JP4059416B2 - 一体型モータポンプ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体を圧送するポンプに関するものであり、特に電動モータにより駆動されるポンプの改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電動モータにより駆動されるモータ駆動ポンプは広く使用されている。従来のモータ駆動ポンプは、互いに別体である電動モータとポンプとがカップリングによって連結されたものであった。しかし、近年、モータ駆動ポンプ設置スペースの縮小、運転騒音の低減、メンテナンスの不要化または容易化等の要求が強まり、これらの要求を満たすための努力が払われている。設置スペースを縮小するために、電動モータとポンプとの軸を一体化し、電動モータ側への液体の侵入を両者の間に設けたメカニカルシールで防止することや、電動モータとポンプとを固定の仕切壁で遮断し、その仕切壁を挟んで磁気カップリングにより両者の軸を磁気的に連結することがその一例である。また、電動モータおよびポンプの小形化のために、高速回転化の方向にある。しかし、小形化,高速回転化すれば、運転騒音や電動モータの温度上昇が大きくなる。そこで、電動モータを冷却ジャケットで包み、ポンプにより圧送される液体を、その冷却ジャケットを通過させて流すものが提案された。このようにすれば、電動モータに発生する熱が液体によって運びさられ、電動モータの温度上昇を小さくすることができ、また、電動モータおよびポンプの運転騒音が冷却ジャケットにより遮断されるため、運転騒音が低減される。しかし、未だ十分とは言えない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題,課題解決手段および効果】
本発明は、以上の事情を背景とし、小形化が容易であり、かつ、電動モータの温度上昇も低く抑えることができるモータ駆動ポンプを得ることを課題としてなされたものである。本発明によって、下記各態様の一体型モータポンプが得られる。各態様は請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴およびそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。
(1)固定子鉄心にコイルが巻かれ、概して中空円筒状をなす固定子と、
その固定子の内側に同心に配設された中空円筒状部材であって、固定子の両端から突出した両端部に吸込口と吐出口とを備えたポンプ本体と、
中空円筒状をなし、前記ポンプ本体の内側に同心に配設され、ポンプ本体により回転可能に支持されるとともに、外周面の前記固定子に対応する部分に複数の永久磁石が固定された回転子と、
その回転子の内周側に、その回転子と一体的に回転可能に設けられた複数段の回転羽根と、
前記回転子の中心部にその回転子と同心に配設された固定軸と、
その固定軸の外周側に、前記複数段の回転羽根の各々と交互に配設された複数段の案内羽根と
を含み、前記固定子と前記回転子とを主体としてブラシレスDCモータが構成されるとともに、前記ポンプ本体が、(a) 前記固定子の内側に同心に配設された内筒と、 (b) その内筒より小径の中空円筒部の外端にそれぞれ半径方向外向きのフランジを備える一方、各内端が前記内筒の両端開口と同心に対向する吸込フランジおよび吐出フランジと、 (c) それら吸込フランジおよび吐出フランジの前記中空円筒部と前記内筒との半径方向の隙間を塞ぎつつ、それら吸込フランジおよび吐出フランジと内筒とを互いに固定するカバーとを含んで、中央部が大径で両端部が小径である段付中空円筒状を成すポンプケースを含み、前記複数段の回転羽根と前記複数段の案内羽根とが、前記大径の中央部内に配設されたことを特徴とする一体型モータポンプ(請求項1)。
本項の一体型モータポンプにおいては、ポンプが電動モータの内部に構成されるため、小形化が容易であり、また、中空回転子にポンプの回転羽根が固定されているため、ポンプにより圧送される液体が電動モータの中心を貫通して流れることとなり、この液体により電動モータが冷却され、温度上昇が低く抑えられる。そのため、本一体型モータポンプをボックス内に設置することも可能となり、その場合には、騒音低減効果が得られ、あるいは外観が向上して、設置場所の制限が少なくなる効果が得られる。
