JP6976179B2 - ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ポンプに関する。

吸水槽に多量の水が急激に流れ込んだ際の排水の遅れを防止するために、予め運転が行われる先行待機形ポンプが知られている。この先行待機形ポンプは、吸水槽内の水位によって、水を排出する排水運転、ポンプケーシング内に揚水を保持した気水混合運転、及びポンプケーシング内に揚水が無い気中運転に切り換わる。

このようなポンプの軸受診断装置が特許文献１に開示されている。この軸受診断装置では、水中軸受と回転軸の間に圧搾空気を供給することで、水中軸受の異常（摩耗量）の検出と、水中軸受と回転軸の隙間に存在する夾雑物、砂、及び塵等の異物除去とが可能である。

特開２００９−０７４５３０号公報

特許文献１の軸受診断装置では、水中軸受の異常検出と異物除去だけでなく、気中運転時に水中軸受を冷却することもできる。しかし、特許文献１の軸受診断装置では、気中運転を実行可能な時間を長くすることについては、何も考慮されていない。

本発明は、気中運転の実行時間を長時間化、ないし駆動部を停止することなく気中運転を継続して実行可能なポンプを提供することを課題とする。

本発明は、内部に回転軸が配置されたポンプケーシングと、前記ポンプケーシング内に配置され、前記回転軸を回転可能に支持する水中軸受と、前記水中軸受が気中にあるのか水中にあるのかを検出する検出手段と、前記水中軸受に冷却用の空気を供給可能な給気機構と、前記水中軸受が気中にあることを前記検出手段が検出すると、前記給気機構によって前記水中軸受を空冷する制御部とを備える。

本発明のポンプでは、水中軸受が気中にあることを検出手段が検出すると、給気機構によって水中軸受を空冷するため、気中運転時の水中軸受の発熱を効果的に抑制できる。よって、水中軸受が過度に発熱することに伴う、水中軸受への回転軸の焼き付きを防止できる。また、水中軸受を空冷しない場合と比較して、気中運転の実行時間を長時間化できるだけでなく、駆動部を停止することなく気中運転を継続して実行することも可能である。よって、ポンプ停止時に多くの水が吸水槽に流れ込むことによる排水の遅れを防止できるため、先行待機形のポンプとしての機能を十分に確保でき、信頼性を向上できる。

本発明の第１態様は、前記水中軸受が気中にある状態で前記回転軸の駆動部を動作可能な許容時間と、この許容時間以下の起動時間とが設定されており、前記制御部は、前記水中軸受が気中にあることを前記検出手段が検出したときから前記起動時間が経過すると、前記給気機構による前記水中軸受の空冷を開始するように構成されており、前記給気機構による前記水中軸受への給気量は、前記許容時間と前記起動時間に基づいて設定されている、ポンプを提供する。具体的には、前記給気量は、前記許容時間よりも前記起動時間が短くなるに従って、少なくなるように設定されている。この態様によれば、冷却工程を開始する起動時間を短くすることで、給気機構として低出力のブロワを使用できるため、高出力のブロワを使用する場合と比較して、ポンプのコストダウンを図ることができる。

前記制御部は、前記水中軸受が水に浸かったことを前記検出手段が検出すると、前記給気機構による前記水中軸受の空冷を停止する。この態様によれば、水中軸受への給気によって、揚水に空気が混入することによる排水運転中のポンプの振動を防止できるとともに、給気機構への浸水を防止できる。

前記給気機構は、前記水中軸受に空気を供給可能な圧力タンクを有する。この態様によれば、圧力タンク内に貯留した空気によって水中軸受を空冷できるため、利便性を向上できる。

前記水中軸受は、前記回転軸を挿通する軸孔の外側に、前記回転軸の軸方向に貫通した貫通孔を備える。この態様によれば、水中軸受（摺動体）を効果的に冷却できるため、駆動部を停止することなく気中運転を継続して実行できる。

本発明の第２態様は、前記水中軸受は、前記回転軸の外周に配置され、前記回転軸を挿通する軸孔を含む摺動体と、前記摺動体の外周に配置され、前記摺動体を保持するバックシェルと、前記バックシェルに設けられ、前記回転軸の軸方向に貫通した貫通孔とを有する、ポンプを提供する。この態様によれば、摺動体ではなくバックシェルに貫通孔が設けられているため、摺動体の強度低下を防止でき、摺動体による回転軸の保持に影響が及ぶことを防止できる。

本発明の第３態様は、前記給気機構から前記水中軸受への給気圧と、前記ポンプケーシングの内圧との差を検出する差圧検出部を備え、前記制御部は、前記差圧検出部の検出結果に基づいて前記水中軸受の摩耗量を判断する判断部を含み、前記判断部の判断結果に基づいて、前記水中軸受の摩耗量を判断する周期を変更する、ポンプを提供する。この態様によれば、判断部の判断結果に基づいて摩耗量を判断する周期を変更するため、水中軸受の異常（摩耗）を適切に判断でき、隙間が過度に大きくなることによるポンプの異常（振動）を抑制できる。

前記水中軸受が気中にある状態での累積運転時間に応じて、前記水中軸受の予定摩耗量が予め設定されており、前記制御部は、前記判断部が判断した前記水中軸受の摩耗量と前記予定摩耗量とに基づいて、前記水中軸受の交換時期を判定する判定部を含む。この態様によれば、水中軸受の交換部品の準備期間を含む交換時期を適切に判定できるため、利便性を向上できる。

本発明のポンプでは、水中軸受が空気に露出すると、給気機構によって水中軸受を空冷するため、気中運転時の水中軸受の発熱を抑制できる。よって、気中運転の実行時間を長時間化できるだけでなく、駆動部を停止することなく気中運転を継続して実行することも可能である。

