(57)【要約】【課題】軌道輪とハウジングとの間のクリープの発生を防止することで、回転精度を長期に亘って一定に維持することが可能な低コストの水中回転装置用転がり軸受を提供する。【解決手段】水を循環させる羽根車が取り付けられた回転軸６をハウジング８内に収容した水中回転装置に用いられ、回転軸を回転自在に支持する複数の転がり軸受10,12であって、各転がり軸受は、回転軸とハウジングとの間に設けられ、互いに相対回転可能に対向配置された軌道輪(内外輪14,16)と、軌道輪間に転動自在に組み込まれた複数の転動体１８とを具備し、これら転がり軸受のうち、少なくとも１つの転がり軸受において、その一方の軌道輪はハウジングに対してしまりばめにより固定され、その他方の軌道輪は回転軸に対してすきまばめにより固定されており、当該他方の軌道輪には、回転軸に固定される周面に、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン層３６が設けられている。【選択図】図１
2007247710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を循環させる羽根車が取り付けられた回転軸をハウジング内に収容した水中回転装置に用いられ、回転軸を回転自在に支持する複数の転がり軸受であって、
各転がり軸受は、回転軸とハウジングとの間に設けられ、互いに相対回転可能に対向配置された軌道輪と、軌道輪間に転動自在に組み込まれた複数の転動体とを具備し、
これら複数の転がり軸受のうち、少なくとも１つの転がり軸受において、その一方の軌道輪はハウジングに対してしまりばめにより固定され、その他方の軌道輪は回転軸に対してすきまばめにより固定されており、
当該他方の軌道輪には、回転軸に固定される周面に、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン層が設けられていることを特徴とする水中回転装置用転がり軸受。
【請求項２】
ハウジング内が所定温度に上昇した雰囲気において、少なくとも１つの転がり軸受は、一方の軌道輪とハウジングとがしまりばめによる固定状態を維持し、且つ、他方の軌道輪と回転軸とがすきまばめによる固定状態を維持することを特徴とする請求項１に記載の水中回転装置用転がり軸受。
【請求項３】
ダイヤモンドライクカーボン層は、１種類若しくは複数種の金属から成る金属層と、当該金属及び炭素から成る複合層と、炭素から成るカーボン層とを選択的に積層して構成可能であって、他方の軌道輪の周面上において、少なくともカーボン層を最表面に露出させて積層構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水中回転装置用転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば水中ポンプや攪拌装置などの水中回転装置において、羽根車が取り付けられた回転軸を支持する転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の水中回転装置として、例えば下水処理場や浄水場などにおいて水没状態で用いられる種々の水中ポンプが知られている(特許文献１参照)。その一例として図２に示された水中ポンプは、吸水口２ａと吐出口２ｂとを有し、水を循環させるための羽根車(インペラ)４が回転自在に配置されたポンプケーシング２と、ポンプケーシング２上に縦型に配設され、羽根車４が取り付けられた回転軸６を収容するハウジング８とを備えている。
【０００３】
ハウジング８は、回転軸６を制御するモータ(電動機)が収容されたモータ室８ａと、モータ室８ａとポンプケーシング２との間のハウジング８内に設けられたオイル室８ｂとを有して構成されている。この場合、回転軸６は、モータ室８ａからオイル室８ｂを通してポンプケーシング２内を垂直方向に沿って延出されており、その延出端に羽根車４が取り付けられている。図の構成例において、回転軸６は、モータ室８ａの上下側にそれぞれ配設された複数の転がり軸受10,12で回転自在に支持されている。
【０００４】
なお、転がり軸受10,12としては、例えば図３(ａ)に示すように、回転軸６に固定された内輪１４と、ハウジング８に固定された外輪１６と、内外輪間に転動自在に組み込まれた複数の転動体(玉)１８と、これら各転動体(玉)１８を１つずつ回転自在に保持する保持器２０とを備えた玉軸受が適用されている。また、図３(ａ)の構成例において、転がり軸受10,12には、軸受内部を密封するための密封板２２が設けられており、当該密封板２２は、その基端(外径部)２２ａが外輪１６に固定され、その先端(内径部)２２ｂが内輪１４に向けて延出し、内輪１４に対して非接触状態に位置決めされている。なお、密封板２２としては、このようなシールドの代わりに、接触又は非接触タイプのシールが適用される場合もある。
