(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転流体機械の回転軸の支持に使用され、軸受すべり面が大気中に露出するドライ条件で使用されるすべり軸受装置であって、
前記回転軸の外周に固定されたスリーブと、
前記スリーブが摺接する軸受すべり面を有したすべり軸受とを備え、
前記回転軸の外周面を形成する材料は防錆素材で、該回転軸の中心側に該回転軸より伝熱性の良い伝熱材料を密封して備え、
前記スリーブの前記回転軸と接する材料の熱伝導率は前記回転軸の材料の熱伝導率よりも大きく、
前記回転軸の中心側の伝熱材料の熱伝導率は前記回転軸の材料の熱伝導率よりも大きいことを特徴とするすべり軸受装置。
【請求項２】
回転流体機械の回転軸の支持に使用され、軸受すべり面が大気中に露出するドライ条件で使用されるすべり軸受装置であって、
前記回転軸の外周に固定されたスリーブと、
前記スリーブが摺接する軸受すべり面を有したすべり軸受とを備え、
前記回転軸の外周面を形成する材料は防錆素材で、該回転軸の中心側に該回転軸より伝熱性の良い伝熱材料を密封して備え、
前記回転軸の内周と前記回転軸の中心側の伝熱材料の外周は接触しており、
前記スリーブは、前記すべり軸受と摺接する摺動部材と、前記摺動部材の内側に設けられ摺動部材よりも伝熱性の良い伝熱層とからなることを特徴とするすべり軸受装置。
【請求項３】
前記回転軸の外周面を形成する材料は、ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１または２に記載のすべり軸受装置。
【請求項４】
前記回転軸の中心側にある伝熱材料は、銅材料又はアルミニウムであることを特徴とする請求項１または２に記載のすべり軸受装置。
【請求項５】
前記スリーブは、前記すべり軸受と摺接する摺動部材と、前記摺動部材の内側に設けられ摺動部材よりも伝熱性の良い伝熱層とからなることを特徴とする請求項１に記載のすべり軸受装置。
【請求項６】
前記摺動部材は、前記伝熱層の軸方向の両端部を覆い、前記回転軸と密着して固定されていることを特徴とする請求項２または５に記載のすべり軸受装置。
【請求項７】
前記摺動部材は、ステンレス鋼、セラミックス、タングステンカーバイトからなることを特徴とする請求項２または５に記載のすべり軸受装置。
【請求項８】
前記伝熱層は銅材料又はアルミニウムからなることを特徴とする請求項２または５に記載のすべり軸受装置。
【請求項９】
前記スリーブは、全体が炭素繊維強化複合材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載のすべり軸受装置。
【請求項１０】
前記すべり軸受は、金属材料または炭素繊維強化複合材料からなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のすべり軸受装置。
【請求項１１】
前記回転軸の端部に、フランジを介して別の回転軸を接続して一本の回転軸を構成し、前記フランジには前記伝熱材料に水が浸入することを防止するシール部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のすべり軸受装置。
【請求項１２】
前記回転軸の端部に、別の回転軸の端部を締まり嵌めにより接続して一本の回転軸を構成し、前記締まり嵌めは前記伝熱材料に水が浸入することを防止することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のすべり軸受装置。
【請求項１３】
前記伝熱材料の端部と前記別の回転軸の端部の間には、クリアランスが設けられていることを特徴とする請求項１１または１２に記載のすべり軸受装置。
【請求項１４】
前記伝熱材料の端部の反対側にある端部は、前記回転軸の中実部に接触していることを特徴とする請求項１３に記載のすべり軸受装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のすべり軸受装置を用いたことを特徴とする回転流体機械。
【請求項１６】
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のすべり軸受装置を用いた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、ポンプやコンプレッサなどの回転流体機械の軸受として好適に使用されるすべり軸受装置に係り、例えば、先行待機運転ポンプのようなドライ条件で運転管理を行うポンプなどで、回転軸外周の高速化に対応したすべり軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の先行待機運転ポンプの状況により、背景技術の一例を説明する。
近年、都市化の進展により、緑地の減少及び路面のコンクリート化、アスファルト化の拡大が進むことでヒートアイランド現象が発生し、いわゆるゲリラ豪雨と呼ばれる局所的な集中豪雨が都市部で頻発している。局所的な大量の降雨は、コンクリート化、アスファルト化した路面では、地中に吸収されることなくそのまま水路に導かれる。その結果、大量の雨水が、短時間のうちに排水機場に流入する。
【０００３】
頻発するこのような集中豪雨によってもたらされる大量の雨水の速やかな排水に備えるために排水機場に設置する排水ポンプでは、始動遅れによる浸水被害が生じないよう、雨水が排水機場に到達する前に予め始動させておく先行待機運転が行われている。
【０００４】
