JP2007303316A - モータポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】軸受からのパーティクルの発生を防止できるモータポンプを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のモータポンプは、ポンプケーシング１内に配置されたポンプ羽根車２と、ポンプ羽根車２と一体に回転するモータロータ３と、モータロータ３の径方向外側に配置されたモータステータ４と、ポンプ羽根車２およびモータロータ３を回転自在に支持するラジアル動圧軸受９，１８と、ポンプ羽根車２と同心円上に配置された第１の永久磁石１３と、第１の永久磁石１３と向き合うようにポンプケーシング１に配置された第２の永久磁石１４とを備える。第１の永久磁石１３および第２の永久磁石１４は互いに反発しあうように配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石型モータを備えたモータポンプに係り、特に半導体製造工程等の極めて高い清浄度が要求される環境で、純水や薬液等を圧送するのに好適なノンパーティクル（微粒子の発生しない）モータポンプに関する。

従来から、ポンプ羽根車がモータロータの一端に固定された一体構造のモータポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。かかるモータポンプは、モータロータの外側にモータステータが配置され、ポンプ羽根車の周囲にポンプケーシングが配置される構造を有し、ポンプケーシングの吸込口から吸込まれた液体がポンプ羽根車により加圧され、ポンプケーシングの吐出口から吐出されるようになっている。

半導体製造工程においては、半導体ウエハの洗浄に用いる純水の圧送用、各種薬液の圧送用等に当該液を可能な限り汚染しない構造のモータポンプが用いられている。これらのモータポンプにおいては、一般にラジアル滑り軸受およびスラスト滑り軸受により回転体が非接触に支持され、ポンプの取扱液によりこれらの軸受が潤滑されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−２１９６８７号公報 特開２００６−１１２２３５号公報

しかしながら、ポンプ運転中には、軸受のわずかな摺動による摩擦からパーティクルが生じてしまう。さらに、ポンプ停止時においては液体の動圧が発生しないため、回転体はラジアル滑り軸受およびスラスト滑り軸受の両方と接触し、ポンプ起動時にこれらの軸受からパーティクルが生じやすい。また、ラジアル滑り軸受とスラスト滑り軸受とが互いに直角に配置されていないと、軸受の回転側と固定側とがその外周部において接触してしまい、軸受の一部が大きく摩耗してしまう。このため、ラジアル滑り軸受とスラスト滑り軸受とを高精度で互いに直角に配置することが要求される。

本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、軸受からのパーティクルの発生を防止できるモータポンプを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明は、ポンプケーシング内に配置されたポンプ羽根車と、複数の永久磁石を備え、前記ポンプ羽根車と一体に回転するモータロータと、前記モータロータの径方向外側に配置されたモータステータと、前記ポンプ羽根車および前記モータロータを回転自在に支持するラジアル動圧軸受と、前記ポンプ羽根車と同心円上に配置された第１の永久磁石と、前記第１の永久磁石と向き合うように前記ポンプケーシングに配置された第２の永久磁石とを備え、前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石は互いに反発しあうように配置されていることを特徴とするモータポンプを提供する。

本発明の好ましい態様は、前記第１の永久磁石の同心円の径は、前記第２の永久磁石の同心円の径よりも小さいことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ポンプ羽根車および前記ポンプケーシングの互いに対向する面の少なくとも一方に、動圧を発生させる溝が形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、前記モータロータはその回転軸中心に中空部を備え、該中空部内に前記ラジアル動圧軸受を配置したことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ラジアル動圧軸受は、非金属材料にて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、前記ポンプ羽根車、前記モータロータ、および前記ポンプケーシングは樹脂にて構成され、前記モータロータ中に前記複数の永久磁石が埋め込まれ、前記ポンプ羽根車中に前記第１の永久磁石が埋め込まれ、前記ポンプケーシング中に前記第２の永久磁石が埋め込まれ、前記モータステータの内周面が樹脂により被覆されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石の少なくとも１つは、リング状の永久磁石であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石の少なくとも１つは、前記ポンプ羽根車と同心円上に配列された複数の永久磁石であることを特徴とする。