本発明の実施形態に係る立軸ポンプを示す断面図。 水中軸受の縦断面図。 水中軸受の温度と冷却性能の関係を示すグラフ。 立軸ポンプの構成を示すブロック図。 水中軸受の横断面図。 水中軸受の分解斜視断面図。 バックシェルの内面を示す斜視図。 制御部による冷却工程を示すフローチャート。 図８の隙間測定を示すフローチャート。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る立軸ポンプ１０を示す。この立軸ポンプ１０は、吸水槽１に流入した雨水等を下流側へ排水するものであり、吸水槽１の水位によって排水運転、気水混合運転、及び気中運転に切り換わる先行待機形ポンプである。本実施形態では、ポンプケーシング１２内の水中軸受２７を強制空冷する給気機構６０を設けることで、気中運転の実行時間を長時間化する。

（立軸ポンプの概要）
図１に示すように、立軸ポンプ１０は、ポンプケーシング１２、回転軸２２、羽根車２５、水中軸受２７、及び駆動部５６を備える。

ポンプケーシング１２は、吸水槽１上を覆う据付床２に固定されており、吸水槽１内に配置された揚水管１３と、据付床２上に配置された吐出し管１８とを備える。揚水管１３は、直管１４、ベーンケーシング１５、及びベルマウス１７を備え、この順で上側から下側へ接続されている。吐出し管１８は、中心軸が９０度湾曲した吐出エルボ１９を備え、直管１４の上端に接続されている。吐出エルボ１９の出口には、下流側へ排水するための送水管（図示せず）が接続されている。

回転軸２２は、吐出エルボ１９を貫通し、揚水管１３の軸線に沿って回転可能に配置されている。回転軸２２の上端は、吐出エルボ１９から外方へ突出されている。吐出エルボ１９の回転軸２２が貫通する部分は、軸封装置によって水密にシールされている。

羽根車２５は、ベーンケーシング１５内に位置する回転軸２２の下端に固定されている。ベーンケーシング１５内には軸受ケーシング１６が固定されており、この軸受ケーシング１６の下側に、羽根車２５が配置されている。

水中軸受２７は、回転軸２２を回転可能に支持するもので、ポンプケーシング１２内に配置されている。水中軸受２７の数は、揚水管１３の全長によって定められており、本実施形態では、ベーンケーシング１５の下端と直管１４内に、合計で３個配置されている。

図４を参照すると、水中軸受２７は円筒状であり、回転軸２２の軸方向に間隔をあけて配置された２組の摺動体ユニットを備える。摺動体ユニットは、回転軸２２の方から径方向外側へ順に、摺動体２９、バックシェル３２、及び防振部材４３を備える。これらの摺動体ユニットは、バックシェル３２が上下逆向きになるように、カバーケース４８内に配置されている。

引き続いて図１を参照すると、駆動部５６は、回転軸２２の上端に接続された電動モータからなる。駆動部５６には、内燃機関の１つであるディーゼル機関を用いてもよい。駆動部５６によって回転軸２２を回転させると、回転軸２２と一体に羽根車２５が回転されることで、吸水槽１内の水がポンプケーシング１２内を通って下流側へ排出される。

立軸ポンプ１０は、吸水槽１内の水位によって、水を下流側へ排出する排水運転、排水することなく揚水管１３内に揚水を保持した気水混合運転、及び揚水管１３内に揚水が無い気中運転に切り換わる。排水運転中と気水混合運転中には、水中軸受２７は、揚水管１３内の揚水によって冷却されるため、過度に発熱することはない。しかし、水中軸受２７が空気に露出した気中運転では、水によって水中軸受２７を冷却できないため、回転軸２２の摺接によって水中軸受２７が過度に発熱すると、水中軸受２７（摺動体２９）に回転軸２２が焼き付く。

この気中運転時の問題を解消するために、本実施形態の立軸ポンプ１０には、水中軸受２７を強制冷却するための給気機構６０が設けられるとともに、水中軸受２７に空冷による冷却構造が設けられている。また、摺動体２９の摩耗状態を監視する監視装置８２が設けられている。なお、以下の説明では、必要に応じて下段の水中軸受を２７Ａ、中段の水中軸受を２７Ｂ、上段の水中軸受を２７Ｃとして説明する。

（給気機構の概要）
給気機構６０は、水中軸受２７が空気に露出すると制御部８０によって駆動され、水中軸受２７を空冷するものである。図１及び図２に示すように、給気機構６０は、水位センサ（検出手段）６２、１個のブロワ６５、１個の切換弁６７、水中軸受２７と同数（本実施形態では３個）の定流量弁６８、及び水中軸受２７と同数の逆止弁６９を備える。また、給気機構６０は、ブロワ６５の給気圧を検出する圧力センサ７１と、ブロワ６５の給気を補うための圧力タンク７３とを備える。

水位センサ６２は、水中軸受２７が気中にあるのか水中にあるのかを検出するもので、水中軸受２７の上下に配置した電極によって構成されている。本実施形態のように３個の水中軸受２７Ａ〜２７Ｃを備える場合、水位センサ６２として、１個のベース電極６３ａと３個の検出電極６３ｂ〜６３ｄとが、ポンプケーシング１２内に配置される。これらの電極６３ａ〜６３ｄは、制御部８０に電気的に接続されている。

ベース電極６３ａは、水中軸受２７Ａ（羽根車２５）よりも下方に位置するように、ベルマウス１７内に配置されている。検出電極６３ｂは、水中軸受２７Ａ，２７Ｂ間かつ水中軸受２７Ａの近傍に位置するように、直管１４内に配置されている。検出電極６３ｃは、水中軸受２７Ｂ，２７Ｃ間かつ水中軸受２７Ｂの近傍に位置するように、直管１４内に配置されている。検出電極６３ｄは、水中軸受２７Ｃよりも上方かつ水中軸受２７Ｃの近傍に位置するように、直管１４内に配置されている。水位センサ６２は、ベース電極６３ａと検出電極６３ｂ〜６３ｄとの間の導通の有無によって、検出電極６３ｂ〜６３ｄを配置した部位まで揚水が有るのか無いのか、つまり水中軸受２７Ａ〜２７Ｃが気中にあるのか水中にあるのかを検出できる。

ブロワ６５は、冷却用の空気を外部から取り込んで水中軸受２７Ａ〜２７Ｃに供給するもので、配管６６ａによって切換弁６７に接続され、制御部８０に電気的に接続されている。

