JP2013047502A - ポンプ - Google Patents

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正邦 木村
Tetsuya Fukuda
哲也 福田
Koichi Morizumi
孝一 森住
Hidetoshi Ueda
英稔 植田
Yoichi Shukuri
陽一 宿里
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    • F04D29/16Sealings between pressure and suction sides
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Abstract

【課題】ポンプケースと前面シュラウドの軸方向の間における還流等の径方向の流れの発生を抑制して、揚水性能やポンプ効率のロスを軽減したポンプを提供する。
【解決手段】この課題を解決するために、ポンプ1は、モータ2と、前記モータ2によって回転されて流体を流動させる羽根車3と、前記羽根車3を内部に収納したポンプ室11を形成するポンプケース4とを備え、前記羽根車3が前面シュラウド33と後面シュラウド32との間に羽根部31を有した流路区画型であって、前記羽根車3の回転中心に位置する軸心の軸方向Axと前記軸心の径方向Radとを基準に、前記ポンプケース4と前記前面シュラウド33とが前記軸方向Axに隙間を有して対向し、前記隙間内の流体の前記径方向Radの流れを抑制する流れ抑制手段7を更に備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、ポンプ、殊に、ポンプにおけるポンプ室内の還流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、この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。このような遠心式のポンプの羽根車として、前面シュラウドと後面シュラウドとの間に羽根を設けポンプ室内において流路を区画している流路区画型と、前面シュラウドが無く流路を区画していない流路開放型とがある。
流路区画型の羽根車では、羽根車の回転中心側に流路内に流体を吸入させる吸入部を備えており、流体は、羽根車の回転に伴い吸入部から流路内に流入した後、遠心力によって回転外周側に流動されて、ポンプ室の羽根車より外周側の空間に放出される。そのため、この外周側の空間に比べて吸入部側が負圧になり、前面シュラウドとポンプ室を形成するポンプケース間の隙間を介して、外周側の空間から吸入部側へ流体の一部が流動する還流が生じることがある。
そこで、特許文献1等に記載のポンプのように、前面シュラウドのポンプケース側の面に羽根形状のリブや溝等の圧力付与手段を設けたものがある。このものでは、羽根車の回転時に、上記圧力付与手段によって上記隙間に外周方向への圧力を生じさせることで、上記隙間に流れ込んだ流体がこの圧力によって外周側に押し戻され、還流による流体の逆流を阻止している。
特開2008−240656号公報
ところで、特許文献1等の従来のポンプにおいて、圧力付与手段を設けた羽根車は、流路内の流体を羽根で流動させるためのポンプとしての仕事に加えて、上記隙間内の流体を圧力付与手段で羽根車の外周側に押し戻すための仕事も行うものになっている。そのため、従来のポンプでは、上記押し戻すための仕事に伴う羽根車の負荷の増大や、上記隙間内での流体の径方向に沿った流れ(内周方向や外周方向を向く流れ)によって、揚水性能やポンプ効率にロスを生じている。
そこで、この事情を鑑み、ポンプケースと前面シュラウドの軸方向の間における還流等の径方向の流れの発生を抑制して、揚水性能やポンプ効率のロスを軽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を形成するポンプケースとを備え、前記羽根車が前面シュラウドと後面シュラウドとの間に羽根部を有した流路区画型であって、前記羽根車の回転中心に位置する軸心の軸方向と前記軸心の径方向とを基準に、前記ポンプケースと前記前面シュラウドとが前記軸方向に隙間を有して対向し、前記隙間内の流体の前記径方向の流れを抑制する流れ抑制手段を更に備えることを特徴とする。
