JPH07509040A - 高速電動軸流ポンプ及びそれにより駆動される船 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 高速電動軸流ポンプ及びそれにより駆動される鉛末発明は、高速電動軸流ポンプ に関し、このポンプは、密閉ケーシング内の固定子と、ケーシング内に設けられ 、軸の回りに回転する回転子とを備え、この回転子は、軸方向の中央路の外壁を 形成する円筒状中央部を備え、前記中央路は、流体がその中を連続的に通過する とともに、ブレードを支持し、また回転子の円筒状中央部に沿って設けた磁石を 有する電磁駆動装置を備え、前記磁石が、ケーシング内に設けた固定子内の電気 コイルと協働するようになっていることを特徴としている。本発明はまた、この ようなポンプにより駆動される船に関する。

電動ポンプは、通常モータから離隔されており、回転軸によりモータに連結され ている。

これら２つの装置は、ギア又は他の伝達装置がかみ合う時に放電を防止するべく 、同一の中心軸を有している。しかし、このような構造には、軸流ポンプの場合 に欠点がある。

これらの装置は、互いに他の装置の延長部に設けられ、入口又は出口内の屈曲部 により分離されているが、軸が屈曲部内の流体の流れを妨害してしまう。

他の例では、電気モータは、大きな螺旋部を支持する球状部の一端とともに、流 路の中心の球状部に設けられている。この例では、球状部を囲むべく、流路は大 きく軸方向に偏位する。

すべての偏位によりエネルギー損失が生じ、かたまりを増加させ、流速を速める のを困難にする。また、軸とポンプホイールを高速では不安定にするので、軸の 支持部を補強しなくてはならないとともに、力を増大させると、液体が失われて しまう。

このような問題を解決するための一つの方法として、回転子をポンプと電気モー タに接続して、円筒状中央部がポンプホイールとして作用し、周縁部が、電動モ ータの回転子を備えている装置が提案された。

例えば前述の型のポンプは、ヨーロッパ特許第０１６９６８２号明細書の図５〜 図１３に示されている。これはリスかご型モータにより駆動される。回転子は、 その直径に比べて長い長さを有しており、また高速では回転不能である。細路と ポンプブレードは、流体に十分な力を伝達するべく、かなり長くなくてはならな い。

前述の実施例において、ブレードは、中央路に設けた螺旋状軸方向ボディにより 形成されている。中心には細長い素子を有しているので、流路の断面を小さくし てしまうという欠点がある。

米国特許第３７１９４３６号明細書には、誘導電動機を備える類似のモータが開 示されているが　同様な問題をかかえている。ポンプブレードは、中心路の壁に より支持されている。そこで中心路の中心を中空にしてしまう。

国際公開第Ｗ○９１／１９１０３号公報には、上記と類似する小型血液ポンプ装 置が開示されている。

しかし、この装置は、軸方向に回転子を横切る、回転子に似た中央ボディを備え 、そこで中央路は環状になり、力の大きな損失を引き起こしてしまう。回転子は かなり長く、血液細胞を傷付けないためには、速度は毎分１６．５００回転が限 度である。

本発明の目的は、同心円状に設けた回転子と油圧及び電気素子を備え、軸流モー タと電気モータを連結した装置であって、高速かつ強力で小型のポンプ装置を提 供することにある。また、障害を最小にして、吸入流体を出来るだけ直線状にす ることを目的としている。

本発明によるポンプの第１の特徴は、回転子の長さを外径よりも小さくしたこと である。電気装置の磁極が回転軸からかなり離れているので、磁気的吸引力と反 発力を非常に効果的にして、モータの結合を強力にする。モータの力を流体に伝 達するブレードは、短かい中央路に沿って設けるとよい。

ブレードは螺旋状で、互いの間隔が小さいとよい。中央路は管状であり、螺旋部 同士の間の間隙は、中央路の直径よりも小さい。特に吸入流体が圧縮可能である 場合、中央路はテーパ状であるとよい。

本発明の好適実施例において、ブレードは中央路の外壁に取り付けられ、回転軸 までは延びない。そこで、中央路の全長にわたり中空部が設けられる。

本発明の好適実施例において、回転子の磁石は対になって設けられ、各対の２個 の磁石は、軸方向に離隔され、１対の磁石から他の磁石へ均一な磁界を生成し、 固定子のコイルは、回転子の磁石同士の間の間隙部に設けられ、半径方向の面に に円形に配置された、平らな螺旋部により形成される。