【０００５】
また、図２に示すように、モータ室８ａに収容されたモータ(電動機)は、回転軸６に固定されたロータ(例えば、永久磁石)２４と、ロータ２４に対向してハウジング８に固定されたステータ(例えば、電磁石)２６とを備えている。一方、オイル室８ｂには、モータ室８ａを液密状態に密封するためのメカニカルシール２８が回転軸６に固定されていると共に、メカニカルシール２８の耐摩耗性や潤滑性などを高めるために所定量の潤滑剤(例えば、鉱油系の潤滑油)３０が封入されている。
【０００６】
このような水中ポンプにおいて、モータ(電動機)を駆動させて、ステータ(電磁石)２６のコイル(図示しない)に電流を流すと、電磁石２６とロータ(永久磁石)２４との磁気相互作用により、フレミングの左手の法則に従って永久磁石２４を介して回転軸６に回転力を与えることができる。このとき、回転軸６に取り付けられた羽根車４が当該回転軸６と共に回転することにより、吸水口２ａから吸い込まれた水Ｗ１は、ポンプケーシング２に沿って移動した後(Ｗ２)、吐出口２ｂから吐き出される(Ｗ３)。
【０００７】
ところで、上述したような水中ポンプは、水没状態で使用されるため、ポンプ運転中に例えばモータ(電動機)や転がり軸受10,12から発生した熱がハウジング８内にこもり易くなっている。この場合、ハウジング８内の熱量によっては回転軸６が熱膨張し、その熱膨張量に応じて転がり軸受10,12の内部荷重が上昇することにより、その結果、転がり軸受10,12の回転精度(例えば、回転安定性)を長期に亘って一定に維持することが困難になってしまう場合がある。
【０００８】
これを解消する方策として、例えば図３(ａ)に示すように、転がり軸受10,12のいずれか一方をハウジング８に対して“すきまばめ”により固定する構成が提案されている。この構成において、いずれか一方の転がり軸受10(12)の内輪１４の内輪内径面１４ｓは、回転軸６の回転軸外径面６ｓに対して“しまりばめ”により固定され、一方、外輪１６の外輪外径面１６ｓとハウジング８のハウジング内径面８ｓとの間には、隙間Ｇが介在されている。このため、回転軸６が熱膨張した場合でも、その熱膨張量に応じて転がり軸受10,12(外輪１６)が隙間Ｇに沿って軸方向又は径方向にスライドすることで、当該転がり軸受10(12)の内部荷重が上昇するのを防止することができる。なお、他方の転がり軸受12(10)は、羽根車４及び回転軸６を安定して支持するために、ハウジング８に対して“しまりばめ”により固定されている。
【０００９】
この場合、羽根車４には、ポンプケーシング２内の流動水の水圧(荷重)を直接受けることになるが、例えばその流動水の流動量や流動方向が一定しないと、当該羽根車４に作用する水圧(荷重)が変化する場合がある。このとき、羽根車４に作用した水圧(荷重)は、そのまま回転軸６にも伝達されるため、当該回転軸６には、水圧(荷重)の変化に応じた不安定な振れ回り荷重が発生することになる。また、回転軸６に発生する振れ回り荷重は、羽根車４が回転軸６に対して不釣合い状態(例えば、羽根車４が回転中心に対して対称形状を成していない状態)で取り付けられている場合にも生じる。
【００１０】
このような振れ回り荷重は、その大きさによっては例えば図３(ａ)に示す外輪外径面１６ｓとハウジング内径面８ｓとの間でクリープと呼ばれる低速すべりが発生する場合がある。ここで、クリープの発生について説明すると、上述した回転軸６に作用する振れ回り荷重は、例えば図３(ａ)に示すように、回転軸６から転がり軸受10(12)の内輪１４、転動体(玉)１８をそれぞれ経由して外輪１６に伝達される。このとき、外輪外径面１６ｓとハウジング内径面８ｓとの間に介在した隙間Ｇにより、外輪１６はハウジング内径面８ｓ方向に位置ずれを生じる。この状態において、回転軸６は、外輪１６をハウジング内径面８ｓに押し付けながら回転するため、当該外輪１６は、ハウジング内径面８ｓに沿って転がるように滑り回転する。この結果、外輪外径面１６ｓとハウジング内径面８ｓとの間でクリープが発生する。
【００１１】
