JP2003120571A - ポンプ設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】立軸ポンプ設備において、電動機効率の低下や
環境への悪影響を防止しつつ、運転中の電動機の発熱を
放散させる。 【解決手段】立軸ポンプ１と、固定子２５と回転子２４
との外周側を覆う水密構造の内側電動機フレーム２２、
内側電動機フレーム２２の外周側を覆う外側電動機フレ
ーム２３、及び内側電動機フレーム２２と外側電動機フ
レーム２３との間に形成される冷却水通路２９を備え、
立軸ポンプ１を駆動すると共に冷却水通路２９へ冷却水
を導入し、内側電動機フレーム２２越しにその内部を冷
却する乾式水冷電動機２と、立軸ポンプ１の吸い込み側
配管又は吐出側配管に設けた管内クーラ８と、管内クー
ラ８と乾式水冷電動機２の冷却水通路２９との間で冷却
水を循環させ、管内クーラ８で冷却された冷却水を冷却
水通路２９に導入する冷却水循環機構（加圧ポンプ１
３、膨張タンク１４、冷却水給水管１５、冷却水還送管
１８など）とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば上下水道
水、河川水、雨水、及び農事用水等の排水に使用される
立軸ポンプを備えたポンプ設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば上下水道水、河川水、雨水、及び
農業用水等の排水には、立軸ポンプが用いられる場合が
多い。例えば河川水の排水ポンプは、主水路（河川等）
から分岐して開削された迂回水路の途中の排水機場内に
設けられ、大雨や台風といった洪水時には、主水路のゲ
ートを閉じるとともに迂回水路のゲートを開き、排水ポ
ンプによって迂回水路を介し河川の濁水を大河川に強制
的に排水することにより、河川流域の冠水被害を防止す
る。

【０００３】立軸ポンプには、ポンプケーシングに対す
る電動機の設置形態によって２通りの形式があり、電動
機をポンプケーシングの上に直接設置した形態で単一の
床に設置される形式の一床式ポンプと、電動機とポンプ
の据え付け床が分離した形式の二床式ポンプとがある。
また、電動機とポンプの据え付け高さが大きく離れてい
るときには中間に複数の床を設けることがあるが、これ
を多床式ポンプと呼んでいる。多床式ポンプは、電動機
の位置を高くして降雨時における地表付近の湿気や、万
一の浸水から電動機を保護するようになっている。多床
式ポンプとするためには、電動機とポンプの間に中間軸
や中間軸受装置を設置し、さらに各階に中間軸受装置を
保持するための中間床を設ける必要がある。

【０００４】また運転時に揚水対象である水中に没して
揚水を行う水中ポンプでは、水中に没して揚水を行うこ
とから、羽根車を駆動する電動機として、水中での使用
に耐える水中電動機が用いられる。このような水中電動
機つきの立軸ポンプを備えたポンプ設備に関する公知技
術例としては、例えば、特開平１０−２０５４９９号公
報に記載のものがある。

【０００５】この従来技術によるポンプ設備は、立軸ポ
ンプと、固定子と回転子との外周側を覆う油密構造のモ
ータフレームを備え立軸ポンプを駆動する油封式油冷電
動機と、立軸ポンプの吐出側配管の外周側に設けられ吐
出側配管と熱交換を行う油冷管と、油冷電動機のモータ
フレーム内において回転子の回転軸に固定されたサーキ
ュレータインペラと、回転軸の一端側に設けられモータ
フレーム内部からの封入油（絶縁油）の漏れを防止する
軸封機構とを備えている。そして、回転軸の回転と共に
サーキュレータインペラが回転することにより、油冷管
と油冷電動機との間で封入油を循環させ油冷管で冷却さ
れた封入油をモータフレーム内部へ導入して直接冷却
し、運転中の電動機の発熱を放散するようになってい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の立軸ポンプ設備においては、以下のような課題が存
在する。

