JP2005337084A - モータ一体型内接歯車式ポンプ及び電子機器 - Google Patents

モータ一体型内接歯車式ポンプ及び電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】モータ一体型内接歯車式ポンプにおいて、高揚程に向く内接歯車式の機能を利用しつつ、小型、安価でしかも信頼性の高いものとする。
【解決手段】モータ一体型内接歯車式ポンプ８０は、液体を吸込んで吐出するポンプ部８１と、これを駆動するモータ部８２とを備える。ポンプ部８１は、外周に歯を形成した内ロータ１と、内ロータ１の歯と噛み合う歯を内周に形成した外ロータ２と、両ロータ１、２を収納すると共に液体を吸入する吸入ポート８及び液体を吐出する吐出ポート１０を形成したポンプケーシングとを備える。モータ部８２は、ポンプケーシングの一部を構成すると共に非磁性材で薄板状に形成したキャン６と、キャン６の内側に配置して外ロータ２または内ロータ１を駆動する回転子１１と、キャン６の外側に設置して回転子１１を回転させる固定子１２とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータ一体型内接歯車式ポンプ及び電子機器に関する。
内接歯車式ポンプは、吸い込んだ液体を圧力に抗して送り出すポンプとして古くから知られており、特に油圧源ポンプや給油用ポンプとして普及している。
内接歯車式ポンプは、外周に歯を形成した平歯車形状の内ロータと、内周に歯を形成して幅を内ロータとほぼ同じとした環形状の外ロータとを主要な能動部品として構成されている。それらロータの両側面に対してわずかな隙間を介して面する平坦な内面を有するケーシングが両ロータを収納するように設けられている。内ロータの歯数は、外ロータの歯数よりも通常１枚だけ少なく、それらを互いに噛み合わせた状態で動力伝達用歯車と同様に回転する。この回転に伴う歯溝面積の変化で、歯溝に閉じ込めた液体を吸入し、吐出することにより、ポンプとして機能する。内外いずれか一方のロータを駆動すれば、噛み合いにより他方も回転するが、多くの場合、内ロータに結合した中心軸を外部から駆動している。両ロータの回転中心はずれており、ロータ毎に回転自在に軸支する必要がある。ケーシングの平坦内面には、少なくとも１つずつの吸入ポートならびに吐出ポートと呼ぶ外部に連通する流路への開口部が設けられている。吸入ポートは容積が拡大する歯溝に面するように設けられ、吐出ポートは容積が縮小する歯溝に面するように設けられる。ロータの歯形として、外ロータ歯形の一部に円弧を、内ロータの歯形にトロコイド曲線を適用したものが一般的である。
内接歯車ポンプ機構とそれを駆動するモータとを一体化した従来のポンプとして、特開平１１−５０９７１号公報（特許文献１）に示されたものがある。この従来のポンプは、モータの側面に内接歯車ポンプ機構が並置され、モータの駆動軸で内接歯車ポンプ機構が駆動されるように構成されている。
特開平１１−５０９７１号公報
かかる特許文献１のポンプでは、内接歯車ポンプ機構とそれを駆動するモータとが軸方向に並置されているため、全長が長くなり大型化してしまうという問題があった。また、モータの駆動軸で内接歯車ポンプ機構が駆動されるため、内接歯車ポンプ機構とモータとの間に軸シール装置を設けることが必要となり、その軸シール装置によるコストアップや、その寿命及び被送液の漏れなどによる信頼性の低下が問題であった。特に、ポンプを電子機器に用いる場合には、被送液の少量の漏洩でも電子機器全体の破壊を招く可能性があるため、被送液の漏洩を防止することが重要である。
本発明の目的は、高揚程に向く内接歯車式の機能を利用しつつ、小型、安価でしかも信頼性の高いモータ一体型内接歯車式ポンプ及び電子機器を得ることにある。
前記目的を達成するために、本発明は、液体を吸込んで吐出するポンプ部と、前記ポンプ部を駆動するモータ部とを備えたモータ一体型内接歯車式ポンプにおいて、前記ポンプ部は、外周に歯を形成した内ロータと、前記内ロータの歯と噛み合う歯を内周に形成した外ロータと、前記両ロータを収納すると共に、液体を吸入する吸入ポート及び液体を吐出する吐出ポートを形成したポンプケーシングとを備え、前記モータ部は、前記ポンプケーシングの一部を構成すると共に非磁性材で薄板状に形成したキャンと、前記キャンの内側に配置して前記外ロータまたは前記内ロータを駆動する回転子と、前記キャンの外側に設置して前記回転子を回転させる固定子とを備えた構成にしたことにある。
係る本発明のより好ましい具体的な構成は次の通りである。
（１）前記回転子が円筒形状を成して前記外ロータの外周を取り囲む形態で外ロータの外周に固着され、前記キャンが薄肉円筒形状を成して前記回転子の外周を取り囲み、前記固定子が円筒形状をなして前記キャンの外側に配置されたこと。
