JP3178641B2 - サブマージドモータポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はサブマージドモータポン
プに係り、特にモータの通電部を仕様液（取扱液）で冷
却する液化ガスの圧送に好適に使用されるサブマージド
モータポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液化ガスの圧送に使用されるサブ
マージドモータポンプにおいては、モータ内部はポンプ
吐出し流路とはブッシュその他の絞り機構によって仕切
られて独立しており、この絞り機構を通してポンプ吐出
し液の一部をモータ内に流通せしめ、その冷却を行った
後、温度上昇した液をポンプ吸込部に放散する場合が殆
どである。

【０００３】即ち、図９及び図１０に示すように、サブ
マージドモータポンプはポンプ部４１とモータ部４２と
に区画されており、最終段の羽根車４３から吐出された
流体の一部を羽根車４３の背面側にある絞り機構４４を
通してモータ内部に導き、モータ内を流通させ、モータ
の冷却を行うようにしている。図９及び図１０におい
て、太い矢印はポンプ主流、細い矢印は上記の分岐した
冷却液流を示す。低圧である吸込部に放出された冷却液
の一部がガス化するので、周囲よりの入熱により生じた
ガスと併せてガスベント４５より外部（多くは吸込タン
クの気部）へ戻される。

【０００４】特に高揚程ポンプの場合は、温度上昇が大
きく、吸込部に戻すときは多量のガスを発生してガスベ
ントよりの排出に困難を来し、ポンプ主流に沿って羽根
車入口に吸込まれたりして不都合を生ずることがある。
このため、冷却液を１段目出口等低圧段出口に返し、ガ
ス化を防止するようにしている。

【０００５】この例のように、ポンプの軸推力平衡装置
の絞り減圧機構を通過した漏れ液をモータ冷却に使用し
た場合、その液の温度上昇ΔＴは、 ΔＴ＝（１/η_P）（ｇＨ/Ｃ）＋〔（１−η_M）/η_Mη_P〕（ｇＨ/Ｃ）（１/α ） ＝（１/η_P）（１＋（１−η_M）/αη_M）（ｇＨ／Ｃ）（Ｋ） ……（１） ここにη_P ：ポンプ効率、η_M ：モータ効率、α：ポン
プ吐出し量に対する洩れ流量の割合、Ｈ：ポンプ全揚程
（ｍ）、Ｃ：液比熱（kJ／kg・Ｋ）、ｇ：重力の加速度
（９．８ｍ／ｓ² ）

【０００６】（１）式中第１項はポンプ及びポンプ減圧
機構の損失による温度上昇、第２項はモータ損失による
温度上昇である。従って第１項は、冷却液のとり方（例
えば配管が多少複雑になるが３段目出口より１部抽出し
て２段目出口へ戻す等）により変わり、これによりその
分小さくすることもできるが、それは全段分に対する減
圧分の比ｋ（ｋ＝減圧段数／全段数、即ち１０段のポン
プで上記のように９段段減圧であればｋ＝０．９）を使
って、 ΔＴ＝（１／η_P ）（ｋ＋（１−η_M ）／αη_M ）（ｇＨ／Ｃ）……（２） と表され、やや小さくすることはできる。

【０００７】しかし現状では配管の複雑さ（冷却液の往
復と、これとは別個にバランス液の戻し配管の３本とな
る）のため、この方法はあまり用いられず図９及び図１
０の方式が殆どである。

【０００８】ここでのポンプ効率は運転点での効率であ
るから、最高効率点の値だけでなく、使用最小流量での
値を使用して算出しなければならない。またポンプ全揚
程はＬＮＧにおいては、現在２０００ｍを多少越える程
度である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】これに対し、液体水素
を直接燃料に使うシステムが使用されるようになったと
きは、その比重が著しく小さい（大気圧沸点で０．０７
０１）ため、要求される圧力に対しポンプ全揚程は甚だ
しく高くなる。仮に１００ kgf／cm² の圧力が要求され
たときは、ポンプ全揚程は１５，０００ｍ近くが必要と
なる。

【００１０】これを（１）式にあてはめると、液体水素
の比熱は９．０kJ／kg・Ｋとやや大きいことを考慮して
も、非常に大きな温度上昇となり、冷却戻し液の比重が
下がって膨張し、主流と同じ位の体積流量となり、これ
を低圧段に戻すときは混合に際し何等かの手段を講じな
ければならないことは必至であって煩雑さを免れない。

