JP7028713B2 - 流体機械の機械要素の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体機械の機械要素の冷却装置に関する。

流体機械の１つとして、吸水槽内に一定量の水が溜まる前に予め運転を開始しておき、一定量の水が溜まると直ぐに排水が可能な先行待機形の立軸ポンプが知られている。この立軸ポンプでは、排水が行われない気中運転時、軸封装置の固定環と回転環、及び水中軸受の摺動体と回転軸が、摺接により過熱して焼き付く虞がある。

特許文献１，２には、軸封装置及び水中軸受等の機械要素を保護する保護装置を備える立軸ポンプが開示されている。保護装置は、排出する揚水の一部を貯留可能な容器を備え、この容器が機械要素の下部に配置されている。

特開平５－２０２８９２号公報 特開２００５－８３３５７号公報

特許文献１，２の立軸ポンプでは、気中運転時、容器内の水によって機械要素を冷却できるため、機械要素の焼き付きを抑制できる。しかし、これらの保護装置では、冷却対象の機械要素に容器内の水（潤滑液）を積極的に供給することについて、何も考慮されていない。

本発明は、冷却対象の機械要素に潤滑液を供給でき、機械要素を効果的に冷却可能な流体機械の機械要素の冷却装置を提供することを課題とする。

本発明の一態様は、上下方向に延びる回転軸が貫通され、吸水槽内の水の排出を行う排水運転、及び前記吸水槽内の水の排出が行われない気中運転に切り換わる流体機械の機械要素の冷却装置であって、前記回転軸を取り囲むように前記機械要素の下側に配置された固定部材と、前記固定部材の下方で前記回転軸に固定された底壁と、前記底壁から上向きに突出した筒状の外周壁とを有し、内部に潤滑液が貯留され、前記回転軸と一体に回転する容器と、前記外周壁に取り囲まれるように前記固定部材の下側に固定され、前記容器の回転による潤滑液の回転流動を抑制し、前記外周壁側から前記回転軸側へ潤滑液を流動させる固定ベーンと、前記固定ベーンの上方に位置するように、前記容器の前記外周壁に固定された環状の蓋体とを備え、前記蓋体の内周部とこの内周部と対向する対向部との間には、前記容器内への空気の流入を許容する第１の隙間が形成され、前記固定部材及び前記固定ベーンと前記回転軸との間には、前記機械要素への潤滑液の流動を許容する第２の隙間が形成され、前記気中運転時、前記容器の回転と前記固定ベーンによって、前記第２の隙間を通して前記機械要素へ潤滑液を供給可能である、流体機械の機械要素の冷却装置を提供する。具体的には、前記固定ベーンは、前記回転軸が回転する向きへ突出する断面円弧状である。

この冷却装置によれば、回転軸が回転すると、容器が一体に回転し、容器内で固定ベーンが静止状態に維持される。容器内の潤滑液は、容器が回転する向きに流動しようとするが、その流動は固定ベーンによって抑制される。これにより、潤滑液の回転エネルギーが圧力に変換され、蓋体の内側の第１の隙間から空気が流入し、回転軸の外側の第２の隙間から機械要素へ潤滑液が供給される。よって、回転軸を貫通させた機械要素を効果的に冷却できるため、機械要素の周囲に液体が無い状態であっても、運転を継続できる。

前記蓋体の内径は、前記固定ベーンの外径よりも小さい。この態様によれば、容器の回転によって、潤滑液が容器の上端から飛散することを防止できる。しかも、蓋体と対向部との間の第１の隙間を可能な限り小さくすることで、機械要素へ潤滑液を流動させる圧力を大きくでき、潤滑液の揚程を高くすることができる。

前記固定部材は、前記容器の前記外周壁を取り囲む外周壁を備える。この態様によれば、容器の外周壁と固定部材の外周壁との間に形成された隙間（空気層）によって、冷却装置の外側が液体で満たされた時、容器内への液体の浸入を防止できる。よって、液体に含まれる異物が容器を介して機械要素に至ることを防止でき、異物による機械要素の破損を防止できる。

前記容器の前記外周壁の外面、又は前記固定部材の前記外周壁の内面に、螺旋状の溝が設けられている。溝は、回転軸の回転によって容器の内部から外部へ物質が移動する向きに旋回することが好ましい。この態様によれば、容器の外部から内部への異物の侵入を効果的に防止できる。

前記流体機械は、前記容器内に潤滑液を注入する流路を備える。この態様によれば、冷却対象の機械要素に応じた潤滑液を必要に応じて注入できるため、機械要素を効果的に冷却できる。

