特許 7182729 インペラ及びこれを備えたポンプ

(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】2022-11-24

(45)【発行日】2022-12-02

(54)【発明の名称】インペラ及びこれを備えたポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/22 20060101AFI20221125BHJP

   F04D 29/048 20060101ALI20221125BHJP

【ＦＩ】

F04D29/22 E

F04D29/048

F04D29/22 A

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021559693

(86)(22)【出願日】2021-07-15

(86)【国際出願番号】 JP2021026642

(87)【国際公開番号】W WO2022054403

(87)【国際公開日】2022-03-17

【審査請求日】2021-10-07

(31)【優先権主張番号】P 2020153987

(32)【優先日】2020-09-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000127352

【氏名又は名称】株式会社イワキ

(74)【代理人】

【識別番号】110001612

【氏名又は名称】弁理士法人きさらぎ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鬼塚 敏樹

(72)【発明者】

【氏名】是枝 進一郎

(72)【発明者】

【氏名】亀井 利晃

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 光

(72)【発明者】

【氏名】上野 暢也

(72)【発明者】

【氏名】関 拓哉

【審査官】田谷 宗隆

(56)【参考文献】

【文献】特開平０９－２６８９９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭４８－０９９９０２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１９－０９４８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０２４２０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３３２８３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－３１２１９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００２／０９９２８３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－２１３４１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－０２６４９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－３３３５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５０－３４８０２（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｄ ２９／２２

Ｆ０４Ｄ ２９／０４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁気軸受の磁気力により非接触で支持される円筒状のロータ本体の軸方向の一端側に設けられ、前記ロータ本体と共にロータを構成するインペラであって、
前記ロータ本体の軸方向の一端側に設けられたブレード支持面を有するインペラ基部と、
前記インペラ基部の前記ブレード支持面に、前記ブレード支持面の径方向の内側から外側にかけて前記ロータの回転方向と逆向きに曲線状に延出するように設けられた複数のブレードと、
前記複数のブレードの前記インペラ基部とは前記軸方向の反対側に設けられ、前記複数のブレードの外周側の部分を覆うと共に、中央に前記複数のブレードの内周側の部分が露出する穴部が形成された円環板状のフロントシュラウドと、を備え、
前記フロントシュラウドは、前記穴部の内径が前記インペラ基部の外径よりも大きく、
前記インペラは、前記フロントシュラウドのブレード支持面側の前記複数のブレードが露出するセミオープン型であり、
前記インペラ基部は、円筒状に形成され、前記ブレード支持面の近傍位置に内周部と外周部とを前記径方向に放射状に連通させて前記内周部から前記外周部へと移送流体を流す複数の横穴部を有する
ことを特徴とするインペラ。

【請求項2】

前記フロントシュラウドの穴部の内径は、前記インペラ基部の外径の１１０％～１３５％である
ことを特徴とする請求項１記載のインペラ。

【請求項3】

前記インペラ基部は、前記ブレード支持面側の外周縁部にＲ面を有する
ことを特徴とする請求項１又は２記載のインペラ。

【請求項4】

前記複数のブレードは、前記フロントシュラウドの前記穴部の内側に配置された部分の、前記ブレード支持面と反対側の面に、前記回転方向に向くように傾斜する第１のテーパ部を有する
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項記載のインペラ。

【請求項5】

前記複数のブレードは、前記ブレード支持面側の面に、前記回転方向と反対側に向くように傾斜する第２のテーパ部を有する
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項記載のインペラ。

