JP6922471B2 - ステータ構造体およびキャンドモータ - Google Patents

Description

本発明は、ステータ構造体およびステータ構造体を備えたキャンドモータに関するものである。

キャンドモータを備えたポンプが知られている。キャンドモータは、ロータとステータ構造体とを備えており、ステータ構造体は、ロータを包囲するステータを備えている。ロータとステータとの間には、ロータを収める筒状のステータキャンが配置されている。ステータキャンとロータの隙間には、ポンプの取り扱い液が進入する。ステータキャンは、取り扱い液の進入によって内圧を受け、この内圧に対抗すべく、ステータキャンは、周囲の樹脂を介してステータに一体的に固着されている。

特許第５８９７８１７号公報

ステータキャンが周囲の樹脂を介してステータに一体的に固着されていると、強度的に弱いステータキャンが破損した際に、ポンプの主部品であるステータを交換する必要が生じる。

本発明は、ステータキャンを交換可能とするステータ構造体及びキャンドモータを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るステータ構造体は、筒状のステータキャンと、ステータキャンの周囲に配置されたステータと、ステータキャンとステータとを保持する保持部と、を備え、ステータキャンとステータとの間には非接着領域が形成されており、保持部は、ステータキャンを着脱自在に支持する支持部を備えている。

ステータキャンはポンプの取り扱い流体に接触する部分であり、また、取り扱い流体の進入によって内圧を受ける部分でもあるため、ステータ構造体の中でも破損等をし易い要素である。従来のステータ構造体の場合、ステータキャンは樹脂等を介してステータに固着一体化されている。従って、ステータキャンが破損等するとステータ構造体全体、もしくはポンプ等自体を交換する必要がある。なお、ステータキャンは絶縁体が望ましいが、強度や耐久性等の兼ね合いで金属が使用される。ステータキャンを金属等で製造した場合、渦電流を抑えるために薄い方が望ましい。

本発明の一態様に係るステータ構造体では、ポンプの取り扱い流体等がステータキャンとロータの隙間に進入すると、ステータキャンには内圧が作用し、この内圧によってステータキャンとステータとが強固に当接（圧接）する可能性がある。しかしながら、ステータキャンとステータとの間には非接着領域が形成されているので、ポンプ等の作動が停止し、内圧が解けるとステータキャンとステータとの圧接は解かれ、離脱可能な状態になる。更に、ステータキャンは、支持部によって着脱自在に支持されており、必要に応じてステータキャンを容易に取り外しできる。つまり、本態様では、強度的に弱いステータキャンが破損した際に、ポンプの主部品であるステータを交換することなく、ステータキャンを容易に交換できる。また、本態様では、ステータキャンの薄肉化を優先してステータキャンが仮に短寿命化しても、その場合にはステータ構造体等ではなく、ステータキャンを取り外して交換すれば足りる。その結果、本態様では、ステータキャンの肉厚設計を、ステータ構造体等の交換寿命から切り離して検討でき、ステータキャンを薄肉化し易くなる。

いくつかの態様において、非接着領域は、ステータキャンとステータとの間の隙間とすることができる。非接着領域を隙間とすることで、ステータキャンをステータから、より離脱させ易くなる。

いくつかの態様において、ステータキャンの厚さは、０．１ｍｍ以上、且つ０．３ｍｍ以下とすることができる。ステータキャンの厚さを０．３ｍｍ以下とすることで、渦電流の発生抑制に有利であり、一方で、０．１ｍｍ以上であれば形状的に安定したステータキャンを製造し易い。

いくつかの態様において、支持部は、ステータキャンの両端部においてステータキャンの内部に向けて突出した筒状の突出部と、前記突出部の外周に配置されると共に、ステータキャンの内周面に弾性変形した状態で接するシール部とを備えることができる。シール部を設けることで、取り扱い流体がステータキャンの内部から漏出するのを防ぐことができると共に、ステータキャンを着脱自在に支持する構成を容易に実現できる。

本発明の一態様は、上記のステータ構造体と、ステータキャンに包囲されたロータと、を備えたキャンドモータである。このキャンドモータでは、ステータキャンの交換が可能になる。