このポンプは、前記流れ抑制手段として、前記羽根車の回転方向と反対向きの動圧を発生させる動圧溝を、前記前面シュラウドの前記ポンプケースに対する対向面と前記ポンプケースの前記前面シュラウドに対する対向面のうち、一方の前記対向面に設けたものであることが好ましい。
このポンプは、前記流れ抑制手段として、前記隙間に乱流を発生させるディンプル溝を、前記前面シュラウドの前記ポンプケースに対する対向面と前記ポンプケースの前記前面シュラウドに対する対向面のうち、少なくとも一方の前記対向面に設けたものであることが好ましい。
このポンプは、前記流れ抑制手段として、前記流体をはじくコーティング部を、前記前面シュラウドの前記ポンプケースに対する対向面と前記ポンプケースの前記前面シュラウドに対する対向面のうち、少なくとも一方の前記対向面に設けたものであることが好ましい。
このような構成としたことで、ポンプケースと前面シュラウドの軸方向の間において、還流等の径方向の流れの発生を抑制し易くすることができると共に、揚水性能やポンプ効率のロスを軽減し易くすることができる。
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。 ポンプの外観図であって、(a)が平面図であり、(b)が径方向に視た側面図である。 流れ抑制手段の説明図であって、(a)がポンプケースをポンプ室側から視た平面図であり、(b)が図1のA1領域の拡大図である。 流れ抑制手段の他の一例の説明図であって、(a)がポンプケースをポンプ室側から視た平面図であり、(b)が図1のA1領域と略同じ領域の拡大図である。 流れ抑制手段の更に他の一例の説明図であって、(a)がポンプを軸方向に切断した断面図であり、(b)がA2領域の拡大図である。
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2と、該モータ2に駆動される羽根車3と、外部電源にモータ2を電気的に接続させるための接続部13(図2参照)とを備える。そして、ポンプ1は、液体を流動させるポンプ室11と、ポンプ室11内の液体から隔離されたモータ部12とに区画される。このポンプ室11は、ポンプ室11とモータ部12とを区画する分離板5と、ポンプ1のポンプ室11側の外殻を形成するポンプケース4とで主体が構成されると共に、これら二部材によって内部に空間が形成されており、この空間に羽根車3が配置される。ポンプケース4は、図1、図2に示すように、ポンプ室11に外部の流体を吸入するための吸入部41と、ポンプ室11内の流体を外部に吐出するための吐出部42とを備える。なお、以下の説明において、流体として、水を例にとり説明するが、流体は水に限らない。また、本実施形態において、特に規定しない限り、対向とは、互いの基準となる面が向かい合って位置する正対した状態を意味する。
モータ2は、図1に示すように、コイルを有した環状のステータ21と、モータ駆動を制御する制御部22と、複数の磁極を有した円筒状のロータ23と、ロータ23を回転自在で支持した略円柱状の支持軸26とを備える。ステータ21及び制御部22はモータ部12内に配置され、ロータ23及び支持軸26はポンプ室11内に配置される。なお、図1では、コイルの記載を省略している。
制御部22は、ステータ21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21は制御部22に通電制御されることで、ロータ23を磁気回転させる。そして、制御部22及びステータ21は、モータ部12内に充填されたモールド材14によって、分離板5に固定される。このモールド材14はステータ21や制御部22等のモータ部12内の部材を外部の水分や埃等から保護すると共に、図2に示すように、ポンプ1のモータ部12側の外殻を形成する。更に、モータ部12は接続部13を外観に露出して備え、接続部13は、外部電源と電気的に接続されたコンバータ(図示せず)と、制御部22とを電気的に接続して、外部電源からの電力をコンバータを介して制御部22に供給する。
