JP5373315B2 - モータ組立体およびポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ組立体およびポンプ装置に関し、特にインバータを効率よく冷却するための冷却構造を有するモータ組立体に関するものである。

ポンプを駆動する駆動源としては、モータが広く採用されている。最近では、モータにインバータを取り付けたインバータ一体型のポンプモータが主流となりつつある。インバータは、パワースイッチング素子（例えば、Insulated Gate Bipolar Transistor（ＩＧＢＴ）、パワーＭＯＳ ＦＥＴなど）を備えており、このパワースイッチング素子により、モータの入力電源を変化させ、モータを可変速運転することができる。

このようなポンプモータを駆動している間、インバータおよびモータは熱を発生する。特に、インバータのパワースイッチング素子は、小さな表面積であるにもかかわらず高熱を発生するため、高温となってしまう。しかも、インバータは多くの電子デバイスを備えているため、モータに比べて耐熱温度が低い。したがって、インバータをいかに効率よく冷却するかがポンプモータにとって重要とされている。

実開昭６１−７２０５５号公報 特開昭６３−１６２９９７号公報

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、インバータを効率よく冷却することができるモータ組立体および該モータ組立体を備えたポンプ装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、ポンプに連結されるモータと、前記モータの側部に固定され、冷却フィンを有するインバータと、前記モータの反ポンプ側端部に配置される冷却ファンと、前記モータの一部と前記冷却ファンとを覆い、前記モータと隙間を介して配置されたカバーと、前記モータと前記カバーとの間の隙間に配置され、該隙間を塞ぐように形成された少なくとも１つのガイド部材とを備え、前記ガイド部材は、前記冷却ファンからの空気の流れを前記インバータに集中させ、該空気の流れの流速を上げる形状を有していることを特徴とするモータ組立体である。

本発明の好ましい態様は、前記ガイド部材は、一部が欠けた環状のプレートから構成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記プレートは、前記インバータに向かって傾斜していることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記インバータは、パワースイッチング素子と、該パワースイッチング素子を収容するボックスとを有し、前記パワースイッチング素子は、前記ボックスの内面に接触しており、前記冷却フィンは、前記パワースイッチング素子が接触する前記ボックスの内面と反対側に位置する外面に設けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ガイド部材によって導かれた気体を、前記冷却フィンに集中させる補助ガイド部材をさらに備えたことを特徴とする。

本発明の一参考例は、前記インバータは、パワースイッチング素子と、該パワースイッチング素子を収容するボックスとを有し、前記パワースイッチング素子は、前記ボックスの内面に接触しており、前記パワースイッチング素子が接触する前記ボックスの内面と反対側に位置する外面には、前記ポンプから供給される液体が流れる冷却ジャケットが取り付けられていることを特徴とする。

本発明の他の参考例は、前記カバーの内面には、吸音材または制振材が取り付けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記カバーに覆われていない前記モータの側面には、冷却フィンが設けられていることを特徴とする。

本発明の他の態様は、上記モータ組立体と、上記モータ組立体に駆動されるポンプとを備え、前記ポンプは、縦方向に延びる回転軸を有しており、前記モータ組立体が上、前記ポンプが下に配置されたことを特徴とする縦置型のポンプ装置である。

本発明によれば、冷却ファンからの気体（通常は空気）がガイド部材に導かれてインバータの冷却フィンに集中的に当たる。さらに気流の流速が速まることで熱伝達が向上する。したがって、インバータを効率よく冷却することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るモータ組立体を備えたポンプ装置を示す側面図である。

ポンプ装置は、液体を移送するポンプ１と、このポンプ１を駆動する本発明の実施形態に係るモータ組立体２とを備えている。モータ組立体２は、ポンプ１に連結されたモータ５と、モータ５の回転速度を制御するインバータ６と、モータ５の一部を覆うカバー７とを備えている。モータ５には、ロータに永久磁石を用いた同期電動機が用いられている。このタイプのモータ（Permanent Magnet motor）は、一般的なモータよりも効率がよく、したがって発熱が低いという特徴を持っている。しかしながら、他のタイプのモータを用いてもよいことはいうまでもない。なお、カバー７は図示しない支持部によってモータ５に固定されている。

ポンプ１はモータ組立体２により駆動され、液体を吸込口１ａから吸込み、加圧し、そして吐出口１ｂから吐出する。ポンプ１の例としては多段式遠心ポンプが挙げられるが、他の型式のポンプを用いることもできる。

