JP5552402B2 - ポンプの冷却液循環構造 - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、ポンプの駆動源であるモータを冷却するための、冷却液の循環構造に関する。

例えば特許文献１は、水中ポンプの電動モータを冷却する構造として、電動モータを収容するケーシングの外側に外筺を配置して、ケーシングの外周囲に円周状の冷却油流路を区画形成すると共に、この冷却油流路に連通すると共に、電動モータと羽根車との間に設けた冷却油室内において、冷却油の循環用の羽根車を、モータの回転軸に取り付けた構造を開示している。

実開昭５９−４３６９５号公報

ところで、特許文献１に記載されている循環用の羽根車の取付構造は、冷却油室内に配設している上側のメカニカルシールと下側のメカニカルシールとの間に、循環用羽根車を配置すると共に、モータの回転軸に外挿した循環用羽根車のハブを、キーによりその回転軸に固定している。このようなキーを利用した循環用羽根車の取り付けは、取付構造を複雑にし、製造コストを上昇させる。

また、循環用羽根車のハブを、回転軸に直接固定する構造では、そのハブの軸方向長さに相当する取り付けスペースを確保しなければならず、その分だけモータの回転軸が長くなってしまう。モータの回転軸が長くなることは、羽根車に作用する流体力に起因するたわみ量を大きくすると共に、ポンプ駆動時の振動も大きくなるという問題を招く。

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、モータを冷却する冷却液の循環のための循環羽根車を備えた、ポンプの冷却液循環構造において、循環羽根車の取付構造を簡素化してモータのシャフトを短くし得る構造を提供することにある。

ここに開示する技術は、ポンプの冷却液循環構造に係り、羽根車を含むポンプ部と、所定の軸方向に延びかつ前記羽根車に連結されるシャフトを有すると共に、当該シャフトを通じて前記羽根車を駆動するモータを含むモータ部と、前記ポンプ部と前記モータ部との間に配置されかつ、前記シャフトをシールするメカニカルシールと、前記モータ部側と前記ポンプ部側との間で冷却液を循環させることによって、前記モータを冷却する冷却液循環流路と、を備える。

前記メカニカルシールは、前記シャフトに固定される回転環、ポンプ筐体側に取り付けられる固定環、及びその付勢力によって前記回転環と前記固定環とを前記軸方向に互いに押し当てる圧縮ばねを少なくとも含み、前記ポンプの冷却液循環構造は、前記シャフトに取り付けられて当該シャフトと共に回転することにより、前記冷却液循環流路内の冷却液を循環させる循環羽根車をさらに備え、前記循環羽根車は、前記メカニカルシールの前記圧縮ばねの付勢力によって、前記シャフトと共に回転するように当該シャフトに取り付けられている。ここで、「冷却液」は、冷却油及び冷却水の双方を含み、この内でも、冷却水は、水単体に限らず、主成分としての水に、例えば腐食防止用等の添加剤を添加した冷却水を含み得る。

この構成によると、ポンプ部とモータ部との間に配置されたメカニカルシールは、シャフトをシールすることで、モータ部側に水等が浸入することを防止する。メカニカルシールは、回転環、固定環、及び圧縮ばねを少なくとも含む、従来から一般的な構造のメカニカルシールとすればよい。

このポンプにはまた、モータを冷却する冷却液が流れる冷却液循環流路と、シャフトに取り付けられて冷却液循環流路内の冷却液を循環させる循環羽根車をさらに備えており、これによって、モータが強制的に冷却される。

そうして、前記の循環羽根車は、メカニカルシールの圧縮ばねの付勢力によって、シャフトと共に回転するように当該シャフトに取り付けられており、メカニカルシールの構造を利用して循環羽根車の取り付けを行うことで、その取付構造が極めて簡素化されている。また、メカニカルシールの構造を利用した取り付けは、メカニカルシールとは別に循環羽根車をシャフトに取り付ける構成と比較して、循環羽根車の取り付けに要するスペースを小さくして、モータのシャフトの長さを、その分、短くし得る。これは、シャフトのたわみ量を小さくし、振動を抑制する上で有利になり得る。

前記モータ部は、前記モータを収容するモータケーシングと、前記モータケーシングの外周面に対し所定の間隔を空けて配置されかつ、当該モータケーシングの外周面との間に、前記冷却液循環流路の一部を構成する周状の流路を形成するアウターケーシングと、前記モータケーシング及び前記アウターケーシングの下端開口に取り付けられると共に、前記シャフトが貫通して配置されるハウジングと、をさらに含み、前記ハウジングは、それぞれ前記周状の流路内に開口しかつ、当該周状の流路から冷却液が流入する流入口及び当該周状の流路へ冷却液が流出する流出口と、前記流入口と流出口とを互いに連通させると共に、前記ポンプ部によってその一部が区画されることにより、前記冷却液循環流路の一部を構成する連通室と、を有し、前記メカニカルシールは、前記連通室内において前記シャフトに取り付けられ、それによって、前記循環羽根車は、前記連通室内に配置されており、前記循環羽根車は軸流式であり、前記モータ部側から前記ポンプ部側に向かって前記軸方向に沿って前記冷却液を流すように、前記シャフトに取り付けられている。

シャフトが貫通配置されるハウジングの連通室内において、メカニカルシールがシャフトに取り付けられることに伴い、循環羽根車はその連通室内に配置されることになる。従って、シャフトの回転に伴い循環羽根車が回転したときには、冷却液は、モータ部側の周状の流路から、流入口、連通室（循環羽根車）及び流出口の順に流れて、周状の流路に戻ることで、冷却液循環流路内を循環することになる。

ここで、循環羽根車を軸流式にして、モータ部側からポンプ部側に向かって冷却液を流すことにより、モータ部においてモータから熱を受けた冷却液は、循環羽根車によってモータ部側からポンプ部側に向かって流れ、そのポンプ部側において、ポンプの取扱液、つまり相対的に温度の低い液体と熱交換した後に、モータ部側に戻ることになる。ここで、軸流式の循環羽根車が、モータ部側からポンプ部側に向かって軸方向に沿って冷却液を流すことに伴い、連通室の一部を区画するポンプ部側の壁面に、比較的高い流速の冷却液が衝突し、その壁面付近において冷却液の乱流が生じ得る。このことは、冷却液とポンプの取扱液との間の熱交換効率を高め得るから、モータの冷却効率を高め得る。

