(57)【要約】【課題】空転運転時に、軸受とスリーブが摺動することによって発生する摩擦熱で軸受およびスリーブが膨張し、クリアランスが狭くなり抱きつくことを長時間にわたり防止する。【解決手段】揚水を潤滑液とし立軸ポンプの主軸を回転支持する立軸ポンプ用軸受装置において、主軸の外周面に対向して配置される軸受摺動部材と、この軸受摺動部材を保持する軸受ケースを有し、軸受摺動部材は金属製であるとともに軸受ケースに固定されており、軸受摺動部材の外周側と前記軸受ケースの内周側との間に隙間を設けたことを特徴とする。前記隙間は、前記軸受摺動部材の外周側と前記軸受ケースの内周側の間に環状に形成されたことを特徴とする。【選択図】図２
2015052273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
揚水を潤滑液とし立軸ポンプの主軸を回転支持する立軸ポンプ用軸受装置において、
前記主軸の外周面に対向して配置される軸受摺動部材と、この軸受摺動部材を保持する軸受ケースを有し、前記軸受摺動部材は金属製であるとともに前記軸受ケースに固定されており、前記軸受摺動部材の外周側と前記軸受ケースの内周側との間に隙間を設けたことを特徴とする立軸ポンプ用軸受装置。
【請求項２】
請求項１に記載の立軸ポンプ用軸受装置において、
前記隙間は、前記軸受摺動部材の外周側と前記軸受ケースの内周側の間に環状に形成されたことを特徴とする立軸ポンプ用軸受装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の立軸ポンプ用軸受装置において、
前記主軸に嵌合され前記軸受摺動部材と摺動するスリーブを設け、前記軸受摺動部材は前記スリーブよりも熱伝導率の高い材質で構成されたことを特徴とする立軸ポンプ用軸受装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の立軸ポンプ用軸受装置において、
前記軸受摺動部材は前記主軸方向の一方端が前記軸受ケースに拘束した状態に固定され、他方端がフリー状態に前記軸受ケースに接触していることを特徴とする立軸ポンプ用軸受装置。
【請求項５】
請求項４に記載の立軸ポンプ用軸受装置において、
前記軸受摺動部材は前記主軸方向の上端が前記軸受ケースに拘束した状態に固定されたことを特徴とする立軸ポンプ用軸受装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の立軸ポンプ用軸受装置において、
前記軸受摺動部材の内周は凸状に形成され、この凸状の形成部分を前記スリーブとの摺動面としたことを特徴とする立軸ポンプ用軸受装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の立軸ポンプ用軸受装置において、
前記隙間の前記主軸方向の長さが、前記軸受摺動部材の摺動面の主軸方向の長さよりも長く設定されたことを特徴とする立軸ポンプ用軸受装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の立軸ポンプ用軸受装置を、前記主軸の下部と中間部の少なくとも一方に配置したことを特徴とする立軸ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立軸ポンプに用いる軸受装置及び立軸ポンプに係り、特に無潤滑摺動や無潤滑摺動と異物等を含む揚水中での摺動が繰り返される環境下で使用されるのに好適な軸受装置および立軸ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、都市部で発生する集中豪雨の際、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。このような都市型洪水の発生を回避するためには、緊急時でも速やかに動作する排水ポンプが必要である。そのため、洪水が発生していない通常時において、排水ポンプの動作状態を確認するための空転運転が実施されている。また、排水機場においては、雨水が機場に流入する以前に、排水ポンプを空転運転する先行待機運転が強く求められている。
