(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強制循環される一次側流体を回転力の駆動源とする駆動羽根車と、二次側流体を循環させるポンプ羽根車と、前記一次側流体と二次側流体を気密に分離する隔壁と、前記駆動羽根車に取付られた平板状の駆動側マグネットと前記ポンプ羽根車に取付られた平板状のポンプ側マグネットの平板面を互いに前記隔壁を介して対向させて磁気吸引力で結合するマグネットカップリングと、前記マグネットカップリングの磁気吸引力により前記駆動羽根車および前記ポンプ羽根車に加わる回転軸方向の軸方向推力に対抗する反対方向の軸方向推力を印加するためマグネットと磁性吸着体で形成した反軸推力部を有するとともに、前記磁性吸着体は周方向を分断するスリット状切れ目を多数設けた流体駆動ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は集合住宅等の住棟セントラル給湯あるいは暖房方式のように各住戸に強制循環される高温の熱媒を動力源として利用する循環ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の流体を駆動源とするポンプとして、例えば特開平３−２７９５２１号公報に示されるように図７の構成がある。
【０００３】
図７は河川から河川水を取水し、河川水の流れを利用して揚水するポンプで、軸流ランナ１を有する横軸チューブラ型の水車２と単段インペラ３を備えた横軸斜流型のポンプとが増速機５を介して一軸上に結合され、ケーシング６内に収納されている。
【０００４】
この構成において、取水路上流の河川水はその落差により吸込管７から流入して水車２を駆動させるとともに増速機５を介して水車２で駆動されるポンプ４によってその一部が加圧され送水管８を経て送水され、水車２を駆動させた河川水の大部分は取水路下流へ放出されて下流へ流出する。
【０００５】
また、従来の流体を駆動源とするポンプとして、実開昭５８−１９５６４４号公報に示されるように図８の構成がある。
【０００６】
図８は配管系統を流れる流体の力で水車を回わしてローラポンプ等の定量吐出装置を駆動し、微量の薬液を吸引吐出して上記配管系統に注入するポンプで、配管系統９内を流れる流体の流量に比例した回転力を得る羽根車群１０で構成した水車の出力軸１１を配管系統外へ貫通突出させてポンプ部１２の駆動軸１３とを連結したもので、出力軸１１はベアリング１４、１５で支持されるとともにオイルシール１６でシールを行なっている。
【０００７】
この構成において、配管系統９内を流れる流体の力で羽根車群１０を流体の流量に比例して回転させて水車を駆動させ、出力軸１１を介して直結されたポンプ部１２を駆動し、薬液タンク１７より薬液１８をチューブ１９を通して吸引し配管系統内に吐出注入するものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７に示した従来例では水車の回転数が低く水車自身でポンプ駆動に要求される回転数が得られないため途中に増速機を設ける必要があり、イニシャルコストが高価で一般家庭用に使用できるものではなく、また水車駆動流体とポンプにより搬送される流体は分離されておらず全く同一であり、集合住宅等の住棟セントラル給湯等に利用するには安全、衛生上の課題があった。
【０００９】
