(57)【要約】【課題】高い軸封性能を維持することができる水中ポンプを提供する。【解決手段】本発明の一形態にかかる水中ポンプは、電動機と、前記電動機の回転軸に接続されたインペラを有するとともに、前記インペラの背面側の空間から外部に連通する排気部を有するポンプ部と、前記電動機と前記ポンプ部の間に設けられるとともに内部に前記回転軸が貫通する空洞部を形成する軸封ケーシングを有する軸封部と、前記空洞部の圧力調整により前記軸封部の流体の流れを規制して軸封する圧力調整部と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機と、
前記電動機の回転軸に接続されたインペラを有するとともに、前記インペラの背面側の空間から外部に連通する排気部を有するポンプ部と、
前記電動機と前記ポンプ部の間に設けられるとともに内部に前記回転軸が貫通する空洞部を形成する軸封ケーシングを有する軸封部と、
前記空洞部の圧力調整により前記軸封部の流体の流れを規制して軸封する圧力調整部と、を備えたことを特徴とする水中ポンプ。
【請求項２】
前記水中ポンプの動作及び前記圧力調整部の動作を制御する制御部を備え、
前記圧力調整部は、前記空洞部に圧縮空気を供給する圧縮空気供給部と、前記空洞部と前記圧縮空気供給部とを連通する連通路と、を備え、
前記制御部は前記圧力調整部に前記圧縮空気を供給して前記空洞部内の圧力を上昇させることにより前記ポンプ部側から前記軸封部への流体の進入を防止することを特徴とする請求項１記載の水中ポンプ。
【請求項３】
前記空洞部内の圧力は、前記水中ポンプの運転圧力の１０〜７０％に前記水中ポンプが設置される水槽の最大水深を加算した空気圧力に設定されることを特徴とする請求項１記載の水中ポンプ。
【請求項４】
前記空洞部内の容積は前記電動機の内部容積の２０〜５０％に設定されることを特徴とすることを特徴とする請求項１記載の水中ポンプ。
【請求項５】
前記電動機は、電動機ケーシングと、固定子と、前記回転軸に連結される回転子とを備える全閉式の乾式水中電動機であり、
前記電動機ケーシングには前記連通路に連通する第１の空気孔が形成され、
前記電動機と前記空洞部とを仕切る前記軸封ケーシングには前記空洞部側と前記電導機側とを連通する第２の空気孔が形成され、
前記連通路は、前記圧縮空気供給部から前記第１の空気孔に至る連通管、前記第１の空気孔、前記電動機部内、及び前記第２の空気孔を通って前記空洞部に至る流路で構成されることを特徴とする請求項１記載の水中ポンプ。
【請求項６】
前記軸封ケーシングの側部に第３の空気孔が形成され、
前記連通路は前記圧縮空気供給部から前記第３の空気孔に至る連通管及び前記第３の空気孔を通って前記空洞部に至る流路で構成されることを特徴とする請求項１記載の水中ポンプ。
【請求項７】
前記電動機の前記回転軸先端と前記インペラとを固定するインペラナットを備え、
前記インペラナットと前記回転軸との間に形成される空間にシールパッキンが設けられたことを特徴とする請求項１記載の水中ポンプ。
【請求項８】
前記水中ポンプ及び前記圧力調整部の動作を制御する制御部と、前記水中ポンプが設置される水槽の水位を検出する水位検出手段と、を備え、
前記制御部は、前記水槽の水位が所定値まで上昇したら、前記空洞部内に前記圧縮空気を供給し、供給開始から一定時間経過後に前記水中ポンプを駆動するとともに、
前記水槽の水位が所定値まで低下したら、前記水中ポンプを停止し、ポンプ停止から一定時間経過後に、前記圧縮空気の供給を停止することを特徴とする請求項１記載の水中ポンプ。
【請求項９】
前記水中ポンプ及び前記圧力調整部の動作を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記水中ポンプが一定時間運転されない場合には圧縮空気を供給して前記空洞部内の空気圧力を静水圧と釣り合わせることを特徴とする請求項１記載の水中ポンプ。
【請求項１０】
前記水中ポンプ及び前記圧力調整部の動作を制御する制御部と、前記連通路に設けられた空気逆流防止用の逆止弁と、前記逆止弁の二次側に設けられ前記通路内の圧力を検出する圧力検出部と、を備え、
前記制御部は、水中ポンプの起動後一定時間経過した後に圧縮空気の供給を停止するとともに、前記空洞部内の圧力が一定値上昇すると、空気を供給して空洞部内の水位を調整することを特徴とする請求項１記載の水中ポンプ。
【請求項１１】
前記水中ポンプ及び前記圧力調整部の動作を制御する制御部と、水中ポンプ停止中の静水圧を検出する検出手段と、を備え、