【０００３】
先行待機運転を実行するポンプでは、揚水されない空転運転を所定時間だけ継続して実行するので、揚水を潤滑液とする軸受をポンプに使用すると、軸受部に潤滑液がない無潤滑摺動が長時間続く。その結果、軸受の摩擦発熱による摺動面の膨張によりその間のクリアランスが消失し、軸受の摺動面が回転軸に接触していわゆる抱きつき現象を起こし、不具合を生じる危険性が高い。
【０００４】
このような不具合を解消するために、特許文献１に記載のポンプでは、熱伝導率が低い軸受部の樹脂材料に、熱伝導率の高い熱伝導部材を挿入することで、摺動熱が摺動部材内に留まらず、軸受外に放熱される構造としている。また、特許文献１に記載のポンプでは、棒状の摺動部材が軸受ケースの内周側に軸方向に延びる溝に圧入され、溝底に設けた隙間を摺動部材の熱膨張による変形を受け入れる場所としている。
【０００５】
特許文献２に記載のすべり軸受けでは、軸受からの放熱効果を高めるため、軸受摺動部材に金属を適用している。また、軸受摺動部材と回転軸摺動部材の線膨張係数の関係により、両摺動部材間のクリアランス消失の不具合防止を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２０３９３３号公報
【特許文献２】特開２０１２−１３２５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
空転運転を長時間継続させるためには、摺動熱による軸受摺動部材の変化をコントロールし、軸受摺動部材の損傷や、熱膨張による抱きつき等の不具合をいかに防ぐかが課題である。
【０００８】
このような観点から、特許文献１では、軸受の放熱効果を高める構造となっている。しかし、軸受摺動部材は従来の熱伝導率の低い樹脂材料であるため、放熱効果を高める熱伝導部材へ熱が伝わるまでに時間を要する。また、溝底の隙間を棒状の軸受摺動部材の熱膨張を受け入れる退避場所としている構造では、樹脂材料の軸受摺動部材が軸受ケースに圧入されて動きが規制されているため、熱膨張による変形に歪みが生じて、変形がどの方向に現れるか予測できない恐れがある。
【０００９】
特許文献２は、回転側の摺動部材が、炭素材料が５０％以上で軸受摺動部材よりも熱膨張率が小さく、炭素繊維端面が摺動面に露出する構造で構成するため、これを満足する回転側の摺動部材は、実施例の炭素繊維積層炭素系複合材に限定され、使用材料の自由度が低下する。
【００１０】
本発明は、上記の従来技術の問題点にかんがみ、簡単な構成で軸受摺動部材が温度上昇で熱膨張しても、回転軸と軸受摺動部材の隙間が狭くならないようにした立軸ポンプ用すべり軸受装置及び立軸ポンプを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成する本発明は、揚水を潤滑液とし立軸ポンプの主軸を回転支持する立軸ポンプ用軸受装置において、
前記主軸の外周面に対向して配置される軸受摺動部材と、この軸受摺動部材を保持する軸受ケースを有し、前記軸受摺動部材は金属製であるとともに前記軸受ケースに固定されており、前記軸受摺動部材の外周側と前記軸受ケースの内周側との間に隙間を設けたことを特徴とする。
【００１２】
また、前記隙間は、前記軸受摺動部材の外周側と前記軸受ケースの内周側の間に環状に形成されたことを特徴とする。
【００１３】
また、前記主軸に嵌合され前記軸受摺動部材と摺動するスリーブを設け、前記軸受摺動部材は前記スリーブよりも熱伝導率の高い材質で構成されたことを特徴とする。
