(57)【要約】【課題】極低温環境下でも使用できる、簡便かつ性能ばらつきの少ない減衰機構付き軸受装置を提供する。【解決手段】減衰機構付き軸受装置は、軸受2を支持する軸受支持部材20とケーシング12との間に形成される環状空間に多孔質材38を配置し、多孔質材38の気孔に加圧流体を流し、軸受2の振動に伴う多孔質材38の変形により気孔が縮小することで生じるスクイズ効果を利用して減衰作用を発生させる。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受を支持する軸受支持部材とケーシングとの間に形成される環状空間に多孔質材を配置し、前記多孔質材の気孔に加圧流体を流し、軸受の振動に伴う多孔質材の変形により気孔が縮小することで生じるスクイズ効果を利用して減衰作用を発生させる減衰機構付き軸受装置。
【請求項２】
前記多孔質材の外周にシール材を設けた請求項１の減衰機構付き軸受装置。
【請求項３】
前記多孔質材とその内径側の相手部材との嵌合面を円すい面とし、かつ、加圧流体によって前記多孔質材が押される向きに前記円すい面が拡径した請求項１または２の減衰機構付き軸受装置。
【請求項４】
多孔質材を軸受支持部材およびケーシング間に圧入した請求項１、２または３の軸受減衰機構。
【請求項５】
多孔質材にエンジニアリングプラスチックを用いた請求項１から４のいずれか１項の軸受減衰機構。
【請求項６】
前記エンジニアリングプラスチックはフッ素系樹脂である請求項５の減衰機構付き軸受装置。
【請求項７】
多孔質材に焼結金属を用いた請求項１から４のいずれか１項の減衰機構付き軸受装置。
【請求項８】
加圧流体は極低温流体である請求項１から７のいずれか１項の減衰機構付き軸受装置。
【請求項９】
極低温流体は液体水素、液体酸素、液体窒素、または液化天然ガスである請求項９の減衰機構付き軸受装置。
【請求項１０】
加圧流体は油である請求項１から７のいずれか１項の減衰機構付き軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は減衰機構付き軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
極低温流体を圧送するＬＮＧ（液化天然ガス）ポンプやロケットエンジン用ターボポンプの主軸を支持する軸受は−１５０℃以下の極低温環境下で運転される。
また、高速運転のポンプや大型のポンプの場合、１次の危険速度を超えて運転されることがあり、主軸が激しく振動するため、軸受への過大荷重が問題となる。
【０００３】
軸振動を抑えるために採用する減衰機構としては、従来、軸受支持部外周に油を満たし、油の粘性減衰作用を利用するスクイズフィルムダンパが一般的である。特許文献１にはスクイズフィルムダンパを使用した転がり軸受振動減衰機構が記載されている。図４を参照してスクイズフィルムダンパの原理を説明する。自由側平板の変位によりすきま変動が発生し、すきまに介在する流体が外側に流れようとする。このとき粘性抵抗により流れが阻害されるため、自由側平板を押し返す方向に抗力が発生し、これが減衰力となる。
【０００４】
また、特許文献２には、オイルフリー一体式ワイヤメッシュダンパを使用したジャーナル軸受が記載されている。ワイヤメッシュダンパとは、編構造に編まれた金属ワイヤまたはプラスチック線を備える編まれたワイヤメッシュである。軸受外輪は剛性の弱い構造に支えられ、ワイヤメッシュは軸受の外側に配置される。振動により軸受に半径方向の力が加わると、軸受外輪支持構造の弱さにより、ワイヤメッシュに力が加わり、変形が生じる。ワイヤメッシュに変形が生じると、編み込まれたワイヤ同士に摩擦が生じ、個の摩擦力が振動に対する減衰力となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３６３６３２９号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１２４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
振動に対する減衰力に油の粘性減衰作用を利用するスクイズフィルムダンパは、極低温環境下では油が固化するため、使用できない。
【０００７】
そこで、油の粘性減衰作用の代わりに、摩擦を利用する減衰機構が考案され、その中で一般的なのがワイヤメッシュダンパである。
【０００８】
しかしながら、ワイヤメッシュダンパは振動に対する減衰力にワイヤ同士の摩擦力を利用するものであるため、危険速度では減衰効果がほとんど得られない。粘性による減衰力の大きさはｃｖ（ｃ：減衰係数、ｖ：速度）で表され、振動が大きくなるほど速度ｖが大きくなり、減衰力は大きくなる。そのため振動を抑える効果は大きい。一方、摩擦力の大きさはμＦ（μ：摩擦係数、Ｆ：押し付け力）で表され、押し付け力Ｆが変わらない限り一定の減衰力しか得られない。よって、減衰作用は限定的である。しかも、減衰力はワイヤ同士の摩擦によるため、製品ごとのばらつきが大きい。ワイヤメッシュ内のメッシュ構造を製品間でそろえるのは困難である。