【請求項6】

円筒状のロータ本体、及びこのロータ本体の軸方向の一端側に設けられたインペラを含むロータと、
前記ロータを磁気力によって支持する磁気軸受と、
前記ロータを回転駆動する駆動機構と、
前記インペラを含むポンプ機構と、
を備えたポンプであって、
前記ポンプ機構は、
前記ロータ本体を収容する収容空間を形成するリアケーシングと、前記インペラを収容する収容空間を形成するフロントケーシングと、を有するケーシングを備え、
前記インペラは、
前記ロータ本体の軸方向の一端側に設けられブレード支持面を有するインペラ基部と、
前記インペラ基部の前記ブレード支持面に、前記ブレード支持面の径方向の内側から外側にかけて前記ロータの回転方向と逆向きに曲線状に延出するように設けられた複数のブレードと、
前記複数のブレードの前記インペラ基部とは前記軸方向の反対側に設けられ、前記複数のブレードの外周側の部分を覆うと共に、中央に前記複数のブレードの内周側の部分が露出する穴部が形成された円環板状のフロントシュラウドと、を備え、
前記フロントシュラウドは、前記穴部の内径が前記インペラ基部の外径よりも大きく、
前記複数のブレードは、前記リアケーシングに直接対向し、
前記ロータ本体の内周側と前記リアケーシングとの間には、内周側隙間が設けられ、
前記ロータ本体の外周側と前記リアケーシングとの間には、前記フロントシュラウドと前記リアケーシングとの間の空間と連通する外周側隙間が設けられ、
前記ロータ本体の軸方向の他端側と前記リアケーシングの底面との間には、前記内周側隙間と前記外周側隙間とを連通する筒状空間が設けられ、
前記インペラ基部は、内側空間が前記内周側隙間に連通する円筒状に形成され、前記ブレード支持面の近傍位置に内周部と外周部とを前記径方向に放射状に連通させて前記内周部から前記外周部へと移送流体を流す複数の横穴部を有する
ことを特徴とするポンプ。

【請求項7】

前記フロントシュラウドの穴部の内径は、前記インペラ基部の外径の１１０％～１３５％である
ことを特徴とする請求項６記載のポンプ。

【請求項8】

前記インペラ基部は、前記ブレード支持面側の外周縁部にＲ面を有する
ことを特徴とする請求項６又は７記載のポンプ。

【請求項9】

前記複数のブレードは、前記フロントシュラウドの前記穴部の内側に配置された部分の、前記ブレード支持面と反対側の面に、前記回転方向に向くように傾斜する第１のテーパ部を有する
ことを特徴とする請求項６～８のいずれか１項記載のポンプ。

【請求項10】

前記複数のブレードは、前記ブレード支持面側の面に、前記回転方向と反対側に向くように傾斜する第２のテーパ部を有する
ことを特徴とする請求項６～９のいずれか１項記載のポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、インペラ及びこれを備えたポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

ポンプ装置のインペラが設けられたロータの荷重等を磁気力により非接触で支持する磁気軸受と、ロータを磁気力により駆動する駆動部と、を備えたポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。このポンプは、ロータの外周に軸受磁石を設け、軸受磁石に対向するハウジングの内周位置にステータ部材としての磁気コアを配置して磁気軸受を構成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００６－２２６３９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記特許文献１に開示された従来技術のポンプは、機械的な軸受ではなく磁気軸受を採用しているため、ロータが非接触状態で磁気浮上により支持されている。このため、ポンプの負荷や移送流体の種類によっては軸受機構が流体の影響を直接受けることとなり、インペラがアキシャル方向（軸方向）にずれたり（アキシャルスラスト）、ラジアル方向（径方向）に傾いたり（ラジアルスラスト）して、インペラと共にロータが破損したり、いわゆる脱調が生じたりするおそれがある。

【0005】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、アキシャルスラストやラジアルスラストを低減することができるインペラ及びこれを備えた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】

本発明に係るインペラは、円筒状のロータ本体の軸方向の一端側に設けられ、前記ロータ本体と共にロータを構成するインペラであって、前記ロータ本体の軸方向の一端側に設けられたブレード支持面を有するインペラ基部と、前記インペラ基部の前記ブレード支持面に、前記ブレード支持面の径方向の内側から外側にかけて前記ロータの回転方向と逆向きに曲線状に延出するように設けられた複数のブレードと、前記複数のブレードの前記インペラ基部とは前記軸方向の反対側に設けられ、前記複数のブレードの外周側の部分を覆うと共に、中央に前記複数のブレードの内周側の部分が露出する穴部が形成された円環板状のフロントシュラウドと、を備え、前記フロントシュラウドは、前記穴部の内径が前記インペラ基部の外径よりも大きいことを特徴とする。

