JP2018135805A

JP2018135805A - 遠心ポンプ

Info

Publication number: JP2018135805A
Application number: JP2017030913A
Authority: JP
Inventors: 淑孝松井; Toshitaka Matsui
Original assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Current assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2017-02-22
Publication date: 2018-08-30
Also published as: US20190368495A1; EP3438463A1; WO2018154931A1; CN109154309A; EP3438463A4

Abstract

【課題】ラジアルギャップ型のモータを用いて薄型化を実現し吸込み流路から吐出流路に至る流路損失が少なくかつ格別な冷却構造を設けることなくコイルの発熱を効率良く放熱することができる遠心ポンプを提供する。
【解決手段】回転子１３とポンプ本体２とが回転子軸７を中心として同心状に配置され、ポンプ本体２に形成された吸込み側スクロール流路１４と吐出側スクロール流路１５とがポンプ本体２及びインペラ９に形成された中央流路１０ｂ，１０ａを介して連通している。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば冷却用の流体を循環させる遠心ポンプに関する。

従来、ノートパソコン等の電子機器には、ＬＥＤ，ＣＰＵ，ＭＰＵ等の高発熱電子部品が設けられており、これらを搭載した制御回路を冷却する流体循環用に遠心ポンプが用いられている。

また、電子機器の小型薄型化を促進するため、遠心ポンプも薄型化する必要がある。このため、通常インペラの軸方向中心から流体を吸込んで流体をスクロールしながら加圧した流体を周方向から吐出する流体の吸込み側流路を吐出側流路と平行となるように９０°曲げて形成された遠心ポンプが提案されている（特許文献１参照）。

また、ケーシングに吸込み流路が形成されるため、ケーシングの厚さが厚くなるため、インペラを回転駆動するモータをラジアルギャップ型のモータに替えてアキシャルギャップ型のモータを採用した遠心ポンプも提案されている（特許文献２参照）。

特開２００１−１３２６９９号公報特開２００９−８０５５号公報

上述したアキシャルギャップ型のモータを採用した遠心ポンプは、薄型化を実現できるが、吸込み側の流路は、ベース内を直交する流路を形成しており流路断面積も一様とは言えず流路損失が高い構成となっている。特に、アキシャルギャップ型のモータを構成するコイルを搭載したバックヨークは、ベース内にモールドされて形成されているため、ベースの厚さが厚くなり易く、ベースに形成される吸込み側流路断面積は広くとれない。
また、吸込み側流路がインペラ４の中空固定軸内を通じてポンプ室側に流入するため、バックヨークを径方向に横切って吸込み側流路を形成する必要がある。このため、バックヨークに間欠部を設ける必要があるため、この部分にコイルを配置することができないため、磁束量が低減するとともにロータに作用する有効磁束が減少し、モータ特性も低下し易い。
更には、吸込み側流路はコイルを回避して形成されるため、コイルの発熱を効率良く逃がすことができない。冷却構造を別途設けるとすれば、薄型化は実現できず、製造コストも上昇する。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、ラジアルギャップ型のモータを用いて薄型化を実現し吸込み流路から吐出流路に至る流路損失が少なくかつ格別な冷却構造を設けることなくコイルの発熱を効率良く放熱することができる遠心ポンプを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
ラジアルギャップ型の電動モータによりインペラを回転駆動させて流体をポンプ本体の外周側よりポンプ室に吸い込んで当該ポンプ室から前記ポンプ本体の外周側より吐出させる遠心ポンプであって、ベース部と、前記ベース部に少なくとも一端が抜け止めされて起立して支持された回転子軸と、前記回転子軸に回転自在に取り付けられたインペラと、前記インペラに同心状に組み付けられた回転子マグネットを備えた回転子と、前記インペラの外周側から径方向中心部に向かって流体を吸込む吸込み側スクロール流路と、前記インペラの径方向中心部から外周側に向かって流体を吐出する吐出側スクロール流路と、前記回転子マグネットと径方向に対向配置される固定子極歯が形成された固定子コアを有する固定子が一体に組み付けられた前記ポンプ本体と、を備え、前記回転子と前記ポンプ本体とが前記回転子軸を中心として同心状に配置され、前記ポンプ本体に形成された前記吸込み側スクロール流路と前記吐出側スクロール流路とが前記ポンプ本体及び前記インペラに形成された中央流路を介して連通していることを特徴とする。

