(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の上部にモータ部分を設け、下部にポンプ部分を設け、ポンプ部分で加圧した液体の一部をモータ部分内に流通させ、かつバランス装置を通して回転軸を浮き上がらせて回転軸に作用するスラスト荷重を調整するようにしたサブマージドポンプのモータ支持構造において、前記回転軸を支持する軸受側支持部材とケーシング側支持部材との間にリング状絶縁物を設け、このリング状絶縁物の内周面と前記軸受側支持部材の外周面との対向面または前記リング状絶縁物の外周面と前記ケーシング側支持部材の内周面との対向面を、前記回転軸が上方に浮き上がった際に密着するように、前記回転軸の軸心に対して傾斜させて構成したことを特徴とするサブマージドポンプのモータ支持構造。
【請求項２】
前記リング状絶縁物の熱収縮率が前記軸受側およびケーシング側支持部材の熱収縮率よりも大きい場合に、前記リング状絶縁物の外周面と前記ケーシング側支持部材の内周面との対向面を、前記回転軸が上方に浮き上がった際に密着するように、前記回転軸の軸心に対して傾斜させて構成したことを特徴とする請求項１に記載のサブマージドポンプのモータ支持構造。
【請求項３】
前記リング状絶縁物の熱収縮率が前記軸受側およびケーシング側支持部材の熱収縮率よりも小さい場合に、前記リング状絶縁物の内周面と前記軸受側支持部材の外周面との対向面を、前記回転軸が上方に浮き上がった際に密着するように、前記回転軸の軸心に対して傾斜させて構成したことを特徴とする請求項１に記載のサブマージドポンプのモータ支持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液化天然ガス、液化石油ガス、ジメチルエーテル、エチレン、プロピレン等の極低温の液体を取り出す際に使用するに適したサブマージドポンプのモータ支持構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、世界的なクリーンエネルギーの需要に伴い、従来の石油や石炭などの化石燃料に代わるエネルギー源として天然ガスが脚光を浴びており、わが国でも年々輸入量が増大している。天然ガスを利用するためには、生産基地から遠方の受け入れ基地まで天然ガスを効率的に輸送する必要がある。その輸送手段の一つとして、天然ガスを−１６２℃以下の極低温に冷却して液化天然ガス（以下、ＬＮＧと称する）とし、ＬＮＧタンカーによって大量輸送する方法がある。
【０００３】
ＬＮＧタンカーからＬＮＧを積み下ろす際には、液化ガス用ポンプが使用される。液化ガス用ポンプは、ポンプ本体が液化ガスの液体中に浸漬された状態で使用されるため、駆動用モータが一体化されたサブマージドポンプが使用されている。
【０００４】
サブマージドポンプは、例えば特許文献１の図１に記載されているように、ポンプユニット内に、上下部の軸受部により回転自在に支持される回転軸を設け、この回転軸の上部側にモータ部分を設け、また下部側にポンプ部分を設けて液化ガスの液体中に浸漬する構造となっている。
【０００５】
そしてポンプ部分で加圧された液体は、配管を介してケーシングの吐出口から圧力容器の外部に送り出される一方、その加圧された液体の一部がモータ部分の下部側の軸受部を通り、モータ部分の内部を通り、上部側の軸受部を通ってケーシング外に排出されて再度ポンプ部分に流入する循環が行なわれ、上下部の軸受部に対する潤滑やモータ部分の固定子および回転子に対する冷却などに利用されている。
【０００６】
ところで、この種のサブマージドポンプにおいては、液化ガスの積み下ろし作業の効率化を図るために、大型のポンプを使用することが考えられており、それに伴い、モータを大型化したり、その制御手段にインバータ制御を採用したりすることが行なわれるようになってきている。
【０００７】
しかしながらモータを大型化したり、インバータ制御を採用したりすると、磁束分布のアンバランスや偏心量が相対的に大きくなって軸電圧および軸電流の値も大きくなり、軸電流による電食の問題が生じてくる。
【０００８】
軸電流による電食の問題は、例えば特許文献２および３に記載されているように、モータがインバータ制御されることにより、モータによる軸電圧が増加し、回転軸とケーシングとの間、ひいては軸受の内輪と外輪との間に電位差が生じて軸受内に転動体を経由して電流が流れ、その結果、内外輪の軌道面または転動体の転動面に電食が生じて軸受に損傷を発生させる問題であり、その対策が必要となってくる。
【０００９】
