JP2014077475A - 軸受構造、および、水噴射式空気圧縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に加工でき、かつ、耐摩耗性に優れた軸受構造を、低コストで製造することができる。
【解決手段】軸受構造１２０は、回転軸（メインスクリューロータ１１６ａ、サブスクリューロータ１１６ｂ）に設けられ、樹脂が含浸されたカーボンで構成された回転側軸受面１２２ａと、ステンレス鋼で構成され、回転側軸受面１２２ａとの間に生じるすべり運動によって回転軸に作用する荷重を受ける固定側軸受面１２６ａを有する軸受部材（スラスト軸受１２６）と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体で潤滑される軸受構造、および、これを用いた水噴射式空気圧縮装置に関する。

スクリュー圧縮機、水中ポンプ等には、水を潤滑液として利用した水潤滑軸受が用いられている。従来、水潤滑軸受は、例えば、セラミックや、カーボン、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、フェノール樹脂で形成されている。

このような水潤滑軸受のうち、回転軸のスラスト荷重を受けるスラスト軸受において、すべり面に凹凸を形成することで、動圧効果を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

また、スラスト軸受構造として、例えば、特許文献２には、回転側部材、および、固定側部材のうちいずれか一方が、すべり面に窒化チタン膜が形成された金属基材であり、他方がすべり面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜が形成された金属基材である構成について記載されている。

特開平１１−３５１２４２号公報 特許第３９６３９９４号公報

しかし、セラミックやカーボンで形成された水潤滑軸受に、上記特許文献１に記載された凹凸加工を施すのは困難である。また、セラミックやカーボンで形成された水潤滑軸受は、耐摩耗性が十分でなく、相手側部材とのなじみがよくない。

また、樹脂で形成された水潤滑軸受は、特許文献１に記載された凹凸加工を施すのは容易であるが、強度が低く、ヤング率も低いため、変形しやすいという問題がある。また、樹脂は、水によって膨潤し、形状が変化してしまうこともある。

さらに、特許文献２に記載された水潤滑軸受は、耐摩耗性に優れているが、ＣＶＤ（化学蒸着）装置やスパッタリング装置といった大がかりな装置を用いなければ窒化チタンやＤＬＣを成膜することができず、軸受の製造コストが増大してしまうという問題がある。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、容易に加工でき、かつ、耐摩耗性に優れ、低コストで製造することが可能な軸受構造、および、これを用いた水噴射式空気圧縮装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の軸受構造は、回転軸に設けられ、樹脂が含浸されたカーボンで構成された回転側軸受面と、ステンレス鋼で構成され、前記回転側軸受面との間に生じるすべり運動によって前記回転軸に作用する荷重を受ける固定側軸受面を有する軸受部材と、を備えたことを特徴とする。

前記固定側軸受面は、前記回転軸に作用するスラスト荷重を受けるとしてもよい。

当該軸受構造の潤滑液として親水性の溶媒が用いられており、前記樹脂は、水酸基を有する樹脂であるとしてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の水噴射式空気圧縮装置は、筐体と、前記筐体内に設けられ、互いに螺接されて一体回転することで空気を圧縮する複数のスクリューロータと、前記スクリューロータに設けられ、樹脂が含浸されたカーボンで構成された回転側軸受面を有するスラストカラーと、前記筐体に固定され、ステンレス鋼で構成され、前記回転側軸受面との間に生じるすべり運動によって前記スクリューロータに作用するスラスト荷重を受ける固定側軸受面を有するスラスト軸受と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、容易に加工でき、かつ、耐摩耗性に優れ、低コストで軸受構造を製造することが可能となる。

水噴射式空気圧縮システムを説明するための図である。 水噴射式空気圧縮装置の構成を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（水噴射式空気圧縮システム１００）
図１は、水噴射式空気圧縮システム１００を説明するための図である。図１中、空気や水の流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。

水噴射式空気圧縮システム１００を構成する水噴射式空気圧縮装置１１０は、ファン付きモータ１３０によって、２つのスクリューロータが回転駆動され、当該２つのスクリューロータを回転させることで空気を圧縮する装置であり、水を潤滑液として利用している。