図１は、先行待機運転を行う立軸ポンプの部分概略図である。排水機場の水槽１００には、縦方向に配置された回転軸１０の先端にインペラ２２を備え、インペラ２２に水と共に空気を吸い込ませることにより、水槽１００の水位が最低運転水位ＬＷＬ以下であっても運転（先行待機運転）を継続することが可能な立軸ポンプ３が配置されている。この立軸ポンプ３には、インペラ２２の入口側の吸い込みベル２７の側面部に貫通孔５が設けられており、この貫通孔５には、外気に接する開口６ａを備えた空気管６が取付けられている。これにより、この立軸ポンプ３では貫通孔５を介して立軸ポンプ３内に供給する空気の供給量を水位に応じて変化させ、最低運転水位ＬＷＬ以下で立軸ポンプ３の排水量がコントロールされる。
【０００５】
図２は、先行待機運転の運転状態を説明する図である。例えば大都市の雨水排水用として、吸込水位に関係なく降雨情報等により予め立軸ポンプを始動しておく（Ａ：気中運転）。低水位の状態から水位が上昇するに従って、インペラの位置まで水位が達し、立軸ポンプは空運転（気中運転）からインペラで水を撹拌する運転（Ｂ：気水撹拌運転）、さらに貫通孔を経て供給される空気を水と共に吸い込ませつつ水量を徐々に増やす運転（Ｃ：気水混合運転）を経て１００％水の排出を行う全量運転（Ｄ：定常運転）へ移行する。また、高水位から水位が低下するときは、全量運転から貫通孔を経て供給する空気を水と共に吸い込ませつつ水量を徐々に減らす運転（Ｃ：気水混合運転）へ移行する。水位がＬＬＷＬ近くに至ると、水を吸い込まず排水もしない運転（Ｅ：エアロック運転）へ移行する。これら５つの特徴ある運転を総称して先行待機運転という。なお、ポンプ始動は、ケーシング下端よりも低い水位ＬＬＬＷＬから開始する。
【０００６】
図３は、図１に示した先行待機運転を行う立軸ポンプ３の全体を示す断面図である。なお、図２に示した貫通孔５及び空気管６は図示省略されている。
図３に示すように、立軸ポンプ３は、ポンプ設置床に設置固定される吐出エルボ３０と、この吐出エルボ３０の下端に接続されるケーシング２９と、ケーシング２９の下端に接続されるとともにインペラ２２を内部に格納する吐出ボウル２８と、吐出ボウル２８の下端に接続されるとともに水を吸い込むための吸い込みベル２７とを備えている。
【０００７】
立軸ポンプ３のケーシング２９、吐出ボウル２８、及び吸い込みベル２７の径方向略中心部には、上下二本の軸が軸継手２６によって互いに接続されることにより形成された一本の回転軸１０が配置されている。
回転軸１０は、支持部材を介してケーシング２９に固定されている上部軸受３２と、支持部材を介して吐出ボウル２８に固定されている下部軸受３３によって支持されている。回転軸１０の一端側（吸い込みベル２７側）には、水をポンプ内に吸い込むためのインペラ２２が接続されている。回転軸１０の他端側は、吐出エルボ３０に設けられた孔を通って立軸ポンプ３の外部へ延び、インペラ２２を回転させる図示しないエンジンやモータ等の駆動機へ接続される。
回転軸１０と吐出エルボ３０に設けられた孔との間には、フローティングシール、グランドパッキンまたはメカニカルシール等の軸シール３４が設けられており、軸シール３４により立軸ポンプ３が扱う水が立軸ポンプ３の外部に流出することを防止する。
【０００８】
駆動機は、保守点検を容易に行うことができるように陸上に設けられる。駆動機の回転は回転軸１０に伝達され、インペラ２２を回転させることができる。インペラ２２の回転によって水は吸込みベル２７から吸い込まれ、吐出ボウル２８、ケーシング２９を通過して吐出エルボ３０から吐出される。
【０００９】
図４は、図３に示した軸受３２，３３に適用される従来の軸受装置の拡大図である。図５は、図４に示す軸受装置に設置されたすべり軸受の斜視図である。図４に示すように、従来の軸受装置は、回転軸１０の外周に、ステンレス鋼、セラミックス、焼結金属又は表面改質された金属からなるスリーブ１１を有している。スリーブ１１の外周側には、中空円筒の樹脂材料、セラミックス、焼結金属又は表面改質された金属からなるすべり軸受１が設けられている。スリーブ１１の外周面は、すべり軸受１の内周面（すべり面）と非常に狭いクリアランスを介して対面し、すべり軸受１に対して摺動するように構成されている。すべり軸受１は、金属又は樹脂からなる軸受ケース１２によりつば部１２ａを介してポンプのケーシング２９（図３参照）等へ繋がる支持部材１３に固定されている。図５に示すように、すべり軸受１は中空円筒状の形状を有しており、内周面１ａがスリーブ１１の外周面と対面し、外周面１ｂが軸受ケース１２に嵌合される。
【００１０】
図３に示した立軸ポンプ３は、ポンプ起動時には大気中で運転される。すなわち、軸受３２，３３は液体の潤滑のないドライ条件で運転される。ここでドライ条件とは、ポンプ運転中の軸受３２，３３の雰囲気が、液体の潤滑がない大気中である条件をいい、ドライ運転とはその条件で運転することをいう。また、図４に示した軸受３２，３３は軸受に通水した排水条件でも運転される。ここで、排水条件とは、ポンプ運転中の軸受３２，３３の雰囲気が、土砂等の異物（スラリー）が混入した水中である条件をいい、排水運転とはその条件で運転すること、例えば気水混合運転、全量運転、エアロック運転等をいう。このような条件で軸受３２，３３が使用される。
尚、図３における立軸ポンプ３は、回転軸１０について、軸受３２，３３が２箇所配置されているが、回転軸１０の長さが長くなれば、それに応じてより多くの軸受が配置される。
【００１１】
ところで、近年、ポンプの大容量化が更に進んでおり、それに伴い軸径を太くするようになってきた。そのため、軸受の摺動面の速度は高速化した。
また、ポンプ機場はより深い地下に配置されるようになり、それに応じた先行待機ポンプも長軸化と高揚程化が必要とされてきている。高揚程化に対応するには、回転数をあげる必要があり、また、長軸化に応じて軸径を太くし、剛性を高める必要が生まれてきた。