前記静水圧が一定値上昇すると、前記圧縮空気を供給して前記空洞部内の空気圧と前記静水圧とを釣り合わせることを特徴とする請求項１記載の水中ポンプ。
【請求項１２】
前記水中ポンプ及び前記圧力調整部の動作を制御する制御部と、
前記圧縮空気供給時の空気吐出圧力を検出する検出手段と、を備え、
前記制御部は、前記圧縮空気の供給時に一定時間の間空気吐出圧力が一定圧力未満である場合に、報知を行うとともに水中ポンプを停止させることを特徴とする請求項１記載の水中ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汚水等の送水に用いる水中ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば住宅、学校、病院、工場などでは、汚物槽を設置して汚物や汚水を溜めておき、汚物槽内に配置された水中ポンプにより、溜まった汚物・汚水を他の設備へ中継させることが行われている。汚水等の送水に用いる水中ポンプは、例えばインペラを収容するインペラケーシングと乾式水中電動機の間に一定量の潤滑油を封入した軸封室が配置されている。電動機の回転軸が軸封室を貫通している。軸封室には電動機側とポンプ側の相互をシールするための軸封装置が備えられている。軸封装置としては例えばメカニカルシールが用いられ、潤滑油により、上下のメカニカルシールのメインテンリング（固定側）とシールリング（回転側）の摺動面の潤滑及び冷却を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５―２４０７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の水中ポンプではメカニカルシールの摩耗や劣化によって軸封性能が低下することがある。
【０００５】
実施形態では、高い軸封性能を維持することができる水中ポンプを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一形態にかかる水中ポンプは、電動機と、前記電動機の回転軸に接続されたインペラを有するとともに、前記インペラの背面側の空間から外部に連通する排気部を有するポンプ部と、前記電動機と前記ポンプ部の間に設けられるとともに内部に前記回転軸が貫通する空洞部を形成する軸封ケーシングを有する軸封部と、前記空洞部の圧力調整により前記軸封部の流体の流れを規制して軸封する圧力調整部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
実施形態によれば高い軸封性能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る水中ポンプの設置状態を示す説明図。
【図２】同水中ポンプの構成を示す断面図。
【図３】同水中ポンプの動作を説明するフローチャート。
【図４】同水中ポンプにおける運転条件例を示す表。
【図５】同水中ポンプにおける電動機内及び軸封部内の空気圧縮比率を示す表。
【図６】同水中ポンプにおける排水槽水位の変化に伴う電動機内及び軸封部内の空気圧縮比率を示す表。
【図７】他の実施形態に係る水中ポンプの構成を示す断面図。
【図８】他の実施形態に係る水中ポンプの構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施の形態に係る水中ポンプ１０を、図１及び図２を用いて説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る水中ポンプ１０の設置状態を示す説明図である。図２は水中ポンプ１０の構成を断面で示す説明図である。なお、説明のため、各図において適宜構成を省略して示している。また、図中矢印Ｘ，Ｙ，Ｚは互いに直交する３方向を示している。図１中、Ｂはボルトを、Ｆは水の流れを、Ｋは電源ケーブル、Ｌはライナリングをそれぞれ示す。
【００１０】
水中ポンプ１０は、汚水槽及び下水道等に設置され、異物（汚物等）を含む汚水を移送する所謂水中汚水ポンプと呼ばれるものである。例えばここでは図１に示すように、地下の排水槽１００内に複数の水中ポンプ１０が設置されている。排水槽１００の側部には流入管１０１及び吐出管１０２が設けられている。排水槽１００の上部にはマンホール１０３が設置されている。排水槽１００内には水面の高さ（水位）を検出する水位検出手段としての複数のフロートスイッチ１０４，１０５が設けられている。
【００１１】
