JP2017133654A - 軸封装置および回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑油の漏洩を長期間防止することができる軸封装置を提供する。
【解決手段】軸封装置５０は、回転軸１に固定可能な回転部材４０と、回転部材４０に対向して配置された静止部材５１とを備える。回転部材４０は、静止部材５１に対向する多孔シール４３を有するフランジ部４１と、静止部材５１に形成された通孔５１ｂ内に配置されたスクリューシール４４とを備える。多孔シール４３は、その内部を潤滑油が通過可能な多孔材から構成されている。静止部材５１と多孔シール４３との間には、屈曲した環状流路４９が形成されている。スクリューシール４４は、スクリューシール４４が回転したときに、通孔５１ｂ内に存在する潤滑油が環状流路４９に向かって流れるように螺旋状に延びている。
【選択図】図３

Description

本発明は、軸封装置、および該軸封装置を備えた回転機械に関するものである。

ポンプは、ケーシング内に配置された羽根車が回転することによって水などの液体を圧送する回転機械である。ポンプは、一般に、吸込口および吐出口を有するケーシングと、ケーシングの内部に配置された羽根車と、羽根車が固定された回転軸とを備えている。羽根車が回転軸とともに回転すると、ケーシングの吸込口から液体が吸い込まれる。液体は、羽根車の回転に伴ってケーシング内で昇圧され、吐出口から吐き出される。

回転軸は軸受によって回転自在に支持されている。軸受はケーシングに隣接して設けられた軸受ハウジング内に収容されている。軸受ハウジング内には、軸受を潤滑および冷却するための潤滑油が貯留されており、軸受の下部は潤滑油に浸漬されている。軸受の内輪が回転すると、潤滑油は軸受の全体に供給される。

実開昭６１−１３０７９２号公報 実開平４−１３４９６５号公報 特開２０１４−２１９０２３号公報 特開昭６０−１６９５３８号公報 実開昭６３−６８５７３号公報 特開２０１３−２０９９８１号公報 特開２０１５−５５１８６号公報

回転軸は、軸受ハウジングを貫通して延びているため、回転軸の外周面と軸受ハウジングとの間に隙間が必然的に存在する。そこで、この隙間からの潤滑油の漏洩を防止するために、回転軸の外周面と軸受ハウジングとの間にオイルシールなどの接触型シールが設けられる。しかしながら、このような接触型シールは、回転軸の外周面に摺接され、徐々に摩耗する。摩耗したシールは、適切に回転軸の外周面と軸受ハウジングとの間の隙間を封止することができず、潤滑油が漏洩するおそれがある。

潤滑油の漏洩を防止するために、回転軸の外周面と軸受ハウジングとの間にラビリンスシールなどの非接触型シールを設けることが考えられる。しかしながら、非接触型シールが潤滑油の漏洩を完全に防止することは難しい。また、非接触型シールは複雑な形状を有しているため、その加工には高い技術力が要求される。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたもので、潤滑油の漏洩を長期間防止することができる軸封装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、該軸封装置を備えたポンプ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、軸受に供給される潤滑油の漏洩を防止するための軸封装置であって、回転軸に固定可能な回転部材と、前記回転部材に対向して配置された静止部材とを備え、前記回転部材は、前記静止部材に対向する多孔シールを有するフランジ部と、前記静止部材に形成された通孔内に配置されたスクリューシールとを備え、前記多孔シールは、その内部を潤滑油が通過可能な多孔材から構成されており、前記静止部材と前記多孔シールとの間には、屈曲した環状流路が形成されており、前記スクリューシールは、該スクリューシールが回転したときに、前記通孔内に存在する潤滑油が前記環状流路に向かって流れるように螺旋状に延びていることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記フランジ部は、前記静止部材に対向する第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面を有し、前記第１の面は、前記多孔シールから構成されており、前記第２の面は、前記軸受を収容するための軸受ハウジングの内面の一部を構成することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第２の面は、環状の傾斜面を含み、前記環状の傾斜面は、前記回転部材の軸心からの距離に従って、前記スクリューシールから離れる方向に傾斜することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記静止部材は、前記多孔シールよりも硬質な材料から構成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記回転部材は、前記フランジ部を軸方向に貫通する連通孔を有しており、前記連通孔は、前記多孔シールに接続されていることを特徴とする。

