JPH06101687A - 吐出特性制御型遠心ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 吐出特性制御型遠心ポンプにおいて、制御装
置の構造の簡単化、低コスト化及び制御精度の向上であ
る。 【構成】 羽根車５，６が固定された主軸１を、軸方向
摺動自在にポンプケーシング４に支承し、主軸１に連結
されたピストン９を軸方向移動自在にシリンダ８に嵌合
することにより、羽根車５，６の推力に抗する方向にピ
ストン９を加圧する変動圧室４６を形成し、変動圧室４
６の入口４９を、ポンプ吐出圧の増加に応じて開度が大
側へ調節されて吐出水を変動圧室４６に導入する圧力応
動弁５０を介してポンプ吐出部に接続し、変動圧室４６
の出口５２を、絞り５４を介してポンプ吸込部に接続
し、吐出圧が圧力応動弁５０の設定値より高い時には変
動圧室４６の圧力が推力に打ち勝って羽根車５，６を隙
間開放側に移動するように構成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、ポンプケーシング内
に、軸方向の一方側が開放した羽根車を備え、該羽根車
の開放側端縁とこれに対向する壁面との隙間を調整する
ことにより、吐出特性を制御し、流量が最大から最小ま
で変化しても、はじめに設定した吐出圧が保たれるよう
にした吐出特性制御型遠心ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種、制御方式を採用した遠心ポンプ
としては、特公平１−１２９５９号あるいは特公平１−
１２９６０号等がある。図３は前者の構造を簡略化して
示しており、開放羽根車１０１を固定した主軸１０２を
軸方向に摺動自在にポンプケーシングに支承し、主軸１
０２をサーボシリンダ１０４のピストン１０５に接続し
ており、該ピストン１０５は、シリンダ１０４内を変動
圧室１０７と定圧室１０８の２室に区画している。変動
圧室１０７の入口は、電磁弁１１０を介してポンプ吐出
口１１１に接続し、変動圧室１０７内に吐出圧力を導入
するようになっており、反対側の定圧室１０８の入口
は、減圧弁１１２を介して吐出口１１１に接続し、定圧
室１０８に一定圧を導入するようになっている。変動圧
室１０７の出口は、電磁弁１１３を介して低圧のポンプ
吸込口に接続し、また、定圧室１０８の出口も吸込口に
接続している。各電磁弁１１０，１１３には、所望吐出
圧力と運転中の各吐出量における吐出圧力の差を検出し
て、電磁弁１１０，１１３を作動させる圧力スイッチ１
１７が接続されている。

【０００３】所望吐出圧力と運転中の各吐出量における
吐出圧力の差を検出して、圧力スイッチ１１７により作
動する電磁弁１１０，１１３等からなる水力的釣合促進
機構により、変動圧室１０７と定圧室１０８の圧力バラ
ンスを積極的にくずし、すなわち、吐出圧力が上がれば
変動室１０７内の圧力を上げ、羽根前方の隙間Ｓを増大
する。反対に、吐出圧力が下がれば逆に変動圧室１０７
の圧力を下げて、隙間Ｓを減少する。すなわち、シリン
ダの２室１０７，１０８の圧力差を羽根車移動の主たる
駆動力としている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来構造
においては、次のような問題点がある。 （１）圧力スイッチ１１７と共に電磁弁１１０，１１３
を多用しており、それらに伴う電気制御回路等を備えて
いるので、構造が複雑で、製造コストが高くなり、しか
も、電磁弁自体は水に対して耐久性が低いため、メンテ
ナンスコストも高くつく。 （２）電磁弁１１０，１１３は開閉時の騒音が大きく、
防音材内張りの収納ケース等、防音対策を要する。 （３）圧力スイッチ１１７の上下限内で圧力制御を行う
ようにしているので、制御幅が大きく、制御圧力のばら
つきが大きい。 （４）シリンダ内の２室、すなわち、変動圧室１０７と
定圧室１０８との圧力バランスを崩し、これら２室の圧
力差と、主軸１０２の軸方向推力との差でもって、隙間
Ｓを制御するが、多段ポンプの６０HZに対する５０HZの
例のように、吐出圧力が低い割に推力が大きい場合に
は、２室の圧力差を大として制御し易くしようとするた
め、定圧室１０８の圧力を低下させるが、あまり低下さ
せると減圧弁１０２の下限能力をはみ出すことになり、
応答できなくなる。