電食防止対策としては、上記特許文献２および３に記載されているように、軸受の外輪の外周面に絶縁被膜を設けたり、軸受の外輪とケーシング側の支持部材との間にリング状絶縁物を設けたりして軸電流の流れを遮断することが考えられている。
【００１０】
そこで、特許文献２および３に記載されているような電食防止対策を、サブマージドポンプのモータ部分の軸受支持構造に適用することが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１１−１０２５４４号公報
【特許文献２】特表２００５−５１０１８９号公報
【特許文献３】特開平１０−１８４６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、サブマージドポンプは、極低温に冷却されている液化ガスの液体中で使用されることから、軸受支持構造を構成する金属や絶縁被膜またはリング状絶縁物も熱収縮するので、この熱収縮による新たな問題が発生する。
【００１３】
すなわち軸受支持構造を構成する金属と絶縁被膜またはリング状絶縁物は、材料の種類にもよるが、材料固有の熱収縮率に大きな差があるので、極低温に冷却されて収縮すると、絶縁被膜においては、亀裂が発生したり、剥離が生じたりして絶縁面での欠陥を生じるおそれがあり、またリング状絶縁物においては、リング状絶縁物と軸受側支持部材との間またはリング状絶縁物とケーシング側支持部材との間にギャップが生じて回転軸に軸ブレを生じさせ、モータを大きく振動させる原因になるおそれがあった。
【００１４】
本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、極低温下においても亀裂や剥離を生じることなく軸電流に対する絶縁を確保することができるとともに回転軸の軸ブレによる振動の発生を防止することのできるサブマージドポンプのモータ支持構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために本発明によるサブマージドポンプのモータ支持構造は、回転軸の上部にモータ部分を設け、下部にポンプ部分を設け、ポンプ部分で加圧した液体の一部をモータ部分内に流通させ、かつバランス装置を通して回転軸を浮き上がらせて回転軸に作用するスラスト荷重を調整するようにしたサブマージドポンプのモータ支持構造において、回転軸を支持する軸受側支持部材とケーシング側支持部材との間にリング状絶縁物を設け、このリング状絶縁物の内周面と軸受側支持部材の外周面との対向面またはリング状絶縁物の外周面とケーシング側支持部材の内周面との対向面を、回転軸が上方に浮き上がった際に密着するように、回転軸の軸心に対して傾斜させて構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によるサブマージドポンプのモータ支持構造によれば、軸受を支持する金属製の支持部材とリング状絶縁物は、極低温の液体により冷却されることによって、材料固有の熱収縮率の差により、リング状絶縁物の内周面と軸受側支持部材の外周面との間の傾斜した対向面またはリング状絶縁物の外周面とケーシング側支持部材の内周面との間の傾斜した対向面に径方向にギャップが生じることになるが、加圧された液体の流動により回転軸が上方に浮き上がる作用によって、軸受および軸受側支持部材も上方に浮き上がり、傾斜した対向面に形成されたギャップをなくすようにリング状絶縁物が支持部材と密着する。
【００１７】
これにより極低温下においても、絶縁的に損傷することの少ないリング状絶縁物により軸電流に対する絶縁を確保でき、しかも回転軸は、軸受を介して径方向が位置決めされるので、回転軸に軸ブレを生じることがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明によるモータ支持構造を備えたサブマージドポンプの主要部を示す断面図である。
【図２】（ａ）ないし（ｃ）は、本発明の第１実施の形態に係り、図１のサブマージドポンプの上部軸受部におけるモータ支持構造の右半分の主要部を示す図で、（ａ）は常温時の状態を示す断面図、（ｂ）は極低温に冷却されたときの状態を示す断面図、（ｃ）は回転軸が上方に浮き上がったときの状態を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施の形態に係り、図１のサブマージドポンプの下部軸受部におけるモータ支持構造の主要部の右半分を示す図で、回転軸が上方に浮き上がったときの状態を示す断面図である。
