KR20150061942A - 일체형 밀봉 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일체형 밀봉 펌프에 관한 것으로, 일반적인 원심 펌프의 작동유체의 누설 문제를 해결하기 위하여 구동부인 모터와 펌프를 하나의 케이스 안에 넣고 밀봉함과 동시에 모터의 스테이터와 로터 사이의 캔 구조물을 없앰으로써 스테이터와 로터가 직접 대면하게 함으로써 누설문제가 없으면서도 모터의 효율은 일반 원심펌프와 동등한 정도를 가지며 스테이터와 베어링의 냉각을 위한 별도의 라디에이터를 구비할 필요가 없는 펌프를 제공하기 위한 것이다. 이때 구동부가 작동 유체에 잠기게 되므로 베어링은 오일리스 베어링을 채택하며 작동유체는 비부식성의 유체에 사용하게 되고, 부식이 염려되는 환경을 위해서는 스테이터의 철심 및 그에 감긴 권선을 비 자성물질에 의한 절연 코팅을 적용한다. 그리고, 모터 본체 케이스는 캔 구조물이 없으므로 인서트 몰딩에 의하여 제작 공정을 단순화 할 수 있다.

Description

일체형 밀봉 펌프 {Integral Hermetic Pump}

본 발명은 일체형 밀봉 펌프에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 캔드 모터 펌프에서 캔 구조를 제거함과 동시에 펌프부에 결합되는 모터 본체 케이스를 일체로서 하나의 케이스로 되도록 하면서, 펌프부에서 가압되는 유체가 모터부의 로터와 스테이터를 잠기게 하여 직접 접촉 및 냉각하도록 제작된 일체형 밀봉 펌프에 관한 발명이다.

일반적으로 가장 많이 사용되는 원심 펌프(centrifugal pump)는 도 2에서 볼 수 있는 것처럼 펌프의 회전축이 모터의 회전축과 직접 연결되므로 밀봉 펌프(hermetic pump)에 비하여 효율은 좋은 반면 유독성, 화학적 위험, 폭발성이 있는 액체, 비싼 생산품 및 과열된 물 등을 이송하는 경우에는 완벽한 씰링이 힘든 관계로 누수가 발생되는 문제점이 있었다. 이 누수 문제를 해결하기 위하여 고가의 씰링 장비를 적용하여야 하는 점에서 비용이 증가할 수 밖에 없었다. 이러한 문제점을 해결하고자 밀봉 펌프(hermetic pump, sealingless pump)가 출현하였으며 이는 펌프와 모터의 회전축을 완전 분리하거나(마그네틱 펌프), 모터와 펌프를 하나의 케이스 안에 넣고 로터가 수송 유체에 잠기도록 하여(canned motor pump) 누수의 문제를 원천 차단하도록 되어 있다.

펌프와 모터의 회전축을 완전 분리하는 마그네틱 펌프는 도 3에서 볼 수 있듯이 모터의 회전축에 연결된 자석이 펌프 케이스의 외부에서 회전하면서 펌프 케이스 내부의 회전축에 연결된 자석에 대응하여 서로 같은 방향으로 회전하게 되는 것으로서, 완벽한 밀봉은 이루어지는 반면, 회전축이 서로 분리됨과 동시에 펌프 케이스 내부와 외부의 자석간에 작용하는 자기적 작용에 의하여 구동하는 방식이므로 원심펌프에 비하여 효율이 떨어지는 점, 회전축의 분리로 인하여 지지 베어링이 많이 소요되는 점, 고온에서 효율이 감소하며 커플링의 조정이 필요하고 고압에서 사용하기 어려운 점 등의 단점이 있다.

마그네틱 펌프 외에 원심 펌프의 단점을 해소하기 위하여 등장한 또 하나의 밀봉 펌프가 앞서 언급한 도 4에서 보이는 캔드 모터 펌프(canned motor pump)이다. 이는 펌프와 모터를 하나의 케이스 안에 넣음으로써 누수의 문제를 해결하였는데, 하나의 케이스 안에서 모터가 펌프를 직접 구동하므로 회전축 커플링이 없어 조정의 필요가 없고 모터의 로터 위치가 계속 모니터링 되므로 문제 발생시 쉽게 발견 가능한 장점이 있다. 반면에 모터의 스테이터(11)와 로터(12) 사이에 캔 구조물(13)이 있으므로 펌프의 효율이 일반 원심 펌프에 비해 떨어지며 효율을 높이기 위해서는 캔을 얇게 제작하여야 하는데 이로 인해 제작비용은 더 증가하고 기계적인 안정성은 더 떨어진다는 단점이 있다. 또한 캔 구조물이 얇으면서 튼튼하려면 주물제작은 불가능하고 다수의 다이로 순차 가공해야 하며 깊은 연신을 하여야 하므로 제작도 쉽지 않으며 기간도 더 소요되었다. 그리고, 로터(12)가 유체에 잠기는 점에서 냉각 효율은 우수하지만 스테이터(11)는 간접적인 냉각만 이루어지므로 도 5에서 보듯이 스테이터의 냉각을 위하여 별도의 냉각 라디에이터를 설치하여야 하는 문제가 있다.(Hermetic Pumps 1st edition, 저자 : Robert Neumaier, Gulf Publishing Company, 1994, Printed in United State)

