JP2002130180A - Ｄｃポンプ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の不凍液を用いるポンプ装置の水中すべ
り軸受においては、軸−軸受間にわずかに存在する不凍
液中でその化合物が析出し、軸受が固着し羽根車がロッ
クした状態となるので、モータ構成により羽根車を動か
そうとしてもポンプが起動できなくなるという課題があ
った。そして小型のＤＣポンプ装置では羽根車の回転部
の固着解除機構を構成する空間的・コスト面での余裕も
なく、羽根車の回転部の固着の解除は課題となってい
た。 【解決手段】 シールレス構造で、かつ、水中すべり軸
受を用いるＤＣポンプであって、羽根車１のロック状態
を検知する手段を設け、ロックを検知した場合は、羽根
車１の軸周りの共振周波数の１／ｎで駆動力を羽根車１
に与える期間を起動プロセスに設けた構成とし、ＤＣポ
ンプにおける軸２の固着を簡単に解除できるようにす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シールレス構造を
有し、水中すべり軸受を用いる構成のＤＣポンプ装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の循環水用ＤＣポンプには、コスト
および寿命に優れることから水中すべり軸受が採用され
ている。また、寒冷な環境下でもポンプの使用を可能と
するため、循環水としてエチレングリコールなどを水と
混合した不凍液が使われる。

【０００３】図５に示すように従来のＤＣポンプ装置
は、流体に運動エネルギーを与える羽根車１０１と、羽
根車１０１と一体に形成された環状のロータ１０５と、
羽根車１０１に結合し羽根車１０１を回転自在に支持す
るための軸１０２と、軸１０２が嵌挿されて軸１０２周
りにすべり摩擦状態で係合されるとともにロータ１０５
に固定された軸受１０３と、ロータ１０５の内側に結合
した磁石１０４と、磁石１０４の内側に対応するように
配置され磁石１０４とともにモータを構成するステータ
１０６と、羽根車１０１を内部に収納し併せて羽根車１
０１から吐出される流体を捕集して昇圧するボリュート
１０７と、ボリュート１０７を備え昇圧した後にポンプ
吐出口へ導く構造を有するケーシング１０８と、モータ
を内部と外部に分け、ボリュート１０７とともにポンプ
室を構成する隔壁１０９と、ボリュート１０７と隔壁１
０９およびケーシング１０８からの漏水を防ぐＯリング
１１０と、ステータ１０６の反羽根側に配置されモータ
の制御回路が構成された制御基板１１１を備え、軸１０
２は隔壁１０９に一端を固定され他端をボリュート１０
７に支持された構成となっている。

【０００４】つぎに、上記のように構成された従来のＤ
Ｃポンプ装置のポンプ動作と作用について説明する。

【０００５】ステータ１０６、磁石１０４からなるモー
タに制御基板１１１から電力が供給されると磁石１０４
に回転トルクが作用し、ロータ１０５によりこの磁石１
０４と一体に結合されている羽根車１０１が回転する。
このとき、ロータ１０５に固定された軸受１０３は、隔
壁１０９に一端を固定され他端をボリュート１０７に支
持された軸１０２周りにすべり摩擦状態で係合されてい
るので、摩擦損失が少ない状態で回転状態が実現されて
いる。このすべり摩擦状態では厳密には軸受１０３と軸
１０２の固体接触ではなく、その間に流体が浸透した状
態となっており、流体が潤滑剤となってはじめて低摩擦
損失での回転を実現できる。

【０００６】さて、回転する羽根車１０１に入った流体
はその羽根車１０１中の羽根により運動エネルギをう
け、遠心力により羽根車１０１より吐出する。吐出した
流体はボリュート１０７にて捕集・昇圧される。このよ
うに昇圧されることでポンプ室内全体が高圧の流体で満
たされてもＯリング１１０によりポンプ外部に漏水する
ことはなく、流体はケーシング１０８に導かれポンプ外
へ吐出口を通して吐出することとなる。

