JP2013050188A - 水冷式の軸受構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高温環境下で使用される軸受構造であって、熱負荷に起因する突発的な故障を防止することができ、軸受構造を含む設備を用いた作業において安定的な操業を可能とする水冷式の軸受構造を提供すること。
【解決手段】軸受構造を、回転軸と、回転軸の両端部をそれぞれ支持する一対の軸受本体と、前記回転軸と軸受本体との摺動面に供給される潤滑油と、を備え、前記軸受本体内には、冷却水を流通させる内部冷水路が形成されており、前記内部冷水路は、少なくとも二本の水路が、下記ａ）からｃ）を満たす位置に形成されていることを特徴とする水冷式の軸受構造とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転体を支持する水冷式の軸受構造に関する。更に詳しくは、高温環境下で好適に用いることのできる水冷式のすべり軸受構造に関する。

従来より、例えば乾燥加熱された焼鉱を高温状態のまま搬送するパン型コンベア、エプロン型コンベア設備等、高温環境下で使用される回転機械の軸受として使用される軸受として、円筒状の摺動面で回転軸を支持し潤滑油の供給によって摺動面と回転軸の摩擦を和らげて回転軸を円滑に回転させるすべり軸受が用いられてきた。

しかし、従来のすべり軸受は、摺動面の磨耗とともに回転軸の回転が不円滑となり、軸受の寿命が短く、頻繁に交換する必要があった。このような問題を解決する軸受として、ベアリング構造によって回転軸を円滑に回転させる転がり軸受が提案されている（特許文献１参照）。

回転軸の軸受の使用態様の一例である上記のパン型コンベア、エプロン型コンベア設備等の駆動装置においては、高温の焼鉱による輻射熱の影響を受け、軸受及び回転軸の温度は３００℃程度の高温となる。このような環境下での継続的使用によれば、軸受内の潤滑油は蒸発して枯渇状態となり、それに起因してベアリングボールが破損する等の突発的な故障が避けられない。

そこで、すべり軸受に冷媒の循環路を設けて軸受内或いは軸受表面に冷媒を循環させることによって、軸受構造に対する熱負荷を低減するすべり軸受が提案されている（特許文献２参照）。

特開平５−２３９５９２号公報 特開２００４−９２８７８号公報

ここで、高温環境下で使用される軸受、とりわけ、回転軸をその両端において一対の軸受で支持する軸受構造においては、当然、軸受における熱源からの距離が小さい部分、即ち、軸受の側面のうち回転軸が延出する側である熱源側の側面に特に高い熱負荷がかかる。高温環境下で使用される軸受は、この高い熱負荷のかかる部分を特に効率よく冷却できるものであることが望ましいが、特許文献２に記載のすべり軸受は、その点については、何らの考慮もされておらず、その構成は軸受全体を平均的に冷却するか、或いは熱源との距離は考慮されていない任意の一部分のみを冷却可能な構成となっている。このような冷却構造によっては、回転軸をその両端において一対の軸受で支持する軸受構造においては、高温環境下での継続的使用で特に高い熱負荷のかかる部分を充分に保護しえず、これに起因する突発的な故障が防止しきれない。

本発明は、高温環境下で使用される軸受構造であって、熱負荷に起因する突発的な故障を防止することができ、軸受構造を含む設備を用いた作業において安定的な操業を可能とする水冷式の軸受構造を提供することを目的とする。

本発明者らは、水冷式軸受構造において、軸受本体内に設ける内部冷水路を、熱源に近い側の一熱源側側面近傍に形成されていて、且つ、内部冷水路を構成する二本の水路が摺動面近傍に摺動面の外周を挟んで略平行に形成されている構成とすることにより、特に熱負荷の高い部分を重点的に冷却しながら軸受構造を効率よく冷却することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のものを提供する。

