JP2010196549A - ポンプおよびポンプ駆動機器 - Google Patents

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真人 布村
Shinji Suematsu
真二 末松
Toshiharu Hashimoto
俊治 橋本
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Abstract

【課題】羽根車の形状自由度を向上させることのできるポンプおよびポンプ駆動機器を得る。
【解決手段】羽根車10の外周縁部にロータ7との結合部10cを設け、その結合部10cを除く羽根車10の中央部分の回転中心軸C方向両面をオープン構造とすることで、羽根車10の形状自由度を向上させ、羽根車は、中央部分が3次元形状に成形されているとともに、結合部が軸12に対して略平行に形成するとともに、羽根車の摺動部10d、10e、摺動部に接するケーシング4の接触面4aおよび分離板9の接触面9c、のうち少なくとも1つに摩擦低減部を設けた。
【選択図】図1

Description

本発明は、ポンプおよびポンプ駆動機器に関する。
従来、ポンプとして、円筒状に形成され、軸方向一端部がフランジによって閉塞されたロータを備え、当該ロータのフランジの外側面に羽根車を一体に設けたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特表2003−505648号公報
しかしながら、かかる従来のポンプでは羽根車がフランジの外側面に設けられるため、羽根車の形状がフランジによって大きく規制されることになり、羽根車の形状自由度の向上を図るのが困難であった。
そこで、本発明は、羽根車の形状自由度を向上させることのできるポンプおよびポンプ駆動機器を得ることを目的とする。
請求項1の発明にあっては、吸込口および吐出口を設けたケーシングと、通電により励磁される巻線を有するステータと、マグネットを有し、軸方向両端部が開口した筒状のロータと、前記ケーシングの内側にポンプ室を隔成するとともに、前記ステータと前記ロータとの間を仕切る分離板と、前記ロータに取り付けられて当該ロータとともに回転する羽根車と、を備えるポンプにおいて、前記羽根車の外周縁部に前記ロータとの結合部を設け、当該結合部を除く羽根車の中央部分の軸方向両面をオープン構造としたことを特徴とする。
請求項2の発明にあっては、請求項1に記載のポンプにおいて、前記羽根車が3次元形状に成形されていることを特徴とする。
請求項3の発明にあっては、請求項2に記載のポンプにおいて、前記羽根車は、前記中央部分が3次元形状に成形されているとともに、前記結合部が軸に対して略平行に形成されていることを特徴とする。
請求項4の発明にあっては、請求項1〜3のうちいずれか1項に記載のポンプにおいて、前記羽根車の軸方向両面の少なくとも一部が、前記ケーシングおよび分離板のうち少なくともいずれか1つと接する摺動部となっていることを特徴とする。
請求項5の発明にあっては、請求項4に記載のポンプにおいて、前記羽根車の摺動部、当該摺動部に接するケーシングの接触面および分離板の接触面、のうち少なくとも1つに摩擦低減部が設けられていることを特徴とする。
請求項6の発明にあっては、請求項1〜5のうちいずれか1項に記載のポンプにおいて、前記羽根車が回転支軸によって支持されているとともに、当該羽根車の回転支軸が前記吸込口側に配置された支持部によって前記ケーシングに支持されており、前記羽根車と前記支持部との間に軸当て部を介在させたことを特徴とする。
請求項7の発明にあっては、請求項1〜6のうちいずれか1項に記載のポンプにおいて、前記マグネットが被覆材によって被覆されており、前記羽根車と前記マグネットの被覆材とを同一材料で形成するとともに、当該羽根車とマグネットとを一体成形したことを特徴とする。
請求項8の発明にあっては、請求項1〜7のうちいずれか1項に記載のポンプを搭載したポンプ駆動機器としたことを特徴とする。
請求項1の発明によれば、羽根車の外周縁部にロータとの結合部を設け、当該結合部を除く中央部分の軸方向両面をオープン構造とすることで、羽根車の形状が軸方向両面側に存在する部材、例えば、ロータやケーシングに大きく規制されることがなくなるため、羽根車の形状自由度を高めることができる。
