JP2017036761A - 軸受装置および回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸の周速が高い場合であっても、オイルリングにより十分な量の潤滑油を軸受へ供給することができ、回転軸の周速に対して広い適用範囲を有する軸受装置を提供する。【解決手段】軸受装置９は、回転軸１の軸方向荷重および／または半径方向荷重を支持する軸受９Ａ，９Ｂと、軸受９Ａ，９Ｂの下方に配置される潤滑油貯槽１０と、回転軸１に支持され、該回転軸１の回転に伴って潤滑油貯槽１０に貯留される潤滑油をかき上げるオイルリング２０と、を備える。オイルリング２０が回転軸１の外周面と接触する接触面２４は、撥油性材料により構成されている。【選択図】図６

Description

本発明は、横軸ポンプなどの回転機械に用いられる軸受装置に関し、特に、回転軸とともに回転するオイルリングにより軸受に潤滑油を供給する軸受装置に関する。また、本発明は、このような軸受装置を備えたポンプなどの回転機械に関する。

回転軸が水平に設置された横軸式の回転機械（例えば、横軸ポンプ）は、回転軸を回転自在に支持する軸受装置を備えている。軸受は、通常、すべり軸受および／または転がり軸受が用いられ、このような軸受を潤滑および冷却するための潤滑剤として、潤滑油が用いられている。軸受へ潤滑油を供給する手段としては、外部動力を用いた強制給油装置、または外部動力を用いない自己潤滑装置が挙げられる。

自己潤滑装置では、軸受装置内部で回転軸の下方に配置された潤滑油貯槽から回転軸とともに回転するオイルリングの回転力を利用して潤滑油をかき上げるオイルリング式自己潤滑装置が知られている（特許文献１および特許文献２参照）。オイルリングによりかき上げられた潤滑油が軸受に供給される。オイルリング式自己潤滑装置は、保守管理および取扱が容易であるという利点を有する。

特開昭５８−１７８０９３号公報 特開平３−１８６６１２号公報

しかしながら、従来のオイルリング式自己潤滑装置では、回転軸の外周面の周方向速度（以下、単に周速という）が上昇し過ぎると、オイルリングの回転が回転軸の回転に追随できなくなる。すなわち、回転軸の回転速度と比較してオイルリングの回転速度が低すぎるため、オイルリングは、十分な量の潤滑油を軸受に供給できなくなる。その結果、回転軸と軸受との間に存在する油膜が破断してしまうという問題があった。このような理由から、オイルリング式の自己潤滑装置を採用する横軸ポンプには、回転軸の周速の上限が必然的に存在する。

本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、回転軸の周速が高い場合であっても、オイルリングにより十分な量の潤滑油を軸受へ供給することができ、回転軸の周速に対して広い適用範囲を有する軸受装置を提供することを目的とする。また、本発明はこのような軸受装置を備えた回転機械を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するための本発明の一態様は、回転軸の軸方向荷重および／または半径方向荷重を支持する軸受と、前記軸受の下方に配置される潤滑油貯槽と、前記回転軸に支持され、前記回転軸の回転に伴って前記潤滑油貯槽に貯留される潤滑油をかき上げるオイルリングと、を備え、前記オイルリングが前記回転軸の外周面と接触する接触面は、撥油性材料により構成されていることを特徴とする軸受装置である。

本発明の好ましい態様は、前記オイルリングの内周面には、該オイルリングの周方向に延びる溝が形成されており、前記接触面は、前記オイルリングの内周面の、前記溝が形成されていない領域から構成されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記オイルリングの内周面には、該オイルリングの周方向に沿って配列された複数の凹部が形成されており、前記接触面は、前記オイルリングの内周面の、前記凹部が形成されていない領域から構成されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記オイルリングの内周面は、多孔質材料からなる多孔質層により構成され、前記接触面は、前記多孔質層が有する孔または空隙を塞がないように前記撥油性材料がコーティングされた前記多孔質層の表面により構成されることを特徴とする。

