JP4168519B2 - 外部駆動形ラインポンプ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動マグネットを周囲に配設するとともに、内部には昇圧のための内部流路が拡開して設けられているロータを有する小型、高揚程の外部駆動形ラインポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ステータで形成した回転磁界により駆動するための駆動マグネットが周囲に配設されるとともに、内部に軸流羽根が設けられた羽根車を有する外部駆動形軸流ポンプは、例えば米国特許２６９７９８６号明細書によって知られている。
【０００３】
図２は従来の外部駆動形軸流ポンプの断面図である。図２において、１’は内部に軸流羽根が設けられた羽根車、２は羽根車１’の外周に形成されたシュラウド内に設けられ、外部の磁界によって駆動される駆動マグネット、３は羽根車１’のシュラウド内に駆動マグネット２を保持するカバー、４は羽根車１’のボス部内に設けられた軸受、５は駆動マグネット２の周囲に設けられ、駆動マグネット２を回転させるための回転磁界を形成するステータ、６は軸受４内に挿通され、羽根車１’を支承するための固定軸、７は羽根車１’が運転時の軸推力で吸込み側に移動したとき軸受４と当接してスラスト荷重を支える軸受板、８は吸込側配管と吐出側配管に接続され、ステータ５を外部に保持するとともに羽根車１’を内蔵し、駆動マグネット２とステータ５の間を仕切る隔壁である。
【０００４】
そこで、このように構成された従来の外部駆動形軸流ポンプの動作について図２に基づき説明する。回転磁界を形成するためステータ５に制御電流が通電されると、この回転磁界によって駆動マグネット２が軸６まわりのトルクを受け、軸６まわりに羽根車１’が隔壁８内で回転を開始する。このとき隔壁８内に呼び水が導かれていると、羽根車１’に設けられた軸流羽根の作用でこの水を押し出し、昇圧する。このとき吐出圧力と流量は羽根車１’の回転数によって変化するが、このポンプは軸流羽根の羽根作用だけで昇圧するため、比較的多量の流量を吐出することはできるものの、吐出圧力はあまり上がらないという特性を有するものであった。そして、回転数が低い間は回転数にほぼ比例して圧力と流量が上昇するという傾向を有すが、回転数をさらに上げていくと軸流羽根の設計点から外れて効率が大きく下がってしまうという問題を有していた。
【０００５】
【発明の解決しようとする課題】
以上説明した従来の外部駆動形軸流ポンプは、ライン形のポンプを実現することができ、駆動モータのロータと羽根車を共用するため部品点数を削減できるなどの他のポンプにない特徴をもつものであったが、ライン形のポンプを実現するために軸流羽根を採用せざるをえず、本質的に高揚程のポンプを実現することは困難であった。そして回転数を上げて圧力を上げようとすると、上記した通り効率の悪いポンプになってしまうという問題があった。
【０００６】
そして、この外部駆動形軸流ポンプを小型化しようとすると、通常の大きさのポンプの特性をそのまま維持しながら小型にスケールダウンできないものであった。というのは、ポンプの大きさを相似に小型化して製作することはできても、損失の大きさは物理的大きさに比例してスケールダウンできないからである。例えば、機械損失や流体損失、漏れ損失などは相対的に小さくすることはできない。しかも、このポンプを小型化してさらに高揚程化しようとすると、回転数を上げる必要があり、こうした各種損失に加え、上記したような高速化に伴なう効率の低下が起こり、きわめて効率の悪いポンプとなってしまうものであった。そして、高速化するため羽根車の吸込み側でキャビテーションが発生するし、水との比重差で発生するエアの滞留量も小型化とは逆に相対的に大きな影響をもつようになり、効率を損ない、機械の寿命を短くするものであった。例えば、高速化にともない軸受寿命は著しく低下する。
【０００７】
では、高揚程化するために単純に軸流形ポンプという点を放棄して遠心形のポンプにすればよいかというと、半径方向の大きさが増して大型化してしまうし、同時にライン形のポンプという点まで放棄しなければなくなるものであった。さらに、外部駆動形という点を維持するためには、駆動系の方から制約があるし、駆動マグネットの配置や羽根車構造にも苦慮しなければならないという問題があった。小型のポンプを製作するため、多くの小さなパーツを用意して組み立てるのは組立上、製造上難しいという問題もあった。もしこれを一体型のポンプで製作すると、駆動マグネットをモールドするため羽根車の肉厚が不可避的に不均一なものとなって高品質のものを製造するのは難しいし、小型であればあるほど接触防止のため寸法精度が必要なはずであるが、精度がでなくなるという問題があった。もし精度がでない場合には接触したり、漏れが大きくなったりして損失が増大し、一方を改善すれば他方が悪化するといった悪循環が生じることになる。
【０００８】
以上説明したように、従来の外部駆動形軸流ポンプで、小型、高揚程でライン形のポンプを実現しようとすれば、多くの矛盾が生じ、事実上この種のポンプを実現することは困難であった。
【０００９】
そこで本発明はこれらの課題を解決するためのもので、小型、高揚程、高効率であり、簡単な構造で寸法精度を確保できる外部駆動形ラインポンプを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明の外部駆動形ラインポンプは、周囲に設けられた駆動マグネットの吐出側端部の背面において内部に形成された内部流路が昇圧のために拡開方向に曲げられたロータと、前記駆動マグネットの周囲に配設され、前記ロータを駆動するための回転磁界を形成するステータと、前記ロータの吐出側に設けられ、流れを軸方向に向けて吐出するボリュートケーシングを備え、前記内部流路が羽根部を備えると共に羽根部が斜流羽根を備え、駆動マグネットの吐出側端部に斜流羽根に沿ったテーパが形成されていることを特徴とする。
