JP5048365B2 - 渦流ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ロータと一体にインペラが形成された渦流ポンプに関するものである。

ロータと一体にインペラが形成された渦流ポンプにおいて、ロータに対しては、環状のステータに対向するようにマグネットが搭載されてモータ機構が構成されている。このようなモータ機構としては、ステータの内周側にマグネットが位置するインナーロータ型と、ステータの外周側にマグネットが位置するアウターロータ型とがあるが、アウターロータ型の場合、インナーロータ型と比較して、同一のトルクを得るのに軸線方向の寸法を小さくできるとともに、ステータを構成する際、巻き線作業が容易である、という利点がある。

このようなアウターロータ型のモータ機構を備えた渦流ポンプとしては、ポンプケースとの間にポンプ室を区画する隔壁板を設けた構成が提案されている（特許文献１、２、３参照）。
特開２００１−１３２６９９号公報 特開２００４−１９０５６２号公報 特開２００３−１６１２８４号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載の渦流ポンプでは、ロータの厚さ方向の途中位置までしか回転軸を延ばすことができないため、ロータにはそれを傾かせようとする力が加わりやすく、軸受が磨耗しやすいという問題点がある。また、特許文献３に記載の渦流ポンプでは、インペラの外径寸法に比較して回転軸が著しく短いため、回転軸がわずかに傾いただけでもインペラがポンプケースと接触してしまうという問題点がある。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、ポンプ室を区画する隔壁を最大限利用して、ロータの回転時の安定性を向上することのできる渦流ポンプを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、環状のステータと、該ステータに対向するマグネットを備えたロータと、該ロータと一体に形成されたインペラとを有する渦流ポンプにおいて、前記マグネットは、前記ステータの外周側で当該ステータに対向し、ポンプケースとの間に前記ロータが配置されたポンプ室を区画する隔壁板を備え、前記隔壁板は、前記ステータの内側で前記ロータの回転中心軸線方向に突出する内側筒部と、該内側筒部の基端縁から拡径した環状連結部と、該環状連結部の外周縁から前記内側筒部に対向するように突出して前記ステータと前記マグネットとの間に介在する外側筒部とを備え、前記内側筒部は、前記ステータの前記回転中心軸線方向の寸法の全体に渡る突出寸法を備えており、前記内側筒部には、内側に前記ロータの回転軸を支持するラジアル軸受が保持されていることを特徴とする。

本発明においては、マグネットがステータの外周側に配置されたアウターロータ型を採用したので、インナーロータ型と比較して、同一のトルクを得るのに軸線方向の寸法を小さくできるとともに、ステータを構成する際、巻き線作業が容易である。また、アウターロータ型の場合、大きなトルクを得ることができる分、ロータの回転軸には大きな力が加わる。また、渦流ポンプの場合、ロータの回転軸にはラジアル方向に大きな力が加わる。従って、ロータには、回転時の安定性が特に強く求められるが、本発明では、隔壁板にステータの内側で突出する内側筒部を設けるとともに、この内側筒部の内側でロータの回転軸に対するラジアル軸受を保持している。このため、ラジアル軸受に関しては、ステータの厚さ寸法（軸線方向の寸法）の全体を、ラジアル軸受を配置できるスペースとして利用でき、ラジアル軸受の軸線方向における寸法を長くできる。また、ラジアル軸受の軸線方向における寸法を長くした分、回転軸に振れが発生しないので、ステータとマグネットとの磁気ギャップが変動しない。それ故、ロータの回転時の安定性を向上することができる。

本発明において、前記ラジアル軸受の軸線方向における長さ寸法が前記インペラの外径寸法の１／４倍以上であることが好ましい。このように寸法設定すると、ロータの回転軸を長い寸法にわたって支持できるので、ロータの回転時の安定性を向上することができる。また、回転軸が多少傾いたときにでも、インペラの変位量が小さいので、インペラがポンプ室の内壁に接触するなどの問題も発生しない。

本発明において、前記ポンプケースは、前記マグネットを半径方向外側で囲む側壁部を備え、前記隔壁板は、前記側壁部の内周面および前記側壁部の先端面の双方に当接するように屈曲した環状段部を備えていることが好ましい。このように構成すると、ポンプケースに対して隔壁板を確実に高い精度で位置決めできる。従って、ロータの回転軸の両端を各々、隔壁板およびポンプケースで支持した場合、回転軸を直立した姿勢で配置することができるので、ロータの回転時の安定性を向上することができる。