本発明のいくつかの態様によれば、ステータキャンの交換が可能になる。

実施形態に係るキャンドモータを備えたキャンドモータポンプの一例を示す断面図である。 ステータキャンとステータとの隙間を拡大して示す図である。 図１のIII-III線に沿った断面図である。 図１のIV-IV線に沿った断面図である。 ステータキャンとステータとの関係を説明する概略図であり、（ａ）の図は内圧を受けてステータキャンが膨らみ、ステータキャンとステータとが当接している状態を説明する図であり、（ｂ）の図は、内圧が解け、ステータキャンが弾性回復してステータキャンとステータとの間に隙間が形成されている状態を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

キャンドモータポンプ１は、回転機械の一例であり、例えば、洗浄用途に使用される超臨界ＣＯ_２を取り扱い液（取り扱い流体）として移送する。図１に示されるように、キャンドモータポンプ１は、ダイレクトドライブ式のキャンドモータ２を備えており、例えば、遠心ポンプとしての構成を備えている。なお、キャンドモータポンプ１は、その他、斜流ポンプや軸流ポンプとしてのターボポンプとして構成されていてもよい。

キャンドモータポンプ１は、ハウジング５内に収納された回転軸９と、回転軸９の先端側に固定されたインペラ１０とを備える。回転軸９は、軸受１１を介してハウジング５に回転可能に支持されている。ハウジング５は、キャンドモータ２を収納するモータハウジング７、モータハウジング７の背面側（図１における右側）に固定され、開口を閉鎖する端壁８、及びモータハウジング７の前面側（図１における左側）に固定され、インペラ１０を収納するインペラハウジング６を備えている。インペラハウジング６には、更に、吸入口（図示省略）、スクロール部６ａ、及び吐出口（図示省略）が設けられている。

キャンドモータ２は、ステータ構造体２０とロータ４とを備えている。ロータ４は、回転軸９に固定された１または複数の永久磁石（図示省略）と、永久磁石等を包囲して永久磁石等に固定された筒状のロータキャン４１とを備えている。ステータ構造体２０はステータ３を備えており、ステータ３は、ロータ４を包囲するようにしてモータハウジング７の内面に固定されている。ステータ３は、導線が巻回されてなるコイル部３１と、コイル部３１を覆うように充填された樹脂部３２とを含む。導線を通じてステータ３のコイル部３１に交流電流が流されると、ロータ４およびステータ３の相互作用によって、回転軸９とインペラ１０とが一体になって回転する。インペラ１０の回転により、取り扱い液の移送が行われる。

ステータ構造体２０は、上述のステータ３、ステータ３とロータ４との間に配置され、ロータ４を包囲する筒状のステータキャン２１、及びステータキャン２１及びステータ３を収容するモータハウジング７を備えている。モータハウジング７は、ステータキャン２１及びステータ３を保持する保持部の一例である。

ステータ構造体２０の詳細について、図１、図２、図３、及び図４を参照して説明する。モータハウジング７は、筒状の胴体部７１と、胴体部７１の両端部にそれぞれ着脱自在に固定された一対の蓋部７２とを備えている。蓋部７２と胴体部７１とは、例えば、ねじ等の取り付け部材を介して着脱自在に接合されている。蓋部７２は、ステータキャン２１を着脱自在に支持する支持部の一例である。

前面側及び背面側に配置された一対の蓋部７２は、胴体部７１を挟むようにして対向配置されている。一対の蓋部７２は、実質的に同一の構造であり、以下では、主に背面側の蓋部７２を代表して説明する。

蓋部７２には、回転軸９が挿通する円形の開口７２ａが設けられており、開口７２ａの内周面には回転軸９を支持する軸受１１が取り付けられている。蓋部７２の内方側、つまり胴体部７１側には、開口７２ａに倣って内方に突出した筒状の嵌合部（「突出部」の一例）７２ｂが設けられている。嵌合部７２ｂは、ステータキャン２１の端部から挿入され、内側からステータキャン２１を支える部分である。嵌合部７２ｂの外周にはシール部７２ｃ、例えばＯリングを収容する環状溝７２ｄが形成されている。シール部７２ｃは、押圧されて弾性変形した状態でステータキャン２１の内周面２１ａに接し、ステータキャン２１の内部を液密あるいは気密に保持する。

