(57)【要約】【課題】モータを小型化する上で重要な課題であるモータステータの冷却を効率的に行うことを目的とする。【解決手段】キャンドモータポンプは、羽根車２０を有するポンプ部１９と、羽根車２０を回転させるモータ部１０と、モータ部１０を収容するモータ耐圧ケーシング３と、モータ部１０のモータ回転子６を収容するキャン７と、モータ部１０のステータコア４の外周面に接する内装型熱交換器１４とを備える。内装型熱交換器１４は、モータ耐圧ケーシング３内に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽根車を有するポンプ部と、
前記羽根車を回転させるモータ部と、
前記モータ部を収容するモータ耐圧ケーシングと、
前記モータ部のモータ回転子を収容するキャンと、
前記モータ部のステータコアの外周面に接する内装型熱交換器とを備え、
前記内装型熱交換器は、前記モータ耐圧ケーシング内に配置されていることを特徴とするキャンドモータポンプ。
【請求項２】
前記内装型熱交換器は、前記モータ耐圧ケーシングの周壁の内周面に接触していることを特徴とする請求項１に記載のキャンドモータポンプ。
【請求項３】
前記内装型熱交換器は、前記ステータコアの外周面に接触する内壁を有しており、前記内装型熱交換器の内壁は、前記モータ耐圧ケーシングの周壁よりも薄いことを特徴とする請求項１または２に記載のキャンドモータポンプ。
【請求項４】
前記内装型熱交換器は、前記モータ部の両端部にあるコイルエンド部と相対する位置まで延び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キャンドモータポンプ。
【請求項５】
前記モータ部は、前記ステータコアを軸方向に貫通する複数の内側導風通路および複数の外側導風通路を有しており、前記内側導風通路は前記モータ部のモータコイル付近に位置しており、前記外側導風通路は前記ステータコアの外周面に形成されてい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キャンドモータポンプ。
【請求項６】
前記内装型熱交換器は、冷却液が流れる流路を有しており、前記流路は複数のリブの間に形成されてい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キャンドモータポンプ。
【請求項７】
前記流路は螺旋状に延びることを特徴とする請求項６に記載のキャンドモータポンプ。
【請求項８】
前記モータ部のコイルエンド部が収容されるコイルエンド室内には、乾燥された不活性ガスが充填されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のキャンドモータポンプ。
【請求項９】
前記モータ部のコイルエンド部が収容されるコイルエンド室内には、液状の不活性冷媒が充填されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のキャンドモータポンプ。
【請求項１０】
前記不活性冷媒は、フロリナートであることを特徴とする請求項９に記載のキャンドモータポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ回転子がキャンに収容されたキャンドモータポンプに関し、特にモータステータを冷却する熱交換器を備えたキャンドモータポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
図８に一般的なキャンドモータポンプの一形態を示す。ポンプ部１９は、羽根車２０とポンプケーシング２１で構成されており、流体はポンプケーシング２１の吸込口２３から羽根車２０に吸引され、羽根車２０の回転により昇圧されて、ポンプケーシング２１の吐出口２５からポンプ外部に圧送される。羽根車２０は、モータ部１０によって回転される。モータ部１０は、モータ回転子６と、モータステータ１とを有している。羽根車２０は、モータ回転子６が固定されている回転軸２８に結合されている。この回転軸２８は、モータ耐圧ケーシング３に設けられているスラスト軸受３１、ラジアル軸受３２，３３で回転可能に支承されている。
【０００３】
モータ回転子６は、モータ耐圧ケーシング３の内部に設けられているモータステータ１が発生する電磁気的な作用により回転力を発生している。モータステータ１は、多数の軸方向スロットを有するステータコア４と、これら軸方向スロットの内部に収められたモータコイル２を有している。モータコイル２に外部から電力が供給されることで、モータステータ１は回転磁界を発生する。
