(57)【要約】【課題】静圧軸受に作用する回転体（インペラ）からの吐出圧がゼロである場合或いは極めて低圧である場合においても、回転体と静圧軸受とが接触或いは当接してしまうことが防止出来る様な回転体支持装置の提供。【解決手段】静圧軸受（４）と、保護リング（６）とを有し、常温時（起動時）では、回転体（インペラ３）外周面（３ｏ）と保護リング内周面（６ｉ）との隙間（の半径方向）寸法（α）が、回転体（インペラ３）外周面（３ｏ）と静圧軸受（４）（の軸方向端部或いは庇部）の内周面（４１ｉ）との隙間（の半径方向）寸法（β）よりも小さくなる様に構成されていることを特徴としている。【選択図】  図１
2005030456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静圧軸受と、保護リングとを有し、常温時では、回転体外周面と保護リング内周面との隙間寸法が、回転体外周面と静圧軸受内周面との隙間寸法よりも小さくなる様に構成されていることを特徴とする回転体支持装置。
【請求項２】
前記保護リングは複数の区画に分割されており、各区画の間に常時伸長するように付勢された弾性手段が介装されており、前記保護リングは、線膨張係数が静圧軸受の材料の線膨張係数とは異なる材料で構成されている請求項１の回転体支持装置。
【請求項３】
請求項１、２の回転体支持装置を有することを特徴とするポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポンプ等の回転機械において回転体（例えば回転軸）を支持する装置に関し、より詳細には、静圧軸受を包含する支持装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術の１例として、ポンプにおける回転体（例えば回転軸）を支持する装置の要部を図７に示す。
図７において、ポンプハウジングＨには円形断面の流入孔Ｉとその流入孔Ｉと同心で円柱状の軸受格納室Ｃが形成され、更にその軸受格納室Ｃの後方の円柱状空間Ｄの中心軸に直交方向には当該ポンプＰで昇圧された流体を吐出する吐出口Ｏが形成されている。
【０００３】
前記軸受格納室Ｃには図８及び図９で後述する静圧軸受４０が格納され、更にその静圧軸受４０の内部には半径方向に流路（吐出口）を放射状に延在させるインペラ３１とそのインペラ３１に連通する円筒部３２を有する回転体３０の円筒部３２が挿入されている。
前記円筒部３２の外周３２ｏと静圧軸受４０の内周４１ｉとは半径方向で僅かなクリアランスδを形成するように構成されている。また、前記回転体３０はシャフトのトップカバー２によって系止されるように公知の締結手段によってシャフト１に固着されている。
【０００４】
前記静圧軸受４０は、図８および図９に示すように、円筒部４１の一端にフランジ部４２が形成され、円筒部４１の上下端部を除く内周上の軸対称に配置した位置で、部分円弧状の窪みである複数箇所、例えば８箇所の圧力室４４が形成されている。そして、回転体３０の円筒部３２と静圧軸受４０が互いに同芯位置にある場合は、円筒部３２の外周３２ｏと静圧軸受４０の内周４１ｉには隙間δを有している。
【０００５】
その圧力室４４の静圧軸受４０の軸方向の中央近傍には、外周４１ｏ側が大径４３ａで内周４１ｉ側が小径４３ｂの連通孔４３が軸中心に向かって穿孔されている。
【０００６】
再び図７を参照して、ポンプＰが作動すると、吸込口Ｉから流入（Ｙ１）した流体はインペラ３１の吐出部３１ａから前記円柱状空間Ｄに吐出され、流体の多くはポンプハウジングＨの吐出工孔Ｏから吐出（Ｙ２）され、流体の一部は静圧軸受４０のフランジ４２の外周４２ｏと軸受格納室Ｃの内周Ｃｉとの間の隙間Ｓから前記空間（軸受格納室）Ｃに流入（Ｙ３）する。
【０００７】
図９をも参照して、前記空間Ｃに流入した流体は次第に昇圧され、静圧軸受４０に形成された前記連通孔４３から前記８箇所の圧力室４４に入り、インペラ３１の外周３１ｏを周方向で均等に中心に向かって押圧する。