（１） 回転軸と、回転軸の両端部をそれぞれ支持する一対の軸受本体と、前記回転軸と軸受本体との摺動面に供給される潤滑油と、を備え、前記軸受本体内には、冷却水を流通させる内部冷水路が形成されており、前記内部冷水路は、少なくとも二本の水路が、下記ａ）からｃ）を満たす位置に形成されていることを特徴とする水冷式の軸受構造。
ａ）前記回転軸の軸方向に対して直交する方向
ｂ）前記軸受本体内における前記回転軸が延出する側の熱源側側面の近傍
ｃ）前記摺動面の外周近傍を挟んで略平行に形成

（２） 前記二本の水路をそれぞれ含む、互いに平行な一の水平面と他の水平面があり、それぞれの平面内において、前記水路と連通する他の水路が内部冷水路として形成されている（１）に記載の軸受構造。

（３） 前記内部冷水路を構成する全ての水路が直線状に形成されている請求項（１）又は（２）に記載の軸受構造。

（４） 前記一の水平面内の水路と、前記他の水平面内の水路とを連通させる外部冷水路を更に備える（１）から（３）のいずれかに記載の軸受構造。

（５） （１）から（４）のいずれかに記載の軸受構造の冷却方法であって、前記内部冷水路に、冷却水を流通させることによって、前記軸受本体の温度を１００℃以下に維持し、前記潤滑油として、上限使用温度が１３０℃以下の潤滑油を用いることを特徴とする軸受構造の冷却方法。

本発明によれば、水冷式の軸受構造の耐熱耐久性を向上させて、高温環境下での継続的な使用における突発的な故障を防止し、例えば、高温の焼鉱の搬送等を伴う作業における操業の安定性を大きく高めることができる。

水冷式の軸受構造の全体構造を示す斜視図である。 水冷式の軸受構造を構成する一方の軸受本体及び回転軸の斜視図である。 水冷式の軸受構造を構成する一方の軸受本体の回転軸が延出する側の面の正面図である。 水冷式の軸受構造を構成する一方の軸受本体の内部冷水路の構成を示す軸受本体の断面図である。

＜水冷式の軸受構造＞
まず、図１及び図２を参照しながら、本発明の水冷式の軸受構造の全体構造について説明する。図１に示す通り、水冷式の軸受構造１は、金属性のブロック体からなる一対の軸受本体２、円筒状若しくは円柱状の金属性の回転軸３を備えるすべり軸受構造である。回転軸３の両端部は、それぞれ軸受本体２によって、回転可能に支持されている。

軸受本体２は、冷却水を流通させるための内部冷水路４を備える金属製のブロック体である。軸受本体２を構成する金属の種類としては、普通鋼、各種の特殊鋼、或いは銅等を特に限定されずに用いることができるが、伝熱性とコスト面において優れる普通鋼を好ましく用いることができる。軸受本体２の形状は、回転軸３を回転可能に支持しうる大きさ、形状、強度を備えるものであり、内部冷水路４を後に詳述する通りの構成で形成可能なものである限り、特定の形状に限定されない。軸受本体２と回転軸３との摺動面２１には、潤滑油供給手段６より潤滑油６１が供給されており、回転軸３の回転を円滑に行えるようにしている。

軸受本体２の内部には冷却水の通路となる内部冷水路４が形成されており、軸受本体２の外部には、内部冷水路４を構成する複数の水路を軸受本体２の外部において連通させる外部冷水路５が設けられている。本発明の特徴である内部冷水路４及び外部冷水路５を含む冷水路の構成の詳細については、後に改めて詳細を説明する。

又、軸受本体２には潤滑油供給手段６が設けられており、この潤滑油供給手段６から摺動面２１に回転軸３の回転を円滑化するための潤滑油６１が供給される。潤滑油６１の種類は特に限定されないが、後に詳述する通り、水冷式の軸受構造１においては、内部冷水路４に冷却水を流通させて軸受本体２を冷却し、軸受本体２の温度を１００℃以下に維持できるため、高温環境下用の上限使用温度の高い潤滑油よりも低コストで入手可能な上限使用温度の低い低温環境下用の潤滑油を好ましく用いることができる。

