JP2003148391A - ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 羽根車を取り付けた軸を支持する軸受にポン
プ取扱液の吐出し圧力を使用する自圧式の静圧軸受を用
いるポンプにおいて、ポンプの起動時及び停止時の静圧
軸受の摩耗を防止でき、静止軸受等の摩耗による軸系の
異常振動等を検出できるポンプを提供すること。 【解決手段】 軸１５を非接触浮上支持する制御型の磁
気軸受９、９及びその制御装置を設け、該制御装置は、
ポンプの回転起動から静圧軸受１１、１１が機能開始す
る回転数となるまでを磁気軸受９、９で軸１５を非接触
浮上支持し、該磁気軸受９、９の軸１５の変位を検出す
る変位センサ８、８の出力から静圧軸受１１、１１の作
動を検知し、所定のタイミングで磁気軸受９、９の作動
を停止し、その後の回転数上昇時及び定常回転時には静
止軸受１１、１１で軸１５を支持し、ポンプの回転停止
時には静圧軸受１１、１１の機能低下を変位センサ８、
８の出力から検知し、磁気軸受９、９を自動起動する機
能を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はポンプの羽根車を取
り付けた軸を支持する軸受に、該ポンプの取扱液（水、
化学液、或いはＬＮＧ等の液化ガス）の吐出し圧力を使
用する自圧式の静圧軸受を用いるポンプに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】ポンプの羽根車を取り付けた軸を支持す
る軸受に、水、化学液、或いはＬＮＧ等の液化ガス等の
ポンプ取扱液の吐出し圧力を使用するポンプは既に多く
の実績がある。これは軸受自体は油を使うわけでもな
く、比較的低コストで実現されている。また、羽根車を
取り付けた軸を支持する軸受に取扱液を用いる静圧軸受
を使用するポンプは、油軸受を用いないという点で多く
のメリットを有する。

【０００３】しかしながら上記ポンプにおいては、ポン
プの起動直後に、ポンプの吐出し圧は自圧型静圧軸受の
作動に十分な圧力まで達しないために静圧軸受は作動し
ておらず、静圧軸受に軸が擦れまわっており、静圧軸受
が摩耗する現象がある。摩耗が一度発生すれば静圧軸受
の能力は更に低下するので、摩耗が加速度的に進む。こ
の静圧軸受の摩耗が進んだ場合には異常な軸振動が発生
する場合がある。これはポンプ停止時にも同様であり、
メンテナンスの点から大きな問題となっている。このた
め、なんらかの手段で静圧軸受の摩耗を防ぐ手段が求め
られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の点に鑑
みてなされたもので、羽根車を取り付けた軸を支持する
軸受にポンプ取扱液の吐出し圧力を使用する自圧式の静
圧軸受を用いるポンプにおいて、ポンプの起動時及び停
止時の静圧軸受の摩耗を防止でき、静止軸受等の摩耗に
よる軸系の異常振動等を検出できるポンプを提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項１に記載の発明は、ケーシング内に設けられた軸
受により支持された軸に取り付けられた羽根車と、該羽
根車を駆動する駆動機を具備し、該軸受にポンプ取扱液
を使用する自圧式の静圧軸受を用いるポンプにおいて、
軸を非接触浮上支持する制御型の磁気軸受及びその制御
装置を設け、該制御装置は、ポンプの回転起動から静圧
軸受が機能開始する回転数となるまでを磁気軸受で軸を
非接触浮上支持し、該磁気軸受の軸の変位を検出する変
位センサの出力から静圧軸受の作動を検知し、所定のタ
イミングで磁気軸受の作動を停止し、その後の回転数上
昇時及び定常回転時には静圧軸受で軸を支持し、ポンプ
の回転停止時には静圧軸受の機能低下を変位センサの出
力から検知し、磁気軸受を自動起動する制御機能を具備
することを特徴とする。

【０００６】ポンプの制御装置が上記のような制御機能
を具備するから、ポンプの回転起動から静圧軸受が機能
開始する回転数となるまでを磁気軸受で軸を非接触浮上
支持し、静圧軸受の作動を検知し所定のタイミングで磁
気軸受の作動を停止し、その後の回転数上昇時及び定常
回転時には静止軸受で軸を支持し、ポンプの回転停止時
には静圧軸受の機能低下を検知し、磁気軸受を自動起動
するので、静圧軸受が機能しない間は磁気軸受で軸を非
接触浮上支持することになり、静圧軸受の摩耗を防止で
きる。

