JP2017180754A - 軸受組立体およびモータポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】回転側軸受の熱収縮が起こっても、回転側軸受が固定側軸受を強く締め付けることを防止することができる軸受組立体を提供する。
【解決手段】軸受組立体１０は、固定側軸受１２と、固定側軸受１２の周囲に配置される回転側軸受１１とを備える。回転側軸受１１は、互いに対面する第１の分割面２１および第２の分割面２２を有し、第１の分割面２１および第２の分割面２２は、回転側軸受１１の軸方向に延びており、第１の分割面２１と第２の分割面２２との間には、隙間２４が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、軸受組立体および該軸受組立体を備えたモータポンプに関するものである。

永久磁石が埋設された羽根車を、モータ固定子が発生する磁界により回転させるモータポンプが知られている。図５はモータポンプを示す断面図である。図５に示すように、モータポンプは、複数の永久磁石１０５が埋設された羽根車１０１と、これらの永久磁石１０５に作用する磁力を発生するモータ固定子１０６と、羽根車１０１を収容するポンプケーシング１０２と、モータ固定子１０６を収容するモータケーシング１０３と、羽根車１０１のラジアル荷重およびスラスト荷重を支持する軸受組立体１１０とを備えている。モータ固定子１０６および軸受組立体１１０は、羽根車１０１の吸込側に配置されている。

羽根車１０１は単一の軸受組立体１１０によって回転自在に支持されている。この軸受組立体１１０は流体の動圧を利用した滑り軸受（動圧軸受）である。この軸受組立体１１０は、互いに緩やかに係合する回転側軸受１１１と固定側軸受１１２の組み合わせから構成される。回転側軸受１１１は羽根車１０１に固定されており、固定側軸受１１２はモータケーシング１０３に固定されている。

羽根車１０１から吐き出された流体の一部は、羽根車１０１とモータケーシング１０３との間の微小な隙間を通って軸受組立体１１０に導かれる。回転側軸受１１１が羽根車１０１とともに回転すると、回転側軸受１１１と固定側軸受１１２との間に流体の動圧が発生し、これにより羽根車１０１が軸受組立体１１０によって非接触に支持される。

特開２００５−３２１０７３号公報 特開２０１１−１０６３２３号公報

回転側軸受１１１の線膨張率が固定側軸受１１２の線膨張率と大きく異なる場合、羽根車１０１の回転によって低温の流体が移送されると、回転側軸受１１１は、熱収縮により固定側軸受１１２に対して大きく変形することがある。回転側軸受１１１と固定側軸受１１２との間の隙間は小さいため、熱収縮により回転側軸受１１１の内径が小さくなると、回転側軸受１１１が固定側軸受１１２を強く締め付けることがある。すると、回転側軸受１１１が固定された羽根車１０１の回転が拘束されてしまい、結果的に、モータポンプの運転が停止してしまうおそれがある。

本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、回転側軸受の熱収縮が起こっても、回転側軸受が固定側軸受を強く締め付けることを防止することができる軸受組立体を提供することを目的とする。また、本発明は、このような軸受組立体を備えたモータポンプを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、固定側軸受と、前記固定側軸受の周囲に配置される回転側軸受とを備え、前記回転側軸受は、互いに対面する第１の分割面および第２の分割面を有し、前記第１の分割面および前記第２の分割面は、前記回転側軸受の軸方向に延びており、前記第１の分割面と前記第２の分割面との間には、隙間が形成されていることを特徴とする軸受組立体である。

本発明の好ましい態様は、前記回転側軸受は、前記固定側軸受の外周面に対向する内面と、該内面とは反対側の外面と、前記内面と前記外面との間に延びる側面とを有しており、前記側面には、前記内面から前記外面まで延びる複数の溝が形成されており、前記隙間は、前記複数の溝のうちの１つに形成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記回転側軸受の内径をＸ、前記固定側軸受の外径をＹ、前記隙間の大きさをＺとすると、前記隙間の大きさは、Ｚ＞π×（Ｙ−Ｘ）で表されることを特徴とする。