【００１１】
これにより、小型、高揚程、高効率であり、簡単な構造で寸法精度を確保できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載された発明は、周囲に設けられた駆動マグネットの吐出側端部の背面において内部に形成された内部流路が昇圧のために拡開方向に曲げられたロータと、前記駆動マグネットの周囲に配設され、前記ロータを駆動するための回転磁界を形成するステータと、前記ロータの吐出側に設けられ、流れを軸方向に向けて吐出するボリュートケーシングを備えた外部駆動形ラインポンプであるから、駆動マグネットの吐出側端部の背面で内部流路が昇圧のために拡開方向に曲げられ、外部駆動形のロータで小型化するとともに、高揚程化することができる。また、前記内部流路が羽根部を備えたものであるから、高効率にすることができる。また、羽根部が斜流羽根を備えたものであるから、小型化と併せて高揚程化できるとともに、軸方向に吐出すことが容易となる。また、駆動マグネットの吐出側端部に斜流羽根に沿ったテーパが形成されていることから、斜流羽根に拡開する位置を入口側に移すことができる。
【００１３】
請求項２に記載された発明は、羽根部入口に軸流羽根が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の外部駆動形ラインポンプであるから、軸流羽根がインデューサとして作用し、ロータへの円滑な流入と、キャビテーションを防止することができる。
【００１４】
請求項３に記載された発明は、ロータの周囲に形成された駆動マグネット収容溝の吐出側当接面に突起が形成されると共に駆動マグネットの吐出側端部に前記突起が嵌合して駆動マグネットの回転方向への位置ずれを防止するための嵌合凹部が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の外部駆動形ラインポンプであるから、駆動マグネットが回転方向に位置ずれを起こさない。
【００１５】
請求項４に記載された発明は、ロータの外周面が円筒面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の外部駆動形ラインポンプであるから、隔壁とロータ外周面の間を水中軸受として利用できる。
【００１６】
請求項５に記載された発明は、ロータの周囲に駆動マグネットを保持するためのカバーが設けられた請求項１〜４のいずれか１項に記載の外部駆動形ラインポンプであるから、駆動マグネットを保持してその取り付けを簡単化でき、ロータ外周の隔壁との隙間を微調整できる。
【００１７】
請求項６に記載された発明は、ロータの外周面の一部をカバーが構成する請求項５記載の外部駆動形ラインポンプであるから、駆動マグネットを保持してその取り付けを簡単化でき、ロータ外周の隔壁との隙間を微調整できるとともに、この間隙により水中軸受の作用を奏させることができる。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態１について、図１を用いて説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
本発明の一実施の形態である外部駆動形ラインポンプについて図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態における外部駆動形ラインポンプの断面図である。
【００２０】
図１において、１は液中で回転することにより内部に設けられた羽根部や通路等の内部流路の作用でここを通過する液に運動量を与えるロータ、２はロータ１の外周に所定間隔で複数配設した永久磁石で、外部に形成される回転磁界によって回動される駆動マグネットである。ロータ１の周囲には駆動マグネット２が配設されており、駆動マグネット２の吐出側端部の背面では内部流路が拡開方向（遠心方向または斜流方向）に曲げられている。本実施の形態１の場合、ロータ１内に設けられた羽根部が、入口側の軸流羽根と、これと接続された斜流羽根とから構成されている。この軸流羽根は、小型、高揚程の外部駆動形ラインポンプを実現するため、高速回転でもキャビテーションを発生しないで円滑な吸込みを実現できるように設けられるもので、インデューサとなっている。温水を送る場合にはキャビテーションが発生し易くなる傾向があるから、温水を送るポンプのときにはこのインデューサを設けた方がよい。そしてインデューサは、小型化のため相対的に影響の大きくなったロータ１内に溜まるエアの排出にも寄与するものである。高揚程化のため高速回転にするといっても、小型のポンプの場合には振動等が発生し易く、どうしても高速化には限度がある。そこで本実施の形態１では、遠心作用を与えて周速度成分を圧力化し、同時にライン方向吐出を容易にするために、斜流羽根を設けているのである。もちろん軸流羽根と駆動マグネット２の厚さを若干越える高さの遠心羽根を用いるのでも十分な小型化と高揚程化を達成できるものである。ポンプ効率を考えたときには翼作用のある羽根が望ましいのは当然であるが、運動量を与える内部流路構成として、羽根部に代えて斜流方向に向いた通路を設け、遠心成分を与えるのでも構わない。駆動マグネット２は所定形状の永久磁石を複数ロータ１の収容溝内に嵌め込んで形成するのでも、樹脂等でモールドするのでもよい。本実施の形態１の場合、駆動マグネット２の吐出側端部には斜流羽根に沿ったテーパが設けられている。そして、ロータ１の周囲に形成された駆動マグネット２の収容溝の吐出側当接面とこの駆動マグネット２の吐出側端部には、回転方向への位置ずれを防止する位置決め用嵌合部が設けられている。本実施の形態１では、吐出側当接面に突起１３が形成されており、駆動マグネット２側に突起１３が嵌合する嵌合凹部１４が形成されている。そして、駆動マグネット２を収容するロータの周囲部は、製造に際して正確な位置決めを実現するために一体に形成しておくのがよい。