JP2005106038A - 軸流ポンプおよび流体循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ステータから発生する熱を流体に放熱しやすい構造を有する軸流ポンプおよびこれを備えた流体循環装置を提供する。
【解決手段】 巻線２６を有するステータ３と前記ステータの外周部を覆って支持し流体の吸入口８と流体の排出口９が設けられた支持体５と、前記ステータ３の内側に接触するように設けられ前記支持体５より高い熱伝導係数を有する材料からなる円筒形の内壁部材２０と、前記内壁部材２０の内側に設けられ前記ステータ３の前記巻線２６への通電により回転駆動され流体を吸入口８から排出口９へ圧送する軸流インペラの機能を備えたロータ４とにより、前記巻線２６の通電により生じた熱を前記内壁部材２０を介して前記流体へ伝達させるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータ一体型の軸流ポンプおよびこれを備えた流体循環装置に関する。

温水などの流体の熱を利用して床を暖める床暖房などに使用される流体循環装置がある。この流体循環装置では、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。
このような流体循環装置に使用されるポンプとして、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。（例えば、特許文献１、特許文献２）

このようなモータ一体型の軸流ポンプは、ステータのステータコアに巻かれた巻線に通電してロータを回転駆動することで軸流羽根を回転させ、この回転によって流体を吸入口から吸入してロータの回転軸方向に沿って流し、その流体を排出口から送り出している。
このようなモータ一体型の軸流ポンプは、ステータの内周面全体と内部とを巻線ごと絶縁性樹脂によってモールドされて、ステータの防水処理が施されている。
ところで、このようなモータ一体型の軸流ポンプのモータを駆動した場合にステータコアの巻線から熱が発生するが、例えば、この軸流ポンプを流体循環装置に適用し、流体循環装置内を流れる流体に巻線からの熱を伝達することができれば、その分、ヒータによる加熱の低減化を図ることが可能となる。

しかしながら、従来のモータ一体型ポンプは、巻線から発生する熱を積極的に利用しようとする概念はない。モータから熱が発生するにも拘わらず、その熱を流体循環装置に十分に役立てられていない。また、一般的に、従来のモータ一体型の軸流ポンプでは、上記したようにステータは、樹脂等により防水処理が施されており、その樹脂等は熱伝導係数が低いので、ステータから発生した熱を十分に流体に伝えることができないという問題がある。
また、ステータが樹脂によりモールドされていると、樹脂の熱伝導係数が約０．２Ｗ／（ｍ・ｋ）程度と低いため、巻線から発生する熱がモータの外周部に逃げ難く、ステータの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やすく、寿命が短くなってしまうという問題がある。

特開平１０−２４６１９３号公報 特開平１１−２１０６６２号公報

上記したような問題点に鑑みて、本発明の目的は、ステータから発生する熱を流体に放熱しやすい構造を有する軸流ポンプを提供することにある。

本発明の新規な軸流ポンプおよび流体循環装置によれば、巻線を有するステータと前記ステータの外周部を覆って支持し、流体の吸入口と流体の排出口が設けられた支持体と、前記ステータの内側に接触するように設けられ、前記支持体より高い熱伝導係数を有する材料からなる円筒形の内壁部材と、前記内壁部材の内側に設けられ、前記ステータの前記巻線への通電により回転駆動され流体を前記吸入口から排出口へ圧送する軸流インペラの機能を備えたロータとからなり、前記巻線の通電により生じた熱を前記内壁部材を介して前記吸入口から流入する流体へ伝達させるようにした。

本発明によれば、巻線に通電されて発生した熱をステータの内壁部材を介して流体へ伝達させることができる。これにより、モータより発生する熱の利用効率を高めることができ、また軸流ポンプの高寿命化を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態の軸流ポンプについて図を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態の軸流ポンプを概略的に示す横断面図である。軸流ポンプ１は、モータ２のロータ４を軸流羽根として流体を吸入口８から排出口９へ圧送する機能を備えたモータ一体型のポンプである。軸流ポンプ１のモータ２は、ステータ３とステータ３の円筒内に配置されたロータ４とを備えている。ステータ３およびロータ４は、それぞれモータの外殻を構成する支持体５に収納され、支持されている。
また、支持体５は、流体の吸入口８が設けられた部材５ａと流体の排出口９が設けられた部材５ｂにより円筒形の部材５ｃを挟んで互いに嵌合させて一体に形成されている。この支持体５は、樹脂で形成されている。好適な材料として、例えば、ポリプロピレンが用いられる。