【０００８】
係る静圧軸受４０は、インペラ（羽根車）３１の吐出圧を用いており、インペラ３１が回転している際、例えばポンプ定格運転時等では、回転体（羽根車３１及び円筒部３２）の半径方向の触れ回りを好適に防止出来る。
【０００９】
しかし、ポンプ起動時の様に、インペラ３１からの吐出圧力が低い場合、或いはインペラ３吐出圧力がゼロである場合には、静圧軸受４０は回転体３０の半径方向位置を制御することが出来ない。そのため、回転体３０と静圧軸受４０とが接触或いは当接して、摩耗や破損等の不都合を惹起してしまう可能性がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、静圧軸受に作用する回転体（インペラ）からの吐出圧がゼロである場合或いは極めて低圧である場合においても、回転体と静圧軸受とが接触或いは当接してしまうことが防止出来る様な回転体支持装置の提供を目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の回転体支持装置は、静圧軸受（４）と、保護リング（６）とを有し、常温時（起動時）では、回転体（インペラ３）外周面（３ｏ）と保護リング内周面（６ｉ）との隙間（の半径方向）寸法（α）が、回転体（インペラ３）外周面（３ｏ）と静圧軸受の最小内径面（４１ｉ）との隙間（の半径方向）寸法（β）よりも小さくなる様に構成されていることを特徴としている（請求項１）。
【００１２】
係る構成を具備する本発明によれば、常温時（起動時）には、保護リング内周面（６ｉ）とインペラの外周面（３ｏ）との隙間が、静圧軸受（４）とインペラ（３）との隙間（β）よりも小さくなる様に構成されている。そのため、係る回転体支持装置（Ａ）を具備した回転機械（例えばポンプ）の起動時、すなわち静圧軸受（４）に圧力が作用していない状態では、回転体（インペラ３）が半径方向に振動した場合には、先ず保護リング（６）と当接し、静圧軸受（４）とは当接しない。従って、起動時に回転体（インペラ３）と静圧軸受（４）とが衝突して破損することが防止される。
【００１３】
ここで、保護リング（６）は、軸受として使われている材料（例えば、カーボン等）で製造されるのが好ましい。その様な材料を使用すれば、回転体（３）が起動時に保護リング（６）と接触しても、回転体（インペラ３）のダメージは小さいからである。換言すれば、保護リング（６）を係る材料で構成すれば、回転体（インペラ３）は、静圧軸受（４）と接触するよりも、保護リング（６）と接触した方が損傷は少なくなるのである。
【００１４】
本発明において、前記保護リング（６）は複数の区画（例えば４区画６１）に分割されており、各区画の間に常時伸長するように付勢された弾性手段（例えば圧縮スプリング（８）が介装されており、前記保護リング（６）は、線膨張係数が静圧軸受（４）及び／又は回転体（インペラ３）の材料の線膨張係数とは異なる材料で構成されていることが好ましい（請求項２）。
【００１５】
具体的には、本発明の回転体支持装置（Ａ）が高温流体を昇圧するポンプで使用される場合には、前記保護リング（６）の材料は、その線膨張係数が静圧軸受（４）及び／又は回転体（インペラ３）の材料の線膨張係数よりも小さいものが選択されるのが好ましい。
【００１６】
或いは、本発明の回転体支持装置（Ａ）が低温流体を昇圧するポンプで使用される場合には、前記保護リング（６）の材料は、その線膨張係数が静圧軸受（４）及び／又は回転体（インペラ３）の材料の線膨張係数よりも大きいものが選択されるのが好ましい。
【００１７】
この様に構成すれば、本発明を用いた回転機械（例えばポンプ）の起動後に温度変化が生じれば、回転体（インペラ３）外周面（３ｏ）と保護リング内周面（６１ｉ）との隙間（の半径方向）寸法（α）が、回転体（インペラ３）外周面（３ｏ）と静圧軸受（の軸方向端部或いは庇部の）内周面（４１ｉ）との隙間（の半径方向）寸法（β）よりも大きくなる。
