JP2022112973A - ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプの停止時や低速回転時のように動圧軸受の動圧が不十分な運転条件で動作する際に磁石の吸引力によって動圧軸受のスラスト荷重を軽減するように構成されたポンプ装置において、動圧軸受のスラスト荷重軽減のための構造を小型化する。【解決手段】ポンプ装置は、複数の固定子コイルを有するモータ固定子と、前記モータ固定子を収容するモータケーシングと、前記モータ固定子側に永久磁石が埋設された羽根車と、前記羽根車を収容するポンプケーシングと、前記羽根車を支持する軸受組立体と、を備え、前記羽根車は、前記モータ固定子と反対側に配置された第１磁性体を備え、前記ポンプケーシングは、前記羽根車に対向する内面に配置された第２磁性体を備え、前記第１磁性体と前記第２磁性体の一方は、第１磁石と第１ヨークを備え、前記第１磁性体と前記第２磁性体の他方は、少なくとも第２ヨークを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプ装置に関する。特に、本発明は、モータとポンプとが一体的に構成されたポンプ装置において、軸受にかかるスラスト荷重を軽減する技術に関する。

キャンドモータポンプは、モータとポンプとが一体に構成されることによって、ポンプで移送される液体の外部への漏洩防止が図られている。キャンドモータポンプは、永久磁石が埋設された羽根車、固定子、ポンプケーシング、モータケーシング、羽根車のラジアル荷重及びスラスト荷重を支持する軸受組立体を備えている。この軸受組立体は、液体の動圧を利用したすべり軸受（動圧軸受）であり、回転側軸受と固定側軸受との間に導かれた液体に動圧を発生させることで、羽根車を非接触で支持する。

動圧軸受は、回転側軸受が回転することで液体の動圧を発生させるように構成されている。そのため、ポンプの停止時や低速回転時には液体の動圧は発生しないので、羽根車に埋設された永久磁石の吸引力によって回転側軸受と固定側軸受の接触面（軸受面）が強力に接触して、摺動摩擦に起因する起動不良が起こることがある。特許文献１および２には、ポンプの停止時や低速回転時に回転側軸受と固定側軸受の摺動摩擦を低減するために、羽根車とポンプケーシングの内壁に補助用磁石を設け、この磁石の吸引力によって動圧軸受のスラスト荷重を軽減するように構成されたポンプ装置が開示されている。

特許第４４５６８５７号公報 特許第５３７８０１０号公報

本発明の目的の１つは、ポンプの停止時や低速回転時のように動圧軸受の動圧が不十分な運転条件で動作する際に磁石の吸引力によって動圧軸受のスラスト荷重を軽減するように構成されたポンプ装置において、動圧軸受のスラスト荷重軽減のための構造を小型化することである。

［形態１］形態１によれば、複数の固定子コイルを有するモータ固定子と、前記モータ固定子を収容するモータケーシングと、前記モータ固定子側に永久磁石が埋設された羽根車と、前記羽根車を収容するポンプケーシングと、前記羽根車を支持する軸受組立体と、を備えたポンプ装置であって、前記羽根車は、前記モータ固定子と反対側に配置された第１磁性体を備え、前記ポンプケーシングは、前記羽根車に対向する内面に配置された第２磁性体を備え、前記第１磁性体と前記第２磁性体の一方は、第１磁石と第１ヨークを備え、前記第１磁性体と前記第２磁性体の他方は、少なくとも第２ヨークを備える、ポンプ装置が提供される。

［形態２］形態２によれば、形態１のポンプ装置において、前記第１磁性体と前記第２磁性体の前記他方は、さらに第２磁石を備える。

［形態３］形態３によれば、形態１または２のポンプ装置において、前記第１磁石は、内周側の第１リング磁石と、磁極の向きが前記第１リング磁石と逆向きとなるように配置
された外周側の第２リング磁石とを備える。

［形態４］形態４によれば、形態２のポンプ装置において、前記第２磁石は、内周側の第１リング磁石と、磁極の向きが前記第１リング磁石と逆向きとなるように配置された外周側の第２リング磁石とを備える。

［形態５］形態５によれば、形態３または４のポンプ装置において、前記第１リング磁石の径方向の幅は、前記第２リング磁石の径方向の幅よりも広い。

［形態６］形態６によれば、形態１から形態５のいずれか１つの形態のポンプ装置において、前記軸受組立体は動圧軸受である。

［形態７］形態７によれば、形態６のポンプ装置において、前記軸受組立体は、互いに係合する回転側軸受と固定側軸受から構成され、前記回転側軸受は、前記羽根車に固定され、前記固定側軸受は、前記モータケーシングに固定されている。

