特許 7490539 軸受部の封止構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-17

(45)【発行日】2024-05-27

(54)【発明の名称】軸受部の封止構造

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/3224 20160101AFI20240520BHJP

   F16J 15/16 20060101ALI20240520BHJP

   F16C 33/74 20060101ALI20240520BHJP

   F16J 15/3204 20160101ALI20240520BHJP

【ＦＩ】

F16J15/3224

F16J15/16 D

F16J15/16 B

F16C33/74 Z

F16J15/3204 201

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020189586

(22)【出願日】2020-11-13

(65)【公開番号】P2022078713

(43)【公開日】2022-05-25

【審査請求日】2023-09-13

(73)【特許権者】

【識別番号】391021226

【氏名又は名称】株式会社カーメイト

(74)【代理人】

【識別番号】100091306

【弁理士】

【氏名又は名称】村上 友一

(74)【代理人】

【識別番号】100174609

【弁理士】

【氏名又は名称】関 博

(72)【発明者】

【氏名】鬼沢 芳裕

(72)【発明者】

【氏名】須田 徹

(72)【発明者】

【氏名】神田 聡

【審査官】羽鳥 公一

(56)【参考文献】

【文献】実開平０４－１１３３２９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】国際公開第２０１１／１４５５７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０４－３４７０６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｃ ３３／７２－３３／８２

Ｆ１６Ｊ １５／１６－１５／３２９６

Ｆ１６Ｊ １５／４６－１５／５３

Ｈ０２Ｋ ５／００－５／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転機械の回転軸と、前記回転軸を貫通配置するケーシングにおける軸受部の封止構造であって、
内周部を前記回転軸に接触させると共に、円環を構成する一方の面を前記ケーシングに接触させる第１のＯリングと、
前記第１のＯリングの外周側において前記ケーシングと接触する第１接触部と、前記第１のＯリングにおける円環を構成する他方の面側で前記回転軸に接触する第２接触部と、前記第１接触部と前記第２接触部との間に配置される可撓部とを有するパッキンと、
前記第１接触部を前記ケーシングに押圧した状態で固定されるパッキンカバーと、を備え、
前記第１のＯリングの外周側には空隙が設けられると共に、前記可撓部が前記第１のＯリングにおける前記他方の面を押圧する構成としたことを特徴とする軸受部の封止構造。

【請求項2】

前記ケーシングにおける前記回転軸の貫通部には、凹部が設けられ、前記第１のＯリングにおける前記一方の面は、前記凹部の底面に接触することを特徴とする請求項１に記載の軸受部の封止構造。

【請求項3】

前記第１のＯリングにおける前記他方の面と前記パッキンにおける前記可撓部との間には、スペーサと第２のＯリングが配置され、
前記スペーサの一方の面は、前記第１のＯリングにおける前記他方の面に接触し、前記スペーサの他方の面は、前記第２のＯリングにおける一方の面と接触し、
前記第２のＯリングにおける他方の面は、前記パッキンにおける前記可撓部と接触し、前記第２のＯリングの外周側には空隙が設けられている構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載の軸受部の封止構造。

【請求項4】

前記パッキンにおける前記回転軸との接触部の厚みは、前記可撓部の厚みよりも薄いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の軸受部の封止構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転機械における軸受構造に係り、特に内部機構に気密性を要する回転機械に適用可能な軸受部の封止構造に関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に、水中や腐食雰囲気などの過酷環境中に配置される機器には、気密性が要求される。特に、外部に動力を伝達する回転軸などを有する機器の場合、内部機構の気密性を保ちつつ、動力伝達を確実に行うという事が課題とされることが多い。

【0003】

例えば水中で用いられるモータでは、特許文献１や２に開示されているような構造が知られている。特許文献１に開示されている構造は、駆動力を伝達するロータと、ロータを回転させるステータとを別室に配置することとし、ロータを過酷環境に配置した上で、ステータを配置した空間を密閉し、駆動制御機器を保護するという構造が採られている。ロータは、磁力を介して駆動制御されるため、このような構造を採用した場合、ステータ側の空間を完全に密閉する事が可能となり、耐圧性も高めることができる。

