(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石が埋設された羽根車と、
複数の固定子コイルが巻回された固定子コアを有するモータ固定子と、
前記モータ固定子を収容するモータケーシングと、
前記モータケーシングに形成された液体流路に連結され、かつ金属からなる吸込ポートと、
前記固定子コアおよび前記吸込ポートに接触し、かつ前記モータケーシングよりも高い熱伝導率を有する材料からなる放熱部材と、を備え、
前記吸込ポートは、円筒状の基部と、前記基部よりも小さい直径を有する、円筒状の軸部とを有し、
前記放熱部材は、前記基部と前記モータケーシングとに挟まれていることを特徴とするモータポンプ。
【請求項２】
前記放熱部材は、金属またはセラミックからなることを特徴とする請求項１に記載のモータポンプ。
【請求項３】
前記軸部の外周面には、ねじ部が形成されており、
前記モータケーシングには、ねじ孔が形成されており、
前記ねじ部は前記ねじ孔に挿入されていることを特徴とする請求項１または２に記載のモータポンプ。
【請求項４】
冷却液が流れる冷却室が前記放熱部材に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモータポンプ。
【請求項５】
前記放熱部材は、前記モータ固定子を収容する収容空間を塞ぐモータカバーとして用いられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモータポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石が埋設された羽根車を、モータ固定子が発生する磁界により回転させるモータポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石が埋設された羽根車を、モータ固定子が発生する磁界により回転させるモータポンプの従来例として、特許文献１に記載されているポンプが知られている。この特許文献１に記載のモータポンプは、永久磁石が埋設された羽根車と、羽根車に対向して配置されたモータ固定子とを有し、羽根車は１つの球面軸受により回転自在に支持されている。この球面軸受はいわゆる動圧軸受であり、羽根車を回転自在に支持しつつ、傾動自在に支持することが可能となっている。
【０００３】
上記モータ固定子は、複数の固定子コイルを有しており、これら固定子コイルに三相電流を流すと回転磁界が発生する。この回転磁界は羽根車に埋設されている永久磁石に作用し、羽根車を回転駆動する。モータ固定子は、モータケーシングに収容されており、このモータケーシングは、一般に、樹脂からなる。樹脂製のモータケーシングは、固定子コイルがモータケーシングに接触しても該固定子コイルの電気的絶縁が保たれ、地絡のおそれがないという利点がある。
【０００４】
固定子コイルに電流を流すと、固定子コイルが発熱する。モータケーシングが樹脂からなる場合、樹脂の熱伝導率は低いため、固定子コイルに発生した熱をモータケーシングから効率良く放散することが困難である。特に、固定子コイルに流れる電流が増大した場合に、固定子コイルの発熱量も増大するので、固定子コイルの温度が過度に上昇してしまう。固定子コイルの温度の過度な上昇は、固定子コイルの劣化や破損につながるので、固定子コイルを含むモータ固定子には、温度制限が設けられている。このモータ固定子の温度制限によって、モータポンプの運転範囲が制限されてしまう。したがって、モータポンプの運転範囲を拡大するために、モータ固定子の温度の上昇を効果的に抑制することができる技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２５４４８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、モータ固定子の温度の上昇を効果的に抑制することができるモータポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、永久磁石が埋設された羽根車と、複数の固定子コイルが巻回された固定子コアを有するモータ固定子と、前記モータ固定子を収容するモータケーシングと、前記モータケーシングに形成された液体流路に連結され、かつ金属からなる吸込ポートと、前記固定子コアおよび前記吸込ポートに接触し、かつ前記モータケーシングよりも高い熱伝導率を有する材料からなる放熱部材と、を備え、前記吸込ポートは、円筒状の基部と、前記基部よりも小さい直径を有する、円筒状の軸部とを有し、前記放熱部材は、前記基部と前記モータケーシングとに挟まれていることを特徴とするモータポンプである。
