JP2007154815A - 水中ポンプ用転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受の潤滑性能や回転性能を長期に亘って一定に維持することで、吸水口からポンプケーシングに吸い込んだ水を効率良く吐出口から吐き出すことが可能な水中ポンプ用転がり軸受を提供する。
【解決手段】ポンプケーシング内に回転自在に配置された羽根車と、羽根車が取り付けられた回転軸を回転自在に支持する複数の転がり軸受とを備え、転がり軸受は、互いに相対回転可能に対向配置された軌道輪(内輪１４、外輪１６)と、軌道輪間に転動自在に組み込まれた複数の転動体(玉)１８と、軸受両側に設けられた密封板32,34とを備える。羽根車寄りに位置する転がり軸受(玉軸受１２)において、少なくとも羽根車側の密封板３４は、基端３４ａが一方の軌道輪(外輪)に固定され、且つ、先端３４ｂが他方の軌道輪(内輪)に形成された環状のシール溝３６に対して周方向に接触する構造を成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば下水や浄水場などで用いられる水中ポンプにおいて、羽根車が取り付けられた回転軸を支持する転がり軸受に関し、特に密封されたシール構造を成す水中ポンプ用転がり軸受に関する。

従来から、例えば下水や浄水場などにおいて水没状態で用いられる種々の水中ポンプが知られている。その一例として図７(ａ)に示された水中ポンプは、吸水口２ａと吐出口２ｂとを有し、羽根車(インペラ)４が回転自在に配置されたポンプケーシング２と、ポンプケーシング２上に縦型に配設され、羽根車４が取り付けられた回転軸６を収容するハウジング８とを備えている。

ハウジング８は、回転軸６を制御するモータ(電動機)が収容されたモータ室８ａと、モータ室８ａとポンプケーシング２との間のハウジング８内に設けられたオイル室８ｂとを有して構成されている。この場合、回転軸６は、モータ室８ａからオイル室８ｂを通してポンプケーシング２内を垂直方向に沿って延出されており、その延出端に羽根車４が取り付けられている。図の構成例において、回転軸６は、モータ室８ａの上下側にそれぞれ配設された転がり軸受10,12で回転自在に支持されている。

なお、転がり軸受10,12としては、例えば図７(ｂ)に示すように、回転軸６に固定された内輪１４と、ハウジング８に固定された外輪１６と、内外輪間に転動自在に組み込まれた複数の転動体(玉)１８と、これら各転動体(玉)１８を１つずつ回転自在に保持する環状の保持器２０とを備えた玉軸受が適用されている。この場合、モータ室８ａの下側(羽根車４寄り)に配設された玉軸受１２には、非接触の鋼板シールド２２が設けられるのが一般的である。図の構成例において、上側(モータ室８ａ側)及び下側(オイル室８ｂ側)の鋼板シールド２２は、その基端(外径部)２２ａが外輪１６に固定され、その先端(内径部)２２ｂが内輪１４に向けて延出し、内輪１４に対して非接触状態に位置決めされている。

また、図７(ａ)に示すように、モータ室８ａに収容されたモータ(電動機)は、回転軸６に固定されたロータ(例えば、永久磁石)２４と、ロータ２４に対向してハウジング８に固定されたステータ(例えば、電磁石)２６とを備えている。一方、オイル室８ｂには、モータ室８ａを液密状態に密封するためのメカニカルシール２８が回転軸６に固定されていると共に、メカニカルシール２８の耐摩耗性や潤滑性などを高めるために所定量の潤滑剤(例えば、鉱油系の潤滑油)３０が封入されている。

このような水中ポンプにおいて、モータ(電動機)を駆動させて、ステータ(電磁石)２６のコイル(図示しない)に電流を流すと、電磁石２６とロータ(永久磁石)２４との磁気相互作用により、フレミングの左手の法則に従って永久磁石２４を介して回転軸６に回転力を与えることができる。このとき、回転軸６に取り付けられた羽根車４が当該回転軸６と共に回転することにより、吸水口２ａから吸い込まれた水Ｗ１は、ポンプケーシング２に沿って移動した後(Ｗ２)、吐出口２ｂから吐き出される(Ｗ３)。

ところで、オイル室８ｂに封入する潤滑剤量は、モータ駆動時(回転軸６の回転時)の熱膨張率を考慮して、オイル室全容量の約８０％程度に設定されており、オイル室８ｂの上部には空気溜まりが確保されている。このような状態で、モータ駆動時に回転軸６と共にメカニカルシール２８が回転した際、その遠心力作用により、潤滑剤がオイル室８ａの室壁方向へ過流状に押し付けられ、その中央部分(メカニカルシール２８周辺部分)に空気溜まりが集中する場合がある。この場合、メカニカルシール２８全体に亘って充分且つ均一な潤滑が困難になり、その結果、メカニカルシール２８(特に、摺動面)に対する潤滑冷却機能が早期に低下してしまう場合がある。

そこで、メカニカルシール２８の延命化を図るために、例えば特許文献１には、潤滑剤をメカニカルシールに沿って循環させることで、当該メカニカルシールに対する潤滑と冷却とを行う装置が提案されている。また、例えば特許文献２には、潤滑剤をメカニカルシールに沿って循環させるオイルリフタが提案されている。

しかしながら、このような延命化を施した場合でも、メカニカルシール２８の寿命は、例えば回転軸６を支持する転がり軸受(モータ室８ａの下側に配設された玉軸受１２)の寿命よりも短いのが現状である。この場合、長期使用によりメカニカルシール２８が磨耗すると、モータ室８ａを液密状態に密封することが困難になり、その結果、オイル室８ｂの潤滑剤(鉱油系の潤滑油)３０がメカニカルシール２８を通って玉軸受１２に侵入し、当該軸受の損傷や異音の発生、潤滑性能や回転性能の低下などを生じさせる場合がある。