【００１４】
また、前記軸受摺動部材は前記主軸方向の一方端が前記軸受ケースに拘束した状態に固定され、他方端がフリー状態に前記軸受ケースに接触していることを特徴とする。
【００１５】
また、前記軸受摺動部材は前記主軸方向の上端が前記軸受ケースに拘束した状態に固定されたことを特徴とする。
【００１６】
また、前記軸受摺動部材の内周は凸状に形成され、この凸状の形成部分を前記スリーブとの摺動面としたことを特徴とする。
【００１７】
また、前記隙間の前記主軸方向の長さが、前記軸受摺動部材の摺動面の主軸方向の長さよりも長く設定されたことを特徴とする。
【００１８】
上記目的を達成する本発明は、上記に記載の立軸ポンプ用軸受装置を、前記主軸の下部と中間部の少なくとも一方に配置した立軸ポンプであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、立軸ポンプに用いる軸受装置において、軸受摺動部材が温度上昇した際に、軸受摺動部材の外周へ熱膨張するので、軸受装置と回転軸との隙間が狭くならず、長時間の空転運転が可能になる。さらに、軸受装置を立軸ポンプに適用すれば、先行待機運転が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る軸受装置を搭載した立軸ポンプの一実施例の縦断面図である。
【図２】図１の立軸ポンプに用いる軸受装置の縦断面図である。
【図３】図１の立軸ポンプに用いる軸受装置の横断面図である。
【図４】図２に示す軸受装置の熱変形を示す説明図である。
【図５】本発明に係る軸受装置の他の実施例の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。図１に、立軸ポンプの一実施例の縦断面図を示す。立軸ポンプ２０は、鉛直方向に延び回転する回転軸（主軸）１の下端部に、羽根車４が固定されている。羽根車４の下方から羽根車４の外周部を覆い、さらに上方にまでポンプケーシング２が延びている。ポンプケーシング２は、羽根車４部を除いてほぼ円筒形に形成されており、中心部を回転軸１が貫通している。ポンプケーシング２の内部は、揚水の流路を形成する。
【００２２】
ポンプケーシング２を貫通する回転軸１は、上下方向の複数個所、本実施例では２カ所で軸受装置３、３ａに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４の近傍に一方の軸受装置３ａが設けられている。また、立軸ポンプ２０の設置面である床面よりも下方であって、このポンプ２０を駆動する駆動モータ６にカップリング５を介して接続される軸の途中に軸受装置３が設置されている。
【００２３】
次に、上記軸受装置３、３ａの詳細を、図２を用いて説明する。図２に、図１に示した立軸ポンプ２０が備える軸受装置３、３ａの縦断面図を示す。軸受装置３、３ａの両方、もしくは一方が図２に示す構成を有している。軸受装置３は、回転軸１の外周面に対向して配置されるリング状（環状）の軸受摺動部材７と、このリング状の軸受摺動部材７を保持する円筒状の軸受ケース８とを有している。
【００２４】
軸受摺動部材７は、それ自体の上方の一方端のフランジ部７ａと、下方の他方端の脚部７ｂと、その間の回転軸１に沿った中央部７ｃから構成されている。このフランジ部７ａは、軸受ケース８の上端面にネジ１５により拘束した状態に固定される。軸受摺動部材７のフランジ面を、軸受ケース８の上端部に当接させることにより、軸方向の位置決めがなされる。このとき脚部７ｂは、側端面が軸受ケース８の内周にフリー状態に接触し、軸方向に拘束されない状態にある。
【００２５】
軸受ケース８と嵌め合わされる軸受摺動部材７の外径は、軸受ケース８の内径よりも、小さくなるように形成されており、軸受ケース８へのフランジ部７ａの固定と脚部７ｂの接触状態で、軸受摺動部材７の中央部７ｃと軸受ケース８で挟まれるように環状の隙間９が形成される。隙間９の寸法は、隙間１１の５〜１０倍程度である。
