JP7071167B2 - 水中モータポンプ - Google Patents

Description

本発明は、水中モータポンプに関するものである。

従来、深井戸などで用いられる水中モータポンプは、特許文献１に示されるように、その全体の外形形状は直立する筒状体を呈していて、その内部の下部部分はモータ部に構成され、その上部部分はポンプ部に構成されている。このモータ部には、キャンドモータと称される密封構造のモータ（電動機）が設けられている。このモータには、軸心方向が上方に位置するポンプ部に向くようにモータ軸が設けられている。

ポンプ部には、モータの回転軸にカップリングを介して接続されるポンプ軸を有するとともに、そのポンプ軸には、多数の羽根車が挿入・積層させる形で取り付けられている。このような水中モータポンプは、モータが回転駆動されると羽根車が回転し、モータ部とポンプ部との間に設けられている吸込口から液体（水）を吸い込み、ポンプ部の上部に設けられている吐出口から吸い込まれた液体を吐出することができる。

また、水中モータポンプは、省エネ運転や制御性を高めるためにインバータ駆動が求められている。このため、特許文献２に示されるように、水中モータポンプ内にインバータ回路等の電装品を組み込んだ水中モータポンプが出現している。電装品を水中モータポンプ内に組み込んだ場合は、地上における電装品の設置場所の問題等を解決できる特長を有することができる。

特開２０１６－１８１９５１号公報 米国特許出願公開第２０１３／００８８１０７号明細書

しかしながら、従来の水中モータポンプは、以下のような問題があった。
すなわち、水中モータポンプが電装品を内部に組み込んだ場合は、電装品とモータとが一体化されているので、電装品を必要としない水中モータポンプのモータと共有できず、製造コストが増加するだけでなく、在庫管理が複雑になる等の問題があった。このような問題点を解決するために、電装品を必要とする場合は、水中モータポンプの外側に電装品を取り付ける構成にすることが考えられる。しかし、電装品を単に外側に取り付けると、水中モータポンプの外形が井戸の直径を越えてしまい設置できなくなってしまうという新たな問題が発生してしまう。

また、水中モータポンプは、電装品として振動検出や温度検出等のセンサが取り付けられる場合、モータの動力線以外にセンサ用の信号線も地上まで配線する必要があるため、施工が複雑化する問題があった。しかも、この信号線は、モータの動力線より細いため、定期検査や異常状態発生等で水中モータポンプが井戸から引き上げ際に断線のおそれがあった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、電装品を必要としない水中モータポンプのモータとそれを必要とする水中モータポンプのモータとを共通化できるようにするとともに、地上までの信号線を必要としない水中モータポンプを提供することにある。

（１）本発明の一態様に係る水中モータポンプは、モータ部及び該モータ部により回転駆動されるポンプ部が筒状体を呈するように組み合わされて構成される水中モータポンプであって、前記モータ部及び前記ポンプ部の間、または、前記モータ部の前記ポンプ部が位置する側と反対側に、着脱自在な電装部が設けられている。

（２）上記（１）に記載された水中モータポンプであって、前記電装部は、前記モータ部に接続される動力線を通信ケーブルとする電力線通信部を有してもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載された水中モータポンプであって、前記電装部の筒状体を呈するケーシングの直径は、前記モータ部及び前記ポンプ部の筒状体を呈するケーシングの直径以下であってもよい。
（４）上記（１）～（３）に記載された水中モータポンプであって、前記モータ部及び前記ポンプ部の間に設けられる前記電装部には、前記モータ部のモータ軸と前記ポンプ部のポンプ軸とを連結する連結軸が回転自在に設けられていてもよい。
（５）上記（１）～（３）に記載された水中モータポンプであって、前記モータ部の前記ポンプ部が位置する側と反対側に設けられる前記電装部には、前記モータ部に設けられるダイヤフラムと対向する空間を前記電装部の外部の空間と連通させる開口が設けられていてもよい。

上記本発明の態様によれば、モータ部及びポンプ部の間、または、該モータ部の該ポンプ部が位置する側と反対側に、着脱自在な電装部を設けるようにしているので、電装部の有無に関係なくモータ部を共通化でき、製造コストの低減化を図ることができ、また、在庫管理が簡単になるなどの効果を得ることができる。

一実施形態に係る水中モータポンプの一部分を断面で示した全体構成図である。 図１のＸ１－Ｘ１線断面である。 電装部の拡大図である。 形態の異なる電装品を備えたときの電装部の断面図である。 図４のＸ２－Ｘ２線断面である。 他の実施の形態に係る水中モータポンプの一部分を断面で示した全体構成図である。 電装品の電気的結合の例を示す説明図である。 ３相モータの中の２相間から単相の電源を取り出して電装品を駆動する例を示す説明図である。 センサの値によりモータのＯＮ・ＯＦＦ制御を行うためのブロック図である。