【０００７】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載のポンプにおいて、制御装置は、磁気軸受の軸の
浮上位置を静圧軸受の中心位置から必要最低限度ずら
し、磁気軸受の剛性を弱めに設定し、静圧軸受が機能し
た場合の軸の位置が変化することを検知して静圧軸受の
作動を判断すると共に、ポンプの回転低下時には軸の位
置が静圧軸受の中心からずれることを検知し、静圧軸受
の機能低下を判断し、或いはポンプの起動時に磁気軸受
を制御して軸の浮上目標位置などを変動させ、静圧軸受
の動作時及び停止時に軸の位置変化量の低減、増減など
磁気軸受の諸特性を検知し、静圧軸受の作動、停止を判
断する判断機能を具備することを特徴とする。

【０００８】ポンプの制御装置が上記の判断機能を具備
するので、静圧軸受の作動判断、機能低下判断、停止を
正確に判断でき、それに応じて軸を非接触浮上支持する
制御型の磁気軸受を制御するから、静圧軸受が機能しな
い間は磁気軸受で軸を非接触浮上支持することができ、
静圧軸受の摩耗を防止できる。

【０００９】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
又は２に記載のポンプにおいて、制御装置は、ポンプ起
動時に判断した静圧軸受起動の回転数、ポンプの吐出し
圧力及び流量を記憶し、ポンプ減速時にはその回転数、
圧力、流量で磁気軸受を自動作動、或いは静圧軸受の動
作、停止の確認を１回のみ行い、その後は記憶した回転
数、圧力、流量で磁気軸受の停止、起動を行う制御機能
を具備することを特徴とする。

【００１０】ポンプの制御装置が上記の制御機能を具備
するので、静圧軸受起動の回転数、ポンプの吐出し圧力
及び流量を記憶し、ポンプ減速時の回転数、圧力、流量
で磁気軸受を自動作動、或いは静圧軸受の動作、停止の
確認を１回のみ行い、その後は記憶した回転数、圧力、
流量で磁気軸受の停止、起動を行うことが可能となり、
静圧軸受が機能しない間は軸を非接触浮上支持する磁気
軸受の制御が容易となる。

【００１１】また、請求項４に記載の発明は、請求項１
乃至３のいずれか１項に記載のポンプにおいて、制御装
置は、磁気軸受が定常回転数で回転する軸を支持する能
力がなくとも、ポンプの起動時から定常回転数まで、或
いはポンプの定常回転数から停止時までその作動を続
け、或いはポンプが定常回転数になって十分時間がたっ
てから作動停止し、同様にポンプの停止の十分前から起
動する制御機能を具備することを特徴とする。

【００１２】ポンプの制御装置が上記の制御機能を具備
するので、磁気軸受をポンプの起動時から定常回転数ま
で、或いはポンプの定常回転数から停止時までその作動
を続けさせ、或いはポンプが定常回転数になって十分時
間がたってから作動停止させ、同様にポンプの停止の十
分前から起動させることができ、静圧軸受が機能しない
間は軸を磁気軸受で完全に非接触浮上支持することがで
きる。

【００１３】また、請求項５に記載の発明は、請求項１
乃至４のいずれか１項に記載のポンプにおいて、静圧軸
受を保護軸受とし、制御装置は、ポンプの起動前に磁気
軸受で軸を静圧軸受に吸引し、変位センサにより静圧軸
受の隙間を測定し、該静圧軸受の摩耗を判断する静圧軸
受摩耗判断機能を具備することを特徴とする。

【００１４】ポンプの制御装置が上記の静圧軸受摩耗判
断機能を具備することから、ポンプの起動前に磁気軸受
で軸を静圧軸受に吸引し、変位センサにより静圧軸受の
隙間を測定し、該静圧軸受の摩耗を判断することができ
る。

【００１５】また、請求項６に記載の発明は、請求項１
乃至５のいずれか１項に記載のポンプにおいて、制御装
置は、静圧軸受で支持され回転している軸系の振動を変
位センサにより監視し、異常振動幅、異常振動周波数を
検知し警報を発する異常振動検知・警報機能を具備する
ことを特徴とする。