具体的に説明すると、メカニカルシール２８が磨耗すると、吸水口２ａからポンプケーシング２に吸い込まれた水がオイル室８ｂに流入し、これにより潤滑剤３０がメカニカルシール２８を通って玉軸受１２の側面に達し、非接触の鋼板シールド２２から軸受内部に侵入する場合がある。このとき浸入した潤滑剤３０は、水やメカニカルシール２８の磨耗粉などの異物が混在した汚泥状態となっており、これにより軸受内部に封入されているグリースが洗い流されてしまうと、例えば潤滑不良により軸受内部の磨耗が増大したり、早期に焼き付きが生じたりすることで、玉軸受１２の潤滑性能や回転性能を長期に亘って一定に維持することが困難になってしまう。

また、軸受内部に異物が侵入した状態で玉軸受１２を回転させ続けると、転動体(玉)１８と内外輪14,16との間に入り込んだ異物(磨耗粉など)により、転動体(玉)１８の表面や内外輪14,16の軌道面が損傷したり、玉軸受１２の潤滑性能や回転性能が低下してしまう場合がある。そして、このまま軸受を使用し続けると、上述した軸受内部の磨耗が更に増大するだけで無く、例えば転動体(玉)１８の表面や内外輪14,16の軌道面の損傷が大きくなり、その結果、例えば回転軸６の振れ回りが発生することで羽根車４がポンプケーシング２に接触し、これにより、吸水口２ａから吸い込んだ水を効率良く吐出口２ｂから吐き出すことが困難になってしまう場合がある。

ところで、上述したような水中ポンプでは、メカニカルシール２８の寿命により異物が混在した潤滑剤３０が玉軸受１２近傍まで侵入するのを事前に防止するために、メカニカルシール２８の早期交換が必要となる。この場合、メカニカルシール２８の早期交換ができないと、玉軸受１２に浸入した潤滑剤３０により当該軸受の損傷や異音の発生、潤滑性能や回転性能の低下などの不具合を生じさせる場合がある。そこで、このような不具合を防止するために、例えば特許文献３,４に開示されたような軸受が提案されている。かかる軸受には、接触タイプの接触シール(図示しない)が設けられており、その先端(リップ)が内輪又は外輪の一方に摺接し、これにより異物の浸入防止が図れている。

また特に、縦型の水中ポンプに使用する軸受(例えば、上述した非接触の鋼板シールド２２や、特許文献３,４の接触シールを有する軸受)には、長期に亘って軸受の潤滑性能や回転性能を一定に維持するために、例えば油やグリースなどの潤滑剤(図示しない)が封入されている。この場合、水中ポンプの稼動中、モータ室８ａ内のモータ(電動機)からの発熱で軸受温度が上昇するため、例えば潤滑剤(特にグリース)の軟化や当該グリースを構成する基油の蒸発が生じ易い状態となる。更に、縦型で使用されることで、軸受内部に封入された潤滑剤(特にグリース)は、その自重で軸受下方に移動し易い状態となる。

かかる状態において、例えば基油が蒸発すると、グリース本来の潤滑性を持続させることが困難になり、その結果、長期に亘って軸受の潤滑性能や回転性能を一定に維持することができなくなってしまう場合がある。また、例えば潤滑剤(特にグリース)がその自重で軸受下方に移動すると、そこから軸受外部へ潤滑剤が漏洩し、軸受内部の潤滑剤の封入量が減少することで、長期に亘って軸受の潤滑性能や回転性能を一定に維持することができなくなって早期の焼き付きなどが生じる場合がある。
特開２００１−２０７９９５号公報 特開２００１−２０８２１４号公報 特開２００１−２００８５７号公報 特開２００５−６９４０４号公報

本発明は、このような問題を解決するためになされており、その目的は、軸受の潤滑性能や回転性能を長期に亘って一定に維持することで、吸水口からポンプケーシングに吸い込んだ水を効率良く吐出口から吐き出すことが可能な水中ポンプ用転がり軸受を提供することにある。

かかる目的を達成するために、本発明は、吸水口と吐出口とを有するポンプケーシング内に回転自在に配置された羽根車と、この羽根車が取り付けられた回転軸を回転自在に支持する複数の転がり軸受とを備えた水中ポンプ用転がり軸受であって、転がり軸受は、互いに相対回転可能に対向配置された軌道輪と、軌道輪間に転動自在に組み込まれた複数の転動体と、軸受両側にそれぞれ設けられた密封板とを備えており、羽根車寄りに位置する転がり軸受において、少なくとも羽根車側の密封板は、その基端が一方の軌道輪に固定され、且つ、その先端が他方の軌道輪に形成された環状のシール溝に対して周方向に接触する構造を成している。

本発明における水中ポンプにおいて、ポンプケーシング上に、回転軸を制御するモータが収容されたモータ室と、モータ室とポンプケーシングとの間に設けられたオイル室とを有するハウジングが縦型に配設されており、また、回転軸は、モータ室からオイル室を通してポンプケーシング内を垂直方向に沿って延出し、その延出端に羽根車が取り付けられていると共に、オイル室には、モータ室を液密状態に密封するためのメカニカルシールが回転軸に固定されている。

本発明の転がり軸受において、密封板の先端は、シール溝の外周に接触している。この場合、シール溝の外周には、所定の傾斜角度を成した環状の傾斜面が形成されている。また、本発明の転がり軸受において、密封板の先端は、シール溝の内周に接触している。この場合、シール溝の内周には、所定の傾斜角度を成した環状の傾斜面が形成されている。

