JP3658652B2

JP3658652B2 - 空気調和機の除湿水排出用遠心ポンプ

Info

Publication number: JP3658652B2
Application number: JP34461392A
Authority: JP
Inventors: 誠長井; 峰敏出石; 正道花田; 浩清寺田; 俊治佐々木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-12-24
Filing date: 1992-12-24
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2020-06-08
Also published as: JPH06193582A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、空気調和機の除湿水排出用遠心ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
天井設置型の空気調和機においては、受皿に溜った除湿水をそのまま排出することができないので、ポンプを用いて必要とする揚程だけ吸い上げてから排出する必要がある。このような空気調和機の除湿水排出用ポンプとして、実開昭５９−１５４８９７および実開昭６０−７７７９０がある。このポンプの駆動源であるモーターは、図から明らかなようにくま取り式で、回転中心となるローターは羽根中心と一致しているが、鉄心を介して起磁力を与える巻線部分は外置きと成らざるを得なかった。また、この従来技術においては、必要とするポンプの吐出揚程１ｍ以上や設定吐出量（ｌ／ｍｉｎ）を確保できると共に空調機に組込んで運転した際に発生する騒音や振動は、周囲の送風機運転による騒音や振動によりかき消されるレベルであった。このため、例えば同一の吐出量を確保しつつ吐出揚程を３ｍ以上確保し、他方で送風運転による騒音が１０ｄＢ以上も低下しても問題とならない排水ポンプの運転騒音となるような研究や設計配慮は全くなされていない。
【０００３】
従来技術のまま吐出揚程を３倍以上にする場合、図１２に示すごとく、１ｍ時の３倍の負荷線となる。しかしながら、くま取りコイル式の場合、鉄心の積層を３倍にしても最大回転数が極数の関係から３６００ｒｐｍに限定されてしまう。また、負荷線とトルクカーブとの交点である使用点での発生トルクは３倍まで上昇できない。すなわち、排水ポンプの羽根径、高さ等が同一のままの場合、揚程３ｍ以上を回転数３６００ｒｐｍで実現しようとすると、揚程１ｍ以上を確保する回転数１２００ｒｐｍで実現させる必要がある。この為には羽根が１回転することによる吐出量を従来の３倍以上となる様な設計が必要である。すなわち、仕事量を３倍以上にするには羽根径を３倍以上にする必要があることがわかる。よって、排水ポンプの大きさが３倍以上の大きさとなる。空気調和機は室空間に配設されるため小さい方が望ましく、高揚程排水ポンプの大形化は実用性が無い。
また、仮に従来の大きさの羽根と従来のくま取りコイル式でも、何らかの増速機構を介して回転数を３６００ｒｐｍ以上にできたとしても、モーターの重心位置と回転中心についての配慮は一切無い。さらに、高速回転時の羽根の形状およびケーシングとのギャップに対する配慮が無い。さらに、高揚程でモーター停止時の排水ホースからの戻り水に対する配慮が無い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
空気調和機用の除湿水排水の高揚程排水ポンプとして具備すべき条件として、小形・軽量・低振動・低騒音・高耐食・長寿命であり、さらに低コストで、水あか等に対するメンテナンスが不要もしくはメンテナンスしやすい構造であることが望ましい。この点で、くま取りモーターを使用して実施する場合、大形化・重量増大・振動および騒音が増大し、高揚程による戻り水の噴射による水滴の飛散により、ローター部と鉄心部間のエアギャップが小さい為、水滴が溜りやすく、ひいては錆が発生しやすく、かつ、さびの発生量が多い。