図２に示すように、水中ポンプ１０は、電動機１１と、電動機１１の回転軸２４に接続されたインペラを有するポンプ部１２と、電動機１１とポンプ部１２の間に設けられるとともに回転軸２４が貫通する空洞部３０ａを内部に有する軸封部１３と、空洞部３０ａの圧力を調整する圧力調整部１４と、これら各部の動作を制御する制御部１５と、を備える。
【００１２】
電動機１１は、全閉式の乾式水中電動機であり、電動機ケーシング２１と、固定子２２と、回転子２３と、回転軸２４と、を備えている。電動機１１は、外部電源等に接続される電源ケーブルＫを有している。
【００１３】
電動機ケーシング２１は、上部材２５、中部材２６、下部材２７を組み立てて構成され、上下両端が閉塞する円筒形状に形成されている。
【００１４】
上部材２５は中部材２６の上側開口を塞いでいる。上部材２５には第１の空気孔２５ａが形成されている。この第１の空気孔２５ａによって、電動機ケーシング２１の内部と圧縮空気供給部６１とがホース６２を介して連通している。
【００１５】
中部材２６は、上下に開口する円筒状に構成され、固定子２２の側周部を覆っている。
【００１６】
下部材２７は中部材２６の下側開口を塞ぐとともに下方に延びる円筒形状を構成し、軸封部１３の軸封ケーシング３０の一部を構成している。下部材２７の中央部に開口部２７ａが設けられている。この開口部２７ａにベアリング等の軸受３５が設けられ、この軸受３５を介して回転軸２４が下部材２７に回転可能に軸支されている。
【００１７】
固定子２２は、電動機ケーシング２１の内面に固定されている。また固定子２２は、電源ケーブルＫを介して供給された電力により、回転子２３を回転可能にとしている。回転子２３は、回転軸２４と固定されている。回転子２３の回転に追従して回転軸２４が回転させられる。
【００１８】
回転軸２４の上部はベアリング等の軸受２８を介して電動機１１に回転可能に軸支されている。また、回転軸２４は電動機ケーシング２１の下端から突出し、重力方向に延設され、図中Ｚ方向に沿う軸心Ｃを中心として回転する。
【００１９】
軸封部１３は、内部に空洞部３０ａを有する軸封ケーシング３０を備え、電動機１１、ポンプ部１２及び回転軸２４間を液密に仕切る。軸封ケーシング３０は、電動機ケーシング２１の下部材２７の一部と、ポンプケーシング４０の上部ケーシング４１の一部で形成され、両端が閉塞する円筒状に形成されている。軸封ケーシング３０の両端を形成する下部材２７、上部ケーシング４１にそれぞれ形成された開口部２７ａ、４１ａを通って回転軸２４が貫通し、回転可能に支持されている。
【００２０】
軸封ケーシング３０内には所定の空間を有する空洞部３０ａが形成されている。この軸封ケーシング３０内にはオイルは封入されておらず空気の層のみが形成されている。水の浸入は圧力調整部１４による空洞部３０ａ内圧調整によって防止されている。
【００２１】
空洞部３０ａには水きりまたはオイルシール３４が設けられ、軸封ケーシング３０と回転軸２４との間を密閉している。このオイルシール３４により回転軸２４の回転に伴う水面からの飛沫が電動機１１下面に付着するのを防止している。
【００２２】
軸封部１３は圧力調整部１４によって空洞部３０ａの圧力が調整可能に構成され、この圧力調整によってポンプ部１２からの汚水の浸入及び電動機１１への異物混入を防止している。なお、軸封部１３において回転軸２４にはメカニカルシールは装着されていない。
【００２３】
ポンプ部１２は、渦巻型のポンプケーシング４０を備えている。ポンプケーシング４０は、上部ケーシング４１，および下部ケーシング４２、を組み立てて構成され、その内側にインペラ５０を収容する円筒状のポンプ室４３を形成している。
【００２４】
上部ケーシング４１は円形状に構成され、中心部に開口４１ａを有している。この上部の開口４１ａの上部にはブッシュ４６が設けられ、開口４１ａの下部にはインペラ５０と摺動可能なライナリングＬが設けられている。ここでは開口４１ａ下部においてインペラ５０との間に僅かなギャップを形成するライナリングＬを装着することでスラスト荷重の低減を図るとともに、開口４１ａの上部において回転軸２４との間にブッシュ４６を介在させて回転軸２４及びインペラ５０を回動可能に支持している。ブッシュ４６によってインペラ５０の背面部４８から圧力水が電導機１１側に流入しにくい構成としている。
【００２５】
なお、上部ケーシング４１の軸封ケーシング３０の底面を中央に向かって下降傾斜する円錐状とし、軸封ケーシング３０の中央の異物進入防止用のブッシュ４６を最下部に位置させている。このため圧縮空気を補充した際に空洞部３０ａに侵入した汚水が空洞部内３０ａに残留することがない。
