JP2019044606A - 立軸ポンプ用軸受装置および立軸ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】無潤滑状態で待機運転を行う立軸ポンプにおいて、待機運転時（空転運転時）でも安定して回転軸（立軸）を支持可能な立軸ポンプ用軸受装置を提供する。【解決手段】回転軸表面を覆うスリーブと、前記スリーブから前記回転軸の径方向に第１の間隔を隔てて配置される軸受摺動部材と、前記軸受摺動部材の下部側に設けられ、前記スリーブから前記回転軸の径方向に第２の間隔を隔てて配置されるシールと、前記軸受摺動部材および前記シールを支持する軸受ハウジングと、を備える立軸ポンプ用軸受装置であって、前記シールは、前記回転軸の径方向において、前記スリーブと前記軸受ハウジングとの間に、内周側から外周側に向かって順に、シールリング、シール支持部材、ゴムを有することを特徴とする。【選択図】 図２

Description

本発明は、立軸ポンプの構造に係り、特に、無潤滑状態で待機運転を行う先行待機ポンプに適用して有効な技術に関する。

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。

この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、排水運転時における異物等を含む水潤滑摺動が、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。

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ことができる。

しかしながら、無潤滑摺動と耐摩耗性の両者を完全に両立させることは難しい。そのため、より運転条件の厳しい無潤滑摺動の対処に重点を置くことが多い。例えば無潤滑摺動では、発熱量の過大による軸受の焼損や、スリーブ及び軸受の熱膨張によってクリアランスが消失しスリーブと軸受が接触すること、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り、振動増加や軸受荷重が増加するなどの問題が挙げられる。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「異物侵入防止部材（シールリング）を金属ケースの内周側に焼き嵌め、金属ケースの軸方向両端面にＯリングを設けて弾性支持する軸受装置」が開示されている。（特許文献１の段落［００３６］−［００３７］参照）
上記特許文献１では、軸受摺動部材の下部に、軸受隙間よりも隙間が小さく、半径方向に微小に可動できるシールを設けている。これにより、軸受の摺動性を失うことなく、排水運転時に軸と軸受の隙間に侵入する異物を低減でき、スリーブや軸受摺動部材が摩耗により劣化する速度を遅らせることができる。

特開２００３−３４３４７４号公報

ところで、上記特許文献１に記載された構造の場合、シールリング（異物侵入防止部材）をゴム（Ｏリング）によって支持しているため、シールリング（異物侵入防止部材）の剛性が大き過ぎてしまい、軸がシールリングに接触したとしても半径方向に可動できず、シールリングやスリーブが損傷する可能性がある。

そこで、本発明の目的は、無潤滑状態で待機運転を行う立軸ポンプにおいて、待機運転時（空転運転時）でも安定して回転軸（立軸）を支持可能な立軸ポンプ用軸受装置とそれを用いた立軸ポンプを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、回転軸表面を覆うスリーブと、前記スリーブから前記回転軸の径方向に第１の間隔を隔てて配置される軸受摺動部材と、前記軸受摺動部材の下部側に設けられ、前記スリーブから前記回転軸の径方向に第２の間隔を隔てて配置されるシールと、前記軸受摺動部材および前記シールを支持する軸受ハウジングと、を備える立軸ポンプ用軸受装置であって、前記シールは、前記回転軸の径方向において、前記スリーブと前記軸受ハウジングとの間に、内周側から外周側に向かって順に、シールリング、シール支持部材、ゴムを有することを特徴とする。

また、本発明は、回転軸表面を覆うスリーブと、前記スリーブから前記回転軸の径方向に第１の間隔を隔てて配置される軸受摺動部材と、前記軸受摺動部材の下部側に設けられ、前記スリーブから前記回転軸の径方向に第２の間隔を隔てて配置されるシールと、前記軸受摺動部材および前記シールを支持する軸受ハウジングと、を備える立軸ポンプ用軸受装置であって、前記シールは、前記回転軸の径方向において、前記スリーブと前記軸受ハウジングとの間に、内周側から外周側に向かって順に、シールリング、シール支持部材、バネを有することを特徴とする。

また、本発明は、一端に羽根車が設けられ、他端に駆動モータが設けられた回転軸と、前記羽根車および前記回転軸を内包し、駆動時に流体の流路となるポンプケーシングと、前記回転軸を前記ポンプケーシングに回転可能に支持する軸受と、を有する立軸ポンプであって、前記軸受に、上記のいずれかの立軸ポンプ用軸受装置を用いることを特徴とする。

