JP2012002134A

JP2012002134A - ポンプ

Info

Publication number: JP2012002134A
Application number: JP2010137620A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Hirata; 真宏平田
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2012-01-05

Abstract

【課題】超音波溶着時に生ずる可動部品の振動が新たな問題を引き起こしてしまうことを抑制する。
【解決手段】羽根車を軸受を介して回転自在に支持している固定された軸と、分離板と超音波溶着により溶着されて分離板との間に上記羽根車を収容するポンプ室を形成するケーシングとを備え、分離板とケーシングとで軸方向両端が支持される前記軸のケーシング側の端部に設けたＤカット部との係合で回り止めされた軸受板に、上記羽根車内周に配された軸受のケーシング側の軸方向端面が摺動接触するポンプである。上記軸の軸方向における軸受の移動可能距離よりも、軸方向一面をケーシングで支持された上記軸受板の他面から上記軸におけるＤカット部の端部のエッジ部までの距離を大きくしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプ室を構成する部材同士を超音波溶着にて接合しているポンプ、殊に駆動用のＤＣブラシレスモータが一体に設けられているポンプに関する。

ポンプには各種のものが存在しているが、代表的な一例としてＤＣブラシレスモータ駆動の遠心ポンプがある。これは図８に示すように、羽根車７が一体に形成されているとともに永久磁石６を備えているロータ部５と、コイル１が巻線されて構成されているステータ部３と、上記コイル１に流す電流を制御する制御部４とからなるもので、軸１２によって回転自在に支持されている上記ロータ部５が位置するポンプ室１８は、ロータ部５とステータ部３との各配置空間を区画する分離板２と、吸い込み口１６及び吐出口１７を有しているケーシング８とで囲まれた空間として形成されている。

ロータ部５の内周に固定された軸受１４が外周に回転自在に配される上記の軸１２は、図９に示すように、両端に軸方向と平行な平面１２ｂと直角な平面１２ｃとを有するＤカット部１２ａ，１２ａを備えて、一端側のＤカット部１２ａは分離板２に設けた軸支え２ａによって支持され、他端側のＤカット部１２ａはケーシング８に設けた軸支え８ａによって支持されている。なお、軸支え２ａは軸１２のＤカット部１２ａの断面形状に合わせたＤカット形状としてあるために、軸１２は軸支え２ａによって回り止めがなされている。また上記軸支え８ａと軸１２の他端面との間には緩衝材１５を設置して、軸１２の軸方向がたつきを抑えている。

さらに、上記軸受１４のケーシング８側の端面と軸支え８ａの間隙には、軸１２を挿通した軸受板１３を配してある。この軸受板１３は、軸１２のＤカット部１２ａの断面形状に合わせたＤ形状の穴を有することで軸１２に対して回転することがない。

このポンプは、ステータ部３のコイル１への通電制御によってステータ部３において回転磁界を発生させることでロータ部５（羽根車７）を回転させて、吸込口１６からポンプ室１８内に液体を導くとともに液体を昇圧して吐出口１７より排出する。

羽根車７の回転中は、吸込口１６から羽根車７の中心付近が負圧となるとともに、羽根車７の回転で昇圧された液体によって羽根車７外周やロータ部５外周並びに羽根車７の背面側には正圧が形成される。このために羽根車７の軸方向前後に差圧が生じて、羽根車７にケーシング８側へと作用する力Ｇが働く。この力Ｇのために、羽根車７の回転中、軸受１４のアキシャル方向であるケーシング８側の端面が軸受板１３に回転摺動する。

軸受１４の分離板２側の端面は、軸支え２ａの端面に接触すると羽根車７の回転に支障を与えることになるために、軸受１４の全長と軸受板１３の厚さとを足し合わせた長さよりも、ケーシング側の軸支え８ａ端面と分離板２側の軸支え２ａ端面との間の長さを若干長くし、羽根車７の回転中は、軸受１４と軸支え２ａの端面との間には間隙Ｃが生じるようにしている。

ところで、ポンプ室１８を囲むケーシング８と分離板２とは、ビスなどの固着具によって連結するとともに、パッキンによってシールするのが一般的であるが、この場合、部品点数が多くなる上に、パッキンの異物噛み込み、あるいはパッキンの経時変化による水漏れなどの問題がある。この点は特許文献１で示されているように、ケーシング７と分離板２とを溶着によって連結することで解消することができる。上記特許文献１で示されているのはケーシングと分離板とをスピン溶着によって連結したものであるが、超音波溶着で行うと、次のような問題が新たに生じる。