【0007】

本発明に係るポンプは、円筒状のロータ本体、及びこのロータ本体の軸方向の一端側に設けられたインペラを含むロータと、前記ロータを磁気力によって支持する磁気軸受と、前記ロータを回転駆動する駆動機構と、前記インペラを含むポンプ機構と、を備えたポンプであって、前記ポンプ機構は、前記ロータ本体を収容する収容空間を形成するリアケーシングと、前記インペラを収容する収容空間を形成するフロントケーシングと、を有するケーシングを備え、前記インペラは、前記ロータ本体の軸方向の一端側に設けられブレード支持面を有するインペラ基部と、前記インペラ基部の前記ブレード支持面に、前記ブレード支持面の径方向の内側から外側にかけて前記ロータの回転方向と逆向きに曲線状に延出するように設けられた複数のブレードと、前記複数のブレードの前記インペラ基部とは前記軸方向の反対側に設けられ、前記複数のブレードの外周側の部分を覆うと共に、中央に前記複数のブレードの内周側の部分が露出する穴部が形成された円環板状のフロントシュラウドと、を備え、前記フロントシュラウドは、前記穴部の内径が前記インペラ基部の外径よりも大きいことを特徴とする。

【0008】

本発明の一実施形態において、前記フロントシュラウドの穴部の内径は、前記インペラ基部の外径の１１０％～１３５％である。

【0009】

本発明の他の実施形態において、前記インペラ基部は、前記ブレード支持面側の外周縁部にＲ面を有する。

【0010】

本発明の更に他の実施形態において、前記複数のブレードは、前記フロントシュラウドの前記穴部の内側に配置された部分の、前記ブレード支持面と反対側の面に、前記回転方向に向くように傾斜する第１のテーパ部を有する。

【0011】

本発明の更に他の実施形態において、前記複数のブレードは、前記ブレード支持面側の面に、前記回転方向と反対側に向くように傾斜する第２のテーパ部を有する。

【0012】

本発明の更に他の実施形態において、前記インペラ基部は、円筒状に形成され、内周部と外周部とを連通させる複数の横穴部を有する。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、アキシャルスラストやラジアルスラストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一実施形態に係るインペラを備えたポンプの全体構成を、一部を切り欠いて概略的に示す縦断面図である。

【図2】同インペラを含むロータを概略的に示す一部を切り欠いた斜視図である。

【図3】同インペラを概略的に示す上面図である。

【図4】図３のＡ－Ａ´線断面図である。

【図5】図３のＢ－Ｂ´線断面図である。

【図6】同インペラを概略的に示す背面図である。

【図7】図１の一部拡大縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態に係るインペラ及びこれを備えたポンプを詳細に説明する。ただし、以下の実施の形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。また、以下の実施形態において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を附して重複した説明を省略する。また、実施形態においては、各構成要素の縮尺や寸法が実際のものとは一致しない状態で示されている場合や、一部の構成要素につき省略されて示されている場合がある。

【0016】

図１は、本発明の一実施形態に係るインペラを備えたポンプの全体構成を、一部を切り欠いて概略的に示す縦断面図である。
図１に示すように、本実施形態に係るポンプ１００は、流体移送用のマグネットポンプとして用いられ、ロータ１２０と、このロータ１２０を磁気力により非接触で支持する磁気軸受１１０と、ロータ１２０を回転駆動する磁気カップリング型の駆動機構１３０と、ロータ１２０の軸方向の一端側に取り付けられたインペラ１９０を含むポンプ機構と、を備える。また、ポンプ１００は、少なくともポンプ機構全体を制御する制御部としてのコントローラ２１０を備える。

【0017】

なお、以後の説明では、ロータ１２０の回転軸（Ｚ軸）方向をＺ軸方向（アキシャル方向、Ｚ方向とも呼ぶ。）、ロータ１２０の径方向をＸ軸方向及びＹ軸方向（ラジアル方向、Ｘ方向及びＹ方向とも呼ぶ。）、Ｘ軸回りの回転方向をΘ方向、Ｙ軸回りの回転方向をΦ方向と、それぞれ呼ぶことにする。また、これらΘ方向及びΦ方向における図中矢印で示す回転方向の進行側を＋（プラス）側、反対側を－（マイナス）側とする。また、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに直交するものとする。また、紙面に向かって右側をポンプ１００の前方側、左側を後方側とする。さらに、Ｚ軸方向については、前方側を＋（プラス）側、後方側を－（マイナス）側とする。