【０００４】
モータ回転子６とモータステータ１の間には、非磁性かつ比抵抗の大きな薄肉円筒状の金属製キャン７が設けてある。モータ回転子６はキャン７の内部に配置されており、モータ回転子６はモータ冷却流体中に浸漬される。このモータ冷却流体は、ポンプ部１９によって昇圧された流体の一部を冷却することによって生成される。具体的には、ポンプ部１９によって昇圧された流体の一部は、外部熱交換器３５に導入され、この外部熱交換器３５を流れる外部冷却水によって冷却される。外部熱交換器３５を出た流体は、モータ冷却流体としてキャン７の内部に導入される。モータ冷却流体は、スラスト軸受３１およびラジアル軸受３２を通り抜けてキャン７の内部に流入し、さらにキャン７の内部およびラジアル軸受３３を通り抜けてポンプ部１９に戻される。
【０００５】
キャン７とモータ耐圧ケーシング３との間には密閉空間が形成されており、モータステータ１はこの密閉空間内に配置される。隔壁として機能するキャン７をモータステータ１の内側に設けることで、モータ冷却流体のモータステータ１への浸入を防止している。万が一キャン７が破損してモータステータ１がモータ冷却流体に浸漬されても、モータ冷却流体がポンプの外部に漏出しないよう、モータ耐圧ケーシング３はモータ冷却流体の圧力に耐えることができる耐圧容器として設計されている。
【０００６】
キャンドモータポンプは、モータ回転子６が、モータ冷却流体に浸漬された状態で回転するため、モータ冷却流体とモータ回転子６との間で摩擦損失が発生すること、モータステータ１が発生する回転磁界が金属製キャン７を横切る時に渦電流損が発生することなどから、ポンプとしての効率は一般的なメカニカルシール型ポンプと比較して劣る。そのため、キャンドモータポンプは危険液体など特にその外部への漏出を嫌う場合や、羽根車２０で昇圧された流体の圧力が高くメカニカルシールの適用が困難な場合など特殊な用途に用いられることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２５７０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
キャンドモータポンプでは、モータ回転子６、軸受３１，３２，３３、キャン７等で発生する機械的、電磁気的損失は、モータ回転子６の周囲のモータ冷却流体に伝達されるため、モータ冷却流体の温度上昇を抑制するための冷却機構が設けられるのが一般的である。図８の例では羽根車２０で加圧された流体の一部をポンプ外部に設けた外部熱交換器３５に導き、外部冷却水で適温に冷却された後、モータエンドカバー５のモータ冷却流体注入孔５ｂに導いている。
【０００９】
モータ冷却流体は、モータ回転子６のスラスト軸受３１およびラジアル軸受３２を冷却した後、モータ回転子６とキャン７の内周面との隙間を通過する時にその部分の発生熱を取り去り、もう一つのラジアル軸受３３を通過して最終的にポンプケーシング２１に戻される。モータステータ１、モータコイル２で発生した電気損失に起因する発熱の一部は、その内側に配置されたキャン７を介してモータ冷却流体で冷却されるが、残りの熱はモータ耐圧ケーシング３から周りの雰囲気に放出されなければならない。この時、周囲雰囲気への自然対流による放熱で除熱できない場合は、モータ耐圧ケーシング３の周壁３ａの外周面にジャケット冷却器３６を設けてモータ耐圧ケーシング３を冷却する場合もある（例えば特許文献１参照）。
【００１０】
しかしながら、キャンドモータポンプのモータ耐圧ケーシング３は、上述したように、モータ冷却流体が漏洩した場合でもその圧力に耐えることができる耐圧容器として設計されているため、モータ耐圧ケーシング３の周壁３ａは厚く形成されている。このため、ジャケット冷却器３６によって効率よくモータステータ１を冷却することが難しかった。特に、モータ部１０の両端にあるコイルエンド部２ａは絶縁材料で覆われており、絶縁材料の耐熱温度以下にまでコイルエンド部２ａを冷却するためには、大型のジャケット冷却器を設ける必要があり、結果としてモータ全体が大型となっていた。
【００１１】
以上のように、キャンドモータポンプの場合、モータ発生熱の冷却はコイル絶縁材料の耐熱温度制限上の観点から技術的に最重要課題の一つとなっており、このことがモータを小型化する上での律則条件になっている。
【００１２】
