JP2007071147A - ポンプ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ室内における流体の逆流を抑えてポンプ効率を向上することができるポンプ駆動装置を提供する。
【解決手段】ポンプ室８内にモータＭの出力軸４と同軸状に設けられ、軸方向両側がポンプ室８を形成するケース内壁面２４とポンプ室８に収容されるインペラ９の軸芯側内壁面２５とに各々嵌め込まれて滑合するガイド筒２３を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明はポンプ室に設けられたインペラの回転により当該ポンプ室に軸芯方向に流体を吸込み周方向に流体を吐出するポンプ駆動装置に関する。

先ず、ポンプ駆動装置の一例について説明する。図６において、ロータ（回転子）５１のバックヨーク５２に１８０度ずつ２極に着磁されたロータマグネット５３が設けられている。バックヨーク５２はマグネットケース５６と連繋している。マグネットケース５６の上面には、カップリング用のマグネット５５が嵌め込まれている。マグネットケース５６はモータ側固定軸５４ａにベアリング５７を介して回転可能に嵌め込まれている。ポンプ室５８には、モータ側固定軸５４ａとねじ嵌合により連結するポンプ側固定軸５４ｂが一体に設けられている。このポンプ側固定軸５４ｂには回転羽根（インペラ）５９が軸受６０を介して嵌め込まれている。インペラ５９は軸受６０を介してポンプ側固定軸５４ｂの周囲を摺動回転する。インペラ５９にはカップリング用のマグネット６１がマグネット５５と対向して設けられている。マグネット５５、６１は例えば６極に着磁されており、磁気的結合力（マグネットカップリング）によりロータ５１とインペラ５９とは一体となって回転する。

ポンプ室５８は、ポンプケース６２とモータケース６３とを仕切り板６４を介して一体にねじ止めされて形成される。ポンプ室５８は、ポンプケース６２と仕切り板６４との間に設けられたＯリング６７によりシールされている。モータを起動すると、ロータ５１とマグネットカップリングにより連繋するインペラ５９が回転し、流体を吸込み口６５から軸方向（矢印Ｐ方向）にポンプ室５８内へ吸込み、図７のポンプケース６２の外周側に設けられた吐出口６６より吐出する。図８において、インペラ５９には、放射状の突条６７が内周側から外周側に向かって形成されている。このインペラ５９の回転による遠心力により流体を突条６７に沿って図６の軸芯側から外周側へ向かって矢印Ｑ方向に導くようになっている（非特許文献１参照）。
公開技報１０１９４７２５号公報

図６に示すポンプ駆動装置において、ポンプ室５８にはインペラ５９の円滑な回転を確保するため、ポンプケース６２の内壁面との間には隙間Ｓが形成される。この隙間Ｓは、以下の理由により設けられる。即ち、一体成形されるポンプケース６２の寸法精度から干渉を防ぐ必要があること、放射状の突条６７が形成された上部とカップリング用のマグネット６１を内包した下部とが溶着されて形成されるインペラ５９の芯出しが難しく同軸度が精度よく製作し難いこと、或いは固定軸５４ａ、５４ｂの傾きによるインペラ５９の軸芯ずれを防ぐため仕切り板６４の厚さを厚くすることも考えられるが、マグネットカップリングによりインペラ５９とロータ５１との磁気吸引力が低下することなどの理由による。

吸込み口６５からポンプ室５８の軸芯側より吸い込まれた流体の多くはポンプ室５８の外周側へ矢印Ｑ方向に送り出されて吐出口６６より吐出される。しかしながら、ポンプ室５８内に圧力差が生じ、高圧である外周側の流体がインペラ５９とポンプケース６２との隙間Ｓを通じて低圧である軸芯側に矢印Ｒ方向へ逆流し、矢印Ｐ方向へ吸い込まれる流体と衝突してポンプ効率を低下させるという課題があった。また、固定軸５４ａ、５４ｂが傾いた場合には、隙間Ｓも変化することからポンプ室５８内の圧力変動が大きくポンプ動作が不安定になるという課題もある。

