉塞する吸込側板１８および吐出側板２２とを備えている。吸込口Ｗｉは低圧室Ｒ１に連通しており、吐出口Ｗｏは高圧室Ｒ２に連通している。中胴２は回転軸１０の軸方向に沿って重ね合わされている。羽根車１１〜１７は複数段の中胴２内にそれぞれ収容されている。１段目の羽根車１１は両吸い込み羽根車であり、２段目〜７段目の羽根車１２〜１７は片吸い込み羽根車である。多段ポンプは、複数段のディフューザ５１〜５７を備えている。これらディフューザ５１〜５７は複数段の中胴２内にそれぞれ収容されている。
【００１４】
回転軸１０の端部は図示しない駆動源（例えばモータ）に連結され、この駆動源により回転軸１０および羽根車１１〜１７が回転するようになっている。羽根車１１〜１７が回転すると、吸込口Ｗｉから液体が吸い込まれ、各羽根車１１〜１７によって順次昇圧され、さらにディフューザ５１〜５７を通過するときに速度エネルギが圧力エネルギに変換され、昇圧される。昇圧された液体は、吐出口Ｗｏから多段ポンプの外部に排出される。
【００１５】
図２は、図１に示す多段ポンプの一部を示す模式断面図である。図２では、回転軸１０に固定される羽根車１５，１６の上半分が示されている。ディフューザ５５，５６は、それぞれ複数の可変ディフューザ羽根９を有している。図２では、各段において１つの可変ディフューザ羽根９のみが図示されているが、各段において複数の可変ディフューザ羽根９が羽根車１５，１６の周りに等間隔で配列されている。符号ＣＬは回転軸１０の中心軸線を示している。羽根車１５，１６およびディフューザ５５，５６は同心状に配置されている。
【００１６】
多段ポンプは、複数の可変ディフューザ羽根９の角度を変えるディフューザ駆動機構６０を備えている。ディフューザ駆動機構６０は各段のディフューザ５２〜５７に連結されており、各段のすべての可変ディフューザ羽根９の角度を同期して変えることが可能となっている。図２に示すように、ディフューザ駆動機構６０は、単一のアクチュエータ３１と、複数段のディフューザ５２〜５７のそれぞれの可変ディフューザ羽根９に連結された複数段の動力伝達機構７０と、アクチュエータ３１の動力を複数段の動力伝達機構７０に分配する分配機構９０とを備えている。アクチュエータ３１は、中胴２と外胴２５との間に配置されており、分配機構９０に連結されている。
【００１７】
アクチュエータ３１の動力は、分配機構９０および動力伝達機構７０によって各段の複数の可変ディフューザ羽根９に伝達される。すなわち、アクチュエータ３１は分配機構９０および動力伝達機構７０を作動させて各段の複数の可変ディフューザ羽根９の角度を変えることが可能である。分配機構９０は、アクチュエータ３１の動力を複数段の動力伝達機構７０に均等に分配するように構成されている。したがって、多段ポンプの高圧側において液体の高い圧力が可変ディフューザ羽根９に加わったときでも、アクチュエータ３１は、各段の可変ディフューザ羽根９の角度を同期して変えることができ、かつ可変ディフューザ羽根９の角度を一定に保つことができる。
【００１８】
アクチュエータ３１は例えばサーボモータである。分配機構９０は回転軸１０の軸方向に延びており、中胴２に固定されている。本実施形態では、アクチュエータ３１は分配機構９０に固定されている。
【００１９】
分配機構９０は、アクチュエータ３１の駆動軸７９に固定された駆動傘歯車８２と、駆動傘歯車８２に噛み合う従動傘歯車８３と、従動傘歯車８３が固定される連結軸８１とを備えている。連結軸８１は回転軸１０と平行に延びている。この連結軸８１は、アクチュエータ３１の動力を各段の複数の可変ディフューザ羽根９に分配できるように、低圧側のディフューザ５２から高圧側のディフューザ５７まで延びている。分配機構９０は、さらに、連結軸８１に固定された複数の入力傘歯車８４と、これら入力傘歯車８４にそれぞれ噛み合う複数の出力傘歯車８５と、これら出力傘歯車８５がそれぞれ固定される複数の中間軸３５とを備えている。
【００２０】
