(57)【要約】【課題】その内部に異物が侵入した場合であっても、長期に亘って一定の回転精度を維持する耐久性に優れた転がり軸受を有する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、当該転がり軸受の双方の軌道輪及び転動体のうち少なくとも１つは、その材料に残留オーステナイト量(γR ｖｏｌ％)が２０〜４５ｖｏｌ％で、Ｃ；０．１〜１．２重量％、Ｃｒ；１〜３重量％を含有し、さらにＭｏを２．０重量％以下であって且つＣｒ含有量の１／３以上含有する合金鋼が用いられているとともに、その表面に浸炭処理又は浸炭窒化処理が施されている。【選択図】    図１
2006336550.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、当該転がり軸受の双方の軌道輪及び転動体のうち少なくとも１つは、その材料に残留オーステナイト量(γR ｖｏｌ％) が２０〜４５ｖｏｌ％で、Ｃ；０．１〜１．２重量％、Ｃｒ；１〜３重量％を含有し、さらにＭｏを２．０重量％以下であって且つＣｒ含有量の１／３以上含有する合金鋼が用いられているとともに、その表面に浸炭処理又は浸炭窒化処理が施されていることを特徴とするポンプ装置。
【請求項２】
浸炭処理又は浸炭窒化処理を施した際の炭化物又は炭窒化物の最大粒径が、２．３μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置。
【請求項３】
浸炭処理又は浸炭窒化処理を施した際の表面硬さ(Ｈｖ)が、前記残留オーステナイト量に対し、−４．７×(γR ｖｏｌ％) ＋９２０≦Ｈｖ≦−４．７×(γR ｖｏｌ％) ＋１０２０の範囲にあることを特徴とする請求項２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、水中電動ポンプやラインポンプ、プロセスポンプなどのポンプ装置の長寿命化に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、水中電動ポンプやラインポンプ、プロセスポンプなどの各種のポンプ装置の一例として、例えば図２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内の液体を圧送させるとともに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。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３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。
なお、メカニカルシール４２(特に、密接摺動部Ｓ)は、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しても当該両端面44a,46aが発熱したり、摩擦により摩耗したりしないように、オイル室５４内に封入した潤滑剤(例えば、グリース、油)により潤滑されている。これにより、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上を安定して滑らかに摺動できるようになっている。
【０００４】
ところで、水中電動ポンプは、例えば、羽根車３２(図２)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。
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、メカニカルシール４２を潤滑している潤滑剤(例えば、グリース、油)がオイル室５４から当該ポンプ内部に浸入したり、ポンプが圧送・循環させている液体がポンプケーシング３６から当該ポンプ内部に浸入したりする場合がある。
【０００５】
この場合、図１に示すように、ポンプ内部に侵入した潤滑剤や液体が転がり軸受4a,4b(特に転がり軸受４ａ)内部にも侵入すると、例えば転動体１４が軌道溝18,20間を転動する際に、潤滑剤や液体に含まれている異物(例えば、金属粉)をかみ込むことにより、内輪１２及び外輪１６の軌道面(軌道溝18,20)や転動体１４の表面(転動面)に圧痕(くぼみ)が発生する虞がある。かかる圧痕が発生すると、圧痕の縁にせん断応力が集中し、例えば軌道溝18,20(特に内輪１２の軌道溝１８)や転動体１４の表面にクラック(亀裂)が生じ、当該クラックが発達して軌道溝１８等が剥離(フレーキング)を起こしてしまう虞がある。