【図４】（ａ）ないし（ｃ）は、本発明の第２実施の形態に係り、サブマージドポンプの上部軸受部におけるモータ支持構造の主要部の右半分を示す図で、（ａ）は常温時の状態を示す断面図、（ｂ）は極低温に冷却されたときの状態を示す断面図、（ｃ）は回転軸が上方に浮き上がったときの状態を示す断面図である。
【図５】本発明の第２実施の形態に係り、サブマージドポンプの下部軸受部におけるモータ支持構造の主要部の右半分を示す図で、回転軸が上方に浮き上がったときの状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明によるモータ支持構造を備えたサブマージドポンプの主要部を示す断面図である。図２（ａ）ないし（ｃ）は、本発明の第１実施の形態に係り、図１のサブマージドポンプのモータ支持構造の主要部の右半分を示す図で、（ａ）ないし（ｃ）はそれぞれ常温時の状態、極低温に冷却されたときの状態、回転軸が上方に浮き上がったときの状態を示す断面図である。図３は本発明の第１実施の形態に係り、下部側の軸受部におけるモータ支持構造の主要部の右半分を示す図で、回転軸が上方に浮き上がったときの状態を示す断面図である。
【００２０】
図１ないし図３において、サブマージドポンプは、図示しないユニットケース内にモータ部分１とポンプ部分２を有していて、ＬＮＧなどの液化ガスを貯留した圧力容器内に設置され、モータ部分１およびポンプ部分２を駆動することにより、液化ガスの液体を加圧して圧力容器外部に送り出すように構成されている。
【００２１】
モータ部分１は、ユニットケース内の上部に設けられ、ポンプ部分２はユニットケース内の下部に設けられている。ポンプ部分２は、ポンプ側ケーシング２ａ内に、回転軸３とこの回転軸３に固定された多段のインペラ４が設けられている。本実施の形態では６段のインペラ４が設けられている。
【００２２】
ポンプ部分２内の軸方向中央部には、仕切り壁２ｂが設けられており、この仕切り壁２ｂを挟んで、下３段のインペラ４は、液体を加圧して上方に向けて送り出し、上３段のインペラ４は、液体を加圧して下方に向けて送り出すようになっている。
【００２３】
ポンプ側ケーシング２ａの下端部には、ユニットケース内の液体を吸い込む吸込口２ｃが設けられ、また下３段のインペラ４の上部空間と上３段のインペラ４の上部空間とは管路５により連通され、さらに上３段のインペラ４の下部空間は、管路６を介して図示しない吐出口に接続されている。
【００２４】
これにより、ポンプ部分２は、吸込口２ｃから吸い込んだ液体を下３段のインペラ４により設定圧力の半分の圧力まで加圧し、さらに上３段のインペラ４により設定圧力まで加圧して配管６を介して吐出口に送り出すようになっている。
【００２５】
上３段のインペラ４の上部空間には、上述のように設定圧力の半分の圧力の液体が充満しているが、この液体は、ポンプ側ケーシング２ａ内に設けたバランス装置７および下部側の軸受部８ａを通してモータ部分１内に流入するようになっている。
【００２６】
モータ部分１は、モータ側ケーシング１ａ内に、ポンプ部分２と共通の回転軸３が上下部の軸受部８ｂ，８ａにより回転自在に支持されて配設されている。この回転軸３には、回転子９が取り付けられており、また回転子９に相対する位置のモータ側ケーシング１ａの内周面に固定子１０が取り付けられている。
【００２７】
バランス装置７を通り、下部側の軸受部８ａを通ってモータ部分１内に流入した設定圧力の半分の圧力の液体は、回転子９および固定子１０を通り、上部側の軸受部８ｂを通ってモータ側ケーシング１ａ外に排出され、再度ポンプ側ケーシング２ａ下方の吸込口２ｃに吸い込まれる循環を行なうようになっている。これにより、軸受部８ａ，８ｂの潤滑や回転子９および固定子１０の冷却が行なわれるようになっている。
【００２８】
またバランス装置７は、バランスディスクに液体流通用の間隙（図示せず）が形成されており、この間隙を半分に加圧された液体が流通することにより、回転軸３を上方に持ち上げ、回転軸３に作用するスラスト荷重を軽減するようになっている。
【００２９】
すなわち上下部の軸受部８ｂ，８ａには、回転軸３を介して回転子９の重量などによるスラスト荷重が作用している。このスラスト荷重を軽減するために、軸受部８ａ，８ｂは、回転軸３を上下動可能に保持し、バランス装置７に加圧された液体を作用させて、回転軸３に取り付けられた回転子９を浮き上がらせるようにしている。
【００３０】
このバランス装置７における隙間の大きさは、ケーシング２ａ内の圧力によりバランス装置７を有効に動作させるように設定されている。なお、バランス装置７は、上部側の軸受部８ｂの上方に位置する回転軸３に構成することもできる。