【０００７】すなわち、例えば上述したように河川水の
排水ポンプでは大雨や台風といった洪水・増水時に運転
されるものであるため、様々な種々雑多な浮遊物が濁水
と共にポンプ内に流入する可能性があり、それらによっ
て回転軸の一端側に設けられる軸封装置の耐久性が低下
したり、部分的に破損する可能性もないとは言えない。
上下水道用、雨水用、農業用水用等でも浮遊物や塵埃が
存在する可能性はある。上記従来技術では、このような
場合、モータフレーム内部に封入された大量の油が水中
に流出することとなるため、水質汚染等、環境に悪影響
を与える可能性がある。さらに、電動機の回転子がモー
タフレーム内に封入された粘性のある油の中で回転する
こととなるため、その粘性抵抗で電動機効率が低くなる
という課題もある。

【０００８】本発明の目的は、電動機効率の低下や環境
への悪影響を防止しつつ、運転中の電動機の発熱を放散
できる立軸ポンプ設備を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明は、立軸ポンプと、固定子と回転子と
の外周側を覆う水密構造の内側電動機フレーム、この内
側電動機フレームのさらに外周側を覆う外側電動機フレ
ーム、及びこれら内側電動機フレームと外側電動機フレ
ームとの間に形成される冷却水通路を備え、前記立軸ポ
ンプを駆動するとともに前記冷却水通路へ冷却水を導入
し、前記内側電動機フレーム越しにその内部を冷却する
乾式水冷電動機と、前記立軸ポンプの吸い込み側配管又
は吐出側配管に設けた熱交換器と、この熱交換器と前記
水冷電動機の前記冷却水通路との間で冷却水を循環さ
せ、前記熱交換器で冷却された前記冷却水を前記冷却水
通路に導入する冷却水循環機構とを備えたものとする。

【００１０】本発明においては、立軸ポンプを駆動する
電動機を乾式水冷電動機とし、立軸ポンプの吸い込み側
配管又は吐出側配管に設けた熱交換器で冷却された冷却
水を、冷却水循環機構によって内側電動機フレームと外
側電動機フレームとの間に形成される冷却水通路へ供給
し、内側電動機フレーム内をフレーム越しに冷却する。
これにより、運転中の電動機の発熱を放散することがで
きる。また、上記のように冷却媒体として水を用いるこ
とにより、油封式の従来構造と異なり、例えば浮遊物に
よって軸封装置の部分的破損等が発生した場合であって
も、水が流出するだけであり環境への悪影響は特に生じ
ない。さらに、冷却水通路は内側電動機フレームの外側
にあり電動機の回転子の周囲には液体は存在しないた
め、電動機効率の低下を防止できる。

【００１１】（２）また上記目的を達成するために、本
発明は、立軸ポンプと、固定子と回転子との外周側を覆
う水密構造の電動機フレームを備え、前記立軸ポンプを
駆動するとともに前記電動機フレーム内部へ冷却水を導
入して直接冷却する水封式水冷電動機と、前記立軸ポン
プの吸い込み側配管又は吐出側配管に設けた熱交換器
と、この熱交換器と前記水冷電動機との間で冷却水を循
環させ、前記熱交換器で冷却された前記冷却水を前記電
動機フレーム内部へ導入する冷却水循環機構とを備えた
ものとする。

【００１２】本発明においては、立軸ポンプを駆動する
電動機を水封式水冷電動機とし、立軸ポンプの吸い込み
側配管又は吐出側配管に設けた熱交換器で冷却された冷
却水を、冷却水循環機構によって電動機フレーム内部へ
供給し、内側電動機フレーム内を直接冷却する。これに
より、運転中の電動機の発熱を放散することができる。
また、上記（１）同様、冷却媒体として水を用いること
により、軸封装置の部分的破損等が発生した場合であっ
ても環境への悪影響は特に生じない。さらに、電動機の
回転子は電動機フレーム内部に供給された水中で回転す
ることとなるが、水は油に比べて粘性が極めて小さいた
め、油封式の従来構造に比べれば電動機効率の低下を防
止することができる。

