JP2009236063A - ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ部の効率が高く、かつ、摺動ロスを大幅に軽減でき、さらに、天地いずれの向きで使用しても、安定した動作特性を得ることのできるポンプ装置を提供すること。
【解決手段】渦流ポンプ構造のポンプ装置１において、羽根付きロータ５０が定格回転数で回転しているとき、羽根付きロータ５０は、スラスト方向の双方から空気圧を受け、回転軸３は、これらの空気圧が同等となる位置で回転する。このような定格回転の状態で、ロータマグネット４２のスラスト方向における磁気中心Ｃ1とステータ６０のスラスト方向における磁気中心Ｃ2とがスラスト方向における同一位置となるように構成してあり、回転軸３は、第１スラスト軸受部分１１および第２スラスト軸受部分１２の双方に非接触の状態にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体あるいは液体などの流体を吐出するポンプ装置に関するものである。

気体あるいは液体などの流体を吐出するポンプ装置では、回転軸のスラスト方向における第１方向側にモータ部が構成され、第２方向側にポンプ部が構成された構造を有しており、モータ部において、回転軸の第１方向側部分に固定されたロータマグネットと対向するようにステータが配置され、ポンプ部には、回転軸の第２方向側部分に固定された羽根付きロータを囲むようにポンプ室が構成されている。

かかるポンプ装置のうち、渦流式のポンプ装置では、回転軸の第１方向側端部を第１スラスト軸受部分によって支持するとともに、第２方向側端部を第２スラスト軸受部分によって支持する構造が採用されている。また、羽根付きロータが定格回転数で回転しているとき、ポンプ室内で羽根付きロータが第１方向および第２方向の双方に向けて受ける流体圧のバランスを調整するとともに、ロータマグネットのスラスト方向における磁気中心とステータのスラスト方向における磁気中心とをスラスト方向でオフセットさせて、第１スラスト軸受部分および第２スラスト軸受部分が受ける荷重を軽減する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１６１２８４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成のように、回転軸の両端部を第１スラスト軸受部分および第２スラスト軸受部分によって支持している場合に、ロータマグネットのスラスト方向における磁気中心とステータのスラスト方向における磁気中心とをスラスト方向でオフセットさせると、第１スラスト軸受部分および第２スラスト軸受部分のうちの一方のスラスト軸受部分では荷重を軽減できるが、他方のスラスト軸受部分では荷重が増大する。このため、回転軸とスラスト軸受部分との間の摺動ロスを大幅に軽減することが困難であるという問題点がある。また、ロータマグネットのスラスト方向における磁気中心とステータのスラスト方向における磁気中心とをスラスト方向でオフセットさせると、ロータマグネットとステータとの間に作用する吸引力のスラスト方向の分力による接触抵抗の影響でモータとしての効率が低下するという問題点がある。

以上の問題点に鑑みて、モータ部の効率が高く、かつ、摺動ロスを大幅に軽減したポンプ装置を提供することにある。

また、本発明の課題は、天地いずれの向きで使用しても、安定した動作特性を得ることのできるポンプ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、回転軸のスラスト方向における第１方向側にモータ部が構成され、第２方向側にポンプ部が構成され、前記モータ部は、前記回転軸の第１方向側部分に固定されたロータマグネットと、該ロータマグネットに対向配置され、ステータコアにコイルが巻回されたステータとを備え、前記ポンプ部は、前記回転軸の第２方向側部分に固定された羽根付きロータと、吸入口および吐出口が形成され、前記羽根付きロータを囲むポンプ室とを備えたポンプ装置において、前記ポンプ部は、渦流式ポンプ構造を備え、前記回転軸に対しては、ラジアル軸受部分、当該回転軸の第１方向側端部を支持可能な第１スラスト軸受部分、および当該回転軸の第２方向側端部を支持可能な第２スラスト軸受部分が構成され、前記第１スラスト軸受部分と前記第２スラスト軸受部分との離間距離は、前記回転軸のスラスト方向の全長よりも長く、前記羽根付きロータが定格回転数で回転しているとき、前記ポンプ室において前記羽根付きロータに対して前記第１方向に向けて加わる流体圧と前記第２方向に向けて加わる流体圧とが等しく、かつ、前記ロータマグネットのスラスト方向における磁気中心と前記ステータのスラスト方向における磁気中心とがスラスト方向における略同一位置にあることを特徴とする。