【0018】

まず、ポンプ１００の全体構成について説明する。ポンプ１００は、全体が円筒状に形成され、Ｚ軸方向の一方（前方側）にフロントケーシング１４１を有する。フロントケーシング１４１は、内部にインペラ１９０を収容する円形の収容空間からなるポンプ室Ａ１を形成し、前方中央部にポンプ室Ａ１に連通する円筒状の吸込口１５１を有する。また、フロントケーシング１４１は、側面に同じくポンプ室Ａ１に連通する吐出口１５２を有する。

【0019】

フロントケーシング１４１の後端には、例えばＯリング（図示せず）によりシールされた状態でリアケーシング１４２が接続されている。リアケーシング１４２は、フロントケーシング１４１と共にポンプ室Ａ１を含む密閉空間Ａを形成する。また、リアケーシング１４２は、後方に突出した円筒状空間（収容空間）Ａ２を形成する。

【0020】

リアケーシング１４２の後方側のラジアル方向の外側（外周側）は、円筒状のハウジング１４３により覆われている。ハウジング１４３の後方側には、その後方側にリアカバー１５４が取り付けられたモータハウジング１３４ａが接続されており、これらの下部には、ポンプ１００を支持するポンプベース１５３が設けられている。

【0021】

密閉空間Ａには、ロータ１２０が浮上（非接触支持）可能な状態で収容される。ロータ１２０は、例えば全体が樹脂材料等の非磁性体で形成され、Ｚ軸方向の一端である前方側に設けられたインペラ１９０と、Ｚ軸方向の他端である後方側に設けられたロータ本体としての環状の軸受／従動部１２１と、を一体に形成してなる。なお、インペラ１９０の詳細については後述する。また、ロータ１２０の軸受／従動部１２１を最初に作製し、この軸受／従動部１２１に対してインペラ１９０を二次成形により作製するようにしたり、インペラ１９０及び軸受／従動部１２１の双方に螺合可能なねじ機構を設け、着脱可能且つ一体的に構成可能な構造を採用することで、一体に形成しても良い。ロータ１２０のインペラ１９０は、フロントケーシング１４１の内部のポンプ室Ａ１に収容され、このポンプ室Ａ１と共にポンプ機構を構成する。

【0022】

一方、リアケーシング１４２は、その中央部から後方に突出した円筒突出部を有し、ロータ１２０の軸受／従動部１２１は、円筒突出部の内部の円筒状空間Ａ２に収容されている。ハウジング１４３の内側には、鍔付き円筒状のステータベース１４４が設けられている。ステータベース１４４は、リアケーシング１４２との間で、後述する磁気軸受１１０の軸受ステータ１１２を支持する。

【0023】

ロータ１２０の軸受／従動部１２１の外周側には、ロータ１２０を磁気力によって支持する磁気軸受１１０が設けられている。また、ロータ１２０の軸受／従動部１２１の内周側には、ロータ１２０を駆動する駆動機構１３０が設けられている。

【0024】

磁気軸受１１０は、ロータ１２０の軸受／従動部１２１の外周側に装着された環状の磁性材料からなる軸受ロータ部材１１１と、この軸受ロータ部材１１１のラジアル方向の外側に、例えば軸受ロータ部材１１１と所定の間隔を介して配置された軸受ステータ１１２と、を有する。

【0025】

軸受ロータ部材１１１は、例えば、円環状に成形されたネオジム磁石からなる軸受マグネット１１３と、この軸受マグネット１１３と同心で、軸受マグネット１１３のアキシャル方向（Ｚ軸方向）の両端面をアキシャル方向に挟み込むように配置された円環状の電磁軟鉄からなる一対のヨーク１１４，１１５と、を有する。

【0026】

軸受マグネット１１３は、例えばアキシャル方向にＮ極及びＳ極が対向し、且つ周方向全周に亘って同極となるように着磁されている。なお、軸受マグネット１１３は、軸受ロータ部材１１１及び軸受ステータ１１２の後述する軸受ステータコア１１７で形成される磁気回路に図示しないバイアス磁束を供給する。

【0027】

一方、軸受ステータ１１２は、例えば軸受ロータ部材１１１の周方向の４箇所に９０°の角度を介して複数配置されている。これら軸受ステータ１１２のうちの、例えばＸ軸方向に対向する一対の軸受ステータ１１２は、コントローラ２１０の制御によって、ロータ１２０のＸ軸方向の位置及びΦ方向の角度を制御し、Ｙ軸方向に対向する一対の軸受ステータ１１２は、ロータ１２０のＹ軸方向の位置及びΘ方向の角度を制御する。また、これらの軸受ステータ１１２は、ロータ１２０のＺ軸方向の高さを制御する。