また、電動モータが、 (i) 固定子鉄心にコイルが巻かれ、概して中空円筒状をなす固定子と、 (ii) 中空円筒状をなし、ポンプ本体の内側に同心に配設され、ポンプ本体により回転可能に支持されるとともに、外周面の固定子に対応する部分に複数の永久磁石が固定された回転子とを含むものとされるため、回転子を薄形にすることが容易であり、電動モータの内部にポンプを構成することが容易となる。
また、ポンプが、 (A) 回転子の内周側にその回転子と一体的に回転可能に設けられた複数段の回転羽根と、 (B) 回転子の中心部にその回転子と同心に配設された固定軸外周側に複数段の回転羽根の各々と交互に配設された複数段の案内羽根とを含むものとされているため、高揚程を得ることが容易であり、かつ、上記回転子の薄形化による比較的広い内部空間を有効に利用し得る。
また、ポンプ本体の吸込口および吐出口が、それぞれ配管が接続されるべきフランジを備えているため、一体型モータポンプをあたかも1個の配管要素のように扱うことができ、容易にポンプシステムを組み立てることができる。さらに、一体型モータポンプを単位ユニットとして、複数ユニットを直列または並列に接続することも容易であり、吐出圧や吐出流量の幅広い要求を容易に満たすことができる。
さらに、ポンプ本体が、中央部が大径で両端部が小径である段付中空円筒状のポンプケースを含むものであるため、回転羽根および案内羽根の半径方向寸法を大きくすることができ、高揚程の一体型モータポンプを得易い。
しかも、ポンプケースが、 (a) 固定子の内側に同心に配設された内筒と、 (b) その内筒より小径の中空円筒部の外端にそれぞれ半径方向外向きのフランジを備える一方、各内端が前記内筒の両端開口と同心に対向する吸込フランジおよび吐出フランジと、 (c) それら吸込フランジおよび吐出フランジの前記中空円筒部と前記内筒との半径方向の隙間を塞ぎつつ、それら吸込フランジおよび吐出フランジと内筒とを互いに固定するカバーと含むものであるため、中央部が大径で両端部が小径である段付中空円筒状のポンプケースを容易に構成することができる。
(2)前記ポンプ本体と前記回転子との間に設けられ、ポンプ本体に回転子を相対回転可能に支持させる軸受を含む(1) 項に記載の一体型モータポンプ。
この軸受はいかなる形式のものでもよいが、圧送される液体を潤滑剤とするすべり軸受とすることが望ましい。この場合、液体がすべり軸受を通して漏れるようにすることができる。軸受の内側の空間は勿論、外側の空間もポンプ本体の内部であり、漏れた液体がポンプ本体の外部へ流出するわけではない。従来の液体圧送用のポンプにおいては、軸受にはメカニカルシール等の軸封装置が不可欠であり、この軸封装置の漏れが、鳴き(異音発生)と共に故障の大半を占めていた。この漏れおよび鳴きの問題が解消されることが、本一体型モータポンプの大きな利点である。ビル給水設備用,工業用,家庭用等、一般的な用途においては、故障が大幅に減少するのであり、また、例えば、原子力施設用のように、液漏れを極端にきらう用途や、クリーンルーム用のように、メカニカルシール等の軸封装置から漏れた液体が気化して周囲に拡散することすら許されない用途にも使用が可能になるのである。なお、軸封装置は省略可能であっても、軸受内へ異物が侵入することを防止するために、ダストシールを設けることが望ましい場合もある。
(3)前記軸受が、軸封装置を備えないすべり軸受である(2) 項に記載の一体型モータポンプ。
(4)前記固定軸が結合部材により前記ポンプ本体に結合されており、その結合部材がポンプ本体内の前記吸込口から吐出口への液体の流れを許容する形状を有する(1) 項ないし (3)項のいずれか1つに記載の一体型モータポンプ。
本態様によれば、ポンプ本体内を貫通して流れる液体の流れを妨げることなく、固定軸をポンプ本体内に設けることができる。
(5)前記回転子が、前記吸込口側と吐出口側との両端部に、その回転子を半径方向に貫通し、回転子の内部空間を、回転子と前記ポンプ本体との隙間に連通させる連通孔を備えた(1) 項ないし (4) 項のいずれか1つに記載の一体型モータポンプ。