本発明によれば、無潤滑状態で待機運転を行う立軸ポンプにおいて、待機運転時（空転運転時）でも安定して回転軸（立軸）を支持可能な立軸ポンプ用軸受装置とそれを用いた立軸ポンプを実現することができる。

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。

本発明の一実施形態に係る立軸ポンプの全体概要を示す図である。 本発明の一実施形態に係る立軸ポンプの軸受部を示す縦断面図である。（実施例１） 本発明の一実施形態に係る立軸ポンプの軸受部を示す水平断面図である。 本発明の一実施形態に係る立軸ポンプの軸受部を示す縦断面図である。（実施例２） 本発明の一実施形態に係る立軸ポンプの軸受部を示す縦断面図である。（実施例３） 本発明の一実施形態に係る立軸ポンプの軸受部を示す縦断面図である。（実施例４） 本発明の一実施形態に係る立軸ポンプの軸受部を示す縦断面図である。（実施例５） 比較例の立軸ポンプの軸受部を示す縦断面図である。 図８の拡大図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１から図３および図８，図９を参照して、実施例１の立軸ポンプ用軸受装置とそれを用いた立軸ポンプについて説明する。図１は本発明の対象となる立軸ポンプの全体概要を示している。図２は本実施例の軸受構造を示す縦断面図である。図３は本実施例の立軸ポンプの軸受部の水平断面図であり、本図のＡ−Ａ’部断面が図２に相当する。図８は本発明を分かり易くするために示す代表的な立軸ポンプの軸受構造（比較例）を示す図であり、図９はその拡大図である。

先ず、図１を用いて本発明の対象となる立軸ポンプについて説明する。図１に示すように、立軸ポンプ１は、鉛直方向に延び回転する回転軸２の下端部に、羽根車３が固定されており、羽根車３の下方から羽根車３の外周部を覆い、さらに上方にまでポンプケーシング４が延びている。ポンプケーシング４は、羽根車３の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。

ポンプケーシング４の内部を貫通する回転軸２は、上下方向の複数個所（本実施例では５ａ，５ｂの２ヶ所）において、無注水軸受５（５ａ，５ｂ）によって回転可能に支持されている。図１の立軸ポンプ１では、羽根車３の近傍において、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（図１のハッチング部分）よりも下方であって、この立軸ポンプ１を駆動する駆動モータ６にカップリング７を介して接続される回転軸２の途中に、無注水軸受５ｂが設置されている。

すなわち、立軸ポンプ１は、一端に羽根車３が設けられ、他端に駆動モータ６が設けられた回転軸２と、羽根車３および回転軸２を内包し、立軸ポンプ１の駆動時に流体（水）の流路となるポンプケーシング４と、回転軸２をポンプケーシング４に回転可能に支持する軸受（無注水軸受５）を有している。

次に、図８および図９を用いて、本発明の比較例である代表的な立軸ポンプの軸受部について説明する。図８は図１の立軸ポンプ１が備える無注水軸受５（５ａ，５ｂ）の縦断面図を示しており、無注水軸受５ａ，５ｂ部の両方、もしくは少なくともいずれか一方が図８に示す構成を有している。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。また、軸受摺動部材９の下部には、同様にスリーブ８に対向して配置される、リング状のシール１１が設けられている。

次に、上記シール１１の詳細を、図９を用いて説明する。図９は図８のシール１１周辺の拡大図である。図９に示すように、シール１１は、スリーブ８に対向して配置されたシールリング１２と、このシールリング１２を保持するリング状のシール支持部材１３を備えており、シール支持部材１３の上面と下面が、リング状のゴム１４を介して、軸受ハウジング１０との間に間隙を有して支持されている。ゴム１４は、軸受ハウジング１０及びシール支持部材１３に設けられた溝１５ａに固定（嵌合）されており、軸受ハウジング１０及びシール支持部材１３の溝１５ａに対向する位置にはそれぞれ溝１５ｂが設けられている。なお、溝１５ｂはゴム１４の幅に比べて大きく加工されている。また、スリーブ８とシールリング１２の隙間（以降、「シール隙間」とも呼ぶ）は、スリーブ８と軸受摺動部材９の隙間（以降、「軸受隙間」とも呼ぶ）よりも小さくなっている。

