JPH0456892B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、水中ポンプ、水中モータ或いは一般
のポンプ等に使用される動圧効果を利用したスラ
スト軸受であつて、特に中央部に軸が貫通するス
ラスト軸受に関する。

（従来の技術） 従来の硬質材料を利用し且つ中央部に軸が貫通
するスラスト軸受は、第６Ａ図及び第６Ｂ図に示
すように、回転軸３１に圧力部材３２を一体に取
付け、該圧力部材３２に対向して、軸３１が中央
部を貫通する固定支持部材３３を設け、該固定支
持部材３３の上面即ち圧力部材３２との対向面に
は、スパイラル溝３４を、軸３１の矢印方向（反
時計方向）の正転時に周辺部から中心部へ向つて
動圧効果を生じさせる方向に形成し、該対向二面
間には流体を介在させるようにして構成されてい
る。なお、図中、３５は封鎖環、３６はフランジ
部３６ａと円筒部３６ｂを具えた環状体、３７は
Ｏリングを示す。（特公昭41−12121号公報参照） 上記回転軸３１が圧力部材３２と一体になつて
矢印方向に回転すると、該圧力部材３２と支持部
材３３の対向二面間に介在する流体は、スパイラ
ル溝３４に沿つて軸受の外側から軸３１に向けて
移動する。固定支持部材３３と軸３１との貫通部
よりの流体の漏れは、環状体３６によつて絞り作
用を受けるために加圧され、スパイラル溝部に動
圧を生じることになり、この動圧によつて軸推力
を支持させていた。

（発明が解決しようとする問題点） 上記した従来のスパイラル溝付スラスト軸受を
水中ポンプたや水中モータ等に取付けて駆動する
際、配線ミスのため羽根車軸を逆方向に回転させ
る場合がある。このような場合、回転軸を支持す
る固定支持面には正回転時に動圧効果を生じさせ
る方向の一方のみにスパイラル溝が切られている
ので、逆回転時には動圧効果が全く生ぜず、材料
によつては焼付く可能性がある等の欠点があつ
た。

本発明は、中央部に軸が貫通するスラスト軸受
において、流体摩擦を利用して損失動力を少くす
ると共に、正回転のときばかりでなく、逆回転さ
せた場合でも、スラスト荷重が受けられることを
可能とすることを技術的課題としている。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上記した従来技術の欠点を除去し、
技術的課題を解決するために、表面に、正転時に
動圧効果を生じさせる方向に形成されたスパイラ
ル溝を、また裏面には、逆回転時に動圧効果を生
じさせる方向に形成されたスパイラル溝をそれぞ
れ設け且つ中央部の軸貫通孔の近傍に溝部以外の
ところと同じ高さの中央環状部を両面に有する硬
質材料からなる中間板を、一方が回転し他方が固
定され且つそれぞれ中央部に軸貫通孔を有する対
向する２個の受板の間に介在させたことを特徴と
している。

（作 用） 本発明は上記のように構成されているので、回
転軸に荷重負荷をかけた状態で正方向に回転させ
ると、中間板の表面のスパイラル溝は、潤滑液を
周辺部より、中央部の軸貫通孔の近傍に設けられ
溝部以外のところと同じ高さを有する中央環状部
へ向つて強制移動させるのに伴い、該中央環状部
と受板とにより形成される狭い〓間により絞り作
用を受けて動圧を発生し、対向両面間に所要の厚
さの液膜が形成されて推力荷重を支える。他方、
裏面のスパイラル溝は、回転軸の回転について中
間板も共に回転しようとするが、その溝の向きが
表面の溝とは正面からみて逆方向に形成されてい
るので動圧効果が生ぜず、中央環状部より周辺部
へ溝内の液が排除されようとして両面間に吸引力
が働くので、該中間板は下部受板に完全に密着さ
れる。従つて、中間板をハウジング側の受板に接
着剤等によつて接着する必要がない。

