JP5699274B2

JP5699274B2 - ポンプ

Info

Publication number: JP5699274B2
Application number: JP2010250041A
Authority: JP
Inventors: 松山　直樹; 直樹松山
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2030-11-08
Also published as: JP2012102636A

Description

本発明は、ポンプ、殊に、ボリュート構造を有したポンプにおけるポンプ室の流体排出構造に関するものである。

従来から、流体を流動させる羽根車と、羽根車を収容したポンプ室と、羽根車を回転させるモータと、を備えて、羽根車の回転に伴う遠心力で流体を流動させる遠心式のポンプがある。該遠心式のポンプは、流体に増圧効果を与える渦巻形状のボリュート構造をポンプ室の羽根車の外周側に備えると共に、ポンプ室内の流体を排出してポンプ内への流体残留を抑制する排出部と、を備えたもの等がある（特許文献１等参照）。そのため、該ポンプは、モータを停止させた際等の吐出部からの流体吐出を行わないポンプの非駆動時に、ポンプ室内等に残った流体が排出部を介して外部に排出されて、ポンプ室内への流体残留が抑制されている。

また、このような遠心式のポンプでは、図６に示すように、羽根車回転時に、流体がボリュート構造７２の周面７３に沿って流れて、層流７７となることで、流体に増圧効果を与えている。そして、排出部７４はボリュート構造７２の渦巻形状の周面７３を切り欠いた開口部７５を有しており、排出部７４は該開口部７５を介してポンプ室７１内に連通して、ポンプ室７１内の流体を外部へ排出している。そのため、従来の遠心式のポンプは、開口部７５によって、ボリュート構造７２が周面７３の一部（開口部７５の位置）に外周側へ凹んだ段差７６を有した形状となっている。

特開２００６−２００４２７号公報

しかしながら、ボリュート構造７４に段差７６を生じたことで、羽根車回転時に、流体の一部が開口部７５から排出部７４（段差７６）内に流れ込みながら流動する等で、段差７６の位置で層流７７に渦７８を生じて、層流７７が大きく乱れることがある。そして、渦７８を生じて層流７７が大きく乱れると、ボリュート構造７４による増圧効果を流体に与え難くなり、ポンプ効率が低下することがあると共に、層流７７の乱れや渦７８の発生に伴い騒音を生じることがある。

そこで、この事情を鑑み、排出部の形成による層流の乱れを軽減して、ポンプ効率の低下を抑制すると共に騒音を低減したポンプを提供することを課題とした。

上記課題を解決するために、本発明のポンプは、モータと、前記モータによって回転されて流体を流動させる羽根車と、前記羽根車を内部に収納したポンプ室と、前記ポンプ室内に外部から流体を吸入する吸入部と、前記ポンプ室内から外部に流体を吐出する吐出部と、前記ポンプ室内の流体を外部に排出する排出部と、を備え、前記ポンプ室は、渦巻状の周面からなるボリュート構造を前記羽根車の外周側に有し、前記排出部は、前記ボリュート構造よりも外周側に位置し、前記排出部と前記ボリュート構造の間に、前記ポンプ室と前記排出部を連通させる放射状の連通路と、前記周面に沿う壁面を前記ポンプ室側に有した壁と、を設け、前記壁面は、前記周面に略面一であり、且つ、前記周面の一部となるように構成されている。

このポンプは、前記モータと前記ポンプ室とを区画する分離板を、更に備え、前記分離板は、一端に底部を備えた円筒部と、前記円筒部の他端から外周側に延設されたフランジ部と、を有し、前記壁と前記フランジ部との間に、前記連通路が形成されており、前記壁の前記フランジ部側の端部が、前記周面の前記フランジ部側の端部と、周方向に沿って略面一で連続するように構成されている。
また、このポンプとして、前記壁に、前記連通路となるメッシュ部或いはスリットを設けることが好ましい。

このような構成としたことで、排出部とポンプ室の連通に伴う層流の乱れを軽減して、ポンプ効率の低下を抑制することができると共に、騒音を低減することができる。

実施形態の一例のポンプの軸方向に切断した断面図である。（ａ）がボリュート構造の平面図であり、（ｂ）がＡ領域の拡大図である。（ａ）が軸方向に切断したケーシングの斜視図であり、（ｂ）がＢ領域の拡大図である。（ａ）が他例のボリュート構造の斜視図であり、（ｂ）がＣ領域の拡大図である。揚水量の増減に伴う全揚程の変化への排出部の影響の説明図である。（ａ）が従来例のボリュート構造の平面図であり、（ｂ）がＤ領域の拡大図であり、（ｃ）がＤ領域の軸方向に切断した断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を例示して説明する。

