JP6878255B2

JP6878255B2 - 遠心ポンプ

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Publication number: JP6878255B2
Application number: JP2017222615A
Authority: JP
Inventors: 英将鳥居; 圭司仲谷
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2021-05-26
Anticipated expiration: 2037-11-20
Also published as: CN111373157B; WO2019098357A1; JP2019094794A; US20200300250A1; DE112018005631T5; CN111373157A

Description

本発明は、遠心ポンプに関する。

遠心ポンプは、流体を圧送するインペラがポンプ室に収容されたポンプ部と、ポンプ部の軸方向の一側に設けられかつインペラを回転させる回転軸を有するモータ部と、を備えている（例えば、特許文献１参照）。遠心ポンプは、モータ部の駆動によってポンプ部のインペラが回転されることで、流体を圧送する。特許文献１では、ケーシングの外表面に複数のフィンを設け、モータ部の回転軸に冷却ファンを設けている。これにより、冷却ファンの風をフィンに当ててケーシングを冷却することで、モータ部の温度上昇を抑制している。

特開２０１７−６１９１９号公報

特許文献１によると、ケーシングが冷却されるものの、モータ部内が冷却されにくいため、モータ部の構成部品の劣化や強度低下を招くおそれがある。

本発明が解決しようとする課題は、モータ部内の冷却性能を向上し、モータ部の構成部品の劣化や強度低下を抑制することのできる遠心ポンプを提供することにある。

前記した課題は、本発明の遠心ポンプにより解決することができる。

第１の発明は、流体を圧送するインペラがポンプ室に収容されたポンプ部と、前記ポンプ部の軸方向の一側に設けられかつ前記インペラを回転させる回転軸を有するモータ部と、を備える遠心ポンプであって、前記インペラと前記回転軸とを有する回転側部材には、一端が前記ポンプ室の低圧領域に開口しかつ他端が回転軸のインペラとは反対側の端部に開口する導出通路が形成されており、前記モータ部の固定側部材には、一端が前記ポンプ室の高圧領域に開口されかつ他端が前記導出通路の他端に連通する導入通路が形成されている、遠心ポンプである。

第１の発明によると、モータ部の駆動によってポンプ部のインペラが回転されることで、流体が圧送される。その際、ポンプ室内で発生する差圧によって、ポンプ室内の流体の一部が、高圧領域から導入通路へ導入され、続いて導出通路を流れた後、低圧領域に導出される。したがって、導入通路及び導出通路を流れる流体によって、モータ部の固定側部材及び回転側部材の熱が吸熱され、ポンプ室の低圧領域の流体に放熱される。これにより、モータ部内の冷却性能を向上し、モータ部の構成部品の劣化や強度低下を抑制することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記導入通路の一部は、前記モータ部が有するロータと前記固定側部材との間に形成された隙間である、遠心ポンプである。

第２の発明によると、ロータと固定側部材との間の隙間を流れる流体により、ロータと固定側部材との対向部位を効率良く冷却することができる。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記導入通路の一部は、前記モータ部が有するステータを覆うケーシングの壁部に形成されている、遠心ポンプである。

第３の発明によると、ステータを覆うケーシングの壁部を流れる流体により、ステータを効率良く冷却することができる。

第４の発明は、１〜３のいずれか１つの発明において、前記導出通路の内周面には、前記回転側部材の回転を利用して前記流体の流れを促進する螺旋溝が形成されている、遠心ポンプである。

第４の発明によると、螺旋溝により、回転軸の回転を利用して導出通路を流れる流体の流れを促進することができる。これにより、導出通路及び導入通路を流れる流量が増加されることによって、モータ部の冷却性能を向上することができる。

第５の発明は、第１〜４のいずれか１つの発明において、前記導入通路及び／又は前記導出通路には、流体の温度に応じて通路面積を調整する流量調整弁が設けられている、遠心ポンプである。

