JP2006009740A - 水中モータポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 水中ポンプの回転軸の振れ回りに伴う、メンテナンスが容易に可能で水中モータの軸受等の損傷を防止した、水中モータ及び水中モータポンプを提供する。
【解決手段】 水中ポンプ１１の回転軸１２に接続して、前記水中ポンプを駆動する水中モータ１０であって、回転軸２０にモータロータ２１が固定され、該モータロータの周囲にモータステータ２２が配置され、前記回転軸が前記モータロータの両側においてラジアル軸受２５，２６により支持され、さらに、前記軸受の前記水中ポンプと接続する軸端２０ａ近傍にスリーブ軸受３５を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水中モータポンプに係り、特に深井戸内部から液体を汲み上げる用途に好適に用いることができる水中モータポンプおよび水中モータに関する。

例えば温泉液の汲み上げには、地中に数百ｍ以上の深井戸を掘り、その内部に水中モータポンプを配置し、水中モータポンプの吐出側に接続したパイプを介して深井戸の内部にある温泉液を汲み上げることが行われている。このような用途に用いられる水中モータポンプは、筒状の水中ポンプと水中モータとを組み合わせたものが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特許第１５６２９６４号

ここで、水中ポンプを駆動する水中モータは、回転軸に電磁鋼板からなるモータロータと、その周囲にモータステータとを備え、モータステータに配置した巻線に交流電力などを供給することによりモータロータが回転駆動され、これに接続したポンプロータを回転駆動するようになっている。そして、通常の水中モータでは、モータロータの両側がラジアル軸受により支持され、また回転軸はスラスト軸受により回転軸方向に支持されている。

上記水中モータポンプにおいては、水中ポンプの運転動作時にポンプの回転軸にラジアル荷重及びスラスト荷重がかかり、モータラジアル軸受を支点にモータ回転軸が撓むことによりモータの回転軸が軸端近傍にて振れ回る場合がある。このため、水中モータの回転軸を支持する特に負荷側（ポンプ側）の軸受が大きなラジアル荷重を受け、軸受が損傷しやすくなり、ひいては水中モータの寿命を短縮するという問題がある。しかしながら、上述したように例えば深井戸の内部に配置される水中モータポンプにおいては、水中モータポンプの引き上げを行わない限り軸受の交換等が不可能であり、メンテナンス上の問題が生じる場合がある。

本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、水中モータの回転軸の振れ回りを防止する方法として、メンテナンスが容易に可能な位置に振れ止め軸受を追加し、水中モータの軸受等の損傷を防止した水中モータ及び水中モータポンプを提供することを目的とする。

本発明の水中モータは、水中ポンプの回転軸に接続して、前記水中ポンプを駆動する水中モータであって、回転軸にモータロータが固定され、該モータロータの周囲にモータステータが配置され、前記回転軸が前記モータロータの両側においてラジアル軸受により支持され、さらに、前記軸受の前記水中ポンプと接続する軸端近傍にスリーブ軸受を備えたことを特徴とするものである。

この発明によれば、水中モータの負荷側軸端近傍にスリーブ軸受を設けることで、水中ポンプとの接続部である回転軸軸端に水中ポンプのスラスト荷重による圧縮力やラジアル荷重による回転曲げ荷重による軸の振れ回りが生じても、これを抑制することができる。従って、ラジアル軸受の焼き付きや異常摩耗等の軸受損傷を防止できる。

ここで、前記水中モータは、２重シール構造の軸封装置を用いて、モータ室とは別にモータ室よりポンプ側に軸封室（メカ室）を有するものに対して、特に回転軸の振れ回りを有効に抑制できる。また、前記スリーブ軸受は、前記水中ポンプの取扱液にて潤滑することも可能であり、前記スリーブ軸受は、前記ラジアル軸受よりも大きな軸受隙間を有することが好ましい。

また、本発明の水中モータポンプは、水中ポンプと、該水中ポンプを駆動する水中モータとが一体的に構成された水中モータポンプであって、前記水中ポンプの回転軸に前記水中モータの回転軸が接続され、前記水中モータの回転軸がモータロータの両側においてラジアル軸受により支持され、さらに、前記水中ポンプと接続する軸端近傍にスリーブ軸受により支持されたことを特徴とするものである。

