WO2023101030A1

WO2023101030A1 - ポンプ

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Publication number: WO2023101030A1
Application number: PCT/JP2022/044661
Authority: WO
Inventors: 拓士池田
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2021-12-03
Filing date: 2022-12-05
Publication date: 2023-06-08
Anticipated expiration: 2024-06-03
Also published as: JP2023082774A

Abstract

本発明は、羽根車に連結された回転軸を持たないボリュートポンプに関する。ポンプ（１）のケーシング（６）は、羽根車（７）の周囲に等間隔で配列された少なくとも３つの舌部（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ）と、舌部（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ）にそれぞれ接続された少なくとも３つの側壁（２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ）を有している。側壁（２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ）は、液体のための少なくとも３つの流路（２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ）を形成する。側壁（２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃのそれぞれは、舌部（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ）のうちの１つから、隣接する他の舌部を越えた位置まで延びるボリュート側面（３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ）を有する。ポンプ（１）は、羽根車（７）を支持するためのラジアル軸受を備えていない。

Description

ポンプ

　本発明は、液体を移送するためのポンプに関し、特に羽根車に連結された回転軸を持たないボリュートポンプに関する。

　精密機器および医療機器等の分野において、液体の移送に使用されるポンプの小型化への要請がある。しかしながら、ポンプは、駆動源と羽根車とを連結する回転軸を有し、さらに回転軸を支持するための軸受を有するため、ポンプの小型化は難しい。そこで、回転軸を持たず、羽根車を支持するための非接触型ラジアル軸受を備えたポンプが開発されている。

　非接触型ラジアル軸受の例として、磁気軸受および動圧軸受が挙げられる。磁気軸受は、コイルに電流を流すことにより発生した磁力により羽根車を非接触で支持するように構成され、動圧軸受は、液体の動圧により羽根車を非接触で支持するように構成される。これらの非接触型ラジアル軸受は、物理的な摺動を伴わないので、ポンプの高寿命化、発熱抑制、さらには液体へのパーティクルの混入を防ぐことができる。

特開２００３－９７４９１号公報

　しかしながら、上述した非接触型ラジアル軸受の少なくとも一部はポンプケーシング内に配置されるため、ポンプ全体の小型化には限界があった。特に、非接触型ラジアル軸受の存在のために、ポンプの厚み（軸方向の寸法）を小さくすることが難しかった。

　そこで、本発明は、羽根車のラジアル荷重を受けるための機械的なラジアル軸受を不要とするポンプを提供する。

　一態様では、液体を移送するためのポンプであって、内部にボリュート室を有するケーシングと、前記ボリュート室内に配置された羽根車を備え、前記ケーシングは、前記羽根車の周囲に等間隔で配列された少なくとも３つの舌部と、前記少なくとも３つの舌部にそれぞれ接続された少なくとも３つの側壁を有しており、前記少なくとも３つの側壁は、前記液体のための少なくとも３つの流路を形成し、前記少なくとも３つの側壁のそれぞれは、前記少なくとも３つの舌部のうちの１つから、隣接する他の舌部を越えた位置まで延びるボリュート側面を有し、前記ポンプは、前記羽根車を支持するためのラジアル軸受を備えていない、ポンプが提供される。

　一態様では、液体を移送するためのポンプであって、内部にボリュート室を有するケーシングと、前記ボリュート室内に配置された羽根車を備え、前記ケーシングは、前記羽根車の周囲に等間隔で配列された少なくとも３つの舌部と、前記少なくとも３つの舌部にそれぞれ接続された少なくとも３つの側壁を有しており、前記少なくとも３つの側壁は、前記液体のための少なくとも３つの流路を形成し、前記少なくとも３つの側壁のそれぞれは、前記少なくとも３つの舌部のうちの１つから、隣接する他の舌部を越えた位置まで延びるボリュート側面を有し、前記少なくとも３つの舌部の上流側に発生する少なくとも３つの圧力極大点により、前記羽根車のラジアル荷重が支持されるように構成されている、ポンプが提供される。

