(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
定常運転時に機能する自液潤滑の静圧軸受と起動時および停止時に機能する玉軸受とにより支持された回転軸を有し、この回転軸が垂直状態になるようにして揚液対象の液体中に潜没させて用いられ、前記静圧軸受の摩耗状態を前記回転軸のラジアル方向の変位に基づいて監視すると共に、前記玉軸受の摩耗状態を前記回転軸のスラスト方向の変位に基づいて監視するようにされている潜没型ポンプ装置において、前記回転軸の上端部に、前記回転軸の回転中心に対して傾斜する傾斜面を有する円錐状のターゲットを設け、前記ターゲットの前記傾斜面と直交する方向に、前記回転軸のラジアル方向変位による変化成分とスラスト方向変位による変化成分をそれぞれ検出する一つの検出手段を設けたことを特徴とする潜没型ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、揚液対象の液体中に潜没させて用いられ潜没型ポンプ装置に関し、特に例えば液化天然ガスなどのような液化ガスをその貯蔵タンクから揚液するのに好適なものとして用いることのできる潜没型ポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば液化ガス液を貯蔵してあるタンク中に潜没させて用いられる液化ガス用ポンプ装置のような潜没型ポンプ装置には、例えば特開平８−２９６５８６号公報にその例が開示されるように、ポンプ回転軸を支持するために自液潤滑の静圧軸受と玉軸受が用いられており、静圧軸受が定常運転時に機能し、玉軸受が起動時および停止時に機能するようにされている。これらの軸受は運転時間の経過とともにその摩耗が進み、それが所定の程度を越えると分解点検などを行なう必要がある。しかるに潜没型ポンプ装置はその動作機構部の全体が液中に潜没するようにされていることからその分解点検などに多大な作業を必要とする。このため、軸受の摩耗程度を常に監視してその分解点検などを必要とする時期を正確に把握する必要がある。
【０００３】
軸受の摩耗状態を監視するについては、軸受の摩耗に応じて回転軸に発生する変化を利用するのが一般的である。すなわち静圧軸受で摩耗が進むと、回転中の回転軸にラジアル方向で振動的な変位が発生し、摩耗の程度に応じてこれが増大する。一方、玉軸受で摩耗が進むと、その程度に応じて静止時に当該玉軸受で支持されている回転軸に沈み込みとしてスラスト方向の変位が生じる。したがってこれらの回転軸における変位を検出手段により検出することで、軸受の摩耗状態を監視することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような状態監視は、従来では回転軸のラジアル方向変位とスラスト方向変位をそれぞれラジアル方向変位用の検出手段とスラスト方向変位用の検出手段により検出するようにしていた。つまり通常はセンサの形態をとる検出手段がラジアル方向変位用とスラスト方向変位用として二つ必要であった。このため、検出手段自体のコストに加えて、二つの検出手段を設置したり、各検出手段からの出力を処理装置に送るためのケーブル類を設置するためのコストが２倍かかることになる。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、液化ガス用ポンプ装置のような潜没型ポンプ装置について、その状態監視のためのコストを低減できるようにすることを目的としている。
【０００６】
上記目的のために本発明では、定常運転時に機能する自液潤滑の静圧軸受と起動時および停止時に機能する玉軸受とにより支持された回転軸を有し、この回転軸が垂直状態になるようにして揚液対象の液体中に潜没させて用いられ、前記静圧軸受の摩耗状態を前記回転軸のラジアル方向の変位に基づいて監視すると共に、前記玉軸受の摩耗状態を前記回転軸のスラスト方向の変位に基づいて監視するようにされている潜没型ポンプ装置において、前記回転軸の上端部に、前記回転軸の回転中心に対して傾斜する傾斜面を有する円錐状のターゲットを設け、前記ターゲットの前記傾斜面と直交する方向に、前記回転軸のラジアル方向変位による変化成分とスラスト方向変位による変化成分をそれぞれ検出する一つの検出手段を設けたことを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施する上で好ましい形態について図を参照しながら説明する。図１に本発明による潜没型ポンプ装置の一実施形態である潜没型の液化ガス用ポンプ装置の要部を簡略化した断面図の状態で示し、またこの液化ガス用ポンプ装置が液化ガスタンクに潜没設置される状態を図２に示す。先ず図２に関して説明する。
【０００９】
