JP2804889B2 - 動圧軸受ユニット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気又は液体等の流体
の動圧を利用して回転軸を支承する動圧軸受ユニットに
係り、例えば、軸流ポンプ等においてその揚水路内で羽
根車軸の回転を支承する水中軸受に利用可能な動圧軸受
ユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術】立軸ポンプや横軸ポンプ等の軸流ポンプ
において、その羽根車軸の回転を支える軸受はポンプの
揚液中で使用されるため、この軸受には揚液に対しての
耐蝕性や泥水等のスラリーに対する密封性等の特殊な性
能が要求される。また、ポンプの起動時には揚水路内の
揚液が軸受の配設部位にまで汲み上げられていないた
め、当該軸受は浸水状態のみならず乾燥状態での使用に
耐えるものであることも要求される。

【０００３】このような要求から、従来、この種の軸受
としては青銅、カーボン樹脂あるいはセラミクスを材料
とした滑り軸受を用い、必要に応じて揚水路の外部から
これら軸受にグリース等の潤滑剤を注入する方法が一般
的であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これら滑り軸
受では軸受と羽根車軸とが固体接触を生じるので、ポン
プの起動時、すなわち乾燥状態での使用において羽根車
軸の回転に大きな起動トルクが必要であり、羽根車軸を
駆動するモータに大きな負荷が作用するという問題点が
あった。また、羽根車軸の回転に伴って軸受が大きく発
熱し、十分な境界潤滑がなされていない場合には羽根車
軸と軸受とが焼き付きを生じるという問題点もあった。
更に、経時的な使用による軸受の磨耗が著しいので、軸
受の定期的な交換が要求され、ポンプ設備の維持コスト
が嵩むという問題点もあった。

【０００５】本発明はこのような問題点に鑑みなされた
ものであり、その目的とするところは、使用環境に対す
る軸受内部の密閉性が高く、浸水状態及び乾燥状態の双
方において使用可能であると共に、小さなトルクで滑ら
かに回転させることができ、且つ、優れた耐久性を備え
た動圧軸受ユニットを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の動圧軸受ユニットは、ハウジングと、この
ハウジングを貫通する回転軸を上記ハウジングに対して
回転自在に支承するラジアル動圧軸受と、上記ハウジン
グに対する回転軸の軸方向の移動を規制する一対のスラ
スト動圧軸受と、上記ラジアル動圧軸受及びスラスト動
圧軸受の軸受隙間に封入された作動流体とを備え、上記
ラジアル動圧軸受の両端に夫々スラスト動圧軸受を配設
してこれら動圧軸受の軸受隙間を連通連結させると共
に、上記ラジアル動圧軸受にはポンプイン型のヘリング
ボーン状溝を、上記スラスト動圧軸受には環状のリッヂ
部を隔ててその内周側にポンプイン型のスパイラル状
溝、外周側にポンプアウト型のスパイラル状溝を形成
し、また、上記ハウジングには上記ラジアル動圧軸受か
ら吐出された作動流体を上記スラスト動圧軸受のリッヂ
部よりも内周側に吐出させる封入流路を形成すると共
に、ハウジング外に満たされた外部流体を上記スラスト
動圧軸受のリッヂ部よりも外周側に供給する吸引流路を
形成したことを特徴とするものである。

【０００７】このような技術的手段において、上記スラ
スト動圧軸受に形成されたリッヂ部とは、動圧を発生さ
せるためのスパイラル状溝が形成されておらず、平坦に
形成された領域のことである。上記スラスト動圧軸受で
はこのリッヂ部を隔ててその内周側にポンプイン型のス
パイラル状溝が、その外周側にポンプアウト型のスパイ
ラル状溝が形成されているので、スラスト動圧軸受の回
転に伴い、リッヂ部より内周側では作動流体が回転中心
に向かって付勢されて動圧が発生する。