まず、水噴射式空気圧縮システム１００における空気の流れについて説明すると、図１に示すように、水噴射式空気圧縮装置１１０は、導入された空気を圧縮する。そして、圧縮された空気（以下、単に圧縮空気と称する）は、水とともに、圧縮空気ライン２００ａを介して、水タンク１４０に導入され、水タンク１４０において水が分離された後、圧縮空気ライン２００ｂを介して除湿器１６０に導入され、除湿器１６０でさらに水が取り除かれて、供給先に供給されることとなる。

次に、水の流れについて説明すると、給水源から水ライン２００ｃを介して水噴射式空気圧縮装置１１０に導入された水は、潤滑液として機能した後、圧縮空気とともに、圧縮空気ライン２００ａを介して、水タンク１４０に導入される。また水タンク１４０には、給水源から水ライン２００ｄを介して導入された水が貯留されており、水噴射式空気圧縮装置１１０から導入された水は、貯留された水と合流することとなる。そして、水タンク１４０に貯留された水は、水ライン２００ｅを介してクーラ１７０に導入された後、クーラ１７０において冷却され、水ライン２００ｆ、水フィルタ２０２ａを介して水噴射式空気圧縮装置１１０に再度導入されることとなる。つまり、水は、水噴射式空気圧縮装置１１０、水タンク１４０、クーラ１７０を循環することとなる。

続いて、水噴射式空気圧縮システム１００を構成するファン付きモータ１３０、水タンク１４０、制御部１５０、除湿器１６０、クーラ１７０、水噴射式空気圧縮装置１１０の具体的な構成について、この順に説明する。

ファン付きモータ１３０は、ファン１３２と、モータ側プーリ１３４と、モータ（駆動部）１３６とを含んで構成される。ファン１３２は、モータ１３６によって回転駆動され、クーラ１７０に対して送風を行う。モータ側プーリ１３４は、ファン１３２とともに、モータ１３６によって回転駆動される。モータ側プーリ１３４には、無端状のベルト１３８が張架されており、当該ベルト１３８は、さらに水噴射式空気圧縮装置１１０の圧縮側プーリ１１２に張架されている。

したがって、モータ１３６によってモータ側プーリ１３４が回転駆動されると、ベルト１３８を介して、圧縮側プーリ１１２が回転し、水噴射式空気圧縮装置１１０において空気が圧縮されることとなる。水噴射式空気圧縮装置１１０において圧縮された空気は、水噴射式空気圧縮装置１１０の潤滑液として機能する水とともに圧縮空気ライン２００ａを介して水タンク１４０の気液分離部１４２に導入される。

水タンク１４０は、水を貯留するタンクであって、上部空間には気液分離部１４２が設けられている。気液分離部１４２は、圧縮空気ライン２００ａを介して水噴射式空気圧縮装置１１０から導入された圧縮空気と水との混合物を気液分離する、すなわち圧縮空気から水を分離する。気液分離部１４２によって分離された水は、水タンク１４０内（水タンク１４０の下部）に貯留された水に合流される。

上述したように水タンク１４０には、圧縮空気（例えば、０．７ＭＰａ程度）が導入されるため、水タンク１４０内は常時加圧状態となっている。したがって、水タンク１４０に貯留された水は、水ライン２００ｅを通じてクーラ１７０に圧送されることとなる。

また、水タンク１４０には、水タンク１４０内に貯留された水の水位を検知する水位センサ１４４が設けられている。水位センサ１４４が検知した水位を示す水位信号は、制御部１５０に送信される。

制御部１５０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路により、水噴射式空気圧縮システム１００全体を管理および制御する。本実施形態において、制御部１５０は、給水源から導入される水の圧力を測定する圧力測定部２１０から送信された、測定した圧力を示す圧力信号、および、水位センサ１４４から送信された水位信号に基づいて、水ライン２００ｃに設けられた電磁弁２２０ａ、２２０ｂ、水ライン２００ｄに設けられた電磁弁２２０ｃ、水タンク１４０に接続された排水ライン２００ｇに設けられた電磁弁２２０ｄを制御する。