【０００９】
従来技術のワイヤメッシュダンパでは、極低温環境下で使用する場合に大きな減衰効果を得ることができない。より大きな減衰効果を得るためには、極低温環境下で粘性減衰作用を用いた減衰機構が必要になる。
【００１０】
しかし、極低温流体、その中でも特に液体水素（ＬＨ２）の粘度は空気と同等でしかない（ＬＨ２：１．０５×１０-5Ｐａ・ｓ（−２４８℃、１．５ＭＰａ）、空気：１．８２×１０-5Ｐａ・ｓ（２０℃、大気圧））。そのため、粘性減衰を利用するスクイズフィルムダンパなどを液体水素に適応しても、十分な減衰効果が得られない。
【００１１】
この発明の目的は、極低温環境下でも使用できる、簡便かつ性能ばらつきの少ない減衰機構付き軸受装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明は、軸受の減衰機構にミクロな領域を設け、大きな減衰効果を得るようにすることによって課題を解決した。すなわち、この発明の減衰機構付き軸受装置は、軸受を支持する軸受支持部材とケーシングとの間に形成される環状空間に多孔質材を配置し、この多孔質材の気孔に加圧流体を流すようにしたものである。これにより、軸受が振動すると、それに伴って多孔質材が変形して気孔を縮小させる。この気孔の縮小によって生じるスクイズ効果を利用して減衰作用を発生させる。
【００１３】
ここで、数ｍｍ程度のマクロな領域に比べ、数μｍ程度のミクロな領域で流体が流れる場合には、粘性が支配的になるため、より大きな減衰効果が得られる。これは、数μｍ程度の領域（上記ミクロの領域）を設ければ、極低温流体でも機械要素に必要な減衰力を得ることができることを意味する。実際、同程度の粘度を有する空気を用いたエアダンパは、MEMS(Micro Electro Mechanical System)などの微小な機械の減衰機構に利用されている。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、極低温環境下でも使用できる、簡便かつ性能ばらつきの少ない減衰機構付き軸受装置を提供することができる。したがって、この発明の減衰機構付き軸受装置は、極低温流体を圧送するポンプまたはロケットエンジンのターボポンプに、粘性減衰を利用したダンパを適用することが可能となる。また、この発明の減衰機構付き軸受装置をポンプ主軸軸受に用いた場合、ポンプ主軸の振動が抑えられ、軸受への過大荷重が低減し、安全性かつ信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態を示す軸受装置の断面図である。
【図２】多孔質樹脂の模式的断面図である。
【図３】別の実施の形態を示す軸受装置の断面図である。
【図４】スクイズフィルムダンパの模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
図１に、組合せアンギュラ玉軸受を使用して、軸１０をケーシング１２に対して回転自在に支持した軸受装置が示してある。各玉軸受２は内輪４と外輪６と玉８を有し、細部の構造や保持器その他の付属品等は図示を省略してある。内輪４、外輪６、玉８といった玉軸受２の構成要素には通常の軸受材料を採用することができ、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼を使用することができる。また、玉８にはセラミックスを採用してもよい。
【００１８】
玉軸受２の内輪４を軸１０とはめ合わせ、玉軸受２の外輪６を軸受支持部材２０の内周面２２にはめ合わせる。軸受支持部材２０の内周面２２の図中右側の端部に肩部２４が設けてあり、外輪６の端面を肩部２４に突き当てて、軸受支持部材２０の端面２６にふた板２８をボルトで締結し、肩部２４とふた板２８との間に外輪６を挟み付けて固定する。また、軸受支持部材２０は、図中右側にフランジ３０を有し、このフランジ３０をケーシング１２の端面１８に当ててボルトで締結する。
【００１９】
ケーシング１２の内周面１４と軸受支持部材２０の外周面３２との間に一対のリング３８が介在させてある。一対のリング３８の相互間にチャンバ４０が画成され、このチャンバ４０に、ケーシング１２内に設けた通路１６を通じて外部から加圧流体（ここではＬＨ２）が供給される。リング３８の外周面とケーシング１２の内周面１４との間をシールするためシール材を設ける。ここではリング３８の外周面に形成したＯリング溝にＯリング４２を装着した例が図示してある。
【００２０】