本発明では、羽根付きロータが定格回転数で回転しているとき、羽根付きロータは第１方向および第２方向の流体圧を受け、回転軸は、これらの流体圧が同等となる位置で回転する。この状態で、ロータマグネットのスラスト方向における磁気中心とステータのスラスト方向における磁気中心とがスラスト方向における略同一位置にあるため、ロータマグネットとステータとの間に作用する吸引力のスラスト方向の分力による接触抵抗が発生しない分、モータとしての効率が高く、ポンプとしての効率も高い。また、前記第１スラスト軸受部分と前記第２スラスト軸受部分との離間距離は、前記回転軸のスラスト方向の全長よりも長く、羽根付きロータが定格回転数で回転しているとき、回転軸は、第１スラスト軸受部分および第２スラスト軸受部分の双方に非接触の状態にあるか、第１スラスト軸受部分および第２スラスト軸受部分のうちの少なくとも一方のみに接触している状態にあるが、回転軸は、羽根付きロータに作用する流体圧、およびロータマグネットとステータとの間に作用するスラスト方向の力によってスラスト方向における位置が規制された状態で回転するため、第１スラスト軸受部分および第２スラスト軸受部分のうちの少なくとも一方のみに接触している状態でも、摺動ロスを低減することができるので、モータおよびポンプとしての効率も高く、かつ、スラスト軸受部分の磨耗を防止することもできる。さらに、外力によって回転軸がスラスト方向に変位した場合には、一時的に、モータとしての効率が低くて摺動ロスが大きな状態になるが、羽根付きロータが受ける流体圧、およびロータマグネットとステータとの間に発生する吸引力のスラスト方向の分力は、回転軸の位置をモータおよびポンプとしての効率が高くて摺動ロスが小さい位置に短時間のうちに自動的に修正するので、モータとしての効率が高くて摺動ロスが小さな状態に復帰することになる。それ故、例えば、流体として空気を圧送する場合、１０，０００〜７０，０００ｒｐｍといった高速回転も可能である。さらにまた、ポンプ装置が停止中、回転軸が第１スラスト軸受部分あるいは第２スラスト軸受部分に接触している場合でも、ロータマグネットとステータとの間に発生する吸引力のスラスト方向の分力は、スラスト荷重を軽減しているので、モータの起動時、すばやい立ち上がりを実現することができる。

本発明において、前記第１スラスト軸受部分は前記回転軸を点接触で支持可能であり、前記第２スラスト軸受部分は前記回転軸を点接触で支持可能であることが好ましい。このように構成すると、回転軸が第１スラスト軸受部分あるいは第２スラスト軸受部分に接触することがあっても摺動ロスが小さいので、回転速度を急激に低下させることがない。

本発明において、前記羽根付きロータが定格回転数で回転しているときは、前記回転軸は、前記第１スラスト軸受部分および前記第２スラスト軸受部分の双方に対して非接触状態で回転することが好ましい。このように構成すると、回転軸とスラスト軸受部分との間に摺動ロスが発生しないので、モータおよびポンプとしての効率をより高めることができ、かつ、スラスト軸受部分の磨耗をより確実に防止することができる。

本発明において、前記羽根付きロータが定格回転数で回転している状態で、前記回転軸の前記第１方向側端部と前記第１スラスト軸受部分との間のクリアランスをＨＳ1とし、前記回転軸の前記第２方向側端部と前記第２スラスト軸受部分との間のクリアランスをＨＳ2とし、前記羽根付きロータと前記ポンプ室の内壁との第１方向側のクリアランスをＨＦ1とし、前記羽根付きロータと前記ポンプ室の内壁との第２方向側のクリアランスをＨＦ2としたとき、以下の関係
ＨＦ1 ＞ ＨＳ1 かつ、ＨＦ2 ＞ ＨＳ2
が成り立つことが好ましい。このように構成すると、ポンプ装置の姿勢が天地いずれの向きにあっても、また、ポンプ装置が回転中あるいは非回転中のいずれの状態において、落下や衝撃などによってポンプ装置に外力が加わったときでも、羽根付きロータがポンプ室の内壁に衝突することがないので、ポンプ装置の耐衝撃性を高めることができる。

本発明において、前記回転軸が前記第１スラスト軸受部分と接触している状態で前記ロータマグネットと前記ステータとの間に発生する吸引力のスラスト方向の分力により前記回転軸が前記第２方向に向けて受ける力をＭＰＭとし、前記回転軸が前記第２スラスト軸受部分と接触している状態で前記ロータマグネットと前記ステータとの間に発生する吸引力のスラスト方向の分力により前記回転軸が前記第１方向に向けて受ける力をＭＰＰとし、前記羽根付きロータが定格回転数で回転しているとき前記ポンプ室内で前記羽根付きロータが受ける力をＩＰとし、前記回転軸および該回転軸と一体に回転する部材に加わる重力と、前記ラジアル軸受部分による前記回転軸に対するスラスト方向の移動規制力との和をＲＷとしたとき、以下の２つの条件式
ＭＰＰ＋ＩＰ＞ＲＷ
ＭＰＭ＋ＩＰ＞ＲＷ
の双方が成り立つことが好ましい。

本発明において、前記羽根付きロータが停止しているときは、前記回転軸は、前記第１スラスト軸受部分および前記第２スラスト軸受部分の双方に対して非接触状態にあることが好ましい。すなわち、前記の式において、以下の２つの条件
ＭＰＰ＞ＲＷ
ＭＰＭ＞ＲＷ
を満たせば、羽根付きロータが停止しているとき、回転軸は、第１スラスト軸受部分および第２スラスト軸受部分の双方に対して非接触状態にある。このように構成すると、ポンプ装置を起動した際、回転軸とスラスト軸受部分との間に摺動ロスが発生しないので、モータおよびポンプとしてのモータの起動時、すばやい立ち上がりを実現することができる。