本発明においては、渦流ポンプにおいてアウターロータ型を採用したため、大きなトルクを得ることができるなどの利点がある一方、ロータの回転軸には大きな力が加わるが、本発明では、隔壁板にステータの内側で突出する内側筒部を設けるとともに、この内側筒部の内側でロータの回転軸に対するラジアル軸受を保持している。このため、ラジアル軸受に関しては、ステータの厚さ寸法（軸線方向の寸法）の全体を、ラジアル軸受を配置できるスペースとして利用でき、ラジアル軸受の軸線方向における寸法を長くできる。また、ラジアル軸受の軸線方向における寸法を長くした分、回転軸に振れが発生しないので、ステータとマグネットとの磁気ギャップが変動しない。それ故、ロータの回転時の安定性を向上することができる。

図１〜図３を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明を適用した渦流ポンプの外観を示す斜視図である。図２（ａ）、（ｂ）は各々、本発明を適用した渦流ポンプの一部を切り欠いて示す斜視図、およびこの渦流ポンプに用いた隔壁板の斜視図である。図３（ａ）、（ｂ）は各々、本発明を適用した渦流ポンプの縦断面図、およびその要部を拡大した拡大断面図である。

（ポンプケース２などの構成）
図１および図２（ａ）に示すように、本形態の渦流ポンプ１は、全体として直方体形状を有しており、ポンプケース２の上面に基板２８が被せられた構造になっている。ポンプケース２の４つの側面のうち、１つの側面には、流入管２３および流出管２４が隣接するように形成されている。

図１、図２（ａ）、および図３（ａ）に示すように、ポンプケース２は、渦流ポンプ１の下面全体を構成する下ケース２１と、下ケース２１の上面のうち、下ケース２１の外周端部に沿って被せられた枠状の上ケース２２とを備えており、下ケース２１と下ケース２１とは筒部２２１内のネジにより固定されている。下ケース２１の上面には円筒部２１７（側壁部）が形成されている一方、上ケース２２の下面には環状段差２２７が形成されており、上ケース２２の環状段部２２７と下ケース２１の円筒部２１７の根元部分と間に配置されたＯリング９１によって、上ケース２２と下ケース２１との間の液密が確保されている。基板２８は、後述する隔壁板６とともに、上ケース２２にネジ２８１により固定されている。基板２８は回路基板であり、駆動用ＩＣ２８０が実装されている。

図１、図２（ａ）、および図３（ａ）、（ｂ）に示すように、本形態の渦流ポンプ１では、ポンプケース２の上面側に隔壁板６が被せられ、隔壁板６とポンプケース２との間には、ロータ３が配置されたポンプ室１０が区画されている。従って、ポンプ室１０は、下ケース２１の上面と、上ケース２２と、隔壁板６の下面とに囲まれた状態にある。

（ロータ３の構成）
ロータ３は、インペラ構成体３０と、このインペラ構成体３０の上面に固着されたバックヨーク３２とを備えており、インペラ構成体３０は、回転軸３１が嵌め込まれた筒部３５と、筒部３５の外周壁から拡径した円盤部３６と、円盤部３６の外周縁に形成されたインペラ３７とを備えている。バックヨーク３２は、インペラ構成体３０の筒部３５が嵌る穴が形成された底板部と、底板部の外周縁から軸線方向の上方に立ち上がる円筒部とを備えており、円筒部の内周面にマグネット３３が固着されている。上ケース２２には、大径の円筒部２２８が形成されており、マグネット３３は、円筒部２２８に対して所定の隙間を介して対向している。

（隔壁板６の構成）
図２（ａ）、（ｂ）および図３（ａ）、（ｂ）に示すように、隔壁板６は、全体として上方に開口するカップ形状に深絞り加工が施された非磁性板である。本形態において、隔壁板６は、その中央位置で軸線方向上側に突出する有底円筒状の内側筒部６１と、この内側筒部６１の基端縁から拡径した環状連結部６２と、この環状連結部６２の外周縁から内側筒部６１に対向するように円筒状に突出した外側筒部６３とを備えている。外側筒部６３の外側にはマグネット３３が所定の隙間を介して対向している。

また、隔壁板６は、外側筒部６３の上端縁から拡径する環状フランジ部６４を備えており、環状フランジ部６４には、環状の段部６５が形成されている。隔壁板６は、環状段部６５が上ケース２２の円筒部２２８の内面の上端側部分と、円筒部２２８の上端面とに当接してポンプケース２に位置決めされている。また、上ケース２２の円筒部２２８の上端面には周溝２２９が形成されており、この周溝２２９内に配置されたＯリング９２が隔壁板６の環状フランジ部６４の外周部分６６に当接して液密が確保されている。

