JP2019203799A - 水中ポンプ及びその監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】 軸封装置の軸封油の劣化や異物混入をも検出し得るオイルセンサを備えた水中ポンプ及びその監視システムを提供する。【解決手段】 水中ポンプ１は、モータ室４とポンプ室６との間に介在するオイル室１２内でモータ軸８を軸封する軸封装置１１の軸封油Ｌの状態を検出するためのオイルセンサ１４Ａを備える水中ポンプ１であって、オイルセンサ１４Ａは、軸封油Ｌに光を照射する発光部１５と、発光部１５からの透過光及び散乱光の少なくとも一方の強度を検出する受光部１６と、を含む。監視システムは、水中ポンプ１のオイルセンサのセンシングデータをリアルタイムで監視する。【選択図】 図１

Description

本発明は、汚水処理や土木分野等で用いられる水中ポンプであって、特に、軸封装置の軸封油の状態を検出するオイルセンサを備える水中ポンプ、及びその監視システムに関する。

従来、水中ポンプ１００は、例えば図６に示すように、インペラ４ｂを収容し吸込口２と吐出口３とを有するポンプ室４と、ポンプ室４を形成しているケーシング４ａ上に連結されたモータ台５と、モータ台５とそれに連結されたモータフレーム６ａにより形成されたモータ室６と、モータ室６内に固定されたステータ７と、モータ軸８を備えるロータ９と、モータ台５の下部に形成された凹部５ａを閉じるシールハウジング１０と、シールハウジング１０で閉じられたモータ台５の凹部５ａ内でモータ軸８に装着された軸封装置１１と、を備え、凹部５ａがシールハウジング１０によって閉じられてオイル室１２が形成され、オイル室１２に軸封油Ｌが満たされ、軸封油Ｌに軸封装置１１が浸かっている。

軸封装置（メカニカルシール）１１は消耗部品であり定期的な交換がなされるが、定期交換前に軸封装置１１からモータ室６の側へ浸水すると水中ポンプの故障につながる。そのため、本来は絶縁体である軸封油Ｌに電極１３を挿入し、電極１３とアース（接地されているモータフレーム６ａ）間の電気抵抗（絶縁抵抗）を測定することにより、軸封油への水分の混入による絶縁抵抗値の低下を検出し、閾値を設けて絶縁抵抗値が設定値（例えば、０．１ＭΩ）以下になったときに軸封油Ｌ中への浸水による不具合発生と判断していた（特許文献１、２等）。

特開２００２−３１００９１号公報 特開昭５４−１０８３号公報

軸封油Ｌの絶縁抵抗値は、軸封装置の摩耗等による鉄粉（導電性粒子）等の異物の混入によっても低下する。

さらに、軸封装置の摩耗等により土砂等の異物が軸封油に混入すると軸封装置（メカニカルシール）が破損するという問題がある。

また、軸封油が酸化等によって経時的に劣化すると、軸封装置の潤滑に悪影響を及ぼし、軸封装置の寿命を短くする。その結果、モータ室に異物が混入し故障の原因となる。

しかしながら、軸封油の絶縁抵抗値を測定する従来の浸水検知方法のみでは、軸封油への異物や軸封油の劣化までは検知できなかった。

そこで、本発明は、軸封装置の軸封油への異物混入や軸封油の劣化をも検出し得るオイルセンサを備えた水中ポンプ及びその監視システムを提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る水中ポンプの第１の態様は、モータ室とポンプ室との間に介在するオイル室内でモータ軸を軸封する軸封装置の軸封油の状態を検出するためのオイルセンサを備える水中ポンプであって、前記オイルセンサは、軸封油に光を照射する発光部と、前記発光部からの透過光及び散乱光の少なくとも一方の強度を検出する受光部と、を含む。

本発明に係る水中ポンプの第２の態様は、上記第１の態様において、前記発光部及び前記受光部が前記オイル室内に配設されている。

本発明に係る水中ポンプの第３の態様は、上記第１又は第２の態様において、前記発光部が発光ダイオード又はレーザーダイオードの何れかを含み、前記受光部がフォトダイオードを含む。