具体的に説明すると、制御部１５０は、水噴射式空気圧縮装置１１０の潤滑に十分な量であって、空気の圧縮の妨げにならない量の水が導入されるように、圧力信号に基づいて、電磁弁２２０ａ、２２０ｂの開度を調整する。また、制御部１５０は、水タンク１４０内の水位を予め定められた高さ（例えば、水タンク１４０の中間位置）に維持すべく、圧力信号および水位信号に基づいて、電磁弁２２０ｃ、２２０ｄの開度を調整する。

なお、水ライン２００ｄにおける電磁弁２２０ｃと水タンク１４０との間には逆止弁２３０ａが設けられており、水タンク１４０から水ライン２００ｄへの水の逆流を防止している。また、水ライン２００ｃにおける電磁弁２２０ａと水噴射式空気圧縮装置１１０との間には、逆止弁２３０ｂが設けられており、水噴射式空気圧縮装置１１０から水ライン２００ｃへの水の逆流を防止している。

除湿器１６０は、圧縮空気ライン２００ｂを介して、水タンク１４０に接続されており、水タンク１４０から導入された圧縮空気を水の飽和温度以下に冷却することで、圧縮空気に含まれる水（気体）を凝縮して、圧縮空気から水を分離する。そして、除湿器１６０によって水が除去された圧縮空気は、供給先へと供給され、分離された水は、ドレントラップ２０２ｂ、水ライン２００ｈを介して、圧縮空気とともに水噴射式空気圧縮装置１１０に導入される。なお、圧縮空気ライン２００ｂには逆止弁２３０ｃが設けられており、除湿器１６０から水タンク１４０への圧縮空気の逆流を防止している。

クーラ１７０は、水ライン２００ｅを介して水タンク１４０から供給された水を、ファン付きモータ１３０のファン１３２からの送風によって、外気温１０℃程度まで冷却する。クーラ１７０によって冷却された水は、水ライン２００ｆを介して、水噴射式空気圧縮装置１１０に導入される。

図２は、水噴射式空気圧縮装置１１０の構成を説明するための図である。図２に示すように、水噴射式空気圧縮装置１１０は、二軸スクリューコンプレッサであり、筐体１１４内にメインスクリューロータ１１６ａ（回転軸）と、サブスクリューロータ１１６ｂ（回転軸）とを有している。メインスクリューロータ１１６ａには、圧縮側プーリ１１２が連結されており、上述したように、ベルト１３８を介して、ファン付きモータ１３０のモータ１３６によって回転駆動される。

メインスクリューロータ１１６ａには、サブスクリューロータ１１６ｂが螺接されており、メインスクリューロータ１１６ａが回転することにより、サブスクリューロータ１１６ｂが一体回転することになる。なお、サブスクリューロータ１１６ｂは、メインスクリューロータ１１６ａの回転方向とは逆に回転する。

そして、不図示の空気導入口から空気が導入されると、領域Ｒに空気が導入され、領域Ｒに導入された空気は、メインスクリューロータ１１６ａ、サブスクリューロータ１１６ｂ間で圧縮され、筐体１１４に形成された吐出口１１４ａから送出される。吐出口１１４ａは、圧縮空気ライン２００ａに接続されており、吐出口１１４ａから送出された圧縮空気は、水タンク１４０へ導入されることとなる。

また、筐体１１４には、水ライン２２０ｈに接続された圧縮空気導入口１１４ｂが設けられており、圧縮空気導入口１１４ｂから筐体１１４内に圧縮空気が導入される。これにより、外部から筐体１１４内への汚染物の混入（コンタミネーション）を防止することができる。

また、筐体１１４には、水ライン２００ｃ、２００ｆに接続された水導入口１１４ｃが複数設けられており、水導入口１１４ｃから筐体１１４内に水が導入される。そして、導入された水は、後述するジャーナル軸受１１８とメインスクリューロータ１１６ａとのすべり面、ジャーナル軸受１１８とサブスクリューロータ１１６ｂとのすべり面、後述するスラストカラー１２２の回転側軸受面１２２ａとスラスト軸受１２６（軸受部材）の固定側軸受面１２６ａとの隙間に流入して潤滑液として機能する。また、導入された水は、圧縮された空気を冷却する機能を担い、圧縮効率を向上させる役割を果たしている。

