JP7422491B2

JP7422491B2 - 立軸ポンプ

Info

Publication number: JP7422491B2
Application number: JP2019035431A
Authority: JP
Inventors: 佑規三橋; 渡野部; 崇沖原; 秀樹秋庭
Original assignee: Hitachi Industrial Products Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Products Ltd
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2024-01-26
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: JP2020139454A

Description

本発明は、立軸ポンプの構造に係り、特に、無潤滑状態で待機運転を行う先行待機型ポンプに適用して有効な技術に関する。

近年急速な都市化に伴い、集中豪雨時の都市排水機場への雨水流入は、大量かつ急激なものとなっており、都市型洪水発生の危険性が高くなっている。このような問題を回避するためには、緊急時でも速やかに排水する立軸ポンプが必要である。そこで、雨水が排水機場に流入する以前に、ポンプを先行して空転運転させ、雨水が流入してきたら即座に排水運転を行う、先行待機型ポンプの需要が高まっている。

この先行待機型ポンプにおける軸受は、空転運転時における無潤滑摺動、排水運転時における異物等を含む水潤滑摺動が、繰り返し行われるような環境下において、回転軸を支持する。従来では、空転運転時においても外部注水装置を用いて水潤滑状態を維持し、軸受が焼損するのを防止していた。しかしながら、コストやメンテナンス性の観点から、空転運転時においても外部注水装置を使用せず、無注水軸受を用いるのが現在の主流となっている。

無注水軸受は、回転軸及び回転軸を覆うように設置されたスリーブと、一定の間隔を隔てて回転軸及びスリーブを支持する円筒状の軸受と、軸受を支持する軸受ハウジングにより構成されている。また、スリーブには高強度材料（超硬合金等）が主に用いられ、軸受には摺動性の良い材料（樹脂等）が主に用いられており、無潤滑摺動及び異物摩耗に長時間耐え得ることができる。

しかしながら、無潤滑摺動では、発熱量の過大による軸受の焼損や、スリーブ及び軸受の熱膨張によってクリアランスが消失しスリーブと軸受が接触すること、回転軸のアンバランスや組立時のミスアライメントによってスリーブと軸受が部分的に摺動（片当たり）し、周方向において回転軸が局所的に温度上昇し、それに伴い回転軸が曲がり、振動増加や軸受荷重が増加するなどの問題が挙げられる。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「回転流体機械の回転軸の支持に使用され、軸受すべり面が大気中に露出するドライ条件で使用されるすべり軸受装置であって、前記回転軸の外周に固定されたスリーブと、前記スリーブが摺接する軸受すべり面を有したすべり軸受とを備え、前記スリーブは、回転軸側から断熱層、伝熱層、摺動層の順序で積層した三層構造からなるすべり軸受装置」が開示されている。

特許第６３８９６５７号公報

上記特許文献１には、図１０や図１１に示されているように、回転軸とすべり軸受間の断熱層に空隙を設けることで、構造的に回転軸と摺動層の間の熱伝達率を小さくすることが記載されている。

しかしながら、特許文献１では、スリーブは断熱層、伝熱層、摺動層の三層構造で構成されており、回転軸の回転（摺動）による振動や発熱に起因する各層界面での剥離や亀裂などの問題が懸念される。

また、摺動面に対して空隙が比較的小さいため、つまり、回転軸の軸方向における空隙の長さがすべり軸受の長さよりも短いため、回転軸とすべり軸受間の伝熱が十分に低減されない可能性がある。

そこで、本発明の目的は、無潤滑状態で待機運転を行う立軸ポンプにおいて、待機運転時（空転運転時）でも安定して回転軸（主軸）を支持可能なすべり軸受装置とそれを用いた立軸ポンプを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、一端に羽根車が設けられ、他端に駆動モータが設けられた回転軸と、前記回転軸をポンプケーシングに回転可能に支持するすべり軸受と、を有し、無潤滑状態で待機運転を行う立軸ポンプであって、前記回転軸の外周を覆うスリーブと、前記スリーブから所定の間隔を隔てて対向して配置される軸受と、を備え、前記回転軸または前記スリーブは、前記回転軸と前記スリーブの間に空間を形成する１つの凹部を有し、前記凹部のすべての部分はスリーブの内周側全周に渡って設けられており、前記空間は前記回転軸の周方向に連通して形成されており、前記回転軸の軸方向における前記凹部の長さは、前記回転軸の軸方向における前記軸受の長さよりも長いことを特徴とする。