この構成においてはまた、連通室内においてメカニカルシールが冷却液に浸漬されるため、当該冷却液がメカニカルシールの潤滑液となり得る。

前記循環羽根車は、複数枚の羽根が周方向に並んで配置された環状の本体部と、前記本体部に対して一体的に設けられると共に、前記圧縮ばねの付勢力を受ける受部と、を有しており、前記循環羽根車は、前記受部が前記圧縮ばねのポンプ部側端部と前記回転環とで挟持されることにより前記シャフトに取り付けられ、前記本体部は、前記受部に対して前記モータ部側にずれていて、前記メカニカルシールの外周囲において、当該メカニカルシールに対して前記軸方向に重なる位置に配置されている、としてもよい。

本体部と受部とを有する循環羽根車を、その受部が圧縮ばねの端部と回転環とで挟持されるようにして、シャフトに取り付けることで、循環羽根車の取付構造が簡素化する。それと共に、循環羽根車のシャフトへの取り付けも、シャフトに対するメカニカルシールの取り付けに付随して行うことが可能であり、その取り付け工程も単純化し得る。

そのようにしてシャフトに取り付けた循環羽根車において、羽根を有する本体部は、メカニカルシールの外周囲でメカニカルシールに対し軸方向に重なる位置に配置される。すなわち、メカニカルシールと循環羽根車とは、シャフトの軸方向に対して実質的に同じ位置に配置される。このことは、シャフトの軸方向に、メカニカルシールの取り付け用スペースとは別に、循環羽根車の取り付け用のスペースをわざわざ確保する必要性をなくし、シャフトの長さを、より一層短くし得る。また、循環羽根車の受部は圧縮ばねと回転環との間に挟まれるものの、圧縮ばねが縮むことから、メカニカルシールの全長が長くなることも抑制し得る。従ってこの構成は、シャフトの長さを大幅に短くする上で、さらに有利な構成である。

ところで、例えば特許文献１に開示されているような循環用羽根車を備えた冷却構造を有する仕様のポンプに対し、電動モータの冷却構造を省略した仕様のポンプは、循環用羽根車が不要になる分、モータの軸の長さを短くし得る。しかしながら、循環用羽根車の有無を伴う仕様の相違によって、ポンプの設計が大幅に変更になって、部品も相違することになる。このことはコストアップの要因となり得る。

これに対し前記の構成では、冷却液循環構造を有する強制冷却仕様に対して、ポンプの冷却液循環構造を省略した自然冷却仕様のポンプにおいては、従来と同様に、循環羽根車を省略すればよいが、前述の通り、強制冷却仕様のポンプにおいて循環羽根車の取り付け用のスペースはそもそも存在していないため、循環羽根車を省略してもシャフトの軸方向に空きスペースは生じない。このことは、ポンプの冷却液循環構造の有無という仕様の相違に拘わらず、シャフトを含むポンプの設計や部品を共通化し得るという利点を生む。また、前述の通り、圧縮ばねの付勢力により循環羽根車を取り付ける構成は、循環羽根車の有無、つまり受部の有無を圧縮ばねの伸縮によって吸収し得るから、このこともまた、ポンプ部品の共通化に有利になり得る。

尚、前述のように循環羽根車を、メカニカルシールの回転環とは別体にする構成ではなく、循環羽根車と回転環とを一体的に設けてもよい。こうすることによっても、回転環が圧縮ばねによって付勢されることによって、循環羽根車は、シャフトと共に回転するようにシャフトに取り付けられることになる。但し、ポンプの冷却液循環構造の有無に拘わらず、ポンプ部品を共通化する上では、循環羽根車と回転環とは別体である方が好ましい。

前記モータ部は、前記ハウジングに取り付けられる隔壁部材をさらに備え、前記隔壁部材は、前記連通室を前記流入口側の空間と前記流出口側の空間とに隔てる隔壁と、前記軸流式の循環羽根車の外周囲を囲むと共に、前記流入口側の空間と前記流出口側の空間とを互いに連通させる羽根車ケーシングと、を含んで構成されている、としてもよい。

こうすることで、連通室における流入口側の空間、換言すればモータ部側から流入することにより相対的に温度の高い冷却液が存在している空間と、流出口側の空間、換言すればポンプ部側における熱交換を通じて相対的に低温となった冷却液が存在している空間とは、隔壁によって隔てられる一方、羽根車ケーシングによって、流入口側の空間と流出口側の空間とは互いに連通し得る。そうして、その羽根車ケーシングが、軸流式の循環羽根車の外周囲を囲むことによって、循環羽根車の回転に伴い冷却液が、羽根車ケーシングを通じて流入口側の空間から流出口側の空間へと効率的に流れる。つまりこの構成は、冷却液を効率よく循環させて、モータの冷却効率を高め得る。

以上説明したように、ここに開示するポンプの冷却液循環構造は、冷却液を循環させるための循環羽根車を、メカニカルシールの圧縮ばねの付勢力によって、シャフトと共に回転するようにシャフトに取り付けることで、取付構造が極めて簡素化されると共に、循環羽根車の取り付けに要するスペースを小さくして、モータのシャフトの長さを短くし得る。その結果、シャフトのたわみ量及び振動を小さくし得る。

水中ポンプの縦断面図である。 水中ポンプのハウジング付近を拡大して示す縦断面図である。 ハウジングの平面図である。 メカニカルシール及び循環羽根車の、シャフトへの取付構造を示す断面図である。 メカニカルシール及び循環羽根車の分解図である。 （ａ）循環羽根車の平面図、（ｂ）循環羽根車のｂ−ｂ線断面図である。

