JP4400034B2

JP4400034B2 - 超薄型ポンプ

Info

Publication number: JP4400034B2
Application number: JP2002312419A
Authority: JP
Inventors: 愼弥古賀; 陽一宿里; 滋楢木野; 敏輔酒井; 恭庭月野; 俊幸久保田; 誠二浦野; 文徳平川; 利彦松田; 譲光相園; 政志廣瀬
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2022-10-28
Also published as: JP2004144056A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型で縦置きしたとき厚みを超薄型にすることができる超薄型ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の小型コンピュータは著しく高速化し、発熱を効果的に冷却する冷却装置も高性能の装置が必要になってきている。冷却装置は従来ヒートシンクによる空中への放熱が主流であったが、発熱量の大きい最近の小型コンピュータに対しては冷媒を循環させて冷却する冷媒循環システムでなければ対応しきれないと言われ始めている。（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
ところでこの小型コンピュータのための冷媒冷却システムは、搭載するスペースに多くの制約が課せられ、中でもポンプは大きさから配置に困るものあった。そこで、本出願人は（特願２００１−４００１５４号）で、以下のような小型、薄型のポンプを提案した。
【０００４】
図４は従来の超薄型ポンプの断面図である。図４に示すようにこのポンプは渦流ポンプであり、羽根車３Ａにはリング状に配列された多数の羽根が羽根間の凹部を挟んで所定ピッチで設けられている。モータは、ステータコア１の外周をマグネットロータ３が回転するアウターロータタイプのＤＣブラシレスモータとなっている。磁極位置センサ４の出力信号を受け、一定方向に回転トルクが効率よく発生させるために、ステータ巻線２に流す電流を制御するドライブＩＣ５が基板６上に設けられる。
【０００５】
羽根車３Ａを収容するポンプ室を構成するポンプケーシング７、このポンプ室とモータステータとの間にポンプケーシング７の円筒部７Ａが設けられている。円筒部７Ａはマグネットロータ３を軸支するとともにモータステータとポンプ室を仕切って、液とモータを分離している。このポンプはモータの軸シール材がなく、このように円筒部７Ａでシールするシールレスポンプであり、これによって長寿命のポンプになるものである。
【０００６】
しかしながら、この超薄型ポンプを横置き、すなわち回転軸を重力方向に向けて縦置きすると、羽根車３Ａの下面（ポンプの置き方によっては上面）が、ポンプケーシング７の内側の面と機械的に接触しながら回転すると、摩擦によって効率も、寿命も低下してしまうものであった。
【０００７】
そこで本出願人は、回転軸を縦置きして使用する場合、ステータコアのセンタ位置８とマグネットロータのセンタ位置９との関係を、センタ位置９を基準としてマグネットロータ３に作用する重力の反対方向にセンタ位置８をずらすことを提案した。これによりマグネットセンタ力（２つのセンタ位置を合わせようとするずれによる磁気力）が発生するため、羽根車の自重に対し、羽根車の液内の浮力とともにこのマグネットセンタ力が合力となって作用し、羽根車の重量と合力とを釣合わせ、機械的に非接触で羽根車を回転させることができる。これによって、シールレスポンプの本来の特徴である長寿命を実現するとともに、機械損失を低減した高効率のポンプを提供できるものである。
【０００８】
【特許文献１】
特開平０７−１４２８８６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように本出願人が提案した従来の超薄型ポンプは、高性能、長寿命、低騒音を達成でき、従来のポンプより１オーダ小型で薄型になる点で、一線を画すものであった。しかし、ステータコアのセンタ位置８とマグネットロータのセンタ位置９を軸方向にそれぞれずらすことによってマグネットセンタ力を発生させるために、そのずれた分だけ、ポンプの全体厚みが増すという問題があった。
【００１０】
