JP2005016462A

JP2005016462A - 水中モータポンプ

Info

Publication number: JP2005016462A
Application number: JP2003184374A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kato; 藤弘之加; Shuichiro Honda; 田修一郎本
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【目的】ポンプが停止中であっても、ポンプ内に存在する高温高圧流体が保有する熱量がモータ室内に伝達されることが防止されるような水中モータポンプの提供。
【解決手段】ケーシング（１）内部にモータを収容するモータフレーム（２）を有し、該モータフレーム（２）に冷却水用流路（５）が形成されていることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポンプ駆動用のモータが水中に配置されている水中モータポンプに関する。より詳細には、本発明は、例えば改質中或いは改質された重油の様な高温、高圧の液体を昇圧するための水中モータポンプに関する。
【０００２】
例えば改質中或いは改質された重油の様な高温高圧の流体（例：４００℃で２０ＭＰａ）を昇圧するポンプについては、カップリングで２本のシャフトを結合するタイプと、単一のシャフトを用いるタイプとに大別される。
【０００３】
図１０で示す様に、カップリングＣ１、Ｃ２で２本のシャフトＳ１、Ｓ２を結合する構成を採用した場合、ポンプ駆動用のモータＭは空気中（常温雰囲気下）に載置されているので、高温高圧流体が存在するポンプ部Ｐ（高温雰囲気）と、常温雰囲気下にあるモータ設置部Ｅとを隔離する仕切構造が不可欠である。
ここで、係る仕切構造では、シャフトＳ２が貫通する部分（軸封部Ｄ）のシールが困難である。
【０００４】
これに対して、図１１で示す様に、単一のシャフトを用いる様に構成すれば、ポンプ駆動用のモータは水中モータとなり、上述した様な仕切構造及び軸封部が不要となる。そして、ポンプ駆動用モータが設けられた部分を高圧雰囲気にすることにより、シールは通常のＯ―リングやガスケットで良くなる、という利点がある。
この様な理由により、図１１で示される様なポンプＰｊが、高温高圧流体の昇圧用ポンプとして用いられる場合が多い。
【０００５】
図１１で示す従来の高温高圧流体用のポンプＰｊでは、高温高圧流体（例えば、改質中或いは改質された重油）は吸入口Ｉからポンプ内に吸入され、羽根車７で昇圧されて、吐出口Ｏより吐出される。
この際に、高温高圧流体の熱量が、円筒状のモータフレーム２によって区画され、ポンプＰｊ下方の駆動用モータＭを収納する部分であるモータ室６へ熱伝導されて、当該モータ室６の温度を上昇させてしまう。
【０００６】
電動機（モータＭ）の巻線の絶縁材は、樹脂製が一般的であり、その樹脂製の絶縁材は、例えば、改質中の重油度の温度（例えば４００℃）では、耐熱限度を超えて溶融してしまう。そのため、モータ室６の領域を冷却する必要がある。
【０００７】
モータ室６を冷却するため、図１１で示す従来技術では、常温の清浄な冷却用油を、冷却油用ポンプ８を含む冷却用油供給系Ｌｃから、ケーシング１の底部１１中の供給孔１２を介して供給している。供給された冷却用油は、スラストディスク９によりヘッドが付加されて、モータＭにおけるロータ２０とステータ３０との間の隙間２３を流れ、モータフレーム２の羽根車７側端面を介して、ケーシング１内の形成された図示しない流路を流れ、底部１１の冷却用油排出孔１３から排出される。
冷却用油排出孔１３から排出された冷却用油は、熱交換器Ｈで冷却されて、再び供給孔１２からモータ室６内部に供給されて、循環する。
【０００８】