【0028】

なお、ステータベース１４４には、軸受ロータ部材１１１のラジアル方向及び各回転方向の変位を検出可能な変位センサ（図示せず）が、軸受ステータ１１２とそれぞれ４５°の角度をなす（すなわち、Ｘ軸方向及びＹ軸方向とそれぞれ４５°の角度で交差する）ように、複数（例えば、ここでは４つ）配置されている。

【0029】

これら変位センサとしては、例えば渦電流式のセンサが挙げられるが、これに限定されるものではなく、種々のセンサを採用し得る。また、軸受ステータ１１２の数は、上記の数に限定されるものではなく、６個、８個、１０個、１２個、１６個等、種々の形態を採用し得る。その他、変位センサには、図示は省略するが、上記変位センサと共に、例えばステータベース１４４等に、軸受／従動部１２１とアキシャル方向に対向するように設けられ、軸受ロータ部材１１１等のアキシャル方向及び回転方向の変位を検出可能な種々のセンサも含まれる。なお、変位センサ等の配置態様や数は、これに限定されず、種々の形態を採用し得る。

【0030】

本実施形態のポンプ１００の場合、ロータ１２０の一方（前方側）にインペラ１９０が配置されているので、ロータ１２０がＺ軸に対して傾斜する場合、Ｚ軸上のインペラ１９０に近い位置を回転中心としてロータ１２０が傾斜する。このため、変位センサを、図示は省略するが、例えばインペラ１９０から離れた位置、好ましくは、軸受／従動部１２１のＺ軸方向の中央の位置に配置しておけば、この変位センサによって、ロータ１２０のＸ軸方向の位置及びΦ方向の角度、Ｙ軸方向の位置及びΘ方向の角度を検知可能であるため、回転軸の傾きについても、二軸制御によって十分にコントロールすることが可能となる。

【0031】

軸受ステータ１１２は、例えば積層電磁鋼板等の磁性材料からなる軸受ステータコア１１７と、軸受ステータコア１１７に巻回された軸受コイル１１８と、を有する。軸受ステータコア１１７の縦断面形状は、例えば軸受ロータ部材１１１側を開放端とするほぼＣ字型（コの字型）となっている。

【0032】

具体的には、軸受ステータコア１１７は、その縦断面形状が、例えば軸受ロータ部材１１１との対向方向（径方向）と直交するＺ軸方向に延び、軸受コイル１１８が巻回される第１部分と、この第１部分のＺ軸方向の両端部から軸受ロータ部材１１１側に延びた後、Ｚ軸方向に互いに近づく向きに延びる一対の第２部分と、この一対の第２部分の各先端部から軸受ロータ部材１１１側に向けて延びる一対の第３部分と、を含んだ形状となっている。換言すると、軸受ステータコア１１７は、縦断面形状において、軸受コイル１１８が巻回される第１部分のＺ軸方向の両端から、軸受ロータ部材１１１に向かって本来は直線状に延びるはずのＣ字形状の開放端部分に、一対のカギ型形状部分を有し、開放端側の部分を互いに近づけた形状を有していると言える。

【0033】

このような形状であると、図示のように、軸受コイル１１８のＺ軸方向の長さを、軸受ステータコア１１７の開放端側の一対の第３部分のＺ軸方向の対向面間の距離よりも大きくすることが可能である。すなわち、軸受コイル１１８の巻回部分のＺ軸方向の長さよりも、開放端の先端間の距離を小さくすることができる。また、軸受ステータコア１１７の開放端側の幅、すなわち一対の第３部分のＺ軸方向の対向面と反対側の面間の距離は、軸受ステータコア１１７の本来のＺ軸方向の長さよりも小さく、軸受ロータ部材１１１のＺ軸方向の長さとほぼ等しい大きさである。

【0034】

駆動機構１３０は、ロータ１２０の軸受／従動部１２１の内周側に装着された環状の従動部材としての従動マグネット１３１と、この従動マグネット１３１のラジアル方向の内側に、例えば従動マグネット１３１と所定の間隔を介して配置された駆動部としての駆動マグネット１３２と、を有する。

