(57)【要約】【課題】  外径が小さく、かつ全長も短い水封封入式の液中モータポンプを提供する【解決手段】  液中モータポンプ１は、ポンプ部１１とポンプ部１１に直列に配置された液中モータ１２を備える。液中モータ１２に封入された一次冷却液とポンプ部１１の揚液である二次冷却液との熱交換を行うための熱交換器１３を、液中モータ１２の外周と一体構造としている。【選択図】図１
2007085309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ部と、このポンプ部と直列に配置された前記ポンプ部を駆動するための液中モータと、前記液中モータに封入された一次冷却液と前記ポンプ部の揚液である二次冷却液との熱交換を行うための熱交換器とを備える液中モータポンプにおいて、
前記熱交換器は、前記液中モータの外周と一体構造であることを特徴とする、液中モータポンプ。
【請求項２】
前記熱交換器は、
前記液中モータの外周フレームとこの外周フレームを取り囲むカバーとの間に形成され、前記ポンプ部から前記揚液が供給される熱交換室と、
前記熱交換容室に配管され、前記一次冷却液が通る伝熱管と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の液中モータポンプ。
【請求項３】
前記ポンプ部の吐出側と前記熱交換交換室の入口を接続する二次冷却液入口管と、
前記熱交換交換室の出口と前記ポンプ部の吸込側を接続する二次冷却液出口管と
をさらに備え、
前記液中モータは、
前記伝熱管の一端と連通する一次冷却液入口と、
前記伝熱管の他端と連通する一次冷却液出口と、
液中モータの駆動軸の回転と連動して回転し、前記一次冷却液を、伝熱管、一次冷却液入口、及び一次冷却液出口の間で循環させる回転体とを備えることを特徴とする、請求項２に記載の液中モータポンプ。
【請求項４】
前記モータ部に電気的に接続されたレセプタクルと、前記モータ部へ給電するための動力ケーブルに設けられ、かつ前記レセプタクルに嵌め込まれるプラグとからなる水密構造のコネクタをさらに備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液中モータポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液中モータポンプに関し、特に液中モータの冷却液がポンプの揚液に対して密封された水封式の液中モータポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
保護管内に配置して吊り下げて設置され、地下岩盤内に備蓄された液化天然ガス類の払い出しや底水排出等に使用される液中モータポンプが知られている。特に、ポンプ揚液が液化天然ガス類等で腐食性を有する場合に、液中モータの冷却液がポンプの揚液に対して密封された水封式の液中モータポンプが使用される。この、水封式の液中モータポンプには、液中ポンプの冷却液を地上に設置した熱交換器に強制循環させる水封循環式と、液中ポンプの冷却液を冷却するための熱交換器を液中モータポンプ自体に設ける水封封入式とに大別される。
【０００３】
水封封入式の液中モータポンプとしては、液中モータの外側にさらに熱交換器を配置した構成が知られている。また、ポンプや液中モータに対して熱交換器を直列に配置した構成が知られている。例えば、特許文献１には、液中モータの冷却液がその内部を通るつる巻き状の伝熱管をポンプ部の吐出口側に配置し、ポンプの揚液を二次冷却液として使用する形式の液中モータポンプが開示されている。
【０００４】