本発明において、前記ラジアル軸受部分は、動圧軸受であることが好ましい。動圧軸受の場合、一般的なスベリ軸受に比較して、回転軸に加わるスラスト方向の力が小さい、あるいはスラスト方向の力が作用しないので、羽根付きロータが受ける流体圧や、ロータマグネットとステータとの間に発生する吸引力のスラスト方向の分力といった小さな力で回転軸の位置を最適な位置に保持することができる。また、動圧軸受の場合、一般的なスベリ軸受に比較して、２０，０００ｒｐｍを超えるような高速回転に適している。さらに、動圧軸受を用いた場合、通常、ラジアル動圧発生部とスラスト動圧発生部とを形成する必要があるが、渦流タイプのポンプ装置の場合、羽根付きロータ自身がスラスト動圧を発生させるので、動圧軸受を渦流タイプのポンプ装置に用いた場合には、動圧軸受にラジアル動圧発生部のみを形成すれば、スラスト動圧発生部を形成する必要がなく、長さ寸法の短い動圧軸受を使用できる分、ポンプ装置を小型化することができるという利点がある。

本発明において、前記回転軸は、中空のセラミックス体を備え、前記第１方向側端部は、前記第１スラスト軸受部分と硬度が異なる樹脂材料あるいは金属材料により構成され、前記第２方向側端部は、前記第２スラスト軸受部分と硬度が異なる樹脂材料、セラミックス材料、樹脂材料と樹脂材料以外の材料との複合材料、あるいは金属材料により構成されていることが好ましい。回転軸にセラミックス体を用いた場合、その端部はセラミックス以外の部材で形成される場合が多いことから、かかる端部をスラスト軸受部分と硬度が異なる樹脂材料、セラミックス材料、樹脂材料と樹脂材料以外の材料との複合材料、あるいは金属材料により構成すれば、摺動ロスをさらに低減することができるという利点がある。

本発明を適用したポンプでは、羽根付きロータが定格回転数で回転しているとき、羽根付きロータは第１方向および第２方向の流体圧を受け、回転軸は、これらの流体圧が同等となる位置で回転する。この状態で、ロータマグネットのスラスト方向における磁気中心とステータのスラスト方向における磁気中心とがスラスト方向における同一位置にあるため、ロータマグネットとステータとの間に作用する吸引力のスラスト方向の分力による接触抵抗が発生しない分、モータとしての効率が高く、ポンプとしての効率も高い。また、前記第１スラスト軸受部分と前記第２スラスト軸受部分との離間距離は、前記回転軸のスラスト方向の全長よりも長く、羽根付きロータが定格回転数で回転しているとき、回転軸は、第１スラスト軸受部分および第２スラスト軸受部分の双方に非接触の状態にあるか、第１スラスト軸受部分および第２スラスト軸受部分のうちの少なくとも一方のみに接触している状態にあるが、回転軸は、羽根付きロータに作用する流体圧、およびロータマグネットとステータとの間に作用するスラスト方向の力によってスラスト方向における位置が規制された状態で回転するため、第１スラスト軸受部分および第２スラスト軸受部分のうちの少なくとも一方のみに接触している状態でも、摺動ロスを低減することができるので、モータおよびポンプとしての効率も高く、かつ、スラスト軸受部分の磨耗を防止することもできる。さらに、外力によって回転軸がスラスト方向に変位した場合には、一時的に、モータとしての効率が低くて摺動ロスが大きな状態になるが、羽根付きロータが受ける流体圧、およびロータマグネットとステータとの間に発生する吸引力のスラスト方向の分力は、回転軸の位置をモータおよびポンプとしての効率が高くて摺動ロスが小さい位置に短時間のうちに自動的に修正するので、モータとしての効率が高くて摺動ロスが小さな状態に復帰することになる。それ故、例えば、流体として空気を圧送する場合、１０，０００〜７０，０００ｒｐｍといった高速回転も可能である。さらにまた、ポンプ装置が停止中、回転軸が第１スラスト軸受部分あるいは第２スラスト軸受部分に接触している場合でも、ロータマグネットとステータとの間に発生する吸引力のスラスト方向の分力は、スラスト荷重を軽減しているので、モータの起動時、すばやい立ち上がりを実現することができる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用したポンプ装置を説明する。

（全体構成）
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は各々、本発明を適用したポンプ装置の構成を示す縦断面図、ポンプ室を通る位置でポンプ装置を横方向に切断したときの横断面図、およびポンプ室の説明図である。図２は、本発明を適用したポンプ装置における第１スラスト軸受部分と第２スラスト軸受部分との離間距離、回転軸のスラスト方向の全長、および回転軸の端部と軸受部分との間のクリアランスの説明図である。

