JP2016188593A - 遠心式ポンプ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】汚染防止と効率や性能の低下の防止とを両立することができる遠心式ポンプ装置を提供する。【解決手段】ハウジング2は、隔壁6,6Dで仕切られたモータ室8,8Dおよびポンプ室7を含む。インペラ10は、ポンプ室7内において隔壁6に交差する軸を回転軸として回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送る。駆動部9,9Dは、モータ室8,8D内にそれぞれ設けられ、隔壁6,6Dを介してインペラ10を回転駆動させる。永久磁石17,17Dは、インペラ10の両面に設けられ、同一の円に沿って配置される。駆動部9,9Dは、永久磁石17,17Dにそれぞれ対向して設けられ、回転磁界を生成するための空芯コイル20,20Dを含む。隔壁6に動圧溝21が形成され、隔壁6Dに動圧溝22が形成され、インペラ10の外周面に動圧溝61,62が形成されている。【選択図】図3
Description
この発明は遠心式ポンプ装置に関し、特に、回転時の遠心力によって液体を送るインペラを備えた遠心式ポンプ装置に関する。
近年、隔壁によってモータ駆動室とロータ室とに分離した構造のキャンドモータが多く用いられている。このようなモータは、たとえば、粉塵をきらう環境下で使用される半導体製造ラインの純水輸送用ポンプや、生体液を輸送するポンプに使用されている。
特開2010−261394号公報(特許文献1)には、流体動圧軸受によるインペラの非接触浮上と、キャンドモータ構造を特徴とするアキシアルギャップ型の遠心式ポンプが記載されている。流体動圧軸受によるインペラの非接触浮上を特徴とするアキシアルギャップ型の遠心式ポンプでは、インペラとモータとの間に働くアキシアル方向吸引力を相殺するように、インペラを挟んだ反対側でリング状永久磁石等によりアキシアル方向の吸引力バランスをとっている。
しかし、これらの永久磁石等による吸引力は、インペラが一方向へ近づくとよりその方向へ近づこうとする負剛性(不安定要素)の成分である。また、例えば流量が多い場合では、流体出口の位置の影響で周方向に圧力差が生じ、インペラがモータの回転中心からラジアル方向へ偏心してしまう。このため、この遠心式ポンプは、駆動モータ側のアキシアル方向吸引力や、それを相殺するためのリング磁石側のアキシアル方向吸引力の相互バランスにより、外乱や流体力によってインペラが定常浮上位置からずれてしまう場合がある。
このように、インペラの偏心により変化したアキシアル吸引力を制御する方法として、特開2010−261394号公報(特許文献1)では、モータ側吸引力がリング状磁石部の吸引力変化と釣合うように、モータ電流位相を調整することで対応していた。これにより、外乱や動作条件によりインペラがラジアル方向へ偏心しても、インペラのアキシアル方向の浮上位置を変化させずに安定回転を維持することが可能であった。
上述のように、特開2010−261394号公報に記載されたような遠心式ポンプでは、外乱や動作条件によりインペラがラジアル方向へ偏心しても、インペラのアキシアル方向の浮上位置を変化させずに安定回転を維持するために、モータ側吸引力がリング状永久磁石部の吸引力変化と釣合うようにモータ電流位相を調整する等の対策が行なわれている。
しかしモータ電流位相を変化させるということは、種々の問題が生じるおそれがある。例えばモータを最大効率点で動作させていた状況から電流位相が変化してしまうと、モータ効率の低下を招く可能性がある。また例えば、最大トルク点で動作させていた状況から電流位相を変化させると、発生トルクが低下しポンプ出力の低下やモータの脱調の可能性があった。
クリーン状態が必須であるポンプ用途では、インペラとポンプ室の内壁との接触等による汚染物質の発生、およびその混入は確実に防ぐ必要がある。その一方で、モータの効率低下やポンプ出力低下はできる限り避けることが望ましい。
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、汚染防止と効率や性能の低下の防止とを両立することができる遠心式ポンプ装置を提供することである。