水冷式の軸受構造１においては、軸受本体２に対して回転軸３が延出する側の方向に熱源があるため、軸受本体２における、回転軸３が延出する側の熱源側側面２２の近傍に特に高い熱負荷がかかる。本発明の水冷式の軸受構造１は、この熱源側側面２２の近傍を特に重点的に冷却することで、水冷式の軸受構造の耐熱耐久性を効果的に向上させたものである。

次に、図２〜図４を参照しながら、本発明の特徴である内部冷水路４と外部冷水路５からなる冷水路の構造について説明する。内部冷水路４は、軸受本体２の内部に回転軸３の軸方向に対して直交する方向に形成される直交水路４１と、更に回転軸３の軸方向に略平行な方向に直交水路４１と連通するように形成される平行水路４２とからなる。

直交水路４１は、二本即ち一対の熱源側直交水路４１１を含んで形成される。熱源側直交水路４１１は、図２〜図４に示す通り、回転軸３の軸方向に対して直交する方向に形成され、軸受本体２における回転軸３が延出する側の熱源側側面２２の近傍に、摺動面２１の外周近傍を挟んで略平行に形成される。具体的には、熱源側直交水路４１１と熱源側側面２２との間の距離が一例として２５ｍｍ、或いは５〜５０ｍｍの範囲となるように熱源側直交水路４１１が形成されることが好ましい。５ｍｍ未満とすると、熱源側直交水路４１１の破損による水漏れに繋がる危険があり、５０ｍｍを超えると、高い熱負荷がかかる熱源側側面２２の近傍の冷却が不充分となる。このような範囲の位置に、熱源側直交水路４１１を形成することにより、特に熱負荷の高くかかる部分を充分に冷却することができ、軸受本体２の冷却効果を効率よく高めることができる。

図４は、内部冷水路４の構成を示す軸受本体２の断面図である。図４（ａ）は図３における水平面Ｘ、図４（ｂ）は図３における水平面Ｙ、それぞれの断面における内部冷水路４の構成を示している。図３及び図４に示す通り、熱源側直交水路４１１以外のその他の内部冷水路４については、二本の熱源側直交水路４１１をそれぞれ含む、互いに平行な一の水平面Ｘと他の水平面Ｙ内において、熱源側直交水路４１１と連通するように形成される。

非熱源側直交水路４１２については、回転軸３の軸方向に対して直交する方向に、摺動面２１の外周近傍を挟んで略平行に形成される。本実施形態においては、非熱源側直交水路４１２は、熱源側側面２２と対向する非熱源側側面２３の近傍に二本即ち一対のみ形成されているが、これに限らず複数対の非熱源側直交水路４１２が軸受本体２内の熱源側側面２２近傍以外の任意の位置に形成されたものであってもよい。

平行水路４２は、図２〜図４に示す通り、二本の熱源側直交水路４１１をそれぞれ含む水平面Ｘ及びＹ内において、直交水路４１と連通するように形成される。直交水路４１及び平行水路４２をこのように構成とすることにより内部冷水路４は、複数の水路が回転軸近傍で直交し且つ連通している冷水路となり、最小限の冷水路によって効率よく軸受本体２の全体を効率よく冷却することができる。又、内部冷水路４を軸受本体２において摺動面２１の上下に位置する水平面Ｘ及びＹ内にそれぞれ形成する構成とすることにより、例えば軸受本体２を構成する金属ブロックを摺動面２１の上下において分割可能な構成とすることもできる。そのような構成とすることにより、必要に応じて操業途中に上下それぞれの金属ブロックの再配置を自在に行うことが可能であり、軸受本体の耐久性を向上させることができる。

上記説明した内部冷水路４は、いずれも摺動面２１の近傍に形成されることが好ましい。具体的には、内部冷水路４と摺動面２１との間の距離は、一例として２５ｍｍ、或いは５〜５０ｍｍの範囲となるように、内部冷水路４が形成されることが好ましい。５ｍｍ未満とすると、摺動面２１の破損に繋がる危険があり、５０ｍｍを超えると、回転軸３の重量と熱による負荷がかかる摺動面２１の冷却が不充分となる。上記範囲の位置に、内部冷水路４を形成することにより、軸受本体２を効果的に冷却することができる。