【0004】

また、特許文献２に開示されている構造は、ケーシングから突出する回転軸の軸受部分に複数層のパッキンを配置し、パッキン間に空間を設けるようにしている。パッキン間に設けられた空間には回転軸が挿通されると共に、グリスなどの疎水性流体が充填されている。このような構造とすることで、回転軸とパッキンとの間に隙間が生じた場合であっても、ケーシングの内部にまで水等が進入することを防ぐ事が可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１２－２０２３１６号公報

【文献】特開２０１９－２１８９８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に開示されているような構造の回転機械（モータ）であれば、ステータ等の制御機器を完全に密閉することができる。しかしながら、構造が複雑化するため、製造コストが高騰すると共に、ロータの回転軸のブレが大きくなりやすく、回転時に騒音が生じ易いなどの問題が残ることとなる。

【0007】

また、特許文献２に開示されているような構造の場合、パッキンや疎水性流体と回転軸との接触面を増やす事で止水性や気密性を高める事ができる一方で、摩擦抵抗が大きくなることとなる。このため、回転トルクの小さいモータなどを動力とする場合、所望する回転力を得る事ができなくなってしまう可能性がある。

【0008】

そこで本発明では、回転機械を簡易な構造とする事を可能とし、かつ回転軸に対する抵抗を小さくすると共に、気密性を保つ事のできる軸受部の封止構造を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するための本発明に係る軸受部の封止構造は、回転機械の回転軸と、前記回転軸を貫通配置するケーシングにおける軸受部の封止構造であって、内周部を前記回転軸に接触させると共に、円環を構成する一方の面を前記ケーシングに接触させる第１のＯリングと、前記第１のＯリングの外周側において前記ケーシングと接触する第１接触部と、前記第１のＯリングにおける円環を構成する他方の面側で前記回転軸に接触する第２接触部と、前記第１接触部と前記第２接触部との間に配置される可撓部とを有するパッキンと、前記第１接触部を前記ケーシングに押圧した状態で固定されるパッキンカバーと、を備え、前記第１のＯリングの外周側には空隙が設けられると共に、前記可撓部が前記第１のＯリングにおける前記他方の面を押圧する構成としたことを特徴とする。

【0010】

また、上記のような特徴を有する軸受部の封止構造では、前記ケーシングにおける前記回転軸の貫通部には、凹部が設けられ、前記第１のＯリングにおける前記一方の面は、前記凹部の底面に接触する構成とすることができる。このような特徴を有する事によれば、ケーシングから突出する封止構造部分の厚みを抑えることができる。

【0011】

また、上記のような特徴を有する軸受部の封止構造では、前記第１のＯリングにおける前記他方の面と前記パッキンにおける前記可撓部との間には、スペーサと第２のＯリングが配置され、前記スペーサの一方の面は、前記第１のＯリングにおける前記他方の面に接触し、前記スペーサの他方の面は、前記第２のＯリングにおける一方の面と接触し、前記第２のＯリングにおける他方の面は、前記パッキンにおける前記可撓部と接触し、前記第２のＯリングの外周側には空隙が設けられている構成とすることもできる。このような特徴を有する事によれば、封止部の数を増やすことができ、封止効果を高めることが可能となる。

【0012】

さらに、上記のような特徴を有する軸受部の封止構造では、前記パッキンにおける前記回転軸との接触部の厚みは、前記可撓部の厚みよりも薄くすることが望ましい。このような特徴を有する事によれば、回転軸とパッキンとの間に生じる摩擦抵抗の発生を抑制することが可能となる。

【発明の効果】

【0013】

上記のような特徴を有する軸受部の封止構造によれば、回転機械を簡易な構造とする事ができる。また、回転軸に対する抵抗を小さくすると共に、気密性を保つ事も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１実施形態に係る軸受部の封止構造を適用した回転機械の構成を示す分解斜視図である。

