JP4124525B2 - 一体形軸方向界磁モーター付遠心ポンプ - Google Patents

一体形軸方向界磁モーター付遠心ポンプ Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にいえば、一体形軸方向界磁モータポンプに関し、さらに詳しくいえば、シールレス一体形軸方向界磁モータ付遠心ポンプ及び作動流体を用いてそのようなポンプを冷却する手段に関する。
【0002】
【従来の技術】
普通は、半径方向界磁モータを用いる従来のシールレス・キャンド・モータポンプは、普通、幾分かの作動流体をポンプ排出口からポンプ吸い込み流の中へ水中用製品の潤滑軸受にあるみぞを通して、又はモータ固定子から廃棄された熱を抽出するための別の適当な経路を通して分岐することによって冷却される。分岐された作動流体は、外側の固定子壁から対流によって加熱され、熱を吸込室に運んで分岐されない作動流体とともに送り出されることによって排出される。分岐された流体がポンプ排出室から外側固定子壁に隣接した通路を通り、さらに中空回転軸、軸用軸受及び/又は吸込室への他の適当な経路を通過するので、位相変化が流体加熱と排出圧力から吸込圧力への遷移による圧力降下の組合せによって起こることがある。このように、蒸気層にある流体にさらすと、過熱及び/又は軸受の破損を生ずる可能性がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
前述のことは、現在のシールレス一体形モータ遠心ポンプにあると知られている限界を示している。それらの限界の一つ以上を克服することを目的とした代替の装置を提供することは有益であろう。したがって、以下にさらに詳しく開示する特徴を備える適当な代替品を提供する。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの面においては、これは、作動流体入口、作動流体排出口を有し、固定軸を中に取付けられたハウジング組立体と、前記ハウジング組立体内に前記固定軸の半径方向に囲んで取付けられ、前記作動流体にさらされないように密封する手段を有するモータ固定子と、前記固定子から軸方向に間隔をあけて配置され、ハブを有し、前記ハブに固定された軸受によって、前記ハウジング組立体内の前記固定軸上に支承され、前記作動流体にさらされないように密封する手段を備えたモータ回転子と、前記固定軸内に形成された軸方向通路と、作動流体を前記作動流体排出口から前記固定子及び前記固定子の密封表面に沿って前記固定軸内の前記軸方向通路を通り、前記作動流体入口へ導く第1の手段とを備える一体形軸方向界磁モータポンプを提供することによって達成される。
【0005】
本発明の前述及びその他の面は、添付図面と関連して読まれるとき、以下の詳細な説明から明らかになる。
【0006】
【発明の実施の形態】
各図に示されているように、一体形軸方向界磁モータポンプ10には、ポンプケース14及びモータケース16からなるハウジング組立体12がある。モータケース16は、ポンプケース14に固着され、軸方向にねじを切っためくら穴18が中心にあいている。第1の端22に雄ねじを切った軸20がめくら穴18に固着されている。めくら穴18は、軸がモータケース16の壁を突き抜けていないので、シールを軸20の周りに設ける必要をなくしている。羽根車26には、羽根車を軸20に支承するために軸受24が取付けられているハブ28がある。羽根車26は、羽根車の半径方向に伸びる主板27に沿ってハブから伸びる複数の羽根30を備え、作動流体を作動流体入口32から作動流体出口34へ圧送するために回転する。モータ回転子36には端部表面に外板37を備え、基部表面で羽根車26に取付けられるか、又はモータ回転子の基部表面を羽根車と一体に形成されている。別々に形成される場合、遮へい要素38が回転子の基部に設けられて、モータ回転子36の磁石が作動流体にさらされるのを防ぐ。一体に形成される場合には、遮へいは、羽根車の主板によって行われる。少なくとも一つの半径方向通路42が、別々に形成される場合、モータ回転子36と羽根車主板27の間に又は回転子磁石の前に一体の回転子/羽根車ボデーを通すかのいずれかで設けられて、作動流体排出口34からの作動流体の一部分の流れが回転子磁石を冷却できるようにする。作動流体排出口34からの作動流体出口34と整列させられることで強められる。この流体は、通路42を半径方向に内向きに、そして主板27又はハブ28(羽根車の設計によって変わる)を通して作動流体が入ってくる作動流体と一緒にポンプによって送り去られる作動流体入口32に流入する。この冷却流体回路は、それが羽根車26と回転子36の間に冷却材を与えるのに必ずしも必要でないので、実際には本発明の三つの冷却回路のうちの第3番目のものである。