請求項2の発明によれば、羽根車の形状を3次元形状としたため、流体の搬送効率の高い羽根車を得ることが可能となる。
請求項3の発明によれば、羽根車の中央部分を3次元形状に成形するとともに、結合部を軸に対して略平行に形成することで、3次元形状の羽根車とロータとを上下の金型を用いて一体成型することが可能となるため、容易に成形することができて生産性を向上させることができる。
請求項4の発明によれば、羽根車の軸方向両面の少なくとも一部に、ケーシングおよび分離板と接する摺動部を設けたため、羽根車の回転時にケーシングや分離板と羽根車との間から流体が漏れるのを低減させることができ、ポンプ効率を高めることができる。
請求項5の発明によれば、羽根車の摺動部、当該摺動部に接するケーシングの接触面および分離板の接触面、のうち少なくとも1つに摩擦低減部を設けたため、羽根車の回転抵抗を低減してポンプ効率を高めることができる。
請求項6の発明によれば、羽根車と当該羽根車の回転支軸を吸込口側でケーシングに支持する支持部との間に軸当て部を介在させたため、羽根車の回転抵抗をより一層低減することができ、ポンプ効率をより高めることができる。
請求項7の発明によれば、羽根車とマグネットの被覆材とを同一材料とするとともに、羽根車とマグネットとを一体成形することで、安価なポンプを得ることができる。
請求項8の発明によれば、小型化を図りつつ性能に優れたポンプ駆動機器を得ることができる。
図1は、本発明の第1実施形態にかかるポンプの模式的な側断面図である。 図2は、図1のポンプを分解して示す模式的な側断面図である。 図3は、図1のポンプに用いられる羽根車およびロータの模式的な平面図である。 図4は、図1のポンプに用いられる羽根車およびロータの模式的な側断面図である。 図5は、図3中V−V線に沿った拡大断面図である。 図6は、図3中VI−VI線に沿った拡大断面図である。 図7は、本発明の第2実施形態にかかるポンプの模式的な側断面図である。 図8は、図7のポンプを分解して示す模式的な側断面図である。 図9は、本発明の第3実施形態にかかる食器洗浄機の内部構造を示す模式図である。 図10は、本発明の第3実施形態の第1変形例にかかる洗濯機の内部構造を示す模式図である。 図11は、本発明の第3実施形態の第2変形例にかかる給湯ユニットの回路図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の複数の実施形態には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、それら同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。
(第1実施形態)図1〜図6は本発明にかかるポンプの第1実施形態を示している。
図1および図2に示すように、本実施形態のポンプ1はモータ一体型の液体ポンプとして構成されており、吸込口2および吐出口3を設けたケーシング4と、通電により励磁される図示せぬ巻線を有するステータ5と、このステータ5の外側に回転自在に嵌合され、巻線の励磁力により回転力を発生するマグネット6を有する円筒状(筒状)のロータ7と、ケーシング4の内側にポンプ室8を隔成するとともに、ステータ5とロータ7との間を液密に仕切る分離板9と、ポンプ室8に配置されてロータ7と一体に回転する羽根車10と、を備えている。
そして、ケーシング4、ポンプ室8および羽根車10によってポンプ部Pが構成されるとともに、ステータ5およびロータ7によってモータ部Mが構成されている。なお、本実施形態のモータ部Mは、ロータ7がステータ5の外周を囲繞するアウターロータ型構造をしている。
吸込口2はケーシング4の中央部に設けられるとともに、吐出口3はケーシング4の周縁部に設けられており、羽根車10の回転により吸込口2からポンプ室8内に吸引した液体を吐出口3から排出するようになっている。
ステータ5はドラム状に形成されており、その内部には巻線および巻線への通電により磁力が発生される鉄心が設けられている。そして、鉄心に発生する励磁力によりマグネット6に回転力が与えられ、ロータ7が回転されることになる。また、ステータ5の羽根車10の配置側とは反対側には、巻線への通電を制御する制御基板11が設けられている。