図２（ａ）はモータ組立体２を示す上面図であり、図２（ｂ）はモータ組立体２を示す側面図である。図２（ｃ）は図２（ｂ）に示すモータ５を矢印Ａの方向から見た図である。なお、図２（ａ）および図２（ｂ）では、説明のためにカバー７を省略している。
モータ５の上部（反ポンプ側端部）には冷却ファン８が配置されており、この冷却ファン８は、モータ５の回転軸１０に連結されている。したがって、冷却ファン８はモータ５の回転軸１０と一体的に回転するようになっている。

インバータ６は、モータ側ブラケット１１およびインバータ側ブラケット１２を介してモータ５の側部に固定されている。より詳しくは、モータ側ブラケット１１はモータ５の側部に形成され、インバータ側ブラケット１２はインバータ６の底部に形成されている。これらモータ側ブラケット１１およびインバータ側ブラケット１２は図示しないボルトによって互いに連結されるようになっており、これによりインバータ６がモータ５に一体に取り付けられる。モータ側ブラケット１１には、インバータ６からモータ５に延びる電力線が通る貫通孔が形成されている。インバータ側ブラケット１２にも、モータ側ブラケット１１の貫通孔に接続される貫通孔が形成されている。

カバー７は、冷却ファン８とモータ５の上半分を覆う形状を有しており、モータ５の外面とカバー７の内面との間には隙間が形成されている。カバー７に覆われていないモータ５の側面には、複数の冷却フィン１３が形成されている。カバー７の上部には空気取り入れ孔（後述する）が形成されており、冷却ファン８を回転させることによって空気の流れがカバー７とモータ５との間の隙間に形成されるようになっている。

図３（ａ）はインバータ６の上面図であり、図３（ｂ）はインバータ６の裏面図であり、図３（ｃ）はインバータ６の部分断面図である。インバータ６は、パワースイッチング素子１５と、このパワースイッチング素子１５の動作を制御する制御基板１６と、パワースイッチング素子１５および制御基板１６を収容するボックス１７とを備えている。パワースイッチング素子１５は、ボックス１７の底部の内面に接触した状態でボックス１７に固定されている。インバータ６の底部はモータ５に対向しており、その底部の外面全体には冷却フィン１８が設けられている。これら冷却フィン１８はモータ５の側面に近接し、またモータ５の冷却フィン１３に隣接している。

図４（ａ）はカバー７を下から見た図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のカバー７を矢印Ｂの方向から見た図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
カバー７の上部には、冷却ファン８用の空気取り入れ孔（気体取り入れ孔）２０が形成されている。カバー７の下端（ポンプ側端部）は斜めに形成されており、この端部に沿って傾斜するガイド部材２１がカバー７の内面に固定されている。このガイド部材２１は、一部が欠けた環状のプレートから構成されており、インバータ６に向かって下方に傾斜している。ガイド部材２１は、カバー７の内面とモータ５の外面との間の隙間に位置し、カバー７の下端においてこの隙間を塞ぐように形成されている。

図５は、冷却ファン８の回転によって形成される空気の流れを説明するための図である。図５に示すように、冷却ファン８の回転によって空気取り入れ孔２０から空気（気体）がカバー７内に流入し、モータ５とカバー７との間の隙間に下降流を形成する。この空気はモータ５の外面に沿ってガイド部材２１に向かって流れ、このガイド部材２１によってその進行方向がインバータ６に向けられる。そして、空気はインバータ６の底部に設けられた冷却フィン１８の間を流れ、これによりインバータ６が冷却される。このように、ガイド部材２１によって空気の流れをインバータ６に集中させることができるので、インバータ６を効果的に冷却することができる。

一般に、モータ５は発熱部であるステータ（コイル）の表面積が大きいため放熱しやすく、冷却が比較的進みやすい。一方、インバータ６は発熱部であるパワースイッチング素子１５の表面積が小さいため、放熱による冷却が進みにくい。さらに、インバータ６は多くの電子デバイスを有しているため、モータ５に比べて耐熱温度が低い。

上述した実施形態によれば、冷却ファン８によって形成される空気の流れを強制的にインバータ６に向かわせることができるので、空気の流れがインバータ６に集中的に当たり、さらに空気の流れの流速が速まることで熱伝達が向上する。したがって、インバータ６を速やかに冷却することができる。また、図３（ｃ）に示すように、パワースイッチング素子１５はボックス１７の底部に接触し、この底部に冷却フィン１８が形成されているので、冷却効率をさらに上げることができる。

冷却ファン８からの空気は、モータ５の一部に沿って流れるので、この空気の流れはモータ５の冷却にも寄与する。さらに、モータ５は、その外面に形成された冷却フィン１３によって冷却される。モータ５の冷却フィン１３の表面積は、インバータ６の冷却フィン１８に比べて大きく、また、モータ５の耐熱温度は比較的高いことから、これら冷却フィン１３や空気の流れによってモータ５を十分に冷却することができる。