【００１１】本発明は上述の事情に鑑みなされたもの
で、モータを冷却する冷却液は吐出液の主流を使用する
とともに減圧した液でなく吐出液そのものを使用するこ
とができるサブマージドモータポンプを提供することを
目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ため、本発明は、液化ガスの圧送に使用され、モータ通
電部を直接に仕様液で冷却するサブマージドモータポン
プにおいて、モータケーシング内部を仕様液の主流通過
流路の一部として形成し、ポンプ吐出し主流がモータ内
部を通過しこれを冷却した後に前記モータケーシングか
ら吐出されるようにしたことを特徴とするものである。

【００１３】

【作用】前述した構成からなる本発明によれば、冷却液
は吐出液の主流を使用し、かつ減圧した液を使用するの
でなく、そのまま吐出するのであるから、吸込と吐出し
の温度差ΔＴ_s,_d は、 ΔＴ_s,_d ＝〔(１−η_P)/η_P〕(ｇＨ/Ｃ)＋〔(１−η_M)/
η_Mη_P〕(ｇＨ/Ｃ) ＝(１/η_P)(１/η_M−η_P)(ｇＨ/Ｃ) このようにすれば、今、Ｈ＝１５，０００ｍに対しても
η_M ＝０．９、η_P ＝０．５のとき、ΔＴ_s,_d ≒２０℃
であって、吐出圧１００kgf ／cm² に相当する液密度は
約０．０６であって、支障が起こる程のものではない。
即ち、このような超高揚程のサブマージドモータポンプ
にあっては、本発明の適用は必須である。

【００１４】

【実施例】以下、本発明に係るサブマージドモータポン
プの一実施例を図１を参照して説明する。図１は本発明
の最も基本的な形態を示す実施例である。図１におい
て、符号１は吐出しベルであり、吐出しベル１にはモー
タケーシング４が接続されている。モータケーシング４
には多段状に中胴１２が接続され、最下段の中胴１２に
吸込ベル１４が接続されている。

【００１５】また主軸３は上軸受２及び下軸受７に支承
されており、この主軸３には複数の羽根車９Ａ，９Ｂ…
９Ｆが固定されている。主軸３の先端部にはインデュー
サ１３が固定されている。なお、符号１１はガイドベー
ンである。

【００１６】最終段羽根車９Ｆの背後部にバランスディ
スク装置８が設置されている。バランスディスク装置８
は図２にその詳細図が示されるように固定絞り部８ａ及
び可変絞り部８ｂを通った漏れ液は連通路８ｃ及び配管
１８（図１参照）を介して低圧部側へ逃すように構成さ
れている。

【００１７】前記モータケーシング４内にはリブ４ａを
介してモータ固定子５が固定されており、このモータ固
定子５に対向して主軸３にモータ回転子６が固定されて
いる。なお符号１５は短絡環であり、符号１６は制限板
である。

【００１８】次に前述した構成からなるサブマージドモ
ータポンプの作用を説明する。ポンプ主流は太い矢印で
示されるように吸込ベル１４より吸込まれ、インデュー
サ１３によって加圧されて初段羽根車９Ａ及びガイドベ
ーン１１を経て更に加圧され、以下順次各段の羽根車９
Ｂ，９Ｃ…、ガイドベーン１１を経る毎に昇圧されて最
終段羽根車９Ｆに到り、ここでも加圧されて、次にモー
タ内に流入する。モータ内の液流路は２つあって、その
１つはモータケーシング４とモータ固定子５の間に設け
られた流路ａであって、モータケーシング４の内側のモ
ータ固定子５を支持固定する部分をリブ４ａの構造とす
ることにより、この部分に十分な流体通過面積をとるこ
とができる。

【００１９】他の１つの流路はモータ固定子５とモータ
回転子６との間のすきま（普通モータでエアーギャップ
と呼ばれるものに相当する）による流路ｂである。この
流路ｂには、「発熱の意味からすればなるべく液を流し
たい」という要求と、「高速回転する回転子６には摩耗
損失低減ひいてはモータ効率向上の観点から、液が直接
触れない方が好ましい」という見方の互いに相反する要
求があるので、本発明ではここへの流入量をコントロー
ルできるように制限板１６を挿入し、これに孔ｃを設け
ている。また回転子の端に突出する短絡環１５の外周を
利用して、ここに螺旋溝を切り、液を導入（もしくは排
出）し易くする。これらをパラメータとしてモータの温
度分布解析を行い、最適な寸法をとることとする。