この発明は、要約すると、遠心式ポンプ装置であって、第1〜第3の室を含むハウジングと、インペラと、第1および第2の駆動部と、複数の第1の永久磁石と、複数の第2の永久磁石とを備える。第2の室は、第1の室および第3の室に挟まれて設けられ、第1の室および第2の室は第1の隔壁で仕切られ、第2の室および第3の室は第2の隔壁で仕切られる。インペラは、第2の室内において第1および第2の隔壁に交差する軸を回転軸として回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送る。第1および第2の駆動部は、第1の室および第3の室内にそれぞれ設けられ、第1または第2の隔壁を介してインペラを回転駆動させる。複数の第1の永久磁石は、第1の隔壁に沿うインペラの一方面に設けられ、同一の円に沿って配置される。複数の第2の永久磁石は、第2の隔壁に沿うインペラの他方面に設けられ、同一の円に沿って配置される。第1の駆動部は、複数の第1の永久磁石に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数の第1の空芯コイルを含む。第2の駆動部は、複数の第2の永久磁石に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数の第2の空芯コイルを含む。インペラの一方面またはそれに対向する第1の隔壁の面に第1の動圧溝が形成される。インペラの他方面またはそれに対向する第2の隔壁の面に第2の動圧溝が形成される。インペラの外周面もしくはそれに対向する第2の室の内周面、またはインペラの内周面もしくはそれに対向する第2の室の外周面に第3の動圧溝が形成されている。
好ましくは、第1の駆動部は、複数の第1の空芯コイルの第1の隔壁と反対側に配置され、複数の第1の空芯コイルと磁気的に結合される第1の磁性体をさらに含む。第2の駆動部は、複数の第2の空芯コイルの第2の隔壁と反対側に配置され、複数の第2の空芯コイルと磁気的に結合される第2の磁性体をさらに含む。
好ましくは、複数の第1の永久磁石は、隣接する磁極が互いに異なるように同一の円に沿って配置される。複数の第2の永久磁石は、隣接する磁極が互いに異なるように同一の円に沿って配置される。
上記に示したように、駆動部のコイルはコアレス構造とすることでアキシアル吸引力が働かない構成とし、そのため駆動部側吸引力を相殺するためのリング状永久磁石も配置せず、インペラに作用する負剛性成分を排除している。また、従来の構造ではリング磁石によりインペラのラジアル方向復元力を確保していたが、本装置の場合はインペラの内外周面、或いはそれに対向する第1の室内壁面に新たなラジアル動圧溝を追加することで、ラジアル方向を支持した構造としている。そして、コアレス構造を採用したことによるトルクの不足を補うために、駆動部をインペラの両側に設けている。
従来の構成では、駆動モータ側の吸引力や、それを相殺するためのリング磁石側の吸引力のアキシアル方向の負剛性成分が、インペラ挙動の不安定の原因となっていたが、本発明ではリング磁石を設けず、かつ駆動部のコイルを空芯コイルとすることによってアキシアル方向に働く吸引力を排除した構成とし、インペラの浮上回転時の安定性を高めることができる。
本発明ではさらに、2個の駆動部(コアレスモータ)をインペラを挟んで対向配置させる構造を採用し、さらなるポンプ出力の増加を図っている。コアレスモータにより駆動するため従来方式よりもコギングトルクが低減され、よりスムーズなインペラの回転が可能となる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
[ポンプ部の基本構成の説明]
図1は、本発明の実施の形態の遠心式ポンプ装置のポンプ部1の外観を示す正面図である。図2は、図1に示したポンプ部1の側面図である。図3は、図2のIII−III線断面図である。図4は、図3のIV−IV線断面図である。
図1は、本発明の実施の形態の遠心式ポンプ装置のポンプ部1の外観を示す正面図である。図2は、図1に示したポンプ部1の側面図である。図3は、図2のIII−III線断面図である。図4は、図3のIV−IV線断面図である。
図1〜図4を参照して、この遠心式ポンプ装置のポンプ部1は、非磁性材料で形成されたハウジング2を備える。ハウジング2は、円柱状の本体部3と、本体部3の一方の端面の中央に立設された円筒状の流入ポート4と、本体部3の外周面に設けられた円筒状の流出ポート5とを含む。流出ポート5は、本体部3の外周面の接線方向に延在している。
ハウジング2内には、図3に示すように、隔壁6および6Dによって仕切られたポンプ室7およびモータ室8および8Dが設けられている。ポンプ室7内には、図3および図4に示すように、中央に貫通孔10aを有する円板状のインペラ10が回転可能に設けられている。
本実施の形態では、インペラ10を空芯コイル20で駆動することによってアキシアル吸引力が働かない構成としたので、アキシアル吸引力を相殺するためのリング状永久磁石を配置していない。一方で、空芯コイル20は、磁性体をコアとする通常のコイルと比べて磁気吸引力が弱まるのでトルクを確保しにくい。そこで、本実施の形態では、空芯コイル20および20Dをインペラ10をはさんで対向配置させることによって、発生トルクを倍増させ、さらなるポンプ出力の増加を図った構造を特徴としている。