本発明の他の態様は、永久磁石が埋設された羽根車と、前記羽根車を収容するポンプケーシングと、複数の固定子コイルを有するモータ固定子と、前記モータ固定子を収容するモータケーシングと、前記羽根車を支持する上記軸受組立体とを備え、前記軸受組立体の回転側軸受は前記羽根車に固定されており、前記軸受組立体の固定側軸受は前記モータケーシングに固定されていることを特徴とするモータポンプである。

回転側軸受が温度の低い流体との接触により収縮すると、回転側軸受が固定側軸受に接触することがある。このとき、回転側軸受内に発生した応力は、第１の分割面と第２の分割面との間の隙間から逃げるので、回転側軸受が固定側軸受を強く締め付けることを回避することができる。

本発明の一実施形態に係るモータポンプを示す断面図である。 回転側軸受を軸方向から見た図である。 図２の矢印Ａで示す方向から見た図である。 固定側軸受の断面図である。 モータポンプを示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るモータポンプを示す断面図である。このモータポンプは、複数の永久磁石５が埋設された羽根車１と、これらの永久磁石５に作用する磁力を発生するモータ固定子６と、羽根車１を収容するポンプケーシング２と、モータ固定子６を収容するモータケーシング３と、羽根車１のラジアル荷重およびスラスト荷重を支持する軸受組立体１０とを備えている。モータ固定子６および軸受組立体１０は、羽根車１の吸込側に配置されている。本実施形態では、複数の永久磁石５が設けられているが、本発明は本実施形態に限定されず、複数の磁極が着磁された１つの永久磁石を用いてもよい。具体的には、Ｓ極とＮ極とが交互に着磁された、複数の磁極を有する１つの環状の永久磁石を用いてもよい。

本実施形態に係るモータポンプは、移送される流体の温度を調整する環境（例えば、半導体製造装置、加工機、空調装置が設置される環境）や、流体の温度を調整しない環境でも、流体の温度がモータポンプの運転に適する環境においても使用される。

ポンプケーシング２とモータケーシング３との間にはシール部材としてのＯリング９が設けられている。羽根車１とモータケーシング３とは微小な隙間を介して対向しており、羽根車１は、モータ固定子６により発生する回転磁界が永久磁石５に作用することによって回転する。羽根車１とモータケーシング３との隙間は、互いに接触しない程度でできるだけ小さいことが好ましく、具体的には、０．５ｍｍ〜１ｍｍの範囲内で隙間を形成することが好ましい。

羽根車１は単一の軸受組立体１０によって回転自在に支持されている。この軸受組立体１０は流体の動圧を利用した滑り軸受（動圧軸受）である。この軸受組立体１０は、互いに緩やかに係合する回転側軸受１１と固定側軸受１２の組み合わせから構成される。回転側軸受１１は、羽根車１に固定されており、羽根車１の流体入口を囲むように配置されている。固定側軸受１２は、モータケーシング３に固定されており、回転側軸受１１の吸込側に配置されている。この固定側軸受１２は、円筒状の円筒部１３と、円筒部１３から外側に突出するフランジ部１４とを有している。円筒部１３は回転側軸受１１の軸方向に延びている。円筒部１３およびフランジ部１４は一体的に構成されている。

円筒部１３は羽根車１のラジアル荷重を支持するラジアル面（外周面）１２ａを有しており、フランジ部１４は羽根車１のスラスト荷重を支持するスラスト面（側面）１２ｂを有している。ラジアル面１２ａは羽根車１の軸心と平行であり、スラスト面１２ｂは羽根車１の軸心に対して垂直である。回転側軸受１１は固定側軸受１２の円筒部１３の周囲に配置されている。

回転側軸受１１は、固定側軸受１２のラジアル面１２ａに対向する内面１１ａと、内面１１ａとは反対側の外面１１ｂと、内面１１ａと外面１１ｂとの間を延びる側面１１ｃとを有している。回転側軸受１１の側面１１ｃは、固定側軸受１２のスラスト面１２ｂに対向している。回転側軸受１１の内面１１ａとラジアル面１２ａとの間、および回転側軸受１１の側面１１ｃとスラスト面１２ｂとの間には微小な隙間が形成されている。回転側軸受１１の外面１１ｂと羽根車１との間にはシール部材としての２つのＯリング１８が配置されている。ただし、Ｏリング１８の数はこの実施形態に限定されない。