一方、この種の液中モータポンプにおいて液中モータへ給電するための動力ケーブルは、下端側が液中モータに直接接続され、上端側が地上に配置された接続箱された非常に長い１本物が一般的である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１３０１９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、液中モータの外側にさらに熱交換器を設けた構成では、液中モータ内から熱交換器の伝熱管に一次冷却液を導ための配管が必要となるので、液中モータポンプの外径が大きくなる。そのため、内径の小さい保護管内に配置して使用することができない。また、熱交換器をポンプやモータに対して直列に配置した構成では、液中モータポンプ全体の長さが長くなり大型化する。さらに、前述のように動力ケーブルが液中モータに直接接続された長尺な１本物であると、動力ケーブルを常に液中モータポンプと共に搬送する必要があり、かつケーブル重量の分だけ液中モータポンプの重量が重くなるので、取り扱いや運搬が煩雑である。
【０００７】
本発明は、かかる従来の水封封入式の液中モータポンプにおける問題を解決し、外径が小さく、かつ全長も短い水封封入式の液中モータポンプを提供することを課題とする。また、本発明は液中モータポンプの取扱性、運搬性を向上することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ポンプ部と、このポンプ部と直列に配置された前記ポンプ部を駆動するための液中モータと、前記液中モータに封入された一次冷却液と前記ポンプ部の揚液である二次冷却液との熱交換を行うための熱交換器とを備える液中モータポンプにおいて、前記熱交換器は、前記液中モータの外周と一体構造であることを特徴とする、液中モータポンプを提供する。
【０００９】
熱交換器を液中モータの外周と一体構造とすることで、一次冷却液を熱交換器に導くための配管を省略することができ、液中モータの外径を縮小できる。その結果、本発明の液中モータポンプは、より内径の小さい保護管に挿通して使用することができる。また、熱交換器がポンプ部や液中モータに対して直列に配置されないので、液中モータポンプ全体としての長さを縮小できる。さらに、熱交換器を地上に設置する必要がない。
【００１０】
具体的には、前記熱交換器は、前記液中モータの外周フレームとこの外周フレームを取り囲むカバーとの間に形成され、前記ポンプ部から前記揚液が供給される熱交換室と、前記熱交換容室に配管され、前記一次冷却液が通る伝熱管とを備える。
【００１１】
液中モータの外周フレームを熱交換器の一部として使用することで、液中モータの外径を効果的に縮小できる。
【００１２】
さらに具体的には、液中モータポンプは、前記ポンプ部の吐出側と前記熱交換交換室の入口を接続する二次冷却液入口管と、前記熱交換交換室の出口と前記ポンプ部の吸込側を接続する二次冷却液出口管とをさらに備える。そして、前記液中モータは、前記伝熱管の一端と連通する一次冷却液入口と、前記伝熱管の他端と連通する一次冷却液出口と、液中モータの駆動軸の回転と連動して回転し、前記一次冷却液を、伝熱管、一次冷却液入口、及び一次冷却液出口の間で循環させる回転体とを備える。前記回転体は、例えば、前記モータ軸に設けられたスラストカラーである。回転体は、モータ軸に固定された羽根車であってもよい。
【００１３】
前記モータ部に電気的に接続されたレセプタクルと、前記モータ部へ給電するための動力ケーブルに設けられ、かつ前記レセプタクルに嵌め込まれるプラグとからなる水密構造のコネクタをさらに備えることが好ましい。このコネクタにより液中モータポンプから動力ケーブルを分離できるので、取扱性、運搬性が向上する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の液中モータポンプでは、熱交換器が液中モータの外周と一体構造であるので、モータ部の外径を縮小でき、より内径の小さい保護管に配置して使用することができる。また、熱交換器がポンプ部やモータ部に対して直列に配置されないので、液中モータポンプ全体としての長さを縮小できる。さらに、熱交換器を地上に設置する必要がない。さらにまた、液中モータに電気的に接続されたレセプタクルと給電用の動力ケーブルに設けられたプラグとからなるコネクタを設けることで、液中モータポンプに対して動力ケーブルを簡単に着脱できるので、取扱性と運搬性が大幅に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
