JPH0255550A - 冷却液制限装置付液中モータ及び液中モータポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、各種炭化水素及びその混合物、酸素以外の空
気成分の液化物等の、絶縁耐力が高く腐食性のない取扱
液の一部を、モータ内に貫流させてモータ冷却及び軸受
潤滑を行わせるようにした液中（サブマージド）モータ
及び該液中モータを有する液中モータポンプに関し、■
、ＰＧ（液化石油ガス）、ＬＮＧ（液化天然ガス）等の
液化ガス用の液中モータポンプなどに用いて好適のもの
である。

〔従来の技術〕

ポンプの高速化は時代の趨勢であって、近年とみに大容
量及び高揚程の用途に使用されている液中（サブマージ
ド）モータにおいても、望まれるところである。これら
のポンプにおいては軸シールが不要であり、軸受に対し
ても静圧又は動圧軸受或いは磁気軸受等の非接触式の軸
受を使用すれば、従来の地上型等、他の型式のポンプの
高速化に際して常に問題となっていたこれら摺動部の摩
耗損傷等をすべて回避することができ、高速化による軽
量化、取扱いの軽便化を満足することができるわけであ
る。

第２図は、液中モータポンプの従来例を示す要部断面図
であって、１は、吸込ノズル２を具え上部を蓋されて液
中（水中）に浸漬される吸込ベッセルで、内部に、モー
タロータ３とモータステータ４を収納したモータハウジ
ング５と、その下方に直結された多段遠心ポンプ６とを
内蔵している。

上記多段遠心ポンプ６は、吸込ケーシング７と中間ケー
シング８を備え、内部に玉軸受９に支持されたポンプ回
転軸１０に取付けた羽根車１１．１２を収納し、最終段
羽根車１２の主板の裏面（図で上面）によって形成され
たバランスディスク１３に対向して、軸方向の（軸方向
に向いた）隙間のと半径方向の（半径方向に向いた）隙
間骨を保持してバランスシート１４がケーシングに取付
けられており、両隙間■と◎の間に中間室１５が形成さ
れ、更にバランスシート１４の裏側（下流側）は間隙１
６と逃がし通路１７を経てモータ室と連通されるように
なっている。

上記逃がし通路１７は、間隙１６のみを通ってモータ室
内へ流入させるようにしたものでは、流路抵抗が大きい
ため、隙間■（２）を径で十分な流量の液を排出させよ
うとすると中間室】５が低圧となって羽根車による軸推
力平衡が不十分になる場合が多く、そのため、バイパス
として液をモータ室へ導き、上記間隙１６を通過した流
れと合流してモータ室へ導くように設けられたものであ
る。

ポンプ運転時、最終羽根車により吐出される流体の一部
、即ち主流量のうち５〜１０％のものが、ポンプ軸推力
平衡装置の隙間■＠を通って、モり側へ流れ、そのうち
の一部は軸受９を通過してその潤滑・冷却を行なった後
、モータ室内に流入する。

上記モータ室内へ流入した液は、モータのロータ間［１
８及びモータステータ外周囲しこ数ケ所穿設した通路１
９を通り、モータを冷却した後、図示しない上部モータ
カバーに設けた排出口より吸込ベッセル１内に排出され
る。上記二つの流路１８．１９への流量配分は、流路１
９の大きさや数によって変るが、何れにせよ、該０．８
〜１＋ｎｍの間隔の二重円筒の間を液状流体が貫流して
、モータを冷却するようになっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記のようにモータロータとモータステータ
間を液状流体が貫流することは、モータの冷却には好ま
しい半面、回転摩擦損失を生じ、特に高速モータにおい
ては無視できない値となってくる。

即ち、液中モータ等においては、モータロータが液中に
あり、且つその表面積が大きいため、該部分に介在する
流体との摩擦損失は比較的大きい。

そして該損失Ｌｆは、一般に ここに、ρは液密度、ωはロータ角速度、Ｄはロータ直
径、Ｌはロータ長さ、Ｋは損失係数でレイノルズ数Ｒｅ
の函数、ａは定数である。

上記の式（ａ）より見られるように、高速化によリモー
タ自体の小型化を図れることを考慮しても、相似なロー
タについてＬ　ｆｏｃω１・７５〜２・・・（ｂ）とな
り、従来の３００Ｏｒｐｍのロータに対し、２　］、　
、　ＯＯＯｒｐｍのロータは同じ環境であれば３０〜５
０倍の摩擦損失を生ずることになってポンプモータの総
合効率を著しく低下させ、殆んどその工業的意味を失わ
せてしまうという問題点があった。なお、」−記（ｂ）
式は、モータ設計に際しモータコアボリュームＤ２ＬＱ
：ω−０・７５　という法則があるので、相似に小さく
するとすれば、 Ｄ３ｃＣω−”’ Ｄ公ω−０・２５ 故に丁、ｆｏｃωＪ）′ α　ω　　１　ω　　　１ ω１・″ ω′はそれより大きめにみたものである。