【０００８】また、上記スラスト動圧軸受の軸受隙間は
上記ラジアル動圧軸受の軸受隙間と連通連結されてお
り、且つ、上記ラジアル動圧軸受にはポンプイン型のヘ
リングボーン状溝が形成されているので、スラスト動圧
軸受によって回転中心に向かって付勢された作動流体は
ラジアル動圧軸受の両端から当該軸受に吸い込まれ、ラ
ジアル動圧軸受内で更に昇圧する。

【０００９】ハウジングに形成された封入流路は、ラジ
アル動圧軸受で昇圧した作動流体をスラスト動圧軸受の
リッヂ部よりも内周側に導く。上記リッヂ部の近傍はス
ラスト動圧軸受の回転に伴い低圧域となるので、作動流
体はこの封入流路を通ってスラスト動圧軸受に循環す
る。このとき、作動流体はリッヂ部よりも内周側でスラ
スト動圧軸受に吐出されるので、作動流体がリッヂ部よ
りも外周側に漏れ出すことがない。つまり、本発明の動
圧軸受ユニットでは、その回転に伴って作動流体がスラ
スト動圧軸受→ラジアル動圧軸受→封入流路→スラスト
動圧軸受というように循環し、その循環経路から外部へ
漏れ出すことがない。

【００１０】一方、ハウジングに形成された吸引流路
は、ハウジング外に満たされた外部流体を上記スラスト
動圧軸受のリッヂ部よりも外周側に導く。このため、ス
ラスト動圧軸受の回転に伴ってリッヂ部の近傍が低圧域
になると、上記外部流体が吸引流路を通してリッヂ部の
外周側に吸引され、更にポンプアウト型のスパイラル状
溝によって遠心方向へ付勢される。その結果、軸受外に
開放されているスラスト動圧軸受の軸受隙間からは回転
時に外部流体が噴出することになり、外部流体がスラス
ト動圧軸受の軸受隙間から軸受内に入り込むことがな
い。つまり、軸受内部は外部流体に対して完全に密封さ
れた状態となる。

【００１１】以上の説明は軸が回転している時を例に挙
げているが、軸が停止している時にはスラスト動圧軸受
のリッヂ部が作動流体のシール機能を発揮するので、そ
のような場合であっても作動流体が軸受外に流出してし
まうのを防止することができる。但し、作動流体の粘性
によっては若干量の流出が考えられるので、上記ハウジ
ングに補給口を設けて、上記封入流路に作動流体を適宜
補給できるようにするのが好ましい。このように補給口
を設ける場合、作動流体が軸受外へ流出するのを防止す
るため、上記補給口には封止弁を設けて回転軸の停止時
にはこれを閉じる必要がある。

【００１２】

【作用】本発明の動圧軸受ユニットは、その内部に作動
流体の循環経路が形成されており、軸が回転すると作動
流体は外部に漏れだすことなくこの循環経路内を循環
し、ラジアル動圧軸受及びスラスト動圧軸受において動
圧が発生する。これにより、小さなトルクで滑らかに軸
を回転させることができる。

【００１３】また、本発明の動圧軸受ユニットでは、一
旦ハウジング内へ吸い込んだ外部流体をスラスト動圧軸
受の軸受隙間からハウジング外へ噴出しており、外部流
体がスラスト動圧軸受の軸受隙間から軸受内へ侵入する
ことがない。これにより、軸受内を外部流体に対して完
全に密閉することができる。

【００１４】

【実施例】以下、添付図面に基づいて本発明の動圧軸受
ユニットを詳細に説明する。図１は本発明の動圧軸受ユ
ニットの一実施例を示すものである。同図において、符
号１は中空部に軸が挿通され固定されるロータ、符号２
はこのロータ１を固定部（図示せず）に取り付けるため
のハウジング、符号３は上記ロータ１をハウジング２に
対して回転自在に支承するラジアル動圧軸受（以下、ラ
ジアル軸受）、符号４，４は上記ハウジング２に対する
ロータ１の軸方向の移動を規制する一対のスラスト動圧
軸受（以下、スラスト軸受）である。