本発明の他の態様は、羽根車と、前記羽根車が固定された回転軸と、前記回転軸を回転自在に支持する軸受と、前記軸受を収容する軸受ハウジングと、上記軸封装置とを備えていることを特徴とする回転機械である。

本発明によれば、多孔シール、環状流路、およびスクリューシールの３重シール構造によって、潤滑油の漏洩を確実に防止することができる。さらに、本発明の軸封装置は、非接触型の軸封装置であるので、基本的に摩耗せず、そのシール機能を長期間発揮することができる。

本発明の一実施形態に係る軸封装置を備えたポンプを示す断面図である。 図１に示す軸受組立体の拡大断面図である。 軸封装置の一実施形態を示す図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 軸封装置の上半分を示す拡大図である。 軸封装置の他の実施形態を示す図である。 軸封装置のさらに他の実施形態を示す図である。

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。以下に説明する実施形態において、回転機械の一例としてのポンプについて説明するが、回転機械はポンプに限定されない。回転機械の他の例として、コンプレッサやブロワなどを挙げることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る軸封装置を備えたポンプを示す断面図である。図１に示される回転機械としてのポンプは、羽根車２と、この羽根車２が固定される回転軸１とを備えている。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。回転軸１は、軸受組立体９によって支持されている。

羽根車２はケーシング５内に配置されている。図１に示すケーシング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の内側に配置されている。羽根車２が回転軸１とともに回転すると、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。回転軸１とケーシング５との間の隙間は、メカニカルシールなどの軸封シール１１によって封止されている。軸封シール１１は、ケーシング５と回転軸１との間の隙間からのケーシング５内の液体の漏洩を防止することができる。

図２は、図１に示す軸受組立体９の拡大断面図である。図２に示すように、軸受組立体９は、回転軸１を回転自在に支持する軸受９Ａ，９Ｂと、軸受９Ａ，９Ｂが収容される軸受ハウジング３６とを備えている。本実施形態では、軸受９Ａ，９Ｂは転がり軸受である。軸受ハウジング３６の内部には潤滑油が貯留されている。軸受ハウジング３６内の潤滑油の液面は、回転軸１の下方に位置している。

軸受９Ａ，９Ｂは同一の構成を有しているため、以下、軸受９Ａの構成について説明する。軸受９Ａは、軸受ハウジング３６に固定された外輪３０と、回転軸１の外周面に固定された内輪３１と、外輪３０と内輪３１との間に配置された複数の転動体３２とを備えている。回転軸１とともに内輪３１が回転すると、複数の転動体３２は外輪３０と内輪３１との間で回転する。軸受９Ａの下部は潤滑油中に浸漬されている。したがって、内輪３１が回転軸１とともに回転すると、軸受９Ａの全体に潤滑油が供給される。

回転軸１は、軸受ハウジング３６の一部を構成する固定部材３７，３７を貫通して延びている。軸受９Ａに供給された潤滑油の一部は、軸受９Ａを通過して固定部材３７，３７に向かって流れる（図２の矢印参照）。そこで、軸受組立体９は、潤滑油が固定部材３７と回転軸１との間の隙間から漏洩することを防止するための軸封装置５０，５０を備えている。軸封装置５０，５０は軸受９Ａ，９Ｂにそれぞれ隣接している。これら２つの軸封装置５０，５０は、同一の構成を有しているため、以下、軸受９Ａに隣接して配置された軸封装置５０について説明する。

図３は軸封装置５０の一実施形態を示す図である。軸封装置５０は、回転軸１に固定された環状の回転部材４０を備えている。回転部材４０は回転軸１と同心状に配置されており、回転軸１と一体に回転する。固定部材３７は内周面３７ａを有しており、回転部材４０の少なくとも一部、および回転軸１は、内周面３７ａの内側に配置されている。

