JP2018162744A - ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】吐出圧力が高圧での使用に適したポンプに関して、運転効率の改善を図りつつ、効率よく作製するのに適したポンプを提供すること。
【解決手段】本発明のポンプＡは、モータケースと、ステータと、キャンと、吸込口、吐出口５５、および渦巻室を有し、かつ、上記キャンの一端側を覆うケーシング５と、回転子と、を備え、ケーシング５は渦巻室を規定する円筒状周壁５３を有しており、吐出口５５は、５５１基端部が円筒状周壁５３を貫通し、かつ基端部５５１から先端部５５２にかけて円筒状周壁５３の概略接線方向に沿って延びており、基端部５５１には、円筒状周壁５３の内周面５３ａから径方向外方に変位する段差部５５３が形成され、円筒状周壁５３には、その内周面５３ａから段差部５５３にかけて当該段差部５５３に近づくにつれて円筒状周壁５３の径方向外方に変位するように傾斜する切欠部５３１が形成されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、液体の吸込みおよび吐出を行うポンプに関する。

水中に微細な気泡を大量に発生させると、この気泡が汚れ等、周囲のものを吸着しながらゆっくりと浮上するという、洗浄作用を発揮することが知られている。また、温湯中にこのような微細な気泡を発生させると、温浴作用を発揮することも知られている。このような作用を効果的に発揮させるためには、発生させる気泡の大きさを、１０〜５０μｍ径、あるいはそれ以下の微細なものとする必要がある。このような微細な気泡を、特にファインバブルと呼ぶことがある。上記のようなファインバブルを発生させる装置を構成するためには、液体を比較的高圧で吐出することができるポンプが必要である。

従来のポンプの一例は、たとえば特許文献１に開示されている。特許文献１に記載されたポンプは、同文献の図１に示されるように、ケーシング（１）、モータケース、ステータ（１３）、および回転子を備えている。ステータ（１３）は、円筒形状のコイルであり、モータケース内に設けられている。回転子は、円筒形状のマグネット（１０）、インペラ（２）、およびこれらを連結するシャフト（５）を有する。インペラ（２）は、ケーシング（１）の渦巻室に収容されている。マグネット（１０）は、ステータ（１３）の内側においてこれと同心円状に配置されている。ステータ（１３）およびマグネット（１０）は、それぞれキャン（１２ｂ，１２ａ）により覆われており、防水対策がなされている。ステータ（１３）に電力供給されると、回転子に回転駆動力が発生する。これによりインペラ（２）が回転することとなり、吸込口から渦巻室を介して吐出口へと水などの流体を流すことができる。

渦巻室を有するポンプにおいて、液体を比較的高圧で吐出するためには、吐出時における圧力損失等のロスを低減してポンプを効率よく運転することが望まれる。ケーシングの渦巻室は、円筒状周壁によって規定されており、この円筒状周壁を貫通して吐出口が延びている。吐出時のロス低減の観点から、吐出口については、円筒状周壁の接線方向に延びているのが好ましい。図１０は、そのような円筒状周壁９５３および吐出口９５５の態様を簡略的に表した断面図である。

ケーシングは、一般的には金型を用いて一体成形された樹脂成形品である。樹脂成形用の金型は、円筒状周壁を形成するための主型（固定型および可動型）と、吐出口を形成するためのスライド型とを含んで構成される。図１０に示す円筒状周壁９５３および吐出口９５５を備えるケーシング９５を成形品で作製するには、図１１に示すような主型９９１，９９２およびスライド型９９３が必要となる。とする必要がある。ここで、スライド型９９３の先端は先鋭状となっているので、先端部の欠損等により耐久性が低下するおそれがある。

そこで、スライド型の耐久性を改善するために、図１２に示すように吐出口９５５を円周状周壁９５３の径方向外側に少しずらし、図１３に示すように、スライド型９９３の先端部を平坦面９９３ａとする対策が講じられている。この場合、図１２に示したように、吐出口９５５は、円筒状周壁９５３の略接線方向に沿って延びているが、基端部において段差部９５５ａが生じる。

ポンプにおける回転子の回転数が比較的小さい場合には、吐出口の基端部に段差が形成された構成であっても、吐出時の圧力損失ロスは殆ど生じない。しかしながら、吐出圧力を高圧とするために回転子の回転数を上げると、圧力損失ロスの影響が大きく出てしまい、その結果、ポンプの運転効率が低下してしまう。