前記容器内の潤滑液の液位を検出するセンサを備える。この態様によれば、容器内の潤滑液が不足し、機械要素の冷却が不可能になることを防止できる。また、冷却装置の管理に関する利便性を向上できる。

前記流体機械は、ポンプケーシング内を通して液体を吐出するポンプであり、前記機械要素は、前記ポンプケーシングの前記回転軸が貫通する部分に配置され、前記ポンプケーシングの内部の液体が外部へ漏出することを防ぐ軸封装置である。この態様によれば、ポンプケーシング内と軸封装置の間に潤滑液が介在するため、立軸ポンプによって排出する液体の臭いを潤滑液によって遮断できる。よって、ポンプを汚水排出に用いる場合、ポンプからの悪臭の漏出を効果的に抑制できる。

本発明の冷却装置では、回転軸の回転によって容器が一体に回転され、容器内で固定ベーンが静止状態に維持されるため、容器内の潤滑液の回転エネルギーが圧力に変換されることで、潤滑液を第２の隙間から機械要素へ確実に供給できる。よって、回転軸を貫通させた機械要素を効果的に冷却できる。

本発明の第１実施形態に係る冷却装置を搭載した立軸ポンプを示す断面図。 図１の第１冷却装置を拡大した断面図。 図２のIII－III線断面図。 ポンプ停止時の第１冷却装置の状態を示す概略図。 気中運転時の第１冷却装置の状態を示す概略図。 排水運転時の第１冷却装置の状態を示す概略図。 図１の第２冷却装置を拡大した断面図。 ポンプ停止時の第２冷却装置の状態を示す概略図。 気中運転時の第２冷却装置の状態を示す概略図。 排水運転時の第２冷却装置の状態を示す概略図。 第２実施形態の第１冷却装置を示す断面図。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る冷却装置３５Ａ，３５Ｂを用いた流体機械である立軸ポンプ（以下「ポンプ」と言う。）１０を示す。このポンプ１０は、吸水槽１の水位によって、排水（全水）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であり、一般的な立軸ポンプと同様の基本構造を有する。本実施形態では、後述する軸封装置２５の下側に第１冷却装置３５Ａを配置し、水中軸受３０Ｂの下側に第２冷却装置３５Ｂを配置した点で、一般的な立軸ポンプと相違する。

（立軸ポンプの概要）
図１に示すように、ポンプ１０は、ポンプケーシング１２、回転軸２１、及び羽根車２３を備える。

ポンプケーシング１２は、吸水槽１の上部を覆う据付床２に固定されている。ポンプケーシング１２は、上下方向に延びるように吸水槽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、この順で上から下へ接続されている。吐出し管１８は、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２１は、揚水管１３の軸線に沿って上下方向に延びるように、揚水管１３内に配置されている。回転軸２１の上端は吐出エルボ１９を貫通して外側へ突出しており、ポンプケーシング１２の貫通部分が軸封装置２５によって水密にシールされている。揚水管１３内で回転軸２１は、水中軸受３０Ａ～３０Ｃによって回転自在に支持されている。

図２を参照すると、軸封装置２５は、吐出エルボ１９の貫通孔１９ａの外側に固定され、ポンプケーシング１２内の揚水が外部へ漏出することを防ぐメカニカルシールである。この軸封装置２５は、吐出エルボ１９の外側に固定されたハウジング２６と、ハウジング２６に固定された固定環２７と、回転軸２１に固定された回転環２８とを備える。固定環２７と回転環２８の摺接部分によってシール面が形成され、回転軸２１の方に位置する内側（連通部２９）から外側（大気）への液体流出を防いでいる（アウトサイド形）。

水中軸受３０Ａ～３０Ｃはいわゆるドライ軸受であり、ポンプ１０の通常の排水運転時にはポンプケーシング１２内の揚水によって自液潤滑される。また、水中軸受３０Ａ～３０Ｃは、ポンプ１０が気中運転状態であっても軸受として機能する自己潤滑性のすべり軸受である。図５を参照すると、水中軸受３０Ａ～３０Ｃは、セラミック又は熱伝導率が低い樹脂からなる摺動体３１と、摺動体３１を保持するケーシング３２とを備える。

