JP5880073B2 - 遠心型ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、遠心型ポンプ、特に電動ウォータポンプなどの羽根車（インペラ）を回す駆動源であるモータの構造に関する。

特許文献１、２には、効率向上を果たすために、吸入口に予旋回流を作り出す手段が、開示されている。特許文献１においては、２方向の吸入口を設け旋回流れが発生させており、特許文献２においては、吸入口内壁に螺旋溝を切り込むことで旋回流れを発生させている。これらの従来技術では、旋回流れを発生させて効率向上を達成しているものの、前者は、２方向からの流体を混ぜ合わせる際に損失が発生し、後者は、螺旋溝部分にて流体の摩擦損失が発生する事と、吐出圧のもとで羽根車上部から洩れ出て吸入口１１へ逆流する流れによる損失が避けられない。

図１は、従来技術における遠心型ポンプのクローズドインペラ構造の一例を示す断面図である。クローズドインペラ構造とは、特許文献２の従来技術と同様に、羽根部の上部を屋根３’で覆い、回転する羽根車上で加速される流体が羽根車上部から洩れ出るような流れを防ぎ、効率向上を果たすことができるものである。この図１の羽根構造においても、吐出口１２に至るまでに、インペラ部３より排出された流体がケーシング５との隙間（クリアランスｃ）を通り、吸入口１１へ逆流する流れが発生し、その逆流現象により効率が低下してしまう問題があった。

さらに、図１の電動ウォータポンプの構造では、流体主流路ではない場所に、磁石１を内包するロータ部６が位置しており、その部分の液体流れは淀んでおり、ロータ部６の液体温度は、ポンプ内部のコイル部分や回路部分からの受熱で、吸入口１１付近の温度よりも一般的に高くなっている。このような構造では、温度が高くなるほどロータの磁石１の磁束量が低下してしまうので、淀んだ部分の液体温度の上昇によりモータ効率が低下するという問題が発生していた（磁束量が高い方が、モータ効率が高くなる）。

特許第３９８９０２５号公報 特開２００２−１１５６９６号公報

本発明は、上記問題に鑑み、遠心型ポンプ、特に電動ウォータポンプなどにおいて、ポンプ効率を向上させた構造を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、
吸入口（１１）、吐出口（１２）、及び、側壁部（１３）を有するケーシング（５）と、該ケーシング（５）に支持されたシャフト（４）の周りに回転するインペラ（３）と、前記側壁部（１３）に設置されたステータ（２）、及び、磁石（１）を内装したロータ（６）からなるモータ部と、を具備する遠心型ポンプにおいて、前記磁石（１）を内装する前記ロータ（６）の内側は流体が流れる構造とし、前記ロータ（６）の中心軸に沿って設けた流路（１５）を、前記インペラ（３）入口（１４）の上流に連結して、前記ロータ（６）と前記インペラ（３）とを一体回転させるようにし、前記ロータ（６）の流路（１５）の内周面に螺旋溝を設け、前記シャフト（４）を前記インペラ（３）入口（１４）方向に延長し、前記シャフト（４）の外周部に螺旋溝を設けた遠心型ポンプである。

これにより、予旋回流れを発生させるとともに、インペラより排出された流体が、吸入口側への逆流を大幅に低減して、クローズドインペラ構造における効率を向上することができる。また、磁石を内包するロータの内側は流体が流れる構造となっているので、磁石部分の温度を低下させることが可能になり、モータの効率を向上させることができる。

これにより、予旋回流れをより強く発生させることができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ロータ（６）と前記インペラ（３）とが一体又は別体で形成されている。

請求項３の発明は、吸入口（１１）、吐出口（１２）、側壁部（１３）、及び、前記吸入口（１１）に連結してケーシング（５）内部に突設した環状壁部（２３）を有するケーシング（５）と、該ケーシング（５）に支持されたシャフト（４）の周りに回転するインペラ（３）と、前記環状壁部（２３）に設置されたステータ（２）、及び、該ステータ（２）を取り囲むように設置した磁石（１）を内装したロータ（６）からなるモータ部と、を具備する遠心型ポンプにおいて、前記環状壁部（２３）を、前記インペラ（３）入口（１４）の上流に設置して、前記ロータ（６）を前記インペラ（３）に連結して一体回転させた遠心型ポンプである。これにより、逆流流れの更なる経路延長を実現して、逆流を阻害することができる。また、ステータ２のコイルを充分に冷却することができる。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

従来技術の遠心型ポンプの断面図である。 一形態を示す模式的断面図である。 本発明の一実施形態を示す模式的断面図である。 本発明の一実施形態を示す模式的断面図である。 一形態を示す模式的断面図である。 本発明の他の実施形態を示す模式的断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。
本発明の一実施形態は、電動ウォータポンプに適用した一例であって、遠心型ポンプの効率向上に寄与するものである。本発明は、電動ウォータポンプに限らず、電動モータで駆動される全ての遠心型ポンプに適用可能である。そして、遠心型ポンプの中でも、インペラを回す駆動源であるモータの構造に関して、磁石を内包するロータ部が循環させる液体に浸かっている構造になっている電動ポンプに特に適用される。本発明の電動ウォータポンプの用途としては、液体を循環させる場合などに使用され、車両に限らず、産業分野において幅広く適用することができる。