実施形態の一例のポンプ１は、図１に示すように、駆動源であるモータと、該モータに駆動される羽根車１１と、で構成されると共に、羽根車１１が配置され液体の流動するポンプ室２と、ポンプ室２内の液体から隔離されたモータ部４と、に区画されている。ポンプ室２はケーシングによって外殻が形成されると共に、羽根車１１の外周側にボリュート構造３を有している。

そして、ケーシングは、ポンプ室２に外部の流体を吸入する吸入部２４と、ポンプ室２内の流体を外部に吐出する吐出部２５と、吐出部２５と異なる経路でポンプ室２内の流体を排出して流体残留を抑制する排出部３０と、を備えている。更に、ケーシングは、図３に示すように、ポンプ室２の外殻を形成するポンプケース２１と、ポンプ室２とモータ部４を区画する分離板１６と、からなる。

詳しくは、モータが、図１に示すように、コイルを有した環状のステータ５と、モータ駆動を制御する制御部６と、複数の磁極を有した円筒状のロータ７と、ロータ７を回転自在で支持した略円柱状の支持軸８と、を備えている。ステータ５及び制御部６はモータ部４内に配置されており、ロータ７及び支持軸８はポンプ室２内に配置されている。

そして、制御部６はステータ５のコイルに流れる電流を制御することで、モータ駆動を制御しており、ステータ５は制御部６に通電制御されることで、ロータ７を磁気回転させている。更に、制御部６及びステータ５はモータ部４内に充填されたモールド材９を介して分離板１６に固定されている。該モールド材９はステータ５や制御部６等のモータ部４内の部材を外部の水分や埃等の付着から保護すると共に、モータ部４の外殻を形成している。

一方、ロータ７及び支持軸８は、図１に示すように、ステータ５と略同芯でステータ５の内周側に配置されており、支持軸８がロータ７の内周に配置されると共に、ロータ７とステータ５のラジアル方向の間に分離板１６が介在している。以下、特に規定しない限り、ロータ７や支持軸８の軸芯の軸方向を単に軸方向と記載し、ロータ７のラジアル方向と周方向を夫々単にラジアル方向と周方向と記載し、軸方向に視た形状を平面視の形状と記載する。

上記ロータ７は周方向に並んだ複数のマグネット（磁極）を有すると共に、軸方向の一端に羽根車１１が略同芯で且つ一体で設けられており、ロータ７は羽根車１１を伴って回転するものとなっている。羽根車１１は、ロータ７の軸方向の一端から外周に延設された環状の回転板１２と、回転板１２と略同芯で且つ対向して配置されたシュラウド１４と、回転板１２とシュラウド１４の軸方向の間に配置された複数の羽根部１３と、からなる。そして、羽根部１３は回転板１２及びシュラウド１４の間に放射状に設けられており、回転板１２とシュラウド１４の間が羽根車１１の流路となっている。

そのため、羽根車１１はロータ７と共に回転することで、遠心力によって羽根車１１の内周側に位置する流体を上記羽根車１１の流路を介して外周側に流動させると共に、回転力によって外周側に位置する流体を周方向に流動させるものとなっている。

また、分離板１６は、図３に示すように、円形状の底部１８を一端に備えた有底の円筒部１７と、円筒部１７の他端から外周に延設されたフランジ部１９と、からなる。そして、円筒部１７は、図１に示すように、ロータ７とステータ５のラジアル方向の間に周面が位置しており、円筒部１７の内側の空間がロータ７を収容するロータ収容空間となっている。更に、底部１８はロータ収容空間側の面に支持軸８の一端を固定保持する軸支持部を備えている。

フランジ部１９は一方の端面がステータ５の軸方向の端部に対向しており、該一方の端面側がモータ部４側の端面となっている。そして、他方の端面が羽根車１１の回転板１２に対向しており、該他方の端面がポンプ室２側の端面となっている。更に、フランジ部１９はポンプ室２側の端面に羽根車１１と略同芯の平面視略環状でポンプケース２１側に突出した段部２０を備えており、段部２０は内径が羽根車１１より大径となっている。

また、ポンプケース２１はフランジ部１９のポンプ室２側の端面及び段部２０と共に、図２に示すように、羽根車１１を収容した平面視円形状の羽根車収容空間と、流体に増圧効果を与える平面視渦巻形状のボリュート構造３と、をポンプ室内に形成している。

ポンプケース２１の羽根車収容空間を形成する部位は、フランジ部１９のポンプ室２側の端面に対向した平面視略円形状の平面を有した天面部２２と、天面部２２の外周端から軸方向に延設された側面部２３と、からなる。