軸封装置５０は、回転部材４０に対向して配置された静止部材５１をさらに備えている。静止部材５１は、固定部材３７に固定されている。より具体的には、静止部材５１は、固定部材３７の内周面３７ａに固定されている。静止部材５１は環状形状を有しており、回転部材４０および回転軸１と同心状に配置されている。静止部材５１は固定部材３７に固定されているため、回転軸１と一体に回転しない。

回転部材４０は、静止部材５１に対向する多孔シール４３を有するフランジ部４１と、フランジ部４１に接続された円筒部４８と、静止部材５１に形成された通孔５１ｂ内に配置されたスクリューシール４４とを備えている。スクリューシール４４は、円筒部４８上に形成されている。円筒部４８およびフランジ部４１は一体的に構成されている。フランジ部４１は、回転軸１の半径方向外側に張り出している。多孔シール４３と同様に、スクリューシール４４は静止部材５１に対向して配置されている。より具体的には、スクリューシール４４は、静止部材５１の通孔５１ｂを形成する表面に対向している。

フランジ部４１は、静止部材５１に対向する第１の面４１ａと、第１の面４１ａとは反対側の第２の面４１ｂとを有している。第１の面４１ａは、多孔シール４３から構成されており、かつ静止部材５１の端面５１ａに対向している。第２の面４１ｂは、軸受９Ａ，９Ｂを収容するための軸受ハウジング３６の内面の一部を構成している。

静止部材５１は、多孔シール４３よりも硬質な材料から構成されている。したがって、多孔シール４３が静止部材５１に接触しても、静止部材５１はほとんど摩耗しない。さらに、多孔シール４３が静止部材５１に接触すると、多孔シール４３の表面は静止部材５１によって削り取られるので、静止部材５１と多孔シール４３との間の隙間を適切な大きさにすることができる。結果的に、ポンプの運転を停止することなく、ポンプの運転を継続することができる。硬質な材料の例としては、黄銅などの金属が挙げられる。

多孔シール４３は、環状形状を有しており、その内部を潤滑油が通過可能な多孔材から構成されている。多孔材の例として、上述した特許文献４（特開昭６０−１６９５３８号公報）、特許文献５（実開昭６３−６８５７３号公報）、特許文献６（特開２０１３−２０９９８１号公報）、および特許文献７（特開２０１５−５５１８６号公報）に記載された材料が挙げられる。例えば、多孔シール４３は、未溶融母材の内部に固体潤滑剤を内包させたアブレイダブル材から構成されてもよい。未溶融母材は、固体潤滑剤よりも強度の高い金属材料であればよい。

未溶融母材は、例えば、リン青銅などの銅系合金、アルミニウムやＣｕＡｌなどのアルミ系合金、ホワイトメタルなどのすず系合金などの軟質な金属であってもよいし、ニッケル基合金、コバルト基合金、高クロム系合金などの硬質な金属であってもよい。固体潤滑剤は、未溶融母材よりも強度の低い材料であって、被削性に優れた材料から構成されている。固体潤滑剤は、例えば、ＮｉＣｒＡｌ合金および窒化ホウ素（ＢＮ）からなる組成物、またはＮｉＣｒＦｅＡｌ合金および窒化ホウ素（ＢＮ）からなる組成物から構成される（特許文献７参照）。

回転軸１の外周面と回転部材４０の内周面との間の微小な隙間からの潤滑油の漏洩を防止するために、回転軸１と回転部材４０との間にはＯリングなどのシール部材４５が配置されている。シール部材４５は、環状形状を有しており、回転部材４０の内周面に形成された環状溝４６内に配置されている。

図４は図３のＡ−Ａ線断面図である。図３および図４に示すように、回転部材４０はフランジ部４１を軸方向に貫通する複数の連通孔５５を有している。すなわち、連通孔５５は、フランジ部４１の第１の面４１ａ（図３参照）から第２の面４１ｂ（図３参照）まで延びている。連通孔５５は、回転部材４０の周方向に沿って等間隔に配置されている。各連通孔５５は、多孔シール４３に接続されている。本実施形態では、各連通孔５５の一部は多孔シール４３を通過しており、各連通孔５５を形成する表面の一部は、多孔シール４３から構成されている。本実施形態では、８個の連通孔５５が設けられているが、連通孔５５の数はこの実施形態に限定されない。