また、図８に示した従来例では駆動側流体とポンプで搬送される流体はポンプ部で軸シール部材で仕切られて構成されるものの、住棟セントラル給湯等に利用するには万一の時の駆動側とポンプ側の流体の混入防止が不確実であり信頼性の課題があり、さらに軸シール部材により水車の出力軸の回転抵抗が大きく、住棟セントラル給湯あるいは暖房等に利用するにはポンプ側の流量が過少であり流量特性上の課題があった。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するもので、住棟セントラル給湯あるいは暖房等に利用でき、安全性が高くイニシャルコストの安価な循環ポンプを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、強制循環される一次側流体を回転力の駆動源とする駆動羽根車と、二次側流体を循環させるポンプ羽根車と、前記一次側流体と二次側流体を気密に分離する隔壁と、前記駆動羽根車に取付られた平板状の駆動側マグネットと前記ポンプ羽根車に取付られた平板状のポンプ側マグネットの平板面を互いに前記隔壁を介して対向させて磁気吸引力で結合するマグネットカップリングと、前記マグネットカップリングの磁気吸引力により前記駆動羽根車および前記ポンプ羽根車に加わる回転軸方向の軸方向推力に対抗する反対方向の軸方向推力を印加するためマグネットと磁性吸着体で形成した反軸推力部を有するとともに、前記磁性吸着体は周方向を分断するスリット状切れ目を多数設けた構成としている。
【００１２】
【作用】
本発明は上記した構成により、マグネットカップリングにより生じる軸方向推力をマグネットと磁性吸着体で形成した反軸推力部で発生させる反対方向の力で軸方向推力を打ち消すとともに、周方向を分断するスリット状切れ目をもつ磁性吸着体により吸着力を適正に確保するとともに径方向の寸法を大きくし、偏心を生じた時にも反軸推力部の力を安定させ、滑らかな回転特性を得ることを図るものである。
【００１３】
【実施例】
以下本発明の実施例を図で説明する。図１は本発明の第１の手段の実施例で、２１は一次側流体が流れる駆動流体通路２２に設けた駆動羽根車であり、２３は二次側流体が流れる二次側流体通路２４に設けたポンプ羽根車である。
【００１４】
２５は駆動羽根車２１に第一保持具２６を介して一体的に取付られた中空の平板状の駆動側マグネット、２７は駆動側マグネット２５に対向する位置に設けられポンプ羽根車２３に第二保持具２８を介して一体的にに取付られた中空の平板状のポンプ側マグネット、２９は駆動側マグネット２５とポンプ側マグネット２７の間を仕切るとともに一次側流体が流れる駆動流体通路２２と二次側流体が流れる二次側流体通路２４の間を気密に分離する隔壁である。
【００１５】
３０は中空の平板状の駆動側マグネット２５の平板面２５ａと中空の平板状のポンプ側マグネット２７の平板面２７ａとが対向し磁力によって吸引し合い磁気結合するマグネットカップリングである。
【００１６】
３１は駆動羽根車２１を回転自在にする駆動側の回転軸であり、一端は隔壁２９の凹部に他端は駆動側ケーシング３２に設けた支持部３３に支えられている。３４はポンプ羽根車２３を回転自在にするポンプ側の回転軸であり、その一端は隔壁２９の凹部に他端はポンプ側ケーシング３５に設けた支持部３６に支えられている。
【００１７】
３７はマグネットカップリング３０により駆動羽根車２１およびポンプ羽根車２３の回転軸方向に加わる軸方向推力に対抗する反対方向の推力を印加する駆動側ケーシング３２に設けたマグネット３８と駆動羽根車２１に設けた磁性吸着体３９で形成した駆動側の反軸推力部であり、４０はポンプ側ケーシング３５に設けたマグネット４１とポンプ羽根車２３に設けた磁性吸着体４２で形成したポンプ側の反軸推力部である。
【００１８】
４３、４４は駆動羽根車２１およびポンプ羽根２３に設けた軸受、４５、４６は駆動羽根車２１およびポンプ羽根車２３の隔壁２９側に設けたスペーサ、４７、４８は駆動羽根車２１およびポンプ羽根車２３の反軸推力部３７、４０側のスペーサである。
【００１９】
４９および５０は駆動流体通路２２の入口側および出口側に設けた駆動流体入口および駆動流体出口であり、５１および５２は二次側流体通路２４の入口側および出口側に設けた二次側流体入口および二次側流体出口である。