インペラ10は、ドーナツ板状の2枚のシュラウド11,12と、2枚のシュラウド11,12間に形成された複数(たとえば6つ)のベーン13とを含む。シュラウド11は流入ポート4側に配置され、シュラウド12は隔壁6側に配置される。シュラウド11,12およびベーン13は、非磁性材料で形成されている。
2枚のシュラウド11,12の間には、複数のベーン13で仕切られた複数(この場合は6つ)の通路14が形成されている。通路14は、図4に示すように、インペラ10の中央の貫通孔10aと連通しており、インペラ10の貫通孔10aを始端とし、外周縁まで徐々に幅が広がるように延びている。換言すれば、隣接する2つの通路14間にベーン13が形成されている。なお、本実施の形態では、複数のベーン13は等角度間隔で設けられ、かつ同じ形状に形成されている。したがって、複数の通路14は等角度間隔で設けられ、かつ同じ形状に形成されている。
インペラ10が回転駆動されると、流入ポート4から流入した液体は、遠心力によって貫通孔10aから通路14を介してインペラ10の外周部に送られ、流出ポート5から流出する。
[永久磁石の配置の説明]
図5は、インペラ10のシュラウドに埋設された磁石の詳細な配置を示す図である。図4および図5を参照して、シュラウド12には複数(たとえば8個)の永久磁石17が埋設されている。複数の永久磁石17は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って隙間を設けて配置される。換言すれば、モータ室8側にN極を向けた永久磁石17と、モータ室8側にS極を向けた永久磁石17とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。
図5は、インペラ10のシュラウドに埋設された磁石の詳細な配置を示す図である。図4および図5を参照して、シュラウド12には複数(たとえば8個)の永久磁石17が埋設されている。複数の永久磁石17は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って隙間を設けて配置される。換言すれば、モータ室8側にN極を向けた永久磁石17と、モータ室8側にS極を向けた永久磁石17とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。
図6は、図3のVI−VI線断面図である。図3および図6を参照して、モータ室8内には、複数(たとえば9個)の空芯コイル20が設けられている。複数の空芯コイル20は、インペラ10の複数の永久磁石17に隔壁を挟み対向して、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。空芯コイル20は、磁性体などが配置されていない空芯部18の周りにコイル配線が巻回されている。
複数の空芯コイル20の隔壁6と反対側にはバックヨークとなる磁性体19を配置し、空芯コイル20の磁束を強めている。なお、バックヨークは無くてもよい。
9個の空芯コイル20には、たとえば120度通電方式で電圧が印加される。すなわち、9個の空芯コイル20は、3個ずつグループ化される。各グループの第1〜第3の空芯コイル20には、U相,V相,W相の三相電圧VU,VV,VWが印加される。第1の空芯コイル20には、0〜120度の期間に正電圧が印加され、120〜180度の期間に0Vが印加され、180〜300度の期間に負電圧が印加され、300〜360度の期間に0Vが印加される。したがって、第1の空芯コイル20の先端面(インペラ10側の端面)は、0〜120度の期間にN極になり、180〜300度の期間にS極になる。電圧VVの位相は電圧VUよりも120度遅れており、電圧VWの位相は電圧VVよりも120度遅れている。したがって、第1〜第3の空芯コイル20にそれぞれ電圧VU,VV,VWを印加することにより、回転磁界を形成することができ、複数の空芯コイル20とインペラ10の複数の永久磁石17との吸引力および反発力により、インペラ10を回転させることができる。
なお、シュラウド11にも複数の永久磁石17Dが設けられ、シュラウド11側にもモータ室8Dが設けられる。モータ室8Dとポンプ室7は、隔壁6Dで仕切られている。モータ室8D内には、複数の永久磁石17Dに対向して複数の空芯コイル20Dが設けられる。複数の空芯コイル20Dは、各々が空芯部18Dの周りに巻回されている。複数の空芯コイル20Dの隔壁6Dと反対側にはバックヨークとなる磁性体19Dを配置し、空芯コイル20Dの磁束を強めている。なお、バックヨークは無くてもよい。