【図2】第１実施形態に係る軸受部の封止構造を適用した回転機械の側面構成を示す図である。

【図3】図２におけるＡ－Ａ断面を示す図である。

【図4】図３における封止構造部分の部分拡大図である。

【図5】回転軸とＯリング、及びパッキンの関係を説明するための図である。

【図6】第２実施形態に係る軸受部の封止構造を適用した回転機械の構成を示す分解斜視図である。

【図7】第２実施形態に係る軸受部の封止構造の構成を説明するための部分拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の軸受部の封止構造に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明に係る軸受部の封止構造は、種々の形態における回転機械の軸受部に適用することができる。以下の説明では回転機械として、取り扱い流体を二酸化塩素とする二酸化塩素発生器におけるファンを例に挙げて説明する。気体である二酸化塩素ガスは液体に比べて高い遮蔽性が求められると共に、水などの一般的な流体よりも腐食性が高い。また、水中に埋没される機器と異なり、気中で使用される機器では、静音性が求められ、高い出力のモータを採用する事が難しいなど、様々な課題がある。このため、二酸化塩素発生器のファンにおける軸受部の密閉性という課題を解決できる封止構造であれば、他の種々の形態への適用に際しても、適用時の課題を解決する事ができるものと考えられるからである。

【0016】

［第１実施形態：構成］
本実施形態に係る軸受部の封止構造（以下、単に封止構造と称する）を適用する回転機械１０には、モータ１２を含む電気ユニットを内包するケーシング１４により構成される密閉空間と、回転羽根１６などの動力伝達系統が配置される開放空間とが存在し、実施形態に係る封止構造は、両空間の境界部においてモータ１２の回転軸１２ａが突出する部位に適用される。

【0017】

本実施形態に係る封止構造は、Ｏリング２０（第１のＯリング）と、パッキン２２、及びパッキンカバー２４を備える事を基本として構成されている。Ｏリング２０は、平面視において円環状を成し、シール部の断面形状を円形とする一般的な形態のもので良い。Ｏリング２０は、内周部を回転軸１２ａに接触させると共に、円環状を成す一方の面をケーシング１４に接触させるように配置されている。

【0018】

Ｏリング２０のサイズは、内周部の直径が回転軸１２ａの直径よりも僅かに小さく、内周部に回転軸１２ａを挿通させた際、両者の間に隙間が生じないようなものを選択すると良い。回転軸１２ａの直径ＤとＯリング２０の内径（内周部の直径）ｄとの関係における最適値は、回転軸１２ａの太さや表面粗さ、Ｏリング２０の材質などによっても変わってくる（図５参照）。このため、選択材料に応じて密閉性と、回転軸１２ａが回転する際の抵抗値とのバランスを考慮して若干のマイナス公差となるように適宜選択する事が望ましい。

【0019】

ケーシング１４における回転軸１２ａを挿通させる貫通孔１４ａの外周部には、ボス１４ｂが設けられている。ボス１４ｂは平面視において円環状となるように構成されており、内周側にＯリング２０、外周側にパッキン２２がそれぞれ配置されている。ボス１４ｂの内周壁の直径は、Ｏリング２０の外周部の直径よりも大きく、Ｏリング２０の外周部との間に間隙が設けられるように構成されている。また、ボス１４ｂの外周壁は、詳細を後述するパッキン２２の位置決め手段としての役割を担うように、パッキン２２のサイズに合わせて構成されている。さらに、ボス１４ｂの高さは、Ｏリング２０の厚み（断面直径）よりも小さなものとする。詳細を後述するパッキン２２によるＯリング２０の押え代を確保するためである。