通常の大きさのポンプであればマグネットセンタ力を発生するためのセンタ位置８，９のずれは無視できることであるが、従来では考えられない数ミリオーダの厚さの超薄型ポンプにおいては、このセンタ位置８，９の微小なずれが全体の厚さに影響を及ぼしてしまう。また、この僅かなずれが重量やその他の諸事項にも影響するため、小型で超薄型、高効率のポンプをさらに一歩進めるためにはこの対策は避けては通れない課題であった。
【００１１】
そこで本発明は、小型で、縦置きしたとき厚みを超薄型にすることができ、高効率、長寿命、低騒音の超薄型ポンプを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の超薄型ポンプは、円筒部でマグネットロータを回転自在に軸支し、その回転軸は縦置きを基本とされる超薄型ポンプであって、マグネットロータの外周に、マグネットロータの外径が下方で広がるように傾斜した傾斜面が形成されたことを特徴とする。
【００１３】
また、超薄型ポンプは、マグネットロータの内周に、マグネットロータの内径が下方で小さくなるように傾斜した傾斜面が形成されると共に、ステータコアの外周面とマグネットロータの内周面との間の上端エアギャップを下端エアギャップよりも大きく形成されたものであってもよい。
【００１４】
なお、本発明の縦置きとは、回転軸が垂直方向（反重力方向）に置かれることである。そして、縦置きを基本とされるが、他の方向に置かれることを排除するものではない。
【００１５】
これにより、小型で、縦置きしたとき厚みを超薄型にすることができ、高効率、長寿命、低騒音にすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載された発明は、外周に多数の羽根が形成されたリング状の羽根車と、リング状の羽根車の内周に設けられたマグネットロータと、マグネットロータの内周側に配設され、ステータコアを積層したモータステータと、モータステータとマグネットロータの間に配設される円筒部を有し、羽根車とマグネットロータを内部に収容することができるポンプケーシングとを備え、円筒部でマグネットロータを回転自在に軸支し、その回転軸は縦置きを基本とされる超薄型ポンプであって、マグネットロータの外周に、マグネットロータの外径が下方で広がるように傾斜した傾斜面が形成されたことを特徴とする超薄型ポンプであり、マグネットロータに対してマグネットセンタ力を作用させ、浮上状態で回転させることができる。磁気中心位置を軸方向に変位させ、自由に設定することがきる。最小の薄さで最大の性能を引き出すことができる。
【００１７】
本発明の請求項２に記載された発明は、外周に多数の羽根が形成されたリング状の羽根車と、リング状の羽根車の内周に設けられたマグネットロータと、マグネットロータの内周側に配設され、ステータコアを積層したモータステータと、モータステータとマグネットロータの間に配設される円筒部を有し、羽根車とマグネットロータを内部に収容することができるポンプケーシングとを備え、円筒部でマグネットロータを回転自在に軸支し、その回転軸は縦置きを基本とされる超薄型ポンプであって、マグネットロータの内周に、マグネットロータの内径が下方で小さくなるように傾斜した傾斜面が形成されると共に、ステータコアの外周面とマグネットロータの内周面との間の上端エアギャップを下端エアギャップよりも大きく形成されたことを特徴とする超薄型ポンプであり、マグネットロータに対してマグネットセンタ力を作用させ、浮上状態で回転させることができる。磁気中心位置を軸方向に変位させ、自由に設定することがきる。最小の薄さで最大の性能を引き出すことができる。
【００１８】
本発明の請求項３に記載された発明は、マグネットロータの外周に傾斜面が形成されたことを特徴とする請求項２記載の超薄型ポンプであり、マグネットロータに対して上方にマグネットセンタ力を作用させ、浮上状態で回転させることができる。磁気中心位置を軸方向に変位させ、自由に設定することがきる。最小の薄さで最大の性能を引き出すことができる。
【００１９】
本発明の請求項４に記載された発明は、円筒部には抜き勾配の傾斜面が形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超薄型ポンプであり、円筒部に抜き勾配をつけざるを得ない場合にも、ポンプケーシングと接触することなく、マグネットロータと羽根車を常に浮上して回転させることができる。
【００２０】
本発明の請求項５に記載された発明は、羽根車とマグネットロータが一体に構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超薄型ポンプであり、羽根車とマグネットロータの作成がきわめて容易になる。
