WO2012140789A1 - キャンドモータポンプ - Google Patents

Abstract

　キャンドモータポンプにおいて、モータのステータ（２６）は、モータのロータ（２４）を収める筒状のステータキャン（３８）と、ステータキャン（３８）と同軸に配置される筒状のステータバンド（４４）との間の空間であるステータ室（５２）内に収められる。ステータキャン（３８）とステータバンド（４４）の円筒端において、ステータ室（５２）は、円環端部板（４６），（４８）により閉じられている。ステータ室（５２）は、充填材（６６）で満たされている。充填材（６６）は、ステータ室内に充填された球状無機材料粒子と、この粒子同士を固着させる樹脂からなる。これによって、キャンドモータポンプのステータの放熱性を改善する。

Description

キャンドモータポンプ

　本発明は、キャンドモータポンプに関し、特にその構造に関する。

　キャンドモータポンプは、遠心ポンプ等のターボポンプと、これを駆動する電気モータ（以下、単にモータと記す。）が一体となった装置である。モータのロータは、円筒形状のステータキャン内に収められ、モータのステータは、このステータキャンの外側に、ロータを囲むようにして配置される。ロータを含めたモータの回転部分は、すべてステータキャン内に収められ、またステータキャン内には、ポンプの取扱い液が進入している。回転部分がステータキャン内に収められていることにより、回転部分と摺動し、かつ取扱い液の漏出を防止するためのパッキン等の構成が不要となる。モータのステータは、その外周側を囲むハウジングとステータキャンとにより形成されたステータ室内に収められている。ステータ室は、防爆基準等を満たすべく密閉された空間である。特許文献１には、ステータ室内を樹脂で満たしたキャンドモータが示されている。

特公平１－１６０９６号公報

　キャンドモータポンプにおいて、密閉されたステータ室内に配置されるステータの発した熱の放熱が問題となる。ステータ室内の空間を占める空気は熱伝導性が低いため、放熱の効率をよくするために空気より空気熱伝導性の高い樹脂等をステータ室内に充填する技術が知られている。充填された樹脂により、ステータ、特にコイルのコイルエンドで発生した熱が樹脂を介して外部に効率よく放熱される。しかし、ステータ室内に充填した樹脂を硬化させるとき、硬化過程で樹脂は一旦膨張し、その後に収縮して固化する特性があり、ステータ、ステータキャンおよびハウジングと、硬化した樹脂との間に樹脂が充填しきれない空間ができ、熱伝導性の改善が不十分という問題があった。

　本発明は、ステータ室内に充填される充填材と、ステータおよびステータ室を形成するステータキャン、ハウジング等の密着性を改善し、放熱をより効率よく行うことを目的とする。

　本発明のキャンドモータポンプは、ステータを収めるステータ室内に、球状無機材料粒子をフィラーとした樹脂を充填し、樹脂を硬化させ球状無機材料粒子同士を固着させている。球状無機材料粒子としては、樹脂が硬化するときの温度変化でも体積変化が少なく、ある程度の機械的強度を持つ球状なものであればよく、アルミナ（酸化アルミニウム）、ジルコニア（二酸化ジルコニア）、炭化珪素、窒化珪素などの一般的にセラミックと総称される物質の単体または混合物の球形粒子状の焼結体、二酸化珪素、酸化マグネシウムなど主に金属酸化物の単体または混合物の球形粒子状の焼結体、ジルコン、石英などの天然鉱物単体または混合物の球形粒子の焼結体、及びセラミックと金属酸化物または鉱物の混合物の球形粒子状の焼結体またはガラスビーズなどが利用でき、特に主成分がセラミックで構成されている粒子が好ましい。また、注入、硬化される樹脂はキャンドモータポンプの送液温度、使用環境温度などから選定し、シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂とすることができる。

　本発明では、熱膨張が少ない球状無機材料粒子を充填フィラーとして利用しているため、樹脂が硬化する時の温度変化による体積・形状の変化が殆どない。　このため、球状無機材料粒子がステータ室内にステータキャン、ハウジング等に密着した状態で隙間なく充填され、その後に樹脂を充填し、硬化させても、球状無機材料粒子と樹脂の混合物である充填材と、ステータおよびステータ室を形成するステータキャン、ハウジング等の間に余分な空間が発生せずに前記充填材の密着性が改善され、その結果、放熱性が改善される。