　一態様では、液体を移送するためのポンプであって、内部にボリュート室を有するケーシングと、前記ボリュート室内に配置された羽根車を備え、前記ケーシングは、前記羽根車の周囲に等間隔で配列された少なくとも３つの舌部と、前記少なくとも３つの舌部にそれぞれ接続された少なくとも３つの側壁を有しており、前記少なくとも３つの側壁は、前記液体のための少なくとも３つの流路を形成し、前記少なくとも３つの側壁のそれぞれは、前記少なくとも３つの舌部のうちの１つから、隣接する他の舌部を越えた位置まで延びるボリュート側面を有し、前記少なくとも３つの舌部の上流側に発生する少なくとも３つの圧力極大点により、前記羽根車のラジアル荷重のすべてが実質的に支持されるように構成されている、ポンプが提供される。

　一態様では、前記少なくとも３つの舌部は、同じ形状を有する。
　一態様では、前記少なくとも３つの舌部は、前記ボリュート室の中心に関して回転対称に配置されている。
　一態様では、前記少なくとも３つの側壁の前記ボリュート側面は、同じ形状を有する。
　一態様では、前記少なくとも３つの側壁の前記ボリュート側面は、前記ボリュート室の中心に関して回転対称に配置されている。
　一態様では、前記少なくとも３つの流路の入口は、前記ボリュート室の中心に関して回転対称に配置されている。
　一態様では、前記少なくとも３つの流路は、異なる長さおよび異なる幅を有し、各流路の長さが長いほど、各流路の幅は大きい。
　一態様では、前記ポンプは、前記羽根車の背面と前記ケーシングの内面との間に配置されたピボット軸受をさらに備えている。
　一態様では、前記ポンプは、前記羽根車の吸い込み側に配置された非接触型スラスト軸受をさらに備えている。

　一態様では、上記ポンプと、回転磁界を発生させるように構成されたモータステータを備えている、ポンプ装置が提供される。

　本発明によれば、羽根車の周囲に配列された少なくとも３つの舌部の上流側では、液体の圧力が局所的に高くなる。すなわち、羽根車の周囲に少なくとも３つの圧力極大点が等間隔に発生する。これらの圧力極大点は、羽根車のラジアル方向の荷重を支持することができる。したがって、羽根車のラジラル荷重を受けるためのラジアル軸受自体が不要となり、従来では達成できなかったポンプの小型化が実現される。

ポンプ装置の一実施形態を示す断面図である。図１に示すポンプの水平断面図である。図２に示すケーシングを示す図である。第１ボリュート側面を説明する図である。ポンプ装置の他の実施形態を示す断面図である。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、ポンプ装置の一実施形態を示す断面図である。ポンプ装置は、液体を移送するためのポンプ１と、ポンプ１を駆動するためのモータステータ２を備えている。ポンプ１は、内部にボリュート室５を有するケーシング６と、ボリュート室５内に配置された羽根車７を備えている。

　羽根車７は、複数の永久磁石１０を備えている。これら永久磁石１０は羽根車７内に埋設されており、羽根車７の表面には露出していない。モータステータ２は、複数のコイル１２と、これらコイル１２に電流を供給する電力線１５を備えている。コイル１２に電流（より具体的には三相交流電流）が供給されると、モータステータ２は回転磁界を発生する。この回転磁界は、羽根車７の永久磁石１０に作用し、羽根車７を回転させる。ポンプ１と、モータステータ２との間には隙間が形成されており、ポンプ１はモータステータ２から切り離すことが可能に構成されている。ポンプ１はブラケット（図示せず）を介してモータステータ２に固定されてもよい。

　ケーシング６は、液体の吸込口１８を有している。羽根車７の回転に伴い、液体は吸込口１８からポンプ１内に流入し、羽根車７の回転により昇圧され、ポンプ１から吐き出される。本実施形態のポンプ１によって移送される対象の液体の例としては、純水、血液、薬液などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。特に、以下に説明するように、羽根車７は、完全に非接触で支持されるので、摺動に起因するパーティクルおよび摩擦熱が発生しない。したがって、ポンプ１は、極めて純度の高い純水や、一定温度が求められる血液の移送に適している。

　図２は、図１に示すポンプ１の水平断面図である。図２に示すように、羽根車７はボリュート室５内に配置されている。このようなポンプ１は、ボリュートポンプとも呼ばれる。羽根車７は、複数の翼８を有している。羽根車７の全体は円形である。ケーシング６は、羽根車７の周囲に等間隔で配列された３つの舌部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃと、これら舌部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃにそれぞれ接続された３つの側壁２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃを有している。３つの側壁２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃは、移送される液体のための３つの流路２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを形成している。本実施形態では、３つの舌部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ、対応する３つの側壁２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ、および対応する３つの流路２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃが設けられているが、ポンプ１の構成はこの実施形態には限定されず、４つまたはそれよりも多い舌部、側壁、流路が設けられてもよい。