総じて本発明によれば、長期の使用に対して安定性の高い水中モータポンプを提供することができるという効果が生じる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態の水中モータポンプを示し、図２は水中モータ部分を示す。例えば深井戸内部の水中で使用される立型水中モータポンプは、上部に配置される水中ポンプ１１と下部に配置される水中モータ１０とから構成されている。水中ポンプ１１は、筒型ケーシング１４の中央に回転軸１２を備え、羽根車１３が固設されている。この例では、ケーシング１４及び羽根車１３が数段に渡って設けられた多段の水中ポンプである。すなわち、温泉液等の取扱液がストレーナ１５に設けられた開口を介してポンプ吸込側に吸い込まれ、回転軸１２の回転に伴い数段の羽根車１３により取扱液が加圧され、チェッキ弁１６を介して吐出口１７から図示しない送液パイプにより地上側に送液される。

水中モータ１０は、回転軸２０に電磁鋼板からなるモータロータ２１を備え、その周囲にモータステータ２２が配置されている。ここで、水中モータ１０は、例えば誘導モータであり、かご型のモータロータ２１と巻線２３を有するステータ２２とにより回転軸２０が回転駆動される。水中モータ１０の回転軸２０は、モータロータ２１の両側に、すなわち上部のラジアル軸受（負荷側ラジアル軸受）２５、下部のラジアル軸受（反負荷側ラジアル軸受）２６により支持されている。また、回転軸２０はスラスト軸受２７により軸方向（スラスト方向）に支持されている。ここで、軸受２５，２６，２７はいずれも滑り軸受が用いられている。

水中ポンプ１１の回転軸１２と、水中モータ１０の回転軸２０とは、カップリング２８により接続されている。ここで、水中ポンプ１１のストレーナ１５の下部は、水中モータ１０の上部のブラケット２９にボルト３０により固定されている。したがって、水中モータ１０の回転軸２０の回転駆動力は、カップリング２８を介して水中ポンプ１１の回転軸１２に伝達され、これにより取扱液を羽根車１３の回転により加圧してポンプ吐出口１７より吐出する。

図３は、水中モータ１０の上部の拡大図である。この水中モータ１０は、二重シール構造の軸封装置３１，３２を用いて、外部の取扱液に対してモータロータ及びモータステータ間の隙間を含むモータ室を封止したものである。すなわち、回転軸２０のモータ室側は１段目（ポンプ側）のメカニカルシール３１と２段目（モータ側）のメカニカルシール３２とにより軸封され、取扱液に対して分離されている。

そして、モータ回転軸２０のメカニカルシール３１，３２の上部にスリーブ軸受３５が配置されている。このスリーブ軸受３５は、回転軸２０の軸端２０ａの近傍に設けられている。すなわち、スリーブ軸受３５は水中ポンプと接続する軸端２０ａの近傍に配置されている。そして、このスリーブ軸受３５は、上記ラジアル軸受２５，２６よりも大きな軸受隙間を有する。また、このスリーブ軸受３５は、上記水中ポンプ１１の取扱液にて潤滑することも可能なようになっている。

水中ポンプの取扱液により潤滑される場合は、取扱液は比較的大きな軸受隙間を有するスリーブ軸受３５の摺動面と回転軸との間の隙間を通り、水中モータ内部に浸入するが、１段目のメカニカルシール３１により封止される。メカニカルシール３１と３２により封止された軸封室（メカ室）３３には、例えば油等の第１の封入液が封入されている。そして、２段目のメカニカルシール３２はモータ室内の第２の封入液に対して上記第１の封入液を封止する役割を担っている。第２のメカニカルシール３２よりも下方のラジアル軸受の隙間およびロータとステータ間の隙間に連通したモータ室３４には、第１の封入液と同様に油等の封入液が封入され、軸受の潤滑・冷却、モータステータ・ロータの冷却等にこの封入液が用いられている。すなわち、モータ室３４は、ラジアル軸受２５の摺動面と回転軸２０との隙間、モータステータ２２とモータロータ２１との間の隙間、ラジアル軸受２６及びスラスト軸受２７の摺動面と回転軸２０との間の隙間に連通し、封入液はこれらの隙間に入り軸受の潤滑並びに冷却、およびロータ・ステータの冷却等の役割を果たしている。なお、モータステータ２２はキャン封止され、モータステータ２２及び巻線２３等が封入液に触れないようになっている。

