JP6512792B2 - 磁気浮上型ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、磁気浮上型ポンプに係り、特に羽根車を非接触で回転させることにより回転部の接触により生ずるパーティクルの発生を抑えることができる構造を備え、純水や薬液等の移送液がパーティクルによって汚染されることを防止することができる磁気浮上型ポンプに関するものである。

従来、純水や薬液の送液用のポンプとして、往復動するダイヤフラム等を用いて液体を所定の圧力に圧縮しつつ間欠的に送り出すようにした容積式ポンプが一般に知られている。また、ポンプケーシング内に主軸によって支持された羽根車を備え、主軸が軸受によって回転自在に支持されている遠心式ポンプを用いて純水や薬液を送液することも行われている。

特開平３−８８９９６号公報

しかしながら、容積式ポンプを使用した場合には、液体の移送が連続的に滑らかにならないで脈動が生ずるという問題がある。一方、遠心式ポンプを使用した場合には、軸封部又は軸受等の摺動部の接触が避けられないため、この接触によりパーティクルの発生を伴うことになる。そのため、パーティクルが純水や薬液等の移送液中に混入し、移送液を汚染させてしまうという問題がある。
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、移送液の脈動がなく、摺動部の接触により生ずるパーティクルの発生を抑えることができる磁気浮上型ポンプを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の磁気浮上型ポンプの一態様は、ポンプケーシング内に収容された羽根車を磁気によって浮上させる磁気浮上型ポンプであって、前記羽根車を挟んで、羽根車を回転させるモータと、羽根車を磁気により支持する電磁石とを対向して配置し、前記モータを前記ポンプケーシングの吸込口とは反対側に配置し、前記羽根車の軸方向の端部は羽根車の吸込口を構成し、羽根車の吸込口とは反対側の羽根車の軸方向の端部は羽根車の背面から突出した部分からなり、前記羽根車の背面から突出した部分にリング状の永久磁石を設け、前記ポンプケーシングに、前記羽根車の背面から突出した部分と半径方向で対向する位置にリング状の永久磁石を設け、羽根車側の永久磁石とポンプケーシング側の永久磁石とを半径方向に対向させて永久磁石ラジアル反発軸受を構成し、前記羽根車側の永久磁石と前記ポンプケーシング側の永久磁石は、軸方向には互いにずれて配置されていることを特徴とする。ここで、羽根車の軸方向とは、羽根車の回転軸の軸線の方向、すなわち、スラスト方向を云う。
本発明によれば、ポンプ運転中に、ポンプケーシング内と吸込口との圧力差によって軸スラストが作用して羽根車は吸込口側に押されるが、吸込口とは反対側に配置されているモータにより、羽根車を吸込口側とは反対側に引き戻す吸引力を作用させることができるため、ポンプの差圧により生ずる軸スラストを相殺することができる。従って、ポンプ運転中に羽根車のスラスト方向における電磁石による制御は、ゼロパワー（無電力）制御が可能となる。
本発明によれば、ラジアル剛性が受動安定化力だけでは剛性不足になる場合に、永久磁石ラジアル反発軸受によってラジアル剛性を補うことができる。したがって、羽根車の軸 端部を磁気反発力で非接触で安定して支持することができる。
本発明によれば、羽根車側の永久磁石とポンプケーシング側の永久磁石とを軸方向にずらして配置することにより、モータが羽根車を吸引する吸引力の方向とは逆の力、すなわち、羽根車を吸込口側に押す力を発生させることができる。この羽根車を吸込口側に押す力により、モータが羽根車を吸引する吸引力を減らすことができるため、ポンプ始動時に、モータ側に引き寄せられている羽根車を電磁石の電磁力によりモータから引き離す制御を行う際に、電磁石の電磁力を低減できる。したがって、ポンプ始動時の電磁石の電力を低減できる。

