(57)【要約】【課題】コンパクトでありながら双方向のアキシアル荷重に対する負荷能力に優れた転がり軸受によって主軸が回転自在に支持されたポンプ装置を提供する。【解決手段】主軸が複数の転がり軸受により回転自在に支持されたポンプ装置において、少なくとも１つの転がり軸受４ａは、相対回転可能に対向して配置された一対の軌道輪12,16と、各軌道輪の対向面にそれぞれ形成された軌道溝18,20間に転動自在に組み込まれた複数の転動体１４とを備えており、当該転がり軸受のいずれか一方又は双方の軌道輪の軌道溝と各転動体とは、少なくとも２点で接触している。【選択図】    図１
2006316723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸が複数の転がり軸受により回転自在に支持されたポンプ装置において、
少なくとも１つの転がり軸受は、相対回転可能に対向して配置された一対の軌道輪と、各軌道輪の対向面にそれぞれ形成された軌道溝間に転動自在に組み込まれた複数の転動体とを備えており、当該転がり軸受のいずれか一方又は双方の軌道輪の軌道溝と各転動体とは、少なくとも２点で接触していることを特徴とするポンプ装置。
【請求項２】
いずれか一方又は双方の軌道輪の軌道溝と各転動体とが少なくとも２点で接触している転がり軸受は、複数の転動体が軌道溝間に沿って１列に並んだ単列の転がり軸受であることを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、真空ポンプや水中電動ポンプなどのポンプ装置の小型化に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、真空ポンプや水中電動ポンプなどの各種のポンプ装置の一例として、例えば図３に示すような水中電動ポンプが知られている(特許文献１参照)。
当該水中電動ポンプは、その主軸２が垂直方向に延出した立軸構造をなしており、主軸２は、２つの転がり軸受4a,4b(下側の転がり軸受４ａと上側の転がり軸受４ｂ)によって回転自在に支持されている。また、主軸２には、その一端部に複数の羽根３４を有する羽根車３２が設けられているとともに、２つの転がり軸受4a,4bの間に電動機３８が配設されている。電動機３８には、主軸２に固定されたロータ３８ａとフレーム４０に固定されたステータ３８ｂとが設けられており、例えば、ステータ３８ｂに電流を供給した際に当該ステータ３８ｂとロータ３８ａとの間の磁気的な相互作用により主軸２を回転させることで、複数の羽根３４によりポンプケーシング３６内の液体を循環させるようになっている。
【０００３】
かかる水中電動ポンプは水中で使用されるため、液体(例えば、水)が外界からポンプ内部に侵入する可能性があり、液体がポンプ内部に侵入すると、当該ポンプの性能を低下させてしまう虞がある。例えば、ポンプ内部に侵入した液体が転がり軸受内にも浸入すると、転がり軸受に封入した潤滑剤が劣化し、当該転がり軸受の回転精度(例えば、回転安定性)を低下させてしまう虞がある。このため、例えば、羽根車３２と転がり軸受４ａとの間にメカニカルシール４２を装着してポンプ内部を密封することで、液体が外界から当該ポンプ内部に浸入することを防止している。図４に示すように、メカニカルシール４２は、主軸２に固定され主軸２とともに回転する摺動リング(シールリング)４４と、ハウジング６ａに固定され回転しない摺動リング(メイティングリング)４６とを備えており、シールリング４４の端面４４ａとメイティングリング４６の端面４６ａとをすきまなく密接させることで密接摺動部Ｓが構成されている。このような構成によれば、主軸２(シールリング４４)の回転中、シールリング４４の端面４４ａがメイティングリング４６の端面４６ａ上を密接しつつ摺動することで、外界からの液体の浸入は密接摺動部Ｓでブロックされ、これによりポンプ内部を気密状態に維持することができる。
【０００４】
ところで、水中電動ポンプは、例えば、羽根車３２(図３)に流入する液体の流れが均一でないと、主軸２が径方向振動や軸方向変位を起こす場合がある。このような軸方向変位などが生じると、主軸２に固定されているメカニカルシール４２のシールリング４４も径方向振動や軸方向変位を起こす場合がある。この場合、シールリング４４の端面４４ａとメイティングリング４６の端面４６ａとの摺動状態が変化(両端面44a,46a間の摺接圧が変化)してしまう虞がある。