しかしながら、軸径を太くし、回転数を上げることにより、新たな技術的課題が発生する虞がある。図６（ａ），（ｂ）は、ポンプ運転時における回転軸１０、スリーブ１１およびすべり軸受１の状態を示す模式的断面図である。ドライ運転においては、回転軸が従来に比べて高速で回転するので、軸受３２，３３におけるすべり軸受１と、回転軸１０に取り付けたスリーブ１１が摺動する際に、接触部で多大な摩擦熱が発生しやすくなり、そこで局所的に高温となる虞がある。図６（ａ），（ｂ）において斜線部は局所的に高温になる部分である。
【００１２】
このような回転軸に取り付けたスリーブの局所的な高温化は、軸受１の高温化および膨張を引起す虞があるが、ポンプの回転軸１０は軸径が太くなり、あるいは長軸化しているので、むしろ、図６（ａ）に示すように、回転軸１０の局所的な膨張により回転軸がわずかに曲がる虞があり、それによりポンプの回転部分と固定部分の干渉による振動や、軸受荷重の増加が起こりやすくなる。すなわち、回転体としてのアンバランス方向に接触し、この接触部が発熱するために軸断面に温度分布が生じ、熱膨張のために軸が曲がる。この際、曲がりにより回転体重心がずれるために回転体全体のアンバランスが徐々に大きくなっていく。また、曲がりにより軸受の当たり方が変化し、各軸受の温度勾配が変化する場合もある。
さらに、軸曲がりによる変位が軸受すきまより大きくなると、図６（ｂ）に示すように、逆位相の２点接触状態となり、曲げ変位が拘束される。さらに熱膨張が続くために押付荷重が上昇するが、荷重上昇⇒発熱量増加⇒熱曲がり加速⇒荷重上昇といった悪循環に陥り、加速度的に軸受温度が上昇する。
【００１３】
そこで、回転軸の曲がりを低減したり、回転軸の高温化する接触部を冷却したりする機能を有する装置あるいは構造が求められる。これらは、大掛かりで複雑な装置ではなく、ポンプ効率への影響、冷却設備とポンプとの組立・分離・調整などの様々な影響を克服した簡便なものが求められる。
【００１４】
ところで、このような現象についての対策の技術提案は、従来からなされてきた。
実開昭５８−６１９２０号公報（特許文献１）では、起動時やドライ運転時のすべり軸受の摩擦熱による焼き付き対策として、回転軸側の金属摺動部の一部に、その金属より熱膨張率の大きな四弗化エチレンなどの樹脂を埋め込み、摩擦熱により温度が上昇したときに、四弗化エチレンが金属摺動部より先に回転軸外周に延びることを利用して、固定側の金属摺動面と回転軸側の金属摺動部が直接に接触しないようにすることで、金属摺動部同士による摩擦熱の発生を阻害しようとする提案がなされている。
【００１５】
しかしながら、実開昭５８−６１９２０号公報（特許文献１）では、四弗化エチレンがどの程度の摺動負荷を受け持つことにするのか、その程度が一つの問題であり、四弗化エチレンの領域が少ない場合には、摺動負荷に耐えにくく、結局、回転軸側の金属摺動部全域を四弗化エチレンに置き換えなければならなかった。
【００１６】
特開２００５−３６６９２号公報（特許文献２）では、立軸の排水ポンプの回転軸を支えるすべり軸受について、片当りによる局所的な高負荷による焼き付きを防止する技術が提案されている。それによれば、回転軸側の摺動部材をタングステンカーバイド等の高硬度材料とし、対する固定側の摺動部材を四弗化エチレン樹脂やフェノール樹脂、グラファイトおよびそれらの組成物としたもので、固定側の摺動部材内には、固定側の摺動部材よりも熱伝導率の高い伝熱材料が縦横に陥入され、固定側の摺動部における局所的な熱を、当該伝熱材料に伝熱させて放熱させることで、焼き付きを回避する技術が開示されている。
【００１７】
特開２００９−２０３９３３号公報（特許文献３）にも、特開２００５−３６６９２号公報（特許文献２）と同様に、固定側の樹脂系の摺動部材の内部を径方向に陥入する伝熱部材を備えることで、固定側の摺動部における局所的な熱を、当該伝熱材料に伝熱させて放熱させる技術が開示されている。
【００１８】
しかしながら、これらの技術は、固定側の摺動部材が樹脂材料であるので、熱伝導率が非常に小さく、局所的な摩擦による摩擦熱を伝熱材料に通すまでに、発熱点の温度が、かなりな高温になる必要があった。また、固定側の摺動部材が樹脂材料であるので、熱膨張率が非常に大きいため、局所的に高温となった発熱点のところを中心に熱膨張が起こっているが、それより少し離れたところでは、先に述べたように熱伝導率が非常に小さいことから温度が低いままの状態なので、熱膨張されない状態になっている。そのため、発熱点において、樹脂材料が予想不能な形状になってしまっていた。
【００１９】
特開２００６−１７０２３９号公報（特許文献４）や特開２０１２−１３２５４８号公報（特許文献５）には、回転側の摺動部材の熱膨張率を固定側の熱膨張率より一桁小さい組み合わせとした技術で、具体的には回転側の摺動部材を炭素繊維強化複合材料とし、固定側の摺動部材に超硬合金等を用いた技術が開示されている。このようにすることで、摺動部分に摩擦熱による高温化が発生したとしても、回転側よりも外周の固定側の摺動部材の熱膨張率の方が、回転側の摺動部材の熱膨張率よりも大きいので、回転側と固定側の摺動部材間のクリアランスが狭まって抱きついてしまう現象を回避できるとするものである。
【００２０】
また、特開２０１５−５２２７３号公報（特許文献６）は、特開２００６−１７０２３９号公報（特許文献４）や特開２０１２−１３２５４８号公報（特許文献５）に開示された技術では、回転側の摺動部材が炭素繊維強化複合材料に限られ、使用材料に設計的な自由度がないとして、より広範な材料対応が可能なように、固定側の摺動部の構造に工夫を凝らしている。
すなわち、回転側の摺動部材をＰＥＥＫ等の樹脂材料とし、固定側の摺動部材を熱伝導率と熱膨張率が回転側の摺動部材よりも大きい金属とし、固定側の摺動部材の外周に膨張しやすいように空間を設けた構造としている。
【００２１】