図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すポンプ装置１は、空気を圧送するためのエアーポンプ装置であり、ケース２内の略中央位置で回転軸３が起立している。ケース２は、回転軸３のスラスト方向における第１方向側に位置する有底円筒状の下ケース２１と、この下ケース２１の上端開口を塞ぐフレーム２２と、回転軸３のスラスト方向における第２方向側においてフレーム２２に被さる上ケース２３とを有している。フレーム２２は、下ケース２１と上ケース２３との間に形成された空間を２つに仕切る隔壁を構成している。ケース２内において、回転軸３のスラスト方向における第１方向側には、下ケース２１とフレーム２２との間にモータ部１５が構成され、回転軸３のスラスト方向における第２方向側には、上ケース２３とフレーム２２との間にポンプ部１６が構成されている。また、フレーム２２の中央位置には、第１方向に突き出た円筒部２２０が形成されており、かかる円筒部２２０の内側には、回転軸３に対するラジアル軸受１３（ラジアル軸受部分）が保持されている。

本形態において、ラジアル軸受１３は動圧軸受であり、ラジアル軸受１３の内周面および回転軸３の外周面のうちの少なくとも一方にはグルーヴと称せられる溝３９が形成されている。

回転軸３は、セラミックス製の円筒体３０を備えており、円筒体３０の第１方向側の端部には第１度当たり部材３６が装着されており、かかる第１度当たり部材３６によって、回転軸３の第１方向側端部３１が構成されている。かかる第１度当たり部材３６の下面に対して、下ケース２１の内面の略中央部分は第１スラスト軸受部分１１として機能し、第１スラスト軸受部分１１は、第１度当たり部材３６（回転軸３の第１方向側端部３１）を点接触状態で支持可能である。下ケース２１は耐磨耗性と耐熱性を備えるとともに面粗度が高いステンレス製であり、第１度当たり部材３６は、第１スラスト軸受部分１１（下ケース２１）と硬度が相違する樹脂材料、セラミックス材料、樹脂材料と樹脂材料以外の材料との複合材料、あるいは金属材料からなる。複合材料としては、PTFE（ポリテトラフルオロエチレン／フッ素樹脂）とカーボンとの複合材料や、ポリイミド樹脂とカーボンとの複合材料を挙げることができる。

また、回転軸３において、セラミックス製の円筒体３０の第２方向側の端部には第２度当たり部材３７が装着されており、かかる第２度当たり部材３７によって、回転軸３の第２方向側端部３２が構成されている。かかる第２度当たり部材３７の上面に対して、上ケース２３の内面の略中央部分は第２スラスト軸受部分１２として機能し、第２スラスト軸受部分１２は、第２度当たり部材３７（回転軸３の第２方向側端部３２）を点接触状態で支持可能である。上ケース２３は樹脂製であり、第２度当たり部材３７は、第２スラスト軸受部分１２（上ケース２３）と硬度が相違する樹脂材料、セラミックス材料、樹脂材料と樹脂材料以外の材料との複合材料、あるいは金属材料からなる。複合材料としては、PTFEとカーボンとの複合材料や、ポリイミド樹脂とカーボンとの複合材料を挙げることができる。

このような軸受構造を採用するにあたって、本形態では、図２に示すように、回転軸３の第１方向側端部３１および第２方向側端部３２については、回転軸３およびスラスト軸受部分（第１スラスト軸受部分１１および第２スラスト軸受部分１２）のうちの一方を半球状とし、他方を平面状にしてある。

このように構成したポンプ装置１において、本形態では、第１スラスト軸受部分１１と第２スラスト軸受部分１２との離間距離Ｌ0は、回転軸３のスラスト方向の全長Ｌ1よりも長く設定されている。

モータ部１５は、回転軸３の第１方向側部分に円盤状の連結部材４９により固定されたカップ状のロータケース４１を備えており、かかるロータケース４１の円筒状側面部の内側には、周方向にＳ極およびＮ極が交互に形成された円筒状のロータマグネット４２が固着されている。ロータケース４１においてフランジ部分には穴４１１が形成されている。また、モータ部１５において、ラジアル軸受１３の外周面には、ラジアル軸受１３の外周面とフレーム２２の円筒部２２０とによって形成された段部を利用してステータコア６１が固定され、かかるステータコア６１において、半径方向外側に突出する突極部分に対してコイル６２が形成されている。このようにして、ステータコア６１およびコイル６２に部分によってステータ６０が構成され、かかるステータ６０は、ロータマグネット４２の内周面に対して半径方向内側で対向している。本形態において、ステータ６０は、６極９コイル６２の構成になっており、コイル６２同士はＹ結線されている。本形態において、ロータマグネット４２にはＮｄボンド磁石が用いられているが、ロータマグネット４２としては、焼結磁石などといった他の磁石を用いてもよい。

ポンプ部１６は、回転軸３の第２方向側部分に固定された羽根付きロータ５０と、羽根付きロータ５０の外周端に形成されたポンプ室１０とを備えており、ポンプ室１０において、羽根付きロータ５０に対して第１方向側で対向する内壁部分は、フレーム２２の上面により構成され、羽根付きロータ５０に対して第２方向側で対向する内壁部分は上ケース２３の下面により構成されている。また、羽根付きロータ５０の外周面に対して半径方向外側では上ケース２３の内壁面が対向している。

