JP2005248898A - ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ポンプを駆動する電動機用の電力を供給するインバータ装置を効果的に冷却することのできるポンプ装置を提供する。
【解決手段】 流体を昇圧するポンプ３１０と、ポンプ３１０を駆動する電動機２１０と、電動機２１０用の電力を供給するインバータ装置であって電動機２１０の近傍に配置されたインバータ装置２３０とを備え、電動機２１０は該電動機の本体に冷却用空気を送風するファン２１５と、ファン２１５を囲むファンカバーであって、前記冷却用空気を電動機２１０の本体２１１に送るように案内するファンカバー２１６とを有し、ファンカバー２１６には、ファン２１５により送風される冷却用空気の一部をインバータ装置２３０に送る開口２１６ｃが形成されたポンプ装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ポンプ装置に関し、特に、電動機駆動用のインバータ装置を効果的に冷却することのできるポンプ装置に関する。

従来から、家庭に給水を行うために、受水槽に蓄えた水や井戸水を供給するのにカスケードポンプを使用した自動給水装置が多く用いられている。カスケードポンプを用いるのは、コンパクトな構造に加えて自吸性を有するのが主な理由である。このような従来の自動給水装置はインバータ装置を搭載しており、吐出圧力一定制御を行っている（例えば特許文献１参照）。

特開昭６０−１４２０９７号公報

しかしながら、インバータ装置はその性質上かなりの発熱が避けられず、温度上昇が大きくなりすぎると故障の原因にもなりかねない。

そこで本発明は、ポンプを駆動する電動機用の電力を供給するインバータ装置を効果的に冷却することのできるポンプ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１にかかる発明によるポンプ装置は、例えば、図１、図３に示すように、流体を昇圧するポンプ３１０と；ポンプ３１０を駆動する電動機２１０と；電動機２１０用の電力を供給するインバータ装置であって電動機２１０の近傍に配置されたインバータ装置２３０とを備え；電動機２１０は該電動機の本体に冷却用空気を送風するファン２１５と、ファン２１５を囲むファンカバーであって、前記冷却用空気を電動機２１０の本体２１１に送るように案内するファンカバー２１６とを有し、ファンカバー２１６には、ファン２１５により送風される冷却用空気の一部をインバータ装置２３０に送る開口２１６ｃが形成される。

電動機は典型的には全閉外扇型電動機である。開口は切り欠きを含む概念である。

また請求項１に記載のポンプ装置では、請求項２に記載のように、電動機本体２１１の外周には冷却面を増やすためのフィン２１１ｂが形成され；インバータ装置２３０には冷却面を増やすためのフィン２３１ａが形成され；前記冷却用空気は、フィン２３１ａに向けて送られるように形成されてもよい。

また請求項１又は請求項２に記載のポンプ装置では、請求項３に記載のように、ポンプ３１０と電動機２１０とインバータ装置２３０を覆うユニットカバー３３１を備えるようにしてもよい。

ユニットカバーは典型的にはポンプ、電動機、インバータ装置の全体を、ポンプの給水管と吐出管が貫通する開口を除いてほぼ密閉的に覆う。ファンはユニットカバー内の空気を循環させ、ポンプを流れる流体により冷却され、電動機本体とインバータ装置とを冷却する。ユニットカバーは典型的には騒音の漏れ防止機能も有する。

本発明のポンプ装置によれば、電動機は該電動機の本体に冷却用空気を送風するファンと、ファンを囲むファンカバーであって、前記冷却用空気を電動機の本体に送るように案内するファンカバーとを有し、ファンカバーには、ファンにより送風される冷却用空気の一部をインバータ装置に送る開口が形成されているので、温度が上昇しがちなインバータ装置を効果的に冷却することができるポンプ装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号あるいは類似符号を付し、重複した説明は省略する。

図１の平面図（ａ）と一部断面正面図（ｂ）を参照して、本発明の実施の形態のポンプ装置としての給水装置２０１を説明する。本実施の形態では、ポンプとしてカスケードポンプ３１０を備える。カスケードポンプは摩擦ポンプの名前でも呼ばれるポンプであり、周縁に多数の溝を切った円板として形成された羽根車３１１を備える。このポンプは小型であるが、１個の羽根車で数段の渦巻ポンプに匹敵する揚程を得られ、小容量高揚程の目的に適している。また自吸性を有するので、家庭に給水を行うために受水槽に蓄えた水や井戸水を供給するのに適している。羽根車３１１はポンプケーシング３１２に収納されている。ポンプケーシング３１２の羽根車の軸の方向から見た正面には、ポンプケーシングカバー３１３がボルトで取り付けられており、これを取り外すと羽根車３１１にアクセスでき、保守点検が容易である。

