(57)【要約】      （修正有）【課題】隙間腐食を防ぐことができる軸スリーブを提供する。【解決手段】軸スリーブ３５は、円筒状の基材４１と、軸スリーブ３５の外周面を構成する皮膜４３と、基材４１と皮膜４３との間に形成されたバリア層４６とを備える。バリア層４６は、皮膜４３の内面全体を覆っている。基材４１と皮膜４３との間に、ニッケルなどからなるバリア層４６が形成されているので、皮膜４３を浸透した液体はバリア層４６に阻まれて基材４１に到達することができない。よって、隙間腐食が防止され、皮膜４３は剥がれにくくなる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の外周面に固定される軸スリーブであって、
円筒状の基材と、
前記軸スリーブの外周面を構成する皮膜と、
前記基材と前記皮膜との間に形成されたバリア層とを備え、
前記バリア層は、前記皮膜の内面全体を覆っていることを特徴とする軸スリーブ。
【請求項２】
前記基材はステンレス鋼から構成されており、前記バリア層はステンレス鋼よりも隙間腐食が起こりにくい金属から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸スリーブ。
【請求項３】
前記バリア層はニッケルから構成されていることを特徴とする請求項２に記載の軸スリーブ。
【請求項４】
前記バリア層は均一な厚さを有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の軸スリーブ。
【請求項５】
前記基材は、その外周面に形成された環状の窪みを有しており、
前記バリア層は、前記環状の窪みを構成する表面全体を覆っていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の軸スリーブ。
【請求項６】
回転軸と、
前記回転軸に固定された羽根車と、
前記回転軸を回転可能に支持する水中軸受と、
前記回転軸の外周面に固定され、前記水中軸受に摺接する軸スリーブとを備え、
前記軸スリーブは、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の軸スリーブであることを特徴とするポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸に取り付けられる軸スリーブに関し、特に海水などの液体を移送するポンプに組み込まれる軸スリーブに関する。また、本発明は、そのような軸スリーブが組み込まれたポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
排水ポンプに使用される水中軸受は潤滑油を不要とするため、設備の簡素化、保守の容易化などの点で有利であるが、水中軸受の摺動部には耐摩耗性に優れた材料を用いる必要がある。そこで、超硬合金の軸スリーブとＳｉＣの軸受を組み合わせたセラミック軸受が開発されている。
【０００３】
図９は、軸スリーブの従来の構造を模式的に示す断面図である。図９に示すように、軸スリーブ１００は、回転軸（図示せず）に固定される円筒状の基材１０１と、この基材１０１の外周面に溶射によって形成された皮膜１０２とを備える。基材１０１には、液体に対して優れた耐食性を有するステンレス鋼が使用される。皮膜１０２は、基材１０１の外周面に形成された窪み内に形成される。皮膜１０２を形成する溶射材としては、ＷＣ（炭化タングステン）、Ｃｒ３Ｃ２（二炭化三クロム）のうちの少なくとも１つを主成分とし、残りがＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｆｅのうち少なくとも１つと、不可避不純物とからなる結合材を含有するものが挙げられる。
【０００４】
軸スリーブ１００が回転すると、皮膜１０２は、セラミックなどの硬質部材から構成される軸受に摺接し、回転軸および軸スリーブ１００は軸受によって回転可能に支持される。超硬合金からなる皮膜１０２は、優れた耐摩耗性及び耐食性を有し、ステンレス鋼からなる基材１０１を保護することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−８２４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、海水などの液体は、皮膜１０２内を徐々に浸透し、基材１０１に達することがある。基材１０１と皮膜１０２との間には構造上の微細な空隙が存在する。この空隙に液体が浸入すると、いわゆる隙間腐食が発生することがある。特に、ステンレス鋼からなる基材１０１と皮膜１０２との界面１０３に海水が接触すると、隙間腐食が発生しやすい。
【０００７】