切換弁６７は、３個の水中軸受２７Ａ〜２７Ｃのうちのいずれかとブロワ６５とを選択的に接続する四方弁であり、制御部８０に電気的に接続されている。この切換弁６７の１箇所の入口には配管６６ａが接続され、３箇所の出口には配管６６ｂ〜６６ｄがそれぞれ接続されている。

配管６６ｂ〜６６ｄは、ポンプケーシング１２に設けられた連通部２０の外端に接続され、この連通部２０を介して水中軸受２７Ａ〜２７Ｃにそれぞれ接続されている。連通部２０の内端は、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃのカバーケース４８に接続されている。図４を参照すると、カバーケース４８は、防振部材４３の外周部を覆う円筒状の外周壁４９を備える。外周壁４９には、一対の摺動体ユニット間に位置するように、１個の接続孔５０が設けられ、この接続孔５０に連通部２０が接続されている。

定流量弁６８は、ブロワ６５（配管６６ａ）側の流量や圧力に変化が生じても、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃへの流量を一定に保つ機能を備えたバルブであり、配管６６ｂ〜６６ｄにそれぞれ介設されている。

逆止弁６９は、ブロワ６５から水中軸受２７Ａ〜２７Ｃに向けた空気の流動を許容し、逆向きの空気の流動を阻止するバルブであり、定流量弁６８の下流側に位置するように、配管６６ｂ〜６６ｄにそれぞれ介設されている。

圧力センサ７１は、ブロワ６５の給気圧を検出するもので、配管６６ａに接続され、制御部８０に電気的に接続されている。

圧力タンク７３は、ブロワ６５による給気が不足している際、及び水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの緊急冷却が必要な際、貯留した空気を水中軸受２７Ａ〜２７Ｃに供給するもので、配管６６ａにおける圧力センサ７１の下流側に分岐接続されている。圧力タンク７３が接続された分岐管７４には、電磁弁７５と逆止弁７６が並列に接続されている。電磁弁７５は、常閉弁であり、制御部８０に電気的に接続されている。逆止弁７６は、ブロワ６５から圧力タンク７３に向けた空気の流動を許容し、逆向きの空気の流動を阻止するバルブである。圧力タンク７３には、制御部８０によるブロワ６５の駆動によって、逆止弁７６を通して定められた容量の空気が貯留される。

図１中の７８は、何らかの異常によって配管６６ａ内が過度に昇圧した際、外部へ脱圧するための安全弁である。

制御部８０は、水位センサ６２の検出結果に基づいてブロワ６５を制御するとともに、圧力センサ７１の検出結果に基づいて電磁弁７５を制御するもので、単一又は複数のマイクロコンピュータ、及びその他の電子デバイスによって構成されている。制御部８０は、制御プログラムと、制御プログラムで使用する閾値等の制御データとを記憶する記憶部８０ａを備える。

ベース電極６３ａと全ての検出電極６３ｂ〜６３ｄとの間に導通が有る場合、制御部８０は、全ての水中軸受２７Ａ〜２７Ｃが水中にあると判断する。この場合、制御部８０は、ブロワ６５を停止状態に維持し、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの空冷を行わない。

ベース電極６３ａと検出電極６３ｂ，６３ｃとの間には導通が有り、電極６３ａ，６３ｄ間には導通が無い場合、制御部８０は、水中軸受２７Ａ，２７Ｂは水中にあり、水中軸受２７Ｃは気中にあると判断する。この場合、制御部８０は、ブロワ６５を駆動するとともに、ブロワ６５と水中軸受２７Ｃが連通するように切換弁６７を切り換えて、水中軸受２７Ｃを空冷する。

電極６３ａ，６３ｂ間に導通が有り、ベース電極６３ａと検出電極６３ｃ，６３ｄとの間には導通が無い場合、制御部８０は、水中軸受２７Ａは水中にあり、水中軸受２７Ｂ，２７Ｃは気中にあると判断する。この場合、制御部８０は、ブロワ６５を駆動するとともに、ブロワ６５と水中軸受２７Ｂが連通する状態と、ブロワ６５と水中軸受２７Ｃが連通する状態とを、切換弁６７によって所定時間毎に切り換えて、水中軸受２７Ｂ，２７Ｃを交互に空冷する。

ベース電極６３ａと全ての検出電極６３ｂ〜６３ｄとの間に導通が無い場合、制御部８０は、全ての水中軸受２７Ａ〜２７Ｃが気中にあると判断する。この場合、制御部８０は、ブロワ６５を駆動するとともに、ブロワ６５と水中軸受２７Ａが連通する状態、ブロワ６５と水中軸受２７Ｂが連通する状態、及びブロワ６５と水中軸受２７Ｃが連通する状態を、切換弁６７によって所定時間毎に切り換えて、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃを順番に空冷する。

ブロワ６５による空冷は、定められた冷却周期で対象の水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの全てが空冷されるように、構成されている（例えば３６００秒／水中軸受の個数）。具体的には、冷却対象が水中軸受２７Ｃのみの場合、制御部８０は、水中軸受２７Ｃだけを継続的に空冷する。冷却対象が２個の水中軸受２７Ｂ，２７Ｃの場合、制御部８０は、冷却周期の１／２が経過する毎に切換弁６７を切り換え、水中軸受２７Ｂ，２７Ｃを交互に空冷する。冷却対象が全ての水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの場合、制御部８０は、冷却周期の１／３が経過する毎に切換弁６７を切り換え、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃを順番に空冷する。

水中軸受２７Ａ〜２７Ｃに供給された空気は、接続孔５０から一対の摺動体ユニット間に流入し、回転軸２２に衝突することで、回転軸２２に沿って上下に通過する。これにより、摺動体２９を空冷できるため、回転軸２２の摺接による摺動体２９の過度の発熱を防止できる。

水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの空冷時、制御部８０は、圧力センサ７１の検出結果に基づいて、ブロワ６５からの給気量が不足しているか否かを判断する。そして、給気量が不足している場合、制御部８０は、電磁弁７５を開弁させ、圧力タンク７３内の空気を併せて水中軸受２７Ａ〜２７Ｃに供給する。