【００２０】このようにしてａ，ｂ２つの流路に分かれ
た流れは、それぞれ異なった温度をもった流れとなる
が、モータを通り抜けたｄの部分で合流し、全体として
は作用の項で行ったマクロな熱計算に則った温度の流れ
となって吐出しベル１に設けられた吐出口に導かれる。
尚、図１には図示されていないが、ポンプの全体構成は
図９及び図１０に示す例と同様にポット内に収められて
外界と仕切られており、図１の吐出しベル１はポットカ
バーの内側に取付けられて、吐出された流体はポットカ
バーに取付けられたノズルを経て外部配管へと送り出さ
れる。

【００２１】モータ冷却に関する説明は以上の通りであ
るが、ポンプの構造上残された部分の作用につき説明を
加える。図１のポンプ構造では、羽根車９Ａ〜９Ｆが全
部一方向向き（下向き）となっているので、羽根車によ
る軸推力は各段による総和が下向きになり、これに回転
体自重が加わる。粘度の低い液体水素その他の低濃度液
が取扱い流体であるから、これらにより潤滑される機械
的な軸受（球軸受等）では運転中にこれを支承すること
は困難であるので、最終段の羽根車９Ｆの背後部にバラ
ンスディスク装置８を設け、その静圧軸受的な自動調節
作用により軸方向推力を支承し、かつ軸方向位置を保た
しめている。

【００２２】このバランスディスク装置の作動上必要な
減圧洩れ液は、１段目羽根車出口等の低圧部に戻され
る。この部分でも当然温度上昇が起こるが、その値は従
来の技術の項の（２）式の第１項kgＨ／η_P Ｃ（Ｋ）で
あって、Ｈ＝１５，０００ｍのポンプにあって、η_P ＝
０．５でｋ＝０．８とすると、ΔＴ＝２６Ｋとなり、
０．８分減圧された残り０．２分の低圧部２０kgf ／cm
² での４６Ｋの液体水素密度は大気圧沸点（２０Ｋ）に
おけるそれの約１／５となる。洩れ液量が全体流量の５
〜１０％であるとしても戻り液体積流量は２５〜５０％
となり、やや問題である。

【００２３】したがってモータ冷却を全流量によって行
うことは何等変わりがないが、図１のように羽根車が同
一方向を向いたポンプ構造のものは、上記戻り体積流量
が最大２０％以下となるポンプ全揚程３，０００ｍ程度
までとし、これよりも高揚程のものに対しては図３に示
すように羽根車を約半数づつ反対方向向きとし、これに
より大体の軸方向推力を平衡せしめ、残余の僅かな軸推
力及び回転体自重をバランスディスク装置で支承せしめ
ることにすれば、バランスディスク装置に要求される差
圧が少なくて済むため、減圧分が少なく、温度上昇も少
ない。

【００２４】次に、図３に示す第２実施例に係るサブマ
ージドモータポンプを詳細に説明する。図３において、
符号５１は吐出しケーシングであり、吐出しケーシング
５１の下部には上部中間プレート５９を介してモータケ
ーシング６２が接続されている。そして、モータケーシ
ング６２の下部には下部中間プレート６７を介して下部
圧力ケーシング６８が接続され、この下部圧力ケーシン
グ６８には吸込ケーシング７５が接続されている。

【００２５】前記各ケーシング５１，６２，６８，７５
内には主軸８０が回転自在に配設されており、この主軸
８０は上部軸受５２、下部軸受７６、上部モータ軸受６
１及び下部モータ軸受７８により回転支承されている。
吐出しケーシング５１内には中間ケーシング５８が配設
され、この中間ケーシング５８内には上部圧力ケーシン
グ５７が配設されている。そして、上部圧力ケーシング
５７内には、主軸８０に固定された複数段の上向き羽根
車５４Ａ，５４Ｂ…５４Ｆが配設されている。なお、符
号５５はガイドベーン、符号５６は最頂部中胴であり、
最頂部中胴５６と上部圧力ケーシング５７との間にはガ
スケット５３が介装されている。

【００２６】また、モータケーシング６２内にはモータ
ステータ６３が配置され、主軸８０にはモータステータ
６３に対向してモータロータ６４が固定されている。一
方、下部圧力ケーシング６８内には、主軸８０に固定さ
れた複数段の下向き羽根車７０Ａ，７０Ｂ…７０Ｆが配
設されている。また、吸込ケーシング７５内には主軸８
０に固定されたインデューサ７４が配置されている。な
お、符号７１，７３はガスケットである。

【００２７】下向きの最終段羽根車７０Ｆの背後にはバ
ランスディスク装置６９が配設されている。バランスデ
ィスク装置６９は図４にその詳細が示されるように固定
絞り部６９ａと可変絞り部６９ｂとを備え、固定絞り部
６９ａ及び可変絞り部６９ｂを通った液体は連通路６９
ｃ及び配管７９（図３参照）を介して低圧部側へ逃がす
ように構成されている。