また、本発明において、転がり軸受には、複数の転動体を１つずつ回転自在に保持する複数のポケットが形成された環状の保持器が設けられていると共に、当該軸受の潤滑性能及び回転性能を一定に維持するための潤滑剤が封入されており、潤滑剤は、環状の保持器の片面側であって且つ水中ポンプの羽根車側とは反対側の密封板と軌道輪間とで囲まれた領域に封入されている。この場合、環状の保持器は樹脂材料で成形されており、当該保持器の片面側には、複数の転動体を１つずつ各ポケットに挿入するための複数の開口部が形成されている。保持器の開口部は、水中ポンプの羽根車の反対側を向いている。

本発明によれば、軸受の潤滑性能や回転性能を長期に亘って一定に維持することで、吸水口からポンプケーシングに吸い込んだ水を効率良く吐出口から吐き出すことが可能な水中ポンプ用転がり軸受を実現することができる。

以下、本発明の一実施の形態に係る水中ポンプ用転がり軸受について、添付図面を参照して説明する。なお、本実施の形態は、上述した水中ポンプ(図７)に用いられた転がり軸受(特に、玉軸受１２)の改良であるため、以下では改良部分の説明にとどめる。

図１(ａ)には、本発明の実施品１に係る水中ポンプ用転がり軸受(玉軸受１２)の構成が示されている。この場合、モータ室８ａ側(図７(ａ))の密封板３２は、その基端(外径部)３２ａが外輪１６に固定され、その先端(内径部)３２ｂが内輪１４に向けて延出し、内輪１４に対して非接触状態に位置決めされた鋼板シールドとして構成されている。一方、羽根車４側(図７(ａ))の密封板３４は、心金入りでゴム製の接触シールとして構成されており、その基端(外径部)３４ａが外輪１６に固定され、その先端(ゴム製リップ)３４ｂがシール溝３６に対して周方向外側に接触している。

この場合、シール溝３６の外周(羽根車４側の周面)には、所定の傾斜角度αを成した環状の傾斜面３６ｓが形成されており、当該傾斜面３６ｓに対して密封板３４の先端(ゴム製リップ)３４ｂが接触(外側接触)している。ここで傾斜面３６ｓの傾斜角度αは、例えば回転軸６を直交する面Ｈに対する傾斜面３６ｓの成す角度αとして規定することができる。なお、密封板３４の先端(ゴム製リップ)３４ｂの形状としては、傾斜面３６ｓに対して例えば凸当りや面当りで接触するような形状を適用すれば良い。また、傾斜面３６ｓの傾斜角度αは、例えば玉軸受１２の大きさや形状、或いはシール溝３６の大きさや形状などに応じて任意に設定されるため、ここでは特に限定しない。

以上、実施品１に係る玉軸受１２によれば、メカニカルシール２８の磨耗により、水やメカニカルシール２８の磨耗粉などの異物が混在した潤滑剤(異物混在潤滑剤)３０が、例えば図１(ｂ)に示すように羽根車４側の密封板３４に達した場合でも、当該潤滑剤３０の軸受内部への侵入を確実に防止することができる。具体的に説明すると、潤滑剤３０が密封板３４に達すると、当該密封板３４には、その先端(ゴム製リップ)３４ｂをシール溝３６の傾斜面３６ｓから離間させようとする力が作用する。しかしながら、回転軸６と共に回転する内輪１４の遠心力により、先端(ゴム製リップ)３４ｂ寄りの潤滑剤３０には、当該潤滑剤３０を外径寸法の大きい側に移動させようとする力が作用する。

このような力が作用すると、先端(ゴム製リップ)３４ｂが傾斜面３６ｓ方向に引っ張られて圧接し、相互の接触状態が一定に保持されることになる。このため、異物混在潤滑剤３０が玉軸受１２内部に侵入するのを確実に防止することができる。この結果、当該軸受の損傷や異音の発生を生ずること無く、長期に亘って軸受の潤滑性能や回転性能を一定に維持することが可能となる。これにより、例えば回転軸６の振れ回りが発生することで羽根車４がポンプケーシング２に接触するといったような事態を生ずること無く、吸水口２ａから吸い込んだ水を長期に亘って効率良く吐出口２ｂから吐き出すことが可能な水中ポンプを実現することができる。

また、実施品１に係る玉軸受１２によれば、例えば水中ポンプ駆動時における軸受の温度上昇により、軸受内部に封入した潤滑剤が軟化し、その自重により下方(羽根車４側)の密封板３４に移動した場合でも、密封板３４から潤滑剤が軸受外部へ漏洩し難い。具体的に説明すると、当該密封板３４の先端(ゴム製リップ)３４ｂは、シール溝３６の傾斜面３６ｓに対して外側接触しているため、密封板３４へ移動した潤滑剤により、当該密封板３４には、その先端(ゴム製リップ)３４ｂを傾斜面３６ｓに圧接させようとする力が作用する。このとき、先端(ゴム製リップ)３４ｂと傾斜面３６ｓとの接触圧力が上昇することになる。これにより、密封板３４から潤滑剤が軸受外部へ漏洩するのを防止することが可能となり、軸受の潤滑性能や回転性能を長期に亘って一定に維持することができる。

更に、実施品１に係る玉軸受１２によれば、モータ室８ａ側の密封板３２を非接触の鋼板シールドとし、羽根車４側の密封板３４を接触シールとしたことで、羽根車４側の密封板３４のみが内輪１４に接触するシール構造となる。これにより、例えば起動時の摩擦トルクを小さくすることができるため、軸受の発熱抑制にも有効となる。