羽根付きロータ５０は、円盤部分の中央に回転軸３が嵌る軸孔５２が形成され、円盤部分の上面および下面には、外周縁に沿って等角度間隔に複数の凹部５１が各々形成され、かかる凹部５１がポンプ室１０の一部を構成している。上ケース２３の側面部には、ポンプ室１０に連通するように吸入口１８および吐出口１９が形成されており、羽根付きロータ５０の外周面とポンプ室１０の内壁部分とにより挟まれた隙間は、吸入口１８と吐出口１９とによって区画された２つの部分のうち、周長が長い方の隙間は比較的幅広に形成されている一方、周長が短い方の隙間は幅がかなり狭くなっている。このようにして、ポンプ部１６は渦流ポンプ構造を備えている。

（動作および詳細構成）
このように構成したポンプ装置１において、コイル６２に給電すると、回転軸３が軸線周りに回転し、それに伴って、ポンプ室１０において、羽根付きロータ５０が回転するので、ポンプ室１０は、吸入口１８から吸引した空気を吐出口１９から吐出する。

このような動作において、羽根付きロータ５０が定格回転数で回転しているとき、羽根付きロータ５０は、スラスト方向の双方（第１方向側および第２方向側）から空気圧を受け、回転軸３は、これらの空気圧が同等となる位置で回転する。かかる空気圧は概ね、１ＫＰａ程度、すなわち約４５ｇの荷重である。また、このような定格回転の状態で、本形態では、ロータマグネット４２のスラスト方向における磁気中心Ｃ1とステータ６０のスラスト方向における磁気中心Ｃ2とがスラスト方向における略同一位置となるように構成してある。このため、本形態のポンプ装置１は、ロータマグネットとステータとの間に作用する吸引力のスラスト方向の分力による接触抵抗が発生しない分、モータとしての効率が高く、ポンプとしての効率も高い。

また、第１スラスト軸受部分１１と第２スラスト軸受部分１２との離間距離Ｌ0は、回転軸３のスラスト方向の全長Ｌ1よりも長く、羽根付きロータ５０が定格回転数で回転しているとき、回転軸３は、第１スラスト軸受部分１１および第２スラスト軸受部分１２の双方に非接触の状態にある。このため、回転軸３と、第１スラスト軸受部分１１および第２スラスト軸受部分１２との間に摺動ロスが発生しないので、本形態のポンプ装置１は、モータおよびポンプとしての効率も高く、かつ、スラスト軸受部分の磨耗を防止することができる。それ故、本形態のポンプ装置１は、１０，０００〜７０，０００ｒｐｍといった高速回転が可能であって、かつ、寿命も長い。

さらに、外力によって回転軸３がスラスト方向に変位した場合には、一時的に、回転軸３が第１スラスト軸受部分１１あるいは第２スラスト軸受部分１２と接触した状態になって、モータとしての効率が低くて摺動ロスが発生するが、羽根付きロータ５０が受ける流体圧、およびロータマグネット４２とステータ６０との間に発生する吸引力のスラスト方向の分力（磁気的あるいは電磁的な吸引力）は、回転軸３の位置をモータおよびポンプとしての効率が高くて摺動ロスが小さい位置に短時間のうちに自動的に修正するので、モータとしての効率が高くて摺動ロスが小さな状態に復帰することになる。すなわち、外力によって回転軸３がスラスト方向に変位した場合、羽根付きロータ５０は、スラスト方向の双方（第１方向側および第２方向側）から空気圧を受け、これらの空気圧が同等となる位置で回転しようとする。また、ロータマグネット４２のスラスト方向における磁気中心Ｃ1とステータ６０のスラスト方向における磁気中心Ｃ2とがスラスト方向に例えば５０μｍずれると、ロータマグネット４２とステータ６０との間には、約７５ｍＮのスラスト方向の電磁力（約７．５ｇの力）が発生し、ロータマグネット４２のスラスト方向における磁気中心Ｃ1とステータ６０のスラスト方向における磁気中心Ｃ2とがスラスト方向の同一位置になるように回転軸３を変位させる。

さらに、たとえ一時的に、回転軸３が第１スラスト軸受部分１１あるいは第２スラスト軸受部分１２と接触した状態になっても、回転軸３とスラスト軸受部分（第１スラスト軸受部分１１および第２スラスト軸受部分１２）は点接触状態にあるので、摺動面積が狭い。このため、スラスト抵抗が小さいので、一時的に、回転軸３が第１スラスト軸受部分１１あるいは第２スラスト軸受部分１２と接触した状態になっても、羽根付きロータ５０の回転速度が大きく変化せず、かつ、回転軸３、第１スラスト軸受部分１１、第２スラスト軸受部分１２は耐磨耗性かつ耐熱性の材料で構成されるため、磨耗などの問題も発生しない。

