JPH0456891B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、水中ポンプや水中モータ等に使用さ
れる動圧効果を利用したスラスト軸受に関する。

（従来の技術） 従来の動圧効果を利用したスラスト軸受は、回
転軸を支持する固定支持面に、正回転時に動圧効
果を生じさせる方向の一方向のみにスパイラル溝
を切り、該固定支持面と回転軸側の圧力部材との
相対回転する二面間に流体を介在させ、上記スパ
イラル溝に回転軸の回転に伴い例えば外側から内
側に向けて加圧された動圧を発生させて軸推力を
支持させていた。（例えば特公昭41−12121号公報
参照） また上記のような動圧型スラスト軸受の代りに
用いられるテイルテイング型スラスト軸受は、第
５図に示すように、回転軸１と一体に回転する上
部支持体２にデイスク３を固定し、該デイスク３
に対向して、固定軸４に対して球面５で支持され
回転しないようにピン６に係合された下部支持体
７の上部に、パツド８を回転しないように取り付
けて構成され、これらデイスク３とパツド８の両
対向面によつて軸推力を支持させていた。

（発明が解鼓決しようとする問題点） 上記した従来のスパイラル溝付スラスト軸受を
水中ポンプや水中モータに取付けて駆動する際、
配線ミスのため羽根車軸を逆方向に回転させる場
合がある。このような場合には、通常、正回転時
に比べて逆回転時の負荷は小さいが、回転軸を支
持する固定支持面には正回転時に動圧効果を生じ
させる方向の一方向のみにスパイラル溝が切られ
ているので、逆回転時には動圧効果が全く生せ
ず、材料によつては焼付く可能性があるなどの欠
点があつた。

またテイルテイング型スラスト軸受を用いる場
合には、互いに摺動するデイスク３とパツド８の
両面に、使用中摩耗によりまた異物の侵入等によ
つて凹凸が生じると、該凹凸部に熱が発生し、こ
の熱による材料の凝着が行われるいわゆる凝着摩
耗が生じ易く、また比較的負荷容量は少なく、大
きな負荷特性を発揮させるために粘性の大きい潤
滑液が必要であり、この潤滑液のシールや冷却方
法または潤滑液の劣化などに問題があり、また温
泉、地熱水などの高温液体には使用できない等の
欠点があつた。

本発明は、流体摩擦を利用して損失動力を少く
すると共に、正回転のときばかりでなく、逆回転
させた場合でも、スラスト荷重が受けられること
を可能としたスラスト軸受を得ることを技術的課
題としている。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上記した従来技術の欠点を除去し、
技術的課題を解決するために、表面に、正転時に
動圧効果を生じさせる方向に形成されたスパイラ
ル溝を、また裏面には、逆回転時に動圧効果を生
じさせる方向に形成された表面より少ない数のス
パイラル溝をそれぞれ設けた硬質材料からなる中
間板を、相対回転する２個の対向する受板の間に
介在させたことを特徴としている。

（作用） 本発明は上記のように構成したことにより、回
転軸に荷重負荷をかけた状態で正方向に回転させ
ると、中間板の表面のスパイラル溝は、潤滑液を
周辺部より中心部へ向つて強制移動させるのに伴
い動圧を発生し、対向両面間に所要の厚さの液膜
が形成されて推力荷重を支える。他方、裏面のス
パイラル溝は、回転軸の回転につれて中間板も共
に回転しようとするのがその溝の向きが表面の溝
とは正面からみて逆方向に形成されているので動
圧効果が生ぜず、中心部より周辺部へ溝内の液が
排除されようとして両面間に吸引力が働くので、
該中間板は下部受板に完全に密着される。従つ
て、中間板をハウジング側の受板に接着剤等によ
つて接着する必要がない。

また始動時、配線等のミスで逆方向に回転させ
たときは、中間板の表側のスパイラル溝内の潤滑
液が周辺部へ排除されることになつて、上部受板
と中間板間に吸引力が働き、中間板は回転軸と一
体になつて回転するようになる。従つて動圧効果
は、該中間板の表面よりは数の少ない裏面のスパ
イラル溝と下部受部との間に形成されるのである
が、通常、逆回転時のスラスト荷重は正回転時の
スラスト荷重とは異なる場合が多く、また多くの
場合には、正回転時に比べて例えばポンプの場合
吐出圧が低いので羽根車に加わる水力荷重も少な
く、スラスト荷重即ち負荷が少ないので、中間板
の裏面に形成されるスパイラル溝の数は表面より
数が少くても、逆回転時のスラスト荷重を十分受
けることができる。

（実施例） 次に、本発明の実施例を図面と共に説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す縦断面図
で、回転軸１と一体に回転する上部支持体２に、
上部受板１２が充填材を介して固定され、また固
定軸４に球面５で支持され回転しないようにピン
６に係合された下部支持体７に、下部受板１３が
充填材を介して固定され、これら両受板１２と１
３の間に、表裏両面にそれぞれ正面から見て逆方
向の向きのスパイラル溝をそれぞれ形成した硬質
材料からなる中間板１０が挿入され、これらが、
内部に潤滑液の充満する軸受室１４に収納されて
いる。なお、図中、１５は中間板１０が半径方向
に移動しないための支持体を示す。