【０００５】本願発明の目的は、 （１）電磁弁、圧力スイッチ及びそれに伴う電気制御回
路等の電気系統を廃止して、構造の簡単化、製造コスト
の低減及びメンテナンスコストの低減を図ると共に、騒
音の低減を図る。 （２）定圧室を実質上廃止できるようにすることによ
り、構造の簡単化を図ると同時に、上記減圧弁の問題を
解消する。 （３）圧力スイッチを廃止して、吐出水圧を利用した圧
力応動弁を利用することにより、制御幅を狭め、制御精
度の向上を図る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本願発明は、ポンプケーシング内に、軸方向の一方側
が開放した羽根車を備え、羽根車の回転により開放側の
隙間を閉塞する方向に軸方向の推力が生じる遠心ポンプ
であって、上記の隙間を調整することにより、吐出特性
を制御する吐出特性制御型遠心ポンプにおいて、羽根車
が固定された主軸を、軸方向摺動自在にポンプケーシン
グに支承し、上記主軸には、これと共に軸方向移動自在
となるようにピストンを連結し、該ピストンを軸方向移
動自在にシリンダに嵌合することにより、羽根車の推力
に抗する方向にピストンを加圧する変動圧室を形成し、
変動圧室の入口を、ポンプ吐出圧の増加に応じて開度が
大側へ調節されて吐出水を変動圧室に導入する圧力応動
弁を介してポンプ吐出部に接続し、変動圧室の出口を、
絞りを介してポンプ吸込部に接続し、吐出圧が圧力応動
弁の設定値より高い時には変動圧室の圧力が推力に打ち
勝って羽根車を隙間開放側に移動し、吐出圧が前記設定
値より低い時には、推力により隙間閉塞側に移動するよ
うに構成して、吐出圧を設定値に維持するようにしてい
る。

【０００７】

【作用】ポンプの吐出圧が設定値よりも小さくなると、
圧力応動弁の開度が減少し、変動圧室の圧力が低くな
り、羽根車の隙間閉塞側への軸方向推力が変動圧室の圧
力に打ち勝って、主軸及び羽根車を隙間閉塞側に移動
し、これにより、ポンプの吐出圧力は上昇する。ポンプ
の吐出圧が設定値よりも大きくなると、圧力応動弁の開
度が増大し、変動圧室の圧力が増大するので、変動圧室
の圧力が羽根車の軸方向推力に打ち勝って、主軸及び羽
根車を隙間開放側に移動し、これにより、ポンプの吐出
圧力は低下する。ポンプ吐出圧が設定値にある状態で
は、変動圧室の圧力と羽根車の推力が平衡し、ピストン
は移動せず、主軸及び羽根車もそのままの軸方向位置に
維持され、隙間は変化せず、ポンプ吐出圧力は設定値あ
るいはその近傍の値に維持される。

【０００８】

【実施例】図１は、本願発明を適用した吐出特性制御型
遠心ポンプであって、この図１において、主軸１は、そ
の前後端部が内部軸受２，３等を介してポンプケーシン
グ４に支持されており、軸受２，３間の主軸部分に第
１，第２段の羽根車５，６が固定されている。主軸１の
前端部はポンプケーシング４から前方に突出して同芯の
モータ（図示せず）に接続し、後端部は軸方向の力のみ
を伝達できる継手７を介してシリンダ８内のピストン９
に連結している。ピストン９は、シリンダ８に軸方向移
動自在に嵌合している。シリンダ８は、ポンプケーシン
グ４に固定されている。１３，１４は嵌め込み式のボリ
ュートケーシング、１５，１６は各羽根車５，６の吸込
口、１７，１８は各羽根車５，６に対向する壁、２０は
ポンプケーシング４を構成する中間ケーシング、２１は
戻し羽根である。