このような二重シール構造によれば、モータ室３４の第２の封入液が、２段目のメカニカルシール３２により封止され、さらに軸封室（メカ室）３３内の第１の封入液が１段目のメカニカルシール３１により封止され、その外側でポンプ取扱液と接するようになっているので、メカニカルシール３１，３２のいずれかが損傷しても、モータ室内の第２の封入液がポンプ取扱液と混合することを防止することができる。

この軸封装置３１，３２は、モータ内部への外部からの取扱液混入を防ぐ目的で設けられている。すなわち、温泉液等の取扱液は一般に温度が高く、更にモータ運転中はモータステータ及びロータの発熱も加わり、モータ室内は、水の沸点を超える温度にまで温度上昇するため、モータ封入液に例えば通常の水を用いると水が蒸気化し、軸受部の潤滑不良、あるいはモータ内部の冷却不良によるモータ内部の異常温度上昇等のモータ破損の原因になる。このため封入液としては油等の揮発温度が高く、かつ潤滑・冷却性能に優れたものが用いられる。なお、このような二重シール構造の軸封装置は、温泉汲み上げ用の水中モータポンプのみならず、例えば腐食性の高い海水中で使用するモータポンプ等にも同様に用いられる。

しかしながら、二重シール構造の軸封装置３１，３２を用いて、封止空間としてモータロータ及びラジアル軸受との連通空間を含むモータ室３４と別に軸封室（メカ室）３３を設ける場合には、モータ回転軸の軸端２０ａと負荷側（上部）ラジアル軸受２５との間隔（軸長）が大きくなってしまう。したがって、水中モータの回転軸２０の軸端２０ａにポンプ１１のスラスト荷重による圧縮力や、ポンプ１１のラジアル荷重による回転曲げ荷重が加わった場合には、モータ回転軸の軸撓みが大きくなるためモータ軸端２０ａが振れ回り、水中モータの負荷側ラジアル軸受２５に過大なラジアル荷重が加わり、ラジアル軸受２５が焼き付きやすく、あるいは摩耗するなどの軸受損傷を招く場合があった。また、回転軸の振れ回りにより、軸封装置３１，３２の摺動面が偏心し、軸封不良を起こす場合があった。

上記図１に示す水中モータポンプにおいては、水中ポンプの回転軸１２との接続部近傍にスリーブ軸受３５を配置している。ポンプ１１のスラスト荷重による圧縮力や、ポンプ１１のラジアル荷重による回転曲げ荷重が加わった場合に、ポンプ軸端が振れ回りそうになっても、このスリーブ軸受３５により、水中モータの回転軸２０の振れ回りが防止され、回転軸２０はほとんど振れ回らず安定に回転することになる。これにより、水中モータのラジアル軸受２５の焼き付きや摩耗を防止することができる。また、回転軸２０の振れ回りにより軸封装置３１，３２が偏心し、軸封不良を起こすといった問題の発生を防止することができる。

そして、スリーブ軸受３５はモータロータの両側を支持するラジアル軸受２５，２６よりも大きな軸受隙間を有している。従って、スリーブ軸受３５は、水中モータの回転軸２０をラジアル方向に支持するラジアル軸受としてではなく、水中モータの回転軸２０の軸端２０ａの振れ止めとして作用する。また、スリーブ軸受３５の隙間が大きいことから、スリーブ軸受の内外周面のどちらでも回転軸と摺動可能なため、ポンプ取扱液により潤滑する場合は、取扱液中の異物がスリーブ軸受３５と回転軸２０の隙間に浸入しても焼き付き等を起こし難くすることができる。

また、水中モータの回転軸２０の軸端近傍に設けたスリーブ軸受３５は、水中ポンプ１１の取扱液にて潤滑することも可能である。これにより、スリーブ軸受３５を潤滑するための潤滑液や潤滑液の封入スペースを省略することができる。

また、スリーブ軸受３５の材質としては、フッ素系樹脂、例えば４フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）等の摺動特性の良好な合成樹脂を用いることが好ましい。これらの樹脂を用いた軸受３５は、金型等の成型機を用いることで簡単に製造することが可能であり、摺動特性が良好なのでスリーブ軸受３５が高温或いは異物等が含まれる取扱液によって潤滑される使用状況においても、潤滑・冷却液の不足等によるスリーブ軸受の焼き付きや異常摩耗等を防止することができる。

