特開 2023-41484 水中ポンプ監視システム及び水中ポンプ監視方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023041484

(43)【公開日】2023-03-24

(54)【発明の名称】水中ポンプ監視システム及び水中ポンプ監視方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/59 20060101AFI20230316BHJP

   G01N 21/47 20060101ALI20230316BHJP

   F04D 13/08 20060101ALI20230316BHJP

   F04D 29/046 20060101ALI20230316BHJP

   G01N 21/49 20060101ALI20230316BHJP

【ＦＩ】

G01N21/59 C

G01N21/47 B

F04D13/08 B

F04D29/046 A

G01N21/49 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021148886

(22)【出願日】2021-09-13

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り Ｔｈｅ １６ｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｎａｎｏ／Ｍｉｃｒｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ＆ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ナノ／マイクロ 工学及び分子システムに関する第１６回ＩＥＥＥ国際会議）において令和３年４月２５日に予稿集及びポスターにて発表

(71)【出願人】

【識別番号】504150461

【氏名又は名称】国立大学法人鳥取大学

(71)【出願人】

【識別番号】000143961

【氏名又は名称】株式会社桜川ポンプ製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100129540

【弁理士】

【氏名又は名称】谷田 龍一

(74)【代理人】

【識別番号】100137648

【弁理士】

【氏名又は名称】吉武 賢一

(72)【発明者】

【氏名】李 相錫

(72)【発明者】

【氏名】松永 忠雄

(72)【発明者】

【氏名】水谷 文和

(72)【発明者】

【氏名】下村 通生

【テーマコード（参考）】

2G059

3H130

【Ｆターム（参考）】

2G059AA05

2G059BB04

2G059BB09

2G059CC09

2G059CC19

2G059EE01

2G059EE02

2G059FF04

2G059FF07

2G059GG01

2G059GG02

2G059HH02

2G059KK01

2G059MM01

2G059MM05

3H130AA03

3H130AA27

3H130AB13

3H130AB46

3H130AC07

3H130AC08

3H130BA41E

3H130BA52E

3H130BA90E

3H130DA02Z

3H130DB01Z

3H130DB15X

3H130DD01Z

3H130DF01X

3H130DF03X

3H130DH05X

(57)【要約】

【課題】 水中ポンプの軸封装置の軸封油中で水分が増加しているのか或いは鉄粉や泥等の微粒子が増加しているのかを判定することができる水中ポンプ監視システム及び水中ポンプ監視方法を提供する。
【解決手段】 水中ポンプ監視システムは、水中ポンプの軸封油に光を照射する発光部１５と、軸封油Ｌを介して発光部１５の光を検出するように設けられた受光部１６と、受光部１６が受光した光の強度変化が、指数関数に従うか或いはべき関数に従うかを判定することにより、軸封油Lに水分が混入しているか或いは非透光性の微粒子が混入しているかを判定する判定部と、を備える。
【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水中ポンプの軸封油に光を照射する発光部と、
前記軸封油を介して前記発光部の光を検出するように設けられた受光部と、
前記受光部が受光した光の強度変化が、指数関数に従うか或いはべき関数に従うかを判定することにより、前記軸封油に水分が混入しているか或いは非透光性の微粒子が混入しているかを判定する判定部と、
を備える、水中ポンプ監視システム。

【請求項2】

前記発光部が赤色光を発光する、請求項１に記載の水中ポンプ監視システム。

【請求項3】

発光部から水中ポンプの軸封油に光を照射するステップと、
前記軸封油を介して前記発光部の光を検出するステップと、
検出した光の強度変化が、指数関数に従うか或いはべき関数に従うかを判定することにより、前記軸封油に水分が混入しているか或いは非透光性の微粒子が混入しているかを判定するステップと、
を含む、水中ポンプ監視方法。

【請求項4】

前記発光部が赤色光を発光する、請求項３に記載の水中ポンプ監視方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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の軸封油の状態を判定し、監視するシステム及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、水中ポンプ１Ｐは、例えば図１３に示すように、インペラ２を収容し吸込口３と吐出口４とを有するポンプ室５と、ポンプ室５を形成しているケーシング５ａ上に連結されたモータ台６と、モータ台６とそれに連結されたモータフレーム７ａにより形成されたモータ室７と、モータ室７内に固定されたステータ８と、モータ軸９を備えるロータ１０と、モータ台６の下部に形成された凹部６ａを閉じるシールハウジング１１と、シールハウジング１１で閉じられたモータ台６の凹部６ａ内でモータ軸９に装着された軸封装置（メカニカルシール）１２と、を備え、凹部６ａがシールハウジング１１によって閉じられてオイル室１３が形成され、オイル室１３に軸封油Ｌが満たされ、軸封油Ｌに軸封装置１２が浸かっている。