なお、複数の永久磁石17Dの配置および複数の空芯コイル20Dの配置は、基本的には図5および図6で示した配置であるので詳細な説明は繰り返さない。
インペラ10の回転中において、複数の永久磁石17および複数の磁性体18間の第1の吸引力と複数の永久磁石17Dおよび複数の磁性体18D間の第2の吸引力とは、ポンプ室7内におけるインペラ10の可動範囲の略中央で釣り合うように設定されている。したがって、インペラ10の回転軸方向の位置が安定し、インペラがポンプ室7の内壁に接触することを避けることができる。
[動圧溝の説明]
図7は、図4からインペラを取り外した状態を示す断面図である。図8は、図3のVIII−VIII線断面図からインペラを取り外した状態を示す断面図である。
図7は、図4からインペラを取り外した状態を示す断面図である。図8は、図3のVIII−VIII線断面図からインペラを取り外した状態を示す断面図である。
図7、図8に示すように、インペラ10のシュラウド12に対向する隔壁6の表面には複数の動圧溝21が形成され、シュラウド11に対向する隔壁6Dの表面には複数の動圧溝22が形成されている。インペラ10の回転数が所定の回転数を超えると、動圧溝21,22の各々とインペラ10との間に動圧軸受効果が発生する。これにより、動圧溝21,22の各々からインペラ10に対して抗力が発生し、インペラ10はポンプ室7内で非接触状態で回転する。すなわち、動圧溝21と動圧溝22によりインペラ10のアキシアル方向が支持される。
詳しく説明すると、複数の動圧溝21は、図7に示すように、インペラ10のシュラウド12に対応する大きさに形成されている。各動圧溝21は、隔壁6の中心から若干離間した円形部分の周縁(円周)上に一端を有し、渦状に(換言すれば、湾曲して)隔壁6の外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、複数の動圧溝21は略同じ形状であり、かつ略同じ間隔に配置されている。動圧溝21は凹部であり、動圧溝21の深さは0.005〜0.4mm程度であることが好ましい。動圧溝21の数は、6〜36個程度であることが好ましい。
図7では、10個の動圧溝21がインペラ10の中心軸に対して等角度で配置されている。動圧溝21は、いわゆる内向スパイラル溝形状となっているので、インペラ10が時計方向に回転すると、動圧溝21の外径部から内径部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ10と隔壁6の間に反発力が発生し、これが動圧力となる。
このように、インペラ10と複数の動圧溝21の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ10は隔壁6から離れ、非接触状態で回転する。このため、インペラ10と隔壁6の間に液体流路が確保される。さらに、通常状態において、動圧溝21によるインペラ10と隔壁6の間の撹拌作用とポンプ動作で生じたインペラの内外径部の圧力差による液体の流れ(漏れ流量)とによって、両者間における部分的な液体滞留の発生を防止することができる。
また、動圧溝21の角の部分は、少なくとも0.05mm以上のRを持つように丸められていることが好ましい。
また、複数の動圧溝22は、図8に示すように、複数の動圧溝21と同様、インペラ10のシュラウド11に対応する大きさに形成されている。各動圧溝22は、ポンプ室7の内壁の中心から若干離間した円形部分の周縁(円周)上に一端を有し、渦状に(換言すれば、湾曲して)ポンプ室7の内壁の外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、複数の動圧溝22は、略同じ形状であり、かつ略同じ間隔で配置されている。動圧溝22は凹部であり、動圧溝22の深さは0.005〜0.4mm程度があることが好ましい。動圧溝22の数は、6〜36個程度であることが好ましい。図8では、10個の動圧溝22がインペラ10の中心軸に対して等角度に配置されている。
なお、動圧溝22の角となる部分は、少なくとも0.05mm以上のRを持つように丸められていることが好ましい。
このように、インペラ10と複数の動圧溝22の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ10はポンプ室7の内壁から離れ、非接触状態で回転する。また、ポンプ部1が外的衝撃を受けたときや、動圧溝21による動圧力が過剰となったときに、インペラ10のポンプ室7の内壁への密着を防止することができる。動圧溝21によって発生する動圧力と動圧溝22によって発生する動圧力は異なるものとなっていてもよい。