本発明の好ましい態様によれば、前記モータは、羽根車側に永久磁石を備えた永久磁石型モータであることを特徴とする。
本発明によれば、モータは羽根車側に永久磁石を備えた永久磁石型モータであるため、常にモータから羽根車に吸引力が働いており、軸スラストによって吸込口側に押される羽根車を反対側に引き戻す力を作用させることができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記羽根車の吸込口側の軸方向の端部と、前記ポンプケーシングにおいて前記羽根車の吸込口側の軸方向の端部と半径方向で対向する部分との間に、すべり軸受を設けたことを特徴とする。
本発明によれば、ラジアル剛性が受動安定化力だけでは剛性不足になる場合に、すべり軸受によってラジアル剛性を補うことができる。したがって、羽根車の軸端部を安定して支持することができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記電磁石のインピーダンスに基づいて前記羽根車の変位を検出することを特徴とする。
本発明によれば、回転体としての羽根車の位置を検出するセンサを設置する必要がなく、電磁石の制御をセンサレスで行うことができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記ポンプケーシング内において移送液と接触する接液部は、樹脂材で構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、ポンプケーシングの内面や羽根車等の移送液と接触する接液部は、ＰＴＦＥやＰＦＡ等の樹脂材をコーティングするか、又は接液部の構成部品全体を樹脂材で構成している。したがって、接液部から金属イオンが発生することがない。
本発明の磁気浮上型ポンプの別の態様は、ポンプケーシング内に収容された羽根車を磁気によって浮上させる磁気浮上型ポンプであって、前記羽根車を挟んで、羽根車を回転させるモータと、羽根車を磁気により支持する電磁石とを対向して配置し、前記モータを前記ポンプケーシングの吸込口とは反対側に配置し、前記羽根車の軸方向の端部は羽根車の吸込口を構成し、羽根車の吸込口とは反対側の羽根車の軸方向の端部は羽根車の背面から突出した部分からなり、前記羽根車の背面から突出した部分にリング状の永久磁石を設け、前記ポンプケーシングに、前記羽根車の背面から突出した部分と半径方向で対向する位置にリング状の永久磁石を設け、羽根車側の永久磁石とポンプケーシング側の永久磁石とを半径方向に対向させて永久磁石ラジアル反発軸受を構成し、前記羽根車側の永久磁石と前記ポンプケーシング側の永久磁石は、アキシャル方向着磁とラジアル方向着磁の永久磁石の組み合わせからなることを特徴とする。

本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）羽根車を非接触で回転させることにより回転部や摺動部の接触により生ずるパーティクルの発生を抑えることができる。従って、パーティクルが純水や薬液等の移送液中に混入し、移送液を汚染させてしまうという問題を解消することができる。
（２）磁気浮上型ポンプを遠心式ポンプで構成することにより、純水や薬液等の移送液を連続的に滑らかに移送することができ、移送液の脈動がない。
（３）ポンプ運転中に、ポンプケーシング内と吸込口との圧力差によって軸スラストが作用して羽根車は吸込口側に押されるが、吸込口とは反対側に配置されているモータにより、羽根車を吸込口側とは反対側に引き戻す吸引力を作用させることができるため、ポンプの差圧により生ずる軸スラストを相殺することができる。従って、ポンプ運転中に羽根車のスラスト方向における電磁石による制御は、ゼロパワー（無電力）制御が可能となる。
（４）ポンプケーシング内において移送液と接触する接液部は、ＰＴＦＥやＰＦＡ等の樹脂材で構成されているため、接液部から金属イオンが発生することがない。

図１は、本発明に係る磁気浮上型ポンプの一実施形態である磁気浮上型遠心ポンプを示す縦断面図である。 図２は、本発明に係る磁気浮上型ポンプの他の実施形態を示す縦断面図である。 図３は、制御磁極の配置例（８極）を示す図である。 図４は、制御磁極の配置例（６極）を示す図である。 図５は、永久磁石ラジアル反発軸受の第１の実施例を示す図である。 図６は、永久磁石ラジアル反発軸受の第２の実施例を示す図である。 図７（ａ）,（ｂ）は、図１及び図２に示す磁気浮上型遠心ポンプの外観を示す図であり、図７（ａ）は磁気浮上型遠心ポンプの正面図であり、図７（ｂ）は磁気浮上型遠心ポンプの側面図である。

以下、本発明に係る磁気浮上型ポンプの実施形態を図１乃至図７を参照して説明する。図１乃至図７において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明に係る磁気浮上型ポンプの一実施形態である磁気浮上型遠心ポンプを示す縦断面図である。図１に示すように、磁気浮上型遠心ポンプ１は、吸込口１ｓと吐出口１ｄとを有し略円筒容器状のケーシング２と、ケーシング２の前面開口部を覆うケーシングカバー３と、ケーシング２とケーシングカバー３によって構成されるポンプケーシング内に収容された羽根車４とを備えている。ケーシング２とケーシングカバー３とから構成されるポンプケーシングの内面等の接液部はＰＴＦＥやＰＦＡ等の樹脂キャン構造からなっている。ポンプケーシングの内面は、フラット（平坦）な両端面と円筒状の内周面から構成され、ポンプケーシング内には凹み部がなく、エア溜りがないように工夫されている。

