JP2004183529A

JP2004183529A - 軸流ポンプ及び流体循環装置

Info

Publication number: JP2004183529A
Application number: JP2002349824A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Manda; 隆彦萬田; Yoshifumi Tanabe; 佳史田辺; Kazunori Murakami; 和則村上
Original assignee: Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba TEC Corp
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2004-07-02
Also published as: US20050100451A1; US7168926B2

Abstract

【課題】モータにより発生する熱の利用率を高める。
【解決手段】巻線１０を有するステータ３の内側にステータ３が接触するように金属製のキャン７を設け、外周部に軸流羽根２２を有しステータ３の巻線１０が通電されることにより回転駆動されるロータ４をキャン７の内側に設ける。これにより、巻線１０が通電されてロータ４が回転駆動されることにより軸流羽根２２が回転駆動され、流体がロータ４とキャン７との間に形成された流路２３を流れ、その際に、通電された巻線１０から発生した熱がその流体に対して金属製のキャン７を介して伝えられる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ一体型の軸流ポンプ及びこれを備えた流体循環装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、床を温水などの流体の熱により暖める床暖房などに使用される流体循環装置がある。この流体循環装置は、水槽に貯留した流体をヒータにより加熱してその流体の温度を一定に維持し、その流体をポンプにより流路に沿って循環させて床などの加熱対象物を暖めている。
【０００３】
このような流体循環装置に使用されるポンプには、ステータとロータとを主要な構成とするモータの内部に流路を形成し、ロータに軸流羽根を持たせたモータ一体型の軸流ポンプがある。
【０００４】
このようなモータ一体型の軸流ポンプでは、ステータのステータコアに巻かれた巻線に通電することによりロータを回転駆動して軸流羽根を回転させて、流体を吸入口から吸入しその流体を排出口から送り出している。そして、このようなモータ一体型の軸流ポンプでは、ステータの内周面全体と内部とを巻線ごと絶縁性樹脂でモールドして、ステータの防水をしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２４６９３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようなモータ一体型の軸流ポンプでは、モータを駆動した場合には、巻線から熱が発生するが、従来では、巻線から発生する熱を積極的に利用しようとする発想がなく、モータから発生する熱が流体循環装置に十分に役立てられていない。例えば、モータから発生する熱を流体循環装置内を流れる流体に伝えることができれば、その分、ヒータによる加熱の削減を図ることが可能となる。しかしながら、特許文献１に記載されたモータ一体型の軸流ポンプでは、ステータは、樹脂により防水されており、樹脂は熱伝導率が低いので、十分に熱を流体に伝えることができないという問題がある。
【０００７】
また、ステータが樹脂によりモールドされていると、樹脂の熱伝導率が約０．２Ｗ／（ｍ・ｋ）と低いため、巻線から発生する熱が外部に逃げ難く、巻線やステータコアなど軸流ポンプの構成部品が熱により劣化し寿命が短くなってしまうという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、モータにより発生する熱の利用率を高めることである。
【０００９】