また、実施品１に係る玉軸受１２によれば、例えばメカニカルシール２８(図７(ａ))が磨耗した場合、玉軸受１２の性能(例えば、潤滑性能、回転性能)が低下する前に、メカニカルシール２８を交換することができる。この場合、メカニカルシール２８のみの交換で水中ポンプの性能を一定に確保することができるため、水中ポンプに対するメンテナンス費用を低減することが可能となる。

なお、本発明は、上述した実施品１に係る玉軸受１２の構成に限定されることは無く、実施品２に係る玉軸受１２として、例えば図１(ｃ)に示すように、玉軸受１２のモータ室８ａ側及び羽根車４側の双方に同様の接触シールとしての密封板３４を設けても良い。かかる構成によれば、上述した実施品１と同様の効果を実現することができると共に、本実施品２に係る玉軸受１２は、その上下(モータ室８ａ側、羽根車４側)の構成が対称形状となるため、水中ポンプに組み込む際の方向性を考慮するといった手間を無くすることができる。

また、図２(ａ)には、本発明の実施品３に係る水中ポンプ用転がり軸受(玉軸受１２)の構成が示されている。この場合、羽根車４側(図７(ａ))の密封板３８は、心金入りでゴム製の接触シールとして構成されており、その基端(外径部)３８ａが外輪１６に固定され、その先端(ゴム製リップ)３８ｂが、内輪１４に形成されたシール溝４０に対して周方向内側に接触している。なお、モータ室８ａ側(図７(ａ))の密封板３２は、上述した実施品１(図１(ａ))と同様の非接触の鋼板シールドであるため、その説明は省略する。

この場合、シール溝４０の内周(モータ室８ａ側の周面)には、所定の傾斜角度βを成した環状の傾斜面４０ｓが形成されており、当該傾斜面４０ｓに対して密封板３８の先端(ゴム製リップ)３８ｂが接触(内側接触)している。ここで傾斜面４０ｓの傾斜角度βは、例えば回転軸６を直交する面Ｈに対する傾斜面４０ｓの成す角度βとして規定することができる。なお、密封板３８の先端(ゴム製リップ)３８ｂの形状としては、傾斜面４０ｓに対して例えば凸当りや面当りで接触するような形状を適用すれば良い。また、傾斜面４０ｓの傾斜角度βは、例えば玉軸受１２の大きさや形状、或いはシール溝４０の大きさや形状などに応じて任意に設定されるため、ここでは特に限定しない。

以上、実施品３に係る玉軸受１２によれば、メカニカルシール２８の磨耗により、例えば水やメカニカルシール２８の磨耗粉などの異物が混在した潤滑剤(異物混在潤滑剤)３０が、例えば図２(ｂ)に示すように羽根車４側の密封板３８に達した場合でも、当該潤滑剤３０の軸受内部への侵入を防止することができる。具体的に説明すると、潤滑剤３０が密封板３８に達した状態において、回転軸６と共に回転する内輪１４の遠心力が働くと、先端(ゴム製リップ)３８ｂ寄りの潤滑剤３０には、当該先端(ゴム製リップ)３８ｂと傾斜面４０ｓとの間に入り込もうとする力が作用する。

しかしながら、これと同時に、先端(ゴム製リップ)３８ｂには、潤滑剤３０による押圧力も作用するため、当該先端(ゴム製リップ)３８ｂが傾斜面４０ｓに圧接し、相互の接触状態が一定に保持されることになる。このため、異物混在潤滑剤３０が玉軸受１２内部に侵入するのを防止することができる。この場合、防油効果としては、潤滑剤３０が先端(ゴム製リップ)３８ｂと傾斜面４０ｓとの間に入り込もうとする力が介在する関係上、上述した実施品１及び実施品２に比べて若干低下する場合がある。

また、実施品３に係る玉軸受１２によれば、モータ室８ａ側の密封板３２を非接触の鋼板シールドとし、羽根車４側の密封板３８を接触シールとしたことで、羽根車４側の密封板３８のみが内輪１４に接触するシール構造となる。これにより、例えば起動時の摩擦トルクを小さくすることができるため、軸受の発熱抑制にも有効となる。

なお、本発明は、上述した実施品３に係る玉軸受１２の構成に限定されることは無く、実施品４に係る玉軸受１２として、例えば図２(ｃ)に示すように、玉軸受１２のモータ室８ａ側及び羽根車４側の双方に同様の接触シールとしての密封板３８を設けても良い。このような構成によれば、上述した実施品３と同様の効果を実現することができると共に、本実施品４に係る玉軸受１２は、その上下(モータ室８ａ側、羽根車４側)の構成が対称形状となるため、水中ポンプに組み込む際の方向性を考慮するといった手間を無くすることができる。

また、上述した実施品１〜４に係る玉軸受１２において、接触シールとしての密封板34,38は、軸受内部の圧力変動に対処するため、空気穴(図示しない)を設ける構造が一般的である。しかしながら、メカニカルシール２８の磨耗により、例えば水やメカニカルシール２８の磨耗粉などの異物が混在した潤滑剤３０が密封板34,38に達した場合でも、当該潤滑剤３０の軸受内部への侵入を防止するために、空気穴無しの構造とすることが好ましい。この場合、他方の密封板は、空気の流通が可能な空気穴付き接触シールや、非接触シールとすることが好ましい。これにより、軸受内部の圧力変動による密封板の吸着現象や潤滑剤の押出し漏洩などを防止することができる。

