JP3849526B2 - 超薄型ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超薄型ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＰＵ等の電子部品を効率良く冷却する冷却システムが望まれており、これに対応する冷却方法として冷媒を循環させて冷却する冷媒式冷却システムが注目されてきている。また、このような冷却システムの冷媒循環用ポンプは、搭載スペースに制約が多いことから小型、薄型化に対する要求が高まりつつある。
【０００３】
従来の小型ポンプとしては、特開２００１−１３２６９９号公報に記載されている小型遠心ポンプがある。以下、従来の小型遠心ポンプについて図４を用いて説明する。図４は従来の小型遠心ポンプの構造図である。１０１は羽根車、１０２はこの羽根車１０１を回転自在に支承する固定軸、１０３は固定軸１０２の端部を固定し、羽根車１０１を収納すると同時に羽根車１０１が流体に与えた運動エネルギーを圧力回復して吐出口へと導くためのポンプ室を有するポンプケーシング、１０４は羽根車１０１の一部をなす後面シュラウド、１０５は同じく羽根車１０１の一部をなし羽根車１０１の中央に吸水開口が形成された前面シュラウド、１０６は羽根車１０１の後面シュラウド１０４に固定されたロータマグネット、１０７はロータマグネット１０６の内周側に設けられたモータステータ、１０８はロータマグネット１０６とモータステータの間に設けられポンプ室を密閉するための防水隔壁、１０９は吸込口、１１０は吐出口である。
【０００４】
この従来の遠心形ポンプの作用を説明すると、外部電源から電力を供給されると、遠心形ポンプに設けられた電気回路により制御された電流がコイル１０６に流れ、回転磁界が発生する。この回転磁界がロータマグネット１０６に作用するとロータマグネット１０６に物理力が発生する。ところで、このロータマグネット１０６は羽根車１０１に固定されており、羽根車１０１は固定軸１０２に回転自在に支承されているため、羽根車１０１に回転トルクが作用し、この回転トルクにより羽根車１０１が回転を始める。羽根車１０１の前面シュラウド１０５および後面シュラウド１０４の間に設けられた羽根は、羽根車１０１の回転によって流体に運動量変化を与え、吸込口１０９から流入する流体は運動エネルギーを羽根車１０１から受取ることになる。もちろん、羽根車１０１内で羽根出口へ向けて流路面積が拡大しているのであれば、羽根車１０１内で一部圧力回復されることになる。羽根車１０１の羽根出口から流出した流体は、ケーシング１０３に設けられたディフューザーで与えられた運動エネルギーを圧力回復することになり、吐出口１１０へと導かれる。
【０００５】
このように、従来の小型遠心ポンプではアウターロータ方式で薄型羽根車を駆動することで、ポンプの小型、薄型化を図っている。しかし、このような従来の小型遠心ポンプでは、流体を羽根車中央の吸水開口に供給させるためポンプ室には軸方向の吸込部が必要となるため、ポンプ全体の回転軸方向の長さを小さくする目的、即ち、薄型化に対し妨げとなる構成であった。また、半径方向から吸込み、半径方向に吐き出す構造の薄型化に適した渦流ポンプ（摩擦ポンプ）も公知であるが、ポンプを渦流ポンプにしたとしても、羽根車は中央の固定軸と連結されるため円盤状となりその上下にポンプ室を密封するための防水隔壁が必要で回転軸方向においてモータステータと防水隔壁および羽根車が重なるため、薄型化するのは限界があった。
【０００６】
そこで、このような問題を改善したものとして、本発明者らは本発明に先立って次のような技術を提案した。以下、本発明者らが検討した超薄型ポンプについて図面を参照しながら詳細に説明する。図５は本発明者らが検討した超薄型ポンプの全体構成を示す断面図である。
【０００７】
２０１はリング状羽根車であり、外周に多数の羽根２０２が形成され、内周にロータマグネット２０３が設けられている。２０４はロータマグネット２０３の内周側に設けられたモータステータ、２０５はリング状羽根車２０１を収容すると同時にリング状羽根車２０１が流体に与えた運動エネルギーを圧力回復して吐出口へと導くためのポンプ室を有するポンプケーシング、２０６はポンプケーシングの一部をなしリング状羽根車２０１を収納した後ポンプ室を密閉するためのケーシングカバーである。ポンプケーシング２０５には、モータステータ２０４とロータマグネット２０３の間に配設しリング状羽根車２０１を回転自在に軸支するための円筒部２０７が形成されるとともに、リング状羽根車２０１の側面のスラスト荷重を受けるためのスラスト板２０８が形成されている。スラスト板２０８はケーシングカバー２０６側にも形成されている。２０９は吸込口、２１０は吐出口である。