また自動給水装置２０１は、ポンプ３１０を駆動する電動機２１０を備える。電動機２１０の構造は、図３を参照して後で詳しく説明する。

また、ポンプ３１０は可変速運転を行なうことにより吐出圧を制御できるように、インバータ装置２３０を備える。インバータ装置２３０は、電動機２１０の近傍に配置されている。特に電動機本体２１１を冷却するためのファン２１５（図３参照）と並べて、その（平面図上で見て）横に配置されている。

ポンプ吸込口３２６と羽根車３１３との間の流路には、チェッキ弁３２１が配置されている。

羽根車３１１の下流側には、気水分離室が設けられ、気水分離室の下流側にフロースイッチ３２４、その近傍に圧力センサ３２３が配置されている。フロースイッチ３２４と圧力センサ３２３とは、気水分離室の下流に設けられた吐出管３２５に配置されている。吐出管３２５の下流には、ポンプ装置の吐出口３２７が設けられている。吐出管３２５には圧力タンク３２２が接続されている。圧力タンク３２２の鉛直方向上方には呼水栓３２８が設けられている。圧力タンク３２２は、ポンプ３１０の吐出側で、フロースイッチ３２４よりも下流側に設けられている。

以上の構成機器、ポンプ３１０、電動機２１０、インバータ装置２３０、圧力タンク３２２は、ユニットベース３３２の上に載置されボルトで固定されており、全体としてコンパクトにまとめられている。またこれらの機器全体を覆う、樹脂製のユニットカバー３３１を備える。ユニットカバー３３１には、ポンプ３１０の吸込口３２６と吐出口３２７に外部からアクセスできる開口３３１ａ、３３１ｂがそれぞれ形成されているが、ユニットカバー３３１とユニットベース３３２とで、前記構成機器全体をほぼ密閉的に覆っている。したがって、風雨から構成機器を守ることができると共に、高い防音効果を与えている。

ポンプケーシング３１３の外側、ほぼ気水分離室の外側には、凍結防止ヒータ３３３が、吐出管３２５の外側には、凍結防止ヒータ３３４が、それぞれ貼り付けられている。

図２のフローシートを参照して、給水装置２０１の各構成機器の水の流れに則した配置と作用を説明する。ここで給水装置２０１は自動給水装置であり、水の使用量に応じてポンプ３１０を自動的に発停し、また運転速度を自動的に可変速する。

図２において、地上Ｓから掘られた井戸Ｗｅｌｌには水ＷがレベルＬの所まで溜まっている。自動給水装置２０１は井戸Ｗｅｌｌに近接して、地上Ｓに据え付けられている。

吸込管３０９は給水装置２０１のポンプ３１０の吸込口３２６に接続されている。吸い込まれた水は、チェッキ弁３２１を経てポンプ３１０の羽根車に吸い込まれる。チェッキ弁３２１は、ポンプ３１０が停止したときに、水が井戸Ｗｅｌｌに逆流しないようにする逆止弁である。ポンプ３１０はカスケードポンプであるので、始動時に吸込管３０９中に空気があっても、それを排出して水Ｗを吸い上げることができるが、チェッキ弁３２１が設けられているので、発停ごとに空気を追い出す必要がない。

フロースイッチ３２４は、ポンプ３１０の吐出水量を検出し、検出結果をインバータ装置２３０に送信し電動機２１０を発停する。圧力センサ３２３は、ポンプ３１０の吐出圧力を検出し、検出結果をインバータ装置２３０内の制御部２３４に送信する。

吐出管３２５に設けられた圧力タンク３２２は、耐圧容器内にゴム製のブラダが内蔵されており、吐出圧が上昇するとブラダの外側の空気を圧縮し水が加圧状態で貯留される。また、吐出圧が低下するにつれて、圧縮された空気が膨張し、貯留された水を吐出管３２５に押し出す。このようにして、ポンプ３１０が停止しても、しばらくは圧力タンク３２２から吐出管３２５に水が供給される。