上記遠心ポンプの構成によれば、ポンプ本体に形成された吸込み側スクロール流路と吐出側スクロール流路とがポンプ本体及びインペラに形成された中央流路を介して連通しているので、ラジアルギャップ型のモータを用いても薄型化を実現することができる。また、吸込み側スクロール流路から吐出側流路スクロールに至る流路損失が少なくかつこれらが固定子コアの軸方向両端面側を囲むように流体が通過するのでコイルの発熱を効率良く放熱することができる。

前記吸込み側スクロール流路は、前記ポンプ本体の外周面に設けられた吸込み孔と、前記吸込み孔より進入した流体が周方向に旋回しながら吸込み側中心孔に向かって案内されるように仕切られ、前記吸込み孔から前記吸込み側中心孔に向かって溝深さが浅くなるように形成された吸込み側スクロール溝を備えていることが好ましい。
これにより、吸込み孔よりポンプ本体に吸込まれた流体が吸込み側スクロール溝に沿って旋回しながら吸込み側中心孔に向かって案内され、吸込み側中心孔に向かって溝深さが徐々に浅くなるので、流体は中央流路を通じてインペラ側に軸方向に案内される。このとき、ポンプ室の高さは不要であり薄型化しても流路の損失は生じない。

前記吸込み側スクロール流路は、前記ポンプ本体の軸方向一端面に形成された前記吸込み側スクロール溝と、軸方向一端面に重ね合せられる他方のベース部との間に形成されていることが好ましい。
これによりポンプ本体の軸方向の高さを抑えることができ、薄型化を促進できるうえに、ベース部上にポンプ本体を重ね合わせて組み立てられるので組立性もよい。

前記吐出側スクロール流路は、前記吸込み側中心孔に前記中央流路を介して連通するように形成された吐出側中心孔と、前記吐出側中心孔から流体が旋回しながら前記ポンプ本体の外周面に設けられた吐出孔に案内されるように仕切られ、前記吐出側中心孔から前記吐出孔に向かって溝深さが深くなるように形成された吐出側スクロール溝を備えていることが好ましい。
これにより中央流路から吐出側中心孔に吸込まれた流体は、インペラの回転によって加圧され、吐出側中心孔から吐出孔に向かって溝深さが徐々に深くなる吐出側スクロール溝に案内されて流体が吐出口より吐出される。このとき、ポンプ室の高さは不要であり薄型化しても流路の損失は生じない。

前記吐出側スクロール流路は、前記ポンプ本体の軸方向他端面に形成された前記吐出側スクロール溝と軸方向他端面に重ね合せられる一方のベース部との間に形成されていることが好ましい。
これにより、ポンプ本体の軸方向の高さを抑えることができ、薄型化を促進できるうえに、ベース部上にポンプ本体を重ね合わせて組み立てられるので組立性もよい。

前記ポンプ本体の軸方向端面には、前記吸込み側スクロール流路と前記吐出側スクロール流路に流体の流速が一様になるように浅溝と深溝とが溝底部を近接するように組み合わせて配置されていることが好ましい。
これにより、ポンプ室内で径方向に仕切られて形成されている吸込み側スクロール溝と吐出側スクロール溝が流体の流速が一様になるように浅溝と深溝とが溝底部を近接するように組み合わせて配置されているので、ポンプ室の容積が軸方向に大型化することはなく、薄型化を促進することができるうえに、吸込み口から吐出口に至るまでの流路損失を可及的に減らすことができ、ポンプ性能を維持することができる。