【0003】

軸封装置１２は消耗部品であるため定期的な交換がなされるが、定期交換前に軸封装置１２に劣化が進むと、水中ポンプの故障につながる。

【0004】

この種の水中ポンプにおいて最も多い故障は、軸封装置１２の劣化によって、オイル室１３内に水、或いは、金属粉や泥等の微粒子が混入することによるものである。

【0005】

従来では、本来は絶縁体である軸封油Ｌに電極１４を挿入し、電極１４とアース（接地されているモータフレーム７ａ）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）。

【0006】

しかしながら、軸封油の絶縁抵抗値を測定する浸水検知方法のみでは軸封油への鉄粉等の金属粉の混入を水分と明確に検知することができず、また、軸封油への泥の微粒子を検知することができないため、本発明者等は、先に、軸封油に光を照射する発光部と、前記発光部から軸封油を通った光の強度を検出する受光部とを備えるオイルセンサを用いて、受光した光の強度変化を検出することにより、軸封油への金属粉や泥等の微粒子の混入を検出し得る水中ポンプ監視システムを提案した（特許文献３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００２－３１００９１号公報

【特許文献2】特開昭５４－１０８３号公報

【特許文献3】特開２０１９－２０３７９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、上記従来の監視システムにおいて、水分が増加している場合も受光強度が変化する場合があり、水分によって受光強度が変化しているのか、或いは鉄粉等の異物の増加によって受光強度が変化しているのかが判定困難な場合があった。

【0009】

そこで、本発明は、水中ポンプの軸封装置の軸封油中で水分が増加しているのか或いは鉄粉や泥等の微粒子が増加しているのかを判定することができる水中ポンプ監視システム及び水中ポンプ監視方法を提供することを主たる目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る水中ポンプ監視システムは、水中ポンプの軸封油に光を照射する発光部と、前記軸封油を介して前記発光部の光を検出するように設けられた受光部と、前記受光部が受光した光の強度変化が、指数関数に従うか或いはべき関数に従うかを判定することにより、前記軸封油に水分が混入しているか或いは非透光性の微粒子が混入しているかを判定する判定部と、を備える。

【0011】

また、本発明の一態様に係る水中ポンプ監視方法は、発光部から水中ポンプの軸封油に光を照射するステップと、前記軸封油を介して前記発光部の光を検出するステップと、検出した光の強度変化が、指数関数に従うか或いはべき関数に従うかを判定することにより、前記軸封油に水分が混入しているか或いは非透光性の微粒子が混入しているかを判定するステップと、を含む。

【0012】

前記発光部は、赤色光を発光する発光部とすることが好ましい。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、前記受光部の受光強度の強度変化が指数関数に従うか、べき関数に従うかを判定することにより、軸封油の水分が増加しているか水分以外の微粒子が増加しているかを区別することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明に用いられる水中ポンプの一実施形態を示す中央縦断面図である。

【図2】図１の水中ポンプの測定回路の一実施形態を示す回路図である。

【図3】図１の一部を拡大して示す拡大断面図である。

【図4】模擬試験装置を示す概略構成図である。

【図5】軸封油中の鉄粉増加量と受光強度との関係を示すグラフである。

【図6】軸封油中の鉄粉増加量と受光強度との関係を示すグラフである。

【図7】軸封油中の鉄粉増加量と受光強度との関係を示すグラフである。

【図8】軸封油中の水分増加量と受光強度との関係を示すグラフである。

【図9】軸封油中の水分増加量と受光強度との関係を示すグラフである。

【図10】軸封油中の水分増加量と受光強度との関係を示すグラフである。

【図11】本発明に係る水中ポンプの監視システムにおける判定処理プロセスを示すフローチャートである。

【図12】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ズである。

【図13】従来の水中ポンプを示す中央縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明に係る水中ポンプの監視システムの一実施形態について、以下に図１～図１２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同符号を付した。

【0016】

図１は、本発明に係る水中ポンプの監視システムを具備する水中ポンプの一実施形態を示す縦断面図である。図１を参照して、水中ポンプ１は、ロータ１０及びステータ８が収容されるモータ室７と、吸込口３及び吐出口４が形成されインペラ２が収容されるポンプ室５と、モータ室７とポンプ室５との間に配置されたオイル室１３と、ロータ１０に接続され、モータ室７からオイル室１３を貫通してポンプ室５内に延びるモータ軸９と、オイル室１３内でモータ軸９を軸封する軸封装置１２と、を備えている。

【0017】

オイル室１３内に軸封油Ｌが封入されている。水中ポンプ１は、軸封油Ｌに光を照射する発光部１５と、発光部１５から発せられた光を、軸封油Ｌを介して受光するように配置された受光部１６と、を備えている。受光部１６は、発光部１５から発せられた光を受光してその受光強度に応じた信号を出力する。

