(57)【要約】      （修正有）【課題】ポンプの主軸との間の隙間に圧縮空気を供給することで摩耗や破損を高精度で診断可能な水中軸受を提供する。【解決手段】ポンプのケーシング内に配置されてポンプの主軸を支持する水中軸受であって、主軸８を貫通する軸受孔４４を備える軸受体４１Ａと、軸受体４１Ａをケーシングに保持すると共に、軸受孔４４の孔周壁と主軸８との間の隙間に診断用の空気を供給するための供給ポート３１ｂが形成された保持体と、軸受体４１Ａの上方で主軸８に固定され、隙間と連通する空気溜まり室５２と、空気溜まり室５２とケーシング内を連通させる上側連通路５３と、上側連通路５３に形成されて通過する流体に対して抵抗を付与する抵抗付与部とを有するカバー５１とを備える。軸受体４１Ａの周囲を空気のみが存在する状態とすることで、圧縮空気の供給により軸受体４１Ａの摩耗等を高精度で診断できる。【選択図】図２
2010285885.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプのケーシング内に配置されてポンプの主軸を支持する水中軸受であって、
前記主軸を貫通する軸受孔を備える軸受体と、
前記軸受体を前記ケーシングに保持すると共に、前記軸受体の前記軸受孔の孔周壁と前記主軸との間の隙間に診断用の空気を供給するための供給ポートが形成された保持体と、
前記軸受体の上方で前記主軸に固定され、前記隙間と連通する空気溜まり室と、前記空気溜まり室と前記ケーシング内を連通させる連通路と、前記連通路に形成されて通過する流体に対して対して抵抗を付与する抵抗付与部とを有するカバーと
を備える、水中軸受。
【請求項２】
前記カバーは前記主軸に固定されて前記主軸の軸線方向と交差する方向に拡がる本体部と、この本体部から前記軸受体に向けて前記主軸の前記軸線方向に延びて前記保持体との間に前記連通路を形成する裾部とを備え、
前記抵抗付与部は前記裾部の内周面に形成されたラビリンス構造である、請求項１に記載の水中軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプの主軸を支持するための水中軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中軸受とポンプの主軸との間の隙間に圧縮空気を供給してポンプケーシング内に流出させることで、水中軸受の摩耗や破損を診断することが知られている。例えば、特許文献１には、供給される空気流量と、空気供給圧とポンプの吐出圧との差圧に基づいて水中軸受の摩耗等を診断することが開示されている。また、特許文献２には、圧力タンク内の空気を水中軸受と主軸の隙間に供給し、圧力タンク内の圧力低下に要する時間から水中軸受の摩耗等を診断することが開示されている。さらに、非特許文献１には、空気が供給される水中軸受と主軸の隙間の上流にオリフィスを設け、空気マイクロメータの原理を利用して水中軸受の摩耗等を診断することが開示されている。
【０００３】
これらの方法で水中軸受の摩耗等を高精度で診断するには、主軸との隙間に診断用の圧縮空気を供給した際に水中軸受の周囲を可能な限り空気のみが存在して水が存在しない状態とすることが好ましい。逆に、隙間から流出した空気が水中軸受の周囲で水と混合して二相流の状態であると、高精度で摩耗等を診断できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９３３５８６号明細書
【特許文献２】特開２００９−０７４５３０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】兼森、外１名、「ポンプ水中軸受外部診断装置の開発」、とりしまレビュー、株式会社酉島製作所、平成２１年３月１０日、通巻第２２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、ポンプの主軸との間の隙間に圧縮空気を供給することで摩耗や破損を高精度で診断可能な水中軸受を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ポンプのケーシング内に配置されてポンプの主軸を支持する水中軸受であって、前記主軸を貫通する軸受孔を備える軸受体と、前記軸受体を前記ケーシングに保持すると共に、前記軸受体の前記軸受孔の孔周壁と前記主軸との間の隙間に診断用の空気を供給するための供給ポートが形成された保持体と、前記軸受体の上方で前記主軸に固定され、前記隙間と連通する空気溜まり室と、前記空気溜まり室と前記ケーシング内を連通させる連通路と、前記連通路に形成されて通過する流体に対して対して抵抗を付与する抵抗付与部とを有するカバーとを備える、水中軸受を提供する。