【０００５】
よって、寿命も短かくなる。さらに、ローターが回転する軸心上にモーターとしての重心（ポンプは回転体のため、排水部の重心は回転軸上に存在するためのポンプの重心とも言える）が無いため、排水ポンプの振動減衰用としてポンプ重量を支えている複数の防振ゴムに加わる圧縮荷重が個々に異なる為、防振ゴムの減衰効果も個々に異なり、その結果、羽根が回転する際に発生する振動量が異なり、所定の減衰量が得られないばかりか、減衰量の差が横振れの振動を誘発し、羽根を微少的に回転軸中心から離れた位置で回転させると共に、ローターを微少的に上下運動させるため、ローターがステータ側から発生している磁界を切る高さ・横位置がずれて、電源周波数に起因する電磁音が発生しやすくなる。
【０００６】
直線状の断面を有する羽根を高速回転で回す場合、流体はケーシングの狭い入口部からケーシングと軸との間の空間を旋回しながら流れて、放線方向の一部の開口部より流出させる。この際、羽根は軸からケーシング近傍まで位置するので、ケーシング近傍と軸心近くとの流れ、いわゆる流線の形状はまったく異なる。羽根の軸中心からの距離と羽根の回転数により決まる周速と流出する量と流れ線形状によって設計されるべき羽根の入口角度が決まる。この角度に対し羽根が正の角度に設計されていれば振動が発生しにくく、負の角度（角度不足）になると圧力背面側ではく離が発生し、うず流が生じ、振動が異常に大きくなることは周知の技術であるが、直線羽根では、全ての位置において正の角度とは成り得ない。但し、低速回転では運動エネルギーが小さい為、異常振動があっても微小振動量で実用上問題は無いが、高揚程排水ポンプ用として高速回転させた場合はこれが負荷の増大と合まって大きな振動となってしまう欠点を有している。
【０００７】
また、排水ポンプ停止時の揚程に伴う逆流、いわゆる戻り水が連通口より噴出して駆動源であるモーターを漏らして絶縁低下および腐食を起こすことの無いようにミズキリで遮断しようとしているが、高揚程では戻り水の量が多く、効果は半減している。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決するため、羽根を囲み下方に吸入口を上部側方に吐出口を有するケーシングと、該ケーシングの上に配設された駆動用モーターと、空気連通口と、を有する気体混入式の除湿水排出用遠心ポンプにおいて、前記駆動用モーターの回転軸の下方先端に圧入された前記羽根と、樹脂モールドされたステータを有するＤＣブラシレスモーターとされ、回転数が可変可能とされた前記駆動用モーターと、前記駆動用モーターと前記ケーシングとの間に位置し前記回転軸に固定され、その外形が前記羽根の外形より大きくされたミズキリと、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
ポンプ停止時、揚程による戻り水の連通口からの水の飛散に対し、回転羽根径よりミズキリの径を大きくし、かつ、ミズキリ外周を下方に向けて高揚程による噴射流をミズキリに添わせて流し、ミズキリ外周から除々にオーバーフローさせるようにした。
【００１０】
駆動モーターとしてステーター部、ロータ部をそれぞれ樹脂モールドした重心を軸上に持つＤＣブラシレスモーターを用い、ＤＣブラシレスモーター軸心にＤカットもしくは穴または溝を設け、さらに、このブラシレスモーターのローター部に直接羽根を直結したり、ブラケット内部で仕切板をはさんで連結してある。また、羽根は複数の異なる円弧の連続線の横断面を有する２次元としてある。
【００１１】
【作用】
重心を軸上に持つＤＣブラシレスモーターを採用しているため、
