JP7621075B2 - 遠心ポンプとポンプハウジング - Google Patents

Description

本発明は、それぞれのカテゴリにおける独立特許請求項にプリアンブルに記載された、流体を搬送するための遠心ポンプ及びポンプハウジングに関する。

ベアリングレスモータの原理に基づいて設計され、動作する電磁回転駆動装置を備えた遠心ポンプが知られている。ここで、「ベアリングレスモータ」という用語は、ステータに対してロータを完全に磁気的に浮上させる電磁回転駆動装置を指し、これには、別体の磁気軸受が設けられていない。このため、ステータは、電気駆動用のステータ及び磁気浮上用のステータの両方を兼ねた、軸受兼駆動ステータとして設計されている。ステータの電気巻線により、ロータを回転させるトルクをロータに作用させる一方で、ロータの径方向位置を能動的に制御又は調節できるように、任意に設定可能なせん断力をロータに作用させる回転磁場を生成することができる。このように、ロータの３つの自由度、具体的には、その回転及び径方向位置（２つの自由度）を能動的に調節できる。ロータは、更に３つの自由度、具体的には、その軸方向における位置、及び所望の回転軸に対して垂直な径方向平面に対する傾き（２つの自由度）に関しては、磁気抵抗力によって受動的に磁気浮上又は安定化される、即ち、制御することができない。ベアリングレスモータは、別体の磁気軸受を設けずにロータを完全に磁気的に浮上させるという特徴が、その名前の由来になっている。

ベアリングレスモータは、現在では当業者に十分に周知であり、多くの異なる用途に使用されている。例えば、特許文献１及び特許文献２からは、基本的な説明が得られる。

欧州特許公開第０８６００４６号 欧州特許公開第０８１９３３０号

ベアリングレスモータの原理に基づいて設計された遠心ポンプは、幅広い用途において、その能力が発揮されている。

ベアリングレスモータを有する遠心ポンプは、機械的な軸受がないことから、例えば血液ポンプ等の非常にセンシティブな物質を搬送する用途や、例えば製薬産業やバイオテクノロジー産業等の非常に高い純度が要求される用途、例えば半導体産業におけるスラリや酸性流体用のポンプ等の、機械軸受を極めて短時間で破壊し得る、研磨性又は浸食性物質を搬送する用途に特に適している。

ベアリングレスモータの原理には、電磁駆動装置のロータ及び遠心ポンプのロータの両方を兼ねた、一体化されたロータであるロータの設計に起因して、更なる利点がある。この利点とは、非接触の磁気浮上に加えて、非常にコンパクト且つ省スペースな構成である。

加えて、ベアリングレスモータの原理により、ロータ又は内部にロータが配置されたポンプハウジングをステータから非常に容易に分離可能な遠心ポンプの設計が可能になる。これは、ポンプハウジングを、例えば、使い捨ての用途における使い捨て部品として設計可能であるため、非常に大きな利点である。今日、このような使い捨ての用途は、これまで、非常に高い純度が要求されることから、処理中に取り扱われる流体と接触する全ての部品を、例えば蒸気消毒などの複雑な方法で洗浄・消毒しなければならなかった処理に取って代わることが多くなっている。使い捨て用の設計の場合、取り扱われる流体に接触する部品は、一度のみ使用され、その後、次の用途において新品、即ち、未使用の使い捨て部品に取り換えられる。

遠心ポンプにベアリングレスモータが首尾よく適用されているこれら全ての用途では、基本的に、ベアリングレスモータを、インナーロータ、即ち、内部に配置されたロータとその周囲に配置されたステータ、又はアウターロータ、即ち、内部に配置されたステータとその周囲に配置されたロータとして設計することが可能である。しかし、どちらの設計でも、用途によっては、ロータの軸方向の変位や径方向平面に対する傾きに対する受動的な磁気的安定化が限界に達しする場合や、遠心ポンプの安全且つ問題のない動作を保証するには十分でない場合があることが分かっている。

したがって、本発明は、この技術水準から、非接触で磁気的に駆動可能であり且つ非接触で磁気浮上可能であるロータを備えた電磁回転駆動装置を有し、ロータの受動的な磁気的安定化、特に軸方向の変位に対する受動的な磁気的安定化を向上させた遠心ポンプを提案することを目的とする。加えて、本発明は、このような遠心ポンプ用のポンプハウジングを提案することを目的とする。

上記の問題を解決する本発明の目的は、それぞれのカテゴリにおける独立請求項の特徴点を特徴とする。

これにより、本発明によれば、流体を搬送するために内部にロータが設けられたポンプハウジングを有し、且つ、ロータと共に、軸方向回りにロータを回転させるための電磁回転駆動装置を形成するステータを有する、流体を搬送するための遠心ポンプが提案される。ステータは、ロータを非接触で磁気的に駆動可能であり、且つ、ロータをステータに対して非接触で磁気的に浮上可能な軸受兼駆動ステータとして設計され、ロータは、軸方向においては受動的に磁気浮上させられ、軸方向に対して垂直な径方向平面内では能動的に磁気浮上させられ、ポンプハウジングは、底部及びカバーを備え、ロータは、ポンプハウジング内において、軸方向における底部とカバーとの間に配置され、底部及び／又はカバーに、少なくとも１つの凹部が設けられており、該凹部が、局所的な乱流を発生させるように設計されている。

本発明は、特にロータに対して軸方向に作用する力を低減できるように、ポンプハウジング内の少なくとも１つの凹部が、ポンプハウジング内の流れの状態に影響を与えることができるという知見に基づいている。この低減によって、ロータの軸方向における磁気的浮上が軽減されて、ロータの受動的な磁気的安定化の大幅に向上につながる。また、軸方向に垂直な径方向平面に対するロータの傾きに対する受動的な磁気的安定化が、少なくとも１つの凹部によって大幅に向上することが分かった。局所的な乱流を発生させることにより、ロータの周囲における流れの挙動に意図した変化が生じるため、ロータに作用する力、特に軸方向に作用する力が減少する。