【００１５】上記ラジアル軸受３は上記ロータ１に接着
接合された内輪３１と、この内輪３１と所定の軸受隙間
（例えば、１０μｍ）を保持して対向する上記ハウジン
グ２とから構成されており、上記内輪３１の周面には図
２に示すようなヘリングボーン状パターンを有する動圧
発生用溝３２が形成されている。この動圧発生用溝３２
は上記ロータ１が正回転（矢線Ａ方向）したときに、軸
受隙間に存在する作動流体を内輪３１の軸方向中央へ押
し込んで昇圧させる所謂ポンプイン型に形成されてお
り、その溝深さは１５μｍ、軸方向に沿った溝の長さＬ
ｇは軸受部５ａの長さＬの１／２倍とした。

【００１６】また、上記スラスト軸受４は所定の軸受隙
間（例えば、１０μｍ）を保持してスラスト板４１と上
記ハウジング２の軸方向端面とを対向させて構成されて
おり、上記スラスト板には図３に示すようなスパイラル
状パターンを有する動圧発生用溝４２が形成されてい
る。この動圧発生用溝４２は上記ロータ１が正回転（矢
線Ｂ方向）したときに、軸受隙間に存在する作動流体を
回転中心に向けて付勢する所謂ポンプイン型パターン４
２ａと、軸受隙間に存在する作動流体を遠心方向へ向け
て付勢する所謂ポンプアウト型パターン４２ｂとから構
成されており、環状のリッヂ部４３の内周側にポンプイ
ン型パターン４２ａが、外周側にポンプアウト型パター
ン４２ｂが夫々形成されている。すなわち、ポンプイン
型パターン４２ａとポンプアウト型パターン４２ｂとは
上記リッヂ部４３によって仕切られている。これらポン
プイン型パターン４２ａ及びポンプアウト型パターン４
２ｂの溝深さは共に２５μｍである。

【００１７】スラスト軸受４，４のスラスト板４１，４
１は内輪３１を挟んで互いに対向しており、ロータ１の
端部に螺合する止めナット１１によってロータ１の外周
に固定されている。上記内輪３１はその軸方向の長さが
ハウジング２のそれよりも長く形成されており、これに
よって上記ハウジングの端面とスラスト板との間に前述
の軸受隙間が保持されるようになっている。

【００１８】上記ラジアル軸受３の内輪３１及びスラス
ト軸受４のスラスト板４１にはアルミナ焼結体のセラミ
クス材を用い、Ａｌ₂Ｏ₃砥粒を用いたショット・ブラス
ト加工によって上記ヘリングボーン状溝３２及びスパイ
ラル状溝４２ａ，４２ｂを形成した。

【００１９】一方、上記ハウジンク２にはラジアル軸受
３で昇圧した作動流体をスラスト軸受４，４へ循環させ
る略Ｔ字状の封入流路２１が形成されている。この封入
流路２１はハウジング２の円周を等配するように３か所
に形成されており、各封入流路２１には作動流体を補給
するための補給口２２が連通している。また、この補給
口２２は作動流体を封入した液溜め２３によって密閉さ
れている。尚、この実施例において、作動流体には２５
％プロピレングリコール液を使用した。

【００２０】また、上記ハウジング２の円周上におい
て、各封入流路２１の対向位置にはハウジング２を軸方
向に貫通して一対のスラスト軸受４，４を連通する吸引
流路２４が形成されており、この吸引流路２４にはハウ
ジング２外に満たされた外部流体をハウジング２内に導
くための吸引口２５が連通している。すなわち、これら
吸引流路２４及び吸引口２５もハウジング２の円周を等
配するように３か所に形成されている。また、各吸引口
２５には外部流体から塵芥等を取り除くためのフィルタ
ー２６が装着されている。

【００２１】上記封入流路２１及び吸引流路２４の末端
は夫々スラスト軸受４，４の軸受隙間に開口している
が、その開口位置は図３に示す通りである。すなわち、
作動流体をスラスト軸受４に供給する封入流路２１は、
スラスト板４２の環状リッヂ部４３よりも内周側に開口
してポンプイン型パターン４２ａに対応する一方、外部
流体をスラスト軸受４に供給する吸引流路２４は、スラ
スト板４２の環状リッヂ部４３よりも外周側に開口して
ポンプアウト型パターン４２ｂに対応している。