冷却用油ポンプ８により、常時新しい冷却油が所定量だけ追加されるので、その分だけ、矢印Ｙ１で示す様に、重油（ポンプ室４０）側に冷却用油が漏出する。これにより、ポンプ室４０側の高温高圧流体（例えば重油等）がモータ室６内に侵入することを防止している。
【０００９】
ここで、図１１で示す様な水中モータポンプＰｊを使用する施設（例えば、重油の改質等を行う石油処理プラント）において、何等かの理由により、新しい冷却用油が供給されなくなってしまう、という事態が発生する可能性がある。
その様な事態が発生したとしても、ポンプＰｊが作動中であれば、スラストディスク９により冷却用油にはヘッドが付加されるので、冷却用油はモータ室６内から熱交換器Ｈにいたる経路を循環し続け、モータＭの冷却は継続されるので、モータＭの巻線（コイル）の樹脂製絶縁材は溶融しない。
【００１０】
しかし、ポンプ停止時には冷却用油は循環せず、従って、ポンプ室４０内に存在する高温高圧流体（例えば改質された重油）が保有する熱量が熱伝導によりモータ室６内に伝達されても、冷却されないという事態が発生する可能性がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、ポンプが停止中であっても、ポンプ内に存在する高温高圧流体が保有する熱量がモータ室内に伝達されてしまうのを防止出来るような水中モータポンプの提供を目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の水中モータポンプは、ケーシング（１）内部にモータ（Ｍ）を収容するモータフレーム（２）を有し、該モータフレーム（２）に冷却水用流路（５）が形成されていることを特徴としている（請求項１）。
【００１３】
かかる水中モータポンプは、通常のポンプモータの場合とは異なり、外胴が厚いため、冷却ジャケットを取り付けて冷却することが出来ない。そこで、２重胴の隙間を利用して、上述した様な構成を採用したことにより、ポンプ停止時においても冷却することが可能となったのである。
【００１４】
本発明の水中モータポンプにおいて、前記モータフレーム（２）の羽根車（７）側の端面（２ａ）における内部空間（２ｂ）には、複数のリブ（２ｃ）と、該リブ（２ｃ）により画定された複数の半径方向流路（５ａ）と円周方向流路（５ｂ）とが形成されているのが好ましい（請求項２）。
【００１５】
また、前記モータフレーム（２）には、複数系統の冷却水用流路（５Ｃ、５Ｄ）が形成されているのが好ましい（請求項３）。
【００１６】
ここで、前記冷却水は、前記モータフレーム（２）の羽根車（７）から離隔した側の領域（ロアケーシング１１位置）に形成された冷却水入口（５２）から流入し、モータフレーム（２）内を回転軸方向に延在する往路（５３；５Ａ、５Ｃ）を介して、モータフレーム（２）の羽根車（７）側の端面（２ａ）に形成された複数の前記半径方向流路（５ａ）及び円周方向流路（５ｂ）を流れ、モータフレーム（２）内を回転軸方向に延在する復路（５４；５Ｂ、５Ｄ）を介して、モータフレーム（２）の羽根車（７）から離隔した側の前記領域（１５）に形成された冷却水出口（５５）から流出するように、前記冷却水用流路が形成されているのが好ましい（請求項４）。
【００１７】
係る構成を具備する本発明によれば、モータフレーム（２）に形成された冷却水流路（５３，５４，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ）を流れる冷却水により、ポンプ室（４０）内の高温高圧流体から伝達された高熱が冷却される。そのため、従来は清浄油（新たに供給される常温の冷却用油）が停止し且つ冷却油の循環が停止するとモータ室（６）の冷却が不可能になったのに対して、本発明では、冷却水が供給とされ続けるので、冷却はそのまま続行される。
従って、冷却用油の供給及び循環に問題が発生しても、モータ（Ｍ）のコイルの絶縁材が熱により損傷或いは溶融すると言う事態が防止されるのである。
【００１８】