【００３１】
上部側の軸受部８ｂにおけるモータ支持構造は、図２（ａ）ないし（ｃ）に示すように、回転軸３を、軸受１１、軸受側支持部材１２およびケーシング側支持部材１３を介してモータ側ケーシング１ａに支持する構成になっている。
【００３２】
軸受１１は、内輪１１ａおよび外輪１１ｂの間に転動体１１ｃを介在させた構成を有し、内輪１１ａが回転軸３に固定されている。軸受１１の外輪１１ｂの外周面には軸受側支持部材１２が固定されている。この支持部材１２は、筒状をなし、上端部に径方向外側に延びるフランジ部を有する、断面逆Ｌ字状に形成されており、そのフランジ部がケーシング側支持部材１３上に載置されている。
【００３３】
支持部材１２のフランジ部は、周方向に所定の間隔を置いて設けられた複数本のボルト１４により支持されている。これら複数本のボルト１４は、フランジ部を貫通したのち、その先端部が支持部材１３に螺合されて固定されているが、支持部材１２を介して回転軸３を上下動可能に支持し、かつ常時フランジ部を介して下方に押し付けてモータ始動時などで発生する回転軸３の小刻みな振動を抑制するために、その頭部と支持部材１２のフランジ部上面との間には、バネ１５を介在させた状態で、所定の間隔が確保されている。
【００３４】
またボルト１４と支持部材１２を電気的に絶縁するために、ボルト１４の頭部とバネ１５との間および支持部材１２のフランジ部と支持部材１３との間に絶縁ワッシャ１６，１７が設けられ、さらにボルト１４の軸部には図示しない筒状の絶縁カラーが挿入されている。なお、ボルト１４に絶縁ボルトを使用してボルト１４と支持部材１２の絶縁を構成することもできる。
【００３５】
そして軸受側支持部材１２とケーシング側支持部材１３との間には、軸電流を絶縁するために、リング状絶縁物１８が設けられている。このリング状絶縁物１８は、本実施の形態では、熱収縮率の大きい３フッ化エチレン｛ＬＮＧ（−１６３℃）状況下での材質の線膨張率６．６２Ｅ−０５（／℃）｝を使用した場合であり、支持部材１２，１３を構成する金属のＳＵＳ３０４｛ＬＮＧ（−１６３℃）状況下での材質の線膨張率１．４０Ｅ−０５（／℃）｝よりも熱収縮率が大きい場合である。
【００３６】
このリング状絶縁物１８は、その外周面とケーシング側支持部材１３の内周面との対向面を、回転軸３が上方に浮き上がった際に密着するように、回転軸３の軸心に対して傾斜させて構成されている。
【００３７】
すなわちリング状絶縁物１８は、断面が上方に向かって先細りとなるような楔状に構成されており、常温時の状態では、図２（ａ）に示すように、その内周面と軸受側支持部材１２の外周面との対向面との間に所定寸法のギャップＧ１が形成されるような径寸法で構成され、外周面とケーシング側支持部材１３との対向面は当接するような径寸法で構成されている。なお、１９はリング状絶縁物１８の脱落防止具で、支持部材１３または１２下面の周方向に間隔をおいた複数箇所に設けられている。
【００３８】
このような構成を有し、サブマージドポンプが極低温の液体中におかれて冷却されると、支持部材１２，１３よりもリング状絶縁物１８の方が大きく収縮するので、図２（ｂ）に示すように、その内周面と軸受側支持部材１２の外周面との対向面が密着し、外周面とケーシング側支持部材１３との対向面にギャップＧ２が形成されることになる。ギャップＧ１は、リング状絶縁物１８が収縮することにより支持部材１２との密着強度が大きくなりすぎて破損することのない寸法を確保しておく。
【００３９】
次いで、液化ガスの液体が加圧され、バランス装置７が動作して回転軸３が浮き上がると、軸受１１および支持部材１２を介してリング状絶縁物１８も浮き上がり、図２（ｃ）に示すように、リング状絶縁物１８の外周面がケーシング側支持部材１３の内周面に当接する。
【００４０】
図３に示す下部側の軸受部におけるモータ支持構造も、図２に示すモータ支持構造とほぼ同じ構造であり、異なるところは、脱落防止具１９に代えて円盤状の支持部材２０を、絶縁板２１を介して支持部材１３に固定して設けた点である。この円盤状の支持部材２０は、リング状絶縁物１８の脱落防止機能に加えて回転軸３のスラスト荷重を支持するように設けたものである。
【００４１】
下部側の軸受部におけるモータ支持構造も、図３に示すように、回転軸３が浮き上がると、軸受１１および支持部材１２を介してリング状絶縁物１８も浮き上がり、リング状絶縁物１８の外周面がケーシング側支持部材１３の内周面に当接する。
【００４２】
