(57)【要約】【課題】軸受を冷却する際の温度上昇によって気化した周囲流体を液化する。【解決手段】軸受１２は、内輪１５と、外輪１６と、内輪１５と外輪１６との間に介在する複数の転動体１７と、転動体１７を保持する保持器１８とを備え、極低温の周囲流体を内部に通過させて冷却を行う。軸受１２は、周囲流体の流動方向における上流側に位置し、周囲流体を内部に導入する流入口２０と、流入口２０の下流側に位置し、内部に流入した周囲流体を下流側に排出する流出口２１とを備える。保持器１８は、流入口２０と転動体１７との間に配される本体部１８ａと、転動体１７を保持するとともに下流側に開放されるポケット１８ｂと、を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介在する複数の転動体と、前記転動体を保持する保持器とを備え、極低温の周囲流体を通過させて内部を冷却する軸受において、
前記周囲流体の流動方向における上流側に位置し、前記周囲流体を前記内輪と前記外輪との間の内部に導入する流入口と、前記流入口の下流側に位置し、前記内部に流入した前記周囲流体を下流側に排出する流出口とを備え、
前記保持器は、前記流入口と前記転動体との間に配置される本体部と、前記転動体を保持するとともに下流側に開放されるポケットと、を備えることを特徴とする軸受。
【請求項２】
前記保持器の位置を規制する環状体を前記保持器の上流側に備える請求項１に記載の軸受。
【請求項３】
前記流出口は、前記周囲流体を排出する開口を有しており、前記外輪又は前記内輪は、前記開口の面積を拡大するテーパ面を下流側端部に備える請求項１又は２に記載の軸受。
【請求項４】
ロケットエンジンのターボポンプに使用される請求項１から３のいずれか一項に記載の軸受。
【請求項５】
複数の軸受を備えるとともに、極低温の周囲流体が前記複数の軸受の内部を通過することにより前記軸受を冷却する軸受ユニットにおいて、
前記複数の軸受は、前記周囲流体の流動方向における上流側に配される第一軸受と、前記第一軸受よりも下流側に配される第二軸受とを含み、
前記第二軸受は、請求項１から４のいずれか一項に記載の軸受であることを特徴とする軸受ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばロケットエンジンのターボポンプに使用される軸受及び軸受ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロケットエンジンでは、極低温の推進剤（液体水素又は液体酸素）を燃焼室に供給するためにターボポンプが使用される。特許文献１に開示されるように、ターボポンプは、液体を圧送するインペラと、翼列が設けられたタービンディスクとを連結するシャフトを備える。シャフトは、複数の軸受（例えばアンギュラ玉軸受）により支持される。
【０００３】
ロケットエンジンのターボポンプでは、ポンプ入口から吸い込んだ推進剤をインペラによってスクロール流路から燃焼室へと圧送する。この際、ターボポンプは、推進剤の一部を分流して軸受の冷却に使用する。分流された推進剤は、複数の軸受における前列（インペラ寄り）の第一軸受の内部を通過し、その後、後列（タービンディスク寄り）の第二軸受の内部を通過する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−４１９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、従来のターボポンプにおける軸受の冷却では、推進剤が第一軸受を通過した後に第二軸受を通過する。この場合、推進剤は、第一軸受を通過することで温度が上昇し、その一部が気化することになる。したがって、この推進剤が第二軸受の内部を通過する場合に、第一軸受の場合と比較して冷却効果が低下するという問題があった。
【０００６】