図３に示すように、静止部材５１の端面５１ａと、多孔シール４３から構成される第１の面４１ａとの間には屈曲した環状流路４９が形成されている。環状流路４９は、多孔シール４３に形成された環状段部と、静止部材５１に形成された環状段部とによって構成されている。

フランジ部４１の外周面と、固定部材３７の内周面３７ａとの間には微小な隙間５３が形成されている。また、スクリューシール４４と静止部材５１の通孔５１ｂとの間には微小な隙間５４が形成されている。環状流路４９は隙間５３および隙間５４に接続されている。

スクリューシール４４に隣接して、阻害リング５２が設けられている。阻害リング５２は、回転軸１に固定されており、回転軸１および回転部材４０と一体に回転する。回転部材４０は、阻害リング５２と軸受９Ａとの間に位置している。阻害リング５２と軸受ハウジング３６との間には微小な隙間が形成されている。

図５は軸封装置５０の上半分を示す拡大図である。図５の矢印は潤滑油の流れを示している。潤滑油が隙間５３に浸入すると、潤滑油は多孔シール４３に接触し、多孔シール４３内に浸透する。つまり、隙間５３に浸入した潤滑油は多孔シール４３に捕捉される。

潤滑油が環状流路４９に流入したとしても、屈曲した環状流路４９は、潤滑油が環状流路４９を通過することを防止する。つまり、屈曲した環状流路４９はラビリンスシールと同様の効果を奏することができるため、屈曲した環状流路４９を流れる潤滑油の圧力は次第に減少される。結果として、潤滑油の漏洩を防止することができる。さらに、環状流路４９の一部は多孔シール４３から構成されているため、環状流路４９を流れる潤滑油は多孔シール４３内に浸透する。したがって、潤滑油の漏洩を効果的に防止することができる。

上述したように、連通孔５５は多孔シール４３に接続されている。したがって、回転軸１が回転していないとき、つまり、ポンプの停止時において、多孔シール４３内の潤滑油は、多孔シール４３内を下方に流れ、さらに、連通孔５５、および／または環状流路４９、および／または隙間５３を通って流れ、軸受ハウジング３６の内部空間に戻される。

スクリューシール４４は、潤滑油の漏洩をより確実に防止するために設けられている。このスクリューシール４４は、回転軸１の回転に伴って回転する。スクリューシール４４は、該スクリューシール４４が回転したときに、静止部材５１の通孔５１ｂ内に存在する潤滑油が環状流路４９に向かって、すなわち軸受ハウジング３６の内部空間に向かって流れるように、螺旋状に延びている。

潤滑油の漏れ流れの方向において、スクリューシール４４は、環状流路４９の下流側に設けられている。したがって、潤滑油が環状流路４９を通過したとしても、潤滑油は回転するスクリューシール４４によって環状流路４９に向かって戻され、さらに環状流路４９および／または連通孔５５を逆流する。潤滑油の漏れ流れの方向において、阻害リング５２は、スクリューシール４４の下流側に設けられているため、潤滑油の漏洩をより確実に防止することができる。

図２に示す軸受９Ｂに隣接して配置された軸封装置５０のスクリューシールも、同様に、回転軸１の回転に伴って当該スクリューシールが回転したときに、潤滑油が環状流路４９に向かって、すなわち軸受ハウジング３６の内部に向かって流れるように螺旋状に延びている。

本実施形態に係る軸封装置５０は、多孔シール４３、環状流路４９、およびスクリューシール４４からなる３重シール構造によって、潤滑油の漏洩を防止することができる。さらに、本実施形態によれば、回転部材４０は、固定部材３７および静止部材５１に接触していないため、回転部材４０の摩耗を防止することができる。したがって、回転部材４０の長寿命化を図ることができ、かつ潤滑油の漏洩を長期にわたって防止することができる。