ここで、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、複数のガイド部材２１を設けることもできる。また、ガイド部材２１を、カバー７の内面ではなく、モータ５の外面に設けることもできる。図７（ａ）はモータ５の外面にガイド部材２１を設けた例を示す平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示すモータ５の側面図である。さらに、図８に示すように、複数のガイド部材２１をモータ５の外面に設けてもよい。

モータ組立体２の作動中は、モータ５や冷却ファン８から騒音が発生する。そこで、このような騒音を低減させるために、カバー７の内面に吸音材または制振材（図９（ａ）および図９（ｂ）において符号２３で表わされている）を取り付けることが好ましい。このような構成を採用する場合は、吸音材または制振材を設けない場合に比べて、ややサイズの大きいカバー７を用いることが好ましい。ここで、吸音材とは、音を内部に取り込んで音エネルギーを熱エネルギーに変換することで音を吸収する部材をいう。吸音材の例としてはスポンジやウレタンフォームなどが挙げられる。一方、制振材とは、固体の振動エネルギーを熱エネルギーに変換することによって固体の振動を低減させる部材をいう。制振材の例としてはゴム板やプラスチック板などが挙げられる。

次に、本発明の他の実施形態について図１０（ａ）乃至図１０（ｄ）を参照して説明する。
図１０（ａ）は本発明の他の実施形態に係るモータ組立体２のインバータ６を示す上面図であり、図１０（ｂ）は上記インバータ６の裏面図であり、図１０（ｃ）は上記インバータ６の部分断面図であり、図１０（ｄ）はモータ組立体２の上面図である。なお、図１０（ｄ）においては、カバー７を想像線で表している。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、前述の実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。

この実施形態では、ボックス１７の底部の外面の一部にのみ冷却フィン１８が設けられている。より具体的には、パワースイッチング素子１５はボックス１７の内面に接触し、冷却フィン１８はボックス１７の外面に設けられ、パワースイッチング素子１５と冷却フィン１８とは互いに対応する位置（反対側の位置）にある。冷却フィン１８の設置面積は、パワースイッチング素子１５とボックス１７との接触面積とほぼ同じである。

さらに、ボックス１７の底部の外面には、ガイド部材２１によって導かれた空気をさらに上記冷却フィン１８に集中させる補助ガイド部材（第２のガイド部材）２２が設けられている。この補助ガイド部材２２は、冷却フィン１８の両側に配置されている。各補助ガイド部材２２は、冷却フィン１８の端部（この例では上端）に向かって傾斜する傾斜部を有している。

本実施形態によれば、冷却ファン８から送られる空気のほとんどを、パワースイッチング素子１５の冷却に用いることができる。したがって、最も発熱量が大きいパワースイッチング素子１５を速やかに冷却することができる。なお、この実施形態においても、カバー７の内面に吸音材または制振材を取り付けてもよい。

図１１は本発明のさらに他の実施形態に係るモータ組立体を備えたポンプ装置を示す側面図である。図１２（ａ）は図１１に示すインバータ６の上面図であり、図１２（ｂ）は上記インバータ６の裏面図であり、図１２（ｃ）は上記インバータ６の部分断面図である。なお、図１１においては、説明のためにカバー７を想像線で表している。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、前述の実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。

インバータ６には、冷却ジャケット２４が固定されている。この冷却ジャケット２４は、液体が流れる流入ライン２５および流出ライン２６を介してポンプ１に接続されている。流入ライン２５の端部はポンプ１の吐出側流路に接続されており、流出ライン２６の端部はポンプ１の吸込側流路に接続されている。ポンプ１を駆動させると、ポンプ１の吐出側流路と吸込側流路との間には差圧が生じ、この差圧により、ポンプ１に移送される液体の一部が流入ライン２５を通って冷却ジャケット２４に流入し、冷却ジャケット２４を通過し、そしてポンプ１に戻る。

冷却ジャケット２４が取り付けられている箇所は、前述の実施形態の冷却フィン１８が設けられている箇所と同じである。すなわち、パワースイッチング素子１５はボックス１７の内面に接触し、冷却ジャケット２４はボックス１７の外面に接触し、パワースイッチング素子１５と冷却ジャケット２４は互いに対応する位置（反対側の位置）にある。