ただし、インペラ10のシュラウド12と隔壁6との隙間と、インペラ10のシュラウド11とポンプ室7の内壁との隙間とが略同じ状態でインペラ10が回転することが好ましい。インペラ10に作用する流体力などの外乱が大きく、一方の隙間が狭くなる場合には、その狭くなる側の動圧溝による動圧力を他方の動圧溝による動圧力よりも大きくし、両隙間を略同じにするため、動圧溝21と22の形状を異ならせることが好ましい。
なお、図7および図8では、動圧溝21,22の各々を内向スパイラル溝形状としたが、他の形状の動圧溝21,22を使用することも可能である。ただし、液体を循環させる場合は、液体をスムーズに流すことが可能な内向スパイラル溝形状の動圧溝21,22を採用することが好ましい。
図9は、シュラウドの外周面に形成された動圧溝の第1例を示す図である。図10は、シュラウドの外周面に形成された動圧溝の第2例を示す図である。
図9を参照して、動圧溝61,62は、それぞれシュラウド11,12の外周面に形成される。動圧溝61,62の先端は、インペラ10の回転方向と逆の方向に向けられている。インペラ10が矢印の方向に回転すると、動圧溝61,62の先端部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ10とポンプ室7の内周面との間に反発力が発生し、これが動圧力となる。
図10に示した第2例でも、動圧溝64,65がポンプ室7の内周面側ではなく、それぞれシュラウド11,12の外周面に形成される。動圧溝64,65の各々の深さは、インペラ10の回転方向と逆の方向に向かって徐々に浅くなっている。この変形例でも、インペラ10が矢印の方向に回転すると、動圧溝64,65の先端部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ10とポンプ室7の内周面との間に反発力が発生し、これが動圧力となる。
[永久磁石の配置の変形例]
図5では、複数の永久磁石17が、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って隙間を設けて配置された例を示した。
図5では、複数の永久磁石17が、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って隙間を設けて配置された例を示した。
図11〜図15は、図5に示した永久磁石の配置の変形例である。
図11(a)(b)の変形例では、インペラ10に複数の永久磁石17と複数の永久磁石67とが設けられている。永久磁石67の数は、永久磁石17の数と同じである。永久磁石67は、円周方向(インペラ10の回転方向)に着磁されている。複数の永久磁石17と複数の永久磁石67とは、1つずつ交互に等角度間隔で同一の円に沿ってハルバッハ配列構造で配置されている。換言すると、隔壁6側にN極を向けた永久磁石17と、隔壁6側にS極を向けた永久磁石17とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。各永久磁石67のN極は隔壁6側にN極を向けた永久磁石17に向けて配置され、各永久磁石67のS極は隔壁6側にS極を向けた永久磁石17に向けて配置される。複数の永久磁石17同士の形状は同じであり、複数の永久磁石67同士の形状は同じである。永久磁石17の形状と永久磁石67の形状は、同じでもよいし、異なっていてもよい。この変形例では、永久磁石17と空芯コイル20との吸引力を抑制するとともに、トルクの起因となる磁束を強めることができるので、最も永久磁石を小型化することができる。つまり、インペラ10を最も軽量化することができ、かつモータギャップが広い場合でもエネルギ効率を高めることができる。
図11(a)(b)の変形例では、インペラ10に複数の永久磁石17と複数の永久磁石67とが設けられている。永久磁石67の数は、永久磁石17の数と同じである。永久磁石67は、円周方向(インペラ10の回転方向)に着磁されている。複数の永久磁石17と複数の永久磁石67とは、1つずつ交互に等角度間隔で同一の円に沿ってハルバッハ配列構造で配置されている。換言すると、隔壁6側にN極を向けた永久磁石17と、隔壁6側にS極を向けた永久磁石17とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。各永久磁石67のN極は隔壁6側にN極を向けた永久磁石17に向けて配置され、各永久磁石67のS極は隔壁6側にS極を向けた永久磁石17に向けて配置される。複数の永久磁石17同士の形状は同じであり、複数の永久磁石67同士の形状は同じである。永久磁石17の形状と永久磁石67の形状は、同じでもよいし、異なっていてもよい。この変形例では、永久磁石17と空芯コイル20との吸引力を抑制するとともに、トルクの起因となる磁束を強めることができるので、最も永久磁石を小型化することができる。つまり、インペラ10を最も軽量化することができ、かつモータギャップが広い場合でもエネルギ効率を高めることができる。
