(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、無潤滑摺動時における回転軸の局所的な温度上昇を抑制し、回転軸の熱曲がりを防止することができる立軸ポンプを提供することにある。【解決手段】  回転軸２と、回転軸２の外周に設けられたスリーブ８と、スリーブ８の外周面８ａとの間に間隔を隔てて配置され回転軸２を支持する軸受１０と、を有した回転機械であって、回転軸２とスリーブ８との間に回転軸２よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導性部材１１を設ける。【選択図】図２
2018087596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、前記回転軸の外周に設けられたスリーブと、前記スリーブの外周面との間に間隔を隔てて配置され前記回転軸を支持する軸受と、を有した回転機械であって、
前記回転軸と前記スリーブとの間に前記回転軸よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導性部材を設けたことを特徴とする回転機械。
【請求項２】
請求項１に記載の回転機械において、
前記高熱伝導性部材は、回転軸の軸方向及び径方向に前記高熱伝導性部材を貫通する切り欠きを有することを特徴とする立軸ポンプ。
【請求項３】
請求項２に記載の回転機械において、
前記スリーブは、内周面側に、回転軸の径方向外方に向かって凹状を成す凹部を有し、
前記高熱伝導性部材は、前記切り欠きを複数有することにより、周方向に複数の部品に分割されると共に、前記スリーブの凹部に組み付けられていることを特徴とする回転機械。
【請求項４】
請求項２に記載の回転機械において、
前記スリーブ及び前記高熱伝導性部材は、前記回転軸の軸方向における両端部のうち少なくともいずれか一方の端部が一致していることを特徴とする回転機械。
【請求項５】
請求項１乃至４に記載の回転機械は立軸ポンプであり、
前記軸受は、無注水軸受であることを特徴とする回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無注水軸受、及び無注水軸受により回転軸を軸支する回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、先行待機ポンプの需要が高まっている。
【０００３】
先行待機ポンプにおける軸受は、空転運転時における無潤滑摺動と、排水運転時における異物等を含む水潤滑摺動とが、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。
【０００４】
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から、一定の間隔を隔てて支持する円筒状の軸受と、軸受ハウジングと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ように構成されている。
【０００５】
しかしながら、空転運転時の無潤滑摺動における課題は多数存在する。例えば、過大な発熱量による軸受の焼損や、スリーブ及び軸受の熱膨張によりクリアランスが消失してスリーブと軸受とが接触する、抱き付き等が挙げられる。また、熱曲がりは振動の増加や軸受荷重の増加等、深刻な問題を引き起こす。これは、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るというものである。
【０００６】
これに対し、特開２０１５−２２２１１７号公報（特許文献１）に記載されたすべり軸受装置のような構造が提案されている。すなわち、特許文献１のすべり軸受装置は、スリーブを回転軸側から断熱層、伝熱層及び摺動層の順序で積層した３層構造としている。これにより、摺動層で発生した局所的な熱を、伝熱層により周方向に分散させ、また断熱層により回転軸に熱を遷移させないようにすることで、回転軸の局所的な温度上昇を抑え、熱曲がりを防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−２２２１１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載された構造の場合、スリーブに断熱層を用いることで、スリーブに発生した熱が回転軸側から放熱され難くなり、軸受側に伝導し軸受側に蓄積されてしまう。このため、無潤滑摺動による運転に制約が生じる可能性が高くなる。また、伝熱層に用いる熱伝導性の高い材料は一般的に線膨張係数が高く、熱膨張によって隙間を生じ易い。このため、断熱層を単純に取り除いたとしても、この隙間により熱伝導性が低下し、放熱効率が低下する可能性がある。
【０００９】
本発明の目的は、無潤滑摺動時における回転軸の局所的な温度上昇を抑制し、回転軸の熱曲がりを防止することができる立軸ポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の回転機械は、