図１から図２Ｂは、本発明の実施形態に係る水封封入式の高深度用の液中モータポンプ１を示す。図３に示すように、地表から地中に設けられた地下タンク２まで延びる両端開口の直管状の保護管３内に液中モータポンプ１が配置されている。液中モータポンプ１の上端には揚水管４が接続されており、保護管３内を通って地表まで延びた揚水管４の上端は下流側の配管５に接続されている。
【００１７】
液中モータポンプ１は、ポンプ部１１と、このポンプ部１１を駆動するための液中モータ１２を備えている。液中モータ１２は、ポンプ部１１の下側に直列に配置されている。また、ポンプ部１１及び液中モータ１２の外径は保護管３の内径よりも小さく設定されており、液中モータポンプ１全体として細長い形状を呈する。液中モータ１２の内部には一次冷却液が密閉されている。後に詳述するように、液中モータポンプ１は、液中モータ１２の外周と一体構造の熱交換器１３を備え、一次冷却液はこの熱交換器１３内でポンプ部１１の揚液である二次冷却液との熱交換によって冷却される。
【００１８】
次に、ポンプ部１１について説明する。図２Ａに最も明瞭に示すように、本実施形態におけるポンプ部１１は、共通のポンプ軸１５を有する５段のポンプ１６Ａ〜１６Ｅを備える。各ポンプ１６Ａ〜１６Ｅはポンプケーシング１７、ポンプ軸１５のすべり軸受１８、及びポンプ軸１５に固定された羽根車１９を備える。５段のポンプ１６Ａ〜１６Ｅのポンプケーシング１７は、吸込側が下側で吐出側が上側となる姿勢で直列に連結されている。第１段目（図において最も下側）のポンプ１６Ａのポンプケーシング１７の吸込側には接続ケーシング２１が連結されており、この接続ケーシング２１には吸込口２１ａが設けられている。一方、第５段目（図において最も上側）のポンプ１６Ｅのポンプケーシング１７の吐出側には中間ケーシング２２を介して逆止弁ケーシング２３が連結されている。この逆止弁ケーシング２３内には本実施形態ではばね式である逆止弁２４が収容されている。逆止弁ケーシング２３は揚水管４の下端側に連結されている。吸込口２１ａから吸い込まれた地下タンク２内の液体（例えば、液化天然ガス類）は、５段のポンプ１６Ａ〜１６Ｅで順次加圧された後、中間ケーシング２２と逆止弁ケーシング２３を介して揚水管４へ吐出され、揚水管４を通って地表に配置された下流側の配管５に送られる。
【００１９】
次に、図４から図７をさらに参照して、液中モータ１２について説明する。図２Ｂに最も明瞭に示すように、液中モータ１２は上下両端が開口した筒状の外周フレーム２６を備える。この外周フレーム２６内には、回転子２７が固定されたモータ軸２８が収容されている。外周フレーム２６の内面には回転子２７と対向するように固定子２９が固定されている。固定子２９には固定子巻線３１が巻回されている。外周フレーム２６の外側には上下両端が開口した筒状のフレームカバー３２が取り付けられている。
【００２０】
外周フレーム２６の上端側の開口は上部軸受ブラケット３４で密閉され、さらにその上にシールケーシング３５が固定されている。上部軸受ブラケット３４を貫通してシールケーシング３５内に突出したモータ軸２８の上端は、スリーブカップリング３６によってポンプ軸１５の下端に連結されている。また、シールケーシング３５の部分でモータ軸２８が軸封されている。本実施形態では、地下タンク２内の液中に析出する可能性のある炭酸カルシウム等の付着物の付着防止とモータ軸２８及びポンプ軸１５の上下移動を考慮して、軸封装置としてタンデム式のメカニカルシール３７を採用している。さらに、シールケーシング３５は圧力調整装置３８を備える。
【００２１】
一方、外周フレーム２６の下端側の開口は端部プレート４１で密閉されている。端部プレート４１付近の外周フレーム２６の内部には、下側部品４２と上側部品４３からなる下部軸受ブラケット４４が配置されている。端部プレート４１の上方に間隔をあけて下側部品４２が固定され、その上に上側部品４３が固定されている。
【００２２】