　羽根車７が回転すると、液体は吸込口１８（図１参照）から流入し、羽根車７内を流れ、羽根車７の回転に伴って昇圧される。昇圧された液体は、３つの流路２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを流れる。流路２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃは、ボリュート室５に連通しており、流路２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃの入口２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃは、ボリュート室５に面している。液体は、３つの流路２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを別々に流れ、３つの流路２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃの３つの出口２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃを通って外部に排出される。液体の出口２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃは、３つの流路２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃに対応して別々に設けられている。

　図３は、図２に示すケーシング６を示す図である。３つの側壁２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃは、ボリュート側面３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃをそれぞれ有しており、ボリュート側面３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃのそれぞれは、３つの舌部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃのうちの１つから、隣接する他の舌部を越えた位置まで延びている。すなわち、第１側壁２２Ａは、第１側壁２２Ａが接続される第１舌部２１Ａから、隣接する第２舌部２１Ｂを越えた位置まで延びる第１ボリュート側面３０Ａを有する。第２側壁２２Ｂは、第２側壁２２Ｂが接続される第２舌部２１Ｂから、隣接する第３舌部２１Ｃを越えた位置まで延びる第２ボリュート側面３０Ｂを有する。第３側壁２２Ｃは、第３側壁２２Ｃが接続される第３舌部２１Ｃから、隣接する第１舌部２１Ａを越えた位置まで延びる第３ボリュート側面３０Ｃを有する。

　図４は、第１ボリュート側面３０Ａを示す拡大図である。図４に示すように、第１ボリュート側面３０Ａの始点Ｓは、第１舌部２１Ａと側壁２２Ａとの接続点に位置しており、第１ボリュート側面３０Ａの終点Ｅは、羽根車７の周方向において、隣接する第２舌部２１Ｂを越えた位置にある。第１入口２６Ａは、第１ボリュート側面３０Ａと第２舌部２１Ｂとの間に形成される。図示しないが、第２ボリュート側面３０Ｂおよび第３ボリュート側面３０Ｃも第１ボリュート側面３０Ａと同じ構成である。

　図３に示すように、ボリュート側面３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、側壁２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの上流側部位の内面から構成されており、ボリュート室５に面している。ボリュート側面３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、ボリュート室５の少なくとも一部を形成する。羽根車７は、これらボリュート側面３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに囲まれている。

　３つの舌部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、同じ形状を有している。３つの側壁２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃのボリュート側面３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、同じ長さを有している。さらに、ボリュート側面３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、同じ形状を有している。本明細書において、「同じ」とは、完全に同じという意味のみならず、羽根車７の周囲に均一の圧力極大点を形成して、羽根車７のラジアル荷重を支持するという意図した目的を達成できる限りにおいて、実質的に同じであることも意味する。

　舌部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、ボリュート室５の中心Ｏに関して回転対称に配置されている。すなわち、舌部２１Ａをボリュート室５の中心Ｏの周りにある角度だけ回転させると、舌部２１Ａは舌部２１Ｂに重なり、さらに舌部２１Ａをボリュート室５の中心Ｏの周りにある角度だけ回転させると、舌部２１Ａは舌部２１Ｃに重なる。

　ボリュート側面３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃも、ボリュート室５の中心Ｏに関して回転対称に配置されている。流路２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃのそれぞれの入口２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃは、ボリュート室５の中心Ｏの周りに等間隔で配列されており、同じ形状を有している。さらに、これら３つの入口２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃは、ボリュート室５の中心Ｏに関して回転対称に配置されている。