【０００７】このように、モータを隔壁１０９で内部と
外部に分け、ポンプ室とその外部をＯリング１１０のよ
うな静的なシールで隔絶し、モータの回転を羽根車に伝
える軸を伝っての漏水を防止する軸シール構造を有す
る、いわゆるシールレスポンプは、基本的にメンテナン
スが必要となる防水軸構造がないため、信頼性が高く、
広く採用されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のシ
ールレスポンプにおいては、軸受構造は流体中に軸１０
２と軸受１０３の接触面を持つ水中すべり軸受の構造を
用いるのが普通である。そして、温水を床面下に設置し
た管路に暖められた流体を循環させて暖房を行ういわゆ
る床暖房用等のＤＣポンプ装置においては、その循環流
体はエチレングリコールを主成分とする溶液を水に混ぜ
た不凍液を用いる。このＤＣポンプ装置を長期間不使用
の状態で置いておくと、不凍液の主成分であるエチレン
グリコール等と、水に元々含まれていたり管路から溶出
するその他微量の化学物質が反応する。そして、すべり
軸受の軸−軸受間にわずかに存在する不凍液中でこの化
合物が析出し、軸１０２に対し軸受１０３がこの析出物
を介して接着されたのに近い状態となることがある。つ
まり、軸受１０３が固着し羽根車１０１がロックした状
態となるので、モータにより羽根車１０１を動かそうと
してもポンプが起動できなくなるという課題があった。

【０００９】この課題に対し、軸（もしくは軸受）を外
部から強制的に動かす特許出願例（特開平３−１１１９
２号公報など）があるが、この場合、軸支持部を外部か
らの力に応じ可動とするための機構などが別途必要とな
り、また、軸支持部の剛性低下による振動騒音の増大が
懸念されるなどの問題があった。さらに、小型のＤＣポ
ンプ装置では、このような固着解除機構を構成する空間
的・コスト面での余裕もなく、軸受固着の解除は課題と
なっていた。

【００１０】そこで本発明は、簡単な構成で、かつ、安
価に軸受の固着を解除し、ＤＣポンプ装置の高信頼性化
を実現することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、羽根車のロック状態を検知し、羽根車に対す
る駆動トルクを制御して軸の固着を解除する手段、ま
た、固着解除動作により羽根車が破損することを防止す
る手段、さらに、固着解除が失敗に終わってもそれを外
部に通知してメンテナンスを要請する手段を有するＤＣ
ポンプ装置とする。

【００１２】ほんな発明によれば、簡単な構成で軸受の
固着を解除し、ＤＣポンプ装置の高信頼性化を実現する
ことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載された発
明は、シールレス構造を有し、水中すべり軸受を用いる
ＤＣポンプ装置において、起動時の羽根車のロックを検
知する手段を構成し、ロックを検知した場合は羽根車の
軸周りのねじり共振周波数の１／ｎ（ｎ＝１，２，３，
…）で駆動力を羽根車に与える期間を起動プロセスに設
けたＤＣポンプ装置であり、ＤＣポンプ装置の信頼性を
向上することができる。

【００１４】本発明の請求項２に記載された発明は、シ
ールレス構造を有し、水中すべり軸受を用いるＤＣポン
プ装置において、起動プロセスに羽根車の軸周りのねじ
り共振周波数の１／ｎ（ｎ＝１，２，３，…）で駆動力
を羽根車に与える期間を設けたＤＣポンプ装置であり、
ＤＣポンプ装置の信頼性の向上を簡単、かつ、安価に実
現することができる。

【００１５】本発明の請求項３に記載された発明は、請
求項１に記載のＤＣポンプ装置において、ロック検知と
羽根車の軸周りのねじり共振周波数の１／ｎ（ｎ＝１，
２，３，…）で駆動力を羽根車に与える期間の組み合わ
せを一定回数繰り返し、それでもロックが解除できない
場合、起動プロセスを中止するようにしたものであり、
同じくＤＣポンプの装置の信頼性を向上することができ
る。

【００１６】本発明の請求項４に記載された発明は、請
求項３に記載のＤＣポンプ装置において、起動プロセス
の中止を外部に通知する手段をもつ構成としたものであ
り、同じくＤＣポンプの装置の信頼性を向上することが
できる。