そこで、各コイルは、これらの間隙部内の磁界の磁力線に直交する。回転子の磁 石は、特に小型の装置では永久磁石であるとよいが、電磁石であってもよい。

電磁駆動装置は、回転子に取り付けた、少くとも１ｌｌｉｌｌの位置センサを備 えた制御装置を有しているとよく、回転子の角度位置を示す信号を発生する。位 置センサからの信号の関数として、個別に固定子コイルを作動させたり、指示し たりするべく、電子スイッチが設けられている。

そこで、電流が連続的に供給されるので、回転子のスイッチは不要である。冷却 用流体を循環させる周縁路が、固定子内で各コイルを囲んでいるとよい。

本発明の別の実施例は、本発明のポンプにより駆動される船に関し、各ポンプは 、船の船体の外側の水中に設けた流線形ボディ内に設けられ、ポンプ回転子の中 央路を含む軸方向の管が通り抜けている。

本発明の更に別の実施例は、本発明のポンプにより駆動される、他の型の船に関 し、少くとも２本の推進路が、船の内部に長手方向に設けられ、それぞれがポン プの１つを通るようになっている。各推進路は、船の前面に給水口、後面に船の 長手方向に向く排水口を有している。２本の推進路のそれぞれの給水口と排水口 は、船の長手方向の中心軸に対して、反対側にそれぞれ設けられている。

本発明の他の特徴と利点を、添付図面に示された実施例に基づき説明する。

図１は、本発明による軸汎ポンプの断面図、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線による 断面図で、縮小したもの、図３は、電気ポンプモータの作動を示す斜視図、図４ は、電気モータの固定子の１つのコイルに加わる力の概略図、図５は、回転子の 位置の関数として、固定子の１つのコイルに流れる電流のダイアダラム、 図６は１図１と似た図で、船を駆動するポンプを示し、図７は、本発明のポンプ により駆動される船の概略平面図、図８は、図７の船の変形例を示す。

図１と図２に示されたポンプは、円筒状の固定子（２）の内部に回転する回転子 （１）を備え、固定子（２）の長手方向の軸は、回転子（１）の回転軸（３）を なしている。固定子（２）は、吸入管（５）に連結された軸方向の入口（４）と 、対向端に送出管（７）に連結された軸方向の出口（６）を備えている。管（５ ）（７）は、矢印Ａの方向に流れる吸引された液体の回路に属する管ならばどん な型のものであってもよい。

固定子は、回転子（１）を囲む、密閉された内部ケーシング（８）と、環状の巻 かれた電気コイル（９）と、外部フレーム（１０）を備えている。入口（４）と 出口（６）は、内部ケーシング（８）と管（５０７）に機械的に接続されている 。

回転子（１）は、機械の中央部のポンプと、ポンプを直接取り囲む電気モータに とって普通の型のものである。回転子（１）は円筒状中央部ＣＩ＋）を備え、こ の中心部（１１）の端部は、ボールベアリング、磁気若しくは空気圧ベアリング のようなベアリング（＋２）　（１３）により、固定子（２）に取り付けられて いる。中央部（１１）は、周壁（１５）とともに直線状の中央路（１４）を定め ている。

この実施例では、周壁（１５）は規則的な断面を持つ円筒であり、管（５０７） と大きさが等しくなっている。

他の実施例では、周壁（１５）は、特に圧縮流体を吸引するために変則的な断面 であってもよい。中央路（１４）は、複数の螺旋状ブレード（１６）を備えてい る。これらのブレード（１６）は、周壁（１５）より突出しているが、回転軸（ ３）迄は延びていない。

そこで、中空の中心孔（１７）は、ポンプの全長に沿って、回転軸（３）内に設 けられている。

この中心孔（１７）により、ブレード（１６）の製造が容易となり、より重要な ことは、ポンプを詰まらせる異物の侵入の危険性を排除していることである。中 心が中空であるため、液体粒子は半径方向に偏位しない。

また、断面が規則的であるため、液体粒子の速度は、ブレード（１６）により引 き起こされる螺旋運動の接線方向の成分を除いて、はとんど変化しない。

回転子は非常な高速で回転するので、ブレード同士は、中央路（１４）の横断部 分のほとんどを通して、半径方向の面に対して、小さな傾斜角度をなしている（ この角度は、軸（３）により接近した部分において、より大きくなっている）。