また、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの空冷時、ポンプケーシング１２内に水が進入し、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃが水に浸かったこと水位センサ６２が検出すると、制御部８０は、ブロワ６５を停止することで、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの空冷を停止する。ブロワ６５を停止するタイミングは、検出電極６３ｂ〜６３ｄの検出結果に基づいて個別に行うことが好ましいが、下段の水中軸受２７Ａが水に浸かったことを検出した時でもよいし、上段の水中軸受２７Ｃが水に浸かったことを検出した時でもよい。

このように、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃが気中にあることを水位センサ６２が検出すると、制御部８０が給気機構６０によって水中軸受２７Ａ〜２７Ｃを空冷するため、気中運転時の水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの発熱を効果的に抑制できる。また、ブロワ６５からの給気量が不足している場合、圧力タンク７３内に貯留した空気によって水中軸受２７Ａ〜２７Ｃを空冷できる。よって、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃが過度に発熱することに伴う、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃへの回転軸２２の焼き付きを防止できる。また、排水運転時に回転軸２２と水中軸受２７の間に侵入した異物（排水に含まれた細かい砂やシルト等）も除去できる。

また、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃが水に浸かったことを水位センサ６２が検出すると、制御部８０は、給気機構６０による水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの空冷を停止する。そのため、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃへの給気によって、揚水に空気が混入することによる排水運転中のポンプケーシング１２の振動を防止できるとともに、給気機構６０への浸水を防止できる。

（ブロワの給気設定）
気中運転時の水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの温度上昇と、ブロワ６５による冷却性能の関係とを、図３を参照して説明する。図３の縦軸は水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの温度Ｔ（℃）であり、図３の横軸は時間である。この図３に示すように、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃ（摺動体２９）には、回転軸２２との焼き付きを防ぐために、温度上昇の上限である許容温度Ｔａ（この例では９５℃）が定められている。

図３に破線で示すように、空冷することなく駆動部５６を駆動し続けた場合、摺動体２９の温度Ｔは、許容温度Ｔａを超える。これを防ぐには、駆動部５６を停止して摺動体２９を自然冷却する方法がある。この場合、駆動部５６を動作可能な許容時間ｔａが、実験等によって見出され、予め定められる。しかし、この場合、駆動部５６の停止時に多量の水が吸水槽１内に流入すると、排水が遅れるため、先行待機形のポンプ１０としての機能を十分に確保できない。

そこで、本実施形態では、許容時間ｔａを基準として、気中運転になった時点から給気機構６０によって水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの空冷を開始するまでの起動時間ｔｓが設定されている。この起動時間ｔｓは許容時間ｔａ以下である。

図３中の太い実線（空冷１）は、気中運転の開始後、許容時間ｔａが経過すると同時に、ブロワ６５による空冷を開始した第１実施例を示す。図３中の細い実線（空冷２）は、気中運転の開始後、許容時間ｔａが経過する前に、ブロワ６５による空冷を開始した第２実施例を示す。図３中の一点鎖線（空冷３）は、気中運転の開始後、許容時間ｔａが経過する前、且つ第２実施例の起動時間ｔａよりも早い時点で、ブロワ６５による空冷を開始した第３実施例を示す。許容時間ｔａを基準として起動時間ｔｓを指数で表すと、第１実施例の起動時間ｔｓは「１」であり、第２実施例の起動時間ｔｓは「０．８」であり、第３実施例の起動時間ｔｓは「０．５」である。

起動時間ｔｓを許容時間ｔａ以下とした場合、駆動部５６の駆動を継続しても、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの温度Ｔは、許容温度Ｔａを超えることはない。よって、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃを空冷しない場合と比較して、気中運転の実行時間を長時間化できるだけでなく、駆動部５６を停止することなく気中運転を継続して実行することも可能である。このようにすれば、ポンプ停止時に多くの水が吸水槽１に流れ込むことによる排水の遅れを防止できるため、先行待機形のポンプ１０としての機能を十分に確保でき、信頼性を向上できる。

水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの冷却効率は、ブロワ６５の給気量Ｑ（m3/min）に関連している。具体的には、起動時間ｔｓが許容時間ｔａに近づく（遅くなる）に従って、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの上昇温度が高くなるため、冷却に必要な給気量Ｑは多くなる。一方、ブロワ６５の起動時間ｔｓが早くなるに従って、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの上昇温度は低くなるため、冷却に必要な給気量Ｑは少なくて済む。このような知見に基づいて、ブロワ６５からの給気量Ｑは、以下の数式（１）のように、許容時間ｔａよりも起動時間ｔｓが短くなるに従って、少なくなるように設定されている。

このように、給気機構６０として使用可能なブロワ６５の能力（出力）は、許容時間ｔａと起動時間ｔｓによって定めることができる。そして、空冷を開始する起動時間ｔｓを短くすることで、低出力のブロワ６５を使用できるため、高出力のブロワ６５を使用する場合と比較して、全体のコストダウンを図ることができる。

（水中軸受の冷却構造の概要）
前述のように、水中軸受２７は、摺動体２９、バックシェル３２、及び防振部材４３を備え、カバーケース４８内に配置されている。図４から図６に示すように、水中軸受２７には、給気機構６０による冷却効率を向上するために、回転軸２２を軸支する軸孔３０の外側に、供給された空気を通す貫通孔３３が形成されている。

摺動体２９は、セラミック又は熱伝導率が低い樹脂からなり、中心に回転軸２２（スリーブ２３）を挿通する軸孔３０を備える。摺動体２９は、回転軸２２を取り囲む円筒形状に形成されているが、周方向に分割した複数の扇形状に形成してもよい。

バックシェル３２は円筒状であり、ステンレス又は銅合金等の熱伝導性が良好な材料によって形成されている。バックシェル３２は、摺動体２９の外側に配置され、摺動体２９を保持（固定）している。本実施形態のバックシェル３２は、内環部材３４と外環部材３８とで構成されており、これらの対向部分に、回転軸２２の軸方向に貫通する空冷用の貫通孔３３が形成されている。