なお、この変形例では複数の永久磁石17Dに対しても図11に示した複数の永久磁石17の変形と同様な変形を行なう。
図12に示した他の変形例では、回転子(インペラ10のシュラウド12)は回転軸方向に着磁された永久磁石17Aと、周方向に着磁された永久磁石67Aと磁性体70Aを含んでいる。永久磁石17Aは隣り合う磁石の磁極の向きが異なるように配置され、さらに永久磁石17Aの隔壁6側端面に永久磁石67Aが永久磁石17Aと同じ磁極同士が近づくように配置される。
永久磁石17Aと永久磁石67Aは同じ数である。永久磁石67Aの着磁方向長さは、永久磁石17Aの幅より短く、永久磁石67Aの着磁方向長さの中央を永久磁石17Aの隣り合う磁石同士の境界と一致させると周方向に隙間ができ、その隙間に磁性体70Aを配置する。この場合、磁性体70Aに磁束が集束し、磁性体が無い場合や通常のハルバッハ配列の構成(図11)の構成と比べ、より強い界磁磁束が得られ高トルク化を図ることができる。さらに図12の配置では、永久磁石17A,67Aのパーミアンス係数の低下を抑制することができる。
なお、この変形例では複数の永久磁石17Dに対しても図12に示した複数の永久磁石17の変形と同様な変形を行なう。
図13は、図12の構成において、永久磁石17Aの隔壁6と反対側の端面に磁性体72を配置している。磁性体72の効果でさらに磁束を強めることができる。
図14は別の磁石配置を示す。固定子と回転子の間に隔壁6を備えたキャンドモータにおいて、回転子は回転軸方向に着磁された永久磁石17Bと、周方向に着磁された永久磁石67Bと磁性体70Bから成り、永久磁石17Bは隣り合う磁石の磁極の向きが異なり、隙間を設けて配置され、永久磁石67Bがその隙間に隔壁6側配置される。限られたスペースで磁石を配置する場合、この構成は永久磁石17Bの扁平率が小さくなるためパーミアンス係数を図12より大きくすることができる。永久磁石17Bと永久磁石67Bは同じ数である。永久磁石67Bは、円周方向(ロータの回転方向)に着磁されている。複数の永久磁石17Bと複数の永久磁石67Bとは、1つずつ交互に等角度間隔で同一の円に沿ってハルバッハ配列構造で配置されている。換言すると、隔壁6側にN極を向けた永久磁石17Bと、隔壁6側にS極を向けた永久磁石17Bとが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。各永久磁石67BのN極は隔壁6側にN極を向けた永久磁石17Bに向けて配置され、各永久磁石67BのS極は隔壁6側にS極を向けた永久磁石17Bに向けて配置される。複数の永久磁石17B同士の形状は同じであり、複数の永久磁石67B同士の形状は同じである。永久磁石17Bの軸方向長さは永久磁石67Bの幅より短く、配置したとき、隔壁6側に段差ができるようにし、その段差部に磁性体70Bを配置する。この場合も磁性体70Bに磁束が集束し、磁性体が無い場合や通常のハルバッハ配列の構成(図11)と比べ、より強い界磁磁束が得られ高トルク化を図ることができる。さらに永久磁石17B,67Bのパーミアンス係数の低下を抑制することができる。
なお、この変形例では複数の永久磁石17Dに対しても図14に示した複数の永久磁石17の変形と同様な変形を行なう。
図15に示した構成は、図14の構成において、永久磁石17Bの隔壁6と反対側の端面に磁性体72を配置している。磁性体72の効果でさらに磁束を強めることができる。
また、シュラウド12に埋設されている複数の永久磁石17は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って隙間を設けず配置されてもよい。
[動圧溝の変形例]
図16は、動圧溝を設ける位置を変更したポンプ部1の第1変形例の要部を示す断面図である。この図16と図3とは対比される図である。図16において、この遠心式ポンプ装置が図3の遠心式ポンプ装置と異なる点は、インペラ10の外周面に対向するポンプ室7の内周面に動圧溝161,162が形成されている点である。動圧溝161,162は、インペラ10の外周面に対する動圧力を発生し、インペラ10の外周面がポンプ室7の内周面に接触することを防止する。
