JP4293217B2 - ポンプおよび流体供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータにより駆動され、流体を吸入して吐出するポンプおよび同ポンプを備えた流体供給装置に関する。

近年市場で要望されている、高揚程・少水量の小型ポンプとして、例えば遠心ポンプの場合には、ポンプ外径を大きくすることなく高揚程を実現するために、羽根車を同一軸上に多段に配置することが行われている（例えば下記特許文献１参照）。

これは１つの羽根車で与えられるエネルギを持つ液体が、多段とされた羽根車に直列的に順次流入して、そのつどエネルギが与えられ、吐出圧力を高めて高揚程を実現する。

特開２００１−６５４８４号公報

ところで、上記した遠心ポンプは、吸入口から吸入した液体を羽根車の回転による遠心力で外周に吐出させる構造となっているので、吐出圧力を高めるために、羽根車出口からの液体の漏れ量を極力少なくする必要がある。

ところが、遠心ポンプとして、永久磁石を配したモータ部のロータと羽根車とが、ケース側に設けた回転支持軸に対して一体的に回転するタイプでは、ロータの外周側とケースとの間に隙間が発生するため、羽根車の吐出口から出た高圧流体が、上記した隙間から漏れ、流体の漏れ損失が多くなるという問題がある。

そこで本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、羽根車の吐出口から出た高圧流体の漏れ量を減らすことを目的としている。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、モータ部の回転駆動するロータとポンプ部に設けた羽根車とを、互いに一体的に回転可能としてケース内に収容し、前記羽根車は、内周側に吸入口を、外周側に吐出口をそれぞれ備えるとともに、ハウジングを備え、このハウジングの前記ロータ側に位置して該ロータに連結する後面シュラウドの外周側端部を、該後面シュラウドに対し前記ロータと反対側に位置する前面シュラウドの外周側端部より外側へ突出させて突出端部を形成し、この突出端部を、前記ロータの外周面と該ロータが回転可能に収容される前記ケースの内周面との間の隙間より外側へ突出させるとともに、前記羽根車が回転可能に収容される部分の前記ケースの内周面に設けた凹部に挿入配置したことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のポンプであって、前記シュラウドの突出端部と前記ケースの凹部との互いに対向する面の、前記羽根車の回転中心軸を含む面に沿ってずれた位置に、互いに接近する方向に突出する突起をそれぞれ設け、これら一方の突起の先端部が、他方の突起の先端部よりも該他方の突起の基部側に位置していることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載のポンプであって、前記シュラウドの突出端部に設けた突起と前記ケースの凹部に設けた突起とのいずれか一方を、前記羽根車の直径方向に沿ってずれた位置に２個設け、これら２個の突起相互間に形成される溝に、前記シュラウドの突出端部に設けた突起と前記ケースの凹部に設けた突起とのいずれか他方を挿入したことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のポンプであって、前記羽根車は、前記ケースに設けた回転支持軸に対して回転可能となる軸受を一体的に備え、この軸受の軸方向端部を前記ケースに対して摺動回転可能とする一方、前記シュラウドにおける突出端部の前記軸受側の面と前記ケースにおける内周面の凹部との互いに軸方向に対向する面の少なくとも一方に、前記羽根車の回転によって動圧を発生させる動圧発生部を設けたことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４に記載のポンプであって、前記動圧発生部は、前記羽根車の直径方向に延びる段部であることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のポンプを備えたことを特徴とする流体供給装置としている。

請求項７の発明は、請求項６に記載の流体供給装置であって、前記ポンプから吐出される流体が流入して発熱部品を冷却する冷却器と、この冷却器で前記発熱部品から受熱して温度上昇した流体を冷却し、この冷却した流体を前記ポンプに供給する放熱器と、を備えることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、羽根車の吐出口におけるハウジングの後面シュラウドの外周側端部を、ロータの外周面と該ロータが回転可能に収容されるケースの内周面との間の隙間より外側に向けて突出させているので、羽根車の吐出口から出た流体のロータ外周側の隙間への漏れ量を減らすことができ、ポンプとして流体の漏れ損失を低減することができる。
また、ハウジングの後面シュラウドの外側に向けて突出させた突出端部が、ケース内周面の凹部によって覆われた形となるので、羽根車の吐出口から出た流体のロータ外周側の隙間への漏れ量をより一層減らすことができる。