さらに、本実施形態によれば、多孔シール４３は、ポンプが停止されているときにおける潤滑油の漏洩を積極的に防止することができ、その一方で、スクリューシール４４は、ポンプが運転されているときにおける潤滑油の漏洩を積極的に防止することができる。このように、本実施形態に係る軸封装置５０は、ポンプの停止時および運転時の両方において、潤滑油の漏洩を防止することができる。

図６は軸封装置５０の他の実施形態を示す図である。図６に示すように、静止部材５１の端面５１ａには、環状の凸部５１ｃが形成されている。多孔シール４３から構成される第１の面４１ａには、環状の凹部４３ａが形成されている。凹部４３ａは、凸部５１ｃに対応する形状を有しており、凸部５１ｃの先端は、凹部４３ａ内に配置されている。凸部５１ｃおよび凹部４３ａは、環状流路４９を複雑に屈曲させるため、より効果的に潤滑油の漏洩を防止することができる。一実施形態では、静止部材５１は環状の凹部を有してもよく、多孔シール４３は環状の凸部を有してもよい。

図７は軸封装置５０のさらに他の実施形態を示す図である。図７に示すように、フランジ部４１の第２の面４１ｂは環状の傾斜面６０を含んでもよい。傾斜面６０は、回転部材４０の軸心からの距離に従って、スクリューシール４４から離れる方向に傾斜している。傾斜面６０は、潤滑油の隙間５３への浸入を阻害することができるので、潤滑油の漏洩をより確実に防止することができる。本実施形態では、第２の面４１ｂの全体を傾斜面６０としているが、第２の面４１ｂの一部を傾斜面６０としてもよい。

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 ケーシング
５ａ 渦巻き室
９ 軸受組立体
９Ａ，９Ｂ 軸受
１１ 軸封シール
３０ 外輪
３１ 内輪
３２ 転動体
３６ 軸受ハウジング
３７ 固定部材
３７ａ 内周面
４０ 回転部材
４１ フランジ部
４１ａ 第１の面
４１ｂ 第２の面
４３ 多孔シール
４３ａ 凹部
４４ スクリューシール
４５ シール部材
４６ 環状溝
４８ 円筒部
４９ 環状流路
５０ 軸封装置
５１ 静止部材
５１ａ 端面
５１ｂ 通孔
５１ｃ 凸部
５２ 阻害リング
５３，５４ 隙間
５５ 連通孔
６０ 傾斜面

Claims (6)

1. 軸受に供給される潤滑油の漏洩を防止するための軸封装置であって、
   回転軸に固定可能な回転部材と、
   前記回転部材に対向して配置された静止部材とを備え、
   前記回転部材は、
   前記静止部材に対向する多孔シールを有するフランジ部と、
   前記静止部材に形成された通孔内に配置されたスクリューシールとを備え、
   前記多孔シールは、その内部を潤滑油が通過可能な多孔材から構成されており、
   前記静止部材と前記多孔シールとの間には、屈曲した環状流路が形成されており、
   前記スクリューシールは、該スクリューシールが回転したときに、前記通孔内に存在する潤滑油が前記環状流路に向かって流れるように螺旋状に延びていることを特徴とする軸封装置。
2. 前記フランジ部は、前記静止部材に対向する第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面を有し、
   前記第１の面は、前記多孔シールから構成されており、
   前記第２の面は、前記軸受を収容するための軸受ハウジングの内面の一部を構成することを特徴とする請求項１に記載の軸封装置。
3. 前記第２の面は、環状の傾斜面を含み、
   前記環状の傾斜面は、前記回転部材の軸心からの距離に従って、前記スクリューシールから離れる方向に傾斜することを特徴とする請求項２に記載の軸封装置。
4. 前記静止部材は、前記多孔シールよりも硬質な材料から構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の軸封装置。
5. 前記回転部材は、前記フランジ部を軸方向に貫通する連通孔を有しており、
   前記連通孔は、前記多孔シールに接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の軸封装置。
6. 羽根車と、
   前記羽根車が固定された回転軸と、
   前記回転軸を回転自在に支持する軸受と、
   前記軸受を収容する軸受ハウジングと、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の軸封装置とを備えていることを特徴とする回転機械。

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