回転軸と、前記回転軸の外周に設けられたスリーブと、前記スリーブの外周面との間に間隔を隔てて配置され前記回転軸を支持する軸受と、を有した回転機械であって、
前記回転軸と前記スリーブとの間に前記回転軸よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導性部材を設ける。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、無潤滑摺動時における回転軸の局所的な温度上昇を抑制し、回転軸の熱曲がりを防止することができる。
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施例に係る立軸ポンプを示す縦断面図。
【図２】本発明の第１実施例における軸受部を示す縦断面図。
【図３Ａ】本発明の実施例におけるスリーブ及び高熱伝導性材料の効果を示す横断面図。
【図３Ｂ】本発明との比較例におけるスリーブの効果を示す横断面図。
【図４】回転軸の表面温度分布の概念図。
【図５】回転軸が熱曲がりしているときの縦断面図。
【図６】本発明の第１実施例に係る高熱伝導性材料を示す斜視図。
【図７】本発明に係る軸受部の第１変形例を示す縦断面図。
【図８】本発明に係る軸受部の第２変形例を示す縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を用いて、本発明に係る実施例を説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施例に係る立軸ポンプの縦断面図である。
【００１５】
図１に示すように、立軸ポンプ１は、鉛直方向に延びて回転可能に軸支された回転軸２と、回転軸２の下端部に固定された羽根車３と、羽根車３の下方から羽根車３の外周部を覆い、さらに羽根車３の上方にまで延設されたポンプケーシング４と、を備えている。ポンプケーシング４は、羽根車３の外周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。
【００１６】
ポンプケーシング４に挿設された回転軸２は、上下方向の複数個所、本実施例では２カ所において、無注水軸受５ａ，５ｂによって回転可能に支持されている。図１に示した実施例では、羽根車３の近傍に一方の無注水軸受５ａが設けられており、立軸ポンプ１の設置面である床面Ｆよりも下方であって、無注水軸受５ａよりも上方に、他方の無注水軸受５ｂが設置されている。なお、床面Ｆよりも上方に立軸ポンプ１を駆動する駆動モータ６が配置され、回転軸２は床面Ｆよりも上方でカップリング７を介して駆動モータ６に接続されている。
【００１７】
次に、無注水軸受５ａ，５ｂ部の詳細を、図２を用いて説明する。図２は、本発明の第１実施例における軸受部を示す縦断面図である。なお図２においては、無注水軸受５ａ，５ｂ、スリーブ８及び高熱伝導性材料（高熱伝導性部材）１１を中心線１００に対して片方の側にしか描いていないが、無注水軸受５ａ，５ｂ、スリーブ８及び高熱伝導性材料（高熱伝導性部材）１１は中心線１００の両側に、中心線１００に対して対称に存在する。
【００１８】
図１に示した立軸ポンプ１が備える無注水軸受は、回転軸２の下端側に設けられた無注水軸受５ａと上端側に設けられた無注水軸受５ｂとが共通の構成（図２に示す構成）を有する。しかし、二つの無注水軸受５ａ，５ｂのうちいずれか一方が図２に示す構成を有し、他方が他の構成を有するようにしてもよい。或いは３つ以上の無注水軸受において、少なくとも一つの無注水軸受が図２に示す構成を有するようにしてもよい。本実施例の構成を有する無注水軸受は、無注水軸受に要求される放熱性等の仕様により、選択して用いればよい。
【００１９】
以下、無注水軸受５ａ，５ｂを区別せず、無注水軸受に符号５を付して説明する。
【００２０】
無注水軸受５は、回転軸２の外周面に隣接したスリーブ８に対向して配置される、リング状（環状）の軸受摺動部材９と、このリング状の軸受摺動部材９を保持する円筒状の軸受ハウジング１０とを有している。すなわち、軸受摺動部材９は内周面９ｂがスリーブ８の外周面８ａと対向するように配置され、内周面９ｂと外周面８ａとの間に隙間Ｇが設けられている。
【００２１】
一方、無注水軸受５と摺動する回転軸２側には、スリーブ８と高熱伝導性材料１１とにより、無注水軸受５によって軸承される回転軸２側の被軸承部（回転軸側被軸承部）２Ａが構成されている。本実施例の回転軸側被軸承部）２Ａでは、スリーブ８の内周側に高熱伝導性材料（高熱伝導性部材）１１が設けられている。すなわち、スリーブ８の内周面８ｂに回転軸２の径方向外方に向かって凹状を成す凹部８ｃを形成し、凹部８ｃの内側に高熱伝導性材料１１を埋め込んでいる。
【００２２】
高熱伝導性材料１１は主に銅、金、銀などの金属またはその合金であり、回転軸２よりも熱伝導率の高い材料で構成される。高熱伝導性材料１１は、自身が有する熱伝導率の低下を抑制できるように、スリーブ８と回転軸２との間を接続する熱伝導経路を構成する。
【００２３】