本発明においては、圧力側から吸引側への逆流を低減する又はこの逆流の速度を低減するための幾何学的な障壁や、圧力補償のために軸方向にロータを完全に貫通して延在する逃がし孔は、基本的に必要ない。少なくとも１つの凹部が、局所的な乱流及び／又は流れの分離をもたらし、これにより、流れに囲まれたロータの表面上の流れの力が減少する。例えば、凹部によって生じた流れの分離に起因する動的揚力の減少により、ロータに作用する力も減少する。

好適な実施形態によれば、ロータは、環状又は円盤状の磁気有効コアと、流体を搬送するための複数の羽根を有するインペラとを備える。これにより、磁性コアがステータと相互に作用してロータを駆動し、非接触で浮上させながら、羽根を有するインペラが流体を搬送する。

遠心ポンプは、ラジアルインペラを用いて設計されていることが好ましい。流体がポンプハウジング内に軸方向に流入可能に設計された流体用の入口が、ポンプハウジングのカバー上に設けられている。更に、ポンプハウジングが、流体がポンプハウジングから径方向に流出可能に設計された流体用の出口を備える。これは、インペラが、軸方向の流れを受け、これに垂直な方向に流体を搬送すること意味する。他の実施形態において、インペラは、半軸流インペラとしても設計可能である。

更に、遠心ポンプの回転駆動装置は、インナーロータの原理に基づいて設計されていることが好ましい。このため、ステータは、例えば、環状に配置された複数のステータポールを有し、内部にロータが配置されたポンプハウジングが、ロータの磁気有効コアがステータのステータポールに囲まれるように、ステータポール間に挿入可能に設計されている。

実際には、ロータが、外径を有し、各凹部が、径方向において、ロータの外径の少なくとも５０分の１である寸法を有すると、有利であることが分かっている。

更に、ロータが、外径を有し、各凹部が、径方向において、最大でロータの外径の半分である寸法を有すると有利である。

更に好適な手段として、ロータは外径を有し、各凹部は、軸方向において、ロータの外径の少なくとも１５０分の１、好ましくは少なくとも１００分の１である深さを有する。

ロータが外径を有し、各凹部が、軸方向において、最大でロータの外径の１０分の１である深さを有することが好ましい。

ロータに作用する力及び傾斜モーメントを求められたように低減する上で、これに影響し得る、用途に合わせて最適化可能な要因がいくつか存在する。これらの要因には、具体的には、凹部の数、凹部の位置、及び凹部の幾何学的寸法、即ち、具体的には径方向における寸法及び軸方向における寸法が含まれる。カバー及び／又は底部に複数の凹部が設けられている場合、勿論、全ての凹部が同じ寸法である必要はない。各凹部が、異なる寸法及び／又は幾何学形状を有することも十分に可能である。

凹部が特定の形状を有することによる影響は大きくない。各凹部は、例えば、正方形又は長方形の輪郭を有するように設計可能である。各凹部は、角錐形、円錐形、円錐台形、環状、又は自由幾何学形状に設計可能である。上記１つの凹部又は複数の凹部は、その位置において流体の流れが渦流になるように表面の状態が局所的に変わるように設計されていればよい。

ただし、製造上の理由から、各凹部は、軸方向に対して垂直な円形の輪郭を有することが好ましい。この場合、例えば、各凹部は、直径が凹部の径方向の寸法となり、長さが凹部の軸方向の深さとなる止め穴として設計される。

好適な実施形態において、少なくとも１つの凹部は、ポンプハウジングのカバー及び底部の両方に設けられている。

更なる好ましい手段として、各凹部は、ポンプハウジングの径方向における外縁領域に配置されている。これは、具体的には、ポンプハウジングのカバーにおける各凹部が、カバーの中心よりも、カバーの径方向の外縁の近傍にあり、ポンプハウジングの底部における各凹部が、底部の中心よりも、底部の径方向の外縁の近傍にあることを意味する。

ポンプハウジングは、プラスチック又は金属材料で構成されていることが好ましい。

インペラも、プラスチック又は金属材料で構成されていることが好ましい。

更なる有利な手段として、ロータは、ロータの磁気有効コアが流体に接触しないように、磁気有効コアを完全に包み込むジャケットを有する。ジャケットは、プラスチックで構成されることが好ましいが、金属材料で構成することも可能である。

ポンプハウジング、インペラ、及びジャケットは、同一のプラスチック又は金属材料で構成可能であり、異なるプラスチック又は金属材料でも構成可能である。勿論、プラスチックや金属材料を組み合わせることも可能であり、例えば、ロータのジャケットをプラスチックで構成し、ポンプハウジングを金属材料で構成することが可能である。

３つの自由度（軸方向の変位、径方向平面に対する傾斜）に対するロータの受動的な磁気的安定化または浮上を更に緩和して、これら３つの自由度に対するロータの安定化を更に向上させるために、更なる手段が可能である。網羅的ではないが、これらを挙げる。

ロータは、インペラの羽根の入口に対向する側を覆うカバープレートを有してもよく、カバープレートには、中央に配置された開口が設けられており、流体は、これを通してインペラに流れ込むことができる。

ロータの磁気有効コアは、磁気有効コア及び任意のジャケットを完全に貫通して軸方向に延在する中央孔を有することができる。

ロータは、１つのバランスホール又は複数のバランスホールを備えてもよく、各バランスホールは、ロータの磁気有効コア及び任意のジャケットを完全に貫通して軸方向に延在する。各バランスホールは、分散して配置されることが好ましい、即ち、ロータの中心以外に配置されることが好ましい。

複数のバランスホールが設けられる場合、バランスホールは、中央孔の周囲又はロータの中心の周囲において、円形の線上に配置されることが好ましい。最大で又は丁度８つのバランスホールが設けられていることが好ましく、これらは、ロータの中央孔の周囲又はロータの中心の周囲において等距離で配置されていることが好ましい。

各バランスホールは、中央孔の直径よりも小さい直径を有していることが好ましい。

入口に対して反対側を向いているロータの軸方向の端面には、複数の後側羽根が設けられていてもよい。動作状態において、これらの後側羽根は、ポンプハウジングの底部に対向している。