通常、ポンプ１によって移送される液体は、インバータ６の温度よりも低い温度を有している。したがって、液体が冷却ジャケット２４を通過する間、インバータ６と液体との間で熱交換が行われ、これによりインバータ６が冷却される。また、冷却ジャケット２４が取り付けられている箇所を除く、インバータ６のボックス１７の底部の外面には冷却フィン１８が設けられている。したがって、冷却ファン８により送られてくる空気により、インバータ６全体が空気により冷却される。このように、パワースイッチング素子１５を冷却ジャケット２４により冷却しつつ、インバータ６全体を冷却フィン１８により冷却することができるので、より効率よくインバータ６を冷却することができる。なお、この実施形態においても、カバー７の内面に吸音材または制振材を取り付けてもよい。

なお、上述したポンプ装置は、ポンプの回転軸が縦方向に延びる、いわゆる縦置型ポンプ装置である。このタイプのポンプ装置は、設置面積やフットプリントが小さくなるという利点を有する。しかしながら、本発明はこれに限らず、横置き型のポンプ装置であってもよい。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。

本発明の実施形態に係るモータ組立体を備えたポンプ装置を示す側面図である。 図２（ａ）はモータ組立体を示す上面図であり、図２（ｂ）はモータ組立体２を示す側面図である。図２（ｃ）は図２（ｂ）に示すモータを矢印Ａの方向から見た図である。 図３（ａ）はインバータの上面図であり、図３（ｂ）はインバータの裏面図であり、図３（ｃ）はインバータの部分断面図である。 図４（ａ）はカバーを下から見た図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のカバーを矢印Ｂの方向から見た図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。 冷却ファンの回転によって形成される空気の流れを説明するための図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、複数のガイド部材を設けた例を示す図である。 図７（ａ）はモータにガイド部材を設けた例を示す平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示すモータの側面図である。 複数のガイド部材をモータの外面に設けた例を示す図である。 図９（ａ）は、カバーの内面に吸音材または制振材を取り付けた例を示す断面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。 図１０（ａ）は本発明の他の実施形態に係るモータ組立体のインバータを示す上面図であり、図１０（ｂ）は上記インバータの裏面図であり、図１０（ｃ）は上記インバータの部分断面図であり、図１０（ｄ）はモータ組立体の上面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るモータ組立体を備えたポンプ装置を示す側面図である。 図１２（ａ）は図１１に示すインバータの上面図であり、図１２（ｂ）は上記インバータの裏面図であり、図１２（ｃ）は上記インバータの部分断面図である。

符号の説明

１ ポンプ
２ モータ組立体
５ モータ
６ インバータ
７ カバー
８ 冷却ファン
１０ 回転軸
１１ モータ側ブラケット
１２ インバータ側ブラケット
１３ 冷却フィン
１５ パワースイッチング素子
１６ 制御基板
１７ ボックス
１８ 冷却フィン
２０ 空気取り入れ孔
２１ ガイド部材
２２ 補助ガイド部材
２３ 吸音材または制振材
２４ 冷却ジャケット
２５ 流入ライン
２６ 流出ライン

Claims (7)

1. ポンプに連結されるモータと、
   前記モータの側部に固定され、冷却フィンを有するインバータと、
   前記モータの反ポンプ側端部に配置される冷却ファンと、
   前記モータの一部と前記冷却ファンとを覆い、前記モータと隙間を介して配置されたカバーと、
   前記モータと前記カバーとの間の隙間に配置され、該隙間を塞ぐように形成された少なくとも１つのガイド部材とを備え、
   前記ガイド部材は、前記冷却ファンからの空気の流れを前記インバータに集中させ、該空気の流れの流速を上げる形状を有していることを特徴とするモータ組立体。
2. 前記ガイド部材は、一部が欠けた環状のプレートから構成されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ組立体。
3. 前記プレートは、前記インバータに向かって傾斜していることを特徴とする請求項２に記載のモータ組立体。
4. 前記インバータは、パワースイッチング素子と、該パワースイッチング素子を収容するボックスとを有し、
   前記パワースイッチング素子は、前記ボックスの内面に接触しており、
   前記冷却フィンは、前記パワースイッチング素子が接触する前記ボックスの内面と反対側に位置する外面に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモータ組立体。
5. 前記ガイド部材によって導かれた気体を、前記冷却フィンに集中させる補助ガイド部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモータ組立体。
6. 前記カバーに覆われていない前記モータの側面には、冷却フィンが設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のモータ組立体。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のモータ組立体と、
   前記モータ組立体に駆動されるポンプとを備え、
   前記ポンプは、縦方向に延びる回転軸を有しており、前記モータ組立体が上、前記ポンプが下に配置されたことを特徴とする縦置型のポンプ装置。

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