【０００８】
次に、この超薄型ポンプの作用を説明すると、外部電源から電力を供給されると、超薄型ポンプに設けられた電気回路により制御された電流がモータステータ２０４のコイルに流れ、回転磁界が発生する。この回転磁界がロータマグネット２０３に作用するとロータマグネット２０３に物理力が発生する。ところで、このロータマグネット２０３はリング羽根車２０１と一体化されており、リング状羽根車２０１はポンプケーシング２０５の円筒部２０７に回転自在に軸支されているため、リング状羽根車２０１に回転トルクが作用し、この回転トルクによりリング状羽根車２０１が回転を始める。リング状羽根車２０１の外周に設けられた羽根２０２はリング状羽根車２０１の回転によって吸込口２０９から流入した流体に運動エネルギーを与え、その運動エネルギーによりポンプケーシング２０５内の流体の圧力が徐々に高められ吐出口２１０から吐き出される。
【０００９】
このように本薄型ポンプでは、羽根とロータマグネットおよび回転軸とを一体化してリング状羽根車を形成し、その中にモータステータを挿入することでポンプ全体の回転軸方向の長さを極力小さくし、ポンプの超薄型化を実現している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の超薄型ポンプでは、リング状羽根車が回転する際、リングの両側面および内周面がポンプケーシングのスラスト板および円筒部と摺動するため摺動面積が大きく、中心に極小径の軸を有し摺動部の少ない従来の小型遠心ポンプに比べて、摩擦損失による性能低下が無視できないという問題があった。また、摩耗による寿命低下や摺動接触による振動・騒音増加などの問題もあった。そして、これらの問題は、従来では考えられない数ｃｍオーダーで数ｍｍオーダーの薄さの超薄型ポンプで高効率のポンプを実現するためには、避けては通れない本質的な難題であった。
【００１１】
そこで、本発明は、超薄型化を達成しながら、高性能化、長寿命化、低騒音化が実現できる超薄型ポンプを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明の超薄型ポンプは、マグネットロータの厚みのセンタ位置がモータステータの厚みのセンタ位置より重力方向にずらされ、このずれによる磁気力で羽根車に作用する力をキャンセルすることを特徴とする。
【００１３】
これにより、超薄型化を達成しながら、高性能化、長寿命化、低騒音化が実現できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、外周に多数の羽根が形成され、内周にロータマグネットが設けられたリング状の羽根車と、ロータマグネットの内周側に設けられステータコアを積層したモータステータと、該モータステータとロータマグネットの間に配設される円筒部を有し羽根車を内部に収容するポンプケーシングとを備え、円筒部で羽根車を回転自在に軸支し、その回転軸を縦置きする超薄型ポンプであって、マグネットロータの厚みのセンタ位置がモータステータの厚みのセンタ位置より重力方向にずらされ、このずれによる磁気力で羽根車に作用する力をキャンセルすることを特徴とする超薄型ポンプであるから、羽根車の自重と浮力に対して、２つのセンタ位置を合わせようとするずれによる磁気力を加えて釣り合わすことができ、あたかもマグネットロータの上下両面がポンプケーシングに非接触で浮いているごとく回転させることができるので、超薄型ポンプの高性能化、超寿命化、低騒音化を実現することができる。
【００１５】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１記載の超薄型ポンプであって、マグネットロータの磁極位置を検出する磁極位置センサと、磁極位置センサの出力信号に基づきステータ巻線に流す電流を制御する電流制御部を備えるとともに、該磁極位置センサと電流制御部が基板に搭載され、該基板がステータコアの重力方向下側の側面に装着されたことを特徴とする超薄型ポンプであるから、これら電気部品を搭載した基板をステータコアに装着するときに、ポンプケーシングの厚みを越えて電気部品の先端が突出するような場合であっても、２つの厚みのセンタ位置のずれのため収納空間として余裕のある重力方向下側の空間を使用することができ、基板の厚みに電子部品の厚みを加算した寸法をセンタ位置をずらした寸法によって吸収することができ、超薄型ポンプをさらに薄型化することができる。