本発明の目的は、軸流ポンプの長寿命化を図ることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、巻線を有するステータと、前記ステータの内側に前記ステータが接触するように設けられた金属製のキャンと、回転駆動されることにより流体を吸入口から吸入しその流体を排出口へ向けて送り出す軸流羽根を外周部に有し、前記キャンの内側に設けられ前記ステータの前記巻線が通電されることにより回転駆動されるロータと、前記ロータと前記キャンとの間に形成され、前記軸流羽根によって螺旋状に仕切られた流路と、を備える。
【００１１】
したがって、巻線が通電されてロータが回転駆動されることにより軸流羽根が回転駆動されて流体が流路を流れ、その際に、通電された巻線から発生した熱が金属製のキャンを介して流路を流れる流体に伝えられる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１ないし図３に基づいて説明する。ここで、図１は本実施の形態の軸流ポンプを概略的に示す底面断面図、図２は軸流ポンプを概略的に示す正面図、図３は設置部に設置された状態の軸流ポンプを概略的に示す縦断正面図である。
【００１３】
本実施の形態の軸流ポンプ１は、図１ないし図３に示すように、モータ２の主要部を構成するステータ３、このステータ３の内径に配置されたロータ４、このロータ４を回転可能に支持する本体ケース５，６、ステータ３の内周側に配置されステータ３を防水するキャン７、本体ケース５，６やキャン７などから形成されロータ４を収納し内部に流体が流れるポンプ室８等から構成されている。
【００１４】
ステータ３は、円筒部９ａの内周に６個の突部９ｂが６０°のピッチで配置されたステータコア９、およびこのステータコア９の各突部９ｂに巻かれた巻線１０、巻線１０と突部９ｂとの間に設けられ両者を絶縁する絶縁部材であるボビン１１等がユニット化されて構成されている。ステータ３では、突部９ｂと巻線１０とにより磁極１２が形成されている。つまり、ステータ３には、６個の磁極１２が形成されている。ステータコア９は、軸方向に複数の珪素鋼板を積層して形成されている。ボビン１１と突部９ｂとの間には、粘性を有する熱伝導部材であるシリコーングリースＧ１が設けられている。詳しくは、シリコーングリースＧ１は、ボビン１１と突部９ｂとの隙間を埋めるように充填されている。このシリコーングリースＧ１は、熱伝導性の良い粉末であるアルミナが配合された半固体状の油性物質である。
【００１５】
このようにステータコア９と巻線１０とボビン１１などがユニット化されて構成されたステータ３は、その一端側と他端側とが、本体ケース５に設けられた８個の樹脂製の薄肉の突起５ａと本体ケース６に設けられた８個の樹脂製の薄肉の突起６ａとにより軸方向で挟み込まれて保持されている。これにより、ステータ３が本体ケース５，６に接触している部位は、それらの突起５ａ，６ａのみとされている。ここで、樹脂としては、例えばポリプロピレンを例示することができる。
【００１６】
キャン７は、円筒形状に形成されステータ３の内周側に配置され、ステータ３の突部９ｂの内周側に接している。詳しくは、このキャンとステータとの間には粘性を有する熱伝導部材であるシリコーングリースＧ２が充填されて設けられている。キャン７は、その一端側を本体ケース５に支持され、他端側を本体ケース６にネジ止めされている。キャン７の一端側と本体ケース５との間には、Ｏリング１３が設けられ、キャン７の他端側と本体ケース６との間には、Ｏリング１４が設けられており、これらのＯリング１３，１４は、ポンプ室８の流体を封止している。
【００１７】
キャン７と巻線１０との間には、図２に示すように、粘性を有する熱伝導部材であるシリコーングリースＧ３が設けられている。詳しくは、シリコーングリースＧ３は、各巻線１０とキャン７とステータコア９との間の空間に充填されている。このシリコーングリースＧ３により、キャン７と巻線１０とが接続されている。
【００１８】