そして、天面部２２は円の中心に、吸入部２４と連通する連通孔と、支持軸８の一端を固定する軸支持部と、を備えており、吸入部２４は、図１や図３に示すように、内側に流路を有した管状で、軸方向に沿って外部に突出している。該吸入部２４は、図１や図２に示すように、一端が天面部２２の連通孔に連通して、他端が配管等の外部の上流流路（特に図示しない）に連通しており、上流流路からポンプ室２内へ流体を導入している。

側面部２３は内径が段部２０の内径と略同寸となっており、側面部２３と段部２０は羽根車収容空間の円周面を形成している。そして、側面部２３は段部２０との軸方向の間にボリュート構造３が位置している。

ボリュート構造３は羽根車収容空間と略同芯で羽根車収容空間の円周面からラジアル方向に凹んだ平面視渦巻形状の凹所からなり、凹所は羽根車１１の回転方向ＲＤに沿って前方側程漸次的に大径となる周面２６を底部として備えている。そして、凹所は、羽根車収容空間の羽根部１１の外周側に、周面２６に沿った渦巻形状の空間を形成しており、ボリュート構造３は周面２６に沿って流体が流れることで、流体に増圧効果を与えている。

更に、周面２６の軸方向のフランジ部１９側の端部は、段部２０の軸方向の端部（突出方向の先端）との間に、互いが接触しない程度の微小なギャップ３４（隙間）を周面２６の略全周に亘って有している。

該ギャップ３４は軸方向に沿った位置が羽根車１１の羽根部１３よりモータ部４側に近い位置に形成されると共に、内部にポンプ室２内の流体の一部が流れ込んでいる。そして、ギャップ３４の外周にはポンプケース２１と分離板１６の軸方向の間を封止するシール部２９が設けられており、シール部２９はギャップ３４に流入した流体の外部への漏れを抑制している。該シール部２９は、例えば、Ｏリング等の弾性体からなるシール部材をフランジ部１９とポンプケース２１の軸方向の間に圧縮して配置したものとなっている。

また、ポンプケース２１は、ポンプ室２内の流体を外部に排出する排出部３０を、ボリュート構造３より外周に備えており、排出部３０は軸方向においてシール部２９の一部に並んで位置しており、シール部２９とギャップ３４の間の流体が流れ込んでいる。そして、排出部３０は、図１や図３に示すように、軸方向に沿って軸芯を有した有底筒状のものとなっており、排出部３０は筒の一端側である開口側が外殻から軸方向に突出すると共に、外部の排出管等の排出流路（特に図示しない）に連通している。

更に、排出部３０とボリュート構造３のラジアル方向の間には、図１に示すように、壁３２が設けられており、壁３２は、図２に示すように、ポンプ室２内側（軸芯側）を向く壁面３３がボリュート構造３を模した（周面２６に沿った）形状となっている。そのため、壁面３３は周面２６に略面一で滑らかに連続して、該周面２６の一部となっており、ボリュート構造３の渦巻形状の空間は周方向に段差の無いものとなっている。

また、壁３２は、図１や図３に示すように、軸方向のフランジ部１９側の端部が周面２６のフランジ部１９側の端部と周方向に沿って略面一で連続しており、壁３２と段部２０の軸方向の間にもギャップ３４を有している。そして、壁３２と段部２０の間のギャップ３４はボリュート構造３（凹所）内と排出部３０内を連通させる連通路３１となっており、連通路３１はラジアル方向に沿って放射状に形成されている。

そのため、羽根車１１から外周に流動された流体はボリュート構造３の周面２６や壁面３３に沿って流れると共に、流れる流体の一部が、図３の点線矢印に示すように、連通路３１を介して排出部３０内に流入するものとなっている。なお、ギャップ３４（連通路３１）の軸方向の寸法は、羽根車１１回転時（層流５０発生時）に流体が排出部３０に流入し難く且つ回転方向ＲＤに力の生じない羽根車１１停止時（非駆動時）に排出部３０へ流入する程度の微小な寸法のものが好ましい。

そして、図１や図３に示す符号２８はポンプケース２１の外周端の軸方向の端部を略全周に亘ってフランジ部１９の軸方向の端面に当接した当接部であり、ポンプ１組立時に段部２０との間にギャップ３４を確保する位置規定部を兼ねている。なお、当接部２８を超音波溶着する等で封止して流体の漏れを抑制することで、当接部２８がシール部２９を兼ねたり、シール部２９と当接部２８で二重に漏れを抑制したりしたものであってもよい。