本発明は、上記した従来技術の問題点を解決し、高速化
したモータ内での冷却流体との摩擦損失を著しく軽減し
た液中モータ及び液中モータポンプを提供することを目
的としている。

〔課題を解決するための手段〕

−１−記の［目的を達成するために本発明は、液中モー
タでありながらロータ間隙内を気相とすることによ−）
で結果として気中にてｙ１■転されるモータと効率にお
いて同等のものを実現しようとするものであり、そのた
めに、液中モータの駆動側軸の周りに、取扱液のロータ
間隙への流入を極力制限する制限部材を設けると共に、
ステータ内周近傍に、ステータコイルの冷却液かロータ
の方へ入る斌を制限する制限板を設けたことを特徴とし
ている。

上記制限部材を、軸に取イ・１けたフリンカ（振切盤）
と該軸の周りに細隙を保って取付けたブツシュによって
構成し、また−に記制限板を、ステータ内周部に対して
軸方向に極力狭い間隙を保持して設けたことを特徴とし
ている。

また、上記のように構成された液中モータを用いた液中
モータポンプを特徴としている。

〔作　用〕

本発明は上記のように構成されているので、当該液中モ
ータを用いて液中モータポンプを構成した場合、ポンプ
取扱液は、羽根車の吐出口より吐出された主流量のうち
一部がポンプ軸推力平衡装置の隙間を通ってモータ側へ
流れ、そのうちの−部は軸受を通過してこれの潤滑・冷
却を行った後、モータ内へ流入しようとする。

ｌ−記のようにしてモータの駆動側軸の周りの通路を通
って流入した取扱液の一部は、該軸に取付けられたフリ
ン刀及び該軸の周りに細隙を保って取付しづられたブツ
シュ等の制限部材によって、ロータ間隙へ流入するのを
極力制限され、上記流入した取扱液の大部分が静止部で
あるモータステータ側へ導かれる。また、該モータステ
ータ側へ導一 かれだ液のモータロータ側への逆流は、該モータステー
タ内周部に軸方向に極力狭い間隙を保持するなどして設
けられた制限板によって、最少限に制限される。

このようにして、大部分の液がモータステータ側通路を
通過して該モータステータを冷却した後、上部コイルエ
ンドに流入してこれを冷却した後、」一部排出口より排
出されるが、該上部コイルエンド部においても、前記し
た制限板と同様の制限板が設けられているので、この部
分からモータロータ側への取扱液の流入も最少限に制限
される。

一方、ロータ間隙部へ流入する取扱液は、上記のように
極力制限されているので、内部で発生するモータの熱に
より蒸発して気相となり、モータロータは該気相となっ
た雰囲気中で回転することになる。従って、該モータロ
ータ部と取扱液との摩擦損失は次のように減少される。

前記した（ａ）式中のＫは、流れのレイノルズ数Ｒｅが
関与しており、一般にはＲｅの一１７５栄に比例すると
いわれている。取扱液として液化メタンを例にとってみ
ると、　−１６２℃の飽和状態において、粘性係数μは
蒸気では液の約］　／　３０である。ところが、密度ρ
は蒸気では液の約］１５９０であるので、 Ｒｅ：＝ｖｄｚ”ｖ　　（シ：運動粘性係数でヤ＝μ／
ρ）−１−式に使用する動粘度νとしては、蒸気では液
の２０倍（５９０／３０弁２０）あることになり、上式
の■としてロータ周速、ｄとしてロータ間隙（実際は該
間隙の半径隙間１／２）をとれば、■＜０は蒸気では油
の２０倍となり、従って、（、）式のＫ（Ｋ　”　１２
ｅ−７）は蒸気の方か大きい。しかし摩擦損失１．ｆは
、（ａ）式からも分かるように密度ρの１次の項を含ん
でおり、該ρは前記のように蒸気の方が液の１．１５９
０であるから、結果として、蒸気の方が液より遥かに小
さくなる。即ち、モータロータ周囲をガス化することに
より、回転数をたとえ７倍としても、摩擦損失は低回転
時に周囲か液であったときに比べて、はぼ７２Ｘ　Ｉ／
３３０弓１／６となり、従来の２極の電動機でロータ間
隙に液を強制的に貫流させていたときに比べて遥かに小
さくなるのである。

以」二は液化メタンを例にとって説明したが、この事情
は他の液化ガスを適用しても大同小異である。これによ
って、モータロータ周囲をガスで囲めば、高速化におい
てロータ摩擦損失は全く問題とならないことが分かる。