【００２６】
下部ケーシング４２は、円形状の底部４２ａと円筒状の側部４２ｂを有して構成され、ボルトＢによって上部ケーシング４１に取り付けられている。底部４２ａには吸込開口４４が設けられ、側部４２ｂの一部には吐出開口４５が形成されている。吐出開口４５には、外部へと連通する吐出配管４７が接続される。吸込開口４４にはインペラ５０と摺動可能なライナリングＬが設けられている。吸込開口４４においてインペラ５０の下部を回転可能に支持している。
【００２７】
回転軸２４は軸封部を通ってその先端がポンプケーシング４０内に至っている。ポンプケーシング４０内において回転軸２４の先端はインペラ５０の上側のシュラウド５１の貫通孔５１ａに貫通し、インペラナット５７によって固定されている。そして、回転軸２４の先端とインペラナット５７との間に形成される空間に、シールパッキン５８が設けられている。シールパッキン５８は回転軸２４に挿入されており、圧縮空気が回転軸２４とインペラ５０の貫通孔５１ａとの間のギャップを通過してインペラ５０の吸込側に流出することを防止する。
【００２８】
インペラ５０は、例えばノンクロッグのクローズドインペラであって、所定の粒径の異物を通過可能の形成されている。このようなインペラ５０は、例えば、上下一対のシュラウド５１、５２と、これらシュラウド５１，５２間に一体に設けられた羽根５３と、を備えている。インペラ５０は、流体を吸込む吸込口５４と、吸込んだ流体を吐出する吐出口５５をそれぞれ有している。
【００２９】
図１に示す上側のシュラウド５１は、円板状に形成されている。下側のシュラウド５２は、円環状に形成されている。シュラウド５２は、その中央側に、吸込口５４が形成されている。羽根５３は、シュラウド５１，５２間に例えば１枚設けられている。羽根５３は、その一方の端部が、シュラウド５１，５２の中心側に、その他方の端部がシュラウド５１，５２の外周縁に配置され、回転中心からの径が各位置で異なる形状、例えば渦巻形状やインボリュート形状に形成されている。なお、その詳細な形状は、インペラ５０が、汚水を所定のポンプ効率で圧送（移送）可能な形状であれば、適宜設定可能である。
【００３０】
羽根５３は、シュラウド５１，５２間であって、そのシュラウド５１，５２の外周側に位置する端部と中途部との間に、シュラウド５２の吸込口５４から吸い込まれた汚水をポンプ室へ移動させる開口を形成する。この羽根５３によって吸込口５４から吸込んだ汚水を吐出口５５へ吐出する。吐出口５５は、所定の粒径、即ち、インペラ５０内を通過可能な異物の最大粒径の異物が吐出可能に形成されている。
【００３１】
ポンプ部１２にはインペラ５０の背面側と外部とを連通する排気部５６が設けられている。排気部５６は、シュラウド５１の貫通孔５１ａと上部ケーシング４１の開口部４１ａとの間に形成された排気隙間５６ａと、この排気隙間５６ａと水中ポンプ１０の外部の排水槽１００とを連通する排気路５６ｂと、を備えて構成される。この排気部５６を通って、インペラ５０の背面部４８の空気が排気され、内圧の上昇を抑えている。
【００３２】
圧力調整部１４は、空洞部３０ａに圧縮空気を供給する圧縮空気供給部としてのコンプレッサ（空圧源）６１と、ホース６２とを備えて構成されている。ホース６２の途中には、コンプレッサ６１側から順番に、逆止弁６３、圧力センサ（圧力検出部）６４、エアフィルタ６５、オートドレン６６が設けられている。
【００３３】
コンプレッサ６１は例えば地上に設置されておりその空気供給出口にホース６２の一端が接続されている。
【００３４】
逆止弁６３は、ホース６２の中途部に設けられ、内部の流体の流れる方向を規制し、逆流を防止する。
【００３５】
圧力センサ６４は、コンプレッサ６１の二次側においてホース６２内部の空圧を測定する。コンプレッサ６１の二次側においてホース６２は空洞部３０ａに連通しているため、圧力センサ６４で空圧を検知することにより、空洞部３０ａ内の圧力状態を検出することが可能になっている。
【００３６】
エアフィルタ６５はホース６２の中途部に設けられ、ホース６２内部を通る空気中の塵埃を除去することにより塵埃が電動機内部に侵入するのを防止する。
【００３７】
オートドレン６６はホース６２の中途部に設けられ、空気中の水分を分離して排水することにより水分が電動機に浸入するのを防止する。
【００３８】