１．モーター効率向上により同一出力比較で約１／３に減少し、ポンプ重量としても半分程度に減少できた。
【００１２】
２．ポンプ支えの防振ゴムに、均等にかつ軽量の荷重が加わるため、防振効果が増大し、かつ、横振れが減少するため、電磁音の発生量が減少する。よって、低騒音化が図れた。また、振動を減少できた。
【００１３】
３．回転数３６００ｒｐｍを容易に越えた回転数が得られるので、小形小径の高揚程ポンプとすることができた。
【００１４】
４．みずあか等による負荷変動に対し、揚程減少の少ないポンプとすることができた。
【００１５】
５．ローター部とポンプの羽根を一体化したものは、さらに軽量・小形化できる。
【００１６】
６．ＤＣブラシレスモーターを樹脂モールドし、また、ミズキリの径を羽根径よりも大きく、端部を下方に向けてあるので、戻り水による腐食進行を大巾に減少させることができ、寿命も錆に起因する問題は皆無にできた。
【００１７】
７．羽根を入口状態に合わせた複数個の円弧形状としてあるので、高速回転時の圧力背面側でのうず流が防止でき、流れによる振動発生を防止できた。
【００１８】
８．さらに、羽根上端部に流れ方向に順次拡大した空間を設けると、流出圧力の脈動が減少すると共に、吐出揚程が安定するため、ポンプ本体と空気調和機本体外核部とを接続するホースの振動が減少する。この結果、ポンプのホースに起因する振動も大幅に減少できる。
【００１９】
【実施例】
本発明の一実施例を図１に示す。樹脂モールドしたステータ部とロータ部を有し、重心が回転軸２径内に存在するＤＣブラシレスモーター１を上位に配設し、回転軸２の下方先端には平板状の羽根５を先端側より圧入接続してある。羽根曲りは上下２分割したケーシング４ａ、４ｂを配設し、回転軸２の径より２ｍｍ（半径方向で１ｍｍ）大きな空気連通口１２を有する上ケーシング４ｂには、あらかじめＤＣブラシレスモーター１の回転軸と羽根回転の放線方向に位置する下ケーシング４ａとの軸心が一致するよう、ＤＣブラシレスモーター１側に突出した複数のボス８を有し、かつ、下ケーシング４ａがはまり込む溝部９を設けてある。６は水の吸込口、７は吐出口である。
【００２０】
ＤＣブラシレスモーター１と上ケーシング４ｂとの間に位置し、回転軸２に圧入して固定したミズキリ３の径Ｄ_Mは、回転する羽根５の径Ｄより大きく、かつ、外周端部３′を下方に向けて、戻り水の流出する方向を反モーター側に向けてある。このため、空気連通口１２より逆流する戻り水は軸方向上方に流出してミズキリ３に衝突すると、ミズキリ３に添って外側に向って流出し、放線方向の円周断面積増大によりミズキリ３の外周近傍の流速は４分の１以下に減少する。この様な状態の流速ではミズキリ外周近傍の流速が不安定となり、上ケーシング４ｂ上に落下したり、一部の戻り水は放線方向に流出しようとする為、戻り水同志が衝突して飛散するのを防止し、必ず上ケーシング４ｂ上面に降下し、ミズキリ３の外径Ｄ_Mを越える時には、上ケーシング４ｂの上面に添って流出する。この結果、戻り水の飛散が無くなるため、ＤＣブラシレスモーター１のローターとステータ部間への戻り水と一緒に飛散する水あか等の異物の浸入や、ローターの磁極部への異物の付着が無くなり、常に安定した起磁力を得ることができる。このため、仮に錆が発生する材料であっても、ローター部の腐食寿命は大幅に向上できる。また、軸部を支えるベアリング部にも水の飛散が無いため、寿命が大幅に向上し、かつ、油ぎれによるベアリング摩耗に伴う異音の発生も防止できる。
【００２１】
図２に示す実施例は、図１の実施例の改良構造を示すもので、羽根５の上端で空気連通口半径ｒより大きく羽根径（半径Ｄ／２）より小さい半径Ｒを有し、半径ｒより大きい点より羽根５上端部でＲとなるようなめらかな連続線の縁を有する補助羽根１０を軸に対して同一形状となるように設けてある。
【００２２】