현재 선행기술 문헌들을 보면, 대한민국등록특허공보 제 10-2011-0127310 호의 ‘완전 방수구조를 갖는 유체펌프’에서는 모터부와 펌프부를 완전 분리하여 모터측의 능동구동부에 설치된 자석과 펌프부의 수동구동부에 설치된 자석이 사이에 케이스로 분리된 채 서로 대면하여 상호 자기적 작용에 의해 펌프부 임펠러의 회전을 가능하도록 한 것인데, 이 발명은 마그네틱 펌프와 사실상 동일한 원리로서, 구동축의 분리로 인한 효율저하의 문제점은 여전히 가지고 있다.

그리고, 도 6에 도시한 대한민국등록특허공보 제 특2002-0033762호 ‘모터프레임과 그 모터프레임을 사용한 모터 및 모터펌프’ 에서는 캔드 모터임에도 불구하고 케이스 외부에 냉각을 위한 유체 통로를 별도로 마련하여 구성의 복잡화, 제작 공정의 추가 및 비용증가 등의 문제점이 있다.

따라서, 종래와 달리 스테이터와 로터 사이의 구조물을 제거함으로써 모터의 효율을 일반적인 원심펌프의 수준으로 끌어올리는 과제와, 스테이터도 수송 유체와 직접 접촉함으로써 간접적이 아닌 직접적인 냉각 효과를 달성할 수 있도록 하는 것이 과제라고 할 것이다.

등록특허공보 제 10-1237022 (등록일자 : 2013.02.25) 공개특허공보 특2002-0033762 (공개일자 : 2002. 05.07)

Hermetic Pumps 1st edition, 저자 : Robert Neumaier, 발행처 :Gulf Publishing Company, 발행연도 :1994, 발행국가 :Printed in United State p.197

종래의 캔드 모터 펌프나 마그네틱 펌프처럼 작동유체의 누수를 원천 차단하면서도 펌프의 효율은 일반적인 원심펌프와 동등하도록 하여 종래 캔드 모터 펌프보다 우수하면서, 그와 동시에 운전 중에 스테이터에 발생되는 고열을 작동유체에 의하여 직접 냉각할 수 있도록 하여 종래의 원심펌프를 대체할 수 있는 모터펌프를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명인 일체형 밀봉 펌프는, 도 1에 도시한 바와 같이 흡입구(21)와 토출구(22)가 구비된 임펠러 케이스(20)와 상기 임펠러 케이스 내에서 모터의 회전축(15)과 결합되어 회전 가능하도록 설치된 임펠러(23)와 상기 임펠러에 회전운동을 전달하도록 임펠러와 결합된 모터부의 회전축(15)과 상기 회전축의 외주부에 방사상으로 결합된 로터(12) 및 로터의 외주부를 감싸면서 로터의 표면과 직접 대면하는 스테이터(11)로 구성된 모터부와 상기 스테이터의 외부면을 형성하며 그 내주면에 상기 스테이터가 고정되고 상기 임펠러 케이스와 결합되는 모터 본체 케이스를 주된 구성으로 포함한다.

그리고, 상기 토출구(22) 측에서 가압된 유체가 상기 모터부로 유입되는 통로(17-1)가 모터 본체 케이스(10)에 형성되며, 상기 유입된 유체의 배출 통로는 상기 회전축에 형성된 중공을 통하여 상기 회전축의 모터측 끝단부(17-2)로부터 상기 흡입구(21)측으로 배출되도록 된 것을 특징으로 한다.

이때, 모터부로 들어온 유체가 회전축(15) 내부를 통하여 흡입구(21) 방향으로 빠져나가게 하기 위하여, 상기 회전축(15)과 상기 임펠러(23)의 연결부의 임펠러 너트(24)가 중공형이 되도록 한다.