【００２１】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１の超薄型ポンプについて説明する。実施の形態１の超薄型ポンプはリング状のマグネットロータの外周を傾斜させて円錐状面としたものである。図１は本発明の実施の形態１における超薄型ポンプの断面図、図２は本発明の実施の形態１におけるマグネットロータの回転軸方向に沿う磁束密度を示すグラフである。なお、実施の形態１の超薄型ポンプは基本的構成において従来の超薄型ポンプと同一であり、同一の構成には同一の符号を用いて説明する。
【００２２】
図１において、１はステータコアで、２はステータコア１に施されたステータ巻線、３はリング状のマグネットロータ、３Ａはマグネットロータ３が内周側で一体化されたリング状の羽根車、３Ｂはマグネットロータ３の外周の傾斜面である。傾斜面３Ｂは円錐状面を構成し、羽根車３Ａの内周はこの傾斜面３Ｂと嵌合するようにすり鉢状の傾斜面となっている。そして、ステータ巻線２に電流を流すことにより形成される電磁石とマグネットロータ３との吸引、反発により、一定方向への回転トルクが発生する。この回転トルクが負荷トルクと釣合った位置でマグネットロータ３、すなわち羽根車３Ａが回転する。羽根車３Ａとマグネットロータ３をマグネット（例えばプラスチックマグネット）で一体に構成すると、羽根車３Ａとマグネットロータ３の作成がきわめて容易になる。なお、羽根車３Ａとマグネットロータ３とは一体化されているため、以下これを全体として羽根車部という。
【００２３】
７はポンプケーシング、７Ａはポンプケーシング７の円筒部、７Ｂはポンプケーシング７と対となってポンプ室を構成する第２のポンプケーシングである。ポンプケーシング７と円筒部７Ａは実施の形態１においてはＰＰＳガラス３０％入りを採用している。
【００２４】
なお、本実施の形態１のポンプ７は回転軸方向の厚さが５〜１０ｍｍ、半径方向の代表寸法が４０〜５０ｍｍ、回転数は１２００ｒｐｍ、流量が０．０８〜０．１２Ｌ／分、ヘッドが０．３５〜０．４５ｍ程度のポンプである。そして、本発明のポンプの諸元は、本実施の形態１の値を含んで、厚さ３〜１５ｍｍ、半径方向代表寸法１０〜７０ｍｍ、流量が０．０１〜０．５Ｌ／分、ヘッド０．１〜２ｍ程度のものとなる。これは比速度でいうと、２４〜２８（単位：ｍ、ｍ３／分、ｒｐｍ）程度のポンプであって、従来のポンプとはまったく隔絶した大きさの小型薄型のポンプである。
【００２５】
ここで、従来の超薄型ポンプと同様に、第２のポンプケーシング７Ｂと接触せずに回転できる羽根車部浮力Ｆｂ，羽根車部自重Ｆｇ，マグネットセンタ力Ｆの釣り合いを考えると、図１に示すように、羽根車部浮力Ｆｂとマグネットセンタ力Ｆの和が羽根車部自重Ｆｇと釣り合った状態になれば、第２のポンプケーシング７Ｂに非接触でマグネットロータ３を回転させることができる。これによって、長寿命で、機械損失を低減した高効率のポンプにすることができる。
【００２６】
マグネットセンタ力Ｆは、（数１）で与えられる。
【００２７】
【数１】

【００２８】
ここで、Ｂはマグネット表面の磁束密度（Ｔ）、Ｈは磁界で、Ｈ＝Ｂ／μ０の関係がある。但しμ０はその場所での透磁率である。またＭは磁化特性であり、Ｈの関数であってＭ＝ｆ（Ｈ）の関係がある。これは引き付けられる物質特有の特性を表し、物質により異なるものである。実施の形態１においては珪素鋼板の磁化特性である。ｚは磁界と直交する軸方向の位置である。
【００２９】
ステータコア１とマグネットロータ３の軸方向中心を一致させて、マグネットセンタ力Ｆを上方に作用させるためには、（数１）に従ってマグネットロータ３の磁気中心を下方にずらす必要がある。そこで実施の形態１の超薄型ポンプは、リング状のマグネットロータ３の外周を傾斜させて、マグネットロータ３の外径が下方で広がる円錐状面としている。この場合、マグネットロータ３の半径方向幅が下方になるほど増加するため、磁束密度の最大となる位置が中央から下方にシフトする。
【００３０】
すなわち、厳密に言えば端部では磁束密度は落ちるが、マグネットロータ３の半径方向幅が大きいところほど磁束密度は大きくなる。そして（数１）によると、磁束密度Ｂから磁界Ｈが算出され、ステータコア１の材料の磁化特性Ｍが分かっていれば、磁界Ｈからマグネットセンタ力Ｆが算出される。この結果磁気的な中心位置は半径方向幅の広い方に偏ってしまう。このようにマグネットロータ３の半径方向幅を変化させることによって、マグネットロータ３の磁気的中心位置を自由に変えることができる。なお、実施の形態１においては円錐状面は円錐面となっているが、適宜の形状に変化させることができる。