本発明によれば、第１および第２の永久磁石間の反発力によって、ポンプ停止時およびポンプ起動時においてポンプ羽根車を非接触で支持することができる。また、ポンプ運転時においては、ポンプ羽根車に作用する吸い込み圧力と吐出し圧力との差に起因するスラスト力を、第１および第２の永久磁石間の反発力によって相殺することができる。したがって、ポンプ羽根車を常時非接触で支持することができ、軸受からのパーティクルの発生を防止することができる。

さらに、本発明によれば、第１および第２の永久磁石間の反発力による非接触スラスト軸受を構成し、スラスト軸受の回転側と固定側との間に隙間が形成されるので、ラジアル動圧軸受とスラスト軸受とを厳密に直角に配置する必要がない。

以下、本発明の実施形態に係るモータポンプについて図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態におけるモータポンプの全体構成を示す断面図である。
図１に示すように、モータポンプは、ポンプ部１１とモータ部１２とから構成され、ポンプ部１１は、ポンプケーシング１と、このポンプケーシング１内に配置されたポンプ羽根車２とから構成されている。モータ部１２は、後に詳述するように、永久磁石型モータロータ３と、モータステータ４とを備えたブラシレスＤＣモータから構成されている。

このモータポンプは、半導体製造工程における純水や薬液の圧送に好適な、いわゆるノンパーティクルポンプであり、その接液部が樹脂材料により構成されている。すなわち、ポンプケーシング１は樹脂材により構成され、ポンプ羽根車２もテフロン（登録商標）等の樹脂材により構成されている。ポンプ羽根車２の内部には渦巻状の流体の流路が形成されている。ポンプケーシング１には円筒状の吸込口１ａが設けられており、この吸込口１ａから吸い込まれた液体は、ポンプ羽根車２の吸込マウス部２ａからポンプ羽根車２内部の渦巻状の流路に入る。そして、液体はポンプ羽根車２の回転により加圧され、吐出口１ｂから吐出される。

モータロータ３はテフロン（登録商標）等の樹脂で構成され、ポンプ羽根車２とモータロータ３とは一体に構成されている。モータロータ３は、ロータ本体３ａと、このロータ本体３ａに埋め込まれた複数の永久磁石３ｂとから構成されている。モータロータ３の径方向外側には所定の間隙を介してモータステータ４が配置されている。

モータステータ４は、その外周面がモータフレーム５に固定され、また、その内周側には樹脂からなるステータキャン６が配置されている。モータステータ４は、鉄心からなるステータコア４ａとコイル４ｂとにより構成されている。コイル４ｂには電線７が接続されており、この電線７は外部電源（図示せず）に接続されている。外部電源からは電流がモータステータ４に供給され、モータステータ４に形成される磁界により、永久磁石３ｂを備えたモータロータ３が回転するようになっている。このようにして、モータロータ３と一体に構成されるポンプ羽根車２がモータ部１２により回転駆動される。

ステータキャン６は、モータロータ３を囲むように配置され、ステータキャン６の周壁６ａはモータロータ３とモータステータ４との間に位置している。ステータキャン６のフランジ部６ｂはポンプケーシング１に固定されており、フランジ部６ｂとポンプケーシング１との間には、シール部材としてのＯリング８が配置されている。ステータキャン６およびポンプケーシング１によって形成された密閉空間内には、ポンプ羽根車２およびモータロータ３が収容されている。ポンプケーシング１とモータフレーム５との間にもシール部材１９が配置されており、これによってポンプケーシング１とモータフレーム５との間の微小な隙間がシールされている。このような構造により、モータ部１２とポンプ部１１との密封構造が確立され、ポンプ内部の取扱液が外部に漏れることを防止することができる。また、ポンプ羽根車２とモータロータ３とは一体構造であるため、軸封機構を設けることを不要とすることができる。
なお、本実施形態においては、シール部材１９は、ポンプケーシング１またはモータフレーム５と同じ材料（樹脂）から形成されており、溶解させた樹脂をポンプケーシング１とモータフレーム５との間に流し込むことによって接着性のあるシール部材１９が形成されている。また、図１に示す例では、Ｏリング８とシール部材１９の両方を設けているが、いずれか一方のみを設けてもよい。