【００１６】
本発明の請求項３に記載の発明は、ポンプケーシングには、ステータコアを圧入するときに圧入止めできる第１の突起が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の超薄型ポンプであるから、ステータコアの圧入止めができるため、２つのセンタ位置のずれ量のバラツキをなくすことができ、さらに基板の固定も兼ねて、簡単に組立てることができるので、超薄型ポンプの量産性を向上させることができる。
【００１７】
本発明の請求項４に記載の発明は、ポンプケーシングには、基板を装着するときに位置決めするとともに、該基板をステータコアとの間で挟持する第２の突起が設けられたことを特徴とする請求項２または３記載の超薄型ポンプあるから、第２の突起によって基板の位置決めと固定ができ、簡単に組立てることができるので、超薄型ポンプの量産性を向上させることができる。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図３を用いて説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における超薄型ポンプの側面の断面図、図２は本発明の実施の形態１におけるステータコアのセンタ位置とマグネットロータのセンタ位置とのずれ量とマグネットセンタ力との関係を表すグラフである。
【００２０】
図１，２に示すように、１はステータコアで、２はステータコア１に施されたステータ巻線、３はリング状のマグネットロータ、３Ａはマグネットロータ３が内周側で一体化されたリング状の羽根車である。ステータ巻線２に電流を流すことにより形成される電磁石とマグネットロータ３との吸引、反発により、一定方向への回転トルクが発生する。この回転トルクが負荷トルクと釣合った位置でマグネットロータ３、すなわち羽根車３Ａが回転することになる。
【００２１】
図１に示すように、本実施の形態１のポンプは渦流ポンプであり、羽根車３Ａにはリング状に配列された多数の羽根が羽根間の凹部を挟んで所定ピッチで設けられている。モータは、ステータコア１の外周をマグネットロータ３が回転するアウターロータタイプのＤＣブラシレスモータである。４は、ステータ巻線２に流す電流のタイミングと方向を制御するためにマグネットロータ３の磁極位置を検出する磁極位置センサである。このとき磁極位置センサ４が検出する磁束はマグネットロータ３からの漏れ磁束であるから、磁極位置センサ４の位置はできるだけ漏れ磁束の大きい位置が望ましく、マグネットロータ３に接近した位置に設けるのが適当である。この磁極位置センサ４の出力信号を受け、一定方向に回転トルクが効率よく発生するために、ステータ巻線２に流す電流を制御するドライブＩＣ６（本発明の電流制御部）を設ける。磁極位置センサ４とドライブＩＣ５は電気的に接続されて基板６に配置される。
【００２２】
７は羽根車３Ａを収容するポンプ室を構成するポンプケーシング、７Ａはこのポンプ室を構成し、ポンプ室とモータステータとの間に配設されるポンプケーシング７の円筒部である。円筒部７Ａはマグネットロータ３がポンプ室内で自在に回転するのを軸支する。羽根車３Ａはポンプケーシング７内のポンプの取扱い液に直接浸かるが、ステータコア１、ステータ巻線２及び基板６上の電気部品、磁極位置センサ４、ドライブＩＣ６はいずれも円筒部７Ａによって取扱い液から分離される。なお、図１に示すような形態のポンプは一般に軸シールを用いないためシールレスポンプと称され、ポンプケーシング７が円筒部７Ａでモータステータとポンプ室を仕切って、液とモータを分離している。この円筒部７Ａとポンプケーシング７が防水隔壁としてキャンと呼ばれるためキャンドモータポンプとも称される。シールレスポンプはモータの軸シール材がなく、このように円筒部７Ａでシールすることでが特徴であり、これによって長寿命のポンプになるが、図１に記載したように、ポンプを横置き、すなわち回転軸を重力方向に向けて縦置きしたときは、羽根車３Ａの下面（ポンプの置き方によっては上面）が、ポンプケーシング７の内側の面と機械的に接触しながら回転すると、摩擦によって効率も、寿命も低下し、せっかくの特徴が得られない。
【００２３】