永久磁石であるマグネット6は、ステータ5の外周に沿って等間隔に複数個配列されている。そして、それら複数のマグネット6がプラスチックなどで形成された被覆材6aの内部に埋設されており、マグネット6および被覆材6aによってロータ7が構成されている。
分離板9は、当該分離板9の中央部に、ポンプ室8とは反対側(図1中下方)が開放されてステータ5を収容する中央凹部9aと、この中央凹部9aの外周部を断面略U字状に折り返して形成された外周凹部9bと、を備えている。外周凹部9bは、ポンプ室8側(図1中上方)に環状に開放されており、その内側にロータ7が回転自在に収容される。
そして、分離板9によってポンプ室8の内外が液密に仕切られるようになっており、このとき、中央凹部9aの上方に配置される底壁9cがケーシング4と対向配置され、それら底壁9cとケーシング4との間が羽根車10の収納スペースとなっている。
また、外周凹部9bに収納されたロータ7は、回転中心軸C方向の一端部7aが、外周凹部9bの環状の開放口9dからポンプ室8内に臨むようになっており、この一端部7aが回転出力部となっている。
羽根車10は、ケーシング4と分離板9の底壁9cとの間に位置してポンプ室8内に回転自在に収納され、図3および図4にも示すように、中央部に回転中心軸Cを中心とする回転部としての軸受リング10aが取り付けられている。そして、軸受リング10aに回転支軸12が回転自在に密接嵌合されており、回転支軸12を中心として羽根車10が回転する。
羽根車10は、複数枚の羽根10bを放射状に配置して構成されており、それら複数の羽根10bが集合する中心部に上述の軸受リング10aが配置されている。
吸込口2のポンプ室8側の端部には、吸込口2の内側2aに放射状に配置した複数のアーム13aを介して回転支軸12を支持する支持部13が設けられている。そして、支持部13の端面13bに回転支軸12の一端12aを突き当てることにより、回転支軸12がケーシング4側に支持されている。また、回転支軸12の他端12bは、中央凹部9aの底壁9cに突き当てられて支持されている。
このように構成されたポンプ1では、ステータ5の巻線に通電することによりロータ7が回転し、そのロータ7の回転力で羽根車10を回転し、これにより、吸込口2からポンプ室8内に液体を吸い込むとともに、吸い込んだ液体を吐出口3から排出する。
ここで、本実施形態では、羽根車10の外周縁部にロータ7との結合部10cを設け、結合部10cを除く羽根車10の中央部分の回転中心軸C方向(図1中上下方向)両面をオープン構造としてある。つまり、羽根車10は、回転中心軸C方向両端部が開口した略円筒状のロータ7に結合部10cが結合されているだけで、羽根車10の中央部分の両面は、ロータ7や他の部材(ケーシング4や分離板9)と分離した状態となっている。
また、羽根車10の羽根10bは、たわみ方向(周方向)にたわむとともに、捩り方向(回転中心軸Cに対して傾斜する方向)に捩られた3次元形状に成形されている。
さらに、本実施形態では、それぞれの羽根10bは、中央部分が、たわみ方向(周方向)にたわむとともに、捩り方向(回転中心軸Cに対して傾斜する方向)に捩られた3次元形状に形成されているとともに、結合部10cが、回転中心軸Cに対して略平行に形成されている(図5,図6参照)。
すなわち、羽根10bの中心側は、図5に示すように、液体の流入方向上流部分Uが、回転面に平行となる方向に傾斜するとともに、下流部分Lが回転中心軸Cと平行となる方向に傾斜するように捩られている。一方、羽根10bの結合部10cが設けられた先端部分は、図6に示すように、回転中心軸Cに対して略平行の直線状に形成されている。これにより、羽根車10の中心側は軸流ファンとしての要素を備えるとともに、外周側は遠心ファンとしての要素を備えるようにしている。
また、羽根車10の軸方向両面の一部面(若しくは全面)には、ケーシング4および分離板9と接する摺動部10d、10eが設けられている。
本実施形態では、羽根車10のそれぞれの羽根10bには、図3中太線で示した稜線R1が形成されており、その稜線R1をケーシング4の内面4aに摺接させて、その稜線R1全体を摺動部10dとしている。また、同様に、羽根10bの分離板9側にも稜線R2が形成されており、その稜線R2の結合部10cよりも中心側を中央凹部9aの底壁9cに摺接させることで、摺接させた稜線R2を摺動部10eとしている。