ポンプ装置の一実施形態を示す断面図である。 ポンプ装置の別の一実施形態を示す断面図である。 ポンプ装置におけるリング磁石の断面図である。 ポンプ装置におけるリング磁石間の吸引力のシミュレーションによる計算例を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。

図１はポンプ装置の一実施形態を示す断面図である。このポンプ装置は、モータとポンプとが一体的に構成されたモータポンプ５０を備えている。図１に示すモータポンプ５０はアキシャルギャップ型ＰＭモータを搭載したキャンドモータポンプである。図１に示すように、モータポンプ５０は、複数の永久磁石５が埋設された羽根車１と、これらの永久磁石５に作用する磁力を発生するモータ固定子６と、羽根車１を収容するポンプケーシング２と、モータ固定子６を収容するモータケーシング３と、モータケーシング３の開口端を閉じるエンドカバー４と、羽根車１のラジアル荷重およびスラスト荷重を支持する軸受組立体１０とを備えている。

モータ固定子６および軸受組立体１０は、羽根車１の吸込側に配置されている。本実施形態では、複数の永久磁石５が設けられているが、本発明は本実施形態に限定されず、複数の磁極が着磁された１つの永久磁石を用いてもよい。具体的には、Ｓ極とＮ極とが交互に着磁された、複数の磁極を有する１つの環状の永久磁石を用いてもよい。

ポンプケーシング２とモータケーシング３との間にはシール部材としてのＯリング９が設けられている。Ｏリング９を設けることにより、ポンプケーシング２とモータケーシング３との間から液体が漏洩することを防止することができる。

モータケーシング３には、吸込口１５ａを有する吸込ポート１５が液密的に連結されている。この吸込ポート１５はフランジ形状を有しており、図示しない吸込ラインに接続される。吸込ポート１５、モータケーシング３、および軸受組立体１０の中心部には、それぞれ液体流路１５ｂ，３ａ，１０ａが形成されている。これら液体流路１５ｂ，３ａ，１０ａは一列に連結され、吸込口１５ａから羽根車１の液体入口まで延びる１つの液体流路を構成する。液体流路１５ｂ，３ａ，１０ａは、羽根車１の液体入口に連通している。

本実施形態に係るモータポンプ５０は、永久磁石５およびモータ固定子６がこれら液体流路１５ｂ，３ａ，１０ａに沿って配置されるアキシャルギャップ型ＰＭモータを搭載したキャンドモータポンプである。

ポンプケーシング２の側面には、吐出口１６ａを有する吐出ポート１６が設けられており、回転する羽根車１によって昇圧された液体は、吐出口１６ａを通って吐き出される。なお、本実施形態に係るモータポンプ５０は、吸込口１５ａと吐出口１６ａが直交する、いわゆるエンドトップ型モータポンプである。

羽根車１は、滑りやすく、かつ摩耗しにくい非磁性材料から形成されている。例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）などの樹脂や、セラミックが好適に使用される。ポンプケーシング２およびモータケーシング３（エンドカバー４を含む）も羽根車１と同じ材料から形成することができる。

羽根車１は単一の軸受組立体１０によって回転自在に支持されている。この軸受組立体１０は流体の動圧を利用した滑り軸受（動圧軸受）である。この軸受組立体１０は、互いに緩やかに係合する回転側軸受１１と固定側軸受１２の組み合わせから構成される。回転側軸受１１は、羽根車１に固定されており、羽根車１の流体入口を囲むように配置されている。固定側軸受１２は、モータケーシング３に固定されており、回転側軸受１１の吸込側に配置されている。この固定側軸受１２は、円筒状の円筒部１３と、円筒部１３から外側に突出するフランジ部１４とを有している。円筒部１３は回転側軸受１１の軸方向に延びている。円筒部１３およびフランジ部１４は一体的に構成されている。

円筒部１３は羽根車１のラジアル荷重を支持するラジアル面（外周面）１２ａを有しており、フランジ部１４は羽根車１のスラスト荷重を支持するスラスト面（側面）１２ｂを有している。ラジアル面１２ａは羽根車１の軸心と平行であり、スラスト面１２ｂは羽根車１の軸心に対して垂直である。回転側軸受１１は固定側軸受１２の円筒部１３の周囲に配置されている。

