特許 7029991 カスケードポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-02-24

(45)【発行日】2022-03-04

(54)【発明の名称】カスケードポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04D 5/00 20060101AFI20220225BHJP

   F04D 13/06 20060101ALI20220225BHJP

   H02K 7/14 20060101ALI20220225BHJP

【ＦＩ】

F04D5/00 G

F04D13/06 J

H02K7/14 B

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018055260

(22)【出願日】2018-03-22

(65)【公開番号】P2019167854

(43)【公開日】2019-10-03

【審査請求日】2020-09-23

(73)【特許権者】

【識別番号】000000239

【氏名又は名称】株式会社荏原製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100169764

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100167553

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 久典

(72)【発明者】

【氏名】小西 康貴

【審査官】田谷 宗隆

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－０５７５１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－００３９８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５７－１９８３９６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００２－３７２３４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－３４０３４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－３１０６９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１３２９１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－１９６１９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２１３３８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－０４２１９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｄ ５／００

Ｆ０４Ｄ １３／０６

Ｈ０２Ｋ ７／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外周縁部に複数の羽根溝を有し、回転によって流体を圧送するインペラと、
前記流体を前記インペラに導く吸込流路、前記インペラの周方向に沿って前記流体を昇圧させる昇圧流路、前記昇圧流路によって昇圧した前記流体を吐出する吐出流路、および、前記吐出流路内の前記流体を導く循環流路、を有するポンプハウジングと、
前記インペラを回転させる回転軸、前記回転軸に連結された回転子、および、前記回転子を回転駆動する固定子、を有するモータと、
前記回転子と前記固定子とを隔てる筒状のキャンと、
前記モータおよび前記キャンを収容するモータハウジングと、
前記回転子と前記インペラとの間において前記回転軸を支持する軸受と、
を備え、
前記モータハウジング内に、前記循環流路からの前記流体を前記キャンと前記回転子との間に導くキャン流路、および、前記キャン流路を経た前記流体を前記回転子と前記回転軸の間を通して前記ポンプハウジング内に導く返送流路が形成され、
前記ポンプハウジング内に、前記返送流路からの前記流体が導入される中間室と、前記中間室内の前記流体を前記吸込流路に導く戻り流路とが形成され、
前記返送流路は、
前記回転子の内周面に形成された１または複数の溝によって形成された回転子流路と、
前記軸受の内周面に形成された１または複数の溝によって形成された軸受流路と、を有し、
前記軸受に、前記回転子流路と前記軸受流路とを連通させる周回溝が形成され、
前記周回溝は、前記軸受の前記回転子側の端面に、この端面の内周縁に沿って環状に形成されている、
カスケードポンプ。

【請求項2】

前記回転軸は、中実構造であり、
前記ポンプハウジングに、前記回転軸の一端の中心部を回転自在に支持する軸支持部が設けられている、請求項１記載のカスケードポンプ。

【請求項3】

前記中間室は、前記回転軸と平行に見て、前記吸込流路より前記インペラの径方向内方側に形成されている、請求項１または２に記載のカスケードポンプ。

【請求項4】

前記キャンは、前記モータハウジングと一体に形成されている、請求項１～３のうちいずれか１項に記載のカスケードポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、カスケードポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、外周縁部に複数の羽根溝が形成されたインペラを備えたカスケードポンプが用いられている。インペラを収容するハウジングには、インペラの周方向に沿う昇圧流路が形成されている（例えば、特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平１－５３０８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

カスケードポンプでは、低流量であっても流体の圧力を高くすることができる。カスケードポンプでは、流体が高圧となるため、シール箇所からの流体の漏出を確実に防ぐことが求められている。

【0005】

本発明の一態様は、流体の漏出を防ぐことができるカスケードポンプを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様は、外周縁部に複数の羽根溝を有し、回転によって流体を圧送するインペラと、前記流体を前記インペラに導く吸込流路、前記インペラの周方向に沿って前記流体を昇圧させる昇圧流路、前記昇圧流路によって昇圧した流体を吐出する吐出流路、および、前記吐出流路内の流体を導く循環流路、を有するポンプハウジングと、前記インペラを回転させる回転軸、前記回転軸に連結された回転子、および、前記回転子を回転駆動する固定子、を有するモータと、前記回転子と前記固定子とを隔てる筒状のキャンと、前記モータおよび前記キャンを収容するモータハウジングと、を備え、前記モータハウジング内に、前記循環流路からの流体を前記キャンと前記回転子との間に導くキャン流路、および、前記キャン流路を経た流体を前記回転子と前記回転軸の間を通して前記ポンプハウジング内に導く返送流路が形成され、前記ポンプハウジング内に、前記返送流路からの前記流体が導入される中間室と、前記中間室内の前記流体を前記吸込流路に導く戻り流路とが形成されている、カスケードポンプを提供する。