本発明に係る水中ポンプの第４の態様は、上記第１〜第３の何れかの態様において、前記オイルセンサが、軸封油の絶縁抵抗値を検出するための電極を更に含む。

本発明に係る水中ポンプの第５の態様は、上記第１〜第４の何れかの態様において、前記オイルセンサの検出信号を送信する無線通信モジュールを更に備える。

また、本発明に係る水中ポンプの監視システムの第１の態様は、上記第１〜第５の態様の何れかの水中ポンプの前記オイルセンサのセンシングデータをリアルタイムで監視する。

また、本発明に係る水中ポンプの監視システムの第２の態様は、上記第１の態様の水中ポンプの監視システムにおいて、前記透過光の強度から軸封油中の水分量を検出する。

また、本発明に係る水中ポンプの監視システムの第３の態様は、上記第１の態様の水中ポンプの監視システムにおいて、前記透過光の強度から軸封油の粘度を検出する。軸封油の経時劣化や、軸封油への水や異物の混入により、軸封油の粘度が変化するため、軸封油の粘度を検出することで、軸封油の経時劣化や、軸封油への水や異物の混入を検出することができる。

また、本発明に係る水中ポンプの監視システムの第４の態様は、上記第１の態様の水中ポンプの監視システムにおいて、前記透過光及び前記散乱光の少なくとも前記散乱光の強度から軸封油中の異物の混入度合いを検出する。

本発明は、軸封油の透過光及び散乱光の少なくとも一方の強度を検出することにより、軸封油の粘度及び異物混入をも検出することができる。

本発明に係る水中ポンプの一実施形態を示す中央縦断面図である。 軸封油の水分量と透過光強度との関係を示すグラフである。 軸封油と粘度との関係を示すグラフである。 本発明に係る水中ポンプの監視システムの一実施形態を示すシステム図である。 本発明に係る水中ポンプの他の実施形態を示す要部縦断面図である。 従来の水中ポンプを示す中央縦断面図である。

本発明に係る水中ポンプの実施形態について、以下に図１〜図５を参照して説明する。なお、従来技術を含め、全図及び全実施例を通じて同一又は類似の構成要素については、同符号を付した。

図１を参照して、水中ポンプ１は、ロータ９及びステータ７が収容されるモータ室６と、吸込口２及び吐出口３が形成されインペラ４ｂが収容されるポンプ室４と、モータ室６とポンプ室４との間に配置されたオイル室１２と、ロータ９に接続され、モータ室６からオイル室１２を貫通してポンプ室４内に延びるモータ軸８と、オイル室１２内でモータ軸８を軸封する軸封装置１１と、オイル室１２に満たされる軸封油Ｌの状態を検出するオイルセンサ１４Ａとを、有している。

オイルセンサ１４Ａは、オイル室１２内に配設された発光部１５と、発光部１５から発せられた光をオイル室１２内の軸封油Ｌを通して受光してその受光強度に応じた信号を出力する受光部１６と、を備えている。

発光部１５は発光ダイオードで構成され、受光部１６はフォトダイオードで構成され得る。発光ダイオードに代えて、レーザーダイオードを採用することもできる。フォトダイオードは、受光強度に対応した電圧を出力する。

図２のグラフは、軸封油２ｍｌに水を０．５ｍｌ、１．０ｍｌ、１．５ｍｌ混ぜた混合液中で、発光ダイオードとフォトダイオードを対向配置させて、発光ダイオードからフォトダイオードに向けて光を照射し、軸封油を透過した透過光をフォトダイオードで受光し、フォトダイオードの出力電圧を測定した結果を示している。

図２のグラフから分かるように、軸封油中の水の含有量の増加に伴い、透過光の強度（電圧）は減少する。これは、軸封油に水が混ざることで、濁りが生じるからである。また、図２のグラフから分かるように、軸封油中の水の含有量と透過光の強度（電圧）との間に相関関係があり、その関係を非線形関数で近似できる。

従って、受光部１６が受けた軸封油中の透過光の受光強度を検出することにより、透過光の受光強度と軸封油中に含まれる水分量との相関関係に基づいて、軸封油中に含まれる水分量の検出することができる。

そこで、オイルセンサ１４Ａのセンシングデータをリアルタイムでモニタリングし、受光部１６の受光強度を検出することにより、軸封油中に含まれる水分量を検出する監視システムを構成することができる。

また、監視システムは、受光強度が所定の閾値を超えた場合に警告を発し、或いは、水中ポンプ１を停止させる構成とすることにより、許容範囲外の水分が軸封油中に混入することを防ぐことができる。

また、監視システムは、軸封油中の水の含有量と透過光の強度（電圧）との間の相関関係から、軸封油中の水分量の推定値を演算して出力する構成とすることもできる。

図３のグラフは、軸封油中で受光部１６を構成するフォトダイオードに向けて発光部１５である発光ダイオードを照射し、フォトダイオードの出力電圧と粘度とを測定した結果を示している。図３のグラフより、透過光の電圧と粘度との間に線形関係があることが分かる。