【００２０】
図２は本発明の第１の手段の反軸推力部の他の実施例を示したもので、図１で示した実施例と同一部材、同一機能のところは同一符号を付与し詳細な説明は省略する。
【００２１】
５３は駆動羽根車２１の駆動流体通路２２の出口側の外周部２１ａと駆動側ケーシング３２の内面側に設けた環状突起５４により形成した狭少の隙間５５を有する駆動側の反軸推力部であり、５６はポンプ羽根車２３の二次側流体通路２４の入口側の外周部２３ａとポンプ側ケーシング３５の内面側に設けた環状突起５７により形成した狭少の隙間５８を有するポンプ側の反軸推力部である。
【００２２】
図３は上記構成の流体駆動ポンプ５９を集合住宅等の住棟セントラルの給湯装置に応用した例である。図３において、一次側流体である住棟セントラル給湯用の熱媒を加熱昇温する熱媒加熱器６０に住棟の各階および各住戸に向けて熱媒往管６１が配管されるとともに、熱媒往管６１の端部と熱媒加熱器６０とを連結する熱媒復管６２が配管されて熱媒循環路６３が形成され、この熱媒循環路６３に熱媒循環ポンプ６４を設けている。６５ａ、６５ｂは各住戸内の給湯装置であり、給湯用熱交換器６６および湯と水を任意に混ぜて出湯する湯水混合栓６７、６８を有している。この給湯用熱交換器６６の一次側流路６９の一端は熱媒往管６１に連結され、他端は流体駆動ポンプ５９の駆動流体通路２２を介して熱媒復管６２に連結されている。また、一次側流路６９と熱交換関係にある二次側流路７０の一端は給湯往管７１によって湯水混合栓６７、６８の給湯口６７ａ、６８ａに接続され、他端は給湯復管７２によって流体駆動ポンプ５９の二次側流体通路２４を介して上記給湯往管７１の端部に接続されて給湯循環路７３が形成されている。７４は給湯復管７２および湯水混合栓６７、６８の給水口６７ｂ、６８ｂに接続され水を供給する給水管、７５は給湯復管７２に設けた逆止弁、６７ｃ、６８ｃは湯水混合栓６７、６８の出湯口である。
【００２３】
この住棟セントラルの給湯装置は熱媒加熱器６０にて高温湯（７０〜８５℃）を作り、この熱媒を熱媒循環ポンプ６４にて住棟全体の各住戸に白抜き矢印方向に強制循環させ、各住戸で熱媒と給水を熱交換して給湯利用するもので、流体駆動ポンプ５９は給湯循環路７３内の温水を太実線矢印方向に循環させて給湯用熱交換器６６で熱媒と熱交換して昇温させた湯を給湯往管７１内に確保し、湯水混合栓６７、６８を開栓した時に待ち時間なしに湯が出湯口６７ｃ６８ｃから出る即湯性を得るためのものである。
【００２４】
次に上記実施例における流体駆動ポンプの作用を説明する。強制循環される一次側流体の熱媒を駆動流体入口４９より駆動流体通路２２に導入し、この熱媒の流体力により駆動羽根車２１を回転させ、その後駆動流体出口５０より流出する。駆動羽根車２１の回転により第１保持具２６で一体的に取付られた駆動側マグネット２５が回転し、隔壁２９で気密に分離されるとともに磁力により駆動側マグネット２５に結合されているポンプ側マグネット２７も回転し、ポンプ側マグネット２７に一体的に取付られるポンプ羽根車２３が駆動羽根車２１と同期して回転する。即ち、一次側流体である熱媒の流動する力でポンプ羽根車２３を回転させてポンプ作用を発生させ、二次側流体を循環駆動するものである。
【００２５】
ところで、駆動羽根車２１とポンプ羽根２３を磁力により連結しているマグネットカップリング３０は回転軸方向に垂直な面を対向させて回転軸方向の吸引力で磁気結合するため、駆動羽根車２１とポンプ羽根車２３は互いに隔壁２９側に引き付けられる軸方向の推力を受ける。
【００２６】
この軸方向の推力を直接受けると駆動羽根車２１とポンプ羽根車２３は互いに隔壁２９側のスペーサ４５、４６に押し付けられようとし、強い接触力による回転抵抗の増大によるポンプ機能の低下やスペーサ４５、４６部での異常摩耗を発生させる原因となる。