また始動時、配線等のミスで逆方向に回転させ
たときは、中間板の表側のスパイラル溝内の潤滑
液が周辺部へ排除されることになつて、上部受板
と中間板間に吸引力が働き、中間板は回転軸と一
体になつて回転するようになる。従つて、動圧効
果は、裏面のスパイラル溝と下部受板との間に形
成される。なお、軸の正回転時及び逆回転時、ス
パイラル溝の周辺部より中央の軸部へ強制移動さ
れた流体は、中央環状部と上下の受板でそれぞれ
形成される狭い隙間により絞り作用を受けるの
で、流体膜に圧力が発生し負荷能力をもつ。

（実施例） 次に、本発明の実施例を図面と共に説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す縦断面図
で、回転軸１と一体に回転する上部支持体２に、
中央部に軸貫通孔を穿設した上部受板１２が充填
材を介して固定され、また固定ハウジング４に球
面５で支持され、微小な動きは許容するが回転し
ないようにピン６に係合され且つ中央部に軸が貫
通する下部支持体７に、中央部に軸貫通孔を穿設
した下部受板１３が充填材を介して固定され、こ
れら両受板１２と１３の間に、表裏両面にそれぞ
れの面から見て逆方向（従つて透過してみたとき
は同方向に見える。）の向きのスパイラル溝をそ
れぞれ設け且つ中央部に軸貫通孔を穿設した硬質
材料からなる中間板１０が挿入され、これらが、
内部に潤滑液の充満する軸受室１４に収納されて
いる。なお、図中、１５は中間板１０が半径方向
に移動しないための支持体を示す。

第２図は、上記中間板１０の表面（上面）から
みた平面図（軸部は断面で示されている。）であ
つて、周辺部から、軸貫通孔の近傍に溝部以外の
部分と同じ高さに形成された中央環状部１６にか
けてスパイラル溝１１が設けられており、この表
面のスパイラル溝１１の向きは、該スパイラル溝
１１に接して回転する上部受板１２によつて流体
が中間板１０の周辺部より溝１１に沿つて上記中
央環状部１６へ誘導され、回転することにより該
中央環状部１６と上部受板１２で形成される狭い
隙間の絞り作用により動圧効果を生じるような方
向に形成される。また該中間板１０の裏面は、図
示は省略されているが、その正面（下面）から見
て第２図とは向きを逆にしただけの同形状のスパ
イラル溝と中央環状部が形成されている。

そしてこの実施例では、中間板１０を構成する
硬質材としてセラツクス材、例えば炭化珪素
（SiC）、窒化珪素（Si₃N₄）が使用され、また両
受板１２，１３には、アルミナセラミツクス及び
超硬合金、高鉛青銅、普通鋳鉄が使用される。な
お、このセラミツクス材は、耐食性に優れている
反面、加工性が悪いため、その表面に３〜50μm
（ミクロンメータ、１／1000mm）の極めて浅いス
パイラル状の溝加工を施すことは容易ではない
が、本発明では、所定形状のセラミツクス製の被
加工材の表面を、所定形状のスパイラル状の樹脂
マスクで遮蔽した上、微粉のアルナ質研削材を上
記樹脂マスク上に噴射するシヨツトブラスト加工
法により、極めて短時間にスパイラル溝を形成す
る。上記のスパイラル状の樹脂マスクは、ポリエ
ステル系の液体感光性樹脂を紫外線で露光・硬化
させたもので、製作方法としては、先ず、スパイ
ラル状溝のネガフイルムを作成し、これをガラス
板上に置き、この上に透明のカバーフイルムを重
ね、感光性の有する液体樹脂を注加する。また、
この樹脂の上に、さらに、ベース・フイルムをロ
ールでラミネートする。

次に、紫外線ランプで数秒間露光させ、ネガフ
イルムを通して、露光した部分の樹脂は硬化し、
フイルムと同一形状のスパイラル溝形状をした樹
脂マスクが出来る。

本軸受に使用した樹脂マスクは、２層のベース
フイルムと粘着性を有するスパイラル溝模様を有
する樹脂、及び保護用紙とからなつている。シヨ
ツト加工するときは保護用紙をとり、被加工材表
面に貼り付け、ベース・フイルムの一層をはがし
た後行う。そしてここで使用されたセラミツクス
板は、２mmの厚さの常圧焼結製SiC（炭化珪素）、
Si₃N₄（窒化珪素）で、両面に10μmのスパイラル
溝が前記シヨツトブラストを用いて加工されてい
る。