ロータ４は、図１ないし図３に示すように、ロータコア１５、およびこのロータコア１５を保持する回転軸１６等から構成されている。回転軸１６は、ベアリング１７，１８を介して本体ケース５のベアリング支持体１９及び本体ケース６のベアリング支持部２０に回転可能に支持されている。
【００１９】
ロータコア１５は、円周方向に交互に異極になるように磁化された４極の突極２１をモールドにより円筒状とし、その外周部に、軸方向に連通した螺旋状の凹部２２を形成している。この凹部２２が軸流羽根として機能する。そして、キャン７の内周とこの凹部２２とで軸方向に螺旋状に仕切った流路２３を形成している。この凹部２２の幅・深さ・傾斜角・螺旋ピッチ等は軸流ポンプ１の所望する性能によって選択される。すなわち、性能によっては、螺旋ピッチは１条からＮ条の間で選択できる。なお、凹部２２の形状は、Ｖ溝、Ｕ溝等あらゆる形状に対応できる。
【００２０】
本体ケース５には、ロータ４の一端部側にポンプ室８内に流体を吸入する吸入口２４が形成されている。吸入口２４は本体ケース５とベアリング支持体１９とを架橋する固定案内羽根２５によって４分割されている。この本体ケース５の外周には、この本体ケース５から外側に向けて突出した薄肉の複数の突起５ｂが形成されている。これらの突起５ｂは、当該軸流ポンプ１を半円形状の設置面２６ａが形成された設置部２６に設置した場合に、その設置部２６に接触して当該軸流ポンプ１を支持するものである。このように、設置部２６に配置された軸流ポンプ１は、それらの突起５ｂのみが設置面２６ａに接することとなる。ここで、この本体ケース５は、突起５ａと同様に樹脂で形成されている。
【００２１】
本体ケース６には、ロータ４の他端部側にポンプ室８から流体を吐出する排出口２７が形成されている。ここで、本体ケース６は、突起６ａと同様に樹脂で形成されている。ここで、樹脂としては、例えばポリプロピレンを例示することができる。
【００２２】
ポンプ室８は、他端部に圧力室２８を備えている。この圧力室２８は、ロータ４の他端部側に配置され、流体の回転運動エネルギーを静圧エネルギーに変換する機能を有する。
【００２３】
このような構成において、ステータ３の各磁極１２を順次励磁し切り替えることによりロータ４が回転駆動される。ロータ４が回転駆動されると、このロータ４の外周部の螺旋状の凹部２２からなる軸流羽根が回転し、図１中矢印で示すように、流体が、吸入口２４から流入し、キャン７とロータ４の螺旋状の凹部２２とから形成される流路２３を通り、さらに、圧力室２８を通って排出口２７から流出することになる。
【００２４】
このように軸流ポンプ１を動作させた場合には、モータ２の巻線１０から熱が発生する。この熱は、巻線１０からステータコア９、キャン７を通って、ポンプ室８内で流路２３に沿って流れる流体に伝達される。このとき、本実施の形態では、ポンプ室８内で流路２３に沿って流れる流体に直接触れているキャン７が金属（ステンレス）製であり、従来の流体に直接触れる部分が樹脂製のポンプに比べて、熱伝導性が格段に向上しており、モータ２の巻線１０で発生した熱を従来に比べて多く流体に伝えることができ、モータ２により発生する熱の利用率を高めることができる。ここで、ステンレスの熱伝導率は、約１６Ｗ／（ｍ・ｋ）であり、樹脂の一例として例えばポリプロピレンの熱伝導率は約０．２Ｗ／（ｍ・ｋ）であり、そのオーダーは２桁違う。
【００２５】
また、本実施の形態では、突起５ａ，６ａを含む本体ケース５，６が樹脂製であるので、巻線１０から発生した熱がステータ３から本体ケース５，６側へ伝わり難くなっており、これにより、巻線１０から発生した熱がさらに流体側へ伝わり易くなっている。ここで、従来のポンプでは巻線から発生した熱が本体ケース側に伝わり易いので、このような従来のポンプの本体ケースを仮に樹脂で成形した場合には、本体ケースが熱変形を起こす恐れがあるので、これを防止するために本体ケースは金属で形成されているが、このような金属の本体ケースに比べて、本実施の形態の本体ケース５，６は樹脂製であることにより、コスト低減を図ることができる。
【００２６】