その結果、ブレードにより流体に加わる圧力は、軸方向の成分において強く、接 線方向に成分において弱い。螺旋状ブレード同士の距離は、中央路（１４）の直 径よりも小さくなっている。

円筒状中央部（ＩＩ）を囲むようにして、回転子（１）は、２個の平行な円盤（ ２１）（２２）を備えている。これらの円盤（２１）　（２２）は対称をなし、 固定子コイル（９）を含む間隙（２３）により離隔されている。コイルを挾む円 盤（２１）（２２）は、対の固定磁石（２４）　（２５）を支持している。

固定磁石（２４）　（２５）は、軸（３）と平行に極性を布びており、円盤（２ １）の各磁石（２４）のＮ極が、円盤（２２）の磁石（２５）のＳ極と対向する ように配置されている。

図３に示すように、磁界（Ｈ）は、２つの磁石の間の空隙で均一でかつ一定であ る。使用される材料に応じて、鉄磁石シリンダヘッド（図示せず）が、回転子又 は固定子の中の磁界の磁力線に接近して設けられているとよい。この実施例にお いては、８対の磁石（２４）　（２５）が、回転子の周囲に互いに等距離で設け られている。

組立てを容易にするために、固定子（２）の密閉された内部ケーシング（８）は 、８つの隔室（８ｃ）に分割され、各隔室（８ｃ）は４５度で延び、コイル（９ ）を支持している。これらの隔室（８ｃ）は、一体となって２個のリング（８ａ ）（８ｂ）を形成し、ベアリング（１２）　（１３）を支持している。外部ケー シング（１０）は、軸方向の面内で結合された２つの半円形で形成されていると よい。

隔室（８ｃ）を数対の導体（２６）　（２７）が、ケーシング（８）とフレーム （１０）を接続して横切っている。導体（２６）　（２７）は、フレーム（１０ ）を通り抜けて、電気スイッチ（２８）に接続されている。

電気スイッチ（２８）は、電気エネルギーの電圧源（２９）から各コイル（９） への電気供給を制御している。各コイルは平らにされ、鉄磁石コア（３０）を有 し、小さな間隙部（３１）　（３２）により、磁極の間で磁石（２４）　（２５ ）と離隔され、磁石の直径とほぼ等しい直径を有する円形電気コイル（３３）に より囲まれている。

しかし、コイルと磁石を、図示の円形素子と異なる形状にすることも可能である 。

図２に示すように、コイル（９）は８個設けられているので、回転子における磁 石（２４）　（２５）のナベでの対は、同時にコイル（９）と対向している。

導体（３４）　（３５）を介して、電子スイッチ（２８）は、２個の光センサ（ ３６）　（３７）から電気出力信号を受け取る。光センサ（３６）　（３７）は 、矢印（Ｂ）の方向に回転する回転子（１）の前面に設けた円形トラック（３ｇ ）　（３９）と協働するようになっている。

各センサ（３６）　（３７）からの出力信号は、白色又は黒色の部分がセンサに 向き合うか否かに応じて、高くなったり低くなったりする。

異なる型のセンナを用いて、同一の出力信号を得ることも出来る。例えば、トラ ック（３８）　（３９）における金属部と非金属部とそれぞれ協働する磁気セン サを使用してもよい。

センサ（３６）からの信号が高い時には第１の方向に、センサ（３７）からの信 号が低い時には反対の方向に、電気スイッチ（２８）はコイル（９）と接続され 、電圧源（２９）より供給するようになっている。両方の信号が低い時に、コイ ルへの供給は切断される。

電気モータに使用され、　「自動同期Ｊ　（ａｕｔｏｓｙｎｃｈ＋ｏｎｏｕｓ） として知られるこの原理は、センナ（３６）　（３７）からの高い信号により、 それぞれ閉じられる２重のスイッチ（４４）　（４５）により、図４に概略的に 示されている。これらのスイッチはサイリスタであるとよい。

図３〜図５は。電気モータの作用を示している。

図３は、回転子の２個の磁石（２４）　（２５）の間の一定で均一の磁界（Ｈ） を示している。磁石と完全に線上に並ばないコイル（９）を介して電流（１）が 流れる場合に、磁界（Ｈ）の磁力線と直交する方向に力（Ｆ）を受ける。この力 は、電流（ｉ）の方向に応じて、吸引したり反発したりする。