【００２７】
そこで、この軸方向の推力の悪影響を打ち消すために図１の実施例では、駆動羽根車２１は駆動側ケーシング３２に設けたマグネット３８と駆動羽根車２１に設けた磁性吸着体３９で形成した反軸推力３７により隔壁２９と反対側の方向の駆動側ケーシング３２側への磁気吸引力を加えて軸方向推力を低減させ、ポンプ羽根車２３はポンプ側ケーシング３５に設けたマグネット４１とポンプ羽根車２３に設けた磁性吸着体４２で形成した反軸推力部４０により隔壁２９と反対側の方向のポンプ側ケーシング３５側への磁気吸引力を加えて軸方向推力を低減させている。
【００２８】
また、図２で示した他の実施例では、環状突起５４、５７により形成した狭少の隙間、５５、５８により駆動羽根車２１側およびポンプ羽根車２３側に反軸推力部５３、５６を構成し、一次側流体および二次側流体のそれぞれの流体において駆動羽根車２１およびポンプ羽根車２３の外周部２１ａ、２３ａで入口側と出口側を仕切っている。
【００２９】
駆動羽根車２１では、この仕切りにより構成した反軸推力部５３による流体封止作用により、駆動流体入口４９の流体圧力と駆動により低下した駆動流体出口５０の流体圧力の圧力差が駆動羽根車２１に加わる。即ち図２で駆動羽根車２１の隔壁２９側の右側面に加わる高圧側の流体圧と駆動側ケーシング３２側の左側面に加わる低圧側の流体圧の圧力差によって、駆動羽根車２１に駆動側ケーシング３２方向への力が発生し、マグネットカップリング３０による軸方向推力を低減させる。
【００３０】
次にポンプ羽根車では、上記した仕切りにより構成した反軸推力部５６による、流体封止作用により昇圧された二次側流体出口５２の流体圧力とポンプ吸込側の低圧の二次側流体入口５１の流体圧力の圧力差がポンプ羽根車２３に加わる。即ち、図２でポンプ羽根車２３の隔壁２９側の左側面に加わる高圧側の流体圧とポンプ羽根車２３にポンプ側ケーシング３５側の右側面に加わる低圧側の流体圧の圧力差によって、ポンプ羽根車２３にポンプ側ケーシング３５方向への力が発生し、マグネットカップリング３０による軸方向推力を低減させる。
【００３１】
以上のように、一次側流体と二次側流体を隔壁で気密に分離するため、両流体の混合防止の信頼性が確保でき、特に給湯装置などのように二次側流体を飲用に利用する場合は衛生および安全性が向上する。
【００３２】
また、マグネットカップリングによる磁気結合で軸シールを持たない構成とし、磁気結合で発生する軸方向推力を低減させる反軸推力部を有するため回転抵抗を低減でき、一次側流体の消費動力の低減による省エネルギー化と利用側のポンプ特性の向上が図れる。
【００３３】
さらに、軸方向推力を低減させる反軸推力部を持つので、マグネットカップリングは薄形化構造である軸方向に吸引力を発生させる平板状の磁石を採用してもポンプ特性が維持でき、流体駆動ポンプの薄形小型化ができる。
【００３４】
特に、反軸推力部をマグネットと磁性吸着体で構成した場合は、マグネットカップリングにより発生する軸方向推力とこれと釣り合う反軸推力部の推力を各磁力の設計検討により設定することが容易であり、かつ流体駆動ポンプの使用条件（熱媒流量や二次側流体流量など）にかかわらずに常時力のバランスが成り立つため、軸方向推力の影響のない安定したポンプ特性を維持できる。
【００３５】
また、図２の他の実施例では環状突起と羽根車外周部との狭少の隙間により流体入口と出口の圧力差を利用するため、構造の簡素化が可能となり低コスト化ができる。
【００３６】
次に、本発明の第２の手段の実施例について説明する。
【００３７】