羽根車１から吐き出された流体の一部は、羽根車１とモータケーシング３との間の微小な隙間を通って軸受組立体１０に導かれる。回転側軸受１１が羽根車１とともに回転すると、回転側軸受１１と固定側軸受１２との間に流体の動圧が発生し、これにより羽根車１が軸受組立体１０によって非接触に支持される。固定側軸受１２は、直交するラジアル面１２ａおよびスラスト面１２ｂにより回転側軸受１１を支持しているので、羽根車１の傾動は軸受組立体１０により制限される。

軸受組立体１０は、セラミックまたは樹脂（好ましくは、エンジニアリングプラスチック）から構成されている。回転側軸受１１は、例えば、テフロン（登録商標）、カーボン、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＳＩＣ（炭化ケイ素）、または酸化アルミニウム（アルミナ）から構成されてもよい。固定側軸受１２は、例えば、ＳＩＣ（炭化ケイ素）、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ジルコニウム（ジルコニア）から構成されてもよい。特に、回転側軸受１１を樹脂や酸化アルミニウムから構成することにより、モータポンプを超純水の移送に使用することができる。

モータケーシング３には、吸込口１５ａを有する吸込ポート１５が連結されている。この吸込ポート１５はフランジ形状を有しており、図示しない吸込ラインに接続される。吸込ポート１５、モータケーシング３、および軸受組立体１０の中心部（より具体的には、固定側軸受１２）には、それぞれ流体流路１５ｂ，３ａ，１０ａが形成されている。これら流体流路１５ｂ，３ａ，１０ａは一列に連結され、吸込口１５ａから羽根車１の流体入口まで延びる１つの流体流路を構成する。流体流路１５ｂ，３ａ，１０ａは、羽根車１の流体入口に連通している。

ポンプケーシング２の側面には、吐出口１６ａを有する吐出ポート１６が設けられており、回転する羽根車１によって昇圧された流体は、吐出口１６ａを通って吐き出される。なお、本実施形態に係るモータポンプは、吸込口１５ａと吐出口１６ａが直交する、いわゆるエンドトップ型モータポンプである。

羽根車１は、滑りやすく、かつ摩耗しにくい非磁性材料から形成されている。例えば、テフロン（登録商標）やＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）などの樹脂や、セラミックが好適に使用される。ポンプケーシング２およびモータケーシング３も羽根車１と同じ材料から形成することができる。

モータ固定子６は、固定子コア６Ａと、複数の固定子コイル６Ｂとを有している。これら複数の固定子コイル６Ｂは環状に配列されている。羽根車１およびモータ固定子６は、軸受組立体１０および吸込口１５ａと同心状に配列されている。

固定子コイル６Ｂは、図示しないリード線を介して駆動回路に接続されている。この駆動回路は、スイッチング素子を用いて各固定子コイル６Ｂに供給する電流のタイミングを制御する機器である。より具体的には、駆動回路は、回転する永久磁石５の位置に基づいて各固定子コイル６Ｂに供給する電流のタイミングを制御する。永久磁石５の位置を検出する方法としては、ホール素子などの位置センサを用いる方法や、位置センサを用いずに固定子コイル６Ｂに発生する逆起電力を利用した方法などが挙げられる。本実施形態に係るモータポンプは、位置センサを用いたセンサ駆動方式または位置センサを用いないセンサレス駆動方式のいずれを採用してもよい。

上述した駆動回路は、永久磁石５の位置に基づいて固定子コイル６Ｂへの電流の通電を適宜切り替え、これによって永久磁石５、すなわち羽根車１が回転する。羽根車１が回転すると、流体は吸込口１５ａから羽根車１の流体入口に導入される。流体は羽根車１の回転によって昇圧され、吐出口１６ａから吐き出される。羽根車１が流体を移送している間、羽根車１の背面は昇圧された流体によって吸込側に（すなわち吸込口１５ａに向かって）押圧される。軸受組立体１０は、羽根車１の吸込側に配置されているので、羽根車１のスラスト荷重を吸込側から支持する。本実施形態に係る構成によれば、１つの軸受組立体１０により羽根車１のラジアル荷重およびスラスト荷重を非接触で支持することができるので、パーティクルを発生させることのないコンパクトなモータポンプを実現することができる。