ステータキャン６の底部６ｃには、回転軸方向に延びる支柱９が固定されている。支柱９はステータキャン６の底部６ｃを貫通して延び、支柱９と底部６ｃとの間の微小な隙間を埋めるようにシール部材２０が配置されている。このシール部材２０としては、Ｏリングや接着剤などが用いられる。支柱９はＳｉＣやアルミナなどのセラミック等の非金属材料からなり、その外周面には、動圧を発生させる２条のヘリングボーン溝１０が軸方向に並んで形成されている。モータロータ３の内部には、その回転軸に沿って延びる円筒状の中空部が形成されており、この中空部にラジアル動圧軸受が配置されている。すなわち、ラジアル動圧軸受は、外周面に形成されたヘリングボーン溝１０を有する支柱９と、支柱９の径方向外側に微小な隙間を介して配置される円筒状のスリーブ１８とから構成される。スリーブ１８はモータロータ３の内周面に固定されており、モータロータ３と同心上に配置されている。ここで、スリーブ１８もＳｉＣやアルミナなどの非金属材料により構成されている。

ラジアル動圧軸受の固定側部材を構成する支柱９と、ラジアル動圧軸受の回転側部材を構成するスリーブ１８とは、わずかなクリアランスを隔てて対面するようになっている。ポンプ羽根車２によって昇圧された液体の一部は、モータロータ３とステータキャン６との間の微小な隙間を通って、ラジアル動圧軸受に導かれる。そして、モータロータ３の回転により、支柱９とスリーブ１８との間に液体の動圧が発生し、これによりモータロータ３およびポンプ羽根車２が非接触で支持される。本実施形態では、ラジアル動圧軸受がモータロータ３内に配置されているので、ポンプ全体を小型化することができるという利点がある。

図１に示すモータポンプは、液体の移送に使用される、いわゆる遠心式ポンプである。上述するように、ラジアル動圧軸受は、回転側（スリーブ１８）と固定側（支柱９）との間に介在する液体の動圧を利用することで回転側を非接触で支持する。しかしながら、時として、吸込口１ａからの液体が途絶え、ポンプ内部に液体が存在しない状況に置かれる場合がある。このような場合でも、回転側と固定側との間に介在する気体により動圧が発生し、ポンプ羽根車２を非接触で支持することができる。このように、本実施形態におけるラジアル動圧軸受は、液体および気体などの流体を利用して軸受機能を発揮するように構成されている。

なお、動圧を発生させるための溝は、スリーブ１８の支柱９に対向する面に設けてもよく、または支柱９とスリーブ１８の両方に設けてもよい。また、溝のパターンとしては、ヘリングボーン溝に限られず、動圧を発生させる形状であれば特に限定されない。

モータロータ３の永久磁石３ｂはロータ本体３ａに埋め込まれており、永久磁石３ｂがポンプ取扱液と接触しないように構成されている。これにより、酸やアルカリ等の薬液を圧送する場合に永久磁石３ｂが溶解してしまうという問題を防止することができる。また、モータロータ３はステータキャン６によって液密に封止されているので、薬液によってモータステータ４が腐食されてしまうことが防止される。さらに、接液部であるポンプケーシング１、ポンプ羽根車２、およびモータロータ３は樹脂により構成されているので、金属イオンが溶出せず、取扱液を清浄に保つことができる。

図２（ａ）は図１に示すII-II線から見たポンプ羽根車を示す図であり、第１の永久磁石の一例を示す。図１および図２（ａ）に示すように、ポンプ羽根車２の前面側の側板（吸込側の側板）にはリング状の永久磁石（第１の永久磁石）１３が埋設されている。この永久磁石１３に向き合うように、リング状の永久磁石（第２の永久磁石）１４がポンプケーシング１に埋設されている（図１参照）。これらの永久磁石１３，１４はポンプ羽根車２と同心上に配置されており、互いに反発しあうように対向する面が同磁極に着磁されている。このような配置により、永久磁石１３，１４の反発力によってポンプ羽根車２を非接触で支持することができる。すなわち、永久磁石１３，１４は、ポンプ羽根車２を非接触で支持するスラスト軸受として機能する。