上記説明した内部冷水路４は、いずれも直線状に形成されることが好ましい。内部冷水路４を直線状とする場合には、軸受本体２を構成する金属性ブロックにそれぞれの水路の形成位置、形成方向に直線的に機械処理により水路を貫通させる処理を行い、更に直交水路４１については外部冷水路５と接続しない直交水路開孔部分４１０、平行水路４２については全ての平行水路開孔部分４２０を、普通鋼性のプラグ等によって漏水しないように完全に塞ぐことにより、直交水路４１及び平行水路４２内が連通してなる内部冷水路４を形成することが可能である。

軸受本体２に形成される内部冷水路４を直線状の水路のみの組合せからなる構成とすることにより、軸受本体２を構成する金属ブロック内の好ましい任意の位置及び方向に内部冷水路４を容易に形成することができる。この水路の形成方法によれば、例えば、冷水路を備えない既存の金属性の軸受に水路を形成する加工処理を施して、本発明の水冷式の軸受構造１とすることも可能である。

尚、軸受本体２となる金属ブロックに予め金属性のパイプを鋳込むことによって内部冷水路４を形成することも可能であり、この場合は、必ずしも全ての内部冷水路を直線状としなくとも、本発明の水冷式の軸受構造とすることができる。

外部冷水路５は、図１〜図４に示す通り、一の水平面内に形成される一の内部冷水路４と他の水平面内に形成される他の内部冷水路４とを連通させるように設けられる。軸受本体２の表面に形成される内部冷水路４の末端の開孔部に、冷却水を注入或いは排出するための外部冷水路５を接続することにより、冷却水が流通可能な一連の冷水路を形成することができる。外部冷水路５としては、例えば、公知の耐熱性樹脂からなるゴムホース、或いは金属製の水道管等を適宜用いることができる。一連の冷水路には、冷却水の注水と排水を連続的に行うことによって冷却水を流通させてもよいし、或いは、一連の冷水路内に冷却水を繰り返し再冷却しながら循環させるものとしてもよい。

＜軸受構造の冷却方法＞
以上説明した軸受構造１によれば、内部冷水路４に冷却水を流通させることによって、軸受本体２の温度を１００℃以内に維持することができる。本実施形態においては、図２〜４に示す外部冷水路５のａ方向から注水し、外部冷水路５のｂ方向へと排出する。又、排出した冷却水を、必要に応じて最冷却した後に再度ａ方向へと注入することにより、冷却水を間断なく循環させることもできる。

従来、高温環境下で使用する軸受構造においては、上限使用温度の高い高温用潤滑油の使用が必須であったが、本発明の軸受の冷却方法によれば、高温環境下においても、熱源近傍部分を中心に軸受本体２を効率よく冷却してその温度を低温に維持することができるため、上限使用温度が１３０℃以下である低温用の潤滑油を用いることができる。低温用の潤滑油は、一般的に高温用の潤滑油よりも調達コストが安いため、本発明の軸受構造の冷却方法を用いることにより、軸受構造を含む設備の操業におけるランニングコストを従来よりも低く抑えることができる。

ここで、潤滑油の上限使用温度とは、ＩＳＯ基準に従って各潤滑油ごとに規定されている使用温度の上限をいうものとする。低温用の潤滑油の具体例として、例えば、モリＬＧグリース（住鉱潤滑剤株式会社製）を本発明の軸受構造の冷却方法において好ましく用いることができる。

以上の水冷式の軸受構造１及びそれを用いた軸受構造の冷却方法によれば、以下のような効果を奏する。

（１） 水冷式の軸受構造１を、回転軸３と、回転軸３の両端部をそれぞれ支持する一対の軸受本体２と、前記回転軸３と軸受本体２との摺動面２１に供給される潤滑油６１と、を備え、軸受本体２内には、冷却水を流通させる内部冷水路４が形成されており、内部冷水路４は、少なくとも二本の熱源側直交水路４１１が熱源側側面２２近傍の所定の条件を満たす位置に形成される構成とした。これにより、高温環境下で使用される水冷式の軸受構造１において、特に高い熱負荷のかかる軸受本体２の熱源側側面２２を重点的に冷却することにより、軸受本体２の温度を低温に維持することができる。よって、水冷式の軸受構造１は、潤滑油の蒸発枯渇による回転軸３の突発破損が生じなくなり、摩耗による軸受本体２の交換頻度も低減することができる。