本発明によれば、無潤滑状態で待機運転を行う立軸ポンプにおいて、待機運転時（空転運転時）でも安定して回転軸（主軸）を支持可能なすべり軸受装置とそれを用いた立軸ポンプを実現することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の適用対象となる立軸ポンプの全体概要を示す図である。実施例１に係る立軸ポンプの軸受部を示す縦断面図である。図２ＡにおけるＡ－Ａ’部の水平断面図である。実施例１に係る立軸ポンプの軸受部を示す斜視図である。図２ＣにおけるＢ－Ｂ’部の水平断面図である。実施例２に係る立軸ポンプの軸受部を示す縦断面図である。図３ＡにおけるＣ－Ｃ’部の水平断面図である。実施例３に係る立軸ポンプの軸受部を示す縦断面図である。図４ＡにおけるＤ－Ｄ’部の水平断面図である。実施例４に係る立軸ポンプの軸受部を示す縦断面図である。図５ＡにおけるＥ－Ｅ’部の水平断面図である。図５Ａの変形例を示す図である。実施例５に係る立軸ポンプの軸受部を示す縦断面図である。図６ＡにおけるＦ－Ｆ’部の水平断面図である。実施例６に係る立軸ポンプの軸受部を示す縦断面図である。従来の立軸ポンプの軸受部を示す斜視図である。従来の立軸ポンプの軸受部を示す斜視図である。図８ＢにおけるＧ－Ｇ’部の水平断面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１から図２Ｄ及び図８Ａから図８Ｃを参照して、実施例１のすべり軸受装置とそれを用いた立軸ポンプについて説明する。図１は本発明の適用対象となる立軸ポンプの全体概要を示している。図２Ａは本実施例の軸受構造を示す縦断面図である。図２Ｂは図２ＡにおけるＡ－Ａ’部の水平断面図である。図２Ｃ及び図２Ｄは本実施例の効果を説明するための図である。また、図８Ａから図８Ｃは本発明の作用効果を分かり易くするために示す、従来の立軸ポンプの軸受部での問題点を説明するための図である。

先ず、図１を用いて本発明の適用対象となる立軸ポンプについて説明する。図１に示すように、立軸ポンプ１は、鉛直方向に延伸し回転する回転軸（主軸）２の下端部に、羽根車３が固定されており、羽根車３の下方から羽根車３の外周部を覆い、さらに上方にまでポンプケーシング４が延びている。ポンプケーシング４は、羽根車３の部分を除いてほぼ円筒形に形成されており、中心部を回転軸（主軸）２が貫通している。ポンプケーシング４の内部は、揚水の流路を形成する。

ポンプケーシング４の内部を貫通する回転軸（主軸）２は、上下方向の複数個所（図１では５ａ，５ｂの２ヶ所）において、無注水軸受５（５ａ，５ｂ）によって回転可能に支持されている。図１の立軸ポンプ１では、羽根車３の近傍において、一方の無注水軸受５ａが設けられており、立軸ポンプ１の設置面である床面（図１のハッチング部分）よりも下方であって、この立軸ポンプ１を駆動する駆動モータ６にカップリング７を介して接続される回転軸（主軸）２の途中に、無注水軸受５ｂが設置されている。

すなわち、立軸ポンプ１は、一端に羽根車３が設けられ、他端に駆動モータ６が設けられた回転軸（主軸）２と、羽根車３および回転軸（主軸）２を内包し、立軸ポンプ１の駆動時に流体（水）の流路となるポンプケーシング４と、回転軸（主軸）２をポンプケーシング４に回転可能に支持する軸受（無注水軸受５ａ，５ｂ）を有している。