その結果、仮に回転体（インペラ３）が半径方向に振動しても、保護リング（６）とインペラ（３）が当接して静圧軸受（４）の作用を妨げる事態は防止される。
【００１８】
具体的には、本発明が例えば高温流体用ポンプで用いられる場合、保護リング（６）の材料は、静圧軸受の材料（例えばＳＵＳ３０４：線膨張係数が１６〜１７×１０−６１／℃）よりも、線膨張係数が小さい材料（例えばカーボン：線膨張係数が４〜６×１０−６１／℃）ものが選択される。
ポンプを作動して高温流体を昇圧し、温度が上昇すると、保護リング（６）の熱膨張量は、静圧軸受（４）の熱膨張量よりも小さくなる。
しかし、保護リング（６）に設けられた弾性手段（例えば圧縮スプリング８）により、保護リング（６）は半径方向外側へ拡径されて、静圧軸受（４）に押し付けられる。その結果、保護リング（６）と回転体（インペラ３）との隙間（α）は、静圧軸受（４）の熱膨張による半径方向寸法増加分と、保護リング（６）の熱膨張による半径方向寸法増加分との差分だけ増加する。保護リング（６）が拡径した分（静圧軸受と保護リングと熱膨張量の差分）だけ増加し、静圧軸受（４）と回転体（インペラ３）との隙間よりも大きくなる。
【００１９】
一方、本発明が例えば低温流体用ポンプで用いられる場合、保護リング（６）の材料は、静圧軸受（４）とインペラ（３）の材料よりも、線膨張係数が大きいものを選択する。
ポンプを作動して低温流体を昇圧した結果、温度が降下すると、保護リング（６）の熱膨張係数が静圧軸受（４）の材料よりも線膨張係数が大きいため、保護リング（６）の収縮量が静圧軸受（４）の収縮量よりも大きくなり、保護リング（６）は相対的に収縮する。その際に、保護リング（６）の弾性手段（例えば圧縮スプリング８）の反撥力により、保護リング（６）は円周方向に伸長して、半径方向については拡径される。
【００２０】
ここで、弾性手段（例えば圧縮スプリング８）による保護リング（６）の半径方向寸法増加量（拡径量）は、保護リング（６）の半径方向寸法の熱収縮による変化量と、静圧軸受（４）の半径方向寸法の熱収縮による変化量との差分に等しくなる。
すなわち、保護リング（６）と回転体（インペラ３）との半径方向隙間（α）は、係る差分だけ増加し、静圧軸受（４）と回転体（インペラ３）との隙間（β）に比較して大きくなる。
【００２１】
なお、静圧軸受（４）の圧力はポンプ（Ｐ）の吐出圧であるため、ポンプ（Ｐ）が定格回転数になると、回転体（インペラ３）の振れ回り量（半径方向変位）は、常温時における回転体（インペラ３）と静圧軸受（４）との半径方向隙間の１／１０程度になる様に設計されている。従って、ポンプ定格運転時においては、静圧軸受（４）の作用により、回転体（インペラ３）の振れ回りは殆ど防止される。
【００２２】
上述した本発明において、前記保護リング（６）は、回転防止部材（例えば、ピン７等）を設けているのが好ましい。
作動流体の挙動により、圧縮スプリング（８）を有する保護リング（６）が回転して、悪影響を与える可能性を排除するためである。
【００２３】
本発明のポンプは、上述した回転体支持装置（Ａ）を有することを特徴としている（請求項３）。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
【００２５】
図１において、ポンプＰの回転体（インペラ）３がトップカバー２によってシャフト１に締結部材Ｔで取り付けられている。前記回転体（インペラ）３を回転支持する回転体支持装置Ａは、静圧軸受４と保護リング６と保護リング６を静圧軸受４にボルトＢ２によって保持する保持部材５とで構成されている。
【００２６】
前記静圧軸受４は、図２に詳細断面を示すように、円筒部４１とその円筒部４１の一端に形成されたフランジ部４２を有し、その円筒部４１のフランジ部４２側の内径部４１ｉには、図示の上方に内径４１ｉよりの大きな径の棚状切欠き部４５が形成され、その棚状切欠き部４５と内径４１ｉの境界部には逃げ用段部４６が形成されている。
【００２７】
