JP2021127812A - 軸封装置および回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑油の漏洩を確実に防止することができる軸封装置が提供される。【解決手段】軸封装置５０は、回転部５１と、静止部５２と、を備える。回転部５１は、その外周面５１ｂに形成され、かつ回転軸１の回転によって飛散した潤滑油を保持する溝６０を有する。回転部５１は、その回転によって、溝６０に保持された潤滑油を静止部５２に衝突させる。【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。

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。

これと同時に、潤滑油は、軸受の回転に起因する攪拌作用により、ミスト状となって、軸受ハウジングの内部に充満される。結果として、ミスト状の潤滑油は、軸受に、全体的に万遍なく供給される。

特開平１０−３０７３０号公報 特開２０１７−１６０８６１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、このような非接触型シールを設けても、この隙間から潤滑油（特に、ミスト状の潤滑油）が僅かに漏洩する場合がある。また、この隙間を極めて小さくした場合、回転機械の運転時に、非接触型シールが接触するおそれがあり、最悪の場合、回転機械が破損してしまう。

そこで、本発明は、潤滑油の漏洩を確実に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。本発明は、該軸封装置を備えた回転機械を提供することを目的とする。

一態様では、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が提供される。軸封装置は、回転軸側に配置された回転部と、前記回転部に対向して配置された静止部と、を備え、前記回転部は、その外周面に形成され、かつ前記回転軸の回転によって飛散した潤滑油を保持する溝を有しており、前記回転部は、その回転によって、前記溝に保持された潤滑油を、前記静止部に衝突させる。

一態様では、前記静止部は、前記軸受に隣接して配置可能であり、前記静止部は、前記静止部の内径が前記軸受に向かうにつれて、徐々に大きくなるように、傾斜する傾斜面を有しており、前記傾斜面は、前記溝に対向して配置されている。
一態様では、前記回転部は、前記軸受に隣接して配置可能であり、前記回転部は、前記回転部の外径が前記軸受に向かうにつれて、徐々に大きくなるように、傾斜する傾斜面を有している。
一態様では、前記溝は、前記回転部の円周方向に延びている。

一態様では、前記溝は、前記回転部の円周方向に対して傾斜して延びている。
一態様では、前記溝は、勾配形状の底部を有する。

一態様では、羽根車と、前記羽根車が収容されたケーシングと、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、回転機械が提供される。

一態様では、前記回転部は、前記回転軸とは別部材であり、前記静止部は、前記軸受ハウジングとは別部材である。
一態様では、前記回転部は、前記回転軸に取り外し可能に装着されており、前記静止部は、前記軸受ハウジングに取り外し可能に装着されている。

回転部は、その外周面に形成された溝を有している。したがって、回転部は、その回転によって、溝に保持された潤滑油（特に、ミスト状の潤滑油）を静止部側にはじき飛ばす。結果として、軸封装置は、潤滑油の、軸受ハウジングの外部への漏洩を確実に防止することができる。

軸封装置の一実施形態を備えたポンプ装置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。 回転部を回転軸に装着し、静止部をカバー部材に装着する様子を示す図である。 回転部を回転軸に装着し、静止部をカバー部材に装着する様子を示す図である。 回転部を回転軸に装着し、静止部をカバー部材に装着する様子を示す図である。 軸封装置の部分拡大図である。 回転部に形成された溝を示す図である。 軸封装置に浸入したミスト状の潤滑油の流れを示す図である。 勾配形状の底部を有する溝を示す図である。 溝の他の実施形態を示す図である。 溝のさらに他の実施形態を示す図である。 溝のさらに他の実施形態を示す図である。 溝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、軸封装置の一実施形態を備えたポンプ装置ＰＡ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装置ＰＡは、ポンプＰＡ１と、駆動装置ＰＡ２と、を備えている。ポンプＰＡ１は、羽根車２と、この羽根車２が固定される回転軸１と、羽根車２が収容されたケーシング５と、を備えている。回転軸１は水平に延びており、回転軸１の軸線方向ＣＬは、水平方向と一致している。

回転軸１の一端は電動機などの駆動機１０（より具体的には、駆動機１０の駆動軸１０ａ）に連結されており、この駆動機１０によって回転軸１および羽根車２が回転される。駆動機１０は、駆動装置ＰＡ２の構成要素の少なくとも一部である。

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、回転軸１は、軸受組立体９によって支持されている。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。

軸受ハウジング３６は、潤滑油が保持されたハウジング本体３８と、ハウジング本体３８の両側の開口端を閉じるカバー部材３７，３７と、を備えている。回転軸１は、カバー部材３７，３７を貫通して延びている。軸受９Ａに隣接して配置されたカバー部材３７は、ハウジング本体３８の一方の開口端を閉じつつ、軸封シール１１を覆っている。軸受９Ｂに隣接して配置されたカバー部材３７は、ハウジング本体３８の他方の開口端を閉じている。