回転側軸受１１は、固定側軸受１２のラジアル面１２ａに対向する内面１１ａと、内面１１ａとは反対側の外面１１ｂと、内面１１ａと外面１１ｂとの間を延びる側面１１ｃとを有している。回転側軸受１１の側面１１ｃは、固定側軸受１２のスラスト面１２ｂに対向している。回転側軸受１１の内面１１ａとラジアル面１２ａとの間、および回転側軸受１１の側面１１ｃとスラスト面１２ｂとの間には微小な隙間が形成されている。回転側軸受１１と羽根車１との間には図示しないシール部材が設けられており、回転側軸受１１は羽根車１に液密的に固定されている。同様に、固定側軸受１２とモータケーシング３との間には図示しないシール部材が設けられており、固定側軸受１２はモータケーシング３に液密的に固定されている。

羽根車１から吐き出された流体の一部は、羽根車１とモータケーシング３との間の微小な隙間を通って軸受組立体１０に導かれる。回転側軸受１１が羽根車１とともに回転すると、回転側軸受１１と固定側軸受１２との間に流体の動圧が発生し、これにより羽根車１が軸受組立体１０によって非接触に支持される。固定側軸受１２は、直交するラジアル面１２ａおよびスラスト面１２ｂにより回転側軸受１１を支持しているので、羽根車１の傾動は軸受組立体１０により制限される。

モータ固定子６は、固定子コア６Ａと、複数の固定子コイル６Ｂとを有している。これら複数の固定子コイル６Ｂは環状に配列されている。羽根車１およびモータ固定子６は、軸受組立体１０および吸込口１５ａと同心状に配列されている。

固定子コイル６Ｂには、リード線２５が接続されており、モータケーシング３の外面には、コネクタ２７が取り付けられている。固定子コイル６Ｂは、リード線２５およびコネクタ２７を介してインバータ装置２６に接続されている。インバータ装置２６は、電源２８に接続されている。

このインバータ装置２６は、電流をモータ固定子６の固定子コイル６Ｂに供給して、モータ固定子６に回転磁界を発生させる。この回転磁界は羽根車１に埋設されている永久磁石５に作用し、羽根車１を回転駆動する。羽根車１のトルクはモータ固定子６に供給される電流の大きさに依存する。羽根車１にかかる負荷が一定である限り、モータ固定子６に供給される電流は概ね一定である。

羽根車１が回転すると、液体は吸込口１５ａから羽根車１の液体入口に導入される。液体は羽根車１の回転によって昇圧され、吐出口１６ａから吐き出される。羽根車１が液体を移送している間、羽根車１の背面は昇圧された液体によって吸込側に（すなわち吸込口１５ａに向かって）押圧される。軸受組立体１０は、羽根車１の吸込側に配置されているので、羽根車１のスラスト荷重を吸込側から支持する。

羽根車１の軸受組立体１０と反対側の外面には、第１磁石４１と第１ヨーク４２からなる第１磁性体が備えられている。第１ヨーク４２は羽根車１に接し、第１磁石４１は第１ヨーク４２に接している。第１磁石４１および第１ヨーク４２は、例えば、羽根車１と同心の円板またはリングの形状を有する。第１磁石４１および第１ヨーク４２は、羽根車１の軸受組立体１０と反対側の外面の上に固定または取り付けられていてもよいし、当該外面にその一部または全体が埋設されていてもよい。

また、ポンプケーシング２の内壁面のうち羽根車１上の第１磁石４１と対向する面には、第２磁石４３と第２ヨーク４４からなる第２磁性体が備えられている。第２ヨーク４４はポンプケーシング２の内壁面に接し、第２磁石４３は第２ヨーク４４に接している。第２磁石４３および第２ヨーク４４は、例えば、第１磁石４１および第１ヨーク４２と同心の円板またはリングの形状を有する。第２磁石４３および第２ヨーク４４は、ポンプケーシング２の内壁面上に固定または取り付けられていてもよいし、当該内壁面にその一部または全体が埋設されていてもよい。