以下、ポンプの冷却液循環構造の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。

図１，２は、ポンプの冷却液循環構造が適用されたポンプの例としての、水中ポンプ１を示している。この水中ポンプ１は、例えば下水道における揚水ポンプとして利用され得るポンプである。水中ポンプ１は、羽根車２３を有するポンプ部２１と、羽根車２３を駆動するモータ３を有するモータ部２２と、を備えている。水中ポンプ１は、ポンプ部２１が相対的に下側に、モータ部２２が相対的に上側になるように、上下方向に並んで配置され、それによってモータ３のシャフト３５は、上下方向（つまり、所定の軸方向に対応する）に延びるように配設されている。この水中ポンプ１はまた、詳細は後述するが、モータ部２２側とポンプ部２１側との間で冷却液を循環させることによって、モータ３を冷却する冷却液循環流路（円周状の冷却液流路３７及び連通室４８）を備えた、強制冷却仕様である。ここで、この冷却液循環流路内を循環する冷却液は、この例では水を主成分とし、そこに腐食防止用の添加剤を添加した冷却水である。但し、冷却液を、冷却油によって構成してもよい。

モータ部２２は、ステータ３１及びロータ３２からなるモータ３と、ステータ３１を支持すると共に、その内部にモータ３を収容するモータケーシング３３と、を備えている。ロータ３２に一体化されたモータ３のシャフト３５は、前述したように、上下方向に延びて配設されている。

モータケーシング３３は、その下端が開口した概略円筒状の本体部３３１を有しており、本体部３３１の上端開口は、この本体部３３１と一体的に形成された蓋部３３２によって閉塞されている。蓋部３３２の下面には、ベアリング３５１が取り付けられており、このベアリング３５１は、シャフト３５の上端部を軸支している。モータケーシング３３の蓋部３３２よりもさらに上側には、本体部３３１を上方に延長するように、概略円筒状の延長部３３３が本体部３３１と一体に設けられている。この延長部３３３の上端に径が拡大したフランジ３３４が設けられており、このフランジ３３４に対してヘッドカバー３４が取り付けられている。こうして、このヘッドカバー３４と延長部３３３とによって、各種の電気部品を収容するための収容空間３４１が区画形成されている。尚、ヘッドカバー３４には、モータ３に給電する給電ケーブルが挿通されるケーブルブーツが貫通して取り付けられている。

モータ部２２はまた、モータケーシング３３の外周囲を囲むように、このモータケーシング３３の外周面に対し所定の隙間を空けて、アウターケーシング３６が配置されている。アウターケーシング３６は、両端開口の概略円筒状であり、その上端部が延長部３３３のフランジ３３４に固定されている。こうして、モータケーシング３３の外周面と、アウターケーシング３６の内周面とによって、冷却液が流れる円周状の冷却液流路３７が、モータ３を囲みながら、モータケーシング３３及びアウターケーシング３６の軸方向の全域に亘って広がるように形成されている。冷却液流路３７は、冷却液循環流路の一部を構成する。

尚、モータケーシング３３及びアウターケーシング３６の下端部は、ハウジング４によって閉塞されている。このハウジング４についての詳細は、後述する。

ポンプ部２１は、モータ３のシャフト３５の下端に取り付けられた羽根車２３と、羽根車２３を収容するポンプケーシング２４と、を備えている。この水中ポンプ１は、遠心式の羽根車２３を備えた遠心ポンプである。

ポンプケーシング２４は、その内部に羽根車２３を収容する渦形室２５を含むケーシング本体２４１と、このケーシング本体２４１の上端部に取付固定されて、ポンプ部２２とモータ部２１とを隔てる蓋ケーシング２４２と、ケーシング本体２４１の下端部に形成された開口部に取り付けられて、ポンプケーシング２４の流入口２４５を形成する底ケーシング２４３と、を備えて構成されている。

ケーシング本体２４１は、渦形室２５に連通すると共にケーシング本体２４１の側方に突出するように一体に形成された排出口２６を有しており、この排出口２６は、図示省略の排出管に連結される。

ケーシング本体２４１における渦形室２５の上部は上向きに開口しており、この開口に対して蓋ケーシング２４２が取り付けられることにより、渦形室２５の上部が区画形成されることになる。蓋ケーシング２４２は、概略円盤状を有していると共に、その中心部には、シャフト３５が貫通配置される貫通孔が厚み方向に貫通して形成されている。蓋ケーシング２４２の下面側には、羽根車２３のボス部２３１との間でシールを行うオイルシール２３２が取り付けられている。

この蓋ケーシング２４２は、詳しくは後述するが、その上面側にハウジング４が取付固定されることにより、このハウジング４と共に、冷却液循環流路の一部を構成する連通室４８を区画形成する。蓋ケーシング２４２の上面にはまた、後述するメカニカルシール５における下側固定環５５を固定するための固定部２４４（つまり、ポンプ筐体側に対応する）が、シャフト３５の貫通孔を囲むように形成されている（図４も参照）。

ケーシング本体２４１における渦形室２５の下部は下向きに開口しており、この開口には底ケーシング２４３が取り付けられている。底ケーシング２４３には、上下方向に貫通する貫通孔２４５が形成されている。底ケーシング２４３は、ケーシング本体２４１に取り付けられた状態では、羽根車２３の下端部を支持すると共に、羽根車２３の吸込口２３２に連通する流入口２４５を形成する。

羽根車２３は、本実施形態では、ノンクロッグ型の羽根車であって、その吸込口２３３が羽根車の下面において下向き開口していると共に、図示は省略するが、吐出口が羽根車の側面において横向きに開口している。尚、羽根車２３の形式は、図１に例示する形式に限定されず、各種の形式の羽根車を、適宜採用し得る。

ハウジング４は、モータケーシング３３の下端及びアウターケーシング３６の下端に取り付けられ、これにより、モータケーシング３３の下端開口及びアウターケーシング３６の下端開口をそれぞれ閉塞している。ハウジング４は、図３にも示すように、モータケーシング３３の下端に取り付けられる上側部材４１と、この上側部材４１に対して上下方向（軸方向）に所定の間隔を空けて配置されかつ、アウターケーシング３６の下端に取り付けられる下側部材４２と、周方向の所定箇所に配置されかつ、上側部材４１と下側部材４２とを互いに連結する複数のリブ４３と、を含んで構成されている。

