JP2015096715A - ポンプのモータ部の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な部品構成を必要とせず、大きなコストアップを必要とせず、ポンプ性能（効率）を損なわず、消費電力を増加することなく、モータから発生する熱を効率よく除去できる冷却装置を提供する。
【解決手段】ポンプ部１２と、ポンプ部１２を駆動するモータ部１４とを有するポンプ１０のモータ部１２の冷却に用いられるケーシングラジエータ１６であり、ケーシングラジエータ１６は、モータ部１２の外面１５に接触する円筒部１８と、ポンプ部１２の外面１３に接触する下面リング２０と、円筒部１８と下面リング２０とを接続するリブ２２とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプのモータ部の冷却装置に関し、ポンプは、例えば、ドライピット等の地上より低い空間部に据え付けられるモータ駆動のポンプである。

汚水を処理するために汚水を一時的に貯蔵する汚水処理用ピットは、主に地上よりも低いところに敷設される。地上に設置される陸上ポンプによって当該ピットから汚水を排水する場合、大掛かりな地上設備が必要となる。このため地上設備が不要となる水中ポンプを用いる。又は、水中ポンプよりも取扱作業性やメンテナンス性を良くするために、汚水処理用ピットのすぐ横に、壁を隔てて、汚水処理用ピットと同じ深さを有するドライピットを併設して、そこに排水ポンプを設置するケースが増加している。

しかしながら、ドライピットは地上よりも低く配置されるため、津波や洪水などの多量の水による災害時に水没する危険がある。このため設置されるポンプは水中と大気中（気中）の両方で運転可能であることが望ましく、近年の災害による影響から、水中気中両用ポンプの需要が増加している。

ドライピット用水中気中両用ポンプにおいて、ポンプ駆動用のモータは、従来、以下の方式で冷却が行われていた。
（１）気中で自然にモータの冷却を行う自然空冷方式。
（２）モータフレーム外側にジャケットを配置し、さらにモータとは別置きのファンを配置して、フレーム外周とジャケットの間に冷風を送ることでモータの冷却を行う強制空冷方式。
（３）モータフレームの外側にジャケットを配置し、フレーム外周とジャケットとの間に、ポンプで汲み上げたポンプ取扱液（ポンプ揚水）の一部を引き込むことでモータの冷却を行う水冷方式。
（４）モータフレームの外側にジャケットを配置し、フレーム外周とジャケットとの間に冷却水又は冷却用オイルを内蔵させ、その冷却水又は冷却用オイルを揚水用羽根車とは別に設置した専用の羽根車によって循環させ、ポンプ取扱液と熱交換させることで、モータを冷却する内部冷却水（オイル）強制循環方式。

実開昭59-043695号公報には、上記の（１）、（３）、（４）の方式が記載されている。実開平1-102497号公報及び特開2005-351157号公報には、上記の（２）の方式が記載されている。

しかしながら、（１）〜（４）の方式には、以下の問題があった。
（１）の方式の場合、冷却効率が低いため、モータ温度の上昇を下げる必要があり、モータ自体の発熱を低減するために、水中専用ポンプモータよりモータサイズそのものを大きくする必要があり、コストアップとなる。もしくは、冷却効率を上げるため、フィンなどで表面積を増やしたドライピット専用フレームが必要である。すなわち、フレーム外周に複数の冷却フィンを配して放熱面積を増やしたモータフレームとすることが多いが、水没したときに、フィンに汚泥が付着した場合には放熱効率が下がってしまう。
（２）の方式の場合、モータとは別置きのファンを配して駆動させるため、コストアップとなる上に電力消費が増大する。また水没時にはファンも水没するので負荷が増大してオーバーロードとなり、ファンが焼損して絶縁性が低下する危険がある。
（３）の方式の場合、冷却水としてポンプ取扱液の一部を利用するのでポンプ性能が低下する。また取扱液に含まれる汚泥がモータフレームの外周とジャケットの間に堆積し、冷
却効果の低下が生じるケースがある。さらに、堆積したジャケット内の汚泥を清掃するためには、ジャケットをポンプから取り外す必要があるが、その際に以下の問題があった。円筒型の水冷ジャケットの場合、水冷ジャケットを取り外すには、ポンプ本体の側部に固定されている配電盤と接続している電力ケーブルを配電盤から切り離して、電力ケーブルをジャケットの開口部を通してポンプ本体から抜き取る作業が必要になる。
（４）の方式の場合、揚水用とは別に内蔵冷却水専用の羽根車が必要になるため、ポンプ効率（ポンプ性能）が低下する。また専用の流路を形成する必要があり、ポンプモータの部品点数が増加して、構造が複雑になるため、コストアップとなる。