ケーシング２内には、羽根車４の前面に埋設されたケイ素鋼板等の磁性材からなるロータ磁極５を吸引して羽根車４を磁気によって支持するための電磁石６が設置されている。電磁石６は、電磁石コア６ａとコイル６ｂとを備えている。また、ケーシングカバー３内には、羽根車４の背面に埋設された永久磁石８を吸引しつつ羽根車４を回転させるモータ９が配置されている。モータ９は、モータコア９ａとコイル９ｂとを備えている。電磁石６とモータ９をそれぞれ６極タイプとすることによってコアの共通化が図れ、コストダウンが可能である。

図１に示す磁気浮上型遠心ポンプ１は、羽根車４を挟んで電磁石６とモータ９とを対向させて配置した簡単な構造になっている。羽根車４には、ポンプ運転中にポンプケーシング内と吸込口との圧力差によって軸スラストが作用して、羽根車４は吸込口側に押される。しかしながら、モータ９は羽根車側に永久磁石８を備えた永久磁石型モータであるため、常に羽根車４に吸引力が働いており、軸スラストによって吸込口側に押される羽根車４を反対側に引き戻す力を作用させることができる。すなわち、永久磁石型モータによる吸引力とポンプの差圧による軸スラストをバランスさせることができるように、モータ９は吸込口１ｓとは反対側に配置する構造にしている。

一方、羽根車４の前面側に配置された電磁石６は、モータ吸引力と釣り合うＺ軸制御力（スラスト方向の制御力）と、Ｚ軸に直交する軸線であるＸ軸およびＹ軸に対する傾きとして定義されるθｘθｙの傾きを補正する制御力とを発生する磁気軸受として構成されており、羽根車４をポンプケーシング内で非接触で支持するように構成されている。また、電磁石６のインピーダンスに基づいて、回転体である羽根車４の変位を検出することにより、羽根車４の位置を検出するように構成されているため、位置センサを設ける必要がないセンサレス構造としている。制御力が働く位置を検出するため、所謂コロケーション条件が成立し、電磁石６の制御がやりやすい構造を採用している。

図１に示すように、羽根車４に対向してモータ９と電磁石６を配置することによって、径方向にコンパクトな構造になる。このように、径方向をコンパクトにするためにアキシャルタイプのモータを選択しており、効率が良く大きなトルクを得るために永久磁石タイプのモータを選択している。すると、回転体である羽根車４は必ずモータ側に吸引されるので、これに対抗するように反対側に電磁石を配置している。この配置により、片側電磁石で３自由度（Ｚ，θｘ，θｙ）を制御することが可能な構造になっている。

図２は、本発明に係る磁気浮上型ポンプの他の実施形態を示す縦断面図である。図２に示す磁気浮上型ポンプは、図１と同様に磁気浮上型遠心ポンプである。図２に示す磁気浮上型遠心ポンプ１においては、羽根車４の軸方向の端部４ｅにリング状の永久磁石１０を設け、ケーシングカバー３において羽根車４の軸方向の端部４ｅと半径方向で対向する部分にリング状の永久磁石１１を設け、羽根車側の永久磁石１０とケーシングカバー側の永久磁石１１とを半径方向に対向させて永久磁石ラジアル反発軸受を構成している。

図１に示す実施形態においては、ラジアル剛性は、電磁石６とモータ９の吸引力による受動安定化力により得るようにしているが、図２に示す実施形態によれば、ラジアル剛性が受動安定化力だけでは剛性不足になる場合に、羽根車側の永久磁石１０とケーシングカバー側の永久磁石１１とからなる永久磁石ラジアル反発軸受によってラジアル剛性を補うことができる。したがって、羽根車４の軸端部を磁気反発力で非接触で安定して支持することができる。

また、羽根車側の永久磁石１０とケーシングカバー側の永久磁石１１とは、軸方向に少しずらして配置している。羽根車側の永久磁石１０とケーシングカバー側の永久磁石１１とを軸方向にわずかにずらして配置することにより、モータ９が羽根車４を吸引する吸引力の方向とは逆の力、すなわち、羽根車４を吸込口側に押す力を発生させるように構成している。この羽根車を吸込口側に押す力により、モータ９が羽根車４を吸引する吸引力を減らすことができるため、ポンプ始動時に、モータ側に引き寄せられている羽根車４を電磁石６の電磁力によりモータ９から引き離す制御を行う際に、電磁石６の電磁力を低減できる。したがって、ポンプ始動時の電磁石６の電力を低減できる。