上側部材４１は、モータケーシング３３と同径で軸方向に延びる概略円筒状の周壁部４１１と、周壁部４１１の下端に連続して周壁部４１１の下端開口を閉塞する底壁部４１２と、を含む、縦断面概略Ｕ字状を有している。上側部材４１は、周壁部４１１の上端が概略円筒状のモータケーシング３３（本体部３３１）の下端に対し、Ｏリングを介在させた状態で取付固定されることによって、モータケーシング３３の下端開口を閉塞する。

上側部材４１の底壁部４１２には、その中心位置に厚み方向に貫通する貫通孔４１３が形成されており、この貫通孔４１３には、モータ３のシャフト３５が貫通して配置される。

上側部材４１にはまた、その径方向の内方側に、前記シャフト３５用の貫通孔４１３を取り囲むように、所定径を有しかつ底壁部４１２から軸方向の上方に向かって立設する円筒状の起立壁部４１４が、底壁部４１２と一体に形成されている。この起立壁部は、モータ３のシャフト３５の中間部分を軸支するベアリング３５２を保持するためのベアリングホルダ４１４である。尚、以下においては起立壁部とベアリングホルダとの双方の部材名称に対し同じ符号４１４を付す場合がある。このベアリングホルダ４１４には、２つのベアリング３５２，３５２が軸方向に並んだ状態で内嵌されることで、これら２つのベアリング３５２を保持する。ここで、ベアリング３５２は、その最下部が、ベアリングホルダ４１４の底部から所定量だけ上方に位置するように、ベアリングホルダ４１４に保持されている。これは、後述するように、浸水が生じた場合でも、ベアリング３５２が水に触れないようにするためである。

上側部材４１の下面には、後述するメカニカルシール５の上側固定環５１が固定される固定部４１５を有している（図４も参照）。この固定部４１５が、ポンプ筐体側に対応する。上側部材４１（ハウジング４）は、その上面側ではベアリング３５２の保持をする一方、その下面側ではメカニカルシール５の固定をするように構成されており、複数の機能を併せ持っている。

上側部材４１には、径方向内側のベアリングホルダ４１４と、径方向外側の周壁部４１１との間に、上向きに開口する環状の空間が形成され、この環状の空間は、前記貫通孔４１３を通じてモータ部２２側へ浸水が生じたときに、その浸入した水を溜める浸水溜まり室４１６として機能する。従って、ハウジング４には、ベアリングホルダ４１４に対し軸方向のほぼ同じ位置に、このベアリングホルダ４１４を取り囲むように、浸水溜まり室４１６が形成されている。この浸水溜まり室４１６には、図２，３に示すように、周方向における所定の角度範囲に対応する部分に、他の部分よりも低くなるように凹陥した凹陥部４１７が形成されている。凹陥部４１７の底面は、ベアリングホルダ４１４の底面よりも下側に位置している。そうして、ベアリングホルダ４１４内の底部と、浸水溜まり室４１６の凹陥部４１７とを連通するキリ穴４１８が、ベアリングホルダ（起立壁部）４１４を貫通するように、径方向の内方から外方に向かって斜め下向きに延びて形成されている。このキリ穴は、前述したように貫通孔４１３を通じてモータ部２２側（ベアリングホルダ４１４内）に浸水が生じたときに、その浸入した水を浸水溜まり室４１６（つまり、凹陥部４１７）に排出するための排水穴４１８であり、これによって、ベアリング３５２の浸水を防止する。

この凹陥部４１７内には、モータ部２２側への浸水を検知するための液面センサ４５が配置されている。この液面センサ４５は、後述する蓋部材４４に取り付けられて、凹陥部４１７内を下向きに延びるように配置されており、その検知高さはベアリング３５２の最下端よりも下になるように設定されている（図２における一点鎖線を参照）。このこともまた、ベアリング３５２の浸水を回避する上で有利になる。

この上側部材４１の上端には、概略円盤状の蓋部材４４が、ベアリングホルダ（起立壁部）４１４に形成したねじ穴を利用して固定されている。蓋部材４４の外周縁とハウジング４の周壁部４１１の上端部との間にはＯリングが介設されており、蓋部材４４は、環状の浸水溜まり室４１６（凹陥部４１７を含む）の上端開口を覆って、この浸水溜まり室４１６を、モータ３が収容されているモータケーシング３３内から隔離した状態で密閉する。

この蓋部材４４はまた、前記ベアリングホルダ（起立壁部）４１４よりも径方向の内方まで延びており、これによって、ベアリングホルダ４１４内に保持されたベアリング３５２と当接して、このベアリング３５２の押さえとして機能する。つまり蓋部材４４は、浸水溜まり室４１６を閉塞する蓋と、ベアリング押さえとを兼用している。尚、蓋部材４４の中心位置には、モータ３のシャフト３５が貫通して配置される貫通孔が形成されている。

さらにこの蓋部材４４における周方向の所定位置、詳細には、浸水溜まり室４１６の凹陥部４１７に対応する周方向位置には、前記液面センサ４５が取り付けられており、この蓋部材４４はさらに、センサの支持部材としての機能も有している。

下側部材４２は概略円環状を有しており、その上端部分は、上向きに開口すると共にアウターケーシング３６の下端部に内嵌される内嵌部４２１とされる一方、その下端には、前記内嵌部４２１の開口よりも小径で下向きに開口する下端開口４２２が形成されている。上側部材４１と下側部材４２とは、上側部材４１の下端部の一部が、下側部材４２の内嵌部４２１の開口に内挿したような相対位置で、前記のリブ４３により連結されている。下側部材４２は、内嵌部４２１が概略円筒状のアウターケーシング３６の下端に対し、Ｏリングを介在させた状態で内嵌されることによって、アウターケーシング３６の下端開口を閉塞すると共に、その下端部が、ポンプ部２１の蓋ケーシング２４２に対して、Ｏリングを介在させた状態で取付固定される。