次に、図８Ａから図８Ｃを用いて、本実施例の比較例である従来の立軸ポンプの軸受部の問題点について説明する。図８Ａは従来の立軸ポンプ１が備える無注水軸受５（５ａ，５ｂ）の斜視図である。無注水軸受は、図８Ａに示すように、回転軸（主軸）２と、回転軸（主軸）２の外周面を覆うように設置されたスリーブ（摺動層）８と、スリーブ（摺動層）８と一定の間隔を隔てて回転軸（主軸）２及びスリーブ（摺動層）８を支持する円筒状の軸受９と、軸受９を保持する円筒状の軸受ハウジング（図示せず）とを有している。スリーブ（摺動層）８の軸受摺動面１１と、摺動部材である軸受９が摺動しながら、回転軸（主軸）２が回転する。

上記のように、スリーブ（摺動層）８と軸受９の間には、一定の間隔（間隙）があるため、スリーブ（摺動層）８が軸受９と片当り状態となる場合があり、片当り状態が継続すると、図８Ｂのように、片当たり部１２を中心にスリーブ（摺動層）８が局所的に発熱する。

そして、図８Ｃに示すように、片当たり部１２を中心に発熱した局所熱が回転軸（主軸）２に伝わり、スリーブ（摺動層）８と回転軸（主軸）２に周方向温度分布が付くと、図８Ｂに示すように、熱膨張差により回転軸（主軸）２が曲がる。これは回転軸（主軸）２を含む回転体の過大振動の要因となり問題となる。

そこで、本実施例のすべり軸受装置では、図２Ａに示すように、スリーブ（摺動層）８の回転軸（主軸）２と接する側、つまりスリーブ（摺動層）８の内周側に回転軸（主軸）２とスリーブ（摺動層）８の間にスペース（空間）１０を形成するための凹部が設けられている。この凹部は、図２Ｂに示すように、スリーブ（摺動層）８の内周側全周に渡って設けられており、スペース（空間）１０は回転軸（主軸）２の周方向に連通して形成される。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、回転軸（主軸）２とスリーブ（摺動層）８の間にスペース（空間）１０を設けることで、図２Ｃに示すように、スリーブ（摺動層）８が軸受９に片当たりした場合であっても、スリーブ（摺動層）８に発生する局所熱が回転軸（主軸）２に直接伝播しない。スペース（空間）１０にある空気へ熱は伝播するが、空気の流動性によって、スペース（空間）１０の温度分布が局所化せず、回転軸（主軸）２への局所的な伝熱とならない。

この効果によって、図２Ｄに示すように、回転軸（主軸）２に周方向温度分布が付かず、回転軸（主軸）２が曲らない。これにより、回転軸（主軸）２の過大振動を抑制することができる。

なお、スリーブ（摺動層）８から回転軸（主軸）２への伝熱を効果的に抑制するためには、スペース（空間）１０を十分な幅を有して形成する必要がある。そこで、本実施例では、図２Ａに示すように、回転軸（主軸）２の軸方向おける凹部の長さｂを、回転軸（主軸）２の軸方向おける軸受９の長さａよりも長く設けている。（ｂ＞ａ）
また、スリーブ（摺動層）８から回転軸（主軸）２への伝熱を効果的に抑制するためには、回転軸（主軸）２の軸方向おける凹部の長さｂは、回転軸（主軸）２の軸方向おける軸受９の長さａの１．０倍以上、２倍以下であることが望ましい。回転軸（主軸）２の軸方向おける凹部の長さｂが短い場合、スペース（空間）１０が小さく（狭く）なり、伝熱を十分に抑制することができない。一方、回転軸（主軸）２の軸方向おける凹部の長さｂを大きく取り過ぎると、スリーブ（摺動層）８と回転軸（主軸）２の接触面が小さくなるため、回転軸（主軸）２とスリーブ（摺動層）８の接合強度が低下してしまう。

さらに、回転軸（主軸）２の軸方向おける凹部の両端の位置は、回転軸（主軸）２の軸方向における軸受９の両端の位置よりそれぞれ１ｍｍ～９ｍｍ外側であるのがより好適である。スリーブ（摺動層）８から回転軸（主軸）２への伝熱を、回転軸（主軸）２の軸方向（図２Ａの上下）において、バランス良く低減することができる。