ここで、上述した実施品１〜４に対して注油試験及び発熱試験を実施して、それぞれの試験評価について考察する。なお、かかる評価試験では、図７(ａ)に示す玉軸受１２を比較品とし、これに対しても同様の注油試験及び発熱試験を実施した。この場合、実施品１〜４並びに比較品に係る玉軸受１２は、外径を６２ｍｍ、内径を２５ｍｍ、幅を１７ｍｍに設定し、実施品１,２(図１(ａ))におけるシール溝３６の傾斜面３６ｓの傾斜角度αを３０°とし、実施品３,４(図２(ａ))におけるシール溝４０の傾斜面４０ｓの傾斜角度βを５°とした。なお、保持器２０として、鋼板打ち抜きの６３０５番を適用した。

また、実施品１〜４並びに比較品に係る玉軸受１２の潤滑剤の封入量は、３.５ｇ(軸受内部の空間容積の約３５％)に設定した。ここでは、潤滑剤としてグリースを適用し、当該グリースにおいて、ウレア系の増ちょう剤と、４０℃における動粘度が４８ｍｍ^２／ｓの合成炭化水素油の基油とを混合し、混和ちょう度を２５０に設定した。なお、増ちょう剤は、特にウレア系に限定されることは無く、例えばリチウム石鹸、ナトリウム石鹸、ベントナイト、ＰＴＦＥ、カーボンブラックなどを適用しても良い。また、基油は、合成炭化水素油に限定されることは無く、例えばエステル油、エーテル油、フッ素油、シリコーン油、鉱油などを適用しても良い。更に、添加剤も適宜使用することが可能である。

まず、注油試験について説明する。
図３(ａ)には、注油試験を行うための装置が示されており、かかる装置において、試験用油(潤滑油ＶＧ１０)４２が貯留された貯留槽４４上には、中空の本体ケース４６がねじ込み固定されている。なお、貯留槽４４には、その最上部から２０ｍｍの位置まで試験用油(潤滑油ＶＧ１０)４２が貯留されている。また、本体ケース４６内には、回転軸４８が回転自在に設けられており、当該回転軸４８には、貯留槽４４内に延出した注油軸５０が取り付けられている。なお、注油軸５０の表面には、螺旋状の注油溝５２が形成されている。この場合、上述した実施品１〜４並びに比較品に係る玉軸受１２は、それぞれ回転軸４８と本体ケース４６との間に組み込まれ、各軸受毎に複数回(例えば、５回)の注油試験が実施される。

注油試験に際して、実施品１〜４に係る玉軸受１２を回転軸４８と本体ケース４６との間に組み込む場合、密封板34,38が貯留槽４４側に対向するように、内輪１４を回転軸４８に固定すると共に、外輪１６を本体ケース４６に固定する。なお、比較品に係る玉軸受１２は、上下の密封板２２が同一であるため、組込方向を考慮する必要は無い。また、実施品１〜４並びに比較品に係る玉軸受１２を装置に組み込んだ状態において、当該軸受に負荷されるアキシアル荷重が４９Ｎとなるように設定した。

注油試験では、試験用油を充分に行き渡らせるために、回転軸４８を毎分３０００回転で１０分間慣らし運転した後、毎分３０００回転で３０分間本運転を行った。なお、この間の注油量は、毎分１９０ｇに安定させている。そして、注油試験終了後、貯留槽４４及び注油軸５０を取り外し、玉軸受１２を回転軸４８から取り出した後、軸受まわりに付着した試験用油を拭き取り、当該玉軸受１２の重量を測定することで、注油試験の評価を行った。

このときの評価では、重量増加が０.０５ｇ未満を優良と評価し、これを◎印で示し、重量増加が０.０５〜０.１ｇ未満を良と評価し、これを○印で示す。そして、重量増加が０.３ｇ以上を不良と評価し、これを×印で示す。この場合、重量増加が０.０５〜０.１ｇ未満を良と評価した理由は、軸受内部に封入された潤滑剤の軟化現象による軸受外部への漏洩がほとんど無いと予想されるからである。また、重量増加が０.３ｇ以上を不良と評価した理由は、軸受内部に封入された潤滑剤の軟化現象による軸受外部への漏洩が大きくなると予想されるからである。

図３(ｂ)には、注油試験の評価結果が示されており、これによれば、比較品１に係る玉軸受１２が全て不良と評価され、これに対して、実施品１〜４に係る玉軸受１２は、全て「良」以上の評価となっている。この結果、実施品１〜４の玉軸受１２の防油効果が比較品よりも優れていることが確認された。

次に、発熱試験について説明する。
図４(ａ)には、発熱試験を行うための装置が示されており、かかる装置において、実施品１〜４並びに比較品に係る玉軸受１２は、それぞれ、回転軸５４と軸受箱５６との間に組み込まれ、その内輪１４が押さえ蓋５８で回転軸５４に固定される。なお、このとき玉軸受１２に負荷されるラジアル荷重が４００Ｎとなるように設定した。

発熱試験では、回転軸５４を毎分３６００回転させた状態で、加熱ヒータ６０で加熱された雰囲気温度を雰囲気温度測定用熱電対６２で測定しつつ、外輪１６に接触させた軸受温度測定用熱電対６４で軸受温度を測定する。ここでは、回転軸５４の回転開始から２時間経過後の軸受温度を測定している。なお、雰囲気温度測定用熱電対６２は、軸受箱５６側面から約４０ｍｍの距離に固定されており、また、雰囲気温度は、１２０℃に保持されている。