このため、上記のような軸方向変位などが生じた場合においても、シールリング４４の端面４４ａとメイティングリング４６の端面４６ａとの摺動状態を安定させ(両端面44a,46a間の摺接圧を一定に保ち)、ポンプ内部の気密状態を維持できるようにしておく必要がある。
そのための方策としては、例えば図４に示すように、シールリング４４をＯリング４８を介して主軸２に装着し、メイティングリング４６をＯリング５２を介してハウジング６ａに固定するとともに、シールリング４４をコイルスプリング５０でメイティングリング４６に押し付け、コイルスプリング５０の付勢力によってシールリング４４の端面４４ａとメイティングリング４６の端面４６ａとの間の摺接圧を一定に保つ(調整する)方策がある。
【０００５】
しかしながら、主軸２の径方向振動や軸方向変位が大きくなると(特に軸方向変位が大きくなると)、Ｏリング48,52やコイルスプリング５０による上記両端面44a,46a間の摺接圧の調整だけでは当該軸方向変位などに対応しきれず、ポンプ内部の気密状態を維持することができない場合がある。例えば、シールリング４４の端面４４ａとメイティングリング４６の端面４６ａとの間の摺接圧が小さくなり、当該両端面44a,46a間にすきまが生じると、ポンプケーシング３６内の液体が当該ポンプ内部に浸入する場合がある。
また、シールリング４４の端面４４ａとメイティングリング４６の端面４６ａとの間の摺接圧が大きくなると、当該両端面44a,46aが発熱したり、摩擦により摩耗したりする場合がある。この場合、メカニカルシール４２はその性能が早期に低下し、ポンプ内部の気密状態を長期に亘って維持することができなくなるため、早期の交換が必要となってしまう。
【０００６】
このような不具合を回避するために、例えば、転がり軸受4a,4b(特に転がり軸受４ａ)を複列のアンギュラ玉軸受や単列のアンギュラ玉軸受を２個組み合わせた軸受(図５参照)とし、当該軸受によって主軸２を支持することで、主軸２の軸方向変位を抑制する(転がり軸受4a,4bが双方向のアキシアル荷重を受ける)方策も考えられる。しかしながら、このような方策では、軸受の軸方向の占有幅が大きくなり、当該軸受で主軸２を支持するにはポンプ内部に軸方向のスペースを確保しなければならないため、ポンプを小型化するには限界がある。
また、例えば、単列の深溝玉軸受であれば、軸受周りを省スペース化することができるため、ポンプを小型化することはできる。しかしながら、図２に示すように、単列の深溝玉軸受は、転動体(玉)１４が内輪１２の軌道溝１８と１点ＰＮで接触し、外輪１６の軌道溝２０と１点ＰＧで接触するのみであるため、複列アンギュラ玉軸受などと比べて軸方向変位が約２倍以上大きい(双方向のアキシアル荷重に対する負荷能力が小さい)ため、メカニカルシール４２の性能低下を引き起こし易くなってしまう。
【特許文献１】特開２００１−１４０９０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するためになされており、その目的は、コンパクトでありながら双方向のアキシアル荷重に対する負荷能力に優れた転がり軸受によって主軸が回転自在に支持されたポンプ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するために、本発明に係るポンプ装置は、主軸が複数の転がり軸受により回転自在に支持されている。このような構成において、少なくとも１つの転がり軸受は、相対回転可能に対向して配置された一対の軌道輪と、各軌道輪の対向面にそれぞれ形成された軌道溝間に転動自在に組み込まれた複数の転動体とを備えており、当該転がり軸受のいずれか一方又は双方の軌道輪の軌道溝と各転動体とは、少なくとも２点で接触している。
この場合、いずれか一方又は双方の軌道輪の軌道溝と各転動体とが少なくとも２点で接触している転がり軸受は、複数の転動体が軌道溝間に沿って１列に並んだ単列の転がり軸受としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、双方向のアキシアル荷重に対する負荷能力に優れた転がり軸受をコンパクトにすることができ、当該転がり軸受によって主軸を回転自在に支持することで軸受周りを省スペース化し、ポンプ装置を小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態に係るポンプ装置について、添付図面を参照して説明する。