そうして、図３に示すように、このハウジング４の外周部には、上側部材４１と下側部材４２とを連結するリブ４３とリブ４３との間に、径方向の外方に向かって開口すると共に、円周状の冷却液流路３７に連通する流入口４６及び流出口４７が、それぞれ２つ形成されている。流入口４６と流出口４７とは周方向に交互に配置されており、これにより、２つの流入口４６は中心軸を挟んで相対し、２つの流出口４７もまた、中心軸を挟んで相対している。流入口４６と流出口４７とは、上側部材４１と下側部材４２との間に形成される連通室４８を介して互いに連通している。より詳細には、図２，３に示すように、下側部材４２において流出口４７に対応する角度範囲には、下端開口４２２よりも径方向の外側に、厚み方向に貫通する円弧状のスリット４２３が形成されている。これに対し、流入口４６に対応する角度範囲には、そうしたスリットが形成されていない。前記の連通室４８はまた、前記ハウジング４（下側部材４２）の下端部が、ポンプ部２１の蓋ケーシング２４２に取り付けられることによって、上側部材４１、下側部材４２及び蓋ケーシング２４２によって区画形成される。従って、流入口４６と流出口４７とは、図２から明らかなように、連通室４８とスリット４２３とを介して互いに連通することになる。

この下側部材４２の下端開口４２２には、この開口の一部を閉塞する隔壁部材６が取り付けられる。隔壁部材６は、ハウジング４と蓋ケーシング２４２とによって区画形成される連通室４８を、ハウジング４側の空間と、蓋ケーシング２４２側の空間とに隔てる隔壁６１と、径方向の内方側に配置されて、後述する循環羽根車７を収容する羽根車ケーシング６２とが一体化されて構成されている。より詳細に、隔壁部材６は、図４にも仮想的に示すように、厚みの薄い円板状であって隔壁６１の一部を構成する平板部と、径方向の内方側でその筒軸がモータ３のシャフト３５と同軸となるように配置されて羽根車ケーシング６２を構成する円筒部と、平板部と円筒部とを互いに連結するように、平板部における径方向の内縁から円筒部の下端に向かって隆起するように傾斜して、隔壁６１の一部を構成する傾斜部とを備えている。この隔壁部材６は、例えばプレス加工した金属薄板によって構成してもよい。この隔壁部材６の外周縁部が、下側部材４２の下端開口４２２の縁部に対して固定されることによって、ハウジング４と蓋ケーシング２４２とによって区画形成される連通室４８は、隔壁６１（平板部及び傾斜部）によってハウジング４側の空間と、蓋ケーシング２４２側の空間とに隔てられる一方、羽根車ケーシング６２（円筒部）によってハウジング４側の空間と蓋ケーシング２４２側の空間とが互いに連通することになる。この羽根車ケーシング６２内には、モータ３のシャフト３５とメカニカルシール５とが内挿されると共に、循環羽根車７もまた、この羽根車ケーシング６２内に配置される。

メカニカルシール５は、連通室４８内において、モータ３のシャフト３５に取り付けられることで、モータ部２２側とポンプ部２１側との間で、シャフト３５を軸封（シール）する。メカニカルシール５は、図４，５に示すように、軸方向の上側から下側に向かって、上側固定環５１、上側回転環５２、圧縮ばね５３、下側回転環５４、及び下側固定環５５の順に配置されて構成されている。この内、上側固定環５１は、前述したように、ハウジング４における上側部材４１の下面に形成された固定部４１５に固定される。上側回転環５２は、モータ３のシャフト３５に外挿される外挿部５２１と、圧縮ばね５３の上端部が当接する鍔部５２２とを有しており、外挿部５２１がシャフト３５に外挿された状態で、圧縮ばね５３の付勢力により鍔部５２２が上向きに押されることによって上側固定環５１に押圧されている。同様に、下側固定環５５は、前述したように、蓋ケーシング２４２の上面に形成された固定部２４４に固定される。また、下側回転環５４は、モータ３のシャフト３５に外挿される外挿部５４１と、圧縮ばね５３の下端部が当接する鍔部５４２を有しており、外挿部５４１がシャフト３５に外挿された状態で、圧縮ばね５３の付勢力により鍔部５４２が下向きに押されることによって下側固定環５５に押圧されている。圧縮ばね５３は、モータ３のシャフト３５に外挿される比較的大径のコイルスプリングであり、ここに示すメカニカルシール５は、一つの圧縮ばね５３によって、上側回転環５２及び下側回転環５４の双方の回転環を、上側固定環５１及び下側固定環５５のそれぞれに対して押圧するように構成されている。このメカニカルシール５は、図１，２に示すように、連通室４８内に配置されているため、冷却液に浸漬している。このため、冷却液は、モータ３の冷却のみならず、メカニカルシール５の潤滑液としても機能する。

そうして、冷却液の循環用の循環羽根車７が、このメカニカルシール５の圧縮ばね５３の付勢力を利用してシャフト３５に取り付けられている。より詳細に、循環羽根車７は、図４〜６に示すように、円環状のハブ７１と、このハブ７１の外周面に立設する複数枚（図例では５枚）の羽根７２とを含む本体部７３と、ハブ７１の下端から径方向内方に広がるように、ハブ７１と一体に設けられた受部７４と、を含んで構成されている。循環羽根車７は、モータ３のシャフト３５に取り付けられるものであるため、回転バランスを崩さないように軽量であることが好ましい。つまり、循環羽根車７の軽量化は、循環羽根車７をシャフト３５に取り付けることに伴うバランス調整を不要にする。軽量化のために、循環羽根車７は、各種の合成樹脂、例えばポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）によって、一体成形をしてもよい。

循環羽根車７のハブ７１は、図４に端的に示すように、メカニカルシール５の外径よりも径が大きい円環状を有している。この例では、ハブ７１は、メカニカルシール５の圧縮ばね５３の長さと同程度の長さを有しているが、ハブ７１の長さは特に限定されるものではなく、他の部材の干渉等を考慮して適宜設定すればよい。

各羽根７２は、図６（ａ）に示すように、その断面形状が所定の翼形状を有していると共に、所定の迎え角を有するように、ハブ７１の外周面から径方向の外方に向かって突出して配置されている。これにより、この循環羽根車７は、軸流式の羽根車として構成されていると共に、後述するように、シャフト３５に取り付けたときには、冷却液を軸方向の上から下に、言い換えると、モータ部２２側からポンプ部２１側へと流すように構成されている。