すなわち、超音波溶着は、主に２０ｋＨｚ以上の超音波による縦振動を発生させて接合させる部品同士の加圧した接合面に振動エネルギーを加え、摩擦熱によって接合面に設けられている溶着代を溶かして瞬時に溶融・結合させるものであり、ポンプ室を構成する分離板とケーシングとを超音波溶着する場合、いくつかの形状、形式がとられるが、固着と同時にシール性を確保させる場合には、通常、シェアジョイントと呼ばれる固着形式がとられる。

図１０，図１１はシェアジョイント形式とした場合の溶着前の断面図、図１２，図１３は溶着後の断面図である。ケーシング８は受治具３５によって受けられ、ケーシング８上に置かれた分離板２は超音波ホーン３２によってケーシング２側である下方に向けて加圧される。

溶着前の状態においては、ケーシング８の溶着部テーパ８ｃが分離板２の溶着部エッジ２ｃに接触した状態にある。この状態で超音波ホーン３２による加圧と同時に超音波の発振を行って超音波ホーン３２を通じて振動エネルギーを溶着部に伝播すれば、溶着部エッジ２ｃが摩擦熱によって溶着長さＤの分だけ溶融し、図１２及び図１３の状態になって溶融部Ｅを形成する。

ここにおいて、溶着前の状態の羽根車７（ロータ部５）は、その自重により、ケーシング８の軸支え８ａ上に軸受１４を軸受板１３を介して載せており、軸受１４の上端面と分離板２の軸支え２ａの端面との間には、Ｃ＋Ｄ分の隙間がある。

溶着のために加えられる超音波振動は、各部品を振動させることになるが、羽根車７及び軸受板１３は共に軸１２に対して軸方向に可動であるために、軸支え８ａのわずかな振動によって動きが増幅されて軸方向に大きく上下動する。この上下動は、図１４に示すように、当初、最大振幅（Ｃ＋Ｄ）で生じ、溶着部の溶融が進むにつれて振幅が小さくなり、最終的にはＣの振幅となる。

超音波振動の発振直後において、ロータ部５が上記上下動により図１４(b)のように最上点に達した時には、軸１２のケーシング８側のＤカット部１２ａの端部の前記平面１２ｃと軸１２の外周面とが交叉する部分であるエッジ部１２ｄが軸受１４から露出した状態となる。

また、軸１２や軸受板１３はセラミックやＳＵＳ材からなるものが使用されるが、特に良好な摺動性を確保するという点でセラミック製のものを用いた場合、軸受板１３の厚さを軸１２のＤカット部１２ａのエッジ部１２ｄから軸支え８ａ端面までの距離よりも薄くすることで、軸１２のエッジ部１２ｄと軸受板１３との間に隙間Ｆを設けて、エッジ部１２ｄと軸受板１３とが干渉しないようにしているが、上述のようにロータ部５が軸受板１３から離れた時、隙間Ｆの分だけ軸受板１３が軸方向に可動の状態となるとともに、超音波発振時には軸受板１３も上下動してしまうものであり、この時、軸１２の露出しているエッジ部１２ｄに軸受板１３が勢いよく接触を繰り返すことで、エッジ部１２ｄにわずかなチッピングを発生させてしまうことがあった。このようなことは、ポンプに軸方向衝撃が加えられた場合にも生ずる虞がある。

そしてチッピングによって生じたセラミックの破片が軸受１４と軸受板１３の摺動面内に侵入し、ロータ部５の上下振動によって軸受１４のケーシング８側の端面に強く押されると、軸受摺動面に食い込んで容易に排出できない状態となり、このままポンプの運転を行うと、軸受摺動面に噛み込んだセラミックの破片のために、摺動抵抗が増大し、所定のポンプ性能を満足できなくなる問題があった。

特開２００９−２２１９４２

本発明は、超音波溶着時に生ずる可動部品の振動が新たな問題を引き起こしてしまうことを抑制することができるポンプを提供することを課題とするものである。

本願の請求項１の発明は、磁気従動部を有してポンプ室内に配されている羽根車と、該羽根車を軸受を介して回転自在に支持している固定された軸と、上記磁気従動部に磁気を作用させて上記羽根車を回転させる磁気駆動部と、該磁気駆動部をポンプ室から区画している分離板と、当該分離板と超音波溶着により溶着されて分離板との間に上記ポンプ室を形成するケーシングとを備えて、分離板とケーシングとで軸方向両端が支持される前記軸のケーシング側の端部に設けたＤカット部との係合で回り止めされた軸受板に、上記羽根車内周に配された上記軸受のケーシング側の軸方向端面が摺動接触するポンプにおいて、上記軸の軸方向における上記軸受の移動可能距離よりも、軸方向一面をケーシングで支持された上記軸受板の他面から上記軸におけるＤカット部の端部のエッジ部までの距離を大きくしていることに特徴を有している。