本発明は上記の事情に鑑みて為されたものであり、軸受を冷却する際の温度上昇によって気化した周囲流体を液化することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するためのものであり、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介在する複数の転動体と、前記転動体を保持する保持器とを備え、極低温の周囲流体を通過させて内部を冷却する軸受において、前記周囲流体の流動方向における上流側に位置し、前記周囲流体を前記内輪と前記外輪との間の内部に導入する流入口と、前記流入口の下流側に位置し、前記内部に流入した前記周囲流体を下流側に排出する流出口とを備え、前記保持器は、前記流入口と前記転動体との間に配置される本体部と、前記転動体を保持するとともに下流側に開放されるポケットと、を備えることを特徴とする。
【０００８】
流入口から導入された極低温の周囲流体は、軸受の内部を冷却する際に温度が上昇し、その一部が気化することとなる。上記のように、保持器の本体部が軸受の内部における上流側（流入口と転動体との間）に配置され、かつ保持器のポケットが下流側に開放状に構成されることから、軸受の内部における下流側の領域には保持器が存在していない。このため、軸受の内部では、下流側の領域の流路面積が上流側の領域よりも大きくなる。したがって、流入口から内部に流入した周囲流体の流速は、軸受の内部における下流側で低下する（質量保存の法則）。この流速の低下により、軸受の内部における周囲流体の圧力が増加する（ベルヌーイの定理）。このように、軸受の内部における下流側の領域において、周囲流体の圧力を増加させることで、気液混合状態となった周囲流体に含まれる気体を液化させることができる。このように軸受の内部において周囲流体に含まれる気体を液化させることで、焼付きを防止するとともにその冷却を効率良く行うことができる。
【０００９】
上記構成の軸受ユニットは、前記保持器の位置を規制する環状体を前記保持器の上流側に備えることが望ましい。この環状体により、保持器は軸受の内部から外れずに適正な位置で転動体を保持できる。
【００１０】
前記流出口は、前記周囲流体を排出する開口を有しており、前記外輪又は前記内輪は、前記開口の面積を拡大するテーパ面を下流側端部に備えることが望ましい。これにより、軸受の内部において、転動体の下流側の流路を拡大させ、流出口の開口面積を最大化できる。これにより、軸受の冷却によって気化した周囲流体を効果的に液化させることが可能になる。
【００１１】
本発明に係る軸受は各種の宇宙航空機器に組み込まれるが、特にロケットエンジンのターボポンプに対して好適に使用され得る。
【００１２】
また、本発明は、複数の軸受を備えるとともに、極低温の周囲流体が前記複数の軸受の内部を通過することにより前記軸受を冷却する軸受ユニットにおいて、前記複数の軸受は、前記周囲流体の流動方向における上流側に配される第一軸受と、前記第一軸受よりも下流側に配される第二軸受とを含み、前記第二軸受は、上記いずれかの構成の軸受であることを特徴とする。
【００１３】
上記構成の軸受ユニットでは、極低温の周囲流体によって第一軸受を冷却した後に、当該周囲流体によって第二軸受を冷却する。周囲流体は、第一軸受の冷却の際に、その温度上昇によって一部が気化し、気液混合流体となるが、第二軸受は、上述のように、その内部において気化した周囲流体を液化させることが可能である。これにより、軸受ユニットは、第二軸受の焼付きを防止するとともにその冷却を効率良く行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、軸受を冷却する際の温度上昇によって気化した周囲流体を液化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第一実施形態の軸受ユニットを含むターボポンプの断面図である。
【図２】軸受ユニットの断面図である。
【図３】第二軸受の断面図である。
【図４】第二軸受に係る保持器の斜視図である。
【図５】第二軸受に係る保持器の断面図である。
【図６】第二実施形態の軸受ユニットを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。図１乃至図５は、本発明に係る軸受ユニット及びターボポンプの第一実施形態を示す。
【００１７】
本実施形態に係るターボポンプは、極低温の推進剤をロケットエンジンにおける燃焼室に圧送する。推進剤としては、燃料としての液体水素（沸点：−２５３℃）と、酸化剤としての液体酸素（沸点：−１８３℃）とが使用される。ロケットエンジンは、液体水素用と液体酸素用のターボポンプを個別に備える。なお、「極低温」とは、凡そ１Ｋ〜１００Ｋの温度領域をいう。