本発明は、上述したキャンドモータポンプのモータ冷却に関するもので、特にモータを小型化する上で重要な課題であるモータステータの冷却を効率的に行うことを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、羽根車を有するポンプ部と、前記羽根車を回転させるモータ部と、前記モータ部を収容するモータ耐圧ケーシングと、前記モータ部のモータ回転子を収容するキャンと、前記モータ部のステータコアの外周面に接する内装型熱交換器とを備え、前記内装型熱交換器は、前記モータ耐圧ケーシング内に配置されていることを特徴とするキャンドモータポンプである。
【００１４】
本発明の好ましい態様は、前記内装型熱交換器は、前記モータ耐圧ケーシングの周壁の内周面に接触していることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記内装型熱交換器は、前記ステータコアの外周面に接触する内壁を有しており、前記内装型熱交換器の内壁は、前記モータ耐圧ケーシングの周壁よりも薄いことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記内装型熱交換器は、前記モータ部の両端部にあるコイルエンド部と相対する位置まで延びていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の好ましい態様は、前記モータ部は、前記ステータコアを軸方向に貫通する複数の内側導風通路および複数の外側導風通路を有しており、前記内側導風通路は前記モータ部のモータコイル付近に位置しており、前記外側導風通路は前記ステータコアの外周面に形成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記内装型熱交換器は、冷却液が流れる流路を有しており、前記流路は複数のリブの間に形成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記流路は螺旋状に延びることを特徴とする。
【００１６】
本発明の好ましい態様は、前記モータ部のコイルエンド部が収容されるコイルエンド室内には、乾燥された不活性ガスが充填されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記モータ部のコイルエンド部が収容されるコイルエンド室内には、液状の不活性冷媒が充填されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記不活性冷媒は、フロリナートであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
内装型熱交換器はモータ耐圧ケーシング内に収容されているので、内装型熱交換器自体を耐圧容器として構成する必要がない。したがって、内装型熱交換器の内壁を非常に薄くできるので、内装型熱交換器は、その内部を流れる冷却液により効率よくモータステータを冷却することができる。しかも、内装型熱交換器は、モータ耐圧ケーシング内に形成された密閉空間であるコイルエンド室内の気体に直接接触し、気体の自然対流を発生させ、モータコイルのコイルエンド部を効率よく冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るキャンドモータポンプの第１の実施形態を示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】内装型熱交換器の断面を示す模式図である。
【図４】図３に示す流路を示す展開図である。
【図５】本発明に係るキャンドモータポンプの第２の実施形態を示す図である。
【図６】図５のＢ−Ｂ線断面図である。
【図７】本発明に係るキャンドモータポンプの第３の実施形態を示す図である。
【図８】一般的なキャンドモータポンプの一形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明の実施形態を図に従って説明する。特に説明しない本実施形態の構成は、図８に示すキャンドモータポンプの構成と同じであるので、同一または対応する要素には同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。
【００２０】
図１は、本発明に係るキャンドモータポンプの第１の実施形態を示す図であり、図２は、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。モータステータ１を収容するモータ耐圧ケーシング３の内部には、内装型熱交換器１４が設けられている。この内装型熱交換器１４は、その内部に冷却液が導通する流路１５を有し、直接的にモータステータ１を冷却するものである。図２に示すように、内装型熱交換器１４は、冷却液が流れる複数の流路１５をその内部に有している。これら流路１５は、複数のリブ１６の間に形成されており、リブ１６は、内装型熱交換器１４の内壁１７と外壁１８との間に設けられている。内壁１７と外壁１８は円筒状である。