図１に示すように、永久磁石１３の径（磁極の径）Ｄ１は、永久磁石１４の径（磁極の径）Ｄ２よりもやや小さく設定されている。より詳しくは、回転軸方向から見たときに、永久磁石１３と永久磁石１４とが重なり合う程度に、永久磁石１３の径Ｄ１が永久磁石１４の径Ｄ２よりも小さく設定される。このような配置により、永久磁石１４から発生する磁力によって、回転する永久磁石１３（すなわちポンプ羽根車２）に求心力を与えることができる。したがって、これらの永久磁石１３，１４は、スラスト軸受として機能するだけでなく、非接触のラジアル軸受としても機能することができ、上記ラジアル動圧軸受の補助的な役割を担うことができる。なお、同一の径を有する第１および第２の永久磁石を用いて非接触型のスラスト軸受を構成してもよい。ただし、回転する永久磁石１３に求心力を与えるためには、本実施形態のように、永久磁石１３の径Ｄ１を永久磁石１４の径Ｄ２よりも小さく設定することが好ましい。

一般に、ポンプ運転時において、吸い込み圧力と吐出し圧力との差によるスラスト力により、ポンプ羽根車２は吸い込み側に押される。本実施形態によれば、ポンプ羽根車２に設けられた永久磁石１３と、ポンプケーシング１に設けられた永久磁石１４との反発力により、ポンプ羽根車２を非接触で支持することができる。したがって、ポンプの停止時、起動時、および運転時においても、スラスト軸受からパーティクルが発生することがない。

本実施形態に係るモータポンプは、永久磁石１３，１４から構成されるスラスト軸受に加えて、動圧によりポンプ羽根車２を支持するスラスト動圧軸受を備えている。すなわち、図２（ａ）に示すように、ポンプ羽根車２のケーシング側対向面（吸込側の表面）には、動圧を発生させるスパイラル溝１５が形成されている。また、これらのスパイラル溝１５に対向するように、ポンプケーシング１には平滑な側面１ｃが形成されている（図１参照）。

回転するポンプ羽根車２によって昇圧された液体の一部は、ポンプ羽根車２の前面とポンプケーシング１の側面１ｃとの間に入り込み、スパイラル溝１５によって動圧が発生する。そして、この動圧によりポンプ羽根車２が非接触で支持される。このように、スパイラル溝１５が形成されたポンプ羽根車２およびポンプケーシング１の側面１ｃは、ポンプ羽根車２を軸方向から非接触で支持するスラスト動圧軸受を構成する。

ポンプ羽根車２の回転速度が速くなると、吸い込み方向に働くスラスト力も大きくなるため、ポンプ羽根車２とポンプケーシング１とが接触してしまうおそれがある。本実施形態によれば、回転するポンプ羽根車２とポンプケーシング１との間に動圧が発生するため、ポンプ羽根車２がポンプケーシング１に接触してしまうことを防止することができる。したがって、ポンプ羽根車２をより高速で回転させることが可能となり、小型で、かつ流量の大きいポンプを実現することができる。

なお、ポンプ羽根車２の前面に形成される溝は、動圧を発生させるものであればスパイラル溝に限られない。たとえば、スパイラル溝に代えて、ヘリングボーン溝を形成してもよい。また、ポンプケーシング１の側面１ｃにも動圧を発生させる溝を形成してもよい。なお、スパイラル溝１５を省略し、永久磁石１３，１４によってのみスラスト軸受を構成することも可能である。

図２（ｂ）は第１の永久磁石の他の例を示す図である。この例では、第１の永久磁石は、ポンプ羽根車２と同心円上に配列された複数の永久磁石１６から構成されている。この場合、第２の永久磁石も、ポンプ羽根車２と同心円上に配列された複数の永久磁石から構成してもよい。