制御部１５は、フロートスイッチ１０４，１０５や圧力センサ６４に接続され、これら検出手段の検出結果に基づいて水中ポンプ１０や圧力調整部１４の動作を制御する。この制御部１５には無停電電源装置１５ａが設けられている。
【００３９】
以下、本実施形態にかかる水中ポンプ１０の動作について、図３のフローチャートを参照して、説明する。例えば水中ポンプ１０が停止し、圧縮空気供給部６１が作動していない状態を初期状態とする。この水中ポンプ１ではフロートスイッチ１０４，１０５により排水槽１００内の水位を検出するとともに、圧力センサ６４によりホース６２内の圧力を検出することにより、軸封部１３の空洞部３０ａの圧力を検出している。
【００４０】
フロートスイッチ１０５によって排水槽１００内の水位が一定の高水位に達したことが検出されると（ＳＴ１のＹ）、制御部１５は、圧力調整部１４を作動させて圧縮空気供給処理を行う（ＳＴ２）。圧縮空気供給処理としては、例えば圧縮空気供給部６１を作動させることにより、圧縮空気が、ホース６２、第１の空気孔２５ａ、電動機ケーシング内を２７ｂから軸封部１３内に供給される。これにより、軸封部１３内の圧力が上昇する。これに伴いインペラ背面部に設けられた排気部５６から排気が行われる。このとき、ホース６２に設けられたエアフィルタ６５及びオートドレン６６により、空気中の塵埃や水分等の異物が除去される。
【００４１】
この圧縮空気供給処理では電動機上部より圧縮空気を供給し、排気部５６から加熱された空気を排気させることにより、電動機を直接強制空冷することができる。
【００４２】
そして、予め設定された一定時間ｔ１が経過したら（ＳＴ３のＹ）、水中ポンプ１０を起動する（ＳＴ４）。一定時間ｔ１はコンプレッサの時間当たりの圧縮空気供給量と空洞部３０ａの容積との比率によって決定されるが例えば１０秒とする。
【００４３】
ＳＴ４では、電源ケーブルＫを介して電力を供給することで、電導機１１を駆動する。電導機１１は、固定子２２により、回転子２３に固定された回転軸２４を回転させる。回転子２３の回転により、ポンプ部１２のインペラ５０が回転し、吸込口５８から吸い込まれた汚水がインペラ５０の吐出口５５から吐出され、ケーシング４１及びインペラ５０により圧送される。この圧送によりポンプ部１２は、この圧送された水を、水中ポンプ１０の二次側へ移送することが可能となる。
【００４４】
ポンプの起動後は、圧力センサにて空気吐出圧力を検知する（ＳＴ５）。そして吐出圧力が予め設定された一定値（例えば１．５ｍ）未満の状態が一定時間（例えば１０秒）続く場合には（ＳＴ５のＹ）、何らかの異常があると判定し、故障通知を行い（ＳＴ６）、ポンプを停止させる（ＳＴ７）。一方、空気吐出圧力が一定値以上の通常範囲内である場合には（ＳＴ５のＮ）、ＳＴ８に進み、処理を続行する。
【００４５】
ついで、ＳＴ８として圧縮空気供給時間を検出し、一定時間ｔ２経過したら（ＳＴ８のＹ）、供給停止する（ＳＴ９）。例えば圧縮空気供給部６１を停止することにより圧縮空気供給を停止する。
【００４６】
さらに本実施形態では水中ポンプ運転中に、圧力センサにて空洞部の内圧を検出し（ＳＴ１０）、検出圧力がある一定値（例えば０．５ｍ毎）上昇するごとに（ＳＴ１０のＹ）、コンプレッサを運転して圧縮空気を供給する（ＳＴ１１）。これにより空洞部内の水位上昇を防止する。
【００４７】
そして、フロートスイッチ１０４によって排水槽１００内の水位が一定の低水位を下回ることが検出されると（ＳＴ１２のＹ）、制御部１５は、ポンプを停止する（ＳＴ１３）。
【００４８】
なお、排水槽１００の水位が低下して水中ポンプが停止すれば加圧された空洞部の空気は排気部５６より排水槽１００へ排気されて空洞部内の水位は排水槽１００と同レベルまで低下する。よって、電動機１１内部への汚水侵入は防止される。
【００４９】
ポンプ停止から一定時間ｔ３経過したら（ＳＴ１４のＹ）、圧縮空気の供給を停止する（ＳＴ１５）。一定時間ｔ３は空洞部３０ａ内の圧力低下速度によって決定されるが例えば１０秒とする。
【００５０】
さらに、本実施形態において、制御部１５は、ポンプ停止状態が一定時間ｔ４連続する場合には、圧縮空気供給を行うことにより、空洞部内圧と静水圧との釣り合いをとる（ＳＴ１８）一定時間ｔ４は汚水の流入量と排水槽１００の容積との割合によって決定されるが例えば１０分とする。
【００５１】
また、制御部１５は、ポンプ停止中において、静水圧上昇を検知し、静水圧が一定値以上（例えば０．５ｍ毎）上昇する場合に（ＳＴ１７のＹ）、圧縮空気供給を行うことにより、空洞部内圧と静水圧の釣り合いを取る（ＳＴ１８）。
【００５２】