請求項２の発明によれば、後面シュラウドの突出端部とケースの凹部との互いに対向する面それぞれ設けた突起によって、羽根車の吐出口から出た流体のロータ外周側の隙間への漏れ量をさらに減らすことができる。

請求項３の発明によれば、一方の２個の突起によって形成した溝に、他方の突起を挿入しているので、羽根車の吐出口から出た流体のロータ外周側の隙間への漏れ量をより確実に減らすことができる。

請求項４の発明によれば、羽根車の回転によって発生する動圧により、羽根車に取り付けた軸受が、この軸受の軸方向端部に摺接するケースから離れる方向に力を受けるので、これら摺接部相互の接触抵抗を減らすことができ、軸受とケースとの摺接部の磨耗量を軽減し、羽根車を高速回転させることが可能となり、ポンプとして高性能かつ長寿命化を達成することができる。

請求項５の発明によれば、段部によって動圧を確実に発生させることができる。

請求項６の発明によれば、漏れ損失を低減したポンプを流体供給装置に組み込むことで、流体供給装置として信頼性を高めることができる。

請求項７の発明によれば、漏れ損失を低減したポンプを用いることで、冷却器での発熱部品に対する冷却性能を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

「第１の実施の形態」
図１は、本発明の第１の実施形態を示すポンプ１の断面図である。このポンプ１は、図２に示すような流体供給装置に使用する。

図２に示す流体供給装置は、上記したポンプ１と、ポンプ１から吐出される流体としての冷媒となる液体によって、基板３に実装してある電子部品などからなる発熱部品５を熱交換により冷却する冷却器７と、冷却器７で発熱部品５から受熱して温度上昇した液体を冷却する放熱器９と、放熱器９から流出する液体Ｒを溜めておくリザーバタンク１１と、をそれぞれ備え、これらを配管１３によって順次接続している。

ポンプ１は、図１に示すように、ケース１５内の図中で上部にポンプ部１７を、同下部にモータ部１９をそれぞれ収容している。ケース１５は、ポンプ側ケース２１とモータ側ケース２３とを、環状のシール材２５を介して互いに結合しており、ポンプ側ケース２１は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等のプラスチックやステンレス等の金属から構成し、モータ側ケース２３は、アルミニウム等の金属や耐熱性プラスチック等から構成している。

モータ側ケース２３は、モータ部１９とポンプ部１７とを隔離してポンプ部１７からモータ部１９への液体Ｒの浸入を防止する機能を備えている。

このモータ側ケース２３の内側に配置しているモータ部１９は、通電されることで磁界を発生させる円筒形状のステータ２９を備え、ステータ２９は、モータ側ケース２３の図1中で下方に開放部を有するステータ収容凹部３１内に固定している。

ステータ２９の下部には、該ステータ２９を通電制御するための、例えばトランスやトランジスタ等の電子部品３３や３５を備えた制御部を構成する配線基板３７を、上記したステータ収容凹部３１の一部を閉塞するようにしてモータ側ケース２３に取り付けている。

また、モータ側ケース２３の図1中で下方に開放する領域には、ステータ２９および、電子部品３３や３５を備えた制御部を保護するために注入して硬化した樹脂３９を充填してあり、この樹脂３９を充填したモータ側ケース２３の図1中で下方に開放する領域は、蓋４１によって閉塞している。

上記したモータ部１９におけるステータ２９の外周側には、永久磁石等からなる円筒形状のロータ４３を、ステータ２９が発生させた磁界により回転可能に配置している。

一方、ポンプ部１７は、上記したモータ部１９のロータ４３と一体となって回転する複数（ここでは２個）の羽根車４５，４７を軸方向に沿って多段に配置してある。これら各羽根車４５，４７は、いずれも全体としてほぼ円盤状を呈し、内周側に吸入口４９，５１を、外周側に吐出口５３，５５をそれぞれ備え、前記したＰＰＳ等のプラスチック等から構成している。