【００２２】また、図１中において、符号１２はロータ
１に嵌合する回転軸（図示せず）を当該ロータ１に固定
するためのねじ孔である。

【００２３】そして、以上のように構成された本実施例
の動圧軸受ユニットは、例えば軸流ポンプの揚水路内に
おいて、ロータ１が軸流ポンプの羽根車軸に嵌合させる
一方、ハウジングが揚水路の案内胴に固定され、揚水中
で羽根車軸の回転を支承する水中軸受として使用され
る。すなわち、この場合は揚水が外部流体に相当し、動
圧軸受ユニット内には作動流体が密閉されている。

【００２４】図４はロータ１が回転した際の作動流体Ｆ
の流れを示すものである。ロータ１が回転すると、スラ
スト板４１に形成されたポンプイン型パターン４２ａが
スラスト軸受４の軸受隙間に保持された作動流体Ｆを回
転中心へ向けて付勢し、これをラジアル動圧軸受３の軸
受隙間に押し込む。また、ロータ１の回転に伴い、内輪
３１に形成されたヘリングボーン状溝３２がラジアル軸
受の軸受隙間に保持された作動流体Ｆをヘリングボーン
状溝３２の中央に向かって加圧する。これにより、作動
流体Ｆはスラスト軸受４からラジアル軸受３へと流動
し、スラスト軸受４の軸受隙間ではポンプイン型パター
ン４２ａの外周縁の近傍が低圧となる一方、ラジアル軸
受３の軸受隙間ではヘリングボーン状溝３２の中央付近
が高圧となる。その結果、ラジアル軸受３で昇圧した作
動流体Ｆは封入流路２１に入り込み、スラスト軸受４の
低圧域へ噴出する。封入流路２１のスラスト軸受４側の
開口はポンプイン型パターン４２ａに対向しているの
で、封入流路２１からスラスト軸受４の軸受隙間に噴出
した作動流体Ｆは再度回転中心に向けて付勢され、ラジ
アル軸受３の軸受隙間に流れ込む。

【００２５】すなわち、この動圧軸受ユニットでは、ロ
ータ１が回転すると作動流体Ｆがスラスト軸受４→ラジ
アル軸受３→スラスト軸受４と循環し、作動流体Ｆは殆
ど外部に漏れだすことがない。また、封入流路２１には
液溜め２３を取り付けた補給口２２が連通しているの
で、仮に作動流体Ｆがスラスト軸受４の軸受隙間から若
干量だけ外部に漏れ出しても、その不足分を適宜補給す
ることができる。

【００２６】一方、図５はロータ１が回転した際の外部
流体ｆの流れを示すものである。ロータ１が回転する
と、スラスト板４１に形成されたポンプインアウト型パ
ターン４２ｂがスラスト軸受４の軸受隙間に入り込んだ
外部流体ｆを遠心方向へ付勢するので、スラスト軸受４
の軸受隙間ではポンプアウト型パターン４２ｂの内周縁
の近傍が低圧となる。このため、外部流体ｆはフィルタ
ー２６を通して吸引口２５に入り込み、吸引流路２４か
らスラスト軸受４の低圧域へ噴出する。吸引流路２４の
スラスト軸受４側の開口はポンプアウト型パターン４２
ｂに対向しているので、吸引流路２４からスラスト軸受
４の軸受隙間に噴出した外部流体ｆは遠心方向へ付勢さ
れ、スラスト軸受４の軸受隙間から排出される。

【００２７】すなわち、この動圧軸受ユニットはロータ
１の回転に伴って外部流体ｆをハウジング２内に吸い込
み、これをスラスト軸受４の外周側から吐出するように
なっている。このため、外部流体ｆがスラスト板４１の
外周からその軸受隙間に入り込むことがなく、軸受内を
外部流体ｆから完全に密封することができる。