クリープが発生すると、外輪外径面１６ｓとハウジング内径面８ｓとの間で摺接が繰り返され、その結果、例えば外輪外径面１６ｓやハウジング内径面８ｓが摩耗する場合がある。このとき、その摩耗量の大きさによっては、ハウジング８に転がり軸受10(12)を堅牢に固定させることが困難になり、当該転がり軸受10(12)がガタついてしまう場合がある。そうなると、転がり軸受10(12)により回転軸６を安定して支持することができなくなり、その結果、回転軸６が芯ブレ(偏心)すると共に、これにより、モータ(電動機)のロータ２４も芯ブレ(偏心)してステータ２６に接触してしまう場合がある。そして、かかる状態でポンプを運転すると、回転軸６を滑らかに且つ安定して回転させることができなくなってしまう。
【００１２】
このようなクリープの発生を防止する方策として、例えば図３(ｂ)に示すように、外輪外径面１６ｓとハウジング内径面８ｓとの間に、その周方向に沿って連続したゴム製Ｏリング３２を介在させる構成が提案されている。しかしながら、かかる構成では、Ｏリング３２を介在させるための構成(例えば、Ｏリング収容溝３４)を外輪外径面１６ｓに構築しなければならず、そのための構築費用が別途必要となり、その結果、軸受の製造コストが上昇してしまう。
【００１３】
上述したような転がり軸受10,12では、内輪回転を想定して説明したが、外輪回転の軸受でも内輪とハウジングとの間でクリープが発生する場合がある。そこで、内輪回転及び外輪回転のいずれの軸受であっても、その一方の軌道輪とハウジングとの間のクリープの発生を防止することで、回転精度を長期に亘って一定に維持することが可能な低コストの水中回転装置用転がり軸受の開発が望まれているが、現在そのような技術は知られていない。
【特許文献１】特開２００１−１４０９０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、このような要望に応えるためになされており、その目的は、軌道輪とハウジングとの間のクリープの発生を防止することで、回転精度を長期に亘って一定に維持することが可能な低コストの水中回転装置用転がり軸受を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このような目的を達成するために、本発明は、水を循環させる羽根車が取り付けられた回転軸をハウジング内に収容した水中回転装置に用いられ、回転軸を回転自在に支持する複数の転がり軸受であって、各転がり軸受は、回転軸とハウジングとの間に設けられ、互いに相対回転可能に対向配置された軌道輪と、軌道輪間に転動自在に組み込まれた複数の転動体とを具備し、これら複数の転がり軸受のうち、少なくとも１つの転がり軸受において、その一方の軌道輪はハウジングに対してしまりばめにより固定され、その他方の軌道輪は回転軸に対してすきまばめにより固定されており、当該他方の軌道輪には、回転軸に固定される周面に、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン層が設けられている。
【００１６】
この場合、ハウジング内が所定温度に上昇した雰囲気において、少なくとも１つの転がり軸受は、一方の軌道輪とハウジングとがしまりばめによる固定状態を維持し、且つ、他方の軌道輪と回転軸とがすきまばめによる固定状態を維持する。また、ダイヤモンドライクカーボン層は、１種類若しくは複数種の金属から成る金属層と、当該金属及び炭素から成る複合層と、炭素から成るカーボン層とを選択的に積層して構成可能であって、他方の軌道輪の周面上において、少なくともカーボン層を最表面に露出させて積層構成されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、軌道輪とハウジングとの間のクリープの発生を防止することで、回転精度を長期に亘って一定に維持することが可能な低コストの水中回転装置用転がり軸受を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施の形態に係る水中回転装置用転がり軸受について、図１を参照して説明する。なお、本実施の形態の説明に際し、上述した水中回転装置(図２)及び転がり軸受(図３)と同一の構成には、図面上で同一符号を付して、その説明を省略する。
【００１９】