上記した２個の羽根車４５，４７のうち、上流側の羽根車４５の吸入口４９は、ポンプ側ケース２１の上部に設けてあるケース吸入口５７に連通し、下流側の羽根車４７の吐出口５５は、モータ側ケース２３の上部に設けてあるケース吐出口５９に連通している。

また、これら各羽根車４５，４７は、ハウジングを構成する前面シュラウド６１，６３および後面シュラウド６５，６７をそれぞれ備え、前面シュラウド６１，６３と後面シュラウド６５，６７との間に、羽根６９，７１をそれぞれ複数設けている。

すなわち、各羽根車４５，４７の回転に伴う羽根６９，７１の作用により、吸入口４９，５１から吸い込んだ液体は、羽根車４５，４７内にて半径方向外側に向けて圧送され、吐出口５３，５５に達する。

そして、下流側の羽根車４７の後面シュラウド６７の外周側端部付近の下部に環状の連結突起６７ａを下方に向けて突出させ、この連結突起６７ａの先端を前記したモータ部１９のロータ４３の上端に連結固定する。

したがって、本実施形態においては、モータ部１９の回転駆動するロータ４３と、ポンプ部１７に設けた羽根車４５とを、互いに一体的に回転可能としてケース１５内に収容していることになる。

上記した下流側の羽根車４７の後面部となる後面シュラウド６７の外径は、前面シュラウド６３の外径より大きくし、後面シュラウド６７の外周側端部を、外側へ向けて突出させて突出端部６７ｂを形成している。なお、上流側の羽根車４５の前面シュラウド６１および後面シュラウド６５の外径は、下流側の羽根車４７の前面シュラウド６３の外径と同等としている。

一方、上記した突出端部６７ｂに対応してモータ側ケース２３の内周面には、ケースの一部となる環状部材７３を固定し、環状部材７３の内周側端部の下部には、図３に拡大して示すように環状の切欠部７３ａを設けている。この切欠部７３ａとモータ側ケース２３との間に、内周側に向けて開口する凹部７５が形成される。

そして、この凹部７５に、前記した後面シュラウド６７の突出端部６７ｂを挿入配置する。ここで、ロータ４３の外周面と該ロータ４３が回転可能に収容されるモータ側ケース２３の内周面との間には、隙間Ｓがあり、上記した突出端部６７ｂはこの隙間Ｓより外側へ突出している。つまり、突出端部６７ｂは、凹部７５によって囲まれた形となっている。

また、上記した環状部材７３は、モータ側ケース２３のケース吐出口５９に対応する位置に、該ケース吐出口５９に連通して下流側の羽根車４７の吐出口５５からの液体が流入する吐出連通路７３ｃを備えている。

前記した上流側の羽根車４５と下流側の羽根車４７との間の羽根車４７側には、これら各羽根車４５，４７相互間を仕切るステンレス等の金属からなる円板形状の仕切り板７６を設けている。この仕切り板７６は、その上部に配置してある流体案内部材７７と前記した環状部材７３との間に挟持されて固定してある。

流体案内部材７７は、上流側の羽根車４５と下流側の羽根車４７との間の羽根車４５側に位置する円板部７７ａの外周側の上部に案内羽根７７ｂを備える一方、円板部７７ａの下部には戻り羽根７７ｃを設けており、全体がＰＰＳ等のプラスチック等から構成されている。

案内羽根７７ｂは、羽根車４５の吐出口５３から吐出された液体を外周側へ案内し、流体案内部材７７の外周側端部に設けた連通孔７７ｄを通して仕切り板７６の上部の空間に流入させる。一方、戻り羽根７７ｃは、上記仕切り板７６の上部の空間に流入した液体を、内周側の吸入口５１に向けて戻すように案内する。