以下、本発明の一実施形態に係る水中モータポンプについて図面を参照しながら説明する。

図１は、一実施形態に係る水中モータポンプを、深井戸用の水中モータポンプＰ_１とした例を示している。この水中モータポンプＰ_１は、その全体の外形形状は直立する筒状体を呈していて、その筒状体の下部部分はモータ部１によって構成され、モータ部１の上部側が電装部１０によって構成され、そして電装部１０の上部側、すなわちその筒状の上部部分はポンプ部２０によって構成されている。なお、図１中のＬは、筒状体の軸心を示している。また、図１は、水中モータポンプＰ_１の一部分を断面で示した全体構成図であるが、図面の複雑化を避けるために断面を示すハッチングの一部は省略されている。以下の図においても同様である。

モータ部１は、周知の水中モータポンプに用いられている三相誘導電動機で、かつキャンドモータと称される密封構造のモータ２を有している。すなわち、このモータ２は、筒状体の一部を成すケーシング３の内周壁側にステータ（固定子）４が設けられている。そしてこのステータ４には、コイル４ａが巻回され、その巻回されているコイル４ａは動力線４ｂ（４ｂ１）に接続されている。この動力線４ｂ１は、水密機構を備えたコネクタ４ｃを介してモータ部１の上部に位置する電装部１０と電気的に接続されている。

ロータ（回転子）５は、ステータ４内に回転自在に設けられている。ロータ５は、モータ軸５ａのうち、ステータ４に対向する部分に設けられている。モータ軸５ａは、筒状体の軸心Ｌ方向と一致して伸びるとともに、上下端がステータ４の上下端位置よりも伸びている。

モータ軸５ａの下部は、モータ部１の下部側に位置するブラケットに設けられているラジアル軸受７ｂと、モータ軸５ａの軸方向に加わる荷重を受けることができるスラスト軸受６とで軸支されている。そして、モータ軸５ａの上部は、モータ部１の上部側に位置するブラケットに設けられているラジアル軸受７ａに軸支されている。

このモータ部１は、周知の水中モータポンプに用いられているモータと同様に、封入液が封入されている。したがって、このモータ部１にも、封入液が封入された内圧の上昇などを吸収するためのダイヤフラム８が設けられている。このダイヤフラム８は、モータ軸５ａの下部側のラジアル軸受７ｂの下方に設けられている。そして、このダイヤフラム８のモータ２と反対側は、ケーシング３の外側と連通するように構成されていて、ダイヤフラム８の可動が確保されている。また、このモータ部１の内部に配置されたステータ４などは、周知の水中モータポンプと同様に樹脂モールド９で密封されている。

電装部１０は、図２に断面図が示されるとともに、図３に拡大して示されている。この電装部１０は、筒状体の一部を成すケーシング１１の内側に連結軸１２及び電装品１３を含んで構成されている。なお、電装部１０の電気構成に関しては、ポンプ部２０の説明の後に行う。

連結軸１２は、モータ軸５ａと同じ径に構成されていて、電装部１０中を縦方向に貫通するように設けられている。すなわち、この連結軸１２は、電装部１０内に設けられ、モータ軸５ａの軸径より少し大きい内径を有する保護管１２ａ内に設けられている。この保護管１２ａの軸心方向及び連結軸１２の軸心方向は、筒状体の軸心Ｌ方向と一致している。そして、この連結軸１２の下端部は、ソケットカップリング３０を介してモータ軸５ａの上部と着脱自在に連結できるように構成されている。このように、連結軸１２が保護管１２ａ内に設けられているので、連結軸１２が回転しても電装品１３に触れることがなく、電装品１３を保護することができる。

この連結軸１２の上端部は、電装部１０の上部部分に設けられている蓋部材１４に設置されている水密機構の軸受１４ａに軸支されている。この蓋部材１４は、パッキン部材１４ｂを介在させて固定用ボルト１４ｃを用いてケーシング１１に固定され、電装部１０の水密性を保つように構成されている。そして、この蓋部材１４から突出した部分の連結軸１２は、ソケットカップリング３１を介して後述するポンプ軸の下部と着脱自在に連結できるように構成されている。