内環部材３４は、摺動体２９の外周面と概ね同一直径の内周面を備え、摺動体２９に対して焼きばめによって結合されている。内環部材３４の軸方向の一端には、径方向内向きに突出し、摺動体２９の軸方向の一端を保持する突出部３５が設けられている。外環部材３８は、内環部材３４の外周面と概ね同一直径の内周面を備える。外環部材３８の軸方向の一端には、径方向外向きに突出し、防振部材４３の軸方向の一端を保持する突出部３９が設けられている。

内環部材３４の外周面には、内環部材３４の径方向内向きに窪む螺旋状のネジ溝３６が設けられている。外環部材３８の内周面には、外環部材３８の径方向内向きに突出する螺旋状のネジ突起４０が設けられている。ネジ溝３６にネジ突起４０を螺合させることで、内環部材３４と外環部材３８とが組み付けられる。ネジ溝３６に対してネジ突起４０を締め付ける向きは、回転軸２２が回転する向きと同じになるように設定され、回転軸２２の回転によって内環部材３４と外環部材３８が緩み、これらの分解を防止することが好ましい。なお、内環部材３４にネジ突起４０を設け、外環部材３８にネジ溝３６を設けてもよい。

貫通孔３３は、内環部材３４に形成されたネジ溝３６によって構成されている。詳しくは、ネジ溝３６は、内環部材３４の一端から他端にかけて貫通（連続）する螺旋状に形成されている。ネジ溝３６の溝深さは、外環部材３８のネジ突起４０の突起高さよりも大きく形成されている。これらの寸法差は、ネジ溝３６の底とネジ突起４０の先端との間に、空気が流動可能な通路面積を確保できる幅に設定されている。これにより、バックシェル３２には、軸方向の一端から他端まで連通した螺旋状の貫通孔３３が形成される。なお、ネジ突起４０は、外環部材３８の一端側に設けられ、ネジ溝３６よりも巻き数が少ない螺旋状に形成されているが、外環部材３８の一端から他端にかけて連続するように形成してもよい。

内環部材３４と外環部材３８は、固定ピン４１によって更に固定されている。固定ピン４１は、六角ネジによって構成されており、外環部材３８の外側から径方向内向きに締め付けられている。固定ピン４１は、ネジ溝３６を塞がない位置に配置されている。

図７を参照すると、内環部材３４の内周面には、摺動体２９から離れる向きに窪む凹溝３７が設けられている。凹溝３７は、摺動体２９との間に通気用の空隙を形成するもので、ローレット加工を施すことによって形成されている。本実施形態の凹溝３７は、格子状に形成され、内環部材３４の軸方向の一端から他端にかけて連通している。

図４から図６に示すように、防振部材４３は、バックシェル３２の外周に配置された２以上（本実施形態では４個）のバンプフォイル軸受４４によって構成されている。バンプフォイル軸受４４は概ね円環状で、厚みが均一な金属板によって形成されている。バンプフォイル軸受４４には、外周部４５から径方向内側へ断面半円状に突出し、バックシェル３２の外周面に当接する複数の凸条４６が形成されている。凸条４６は、回転軸２２の軸方向に沿って延び、周方向に間隔をあけて設けられている。

２以上のバンプフォイル軸受４４は、個々の中心が同一軸線上に位置するように、回転軸２２の軸方向に配列されている。図５に最も明瞭に示すように、隣接したバンプフォイル軸受４４の凸条４６は、回転軸２２の周方向の異なる位置に配置されている。詳しくは、下段のバンプフォイル軸受４４の凸条４６は、上段のバンプフォイル軸受４４の隣接する凸条４６の間に位置するように、配置されている。

カバーケース４８は、前述のように、給気機構６０と接続する接続孔５０が形成された外周壁４９を備える。また、カバーケース４８は、回転軸２２の軸方向における外周壁４９の一端と他端に、径方向内向きに突出する端壁５１を備える。端壁５１には、周方向に定められた間隔をあけて複数の通気孔５２が設けられている。

図５に示すように、カバーケース４８とバックシェル３２（外環部材３８）とは、固定ピン５４によって固定されている。固定ピン５４は、六角ネジによって構成されており、カバーケース４８の外側から径方向内向きに締め付けられている。カバーケース４８の内側に防振部材４３を配置し、防振部材４３の内側にバックシェル３２を配置し、固定ピン５４によって、バックシェル３２とカバーケース４８とを固定する。これにより、カバーケース４８とバックシェル３２の間に防振部材４３が保持されている。

図４に示すように、このように構成された水中軸受２７では、ネジ溝３６によって構成された貫通孔３３がバックシェル３２に形成されている。バックシェル３２と摺動体２９の間には、バックシェル３２に形成した凹溝３７によって、空気が流動可能な空隙が形成されている。バックシェル３２と防振部材４３との間には、防振部材４３に形成した凸条４６によって、空気が流動可能な空隙が形成されている。防振部材４３は金属板からなるバンプフォイル軸受４４によって構成されているため、内部を空気が流動可能である。

立軸ポンプ１０の気中運転時、回転軸２２の回転によって昇温した摺動体２９の熱は、バックシェル３２とバンプフォイル軸受４４に伝導するため、これらの温度も昇温する。

接続孔５０から水中軸受２７内に供給された空気は、摺動体２９とスリーブ２３の隙間、バックシェル３２の貫通孔３３、バックシェル３２と摺動体２９の間の空隙、バックシェル３２と防振部材４３の間の空隙、及び防振部材４３の空隙を通り、熱交換作用によって各構成部材の熱を吸着する。そして、上下の摺動体ユニットを通過した空気は、カバーケース４８の通気孔５２から外部へ流出する。