【００１８】
図１に示すように、ターボポンプ１は、シャフト２と、シャフト２を収容するケーシング３と、シャフト２を支持する軸受ユニット４と、を備える。
【００１９】
シャフト２は、極低温に対する疲労強度の高いニッケル基の超合金、例えばインコネル（登録商標）により構成される。シャフト２は、一端部にインデューサ５及びインペラ６を備え、他端部にタービンディスク７を備える。なお、以下の説明では、各構成要素の位置関係を説明するために、インデューサ５及びインペラ６側を「上流側」といい、タービンディスク７側を「下流側」という。
【００２０】
インデューサ５は、軸流型の羽根車であって、タービンディスク７、インペラ６とともにシャフト２の同軸上で連結される。インデューサ５は、シャフト２とともに回転し、推進剤をインペラ６へと送る。なお、インデューサ５の上流側には、推進剤を貯留するタンク（液体水素用タンク、液体酸素用タンク）が設けられており、推進剤は、タンクからインデューサ５に供給される。
【００２１】
インペラ６は、ケーシング３内での回転により、インデューサ５を介して吸い込んだ推進剤を遠心力で加圧する遠心ポンプである。インペラ６は、インデューサ５から送られる推進剤を加圧し、ロケットエンジンの燃焼室へと送り、一部の推進剤を軸受ユニット４へと送る。
【００２２】
タービンディスク７は、ケーシング３内に導入されるガス（水素ガス）によって駆動される。このタービンディスク７によってシャフト２を回転駆動することで、インデューサ５及びインペラ６が推進剤を圧送する。
【００２３】
ケーシング３は、インデューサ５及びインペラ６を収容する第一の空間３ａと、軸受ユニット４を収容する第二の空間３ｂと、タービンディスク７を収容する第三の空間３ｃとを備える。
【００２４】
第一の空間３ａは、推進剤の吸込部８ａと、吐出部８ｂと、推進剤を分流して第二の空間３ｂへと送る供給路９とを備える。推進剤は吸込部８ａから第一の空間３ａ内に導入され、インペラ６によって吐出部８ｂから燃焼室へと送られる。供給路９は、ケーシング３の一部と、インペラ６の下流側シュラウド６ａとの間に形成される。第一の空間３ａは、この供給路９を介して第二の空間３ｂと連通する。
【００２５】
第二の空間３ｂは、第一の空間３ａの下流側に設けられる。第二の空間３ｂは、ケーシング３の一部と、シャフト２の外周面との間に形成される。第三の空間３ｃは、第二の空間３ｂの下流側に設けられる。第三の空間３ｃは、タービンディスク７を収容するとともに、当該タービンディスク７を駆動するガス（水素ガス）を導入及び排出するように、例えばマニホールドケーシングにて構成される。
【００２６】
第二の空間３ｂと第三の空間３ｃとは、メカニカルシール、クリアランスシール等からなるシール部１０により区分される。この構成により、第二の空間３ｂを流動する推進剤が第三の空間３ｃに漏出することが防止される。
【００２７】
軸受ユニット４は、第二の空間３ｂに設けられる。軸受ユニット４は、前列（上流側）の第一軸受１１と、この第一軸受１１から軸方向に離間して下流側に配置される後列の第二軸受１２と、第一軸受１１及び第二軸受１２の位置決めを行う内輪間座１３及び外輪間座１４とを備える。
【００２８】
図２及び図３に示すように、各軸受１１，１２は、例えばアンギュラ玉軸受により構成される。各軸受１１，１２は、シャフト２に固定される内輪１５と、ケーシング３に固定される外輪１６と、内輪１５と外輪１６との間に配される複数の転動体１７と、各転動体１７を周方向に一定の間隔で保持する保持器１８と、を備える。また、第二軸受１２は、保持器１８の位置規制を行う規制部材１９をさらに備える。各軸受１１，１２では、内輪１５及び外輪１６と、転動体１７とが所定の接触角を有して接触しており、ラジアル荷重と一方向のアキシアル荷重を負荷することができる。なお、以下の説明では、各内輪１５及び外輪１６の幅方向端部を、推進剤の流動方向に対応させて、上流側端部１５Ａ，１６Ａ、下流側端部１５Ｂ，１６Ｂとして説明する。
【００２９】
各軸受１１，１２における内輪１５及び外輪１６は金属、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃなど）にて環状に形成される。