特開２００３−１８４７８３号公報

本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、吐出圧力が高圧での使用に適したポンプに関して、運転効率の改善を図りつつ、効率よく作製するのに適したポンプを提供することを主たる課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明によって提供されるポンプは、モータケースと、上記モータケースの内側に配置されたステータと、上記ステータの内側に配置され、軸方向一端側が開放するとともに他端側に底部を有し、かつ、軸方向一端側に外向フランジを有する筒状のキャンと、吸込口、吐出口、および渦巻室を有し、かつ、上記キャンの一端側を覆うケーシングと、上記キャンの内側に配置されたマグネット、および上記渦巻室に配置されたインペラを有する回転子と、を備え、上記ケーシングは上記渦巻室を規定する円筒状周壁を有しており、上記吐出口は、基端部が上記円筒状周壁を貫通し、かつ当該基端部から先端部にかけて上記円筒状周壁の概略接線方向に沿って延びており、上記吐出口の上記基端部には、上記円筒状周壁の内周面から径方向外方に変位する段差部が形成されており、上記円筒状周壁には、当該円筒状周壁の内周面から上記段差部にかけて当該段差部に近づくにつれて上記円筒状周壁の径方向外方に変位するように傾斜する切欠部が形成されている。

好ましい実施の形態においては、上記切欠部において上記段差部側の端縁の深さである第１寸法は、上記段差部の深さである第２寸法の０．２〜１．０倍の範囲である。

好ましい実施の形態においては、上記円筒状周壁の内周面の直径寸法に対する上記第２寸法の比率は、１〜５％の範囲である。

好ましい実施の形態においては、上記ケーシングは、後処理加工が不要な樹脂成形品である。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明に係るポンプの一例を示す平面図である。 図１に示すポンプの正面図である。 図１に示すポンプの左側面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 図１に示すポンプのカバープレートを取り外した状態を示す。 図３のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。 ケーシングを内側から見た斜視図である。 ケーシングを樹脂成形するための金型の概略構成の一例を示す断面図である。 図６の部分拡大図である。 従来のケーシングの一例を簡略的に示す断面図である。 図１０に示したケーシングを樹脂成形するための金型の概略構成を示す断面図である。 従来のケーシングの一例を簡略的に示す断面図である。 図１２に示したケーシングを樹脂成形するための金型の概略構成を示す断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１〜図６は、本発明に係るポンプの一例を示している。本実施形態のポンプＡは、モータケース１、ステータ２、キャン３、回転子４、ケーシング５、および、複数のボルト８を備え、たとえば浴槽用の循環ポンプとして使用されるものである。

モータケース１は、軸方向における一端側が開口する有底円筒状に形成されており、たとえば、アルミニウム等の金属製である。モータケース１は、ステータ２、キャン３、および、回転子４の一部（後述する筒状ホルダ４０およびマグネット４１）を収容しており、複数のボルト８を介してケーシング５と連結されている。また、モータケース１の軸方向における一方側の端部には、キャン３を固定するための段差が形成されている。本実施形態において、モータケース１の上部には、コネクタハウジング１０が設けられている。

図５に示すように、コネクタハウジング１０は、複数の側壁１１に囲まれた内部空間を有しており、当該内部空間にコード７１の一部とコネクタ７２とが収容されている。コネクタ７２には、ポンプ駆動用の複数のケーブル７３が接続されており、これらケーブル７３はコード７１に内挿されている。複数のケーブル７３は、たとえば給電ケーブルを含む。上記給電ケーブルは、ポンプＡを駆動するための電力供給に用いられるケーブルである。また、上記複数のケーブル７３は、制御ケーブルを含んでいてもよい。制御ケーブルは、ポンプＡの回転数などを制御する制御盤（図示略）やセンサ類（図示略）からの制御信号の入出力に用いられるケーブルである。

コネクタハウジング１０の上方端には、外部に開放する作業用開口１０ａが形成されている。図４に示すように、作業用開口１０ａは、カバープレート１２により塞がれている。カバープレート１２は、シートパッキン１３を介して取り付けられている。なお、図４においては、コード７１、コネクタ７２およびケーブル７３を省略している。

図５に示すように、本実施形態において、コード７１は、防水パッキン７５を介して側壁１１に支持されている。より具体的には、側壁１１には、厚さ方向に貫通する開口部１１１が形成されており、この開口部１１１に、防水パッキン７５がコード７１を保持した状態にて嵌め込まれている。これにより、コネクタハウジング１０の内部は、その外部に対して防湿保護されている。

本実施形態において、コード７１は、開口部１１１を通じて外部に延びている。より具体的には、開口部１１１が形成された側壁１１は、回転子４の回転軸線Ｏｘが延びる方向に対して直角な水平方向を向いている。そして、コード７１は、回転子４の回転軸線Ｏｘが延びる方向に対して直角な水平方向に延びている。