さらには、樹脂内に磁性粉を混入したプラスチックマグネットでロータ１を成形し、この磁性粉が成形中でまだ流動しているときに外部から磁界をかけて着磁させ、これによって駆動マグネット２を形成するのでもよい。この製造方法によればきわめて容易にロータ１を製造することができる。また、このように羽根部の構成が軸流羽根と斜流羽根の組み合わせであるため、ロータ１の入口側の流路外径と出口側の流路外径の外径差の部分に駆動マグネット２を軸と平行に収容することができ、空間の有効利用ができる。小型、高揚程のポンプではロータ１の動バランスが重要になるが、駆動マグネット２を軸と平行に設けて嵌め込む場合、羽根出口側の収容溝の当接面に当接させることができるので（なお、駆動マグネット２の端面とロータ１との接触は、点接触よりも面接触が望ましい）、駆動マグネット２の装着時マグネット背後から収容溝内に嵌合挿入部材を挿入することで、駆動マグネット２とロータ１全体の位置決めが正確かつ容易にでき、製造上バランスを崩す因子が少なくなり、振動の少ないロータとすることができる。また、ロータ１の軸方向肉厚が所定幅で一定であるから、ロータ１の両端面をポンプケーシング内に配置する際に、配置の精度を上げるための寸法精度を上げるのが容易である。
【００２１】
３は駆動マグネット２をロータ１の外周に取り付けて保持するカバー、４はロータ１のボス部に圧入された軸受である。上述したプラスチックマグネットでロータ１を構成する場合にはカバー３は不要である。駆動マグネット２に欠けやすいフェライトマグネット等を用いる場合は、破損防止あるいは破損時の拡散防止のためカバー３が必要となる。本発明のように小型、高揚程のポンプでは、高圧側からの漏れと流体損失が通常の大きさのポンプより相対的に大きくなるので、カバー３によって間隙を微調整することもできる。カバー３を取り付けた状態でカバー３とロータ１の羽根出口との外径が面一の円筒面を形成するようにして、ロータ１外周を円筒面にすることにより流体損失と漏れを少なくすることができる。また、軸受４は液中で使用するため水中軸受が適当である。そしてロータ１の外周の漏れ流れによる軸受作用と、軸受４の軸受作用を総合的に考慮することにより、もっとも漏れ量が少なく、振動、接触の少ない外部駆動形ラインポンプとすることができる。
【００２２】
５は駆動マグネット２と対向した位置に設けられ、通電することによりロータ１を回転するための回転磁界を形成する固定子巻線から構成されたステータである。本実施の形態１ではロータ１とステータ５とでブラシレスＤＣモータを構成している。固定子巻線を流れる駆動電流は、制御基板（図示しない）に設けられたコミュテータ素子をスイッチングすることで切換えられ、ロータ１が回転される。６は軸受４の中心に位置し、ロータ１を支承する固定軸、７はポンプ運転時にロータ１前後で発生する軸推力によってロータ１が軸方向に移動したとき軸受４の端面に当接してスラスト荷重を支える軸受板である。ロータ１を回転して昇圧したとき、ロータ１背面には昇圧後の圧力が作用し、ロータ１の前面には昇圧前の圧力が作用するから、この差が軸推力となって運転時スラスト荷重を与えるものである。当然ながら高揚程になればなるほど軸推力は大きくなる。８はロータ１とステータ５の間に設けられポンプケーシングを構成する隔壁、９はロータ１の入口側に設けられ、ロータ１内の羽根部や通路に流入する流れを整流する整流板である。高速回転時には整流板９で予旋回を与えて羽根の衝突損失を減らすことができる。また、実施の形態１では整流板９とインデューサの間に間隙を開けて低速時の損失を高速回転時同様に減らしている。
【００２３】
１０はロータ１の下流に設けられ、ロータ１の回転によって与えられた運動エネルギを圧力エネルギに変換するボリュートケーシング、１１は固定軸６を支持した軸支持部である。ボリュートケーシング１０は、ロータ１で与えられた運動エネルギを圧力エネルギに変換するための圧力回復を行うもので、通常は渦巻き形の形状をしている。しかし、本発明のボリュートケーシング１０は、小型の外部駆動ラインポンプの圧力回復装置であって外径が限られるため、ロータ１から吐出された液を円周方向に旋回させる円周溝となっているとともに、溝の流路断面積を徐々に増すように固定軸６の方向に張り出し量を増加する形状となっている。巻き始め部分まで円周溝内を３６０°周回した後、圧力回復して液は軸方向に向けて吐出される。吐出流量がほぼ一定の定格点近傍で運転するポンプの場合、このボリュートケーシング１０の中に案内羽根を設けると、圧力回復が円滑となり、さらに効率の高いポンプを実現できる。
【００２４】
ところで、本実施の形態１の外部駆動形ラインポンプは、軸流羽根と斜流羽根の組み合わせであるから、吐出側のロータ１の側面形状は斜流羽根の形状に沿って所定の肉厚をとれば図１に示すように円錐状の凹部を有するものとなる。この凹部を形成しないで厚肉とするとロータ１の重量が大きくなり、ステータ５を大きなものにせざるをえなくなり、ポンプが大型化する。慣性が大きくなり、応答も悪くなる。このような理由から凹部を形成しているが、この凹部をそのままにしておくと、ロータ１の回転に伴なって２次流れが生じ、これが大きな損失の原因となる。また、軸受４の背後近傍に溜まったエアは排出が難しくなる。そこで、本実施の形態１においては、固定軸６の一方を軸支持部１１、他方をボリュートケーシング１０で支持するとともに、この凹部を埋めるコーン部をボリュートケーシング１０に設けている。これにより、ロータ１背後に大きな２次流れが形成されることがなくなり、流体損失を減らし、軸受近傍に溜まったエアによる軸受４の焼き付き等を防止することができる。
【００２５】