【０００８】
カバー内の空気溜まり室は連通路を介してポンプのケーシング内と連通している。通常のポンプ運転中、ポンプのケーシング内と同様に、軸受体と主軸の隙間及びカバー内の空気溜まり室に水が充満している。保持体に形成された供給ポートから診断用の圧縮空気が供給されると、この圧縮空気は軸受体と主軸の隙間から空気溜まり室へ流入する。空気溜まり室は連通路を介してポンプのケーシング内と連通しているが、この連通路には抵抗付与部が設けられている。そのため、空気溜まり室内の圧力がある程度上昇するまで、空気溜まり室内に流入した空気は連通路から流出することなく空気溜まり室に留まる。そして、圧縮空気の流入により空気溜まり室の圧力が抵抗付与部による抵抗を上回る圧力まで上昇した時点で、軸受体と主軸の隙間及び空気溜まり室に存在している空気と水が連通路を通ってポンプのケーシング内に噴出される。この空気と水の噴出の結果、軸受体と主軸の隙間及び空気溜まり室は水が存在せず空気のみが存在する状態となる。この噴出以降も供給ポートからの圧縮空気の供給を継続すれば、軸受体と主軸の隙間及び空気溜まり室、つまり水中軸受の周囲は空気のみが存在して水が存在しない状態を維持するので、水中軸受の軸受体の摩耗や破損を高精度で診断できる。カバーは軸受体と主軸の隙間に塵等が進入するのを防止する防塵機能も果たす。
【０００９】
具体的には、前記カバーは前記主軸に固定されて前記主軸の軸線方向と交差する方向に拡がる本体部と、この本体部から前記軸受体に向けて前記主軸の前記軸線方向に延びて前記保持体との間に前記連通路を形成する裾部とを備え、前記抵抗付与部は前記裾部の内周面に形成されたラビリンス構造である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の水中軸受は、空気溜まり室と、空気溜まり室とポンプのケーシング内との連通路と、この連通路に形成された抵抗付与部とを設けたカバーを軸受体の上方に備えるので、供給ポートから診断用の圧縮空気を供給することで、軸受体と主軸の隙間及び空気溜まり室に存在している空気と水を連通路を通ってポンプのケーシング内に噴出させることができる。この噴出により軸受体と主軸の隙間及び空気溜まり室、つまり水中軸受の周囲は空気のみが存在して水が存在しない状態となり、水中軸受の軸受体の摩耗や破損を高精度で診断できる。カバーは軸受体と主軸の隙間に塵等が進入するの防止する防塵機能も果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態である水中軸受を備える先行待機型立軸ポンプを示す縦断面図。
【図２】図１の部分IIの模式的な部分拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態にかかる無注水水中軸受（以下、単に水中軸受という）を備える先行待機型立軸ポンプ（以下、単に立軸ポンプという）２を示す。
【００１４】
立軸ポンプ２は、図示しない流入側管路から排水ポンプ場の吸水槽３内に流入する雨水等の水を下流側に排水するためのものであり、鉛直方向に延びるケーシング４を備えている。ケーシング４は、直管状の揚水管４ａ，４ｂ、揚水管４ｂの下端に連結されたインペラケーシング４ｃ，４ｄ、インペラケーシング４ｄの下端に連結された吸込ベル４ｅ、揚水管４ａの上端に連結されて鉛直方向から水平方向に湾曲した吐出ケーシング４ｆを備える。吐出ケーシング４ｆには、仕切弁５を設けた吐出管６が連結されている。インペラケーシング４ｄ内にインペラ７が配設されている。
【００１５】
インペラ７が下端に固定されている主軸８は、鉛直方向に延びてケーシング４の外部に突出している。９は主軸８のスラスト軸受、１０は軸封装置である。主軸８の上端側はモータ又は内燃機関、減速機構等からなるポンプ駆動機構（図示せず）に連結されている。
【００１６】