このときの評価では、各軸受毎に複数回(例えば、５回)の発熱試験を行って、非接触シール構造を成す比較品の軸受温度の平均値と接触シール構造を成す実施品１〜４のそれぞれの軸受温度との差分を算出し、その算出結果に基づいて発熱試験を評価している。この場合、比較品の平均軸受温度に対する温度差が３℃未満を優良と評価し、これを◎印で示し、温度差が３〜５℃未満を良と評価し、これを○印で示す。なお、かかる評価結果は、軸受温度が１５℃上昇すると、軸受の焼き付き寿命が約１／２に半減するという事実に基づいており、温度差が３〜５℃未満(好ましくは、３℃未満)であれば焼き付き寿命の著しい減少を回避できる。

図４(ｂ)には、発熱試験の評価結果が示されており、これによれば、実施品１〜４に係る玉軸受１２は、全て「良」以上の評価となっている。この結果、実施品１〜４の玉軸受１２は、起動時の摩擦トルクが小さい非接触シール構造の比較品と同様に、高い発熱抑制効果を実現できることが確認された。

ところで、上述した水中ポンプ用転がり軸受(図１、図２)において、玉軸受１２内部に封入した潤滑剤(例えば、油やグリースなど)の封入方向について特に言及しなかったが、当該軸受の上方向に所定量の潤滑剤を封入することが好ましい。ここで、玉軸受１２の上方向とは、環状の保持器２０の一方の片面側であって且つ水中ポンプ(図７(ａ))の羽根車４側とは反対側の密封板(上側密封板)32,34,38と内外輪(軌道輪)14,16間とで囲まれた上方領域Ｐ１を指す(図１、図２)。一方、玉軸受１２の下方向とは、環状の保持器２０の他方の片面側であって且つ水中ポンプ(図７(ａ))の羽根車４側の密封板(下側密封板)34,38と内外輪14,16間とで囲まれた下方領域Ｐ２を指す(図１、図２)。

このように潤滑剤の封入方向を玉軸受１２の上方向(上方領域Ｐ１)に限定することで、水中ポンプ稼動中の軸受温度の上昇により例えば潤滑剤(特にグリース)の軟化や当該グリースの基油の蒸発が生じ、当該潤滑剤がその自重で徐々に軸受下方に移動するが、このとき内外輪14,16の軌道面や転動体(玉)１８、保持器２０のポケットの摩擦面、転がり接触面を通過する可能性が高いので、長期に亘って軸受の潤滑性能や回転性能を一定に維持することができる。具体的に説明すると、玉軸受１２の上方向(上方領域Ｐ１)に封入された潤滑剤は、当該軸受の回転に伴って保持器２０近傍及び上側密封板32,34,38の裏面(上方領域Ｐ１側の面)に多く付着堆積するため、摩擦面(例えば、転動体(玉)１８と内外輪14,16との摺接部分)の潤滑に充分な量の潤滑剤を長期に亘って供給し続けることができる。これにより軸受寿命の延命化による軸受の信頼性を向上させることができる。

そして、上述したような潤滑剤の封入方向の限定と共に、羽根車４側(図７(ａ))の下側密封板34,38を接触シールとして構成することで、玉軸受１２内部への異物(例えば、水やメカニカルシール２８の磨耗粉などの異物が混在した潤滑剤３０)の浸入や当該軸受に封入した潤滑剤(例えば、油やグリースなど)の軸受外部への漏洩を防止しつつ同時に、玉軸受１２の潤滑性能や回転性能を長期に亘って一定に維持することができる。この場合、メカニカルシール２８を交換するだけで、水中ポンプの性能を長期に亘って一定に確保することができるため、水中ポンプに対するメンテナンス費用を低減することができる。

このような効果は、玉軸受１２に適用する保持器２０の種類を問わず実現することが可能である。なお、保持器２０としては、例えば冠型保持器、鋼板打ち抜き保持器、樹脂材料や金属材料で形成された籾抜き保持器などを適用することができる。
ここで、保持器２０として樹脂製の冠型保持器(図５(ｃ))を適用した玉軸受１２を想定し、潤滑剤の封入方向とその効果について、図５(ａ),(ｂ)を参照して説明する。この場合、冠型保持器２０以外の玉軸受１２の構成は、図１(ｃ)の構成と同一とする。

図５(ａ),(ｃ)に示すように、玉軸受１２に適用した冠型保持器２０には、その片面側に、複数の転動体(玉)１８を１つずつ各ポケット２０ｂに挿入するための複数の開口部２０ａが形成されており、各開口部２０ａから転動体(玉)１８を１つずつポケット２０ｂに挿入することで、各ポケット２０ｂ内に転動体(玉)１８を回転自在に保持することができる。なお、冠型保持器２０を成形するための樹脂材料としては、例えば炭素繊維、ガラス繊維入りのナイロン(登録商標)、布入りフェノール樹脂やポリ四ふっ化エチレンなどを適用すれば良い。

このような冠型保持器２０を玉軸受１２に適用する場合、当該冠型保持器２０の片面側(複数の開口部２０ａが形成された側)を玉軸受１２の上方向(上方領域Ｐ１)に向けて配置することが好ましい(図５(ａ))。そして、当該開口部２０ａが形成された冠型保持器２０の片面側に広がる上方領域Ｐ１に所定量の潤滑剤(例えば、グリース)を封入する。なお、図５(ａ)は、当該玉軸受１２を水中ポンプの回転軸６(図７(ａ))に組み付けた姿勢をそのまま一部拡大して示している。また、図５(ａ)には、上方領域Ｐ１に封入された潤滑剤の封入状態がハッチングにより模式的に示されている。
この場合、水中ポンプの稼動に際し回転軸６が回転すると、これに伴って玉軸受１２も回転するが、その回転初期では、軸受内部に封入した潤滑剤が遠心力の作用を受けて攪拌され、冠型保持器２０の上部(開口部２０ａ近傍)及び上側密封板３４の裏面(上方領域Ｐ１側の面)に付着して安定する。