実際に、図４に示すように、電流（ｉ）がコイル（９）内を流れる導体の各部分 は、ローレンツの法則に基づき、この部分と（Ｈ）に直交する方向に力（ｆ）を 受ける。

コイルが円形であると、力は半径方向に向く。

磁界（Ｈ）は、２組の磁石の間の領域を越えると無視しうるので、コイル（９） の部分がこの領域を外側にある時、力（ｆ）は、０でない力（Ｆ）を生じる。対 の磁石（２４）　（２５）及びコイル（９）が軸（３）から等距離に設けられて いると、各力（Ｆ）は接線方向に向く。勿論、コイルに加わる各力（Ｆ）は、対 の磁石（２４０２５）に対して反対方向に向く反力（Ｆ′）に対応して、そこで 回転子（１）を回転させる。

トラック（３８）　（３９）における白色部（４０）（４１）と黒色部（４２） （４３）の境界は、対の磁石（２４）　（２５）に対して、角度をなして設けら れ、そこで図５に示すように、回転子の回転角度（ψ）の関数として、各コイル で電流（ｉ）を切り換える。

対の磁石が２個のコイル間に設けられている第１の位相（４６）においては、コ イ対向して設けられ、スイッチ（４４）を閉じ、電流（＋ｉ）（簡略化のために 一定と見做している）を各コイルに流すようにしている。

コイルが磁石と並ぶ位相（４８）において、電流は停止され、次に白色部（４１ ）はｔンサ（３７）の前を通過し、それによりスイッチ（４５）を閉じて、位相 （４９）の間にコイ令するために、終了／開始スイッチは、非作動の瞬間に、コ イル電気インパルス当業者によれば、図１〜図５に示され起装置は、毎分致方回 転のような高速で、ポンプを作動させうろことが容易に理解されると思う。

電気モータは、それ程長くなくてよいので、ブレード（１６）の大きさ、及び中 央路（１４）とポンプの長さを減少することが出来る。特に、回転子（１）の全 長（Ｌ）は直径（Ｄ）よりも小さい。製造されたポンプは小さいが強力である。

また、当業者によれば、回転子の中央部が軸タービンとして設計され、運動エネ ルギー又は中央路（１４）を通る流体の圧力によるエネルギーを電気エネルギー に変換するならば、前述のポンプをタービン発電機として使用することが出来る 。

中央路は直線であるので、このようなタービンを給水本管のようなパイプネット ワークに容易に備え付けることが出来る。

本発明によるポンプは、遠心軸流ポンプとして使用出来るとともに、液体のみな らず、気体でも使用可能である。中央路の直線形状と、その中心における妨害さ れぬ孔により、流体が純粋でない場合にも有効である。特に有効な用途は、電動 船や潜水艦である。

図６において、図１と図２のポンプが、潜水艦のような船の船体の外部に取り付 けた流線形の円筒状ボディ（５１）の内部に設けられている。

ボディ（５１）は前方において円筒で、後方においてテーバ化した外部ケーシン グ（５２）を備えている。回転子の中央路（１４月よ、給水管（５４）と排水管 （５４）の間に設けられ、排水管（５４）から水を高速で排出して、反発力によ り船を推進する。

図７と図８は別の実施例で、本発明による２個の軸流ポンプ（６０ａ）　（６０ ｂ）を船（６Ｉ）に取り付け、水（Ａ）（Ｂ）の流れにより船を推進する。

各ポンプは、それぞれ推進路（６２ａ）　（６２ｂ）に接続され、各推進路（６ ２ａ）　（６２ｂ）は、船の前部に給水口（６３ａ）　（６３ｂ）、後部に排水 口（６４ａ）　（６４ｂ）を備え、流れ（Ａ）（Ｂ）を生成する。通常、各排水 口は、船の長手方向の軸（６５）と平行であるが、船を巧みに操縦するために、 向きを変えてもよい。

図８のように、推進路（６２ａ）　（６２ｂ）を交差させることにより、ポンプ （６０ｇ）　（６ｈ）の速度を制御するようにしてもよい。給水口（６３ａ）は 、軸（６５）の片側において、出口（５４ａ）と対向しているので、船体（６６ ）の右側における吸水により、船は流れ（Ａ）と同じ方向、即ち右方向に向きを 変える。そこでポンプ（６０ａ）と（６０ｂ）の間の速度の差を制御することに より、船を右又は左に、簡皐に向きを変えることが出来る。