さらにまた、羽根付きロータ５０が定格回転数で回転している状態で、回転軸３の第１方向側端部３１と第１スラスト軸受部分１１との間のクリアランスをＨＳ1とし、回転軸３の第２方向側端部３２と第２スラスト軸受部分１２との間のクリアランスをＨＳ2とし、羽根付きロータ５０とポンプ室１０の内壁との第１方向側におけるクリアランスをＨＦ1とし、羽根付きロータ５０とポンプ室１０の内壁との第２方向側におけるクリアランスをＨＦ2としたとき、以下の関係
ＨＦ1 ＞ ＨＳ1 かつ、ＨＦ2 ＞ ＨＳ2
が成り立つように構成されている。このため、ポンプ装置１が回転中、落下や衝撃などによってポンプ装置１に外力が加わったときでも、羽根付きロータ５０がポンプ室１０の内壁に衝突することがないので、ポンプ装置１の耐衝撃性を高めることができる。また、上記のようにクリアランスを設定すれば、ポンプ装置１の回転停止中に落下や衝撃などによってポンプ装置１に外力が加わったときでも、羽根付きロータ５０がポンプ室１０の内壁に衝突することがないので、ポンプ装置１の耐衝撃性が高い。ここで、上記のクリアランスＨＦ1、ＨＳ1、ＨＦ2、ＨＳ2はいずれも、約１０〜１００μｍ程度である。なお、羽根付きロータ５０の第１方向側の端面、およびポンプ室１０において羽根付きロータ５０の第１方向側の端面と対向する内壁はいずれも、段差が形成されているが、羽根付きロータ５０の第１方向側の端面とポンプ室１０の内壁との間の隙間のうち、最も幅が狭い部分の寸法を、羽根付きロータ５０とポンプ室１０の内壁との第１方向側におけるクリアランスＨＦ1としてある。

また、本形態では、以下の構成を採用しているため、ポンプ装置１が天地いずれの姿勢で使用された場合でも、羽根付きロータ５０が定格回転数で回転しているとき、回転軸３は、第１スラスト軸受部分１１および第２スラスト軸受部分１２の双方に非接触の状態にある。すなわち、本形態では、回転軸３が第１スラスト軸受部分１１と接触している状態でロータマグネット４２とステータ６０との間に発生する吸引力のスラスト方向の分力により回転軸３が第２方向に向けて受ける力をＭＰＭとし、回転軸３が第２スラスト軸受部分１２と接触している状態でロータマグネット４２とステータ６０との間に発生する吸引力のスラスト方向の分力により回転軸３が第１方向に向けて受ける力をＭＰＰとし、羽根付きロータ５０が定格回転数で回転しているときポンプ室１０内で羽根付きロータ５０が受ける力をＩＰとし、回転軸３および該回転軸３と一体に回転する部材に加わる重力と、ラジアル軸受１３による回転軸３に対するスラスト方向の移動規制力との和をＲＷとしたとき、
上記の値ＭＰＰ、ＭＰＭ、ＩＰ、ＲＷは、以下の２つの条件式
ＭＰＰ＋ＩＰ＞ＲＷ
ＭＰＭ＋ＩＰ＞ＲＷ
を満たすように設定されている。このため、例えば、図１（ａ）に示すように、第１方向が下側で第２方向が上側になっているとき、重力によって回転軸３が下方（第１方向側）に変位し、回転軸３と第１スラスト軸受部分１１とが接触しようとした場合でも、ポンプ室１０において羽根付きロータ５０が受ける力と、ロータマグネット４２とステータ６０との間に発生する吸引力のスラスト方向の分力とによって、回転軸３が上方（第２方向）に向けて付勢されるため、回転軸３と第１スラスト軸受部分１１とは非接触状態となる。また、図１（ａ）に示す状態とは上下反対に、第１方向が上側で第２方向が下側になっているとき、重力によって回転軸３が下方（第２方向側）に変位し、回転軸３と第２スラスト軸受部分１２とが接触しようとした場合でも、ポンプ室１０において羽根付きロータ５０が受ける力と、ロータマグネット４２とステータ６０との間に発生する吸引力のスラスト方向の分力とによって、回転軸３が上方（第１方向）に向けて付勢されるため、回転軸３と第２スラスト軸受部分１２とは非接触状態となる。それ故、ポンプ装置１が天地いずれの姿勢で使用された場合でも、羽根付きロータ５０が定格回転数で回転しているとき、回転軸３は、第１スラスト軸受部分１１および第２スラスト軸受部分１２の双方に非接触の状態にある。

また、本形態では、上記の値ＭＰＰ、ＭＰＭ、ＲＷは、以下の２つの条件式
ＭＰＰ＞ＲＷ
ＭＰＭ＞ＲＷ
の双方を満たしている。

このため、例えば、ポンプ装置１が停止しているときに、図１（ａ）に示すように、第１方向が下側で第２方向が上側になって、重力によって回転軸３が下方（第１方向側）に変位し、回転軸３と第１スラスト軸受部分１１とが接触しようとした場合でも、ロータマグネット４２とステータ６０との間に発生する吸引力のスラスト方向の分力により回転軸３が上方（第２方向）に向けて付勢されるため、回転軸３と第１スラスト軸受部分１１とは非接触状態となる。また、図１（ａ）に示す状態とは上下反対に、第１方向が上側で第２方向が下側になっているとき、重力によって回転軸３が下方（第２方向側）に変位し、回転軸３と第２スラスト軸受部分１２とが接触しようとした場合でも、ロータマグネット４２とステータ６０との間に発生する吸引力のスラスト方向の分力により回転軸３が上方（第１方向）に向けて付勢されるため、回転軸３と第２スラスト軸受部分１２とは非接触状態となる。従って、羽根付きロータ５０が停止しているとき、回転軸３は、第１スラスト軸受部分１１および第２スラスト軸受部分１２の双方に対して非接触状態にある。それ故、ポンプ装置１を起動する際、回転軸３とスラスト軸受部分との間に摺動ロスが発生しないので、モータおよびポンプとしてのモータの起動時、すばやい立ち上がりを実現することができる。