スリーブ軸受３５は、図４に示すように、ブラケット２９の内周面に装着されている。そして、スリーブ軸受の内周面には図示するように３本の溝３６が設けられている。これにより、取扱液の回転軸との摺動面への供給を容易に行うことができ、取扱液による潤滑・冷却の効果を促進することができる。また、摺動面に異物が噛み込まれたような場合にも、この溝３６によりその排出を容易にすることができる。また、スリーブ軸受３５は、円筒体を成しているがスリット状の切れ目３７を有している。この切れ目３７により、モータ回転軸２０及びブラケット２９が運転中に熱膨張した場合においても、スリーブ軸受３５自体が熱膨張分を吸収することが可能なことから、軸受隙間を容易に確保することが可能となる。

以上説明したように、上述した水中モータポンプによれば、水中モータの回転軸２０の負荷側軸端近傍にスリーブ軸受３５を設けることで、軸封装置３１，３２の取り付けにより負荷側ラジアル軸受２５と負荷側軸端２０ａとの間隔（軸長）が大きい場合においても、水中ポンプのスラスト荷重による圧縮力やラジアル荷重による回転曲げ荷重が加わっても、これによる軸の振れ回りを抑制することができる。従って、ラジアル軸受の焼き付きや異常摩耗等の軸受損傷を防止でき、更に軸封装置摺動面の偏心による軸封不良等を抑制することが可能である。これにより、長期の使用に対して安定性の高い水中モータポンプを提供することができる。

即ち、例えば地中数百メートル以上の深井戸の内部から温泉液を汲み上げるような場合においても、高温の温泉液のモータ内部への浸入を軸封装置により防止しつつ、ラジアル軸受の摩耗や軸封装置の偏心によるシール不良を防止しつつ、長期間にわたる安定した運転が可能となる。そして、このような水中ポンプのメンテナンスは、深井戸の内部から水中モータポンプを引き上げて行わねばならないが、そのメンテナンス期間を長くすることが可能となる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明の一実施形態の水中モータポンプを示す断面図である。 図１における水中モータの断面図である。 図２の水中モータの上部を示す拡大断面図である。 スリーブ軸受部分の半径方向に沿った拡大断面図である。

符号の説明

１０ 水中モータ
１１ 水中ポンプ
１２ 回転軸
１３ 羽根車
１４ 筒型ケーシング
１５ ストレーナ
１６ チェッキ弁
１７ ポンプ吐出口
２０ モータ回転軸
２０ａ 負荷側軸端
２１ モータロータ
２２ モータステータ
２３ 巻線
２５，２６ ラジアル軸受
２７ スラスト軸受
２８ カップリング
２９ ブラケット
３０ ボルト
３１，３２ 軸封装置（メカニカルシール）
３３ 軸封室
３４ モータ室
３５ スリーブ軸受
３６ 溝
３７ 切れ目

Claims (6)

1. 水中ポンプの回転軸に接続して、前記水中ポンプを駆動する水中モータであって、
   回転軸にモータロータが固定され、該モータロータの周囲にモータステータが配置され、前記回転軸が前記モータロータの両側においてラジアル軸受により支持され、さらに、前記軸受の前記水中ポンプと接続する軸端近傍にスリーブ軸受を備えたことを特徴とする水中モータ。
2. 前記水中モータは、２重シール構造の軸封装置を用いて、モータ室と該モータ室とは別にモータ室よりポンプ側に軸封室（メカ室）を有することを特徴とする請求項１記載の水中モータ。
3. 前記スリーブ軸受は、前記水中ポンプの取扱液においても潤滑することが可能なことを特徴とする請求項１記載の水中モータ。
4. 前記スリーブ軸受は、前記ラジアル軸受よりも大きな軸受隙間を有することを特徴とする請求項１記載の水中モータ。
5. 前記スリーブ軸受は、フッ素系樹脂を用いたものであることを特徴とする請求項１記載の水中モータ。
6. 水中ポンプと、該水中ポンプを駆動する水中モータとが一体的に構成された水中モータポンプであって、
   前記水中ポンプの回転軸に前記水中モータの回転軸が接続され、前記水中モータの回転軸がモータロータの両側においてラジアル軸受により支持され、さらに、前記水中ポンプと接続する軸端近傍にスリーブ軸受により支持されたことを特徴とする水中モータポンプ。

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