　本発明者が実施した流体解析によれば、上記回転対称構造を有するポンプ１の３つの舌部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの上流側では、液体の圧力が局所的に高くなる領域である圧力極大点Ｒが存在することが分かった。特に、羽根車７の周囲に３つの均一な圧力極大点Ｒが等間隔に発生することが流体解析の結果から明らかになった。これらの圧力極大点Ｒは、羽根車７の周囲に等間隔で存在するので、羽根車７のラジアル荷重のすべてを実質的に支持することができる。３つの舌部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの上流側に発生する３つの均一な圧力極大点Ｒにより羽根車７のラジアル荷重が支持されるので、羽根車７を支持するための機械的なラジアル軸受が不要となり、従来では達成できなかったポンプ１の小型化が実現される。特に、本実施形態によれば、ポンプ１は、羽根車７を支持するための機械的なラジアル軸受を備えていないので、ポンプ１を非常に薄くすることができる。

　図２に示すように、３つの流路２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃの長さは異なっている。液体に対する流路の抵抗を３つの流路２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ間で均一にするために、一実施形態では、流路の長さに従って流路の幅を大きくしてもよい。すなわち、最も長い第１の流路２３Ａは最も大きな幅を有し、２番目に長い第２の流路２３Ｂは、第１の流路２３Ａよりも小さな幅を有し、最も短い第３の流路２３Ｃは第２の流路２３Ｂよりも小さな幅を有する。このような流路形状は、３つの舌部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの上流側に発生する圧力極大点Ｒの均一化に寄与すると期待される。

　図１に示すように、ポンプ１は、羽根車７の背面とケーシング６の内面との間に配置されたピボット軸受４５をさらに備えている。このピボット軸受４５は、羽根車７およびケーシング６とは別の構造体である球体から構成されている。羽根車７の背面には第１凹部４１が設けられており、ケーシング６の内面には、第１凹部４１に対向する第２凹部４２が設けられている。球体からなるピボット軸受４５は、第１凹部４１と第２凹部４２との間に配置されており、第１凹部４１および第２凹部４２によってピボット軸受４５の位置決めが達成される。

　ピボット軸受４５は、羽根車７の始動時に機能する。より具体的には、モータステータ２により回転磁界が発生すると、羽根車７はモータステータ２に向かって引き寄せられる。ピボット軸受４５は、モータステータ２に向かう羽根車７の荷重を支持し、羽根車７の背面の全体がケーシング６の内面に接触する（面接触）することを防止する。羽根車７は、ピボット軸受４５を中心に回転することが可能であるので、羽根車７はスムーズにその回転を開始することができる。

　ピボット軸受４５の存在により、羽根車７の背面とケーシング６の内面との間には隙間が常に形成されている。液体は、吸込口１８から流入され、羽根車７の回転に伴って昇圧される。昇圧された液体は、羽根車７の背面とケーシング６の内面との隙間を満たし、羽根車７を吸い込み側に押すスラスト荷重を発生させる。このスラスト荷重により羽根車７は吸い込み側に移動され、結果として、羽根車７はピボット軸受４５から離れる。すなわち、ポンプ１の運転時には羽根車７はピボット軸受４５とは非接触となる。

　一実施形態では、ピボット軸受４５は、羽根車７の背面から突出した突起であってもよい。例えば、ピボット軸受４５は、羽根車７の背面から突出した曲面突起または円錐突起であってもよい。

　図１に示すように、ポンプ１は、上述したスラスト荷重を受けるために、羽根車７の吸い込み側に配置された非接触型スラスト軸受５０を備えている。図１に示す実施形態では、非接触型スラスト軸受５０は動圧軸受である。より具体的には、羽根車７の吸い込み側の面にはスパイラル溝５１が形成されており、スパイラル溝５１は羽根車７の回転時に液体の動圧を発生させる。この液体の動圧により羽根車７のスラスト荷重が受けられる。

　一実施形態では、非接触型スラスト軸受５０は、磁気軸受であってもよい。例えば、永久磁石を利用した磁気軸受が設けられてもよい。ただし、ポンプ１の小型化を達成する観点からは、図１に示すような動圧軸受がより適している。

　図５は、ポンプ装置の他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図４を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態のポンプ１の羽根車７は、その中心に形成された戻り流路６０を有している。この戻り流路６０は、羽根車７をその軸方向に貫通している。

　羽根車７の回転に伴い、液体は、吸込口１８から流入され、羽根車７の回転に伴って昇圧される。昇圧された液体の一部は、羽根車７の背面とケーシング６の内面との隙間を満たし、戻り流路６０を通って羽根車７の吸い込み側に流れる。このような液体の流れは、羽根車７の背面とケーシング６の内面との隙間での液体の淀み（停滞）を防止することができる。図５に示す実施形態に係るポンプ１は、血液の移送に好適である。