また、上流側の羽根車４５と下流側の羽根車４７の回転中心には、焼成カーボンあるいはモールドカーボンからなる軸受７９，８１を取り付けている。そして、この軸受７９，８１には、各羽根車４５，４７を回転支持するステンレス等の金属からなる回転支持軸８３を挿入してあり、回転支持軸８３は、上端がポンプ側ケース２１の連結孔２１ａに、下端がモータ側ケース２３の連結孔２３ａに、それぞれ挿入して連結している。

上部の軸受７９の上端面とポンプ側ケース２１との間および、下部の軸受８１の下端面とモータ側ケース２３との間には、これら各軸受７９，８１の端面と摺接し、かつ回転支持軸８３が貫通するセラミック等からなる軸受板８５，８７を設けている。

また、上流側の羽根車４５と下流側の羽根車４７とは、円筒形状の連結具８９によって互いに連結固定しており、これら各羽根車４５，４７は一体となって回転する。

このように構成したポンプ１は、モータ部１９の駆動によりロータ４３が回転し、この回転に伴って２個の羽根車４５，４７も一体となって回転する。羽根車４５，４７の回転により、図２のリザーバタンク１１内の液体Ｒが、配管１３を通ってケース吸入口５７に吸い込まれ，上流側の羽根車４５内に吸入口４９から流入した後、複数の羽根６９により外周側に向けて圧送され、連通孔７７ｄを経て羽根車４５，４７相互間の空間を内周側に向けて流れ、さらに吸入口５１から羽根車４７内に流入する。

羽根車４７内に流入した液体は、複数の羽根７１により外周側に向けて圧送され、吐出口５５からケース吐出口５９を経て配管１３に流出した後、図２に示す冷却器７に流入して発熱部品５を冷却する。発熱部品５を冷却した液体は、温度上昇して放熱器９に達し、放熱器９で放熱して温度低下しリザーバタンク１１に戻る。

ここで、図３に詳細に示すように、下流側の羽根車４７は、前面シュラウド６３の外径よりも後面シュラウド６７の外径を大きくし、この後面シュラウド６７の外周側の突出端部６７ｂを、モータ側ケース２３と環状部材７３との間に設けた凹部７５に挿入し、突出端部６７ｂを凹部７５によって覆うようにしている。

これにより、突出端部６７ｂは、ロータ４３とモータ側ケース２３との隙間Ｓを覆う形となり、下流側端部の羽根車４７の吐出口５５から出た高圧液体の隙間Ｓへの漏れを抑え、液体の漏れ損失を低減することができ、羽根車４５，４７を同一軸上に設けて小型化した高揚程・少水量のポンプの高効率化を達成することができる。

そして、このような液体の漏れ損失を低減した高効率なポンプ１から吐出される液体により、図２に示すように発熱部品５を冷却することで、冷却器７での冷却性能を高めることができ、流体供給装置として信頼性が向上する。

「第２の実施の形態」
図４は、本発明の第２の実施形態を示す、前記図３に対応する断面図である。第２の実施形態は、下流側の羽根車４７における後面シュラウド６７の突出端部６７ｂと、凹部７５を形成する環状部材７３の切欠部７３ａとの間に、漏れ防止部９１を設けている。

漏れ防止部９１は、突出端部６７ｂの羽根車４５側の面に、羽根車４７の直径方向に沿って互いにずれた状態で環状の突起６７ｃ，６７ｄをそれぞれ設ける一方、これら各突起６７ｃ，６７ｄに対向する切欠部７３ａ側には、各突起６７ｃ，６７ｄ相互間に位置して、この相互間の環状溝６７ｅに挿入する環状の突起７３ｂを設けて構成している。

すなわち、第２の実施形態によれば、後面部である後面シュラウド６７の突出端部６７ｂとモータ側ケース２３の内周面の凹部７５との互いに対向する面の、羽根車４７の回転中心軸を含む面に沿ってずれた位置に、互いに接近する方向に突出する突起６７ｃ，６７ｄと突起７３ｂとをそれぞれ設け、一方の突起（例えば突起６７ｃ，６７ｄ）の先端部が、他方の突起（例えば突起７３ｂ）の先端部よりも該他方の突起（突起７３ｂ）の基部側に位置していることになる。