前記フランジ部４２には、フランジ部４２を図示において上下方向に貫通する座繰り付ボルト孔４７が形成されており、図１をも参照して、図１では明確には示されていないポンプハウジングに軸受取付けボルトＢ１によって取り付けられる。
【００２８】
前記棚状切欠き部４５には、図２における水平面４５ａに前述の保護リング６の保持部材５をボルトＢ２で取り付けるための雌ねじ４５ｂが形成されている。
【００２９】
図２における円筒部４１の符号Ｌで示す領域には、図８及び図９の従来技術と同様に、圧力室４４とその圧力室の略中央には連通孔４３が形成されている。
【００３０】
次に、図３を参照して前記保護リング保持部材５を説明する。
その保護リング保持部材５は第１の保持部材５１と第２の保持部材５２より構成され、第１の保持部材５１と第２の保持部材５２を重ね合わせた際に内周５ｉ側に保護リング挿入溝５３が形成されている。その保護リング挿入溝５３に保護リング６を挿入して前記静圧軸受４の棚状切欠き部４５に固定ボルトＢ２によって嵌着されるように構成されている。
【００３１】
即ち、第１の保持部材５１は加工前は矩形断面の環状体であり、その矩形断面の前記第２の保持部材５２と合わされる面で内径５ｉ側には矩形断面の切欠き部５１ａが形成されている。
一方、第２の保持部材５２は加工前には矩形断面の環状体であり、その矩形断面の前記第１の保持部材５１と合わされる面で内径側には矩形断面の切欠き部５２ａが形成され、第２の保持部材５２の切欠き部５２ａと前記第１の保持部材５１の切欠き部５１ａで前記保護リング挿入溝５３が形成される。
【００３２】
第１及び第２の保持部材５１、５２が合わせられて構成される保持部材５には、前記第１の保持部材５１側の環状端面に形成された座繰り孔５４ａと前記第１の保持部材５１側から第２の保持部材５２側にかけて貫通する貫通孔５４ｂとで等ピッチの複数の固定ボルト挿通孔５４が形成されている。
【００３３】
前記保護リング挿入溝５３の第２の保持部材５２側の合わせ面と平行な面には図示では明確でないが、同一ピッチサークル円上で等ピッチ間隔で４本（相手部品である図４の保護リングを参照）の位置決めピン挿通孔５２ｂが形成されている。
【００３４】
保護リング６は図４に示すように、円周方向で図示の例では４等分に分割されている。４分割にされた内の１区画６１の円周方向の両端部には円形断面の穴６８が形成され、隣合う区画６１の当該孔６８に圧縮コイルスプリング８が介装され、全体で総計４個のコイルスプリング８によって保護リング６は周方向で反発力が付勢されている。
即ち、保護リング６はコイルスプリング８を介装することにより、周方向に常に拡大して拡径しようとする力が作用している。
【００３５】
また、各区画６１には当該保護リングの円環状の面を貫通するように保護リング全体として４等分される位置に小孔６７が穿孔されている。そしてその小孔６７には位置決めピン７（図１参照）が挿入され、その位置決めピン７はさらに前記保護リング保持部材５の挿通孔５２ｂと係合している。
位置決めピン７は、圧縮スプリング８を有する保護リング６が、作動流体の挙動により回転して、悪影響を与える可能性を排除するために、保護リング６の回転運動を阻止している。
【００３６】
上述したような構成を具備する本実施形態によれば、図６に示すように常温時（起動時）には、保護リング内周面６ｉとインペラの外周面３ｏとの隙間αが、静圧軸受４とインペラ３との隙間βよりも小さくなる様に構成されている。
そのため、係る回転体支持装置Ａを具備した回転機械（例えばポンプ）の起動時、すなわち静圧軸受４に圧力が作用していない状態では、回転体（インペラ）３が半径方向に振動した場合には、先ず保護リング６と当接し、静圧軸受４とは当接しない。従って、起動時に回転体３と静圧軸受４とが衝突して破損することが防止される。
【００３７】
ここで、保護リング６は、軸受として使われている材料（例えば、カーボン等）で製造されるのが好ましい。その様な材料を使用すれば、回転体３が起動時に保護リング６と接触しても、回転体３のダメージは小さいからである。