羽根車２３は、軸受ケーシング１６の下側に配置され、回転軸２１に固定されている。羽根車２３の上端は、仕様によって定められた排水開始水位に位置している。

回転軸２１の上端には、駆動手段（図示せず）が機械的に接続されている。駆動手段には、電動モータ又は内燃機関の１つであるディーゼル機関が用いられる。

駆動手段を駆動すると、回転軸２１と一体に羽根車２３が回転する。吸水槽１内の水位が羽根車２３の上端よりも高い場合、吸水槽１内の水がポンプケーシング１２内を通して下流側へ吐出される（排水運転）。排水により水位が一定レベルまで下がると、ポンプケーシング１２の吸込口１７ａから水と空気が吸い込まれる（気水混合運転）。更に水位が下がって空気の吸引量が増えると、羽根車２３によって吸水槽１内の水を排出不可能な状態になる（気中運転）。この気中運転を継続し、吸水槽１内の水位が上がると、再び排水運転に移行する。

冷却装置３５Ａ，３５Ｂを用いていない従来のポンプでは、排水運転時と気水混合運転時、軸封装置２５の固定環２７と回転環２８、及び水中軸受３０Ｂの摺動体３１は、揚水によって冷却されるため、過熱することはない。気中運転時、回転環２８と固定環２７及び摺動体３１は、揚水によって冷却されないため、気中運転時間が長くなると過熱する。

本実施形態では、気中運転時の過熱を防止するために、軸封装置２５の下側には、固定環２７と回転環２８を冷却する第１冷却装置３５Ａが配置されている。また、軸受ケーシング１６に配置された水中軸受３０Ｂの下側には、摺動体３１を冷却する第２冷却装置３５Ｂが配置されている。

（軸封装置と冷却装置の構成）
図２に示すように、軸封装置２５は、ハウジング２６の内部に、回転軸２１が貫通された環状の固定環２７と回転環２８を備える。図２において下側に位置する固定環２７と回転軸２１の間には、ポンプケーシング１２内に連通し、液体が流動可能な連通部２９が形成されている。図２において上側に位置する回転環２８は、固定環２７に向けてスプリング（図示せず）によって付勢され、回転軸２１との間がＯリングによってシールされている。回転軸２１の回転によって回転環２８が固定環２７に摺接し、この摺接によって連通部２９（ポンプケーシング１２内）から径方向外側（大気）への液体の漏出が阻止されている（アウトサイド形）。

第１冷却装置３５Ａは、軸封装置２５の下側に位置するようにポンプケーシング１２内に配置され、ポンプケーシング１２内と軸封装置２５とを遮断し、専用の潤滑液によって軸封装置２５を冷却する。冷却装置３５Ａは、吐出エルボ１９に固定された固定部材３６、固定部材３６に固定された固定ベーン３７、回転軸２１に固定された容器３８、及び容器３８に固定された蓋体４０を備える。

固定部材３６は、貫通孔１９ａと回転軸２１を取り囲む円筒状の基部３６ａと、基部３６ａから径方向外向きに突出するフランジ部３６ｂとを備える。フランジ部３６ｂは、吐出エルボ１９の内側の貫通孔１９ａの周囲にネジ止めによって固定されている。基部３６ａの上側には、内周面を径方向外向きに拡開させた拡開部３６ｃが形成されている。フランジ部３６ｂの外周には、下向きに突出する円筒状の外周壁３６ｄが設けられている。本実施形態の外周壁３６ｄは、固定部材３６とは別体に形成され、フランジ部３６ｂに固定されているが、固定部材３６と一体構造であってもよい。

固定ベーン３７は、基部３６ａの下端に固定された円環状の基板３７ａを備え、この基板３７ａから下向きに突出している。図３を併せて参照すると、固定ベーン３７は、回転軸２１の軸方向から見て半円筒形状であり、回転軸２１の軸線を中心として周方向に間隔をあけて複数設けられている。基板３７ａの径方向において、固定ベーン３７の外端は基板３７ａの外周縁に位置し、固定ベーン３７の内端は基板３７ａの内周縁に位置している。固定ベーン３７が湾曲する向きは、回転軸２１が回転する向きＲと同じ（図３において反時計回り）である。つまり、固定ベーン３７は、回転軸２１が回転する向きＲに窪む円弧状である。