また、このように本実施の形態では、巻線１０から発生する熱を効率良く流体側に伝えることができるので、軸流ポンプ１の各部品の熱による劣化を防止することができ、軸流ポンプ１の寿命を延ばすことができる。
【００２７】
このように、本実施の形態においては、ステータ３とキャン７との間に粘性を有する熱伝導部材であるシリコーングリースＧ２を備えることにより、例えば、ステータ３とキャン７との間に両者の表面粗さにより空気層が生じた場合でも、その空気層をシリコーングリースＧ２で無くすことができるので、巻線１０から発生した熱がシリコーングリースＧ２を介してキャン７に伝わり易くなる。ここで、円筒形状のキャン７の製作方法としては、金属（例えば、ステンレス）のパイプを絞り型により絞って製作する方法や、型により製作する方法などが挙げられるが、絞り型を用いて製作する場合には、製作装置の性能にもよるが、キャン７はその軸方向に若干のテーパを有してしまうことがあり、これによりキャン７とステータ３との接触面積が少なくなり両者の間に空気層が存在してしまうことがある。しかし、このような場合でも、本実施の形態のようにその両者の間の空間にシリコーングリースＧ２を設ける（充填する）によりそのような空気層をなくすことができ、シリコーングリースＧ２を介してのキャン７とステータ３との接触面積が充分得られ巻線１０から発生した熱がシリコーングリースＧ２を介してキャン７に伝わり易くなる。ここで、このような空気層を無くすためにキャン７の表面を研磨することが考えられるがこの場合にはコスト高となってしまう。本実施の形態では、そのようにキャン７の表面を研磨する必要が無いのでキャン７の表面を研磨する場合に比べてコスト低減を図ることができる。
【００２８】
また、本実施の形態においては、ステータ３と巻線１０との間に設けられた絶縁部材であるボビン１１と、ボビン１１とステータ３との間に設けられた粘性を有する熱伝導部材であるシリコーングリースＧ１と、を備えることにより、ここで、ステータ３は、金属の板（例えば、珪素鋼板）から製作されているため表面粗さをある程度有してしまう場合があり、このような場合には、ステータ３とボビン１１との間に空気層が存在してしまうが、このように空気層が生じた場合でも、その空気層をシリコーングリースＧ１で無くすことができ、シリコーングリースＧ１を介してのキャン７とボビン１１との接触面積が充分得られ巻線１０から発生した熱がボビン１１からシリコーングリースＧ１を介してステータ３に伝わり易くなる。ここで、このような空気層を無くすためにキャン７の表面を研磨することが考えられるがこの場合には前述したようにコスト高となってしまう。本実施の形態では、そのようにキャン７の表面を研磨する必要が無いのでキャン７の表面を研磨する場合に比べてコスト低減を図ることができる。
【００２９】
また、本実施の形態においては、巻線１０とキャン７とを接続するように設けられた粘性を有する熱伝導部材であるシリコーングリースＧ３を備えることにより、例えば、シリコーングリースＧ３を設けなかった場合には、巻線１０の外側（ステータ３又はボビン１１と接していない部分）は、空気に触れているだけであるので、そこからはキャン７に熱が伝わり難いが、本実施の形態では、巻線１０とキャン７とがシリコーングリースＧ３により接続されているので巻線１０の外側からキャン７に熱が伝わり易くなっている。
【００３０】
また、本実施の形態においては、突起５ａ，６ａによりステータ３を挟み込んで支持する本体ケース５，６を備えることにより、ステータ３と本体ケース５，６との接触面積を少なくすることができるので、巻線１０から発生した熱がステータ３から本体ケース５，６側へは伝わり難くなり、これにより、巻線１０から発生した熱が流体側へ伝わり易くなる。ここで、例えば、突起５ａ，６ａを設けずに本体ケース５，６によりステータ３を挟み込み支持する場合には、本体ケース５，６とステータ３との接触面積が広くなってしまうので、それらの間に断熱材を介してステータ３から本体ケース５，６への熱の伝達を少なくすることが考えられるが、この場合には断熱材を用いることになるのでコストが増加してしまう。本実施の形態では、そのような断熱材を用いる必要が無いので断熱材を用いる場合に比べてコスト低減を図ることができる。