なお、回転軸（主軸）２とスリーブ（摺動層）８の間にスペース（空間）１０を形成するために設けられるスリーブ（摺動層）８の内周側の凹部は、強度上の問題が無ければ、回転軸（主軸）２の外周側に設けてもよい。或いは、スリーブ（摺動層）８の内周側および回転軸（主軸）２の外周側の両方に設けることも可能である。

以上説明したように、本実施例のすべり軸受装置は、回転軸（主軸）２の外周を覆うスリーブ（摺動層）８と、スリーブ（摺動層）８から所定の間隔を隔てて対向して配置される軸受９を備えており、回転軸（主軸）２またはスリーブ（摺動層）８は、回転軸（主軸）２とスリーブ（摺動層）８の間にスペース（空間）１０を形成する凹部を有し、回転軸（主軸）２の軸方向おける凹部の長さｂは、回転軸（主軸）２の軸方向における軸受９の長さａよりも長い。

また、本実施例では、特許文献１の三層構造（断熱層、伝熱層、摺動層）とは異なり、回転軸（主軸）２と軸受９の間には単層のスリーブ（摺動層）８のみが配置されており、スリーブの剥離や亀裂などの問題が発生する可能性は極めて低い。

これにより、無潤滑状態で待機運転を行う立軸ポンプにおいて、待機運転時（空転運転時）でも安定して回転軸（主軸）を支持可能なすべり軸受装置とそれを用いた立軸ポンプを実現することができる。

図３Ａ及び図３Ｂを参照して、実施例２のすべり軸受装置について説明する。図３Ａは本実施例の軸受構造を示す縦断面図であり、実施例１の図２Ａに相当する。図３Ｂは図３ＡにおけるＣ－Ｃ’部の水平断面図である。

本実施例では、図３Ａ，図３Ｂに示すように、スリーブ（摺動層）８に、回転軸（主軸）２の軸方向おけるスリーブ（摺動層）８の上面とスペース（空間）１０を形成するための凹部とを連通するスリット１３が設けられている。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、スリーブ（摺動層）８にスリーブ１３を設けることで、スペース（空間）１０内に発生した熱（温度上昇した空気）がスリット１３を介してスリーブ（摺動層）８の外側に放出されるため、スリーブ（摺動層）８から回転軸（主軸）２への伝熱をより効果的に抑制することができる。

なお、スリット１３は、スリーブ（摺動層）８の下面に設けても、スリーブ（摺動層）８の上面に設けた場合と同様の効果を得ることができる。もちろん、スリーブ（摺動層）８の上下両面にスリット１３を設けても良いことは言うまでもない。

図４Ａ及び図４Ｂを参照して、実施例３のすべり軸受装置について説明する。図４Ａは本実施例の軸受構造を示す縦断面図であり、実施例１の図２Ａに相当する。図４Ｂは図４ＡにおけるＤ－Ｄ’部の水平断面図である。

本実施例では、図４Ａ，図４Ｂに示すように、スリーブ（摺動層）８に、スリーブ（摺動層）８の軸受９と対向する側面とスペース（空間）１０を形成するための凹部とを連通するスリット１３が設けられている。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、スリーブ（摺動層）８にスリーブ１３を設けることで、スペース（空間）１０内に発生した熱（温度上昇した空気）がスリット１３を介してスリーブ（摺動層）８の外側に放出されるため、スリーブ（摺動層）８から回転軸（主軸）２への伝熱をより効果的に抑制することができる。

図５Ａから図５Ｃを参照して、実施例４のすべり軸受装置について説明する。図５Ａは本実施例の軸受構造を示す縦断面図であり、実施例１の図２Ａに相当する。図５Ｂは図５ＡにおけるＥ－Ｅ’部の水平断面図である。また、図５Ｃは図５Ａの変形例である。

本実施例では、図５Ａ，図５Ｂに示すように、回転軸（主軸）２とスリーブ（摺動層）８の間に形成されるスペース（空間）１０内に複数の補強リブ１４が設けられている。この補強リブ１４により、スペース（空間）１０は複数の凹部に分割されている。