容器３８は、回転軸２１に固定された底壁３８ａと、底壁３８ａから上向きに突出した外周壁３８ｃとを備え、全体として有底円筒状である。底壁３８ａと外周壁３８ｃによって容器３８には、潤滑液を貯留する貯液室３９が形成されている。底壁３８ａの内周には、回転軸２１と同一軸線の円筒状の固定部３８ｂが設けられている。固定部３８ｂは、固定ベーン３７の下方に配置され、セットボルトによって回転軸２１に固定されている。固定部３８ｂと回転軸２１の間は、Ｏリングによってシールされている。外周壁３８ｃは、固定ベーン３７の外周部と固定部材の外周壁３６ｄとの間に配置されている。外周壁３８ｃは、固定ベーン３７を取り囲むように、底壁３８ａの外周部から固定ベーン３７の上端を越えて延設されている。

蓋体４０は、円環状の板体からなり、容器３８の外周壁３８ｃの上端に固定され、固定部材３６の基部３６ａと同じ高さに配置されている。蓋体４０は、外周壁３８ｃから径方向内向きに突出し、固定ベーン３７の外周部上方を覆っている。より具体的には、蓋体４０の外径と外周壁３８ｃの外径は同一であり、蓋体４０の内径は固定ベーン３７の外径よりも小さい。

図３を併せて参照すると、固定部材３６の外周壁３６ｄと、容器３８の外周壁３８ｃとの間には、定められた間隔Ｌ１の隙間４２が形成されている。蓋体４０の内周部４０ａと、内周部４０ａと対向する固定部材３６の基部（対向部）３６ａとの間には、定められた間隔Ｌ２の隙間（第１の隙間）４３が形成されている。固定ベーン３７と容器３８の外周壁３８ｃとの間には、定められた間隔Ｌ３の隙間４４が形成されている。そして、固定ベーン３７と回転軸２１との間、及び固定部材３６と回転軸２１との間には、定められた間隔Ｌ４の隙間（第２の隙間）４５が形成されている。個々の隙間４２～４５の間隔Ｌ１～Ｌ４は、回転軸２１と容器３８の回転によって、これらが固定部材３６及び固定ベーン３７に干渉することなく、液体と気体が流動可能な範囲で、可能な限り小さい寸法に設定されている。

外周壁３６ｄ，３８ｃ間の隙間４２と、内周部４０ａと基部３６ａの間の隙間４３とは、蓋体４０とフランジ部３６ｂの間の隙間４６を介して空間的に連通している。内周部４０ａの内側の隙間４３、固定ベーン３７の外側の隙間４４、及び回転軸２１の外側の隙間４５は、容器３８の貯液室３９を介して空間的に連通している。また、外周壁３６ｄ，３８ｃ間の隙間４２はポンプケーシング１２内に空間的に連通し、回転軸２１の外側の隙間４５は軸封装置２５の連通部２９に空間的に連通している。

このようにした冷却装置３５Ａでは、外周壁３６ｄ，３８ｃ間の隙間４２は、ポンプケーシング１２内の空気と揚水の流出入りを許容する。蓋体４０の内周部４０ａの内側の隙間４３（第１の隙間）は、空気のみの流動を許容する。これは、蓋体４０によって容器３８内の潤滑液の流出が阻止され、隙間４２，４６内の空気によってポンプケーシング１２内の揚水の流入が阻止されるためである（図４Ｃ参照）。固定ベーン３７の外側の隙間４４は、潤滑液と空気の流動を許容する。回転軸２１の外側の隙間（第２の隙間）４５は、潤滑液のみの流動を許容する。

次に、第１冷却装置３５Ａの動作について、図４Ａから図４Ｃの概略図を参照して説明する。なお、図４Ａは回転軸２１の停止時の状態を示し、図４Ｂは気中運転時の状態を示し、図４Ｃは排水運転時の状態を示している。

図４Ａに示すように、容器３８の貯液室３９には、所定量の潤滑液が予め貯留されている。潤滑液には、固定環２７と回転環２８を効果的に冷却可能な液体を用いることが好ましく、例えば清水を用いることができる。潤滑液の貯留量は可能な限り多い方が好ましく、本実施形態では蓋体４０と固定部材３６の間の隙間４３が潤滑液で満たされる量に設定されている。固定ベーン３７の外側の隙間４４を含む容器３８内は潤滑液によって満たされ、回転軸２１の外側の隙間４５は潤滑液によって隙間４３内の液面と同じ高さまで満たされている。また、容器３８及び蓋体４０と固定部材３６の間の隙間４２，４６は、空気で満たされている（空気層）。