一方、ロータ23及び支持軸26は、図1に示すように、ステータ21と略同芯でステータ21の内周側に配置され、支持軸26はロータ23の内周に位置する。以下、特に記載しない限り、ロータ23の回転中心となる支持軸26の軸芯の軸方向を単に軸方向Axと記載し、支持軸26の径方向を単に径方向Radと記載し、上記回転中心を中心とした円周方向を単に周方向Ciと記載し、方向の基準とする。そして、軸方向Axに視た形状を平面視の形状と規定する。
上記円筒状のロータ23は、周方向Ciに並んだ複数のマグネット24(磁極)を有すると共に、ロータ23の外周面はマグネット24に比べて剛性の高い円筒カバー25で覆われている。そして、この円筒カバー25は、ステンレス等の非磁性の剛性部材で主体が構成されており、磁気回転時に、流体に混じってポンプ室11内に流入した鉄粉等の異物とロータ23が擦れた際に、ロータ23の摩耗を抑制している。更に、ロータ23は軸方向Axの一端に羽根車3が略同芯で且つ一体に設けてあり、磁気回転時に、羽根車3を伴って回転する。
羽根車3は、後面シュラウド32と、前面シュラウド33と、羽根部31とで主体が構成される。後面シュラウド32は平面視環状で、ロータ23の軸方向Axの一端から外周に延設され形成され、ロータ23と略同心に位置する。
前面シュラウド33は円の中心に穴を有した平面視円形状(環状)で、後面シュラウド32との軸方向Axの間には所定の間隔を空けて対向して位置する。そして、前面シュラウド33は、軸方向Axに略直交して板面を有した平板部34aと、平板部34aの内周端から内周に延設された傾斜部34bと、傾斜部34bの内周に延設された段部34cとで主体が構成される。平板部34aは後面シュラウド側を向く板面が外周側に向かうほど若干後面シュラウド32に近づく傾斜を有し、反対側の板面が軸方向Axに略直交する。傾斜部34bは内周側ほど後面シュラウド32から離れる向きに傾斜して板面を有する。段部34cは後面シュラウド32側の面が傾斜部34bと略同じ傾斜の板面となっており、反対側の板面が軸方向Axに略直交する。そして、段部34cは軸方向Axに略直交した板面の内周端に吸入口部35が設けてあり、吸入口部35は円筒形状で、後面シュラウド32から離れる向きで段部34cから軸方向Axに突出する。
羽根部31は前面シュラウド33と後面シュラウド32の対向する間(以下、両シュラウドの間と記載する)に配置される。そして、羽根部31は周方向Ciに傾斜し且つ径方向Radに放射状に延びた壁となっており、周方向Ciに略等間隔で複数並んで設けてあり、両シュラウドの間を周方向Ciに区画する。
そのため、羽根車3は、羽根部31で区画された両シュラウドの間が流路となっている。この流路は、前面シュラウド33の内周側である吸入口部35側が上流側となっており、両シュラウドの間における外周側が下流側となっている。すなわち、本実施形態の羽根車3は、前面シュラウド33によってポンプ室11から流路を区画した、所謂流路区画型の羽根車3となっている。そして、羽根車3はロータ23と共に回転することで、流路を介して流体を遠心力により羽根車3の内周側から外周側に流動させると共に、回転力によって流体を周方向Ciに流動させる。
また、分離板5は、円筒部51と、円筒部51の一端を閉塞した底部52と、円筒部51の他端(底部52に閉塞されていない側)から外周に延設されたフランジ部54と、円筒部51の内周面を保護するカバー部材55とで主体が構成される。
円筒部51はロータ23とステータ21の径方向Radの間に位置し、底部がロータ23と制御部22の間に位置する。そのため、分離板5は円筒部51の内周側がポンプ室11のうちのロータ23を収容するロータ収容空間となっており、外側がモータ部12となっている。底部52は円筒部51側を向くロータ収容空間側の面に、第1支持部53を備えており、第1支持部53に支持軸26の第1端部26aが固定される。
