JP2020094496A - 遠心ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】遠心ポンプの大型化を抑制しつつ、軸受の冷却効率を高める。【解決手段】遠心ポンプ１０は、モータ１８により回転されるシャフト６５と、シャフト６５を回転可能に支持する軸受７０，７２と、シャフト６５の一端部に同軸に固定されているインペラ１６とを有する。インペラ１６は、略円板状の基部４４を有し、基部４４の軸受７０，７２と反対側である正面側には第１羽根５４が延在している。基部４４は、正面側にインペラ１６の軸線方向に沿った断面における軸線方向への突出量が外周から中心部に向かうに従い大きくなる凸部と、軸線方向において凸部の反対側に凹部とを有する。凹部には、軸受７０，７２側へ流体を流動する第２羽根５６が設けられている。【選択図】図１

Description

本明細書に開示の技術は、遠心ポンプに関する。

通常、遠心ポンプは、モータの発熱や各部品における摩擦熱などの熱によって部品の劣化が起こり得る。そのため、特に継続して使用する用途において、遠心ポンプには適切な冷却機構を設けることで、熱による部品の劣化を防ぎ、製品寿命を保つことが望まれる。

例えば特許文献１では、半導体部品等を含む制御部がインペラの背面に面する金属製のシートに熱的に接続されている。これにより制御部が効率よく冷却されている。更に、特許文献１の遠心ポンプは、稼働時に生じるポンプ室内の圧力差を利用することにより、気体をポンプ室内から軸受やモータハウジング内に循環させて、各部品を冷却している。

国際公開第２０１６／１６９６１１号

しかし、特許文献１の遠心ポンプの場合、ポンプ室内の圧力差を利用して軸受等に向けて気体を流動させるため、流動する気体の量が少なく、軸受の冷却効率が低い。また、冷却効率を向上するために別途冷却装置を設置すると、遠心ポンプが大型化してしまい好ましくない。上記問題点を解決するための、本明細書が開示する技術の課題は、軸受の冷却を好適に行うことである。

上記課題を解決するために、本明細書に開示の遠心ポンプは次の手段をとる。

第１の手段は、モータにより回転されるシャフトと、前記シャフトを回転可能に支持する軸受と、前記シャフトの一端部に同軸に固定されているインペラと、を有する遠心ポンプであって、前記インペラは、略円板状の基部と、前記基部の前記軸受と反対側である正面側に延在する第１羽根とを有し、前記基部は、前記正面側に前記インペラの軸線方向に沿った断面における前記軸線方向への突出量が外周から中心部に向かうに従い大きくなる凸部と、前記軸線方向において前記凸部の反対側に凹部と、を有し、前記凹部には、前記軸受側へ流体を流動する第２羽根が設けられている、遠心ポンプである。

上記第１の手段によれば、凹部に第２羽根が設けられているため、遠心ポンプの稼働中に、凹部内の流体が軸受側に圧送される。この流体の流れにより、軸受の冷却効率を向上することができる。更に、第２羽根は凹部に設けられているため、遠心ポンプの軸線方向における大型化を抑制することができる。

第２の手段は、上述した第１の手段の遠心ポンプであって、前記インペラは、前記基部の前記正面側から背面側へと貫通しており且つ前記凹部に開口する連通孔を有する、遠心ポンプである。

上記第２の手段によれば、インペラの正面側に存在する流体の一部が連通孔を通って凹部内へと導かれる。そのため、凹部に設置された第２羽根により軸受側に流動される流体の量を増加させることができ、結果的に軸受の冷却効率を改善することができる。

第３の手段は、上述した第２の手段の遠心ポンプであって、前記連通孔は、前記インペラの前記正面側において、前記インペラの回転方向における前記第１羽根の前面に隣接する位置に開口している、遠心ポンプである。

上記第３の手段によれば、連通孔の正面側の開口部における流体圧力を高めることにより、より多くの流体をインペラの正面側から凹部内へと流すことができる。これにより、第２羽根によって軸受側に流動される流体の量が増加するため、軸受の冷却効率を改善することができる。