本実施形態のポンプ装置は、上述した水中電動ポンプ(図３)の改良であるため、以下では、改良部分の説明に止める。なお、図３の水中電動ポンプと同一の構成には図面上で同一符号を付して、その説明を省略する。
【００１１】
図１(ａ)に示すように、本実施形態の水中電動ポンプは、主軸が２つの単列の転がり軸受4a,4b(図３参照)によって回転自在に支持されており、各転がり軸受4a,4bは、それぞれ相対回転可能に対向して配置された一対の軌道輪(内輪１２と外輪１６)と、内輪１２と外輪１６の対向面にそれぞれ形成された一列の軌道溝18,20間に転動自在に組み込まれた複数の転動体１４とを備えている。なお、一方の転がり軸受４ａは、ハウジング６ａと主軸２との間に介在され、他方の転がり軸受４ｂは、ハウジング６ｂと主軸２との間に介在されている(図３参照)。
【００１２】
本実施形態において、一方の転がり軸受４ａの内輪１２の軌道溝１８と各転動体１４とは、２点PN1,PN2で接触するとともに、外輪１６の軌道溝２０と各転動体１４とは、２点PG1,PG2で接触している。すなわち、転がり軸受４ａは、いわゆる４点接触となっている。このような構成とするために、一例として、転がり軸受４ａの内輪１２の軌道溝１８及び外輪１６の軌道溝２０は、以下の通りそれぞれ形成することができる。
【００１３】
かかる転がり軸受４ａの内輪１２の軌道溝１８は、２つの凹曲面SN1,SN2を組み合わせて形成されている。この場合、例えば凹曲面ＳＮ１と凹曲面ＳＮ２は、それぞれの曲率半径が転動体１４の半径よりも大きく、かつ、双方の曲率半径が同一であって、内輪１２の幅の略中間位置で連結されて１つの軌道溝１８を形成している(いわゆるゴシックアーチ状をなすように形成している)。このように内輪１２の軌道溝１８を形成することで、凹曲面ＳＮ１と転動体１４とを点ＰＮ１で接触させ、凹曲面ＳＮ２と転動体１４とを点ＰＮ２で接触させることができる。すなわち、内輪１２の軌道溝１８と転動体１４とを、２点PN1,PN2で接触させることができる。
【００１４】
また、かかる転がり軸受４ａの外輪１６の軌道溝２０は、２つの凹曲面SG1,SG2を組み合わせて形成されている。この場合、例えば凹曲面ＳＧ１と凹曲面ＳＧ２は、それぞれの曲率半径が転動体１４の半径よりも大きく、かつ、双方の曲率半径が同一であって、外輪１６の幅の略中間位置で連結されて１つの軌道溝２０を形成している(いわゆるゴシックアーチ状をなすように形成している)。このように外輪１６の軌道溝２０を形成することで、凹曲面ＳＧ１と転動体１４とを点ＰＧ１で接触させ、凹曲面ＳＧ２と転動体１４とを点ＰＧ２で接触させることができる。すなわち、外輪１６の軌道溝２０と転動体１４とを、２点PG1,PG2で接触させることができる。
【００１５】
これにより、主軸２(図３)の回転中、各転動体１４は内輪１２の軌道溝１８と２点PN1,PN2で接触するとともに、外輪１６の軌道溝２０と２点PG1,PG2で接触しながら軌道溝18,20間を転動する。この結果、転がり軸受４ａは単列構成でありながら、双方向のアキシアル荷重に対して充分な負荷能力を発揮することができ、主軸２(図３)の軸方向変位を抑制することができる。なお、かかる４点接触軸受(転がり軸受４ａ)によれば、ラジアル荷重に対しても充分な負荷能力を発揮させることができる。
【００１６】
ここで、本実施形態における転がり軸受４ａの軸方向変位量(双方向のアキシアル荷重に対する負荷能力)、及び単列の深溝玉軸受、複列のアンギュラ玉軸受、組合せアンギュラ玉軸受の各軸方向変位量(双方向のアキシアル荷重に対する負荷能力)について測定を行った。この場合、上記各軸受の軸受内径を３０ｍｍ、軸受外径を７２ｍｍとし、各軸受がふつう隙間を有している状態(各軸受に適正な予圧を与えた状態)での軸方向変位量について測定した。
測定の結果、本実施形態の転がり軸受４ａの軸方向変位量は０．０７〜０．１３ｍｍで、単列の深溝玉軸受の軸方向変位量０．１〜０．３ｍｍと比較して、充分小さい変位量となった(図６に示す測定結果参照)。なお、複列のアンギュラ玉軸受(軸方向変位量０．０１〜０．０５ｍｍ)、組合せアンギュラ玉軸受(軸方向変位量０．０２〜０．０４ｍｍ)と比較すると、本実施形態の転がり軸受４ａは、その軸方向変位量が若干大きくなっているものの、その軸受幅が約半分で済むため、コンパクト化を図れるメリットが大きい(同測定結果参照)。
【００１７】