後側羽根は、例えば、ロータのジャケットに凹みを設けて、各後側羽根を隣接する２つの凹みの間に形成することで実現可能である。

更に、後側羽根を隆起として設計することが可能である。この場合、例えば、インペラに類似した構造体を作り、これをロータの軸方向端面に取り付けることで、後側羽根がポンプハウジングの底部に対向することになる。勿論、各後側羽根を個別に製造し、ロータの軸方向端面に取り付けることも可能である。

各後側羽根は、径方向に延在していることが好ましい。好ましくは、各後側羽根は、ロータの軸方向端面における径方向の外縁から径方向内側に向かって延在する。各後側羽根は、軸方向端面の中心又は中央孔まで延在可能であり、又は、各後側羽根は、軸方向端面の半径よりも小さい径方向長さ、例えば、その半分の径方向長さを有する。

出口は、出口接続部として設計されていることが好ましい。出口接続部は、軸方向に対して垂直に延在していることが好ましい。出口接続部は、流体が出口接続部に入る入口面と、流体が出口接続部から出る出口面と、を有することが好ましい。入口面は、出口面よりも小さいことが好ましい。

出口接続部は、その外径が円筒状に設計されていることが好ましい。円筒状の設計では、出口接続部が中心軸を有し、該中心軸が、ポンプハウジングのカバーよりもロータの磁気有効コアの近傍となるように、出口接続部が軸方向に対して配置されていることが好ましい。

ポンプハウジングの入口を入口接続部として設計することも可能である。入口接続部は、軸方向に延在していることが好ましい。入口接続部は、流体が入口接続部に入る入口面と、流体が入口接続部から出て、インペラへ向かって流れる出口面と、を有することが好ましい。入口面は、出口面よりも大きいことが好ましい。更に、入口接続部は、軸方向に対して垂直な流れの断面が、入口面よりも小さく且つ出口面よりも小さいくびれ領域を有していることが好ましい。

別の有利な手段として、インペラ上に環状又は円盤状の圧力プレートが設けられ、軸方向に対して垂直に配設されている。圧力プレートは、軸方向において、磁気有効コアと、ポンプハウジングのカバーに対向するインペラの端部との間に配置されて、インペラの羽根間に延在している。ロータがカバープレートを有する場合、圧力プレートは、軸方向において、磁気有効コアとカバープレートとの間に配置される。圧力プレートは、全ての羽根間に延在する。

圧力プレートは、径方向においてロータを中心に配置され、好ましくは、最長で各羽根における径方向の外端まで径方向に延在する。しかし、圧力プレートは、その直径がインペラの直径よりも大幅に小さくなるように、径方向において設計することも可能である。

ロータが１つのバランスホール又は複数のバランスホールを有する場合、圧力プレートは、少なくとも全てのバランスホールを覆うように、径方向の寸法が設定されることが好ましい。

ロータの受動的な磁気的安定化に対しては、ロータの磁気有効コアの直径が、ロータの磁気有効コアの軸方向における寸法である高さの２．６倍より大きいと、特に有利である。したがって、ｄをロータの磁気有効コアの直径、ＨＲを磁気有効コアの軸方向における高さとすると、ｄ＞２．６×ＨＲという条件を満たすと有利である。

上述した手段は、例えば、それぞれ個別に設けることができ、また、複数の手段を組み合わせることもでき、例えば、全ての手段を組み合わせることができる。

更に、本発明によって、流体を搬送するために内部にロータが設けられたポンプハウジングであって、本発明に係る遠心ポンプ用に設計されたポンプハウジングが提案される。

本発明に係るポンプハウジングは、具体的には、使い捨て用の使い捨て部品としても設計可能である。本発明に係る遠心ポンプのステータは、複数回使用するために、再使用可能な装置として設計されていることが好ましい。

本発明の更なる有利な手段及び実施形態が、従属請求項から得られる。

以下、実施形態に基づき、図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。概略的な図面では、以下を示している（一部は断面図）。

ベアリングレスモータとして設計された電磁回転駆動装置を備える遠心ポンプの実施形態の概略断面図。 本発明に係る遠心ポンプの第１の実施形態の概略断面図。 凹部の拡大断面図。 図２における第１の実施形態のカバーの断面図。 図４におけるカバーをポンプハウジングの底部から見た平面図。 図２における第１の実施形態の収容部の断面図。 図６における収容部をポンプハウジングのカバーから見た平面図。 本発明に係る遠心ポンプの第２の実施形態の概略断面図。 第２の実施形態のロータをポンプハウジングの底部から見た平面図。 ロータの変形例の概略断面図。

まず、図１の断面図を参照して、ベアリングレスモータとして設計された電磁回転駆動装置を備える遠心ポンプの実施形態を説明する。勿論、本実施形態は、本発明に基づいて設計可能である。

遠心ポンプの全体を、参照記号１で示す。流体を搬送するための遠心ポンプ１は、搬送される流体用の入口２１及び出口２２を有するポンプハウジング２を備える。ポンプハウジング２内には、ロータ３が配置されており、ポンプハウジング２の外側に配置されたステータ４と共に、ロータ３を軸方向Ａ回りに回転駆動可能な電磁回転駆動装置を構成している。

電磁回転駆動装置は、インナーロータとして設計されている。即ち、ロータ３がステータ４の内側に配置されて、ステータ４がロータ３を囲っている。ロータ３は、ステータ４に対して非接触で磁気浮上させられている。更に、ロータ３は、ステータ４により、非接触で磁気的に駆動されて、所望の回転軸回りに回転することができる。所望の回転軸は、ロータ３がステータ４に対して中心にあり且つ傾斜していない姿勢となる動作状態において、ロータ３が回転する軸である。この所望の回転軸は、軸方向Ａを定義している。通常、軸方向Ａを定義する所望の回転軸は、ステータ４の中心軸と一致する。

以下では、径方向を、軸方向Ａに対して垂直な方向とする。

ロータ３は、磁気有効コア３１を備えており、これは、円盤状、円筒状、又は環状に設計されている。「磁気有効コア３１」とは、ステータ４と相互に作用することでトルクの生成及び磁気的な軸受力の発生を行うロータ３の部位を指す。磁気有効コア３１は、設計に応じて、１つ又は複数の永久磁石を備えてよい。また、磁気有効コア３１を、永久磁石を用いずに、例えばリラクタンスモータとして設計することもできる。磁気有効コア３１は、少なくとも部分的に強磁性材料、例えば鉄から成る。