また、図２に示すように、ポンプ室２はボリュート構造３の渦巻の最も大径となる部位がポンプ室２内の流路の下流端２７となっており、ポンプ室２は該下流端２７で吐出部２５の一端に連通している。

そして、吐出部２５は内部に流路を有した管状で、他端側の部位がポンプ室２の外殻から外周側に突出している。更に、吐出部２５は他端がポンプ室２内を配管等の外部の下流流路（特に図示しない）に連通しており、ボリュート構造３に沿って流れる流体を下流端２７から下流流路へ導出している。

また、図１に示すように、本例のポンプ１は、軸方向を略水平に位置すると共に、排出部３０を最下方側に位置した姿勢で、構造体に設置されるものとなっている。詳しくは、壁３２の壁面３３がボリュート構造３（周面２６）の最も下方側に位置する面となっており、排出部３０がポンプ室２内の最下方側の外周に位置している。そのため、ポンプ室２内の流体は、吐出部２５からの流体吐出を行わないポンプ１の非駆動時に、流体の自重で排出部３０に流入されて外部に排出される構成となっている。

このように、ボリュート構造３と排出部３０のラジアル方向の間に、壁３２を設けたことで、排出部３０の設置に伴うボリュート構造３内のラジアル方向における段差の発生を回避、抑制することができる。そのため、羽根車１１回転時に、段差（排出部３０との連通）に伴う渦５１が流体の流れ（層流５０）に発生し難くなり、層流５０の乱れが軽減されて、層流５０の乱れに伴うポンプ効率の低下を抑制することができる。

そして、壁３２によって、羽根車１１回転時の層流５０の乱れを抑制したことで、層流５０の乱れに伴う騒音の発生を抑制することができて、ポンプ１駆動時の騒音を低減することができる。

更に、壁３２の壁面３３をボリュート構造３を模してポンプ室２の内面に沿った形状としたことで、ボリュート構造３の周面２６と壁面３３が略段差の無い滑らかに連続した面になり、壁面３３がボリュート構造３を形成する面の一部となっている。そのため、ボリュート構造３の周面２６と壁面３３の間に段差が発生せず、壁３２の設置に伴う層流５０の乱れの発生を抑制することができる。

また、壁３２とフランジ部１９の軸方向の間にギャップ３４を有したことで、該ギャップ３４がポンプ室２と排出部３０を連通させる連通路３１となり、ポンプ室２内の流体をギャップ３４を介して排出部３０に排出させることができる。

そして、流体排出用のギャップ３４と羽根部１３の軸方向の高さ位置をずらしたことで、羽根車１１回転時に、羽根車１１の外周端から導出された流体が連通路３１へ流入され難くなり、排出部３０への流入に伴う渦５１を発生し難くすることができる。

更に、排出部３０及び連通路３１をポンプ室２内より下方側に配置される構成としたことで、ポンプ室２内の流体が流体排出用の動力を設けなくても外部に排出され易くなると共に、流体排出時に残留し難くなり、流体の排出性能を向上することができる。

また、図４に示すように、壁３２に複数のスリット４２を設けることで、スリット４２が連通路３１となり、流体排出時の流体の排出効率を向上させることができる。なお、前述の例と略同様の構成は同じ符号を付して、重複する説明は省略する。

詳しくは、ボリュート構造３と排出部３０のラジアル方向の間に壁３２が設けられており、該壁３２は、ボリュート構造３を模してポンプ室２の内面（周面２６）に沿った壁面３３を有すると共に、軸方向に切り欠かれた複数のスリット４２を有している。

そして、スリット４２は壁面３３を有した仕切り部４１によって周方向に略等間隔に仕切られると共に、ポンプ室２内と排出部３０を連通させる連通路３１となっている。そのため、各スリット４２を介してポンプ室２内から排出部３０に流体が流入可能となっている。なお、スリット４２の周方向の幅は仕切り部４１の周方向の幅より狭い或いは略同じものとなっている。

このように、スリット４２を設けたことで、ポンプ室２内の流体は分離板１６との間のギャップ３４に加えて、スリット４２からも排出部３０に流れ込むため、排出部３０への流入量を増加させることができる。そのため、流体排出時の排出効率が向上して、排出性能を向上させることができる。

そして、羽根車１１回転時に、ポンプ室２内の流体の一部がスリット４２を介して排出部３０に流入して渦５１を生じるが、該渦５１はスリット４２毎に分散して発生するものとなっている。そのため、図６に示した壁３２の無い従来のものに比べて、小さい（影響力の弱い）渦５１となり、従来のものに比べて渦５１が層流５０に影響し難く、排出部３０への流入量の増加に伴う層流５０の乱れを軽減することができる。