以上のような固定側の摺動部材の熱膨張率を、回転側の熱膨張率よりも大きくする方法は、回転側の摺動部材の熱伝導率が小さいので、回転側の摺動部分は、固定側の摺動部分より高温になりやすい。一方、固定側の摺動部材は、回転側の摺動部材より熱伝導率が優れ、またより外周に向けて放熱が可能であるので、固定側の摺動部分は高温になりにくい。
この結果、固定側の摺動部材は温度上昇が少ないので熱膨張せず、また、回転側の摺動部材は、局所的高温を冷却することが困難な状態のまま、継続的に摩擦を繰り返すことになる。したがって、回転側の摺動部分の表面温度と、固定側の摺動部分の表面温度の差は広がり続けてしまう。
【００２２】
特開２０１５−５２２７３号公報（特許文献６）では、回転側の摺動材料の樹脂の熱伝導率が、固定側の摺動材料の金属の熱伝導率に比べて小さいので、両者が摺動時に発熱しても、固定側に熱が速やかに伝えられる旨の記載があるが、摺動時の熱の接触抵抗は非常に大きいので固定側で発生した熱が固定側に逃げ、回転側の熱は固定側にうまく伝えられない。したがって、回転側の樹脂の温度は上昇し、一方で、樹脂材料は熱膨張率が金属より大きいので、固定側の摺動部とのクリアランスが狭まり、回転側が固定側に拘束される虞がある。
【００２３】
本発明者らは、このような問題に鑑み、これまで、回転軸側の摺動部で発生する摩擦熱を、固定側に放熱するというよりは、おおむね図７に示すような、回転軸の周方向に均一に拡散するとともに、更に摺動部の軸方向に放熱機能と熱容量を持たせた放熱部を設け、放熱部を通して外気に熱を放熱する方式を提案してきた。
ところで、放熱部は、経済的に高くない金属が用いられる。ところが、これまでの構造では、そのような金属は、経時的に次第に錆びて放熱性能が低下しまうことが難点であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】実開昭５８−６１９２０号公報
【特許文献２】特開２００５−３６６９２号公報
【特許文献３】特開２００９−２０３９３３号公報
【特許文献４】特開２００６−１７０２３９号公報
【特許文献５】特開２０１２−１３２５４８号公報
【特許文献６】特開２０１５−５２２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、回転流体機械において、回転軸の回転軸側の摺動部で発生する摩擦熱を、回転軸を通して外気に熱を放熱するとともに、放熱部の錆による放熱性能の劣化を回避することができるすべり軸受装置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】
【００２６】
上述の目的を達成するため、本発明のすべり軸受装置は、回転流体機械の回転軸の支持に使用され、軸受すべり面が大気中に露出するドライ条件で使用されるすべり軸受装置であって、前記回転軸の外周に固定されたスリーブと、前記スリーブが摺接する軸受すべり面を有したすべり軸受とを備え、前記回転軸の外周面を形成する材料は防錆素材で、該回転軸の中心側に該回転軸より伝熱性の良い伝熱材料を密封して備え、前記スリーブの前記回転軸と接する材料の熱伝導率は前記回転軸の材料の熱伝導率よりも大きく、前記回転軸の中心側の伝熱材料の熱伝導率は前記回転軸の材料の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の別の態様のすべり軸受装置は、回転流体機械の回転軸の支持に使用され、軸受すべり面が大気中に露出するドライ条件で使用されるすべり軸受装置であって、前記回転軸の外周に固定されたスリーブと、前記スリーブが摺接する軸受すべり面を有したすべり軸受とを備え、前記回転軸の外周面を形成する材料は防錆素材で、該回転軸の中心側に該回転軸より伝熱性の良い伝熱材料を密封して備え、前記回転軸の内周と前記回転軸の中心側の伝熱材料の外周は接触しており、前記スリーブは、前記すべり軸受と摺接する摺動部材と、前記摺動部材の内側に設けられ摺動部材よりも伝熱性の良い伝熱層とからなることを特徴とする。
【００２８】
本発明の好ましい態様によれば、前記回転軸の外周面を形成する材料は、ステンレス鋼であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記回転軸の中心側にある伝熱材料は、銅材料又はアルミニウムであることを特徴とする。
【００２９】
本発明の好ましい態様によれば、前記スリーブは、前記すべり軸受と摺接する摺動部材と、前記摺動部材の内側に設けられ摺動部材よりも伝熱性の良い伝熱層とからなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記摺動部材は、前記伝熱層の軸方向の両端部を覆い、前記回転軸と密着して固定されていることを特徴とする。
【００３０】
本発明の好ましい態様によれば、前記摺動部材は、ステンレス鋼、セラミックス、タングステンカーバイトからなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記伝熱層は銅材料又はアルミニウムからなることを特徴とする。
【００３１】
本発明の好ましい態様によれば、前記スリーブは、全体が炭素繊維強化複合材料からなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記すべり軸受は、金属材料または炭素繊維強化複合材料からなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記回転軸の端部に、フランジを介して別の回転軸を接続して一本の回転軸を構成し、前記フランジには前記伝熱材料に水が浸入することを防止するシール部材が設けられていることを特徴とする。
【００３２】