本発明の他の態様は、回転軸と、前記回転軸を回転自在に支持する上記軸受装置と、を備えたことを特徴とする回転機械である。

さらに、本発明の他の態様は、回転軸と、前記回転軸に固定された羽根車と、前記回転軸を回転自在に支持する上記軸受装置と、を備えたことを特徴とするポンプである。

本発明によれば、オイルリングが回転軸の外周面と接触する接触面が撥油性材料により構成されているので、該接触面から潤滑油がはじかれる。その結果、オイルリングの接触面と回転軸の外周面との間の摩擦力が大きくなるので、回転軸の周速が高い場合であっても、オイルリングは回転軸とともに高い回転速度で回転することができる。したがって、オイルリングにより十分な量の潤滑油を軸受へ供給することができ、回転軸の周速に対して広い適用範囲を有する軸受装置を提供することができる。また、本発明は、このような軸受装置を備えたポンプなどの回転機械を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る軸受装置を備えた横軸単段ポンプの一例を示す断面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る軸受装置を備えた横軸多段ポンプの一例を示す断面図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る軸受装置の構造を示した断面図である。 図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。 図５は、オイルリングの一例を示した斜視図である。 図６は、図５に示したオイルリングの断面図である。 図７は、別の例に係るオイルリングの一部分を示した斜視図である。 図８は、さらに別の例に係るオイルリングの断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る軸受装置を備えた横軸単段ポンプの一例を示す断面図である。図１に示される回転機械としての横軸単段ポンプ１００は、羽根車２と、この羽根車２が固定される回転軸１とを有している。回転軸１は水平に延びている。回転軸１の一端は図示しない電動機などの駆動機に連結されており、この駆動機によって回転軸１および羽根車２が回転されるようになっている。また、回転軸１は、その両端部近傍に設けられた軸受装置９，９に回転自在に支持されている。

羽根車２はポンプケーシング５内に配置されている。図１に示すポンプケーシング５はその内部に渦巻き室５ａを有しており、羽根車２は渦巻き室５ａの内部に配置されている。回転軸１の回転とともに羽根車２が回転すると、吸込口３から水などの液体が吸い込まれ、羽根車２と渦巻き室５ａの作用により液体の圧力が上昇されて、液体が吐出口４から吐き出される。

図示した例における羽根車２は、その両側から液体を吸い込む両吸込構造を有している。羽根車２の液体入口には、口金２Ａ，２Ｂがそれぞれ取り付けられている。これら口金２Ａ，２Ｂの直径を互いに異なるように設計することで、圧力差によるスラスト力を回転軸１の一方向に作用させ、回転軸１を安定させた状態で回転させることができる。このスラスト力は、軸受装置９のスラスト軸受９Ａで支持されるようになっている。スラスト軸受９Ａは、回転軸１の両方向に作用するスラスト力を受けることができる複列転がり軸受である。このスラスト軸受９Ａに潤滑油を供給するために、スラスト軸受９Ａの、回転軸１の軸端部側に、オイルリング２０が配置されている。

このスラスト軸受９Ａに加えて、回転軸１の両側端部近傍には２つのラジアル軸受９Ｂが配置されている。これら２つのラジアル軸受９Ｂと、１つのスラスト軸受９Ａの合計３つの軸受で回転軸１は支持される。本実施形態では、ラジアル軸受９Ｂにはスリーブ型のすべり軸受が用いられている。このスリーブ型のラジアル軸受９Ｂの内部には、ラジアル軸受９Ｂの軸受面と回転軸１の外周面との間に潤滑油を供給する２つのオイルリング２０が配置されている。