羽根車１上の第１磁石４１とポンプケーシング２の内壁面上の第２磁石４３は、反対の磁極（すなわちＳ極とＮ極）が向かい合うように配置されている。これにより、羽根車１には、第１磁石４１と第２磁石４３間の吸引力によって羽根車１を軸受組立体１０から浮上させようとする力が作用する。したがって、羽根車１の停止時や低速回転時など、軸受組立体１０の回転側軸受１１と固定側軸受１２との間に十分な動圧が発生していないような状況であっても、軸受組立体１０のスラスト荷重を軽減することができ、その結果、軸受組立体１０における回転側軸受１１と固定側軸受１２との機械的な接触に起因する不具合を防止することができる。

また、第１磁石４１には第１ヨーク４２が隣接して設けられ、第２磁石４３には第２ヨーク４４が隣接して設けられているので、第１磁石４１および第２磁石４３の周りの磁気抵抗が低減し、磁束密度が大きくなる。これにより、第１磁石４１と第２磁石４３間の吸引力が増大し、羽根車１を軸受組立体１０から浮上させようとする力が大きくなる。したがって、小型の第１磁石４１および第２磁石４３を用いて軸受組立体１０のスラスト荷重の大きな軽減効果を得ることが可能となり、第１ヨーク４２および第２ヨーク４４を有しない構成に比べて、モータポンプ５０を小型化することができる。

なお、第１磁石４１と第２磁石４３のうちどちらか一方は省略されてもよい。第１磁石４１と第２磁石４３の一方が省略された構成であっても、羽根車１側の第１磁性体とポンプケーシング２側の第２磁性体との吸引力によって軸受組立体１０のスラスト荷重を軽減することができる。ただし、第１磁石４１と第２磁石４３の両方を用いた構成の方が、羽根車１を軸受組立体１０から浮上させようとする力や、さらには羽根車１がラジアル方向に変位した際に羽根車１の位置を回転軸側へ復元する力をより大きくすることができる。

図２はポンプ装置の別の実施形態に係るモータポンプ５２の断面図である。図２において、前述の図１における構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付す。本実施形態のモータポンプ５２では、羽根車１上の第１磁石が、内周側の第１リング磁石４１Ａと、第１リング磁石４１Ａの外周側に配置された第２リング磁石４１Ｂから構成され、ポンプケーシング２の内壁面上の第２磁石も同様に、内周側の第１リング磁石４３Ａと、第１リング磁石４３Ａの外周側に配置された第２リング磁石４３Ｂから構成される。各リング磁石４１Ａ、４１Ｂ、４３Ａ、および４３Ｂは、羽根車１と同心のリングの形状を有している。モータポンプ５２のこれら４つのリング磁石４１Ａ、４１Ｂ、４３Ａ、および４３Ｂ以外の部分の構成は、図１のモータポンプ５０における各部の構成と同じである。

羽根車１上に備えられた内周側の第１リング磁石４１Ａと外周側の第２リング磁石４１Ｂは、磁極の向きが互いに反対となるように配置されている。同様に、ポンプケーシング２の内壁面上に備えられた内周側の第１リング磁石４３Ａと外周側の第２リング磁石４３Ｂも、磁極の向きが互いに反対となるように配置されている。羽根車１上の第１リング磁石４１Ａとポンプケーシング２の内壁面上の第１リング磁石４３Ａは、磁極が同じ向きに向けられている（なお、第１リング磁石４１ＡのＮ極とＳ極がどちら側であるかは任意である）。

このような配置により、磁束が順に第１リング磁石４１Ａ、第１リング磁石４３Ａ、第２ヨーク４４、第２リング磁石４３Ｂ、第２リング磁石４１Ｂ、第１ヨーク４２を通るように磁気回路が形成される。そのため、周りの空間への磁束の漏れが減少し、磁束密度が大きくなる。これにより、羽根車１を軸受組立体１０から浮上させようとする力が大きくなる。したがって、小型の各リング磁石４１Ａ、４１Ｂ、４３Ａ、および４３Ｂを用いながらも、軸受組立体１０における回転側軸受１１と固定側軸受１２との機械的な接触に起因する不具合を防止することができる。

なお、各リング磁石４１Ａ、４１Ｂ、４３Ａ、および４３Ｂは、周方向に同一の磁極を持つように構成されている。そのため、羽根車１の回転に伴う磁極の切り替わりが生じないので、渦電流は発生せず、モータポンプ５２の運転に悪影響が及ぶことはない。