磁気有効コア３１は、磁気有効コア３１が搬送される流体と接触しないように、磁気有効コア３１を完全に包み込むジャケット３５が設けられていることが好ましい。ジャケット３５は、プラスチックで構成されていることが好ましいが、金属材料で構成することも可能である。

ロータ３は、入口２１から出口２２へ流体を搬送するための複数の羽根３３を有するインペラ３２を更に備える。インペラ３２は、ジャケット３５上に配置されている。羽根３３を有するインペラ３２は、プラスチックで構成されていることが好ましく、例えば、ジャケット３５と一体的に設計可能である。勿論、個別の製造処理によって各羽根３３又は全羽根３３を製造し、その後、例えば溶接処理によってジャケット３５に接続することも可能である。また、金属材料からインペラを製造することも勿論可能である。

インペラ３２は、軸方向Ａからの流体の流れを受けた後、この流体を径方向に偏向させるラジアルインペラとして設計されることが好ましい。

ステータ４及びロータ３を有する回転駆動装置は、例えば、所謂テンプルモータとして設計されている。

テンプルモータの設計の特徴として、ステータ４は、複数の別個のコイルコア４１、例えば６つのコイルコア４１を備えており、それぞれが棒状の縦脚部４２を備える。縦脚部４２は、第１端部から第２端部まで軸方向Ａに沿って延在し、図１における図示例において下端である第１端部のそれぞれは、リフラックス４５によって互いに接続されている。各コイルコア４１は、横脚部４３を更に備える。横脚部４３は、対応する縦脚部４２の第２端部に配置され、径方向に延在する、即ち、軸方向Ａに対して垂直、従って、対応する縦脚部４２に対して垂直に延在する。各横脚部４３は、径方向内側、即ちロータ３に向かって延在する。このため、各コイルコア４１は、Ｌ字状の設計を有しており、各縦脚部４２が、軸方向Ａに延びるＬの長い線を形成し、ロータ３に向かって縦脚部４２まで垂直に径方向に延在する各横脚部４３が、Ｌの短い線を形成している。

各横脚部４３の径方向内側の端部は、ステータポール４６を形成している。ステータポール４６は、内部にロータ３が配置されたポンプハウジング２の周囲に環状に配置されている。ポンプハウジング２は、ステータ４内、より具体的にはステータポール４６間に挿入可能に設計されている。これにより、ステータポール４６が、ロータ３の磁気有効コア３１を囲う。動作状態では、ロータ３がその所望の位置からずれていない場合、各ステータポール４６と、ロータ３の磁気有効コア３１とは、軸方向Ａにおいて同じ高さに位置している。したがって、動作状態では、ロータ３は、ステータポール４６間において非接触で磁気浮上させられる。

リフラックス４５及びコイルコア４１は、磁束を案内するための磁束案内要素として機能するため、それぞれ柔らかい磁性材料で構成されている。軟らかい磁性材料として、例えば、フェロ磁性又はフェリ磁性材料、巣即ち、特に鉄、ニッケル－鉄、シリコン－鉄等が適している。

全てが軸方向Ａに対して平行に延在し且つロータ３を囲むコイルコア４１の平行な縦脚部４２は、これらの平行な縦脚部４１が寺院の柱に似ていることから、テンプルモータという名称の由来となっている。

ステータ４は、回転電磁場を発生させるための複数の巻線６を更に備えており、これらにより、ロータ３を非接触で磁気的に駆動し、ステータ４に対して非接触で磁気浮上させることができる。巻線６は、例えば６つの個別のコイルとして設計されており、縦脚部４２にコイルがそれぞれ１つずつ設けられている。各コイルは、対応する縦脚部４２の周囲に配置されているため、それぞれのコイル軸が、軸方向Ａに対して平行になっている。例えば、各縦脚部４３は、１つのコイル６１のみを支持する。勿論、各縦脚部４２が複数のコイルを支持する実施形態も可能である。

ロータ３が動作状態において浮上する平面を、径方向平面とも呼ぶ。径方向平面は、ｚ軸が軸方向Ａに延在する直交座標系のｘ－ｙ平面を定義する。

好適な実施形態において、テンプルモータとして設計された電磁回転駆動装置は、ベアリングレスモータの原理に基づいて設計される。これは、遠心ポンプ１の動作中において、ロータ３が非接触で磁気的に駆動可能であり且つステータ４に対して非接触で磁気浮上可能であるという、上述のベアリングレスモータの原理に従って、ロータ３の磁気有効コア３１がステータ４のステータポール４６と相互に作用することを意味する。

ベアリングレスモータの原理は、現在では当業者に十分に周知であるため、機能を詳細に説明する必要はない。ベアリングレスモータの原理は、ロータ３が磁気浮上させられ、ステータ４が、電気駆動用のステータ及び磁気浮上用のステータの両方を兼ねた、軸受兼駆動ステータとして設計されることを意味している。このため、ステータ４は、駆動機能と浮上機能の両方を実現させる巻線６を備えている。巻線６を用いて、回転電磁場を発生させることができる。この回転電磁場により、ロータ３の磁気有効コア３１にトルクが作用して、磁気有効コア３１を軸方向Ａ回りに回転させる一方、ロータ３の磁気有効コア３１に任意に設定可能なせん断力が作用して、その径方向位置、即ち径方向平面内の位置を能動的に制御又は調整することができる。ベアリングレスモータの場合、従来の磁気軸受とは対照的に、磁気浮上及びモータの駆動は、ロータ３の磁気有効コア３１にトルクと設定可能なせん断力を作用させる回転電磁場によって実現される。これに必要な回転場は、異なるコイルを用いて生成可能であり、また、必要な流束を数学的に重畳させて、単一のコイル系、本例では巻線６を用いることでも、回転場を生成可能である。したがって、ベアリングレスモータの場合、ステータ２の巻線６によって生成された電磁束を、ロータ３の駆動のみを行う電磁束と、ロータ３の磁気浮上のみを実現する電磁束とに分けることは不可能である。