本願の請求項２の発明は、磁気従動部を有してポンプ室内に配されている羽根車と、該羽根車を軸受を介して回転自在に支持している固定された軸と、上記磁気従動部に磁気を作用させて上記羽根車を回転させる磁気駆動部と、該磁気駆動部をポンプ室から区画している分離板と、当該分離板と超音波溶着により溶着されて分離板との間に上記ポンプ室を形成するケーシングとを備えて、分離板とケーシングとで軸方向両端が支持される前記軸のケーシング側の端部に設けたＤカット部との係合で回り止めされた軸受板に、上記羽根車内周に配された上記軸受のケーシング側の軸方向端面が摺動接触するポンプにおいて、上記軸のＤカット部における軸方向と平行な面と上記軸の外周面とを軸方向に対して傾いた傾斜面でつないでテーパ状としていることに特徴を有している。

いずれのポンプにおいても、軸受のケーシング側の端部内周面には軸受内径を大きくした逃がしを設けていることが好ましく、この逃がしとしては、一定の内径のものであっても、軸受の奥方ほど径が小さくなるテーパ状のものであってもよい。いずれにしても、逃がしを設けたことで、軸と軸受との間の摺動性が向上する。

また、羽根車の上記軸受の外周に位置する部分には羽根車を軸方向に貫通する環流穴を備えていることが好ましい。環流穴が羽根車の軸方向前後に生じる差圧を小さくするために、軸受と軸受板との摺動接触面に作用する力が小さくなり、良好な摺動特性を得ることができる。

特に前記羽根車に設置された少なくとも３箇以上の環流穴を羽根車の軸回りに等間隔で形成しておくと、羽根車の回転時の姿勢も安定するために更に良好な摺動特性が得られる。

請求項１の発明においては、超音波溶着のために超音波振動を分離板とケーシングとに与えた時、羽根車や軸受板が軸方向に振動してしまうが、この時にも軸受板と軸のＤカット部におけるエッジ部とが接触することはなく、このために軸や軸受板がセラミック製であってもチッピングが発生することはなく、その結果、チッピングで生じた破片に起因するポンプ性能の低下を生じてしまうことを抑制することができる。

請求項２の発明においては、軸受板が軸のＤカット部の端部に接触しても、シャープなエッジ部がないためにチッピングが生じることがないものであり、チッピングの発生に伴うポンプ性能の低下を抑制することができる。

本発明の実施形態の一例における断面図である。他例における振動によって羽根車が最上点に位置した時の羽根車近傍の断面図である。更に他例における振動によって羽根車が最上点に位置した時の羽根車近傍の断面図である。環流穴を示す羽根車の正面図である。環流穴の他例を示す羽根車の正面図である。別の例における振動によって羽根車が最上点に位置した時の羽根車近傍の断面図である。更に他の例における振動によって羽根車が最上点に位置した時の羽根車近傍の断面図である。従来例の断面図である。同上の軸の斜視図である。超音波溶着前の断面図である。超音波溶着前の溶着部付近の断面図である。超音波溶着後の断面図である。超音波溶着後の溶着部付近の断面図である。 (a)(b)は溶着時の超音波による羽根車の上下振動を示す断面図である。

本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図１に示すように、基本的構成は前記従来例と同じであって、分離板２とケーシング８とによって囲まれたポンプ室１８内に、羽根車７が一体に形成されているロータ部５が収納されており、該ロータ部５は一端を分離板２の軸支え２ａで支持され、他端をケーシング８の軸支え８ａで支持された軸１２に軸受１４を介して回転自在に支持されている。多数の羽根７ａを有する羽根車７が軸方向一端側に形成されている上記ロータ部５の外周部には永久磁石６が固定されており、さらに外周には上記分離板２を介してステータ部３が配設されている。

ステータコア２２に複数のコイル１を巻いたものとして形成されている上記ステータ部３は、ステータコア２２に設けた鍔状の突起２２ａをコア固定ねじ２３によって分離板２に固定することで位置決め固定されたものであり、上記コイル１は分離板２にねじ等によって固定されている制御部４にかしめ端子や絡げピンなどによって接続されている。制御部４は、上記複数のコイル１への通電を制御することで回転磁界を発生させることで、永久磁石６を備えたロータ部５（羽根車７）を軸１２の回りに回転させる。