ここでモータ軸２８の軸受構造について説明すると、上部軸受ブラケット３４及び下部軸受ブラケット４４にそれぞれすべり軸受からなる上部ラジアル軸受４６と下部ラジアル軸受４７が取り付けられている。これら上部ラジアル軸受４６と下部ラジアル軸受４７によりモータ軸２８のラジアル荷重が支承される。また、モータ軸２８の下端付近にはスラストカラー４８が設けられており、このスラストカラー４８の上下面に対応して下部軸受ブラケット４４の下側部品４２と上側部品４３にそれぞれチィルティングパッド式の下部スラスト軸受４９と上部スラスト軸受５０が取り付けられている。これら下部スラスト軸受４９と上部スラスト軸受５０によってモータ軸２８のスラスト荷重が支承される。
【００２３】
次に、液中モータ１２の冷却方式について説明する。液中モータ１２の内部、すなわち外周フレーム２６、上部軸受ブラケット３４、メカニカルシール３７、及び端部プレート４１で密閉された空間内には一次冷却液が充填されている。以下、この一次冷却液を冷却するための熱交換器１３を説明する。
【００２４】
外周フレーム２６はそれぞれ外向きに突出する上側フランジ状部２６ａと下側フランジ状部２６ｂを備えており、これら上側フランジ状部２６ａと下側フランジ状部２６ｂにフレームカバー３２の上端側と下端側が固定されている。フレームカバー３２は、間隔をあけて外周フレーム２６を取り囲んでおり、外周フレーム２６の外面とフレームカバー３２の内面との間に形成された筒状の空間が密閉された熱交換室５１を構成する。後に詳述するように、この熱交換室５１内には二次冷却液として機能する揚液が供給される。また、熱交換室５１内にはその内部を一次冷却液が通る１本の伝熱管５２が配管されている。詳細には、伝熱管５２は外周フレーム２６の周囲を取り囲むように螺旋状に配管されている。図２Ｂ及び図６に示すように、伝熱管５２と外周フレーム２６の間にはスペーサ５３が介在している。
【００２５】
一次冷却液を循環させるために、スラストカラー４８に羽根車としての機能を持たせている。図５を参照すると、スラストカラー４８にはその下端から延びる軸方向流路４８ａと、軸方向流路４８ａから放射状に延びる径方向流路４８ｂが形成されている。軸方向流路４８ａは、端部プレート４１と下部軸受ブラケット４４の下側部品４２の間の空間に開口している。一方、径方向流路４８ｂは、スラストカラー４８の外周と下部軸受ブラケット４４の下側部品４２及び上側部品４３により形成される円環状の空間に開口している。
【００２６】
図５に最も明瞭に示すように、外周フレーム２６の下側フランジ状部２６ｂには液中モータ１２の内部（前述の端部プレート４１と下部軸受ブラケット４４の下側部品４２の間の空間）と連通する一次冷却液入口２６ｃが穿設されている、この一次冷却液入口２６ｃには伝熱管５２の下端５２ａが接続されている。また、下部軸受ブラケット４４の上側部品４３には、前述のスラストカラー４８の外周と下部軸受ブラケット４４の下側部品４２及び上側部品４３により形成された円環状の空間と回転子２７及び固定子２９が収容された空間とを連通させる流路４３ａが形成されている。従って、図５において二点鎖線Ｌ１で示すように、一次冷却液入口２６ｃから流入した一次冷却液は、スラストカラー４８を経て回転子２と固定子２９が収容された空間に達する
【００２７】
一方、図４Ａに最も明瞭に示すように、外周フレーム２６の上端側では、シールケーシング３５の下部に液中モータ１２の内部と連通する一次冷却液出口３５ａが穿設されており、この一次冷却液出口３５ａは伝熱管５２の上端５２ｂが接続されている。また、上部軸受ブラケット３４には回転子２７及び固定子２９が収容された空間と一次冷却液出口３５ａ側を連通させる流路３４ａが形成されている。従って、図４Ａにおいて二点鎖線Ｌ２で示すように、回転子２７及び固定子２９が収容された空間から一次冷却液出口３５ａへ向けて一次冷却液が流れる。なお、この一次冷却液出口３５ａは地表に設けられたヘッドタンク５４にも接続されている。
【００２８】
次に、熱交換器１３における二次冷却液（ポンプ部１１の揚液）の流路を説明する。まず、上端がポンプ部１１の第２段目のポンプ１６Ｂの吐出側に接続され、下端が熱交換室５１の入口に接続された上下方向に延びる二次冷却液入口管５６が設けられている。図５に最も明瞭に示すように、熱交換室５１の入口は端部プレート４１と外周フレーム２６の下側フランジ状部２６ｂの下部に形成された流路４１ａ，２６ｄからなる。図５において一点鎖線Ｌ３で示すように、第２段目のポンプ１６Ｂから吐出された揚液の一部が二次冷却液入口管５６を介して熱交換室５１内に流入する。