第５の発明によると、流体の温度に応じて通路面積を調整する流量調整弁によって、流体の低温時には、当該通路の通路面積が減少され、その流量が減少される。これにより、ポンプ効率の低下を抑制することができる。また、流体の高温時には、当該通路の通路面積が増大され、流量が増大される。これにより、モータ部の冷却性能を向上することができる。

本発明の遠心ポンプによると、モータ部内の冷却性能を向上し、モータ部の構成部品の劣化や強度低下を抑制することができる。

実施形態１にかかる遠心ポンプを示す断面図である。流体の流れを示す図である。実施形態２にかかる遠心ポンプの要部を示す断面図である。実施形態３にかかる回転軸の螺旋溝を示す断面図である。実施形態４にかかる遠心ポンプの要部を示す断面図である。低温時の流量調整弁を示す断面図である。高温時の流量調整弁を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。

［実施形態１］
本実施形態では、例えば、自動車等の車両に搭載され、キャニスタから内燃機関（エンジン）の吸気通路へのパージ量を補填するためのパージポンプとして用いられる遠心ポンプを例示する。図１は遠心ポンプを示す断面図である。なお、図１を基に上下左右の方位を定めるが、遠心ポンプの配置方向を特定するものではない。

図１に示すように、遠心ポンプ１０は、軸方向（上下方向）に並ぶポンプ部１２とモータ部１４とを備えている。遠心ポンプ１０の外殻であるケーシング１６は、軸方向（図１において上下方向）に３分割された第１ケーシング部材１７と第２ケーシング部材１８と第３ケーシング部材１９とを備えている。第１〜第３のケーシング部材１７〜１９は、複数のボルト２０等によって締結されている。第１ケーシング部材１７と第２ケーシング部材１８との間には、両者間をシールするＯリング２１が介在されている。第２ケーシング部材１８と第３ケーシング部材１９との間には、両者間をシールするＯリング２２が介在されている。

（ポンプ部１２）
第１ケーシング部材１７と第２ケーシング部材１８とは、ポンプ部１２のポンプケーシングを構成している。第１ケーシング部材１７と第２ケーシング部材１８とにより、中空円板状のポンプ室２３が形成されている。第１ケーシング部材１７には、軸方向外方（図１において上方）へ突出する円筒状の吸入ポート２４が形成されている。吸入ポート２４内には、ポンプ室２３内外を連通する吸入口２５が形成されている。また、第１ケーシング部材１７には、接線方向（図１において右方）へ突出する円筒状の吐出ポート２６が形成されている。吐出ポート２６内には、ポンプ室２３内外を連通する吐出口２７が形成されている。

第２ケーシング部材１８の下面には、内外二重環状をなす円筒状の内筒部２９及び外筒部３０が同心状に形成されている。内筒部２９内は、軸方向に貫通する中空孔に形成されている。内筒部２９と外筒部３０との間には、環状空間部３１が形成されている。第２ケーシング部材１８には、上下方向に貫通する貫通孔からなる導入孔３２が形成されている。導入孔３２は、環状空間部３１と連通されている。導入孔３２は、周方向に等間隔で複数配置されている。

ポンプ部１２のポンプ室２３内には、インペラ３３が収容されている。インペラ３３は、円板状の基板部３４と、基板部３４の上面に周方向に所定の間隔で形成された複数枚の羽根部３５と、基板部３４の下面に同心状に形成された円筒状のボス部３６とを有している。インペラ３３は、ポンプ室２３内に回転可能に配置されている。ボス部３６は、第２ケーシング部材１８のボス部３６内に回転可能に嵌合されている。基板部３４の軸心部には、ボス部３６の内径よりも小さい内径の貫通孔からなる導出孔３７が形成されている。導出孔３７は、ポンプ室２３の低圧領域である吸入口２５付近に配置されている。

（モータ部１４）
モータ部１４は、インペラ３３を駆動するブラシレスモータからなる。第２ケーシング部材１８と第３ケーシング部材１９とは、モータ部１４のモータケーシングを構成している。第３ケーシング部材１９は、有底円筒状に形成されており、円筒状の筒壁部３９と、筒壁部３９の下面開口部を閉鎖する底壁部４０とを有している。筒壁部３９の上端面の内周部には、段付き凹部４２が形成されている。段付き凹部４２内には、第２ケーシング部材１８の外筒部３０が嵌合されている。外筒部３０の下端面と段付き凹部４２の底面とは、所定の間隔を隔てて離されている。