상기 회전축(15)에서, 상기 펌프부측에 결합된 제 1베어링(16-1)과 상기 모터부를 중심으로 제 1베어링의 반대측인 구동부 측에 결합된 제 2베어링(16-2)은 오일리스 베어링을 사용하도록 하며,

상기 스테이터 코어 및 코어에 감긴 권선과 백요크는 절연 피복(19)이 표면에 구비되도록 하여 고정자 권선으로부터의 누전문제를 차단한다.

그리고, 상기 모터 본체 케이스에서 임펠러 케이스의 결합부와 반대방향의 끝단이 개방되도록 하며, 여기에 덮개(30)를 부착하여 모터 구동부가 설치되도록 하며, 상기 모터 본체 케이스는 한쪽에는 제 1베어링(16-1) 결합을 위한 개방부와 반대쪽에는 구동부 설치를 위한 개방부를 가지며 인서트 성형 되는 것을 특징으로 한다.

또한, 인서트 성형시에 모터 구동부와 상기 스테이터(11)를 연결하는 케이블(32)은 졀연 피복이 됨과 동시에 상기 모터 본체 케이스 내에 삽입되어 상기 모터 본체 케이스와 함께 인서트 성형이 되도록 한다.

본 발명에 의하여 고가의 씰링재료가 불필요하면서도 스테이터와 로터 사이의 캔 구조물이 없으므로 펌프의 효율을 높일 수 있고, 캔 구조물의 제거에 따른 제작 공정의 단순화와 시간 및 비용의 절감이 가능하며, 스테이터와 베어링의 냉각을 위한 별도의 장치나 구조가 필요없게 됨이 가능해진다.

도 1은 본 발명인 일체형 밀봉펌프를 나타낸 측단면도.
도 2은 종래의 원심펌프를 나타내는 측단면도.
도 3는 종래의 마그네틱 펌프를 나타내는 측단면도.
도 4은 종래의 캔드 모터 펌프를 나타내는 측단면도.
도 5는 선행기술 문헌에서 종래의 캔드 모터 펌프에 스테이터 냉각용 라디에이터가 부착된 모습을 나타낸 측단면도.
도 6는 선행기술 문헌인 ‘모터프레임과 그 모터프레임을 사용한 모터 및 모터펌프’를 나타낸 측단면도.
도 7은 본 발명인 일체형 밀봉펌프의 제 1베어링 부위를 나타낸 정단면도.
도 8은 스테이터와 스테이터의 절연 피복 및 모터 본체 케이스의 일 부분의 정단면도

이하, 본 발명을 첨부한 예시 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명인 일체형 밀봉펌프를 나타낸 측단면도를, 도 2는 일반적인 원심 펌프(centrifugal pump)를, 도 3은 종래의 마그네틱 펌프를, 도 4는 캔드 모터 펌프를, 도 5는 선행기술 문헌에서 종래의 캔드 모터 펌프에 스테이터 냉각용 라디에이터가 부착된 모습을 나타낸 측단면도를, 도 6은 선행기술 문헌인 ‘모터프레임과 그 모터프레임을 사용한 모터 및 모터펌프’를 나타낸 측단면도를, 도 7은 본 발명인 일체형 밀봉펌프의 제 1베어링 부위를, 도 8은 스테이터 및 권선과 모터 외부 케이스 및 스테이터의 절연 피복의 정단면도를 각각 도시한 것이다.