なお、図１で示した第１の手段の実施例とは磁性吸着体３９の他は同一なので詳細な説明は省略する。図４は第２の手段における磁性吸着体７６を軸方向から見て示したもので、周方向を分断する切断溝である複数のスリット状切れ目７６ａ、７６ａ・・・と径方向に連続した面を持つ複数の完全に分離した磁性吸着部７６ｂ、７６ｂ・・・を交互に配置するとともに、環状に形成している。
【００３８】
図５は他の実施例の磁性吸着体７７を示したもので、周方向を分断する複数のスリット状切れ目７７ａ、７７ａ・・・と径方向に連続した面を持つ複数の磁性吸着部７７ｂ、７７ｂ・・・を交互に配置するとともに、局所的な連結部７７ｃ、７７ｃ・・・で磁性吸着部７７ｂを接続させて環状に形成している。
【００３９】
上記のように磁性吸着体７６、７７は周方向に分断するスリット状切れ目７６ａ、７７ａと径方向に連続する面で構成することにより、スリット状切れ目７６ａ、７７ａの巾の大きさにより設定される吸着面積の調整により、マグネット３８と磁性吸着体７６、７７の吸着力が過大に設定されるのを防止し、さらにスリット状切れ目７６ａ、７７ａの巾の大きさにより吸着面積を適正に確保し、かつ径方向の吸着面の長さを大きく設定して、マグネット３８との心ずれが生じても吸着力に影響が出ないようにする。
【００４０】
以上のように、マグネットカップリングによる磁気結合で発生する軸方向推力を低減させる反軸推力部をマグネットと磁性吸着体で構成し、磁性吸着体は周方向を分断するスリット状切れ目を多数設けているので、スリット状切れ目の巾により吸着面積の適正化が図れ、吸着力の適正化により軸方向推力の低減が確実となり、軸方向推力による異常摩耗を防止し耐久性・信頼性が向上する。
【００４１】
また、スリット状切れ目により径方向の吸着面の内外方向の長さをマグネットより大きく設定し、かつ適正な吸着面積を維持させることにより、マグネットと磁性吸着体の位置に多少の偏心が生じてもマグネットに対して磁性吸着体が必ず対向する位置に存在し有効な吸着面積が変動しないため、反軸推力部の力が安定化され、ポンプ性能の安定化が図れる。
【００４２】
特に、図５の他の実施例では磁性吸着部７７ｂが連結部７７ｃで局所的に接続されているので磁性吸着体７７の製作および組付けが容易となり、低コスト化ができる。
【００４３】
次に、図６で本発明の第３の手段の実施例について説明する。なお、図１で示した本発明の第１の手段の実施例と同一部材、同一機能のところは同一符号を付与し詳細な説明は省略する。
【００４４】
７８は駆動羽根車２１の回転軸３１の近傍で駆動側ケーシング３２側に設けたマグネットであり、このマグネット７８はマグネットカップリング３０の駆動側マグネット２５より小径とするとともに駆動羽根車２１内の駆動流体通路２２ａより内周側に設けられている。
【００４５】
７９はマグネット７８に対向する位置に設けた磁性吸着体であり、この磁性吸着体７９はマグネットカップリング３０の駆動側マグネット２５より小径として駆動側ケーシング３２に設けた支持部３３ａの近傍に設けられている。
【００４６】
８０はマグネット７８と磁性吸着体７９で形成した駆動側の反軸推力部であり、この反軸推力部８０は駆動羽根車２１を隔壁２９側とは反対方向の駆動側ケーシング３２側へ引き寄せる力を印加する。
【００４７】
８１はポンプ羽根車２３の回転軸３４の近傍でポンプ側ケーシング３５側に設けたマグネットであり、このマグネット８１はマグネットカップリング３０のポンプ側マグネット２７より小径とするとともにポンプ羽根車２３内の二次側流体通路２４ａより内周側に設けられている。
【００４８】
８２はマグネット８１に対向する位置に設けた磁性吸着体であり、この磁性吸着体８２はマグネットカップリング３０のポンプ側マグネット２７より小径としてポンプ側ケーシング３５に設けた支持部３６ａの近傍に設けられている。
【００４９】