【0020】

パッキン２２は、Ｏリング２０とケーシング１４の一部を覆うにように配置されている。パッキン２２は、ケーシング１４の内部に流体（本実施形態においては二酸化塩素）が流入する事を防ぐ要素であり、平面視では全体として円環状を成すように構成されている。また、本実施形態に係るパッキン２２は、側面視において複数の段（図１、図３、図４、図５に示す例では３段）を成すように構成されている。このため、本実施形態に係るパッキン２２には、各段に内周部と外周部が構成されることとなる。本実施形態に係るパッキン２２は、ゴムやシリコン等の可撓性樹脂により構成されている。このため、無負荷時には所定の形状を維持しつつ、何等かの荷重が加えられた場合には、当該荷重の付加方向に沿って変形することを可能としている。

【0021】

３段構造としている本実施形態に係るパッキン２２では、ケーシング１４と接触する１段目２２ａ（第１接触部）を円環構造とし、２段目２２ｂと３段目２２ｃは、側壁部２２ｂ１，２２ｃ１と平面部２２ｂ２，２２ｃ２により、パッキン２２の内部に空隙を構成する構造とされている。具体的には、１段目２２ａの円環の内周部の上面に２段目２２ｂの側壁部２２ｂ１が形成され、側壁部２２ｂ１の上端近傍の内周側に平面部２２ｂ２が形成されている。

【0022】

ここで、２段目２２ｂの側壁部２２ｂ１は、パッキン２２をケーシング１４に組み付けた際、平面部２２ｂ２により上述したＯリング２０をケーシング１４に押し付けることができるように、その高さを定めると良い。また、平面部２２ｂ２は、その内周部と回転軸１２ａとの間に僅かに隙間が形成されるように構成されている。

【0023】

３段目２２ｃの側壁部２２ｃ１は、２段目２２ｂの平面部２２ｂ２の内周部から立ち上がるように形成されている。このため、側壁部２２ｃ１と回転軸１２ａとの間には、僅かな隙間が設けられることとなる。３段目２２ｃの平面部２２ｃ２は、側壁部２２ｃ１の上端から内周側に向けて形成され、回転軸１２ａを挿通させるための開口部２２ｄが形成されている。３段目２２ｃの平面部２２ｃ２の厚みは、２段目２２ｂの平面部２２ｂ２の厚みに対して同等以下の厚さとなるように構成されている。回転軸１２ａとの接触部（第２接触部）の厚みを薄くすることで、回転軸１２ａとの接触面の面積を減らす事ができ、回転軸１２ａが回転する際の抵抗を減らすことができるからである。なお、回転軸１２ａの直径Ｄと、平面部２２ｃ２の開口部２２ｄの直径ｄ１との関係は、回転軸１２ａの直径ＤとＯリング２０の内径ｄとの関係と同等とすれば良い。このような構成とすることで、接触部の密閉性の確保と、接触抵抗の低減の双方を両立させることができるからである。

【0024】

このような構成のパッキン２２では、１段目２２ａがケーシング１４との接触面を確保し、３段目２２ｃの平面部２２ｃ２に形成された開口部２２ｄが回転軸１２ａとの接触面を確保することで、パッキン２２に覆われる内部空間の遮蔽が成され、ケーシング１４に設けられた貫通孔１４ａを介した流体の侵入を防ぐことができる。

【0025】

また、実施形態に係るパッキン２２では、３段目２２ｃの平面部２２ｃ２の内周（開口部２２ｄ）のみを回転軸１２ａに接触させ、側壁部２２ｃ１と回転軸１２ａとの間には隙間を設けると共に、２段目２２ｂの平面部２２ｂ２も可撓性を持たせる構成としている。このため、回転軸１２ａにブレ（僅かな傾斜）が生じた際に、側壁部２２ｃ１が傾くこととなり、開口部２２ｄに大きな負荷がかからず、開口部２２ｄと回転軸１２ａとの間に隙間が生じ難い。よって、接触面積が小さくとも、高い密閉性を確保することができる。