実開昭59-043695号公報 実開平1-102497号公報 特開2005-351157号公報

本発明は、上記の問題点を解決するホンプのモータ用冷却装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記問題点を解決するために、ポンプ部と、該ポンプ部を駆動するモータ部とを有するポンプのモータ部の冷却に用いられる冷却装置において、該装置は、モータ部の外面に接触するモータ接触部と、ポンプ部の外面に接触するポンプ接触部と、モータ接触部とポンプ接触部とを接続する熱伝達部とを含むこととしたものである。

すなわち、モータ部の外面（例えばフレーム）とは別体の冷却装置のモータ接触部をモータ部の外面に接触させ、かつポンプ接触部をホンプ部の外面（例えばケーシング）に接触させて、冷却装置をポンプに取り付ける。

モータ部で発生した熱は、モータ部のフレーム外面から冷却装置に伝わり、この熱は、モータ接触部、熱伝達部、ポンプ接触部の順に伝達されて、ポンプケーシングに送られる。さらに、ポンプケーシングを介して、ケーシング内のボンプ揚水に熱が伝達される。この結果、ポンプ揚水によりモータ部が冷却されることになるので、ポンプ性能を損なうことがない。

また冷却装置の外表面には、熱伝達経路である熱伝達部があり、熱伝達部の断面積を増やすことにより、熱伝達効率が向上する。また、熱伝達部の表面積を増やすことにより、冷却装置から周囲空気への熱伝達が向上し、空気による冷却性能が向上する。これらによって熱伝達経路及びモータ表面積が実質的に増えるので、熱伝達性能及び空冷機能が改善される。

従来技術のように、複雑な部品構成を必要とせず、大きなコストアップが発生せず、ポンプ性能（効率）を損なわず、消費電力を増加することなく、モータから発生する熱を効率よくポンプ取扱液に伝達することができる。

モータ接触部とポンプ接触部と熱伝達部は、一体化された構造であることが好ましい。これらは、鋳造、溶接などによって一体構造とすることができる。これにより、熱の伝わりが良くなる。

ポンプ接触部は、ポンプ部の外面に、固定手段により固定されていることが好ましい。ポンプ接触部は、ポンプ部の外面に螺着することができる。クランプによる固定としてもよい。ボルトなどによる螺着によって冷却装置を確実に固定するとともに、ポンプ接触部からポンプ部の外面への熱の伝わりを良好にできる。

熱伝達部は、大きくて厚い形状で１個だけよりも複数設けられていることが好ましい。伝熱路を複数確保できるため、局所的に高熱部が生じることが防止できて、温度の均一化が図れる。また、軽量化や表面積が増えることで自然冷却の面でも有効である。

モータ部の外面とモータ接触部との間、及びポンプ部の外面とポンプ接触部との間の少なくとも一方には、熱伝達を促進する充填部材が配置されていることが好ましい。充填部材としては、グリスやシール材を用いる。接触面の隙間を埋めることにより、熱の伝わりを良くする。グリス、シール材は、熱伝導性の良いものを選択することにより、冷却効果を向上することができる。

モータ接触部は、その内周側がモータ部の外面に接触する円筒形状の部材であり、熱伝達部は、円筒形状の部材の外周側に配置されたリブであり、ポンプ接触部は、リブの一端に接続するとともにポンプ部の外面に接触するリングであることが、特に好ましい。