　上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

　本発明は、羽根車に連結された回転軸を持たないボリュートポンプに利用可能である。

　１　　　ポンプ
　２　　　モータステータ
　５　　　ボリュート室
　６　　　ケーシング
　７　　　羽根車
　８　　　翼
１０　　　永久磁石
１２　　　コイル
１５　　　電力線
１８　　　吸込口
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ　　　舌部
２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ　　　側壁
２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ　　　流路
２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ　　　入口
２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ　　　出口
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ　　　ボリュート側面
４１　　　第１凹部
４２　　　第２凹部
４５　　　ピボット軸受
５０　　　非接触型スラスト軸受
５１　　　スパイラル溝
６０　　　戻り流路

Claims

　液体を移送するためのポンプであって、
　内部にボリュート室を有するケーシングと、
　前記ボリュート室内に配置された羽根車を備え、
　前記ケーシングは、
　　前記羽根車の周囲に等間隔で配列された少なくとも３つの舌部と、
　　前記少なくとも３つの舌部にそれぞれ接続された少なくとも３つの側壁を有しており、
　前記少なくとも３つの側壁は、前記液体のための少なくとも３つの流路を形成し、
　前記少なくとも３つの側壁のそれぞれは、前記少なくとも３つの舌部のうちの１つから、隣接する他の舌部を越えた位置まで延びるボリュート側面を有し、
　前記ポンプは、前記羽根車を支持するためのラジアル軸受を備えていない、ポンプ。
　液体を移送するためのポンプであって、
　内部にボリュート室を有するケーシングと、
　前記ボリュート室内に配置された羽根車を備え、
　前記ケーシングは、
　　前記羽根車の周囲に等間隔で配列された少なくとも３つの舌部と、
　　前記少なくとも３つの舌部にそれぞれ接続された少なくとも３つの側壁を有しており、
　前記少なくとも３つの側壁は、前記液体のための少なくとも３つの流路を形成し、
　前記少なくとも３つの側壁のそれぞれは、前記少なくとも３つの舌部のうちの１つから、隣接する他の舌部を越えた位置まで延びるボリュート側面を有し、
　前記少なくとも３つの舌部の上流側に発生する少なくとも３つの圧力極大点により、前記羽根車のラジアル荷重が支持されるように構成されている、ポンプ。
　液体を移送するためのポンプであって、
　内部にボリュート室を有するケーシングと、
　前記ボリュート室内に配置された羽根車を備え、
　前記ケーシングは、
　　前記羽根車の周囲に等間隔で配列された少なくとも３つの舌部と、
　　前記少なくとも３つの舌部にそれぞれ接続された少なくとも３つの側壁を有しており、
　前記少なくとも３つの側壁は、前記液体のための少なくとも３つの流路を形成し、
　前記少なくとも３つの側壁のそれぞれは、前記少なくとも３つの舌部のうちの１つから、隣接する他の舌部を越えた位置まで延びるボリュート側面を有し、
　前記少なくとも３つの舌部の上流側に発生する少なくとも３つの圧力極大点により、前記羽根車のラジアル荷重のすべてが実質的に支持されるように構成されている、ポンプ。
　前記少なくとも３つの舌部は、同じ形状を有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のポンプ。
　前記少なくとも３つの舌部は、前記ボリュート室の中心に関して回転対称に配置されている、請求項４に記載のポンプ。
　前記少なくとも３つの側壁の前記ボリュート側面は、同じ形状を有する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のポンプ。
　前記少なくとも３つの側壁の前記ボリュート側面は、前記ボリュート室の中心に関して回転対称に配置されている、請求項６に記載のポンプ。
　前記少なくとも３つの流路の入口は、前記ボリュート室の中心に関して回転対称に配置されている、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のポンプ。
　前記少なくとも３つの流路は、異なる長さおよび異なる幅を有し、
　各流路の長さが長いほど、各流路の幅は大きい、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のポンプ。
　前記羽根車の背面と前記ケーシングの内面との間に配置されたピボット軸受をさらに備えている、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のポンプ。
　前記羽根車の吸い込み側に配置された非接触型スラスト軸受をさらに備えている、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のポンプ。
　請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のポンプと、
　回転磁界を発生させるように構成されたモータステータを備えている、ポンプ装置。