フランジ部54は第1端面がステータ21の軸方向Axの端部に対向しており、該第1端面側がモータ部12側の面となっている。そして、反対側である第2端面が羽根車3の後面シュラウド32に対向しており、該第2端面がポンプ室11側の面となっている。更に、フランジ部54は、第2端面のポンプ室11の空間より外周に位置する外周端に、シール部材56を介在してポンプケース4が当接されている。そのため、このフランジ部54とポンプケース1の当接部位は、圧縮されたシール部材56によって水密状態になっており、この当接部位でポンプ室11内の流体の外部への漏れを抑制している。
カバー部材55は、円筒部51の内周面の全面と底部52の外周部位とを覆うと共に、第2端面のポンプ室11内に位置する部位を覆っている。そして、カバー部材55は、ステンレス等の非磁性の剛性部材で主体が構成されており、流体と共に流入した鉄粉等の異物による分離板5の摩耗を抑制している。
ポンプケース4は、平面視略円形状で第2端面54bに対向する天井部44と、天井部44の外周端から軸方向Axに延設され延設先端が第2端面54bに当接された側壁部45とで主体が構成される。天井部44は、一方の面がポンプ1のポンプ室11側の外殻面となり、反対側の面44aがポンプ室11内面を形成する面となっている。そして、天井部44は上記内面を形成する側の面44aが、軸方向Axに略直交の平面形状になっていると共に、この面44aが前面シュラウド33の面33a(平板部34a、傾斜部34b、段部34cの前記反対側の板面)と正対している。以下、天井部44の上記面44aを対向面44aと記載し、前面シュラウド33の上記面33aを対向面33aと記載する。
また、天井部44は外周端には、ポンプ1の非駆動時にポンプ室11内に残留した流体(残水)を抜くための水抜き穴43が設けてある。そして、天井部44は内周側である円の中心に、第2支持部46と吸入部41とが設けてあり、第2支持部46に支持軸26の第2端部26bが固定されており、支持軸26は第1支持部46と第2支持部46でポンプ室11内に位置決め保持される。
吸入部41は、図1、図2に示すように、平面視円形で筒状の吸入筒41aで主体が構成され、吸入筒41aは上流端が天井部44から外部に突出し、下流端が天井部44からポンプ室11内に突出する。そして、吸入筒41aはポンプ室11内に突出した部位の外周に吸入口部35が略同心で且つ遊転自在に配置されており、吸入筒41aの内周空間が吸入口部35を介して羽根車3の流路に連通している。更に、吸入筒41aは上流端が外部の第1配管(図示せず)に連通接続される。
また、図1、図2に示すように、側壁部45には吐出部42が設けてあり、吐出部42は円筒状の吐出筒42aで主体が構成され、周方向Ciに傾斜して側壁部45から径方向Radに突出している。吐出筒筒42aは上流端がポンプ室11内に開口し、下流端が側壁部45外に突出して、下流端が外部の第2配管(図示せず)に連通接続される。
そのため、本ポンプ1は、羽根車3を回転させることで、吸入筒41aを介して第1配管から羽根車3の流路に流体を吸入し、この流路からポンプ室11に導入された流体を、吐出筒42aを介して第2配管に吐出する。
ところで、流路区画型の羽根車3では、羽根車3の回転時に、ポンプ室11の前面シュラウド33と天井部44の対向する間の隙間6が還流路となって、この隙間6内に還流を生じることがある。そこで、本ポンプ1は、図1に示すように、還流等の隙間6における流体の径方向Radの流れの発生を抑制する流れ抑制手段7を更に備える。
この流れ抑制手段7の実施形態1における具体的な構成は、図3に示すように、天井部44の対向面44aに設けた動圧溝71となっている。なお、図3では水抜き穴43の記載を省略している。
動圧溝71は平面視V字形状の溝で、V字の先端(二辺の交点)が羽根車3の回転方向Trに対して反対向きに凸となっている。そして、動圧溝71は対向面44aの略全周に亘って複数形成されており、複数の動圧溝71は周方向Ciにおいて略等間隔で並ぶ。更に、この周方向Ciに並ぶ動圧溝71は、対向面44aのうち、前面シュラウド33の平板部34aに対向した部位と前面シュラウド33より外周の部位との二列設けてある。