図２は回転側軸受１１を軸方向から見た図である。図３は図２の矢印Ａで示す方向から見た図である。図２および図３に示すように、回転側軸受１１の一部は、完全に分断されている。すなわち、回転側軸受１１は、互いに離間した第１の分割面２１および第２の分割面２２を有しており、第１の分割面２１と第２の分割面２２との間には、隙間２４が形成されている。これら第１の分割面２１および第２の分割面２２は、互いに対面しており、回転側軸受１１の軸方向に延びている。

分割面２１，２２は、内面１１ａと外面１１ｂとの間に延びている。本実施形態では、分割面２１，２２は回転側軸受１１の軸方向に平行であるが、分割面２１，２２は回転側軸受１１の軸方向に対して傾斜してもよく、またはクランク状に屈曲するように延びてもよい。

回転側軸受１１の側面１１ｃには、動圧を発生させるための複数の溝２３が形成されている。これら複数の溝２３は放射状に延びており、回転側軸受１１の内面１１ａから外面１１ｂまで延びている。このような複数の溝２３を設けることにより、回転側軸受１１の側面１１ｃと固定側軸受１２のスラスト面１２ｂとの間に動圧を均一に発生することができる。回転側軸受１１の内面１１ａにも、内面１１ａと固定側軸受１２のラジアル面１２ａとの間に動圧を発生させるための複数の溝が形成されてもよい。

図３に示すように、回転側軸受１１の外面１１ｂには、２つのＯリング１８（図１参照）が配置される２つのリング溝１８ａが形成されている。なお、図３では、Ｏリング１８の図示は省略されている。分割面２１，２２はリング溝１８ａと直交している。

図２に示すように、隙間２４は複数の溝２３のうちの１つに形成されている。回転側軸受１１と固定側軸受１２との間に流体の動圧を均一に発生させるため、回転側軸受１１の側面１１ｃの周方向において、複数の溝２３は等間隔に配列されていることが好ましい。本実施形態では、隙間２４は複数の溝２３のうちの１つに形成されているため、流体の動圧を均一に発生させることができる。

隙間２４の大きさは、回転側軸受１１の内面１１ａの直径（以下、この直径を単に回転側軸受１１の内径と呼ぶことがある）および固定側軸受１２の円筒部１３の外周面の直径（以下、この直径を単に固定側軸受１２の外径と呼ぶことがある）に基づいて決定される。以下、隙間２４を決定する方法について説明する。

本実施形態に係るモータポンプは、幅広い範囲の温度（例えば、−４０℃〜２００℃）の流体を移送（または循環）する用途に使用される。流体との接触により、回転側軸受１１の熱変形が起こり、回転側軸受１１の内径は変化する。回転側軸受１１の内径は次の式で表される。
Ｘ＝ｄ×｛１＋（ｔｘ−ｔ）×α｝ （１）
ここで、ｔｘは流体の温度であり、Ｘは回転側軸受１１の温度がｔｘであるときの回転側軸受１１の内径であり、ｄは回転側軸受１１の温度がｔであるときの回転側軸受１１の内径であり、αは回転側軸受１１の線膨張率である。回転側軸受１１の内径Ｘは図２に示されている。

モータポンプの運転中、電流が固定子コイル６Ｂに供給されると、モータ固定子６は発熱する。モータ固定子６で発生した熱は、モータケーシング３を介して固定側軸受１２に伝達される。結果として、固定側軸受１２は熱変形し、固定側軸受１２の外径は変化する。固定側軸受１２の外径は次の式で表される。
Ｙ＝Ｄ×｛１＋（ｔｙ−ｔ）×β｝ （２）
ここで、ｔｙは固定子コイル６Ｂの上限温度であり、Ｙは固定側軸受１２の温度がｔｙであるときの固定側軸受１２の外径であり、Ｄは固定側軸受１２の温度がｔであるときの固定側軸受１２の外径であり、βは固定側軸受１２の線膨張率である。固定側軸受１２の外径Ｙは図４に示されている。

固定側軸受１２の外径が回転側軸受１１の内径よりも大きいとき、つまり、πＹ＞πＸであるとき、回転側軸受１１は固定側軸受１２を強く締め付ける。したがって、モータポンプの運転中において、回転側軸受１１の内径に隙間２４の大きさを加えた値が固定側軸受１２の外径よりも大きいとき、回転側軸受１１は固定側軸受１２を締め付けない。したがって、隙間２４の大きさＺは、次の式が成立するように決定される。
Ｚ＞π×（Ｙ−Ｘ） （３）