本発明の好ましい態様によれば、前記回転軸の端部に、別の回転軸の端部を締まり嵌めにより接続して一本の回転軸を構成し、前記締まり嵌めは前記伝熱材料に水が浸入することを防止することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記伝熱材料の端部と前記別の回転軸の端部の間には、クリアランスが設けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記伝熱材料の端部の反対側にある端部は、前記回転軸の中実部に接触していることを特徴とする。
【００３３】
本発明の回転流体機械は、上記すべり軸受装置を用いたことを特徴とする。
本発明のポンプは、上記すべり軸受装置を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３４】
本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）本発明の構造は、回転軸の中心側に回転軸より伝熱性の良い伝熱材料を密封して備え、すべり軸受と摺動するスリーブと回転軸の外周を接触させ、回転軸の内周と回転軸の中心側に備えた回転軸より伝熱性の良い伝熱材料の外周を接触させることにより、回転軸の摺動材料表面で発生した熱が、回転軸の中心側の伝熱性のよい材料によって迅速に軸方向に拡散し、同時に回転軸の中心側の伝熱性のよい材料によって回転軸外周全体に熱を伝えて回転軸に接する外気に放熱するので、摺動材料の発熱による温度上昇を緩和することができる。
（２）回転軸の中心側に回転軸より伝熱性の良い伝熱材料を密封して備えたので、伝熱性の良い伝熱材料の表面が錆びることなく、伝熱性能が低下しない。また、回転軸をステンレス鋼のような防錆素材としたので、回転軸の外周面は錆びず、外気への放熱性能が低下しない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、先行待機運転を行う立軸ポンプの部分概略図である。
【図２】図２は、先行待機運転の運転状態を説明する図である。
【図３】図３は、図１に示した先行待機運転を行う立軸ポンプの全体を示す断面図である。
【図４】図４は、図３に示した軸受に適用される従来の軸受装置の拡大図である。
【図５】図５は、図４に示す軸受装置に設置されたすべり軸受の斜視図である。
【図６】図６（ａ），（ｂ）は、ポンプ運転時における回転軸およびすべり軸受の状態を示す模式的断面図である。
【図７】図７は、背景技術に係る軸受装置の基本構成を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明に係る軸受装置の模式図である。
【図９】図９は、本発明に係る軸受装置の端部を示す縦断面図である。
【図１０】図１０は、本発明に係る軸受装置の端部の別の変形例を示す図である。
【図１１】図１１は、伝熱柱の末端部分の一例である。
【図１２】図１２は、図８乃至図１１の実施例の変形例である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明に係るすべり軸受装置および回転流体機械の実施形態を説明するため、図７を用いて背景技術を紹介し、続いて図８乃至図１２を参照して本発明に係るすべり軸受装置および回転流体機械の実施形態を説明する。図７乃至図１２において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００３７】
図７は、本発明の背景技術に係るすべり軸受装置の基本構成を示す断面図であり、発明者らがこれまで提案してきた技術である。当該すべり軸受装置は、例えば図３に示した軸受３２，３３に適用される。
図７に示すように、すべり軸受装置は、直径Ｄ１の回転軸１０の外周にスリーブ１１を有している。スリーブ１１は回転軸１０を摺動摩耗から保護するためのもので、樹脂及びその複合材料、ステンレス鋼、セラミックス、焼結金属、表面改質された金属、炭素及びその複合材料からなり、一定の厚さをもって回転軸１０に固定されている。スリーブ１１は回転軸１０が回転するとその回転に伴って回転する。尚、回転軸は強度上の観点からステンレス鋼が選ばれる。
【００３８】
スリーブ１１の外周に相対してすべり軸受１がスリーブ１１を囲んで配置されている。すべり軸受１は、回転軸１０が回転している状態でも、一定の位置に軸を保つために回転軸を支承するもので、ポンプケーシングなどに接続している支持部材１３に軸受ケース１２を介して固定されている。したがって、回転軸１０の回転は許すが、回転軸１０の平行移動はできない程度にすべり軸受１とスリーブ１１の間は微小なクリアランスしかない。そのため、すべり軸受１とスリーブ１１は摺動するので、すべり軸受１は、摩擦係数の低減のため、ＰＴＦＥ（ポリ四フッ化エチレン）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＥＰ（エポキシ樹脂）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の樹脂からなる。
【００３９】
スリーブ１１の軸方向の両端には、大気運転時にスリーブ１１において摺動により発生する摩擦熱を受熱して、速やかに外周の大気に放熱するための放熱部１４，１４’が備えられている。放熱部１４，１４’の内周直径はＤ１，外周直径はＤ０である。
放熱部１４，１４’の役目の一つは、スリーブ１１で摺動により発生する摩擦熱を受熱することなので、適切な熱容量をもたせる必要がある。流入する摩擦熱に比べ熱容量が小さいと、放熱部１４，１４’の温度がすぐに上昇してしまい、スリーブ１１と放熱部１４，１４’の温度差が小さくなってスリーブの摩擦熱が移動しにくくなる。
【００４０】
放熱部１４，１４’の役目のもう一つは、放熱部外周の大気に熱を逃がすことであるので、外周の表面積は適切に広くとる必要がある。放熱部１４，１４’の外周の表面積が小さいと、流入する摩擦熱に比べ放熱する量が少なくなり、放熱部１４，１４’の温度が次第に上昇してしまう。
【００４１】