【００２１】
内装型熱交換器１４は、ステータコア４の外周面に直接的に接触しており、図８のジャケット冷却器３６のようにモータ耐圧ケーシング３の周壁３ａを介して冷却する場合と比較して冷却効率を高くすることができる。内装型熱交換器１４は、モータ耐圧ケーシング３内にモータステータ１とともに配置されている。
【００２２】
内装型熱交換器１４は円筒形状を有している。内装型熱交換器１４の内周面（すなわち内壁１７の内周面）は、ステータコア４の外周面に接触しており、内装型熱交換器１４の外周面（すなわち外壁１８の外周面）は、モータ耐圧ケーシング３の周壁３ａの内周面に接触している。キャン７の外周面はステータコア４の内面に接触している。したがって、キャン７の内部を流れるモータ冷却流体の圧力は、キャン７、ステータコア４、および内装型熱交換器１４を伝ってモータ耐圧ケーシング３の周壁３ａに支持される。
【００２３】
ここで、モータ耐圧ケーシング３の周壁３ａの厚さをＴｍ、内圧をＰ、モータ耐圧ケーシング３の内径をＤ、モータ耐圧ケーシング３の材料の許容応力をＳとすると、モータ耐圧ケーシング３の周壁３ａの厚さＴｍは、式Ｔｍ＝Ｐ×Ｄ／（２Ｓ）で表すことができる。例えば、Ｐ＝１０ＭＰａ、Ｄ＝１０００ｍｍ、Ｓ＝１００ＭＰａとすれば、モータ耐圧ケーシング３の周壁３ａの厚さＴｍは５０ｍｍとなる。
【００２４】
内装型熱交換器１４は、その外周面がモータ耐圧ケーシング３の周壁３ａの内周面で支えられているため、流路１５間のリブ１６の個数が十分ある場合、内装型熱交換器１４の内壁１７は非常に薄くできる。例えば、上記の条件の場合には、内装型熱交換器１４の内壁１７の厚さｔｃは３ｍｍ〜５ｍｍ程度で十分である。
【００２５】
公知のフーリエの伝熱式によれば、熱交換器の除熱量は、壁の厚さに概ね反比例する。図８に示すジャケット冷却器３６の除熱量をＱｊ、内装型熱交換器１４の除熱量をＱｉとすれば、Ｑｉ／Ｑｊ∝Ｔｍ／ｔｃとなる。上記の例に従ってモータ耐圧ケーシング３の周壁３ａの厚さＴｍを５０ｍｍとし、内装型熱交換器１４の内壁１７の厚さｔｃを３ｍｍ〜５ｍｍとすると、Ｔｍ／ｔｃ≧１０となり、交換熱量比は１０倍以上となる。
【００２６】
このように、内装型熱交換器１４の内壁１７の厚さｔｃを、モータ耐圧ケーシング３の周壁３ａの厚さＴｍよりも非常に小さくできるので、内装型熱交換器１４の除熱量Ｑｉはジャケット冷却器３６の除熱量Ｑｊよりもはるかに大きくできる。すなわち、内装型熱交換器１４は、図８に示すジャケット冷却器３６よりもモータステータ１を強力に冷却することができるため、その分モータの小型化が可能である。
【００２７】
内装型熱交換器１４の冷却液が流れる流路１５を、軸方向に延びる多数の流路、あるいは一条以上の螺旋流路で構成することにより、内装型熱交換器１４の周方向冷却分布を均一化するとともに、流路１５間のリブ１６の補強効果により必要な機械的強度を持たせることができる。図３は、内装型熱交換器１４の断面を示す模式図であり、図４は、図３に示す流路１５を示す展開図である。図３および図４は、内装型熱交換器１４の流路１５を説明するために模式的に示しており、図１および図２の寸法とは異なる。
【００２８】
図３および図４に示すように、複数の流路１５は、螺旋状に延びている。各流路１５の両端は入口側ヘッダー４１と出口側ヘッダー４２にそれぞれ接続されている。入口側ヘッダー４１は、冷却液の入口４３に接続され、出口側ヘッダー４２は、冷却液の出口４４に接続されている。冷却液は、入口４３を通じて入口側ヘッダー４１に流入し、さらに入口側ヘッダー４１から螺旋状の各流路１５を流れる。それぞれの流路１５を流れた冷却液は、出口側ヘッダー４２内で合流し、出口４４を通って内装型熱交換器１４の外部に排出される。複数の螺旋状の流路１５に代えて、一条の螺旋状の流路１５を形成してもよい。
【００２９】
内装型熱交換器１４を採用することによる効果の一つとして挙げられることは、これまで冷却が困難でモータの耐熱絶縁等級決定上の律則になっていたモータコイル２のコイルエンド部２ａの冷却を可能にすることである。即ち、内装型熱交換器１４は、モータステータ１の両端にあるコイルエンド部２ａに相対する位置まで延びている。このように構成することで、高温のコイルエンド部２ａで加熱されたコイルエンド室８内の気体が上昇し、モータ耐圧ケーシング３の内面を伝って内装型熱交換器１４に至り、そこで冷却されて下降し、再びコイルエンド部２ａに戻る。このような循環する気体による自然対流冷却をコイルエンド室８内に積極的に生じせしめることで、コイルエンド部２ａの温度上昇を抑制することが可能となる。