つぎに、ロータ４について説明する。ロータ４は、支持体５の部材５ａおよび部材５ｂに対して回転可能に支持されている。ロータ４は、ロータコア１０およびロータコア１０を保持する回転軸１１等から構成されている。回転軸１１の一端側は、ベアリング１２を介して、支持体５に設けられたベアリング支持体１３によって支持されている。支持体５とベアリング支持体１３とは、図３に示すように流体を流路２１（後述する）に案内する固定案内整流板１４によって架橋されている。これにより、上述した吸入口８は、図３に示すように、固定案内整流板１４によって４分割されている。
回転軸１１の他端側は、ベアリング１５を介して、支持体５の部材５ｂに設けられたベアリング支持部１６によって支持されている。これにより、回転軸１１は、支持体５に対して回転可能とされている。

また、本発明の第１の実施の形態に用いたロータ４のロータコア１０は、モールド等により円筒状に成形されている。また、ロータコア１０は、円周方向に等分された位置で交互に異極になるように磁化された例えば４極の突極１７を備えている（図４参照）。ロータコア１０の外周には、吸入口８と排出口９に連通する螺旋状の凹部１８が設けられている。即ち、吸入口８から排出口９に至る流路２１が、このロータ４の凹部１８と後述するステータコア２２の内壁部材２０の内周面とで仕切られて形成される。このような構造を有するロータ４は、軸流羽根として機能する。

つぎに、ステータ３について説明する。ステータ３は、ステータコア２２を備えている。ステータコア２２は、珪素系金属等からなる板状体を複数積層することによって積層体２７が形成されている。ステータコア２２のボビン２５にガイドされつつ巻かれた巻線２６が上記積層体２７の周囲に設けられている。この巻線２６に通電されることによりロータ４の回転軸の径方向における積層体２７の両端部に電気的に磁極が形成される。

また、ステータ３内周側であってロータ４の外周側には、円筒形の内壁部材２０が配置されている。この内壁部材２０は、図に示すように、ステータ３を構成している積層体２７およびボビン２３と接して配置されている。この内壁部材２０の一端は、支持体５の部材５ａに支持され、また他端は、部材５ｂにネジ等で固定される。この内壁部材２０は、磁性のない金属等の硬質材料、例えば非磁性のステンレス材で形成される。非磁性材料でなければ、内壁部材２０が接しているステータの機能を発揮させないからである。また凹リング２８によりこの軸流ポンプ１に流入する流体がステータ３内部に侵入しないように防水シールがされる。
また、この内壁部材２０が支持体５の部材５ａに支持されている部分では、凹リング２８によりこの軸流ポンプ１に流入する流体がステータ３内部に侵入しないように防水シールがされる。

このような構成により、上記したように内壁部材２０は、軸流ポンプ１の流路２１に沿って流れる流体に直接触れており、また、熱伝導性の良い金属、例えば上記したようなステンレス材の熱伝導率は、約１６Ｗ／（ｍ・ｋ）でありこの目的の材料としては好適である。この内壁部材２０の材料としては、ステンレス材に限らず、その他、銅を用いてもよい。一方、ステータ３の外周部を支持している支持体５の部材５ｃは、樹脂で形成した場合の一例としてポリプロピレンを用いて形成されており、この熱伝導率は約０．２Ｗ／（ｍ・ｋ）であり、そのオーダーは、ステンレス材のそれに比べて２桁違う。