図４Ｂに示すように、回転軸２１が回転されると、容器３８と蓋体４０が一体に回転し、固定部材３６に固定された固定ベーン３７が容器３８内で静止状態に維持される。これにより容器３８内の潤滑液は、容器３８が回転する向きＲに流動しようとするが、その流動は固定ベーン３７によって抑制される。この固定ベーン３７による流動抑制によって、潤滑液の回転エネルギーが圧力に変換される。これにより、潤滑液が回転軸２１の外側の隙間４５を通って連通部２９に流入し、連通部２９内が潤滑液によって満たされる。また、ポンプケーシング１２内の空気が隙間４２，４３を通して容器３８内に流入する。このように、気中運転時、回転軸２１の外側の隙間４５を通して容器３８内の潤滑液が軸封装置２５に供給されるため、固定環２７と回転環２８を効果的に冷却できる。よって、気中運転を長時間にわたって継続できる。

図４Ｃに示すように、ポンプ１０が排水運転に移行すると、冷却装置３５Ａの周囲が揚水で満たされる。この際、外周壁３６ｄ，３８ｃの下端の開口部分が揚水で塞がれ、固定部材３６と容器３８の間の隙間４２，４３に空気が閉じ込められる。この空気層によって容器３８内への揚水の流入が阻止され、軸封装置２５に対する揚水の付着を防止できる。よって、揚水中に含まれる異物による軸封装置２５の腐食とアブレシブ摩耗（破損）を防止できる。

以上のように、本実施形態の第１冷却装置３５Ａによれば、容器３８内に収容された潤滑液によって、気中運転時に固定環２７と回転環２８を効果的に冷却できる。また、容器３８には固定ベーン３７の外径よりも内径が小さい蓋体４０が配置されているため、容器３８の回転によって潤滑液が外周壁３８ｃの上端から飛散することを防止できる。しかも、固定部材３６と蓋体４０との間の隙間４３を可能な限り小さくすることで、軸封装置２５へ潤滑液を流動させる圧力を大きくでき、潤滑液の揚程を高くすることができる。よって、軸封装置２５を確実に冷却できる。

図４Ｃに示す排水運転時、ポンプケーシング１２内と軸封装置２５の間に介在する潤滑液と空気層によって、軸封装置２５に向けた揚水の流動だけでなく、揚水の臭いも遮断できる。よって、汚水排出に用いるポンプ１０の場合、軸封装置２５からの悪臭の漏出も効果的に抑制できる。

（水中軸受と冷却装置の構成）
図５に示すように、水中軸受３０Ｂは、ケーシング３２の内側に、回転軸２１が貫通された環状の摺動体３１を備える。ケーシング３２は、軸受ケーシング１６のスリーブ１６ａに固定されている。ケーシング３２は両端開口の筒状であり、下端に軸受ケーシング１６に固定されるフランジ部３２ａを備え、上端に摺動体３１の上側端面を位置決めするフランジ部３２ｂを備える。摺動体３１は、ケーシング３２の内側に固定され、回転軸２１の外周面に対して定められた隙間３３をあけて位置している。

第２冷却装置３５Ｂは、水中軸受３０Ｂの下側に位置するようにポンプケーシング１２内に配置されている。第２冷却装置３５Ｂは、第１冷却装置３５Ａと同様に、ポンプケーシング１２内と水中軸受３０Ｂとを遮断し、専用の潤滑液によって水中軸受３０Ｂを冷却する。第２冷却装置３５Ｂは、固定部材３６、固定ベーン３７、容器３８、及び蓋体４０を備え、第１冷却装置３５Ａと同様の基本構造を有する。

固定部材３６は、フランジ部３６ｂのみによって構成され、図２に示す基部３６ａ、拡開部３６ｃ、及び外周壁３６ｄを備えていない。つまり、固定部材３６は、円環状の板体によって構成され、ネジ止めによってケーシング３２と一緒に軸受ケーシング１６に固定されている。

固定ベーン３７は、図２に示す基板３７ａの代わりに、支持筒３７ｂの外側に設けられている点で、第１冷却装置３５Ａの固定ベーン３７と相違する。詳しくは、固定ベーン３７は、回転軸２１を取り囲む円筒状の支持筒３７ｂを備え、この支持筒３７ｂから径方向外向きに突出している。支持筒３７ｂは固定部材３６の内周部に固定され、固定ベーン３７は支持筒３７ｂの周方向に間隔をあけて複数設けられている。なお、回転軸２１にはスリーブ２２が配置されており、スリーブ２２の支持筒３７ｂと対応する部分には、径方向内向きに窪む螺旋状の溝２２ａが設けられている。

