(57)【要約】【課題】周囲流体に浸漬された状態で使用される転がり軸受の信頼性を向上させる。【解決手段】転がり軸受は、内輪2と、外輪4と、内輪2の軌道面2aと外輪4の軌道面4aとの間に介在する複数の転動体6と、転動体6を収容するポケット10を有する保持器8とを具備し、周囲流体に浸漬された環境で使用される転がり軸受であって、保持器8の内周に円周方向の溝14を設け、溝14から保持器8の外周面まで貫通した穴12を設けた。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、内輪の軌道面と外輪の軌道面との間に介在する複数の転動体と、転動体を収容するポケットを有する保持器とを具備し、周囲流体に浸漬された環境で使用される転がり軸受において、
前記保持器の内周に円周方向の溝を設け、前記溝から前記保持器の外周面まで貫通した穴を設けた転がり軸受。
【請求項２】
前記溝は、前記保持器の軸方向で見てポケットの両側に位置する請求項１の転がり軸受。
【請求項３】
前記穴は、隣り合ったポケットの中間に位置する請求項１または２の転がり軸受。
【請求項４】
前記保持器の側面に溝または突起の形態をした撹拌要素を設けた請求項１から請求項３のいずれか１項の転がり軸受。
【請求項５】
前記穴は前記保持器の外径に向かって内径が徐々に大きくなっている請求項１から請求項４のいずれか１項の転がり軸受。
【請求項６】
前記内輪の端部外周に環状突縁を設け、前記保持器の側面と前記環状突縁の内壁面との間にすきまを設けた請求項１から請求項５のいずれか１項の転がり軸受。
【請求項７】
前記周囲流体は極低温流体で、前記保持器に固体潤滑剤を付与した請求項１から請求項６のいずれか１項の転がり軸受。
【請求項８】
前記内輪の軌道面および前記外輪の軌道面ならびに前記転動体の表面にＰＴＦＥスパッタ被膜を施した請求項１から請求項７のいずれか１項の転がり軸受。
【請求項９】
ロケットエンジンのターボポンプに使用する請求項１から請求項８のいずれか１項の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は転がり軸受に関するもので、限定する趣旨ではないが、たとえば極低温流体中で使用される転がり軸受に利用することができる。ここで、極低温流体とは、おおよそ１Ｋ〜１００Ｋの温度領域の流体をいい、液体水素、液体酸素等が該当する。
【背景技術】
【０００２】
ロケットエンジンのターボポンプ用軸受は、極低温、高速回転の環境で使用される。すなわち、ロケットエンジンのターボポンプが扱う液体推進剤は、−２５３℃程度の液体水素または−１８３℃程度の液体酸素などのいわゆる極低温流体である。そして、液体水素ターボポンプは、ロケットのタンクから極低温の液体水素を吸い込み、圧力を約３００気圧まで上げる働きをする。また、液体酸素ターボポンプは、極低温の液体酸素を１８０気圧以上に加圧してエンジンの燃焼室に送り込む役割を果たす。
【０００３】
ターボポンプ用軸受は、インペラ軸を支持するものであるため、そのような極低温流体にほぼ１００％浸漬された状態で使用され、軸受内部にもその極低温流体が流れる。したがって、ターボポンプ用軸受では、一般的な油潤滑を採用することができないため、潤滑性を確保するため固体潤滑性を付与した保持器が開発されている。
【０００４】
しかし、保持器には高速回転により大きなフープ応力が作用するため、何らかの補強が必要になる。保持器強度を確保するための従来技術として次のようなものがある。特許文献１（特公平２−２０８５４号公報）には、ガラス繊維で強化した複合材料製軸受保持器が記載されている。また、特許文献２（特開２００４−３３２８９９号公報）には、保持器を金属で形成するとともに、その表面に、ニッケルを主成分として四フッ化エチレン樹脂粉末を含有する無電解ニッケル複合めっき皮膜を設けた固体潤滑転がり軸受が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平２−２０８５４号公報