第２ケーシング部材１８と第３ケーシング部材１９とにより、モータ室４３が形成されている。モータ室４３は、第２ケーシング部材１８の環状空間部３１及び導入孔３２を介してポンプ室２３と連通している。また、第２ケーシング部材１８の内筒部２９の下端部は、第３ケーシング部材１９の筒壁部３９の内周面内に遊嵌状に嵌合されている。内筒部２９と筒壁部３９との半径方向の対向面間に所定の隙間（「第１隙間」という）Ｓ１が設定されている。第３ケーシング部材１９の底壁部４０には、有底円筒状の支持凹部４５が同心状に形成されている。支持凹部４５内には、有底円筒状のリテーナ４６が設置されている。

モータ部１４は、ロータ４８、ステータ５０等を備えている。ロータ４８は、回転軸５２と永久磁石５３とを備えている。回転軸５２は、中空軸からなる。永久磁石５３は、回転軸５２の中央部に対して周方向に複数の磁極を有するように複数配置されており、回転軸５２に固定された上下一対の位置決めプレート５４によって位置決めされている。

ロータ４８は、モータ室４３内に収容されている。回転軸５２の一端部（上端部）は、第２ケーシング部材１８のボス部３６内に軸受（「第１軸受」という）５６を介して回転可能に支持されている。第１軸受５６は、例えば、ボールベアリングからなり、内輪が回転軸５２に固定されており、外輪が第２ケーシング部材１８のボス部３６内に固定されている。内輪上に、インペラ３３のボス部３６が支持されている。これにより、インペラ３３の基板部３４と第２ケーシング部材１８との軸方向の対向面間に所定の隙間（「第２隙間」という）Ｓ２が設定されている。回転軸５２の上端は、第１軸受５６を貫通している。その回転軸５２の上端は、インペラ３３のボス部３６内に一体的に回転可能に挿入すなわち係合されている。

回転軸５２の他端部（下端部）は、第３ケーシング部材１９のリテーナ４６内に軸受（「第２軸受」という）５７を介して回転可能に支持されている。第２軸受５７は、例えば、樽型ボールベアリングからなり、内輪が回転軸５２に固定されており、外輪がリテーナ４６内に隙間嵌めされている。すなわち、リテーナ４６と第２軸受５７の外輪との半径方向の対向面間に所定の隙間（「第３隙間」という）Ｓ３が設定されている。回転軸５２の中空部５８は、インペラ３３の導出孔３７と連通されている。また、リテーナ４６の下部内には、回転軸５２の中空部５８及び第３隙間Ｓ３と連通する連通する連通室６０が形成されている。

ロータ４８の回転軸５２は、ケーシング１６内を軸方向（上下方向）に延在している。ロータ４８は、ケーシング１６の軸回りに回転可能である。ロータ４８の回転にともないインペラ３３が一体的に回転される。ロータ４８及びインペラ３３を総称して回転側部材６２という。

ステータ５０は、コア６４を備えている。コア６４は、コアプレートが軸方向（上下方向）に複数積層されてなるコア本体６５に樹脂製のボビン６６を介してコイル６７が巻回されてなる。コア６４は、第３ケーシング部材１９の筒壁部３９を形成する樹脂層によって全面的に覆われている。コア６４は、ロータ４８の永久磁石５３に対応するように配置されている。ケーシング１６、リテーナ４６及びステータ５０を総称して固定側部材６８という。

第３ケーシング部材１９の筒壁部３９とロータ４８との半径方向の対向面間には、所定の隙間（「第４隙間」という）Ｓ４が設定されている。第４隙間Ｓ４は、第３隙間Ｓ３と連通されている。