リブとは、部材を強化するため，部材面にとりつける補強材を意味する。なお、熱伝達部は、円筒形状の部材の外周側に配置されたフィンでもよい。フィンとは、熱交換の効率を上げることを目的として、伝熱面積を広げるために設けられる突起状の構造である。熱伝達部は、リブの機能とフィンの機能を兼ねていることが特に好ましい。

冷却装置は、ポンプの回転軸に平行な方向に、複数の部材に分割可能であることが好ましい。モータケーブルを配電盤から外すことなく、ポンプ本体から冷却装置を取り外すことができるからである。また、モータケーブルを配電盤から外すことなく、ポンプ設置後に、本願の冷却装置を、後付けで取り付けることができる。

複数の部材の各々は、合わせ板部を有し、合わせ板部を結合部材により結合することにより冷却装置を構成することが好ましい。分割の合わせ面に、合わせ板部を設け、合わせ板部分をボルト／ナット類で締付ける構成が好ましい。脱着の作業性が良くなるとともに、締付によって、駆動用モータフレームの外周とモータ接触部が確実に接触できる。

従来技術のように、複雑な部品構成を必要とせず、大きなコストアップを必要とせず、ポンプ性能（効率）を損なわず、消費電力を増加することなく、モータから発生する熱を効率よくポンプ取扱液と熱交換することができる。

本発明の冷却装置を有するドライピット用水中気中両用ポンプを示す全体図である。 ポンプ部１２と、モータ部１４とを示す断面図である。 ケーシングラジエータ１６の全体図である。

以下、本発明に係る冷却装置を有するドライピット用水中気中両用ポンプの一実施例を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の冷却装置を有するドライピット用水中気中両用ポンプ（以下では、「水中ポンプ」と呼ぶ）１０を示す全体図である。

水中ポンプ１０は、ポンプ部１２と、ポンプ部１２を駆動するモータ部１４とを有し、さらに、モータ部１４の冷却に用いられる冷却装置であるケーシングラジエータ１６を有する。ケーシングラジエータ１６は、モータ部１４の外面１５に接触するモータ接触部である円筒部１８と、ポンプ部１２の外面１３に接触するポンプ接触部である下面リング２０と、円筒部１８と下面リング２０とを接続する熱伝達部であるリブ２２とを含む。

図２は、ポンプ部１２と、モータ部１４とを示す断面図である。ポンプ部１２は、ポンプケーシング２２と中間ケーシング２４と羽根車２６を有し、羽根車２６は主軸２８に固定されている。ポンプケーシング２２又は中間ケーシング２４の上部の外面１３に下面リング２０が密着している。

中間ケーシング２４の上方には下部ブラケット３０が固定されており、下部ブラケット３０と中間ケーシング２４との間の空間がメカニカルシール室３２になっている。そして、中間ケーシング２４と主軸２８との間には、ポンプ側の圧力水が漏れてモータ部内へと侵入するのを防ぐためにメカニカルシール３４，３６が設けられている。これらメカニカルシール３４，３６は、メカニカルシール室３２内に封入された封入油によって潤滑されている。

本実施例における水中ポンプ１０は、ボルテックス形水中ポンプである。一般に、ポンプ吐出し口径と同等の大きさの固形物を排出できる構造のものをボルテックスポンプと呼ぶ。ボルテックスポンプでは、ポンプの羽根車２６と、羽根車２６の下方に位置するポンプケーシング２２の底部との間の隙間が大きくなっている。羽根車２６が発生する渦により異物を吸込み、当該隙間を通過させ排出する。ボルテックスポンプは、主に汚水用ポンプに使用される。

モータ部１４は、モータフレーム３８と、モータフレーム３８内に固定されたステータ４０と、ステータ４０内に設置されるとともに主軸２８に固定されたロータ４２とから構成されている。モータフレーム３８に円筒部１８が密着している。

ケーシングラジエータ１６は、本実施例では、図３に示すように２個に分割された構造である。図３は、ケーシングラジエータ１６の全体図を示す。円筒部１８の内周側が、ポンプ駆動用モータ部１４のフレーム３８の外面１５に接触している。円筒部１８の外周側にリブ２２がある。下面リング２０は、リブ２２の下端に接続し、ポンプケーシング２２に接触する。