電装品１３は、保護管１２ａの径方向外側に配置された取付金具１３ａに取り付けられている。電装品１３は、水中モータポンプＰ_１の制御に必要な各種センサや各種電子部品が実装された基板１３ｂを有する。なお、この基板１３ｂは、図４及び図５に示されるように、連結軸１２の周囲に配置される円板状とすることもできる。

電装品１３を図１～図３に示される取付金具１３ａを用いて取り付けたときは、基板１３ｂが長方形であるから安価に製造することができる特長を有することができる。他方、図４及び図５に示されるように基板１３ｂを円板状にしたときは、電装部１０の高さを低くすることができ、電装部１０の小型化を図ることができる特長を有することができる。

この電装品１３には、後述する図９に示されるようなセンサや制御装置等が実装される。センサの一例としては、水中モータポンプＰ_１の運転状態の監視で必要な振動センサがある。この振動センサは、３軸測定のために３個のセンサで構成してもよいが、この振動センサをＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）で構成し、これを基板１３ｂに実装することにより、製造コストと設置スペースを押さえることができる。

電装部１０の下部には、モータ部１のコネクタ４ｃと接続される取合いコネクタ１５が設けられるとともに、その上部には水密機構を備えたコネクタ１６が設けられている。そしてこれらコネクタ１５，１６間は動力線４ｂ（４ｂ２）で接続されている。電装品１３は、動力線４ｂ２から分岐させた引出線４ｂ２－１と接続されている。すなわち、電装部１０は、図示しない電力線通信部を備え、引出線４ｂ２－１を介し、モータ部１に接続される動力線４ｂを通信ケーブルとする電力線通信を行えるようになっている。

この電装部１０の内部空間、つまり電装品１３の周りは、合成樹脂１１ａで樹脂モールドされていて、電装品１３の品質が保持できるように構成されている。なお、電装部１０の内部空間は、樹脂モールドの代わりに、不活性ガス等の気体で密閉することもできる。

この電装部１０のモータ部１への取り付けは、モータ部１の上部にパッキン３２（図３参照）を介在させて載置し、電装部１０のコネクタ１５とモータ部１のコネクタ４ｃとを接続し、次いで電装部１０からモータ部１へボルト３３（図１参照）を挿入・螺合して行われる。

ポンプ部２０は、筒状体の一部を成すケーシング２１内に設けられている。このケーシング２１の下部部分は、多数の小孔で生成されるストレーナから成る吸込口２２が形成されているとともに、その上端部は、吸込口２２から吸い込まれた液体を吐出する吐出口２３が形成されている。

ケーシング２１内には、軸心方向が筒状体の軸心Ｌ方向と一致するようにしてポンプ軸２４が設けられている。このポンプ軸２４には、図示されていないが、多数の羽根車が挿入・積層させる形で取り付けられている。このポンプ軸２４の下端部は、ソケットカップリング３１を介して連結軸１２の上部と着脱自在に連結できるように構成されている。

このポンプ部２０の下部には、電装部１０のコネクタ１６と接続される取合いコネクタ２５が設けられている。この取合いコネクタ２５には、地上側まで伸びる動力線４ｂ（４ｂ３）が接続されている。

このポンプ部２０の電装部１０への取り付けは、電装部１０の上部にポンプ部２０を載置し、電装部１０のコネクタ１６とポンプ部２０の取合いコネクタ２５とを接続し、次いでポンプ部２０から電装部１０へボルト３４を挿入・螺合して行われる。

上記構成からなるポンプ部２０は、モータ部１が駆動されると、モータ軸５ａ及び連結軸１２の回転によりポンプ軸２４が回転され、そのポンプ軸２４に取り付けられている羽根車が回転させられる。羽根車が回転させられると、吸込口２２からは液体（水）が吸い込まれ、その吸い込まれた液体は吐出口２３から吐出される。

上記構成からなる水中モータポンプＰ_１おいて、電装部１０を必要としない場合は、モータ部１とポンプ部２０との間に電装部１０を介在させないでモータ部１とポンプ部２０とが直接接続される。この接続状態は、後述する図６におけるモータ部１とポンプ部２０との接続と同じであるので、その接続の仕方については後述する。

上記構成からなる水中モータポンプＰ_１は、電装部１０を必要とする場合は、図１に示されるように、モータ部１とポンプ部２０との間に連結軸１２を備えた電装部１０を介在させて組み立てることができ、また、その電装部１０を必要としないときは、モータ部１とポンプ部２０とを直接組み立てることができる。このため、電装部１０の有無に関係なくモータ部１を共通化でき、製造コストの低減化を図ることができ、また、在庫管理が簡単になるなどの効果を得ることができる。しかも、その電装部１０のケーシング１１の直径は、モータ部１のケーシング３及びポンプ部２０のケーシング２１と同一であるから、電装部１０を付加したために井戸に入らなくなるというような不都合を防止することができる。また、電装部１０の電装品１３は、電力線通信が行われるように構成されているので、従来のような通信ケーブルを必要としないから、信号線の断線のおそれがなく、施工性の向上が図れる特長を有することができる。