【０００８】
本発明の好ましい態様は、前記放熱部材は、金属またはセラミックからなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記軸部の外周面には、ねじ部が形成されており、前記モータケーシングには、ねじ孔が形成されており、前記ねじ部は前記ねじ孔に挿入されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の好ましい態様は、冷却液が流れる冷却室が前記放熱部材に取り付けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記放熱部材は、前記モータ固定子を収容する収容空間を塞ぐモータカバーとして用いられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、モータ固定子で発生した熱は、放熱部材に伝達され、さらに、放熱部材から吸込ポートに伝達される。さらに、吸込ポートに伝達された熱は、吸込ポート内を流れる液体に伝達されるので、モータ固定子で発生した熱をモータポンプの外部に効率良く放散することができる。その結果、モータ固定子の温度の上昇を効率良く抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るモータポンプを示す断面図である。
【図２】図１に示すモータポンプを矢印Ａ方向から観た図である。
【図３】羽根車に埋設されている永久磁石を示す平面図である。
【図４】図４（ａ）はモータ固定子を示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に示すＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】図１に示すモータポンプに冷却室を設けた変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るモータポンプを示す断面図であり、図２は図１に示すモータポンプを矢印Ａ方向から観た図である。このモータポンプは、複数の永久磁石５が埋設された羽根車１と、これらの永久磁石５に作用する磁力を発生するモータ固定子６と、羽根車１を収容するポンプケーシング２と、モータ固定子６を収容するモータケーシング３と、羽根車１のラジアル荷重およびスラスト荷重を支持する軸受１０とを備えている。モータ固定子６および軸受１０は、羽根車１の吸込側に配置されている。
【００１３】
ポンプケーシング２とモータケーシング３とは、図２に示す複数の連結ボルト８によって互いに固定されている。ポンプケーシング２とモータケーシング３との間にはシール部材としてのＯリング９が設けられている。羽根車１とモータケーシング３とは微小な隙間を介して対向しており、羽根車１は、モータ固定子６により発生される回転磁界が永久磁石５に作用することによって回転する。羽根車１とモータケーシング３との隙間は、互いに接触しない程度でできるだけ小さいことが好ましく、具体的には、０．５ｍｍ〜１ｍｍの範囲内で隙間を形成することが好ましい。
【００１４】
羽根車１は単一の軸受１０によって回転自在に支持されている。この軸受１０は液体の動圧を利用した滑り軸受（動圧軸受）である。この軸受１０は、互いに緩やかに係合する回転側軸受要素１１と固定側軸受要素１２の組み合わせから構成される。回転側軸受要素１１は、羽根車１に固定されており、羽根車１の液体入口を囲むように配置されている。固定側軸受要素１２はモータケーシング３に固定されており、回転側軸受要素１１の吸込側に配置されている。この固定側軸受要素１２は、羽根車１のラジアル荷重を支持するラジアル面１２ａと、羽根車１のスラスト荷重を支持するスラスト面１２ｂとを有している。ラジアル面１２ａは羽根車１の軸心と平行であり、スラスト面１２ｂは羽根車１の軸心に対して垂直である。
【００１５】