【００１３】（３）上記（１）又は（２）において、好
ましくは、前記冷却水循環機構は、前記立軸ポンプの外
部に設けられ、前記冷却水を循環させる循環用加圧ポン
プを備えるものとする。

【００１４】これにより、例えば、従来構造と同様に回
転子の回転軸に固定した補助インペラで冷却水を循環さ
せる場合に比べ、立軸ポンプの回転数と関係なく冷却水
を循環させることができ、冷却水循環制御の自由度が大
きくなる。したがって、同一ポンプ回転数でもより大き
な冷却性能を得ることができ、また低ポンプ回転数でも
確実に冷却性能を得ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。

【００１６】以下に、本発明の一実施の形態によるポン
プ設備を図１、図２により説明する。

【００１７】図１は、本発明の一実施の形態によるポン
プ設備の要部構成図である。この図１において、本実施
の形態のポンプ設備１００は、揚水対象である排水を貯
留する吸水槽３と、吸水槽３に接続して排水を吸入する
吸入管４と、排水の制水調整のために吸入管４に設けら
れた吸入弁５と、排水を揚水する立軸ポンプ１と、立軸
ポンプ１の上方に設置されて立軸ポンプ１を駆動する乾
式水冷電動機２と、立軸ポンプ１の吐出側に接続する吐
出管１０と、吐出管１０に接続して後述する冷却水を排
水の冷熱で冷却する管内クーラ８と、吐出側からの排水
の逆流を防ぐための逆止弁７と、排水の流量調整のため
の吐出弁６と、吐出弁６に接続して排水を図示しない揚
水槽に送る揚水管９と、乾式水冷電動機２を冷却する冷
却水を貯留するための膨張タンク１４と、膨張タンク１
４からの冷却水を乾式水冷電動機２に供給するための冷
却水給水管１５と、乾式水冷電動機２を冷却した冷却水
が排出される冷却水排出管１６と、冷却水排出管１６か
らの冷却水を加圧する加圧ポンプ１３と、加圧ポンプ１
３から吐出された冷却水を管内クーラ８に送るための冷
却水吐出管１７と、管内クーラ８で冷却された冷却水を
膨張タンク１４に送るための冷却水還送管１８とを備え
ている。

【００１８】管内クーラ８は、概略的には円管状のもの
であり、軸中心に位置する主管路には排水が通過するよ
うになっており、またその主管路の外周、すなわち円管
の内周面付近には、冷却水を通過させるための伝熱管が
軸方向と平行に多数設けられている。各伝熱管を通過す
る冷却水は、主管路に流通する排水の冷熱により吸熱冷
却されて排出されるようになっている。

【００１９】加圧ポンプ１３は、乾式水冷電動機２とは
別の駆動系により独立して制御されるようになってい
る。

【００２０】図２は、乾式水冷電動機２の縦断面図であ
る。この図２において、乾式水冷電動機２は、出力軸で
ある電動機軸２１と、電動機軸２１の外周に取り付けら
れた回転子２４と、回転子２４の回転範囲の周囲に近接
して配置された固定子２５と、固定子２５を励磁させる
よう固定子２５に巻き付けられた固定子巻線２６と、電
動機軸２１及び回転子２４及び固定子２５と固定子２５
を収容する水密構造の内側電動機フレーム２２と、内側
電動機フレーム２２のさらに外周側を覆う水密構造の外
側電動機フレーム２３と、内側電動機フレーム２２の上
方内側面に固定されて電動機軸２１の上方端部を支持す
る電動機上部玉軸受２７と、内側電動機フレーム２２の
下方内側面に固定されて電動機軸２１の軸方向途中位置
の側面を支持する水密構造の電動機下部玉軸受け２８
と、内側電動機フレーム２２と電動機軸２１との間の水
密性を維持するための軸封装置２０ａ，２０ｂとを備え
ている。

【００２１】内側電動機フレーム２２は、内部に密閉さ
れた略円柱型の空洞部を有しており、軸方向中央部の側
面には固定子が固定されており、下方の丸底板の中心に
は電動機軸２１が貫通する穴が設けられている。