먼저, 본 발명인 일체형 밀봉 펌프의 기본적인 구성은, 도 1에 도시한 바와 같이 흡입구(21)와 토출구(22)가 구비된 임펠러 케이스(20)와, 임펠러 케이스(20) 내에서 모터의 회전축과 결합되어 회전 가능하도록 설치된 임펠러(23)와, 임펠러(23)에 회전운동을 전달하도록 임펠러와 결합된 모터부의 회전축(15)과 회전축(15)의 외주부에 방사상으로 결합된 로터(12) 및 로터의 외주부를 감싸면서 로터의 표면과 직접 대면하는 스테이터(11)로 구성된 모터부와, 스테이터의 외부면을 형성하며 그 내주면에 스테이터(11)가 고정되고 임펠러 케이스(20)와 결합되는 모터 본체 케이스(10)를 포함하도록 이루어져있다. 따라서 구성상 종래 캔드 모터와의 가장 큰 차이는 스테이터(11)와 로터(12) 사이에 설치되어 스테이터 및 권선을 유체로부터 차단하는 캔 구조물이 빠진 것이다. 따라서, 유체는 제 1베어링을 지지하는 모터 본체 케이스(10)의 일부분에 형성된 유입구(17-1)로 흘러들어온 유체가 로터(12)뿐만 아니라 스테이터(11)도 유체에 잠기게 하며 이렇게 흘러 들어온 유체는 스테이터와 로터 사이로 흘러 제 2베어링(16-2)을 지지하는 모터 본체 케이스의 일부분에 형성된 배출구(17-2)를 통하여 회전축(15)의 제 2베어링쪽 말단의 중공(18-1)으로 유입되어 회전축의 중공을 따라 펌프부 쪽으로 흐르다가 임펠러 너트에 형성된 중공(18-2)을 통해서 흡입구(21)방향으로 배출되도록 된다. 유체가 최초에 모터 본체 쪽으로 유입되는 유입구(17-1) 부위는 유체의 압력이 높고 유체가 모터 본체에서 최종적으로 배출되는 임펠러 너트의 중공부(18-2)의 바깥은 유체가 가압되기 전이어서 압력이 낮으므로 자연 순환이 되도록 된다. 종래에는 모터 내부로 들어오는 유체 외에, 스테이터의 냉각을 위하여 별도로 모터 본체 케이싱에 냉각재킷이나 유체 통로를 별도로 마련 하여야 했으므로 수송 유체의 모터측으로의 이중의 유실이 발생하여 펌프 효율이 더욱 떨어지는 문제가 있었으나, 이에 비해 본 발명은 캔 구조물을 제거하면서 별도의 스테이터 냉각을 위한 냉각 통로가 필요 없으므로 이중의 효율 상승 효과가 있게 된다. 또한, 과열된 베어링을 냉각시키는 효과도 있다.

모터 본체 케이스와 임펠러 케이스와의 결합은 임펠러 케이스의 모터 측 개방부에서 둘레에 형성된 방사상의 연장부와 모터 본체 케이스의 임펠러측 개방부에 형성된 방사상의 연장부에 서로 같은 위치에 체결구를 마련하여 나사 또는 볼트 등의 체결부재(25)로 바람직하게는 4군데 이상의 결합을 하도록 하며 모터 본체 케이스의 상기 임펠러측 개방부에서 임펠러 케이스 내로 삽입되는 부위의 외주면에 실링용 O-링(14-1)이 삽입되도록 하여 좀 더 수밀한 결합이 이뤄지도록 한다. 또한, 모터 본체 케이스의 구동부측 개방부에 구동실이 밀폐되도록 구동실 덮개(30)가 결합되도록 하며 구동실 덮개가 모터 본체 케이스에 삽입되는 부위의 외주면과 대향하는 모터 본체 케이스의 내주면 사이에 실링용 O-링(14-2)을 삽입하여 습기등을 좀 더 수밀하게 차단하도록 한다

제 1베어링(16-1)과 제 2베어링(16-2)은 유체에 직접 노출되므로 윤활유가 유체를 오염시키지 않도록 오일리스 베어링을 사용한다. 바람직하게는 세라믹 베어링을 사용하도록 하며, 금속 베어링을 사용할 경우에는 알루미늄 청동계를 사용하도록 한다. 구체적으로는 PBT-40이나 LuBo#200을 사용하는데, 특히 고속이 요구될 경우 LuBo#200을 사용하는 것이 바람직하다. 그 외에도 LuBo500이나 DBS02(LuBo#100)을 쓰는 것도 가능하다. 그리고, 유체 베어링이나 자성 베어링의 사용도 가능하다.

본 발명은 스테이터의 코어와 권선이 직접 유체에 노출되는 구조이므로 절연이 대단히 중요하다. 본 발명에서 스테이터의 피복(19)은 5개 층으로 구성된다. 1)내부 반도전층(51) : 도체표면평활성을 확보하여 절연체와의 밀착효과를 통하여 계면에서의 부분방전 억제하고,국부적인 전기 Stress의 집중을 완화한다.

2)주 절연층(52) : 전압에 견디고 전류가 도체 외부로 새어나가는 것을방지 하기 위한 피복(XLPE)이다. 바람직하게는 가교된 폴리에틸렌을 주 성분으로 한다. 3)외부 반도전층(53) 4) 쉬이즈(54) : 절연체를 보호하기 위한 보호 피복 (PVC, PE등) 5) 외장(55) : 기계적 강도를 증가시켜 CABLE을 보호하기 위한 피복이다. 모터 구동부에서 스테이터(11)로 전원을 인가하기 위하여 연결되는 케이블(32)도 동일한 피복을 하도록 한다.