また、ポンプ装置１を停止する際も、回転軸３は、第１スラスト軸受部分１１および第２スラスト軸受部分１２の双方に対して非接触状態にあるため、摺動による磨耗が発生しない。

また、本形態では、ラジアル軸受部分としてラジアル軸受１３を用いているため、一般的なスベリ軸受を用いた場合に比較して、回転軸３に加わるスラスト方向の力が小さいので、羽根付きロータ５０が受ける流体圧や、ロータマグネット４２とステータ６０との間に発生する吸引力のスラスト方向の分力といった小さな力で回転軸３の位置を最適な位置に保持することができる。また、ラジアル軸受１３の場合、一般的なスベリ軸受に比較して、２０，０００ｒｐｍを超えるような高速回転に適している。さらに、ラジアル軸受１３を用いた場合、通常、ラジアル動圧発生部とスラスト動圧発生部とを形成する必要があるが、渦流タイプのポンプ装置１の場合、羽根付きロータ５０自身がスラスト動圧を発生させるので、ラジアル軸受１３を渦流タイプのポンプ装置に用いるにあたっては、ラジアル軸受１３にラジアル動圧発生部のみを形成すればスラスト動圧発生部を形成する必要がなく、長さ寸法の短いラジアル軸受１３を使用できる分、ポンプ装置１を小型化することができるという利点がある。

また、回転軸３は、セラミックス製の円筒体３０を備え、第１方向側端部３１および第１方向側端部３２は各々、第１スラスト軸受部分１１および第２スラスト軸受部分１２と硬度が異なる樹脂材料あるいは金属材料により構成されているため、摺動ロスをさらに低減することができる。

（別の実施の形態）
上記形態では、羽根付きロータ５０が定格回転数で回転しているとき、回転軸３は、第１スラスト軸受部分１１および第２スラスト軸受部分１２の双方に非接触の状態にある例を説明したが、羽根付きロータ５０が定格回転数で回転しているとき、第１スラスト軸受部分１１あるいは第２スラスト軸受部分１２に接触する構成であってもよい。この場合でも、回転軸３は、羽根付きロータ５０に作用する流体圧、およびロータマグネット４２とステータ６０との間に作用するスラスト方向の力によってスラスト方向における位置が規制された状態で回転するため、回転軸３が第１スラスト軸受部分１１あるいは第２スラスト軸受部分１２に接触している状態でも、摺動ロスを低減することができる。従って、ポンプ装置１において、モータおよびポンプとしての効率を向上でき、かつ、スラスト軸受部分（第１スラスト軸受部分１１あるいは第２スラスト軸受部分１２）に接触する構成であっても、磨耗を防止することもできる。また、ポンプ装置１が停止中、回転軸３が第１スラスト軸受部分１１あるいは第２スラスト軸受部分１２に接触している場合でも、ロータマグネット４２とステータ６０との間に発生する吸引力のスラスト方向の分力は、スラスト荷重を軽減しているので、モータの起動時、すばやい立ち上がりを実現することができる。しかも、回転軸３とスラスト軸受部分（第１スラスト軸受部分１１および第２スラスト軸受部分１２）は点接触状態にあるので、摺動面積が狭い。このため、スラスト抵抗が小さいので、モータの起動時、すばやい立ち上がりを実現することができる。

（変形例）
上記形態では、ポンプ装置１として、エアーポンプ装置に本発明を適用した例を説明したが、モータ部１５とポンプ部１６との間の水密を確保すれば、２，０００〜５，０００ｒｐｍの回転数で液体を圧送するポンプ装置に本発明を適用することもできる。

また、回転軸３とスラスト軸受部分（第１スラスト軸受部分１１および第２スラスト軸受部分１２）との間には、グリスやオイルなどの潤滑剤を塗布してもよく、また、硬質のコーティング層を形成してもよい。また、回転軸３とスラスト軸受部分（第１スラスト軸受部分１１および第２スラスト軸受部分１２）との間のクリアランスを調整することを目的に下ケース２１や上ケース２３にねじを取り付け、そのねじ込み量によって、クリアランスを調整してもよい。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は各々、本発明を適用したポンプ装置の構成を示す縦断面図、ポンプ室を通る位置でポンプ装置を横方向に切断したときの横断面図、およびポンプ室の説明図である。 本発明を適用したポンプ装置における第１スラスト軸受部分と第２スラスト軸受部分との離間距離、回転軸のスラスト方向の全長、および回転軸の端部と軸受部分との間のクリアランスの説明図である。