【００３１】
図２に示すように、マグネットロータ３の軸方向中央の位置をｚ＝０としたとき、ｚ＝−０．５ｍｍの位置が磁束密度Ｂの磁気的な中心位置となっている。従ってマグネットセンタ力Ｆは、この磁束密度Ｂの磁気的な中心位置が存在する下側を空間的な中央位置に向けて押し上げるように作用する。このため、マグネットロータ３の中心位置はｚ＝０でありながら、マグネットロータ３をずらしたと同様にマグネットセンタ力Ｆが作用し、マグネットセンタ力Ｆ，羽根車部自重Ｆｇ，羽根車部浮力Ｆｂが釣り合い、Ｆ＋Ｆｂ＝Ｆｇを充たすことができる。言い換えれば、マグネットロータ３とステータコア１の空間的な軸方向中央位置を一致させながら、マグネットロータ３と羽根車３Ａは常に浮上状態となり、第２のポンプケーシング７Ｂに非接触でマグネットロータ３を回転させることができることになる。
【００３２】
このように実施の形態１の超薄型ポンプは、マグネットロータ３に対して上方にマグネットセンタ力Ｆを作用させ、ステータコア１とマグネットロータ３の軸方向の空間的な中心を一致させながら、浮上状態で回転させることができる。これにより、実施の形態１の超薄型ポンプは最小の薄さで最大の性能を引き出すことができる。
【００３３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の超薄型ポンプについて説明する。実施の形態２の超薄型ポンプはリング状のマグネットロータの内周を傾斜させて円錐状面としたものである。図３は本発明の実施の形態２における超薄型ポンプの断面図である。実施の形態２の超薄型ポンプは基本的構成において実施の形態１の超薄型ポンプと同一であり、同一の構成には同一の符号を用いて説明する。但し、その説明は省略する。
【００３４】
図３において、３Ｃはマグネットロータ３の内周の傾斜面、７Ｃはポンプケーシング７の抜き勾配（下方向に半径が小さくなる傾斜）が設けられた円筒部である。Ｇ１はマグネットロータ３の下端エアギャップ、Ｇ２はマグネットロータ３の上端エアギャップである。
【００３５】
超薄型ポンプのポンプケーシングを樹脂で形成する場合、図３に示すようにステータコア１とマグネットロータ３を隔てる円筒部７Ｃには成形工程に必要な抜き勾配が不可避的に形成される。実施の形態２の超薄型ポンプはこの抜き勾配に配慮したものである。すなわち、ステータコア１とマグネットロータ３のエアギャップを小さくするためにマグネットロータ３の内周面に円筒部７Ｃと同じ勾配の傾斜面３Ｃを設けたものである。
【００３６】
実施の形態１のマグネットロータ３の外周面は傾斜面であったが、実施の形態２においては、外周面は垂直もしくは下側へ狭まる傾斜面である。以下このマグネットロータ３の外周面が垂直、すなわち円筒面として説明を開始する。この場合、磁気中心は実施の形態１と同様に下方へ移動する。
【００３７】
マグネットロータ３の内周面には傾斜面３Ｃが形成されているため、上端エアギャップＧ２と下端エアギャップＧ１とは異なった値をもつ。このとき上端エアギャップＧ２＞下端エアギャップＧ１となる。この下端エアギャップＧ１，上端エアギャップＧ２間におけるギャップの差により、ステータコア１の外周面での軸方向に沿った磁束密度Ｂが変化する。これはエアギャップが大きい方が漏れ磁束も大きく、磁束密度Ｂが小さくなるからである。すなわちステータコア１外周面において、軸方向中心より下側の磁界Ｈが強くなる。従って、ステータ外周面上では、みかけ上マグネットロータ３の磁気中心は下方へ移動し、マグネットセンタ力Ｆが作用することになる。そして、マグネットロータ３と羽根車３Ａは常に浮上させるためには、マグネットロータ３の内周の傾斜面３Ｃと外周の傾斜面、エアギャップの上下の差によって磁気的な中心位置の移動を補正する必要がある。
【００３８】
この補正方法を説明すると、例えば、ポンプケーシング７の抜き勾配が決定された場合、まずマグネットロータ３に対してこの抜き勾配と同一の傾斜面３Ｃ、垂直の外周面の形状を与える。この状態でマグネットロータ３のマグネットセンタ力Ｆ，羽根車部浮力Ｆｂ，羽根車部自重Ｆｇの釣り合いをみる。マグネットセンタ力Ｆを調整してＦ＋Ｆｂ＝Ｆｇを充たすことができるように、ステータコア１とマグネットロータ３の軸方向中心位置を合わせながら、マグネットロータ３の外周に適切な勾配の傾斜面を形成する。このように外周の傾斜面の形状はこの釣り合いの関係によって具体的に決定される。
【００３９】
