JP2009007956A - ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁性流体を利用して軸受間の潤滑油を確実に封印でき、これにより潤滑油による羽根車の高精度の回転を維持して高効率化を実現する。
【解決手段】羽根車１４の中心部にラジアル軸受１５を取り付け、ラジアル軸受１５を軸体１６の外周面に回転自在に嵌め込み、ラジアル軸受１５の軸方向の両端側にスラスト軸受１７をそれぞれ配置し、ラジアル軸受１５と軸体１６との間の摺動隙間２６に潤滑油３０を充填し、ラジアル軸受１５の軸方向の両端面部をそれぞれマグネット材料３１で構成すると共に、軸受１５，１７の間隙に磁性流体１１を挿入することで、潤滑油３０が充填された摺動隙間２６の両側の開口部を磁性流体１１によりそれぞれ封印したポンプ装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、羽根車の軸体とラジアル軸受との摺動隙間に潤滑油を充填したポンプ装置に関するものである。

従来から、この種のポンプ装置として、図６に示すように、流体を吸排する羽根車１４を内蔵したポンプ部５と、ポンプ部５を収納すると共に流体の吸込口３と吐出口４とを備えたポンプケース６と、羽根車１４を回転駆動するモータ部７（ロータ９、ステータ１０）とを備え、羽根車１４の中心部に羽根車１４のラジアル荷重を受ける円筒状のラジアル軸受１５を取り付け、ラジアル軸受１５をポンプ部５内に支持される軸体１６の外周面に回転自在に嵌め込み、ラジアル軸受１５の軸方向の両端側に羽根車１４のスラスト荷重を受けるスラスト軸受１７をそれぞれ配置すると共に、ラジアル軸受１５と軸体１６との間の摺動隙間に潤滑油を充填した構造が知られている（例えば特許文献１参照）。

ところが上記特許文献１に見られる従来例では、羽根車１４の回転により外周方向Ａに向かう遠心力が生じて、羽根車１４の吸入口マウス部２２付近では、液体の吸い込み力によって負圧が発生しており、この負圧によって、ラジアル軸受１５の下端部とスラスト軸受１７との間の隙間から図６の矢印方向ｄから液体が流れ込み、これにより、摺動隙間に充填されている潤滑油がラジアル軸受１５の上端部とスラスト軸受１７との隙間から羽根車１４内部の流体通路に押し出されてしまい、潤滑油の漏出によって発熱及び磨耗の抑制効果が喪失するという問題がある。なお潤滑油が漏出した場合は図６の矢印方向ｄから流れ込む液体によって摺動隙間には潤滑膜が形成され、磨耗防止が可能であるが、仮りに羽根車１４の高速回転によって液体中に気泡が発生し、この気泡が摺動隙間に浸入すると、気泡の噛みこみや摩擦熱の発生によって潤滑不良を引き起こし、羽根車１４の回転精度を劣化させるとともに、磨耗が生じて軸受寿命を低下させる要因となる。

他の従来例として、潤滑油が漏出するのを防ぐために、磁性材料のフィンと磁石とにより保持させた磁性流体により潤滑油をシールし、ガス圧縮室と軸受保持室との間を完全に遮断するようにしたポンプ装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

ところが、上記特許文献２に見られる従来例では、フィンの数段の凹凸形状部分に磁性流体を充填しているため、フィンの凹凸形状の鋭利な先端部分で磁性流体が分断されやすく、磁性流体による潤滑油のシール性が低下して潤滑油が漏出しやすくなり、このため摩擦熱の発生によって潤滑不良を引き起こし、ポンプの回転精度を劣化させるとともに、磨耗が生じて軸受寿命を低下させるという問題があった。
特開２００５−４８６７５号公報 特開平１１−２４８００７号公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、磁性流体を利用して摺動隙間に充填された潤滑油を確実に封印でき、これにより潤滑油による羽根車の高精度の回転を維持して高効率化を実現できるポンプ装置を提供することを課題とするものである。