続いて、本実施の形態１の外部駆動形ラインポンプの動作について説明する。液を充たした状態でステータ５に通電すると、回転磁界が形成されロータ１が固定軸６周りに回転を始める。軸流羽根の作用で液をロータ１内に導き入れたら、斜流羽根によって羽根の作用のほか遠心作用を付与して液に運動エネルギを与え、外周位置でロータ１から吐出させる。この構成によって小型、高揚程の外部駆動形ポンプを実現できる。ロータ１から吐出された液体はボリュートケーシング１０により旋回しながら徐々に圧力回復され、軸方向へ吐出される。ロータ１の前後の圧力差で軸推力が発生するが、ロータ１が入口側に移動し、スラスト荷重を軸受板７で支承する。ロータ１の外周と隔壁８の間隙は小さく、漏れは少ない。そして、この間隙に液膜が形成され、水中軸受である軸受４と一緒にロータ１を安定して支承する。しかもロータ１背後のコーン部により、２次流れが防がれ、流体損失を防止できる。小型、高揚程である場合、ロータ１はどうしても不安定となって振動を発生するが、本実施の形態１ではこのような作用で安定し、駆動マグネット２をロータ１外周に配設して動バランス取りが容易であり、振動や騒音の小さなポンプを実現できる。
【００２６】
このように実施の形態１の外部駆動形ラインポンプによれば、駆動マグネット２の吐出側端部の背面で内部流路を構成する斜流羽根によって拡開方向に曲げられ、外部駆動形のロータ１で小型化するとともに、高揚程化、高効率にし、ライン化することができる。また、軸流羽根をインデューサとして設けるから、ロータ１への円滑な流入と、キャビテーションを防止することができる。さらに、ロータ１の周囲に駆動マグネット２を保持するためのカバーを設けるとともに、カバーを含めロータ１外周面を円筒面にするので、駆動マグネット２を保持してその取り付けを簡単化でき、ロータ１外周の隔壁との隙間を微調整できるとともに、この間隙により水中軸受の作用を奏させることができる。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１に記載された発明によれば、周囲に設けられた駆動マグネットの吐出側端部の背面において内部に形成された内部流路が昇圧のために拡開方向に曲げられたロータと、前記駆動マグネットの周囲に配設され、前記ロータを駆動するための回転磁界を形成するステータと、前記ロータの吐出側に設けられ、流れを軸方向に向けて吐出するボリュートケーシングを備えた外部駆動形ラインポンプであるから、駆動マグネットの吐出側端部の背面で内部流路が昇圧のために拡開方向に曲げられ、外部駆動形のロータで小型化するとともに、遠心作用で高揚程化することができ、円滑な流れで効率がよく、ライン方向に吐出可能なポンプを提供できる。また、内部流路が羽根部を備えたものであるから、高効率にすることができる。また、羽根部が斜流羽根を備えたものであるから、小型化と併せて高揚程化できるとともに、高効率で円滑に軸方向に吐出すことが容易となる。また、駆動マグネットの吐出側端部に斜流羽根に沿ったテーパが形成されていることから、斜流羽根に拡開する位置を入口側に移すことができ、より小型化できる。
【００２８】
請求項２に記載された発明によれば、羽根部入口に軸流羽根が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の外部駆動形ラインポンプであるから、軸流羽根がインデューサとして作用し、ロータへの円滑な流入と、キャビテーションを防止することができ、高効率を実現できる。
【００２９】
請求項３に記載された発明によれば、ロータの周囲に形成された駆動マグネット収容溝の吐出側当接面に突起が形成されると共に駆動マグネットの吐出側端部に前記突起が嵌合して駆動マグネットの回転方向への位置ずれを防止するための嵌合凹部が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の外部駆動形ラインポンプであるから、駆動マグネットが回転方向に位置ずれを起こさない。
【００３０】
請求項４に記載された発明によれば、ロータの外周面が円筒面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の外部駆動形ラインポンプであるから、隔壁とロータ外周面の間を水中軸受として利用でき、振動少なく安定した小型、高揚程のポンプにすることができる。
【００３１】
請求項５に記載された発明によれば、ロータの周囲に駆動マグネットを保持するためのカバーが設けられた請求項１〜４のいずれか１項に記載の外部駆動形ラインポンプであるから、駆動マグネットを保持してその取り付けを簡単化でき、ロータ外周の隔壁との隙間を微調整でき、製造が容易となる。
【００３２】
請求項６に記載された発明によれば、ロータの外周面の一部をカバーが構成する請求項５記載の外部駆動形ラインポンプであるから、駆動マグネットを保持してその取り付けを簡単化でき、ロータ外周の隔壁との隙間を微調整できるとともに、この間隙により水中軸受の作用を奏させることができ、振動少なく、安定した小型、高揚程のポンプを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態における外部駆動形ラインポンプの断面図
【図２】 従来の外部駆動形軸流ポンプの断面図
【符号の説明】
１ ロータ
１’ 羽根車
２ 駆動マグネット
３ カバー
４ 軸受
５ ステータ
６ 固定軸
７ 軸受板
８ 隔壁
９ 整流板
１０ ボリュートケーシング
１１ 軸支持部
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動マグネットを周囲に配設するとともに、内部には昇圧のための内部流路が拡開して設けられているロータを有する小型、高揚程の外部駆動形ラインポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ステータで形成した回転磁界により駆動するための駆動マグネットが周囲に配設されるとともに、内部に軸流羽根が設けられた羽根車を有する外部駆動形軸流ポンプは、例えば米国特許２６９７９８６号明細書によって知られている。
【０００３】