円筒部１８は、その内周側がモータ部１４の外面１５に接触する円筒形状の部材であり、複数のリブ２２が、円筒部１８の外周側に配置され、下面リング２０は、リブ２２の一端に接続されるとともに、ポンプ部１２の外面１３に接触する。本実施例では、円筒部１８は、外面１５の全円周を包囲している。下面リング２０は、ポンプ部１２の外面１３の全円周に接触している。しかし、円筒部１８は、外面１５の円周の一部を包囲するものでもよく、下面リング２０も同様に、外面１３の円周の一部に接触するものでもよい。

リブ２２の各々は板状の部材であり、円筒部１８の側面に直交しており、かつ下面リング２０の水平面に直交している。下面リング２０は、円形リングであり、扁平な板状の部材である。

リブ２２は、円筒部１８の周囲に円周方向に均等に複数配置される。中間ケーシング２４と下部ブラケット３０との間の外面には、円筒部１８は配置されていない。リブ２２は、この外面を跨ぐように、円筒部１８から下面リング２０へ接続されている。

リブ２２の形状、厚さ、長さ、枚数は、ポンプの形状、ポンプが使用される周囲環境、モータの発生熱量、モータの耐熱性等により決定される。リブは、フィンの機能を兼ねるように、その表面積を大きくしてもよい。モータ接触部及びポンプ接触部の形状及びサイズも、ポンプの形状及び周囲環境、モータの発生熱量及び耐熱性等により決定される。

円筒部１８、リブ２２、下面リング２０は一体鋳造、または溶接にて一体化された構造となっている。この構造により熱の伝わりが良くなる。
下面リング２０は、ポンプケーシング２２の外面に、固定手段であるボルト４４により螺着されて固定される。螺着によってケーシングラジエータ１６を確実に固定するとともに、下面リング２０からポンプケーシング２２への熱の伝わりを良好にする。なお、本実施例では、下面リング２０は、ポンプケーシング２２の、上面である外面１３に取り付けられているが、上面に限るものではない。ポンプケーシング２２の側面又は下面に取り付けることも可能である。

リブ２２は複数設けられている。これにより伝熱路を複数確保するとともに、大きくて厚いリブ２２を１個設ける場合に比べて、軽量化が達成でき、リブ２２の全表面積が増えるために自然冷却の面でも有効である。さらに、複数のリブ２２を円筒部１８の円周方向に均等に配置することにより、モータ部１４の温度が均一化し、モータ部１４の温度が局所的に高温化することを防止できる。

ケーシングラジエータ１６は、ポンプ１０の主軸２８（回転軸）に平行な方向に、複数の部材に分割されている。分割型であるため、モータケーブルを外したりすることなく、ケーシングラジエータ１６の取り外し、交換、組み付けが可能である。また、ポンプ１０の工場出荷時には、ケーシングラジエータ１６と、それ以外のポンプ構成品（ポンプ本体部）とを別々に出荷して、ポンプ本体部のみをドライピットに設置した後に、モータケーブルを外すことなく、ケーシングラジエータ１６をポンプ本体部に取り付けることができる。

なお、分割型であるため、ケーシングラジエータ１６が必要になった場合にのみ、ケーシングラジエータ１６をポンプ本体部に取り付けることが容易である。また、既設のポンプ本体部に適合するように、ケーシングラジエータ１６の構造、サイズを設計して、後からポンプ本体部に追加することも容易にできる。

分割されたケーシングラジエータ１６の複数の部材の各々は、合わせ板部４６を有し、合わせ板部４６を結合部材、例えば組立ボルト４８により結合することによりケーシングラジエータ１６をポンプに取り付ける。分割された部材の合わせ面に、合わせ板部４６を設けて、合わせ板部４６をボルト４８で締付ける。ケーシングラジエータ１６は、モータ部１４のフレーム３８を挟むようにして、ボルト４８、またはボルト４８とナット５０によって組み立てられる。これにより、脱着の作業性が良くなるとともに、締付けによって、モータ部１４のフレーム３８の外周と、円筒部１８の内周が確実に接触できる。合わせ板部４６は、溶接により固定してもよい。