従って、受光部１６が受けた軸封油中の透過光の受光強度を検出することにより、透過光の受光強度と軸封油の粘度との線形関係に基づいて、軸封油の粘度の変化量を検出することができる。

そこで、オイルセンサ１４Ａのセンシングデータをリアルタイムでモニタリングし、透過光の受光強度を検出することにより、軸封油の粘度を検出する監視システムを構成することができる。

また、監視システムは、受光強度が所定の閾値を超えた場合に警告を発し、或いは、水中ポンプ１を停止させる構成とすることにより、軸封油の粘度が所要値以上に上昇することを防ぎ、軸封油の許容範囲を超える劣化や、水分や異物が許容範囲を超えて混入することを防ぐことができる。

また、監視システムは、透過光の受光強度と軸封油の粘度との線形関係に基づいて、軸封油の粘度の推定値を演算し、出力する構成とすることもできる。

軸封油の粘度の変化を監視することにより、軸封油が酸化等によって経時劣化しているか検出することができ、軸封装置の潤滑を正常に保つことで、軸封装置の劣化を防ぎ、モータへの異物の混入を止めることができる。それによって水中ポンプの故障を防止することができる。

また、軸封油の粘度は、軸封油中に水や異物が混入することによっても変化するため、粘度変化を監視することにより、軸封油中への異物の混入を検出することができる。

軸封装置１１の摩耗による金属粒子や土砂等の水以外の異物が軸封油中に混入していると、発光部１５からの照射される光がそれらの異物に衝突して散乱する。従って、透過光と散乱光の受光強度の変化から軸封油中への異物の混入度合いを検出することができる。なお、散乱光の受光強度のみの変化から軸封油中への異物の混入度合いを検出することも可能である。

発光部１５と受光部１６とが真っすぐに対向している配置では透過光が測定され、発光部１５と受光部１６を対向配置からずらすもしくは同じ高さで方向をずらす（例えば、発光部１５と受光部１６の光軸を９０°に配置）等とすることで散乱光が測定され得る。

軸封油中の異物は軸封装置１１の劣化に起因する場合があるため、異物の混入度合いを知ることにより、軸封装置の劣化を検出することができる。

そこで、オイルセンサ１４Ａのセンシングデータをリアルタイムでモニタリングし、透過光と散乱光の強度変化を検出することにより、軸封油の異物の混入度合いを検出する監視システムを構成することができる。

また、監視システムは、透過光と散乱光の受光強度の変化量の其々に所定の許容範囲を設定し、何れか又は双方の変化量が許容範囲から外れた場合に警告を発し、或いは、水中ポンプ１を停止させる構成とすることにより、軸封油中に異物が許容範囲を超えて混入することを防ぐことができる。

上記監視システムは、軸封油中に含まれる水分量を検出する機能、軸封油の粘度を検出する機能、及び、軸封油の異物の混入度合いを検出する機能のうちの何れか一つ以上の機能を備えることができる。

水中ポンプ１は、オイルセンサ１４Ａに加えて、軸封油Ｌの絶縁抵抗値を測定するための電極１３を備えるオイルセンサ１４Ｂを備えることができる。オイルセンサ１４Ｂは、従来と同様、アースと電極１３との間の絶縁抵抗を測定することにより、軸封油Ｌ中への水分の混入を検出する。アースは、接地されたポンプ本体であり、ポンプ本体は、相互に連結された金属製のケーシング４ａ、シールハウジング１０、及びモータフレーム６ａから構成される。

オイルセンサ１４Ｂのセンシングデータをリアルタイムでモニタリングし、軸封油の絶縁抵抗値を検出することにより、軸封油への水分の混入を検出する監視システムを構成することができる。

監視システムは、絶縁抵抗値が設置値（例えば０．１MΩ）以下となった場合に軸封油の状態が異常と判定し、例えば、アラームを表示する等の警告を出し、或いは、モータを停止させる構成とすることができる。

オイルセンサ１４Ａとオイルセンサ１４Ｂとを併用することにより、例えば、軸封油への混入液が海水などの導電生の高い液の場合に、混入液が少量であっても絶縁抵抗値が基準時を下回ることがあるが、少量の漏れは軸封装置（メカニカルシール）の封水能力はそれほど劣化しておらず許容範囲内である場合がある。このような場合には、軸封油の絶縁抵抗値は低下しているが異物の混入はまだ少ないと判定できる。