中間軸３５は多段ポンプの各段に設けられており、これら中間軸３５は入力傘歯車８４および出力傘歯車８５を介して連結軸８１に連結されている。中間軸３５は連結軸８１に直交している。中間軸３５の数は、ディフューザ５２〜５７の段数に対応している。中間軸３５の上端部には、入力傘歯車８４と噛み合う出力傘歯車８５が取り付けられている。
【００２１】
アクチュエータ３１が作動すると、駆動軸７９の回転は駆動傘歯車８２および従動傘歯車８３を介して連結軸８１に伝達され、連結軸８１が回転する。この連結軸８１の回転は入力傘歯車８４および出力傘歯車８５を介して中間軸３５に伝達される。さらに、各段の中間軸３５の回転は、各段の動力伝達機構７０に伝達される。
【００２２】
図３は動力伝達機構７０および複数の可変ディフューザ羽根９の一部を示す正面図である。動力伝達機構７０は、環状歯車７１と、環状歯車７１の外側に設けられた外側歯車７２と、環状歯車７１の内側に設けられた複数の内側歯車７３とを備えている。環状歯車７１は回転軸１０と同心状である。環状歯車７１は、その外周面および内周面に歯を有しており、環状歯車７１および外側歯車７２は互いに噛み合い、環状歯車７１および複数の内側歯車７３は互いに噛み合っている。外側歯車７２が回転すると、環状歯車７１が回転し、さらに複数の内側歯車７３が同期して回転する。複数の内側歯車７３には、複数の可変ディフューザ羽根９がそれぞれ連結されており、内側歯車７３の回転に伴ってこれら可変ディフューザ羽根９の角度が同期して変化する。
【００２３】
図２に戻り、外側歯車７２には、伝達軸７５が固定されている。中間軸３５の下端部には入力傘歯車４１が取り付けられており、伝達軸７５の端部には、入力傘歯車４１に噛み合う出力傘歯車４２が取り付けられている。中間軸３５および伝達軸７５は互いに直交している。中間軸３５の回転は、傘歯車４１，４２を介して伝達軸７５に伝達される。内側歯車７３は出力軸３６に固定されており、さらに出力軸３６には可変ディフューザ羽根９が固定されている。本実施形態では、分配機構９０によって分配された動力を複数の可変ディフューザ羽根９に伝達する動力伝達機構７０は、傘歯車４１，４２、伝達軸７５、外側歯車７２、環状歯車７１、複数の内側歯車７３、および複数の出力軸３６から構成されている。
【００２４】
アクチュエータ３１が駆動されると、連結軸８１、中間軸３５、および伝達軸７５が回転し、伝達軸７５の回転とともに、外側歯車７２、環状歯車７１、および内側歯車７３が回転する。内側歯車７３の回転により、内側歯車７３に連結された可変ディフューザ羽根９が回転する。このようにして、単一のアクチュエータ３１の動力は複数段の可変ディフューザ羽根９に分配され、これら可変ディフューザ羽根９の角度を同時に変えることができる。
【００２５】
動力伝達機構７０の破損を防止するために、動力伝達機構７０を強度の高い材料から構成してもよい。特に、複数段の動力伝達機構７０のうち高圧側の動力伝達機構７０を、低圧側の動力伝達機構７０よりも強度の高い材料から構成してもよい。このような構成によれば、液体の高い圧力がかかる高圧側の動力伝達機構７０の破損を防止することができる。
【００２６】
図１に示すように、吐出口Ｗｏには、吐出される液体の流量を検出する流量検出装置４５が設けられている。流量検出装置４５は制御装置３２に接続されている。制御装置３２は流量検出装置４５によって検出された液体の流量に基づいて複数の可変ディフューザ羽根９の角度を決定するように構成されている。
【００２７】
本実施形態では、可変ディフューザ羽根９の最適角度は液体の流量によって決定される。制御装置３２は、液体の流量と、可変ディフューザ羽根９の最適角度との相関関係を示す所定の式を用いて可変ディフューザ羽根９の角度を決定するように構成されている。液体の流量と可変ディフューザ羽根９の最適角度との相関関係を示す式は、制御装置３２に予め記憶されている。
【００２８】
アクチュエータ３１は制御装置３２に接続されている。制御装置３２は、可変ディフューザ羽根９が制御装置３２で決定された角度となるように、アクチュエータ３１を操作する。アクチュエータ３１は分配機構９０および動力伝達機構７０を介して複数の可変ディフューザ羽根９の角度を変える。