【０００９】前後の羽根車５，６は、それぞれ遠心式の
羽根１１，１２が固着されると共に前方に向かい開放し
ており、前方の壁１７，１８に対して隙間Ｓを隔てて対
向している。このような開放形の羽根車５，６の場合、
運転中、羽根車５，６の各前後に生じる水圧の圧力差に
より、軸方向の推力が発生する。具体的に説明すると、
運転中、羽根車５，６の後側の水圧を１．０とすると、
羽根１１，１２を有する前側（開放側）は、端縁開放の
ため、直径（Ｄ1 ＋Ｄ2 ）／２において、略０．５と小
さくなっており、この前後の水圧差により、羽根車５，
６には、前方側に向けて大きな軸方向の推力が発生す
る。このような推力に対して、各羽根車５，６にはそれ
らの後面に、ボリュートケーシング１３，１４の内部環
状突起に嵌合する環状部２６と釣合孔２７が形成されて
おり、これにより、上記大きな推力（スラスト力）を低
減し、軸受３への過大な軸方向の負荷を軽減するように
なっている。上記環状部２６の直径を、羽根１１，１２
の内方端縁の直径Ｄ1 よりも大きくＤ'1などとすること
により、環状部２６より外方側の後面環状空間部の面積
を低減して、上記前方への推力を適切なものに低減する
ことができる。なお、釣合孔２７は、環状部２６より内
方側の前後空間部の圧力を均衡させるためのものであ
る。

【００１０】上記羽根車５，６は、主軸１及び前後の玉
軸受２，３と共に、各羽根車５，６の前方の隙間Ｓが最
小の図示の状態から後方へと摺動できるように、外部軸
受２９，３３等を利用してポンプケーシング４に支承さ
れている。すなわち、前方の玉軸受２は、玉軸受ホルダ
ー３１に嵌入され、スリーブメタル２８を介して軸方向
移動可能に外部軸受２９に支承され、外部軸受２９は、
ポンプケーシング４に固定されると共に回止めピン３０
を有し、該回止めピン３０により、スリーブメタル２８
と玉軸受ホルダー３１を回り止めしている。後方の玉軸
受３も、前方の玉軸受２と同様にポンプケーシング４に
固定された外部軸受３３により、玉軸受ホルダー３６及
びスリーブメタル３２を介して軸方向移動可能に支承さ
れており、外部軸受３３は、スリーブメタル３２及び玉
軸受ホルダー３６を回り止めするための回止めピン３４
を備えている。

【００１１】後方の玉軸受３とピストン９の軸部４５と
を軸方向の力のみ伝達可能に連結する継手として、カッ
プ形の玉軸受ホルダー３６は、蓋４３と構成されてお
り、玉軸受３の外輪に、後方から玉軸受ホルダー３６を
嵌め込み、該玉軸受ホルダー３６の前面に蓋４３を固定
することにより、玉軸受３の外輪を回転させることなく
軸方向に一体的に移動可能に保持しており、玉軸受ホル
ダー３６の端面中央のねじ孔に、ピストン９の軸部４５
の前端に形成したねじを螺合することにより、軸部４５
と玉軸受ホルダー３６を一体的に連結している。

【００１２】シリンダ８は、ピストン９を軸方向摺動自
在に嵌合することにより、前側の変動圧室４６と後側の
低圧室４７に区切られており、変動圧室４６の入口４９
は、圧力応動弁５０を有する圧力通路（配管）５１を経
てポンプの吐出口１９に接続し、ポンプ吐出水を減圧し
て変動圧室４６内に導入するようになっている。変動圧
室４６の出口５２は、絞り５４を有する出口通路（配
管）５５を経てポンプの低圧部（たとえば吸込口１５）
に接続している。後側の低圧室４７は、仮想線で示すよ
うに、開口５７を、配管５６を介して低圧の吸込口１５
に接続してもよく、また、開口５７を大気圧力下に開放
しておくこともできる。

【００１３】圧力応動弁５０の詳細を示す図２におい
て、圧力応動弁５０のケース６０は、上部ケース部分６
２と下部ケース部分６１の組立体であり、両ケース部分
６１，６２の接合部分にダイヤフラム６３の外周縁部が
保持されている。ダイヤフラム６３は、ケース６０の中
心線０ー０に対して概ね直角に位置しており、ケース６
０の内部を上下に区切っている。

【００１４】下部ケース部分６１には、圧力通路５１の
上流側部分に接続する入口６５と下流側部分に接続する
出口６６が形成されており、入口６５と出口６６は、下
部ケース部分６１の内部の入口側及び出口側の室に連通
している。これら両室は、下ケース部分６１に内部に設
けた隔壁６７により区切られており、隔壁６７に形成さ
れた弁口６８だけを介して連通している。弁口６８は、
ケース６０の中心線０−０と同芯に設けてあり、弁棒７
０の上端は、ダイヤフラム６３の下面中央部に固定した
支持板７１に直結している。弁棒７０の下端は弁体７２
に連結している。弁体７２は、弁口６８に対して同芯か
つ入口６５側の位置に設けてある。上記弁口６８の周囲
において、隔壁６７の上面には弁座７６が形成されてお
り、ダイヤフラム６３の中央部上面にはばね受け板８０
が固定されている。