【0007】
モータケース16は、円周面と端面に多数の内側スペーサを備えている。これらのスペーサは、モータケース16に一体に形成されてもよいし、又は個別に挿入された隆起部、ボタン若しくはウェーハであってもよいものであり、モータケース16と固定子48の外板49の間に多数の流体流のチャネル64を持った環状固定子48のためのソケットを画定している(スペーサ17がまた固定子48からの熱抽出をさらに強めるために固定子外板49の外側に一体に形成された形状構成として設けられてもよいことに注意されたい)。図1及び3に示されているように、環状固定子カバー 44 がモータケース 16 と固定軸 20 の間に軸方向にクランプされている固定子カバー 44 は、Oリング45又は他の適当なシール部材を用いて固定子外板49に対する流体シールとなる。したがって、この実施形態の場合、組立の間、固定子48は、固定子ソケットを形成して固定子外板49の周りに流体流チャネル64を画定するスペーサ17にもたれてモータケース16内に置かれている。固定子カバー44は、固定子を覆って取付けられ、Oリング45によって固定子外板に対するシールを形成する。モータ回転子36が取付けられている軸20のねじ付き端22は、モータケースの雌ねじ付き軸方向穴18の中にねじ込まれている。軸20にあるフランジ21は、固定子カバー44をモータケースに押し付けて締めつけて固定子を固定子のソケット内に固く固定している。このねじ据付は、モータ回転子36の据付け及び取り外しの間に必要である持ち上げ機能を与えて、固定子48と回転子36の間の強力な磁力に打ち勝つ。駆動ソケット、駆動ヘッド又はスパナソケットなどの掴み装置が軸20の自由端に設けられて、持ち上げ又は締め付け機能のために軸を回転できるようにする。
【0008】
図4に示された実施形態は、ケース216中に固定子248を取付け、作動流体から保護しながら固定子を冷却する代替の手段を与えている。ポンプ210は、ポンプケース214及びぼると締めされてガスケットを施されるかさもなければしっかり締め付けて密封されるモータケース215からなるハウジング組立体を備えている。固定軸220がモータケース内のめくらネジ付穴222にねじ込まれ、モータケース216と一体になっているか、それに固く取付けられた固定子外板249によって取り囲まれている。突合わせスぺーサ217が固定子外板249の周りにある冷却流体の流れるための流体流チャネル264を保ちながら固定子外板をモータケース216に押しつけて支持している。環状固定子カバー244が環状固定子248の上に嵌り、固定子外板249に好ましくは固定子外板249の内縁及び外縁で相手ねじMと噛み合ったねじ付リングRによって取付けられるのが好ましいが、代わりに固定子外板をボルト締めしてもよい。
【0009】
羽根車226は、多数のほぼ半径方向の羽根230を支えるハブ228とハブから半径方向に伸びる主板227からなっている。環状回転子236が羽根車226にボルト止めされるか、さもなくば取付けられる。回転子は、その磁石を保護するためのケース237を備えている。ハブ228は、羽根車226を固定軸220の周りに支承するためにラジアル及びスラスト組合せ軸受を中に嵌められている。回転子/羽根車組立体が一端軸上に支承されると、軸220は、軸を締めるための駆動ヘッド223を用いてねじ付めくら穴222にねじ込まれる。回転子のこのねじ込み式据付けは、据付けの間回転子236を固定子に引きつける強力な磁力に耐え、取り外しの間その磁力に打ち勝つために持ち上げ力を回転子236に加えることができるようにしている。
【0010】