図４に示すように、ステータ２は、モータケース１の内壁と、キャン３との間に設置された電磁コイルにより構成されており、全体として円筒形状である。ステータ２には、上記ケーブル７３を介して駆動電力が供給される。

回転子４は、筒状ホルダ４０、マグネット４１、およびインペラ４２を有する。筒状ホルダ４０は、回転子４の主要部分を構成している。筒状ホルダ４０の内側には、たとえばポリフェニレンスルフィド（以下ＰＰＳ）樹脂製の２つのカラー４３が設けられている。筒状ホルダ４０とカラー４３とは、たとえば一方の凸部が他方の凹部に係合する結合構造とされており、互いに一体的に回転する。カラー４３は、シャフト６によって回転可能に支持されている。シャフト６は、一端がケーシング５（後述するシャフト支持筒５２）に支持されており、他端がキャン３に支持されている。

マグネット４１は、略円筒形状であり、筒状ホルダ４０の空隙部４０ａに嵌合している。マグネット４１は、たとえばプラスチックマグネットにより構成されている。

インペラ４２は、筒状ホルダ４０の一端に設けられており、後述するケーシング５の渦巻室５６に収容されている。図４、図６に示すように、インペラ４２は、中央において軸方向に貫通する孔４２１、および複数の羽根４２２を有する。複数の羽根４２２の隣接相互間には開口４２３が形成されている。開口４２３は、軸方向視において、孔４２１を中心とする螺旋を描くような形状となっている。インペラ４２が回転させられると、その回転遠心力により、孔４２１から流体が吸込まれ、当該流体は羽根４２２どうしの間の開口４２３から外側へと吐出される。

キャン３は、ケーシング５内に流入した温水などがモータケース１内に浸入することを防ぐためのものである。キャン３は、有底の円筒形状であり、たとえばＰＰＳ樹脂製である。キャン３は、その一部がステータ２の内部空間に収容されている。キャン３の内部には、回転子４の筒状ホルダ４０およびマグネット４１が収容されている。キャン３の軸方向一端側には外向フランジ３１が形成されている。

ケーシング５は、いわゆるポンプとして機能する部分を構成するものであり、図４に示すように、円板状壁５１、シャフト支持筒５２、円筒状周壁５３、吸込口５４、吐出口５５、および渦巻室５６を有している。ケーシング５の外周接続部５７は、キャン３の一端側（外向フランジ３１）を覆っている。

吸込口５４は、たとえば浴槽内の温水をポンプＡ内へと吸込むための開口であり、円板状壁５１の中央を貫通している。図２および図４に示すように、吸込口５４は、略円筒形状であり、回転子４の回転軸線Ｏｘが延びる方向に向いている。

シャフト支持筒５２は、シャフト６の一端を支持するためのものであり、連結片５２１を介して円板状壁５１に連結されている。図４、図７に示すように、シャフト支持筒５２の内面５２ａは、円筒の一部が切欠かれた形状となっており、シャフト支持筒５２の当該内面５２ａにシャフト６の一端が嵌合している。これにより、シャフト６は、ケーシング５に対して回転不能に支持されている。

渦巻室５６は、円板状壁５１および円筒状周壁５３によって規定された内部空間であり、回転子４のインペラ４２を収容している。円筒状周壁５３は略円筒状の内周面５３ａを有し、当該内周面５３ａとインペラ４２の外周縁４２ａとの隙間が略一定寸法とされている。

吐出口５５は、たとえば浴槽に向けて温水を吐出するための開口であり、図１および図６に示すように、略円筒形状である。吐出口５５は、その基端部５５１が円筒状周壁５３を貫通しており、基端部５５１から先端部５５２にかけて、円筒状周壁５３の概略接線方向に沿って延びている。

上記構成において、インペラ４２が回転すると、渦巻室５６において吐出圧が発生し、上記温水が吸込口５４からインペラ４２の孔４２１および開口４２３、ならびに渦巻室５６を通って吐出口５５へと流される。

ケーシング５は、たとえばＰＰＳ樹脂製であり、金型を用いて一体成形された樹脂成形品である。

図６、図７に示すように、吐出口５５は、その基端部５５１において段差部５５３が形成されている、段差部５５３は、円筒状周壁５３の内周面５３ａから径方向外方に変位している。また、本実施形態において、円筒状周壁５３には、切欠部５３１が形成されている。切欠部５３１は、円筒状周壁５３の内周面５３ａから段差部５５３にかけて形成されており、段差部５５３に近づくにつれて円筒状周壁５３の径方向外方に変位するように傾斜している。