前記インペラは前記回転子が組み付けられる環状部と前記回転子軸に組み付けられる羽根部とが一体成形されていてもよい。
これにより、回転子とインペラを回転子軸に対して同時に組み付けることができ、軸方向の配置もコンパクトにすることができる。

ラジアルギャップ型のモータを用いて薄型化を実現し吸込み流路から吐出流路に至る流路損失が少なくかつコイルの発熱を格別な冷却構造を設けることなく率良く放熱することができる遠心ポンプを提供することができる。

遠心ポンプの斜視図である。図１の矢印Ｘ−Ｘ向断面図である。図１の矢印Ｙ−Ｙ方向断面図及びベース部を透視した上視半図である。ポンプ本体の吸込み側斜視図及び吐出側斜視図である。

以下、本発明に係る遠心ポンプの一実施形態について、図１乃至図５に示す添付図面を参照しながら説明する。本実施形態は、ラジアルギャップ型のインナーロータ型モータを用いてインペラを回転駆動する遠心ポンプを例示して説明する。インナーロータ型モータとしては、ＤＣブラシレスモータが用いられる。

図１において、遠心ポンプ１は、ラジアルギャップ型の電動モータＭによりインペラ９を回転駆動させて流体をポンプ本体２の外周に形成された吸込み口３から流体を吸い込んでポンプ本体２の外周に形成された吐出口４より吐出させる。
一対の板状のベース部５ａ，５ｂにより樹脂成形されたポンプ本体２の両端面を挟み込むように重ね合わせ、ポンプ本体２を介して対向するベース部５ａ，５ｂどうしの外周縁部に固定ボルト６をねじ嵌合させて一体に組み付けられている。

次に遠心ポンプ１の構造について図２を参照して詳述する。
一対のベース部５ａ，５ｂのうち一方のベース部５ａには、回転子軸７の一端が起立して支持固定されている。回転子軸７には、滑り軸受８を介してインペラ９が一体に組み付けられている。インペラ９は回転子軸７の他端にスラスト受け７ｂを介してＣ型止め輪７ａにより抜け止めされることで回転子軸７と一体に組み付けられている。

図２，図３Ｂにおいて、インペラ９には、回転子１３が一体に組み付けられている。インペラ９は、中央流路１０ａを形成する環状部９ａと流体を中心部から外周側に向かって送り出す羽根部９ｂとが一体成形されている。環状部９ａの外周面に環状のバックヨーク１１及びその外周側に回転子マグネット１２が接着或いはインサート成形等により一体に組み付けられている。これにより、回転子１３とインペラ９を回転子軸７に対して同時に同心状に組み付けることができ、軸方向の配置もコンパクトにすることができる。回転子マグネット１２は、予め環状に成形されたマグネットであっても複数のセグメントに分割されたマグネットであってもいずれでもよい。また、環状部９ａの吸込み側開口部には段付き部９ｃが形成されている。尚、インペラ９と回転子１３が一体成形される場合には、例えば、耐久性等を考慮してＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂等により一体成形されることが好ましい。

また、インペラ９の回転子軸７との連結部の周囲には、軸方向に沿って中央流路１０ａ（中空孔）が形成されている。この中央流路１０ａは、後述するように、ポンプ本体２に形成された中央流路１０ｂと連通するように形成されている。即ち、インペラ９の外周側から径方向中心部に向かって流体を吸込む吸込み側スクロール流路１４と、インペラ９の中心部から外周側に向かって径方向に流体を吐出する吐出側スクロール流路１５とが中央流路１０ａ，１０ｂを通じて連通するようになっている。