受部７４は、図６の（ａ）（ｂ）に示すように、厚みの薄い板状であって、ハブ７１の下端に設けられている。これにより、受部７４と、ハブ７１に設けられた各羽根７２とは、軸方向に位置がずれている。受部７４は、後述するように、メカニカルシール５の圧縮ばね５３の下端と下側回転環５４（つまり、その鍔部５４２）とによって挟持される。このため、受部５４の内径は、メカニカルシールの下側回転環５４の外挿部５４１の外径よりも大に設定されている。また、受部７４における周方向の所定の箇所には、その表面から突出した突起７４１が、径方向に延びて形成されており、この突起７４１は、コイルスプリングによって構成される圧縮ばね５３の先端と係合して、圧縮ばね５３と循環羽根車７との相対回転を防止する。これによって、循環羽根車７は、モータ３のシャフト３５と共に回転することになる。

この循環羽根車７は、図４，５に示すように、圧縮ばね５３と下側回転環５４との間に配置され、その受部７４が、圧縮ばね５３の下端と下側回転環５４の鍔部５４２とによって挟持される。つまり、受部７４が、圧縮ばね５３の付勢力を受けることによって、循環羽根車７は、シャフト３５に対し、一体的に回転するように取り付けられている。

この取付状態では、循環羽根車７の本体部７３は、圧縮ばね５３の外周囲を囲むようになり、これにより各羽根７２は、メカニカルシール５における、軸方向の略中央位置に位置している。そうして、図２，４に示すように、この各羽根７２の外周囲を覆うように、隔壁部材６の羽根車ケーシング６２が配置されるようになり、軸流式に構成された循環羽根車７と、隔壁部材６の羽根車ケーシング６２とによって、シャフト３５の回転に伴い循環羽根車７が回転したときには、シャフト３５に沿うようにモータ部２２側からポンプ部２１側へと、冷却液が流れるようになる（図２の矢印参照）。

以上のように構成されたポンプの冷却液循環構造により、図２に示すように、冷却液は、シャフト３５及び循環羽根車７の回転に伴い、モータケーシング３３とアウターケーシング３６との間の冷却液流路３７から、ハウジング４の流入口４６を通じて連通室４８内への流入する。連通室４８内においては、隔壁６１によって隔てられた、モータ部２２側（換言すれば、流入口４６側又はハウジング４側）の空間から、循環羽根車７及び羽根車ケーシング６２を通って、ポンプ部２１側（換言すれば、流出口４７側又は蓋ケーシング２４２側）の空間へと冷却液が流れる。そうしてポンプ部２１側へと流れ込んだ冷却液は、スリット４２３及び流出口４７を通じて、冷却液流路３７に戻ることになる（図２の矢印参照）。こうして冷却液が循環することに伴い、モータケーシング３３内のモータ３が冷却されることになる。

この冷却液循環構造においては、循環羽根車７が、メカニカルシール５の圧縮ばね５３の付勢力を利用して、モータ３のシャフト３５に取付固定されており、循環羽根車７の取付構造が極めて簡素化されている。また、循環羽根車７の取り付けは、シャフト３５に対して固定環、回転環、圧縮ばねを順に取り付けるメカニカルシール５の取り付けに付随して行うことが可能であり、循環羽根車７の取り付け工程もまた、単純化される。

メカニカルシール５とは別に循環羽根車をシャフト３５に取り付ける従来の構成と比較して、前記の取付構造は、循環羽根車７の取り付けに要するスペースを小さくして、モータ３のシャフト３５の長さを、その分、短くし得る。特に、前記の構成では、循環羽根車７の本体部７３が、メカニカルシール５の圧縮ばね５３の外周囲を囲むように配置されて、循環羽根車７とメカニカルシール５とは、シャフト３５に対して実質的に同じ軸方向位置に配置されるため、シャフト３５の軸方向に、循環羽根車７の取り付け用スペースが不要であり、シャフト３５の長さをさらに短くし得る。このことは、シャフト３５のたわみ量を小さくし、振動を抑制する上で有利になる。尚、循環羽根車７の受部７４が、圧縮ばね５３と下側回転環５４との間に挟まれるものの、受部７４が薄い板状であることと圧縮ばね５３が縮むこととにより、メカニカルシール５の全長が長くなることも抑制し得る。

また、前述した強制冷却仕様のポンプに対して、例えば冷却液循環構造を省略した自然冷却仕様のポンプにおいては、循環羽根車７のシャフト３５への取り付けを省略すればよいが、この場合に強制冷却仕様のポンプでは、循環羽根車７の取り付け用のスペースがそもそも存在していないため、循環羽根車７の取り付けを省略しても、シャフト３５の軸方向に空きスペースは生じない。このことは、ポンプの冷却液循環構造の有無という仕様の相違に拘わらず、シャフト３５を含むポンプの設計や部品を共通化し得るという利点がある。また、圧縮ばね５３の付勢力により循環羽根車７を取り付けており、循環羽根車７の有無は、圧縮ばね５３の伸縮によって吸収し得るから、このこともまた、ポンプ部品の共通化に有利である。

また、循環羽根車７を軸流式として羽根車ケーシング６２を設けると共に、モータ部２２側からポンプ部２１側に向かって冷却液を流すように、この循環羽根車７をモータ３のシャフト３５に取り付けることは、モータ３の冷却効率を高める上で有利になり得る。つまり、モータ部２２においてモータ３から熱を受けた冷却液は、流入口４６を通じて、ハウジング４の連通室４８内に流入し、循環羽根車７によってモータ部２２側からポンプ部２１側に向かって流れる。そうして、そのポンプ部２１側において、蓋ケーシング２４２を間に挟んで、ポンプケーシング２４内のポンプの取扱液、つまり相対的に温度の低い液体と熱交換した後に、冷却液は、スリット４２３及び流出口４７を通じて、モータ部２２側に戻ることになる。