【００１６】ポンプの制御装置が上記の異常振動検知・
警報機能を具備することから、軸系の静圧軸受の摩耗に
よる異常振動を検知し、警報を発することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態例を図
面に基づいて説明する。図１は本発明に係る軸受に自圧
式の静圧軸受を用いたポンプの構成を示す断面図であ
る。本ポンプはケーシング１４を具備し、該ケーシング
１４内に設けられた静圧軸受１１、１１により軸１５が
回転自在に支持されるようになっている。軸１５の端部
には羽根車１３が取り付けられている。９、９は軸１５
を非接触浮上支持する制御型の磁気軸受であり、軸１５
の上下に所定の間隔を設けてケーシング１４に配置固定
されている。

【００１８】８、８は軸１５の変位を検出する変位セン
サであり、磁気軸受９、９の近傍でケーシング１４に配
置固定されている。１０は軸１５に取り付けられた羽根
車１３を回転駆動するための駆動機としてのモータであ
る。１２はバランスピストンであり、ポンプ吸込口１６
の取扱液圧は導入路１７を通ってケーシング１４内のポ
ンプ吸込口１６の反対側端部に導かれるようになってい
る。これにより、羽根車１３の回転により発生する軸１
５に加わるスラスト力をバランスピストン１２の上下面
の圧力差により発生するスラスト力で相殺する。取扱液
の吐出圧は導入路１８を通して静圧軸受１１、１１に導
かれるようになっている。

【００１９】上記構成のポンプにおいて、磁気軸受９、
９を不動作としてポンプを起動、停止すると、この起動
時及び停止時は取扱液の液圧が小さく静圧軸受１１、１
１が作動していないため、軸１５は静圧軸受１１、１１
に擦れて回ってしまう。このため、静圧軸受１１、１１
が摩耗し、更には時間をかけて静圧軸受１１、１１の摩
耗が進行し、静圧軸受の性能が劣化し、異常振動などが
発生することがある。

【００２０】ここではその対策のため磁気軸受９、９を
組み込み、静圧軸受１１、１１が機能しない間、該磁気
軸受９、９で軸１５を非接触浮上支持する構成としてい
る。磁気軸受９、９の能力としては、ポンプの羽根車１
３の定常回転数で作用する流体力やアンバランス力を十
分に保持できる能力は必要ではなく，静圧軸受１１、１
１が作動する回転数までの保持能力があればよい。流体
力やアンバランス力は羽根車１３の回転数の２乗に比例
するので、磁気軸受９、９の能力はかなり小さくでき
る。

【００２１】変位センサ８、８で検出された軸１５の変
位信号は、センサアンプ１、１を経由して磁気軸受補償
器２、２に送られ、該磁気軸受補償器２、２で制御安定
化のための制御出力を演算して求め、サーボアンプ３、
３から磁気軸受９、９の励磁コイルに電流を供給し、軸
１５に磁気吸引力を作用させ、軸１５を安定に非接触浮
上させる。この磁気軸受９、９は静圧軸受１１、１１が
接触しない程度の浮上支持能力程度であり、上記のよう
に羽根車１３の高速回転時の流体力、アンバランス力ま
ではサポートしなくてもよい。４は静圧軸受１１の作動
を判断する静圧軸受作動判断機能及び磁気軸受９、９の
コンプライアンスなどの諸特性を測定する諸特性測定機
能を有する演算器である。

【００２２】磁気軸受９、９の軸１５の浮上目標位置を
静圧軸受１１、１１の中心（軸１５の支持位置）からず
らしておき、更に磁気軸受９、９の支持剛性は弱めに設
定してよく、羽根車１３の回転上昇とともにポンプ取扱
液の吐出し圧が上昇し静圧軸受１１、１１が作動する
と、軸１５の位置は静圧軸受１１、１１の支持作用力が
磁気軸受９、９の支持作用力に勝って静圧軸受の中心に
なる（軸１５の中心と静圧軸受１１、１１の中心が一
致）ので、演算器４が変位センサ８、８の検出出力を監
視することにより、この軸１５の動きを監視し、静圧軸
受１１、１１の作動を判断できる。

【００２３】羽根車１３の回転速度の下降時には静圧軸
受１１、１１の作動している間は、軸１５は該静圧軸受
１１、１１の中心に保持されているが、回転速度の低下
で静圧軸受１１、１１が作動しなくなると軸１５は静圧
軸受１１、１１の内面にそって振れまわるようになる。
ここで磁気軸受９、９を起動すれば、軸１５は非接触浮
上し、軸１５が静圧軸受１１、１１を擦って回ることが
無くなり、該静圧軸受１１、１１の摩耗を防止できる。