次に、本発明の第２の実施形態におけるモータポンプについて図３を参照して説明する。図３は本発明の第２の実施形態におけるモータポンプの全体構成を示す断面図である。なお、同一の構成または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図３に示すように、モータロータ３の内部には中空部は形成されていなく、ラジアル動圧軸受はモータロータ３の外周面に配置されている。すなわち、ラジアル動圧軸受は、１条のヘリングボーン溝１７が形成された外周面を有するモータロータ３と、ステータキャン６の内周面に固定されたスリーブ１８とから構成されている。このヘリングボーン溝１７およびスリーブ１８は、モータロータ３の永久磁石３ｂとポンプ羽根車２との間に位置している。ステータキャン６のフランジ部６ｂとポンプケーシング１との間には、シール部材としてのＯリング８が配置されており、第１の実施形態と同様に密封構造が確保されている。なお、本実施形態においても、ポンプケーシング１とモータフレーム５との間にシール部材１９（図１参照）を配置してもよい。

ポンプ羽根車２の回転によって昇圧された液体の一部は、ヘリングボーン溝１７とスリーブ１８との間の微小な隙間に入り込み、ここで液体の動圧が発生する。したがって、ポンプ運転中は、ラジアル動圧軸受によってポンプ羽根車２およびモータロータ３が非接触で支持される。本実施形態においては、モータロータ３自体がラジアル動圧軸受を構成するので、支柱を必要とせず、構造を簡単にすることができ、かつポンプ全体を小型化することができるという利点がある。なお、動圧を発生する流体は液体に限られず、気体であってもよい。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明の第１の実施形態におけるモータポンプの全体構成を示す断面図である。 図２（ａ）は図１に示すII-II線から見たポンプ羽根車を示す図であり、第１の永久磁石の一例を示す。図２（ｂ）は第１の永久磁石の他の例を示す。 本発明の第２の実施形態におけるモータポンプの全体構成を示す断面図である。

符号の説明

１ ポンプケーシング
２ ポンプ羽根車
３ モータロータ
３ａ ロータ本体
３ｂ 永久磁石
４ モータステータ
５ モータフレーム
６ ステータキャン
７ 電線
８ Ｏリング
９ 支柱
１０ ヘリングボーン溝
１１ ポンプ部
１２ モータ部
１３，１６ 第１の永久磁石
１４ 第２の永久磁石
１５ スパイラル溝
１７ ヘリングボーン溝
１８ スリーブ
１９，２０ シール部材

Claims (8)

1. ポンプケーシング内に配置されたポンプ羽根車と、
   複数の永久磁石を備え、前記ポンプ羽根車と一体に回転するモータロータと、
   前記モータロータの径方向外側に配置されたモータステータと、
   前記ポンプ羽根車および前記モータロータを回転自在に支持するラジアル動圧軸受と、
   前記ポンプ羽根車と同心円上に配置された第１の永久磁石と、
   前記第１の永久磁石と向き合うように前記ポンプケーシングに配置された第２の永久磁石とを備え、
   前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石は互いに反発しあうように配置されていることを特徴とするモータポンプ。
2. 前記第１の永久磁石の同心円の径は、前記第２の永久磁石の同心円の径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のモータポンプ。
3. 前記ポンプ羽根車および前記ポンプケーシングの互いに対向する面の少なくとも一方に、動圧を発生させる溝が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のモータポンプ。
4. 前記モータロータはその回転軸中心に中空部を備え、該中空部内に前記ラジアル動圧軸受を配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモータポンプ。
5. 前記ラジアル動圧軸受は、非金属材料にて構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のモータポンプ。
6. 前記ポンプ羽根車、前記モータロータ、および前記ポンプケーシングは樹脂にて構成され、
   前記モータロータ中に前記複数の永久磁石が埋め込まれ、
   前記ポンプ羽根車中に前記第１の永久磁石が埋め込まれ、
   前記ポンプケーシング中に前記第２の永久磁石が埋め込まれ、
   前記モータステータの内周面が樹脂により被覆されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモータポンプ。
7. 前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石の少なくとも１つは、リング状の永久磁石であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のモータポンプ。
8. 前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石の少なくとも１つは、前記ポンプ羽根車と同心円上に配列された複数の永久磁石であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のモータポンプ。

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