図２は、本発明の一実施形態に係る軸受装置を備えた横軸多段ポンプの一例を示す断面図である。図２に示される回転機械としての横軸多段ポンプ１００は、複数の羽根車２と、これら羽根車２が固定される回転軸１を有している。回転軸１は水平に延びている。複数の羽根車２は、回転軸１上に直列に配列されていて、これら羽根車２のそれぞれを囲むように複数のディフューザ６が配置される。回転軸１の一端は図示しない電動機などの駆動機に連結されており、この駆動機によって回転軸１および羽根車２が回転されるようになっている。また、回転軸１は、その両端部近傍に設けられた軸受装置９，９に回転自在に支持されている。

羽根車２はポンプケーシング５内に配置されている。回転軸１の回転とともに複数の羽根車２が回転すると、吸込口３から水などの液体が吸込まれ、羽根車２とディフューザ６との作用により、液体の圧力が上昇されて液体が吐出口４から吐き出される。複数の羽根車２は同じ方向を向いて配列されているため、隣り合う羽根車２間の圧力差により生じるスラスト力が羽根車２の枚数分重なりあい、大きなスラスト力が発生する。このスラスト力は、横軸多段ポンプ１００内に設けられたバランス装置７により相殺されるが、過渡運転時などにはある程度のスラスト力が残留する。この残留スラスト力は、軸受装置９のスラスト軸受９Ａで支持される。スラスト軸受９Ａは、回転軸１の両方向に作用するスラスト力を受けることができる複列転がり軸受である。このスラスト軸受９Ａに潤滑油を供給するために、スラスト軸受９Ａの、回転軸１の軸端部側に、オイルリング２０が配置されている。

このスラスト軸受９Ａに加えて、回転軸１の両側端部近傍には、回転軸１の半径方向荷重を支持する２つのラジアル軸受９Ｂ，９Ｂが配置されている。これら２つのラジアル軸受９Ｂ，９Ｂと、１つのスラスト軸受９Ａの合計３つの軸受で回転軸１は支持される。本実施形態では、ラジアル軸受９Ｂ，９Ｂにはスリーブ型のすべり軸受が用いられている。このスリーブ型のラジアル軸受９Ｂの内部には、ラジアル軸受９Ｂの軸受面と回転軸１の外周面との間に潤滑油を供給する２つのオイルリング２０が配置されている。これらの回転軸１の両端部近傍に配置される軸受装置９，９の構成は、図１に示した横軸単段ポンプと同様である。

図１および図２に示した横軸ポンプ１００いずれの場合も、回転軸１はポンプケーシング５を貫通して延びている。回転軸１とポンプケーシング５との間の隙間は、メカニカルシールなどの軸封装置８，８によってシールされている。したがって、羽根車２によって昇圧された液体が軸受装置９，９に浸入することはない。

図３は、本発明の一実施形態に係る軸受装置の構造を示した断面図である。図３に示されるように、この軸受装置９は、水平に延びる回転軸１の軸方向荷重および半径方向荷重を支持するスラスト軸受９Ａと、回転軸１の半径方向荷重を支持するラジアル軸受９Ｂと、を有する。本実施形態のスラスト軸受９Ａには、２つのアンギュラ玉軸受３１，３２により構成された複列転がり軸受が使用され、ラジアル軸受９Ｂにはスリーブ型のすべり軸受が用いられている。

スラスト軸受９Ａおよびラジアル軸受９Ｂの下方には、潤滑油貯槽１０が配置されており、この潤滑油貯槽１０に貯留される潤滑油の油面が、符号１０Ａが付された点線で示されている。なお、潤滑油貯槽１０内の油面１０Ａが一定になるように、潤滑油量は管理されている。潤滑油貯槽１０の下方には冷却ジャケット２７が設けられており、冷却ジャケット２７を流れる冷却液によって潤滑油貯槽１０内の潤滑油が冷却される。冷却ジャケット２７の代わりにフィンつきの空冷構造を採用してもよい。あるいは、潤滑油貯槽１０内に、冷却液チューブを挿入して潤滑油を直接冷やす構造としてもよい。