【００３１】
また、本実施の形態においては、本体ケース５，６の外側に設けられ、当該軸流ポンプである軸流ポンプ１を設置部２６に設置した場合にその設置部２６に接触し当該軸流ポンプ１を支持する突起５ｂを備えることにより、本体ケース５，６と設置部２６との接触面積を少なくすることができ、また、本体ケース５，６と設置部２６との間に空気層ができるので、巻線１０から発生した熱が本体ケース５，６から設置部２６側へは伝わり難くなり、これにより、巻線１０から発生した熱が流体側へ伝わり易くなる。ここで、例えば、本体ケースに突起を設けず、軸流ポンプを本体ケースの外周を支持する設置部に設置した場合には、本体ケースと設置部との接触面積が広くなってしまうので、それらの間に断熱材を介して本体ケースから設置部２６への熱の伝達を少なくすることが考えられるが、この場合には断熱材を用いることになるのでコストが増加してしまう。本実施の形態では、そのような断熱材を用いる必要が無いので断熱材を用いる場合に比べてコスト低減を図ることができる。
【００３２】
次に、本発明の第二の実施の形態を図４に基づいて説明する。本実施の形態は、第一の実施の形態の軸流ポンプ１を備えた流体循環装置への適用例である。なお、前述した実施の形態と同じ部分は同一符号で示し説明も省略する。図４は本実施の形態の流体循環装置を概略的に示す縦断側面図である。
【００３３】
流体循環装置は、概略的には、加熱した流体、例えば水などを循環させてその循環過程で加熱対象物、例えば床や浴槽などを加熱するものである。図４に示すように、この流体循環装置１０１は、流体を貯留する水槽１０２、水槽１０２内に設けられ水槽１０２内の流体に加熱する加熱部であるヒータ１０３、水槽１０２の排出口１０４に吸入口２４が接続され流体を循環させる軸流ポンプ１、軸流ポンプ１の排出口２７を始点として加熱対象物１０５に加熱する加熱位置１０６を通り水槽１０２の戻り口１０７へ至る流路を形成しているパイプ１０８、流体の温度を検出する温度検出部１０９などから構成されている。この流体循環装置１０１の流体の循環経路は、水槽１０２、軸流ポンプ１、パイプ１０８、水槽１０２を順に回る経路である。
【００３４】
温度検出部１０９は、ヒータ１０３及び軸流ポンプ１よりも流体循環方向の下流側であって加熱対象物１０５よりも流体循環方向の上流側に設けられている。具体的には、軸流ポンプ１と加熱位置１０６との間のパイプ１０８に設けられている。この温度検出部１０９としては、サーミスタを利用したサーミスタ温度センサなどを例示することができる。
【００３５】
次に、流体循環装置１０１の加熱対象物１０５に対する加熱動作について説明する。まず、水槽１０２内の流体をヒータ１０３で加熱し、加熱した流体を軸流ポンプ１によりパイプ１０８に送り出す。軸流ポンプ１によりパイプ１０８に送り出された流体は、加熱位置１０６を通り、再び水槽１０２内へ戻る。このとき、加熱位置１０６において、流体は加熱対象物１０５に熱を伝える（奪われる）。これにより加熱対象物１０５が加熱される。流体は、熱を奪われ分の温度が低くなった状態で水槽１０２内に戻り、再びヒータ１０３により加熱される。
【００３６】
また、流体循環装置１０１では、加熱対象物１０５への加熱量が一定となるように、流体の温度を管理している。具体的には、温度検出部１０９によって検出される温度が一定となるようにヒータ１０３を制御している。
【００３７】
このような構成において、流体循環装置１０１の加熱対象物１０５に対する加熱動作の際には、軸流ポンプ１の巻線１０から発生した熱が流体に対して伝えられるので、その熱量だけ、ヒータ１０３による流体の加熱をしないで済むことになり、ヒータ１０３へ供給する電力量を少なくすることができる。
【００３８】
このように、本実施の形態においては、加熱部によって加熱した流体を循環させて加熱対象物１０５（例えば、床や浴槽）を加熱する流体循環装置１０１において、流体を循環させる軸流ポンプ１を備えることにより、軸流ポンプ１は、従来のポンプに比べ、巻線１０から発生した熱を流体に伝え易くなっているので、これによりヒータ１０３へ供給する電力量を従来のもの比べて少なくすることができ、従来の流体循環装置に比べて省エネが図られている。