ポンプ停止状態においては、以上ＳＴ１６〜ＳＴ１８の動作を、再び排水槽１００が高水位になるまで繰り返し行い（ＳＴ１９のＮ）、再び排水槽１００の水位が高水位になると、ＳＴ２に戻る。
【００５３】
次に、本実施形態にかかる水中ポンプの設定について図４乃至６を参照して説明する。図４は本実施形態にかかるポンプ装置の運転例と各部圧の実測値を示す。
【００５４】
実験により、空洞部３０ａ内にはポンプ吐出圧力の約７．５％が作用することがわかっている。このため、コンプレッサ６１による圧縮空気の圧力は水中ポンプの運転圧力の約１０％に、想定される排水槽１００の最大水深を加算した数値に設定する。ここでは、どの運転でも空洞部圧力は吐出圧力×７．６％〜８．１％〜９．７％であることから、標準値を１０％とし、圧縮空気圧力＝締切圧力×標準値１０％＋最大水深２ｍに設定した運転例を示す。この設定により、水中ポンプの運転流量が変動して吐出圧力ひいてはインペラ背面圧力が上昇しても空洞部内の水位が上昇して電動機内部に侵入することが防止できる。なお、ポンプの運転圧力としては締切圧力もしくは高揚程側の仕様点を選択すればよい。
【００５５】
図４に示されるように、インペラ背面の圧力は通常の運転点ではポンプ運転圧力の７７％程度になることが判明し、空洞部圧力は排気部の作用により８．１％と判明した。よって、空気圧力を１０％以上とすれば、空洞部に水が浸入しない。また空気圧力を７０％以下とすればケーシング側に空気が浸水しない。また、排気部が異物などにより閉塞すると空洞部の圧力はインペラ背面圧力と同じ７７％程度となるため、空気圧力を７０％以下とすれば、正常時はケーシング側に空気が排気されず、排水槽１００などの外部と連通する排気部が異物などにより閉塞した場合でも確実に空洞部内の水位上昇を防止することができる。このような設定により、圧縮空気が軸封ケーシングに装着されたライナリングとインペラのギャップを通過してインペラ背面よりケーシング内に侵入し、配水管内に気泡が流出することが防止できる。
【００５６】
図５は水中ポンプのライナリング摩耗による空洞部圧力が変化した場合の電動機と空洞部の空気圧縮比率を示す。
【００５７】
比率はポンプ吐出圧力との比率を表す。図中左側のグラフは水中ポンプで発生する空洞部圧力を示しており正常な空洞部圧力は図７より０．０３５ＭＰａとしている。初期設定より圧力が上昇した場合は０．０４９ＭＰａとなり、比率は１５％となっている。
【００５８】
図中右側のグラフは供給する空気圧力を示している。供給する空気圧力は最初に設定される。例えばユーザは水中ポンプの運転点より求めた空洞部圧力＝吐出圧力×１０％（標準値）＝０．０４ＭＰａ  より、供給する空気圧を設定する。
【００５９】
図５に示されるように、空気圧０．０４ＭＰａにすれば空気は常に排気部から外側へ向かうようになる。空洞部圧力が同圧の０．０４ＭＰａになると、空洞部への水の浸入が始まる。空洞部圧力が０．０４９ＭＰａになると、空洞部内の空気は１９．８％圧縮され水位が上がる。したがって、空洞部容積が２０％以上あればライナリングが摩耗しても水位がモータ下面まで来ることはない。正常時には−１３．５％となっており、空洞部には水がなく、排気部より放出されることとなる。
【００６０】
図５に示すように、軸封ケーシング内部の空洞部の容積を、電動機の内容積の２０％以上とすることにより、異物進入防止用のブッシュやライナリングが摩耗して空洞部へのポンプ圧力比率が上昇しても、確実に空洞部内の水面が電動機内部へ侵入することを防止できる。
【００６１】
すなわち図４，５に示されるように、空気圧力を「ポンプ締め切り圧力の１０％＋最大水深２ｍ」に設定し、軸封ケーシング３０の内容積を電動機内容積の２０％以上にすれば、圧力比率が１５％まで上昇しても、軸封ケーシング３０の空洞部内の水面は、電動機フレームの下面まで上昇することは無く、電動機内部へ侵入することを防止できる。
【００６２】
図６は低水位で停電した場合の排水槽１００の水位の変化に伴う電動機と空洞部の空気圧縮比率を示す計算表である。低水位（０．１ｍ）で空洞部内圧がバランスしているところで停電した場合は排水槽の水位上昇により空洞部の内圧が上がり、水位も上昇する。図６の計算表より電動機容積比が２０％なら２ｍの排水槽まで対応でき、水位がモータまで来ないことが分かる。同様に電導機容積比が２９％あれば３ｍの排水槽まで対応でき、５０％なら５ｍの排水槽まで対応できることが分かる。
【００６３】