【００２８】図３において下向き羽根車の最終段（例え
ば５段目）より２段目出口へ戻すこととすれば、Ｈ＝
７，５００ｍかつｋ＝０．６であって、η_P ＝０．５の
ときΔＴ≒１０Ｋであって、２段目の圧力２０kgf ／cm
² での密度は大気圧沸点時の約８０％であり、戻り体積
流量は最大でも全体流量の１２％程度となり問題はなく
なる。

【００２９】また図３に示す実施例においては、モータ
の両側に略同個数の羽根車を配置したため、流路がやや
複雑となっていること、高圧であるため二重ケーシング
式としたことなどが異なるだけで、他の点は図１に示す
実施例と同じである。モータを中間に配置した理由は、
モータ軸受に後述の如く磁気軸受を採用したときに回転
体としてオーバハングがあまり長くない構造の方が好ま
しいこと、モータ電線取出口にかかる圧力をあまり高く
ない中間圧としたいこと等である。図３において太い矢
印は主流路、細い矢印は洩れ流路を示す。

【００３０】図３に示す実施例においては、流体は下部
ケーシング７５より吸込まれ、インデューサ７４、１段
目羽根車７０Ａ等の多段の羽根車によって順次加圧され
下向き最終段の羽根車７０Ｆを経てモータケーシング６
２内に流入する。モータケーシング６２内の流れについ
ては図１と全く同じであるので説明を省略する。

【００３１】モータ内を通過した流れはｅ流路を通って
上方に向かい、最頂部の上向き羽根車５４Ａに吸込ま
れ、それから順次下へ向かって各羽根車５４Ｂ…を経由
し、最終段羽根車５４Ｆを経た後、流路ｆを通ってポン
プ吐出口へと向かう。ポンプ吐出口フランジは、図９及
び図１０におけると同様にポットカバーの裏側に取付け
られていて、液はそのポットカバー表側に取付けられて
いる吐出ノズルより外部配管に吐出される。

【００３２】図３に示す実施例においては、羽根車の軸
推力は、ほゞ同数の反対向き羽根車の配置により相殺さ
れるが、軸上下端にかかる圧力差による推力と自重とを
支える必要があるため、下向き最終段羽根車７０Ｆの背
後部にバランスディスク装置６９を設けている。バラン
スディスク装置６９よりの減圧洩れ液は、配管によりよ
り低圧の段へと戻る。図３に示す実施例では、例として
２段目出口へ戻している。下部圧力ケーシング６８と各
段内ケーシングとの間には下向き最終段羽根車７０Ｆの
吐出圧がかかり、全体を下方に押しつけてガスケット７
３を自緊するのであるが、中間にＶリング又はオムニシ
ール等それ自身で自緊できるガスケットを使用すること
により、ｂ部に低圧（本図では例として２段目圧力）を
保たせることができる。

【００３３】図５及び図６は本発明の第３実施例を示す
断面図である。図５の実施例においては、残余軸推力が
更に僅少だとして、下向き羽根車群の最終段羽根車７０
Ｆの発生圧力のみを利用すべく、最終段羽根車７０Ｆに
バランスホール８５を設け、この差圧だけでバランスデ
ィスク装置６９を作動せしめようとするものである。即
ち、図６の詳細図に示すように、固定絞り部６９ａ及び
可変絞り部６９ｂを通った漏れ液はバランスホール８５
を通って最終段羽根車７０Ｆの吸込部に戻る。このよう
にすれば、漏れ液を低圧段に戻す配管を必要とせず、漏
れ液の温度上昇も更に少ない。

【００３４】モータはポンプ主流中にあればよいので、
モータ発熱による液温上昇と、モータ前段でのポンプ昇
圧による圧力との均衡において不都合がなければ、モー
タ前後における羽根車の段数配分は任意である。高速回
転で段数が少ない場合には図７のような配置も考えられ
る。図７に示す実施例においては、羽根車９０，９１は
同一方向を向いており、２段目羽根車９１にバランスデ
ィスク装置９３及びバランスホール９４が設けてあって
バランスディスク作用を行わせる。その他の構成は図５
に示す実施例と近似しているため、図５と同一の構成要
素には同一の符号を付しその説明を省略する。

【００３５】図８に示す実施例は、モータと吐出流路が
並列になって、主流路を分岐してモータ内部に通過させ
る考え方のものである。本実施例は、図９に示す従来の
サブマージドモータポンプのモータケーシング５０に大
きな開口５０ａを形成し、モータ内部に吐出流を分岐さ
せるようにしたものである。

