(57)【要約】【課題】耐食性が要求される環境において使用することが可能な水中モータポンプを実現できるようにする。【解決手段】水中モータポンプ１０は、モータ部２０と、ポンプ部３０と、外側ケーシング５１とを備えている。モータ部２０は、金属製のモータケーシング２１と、モータケーシング２１の底面から突出したモータ軸２２とを有している。ポンプ部３０は、モータ軸２２と連結された樹脂製のポンプ羽根車３１と、ポンプ羽根車３１を収納する樹脂製のポンプケーシング３２とを有している。外側ケーシングは、モータ部２０を囲み、モータ部２０を収容する収容空間５０Ａ形成し、収容空間５０Ａには、冷却液４５が封入されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製のモータケーシングと、前記モータケーシングの底面から突出したモータ軸とを有するモータ部と、
前記モータ軸と連結された樹脂製のポンプ羽根車と、前記ポンプ羽根車を収納する樹脂製のポンプケーシングとを有するポンプ部と、
前記モータ部を囲み、前記モータ部を収容する収容空間を形成する樹脂製の外側ケーシングと、
前記収容空間に封入された冷却液とを備えている、水中モータポンプ。
【請求項２】
前記モータケーシングと前記ポンプ部との間に設けられ、前記モータ軸をシールする軸封装置をさらに備え、
前記収容空間は、前記モータケーシングの側面を囲む第１の空間と、前記軸封装置を囲む第２の空間とを有し、
前記第１の空間と前記第２の空間とは互いに独立し、
前記冷却液は前記第１の空間に封入されている、請求項１に記載の水中モータポンプ。
【請求項３】
前記モータケーシングと前記ポンプ部との間に設けられ、前記モータ軸をシールする軸封装置をさらに備え、
前記収容空間は、前記モータケーシングの側面を囲む第１の空間と、前記軸封装置を囲む第２の空間とを有し、
前記第１の空間と前記第２の空間とは互いに連通し、
前記冷却液は、前記軸封装置の潤滑剤としても機能する、請求項１に記載の水中モータポンプ。
【請求項４】
前記冷却液は、前記モータケーシングの側面及び前記第２の空間の天面と接している、請求項３に記載の水中モータポンプ。
【請求項５】
前記第２の空間内に設けられ、前記モータ軸と共に回転することにより、前記冷却液を攪拌する回転翼をさらに備えている、請求項３又は４に記載の水中モータポンプ。
【請求項６】
前記モータ軸はチタン又はチタン合金からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の水中モータポンプ。
【請求項７】
前記モータ部は、ステーターを有し、
前記モータケーシングのモータ軸方向の長さに対する、前記ステーターのモータ軸方向の長さの比は０．５以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の水中モータポンプ。
【請求項８】
前記モータ部を制御するインバータをさらに備え、
前記インバータは、吐出し量の変化に伴う消費電力の変化を小さくするように前記モータ部を制御する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の水中モータポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中モータポンプに関し、特に耐食性を必要とする水中モータポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
海水等の腐食性の液体中において水中モータポンプを用いると、金属部分が腐食するため、水中モータポンプの寿命が大幅に低下する。このため、水中モータポンプの接液部をできるだけ樹脂化することが検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平５−１４５９０号公報
【特許文献２】特開２００２−３１００８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、現状では水中モータポンプを完全に樹脂化することは困難である。特に、モータのケーシングを樹脂化しようとすると、強度が足りずに破損する恐れがある。また、樹脂は金属と比べて熱伝導度が小さいため、十分に放熱することができず、モータが熱により損傷する恐れもある。