また、液中モータポンプ以外に適用した場合も、当該液
中モータはほぼ同様に作用する。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面と共に説明する。

第１図は、本発明の液中モータを用いた液中モータポン
プの一実施例を示す縦断面図であって、図中、第２図に
記載した符号と同一の符号は同一ないし同類部分を示す
ものとする。

図において、羽根車１２の主板の裏面に一体に形成され
たライナリング１２ａの外周面とケーシング８の内周面
との間に、軸方向の固定隙間■を具なえた固定絞り部を
形成し、上記ライナリング１２ａと、主板のボス部に一
体に形成されたバランスディスク１３との間に、中間室
１５を形成し、該ノベランスディス列３と半径方向の隙
間◎を隔ててノくランスシー１へ１４をケーシング８に
一体に取付け、これらバランスディスク１３とバランス
シート１４とによって可変絞り部を形成し、該バランス
シート１４の内径側を、軸受９の床間隔部と逃がし通路
Ｏ（第２図の１７）を経て電動機室内に連通している点
は、従来のもの（第２図）と変りはない。

そして本実施例では、上記軸受９の後方（１閑で上方）
に室２１が設けられ、該室２１に流入する液がモータロ
ータ３側へ流れるのを阻止するために、フリンガ２２が
軸１０に取付けられ、該フリンガ２２の半径方向外方に
、振り飛はされた液を極力抵抗少なくモータステータ４
側へ導くために、通孔に）が設けられている。

更に、軸受９を通過した液がモータロータ３へ流れるの
を阻止するために、」＝配室２１とモータロータ３との
間の軸１０の周りに、細隙Ｃを保ってブツシュ２３が取
付けられており、また、モータステータ４側へ導かれた
液がロータ３側へ逆流するのを阻止するために、該ブツ
シュ２３に、リング状の制限板２４が、ステータ内周部
に軸方向に極力狭い間隙ａを保持して取付けられでいる
。

一方、モータステータ４の他側部（図で上方部）には、
上部コイルエンド４ｂ部に、これを囲むような形にリン
ク状に形成された上部制限板２５が、ステータ内周部と
軸方向に極力狭い間隙すを保って設けられており、該上
部制限板２５の外周部には、流入口■が、また上面部に
は、外部への排出通路［株］がそれぞれ設けられている
。

また、上部軸受９ａを潤滑冷却するために、モータカバ
ー２６の吐出口２６ａの底部に、小孔■が設けられ、内
部通路を経て吐出側より少量の液を注入するようになっ
ているが、これについても、軸受９ａ通過後は、ブツシ
ュ２３ａの細隙ｄによりロータ３側への液の流入を制限
し、−Ｌ部制限板２５に穿設された孔Ｃす）によって、
上部コイルエンド４ｂの方への液流入をし易くしている
。なお、図中、（ト）及びＯは、従来のもの（第２図）
における１８及び１９に相当するロータ間隙、及びモー
タステータ外周面に数ケ所穿設された通路、２７はモー
タケーシング、２７ａは吸込口１羽根付矢印はポンプ取
扱液主流路、小矢印はモータ冷却液流路を示す。

次に、作用について説明すると、ポンプ運転時、吸込口
２７ａより吸込まれた羽根車１２の吐出口より吐出され
た主流量のうち、５〜１０％のものがポンプ軸推力平衡
装置の隙間■◎を通ってモータ側へ流れ、そのうちの一
部は、バイパス通路Ｏを経てモータステータ４部へ流れ
、残部は軸受９を通過してその潤滑・冷却を行なった後
、軸１０の周りの通路を経て室２１に流入し、ここでフ
リンガ２２によって振り飛ばされた液は通孔に）を経て
ステータ４部へ導かれ、更に残部は、ブツシュ２４の細
隙Ｃを経てロータ３部へ導かれる。従って誠ロータ３部
へ流入する液は極力制限され、前記隙間０口を経て流入
した取扱液の大部分は、静市部であるモータステータ４
側へ導かれる。また、該モータステータ４側へ導かれた
液のモータロータ３側への逆流は、該モータステータ内
周部と軸方向に細隙ａを保持する制限板２４によって最
少限に制限される。

上記のようにして、大部分の液がモータステータ側通路
Ｏを通過して該モータステータ４を冷却した後、上部コ
イルエンド４ｂに流入してこれを冷却した後、上部排出
通路四より排出されるが、ここでも環状の制限板２５が
設けられているので、この部分からモータロータ３側へ
の取扱液の流入も細隙すによって最少限に制限される。