【特許文献２】特開２００４−３３２８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ロケットエンジンのターボポンプ用軸受では、高速回転で使用されるため、保持器に作用するフープ応力が増大する。そのため、保持器強度の信頼性が要求される。従来技術では、保持器自体の構造的補強はなされているが、周囲流体の影響は考慮されていない。
【０００７】
そこで、この発明の課題は、周囲流体に浸漬された状態で使用される転がり軸受について、周囲流体の特性を利用して保持器強度の信頼性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、当該軸受が周囲流体に浸漬されていることから、周囲流体が極低温流体である場合には油潤滑軸受では考慮されることのなかった当該周囲流体の影響を積極的に利用することにより、課題を解決した。
具体的には、ロケットの液体推進剤として使用される極低温流体はターボポンプで加圧されて相当高圧になる。このような高圧の周囲流体に浸漬されていることから油潤滑軸受とは異なる特性を示すことに着目するならば、従来技術に対して保持器強度の信頼性を向上させるためには、周囲流体の影響を考慮し、それが強度面で有効な働きをするような保持器形状の検討が必要になる。
【０００９】
すなわち、この発明は、内輪と、外輪と、内輪の軌道面と外輪の軌道面との間に介在する複数の転動体と、転動体を収容するポケットを有する保持器とを具備し、周囲流体に浸漬された環境で使用される転がり軸受において、保持器の内周に円周方向溝を設け、前記溝から保持器の外周面まで貫通した穴を設けたことを特徴とする。
【００１０】
保持器表面には静水圧の効果でほぼ均一の圧力が作用し、保持器の内周面は外周面よりも表面積が小さい。このように保持器の内周面と外周面では表面積に差があるため、外周面に作用する圧力の合力が内周面に作用する圧力の合力よりも小さく、保持器を収縮させる向きの力が発生する。この力により、高速回転時の保持器は膨張が抑制され、フープ応力が軽減される。しかし、保持器の内周面と外周面の表面積の差を大きくするのには限界がある。そこで、周囲流体の効果を利用し、保持器の外径面を昇圧、もしくは内径面を減圧し、保持器を圧縮させる向きの力を大きくすることで、保持器強度の信頼性が一層向上する。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、周囲流体に浸漬された軸受の回転時に、周囲流体は遠心力の影響を受け、保持器に施された穴を通じて内径側から外径側の向きに流れが生じる。それに対して、保持器内径側の保持器と内輪との間のすきま（内輪案内すきま）は狭まっているため、周囲流体が流入しにくい構造になる。その結果、２本の溝部の圧力が減圧され、保持器の内径側と外径側の圧力差が顕著になり、保持器を圧縮させる向きの力が大きくなる。したがって、保持器の膨張が抑制され、フープ応力が低減する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（Ａ）は転がり軸受の縦断面図、（Ｂ）は図１（Ａ）の部分拡大図である。
【図２】貫通穴を通る保持器の横断面図である。
【図３】保持器を内径側から見た部分展開図である。
【図４】（Ａ）（Ｂ）は保持器の側面図である。
【図５】（Ａ）（Ｂ）は転がり軸受の外輪を取り除いた図１（Ａ）と類似の断面図である。
【図６】（Ａ）は転がり軸受の外輪を取り除いた図１（Ａ）と類似の断面図、（Ｂ）は常温時を示す部分拡大図、（Ｃ）は極低温時を示す部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、ターボポンプ用のアンギュラ玉軸受に適用した場合を例にとり、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