（２）前記内ロータがその中央穴に嵌合する軸で回転可能に支持され、外ロータが軸方向に突出する張り出し部の内周面に嵌合する前記ポンプケーシング。
（３）張り出し部が軸方向両側に突出して形成され、この両側に突出された張り出し部の内周面に前記外ロータの両側に位置する前記ポンプケーシングの肩部が嵌合して前記外ロータが前記ポンプケーシングに回転自在に軸支されたこと。
（４）前記モータ部が直流ブラシレスモータで構成され、その直流ブラシレスモータの回転子が永久磁石よりなり、前記キャンの外側に前記永久磁石の通過を検知する機能を備えた磁気検出手段を備え、前記磁気検出手段の出力に基づいて前記直流ブラシレスモータの固定子に供給する電流を制御する電流制御素子を備えたこと。
（５）前記内ロータならびに前記外ロータが自己潤滑性を有する合成樹脂材で射出成形したものであり、その射出成形に伴う抜き勾配の方向が両ロータを噛み合わせた状態で逆向きとなり、前記内ロータの外歯の径が大きくなる方向で前記外ロータの内歯の径も大きくなるように噛み合わせたこと。
（６）前記内ロータと前記外ロータの収納された空間と外部とは、前記吸入ポートならびに前記吐出ポートを通過する流路を除いて、前記キャンを含むケーシングによって隔離され、吸入あるいは吐出経路にある液体の少なくとも一部が前記キャンの内側空間を経由して流れる流路を有すること。
（７）前記電流制御素子を前記ケーシングに熱的に密着させたこと。
（８）消費電力検出手段を備えたモータ駆動回路を内蔵するとともに、起動直後の消費電力が所定値よりも小さいと判定した場合には、通常回転速度よりも限られた時間だけ増速運転し、消費電力が所定値を超えたことを判定した場合には、通常の回転速度に移行する制御機能を備えたこと。
また、本発明は、循環源として、請求項１〜９何れかに記載のモータ一体型内接歯車ポンプを備えた液冷システムを搭載したことを特徴とする電子機器である。
本発明によれば、高揚程に向く内接歯車式の機能を利用しつつ、小型、安価でしかも信頼性の高いモータ一体型内接歯車式ポンプ及び電子機器が得られる。
以下、本発明の複数の実施例について図を用いて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
本発明の第１実施例のモータ一体型内接歯車式ポンプ及び電子機器について図１から図４を用いて説明する。
まず、本実施例のモータ一体型内接歯車式ポンプの全体構成に関して図１及び図２を用いて説明する。図１は本発明の第１実施例のモータ一体型内接歯車式ポンプの縦断面図、図２は図１のモータ一体型内接歯車式ポンプの横断面図である。
ポンプ８０は、ポンプ部８１、モータ部８２、及び制御部８３を備えて構成されたモータ一体型内接歯車式ポンプである。ポンプ８０の全体形状は、幅方向の寸法よりも径方向の寸法が大きい薄型に形成されている。
ポンプ部８１は、内ロータ１、外ロータ２、正面板３、背面板４、内軸５、及びキャン６を備えて構成されている。
内ロータ１は、平歯車と類似した形状をしており、外周にトロコイド曲線を輪郭とする歯が形成されている。この歯面は、厳密には軸方向に若干の勾配を有し、射出成形時の抜きを助ける、いわゆる「抜き勾配」と呼ばれる勾配を有している。また、内ロータ１は中心に軸方向に貫通した内面が滑らかな穴を持つ。内ロータ１の両側端面は、平坦かつ滑らかに仕上げられ、正面板３及び背面板４の内面との摺動面を形成している。
外ロータ２は、環状の内歯車形状をしており、内側に凸となる部分が円弧の輪郭線であり、内ロータ１よりも１枚だけ多い歯が形成されている。外ロータ２の歯は、平歯車として軸方向にほぼ同一断面形状となっているが、厳密には軸方向に若干の勾配を有し、射出成形時の抜きを助ける、いわゆる「抜き勾配」と呼ばれる勾配を有している。内ロータ１と外ロータ２との勾配の方向は逆向きとされ、内ロータ１の外歯の径が大きくなる方向で、外ロータ２の内歯の径も大きくなるように両者１、２は噛み合わされている。これにより、両者１、２の噛み合い面は軸方向の位置による片当たりが防止される。外ロータ２の両側端面は、平坦かつ滑らかに仕上げられ、正面板３及び背面板４の内面との摺動面を形成している。外ロータ２は内ロータ１とほぼ同じ幅を有し、内ロータ１及び外ロータ２の両側端面がほぼ一致するように内ロータ１の外側に外ロータ２が配置されている。
内ロータ１と外ロータ２の歯溝は噛み合った状態で１つずつが連結され、隣接するもの同士は独立して閉じた作動室２３を形成する。
外ロータ２の外周部には、中央部の両側端面（内ロータ１の両側端面とほぼ一致する端面）よりも軸方向に張り出した環状の張り出し部２１が形成されている。張り出し部２１の内周は滑らかな面に仕上られている。なお、２つの張り出し部２１の内の一方には、径方向に突出したフランジ部が形成されている。このフランジ部は、永久磁石１１の位置決めを容易にすると共に、確実に固定するためのものである。なお、永久磁石１１は、モータ部８２の回転子を構成するものである。