放熱部１４，１４’の役目の最後の一つは、受熱した熱を放熱部１４，１４’の全領域に拡散する熱流路の役目がある。したがって、熱流の流路断面積は適切に広くかつ均一にする必要がある。そうしないと、流路が狭い場合には流入する摩擦熱を放熱部に適切に伝えられなくなる。
【００４２】
以上の役目を機能するため、放熱部１４，１４’は、銅、金、銀、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属及びその合金、又は炭素及びその複合材料からなり、放熱部１４，１４’の軸方向の長さや、厚み、回転軸１０の外径Ｄ１に対して放熱部１４，１４’の外径Ｄ０が決められる。尚、放熱部１４，１４’は、回転軸１０とスリーブ１１の間に一部が延伸するなどの構造により、スリーブ１１における摩擦熱をより受熱しやすくできる。
【００４３】
図７に示したような構造により、スリーブ１１が摩擦熱により高温になっても、摩擦熱が放熱部１４，１４’に速やかに伝熱し、放熱部１４，１４’の全体に熱が伝わり、外周の大気に放熱することができ、スリーブ１１の摩擦熱による更なる高温化が抑えられる。
【００４４】
ところで、現実的には、放熱部１４，１４’には経済的な観点から、金、銀及びその合金や、炭素及びその複合材料は高価であり、アルミニウムは、自然電位が回転軸のステンレス鋼にくらべてかなり離れているため、腐食対策を講じなければならず、結局、銅が用いられている。
しかしながら、放熱部１４，１４’は、ポンプ内部の環境で使用されるので、銅といえども時間がたつにつれて外周面に緑青が発生し、放熱効果が低下してしまうことが懸念される。
【００４５】
そこで、本発明者は、図８乃至図１０に示すようなすべり軸受装置および回転軸の構造を提案するものである。
図８は本発明に係るすべり軸受装置および回転軸の縦断面図である。
本発明に係るすべり軸受装置も、例えば図３に示した軸受３２，３３に適用される。図８に示すように、すべり軸受装置は、直径Ｄ４の回転軸１０の外周に、外径Ｄ３の円筒状の摺動部材１１’と摺動部材１１’の内側に設けられ摺動部材１１’よりも伝熱性の良い円筒状の伝熱層１６とからなるスリーブ１１を有している。但し、スリーブ１１は伝熱層１６の軸方向の両端部を覆い、回転軸１０と密着して固定されている。したがって、ポンプ水はスリーブ１１によりシールされ、伝熱層１６に浸透しない。
【００４６】
スリーブ１１は回転軸１０を摺動摩耗から保護するために、ステンレス鋼、セラミックス、タングステンカーバイド等の高硬度合金からなる。これらの熱膨張係数は、ステンレス鋼が１７〜１８（×１０−６／℃）であるが、それ以外は２〜１０（×１０−６／℃）である。また、これらの熱伝導率は、ステンレス鋼が１７〜２１（Ｗ／ｍ・Ｋ）、セラミックスが３〜１５０（Ｗ／ｍ・Ｋ）、高硬度合金が６０〜８０（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。
【００４７】
伝熱層１６は銅材料からなりスリーブ１１の内面および回転軸１０と平均的に接触して固定されている。銅は、熱膨張係数が１６〜１７（×１０−６／℃）、熱伝導率が４００（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。
【００４８】
回転軸１０は強度上の観点からステンレス鋼である。回転軸１０の内部には、軸受装置の位置から軸方向両側に連通して直径Ｄ５の伝熱柱１５がある。伝熱柱１５は伝熱層１６と同じく銅材料からなり、回転軸１０の内壁と平均的に接触している。
スリーブ１１、伝熱層１６、および伝熱柱１５は回転軸１０が回転するとその回転に伴って回転する。
【００４９】
スリーブ１１の外周面に相対してすべり軸受１の内周面が配置されている。すべり軸受１は、ポンプケーシングなどに接続している支持部材１３に軸受ケース１２を介して固定されている。回転軸１０が回転している状態でも、一定の位置に軸を保つために回転軸を支承するために、回転軸の回転は許すが、回転軸の平行移動はできない程度にすべり軸受１とスリーブ１１の間は微小なクリアランスを保っている。
【００５０】
スリーブ１１の摺動部が高温になると、スリーブ１１の内側の伝熱層１６に熱が伝えられる。伝熱層１６はスリーブ１１に比べて熱伝導率が大きいので、伝熱層１６に熱が速やかに伝達され、伝熱層１６全域が均等に温度上昇する。したがって、伝熱層１６は回転軸１０に平均的に接触しているので、回転軸１０も伝熱層１６が接する部分から均等に温度上昇する。結果として回転軸１０は、軸断面に温度分布が生じないので、熱膨張のために軸が曲がることはない。
尚、伝熱層１６は先に述べたようにスリーブ１１に水密にシールされた状態に置かれているので、伝熱層１６の表面に緑青は発生しないので、素材境界における伝熱性能は低下しないで維持される。
【００５１】
伝熱層１６の全域に伝わった摩擦熱は、伝熱層１６の内周と平均的に接触する回転軸１０の外周から回転軸１０内に均等に貫入し、回転軸１０の内周と平均的に接触する伝熱柱１５に流入する。
スリーブ１１の熱膨張係数は、スリーブ１１の材料をステンレスとした場合には、伝熱層１６および伝熱柱１５の材料を銅材料にすれば、回転軸１０がステンレス材料であるので、スリーブ１１、伝熱層１６、回転軸１０および伝熱柱１５の熱膨張係数をほぼ同等にすることができ、また、スリーブ１１の材料をセラミックス、タングステンカーバイド等の高硬度合金とした場合は、伝熱層１６および伝熱柱１５の材料を銅材料にすれば、回転軸１０がステンレス材料なので、スリーブ１１の熱膨張係数は伝熱層１６、回転軸１０および伝熱柱１５のこれら各々の熱膨張係数よりも小さくなる。このようにすれば、伝熱層１６、回転軸１０および伝熱柱１５の径方向の熱膨張は、スリーブ１１の熱膨張に律速されるので、これらの材料どうしの密着は保たれ、熱の流れも保たれる。