そして、このまま水中ポンプを稼動し続けて約１６時間経過後において、上側密封板３４の裏面に付着している潤滑剤の量は、下側密封板３４の裏面(下方領域Ｐ２側の面)に付着している潤滑剤の量よりも多かった。玉軸受１２の摩擦面(例えば、転動体(玉)１８と内外輪14,16との摺接部分)の潤滑性能は、上方領域Ｐ１に存する潤滑剤量に依存しているため、冠型保持器２０の上部及び上側密封板３４の裏面に付着している潤滑剤量が多くなることで、当該摩擦面に対して充分な量の潤滑剤を長期に亘って供給し続けることができる。

即ち、冠型保持器２０の上部に付着している潤滑剤は遠心力の作用を受け、また、上側密封板３４の裏面に付着している潤滑剤はその自重により摩擦面に順次供給され続ける。これにより、玉軸受１２の潤滑性能や回転性能を長期に亘って一定に維持することができる。なお、下側密封板３４の裏面に付着している潤滑剤は、その自重に逆らって摩擦面に供給されるようになるため、当該摩擦面に対する潤滑に寄与できる可能性は低い。

ここで、図５(ａ)に示す玉軸受１２(実施品)に対して回転試験を実施して、潤滑剤の付着量について検討する。かかる回転試験では、比較品としての玉軸受１２(図５(ｂ))を用意し、これに対しても同様の回転試験を実施し、その試験結果を比較した。なお、図５(ｂ)に示すように、比較品としての玉軸受１２には、冠型保持器２０がその片面側(複数の開口部２０ａが形成された側)を当該軸受の下方向(下方領域Ｐ２)に向けて配置されており、その下方領域Ｐ２に所定量の潤滑剤(例えば、グリース)を封入されている。また、図５(ｂ)には、下方領域Ｐ２に封入された潤滑剤の封入状態がハッチングにより模式的に示されている。

この場合、実施品及び比較品に係る玉軸受１２は、外径を６２ｍｍ、内径を３０ｍｍ、幅を１６ｍｍに設定し、冠型保持器２０として、熱可塑性プラスチックであるポリアミド６６をガラス繊維で強化した樹脂製の保持器(ＰＡ６６)の６２０６番を適用した。また、実施品及び比較品に係る玉軸受１２の潤滑剤の封入量は、約２.０ｇ(軸受内部の空間容積の約２５％)に設定した。ここでは、潤滑剤としてグリースを適用し、当該グリースにおいて、ウレア系の増ちょう剤と、４０℃における動粘度が４８ｍｍ^２／ｓの合成炭化水素油の基油とを混合し、混和ちょう度を２５０に設定した。なお、増ちょう剤は、特にウレア系に限定されることは無く、例えばリチウム石鹸、ナトリウム石鹸、ベントナイト、ＰＴＦＥ、カーボンブラックなどを適用しても良い。また、基油は、合成炭化水素油に限定されることは無く、例えばエステル油、エーテル油、フッ素油、シリコーン油、鉱油などを適用しても良い。更に、添加剤も適宜使用することが可能である。

図６(ａ)には、回転試験を行うための装置が示されており、この装置において、実施品及び比較品に係る玉軸受１２は、それぞれ回転軸６６と軸受箱６８との間に組み込まれ、その内輪１４が押え部材７０で回転軸６６に固定される。このとき玉軸受１２に負荷されるアキシアル荷重が４９Ｎとなるように設定した。なお、同図には、実施品の玉軸受１２が固定された状態が示されており、この場合、冠型保持器２０の開口部２０ａが上向きに配置される。これに対して、比較品の玉軸受１２を固定する場合には、冠型保持器２０の開口部２０ａが下向きに配置される(図示しない)。

回転試験では、まず、上側及び下側密封板３４の重量、及びヘキサンで洗浄した密封板無しの玉軸受１２の重量を予め測定した後、潤滑剤(グリース)を約２.０ｇ封入した。この場合、実施品では上方領域Ｐ１(図５(ａ))に潤滑剤(グリース)を封入し、比較品では下方領域Ｐ２(図５(ｂ))に潤滑剤(グリース)を封入する。次に、上側及び下側密封板３４を取り付けた後、上側及び下側密封板３４及び潤滑剤(グリース)を含めた玉軸受１２の総重量を測定する。そして、実施品及び比較品に係る玉軸受１２をそれぞれ回転軸６６に固定して回転試験を実施する。

回転試験において、室温環境下で回転軸６６を毎分３０００回転させた状態を１６時間連続させた後、玉軸受１２の総重量を測定した。また、上側及び下側密封板３４を外した玉軸受１２の重量も測定した。この場合、冠型保持器２０の開口部２０ａ近傍のグリース量は、玉軸受１２の総重量から上側及び下側密封板３４に付着したグリース量を差し引いた値とした。ここで、上側及び下側密封板３４に付着したグリース量は、回転試験後に測定した上側及び下側密封板３４の重量から回転試験前に予め測定した上側及び下側密封板３４の重量を減算することで算出することができる。

図６(ｂ)には、上述したような回転試験を実施品及び比較品について複数回(例えば、５回)を行った試験結果が示されている。かかる試験結果から明らかなように、実施品に係る玉軸受１２では、冠型保持器２０の近傍及び上側密封板３４の裏面に付着している潤滑剤量(グリース付着量)は、全て比較品に係る玉軸受１２に比べて高い数値を維持していることがわかる。これは、比較品の玉軸受１２では、下方領域Ｐ２(図５(ｂ))に潤滑剤(グリース)が封入されているため、上側密封板３４の裏面に付着する潤滑剤量が少なく、逆に下側密封板３４の裏面に付着する潤滑剤量が多くなったことが原因と考えられる。