図１において、１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃはポンプ２のケーシング４内に配置されて主軸８のラジアル軸受として機能する水中軸受である。個々の水中軸受１３Ａ〜１３Ｃには診断装置１０１の空気注入配管１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃの一端が接続されている。診断装置１０１は、コンプレッサ１０３から、エアタンク１０４、レギュレータ１０５、圧縮空気の供給圧力を測定する圧力計１０６、オリフィス１０７、及び流量計１０８等を介して空気注入配管１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃの他端に接続された供給配管１０９を備える。供給配管１０９から分岐した分岐管路１１０は吐出ケーシング４ｆ内に接続されている。この分岐管路１１０には差圧計１１１が設けられている。
【００１７】
診断装置１０１が備える制御装置１１２は、コンプレッサ１０３で生成してエアタンク１０４に貯めた圧縮空気を供給配管１０９から空気注入配管１０２Ａ〜１０２Ｃを介して水中軸受１３Ａ〜１３Ｃ（より詳しくは後述する軸受体４１Ａ，４１Ｂ）と主軸８の我執面との隙間に供給することで、水中軸受１３Ａ〜１３Ｃ（軸受体４１Ａ，４１Ｂ）の摩耗や破損を診断する。例えば、制御装置１１１は以下の方法で水中軸受１３Ａ〜１３Ｃの摩耗等を診断できる。まず、特許文献１に記載されているように、水中軸受１３Ａ〜１３Ｃと主軸８の隙間に供給される圧縮空気の流量（流量計１０８で測定される）と、圧縮空気の供給圧とポンプ２の吐出圧との差圧（差圧計１１１で測定される）に基づいて水中軸受１３Ａ〜１３Ｃの摩耗等を診断できる。また、特許文献２に記載されているように、エアタンク１０４内の圧縮空気を水中軸受１３Ａ〜１３Ｃと主軸８の隙間に供給し、エアタンク１０４内の圧力低下に要する時間から水中軸受１３Ａ〜１３Ｃの摩耗等を診断できる。さらに、非特許文献１に記載されているように、エアタンク１０４内の圧縮空気を水中軸受１３Ａ〜１３Ｃと主軸８の隙間に供給し、オリフィス１０７の前後の圧縮空気の圧力を測定することで、空気マイクロメータの原理を利用して水中軸受１３Ａ〜１３Ｃの摩耗等を診断できる。
【００１８】
３個の水中軸受１３Ａ〜１３Ｃのうち水中軸受１３Ａに本発明を適用している。残りの水中軸受１３Ｂ，１３Ｃに本発明を適用してもよい。
【００１９】
図２を参照すると、水中軸受１３Ａは両端開口の筒状の軸受ホルダ３１を備える。この軸受ホルダ３１の上端には外向きに突出するフランジ部３１ａが設けられている。このフランジ部３１ａがケーシング４（揚水管４ｂ）の内面から突出するリブ３２に固定されている。具体的には、リブ３２の先端に両端開口の軸受ケーシング５５が設けられており、この軸受ケーシング５５に軸受ホルダ３１のフランジ部３１ａがボルト３３で固定されている。軸受ケーシング５５の上端開口は軸受ケーシング５５のフランジ部３１ａにより封鎖されている。軸受ケーシング５５内に形成された収容室５６内には軸受ケーシング５５のフランジ部３１ａ以外の部分が収容されている。収容室５６は軸受ケーシング５５の下端と主軸８の外周との隙間である下側連通路５７を介してポンプ２のケーシング４内に連通している。
【００２０】
軸受ホルダ３１の上端には両端開口の押さえ部材３４がボルト（図示せず）により固定されている。軸受ホルダ３１内には両端開口のシェル３６が収容されている。シェル３６はボルト（図示せず）により軸受ホルダ３１内に対して固定されている。シェル３６の外面には上下一対の段部３６ａ，３６ｂが形成されている。これらの段部３６ａ，３６に配置されたクッションリング３８とパッキン３９が、シェル３６と軸受ホルダ３１及び押さえ部材３４との間にそれぞれ介在している。軸受ホルダ３１とシェル３６には、それぞれ貫通孔からなる供給ポート３１ｂ，３６ｃが設けられている。これらの供給ポート３１ｂ，３６ｃは対向して設けられており、互いに連通している。空気供給配管１０２Ａの一端が軸受ホルダ３１の供給ポート３１ｂに接続されている。軸受ホルダ３１、蓋部材３４、及びシェル３６は本発明における保持体を構成する。
【００２１】
シェル３６内には上下方向に配置された２個の軸受体４１Ａ，４１Ｂが収容されている。シェル３６内に２個の軸受体４１Ａ，４１Ｂの間には、空気供給空間４２が設けられている。この空気供給空間４２は供給ポート３６ｃと連通している。個々の軸受体４１Ａ，４１Ｂには貫通孔である軸受孔４４が形成されている。軸受体４１Ａ，４１Ｂの材質は、ＰＢＩ（ポリベンゾイミダゾール）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の樹脂が好ましいが、必要な摺動性や耐摩耗性が確保できる限り、ゴム等の他の材料であってもよい。