次にポンプ本体２の構成について説明する。
図２において、ポンプ本体２の軸方向一端部２ａには、インペラ９の外周側からポンプ室１６の中心部に向かって径方向に流体を吸込む吸込み側スクロール流路１４が形成されている。具体的には、吸込側スクロール流路１４は、ポンプ本体２の軸方向一端部２ａに形成された吸込み側スクロール溝（凹部）１４ａと、吸込み側スクロール溝１４ａを覆って軸方向端面に重ね合せて組み付けられるベース部５ｂとの間に形成されている。また、軸方向一端部２ａは、インペラ９の環状部９ａを覆って径方向内側に延設され、その端部がＬ字状に形成されたリップ部２ｃ（返し構造）が形成されている。リップ部２ｃは環状部９ａの段付き部９ｃと噛み合うように配置されている。リップ部２ｃの内周面は中央流路１０ａと連通する中央流路１０ｂを形成している。これにより、インペラ９とポンプ本体２の隙間から流体が中央流路１０ａに向かって逆流するのを防ぐことができる。

また、図２において、ポンプ本体２の軸方向他端部２ｂには、インペラ９の中心部から外周側に向かって径方向に流体を吐出する吐出側スクロール流路１５が形成されている。具体的には、吐出側スクロール流路１５は、ポンプ本体２の軸方向他端部２ｂに形成された吐出側スクロール溝（凹部）１５ａと、ベース部５ａとの間に形成されている。ポンプ本体２に設けられるポンプ室１６は、吸込み側スクロール流路１４と吐出側スクロール流路１５と、これらを中央流路１０ａ，１０ｂで連通することにより形成されている。尚、吸込側スクロール流路１４及び吐出側スクロール流路１５は、必ずしもポンプ本体２の軸方向端部とベース部との間に形成される必要はなく、ベース部に替えて他の部材であってもよい。

また、図３Ａに示すように、ポンプ本体２には、固定子１７が組み付けられている。固定子１７は、環状に形成されたコアバック部１７ａより径方向内側に向けて固定子極歯１７ｂが放射状に突設された固定子コア１７ｃを備えている。各固定子極歯１７ｂにはコイル１７ｄが巻き付けられている。

図３Ａ，Ｂに示すように、ポンプ本体２をベース部５ａ，５ｂに対して、固定子極歯１７ｂが回転子マグネット１２と径方向に対向させて組み付けることで、吸込み側スクロール流路１４と吐出側スクロール流路１５がインペラ９に形成された中央流路１０ｂ，１０ａを介して連通するようになっている。

上記遠心ポンプ１の構成によれば、インペラ９（環状部９ａ）の外周側から径方向中心部に向かって流体を吸込む吸込み側スクロール流路１４と、インペラ９（羽根部９ｂ）の中心部から外周側に向かって径方向に流体を吐出する吐出側スクロール流路１５と、がポンプ本体２及びインペラ９に形成された中央流路１０ｂ，１０ａを介して連通しているので、ラジアルギャップ型のモータを用いても薄型化を実現することができる。また、吸込み側スクロール流路１４から吐出側スクロール流路１５に至る流路損失が少なくかつこれらが固定子コア１７ｃの軸方向両端面側を囲むように流体が通過するのでコイル１７ｄの発熱を効率良く放熱することができる。

次にポンプ本体２の内部構成について図４を参照して説明する。
図４Ａは、ポンプ本体２の軸方向一端部２ａを示す斜視図であり、流体吸込み側スクロール流路１４が形成されている。ポンプ本体２の外周面に設けられた吸込み孔１４ｂより進入した流体が周方向に旋回しながら吸込み側中心孔１４ｃに向かって案内される。吸込み側スクロール溝１４ａは、仕切り壁１４ｄによって仕切られ、吸込み孔１４ｂから吸込み側中心孔１４ｃ（リップ部２ｃ：図３Ｂ参照）に向かって溝深さが徐々に浅くなるように旋回して形成されている。

これにより、吸込み孔１４ｂよりを通じてポンプ室１６に吸込まれた流体が吸込み側スクロール溝１４ａを旋回しながら吸込み側中心孔１４ｃに向かって案内される。このとき、吸込み側中心孔１４ｃに向かって徐々に溝深さが浅くなるので、流体は中央流路１０ｂを通じてインペラ９側の中央流路１０ａに軸方向に案内される。ポンプ本体２は流体が旋回移動しても、ポンプ室１６の高さは不要であり薄型化しても流路の損失は生じない。