このようにしてモータの回転軸３は、極低温下においても、上下部の軸受部８ｂ，８ａに径方向のギャップが存在しなくなり、径方向が位置決めされるので、軸ブレによる振動の発生を防止することができる。
【００４３】
図４（ａ）ないし（ｃ）は、本発明の第２実施の形態に係り、サブマージドポンプのモータ支持構造の主要部の右半分を示す図で、（ａ）ないし（ｃ）はそれぞれ常温時の状態、極低温に冷却されたときの状態、回転軸が上方に浮き上がったときの状態を示す断面図である。図５は本発明の第２実施の形態に係り、下部側の軸受部におけるモータ支持構造の主要部の右半分を示す図で、回転軸が上方に浮き上がったときの状態を示す断面図である。
【００４４】
本実施の形態では、軸電流を絶縁するために、軸受側支持部材２２とケーシング側支持部材２３との間に設けるリング状絶縁物２８は、熱収縮率の小さいエポキシガラス積層体｛ＬＮＧ（−１６３℃）状況下での材質の線膨張率７．９０Ｅ−０６（／℃）｝を使用した場合であり、支持部材２２，２３を構成する金属のＳＵＳ３０４｛ＬＮＧ（−１６３℃）状況下での材質の線膨張率１．４０Ｅ−０５（／℃）｝よりも熱収縮率が小さい場合である。
【００４５】
このリング状絶縁物２８は、軸受側支持部材２２の外周面とリング状絶縁物２８の内周面との対向面を、回転軸３が上方に浮き上がった際に密着するように、回転軸３の軸心に対して傾斜させて構成したものである。
【００４６】
リング状絶縁物２８は、断面が上方に向かって幅広となるような逆楔状に構成されており、常温時の状態では、図４（ａ）に示すように、その内周面と軸受側支持部材２２の外周面との傾斜面は当接し、外周面とケーシング側支持部材２３との内周面との対向面には、所定寸法のギャップＧ３が形成されるような径寸法で構成されている。
【００４７】
そしてサブマージドポンプが極低温の液体中におかれて冷却されると、支持部材２２，２３の方がリング状絶縁物２８よりも収縮が大きいので、図４（ｂ）に示すように、リング状絶縁物２８の内周面と軸受側支持部材１２の外周面との対向面にはギャップＧ４が形成され、リング状絶縁物２８の外周面とケーシング側支持部材２３との対向面は密着するようになる。
【００４８】
次いで、液体が加圧され、バランス装置７が動作して回転軸３が浮き上がると、軸受１１および支持部材２２が浮き上がり、図４（ｃ）に示すように、軸受側支持部材２２の外周面がリング状絶縁物２８の内周面に当接する。
【００４９】
図５に示す下部側の軸受部におけるモータ支持構造も図４に示すモータ支持構造とほぼ同じ構造であり、回転軸３が浮き上がると、軸受１１および支持部材２２が浮き上がり、リング状絶縁物１８の外周面がケーシング側支持部材１３の内周面に当接する。
【００５０】
したがって本実施の形態においても、モータの回転軸３は、極低温下においても、上下部の軸受部８ｂ，８ａに径方向のギャップが存在しなくなり、径方向が位置決めされるので、軸ブレによる振動の発生を防止することができる。
【００５１】
このように本発明は、極低温下においても絶縁欠陥が生じにくいリング状絶縁物１２，２２を使用して軸電流に対する絶縁を確保し、しかも熱収縮率が異なるために金属製の支持部材２２，２３とリング状絶縁物１８，２８との間にギャップが生じても、回転軸３の浮き上がりを利用して、そのギャップをなくすことにより、回転軸３の径方向の位置決めが行なわれて軸ブレによる振動の発生を防止することができる。
【００５２】
上記実施の形態においては、極低温の液体としてＬＮＧを例にとり説明したが、液化石油ガス、ジメチルエーテル、エチレン、プロピレン等の他の極低温の液体にも同様に適用できるものである。
【００５３】
またリング状絶縁物も、３フッ化エチレンやエポキシガラス積層体に限らず、他の絶縁物も適用できるものである。
【符号の説明】
【００５４】
１…モータ部分、１ａ…モータ側ケーシング、２…ポンプ部分、２ａ…ポンプ側ケーシング、２ｂ…仕切り壁、２ｃ…吸込口、３…回転軸、４…インペラ、５，６…管路、７…バランス装置、８ａ…下部側の軸受部、８ｂ…上部側の軸受部、９…回転子、１０…固定子、１１…軸受、１１ａ…内輪、１１ｂ…外輪、１１ｃ…転動体、１２，２２…軸受側支持部材、１３、２３…ケーシング側支持部材、１４…ボルト、１５…バネ、１６，１７…絶縁ワッシャ、１８，２８…リング状絶縁物、１９…脱落防止具、２０…円盤状の支持部材、２１…絶縁板
【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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