JP2008507949A - 組込み型熱交換器を備えたダイナモエレクトリック機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ドライピット浸漬条件および防爆条件を含む種々の環境内で作動できる内蔵型冷却システムを備えた中実軸ポンプモータを提供することにある。
【解決手段】密封ハウジング内に密閉された、ステータおよびロータを備えたダイナモエレクトリック機械。ロータシャフトに固定されたインペラは、ハウジングおよび機械コンポーネンツを通る空気循環を発生させ、クーラント媒体の１つ以上の密封容器と接触させる。密封容器は、クーラント媒体の蒸発により、循環空気から熱を放出させる。密封容器は、ハウジング内に配置された一方の閉端部およびハウジングの外部の他方の閉端部を有している。蒸発されたクーラント媒体からの熱は、容器の外端部での蒸気の凝縮により、ハウジングの外部環境に放出される。
【選択図】図５

Description

本発明は、ダイナモエレクトリック機械の冷却システムに関し、より詳しくは、組込み型熱交換器を備えた密閉構造に関する。

垂直中実軸ポンプは、主として、工業用途および公共事業の上水および下水用深井戸に使用されている。一般に、垂直中実軸ポンプモータ（vertical solid shaft pump motors）は、開放防滴ファン冷却型構造、または浸漬可能なキャンド中実軸モータドライブを有している。開放防滴モータは、ドライピット用途にのみ適しており、浸漬および防爆用途の条件には適合しない。

単に浸漬環境に露出させるだけで或る度合いまで冷却される浸漬モータは、大気中で連続的に運転するとオーバーヒートし易い。浸漬環境が、浸漬モータを充分に冷却するには不充分である場合、またはモータを大気中で使用しなければならない場合には、一般に、付加冷却手段が設けられる。図１には、従来の液体冷却システムが示されている。モータ１０は、入口ポート１４および出口ポート１６を備えた液体冷却ジャケット１２内に密閉されている。このシステムはそれぞれのモータからの開ループシステムであり、従って、液体クーラントの流れを維持するには、ポンプまたは他の原動機のような外部装置を必要とする。

中実軸ポンプモータは、モータの特定用途に応じて変化するモータ冷却条件に適合させるには、特別なチャレンジを必要とする。ドライピット条件、ドライピット浸漬条件および防爆条件を含む種々の環境内で作動できる内蔵型冷却システムを備えた中実軸ポンプモータが要望されている。このようなポンプモータは、外部冷却を行う必要なくして、Ｕ／Ｌ条件、工場相互（Factory Mutual）条件、ＣＥ条件およびＣＳＡ条件等の最低取締り規定に適合し、かつ逆流時に生じる高反転荷重に対処できなくてはならない。

本発明は、浸漬用組込み型中実軸ポンプモータ構造を設けることにより、上記要望の少なくとも一部を満たすことができる。密封ハウジング内には、ステータおよびロータを備えたダイナモエレクトリック機械が密閉されている。クーラント媒体の密封容器と接触するようにして、空気が、ハウジングおよび機械のコンポーネンツを通って循環される。クーラント媒体には、例えば水を使用できる。密封容器は、クーラント媒体の蒸発を利用して、循環空気からの熱伝達を行う。密封容器は、ハウジング内の閉鎖一端部およびハウジング外の閉鎖他端部を備えた円筒状中空パイプで構成できる。蒸発されたクーラント媒体からの熱は、容器の外端部での蒸気の凝縮により、ハウジングの外部の環境に放出される。この構成は浸漬ポンプモータの用途に適していると同時に、機械の冷却システムは、種々のモータおよび発電機用途に有効である。

好ましくは、密封ハウジングは中央部を有し、該中央部内で、機械のステータがハウジングに取付けられ、かつロータが長手方向軸線の回りで回転できるようにハウジングに支持されたシャフトに取付けられている。中央部の各端部に長手方向に隣接するハウジングのキャビティは、一端部のキャビティでシャフトに取付けられたインペラにより発生される空気流を循環させるかなり大きい体積を形成している。クーラント媒体の容器は、中央部を反対側端部から分割する隔壁に取付けられかつハウジングの端キャップを通って延びている。熱伝達は、容器の外端部に１つ以上の冷却フィンを設けることにより行なわれる。複数のこのようなクーラント媒体容器は、熱伝達能力を増大させるべく、端部キャビティ内に配置することができる。