したがって、本実施形態によれば、双方向のアキシアル荷重に対する負荷能力に優れた(主軸２の軸方向変位を抑制することが可能な)転がり軸受４ａをコンパクトにすることができ、当該転がり軸受４ａによって主軸２を回転自在に支持することで軸受周りを省スペース化し、水中電動ポンプを小型化することができる。
【００１８】
また、本発明は、上述の実施形態に限定されず、以下のように変更することができる。
上述の実施形態例では、転がり軸受４ａは、内輪１２の軌道溝１８に２つの凹曲面SN1,SN2が形成され、外輪１６の軌道溝２０にも２つの凹曲面SG1,SG2が形成された４点接触としたが、これに代えて、いずれか一方の軌道輪の軌道溝のみに２つの凹曲面が形成された３点接触としてもよい。
【００１９】
例えば、図１(ｂ)に示す第１の変形例のように、転がり軸受４ａは、内輪１２の軌道溝１８と各転動体１４とが１点ＰＮで接触するとともに、外輪１６の軌道溝２０と各転動体１４とが２点PG1,PG2で接触する３点接触であってもよい。このような構成とするために、一例として、転がり軸受４ａの内輪１２の軌道溝１８及び外輪１６の軌道溝２０は、以下の通りそれぞれ形成することができる。
本変形例において、転がり軸受４ａの内輪１２の軌道溝１８には、曲率半径が転動体１４の半径よりも大きな１つの凹曲面を形成し、外輪１６の軌道溝２０には、２つの凹曲面SG1,SG2を形成している。このように軌道溝18,20を形成することで、内輪１２の軌道溝１８と転動体１４とを１点ＰＮで接触させ、外輪１６の軌道溝２０と転動体１４とを２点PG1,PG2で接触させることができる。
【００２０】
また、例えば、図１(ｃ)に示す第２の変形例のように、転がり軸受４ａは、内輪１２の軌道溝１８と各転動体１４とが２点PN1,PN2で接触するとともに、外輪１６の軌道溝２０と各転動体１４とが１点ＰＧで接触する３点接触であってもよい。このような構成とするために、一例として、転がり軸受４ａの内輪１２の軌道溝１８及び外輪１６の軌道溝２０は、以下の通りそれぞれ形成することができる。
本変形例において、転がり軸受４ａの内輪１２の軌道溝１８には、２つの凹曲面SN1,SN2を形成し、外輪１６の軌道溝２０には、曲率半径が転動体１４の半径よりも大きな１つの凹曲面を形成している。このように軌道溝18,20を形成することで、内輪１２の軌道溝１８と転動体１４とを２点PN1,PN2で接触させ、外輪１６の軌道溝２０と転動体１４とを１点ＰＧで接触させることができる。
【００２１】
なお、上述した実施形態例及び変形例においては、凹曲面ＳＮ１と凹曲面ＳＮ２の曲率半径及び凹曲面ＳＧ１と凹曲面ＳＧ２の曲率半径は、それぞれ相互に同一としたが、相互に異なっていてもよく、また、すべて同一若しくは異なっていてもよい。
また、上述した本実施形態及び変形例においては、一方の転がり軸受４ａのみを４点又は３点接触としたが、他方の転がり軸受４ｂのみを４点又は３点接触としてもよく、双方の転がり軸受4a,4bを４点又は３点接触としてもよい。
さらに、上述した本実施形態及び変形例においては、転がり軸受の形式について特に限定しなかったが、例えば、深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受などに適用することで上述の効果を発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】(ａ)は、本発明に係るポンプ装置の主要部分の構成例を示す断面図、(ｂ)は、本発明の第１の変形例に係るポンプ装置の主要部分の構成例を示す断面図、(ｃ)は、本発明の第２の変形例に係るポンプ装置の主要部分の構成例を示す断面図。
【図２】従来のポンプ装置の主要部分の構成例を示す断面図。
【図３】本発明及び従来のポンプ装置の全体構成例を示す断面図。
【図４】本発明及び従来のポンプ装置のメカニカルシールの構成例を示す断面図。
【図５】従来のポンプ装置の主軸を支持するための構成例を示す断面図。
【図６】本発明及び従来のポンプ装置の転がり軸受の軸方向変位を測定した結果を示す図。
【符号の説明】
【００２３】
２  主軸
４ａ，４ｂ  転がり軸受
６ａ，６ｂ  ハウジング
１２  内輪
１４  転動体
１６  外輪
１８，２０  軌道溝
ＳＮ１，ＳＮ２，ＳＧ１，ＳＧ２  凹曲面
ＰＮ１，ＰＮ２，ＰＮ，ＰＧ１，ＰＧ２，ＰＧ  接触点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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