回転軸５２の中空部５８、及び、インペラ３３の導出孔３７により、導出通路７０が構成されている。導出通路７０は、回転側部材６２に形成されており、一端がポンプ室２３の低圧領域に開口しかつ他端が回転軸５２のインペラ３３とは反対側の端部（下端部）に開口する通路である。

第２ケーシング部材１８の導入孔３２、モータ室４３における環状空間部３１、第１隙間Ｓ１、第４隙間Ｓ４、第３隙間Ｓ３、及び、連通室６０により、導入通路７２が構成されている。導入通路７２は、固定側部材６８のモータ室４３内に形成されており、一端がポンプ室２３の高圧領域に開口されかつ他端が導出通路７０の他端に連通する通路である。

なお、第３ケーシング部材１９の下側部には、モータ部１４への給電制御を行う制御回路（不図示）が配置されている。第３ケーシング部材１９には、コネクタ部７４が形成されている。コネクタ部７４内には、制御回路に接続された端子７５が配置されている。コネクタ部７４には、図示しない外部電源（例えば、車両に搭載されているバッテリ）に接続された外部コネクタ（不図示）が接続される。制御回路は、外部電源から供給される電力をモータ部１４に供給する。

（遠心ポンプ１０の動作）
モータ部１４は、外部電源からの電力の供給により駆動される。すると、ロータ４８が回転し、その回転にともなってインペラ３３を含む回転側部材６２が回転されることで、流体が圧送される。すなわち、インペラ３３の回転によって、吸入口２５から流体（パージガス）がポンプ室２３内に吸入される（図１中、矢印Ｙ１参照）。その流体は、ポンプ室２３内において、インペラ３３の回転によって昇圧された後、吐出口２７から吐出される（図１中、矢印Ｙ２参照）。その際、ポンプ室２３内において、上流側（吸入口２５側）の流体の圧力よりも下流側（吐出口２７側）の流体の圧力が高くなる。すなわち、ポンプ室２３内で差圧が発生する。なお、ポンプ室２３の吸入口２５の付近は本明細書でいう「低圧領域」に相当する。また、ポンプ室２３の外周部は本明細書でいう「高圧領域」に相当する。

ポンプ室２３内で発生する差圧によって、ポンプ室２３内の流体の一部が、ポンプ室２３の高圧領域から第２隙間Ｓ２を介して導入通路７２へ導入され、続いて導出通路７０を流れた後、ポンプ室２３の低圧領域に導出される。詳しくは、ポンプ室２３内の第２隙間Ｓ２の流体は、導入通路７２の導入孔３２、環状空間部３１、第１隙間Ｓ１、第４隙間Ｓ４、及び、第３隙間Ｓ３を経て連通室６０へ流れる（図２中、実線矢印参照）。また、連通室６０の流体は、導出通路７０の中空部５８及び導出孔３７を経てポンプ室２３の低圧領域へ流れる（図２中、点線矢印参照）。

また、第２隙間Ｓ２の流体の一部は、第２ケーシング部材１８の内筒部２９とインペラ３３のボス部３６との間の径方向の隙間、及び、第１軸受５６の部材相互間の隙間（内輪と外輪との間、内輪とボールとの間、及び、外輪とボールとの間の各隙間が相当する）を経て第４隙間Ｓ４へ流れる。また、第４隙間Ｓ４の流体の一部は、第２軸受５７の部材相互間の隙間（内輪と外輪との間、内輪とボールとの間、及び、外輪とボールとの間の各隙間が相当する）を経て連通室６０へ流れる。

（遠心ポンプ１０の利点）
本実施形態の遠心ポンプ１０によると、導入通路７２及び導出通路７０を流れる流体によって、モータ部１４の固定側部材６８及び回転側部材６２の熱が吸熱され、ポンプ室２３の低圧領域の低圧領域の流体に放熱される。これにより、モータ部１４内の冷却性能を向上し、モータ部１４の構成部品の劣化や強度低下を抑制することができる。