インバータ装置２３０は、電動機としての直流ブラシレスモータ２１０に駆動電力を供給するＩＰＭ（Intelligent Power Module）２３２と、ＩＰＭ２３２をコントロールする制御部２３４を備える。制御部２３４はＤＣＢＬ（直流ブラシレス）コントローラ２３５を含んで構成されている。圧力タンク３２２は、フロースイッチ３２４よりも下流側に設置されているので、圧力タンク３２２から供給される水流をフロースイッチ３２４が検出することはない。

ＩＰＭ２３２は、直流ブラシレスモータ２１０から磁極信号を受けて、駆動電力の周波数を直流ブラシレスモータ２１０の回転数に同期させ、モータ２１０の固定子に回転磁界を形成する。

ＤＣＢＬ（直流ブラシレス）コントローラ２３５は、ＩＰＭ２３２に電圧信号を送信する。制御部２３４は、不図示の圧力コントローラ部と速度コントローラ部とを備える。

圧力センサ３２３からの圧力信号は、圧力コントローラ部に入力され、圧力コントローラ部は速度コントローラ部に速度設定値を送る。速度コントローラ部は、設定速度と実際の運転速度との差に応じた制御信号をＩＰＭ２３２に出力する。

ＩＰＭ２３２は、ポンプ３１０を駆動する電力を扱うので、運転に伴ってかなりの発熱をする。したがって、その熱を奪ってやる必要がある。ここで言うインバータ装置は、少なくともポンプ３１０の駆動電力を扱い、したがって発熱する機器を含んで構成される。本実施の形態では、ＩＰＭ２３２を含んで構成される。送風による冷却を要するのは、信号を取り扱う故に発熱量が少ない機器ではなく、電力を扱うために発熱量の多い機器だからである。

図３の一部断面図を参照して、本実施の形態の給水装置に用いるのに適した電動機を説明する。本電動機２１０はブラシレス直流（ＤＣＢＬ）電動機である。また全閉外扇型電動機である。全閉外扇型電動機は、全閉構造の本体と回転子軸に取付けた冷却用外部ファンを含んでなる。全閉外扇・屋外型電動機は、常時屋外に設置して、直射日光や風雨・雪などにさらされるような環境に適する。また全閉外扇・屋内型電動機であってもよい。

本電動機２１０は電動機本体２１１と外部に設けられたファン２１５を含んで構成される。電動機本体２１１は、全体が電動機ケーシング２１１ａで外部に対して密閉されている。電動機ケーシング２１１ａの内部には回転軸２１４に装着されて回転する回転子２１２と、それを囲んで回転磁界を形成する固定子２１３を備える。固定子２１３は、電動機ケーシング２１１ａの内側に装着されている。

電動機ケーシング２１１ａは、熱伝導率の高い且つ軽量の材料で形成される。例えばアルミニューム、又はアルミニューム合金である。典型的には鋳造法又はダイカスト法で製造される。電動機ケーシング２１１ａの外表面には、フィン２１１ｂが形成されている。フィン２１１ｂは、円筒形状の電動機ケーシング２１１ａが単なる円筒形である場合と比較して、冷却面を例えば２倍以上というように増やすものである。フィン２１１ｂは電動機ケーシング２１１ａと一体で鋳造法やダイカスト法で製造される。

また本電動機２１０は、電動機ケーシング２１１ａの外表面、フィン２１１ｂに冷却用の風を送風するファン２１５を備える。ファン２１５は、軸２１４のポンプと連結する端部とは逆の端部に取り付けられる。外扇型と呼ばれるように、ファン２１５は、電動機本体２１１の外部に取り付けられている。このファン２１５は、電動機で発生する熱を逃がすために電動機外部表面の空気を吹き飛ばす。このように、冷却用の空気は電動機内部を通過しないため、屋外などでのほこっりっぽく汚れを伴う環境下での使用にも適する。