このように、ロータ間隙部（ホ）へ流入する取扱液は、
極力制限されているので、内部で発生するモータ熱によ
り蒸発して気相となり、モータロータ；３は磁気Ａ・［
１となった雰囲気中で回転することになり、従って、該
モータロータ部と取扱液との摩擦損失は著しく低減され
る。

この実施例によれば、モータロータ３周囲のロータ間隙
（ト）への液の流入量は極めて少なくなり、モータ全体
の電気・磁気的損失の２０〜３０％を占めるといわれる
モータロータに発生する電気・磁気的損失による発生熱
によって蒸発し、その潜熱によってロータ３を冷却する
と同時にロータ間隙内を気相に保ち、ロータ回転による
摩擦損失を空中におけるものと同等のものとすることが
できる。

なお、モータロータ３側への液流入量が余りに厳しく制
限され過ぎてロータ温度力叫−昇し過ぎたときは、上部
制限板２５内周に小孔■を適宜設けて冷却液を供給する
ようにする。この場合も、ロータ間隙示内を液が貫流す
ることはないので、ロータ３の表面は膜沸騰状態による
カスで覆オ）れ、摩擦損失が上昇することはない。

以」二のことは、液中での単独試験において、低温液化
ガス中に浸漬運転した場合と、浸漬に加えて別置ポンプ
にてロータ間隙内に顕然のみに損失発熱を尊うに十分な
流量の液を貫流させた場合において見られるモータ入力
の顕著な差が生し、その差は指定される液摩擦損失と同
等であるという事実によって確められている。

また、間隙■、０より流入される液流敏のみではモータ
発生熱量に対して不足するときは、吐出流路より小孔■
を通して液を注入してモータ冷却に加勢することも可能
である。

−１−記した実施例において、ロータ間隙への流入を制
限する制限部材をフリンカ２２とブツシュ２３によって
構成した構造について説明したが、これは一例に過ぎず
、フリンカをつけずに単にブツシュと隙間のみで、或い
はフリンガの代りに隙間Ｃ部の軸にねじを切ることによ
り冷却液を制限する構造として構成することも可能であ
る。

〔発明の効果〕

以」−説明したことにより、本発明によれば、液中モー
タの駆動側軸の周りに制限部材を設けて、取扱液のロー
タ間隙への流入を極力制限すると共に、ステータ内周近
傍に制限板を設けて、ステータコイルの冷却液がロータ
の方へ入る量を制限するようにしたことにより、モータ
ロータが気相中で回転することになり、従って、該モー
タロータの回転摩擦損失を激減させ、該損失の増加によ
るモータ効率の低下を伴うことなく高速液中モータ及び
高速液中モータポンプを得ることかできる。

また、上記制限部材をフリンガとブツシュで構成し、ま
た上記制限板をステータ内周部に軸方向の細隙を保って
リンク状に取付けることにより、簡単な構成でロータ間
隙部への取扱液の流入を最少限に抑制することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の液中モータを用いた液中モタポンプの
一実施例を示す縦断面図、第２図は従来例を示す液中モ
ータポンプの要部断面図である。 ９・・軸受、　　　　　　１０　　ポンプ・モータ軸、
１２・羽根車、　　　　　１３・・・パランスティスク
、】４　バランスシート、　１５　　中間室、２２・・
フリンガ、　　　　　２３．２３ａ・・フッシュ、２４
．２５・制限板、　　　２６・モータカバーａ、ｂ、ｃ
、ｄ・・・細隙。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶縁耐力が高く非腐食性である取扱液の一部をモー
   タ内に貫流させてモータ冷却及び軸受潤滑を行わせるよ
   うにした液中モータにおいて、該液中モータの駆動側軸
   の周りに、上記取扱液のロータ間隙への流入を極力制限
   する制限部材を設けると共に、ステータ内周近傍に、ス
   テータコイルの冷却液がロータの方へ入る量を制限する
   制限板を設けたことを特徴とする冷却液制限装置付液中
   モータ。 ２、請求項１記載の制限部材を、軸に取付けたフリンガ
   及び該軸の周りに細隙を保って取付けたブッシュによっ
   て構成したことを特徴とする請求項１記載の冷却液制限
   装置付液中モータ。 ３、請求項１記載の制限板を、ステータ内周部と軸方向
   に極力狭い間隙を保持してリング状に設けたことを特徴
   とする請求項１記載の冷却液制限装置付液中モータ。 ４、請求項１記載のモータの駆動側軸にポンプ羽根車を
   直結して設け、該ポンプ羽根車より吐出される取扱液の
   一部をモータ内に貫流させるようにし、該ポンプ羽根車
   とモータとの間の軸周りに制限部材を設けたことを特徴
   とする請求項１記載の液中モータを有する液中モータポ
   ンプ。