【００２８】また、ロータ１が停止しており、前述のよ
うな作動流体Ｆの循環及び外部流体ｆの吐出が行われて
いない場合であっても、スラスト板４１に形成されたリ
ッヂ部４３が作動流体Ｆと外部流体ｆとを仕切っている
ので、スラスト軸受４の軸受隙間において作動流体Ｆと
外部流体ｆとが混じり合うことは殆どない。

【００２９】従って、スラリーを含む揚水中でこの動圧
軸受ユニットを使用しても、作動流体が揚水中に漏れだ
すことがなく、また揚水が軸受内に侵入して軸受が破損
することもない。

【００３０】尚、本実施例では補給口２２に液溜め２３
を装着して作動流体の補給を行ったが、ハウジング２外
にリザーブタンクを設けてこのリザーブタンクと補給口
２２とをチューブで連結するように構成しても良い。

【００３１】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の動圧
軸受ユニットによれば、作動流体はその内部で循環して
おり軸受外に漏れ出すことがないので、浸水状態及び乾
燥状態のいずれの環境下でこれを使用しても、小さなト
ルクで滑らかに軸を回転させることができる。

【００３２】また、本発明の動圧軸受ユニットは、一旦
ハウジング内へ吸い込んだ外部流体をスラスト動圧軸受
の軸受隙間からハウジング外へ噴出し、これにより軸受
内を外部流体に対して完全に密閉しているので、例えば
スラリーを含む揚水中で使用してもその性能が損なわれ
ることがなく、半永久的にこれを使用することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の動圧軸受ユニットの実施例を示す概
略図である。

【図２】 実施例に係るラジアル動圧軸受のヘリングボ
ーン状溝のパターンを示す図である。

【図３】 実施例に係るスラスト動圧軸受のスパイラル
状溝のパターンを示す図である。

【図４】 実施例に係る動圧軸受ユニットにおいてその
作動流体の循環経路を示す概略図である。

【図５】 実施例に係る動圧軸受ユニットにおいてその
外部流体の循環経路を示す概略図である。

【符号の説明】

１…ロータ、２…ハウジング、３…ラジアル動圧軸受、
４…スラスト動圧軸受、２１…封入流路、２４…吸引流
路、３２…ヘリングボーン状溝、４２ａ…ポンプイン型
スパイラル状溝、４２ｂ…ポンプアウト型スパイラル状
溝、４３…リッヂ部

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16C 17/10 F16C 17/14 F04D 29/04

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジングと、このハウジングを貫通す
   る回転軸を上記ハウジングに対して回転自在に支承する
   ラジアル動圧軸受と、上記ハウジングに対する回転軸の
   軸方向の移動を規制する一対のスラスト動圧軸受と、上
   記ラジアル動圧軸受及びスラスト動圧軸受の軸受隙間に
   封入された作動流体とを備え、 上記ラジアル動圧軸受の両端に夫々スラスト動圧軸受を
   配設してこれら動圧軸受の軸受隙間を連通連結させると
   共に、上記ラジアル動圧軸受にはポンプイン型のヘリン
   グボーン状溝を、上記スラスト動圧軸受には環状のリッ
   ヂ部を隔ててその内周側にポンプイン型のスパイラル状
   溝、外周側にポンプアウト型のスパイラル状溝を形成
   し、また、 上記ハウジングには上記ラジアル動圧軸受から吐出され
   た作動流体を上記スラスト動圧軸受のリッヂ部よりも内
   周側に循環させる封入流路を形成すると共に、ハウジン
   グ外に満たされた外部流体を上記スラスト動圧軸受のリ
   ッヂ部よりも外周側に供給する吸引流路を形成したこと
   を特徴とする動圧軸受ユニット。
2. 【請求項２】 上記ハウジングには上記封入流路に作動
   流体を補給する補給口を設け、この補給口には封止弁を
   設けたことを特徴とする請求項１記載の動圧軸受ユニッ
   ト。