【００５２】
伝熱柱１５に伝えられた熱は、回転軸１０内を軸受装置の位置から軸方向両側に連通して延びた伝熱柱１５の末端に向けて伝えられる。この過程で、伝熱柱１５の外周に平均的に接触する回転軸１０に向けて伝熱柱１５から熱が流れ、回転軸１０の外周から大気に向けて熱が放熱される。
伝熱柱１５は、このように、回転軸１０の軸方向に寸法をとれるので、回転軸１０の外周を豊富な放熱面とすることができる。この結果、スリーブ１１の摺動表面における摩擦熱が順調に放熱されるので、スリーブ１１の表面温度が従来と比べて高温化しない。
【００５３】
スリーブ１１の熱膨張率が比較的小さいことと、スリーブ１１の表面の温度が従来と比べて高温化しないので、すべり軸受１は、摩擦係数の低減のため、ＰＴＦＥ（ポリ四フッ化エチレン）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＥＰ（エポキシ樹脂）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の樹脂であってもよい。
【００５４】
しかしながら、固定側の摺動部材が樹脂材料であると、樹脂材料は熱伝導率が非常に小さく（１Ｗ／ｍ・Ｋ以下）、局所的な摩擦による摩擦熱を樹脂材料を保持する軸受ケース１２や支持部材１３に通すまでに、発熱点の温度が、かなりな高温になる虞がある。また、固定側の摺動部材が樹脂材料であるので、熱膨張率が非常に大きいため（６０〜１５０×１０−６／℃）、局所的に高温となった発熱点のところを中心に熱膨張が起こっているが、それより少し離れたところでは、先に述べたように熱伝導率が非常に小さいことから温度が低いままの状態なので、熱膨張されない状態になっている。そのため、発熱点において、樹脂材料が予想不能な形状になる虞がある。
【００５５】
以上のような観点から、固定側の摺動材料は、ステンレス鋼のような金属材料や炭素繊維強化複合材料が好ましい。尚、炭素繊維強化複合材料には、熱伝導率が、１００（Ｗ／ｍ・Ｋ）前後で、熱膨張係数が１×１０−６／℃前後である。
これらの材料を用いれば、スリーブ１１とすべり軸受１の摺動により発生するすべり軸受１の摩擦熱は、すべり軸受１を支える軸受ケース１２に速やかに伝えられるので、すべり軸受１の摺動面の温度は高温化しにくくなる。
【００５６】
図９は、伝熱柱１５の末端部分の一例であり、図９の下方に図８の軸受装置が配置され、それとつながっていることを想定している。図３における軸継手２６部分に採用される。図９の上側は、直径Ｄ０の中実軸の通常の回転軸１０’である。回転軸１０’の下部には、フランジ１７があり、下側の本願発明に係る回転軸１０の端面に設けられたフランジ１８と締結可能となっている。
フランジ１７より更に下部には、スプライン等が形成された外周が略直径Ｄ０の軸が延びている。
【００５７】
図９の下側の本願発明に係る回転軸１０の上端には、フランジ１８の接合面の近傍に、前述した回転軸１０’のスプライン部と係合する部分が備えられている。回転軸１０は、前述したように外径Ｄ４、内径Ｄ５の中空軸で、Ｄ４はＤ０より大きい。内径Ｄ５の中空部分には、外径Ｄ５の伝熱柱１５が嵌合している。
【００５８】
フランジ１７との接合面には、Ｏリング溝２０があり、そこにＯリング２１が備えられている。フランジ１７とフランジ１８は、ボルトなどの締結部材１９などにより締結され、Ｏリングによりシールされる。伝熱柱１５の軸方向の伸びを考慮して、伝熱柱１５の上端部と、中実軸の回転軸１０’の下端部の間には、フランジ１７とフランジ１８とが接合された場合でも、クリアランスが適切に設けられている。このように、伝熱柱１５はＯリングシールにより、排水運転時でも、水が伝熱柱１５にしみこまないようになっているので、伝熱柱１５が長い年月で表面に緑青が発生して伝熱性能を損なうことはない。
【００５９】
中空軸を採用したことで、中実軸の直径よりも外径を大きくしなければならないが、従来は、回転軸に放熱部を取り付けたので、結局全体的な外径は回転軸の直径よりも大きくなっているので、従来の技術に比べて、必ずしも中空軸の採用は欠点とはならない。
尚、図９により、説明の便宜のため、上下の方向を示したが、向きについては特にとらわれない。また、回転軸の端部がポンプ羽根車の端部などである場合は、フランジ１７を閉止フランジとすることで対応可能である。
【００６０】
図１０は、図３における軸継手２６部分に採用される伝熱柱１５の末端部分の別の一例であり、図９と同じく、その下方に図８の軸受装置が配置され、それとつながっていることを想定している。図１０の上側は、直径Ｄ０の中実軸の通常の回転軸１０’である。回転軸１０’の下部にはフランジはなく、そのまま回転軸１０’が延びている。
【００６１】
図１０の下側の本願発明に係る回転軸１０は、前述したように外径Ｄ４、内径Ｄ５の中空軸で、ただしその上端の回転軸１０’との接合部分では、内径がＤ０となっている。Ｄ４はＤ０より大きい。内径Ｄ５の中空部分には、外径Ｄ５の伝熱柱１５が嵌合している。
回転軸１０’と回転軸１０は、焼嵌めまたは冷やし嵌めにより、回転軸１０’は、回転軸１０に差し込まれ結合される。
【００６２】
伝熱柱１５の軸方向の伸びを考慮して、伝熱柱１５の上端部と、中実軸の回転軸１０’の下端部の間には、回転軸１０と回転軸１０’が接合された場合でも、クリアランスが適切に設けられている。このように、焼嵌め等により、排水運転時でも、水が伝熱柱１５にしみこまないようになっているので、伝熱柱１５が長い年月で表面に緑青が発生して伝熱性能を損なうことはない。
【００６３】
尚、図１０においても、図９と同じく、説明の便宜のため、上下の方向を示したが、向きについては特にとらわれない。また、回転軸の端部がポンプ羽根車の端部などである場合は、回転軸１０の端部を直径Ｄ０の閉止ふたを焼嵌め等で閉止することで対応可能である。