やや本質的に異なる固定子のカバー装置のほかは、すべての面において、図4のポンプは機能及び冷却装置において他の図のものとほとんど同一である。
【0011】
すべての実施形態において、回転子36、236の外径は、ポンプケース14、214の内径よりわずかに小さい。結果として生ずるすきまは、ポンプケース14、214と羽根車/回転子26/36、226/236の間に作動流体排出口34からの流体流チャネル50を与える。作動流体排出口34を通過する高圧作動流体の一部分をチャネル50を通してそらせる。チャネル50から、流体は、固定子48、248を冷却するために固定子外板の周りの流体流チャネル64、164、264に入る。固定子48、248を冷却することによって加熱された流体は、固定軸20、220の中の一つ以上の半径方向穴62、262を通り、軸方向穴60、260を通って流体流入口32へ戻る。これは本発明のポンプ内の第1すなわち一次冷却材ループを完成する。
【0012】
チャネル50を通過する流体のもう一方の部分は、固定子カバー44、244と回転子外板37、237と羽根車ハブ28、228の間のもう一方のチャネル52を通って流れる。そこから、流体は軸受24、224のスラスト面25、225の中の一つ以上の半径方向穴58、258に入るのが好ましく、固定軸20、220の表面へ移動し、そこで流体は、好ましくは軸受24、224の表面にある一つ以上の軸方向にらせん状又は直線状のみぞ54、254に入るが、たとえみぞが軸20、220の表面にあっても冷却する効果は等しい。みぞ54、254は、半径方向穴58、258と作動流体入口32の間に伸びていて、冷却流体を作動流体入口へ運び戻す。これは、固定子カバー44、244と回転子36、236の間のチャネル52、252を通って固定子48、248と同様に軸受24、224に冷却材を与える第2の冷却回路に用いる循環経路を完成する。
【0013】
図2を参照すると、モータケース116の内面の任意形状を、その軸方向を向いた部分に沿って、複数のみぞを中に形成されているのを見ることができ、それらのみぞはらせん形状のチャネル166と通じている。らせん形状は、ほんの一例として示されているだけであって、他のチャネルの形又は間隔を排除することを意図しているのではない。例えば、スぺーサは、固定子ソケットの外縁から内縁まで若干の円形列に配列された直線状の半径方向フィンとして形成されることもできるだろう。チャネル166は、モータケースの表面に形成された数対の隣接羽根168によって画定される。これらの一体に形成された羽根によって、スぺーサ機能は、ポンプの使用要求条件にぴったり合うことのできる流れ指向特性を与えられる。
【0014】
高温作動流体をポンピングする用途では、ポンプは、流体によって、加熱されることがあったり、又は流体がポンプを冷却するには温度が高過ぎることがある。そのような場合には、モータ回転子磁石は、回転子が磁石を備えている場合、磁石の温度が高くなり過ぎる(約120°C以上)と劣化して、モータが破損する。高温作動流体をポンプを通して分岐する前にそれを冷却し、流体がポンプから熱を抽出することを確実にする必要がある。高温流体をポンピングする場合に用いるためのポンプ10aの代替の実施形態が図3に例示されている。ポンプ10aは、作動流体をポンプ10aに分岐して戻す前に作動流体を冷却する設備がある以外は、図1のポンプ10にほとんど同一である。作動流体の渦形室70は、羽根車26の主板27と通路42の上に張り出している縁72を含むように改造されている。この縁72は、出口34からチャネル50に入る流れ抵抗を大きくして、そのような流れを有効に阻止する。
【0015】