本発明の他の態様として、環状リングとして構成された付加密封冷却パイプが、シャフトを包囲するように設けられ、かつシャフトと一緒に回転できるようにシャフトに接触して固定される。クーラント媒体を収容するパイプは、ハウジングの外部に配置された閉端部を備えた反対側のハウジング端キャップを通って延びる。モータにより駆動されるポンプのインペラは、パイプから外部環境に熱伝達を行う付加手段として、冷却パイプの外端部に取付けることができる。ヒートパイプ内には、クーラント媒体の垂直方向の流れを補助する内部ねじ山を設けることができる。ねじ山および外部熱伝達を付加的に設けることにより、環状リング冷却パイプ自体で充分にモータ冷却を行うことができる。

当業者には、本発明を実施するための最良の形態を単に例示することにより本発明の実施形態を示しかつ説明するに過ぎない以下の詳細な説明から、本発明の他の長所が明らかになるであろう。理解されようが、本発明は他の異なる実施形態にすることができ、その幾つかの細部は、本発明から逸脱することなく種々の明白な点を変更できる。従って、添付図面および以下の説明は、本質の単なる例示であって、本発明を限定するものではない。

添付図面には本発明の非制限的な例が示されており、また同様な構成要素には同じ参照番号が使用されている。
図２に示すように、密封ハウジング２０は、端キャップ２２、２４に終端する３つの長手方向部分を有している。図３の部分図および図４の分解図に一層明瞭に示すように、中央に位置するステータコアハウジング２６は、それぞれの隔壁２８、３０を介して端キャップ２２、２４に取付けられている。隔壁は、機械要素を収容する中央部を、端キャップにより形成される端部分から分割している。各端キャップは、鋳鉄、鍛鋼または防爆条件に適合する他の材料からなるワンピース構造である。端キャップ、隔壁および中央ハウジングセクションには、防爆条件を満たす最小縁距離で、ボルト３６用の孔が設けられている。隔壁を介して中央セクションにボルト止めされる端キャップにより、防爆／耐浸漬継手が形成される。ワンピースステンレス鋼で形成できるシャフト３２が、端キャップ２２および隔壁３０において、ベアリング３４およびシールを介して回転できるように取付けられている。モータ内の圧力変化による流体移動を防止する充分なシーリングを付与するため、Оリング、ラビリンス連結、およびぴったり嵌合い公差が個々にまたは組合せて使用される。モータは、使用時に、端キャップ２４が端キャップ２２の上に位置するようにして垂直に配置されることを意図している。

ステータコア２６には、ステータ巻線２７を受入れるためのスロットが設けられている。機械のロータは、円筒状の支持構造体３８の外周部に取付けられた複数の永久磁石３６を有している。半径方向に間隔を隔てて配置された、支持構造体リブは、外周部および内側環状リングに結合されている。環状リングの内周部はシャフト３２に取付けられている。支持構造体３８は、隣接する永久磁石間にバックアイアン磁束通路（back iron magnetic flux path）を形成すべく、例えば、中実低炭素鋼または低炭素鋼積層シートのスタックで形成できる。磁極が交互に連続的に配置された永久磁石は、ステータに対してロータが回転されるときに、高振幅の交番磁界を発生する。

端キャップ２２、２４の内部は、内部強制空冷システムのための遷移流れチャネルを形成しかつ内部空気の流れを円滑にする形状を有している。端キャップ２２により形成される端部内でシャフト３２に取付けられたインペラ４０は、機械の作動中に空気流を発生する。空気は、ロータの支持構造体内の開口と、ロータ要素とステータ要素との間の半径方向空気ギャップと、およびスロットが設けられたステータコアの通路とを通って、端部間を循環する。閉鎖熱伝達パイプ４２が、隔壁３０から端キャップ２４を通って外部環境へと延びている。パイプは、水のような流体クーラント媒体を収容している。ハウジングの外部の熱伝達パイプの端部には、外部冷却フィン４４が取付けられている。

機械の作動中に、熱は、強制空気流によりモータから除去される。熱伝達パイプは、モータを通って強制流通される空気により、対流によって加熱される。パイプ内の作動流体は、熱を吸収して気体に蒸気し、端キャップ２４および外部フィン４４に向かって熱伝達パイプを上昇する。熱は、熱伝達パイプ内の気体から端キャップ２４およびフィン４４へと伝達され、ここで外気により対流によって冷却される。この冷却により、気体が凝縮されて液体に戻り、液体は次に、隔壁３０に向かって熱伝達パイプ内を下方に流れ、この熱伝達サイクルが続けられる。