【００３９】
また、本実施の形態においては、加熱部であるヒータ１０３及び軸流ポンプ１よりも流体循環方向の下流側であって加熱対象物１０５（例えば床）よりも流体循環方向の上流側に、流体の温度を検出する温度検出部１０９（例えば、サーミスタ温度センサ）を備えることにより、ヒータ１０３及び軸流ポンプ１により加熱された流体であって加熱対象物１０５を加熱する前の流体の温度を正確に検出することができる。これにより、加熱対象物１０５に与える熱量を正確に管理することができる。ここで、従来の流体循環装置では、水槽の中に温度検出部を設けているが、流体は水槽１０２を出てから軸流ポンプ１により加熱されるので、例えば、このように水槽１０２の中に温度検出部１０９を設けた場合には、加熱対象物１０５を加熱する前の流体の正確な温度が分からなくなってしまう。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、巻線が通電されてロータが回転駆動されることにより軸流羽根が回転駆動され流体が流路を流れ、その際に、通電された巻線から発生した熱がその流体に対して金属製のキャンを介して伝えられることにより、流体と接触している部位が樹脂である従来の軸流ポンプに比べて巻線から流体へ伝わる熱量を多くすることができる。これにより、モータにより発生する熱の利用率を高めることできる。また、これにより、軸流ポンプの高寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の軸流ポンプを概略的に示す底面断面図である。
【図２】軸流ポンプを概略的に示す正面図である。
【図３】設置部に設置された状態の軸流ポンプを概略的に示す縦断正面図である。
【図４】本発明の第二の実施の形態の流体循環装置を概略的に示す縦断側面図である。
【符号の説明】
１軸流ポンプ
３ステータ
４ロータ
５本体ケース
５ａ突起
５ｂ突起
６本体ケース
６ａ突起
７キャン
１０巻線
１１ボビン（絶縁部材）
２２凹部（軸流羽根）
２３流路
２４吸入口
２６設置部
２７排出口
１０１流体循環装置
１０３ヒータ（加熱部）
１０５加熱対象物
１０９温度検出部
Ｇ１シリコーングリース（熱伝導部材）
Ｇ２シリコーングリース（熱伝導部材）
Ｇ３シリコーングリース（熱伝導部材）

Claims

巻線を有するステータと、
前記ステータの内側に前記ステータが接触するように設けられた金属製のキャンと、
回転駆動されることにより流体を吸入口から吸入しその流体を排出口へ向けて送り出す軸流羽根を外周部に有し、前記キャンの内側に設けられ前記ステータの前記巻線が通電されることにより回転駆動されるロータと、
前記ロータと前記キャンとの間に形成され、前記軸流羽根によって螺旋状に仕切られた流路と、
を備える軸流ポンプ。
前記ステータと前記キャンとの間に粘性を有する熱伝導部材を備える請求項１記載の軸流ポンプ。
前記ステータと前記巻線との間に設けられた絶縁部材と、
前記絶縁部材と前記ステータとの間に設けられた粘性を有する熱伝導部材と、を備える請求項１又は２記載の軸流ポンプ。
前記巻線と前記キャンとを接続するように設けられた粘性を有する熱伝導部材を備える請求項１，２又は３記載の軸流ポンプ。
突起により前記ステータを挟み込んで支持する本体ケースを備える請求項１，２，３又は４記載の軸流ポンプ。
前記本体ケースの外側に設けられ、当該軸流ポンプを設置部に設置した場合にその設置部に接触し当該軸流ポンプを支持する突起を備える請求項１，２，３，４又は５記載の軸流ポンプ。
加熱部によって加熱した流体を循環させて加熱対象物を加熱する流体循環装置において、
前記流体を循環させる請求項１，２，３，４，５又は６記載の軸流ポンプを備えることを特徴とする流体循環装置。
前記加熱部及び前記軸流ポンプよりも流体循環方向の下流側であって前記加熱対象物よりも流体循環方向の上流側に、流体の温度を検出する温度検出部を備えることを特徴とする請求項７記載の流体循環装置。