またファン２１５の外側には、ファン２１５を囲むようにファンカバー２１６が取り付けられている。ファンカバー２１６は、冷却用の空気を電動機本体２１１の方に、特にフィン２１１ｂの方に送るように案内するものである。ファンカバー２１６は、お碗状に形成され、ファンにかぶせて、お碗の開口部が電動機ケーシング２１１ａに一部重なるように配置されている。お碗の開口部は、電動機ケーシング２１１ａの外径よりも多少大きく作られ、スペーサ２１６ａを介して電動機ケーシング２１１ａにボルトで固定されている。このように構成されているので、ファンカバー２１６と電動機ケーシング２１１ａとの間に形成された隙間を通して、電動機本体２１１の外側に冷却用空気が案内される。ファンカバー２１６と電動機ケーシング２１１ａとの間に形成された隙間は、ファンカバー２１６の内面と電動機ケーシング２１１ａの外周面（フィン２１１ｂの根本）で挟まれた円環状の空間であり、フィン２１１ｂの高さとスペーサ２１６ａの厚さ分の隙間となる。その隙間にフィン２１１ｂが放射状に存在する。すなわちファンカバー２１６の内面と電動機ケーシング２１１ａの外周面及び隣り合うフィン２１１ｂで囲まれた空間をファン２１５によって起こされた風が通る。

ファンカバー２１６には、前記お碗の底に相当する部分に、軸２１４方向に空気吸込開口としての複数の軸方向穴２１６ｂが形成されている。ファン２１５が回転すると、軸方向穴２１６ｂを通して外部からファンカバー２１６内に空気が吸い込まれる。吸い込まれた空気は、前記隙間を通して電動機本体２１１の外側に送られて電動機２１０の冷却に資する。

ファンカバー２１６には、前記お碗の側壁に相当する部分に、軸２１４直角方向に空気放出開口としての複数の横方向穴２１６ｃが形成されている。横方向穴２１６ｃは、電動機２１０とインバータ装置２３０をユニットベース３３２上に設置したとき、ファン２１５で送風される冷却用空気の一部がインバータ装置２３０に送ることができるように形成されている。

すなわち、横方向穴２１６ｃはファンカバー２１６の全周ではなく、インバータ装置２３０に向いた側だけに形成されている。もっとも、ファン２１５で送風される冷却用空気の一部がインバータ装置２３０に送られればよいのであって、インバータ装置２３０に向いた側に加えて、他の部分に形成されている穴があったとしても、ファン２１５で送風される空気が、電動機本体２１１を冷却し、且つインバータ装置２３０を十分に冷却することができればよい。

このような構成を備えるので、ファン２１５が回転すると、軸方向穴２１６ｂを通して外部からファンカバー２１６内に空気が吸い込まれ、吸い込まれた空気の一部は、横方向穴２１６ｃを通して、インバータ装置２３０の方に送られ、インバータ装置２３０の冷却に資する。インバータ装置２３０には、後で詳述するようにフィン２３１ａ（図４参照）が設けられており、冷却効果を高めている。

図４の斜視図を参照して、ＩＰＭ２３２を説明する。インバータ装置２３０のうち、ＩＰＭ２３２以外の部分は、想像線で表してある。ＩＰＭ（素子）２３２は、樹脂モールド２３３中に埋め込まれている。（ｂ）に示すように、ＩＰＭ素子２３２を埋め込まれた樹脂モールド２３３は、フィンベース２３１に貼り付けられている。（ａ）に示すように、フィンベース２３１の、ＩＰＭ素子２３２とは反対側の面には、多数のフィン２３１ａがフィンベース２３１と一体に形成されている。本実施の形態では、フィンベース２３１とフィン２３１ａは、熱伝導率の高い材料であるアルミニュームで形成されている。但し、アルミニュームに限らず、例えば銅であってもよい。

フィン２３１ａは、冷却面を増やすものである。ＩＰＭ２３２が貼り付けられた、フィンベース２３１の単なる平面よりも、外気に触れる面積が例えば２倍以上というように飛躍的に増える。

図１に戻って、電動機２１０とインバータ装置２３０の関係を説明する。ユニットベース３３２上で、インバータ装置２３０は、電動機２１０の近傍、特にファン２１５の近傍、さらに言えばファン２１５を囲むファンカバー２１６の近傍に配置されている。またインバータ装置２３０は、ファンカバー２１６に形成された複数の横穴２１６ｃから空気が放出する側に配置されている。ファン２１５による冷却用空気をインバータ装置２３０に送る開口は、複数の横穴２１６ｃであるものとして説明したが、インバータ装置２３０の冷却に必要な量の空気を送ることができればよく、１個の穴でもよいし、穴に限らず切り欠きであってもよい。

ユニットカバー３３１は、ポンプ３１０、電動機２１０、インバータ装置２３０、圧力タンク３２２等の給水装置の構成機器全体を覆っており、外部との空気の流通は、給水口と吐出口とが外部配管と通じる開口部３３１ａ、３３１ｂだけである。したがって外部の新鮮空気が内部に大量に流入するわけではない。