【０００５】
モータのケーシングを樹脂化するのではなく、耐食性が高いチタン合金等により形成することも考えられる。しかし、チタン合金はステンレス等の一般的な金属材料と比べて高価である。また、加工も困難である。このため、水中モータポンプのコストを大きく押し上げてしまうという問題がある。
【０００６】
揚液とモータケーシングとが接しないようにしてモータを冷却する方法も検討されている（例えば、特許文献２を参照）。しかし、これは気中での連続運転を可能にするための技術である。腐食性の揚液を取り扱うことについては何ら検討されていない。
【０００７】
本開示の課題は、前記の問題を解決し、耐食性が要求される環境において使用することが可能な水中ポンプを実現できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の水中モータポンプの一態様は、金属製のモータケーシングと、モータケーシングの底面から突出したモータ軸とを有するモータ部と、モータ軸と連結された樹脂製のポンプ羽根車と、ポンプ羽根車を収納する樹脂製のポンプケーシングとを有するポンプ部と、モータ部を囲み、モータ部を収容する収容空間を形成する樹脂製の外側ケーシングと、収容空間に封入された冷却液とを備えている。
【０００９】
水中モータポンプの一態様において、モータケーシングとポンプ部との間に設けられ、モータ軸をシールする軸封装置をさらに備え、収容空間は、モータケーシングの側面を囲む第１の空間と、軸封装置を囲む第２の空間とを有し、第１の空間と第２の空間とは互いに独立し、冷却液は第１の空間に封入されている構成としてもよい。
【００１０】
また、モータケーシングとポンプ部との間に設けられ、モータ軸をシールする軸封装置をさらに備え、収容空間は、モータケーシングの側面を囲む第１の空間と、軸封装置を囲む第２の空間とを有し、第１の空間と第２の空間とは互いに連通し、冷却液は、軸封装置の潤滑剤としても機能する構成としてもよい。
【００１１】
この場合において、冷却液は、モータケーシングの側面及び第２の空間の天面と接していてもよい。
【００１２】
また、第２の空間内に設けられ、モータ軸と共に回転することにより、冷却液を攪拌する回転翼をさらに備えている構成としてもよい。
【００１３】
水中モータポンプの一態様において、モータ軸はチタン又はチタン合金としてもよい。
【００１４】
水中モータポンプの一態様において、モータ部は、ステーターを有し、モータケーシングのモータ軸方向の長さに対するスタータのモータ軸方向の長さの比は０．５以下としてもよい。
【００１５】
水中モータポンプの一態様において、モータ部を制御するインバータをさらに備え、インバータは、吐出し量の変化に伴う消費電力の変化を小さくするようにモータ部を制御する構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本開示の水中モータポンプによれば、耐食性が要求される環境において使用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】一実施形態に係る水中モータポンプを示す断面図である。
【図２】一実施形態に係る水中モータポンプの変形例を示す断面図である。
【図３】一実施形態に係る水中モータポンプの変形例を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、水中モータポンプの実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示にすぎない。
【００１９】
図１は、本実施形態の水中モータポンプ１０の構成を示している。図１に示すように水中モータポンプ１０は、モータ部２０とポンプ部３０とを備えている。モータ部２０は、一方が開口した円筒状のモータケーシング２１を有している。モータケーシング２１の内部には、ステーター２４と、永久磁石２６を含むローター２７とが設けられている。ローター２７は、モータ軸２２と一体となっている。モータ軸２２の一方の端部は、軸受７１により保持されている。軸受７１は、モータケーシング２１の蓋となる軸受ブラケット２８に固定されている。モータ軸２２の他端は、モータケーシング２１の底面を貫通し、ポンプ部３０側へ延びている。モータケーシング２１の底面には軸受７２が設けられており、モータ軸２２を保持している。