前記軸１２はその軸方向の両端にＤカット部１２ａ，１２ａを備えており、一端側のＤカット部１２ａは分離板２に設けた断面形状がＤカット形状の軸支え２ａによって支持され、他端側のＤカット部１２ａはケーシング８に設けた軸支え８ａによって支持されている。また軸支え２ａ底面と軸支え８ａ底面間の距離は軸１２の軸方向全長よりわずかに長くされているとともに、上記軸支え８ａと軸１２の他端面との間には弾性体からなる緩衝材１５が圧縮配置されることで、軸１２の軸方向がたつきが抑制されている。

ロータ部５の内周面に固定されている軸受１４と軸支え８ａとの間には軸受板１３が配設されている。中心に軸１２のＤカット部１２ａに対応した形状の穴が形成されることで、軸受板１３は軸１２に対して回転することがない。

磁気従動部であるロータ部５（羽根車７）が配されたポンプ室１８とは分離板２によって区画された領域に磁気駆動部としてのステータ３が配されている該ポンプにおいて、ステータ部３で回転磁界を発生させることで羽根車７を回転させる時、ケーシング８に設けた吸込口１６から液体がポンプ室１８内へ吸い込まれ、羽根車７の回転に伴って昇圧された液体は、同じくケーシング８に設けた吐出口１７より排出される。この時、羽根車７の回転で吸込口１６から羽根車７の中心付近は負圧となるとともに、羽根車車７の回転で昇圧された液体によって羽根車７の後面側には正圧が働くことから、羽根車７の軸方向前後には差圧が作用して、羽根車７には前述のようにケーシング８側への軸方向荷重Ｇが加えられることから、羽根車７の回転中、軸受１４の端面が軸受板１３に回転摺動することになる。

なお、ポンプ運転によって発生する上記軸方向荷重Ｇは、軸受板１３と軸受１４の摺動面に全て加わることになり、この面圧が高くなり過ぎると軸受１４の摺動部に悪影響を来たし、軸受１４の異常摩耗などを発生する。このために、ここではロータ部５における軸受１４の外周とマグネット６との間に位置する部分にロータ部５を軸方向に貫通する環流穴７ｃを設けている。羽根車７のケーシング８側と分離板２側とを連通させる環流穴７ｃの存在により、上記圧力差が緩和されて軸受板１３と軸受１４に発生する荷重を低減している。なお、上記環流穴７ｃは、小さくてφ１．０から大きくてもφ１．５程度が適正である。また軸１２の軸回りに等間隔で複数設けておくことが好ましい。回転中の羽根車７の姿勢が安定するため、良好な摺動特性が得られるからである。

図４は３個の環流穴７ｃを等間隔に、図５は４個の環流穴７ｃを等間隔に設けた場合を示しているが、２個、あるいは５個以上の環流穴７ｃを設けてもよい。ただし、環流穴７ｃの断面積や個数が多すぎると、液体が環流するロスが増加し、ポンプ効率の低下を招く。従って環流穴７ｃのサイズと個数の設定にはバランスが必要である。

また軸受１４全長と軸受板１３の厚みを足し合わせた長さよりも、軸支え８ａ端面から軸支え２ａ端面までの距離はＣだけ長くしているために、羽根車７の回転中、軸受１４が軸支え２ａの端面に接触することがないようにしている。

さらに、軸支え８ａの端面に一面を接している軸受板１３の他面から、軸１２におけるケーシング８側のＤカット部１２ａの端部にあるエッジ部１２ｄまでの距離Ｆを、上記距離Ｃよりも長くしている。

また、ここでの分離板２とケーシング８とは従来例でも述べたように超音波溶着によって固定及びシールを行っているのであるが、溶着の際の前記溶着長さＤと上記Ｃとを足し合わせた長さＣ＋Ｄよりも上記Ｆを長くしている。

このために、超音波溶着時の振動や、軸１２の軸方向における衝撃がポンプに加わったことで、ロータ部５の軸受１４が分離板２側に移動しても、図２に示すように、軸１２のエッジ部１２ｄは依然として軸受１４の内周位置にあって、軸受１４の端面よりも軸受板１３側に露出することがないために、軸受板１３が軸方向に移動しても、エッジ部１２ｄに当たることはなく、軸１２がセラミック製である場合に問題となるエッジ部１２ｄのチッピングが生じることがないものである。