このように、動圧溝71を設けたことで、羽根車3の回転時に、隙間6には動圧溝71によって回転方向Trと反対向きに周方向Ciの動圧が発生して、径方向Radの流れを妨げる壁が隙間6の全周に亘って形成される。そして、隙間6に壁を形成したことで、流体が隙間6内を径方向Radに流れ難くなり、還流等の径方向Radの流れによるポンプ効率や揚水性能のロスを軽減し易くすることができる。更に、平板部34aに対向した位置と前面シュラウド33より外周とに1列ずつ設けたことで、周方向Ciの動圧(壁)を隙間6の前面シュラウド33の外周端近傍に生じ易くすることできる。すなわち、還流路となる隙間6において、還流路の上流端である隙間6の外周端或いは外周端の還流路における下流側の近傍に壁を形成することができ、隙間6内に径方向Radの流れをより生じ難くし易くなる。更に、隙間6の外周端側で還流を抑制したことで、隙間6の最も狭くなる吸入口部35の外周面と天井部44の間等に、鉄粉等の異物を流れ込み難くすることができ、異物による吸入口部35等の摩耗を抑制し易くすることができる。
なお、動圧溝71はV字に限らず、U字形状等であってもよい。また、動圧溝71は、天井部44の代わりに、前面シュラウド33の対向面33aに設けてもよい。この場合、対向面33aの略全体(平板部34a、傾斜部34b、段部34c)に設けてもよいが、平板部34aのみや、平板部34a及び傾斜部34bに設けたものであってもよい。また、周方向Ciに並ぶ動圧溝71は、2列に限らず、3列以上設けたものや、平板部34aとの対向部位に1列設けたもの等であってもよい。また、動圧溝71は、対向面44a,33aのいずれか一方に加えて、吸入口部35の外周面またはこの外周面に対向した天井部44の部位の一方に更に設けてもよい。
また、図4に示すように、流れ抑制手段7として、ディンプル溝72を天井部44の対向面44aに設けることで、隙間6における流体の径方向Radの流れを妨げてもよい。なお、前述の動圧溝71を設けたものと略同様の構成における重複する説明は省略する。そして、図4では水抜き穴43の記載を省略している。
ディンプル溝72は、半球で凹形状の溝(凹所)となっており、天井部44の対向面44aの周方向Ciの全周に亘って複数形成される。このディンプル溝72は、対向面44aのうち、平板部34aに対向した部位及びこの部位より外周側の部位の略全面に設けてある。更に、ディンプル溝72は周方向Ci及び径方向において隣接して位置する。
そのため、対向面44aは周方向Ciにおけるいずれの位置においても、少なくとも一つのディンプル溝72が径方向Rad上(隙間6の外周端或いはその下流側の近傍)に位置する構成となっている。そして、複数のディンプル溝72を隙間6の略全周に亘って配置したことで、羽根車3の回転時に、隙間6の略全周において、外周端やその下流側の近傍に乱流を生じ易くなり、この発生した乱流が壁となって流体の径方向Radの流れを妨げ易くなる。そのため、流体が隙間6内を径方向Radに流れ難くなり、還流等の径方向Radの流れによるポンプ効率や揚水性能のロスを軽減し易くすることができる。更に、隙間6の外周端側で還流を抑制したことで、隙間6の最も狭くなる吸入口部35の外周面と天井部44の間等に、鉄粉等の異物を流れ込み難くすることができ、異物による吸入口部35等の摩耗を抑制し易くすることができる。
なお、ディンプル溝72は天井部44の代わりに、前面シュラウド33の対向面33aに設けてもよく、また天井部44の対向面44aと前面シュラウド33の対向面33aの両方に設けてもよい。そして、両対向面44a,33aに設ける場合、対向面44a,33aのディンプル溝72が軸方向Axに対向して位置することが好ましい。また、ディンプル溝72は、対向面44aや対向面33aの全面に設けたものや、平板部34aやその対向部位のみに設けたものや、平板部34a及び傾斜部34bやその対向部位に設けたもの等であってもよい。また、ディンプル溝72は、吸入口部35の外周面やこの外周面に対向した天井部44の部位に更に設けてもよい。
また、図5に示すように、流れ抑制手段7として、コーティング部73を両対向面44a,33aに設けることで、隙間6における流体の径方向Radの流れを妨げてもよい。なお、前述の動圧溝71を設けたものと略同様の構成における重複する説明は省略する。