回転側軸受要素１１は環状の形状を有しており、回転側軸受要素１１の内周面が固定側軸受要素１２のラジアル面１２ａに対向し、回転側軸受要素１１の側面が固定側軸受要素１２のスラスト面１２ｂに対向している。回転側軸受要素１１の内周面とラジアル面１２ａとの間、および回転側軸受要素１１の側面とスラスト面１２ｂとの間には微小な隙間が形成されている。また、回転側軸受要素１１の内周面および側面には、動圧を発生させるための図示しないスパイラル溝が形成されている。
【００１６】
羽根車１から吐き出された液体の一部は、羽根車１とモータケーシング３との間の微小な隙間を通って軸受１０に導かれる。回転側軸受要素１１が羽根車１とともに回転すると、回転側軸受要素１１と固定側軸受要素１２との間に液体の動圧が発生し、これにより羽根車１が軸受１０によって非接触に支持される。固定側軸受要素１２は、直交するラジアル面１２ａおよびスラスト面１２ｂにより回転側軸受要素１１を支持しているので、羽根車１の傾動は軸受１０により規制される。軸受１０（回転側軸受要素１１および固定側軸受要素１２）は、セラミックまたはカーボンなどの耐摩耗性に優れた材料から形成されている。
【００１７】
モータケーシング３には、吸込口１５ａを有する吸込ポート１５が固定される。この吸込ポート１５は、ステンレス鋼などの金属からなり、図示しない吸込ラインに接続される。吸込ポート１５、モータケーシング３、および軸受１０の中心部には、それぞれ液体流路１５ｂ，３ａ，１０ａが形成されている。これら液体流路１５ｂ，３ａ，１０ａは一列に連結され、吸込口１５ａから羽根車１の液体入口まで延びる１つの液体流路を構成する。
【００１８】
吸込ポート１５は、円筒状の基部１５ｃと、該基部１５ｃよりも小さい直径を有する、円筒状の軸部１５ｄとを有する。基部１５ｃと軸部１５ｄとは、一体に構成されており、軸部１５ｄは、基部１５ｃからモータケーシング３内に延びている。基部１５ｃおよび軸部１５ｄの中心軸は、吸込ポート１５の中心軸に一致し、基部１５ｃおよび軸部１５ｄの内周面によって、液体流路１５ｂが形成されている。軸部１５ｄの外周面の一部には、ねじ部１５ｅが形成され、モータケーシング３には、ねじ孔３ｂが形成される。吸込ポート１５のねじ部１５ｅをモータケーシング３のねじ孔３ｂに係合させることにより、吸込ポート１５がモータケーシング３に固定される。
【００１９】
軸部１５ｄの先端側の外周面には、ねじ部１５ｅは形成されていない。ねじ部１５ｅが形成されていない軸部１５ｄの外周面には、環状溝１５ｆが設けられる。この環状溝１５ｆ内には、モータケーシング３と吸込ポート１５との間の隙間をシールするＯリング１３が配置される。
【００２０】
ポンプケーシング２の側面には、吐出口１６ａを有する吐出ポート１６が設けられており、回転する羽根車１によって昇圧された液体は、吐出口１６ａを通って吐き出される。なお、本実施形態に係るモータポンプは、吸込口１５ａと吐出口１６ａが直交する、いわゆるエンドトップ型モータポンプである。
【００２１】
羽根車１は、滑りやすく、かつ摩耗しにくい非磁性材料から形成されている。例えば、テフロン（登録商標）やＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）などの樹脂や、セラミックが好適に使用される。ポンプケーシング２も羽根車１と同じ材料から形成することができる。なお、軸受１０の回転側軸受要素１１を省略し、羽根車１の一部にスパイラル溝を形成し、固定側軸受要素１２のラジアル面１２ａおよびスラスト面１２ｂで羽根車１を支持してもよい。
【００２２】
図３は羽根車１に埋設されている永久磁石５を示す平面図である。図３に示すように、複数の永久磁石５は環状に配列されており、Ｓ極とＮ極とが交互に配置されている。それぞれの永久磁石５は扇形の形状を有しており、本実施形態では、永久磁石５の数は８つ（すなわち８極）である。図１に示すように、羽根車１には複数の永久磁石５に隣接して環状のマグネットヨーク（磁性体）１９が埋設されている。永久磁石５はマグネットヨーク１９の吸込側に配置されている。永久磁石５とモータ固定子６とは互いに対向するように配置され、モータ固定子６は羽根車１の吸込側に配置されている。モータ固定子６はモータケーシング３内に配置されており、モータ固定子６が収容される収容空間は、後述する放熱部材２０によって塞がれている。本実施形態では、複数の永久磁石５が設けられているが、本発明は本実施形態に限定されず、複数の磁極が着磁された１つの永久磁石を用いてもよい。具体的には、Ｓ極とＮ極とが交互に着磁された、複数の磁極を有する１つの環状の永久磁石を用いてもよい。