그리고, 상기 모터 본체 케이스(10)는 인서트 몰드 방식으로 성형하도록 하여 제작 공정을 단순화 하도록 한다. 이때, 케이스의 재질은 기계적 강도가 좋으면서도 부식에 강한 재질이면 어떤 것이든 상관없으며, 바람직하게는 복합재료로서, BMC 즉 불포화 폴리에스테르를 주성분으로 하고, 열가소성 폴리머로 된 저수축재와 산화마그네슘 혹은 수산화 마그네슘이 첨가된 증점재가 함께 혼합된 소재를 사용하도록 한다. 그리고, 인서트 몰딩 시에는 구동부와 스테이터(11)를 연결하는 케이블이 모터 본체 케이스의 제 2베어링 측으로 두터워진 벽체 내에 삽입되어 함께 몰딩되게 하여 좀 더 안전한 절연이 될 수 있도록 한다.

본 발명인 일체형 밀봉 펌프에서는 작동 유체가 하우징 내부를 채우게 되므로, 바람직 하게는 비 부식성 유체의 경우에 사용하는 것이 좋으며, 스테이터(11)의 철심과 권선(13) 및 전원이 인가되는 구동 케이블(.32) 등의 절연 피복이 견딜 수 있는 물리적 화학적 조건이 유지될 수 있는 유체라면 특별한 제한은 없다.

또한, 도면상에서는 일반적인 원심펌프를 예로 도시하였지만, 반드시 이에 한정되진 않으며 스크류형 펌프 등에서도 동일한 원리로 적용이 가능하다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장

바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

10. 모터 본체 케이스 11. 스테이터
12. 로터 13스테이터 권선
14-1. 제 1 O-링 14-2. 제 2 O-링
15. 회전축 16-1. 제 1베어링
16-2. 제 2베어링 17-1. 냉각유체유입구
17-2. 냉각유체 배출구 18-1. 회전축 유입구
18-2. 회전축 배출구 19. 스테이터 절연 피복
20. 임펠러 케이스 21. 흡입구
22. 토출구 23. 임펠러
24. 임펠러 너트 25. 임펠러 케이스-모터 본체 케이스 체결부재
30. 구동실 덮개 31. 전원 케이블 주입부
32. 전원 공급 케이블 51. 내부 반 도전층
52. 주 절연층 53. 외부 반 도전층
54. 쉬이즈 55. 외장

Claims (7)

1. 흡입구와 토출구가 구비된 임펠러 케이스와;
   상기 임펠러 케이스 내에서 모터의 회전축과 결합되어 회전 가능하도록 설치된 임펠러와;
   상기 임펠러에 회전운동을 전달하도록 임펠러와 결합된 모터부의 회전축과;
   상기 회전축의 외주부에 방사상으로 결합된 로터 및 로터의 외주부를 감싸면서 로터의 표면과 직접 대면하는 스테이터로 구성된 모터부와;
   상기 스테이터의 외부면을 형성하며 그 내주면에 상기 스테이터가 고정되고 상기 임펠러 케이스와 결합되는 모터 본체 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 밀봉 펌프.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 토출구 측에서 가압된 유체의 상기 모터부 로터 및 스테이터로 유입되는 통로가 상기 모터 본체 케이스에 형성되며, 상기 유입된 유체의 배출 통로는 상기 회전축에 형성된 중공을 통하여 상기 회전축의 모터측 끝단부로부터 상기 흡입구측으로 배출되도록 된 것을 특징으로 하는 일체형 밀봉 펌프.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 회전축과 상기 임펠러의 연결부의 임펠러 너트가 중공형인 것을 특징으로 하는 일체형 밀봉 펌프
4. 제 1항에 있어서,
   상기 스테이터 코어 및 코어에 감긴 권선과 백요크는 절연 피복이 표면에 구비됨을 특징으로 하는 일체형 밀봉 펌프.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 모터 본체 케이스에서 임펠러 케이스의 결합부의 반대방향의 끝단이 개방되어 모터 구동부가 설치되도록 한 것을 특징으로 하는 일체형 밀봉 펌프.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 모터 본체 케이스는 인서트 성형 되는 것을 특징으로 하는 일체형 밀봉 펌프
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   모터 구동부와 상기 스테이터를 연결하는 케이블은 졀연 피복이 됨과 동시에 상기 모터 본체 케이스 내에 삽입되어 상기 모터 본체 케이스와 함께 인서트 성형됨을 특징으로 하는 일체형 밀봉 펌프.
   

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