本発明の目的は、ポンプ室内における流体の逆流を抑えてポンプ効率を向上することができるポンプ駆動装置を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は次の構成を有する。
モータ側の回転子に磁気的に連繋して固定軸を中心に回転するインペラによりポンプ室に軸芯方向へ流体を吸込んで周方向へ吐出するポンプ駆動装置において、ポンプ室内に固定軸と同軸状に設けられ、軸方向両側がポンプ室を形成するケース壁面とポンプ室に収容されるインペラの軸芯側壁面とに各々嵌合して滑合するガイド筒を設けたことを特徴とする。

また、ケース壁面及びインペラの軸芯側壁面とガイド筒との滑合形態として代表的なものとして以下の形態がある。
即ち、ガイド筒の滑合面は、筒体の外周面部を外側に膨出させ固定軸の軸線上に中心を有する球面部であり、軸方向両側でポンプケース及びインペラの起立壁に各々嵌め込まれて滑合することを特徴とする。
また、ポンプケース及びインペラの滑合面は、ポンプ室内で軸方向に起立する起立壁外周面を外側に膨出させ固定軸の軸線上に中心を有する球面部であり、ガイド筒の筒孔に各々嵌め込まれて滑合することを特徴とする。
また、軸方向一端側において、ポンプケース又はインペラにはポンプ室内で軸方向に起立する起立壁外周面を外側に膨出させ固定軸の軸線上に中心を有する球面部が形成され該球面部はガイド筒の筒孔に嵌め込まれて滑合し、軸方向他端側において、ガイド筒には筒体の外周面部を外側に膨出させ固定軸の軸線上に中心を有する球面部が形成され該球面部はポンプケース又はインペラの起立壁に嵌め込まれて滑合することを特徴とする。

本発明に係るポンプ駆動装置を用いると、ポンプ室内に固定軸と同軸状に設けられ、軸方向両側がポンプ室を形成するケース壁面とポンプ室に収容されるインペラの軸芯側壁面とに各々嵌合して滑合するガイド筒を設けたので、インペラの回転によりポンプ室に軸芯方向へ低圧の流体を吸込んで周方向へ吐出する際に、ポンプ室内の圧力差により高圧の流体がインペラとポンプケースとの隙間を通じてポンプ室の外周側から軸芯側へ逆流するがガイド筒により実質的に遮断できる。よって、ポンプ室内の圧力差により軸芯側で吸い込まれる低圧の流体とポンプ室を逆流する高圧の流体とが勢いよく衝突するのを防ぎ、ポンプ効率を向上させることができる。また、インペラとポンプケースとの間に設けられる隙間を減らすことができるのでポンプ室の無駄な容積を減らしてコンパクトにすることができる。
また、ガイド筒、ポンプケースやインペラのポンプ室内で軸方向に起立する起立壁に形成される滑合面は、例えば筒体や起立壁外周面部を外側に膨出させ固定軸の軸線上に中心を有する球面部であるので、ポンプ室内の圧力変動や固定軸の強度との関係からインペラが傾いたとしてもガイド筒が追従して傾斜するため、ガイド筒とケース壁面及びインペラの壁面との間の接触状態は保たれる。このため、ポンプ室内の圧力差により軸芯側で吸い込まれる低圧の流体と外周側から逆流する高圧の流体が勢いよく衝突するのを防ぐことができ、ポンプ室内の圧力変動が少なく安定したポンプ動作を維持できる。

以下、発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。先ず、図１乃至図３を参照してポンプ駆動装置の全体構成について説明する。
図１において、ポンプを駆動する駆動源の一例としてアウターロータ型の単相２極ブラシレスモータＭを用いた場合について説明する。単相２極ブラシレスモータＭには、ロータ（回転子）１のバックヨーク２に１８０度ずつ２極に着磁されたロータマグネット（図示せず）が設けられている。バックヨーク２はマグネットケース６に連繋している。マグネットケース６の上面には、カップリング用のマグネット５が嵌め込まれている。マグネットケース６はモータ側固定軸４ａにベアリング７を介して回転可能に嵌め込まれている。尚、ロータ１は、ステータ固定端に設けられた予圧ばねによりマグネットケース６側へ軸方向で付勢されている。