その他の構成は、前記図１から図３に示した第１の実施形態と同様であり、同様の構成要素には同一符号を付してある。

このように構成した第２の実施形態によれば、環状部材７３側に設けた突起７３ｂを、突出端部６７ｂ側に設けた突起６７ｃ，６７ｄ相互間の環状溝６７ｅに挿入しているので、図３に示した第１の実施形態に比較して、下流側端部の羽根車４７の吐出口５５から出た高圧液体の隙間Ｓへの漏れをより一層抑えることができ、流体の漏れ損失をより低減することができる。

なお、上記した漏れ防止部９１は、図４に示した構造に限ることはなく、例えば図４の構造とは逆に、切欠部７３ａ側に２個の突起を設け、これら突起相互の環状溝に挿入される１個の突起を突出端部６７ｂの羽根車４５側の面に設けてもよい。また、図４に示す二つの突起６７ｃ，６７ｄのうちいずれか一方を廃止した構造としてもよい。

さらに、漏れ防止部として、突出端部６７ｂの羽根車４５と反対側の面（図４中で下面）と、凹部７５におけるモータ側ケース２３の上面との間に設けてもよく、また、突出端部６７ｂの外周側の端部（図４中で右側の先端面）と、これに対向する凹部７５における切欠部７３ａの側面との間に設けてもよい。

「第３の実施の形態」
図５は、本発明の第３の実施形態を示す、前記図３に対応する断面図である。第３の実施形態は、下流側の羽根車４７における後面シュラウド６７の突出端部６７ｂに、羽根車４７の回転によって動圧を発生させる動圧発生部９３を設けている。

動圧発生部９３は、後面シュラウド６７の突出端部６７ｂにおける前面シュラウド６３側の面に、羽根車４７の直径方向外側に延びる段部としての突条６７ｆを複数設けて構成している。

なお、段部として突条６７ｆに代えて溝を設けてもよい。また、段部は、上記図５の突条６７ｆを設けた面の突出端部６７ｂに対向する切欠部７３ａに設けてもよい。すなわち、動圧発生部９３は、後面シュラウド６７における突出端部６７ｂの軸受７９側の面とモータ側ケース２３における内周面の凹部７５との互いに軸方向に対向する面の少なくとも一方に設ければよい。

その他の構成は、前記図１から図３に示した第１の実施形態と同様であり、同様の構成要素には同一符号を付してある。

上記した第３の実施形態においては、羽根車４７の回転に伴う後面シュラウド６７の回転により、後面シュラウド６７の突出端部６７ｂに設けた突条６７ｆによって、突出端部６７ｂと環状部材７３との間に動圧が発生する。この動圧により、羽根車４７は、図１，図５中で下方に向かう力を受ける。

一方、上流側の羽根車４５において、ポンプ１の作動時に、吸入口４９から液体が吸入される際には、吸入口４９の上流側が負圧気味となり、羽根車４５が図１，図５中で上方に向けて移動しようとする力が作用する。

この羽根車４５が図１，図５中で上方に向けて移動しようとする力に対して前記した動圧が打ち消すように作用することで、軸受７９の上端面に摺接するポンプ側ケース２１に相当する軸受板８５との接触抵抗を減らすことができる。

よって、第３の実施形態によれば、軸受７９と軸受板８５との互いの摺接面の磨耗量を軽減し、羽根車４５，４７を高速回転させることが可能となって、高性能かつ長寿命のポンプを得ることができる。

その他、第３の実施形態においては、第１の実施形態と同様に、後面シュラウド６７の突出端部６７ｂを、モータ側ケース２３側の凹部７５によって覆うようにしているので、下流側端部の羽根車４７の吐出口５５から出た高圧液体の隙間Ｓへの漏れを抑え、液体の漏れ損失を低減することができる。

なお、前記した各実施形態においては、ポンプ１を使用する流体供給装置の一例として、電子部品などからなる発熱部品５を冷却する装置を示しているが、例えば井戸ポンプ装置や給湯装置または排水供給装置等、どのような流体供給装置にもポンプ１を適用することができる。