このように、連通孔の形成により回転子とポンプ本体との隙間に液体の流れを生じさせる場合には、連通孔の断面積を調節することにより、容易に流量を調節することができる。
(6)前記吸込口と前記吐出口とが、前記固定子および前記ポンプ本体と同心に設けられている(1) 項ないし (5) 項のいずれか1つに記載の一体型モータポンプ。
一体型モータポンプをあたかも1個の配管要素のように扱うことが一層容易である。
(7)前記コイルにインバータが接続された(1) 項ないし (6) 項のいずれか1つに記載の一体型モータポンプ。
インバータを使用すれば、容易にモータの回転数を高めることができるため、一体型モータポンプを小形化することが容易となる。また、一体型モータポンプの回転数を変更することも容易であり、丁度必要な吐出圧や吐出流量で液体を圧送することができる。
(8)前記固定子が液密に密封され密封固定子である (1) 項ないし (7) 項のいずれか1つに記載の一体型モータポンプ。
本態様におけるように、固定子を密封固定子とすれば、一体型モータポンプ全体を液体中に沈めることができ、液中ポンプとして使用することができる。ただし、密封固定子の、固定子を密封している密封部材と、吸入口形成部および吐出口形成部とがポンプ本体に相当すると考えるものとする。
(9)前記回転子が、磁性を有するステンレス鋼から成る中空円筒部材の外周面に複数の永久磁石が固定されたものである(1)項ないし(8) 項のいずれか1つに記載の一体型モータポンプ(請求項2)。
回転子の本体部材としての中空円筒部材を、磁性を有するステンレス鋼製とすれば、中空円筒部材を磁路形成部材として機能させつつ、液体との接触による錆の発生を良好に回避することができる。
【0004】
【発明の実施の形態】
図1および図2に本発明の一実施形態である一体型モータポンプを示す。本一体型モータポンプは、固定子10および回転子12を備えた電動モータ14と、ポンプ本体としてのポンプケース16,回転羽根18,案内羽根20および返し通路22を備えた多段渦巻ポンプ24とが一体化されたものある。本一体型モータポンプは液体、特に水を圧送するに適したものとして設計されている。
【0005】
固定子10は、固定子鉄心32にコイル34が巻かれて成り、外筒36,内筒38および一対の端板40により構成される密封容器42により、液密に密封されて密封固定子44とされている。外筒36および内筒38共に中空円筒であって、互いに同心に配置され、それら外筒36と内筒38との間に形成される円環状の空間の両端開口が一対の端板40により閉塞されているのである。この中空円筒状の密封固定子44の両端開口部に、吸込フランジ50と吐出フランジ52とが同心に配置され、一対のカバー54により、密封固定子44に固定されている。吸込フランジ50と吐出フランジ52とは共に、中空円筒部56の一端に半径方向外向きのフランジ58が形成されたものであり、中空円筒部56のフランジ58側とは反対側の端部が、密封固定子44の内部に挿入されている。そして、各中空円筒部56の軸方向の中間部が各カバー54により、密封固定子44の両端に固定されて、吸入口形成部および吐出口形成部として機能するようにされている。その結果、吸込フランジ50,吐出フランジ52,一対のカバー54および前記内筒38により、中央部が大径である段付中空円筒状のポンプケース16が形成されている。ポンプケース16は、密封固定子44内に同心に固定され、吸込フランジ50と吐出フランジ52との端部が外部に突出した状態となっている。したがって、吸込フランジ50,吐出フランジ52の、密封固定子44内に位置する端を内端、密封固定子44外に位置する端を外端と称することとする。
【0006】
前記回転子12は、磁性材料製(防錆上、磁性を有するステンレス鋼が望ましい)の中空円筒である回転子本体としてのヨーク66の外周面に、複数の永久磁石68が等角度間隔に固定されて成り、上記ポンプケース16の大径中央部内に同心に配置されている。このように、回転子12の磁界を永久磁石68で形成すれば、ヨーク66は磁路形成部材として機能すればよく、電路形成部材として機能する必要は少ないため、肉厚の薄いものとすることができ、その内部にポンプ24の回転部を構成することが容易となる。
【0007】