ここで、単相２極ブラシレスモータＭは、単相交流電源の交流電流を整流ブリッジ回路により全波整流し、ロータ１の回転角度に（マグネットの磁極位置）に応じて制御部がコイルを流れる整流電流の向きを変えて直流ブラシレスモータとして起動運転する。そして、ロータ１の回転数が電源周波数と同期する回転数付近に到達したときに、同期運転に切り換えて同期運転に移行するようになっている。尚、駆動源としては、単相２極ブラシレスモータＭに限らず、単相４極ブラシレスモータなど多極ブラシレスモータやブラシ付きモータなどのＤＣモータ、ＡＣモータ、更には誘導モータなど多様なモータを用いてもよい。また、モータはアウターロータ型に限らずインナーロータ型であってもよい。

図２において、マグネットケース６のベアリング７が嵌め込まれるボス部１４の軸方向下側へ突設された部位には周方向に係合孔１５が形成されている。カップ状のバックヨーク２の底部貫通孔１６には、周方向に係合突起１７が突設されている。マグネットケース６とバックヨーク２との当接部にはグリスが塗布されて摩擦トルクを減じるようになっており、マグネットケース６とバックヨーク２は相対的に回転方向に対して一定角度の遊びを持って係合している。

次に、ポンプ室８側の構成について説明する。ポンプ室８には、モータ側固定軸４ａとねじ嵌合により一体に連結するポンプ側固定軸４ｂが設けられている。このポンプ側固定軸４ｂには回転羽根（インペラ）９が軸受１０を介して嵌め込まれている。軸受１０は金属含浸された円筒状のカーボンリング１１に、軸方向両端にスラスト方向の荷重を受けるセラミックリング１２が併設されている。カーボンリング１１はインペラ９に接着されている。インペラ９はカーボンリング１１を介してポンプ側固定軸４ｂの周囲を摺動回転する。インペラ９にはカップリング用のマグネット１３がマグネット５と対向して設けられている。マグネット５、１３は例えば６極に着磁されており、磁気的結合力（マグネットカップリング）によりロータ１とインペラ９とは一体となって回転する。インペラ９は、放射状の突条９ａ（図３Ａ参照）が形成された上部とカップリング用のマグネット１３を内包した下部とが溶着されて一体に形成される。

図１において、ポンプ室８は、ポンプケース１８とモータケース１９とを仕切り板２０を介して一体にねじ止めされて形成される。ポンプ室８は、ポンプケース１８と仕切り板２０との間に設けられたＯリング２８によりシールされている。ポンプケース１８の軸芯側には流体の吸込み口２１が形成され、外周縁部には流体の吐出口２２（図３Ａ参照）が形成されている。ポンプ室８内には、ガイド筒２３がポンプ側固定軸４ｂと同軸状に設けられる。即ち、ガイド筒２３は、ポンプ室８を形成するケース内壁面２４とインペラ９の軸芯側に起立する起立壁２６の内壁面２５とに嵌め込まれて滑合するようになっている。ガイド筒２３の軸方向両端はポンプケース１８とインペラ９によって規定されている。インペラ９はガイド筒２３の外周面に接したまま摺動回転するようになっている。

また、図３Ｂにおいて、ガイド筒２３の滑合面は、筒体の外周面部を外側に膨出させた形態をしている。具体的には、モータ側固定軸４ｂの軸線Ｍ上に中心Ｏを有する球面部２３ａが軸方向で２箇所に形成されている。図４において、本実施例では、軸線Ｍからケース内壁面２４及び軸線Ｍからインペラ９の軸芯側に設けられる起立壁内壁面２５までの距離が各々ｒであるため、滑合面に半径ｒの球面部２３ａが２箇所に形成されている。この半径ｒは軸線Ｍからケース内壁面２４の距離とインペラ９の起立壁内壁面２５までの距離が異なっている場合には異なる値であってもよい。図４において、仮にポンプ側固定軸４ｂが軸線Ｍから軸線Ｍ´のように傾きインペラ９が同様に傾いたとしても、球面部２３ａとケース内壁面２４及び球面部２３ａとインペラ９の起立壁内壁面２５との接触位置は変化するがガイド筒２３とポンプケース１８及びインペラ９との滑合状態に変化はない。このため、ガイド筒２３によってインペラ９とポンプケース１８との隙間Ｓを実質的に遮断することができる。