図６のように、空洞部の容積を、電動機の内部容積の３０〜５０％とすることで、満水水位が最大３〜５ｍの排水水槽に対応可能となる。すなわち、水中ポンプの連続運転可能最低水位（例：水深１ｍ＝絶対圧０．００９８ＭＰａ）において、長時間停電した場合に排水槽の最高水位となり、最大の静水圧が作用しても、電動機内部への汚水の侵入を防止することができる。なお、空圧系に無停電電源を取り付けることとした場合にはこの停電状態については考慮する必要はない。
【００６４】
本実施形態にかかる水中ポンプによれば、軸封装置内の圧力調整によって高い軸封性能を維持することが可能となる。すなわち、汚水水中ポンプでは固形物や高粘性物などを含む汚水を処理することがあり、また長期間の使用によりインペラ背部の圧力水の浸入によりオイルの白濁化や液質劣化が生じるため、メカニカルシールの劣化や破損によって軸封性能が損なわれるが、本実施形態では内圧を上昇させて軸封部の流体の流れを規制して軸封することによりメカニカルシールなどの軸封装置を装着しなくても電動機内部へ汚水浸入を確実に防止できる。このため、軸封性能を長期間維持することが容易となる。
【００６５】
また、圧縮空気を送り込む構成としたことにより常に地上側の乾燥空気が供給されるため、汚水から発生する腐食性ガスや湿気、結露から電動機内部を保護することも可能であり、水中に溶解する空気分も常に補給される。このため、装置寿命を長期化できる。
【００６６】
また、電動機ケーシングと軸封ケーシング３０に第１及び第２の空気孔を設けて連通路を構成したため、軸受の内部を流通させる場合に比べて空気量の制約が少なく軸受内部のグリースの飛散も回避できる。
【００６７】
コンプレッサ６１や逆止弁６３、圧力センサ６４、エアフィルタ６５、オートドレン６６を地上へ設置したことによりメンテナンスや部品交換が容易であり長寿命化が図れる。
【００６８】
上部ケーシング４１の軸封ケーシング３０の底面を中央に向かって下降傾斜する円錐状として、軸封ケーシング３０中央の異物進入防止用のブッシュを最下部に配置したため、圧縮空気を補充した際に空洞部３０ａに侵入した汚水が空洞部内に残留することを防止できる。
【００６９】
水中ポンプの停止中は空洞部内の圧力は排水槽１００の水位とバランスして低下しているため、高水位になってからコンプレッサを起動する方式では水中ポンプの起動によるインペラ廃背部の急激な圧力上昇にコンプレッサの吐出能力が追従する必要があるが、本実施形態では水中ポンプの起動に先行してコンプレッサを一定時間運転することにより空洞部内部の圧力を高圧にすることができ、コンプレッサの容量をいたずらに大きくする必要がなくなる。
【００７０】
ポンプを停止して一定時間経過した後にコンプレッサを停止することとし、水中ポンプ運転中の圧縮空気供給を継続させることとしたので、軸封ケーシング３０のライナリングに付着した汚物などを高圧の圧縮空気で洗浄することができる。例えば汚水水中ポンプの場合には吐出側への気泡の流出が問題となることはない。
【００７１】
また、逆止弁６３を接続し、ポンプ起動一定時間経過した後にコンプレッサを停止することとしたが、空洞部内には圧縮空気が充填されているため水位の上昇はなく、コンプレッサによる消費電力を低減することができ、コンプレッサの寿命も延伸することができる。
【００７２】
ポンプ運転中の空洞部内の空気圧力を検出し、一定値上昇するごとに圧縮空気を供給することとしたため、汚水管内に汚物が詰まってポンプ圧力が上昇するような場合も、空洞部内の水位上昇を防止することが可能となる。
【００７３】
さらに、ポンプ停止中の静水圧を検出して検出圧力がある一定値上昇するごとにコンプレッサを一定時間運転して、空洞部内の圧力を排水送の静水圧と釣り合わせることとしたため、空洞部内の水位上昇を防止できる。
【００７４】
さらに、コンプレッサ運転時に、一定時間、吐出圧力が一定圧力未満であった場合にコンプレッサ故障と判断して故障表示及び警報送出してポンプの運転を停止することにより、コンプレッサの故障を早期発見して電動機への汚水の浸入を未然に防止できる。
【００７５】
また、圧縮空気供給を制御する制御部１５に無停電電源装置１５ａを備えることにより、長時間停電した場合であっても圧力検出部６４やコンプレッサ６１や制御基板の電源を確保して静水圧検出による圧縮空気供給制御を継続することも可能である。
【００７６】
なお、一般的に排水槽の静水圧に対応した外圧式の乾式水中電動機を利用して、信頼性向上のために内部のＯリングを変更するかＯリング溝寸法を変更して、コンプレッサの空圧に対応した内圧型の圧力容器構造とすることにより、既存の外圧式の乾式水中電動機を利用することもできる。