【００３０】
各軸受１１，１２における内輪１５は、肩部１５ａと、軌道面１５ｂと、当該軌道面１５ｂを挟んで肩部１５ａの反対側に設けられるカウンタボア１５ｃ（肩落とし部）とを有する。図２に示すように、第一軸受１１に係る内輪１５では、カウンタボア１５ｃが上流側に配され、肩部１５ａが下流側に配される。第一軸受１１に係る内輪１５のカウンタボア１５ｃは、上流に向かうにつれて縮径するテーパ面を有する。第二軸受１２に係る内輪１５では、肩部１５ａが上流側に配され、カウンタボア１５ｃが下流側に配される。第二軸受１２に係るカウンタボア１５ｃは、下流に向かうにつれて縮径するテーパ面を有する。
【００３１】
各軸受１１，１２における外輪１６は、一対の肩部１６ａと、肩部１６ａの間に形成される軌道面１６ｂとを有する。第二軸受１２の外輪１６は、肩部１６ａ及び軌道面１６ｂの他、最も下流側の位置にテーパ面１６ｃを有する。テーパ面１６ｃは、下流に向かうにつれて拡径するように形成される。テーパ面１６ｃは、外輪１６の下流側端部１６Ｂの内周面側に形成される面取り面である。本実施形態では、Ｃ面取りによるテーパ面１６ｃを示すが、これに限らず、Ｒ面取りによってテーパ面１６ｃを構成してもよい。
【００３２】
外輪１６のテーパ面１６ｃが軸方向に対して為す角度θは、３０°以上６０°以下とされることが好ましい。テーパ面１６ｃの軸方向寸法ＤＴ（図３参照）は、外輪１６における肩部１６ａの幅方向寸法ＤＳ（図３参照）の８０％以下に設定されることが望ましい。
【００３３】
規制部材１９は、例えば金属による環状体（リング体）として構成される。規制部材１９は、第二の空間３ｂにおいてケーシング３の内面に固定される。規制部材１９は、第二軸受１２に隣接するように配置される。すなわち、規制部材１９の側面１９ｂは、第二軸受１２に係る外輪１６の上流側端部１６Ａに接触する。
【００３４】
規制部材１９は、その中央部に開口部１９ａを有する。この開口部１９ａには、シャフト２が挿通される。開口部１９ａの直径（規制部材１９の内径）は、第二軸受１２に係る  内輪１５の外径（肩部１５ａの直径）よりも大きく、外輪１６の内径（肩部１６ａの直径）よりも小さい。これにより、規制部材１９は、その一部が、第二軸受１２に係る内輪１５と外輪１６との間の空間の一部を閉塞する。
【００３５】
この構成により、規制部材１９における下流側の側面１９ｂは、保持器１８の上流側に配置され、当該保持器１８の位置を規制する規制面として機能する。なお、保持器１８は、この規制部材１９の規制面１９ｂと、第二軸受１２における外輪１６の肩部１６ａ（上流側）とによって、その位置が規制される。
【００３６】
図５に示すように、規制部材１９により、保持器１８における軸方向の移動可能距離ＤＲが規定される。この距離ＤＲは、転動体１７の直径ＤＢの５％未満に設定されることが望ましい。
【００３７】
各軸受１１，１２は、推進剤を内部に導入する流入口２０と、流入口２０の下流側に位置し、内部に流入した推進剤を下流側に排出する流出口２１とを備える。各軸受１１，１２の流入口２０は、内輪１５の上流側端部１５Ａと、外輪１６の上流側端部１６Ａとの間に構成される開口部である。流出口２１は、内輪１５の下流側端部１５Ｂと外輪１６の下流側端部１６Ｂとの間に構成される開口部である。ここで、「軸受の内部」とは、内輪１５の外周面と外輪１６の内周面との間の軸受内部空間をいう。
【００３８】
第二軸受１２の流入口２０は、その上流側に配置される規制部材１９により、第一軸受１１の流入口２０と比較して、その開口面積が小さくなる。第二軸受１２における流入口２０の開口面積は、規制部材１９の内周面（開口部１９ａ）と、内輪１５の外周面（肩部１５ａ）とによって画定される。規制部材１９における内周面の半径（開口部１９ａの半径）をＲａとし、第二軸受１２に係る内輪１５の上流側端部１５Ａでの外周面の半径（肩部１５ａの半径）をＲｂとするとき、流入口２０の開口面積Ａ１は、π（Ｒａ２−Ｒｂ２）で表される。
【００３９】
また、第二軸受１２に係る外輪１６の下流側端部１６Ｂでの内周面の半径（テーパ面１６ｃの下流側端部の半径）をＲｃとし、第二軸受１２に係る内輪１５の下流側端部１５Ｂでの外周面の半径（カウンタボア１５ｃの下流側端部の半径）をＲｄとするとき、第二軸受１２における流出口２１の開口面積Ａ２は、π（Ｒｃ２−Ｒｄ２）で表される。第二軸受１２は、下流側に位置する流出口２１の開口面積Ａ２が、上流側に位置する流入口２０の開口面積Ａ１よりも大きくなるように構成される。