【００３６】本実施例においては、分岐流量を設定して
やれば、モータ出力に応じてモータ内温度が決まってく
るので、それが不都合を来さないような範囲に止まる容
量範囲の場合にはこのような構造もあり得る。もちろん
流れがモータ部を通過後合流した後は、作用の項で求め
られるようなマクロな温度上昇に落ちつく。モータへの
流入流量を制限するので、モータ内温度分布解析を十分
行わねばならない。

【００３７】図１より図８の各実施例を通して、モータ
両側の軸受（図１の符号２，７、図３の符号６１，７８
等）は球軸受の如く描かれているが、高速回転のときは
この軸受を磁気軸受、静圧軸受等低粘度液中でも支承能
力のある形式の軸受を採用するのが好ましく、またそれ
は可能である。図３の軸先端の軸受５２，７６について
も同様である。これらの軸受は普通の場合円筒上である
ので、これを採用した場合は、ポンプ停止時（その時は
ポンプバランスディスクが機能しないので）に自重を支
承する推力軸受が別途必要となる。図１乃至図４に示す
実施例においては、すべてモータ下部の球軸受（図１の
符号７、図３の符号７８）がその役目を果たしている。
即ち、停止時はバランスディスク面が離れて回転体自重
はこの球軸受にかかり、ポンプが起動されて、バランス
ディスクが作動し始め、バランスディスク面が近接する
ため回転体は平衡の位置まで上行するが、そのときはこ
れらの球軸受の外輪で軸方向に滑って移動する。即ち球
軸受の使い方としてはやや異色な使い方をしている。

【００３８】

【発明の効果】従来のサブマージドモータポンプのモー
タ冷却方式は、冷却液が少量であり、かつ減圧を伴うの
で温度上昇が大きく、吸込側に放散するときはガスを生
じ、低圧段へ回流しても大きな体積流量となって流体力
学的に好ましくない。このことはポンプ揚程が高くなる
程程度はひどくなり、液体水素ポンプのように極端な高
揚程ポンプとせざるを得ない場合は運転上支障を来す。
しかしながら、本発明の構造を採用することにより、即
ちモータを冷却する冷却液は吐出液の主流を使用するこ
とにより上記難点を完全に回避することができ、ポンプ
を安全に運転することができる。

【００３９】また本発明によれば、モータ入力をすべて
ポンプ吐出液エンタルピ上昇に転化できるため、仕様液
をそのままガス化し燃料に使用する用途にあってはエネ
ルギー収支上効率のよい使い方となる。

【００４０】さらに本発明によれば、発電プラント等に
有りがちな少負荷運転で、ポンプを効率の低い部分負荷
で運転せざるを得ないときでも安全に運転できる範囲が
広まる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るサブマージドモータポンプの一実
施例を示す縦断面図である。

【図２】図１に示すサブマージドモータポンプの要部拡
大断面図である。

【図３】本発明に係るサブマージドモータポンプの第２
実施例を示す縦断面図である。

【図４】図３に示すサブマージドモータポンプの要部拡
大断面図である。

【図５】本発明に係るサブマージドモータポンプの第３
実施例を示す縦断面図である。

【図６】図５に示すサブマージドモータポンプの要部拡
大断面図である。

【図７】本発明に係るサブマージドモータポンプの第４
実施例を示す縦断面図である。

【図８】本発明に係るサブマージドモータポンプの第５
実施例を示す縦断面図である。

【図９】従来のサブマージドモータポンプを示す縦断面
図である。

【図１０】従来のサブマージドモータポンプを示す縦断
面図である。

【符号の説明】

１ 吐出ベル ２ 上軸受 ３ 主軸 ４ モータケーシング ５ モータ固定子 ６ モータ回転子 ７ 下軸受 ９ 羽根車 １１ ガイドベーン １２ 中胴 １３ インデューサ １４ 吸込ベル １５ ロータ短絡環 １６ 制限板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−179896（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−55550（ＪＰ，Ａ) 実開 昭54−2204（ＪＰ，Ｕ) 実開 平５−62170（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−63394（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭40−7245（ＪＰ，Ｙ１) 実公 昭15−7123（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F04D 13/08 F04D 29/58

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液化ガスの圧送に使用され、モータ通電
   部を直接に仕様液で冷却するサブマージドモータポンプ
   において、モータケーシング内部を仕様液の主流通過流
   路の一部として形成し、ポンプ吐出し主流がモータ内部
   を通過しこれを冷却した後に前記モータケーシングから
   吐出されるようにしたことを特徴とするサブマージドモ
   ータポンプ。