第４の手段は、上述した第１の手段から第３の手段のいずれか１つの遠心ポンプであって、前記軸受を保持し且つ一端が前記インペラの背面に対向する略筒状のベアリングホルダと、前記ベアリングホルダが固定されており、前記インペラの背面に対向するケーシング部材と、を更に有し、前記ベアリングホルダは、前記ケーシング部材より熱伝導性が高い材料により構成されている、遠心ポンプである。

上記第４の手段によれば、熱伝導性が高いベアリングホルダを介して軸受を更に冷却することができるため、軸受がケーシング部材に直接保持されている場合と比べて軸受の冷却効率を向上することができる。

第５の手段は、上述した第４の手段の遠心ポンプであって、前記ベアリングホルダは、前記インペラ側の端部から径方向外方へ延びるフランジ部を有する遠心ポンプである。

上記第５の手段によれば、ベアリングホルダの流体との接触面積が増加するため、ベアリングホルダの冷却効率を向上することができる。それにより、ベアリングホルダを介した軸受の冷却効率も同様に向上することができる。

第６の手段は、上述した第５の手段の遠心ポンプであって、前記シャフトに固定されており、且つ前記インペラの背面側において、前記軸受の前記インペラ側の面に対向するように径方向外方に延びるカバーを更に有する、遠心ポンプである。

上記第６の手段によれば、軸受のインペラに対向する面がカバーによって覆われているため、流体に混入する異物が軸受内部に侵入しにくくなる。また、第２羽根により圧送された流体が直接軸受内部に吹き付けることを防止できるため、流体の吹き付け圧力によるグリス抜けを抑制できる。これにより、軸受の劣化を防止できる。

本明細書に開示の遠心ポンプは、上述の手段をとることにより、大型化することなく軸受の冷却を好適に行うことができる。

本開示の実施形態にかかる遠心ポンプを示す断面図である。 図１に示す遠心ポンプのインペラの上面図である。 図２に示すインペラの下面図である。 図２及び図３のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。 図２及び図３のＶ−Ｖ線矢視断面図である。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、例えば、自動車等の車両に搭載され、キャニスタから内燃機関（エンジン）の吸気通路へのパージ量を補填するためのパージポンプとして用いられる遠心ポンプ１０を例示する。図１は遠心ポンプ１０を示す断面図である。なお、図１を基準として左右方向、上下方向を定める。但しこれらの方向は、遠心ポンプ１０の配置方向を特定するものではない。

（遠心ポンプ１０の概要）
図１に示すように、遠心ポンプ１０は、モータ１８と、モータ１８で発生したトルクにより回転するインペラ１６と、モータ１８及びインペラ１６を収容するケーシング１４とを備える。

モータ１８は、一般的なブラシレスモータであり、中空円筒状のロータ６０と、下端がロータ６０の中空部分に同軸に挿入されたシャフト６５と、ロータ６０の外周を取り囲むステータ６２とを備える。ロータ６０は、シャフト６５の軸線に対して周方向に複数の磁極を有する永久磁石によって構成されている。ステータ６２は、ロータ６０の外周を、ロータ６０から所定の距離だけ離間した位置において取り囲む複数のコイル（図示せず）を備える。

シャフト６５の上端は、インペラ１６の中心孔４８（詳細は後述）に同軸に挿入されている。これにより、シャフト６５は、ロータ６０と、ステータ６２との間で生じたトルクをインペラ１６へと伝える。また、シャフト６５には、樹脂製のカラー８０が固定されている。カラー８０は、インペラ１６とシャフト６５とで挟持されている略円筒状の筒状部８２と、筒状部８２の下端から径方向外側へ延在する円環状のカバー部８４とにより形成されている。