そこで、本発明は、隙間腐食を防ぐことができる軸スリーブを提供することを目的とする。また、本発明は、そのような軸スリーブを備えたポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様によれば、回転軸の外周面に固定される軸スリーブであって、円筒状の基材と、前記軸スリーブの外周面を構成する皮膜と、前記基材と前記皮膜との間に形成されたバリア層とを備え、前記バリア層は、前記皮膜の内面全体を覆っていることを特徴とする軸スリーブが提供される。
【０００９】
一実施形態では、前記基材はステンレス鋼から構成されており、前記バリア層はステンレス鋼よりも隙間腐食が起こりにくい金属から構成されている。
一実施形態では、前記バリア層はニッケルから構成されている。
一実施形態では、前記バリア層は均一な厚さを有している。
一実施形態では、前記基材は、その外周面に形成された環状の窪みを有しており、前記バリア層は、前記環状の窪みを構成する表面全体を覆っている。
【００１０】
本発明の一態様によれば、回転軸と、前記回転軸に固定された羽根車と、前記回転軸を回転可能に支持する水中軸受と、前記回転軸の外周面に固定され、前記水中軸受に摺接する上記軸スリーブとを備えたことを特徴とするポンプが提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、基材と皮膜との間に、ニッケルなどからなるバリア層が形成されているので、皮膜を浸透した液体はバリア層に阻まれて基材に到達することができない。よって、隙間腐食が防止され、皮膜は剥がれにくくなる。結果として、軸スリーブは設計寿命に達するまでその本来の性能を発揮することができ、軸スリーブの信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る軸スリーブが組み込まれた立軸ポンプを示す模式図である。
【図２】図１に示す軸スリーブ及び水中軸受を示す拡大図である。
【図３】図２に示す軸スリーブの拡大図である。
【図４】軸スリーブの製造方法の一工程を説明する図である。
【図５】軸スリーブの製造方法の一工程を説明する図である。
【図６】軸スリーブの製造方法の一工程を説明する図である。
【図７】軸スリーブの製造方法の一工程を説明する図である。
【図８】軸スリーブの製造方法の一工程を説明する図である。
【図９】軸スリーブの従来の構造を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る軸スリーブが組み込まれた立軸ポンプを示す模式図である。立軸ポンプは、海水や河川水などの液体を吸込水槽５から吐出水槽２１まで汲み上げるためのポンプである。図１に示す立軸ポンプは、本発明の一実施形態に係る軸スリーブが組み込まれたポンプの一例であり、当該軸スリーブは他の構成のポンプにも適用可能である。
【００１４】
図１に示すように、立軸ポンプは、吸込ベルマウス１ａ及び吐出ボウル１ｂを有するインペラケーシング１と、インペラケーシング１を吸込水槽５内に吊り下げる揚水管３と、揚水管３の上端に接続された吐出エルボ管４と、インペラケーシング１内に収容された羽根車１０と、羽根車１０が固定された回転軸６とを備えている。
【００１５】
ポンプ据付床２２は、吸込水槽５の上部に接続されている。揚水管３は、ポンプ据付床２２に形成された挿通口２４を通して下方に延び、揚水管３の上端に設けられた据付用ベース２３を介してポンプ据付床２２に固定される。回転軸６は、吐出エルボ管４、揚水管３、及びインペラケーシング１内を通って鉛直方向に延びている。ポンプケーシング２は、インペラケーシング１、揚水管３、及び吐出エルボ管４により構成される。
【００１６】
吸込ベルマウス１ａは下方を向いて開口し、吸込ベルマウス１ａの上端は吐出ボウル１ｂの下端に接続されている。羽根車１０は回転軸６の下端に固定されており、羽根車１０と回転軸６とは一体的に回転する。この羽根車１０の上方（吐出側）には複数のガイドベーン１４が配置されている。これらのガイドベーン１４は吐出ボウル１ｂの内周面に固定されている。
【００１７】
回転軸６は吐出エルボ管４を貫通して上方に延び、駆動源１８に連結されている。駆動源１８は、ポンプ据付床２２に固定された架台１９上に固定されている。立軸ポンプの運転時には、羽根車１０は、吸込水槽５内の液面より下に位置している。
【００１８】
回転軸６は、外軸受１１及び水中軸受１２，１５により回転可能に支持されている。外軸受１１はボールベアリングなどの転がり軸受、または滑り軸受であり、水中軸受１２，１５は、滑り軸受である。外軸受１１は、ポンプケーシング２に配置されている。より具体的には、外軸受１１は吐出エルボ管４の上方に配置されている。
【００１９】