図16は、動圧溝を設ける位置を変更したポンプ部1の第1変形例の要部を示す断面図である。この図16と図3とは対比される図である。図16において、この遠心式ポンプ装置が図3の遠心式ポンプ装置と異なる点は、インペラ10の外周面に対向するポンプ室7の内周面に動圧溝161,162が形成されている点である。動圧溝161,162は、インペラ10の外周面に対する動圧力を発生し、インペラ10の外周面がポンプ室7の内周面に接触することを防止する。
図17は、動圧溝161,162の具体的構成を例示する図である。図17において、ポンプ室7の内周面のうちのシュラウド11の外周面に対向する領域には、V字型の動圧溝161がインペラ10の回転方向に所定のピッチで形成されている。V字型の動圧溝161の先端(鋭角部)はインペラ10の回転方向に向けられている。同様に、ポンプ室7の内周面のうちのシュラウド12の外周面に対向する領域には、V字型の動圧溝162がインペラ10の回転方向に所定のピッチで形成されている。V字型の動圧溝162の先端(鋭角部)はインペラ10の回転方向に向けられている。ポンプ室7の内周面のうちのシュラウド11,12の隙間に対向する領域には、所定深さの溝63がリング状に形成されている。インペラ10が矢印の方向に回転すると、動圧溝161,162の先端部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ10とポンプ室7の内周面との間に反発力が発生し、これが動圧力となる。
図18は、図17の動圧溝の形状の変形例を示す図である。図18において、この変形例では、動圧溝161,162がそれぞれ動圧溝164,165で置換されている。動圧溝164,165の各々は、帯状に形成され、インペラ10の回転方向に延在している。動圧溝164,165の各々の深さは、インペラ10の回転方向に向かって徐々に浅くなっている。この変形例でも、インペラ10が矢印の方向に回転すると、動圧溝164,165の先端部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ10とポンプ室7の内周面との間に反発力が発生し、これが動圧力となる。
図19〜図22は、動圧溝を設ける位置を変更したポンプ部1の第2〜第5変形例の要部を示す断面図である。図19、図20に示すように、動圧溝21を隔壁6に設ける代わりに、動圧溝121をインペラ10のシュラウド12の表面に設けてもよい。また、動圧溝22を隔壁6Dに設ける代わりに、動圧溝122をインペラ10のシュラウド11の表面に設けてもよい。
さらに、図19に示すようにインペラ10の外周面に動圧溝61,62を形成してもよい。また図20に示すようにインペラ10の外周面に対向するポンプ室7の外周壁に動圧溝161,162を形成してもよい。これらによりインペラのラジアル方向の支持力を発生させることができる。
また、図21に示すように、動圧溝61,62をインペラのシュラウド11,12の外周面に設ける代わりに、動圧溝261,262をインペラ10のシュラウド11,12の内周面表面に設けてもよい。
また、図22に示すように、動圧溝161,162をポンプ室7の外周壁に設ける代わりに、動圧溝361,362をインペラ10のポンプ室7の内周壁に設けてもよい。
以上説明したように、本実施の形態によれば、固定子と回転子の間に隔壁を備えたキャンドモータにおいて、駆動部9や永久磁石等による吸引力(負剛性成分)を無くすことができ、インペラの安定浮上回転が可能となる。さらにコギングの低減が図れ、スムーズな回転始動が実現できる。
最後に、再び図3、図16、図19〜図22を参照して、本実施の形態を総括する。本実施の形態の遠心ポンプ装置は、ハウジング2と、インペラ10と、駆動部9,9Dと、複数の永久磁石17と、複数の永久磁石17Dとを備える。
ハウジング2は、ポンプ室7およびモータ室8,8Dを含む。ポンプ室7は、モータ室8およびモータ室8Dに挟まれて設けられ、モータ室8およびポンプ室7は隔壁6で仕切られ、ポンプ室7およびモータ室8Dは隔壁6Dで仕切られる。
インペラ10は、ポンプ室7内において隔壁6および隔壁6Dに交差する軸を回転軸として回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送る。駆動部9,9Dは、モータ室8およびモータ室8D内にそれぞれ設けられ、隔壁6または隔壁6Dを介してインペラ10を回転駆動させる。