換言すれば、保護リング６を係る材料で構成すれば、回転体（インペラ）３は、静圧軸受４と接触するよりも、保護リング６と接触した方が損傷は少なくなるからである。
【００３８】
本実施形態において、前述したように前記保護リング６は複数の区画（図示の例では４区画）に分割されており、各区画の間に常時伸長するように付勢された圧縮スプリング８が介装されており、前記保護リング６は、線膨張係数が静圧軸受４及び／又は回転体（インペラ）３の材料の線膨張係数とは異なる材料で構成されている。
【００３９】
具体的には、本実施形態の回転体支持装置Ａが高温流体を昇圧するポンプで使用される場合には、前記保護リング６の材料は、その線膨張係数が静圧軸受４及び／又は回転体（インペラ）３の材料の線膨張係数よりも小さいものが選択されるのが好ましい。
【００４０】
或いは、本発明の回転体支持装置Ａが低温流体を昇圧するポンプで使用される場合には、前記保護リング６の材料は、その線膨張係数が静圧軸受４及び／又は回転体（インペラ）３の材料の線膨張係数よりも大きいものが選択されるのが好ましい。
【００４１】
この様に構成すれば、図５に示すように、本実施形態を用いた回転機械（例えばポンプ）の起動後に温度変化が生じれば、回転体外周面３ｏと保護リング内周面６ｉとの半径方向の隙間αが、回転体外周面３ｏと静圧軸受４の内周面４１ｉとの半径方向の隙間βよりも大きくなる。
その結果、仮に回転体３が半径方向に振動しても、保護リング６とインペラ３が当接して静圧軸受４の作用を妨げる事態は防止される。
【００４２】
具体的には、本実施形態が例えば高温流体用ポンプで用いられる場合、保護リング６の材料は、静圧軸受４の材料（例えばＳＵＳ３０４：線膨張係数が１６〜１７×１０−６１／℃）よりも、線膨張係数が小さい材料（例えばカーボン：線膨張係数が４〜６×１０−６１／℃）ものが選択される。
ポンプを作動して高温流体を昇圧し、温度が上昇すると、保護リング６の熱膨張量は、静圧軸受４の熱膨張量よりも小さくなる。
しかし、図６に示す様に、保護リング６に設けられた圧縮スプリング８により、保護リング６は半径方向外側へ拡径されて、静圧軸受４に押し付けられる。その結果、保護リング６と回転体（インペラ）３との隙間δは、静圧軸受４の熱膨張による半径方向寸法増加分と、保護リング６の熱膨張による半径方向寸法増加分との差分だけ増加する。保護リング６が拡径した分（静圧軸受と保護リングと熱膨張量の差分γ１）だけ増加し、静圧軸受（４）と回転体（インペラ３）との隙間よりも大きくなる。
【００４３】
一方、本実施形態が例えば低温流体用ポンプで用いられる場合、保護リング６の材料は、静圧軸受４とインペラ３の材料よりも、線膨張係数が大きいものを選択する。
ポンプを作動して低温流体を昇圧した結果、温度が降下すると、保護リング６の熱膨張係数が静圧軸受４の材料よりも線膨張係数が大きいため、保護リング６の収縮量が静圧軸受４の収縮量よりも大きくなり、保護リング６は相対的に収縮する。その際に、保護リング６の圧縮スプリング８の反撥力により、保護リング６は円周方向に伸長して、半径方向については拡径される。
【００４４】
ここで、圧縮スプリング８による保護リング６の半径方向寸法増加量（拡径量）は、保護リング６の半径方向寸法の熱収縮による変化量と、静圧軸受４の半径方向寸法の熱収縮による変化量との差分に等しくなる。
すなわち、保護リング６とインペラ３との半径方向隙間は、係る差分だけ増加し、静圧軸受４とインペラ３との隙間に比較して大きくなる。
【００４５】
なお、静圧軸受４の圧力はポンプＰの吐出圧であるため、ポンプＰが定格回転数になると、インペラ３の振れ回り量（半径方向変位）は、常温時におけるインペラ３と静圧軸受４との半径方向隙間の１／１０程度になる様に設計されている。従って、ポンプ定格運転時においては、静圧軸受４の作用により、インペラ３の振れ回りは殆ど防止される。