図２は従来の外部駆動形軸流ポンプの断面図である。図２において、１’は内部に軸流羽根が設けられた羽根車、２は羽根車１’の外周に形成されたシュラウド内に設けられ、外部の磁界によって駆動される駆動マグネット、３は羽根車１’のシュラウド内に駆動マグネット２を保持するカバー、４は羽根車１’のボス部内に設けられた軸受、５は駆動マグネット２の周囲に設けられ、駆動マグネット２を回転させるための回転磁界を形成するステータ、６は軸受４内に挿通され、羽根車１’を支承するための固定軸、７は羽根車１’が運転時の軸推力で吸込み側に移動したとき軸受４と当接してスラスト荷重を支える軸受板、８は吸込側配管と吐出側配管に接続され、ステータ５を外部に保持するとともに羽根車１’を内蔵し、駆動マグネット２とステータ５の間を仕切る隔壁である。
【０００４】
そこで、このように構成された従来の外部駆動形軸流ポンプの動作について図２に基づき説明する。回転磁界を形成するためステータ５に制御電流が通電されると、この回転磁界によって駆動マグネット２が軸６まわりのトルクを受け、軸６まわりに羽根車１’が隔壁８内で回転を開始する。このとき隔壁８内に呼び水が導かれていると、羽根車１’に設けられた軸流羽根の作用でこの水を押し出し、昇圧する。このとき吐出圧力と流量は羽根車１’の回転数によって変化するが、このポンプは軸流羽根の羽根作用だけで昇圧するため、比較的多量の流量を吐出することはできるものの、吐出圧力はあまり上がらないという特性を有するものであった。そして、回転数が低い間は回転数にほぼ比例して圧力と流量が上昇するという傾向を有すが、回転数をさらに上げていくと軸流羽根の設計点から外れて効率が大きく下がってしまうという問題を有していた。
【０００５】
【発明の解決しようとする課題】
以上説明した従来の外部駆動形軸流ポンプは、ライン形のポンプを実現することができ、駆動モータのロータと羽根車を共用するため部品点数を削減できるなどの他のポンプにない特徴をもつものであったが、ライン形のポンプを実現するために軸流羽根を採用せざるをえず、本質的に高揚程のポンプを実現することは困難であった。そして回転数を上げて圧力を上げようとすると、上記した通り効率の悪いポンプになってしまうという問題があった。
【０００６】
そして、この外部駆動形軸流ポンプを小型化しようとすると、通常の大きさのポンプの特性をそのまま維持しながら小型にスケールダウンできないものであった。というのは、ポンプの大きさを相似に小型化して製作することはできても、損失の大きさは物理的大きさに比例してスケールダウンできないからである。例えば、機械損失や流体損失、漏れ損失などは相対的に小さくすることはできない。しかも、このポンプを小型化してさらに高揚程化しようとすると、回転数を上げる必要があり、こうした各種損失に加え、上記したような高速化に伴なう効率の低下が起こり、きわめて効率の悪いポンプとなってしまうものであった。そして、高速化するため羽根車の吸込み側でキャビテーションが発生するし、水との比重差で発生するエアの滞留量も小型化とは逆に相対的に大きな影響をもつようになり、効率を損ない、機械の寿命を短くするものであった。例えば、高速化にともない軸受寿命は著しく低下する。
【０００７】
では、高揚程化するために単純に軸流形ポンプという点を放棄して遠心形のポンプにすればよいかというと、半径方向の大きさが増して大型化してしまうし、同時にライン形のポンプという点まで放棄しなければなくなるものであった。さらに、外部駆動形という点を維持するためには、駆動系の方から制約があるし、駆動マグネットの配置や羽根車構造にも苦慮しなければならないという問題があった。小型のポンプを製作するため、多くの小さなパーツを用意して組み立てるのは組立上、製造上難しいという問題もあった。もしこれを一体型のポンプで製作すると、駆動マグネットをモールドするため羽根車の肉厚が不可避的に不均一なものとなって高品質のものを製造するのは難しいし、小型であればあるほど接触防止のため寸法精度が必要なはずであるが、精度がでなくなるという問題があった。もし精度がでない場合には接触したり、漏れが大きくなったりして損失が増大し、一方を改善すれば他方が悪化するといった悪循環が生じることになる。
【０００８】
以上説明したように、従来の外部駆動形軸流ポンプで、小型、高揚程でライン形のポンプを実現しようとすれば、多くの矛盾が生じ、事実上この種のポンプを実現することは困難であった。
【０００９】
そこで本発明はこれらの課題を解決するためのもので、小型、高揚程、高効率であり、簡単な構造で寸法精度を確保できる外部駆動形ラインポンプを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明の外部駆動形ラインポンプは、周囲に設けられた駆動マグネットの吐出側端部の背面において内部に形成された内部流路が昇圧のために拡開方向に曲げられたロータと、前記駆動マグネットの周囲に配設され、前記ロータを駆動するための回転磁界を形成するステータと、前記ロータの吐出側に設けられ、流れを軸方向に向けて吐出するボリュートケーシングを備え、前記内部流路が羽根部を備えると共に羽根部が斜流羽根を備え、駆動マグネットの吐出側端部に斜流羽根に沿ったテーパが形成されていることを特徴とする。
【００１１】
これにより、小型、高揚程、高効率であり、簡単な構造で寸法精度を確保できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載された発明は、周囲に設けられた駆動マグネットの吐出側端部の背面において内部に形成された内部流路が昇圧のために拡開方向に曲げられたロータと、前記駆動マグネットの周囲に配設され、前記ロータを駆動するための回転磁界を形成するステータと、前記ロータの吐出側に設けられ、流れを軸方向に向けて吐出するボリュートケーシングを備えた外部駆動形ラインポンプであるから、駆動マグネットの吐出側端部の背面で内部流路が昇圧のために拡開方向に曲げられ、外部駆動形のロータで小型化するとともに、高揚程化することができる。また、前記内部流路が羽根部を備えたものであるから、高効率にすることができる。また、羽根部が斜流羽根を備えたものであるから、小型化と併せて高揚程化できるとともに、軸方向に吐出すことが容易となる。また、駆動マグネットの吐出側端部に斜流羽根に沿ったテーパが形成されていることから、斜流羽根に拡開する位置を入口側に移すことができる。