作動流体の最小質量流量は、流体の蒸発潜熱により決定される。毛管作用は、流体の表面張力およびウィッキング（金網）材料構造に基いている。冷却システムの材料は銅またはアルミニウムで形成でき、かつ流体が、モータの作動温度範囲に基いて、特定温度で液体から気体に相転移するように構造的に構成される。本発明により提供される熱伝達パイプを使用すれば、ポンプモータ等の機械により発生される熱は迅速に消散される。従って、ポンプは、外部冷却システムを必要とすることなく、比較的均一な温度分布で長期間に亘って作動できる。このため、所与の動力定格について、モータの外部寸法を小さくできる。

図５は、上記モータ冷却システムの変更形態を示す断面図である。ステータ巻線２７が形成されている中央コア２６が、外側ハウジング２１内に収容されている。外側ハウジング２１は、頂面２５に達する円筒状の長手方向側面を備えた構造を有する。ハウジング２１は、その底部が端キャップ２２に結合され、かつその頂部が端キャップ２４に結合されている。端キャップ２４に固定された隔壁３０が、閉鎖熱伝達パイプ４２を収容する上方冷却領域を形成する。熱伝達パイプ４２は、ハウジング２１の表面の頂面２５を通って延びている。熱伝達パイプ４２の外部には冷却フィン４４が取付けられている。端キャップ２４は、機械の配線および制御装置を配置する領域を形成している。

モータシャフト３２には、該シャフト３２と一緒に回転するように、密封パイプ５０が取付けられている。この密封パイプ５０には、ロータ支持構造体３８が直接取付けられている。シャフト３２は、密封パイプ５０およびベアリング３４を介して、静止隔壁３０および端キャップ２２に連結されている。パイプ５０には、これと一緒に回転できるようにインペラ４０が取付けられており、機械の内部構造を通して空気を循環させる。シャフト３２およびパイプ５０は、モータにより駆動される外部ポンプのインペラブレード４６に取付けられている。図６に示すように、パイプ５０は、環状部分５２（断面で示されている）と、一体螺旋ねじ山部分５４とを有している。ねじ山は、環状部分５２をシャフト３２に結合して、これらの間に、水等のクーラントが維持される分離チャネル５６を形成している。

ポンプインペラ４６は、モータ冷却用の外部ヒートシンクを形成する。回転運動は、外部熱伝達中にパイプ内に形成された凝縮物を、インペラおよびモータ内の熱い蒸発器側に戻す。ねじ山５４は重力に抗して作用し、ウィッキングの必要なくして、上向きの流体の流れを生じさせる。図５に示すように、凝縮器の方向に付された僅かなテーパにより、遠心力の軸線方向成分が発生され、これが、凝縮物を蒸発器に戻すことを補助する。シャフトが回転すると、凝縮物物質が、上向きの推力により蒸発器内に押戻される。テーパを付すことにより、パイプ内の凝縮物の膜の形成が最小にできるので、テーパが付されていない回転ヒートパイプと比較して熱伝達係数が増大される。また、パイプ内にねじインサートを設けることにより、低速で、ねじが挿入されていないヒートパイプと比較して、回転ヒートパイプの性能を向上できる。回転ヒートパイプの遠心力は、シャフトの回転速度に基いて定まる。回転速度が低いと、遠心力のみで、凝縮物を、内部ねじが設けられていない蒸発器側に戻すのは不充分である。従って、一体ねじ山部分を設けることにより、弁、ポンプまたはコンプレッサを使用することなく、連続熱伝達ループを維持できる。

本明細書の開示では、本発明の好ましい実施形態のみを示しかつ説明したが、幾つかの変更例が考えられる。本発明は、種々の他の組合せおよび環境で使用でき、かつ本明細書に明示する本発明の概念の範囲内で変更できることは理解されよう。例えば、ステータコア２６は、モータの高圧シーリングを必要とする特殊な場合には、優れた環境シーリングを形成するスチールシェルとして組立てられた軟質磁気複合材で製造できる。上方端キャップの外面には、外気への対流熱伝達を増大させる一連のフィンを設けることができる。