また、ロータ４８と固定側部材６８との間の第４隙間Ｓ４を流れる流体により、ロータ４８と固定側部材６８との対向部位を効率良く冷却することができる。

また、回転軸５２の中空部５８を流れる流体により、回転軸５２を内部から効率良く冷却することができる。

また、リテーナ４６と第２軸受５７との間の第３隙間Ｓ３を流れる流体により、第２軸受５７を効率良く冷却することができる。

また、第１軸受５６の部材相互間の隙間を流れる流体により、第１軸受５６を効率良く冷却することができる。また、第２軸受５７の部材相互間の隙間を流れる流体により、第２軸受５７を効率良く冷却することができる。

また、モータ部１４の冷却性能が向上されることによって、両軸受５６，５７の周辺部の熱ストレスを低減することができる。また、熱によるモータ部１４の故障リスクを低減することができる。また、ステータ５０のコイル６７の抵抗の上昇を抑制し、モータ効率の低下を抑制することができる。また、モータ部１４の熱劣化に対する寿命低下を抑制し、遠心ポンプ１０を長寿命化することができる。

［実施形態２］
本実施形態は、実施形態１（図１参照）に変更を加えたものであるから、その変更部分について説明し、重複する説明は省略する。図３は遠心ポンプの要部を示す断面図である。図３に示すように、固定側部材６８には、第４隙間Ｓ４を迂回する迂回通路７８が形成されている。迂回通路７８は、第３ケーシング部材１９に形成された縦通路部７９及び横通路部８０と、リテーナ４６に形成された連通孔８１とにより構成されている。

縦通路部７９は、第３ケーシング部材１９の筒壁部３９に対して、ステータ５０の外側の付近を縦方向（上下方向）に延在するように形成されている。縦通路部７９の一端部（上端部）は、段付き凹部４２の底面に開口されており、第２ケーシング部材１８の外筒部３０と段付き凹部４２との間の軸方向の隙間を介して環状空間部３１と連通されている。また、横通路部８０は、第３ケーシング部材１９の底壁部４０に対して、ステータ５０の下側の付近を横方向（底壁部４０の半径方向）に延在するように形成されている。横通路部８０の一端部（外端部）は、縦通路部７９の他端部（下端部）に連通されている。また、連通孔８１は、リテーナ４６に対して横通路部８０の他端部（内端部）と第３隙間Ｓ３とを連通するように形成されている。なお、第３ケーシング部材１９は本明細書でいう「ステータ５０を覆うケーシング１６の壁部」に相当する。また、迂回通路７８は本明細書でいう「導入通路７２の一部」に相当する。

本実施形態によると、環状空間部３１内の流体の一部は、迂回通路７８を経由して第３隙間Ｓ３に流れる（図３中、一点鎖線矢印参照）。したがって、迂回通路７８を流れる流体により、ステータ５０を効率良く冷却することができる。

［実施形態３］
本実施形態は、実施形態１（図１参照）に変更を加えたものであるから、その変更部分について説明し、重複する説明は省略する。図４は回転軸の螺旋溝を示す断面図である。図４に示すように、回転軸５２の内周面（中空部５８の壁面）には、ネジ溝状の螺旋溝８３が形成されている。螺旋溝８３の巻き方向は、回転側部材６２の回転を利用して流体の流れを促進する方向に設定されている。

本実施形態によると、回転軸５２の螺旋溝８３により、回転軸５２の回転を利用して中空部５８を流れる流体の流れを促進することができる。これにより、導出通路７０及び導入通路７２（図１参照）を流れる流量が増加されることによって、モータ部１４の冷却性能を向上することができる。なお、螺旋溝８３は、インペラ３３の導出孔３７の内周面に形成してもよい。