【0035】

また、駆動機構１３０は、この駆動マグネット１３２を先端部に装着し軸受１３５によって回転可能に支持されたモータ軸１３３と、このモータ軸１３３を回転駆動する駆動モータ１３４とを有する。本実施形態では、従動マグネット１３１及び駆動マグネット１３２が、例えば、ラジアル方向２極又は４極に着磁したネオジム磁石から構成されている。また、本実施形態では、駆動マグネット１３２とモータ軸１３３とがほぼ同径として示されているが、両者は必ずしも同径でなくても良い。

【0036】

コントローラ２１０は、上述した変位センサを含む各種センサからの検知信号に基づいて、ロータ１２０の各方向及び各回転方向の変位を検知し、これに応じて磁気軸受１１０の軸受ステータ１１２の軸受コイル１１８に流れる電流を細かく制御する。これにより、ロータ１２０のＸ軸方向の位置及びΦ方向の角度、Ｙ軸方向の位置及びΘ方向の角度、並びにＺ軸方向の高さをリアルタイムに制御して、回転位置補正を行う。

【0037】

コントローラ２１０は、例えば磁気軸受１１０の軸受コイル１１８を駆動するＭＯＳ－ＦＥＴ等を具備したドライバ基板２１１、磁気軸受１１０及び駆動機構１３０の動作を制御するＣＰＵ基板２１２、及び各種センサからの信号を処理すると共に、図示しない磁気エンコーダ等を制御するエンコーダ基板２１３を含んでいる。

【0038】

なお、コントローラ２１０は、ステータベース１４４の後方側に配置されている。コントローラ２１０の後方側の駆動モータ１３４のモータ軸１３３には、回転羽根としての冷却ファン１６９が取り付けられている。これらコントローラ２１０及び冷却ファン１６９は、ハウジング１４３の内部に配置されている。

【0039】

次に、ポンプ１００のロータ１２０のインペラ１９０について説明する。
図２は、インペラ１９０を含むロータ１２０を概略的に示す一部切り欠いた斜視図、図３は、インペラ１９０を概略的に示す上面図、図４は図３のＡ－Ａ´線断面図、図５は図３のＢ－Ｂ´線断面図、図６はインペラ１９０を概略的に示す背面図である。
ロータ１２０のインペラ１９０は、インペラ基部１９１と、複数のブレード１９２と、フロントシュラウド１９３と、を備えて構成されている。

【0040】

インペラ基部１９１は、ロータ本体としての軸受／従動部１２１に一体的に接続され得る樹脂材料等の非磁性体からなる薄型の鍔付き円筒状部材である。インペラ基部１９１は、図示のように、ねじ部１９１ａ，１２１ａにより、軸受／従動部１２１に着脱自在に取り付けるようにしても良いし、軸受／従動部１２１に二次成形等により一体的に取り付けられる構成であっても良い。

【0041】

インペラ基部１９１は、フロントシュラウド１９３側に円環状のブレード支持面１９１ｂを有する。複数のブレード１９２は、インペラ基部１９１のブレード支持面１９１ｂの径方向の内側から外側にかけて、図２、図３及び図６に矢印で示すロータ１２０の回転方向と逆向きに曲線状に延出するように、例えばここでは５つ設けられている。そして、これら複数のブレード１９２のインペラ基部１９１とはＺ軸方向の反対側の表側（前方側）に、円環板状のフロントシュラウド（前方側板）１９３が設けられている。

【0042】

フロントシュラウド１９３は、複数のブレード１９２の外周側の部分を前方側から覆うと共に、中央部に円形のセンターホール（穴部）１９３ａを有する。複数のブレード１９２の内周側の部分は、センターホール１９３ａから露出している。センターホール１９３ａの内径Ｄ２は、インペラ基部１９１の外径Ｔ２よりも大きい。これは、ポンプ１００の吸込口１５１から吸入され、センターホール１９３ａを通過してリアケーシング１４２側へ移動する移送流体の流路面積を確保するためである。なお、この流路面積を更に確保するために、インペラ基部１９１は、図４に示すように、ブレード支持面１９１ｂの外周縁部にＲ面１９１ｃを有している。