モータを起動すると、ロータ１とマグネットカップリングにより連繋するインペラ９が回転し、流体を吸込み口２１から軸方向（矢印Ｐ方向）にポンプ室８内へ吸込み、インペラ９の回転によりポンプケース１８の軸芯側から外周側へ向かって矢印Ｑ方向へ導かれ、図３Ａのポンプケース１８の外周側に設けられた吐出口２２より吐出される。インペラ９の回転による遠心力によりポンプ室８内に圧力差が生じて高圧である外周側の流体は、インペラ９とポンプケース１８との隙間Ｓを通じて低圧である軸芯側に矢印Ｒ方向へ逆流しようとするがガイド筒２３により実質的に遮断される。よって、軸芯側へ逆流する流体が吸込み口２１から吸い込まれる流体と勢いよくぶつかりあうことがないので、ポンプ効率が２０％〜３０％以上向上することが見込まれる。

尚、ガイド筒２３の球面部２３ａとケース内壁面２４及び起立壁内壁面２５とは摺動することにより流体の軸芯側へのわずかな戻りが生ずるが、ポンプ動作に与える影響はほとんど生じない。また、ガイド筒２３は、図４に示すように、ポンプ側固定軸４ｂが傾斜しても追従して傾斜して滑合状態は維持されるため、隙間Ｓを逆流した流体が吸込み口２１から吸い込まれる流体と勢いよく衝突することはない。

ここで、ポンプ駆動装置の組立工程の一例について図３を参照して説明する。
モータ側の組立ての詳細は、モータの態様に特に限定はないことから割愛し、ポンプ側の組立てを中心に説明する。
モータＭのモータ側固定軸４ａには、カップリング用のマグネット５が嵌め込まれたマグネットケース６がベアリング７を介して嵌め込まれている（図１参照）。モータケース１９の上面にはポンプ室と仕切りとなる仕切り板２０がねじ止めされている。ポンプ側固定軸４ｂには、カーボンリング１１の両端側でセラミックリング１２が嵌め込まれる。カーボンリング１１はインペラ９の軸孔に接着固定される。

ポンプ側に突設されたポンプ側固定軸４ｂには、カーボンリング１１を介してインペラ９が嵌め込まれ、カップリング用のマグネット１３がロータ側のマグネット５とマグネットカップリングにより連結される。インペラ９の軸芯側には起立壁２６が設けられており、起立壁内壁面２５にガイド筒２３の下端側が嵌め込まれて球面部２３ａと滑合する。更に、ポンプケース１８をモータケース１９に重ね合わせてねじ２７により固定する。このとき、ガイド筒２３の上端側が軸芯側のケース内壁面２４に嵌め込まれて球面部２３ａと滑合する（図１、図４参照）。

上述したポンプ駆動装置によれば、インペラ９の回転によりポンプ室８へ軸方向に流体を吸込んで周方向へ送り出しを行なう際に、ポンプ室８の圧力差によりインペラ９とポンプケース１８との隙間Ｓを通じて逆流する高圧の流体がガイド筒２３により実質的に遮断されて軸芯側で吸い込まれる低圧の流体と衝突するのを防ぎ、ポンプ効率を向上させることができる。また、インペラ９とポンプケース１８との間に設けられる隙間Ｓを減らすことができるので、ポンプ室８の無駄な容積を減らしてコンパクトにすることができる。

次に、ポンプケース１８及びインペラ９とガイド筒２３との滑合形態の他例について図５Ａ〜図５Ｃを参照して説明する。
図５Ａにおいて、ポンプケース１８、インペラ９には、ポンプ室内で軸方向に起立する起立壁２９、起立壁２６が各々形成されている。起立壁２９、２６には外周面を外側に膨出させ固定軸の軸線Ｍ上に中心Ｏを有する球面部２９ａ、２６ａが各々形成されている。これらの起立壁２９、起立壁２６は、ガイド筒２３の筒孔に各々嵌め込まれて滑合するようになっている。

図５Ｂにおいて、ポンプケース１８、インペラ９には、ポンプ室内で軸方向に起立する起立壁２９、起立壁２６が各々形成されている。また、ガイド筒２３は大径部３０と小径部３１が各々形成されている。起立壁２９には外周面を外側に膨出させ固定軸の軸線Ｍ上に中心Ｏを有する球面部２９ａが形成されている。また、ガイド筒２３には小径部３１の外周面部を外側に膨出させ固定軸の軸線Ｍ上に中心Ｏを有する球面部３１ａが形成されている。軸方向一端側において起立壁２９はガイド筒２３の筒孔に嵌め込まれて球面部２９ａが滑合し、軸方向他端側において小径部３１は起立壁２６に嵌め込まれて球面部３１ａが滑合するようになっている。