本実施例では、スリーブ８と高熱伝導性材料１１とが接触した状態となり、高熱伝導性材料１１と回転軸２とが接触した状態となるように、スリーブ８及び高熱伝導性材料１１が回転軸２に組み付けられる。すなわち、スリーブ８の内周側の面８ｃと高熱伝導性材料１１の外周面１１ａとが接触し、高熱伝導性材料１１の内周面１１ｂと回転軸２の外周面２ａとが接触している。なおスリーブ８は、最内周面８ｂが回転軸の外周面２ａと接触している。
【００２４】
上記構成において、回転軸２にはアンバランスが存在するため、空転運転が開始されると、回転軸２にはアンバランス方向に遠心力が働き、回転軸２は半径方向へと偏心する。すると、スリーブ８は回転軸２のアンバランス方向にて、軸受摺動部材９の内周側と接触して摺動する。摺動による摩擦熱は、軸受摺動部材９の内周側及びスリーブ８の回転軸２のアンバランス方向にて発生する。すなわち、軸受摺動部材９においては内周面９ｂの全周で摩擦熱が発生し、回転軸２側においてはアンバランスが発生している周方向の一部で、スリーブ８の外周面８ａに摩擦熱が発生する。
【００２５】
上述したように本実施例では、スリーブ８と高熱伝導性材料１１とが接触した状態となり、高熱伝導性材料１１と回転軸２とが接触した状態となるように、スリーブ８及び高熱伝導性材料１１が回転軸２に組み付けられることにより、スリーブ８で発生した摩擦熱は高熱伝導性材料１１を介して回転軸２に良好に伝導され、回転軸２から放熱される。
【００２６】
図３Ａ及び図３Ｂを用いて、本実施例における摩擦熱の放熱効果について、具体的に説明する。図３Ａは、本発明の実施例におけるスリーブ及び高熱伝導性材料の効果を示す横断面図である。図３Ｂは、本発明との比較例におけるスリーブの効果を示す横断面図である。
【００２７】
図３Ａ及び図３Ｂでは、スリーブ８で発生した摩擦熱の流れを、高熱伝導性材料１１が有る場合（図３Ａ）と無い場合（図３Ｂ）とで説明している。高熱伝導性材料１１が無い場合、スリーブ８に遷移した摩擦熱は、あまり周方向には移動せず、狭い範囲で回転軸２に流れる。このため、回転軸２は外周面２ａの周方向において局所的に温度が上昇する。
【００２８】
しかしながら、高熱伝導性材料１１が有る場合、スリーブ８に遷移した摩擦熱は、高熱伝導性材料１１に移動し、そこで周方向に素早く拡散される。それにより、摩擦熱は回転軸２の周方向において広範囲に流れるため、回転軸２の局所的な温度上昇を抑えることができる。
【００２９】
このときの回転軸２の表面温度の様子を図４に示す。図４は回転軸の表面温度分布の概念図である。
【００３０】
図５に示すように、回転軸２は、無注水軸受５の軸受摺動部材９の内周面９ｂと接触する位置で、その表面温度が最も高くなり、周方向位置θが接触位置から１８０度ずれた位置で、その表面温度が最も低くなる。
【００３１】
高熱伝導性材料１１が有ることにより、回転軸２の周方向における最高温度と最低温度との温度差が小さくなることがわかる。
【００３２】
次に、熱曲がりのメカニズムを、図５を用いて説明する。図５は回転軸が熱曲がりしているときの縦断面図である。
【００３３】
物質は温度が増加すると膨張する。回転軸２は、前述のように局所的に温度が増加すると、図５に示すように、膨張が周方向において均一でなくなるため、軸を曲げてしまう。そのため、周方向における温度分布を均一にすることは、回転軸２の熱曲がりを防止又は抑制するために有効である。
【００３４】
ここで、高熱伝導性材料１１は一般的に線膨張係数が高く、他の物質に比べ膨張し易い。高熱伝導性材料１１の温度が増加すると、外径、内径ともに増加し、回転軸２と高熱伝導性材料１１の間に隙間を生じてしまう。隙間は断熱層となるため、回転軸２に摩擦熱が流れ難くなる。回転軸２に熱が伝わらなければ熱曲がりも抑制できると考えられる。しかしこの場合、スリーブ８が無注水軸受５の軸受摺動部材９に摺接することによりスリーブ８に発生した摩擦熱は、回転軸２側から放熱されなくなるため、ほとんどの摩擦熱が軸受５側に伝導し、軸受５側に蓄積されてしまう。そして最悪の場合、軸受５は焼損する可能性が高くなる。軸受材料が樹脂の場合、樹脂は熱伝導性が悪いため、焼損の危険性はより顕著となる。そのため、断熱層となる部分はなるべく排除することが好ましい。
【００３５】
そこで、図６に示すように、高熱伝導性材料１１に切り欠き１２を設ける。図６は、本発明の第１実施例に係る高熱伝導性材料を示す斜視図である。
【００３６】
すなわち、高熱伝導性材料１１の軸方向及び半径方向に貫通するような切り欠き（スリット）１２を１つ、もしくは複数設ける。本実施例では、スリーブ８の凹部８ｃに高熱伝導性材料１１を埋め込んでいるため、切り欠き１２を複数設けることにより高熱伝導性材料１１を複数の部品に分割しても、高熱伝導性材料１１は回転軸２の外周にスリーブ８により保持される。
【００３７】
また、切り欠き１２を複数設け、高熱伝導性材料１１を周方向に複数の部品に分割することにより、一つの部材で構成されるスリーブ８の内周面８ｂ側に形成された凹部８ｃに、高熱伝導性材料１１を容易に組み付けることができる。
【００３８】