そして、ケーシング4と接する摺動部10d、この摺動部10dに接するケーシング4の接触面となる内面4a、分離板9と接する摺動部10e、この摺動部10eに接する分離板9の接触面となる底壁9c、の少なくとも1つに摩擦低減部を設けている。本実施形態では、低摩擦材であるカーボンフィラー入りPPSを用いて形成している。なお、カーボンフィラー入りPPSを用いる替わりに、例えば、POMを用いて形成したり、表面にDLCコーティングを施したり、表面にSUS研磨を施したりして摩擦を低減させることも可能である。また、流体軸受けなどの動圧発生手段を設けることで摩擦を低減させてもよい。
また、本実施形態では、羽根車10とマグネット6の被覆材6aとを同一材料(カーボンフィラー入りPPS)で形成しており、それら羽根車10とマグネット6とを一体成形している。
以上の本実施形態によれば、羽根車10の外周縁部にロータ7との結合部10cを設け、その結合部10cを除く羽根車10の中央部分の回転中心軸C方向両面をオープン構造としたため、羽根車10の形状は、羽根車10の軸方向両面側に存在する部材(本実施形態ではケーシング4や分離板9)に大きく規制されることがなくなる。その結果、羽根車10の形状自由度を向上させることができる。このように、羽根車10の形状自由度を向上させることで、羽根車10の形状を、精度を高めることができる所望の形状とすることが可能となり、ポンプ効率を高めることができる。
また、羽根車10の羽根10bを、たわみ方向(周方向)にたわむとともに、捩り方向(回転中心軸Cに対して傾斜する方向)に捩られた3次元形状に成形したため、液体を吸入・吐出する搬送効率をより向上させた羽根車10を得ることができる。
さらに、羽根車10の羽根10bは、羽根車10の中央部分を3次元形状に成形するとともに、結合部10cを回転中心軸Cに対して略平行に形成することで、3次元形状の羽根車10とロータ7とを上下の金型を用いて一体成型することが可能となるため、ロータ一体型の羽根車を容易に成形することができ、生産性を向上させることができる。また、中心側では軸流ファンの要素を備えて液体を大量に吸入できるようになるとともに、外周側では遠心ファンの要素を備えて液体を高い圧力で排出できるようになるため、ポンプ効率をさらに向上させることができるようになる。
さらにまた、羽根車10の軸方向両面の少なくとも一部面に、ケーシング4および分離板9と接する摺動部10d、10eを設けたので、羽根車10の回転時に羽根車10とケーシング4および分離板9との間から流体が漏れるのを低減させることができ、ポンプ効率を高めることができる。
また、ケーシング4と接する摺動部10d、この摺動部10dに接するケーシング4の接触面となる内面4a、分離板9と接する摺動部10e、この摺動部10eに接する分離板9の接触面となる底壁9c、の少なくとも1つを低摩擦材としてのカーボンフィラー入りPPSで形成することで摩擦低減部を設けたため、羽根車10の回転抵抗を低減させてポンプ効率を高めることができる。
さらに、羽根車10とマグネット6の被覆材6aとを同一材料(カーボンフィラー入りPPS)で形成するとともに、羽根車10とマグネット6とを一体成形することで、羽根車10とロータ7とを一つの部品として提供できるため、部品点数を削減することができる。その結果、羽根車10の生産性を向上させることができ、安価なポンプを得ることが可能となる。
また、羽根車10とマグネット6とを一体成形することにより、羽根車10の中心部に設けられる軸受リング10aもインサート成形により羽根車10と一体成形が可能となるため、羽根車10の生産性をより一層向上させることができる。
(第2実施形態)
図7および図8は、本発明の第2の実施形態を示している。
本実施形態のポンプ1Aは、図7および図8に示すように、基本的に上記第1実施形態のポンプ1と同様の構成をしており、羽根車10の回転支軸12の一端12aが、吸込口2の内側に設けた支持部13を介してケーシング4側に支持されるとともに、羽根車10の中央部に、回転支軸12を嵌合する回転部としての軸受リング10aが取り付けられている。
ここで、本実施形態が上記第1実施形態と主に異なる点は、羽根車10の中央部に位置する軸受リング10aと支持部13との間に、軸当て部としての軸当てリング14を介在させたことにある。
軸当てリング14は、回転支軸12の外周を囲繞する環状に形成されており、その軸当てリング14を、軸受リング10aと支持部13との対向面間に介装し、羽根車10の回転時に発生する吸込反力を、軸当てリング14を介して支持部13に支持させるようになっている。