立軸ポンプ１の下部から吸い上げられた雨水は、そのほとんどが軸受ハウジング１０の外側を通過して、揚水されるが、一部は上記のシール隙間および軸受隙間内に流れ込む。ゴム１４は、雨水がシール支持部材１３の上面と下面の隙間から侵入するのを防ぎ、内部に土砂などの異物が堆積するのを防止している。また、シール隙間が軸受隙間よりも小さいことにより、軸受隙間よりも大きな異物が隙間内に侵入するのを防止し、軸受摺動部材９が摩耗により劣化する速度を遅らせることができる。一方、シール隙間が軸受隙間よりも大きい場合、回転軸２は常に振動しているため、軸受隙間よりも大きい異物が隙間内に侵入する可能性があり、スリーブ８や軸受摺動部材９が摩耗もしくは損傷する恐れがある。

また、裏金（シール支持部材）１３と軸受ハウジング１０の間の隙間及び、溝１５ｂがゴム１４の幅に対して大きいことにより、シール１１は回転軸２の回転方向及び半径方向に、微小に可動することができるよう設計されている。これにより、スリーブ８がシールリング１２に接触したとしても、回転による軸の片当たりを許容でき、半径方向の移動により、荷重は軸受で負担できるという思想である。

しかしながら、このようなシールの支持方法では、ゴム１４の剛性が大き過ぎてしまい、スリーブ８がシールリング１２に接触したとしても、半径方向には可動できず、シールリング１２での荷重分担が大きくなる。そのため、その部分での発熱量が大きくなり、両者が損傷する可能性が高くなる。特に、立軸ポンプ１の待機運転時（空転運転時）には無潤滑摺動となるため、損傷のリスクは顕著となる。また、排水運転時にゴム１４の側面に掛かる水圧が大きく、ゴム１４が外れてしまうこともある。

そこで、本実施例の立軸ポンプでは、図２および図３に示す軸受装置（軸受構造）を設けている。上述した比較例（図９）においてシール支持部材１３の上面と下面に設けられていたゴム１４を、本実施例の軸受構造のシール１１では、図２，図３に示すように、シール支持部材１３の外周面（シール１１の径方向におけるシール支持部材１３の外周面側）に接するように設け、さらにゴム１４は、ゴム１４の外周面側（シール１１の径方向における軸受ハウジング１０の内周面側）に円周状に複数個設けられた、バネ１６により支持されている。

すなわち、本実施例の軸受装置（無注水軸受５）は、回転軸２の表面を覆うスリーブ８と、スリーブ８から回転軸２の径方向に一定の間隔（第１の間隔）を隔てて配置される軸受摺動部材９と、軸受摺動部材９の下部側に設けられ、スリーブ８から回転軸２の径方向に一定の間隔（第２の間隔）を隔てて配置されるシール１１と、軸受摺動部材９およびシール１１を支持する軸受ハウジング１０を備えている。そして、シール１１は、回転軸２の径方向において、スリーブ８と軸受ハウジング１０との間に、内周側から外周側に向かって順に、シールリング１２、シール支持部材（裏金）１３、ゴム１４、バネ１６を有している。

これにより、シール１１の剛性が低減するため、シール１１は半径方向に可動し易くなり、スリーブ８やシールリング１２の損傷を防止することができる。また、シール支持部材（裏金）１３と軸受ハウジング１０との間に間隙を設けないため、シール１１内に異物が侵入し難くなる。

また、ゴム１４に直接掛かる水圧はほとんどなくなるため、ゴム１４が外れるのを防止することができる。また、比較例（図９）のような溝１５ａ、１５ｂの加工が必要なくなり、加工コストを削減できる。

以上説明したように、本実施例の立軸ポンプ用軸受装置によれば、比較例（図９）に対して、シール１１のシール性能を向上することができる。また、シール性能を損なうことなく、シール１１の追従性を向上し、空転運転時でもシールリング１２やスリーブ８の損傷を防止することができる。

なお、本実施例では、シール支持部材（裏金）１３と軸受ハウジング１０との間に間隙を設けないため、シール支持部材１３には摺動性のよい樹脂などを用いるのが好適である。

また、スリーブ８とシール１１（シールリング１２）との間隔（第２の間隔）は、スリーブ８と軸受摺動部材９との間隔（第１の間隔）よりも狭くするのが望ましい。スリーブ８と軸受摺動部材９との間隔（第１の間隔）よりも大きな異物が隙間内に侵入するのを防止し、軸受摺動部材９が摩耗により劣化する速度を遅らせることができる。

また、本実施例においては、本発明の軸受装置（軸受構造）を立軸ポンプに適用する例を示したが、適用可能なポンプの種類はこれに限定されるものではなく、横軸ポンプにも適用することが可能であり、本実施例と同様の効果を得ることができる。