ポンプケース14を通る流体出口34からのポート74が導管76に接続されて、高温流体の一部分をその温度を下げるための熱交換器を通して運ぶ。熱交換器78の大きさと冷却容量は、ポンプの寸法と作動流体の熱特性に従って選択され、熱交換器の熱抽出能力が作動流体の温度を作動流体をポンプ回転子36、固定子48及び軸受24を冷却するのに有効にするに必要な量だけ下げることができるようにする。冷却された作動流体は、次にポンプケース14を通るポート82へ接続されている導管80を通して戻される。ポート82は、冷却された流体をポンプ組立体12の中にポンプケース14とモータケース16の間に吐き出し、そこから流体が流体流チャネル64、50及び52に流入し、上述の三つの冷却流体流回路を完成する。チャネル50を通って通路42に至る結果として生ずる流れは、渦形室70の流れ阻止縁とともに高温作動流体が流体出口34から通路に直接流入するのを防止し、それによって低温流体を回転子36の磁石に与える。明らかに、必要なとき、この実施形態は高温流体をポンピングするときでさえモータを有効に冷却することができるが、それはまた低温流体をポンピングするとき冷却効率を上げるためにも用いることができる。
【0016】
作動時には、一次冷却回路は、作動流体を出口34からチャネル50を通りチャネル64を通して運んで、固定子外板49を介して熱をモータ加熱の主な源であるモータ固定子48から抽出する。固定子の熱のほとんどは、チャネル64を通る冷却流体の流れの量が大きいので、これらのチャネルを介して抽出される。チャネル64から、流体は、固定子軸20にある一つ以上の半径方向穴62に入り、軸にある軸方向穴60に達し、その穴を通して流体は低圧作動流体入口32に戻される。
【0017】
二次冷却回路は、作動流体を出口34からチャネル50を通り、固定子カバー44と回転子36の間のチャネル52を通って、軸受24内の半径方向穴58に至り、次に軸受24の内面に沿った軸方向みぞ54に至り、そこを通って流体は作動流体入口32へやはり戻される。固定子カバーが非金属材料で作られるのが好ましいので、固定子48とチャネル52内の流体の間の熱伝達が制限され、固定子からの熱のほとんどが冷却チャネル64を通る流れによって除かれる。したがって、チャネル52内を流れる流体は、なお軸受24を冷却するに十分な能力を備えている。
【0018】
流体の流れを冷却する第3の回路は、限界熱条件の下でさえ少なくとも適当な冷却能力を確実にする。作動流体が流体出口34から羽根車26の主板27とモータ回転子遮へい38の間の通路42内を半径方向に内向きに流れる。この流れは、回転子36からモータの運転によって回転子内に発生されたいかなる熱をも抽出し、それを羽根車26の主板27又はハブ28内の開口部40を通して流体入口32へ直接に戻す。この冷却回路は、チャネル52を通る二次回路の有効性を高め、回転子を冷却するのを助けることによって、二次回路の流体のかかるいかなる潜在的熱負荷をも少なくし、それによって二次回路を軸受24を冷却するのにより有効にする。
【0019】
回転子36及び固定子48に発生され、チャネル50、64、52及び42を介して抽出された熱は、ポンプの設計及び運転条件によって配分される。いかなる場合にも、本発明の三つの回路による冷却計画は、モータ回転子36、モータ固定子48及び軸受24の冷却を3冷却回路を通る流体流の適当な制御によって最適化するために熱抽出の制御を可能にする。
【0020】
3冷却回路の熱源から低圧流体入口32への別々の経路を与えることによって、本発明は、冷却流体の温度上昇を制限し、冷却回路内の流体の一瞬の蒸発の見込みを少なくする。3回路を通る流れが軸20の半径方向及び軸方向の穴62、60、軸受24の半径方向及び軸方向のみぞ58、54、渦形室の突出縁72及び羽根車主板27又はハブにある開口部40にある制限領域を用いることによって釣り合わされる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による一体形軸方向界磁モータポンプの軸方向断面図である。
【図2】図1の断面2−2に沿った断面図であり、固定子が図を明瞭にするために省略されている。
【図3】本発明の代替の実施形態の図1と同様な図である。
【図4】固定軸と固定子カバーの代替の配置を示す軸方向断面図解図である。
【符号の説明】
10 一体形軸方向界磁モータポンプ
12 ハウジング組立体
14 ポンプケース
16 モータケース
17 スぺーサ
20 固定軸
24 軸受
26 羽根車
28 ハブ
30 羽根
32 作動流体入口
34 作動流体排出口
36 モータ回転子
37 回転子外板
48 モータ固定子
49 固定子外板

Claims (19)