【００４０】
転動体１７は、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃなど）等の金属や、セラミックス材料により球体（ボール）として構成される。複数の転動体１７は、内輪１５の軌道面１５ｂと外輪１６の軌道面１６ｂとの間で、周方向に等間隔で配される。
【００４１】
各軸受１１，１２における各保持器１８は、内輪１５の外周面と外輪１６の内周面との間に配される。保持器１８は、樹脂複合材や金属により所定幅及び所定厚みを有する環状体として構成される。保持器１８は、環状の本体部１８ａと、転動体１７を保持する複数のポケット１８ｂを有する。ポケット１８ｂは、保持器１８の円周方向において等間隔に設けられる。転動体１７は、各ポケット１８ｂに一つずつ収容される。
【００４２】
図４及び図５に示すように、第二軸受１２の保持器１８は、ポケット１８ｂが幅方向の一方側に開放状とされる冠形状を呈する。各ポケット１８ｂは、本体部１８ａから突出する一対の爪部１８ｃを有する。爪部１８ｃは、ポケット１８ｂに保持される転動体１７の中心Ｏよりも下流側に突出する。なお、第一軸受１１の保持器１８では、環状の本体部１８ａに対して、その周方向に間隔をおいて貫通形成される孔をポケット１８ｂとしている。
【００４３】
図３に示すように、第二軸受１２における保持器１８の本体部１８ａは、当該第二軸受１２の流入口２０と転動体１７との間に配置される。具体的には、この本体部１８ａは、規制部材１９の規制面１９ｂと転動体１７との間に配置される。また、この保持器１８のポケット１８ｂは、転動体１７の上流側の部分を保持する。
【００４４】
本実施形態に係る軸受ユニット４のように、極低温環境下で使用される第一軸受１１及び第二軸受１２には、通常の流動性潤滑剤（油やグリースなど）を使用することができない。本実施形態では、軸受の焼付き防止及び起動トルクの低減を図るため、内輪１５の軌道面１５ｂ、外輪１６の軌道面１６ｂ、転動体１７の表面及び保持器１８のポケット１８ｂの内面を含む表面全体のうち、いずれか一つ以上、もしくは全てにフッ素樹脂（例えばＰＴＦＥ）等の固体潤滑皮膜によるコーティングが施される。
【００４５】
内輪間座１３は、所定の幅及び厚みを有する環状体により構成される。内輪間座１３は、第一軸受１１の内輪１５と第二軸受１２の内輪１５との間に配される。この内輪間座１３の内周にはシャフト２が挿入される。内輪間座１３は、シャフト２に固定されており、シャフト２とともに回転する。内輪間座１３の上流側端部１３Ａは、第一軸受１１における内輪１５の下流側端部１５Ｂに接触する。内輪間座１３の下流側端部１３Ｂは、第二軸受１２における内輪１５の上流側端部１５Ａに接触する。
【００４６】
外輪間座１４は、所定の幅及び厚みを有する環状体により構成される。外輪間座１４は、第一軸受１１の外輪１６と第二軸受１２の外輪１６との間に配される。外輪間座１４の外周面は、第二の空間３ｂにおけるケーシング３の内面に固定される。外輪間座１４の上流側端部１４Ａは、第一軸受１１における外輪１６の下流側端部１６Ｂに接触する。外輪間座１４の下流側端部１４Ｂは、第二軸受１２における外輪１６の上流側端部１６Ａに接触する。
【００４７】
なお、第一軸受１１に係る内輪１５の上流側端部１５Ａ、及び第二軸受１２に係る内輪１５の下流側端部１５Ｂは、シャフト２に設けられる位置決め部、或いはシャフト２に固定される環状の位置決め部材によって適宜位置決めされる。同様に、第一軸受１１に係る外輪１６の上流側端部１６Ａ、第二軸受１２に係る外輪の下流側端部１６Ｂは、ケーシング３に設けられる位置決め部、或いはケーシング３に固定される環状の位置決め部材によって適宜位置決めされる。
【００４８】
図２に示すように、軸受ユニット４は、周囲流体である推進剤を流動させる流路２２，２３を有する。流路２２，２３は、推進剤が第一軸受１１の内部と第二軸受１２の内部とを通過する第一流路２２と、第二軸受１２を通過した推進剤が第一の空間３ａに還流する第二流路２３とを備える。
【００４９】