符号の説明

１ ポンプ装置
２ ケース
３ 回転軸
１０ ポンプ室
１１ 第１スラスト軸受部分
１２ 第２スラスト軸受部分
１３ ラジアル軸受（ラジアル軸受部分）
１５ モータ部
１６ ポンプ部
１８ 吸入口
１９ 吐出口
３０ セラミックス製の円筒体
３１ 回転軸の第１方向側端部
３２ 回転軸の第２方向側端部
３６ 第１度当たり部材
３７ 第２度当たり部材
４１ ロータケース
４２ ロータマグネット
５０ 羽根付きロータ
６０ ステータ
６１ ステータコア
６２ コイル

Claims (8)

1. 回転軸のスラスト方向における第１方向側にモータ部が構成され、第２方向側にポンプ部が構成され、
   前記モータ部は、前記回転軸の第１方向側部分に固定されたロータマグネットと、該ロータマグネットに対向配置され、ステータコアにコイルが巻回されたステータとを備え、
   前記ポンプ部は、前記回転軸の第２方向側部分に固定された羽根付きロータと、吸入口および吐出口が形成され、前記羽根付きロータを囲むポンプ室とを備えたポンプ装置において、
   前記ポンプ部は、渦流式ポンプ構造を備え、
   前記回転軸に対しては、ラジアル軸受部分、当該回転軸の第１方向側端部を支持可能な第１スラスト軸受部分、および当該回転軸の第２方向側端部を支持可能な第２スラスト軸受部分が構成され、
   前記第１スラスト軸受部分と前記第２スラスト軸受部分との離間距離は、前記回転軸のスラスト方向の全長よりも長く、
   前記羽根付きロータが定格回転数で回転しているとき、前記ポンプ室において前記羽根付きロータに対して前記第１方向に向けて加わる流体圧と前記第２方向に向けて加わる流体圧とが等しく、かつ、前記ロータマグネットのスラスト方向における磁気中心と前記ステータのスラスト方向における磁気中心とがスラスト方向における略同一位置にあることを特徴とするポンプ装置。
2. 請求項１に記載のポンプ装置において、
   前記第１スラスト軸受部分は前記回転軸を点接触で支持可能であり、
   前記第２スラスト軸受部分は前記回転軸を点接触で支持可能であることを特徴とするポンプ装置。
3. 請求項１または２に記載のポンプ装置において、
   前記羽根付きロータが定格回転数で回転しているときは、前記回転軸は、前記第１スラスト軸受部分および前記第２スラスト軸受部分の双方に対して非接触状態で回転することを特徴とするポンプ装置。
4. 請求項３に記載のポンプ装置において、
   前記羽根付きロータが定格回転数で回転している状態で、前記回転軸の前記第１方向側端部と前記第１スラスト軸受部分との間のクリアランスをＨＳ1とし、前記回転軸の前記第２方向側端部と前記第２スラスト軸受部分との間のクリアランスをＨＳ2とし、前記羽根付きロータと前記ポンプ室の内壁との第１方向側のクリアランスをＨＦ1とし、前記羽根付きロータと前記ポンプ室の内壁との第２方向側のクリアランスをＨＦ2としたとき、以下の関係
   ＨＦ1 ＞ ＨＳ1 かつ、ＨＦ2 ＞ ＨＳ2
   が成り立つことを特徴とするポンプ装置。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載のポンプ装置において、
   前記回転軸が前記第１スラスト軸受部分と接触している状態で前記ロータマグネットと前記ステータとの間に発生する吸引力のスラスト方向の分力により前記回転軸が前記第２方向に向けて受ける力をＭＰＭとし、
   前記回転軸が前記第２スラスト軸受部分と接触している状態で前記ロータマグネットと前記ステータとの間に発生する吸引力のスラスト方向の分力により前記回転軸が前記第１方向に向けて受ける力をＭＰＰとし、
   前記羽根付きロータが定格回転数で回転しているとき前記ポンプ室内で前記羽根付きロータが受ける力をＩＰとし、
   前記回転軸および該回転軸と一体に回転する部材に加わる重力と、前記ラジアル軸受部分による前記回転軸に対するスラスト方向の移動規制力との和をＲＷとしたとき、
   以下の２つの条件式
   ＭＰＰ＋ＩＰ＞ＲＷ
   ＭＰＭ＋ＩＰ＞ＲＷ
   の双方が成り立つことを特徴とするポンプ装置。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載のポンプ装置において、
   前記羽根付きロータが停止しているときは、前記回転軸は、前記第１スラスト軸受部分および前記第２スラスト軸受部分の双方に対して非接触状態にあることを特徴とするポンプ装置。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載のポンプ装置において、
   前記ラジアル軸受部分は、動圧軸受であることを特徴とするポンプ装置。
8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載のポンプ装置において、
   前記回転軸は、中空のセラミックス体を備え、
   前記第１方向側端部は、前記第１スラスト軸受部分と硬度が異なる樹脂材料、セラミックス材料、樹脂材料と樹脂材料以外の材料との複合材料、あるいは金属材料により構成され、
   前記第２方向側端部は、前記第２スラスト軸受部分と硬度が異なる樹脂材料、セラミックス材料、樹脂材料と樹脂材料以外の材料との複合材料、あるいは金属材料により構成されていることを特徴とするポンプ装置。

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