【００２４】別の手法として、信号発生器５で発生した
信号を磁気軸受補償器２、２に加算して軸１５を加振し
て、そのときの変位センサ８、８で検出された軸１５の
変位信号から磁気軸受９、９のコンプライアンスなど諸
特性を演算器４で求めて判断してもよい。

【００２５】また、羽根車１３の初回回転起動時の静圧
軸受が作動する回転数等の情報をメモリ７に保持し、次
回以降、羽根車１３の回転数が所定の回転数となったら
磁気軸受９、９を起動、或いは停止させるようにしても
よい。更には羽根車１３が定常回転数まで回転上昇して
から十分たった所定の時間を経て、磁気軸受９、９を停
止してもよい。これは羽根車１３の定常回転時には軸１
５は静圧軸受１１、１１で支持されているため、磁気軸
受９、９の能力が小さくても何等問題がないためであ
る。

【００２６】羽根車１３の回転下降時も同様に、定常回
転数で回転しているときに磁気軸受９、９を作動させて
おき、そのあと回転停止モードとしてもよい。また、本
発明では磁気軸受９、９を組み込んでいるために、ポン
プの起動前に静止軸受１１、１１を保護軸受として扱
い、軸１５をその隙間内で吸引することにより静圧軸受
１１、１１の隙間を変位センサ８、８を介して測定でき
るので、静圧軸受１１、１１の摩耗を診断できる。

【００２７】更に、羽根車１３の回転中、即ちポンプ回
転中に磁気軸受９、９が停止していても、つまりサーボ
アンプ３は作動していなくても、センサアンプ１が作動
していれば、羽根車１３の回転中の振動を監視（検知）
できるので、異常判断部６で静圧軸受１１、１１の異常
な摩耗による異常振動などを監視し、警報を出すことが
できる。

【００２８】

【発明の効果】以上、説明したように各請求項に記載の
発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。

【００２９】請求項１に記載の発明によれば、ポンプの
制御装置が上記のような制御機能を具備するから、ポン
プの回転起動から静圧軸受が機能開始する回転数となる
までを磁気軸受で軸を非接触浮上支持し、静圧軸受の作
動を検知し所定のタイミングで磁気軸受の作動を停止
し、その後の回転数上昇時及び定常回転時には静止軸受
で軸を支持し、ポンプの回転停止時には静圧軸受の機能
低下を検知し、磁気軸受を自動起動するので、静圧軸受
が機能しない間は磁気軸受で軸を非接触浮上支持するこ
とになり、静圧軸受の摩耗を防止できる。

【００３０】請求項２に記載の発明によれば、ポンプの
制御装置が上記の判断機能を具備するので、静圧軸受の
作動判断、機能低下判断、停止を正確に判断でき、それ
に応じて軸を非接触浮上支持する制御型の磁気軸受を制
御するから、静圧軸受が機能しない間は磁気軸受で軸を
非接触浮上支持することができ、静圧軸受の摩耗を防止
できる。

【００３１】請求項３に記載の発明によれば、ポンプの
制御装置が上記の制御機能を具備するので、静圧軸受起
動の回転数、ポンプの吐出し圧力及び流量を記憶し、ポ
ンプ減速時の回転数、圧力、流量で磁気軸受を自動作
動、或いは静圧軸受の動作、停止の確認を１回のみ行
い、その後は記憶した回転数、圧力、流量で磁気軸受の
停止、起動を行うことが可能となり、静圧軸受が機能し
ない間は軸を非接触浮上支持する磁気軸受の制御が容易
となる。

【００３２】請求項４に記載の発明によれば、ポンプの
制御装置が上記の制御機能を具備するので、磁気軸受を
ポンプの起動時から定常回転数まで、或いはポンプの定
常回転数から停止時までその作動を続けさせ、或いはポ
ンプが定常回転数になって十分時間がたってから作動停
止させ、同様にポンプの停止の十分前から起動させるこ
とができ、静圧軸受が機能しない間は軸を磁気軸受で完
全に非接触浮上支持することができる。

【００３３】請求項５に記載の発明によれば、ポンプの
制御装置が上記の静圧軸受摩耗判断機能を具備すること
から、ポンプの起動前に磁気軸受で軸を静圧軸受に吸引
し、変位センサにより静圧軸受の隙間を測定し、該静圧
軸受の摩耗を判断することができる。

【００３４】請求項６に記載の発明によれば、ポンプの
制御装置が上記の異常振動検知・警報機能を具備するこ
とから、軸系の静圧軸受の摩耗による異常振動を検知
し、警報を発することができる。