図５Ｂはポンプ本体２の軸方向他端部２ｂを示す斜視図であり、流体吐出側スクロール流路１５が形成されている。中央流路１０ａを通じて吐出側中心孔１５ｂから流入した流体は、インペラ９の羽根部９ｂに沿って周方向に旋回しながらポンプ本体２の外周面に設けられた吐出孔１５ｃまで案内される。吐出側スクロール溝１５ａは、仕切り壁１５ｄによって仕切られ、吐出側中心孔１５ｂから吐出孔１５ｃに向かって溝深さが徐々に深くなるように旋回して形成されている。

これにより中央流路１０ａから吐出側中心孔１５ｂに流入した流体は、インペラ９（羽根部９ｂ）の回転によって加圧されポンプ本体２の外周面に向かって案内される。即ち、吐出側中心孔１５ｂから吐出孔１５ｃに向かって溝深さが徐々に深くなる吐出側スクロール溝１５ａに沿って加圧された流体が旋回しながら送り出され吐出口４より吐出される。このとき、ポンプ本体２は流体が旋回移動しても、ポンプ室１６の高さは不要であり薄型化しても流路の損失は生じない。

ポンプ本体２の軸方向端面には、吸込み側スクロール溝１４ａと吐出側スクロール溝１５ａに流れる流体の流速が一様になるように溝どうしが点対称配置となるように形成されていることが好ましい。具体的には、図２及び図３Ｂに示すように吸込み側スクロール溝１４ａと吐出側スクロール溝１５ａは、ポンプ本体２の軸方向端面に浅溝と深溝とが溝底部を近接するように組み合わせて形成されている。

このように、ポンプ室１６内で径方向に仕切られて形成される吸込み側スクロール溝１４ａと吐出側スクロール溝１５ａに流れる流体の流速が一様になるようにポンプ本体２の軸方向端面に浅溝と深溝とを組み合わせて形成されているので、ポンプ室１６の容積が軸方向に大型化することはなく、薄型化を促進することができるうえに、吸込み口３から吐出口４に至るまでの流路損失を可及的に減らすことができ、ポンプ性能を維持することができる。

図１において、ポンプ本体２と重ね合わせられる一対のベース部５ａ，５ｂとの間には環状シール材１８，１９（Ｏリング等）が設けられていることが好ましい。これにより、吸込み側スクロール流路１４及び吐出側スクロール流路１５の流体のシール性を高めることができる。

ここで、遠心ポンプ１の流体送出動作の一例について説明する。
図２において、電動モータを起動すると、回転子軸８に一体に組み付けられたインペラ９が回転駆動される。
これにより、吸込み口３より流体が吸込み側スクロール流路１４を通じて吸込まれ、吸込み孔１４ｂよりポンプ室１６に吸込まれた流体が吸込み側スクロール溝１４ａに案内されて旋回しながら吸込み側中心孔１４ｃに向かって送られる（図４Ａ参照）。

そして、吸込み側中心孔１４ｃより中央流路１０ｂ，１０ａ（図３Ｂ参照）を通じて流体は吐出側中心孔１５ｂへ送り出される。中央流路１０ａから吐出側中心孔１５ｂに流入した流体は、インペラ９の回転によって吐出側スクロール溝１５ａを旋回しながらポンプ本体２の外周面に向かって案内され、吐出側中心孔１５ｂから吐出側スクロール流路１５を通じて吐出孔１５ｃに向かって加圧され、吐出口４より吐出される（図４Ｂ参照）。

以上説明したように、ラジアルギャップ型の電動モータを用いて薄型化を実現し吸込み側スクロール流路１４から吐出側スクロール流路１５に至る流路損失が少なくかつコイル１７ｄの発熱を格別な冷却構造を設けることなく効率良く放熱することができる遠心ポンプ１を提供することができる。