図４を参照して、実施例２の立軸ポンプ用軸受装置について説明する。図４は本実施例の軸受構造を示す縦断面図であり、実施例１の図２に相当する。実施例１（図２）においては、バネ１６をゴム１４の外周面に接触するよう設けているのに対し、本実施例のシール１１では、図４に示すように、バネ１６がゴム１４を貫通してシール支持部材１３に接触するように構成されている点において、実施例１（図２）のシール１１の構造とは異なっている。

すなわち、本実施例の軸受装置（無注水軸受５）は、径方向において、回転軸２（スリーブ８）と軸受ハウジング１０との間に、内周側から外周側に向かって順にシールリング１２、シールリング１２を支持するシール支持部材（裏金）１３、ゴム１４、バネ１６を備えており、バネ１６はゴム１４に設けられた貫通孔を貫通してシール支持部材１３と直接連結するように構成されている。シール１１を本実施例（図４）のように構成することで、実施例１（図２）よりもシール１１の剛性をさらに低減することができる。

なお、（回転軸２の回転軸方向において）シール支持部材１３と軸受ハウジング１０との隙間がほとんど無いため、異物はほぼ侵入することはないが、漏水の可能性が考えられるため、バネ１６は耐食性の高い金属材料を用いて形成するのがより望ましい。その他の構成及び効果は実施例１と同様である。

図５を参照して、実施例３の立軸ポンプ用軸受装置について説明する。図５は本実施例の軸受構造を示す縦断面図であり、実施例１の図２に相当する。実施例１（図２）においては、ゴム１４をシール支持部材（裏金）１３の外周面側に配置し、さらにバネ１６をゴム１４の外周面に接触するように設けているのに対し、本実施例のシール１１では、図５に示すように、バネ１６をシール支持部材（裏金）１３の外周面に直接接触するように設け、さらにゴム１４をシール支持部材１３の上面もしくは下面のいずれか一方のみに設けている点において、実施例１（図２）のシール１１の構造とは異なっている。

すなわち、本実施例の軸受装置（無注水軸受５）は、径方向において、回転軸２（スリーブ８）と軸受ハウジング１０との間に、内周側から外周側に向かって順にシールリング１２、シールリング１２を支持するシール支持部材（裏金）１３、バネ１６を備えており、シール支持部材（裏金）１３の上面もしくは下面（回転軸２の軸方向における上面もしくは下面）と軸受ハウジング１０との間にゴム１４が設けられている。

シール１１を本実施例（図５）のように構成することで、ゴム１４の接触面積が小さくなるため、実施例１よりもシールの剛性を低減でき、回転軸２の回転方向にも可動できるようになる。シールリング１２の幅は軸受摺動部材９の幅に比べて小さいため、回転方向の移動はあまり必要ないが、シールリング１２の幅が大きくなる場合には本実施例の構成は有利である。

なお、ゴム１４に掛かる水圧は比較例（図９）と同様になるため、ゴム１４がシール支持部材（裏金）１３の溝１５ａから外れるのを防ぐため、溝１５ａの深さはゴム１４の高さの１／２以上とするのが望ましい。その他の構成及び効果は実施例１と同様である。

図６を参照して、実施例４の立軸ポンプ用軸受装置について説明する。図６は本実施例の軸受構造を示す縦断面図であり、実施例１の図２に相当する。実施例１（図２）においては、バネ１６をゴム１４の外周面に接触するよう設けているのに対し、本実施例のシール１１では、図６に示すように、バネ１６を設けずに、シール支持部材（裏金）１３と軸受ハウジング１０の間の隙間を一体物のゴム１４で埋めるように構成している点において、実施例１（図２）のシール１１の構造とは異なっている。

すなわち、本実施例の軸受装置（無注水軸受５）は、径方向において、回転軸２（スリーブ８）と軸受ハウジング１０との間に、内周側から外周側に向かって順にシールリング１２、シールリング１２を支持するシール支持部材（裏金）１３、ゴム１４を備えており、ゴム１４はシール支持部材（裏金）１３と軸受ハウジング１０の間の隙間を埋めるように構成されている。シール１１を本実施例（図６）のように構成することで、実施例１（図２）よりもシール１１の剛性は高くなるものの、ゴム１４が外れる可能性がなくなり、無注水軸受５の信頼性を向上することができる。