３本の熱伝達パイプからなる４組の図示の構造（各組は、それぞれ外部冷却フィンに連結されている）は、単なる例示である。熱伝達パイプおよび外部フィンの数およびこれらの相対形状は、機械の物理的寸法および期待荷重に応じて適宜変更できる。また、実施形態は静止熱伝達パイプおよび回転熱伝達パイプの両方を組込んだものを例示したが、付加静止冷却パイプを設けることなく、熱伝達パイプに一体螺旋ねじ山を設けることにより、特定の機械用途には充分なものとなる。

強制空気循環を更に高めるため、バックアイアンに孔またはスペースを設ける等の変更をロータ構造に加えることができる。スペーサをロータ磁石同士の間に配置して、ロータが回転するときの空気の脈動を制御し、これにより、ロータから、モータ内に収容された空気への熱伝達速度を増大させかつロータに作用する空気のドラッグ抵抗を最小にすることができる。磁石は、特定コギングプロファイルおよび能動トルクプロファイルを形成する輪郭にすることもできる。

本発明は、ポンプ用途に限定されるものではなく、例えばタービン、坑底ウェル、治水、農業および灌漑、鉱山スラリ、エアレーションおよびミキシング、下甲板船舶（below deck ships）およびドライピット環境等の他の用途にも使用できる。極端な環境条件に耐え得ると同時に、塩水、オイルおよび水処理下水中に浸漬できる能力が得られるあらゆる材料を選択できる。

従来技術によるモータの液体冷却システムを示す図面である。 本発明による浸漬型内蔵冷却システムを備えた密封モータを示す斜視図である。 図２のシステムを示す部分斜視図である。 図２のシステム内の要素を示す分解図である。 本発明の第二実施形態による浸漬型内蔵冷却システムを備えた密封モータを示す断面図である。 図５に示す本発明のシャフトおよび回転ヒートパイプを示す拡大部分断面図である。

符号の説明

２０ 密封ハウジング
２２、２４ 端キャップ
２６ ステータコア
３２ シャフト
３６ 永久磁石
４２ 熱伝達パイプ（ヒートパイプ）
４４ 外部冷却フィン
４６ インペラブレード
５０ 密封パイプ
５４ 螺旋ねじ山部分
５６ 分離チャネル

Claims (28)