内ロータ１および外ロータ２は、ポリアセタール（ＰＯＭ）やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の自己潤滑性を有し、水あるいは水を成分とする溶液による膨潤変形や腐食が無視できるレベルである性質の合成樹脂材を成形したものである。
外ロータ２の外側には、軸方向に外ロータ２の張り出し部２１を含む幅とほぼ同一の円筒状の永久磁石１１が固着されている。この固着は、接着や圧入等、十分な強度と信頼性を有する方法であればよい。永久磁石１１は、図２中に小さい矢印で示すように、半径方向に交互の極性を与え、外周側から見ると周に沿ってＮＳ極が交互に並ぶように構成されている。
外ロータ２と内ロータ１とは、噛み合った状態で、正面板３と背面板４に挟まれて回転するように構成されている。内ロータ１の中心穴には、滑らかな外周を有する内軸５がわずかな隙間を持って嵌合され、これによって内ロータ１は内軸５に回転自在で軸支されている。内軸５は正面板３と一体に射出成形されているため回転しない。
一方、正面板３及び背面板４の肩部外周面には、外ロータ２の張り出し部２１の内周面がわずかな隙間を持って嵌合され、正面板３及び背面板４の肩部２２によって外ロータ２の両側が回転自在に軸支されている。正面板３及び背面板４の肩部２２は、同一の円柱の一部から切り出したような位置関係にある。これに対し、内軸５は、それらの肩部２２より径が小さく偏心した位置にある。内軸５は、正面板３と背面板４を連結する構造材としての機能も有し、その先端部が背面板４の中央部の穴に挿入されて固定されている。
正面板３において、内ロータ１及び外ロータ２とわずかな隙間を介して対向する端面（内面）には、吸入ポート８及び吐出ポート１０と呼ぶ開口部が形成されている。吸入ポート８と吐出ポート１０は、内ロータ１の歯底円よりも内側と外ロータ２の歯底円（外ロータ２は外歯車なので、歯先円径よりも歯底円径が大きい）よりも外側とに輪郭を持つ開口部で形成されている。吸入ポート８は容積が拡大する作動室２３に面し、吐出ポート１０は容積が縮小する作動室２３に面するように設けられている。また、最大容積となる瞬間の作動室２３にはどちらのポートも面しないか、あるいは、わずかな断面積による連通に留めるように構成されている。吸入ポート８は、直線で短い流路を介して、外部に開いた吸入口７に連通されている。その一方で、吐出ポート１０は、吐出ポート１０から一旦永久磁石１１が回転するキャン６で覆われた内部空間に導く通路と、この内部空間から吐出口９へ導く流路とを介して、外部に開いた吐出口９に連通されている。
モータ部８２は、永久磁石１１、固定子１２、及びキャン６を備えて構成されている。キャン６はポンプ部８１とモータ部８２とに共用されている。
永久磁石１１の外周との間に微小な隙間（例えば、１ｍｍ以下の隙間）を介して、封止材である薄板状のキャン６が設けられ、永久磁石１１は外ロータ２と共に回転可能となっている。キャン６はステンレス鋼や樹脂等の非磁性体を材料として、筒部及び底部よりなる薄板部材で形成されている。この底部の中央は開口部が形成されている。キャン６の両端は、正面板３ならびに背面板４の外周近くに密着して接合され、正面板３と背面板４とキャン６の三者で外部と隔離した空間を内部に形成している。即ち、正面板３、背面板４及びキャン６は、内部に内ロータ１、外ロータ２及び永久磁石１１を収納する密閉した空間を形成するためのポンプケーシングを構成するものである。これによって、被送液がポンプケーシング内に完全に密閉されることとなり、可動部による液漏れをなくすことができる。また、キャン６は、モータ部８２の非磁性薄板部を構成する。なお、キャン６の両端の接合方法は接着や圧着など十分な強度と信頼性を有する方法であればよい。また、封止を強化するために、これらの間にＯリングやパッキンを用いる構造を採用してもよい。
キャン６の外側で且つ永久磁石１１と面する位置には、櫛歯状の鉄心に巻線した固定子１２がキャン６に固定されて設けられている。永久磁石１１及び固定子１２からなるモータ部８２は、内ロータ１及び外ロータ２からなるポンプ部８１の外周側に配置されている。これによって、ポンプ８０の薄型化及び小型化が図られている。
制御部８３は、モータ部８２を制御するためのものであり、直流ブラシレスモータ駆動用インバータ電子回路を備えている。上述したようにモータ部８２をポンプ部８１の外周側に設けることによって、ポンプ部８１の吸入口７や吐出口９が設けられていない側面に制御部８３を設置することが可能となり、本実施例では、制御部８３その側面に沿って設置されている。この点からも、ポンプ８０の小形化を図ることができる。