前記課題を解決するために本発明は、液体を給排する羽根車１４を内蔵したポンプ部５と、ポンプ部５が収納され上記流体を吸排する吸込口３と吐出口４とを備えたポンプケース６と、上記羽根車１４を回転駆動するモータ部７とを備え、羽根車１４の中心部に羽根車１４のラジアル荷重を受ける円筒状のラジアル軸受１５を取り付け、ラジアル軸受１５をポンプ部５内に支持される軸体１６の外周面に回転自在に嵌め込み、ラジアル軸受１５の軸方向の両端側に羽根車１４のスラスト荷重を受けるスラスト軸受１７をそれぞれ配置したポンプ装置であって、上記ラジアル軸受１５と軸体１６との間の摺動隙間２６に潤滑油３０を充填し、上記ラジアル軸受１５の軸方向の両端面部をそれぞれマグネット材料３１で構成すると共に、上記ラジアル軸受１５とスラスト軸受１７との間隙に磁性流体１１を挿入することで、上記潤滑油３０が充填された摺動隙間２６の両側の開口部を磁性流体１１によりそれぞれ封印したことを特徴としている。

このような構成とすることで、ラジアル軸受１５のマグネット材料３１からなる両端面部とこれに磁気吸引される磁性流体１１とを利用して、摺動隙間３６内の潤滑油３０を確実に封印でき、潤滑油３０が液体の循環系内に漏出するのを防止できるので、軸体１６とラジアル軸受１５との間の摩擦損失や焼付や焼損などの低減効果を長期に亘って持続させることができる。

また、上記ラジアル軸受１５の内周面に動圧発生用溝１８を形成するのが好ましく、この場合、動圧発生用溝１８によって潤滑油３０の流れが引き起こされ、これにより潤滑油３０の安定した動圧が発生するので、潤滑油３０は温度による影響も少なく、より安定した潤滑効果を発揮できるようになる。

本発明は、磁性流体を利用して摺動隙間の潤滑油を確実に封印することができるので、潤滑油によって羽根車の高精度の回転を維持できる結果、ポンプの高効率化を実現できるものである。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明する。

図５は、遠心ポンプ１を利用した冷却循環装置の一例であり、リザーブタンク５０内の流体（冷媒、水又は不凍液）は遠心ポンプ１によって冷却器５２へ送られて、発熱部品５３の熱を奪うことで温度が上昇し、その後、放熱器５４へ送られて冷やされ、温度が低下した状態で配管５１を通ってリザーブタンク５０へ戻される。このような冷却循環装置は遠心ポンプ１により流体を循環させて発熱部品５３を冷却するものである。

図２は本実施形態の遠心ポンプからなるポンプ装置１の一例を示しており、本体ケース２の上端には、流体を吸排するポンプ部５を内蔵するポンプケース６が配置されている。ポンプケース６には、吸込口３と吐出口４とが設けられ、吸込口３は図５のリザーブタンク５０の出側に配管接続され、吐出口４は図５の冷却器５２の入側に配管接続されている。ポンプケース６は例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等のプラスチックやステンレス等の金属で構成されている。

本体ケース２内には、ポンプ部５の駆動源となるモータ部７が収納されている。本体ケース２内には防水隔壁８が設けられ、例えばアルミニウム等の金属や耐熱性プラスチック等で構成される。

上記モータ部７は、磁界を発生させる円筒形状のステータ１０と、そのステータ１０を制御する制御部と、ステータ１０及び制御部の露出を防ぐ蓋１２とを備えている。ステータ１０及び制御部は防水隔壁８の外側に配置されている。

一方、ポンプ部５には、流体を吸排するための羽根車１４が内蔵されている。

羽根車１４は、例えばＰＰＳ等のプラスチック等で構成され、円板状の前面シュラウド２０と後面シュラウド２１とが複数の羽根（インペラ）１３，１３……を介して溶着されたものであり、羽根１３，１３……間の空間が流体通路７０となっている。

後面シュラウド２１の中心側には小径筒部２１ｂが突設され、この小径筒部２１ｂの内側に焼成カーボン或いはモールドカーボンからなる円筒状のラジアル軸受１５が嵌入されており、ラジアル軸受１５の内側に円柱形状の軸体１６が挿入されている。この軸体１６は例えばステンレス等の金属で構成され、軸体１６の上端部がポンプケース６の軸支持部６ｂに回動自在に遊挿され、軸体１６の下端部が防水隔壁８の底部中央側の台座部２７の凹部２７ａに嵌着されて固定されている。