図８は、ケーシング５を樹脂成形するための金型の概略構成の一例を示す断面図である。樹脂成形用の金型は、主型９１，９２（対をなす固定型および可動型）と、スライド型９３とを含んで構成される。主型９１，９２は円筒状周壁５３を形成するものであり、スライド型９３は吐出口５５を形成するものである。

本実施形態において、スライド型９３の先端は平坦面９３ａとされている。一方、主型９１は、概略円柱形状とされるとともに、径方向外方に部分的に突出する突起９１１を有する。突起９１１は、緩やかに傾斜する傾斜面９１１ａを有するとともに、スライド型９３の平坦面９３ａに対向し、かつ面接触し得る平坦面９１１ｂを有する。スライド型９３の上記平坦面９３ａは、吐出口５５における段差部５５３を形成する部位であり、主型９１の上記突起９１１は、円筒状周壁５３における切欠部５３１を形成する部位である。

ケーシング５の各部の寸法の一例を挙げると、図６に示されるように、円筒状周壁５３の内周面５３ａの直径寸法Ｄ１は、たとえば７０〜１００ｍｍ程度である。図９に示されるように、段差部５５３の深さＬ２（第２寸法）は、たとえば１〜３ｍｍ程度である。切欠部５３１において段差部５５３側の端縁の深さＬ１（第１寸法）は、０．５〜３ｍｍ程度である。そして、好ましくは、切欠部５３１の上記深さＬ１は、段差部５５３の上記深さＬ２の０．２〜１．０倍の範囲であり、より好ましくは、上記深さＬ１は深さＬ２の０．５〜１．０倍の範囲である。また、円筒状周壁５３の内周面５３ａの直径寸法Ｄ１に対する、段差部５５３の深さＬ２の比率は、好ましくは１〜５％の範囲である。

次に、本実施形態のポンプＡの作用について説明する。

ポンプＡは、たとえば浴室内において浴槽に隣接して設置され、ファインバブル発生装置に組み込んで利用される。ポンプＡの稼働時においては、インペラ４２（回転子４）が回転させられると、たとえば浴槽内の温水を主とする気液混相流体が吸込口５４から渦巻室５６に導入され、高圧状態となった加圧液体中に気体が溶解する。この加圧流体が、吐出口５５から専用のノズルを通して浴槽内の温水中に放出される。温水中に放出された加圧流体は急激に減圧され、加圧流体に溶け込んでいた気体がファインバブルとして温水中に放出される。

ファインバブル発生装置を構成するポンプＡにおいては、吐出口５５から高圧状態で加圧流体を吐き出すために、回転子４（インペラ４２）は高速回転させられる。回転子４の回転数は、たとえば６，０００ｒｐｍ程度とされる。ここで、インペラ４２を通過する流体は遠心力が作用して高圧となり、ケーシングの外周部（円筒状周壁５３の内面付近）付近の圧力が最も高くなる。

本実施形態においては、吐出口５５の基端部５５１において、円筒状周壁５３の内周面５３ａから径方向外方に変位する段差部５５３が形成されている。また、円筒状周壁５３には切欠部５３１が形成されており、当該切欠部５３１は、円筒状周壁５３の内周面５３ａから段差部５５３にかけて形成されている。そして、切欠部５３１は、段差部５５３に近づくにつれて円筒状周壁５３の径方向外方に変位するように傾斜している。

このような構成によれば、円筒状周壁５３の内周面５３ａに沿って流れる高圧状態の加圧流体が吐出口５５に流れ込む際、切欠部５３１を通過して吐出口５５に流入することにより、加圧流体の圧力損失ロスが大幅に低減される。本実施形態と異なり、切欠部５３１を設けない場合には、加圧流体が内周面５３ａから段差部５５３に差しかかるときに急激な流路断面の変更が吐出口５５へのスムーズな流れの阻害要因となっていたと考えられる。これに対し、本実施形態では、切欠部５３１を設けることで、加圧流体が、内周面５３ａから切欠部５３１にガイドされて段差部５５３に至ることで、相対的にスムーズな流れが実現されて圧力損失ロスが低減するものと考えられる。その結果、本実施形態によれば、加圧流体の吐出圧力が高圧状態での使用において、ポンプＡの運転効率の改善を図ることができる。