ここで、連通室４８内を隔壁６１によって、流入口４６側の空間と流出口４７側の空間とに隔てると共に、その両空間を循環羽根車７及び羽根車ケーシング６２を通じてのみ連通させているため、循環羽根車７の回転によって冷却液を効率的に循環させることが可能になる。このことはモータ３の冷却効率の向上に寄与し得る。

そうして軸流式の循環羽根車７が、モータ部２２側からポンプ部２１側に向かって冷却液を流すことに伴い、蓋ケーシング２４２の上面に比較的高い流速の冷却液が衝突し、その上面付近において冷却液の乱流が生じ得る。このことは、冷却液とポンプの取扱液との間の熱交換効率を高め得るため、モータ３の冷却効率を高め得る。

また、ハウジング４に形成された連通室４８は、上側部材４１の下面によってその一部が区画形成されているため、ベアリング３５２を保持する部位、つまりベアリングホルダ４１４を構成する起立壁部及び底壁部等が、冷却液に直接的に接触することになる。この構成により、ベアリング３５２もまた、冷却液によって効率的に冷却し得ることになる。

このハウジング４は、前述したように、上側部材４１の下面側にメカニカルシール５の上側固定環５１を固定する固定部４１５が形成されており、シールの漏れが生じたときには、浸水（概ね冷却液）は上側部材４１の貫通孔４１３を通じて、ベアリングホルダ４１４内へと浸入することになる。このときに、ベアリングホルダ４１４の底部に、斜め下向きに延びる排水穴４１８を形成していることによって、漏れた冷却液はこの排水穴４１８を通って、浸水溜まり室４１６へと排出される。これにより、ベアリング３５２が浸水してしまうことが効果的に防止される。

また、この浸水溜まり室４１６には、その一部に、ベアリングホルダ４１４よりも底が深い凹陥部４１７を形成しており、この凹陥部４１７内に浸水検知のための液面センサ４５を配置している。これにより、液面センサ４５によって浸水を検知したときの、浸水溜まり室４１６内の液面の高さは、図２に一点鎖線で示すように、ベアリング３５２の最下端よりも低くなる。このことは、モータ３の浸水を確実に回避し得ることは勿論のこと、ベアリング３５２の浸水をも回避し得る点で有利である。

ここで、ベアリングの浸水を回避する観点から、浸水溜まり室は、ベアリングを保持するベアリングホルダよりも下側の位置に設けることが、従来一般的であり、このため、例えば特開平１１−２９４３７３号公報や、特開２００１−１９３７４９号公報に記載されているように、ベアリングホルダとは別の部材を、ベアリングホルダの下側に配置することによって、浸水溜まり室を区画形成することが従来一般的であった。これに対し、前記の構成は、ハウジング４に、ベアリングホルダ４１４と浸水溜まり室４１６との双方を形成して、ベアリングホルダ４１４と浸水溜まり室４１６とを軸方向にほぼ同じ位置に配置する一方で、ベアリングホルダ４１４と浸水溜まり室４１６と連通させる排水穴４１８を形成することによって、ベアリング３５２の浸水を回避しつつも、部品点数を少なくすることを実現している。また、浸水溜まり室４１６に凹陥部４１７を形成することは、ベアリング３５２の浸水を、より確実に回避する上で、有利になる。さらに、ベアリングホルダ４１４と浸水溜まり室４１６とを一つの部材、つまりハウジング４に形成することは、前述の通り、このハウジング４を冷却液に直接的に接触させることを可能にし、ベアリング３５２の冷却にも有利になる。

上側部材４１の上端に、蓋部材４４を取り付けて浸水溜まり室４１６を、モータケーシング３３内から隔離することは、モータケーシング３３内への水の進入を確実に回避する上で有利である。つまり、この水中ポンプ１では、浸水溜まり室４１６に溜まり得る液体が水を主成分とする冷却液であり、蓋部材４４を省略した場合は、浸水溜まり室４１６に冷却液が溜まったときに、モータ３の駆動に伴う発熱によって冷却液が蒸発して、モータケーシング３３内に水分が入ってしまうことになる。モータケーシング３３内に浸入した水分は、モータ３の停止によりモータケーシング３３内の温度が低下したときにモータ３の巻線等に水滴として付着するため、例えば絶縁破壊等を招く虞がある。これに対し蓋部材４４を取り付けて、浸水溜まり室４１６をモータケーシング３３から隔離することは、そうした問題を確実に回避し得る点で、有利な構成である。尚、この構成では、浸水溜まり室４１６もまた、冷却液の通路に接しているため、浸水溜まり室４１６に溜まった冷却液の蒸発自体が抑制され得る。

またその蓋部材４４を、ベアリング３５２の押さえとしても兼用させることにより、部品点数の低減で有利になると共に、前述した、ハウジング４に、ベアリングホルダ４１４と浸水溜まり室４１６とを形成することによる部品の兼用化と相俟って、部品点数の大幅な低減化、及び、構造の簡略化に伴う組み立て工程の単純化を図り得る。

尚、前記の構成では、メカニカルシール５の構成を、シャフト３５に外挿される一つの圧縮ばねを備えたモノコイルスプリング形のメカニカルシールとしているが、例えば小径の圧縮ばねを、シャフト３５の外周囲に沿って複数個配置したマルチスプリング形のメカニカルシールに対して、循環羽根車７を取り付けてもよい。この場合は、複数個の圧縮ばねによって、循環羽根車７の受部７４を、例えば下側回転環５４の鍔部５４２との間に挟持すればよい。この場合はまた、必要に応じて、複数個の圧縮ばねの先端部同士を互いに連結して、循環羽根車７の受部７４に当てるような当接部材をさらに取り付けるようにしてもよい。

循環羽根車７は、圧縮ばね５３と下側回転環５４との間に配置することに限らず、圧縮ばね５３と上側回転環５２との間に配置するようにしてもよい。その場合には、図４，５に示す循環羽根車７の天地を反転させて、圧縮ばね５３と上側回転環５１との間に配置するようにしてもよいが、冷却液の流れ方向を、モータ部２２側からポンプ部２１側に設定するのであれば、各羽根７２の向きをもまた、反転させる必要がある。