尚、図５Ｂのガイド筒２３の大径部３０と小径部３１を上下反対にし、ポンプケース１８に替えてインペラ９の起立壁２６に外周面を外側に膨出させ固定軸の軸線Ｍ上に中心Ｏを有する球面部を形成してもよい。

図５Ｃにおいて、ポンプケース１８、インペラ９には、ポンプ室内で軸方向に起立する起立壁２９、起立壁２６が各々形成されている。これらの起立壁２９、起立壁２６の内壁面には突面部（曲面部、球面部など）２９ｂ、２６ｂが形成されている。突面部２９ｂ、２６ｂは必ずしも球面部に限定されないが、少なくともガイド筒２３の外周面に上下で押接する必要がある。ガイド筒２３は、軸方向両側でポンプケース１８及びインペラ９の起立壁２９、２６に各々嵌め込まれて突面部２９ｂ、２６ｂと各々滑合するようになっている。尚、上述した各滑合形態は例示であり、滑合面に形成される球面部や突面部を入れ替えた様々な滑合面の態様を採用し得る。

ポンプ駆動装置の要部の部分断面図である。 マグネットケースとバックヨークとの組み付け状態を示す斜視図である。 ポンプ駆動装置の組立て構成を示す分解斜視図である。 ガイド筒の滑合状態を示す模式図である。 他例に係るガイド筒とポンプケース及びインペラの滑合形態を示す模式断面図である。 従来のポンプ駆動装置の断面図である。 従来のポンプ駆動装置の上視図である。 従来のインペラの斜視図である。

符号の説明

Ｍ モータ
１ ロータ
２ バックヨーク
４ａ モータ側固定軸
４ｂ ポンプ側固定軸
５，１３ マグネット
６ マグネットケース
７ ベアリング
８ ポンプ室
９ 回転羽根（インペラ）
９ａ 突条
１０ 軸受
１１ カーボンリング
１２ セラミックリング
１４ ボス部
１５ 係合孔
１６ 貫通孔
１７ 係合突起
１８ ポンプケース
１９ モータケース
２０ 仕切り板
２１ 吸込み口
２２ 吐出口
２３ ガイド筒
２３ａ，２６ａ，２９ａ 球面部
２４ ケース内壁面
２５ 起立壁内壁面
２６，２９ 起立壁
２６ｂ，２９ｂ 突面部
２７ ねじ
２８ Ｏリング
３０ 大径部
３１ 小径部

Claims (4)

1. モータ側の回転子に磁気的に連繋して固定軸を中心に回転するインペラによりポンプ室に軸芯方向へ流体を吸込んで周方向へ吐出するポンプ駆動装置において、
   ポンプ室内に固定軸と同軸状に設けられ、軸方向両側がポンプ室を形成するケース壁面とポンプ室に収容されるインペラの軸芯側壁面とに各々嵌合して滑合するガイド筒を設けたことを特徴とするポンプ駆動装置。
2. ガイド筒の滑合面は、筒体の外周面部を外側に膨出させ固定軸の軸線上に中心を有する球面部であり、軸方向両側でポンプケース及びインペラの起立壁に各々嵌め込まれて滑合することを特徴とする請求項１記載のポンプ駆動装置。
3. ポンプケース及びインペラの滑合面は、ポンプ室内で軸方向に起立する起立壁外周面を外側に膨出させ固定軸の軸線上に中心を有する球面部であり、ガイド筒の筒孔に各々嵌め込まれて滑合することを特徴とする請求項１記載のポンプ駆動装置。
4. 軸方向一端側において、ポンプケース又はインペラにはポンプ室内で軸方向に起立する起立壁外周面を外側に膨出させ固定軸の軸線上に中心を有する球面部が形成され該球面部はガイド筒の筒孔に嵌め込まれて滑合し、軸方向他端側において、ガイド筒には筒体の外周面部を外側に膨出させ固定軸の軸線上に中心を有する球面部が形成され該球面部はポンプケース又はインペラの起立壁に嵌め込まれて滑合することを特徴とする請求項１記載のポンプ駆動装置。

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