上記羽根車１４のラジアル軸受１５の軸方向の両端側には、セラミック等からなる中空円板形状のスラスト軸受１７が摺接しており、羽根車１４の回転により生じるスラスト荷重をスラスト軸受１７にて受け止めるようにしている。

上記後面シュラウド２１の外周側には、羽根車１４の中心と同心円状の大径筒部２１ａが突設され、大径筒部２１ａの外周側に円筒形状のロータ９が一体に取り付けられている。このロータ９は防水隔壁８を挟んでモータ部７のステータ１０と対向配置されている。ロータ９の外面には永久磁石が固定されており、上記ステータ１０が発生させた磁界によりロータ９が回転駆動され、ロータ９と一体の後面シュラウド２１が回転することで、羽根車１４全体が回転駆動する仕組みとなっている。

上記羽根車１４の前面シュラウド２０の中心側には、ポンプケース６の吸込口３側に向けて突出する円筒状の吸入口マウス部２２が設けられている。吸入口マウス部２２の口径は、吸込口３の出口部よりも大きく形成されている。

ここで、本発明においては、図１に示すように、ラジアル軸受１５と軸体１６との間の摺動隙間２６には潤滑油３０が充填されていると共に、ラジアル軸受１５の軸方向の両端面部はそれぞれマグネット材料３１で構成されており、ラジアル軸受１５とスラスト軸受１７との間隙、ラジアル軸受１５とスラスト軸受１７との間隙には、それぞれ、磁性流体１１が挿入されている。この磁性流体１１は、例えばマグネタイト（磁鉄鉱）の微粒子を灯油や水等に分散させた固体と流体の混合体であり、本発明では、潤滑油３０が充填された摺動隙間２６の両側開口をそれぞれ封印する働きをする。

次に動作を説明する。ステータ１０に制御電流が印加されると、ステータ１０が磁界を発生させ、この磁界によりロータ９が回転駆動する。ロータ９が回転駆動すると、ロータ９と一体化された羽根車１４が回転駆動する。これにより吸込口３から流体が吸い込まれて、吸入口マウス部２２を通って羽根車１４内の流体通路７０に吸入されると共に回転する複数の羽根１３，１３……により外周方向Ａに向かう遠心力が付与されて、吐出口４から吐出される。

このとき、羽根１３，１３……の回転によって流体が外周方向Ａへ圧送される際に、吸入口マウス部２２付近が負圧となるが、ラジアル軸受１５の上端部とスラスト軸受１７との間隙に挿入された磁性流体１１はラジアル軸受１５のマグネット材料３１からなる両端面部によってそれぞれ磁気吸引されているため、吸入口マウス部２２付近が負圧となっても、磁性流体１１は流体通路７０へ流れ出ることがない。従って、磁性流体１１によってラジアル軸受１５と軸体１６との間の摺動隙間２６に充填されている潤滑油３０が漏出するのを防止できるので、潤滑油３０切れによるラジアル軸受１５と軸体１６の摩擦損失や焼付や焼損などを防止でき、結果、ポンプの高効率化を実現できるものである。

また、磁性流体１１を摺動隙間２６の封印材として用いることにより、軸体１６やラジアル軸受１５の磨耗によるパーティクル（微粉末）が発生した場合でも、磁性流体１１は潤滑油３０の漏出だけでなくパーティクルの漏出も防止するので、ポンプ装置の長寿命化を確実に達成できる。

さらに、ラジアル軸受１５の軸方向の両端面部をそれぞれマグネット材料３１で構成することで、１つのラジアル軸受１５を利用して、磁性流体１１に対して磁気吸引力を付与できるようになり、従って、部品数の増加を防止でき、ポンプの組み立て性が向上する利点もある。

図３は上記ラジアル軸受１５の内周面に動圧発生用溝１８を形成した実施形態を示している。この動圧発生用溝１８以外の他の構成は図１と同様であり、対応する部分には同一符号を付して詳しい説明は省略する。本例では、ラジアル軸受１５の内周面に、ラジアル軸受１５の回転方向前方に向かって横Ｖ字形の動圧発生用溝１８が形成されている。この動圧発生用溝１８は回転方向ｅ（図２（ｂ））に間隔をあけて複数個設けられており、羽根車１４の回転駆動時におけるラジアル軸受１５と軸体１６間の摩擦負荷を低減する働きをする。しかして、羽根車１４と一体にラジアル軸受１５が回転すると、動圧発生用溝１８によって潤滑油３０の流れが引き起こされ、これにより潤滑油３０の安定した動圧（単位体積当たりの流体の運動エネルギー）が発生する。従って、ラジアル軸受１５と軸体１６との摺動隙間２６に充填される潤滑油３０は、磁性流体１１による封印効果と、動圧発生用溝１８による動圧発生効果とによって、温度による影響も少なく且つ安定した潤滑効果を発揮するようになるので、ラジアル軸受１５と軸体１６のどちらの摺動面においても摩擦損失が小さく、しかも低トルクでの起動及び高速回転駆動を容易に実現でき、より長寿命で且つ低騒音のポンプを提供できるようになる。