キャン６の側面部分には、磁気検出手段であるホール素子１３が複数（３個）密着して設けられると共に、電流制御手段であるパワー素子１５が密着して設けられている。これら素子１３、１５と論理素子１４は、同じ電子基板１６に半田付けされ、直流ブラシレスモータ駆動用インバータ電子回路を構成している。パワー素子１５とキャン６との間には熱伝導性グリースを塗り熱的密着性を向上することが好ましい。電子基板１６には、外部から電力を供給する電力線２５と、回転速度を直流電圧で指令する制御線２６と、外部に回転速度をパルスで情報発信する回転出力線２７とが接続されている。
永久磁石１１及び固定子１２を有するモータ部８２と、インバータ電子回路を有する制御部８３とから直流ブラシレスモータが構成され、永久磁石１１はその直流ブラシレスモータのロータとして作用する。永久磁石１１が薄肉封止部材であるキャン６の内側にあり、固定子１２がキャン６の外側にある構造はキャンドモータと呼ばれる。キャンドモータは、軸シール等を必要とせずに磁力を利用して回転動力をキャン６内部に伝えられるので、被送液を外部から隔離しながら作動室２３の容積変化で送り出す容積形ポンプの構造に適している。
次に、ポンプ部８１の主要部材の位置関係を図３を用いて説明する。図３は図１のポンプ機構部の分解斜視図である。
内ロータ１は、外ロータ２の内側の穴に入って噛み合わされ、正面板３の一部である内軸５を中央の丸穴に挿入しており、内軸５に軸支されている。外ロータ２は両側への張り出し部２１を含めて外周を覆う円筒形状の永久磁石１１に一体化されている。張り出し部２１の内周面は、正面板３及び背面板４の一部である肩部２２に隙間を有して嵌合され、すべり軸受として作用する。これによって、外ロータ２は正面板３及び背面板４に両側支持されている。正面板３の両ロータ１、２と面する円形の端面部分には、吸入ポート８と吐出ポート１０とが構成されている。吸入ポート８は外部へ連通する吸入口７と直結する。吐出ポート１０は、肩部２２の一部を切り欠いた部分で、キャン６の内部空間に連通され、更にこの空間から吐出口９に向けて開口した穴流路が設けられている。
次に、かかるポンプ８０の動作を図１から図３を参照しながら説明する。
電力線２５に直流１２Ｖを与えることで制御部８３のモータ駆動回路に電流を供給すると共に、制御線２６に直流電圧を加えることで起動信号を送る。この起動信号により、論理素子１４内部に組み込まれた制御ソフトにより起動指令が認識され、論理素子１４の発する指示でパワー素子１６を通して固定子１２に電流が送られる。これにより、モータ部８２が起動され、３つのホール素子１３が磁気を感知して永久磁石１１の回転角度を認識する。その認識のため、ホール素子１３は永久磁石１１の磁気周期の３分の１毎の位置に配置されている。ホール素子１３の出力信号をもとに、論理素子１４は、永久磁石１１の回転位相を判断して、固定子１２に送る電流の量ならびに向きをパワー素子１６に指示し、指定された回転速度でモータ部８２を回転するように制御する。論理素子１４は永久磁石１１の回転情報をパルスとして回転出力線２７より出力するので、その信号を受け取る上位の制御機器はポンプ８０の動作状態を確認できる。
永久磁石１１が回転されると、これに一体化した外ロータ２が回転され、それと噛み合った内ロータ１も一般の内接歯車と同様に回転伝達されて一緒に回転される。２つのロータ１、２の歯溝に形成された作動室２３は、両ロータ１、２の回転により容積を拡大、縮小する。内ロータ１と外ロータ２との歯が一番深くまで噛み合う図２中の下端で、作動室２３の容積が最小となり、上端で最大となる。したがって、図２中の大きい矢印の向きで反時計回りにロータが回転すると、右半分の作動室２３は上方に移動しながら容積を拡大し、左半分の作動室２３は下方に移動しながら容積を縮小する。両方のロータ１、２を軸支する摺動部はすべて被送液に浸かっているため、摩擦が小さく異常摩耗も防止できる。
被送液は、吸入口７から吸入ポート８を経て、容積拡大中の作動室２３に吸い込まれる。容積が最大となる作動室２３は、ロータの回転により吸入ポート８の輪郭からずれて吸入を完了し、次いで吐出ポート１０に連通される。そこから作動室２３の容積は縮小に転じ、作動室２３内にある被送液は吐出ポート１０から送り出される。送り出された被送液はキャン６内部の空間に入り、永久磁石１１を冷却した後にその空間内から正面板３の通路に戻り、さらには吐出口９から外部に送り出される。
本実施例においては、吸入流路が短いので、吸入負圧が小さくキャビテーション発生が防止できる。また、比較的高い吐出圧力がキャン６内部にかかり、外側に押し広げる方向に作用するので、薄肉のキャン６であっても、内側に変形して回転体である永久磁石１１と接触することが回避できる。
運転による発熱のため冷却が必要となるパワー素子１５の熱は、熱伝導性グリースとキャン６を通過し、キャン６内部を流れる被送液に移り、外部に放出される。キャン６内部の被送液は吐出流路の経路にあり常に攪拌されるため、効率的に熱を持ち去ることができる。そのためパワー素子１５に専用のヒートシンクや冷却ファンを必要としない。また、永久磁石１１や固定子１２に発生するモータ損失での発熱も同様に効率的に持ち去り、異常な温度上昇を防止できる。