ケーシング１４は、いずれも樹脂製の第１ケーシング部２０と、第２ケーシング部２２とを備える。第１ケーシング部２０と、第２ケーシング部２２とにより、インペラ１６を収容するためのポンプ室２４が形成されている。ポンプ室２４は、インペラ１６がポンプ室２４の内壁に干渉することなく回転可能な空間を有する。第１ケーシング部２０には、上方向に突出する円筒状の吸入部２６が形成されている。吸入部２６内には、ポンプ室２４内外を連通する吸入通路２８が形成されている。更に、第１ケーシング部２０には、インペラ１６の外周の接線方向（図１において右方）に突出する吐出部３０が形成されている。吐出部３０内には、ポンプ室２４内外を連通する吐出通路３２が形成されている。

第２ケーシング部２２の上部には、軸受７０，７２を保持するためのベアリングホルダ７４が取り付けられている。ベアリングホルダ７４は、中空円筒状の筒状部７６と、筒状部７６の上端から径方向外側へ延在する環状のフランジ部７８とにより形成されている。筒状部７６は、シャフト６５の軸方向に沿って連続して配置された２つの軸受７０、７２の外周面を覆っている。また、筒状部７６の上端はポンプ室２４に露出しており、インペラ１６の背面に対向している。フランジ部７８の上面もポンプ室２４に露出しており、第２ケーシング部２２の上面のうちポンプ室２４の下面を規定する部分と連続した平坦な面を形成している。ベアリングホルダ７４は、第２ケーシング部２２よりも熱伝導性が高い材質により構成される。このような材質としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等が挙げられる。

軸受７０、７２は、周知のボールベアリングからなり、外輪がベアリングホルダ７４の筒状部７６内に固定されており、内輪がシャフト６５に固定されている。すなわち、軸受７０、７２は、シャフト６５を回転可能に支持している。軸受７０の直径はカラー８０のカバー部８４の直径より小さく設定されているため、軸受７０の上面全体が対向するカバー部８４により覆われている。

第２ケーシング部２２の下端部には、制御部１２が収容されている。制御部１２は、リード線を介して外部電源（例えば、車両に搭載されているバッテリ）に接続された外部コネクタに接続されている（リード線、外部電源、外部コネクタは図示を省略）。制御部１２は、外部電源から供給される電力をステータ６２に供給する。

（インペラ１６の構造）
次に、インペラ１６の構造を詳細に説明する。なお、図１におけるインペラ１６の上面を正面、下面を背面と称する。図２はインペラ１６の上面図、図３はインペラ１６の下面図である。また、図４及び５は、それぞれインペラ１６の断面図である。なお、インペラ１６の回転方向は、図２においては時計回り方向、図３においては反時計回り方向とする。図２、４及び５に示すように、インペラ１６は、略円板状の基部４４と、基部４４の正面側から上向きに突出し、かつ放射状に延在する複数（本実施形態では６本）の第１羽根５４とを備える。

基部４４は、円環状の平板部４９と、平板部４９の内側に位置し且つ上方に突出する凸部５０とを有している。より詳細には、平板部４９は、上面視（図２参照）における基部４４の外周端と、この外周端から所定距離だけ円の中心部側に位置する内周円とにより形成される円環部分に相当する。平板部４９の厚みは一定であり、その上面の高さはあらゆる位置において等しい。凸部５０は、平板部４９の内周端から基部４４の中心部に向かうにつれて上方に突出している。すなわち、図４及び５に示すように、凸部５０は、外周側から中心部に向かうに従い軸線方向の突出量が大きくなる。基部４４の中央部には、基部４４を上下方向に貫通する中心孔４８が同心状に形成されている。図２に示すように、第１羽根５４は、平板部４９の外周端から凸部５０の内周端付近まで延在している。

基部４４は、図３及び図４に示すように、凸部５０の背面側、すなわち軸線方向における反対側に凹部５２を有する。凹部５２は略円環状の溝である。凹部５２の外径は凸部５０の外径とほぼ同一であり、その径方向の幅は基部４４の半径の約３分の１に設定されている。また、凹部５２は、半径方向外方から中心部に向かうにつれてその深さが深くなっている。図３及び図５に示すように、凹部５２には、下向きに突出し、放射状に延在する、複数（本実施形態では６本）の第２羽根５６が形成されている。第２羽根５６の下面は、平板部４９の下面と同一平面に形成されている。すなわち、第２羽根５６の上下方向における突出高さは、第２羽根５６が凹部５２内に収まる高さに設定されている。