【0007】

前記回転軸は、中実構造であり、前記ポンプハウジングに、前記回転軸の一端の中心部を回転自在に支持する軸支持部が設けられていることが好ましい。

【0008】

前記中間室は、前記回転軸と平行に見て、前記吸込流路より前記インペラの径方向内方側に形成されていることが好ましい。

【0009】

前記キャンは、前記モータハウジングと一体に形成されていることが好ましい。

【発明の効果】

【0010】

本発明の一態様は、モータの回転子と固定子とを隔てるキャンを備え、キャン内で流体を循環させる。そのため、メカニカルシール構造を採用する必要がなく、流体の漏出を防ぐことができる。前記態様によれば、流体を、キャン流路および返送流路を通してポンプハウジング内に循環させることができるため、回転軸に返送用の貫通流路を形成する必要がない。よって、回転軸が貫通流路を有する場合に比べて、回転軸の加工コストが不要となり、製造コスト削減が可能である。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態のカスケードポンプの、中心軸に沿う断面を示す構成図である。

【図2】図１のＡ－Ａ線に沿う断面を示す図である。

【図3】図１のカスケードポンプの内部構造を示す斜視図である。

【図4】図１のＣ－Ｃ線に沿う断面を示す図である。

【図5】図１のＢ－Ｂ線に示す位置における軸受を示す図である。

【図6】図１のカスケードポンプの回転軸の端部の支持構造を示す図であり、図１のＤ部分の拡大図である。

【図7】カスケードポンプの回転軸の端部の支持構造の他の例を示す図である。

【図8】第２実施形態のカスケードポンプの、中心軸に沿う断面を示す構成図である。

【図9】図８のカスケードポンプのキャンの閉止部を前側から見た図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態のカスケードポンプ１０の、中心軸Ｃ１，Ｃ２に沿う断面を示す構成図である。図２は、図１のＡ－Ａ線に沿う断面を示す図である。図３は、カスケードポンプ１０の内部構造を示す斜視図である。図４は、図１のＣ－Ｃ線に沿う断面を示す図である。図５は、図１のＢ－Ｂ線に示す位置における軸受６を示す図である。図６は、カスケードポンプ１０の回転軸の端部の支持構造を示す図であり、図１のＤ部分の拡大図である。

【0013】

図１に示すように、カスケードポンプ１０は、インペラ１と、ポンプハウジング２と、モータ３と、キャン４と、モータハウジング５と、軸受６とを備える。
以下、インペラ１はモータ３に対して前方に位置するとして、各部材の位置関係を説明することがある。中心軸Ｃ１はインペラ１の中心軸である。中心軸Ｃ２はモータ３の中心軸である。第１面１１ａはインペラ本体１１の前面であり、第２面１１ｂはインペラ本体１１の後面である。

【0014】

図２および図３に示すように、インペラ１は、円板状のインペラ本体１１と、突出筒部１２とを有する。インペラ本体１１は、中央部から径方向外方に向けて、中央板部１３と、主板部１４と、羽根部１５とを備えている。

【0015】

中央板部１３は、円板状に形成されている。中央板部１３の中央には、回転軸３１が挿通する挿通孔１６（図１参照）が形成されている。挿通孔１６は、中央板部１３を厚さ方向に貫通して形成されている。中央板部１３には、挿通孔１６の径方向外方の位置に、１または複数の連通孔１７が形成されている。連通孔１７は、中央板部１３を厚さ方向に貫通して形成されている。図２および図３では、中央板部１３には４つの連通孔１７が、インペラ１の周方向に等間隔に形成されている。連通孔１７は、中間室２５の第１空間２７と第２空間２８とを連通する。

【0016】

主板部１４は、中央板部１３より径方向外方側にあって、中央板部１３より厚く形成されている。主板部１４は、インペラ１の周方向に一定の幅を有する環状部分である。図１に示すように、主板部１４の前面は、ポンプハウジング２の内面と近接しており、第１空間２７を区画している。主板部１４の後面は、ポンプハウジング２のモータハウジング５側の壁部内面と近接しており、第２空間２８を区画している。