実施の形態２の一例としての実寸法、実測値を示すと、円筒部７Ｃの抜き勾配は５°である。通常、抜き勾配は０．５°〜２°程度であるが、円筒部７Ｃに流体軸受の溝が形成されているため大きい値となっている。上端エアギャップＧ２は１．５ｍｍ、下端エアギャップＧ１は１．２５ｍｍ、ステータ高さが２ｍｍ（巻き線込みで３ｍｍ）、マグネットロータ３の高さが３ｍｍであって、マグネットロータ３内側勾配が５°、マグネットロータ３の外周側傾斜面の勾配が３°である。この場合、実測するとマグネットセンタ力Ｆは４ｇ発生する。このマグネットセンタ力Ｆのために、ポンプ厚み６ｍｍに対して０．６ｍｍだけ厚みを減少させることができた。
【００４０】
以上説明したように樹脂等でポンプケーシング７を形成したときには抜き勾配をつけざるをえないが、実施の形態２の超薄型ポンプは、このような場合もポンプケーシング７と接触することなく、マグネットロータ３と羽根車３Ａを常に浮上して回転させることができる。なお、以上抜き勾配があることを前提に説明したが、抜き勾配がない場合も、マグネットロータ３の内周を傾斜させて円錐状面とすることでステータコア１とマグネットロータ３の軸方向中心位置をずらさずにマグネットセンタ力Ｆを調整して釣り合わすことができるのはいうまでもないことである。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の超薄型ポンプによれば、マグネットロータに対してマグネットセンタ力を作用させ、浮上状態で回転させることができる。磁気中心位置を軸方向に変位させ、自由に設定することがきる。最小の薄さで最大の性能を引き出すことができる。
【００４２】
円筒部に抜き勾配をつけざるを得ない場合にも、ポンプケーシングと接触することなく、マグネットロータと羽根車を常に浮上して回転させることができる。羽根車とマグネットロータが一体に構成されるため、羽根車とマグネットロータの作成がきわめて容易になる。マグネットロータの設計が容易であり、最小の薄さで最大の性能を引き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における超薄型ポンプの断面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるマグネットロータの回転軸方向に沿う磁束密度を示すグラフ
【図３】本発明の実施の形態２における超薄型ポンプの断面図
【図４】従来の超薄型ポンプの断面図
【符号の説明】
１ステータコア
１Ａ，３Ｂ，３Ｃ傾斜面
１Ｂ突部
２ステータ巻線
３マグネットロータ
３Ａ羽根車
４磁極位置センサ
５ドライブＩＣ
６基板
７ポンプケーシング
７Ａ，７Ｃ円筒部
７Ｂ第２のポンプケーシング
８，９センタ位置

Claims

外周に多数の羽根が形成されたリング状の羽根車と、
前記リング状の羽根車の内周に設けられたマグネットロータと、
前記マグネットロータの内周側に配設され、ステータコアを積層したモータステータと、
前記モータステータと前記マグネットロータの間に配設される円筒部を有し、前記羽根車と前記マグネットロータを内部に収容することができるポンプケーシングとを備え、
前記円筒部で前記マグネットロータを回転自在に軸支し、その回転軸は縦置きを基本とされる超薄型ポンプであって、
前記マグネットロータの外周に、マグネットロータの外径が下方で広がるように傾斜した傾斜面が形成されたことを特徴とする超薄型ポンプ。
外周に多数の羽根が形成されたリング状の羽根車と、
前記リング状の羽根車の内周に設けられたマグネットロータと、
前記マグネットロータの内周側に配設され、ステータコアを積層したモータステータと、
前記モータステータと前記マグネットロータの間に配設される円筒部を有し、前記羽根車と前記マグネットロータを内部に収容することができるポンプケーシングとを備え、
前記円筒部で前記マグネットロータを回転自在に軸支し、その回転軸は縦置きを基本とされる超薄型ポンプであって、
前記マグネットロータの内周に、マグネットロータの内径が下方で小さくなるように傾斜した傾斜面が形成されると共に、ステータコアの外周面とマグネットロータの内周面との間の上端エアギャップを下端エアギャップよりも大きく形成されたことを特徴とする超薄型ポンプ。
前記マグネットロータの外周に傾斜面が形成されたことを特徴とする請求項２記載の超薄型ポンプ。
前記円筒部には抜き勾配の傾斜面が形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超薄型ポンプ。
前記羽根車と前記マグネットロータが一体に構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超薄型ポンプ。