上記中間板１０は、第２図にその表面図が示さ
れているように、スパイラル溝１１（図で黒い部
分）、また第３図その裏面図が示されているよう
に、表面のスパイラル溝１１に比べて数の少ない
スパイラル溝１１ａが、それぞれ正面からみて互
いに向きを逆にして設けられており、表面のスパ
イラル溝１１の向きは、該スパイラル溝１１に接
して正回転する上部受板１２によつて流体が中間
板１０の周辺部より溝１１に沿つて中心凹部１１
ｃ（図の黒い部分で凹部を形成している）へ誘導
され、両板１０と１２の間で動圧効果を生じるよ
うな方向に形成されている。

そしてこの実施例では、中間板１０を構成する
硬質材としてセラツクス材例えば炭化珪素
（SiC）、窒化珪素（Si₃N₄）が使用され、また両
受板１２，１３には、アルミナセラミツクス及び
超硬合金、高鉛青銅、普通鋳鉄が使用される。な
お、このセラミツクス材は、耐食性に優れている
反面、加工性が悪いため、その表面に３〜50μm
（ミクロンメータ、１／1000mm）の極めて浅いス
パイラル状の溝加工を施すことは容易ではない
が、本発明では、所定形状のセラツクス製の被加
工材の表面を、所定形状のスパイラル状の樹脂マ
スクで遮蔽した上、微粉のアルミナ質研削材を上
記樹脂マスク上に噴射するシヨツトブラスト加工
法により、極めて短時間にスパイラル溝を形成す
る。上記のスパイラル状の樹脂マスクは、ポリエ
ステル系の液体感光性樹脂を紫外線で露光・硬化
させたもので、製作方法としては、先ず、スパイ
ラル状溝のネガフイルムを作成し、これをガラス
板上に置き、この上に透明のカバーフイルムを重
ね、感光性の有する液体樹脂を注加する。また、
この樹脂の上に、さらに、ベース・フイルムをロ
ールでラミネートする。

次に、紫外線ランプで数秒間露光させ、ネガフ
イルムを通して、露光した部分の樹脂は硬化し、
フイルムと同一形状のスパイラル溝形状をした樹
脂マスクが出来る。

本軸受に使用した樹脂マスクは、２層のベー
ス・フイルムと粘着性を有するスパイラル溝模様
を有する樹脂、及び保護用紙とからなつている。
シヨツト加工するときは保護用紙をとり、被加工
材表面に貼り付け、ベース・フイルムの一層をは
がした後行う。そしてここで使用されたセラツク
ス板は、２mmの厚さの常圧焼結製SiC（炭化珪
素）、Si₃N₄（窒化珪素）で、両面に10μmのスパ
イラル溝が前記シヨツトブラストを用いて加工さ
れている。

この実施例によれば、回転軸１に荷重負荷をか
けた状態で正方向（第２図で時計方向）に回転さ
せると、中間板１０の表面のスパイラル溝１１
は、潤滑液を周辺部より中心凹部１１ｃへ向つて
強制移動させるのに伴い動圧を発生し、上部受板
１２と中間板１０の対向両面間に所要の厚さの液
膜が形成されて推力荷重を支える。他方、裏面の
スパイラル溝１１ａは、回転軸１の回転につれて
中間板１０も共に回転しようとするが、その溝１
１ａの向きが表面の溝１１とは正面からみて逆方
向に形成されている（従つて透過してみたときは
同一の向きにみえる。）ので動圧効果が生ぜず、
中心凹部１１ｃより周辺部へ溝１１ａ内の液が排
除されようとして下部受板１３と中間板１０の両
面間に吸引力が働くので、該中間板１０は下部受
板１３に完全に密着される。従つて、中間板１０
をハウジング側の受板に接着する必要がなくなる
ので、接着による熱膨脹差による割れの心配もな
く、高温用軸受としても使用することができる。
また回り止めを必要とせず簡単な構造となる。

また始動時、配線等のスで逆方向に回転させた
ときは、中間板１０の表側のスパイラル溝１１内
の潤滑液が周辺部へ排除されることになつて、上
部受板１２と中間板１０間に吸引力が働き、中間
板１０は回転軸１と一体になつて回転するように
なる。従つて、動圧効果は、該中間板１０の裏面
のスパイラル溝１１ａと下部受板１３との間に形
成されるのであるが、通常、逆回転時には、正回
転時に比べて例えばポンプの場合吐出圧が低いの
で羽根車に加わる水力荷重も少なく、スラスト荷
重即ち負荷が少ないので、中間板の裏面に形成さ
れるスパイラル溝の数は表面より数が少くても、
逆回転時のスラスト荷重を十分受けることができ
る。