図１(ａ)に示すように、本実施の形態の転がり軸受10,12は、回転軸６とハウジング８との間に設けられており、これら複数の転がり軸受10,12のうち、少なくとも１つの転がり軸受(例えば、図２の上側の転がり軸受１０)において、一方の軌道輪(例えば、外輪１６)はハウジング８に対して“しまりばめ”により固定され、他方の軌道輪(例えば、内輪１４)は回転軸６に対して“すきまばめ”により固定されている。なお、残りの転がり軸受１２(図２の下側の転がり軸受)において、両軌道輪(内外輪14,16)は、羽根車４及び回転軸６を堅牢に支持するために、回転軸６及びハウジング８に対して“しまりばめ”により固定されている。
【００２０】
この場合、上側の転がり軸受１０において、外輪(一方の軌道輪)１６の外輪外径面１６ｓとハウジング８のハウジング内径面８ｓとは、互いに隙間無く密着(密接)して嵌合しており、一方、内輪(他方の軌道輪)１４の内輪内径面１４ｓと回転軸６の回転軸外径面６ｓとの間には、隙間Ｇが介在されている。このため、ポンプ運転中にハウジング８内に発生した熱量によって回転軸６が熱膨張した場合でも、その熱膨張量に応じて内輪１４が隙間Ｇに沿って軸方向又は径方向にスライドすることで、当該転がり軸受１０の内部荷重が上昇するのを防止することができる。この結果、転がり軸受１０の回転精度(例えば、回転安定性)を長期に亘って一定に維持することが可能となる。
【００２１】
また、ポンプ運転中、ポンプケーシング２(図２)内の流動水により羽根車４に作用する水圧(荷重)が変化し、その際に回転軸６に発生した振れ回り荷重は、当該回転軸６から内輪１４、転動体(玉)１８をそれぞれ経由して外輪１６に伝達される。この場合、内輪１４は、回転軸６に対して“すきまばめ”により固定されており、内輪内径面１４ｓと回転軸外径面６ｓとの間には隙間Ｇが介在されている。
【００２２】
これにより、内輪１４は、その内輪内径面１４ｓのうち常に同じ部分を回転軸外径面６ｓに当接させた状態で回転軸６と共に回転する。別の捉え方をすると、回転軸６は、常に内輪内径面１４ｓの同一部分に圧接した状態を維持しながら内輪１４と共に回転する。この状態において、振れ回り荷重は、回転軸６から内輪１４に対して例えば径方向の静止荷重となって作用するため、内輪内径面１４ｓと回転軸外径面６ｓとの間でクリープと呼ばれる低速すべりが発生することは無い。
【００２３】
ところで、このような回転軸６の振れ回り荷重は、当該回転軸６の径方向のみならず軸方向にも分力として作用する場合がある。このとき、内輪１４が軸方向に沿って往復移動(微動)することで、内輪内径面１４ｓと回転軸外径面６ｓとの間で微小な摩耗が発生する場合がある。この場合、摩耗の大きさやその程度によっては凝着摩耗に到る虞もある。
【００２４】
そこで、かかる摩耗を防止するために、図１(ａ),(ｂ)に示すように、内輪(他方の軌道輪)１４には、回転軸６に固定される周面(内輪内径面１４ｓ)に、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン層３６が設けられている。ダイヤモンドライクカーボン層３６は、１種類若しくは複数種の金属から成る金属層３６ａと、当該金属及び炭素から成る複合層３６ｂと、炭素から成るカーボン層３６ｃとを選択的に積層して構成することができる。この場合、内輪内径面１４ｓ上において、少なくともカーボン層３６ｃを最表面に露出させて積層構成することが好ましい。例えば、最表面側から内輪１４(内輪内径面１４ｓ)に向けてカーボン層３６ｃ,複合層３６ｂ,金属層３６ａの順に積層構成すれば良い。
【００２５】
ここで、ダイヤモンドライクカーボン層３６を内輪内径面１４ｓに設ける方法について説明する。なお、かかる方法において、金属層３６ａを構成する金属としては、例えばクロム(Ｃｒ)、タングステン(Ｗ)、チタン(Ｔｉ)、ケイ素(Ｓｉ)、ニッケル(Ｎｉ)、鉄(Ｆｅ)などを適用することができるが、ここでは一例として、クロム(Ｃｒ)とタングステン(Ｗ)の２種類の金属から成る金属層３６ａを想定する。
【００２６】
まず、油分を脱脂した内輪１４の内輪内径面１４ｓに対して、クロム(Ｃｒ)及びタングステン(Ｗ)の２種類の金属をスパッタリングして金属層３６ａを成膜しながら、炭素(Ｃ)のスパッタリングを開始する。このとき、２種類の金属と炭素とが結合した金属カーバイドから成る複合層３６ｂが金属層３６ａ上に成膜される。次に、２種類の金属のスパッタ効率を徐々に減少させながら、炭素のスパッタ効率を徐々に増加させることで、複合層３６ｂ上にカーボン層３６ｃを成膜させる。
【００２７】