ポンプ装置ＰＡの運転により、回転軸１が回転すると、軸受ハウジング３６内の潤滑油は、軸受９Ａ，９Ｂのそれぞれに供給される。軸受９Ａ，９Ｂのそれぞれに供給された潤滑油の一部は、軸受９Ａ，９Ｂのそれぞれを通過してカバー部材３７，３７に向かって流れる。そこで、軸受組立体９は、潤滑油がカバー部材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のそれぞれは、軸受９Ａ，９Ｂのそれぞれに隣接している。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。図３に示すように、軸封装置５０は、回転軸１側に配置された回転部５１と、回転部５１に対向して配置された静止部５２と、を備えている。回転部５１は、回転軸１に取り外し可能に装着されており、回転部５１と回転軸１との間には、Ｏリングなどのシール部材５５が配置されている。静止部５２は、軸受ハウジング３６（より具体的には、カバー部材３７）側に配置されている。

図３に示す実施形態では、回転部５１は、回転軸１とは別部材であり、回転軸１に固定可能に構成されている。したがって、回転部５１は、回転部材５１と呼ばれてもよい。一実施形態では、回転部５１は、回転軸１と一体的に構成されてもよい。

図３に示す実施形態では、静止部５２は、軸受ハウジング３６とは別部材であり、軸受ハウジング３６に取り外し可能に装着されている。したがって、静止部５２は、静止部材５２と呼ばれてもよい。一実施形態では、静止部５２は、軸受ハウジング３６と一体的に構成されてもよい。

回転部５１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。静止部５２は、回転部５１および回転軸１と同心状に配置されており、カバー部材３７に装着されている。静止部５２と、回転軸１および回転部５１と、の間には、僅かな隙間が形成されているため、静止部５２は、回転軸１と一体に回転しない。

図４乃至図６は、回転部５１を回転軸１に装着し、静止部５２をカバー部材３７に装着する様子を示す図である。図４に示すように、回転部５１は、回転軸１の外周面に密着可能な内周面５１ａと、内周面５１ａの反対側の外周面５１ｂと、を有する環状部材である。シール部材５５は、回転部５１の内周面５１ａに形成されたシール溝５６に装着されている。

静止部５２は、回転軸１の外周面に隣接する内周面５２ａと、内周面５２ａの反対側の外周面５２ｂと、を有する環状部材である。静止部５２の外周面５２ｂは、カバー部材３７に密着可能である。

図４に示すように、シール部材５５を回転部５１に装着した状態で、回転部５１を軸線方向ＣＬに移動し、回転部５１を回転軸１に装着する。回転部５１は、回転部５１が回転軸１に装着されたとき、軸受９Ａから離間する方向に延びる環状凸部５７を有している。環状凸部５７の外周面は、回転部５１の外周面５１ｂの一部である。

図５に示すように、回転部５１が回転軸１に装着された状態で、静止部５２を軸線方向ＣＬに移動し、静止部５２をカバー部材３７に装着する。静止部５２は、内周面５２ａと外周面５２ｂとの間に形成された環状凹部５８を有している。環状凹部５８は、回転部５１の環状凸部５７が挿入可能なサイズを有している。したがって、図６に示すように、静止部５２をカバー部材３７に装着したとき、環状凸部５７は、環状凹部５８に挿入される。

図４乃至図６に示すように、軸封装置５０は、回転軸１から取り外し可能に構成された回転部５１と、軸受ハウジング３６（より具体的には、カバー部材３７）から取り外し可能に構成された静止部５２と、を備えている。したがって、軸封装置５０を交換する場合、ポンプ装置ＰＡの他の構成部品を交換することなく、軸封装置５０のみを交換することができる。言い換えれば、ポンプ装置ＰＡの他の構成部品を交換する場合であっても、軸封装置５０を交換する必要はない。結果として、軸封装置５０は、メンテナンス性を向上させることができ、コスト低減を達成することができる。

図７は、軸封装置５０の部分拡大図である。図８は、回転部５１に形成された溝６０を示す図である。図７では、図面を見やすくするために、溝６０は簡略的に描かれている。図７および図８に示すように、回転部５１は、その外周面５１ｂに形成され、かつ回転軸１の回転によって飛散した潤滑油を保持する溝６０を有している。図７および図８に示す実施形態では、回転部５１は、多数の溝６０を有しているが、回転部５１は、少なくとも１つの溝６０を有してもよい。