この実施例によれば、回転軸１に荷重負荷をか
けた状態で第１図の矢印方向の正方向（第２図で
時計方向）に回転させると、中間板１０の表面の
スパイラル溝１１は、潤滑液を周辺部より中央環
状部１６へ向つて強制移動させかつ回転に伴つて
中央環状部１６と上部受板１２で形成される狭い
隙間の絞り作用によつて動圧を発生し、対向両面
間に所要の厚さの液膜が諺形成されて推力荷重を
支える。他方、裏面のスパイラル溝は、回転軸１
の回転につれて中間板１０も共に回転しようとす
るがその溝の向きが表面とはそれぞれの面からみ
て逆方向に形成されているので、動圧効果が生ぜ
ず、中心環状部より周辺部へスパイラル溝１１内
の液が排除されようとして両面間に吸引力が働く
ので、該中間板１０は下部受板１３に完全に密着
される。従つて、中間板１０をハウジング側の受
板に接着する必要ががなくなるので、接着による
熱膨脹差による割れの心配もなく、高温用軸受と
しても使用することができる。また、回り止めを
必要とせず簡単な構造となる。

また始動時、配線等のミスで逆方向に回転させ
たときは、中間板１０の表側のスパイラル溝１１
内の潤滑液が周辺部へ排除されることになつて、
上部受板１２と中間板１０間に吸引力が働き、中
間板１０は回転軸１と一体になつて回転するよう
になる。従つて、動圧効果は、該中間板１０の裏
面のスパイラル溝１１と下部受板１３との間に形
成されるので、逆回転時にも、正回転時と同一の
スラスト荷重を受けることができる。

またこの実施例では、中間板１０を前記のよう
にセラミツクス材で構成しているので、スパイラ
ル溝が３〜50μmの深さの溝で十分な軸受能力を
発揮することから、素材のセラミツクス材も経済
的な肉厚、例えばSiCでは１〜２mmの厚みでよ
く、しかも前記のように、支持受板に対する吸引
作用によつて金属材料等への接着の必要がないの
で、前記のようにコスト的にも安価に製造でき、
また接着に伴う熱膨脹差による割れの心配もない
ので、高温用としても都合がよい。また、潤滑液
として水のような粘性の小さい液を使用できるの
で、従来のテイルテイング型スラスト軸受を用い
る場合のような潤滑液のシールや冷却方法に問題
がなく、その劣化が生ぜず、耐荷重が大で信頼性
に富み、前記同様高温用にも適している。

第３図は、中間板裏面の他の実施例を示す平面
図であつて、表面のスパイラル溝１１より溝数を
少なくしたスパイラル溝１１ａが設けられている
点で前記第１実施例と異なつている。

この実施例は、逆回転時における負荷が正回転
時に比べて小さい場合、例えばポンプの場合、逆
回転時における吐出圧が低いので、羽根車に加わ
る水力荷重も少なく、スラスト荷重即ち負荷が少
ないので、中間板の裏面に形成されるスパイラル
溝の数は表面より数が少くても逆回転時のスラス
ト荷重を十分受けることができ、また、ただ回り
止めの目的だけの場合等に用いられる。

第４図は、中間板表面の他の実施例を示す平面
図であり、この中間板の裏面には、図示は省略さ
れているが、正面（裏面）からみて第４図とはス
パイラルの向きを逆にしただけのスパイラル溝及
び環状溝と中央環状部が形成されている。この実
施例では、第２図に示す第１実施例に比べて、環
状溝１７をスパイラル溝の中間部に設け、その外
側及び内側に適宜溝数を異にしたスパイラル溝１
１ｂ，１１ｃを配するようにした点で異なつてい
る。

この実施例によれば、各隣合つたスパイラル溝
が同心円状の環状溝１７によつて連通されている
ので、軸受面同一径における圧力分布をほぼ均一
化することができ、また内側スパイラル溝１１ｃ
を外側スパイラル溝１１ｂの溝数より多くするこ
とにより、相対すべり速度が外側部に比べて減つ
た環状溝１７の内側における動圧効果をより高め
ることができる。