【００２０】
モータケーシング２１は、金属製である。中でも、熱伝導度、強度、耐食性及び価格等の観点からステンレス鋼が好ましい。モータケーシング２１は、プレス加工等により形成することができる。モータケーシング２１は他の方法により形成することもできる。軸受ブラケット２８は特に限定されないが、アルミダイカスト等により形成すればよい。必要な強度が得られれば軸受ブラケット２８を樹脂により形成してもよい。モータ軸２２は、特に限定されないが耐食性に優れたチタン又はチタン合金製とすることができる。また、セラミック等の材料により形成することもできる。
【００２１】
ポンプ部３０は、モータ軸２２と連結されたポンプ羽根車３１とポンプ羽根車３１を収容するポンプケーシング３２とを有している。ポンプ羽根車３１は、樹脂製であり、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ウレタンゴム、ガラス繊維強化樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリアミド（ＰＡ）等とすることができる。ポンプケーシング３２は、樹脂製であり、例えば、ＰＰＳ、ガラス繊維強化樹脂、ＡＢＳ、ＰＡ等とすることができる。ポンプケーシング３２は、上部ポンプケーシング３２Ａと下部ポンプケーシング３２Ｂとにより構成されている。ポンプケーシング３２は、揚液の吸い込み口である吸入口３５ａと、揚液を吐出する吐出口３５ｂとを有している。吐出口３５ｂには、必要に応じて配管接続用の相フランジ３７が取り付けられている。
【００２２】
ポンプ部３０とモータケーシング２１との間には、モータ軸２２をシールする軸封装置４１が設けられている。軸封装置４１により、モータケーシング２１内への水の浸入を防いでいる。軸封装置４１は、特に限定されないがメカニカルシールを用いることができる。また、オイルシールやグランドパッキン等を用いることもできる。
【００２３】
モータ部２０のポンプ部３０と反対側には、モータカバー５３が設けられている。モータカバー５３は、樹脂性であり、例えばＰＰＳ、ガラス繊維強化樹脂、ＡＢＳ、ＰＡ等とすることができる。モータカバー５３と軸受ブラケット２８との間に形成される空間には、インバータ６１が収容されている。インバータ６１は、モータ部２０の運転を制御する。インバータ６１にはケーブル６２により電力が供給される。ケーブル６２がモータカバー５３を貫通する部分はシールされている。
【００２４】
ポンプ部３０とモータカバー５３との間には、モータ部２０を収容する外側ケーシング５１が設けられている。外側ケーシング５１は、樹脂性であり、例えばＰＰＳ、ガラス繊維強化樹脂、ＡＢＳ、ＰＡ等とすることができる。
【００２５】
図１において、外側ケーシング５１は、両端が開口した円筒状であり、間に隔壁５１Ａを有している。モータカバー５３と隔壁５１Ａとの間の第１の空間５０Ａは、モータケーシング２１の側面を囲んでいる。第１の空間５０Ａにはモータケーシング２１の冷却液４５が封入されている。冷却液４５は特に限定されないが、水を用いることができる。冷却液４５は防錆剤等を含んでいてもよい。上部ポンプケーシング３２Ａと隔壁５１Ａとの間の第２の空間５０Ｂは、第１の空間５０Ａとは独立している。第２の空間５０Ｂは、軸封装置４１を囲んでいる。図１には軸封装置４１がメカニカルシールであり、第２の空間５０Ｂが軸封装置４１の潤滑剤４６が封入された潤滑剤ボックスである構成を示している。潤滑剤４６は、軸封装置４１に応じて選択すればよい。例えば、オイル等を用いることができる。潤滑剤４６は、第２の空間５０Ｂを完全に満たしていてもよく、完全に満たしていなくてもよい。また、軸封装置４１の構成によっては、第２の空間５０Ｂに潤滑剤４６が封入されていなくてもよい。
【００２６】