ヨーク66の両端部には、円環状の軸受メタル70が固定されており、これら一対の軸受メタル70は、ポンプケース16に固定の一対の軸受メタル72に相対回転可能に嵌合されている。軸受メタル72はカバー54の内側面に固定された状態で設けられており、軸受メタル70の端面および内周面とそれぞれ接触する端面および外周面を備えている。これら軸受メタル70,72はラジアル・スラスト軸受74を構成しているのである。ラジアル・スラスト軸受74はすべり軸受であり、軸封装置を備えていない。したがって、本一体型モータポンプにより圧送される水が、軸受メタル70,72の摺動面間に水膜を形成し、潤滑剤として機能する。
【0008】
上記吸込フランジ50,吐出フランジ52の各内端には、それぞれ半径方向内向きのフランジ80が形成されており、それらフランジ80の内周縁にそれぞれ中空円筒状の嵌合部82が設けられている。これら一対の嵌合部82に固定軸84の両端部が固定的に嵌合されており、それによって、固定軸84は、ポンプケース16内に同心に配置され、ポンプケース16に相対回転不能かつ軸方向に移動不能に支持されている。上記フランジ80には、図2に示すように、複数の開口86が十分な大きさで形成されており、水の流れに対して、実質的な抵抗を与えない。
【0009】
上記固定軸84の外周面に前記案内羽根20が固定される一方、前記回転子12のヨーク66の内周面に前記回転羽根18が固定されている。案内羽根20と回転羽根18とは、固定軸84の軸方向に交互に配置され、図示の例ではそれぞれ4個ずつ設けられている。案内羽根20の外周面はヨーク66の内周面に近接しているが、僅かに離れており、回転羽根18の内周面は固定軸54の外周面に近接しているが、僅かに離れている。そして、案内羽根20の内周側には前記返し通路22が形成されている。回転羽根18および案内羽根20は、以上の点以外は通常の渦巻ポンプのそれらと同じであるため、詳細な説明は省略する。
【0010】
前記ヨーク66の両端部には、半径方向の貫通孔である連通孔90,92がそれぞれ形成されており、それによって、回転子12の内部空間と、回転子12の外周面とポンプケース16の内周面との間の隙間である還流隙間93とが互いに連通させられている。また、前記固定子10のコイル34に電流を供給するための電源ケーブル94と、電源コネクタ96との間、および電源コネクタ96と密封容器42との間は液密にシールされている。さらに、密封容器42内の空隙には合成樹脂98が充填されている。合成樹脂98は空気よりも熱伝達性に優れているため、合成樹脂98の充填により固定子10に発生した熱が良好に密封容器42に伝達される。
【0011】
本一体型モータポンプは、例えば、図3に示す形態で使用される。図示の例では、2台の一体型モータポンプ100が直列に接続されたものが2列並列に接続されているが、接続の台数および形態は吐出圧(揚程)および吐出流量の要求に応じて適宜定められるものであり、直列あるいは並列にのみ接続することも可能である。各一体型モータポンプ100は図示しない電源ケーブルにより制御装置102に接続されている。制御装置102は、インバータ104を有する電源106を備えており、一体型モータポンプ100を商用電源の周波数による場合より高速で回転させることができ、また、所要吐出流量に応じて回転数を変更することが可能である。本実施形態においては、電動モータ14がブラシレスDCモータとなっているのである。複数台の一体型モータポンプ100および制御装置102を主体とするポンプシステム108は、ボックス110内に配設されている。
【0012】
以上のように構成されたポンプシステム108において、インバータ104から一体型モータポンプ100のコイル34に電流が供給されれば、固定子12により回転する磁界が形成され、その磁界と回転子12の永久磁石68の磁界との相互作用により、回転子12が固定子12の磁界の回転速度と同じ速度で回転させられる。そのため、回転子12に固定の回転羽根18が回転し、水に運動エネルギを与えて内周側から外周側への移動を生じさせる。回転羽根18の外周側から放出された水は、案内羽根20の外周部に流入し、返し通路22により内周側へ案内されるうちに、圧力が高くなる。案内羽根20の内周部から放出された水は、返し通路22を経て回転羽根18の内周部へ流入し、再び運動エネルギを与えられる。以上の繰返しにより、最終段の案内羽根20の内周部からは水が高い圧力で放出される。