【００３５】上記磁気軸受は、定常回転数で大きな流体
力、アンバランス力が発生する場合に備えた大型で、コ
ストのかかる磁気軸受としなくてもよく、小型軽量の磁
気軸受で上記効果を奏することができ、信頼性の高いポ
ンプを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る軸受に自圧式の静圧軸受を用いた
ポンプの構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１ センサアンプ ２ 磁気軸受補償器 ３ サーボアンプ ４ 演算器 ５ 信号発生器 ６ 異常判断部 ７ メモリ ８ 変位センサ ９ 磁気軸受 １０ モータ １１ 静圧軸受 １２ バランスピストン １３ 羽根車 １４ ケーシング １５ 軸 １６ ポンプ吸込口 １７ 導入路 １８ 導入路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ１６Ｃ 32/04 Ｆ１６Ｃ 32/04 Ａ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシング内に設けられた軸受により支
   持された軸に取り付けられた羽根車と、該羽根車を駆動
   する駆動機を具備し、該軸受にポンプ取扱液を使用する
   自圧式の静圧軸受を用いるポンプにおいて、 前記軸を非接触浮上支持する制御型の磁気軸受及びその
   制御装置を設け、 前記制御装置は、ポンプの回転起動から前記静圧軸受が
   機能開始する回転数となるまでを前記磁気軸受で前記軸
   を非接触浮上支持し、該磁気軸受の前記軸の変位を検出
   する変位センサの出力から前記静圧軸受の作動を検知
   し、所定のタイミングで前記磁気軸受の作動を停止し、
   その後の回転数上昇時及び定常回転時には前記静圧軸受
   で前記軸を支持し、ポンプの回転停止時には前記静圧軸
   受の機能低下を前記変位センサの出力から検知し、前記
   磁気軸受を自動起動する制御機能を具備することを特徴
   とするポンプ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のポンプにおいて、 前記制御装置は、前記磁気軸受の前記軸の浮上位置を前
   記静圧軸受の中心位置から必要最低限度ずらし、前記磁
   気軸受の剛性を弱めに設定し、前記静圧軸受が機能した
   場合の前記軸の位置が変化することを検知して前記静圧
   軸受の作動を判断すると共に、ポンプの回転低下時には
   前記軸の位置が静圧軸受の中心からずれることを検知
   し、前記静圧軸受の機能低下を判断し、或いはポンプの
   起動時に前記磁気軸受を制御して前記軸の浮上目標位置
   などを変動させ、前記静圧軸受の動作時及び停止時に前
   記軸の位置変化量の低減、増減など前記磁気軸受の諸特
   性を検知し、前記静圧軸受の作動、停止を判断する判断
   機能を具備することを特徴とするポンプ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載のポンプにおい
   て、 前記制御装置は、前記ポンプ起動時に判断した静圧軸受
   起動の回転数、前記ポンプの吐出し圧力及び流量を記憶
   し、前記ポンプ減速時にはその回転数、圧力、流量で前
   記磁気軸受を自動作動、或いは前記静圧軸受の動作、停
   止の確認を１回のみ行い、その後は記憶した前記回転
   数、圧力、流量で前記磁気軸受の停止、起動を行う制御
   機能を具備することを特徴とするポンプ。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
   ポンプにおいて、 前記制御装置は、前記磁気軸受が定常回転数で回転する
   前記軸を支持する能力がなくとも、ポンプの起動時から
   定常回転数まで、或いはポンプの定常回転数から停止時
   までその作動を続け、或いはポンプが定常回転数になっ
   て十分時間がたってから作動停止し、同様にポンプの停
   止の十分前から起動する制御機能を具備することを特徴
   とするポンプ。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の
   ポンプにおいて、 前記静圧軸受を保護軸受とし、前記制御装置は、ポンプ
   の起動前に前記磁気軸受で前記軸を前記静圧軸受に吸引
   し、前記変位センサにより前記静圧軸受の隙間を測定
   し、該静圧軸受の摩耗を判断する静圧軸受摩耗判断機能
   を具備することを特徴とするポンプ。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の
   ポンプにおいて、 前記制御装置は、前記静圧軸受で支持され回転している
   軸系の振動を前記変位センサにより監視し、異常振動
   幅、異常振動周波数を検知し警報を発する異常振動検知
   ・警報機能を具備することを特徴とするポンプ。