一実施形態では、１つの溝６０が設けられる場合、溝６０は、回転部５１の軸方向に螺旋状に延びるスクリュー溝であってもよい。回転部５１の軸方向については、後述する。

図７に示すように、静止部５２の環状凹部５８には、環状凸部５７の半径方向内側に配置された内側環状面５８ａと、環状凸部５７の半径方向外側に配置された外側環状面５８ｂと、が形成されている。外側環状面５８ｂは、回転部５１の外周面５１ｂに対向している。回転部５１の外周面５１ｂに形成された溝６０は、静止部５２の外側環状面５８ｂに対向して配置されている。したがって、回転部５１の溝６０に対向する外側環状面５８ｂは、「溝対向面」と呼ばれてもよい。

図８に示すように、各溝６０は、回転部５１の円周方向に延びている長方形溝である。回転部５１の円周方向は、軸線方向ＣＬと垂直な方向である。回転部５１の軸方向は、軸線方向ＣＬと平行な方向である。

複数の溝６０は、回転部５１の軸方向に沿って隣接する第１溝群６０Ａと、第２溝群６０Ｂと、に大別される。第２溝群６０Ｂに属する溝６０の数は、第１溝群６０Ａに属する溝６０の数よりも多い。図８に示す実施形態では、第２溝群６０Ｂに属する溝６０の数は、３つであり、第１溝群６０Ａに属する溝６０の数は、２つである。

一実施形態では、第１溝群６０Ａに属する溝６０の数は、少なくとも１つであってもよい。同様に、第２溝群６０Ｂに属する溝６０の数は、少なくとも１つであってもよい。したがって、例えば、第１溝群６０Ａに属する溝６０の数と、第２溝群６０Ｂに属する溝６０の数と、は、同数であってもよい。

図８に示す実施形態では、第１溝群６０Ａおよび第２溝群６０Ｂは、回転部５１の円周方向に沿って交互に配置されている。このような配置により、第１溝群６０Ａに属する溝６０および第２溝群６０Ｂに属する溝６０は、回転部５１の円周方向において、互いにずれて配置される。このような配置は、言い換えれば、「千鳥配置」と呼ばれる。

図９は、軸封装置５０に浸入したミスト状の潤滑油の流れを示す図である。上述したように、回転軸１が回転すると、軸受ハウジング３６内で飛散した潤滑油は、回転部５１と静止部５２との間の隙間を通じて、回転部５１の溝６０に浸入する。

回転部５１は回転軸１とともに回転するため、溝６０に保持された潤滑油には、遠心力が作用する。結果として、回転部５１は、溝６０内の潤滑油を回転部５１の半径方向外側にはじき飛ばす。図９に示すように、回転部５１の外周面５１ｂに形成された溝６０は、静止部５２の外側環状面５８ｂに対向して配置されている。したがって、はじき飛ばされた潤滑油は、外側環状面５８ｂに衝突し、外側環状面５８ｂに付着する。

外側環状面５８ｂに付着した潤滑油は、重力の作用により、外側環状面５８ｂの最下面（すなわち、鉛直方向における最も低い位置）に移動し、ハウジング本体３８側に戻される。図９に示す実施形態では、外側環状面５８ｂは、静止部５２の内径（すなわち、環状凹部５８の直径）が軸受９Ａに向かうにつれて、徐々に大きくなるように、傾斜する傾斜面（静止部側傾斜面）である。したがって、外側環状面５８ｂの最下面に集められた潤滑油は、外側環状面５８ｂを流下し、効率よく、ハウジング本体３８側に戻される。

図９に示す実施形態では、回転部５１の外周面５１ｂは、外側環状面５８ｂと平行に延びている。より具体的には、外周面５１ｂは、回転部５１の外径が軸受９Ａに向かうにつれて、徐々に大きくなるように、傾斜する傾斜面（回転部側傾斜面）である。静止部５２の外側環状面５８ｂおよび回転部５１の外周面５１ｂは、互いに平行である。したがって、回転部５１と静止部５２との間の隙間を小さくすることができる。

本実施形態によれば、回転部５１は、その外周面５１ｂに形成された凹状の溝６０を有している。したがって、回転部５１は、その回転によって、回転部５１と静止部５２との間の隙間に浸入した潤滑油（特に、ミスト状の潤滑油）を静止部５２側にはじき飛ばし、潤滑油の、軸受ハウジング３６の外部への漏洩を確実に防止することができる。さらに、静止部５２の外側環状面（すなわち、溝対向面）５８ｂを傾斜させることにより、潤滑油の漏洩をより確実に防止することができる。