  1. 作動流体入口、作動流体排出口を有し、固定軸を中に取付けられたハウジング組立体と、
    前記ハウジング組立体内に前記固定軸を半径方向に囲んで取付けられ、前記作動流体にさらされないように密封する手段を有するモータ固定子と、
    前記固定子から軸方向に間隔をあけて配置され、ハブを有し、前記ハブに固定された軸受によって、前記ハウジング組立体内の前記固定軸上に支承され、前記作動流体にさらされないように密封する手段を備えたモータ回転子と、
    前記固定軸内に形成された軸方向通路と、
    作動流体を前記作動流体排出口から前記固定子及び前記固定子の密封表面に沿って前記固定軸内の前記軸方向通路を通り、前記作動流体入口へ導く第1の手段とを備える
    一体形軸方向界磁モータポンプ。
  2. 作動流体を前記作動流体排出口から前記固定子と前記回転子の間に前記回転子の前記固定子からの軸方向間隔によって与えられるすきまを通り、前記羽根車内に固定された軸受にあるみぞを通り、前記作動流体入口に導く第2の手段をさらに備える請求項1に記載の一体形軸方向界磁モータポンプ。
  3. 作動流体を前記作動流体排出口から前記回転子と前記羽根車の間の複数の半径方向通路を通り、前記羽根車のハブにある通路を通り、前記作動流体入口へ導く第3の手段をさらに備える請求項1に記載の一体形軸方向界磁モータポンプ。
  4. 作動流体を前記作動流体排出口から前記回転子と前記羽根車の間の一つ以上の半径方向通路を通り、前記羽根車のハブにある通路を通り、前記作動流体入口へ導く第3の手段をさらに備える請求項2に記載の一体形軸方向界磁モータポンプ。
  5. 前記ポンプを組立又は解体する前記回転子を据付け又は除去するために前記回転子を前記固定子と前記回転子の間の磁気力に抗して持ち上げる手段をさらに備える請求項1に記載の一体形軸方向界磁モータポンプ。
  6. 前記ハウジング組立体が前記固定子を前記モータケースから離すスぺーサを備える固定子ソケット及び前記固定軸を取付ける手段とを持ったモータケースと、前記モータケースに付けられた作動流体吸い込みポートと作動流体排出ポートを備えるポンプケースを備えている請求項1に記載の一体形軸方向界磁モータポンプ。
  7. 前記固定軸を取付ける手段が前記固定子ソケットの中心にあって前記軸の雄ねじ付端を受ける雌ねじ付軸方向穴を備える請求項6に記載の一体形軸方向界磁モータポンプ。
  8. 前記回転子を据付け又は除去するために前記回転子を前記固定子と前記回転子の間の磁気力に抗して持ち上げる手段が固定子ソケットを備えるモータケース、前記ソケット内に中心を置いて前記軸の雄ねじ付端を受ける雌ねじ付穴及び前記軸に付いていて前記軸を持ち上げて前記ねじ付穴に出し入れするために前記軸を回す掴み手段を備える請求項5に記載の一体形軸方向界磁モータポンプ。
  9. 前記ハウジングが前記固定子を前記モータケースから離すスぺーサを備える固定子ソケットを備えたモータケース、作動流体入口ポートと前記モータケースに取付けた作動流体排出ポートを備えたポンプケース及び前記固定子の中に前記固定軸を取付ける手段を備える請求項4に記載の一体形軸方向界磁モータポンプ。
  10. 前記作動流体排出口からの前記作動流体の一部分を抽出し、前記作動流体を前記流体を冷却するために熱交換器を通して導き、前記作動流体を前記回転子と前記固定子の密封された表面に沿って前記固定子と前記回転子の間のすきまを通して流体を導く前記第2の手段に前記回転子と前記固定子の間の前記一つ以上の半径方向通路を通して流体を前記流体入口へ導く前記第3の手段を通して再導入する手段をさらに備える請求項4の一体形軸方向界磁モータポンプ。
  11. 前記モータ回転子はケーシングを有しており、前記羽根車に前記羽根車と一体に形成された前記ケーシングの少なくとも一部によって固定されている請求項1に記載の一体形軸方向界磁モータポンプ。
  12. 前記作動流体にさらさないように前記モータ固定子を密封する手段が固定子外板と固定子カバーを固定子を囲むように互いに密封係合する形に備える請求項1に記載の一体形軸方向界磁モータポンプ。