車両では通常車に限らずハイブリッド車（ＨＥＶ、ＰＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）において、エンジン、インバータ、モータ、電池、又は、過給機の冷却水を循環させる場合に広く適用可能である。燃料電池を搭載した車両においては、発電に伴い燃料電池スタックが発熱し、この発熱を放置するとスタックの劣化が進行する事と、適切な温度下でのみ十分な発電を実施する特徴を持つ装置である事から、燃料電池スタックを所定の許容温度以内で管理する必要がある。この燃料電池スタックの冷却用にも適用することができる。その他、医療用や、家庭用（風呂、洗濯機の水汲み上げ、循環など）においても適用可能である。

図２は、一形態を示す模式的断面図である。ケーシング５は、吸入口１１、吐出口１２、及び、側壁部１３を有する。ケーシング５の内部には、ケーシング５に回転可能に支持されたシャフト４の周りを、インペラ３が回転し、冷却水を吸入口１１から吸込み、吐出口１２から吐出する。電動モータ（モータ部）は、側壁部１３に設置されたステータ２、及び、磁石１を内装したロータ６から構成されている。ここで、ロータ６の中心軸に沿って中空部を設けて流路１５を構成し、流路１５の出口をインペラ入口１４の上流に連結して、ロータ６とインペラ３とを一体回転させるようにしている。ロータ６とインペラ３は一体成形してもよいが、別体で構成して機械的結合やその他の連結手段で連結しても良い。シャフト４には、ＳＵＳ材などが用いられるが、これに限定されるものではない。

本発明の一実施形態では、ケーシング５を樹脂材で形成し、また、ロータ６とインペラ３も樹脂材で形成している。インペラ３の樹脂材は、ＰＰＳなどであり、ケーシング５の樹脂材としては、ＰＡ、ＰＰＡ、ＰＰＳ、ＰＢＴなどが挙げられる。ロータ６には、磁石１を内包して形成する。磁石１は、希土類磁石又はフェライト材で構成すると良い。磁石１は、樹脂製ロータ６に内包される場合が多いが、錆びない性質を持つマグネット材の場合は磁石１の一部のマグネットを露出させても良い。樹脂製ロータに内包される場合と、マグネット露出の場合との機能に大きな違いはないが、内包した方が錆びにくく耐久性が高くなる。これに対してマグネット露出の場合にはモータ部のステータと磁石のクリアランスを、より接近させる事が可能な為、モータ効率を向上させることができる（クリアランスが小さいほど、洩れ出る磁束量を少なく出来る為）。また、樹脂にフェライト材が混ぜ込まれている場合、樹脂製ロータそのものが磁性材となる。ロータ成型後に、磁石にしたい部分に強力な磁力を掛けてやり永久磁石化させる。

ステータ２の材質としては、電磁鉄鋼など鉄系材が用いられる。マグネット1を内包したロータ部６(インペラ３と一体構造)が、コイル（ステータ２に内包）へ給電することで、ステータ２に発生する回転磁界に引き付けられて回転をする。ステータ２には回転磁界を発生させるための駆動回路が存在するが、その搭載位置に特段に制約は無いため、図２では記載を省略している。本実施形態の電動ウォータポンプでは電源として直流を使用しており、いわゆる直流ブラシレスモータ（回路内部でコイルへの通電を高速にＯＮ−ＯＦＦ切り替えすることでロータを回転させる）が用いられている。一定周波数の交流電源に対する同期モータでの使用も可能である。

このような構成により、ロータ６の中心を中空とし、そこに循環液体（冷却水）の主流路を設置することで、図１の構造では作動時に流体摩擦損失となっていたロータ内側壁部分を、吸入側の予旋回流発生手段として使用することができる。これは、流体が持つ粘性により、ロータ内周側の壁が移動（回転）を始めると、流体には粘性による摩擦力が回転方向に加わり、旋回するような流れを発生させることによる。

また、クローズドインペラ構造においてはクリアランス寸法ｃが小さいほど、また、流体が通過する経路が長いほど、クリアランス部を逆流する流体の流量が減らせることができ、効率が向上することが一般的に知られている。本実施形態では、ロータ６をインペラ入口１４の上流に連結していることから、図１の従来技術の遠心型ポンプと比べて、図２の紙面上縦と横方向の距離を長くとることで逆流れを阻害することができる。