そこで本発明は、図１に示すように回転軸を縦置きして使用することとし、ステータコアのセンタ位置８とマグネットロータ３のセンタ位置９との関係を、センタ位置９を基準としてマグネットロータ３に作用する重力の反対方向にセンタ位置８をずらしている。これによりマグネットセンタ力（２つのセンタ位置を合わせようとするずれによる磁気力）が発生するため、マグネットロータ３の自重に対し、マグネットロータ３の液内の浮力とともにこのマグネットセンタ力が合力となって作用し、マグネットロータ３の重量と合力とを釣合わせ、あたかもマグネットロータ３が取扱い液の中で浮いているようにすることで、機械的に非接触でマグネットロータ３を回転させることができる。これによって、シールレスポンプの本来の特徴である長寿命を実現するとともに、機械損失を低減した高効率のポンプを提供できる。なお、浮力や重量を取り扱うのであるから、マグネットロータ３のセンタ位置９というよりも羽根車３Ａのセンタ位置という方が適当かもしれないが、マグネットの磁気力がマグネットセンタ力として関与するため、これをマグネットロータ３のセンタ位置９として説明している。
【００２４】
図２は実施の形態１におけるポンプのモータステータとマグネットロータのセンタ位置のずれ量とマグネットセンタ力のグラフである。図２に示すように、ステータコアのセンタ位置８とマグネットロータ３のセンタ位置９とのずれ量をＤ１とし、このときのマグネットセンタ力との関係を実測したものである。ずれ量Ｄ１が小さい領域においてはほぼ線形の関係が成り立っている。
【００２５】
実測したポンプの羽根車３Ａの自重は５ｇｆ、体積が１ｃｍ³、取扱い液は水である。この場合、羽根車３Ａに働く浮力は１ｇｆであり、羽根車３Ａを浮上させるためには４ｇｆのマグネットセンタ力を発生させる必要がある。このとき図２が示すように、ずれ量Ｄ１として０．４ｍｍを採用すれば釣り合わすことができることが分かる。そして、ずれ量Ｄ１が０ｍｍの場合と０．４ｍｍの場合とで消費電力を実測すると、ポンプの定格点での消費電力はそれぞれ１．４Ｗと１．０Ｗとなり、０．４ｍｍの場合は約３０％も消費電力を低減でき、高効率のポンプにすることができる。
【００２６】
さらに、図２において、１１は、ポンプへの加振量を±０．５Ｇとし、取扱い液体の粘性を無視した場合に、加振量をマグネットセンタ力に換算した力の範囲であり、１２はその加振量で羽根車３Ａがどの程度最大振れるかの振幅量である。すなわち、図１の中のマグネットロータ３とポンプケーシング７とのクリアランスＤ２を図２から読取った０．２５ｍｍとすれば、電子機器等に組込まれたこのポンプが上下方向の±０．５Ｇの振動が加えられても、羽根車３Ａの上面と下面がポンプケーシング８に機械的に非接触で回転することが可能になることが分かる。
【００２７】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における超薄型ポンプの側面の断面図である。図３を用い本発明の実施の形態２を説明するが、実施の形態１と同一符号のものは同一内容であるから説明を省略する。
【００２８】
図３において、１３ａはステータコア１をポンプケーシング７に圧入固定するとき、圧入止めを行うために設けられた第１の突起である。ステータコア１のセンタ位置８とマグネットロータ３のセンタ位置９とのずれ量Ｄ１を確保することが第１の突起１３ａの狙いである。この第１の突起１３ａを設けたことによってステータコア１の圧入位置が定まり、組立て時発生するセンタ位置８のバラツキをなくすことができる。
【００２９】
また、１３ｂはポンプケーシング７に設けられた基板固定用の第２の突起であり、基板６をステータコア１との間で挟み込んで固定するためものである。従って、第１の突起１３ａの位置と第２の突起１３ｂの位置には基板６の厚さ分の距離があることになる。そして、第２の突起１３ｂがこのような位置に設けられているため、以下述べる理由でモータを薄型化することが可能になる。
【００３０】
すなわち、磁極位置センサ４やドライブＩＣ５を搭載した基板６をステータコア１に設置する場合、モータを薄型化するには、図３からも分かるように基板６上で電気部品の高さの最も高い部分がポンプケーシング７の表面から外側に突出しないようにする必要がある。しかも、高効率の超薄型ポンプとするには羽根車３Ａを非接触で回転させる必要から、マグネットセンタ力を与えるためステータコア１のセンタ位置８とマグネットロータ３のセンタ位置９とのずれ量Ｄ１を確保しなければならない。
【００３１】