なお、前記実施形態ではラジアル軸受１５の軸方向の両端部分をそれぞれマグネット材料３１で構成した場合を説明したが、例えば、ラジアル軸受１５の軸方向の両端部にマグネットリングをそれぞれ取り付けた構造を採用することも可能である。さらに、スラスト軸受１７をマグネット材料で構成して、磁性流体１１に対する磁気吸引力をさらに増大させることも可能である。

図４は他の実施形態である多段式ポンプの一例である。本例では、前面シュラウド２０と後面シュラウド２１とを備えた駆動羽根車１４の上段に、回転しない仕切部材６０を介して、前面シュラウド２０’と後面シュラウド２１’とを備えた従動羽根車１４’を連結したものであり、駆動羽根車１４と従動羽根車１４’とが一体に回転することにより、吸込口３ａから液体が吸引された液体が最初に従動羽根車１４’の外周方向Ａ’に圧送され、続けて仕切部材６０の外周部から矢印方向Ｃに取り込まれ、続けて、駆動羽根車１４の外周方向Ａに吐出され、吐出口４を経てポンプ外部に吐出されるものであり、これにより液体は羽根車１４’，１４ごとに（本例では２重に）圧送されて高い出力のもと吐出される構造となっている。この多段式ポンプに用いられる軸体１６とラジアル軸受１５間の摺動隙間に前記実施形態のように潤滑油を充填すると共に、ラジアル軸受１５とスラスト軸受１７間の間隙に磁性流体１１を挿入することによって、磁性流体１１による潤滑油３０の封印効果を長期に亘って持続できる効果が得られるものである。

本発明の一実施形態に用いる遠心ポンプのラジアル軸受とスラスト軸受との間隙に磁性流体を挿入した場合の断面図である。 同上の遠心ポンプの全体図である。 （ａ）は本発明の他の実施形態であり、（ｂ）は（ａ）のラジアル軸受の内周面に動圧発生用溝を形成した場合の説明図である。 更に他の実施形態の多段式ポンプの説明図である。 遠心ポンプを利用した冷却循環装置の一例の説明図である。 従来例の説明図である。

符号の説明

３ 吸込口
４ 吐出口
５ ポンプ部
６ ポンプケース
７ モータ部
１１ 磁性流体
１４ 羽根車
１５ ラジアル軸受
１６ 軸体
１７ スラスト軸受
１８ 動圧発生用溝
２６ 摺動隙間
３０ 潤滑油
３１ マグネット材料

Claims (2)

1. 液体を給排する羽根車を内蔵したポンプ部と、ポンプ部が収納され上記流体を吸排する吸込口と吐出口とを備えたポンプケースと、上記羽根車を回転駆動するモータ部とを備え、羽根車の中心部に羽根車のラジアル荷重を受ける円筒状のラジアル軸受を取り付け、ラジアル軸受をポンプ部内に支持される軸体の外周面に回転自在に嵌め込み、ラジアル軸受の軸方向の両端側に羽根車のスラスト荷重を受けるスラスト軸受をそれぞれ配置したポンプ装置であって、上記ラジアル軸受と軸体との間の摺動隙間に潤滑油を充填し、上記ラジアル軸受の軸方向の両端面部をそれぞれマグネット材料で構成すると共に、上記ラジアル軸受とスラスト軸受との間隙に磁性流体を挿入することで、上記潤滑油が充填された摺動隙間の両端開口を磁性流体によりそれぞれ封印したことを特徴とするポンプ装置。
2. 上記ラジアル軸受の内周面に動圧発生用溝を形成したことを特徴とする請求項１記載のポンプ装置。

Images