リング３８は多孔質材すなわち内部に気孔をもった多孔質材料で構成し、減衰機構にミクロな領域を与える。多孔質材料の具体例としては、多孔質樹脂や焼結金属を挙げることができる。とくに、加圧流体として極低温流体でなく油を使用する場合、後述する気孔径との関係からも、焼結金属を採用してもよい。多孔質樹脂と比較して、焼結金属ではヤング率、材料強度が高い。しかし、ヤング率が高いと、振動により径方向につぶれにくく、減衰効果が低くなる。使用環境として加圧流体中で使用する場合、焼結金属材料は反応性が低いステンレス系材料が好ましい。
【００２１】
リング３８を構成する材料として多孔質樹脂を採用する場合、リング３８には衝撃荷重が作用するため、耐衝撃性に優れるとされるエンジニアリングプラスチックを採用するのが好ましい。そのようなエンジニアリングプラスチックの具体例としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）が挙げられる。
【００２２】
また、リング３８とケーシング１２など外装部品との振動摩擦を考慮すると、固体潤滑性が良好な、ＰＴＦＥを代表例とするフッ素樹脂を採用するのが望ましい。
【００２３】
ＰＴＦＥのほかに使用できるフッ素樹脂としては、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−フルオロアルキルビニルエーテル−フルオロオレフィン共重合体（ＥＰＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン共重合体（ＰＣＴＦＥ）、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）が挙げられる。これらは、それぞれ単独でもよく、あるいは混合物であってもよい。
【００２４】
使用する加圧流体は軸受雰囲気に合わせる。例えば、ＬＨ２ターボポンプではＬＨ２（液体水素）を使用し、ＬＮＧターボポンプではＬＮＧ（液化天然ガス）を使用する。これは軸受の周囲流体と減衰機構の加圧流体が共通の場合であるが、そのほか、軸受の周囲流体と減衰機構用流体の循環系統が独立している場合、例えば軸受冷却流体と減衰機構用流体を個別に供給および回収できる機構を用いる場合、減衰機構に油を用いてもよい。この場合、ターボポンプ内は低温環境になるため、低温で使用可能なフッ素系油などを使用するのが望ましい。
【００２５】
使用する加圧流体の粘度に合わせて、リング３８を構成する多孔質材の気孔径を設定する。例えば、加圧流体として液体水素（ＬＨ２）を使用する場合、粘度が低いため、気孔を数μｍ程度の微細気孔とする。また、加圧流体として油を使用する場合、密度が高く気孔を通過しにくくなるため、数ｍｍ程度の巨大気孔とする。
気孔径のコントロール方法を例示するならば、多孔質樹脂の場合、樹脂粉体が酸、アルカリに強いため、ブレンド時に粒径が管理された金属粉を混合し、圧縮焼成後に溶剤で金属粉を溶かすことにより、気孔径のコントロールが可能である。また、焼結金属の場合、金属粉体が硬いため、金属粒径と密度を変えることで気孔径のコントロールが可能である。なお、限定する趣旨ではないが、極低温流体雰囲気で使用する多孔質材は、気孔率が高く、気孔径が小さいもの、油雰囲気で使用する多孔質材は、気孔率が高く、気孔径が大きいものとするのが好ましいと考えられる。気孔率が高いと、それだけ流体が通るための抵抗が少なく、高い流体透過率を得ることができる。逆に、気孔率が低いと流体透過率も低くなる。
【００２６】
次に、上記構成の減衰機構付き軸受装置の作用について述べる。
チャンバ４０に供給された加圧流体によって一対のリング３８に互いに離反する向きの力が作用する。その結果、各リング３８は半径方向の内側および外側に膨張して軸受支持部材２０の外周面３２およびケーシング１２の内周面１４に密着し、シール作用が得られる。このとき、図中右側のリング３８は軸受支持部材２０の肩部３４に押し付けられ、図中左側のリング３８は軸受支持部材２０の端面２６に固定したふた板２８に押し付けられる。
【００２７】
リング３８の内部の気孔を通過した加圧流体は、リング３８の外側の端面に開口した気孔を通じて外部へ流出する。そして、図中左側のリング３８の場合、ケーシング１２の内周面１４とふた板２８の外周面との間の環状空間を経て外部へ放出され、図中右側のリング３８の場合、軸受支持部材２０に形成した環状の通路３６を経て外部へ放出される。
【００２８】
図２は、リング３８の断面を模式的に図示したもので、軸受への荷重負荷前のリング３８ａと、軸受への荷重負荷中のリング３８ｂを対比して示す。符号ｗはリング３８ａとリング３８ｂの半径方向寸法の減少分を表している。リング３８を構成する多孔質材の内部にマイクロメートルオーダーのＬＨ２流路（気孔）が形成されており、この流路サイズ（気孔径）がリング３８の変形に伴って減少することにより、スクイズ効果が得られる。
【００２９】