図２及び４に示すように、インペラ１６には、基部４４の正面側から背面側へと上下方向に貫通しており、凹部５２に開口する複数（本実施形態では６個）の連通孔４６が形成されている。また、図２に示すように、連通孔４６は、インペラ１６の正面側では、インペラ１６の回転方向（図２においては時計回り方向）における第１羽根５４の前面５５に隣接する位置に開口している。一方、図３に示すように、連通孔４６は、インペラ１６の背面側では、インペラ１６の回転方向（図３においては反時計回り方向）において、第２羽根５６の前面５７から離間した位置に開口している。

なお、インペラ１６を第２ケーシング部２２に取り付ける際には、最初にシャフト６５にインペラ１６、ロータ６０、軸受７０，７２、ベアリングホルダ７４及びカラー８０を組み付けて一体化する。そして、第２ケーシング部２２の上部に形成されたベアリングホルダ７４の取付箇所にベアリングホルダ７４を嵌め込むことにより取り付けられる。なお、ベアリングホルダ７４の取付は、圧入、焼きかしめ、接着、熱かしめ等により行うことができる。

（遠心ポンプ１０の動作）
続いて、図１に基づき遠心ポンプ１０の動作について説明する。ステータ６２は、制御部１２から電力を供給されると、磁界を発生させる。するとロータ６０が回転し、その回転に伴って、シャフト６５、軸受７０、７２の内輪及びインペラ１６が一体的に回転する。インペラ１６が回転されることで、インペラ１６の正面側において流体が圧送される。より詳しくは、インペラ１６の回転によって、吸入部２６内の吸入通路２８を通って流体（パージガス）がポンプ室２４内に吸入される（図１中、矢印Ｙ１参照）。その流体は、ポンプ室２４内において、インペラ１６の回転によって回転方向前方へ圧送されることで昇圧された後、吐出部３０内の吐出通路３２を通って吐出される（図１中、矢印Ｙ２参照）。

また、第１羽根５４により回転方向前方に圧送される流体の一部は、連通孔４６（図４参照）を通って、凹部５２内へと導かれる。そして、凹部５２に形成された第２羽根５６が、回転に伴い、凹部５２内に存在する流体を軸受７０，７２側、より詳しくは下方かつ径方向外方へ圧送する。第２羽根５６により凹部５２内から下方かつ径方向外方へ圧送された流体は、軸受７０の上方を覆うカバー部８４や、第２ケーシング部２２に埋め込まれたフランジ部７８と接触して、ポンプ室２４の径方向外側へと流れる。なお、本明細書において「軸受側へ流体を流動する」とは、インペラ１６やシャフト６５の軸線方向において軸受７０，７２が位置する方向へ流体を流動することを意味しており、流体が流動する方向の直線上に軸受が存在することを必ずしも意味しない。

（本実施形態の利点）
遠心ポンプ１０を稼働させると、上述のように、ロータ６０の回転に伴って、シャフト６５、軸受７０、７２の内輪及びインペラ１６が一体的に回転する。回転の間、軸受７０、７２の内部では、摩擦により熱が発生する。このため、遠心ポンプ１０を継続して稼働させると、軸受７０、７２の構成部材、すなわち、内輪、外輪及びベアリングボールが摩耗する、及び、軸受７０、７２の内部に付着させたグリスが変質する等の劣化が生じる。そこで、軸受７０、７２を冷却させる機構が望まれる。本実施形態の遠心ポンプ１０によると、凹部５２に第２羽根５６が設けられているため、遠心ポンプ１０の稼働中に、凹部５２内の流体が軸受７０側に圧送される。この流体の流れにより、軸受７０が冷却され相対的に軸受７２よりも低温になるため、軸受７２の熱は軸受７０へと移る。その結果、軸受７０、７２の両方を冷却することができる。