【００２３】
図４（ａ）はモータ固定子６を示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に示すＢ−Ｂ線断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、モータ固定子６は、複数の歯６ａを有する固定子コア６Ａと、これらの歯６ａにそれぞれ巻回された固定子コイル６Ｂと、を有している。歯６ａおよび固定子コイル６Ｂは環状に配列されている。本実施形態では、６つの歯６ａにそれぞれ固定子コイル６Ｂが巻かれており、磁極数は６となっている。羽根車１およびモータ固定子６は、軸受１０と同心状に配列されている。
【００２４】
固定子コイル６Ｂには、３本のリード線１７（図２参照）が接続されており、そのリード線１７の端子は図示しない駆動回路に接続される。この駆動回路は、スイッチング素子を用いて各固定子コイル６Ｂに供給する電流のタイミングを制御する機器である。より具体的には、駆動回路は、回転する永久磁石５の位置に基づいて各固定子コイル６Ｂに供給する電流のタイミングを制御する。永久磁石５の位置を検出する方法としては、ホール素子などの位置センサを用いる方法や、位置センサを用いずに固定子コイル６Ｂに発生する逆起電力を利用した方法などが挙げられる。本実施形態に係るモータポンプは、位置センサを用いたセンサ駆動方式または位置センサを用いないセンサレス駆動方式のいずれを採用してもよい。
【００２５】
上述した駆動回路は、永久磁石５の位置に基づいて固定子コイル６Ｂへの電流の通電を適宜切り替え、これによって永久磁石５、すなわち羽根車１が回転する。羽根車１が回転すると、液体はモータポンプの吸込口１５ａから羽根車１の液体入口に導入される。液体は羽根車１の回転によって昇圧され、吐出口１６ａから吐き出される。羽根車１が液体を移送している間、羽根車１の背面は昇圧された液体によって吸込側に（すなわち吸込口１５ａに向かって）押圧される。軸受１０は、羽根車１の吸込側に配置されているので、羽根車１のスラスト荷重を吸込側から支持する。本実施形態に係る構成によれば、１つの軸受１０により羽根車１のラジアル荷重およびスラスト荷重を非接触で支持することができるので、パーティクルを発生させることのないコンパクトなモータポンプを実現することができる。
【００２６】
モータ固定子６の電気的絶縁を確保し、かつ渦電流の発生を防止する観点から、モータケーシング３は非金属材料から構成されている。モータケーシング３を構成する材料としては、樹脂が好ましく使用される。より具体的には、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）などの安価な樹脂が使用される。樹脂製のモータケーシング３は、固定子コイル６Ｂがモータケーシング３に接触しても該固定子コイル６Ｂの電気的絶縁が保たれ、地絡のおそれがないという利点がある。樹脂でモータケーシング３を形成する方法としては、射出成形が挙げられる。
【００２７】
図１に示すように、モータケーシング３の側壁部３２は、羽根車１の吸込側の側面に対向して配置される。すなわち、側壁部３２は、羽根車１と固定子コイル６Ｂとの間に位置しており、羽根車１とモータ固定子６とを仕切る隔壁として機能する。モータ固定子６が発生する回転磁界は、側壁部３２を通って羽根車１の永久磁石５に到達する。したがって、モータケーシング３の側壁部３２は、できるだけ薄いことが好ましい。例えば、モータケーシング３の側壁部３２は、数ｍｍの厚さとされる。
【００２８】
本実施形態のモータポンプには、図１に示すように、モータ固定子６の固定子コア６Ａおよび吸込ポート１５に接触する放熱部材２０が設けられている。放熱部材２０は、モータケーシング３よりも高い熱伝導率を有する材料からなる。このような材料は、例えば、ステンレス鋼またはアルミニウムなどの金属、またはセラミックである。
【００２９】
モータ固定子６は、モータケーシング３内に形成された収容空間に収容されており、該収容空間は、図１に示すように放熱部材２０により塞がれる。したがって、本実施形態の放熱部材２０は、モータ固定子６の収容空間を塞ぐモータカバーとして用いられている。この放熱部材２０は、モータ固定子６の収容空間を塞ぐカバープレート２０ａと、カバープレート２０ａの表面からモータ固定子６に向かって突出する固定リング２０ｂとを備えている。これらのカバープレート２０ａと固定リング２０ｂとは一体に形成されている。放熱部材２０を構成するカバープレート２０ａと固定リング２０ｂとを別部材としてもよい。この場合も、カバープレート２０ａと固定リング２０ｂは、いずれもモータケーシング３よりも高い熱伝導率を有する材料からなる。