なお、温度変化によってケーシング１２と軸受支持部材２０との間にすきまができるのを防止するため、リング３８は両部材１２、２０間に圧入するようにしてもよい。
【００３０】
加圧流体が極低温流体である場合、線膨張係数の関係で、極低温流体側で軸受支持部材２０の外周面３２とリング３８の内周面との間にすきまが生じる。このすきま対策を講じたのが図３に示す実施の形態で、リング３８と相手部材とを円すい面同士の嵌合とし、加圧流体によってリング３８を円すい面の大径側に押すことで、すきまがキャンセルされるようにしたものである。リング３８は内周面を凹円すい面として、同形状のものを向きを変えて配置すればよい。相手部材の凸円すい面については、製造および組立の都合上、図中右側のリング３８に対応する円すい面３０ａと図中左側のリング３８に対応する円すい面３０ｂを別々の部材に形成してある。具体的には、円すい面３０ａを軸受支持部材２０に形成し、円すい面３０ｂをふた板２８の延長部に形成してある。ふた板２８の延長部は軸受支持部材２０の端部に形成した小径部と嵌合させる。
【００３１】
図１の実施の形態と同様に、ケーシング１２に設けた通路１６を通じてチャンバ４０内に供給される加圧流体によって、白抜き矢印で示すように、一対のリング３８が外側に、つまり互いに離反する向きに押される。その結果、円すい面同士の嵌合部のすきまがキャンセルされる。その際、リング３８は外径側に膨らむ圧力を受けるため、リング３８とケーシング１２の間のすきまも無くなる。
【００３２】
そして、リング３８の内部の気孔に流体が流れている状態で、軸変位によってリング３８に力が加わると、リング３８が半径方向に圧縮されてリング３８内の気孔が縮小するため、流体が流れる流路が狭くなる。この流路縮小によりスクイズ効果が生じ、減衰力を得ることができる。流路１つ１つから得られる減衰力は微小であるが、リング３８の変形の生じた領域すべてで無数の流路縮小が生じるため、全体として大きな減衰力を得ることができる。また、リング３８の気孔径を数μｍ程度とすることで更なる減衰力が期待できる。
【００３３】
上述の実施例の効果をまとめると次のとおりである。
【００３４】
軸受２を支持する軸受支持部材２０とケーシング１２との間に形成される環状空間に多孔質材３８を配置し、多孔質材３８の気孔に加圧流体を流し、軸受２の振動に伴う多孔質材３８の変形により気孔が縮小することで生じるスクイズ効果を利用して減衰作用を発生させる減衰機構付き軸受装置において、多孔質材３８の外周にシール材４２を設けることにより、加圧流体のもれを防止して、確実に気孔に供給することができる。
【００３５】
多孔質材３８とその内径側の相手部材２０、２８との嵌合面を円すい面とし、かつ、加圧流体によって多孔質材３８が押される向きに前記円すい面が拡径した構成を採用することにより、多孔質材３８とその相手部材との間にすきまが発生するのを防ぐことができる。
【００３６】
多孔質材３８を軸受支持部材２０およびケーシング１２間に圧入することにより、寸法変化に伴う多孔質材３８と軸受支持部材２０およびケーシング１２間のすきま発生を防止することができる。
【００３７】
多孔質材３８にエンジニアリングプラスチックを用いることにより、リング３８に作用する衝撃荷重に耐えることができる。
また、多孔質材３８を構成するエンジニアリングプラスチックとして固体潤滑性の良好なフッ素系樹脂を採用することにより、ケーシング１２など外装部品との振動摩擦の面から有利である。
【００３８】
多孔質材３８に焼結金属を用いることも可能である。
【００３９】
当該減衰機構付き軸受装置は、極低温環境下で使用することができ、加圧流体として極低温流体を使用する。この場合、極低温流体とは、液体水素、液体酸素、液体窒素、または液化天然ガスである。
【００４０】
また、当該減衰機構付き軸受装置は、極低温流体用として使用できるほか、極低温流体以外の環境でも使用することができる。その場合、加圧流体として油を使用することができる。
【００４１】
以上、図面に例示した実施例に基づいてこの発明の実施の形態を説明したが、この発明は、特許請求の範囲を逸脱することなく種々の変形を加えて実施をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
２  玉軸受
４  内輪
６  外輪
８  玉
１０  軸
１２  ケーシング
１４  内周面
１６  流体通路
１８  端面
２０  軸受支持部材
２２  内周面
２４  肩部
２６  端面
２８  ふた板
３０  フランジ
３２  外周面
３４  肩部
３６  環状通路
３８  リング（多孔質材）
４０  チャンバ
４２  Ｏリング（シール材）
【図１】
2015004402.tif 000003
【図２】
2015004402.tif 000004
【図３】
2015004402.tif 000005
【図４】
2015004402.tif 000006