図７を参照して、実施例５の立軸ポンプ用軸受装置について説明する。図７は本実施例の軸受構造を示す縦断面図であり、実施例２（図４）の変形例である。実施例２（図４）においては、バネ１６がゴム１４を貫通してシール支持部材１３に接触するように構成されているのに対し、本実施例のシール１１では、ゴム１４を設けずに、バネ１６が直接シール支持部材１３に接触するように構成されている点において、実施例２（図４）のシール１１の構造とは異なっている。

すなわち、本実施例の軸受装置（無注水軸受５）は、径方向において、回転軸２（スリーブ８）と軸受ハウジング１０との間に、内周側から外周側に向かって順にシールリング１２、シールリング１２を支持するシール支持部材（裏金）１３、バネ１６を備えており、バネ１６はシール支持部材１３と直接連結するように構成されている。シール１１を本実施例（図７）のように構成することで、シール１１（シール支持部材（裏金）１３）が径方向に対して摺動する際に、実施例２（図４）よりもシール１１の剛性をさらに低減することができる。

なお、本実施例においても、実施例２（図４）と同様に、バネ１６は耐食性の高い金属材料を用いて形成するのがより望ましい。その他の構成及び効果は実施例２と同様である。

以上説明した各実施例によれば、無潤滑状態で待機運転を行う立軸ポンプにおいて、待機運転時（空転運転時）でも安定して回転軸（立軸）を支持可能な立軸ポンプ用軸受装置とそれを用いた立軸ポンプを実現することができる。

なお、本発明は上記した実施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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各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。

１…立軸ポンプ、２…回転軸、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…シール、１２…シールリング、１３…シール支持部材（裏金）、１４…ゴム、１５ａ，１５ｂ…溝、１６…バネ。

Claims (8)

1. 回転軸表面を覆うスリーブと、
   前記スリーブから前記回転軸の径方向に第１の間隔を隔てて配置される軸受摺動部材と、
   前記軸受摺動部材の下部側に設けられ、前記スリーブから前記回転軸の径方向に第２の間隔を隔てて配置されるシールと、
   前記軸受摺動部材および前記シールを支持する軸受ハウジングと、を備える立軸ポンプ用軸受装置であって、
   前記シールは、前記回転軸の径方向において、前記スリーブと前記軸受ハウジングとの間に、内周側から外周側に向かって順に、シールリング、シール支持部材、ゴムを有することを特徴とする立軸ポンプ用軸受装置。
2. 請求項１に記載の立軸ポンプ用軸受装置であって、
   前記ゴムと前記軸受ハウジングとの間に、さらにバネを有することを特徴とする立軸ポンプ用軸受装置。
3. 請求項２に記載の立軸ポンプ用軸受装置であって、
   前記ゴムは、前記回転軸の径方向に貫通する貫通孔を有し、
   前記バネは、前記貫通孔を貫通して、前記シール支持部材に直接連結されることを特徴とする立軸ポンプ用軸受装置。
4. 請求項２に記載の立軸ポンプ用軸受装置であって、
   前記ゴムは、前記回転軸の軸方向において、前記シール支持部材の上面および下面のいずれか一方に配置されることを特徴とする立軸ポンプ用軸受装置。
5. 請求項１に記載の立軸ポンプ用軸受装置であって、
   前記ゴムは、前記シール支持部材と前記軸受ハウジングとの間の間隙を埋めるように配置されることを特徴とする立軸ポンプ用軸受装置。
6. 回転軸表面を覆うスリーブと、
   前記スリーブから前記回転軸の径方向に第１の間隔を隔てて配置される軸受摺動部材と、
   前記軸受摺動部材の下部側に設けられ、前記スリーブから前記回転軸の径方向に第２の間隔を隔てて配置されるシールと、
   前記軸受摺動部材および前記シールを支持する軸受ハウジングと、を備える立軸ポンプ用軸受装置であって、
   前記シールは、前記回転軸の径方向において、前記スリーブと前記軸受ハウジングとの間に、内周側から外周側に向かって順に、シールリング、シール支持部材、バネを有することを特徴とする立軸ポンプ用軸受装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の立軸ポンプ用軸受装置であって、
   前記第２の間隔は前記第１の間隔よりも狭いことを特徴とする立軸ポンプ用軸受装置。
8. 一端に羽根車が設けられ、他端に駆動モータが設けられた回転軸と、
   前記羽根車および前記回転軸を内包し、駆動時に流体の流路となるポンプケーシングと、
   前記回転軸を前記ポンプケーシングに回転可能に支持する軸受と、を有する立軸ポンプであって、
   前記軸受に、請求項１から７のいずれか１項に記載の立軸ポンプ用軸受装置を用いることを特徴とする立軸ポンプ。

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