（２） 更に二本の直交水路４１をそれぞれ含む、互いに平行な一の水平面と他の水平面があり、それぞれの平面内において、直交水路４１と連通する直線状の平行水路４２が形成されているものとした。このような構成により、軸受本体２の全体を効率よく冷却することができる。

（３） 内部冷水路４を構成する全ての水路を直線状とした。このような内部冷水路４は、同一水平面内で直線上の水路を貫通させ後に不要な開孔部を塞ぐことで形成可能であるため、軸受本体２を構成する金属ブロック内部に簡易な機械加工により容易に形成することができる。

（４） 複数の内部冷水路４どうしを連通させる外部冷水路５を更に備えるものとした。これにより、冷水路全体を一連の水路として冷却水を間断なく流通させることができる。

（５） 軸受構造の冷却方法を、水冷式の軸受構造１の内部冷水路４に、冷却水を循環させることによって、軸受本体２の温度を１００℃以下に維持し、潤滑油として、上限使用温度が１３０℃以下の潤滑油６１を用いる方法とした。これにより、コストの安い低温用の潤滑油の使用が可能となり、軸受構造を含む設備の操業におけるランニングコストを従来よりも低く抑えることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限るものではない。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施例に記載されたものに限定されるものではない。

本発明の水冷式の軸受構造１は、高温環境下で使用され、回転軸と回転軸の両端を支持する軸受構造として使用でき、特に、パン型コンベア若しくはエプロン型コンベアとして好適に使用できる。

本発明の軸受構造によって、冷却開始前に１５０〜２００℃であった軸受本体２の温度は、冷却開始後には４０〜５０℃に低下した。これにより約半年程度で破損していた軸受本体２は、潤滑油６１が蒸発枯渇しないため突発破損が生じなくなり、消耗による軸受本体２の交換までの期間も１年程度にまで延長することができるようになった。

１ 軸受構造
２ 軸受本体
２１ 摺動面
２２ 熱源側側面
３ 回転軸
４ 内部冷水路
４１ 直交水路
４１０ 直交水路開孔部分
４１１ 熱源側直交水路
４１２ 非熱源側直交水路
４２ 平行水路
４２０ 平行水路開孔部分
５ 外部冷水路
６ 潤滑油供給手段
６１ 潤滑油

Claims (5)

1. 回転軸と、
   回転軸の両端部をそれぞれ支持する一対の軸受本体と、
   前記回転軸と軸受本体との摺動面に供給される潤滑油と、を備え、
   前記軸受本体内には、冷却水を流通させる内部冷水路が形成されており、
   前記内部冷水路は、少なくとも二本の水路が、下記ａ）からｃ）を満たす位置に形成されていることを特徴とする水冷式の軸受構造。
   ａ）前記回転軸の軸方向に対して直交する方向
   ｂ）前記軸受本体内における前記回転軸が延出する側の熱源側側面の近傍
   ｃ）前記摺動面の外周近傍を挟んで略平行に形成
2. 前記二本の水路をそれぞれ含む、互いに平行な一の水平面と他の水平面があり、それぞれの水平面内において、前記二本の水路と連通する他の水路が内部冷水路として形成されている請求項１に記載の軸受構造。
3. 前記内部冷水路を構成する全ての水路が直線状に形成されている請求項１又は２に記載の軸受構造。
4. 前記一の水平面内の水路と、前記他の水平面内の水路とを連通させる外部冷水路を更に備える請求項１から３のいずれかに記載の軸受構造。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の軸受構造の冷却方法であって、
   前記内部冷水路に、冷却水を流通させることによって、前記軸受本体の温度を１００℃以下に維持し、
   前記潤滑油として、上限使用温度が１３０℃以下の潤滑油を用いることを特徴とする軸受構造の冷却方法。

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