【００１７】（実施の形態１）以下、本発明の実施の形
態１のＤＣポンプ装置について図面を参照して説明す
る。

【００１８】図１は、本発明の実施の形態１のＤＣポン
プ装置の断面図である。

【００１９】図１に示すように本発明の実施の形態１の
ＤＣポンプ装置は、流体に運動エネルギーを与える羽根
車１と、羽根車１と一体に形成された環状のロータ５
と、羽根車１に結合し羽根車１を回転自在に支持するた
めの軸２と、軸２が嵌挿されて軸２周りにすべり摩擦状
態で係合されるとともにロータ５に固定された軸受３
と、ロータ５の内側に結合した磁石４と、磁石４の内側
に対応するように配置され磁石４とともにモータを構成
するステータ６と、羽根車１を内部に収納し併せて羽根
車１から吐出される流体を捕集して昇圧するボリュート
７と、ボリュート７を備え昇圧した後にポンプ吐出口へ
導く構造を有するケーシング８と、モータを内部と外部
に分け、ボリュート７とともにポンプ室を構成する隔壁
９と、ボリュート７と隔壁９およびケーシング８からの
漏水を防ぐＯリング１０と、ステータ６の反羽根側に配
置されモータの制御回路が構成された制御基板１１を備
え、軸２は隔壁９に一端を固定され他端をボリュート７
に支持された構成となっている。そして前記制御基板１
１のモータの制御回路は、駆動電流をモニターしてある
一定値を超過するようであれば、軸２と軸受３よりなる
回転部のロック状態と判断する判断回路を有している。

【００２０】なお、この本発明の実施の形態１のＤＣポ
ンプ装置としての構成については、図５で記載した従来
のターボ型ポンプと基本的に同様であり、動作、構成に
ついての詳細な説明は従来の技術の説明に譲って、以下
に本実施の形態１の特徴部分のみについて説明する。

【００２１】図１に示すように、本実施の形態１ではロ
ータ５に羽根車１と磁石４が一体に構成されたポンプ形
式が前提となる。ただし、軸２と軸受３の関係は図１の
場合とは逆の軸受側が固定、軸側が回転する場合にも適
応可能である。

【００２２】さて、本実施の形態１のＤＣポンプ装置に
おけるポンプ始動のプロセスについて説明する。まず、
制御基板１１上に構成される制御回路は通常の起動法に
沿ってステータ６のコイルに電流を流し、起動を試み
る。もしここで羽根車１が軸２と軸受３の固着によりロ
ックした状態であれば駆動電流は通常の駆動電流を遙か
に超過した状態となる。つまり、この駆動電流をモニタ
ーし、ある一定値を超過するようであれば軸２と軸受３
よりなる回転部のロック状態と判断することができる。

【００２３】なお、このような判断回路およびロジック
はある程度のインテリジェント化された回路が必要とさ
れるＤＣポンプの駆動回路においては、わずかな構成を
付加するのみで実現可能である。また、この軸２と軸受
３よりなる回転部のロック検知はＤＣポンプの駆動に必
要な磁石４の位置検出センサのパルス出力をモニタする
こと等によっても可能である。

【００２４】つぎに、軸２と軸受３よりなる回転部のロ
ック状態を検知した場合の軸２と軸受３の固着解除動作
について説明する。

【００２５】図２（Ａ）は、本発明の実施の形態１のＤ
Ｃポンプ装置の回転部分の模式図、図２（Ｂ）は、同Ｄ
Ｃポンプ装置の模式回転部分の断面図である。

【００２６】図中の１２は磁石４の質量と外形をもった
輪部、１３はロータ５に相当する円盤部、１４は軸受３
およびロータ５の軸受収納部に相当する垂直部、１５は
固定部である。

【００２７】いま、簡単のため円盤部１３は質量をもた
ずかつ完全な剛体で、垂直部１４も質量はないがねじり
方向のバネ定数（ねじり剛性）がｋであるとする。垂直
部１４の下端は固定部１５に完全固定されており、これ
が軸２と軸受３の固着に相当する。

【００２８】さて、この系では輪部１２の内径をｒ、外
径をＲ、質量をＭとした場合、ねじり共振周波数ｆは、

【００２９】

【数１】

【００３０】と表される。ここでもしこの（数１）で表
される周波数もしくはこの周波数の整数倍（ｎ＝１，
２，３，…）で輪部１２に回転トルクが加わると、輪部
１２は共振周波数で振動する。回転トルクが小さなもの
であっても共振周波数で駆動し続けることで、やがては
その振幅は垂直部１４での内部応力・減衰などと均衡が
とれるまで大きくなる。このとき、垂直部１４と固定部
１５の接合部にはその振幅に対応したねじり応力がかか
ることとなる。この垂直部１４と固定部１５の接合部、
すなわち図１における軸２と軸受３の固着部にかかるね
じり応力により前記の固着部の析出物が破壊されるとと
もに取り除かれ、新たに周囲の流体が軸２と軸受３の間
に浸透して水中すべり軸受構成が復活する。

【００３１】ただし、この共振で発生する内部応力が材
質の強度をこえると部品が破壊されることとなるので、
その場合は共振周波数で駆動する時間を制限して破壊に
いたらぬようにする必要がある。