図６は、他の実施の形態に係る水中モータポンプＰ_２を示している。この水中モータポンプＰ_２は、上述した水中モータポンプＰ_１と異なる点は、モータ部１とポンプ部２０とが直接接続され、水中モータポンプＰ_１の電装部１０に相当する電装部１０´をモータ部１の下部に着脱自在に接続できるようにしたことである。なお、モータ部１の下部に電装部１０´が取り付けられる関係上、モータ部１の下部には、電装部１０´と電気的に接続するための取合いコネクタ４ｄが設けられる。

水中モータポンプＰ_２においては、モータ部１の上部にポンプ部２０が接続される。その接続の際に、モータ２のモータ軸５ａはソケットカップリング３１を介してポンプ部２０のポンプ軸２４に結合され、モータ部１のコネクタ４ｃはポンプ部２０の取合いコネクタ２５に接続され、次いでポンプ部２０からモータ部１へボルト３３が挿入・螺合される。
なお、図６中のモータ部１とポンプ部２０との接続状態は、上述した水中モータポンプＰ_１が電装部１０を必要としないときのポンプ形態を示している。

電装部１０´は、モータ２の下部にボルト３６を用いて取り付けられている。この取り付けの際、電装部１０´に設けられているコネクタ１６は、モータ部１の下部に設けられている取合いコネクタ４ｄに接続される。

この電装部１０´は、モータ２の下部に取り付けられるので、そのモータ２の下部側に設けられているダイヤフラム８の外側を塞ぐ状態になる。このため、この電装部１０´には、電装部１０´の上面のうち、ダイヤフラム８に対向する箇所に空間を形成する凹部１７が設けられ、その凹部１７には、電装部１０´の外側に達する開口１８が設けられている。したがって、ダイヤフラム８の自由可動は確保され、モータ２の内圧上昇の吸収などに支障を来すことはない。なお、この電装部１０´の内部も、水中モータポンプＰ_１の電装部１０と同様に、合成樹脂１１ａで樹脂モールドされていて、電装品１３の品質が保持できるように構成されている。

上記構成からなる水中モータポンプＰ_２において、電装部１０´を必要としないときは、当初からモータ２の下部に電装部１０´を取り付けないでおくか、もし電装部１０´が取り付けられている場合は、電装部１０´に設けられているコネクタ１６とモータ部１の下部に設けられている取合いコネクタ４ｄの接続を解くとともに、ボルト３６の螺合を解いて、モータ２の下部から電装部１０´が外される。

上記構成からなる水中モータポンプＰ_２は、上述した水中モータポンプＰ_１と同様の効果を得ることができるだけでなく、電装部１０´内には、水中モータポンプＰ_１の電装部１０内に設けられている連結軸１２を必要としないので、より簡単な構成とすることができる。なお、モータ部１の動力線４ｂ（４ｂ１）をモータ部１の上部から下部まで配置するスペースがない場合は、モータ巻線の下部の極間などから分岐した引出線を電装品１３に接続するとよい。

図７及び図８は、水中モータポンプＰ_２における電装品１３の電気的結合の例を示している。このうち図７は、電装品１３をモータ２のコイル４ａ中に直列に結合して電装品１３を駆動するようにしている。この場合は、モータ巻線の極間などから分岐して引き出すことができるので、小スペースでも対処できる特長がある。

図８は、３相のモータ２の中の２相間から単相の電源を取り出して電装品１３を駆動するようにしている。この場合は、コイル４ａの巻線の負荷がアンバランスになるおそれがあるので、他の相間にインピーダンス整合器４０が接続される。このインピーダンス整合器４０の代わりに電装品１３の負荷に相当する相当模擬負荷を他の相間に接続するようにしてもよい。

図８には、モータ２の動力線４ｂを用いて、地上側に設けられている上位装置４１と、水中モータポンプＰ_２側との間で電力線通信ができるようにした構成が示されている。ここでは、３本からなる動力線４ｂのうち、２本の動力線に高周波の通信用信号を重畳して電送させることにより周知の電力線通信と同様の通信が行われるように構成されている。このように、動力線４ｂを通信ケーブルとしたときは、従来のような信号線を必要としないので、信号線の断線のおそれがなく、施工性の向上が図れる特長を有することができる。