【００２２】
図２に示すように、主軸８はシェル３６内の軸受体４１Ａ，４１Ｂの軸受孔４４を貫通しており、主軸８のスリーブ４７を取り付けた部分が軸受体４１Ａ，４１Ｂの軸受孔４４の孔周壁と隙間３０を隔てて対向している。
【００２３】
軸受体４１Ａ，４１Ｂを収容したシェル３６の上方には防塵カバー５１が配置されている。防塵カバー５１は主軸８に固定されて主軸８の軸線Ｌ方向に対して直交する方向に拡がる円板状の本体部５１ａを備える。この本体部５１ａの外周縁から主軸８の軸線Ｌ方向に軸受体４１Ａ，４１Ｂを収容したシェル３６に向けて延びる円筒状の裾部５１ｂが設けられている。言い換えれば、防塵カバー５１は図において上方が閉鎖端（本体部５１ａ）で下方が開口端の筒体状である。この防塵カバー５１は本体部５１ａが主軸８に固定されているので、主軸８と共に回転する。
【００２４】
防塵カバー５１の本体部５１ａと裾部５１ｂの内面で囲まれた空間（空気溜まり室５２）内には、スリーブ４７の上端付近と押さえ部材３４の上端付近が収容されている。この空気溜まり室５２は上側の軸受体４１Ａと主軸８との間の隙間３０と連通している。また、空気溜まり室５２は、鉛直方向に延びる裾部５１ｂの内面と押さえ部材３４の外周面との間の隙間（第１部分５３ａ）と、この第１部分５３ａの下端から水平方向に延びる裾部５１ｂの下端面と押さえ部材３４との間の隙間（第２部分５３ｂ）からなる上側連通路５３を介してケーシング４（揚水管４ｂ）内と連通している。このように、防塵カバー５１内の空気溜まり室５２は、鉛直方向に延びる第１部分５３ａと水平方向延びる第２部分５３ｂとからなる上側連通路５３を介してポンプ２のケーシング４内に連通しているので、防塵カバー５１は軸受体４１Ａ，４１Ｂと主軸８の隙間３０に塵等が進入するのを防止する防塵機能を果たす。
【００２５】
上側連通路５３の第１部分５３ａを形成している防塵カバー５１の裾部５１ｂの内面には、抵抗付与部の一例であるラビリンス構造５４が形成されている。具体的には、ラビリンス構造５４は裾部５１ｂから主軸８に向けて突出する複数のフィン５４ａを備える。これらのフィン５４ａは主軸８の軸線Ｌ方向に間隔をあけて配置されている。個々のフィン５４ａの先端は押さえ部材３４の外周に微小な隙間を隔てて対向している。
【００２６】
ポンプ２が通常の揚水運転中又はポンプ２は停止しているが水中軸受１３Ａが水没しているとき、ケーシング４内、水中軸受１３Ａの軸受体４１Ａ，４１Ｂの軸受孔４４の孔周壁と主軸８との隙間３０、防塵カバー４７の内部の空気溜まり室５２、軸受ケーシング５５内の収容室５６内はいずれも水が充満している。これらの状態とのときに、診断装置１０１により空気供給配管１０２Ａから圧縮空気が供給される。空気供給配管１０２Ａからの圧縮空気は、供給ポート３１ｂ，３６ｃを介して介してシェル３６内の空気供給空間４２に進入し、この空気供給空間４２から上下の軸受体４１Ａ，４１Ｂの軸受孔４４の孔周壁と主軸８との隙間３０に進入する。
【００２７】
上側の軸受体４１Ａの軸受孔４４の孔周壁と主軸８との隙間３０に進入した圧縮空気は、この隙間３０の上端から空気溜まり室５２へ流入する（図２の矢印Ａ）。また、下側の軸受体４１Ｂの軸受孔４４の孔周壁と主軸８との隙間３０に進入した圧縮空気は、この隙間の下端から収容室５６に流入し、さらに下側連通路５７からケーシング４内に流出する（図２の矢印Ｂ）。
【００２８】
空気溜まり室５２は連通路５３を介してポンプ２のケーシング４内と連通しているが、この連通路５３の第１部分５３ａにはラビリンス構造５４が設けられている。ラビリンス構造５４、具体的にはフィン５４ａの個数とフィン５４ａの先端と押さえ部材５４との間の隙間の面積ｆは、空気溜まり室５２内の圧力が以下の式で表される圧力Ｐ１に達するまで連通路５３から圧縮空気がケーシング４内に流出せず空気溜まり室５２内に留まるように設定されている。
【００２９】
【数１】
2010285885.tif 000003
【００３０】
式（１）において、Ｈは軸受ケーシング５５の高さ（上側連通路５３の第２部分５３から下側連通路５７の下端までの距離：ｍ）であり、γは水の比重（kgf/m3）である。
【００３１】