【００１３】
請求項２に記載された発明は、羽根部入口に軸流羽根が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の外部駆動形ラインポンプであるから、軸流羽根がインデューサとして作用し、ロータへの円滑な流入と、キャビテーションを防止することができる。
【００１４】
請求項３に記載された発明は、ロータの周囲に形成された駆動マグネット収容溝の吐出側当接面に突起が形成されると共に駆動マグネットの吐出側端部に前記突起が嵌合して駆動マグネットの回転方向への位置ずれを防止するための嵌合凹部が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の外部駆動形ラインポンプであるから、駆動マグネットが回転方向に位置ずれを起こさない。
【００１５】
請求項４に記載された発明は、ロータの外周面が円筒面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の外部駆動形ラインポンプであるから、隔壁とロータ外周面の間を水中軸受として利用できる。
【００１６】
請求項５に記載された発明は、ロータの周囲に駆動マグネットを保持するためのカバーが設けられた請求項１〜４のいずれか１項に記載の外部駆動形ラインポンプであるから、駆動マグネットを保持してその取り付けを簡単化でき、ロータ外周の隔壁との隙間を微調整できる。
【００１７】
請求項６に記載された発明は、ロータの外周面の一部をカバーが構成する請求項５記載の外部駆動形ラインポンプであるから、駆動マグネットを保持してその取り付けを簡単化でき、ロータ外周の隔壁との隙間を微調整できるとともに、この間隙により水中軸受の作用を奏させることができる。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態１について、図１を用いて説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
本発明の一実施の形態である外部駆動形ラインポンプについて図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態における外部駆動形ラインポンプの断面図である。
【００２０】
図１において、１は液中で回転することにより内部に設けられた羽根部や通路等の内部流路の作用でここを通過する液に運動量を与えるロータ、２はロータ１の外周に所定間隔で複数配設した永久磁石で、外部に形成される回転磁界によって回動される駆動マグネットである。ロータ１の周囲には駆動マグネット２が配設されており、駆動マグネット２の吐出側端部の背面では内部流路が拡開方向（遠心方向または斜流方向）に曲げられている。本実施の形態１の場合、ロータ１内に設けられた羽根部が、入口側の軸流羽根と、これと接続された斜流羽根とから構成されている。この軸流羽根は、小型、高揚程の外部駆動形ラインポンプを実現するため、高速回転でもキャビテーションを発生しないで円滑な吸込みを実現できるように設けられるもので、インデューサとなっている。温水を送る場合にはキャビテーションが発生し易くなる傾向があるから、温水を送るポンプのときにはこのインデューサを設けた方がよい。そしてインデューサは、小型化のため相対的に影響の大きくなったロータ１内に溜まるエアの排出にも寄与するものである。高揚程化のため高速回転にするといっても、小型のポンプの場合には振動等が発生し易く、どうしても高速化には限度がある。そこで本実施の形態１では、遠心作用を与えて周速度成分を圧力化し、同時にライン方向吐出を容易にするために、斜流羽根を設けているのである。もちろん軸流羽根と駆動マグネット２の厚さを若干越える高さの遠心羽根を用いるのでも十分な小型化と高揚程化を達成できるものである。ポンプ効率を考えたときには翼作用のある羽根が望ましいのは当然であるが、運動量を与える内部流路構成として、羽根部に代えて斜流方向に向いた通路を設け、遠心成分を与えるのでも構わない。駆動マグネット２は所定形状の永久磁石を複数ロータ１の収容溝内に嵌め込んで形成するのでも、樹脂等でモールドするのでもよい。本実施の形態１の場合、駆動マグネット２の吐出側端部には斜流羽根に沿ったテーパが設けられている。そして、ロータ１の周囲に形成された駆動マグネット２の収容溝の吐出側当接面とこの駆動マグネット２の吐出側端部には、回転方向への位置ずれを防止する位置決め用嵌合部が設けられている。本実施の形態１では、吐出側当接面に突起１３が形成されており、駆動マグネット２側に突起１３が嵌合する嵌合凹部１４が形成されている。そして、駆動マグネット２を収容するロータの周囲部は、製造に際して正確な位置決めを実現するために一体に形成しておくのがよい。さらには、樹脂内に磁性粉を混入したプラスチックマグネットでロータ１を成形し、この磁性粉が成形中でまだ流動しているときに外部から磁界をかけて着磁させ、これによって駆動マグネット２を形成するのでもよい。この製造方法によればきわめて容易にロータ１を製造することができる。また、このように羽根部の構成が軸流羽根と斜流羽根の組み合わせであるため、ロータ１の入口側の流路外径と出口側の流路外径の外径差の部分に駆動マグネット２を軸と平行に収容することができ、空間の有効利用ができる。小型、高揚程のポンプではロータ１の動バランスが重要になるが、駆動マグネット２を軸と平行に設けて嵌め込む場合、羽根出口側の収容溝の当接面に当接させることができるので（なお、駆動マグネット２の端面とロータ１との接触は、点接触よりも面接触が望ましい）、駆動マグネット２の装着時マグネット背後から収容溝内に嵌合挿入部材を挿入することで、駆動マグネット２とロータ１全体の位置決めが正確かつ容易にでき、製造上バランスを崩す因子が少なくなり、振動の少ないロータとすることができる。また、ロータ１の軸方向肉厚が所定幅で一定であるから、ロータ１の両端面をポンプケーシング内に配置する際に、配置の精度を上げるための寸法精度を上げるのが容易である。