更に、第２羽根５６は凹部５２内に設けられているため、凹部５２を形成することなく第２羽根５６を設ける場合と比べて遠心ポンプ１０の上下方向、すなわち軸線方向における大型化を抑制することができる。

また、インペラ１６は、基部４４の正面側から背面側へと貫通しており、凹部５２に開口する連通孔４６を有する。インペラ１６が回転している状態において、正面側の連通孔４６の開口部における流体の圧力は、背面側、すなわち凹部５２側の開口部における圧力よりも高い。そのため、第１羽根５４により回転方向前方に圧送される流体の一部は、連通孔４６を通って凹部５２内へと導かれる。結果として、連通孔４６が開口していない場合と比較して、より多くの流体を凹部５２内へと導入し、軸受７０，７２側へと流すことができるため、軸受７０、７２の冷却効率を改善することができる。

また、インペラ１６の正面側では、連通孔４６は、インペラ１６の回転方向において、第１羽根５４の前面５５に隣接する位置に開口している。また、ポンプ室２４内のインペラ１６の正面側に存在する流体は、インペラ１６の回転方向において第１羽根５４の前方の領域において最も圧力が高くなる。そのため、連通孔４６が、インペラ１６の回転方向において第１羽根５４の前面から離間した位置に形成されている場合と比較して、より多くの流体を凹部５２内へと流すことができ、ひいては軸受７０、７２の冷却効率を改善することができる。

また、インペラ１６の背面側では、連通孔４６が、インペラ１６の回転方向において、第２羽根５６の前面５７から離間する位置に開口している。そのため、凹部５２内に導かれた流体が、第２羽根５６により圧送され連通孔４６を通ってインペラ１６の正面側へと導かれること、すなわち流体が意図される向きとは逆の向きへと流れることが抑制される。

また、軸受７０、７２は、インペラ１６の背面に対向するベアリングホルダ７４の筒状部７６により外周面を覆われており、かつベアリングホルダ７４は、第２ケーシング部２２よりも熱伝導性が高い材質により構成されている。これにより、軸受７０，７２はベアリングホルダ７４を介して効率よく放熱を行うことができるため、第２ケーシング部２２が直接軸受７０、７２を覆う場合と比較して、軸受７０、７２の冷却効率を改善することができる。

また、ベアリングホルダ７４は、筒状部７６の上端から径方向外方へ延びるフランジ部７８を有する。そのため、ベアリングホルダ７４がフランジ部７８を有さない場合と比較して、ベアリングホルダ７４の流体との接触面積が増加するため、軸受７０、７２の冷却効率を改善することができる。

また、遠心ポンプ１０は、シャフト６５及びインペラ１６の間に挟持されている筒状部８２と、筒状部８２の下端部から径方向外方へ延在するカバー部８４とにより形成されるカラー８０を有する。カバー部８４は、軸受７０の上方を覆っている。そのため、流体が軸受７０の上面に直接的に接触して、流体に含まれる異物が軸受７０に混入すること、及び流体の圧力により軸受７０の内部からグリスが抜け落ちることを抑制することができる。

［他の実施形態］
本明細書に開示の遠心ポンプは、上記した実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、連通孔４６は、インペラ１６の正面側において、インペラ１６の回転方向における第１羽根５４の前面５５から離間した位置に開口していてもよい。また、複数の第１羽根５４の全てについて、インペラ１６の回転方向において前面５５に隣接する位置に連通孔４６が開口していなくてもよい。例えば、上記実施形態では、第１羽根５４は６本形成され、連通孔４６も６個形成されていたが、連通孔４６は１〜５個開口していてもよい。また、連通孔４６はインペラ１６の背面側において凹部５２に開口していればよく、インペラ１６の軸線方向に対して平行でなくてもよい。又は、インペラ１６に、連通孔４６が形成されていなくてもよい。