上述した実施形態では、回転子軸８を中心に同心状に組み付けられるインペラ９は、環状部９ａと羽根部９ｂが一体に樹脂形成されていたが、別部品で構成してもよい。
また回転子軸８を固定して回転子１３及びインペラ９を回転するようにしたが、回転子軸８と共に回転子１３及びインペラ９が一体に回転するようにしてもよい。

１遠心ポンプ２ポンプ本体２ａ軸方向一端部２ｂ軸方向他端部２ｃリップ部３吸込み口４吐出口５ａ，５ｂベース部６固定ボルト７回転子軸７ａＣ型止め輪７ｂスラスト受け８滑り軸受９インペラ９ａ環状部９ｂ羽根部９ｃ段付き部１０ａ，１０ｂ中央流路１１バックヨーク１２回転子マグネット１３回転子１４吸込み側スクロール流路１４ａ吸込み側スクロール溝１４ｂ吸込み孔１４ｃ吸込み側中心孔１４ｄ，１５ｄ仕切り壁１５吐出側スクロール流路１５ａ吐出側スクロール溝１５ｂ吐出側中心孔１５ｃ吐出孔１６ポンプ室１７固定子１７ａコアバック部１７ｂ固定子極歯１７ｃ固定子コア１７ｄコイル１８，１９環状シール材

Claims

ラジアルギャップ型の電動モータによりインペラを回転駆動させて流体をポンプ本体の外周側よりポンプ室に吸い込んで当該ポンプ室から前記ポンプ本体の外周側より吐出させる遠心ポンプであって、
ベース部と、
前記ベース部に少なくとも一端が抜け止めされて起立して支持された回転子軸と、前記回転子軸に回転自在に取り付けられたインペラと、
前記インペラに同心状に組み付けられた回転子マグネットを備えた回転子と、
前記インペラの外周側から径方向中心部に向かって流体を吸込む吸込み側スクロール流路と、前記インペラの径方向中心部から外周側に向かって流体を吐出する吐出側スクロール流路と、前記回転子マグネットと径方向に対向配置される固定子極歯が形成された固定子コアを有する固定子が一体に組み付けられた前記ポンプ本体と、を備え、
前記回転子と前記ポンプ本体とが前記回転子軸を中心として同心状に配置され、前記ポンプ本体に形成された前記吸込み側スクロール流路と前記吐出側スクロール流路とが前記ポンプ本体及び前記インペラに形成された中央流路を介して連通していることを特徴とする遠心ポンプ。
前記吸込み側スクロール流路は、前記ポンプ本体の外周面に設けられた吸込み孔と、前記吸込み孔より進入した流体が周方向に旋回しながら吸込み側中心孔に向かって案内されるように仕切られ、前記吸込み孔から前記吸込み側中心孔に向かって溝深さが浅くなるように形成された吸込み側スクロール溝を備えている請求項１記載の遠心ポンプ。
前記吸込み側スクロール流路は、前記ポンプ本体の軸方向一端部に形成された前記吸込み側スクロール溝と、軸方向一端部に重ね合せられるベース部との間に形成される請求項２記載の遠心ポンプ。
前記吐出側スクロール流路は、前記吸込み側中心孔に前記中央流路を介して連通するように形成された吐出側中心孔と、前記吐出側中心孔から旋回しながら前記ポンプ本体の外周面に設けられた吐出孔に案内されるように仕切られ、前記吐出側中心孔から前記吐出孔に向かって溝深さが深くなるように形成された吐出側スクロール溝を備えている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の遠心ポンプ。
前記吐出側スクロール流路は、前記ポンプ本体の軸方向他端部に形成された前記吐出側スクロール溝と前記軸方向他端部に重ね合せられるベース部との間に形成されている請求項４項記載の遠心ポンプ。
前記ポンプ本体の軸方向端面には、前記吸込み側スクロール流路と前記吐出側スクロール流路に流体の流速が一様になるように浅溝と深溝とが溝底部を近接するように組み合わせて配置されている請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の遠心ポンプ。
前記インペラは前記回転子が組み付けられる環状部と前記回転子軸に組み付けられる羽根部とが一体成形されている請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の遠心ポンプ。