この結果、転がり軸受4a,4bの回転精度(例えば、回転安定性)が早期に低下し、主軸２を安定して滑らかに回転させることができなくなるため、水中電動ポンプを長期に亘って良好に運転させ続けることができなくなってしまう虞がある。
【０００６】
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、メカニカルシール４２を潤滑している潤滑剤(例えば、グリース、油)などがポンプ内部へ浸入してしまう虞がある。この場合、上述した両端面44a,46a間の摺接圧が小さくなる場合と同様の状態となり、水中電動ポンプを長期に亘って良好に運転させ続けることができなくなってしまう虞がある。
【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、その内部に異物が侵入した場合であっても、長期に亘って一定の回転精度を維持する耐久性に優れた転がり軸受を有する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、本発明のポンプ装置は、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、当該転がり軸受の双方の軌道輪及び転動体のうち少なくとも１つは、その材料に残留オーステナイト量(γR ｖｏｌ％)が２０〜４５ｖｏｌ％で、Ｃ；０．１〜１．２重量％、Ｃｒ；１〜３重量％を含有し、さらにＭｏを２．０重量％以下であって且つＣｒ含有量の１／３以上含有する合金鋼が用いられているとともに、その表面に浸炭処理又は浸炭窒化処理が施されている。
この場合、浸炭処理又は浸炭窒化処理を施した際の炭化物又は炭窒化物の最大粒径が、２．３μｍ以下となるようにしている。
また、浸炭処理又は浸炭窒化処理を施した際の表面硬さ(Ｈｖ)が、前記残留オーステナイト量に対し、−４．７×(γR ｖｏｌ％)＋９２０≦Ｈｖ≦−４．７×(γR ｖｏｌ％)＋１０２０の範囲となるようにしている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、転がり軸受は、その内部に異物が侵入した場合であっても、長期に亘って一定の回転精度を維持することができ、当該耐久性に優れた転がり軸受を有することで、ポンプ装置を良好に運転させ続けることができる。
【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２)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２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つの転がり軸受4a,4b(図２参照)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２参照)。
【００１２】
本実施形態において、一方の転がり軸受４ａの内輪１２及び外輪１６、転動体１４の各材料には、残留オーステナイト量(γR ｖｏｌ％)が２０〜４５ｖｏｌ％で、Ｃ；０．１〜１．２重量％、Ｃｒ；１〜３重量％を含有し、さらにＭｏを２．０重量％以下であって且つＣｒ含有量の１／３以上含有する合金鋼がそれぞれ用いられている。また、当該合金鋼の表面(内輪１２・外輪１６・転動体１４の各表面)には浸炭処理が施されている。なお、本実施形態において、上述した合金鋼(内輪１２等の各材料)は、その表面に浸炭処理を施した際の炭化物の最大粒径が２．３μｍ以下となるように組成されている。さらに本実施形態において、上述した合金鋼(内輪１２等の各材料)は、その表面に浸炭処理を施した際の表面硬さ(Ｈｖ：ビッカース硬さ)が、前記残留オーステナイト量に対し、−４．７×(γR ｖｏｌ％) ＋９２０≦Ｈｖ≦−４．７×(γR ｖｏｌ％)＋１０２０の範囲となるように組成されている。
【００１３】
このように、転がり軸受４ａの内輪１２等の材料として、ＭｏをＣｒの含有量(１〜３重量％)に対して適切にコントロールした量(２．０重量％以下であって且つＣｒ含有量の１／３以上)だけ加えた合金鋼を用いることで、当該内輪１２等の表面に浸炭処理を施した際の析出炭化物の粒子の大きさを微細化(最大粒径が２．３μｍ以下)することができる。この場合、浸炭処理を施す具体的方法としては、一例として、Ｒｘガスとエンリッチガスとを混合した雰囲気で、約３時間、９２０〜９６０℃で熱処理を行い、常温まで空冷し、次いで８４０℃で１時間の油焼入れを行い、さらに１８０℃で２時間の焼戻しを行う方法がある。