【0013】
このように、一体型モータポンプ100の回転により、水が吸込フランジ50の吸込口から吸い込まれ、吐出フランジ52の吐出口から吐出されるのであるが、吸込側と吐出側との間に圧力差が生じるため、この圧力差により、吐出側の連通孔90から、ポンプケース16の内周面と回転子12の外周面との間の還流隙間93を経て、吸入側の連通孔92に到る水の流れが生じる。この水の流れは、回転子12を外周面側から、また、ポンプケース16を内周面側から冷却する。このポンプケース16には固定子鉄心32およびコイル34が直接、あるいは充填された合成樹脂98を介して間接に接触させられているため、これらも冷却される。固定子鉄心32およびコイル34に発生した熱がポンプケース16を介して還流隙間93の水により運び去られるのである。また、回転子12は、回転子12の内部を流れる多量の水によって内周面側からも十分冷却される。本実施形態においては、回転子12の電流は大きくないため、回転子12自体は冷却の必要がないが、固定子鉄心32およびコイル34や後述の軸受等において発生する熱が回転子12にも伝達されるため、回転子12を冷却すれば、実質的に、固定子鉄心32,コイル34,軸受等の放熱面積を増大させる効果が生じる。なお、固定子10は、外周面側から周囲の空気に熱を放散するが、この放熱量は少なく、一体型モータポンプ100をボックス110内に支障なく設置し得る。
【0014】
上記のように、回転子10の吸込側と吐出側とに圧力差が生じるため、この圧力差がラジアル・スラスト軸受74にも作用する。ラジアル・スラスト軸受74には軸封装置は設けられていないため、上記液圧差により、ラジアル・スラスト軸受74の摺動面間に水が供給され、水膜を形成して潤滑作用をなす。言わば、ラジアル・スラスト軸受74に水の漏れが生じるのであるが、ラジアル・スラスト軸受74は摺動面において互いに接触しているため、水の漏れは僅かであり、また、漏れといっても、すべてポンプケース16の内部でのことであり、外部へ漏れるわけではない。本一体型モータポンプにおいては、軸封装置の漏れおよび鳴きの問題は発生しないのである。
【0015】
本一体型モータポンプは、固定子10が密封固定子44とされており、回転子12は永久磁石68を備えてコイルを備えないものとされて、湿式とされている(電動モータ14がいわゆるキャンドモータとされているのである)ため、全体を水等の液体中に埋没させ、液中ポンプとして使用することが可能である。なお、本実施形態においては永久磁石68が錆の発生し難い材料で製造されているため密封はされていないが、錆の発生し易い材料で製造される場合には回転子12も密封回転子とされることが望ましい。
【0016】
以上説明した実施形態においては、電動モータ14が固定子10および回転子12をそれぞれ1個ずつ有するものとされていたが、複数対の固定子10および回転子12を電動モータ14の軸方向に直列に並べて配設することも可能である。このようにすれば、固定子や回転子の半径方向の厚さを小さくしつつ強力な電動モータを構成することが可能になり、電動モータの中心部に配設されるポンプの外径を大きくすることが可能になる。
【0017】
また、電動モータとしてブラシレスDCモータが採用されているが、直流モータの弱点である機械式整流子をサイリスタに置き換えた無整流子モータの採用も可能である。これは、電動モータの回転軸に直結して、界磁と電機子巻線との相対的な位置を検出する回転子位置検出器を設置し、これの信号に従ってインバータを動作させるものである。
【0018】
さらに、上記実施形態においては、回転子12がヨーク66に永久磁石68のみが固定されたものとされ、電動モータ14の起動時に、インバータ104により回転速度を0から徐々に上昇させる制御が行われるようにされていたが、回転子12に永久磁石68と共に起動用の電気導体を設けることも可能である。起動時には電気導体に流れる電流による磁界と固定子10の磁界との相互作用によって、回転子12が回転させられ、回転子12が固定子10の磁界と同期して回転する状態となった後(同期引き入れ後)には、ブラシレスDCモータとして作動する。
【0019】