そして、圧縮空気がさらに流入して空気溜まり室５２の圧力が圧力Ｐ１以上（ラビリンス構造５４による抵抗を上回る圧力）まで上昇した時点で、軸受体４１Ａと主軸８の隙間３０及び空気溜まり室５２に存在している空気と水が上側連通路５３を通ってポンプ２のケーシング４内に噴出される（図２の矢印Ｃ）。この空気と水の噴出の結果、軸受体４１Ａと主軸８の隙間３０及び空気溜まり室５２は水が存在せず空気のみが存在する状態となる。上側連通路５３からの空気と水の噴出が生じた時点では、軸受ケーシング５５内の収容室５６も空気のみが存在する状態となっている。
【００３２】
上側連通路５３からの空気と水の噴出後もさらに供給ポート３１ｂ，３６ｃからの圧縮空気の供給を継続すれば、上側連通路５３及び下側連通路５７を通ってポンプ２のケーシング４内に安定して空気が噴出され、軸受体４１Ａ，４１Ｂと主軸８の隙間３０、空気溜まり室５２、及び収容室５６、つまり軸受体４１Ａ，４１Ｂの周囲は空気のみが存在して水が存在しない状態を維持する。その結果、軸受体４１Ａ，４１Ｂの軸受孔４４の孔周壁と主軸８との隙間３０に供給された圧縮空気は水の影響を受けることなくケーシング４内へ流出するので、軸受体４１Ａ，４１Ｂの摩耗や破損を高精度で診断できる。
【００３３】
上側連通路５３からの空気と水の噴出後も供給ポート３１ｂ，３６ｃからの圧縮空気の供給を継続した場合、上側連通路５３からケーシング４内へ流入する空気の流量は以下の式（２）で表される。
【００３４】
【数２】
2010285885.tif 000004
【００３５】
式（２）において、Ｇは上側連通路５３の空気流量（kgf/s）、fはラビリンス構造５４のフィン５４ａの先端と押さえ部材３４の外周面との間に形成される隙間、つまり上側連通路５３の第１部分５３ａの面積（m2）、ｇは上側連通路５３の第１部分５３ａの外径（m）、μは０．８５〜０．６５の流量係数、Ｚはラビリンス構造５４のフィン５４ａの個数、Ｐ１（＝Ｈγ）は空気溜まり室５２内の圧力（kgf/cm2 ads）、ｖ１は空気溜まり室５２内の空気の比容積（m3/kgf）である。
【００３６】
以上のように、本実施形態の水中軸受１３Ａでは、防塵カバー５１にラビリンス構造５４を設けているので、供給ポート３１ｂ，３６ｃから診断用の圧縮空気を供給することで、上側の軸受体４１Ａと主軸８の隙間３０及び空気溜まり室５２に存在している空気と水を上側連通路５３を通ってポンプ２のケーシング４内に噴出させることができる。この噴出により両方の軸受体４１Ａ，４１Ｂと主軸８の隙間３０、空気溜まり室５２、及び軸受ケーシング５５の収容室５６内、つまり軸受体４１Ａ，４１Ｂの周囲は空気のみが存在して水が存在しない状態となり、軸受体４１Ａ，４１Ｂの摩耗や破損を高精度で診断できる。また、防塵カバー５１は軸受体４１Ａ，４１Ｂと主軸８の隙間３０に塵等が進入するの防止する防塵機能も果たす。
【００３７】
先行待機型立軸ポンプの水中軸受を例に本発明を説明したが、本発明は他の形式のポンプの水中軸受にも適用できる。
【符号の説明】
【００３８】
２  先行待機型立軸ポンプ
３  吸水槽
４  ケーシング
４ａ，４ｂ  揚水管
４ｃ，４ｄ  インペラケーシング
４ｅ  吸込ベル
４ｆ  吐出ケーシング
５  仕切弁
６  吐出管
７  インペラ
８  主軸
９  スラスト軸受
１０  軸封装置
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ  水中軸受
３０  隙間
３１  軸受ホルダ
３１ａ  フランジ部
３１ｂ  供給ポート
３２  リブ
３３  ボルト
３４  押さえ部材
３６  シェル
３６ａ，３６ｂ  段部
３６ｃ  供給ポート
３８  クッションリング
３９  パッキン
４１Ａ，４１Ｂ  軸受体
４２  空気供給空間
４４  軸受孔
４７  スリーブ
５１  防塵カバー
５１ａ  本体部
５１ｂ  裾部
５２  空気溜まり室
５３  上側連通路
５３ａ  第１部分
５３ｂ  第２部分
５４  ラビリンス構造
５４ａ  フィン
５５  軸受ケーシング
５６  収容室
５７  下側連通路
１０１  診断装置
１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ  空気供給配管
１０３  コンプレッサ
１０４  エアタンク
１０５  レギュレータ
１０６  圧力計
１０７  オリフィス
１０８  流量計
１０９  供給配管
１１０  分岐管路
１１１  差圧計
１１２  制御装置
【図１】
2010285885.tif 000005
【図２】
2010285885.tif 000006