【0017】

図２および図３に示すように、羽根部１５は、インペラ本体１１の外周縁部に形成されている。羽根部１５は、周方向に並ぶ複数の羽根溝１８を有する。羽根溝１８は、羽根部１５の両面にそれぞれ形成されている。羽根溝１８は、インペラ１の径方向に沿って形成されている。羽根溝１８は、径方向外方に向けて徐々に深さを増す。

【0018】

図３に示すように、突出筒部１２は、円筒状に形成されている。中央板部１３からインペラ本体１１の第１面１１ａ側に、中心軸Ｃ１に沿って突出している。突出筒部１２には、回転軸３１が挿通する。
インペラ１は、図２における反時計回り方向に回転する。

【0019】

図２および図３に示すように、ポンプハウジング２は、インペラ１を収容している。ポンプハウジング２は、吸込流路２１と、昇圧流路２２と、吐出流路２３と、循環流路２４とを有する。
吸込流路２１は、流体をインペラ１に導くことができる。
昇圧流路２２は、インペラ１の周方向に沿ってＣ形状に形成された流路である。昇圧流路２２の一端は吸込流路２１に接続されている。昇圧流路２２の他端は吐出流路２３に接続されている。昇圧流路２２内の流体は、インペラ１の羽根部１５によって昇圧されつつ、図２における反時計回り方向に流れる。
吐出流路２３は、昇圧流路２２によって昇圧した流体を外部に吐出する。

【0020】

図１に示すように、循環流路２４は、ポンプハウジング２のモータハウジング５側の壁部を貫通して形成されている。循環流路２４は、吐出流路２３と、モータハウジング５内の空間とを連通させる。循環流路２４は、吐出流路２３内の流体の一部をモータハウジング５内に導入することができる。

【0021】

モータ３は、回転軸３１と、回転子３２と、固定子３３とを備えている。
回転軸３１は、インペラ１に固定され、インペラ１を回転させる。回転子３２は、回転軸３１に固定されている。回転軸３１は、中実構造とされている。図６に示すように、回転軸３１の前端３１ａの端面の中央には、軸支持部３０の先端部３０ａが挿入される受け凹部３１ｂが形成されている。受け凹部３１ｂは、例えば、中心軸Ｃ１に向かって深さを増す形状（すり鉢状）に形成されている。

【0022】

図１に示すように、回転子３２は、固定子３３の内側に配置される。回転子３２は、樹脂被覆を施してもよい。これにより、流体との接触による腐食を防ぐことができる。
固定子３３は、電磁気的な作用により回転子３２を回転駆動する。

【0023】

キャン４は、中心軸Ｃ２を中心軸とする円筒状の胴部４１と、胴部４１の後端開口を閉止する円板状の閉止部４２とを有する。キャン４は、非磁性材料で構成される。キャン４は、回転子３２を収容しているため、回転子３２と固定子３３とを隔てている。キャン４は、モータハウジング５と一体に形成されていることが好ましい。これにより、部品点数を削減し、生産性を高めることができる。
モータハウジング５は、モータ３およびキャン４を収容している。

【0024】

図１に示すように、モータハウジング５内には、キャン流路５１と、返送流路５２とが形成されている。
キャン流路５１は、キャン４と回転子３２との間に確保された流路である。キャン流路５１は、循環流路２４を経てモータハウジング５内に流入した流体を、胴部４１と回転子３２との間を経て回転子３２の後方空間５３に導く。

【0025】

返送流路５２は、回転子流路５２Ａと、軸受流路５２Ｂとを有する。
回転子流路５２Ａは、回転子３２の内周面と回転軸３１の外周面との間に形成されている。図４に示すように、回転子流路５２Ａは、回転子３２の内周面に形成された１または複数の溝３２ａによって形成されている。図４では、４つの溝３２ａは中心軸Ｃ２周りに間隔をおいて形成されている。溝３２ａは、図１に示すように、中心軸Ｃ２に沿って形成されている。回転子流路５２Ａは、後方空間５３内の流体を前方に導く。

【0026】

軸受６は、円筒状の主部６１と、主部６１の後端に形成されたフランジ部６２とを備える。図５に示すように、フランジ部６２の後面６２ａには、後面６２ａの内周縁に沿う環状の周回溝６３と、フランジ部６２の径方向に沿う縦溝６４とが形成されている。周回溝６３によって、回転子流路５２Ａと軸受流路５２Ｂとを連通させることができる。