［実施形態４］
本実施形態は、実施形態２（図３参照）に変更を加えたものであるから、その変更部分について説明し、重複する説明は省略する。図５は遠心ポンプの要部を示す断面図、図６は低温時の流量調整弁を示す断面図、図７は高温時の流量調整弁を示す断面図である。図５に示すように、迂回通路７８の横通路部８０には、流体の温度に応じて通路面積を調整するバイメタル式バルブ８５が設けられている。バイメタル式バルブ８５は、例えば、温度変化によるバイメタル８６の伸縮を利用して通路面積を調整する。バイメタル８６は、円弧形板状に形成されており、その一端部（基端部）が迂回通路７８の通路壁面すなわち第３ケーシング部材１９の底壁部４０に固定されている。バイメタル式バルブ８５は、低温時にはバイメタル８６が収縮することにより通路面積を減少する（図６参照）。また、バイメタル８６は、高温時にはバイメタル８６が伸長にすることより通路面積を増大する（図７参照）。なお、バイメタル式バルブ８５は本明細書でいう「流量調整弁」、「感温式の流量調整弁」に相当する。

本実施形態によると、流体の温度に応じて通路面積を調整するバイメタル式バルブ８５によって、流体の低温時（図６参照）には、迂回通路７８の横通路部８０の通路の通路面積が減少され、その流量が減少される。これにより、ポンプ効率の低下を抑制することができる。また、流体の高温時（図７参照）には、迂回通路７８の横通路部８０の通路面積が増大され、流量が増大される。これにより、モータ部１４の冷却性能を向上することができる。

なお、バイメタル式バルブ８５は、迂回通路７８の縦通路部７９に設けてもよい。また、バイメタル式バルブ８５は、導入通路７２あるいは導出通路７０に設けてもよい。また、バイメタル式バルブ８５に代えて、ベローズバルブ、ワックスバルブ等の感温式の流量調整弁を用いてもよい。また、流量調整弁には、感温式の流量調整弁に代え、電磁式の流量調整弁を用いてもよい。

［他の実施形態］
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、本発明の遠心ポンプ１０は、パージガス以外の流体、例えば、空気等の気体、あるいは、水、燃料等の液体の圧送に用いるポンプに適用してもよい。また、本発明の遠心ポンプ１０は、パージポンプに限らず、内燃機関の冷却水を循環するウォータポンプに適用してもよい。また、モータ部１４のブラシレスモータは、ブラシ付きモータに代えてもよい。

１０遠心ポンプ
１２ポンプ部
１４モータ部
１９第３ケーシング部材（ステータを覆うケーシングの壁部）
２３ポンプ室
３３インペラ
４８ロータ
５０ステータ
５２回転軸
６２回転側部材
６８固定側部材
７０導出通路
７２導入通路
７８迂回通路（導入通路の一部）
８３螺旋溝
８５バイメタル式バルブ（流量調整弁、感温式の流量調整弁）
Ｓ４第４隙間（導入通路の一部）

Claims

流体を圧送するインペラがポンプ室に収容されたポンプ部と、
前記ポンプ部の軸方向の一側に設けられかつ前記インペラを回転させる回転軸を有するモータ部と、
を備える遠心ポンプであって、
前記インペラと前記回転軸とを有する回転側部材には、一端が前記ポンプ室の低圧領域に開口しかつ他端が回転軸のインペラとは反対側の端部に開口する導出通路が形成されており、
前記モータ部の固定側部材には、一端が前記ポンプ室の高圧領域に開口されかつ他端が前記導出通路の他端に連通する導入通路が１つのみ形成されており、
前記ポンプ室を形成するケーシング部を更に備え、
前記導入通路の一部は、前記インペラと前記ケーシング部との間に形成される隙間と、前記モータ部が有するロータと前記固定側部材との間に形成された隙間と、を含み、
前記ケーシング部は、前記モータ部が有するステータを覆うステータケーシング部材を含み、
前記導入通路の一部は、前記ステータケーシング部材の壁部に形成された迂回通路を含む、遠心ポンプ。
請求項１に記載の遠心ポンプであって、
前記導出通路の内周面には、前記回転側部材の回転を利用して前記流体の流れを促進する螺旋溝が形成されている、遠心ポンプ。
請求項１又は２に記載の遠心ポンプであって、
前記導入通路及び／又は前記導出通路には、流体の温度に応じて通路面積を調整する流量調整弁が設けられている、遠心ポンプ。