容器３８は、第１冷却装置３５Ａの容器３８と同様に、底壁３８ａ、固定部３８ｂ、及び外周壁３８ｃを備える。そして、外周壁３８ｃの上端が固定部材３６の上方に位置するように、外周壁３８ｃを延設した点で、第１冷却装置３５Ａの容器３８と相違する。

蓋体４０は、軸受ケーシング１６のスリーブ１６ａの下部と同じ高さに配置されている。蓋体４０の内周部４０ａは、軸受ケーシング１６のスリーブ１６ａと微小な隙間４３をあけて対向している。内周部４０ａには、径方向外向きに窪む環状溝からなるラビリンスシール部４０ｂが設けられている。

第２冷却装置３５Ｂの固定部材３６は外周壁３６ｄを備えないため、容器３８の外周には図２に示す隙間４２は無い。蓋体４０の内周部４０ａと、内周部４０ａと対向する軸受ケーシング１６のスリーブ（対向部）１６ａとの間には、微小な間隔Ｌ２の隙間（第１の隙間）４３が形成されている。また、固定ベーン３７の外周と回転軸２１の外周には、第１冷却装置３５Ａと同様の隙間４４，４５が形成されている。

容器３８内とポンプケーシング１２内は、蓋体４０の内周部４０ａの内側の隙間４３を介して連通している。但し、この隙間４３は、ラビリンスシール部４０ｂによって、容器３８内へのポンプケーシング１２内の揚水の流入を阻止し、気体の流入だけを許容している。その他の隙間４４，４５は、第１冷却装置３５Ａと同様に設定されている。また、回転軸２１の外側の隙間４５は、摺動体３１の内側の隙間３３と空間的に連通している。

ポンプケーシング１２には、容器３８内に潤滑液を注入する流路４８が形成されている。流路４８は、ベーンケーシング１５からスリーブ１６ａにかけて設けたパイプ部４９の内部空間によって構成されている。流路４８の外端は大気に開放され、通常の使用時にはボルト等の封止部材によって封止されている。流路４８の内端はスリーブ１６ａ内における水中軸受３０Ｂの上方で開口されている。ベーンケーシング１５の外部から注入された潤滑液は、流路４８を通ってスリーブ１６ａ内に流入し、回転軸２１と摺動体３１の隙間３３を通って容器３８内に貯留される。

次に、第２冷却装置３５Ｂの動作について、図６Ａから図６Ｃの概略図を参照して説明する。なお、図６Ａは回転軸２１の停止時の状態を示し、図６Ｂは気中運転時の状態を示し、図６Ｃは排水運転時の状態を示している。

図６Ａに示すように、容器３８の貯液室３９には、所定量の潤滑液が予め貯留されている。潤滑液には、摺動体３１を効果的に冷却可能な液体を用いることが好ましく、例えば清水を用いることができる。潤滑液の貯留量は可能な限り多い方が好ましく、本実施形態では固定部材３６が潤滑液に浸かる量に設定されている。固定ベーン３７の外側の隙間４４を含む容器３８内は概ね潤滑液によって満たされ、回転軸２１の外側の隙間４５は潤滑液によって容器３８内の液面と同じ高さまで満たされている。

図６Ｂに示すように、回転軸２１が回転されると、容器３８と蓋体４０が一体に回転し、固定部材３６に固定された固定ベーン３７が容器３８内で静止状態に維持される。容器３８内の潤滑液の流動は固定ベーン３７によって抑制され、潤滑液の回転エネルギーが圧力に変換される。これにより、潤滑液が回転軸２１の外側の隙間４５を通って摺動体３１の内側の隙間３３に流入し、隙間３３が潤滑液によって満たされる。また、ポンプケーシング１２内の空気が隙間４３を通して容器３８内に流入する。このように、気中運転時、回転軸２１の外側の隙間４５を通して容器３８内の潤滑液が水中軸受３０Ｂに供給されるため、摺動体３１を効果的に冷却できる。よって、気中運転を長時間にわたって継続できる。

図６Ｃに示すように、ポンプ１０が排水運転に移行すると、冷却装置３５Ｂの周囲が揚水で満たされる。しかし、蓋体４０とスリーブ１６ａとの間の隙間４３は小さい間隔で形成され、内周部４０ａにはラビリンスシール部４０ｂが形成されているため、揚水が容器３８内に流入することはない。よって、摺動体３１に対する揚水の付着を防止できるため、揚水中に含まれる異物による水中軸受３０Ｂのアブレシブ摩耗（破損）を防止できる。