【0027】

軸受流路５２Ｂは、軸受６の内周面と回転軸３１の外周面との間に形成されている。図５に示すように、軸受流路５２Ｂは、軸受６の主部６１（図１参照）の内周面に形成された１または複数の溝６ａによって形成されている。図５では、４つの溝６ａは中心軸Ｃ２周りに間隔をおいて形成されている。溝６ａは、図１に示すように、中心軸Ｃ２に沿って形成されている。軸受流路５２Ｂは、回転子流路５２Ａからの流体をポンプハウジング２（中間室２５）内に導く。

【0028】

ポンプハウジング２内には、中間室２５と、戻り流路２６とが形成されている。
中間室２５は、第１空間２７と、第２空間２８とを有する。第１空間２７は、インペラ本体１１の前方にあって、主板部１４より径方向内方側の空間である。第２空間２８は、インペラ本体１１の後方にあって、主板部１４より径方向内方側の空間である。第１空間２７と第２空間２８とは、連通孔１７により連通されている。中間室２５には、返送流路５２（詳しくは軸受流路５２Ｂ）から流体が導入される。

【0029】

図２に示すように、戻り流路２６は、ポンプハウジング２の内面の溝２９（図１参照）によって形成された流路である。戻り流路２６は、中間室２５と吸込流路２１とを連通させる。戻り流路２６は、中間室２５内の流体を吸込流路２１に導入することができる。

【0030】

図６に示すように、ポンプハウジング２には、回転軸３１の前端３１ａ（一端）の中心部を回転自在に支持する軸支持部３０が形成されている。軸支持部３０は、ポンプハウジング２の内面から後方に突出する。軸支持部３０の先端部３０ａは、先端に向かって細くなる円錐状に形成されている。中心軸Ｃ１に対する先端部３０ａの外面の傾斜角度は、受け凹部３１ｂの内面の傾斜角度より小さい。先端部３０ａは、回転軸３１の受け凹部３１ｂに挿入される。先端部３０ａの先端は受け凹部３１ｂの内面の中心部に当接し、回転軸３１の前端部（前端３１ａを含む部分）を支持する。

【0031】

次に、カスケードポンプ１０の動作について説明する。
図２および図３に示すように、インペラ１が回転すると、流体（例えば、水などの液体）は、吸込流路２１からポンプハウジング２内に導入される。流体は昇圧流路２２に流入し、インペラ１の羽根部１５によって昇圧される。昇圧した流体は、吐出流路２３を通して外部に吐出される。

【0032】

図１に示すように、吐出流路２３内の流体の一部は、循環流路２４を通してモータハウジング５内に導入される。流体は、キャン流路５１を通って後方空間５３に導入される。流体は、後方空間５３から返送流路５２を通して前方に導かれ、ポンプハウジング２の中間室２５に流入する。中間室２５内の流体は、戻り流路２６を通って吸込流路２１に導入される。このように、吸込流路２１内の流体の一部は、吸込流路２１から、昇圧流路２２、吐出流路２３、循環流路２４、キャン流路５１、返送流路５２、中間室２５、および戻り流路２６を経て吸込流路２１に循環する。循環の過程で、流体はモータ３を冷却する。戻り流路２６を流れる流体は、ポンプハウジング２とインペラ１との間の潤滑液として機能させることもできる。

【0033】

カスケードポンプ１０は、モータ３の回転子３２と固定子３３とを隔てるキャン４を備え、キャン４内で流体を循環させる。そのため、メカニカルシール構造を採用する必要がなく、流体の漏出を防ぐことができる。
カスケードポンプ１０は、流体を、キャン流路５１および返送流路５２を通してポンプハウジング２内に循環させることができるため、回転軸３１に返送用の貫通流路を形成する必要がない。そのため、回転軸が貫通流路を有する場合に比べて、回転軸の加工コストが不要となり、製造コスト削減が可能である。

【0034】

カスケードポンプ１０は、回転軸３１に貫通流路を形成する必要がないため、軸支持部３０によって回転軸３１の前端３１ａを支持することができる。よって、インペラ１を安定に動作させることができる。

【0035】

返送流路５２によって返送された流体が導入される中間室２５は、吸込流路２１に比べてインペラ１の径方向内方側に形成されているため、ポンプハウジング２内のスペースを有効に利用することができる。そのため、カスケードポンプ１０を小型化するうえで有利となる。