【００２２】外側電動機フレーム２３は、内側電動機フ
レーム２２に対して上部及び下部で接続し、また内側電
動機フレーム２２の側面との間には十分な流量の冷却水
を流通できる冷却水通路２９を形成して覆っている水密
構造のフレームであり、下方には冷却水給水管１５を接
続して冷却水通路２９に冷却水を導入可能な給水口３０
が設けられ、上方には冷却水排出管１６を接続して冷却
水通路２９から冷却水を排出可能な排出口３１が設けら
れている。

【００２３】なお、以上において、吸入管４が特許請求
の範囲各項記載の立軸ポンプの吸い込み側配管を構成し
ている。

【００２４】また、吐出管１０及び揚水管９が特許請求
の範囲各項記載の立軸ポンプの吐出側配管を構成してい
る。

【００２５】また、管内クーラ８が特許請求の範囲各項
記載の立軸ポンプの吸い込み側配管又は吐出側配管に設
けた熱交換器を構成している。

【００２６】また、膨張タンク１４と冷却水給水管１５
と冷却水排出管１６と加圧ポンプ１３と冷却水吐出管１
７と冷却水還送管１８が、特許請求の範囲各項記載の熱
交換器と水冷電動機の冷却水通路との間で冷却水を循環
させ、熱交換器で冷却された冷却水を冷却水通路に導入
する冷却水循環機構を構成している。

【００２７】また、加圧ポンプ１３が特許請求の範囲３
項記載の立軸ポンプの外部に設けられ、冷却水を循環さ
せる循環用加圧ポンプを構成している。

【００２８】次に、上記のように構成した本実施の形態
によるポンプ設備１００の動作を以下順を追って説明す
る。まず図１において、乾式水冷電動機２が立軸ポンプ
１を駆動することにより、吸水槽３に貯留されている排
水が吸入管４及び吸入弁５を通過して吸入され、立軸ポ
ンプ１により加圧・吐出されて吐出管１０及び管内クー
ラ８を通過し、さらに吐出弁６及び逆止弁７を通過した
後に揚水管９を介して図示しない高い設置位置の揚水槽
に揚水される。ここで吸水槽３より排水が浸水してポン
プ設備１全体が水没しても、乾式水冷電動機２は水密構
造であるため、排水に接触して電気的に損傷することな
く運転を継続することができる。

【００２９】次に図２において、大容量の乾式水冷電動
機２では、運転中において内部に高い作動熱が生じる
が、その作動熱は内側電動機フレーム２２を介して周囲
の冷却水通路２９中の冷却水に放熱して冷却される。そ
して運転中には常に給水口３０より低温の冷却水が導入
され、その替わりに内側電動機フレーム２２より作動熱
を奪って昇温した冷却水が排出口３１より排出される。
このため、乾式水冷式電動機２の内部に生じた作動熱は
常に効率よく排出される、すなわち乾式水冷式電動機２
が常に効果的に冷却されることになる。

【００３０】図１に戻り、上記の冷却水の循環は、乾式
水冷電動機２の吐出側に接続されている加圧ポンプ１３
の吸入・加圧・吐出の作動により行われる。乾式水冷電
動機２により昇温されて排出口３１から排出された冷却
水が、冷却水排出管１６を介して加圧ポンプ１３に吸入
され、加圧・吐出された後、冷却水吐出管１７を介して
管内クーラ８に導入される。ここで、温度の高い冷却水
は管内クーラ８を通過する際に、吸水槽３からの揚水途
中で管内クーラ８の主管路を通過している低温の排水と
熱交換されることにより効果的に冷却され、冷却水還送
管１８を介して膨張タンク１４に戻される。これにより
膨張タンク１４内には常に低温の冷却水が貯留されてお
り、冷却水給水管１５を介して低温の冷却水が乾式水冷
電動機２に導入されている。