【００１５】ばね受け板８０には、圧縮コイルばね８１
の下端が着座している。ばね８１は、ケース中心線０−
０と同芯に延びており、上端がばね受け８２に着座して
いる。ばね受け８２は、その外周の突起が上部ケース部
分６２の筒状内面に設けた溝に対して、回転不能かつ中
心線０−０と平行な方向に摺動自在の状態で嵌合してい
る。ばね受け８２の中央部にはねじ軸８３が螺合するね
じ孔が形成されている。ねじ軸８３の上端部は、上部ケ
ース部分６２の孔から上方に突出しており、その突出端
部に回転操作用のハンドル８５が取り付けてある。ま
た、上部ケース部分６２の内部かつばね受け８２の上方
において、ねじ軸８３にはストッパー８６が取り付けて
ある。

【００１６】上記構造によると、入口６５から供給され
た水圧が低下すると、ダイヤフラム６３はばね８１に押
されて下方へ移動し、それに伴って弁棒７０及び弁体７
２が下方へ移動し、弁口６８の開度が減少する。すなわ
ち、圧力応動弁５０は、閉塞状態あるいは開度減少状態
となる。入口６５から供給される水圧が増加すると、そ
の供給水圧によりダイヤフラム６３がばね８１の弾性力
に抗して押し上げられる。これにより、弁体７２が押し
上げられ、弁口６８の開度が増加する。入口６５からの
供給水圧が所定の設定値である場合、上記説明から明ら
かなように、弁体７２は、弁口６８を、開度を減少させ
た状態で開放し、圧力応動弁５０は、半開き状態とな
る。

【００１７】無論、ハンドル８５を操作してばね８１の
圧縮状態を変更することにより、上記供給水圧に対する
ダイヤフラム６３の移動特性、すなわち、圧力応動弁５
０の開閉特性を調整して、各種仕様に対応して設定値を
調整することができる。

【００１８】上記の各部の具体的な仕様は、圧力応動弁
５０の上記動作に関連して、各部が次のように作動する
ように設定してある。ポンプの吐出圧が設定値Ｈよりも
小さい値まで低下した場合、たとえば、図４において、
水量Ｑ1、運転点イから水量がＱ2 へ増加すると、ポン
プ揚程曲線は、隙間量６の曲線のままであるから、ポン
プ吐出圧は低下し、運転点はロとなる。この場合、圧力
応動弁５０の開度が減少し、変動圧室４６への圧力供給
は停止または略停止に近い状態となる。この状態では、
変動圧室４６の圧力が低くなるので、羽根車５，６の軸
方向前方向の推力が変動圧室４６の圧力に打ち勝って、
主軸１及び羽根車５，６を前方に移動し、隙間Ｓを狭く
する。この結果、ポンプの吐出圧力は上昇する。図４で
いえば、ポンプ揚程曲線は、隙間量５の曲線まで上昇
し、運転点はハとなって、設定圧に復する。

【００１９】ポンプ吐出圧が設定値より大きい値まで増
加した場合、たとえば、図４において、水量Ｑ3 、運転
点ニから水量がＱ4 へ減少すると、ポンプ揚程曲線は、
隙間量２の曲線のままであるから、吐出圧が増加し、運
転点はホとなる。この場合、圧力応動弁５０の開度が増
大し、開放状態あるいはそれに近い状態になり、変動圧
室４６に、吐出圧又は吐出圧力に近い圧力が供給され
る。この状態では、変動圧室４６の圧力が増大するの
で、変動圧室４６の圧力が羽根車５，６の軸方向前方へ
の推力に打ち勝って、主軸１及び羽根車５，６を後方に
移動し、隙間Ｓを広くする。これにより、ポンプの吐出
圧力は低下する。図４でいうと、ポンプ揚程曲線は、隙
間量３の曲線へ低下し、運転点がヘとなって、元の設定
圧に復する。