【００２１】
３は駆動マグネット２をロータ１の外周に取り付けて保持するカバー、４はロータ１のボス部に圧入された軸受である。上述したプラスチックマグネットでロータ１を構成する場合にはカバー３は不要である。駆動マグネット２に欠けやすいフェライトマグネット等を用いる場合は、破損防止あるいは破損時の拡散防止のためカバー３が必要となる。本発明のように小型、高揚程のポンプでは、高圧側からの漏れと流体損失が通常の大きさのポンプより相対的に大きくなるので、カバー３によって間隙を微調整することもできる。カバー３を取り付けた状態でカバー３とロータ１の羽根出口との外径が面一の円筒面を形成するようにして、ロータ１外周を円筒面にすることにより流体損失と漏れを少なくすることができる。また、軸受４は液中で使用するため水中軸受が適当である。そしてロータ１の外周の漏れ流れによる軸受作用と、軸受４の軸受作用を総合的に考慮することにより、もっとも漏れ量が少なく、振動、接触の少ない外部駆動形ラインポンプとすることができる。
【００２２】
５は駆動マグネット２と対向した位置に設けられ、通電することによりロータ１を回転するための回転磁界を形成する固定子巻線から構成されたステータである。本実施の形態１ではロータ１とステータ５とでブラシレスＤＣモータを構成している。固定子巻線を流れる駆動電流は、制御基板（図示しない）に設けられたコミュテータ素子をスイッチングすることで切換えられ、ロータ１が回転される。６は軸受４の中心に位置し、ロータ１を支承する固定軸、７はポンプ運転時にロータ１前後で発生する軸推力によってロータ１が軸方向に移動したとき軸受４の端面に当接してスラスト荷重を支える軸受板である。ロータ１を回転して昇圧したとき、ロータ１背面には昇圧後の圧力が作用し、ロータ１の前面には昇圧前の圧力が作用するから、この差が軸推力となって運転時スラスト荷重を与えるものである。当然ながら高揚程になればなるほど軸推力は大きくなる。８はロータ１とステータ５の間に設けられポンプケーシングを構成する隔壁、９はロータ１の入口側に設けられ、ロータ１内の羽根部や通路に流入する流れを整流する整流板である。高速回転時には整流板９で予旋回を与えて羽根の衝突損失を減らすことができる。また、実施の形態１では整流板９とインデューサの間に間隙を開けて低速時の損失を高速回転時同様に減らしている。
【００２３】
１０はロータ１の下流に設けられ、ロータ１の回転によって与えられた運動エネルギを圧力エネルギに変換するボリュートケーシング、１１は固定軸６を支持した軸支持部である。ボリュートケーシング１０は、ロータ１で与えられた運動エネルギを圧力エネルギに変換するための圧力回復を行うもので、通常は渦巻き形の形状をしている。しかし、本発明のボリュートケーシング１０は、小型の外部駆動ラインポンプの圧力回復装置であって外径が限られるため、ロータ１から吐出された液を円周方向に旋回させる円周溝となっているとともに、溝の流路断面積を徐々に増すように固定軸６の方向に張り出し量を増加する形状となっている。巻き始め部分まで円周溝内を３６０°周回した後、圧力回復して液は軸方向に向けて吐出される。吐出流量がほぼ一定の定格点近傍で運転するポンプの場合、このボリュートケーシング１０の中に案内羽根を設けると、圧力回復が円滑となり、さらに効率の高いポンプを実現できる。
【００２４】
ところで、本実施の形態１の外部駆動形ラインポンプは、軸流羽根と斜流羽根の組み合わせであるから、吐出側のロータ１の側面形状は斜流羽根の形状に沿って所定の肉厚をとれば図１に示すように円錐状の凹部を有するものとなる。この凹部を形成しないで厚肉とするとロータ１の重量が大きくなり、ステータ５を大きなものにせざるをえなくなり、ポンプが大型化する。慣性が大きくなり、応答も悪くなる。このような理由から凹部を形成しているが、この凹部をそのままにしておくと、ロータ１の回転に伴なって２次流れが生じ、これが大きな損失の原因となる。また、軸受４の背後近傍に溜まったエアは排出が難しくなる。そこで、本実施の形態１においては、固定軸６の一方を軸支持部１１、他方をボリュートケーシング１０で支持するとともに、この凹部を埋めるコーン部をボリュートケーシング１０に設けている。これにより、ロータ１背後に大きな２次流れが形成されることがなくなり、流体損失を減らし、軸受近傍に溜まったエアによる軸受４の焼き付き等を防止することができる。
【００２５】
続いて、本実施の形態１の外部駆動形ラインポンプの動作について説明する。液を充たした状態でステータ５に通電すると、回転磁界が形成されロータ１が固定軸６周りに回転を始める。軸流羽根の作用で液をロータ１内に導き入れたら、斜流羽根によって羽根の作用のほか遠心作用を付与して液に運動エネルギを与え、外周位置でロータ１から吐出させる。この構成によって小型、高揚程の外部駆動形ポンプを実現できる。ロータ１から吐出された液体はボリュートケーシング１０により旋回しながら徐々に圧力回復され、軸方向へ吐出される。ロータ１の前後の圧力差で軸推力が発生するが、ロータ１が入口側に移動し、スラスト荷重を軸受板７で支承する。ロータ１の外周と隔壁８の間隙は小さく、漏れは少ない。そして、この間隙に液膜が形成され、水中軸受である軸受４と一緒にロータ１を安定して支承する。しかもロータ１背後のコーン部により、２次流れが防がれ、流体損失を防止できる。小型、高揚程である場合、ロータ１はどうしても不安定となって振動を発生するが、本実施の形態１ではこのような作用で安定し、駆動マグネット２をロータ１外周に配設して動バランス取りが容易であり、振動や騒音の小さなポンプを実現できる。
【００２６】