図３は、モータポンプ５２におけるリング磁石の断面図である。図示されるように、内周側の第１リング磁石４１Ａ、４３Ａの径方向の幅Ｗ１は、外周側の第２リング磁石４１Ｂ、４３Ｂの径方向の幅Ｗ２よりも広い。このような構成により、羽根車１上の各リング磁石４１Ａおよび４１Ｂとポンプケーシング２の内壁面上の各リング磁石４３Ａおよび４３Ｂとの間の吸引力、すなわち羽根車１を軸受組立体１０から浮上させようとする力をより増大させることができる。その理由について以下に説明する。

図４は、モータポンプ５２におけるリング磁石間の吸引力のシミュレーションによる計算例を示すグラフである。図４において、横軸は、内周側と外周側のリング磁石の径方向の幅の和に対する内周側のリング磁石の径方向の幅の比Ｗ１／（Ｗ１＋Ｗ２）を表し、縦軸は、羽根車１上のリング磁石４１Ａ、４１Ｂとポンプケーシング２の内壁面上のリング磁石４３Ａ、４３Ｂとの間の吸引力を表す。このシミュレーション結果から、内周側の第１リング磁石４１Ａ、４３Ａの径方向の幅Ｗ１を外周側の第２リング磁石４１Ｂ、４３Ｂ
の径方向の幅Ｗ２よりも広くすることで、羽根車１上のリング磁石４１Ａ、４１Ｂとポンプケーシング２の内壁面上のリング磁石４３Ａ、４３Ｂとの間の吸引力が増大することが理解される。

以上、いくつかの例に基づいて本発明の実施形態について説明してきたが、上記した発明の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明には、その均等物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。

１ 羽根車
２ ポンプケーシング
３ モータケーシング
３ａ 液体流路
４ エンドカバー
５ 永久磁石
６ モータ固定子
６Ａ 固定子コア
６Ｂ 固定子コイル
９ Ｏリング
１０ 軸受組立体
１０ａ 液体流路
１１ 回転側軸受
１２ 固定側軸受
１２ａ ラジアル面
１２ｂ スラスト面
１３ 円筒部
１４ フランジ部
１５ 吸込ポート
１５ａ 吸込口
１５ｂ 液体流路
１６ 吐出ポート
１６ａ 吐出口
２５ リード線
２６ インバータ装置
２７ コネクタ
２８ 電源
４１ 第１磁石
４１Ａ 第１リング磁石
４１Ｂ 第２リング磁石
４２ 第１ヨーク
４３ 第２磁石
４３Ａ 第１リング磁石
４３Ｂ 第２リング磁石
４４ 第２ヨーク
５０ モータポンプ
５２ モータポンプ

Claims (7)

1. 複数の固定子コイルを有するモータ固定子と、
   前記モータ固定子を収容するモータケーシングと、
   前記モータ固定子側に永久磁石が埋設された羽根車と、
   前記羽根車を収容するポンプケーシングと、
   前記羽根車を支持する軸受組立体と、
   を備えたポンプ装置であって、
   前記羽根車は、前記モータ固定子と反対側に配置された第１磁性体を備え、
   前記ポンプケーシングは、前記羽根車に対向する内面に配置された第２磁性体を備え、
   前記第１磁性体と前記第２磁性体の一方は、第１磁石と第１ヨークを備え、
   前記第１磁性体と前記第２磁性体の他方は、少なくとも第２ヨークを備える、
   ポンプ装置。
2. 前記第１磁性体と前記第２磁性体の前記他方は、さらに第２磁石を備える、請求項１に記載のポンプ装置。
3. 前記第１磁石は、内周側の第１リング磁石と、磁極の向きが前記第１リング磁石と逆向きとなるように配置された外周側の第２リング磁石とを備える、請求項１または２に記載のポンプ装置。
4. 前記第２磁石は、内周側の第１リング磁石と、磁極の向きが前記第１リング磁石と逆向きとなるように配置された外周側の第２リング磁石とを備える、請求項２に記載のポンプ装置。
5. 前記第１リング磁石の径方向の幅は、前記第２リング磁石の径方向の幅よりも広い、請求項３または４に記載のポンプ装置。
6. 前記軸受組立体は動圧軸受である、請求項１から５のいずれか１項に記載のポンプ装置。
7. 前記軸受組立体は、互いに係合する回転側軸受と固定側軸受から構成され、前記回転側軸受は、前記羽根車に固定され、前記固定側軸受は、前記モータケーシングに固定されている、請求項６に記載のポンプ装置。

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