【0026】

また、本実施形態では、パッキン２２の２段目２２ｂを構成する平面部２２ｂ２が、Ｏリング２０の他方の面との接触面を構成している。このため、詳細を後述するパッキンカバー２４によりパッキン２２がケーシング１４に押えつけられることで、パッキン２２がＯリング２０をケーシング１４に対して弾性的に押し付ける構造となる。

【0027】

パッキンカバー２４は、上述したパッキン２２の少なくとも一部をケーシング１４に押えつけて固定する役割を担う要素である。本実施形態では、パッキンカバー２４をケーシング１４に固定し、パッキン２２の１段目２２ａのみを押圧する構成としている。なお、パッキンカバー２４としては、１段目２２ａを押圧する部分のみがあれば足りるが、本実施形態では、パッキン２２の上部に回転軸１２ａ以外からの外力による変形が加えられないように、全体として凸状を成すカバーとしての形態を有するように構成している。このため、パッキンカバー２４の頂部には回転軸１２ａを挿通させるための貫通孔２４ａが設けられている。

【0028】

なお、ケーシング１４には必要に応じて、回転羽根１６等の動力伝達系統を覆うカバー１８を備えるようにしても良い。

【0029】

［作用・効果］
上記のような特徴を有する封止構造では、パッキン２２における回転軸１２ａとの接触面が、接触面の状態を維持したまま回転軸１２ａのブレ（僅かな傾倒）に追従することができる。また、実施形態に係る封止構造では、Ｏリング２０の外周部を固定しておらず、内周部を回転軸１２ａに接触させると共に、一方の面と他方の面をそれぞれケーシング１４とパッキン２２に接触させ、弾性的に押圧支持されることで位置決めが成されている。このため、回転軸１２ａにブレが生じた際には、Ｏリング２０全体が回転軸１２ａの傾倒に沿って移動することが可能となる。この時、Ｏリング２０の一方の面と他方の面は、弾性的に押圧支持されているため、ケーシング１４及びパッキン２２との接触状態が維持されることとなる。

【0030】

このような作用により、本実施形態に係る封止構造では、パッキン２２とＯリング２０の双方で、回転軸１２ａのブレに追従した接触面の維持が図られる。このため、各接触面の面積を大きくする事無く、封止効果を高め、二酸化塩素等の腐食性流体がケーシング１４の内部に侵入することを防ぐことができる。よって、静音性が高く、回転トルクの小さいモータ１２を採用した場合でも、封止構造がモータ１２の回転力を抑制してしまう虞が無い。

【0031】

また、上記のような特徴を有する封止構造では、回転機械を簡易な構造とする事ができるため、製造コストの高騰や、軸ブレ、部品間のガタに起因した騒音の発生も抑制することができる。

【0032】

なお、上記実施形態では、ケーシング１４にボス１４ｂを設け、このボス１４ｂの内周側にＯリング２０を配置する旨記載した。しかしながら、本実施形態に係る封止構造では、ボス１４ｂに替えて、あるいはボス１４ｂと共に、貫通孔１４ａの周囲に凹部を形成し、この凹部にＯリング２０を配置するようにしても良い。このような構成とする事によれば、ケーシング１４から突出する封止構造の厚みを抑えることが可能となる。

【0033】

また、Ｏリング２０と回転軸１２ａの接触面や、パッキン２２と回転軸１２ａの接触面、Ｏリング２０とケーシング１４の接触面、及びＯリング２０とパッキン２２の接触面には、シリコングリス等の疎水性潤滑剤を塗布するようにしても良い。接触面における抵抗の低減を図ることができるからである。

【0034】

［第２実施形態］
次に、図６を参照して、軸受部の封止構造に係る第２実施形態について説明する。なお、本実施形態に係る封止構造の殆どの構成は、上述した第１実施形態に係る封止構造と同様である。よって、その構成を同一とする箇所には図面に同一符号を付して詳細な説明は省略することとする。

【0035】

本実施形態に係る封止構造と、第１実施形態に係る封止構造との相違点は、Ｏリングの数と配置形態にある。具体的には、本実施形態では、Ｏリングを複数（具体的には２個）用いる構成としている。