【００３１】そして以上のような冷却水の循環構造は、
外部から（水密的に）閉じられた構成であるため、ポン
プ設備１００が水没している場合ももちろん、水没せず
に空気中で作動している場合でも常に良好な水冷効果が
得られるようになっている。また、上記のように冷却媒
体として水を用いることにより、油封式の従来技術と異
なり、例えば浮遊物によって電動機２の軸封装置２０
ａ，２０ｂの部分的破損等が発生した場合であっても、
水が流出するだけであり環境への悪影響は特に生じな
い。さらに、冷却水通路２９は内側電動機フレーム２２
の外側にあり電動機の回転子２４の周囲には液体は存在
しないため、電動機効率の低下を防止できる。

【００３２】したがって本発明の一実施の形態のポンプ
設備１００によれば、電動機効率の低下や環境への悪影
響を防止しつつ、運転中の電動機２の発熱を放散するこ
とができる。

【００３３】また、例えば、従来技術のように回転子の
回転軸（電動機軸）に固定した補助インペラで冷却水を
循環させる場合に比べ、立軸ポンプ１の回転数と関係な
く冷却水を循環させることができ、冷却水循環制御の自
由度が大きくなる。したがって、同一ポンプ回転数でも
より大きな冷却性能を得ることができ、また低ポンプ回
転数でも確実に冷却性能を得ることができる。

【００３４】なお、上記一実施の形態は、立軸ポンプ１
の駆動源として乾式水冷電動機２を用いたが、これに限
られるものではなく、他にも例えば、固定子２４と回転
子２５との外周側を覆う内側電動機フレーム２２を設け
ずに、外側電動機フレーム２３の内部全体に清水の冷却
水を導入して、各部材を直接冷却する水封式水冷電動機
５０を用いる構成としてもよい。このような変形例を図
３により説明する。

【００３５】図３は、水封式水冷電動機の一例の縦断面
図である。この図３において、水封式水冷電動機５０
は、上記乾式水冷電動機２と比較して、内側電動機フレ
ーム２２を設けていない構成となっており、固定子２５
は外側電動機フレーム２３の内周面に固定されたブラケ
ット３２により支持され、またこのブラケット３２は周
方向に分割されたものである。すなわち外側電動機フレ
ーム２３の内部全体が下方の給水口３０と上方の排水口
３１に通じており、内部に冷却水を導入した場合には、
回転子２４及び固定子２５も含めた内部の全ての部材が
冷却水に浸漬され、外側電動機フレーム２３の内部全体
に冷却水が充填されるようになっている。

【００３６】この変形例によれば、以下のような効果が
ある。すなわち、上記一実施の形態と同様、外部から閉
じられた構成であるため、ポンプ設備が水没している場
合ももちろん、水没せずに空気中で作動している場合で
も常に良好な水冷効果が得られるようになっている。ま
た上記一実施の形態と同様、冷却媒体として水を用いる
ことにより、軸封装置２０ａ，２０ｂの部分的破損等が
発生した場合であっても環境への悪影響は特に生じるこ
とがない。さらに、水封式水冷電動機５０の回転子２４
は外側電動機フレーム２３内部に供給された水中で回転
することとなるが、水は油に比べて粘性が極めて小さい
ため、油封式の従来技術に比べれば電動機効率の低下を
防止することができる。

【００３７】したがって本変形例の形態のポンプ設備に
よれば、電動機効率の低下や環境への悪影響を防止しつ
つ、運転中の電動機の発熱を放散することができる。

【００３８】なお、上記一実施の形態及びその変形例
は、管内クーラ８が立軸ポンプ１の吐出側の配管に接続
されていたが、本発明はこれに限られず、立軸ポンプ１
の吸込側の配管に接続される配置となっていてもよい。
この場合も上記一実施の形態及びその変形例と同様の効
果を得ることができる。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、発熱量の大きい乾式水
冷電動機を用いる場合において、水没中はもちろん、空
気中での使用においても、運転中の電動機の発熱を効果
的に放散することができ、また冷却媒体として水を用い
ることにより、油封式の従来構造と異なり、軸封装置の
部分的破損等が発生した場合でも環境への悪影響は生じ
ない。さらに、冷却水通路は内側電動機フレームの外側
にあるため、電動機効率の低下を防止できる。