なお、かかる析出炭化物粒子の微細化効果は、当該内輪１２等の表面に浸炭窒化処理を施した際にも同様に得られるが、浸炭処理を施した場合よりも、浸炭窒化処理を施した場合の方が粒子の微細化する傾向が強い。したがって、より安定的に粒子を微細化させるためには、浸炭処理よりも浸炭窒化処理を施す方が好ましい。この場合、浸炭窒化処理を施す具体的方法としては、一例として、Ｒｘガスとエンリッチガスにアンモニアを５％混合した雰囲気で、約３〜５時間、８３０〜８７０℃で熱処理を行い、常温まで油冷し、次いで８４０℃で１時間の油焼入れを行い、さらに１８０℃で２時間の焼戻しを行う方法がある。
【００１４】
この結果、粒子が微細化された炭化物又は炭窒化物を安定的に析出させることができ、転がり軸受４ａの内輪１２及び外輪１６、転動体１４の各表面に析出する炭化物等の平均粒径を最適な値(一例として、０．５〜１．５μｍ)とすることができる。析出炭化物粒子等が大きいと、例えば内輪１２の軌道溝１８などにクラックやフレーキングが起こる原因となり易く、本実施形態のように析出炭化物粒子等の平均粒径を最適な値(一例として、０．５〜１．５μｍ)とすることで、クラックやフレーキングの発生を抑止することができる。
【００１５】
また、本実施形態によれば、残留オーステナイト量(γR ｖｏｌ％)を増やしながらも(２０〜４５ｖｏｌ％)、転がり軸受４ａの内輪１２及び外輪１６、転動体１４の各表面の硬度(Ｈｖ)は、それぞれ所定の高範囲内(−４．７×(γR ｖｏｌ％)＋９２０≦Ｈｖ≦−４．７×(γR ｖｏｌ％)＋１０２０)を維持するように設定されている。これにより、例えば転がり軸受４ａの内輪１２の軌道溝１８などに圧痕が発生した場合であっても、当該圧痕の縁への応力集中を緩和することができ、クラックやフレーキングの発生を抑止することができる。なお、このような効果は、残留オーステナイト量(γR ｖｏｌ％)が２０〜４５ｖｏｌ％の範囲内にある場合に発揮させることができるが、当該効果を最大限に発揮させるためには、残留オーステナイト量(γR ｖｏｌ％)が２５〜４０ｖｏｌ％の範囲内にあることが好ましい。
【００１６】
以上、本実施形態によれば、転がり軸受４ａは、その内部に異物が侵入した場合であっても、長期に亘って一定の回転精度を維持することができ(通常の浸炭軸受と比較して約７倍以上の長寿命化が図られ)、当該耐久性に優れた転がり軸受４ａを有することで、ポンプ装置を良好に運転させ続ける(長寿命化を図る)ことができる。
【００１７】
なお、上述した本実施形態において、ベースとなる合金鋼については特に限定しなかったが、例えば、肌焼鋼、高炭素クロム軸受鋼、高温軸受用高速度鋼などを使用すればよい。また、浸炭処理及び浸炭窒化処理の方法については、一例としてガス浸炭(ガス浸炭窒化)法を示したが、これに代えて、例えばイオン浸炭(イオン浸炭窒化)などの方法を採ってもよい。
また、上述した本実施形態においては、転がり軸受４ａの内輪１２及び外輪１６、転動体１４をそれぞれ本発明にかかる材料(以下、所定材料という)で構成し、その表面全体にそれぞれ本発明にかかる処理(以下、所定処理という)を施したが、転がり軸受４ａの双方の軌道輪(内輪１２と外輪１６)及び転動体１４のうち少なくとも１つが所定材料で構成され、その表面に所定処理が施されていればよい。例えば、水などの腐食液用ポンプであれば、内輪１２を所定材料、外輪１６を耐食性のよいステンレス鋼、転動体１４を高炭素クロム軸受鋼で構成し、内輪１２の表面(軌道溝１８)のみに所定処理を施してもよく、このような組合せの場合にはコストパフォーマンスにも優れており、好適といえる。なお、転がり軸受４ａには保持器が備えられていてもよく、この場合、保持器を所定材料で構成することや、保持器と内輪１２等との摺接面に所定処理を施すこともできる。
さらに、上述した本実施形態においては、一方の転がり軸受４ａを所定材料で構成し、その表面に所定処理を施したが、他方の転がり軸受４ｂを所定材料で構成し、その表面に所定処理を施してもよく、双方の転がり軸受4a,4bを所定材料で構成し、その表面に所定処理を施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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。
【図２】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３】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。
【符号の説明】
【００１９】
２  主軸
４ａ，４ｂ  転がり軸受
１２  内輪
１４  転動体
１６  外輪
【図１】
2006336550.tif 000003
【図２】
2006336550.tif 000004
【図３】
2006336550.tif 000005