本実施形態のキャンドモータポンプの断面図である。 充填材の効果を示す図である。

　以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、キャンドモータポンプ１０の概略構成を示す断面図である。キャンドモータポンプ１０は、遠心ポンプの構成を有するポンプ部１２と、遠心ポンプを駆動するモータ部１４を含む。ポンプ部１２は、遠心ポンプに限らず、斜流ポンプや軸流ポンプ等のターボポンプとして構成されてもよい。ポンプ部１２において、インペラ１６は、ケーシング１８のケーシング室内に収められ、モータ軸２０の端に結合されている。ケーシング１８の、インペラ後面側には、連結板２２がボルトにより固定的に結合されている。

　モータ部１４は、モータ軸２０と一体となるよう結合されるロータ２４と、ロータ２４の周囲を取り巻くように配置されるステータ２６からなるモータ２８を備える。ステータ２６は、略円筒形の内周面に周方向に配列された磁極を有するステータコア３０と、導線がステータコアの磁極に巻回されて形成されたコイル３２を含む。コイル３２の導線の端は、端子箱３４に延びて、端子箱内に備えられる端子（不図示）に接続される。ステータコア３０の外周面には、少なくとも１本のモータの軸線方向に沿って延びる軸線方向溝３６が設けられている。

　ステータコア３０の内側、かつロータ２４の外側には、円筒形状のステータキャン３８が配置されている。ステータキャン３８は、ステータコア３０の内周面、すなわち磁極の先端面に接触し、一方、ロータ２４の外周面との間では、一定の間隔を設けて配置されている。ステータキャン３８のステータコア３０から軸線方向に外に延びた部分には、ステータキャン３８の外周面に密着してバックアップスリーブ４０，４２が設けられている。バックアップスリーブ４０，４２は、円筒形状であり、その肉厚はステータキャン３８より厚く、ステータキャン３８の変形を防止している。ステータコア３０の外周面に沿って円筒形状のステータバンド４４が設けられている。ステータキャン３８とステータバンド４４は、２重に、同心に配置され、軸線方向の長さもほぼ等しい。ステータキャン３８とステータバンド４４の両端には、円環板形状の円環端部板４６，４８が配置され、ステータキャン３８とステータバンド４４の間の円筒形の空間の端を塞いでいる。ポンプ部１２側の円環端部板４６は、連結板２２とボルトにより結合されている。また、ポンプ部１２と反対側の円環端部板４８には、ステータキャン３８の内側の空間の端を塞ぐ円板端部板５０がボルトにより結合されている。ステータバンド４４、二つの円環端部板４６，４８、および円板端部板５０は、モータ２８を収容するモータハウジングと見ることができる。ステータ２６は、モータハウジング、特にステータバンド４４および二つの円環端部板４６，４８と、ステータキャン３８とで囲まれた、または形成された空間内に収められている。この空間を以降、ステータ室５２と記す。ステータ室５２は、ステータコア３０により、モータ側のステータ室５２ａと反対側のステータ室５２ｂの二つに分けられている。これらの分けられたステータ室５２ａ，５２ｂは、ステータコア３０の磁極の間の部分および前述の軸線方向溝３６を介して繋がっている。

　ロータ２４と一体のモータ軸２０は、その両端を軸受５４，５６により支持されている。ポンプ部１２側の軸受５４は、ポンプ部１２のケーシング１８から延びる軸受ハウジング５８に保持されている。一方、反対側の端の軸受５６は、円板端部板５０から延びる軸受ハウジング６０に保持されている。円筒のステータキャン３８の内側の空間、すなわちロータ２４が収められるロータ室６２には、ポンプ部１２が吸込み、吐出する取扱い液が進入している。取扱い液はインペラ１６の背面側からロータ室６２に進入し、軸受５４またはその周囲を通過し、さらにロータ２４とステータキャン３８の隙間を通過して、ポンプ部１２と反対側の空間に達する。そして、そこからモータ軸２０の中心に軸線に沿って貫通する中心孔（不図示）を通って、インペラ１６の吸込み側に戻される。