図３に示されるように、スラスト軸受９Ａの、回転軸１の軸端部側に、該スラスト軸受９Ａに潤滑油を供給するためのオイルリング２０が配置されている。スリーブ型のラジアル軸受９Ｂの内部には、ラジアル軸受９Ｂの軸受面と回転軸１の外周面との間に潤滑油を供給する２つのオイルリング２０が配置されている。

図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。図４に示されるように、オイルリング２０は、アンギュラ玉軸受３１，３２の外輪を固定する固定部材１６に形成された隙間１６Ａを通された状態で、回転軸１に支持される。オイルリング２０は、潤滑油貯槽１０（図３参照）に貯留される潤滑油にその下部を浸した状態で、回転軸１に支持されている。オイルリング２０は、回転軸１の回転に伴って回転し、これにより、潤滑油貯槽１０に貯留される潤滑油をかき上げる。オイルリング２０によってかき上げられた潤滑油は、回転軸１を介してスラスト軸受９Ａに供給される。

ラジアル軸受９Ｂにも、オイルリング２０を通す隙間が設けられており、オイルリング２０は、該隙間を通った状態で、回転軸１に支持される。オイルリング２０は、回転軸１の回転に伴って回転し、これにより潤滑油貯槽１０に貯留される潤滑油をかき上げる。オイルリング２０によってかき上げられた潤滑油は、ラジアル軸受９Ｂの軸受面と回転軸１の外周面との間に供給される。

図５は、オイルリング２０の一例を示した斜視図である。図６は、図５に示したオイルリング２０の断面図である。図５および図６に示されるオイルリング２０は、図３に示されるように、スラスト軸受９Ａの、回転軸１の軸端部側と、スリーブ型のラジアル軸受９Ｂの内部とに配置される。図５および図６に示されるように、オイルリング２０の内周面には、２本の溝２８が形成されている。溝２８は、オイルリング２０の周方向に沿って、該オイルリング２０の内周面の全周にわたって延びている。溝２８の数は、１本でもよいし、３本以上であってもよい。オイルリング２０の内周面の、溝２８が形成されていない領域が、回転軸１に接触する接触面２４を構成する。

オイルリング２０が回転軸１とともに回転して、該オイルリング２０が潤滑油貯槽１０の液面１０Ａから離れるとき、オイルリング２０の内周面に形成された溝２８に、潤滑油を溜めることができる。溝２８に溜められた潤滑油は、回転するオイルリング２０により、回転軸１の上部まで運ばれる。溝２８に溜められた潤滑油が回転軸１の上部に接触することにより、潤滑油が溝２８から回転軸１上に流出し、その後、軸受９Ａ，９Ｂに供給される。

図６に示されるように、オイルリング２０の接触面２４は、撥油性材料から構成されている。より具体的には、オイルリング２０の接触面２４は、撥油性材料からなる膜３３から構成されている。撥油性材料は、潤滑油をはじくことができる材料の総称であり、例えば、親水性高分子材料や、テフロン（登録商標）などのフッ素樹脂である。オイルリング２０に撥油性材料を塗布することにより、膜３３を形成することができる。撥油性材料からなるシートをオイルリング２０に貼り付けることにより、膜３３を形成してもよい。

本実施形態によれば、オイルリング２０が回転軸１の外周面と接触する接触面２４が撥油性材料からなる膜３３により構成されているので、該接触面２４から潤滑油がはじかれる。その結果、オイルリング２０の接触面２４と回転軸１の外周面との間の摩擦力が大きくなるので、回転軸１の周速が高い場合であっても、オイルリング２０は高い回転速度で回転軸１とともに回転することができる。したがって、オイルリング２０により十分な量の潤滑油を軸受９Ａ，９Ｂへ供給することができ、回転軸１の周速に対して広い適用範囲を有する軸受装置９を提供することができる。