もっとも、Ｄカット部１２ａの長さを長くした場合、ポンプ運転状態においては羽根車７は前記差圧によってケーシング８側へ移動した状態で回転するために、軸受１４の内周側にＤカット部１２ａが存在して軸受１４の内周全面が軸１２で受けられている部分の長さが短くなり、軸１２に対する軸受１４のこじれによる摺動性が低下してしまうおそれがある。

この点については、図２に示すように、軸受１４のケーシング８側の端部内周面に内径を少し大きくした逃がし１４ｄを設けるとよい。この逃がし１４ｄとしては、図３に示すように、軸受１４のケーシング８側の端部内周面をテーパ面としたものでもよい。

逃がし１４ｄも大きく取り過ぎると軸受１４摺動面の面積が低下してポンプ運転中のアキシャル方向摺動部の面圧が上昇することになり、軸受１４の摺動性に悪影響を及ぼす場合があるが、このような場合には、前述したように羽根車７に働く差圧を小さくする環流穴７ｃを設けることが有効である。

エッジ部１２ｄのチッピング防止の点については、軸１２外周面とＤカット部１２の軸方向と平行な面との間を軸方向と直交する面でつなぐのではなく、図６あるいは図７に示すように軸方向に対して傾斜する傾斜面でつないでテーパ状とすることで、エッジ部１２ｄが鈍角な角度を有するものとしてもよい。この場合においても、超音波溶着時や軸方向衝撃を受けた時に軸受板１３が暴れても、エッジ部１２ｄはシャープエッジではないためにチッピングを生じることがない。この場合、軸受１４がケーシング８側にある時に軸受１４の端面が軸受板１３に接触するのであれば、図７に示すように軸受１４が分離板２側にある時に鈍角なエッジ部１２ｄが軸受１４の端面よりも露出してもよい。

軸１２のＤカット部１２ａを上記のいずれのタイプのものにするにしても、両端にＤカット部１２ａを有する図示例のような軸１２においては、組立作業性を考慮して両端のＤカット部１２ａ，１２ａを同じ大きさ及び形状のものとしてもよい。

１コイル
２分離板
３ステータ部
４制御部
５ロータ部
６永久磁石
７羽根車
８ケーシング
１２軸
１３軸受板
１４軸受

Claims

磁気従動部を有してポンプ室内に配されている羽根車と、該羽根車を軸受を介して回転自在に支持している固定された軸と、上記磁気従動部に磁気を作用させて上記羽根車を回転させる磁気駆動部と、該磁気駆動部をポンプ室から区画している分離板と、当該分離板と超音波溶着により溶着されて分離板との間に上記ポンプ室を形成するケーシングとを備えて、分離板とケーシングとで軸方向両端が支持される前記軸のケーシング側の端部に設けたＤカット部との係合で回り止めされた軸受板に、上記羽根車内周に配された上記軸受のケーシング側の軸方向端面が摺動接触するポンプであって、
上記軸の軸方向における上記軸受の移動可能距離よりも、軸方向一面をケーシングで支持された上記軸受板の他面から上記軸におけるＤカット部の端部のエッジ部までの距離を大きくしていることを特徴とするポンプ。
磁気従動部を有してポンプ室内に配されている羽根車と、該羽根車を軸受を介して回転自在に支持している固定された軸と、上記磁気従動部に磁気を作用させて上記羽根車を回転させる磁気駆動部と、該磁気駆動部をポンプ室から区画している分離板と、当該分離板と超音波溶着により溶着されて分離板との間に上記ポンプ室を形成するケーシングとを備えて、分離板とケーシングとで軸方向両端が支持される前記軸のケーシング側の端部に設けたＤカット部との係合で回り止めされた軸受板に、上記羽根車内周に配された上記軸受のケーシング側の軸方向端面が摺動接触するポンプであって、
上記軸のＤカット部における軸方向と平行な面と上記軸の外周面とを軸方向に対して傾いた傾斜面でつないでテーパ状としていることを特徴とするポンプ。
前記軸受のケーシング側の端部内周面には軸受内径を大きくした逃がしを設けていることを特徴とする請求項１または２記載のポンプ。
軸受のケーシング側の端部内周面に設けた逃がしは、一定の内径のものであることを特徴とする請求項３記載のポンプ。
軸受のケーシング側の端部内周面に設けた逃がしは、軸受の奥方ほど径が小さくなるテーパ状であることを特徴とする請求項３記載のポンプ。
羽根車の上記軸受の外周に位置する部分には羽根車を軸方向に貫通する環流穴を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のポンプ。
前記羽根車に設置された前記少なくとも３箇以上の環流穴が羽根車の軸回りに等間隔で形成されていることを特徴とする請求項６記載のポンプ。