【００２９】
また、下端が熱交換室５１の出口に接続され、上端がポンプ部１１の第１段目のポンプ１６Ａの吐出側に接続された上下方向に延びる二次冷却液出口管５７が設けられている。図４Ｂに最も明瞭に示すように、熱交換室５１の出口は外周フレーム２６の上側フランジ状部２６ａ、上部軸受ブラケット３４、及びシールケーシング３５の形成された流路２６ｅ，３４ｂ，３５ｂからなる。図４Ｂにおいて一点鎖線Ｌ４で示すように、熱交換室５１の出口から流出した二次冷却液は二次冷却液出口管５７を通って第１段目のポンプ１６Ａの吐出側に向かって流れる。
【００３０】
図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、液中モータ１２よってポンプ部１１のポンプ１６Ａ〜１６Ｅが駆動されると、スラストカラー４８の羽根車効果により一次冷却液が二点鎖線Ｌ５で示す経路で循環する。詳細には、羽根車効果で加圧された一次冷却液は、下部軸受ブラケット４４、下部ラジアル軸受４７、固定子巻線３１、及び上部ラジアル軸受４６を通って一次冷却液出口３５ａから熱交換室５１内に配管された伝熱管５２に流入する。伝熱管５２を通過する際の熱交換室５１内の二次冷却液との熱交換により、一次冷却水が冷却される。冷却された一次冷却水は、一次冷却液入口２６ｃから外周フレーム２６内に流入してスラストカラー４８に戻る。一方、二次冷却液は一点鎖線Ｌ６で示す経路で流れる。詳細には、第２段目のポンプ１６Ｂの吐出側から二次冷却液入口管５６に流入した二次冷却液は、二次冷却液入口管５６を通って熱交換室５１の下部に流入し、伝熱管５２を流れる一次冷却液と熱交換を行う。熱交換室５１の上部から二次冷却液出口管５７に流入した二次冷却液は、二次冷却液出口管５７を通って第１段目のポンプ１６Ａの吐出側に戻る。なお、二次冷却液を第１段目のポンプ１６Ａの吐出側に戻してある程度加圧することにより、二次冷却液（揚液）が飽和蒸気圧の低い液体である場合でも温度上昇による気化を防止できる。
【００３１】
以上のように、本実施形態の液中モータポンプ１では、熱交換器１３を液中モータ１２の外周と一体構造としているので、一次冷却液を熱交換器１３に導くための配管を省略することができ、液中モータ１２の外径を縮小できる。その結果、本実施形態の液中モータポンプ１は、より内径の小さい保護管３に挿通して使用することができる。また、熱交換器１３がポンプ部１１や液中モータ１２に対して直列に配置されないので、液中モータポンプ１全体としての長さを縮小できる。さらに、熱交換器を地上に設置する必要がない。
【００３２】
次に、液中モータ１２への給電方式について説明する。図１、図２Ａ、及び図６に示すように、液中モータ１２に動力ケーブル６４から給電するために、複数の複数の水密構造のコネクタ６１（本実施形態では３個）を液中モータポンプ１に設けている。このコネクタ６１は液中モータ１２の固定子巻線３１に電気的に接続されたレセプタクル６２と、保護管（図３参照）内を通って地表側の電源ないしは電力系統まで延びる動力ケーブル６４に設けられた、かつレセプタクル６２の嵌め込まれるプラグ６３とからなる。このコネクタにより液中モータポンプ１から動力ケーブル６４を分離できるので、取扱性、運搬性が向上する。
【００３３】
図８を参照すると、コネクタ６１のレセプタクル６２（液中モータ１２側）は、シェル６６内に雄型コンタクト６７とピンインシュレータ６８を備える。一方、コネクタ６１（動力ケーブル６４側）のプラグ６３は、エンドベル６９，７０内で動力ケーブル６４に電気的に接続された雌型コンタクト７１とソケットインシュレータ７２を備える。雌型コネクタ６１とソケットインシュレータ７２はエンドベル６９の先端から突出している。また、エンドベル６９は先端にカップリングナット７３を備えている。レセプタクル６２にプラグ６３を差し込むと、雄型コンタクト６７が雌型コンタクト７１に差し込まれて液中モータ１２側と動力ケーブル６４側が電気的に接続されると共に、ピンインシュレータ６８がソケットインシュレータ７２に差し込まれる。レセプタクル６２とプラグ６３の結合完了後、カップリングナット７３がレセプタクル６２のシェル６８に螺合され、さらにプラグ６３の内部にレジンが充填される。