このように実施の形態１の外部駆動形ラインポンプによれば、駆動マグネット２の吐出側端部の背面で内部流路を構成する斜流羽根によって拡開方向に曲げられ、外部駆動形のロータ１で小型化するとともに、高揚程化、高効率にし、ライン化することができる。また、軸流羽根をインデューサとして設けるから、ロータ１への円滑な流入と、キャビテーションを防止することができる。さらに、ロータ１の周囲に駆動マグネット２を保持するためのカバーを設けるとともに、カバーを含めロータ１外周面を円筒面にするので、駆動マグネット２を保持してその取り付けを簡単化でき、ロータ１外周の隔壁との隙間を微調整できるとともに、この間隙により水中軸受の作用を奏させることができる。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１に記載された発明によれば、周囲に設けられた駆動マグネットの吐出側端部の背面において内部に形成された内部流路が昇圧のために拡開方向に曲げられたロータと、前記駆動マグネットの周囲に配設され、前記ロータを駆動するための回転磁界を形成するステータと、前記ロータの吐出側に設けられ、流れを軸方向に向けて吐出するボリュートケーシングを備えた外部駆動形ラインポンプであるから、駆動マグネットの吐出側端部の背面で内部流路が昇圧のために拡開方向に曲げられ、外部駆動形のロータで小型化するとともに、遠心作用で高揚程化することができ、円滑な流れで効率がよく、ライン方向に吐出可能なポンプを提供できる。また、内部流路が羽根部を備えたものであるから、高効率にすることができる。また、羽根部が斜流羽根を備えたものであるから、小型化と併せて高揚程化できるとともに、高効率で円滑に軸方向に吐出すことが容易となる。また、駆動マグネットの吐出側端部に斜流羽根に沿ったテーパが形成されていることから、斜流羽根に拡開する位置を入口側に移すことができ、より小型化できる。
【００２８】
請求項２に記載された発明によれば、羽根部入口に軸流羽根が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の外部駆動形ラインポンプであるから、軸流羽根がインデューサとして作用し、ロータへの円滑な流入と、キャビテーションを防止することができ、高効率を実現できる。
【００２９】
請求項３に記載された発明によれば、ロータの周囲に形成された駆動マグネット収容溝の吐出側当接面に突起が形成されると共に駆動マグネットの吐出側端部に前記突起が嵌合して駆動マグネットの回転方向への位置ずれを防止するための嵌合凹部が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の外部駆動形ラインポンプであるから、駆動マグネットが回転方向に位置ずれを起こさない。
【００３０】
請求項４に記載された発明によれば、ロータの外周面が円筒面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の外部駆動形ラインポンプであるから、隔壁とロータ外周面の間を水中軸受として利用でき、振動少なく安定した小型、高揚程のポンプにすることができる。
【００３１】
請求項５に記載された発明によれば、ロータの周囲に駆動マグネットを保持するためのカバーが設けられた請求項１〜４のいずれか１項に記載の外部駆動形ラインポンプであるから、駆動マグネットを保持してその取り付けを簡単化でき、ロータ外周の隔壁との隙間を微調整でき、製造が容易となる。
【００３２】
請求項６に記載された発明によれば、ロータの外周面の一部をカバーが構成する請求項５記載の外部駆動形ラインポンプであるから、駆動マグネットを保持してその取り付けを簡単化でき、ロータ外周の隔壁との隙間を微調整できるとともに、この間隙により水中軸受の作用を奏させることができ、振動少なく、安定した小型、高揚程のポンプを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態における外部駆動形ラインポンプの断面図
【図２】 従来の外部駆動形軸流ポンプの断面図
【符号の説明】
１ ロータ
１’ 羽根車
２ 駆動マグネット
３ カバー
４ 軸受
５ ステータ
６ 固定軸
７ 軸受板
８ 隔壁
９ 整流板
１０ ボリュートケーシング
１１ 軸支持部
Claims (6)
- 周囲に設けられた駆動マグネットの吐出側端部の背面において内部に形成された内部流路が昇圧のために拡開方向に曲げられたロータと、
前記駆動マグネットの周囲に配設され、前記ロータを駆動するための回転磁界を形成するステータと、
前記ロータの吐出側に設けられ、流れを軸方向に向けて吐出するボリュートケーシングを備え、
前記内部流路が羽根部を備えると共に羽根部が斜流羽根を備え、駆動マグネットの吐出側端部に斜流羽根に沿ったテーパが形成されていることを特徴とする外部駆動形ラインポンプ。 - 羽根部入口に軸流羽根が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の外部駆動形ラインポンプ。
- ロータの周囲に形成された駆動マグネット収容溝の吐出側当接面に突起が形成されると共に駆動マグネットの吐出側端部に前記突起が嵌合して駆動マグネットの回転方向への位置ずれを防止するための嵌合凹部が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の外部駆動形ラインポンプ。
- ロータの外周面が円筒面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の外部駆動形ラインポンプ。
- ロータの周囲に駆動マグネットを保持するためのカバーが設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の外部駆動形ラインポンプ。
- ロータの外周面の一部をカバーが構成することを特徴とする請求項５記載の外部駆動形ラインポンプ。
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