コーティング部73は、前面シュラウド33の対向面33aの略全面と、吸入口部35の外周面及び軸方向Axの先端と、天井部44の略全面(対向面44a、吸入口部35に対向した部位)と、吸入筒41aの下流側の外周面とに設けてある。そして、コーティング部73は、例えば、流体が水の場合、ポンプケース4や前面シュラウド33に比べて疎水性の高い撥水材で、上記面を撥水コーティングすることで形成される。この撥水材として、例えば、フッ素系撥水材やシリコン系撥水材等が好ましい。
このように、両対向面44a,33aに撥水コーティングを施したことで、隙間6では、流体が毛細管現象を生じ難くなり(対向面44a,33aに対して濡れ難くなり)、流体が流体の表面張力によって球形状に変化し易くなる。そして、隙間6において、球形状の流体8を生じ易くしたことで、球形状の流体8が壁となって流体の径方向Radの流れを妨げ易くなる。そのため、流体を径方向Radに流れ難くすることができ、還流等の径方向Radの流れによるポンプ効率や揚水性能のロスを軽減し易くすることができる。更に、隙間6の外周端側で還流を抑制したことで、隙間6の最も狭くなる吸入口部35の外周面と天井部44の間等に、鉄粉等の異物を流れ込み難くすることができ、異物による吸入口部35等の摩耗を抑制し易くすることができる。
なお、コーティング部73は、両対向面44a,33aのみに設けたものや、天井部44または前面シュラウド33の一方のみに設けたものや、対向面44a,33aのうち一方のみに設けたもの等であってもよい。また、コーティング部73は、対向面44a,33aにおいて、平板部34aやその対向部位等の、隙間6の外周端(還流路の上流端)やその下流側の近傍のみに設けたものであってもよい。もちろん、流体が油であった場合、ポンプケース4や前面シュラウド33に比べて疎油性の高い撥油材で撥油コーティングして、コーティング部73を設ければよい。
また、流れ抑制手段7は、動圧溝71やディンプル溝72を隙間6の外周端やその近傍に設け、隙間6の動圧溝71やディンプル溝72より内周側にコーティング部73(撥水や撥油のコーティング)を設けたものであってもよい。
1 ポンプ
11 ポンプ室
2 モータ
3 羽根車
31 羽根部
32 後面シュラウド
33 前面シュラウド
4 ポンプケース
6 隙間
7 流れ抑制手段
71 動圧溝
72 ディンプル溝
73 コーティング部
Ax 軸方向
Rad 径方向
Ci 周方向
Tr 回転方向

Claims (4)

  1. 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を形成するポンプケースとを備え、
    前記羽根車が前面シュラウドと後面シュラウドとの間に羽根部を有した流路区画型であって、
    前記羽根車の回転中心に位置する軸心の軸方向と前記軸心の径方向とを基準に、
    前記ポンプケースと前記前面シュラウドとが前記軸方向に隙間を有して対向し、
    前記隙間内の流体の前記径方向の流れを抑制する流れ抑制手段を更に備える
    ことを特徴とするポンプ。
  2. 前記流れ抑制手段として、
    前記羽根車の回転方向と反対向きの動圧を発生させる動圧溝を、前記前面シュラウドの前記ポンプケースに対する対向面と前記ポンプケースの前記前面シュラウドに対する対向面のうち、一方の前記対向面に設けた
    ことを特徴とする請求項1に記載のポンプ。
  3. 前記流れ抑制手段として、
    前記隙間に乱流を発生させるディンプル溝を、前記前面シュラウドの前記ポンプケースに対する対向面と前記ポンプケースの前記前面シュラウドに対する対向面のうち、少なくとも一方の前記対向面に設けた
    ことを特徴とする請求項1に記載のポンプ。
  4. 前記流れ抑制手段として、
    前記流体をはじくコーティング部を、前記前面シュラウドの前記ポンプケースに対する対向面と前記ポンプケースの前記前面シュラウドに対する対向面のうち、少なくとも一方の前記対向面に設けた
    ことを特徴とする請求項1に記載のポンプ。
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