モータ部１４の外面１５と円筒部１８の内面との間、及びポンプ部１２の外面１３と下面リング２０との間の少なくとも一方には、熱伝達を促進する充填部材が配置されている。充填部材は、熱伝導性の良いグリスやシール材である。接触面の隙間を埋めることにより、熱の伝わりを良くする。グリス、シール材は熱伝導性の良いものを選択することにより、モータ部の冷却効果を向上させることができる。

グリスは、ペースト状であり、主成分は、例えばシリコーンであり、熱伝達性能を高めるために銀などの金属粒子を混入してもよい。シール材としては、シリコーンゴム製シー
ト、アクリルゴム製シート、柔らかい金属で製造された金属シート等がある。

ケーシングラジエータ１６自体は、鉄、アルミ、銅等の金属で製作される。表面には、腐食防止のための表面処理、又は樹脂コーティングを施してもよい。
以上説明したように、本発明では、モータ部のフレームとは別体のケーシングラジエータ１６をモータ部のフレームに密着させ、且つ下方はホンプ部のケーシングに密着させて、ポンプ本体部に取り付ける。このため、モータフレーム外面からケーシングラジエータ１６に伝わった熱は、ポンプケーシングを介してボンプ揚水に伝達され、モータは揚水によって冷却されるので、ポンプ性能を損なうことがない。

またケーシングラジエータ表面は伝熱用断面積を増やすため、リブ構造又はフィン構造となっており、これによって伝熱用表面積も結果として増えるので空冷機能も改善される。

本発明のケーシングラジエータをドライピット用水中モータポンプに用いることにより、ポンプ性能の低下や専用流路を設けることなく、簡単かつ安価な冷却構成を得ることができる。ポンプケーシングを介したポンプ取扱液との熱交換による冷却方式なので、水没時に汚泥が付着しても熱交換効率は損なわれない。また分割構成としたことでモータケーブルを配電盤から切り離すことなく装着することが可能となり、設備設置後の装着が容易である。更に水中専用モータのフレームに後付けが可能なので、水中気中両用が可能なようにモータフレームを設計する必要がなくなり、在庫管理などの面でも優れた効果を有する。

１０：水中ポンプ
１２：ポンプ部
１４：モータ部
１６：ケーシングラジエータ
１８：円筒部
２０：下面リング
２２：リブ

Claims (9)

1. ポンプ部と、該ポンプ部を駆動するモータ部とを有するポンプの前記モータ部の冷却に用いられる冷却装置であって、該装置は、
   前記モータ部の外面に接触するモータ接触部と、
   前記ポンプ部の外面に接触するポンプ接触部と、
   前記モータ接触部と前記ポンプ接触部とを接続する熱伝達部とを含むことを特徴とする、冷却装置。
2. 前記モータ接触部と前記ポンプ接触部と前記熱伝達部は、一体化された構造であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記ポンプ接触部は、前記ポンプ部の外面に、固定手段により固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. 前記熱伝達部は、複数設けられていることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の冷却装置。
5. 前記モータ部の外面と前記モータ接触部との間、及び前記ポンプ部の外面と前記ポンプ接触部との間の少なくとも一方には、熱伝達を促進する充填部材が配置されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の冷却装置。
6. 前記モータ接触部は、その内周側が前記モータ部の外面に接触する円筒形状の部材であり、
   前記熱伝達部は、前記円筒形状の部材の外周側に配置されたリブであり、
   前記ポンプ接触部は、前記リブの一端に接続するとともに前記ポンプ部の外面に接触するリングであることを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の冷却装置。
7. 前記冷却装置は、ポンプの回転軸に平行な方向に、複数の部材に分割可能であることを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の冷却装置。
8. 前記複数の部材の各々は、合わせ板部を有し、前記合わせ板部を結合部材により結合することにより前記冷却装置を構成することを特徴とする請求項７に記載の冷却装置。
9. 請求項１から８までのいずれかに記載の冷却装置を有するポンプ。

Images