８３はマグネット８１と磁性吸着体８２で形成したポンプ側の反軸推力部であり、この反軸推力部８３はポンプ羽根車２３を隔壁２９側とは反対方向のポンプ側ケーシング３５側へ引き寄せる力を印加する。
【００５０】
上記の駆動側の反軸推力部８０およびポンプ側の反軸推力部８３により、マグネットカップリング３０による磁気吸引力により駆動羽根車２１とポンプ羽根車２３が磁気結合される際に生じる隔壁２９側への軸推力が打ち消されて低減される。
【００５１】
以上のように、マグネットカップリングによる磁気結合で生じる軸方向推力を低減させる反軸推力部を有するため回転抵抗を削減でき、一次側流体の消費動力の低減による省エネルギー化と利用側のポンプ特性の向上が図れる。
【００５２】
さらに、反軸推力部のマグネットおよび磁性吸着体はマグネットカップリングを構成する駆動側あるいはポンプ側のマグネットより小径とすることにより大径のマグネットカップリングによる動力伝達可能結合トルクの向上と低軸推力化に加えて、マグネットカップリング側の磁束と反軸推力部側の磁束が互いに干渉するのを防止でき、磁気特性の安定化によるポンプ特性の向上と、マグネットカップリング用途反軸推力部用の各マグネットの接近配置が可能となり、羽根車の薄形化による流体駆動ポンプの小型化ができる。
【００５３】
また、マグネットカップリング用マグネットより反軸推力部用マグネットが小径のため、各マグネットの磁束が干渉しないことから、駆動羽根車およびポンプ羽根車の製作において、両方のマグネットを樹脂等で一体形成で羽根車に組込んだ後でマグネット材料に磁力を与える着磁が可能となり、まだ磁力を持たない状態のマグネット材料を使って成形加工できるため作業性が大幅に向上し生産コストが低減できる。
【００５４】
さらに、反軸推力部が小径のため、回転する磁界に対して静止した磁性吸着体を配置することにより生じる回転抵抗を低減でき、ポンプ特性の向上が図れる。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように本発明の流体駆動ポンプは、マグネットカップリングによる磁気結合で発生する軸方向推力を低減させる反軸推力部をマグネットと磁性吸着体で構成し、磁性吸着体は周方向を分断するスリット状切れ目を多数設けているので、スリット状切れ目の巾により吸着面積の適正化が図れ、吸着力の適正化により軸方向推力の低減が確実化でき、軸方向推力による異常摩耗を防止し、耐久性・信頼性の向上ができる。
【００５６】
さらに、スリット状切れ目により径方向の吸着面の内外両方向の長さをマグネットより大きく設定でき、かつ適正な吸着面積を維持させることにより、マグネットと磁性吸着体に多少の偏心が生じても反軸推力部の吸着力が一定に安定化でき、ポンプ性能の安定性が向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の手段の実施例における流体駆動ポンプの断面図
【図２】  同ポンプの他の実施例の断面図
【図３】  同ポンプの給湯装置への応用例を示すシステム構成図
【図４】  本発明の第２の手段の実施例における磁性吸着体の軸方向から見た正面図
【図５】  同磁性吸着体の他の実施例の正面図
【図６】  本発明の第３の手段の実施例における流体駆動ポンプの断面図
【図７】  従来の流体を駆動源とするポンプの構成図
【図８】  従来の流体を駆動源とする他のポンプの構成図
【符号の説明】
２１  駆動羽根車
２３  ポンプ羽根車
２５  駆動側マグネット
２７  ポンプ側マグネット
２９  隔壁
３０  マグネットカップリング
３７、４０  反軸推力部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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