【００３４】
動力ケーブル６４は浸透性、浸水性、及び腐食性を考慮してステンレス等からなる波付金属外装７６を施している。この波付金属外装７６を採用することにより、液化天然ガス、海水等の動力ケーブル内への侵入を防止しつつ良好な屈曲性も確保できる。さらに動力ケーブル６４の外部に特殊ポリエチレン層７７を設けることにより、液化天然ガス、海水等に直接設置できるようにしている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態に係る液中モータポンプを示す縦断面図。
【図２Ａ】本発明の実施形態に係る液中モータポンプの上側部分を示す縦断面図。
【図２Ｂ】本発明の実施形態に係る液中モータポンプの下側部分を示す縦断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る液中モータポンプの据付状態を示す縦断面図。
【図４Ａ】図１の部分IV（一次冷却液の液中モータからの出口部分）の部分拡大図。
【図４Ｂ】図１の部分IV（二次冷却液の熱交換器への入口部分）の部分拡大図。
【図５】図１の部分Ｖの縦断面図。
【図６】図２ＡのVI−VI線での拡大断面図。
【図７】図２ＢのVII−VII線での拡大断面図。
【図８】コネクタを示す部分断面正面図。
【符号の説明】
【００３６】
１  液中モータポンプ
２  地下タンク
３  保護管
４  揚水管
５  配管
１１  ポンプ部
１２  液中モータ
１３  熱交換器
１５  ポンプ軸
１６Ａ〜１６Ｅ  ポンプ
１７  ポンプケーシング
１８  すべり軸受
１９  羽根車
２１  接続ケーシング
２１ａ  吸込口
２２  中間ケーシング
２３  逆止弁ケーシング
２４  逆止弁
２６  外周フレーム
２６ａ  上側フランジ状部
２６ｂ  下側フランジ状部
２６ｃ  一次冷却液入口
２６ｄ，２６ｅ  流路
２７  回転子
２８  モータ軸
２９  固定子
３１  固定子巻線
３２  フレームカバー
３４  上部軸受ブラケット
３４ａ，３４ｂ  流路
３５  シールケーシング
３５ａ  一次冷却液出口
３５ｂ  流路
３６  スリーブカップリング
３７  メカニカルシール
３８  圧力調整装置
４１  端部プレート
４１ａ  流路
４２  下側部品
４３  上側部品
４３ａ  流路
４４  下部軸受ブラケット
４６  上部ラジアル軸受
４７  下部ラジアル軸受
４８  スラストカラー
４８ａ  軸方向流路
４８ｂ  径方向流路
４９  下部スラスト軸受
５０  上部スラスト軸受
５１  熱交換室
５２  伝熱管
５２ａ  下端
５２ｂ  上端
５３  スペーサ
５４  ヘッドタンク
５６  二次冷却液入口管
５７  二次冷却液出口管
６１  コネクタ
６２  レセプタクル
６３  プラグ
６４  動力ケーブル
６６  シェル
６７  雄型コンタクト
６８  ピンインシュレータ
６９，７０  エンドベル
７１  雌型コンタクト
７２  ソケットインシュレータ
７３  カップリングナット
７６  波付金属外装
７７  特殊ポリエチレン層
【図１】
2007085309.tif 000003
【図２Ａ】
2007085309.tif 000004
【図２Ｂ】
2007085309.tif 000005
【図３】
2007085309.tif 000006
【図４Ａ】
2007085309.tif 000007
【図４Ｂ】
2007085309.tif 000008
【図５】
2007085309.tif 000009
【図６】
2007085309.tif 000010
【図７】
2007085309.tif 000011
【図８】
2007085309.tif 000012