図１に示す実施例は、モーターの重心が回転軸上に位置させてあるため、駆動源側としての回転バランスが取れ、これに起因した振動は非常に小さくできるが、空気連通口１２を介して取り入れた空気が吸込口６より流入した水と一定の高速回転では混相した状態でケーシング内に存在し、その混相域が広い場合は、空気の一部が吐出口７より流出し、その際、揚程以上の圧力で空気は収縮されているが、これが吐出口７より流出して排水管を上昇すると、空気が膨張して不正脈流を生み、その反動により羽根に対して不正脈的な負荷が加わる。
【００２３】
これに対し、図２に示す実施例では、補助羽根１０が空気連通口１２側に突出し、液体排出の吐出口７より一部分が上方に位置してあるため、高速回転時に空気専用の空間室１１が生まれる。この結果、図１に示す実施例に増してより明確に液体と気体の密度差と遠心力の差により下ケーシング４ａの壁面近傍に液体が集合し、空気は軸中心側に集りやすくなる。このため、空気と水の混相域幅が狭く、かつ、一定の常態に保持され、混相流域の存在による羽根５に加わる負荷の微少変動が非常に小さくなり、流体による微振動も非常に小さくなる。
【００２４】
また、高揚程の場合、仮に揚程１ｍを３ｍにする際、揚程増による負荷変動倍率に対し、必要トルクは２乗で変化するため、羽根の吐出効率が一定の場合は９倍のモータトルクが必要となる。これに対し、本発明では、駆動源としてＤＣブラシレスモーターを用いているため、駆動トルクを大きな範囲で制御することができ、図１１に示したように、くま取り式モーターの最大回転数３６００ｒｐｍ（６０Ｈｚ時）・３０００ｒｐｍ（５０Ｈｚ時；図示せず）より高速回転化が容易である。仮に従来の揚程１ｍに対しビルの階高さに相当する揚程３．５ｍを確保する場合には、図１１に示すように、別に設けた制御基板から印加電圧をＤＣ２４Ｖにして、９０００ｒｐｍまで上昇させればよい。また、２．５ｍの揚程であれば印加電圧を１８Ｖに制御して７３５０ｒｐｍにすればよい。
【００２５】
図３は、図１および図２に示すＤＣブラシレスモーター１とケーシング４とを一体化した例を示すものである。この実施例は、ケーシング４の上面に軸２を中心とする円形の開口部４１を設け、他方、ＤＣブラシレスモーター１のステータ部１ａと軸受１６とを樹脂モールドにより一体に形成し、かつ、中心に空気連通口１２ｂまたは外周に溝１２ａ、１２ｃを有する軸２とＤＣブラシレスモーター１のロータ部１ｂと、前記開口部４１を塞ぐ非磁性材料からなる仕切板１７と羽根５とを一体に結合し、その軸２の上部を軸受１６に圧入してステータ部１ａとロータ部１ｂとを対応させ、かくしてなるＤＣブラシレスモーター１とケーシング４とを軸心位置決め用の凹凸部１５により位置決めした後ネジ締めにより連結固定する。なお、前記の実施例において、仕切板１７はケーシングを兼用するもので、この場合軸２に固定されているが、仕切板１７をケーシング４に嵌め込んで固定し、軸２と離してもよい。また、戻り水が上方に噴せねように、ＤＣモーターの電源線取出口と異なる方向に開口部１３ａを設けたカバー１３をＤＣブラシレスモーター１の上面に圧入固定してある。材質は樹脂、金属何でもよく、固定方法も接着など何でもよい。また、ＤＣブラシレスモーター１とカバー１３との空間１４の距離は、回転軸２に設けた連通口１２ｂの円形換算径以上にして、戻り水の噴射流速を減少させ、かつ、ほとんどの戻り水が吸込口６より流出するようにする。
【００２６】
なお、図３において、ＤＲはロータ部１ｂの径、Ｄ_Mは仕切板１７の径、Ｄ_Kはケーシング開口部４１の径、Ｄ_Hは羽根５の径である。
【００２７】
前記実施例において、低振動のためには、使用最大回転数Ｎ（ｒｐｍ）、羽根径Ｄ（ｍｍ）としたときの（Ｎ／Ｄ）の値が１００以上で３００以下となるような大きさと回転数で設計されたものが、組立工程のわずかなガタによる軸振動と流体の派流が羽根に与える振動を最も低くすることができる。