（ステータ５の構成）
図２（ａ）、および図３（ａ）、（ｂ）に示すように、隔壁板６において、内側筒部６１には、上方から有底筒状のホルダ７が装着されている。ホルダ７は、内側筒部６１の上方に被さる上底部７１と、上底部７１の外周縁から軸線方向下側に突出して隔壁板６の内側筒部６１の周りに被さる下側筒部７２と、上底部７１の中央から軸線方向上側に突出する上側筒部７３とを備えており、上側筒部７３は、基板２８の上面からさらに上方に突出している。

ホルダ７の下側筒部６２には、その周りに環状のステータ５が固定されている。ステータ５は、外周側に向けて突出する複数の突極が等角度間隔に形成されたステータコア５２と、複数の突極の各々に巻回されたコイル５１とを備えており、コイル５１の端部は基板２８に電気的に接続されている。この状態で、ステータ５は、隔壁板６において内側筒部６１と外側筒部６３との間に形成された環状溝内に配置され、その外周側は、隔壁板６の外側筒部６３で囲まれた状態となる。それ故、ステータ５の外周面には、隔壁板６の外側筒部６３を介してマグネット３３が対向し、アウターロータ型のモータ機構が構成されている。

なお、ホルダ７の上側筒部には雄ねじが形成されており、上側筒部にナット２８５を止めるとともに、基板２８をネジ２８１により上ケース２２に止めれば、隔壁板６と基板２８との間でホルダ７が固定され、かつ、基板２８と隔壁板６との間にホルダ７を介してステータ５が保持された状態となる。

（ラジアル軸受の構成）
本形態の渦流ポンプ１において、下ケース２１の中央には凹部２１６が形成され、そこには、ロータ３の回転軸３１を回転可能に支持するラジアル軸受８１が保持されている。

また、隔壁板６の内側筒部６１にも、ロータ３の回転軸３１を回転可能に支持するラジアル軸受８２が保持されている。ここで、隔壁板６の内側筒部６１は、ステータ５の厚さ寸法（軸線方向の寸法／高さ寸法）の全体にわたるほど高い突出寸法を備えており、それ故、ラジアル軸受８２の軸線方向における寸法（長さ寸法Ｌ）が長い。従って、本形態では、ラジアル軸受８２として、長さ寸法Ｌがインペラ３７の外径寸法Ｄの１／４倍以上のものが用いられている。

また、ラジアル軸受８１、８２としてはカーボンなど、摺動性の高いものが用いられている。

（渦流ポンプ１の組み立て方法）
本形態の渦流ポンプ１を組み立てるには、隔壁板６に対して、ホルダ７およびステータ５を搭載するとともに、隔壁板６の内側筒部６１にはラジアル軸受８２を固定しておく。そして、隔壁板６と上ケース２２とをＯリング９２を介して重ねるとともに、隔壁板６に基板２８を重ね、この状態で基板２８を上ケース２２にネジ２８１で固定する。また、ホルダ７において基板２８から突出した上側筒部７３にナット２８５を止める。その結果、上ケース２２、隔壁板６、ホルダ７、ステータ５および基板２８が一体化する。次に、隔壁板６の内側筒部６１に固定されたラジアル軸受８２にロータ３の回転軸３１の上端部を挿入する。その結果、ステータ５と、ステータ５の外周側に位置するロータ３のマグネット３３との間に隔壁板６の外側筒部６３が介在した状態なる。この状態で、ロータ３のマグネット３３とステータ５との間には磁気吸引力が作用するので、格別な抜け防止を行なわなくても、回転軸３１がラジアル軸受８２から抜けることはない。

一方、下ケース２１の凹部２１６にラジアル軸受８１を固定しておき、隔壁板６の側に保持されているロータ３の回転軸３１の下端部がラジアル軸受８１の穴内に嵌るように、上ケース２２を下ケース２１に重ねる。そして、筒部２２１内でネジを止めことにより、上ケース２２と下ケース２１とを固定する。その際、下ケース２１から上方に突出する円筒部２１７の根元にＯリング９１を装着しておく。その結果、上ケース２２の環状段部２２７と下ケース２１の円筒部２１７の根元部分とにＯリングが挟まれ、この部分での液密が確保される。

（動作および本形態の主な効果）
このように構成した渦流ポンプ１では、ロータ３が回転すると、ポンプ室１０内では、インペラ３７が回転し、流入管２３から吸引した液体を流出管２４から吐出する。ここで、渦流ポンプ１は、マグネット３３がステータ５の外周側に配置されたアウターロータ型になっているので、インナーロータ型と比較して、同一のトルクを得るのに軸線方向の寸法を小さくできるとともに、ステータ５を構成する際、コイル５１の巻き線作業が容易である。