以上、回転試験によれば、潤滑剤の封入方向を玉軸受１２の上方向(上方領域Ｐ１)に限定することで、冠型保持器２０の開口部２０ａ近傍及び上側密封板３４の裏面(上方領域Ｐ１側の面)に多くの潤滑剤(グリース)を付着堆積させることが可能となり、これにより摩擦面(例えば、転動体(玉)１８と内外輪14,16との摺接部分)の潤滑に充分な量の潤滑剤を長期に亘って供給し続けられることが確認された。そして、羽根車４側(図７(ａ))の下側密封板３４を接触シールとして構成することで、玉軸受１２内部への異物(例えば、水やメカニカルシール２８の磨耗粉などの異物が混在した潤滑剤３０)の浸入や当該軸受に封入した潤滑剤(グリース)の軸受外部への漏洩を防止しつつ同時に、玉軸受１２の潤滑性能や回転性能を長期に亘って一定に維持することができることも確認された。

(ａ)は、本発明の実施品１に係る水中ポンプ用転がり軸受の一部構成を拡大して示す断面図、(ｂ)は、羽根車側の密封板に潤滑剤が作用した状態を示す図、(ｃ)は、本発明の実施品２に係る水中ポンプ用転がり軸受の一部構成を拡大して示す断面図。 (ａ)は、本発明の実施品３に係る水中ポンプ用転がり軸受の一部構成を拡大して示す断面図、(ｂ)は、羽根車側の密封板に潤滑剤が作用した状態を示す図、(ｃ)は、本発明の実施品４に係る水中ポンプ用転がり軸受の一部構成を拡大して示す断面図。 (ａ)は、転がり軸受に対する注油試験を行うための装置構成を示す図、(ｂ)は、注油試験の評価結果を示す図。 (ａ)は、転がり軸受に対する発熱試験を行うための装置構成を示す図、(ｂ)は、発熱試験の評価結果を示す図。 (ａ)は、保持器の開口部側の上側領域に潤滑剤を封入した実施品に係る転がり軸受の一部構成を拡大して示す断面図、(ｂ)は、保持器の開口部側の下側領域に潤滑剤を封入した比較品に係る転がり軸受の一部構成を拡大して示す断面図、(ｃ)は、冠型保持器の構成を示す斜視図。 (ａ)は、転がり軸受に対する回転試験を行うための装置構成を示す図、(ｂ)は、回転試験の試験結果を示す図。 (ａ)は、水中ポンプの構成例を示す図、(ｂ)は、水中ポンプに用いられた従来の比較品に係る転がり軸受の一部構成を拡大して示す断面図。

符号の説明

１２ 玉軸受(転がり軸受)
１４ 内輪
１６ 外輪
１８ 転動体(玉)
32,34 密封板
３６ シール溝

Claims (9)

1. 吸水口と吐出口とを有するポンプケーシング内に回転自在に配置された羽根車と、この羽根車が取り付けられた回転軸を回転自在に支持する複数の転がり軸受とを備えた水中ポンプ用転がり軸受であって、
   転がり軸受は、互いに相対回転可能に対向配置された軌道輪と、軌道輪間に転動自在に組み込まれた複数の転動体と、軸受両側にそれぞれ設けられた密封板とを備えており、
   羽根車寄りに位置する転がり軸受において、少なくとも羽根車側の密封板は、その基端が一方の軌道輪に固定され、且つ、その先端が他方の軌道輪に形成された環状のシール溝に対して周方向に接触する構造を成していることを特徴とする水中ポンプ用転がり軸受。
2. ポンプケーシング上には、回転軸を制御するモータが収容されたモータ室と、モータ室とポンプケーシングとの間に設けられたオイル室とを有するハウジングが縦型に配設されており、
   回転軸は、モータ室からオイル室を通してポンプケーシング内を垂直方向に沿って延出し、その延出端に羽根車が取り付けられていると共に、オイル室には、モータ室を液密状態に密封するためのメカニカルシールが回転軸に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の水中ポンプ用転がり軸受。
3. 密封板の先端は、シール溝の外周に接触していることを特徴とする請求項１又は２に記載の水中ポンプ用転がり軸受。
4. シール溝の外周には、所定の傾斜角度を成した環状の傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の水中ポンプ用転がり軸受。
5. 密封板の先端は、シール溝の内周に接触していることを特徴とする請求項１又は２に記載の水中ポンプ用転がり軸受。
6. シール溝の内周には、所定の傾斜角度を成した環状の傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の水中ポンプ用転がり軸受。
7. 転がり軸受には、複数の転動体を１つずつ回転自在に保持する複数のポケットが形成された環状の保持器が設けられていると共に、当該軸受の回転性能及び潤滑性能を一定に維持するための潤滑剤が封入されており、潤滑剤は、環状の保持器の片面側であって且つ水中ポンプの羽根車側とは反対側の密封板と軌道輪間とで囲まれた領域に封入されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の水中ポンプ用転がり軸受。
8. 環状の保持器は樹脂材料で成形されており、当該保持器の片面側には、複数の転動体を１つずつ各ポケットに挿入するための複数の開口部が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の水中ポンプ用転がり軸受。
9. 保持器の開口部は、水中ポンプの羽根車の反対側を向いていることを特徴とする請求項８に記載の水中ポンプ用転がり軸受。
   

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