水中軸受１２は吐出ボウル１ｂ内に収容されており、羽根車１０の上方に配置されている。水中軸受１２を支持する支持部材７はボウルブッシュ１３の内面に固定されており、さらに、ボウルブッシュ１３はガイドベーン１４を介してインペラケーシング１に支持されている。水中軸受１５は、揚水管３内に配置されている。水中軸受１５は複数の支持部材３２に支持されており、これら支持部材３２は揚水管３の内面に固定されている。回転軸６には、本発明の一実施形態に係る軸スリーブ３５が固定されている。軸スリーブ３５と回転軸６は一体に回転する。
【００２０】
立軸ポンプは、吸込水槽５内の液体を吐出水槽２１まで移送する。すなわち、駆動源１８を運転することにより回転軸６を介して羽根車１０を回転させると、吸込水槽５内の液体が吸込ベルマウス１ａから吸い込まれ、吐出ボウル１ｂ、揚水管３、吐出エルボ管４、および吐出配管２０を通って吐出水槽２１に移送される。
【００２１】
吐出配管２０は、吐出エルボ管４から吐出水槽２１まで延びている。吐出水槽２１の液面は、吐出エルボ管４よりも上方に位置する。吐出配管２０の途中には、仕切弁２５が配置されており、この仕切弁２５は、立軸ポンプの通常運転時には開かれている。立軸ポンプの停止時には仕切弁２５が閉じられ、液体が吐出水槽２１から吐出配管２０を通じて吸込水槽５へ逆流することを防止する。仕切弁２５の代わりに、逆止弁を設けてもよい。また、吐出配管２０の吐出末端に、フラップ弁を配置してもよい。
【００２２】
図２は、図１に示す軸スリーブ３５及び水中軸受１５を示す拡大図である。軸スリーブ３５は円筒状であり、回転軸６の外周面に固定されている。水中軸受１５は、軸スリーブ３５と同じ高さに配置されており、軸スリーブ３５を介して回転軸６を支持する。より具体的には、回転軸６及び軸スリーブ３５が回転すると、軸スリーブ３５の外周面は水中軸受１５の内周面に滑り接触する。軸スリーブ３５の外周面と水中軸受１５の内周面との間には微小な隙間が形成されている。揚水管３（図１参照）内に存在する液体はこの隙間を通過することによって、軸スリーブ３５及び水中軸受１５を潤滑する。
【００２３】
軸スリーブ３５は、円筒状の基材４１と、軸スリーブ３５の外周面を構成する皮膜４３と、基材４１と皮膜４３との間に形成されたバリア層４６とを備えている。バリア層４６の両縁部は軸スリーブ３５の外部に露出しており、この露出した縁部は皮膜４３に接している。本実施形態では、軸スリーブ３５は鉛直に配置されており、皮膜４３は水中軸受１５と同じ高さに位置している。バリア層４６の露出した縁部は、水中軸受１５よりも上方及び下方に位置している。立軸ポンプの運転中は、皮膜４３のみが水中軸受１５に接触し、バリア層４６及び基材４１は水中軸受１５には接触しない。
【００２４】
軸スリーブ３５と水中軸受１５との間の隙間を液体が滞りなく通過できるようにするために、バリア層４６の露出した縁部と、皮膜４３の外周面は、同一面内にあることが好ましい。バリア層４６の露出した縁部及び皮膜４３の外周面は、軸スリーブ３５の外周面を構成している。
【００２５】
図３は、図２に示す軸スリーブ３５の拡大図である。基材４１は、ステンレス鋼などの金属から構成されている。本実施形態では、液体に対して耐腐食性を有するステンレス鋼が使用されている。皮膜４３及びバリア層４６は、基材４１の全周に亘って形成されている。基材４１の外周面には、その全周に亘って延びる環状の窪み５１が形成されている。バリア層４６は、窪み５１を構成する表面全体を覆い、かつ皮膜４３の内面全体を覆っている。
【００２６】
皮膜４３は、バリア層４６の外面に溶射によって形成されている。皮膜４３を形成する溶射材としては、炭化物セラミックであるＷＣ（炭化タングステン）、Ｗ２Ｃ、Ｃｒ３Ｃ２（二炭化三クロム）、Ｃｒ７Ｃ３、Ｃｒ２３Ｃ６、ＮｂＣ（炭化ニオブ）、ＴｉＣ（炭化チタン）のうちの少なくとも１つを主成分とし、残りがＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｆｅのうち少なくとも１つと、不可避不純物とからなる結合材を含有するものが挙げられる。ＷＣおよび／またはＣｒ３Ｃ２は、高い耐摩耗性を有する観点から好ましく使用される。溶射方法としては高速フレーム溶射が挙げられるが、サーメット材料が溶射できる減圧プラズマ溶射、爆発溶射などの他のタイプの溶射を使用してもよい。
【００２７】
バリア層４６は、基材４１と皮膜４３との間に存在しているので、基材４１と皮膜４３とは接触しない。バリア層４６は、基材４１の材料であるステンレス鋼よりも隙間腐食が起こりにくい金属から構成されている。本実施形態では、バリア層４６はニッケルから形成されている。ニッケルは、ステンレス鋼よりも隙間腐食が起こりにくい金属である。したがって、液体が皮膜４３を浸透してバリア層４６に達しても、皮膜４３とバリア層４６との界面では隙間腐食が起こりにくい。液体は、バリア層４６に阻まれて基材４１には到達することはできない。よって、隙間腐食が防止され、皮膜は剥がれにくくなる。結果として、軸スリーブは設計寿命に達するまでその本来の性能を発揮することができ、軸スリーブの信頼性が向上する。バリア層４６の材料として、ニッケルの他に、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、ジルコニア、Ｎｉ基合金、Ｃｕ（銅）、Ｃｕ合金、Ｔｉ（チタニウム）、Ｔｉ合金などを使用してもよい。