切欠部５３１に関して、段差部５５３側の端縁の深さＬ１については、内周面５３ａに沿って流れる加圧流体の遠心力が解放される方向にきっかけを与えることができれば、小さくてもよい。その一方、樹脂成形時の引けや収縮による寸法誤差を考慮すると、当該切欠部５３１の当該深さＬ１は、その寸法が小さすぎると効果が期待できないおそれがある。本実施形態において、たとえば、切欠部５３１の深さＬ１は、段差部５５３の深さＬ２の０．２〜１．０倍の範囲とされる。たとえば段差部５５３の深さＬ２が２ｍｍの場合、切欠部５３１の深さＬ１は０．４〜２ｍｍとされる。切欠部５３１の深さＬ１が段差部５５３の深さＬ２より大きくなると、切欠部５３１の方がより堀り下がった状態となり、切欠部５３１の先端境界部により圧力損失や振動などの不都合を生じるおそれがある。

本実施形態のポンプＡにおいて、ケーシング５は、図８を参照して説明したように、樹脂成形用の金型を用いて作製されており、後処理加工が不要な樹脂成形品である。図１２は、本実施形態と異なり、切欠部５３１を設けない場合のケーシング９５の概略形状を示しており、図１３は、図１２に示したケーシング９５を作製するための金型の形状を示している。図８および図１３を比較すると理解されるように、本実施形態においてケーシング５に切欠部５３１を設けた形状変更について、スライド型９３は何ら変更することなく、主型９１について突起９１１を設けることにより対応が可能である。突起９１１はその先端において平坦面９１１ｂを有し、当該平坦面９１１ｂは、スライド型９３先端の平坦面９３ａに面接触し得る。したがって、本実施形態によれば、樹脂成形用金型の耐久性の低下を抑制しつつ、上記した段差部５５３および切欠部５３１を有するケーシング５を効率よく作製することができる。

以上、本発明の具体的な実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の思想から逸脱しない範囲内で種々な変更が可能である。本発明に係るポンプの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

上記実施形態においては、ポンプＡがファインバブル発生装置に適用される場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明に係るポンプの用途は特に限定されず、幅広く利用可能である。

Ａ ポンプ
Ｄ１ 直径寸法
Ｌ１ 深さ（第１寸法）
Ｌ２ 深さ（第２寸法）
Ｏｘ 回転軸線
１ モータケース
１０ コネクタハウジング
１０ａ 作業用開口
１１ 側壁
１１１ 開口部
１２ カバープレート
１３ シートパッキン
２ ステータ
３ キャン
３１ 外向フランジ
４ 回転子
４０ 筒状ホルダ
４０ａ 空隙部
４１ マグネット
４２ インペラ
４２１ 孔
４２２ 羽根
４２３ 開口
４２ａ 外周縁
４３ カラー
５ ケーシング
５１ 円板状壁
５２ シャフト支持筒
５２ａ 内面
５２１ 連結片
５３ 円筒状周壁
５３ａ 内周面
５３１ 切欠部
５４ 吸込口
５５ 吐出口
５５１ 基端部
５５２ 先端部
５５３ 段差部
５６ 渦巻室
５７ 外周接続部
６ シャフト
７１ コード
７２ コネクタ
７３ ケーブル
７５ 防水パッキン
８ ボルト
９１ 主型
９１１ 突起
９１１ａ 傾斜面
９１１ｂ 平坦面
９２ 主型
９３ スライド型
９３ａ 平坦面

Claims (4)

1. モータケースと、
   上記モータケースの内側に配置されたステータと、
   上記ステータの内側に配置され、軸方向一端側が開放するとともに他端側に底部を有し、かつ、軸方向一端側に外向フランジを有する筒状のキャンと、
   吸込口、吐出口、および渦巻室を有し、かつ、上記キャンの一端側を覆うケーシングと、
   上記キャンの内側に配置されたマグネット、および上記渦巻室に配置されたインペラを有する回転子と、を備え、
   上記ケーシングは上記渦巻室を規定する円筒状周壁を有しており、
   上記吐出口は、基端部が上記円筒状周壁を貫通し、かつ当該基端部から先端部にかけて上記円筒状周壁の概略接線方向に沿って延びており、
   上記吐出口の上記基端部には、上記円筒状周壁の内周面から径方向外方に変位する段差部が形成されており、
   上記円筒状周壁には、当該円筒状周壁の内周面から上記段差部にかけて当該段差部に近づくにつれて上記円筒状周壁の径方向外方に変位するように傾斜する切欠部が形成されている、ポンプ。
2. 上記切欠部において上記段差部側の端縁の深さである第１寸法は、上記段差部の深さである第２寸法の０．２〜１．０倍の範囲である、請求項１に記載のポンプ。
3. 上記円筒状周壁の内周面の直径寸法に対する上記第２寸法の比率は、１〜５％の範囲である、請求項２に記載のポンプ。
4. 上記ケーシングは、後処理加工が不要な樹脂成形品である、請求項１ないし３のいずれかに記載のポンプ。

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