この軸流ポンプ１を動作させた場合に、モータ２のステータ３の巻線２６により発生した熱は、ステータ３の周囲の部材に伝達され、放熱される。本実施の形態の場合は、内周部は金属で形成された内壁部材２０が位置し、しかも直接流体に接しており、熱伝導率がステータ３の外周部を支持している部材５ｃよりも高いので、外周部の部材５ｃよりも内周部の内壁部材２０を介して、流体への放熱を容易にし、かつ、巻線２６による温度上昇を防止するという作用をなす。
つまり、支持体５の熱伝導係数が内壁部材２０の熱伝導係数より小さい関係を満たすそれぞれの材料を選択することによって巻線２６に発生する熱を効果的に流体に伝達し熱の利用効率を高めるという効果を達成することができる。
このようにモータ２により発生した熱を流体に伝達することができるので、流体を加熱しつつ循環する装置にこの軸流ポンプ１を使用すれば、より効果的に利用することができる。
また、軸流ポンプ自身の内部温度上昇を防止することができるので、軸流ポンプの構成部品の熱劣化を防止することができるので寿命を長くすることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について図２および図４を用いて説明する。軸流ポンプは、第１の実施の形態に用いた軸流ポンプ１と基本構成は同様である。この第２の実施の形態においては、支持体５の部材５ｃの内周面のステータ３と対向する位置に複数の突起部５ｄを設けることにより、これらの突起部５ｄによってステータ３をその外周部の一部、例えば、図４に示すようにボビン２６の外周部に点接触で支持することができる。このため、巻線２６の通電により発生した熱が支持体５の部材５ｃを介して外部に放熱される際の熱抵抗をさらに高めることができる。突起部５ｄ以外の空隙２７は、空気層で覆われていることとなり、空気は、熱伝導率が極めて小さいからである（空気の熱伝導率は、上記ポリプロピレンのそれより更に一桁小さい）。

さらに、ステータ３の巻線２６を覆うように、粘性を有する熱伝導部材である充填材７、例えば、シリコーングリースを上記内壁部材２０に直接接するように充填し、かつ支持体５を構成する各部材５ａ、５ｂおよび５ｃの表面との間に空隙２７を形成するように充填する。この空隙２７には空気層が形成される。充填材７は、空気よりは熱伝導性が高いので、巻線２６の周囲の隙間に空気が存在するよりは、充填材７を用いて巻線２６を覆った方が、巻線２６自身から発生した熱は、内壁部材２０を介して放熱しやすくなる。また、空隙１７の存在により支持体５の部材への伝熱が阻止され、外部への放熱がされにくくなる。

この場合、熱伝導性の高い無機物質を含有するシリコーングリースを用いるのが好ましく、好適な例として窒化アルミやアルミナ等からなる粉末を混合したシリコーングリースがあげられる。窒化アルミやアルミナは、無機物質のなかでも特に熱伝導性が良好な物質である。
このようなステータ３の構成にすることにより上記した第１の実施の形態における軸流ポンプ１よりも、さらに巻線２６の通電によって発生した熱を流体の方へ伝達しやすくなる。

上記した軸流ポンプは、ステータ３の内周面に設けられた内壁部材２０の内周面が流路壁を構成しているので、巻線２６から発生した熱をステータ３の内周面に接して位置する内壁部材２０を介して効果的に流体に伝達させることができる。

次に、本発明の他の実施例について図を参照して説明する。上述した実施例の軸流ポンプ１を備え、加熱した流体、例えば温水（不凍液など）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流体循環装置への適用例を示す。なお、前述した実施例と同じ部分は同一符号で示し説明を省略する。

図５は、流体循環装置を概略的に示す縦断側面図である。流体循環装置１０１は、図に示すように、流体を貯留する水槽１０２を備えている。この水槽１０２には、水槽１０２内の流体を水槽１０２外へ送り出す排出口１０４が設けられている。水槽１０２内には、水槽１０２内の流体を加熱する加熱部であるヒータ１０３が設けられている。また、水槽１０２の排出口１０４には、上述した実施例の軸流ポンプ１が接続されている。軸流ポンプ１は、吸入口８と水槽１０２の排出口１０４とが連通するように接続されている。