【0018】

発光部１５は、発光ダイオードで構成されている。発光部１５は、発光ダイオードに代えて、レーザーダイオード等の他の発光素子を採用することもできる。受光部１６は、フォトダイオードで構成されている。受光部１６は、フォトトランジスタ等の光検出器を用いることもできる。

【0019】

受光部１６が受けた光は、受光強度に対応した電流として出力される。図２は、受光部１６の出力を測定する測定回路１７であり、抵抗Ｒ２の電圧を電圧計Ｖで測定することで、受光部１６が受光した光の強度を測定する。電圧計Ｖの測定データは、データロガーＤに記録される。

【0020】

発光部１５は、図３を参照して、オイル室１３内に垂下固定された第１支持体１８に取り付けられている。発光部１５は、図示例の第１支持体１８に限らず、適宜手段によってオイル室内１３に配設することができる。

【0021】

また、発光部１５は、オイル室１３の外部に配置することも可能である。その場合、オイル室１３を構成する壁面の一部に透過窓（図示せず。）を設け、前記透過窓を通してオイル室１３内に光が入射するように発光部１５をオイル室１３の外部に配設し得る。

【0022】

受光部１６は、図３を参照して、オイル室内１３に垂下固定された第２支持体１９に取り付けられている。第２支持体１９は、第１支持体１８と離間して、平行に配置されている。受光部１６は、図示例の第２支持体１９に限らず、適宜手段によってオイル室１３内に配設することができる。

【0023】

また、発光部１５と同様に、受光部１６をオイル室１３の外部に配置することも可能である。その場合は、オイル室１３を構成する壁面の一部に透過窓（図示せず。）を設け、前記透過窓を通してオイル室１３から出射した光を受光するように、受光部１６をオイル室１３の外部に配設し得る。

【0024】

受光部１６の受光強度と軸封油中の水分又は鉄粉との関係について、模擬試験装置を用いた試験について説明する。

【0025】

図４は、模擬試験装置２０の概略構成を示す。測定回路は、図２と同様であり、電圧ＶＣＣを５Ｖ、抵抗Ｒ１を１ｋΩ、抵抗Ｒ２を１０ｋΩとした。試験条件は以下の通りである。

【0026】

発光部１５：ＯｐｔｏＳｕｐｐｌｙ社製発光ダイオード、型番ＯＳ５ＲＫＡ３１３１Ａ、中心波長６２４ｎｍ
受光部１６：浜松フォトニクス株式会社製フォトダイオード、型番Ｓ７１８３、感度波長範囲３００～１０００ｎｍ
発光部１５と受光部１６との距離：６ｃｍ
発光部１５及び受光部１６は、軸封油Ｌを満たした容器２１内に設置された支持体２２、２３にそれぞれ固定されている。

【0027】

先ず、容器２１に満たした１．８Ｌの軸封油に、鉄粉を０ｇから０．６ｇまで０．１ｇずつ、０．６ｇ～１ｇまで０．２ｇずつを増加及び混入し、撹拌機２４を２０００ｒｍｐに設定して攪拌しながら受光部の電圧測定を行った。また、この測定を水が０ｍｌ、１０ｍｌ、２０ｍｌ混入した場合においても行った。

【0028】

測定結果を図５～図７に示す。図５は水が０ｍｌ、図６は水が１０ｍｌ、図７は水が２０ｍｌである。図５～図７のグラフは、受光部１６の出力をプロットし、近似曲線を表示している。図５～図７の近似曲線は、何れも指数関数で近似されている。

【0029】

発光部１５の光が鉄粉にあたることで反射、散乱し、その結果、受光部１６に届く光は減衰し、出力（電圧）は低下する。さらに、混入する鉄粉が増えることでこの現象はより多く起こるため、上記の試験結果になると考えられる。ランベルト・ベールの法則より、下記式が成立する。

【0030】

【数1】

ここで、Ｉは入射後の光の強度、Ｉ_０は入射前の光の強度、αは吸収係数、ｘは媒質の距離、εはモル吸光係数、ｃはモル濃度である。

【0031】

図５～図７の近似曲線より、受光部１６の出力（電圧）を測定回路１７で測定することにより、軸封油中に混入した鉄粉の量を推定し得る。図５の近似曲線は、水が０ｇの場合、以下の式２で表される。

【0032】

【数2】

ここで、ｙは電圧（Ｖ）、ｘは鉄粉の量（ｇ）である。この式２を変形し、下記式３を得る。

【0033】

【数3】

発光部１５の出力（電圧）を測定し、式３を用いることで、混入した鉄粉の量を推定することができる。

【0034】

次に、上記模擬実験装置を用いて、容器２１に軸封油を１．８Ｌ入れ、水を５ｍｌ、１０ｍｌ、２０ｍｌ、３０ｍｌ、４０ｍｌ、８０ｍｌ混ぜ、撹拌機２４の回転数を２０００ｒｐｍに設定して攪拌しながら、電圧計Ｖの電圧を測定した。この測定を、鉄粉を０ｇ、０．１ｇ、０．５ｇを混入した場合の其々について測定した結果を、図８～図１０に示す。図８は鉄分混入量が０ｇの場合、図９は鉄分混入量が０．１ｇの場合、図１０は鉄分混入量が０．５ｇの場合を其々示している。