【００２８】
バリア層４６は、その全体において、均一な厚さを有していることが好ましい。これは、皮膜４３に水中軸受１５から力が加わったときに、バリア層４６内で力が均等に分散し、局所的な応力の発生を防止できるからである。バリア層４６の厚さは特に限定されないが、バリア層４６は、溶射材がバリア層４６に吹き付けられたときに溶射材がバリア層４６を貫通しない程度の厚さを有している。
【００２９】
ニッケルからなるバリア層４６は、めっきよって形成することができる。より具体的には、ステンレス鋼からなる基材４１をニッケルでめっきし、ニッケルからなるバリア層４６を窪み５１の表面全体に形成する。めっきによって形成されたバリア層４６は、均一な厚さを有するので、めっきを用いてバリア層４６を形成することが好ましい。
【００３０】
本実施形態の軸スリーブ３５は、以下のようにして製造される。ステップ１では、図４に示すように、円筒状の基材４１を用意する。ステップ２では、図５に示すように、基材４１をその軸心を中心に回転させながら、切削工具（図示せず）を基材４１の外周面に押し付け、基材４１の外周面にその全周に亘って環状の窪み５１を形成する。より具体的には、窪み５１の底面５１ａと、この底面５１ａから基材４１の外周面まで延びる２つの傾斜面５１ｂが形成されるように、基材４１の外周面が切削される。基材４１の軸心と平行な底面５１ａに対する傾斜面５１ｂの角度は４５度とされる。この傾斜面５１ｂは、後述する溶射において、溶射材をバリア層４６の端部に確実に密着させるために形成される。
【００３１】
ステップ３では、図６に示すように、底面５１ａ及び傾斜面５１ｂを含む窪み５１の表面全体の上にバリア層４６を形成する。本実施形態では、基材４１をニッケルでめっきし、ニッケルからなるバリア層４６を、窪み５１の底面５１ａ及び傾斜面５１ｂの全体に形成する。バリア層４６は、窪み５１の底面５１ａ上に形成された底面４６ａと、窪み５１の傾斜面５１ｂ上に形成された傾斜面４６ｂとを有する。基材４１の軸心と平行な底面４６ａに対する傾斜面４６ｂの角度も４５度である。
【００３２】
ステップ４では、図７に示すように、バリア層４６に溶射材を溶射によって吹き付けて、バリア層４６の底面４６ａ及び傾斜面４６ｂの全体上に皮膜４３を形成する。このステップ４では、バリア層４６の縁から溶射材が盛り上がるまで、溶射材が吹き付けられる。溶射材は、バリア層４６の全体に対して垂直な方向から吹き付けられる。バリア層４６の底面４６ａ及び傾斜面４６ｂは、溶射材の噴流を受けることができるので、一旦バリア層４６に吹き付けられた溶射材は後続の溶射材の圧力を受けて底面４６ａ及び傾斜面４６ｂに強く密着することができる。すなわち、底面４６ａ及び傾斜面４６ｂの全体でアンカー効果が得られる。
【００３３】
ステップ５では、図８に示すように、研削などの表面加工をバリア層４６及び皮膜４３に施して、バリア層４６の露出した縁部及び皮膜４３の外周面を滑らかにする。以上の製造工程を経て、本実施形態に係る軸スリーブ３５が製造される。
【００３４】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【符号の説明】
【００３５】
１ａ    吸込ベルマウス
１ｂ    吐出ボウル
１      インペラケーシング
３      揚水管
４      吐出エルボ管
５      吸込水槽
６      回転軸
１０      羽根車
１１      外軸受
１２，１５      水中軸受
１３      ボウルブッシュ
１４      ガイドベーン
１８      駆動源
１９      架台
２０      吐出配管
２１      吐出水槽
２２      ポンプ据付床
２３      据付用ベース
２４      挿通口
２５      仕切弁
３２      支持部材
３５      軸スリーブ
４１      基材
４３      皮膜
４６      バリア層
５１      環状の窪み
【図１】
2018105340.tif 000003
【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】
2018105340.tif 000008
【図７】
2018105340.tif 000009
【図８】
2018105340.tif 000010
【図９】
2018105340.tif 000011