液化ガスタンク１にはその天井板１Ａを貫通するようにして、液化ガス用ポンプ装置の一部である揚液管２が垂下されており、揚液管２はその下端を液化ガスタンク１の例えば５０ｍ程度の深さがある底部近辺まで達するようにされている。この揚液管２の下端部には吸込弁３が取り付けられると共に座面４が設けられており、この座面４で支持するようにしてポンプ本体５が揚液管２の内部に吊り下げられている。ポンプ本体５はその外周部に吐出口６が複数設けられており、これらの吐出口６から吐出された液化ガス液が揚液管２内を上昇して吐出管１１に送り出される。また揚液管２の頂部には、ポンプ吊上機構を備えたヘッドプレート７が設けられ、このヘッドプレート７から吊りワイヤ８で吊り下げる状態にしてポンプ本体５を支持している。ポンプ本体５はそれに接続された給電ケーブル９を介して供給される電力により作動するようにされており、作動時にその吐出口６から吐出される液化ガス液が揚液管２内を上昇して吐出管１１に送り出されることは上記の通りである。なお図１中に示す巻き上げ機１０は、必要時にポンプ本体５や揚液管２を吊り上げるためのものである。
【００１０】
次に図１について説明する。液化ガス用ポンプ装置は、上記のように、揚液管２とその内部に設置されるポンプ本体５からなり、揚液管２の底部に取り付けられている吸込弁３を介して吸い込まれる液化ガスをポンプ本体５により昇圧してその吐出口６から吐出することで溶液管２の内部を上昇させて吐出管１１から外部に送り出すようになっている。
【００１１】
ポンプ本体５は回転軸５Ａを備えている。回転軸５Ａには、吸込性能向上のために取り付けられたインデューサ５Ｂと複数の羽根車５Ｃ及びサブマージドモータロータ５Ｄが固定されている。これらは一体型構造であり、回転軸５Ａとともに一体となって回転するようにされ、単一な回転体を形成している。この回転体は、その回転軸５Ａを介して上静圧軸受５Ｅと中静圧軸受５Ｆおよび下静圧軸受５Ｇの各静圧軸受による支持と、上玉軸受５Ｈおよび中玉軸受５Ｉの各玉軸受による支持を受けるようにされている。回転軸５Ａに対する支持は静圧軸受による支持が主であり、玉軸受による支持は補助的である。すなわち回転軸５Ａは、液化ガス用ポンプ装置の通常的運転下で回転している状態では、軸受寿命が長く制振性にも優れた自液潤滑式の静圧軸受で支持され、自液潤滑が十分に機能しない起動時や停止時においては玉軸受により支持される。
【００１２】
その切り換えは軸スラスト平衡装置５Ｍによりなされる。軸スラスト平衡装置５Ｍは、例えば特公昭６１−５５５８号公報に示されるようなバランスディスクなどにより構成されるもので、液化ガス用ポンプ装置が通常の運転をなされている状態ではその作用力により回転軸５Ａを上方に遊動させる。この結果、中玉軸受５Ｉがハウジング５Ｌ２から離脱浮上し、中玉軸受５Ｉに負荷されるスラスト荷重はゼロとなる。一方、軸スラスト平衡装置５Ｍで回転軸５Ａを上方に遊動させ得る状態ではポンプ本体５による液化ガスに対する昇圧が高まって自液潤滑が十分に機能するようになっているので、静圧軸受（上静圧軸受５Ｅ、中静圧軸受５Ｆおよび下静圧軸受５Ｇ）が回転軸５Ａの支持に働くようになる。ただしこの場合は回転軸５Ａが遊動状態になっているので、静圧軸受による支持はラジアル方向のみである。
【００１３】
以上のようにして回転軸５Ａを支持している静圧軸受や玉軸受は、運転時間の経過とともに摩耗が進む。静圧軸受で摩耗が進むと、回転中の回転軸５Ａにラジアル方向で図３に模式化して示すような振動的な変位（振動の振幅）に変化を生じ、その程度が摩耗の進行に応じて大きくなる。一方、玉軸受で摩耗が進むと、その程度に応じて静止時の回転軸５Ａに沈み込みとしてスラスト方向の変位に変化を生じる（同じく図３に模式化して示す）。すなわちポンプ本体５が停止している際には軸スラスト平衡装置５Ｍが機能しないために回転軸５Ａが下降して中玉軸受５Ｉはハウジング５Ｌ２に着座している。そしてこの状態では中玉軸受５Ｉの玉軸受内輪５Ｉ１に回転軸５Ａを含む上記回転体の全重量が加わる。このため図３に示すように、中玉軸受５Ｉの摩耗程度に応じて、玉軸受内輪５Ｉ１が玉軸受外輪５Ｉ２よりも低く沈み込み、この結果、玉軸受内輪５Ｉ１により直接支持されている回転軸５Ａも沈み込みを生じる。
【００１４】
軸受の摩耗は、一般に静圧軸受に比べて玉軸受において特に進行しやすい。その理由は以下の通りである。ポンプ本体５の起動時は、液化ガス液で揚液管２の内部が満たされるまでの数分間について、液を押し上げるだけのわずかな吐出圧力だけで充分なために、ポンプ本体５が所定の吐出圧力よりかなり低い吐出圧力で運転される。このため、軸スラスト平衡装置５Ｍは機能せず、回転軸５Ａを含む上記の回転体の全重量と羽根車５Ｃの下向きの推力による大きなスラスト荷重が中玉軸受５Ｉに負荷される。特に、ポンプの大容量化などにより揚液管２が大口径化すると、ポンプ本体５の起動から液化ガス液が揚液管２を満たすまでに要する時間がより長くなることから、上記のような大きなスラスト荷重が中玉軸受５Ｉに加わる時間も長くなり、中玉軸受５Ｉにおける摩耗はさらに進行しやすくなる。また起動時の数分間は、ポンプ本体の吐出圧力が小さいことから静圧軸受による軸受効果が小さいために、回転軸５Ａが静圧軸受との間のギャップ分について一杯に振れ廻り、中軸受部を中心とした歳差運動を行うようになる。この歳差運動の状態で中玉軸受５Ｉは、多大なスラスト荷重を回転軸５Ａが傾いた状態で受ける。つまり中玉軸受５Ｉに不安定な荷重がかかる状態となり、これによっても中玉軸受５Ｉはその摩耗が促進される。