ベアリングレスモータの原理では、ロータ３の少なくとも３つの自由度、即ち、その径方向平面内の位置と軸方向Ａ回りの回転を能動的に調整できる。ロータ３の磁気有効コア３１は、軸方向Ａにおける軸方向のずれに関しては、磁気抵抗力によって受動的に磁気的に安定化される、即ち、制御がすることができない。残りの２つの自由度、即ち、所望の回転軸に対して垂直な径方向平面に対する傾きに関しても、ロータ３の磁気有効コア３１は、受動的に磁気的に安定化される。これは、ロータ３が、磁気有効コア３１のステータポール４６との相互作用によって、軸方向Ａおよび傾斜に対して受動的に磁気浮上又は受動的に磁気的に安定化させられ（合計３つの自由度）、径方向平面において能動的に磁気浮上させられる（２つの自由度）ことを意味している。

一般的な慣例と同様に、本発明の範囲内においても、能動的な磁気浮上とは、例えば、巻線６によって生成される回転電磁場によって、能動的に制御又は調整できるものを指す。受動的な磁気浮上や受動的な磁気的安定化は、制御や調整ができないものである。受動的な磁気浮上又は安定化は、例えば、軸方向Ａにおいて変位したとき又は傾いたとき等、ロータ３がその平衡位置からずれたときに、ロータ３を平衡位置に戻す磁気抵抗力に基づくものである。

ロータ３の磁気有効コア３１は、直径ｄを有しており、直径ｄは、磁気有効コア３１の外径を指す。更に、磁気有効コア３１は、高さＨＲを有しており、高さＨＲは、軸方向Ａの寸法である。ロータ３の磁気有効コア３１の直径ｄが、ロータ３の磁気有効コア３１の高さＨＲの２．６倍より大きい場合、即ち、ｄ＞２．６＊ＨＲという幾何学的条件が満たされる場合は、ロータ３の受動的な磁気的安定化に特に有利である。

図２は、図１を参照して説明した実施形態に従って設計された本発明に係る遠心ポンプ１の一実施形態の概略断面図を示す。図２では、理解する上では十分であるため、ステータポール４６のみをステータ４として示している。再度述べるが、ステータ４及びロータ３は、図１に関連して説明したように、ベアリングレスモータの原理に基づいて相互に作用するように設計されている。

ポンプハウジング２は、収容部２６及びカバー２５を備え、カバー２５は、ポンプハウジング２を閉じるように収容部２６上に配置されている。収容部２６及びカバー２５は、好ましくは、プラスチックから成り、例えば溶接によって互いに強固に且つ密閉するように接続されている。他の実施形態では、収容部２６及び／又はカバー２６は、金属材料で構成されている。

より理解を深めるために、図４は、カバー２５の軸方向Ａに沿った断面における断面図を示し、図５は、カバー２５を収容部２６から見た平面図を示す。更に、図６は、収容部２６の軸方向に沿った断面における断面図を示し、図７は、収容部２６をカバー２５から見た平面図を示す。

収容部２６は、軸方向Ａに沿って同軸上に前後に並んで配置された下側円筒部２６１及び上側円筒部２６２を備え、上側円筒部２６２は、下側円筒部２６１よりも大きな直径を有する。収容部２６の下側円筒部２６１は、図におけるポンプハウジング２の下端を形成し、軸方向Ａに対して垂直に配置された底部２７を備える。

カバー２５は、図における上側円筒部２６２の上端に置かれ、そこに強固に接続されている。搬送される流体用の入口２１は、カバー２５上に設けられている。入口２１は、入口接続部として設計されており、好ましくは、カバー２５と一体的に製造されている。入口接続部として設計された入口２１は、軸方向Ａに延在している。これにより、流体は、ポンプハウジング２内へ軸方向に流入可能である。入口接続部２１は、流体が入口接続部２１に入る入口面２１１と、流体が入口接続部２１から出て、インペラ３２へ流れる出口面２１２と、を有することが好ましい。入口面２１１は、出口面２１２以上の大きさであることが好ましい。搬送される流体用の出口２２は、上側円筒部２６２上に設けられている。ここで、出口２２は、出口接続部２２として設計されており、好ましくは、収容部２６と一体的に製造されている。出口接続部として設計された出口２２は、径方向平面に対して平行、即ち、入口２１に対して垂直に延在している。これにより、流体は、ポンプハウジング２から径方向に流出する。出口接続部２２は、流体が出口接続部２２に入る入口面２２１と、流体が出口接続部２２から出る出口面２２２と、を有する。図２にも示したように、入口面２２１は、出口面２２２よりも小さいことが好ましい。出口接続部２２は、その外形が円筒状に設計されていることが好ましい。このようにしつつも出口接続部の入口面２２１を出口接続部２１の出口面２２２によりも小さくするために、出口接続部２２の内径が変化するように出口接続部２２の壁部の厚さが変化するテーパ領域を該壁部に設けることができる。これにより、流体が流れる出口接続部２２の中心軸Ｍに対して垂直な面である流体の流れの断面も変化する。このような実施形態は、例えば図８において、より詳細に示されている。

出口接続部２２の円筒設計については、出口接続部２２の中心軸Ｍがポンプハウジング２のカバー２５よりもロータ３の磁気有効コア３１の近傍となるように、出口接続部２２が軸方向Ａに対して配置されていることが好ましい。これは、出口接続部２２が、収容部２６の上側円筒部２６２における軸方向Ａの中央に配置されているのではなく、底部２７の方向、即ち、図における下方にずれて配置されていることを意味する。

磁気有効コア３１、ジャケット３５、及びインペラ３２を備えるロータ３は、ポンプハウジング２内において、ポンプハウジング２の底部２７とカバー２５との間に配置されており、任意のジャケット３５を有する磁気有効コア３１は、図におけるインペラ３２の下方に配置されている。ジャケット３５を含む磁気有効コア３１は、円筒状に設計されていることが好ましい。