本実施形態の水中モータポンプ１０は、外側ケーシング５１が設けられているため、金属製のモータケーシング２１は揚液と接しない。このため、揚液が海水等の腐食性の液体である環境においても、水中モータポンプ１０を用いることができる。また、外側ケーシング５１とモータケーシング２１との間の第１の空間５０Ａに冷却液４５が封入されている。このため、モータ部２０において発生した熱は、モータケーシング２１から速やかに冷却液４５に伝わり、冷却液４５から外側ケーシング５１へ伝わり、外側ケーシング５１から水中モータポンプ１０の周りに存在する揚液へと伝わる。従って、モータ部２０を効率よく冷却することができる。
【００２７】
モータ部２０における熱の大部分はステーター２４において発生する。ステーター２４は、モータケーシング２１と接しているため、ステーター２４において発生した熱は、モータケーシング２１に伝わる。しかし、モータケーシング２１が樹脂製である場合には、熱伝導度が低いため、モータケーシング２１のステーター２４と接している部分に熱が滞留する。このため、モータケーシング２１が揚液と直接接していたとしても、モータケーシング２１の狭い範囲からしか放熱することができない。
【００２８】
一方、本実施形態においては、モータケーシング２１が金属製であるため、熱は速やかにモータケーシング２１全体に拡がる。モータケーシング２１の側面の広い範囲が冷却液４５と接しているため、モータケーシング２１から冷却液４５への熱の移動も広い範囲において生じる。さらに、冷却液４５から外側ケーシング５１への熱の移動も広い範囲において生じ、外側ケーシング５１の広い範囲に熱が伝わる。その結果、外側ケーシング５１が樹脂であっても、水中モータポンプ１０を取り囲む揚液へ効率よく熱を伝えることができる。なお、放熱の観点から外側ケーシング５１の周りを揚液が取り囲んでいる状態で運転することが好ましいが、外側ケーシング５１が空気中に露出した状態で運転することも可能である。
【００２９】
冷却液４５は、特に限定されないが、水、オイル、又は有機溶媒等を用いることができる。放熱の効率の観点からは、熱伝導度が高く、取り扱いが容易な水が好ましい。水には防錆剤又は防食剤等が添加されていてもよい。
【００３０】
冷却液４５の量は、特に限定されないが放熱の効率の観点からは多い方が好ましい。例えば、モータケーシング２１におけるステーター２４の位置よりも高い位置まで冷却液４５を満たすようにすることが好ましい。
【００３１】
図１に示した水中モータポンプ１０は、外側ケーシング５１により形成される第１の空間５０Ａと第２の空間５０Ｂとが互いに独立している。しかし、図２に示すように、第１の空間５０Ａと第２の空間５０Ｂとを接続する通路が設けられた水中モータポンプ１０Ａとしてもよい。この場合には、第２の空間５０Ｂにも冷却液４５が満たされる。冷却液４５は、軸封装置４１の潤滑剤として機能する液体とすることができる。冷却液４５をオイルとした場合には、水の場合よりも熱伝導度が低下する。しかし、冷却液４５の液量が増加し、広い範囲から放熱することが可能となるという利点が得られる。また、外側ケーシング５１の下部及び第２の空間５０Ｂとポンプ部３０との隔壁（上部ポンプケーシング３２Ａ）からも放熱されるという利点も得られる。なお、水系の潤滑剤を用いることができるメカニカルシールを用いれば、第１の空間５０Ａと第２の空間５０Ｂとが連通している場合においても、水系の冷却液を用いることができる。
【００３２】
第１の空間５０Ａと第２の空間５０Ｂとを連通させる場合には、図３に示すように、冷却液４５を強制的に循環させるために、第２の空間５０Ｂに攪拌翼７５を設けてもよい。攪拌翼７５をモータ軸２２により回転させることにより、冷却液４５が強制的に循環され、冷却効率がさらに向上する。但し、攪拌翼７５を設けていない場合においても、冷却液４５は対流により常に混合されるため、攪拌翼７５を設けなくても問題ない。
【００３３】
第１の空間５０Ａと第２の空間５０Ｂとを連通させる場合には、冷却液４５が第２の空間５０Ｂの天面（隔壁５１Ａの下面）と接するようにすることができる。冷却液４５が第２の空間５０Ｂの天面と接していることにより、モータケーシング２１の底面からの放熱も促進させることができる。
【００３４】