以上のように、本実施形態の第２冷却装置３５Ｂによれば、容器３８内に収容された潤滑液によって、気中運転時に摺動体３１を効果的に冷却できる。また、容器３８には固定ベーン３７の外径よりも内径が小さい蓋体４０が配置されているため、容器３８の潤滑液の飛散を防止できるうえ、水中軸受３０Ｂへ潤滑液を流動させる圧力を大きくできる。しかも、ポンプケーシング１２には流路４８が形成され、冷却対象の摺動体３１に応じた潤滑液を必要に応じて注入できるため、摺動体３１を効果的に冷却できる。

（第２実施形態）
図７は第２実施形態に係る冷却装置３５Ａを軸封装置２５に用いたポンプ１０を示す。図７に示すように、ポンプケーシング１２には、冷却装置３５Ａに潤滑液を注入するための流路５０が形成されている。軸封装置２５の構造は第１実施形態の軸封装置２５と同一である。冷却装置３５Ａの基本構造は、第１実施形態の冷却装置３５Ａと同一である。

流路５０は、吐出エルボ１９に形成した貫通孔によって構成されている。流路５０の外端は大気に開放され、通常の使用時には封止部材（図示せず）によって封止される。流路５０の内端は貫通孔１９ａ内で開口されている。潤滑液は、流路５０を通って貫通孔１９ａ内に流入し、回転軸２１の外側の隙間４５を通って容器３８内に貯留される。

冷却装置３５Ａは、第１実施形態と同様に、固定部材３６、固定ベーン３７、容器３８、及び蓋体４０を備える。固定部材３６は、拡開部３６ｃを設けていない点で、第１実施形態の固定部材３６と相違する。固定ベーン３７は、第１実施形態の固定ベーン３７と同一である。容器３８は、外周壁３８ｃの外面に螺旋状の溝５２を設けた点で、第１実施形態の容器３８と相違する。蓋体４０は、内周部４０ａに突部４０ｃを設けた点で、第１実施形態の蓋体４０と相違する。

詳しくは、容器３８の外周壁３８ｃの外面には、径方向内向きに窪む凹状の溝５２が形成されている。この溝５２は、外周壁３８ｃの上端から下端にかけて連続するように、螺旋状に形成されている。容器３８が回転軸２１と一体に回転することで、溝５２内の物質（液体、気体、及び微細な異物）がポンプケーシング１２内（つまり下向き）に移動するように、溝５２が旋回する向きが設定されている。これにより、ポンプケーシング１２内から容器３８内への異物の侵入を効果的に防止できる。なお、溝５２は、固定部材３６の外周壁３６ｄに形成してもよい。

蓋体４０の内周部４０ａには、容器３８の外側に向けて突出する突部４０ｃが設けられている。内周部４０ａと突部４０ｃの内周とは同一直径であり、連続した１つの筒状の内周面を構成する。これにより、隙間４３を画定する蓋体４０の軸方向の内面長さを確保できる。よって、容器３８内の潤滑液の漏出と容器３８外の液体の浸入とを効果的に防止できる。なお、この突部は、図５に示す第１実施形態の第２冷却装置３５Ｂの蓋体４０にも設けることが好ましい。

また、本実施形態の第１冷却装置３５Ａには、容器３８内の潤滑液の液位を検出するセンサ５４が配置されている。センサ５４は、定められた下限液位よりも液面が低くなったか否かを検出するレベルセンサであり、容器３８内に固定されている。具体的には、センサ５４は、固定部材３６を介してポンプケーシング１２に固定された固定ベーン３７の基板３７ａの下面に固定されている。これにより、容器３８内の潤滑液が不足したことをセンサ５４によって簡単に検出でき、不足状態になった場合には流路５０から潤滑液を簡単に補充できる。よって、軸封装置２５の冷却が不可能になることを防止できる。また、冷却装置３５Ａの管理に関する利便性を向上できる。なお、センサ５４は、図５に示す第１実施形態の第２冷却装置３５Ｂの蓋体４０にも設けることが好ましい。

なお、本発明の流体機械の機械要素の冷却装置は、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、軸封装置２５に用いる第１冷却装置３５Ａには、固定部材３６に外周壁３６ｄを設けなくてもよい。また、水中軸受３０Ｂに用いる第２冷却装置３５Ｂの固定部材３６に外周壁３６ｄを設けてもよい。また、水中軸受３０Ｂ以外の水中軸受３０Ａ，３０Ｃにも冷却装置３５Ａ又は３５Ｂを配置してもよい。