摺動体２９は、摺動体２９とスリーブ２３の間の隙間、及びバックシェル３２と摺動体２９の間の空隙を流動する空気によって、冷却される。バックシェル３２は、バックシェル３２の貫通孔３３、バックシェル３２と摺動体２９の間の空隙、及びバックシェル３２と防振部材４３の間の空隙を流動する空気によって、冷却される。防振部材４３は、バックシェル３２と防振部材４３の間の空隙、及び防振部材４３の空隙を流動する空気によって、冷却される。カバーケース４８は、防振部材４３の空隙を流動する空気、及びカバーケース４８の外部の空気によって、冷却される。

このように、給気機構６０から水中軸受２７への給気によって、摺動体２９、バックシェル３２、及び防振部材４３が冷却される。また、最も昇温する摺動体２９は、バックシェル３２との熱交換によっても冷却される。よって、摺動体２９の温度Ｔが許容温度Ｔａを超えて過度に発熱することによる回転軸２２の焼き付きを効果的に防止できる。

貫通孔３３は、摺動体２９ではなくバックシェル３２に設けられているため、摺動体２９の剛性低下を防止でき、摺動体２９による回転軸２２の保持に影響が及ぶことを防止できる。また、バックシェル３２は内環部材３４と外環部材３８によって構成され、内環部材３４の外周面に貫通孔３３を構成するネジ溝３６が形成されているため、所定形状の貫通孔３３を、バックシェル３２に確実に形成できる。特に、本実施形態のように、貫通孔３３を螺旋状に形成すれば、空気が流動する距離を長くできるため、熱交換可能な時間を確保でき、バックシェル３２の冷却効率を向上できる。また、貫通孔３３は、ラビリンス構造等の複雑な形状に形成することも可能である。

内環部材３４と外環部材３８は、固定ピン４１によって固定されているため、回転軸２２の回転によって緩み、分解されることはない。防振部材４３は２以上のバンプフォイル軸受４４からなるため、回転軸２２の振動に対する減衰機能を持たせることができる。また、防振部材４３内にも空気が流動するため、防振部材４３の耐熱温度を向上できる。

（監視装置の概要）
監視装置８２は、摺動体２９の摩耗量Ｗの判断と、水中軸受２７の交換時期の判定とを行うものである。図１及び図２に示すように、監視装置８２は、差圧センサ８４と、制御部８０とによって構成されている。制御部８０は、気中運転時に、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの個々の摺動体２９の摩耗量Ｗを判断する判断部８０ｂを含む。また、制御部８０は、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの交換時期を判定する判定部８０ｃを含む。

差圧センサ８４は、ブロワ６５から水中軸受２７への給気圧と、ポンプケーシング１２の内圧との差（差圧）を検出する差圧検出部であり、制御部８０に電気的に接続されている。この差圧センサ８４は、差圧測定配管８５に介設されている。差圧測定配管８５の一端は、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃよりも下流側である吐出し管１８に接続され、差圧測定配管８５の他端は、配管６６ａの圧力タンク７３と切換弁６７の間に接続されている。

摺動体２９とスリーブ２３の隙間が小さい時（摺動体２９の摩耗が少ない時）の差圧センサ８４の検出値（検出結果）ΔＰ１は、摺動体２９とスリーブ２３の隙間が大きくなった時の検出値ΔＰ２よりも、大きい。つまり、差圧センサ８４の検出値ΔＰは、摺動体２９の摩耗が進み、摺動体２９とスリーブ２３の隙間が大きくなるに従って、次第に小さくなる。

記憶部８０ａには、差圧センサ８４の検出値ΔＰに対応する摺動体２９の摩耗量Ｗと、気中運転の累積運転時間ｔｏに応じた予定摩耗量Ｗｐとが、記憶されている。また、記憶部８０ａには、摺動体２９とスリーブ２３の隙間の許容値ＧＰ、限界値ＧＬ、及び危険値ＧＤが、記憶されている。許容値ＧＰとは、以後の気中運転の実行は可能であるが、摺動体２９の摩耗が急激に増大する可能性があるレベルである。限界値ＧＬとは、以後の短期的（例えば１２ヶ月）な先行待機運転の実行は可能であるが、水中軸受２７（摺動体２９）の交換準備が必要なレベルである。危険値ＧＤとは、以後の先行待機運転の実行が不可能なレベルである。

判断部８０ｂは、差圧センサ８４から入力された検出値ΔＰと、記憶部８０ａに記憶されたデータとに基づいて、水中軸受２７の摩耗量Ｗを判断する。この判断は、給気機構６０による水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの個別冷却時に、個別に行われる。

制御部８０は、水中軸受２７の摺動体２９の摩耗量Ｗの判断結果に基づいて、摩耗量Ｗを判断する周期を変更するように構成されている。詳しくは、摺動体２９の摩耗量Ｗの判断結果が許容値ＧＰを超えると、制御部８０は、監視装置８２を動作させる周期を変更する。例えば、摺動体２９の摩耗量Ｗの測定周期は、水中軸受２７を交換した直後には１ヶ月から２ヶ月に設定され、摩耗量Ｗが許容値ＧＰを超えると半分（０．５ヶ月〜１ヶ月）に設定される。これにより、水中軸受２７の摩耗量Ｗを適切に判断し、隙間が過度に大きくなることによるポンプの異常（振動）を抑制している。

判定部８０ｃは、判断した摺動体２９の摩耗量Ｗと予定摩耗量Ｗｐに基づいて、予め設定した保障期間（例えば２０年）よりも早く水中軸受２７（摺動体２９）の交換が必要になるか否かを判定する。詳しくは、判定部８０ｃは、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃについて、個々の摩耗量Ｗの複数の判断結果から摩耗が進む時間勾配を演算し、その時間勾配に基づいて危険値ＧＤに達するまでの期間を判定する。そして、制御部８０は、電気的に接続されたモニタ（報知手段）８７によって、水中軸受２７の交換時期及びメンテナンスを促す表示（報知）を行う。このようにすれば、水中軸受２７を交換するための準備期間を含む交換時期を適切に判定できるため、ポンプ設備を管理する使用者の利便性を向上できる。なお、モニタ８７に表示する代わりに、複数のポンプ設備を集中管理する監視センターに、水中軸受２７の異常と交換時期を送信してもよい。