【００３０】
カバープレート２０ａは、全体として円盤形状であり、その中央には吸込ポート１５が挿入される孔が形成されている。吸込ポート１５のねじ部１５ｅはモータケーシング３のねじ孔３ｂに挿入されており、放熱部材２０のカバープレート２０ａの一部が、吸込ポート１５の基部１５ｃとモータケーシング３との間に挟まれている。この状態で、放熱部材２０の固定リング２０ｂはモータ固定子６の固定子コア６Ａに接触しており、モータ固定子６をモータケーシング３の側壁部３２に対して押圧している。このように、本実施形態の放熱部材２０は、固定子コア６Ａおよび吸込ポート１５に接触すると共に、モータ固定子６の位置を固定する固定部材としても機能する。
【００３１】
モータ固定子６の固定子コイル６Ｂに電流を流すと、固定子コイル６Ｂが発熱する。熱の一部はモータケーシング３の側壁部３２を介して液体に伝達され、他の一部はモータケーシング３および放熱部材２０を介して外気に放散される。モータ固定子６で発生した熱は、モータ固定子６の固定子コア６Ａに接触し、かつモータケーシング３よりも高い熱伝導率を有する放熱部材２０に伝達され、この放熱部材２０から効率良く外気に放散される。
【００３２】
さらに、この放熱部材２０は、吸込ポート１５に接触している。吸込ポート１５は金属からなるので、高い熱伝導率を有している。したがって、放熱部材２０から吸込ポート１５に伝達された熱は、吸込ポート１５からも効率良く外気に放散される。さらに、吸込ポート１５は、その液体流路１５ｂ内を流れる液体と接触している。したがって、吸引ポート１５に伝達された熱は、液体流路１５ｂ内を流れる液体に伝達される。その結果、モータ固定子６で発生した熱をさらにモータポンプの外部に効率良く放散することができるので、モータ固定子６の温度の上昇を効率良く抑制することができる。
【００３３】
上述したように、モータ固定子６で発生した熱は、放熱部材２０および吸引ポート１５を介してモータポンプ内を流れる液体に伝達されるため、モータポンプ内を流れる液体の温度が上昇する。したがって、モータポンプから吐出される液体は、該液体が供給される装置で温度調節されることが好ましい。このような装置は、例えば、半導体製造装置、加工機、または空調機器である。
【００３４】
モータ固定子６の冷却効率をさらに向上させるために、図５に示すように、放熱部材２０に冷却室４０を設けてもよい。図５は、図１に示すモータポンプに冷却室４０を設けた変形例を示す図である。図５に示すように、冷却室４０は、放熱部材２０の外側の表面に取り付けられている。この冷却室４０は環状の形状を有しており、冷却液入口４０Ａと冷却液出口４０Ｂとを有している。冷却液（例えば冷却水）は、図示しない冷却液供給源から冷却液入口４０Ａを通じて冷却室４０に流入し、冷却室４０の内部を流れて冷却液出口４０Ｂから排出される。このような構成によれば、モータ固定子６で発生した熱は、放熱部材２０を通じて冷却液に伝達されるので、モータ固定子６の熱をモータポンプの外部にさらに効率よく逃がすことができる。
【００３５】
図１乃至図５を参照して説明したモータポンプは、吸込口と吐出口が直交する、いわゆるエンドトップ型モータポンプであるが、吸込側配管と吐出口と羽根車が直線上に並ぶインライン型モータポンプにも本発明は適用可能である。
【００３６】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【符号の説明】
【００３７】
１    羽根車
２    ポンプケーシング
３    モータケーシング
５    永久磁石
６    モータ固定子
１０    軸受
１１    回転側軸受要素
１２    固定側軸受要素
１５    吸込ポート
１６    吐出ポート
２０    放熱部材
３２    側壁部（隔壁）
４０    冷却室
【図１】
0006625447.tif 000002
【図２】
0006625447.tif 000003
【図３】
0006625447.tif 000004
【図４】
0006625447.tif 000005
【図５】
0006625447.tif 000006