　キャンドモータポンプ１０は、円環端部板４６，４８に固定される脚部６４により、全体を支持されている。

　ステータ室５２には、充填材６６が充填され、硬化されている。コイル３２のステータコア３０から出た部分であるコイルエンド６８も充填材６６内に埋まっている。充填材６６は、球状無機材料粒子と、樹脂、特にシリコーン樹脂との混合材料である。球状無機材料粒子は、例えば伊藤忠セラテック社製ナイガイセラビーズ６０（登録商標）を用いることができる。粒子は、真球状ではないが、全体として丸く、角のない粒子である。主成分は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）である。樹脂は、バインダーとして用いられている成分のものが利用できる。また、送液する液の温度が高い場合などは、樹脂は耐熱性に優れたものが望ましく、例えば信越シリコーン製のシリコーン樹脂ＫＲ－２４２Ｒを使用することができる。また、使用状態の環境条件、例えば温度、湿度などによりシリコーン樹脂に替えてエポキシ樹脂を使用することもできる。

　充填材６６の充填は、まず、乾燥した状態の球状無機材料粒子をステータ室５２内に、例えば端子箱３４から流し込む。端子箱３４から球状無機材料粒子を流し込んだ場合、球状無機材料粒子は、まず端子箱３４に隣接するステータ室５２ｂに流れ、次にステータコア３０の磁極の間の部分および軸線方向溝３６を伝い反対側のステータ室５２ａに達する。このとき、必要であれば、入口側（端子箱３４）から遠い側のステータ室（ステータ室５２ａ）を低くする。また、振動を加えることにより、充填密度を高めるようにすることもできる。球状無機材料粒子は、粒子が丸いために、流動性が良好であり、更に粒子径が小さいためにステータ室内の隅々までに密に充填することができる。球状無機材料粒子を充填後、シリコーン樹脂を充填する。ステータ室５２の下部、例えば円環端部板４６に樹脂を吸い上げるための開口を設けておき、この開口とは反対側から、例えば端子箱３４からステータ室５２を真空引きなどで、球状無機材料粒子間に樹脂が進入するように吸引する。このときの樹脂の流動性を高めるために、樹脂を適切な溶剤で薄め、粘度を下げるようにしてもよい。その後、加熱乾燥して、樹脂を硬化させる。球状無機材料粒子を使うことで、樹脂と別々にステータ室に注入することができ、射出成形などの大規模な設備を使用することなく、充填作業ができ、製造の手間が掛からない。

　充填フィラーとして、形状が不定形な粒子を使用すると角がつぶれたり、折れたりすることにより、さらにまた角で引っ掛かっていた粒子同士がずれるなどして、樹脂を硬化させる際に体積が減少することがある。しかし、この実施形態の粒子は球状であるために、粒子同士が密着し、粒子同士の隙間が減少することによる全体の体積減少がほとんど生じない。したがって、硬化した充填材６６と、その周囲の部材、例えばステータキャン３８、ステータバンド４４、バックアップスリーブ４０，４２、ステータコア３０、コイル３２との密着性が保たれ、伝熱性を妨げる空間を作らないために放熱性が確保される。また、樹脂がステータコア３０の磁極先端とステータキャン３８の間に進入し、この間の伝熱性も改善される。

　また、球状無機材料粒子は、粒子をステータ室５２に流し込むとき、また硬化後もコイル３２に接触するが、この際、不定形粒子のように角部がないために、コイル導線の絶縁被膜を傷つけることがない。

　図２は、キャンドモータポンプ各部の温度を示す図である。白丸「○」は充填材を用いなかった場合、黒四角「■」は充填材を用いたと場合を示す。横軸は、測定点を示し、図中に示すＳ１，Ｓ２の範囲の測定点は、ステータの磁極の間、つまりスロット内のコイル表面の温度を示す。また、Ｅで示す範囲の測定点は、コイルエンド表面の温度を示す。使用したキャンドモータポンプは、出力３０ｋＷ級のポンプであり、１００％負荷で、ほぼ飽和状態に達したときの温度を示している。使用した充填材は、球状セラミック粒子とシリコーン樹脂を組み合わせたものである。より具体的には、伊藤忠セラテック社製ナイガイセラビーズ６０（登録商標）の♯４００と、信越シリコーン製のシリコーン樹脂ＫＲ－２４２Ｒである。この型番の粒径は１５０～４２５μｍに分布する。ナイガイセラビーズ６０（登録商標）の熱伝導率は０．５６（Ｗ／ｍ・Ｋ）、シリコーン樹脂の熱伝導率は０．１４～０．３１（Ｗ／ｍ・Ｋ）、これらを混合した充填材の熱伝導率は０．６８（Ｗ／ｍ・Ｋ）であった。図２に示されるように、コイルの温度が全体的に低下し、特に温度が高くなるコイルエンド部分では、約５０℃の温度低減効果が認められた。