次に、制御部８０による水中軸受２７の冷却処理について、具体的に説明する。

（メインフロー）
図８に示すように、制御部８０は、立軸ポンプ１０が気中運転になるまで待機する（ステップＳ１）。気中運転になったか否かの判断は、前述のように、水位センサ６２の検出結果に基づいて行われる。この段階では、ブロワ６５は停止され、水中軸受２７への給気は行われていない。

気中運転になると、制御部８０は、内蔵したタイマ８０ｄによって気中運転の実行時間の計測を開始し、計測時間が起動時間ｔｓになるまで待機する（ステップＳ２）。そして、起動時間ｔｓになると、制御部８０は、給気機構６０（ブロワ６５）を駆動させて、水中軸受２７の冷却を開始する（ステップＳ３）。これにより、３個の水中軸受２７Ａ〜２７Ｃが順番に冷却される。

続いて、制御部８０は、記憶部８０ａに記憶された累積運転時間ｔｏを読み込み、水中軸受２７の隙間測定を行う周期になっているか否かを判断し（ステップＳ４）、測定周期になっている場合には監視装置８２による隙間測定を行う（ステップＳ５）。

隙間測定の完了後、又は測定周期になっていない場合、制御部８０は、水中軸受２７が水に浸かるまで、つまり立軸ポンプ１０が気水混合運転又は排水運転になるまで待機する（ステップＳ６）。この待機中に測定周期になると、制御部８０は、水中軸受２７の隙間測定を行う。水中軸受２７が水に浸かったことを水位センサ６２が検出すると、制御部８０は、給気機構６０の駆動を停止する（ステップＳ７）。

このように、本実施形態では、水中軸受２７が空気に露出すると、給気機構６０によって水中軸受２７を空冷するため、気中運転時の水中軸受２７の発熱を抑制できる。よって、気中運転の実行時間を長時間化できるだけでなく、駆動部５６を停止することなく気中運転を継続して実行することも可能である。

（隙間測定：ステップＳ５）
ステップＳ５の隙間測定では、制御部８０（判断部８０ｂ）は、差圧センサ８４によって、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの摺動体２９の摩耗量Ｗを個別に測定し（ステップＳ５−１）、個々の摺動体２９の摩耗量Ｗが限界値ＧＬ未満であるか否かを判断する（ステップＳ５−２）。摩耗量Ｗが限界値ＧＬ以上の場合（つまり摩耗量Ｗが限界値ＧＬに達している場合）、制御部８０は、モニタ８７によって交換時期の報知を行い（ステップＳ５−７）、リターンする。

摺動体２９の摩耗量Ｗが限界値ＧＬ未満の場合（つまり摩耗量Ｗが限界値ＧＬに達していない場合）、制御部８０は、摺動体２９の摩耗量Ｗが許容値ＧＰを超えているか否かを判断する（ステップＳ５−３）。摩耗量Ｗが許容値ＧＰを超えている場合、制御部８０は、測定周期が短くなるように変更する（ステップＳ５−４）。

測定周期の変更後、又は摩耗量Ｗが許容値ＧＰに達していない場合、制御部８０は、摺動体２９の摩耗量Ｗが累積運転時間ｔｏに応じた予定摩耗量Ｗｐ以下であるか否かを判断する（ステップＳ５−５）。摩耗量Ｗが予定摩耗量Ｗｐ以下の場合（つまり摩耗量Ｗが少ない場合）、制御部８０は、そのままリターンする。

摩耗量Ｗが予定摩耗量Ｗｐよりも大きい場合（つまり摩耗量Ｗが多い場合）、制御部８０（判定部８０ｃ）は、記憶部８０ａに記憶された摩耗量Ｗの複数の判断結果に基づいて、危険値ＧＤに達するまでの期間を判定し、水中軸受２７の交換時期を変更する（ステップＳ５−６）。続いて、制御部８０は、モニタ８７によって交換時期の報知を行い（ステップＳ５−７）、リターンする。なお、この交換時期の判定も、摩耗量Ｗの判断と同様に、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃ毎に個別に行われる。

このように、判断部８０ｂの判断結果に基づいて摩耗量Ｗの測定周期を変更するため、水中軸受２７の異常（摩耗）を適切に判断でき、隙間が過度に大きくなることによる立軸ポンプ１０の異常（振動）を抑制できる。しかも、判断部８０ｂが判断した摩耗量Ｗと設定された予定摩耗量Ｗｐとに基づいて、判定部８０ｃが水中軸受２７の交換時期を判定して報知するため、ポンプ設備を管理する使用者の利便性を向上できる。

なお、本発明のポンプ１０は、前記実施形態の構成に限定されず、種々の変更が可能である。

例えば、給気機構６０は、水中軸受２７に冷却用の空気を供給できる構成であれば、必要に応じて変更が可能である。また、水中軸受２７の摩耗量Ｗを測定する監視装置８２の構成も、必要に応じて変更が可能である。

水位センサ（検出手段）６２を構成する検出電極６３ｂ〜６３ｄは、水中軸受２７Ａ〜２７Ｃの下端に位置するように、それぞれ配置してもよい。ポンプケーシング１２内の水位は吸水槽１内の水位に対応するため、水位センサ（検出手段）６２は、吸水槽１の縦壁（図示せず）に配置したフロート式のレベルセンサによって構成してもよい。また、検出手段は、水中軸受２７が気中にあるのか水中にあるのかを検出できる構成であれば、必要に応じて変更が可能である。

給気機構６０として高出力のブロワ６０を用い、水中軸受２７に給気を開始するタイミングを、摺動体２９の温度Ｔが許容温度Ｔａに達する直前としてもよい。また、水中軸受２７に給気するタイミングに拘わらず、ブロワ６０の出力は同じにしてもよい。

冷却構造を含む水中軸受２７の構成は、必要に応じて変更が可能である。例えば、バックシェル３２は、回転軸２２の軸方向に貫通する貫通孔３３を形成した１個の部品によって構成してもよい。また、水中軸受２７には、貫通孔３３を含む冷却構造を設けなくてもよい。