  13. 前記固定子外板がそれに付けた外部フィンで形成され、前記フィンが前記固定子外板と前記ハウジング組立体の間の複数の冷却みぞを定めている請求項12に記載の一体形軸方向界磁モータポンプ。
  14. 作動流体入口と作動流体排出口を持ったポンプケース及び環状固定ソケットと前記固定子ソケット内に中心を置いた雌ねじ付めくら穴及び前記雌ねじ付めくら穴の中に取付けられた固定軸を備えたハウジング組立体と、
    前記固定軸を半径方向に取り巻く前記モータソケットハウジング組立体の中に取付けられた密封モータ固定子と、
    前記固定子ソケットと前記モータ固定子の一方にあって、前記固定子を前記ソケットから間隔をあけて前記固定子を冷却する冷却流体の流れを可能にするように前記モータ固定子に沿って複数のみぞを与える手段と、
    前記固定子から軸方向に間隔を離され、ハブと前記ハブ内に固定された軸受を有する羽根車に固定され、前記羽根車は前記固定軸に回転可能に取付けられている密封モータ回転子と、
    前記固定軸内に形成された軸方向通路と、前記作動流体からの作動流体の一部分を前記固定子に沿う前記複数のみぞに至る前記回転子の表面に沿って、前記固定軸内の前記軸方向通路を通り前記作動流体入口へ導く手段と
    とを備える一体形軸方向界磁モータポンプ。
  15. 作動流体の一部分を前記作動流体排出口から前記回転子に沿って回転子の前記固定子までの軸方向の間隔によって与えられるすきまを通り、前記軸に隣接した前記軸受の内面に沿った軸方向みぞを通って前記作動流体入口に導く手段をさらに備える請求項14に記載の一体形軸方向界磁モータポンプ。
  16. 作動流体を前記作動流体排出口から前記回転子と前記羽根車の間の一つ以上の半径方向通路を通り、前記羽根車のハブにある通路を通り、前記作動流体入口へ導く手段をさらに備える請求項15に記載の一体形軸方向界磁モータポンプ。
  17. 前記作動流体排出口からの前記作動流体の一部分を抽出し、前記作動流体を前記流体を冷却するために熱交換器を通して導き、前記作動流体を前記固定子に沿って前記複数のチャンネルへ、前記固定子と前記回転子の間の前記すきまへ、そして前記回転子と前記固定子の間の前記一つ以上の半径方向通路へ再導入して前記作動流体を前記流体入口に戻す手段をさらに備える請求項16の一体形軸方向界磁モータポンプ。
  18. 作動流体入口、作動流体排出口を有し、固定軸を中に取付けられたハウジング組立体と、
    前記ハウジング組立体内に前記固定軸の半径方向に囲んで取付けられ、前記作動流体にさらされないように密封する手段を有するモータ固定子と、
    前記固定子から軸方向に間隔をあけて配置され、ハブを有し、前記ハブに固定された軸受によって、前記ハウジング組立体内の前記固定軸上に支承され、前記作動流体にさらされないように密封する手段を備えたモータ回転子と、
    前記固定軸内に形成された軸方向通路と、
    作動流体を前記作動流体排出口から前記固定子及び前記固定子の密封表面に沿って前記固定軸内の前記軸方向通路を通り、前記作動流体入口へ導く手段と、
    作動流体を前記作動流体排出口から前記固定子と前記回転子の間に前記回転子の前記固定子からの軸方向間隔によって与えられるすきまを通り、前記羽根車内に固定された軸受にあるみぞを通り、前記作動流体入口に導く手段と、
    作動流体を前記作動流体排出口から前記回転子と前記羽根車の間の一つ以上の半径方向通路を通り、前記羽根車のハブにある通路を通り、前記作動流体入口へ導く手段と
    を備える一体形軸方向界磁モータポンプ。
  19. 前記作動流体排出口からの前記作動流体の一部分を抽出し、前記作動流体を前記流体を冷却するために熱交換器を通して導き、次に前記作動流体を前記回転子と前記固定子の密封された表面に沿って前記固定軸内の前記軸方向通路への通路及び前記固定子と前記回転子の間のすきまへ、次いで前記羽根車内に固定された軸受内あるみぞを通し、前記回転子と前記羽根車の間の前記一つ以上の半径方向通路を通して前記作動流体を前記流体入口へ再導入する手段と
    をさらに備える請求項18に記載の一体形軸方向界磁モータポンプ。
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