また、図２に示すように、羽根車４の吸込口４ｓの外周面と、ケーシング２において羽根車４の吸込口４ｓの外周面と半径方向で対向する部分との間に、すべり軸受１２を設けている。すべり軸受１２は、ケーシング２の内周面に嵌め込まれたリング状のセラミックスにより構成することができる。また、ケーシング２の内周面をＰＴＦＥやＰＦＡ等の樹脂材で形成することにより、すべり軸受１２を構成することもできる。

図２においては、羽根車４の両軸端部に永久磁石ラジアル反発軸受とすべり軸受とをそれぞれ設けた例を図示したが、羽根車の両軸端部に永久磁石ラジアル反発軸受をそれぞれ設けることもできるし、羽根車の両軸端部にそれぞれすべり軸受を設けることもできる。また、羽根車の吸込口側等の一端部側のみに永久磁石ラジアル反発軸受又はすべり軸受を設けるように構成することもできる。図２に示す磁気浮上型遠心ポンプ１におけるその他の構成は、図１に示す磁気浮上型遠心ポンプ１と同様である。

次に、図１及び図２に示すように構成された磁気浮上型遠心ポンプ１の制御回路について説明する。
図３に示すように、基本的に制御磁極は８極有り、隣あった２極を１対として使用し、（１）（２）（３）（４）の全てを動作させればＺ方向に制御力を発生し、（１）（２）と（３）（４）を作動的に動かせばθｙ、（１）（４）と（２）（３）を作動的に動かせばθｘの制御力を発生することが出来る。
図４に示すように、理想的には制御磁極を６極にすることにより、さらにコンパクトな構造とすることが出来る。すなわち、電磁石コイルの数や電流ドライバの数が減らせるなどのメリットがある。この場合も、隣り合った２極を１対として使用する。（１）（２）（３）の全てを動作させればＺ方向に制御力を発生し、（１）と（２）（３）を作動的に動かせばθｘ、（２）と（３）を作動的に動かせばθｙの制御力を発生することが出来る。

３つの自由度を制御するために、複数の変位センサが必要になる。変位センサも基本的には４個設置し、それぞれの出力を演算ユニットにてモード出力に演算する。具体的には、（１）（２）（３）（４）の合計からＺ方向の変位を算出し、（（１）＋（２））−（（３）＋（４））からθｙ、（（１）＋（４））−（（２）＋（３））からθｘを算出する。
理想的にはセンサも３個に減らしてそれぞれの出力を演算してＺ，θｘ，θｙを求めることも可能である。
この様にして求められたそれぞれのＺ，θｘ，θｙの３つのモードに対して、それぞれの固有振動数から最適な制御則を適用し、それぞれのモードの制御出力をそれぞれ計算する。計算した制御出力を演算ユニットで演算して、３対または４対の電磁石コイルにそれぞれの電流を配分してやることによって回転体である羽根車４のＺ，θｘ，θｙの動きを制御し、モータにより安定に回転させることが出来る（θｚ）。

更に、ポンプ動作中は差圧が発生し羽根車４を吸込口側に押し付ける力が発生するため、この力とモータの吸引力を釣り合わせる制御を行えば制御電流を減らすことが出来る。
つまり、基本的にＺ方向でいえばモータ吸引力≧ポンプ差圧力となるように構成し、モータ吸引力＝ポンプ差圧力＋電磁石力となるように電磁石の力を制御する。理想的には電磁石の力を０にすることが出来る（ゼロパワー制御）。
また更に理想的には、制御コイルのインピーダンスに基づいてギャップの位置を推定するセンサレス磁気軸受（セルフセンシング磁気軸受）の技術を適用することによって、変位センサを無くし、ポンプ本体を更に小型化・低コストにすることが出来る。
６自由度のうちの残る２つの自由度は、モータの永久磁石と固定子側ヨークの間に働く吸引力、および制御電磁石の固定側ヨークと回転体側磁極の間に働く吸引力によって受動的に安定化している。