また、循環羽根車７を、圧縮ばね５３と下側回転環５４との間、及び、圧縮ばね５３と上側回転環５２との間のそれぞれに配置して二段に構成してもよい。

メカニカルシール５は、前記の例では、一つの圧縮ばね５３によって上下２つの回転環５２，５４をそれぞれ押圧付勢しているが、上側回転環を押圧付勢する圧縮ばねと、下側回転環を押圧付勢する圧縮ばねとを、互いに別の圧縮ばねによって構成してもよい。この場合においても、循環羽根車７の配置は、メカニカルシールにおける上側、下側及び上下両側のいずれであってもよい。

循環羽根車７による冷却液の流れ方向は、モータ部２２側からポンプ部２１側に限定されず、それとは逆向きであってもよい。また、循環羽根車は軸流式に限定されず、遠心式や斜流式であってもよい。その場合に、羽根車ケーシングは、循環羽根車の形式に対応するように、適宜その形状を設定すればよい。また、場合によって、羽根車ケーシングを省略してもよい。

ハウジング４とは別体の隔壁部材６を、ハウジング４に対し取付固定しているが、隔壁部材６と同等の機能を有する部位をハウジング４と一体に形成してもよい。

循環羽根車７はまた、メカニカルシール５の回転環と一体的に形成してもよい。この場合は、メカニカルシール５の組み立て及び循環羽根車７の取り付けが、より一層単純化され得る。一方、前述したように、冷却液循環構造有りの強制冷却仕様と冷却液循環構造無しの自然冷却仕様との仕様違いに対し部品の共通化を図る上では、前記の例のように、循環羽根車と回転環とは別体であることが望ましい。

また、ここに開示する冷却液循環構造は、水中ポンプへの適用に限定されない。

以上説明したように、ここに開示したポンプの冷却液循環構造は、冷却液循環用の循環羽根車を、メカニカルシールの圧縮ばねを利用してモータのシャフトに取り付けることで、取付構造の簡略化と共に、シャフト長さを可及的に短くし得る点で有用である。

１ 水中ポンプ（ポンプ）
２１ ポンプ部
２２ モータ部
２３ 羽根車
３ モータ
３３ モータケーシング
３５ シャフト
３６ アウターケーシング
３７ 冷却液流路
４ ハウジング
４６ 流入口
４７ 流出口
４８ 連通室
５ メカニカルシール
５１ 上側固定環
５２ 上側回転環
５３ 圧縮ばね
５４ 下側回転環
５５ 下側固定環
６ 隔壁部材
６１ 隔壁
６２ 羽根車ケーシング
７ 循環羽根車
７２ 羽根
７３ 本体部
７４ 受部

Claims (3)

1. 羽根車を含むポンプ部と、
   所定の軸方向に延びかつ前記羽根車に連結されるシャフトを有すると共に、当該シャフトを通じて前記羽根車を駆動するモータを含むモータ部と、
   前記ポンプ部と前記モータ部との間に配置されかつ、前記シャフトをシールするメカニカルシールと、
   前記モータ部側と前記ポンプ部側との間で冷却液を循環させることによって、前記モータを冷却する冷却液循環流路と、を備え、
   前記メカニカルシールは、前記シャフトに固定される回転環、ポンプ筐体側に取り付けられる固定環、及びその付勢力によって前記回転環と前記固定環とを前記軸方向に互いに押し当てる圧縮ばねを少なくとも含み、
   前記シャフトに取り付けられて当該シャフトと共に回転することにより、前記冷却液循環流路内の冷却液を循環させる循環羽根車をさらに備え、
   前記循環羽根車は、前記メカニカルシールの前記圧縮ばねの付勢力によって、前記シャフトと共に回転するように当該シャフトに取り付けられ、
   前記モータ部は、
   前記モータを収容するモータケーシングと、
   前記モータケーシングの外周面に対し所定の間隔を空けて配置されかつ、当該モータケーシングの外周面との間に、前記冷却液循環流路の一部を構成する周状の流路を形成するアウターケーシングと、
   前記モータケーシング及び前記アウターケーシングの下端開口に取り付けられると共に、前記シャフトが貫通して配置されるハウジングと、をさらに含み、
   前記ハウジングは、それぞれ前記周状の流路内に開口しかつ、当該周状の流路から冷却液が流入する流入口及び当該周状の流路へ冷却液が流出する流出口と、前記流入口と流出口とを互いに連通させると共に、前記ポンプ部によってその一部が区画されることにより、前記冷却液循環流路の一部を構成する連通室と、を有し、
   前記メカニカルシールは、前記連通室内において前記シャフトに取り付けられ、それによって、前記循環羽根車は、前記連通室内に配置されており、
   前記循環羽根車は軸流式であり、前記モータ部側から前記ポンプ部側に向かって前記軸方向に沿って前記冷却液を流すように、前記シャフトに取り付けられているポンプの冷却液循環構造。
2. 請求項１に記載のポンプの冷却液循環構造において、
   前記循環羽根車は、複数枚の羽根が周方向に並んで配置された環状の本体部と、前記本体部に対して一体的に設けられると共に、前記圧縮ばねの付勢力を受ける受部と、を有しており、
   前記循環羽根車は、前記受部が前記圧縮ばねのポンプ部側端部と前記回転環とで挟持されることにより前記シャフトに取り付けられ、
   前記本体部は、前記受部に対して前記モータ部側にずれていて、前記メカニカルシールの外周囲において、当該メカニカルシールに対して前記軸方向に重なる位置に配置されているポンプの冷却液循環構造。
3. 請求項１又は２に記載のポンプの冷却液循環構造において、
   前記モータ部は、前記ハウジングに取り付けられる隔壁部材をさらに備え、
   前記隔壁部材は、前記連通室を前記流入口側の空間と前記流出口側の空間とに隔てる隔壁と、前記軸流式の循環羽根車の外周囲を囲むと共に、前記流入口側の空間と前記流出口側の空間とを互いに連通させる羽根車ケーシングと、を含んで構成されているポンプの冷却液循環構造。

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