【００６４】
図１１は、伝熱柱１５の末端部分の一例であり、図１１の上方に図８の軸受装置が配置され、それとつながっていることを想定している。図３における回転軸の途中に採用される。図１１では、説明の便宜のため、本願発明に係る回転軸１０の上側から伝熱柱１５が下方に延びて、その端部が回転軸１０の途中にある場合を示している。
この場合、本願発明に係る回転軸１０は、伝熱柱１５の下端部までは、外径Ｄ４、内径Ｄ５の中空軸で、それより下の方は直径Ｄ４の中実軸のままでよい。伝熱柱１５の端部から下に向けて、外径をなだらかなテーパーをかけながら、Ｄ０の直径の中実軸にしていくことも可能であるが、加工費用の点ではそれは不利である。
【００６５】
以上説明したように、伝熱層１６及び伝熱柱１５は、水封された環境であるので、それらの表面には緑青が発生せず、それら表面からの伝熱性能は低下しないで維持される。一方、最終的に熱の伝達されるところは、ステンレス鋼の回転軸１０であるので、ステンレス鋼の表面は錆びないため、常に一定の放熱性能を保てる。また、伝熱柱１５の軸方向の長さは必要に応じて長くできるので、回転軸１０の表面を放熱部として十分に利用することができる。
尚、伝熱層１６及び伝熱柱１５は、水封された環境とするので、銅だけでなくアルミニウム（熱伝導率：２３０〜２４０Ｗ/ｍ・Ｋ  熱膨張係数：２３〜２４×１０−６／℃）の使用も可能になり、このことにより、軽量化も実現できる。
【００６６】
図１２は、図８乃至図１１の実施例の変形例である。図１１においては、スリーブ１１に炭素繊維強化複合材料を用いている。この場合、炭素繊維強化複合材料は熱伝導率が大きく、熱膨張係数が小さい。炭素繊維強化複合材料はすでに銅に近い熱伝導性能をもっていながら錆びないので、この材料単体でスリーブ１１を構成することが可能である。
更に、伝熱柱１５に炭素繊維強化複合材料を用いることも可能である。但し、現時点では経済的には少々向かないかもしれない。
【００６７】
図８乃至図１２に示す本発明に係る軸受装置は、図３に示した軸受３２，３３に適用される。
図３に示した立軸ポンプ３は、ポンプ起動時には大気中で運転される。すなわち、軸受３２，３３は液体の潤滑のないドライ条件で運転される。ここでドライ条件とは、ポンプ運転中の軸受３２，３３の雰囲気が、液体の潤滑がない大気中である条件をいい、ドライ運転とはその条件で運転することをいう。また、図４に示した軸受３２，３３は軸受に通水した排水条件でも運転される。ここで、排水条件とは、ポンプ運転中の軸受３２，３３の雰囲気が、土砂等の異物（スラリー）が混入した水中である条件をいい、排水運転とはその条件で運転すること、例えば気水混合運転、全量運転等、エアロック運転等をいう。このような条件で軸受３２，３３が使用される。
【００６８】
本発明によれば、立軸ポンプ３において、すべり軸受１と摺動する回転軸１０について、回転軸の中心側に回転軸より伝熱性の良い伝熱材料を密封して備え、すべり軸受と摺動するスリーブと回転軸の外周を接触させ、回転軸の内周と回転軸の中心側に備えた回転軸より伝熱性の良い伝熱材料の外周を接触させる構成にしている。
上記構成によれば、回転軸の摺動材料表面で発生した熱が、回転軸の中心側の伝熱性のよい材料によって迅速に軸方向に拡散し、同時に回転軸の中心側の伝熱性のよい材料によって回転軸の外周全体に熱を伝えて回転軸に接する外気に放熱するので、摺動材料の発熱による温度上昇を緩和することができる。
また、回転軸の中心側に回転軸より伝熱性の良い伝熱材料を密封して備えたので、伝熱性の良い伝熱材料の表面が錆びることなく、伝熱性能が低下しない。また、回転軸をステンレス鋼のような防錆素材としたので、回転軸の外周面は錆びず、外気への放熱性能が低下しない。
【００６９】
以上、本発明に係る具体的実施例を先行待機ポンプを一例として説明した。
ところで、本発明に係る三層構造のスリーブ、あるいは摺動層と伝熱層の互いの端部が接した状態で摺動層と伝熱層が回転軸を環状に囲む構造のスリーブは、すべり軸受だけでなく、例えば、コンプレッサや蒸気タービンなどの液体の潤滑のない条件で運転する回転流体機械の回転軸に装着してラビリンスシール部などに用いることができる。また、立軸に限らず横軸回転機械にも用いられる。
【００７０】
これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。
【符号の説明】
【００７１】
１  すべり軸受
１ａ  内周面
１ｂ  外周面
３  立軸ポンプ
５  貫通孔
６  空気管
６ａ  開口
１０’，１０  回転軸
１１  スリーブ
１１’  摺動部材
１２  軸受ケース
１３  支持部材
１４，１４’  放熱部
１５  伝熱柱
１６  伝熱層
１７，１８  フランジ
２０  Ｏリング溝
２１  Ｏリング
２２  インペラ
２６  軸継手
２７  吸い込みベル
２８  吐出ボウル
２９  ケーシング
３０  吐出エルボ
３２  上部軸受
３３  下部軸受
３４  軸シール
１００  水槽
【図１】
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【図２】
0006527805.tif 000003
【図３】
0006527805.tif 000004
【図４】
0006527805.tif 000005
【図５】
0006527805.tif 000006
【図６】
0006527805.tif 000007
【図７】
0006527805.tif 000008
【図８】
0006527805.tif 000009
【図９】
0006527805.tif 000010
【図１０】
0006527805.tif 000011
【図１１】
0006527805.tif 000012
【図１２】
0006527805.tif 000013