【００２９】
一実施形態として、流量検出装置４５を吸込口Ｗｉに設けて、多段ポンプ内に吸い込まれる液体の流量を検出し、制御装置３２は流量検出装置４５によって検出された液体の流量に基づいて複数の可変ディフューザ羽根９の角度を決定してもよい。また、液体の流量は多段ポンプ内の流路において一定であるため、流量検出装置４５は多段ポンプ内の流路であれば、吸込口Ｗｉおよび吐出口Ｗｏ以外の位置に設けられてもよい。
【００３０】
一実施形態として、流量検出装置４５に代えて、吐出される液体の圧力を検出する圧力検出装置を設けてもよい。圧力検出装置が配置される位置は、流量検出装置４５と同じであるので図示を省略する。この場合も同様に、制御装置３２は圧力検出装置によって検出された液体の圧力に基づいて複数の可変ディフューザ羽根９の角度を決定する。つまり、制御装置３２は、液体の圧力と、可変ディフューザ羽根９の最適角度との相関関係を示す所定の式を用いて可変ディフューザ羽根９の角度を決定する。
【００３１】
一実施形態として、圧力検出装置を吸込口Ｗｉに設けて、多段ポンプ内に吸い込まれる液体の圧力を検出し、制御装置３２は圧力検出装置によって検出された液体の圧力に基づいて複数の可変ディフューザ羽根９の角度を決定してもよい。
【００３２】
上述した実施形態によれば、ディフューザ駆動機構６０は共通のアクチュエータ３１を備えており、アクチュエータ３１の動力は分配機構９０および動力伝達機構７０によって各段に配置された複数の可変ディフューザ羽根９に伝達される。したがって、ディフューザ駆動機構６０は低圧側から高圧側まで可変ディフューザ羽根９を同じ角度で調整できる。加えて、多段ポンプは、その設計点以下の低流量域でもサージングなどの不安定現象を発生させずに安定して運転することができる。
【００３３】
一実施形態として、多段ポンプの各段に複数のディフューザ駆動機構を設けて低圧側から高圧側までの可変ディフューザ羽根９を独立に制御してもよい。このような構成により、複数のディフューザ駆動機構の１つが破損した場合でも、他のディフューザ駆動機構に影響を与えることなく、破損したディフューザ駆動機構のみを容易に交換することができる。
【００３４】
上述した実施形態に係る多段ポンプは、高圧側の羽根車１５〜１７が低圧側の羽根車１２〜１４と反対方向を向いた多段ポンプであるが、本発明はこの実施形態に限定されず、すべての羽根車が同一の方向を向いた多段ポンプにも本発明を適用することは可能である。さらに、本実施形態では、１段目のディフューザ５１には、ディフューザ駆動機構６０は連結されていないが、多段ポンプの構成によっては１段目のディフューザ５１にディフューザ駆動機構６０を連結してもよい。
【００３５】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【符号の説明】
【００３６】
２      中胴
９      可変ディフューザ羽根
１０      回転軸
１１〜１７      羽根車
１８      吸込側板
２２      吐出側板
２５      外胴
３０      回転部材
３１      アクチュエータ
３２      制御装置
３５      中間軸
３６      出力軸
４０      静止部材
４１      入力傘歯車
４２      出力傘歯車
４５      流量検出装置
５１〜５７      ディフューザ
６０      ディフューザ駆動機構
７０      動力伝達機構
７１      環状歯車
７２      外側歯車
７３      内側歯車
７９      駆動軸
８１      連結軸
８２      駆動傘歯車
８３      従動傘歯車
８４      入力傘歯車
８５      出力傘歯車
９０      分配機構
Ｗｉ      吸込口
Ｗｏ      吐出口
Ｒ１      低圧室
Ｒ２      高圧室
【図１】
2017044083.tif 000003
【図２】
2017044083.tif 000004
【図３】
2017044083.tif 000005