第一流路２２は、第一軸受１１の内部と、内輪間座１３の外周面と外輪間座１４の内周面との間に形成される空間と、第二軸受１２の内部とを含む。この構成により、第一流路２２を流動する推進剤は、上流側の第一軸受１１の内部を通過した後に、下流側の第二軸受１２の内部を通過する。
【００５０】
第二流路２３は、シャフト２の内部において、軸方向に沿って形成されるガイド孔２３ａと、第二軸受１２の内部を通過した推進剤をガイド孔２３ａに案内する導入孔２３ｂと、ガイド孔２３ａを通過して上流側に案内された推進剤を第二の空間３ｂへと戻す排出孔２３ｃとを有する（図１参照）。第二軸受１２の内部を通過した推進剤は、導入孔２３ｂ、ガイド孔２３ａ、排出孔２３ｃの順に流動して、第三の空間３ａにおけるインペラ６の上流側へと返送され、当該インペラ６によって再度圧送される。
【００５１】
以下、上記構成の軸受ユニット４を冷却する方法について説明する。
【００５２】
ロケットエンジンの運転時において、ターボポンプ１は、第三の空間３ｃに導入されるガス（水素ガス）によりタービンディスク７を回転駆動する。推進剤は、軸受ユニット４の冷却の他、ロケットエンジンの燃焼室やノズルを冷却するために使用される。液体としての推進剤（例えば液体水素）は、燃焼室等を冷却することで、その温度上昇により気化する。これによるガス（水素ガス）は、第三の空間３ｃに導入され、その膨張エネルギーによりタービンディスク７を回転させた後、第三の空間３ｃから順次排出される。これにより、シャフト２の回転に伴ってインデューサ５及びインペラ６が回転し、タンクから供給される推進剤（液体水素又は液体酸素）を燃焼室に圧送する。
【００５３】
ターボポンプ１は、供給路９を通じて推進剤の一部を第二の空間３ｂへと供給する。この場合において、推進剤は、第一流路２２に沿って流動し、軸受ユニット４を冷却する。すなわち、供給路９を通過した推進剤は、まず第一軸受１１の内部を通過する。このとき、推進剤は第一軸受１１の冷却によって温度が上昇し、その一部が気化する。これにより、冷却前と比較して、推進剤は、気体（水素ガス又は酸素ガス）を多く含む気液混合流体となる。
【００５４】
第一軸受１１の流出口２１から排出された推進剤は、内輪１５と外輪１６との間の空間を通過して第二軸受１２へと送られる。推進剤は、第二軸受１２の流入口２０から内部に導入され、第二軸受１２を冷却後、その流出口２１を通じて当該第二軸受１２の下流側に排出される。
【００５５】
第二軸受１２では、流入口２０の開口面積Ａ１よりも流出口２１の開口面積Ａ２が大きくなるように構成されていることから、流入口２０から内部に流入した推進剤の流速は、流出口２１を通過する際に低下する（質量保存の法則）。この流速の低下により、流出口２１における推進剤（非圧縮性流体）の圧力が増加する（ベルヌーイの定理）。このように、流出口２１において、気液混合状態の推進剤の圧力を増加させることで、推進剤に含まれる気体（水素ガス又は酸素ガス）を液化させることが可能になる。
【００５６】
より具体的には、第二軸受１２の内部空間における推進剤の流路面積は、流入口２０の位置が最も小さく、保持器１８が配される内部上流領域、転動体１７の下流側の領域、流出口２１の順に大きくなる。このように、流路面積を下流側に向かうにつれて段階的に大きくなるように設定することで、第二軸受１２を通過する推進剤に含まれる気体を効果的に液化できる。特に、保持器１８は、本体部１８ａが転動体１７の上流側に位置し、ポケット１８ｂが下流側に開放状に構成されることから、第二軸受１２の内部では、転動体１７の下流側に保持器１８が存在しない構成となる。さらに、第二軸受１２の外輪１６の下流側に形成されるテーパ面１６ｃによって、第二軸受１２の内部における推進剤の流路面積は、下流に向かうにつれて拡大する。これにより、第二軸受１２の内部では、転動体１７の下流側の領域において、推進剤に含まれる気体をより効果的に液化できる。
【００５７】
推進剤に含まれる気体（水素ガス又は酸素ガス）は、液体（液体水素又は液体酸素）よりも高温の状態にある。このため、この気体が内輪１５の外周面及び外輪１６の内周面に接触すると、その冷却効果が低下する。これに対し、本実施形態では、上記の如く気体を液化することで、第二軸受１２の内部における冷却効果を高めることができる。特に、保持器１８の爪部１８ｃよりも下流側に位置する外輪１６の軌道面１６ｂの一部では、気体の接触が減少することで冷却効果が向上する。