固定子１２の内面は、通常、永久磁石１１の外周面と同心円関係に位置され、その間隔は均一となっている。しかし、ポンプ部８１の内圧分布を勘案すると、吐出ポート１０に連通する作動室２３は吸入ポート８に連通する作動室２３よりも内圧が高く、外ロータ２は図２中で左方向に液力を受けることになる。そこで、固定子１２を図２中で左方向にわずかに偏心させ、右方向の磁気吸引力(モータープル)と打ち消しあわせることで、外ロータ２に作用する径方向力を低減し、摩擦損失低減や磨耗防止に活用することもできる。
次に、上述したポンプ８０を有する電子機器について図４を参照しながら説明する。図４（ａ）はパソコン本体を縦に置いた状態のパソコン全体構成を示す斜視図、図４（ｂ）はパソコン本体を横に置いた状態のパソコン本体単独の斜視図であり、図４に示す電子機器はデスクトップ型パソコンの例である。
パソコン６０は、パソコン本体６１Ａ、ディスプレイ装置６１Ｂ、及びキーボード６１Ｃを備えて構成されている。液冷システム６９は、パソコン本体６１ＡにＣＰＵ（中央演算装置）６２とともに内蔵され、液溜まり６３、ポンプ８０、熱交換器６５、放熱板Ａ６６、放熱板Ｂ６７の各要素をこの順に管路でつないだ閉ループのシステムで構成されている。この液冷システム６９の設置目的は、主として、パソコン本体６１Ａに内蔵するＣＰＵ６２で発する熱を外部に運搬し、ＣＰＵ６２の温度上昇を規定値以下に維持することである。熱媒体として水あるいは水を主体とする溶液を使う液冷システム６９は、空冷方式に比較して、熱運搬能力が高く、騒音が小さいため、発熱量の多いＣＰＵ６２の冷却に好適である。
液溜まり６３内部には被送液と空気が封入されている。液溜まり６３とポンプ８０とは並置されており、液溜まり６３の出口とポンプ８０の吸入口とが管路により連通されている。ＣＰＵ６２の放熱面には熱伝導性グリースを介して熱交換器６５が密着されて設置されている。ポンプ８０の吐出口と熱交換器６５の入口とが管路により連通されている。熱交換器６５は放熱板Ａ６６に管路により連通され、放熱板Ａ６６は放熱板Ｂ６７に管路を介して連通され、放熱板Ｂ６７は液溜まり６３に管路を介して連通されている。放熱板Ａ６６と放熱板Ｂ６７はパソコン本体６１Ａの異なる面から外部に放熱されるように設置されている。
ポンプ８０にはパソコン６０内部に通常備えている直流１２Ｖ電源から電力線２５が引かれ、制御線２６及び回転出力線２７が上位制御機器であるパソコン６０の電子回路に接続されている。
この液冷システム６９の動作を説明する。パソコン６０の起動に伴って電力と起動指令が送られることにより、ポンプ８０が起動され、被送液が循環を始める。被送液は、液溜まり６３からポンプ８０に吸い込まれ、ポンプ８０で加圧されて熱交換器６５に送り出される。ポンプ８０から熱交換器６５に送られた被送液は、ＣＰＵ６２で発する熱を吸収し液温が上昇する。さらに、その被送液は次の放熱板Ａ６６と放熱板Ｂ６７で外気と熱交換し（外気に放熱し）、液温が下げられてから液溜まり６３に戻る。以下、これを繰返してＣＰＵ６２の冷却が継続して行なわれる。
ポンプ８０は容積形ポンプの一種である内接歯車式であるため、乾燥状態(液無し条件)で起動しても吸入口を負圧にする能力がある。そのため、液溜まり６３内部の液面より高い管路を経ても、あるいは、ポンプ８０が液面より高い位置にあっても呼び水無しに液を吸い込む自吸能力がある。また、遠心式ポンプ等に比較して内接歯車式ポンプ８０は加圧能力が高いので、熱交換器６５や放熱板６６、６７を通過する圧損が増える条件にも適用可能である。特にＣＰＵ６２の発熱密度が高い場合には、熱交換面積を拡大するために熱交換器６５内部の流路を折り曲げて細く長くすることが必要となり、遠心式ポンプ等を用いた液冷システムでは通過圧損が増えて適用が難しくなるが、本実施例の液冷システム６９ではこれに対応可能である。
本実施例の液冷システム６９においては、被送液が最も高温となる熱交換器６５の出口の直後で放熱板６６、６７を経由して液温が下げられるので、液溜り６３やポンプ８０の温度は比較的低く保たれる。そのため、ポンプ８０の内部部品などは、高温環境よりも信頼性を確保しやすい。
液冷システム６９の動作の結果として液が循環する各部の温度が決まるが、それらは温度センサ(図示せず)によって監視される。規定以上の温度上昇により冷却能力の不足が確認された場合には、ポンプ８０の回転速度上昇が指令され、過剰な温度を事前に防止する。また、逆に冷却が過剰な場合には回転速度を抑制する。ポンプ８０の発信する回転出力は常に監視され、回転出力が途切れて、なおかつ液温変化が異常な場合には、ポンプ８０が故障であると判断なされ、パソコン６０は緊急動作に移行する。緊急動作ではＣＰＵ速度の低下や動作中プログラムの保存など、最小限の動作をした上でハードウェアの致命的損傷を防止する。