ここで、モータフレーム（２）の羽根車（７）側の端面（２ａ）における内部空間（２ｂ）は、その内部圧力（例えば０．１ＭＰａ）と、ポンプ室４０に存在する高温高圧流体及びモータ室６内の高圧（例えば２０ＭＰａ程度）との圧力差に晒されることとなる。
しかし、上述した構成を有する本発明（請求項２）によれば、モータフレームの羽根車（７）側の端面（２ａ）における内部空間（２ｂ）に形成されている複数のリブ（２ｃ）が、係る圧力差を支持する補強用リブとして作用する。従って、多大な圧力差に晒される前記内部空間（モータフレームの羽根車側の端面における内部空間２ｂ）が、当該圧力差により、圧縮変形して、潰されてしまうことが防止されるのである。
【００１９】
また、モータフレーム（２）に形成された冷却水流路（５３，５４，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ）は、その入口（５２）側で冷却水温度が低く、出口（５５）側は冷却水温度が高い。
モータフレーム（２）に形成される冷却水経路が１系統（５Ａ、５Ｂ）のみであると、モータフレーム（２）の冷却水入口側流路（５Ａ）が形成されている側の熱膨張が小さく、冷却水出口側流路（５Ｂ）が形成されている側の熱膨張が大きなり、モータフレーム（２）全体が冷却水入口側に傾いてしまう恐れがある。
温度差による熱変形の可能性を無くするため、本発明において、冷却水をモータフレーム（２）内に複数系統（５３、５４；５Ｃ、５Ｄ）形成することが望ましい（請求項３）。
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
尚、全図中において、矢印、網掛け矢印、白抜き矢印は、流体の流れの方向を示すものとする。
【００２１】
先ず、図１〜図５を参照して、第１実施形態（冷却水１系統）を説明する。図１〜図５の第１実施形態は、冷却水が１系統の場合、即ち、冷却水の往路、復路が各１本のみ形成されている実施形態である。
【００２２】
図１において、全体を符号Ａで示す本実施形態の水中モータポンプは、前述の従来技術の水中ポンプ（図１１）同様、羽根車７を備えポンプケーシング４によってポンプ室４０を形成するポンプＰと、ケーシング１に嵌装されたモータフレーム２に内装されシャフト１０とロータ２０とステータ３０を有するモータＭと、一端が前記ケーシング１の下端に接続され他端をエンドプレート１５によって塞がれたロアケーシング１１、とによって構成されている。
【００２３】
前記シャフト１０は上端１０ａ側が前記羽根車７に接続され、下端１０ｂ側は冷却油循環用の羽根車を兼ねるスラストディスク９に係合し、前記モータフレーム２の下端２ｇは前記スラストディスク９の支持部材１３によってポンプＰ側に押圧されている。
【００２４】
次に、図２〜図５を参照して、前記モータＭを冷却する冷却水の循環ラインについて説明する。
【００２５】
図２及び図３に示すように、前記モータフレーム２の円筒部２ｒには、複数の冷却水流路５が形成されている。その複数の流路５は後述する往路と復路に分けられている。尚、図２の符号５２は冷却水入口を示している。従って、図２において冷却水流路５は往路を示している。
尚、図３においては、その冷却水流路５を往路５３と、復路５４とに識別して示している。即ち、流体温度の異なる往路５３・復路５４を交互に配して、熱による変形を阻止している。
【００２６】
図２及び図４に示すように、モータフレーム２の羽根車７（図１参照）側の端面２ａにおける円環状の内部空間２ｂには、複数のリブ２ｃと、該リブ２ｃにより画定された複数の半径方向流路５ａと円周方向流路５ｂとが形成されている。
尚、図４において符号２ｆはシャフト１０の挿通孔を示す。
【００２７】