前記実施形態では立軸ポンプ１０を例に挙げて説明したが、本発明の冷却装置は、立軸ポンプ１０以外の流体機械にも用いることができる。また、本発明の冷却装置は、構造や種類が異なる軸封装置（例えばグランドパッキン）及び水中軸受にも用いることができるうえ、軸封装置及び水中軸受以外の機械要素の冷却用としても用いることができる。

１…吸水槽
２…据付床
１０…立軸ポンプ（流体機械）
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
１６ａ…スリーブ
１７…ベルマウス
１７ａ…吸込口
１８…吐出し管
１９…吐出エルボ
１９ａ…貫通孔
２１…回転軸
２２…スリーブ
２２ａ…溝
２３…羽根車
２５…軸封装置（機械要素）
２６…ハウジング
２７…固定環
２８…回転環
２９…連通部
３０Ａ～３０Ｃ…水中軸受（機械要素）
３１…摺動体
３２…ケーシング
３２ａ…フランジ部
３２ｂ…フランジ部
３３…隙間
３５Ａ，３５Ｂ…冷却装置
３６…固定部材
３６ａ…基部
３６ｂ…フランジ部
３６ｃ…拡開部
３６ｄ…外周壁
３７…固定ベーン
３７ａ…基板
３７ｂ…支持筒
３８…容器
３８ａ…底壁
３８ｂ…固定部
３８ｃ…外周壁
３９…貯液室
４０…蓋体
４０ａ…内周部
４０ｂ…ラビリンスシール部
４０ｃ…突部
４２…隙間
４３…隙間（第１の隙間）
４４…隙間
４５…隙間（第２の隙間）
４６…隙間
４８…流路
４９…パイプ部
５０…流路
５２…溝
５４…センサ

Claims (8)

1. 上下方向に延びる回転軸が貫通され、吸水槽内の水の排出を行う排水運転、及び前記吸水槽内の水の排出が行われない気中運転に切り換わる流体機械の機械要素の冷却装置であって、
   前記回転軸を取り囲むように前記機械要素の下側に配置された固定部材と、
   前記固定部材の下方で前記回転軸に固定された底壁と、前記底壁から上向きに突出した筒状の外周壁とを有し、内部に潤滑液が貯留され、前記回転軸と一体に回転する容器と、
   前記外周壁に取り囲まれるように前記固定部材の下側に固定され、前記容器の回転による潤滑液の回転流動を抑制し、前記外周壁側から前記回転軸側へ潤滑液を流動させる固定ベーンと、
   前記固定ベーンの上方に位置するように、前記容器の前記外周壁に固定された環状の蓋体と
   を備え、
   前記蓋体の内周部とこの内周部と対向する対向部との間には、前記容器内への空気の流入を許容する第１の隙間が形成され、
   前記固定部材及び前記固定ベーンと前記回転軸との間には、前記機械要素への潤滑液の流動を許容する第２の隙間が形成され、
   前記気中運転時、前記容器の回転と前記固定ベーンによって、前記第２の隙間を通して前記機械要素へ潤滑液を供給可能である、流体機械の機械要素の冷却装置。
2. 前記固定ベーンは、前記回転軸が回転する向きへ突出する断面円弧状である、請求項１に記載の流体機械の機械要素の冷却装置。
3. 前記蓋体の内径は、前記固定ベーンの外径よりも小さい、請求項１又は２に記載の流体機械の機械要素の冷却装置。
4. 前記固定部材は、前記容器の前記外周壁を取り囲む外周壁を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の流体機械の機械要素の冷却装置。
5. 前記容器の前記外周壁の外面、又は前記固定部材の前記外周壁の内面に、螺旋状の溝が設けられている、請求項４に記載の流体機械の機械要素の冷却装置。
6. 前記流体機械は、前記容器内に潤滑液を注入する流路を備える、請求項１から５のいずれか１項に記載の流体機械の機械要素の冷却装置。
7. 前記容器内の潤滑液の液位を検出するセンサを備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の流体機械の機械要素の冷却装置。
8. 前記流体機械は、ポンプケーシング内を通して液体を吐出するポンプであり、
   前記機械要素は、前記ポンプケーシングの前記回転軸が貫通する部分に配置され、前記ポンプケーシングの内部の液体が外部へ漏出することを防ぐ軸封装置である、請求項１から７のいずれか１項に記載の流体機械の機械要素の冷却装置。

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