溝２８の底面２８ａおよび両側面２８ｂ、２８ｃは、親油性材料からなる膜から構成されてもよい。親油性材料は、潤滑油に対して親和性がある材料の総称であり、例えば、シリコーンオイルまたはワックスなどの油成分を分散した高分子材料である。溝２８の壁面に親油性材料を塗布することにより、溝２８の底面２８ａおよび両側面２８ｂ、２８ｃに親油性材料からなる膜を形成することができる。親油性材料からなるシートを溝２８の壁面に貼り付けることで、溝２８の底面２８ａおよび両側面２８ｂ、２８ｃに親油性材料の膜を形成してもよい。溝２８の底面２８ａおよび両側面２８ｂ、２８ｃが親油性材料からなる膜から構成されることで、溝２８に溜められる潤滑油の量が増加する。その結果、回転するオイルリング２０によって軸受９Ａ，９Ｂに供給される潤滑油の量を増加させることができる。

図７は、別の例に係るオイルリング２０の一部分を示した斜視図である。図７に示されるオイルリング２０の内周面には、該オイルリング２０の周方向に沿って配列された複数の凹部２９が形成されている。オイルリング２０の内周面の、凹部２９が形成されていない領域が、回転軸１に接触する接触面２４を構成する。

図示した例の凹部２９は、オイルリング２０の内周面に形成されており、これら凹部２９は、該オイルリング２０の内周面の全周にわたって等間隔で配列される。凹部２９の形状は、球面であってもよいし、円柱状であってもよいし、多角柱状であってもよい。

オイルリング２０が回転軸１とともに回転して、該オイルリング２０が潤滑油貯槽１０の液面１０Ａから離れるとき、オイルリング２０の内周面に形成された凹部２９に、潤滑油を溜めることができる。凹部２９に溜められた潤滑油は、回転するオイルリング２０により、回転軸１の上部まで運ばれる。凹部２９に溜められた潤滑油が回転軸１の上部に接触することにより、潤滑油が凹部２９から回転軸１上に流出し、その後、軸受９Ａ，９Ｂに供給される。

オイルリング２０の接触面２４は、撥油性材料から構成されている。より具体的には、オイルリング２０の接触面２４は、撥油性材料からなる膜３４から構成されている。撥油性材料は、上述したように、潤滑油をはじくことができる材料の総称である。オイルリング２０に撥油性材料を塗布することにより、膜３４を形成することができる。撥油性材料からなるシートをオイルリング２０に貼り付けることにより、膜３４を形成してもよい。

本実施形態も、図６に示される実施形態と同様に、回転軸１の外周面と接触する接触面２４が撥油性材料からなる膜３４により構成されているので、該接触面２４から潤滑油がはじかれる。その結果、オイルリング２０の接触面２４と回転軸１の外周面との間の摩擦力が大きくなるので、回転軸１の周速が高い場合であっても、オイルリング２０は高い回転速度で回転軸１とともに回転することができる。したがって、オイルリング２０により十分な量の潤滑油を軸受９Ａ，９Ｂへ供給することができ、回転軸１の周速に対して広い適用範囲を有する軸受装置９を提供することができる。

凹部２９の表面は、親油性材料からなる膜から構成されてもよい。親油性材料は、潤滑油に対して親和性がある材料の総称であり、例えば、シリコーンオイルまたはワックスなどの油成分を分散した高分子材料である。凹部２９に親油性材料を塗布することにより、凹部２９の表面に親油性材料からなる膜を形成することができる。親油性材料からなるシートを凹部２９に貼り付けることで、凹部２９の表面に親油性材料の膜を形成してもよい。凹部２９の表面が親油性材料からなる膜から構成されることで、凹部２９に溜められる潤滑油の量が増加する。その結果、回転するオイルリング２０によって軸受９Ａ，９Ｂに供給される潤滑油の量を増加させることができる。