通常、羽根車10は、当該羽根車10の回転により吸込口2から液体をポンプ室8内に吸引しているが、その反力として羽根車10には吸込口2に向かう方向の吸込反力が作用し、この吸込反力により羽根車10によって吸い込まれた液体が上流側に移動しようとする力が働く。そして、液体の上流側へ移動しようとする力によって羽根車10とケーシング4との間の摩擦力が増大してしまう。
そこで、本実施形態では、軸当てリング14を設け、当該軸当てリング14によって吸込反力を支持部13で受け止めるようにし、羽根車10がケーシング4に押し付けられる圧接力を低減させている。このとき、軸当てリング14は、支持部13と軸受リング10aとの間で相対回転されるため、軸当てリング14は、カーボンフィラー入りPPSなどの低摩擦材で形成するのが好ましい。
以上の本実施形態によっても、上記第1実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
また、本実施形態によれば、軸受リング10aと支持部13との間に軸当てリング14を介在させたため、羽根車10の回転抵抗を低減してポンプ効率を高めることができる。
(第3実施形態)
本実施形態では、本発明にかかるポンプ(以下では、第1実施形態にかかるポンプを例示する)を搭載したポンプ駆動機器について説明する。
図9は、本実施形態にかかるポンプ駆動機器としての食器洗浄機100を示しており、この食器洗浄機100では、水または温水が給水口101から貯水槽102に供給されるようになっており、貯水槽102に供給された水または温水が、洗浄ポンプP1によって貯水槽102からノズル103に送られ、水または温水をノズル103から噴出することで食器洗浄機100内に配置した食器104を洗浄するようになっている。なお、本実施形態では、洗浄後の水または温水は、下方に落下して貯水槽102に溜められ、洗浄ポンプP1によって再度ノズル103に送られるようになっている。そして、所定時間循環洗浄した後に、洗浄ポンプP1を停止して排水ポンプP2を作動させることで、貯水槽102内の水が排水されるようになっている。
次に、給水口101から再度、水または温水を貯水槽102に供給した後、洗浄ポンプP1を所定時間作動させて濯ぎを行う。その後、洗浄ポンプP1を停止して排水ポンプP2を作動させて貯水槽102の水または温水を排水する。以上の動作を数回繰り返して濯ぎを行うことで、食器洗浄機100内に配置した食器104が洗浄されるようになっている。
ここで、本実施形態では、上述した洗浄ポンプP1および排水ポンプP2に、上記第1実施形態で例示したポンプ1を用いている。
このように、本実施形態にかかる食器洗浄機100に、本発明のポンプ1を用いて洗浄ポンプP1および排水ポンプP2を構成することで、低振動化および低騒音化を達成しつつ小型化を図ることが可能で、かつ、省エネを図ることができる食器洗浄機100を得ることができる。
次に、本実施形態のポンプ駆動機器の変形例について説明する。
図10は、上記第3実施形態の第1変形例を示しており、ポンプ駆動機器が洗濯機200である場合を例示する。
この洗濯機200は、洗濯槽201が図示せぬモータによって回転制御されており、当該洗濯槽201を回転させるとともに、洗濯槽201内の水を循環ポンプP3で循環させることで衣類等の洗濯を行うようにしている。
ここで、本変形例では、上述した循環ポンプP3に、第1実施形態で例示したポンプ1を用いている。
このように、本変形例にかかる洗濯機200に、本発明のポンプ1を用いて循環ポンプP3を構成することで、低振動化および低騒音化を達成しつつ小型化を図ることが可能で、かつ、省エネを図ることができる洗濯機200を得ることができる。
図11は、上記第3実施形態の第2変形例を示しており、ポンプ駆動機器が給湯ユニット300である場合を例示する。
この給湯ユニット300は、エコキュート、ガス給湯機器およびコジェネレーションなどに用いることができる。
図11は、給湯ユニット300のエコキュートシステム概略図を示している。給湯ユニット300は、ヒートポンプユニット301、貯湯ユニット302、風呂303、床暖房304および追い焚き熱交換器305や暖房熱交換器306等を備えている。