【００５８】
さらに、第二軸受１２に係る内輪１５のカウンタボア１５ｃ及び外輪１６のテーパ面１６ｃに対する気体の接触も防止される。これにより、第二軸受１２の内輪１５及び外輪１６では、熱伝導による軌道面１５ｂ，１６ｂの冷却効果が向上する。また、外輪１６にテーパ面１６ｃが形成されることにより、その内周面の面積が拡大されるため、熱伝導による外輪１６の冷却をより効率良く行うことができる。
【００５９】
第二軸受１２を通過した推進剤は、第二流路２３を通じて第一の空間３ａに返送され、インペラ６によって再び圧送される。
【００６０】
以上説明した本実施形態に係る軸受ユニット４によれば、第一軸受１１を冷却することで、温度が上昇し、一部が気化して気液混合状態となった推進剤は、第二軸受１２の内部で再び液化されることとなる。したがって、この推進剤を第二軸受１２の内部の冷却に使用することで、当該第二軸受１２の焼付きを防止するとともに効率の良い冷却を実現できる。特に、推進剤が液体酸素の場合には、密度が大きい（１１４０ｋｇ／ｍ３：９０Ｋ、１０１．３２５ｋＰａ）ことから、１０ｋＰａ（流量３Ｌ／ｓ）程度の昇圧効果が期待できる。
【００６１】
また、本実施形態では、規制部材１９の開口部１９ａの大きさ（開口面積）を変更することで、流入口２０の開口面積Ａ１を調整できる。すなわち、規制部材１９を第二軸受１２の上流側に配することにより、保持器１８の位置規制機能を損なわない限りにおいて、第二軸受１２の寸法等の変更を伴うことなく、第二軸受１２の流入口２０に対して最適な開口面積Ａ１を設定できる。
【００６２】
図６は、軸受ユニット（軸受）の第二実施形態を示す。本実施形態において、各軸受１１，１２の内輪１５は、その外周面に、一対の肩部１５ａと、肩部１５ａの間に形成される軌道面１５ｂとを有する。さらに第二軸受１２の内輪１５は、最も下流側の位置（流出口２１寄りの位置）に、下流側に向かうにつれて縮径するテーパ面１５ｄを有する。各軸受１１，１２の外輪１６は、肩部１６ａと、軌道面１６ｂと、この軌道面１６ｂを挟んで肩部１６ａの反対側に形成されるカウンタボア１６ｄ（肩落とし部）とを有する。本実施形態では、第二軸受１２の内輪１５の外周面に、内部の流路を拡大するテーパ面１５ｄを形成することで、第二軸受１２の内部において温度上昇により気化した推進剤を効果的に液化できる。
【００６３】
なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、上記した作用効果に限定されるものでもない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００６４】
上記の実施形態では、ロケットエンジン用ターボポンプ１に使用される軸受ユニット４を例示したが、これに限定されず、他の用途に適用することも可能である。例えば、人工衛星などの宇宙用機器のように、極低温の環境下で使用される機器に軸受ユニットを組み込むことができる。
【００６５】
上記の実施形態では、軸受ユニット４の各軸受１１，１２として単列のアンギュラ玉軸受を例示したが、これに限らず、組合せアンギュラ玉軸受、複列アンギュラ玉軸受を用いてもよい。また、本発明はアンギュラ玉軸受に限らず、他の玉軸受や円筒ころ軸受その他の転がり軸受に適用することも可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１          ターボポンプ
４          軸受ユニット
１１          第一軸受
１２          第二軸受
１３          内輪間座
１５          内輪
１６          外輪
１７          転動体
１８          保持器
１８ａ        本体部
１８ｂ        ポケット
１９          環状体（規制部材）
２０          流入口
２１          流出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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