これにより、高熱伝導性材料１１が熱膨張したとしても、切り欠き１２における隙間ｇの減少により、内径及び外径の増加を抑えることが可能である。また、高熱伝導性材料１１の内径に高熱伝導性の接着材、もしくはグリース等を塗布するとなお良い。それにより摩擦熱が回転軸２の周方向に、より流れ易くなる。
【００３９】
以上により、本実施例の立軸ポンプ１は、回転軸２の熱曲がりを効果的に抑制することができ、信頼性を向上することができる。
【００４０】
また、第１実施例においては、無注水軸受５を適用する対象を立軸ポンプとしていたが、これに限らない。すなわち、横軸の回転機械でもよい。このような変形例においても、第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
上述した実施例の変形例について、図７及び図８を用いて説明する。
【００４２】
まず図７を用いて、第１変形例について説明する。
【００４３】
図７は、本発明に係る軸受部の第１変形例を示す縦断面図である。図８は、本発明に係る軸受部の第２変形例を示す縦断面図である。なお図７及び図８においては、無注水軸受５ａ，５ｂ、スリーブ８及び高熱伝導性材料（高熱伝導性部材）１１を中心線１００に対して片方の側にしか描いていないが、無注水軸受５ａ，５ｂ、スリーブ８及び高熱伝導性材料（高熱伝導性部材）１１は中心線１００の両側に、中心線１００に対して対称に存在する。
【００４４】
上述の実施例においては、高熱伝導性材料１１はスリーブ８の内周側に埋め込まれているが、これに限らない。すなわち、図７のように軸方向両端部をスリーブ８の軸方向端部と一致させてもよい。もしくは図８のように、軸方向両端部のうちいずれか一方の端部を一致させてもよい。ここで、高熱伝導性材料１１の軸方向端部とスリーブ８の軸方向端部とを一致させる構成は、高熱伝導性材料１１の軸方向端部とスリーブ８の軸方向端部とが回転軸２の軸方向において同じ位置にあるということを意味する。
なお図７の第１変形例の場合には、スリーブ８の最内周面８ｂは高熱伝導性材料１１の外周面１１ａに接触し、回転軸２の外周面２ａには接触していない。
【００４５】
上述したように、高熱伝導性材料１１は回転軸２に接触した状態で組み付けられているが、その接触力のみで高熱伝導性材料１１を回転軸２に保持することは困難である。そこで、第１変形例では、スリーブ８及び高熱伝導性材料１１の軸方向両端部に固定部材１３を設けて、スリーブ８及び高熱伝導性材料１１を回転軸２に保持する。また、第２変形例では、スリーブ８及び高熱伝導性材料１１の軸方向端部を一致させた方の端部に固定部材１３を設けて、スリーブ８及び高熱伝導性材料１１を回転軸２に保持する。
【００４６】
固定部材１３は、例えばリング状又は周方向の一部が切り欠かれたアルファベットのＣ字状をした部材であり、回転軸２に圧入やその他の適当な固定手段により固定される。
【００４７】
上述した実施例の場合、高熱伝導性材料１１が一体である場合、スリーブ８は一体であることが多いため、スリーブ８の内径側に組み込むことができない。このような変形例にすることで、組み立てが可能となり、上述の実施例よりも組立性を向上することができる。
【００４８】
その他の構成及び効果は上述した実施例と同様である。
【００４９】
本発明に係る上述した各実施例によれば、無潤滑摺動時における回転軸の局所的な温度上昇を抑制し、回転軸の熱曲がりを防止することができる。これにより、軸受の焼損を防ぎ、信頼性の高い立軸ポンプを提供することができる。
また各実施例によれば、スリーブ８側で発生した熱を回転軸２側から効率良く放熱し、熱が軸受２側に蓄積されるのを抑制することができる。このため、無潤滑摺動運転における制約を減らし、自由度の高い無潤滑摺動運転を行うことができる。
【００５０】
なお、本発明は上記した実施例及び変形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、上記した実施例の構成の一部を他の構成に置き換えることが可能であり、また、上記した実施例の構成に他の構成を加えることも可能である。また、上記した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。
【符号の説明】
【００５１】
１…立軸ポンプ、２…回転軸、２Ａ…回転軸２側の被軸承部（回転軸側被軸承部）、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、９…軸受摺動部材、１０…軸受ハウジング、１１…高熱伝導性材料（高熱伝導性）、１２…切り欠き（スリット）、１３…固定部材。
【図１】
2018087596.tif 000003
【図２】
2018087596.tif 000004
【図３Ａ】
2018087596.tif 000005
【図３Ｂ】
2018087596.tif 000006
【図４】
2018087596.tif 000007
【図５】
2018087596.tif 000008
【図６】
2018087596.tif 000009
【図７】
2018087596.tif 000010
【図８】
2018087596.tif 000011