複数の永久磁石17は、隔壁6に沿うインペラ10の一方面に設けられ、同一の円に沿って配置される。複数の永久磁石17Dは、隔壁6Dに沿うインペラ10の他方面に設けられ、同一の円に沿って配置される。駆動部9は、複数の永久磁石17にそれぞれ対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数の空芯コイル20を含む。駆動部9Dは、複数の永久磁石17Dにそれぞれ対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数の空芯コイル20Dを含む。
インペラ10の一方面またはそれに対向する隔壁6の面に動圧溝21または121が形成される。インペラ10の他方面またはそれに対向する隔壁6Dの面に動圧溝22または122が形成される。インペラ10の外周面もしくはそれに対向するポンプ室7の内周面、またはインペラ10の内周面もしくはそれに対向するポンプ室7の外周面に動圧溝61,62もしくは161,162または261,262もしくは361,362が形成されている。
好ましくは、駆動部9は、複数の空芯コイル20の隔壁6と反対側に配置され、複数の空芯コイル20と磁気的に結合される磁性体19をさらに含む。駆動部9Dは、複数の空芯コイル20Dの隔壁6Dと反対側に配置され、複数の空芯コイル20Dと磁気的に結合される磁性体19Dをさらに含む。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 ポンプ部、2 ハウジング、3 本体部、4 流入ポート、5 流出ポート、6,6D 隔壁、7 ポンプ室、8,8D モータ室、9,9D 駆動部、10 インペラ、10a 貫通孔、11,12 シュラウド、13 ベーン、14 通路、17,17A,17B,17D,67,67A,67B 永久磁石、18,18D 空芯部、19,19D,70A,70B,72 磁性体、20,20D 空芯コイル、21,22,61,62,64,65,121,122,161,162,261,262,361,362 動圧溝。
Claims (3)
- 第1〜第3の室を含むハウジングを備え、前記第2の室は、前記第1の室および前記第3の室に挟まれて設けられ、前記第1の室および前記第2の室は第1の隔壁で仕切られ、前記第2の室および前記第3の室は第2の隔壁で仕切られ、
前記第2の室内において前記第1および第2の隔壁に交差する軸を回転軸として回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送るインペラと、
前記第1の室および前記第3の室内にそれぞれ設けられ、前記第1または第2の隔壁を介して前記インペラを回転駆動させる第1および第2の駆動部と、
前記第1の隔壁に沿う前記インペラの一方面に設けられ、同一の円に沿って配置された複数の第1の永久磁石と、
前記第2の隔壁に沿う前記インペラの他方面に設けられ、同一の円に沿って配置された複数の第2の永久磁石とをさらに備え、
前記第1の駆動部は、前記複数の第1の永久磁石に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数の第1の空芯コイルを含み、
前記第2の駆動部は、前記複数の第2の永久磁石に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数の第2の空芯コイルを含み、
前記インペラの前記一方面またはそれに対向する前記第1の隔壁の面に第1の動圧溝が形成され、前記インペラの前記他方面またはそれに対向する前記第2の隔壁の面に第2の動圧溝が形成され、
前記インペラの外周面もしくはそれに対向する前記第2の室の内周面、または前記インペラの内周面もしくはそれに対向する前記第2の室の外周面に第3の動圧溝が形成されている、遠心式ポンプ装置。 - 前記第1の駆動部は、前記複数の第1の空芯コイルの前記第1の隔壁と反対側に配置され、前記複数の第1の空芯コイルと磁気的に結合される第1の磁性体をさらに含み、
前記第2の駆動部は、前記複数の第2の空芯コイルの前記第2の隔壁と反対側に配置され、前記複数の第2の空芯コイルと磁気的に結合される第2の磁性体をさらに含む、請求項1に記載の遠心式ポンプ装置。 - 前記複数の第1の永久磁石は、隣接する磁極が互いに異なるように同一の円に沿って配置され、
前記複数の第2の永久磁石は、隣接する磁極が互いに異なるように同一の円に沿って配置される、請求項1または2に記載の遠心式ポンプ装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN113182083A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-07-30 | 西南交通大学 | 一种基于永磁电动悬浮式离心机 |
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