また、上記給湯ユニット300には、台所や洗面用の温水蛇口307やお湯をためる補助タンク308が設けられており、かつ、給水口309の下流には減圧弁310が設けられるとともに、床暖房304には熱動弁311が設けられている。更に、それぞれの配管には複数の混合弁312や安全弁313が設けられている。
そして、複数のポンプP4、P5、P6、P7、P8を駆動させるとともに、上記各弁を制御することで、風呂303や台所や洗面用の温水蛇口307等に、水やお湯を所望の温度、流量で供給できるようにしている。
ここで、本変形例では、上述したポンプP4〜P8に、上記第1実施形態で例示したポンプ1をそれぞれ用いている。
このように、本変形例にかかる給湯ユニット300に本発明のポンプ1を用いてそれぞれのポンプP4〜P8を構成することで、低振動化および低騒音化を達成しつつ小型化を図ることが可能で、かつ、省エネを図ることができる給湯ユニット300を得ることができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、羽根車10のそれぞれの羽根10b形状は、上記実施形態に限定されるものでは無く、完全な軸流タイプや完全な遠心タイプであってもよい。
1、1A ポンプ
2 吸込口
3 吐出口
4 ケーシング
4a ケーシングの内面(接触面)
5 ステータ
6 マグネット
6a 被覆材
7 ロータ
8 ポンプ室
9 分離板
9c 底壁(接触面)
10 羽根車
10a 軸受リング(回転部)
10b 羽根
10c 結合部
10d、10e 摺動部
12 回転支軸
13 支持部
14 軸当てリング(軸当て部)
100 食器洗浄機(ポンプ駆動機器)
200 洗濯機(ポンプ駆動機器)
300 給湯ユニット(ポンプ駆動機器)
C 回転中心軸
P1 洗浄ポンプ
P2 排水ポンプ
P3 循環ポンプ
P4〜P8 ポンプ

Claims (8)

  1. 吸込口および吐出口を設けたケーシングと、
    通電により励磁される巻線を有するステータと、
    マグネットを有し、軸方向両端部が開口した筒状のロータと、
    前記ケーシングの内側にポンプ室を隔成するとともに、前記ステータと前記ロータとの間を仕切る分離板と、
    前記ロータに取り付けられて当該ロータとともに回転する羽根車と、を備えるポンプにおいて、
    前記羽根車の外周縁部に前記ロータとの結合部を設け、当該結合部を除く羽根車の中央部分の軸方向両面をオープン構造としたことを特徴とするポンプ。
  2. 前記羽根車が3次元形状に成形されていることを特徴とする請求項1に記載のポンプ。
  3. 前記羽根車は、前記中央部分が3次元形状に成形されているとともに、前記結合部が軸に対して略平行に形成されていることを特徴とする請求項2に記載のポンプ。
  4. 前記羽根車の軸方向両面の少なくとも一部が、前記ケーシングおよび分離板のうち少なくともいずれか1つと接する摺動部となっていることを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項に記載のポンプ。
  5. 前記羽根車の摺動部、当該摺動部に接するケーシングの接触面および分離板の接触面、のうち少なくとも1つに摩擦低減部が設けられていることを特徴とする請求項4に記載のポンプ。
  6. 前記羽根車が回転支軸によって支持されているとともに、当該羽根車の回転支軸が前記吸込口側に配置された支持部によって前記ケーシングに支持されており、
    前記羽根車と前記支持部との間に軸当て部を介在させたことを特徴とする請求項1〜5のうちいずれか1項に記載のポンプ。
  7. 前記マグネットが被覆材によって被覆されており、
    前記羽根車と前記マグネットの被覆材とを同一材料で形成するとともに、当該羽根車とマグネットとを一体成形したことを特徴とする請求項1〜6のうちいずれか1項に記載のポンプ。
  8. 請求項1〜7のうちいずれか1項に記載のポンプを搭載したことを特徴とするポンプ駆動機器。
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JP2022030247A (ja) * 2020-08-06 2022-02-18 株式会社久保田鉄工所 電動ポンプ

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