モータフレーム２の羽根車側の端面２ａにおける内部空間２ｂは、その内部圧力と、ポンプ室４０（図１参照）に存在する高温高圧流体及びモータ室６（図１参照）内の高圧との圧力差に晒されるが、当該内部空間２ｂに形成されている複数のリブ２ｃが、係る圧力差を支持する補強用リブとして作用するので、多大な圧力差に晒される当該内部空間が、圧力差により、圧縮変形して、潰されてしまうことがない。
【００２８】
図５は、モータフレーム２に形成された冷却水流路で、一方は往路５Ａを、他方は復路５Ｂを示している。往路５Ａは、連通孔５２ａを経由して、図１の冷却水入口５２に連通し、復路５Ｂは、連通孔５５ｂを経由して図１の冷却水出口５５に連通している。
【００２９】
再び図１を参照して、冷却用及び潤滑用の油は、従来のポンプ（図１１）と同様に、スラストディスク１３からロータ２０とステータ３０との境界２３へ（矢印Ｙ１）、ロータ２０とステータ３０との境界からモータフレーム２のポンプ側端面２ａへ（矢印Ｙ２、矢印Ｙ３）、モータフレーム２のポンプＰ側の端面２ａからモータフレーム２とケーシング１との境界へ（矢印Ｙ４）と流れる。
【００３０】
ここで、モータフレーム２内を流れる冷却水によりモータ室６内の昇温が防止出来、油の昇温も抑制出来る。従って、油を冷却する必要は無い。そこで、油をケーシング１外に排出せずにそのまま循環することが可能となる。
【００３１】
すなわち、図示の第１実施形態では、モータ室６側からポンプＰ側に徐々に供給される油（ポンプ室の作動流体がモータ室内に流入するのを防止するためのもの）だけを、油供給系統により、モータ室６内に供給すればよい。
【００３２】
次に、図６を参照して、第２実施形態を説明する。
【００３３】
図１〜図５の第１実施形態が、冷却水が１系統の場合、即ち、冷却水の往路、復路が各１本のみ形成されている実施形態であった。それに対して、図６の第２実施形態は、モータフレーム２の円筒部に往路５Ｃ、復路５Ｄが共に２本づつ形成された実施形態である。
【００３４】
２本の往路５Ｃは、夫々の連通孔５２ｃを経由して、図示はしていないが、最終的には１本にまとめられ、図１の冷却水入口５２に連通し、２本の復路５Ｄは、夫々の連通孔５５ｄを経由して、最終的には１本にまとめられ、図１の冷却水出口５５に連通している。
尚、冷却水入口側流路（往路）５Ｃ、５Ｃ同士及び冷却水出口側流路（５Ｄ、５Ｄ）同士はモータフレーム２の円筒部の中心点に対して反対側に配置することが好ましい。
【００３５】
そのように冷却水流路をモータフレーム２内に複数系統形成し、冷却水入口側流路（往路）５Ｃ、５Ｃ同士及び冷却水出口側流路（５Ｄ、５Ｄ）同士をモータフレーム２の円筒部の中心点に対して反対側に配置することにより、流路を流れる流体温度の相違に起因する熱膨張量の差を解消して、モータフレームが部分的に変形することが防止出来る。
【００３６】
次に、図７を参照して、第３実施形態を説明する。
【００３７】
モータフレームの表面や冷却水流路に、ポンプ側から伝達された熱量が冷却水に投入される効率を向上するためのフィン、凹凸等を形成することが好ましい。
図７の第３実施形態では、モータフレーム２の円筒部２ｒに設けた冷却水流路５Ｅに冷却用のフィン５Ｅｆを図示の例では１つの流路当たり１４箇所形成している。
冷却水流路５Ｅにフィン５Ｅｆを形成したこと以外は、図１〜図５の第１実施形態及び／又は図６の第２実施形態と実質的には同様である。
【００３８】
但し、フィンの大きさ、及びフィンの数は、冷却水の供給に悪影響を与える程度の圧損を生じない範囲内に留めておくのが好ましい。
【００３９】
次に、図８及び図９を参照して、第４実施形態を説明する。
【００４０】
第１〜第３実施形態では、冷却水流路はモータフレーム２内部に形成している。
これに対して第４実施形態では、モータフレーム２の半径方向内方（図８）或いは半径方向外方（図９）にフィン或いはビード（軸方向へ連続する突起）９（図８）、９Ａ（図９）を設け、フィン或いはビード９（図８）、９Ａ（図９）内に（例えば、キリ孔で形成された）冷却水流路５７（図８）、５７Ａ（図９）を構成する。
【００４１】