給気機構６０によって水中軸受２７を冷却する構成は、先行待機形の立軸ポンプ１０に限られず、汎用の立軸ポンプに採用してもよいし、回転軸を水平方向に配置した横軸ポンプに採用してもよい。

１…吸水槽
２…据付床
１０…ポンプ
１２…ポンプケーシング
１３…揚水管
１４…直管
１５…ベーンケーシング
１６…軸受ケーシング
１７…ベルマウス
１８…吐出し管
１９…吐出エルボ
２０…連通部
２２…回転軸
２３…スリーブ
２５…羽根車
２７（２７Ａ〜２７Ｃ）…水中軸受
２９…摺動体
３０…軸孔
３２…バックシェル
３３…貫通孔
３４…内環部材
３５…突出部
３６…ネジ溝
３７…凹溝
３８…外環部材
３９…突出部
４０…ネジ突起
４１…固定ピン
４３…防振部材
４４…バンプフォイル軸受
４５…外周部
４６…凸条
４８…カバーケース
４９…外周壁
５０…接続孔
５１…端壁
５２…通気孔
５４…固定ピン
５６…駆動部
６０…給気機構
６２…水位センサ（検出手段）
６３ａ〜６３ｄ…電極
６５…ブロワ
６６ａ〜６６ｄ…配管
６７…切換弁
６８…定流量弁
６９…逆止弁
７１…圧力センサ
７３…圧力タンク
７４…分岐管
７５…電磁弁
７６…逆止弁
７８…安全弁
８０…制御部
８０ａ…記憶部
８０ｂ…判断部
８０ｃ…判定部
８０ｄ…タイマ
８２…監視装置
８４…差圧センサ（差圧検出部）
８５…差圧測定配管
８７…モニタ

Claims (10)

1. 内部に回転軸が配置されたポンプケーシングと、
   前記ポンプケーシング内に配置され、前記回転軸を回転可能に支持する水中軸受と、
   前記水中軸受が気中にあるのか水中にあるのかを検出する検出手段と、
   前記水中軸受に冷却用の空気を供給可能な給気機構と、
   前記水中軸受が気中にあることを前記検出手段が検出すると、前記給気機構によって前記水中軸受を空冷する制御部と
   を備え、
   前記水中軸受が気中にある状態で前記回転軸の駆動部を動作可能な許容時間と、この許容時間以下の起動時間とが設定されており、
   前記制御部は、前記水中軸受が気中にあることを前記検出手段が検出したときから前記起動時間が経過すると、前記給気機構による前記水中軸受の空冷を開始するように構成されており、
   前記給気機構による前記水中軸受への給気量は、前記許容時間と前記起動時間に基づいて設定されている、ポンプ。
2. 前記給気量は、前記許容時間よりも前記起動時間が短くなるに従って、少なくなるように設定されている、請求項１に記載のポンプ。
3. 前記制御部は、前記水中軸受が水に浸かったことを前記検出手段が検出すると、前記給気機構による前記水中軸受の空冷を停止する、請求項１又は２に記載のポンプ。
4. 前記給気機構は、前記水中軸受に空気を供給可能な圧力タンクを有する、請求項１から３のいずれか１項に記載のポンプ。
5. 前記水中軸受は、前記回転軸を挿通する軸孔の外側に、前記回転軸の軸方向に貫通した貫通孔を備える、請求項１から４のいずれか１項に記載のポンプ。
6. 前記水中軸受は、
   前記回転軸の外周に配置された摺動体と、
   前記摺動体の外周に配置され、前記摺動体を保持するバックシェルと
   を備え、
   前記貫通孔は、前記バックシェルに設けられている、請求項５に記載のポンプ。
7. 内部に回転軸が配置されたポンプケーシングと、
   前記ポンプケーシング内に配置され、前記回転軸を回転可能に支持する水中軸受と、
   前記水中軸受が気中にあるのか水中にあるのかを検出する検出手段と、
   前記水中軸受に冷却用の空気を供給可能な給気機構と、
   前記水中軸受が気中にあることを前記検出手段が検出すると、前記給気機構によって前記水中軸受を空冷する制御部と
   を備え、
   前記水中軸受は、
   前記回転軸の外周に配置され、前記回転軸を挿通する軸孔を含む摺動体と、
   前記摺動体の外周に配置され、前記摺動体を保持するバックシェルと、
   前記バックシェルに設けられ、前記回転軸の軸方向に貫通した貫通孔と
   を有する、ポンプ。
8. 前記給気機構から前記水中軸受への給気圧と、前記ポンプケーシングの内圧との差を検出する差圧検出部を備え、
   前記制御部は、前記差圧検出部の検出結果に基づいて前記水中軸受の摩耗量を判断する判断部を含み、前記判断部の判断結果に基づいて、前記水中軸受の摩耗量を判断する周期を変更する、請求項１から７のいずれか１項に記載のポンプ。
9. 内部に回転軸が配置されたポンプケーシングと、
   前記ポンプケーシング内に配置され、前記回転軸を回転可能に支持する水中軸受と、
   前記水中軸受が気中にあるのか水中にあるのかを検出する検出手段と、
   前記水中軸受に冷却用の空気を供給可能な給気機構と、
   前記給気機構から前記水中軸受への給気圧と、前記ポンプケーシングの内圧との差を検出する差圧検出部と、
   前記水中軸受が気中にあることを前記検出手段が検出すると、前記給気機構によって前記水中軸受を空冷する制御部と
   を備え、
   前記制御部は、前記差圧検出部の検出結果に基づいて前記水中軸受の摩耗量を判断する判断部を含み、前記判断部の判断結果に基づいて、前記水中軸受の摩耗量を判断する周期を変更する、ポンプ。
10. 前記水中軸受が気中にある状態での累積運転時間に応じて、前記水中軸受の予定摩耗量が予め設定されており、
    前記制御部は、前記判断部が判断した前記水中軸受の摩耗量と前記予定摩耗量とに基づいて、前記水中軸受の交換時期を判定する判定部を含む、請求項８又は９に記載のポンプ。

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