更に、複数のスリット４２を仕切り部４１で周方向に仕切って並べたことで、周方向（羽根車１１の回転方向ＲＤ）に沿った渦５１の成長を仕切り部４１で阻害することができる。そのため、回転速度の上昇時等での渦５１の回転方向ＲＤに沿った成長や合体等の肥大化を抑えられて、層流５０の乱れを抑制することができる。

なお、複数のスリット４２を設けたものに限らず、ラジアル方向に貫通した貫通孔を複数設けた格子状や網状等のメッシュ部を設けたものや、スリット４２や貫通孔を一つだけ設けたものや、スリット４２と貫通孔を組み合わせて設けたもの等であってもよい。もちろん、複数のスリット４２や貫通孔の各配置間隔は、少なくとも夫々に生じる渦５１が合体、成長しない程度に離れて位置したものであればよく、等間隔でなくてもよい。ましてや、スリット４２やメッシュ部を設けたものでは、ポンプケース２１と分離板１６の軸方向の間にギャップ３４の無いものであってもよい。

また、図５は揚水量Ｑｗの増減に伴う全揚程Ｈｔの変化を示したポンプ性能の曲線図であり、符号Ｐ１の曲線は壁３２にメッシュ部を備えた図４に示す本例のポンプ１のものとなっている。そして、符号Ｐ２の曲線はボリュート構造３を有するが排出部の無い従来の遠心式のポンプのものである。符号Ｐ３の曲線はボリュート構造３と排出部７３を有するが排出部７３とボリュート構造の間に壁の無い図６に示す従来の遠心式のポンプのものである。以下、符号Ｐ１の曲線のポンプ１を本ポンプとし、符号Ｐ２の曲線のポンプを排出無ポンプとし、符号Ｐ３の曲線のポンプを壁無ポンプとして記載する。

本ポンプは、揚水量Ｑｗの増減に伴う全揚程Ｈｔの変化（曲線）が、排出無ポンプに近い変化を示している。そして、壁無ポンプは、他の二つのポンプに比べて、揚水量Ｑｗの増加に伴って全揚程Ｈｔが著しく低下している。そのため、本ポンプのように連通路３１の上流端３３に壁３２を設けることで、壁無ポンプに比べて、揚水量Ｑｗ増加時の全揚程Ｈｔの低下が抑制されることが判る。

もちろん、図１に示したポンプ１も、図４に示した本ポンプと略同様の揚水量Ｑｗの増減に伴う全揚程Ｈｔの変化（ポンプ性能）を示し、壁無ポンプに比べて、揚水量Ｑｗ増加時の全揚程Ｈｔの低下が抑制されている。

なお、図１や図４に示したポンプ１における流体は、温水や冷水、湯水等の水に限らず、液体燃料や冷却液、気体溶解液等の液体や気液混合流体であってもよい。また、壁３２は分離板１６のフランジ部１９から軸方向に突出して設けて、シュラウド１４の外周側の側面２３と周面２６の間にギャップ３４を形成したものや、壁面３３にスリット４２やメッシュ部を設けたもの等であってもよい。

１ポンプ
２ポンプ室
３ボリュート構造
１１羽根車
２２吸入部
２３吐出部
２６周面
３０排出部
３１連通路
３２壁
３３壁面
４２スリット

Claims

モータと、
前記モータによって回転されて流体を流動させる羽根車と、
前記羽根車を内部に収納したポンプ室と、
前記ポンプ室内に外部から流体を吸入する吸入部と、
前記ポンプ室内から外部に流体を吐出する吐出部と、
前記ポンプ室内の流体を外部に排出する排出部と、を備え、
前記ポンプ室は、渦巻状の周面からなるボリュート構造を前記羽根車の外周側に有し、
前記排出部は、前記ボリュート構造よりも外周側に位置し、
前記排出部と前記ボリュート構造の間に、
前記ポンプ室と前記排出部を連通させる放射状の連通路と、
前記周面に沿う壁面を前記ポンプ室側に有した壁と、を設け、
前記壁面は、前記周面に略面一であり、且つ、前記周面の一部となるように構成されており、
前記モータと前記ポンプ室とを区画する分離板を、更に備え、
前記分離板は、
一端に底部を備えた円筒部と、
前記円筒部の他端から外周側に延設されたフランジ部と、を有し、
前記壁と前記フランジ部との間に、前記連通路が形成されており、
前記壁の前記フランジ部側の端部が、
前記周面の前記フランジ部側の端部と、周方向に沿って略面一で連続するように構成されていることを特徴とするポンプ。
前記壁に、前記連通路となるメッシュ部或いはスリットを設けたことを特徴とする請求項１に記載のポンプ。