軸流ポンプ１の排出口９には、排出口９から加熱対象部である加熱対象物１０５を経由して水槽１０２の戻り口１０７へ至る流路を形成するパイプ１０８が接続されている。パイプ１０８には、ヒータ１０３および軸流ポンプ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となる位置に、パイプ１０８中を流れる流体の温度を検出する温度検出部１０９が設けられている。本実施例の温度検出部１０９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。温度検出部１０９としては、例えば、サーミスタ温度センサが用いられる。この流体循環装置１０１において軸流ポンプ１を駆動すると、水槽１０２、軸流ポンプ１、パイプ１０８、温度検出部１０９、加熱位置１０６、水槽１０２の順に循環経路が実現され、流体が循環する。

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、熱を奪われた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。

また、流体循環装置１０１において、その制御部（図示されていない）により、加熱対象物１０５への加熱量が一定となるように、流体の温度が制御されている。本実施例では、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が制御される。
このような流体循環装置１０１において、加熱対象物１０５は、ヒータ１０３による熱のみでなく、軸流ポンプ１の巻線２６から発生した熱が流体に対して伝えら、その結果、加熱対象物１０５に伝えられることとなる。

これによって、流体循環装置１０１は、軸流ポンプ１の巻線２６から発生した熱量分だけ、ヒータ１０３による流体の加熱をしないで済むことになるので、巻線２６から発生した熱を有効活用し、ヒータ１０３単体で流体を加熱する場合と比較して流体の加熱に要するエネルギーを少なくし、ヒータ１０３での負担を軽減することができる。すなわち、本発明の実施例の軸流ポンプ１を用いない場合と比較して、ヒータ１０３へ供給する電力量を少なくすることができる。

このように、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２６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を図ることができる。

また、本実施例においては、加熱部であるヒータ１０３および軸流ポンプ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を備えることにより、ヒータ１０３および軸流ポンプ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。つまり、温度検出部１０９を軸流ポンプ１と加熱対象物１０５の間に設ければよい。このように、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。

本発明の第１の実施の形態に用いた軸流ポンプを概略的に示す横断面図である。 本発明の第２の実施の形態に用いた軸流ポンプを概略的に示す横断面図である。 本発明の実施の形態に用いた軸流ポンプの固定整流板を示す図である。 本発明の軸流ポンプを概略的に示す縦断正面図である。 本発明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
２ モータ
３ ステータ
４ ロータ
５ 支持体
７ 充填材
８ 流体の吸入口
９ 流体の排出口
１０ ロータコア
１３ ベアリング支持体
１４ 固定案内整流板
１７ 突極
１８ 凹部
２０ 内壁部材
２１ 流路
２２ ステータコア
２５ ボビン
２６ 巻線
２７ 空隙
１０１ 流体循環装置
１０２ 水槽
１０３ ヒータ
１０５ 加熱対象物
１０８ パイプ

Claims (6)

1. 巻線を有するステータと、
   前記ステータの外周を覆って支持し、流体の吸入口と排出口が設けられた支持体と、
   前記ステータの内周面に接触するように設けられ、前記支持体より高い熱伝導係数を有する材料からなる円筒形の内壁部材と、
   前記内壁部材の円筒内に設けられ、前記ステータの前記巻線への通電により回転駆動され、流体を吸入口から排出口へ圧送する軸流インペラの機能を備えたロータとからなり、
   前記ステータの巻線への通電により生じた熱を前記内壁部材を介して前記吸入口から流入する流体へ伝達させることを特徴とする軸流ポンプ。
2. 前記内壁部材は、非磁性の金属であり、前記支持体は、樹脂からなることを特徴とする請求項１記載の軸流ポンプ。
3. 前記支持体の内周面に複数の突起部を設け、前記突起部により前記ステータの外周を支持することを特徴とする請求項１または請求項２記載の軸流ポンプ。
4. 前記ステータの巻線を覆うように前記内壁部材に接触し、かつ前記支持体との間に空隙を形成するように無機物資の粉末を含有する充填材を充填したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１記載の軸流ポンプ。
5. 加熱部によって加熱した流体を循環させて加熱対象物に熱伝達する流体循環装置において、
   流体を循環させる請求項１乃至請求項５のいずれか１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。
6. 前記加熱部と前記軸流ポンプの間に設けられている流路中に流体の温度を検出する温度検出部を備えること特徴とする請求項５記載の流体循環装置。

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