　充填材として、ガラスビーズとエポキシ樹脂を用いることもできる。ガラスビーズは、例えばポッターズ・バロティーニ社製の汎用ガラスビーズＧＢ３０１Ｓを使用することができる。上記のガラスビーズの熱伝導率は０．９４（Ｗ／ｍ・Ｋ）、上記エポキシ樹脂の熱伝導率は０．２（Ｗ／ｍ・Ｋ）、これらを混合した充填材の熱伝導率は０．４４（Ｗ／ｍ・Ｋ）であった。ガラスビーズとエポキシ樹脂を組み合わせた充填材は、前述の球状セラミック粒子とシリコーン樹脂を組み合わせた充填材と同じ手法で充填が可能である。上記のように、ガラスビーズとエポキシ樹脂の充填材の熱伝導率は、球状セラミック粒子とシリコーン樹脂の充填材のそれよりも低いが、コイルエンド部分の熱の放散に寄与することが確認された。充填材の選択に関しては、ポンプの取扱い流体の温度などで、適宜選択することができる。

　以上のように、この実施形態においては、コイルエンドの周囲に存在した空間が充填材により充填されているため、仮に端子台等、充填材がなく空間が残っている部分で、可燃性のガスが発生しても、この圧力波を充填材が遮ることにより、圧力波がステータキャンまで到達することを防止することができる。

　また、充填材がステータキャンに密着していることにより、ステータキャンを支え、これの変形を防止する効果が期待できる。

　本発明のキャンドモータポンプの望ましい態様の一例は、
　ターボポンプと、ターボポンプを駆動するモータを有し、
　モータのステータ内側に配置され、モータのロータを収め、ターボポンプの取扱い液で満たされる円筒形状のステータキャンと、
　ステータ外周を囲む円筒形状のステータバンドと、
　ステータキャンおよびステータバンドの円筒の両端を閉じる端部板と、
により、ステータを収めるステータ室が形成（画定、規定）され、
　ステータ室内に、球状無機材料粒子が充填され、更に充填された球状無機材料粒子同士を固着させる固着樹脂が注入されている、
キャンドモータポンプである。

　本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲により規定されている本発明の技術的範囲ないし本質から逸脱することない全ての変更及び修正を包含するものである。

　１０　キャンドモータポンプ、１２　ポンプ部、１４　モータ部、２４　ロータ、２６　ステータ、２８　モータ、３０　ステータコア、３２　コイル、３８　ステータキャン、４４　ステータバンド、４６，４８　円環端部板、５２　ステータ室、６６　充填材、６８　コイルエンド。

Claims (9)

1. 　キャンドモータポンプであって、
   　モータのロータとステータの間に位置する筒状のステータキャンと、ステータを収めるステータ室をステータキャンと共に形成するモータハウジングと、を有し、
   　ステータ室内に、球状無機材料粒子が充填され、更に充填された球状無機材料粒子同士を固着させる樹脂が注入され硬化されているキャンドモータポンプ。
2. 　請求項１に記載のキャンドモータポンプであって、前記球状無機材料粒子が、球状セラミック粒子である、キャンドモータポンプ。
3. 　請求項１に記載のキャンドモータポンプであって、前記球状無機材料粒子が、ガラスビーズである、キャンドモータポンプ。
4. 　請求項１に記載のキャンドモータポンプであって、前記樹脂がシリコーン樹脂である、キャンドモータポンプ。
5. 　請求項２に記載のキャンドモータポンプであって、前記樹脂がシリコーン樹脂である、キャンドモータポンプ。
6. 　請求項３に記載のキャンドモータポンプであって、前記樹脂がシリコーン樹脂である、キャンドモータポンプ。
7. 　請求項１に記載のキャンドモータポンプであって、前記樹脂がエポキシ樹脂である、キャンドモータポンプ。
8. 　請求項２に記載のキャンドモータポンプであって、前記樹脂がエポキシ樹脂である、キャンドモータポンプ。
9. 　請求項３に記載のキャンドモータポンプであって、前記樹脂がエポキシ樹脂である、キャンドモータポンプ。

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