第５図は、スラスト軸受試験装置の概要図であ
つて、供試軸受２１Ａ，２１Ｂの一方の軸受２１
Ａは、可変速モータ（10〜5000rpm）２４よりプ
ーリ２５を経て駆動される回転軸２３の端に取り
付けられ、他方の軸受２１Ｂは、油圧シリンダ
（〜5000kgf）２８、ロードセル３０を経て推力
軸２７の端部に取付けられる。図中、２２は軸
受、２５はプーリ、２６はトルクメータ、２９は
油圧ポンプを示す。

本発明のスラスト軸受を、上記第５図のスラス
ト軸受試験装置で、中央部に軸貫通孔を有する部
材２１Ａ，２１Ｂを両受板としその間に中間板を
介在させてテストした結果を例示する。

常温50％プロピレングリコール水溶液中で、回
転数2000rpmの試験環境で、受板に鋳鉄を用いた
場合、動圧を生じない側の面間では中間板は回転
していないことが、確認された。これは、スパイ
ラル溝で動圧効果を有するときの摩擦係数は
0.002であるのに対し、このときの裏面と対向受
板間での摩擦係数は0.2前後であり、両面間には
回転トルク値として約100倍以上の差があること
によるためである。

なお、本発明の推力軸受における中間板の材質
は、前記実施例におけるセラミツクス材ばかりで
なく、タングステンカーバイドその他の硬質材料
を含むことは勿論である。また、この推力軸受
は、水中ポンプ、水中モータ或いは一般のポンプ
ばかりでなく、一般の推力軸受としても使用でき
る。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、表裏両
面にそれぞれの面から見て互いに向きを逆にした
スパイラル溝を形成して動圧効果を生じさせるよ
うにしたセラミツクス材等の硬質材料からなる中
間板の中央部の軸貫通孔の近傍に、溝部以外の部
分と同じ高さの中央環状部を設け、該中間板を、
一方が回転し他方が固定され且つそれぞれ中央部
に軸貫通孔を有する２個の対向受板の間に介在さ
せるようにして推力軸受を構成しているので、中
央部に軸が貫通するスラスト軸受においても、推
力軸の正転時ばかりでなく、逆回転時において
も、上記中央部の軸貫通孔の近傍に設けられた中
央環状部と、対向する受板とにより形成される狭
い〓間により絞り作用を受けて生じる動圧効果を
利用して、同様のスラスト荷重を受けることがで
き、また正逆何れの回転時においても、動圧効果
を生じない側には吸引力が生じるため、対向受板
との間に強力な接着作用を生じる。

従つて、中央部に軸が貫通するスラスト軸受に
おいて、特に正回転時、中間板を該中間板を支持
する金属受板等への接着の必要がなくなるので、
接着による熱膨脹差による割れの心配もなく、脆
性的な材料、特に炭化珪素セラミツクスを軸受材
に使用することが可能となり、軸受性能を向上さ
せ、かつコスト的に安価に製造できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の推力軸受の一実施例を示す縦
断面図、第２図は本発明の推力軸受の一部を構成
する中間板の表面の一実施例を示す平面図、第３
図は中間板裏面の他の実施例を示す平面図、第４
図は中間板表面の他の実施例を示す平面図、第５
図はスラスト軸受試験装置の概要図、第６Ａ図は
従来の動圧型スラスト軸受の縦断面図、第６Ｂ図
は第６Ａ図のＢ―Ｂ線による一部断面平面図であ
る。 １…回転軸、１０…中間板、１１，１１ａ，１
１ｂ，１１ｃ…スパイラル溝、１２，１３…受
板、１６…中央環状部、１７…環状溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 中央部に軸が貫通するスラスト軸受におい
   て、表面に、正転時に動圧効果を生じさせる方向
   に形成されたスパイラル溝を、また裏面には、逆
   回転時に動圧効果を生じさせる方向に形成された
   スパイラル溝をそれぞれ設け且つ中央部の軸貫通
   孔の近傍に溝部以外の部分と同じ高さの中央環状
   部を有する硬質材料からなる中間板を、一方が回
   転し他方が固定され且つそれぞれ中央部に軸貫通
   孔を有する対向する２個の受板の間に介在させた
   ことを特徴とするスラスト軸受。 ２ 硬質材料からなる中間板を、セラミツクス材
   で構成した特許請求の範囲第１項記載のスラスト
   軸受。