また、ポンプ１として前記した各実施形態においては、軸方向に２個の羽根車４５，４７を設けているが、図１示す下流側の羽根車４７の１個だけか、あるいは該羽根車４７の上流側に２個以上の羽根車を軸方向に沿って多段に設けてもよい。

本発明の第１の実施形態を示すポンプの断面図である。 図１のポンプを使用した流体供給装置の全体構成図である。 図１の要部の拡大した断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す、図３に対応する断面図である。 本発明の第３の実施形態を示す、図３に対応する断面図である。

符号の説明

１ ポンプ
５ 発熱部品
７ 冷却器
９ 放熱器
１５ ケース
１７ ポンプ部
１９ モータ部
４３ ロータ
４５ 上流側の羽根車
４７ 下流側の羽根車
４９ 上流側の羽根車の吸入口
５１ 下流側の羽根車の吸入口
５３ 上流側の羽根車の吐出口
５５ 下流側の羽根車の吐出口
５７ ケース吸入口
５９ ケース吐出口
６７ 後面シュラウド（ハウジング，後面部）
６７ｂ 突出端部
６７ｆ 突条（段部，動圧発生部）
６７ｃ，６７ｄ，７３ｂ 突起
６７ｅ 溝
７５ 凹部
９３ 動圧発生部

Claims (7)

1. モータ部の回転駆動するロータとポンプ部に設けた羽根車とを、互いに一体的に回転可能としてケース内に収容し、前記羽根車は、内周側に吸入口を、外周側に吐出口をそれぞれ備えるとともに、ハウジングを備え、このハウジングの前記ロータ側に位置して該ロータに連結する後面シュラウドの外周側端部を、該後面シュラウドに対し前記ロータと反対側に位置する前面シュラウドの外周側端部より外側へ突出させて突出端部を形成し、この突出端部を、前記ロータの外周面と該ロータが回転可能に収容される前記ケースの内周面との間の隙間より外側へ突出させるとともに、前記羽根車が回転可能に収容される部分の前記ケースの内周面に設けた凹部に挿入配置したことを特徴とするポンプ。
2. 請求項１に記載のポンプであって、前記後面シュラウドの突出端部と前記ケースの凹部との互いに対向する面の、前記羽根車の回転中心軸を含む面に沿ってずれた位置に、互いに接近する方向に突出する突起をそれぞれ設け、これら一方の突起の先端部が、他方の突起の先端部よりも該他方の突起の基部側に位置していることを特徴とするポンプ。
3. 請求項２に記載のポンプであって、前記後面シュラウドの突出端部に設けた突起と前記ケースの凹部に設けた突起とのいずれか一方を、前記羽根車の直径方向に沿ってずれた位置に２個設け、これら２個の突起相互間に形成される溝に、前記後面シュラウドの突出端部に設けた突起と前記ケースの凹部に設けた突起とのいずれか他方を挿入したことを特徴とするポンプ。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のポンプであって、前記羽根車は、前記ケースに設けた回転支持軸に対して回転可能となる軸受を一体的に備え、この軸受の軸方向端部を前記ケースに対して摺動回転可能とする一方、前記後面シュラウドにおける突出端部の前記軸受側の面と前記ケースにおける内周面の凹部との互いに軸方向に対向する面の少なくとも一方に、前記羽根車の回転によって動圧を発生させる動圧発生部を設けたことを特徴とするポンプ。
5. 請求項４に記載のポンプであって、前記動圧発生部は、前記羽根車の直径方向に延びる段部であることを特徴とするポンプ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のポンプを備えたことを特徴とする流体供給装置。
7. 請求項６に記載の流体供給装置であって、前記ポンプから吐出される流体が流入して発熱部品を冷却する冷却器と、この冷却器で前記発熱部品から受熱して温度上昇した流体を冷却し、この冷却した流体を前記ポンプに供給する放熱器と、を備えることを特徴とする流体供給装置。

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