モータの大きさや隙間によってはこの受動安定化力は小さくなるため、積極的には、図２において説明したように永久磁石の反発力を利用したラジアル反発軸受を追加するのが有効である。このラジアル反発軸受は複数のリング状の永久磁石を積み重ねており、外側に同様の構成の永久磁石を配置することにより半径方向に復元力を発生する。
この様な軸受は、図５に示すように、アキシャル方向に着磁した永久磁石を着磁方向が逆になるように積み重ねることによって構成される。理想的には、図６に示すように、アキシャル方向着磁とラジアル方向着磁の永久磁石を組み合わせることにより、より大きなラジアル剛性を得ることが出来る。
このラジアル軸受はアキシャル方向には不安定な剛性を持っており、どちらか１方向に抜けてしまおうという力が働く。このため、予め回転体（羽根車４）に吸込口側に力が作用するように固定側と回転体側の永久磁石をずらしておくことによって、モータの永久磁石による吸引力を軽減することが出来る。

図７（ａ）,（ｂ）は、図１及び図２に示す磁気浮上型遠心ポンプ１の外観を示す図であり、図７（ａ）は磁気浮上型遠心ポンプ１の正面図であり、図７（ｂ）は磁気浮上型遠心ポンプ１の側面図である。
図７（ａ）,（ｂ）に示すように、磁気浮上型遠心ポンプ１は、両端面と円周面とを有した短い円柱形状をなし、一端面に吸込口１ｓが形成され、円周面に吐出口１ｄが形成されている。図７（ａ）,（ｂ）に示すように、磁気浮上型遠心ポンプ１は極めてシンプルな構造になっている。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１ 磁気浮上型遠心ポンプ
１ｄ 吐出口
１ｓ 吸込口
２ ケーシング
３ ケーシングカバー
４ 羽根車
４ｅ 端部
４ｓ 羽根車の吸込口
５ ロータ磁極
６ 電磁石
６ａ 電磁石コア
６ｂ コイル
８，１０，１１ 永久磁石
９ モータ
９ａ モータコア
９ｂ コイル
１２ すべり軸受

Claims (6)

1. ポンプケーシング内に収容された羽根車を磁気によって浮上させる磁気浮上型ポンプであって、
   前記羽根車を挟んで、羽根車を回転させるモータと、羽根車を磁気により支持する電磁石とを対向して配置し、
   前記モータを前記ポンプケーシングの吸込口とは反対側に配置し、
   前記羽根車の軸方向の端部は羽根車の吸込口を構成し、羽根車の吸込口とは反対側の羽根車の軸方向の端部は羽根車の背面から突出した部分からなり、
   前記羽根車の背面から突出した部分にリング状の永久磁石を設け、前記ポンプケーシングに、前記羽根車の背面から突出した部分と半径方向で対向する位置にリング状の永久磁石を設け、羽根車側の永久磁石とポンプケーシング側の永久磁石とを半径方向に対向させて永久磁石ラジアル反発軸受を構成し、
   前記羽根車側の永久磁石と前記ポンプケーシング側の永久磁石は、軸方向には互いにずれて配置されていることを特徴とする磁気浮上型ポンプ。
2. ポンプケーシング内に収容された羽根車を磁気によって浮上させる磁気浮上型ポンプであって、
   前記羽根車を挟んで、羽根車を回転させるモータと、羽根車を磁気により支持する電磁石とを対向して配置し、
   前記モータを前記ポンプケーシングの吸込口とは反対側に配置し、
   前記羽根車の軸方向の端部は羽根車の吸込口を構成し、羽根車の吸込口とは反対側の羽根車の軸方向の端部は羽根車の背面から突出した部分からなり、
   前記羽根車の背面から突出した部分にリング状の永久磁石を設け、前記ポンプケーシングに、前記羽根車の背面から突出した部分と半径方向で対向する位置にリング状の永久磁石を設け、羽根車側の永久磁石とポンプケーシング側の永久磁石とを半径方向に対向させて永久磁石ラジアル反発軸受を構成し、
   前記羽根車側の永久磁石と前記ポンプケーシング側の永久磁石は、アキシャル方向着磁とラジアル方向着磁の永久磁石の組み合わせからなることを特徴とする磁気浮上型ポンプ。
3. 前記モータは、羽根車側に永久磁石を備えた永久磁石型モータであることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気浮上型ポンプ。
4. 前記羽根車の吸込口側の軸方向の端部と、前記ポンプケーシングにおいて前記羽根車の吸込口側の軸方向の端部と半径方向で対向する部分との間に、すべり軸受を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気浮上型ポンプ。
5. 前記電磁石のインピーダンスに基づいて前記羽根車の変位を検出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気浮上型ポンプ。
6. 前記ポンプケーシング内において移送液と接触する接液部は、樹脂材で構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気浮上型ポンプ。

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