【００２８】
図７は、前記図３に示す実施例の変形例を示すものである。すなわち、この実施例は、上面に開口部４１を有するケーシング４を樹脂で成形しておき、また、補助羽根１０を有する羽根５と中空の連通口１２ｂを有する回転軸２とモーターのロータ部１ｂとを樹脂モールドにより一体に構成しておき、さらに、ケーシングの一部となる上面部４２とモーターのステータ部１ａと軸受１６とを樹脂モールドにより一体に構成しておき、回転軸２を軸受１６に圧入してロータ部１ｂとステータ部１ａとを対応させ、さらにその羽根５をケーシング４中に挿入し、凹凸１５により位置決めした後ネジ締めにより固定すると、図７の（ａ）に示すように、補助羽根１０が吐出口７より上方に位置して図２に示す実施例と同様の作用効果を奏し得るようにしたものである。なお、図３に示す実施例も同様であるが、羽根５の径Ｄ_Hがケーシング開口部４１より大きいので、図７の（ｃ）に示すように羽根挿入用の寸法Ｄ_H＋αを有する溝４１′を設けておく必要がある。本来、図１２の記号Ａの線のように、ポンプの吐出性能は回転しただけ吐出揚程を増加させたいが、記号Ｃの線のように揚程が上昇しにくくなる傾向にある。よって、記号Ｂの線のように、所定の高速回転で所定の揚程Ｈが得られるよう設計する。これは、羽根５の形状が高速回転用になっていないため、流れで必要とする角度に対し、不足気味の角度になっている。この結果、羽根５の圧力背面側にうず流が発生し、これが元で回転軸側に集めた空気や水との混相部がケーシング４側に流れ、これをさらに吐出口まで押しやろうとする。空気は圧縮性流体であるため、羽根５としては高速回転で流体を吐出していても、実際の水の吐出量が減少することになるため、揚程が上昇しにくくなっている。
【００２９】
図８ないし図１０はこのような点をも改善した実施例を示している。すなわち、この実施例の羽根５ｄは、図８に示すように、複数の円弧の連続線の横断面形状を有する。なお図８は図９のＡ−Ａ断面図である。また、ケーシング４ｂの下部は吸込口６ｂと同一径の円筒部とし、羽根５ｄの下部は少なくともこの円筒部全長において平行となる形状を有し、平行部終点より連続して上方で放線方向に向う複数の円弧より成る端部外形を有している。
【００３０】
横断面形状の複数の円弧のｉ番目の流線とｉ＋１番目の流線間の円弧半径は下式にて求めてある。
【００３１】
【数２】

【００３２】
β：入口角
γ：求めたい流線上までの回転半径
なお、羽根の圧力背面のうず流防止のため、理論計算入口角β₀に対し、数度から１０度の迎え角を設けて、羽根横断面基本形状線を決めてある。ケーシング４ｂ上端部の円周接線とθの角度を有する方向に吐出通路およびその先端部に吐出口部７ｂを設け、吐出通路のケーシング４ｂとの付根部を基準に、回転方向に向って羽根５ｄとの距離を順次拡大した内面形状を有するケーシング４ｃ部を設けてある。この拡大の距離ｌ〔ｍｍ〕は（１）式もしくは（２）式で設計してある。
【００３３】
ｌ＝ａ₁× θ ・・・・・・・（１）
【００３４】
【数３】

【００３５】
ただし、ａ₁、ａ₂は設計の任意定数、ｅは自然数である。
【００３６】
ＤＣブラシレスモーター１の駆動力により、回転軸２に直結された羽根５ｄが回転し、吸込口６ｂ部の水に回転力を与える。この際、軸中心側の水が回転遠心力によりケーシング４ｂ側へ押しやられる。ケーシング近傍の水も遠心力と回転軸近傍の水により、ケーシング４ｂに押しやられる。この結果、ケーシングに添って水位は上昇し、かつ遠心力と回転力によりケーシング４ｂの内面に添った旋回上昇流が生まれる。図９においては、この旋回上昇流をケーシング４ｃの拡大室部により旋回流のみにして、吐出口７ｂに接続された排水ホースをさらに上昇し、空気調和機本体外核上部側面より自然流下したり、さらに機器外の排水管を上昇した後自然流下させてある。