そこで、第２の突起１３ｂは、空間的に余裕がある側を利用して、マグネットロータ３の重力方向側となるステータコア１の側面に基板６を配置して固定するものである。突起１３ｂがステータコア１との間で基板６を位置決めして挟持固定されることで、ポンプ部の厚みをＤ４とし、基板６の厚み，電気部品の最大高さ，ステータコア１の半分の厚みの和をとったものをＤ３としたとき、容易にＤ４／２＞Ｄ３−Ｄ１とすることができる。すなわち、マグネットロータ３のセンタ位置９は力の釣り合いからポンプ部の厚みＤ４のほぼ中央にくるが、ステータコア１のセンタ位置８はこの位置よりずれ量Ｄ１の分だけ高いところに位置し、ずれ量Ｄ１の分だけ基板６と電気部品が占める高さを余分に吸収して、電気部品の高さの最も高い部分がポンプケーシング７の表面から外側に突出しないようにすることが可能になる。
【００３２】
同じ電子部品であっても、もし、基板６をステータコア１の反対側の面に設けた場合には、Ｄ４／２＜Ｄ３＋Ｄ１となる可能性があり、ポンプの薄型化がＤ１の幅分だけ損なわれることになる。従って、羽根車３Ａの重力方向側のステータコア１に基板６を配置して突起１３ｂで挟持固定することで、ポンプの薄型化、高効率化、長寿命化の３つを同時に実現できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、羽根車の自重と浮力に対して、２つのセンタ位置を合わせようとするずれによる磁気力を加えて釣り合わすことができ、あたかもマグネットロータの上下両面がポンプケーシングに非接触で浮いているごとく回転させることができるので、超薄型ポンプの高性能化、超寿命化、低騒音化を実現することができる。
【００３４】
また、電気部品を搭載した基板をステータコアに装着するときに、ポンプケーシングの厚みを越えて電気部品の先端が突出するような場合であっても、２つの厚みのセンタ位置のずれのため収納空間として余裕のある重力方向下側の空間を使用することができ、基板の厚みに電子部品の厚みを加算した寸法をセンタ位置をずらした寸法によって吸収することができ、超薄型ポンプをさらに薄型化することができる。
【００３５】
ステータコアの圧入止めができるため、２つのセンタ位置のずれ量のバラツキをなくすことができ、さらに基板の固定も兼ねて、簡単に組立てることができるので、超薄型ポンプの量産性を向上させることができる。また、基板の位置決めと固定ができ、簡単に組立てることができるので、超薄型ポンプの量産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における超薄型ポンプの側面の断面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるステータコアのセンタ位置とマグネットロータのセンタ位置とのずれ量とマグネットセンタ力との関係を表すグラフ
【図３】本発明の実施の形態２における超薄型ポンプの側面の断面図
【図４】従来の小型遠心ポンプの構造図
【図５】超薄型ポンプの全体構成を示す断面図
【符号の説明】
１ ステータコア
２ ステータ巻線
３ マグネットロータ
３Ａ 羽根車
４ 磁極位置センサ
５ ドライブＩＣ（電流制御部）
６ 基板
７ ポンプケーシング
７Ａ 円筒部
８，９ センタ位置
１１ 加振量
１２ 振幅量
１３ａ 第１の突起
１３ｂ 第２の突起

Claims (4)

1. 外周に多数の羽根が形成され、内周にロータマグネットが設けられたリング状の羽根車と、前記ロータマグネットの内周側に設けられステータコアを積層したモータステータと、該モータステータと前記ロータマグネットの間に配設される円筒部を有し前記羽根車を内部に収容するポンプケーシングとを備え、前記円筒部で前記羽根車を回転自在に軸支し、その回転軸を縦置きする超薄型ポンプであって、
   前記マグネットロータの厚みのセンタ位置が前記モータステータの厚みのセンタ位置より重力方向にずらされ、このずれによる磁気力で前記羽根車に作用する力をキャンセルすることを特徴とする超薄型ポンプ。
2. 請求項１記載の超薄型ポンプであって、前記マグネットロータの磁極位置を検出する磁極位置センサと、前記磁極位置センサの出力信号に基づきステータ巻線に流す電流を制御する電流制御部を備えるとともに、該磁極位置センサと前記電流制御部が基板に搭載され、該基板が前記ステータコアの重力方向下側の側面に装着されたことを特徴とする超薄型ポンプ。
3. 前記ポンプケーシングには、前記ステータコアを圧入するときに圧入止めできる第１の突起が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の超薄型ポンプ。
4. 前記ポンプケーシングには、前記基板を装着するときに位置決めするとともに、該基板を前記ステータコアとの間で挟持する第２の突起が設けられたことを特徴とする請求項２または３記載の超薄型ポンプ。

Images