ステータキャン２１は金属製、例えばステンレス製、ハステロイ製［ハステロイ（登録商標）］、インコネル製［ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）］等である。ステータキャン２１は、筒状（例えば、円筒状）であり、ロータ４を包囲するように配置されている。ステータキャン２１の両端部は、一対の蓋部７２それぞれに設けられた嵌合部７２ｂに嵌め込まれ、シール部７２ｃに内接した状態で支持されている。渦電流を抑止するという観点からは、ステータキャン２１の厚さ（肉厚）Ｔ（図２参照）は薄い方が望ましく、例えば、０．３ｍｍ以下が望ましく、更に、０．２ｍｍ以下が望ましい。一方で、ステータキャン２１の強度、耐久性及び形状安定性の観点からは、０．１ｍｍ以上が望ましい。

ステータ３は、ステータキャン２１の周囲に配置されており、モータハウジング７の胴体部７１に固定されている。なお、ステータ３は、蓋部７２に対して着脱可能に接している。ステータキャン２１とステータ３とは、接着剤や粘着剤等によって接着されておらず、その結果、ステータキャン２１とステータ３との間には非接着領域が形成されている。特に、本実施形態では、ステータキャン２１とステータ３との間に、非接着領域として隙間Ｓが形成されている。隙間Ｓの寸法Ｗ（図２参照）は、例えば、５μｍ以上、３０μｍ以下の範囲に含まれる。この場合の隙間Ｓとは、ステータキャン２１とステータ３との少なくとも半分以上の領域が非接触であることを意味し、更に、隙間Ｓの寸法Ｗとは、少なくとも一部分において、上記の寸法範囲に含まれる隙間Ｓが存在すれば足りる。

なお、非接着領域は、少なくともステータ３を再利用可能な状態で、ステータキャン２１をステータ３から離脱させることができる状態を意味する。従って、非接着領域は、ステータキャン２１とステータ３との間に隙間Ｓが存在する態様に限定されず、ステータキャン２１とステータ３との全部または一部が接触しているが、接触箇所において接着されていない態様も含まれる。

次に、上記の実施形態に係るステータ構造体２０、及びステータ構造体２０を備えたキャンドモータ２の作用、効果について、図２及び図５を参照して説明する。

キャンドモータポンプ１が作動し、取り扱い液が高圧で移送されている場合等には、取り扱い液がステータキャン２１とロータ４の隙間に進入してくる可能性がある。ステータキャン２１は、シール部７２ｃを介してモータハウジング７に固定されており、取り扱い液がモータハウジング７から漏出することはない。

また、ステータキャン２１とロータ４の隙間に進入した取り扱い液は、ステータキャン２１を内側から押圧し、ステータキャン２１に内圧Ｆを付与する（図５（ａ）参照）。ステータキャン２１は、内圧Ｆにより外方に弾性変形し、内径が広がるように膨らむ。この膨らみ寸法が、ステータキャン２１とステータ３との間の隙間Ｓの寸法Ｗよりも大きければ、ステータキャン２１はステータ３に圧接する。一方、キャンドモータポンプ１の作動が停止すると、ステータキャン２１にかかっていた内圧Ｆは解かれる（図５（ｂ）参照）。その結果、ステータキャン２１は弾性回復し、ステータキャン２１とステータ３との間には、再び隙間Ｓが現れる。なお、ステータキャン２１が弾性限界を超えて変形した場合には、キャンドモータポンプ１が作動を停止しても完全には弾性回復せず、隙間Ｓが縮小する、あるいは接触したままの状態になる場合もある。

ステータキャン２１が摩耗や破損等した場合、あるいは定期的なメンテナンスを要する場合等には、ステータキャン２１を交換することができる。この場合、モータハウジング７の蓋部７２を開き、ステータキャン２１をステータ３から離脱させて引き抜く。ステータキャン２１とステータ３との間に隙間Ｓが残っている場合、ステータキャン２１をステータ３から容易に離脱させることができ、ステータキャン２１の交換も容易になる。一方で、ステータキャン２１とステータ３とが接触したままの状態であったとしても、ステータキャン２１とステータ３との間には、非接着領域が形成されている。従って、少なくとも、ステータ３を再利用可能な状態に維持したまま、ステータキャン２１のみをステータ３から離脱させて引き抜くことができる。その後、新たなステータキャン２１をステータ３内に装着し、蓋部７２を閉じてステータキャン２１の交換が完了する。