【００２０】ポンプ吐出圧が設定値にある状態では、圧
力応動弁５０が半開状態となり、変動圧室４６へ比較的
低い圧力が供給される。この状態では、変動圧室４６の
圧力と羽根車５，６の推力が平衡し、ピストン９は移動
しない。そのために主軸１及び羽根車５，６もそのまま
の軸方向位置に維持され、隙間Ｓは変化せず、ポンプ吐
出圧力は設定値あるいはその近傍の値に維持される。上
述のように、ポンプ吐出圧は常に設定値あるいはそれに
近い値に維持される。

【００２１】

【別の実施例】図１に示すような多段式の遠心ポンプの
他に、単一の羽根車を有する単段式の遠心ポンプにも適
用できる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本願発明によると、 （１）羽根車の回転により生じる軸方向の推力と、ポン
プ吐出水の圧力を利用した変動圧室の圧力との平衡によ
り、羽根車の軸方向位置を調整するようにしているの
で、従来のように圧力スイッチや電磁弁を含む高価な電
気的制御装置を備える必要がなくなり、全体構造が簡単
になると共に、製造コスト及びメンテナンスコストを低
減することができる。

【００２３】（２）羽根車の回転により生じる軸方向の
推力と、変動圧室の圧力との平衡により、羽根車の軸方
向位置を調整して、羽根車開放端側の隙間を調整するよ
うにしているので、従来のように、シリンダ内の２室の
圧力差と、主軸の軸方向推力の３つの力により隙間調整
する構造に比べて、変動圧室と反対側の室の構造を、大
気圧力下に開放したりしてきわめて簡単な構造とした
り、あるいは究極的には廃止することも可能であり、構
造が一層簡単になる。

【００２４】（３）羽根車の回転により生じる軸方向の
推力と、変動圧室の圧力との平衡を保つようにすること
により、羽根車の軸方向位置を調整して、羽根車開放端
側の隙間を調整するようにしているので、従来のよう
に、シリンダ内の２室の圧力差と、主軸の軸方向推力の
３つの力により隙間調整する構造に比べて、吐出水圧が
低いわりに推力が大きい場合でも、十分に制御でき、応
答範囲が広くなる。

【００２５】（４）電磁弁が必要なくなるので、電磁弁
開閉時の騒音がなくなる。

【００２６】（５）圧力スイッチを廃止して、吐出圧を
利用した圧力応動弁を利用し、完全水力自力制御として
いるので、連続的に開度が変更して、ポンプの圧力を微
妙かつ変動幅の小さい状態に制御できる。すなわち、変
化量を溜めることなく、瞬時に制御できるので、吐出特
性が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本願発明を適用した吐出特性制御型遠心ポン
プの縦断面図である。

【図２】 図１の圧力応動弁の縦断面拡大図である。

【図３】 従来例の簡略縦断面図である。

【図４】 吐出圧と水量の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 主軸 ４ ポンプケーシング ５，６ 開放形羽根車 ７ 継手 ８ シリンダ ９ ピストン １１，１２ 羽根 １５，１６ 吸込口（吸込部） １７ 壁 １８ 壁 １９ 吐出口（吐出部） ４６ 変動圧室 ５０ 圧力応動弁 ５４ 絞り

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ポンプケーシング内に、軸方向の一方側
   が開放した羽根車を備え、羽根車の回転により開放側の
   隙間を閉塞する方向に軸方向の推力が生じる遠心ポンプ
   であって、上記の隙間を調整することにより、吐出特性
   を制御する吐出特性制御型遠心ポンプにおいて、羽根車
   が固定された主軸を、軸方向摺動自在にポンプケーシン
   グに支承し、上記主軸には、これと共に軸方向移動自在
   となるようにピストンを連結し、該ピストンを軸方向移
   動自在にシリンダに嵌合することにより、羽根車の推力
   に抗する方向にピストンを加圧する変動圧室を形成し、
   変動圧室の入口を、ポンプ吐出圧の増加に応じて開度が
   大側へ調節されて吐出水を変動圧室に導入する圧力応動
   弁を介してポンプ吐出部に接続し、変動圧室の出口を、
   絞りを介してポンプ吸込部に接続し、吐出圧が圧力応動
   弁の設定値より高い時には、変動圧室の圧力が推力に打
   ち勝って羽根車を隙間開放側に移動し、吐出圧が前記設
   定値より低い時には、推力により隙間閉塞側に移動する
   ように構成して、吐出圧を設定値に維持するようにして
   いることを特徴とする吐出特性制御型遠心ポンプ。