ポンプハウジング２は、図１から分かるように、ステータ４内に挿入されて、上側円筒部２６２がステータ４上に置かれる一方、ポンプハウジング２の下側円筒部２６１がステータ４内、より具体的にはステータポール４６間に配置される。ポンプハウジング２は、例えば、ねじ（不図示）を用いて、ステータ４に固定可能である。

ロータ３は、動作状態において、ロータ３の磁気有効コア３１がステータポール４６に囲まれ、且つ、巻線６が生成した電磁場によって、径方向平面内におけるステータポール４６間の中心に配置され、軸方向Ａ回りに回転駆動され得るように設計・配置されている。ロータ３が中心に配置され且つ軸方向Ａからずれていない場合には、磁気有効コア３１は、ステータポール４６間の中心に位置される。

ロータ３は、外径Ｄを有する。これは、ジャケット３５を含む磁気有効コア３１の直径Ｄである。ジャケット３５が設けられている場合、ロータ３の外径Ｄは、ロータ３の磁気有効コア３１の直径ｄ（図１）よりも大きい。

インペラ３２は、羽根３３が、入口２１を介して軸方向Ａに流れ込む流体を径方向に偏向し、出口２２へ搬送するように、ラジアルインペラ３２として設計されていることが好ましい。

本発明によれば、底部２７及び／又はカバー２５には、少なくとも１つの凹部が設けられており、この凹部は、局所的な乱流を発生させるように設計されている。ここで説明する実施形態では、合計８つの凹部９が設けられており、カバー２５に４つ、底部２７に４つ配置されている。

他の実施形態として、凹部９が、カバーのみ又は底部のみに設けられていてもよい。凹部９の数も、一例として理解されるべきである。凹部は、１つのみ設けてもよいし、２つ又は３つの凹部を設けてもよいし、９つ以上又は９つよりも大幅に多い数の凹部、例えば、５０を上回る数の凹部を設けてもよい。基本的に、凹部９の数に上限はない。用途に合わせて凹部の数及び配置を設定することで、ロータ３に作用する力、具体的には流体力を求められた通りに低減させることができる。

上記１つの凹部９又は複数の凹部９は、それぞれインペラ３２又はロータ３に作用する力、具体的には軸方向Ａに作用する力及び径方向平面に対してロータ３を傾けようとするモーメントを低減することを目的としたポンプハウジング２内における流れ条件に対する幾何学的な影響を表している。このため、凹部９により、ロータ３が受動的に磁気浮上又は安定化される全て（ここでは３つ）の自由度に対するロータの安定化が向上する。したがって、底部２７又はカバー２５に配置された凹部９により、より少ない労力と移動でロータ３の位置を設定できるように、流れの挙動が変化する。

力、具体的には流体力の低減は、乱流、又はポンプハウジング２の形状における局所的な変化である凹部９による乱流の生成に基づくものである。

このため、少なくとも１つの凹部９を有する本発明に係る実施形態は、基本的に、流速を低減させる幾何学的な障壁を設けず、且つ、ロータを貫通する圧力補償孔を設けず、更に、例えば従来の流体軸受のように、局所的に圧力を上げる楔状の細い流体空隙も設けずに、実現可能である。つまり、凹部９は、局所的な乱流及び流れの分離を生じさせて、層流や乱流に曝されるロータ３の表面に対する該流れの力効果を低減する。この乱流又は流れの分離により、ロータ３に作用する動的揚力が減少し、この結果、ロータ３に作用する力が減少する。

当然ながら、本発明の実施形態として、例えば、ロータ３を貫通する圧力均一化孔を更に設けることも可能である。このような実施形態は、第２の実施形態を参照して後述する。

各凹部９を、ディンプル、窪み、皿穴、又はボア等に設計することで、流れを局所的に渦流にさせることができる。例えば、凹部９は、球状又は円筒状にすることができる。正方形又は長方形の輪郭を有することもできる。凹部は、角錐形、円錐形、円錐台形、環状、又は自由幾何学形状に設計可能である。しかし、製造上の理由から、凹部９には、穴あけ工具又はフライス工具で生成可能な幾何学的形状が好ましい。このため、凹部９の設計は、各凹部９が軸方向Ａに対して垂直な円形の輪郭を有するものが好ましい。即ち、球状又は円筒状に設計されていることが好ましい。

図３では、凹部９のうちの１つが、例示的な特徴を有するものとして断面図に示されており、この例においては、ポンプハウジング２の底部２７に止り穴として設計されている。

通常、各凹部９は、径方向における凹部９の最大幅を意味する径方向の寸法Ｅと、幅方向Ａにおける凹部の最大寸法を意味する深さＴと、を有する。

図３に示した止め穴の設計の場合、寸法Ｅは、径方向における穴の直径Ｅであり、深さＴは、軸方向Ａにおける穴の長さである。

実際には、各凹部９の径方向における寸法Ｅが、ロータ３の外径Ｄの少なくとも５０分の１、即ち、Ｅが０．０２Ｄ以上であると有利であることが証明されている。また、各凹部９の径方向における寸法Ｅが、最大でロータ３の外径Ｄの半分、即ち、Ｅが０．５Ｄ以下であると有利である。

軸方向Ａに関して、各凹部９の軸方向Ａにおける深さＴが、ロータ３の外径Ｄの少なくとも１５０分の１、即ち、Ｔが０．０１５Ｄ以上であると有利であることが証明されている。それぞれの軸方向Ａにおける深さＴが、ロータ３の外径Ｄの少なくとも１００分の１、即ち、Ｔが０．０１Ｄ以上であることが特に好ましい。

更に、軸方向Ａに関して、各凹部９の軸方向Ａにおける深さＴが、最大でロータ３の外径Ｄの１０分の１、即ち、Ｔが０．１Ｄ以下であることが好ましい。

上記１つの凹部９又は複数の凹部９の位置に関して、該１つの凹部９又は複数の凹部９は、底部２７及び／又はカバー２５における径方向の外縁領域に配置されていることが好ましい。これは、具体的には、図２、図４、図５、及び図６に示すように、ポンプハウジング２のカバー２５における凹部９が、カバー２５の中心よりも、カバー２５の径方向における外縁の近傍に位置しており、ポンプハウジング２の円形状の底部２７における凹部９が、底部２７の中心よりも、底部２７の径方向における外縁の近傍に位置していることを意味する。