メインスクリューロータ１１６ａ、サブスクリューロータ１１６ｂの外周面には、それぞれ２つのジャーナル軸受１１８が挿通されており、ジャーナル軸受１１８は、その内周面がすべり面となって、メインスクリューロータ１１６ａ、サブスクリューロータ１１６ｂのラジアル荷重を受けている。

また、水噴射式空気圧縮装置１１０には、軸受構造１２０が設けられている。軸受構造１２０は、メインスクリューロータ１１６ａ、サブスクリューロータ１１６ｂにそれぞれ設けられたスラストカラー１２２と、筐体１１４に設けられた２つのスラスト軸受１２６とを含んで構成され、２つのスラスト軸受１２６それぞれが、メインスクリューロータ１１６ａのスラスト荷重、サブスクリューロータ１１６ｂのスラスト荷重を受ける構成となっている。なお、メインスクリューロータ１１６ａのスラスト荷重を受ける軸受構造１２０と、サブスクリューロータ１１６ｂのスラスト荷重を受ける軸受構造１２０とは実質的に機能が等しいので、本実施形態では、メインスクリューロータ１１６ａのスラスト荷重を受ける軸受構造１２０について説明し、サブスクリューロータ１１６ｂのスラスト荷重を受ける軸受構造１２０についての説明を省略する。

スラストカラー１２２は、メインスクリューロータ１１６ａに固定されている。

スラスト軸受１２６は、挿通孔を有する環状部材であり、筐体１１４に固定されるとともに、挿通孔には、メインスクリューロータ１１６ａが挿通される。また、スラスト軸受１２６は、スラストカラー１２２の回転側軸受面１２２ａとの間に生じるすべり運動によってメインスクリューロータ１１６ａに作用するスラスト荷重を受ける固定側軸受面１２６ａを有する。

したがって、メインスクリューロータ１１６ａが回転すると、スラストカラー１２２と、スラスト軸受１２６とが相対回転するとともに、固定側軸受面１２６ａと回転側軸受面１２２ａとの間に生じるすべり運動によって、固定側軸受面１２６ａが、メインスクリューロータ１１６ａに作用する図２中右方向のスラスト荷重を受ける構成となっている。

また、メインスクリューロータ１１６ａの後端部、サブスクリューロータ１１６ｂの後端部には、板部材１２８がそれぞれ固定されている。板部材１２８の外径は、メインスクリューロータ１１６ａの後端部の外径、サブスクリューロータ１１６ｂの後端部の外径よりも大きく、板部材１２８における軸受面１２８ａがジャーナル軸受１１８のスラスト軸受面１１８ａに対向配置される。そして、板部材１２８の軸受面１２８ａと、ジャーナル軸受１１８のスラスト軸受面１１８ａとの間に生じるすべり運動によって、板部材１２８の軸受面１２８ａが、メインスクリューロータ１１６ａ、サブスクリューロータ１１６ｂに作用する図２中左方向のスラスト荷重を受ける構成となっている。

本実施形態において、スラスト軸受１２６における固定側軸受面１２６ａは、ステンレス鋼、例えば、ＳＵＳ６３０、ＳＵＳ４３１、チタン系合金で構成される。固定側軸受面１２６ａをステンレス鋼で構成することにより、固定側軸受面１２６ａを容易に加工することができる。例えば、固定側軸受面１２６ａに対して、バニシング加工を施したり、固定側軸受面１２６ａをテーパランド形状に加工したりすることができる。こうすることで、固定側軸受面１２６ａに水（潤滑液）を効率よく行き渡らせることが可能となる。

また、固定側軸受面１２６ａをステンレス鋼で構成することにより、耐腐食性および耐摩耗性を向上することができる。

また、本実施形態において、スラストカラー１２２における回転側軸受面１２２ａは、樹脂が含浸されたカーボンで構成される。これにより、回転側軸受面１２２ａをカーボン単体で構成する場合と比較して、耐摩耗性を向上させることができ、相手側部材（固定側軸受面１２６ａ、すなわち、ステンレス鋼）とのなじみ性を向上させることが可能となる。また、回転側軸受面１２２ａを樹脂単体で構成する場合と比較して、耐摩耗性を向上させることが可能となり、また、水による形状変化を殆どなくすことができる。