前述の実施例は、液体を使用した例について述べたが、本発明によるポンプは、 気体を使用したもの、特にコンプレッサ又は送風装置のようにしても使用出来る 。

この時、各ブレードの構造により気体に加わる圧縮力に応じて、中央路をより大 きな直径にしたり、断面を変えてもよい。

すべての使用例において、コイル（９）を囲む通路（５０）（図１）内を循環さ せるべく、フレーム（１０）と内部ケーシング（８）の間の空隙に、パイプより なる冷却水の回路を設けるとよい。

ＦＩＧ、　４ ＦＩＧ、　６ ＦＩＧ、　７ ＦＩＧ、　８ 手続補正書、ヵ、） 平成７年４月２５日

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）密閉されたケーシング（８）と、固定子（２）と、回転軸（３）の回りに 回転しうるように、固定子内に設けた回転子（１）を備え、この回転子（１）が 、軸方向に連続的に流れる液体用の中央路（１４）の外壁（１５）を形成する円 筒状中央部（１１）と、中央路内のプレード（１６）とを有し、また回転子に磁 石（２４）（２５）を有する電磁駆動装置を備え、これらの磁石（２４）（２５ ）が、ケーシング（８）内において、円筒状中央部（１１）の回りに設けられ、 固定子の電気コイル（３３）と協働するようになっている高速電動軸流ポンプに おいて、回転子（１）が、この回転子（１）の外径よりも長い長さ（Ｌ）を有す ることを特徴とする高速電動軸流ポンプ。
2. （２）プレード（１６）が、接近して離隔した螺旋部を有する請求項（１）のポ ンプ。
3. （３）中央路（１４）が円筒状であり、螺旋部同士の間隔が、中央路（１４）の 外径（ｄ）よりも小さい請求項（２）のポンプ。
4. （４）プレード（１６）が、中央路（１４）の外壁（１５）に取り付けられ、回 転軸まで延びないようになっており、それによリ中央路（１４）の全長にわたり 、中心に中空部（１７）が設けられている請求項（１）のポンプ。
5. （５）回転子の磁石が対をなして配置され、各対の２個の磁石が、軸方向に間隙 部（２３）により離隔され、この間隙部（２３〕内で、磁石によリ１つの磁石か ら他の磁石へ向く均一な磁界を生成し、回転子（１）のコイル（３３）が、回転 子の磁石同士の間の間隙部（２３）内の半径方向の面内で円形に配置された平ら なコイル（９）を形成し、それによリ、各コイルが間隙部内の磁界の磁力線に直 交している請求項（１）のポンプ。
6. （６）回転子の磁石が永久磁石（２４）（２５）である請求項（５）のポンプ。
7. （７）回転子の磁石が電磁石である請求項（５）のポンプ。
8. （８）電磁駆動装置が、固定子に取り付けた少くとも１個の位置センサ（３５） よリなる制御装置を備え、回転子の角度を示し信号を送り、また位置センサから の信号に応じて、電磁スイッチ（２８）が固定子のコイル（３３）を作動させた り、停止させたりするようになっている請求項（５）のポンプ。
9. （９）固定子のコイル（９）のそれぞれが、冷却用流体を循環させる周縁路（５ ０）により囲まれている請求項（５）のポンプ。
10. （１０）各ポンプが、船の船体の外側の水中に設けた流線形ボデイ（５１）内に 設けられ、ポンプの回転子の中央路（１４）よリ含む軸方向の通路が通り抜ける 請求項（１）〜（９）のいす°れかのポンプによリ駆動される船。
11. （１１）船（６１）内に長手方向に設けた少くとも２個の推進路（６２ａ）（６ ２ｂ）を備え、各推進路（６２ａ）（６２ｂ）がポンプ（６０ａ）（６０ｂ）の １つを通り抜け、各推進路（６２ａ）（６２ｂ）が、船の前面に給水口、後面に 船の長手方向に向く排水口を備える請求項（１）〜（９）のいす°れかのポンプ によリ駆動される船において、２本の推進路のそれぞれの給水口（６４ａ）（６ ４ｂ）が、それぞれ、船の長手方向の中心軸（６５）に対して、反対側に設けら れていることを特徴とする船。 瀞甘（内容に変更なし）発明の詳細な説明