【００３２】なお、ねじり共振周波数は回転部各部品の
質量・寸法およびねじり剛性により影響を受けるが、各
部品を型成型品としてさらに一体成型品とすればこれら
によるばらつきは抑えられ、実用上問題は生じない。ま
た、駆動回転トルクを発生させる周波数を単一のもとは
せず、共振周波数の平均値を中心としたある一定範囲の
周波数でスイープさせても同様の効果を得ることができ
る。

【００３３】（実施の形態２）つぎに、本発明の実施の
形態２のＤＣポンプ装置の説明をする。

【００３４】本実施の形態２のＤＣポンプ装置の特徴と
するところは、先の実施の形態１に対し、軸２と軸受３
よりなる回転部のロック検知のプロセスを省いて、回転
トルクを前述のねじり固有振動周波数もしくはこの周波
数の整数倍（ｎ＝１，２，３，…）で加えたことにあ
る。

【００３５】これにより、固着の有無に関わらず、ＤＣ
ポンプ装置の起動時には必ずねじり固有振動数で羽根車
１、軸受３、磁石４、ロータ５が振動することになる。
つまり、回転部のねじりに対する耐久性に余裕があれ
ば、実施の形態１で必要となる軸２と軸受３よりなる回
転部のロック検知のための付加部品は全く必要が無く、
ＤＣポンプ装置のコストアップなしで軸２と軸受３の固
着に対する信頼性の向上を実現することができる。

【００３６】（実施の形態３）図３は、本発明の実施の
形態３のＤＣポンプ装置の起動シーケンス説明図であ
る。なお、ＤＣポンプ装置の基本的構成は実施の形態１
と同様である。

【００３７】以下、図３を参照して実施の形態３におけ
るＤＣポンプ装置起動時のシーケンスを説明する。

【００３８】制御回路は、まず、軸２と軸受３よりなる
回転部のロックを想定しない起動方法に則りステータに
駆動電流を流し始める。この状態で前述のロック検知を
行い、ロックの有無を判定する。この判定でロックして
いると判定された場合、あらかじめ指定された期間、前
述の固着の解除のためのねじり共振周波数でモータを駆
動して停止する。つぎに、ここまでのプロセスが開始し
てから何回目かを規定回数と比較して、もし、規定回数
より多ければその状態で起動シーケンスを中止する。も
し、規定回数より少なければ、前記のロックを想定しな
い起動方法に則りステータに駆動電流を流し、ロック検
知を行い、ねじり共振周波数でのモータ駆動により固着
が解除されていれば起動シーケンス成功でそのまま通常
の運転に移る。なお、繰り返しの規定回数は、羽根車１
やロータ５などの単体および接着や一体成型で結合され
た結合部品の強度等によりねじり共振に耐えられる様決
められるのはいうまでもない。

【００３９】このように本実施の形態３では一回の軸２
と軸受３の固着解除動作ではなく、有限回の固着解除動
作では解除できないほど固着が強固で固着の解除に失敗
した場合、それでＤＣポンプ装置の起動シーケンスを中
止するため、不必要に長時間ねじり共振状態にさらすこ
とがないので、羽根車１やロータ５の破壊や、磁石４の
ロータ５からの分離を防ぐことができる。つまり、軸２
と軸受３の固着が解除できずＤＣポンプ装置の修理を行
うことになっても、羽根車１等を新規に交換する必要が
無く、ある程度分解し、羽根車１等に対し直接外力を加
えて軸２と軸受３の固着を解除し、元通り組み付けるだ
けで修理は完了する。よって、本実施の形態３では軸２
と軸受３の固着解除動作を物理的な付加構成なしで行
い、ＤＣポンプ装置の信頼性を高めるとともに、軸２と
軸受３の固着が固着解除動作で解除できないような強固
な場合でも羽根車１等を壊すことなく、簡単な修理でＤ
Ｃポンプ装置の機能を復活させることができ、その信頼
性を向上させるとともに、メンテナンスのコストを下げ
ることできる。

【００４０】（実施の形態４）図４は、本発明の実施の
形態４におけるＤＣポンプ装置の起動シーケンス説明図
である。

【００４１】この実施の形態４におけるＤＣポンプ装置
の基本的構成は、実施の形態１に外部への通知手段が付
加されていることに特徴を有する。なお、外部への通知
手段は、ＤＣポンプ装置から引き出された信号線の電気
的状態の変化や、ランプの点灯・消灯、ブザーによる
音、無線通信手段などが考えられる。