ポンプ８０が液溜まり６３よりも低位置にある場合には問題無いが、ポンプ８０が液溜まり６３よりも高い位置に設計される場合もある。その場合、長時間の停止により、ポンプ８０内部の液が流れ出て、次の起動時にはポンプ８０内部が乾燥状態になっていることもあり、ポンプ８０は起動直後には液が無く空気を送るポンプとして動作し、空気をかき出してのち液がポンプ内に満ちて通常の動作となる。しかし、液体用ポンプとして設計するポンプ８０は気体のかき出しには不向きであり、その能力が不足することも考えられる。
そこで、ポンプ８０が液溜まり６３より高い位置にあり、長時間停止の後で、ポンプ内が乾燥状態にあったとしても、空気を短時間でかき出し、スムーズな起動を確実にするために、本実施例では、消費電力検出手段を備えたモータ駆動回路を内蔵するとともに、起動直後の消費電力が所定値よりも小さいと判定した場合には、通常回転速度よりも限られた時間だけ増速運転し、消費電力が所定値を超えたことを判定した場合には、通常の回転速度に移行する制御機能を備えている。
なお、増速運転は最長時間を定め、その時間に達しても送液状態にならない場合には、ポンプ８０の故障や液の散逸などの異常を意味し、ポンプ８０を停止するとともに、異常発生を上位に制御機能に伝達する。
以上の液冷システム６９は、図６（ａ）に示すようにパソコン本体６１Ａを縦置きした場合でも、図６（ｂ）に示すように横置きにした場合でも同様に作用するので、本液冷システム６９はパソコン本体６１Ａの設置の自由度を妨げない。特に２つ設けた放熱板Ａ６６と放熱板Ｂ６７がどちらの設置の向きにも交互に水平と垂直配置になることで、両放熱板表面が同時に覆われたりするなどの放熱障害を回避できる。
次に、本発明の第２実施例について図５を用いて説明する。図５は本発明の第２実施例のモータ一体型内接歯車式ポンプの縦断面図である。この第２実施例は、次に述べる点で第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。
この第２実施例では、内外ロータ１、２に対し永久磁石１１と固定子１２を軸方向の一側に寄せて配置したものである。張り出し部２１は外ロータ２の外周部の一側にのみ張り出して設けられている。この張り出し部２１の外側に永久磁石１１が配置され、さらに外側に固定子１２が配置されている。外ロータ２は、張り出し部２１を介して、正面板３の肩部２２のみで軸支されている。内ロータ１は正面板３に埋め込んだ（即ち、モールド一体成型）した軸５で軸支されている。
また、キャン６は、フランジ部６ａ、筒部６ｂ、及び底部６ｃから形成され、底部６ｃが第１実施例の背面板４を兼用している。従ってポンプケーシングは、正面板３とキャン６の２つの部材で構成されている。更には、ポンプ部８１、モータ部８２、及び制御部８３を覆うようにカバー３７が正面板３に装着されている。
この第２実施例によれば、第１実施例と比較して、外ロータ２の左右軸受の同心度の差による不具合を解消することができる。また、第１実施例における背面板４が不要となり、部品数を１つ削減することができ、安価なものとすることできる。更には、ポンプ８０の精度基準は正面板３だけに集約できるので、精度管理が容易となる。また、モータ偏心による電磁力アンバランスがある場合でも、軸支位置が力線上にあるので、これに対処することができる。カバー３７の遮音作用で、ロータ１、２の発する噛み合い音や固定子１２の発する電磁音などの外部拡散を防止できる。また、カバー３７はこれら音源や振動源から遠い位置でのみ固体接合されているため固体伝播音も途中で減衰しやすく放散されにくい。モータや素子の発熱はキャン６を経て被送液に伝熱するため、防音カバー内部の温度上昇も限定的で問題ない。
次に、本発明の第３実施例について図６を用いて説明する。図６は本発明の第３実施例のモータ一体型内接歯車式ポンプの縦断面図である。この第３実施例は、次に述べる点で第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。
内ロータ３１と外ロータ３２は、幅が等しく一対の内接歯車の形状を成し、噛み合った状態で正面板３３に設けた円筒状穴３３ａに収納されている。その円筒状穴３３ａは深さが両ロータ３１、３２の幅より若干深く、径方向ならびに幅方向に対して両ロータ３１、３２との間に微小な隙間を有する。円筒状穴３３ａの底面には吸入ポート８があり、吸入口７に直結されている。
内ロータ３１の中央穴に駆動軸３５を挿入固定されている。駆動軸３５の両端に設けた細径部３５ａは、正面板３３と背面板３４に設けた穴に挿入され、すべり軸受として回転自在に軸支される。駆動軸３５は内ロータ３１と同心であるのに対し、外ロータ３２外周や、それが接する円筒状穴３３ａは偏心している。