【0043】

複数のブレード１９２は、センターホール１９３ａの内側に配置された部位の表面に、回転方向に向かうように傾斜した第１のテーパ部１９４を有する（図５参照）。また、複数のブレード１９２は、フロントシュラウド１９３の裏側（後方側）に配置された部位の背面に、回転方向と反対側に向かうように傾斜する第２のテーパ部１９５を有する（図５参照）。

【0044】

第１のテーパ部１９４は、換言すると、ブレード１９２のセンターホール１９３ａから露出する部位の表側の回転方向上流側の端部１９２ａから、回転方向に向けて斜めに下降するテーパ面により構成されている。第２のテーパ部１９５は、換言すると、ブレード１９２のフロントシュラウド１９３の裏側に形成された部位の裏側の回転方向下流側の端部１９２ｂから、回転方向と反対方向に向けて斜めに上昇するテーパ面により構成されている。

【0045】

なお、図４に示すように、インペラ基部１９１には、軸受／従動部１２１と接続された際に、ロータ１２０の内側空間（軸受／従動部１２１の内側空間Ａ３：図４参照）と、フロントケーシング１４１の収容空間（ポンプ室Ａ１）とを連通させる複数のサイドホール（横穴部）１９１ｄが形成されている。これらサイドホール１９１ｄは、円形、楕円形又は扁平楕円形等の穴形状を有し、ロータ１２０の回転軸中心からラジアル方向（径方向）に放射状にインペラ基部１９１を貫通するように、例えばここでは４つ設けられている。

【0046】

次に、このように構成されたインペラ１９０を有するポンプ１００の作用について説明する。
ロータが磁気軸受によって支持されるポンプの場合、ロータの機械的な移動規制が困難なので、ロータのアキシャル方向の移動や傾きなどの問題が発生する。本実施形態のポンプ１００のように、吸込口１５１がポンプ室Ａ１の前方にある場合、移送流体の吸込によって、ポンプ室Ａ１の吸込口１５１側の圧力が低下する。インペラ１９０が、フロントシュラウド１９３の無いオープン型であると、ロータ１２０はアキシャル方向の＋側（前方側）に大きく移動すると共に、ラジアル方向にも傾きが発生する。また、ブレード１９２の両側にシュラウドを設けたクローズドタイプ、ブレード１９２の背面側にリアシュラウドを設けたセミオープン型の場合も、ロータ１２０は、アキシャル方向の＋側に移動する。

【0047】

この点、本実施形態のポンプ１００によれば、インペラ１９０として、ブレード１９２の前方に環状のフロントシュラウド１９３を設けたセミオープン形式を採用しているので、フロントシュラウド１９３の裏面側で発生する移送流体の流速増加による圧力低下で、ロータ１２０がリアケーシング１４２側へ移動しようとする力が発生する。このため、この力が、吸込口１５１側での圧力低下による前方への移動力とバランスし、ロータ１２０のアキシャル方向への移動を防止することができる。また、フロントシュラウド１９３の回転時の慣性作用により、ロータ１２０の傾きを防止することができる。

【0048】

ここで、フロントシュラウド１９３のセンターホール１９３ａの内径Ｄ２が、インペラ基部１９１の外径Ｔ２よりも小さいと、ポンプ１００の吸込口１５１からリアケーシング１４２側に移送する移送流体の流路断面積が確保できないので、吸込口１５１側での圧力が低下せず、ロータ１２０のアキシャル方向の－側（後方側）への移動量が大きくなりすぎ、ロータ１２０がリアケーシング１４２に接触する可能性がある。

【0049】

一方、フロントシュラウド１９３のセンターホール１９３ａの内径Ｄ２が、インペラ基部１９１の外径Ｔ２よりも極端に大きいと、フロントシュラウド１９３の裏面側での減圧効果が十分に得られず、ロータ１２０のリアケーシング１４２側への移動及び傾き防止機能が低下してしまう。

【0050】

この点に関する本発明者等の実験によれば、フロントシュラウド１９３は、センターホール１９３ａの内径Ｄ２が、軸受／従動部１２１の外径Ｔ２の１１０％以上１３５％以下、好ましくは１１３％以上１２０％以下となるように形成されていることが望ましいことが分かった。