ステータキャンはポンプの取り扱い液に接触する部分であり、また、取り扱い液の進入によって内圧を受ける部分でもあるため、ステータ構造体の中でも破損等をし易い要素である。特許文献１に記載されたような従来のステータ構造体の場合、ステータキャンは樹脂等を介してステータに固着一体化されている。従って、ステータキャンが破損等するとステータ構造体全体、もしくはポンプ等自体を交換する必要がある。

一方で、本実施形態に係るステータ構造体２０では、ステータキャン２１とステータ３との間に非接着領域が形成されている。従って、キャンドモータポンプ１の作動が停止し、内圧Ｆが解けるとステータキャン２１とステータ３との圧接は解かれ、離脱可能な状態になる。更に、ステータキャン２１は、モータハウジング７の嵌合部７２ｂによって着脱自在に支持されており、必要に応じてステータキャン２１を容易に取り外しできる。つまり、本実施形態に係るステータ構造体２０では、強度的に弱いステータキャン２１が破損した際に、キャンドモータポンプ１の主部品であるステータ３を交換することなく、ステータキャン２１を容易に交換できる。また、本実施形態では、ステータキャン２１の薄肉化を優先してステータキャン２１が仮に短寿命化しても、その場合にはステータ構造体２０等を交換することなく、ステータキャン２１自体を取り外して交換すれば足りる。その結果、本実施形態では、ステータキャン２１の肉厚設計を、ステータ構造体２０等の交換寿命から切り離して検討でき、ステータキャン２１を薄肉化し易くなる。

そして、ステータキャン２１を薄肉化することで、渦電流損を抑制し易くなり、渦電流損に起因した発熱等も抑え易くなってキャンドモータ２の効率向上に有利になる。

特に、本実施形態に係るステータキャン２１の厚さＴは、０．３ｍｍ以下であるため、渦電流の発生抑制に有利であり、一方で、０．１ｍｍ以上であるので、形状的に安定したステータキャン２１を製造し易い。

また、本実施形態に係る蓋部７２（「支持部」の一例）は、ステータキャン２１の両端部においてステータキャン２１の内部に向けて突出した嵌合部７２ｂ（「筒状の突出部」の一例）と、嵌合部７２ｂの外周に配置されると共に、ステータキャン２１の内周面２１ａに弾性変形した状態で接するシール部７２ｃとを備えている。シール部７２ｃを設けることで、取り扱い液がステータキャン２１の内部から漏出するのを防ぐことができると共に、ステータキャン２１を着脱自在に支持する構成を容易に実現できる。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。

また、本発明は、洗浄用途の超臨界ＣＯ_２の移送に用いられるキャンドモータポンプに適用されるキャンドモータ及びステータ構造体に限定されず、他の流体等を移送するポンプに適用されるキャンドモータ及びステータ構造体であってもよい。

２ キャンドモータ
３ ステータ
４ ロータ
７ モータハウジング（保持部）
２０ ステータ構造体
２１ ステータキャン
７２ 蓋部（支持部）
７２ｂ 嵌合部（突出部）
７２ｃ シール部
Ｓ 隙間（非接着領域）

Claims (3)

1. 筒状のステータキャンと、
   前記ステータキャンの周囲に配置されたステータと、
   前記ステータキャンと前記ステータとを保持する保持部と、を備え、
   前記ステータキャンと前記ステータとの間には非接着領域が形成されており、
   前記保持部は、前記ステータキャンを着脱自在に支持する支持部を備え、
   前記非接着領域は、前記ステータキャンと前記ステータとの間の隙間であり、
   前記隙間の寸法は、５μｍ以上、３０μｍ以下であり、
   前記隙間は、内圧が作用して前記ステータキャンの内径が膨らんで前記ステータに当接し、前記内圧が解かれた後に前記ステータキャンと前記ステータとの間に隙間が現れる寸法である、ステータ構造体。
2. 前記支持部は、前記ステータキャンの両端部において前記ステータキャンの内部に向けて突出した筒状の突出部と、前記突出部の外周に配置されると共に、前記ステータキャンの内周面に弾性変形した状態で接するシール部とを備えた、請求項１記載のステータ構造体。
3. 請求項１または２記載のステータ構造体と、前記ステータキャンに包囲されたロータと、を備えたキャンドモータ。

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