本発明の好適な実施形態では、ポンプハウジング２、及び／又はインペラ３２、及び／又はロータ３のジャケット３５は、プラスチックで構成されている。ポンプハウジング２、及びインペラ３２、及びロータ３のジャケット３５がプラスチックで構成されていることが好ましい。ポンプハウジング２、インペラ３、及びジャケット３５は、全て同じプラスチックで構成することができ、少なくとも２種類のプラスチックで構成することもできる。

当然ながら、用途に応じて、適切なプラスチックが選択される。適切なプラスチックとして、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、超低密度ポリエチレン（ＵＬＤＰＥ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリアクリル、ポリカーボネートが挙げられる。

本発明の他の好適な実施形態では、ポンプハウジング２、及び／又はインペラ３２、及び／又はロータ３のジャケット３５は、単一の金属材料又はいくつかの異なる金属材料で構成される。好ましい金属材料として、例えば、チタンやステンレス鋼が挙げられる。

実施形態２

図８は、本発明に係る遠心ポンプ１の第２の実施形態の概略断面図を示す。より理解を深めるために、図９も、第２の実施形態のロータをポンプハウジングの底部から見た平面図を示す。更に、図９には、図８に示す断面が得られた断面線ＶＩＩＩ－ＶＩＩＩが示されている。

以下では、上述した第１の実施形態との違いについてのみ述べる。具体的には、符号は、第１の実施形態に関連して既に説明したものと同じ意味を有する。前述の説明は、第２の実施形態においても、全て同一又は同等であることと理解されたい。

第２の実施形態では、用途によっては、ロータ３の軸方向Ａ及び径方向面に対する傾き、即ち、受動的に磁気的に安定化される３つの自由度を更に向上できる複数の更なる手段が実現されている。これらの手段は、全てを実現することが可能だが、全てを実現する必要はないことを理解されたい。これは、例えば、第２の実施形態を参照して説明される手段のうちの１つ以上を、第１の実施形態と組み合わせるような実施形態も可能であることを意味する。

図８及び図９に示す本発明に係る遠心ポンプ１の第２の実施形態では、入口接続部として設計されたポンプハウジング２の入口２１は、軸方向Ａに対して垂直な流れの断面が、入口面２１１より小さく且つ入口接続部２１の出口面２１２より小さいくびれ領域２１３を有する。また、入口接続部２１の入口面２１１は、その出口面２１２よりも大きい。各面を比較すると、入口面２１１は、出口面２１２よりも大きく、出口面２１２は、くびれ領域２１３における流れの断面よりも大きい。

ポンプハウジング２の出口２２は、第１の実施形態で説明したものと同等の形態で設計されている。即ち、出口接続部２２の入口面２２１が、出口接続部２２の出口面２２２よりも小さく、且つ、中心軸Ｍがポンプハウジング２のカバー２５よりも、ロータ３の環状磁気有効コア３１の近傍となるように出口接続部２２が軸方向Ａに対して配置されるように設計されている。出口２２内の点線を参照すると、図８は、出口接続部２２の内部がどのように設計されているかを示しており、出口接続部２２の出口面２２２が、出口接続部２１の入口面２２１よりも大きくなっている。

通常、出口接続部２２の出口面２２２、及び入口接続部２１の入口面２１１は、それぞれ周壁を含む大きさが、規格に基づいて予めに設定されている。入口接続部２１の入口面２１１における外径、及び出口接続部２２の出口面２２２における外径は、遠心ポンプ１が、流れ系における一般的な配管や管に接続可能な寸法になっている。

更に、ロータ３は、環状の円盤のように設計されており、インペラ３２の羽根３３における入口２１又はカバー２５に対向する端縁を覆うカバープレート３６を有している。カバープレート３６には、中央に配置された開口３６１が設けられており、流体は、これを通してインペラ３２へ流れ込むことができる。

ロータ３の磁気有効コア３１は、磁気有効コア３１及び任意のジャケット３５を完全に貫通して軸方向Ａに延在する中央孔３７を任意に有することができる。

あるいは又はこれに加えて、ロータ３は、１つのバランスホール３８又は複数のバランスホール３８を備えてもよく、各バランスホール３８は、ロータ３の磁気有効コア３１及び任意のジャケット３５を完全に貫通して軸方向Ａに延在する。各バランスホール３８は、分散して配置されることが好ましい、即ち、ロータ３の中心以外に配置されることが好ましい。

第２の実施形態では、複数のバランスホール３８、具体的には８つのバランスホール３８が設けられている。

バランスホール３８は、好ましくは、円形の線上に配置され、円の中心は、ロータ３の中心に位置する。これは、ロータ３に中央孔３７が設けられている場合に、バランスホール３８が中央孔３７の周囲において円形に配置されていることを意味する。最大で又は丁度８つのバランスホール３８が設けられていることが好ましく、これらは、ロータ３の中央孔３７の周囲又はロータ３の中心の周囲において等距離で配置されていることが好ましい。

各バランスホール３８は、中央孔３７の直径よりも小さい直径をそれぞれ有する。

カバー２５に対して反対側に向いており、底部２７に対向するロータ３の軸方向の端面には、複数の後側羽根３９が設けられている。動作状態において、これらの後側羽根３９は、ポンプハウジング２の底部２７に対向している。第２の実施形態では、合計８つの後側羽根３９が設けられている。

後側羽根３９は、例えば、ロータ３のジャケット３５に凹みを設けて、各後側羽根３９を隣接する２つの凹みの間に形成することで実現可能である。

更に、後側羽根３９を隆起として設計することも勿論可能である。この場合、例えば、インペラに類似した構造体を作り、これをロータ３の軸方向端面に取り付けることで、後側羽根３９がポンプハウジング２の底部２７に対向することになる。勿論、各後側羽根３８を個別に製造し、ロータ３の軸方向端面に取り付けることも可能である。

好ましくは、各後側羽根３９は、ロータ３の軸方向端面における径方向の外縁から径方向内側に向かって延在する。各後側羽根３９は、軸方向端面の中心又は中央孔３７まで延在可能であり、又は、各後側羽根３９は、図９に示すように、軸方向端面の半径よりも小さい径方向長さ、例えば、その半分の径方向長さを有する。他の実施形態では、後側羽根３９は、曲線状にも設計可能である。