但し、アウターロータ型の場合、大きなトルクを得ることができる分、ロータ３の回転軸３１には大きな力が加わる。また、渦流ポンプ１の場合、ロータ３の回転軸３１にはラジアル方向に大きな力が加わる。従って、ロータ３には、回転時の安定性が特に強く求められるが、本形態では、隔壁板６にステータ５の内側で突出する内側筒部６１を設けるとともに、この内側筒部６１の内側でロータ３の回転軸３１に対するラジアル軸受８２を保持している。このため、ラジアル軸受８２に関しては、ステータ５の厚さ寸法（軸線方向の寸法）の全体にわたって、ラジアル軸受８２を配置できるスペースとして利用でき、ラジアル軸受８２の軸線方向における寸法を長くできる。また、ラジアル軸受８２の軸線方向における寸法を長くした分、回転軸３１に振れが発生しないので、ステータ５とマグネット３３との磁気ギャップが変動しない。それ故、ロータ３の回転時の安定性を向上することができる。

また、ラジアル軸受８２の軸線方向における長さ寸法Ｌがインペラ３７の外径寸法Ｄの１／４倍以上であり、ラジアル軸受８２によって、ロータ３の回転軸３１を長い寸法にわたって支持できる。それ故、ロータ３の回転時の安定性を向上することができる。また、回転軸３１が長いため、回転軸３１が多少傾いたときでもインペラ３７の変位量が小さいので、インペラ３７がポンプ室１０の内壁に接触するなどの問題も発生しない。

さらに、ポンプケース２は、マグネット３３を半径方向外側で囲む内周面を備えた円筒部２２８（側壁部）を備え、隔壁板６は、円筒部２２８の内周面および円筒部２２８の上端面（先端面）の双方に当接するように屈曲した環状段部６５を備えている。従って、ポンプケース２に対して隔壁板６を確実に高い精度で位置決めできる。それ故、ロータ３の回転軸３１の両端を各々、隔壁板６およびポンプケース２で支持した場合、回転軸３１を直立した姿勢で配置することができるので、ロータ３の回転時の安定性を向上することができる。

［その他の形態］
上記形態では、回転軸３１をラジアル軸受８１、８２で両持ち状態で支持したが、回転軸３１をラジアル軸受８２のみで片持ち状態で支持する構造を採用してもよい。また、ラジアル軸受８２については一体のものを用いたが、軸線方向に２分割されたものをラジアル軸受８２として用いてもよい。

なお、駆動用ＩＣ２８０については熱を基板２８および隔壁板６を介して液体に逃がして間接的に冷却する構造を採用することが好ましい。

本発明を適用した渦流ポンプの外観を示す斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は各々、本発明を適用した渦流ポンプの一部を切り欠いて示す斜視図、およびこの渦流ポンプに用いた隔壁板の斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は各々、本発明を適用した渦流ポンプの縦断面図、およびその要部を拡大した拡大断面図である。

符号の説明

１・・渦流ポンプ
２・・ポンプケース
３・・ロータ
５・・ステータ
６・・隔壁板
７・・ホルダ
１０・・ポンプ室
２１・・下ケース
２２・・上ケース
３１・・回転軸
３３・・マグネット
３７・・インペラ
６１・・隔壁板の内側筒部
６３・・隔壁板の外側筒部
６５・・隔壁板の環状段部
８２・・隔壁板に保持されたラジアル軸受

Claims (3)

1. 環状のステータと、該ステータに対向するマグネットを備えたロータと、該ロータと一体に形成されたインペラとを有する渦流ポンプにおいて、
   前記マグネットは、前記ステータの外周側で当該ステータに対向し、
   ポンプケースとの間に前記ロータが配置されたポンプ室を区画する隔壁板を備え、
   前記隔壁板は、前記ステータより内側で前記ロータの回転中心軸線方向に突出する内側筒部と、該内側筒部の基端縁から拡径した環状連結部と、該環状連結部の外周縁から前記内側筒部に対向するように突出して前記ステータと前記マグネットとの間に介在する外側筒部とを備え、
   前記内側筒部は、前記ステータの前記回転中心軸線方向の寸法の全体に渡る突出寸法を備えており、
   前記内側筒部には、内側に前記ロータの回転軸を支持するラジアル軸受が保持されていることを特徴とする渦流ポンプ。
2. 前記ラジアル軸受の軸線方向における長さ寸法が前記インペラの外径寸法の１／４倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の渦流ポンプ。
3. 前記ポンプケースは、前記マグネットを半径方向外側で囲む側壁部を備え、
   前記隔壁板は、前記側壁部の内周面および前記側壁部の先端面の双方に当接するように屈曲した環状段部を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の渦流ポンプ。

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