図９は、電装品１３に実装されているセンサ１３ｃの値により、モータ２のＯＮ・ＯＦＦ制御を行うためのブロック図が示されている。すなわち、電装品１３内には、モータ２の温度を検出するセンサや水圧から水位を推定して水位を検出するセンサ等のセンサ１３ｃと、そのセンサ１３ｃからの信号を基にモータ２のＯＮ・ＯＦＦ信号を生成する制御装置１３ｄと、モータ２のＯＮ・ＯＦＦを行う開閉器１３ｅとが含まれている。したがって、この電装品１３を備えている水中モータポンプＰ_１（Ｐ_２）は、駆動中のモータ２が過負荷温度に達したり、あるいは水位が所定水位に以下になったりしたときに、制御装置１３ｄから開閉器１３ｅに対して、モータ２をＯＦＦするように制御信号を送出することができる。

制御装置１３ｄは、図８を用いて説明したように、地上の上位装置４１と電力線通信ができるように構成されている。したがって、この上位装置４１を介してもモータ２のＯＮ・ＯＦＦが可能であるとともに、上位装置４１にセンサ１３ｃの検出値を表示させることもできる。

電装品１３には、メモリを搭載することもできる。この場合は、センサ１３ｃで収集された各種データ、例えば水中モータポンプＰ_２の運転時間やモータ２の回転数のデータ等をメモリに保存することができる。したがって、その記憶されているデータを用いて水中モータポンプＰ_１（Ｐ_２）の保守管理に役立せることができる。

以上、本発明に係る水中モータポンプの実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
例えば、上述の例では、水中モータポンプを深井戸用としたが、浅井戸用や水槽等で使用されるものに適用することもできる。

１…モータ部、２…モータ、３…ケーシング、４…ステータ（固定子）、４…ステータ、４ａ…コイル、４ｂ（４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３）…動力線、４ｂ２－１…引出線、４ｃ…コネクタ、４ｄ…コネクタ、５…ロータ（回転子）、５ａ…モータ軸、６…スラスト軸受、７ａ…ラジアル軸受、７ｂ…ラジアル軸受、８…ダイヤフラム、９…樹脂モールド、１０…電装部、１１…ケーシング、１１ａ…合成樹脂、１２…連結軸、１２ａ…保護管、１３…電装品、１３ａ…取付金具、１３ｂ…基板、１３ｃ…センサ、１３ｄ…制御装置、１３ｅ…開閉器、１４…蓋部材、１４ａ…軸受、１４ｂ…パッキン部材、１４ｃ…固定用ボルト、１５…コネクタ、１６…コネクタ、１７…凹部、１８…開口、２０…ポンプ部、２１…ケーシング、２２…吸込口、２３…吐出口、２４…ポンプ軸、２５…コネクタ、３０…ソケットカップリング、３１…ソケットカップリング、３２…パッキン、３３…ボルト、３４…ボルト、３５…ボルト、３６…ボルト、４０…インピーダンス整合器、４１…上位装置、Ｌ…軸心、ＯＦＦ…・、Ｐ_１…水中モータポンプ、Ｐ_２…水中モータポンプ

Claims (3)

1. モータ部及び該モータ部により回転駆動されるポンプ部が筒状体を呈するように組み合わされて構成される水中モータポンプであって、
   前記モータ部及び前記ポンプ部の間に着脱自在な電装部が設けられており、
   前記電装部は、
   前記モータ部のモータ軸と前記ポンプ部のポンプ軸のそれぞれとソケットカップリングを介して連結される連結軸と、
   前記モータ部のコネクタと接続される電装部取り合いコネクタと、
   前記ポンプ部の取り合いコネクタと接続される電装部コネクタと、
   前記電装部取り合いコネクタと前記電装部コネクタとの間を接続する動力線と、を備え、
   前記モータ部のモータ軸と前記ポンプ部のポンプ軸は、前記電装部が脱着された場合、前記ソケットカップリングを介して直接連結可能であり、
   前記モータ部のコネクタと前記ポンプ部の取り合いコネクタは、前記電装部が脱着された場合、直接接続可能である、ことを特徴とする水中モータポンプ。
2. 前記電装部は、前記動力線を通信ケーブルとする電力線通信部を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の水中モータポンプ。
3. 前記電装部の筒状体を呈するケーシングの直径は、前記モータ部及び前記ポンプ部の筒状体を呈するケーシングの直径以下である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の水中モータポンプ。

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