【0051】

また、フロントシュラウド１９３の裏面側での減圧効果は、フロントシュラウド１９３の外径Ｄ１によっても変化する。本発明者等の実験によれば、フロントシュラウド１９３の外径Ｄ１が小さい程、ロータ１２０の傾きが大きくなることが分かった。これは、吐出口１５２付近で移送流体の流速が最も高くなり、圧力が最も低下することに起因しているものと思われる。フロントシュラウド１９３の外径Ｄ１がポンプ室Ａ１に対して十分に大きくないと、吐出口１５２近傍の圧力とのバランスをとることが難しいからである。本発明者等の実験によれば、フロントシュラウド１９３は、その外径（インペラ１９０の外径）Ｄ１が、フロントケーシング１４１の収容空間（ポンプ室Ａ１）の内径Ｔ１の８５％以上１００％未満、好ましくは９０％以上９４％以下となるように形成することが望ましいことが分かった。

【0052】

なお、ロータ１２０のアキシャル方向への移動は、ブレード１９２に形成された第１のテーパ部１９４及び／又は第２のテーパ部１９５の角度を調整することによっても調整可能である。すなわち、第１のテーパ部１９４及び／又は第２のテーパ部１９５が、図５に示すように、回転方向に対して傾斜角度η１，η２でそれぞれ傾斜していると、インペラ１９０に対するリアケーシング１４２側への推進力が発生するので、ロータ１２０は、アキシャル方向の－側に移動する。本発明者等の実験によれば、第１のテーパ部１９４は、例えばフロントシュラウド１９３の表面（水平面）に対して、傾斜角度η１が１５°～３０°の範囲となるように形成されていることが望ましい。また、第２のテーパ部１９５は、例えばフロントシュラウド１９３の裏面（水平面）に対して、傾斜角度η２が１５°～３０°の範囲となるように形成されていることが望ましい。但し、ロータ１２０のアキシャル方向への微調整が不要な場合には、第１のテーパ部１９４及び／又は第２のテーパ部１９５は、設けなくても良い。

【0053】

また、インペラ１９０の裏面側に当たるインペラ基部１９１の側方に貫通するサイドホール１９１ｄを設けると、フロントケーシング１４１側（アキシャル方向＋側）へのインペラ１９０の移動を抑制する効果がある。すなわち、インペラ１９０で生み出した移送流体の流れは、吐出口１５２から吐出されるのと共に、図７に矢印で示すように、リアケーシング１４２と軸受／従動部１２１との間の隙間（円筒状空間（収容空間）Ａ２を含む）にも発生する。

【0054】

ポンプ室Ａ１からリアケーシング１４２側に回った移送流体の流れは、円筒状空間Ａ２の軸受／従動部１２１の外周側を通って回り込み、軸受／従動部１２１の内側空間Ａ３を通ってインペラ１９０の裏面側に設けられたサイドホール１９１ｄから勢い良く引き抜かれることにより、インペラ１９０の背面側（後方側）のロータ１２０の圧力を下げる効果を生み出す。この背面側においては、その受圧面積にリアケーシング１４２底面（円筒状空間Ａ２の底面）付近の内圧を乗じた値の力が、インペラ１９０をフロントケーシング１４１側（アキシャル方向＋側）へ移動させる力となる。このため、サイドホール１９１ｄによってインペラ１９０の背面側の圧力を下げることにより、アキシャル方向＋側への移動量を抑えることが可能である。

【0055】

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【0056】

例えば、上記の実施形態では、インペラ１９０のサイドホール１９１ｄを円形、楕円形又は扁平楕円形の形状で４つとし、ブレード１９２を５つとしたが、これらの数や形状、配置態様等は、移送流体の種類やポンプ１００の設計性能等により、種々の形態を取り得るので、上記の数や形状、配置態様に限定されるものではない。また、上記実施形態では、磁気軸受により支持されるロータ１２０のインペラ１９０を例に説明したが、機械的な軸受によって支持されるロータにも適用可能である。この場合でも、アキシャル方向及び傾きなどの不要な荷重が発生しないという効果がある。

【符号の説明】

【0057】

１００ ポンプ
１１０ 磁気軸受
１２０ ロータ
１２１ 軸受／従動部（ロータ本体）
１３０ 駆動機構
１９０ インペラ
１９１ インペラ基部
１９１ｂ ブレード支持面
１９１ｄ サイドホール
１９２ ブレード
１９３ フロントシュラウド
１９３ａ センターホール
１９４ 第１のテーパ部
１９５ 第２のテーパ部
２１０ コントローラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】