図８は、さらに別の例に係るオイルリング２０の断面図である。図８に示されるオイルリング２０の内周面２４は、多孔質材料からなる多孔質層３５により構成される。多孔質材料は、多数の孔または空隙（図示せず）を有する材料の総称であり、例えば、フェルトまたは不織布のような繊維材料であってもよいし、スポンジ材料であってもよい。スポンジ材料は、例えば、樹脂からなる。多孔質層３５の表面には、該多孔質層３５が有する孔または空隙を塞がないように、上述した撥油性材料がコーティングされている。撥油性材料がコーティングされた多孔質層３５の表面が、回転軸１の外周面と接触する接触面２４を構成する。

潤滑油は、多孔質層３５の表面に形成された孔または空隙から多孔質層３５の内部に進入し、該多孔質層３５に保持される。多孔質層３５に保持された潤滑油は、回転するオイルリング２０により、回転軸１の上部まで運ばれる。多孔質層３５に保持された潤滑油が、回転軸１の上部に接触することにより、潤滑油が多孔質層３５から回転軸１上に流出し、その後、軸受９Ａ，９Ｂに供給される。

本実施形態も、回転軸１の外周面と接触する接触面２４が撥油性材料から構成されているので、該接触面２４から潤滑油がはじかれる。その結果、オイルリング２０の接触面２４と回転軸１の外周面との間の摩擦力が大きくなるので、回転軸１の周速が高い場合であっても、オイルリング２０は回転軸１とともに高い回転速度で回転することができる。したがって、オイルリング２０により十分な量の潤滑油を軸受９Ａ，９Ｂへ供給することができ、回転軸１の周速に対して広い適用範囲を有する軸受装置９を提供することができる。

これまで、横軸ポンプの軸受装置を例として、本発明の実施形態に係る軸受装置９を説明してきた。しかしながら、この軸受装置９は、横軸ポンプ以外の回転機械にも適用することができる。例えば、本発明の軸受装置９は、コンプレッサーやブロワーなどの回転機械にも適用することができる。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。

１ 回転軸
２ 羽根車
３ 吸込口
４ 吐出口
５ ポンプケーシング
６ ディフューザ
７ バランス装置
８ 軸封装置（メカニカルシール）
９ 軸受装置
９Ａ スラスト軸受
９Ｂ ラジアル軸受
１０ 潤滑油貯槽
１０Ａ 潤滑油面
１６ 固定部材
２０ オイルリング
２４ 接触面
２７ 冷却ジャケット
２９ 凹部
３１，３２ アンギュラ玉軸受
３３ 膜
３４ 膜
３５ 多孔質層
１００ 横軸ポンプ

Claims (6)

1. 回転軸の軸方向荷重および／または半径方向荷重を支持する軸受と、
   前記軸受の下方に配置される潤滑油貯槽と、
   前記回転軸に支持され、前記回転軸の回転に伴って前記潤滑油貯槽に貯留される潤滑油をかき上げるオイルリングと、を備え、
   前記オイルリングが前記回転軸の外周面と接触する接触面は、撥油性材料により構成されていることを特徴とする軸受装置。
2. 前記オイルリングの内周面には、該オイルリングの周方向に延びる溝が形成されており、
   前記接触面は、前記オイルリングの内周面の、前記溝が形成されていない領域から構成されることを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
3. 前記オイルリングの内周面には、該オイルリングの周方向に沿って配列された複数の凹部が形成されており、
   前記接触面は、前記オイルリングの内周面の、前記凹部が形成されていない領域から構成されることを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
4. 前記オイルリングの内周面は、多孔質材料からなる多孔質層により構成され、
   前記接触面は、前記多孔質層が有する孔または空隙を塞がないように前記撥油性材料がコーティングされた前記多孔質層の表面により構成されることを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
5. 回転軸と、
   前記回転軸を回転自在に支持する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の軸受装置と、を備えたことを特徴とする回転機械。
6. 回転軸と、
   前記回転軸に固定された羽根車と、
   前記回転軸を回転自在に支持する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の軸受装置と、を備えたことを特徴とするポンプ。

Images