これにより、金属層３６ａからカーボン層３６ｃに向って積層構成が連続的に変化したダイヤモンドライクカーボン層３６が形成される。なお、図１(ｂ)では、金属層３６ａ、複合層３６ｂ、カーボン層３６ｃの３層から成るダイヤモンドライクカーボン層３６を例示したが、最表面がカーボン層３６ｃであれば、何層であっても良い。また、ダイヤモンドライクカーボン層３６の厚さや表面粗さは、軸受の使用目的や使用環境に応じて任意に設定されるため、ここでは特に限定しない。
【００２８】
また、上述したように、回転軸６に発生した振れ回り荷重は、当該回転軸６から内輪１４、転動体(玉)１８をそれぞれ経由して外輪１６に伝達される。この場合、外輪１６に伝わった振れ回り荷重は、回転軸６が１回転する毎に、外輪外径面１６ｓをハウジング８のハウジング内径面８ｓに沿って周方向に１回転連続して押圧する回転荷重となって外輪１６に作用する。しかしながら、外輪１６は、その外輪外径面１６ｓがハウジング内径面８ｓに対して隙間無く密着(密接)して嵌合しているため、外輪外径面１６ｓとハウジング内径面８ｓとの間でクリープと呼ばれる低速すべりが発生することは無い。
【００２９】
また、上述したようなクリープが発生しない状態は、ポンプ運転中にハウジング８(図２)内が所定温度に上昇した雰囲気でも維持される。このとき、転がり軸受１０は、一方の軌道輪(外輪１６)とハウジング８とが“しまりばめ”による固定状態を維持し、且つ他方の軌道輪(内輪１４)と回転軸６とが“すきまばめ”による固定状態を維持する。なお、所定温度とは、転がり軸受１０が適用される水中回転装置の種類や大きさなどに応じて増減変化するため、ここでは特に限定しない。
【００３０】
以上、本実施の形態によれば、転がり軸受１０の外輪１６をハウジング８に対して“しまりばめ”により固定し、内輪１４を回転軸６に対して“すきまばめ”により固定すると共に、内輪内径面１４ｓにダイヤモンドライクカーボン層３６を設けたことにより、内輪内径面１４ｓと回転軸外径面６ｓとの間及び外輪外径面１６ｓとハウジング内径面８ｓとの間の摩耗を無くすることができ、これにより、クリープの発生及び、微少振動による摩耗、いわゆるフレッチング摩耗も確実に防止することができる。この場合、転がり軸受１０の回転精度(例えば、回転安定性)を長期に亘って一定に維持することができるため、当該転がり軸受１０により回転軸６を安定して且つ堅牢に支持することができる。この結果、水中回転装置を長期に亘って安定して運転させ続けることが可能となる。更に、本実施の形態によれば、従来に比べて低コストな転がり軸受を提供することができる。
【００３１】
なお、上述した実施の形態では、図２の上側の転がり軸受１０において、一方の軌道輪(例えば、外輪１６)をハウジング８に対して“しまりばめ”により固定し、他方の軌道輪(例えば、内輪１４)を回転軸６に対して“すきまばめ”により固定したが、これに限定されることは無く、全ての転がり軸受10,12について同様の構成を適用しても良い。
また、上述した実施の形態では、図面上で２つの転がり軸受10,12を例示したが、これに限定されることは無く、３つ以上の転がり軸受を用いた水中回転装置にも本発明の技術を適用することにより、上述した実施の形態と同様の効果を実現することができる。
【００３２】
更に、上述した実施の形態では、内輪回転を想定して説明したが、外輪回転の軸受にも本発明の技術を適用することができる。即ち、転がり軸受10,12のうち、少なくとも１つの軸受において、内輪１４がハウジング８に対して“しまりばめ”により固定され、外輪１６が回転軸６に対して“すきまばめ”により固定されている場合である。この場合、外輪１６の外輪外径面１６ｓに潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン層３６を設ければ良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】(ａ)は、本発明の一実施の形態に係る水中回転装置用転がり軸受の構成を示す断面図、(ｂ)は、同図(ａ)のダイヤモンドライクカーボン層の拡大断面図。
【図２】水中回転装置の全体構成を概略的に示す断面図。
【図３】(ａ)は、従来の水中回転装置用転がり軸受の構成を示す断面図、(ｂ)は、クリープの発生を防止するための従来の方策が施された軸受構成を例示した断面図。
【符号の説明】
【００３４】
６  回転軸
８  ハウジング
10,12  転がり軸受
１４  内輪
１６  外輪
１８  転動体
３６  ダイヤモンドライクカーボン層
【図１】
2007247710.tif 000003
【図２】
2007247710.tif 000004
【図３】
2007247710.tif 000005