1. ハウジング内に密閉されたステータコンポーネンツおよびロータコンポーネンツを備えたダイナモエレクトリック機械を冷却する方法において、
   空気を、クーラント媒体の密封容器と接触するように導く段階と、
   前記容器内のクーラント媒体を蒸発させて、熱を、前記空気を導く段階で導かれた空気からクーラント媒体に伝達する段階と、
   前記容器内の蒸発されたクーラント媒体をハウジングの外部の位置で凝縮させて、熱をクーラント媒体から放出する段階とを有することを特徴とする方法。
2. 前記クーラント媒体は水であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記密封容器は、前記ハウジング内の一方の閉端部と前記ハウジングの外部の他方の閉端部とを備えた円筒状の中空パイプからなることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記空気を導く段階は更に、前記空気を循環させて複数の前記パイプと接触させる段階を有することを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記空気を導く段階は更に、前記蒸発段階において機械コンポーネンツから熱が伝達された空気を循環させる段階を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記機械は浸漬可能なポンプモータであることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. ステータと、
   ロータと、
   ステータおよびロータを密閉する密封ハウジングとを有し、ステータはハウジングに取付けられ、ロータは長手方向軸線の回りで回転できるようにハウジングにより支持されたシャフトに取付けられており、
   空気を、ハウジングを通して循環させる手段と、
   ステータおよびロータを通って導かれた空気から熱を放出させる熱伝達手段とを更に有することを特徴とするダイナモエレクトリック機械。
8. 前記ハウジングは、ステータおよびロータが組付けられる中央部と、第一および第二端部とを有し、これらの第一および第二端部は、それぞれ、前記中央部に長手方向に隣接するキャビティを形成していることを特徴とする請求項７記載のダイナモエレクトリック機械。
9. 前記空気を循環させる手段は、第一端部のキャビティ内でシャフトに取付けられたインペラを有し、熱伝達手段は、クーラント媒体を収容しかつ第二端部のキャビティ内に取付けられた密封容器を有することを特徴とする請求項８記載のダイナモエレクトリック機械。
10. 前記密封容器は、前記ハウジング内の一方の閉端部と前記ハウジングの外部の他方の閉端部とを備えた円筒状の中空パイプからなることを特徴とする請求項９記載のダイナモエレクトリック機械。
11. 前記密封容器は、ハウジングの外部の閉端部に取付けられた熱伝達フィンを有していることを特徴とする請求項１０記載のダイナモエレクトリック機械。
12. 前記クーラント媒体は水であることを特徴とする請求項９記載のダイナモエレクトリック機械。
13. 前記熱伝達手段は複数の密封容器を有し、各密封容器が、クーラント媒体を収容しかつ第二端部のキャビティ内に取付けられていることを特徴とする請求項９記載のダイナモエレクトリック機械。
14. 前記複数の密封容器は、実質的に長手方向に整合しておりかつ第二端部のキャビティの外部の熱交換フィンと共通して連結されたパイプであることを特徴とする請求項１３記載のダイナモエレクトリック機械。
15. 前記ハウジングは更に、
    中央部から第一端部のキャビティを分離する第一隔壁と、
    第一端部を密閉する第一端キャップと、
    中央部から第二端部のキャビティを分離する第二隔壁と、
    第二端部を密閉する第二端キャップとを有し、
    密封容器は、第二隔壁に固定されかつ第二端キャップを通ってハウジングの外部へと延びていることを特徴とする請求項９記載のダイナモエレクトリック機械。
16. 前記熱伝達手段は、
    クーラント媒体を蒸発させて、循環された空気からクーラント媒体に熱を伝達する手段と、
    蒸発されたクーラント媒体を凝縮させて、ハウジングの外部でクーラント媒体から熱を放出させる手段とを有していることを特徴とする請求項７記載のダイナモエレクトリック機械。
17. 浸漬可能なポンプモータであることを特徴とする請求項７記載のダイナモエレクトリック機械。
18. ステータと、
    ロータと、
    ステータおよびロータを密閉する密封ハウジングとを有し、ステータはハウジングに取付けられ、ロータは長手方向軸線の回りで回転できるようにハウジングにより支持されたシャフトに取付けられており、ステータは、該ステータおよびロータに長手方向に隣接したキャビティを形成し、
    クーラント媒体が収容された密封パイプを更に有し、該パイプの一方の閉端部はキャビティ内に配置されかつパイプの他方の閉端部はハウジングの外部に配置されていることを特徴とするモータ。
19. 前記シャフトを包囲しかつ該シャフトに接触している管状密封パイプを更に有し、該パイプはクーラント媒体を収容しかつハウジングの外部に配置される一方の閉端部を備えていることを特徴とする請求項１８記載のモータ。
20. 前記密封パイプおよび管状密封パイプの各々が、ハウジングの外部のそれぞれの熱交換表面に連結されていることを特徴とする請求項１９記載のモータ。
21. 前記密封パイプは円筒状の環状リングとして構成されかつシャフトと一緒に回転できるようにシャフトに取付けられており、前記パイプは、パイプ内のクーラント流体を分散させる内部ねじ山を更に有していることを特徴とする請求項１８記載のモータ。
22. 前記パイプはハウジングの外部のインペラに連結されていて、パイプとインペラとの間で熱交換を行うことを特徴とする請求項２１記載のモータ。
23. クーラント媒体が収容された第二密封パイプを更に有し、該パイプの一方の閉端部はキャビティ内に配置されかつパイプの第二閉端部はハウジングの外部に配置されており、第二閉端部は、外部の熱交換表面に連結されていることを特徴とする請求項２１記載のモータ。
24. 前記密封パイプは長手方向に沿ってテーパしていることを特徴とする請求項２１記載のモータ。
25. ステータと、
    ロータと、
    ステータおよびロータを密閉する密封ハウジングとを有し、ステータはハウジングに取付けられ、ロータは長手方向軸線の回りで回転できるようにハウジングにより支持されたシャフトに取付けられており、ステータは、該ステータおよびロータに長手方向に隣接したキャビティを形成し、
    複数の密封パイプを更に有し、各パイプ内にはクーラント媒体が収容されており、第一密封パイプは、ハウジング内に配置された閉端部およびハウジングの外部で第一長手方向に配置された他の閉端部を備え、第二密封パイプは、ハウジング内に配置された閉端部およびハウジングの外部で第二長手方向に配置された他の閉端部を備えていることを特徴とするモータ。
26. 前記第一パイプは、静止しておりかつ円筒状の形状を有していることを特徴とする請求項２５記載のモータ。
27. 前記第二パイプは、シャフトと一緒に回転できるように取付けられていることを特徴とする請求項２５記載のモータ。
28. 前記第二パイプは、シャフトと一緒に回転できるように取付けられていることを特徴とする請求項２６記載のモータ。

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