ロータ部６の外周面とケーシング５とのクリアランス部分を通過する経路と、ロータ部６の上面とケーシング５とのクリアランス部分を通過する経路とを足し合わせて、従来のクリアランスｃを通過する経路と比較して、圧倒的に流体が流れにくい構造とすることができる。クリアランスの値は、一例として、自動車分野のポンプのロータ直径２０〜３０ｍｍ程度の場合に、冷却水中の異物の大きさを考慮し、異物を巻き込んで機能停止をおこさないように設定した値として、０．５ｍｍ程度に設定すれば良い。逆流経路途中にさらにラビリンス構造を付加して、流体が流れにくい構造とすることもできる。

このように、インペラ部３より排出された流体が、吸入口側への逆流を大幅に低減して、クローズドインペラ構造における効率を向上することができる。
また、図１の従来構造では、磁石部分は流体の淀み部分に位置し、ステータコイルや回路部からの受熱により、淀み部分の流体は吸入直後の流体よりも温度が高い。一方、本実施形態では、磁石を内包するロータ６の内側は流体が流れる構造となっているので、従来構造と比較して磁石部分の温度を低下させることが可能になる。そのため、温度が低いほど永久磁石の磁束量低下を抑える効果があることから、従来構造と比較して磁石部分の磁束量の低下が少ない構造である故に、モータの効率を向上させることができる。
ロータ内側壁部分の予旋回流発生に加えて上述した構成が効果的に組み合わさって、ポンプ効率は、図１の従来技術に比べて概ね１割程度向上させることが期待できる。

図３、４は、本発明の実施形態を示す模式的断面図である。図３の実施形態では、予旋回流れをより強く発生させるために、ロータ内部の流路に螺旋溝２０を切り込んだものである。図４の実施形態は、予旋回流れをより強く発生させるために、シャフト４を延長し、その外周部に螺旋溝２１を切り込んだものである。図５の形態では、ロータ６の流路内に羽根２２を設け、効率向上を狙ったものである（軸流ファン＋遠心ファン構造のポンプ）。シャフト４を延長して、羽根２２を回転自在に支持すると良いが、その他の手段で支持することも可能である。羽根２２を回転させるために、羽根２２を磁性体で製造し、ロータ６の磁力に引き付けられて連れ回りするようにするようにしても良い。

図６の他の実施形態では、アウタロータ構造６’に適用したもので、ステータ２を積極的に冷却できるようにしたものである。図６の他の実施形態は、吸入口１１、吐出口１２、側壁部１３、及び、吸入口１１に連結してケーシング５内部に突設した環状壁部２３を有するケーシング５と、ケーシング５に支持されたシャフト４の周りに回転するインペラ３と、環状壁部２３に設置されたステータ２、及び、ステータ２を取り囲むように設置した磁石１を内装したロータ６’からなるモータ部と、を具備する遠心ポンプにおいて、環状壁部２３を、インペラ入口１４の上流に設置して、ロータ６’をインペラ３に連結して一体回転させたものである。この場合には、クローズドインペラ構造において、逆流流れのさらなる経路延長を実現して、逆流を阻害することができる。また、ステータ２のコイルを充分に冷却することができる。

１ 磁石
２ ステータ
３ インペラ
４ シャフト
５ ケーシング
６ ロータ

Claims (3)

1. 吸入口（１１）、吐出口（１２）、及び、側壁部（１３）を有するケーシング（５）と、
   該ケーシング（５）に支持されたシャフト（４）の周りに回転するインペラ（３）と、
   前記側壁部（１３）に設置されたステータ（２）、及び、磁石（１）を内装したロータ（６）からなるモータ部と、を具備する遠心型ポンプにおいて、
   前記磁石（１）を内装する前記ロータ（６）の内側は流体が流れる構造とし、前記ロータ（６）の中心軸に沿って設けた流路（１５）を、前記インペラ（３）入口（１４）の上流に連結して、前記ロータ（６）と前記インペラ（３）とを一体回転させるようにし、
   前記ロータ（６）の流路（１５）の内周面に螺旋溝を設け、
   前記シャフト（４）を前記インペラ（３）入口（１４）方向に延長し、前記シャフト（４）の外周部に螺旋溝を設けた遠心型ポンプ。
2. 前記ロータ（６）と前記インペラ（３）とが一体又は別体で形成されている請求項１に記載の遠心型ポンプ。
3. 吸入口（１１）、吐出口（１２）、側壁部（１３）、及び、前記吸入口（１１）に連結してケーシング（５）内部に突設した環状壁部（２３）を有するケーシング（５）と、
   該ケーシング（５）に支持されたシャフト（４）の周りに回転するインペラ（３）と、
   前記環状壁部（２３）に設置されたステータ（２）、及び、該ステータ（２）を取り囲むように設置した磁石（１）を内装したロータ（６’）からなるモータ部と、を具備する遠心型ポンプにおいて、
   前記環状壁部（２３）を、前記インペラ（３）入口（１４）の上流に設置して、前記ロータ（６’）を前記インペラ（３）に連結して一体回転させた遠心型ポンプ。

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