第２の実施形態では、インペラ３２上に環状又は円盤状の圧力プレート３２１が設けられ、軸方向Ａに対して垂直に配設されている。圧力プレート３２１は、軸方向Ａにおいて、磁気有効コアとポンプハウジング２のカバー２５に対向するインペラ３２の端部との間であり、例えば、インペラ３２の各羽根３３の中間にあたる位置に配置されている。圧力プレート３２１は、インペラ３２の羽根間に延在する。ロータ３がカバープレート３６を有する場合、圧力プレート３２１は、軸方向Ａにおいて磁気有効コア３１とカバープレート３６との間に配置され、カバープレート３６に対して平行になる。圧力プレート３２１は、全ての羽根間に延在する。圧力プレート３２１は、径方向においてロータ３を中心に配置され、所定の軸方向距離から全バランスホール３８を覆える程度の距離だけ少なくとも径方向に延在している。図８に示した実施形態では、圧力プレート３２１の直径は、羽根３３において測定したインペラ３２の直径よりも大幅に小さい。

図１０は、ロータ３の変形例を概略断面図で示している。このロータ３は、図８に示したロータ３に対して、圧力プレート３２１がより大きな直径を有する点で異なる。図１０に示す変形例では、圧力プレート３２１は、インペラ３２の羽根３３における径方向のほぼ外端まで径方向に延在している。

Claims (16)

1. 流体を搬送するために内部にロータ（３）が設けられたポンプハウジング（２）を有し、且つ、前記ロータ（３）と共に、軸方向（Ａ）回りに前記ロータ（３）を回転させるための電磁回転駆動装置を形成するステータ（４）を有する、前記流体を搬送するための遠心ポンプであって、前記ステータ（４）が、前記ロータ（３）を非接触で磁気的に駆動可能であり、且つ、前記ロータ（３）を前記ステータ（４）に対して非接触で磁気的に浮上可能な軸受兼駆動ステータとして設計され、前記ロータ（３）が、前記軸方向（Ａ）においては受動的に磁気浮上させられ、前記軸方向（Ａ）に対して垂直な径方向平面内では能動的に磁気浮上させられ、前記ポンプハウジング（２）が、底部（２７）及びカバー（２５）を備え、前記ロータ（３）が、前記ポンプハウジング（２）内において、前記軸方向（Ａ）における前記底部（２７）と前記カバー（２５）との間に配置された遠心ポンプにおいて、前記底部（２７）及び／又は前記カバー（２５）に、少なくとも１つの凹部（９）が設けられており、該凹部（９）が、局所的な乱流を発生させるように設計されていることを特徴とする遠心ポンプ。
2. 前記ロータ（３）が、環状又は円盤状の磁気有効コア（３１）と、前記流体を搬送するための複数の羽根（３３）を有するインペラ（３２）とを備えた、請求項１に記載の遠心ポンプ。
3. 前記流体が前記ポンプハウジング（２）内に前記軸方向（Ａ）に流入可能に設計された前記流体用の入口（２１）が、前記ポンプハウジング（２）の前記カバー（２５）上に設けられ、前記ポンプハウジング（２）が、前記流体が前記ポンプハウジング（２）から前記径方向に流出可能に設計された前記流体用の出口（２２）を備える、請求項１又は２に記載の遠心ポンプ。
4. 前記ステータ（４）が、環状に配置された複数のステータポール（４６）を有し、内部に前記ロータ（３）が配置された前記ポンプハウジング（２）が、前記ロータ（３）の前記磁気有効コア（３１）が前記ステータ（４）の前記ステータポール（４６）に囲まれるように、前記ステータポール（４６）間に挿入可能に設計されている、請求項２又は請求項２に従属する請求項３に記載の遠心ポンプ。
5. 前記ロータ（３）が、外径（Ｄ）を有し、各凹部（９）が、前記径方向において、前記ロータ（３）の前記外径（Ｄ）の少なくとも５０分の１である寸法（Ｅ）を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
6. 前記ロータ（３）が、外径（Ｄ）を有し、各凹部（９）が、前記径方向において、最大で前記ロータ（３）の前記外径（Ｄ）の半分である寸法（Ｅ）を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
7. 前記ロータ（３）が外径（Ｄ）を有し、各凹部（９）が、前記軸方向（Ａ）において、前記ロータ（３）の前記外径（Ｄ）の少なくとも１５０分の１である深さ（Ｔ）を有する、請求項１～６のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
8. 前記深さ（Ｔ）が、前記ロータ（３）の前記外径（Ｄ）の少なくとも１００分の１である、請求項７に記載の遠心ポンプ。
9. 前記ロータ（３）が外径（Ｄ）を有し、各凹部（９）が、前記軸方向（Ａ）において、最大で前記ロータ（３）の前記外径（Ｄ）の１０分の１である深さ（Ｔ）を有する、請求項１～８のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
10. 各凹部（９）が、前記軸方向（Ａ）に対して垂直な円形の輪郭を有する、請求項１～９のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
11. 少なくとも１つの凹部（９）が、前記ポンプハウジング（２）の前記カバー（２５）及び前記底部（２７）の両方に設けられている、請求項１～１０のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
12. 各凹部（９）が、前記ポンプハウジング（２）の径方向における外縁領域に配置されている、請求項１～１１のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
13. 前記ポンプハウジング（２）が、プラスチックで構成されている、請求項１～１２のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
14. 前記インペラ（３２）が、プラスチックで構成されている、請求項２又は４に記載の遠心ポンプ。
15. 前記ロータ（３）が、前記ロータの前記磁気有効コア（３１）を完全に包み込み、プラスチックで構成されているジャケット（３５）を有する、請求項２又は４に記載の遠心ポンプ。
16. 流体を搬送するために内部にロータ（３）が設けられたポンプハウジング（２）であって、請求項１～１５のいずれか一項に基づいて設計された遠心ポンプ（１）用に設計されていることを特徴とするポンプハウジング。