図１０は、勾配形状の底部６０ａを有する溝６０を示す図である。図１０では、回転軸１の上方に位置する回転部５１の一部が描かれている。図９および図１０に示すように、溝６０は、勾配形状の底部６０ａを有してもよい。溝６０の底部６０ａを勾配形状にすることにより、溝６０に浸入したミスト状の潤滑油は、底部６０ａの最下面まで移動し、底部６０ａの最下面に集められる。底部６０ａの最下面に集められた潤滑油は、比較的大きなサイズの粒子（すなわち、液体状の潤滑油）となり、液体状の潤滑油には、より大きな遠心力が作用する。結果として、潤滑油は、より確実に、静止部５２に向かってはじき飛ばされる。

図１１は、溝６０の他の実施形態を示す図である。図１１に示すように、溝６０は、回転部５１の円周方向に対して傾斜して延びてもよい。言い換えれば、溝６０は、円周方向に向かって延びつつ、軸線方向ＣＬ（すなわち、回転部５１の軸方向）に向かって斜めに配置されている。したがって、回転部５１が回転すると、溝６０の外側にはじき飛ばされる潤滑油には、回転部５１の円周方向における力（円周方向力）と、回転部５１の軸方向における力（軸方向力）と、が作用する。結果として、潤滑油は、ハウジング本体３８側に向かって、より積極的にはじき飛ばされ、潤滑油の漏洩がより確実に防止される。

図１２乃至図１４は、溝６０のさらに他の実施形態を示す図である。図１０に示す実施形態では、溝６０は、勾配形状を有する底部６０ａを有しているが、溝６０の底部６０ａの形状は、図１０に示す実施形態には限定されない。図１２に示すように、溝６０の底部６０ａは、円弧形状を有してもよい。図１３に示すように、溝６０の底部６０ａは、丸みを帯びた四角形状を有してもよい。図１４に示すように、溝６０の底部６０ａは、三角形状を有してもよい。

このように、溝６０の底部６０ａの形状は、特に限定されない。上述した実施形態に示すように、溝６０の断面形状の一例として、勾配形状（図１０参照）、円弧形状（図１２参照）、丸みを帯びた四角形状（図１３参照）、三角形状（図１４参照）が挙げられる。図示しないが、溝６０の断面形状として、台形形状、楕円形状などを採用してもよい。

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
１０ 駆動機
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 カバー部材
３８ ハウジング本体
５０ 軸封装置
５１ 回転部
５１ａ 内周面
５１ｂ 外周面
５２ 静止部
５２ａ 内周面
５２ｂ 外周面
５５ シール部材
５６ シール溝
５７ 環状凸部
５８ 環状凹部
５８ａ 内側環状面
５８ｂ 外側環状面
６０ 溝
６０ａ 底部
６０Ａ 第１溝群
６０Ｂ 第２溝群
ＰＡ ポンプ装置
ＰＡ１ ポンプ
ＰＡ２ 駆動装置
ＣＬ 軸線方向

Claims (9)

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、
   回転軸側に配置された回転部と、
   前記回転部に対向して配置された静止部と、を備え、
   前記回転部は、その外周面に形成され、かつ前記回転軸の回転によって飛散した潤滑油を保持する溝を有しており、
   前記回転部は、その回転によって、前記溝に保持された潤滑油を、前記静止部に衝突させる、軸封装置。
2. 前記静止部は、前記軸受に隣接して配置可能であり、
   前記静止部は、前記静止部の内径が前記軸受に向かうにつれて、徐々に大きくなるように、傾斜する傾斜面を有しており、
   前記傾斜面は、前記溝に対向して配置されている、請求項１に記載の軸封装置。
3. 前記回転部は、前記軸受に隣接して配置可能であり、
   前記回転部は、前記回転部の外径が前記軸受に向かうにつれて、徐々に大きくなるように、傾斜する傾斜面を有している、請求項１または請求項２に記載の軸封装置。
4. 前記溝は、前記回転部の円周方向に延びている、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の軸封装置。
5. 前記溝は、前記回転部の円周方向に対して傾斜して延びている、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の軸封装置。
6. 前記溝は、勾配形状の底部を有する、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の軸封装置。
7. 羽根車と、
   前記羽根車が収容されたケーシングと、
   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〜請求項６のいずれか一項に記載の軸封装置と、を備えている、回転機械。
8. 前記回転部は、前記回転軸とは別部材であり、
   前記静止部は、前記軸受ハウジングとは別部材である、請求項７に記載の回転機械。
9. 前記回転部は、前記回転軸に取り外し可能に装着されており、
   前記静止部は、前記軸受ハウジングに取り外し可能に装着されている、請求項７または請求項８に記載の回転機械。

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