上記無整流子モータ,起動用の電気導体を備えたブラシレスDCモータ等においては、前記ブラシレスDCモータの固定子10と同様に、防錆上、回転子も密封容器により密封して密封回転子とすることが必要になる場合がある。
【0020】
前記実施形態においては、ラジアル・スラスト軸受74が、単純に軸受メタル70,72間への液体(水)の侵入が許容され、潤滑剤としての機能を果たすようにされていたが、ラジアル・スラスト軸受74は精度が良くかつ耐久性に優れたものであることが望ましい。電動モータにおいては、エネルギ効率向上のために、固定子と回転子との隙間をできる限り小さくすることが望ましく、この隙間を小さくしながら固定子と回転子との接触を確実に回避するために、ラジアル・スラスト軸受74はきわめて重要なものなのである。したがって、これの耐久性を向上させるために、軸受メタル70,72間に良好な潤滑膜(水膜)が形成されるように、両者の摺動面の形状を工夫し、あるいは摺動面間に液体を積極的に供給する手段を講じる等により、いわゆる流体軸受(液体軸受)とすることが望ましい。
【0021】
以上、本発明の二三の実施形態を説明したが、これは例示に過ぎず、本発明は、前記〔発明が解決しようとする課題,課題解決手段および効果〕の項に記載された態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態である一体型モータポンプの正面断面図である。
【図2】 上記一体型モータポンプの側面図である。
【図3】 上記一体型モータポンプの使用形態の一例を示す正面断面図である。
【符号の説明】
10:固定子 12:回転子 14:電動モータ 16:ポンプケース
18:回転羽根 20:案内羽根 22:返し通路 32:固定子鉄心 34:コイル 42:密封容器 44:密封固定子 50:吸込フランジ 52:吐出フランジ 68:永久磁石 70,72:軸受メタル
74:ラジアル・スラスト軸受 80:フランジ 90,92:連通孔
100:一体型モータポンプ 102:制御装置 104:インバータ
110:ボックス
Claims (4)
- 固定子鉄心にコイルが巻かれ、概して中空円筒状をなす固定子と、
その固定子の内側に同心に配設された中空円筒状部材であって、固定子の両端から突出した両端部に吸込口と吐出口とを備えたポンプ本体と、
中空円筒状をなし、前記ポンプ本体の内側に同心に配設され、ポンプ本体により回転可能に支持されるとともに、外周面の前記固定子に対応する部分に複数の永久磁石が固定された回転子と、
その回転子の内周側に、その回転子と一体的に回転可能に設けられた複数段の回転羽根と、
前記回転子の中心部にその回転子と同心に配設された固定軸と、
その固定軸の外周側に、前記複数段の回転羽根の各々と交互に配設された複数段の案内羽根と
を含み、前記固定子と前記回転子とを主体としてブラシレスDCモータが構成されるとともに、前記ポンプ本体が、(a) 前記固定子の内側に同心に配設された内筒と、 (b) その内筒より小径の中空円筒部の外端にそれぞれ半径方向外向きのフランジを備える一方、各内端が前記内筒の両端開口と同心に対向する吸込フランジおよび吐出フランジと、 (c) それら吸込フランジおよび吐出フランジの前記中空円筒部と前記内筒との半径方向の隙間を塞ぎつつ、それら吸込フランジおよび吐出フランジと内筒とを互いに固定するカバーとを含んで、中央部が大径で両端部が小径である段付中空円筒状を成すポンプケースを含み、前記複数段の回転羽根と前記複数段の案内羽根とが、前記大径の中央部内に配設されたことを特徴とする一体型モータポンプ。 - 前記ポンプ本体と前記回転子との間に設けられ、ポンプ本体に回転子を相対回転可能に支持させる軸受を含み、その軸受が軸封装置を備えないすべり軸受である請求項1に記載の一体型モータポンプ。
- 前記回転子が、前記吸込口側と吐出口側との両端部に、その回転子を半径方向に貫通し、回転子の内部空間を、回転子と前記ポンプ本体との隙間に連通させる連通孔を備えた請求項1または2に記載の一体型モータポンプ。
- 前記回転子が、磁性を有するステンレス鋼から成る中空円筒部材の外周面に複数の永久磁石が固定されたものである請求項1ないし3のいずれか1つに記載の一体型モータポンプ。
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