図４を参照して、監視システムの一実施形態において、水中ポンプ１は、オイルセンサ１４Ａ、１４Ｂの信号出力を送信する無線通信モジュール１７を備える。無線通信モジュール１７は、例えば、図１に示すようにモータ室６内に設置することもできるし、或いは、水中ポンプ１の外部に有線接続することもでき、例えば電力制御装置１８（図４）内に設置することもできる。モータ室６内に無線通信モジュール１７を設置する場合は、水中ポンプ１からケーブルを引き出して外部アンテナ（図示せず。）を接続してもよい。

図４に示す例において、オイルセンサ１４Ａ，１４Ｂからのセンシングデータは、無線通信モジュール１７によって無線送信され、ゲートウェイ１９、モバイル通信基地局２０を介して、ネットワーク回線２１を通じてサーバ２２に送られ、サーバ２２に保存される。軸封油中の水分量、軸封油の粘度、軸封油への異物混入度合い、及び、軸封油の絶縁抵抗値に関するセンシングデータがサーバ２２に保存され、サーバ２２内に記憶された解析プログラムによってセンシングデータが解析され得る。サーバ２２は、クラウド上のサーバ、或いは、イントラネット上のサーバとすることができる。サーバ２２おいて解析されたセンシングデータは、サーバ２２とインターネット等の回線を介して接続されたパーソナルコンピュータ２３において、リアルタイムで表示され、軸封油の状態をリアルタイムでモニタリングし、軸封油の異常を検出した場合に警報を発するように構成することができる。

図５は、他の実施形態を示しており、電極１３の配置が図１の電極１３と異なる。図５では、軸封装置１１の上方位置に形成され、軸封装置１１から漏れた軸封油Ｌを溜めるリークオイル室２４が設けられており、電極１３は、リークオイル室２４内の軸封油の絶縁抵抗値を測定する。

本発明は、上記実施形態に限定解釈されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態においては、発光部及び受光部について、軸封油中に設ける配置としたが、オイル室に石英ガラス等で形成された光透過窓を入射側及び射出側の少なくとも一方に設けることにより、オイル室外から光透過窓を通じてオイル室内に光を入射させる構成とすることもできるし、オイル室内から光透過窓を通じてオイル室外に出射した光をオイル室外で受光する構成とすることもできる。また、図４では無線モジュールを利用した監視システムの例を示したが、例えば、オイルセンサのセンシングデータをオイルセンサと通信ケーブルで有線接続されたパソコンで受け取り、保存、解析、警告表示等することもできるし、水中ポンプの電力制御装置内にメモリ、ＣＰＵ等を有するマイコンを設置して、オイルセンサのセンシングデータを通信ケーブルで受信し、保存、解析、モニターへ警告表示等をする構成とすることもできる。

１ 水中ポンプ
４ ポンプ室
６ モータ室
１１ 軸封装置
１２ オイル室
１３ 電極
１４Ａ、１４Ｂ オイルセンサ
１５ 発光部
１６ 受光部
１７ 無線通信モジュール

Claims (9)

1. モータ室とポンプ室との間に介在するオイル室内でモータ軸を軸封する軸封装置の軸封油の状態を検出するためのオイルセンサを備える水中ポンプであって、
   前記オイルセンサは、軸封油に光を照射する発光部と、前記発光部からの透過光及び散乱光の少なくとも一方の強度を検出する受光部と、を含む、前記水中ポンプ。
2. 前記発光部及び前記受光部が前記オイル室内に配設されている、請求項１に記載の水中ポンプ。
3. 前記発光部が発光ダイオード又はレーザーダイオードの少なくとも一方を含み、前記受光部がフォトダイオードを含む、請求項１又は２に記載の水中ポンプ。
4. 前記オイルセンサは、軸封油の絶縁抵抗値を検出するための電極を更に含む、請求項１〜３の何れかに記載の水中ポンプ。
5. 前記オイルセンサの検出信号を送信する無線通信モジュールを更に備える、請求項１〜４の何れかに記載の水中ポンプ。
6. 請求項１〜５の何れかに記載の水中ポンプの監視システムであって、前記オイルセンサのセンシングデータをリアルタイムで監視する、前記水中ポンプの監視システム。
7. 前記透過光の強度から軸封油中の水分量の検出する、請求項６に記載の水中ポンプの監視システム。
8. 前記透過光の強度から軸封油の粘度を検出する、請求項６に記載の水中ポンプの監視システム。
9. 前記透過光及び前記散乱光の少なくとも前記散乱光の強度から軸封油中の異物の混入度合いを検出する、請求項６に記載の水中ポンプの監視システム。