【００２６】
１０は、回転軸１に嵌め合わされるスリーブで、回転軸１の段差により軸方向の位置が決められる。軸受摺動部材７は、スリーブ１０よりも、熱伝導率が高い材料で構成されている。軸受摺動部材７の熱伝導率は、スリーブ１０の熱伝導率よりも１０倍以上高いことが望ましい。具体的には、軸受摺動部材７がステンレス鋼で、スリーブ１０が炭素繊維で強化されたフェノール樹脂を主成分とする材料、炭素繊維を含有するポリエーテルエーテルケトン樹脂を主成分とする材料、ポリベンゾイミダゾール樹脂を主成分とする材料または、炭素繊維強化炭素複合材（Ｃ/Ｃコンポジット）との組合せが挙げられ、熱で変形（広がり）しにくい材料が用いられる。なお、軸受ケース８は金属材料で構成されている。
【００２７】
１１は軸受摺動部材７の摺動面とスリーブ１０の接触面の間の摺動に必要な僅かな隙間である。７ｄは軸受摺動部材７の内周に形成された摺動面で、この摺動面のみがスリーブ１０に接触するように凸状に形成され、摺動面７ｄの回転軸方向の長さは、スリーブ１０の回転軸方向の長さより小さく設定される。
【００２８】
上記構成において、スリーブ１０の外周面と軸受摺動部材７の内周面の摺動により発生した熱は、熱伝導率の高い軸受摺動部材７に速やかに伝熱される。例えば、スリーブ１０の熱伝導率が１W/mKで、軸受摺動部材７が16.1W/mKであって、スリーブ１０が炭素繊維で強化されたフェノール系の樹脂材料の場合、発生した熱量の約９割は軸受摺動部材７へ移動する。
【００２９】
軸受摺動部材７が摺動熱により熱膨張した場合に、定常温度解析で環状の隙間９の有無の効果を比較すると、隙間９が無い場合は軸受摺動部材７は回転軸１の方向に凸形に熱変形し、隙間９が有る場合は軸受摺動部材７は軸受ケース８の方向（隙間方向）に凸形に熱変形する。一般に環状の金属が加熱されると半径方向外側に膨張して径が大きくなるが、上記で隙間９が無い場合は、軸受摺動部材７の外周側に熱膨張できるスペースがないので、回転軸１の方向に歪んだ状態で熱膨張しているものと考えられる。
【００３０】
図４を用いて、熱膨張による軸受摺動部材７の変形について詳細に説明する。Ｌ１は隙間９の回転軸方向の長さ、Ｌ２は軸受摺動部材７に形成された摺動面７ｄの回転軸方向の長さで、Ｌ１＞Ｌ２に設定されている。Ｌ３ａ、Ｌ３ｂは、摺動面７ｄの両端の肩部と隙間９の両端との距離で、Ｌ１＝Ｌ２＋Ｌ３ａ＋Ｌ３ｂとなる。破線で示される１２は、軸受摺動部材７が隙間９の方向に熱膨張した場合の中央部７ｃである。ｔ２は熱変形による中央部７ｃの変形量、ｔ１は熱変形による摺動面７ｄの両端の肩部の水平方向移動量を示す。ｔ３は中央部７ｃの熱変形により脚部７ｂの下端が下方に移動した軸方向移動量である。
【００３１】
軸受摺動部材７は熱膨張により、フランジ部７ａと脚部７ｂを両支点（隙間９の両端）として、中央部７ｃが隙間９方向に湾曲してｔ２だけ変形する。このとき、Ｌ１＞Ｌ２の設定により、摺動面７ｄの両端の肩部が上記両支点より内側に位置しているので、上記中央部７ｃの湾曲に伴って摺動面７ｄの両端の肩部も隙間９方向にｔ１だけ変形する。したがって、摺動面７ｄとその両端の肩部とを同時に隙間９方向に変形させることで、軸受摺動部材７を確実に隙間９方向に変形させることができる。このため、軸受摺動部材７の摺動面７ｄとスリーブ１０の摺動面の隙間１１が狭くなることが無い。
【００３２】
熱膨張による変形においては、変形時に支点の外側が反り返って変形して反対側に突出することがあるが、本実施例によれば、前記のように寸法をＬ１＞Ｌ２に設定しているので、熱変形方向の反対側に突出する部分がないので、回転軸１の回転を阻害することがない。
【００３３】