【００１５】
以上のように軸受は運転の継続に伴って摩耗が進み、そして軸受の摩耗の進行に応じて回転軸５Ａのラジアル方向での変位やスラスト方向での変位に変化を生じる。したがってこれらの変位変化を検出することで、静圧軸受や玉軸受の摩耗状態を監視することができる。この状態監視のための監視系について以下に説明する。
【００１６】
状態監視系は、その部分を拡大して示す図４にも見られるように、回転軸５Ａの上端部に設けたターゲット部５Ｔとこれを検出する手段である一つのセンサ５Ｎを含んでいる。本実施形態におけるターゲット部５Ｔは、回転軸５Ａの上端部を傾斜面部とした構造にして設けられている。このような傾斜面部は、回転軸５Ａの回転時のバランスを考慮すると、例えば円錐のような錐体状とするのが好ましい。一方、本実施形態におけるセンサ５Ｎは、このターゲット部５Ｔにおける傾斜面と当該センサ５Ｎとの間隔を傾斜面に直交する向きから検出するようにされている。
【００１７】
このようなターゲット部５Ｔとセンサ５Ｎの関係においては、回転軸５Ａのラジアル方向変位とスラスト方向変位の何れによってもターゲット部５Ｔの傾斜面とセンサ５Ｎとの間隔が変化する。つまりターゲット部５Ｔは、回転軸５Ａのラジアル方向変位による変化成分とスラスト方向変位による変化成分をともに含み、これらを一つのセンサ５Ｎだけで検出することができる。したがって一つのセンサ５Ｎにより、運転中はラジアル方向変位の変化成分を検出することで静圧軸受の摩耗状態を把握することができ、停止中はスラスト方向変位の変化成分を検出することで玉軸受の摩耗状態を把握することができる。
【００１８】
本発明の範囲外ではあるが、状態監視系については、そのセンサ５Ｎを図５や図６に示す参考例のような配置とすることも可能である。またそのターゲット部５Ｔについても、回転軸５Ａのラジアル方向変位による変化成分とスラスト方向変位による変化成分をともに含むという条件を満足すれば足りるので、他の参考例が可能である。そのような他の参考例を図７〜図９に示す。これらは何れも縞状パターン部としてターゲット部５Ｔを形成する場合である。図７の参考例は、回転軸５Ａの側面に縞状のパターンを機械的に刻設することで縞状パターン部としており、図８の参考例は、回転軸５Ａの側面に縞状のパターンを磁気的に与える、つまり磁性の異なる部分を縞状のパターンにして設けることで縞状パターン部としており、図９の参考例は、回転軸５Ａの側面に縞状のパターンを電気的に与える、つまり導電率の異なる部分を縞状のパターンにして設けることで縞状パターン部としている。これらのターゲット部５Ｔについては、縞状パターン部における縞同士の間の見かけの間隔がターゲット部５Ｔとセンサ５Ｎとの間隔に応じて変化することを利用してラジアル方向変位の変化成分を検出し、縞状パターン部における縞が回転軸５Ａのスラスト方向変位に応じて上下に移動することを利用してスラスト方向変位による変化成分を検出することができる。
【００２０】
ここで、技術分野は異なるが本発明と関連する技術の例として例えば特開平６−２６５７８号公報に開示の技術があることに触れておく。この技術はメカニカルシールのような機械要素の回転体についてその挙動を監視するものであり、軸受の摩耗状態監視を意図する本発明とは異質の技術である。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ラジアル方向変位による変化成分とスラスト方向変位による変化成分をともに含むターゲット部を回転軸に設け、このターゲット部を検出手段で検出するようにしているので、１個の検出手段だけでも回転軸のラジアル方向変位とスラスト方向変位の何れをも検出することができる。この結果、検出手段に関するコストの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  一実施形態による液化ガス用ポンプ装置の簡略化した縦断面図である。
【図２】  図１の液化ガス用ポンプ装置を液化ガスタンクに潜没設置した状態を示す縦断面図である。
【図３】  回転軸の変位に関する説明図である。
【図４】  液化ガス用ポンプ装置における状態監視系の部分拡大図である。
【図５】  参考例による状態監視系の部分拡大図である。
【図６】  参考例による状態監視系の部分拡大図である。
【図７】  参考例による状態監視系の部分拡大図である。
【図８】  参考例による状態監視系の部分拡大図である。
【図９】  参考例による状態監視系の部分拡大図である。
【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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【図９】
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