【００４６】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
例えば、図示の実施形態では、本発明の回転体支持装置を利用した回転機械はポンプが示されているが、その他の静圧軸受を用いた回転機械についても、本発明の回転体支持装置は適用可能である。
また、図示の実施形態では、高温流体を昇圧するポンプが示されているが、低温流体昇圧用ポンプについても、本発明は適用可能である。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の作用効果を以下に列挙する。
（１）  常温時（起動時）には、保護リング内周面とインペラの外周面との隙間が、静圧軸受とインペラとの隙間よりも小さくなる様に構成されているため、係る回転体支持装置を具備した回転機械（例えばポンプ）の起動時では、回転体が半径方向に振動した場合には、先ず保護リングと当接し、静圧軸受とは当接しない。従って、起動時に回転体（インペラ）と静圧軸受とが衝突して破損することが防止される。
（２）  保護リングを、軸受として使われている材料（例えば、カーボン等）で製造すれば、回転体が起動時に保護リングと接触しても、回転体（インペラ）のダメージは小さい。
（３）  保護リングを複数の区画に分割し、各区画の間に常時伸長するように付勢された弾性手段を介装し、回転体支持装置が高温流体を昇圧するポンプで使用される場合には、保護リングの材料は、その線膨張係数が静圧軸受及び／又は回転体の材料の線膨張係数よりも小さいものが選択する、
或いは、回転体支持装置が低温流体を昇圧するポンプで使用される場合には、保護リングの材料は、その線膨張係数が静圧軸受及び／又は回転体の材料の線膨張係数よりも大きいものが選択すると、回転機械（例えばポンプ）の起動後に温度変化が生じれば、回転体（インペラ）外周面と保護リング内周面との隙間寸法が、回転体外周面と静圧軸受の内周面との隙間よりも大きくなる。
その結果、仮に回転体（インペラ）が半径方向に振動しても、保護リングとインペラが当接して静圧軸受の作用を妨げる事態は防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の回転体支持装置の要部を示す正面断面図。
【図２】本発明の実施形態において、回転体支持装置の構成部品である制圧軸受の断面図。
【図３】本発明の実施形態において、回転体支持装置の構成部品である保護リング保持部材の断面図。
【図４】本発明の実施形態において、回転体支持装置の構成部品である保護リングの平面図。
【図５】本発明の実施形態において、起動時における保護リングとインペラとの半径方向隙間と、インペラと静圧軸受の最小内径部との隙間を示した図。
【図６】図５と同様の、昇温時の状態を示した図。
【図７】従来技術における回転体支持装置の要部を示す正面断面図。
【図８】従来技術における静圧軸受と回転体との嵌合状態を示す縦断面図。
【図９】従来技術における静圧軸受と回転体との嵌合状態を示す横断面図。
【符号の説明】
Ａ・・・回転軸支持装置
１・・・シャフト
２・・・トップカバー
３・・・インペラ
３ｏ・・・インペラ外周
４・・・静圧軸受
５・・・保護リング保持部材
６・・・保護リング
６ｉ・・・保護リング内周面
７・・・位置決めピン
８・・・圧縮コイルスプリング
４１・・・円筒部
４２・・・フランジ部
４３・・・貫通孔
４４・・・圧力室
【図１】
2005030456.tif 000003
【図２】
2005030456.tif 000004
【図３】
2005030456.tif 000005
【図４】
2005030456.tif 000006
【図５】
2005030456.tif 000007
【図６】
2005030456.tif 000008
【図７】
2005030456.tif 000009
【図８】
2005030456.tif 000010
【図９】
2005030456.tif 000011