ファン２１５で送風された空気は、電動機本体２１１とインバータ装置２３０の熱を奪って温度上昇するが、ユニットカバー３３１内で攪拌されるので、ポンプ３１０の表面で冷却される。ポンプ３１０の表面は、水が流れているときは結露するくらいに低温である。また本給水装置は、ポンプ３１０の吐出水量が低下すると自動停止されるように構成されている。ポンプ停止中はインバータ装置２３０の発熱はほとんどない。すなわちインバータ装置２３０の冷却が必要なときは、ポンプにはある程度の水量が流れており、ポンプが停止して水が流れていないときは、インバータ装置２３０の発熱がないという関係があるので都合がよい。

なお本実施の形態の自動給水装置は、水温が４０℃のときに、ＩＰＭ２３２が１２５℃以下となるように構成する。

本自動給水装置２０１は、水の使用量の下限を設定しておき、フロースイッチ３２３がその下限値を検出すると、制御部２３４が作動して電動機２１０を、ひいてはポンプ３１０を停止する。その後水が使用されるとしばらくは圧力タンク３２２から水が供給されるが、圧力タンク３２２内の水が少なくなり、さらに圧力が低下すると、圧力センサ３２３がこれを検出して、制御部２３４が電動機２１０を始動する。

このとき、水量が低下して電動機２１０を停止する際に、一時的にポンプの運転速度を上昇させることにより吐出圧力を上昇させ、圧力タンク３２２内に十分な水が貯留されるようにするとよい。水の流量低下によるポンプ３１０の停止は、フロースイッチ３２３によらず、回転速度の下限値に基づいて行なってもよい。

なお、本発明のポンプ装置は、以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、また図示例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは言うまでもない。

本発明の実施の形態による給水装置の平面図及び正面図である。 本発明の実施の形態による給水装置を説明するフロー図である。 本発明の実施の形態による給水装置に用いるに適した電動機構造を説明する一部断面正面図である。 本発明の実施の形態による給水装置に用いるに適したインバータ装置を説明する斜視図である。

符号の説明

２０１ 給水装置
２１０ 電動機
２１１ 電動機本体
２１１ａ 電動機ケーシング
２１１ｂ フィン
２１２ 回転子
２１３ 固定子
２１４ 回転軸
２１５ ファン
２１６ ファンカバー
２１６ａ スペーサ
２１６ｂ 軸方向穴
２１６ｃ 横方向穴
２３０ インバータ装置
２３１ フィンベース
２３１ａ フィン
２３２ ＩＰＭ素子
２３３ モールド
３０９ 吸込管
３１０ ポンプ
３１１ 羽根車
３１２ ポンプケーシング
３１３ ポンプケーシングカバー
３２１ チェッキ弁
３２２ 圧力タンク
３２３ 圧力センサ
３２４ フロースイッチ
３２５ 吐出管
３２６ 吸込口
３２７ 吐出口
３２８ 呼水栓
３３１ ユニットカバー
３３１ａ ユニットカバー開口（吸込側）
３３１ｂ ユニットカバー開口（吐出側）
３３２ ユニットベース
３３３、３３４ 凍結防止ヒータ
Ｌ レベル
Ｓ 地上
Ｗ 水
Ｗｅｌｌ 井戸

Claims (3)

1. 流体を昇圧するポンプと；
   前記ポンプを駆動する電動機と；
   前記電動機用の電力を供給するインバータ装置であって前記電動機の近傍に配置されたインバータ装置とを備え；
   前記電動機は該電動機の本体に冷却用空気を送風するファンと、
   前記ファンを囲むファンカバーであって、前記冷却用空気を前記電動機の本体に送るように案内するファンカバーとを有し、
   前記ファンカバーには、前記ファンにより送風される冷却用空気の一部を前記インバータ装置に送る開口が形成された、
   ポンプ装置。
2. 前記電動機本体の外周には冷却面を増やすためのフィンが形成され；
   前記インバータ装置には冷却面を増やすためのフィンが形成され；
   前記冷却用空気は、前記フィンに向けて送られるように形成された；
   請求項１に記載のポンプ装置。
3. 前記ポンプと前記電動機と前記インバータ装置を覆うユニットカバーを備える、請求項１又は請求項２に記載のポンプ装置。

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