【0036】

本実施形態では、ボス１４ｂの内側に位置するケーシング１４に凹部１４ｃを設け、この凹部１４ｃにＯリング２０（第１のＯリング）を配置する構成としている。このため、Ｏリング２０の一方の面は、凹部１４ｃの底面に接触することとなる。なお、Ｏリング２０の外周部と凹部１４ｃの内壁との間には空隙が設けられている。

【0037】

Ｏリング２０の他方の面とパッキン２２における２段目２２ｂの平面部２２ｂ２との間には、スペーサ２６とＯリング２８（第２のＯリング）が積層配置されている。ここで、スペーサ２６とは、回転軸１２ａを挿通させるための平板であれば良く、外径サイズをＯリング２０，２８と同等以上であって、凹部１４ｃの内壁未満となるように構成している。また、Ｏリング２０とＯリング２８のサイズは、同等のサイズとする。

【0038】

また、本実施形態に係る封止構造では、Ｏリング２８の他方の面がボス１４ｂの上面よりも高い位置に来るように、凹部１４ｃの深さやスペーサ２６の厚みを定めるようにする。Ｏリング２８の他方の面に、パッキン２２における２段目２２ｂの平面部２２ｂ２が接触することで、封止効果を得ることができるからである。なお、その他の構成については、上述した第１実施形態に係る封止構造と同様である。

【0039】

［作用・効果］
このような構成の封止部では、回転軸１２ａに対してパッキン２２と２つのＯリング２０，２８が接触面を有することとなる。また、パッキン２２はケーシング１４と、Ｏリング２０はケーシング１４及びスペーサ２６と、Ｏリング２８はスペーサ２６及びパッキン２２とそれぞれ接触部が設けられる事により、外部空間との封止効果を得る事ができる。

【0040】

また、２つのＯリング２０，２８（第１のＯリングと第２のＯリング）の間にスペーサ２６を配置し、双方のＯリング２０，２８との間に接触部を持たせるようにした事により、Ｏリング２０とＯリング２８との間にズレ（積層方向と直交する方向のズレ）が生じた場合であっても、隙間が生じない。このため、封止効果が低下するといった事態が生じない。２つのＯリングを単純に重ねた場合、両者は実質的に円形の線接触となる。このため、積層方向と直交する方向にズレが生じた場合には、２つのＯリングの接触面（線）の間に隙間が生じてしまうのである。このため、両者の間にスペーサ２６を配置することで、ズレによる隙間の発生を防ぐことが可能となるのである。

【0041】

また、本実施形態の説明では、ケーシング１４に凹部１４ｃを設ける構成としているが、第１実施形態と同様に、フラットなケーシング１４にＯリング２０を配置し、その上にスペーサ２６とＯリング２８を積層配置した上で、パッキン２２によりＯリング２８の抑え込みを行うようにしても良い。回転軸１２ａに対して３箇所の封止面を設けるようにする事に変わり無いからである。なお、その他の作用、効果については、上述した第１実施形態に係る封止構造と同様である。

【産業上の利用可能性】

【0042】

上記実施形態では、扱う流体を二酸化塩素としているが、本発明に係る軸受部の封止構造は、液体を含む種々の流体中で使用する回転機械に適用することができる。

【符号の説明】

【0043】

１０………回転機械、１２………モータ、１２ａ………回転軸、１４………ケーシング、１４ａ………貫通孔、１４ｂ………ボス、１４ｃ………凹部、１６………回転羽根、１８………カバー、２０………Ｏリング、２２………パッキン、２２ａ………１段目、２２ｂ………２段目、２２ｂ１………側壁部、２２ｂ２………平面部、２２ｃ………３段目、２２ｃ１………側壁部、２２ｃ２………平面部、２２ｄ………開口部、２４………パッキンカバー、２４ａ………貫通孔、２６………スペーサ、２８………Ｏリング。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】