【0036】

［第１実施形態の変形例］
図７は、カスケードポンプの回転軸の端部の支持構造の他の例を示す図である。
図７に示すように、回転軸１３１の前端１３１ａの端面には、軸支持部１３０の先端部が挿入される受け凹部１３１ｂが形成されている。受け凹部１３１ｂは、例えば半球面状の内面を有する凹部である。軸支持部１３０は、ポンプハウジング２の内面から後方に突出する。軸支持部１３０の先端部１３０ａは、湾曲凸状（例えば半球状）に形成されている。先端部１３０ａの外面の曲率半径は、受け凹部１３１ｂの内面の曲率半径より小さい。先端部１３０ａの先端は受け凹部１３１ｂの内面の中心部に当接し、回転軸１３１の前端部（前端１３１ａを含む部分）を支持する。
この構造によれば、軸支持部１３０の先端部１３０ａは、安定的に回転軸１３１の前端１３１ａを支持することができる。

【0037】

［第２実施形態］
図８は、第２実施形態のカスケードポンプ１１０の、中心軸Ｃ１に沿う断面を示す構成図である。図９は、カスケードポンプ１１０のキャン１０４の閉止部１４２を前側から見た図である。以下、第１実施形態のカスケードポンプ１０と共通の構造については同じ符号を付して説明を省略する。

【0038】

図８に示すように、カスケードポンプ１１０は、インペラ１と、ポンプハウジング２と、モータ３と、キャン１０４と、モータハウジング１０５と、第１軸受１０６Ａと、第２軸受１０６Ｂと、を備える。
第１軸受１０６Ａは、図１に示す第１実施形態のカスケードポンプ１０に用いられている軸受６と同様の構成である。

【0039】

第２軸受１０６Ｂは、第１軸受１０６Ａから後方に離れた位置に設けられている。第２軸受１０６Ｂは、円筒状の主部１６１と、主部１６１の前端に形成されたフランジ部１６２とを備える。図８および図９に示すように、主部１６１およびフランジ部１６２に対面するキャン１０４の閉止部１４２の内面には、溝１６４が形成されている。

【0040】

モータハウジング１０５内には、キャン流路１５１と、返送流路１５２とが形成されている。
キャン流路１５１は、循環流路２４を経てモータハウジング１０５内に流入した流体を、胴部４１と回転子３２との間を経て、第２軸受１０６Ｂの外面側（溝１６４）を通して第２軸受１０６Ｂの後方側に導く。

【0041】

返送流路１５２は、軸受流路１５２Ｃと、回転子流路５２Ａと、軸受流路１５２Ｂとを有する。
軸受流路１５２Ｃは、第２軸受１０６Ｂの内周面と回転軸３１の外周面との間に形成されている。軸受流路１５２Ｃは、第２軸受１０６Ｂの主部１６１の内周面に形成された１または複数の溝によって形成されている。
軸受流路１５２Ｂは、第１軸受１０６Ａの内周面と回転軸３１の外周面との間に形成されている。軸受流路１５２Ｂは、第１軸受１０６Ａの主部６１の内周面に形成された１または複数の溝によって形成されている。

【0042】

次に、カスケードポンプ１１０の動作について説明する。
図８に示すように、インペラ１が回転すると、流体は吸込流路２１から昇圧流路２２に流入し、インペラ１の羽根部１５によって昇圧されて吐出流路２３から吐出される。

【0043】

吐出流路２３内の流体の一部は、循環流路２４を通してモータハウジング５内に導入される。流体は、キャン流路１５１を通って第２軸受１０６Ｂの外面側（溝１６４）に導入される。流体は、返送流路１５２の軸受流路１５２Ｃ、回転子流路５２Ａ、軸受流路１５２Ｂを経て前方に導かれ、ポンプハウジング２の中間室２５に流入する。中間室２５内の流体は、戻り流路２６を通って吸込流路２１に導入される。

【0044】

カスケードポンプ１１０では、２つの軸受１０６Ａ，１０６Ｂを有するため、回転軸３１を複数箇所で支持し、インペラ１の動作を安定させることができる。

【0045】

本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

【符号の説明】

【0046】

１…インペラ、２…ポンプハウジング、３…モータ、４，１０４…キャン、５，１０５…モータハウジング、１０，１１０…カスケードポンプ、１５…羽根部、１８…羽根溝、２１…吸込流路、２２…昇圧流路、２３…吐出流路、２４…循環流路、２５…中間室、２６…戻り流路、３０，１３０…軸支持部、３１…回転軸、３１ａ…前端（一端）、３２…回転子、３３…固定子、５１，１５１…キャン流路、５２，１５２…返送流路。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】