ベアリングホルダ７４は、フランジ部７８を有さず、筒状部７６のみによって構成されていてもよい。あるいは、遠心ポンプ１０は、ベアリングホルダ７４を有していなくてもよい。また、遠心ポンプ１０は、カラー８０を有していなくてもよい。但し、カラー８０を有さない場合は、異物混入及びグリス抜け防止の観点より、少なくとも軸受７０の上面がシールされていることが望ましい。

上記実施形態では、第１羽根５４は、基部４４から上方に向かって突出し放射状に延在する、いわゆる平板状に形成されていたが、これとは異なる形状をしていてもよい。例えば、基部４４から斜めに突出し、平面視で径方向内側から外側へ向かって曲線状に延在していてもよい。同様に、第２羽根５６は凹部５２から下方に向かって突出し放射状に延在する、いわゆる平板状に形成されていたが、これとは異なる形状をしていてもよい。例えば、凹部５２から斜めに突出し、平面視で径方向内側から外側へ向かって曲線状に延在していてもよい。２つの軸受７０、７２は隣接していなくてもよく、軸受７２を、軸受７０から下方へ離間した位置、例えばロータ６０の下側に配置してもよい。

本開示の遠心ポンプ１０は、パージガス以外の流体、例えば、空気等の気体、あるいは、水、燃料等の液体の圧送に用いるポンプに適用してもよい。また、本開示の遠心ポンプ１０は、パージポンプに限らず、内燃機関の冷却水を循環するウォータポンプに適用してもよい。また、モータ１８は、ブラシ付きモータであってもよい。

１０ 遠心ポンプ
１６ インペラ
１８ モータ
２２ 第２ケーシング部（ケーシング部）
４４ 基部
４６ 連通孔
５０ 凸部
５２ 凹部
５４ 第１羽根
５５ 前面
５６ 第２羽根
６５ シャフト
７０，７２ 軸受
７４ ベアリングホルダ
７８ フランジ部
８４ カバー部（カバー）

Claims (6)

1. モータにより回転されるシャフトと、
   前記シャフトを回転可能に支持する軸受と、
   前記シャフトの一端部に同軸に固定されているインペラと、
   を有する遠心ポンプであって、
   前記インペラは、略円板状の基部と、前記基部の前記軸受と反対側である正面側に延在する第１羽根とを有し、
   前記基部は、前記正面側に前記インペラの軸線方向に沿った断面における前記軸線方向への突出量が外周から中心部に向かうに従い大きくなる凸部と、前記軸線方向において前記凸部の反対側に凹部と、を有し、
   前記凹部には、前記軸受側へ流体を流動する第２羽根が設けられている、遠心ポンプ。
2. 請求項１に記載の遠心ポンプであって、
   前記インペラは、前記基部の前記正面側から背面側へと貫通しており且つ前記凹部に開口する連通孔を有する、遠心ポンプ。
3. 請求項２に記載の遠心ポンプであって、
   前記連通孔は、前記インペラの前記正面側において、前記インペラの回転方向における前記第１羽根の前面に隣接する位置に開口している、遠心ポンプ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の遠心ポンプであって、
   前記軸受を保持し且つ一端が前記インペラの背面に対向する略筒状のベアリングホルダと、
   前記ベアリングホルダが固定されており、前記インペラの背面に対向するケーシング部材と、
   を更に有し、
   前記ベアリングホルダは、前記ケーシング部材より熱伝導性が高い材料により構成されている、遠心ポンプ。
5. 請求項４に記載の遠心ポンプであって、
   前記ベアリングホルダは、前記インペラ側の端部から径方向外方へ延びるフランジ部を有する、遠心ポンプ。
6. 請求項５に記載の遠心ポンプであって、
   前記シャフトに固定されており、且つ前記インペラの背面側において、前記軸受の前記インペラ側の面に対向するように径方向外方に延びるカバーを更に有する、遠心ポンプ。

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