【００３０】
図５は、本発明に係るキャンドモータポンプの第２の実施形態を示す図であり、図６は、図５のＢ−Ｂ線断面図である。発熱源であるモータコイル２付近のステータコア４には、複数の内側導風通路５１が設けられている。また、ステータコア４の外周面、すなわちステータコア４が内装型熱交換器１４と接する部分には、複数の外側導風通路５２が形成されている。内側導風通路５１および外側導風通路５２は、モータ部１０の軸方向に延びており、ステータコア４を貫通している。内側導風通路５１および外側導風通路５２は、丸穴でもよいし、多角穴でもよい。
【００３１】
一方のコイルエンド室８と他方のコイルエンド室８は内側導風通路５１および外側導風通路５２で接続される。したがって、キャンドモータポンプが鉛直に設置される場合は、高温のモータコイル２付近の内側導風通路５１には上昇流が、低温の内装型熱交換器１４付近の外側導風通路５２には下降流が生じるため、図５の矢印で示すように、下方のコイルエンド室８と上方のコイルエンド室８との間を循環する気体の循環流が形成される。この気体の循環流により、モータステータ１、モータコイル２、およびコイルエンド部２ａをさらに効率よく冷却できる。
【００３２】
コイルエンド室８内に充填される気体は、一般的には空気であるが、湿気を有する空気の場合、モータステータ１で加熱された後、内装型熱交換器１４で冷却されると結露が生じるおそれがあるため、乾燥空気あるいはより好ましくは窒素、アルゴンなどの乾燥した不活性ガスが好ましい。また、気体の代わりにフロリナート等の常温・常圧では液体で、コイルエンド部２ａを覆う絶縁材料の耐熱温度以下の適切な温度で蒸発する性質を有する不活性冷媒をコイルエンド室８内に充填してもよい。不活性冷媒は、モータステータ１に設けられた内側導風通路５１内で加熱されて蒸発するときに蒸発潜熱分を除熱できるため、冷却効果をさらに高めることができる。蒸発した不活性冷媒は、内装型熱交換器１４で冷却され再び液体に戻ることで、ループ型サーモサイフォン式冷却サイクルが持続される。
【００３３】
内装型熱交換器１４はモータ耐圧ケーシング３内に収容されているので、内装型熱交換器１４自体を耐圧容器として構成する必要がない。したがって、内装型熱交換器１４の流路１５を形成する壁１７を非常に薄くできるので、内装型熱交換器１４は、その内部を流れる冷却液により効率よくモータステータ１を冷却することができる。しかも、内装型熱交換器１４は、モータ耐圧ケーシング３内に形成された密閉空間であるコイルエンド室８内の気体に直接接触し、気体の自然対流を発生させ、モータコイル２のコイルエンド部２ａを効率よく冷却することができる。
【００３４】
図７は、本発明に係るキャンドモータポンプの第３の実施形態を示す図である。本実施形態では、内装型熱交換器１４の両端部は、半径方向内側に突出しており、コイルエンド部２ａに近づけられている。したがって、内装型熱交換器１４は、より効率的にコイルエンド部２ａを冷却することができる。
【００３５】
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。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】
【００３６】
１      モータステータ
２      モータコイル
２ａ    コイルエンド部
３      モータ耐圧ケーシング
３ａ    周壁
４      ステータコア
５      モータエンドカバー
５ｂ    モータ冷却流体注入孔
６      モータ回転子
７      キャン
８      コイルエンド室
１０      モータ部
１４      内装型熱交換器
１５      流路
１６      リブ
１７      内壁
１８      外壁
１９      ポンプ部
２０      羽根車
２１      ポンプケーシング
２３      吸込口
２５      吐出口
２８      回転軸
３１      スラスト軸受
３２，３３    ラジアル軸受
３５      外部熱交換器
３６      ジャケット冷却器
４１      入口側ヘッダー
４２      出口側ヘッダー
４３      入口
４４      出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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