【0035】

図８～図１０のグラフは、水分量を増加するにつれて電圧が減少する傾向を示している。目視では識別困難な軸封油中の水分量であるが、受光した光の電圧には明確な差異がある。即ち、受光部（フォトダイオード）の出力（電圧）を測定することで、軸封油に含まれる水分量を読み取ることが可能である。これは、水と軸封油とが完全に混ざらないことと吸収スペクトルに起因していると考えられる。更に、水は赤色光を吸収しやすい性質があるため、赤色発光ダイオードの光を攪拌された水が吸収し、電圧が低下したと考えられる。図８～図１０のグラフは、何れも、べき関数によって近似されている。

【0036】

上記の試験結果より、受光部１６の出力が、べき関数に従って減少していく場合は軸封油中に水分が増加していると判定できる。一方、受光部１６の出力が指数関数に従って減少している場合は、軸封油Ｌ中に鉄粉等の光を通さずに反射、散乱させる異物（微粒子）が増加していると判定することができる。なお、水分には、淡水又は海水が含まれる。水以外の光を通さない（非透光性）の微粒子には、鉄粉等の金属粉の他、泥の粒子が含まれる。

【0037】

上記判定が判定部２５（図２）において実行される。判定部２５は、ＣＰＵ、メモリ、タイマー回路等（図示せず。）を備えることができ、測定回路１７で測定された受光強度（電圧信号）の測定データをデータロガーＤから受け取り、メモリに記憶されたアプリケーション（解析ソフト）に用いて測定データをＣＰＵで演算処理して、軸封油Ｌ中の水分が増加しているのか鉄分等の異物が増加しているのかの判定処理を行うことができる。

【0038】

図１１は、判定部２５における判定処理を示すフローチャートである。ステップＳ１において、判定部２５は、測定回路１７の電圧出力Ｖ１を所定の時間間隔ｔで読み込み、記憶する。ステップＳ２において、判定部２５は、出力Ｖ１が所定の閾値迄、低下したか否かを判定する。ステップＳ３において、出力Ｖ１が所定の閾値以下になった時に、最小二乗法等による近似関数を計算し生成する。ステップＳ４において、生成された近似関数から、近似関数が指数関数かべき関数かを判定することにより、軸封油中に水分が増加しているか、或いは鉄粉等の水分以外の異物（微粒子）が増加しているかを、判定する。判定結果は、モニターに表示することができる。

【0039】

鉄粉等の微粒子（固形物）が軸封油中に増加していると判断される場合は、軸封装置（メカニカルシール）の状態が悪化している可能性が高いと考えられるため、水中に設置されている水中ポンプを水中から引き上げて早期に点検することにより、軸封装置が故障する前にメンテナンスを行うか否かを判断することができる。一方、鉄粉の増加でなく、水分の増加と判断された場合は、早急に点検する必要は無いが、水分が大量に含まれる場合はモータ室へ浸水する恐れがあるため、ある閾値を設けて、水分量が閾値を超えた時に水中ポンプを点検することができる。

【0040】

水中ポンプ監視システムの一実施形態において、水中ポンプ１は、受光部１６の信号出力を送信する無線通信モジュール２６（図１）を備える。無線通信モジュール２６は、図１に示すようにモータ室７内に設置することもできるし、或いは、図示しないが、水中ポンプ１の外部に有線接続することもでき、例えば水中ポンプ１を制御する電力制御装置２７（図１２）内に設置することもできる。モータ室７内に無線通信モジュール２６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。

【0041】

受光部１６の測定回路１７からの測定データは、データロガーに記憶され、無線通信モジュール２６によって無線送信され、図１２に示すように、ゲートウェイ２８、モバイル通信基地局２９を介して、ネットワーク回線３０を通じてサーバ３１に送られ、サーバ３１に保存され得る。サーバ３１内に記憶された測定データは、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３２に読み込まれ、パーソナルコンピュータ３２にインストールされたソフトウェアによって解析され、軸封油中に水分が増加しているか、水分以外の鉄分等の非透光性の微粒子が増加しているかを判定することができる。

【0042】

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。

【符号の説明】

【0043】

１ 水中ポンプ
５ ポンプ室
７ モータ室
１２ 軸封装置
１３ オイル室
１５ 発光部
１６ 受光部
２５ 判定部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】