スペース（空間）１０内に補強リブ１４を設けることで、凹部を設けた場合であっても、回転軸（主軸）２とスリーブ（摺動層）８の接合強度を向上することができる。

なお、図５Ｃに示すように、補強リブ１４をスペース（空間）１０内にらせん状に設けることで、回転軸（主軸）２とスリーブ（摺動層）８の間にらせん状のスペース（空間）１０が形成され、スペース（空間）１０内に発生した熱をらせん状のスペース（空間）１０に沿って上部まで移動させることができ、スリーブ（摺動層）８に設けたスリット等（図示せず）を介してスリーブ（摺動層）８の外部に放出することができる。

図６Ａ及び図６Ｂを参照して、実施例５のすべり軸受装置について説明する。図６Ａは本実施例の軸受構造を示す縦断面図であり、実施例１の図２Ａに相当する。図６Ｂは図６ＡにおけるＦ－Ｆ’部の水平断面図である。

本実施例では、図６Ｂに示すように、回転軸（主軸）２とスリーブ（摺動層）８の間に形成されるスペース（空間）１０内に複数の補強リブ１４が設けられている。図６Ｂでは、補強リブ１４が回転軸（主軸）２の径方向に４本設けられている例を示している。

実施例４と同様に、スペース（空間）１０内に１つ以上の補強リブ１４を設けることで、凹部を設けた場合であっても、回転軸（主軸）２とスリーブ（摺動層）８の接合強度を向上することができる。

図７を参照して、実施例６のすべり軸受装置について説明する。図７は本実施例の軸受構造を示す縦断面図であり、実施例１の図２Ａに相当する。

本実施例では、図７に示すように、回転軸（主軸）２とスリーブ（摺動層）８の間に形成されるスペース（空間）１０内に断熱材１５が配置されている。

スペース（空間）１０内に断熱材１５を挿入することで、スペース（空間）１０内の空気と断熱材１５により断熱層を多層化し、スリーブ（摺動層）８から回転軸（主軸）２への伝熱をより効果的に抑制することができる。

なお、この断熱材１５は、スリーブ（摺動層）８に接着させて配置してもよく、スリーブ（摺動層）８に接着させずにスペース（空間）１０内に配置してもよい。

以上説明した各実施例によれば、無潤滑状態で待機運転を行う立軸ポンプにおいて、待機運転時（空転運転時）でも安定して回転軸（立軸）を支持可能なすべり軸受装置とそれを用いた立軸ポンプを実現することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…立軸ポンプ、２…回転軸（主軸）、３…羽根車、４…ポンプケーシング、５，５ａ，５ｂ…無注水軸受、６…駆動モータ、７…カップリング、８…スリーブ（摺動層）、９…軸受、１０…スペース（空間）、１１…軸受摺動面、１２…片当たり部、１３…スリット、１４…補強リブ、１５…断熱材。

Claims

一端に羽根車が設けられ、他端に駆動モータが設けられた回転軸と、前記回転軸をポンプケーシングに回転可能に支持するすべり軸受と、を有し、無潤滑状態で待機運転を行う立軸ポンプであって、
前記回転軸の外周を覆うスリーブと、
前記スリーブから所定の間隔を隔てて対向して配置される軸受と、を備え、
前記回転軸または前記スリーブは、前記回転軸と前記スリーブの間に空間を形成する１つの凹部を有し、
前記凹部のすべての部分はスリーブの内周側全周に渡って設けられており、前記空間は前記回転軸の周方向に連通して形成されており、
前記回転軸の軸方向における前記凹部の長さは、前記回転軸の軸方向における前記軸受の長さよりも長いことを特徴とする立軸ポンプ。
請求項１に記載の立軸ポンプであって、
前記空間内に断熱材が配置されることを特徴とする立軸ポンプ。
請求項１または２に記載の立軸ポンプであって、
前記回転軸の軸方向における前記凹部の長さは、前記回転軸の軸方向における前記軸受の長さの１．０倍以上、２倍以下であることを特徴とする立軸ポンプ。
請求項１または２に記載の立軸ポンプであって、
前記回転軸の軸方向における前記凹部の両端の位置は、前記回転軸の軸方向における前記軸受の両端の位置よりそれぞれ１ｍｍ～９ｍｍ外側であることを特徴とする立軸ポンプ。