またこの実施例では、中間板１０を前記のよう
にセラツクス材で構成しているので、スパイラル
溝が３〜50μmの深さの溝で十分な軸受能力を発
揮することから、素材のセラツクスも経済的な肉
厚、例えばSiCでは１〜２mmの厚みでよく、しか
も前記のように、支持受板に対する吸引作用によ
つて金属材料等への接着の必要がないので、前記
のようにコスト的にも安価に製造でき、また接着
に伴う熱膨脹差による割れの心配もないので、高
温用としても都合がよい。また、潤滑液として水
のような粘性の小さい液を使用できるので、従来
のテイルテイング型スラスト軸受を用いる場合の
ような潤滑液のシールや冷却方法に問題がなく、
その劣化が生せず、耐荷重が大で信頼性に富み、
前記同様高温用にも適している。

第４図は、スラスト軸受試験装置の概要図であ
つて、供試軸受２１Ａ，２１Ｂの一方の軸受２１
Ａは、可変速モータ（10〜5000rpm）２４よりプ
ーリ２５を経て駆動される回転軸２３の端に取り
付けられ、他方の軸受２１Ｂは、油圧シリンダ
（〜5000Kgｆ）２８、ロードセル３０を経て推力
軸２７の端部に取付けられる。図中、２２は軸
受、２５はプーリ、２６はトルクメータ、２９は
油圧ポンプを示す。

本発明のスラスト軸受を、上記第４図のスラス
ト軸受試験装置で、部材２１Ａ，２１Ｂを両受板
としてその間に中間板を介在させてテストした。
回転数3000rpm（正回転及び逆回転）で、常温の
水道水中又は25〜75vol／vol％プロピレングリコ
ール水溶液中に没した環境下で正回転時における
スラスト荷重と逆回転時におけるスラスト荷重と
を変化させて試験をしたが、いづれの条件におい
ても極めて良好に回転した。そして、この時の表
面の溝本数は15本であり、裏面の溝本数は12本で
あつた。

なお、本発明における中間板の裏面のスパイラ
ル溝本数が表面のスパイラル溝の本数と異なるも
のであるから、正回転時と逆回転時におけるスラ
スト荷重が異なる場合において好適に対応でき
る。また、本発明における中間板裏面のスパイラ
ル溝は、表面のスパイラル溝より数を少なくする
のに伴いスパイラル溝幅を適宜広くするなど、溝
の形状を変えて逆回転時のスラスト荷重に見合つ
た動圧を生ぜしめるように適宜設計変更すること
は可能である。

また、本発明の推力軸受における中間板の材質
は前記実施例におけるセラミツクス材ばかりでな
く、タングステンカーバイドその他の硬質材料を
含むことは勿論である。またこの推力軸受は、水
中ポンプや水中モータばかりでなく、一般の推力
軸受としても使用できる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、表裏両
面に正面からみて互いに向きを逆にし且つ裏面に
は表面と数の異なる（特に少ない）スパイラル溝
をそれぞれ形成して動圧効果を生じさせるように
したセラミツクス材等の硬質材料からなる中間板
を、２個の対向受板の間に介在させるようにして
推力軸受を構成したために、推力軸の正転時ばか
りなく、逆回転時においても、動圧効果を利用し
て正転時に比べて少ないがスラスト荷重を受ける
ことができ、また正逆何れの回転時においても、
動圧効果を生じない側には吸引力が生じるため、
対向受板との間に強力な接着作用を生じる。

従つて、特に正回転時（正常回転時）、中間板
を該中間板を支持する金属板等への接着の必要が
なくなるので、接着による熱膨脹差による割れの
心配もなく、脆性的な材料、特に炭化珪素セラミ
ツクスを軸受材に使用することが可能となり、軸
受性能を向上させ、かつコスト的に安価に製造で
きる効果があるばかりでなく、従来のパツド型推
力軸受に比較して損失動力を１／５以下にするこ
とができる。

また本発明では、特に中間板の裏面に形成され
るスパイラル溝の数を表面の溝数より少くしてい
るので、通常正転時に比べて負荷の小さい逆転時
の軸推力を過不足なく有効に支持することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の推力軸受の一実施例を示す縦
断面図、第２図は本発明の推力軸受の一部を構成
する中間板の表面に形成されるスパイラル溝の一
実施例を示す正面図、第３図は同じく中間板の裏
面に形成されるスパイラル溝の一実施例を示す正
面図、第４図はスラスト軸受試験装置の概要図、
第５図は従来のテイルテイングパツド型軸受の縦
断面図である。 １…回転軸、１０…中間板、１１…中間板表面
のスパイラル溝、１１ａ…同裏面のスパイラル
溝、１２…上部受板、１３…下部受板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 表面に、正転時に動圧効果を生じさせる方向
   に形成されたスパイラル溝を、また裏面には、逆
   回転時に動圧効果を生じさせる方向に形成された
   スパイラル溝をそれぞれ設けた硬質材料からなる
   中間板を、一方が回転し他方が固定された対向す
   る２個の受板の間に介在させたスラスト軸受にお
   いて、上記中間板の裏面のスパイラル溝の数を表
   面のスパイラル溝よりも少なくしたことを特徴と
   するスラスト軸受。 ２ 硬質材料からなる中間板を、セラミツクス材
   で構成した特許請求の範囲第２項記載のスラスト
   軸受。