回転側軸受１１に隙間２４を形成する理由は以下の通りである。モータポンプの運転中、モータ固定子６は固定子コイル６Ｂに供給される電流によって発熱する。固定側軸受１２は、モータ固定子６から発生した熱を受け、固定側軸受１２の温度は上昇する。モータポンプの運転中、固定側軸受１２は流体に接触するが、固定側軸受１２の温度はモータ固定子６から伝達される熱に大きく依存するため、固定側軸受１２の熱変形はあまり起こらない。これに対し、回転側軸受１１は、モータケーシング３から離れているため、モータ固定子６の熱をほとんど受けず、その一方で、回転側軸受１１は羽根車１によって昇圧された流体に接触する。したがって、回転側軸受１１は流体の温度の影響を受け、モータポンプの運転中の回転側軸受１１の温度は、流体の温度に概ね等しくなる。このため、流体が低温であると、流体に接触する回転側軸受１１の熱収縮が起こる。

本実施形態では、回転側軸受１１の第１の分割面２１と第２の分割面２２との間には隙間２４が形成されている。したがって、回転側軸受１１の熱収縮が起こっても、回転側軸受１１内の応力は隙間２４から逃げるので、回転側軸受１１が固定側軸受１２を強く締め付けることが回避される。本実施形態によれば、流体の温度変化による回転側軸受１１の回転抵抗の変化を低減することができる。

本実施形態によれば、線膨張率の大きな材料を軸受に採用することができる。したがって、モータポンプによって移送される流体の温度範囲の拡大はもちろんのこと、様々な種類の流体をモータポンプによって移送することができる。さらに、本実施形態によれば、熱変形の比較的少ない固定側軸受１２には隙間を設けず、熱変形の比較的大きい回転側軸受１１に隙間２４を設けたので、回転側軸受１１の回転ぶれを低減することができる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 羽根車
２ ポンプケーシング
３ モータケーシング
５ 永久磁石
６ モータ固定子
９ Ｏリング
１０ 軸受組立体
１１ 回転側軸受
１１ａ 内面
１１ｂ 外面
１１ｃ 側面
１２ 固定側軸受
１２ａ ラジアル面（外周面）
１２ｂ スラスト面（側面）
１３ 円筒部
１４ フランジ部
１５ 吸込ポート
１６ 吐出ポート
１８ Ｏリング
１８ａ リング溝
２１ 第１の分割面
２２ 第２の分割面
２３ 溝
２４ 隙間

Claims (4)

1. 固定側軸受と、
   前記固定側軸受の周囲に配置される回転側軸受とを備え、
   前記回転側軸受は、互いに対面する第１の分割面および第２の分割面を有し、
   前記第１の分割面および前記第２の分割面は、前記回転側軸受の軸方向に延びており、
   前記第１の分割面と前記第２の分割面との間には、隙間が形成されていることを特徴とする軸受組立体。
2. 前記回転側軸受は、前記固定側軸受の外周面に対向する内面と、該内面とは反対側の外面と、前記内面と前記外面との間に延びる側面とを有しており、
   前記側面には、前記内面から前記外面まで延びる複数の溝が形成されており、
   前記隙間は、前記複数の溝のうちの１つに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸受組立体。
3. 前記回転側軸受の内径をＸ、前記固定側軸受の外径をＹ、前記隙間の大きさをＺとすると、前記隙間の大きさは、
   Ｚ＞π×（Ｙ−Ｘ）
   で表されることを特徴とする請求項１または２に記載の軸受組立体。
4. 永久磁石が埋設された羽根車と、
   前記羽根車を収容するポンプケーシングと、
   複数の固定子コイルを有するモータ固定子と、
   前記モータ固定子を収容するモータケーシングと、
   前記羽根車を支持する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の軸受組立体とを備え、
   前記軸受組立体の回転側軸受は前記羽根車に固定されており、
   前記軸受組立体の固定側軸受は前記モータケーシングに固定されていることを特徴とするモータポンプ。

Images