【００７７】
インペラの吸込部は運転中に負圧になるため、圧縮空気が回転軸とインペラとのギャップを通過して吸い込み部に流出し、インペラを通過して配水管に気泡が流出することが考えられるが、本実施形態ではインペラとケーシングとの間にシールパッキンを設けたため、圧縮空気の吸い込み部への流出を防止することができる。
【００７８】
本実施形態によれば、圧縮空気供給によって水位を調整することとしたため、例えばマグネットカップリングによる電磁結合方式やキャンドモーターを使用してメカニカルシールを省略する構造と比べてケーシングの構造が単純であり、マグネットなどの特別な部品も不要である。マグネットカップリングマグネットやキャンドモーター方式に用いられるキャンなどの部品間の小さなギャップでの汚物付着や汚物蓄積による不都合も生じにくいため、汚水水中ポンプにも適用可能である。
【００７９】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。
【００８０】
上記実施形態では電動機１１を通して空洞部３０ａに圧縮空気を供給したがこれに限られるものではない。例えば他の実施形態として、図７に示すように軸封ケーシング３０の側部に第３の空気孔２７ｃを形成し、この第３の空気孔２７ｃに直接ホース６２を接続することとしてもよい。この場合にもコンプレッサ６１からホース６２、第３の空気孔２７ｃを通じて空洞部３０ａに圧縮空気を供給して空洞部３０ａの内圧を上昇させて軸封することによりメカニカルシールなどの軸封装置を装着しなくても電動機内部へ汚水浸入を確実に防止できる。このため、軸封性能を長期間維持することが容易となる。
【００８１】
また、他の実施形態として図８に示すように、第１〜第３の空気孔２５ａ，２７ｂ，２７ｃを設け、コンプレッサ６１からホース６２、第３の空気孔２７ｃを通じて空洞部３０ａに連通させて空洞部３０ａ内に圧縮空気を供給するとともに、空洞部３０ａからの空気を第２の空気孔２７ｂ、第１の空気孔２５ａ、第１の空気孔２５ａに連結したチューブ６８を通じて外部へ排気させることとしてもよい。この場合には電動機下部から冷気を送り込み電動機上部より排熱を取り出すことが可能となる。
【００８２】
上記実施形態ではコンプレッサの動作制御により圧力調整を行ったが、例えば既設の空圧配管に電磁弁を接続して開閉制御することで圧力調整を行うこととしてもよい。これにより、空洞部内の空気が圧縮されて水位が上昇することなく、常に排気部より余剰の気泡が排気され空洞部内の水位を適切な位置で静止させることが可能となる。
【００８３】
例えば、他の実施形態として、複数台の水中ポンプに一括して圧縮空気を供給するシステムも可能であり、あるいは水中ポンプ個別に電磁弁を設けて圧縮空気の供給を個別に制御してもよい。
【００８４】
さらに、上記実施形態の構成要件のうち一部を省略しても本発明を実現可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１０…水中ポンプ、１１…電動機（モータ）、１２…ポンプ部、１３…軸封部、１４…圧力調整部、１５…制御部、２１…電動機ケーシング、２２…固定子、２３…回転子、２４…回転軸、２５…上部材、２５ａ…第１の空気孔、２６…中部材、２７…下部材（軸封ケーシング３０）、２７ａ…開口部、２７ａ．４１ａ…開口部、２７ｂ…第２の空気孔、２７ｃ…第３の空気孔、３０ａ…空洞部、３０…軸封ケーシング、３４…オイルシール、４０…ポンプケーシング、４１…上部ケーシング（軸封ケーシング）、４１ａ…開口、４２…下部ケーシング、４２ａ…底部、４２ｂ…側部、４３…ポンプ室、４４…吸込開口、４５…吐出開口、４６…ブッシュ、４７…吐出配管、４８…背面部、５０…インペラ、５１…シュラウド、５１ａ…貫通孔、５２…シュラウド、５３…羽根、５４…吸込口、５５…吐出口、５６…排気部、５６ａ…排気隙間、５６ｂ…排気路、５７…インペラナット、５８…シールパッキン、６１…コンプレッサ（圧縮空気供給部）、６２…ホース、６３…逆止弁、６４…圧力センサ（圧力検出部）、６５…エアフィルタ、６６…オートドレン、１００…排水槽、１０１…流入管、１０２…吐出管、１０３…マンホール、１０４．１０５…フロートスイッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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