このように、内ロータ３１は両端支持の軸３５に一体で軸支し、外ロータ３２は自身の外周部と端面がすべり軸受として機能する構造となっている。かかる構造は、従来の内接歯車式ポンプで一般的なもので長い実績があり、高い信頼性を有している。
仕切板３６は中央開口を有する平板形状であり、中央開口に駆動軸３５が貫通している。仕切板３６は、両ロータ３１、３２の一側の端面を覆い、周辺部が正面板３３に密着して固定されている。仕切板３６には、所定輪郭形状の貫通穴である吐出ポート３６ａが開けられると共に、吐出口９に連通する流路も形成されている。
仕切板３６を境にして、両ロータ３１、３２の反対側には、駆動軸３５の径を拡大した部分の外周に永久磁石１１が固着され、モータのロータを構成している。
正面板３３の外周は径方向に拡大し、その外周部でカバー３７に接合する。カバー３７は固定子１２と基板１６の外側を覆い、電線類の通る小さな穴がある。
この第２実施例において、ポンプ８０を起動すると、モータの作用により永久磁石１１にトルクが発生し、駆動軸３５で連結した内ロータ３１と、これに噛み合った外ロータ３２とが回転される。内接歯車式ポンプの原理により、吸入口７から入った被送液は吸入ポート８を経て容積拡大中の作動室３８に吸引される。一方で容積縮小中の作動室３８から、被送液は吐出ポートを通ってキャン６の内部空間に出る。更に仕切板３６と正面板３３に空けた穴を通って吐出口９から外部に送り出される。
この第３実施例によれば、第１実施例よりもポンプ全体の寸法が長くなるものの、内外両ロータ１、２の軸支に実績のある方式を採用し、高い信頼性を実現できる。カバー３７の遮音作用で、第２実施例と同様に、ロータ１、２の発する噛み合い音や固定子１２の発する電磁音などの外部拡散を防止できる。また、カバー３７はこれら音源や振動源から遠い位置でのみ固体接合されているため固体伝播音も途中で減衰しやすく放散されにくい。モータや素子の発熱はキャン６を経て被送液に伝熱するため、防音カバー内部の温度上昇も限定的で問題ない。
次に、本発明の第４実施例について図７を用いて説明する。図７は本発明の第４実施例のモータ一体型内接歯車式ポンプの縦断面図である。この第４実施例は、次に述べる点で第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。
内ロータ４１と噛み合った外ロータ４２の外周部分は、全周にわたって歯の形成された部分よりも狭い幅で径方向に延長し、従来例の外ロータの外周に円盤を固定したような形状とする。外ロータ４２の幅が狭くなる段差４３は正面板４５と背面板４６の内面に形成した段差に微小な隙間を持ちながら嵌合し、すべり軸受としての機能を有する。外ロータ４２の外周への延長部４７には、永久磁石４８を埋め込み、周方向で磁極が交互になるようにする。
永久磁石４８に対して軸方向に、わずかな隙間と薄い非磁性材料のキャン５０を間にして固定子４９を備える。固定子４９はシートコイル等巻線によらない構造であってもよい。キャン５０は背面板４６と一体となっている。ホール素子５１は永久磁石１１の径方向に相当するキャン５０外縁部に、パワー素子５２は背面板４６に密着させる。
この第４実施例における被送液の流れは径方向に開けた吸入口５３から吸入ポート５４を経て容積拡大中の作動室５５に吸い込まれる。そして、容積縮小中の作動室５６から吐出ポート５７と、キャン内部空間５８を経て、吐出口５９から送り出される。
この第４実施例によれば、ポンプ全体の厚さを非常に薄くすることが可能で、収納性がよい。吸入口ならびに吐出口の向きが自由に設計できることから、本ポンプを他の機器に組み込む際のレイアウトが比較的自由である。また、組立に際して、部品を一方から順に載せていくことが可能であり組立性が良好である。
上述した各実施例によるポンプ８０は小型で高い信頼性を持つことから、例えばコンピュータに代表される高密度の発熱を伴う電子機器を内部冷却する目的の冷却液循環回路における送液手段として利用するのに好適である。
本発明の第１実施例のモータ一体型内接歯車式ポンプの縦断面図である。 図１のモータ一体型内接歯車式ポンプの横断面図である。 図１のポンプ機構部の分解斜視図である。 図１のポンプを有する冷却システムを備え電子機器の説明図である。 本発明の第２実施例のモータ一体型内接歯車式ポンプの縦断面図である。 本発明の第３実施例のモータ一体型内接歯車式ポンプの縦断面図である。 本発明の第４実施例のモータ一体型内接歯車式ポンプの縦断面図である。
符号の説明