本実施形態の水中モータポンプ１０及び１０Ａは、効率よく放熱することが可能であるが、発熱自体を低減するという観点から、効率がよい永久磁石同期モータを用いることが好ましい。特に、モータ効率が９５％以上のモータを用いることが好ましい。但し、誘導モータを用いることもできる。誘導モータを用いる場合にはインバータ６１を設けなくてもよい。永久磁石同期モータにおいては、ステーター２４の軸方向の長さ（高さ）ｌが大きい場合もあるが、モータの軽量化の観点からｌが小さい方が好ましい。ステーター２４の軸方向の長さｌが小さい場合、例えばモータケーシング２１の軸方向の長さ（高さ）Ｌに対する、ステーター２４の軸方向の長さｌの比ｌ／Ｌが０．５以下となる場合には、本実施形態の構成による冷却効率の向上が特に期待できる。なお、ステーター２４の軸方向の長さｌは、ステーター２４のモータケーシング２１と接している部分の長さである。
【００３５】
モータ部２０の出力は、必要とされる水中ポンプの特性に合わせて選択すればよいが、十分な冷却が必要となる２５０Ｗ以上でより高い効果が期待できる。また、金属製のモータケーシングを揚液に直接接液させる構成よりは冷却効率が低いため２．２ｋＷ以下が好ましい。
【００３６】
水中ポンプの場合、一般に締切状態から開放状態まで消費電力が一定ではなく、使用条件により消費電力が大きく変化する。しかし、ピーク値に合わせて熱的・電気的容量を設計しているため、消費電力が低い条件では発熱量に余裕があるにも関わらずその余裕を利用できなかった。本実施形態の水中モータポンプ１０及び１０Ａは、インバータ６１を搭載しているため、インバータ６１により、消費電力の大きな運転状態では消費電力を抑えて、運転条件の変化による消費電力の変化を小さくし、ほぼ一定にする制御を行うことができる。これにより、モータ部２０の発熱量を使用条件によらずほぼ一定にすることができ、水中モータポンプを効率的に運転することができる。消費電力を一定にする方法としては、特に限定されないが、あらかじめ作成した電流値と周波数との対応テーブルに従って、モータの回転を制御する方法を用いることができる。
【００３７】
本実施形態の水中モータポンプ１０及び１０Ａにおいて、第１の空間５０Ａが外側ケーシング５１とモータカバー５３とにより形成される例を示した。しかし、外側ケーシング５１をさらに高くして、外側ケーシング５１がモータカバー５３を覆う構成としてもよい。この場合、外側ケーシング５１の開口部を覆う蓋体を設ければよい。また、外側ケーシング５１の第１の空間５０Ａを形成する部分と、第２の空間５０Ｂを形成する部分とを別体としてもよい。外側ケーシング５１とモータカバー５３とが一体となった構成とすることもできる。インバータ６１が不要の場合にはモータカバー５３が設けられておらず、軸受ブラケット２８の上面が冷却液４５と接する構成としてもよい。
【００３８】
本実施形態の水中モータポンプにおいて、接液部のボルト及びナット等はチタン又はチタン合金製としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本開示の水中モータポンプは、効率よく放熱を行いながら、耐食性が要求される環境において使用することが可能であり、水中モータポンプとして有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１０      水中モータポンプ
１０Ａ    水中モータポンプ
２０      モータ部
２１      モータケーシング
２２      モータ軸
２４      ステーター
２６      永久磁石
２７      ローター
２８      軸受ブラケット
３０      ポンプ部
３１      ポンプ羽根車
３２      ポンプケーシング
３２Ａ    上部ポンプケーシング
３２Ｂ    下部ポンプケーシング
３５ａ    吸入口
３５ｂ    吐出口
３７      相フランジ
４１      軸封装置
４５      冷却液
４６      潤滑剤
５０Ａ    第１の空間
５０Ｂ    第２の空間
５１      外側ケーシング
５１Ａ    隔壁
５３      モータカバー
６１      インバータ
６２      ケーブル
７１      軸受
７２      軸受
７５      攪拌翼
【図１】
2015025429.tif 000003
【図２】
2015025429.tif 000004
【図３】
2015025429.tif 000005