【００４０】また本発明によれば、水封式水冷電動機を
用いる場合において、上記と同様に運転中の電動機の発
熱を効果的に放散できるとともに、軸封装置の部分的破
損等が発生した場合であっても環境への悪影響は生じな
い。さらに、油に比べて粘性が極めて小さい水を冷却媒
体に利用しているため、油封式の従来技術に比べれば電
動機効率の低下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態によるポンプ設備の要部
構成図である。

【図２】乾式水冷電動機の縦断面図である。

【図３】水封式水冷電動機の一例の縦断面図である。

【符号の簡単な説明】

１ 立軸ポンプ ２ 乾式水冷電動機 ３ 吸水槽 ４ 吸入管（吸込側配管） ５ 吸入弁 ６ 吐出弁 ７ 逆止弁 ８ 管内クーラ（熱交換器） ９ 揚水管（吐出側配管） １０ 吐出管（吐出側配管） １３ 加圧ポンプ（循環用加圧ポンプ、冷却水循環機
構） １４ 膨張タンク（冷却水循環機構） １５ 冷却水給水管（冷却水循環機構） １６ 冷却水排出管（冷却水循環機構） １７ 冷却水吐出管（冷却水循環機構） １８ 冷却水還送管（冷却水循環機構） ２１ 電動機軸 ２２ 内側電動機フレーム ２３ 外側電動機フレーム ２４ 回転子 ２５ 固定子 ２６ 固定子巻線 ２７ 電動機上部玉軸受 ２８ 電動機下部玉軸受 ２９ 冷却水通路 ３０ 給水口 ３１ 排出口 ３２ ブラケット ５０ 水封式水冷電動機 １００ ポンプ設備

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｋ 9/19 Ｈ０２Ｋ 9/19 Ａ 9/197 9/197 Ｆターム(参考） 3H034 AA01 AA11 BB01 BB06 BB16 CC03 CC05 DD01 DD20 EE03 5H605 AA01 AA02 AA03 AA17 BB05 BB17 CC01 DD13 DD16 5H609 BB14 BB19 BB24 PP02 PP05 PP06 PP07 PP08 PP09 PP10 PP11 QQ04 QQ09 RR46 RR51 RR67 RR69

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】立軸ポンプと、 固定子と回転子との外周側を覆う水密構造の内側電動機
   フレーム、この内側電動機フレームのさらに外周側を覆
   う外側電動機フレーム、及びこれら内側電動機フレーム
   と外側電動機フレームとの間に形成される冷却水通路を
   備え、前記立軸ポンプを駆動するとともに前記冷却水通
   路へ冷却水を導入し、前記内側電動機フレーム越しにそ
   の内部を冷却する乾式水冷電動機と、 前記立軸ポンプの吸い込み側配管又は吐出側配管に設け
   た熱交換器と、 この熱交換器と前記水冷電動機の前記冷却水通路との間
   で冷却水を循環させ、前記熱交換器で冷却された前記冷
   却水を前記冷却水通路に導入する冷却水循環機構とを備
   えたことを特徴とするポンプ設備。
2. 【請求項２】立軸ポンプと、 固定子と回転子との外周側を覆う水密構造の電動機フレ
   ームを備え、前記立軸ポンプを駆動するとともに前記電
   動機フレーム内部へ冷却水を導入して直接冷却する水封
   式水冷電動機と、 前記立軸ポンプの吸い込み側配管又は吐出側配管に設け
   た熱交換器と、この熱交換器と前記水冷電動機との間で
   冷却水を循環させ、前記熱交換器で冷却された前記冷却
   水を前記電動機フレーム内部へ導入する冷却水循環機構
   とを備えたことを特徴とするポンプ設備。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載のポンプ設備におい
   て、前記冷却水循環機構は、前記立軸ポンプの外部に設
   けられ、前記冷却水を循環させる循環用加圧ポンプを備
   えることを特徴とするポンプ設備。