なお、ここでカーボンは黒鉛の焼成体である。また、樹脂は、水酸基を有する樹脂、例えば、フラン樹脂やフェノール樹脂である。このように、樹脂を、水酸基を有する樹脂、すなわち、水（潤滑液）と親和性が高い樹脂とすることで、回転側軸受面１２２ａと水とのなじみ性を向上させることができ、回転側軸受面１２２ａと固定側軸受面１２６ａとの間に水を満遍なく行き渡らせることが可能となる。

また、固定側軸受面１２６ａを構成するステンレス鋼や、回転側軸受面１２２ａを構成するカーボンおよび樹脂は、従来の窒化チタンやＤＬＣを成膜する場合と比較して、安価であるため、低コストで軸受構造１２０を製造することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、軸受構造の例として、回転軸（メインスクリューロータ１１６ａ、サブスクリューロータ１１６ｂ）のスラスト荷重を受けるスラスト軸受１２６を備えた軸受構造１２０を例に挙げて説明したが、固定側軸受面をステンレス鋼で構成し、回転側軸受面を樹脂が含浸されたカーボンで構成していれば、ラジアル荷重を受ける軸受構造であってもよい。例えば、スリーブ形状であり、回転軸が挿通されて当該回転軸に固定された回転側軸受面と、回転側軸受面と相対回転する固定側軸受面を有する軸受部材とを備えたジャーナル軸受構造にも本発明を適用することができる。

また、上述した実施形態において、潤滑液として水を例に挙げて説明したが、水に限らず、メタノール、エタノール等の低粘度の親水性の溶媒であればよい。また、潤滑液は親油性の溶媒であってもよく、この場合、親油性の官能基を有する樹脂を含浸したカーボンで構成される回転側軸受面を備えた軸受構造を用いるとよい。

また、上述した実施形態では、水噴射式空気圧縮装置１１０に用いられる軸受構造１２０について説明したが、水噴射式空気圧縮装置１１０に限らず、回転軸を有する他の装置の軸受構造にも本発明を適用することができる。

また、上述した実施形態では、２つのスクリューロータ（メインスクリューロータ１１６ａ、サブスクリューロータ１１６ｂ）を備えた水噴射式空気圧縮装置１１０について説明したが、スクリューロータの数は３以上であってもよい。

本発明は、液体で潤滑される軸受構造、および、これを用いた水噴射式空気圧縮装置に利用することができる。

１１０ …水噴射式空気圧縮装置
１１４ …筐体
１１６ａ …メインスクリューロータ（回転軸、スクリューロータ）
１１６ｂ …サブスクリューロータ（回転軸、スクリューロータ）
１２０ …軸受構造
１２２ …スラストカラー
１２２ａ …回転側軸受面
１２６ …スラスト軸受（軸受部材）
１２６ａ …固定側軸受面

Claims (4)

1. 回転軸に設けられ、樹脂が含浸されたカーボンで構成された回転側軸受面と、
   ステンレス鋼で構成され、前記回転側軸受面との間に生じるすべり運動によって前記回転軸に作用する荷重を受ける固定側軸受面を有する軸受部材と、
   を備えたことを特徴とする軸受構造。
2. 前記固定側軸受面は、前記回転軸に作用するスラスト荷重を受けることを特徴とする請求項１に記載の軸受構造。
3. 当該軸受構造の潤滑液として親水性の溶媒が用いられており、
   前記樹脂は、水酸基を有する樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載の軸受構造。
4. 筐体と、
   前記筐体内に設けられ、互いに螺接されて一体回転することで空気を圧縮する複数のスクリューロータと、
   前記スクリューロータに設けられ、樹脂が含浸されたカーボンで構成された回転側軸受面を有するスラストカラーと、
   前記筐体に固定され、ステンレス鋼で構成され、前記回転側軸受面との間に生じるすべり運動によって前記スクリューロータに作用するスラスト荷重を受ける固定側軸受面を有するスラスト軸受と、
   を備えたことを特徴とする水噴射式空気圧縮装置。

Images