【００４２】この実施の形態４におけるＤＣポンプ装置
は、その起動シーケンス中止までの流れは実施の形態３
と同じであるので説明は割愛するが、外部通知手段での
通知処理で前記の通知手段により装置が起動ができない
ことを外部に通知してメンテナンスを施すことで、ＤＣ
ポンプ装置の機能を迅速に復活させることができ、装置
全体としての信頼性を向上することができる。

【００４３】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
はシールレス構造を有し、水中すべり軸受を用いるＤＣ
ポンプ装置において、起動時の羽根車のロックを検知す
る手段を構成し、ロックを検知した場合は羽根車の軸周
りのねじり共振周波数の１／ｎ（ｎ＝１，２，３，…）
で駆動力を羽根車に与える期間を起動プロセスに設けた
構成としたので、軸受と軸の間の固着を解除してＤＣポ
ンプ装置を起動することができ、ＤＣポンプ装置の信頼
性を向上することができる。

【００４４】また、本発明はシールレス構造を有し、水
中すべり軸受を用いるＤＣポンプ装置において、起動プ
ロセスに羽根車の軸周りのねじり共振周波数の１／ｎ
（ｎ＝１，２，３，…）で駆動力を羽根車に与える期間
を設けた構成としたので、軸受と軸の間の固着を解除し
てＤＣポンプ装置を起動することができるので、ＤＣポ
ンプ装置の信頼性の向上を、簡単かつ安価に実現するこ
とができる。

【００４５】また、本発明は前記のＤＣポンプ装置にお
いて、ロック検知と羽根車の軸周りのねじり共振周波数
の１／ｎ（ｎ＝１，２，３，…）で駆動力を羽根車に与
える期間の組み合わせを一定回数繰り返し、それでもロ
ックが解除できない場合、起動プロセスを中止するよう
にし、あるいは起動プロセスの中止を外部に通知する手
段をもつ構成として、共振駆動の連続による羽根車の破
壊を防止したり、共振駆動の連続による羽根車の破壊を
防止するとともに、分解修理などのメンテナンスを外部
に要請することができ、信頼性を向上することができる
ものであり、その効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１のＤＣポンプ装置の断面
図

【図２】（Ａ）同ＤＣポンプ装置の回転部分の模式図 （Ｂ）同ＤＣポンプ装置の模式回転部分の断面図

【図３】本発明の実施の形態３のＤＣポンプ装置の起動
シーケンス説明図

【図４】本発明の実施の形態４のＤＣポンプ装置の起動
シーケンス説明図

【図５】従来のＤＣポンプ装置の断面図

【符号の説明】

１ 羽根車 ２ 軸 ３ 軸受 ４ 磁石 ５ ロータ ６ ステータ ７ ボリュート ８ ケーシング ９ 隔壁 １０ Ｏリング １１ 制御基板 １２ 輪部 １３ 円盤部 １４ 垂直部 １５ 固定部

フロントページの続き (72)発明者 永瀬 徳美 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 3H020 AA01 AA08 BA02 BA22 CA08 DA04 EA07 5H605 BB05 BB10 BB14 CC04 EB06 GG04

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シールレス構造を有し、水中すべり軸受を
   用いるＤＣポンプ装置において、起動時の羽根車のロッ
   クを検知する手段を構成し、ロックを検知した場合は羽
   根車の軸周りのねじり共振周波数の１／ｎ（ｎ＝１，
   ２，３，…）で駆動力を羽根車に与える期間を起動プロ
   セスに設けたことを特徴とするＤＣポンプ装置。
2. 【請求項２】シールレス構造を有し、水中すべり軸受を
   用いるＤＣポンプ装置において、起動プロセスに羽根車
   の軸周りのねじり共振周波数の１／ｎ（ｎ＝１，２，
   ３，…）で駆動力を羽根車に与える期間を設けることを
   特徴とするＤＣポンプ装置。
3. 【請求項３】ロック検知と羽根車の軸周りのねじり共振
   周波数の１／ｎ（ｎ＝１，２，３，…）で駆動力を羽根
   車に与える期間の組み合わせを一定回数繰り返し、それ
   でもロックが解除できない場合、起動プロセスを中止す
   ることを特徴とする請求項１記載のＤＣポンプ装置。
4. 【請求項４】起動プロセスの中止を外部に通知する手段
   をもつことを特徴とする請求項３記載のＤＣポンプ装
   置。