本実施例の排水ポンプは、羽根による回転運動エネルギーが負荷となる排水ホース部高さよりの位置エネルギーを越えれば排水できるもの。よって、運動エネルギーを極力低下させずに吐出口７まで導くことが必要で、本発明では、羽根外径Ｄ（ｍｍ）、回転数Ｎ（ｒｐｍ）、流量Ｑ（ｍ³／ｍｉｎ）と高さ位置によって決まる吐出方向θ（度）に吐出口７ｂを設けて、損失低下を防止してある。この場合、ケーシング４ｂ部が大きくなり、空気調和機の排水ポンプの投影面積として制約を受けやすい欠点を有する。図１０はこの欠点に限り改良したもので、ケーシング４ｃに相当する空間は無いが、排水口方向は図９と同様、ケーシング４ｄの外周接線方向とθ度の方向に吐出口７ｂを設けてある。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように駆動用モーターの重心位置が回転中心となる軸径の中に位置するため、回転振動を小さくでき、くま取り式の場合の振動値の半分以下に低下できた。また羽根径が小さいままで高速回転化できることにより高揚程で小形・軽量のポンプが得られた。また、高速回転用に羽根形状の最適化により羽根の吐出効率低下が改善され、さらに高揚程化が可能となった。この効率の改善はエネルギー消費量の低下を意味し、低騒音で低入力のポンプを提供できた。さらに、戻り水に対する形状配慮により、水滴飛散が防止できたので、錆によるモーターのロックが皆無にでき、寿命が大幅にのびた。また、ＤＣブラシレスモーターの採用により、必要なトルクを１つのモーターから用途に合わせて設定できるため、高速回転による高揚程排水ポンプを構成することができ、空調機器の製造者のみならず、据付業者から流通最終ユーザーの誰でも制御の方法を選択できる裕度が生まれた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本実施例を示す断面図。
【図２】図１の羽根を改善した実施例を示す断面図。
【図３】モーター部とポンプとを一体化した実施例を示す断面図。
【図４】図３に示す実施例の回転軸に設けた溝形状断面図。
【図５】図４と同様の溝形状断面図。
【図６】図４と同様の溝形状断面図。
【図７】モーター部とポンプとを一体化した他の実施例を示すもので、（ａ）は組立状態の断面図、（ｂ）は分解図、（ｃ）はケーシングの開口部の平面図。
【図８】ポンプケーシングと羽根形状を改良した実施例で、図９のＡ−Ａ断面図。
【図９】ポンプケーシングと羽根形状を改良した実施例を示す断面図。
【図１０】図９の実施例のケーシング部分を改良した実施例を示す断面図。
【図１１】駆動トルクと回転数との関係を示す図。
【図１２】吐出揚程と回転数との関係を示す図。
【符号の説明】
１…ＤＣブラシレスモーター、２…回転軸、３…ミズキリ、４…ケーシング、５…羽根、６…吸込口、７…吐出口、８…ボス、９…溝、１０…補助羽根、１１…空気専用空間、１２…連通口、１３…ミズトメ、１４…ミズトメ空間、１５…位置決め用凹凸部。

Claims

羽根を囲み下方に吸入口を上部側方に吐出口を有するケーシングと、該ケーシングの上に配設された駆動用モーターと、空気連通口と、を有する気体混入式の除湿水排出用遠心ポンプにおいて、
前記駆動用モーターの回転軸の下方先端に圧入された前記羽根と、
樹脂モールドされたステータを有するＤＣブラシレスモーターとされ、回転数が９０００ｒｐｍまで可変可能とされた前記駆動用モーターと、
前記駆動用モーターと前記ケーシングとの間に位置し前記回転軸に固定され、その外径が前記羽根の外形より大きく、かつ外周端部を下方に向けたミズキリと、
を備えたことを特徴とする除湿水排出用遠心ポンプ。
請求項１記載の除湿水排出用遠心ポンプにおいて、前記駆動用モータの上面に前記ＤＣブラシレスモータの電源線取出口とは異なる方向に開口部を設けたカバーを備えたことを特徴とする除湿水排出用遠心ポンプ。