また、軸受摺動部材７のフランジ部７ａが軸受ケース８に固定された時、他方端である脚部７ｂが軸受ケース８の内周に接触している状態で回転軸１方向に拘束されてないので、軸受摺動部材７の中央部７ｃが熱変形したとき、この変形に伴って軸受摺動部材７に伸縮があっても脚部７ｂが軸方向に自由に移動できる。したがって、軸受摺動部材７の隙間９方向への熱変形が歪むことなくスムーズに行われる。
【００３４】
また、本実施例で、軸受摺動部材７は摺動面７ｄを形成するため、摺動面側へ凸状となっている。つまり、軸受摺動部材７の摺動面７ｄの直径が、摺動面７ｄの両端の軸受摺動部材７の直径よりも小さい形状であり、摺動面７ｄから外周へ向かうほど、軸方向の断面積が大きくなる形状で、摺動開始直後は、摺動面７ｄと隙間９までの間に温度差が発生し、図４に示す変形とならない可能性がある。しかし、熱伝導率の良い金属材料での一体構造は、熱の伝播が速やかなので、短時間で前述の定常温度解析の状態に至り、図４に示す変形が生じると考える。
【００３５】
このように、熱膨張による軸受摺動部材７の変形方向を外側にコントロールすることで、軸受と回転軸の隙間が狭くなり抱きつくことを防ぐことが可能である。
【００３６】
本実施例は、揚水を潤滑液とし立軸ポンプの回転軸を回転支持する立軸ポンプ用軸受装置において、回転軸１の外周面に対向して配置される軸受摺動部材７と、この軸受摺動部材を支持する軸受ケース８を有し、軸受摺動部材７は金属製であるとともに前記軸受ケース８に嵌め合いもしくは、締結要素によって固定されており、軸受摺動部材の熱膨張による外周への変形を拘束しないための隙間９を設け、軸受摺動部材７の軸方向の両端、もしくは一端は軸方向に拘束されていない。
【００３７】
前記の熱膨張による軸受摺動部材７外周への変形を拘束しないための隙間９は、軸受摺動部材７の全周に途切れなくあって環状を有し、軸受摺動部材７の摺動面７ｄの軸方向長さより長い。
【００３８】
立軸ポンプの回転軸１を摺動摩耗から保護するために回転軸外周に嵌合により配置されるスリーブ１０は、軸受摺動部材７の熱伝導率よりも低いことを特徴とする。
【００３９】
図５に上記軸受装置の他の実施例の断面図を示す。前記実施例と同一部分に同一符号を付して示す。軸受摺動部材１７は、上端１７ａ、他方端の脚部１７ｂおよび中央部で構成される。軸受摺動部材１７は、上端１７ａが軸受ケース８にネジ１６で固定され、他方端の脚部１７ｂがフリーな状態で軸受ケース８の内周に接触している。１７ｅは上端１７ａに設けたネジ１６の挿入孔である。摺動面の上下を締結要素を用いて固定してもよい。但し、締結要素が軸受摺動部材と当接する断面は摺動面よりも軸受ケース８の方向に段差を設け、摺動面近傍の鉛直方向の変形を拘束しない構造とする。
【符号の説明】
【００４０】
１…回転軸、２…ポンプケーシング、３、３ａ…軸受装置、４…羽根、５…カップリング、６…モータ、７…軸受摺動部材、７ａ…軸受摺動部材の上端、フランジ部、７ｂ…軸受摺動部材の脚部、７ｃ…軸受摺動部材の中央部、７ｄ…軸受摺動部材の摺動面、８、…軸受ケース、９…隙間、１０…スリーブ、１１…軸受摺動部材の摺動面とスリーブとの隙間、１５…締結ボルト、１６…締結ボルト、１７…軸受摺動部材、１７ａ…軸受摺動部材の上端、１７ｂ…軸受摺動部材の脚部、１７ｃ…軸受摺動部材の中央部、１７ｅ…ネジの挿入孔、２０…立軸ポンプ、Ｌ１…隙間の回転軸方向の長さ、Ｌ２…軸受摺動部材の摺動面の回転軸方向の長さ、Ｌ３ａ、Ｌ３ｂ…摺動面の肩部と隙間の両端との距離、ｔ１…摺動面の両端肩部の移動量、ｔ２…軸受摺動部材の中央部の変形量、ｔ３…軸受摺動部材の脚部の移動量。
【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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