冷却水流路にフィン或いはビード（軸方向へ連続する突起）９（図８）、９Ａ（図９）を設けることにより、流路の表面積が増加し、冷却効率の向上が図られる。
【００４２】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の作用効果を以下に列挙する。
（１）モータフレームに形成された冷却水流路を流れる冷却水により、ポンプ室内の高温高圧流体から伝達された高熱が冷却され、冷却水が供給され続けるので、冷却はそのまま続行される。従って、冷却用油の供給及び循環に対する問題の発生如何に関わらず、モータコイルの絶縁材の熱による損傷或いは溶融が回避出来る。
（２）モータフレームの羽根車側の端面における内部空間は、その内部圧力と、ポンプ室に存在する高温高圧流体及びモータ室内の高圧との圧力差に晒されるが、当該内部空間に形成されている複数のリブが、係る圧力差を支持する補強用リブとして作用するので、多大な圧力差に晒される当該内部空間が、圧力差により、圧縮変形して、潰されてしまうことがない。
（３）冷却水流路をモータフレーム内に複数系統形成し、冷却水入口側流路同士及び冷却水出口側流路同士をモータフレームの円筒部の中心点に対して反対側に配置することにより、流路を流れる流体温度の相違によって、モータフレームの部分的変形を防止出来る。
（４）冷却水流路にフィン或いはビード（軸方向へ連続する突起）を設けることにより、流路の表面積が増加し、冷却効率の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の全体構成を示す縦断面図。
【図２】本発明の第１実施形態のモータフレームの構造を説明する部分断面図。
【図３】図２のＸ１−Ｘ１断面の一実施例を示した図。
【図４】図２のＸ２−Ｘ２断面図。
【図５】図２のＸ１−Ｘ１断面の他の実施例を示した図。
【図６】本発明の第２実施形態における（第１実施形態の図３に対応する）図２のＸ１−Ｘ１断面図。
【図７】本発明の第３実施形態のモータフレームの断面構造を説明する部分断面図。
【図８】本発明の第４実施形態のモータフレームの断面構造の一例を説明する部分断面図。
【図９】本発明の第４実施形態のモータフレームの断面構造の他の例を説明する部分断面図。
【図１０】従来技術における２本シャフト式水中モータポンプの構成を説明する模式図。
【図１１】従来技術における１本シャフト式水中モータポンプの構成を説明する断面図。
【符号の説明】
Ａ・・・水中モータポンプ
Ｍ・・・モータ
Ｐ・・・ポンプ
１・・・ケーシング
２・・・モータフレーム
４・・・ポンプケーシング
５・・・冷却水流路
６・・・モータ室
７・・・羽根車
９・・・スラストディスク
１０・・・シャフト
１１・・・ロアケーシング
１５・・・エンドプレート
２０・・・ステータ
３０・・・ロータ
４０・・・ポンプ室
５２・・・冷却水入口
５５・・・冷却水出口

Claims

ケーシング内部にモータを収容するモータフレームを有し、該モータフレームに冷却水用流路が形成されていることを特徴とする水中モータポンプ。
前記モータフレームの羽根車側の端面における内部空間には、複数のリブと、該リブにより画定された複数の半径方向流路と円周方向流路とが形成されている請求項１の水中モータポンプ。
前記モータフレームには、複数系統の冷却水用流路が形成されている請求項１、２の何れかの水中モータポンプ。
冷却水は、前記モータフレームの羽根車から離隔した側の領域に形成された冷却水入口から流入し、モータフレーム内を回転軸方向に延在する往路を介して、モータフレームの羽根車側の端面に形成された複数の前記半径方向流路及び円周方向流路を流れ、モータフレーム内を回転軸方向に延在する復路を介して、モータフレームの羽根車から離隔した側の前記領域に形成された冷却水出口から流出するように、前記冷却水用流路が形成されている請求項１〜３の何れか１項の水中モータポンプ。