１…内ロータ、２…外ロータ、３…正面板、４…背面板、５…内軸、６…キャン、７…吸入口、８…吸入ポート、９…吐出口、１０…吐出ポート、１１…永久磁石（回転子）、１２…固定子、１３…ホール素子、１４…論理素子、１５…パワー素子、１６…電子基板、２１…張り出し部、２２…肩部、２３…作動室、２５…電力線、２６…制御線、２７…回転出力線、３１…内ロータ、３２…外ロータ、３３…正面板、３４…背面板、３５…駆動軸、３６…仕切板、３７…カバー、３８…作動室、４１…内ロータ、４２…外ロータ、４３…段差、４５…正面板、４６…背面板、４７…延長部、４８…永久磁石（回転子）、４９…固定子、５０…キャン、５１…ホール素子、５２…パワー素子、５３…吸入口、５４…ポート、５５…作動室、５６…縮小中作動室、５７…吐出ポート、５８…内部空間、５９…吐出口、６０…パソコン、６１Ａ…パソコン本体、６１Ｂ…ディスプレイ装置、６１Ｃ…キーボード、６２…ＣＰＵ、６３…液溜まり、６５…熱交換器、６６…放熱板Ａ、６７…放熱板Ｂ、６９…液冷システム（冷却システム）、８０…ポンプ（モータ一体型内接歯車式ポンプ）、８１…ポンプ部、８２…モータ部、８３…制御部。

Claims (10)

  1. 液体を吸込んで吐出するポンプ部と、
    前記ポンプ部を駆動するモータ部とを備えたモータ一体型内接歯車式ポンプにおいて、
    前記ポンプ部は、
    外周に歯を形成した内ロータと、
    前記内ロータの歯と噛み合う歯を内周に形成した外ロータと、
    前記両ロータを収納すると共に、液体を吸入する吸入ポート及び液体を吐出する吐出ポートを形成したポンプケーシングとを備え、
    前記モータ部は、
    前記ポンプケーシングの一部を構成すると共に非磁性材で薄板状に形成したキャンと、
    前記キャンの内側に配置して前記外ロータまたは前記内ロータを駆動する回転子と、
    前記キャンの外側に設置して前記回転子を回転させる固定子とを備えた
    ことを特徴とするモータ一体型内接歯車式ポンプ。
  2. 請求項１記載のモータ一体型内接歯車式ポンプにおいて、前記回転子が円筒形状を成して前記外ロータの外周を取り囲む形態で外ロータの外周に固着され、前記キャンが薄肉円筒形状を成して前記回転子の外周を取り囲み、前記固定子が円筒形状をなして前記キャンの外側に配置されたことを特徴とするモータ一体型内接歯車式ポンプ。
  3. 請求項１記載のモータ一体型内接歯車式ポンプにおいて、前記内ロータがその中央穴に嵌合する軸で回転可能に支持され、外ロータが軸方向に突出する張り出し部の内周面に嵌合する前記ポンプケーシングの一部で回転自在に軸支され、前記回転子が前記外ロータに固定されたことを特徴とするモータ一体型内接歯車式ポンプ。
  4. 請求項３記載のモータ一体型内接歯車式ポンプにおいて、張り出し部が軸方向両側に突出して形成され、この両側に突出された張り出し部の内周面に前記外ロータの両側に位置する前記ポンプケーシングの肩部が嵌合して前記外ロータが前記ポンプケーシングに回転自在に軸支されたことを特徴とするモータ一体型内接歯車式ポンプ。
  5. 請求項１記載のモータ一体型内接歯車式ポンプにおいて、前記モータ部が直流ブラシレスモータで構成され、その直流ブラシレスモータの回転子が永久磁石よりなり、前記キャンの外側に前記永久磁石の通過を検知する機能を備えた磁気検出手段を備え、前記磁気検出手段の出力に基づいて前記直流ブラシレスモータの固定子に供給する電流を制御する電流制御素子を備えたことを特徴とするモータ一体型内接歯車式ポンプ。
  6. 請求項１記載のモータ一体型内接歯車式ポンプにおいて、前記内ロータならびに前記外ロータが自己潤滑性を有する合成樹脂材で射出成形したものであり、その射出成形に伴う抜き勾配の方向が両ロータを噛み合わせた状態で逆向きとなり、前記内ロータの外歯の径が大きくなる方向で前記外ロータの内歯の径も大きくなるように噛み合わせたことを特徴とするモータ一体型内接歯車式ポンプ。
  7. 請求項１記載のモータ一体型内接歯車式ポンプにおいて、前記内ロータと前記外ロータの収納された空間と外部とは、前記吸入ポートならびに前記吐出ポートを通過する流路を除いて、前記キャンを含むケーシングによって隔離され、吸入あるいは吐出経路にある液体の少なくとも一部が前記キャンの内側空間を経由して流れる流路を有することを特徴とするモータ一体型内接歯車式ポンプ。
  8. 請求項１記載のモータ一体型内接歯車式ポンプにおいて、電流制御素子を前記ケーシングに熱的に密着させたことを特徴とするモータ一体型内接歯車式ポンプ。
  9. 請求項１記載のモータ一体型内接歯車ポンプにおいて、消費電力検出手段を備えたモータ駆動回路を内蔵するとともに、起動直後の消費電力が所定値よりも小さいと判定した場合には、通常回転速度よりも限られた時間だけ増速運転し、消費電力が所定値を超えたことを判定した場合には、通常の回転速度に移行する制御機能を備えたことを特徴とするモータ一体型内接歯車ポンプ。
  10. 液循環源として、請求項１〜９何れかに記載のモータ一体型内接歯車ポンプを備えた液冷システムを搭載したことを特徴とする電子機器。
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