図１（Ａ）に示すように、アンギュラ玉軸受は、内輪２と、外輪４と、転動体６と、保持器８とを具備している。呼び接触角が０°を超え４５°以下のラジアル玉軸受をアンギュラコンタクト玉軸受といい、３点接触、４点接触を除く単列および複列のこの種の軸受を略してアンギュラ玉軸受という。接触角とは、軸受の中心軸に垂直な平面（ラジアル平面）と転動体荷重（転動体と軌道輪との接触部に働く力）の合成力の作用線とのなす角をいう。図１（Ａ）では接触角を符号αで表してある。
【００１５】
内輪２および外輪４ならびに転動体６の材料は、一例を挙げるならば、マルテンサイト系ステンレス鋼である。あるいは、転動体６についてはセラミックスを採用することもできる。また、内輪２の軌道面２ａおよび外輪４の軌道面４ａならびに転動体６の表面にＰＴＦＥスパッタ被膜を施してもよい。ＰＴＦＥが転がり接触部分に転着して潤滑作用を行う。
【００１６】
内輪２は外周に軌道面２ａを有し、外輪４は内周に軌道面４ａを有し、内輪２の軌道面２ａと外輪４の軌道面４ａとの間に転動体６が介在している。内輪２は、軌道面２ａの両側に肩２ｂを有し、保持器８は内輪２の両肩２ｂで案内される（内輪案内）。
【００１７】
外輪４はいわゆる肩おとし外輪で、接触角側（図１（Ａ）では右側）に肩４ｂを有し、反対側の肩は落としてカウンターボア４ｃとしてある。
【００１８】
保持器８は窓形樹脂保持器であって、図２に示すように、円周方向に所定の間隔で配置した複数のポケット１０を有し、各ポケット１０は保持器８を半径方向に貫通した円筒面形状をしている。周囲流体が極低温流体の場合、保持器８に固体潤滑剤を付与してもよい。周知の固体潤滑剤のなかから選択して採用することができるが、使用実績に照らしＰＴＦＥ系合成樹脂が好ましい。液体水素や液体酸素といった極低温流体に浸漬されるターボポンプ用軸受では、油は凍結してしまい潤滑剤として使用できないため、固体潤滑剤を採用している。
【００１９】
図３に示すように、保持器８の内周には、ポケット１０を挟んで２本の円周方向溝１４が形成してある。円周方向溝１４は、保持器８の軸方向で見てポケット１０の両側に配置してある。そして、図１（Ｂ）からわかるように、各円周方向溝１４の底面から保持器８の外周面まで半径方向に延びる貫通穴１２が設けてある。貫通穴１２の位置は、円周方向等配で、かつ、隣り合うポケット１０の中間付近が好ましい。結果として、図示した例では、穴１２の数はポケット１０と同数となっている。
【００２０】
保持器８の内周面と外周面とでは、直径差があるために、表面積に差が生じ、保持器に静水圧が作用する環境下では周囲流体から保持器８が受ける圧力の合力は、内径側よりも外径側が大きい。その結果、保持器８に縮径方向の力が作用して保持器８の内周面と内輪２の肩２ｂとの間のすきまが狭められ、流体が流入しにくくなる。しかも、軸受の回転に伴う遠心力の作用で、貫通穴１２を通じて流体が外径側に流出する。したがって、円周方向溝１４の内部圧力が低下する。このようにして、保持器の内周面と外周面の面積差のみによる従来の保持器の圧縮方向の力以上に保持器８に縮径方向の力が作用する。この縮径方向の力は、保持器８の拡径方向に作用するフープ応力に対抗し、フープ応力を抑制する働きをする。
【００２１】
上述の、保持器８の外径側の昇圧と内径側の減圧という現象を、より効果的に発生させることにより、フープ応力の抑制を促進することができる。以下、そのための具体的な構成について述べる。
【００２２】
図４に示すように、保持器８の側面８ａに複数の撹拌要素８ｂを設ける。各撹拌要素８ｂは、たとえば、保持器８の側面８ａから突出した板状の突起の形態でも、あるいは、側面８ａに形成した溝の形態であってもよい。要は、保持器８の回転に伴う遠心力の作用で、保持器８の内径側から外径側に向かう流体の流れを発生させることができればよい。そうすることにより、保持器８の側面８ａ付近の流体を積極的に外径側に移動させて保持器８の外径側を昇圧する。そのような撹拌要素８ｂの具体的な形状としては、放射状（図４（Ａ））またはスパイラル形状（図４（Ｂ））が挙げられる。スパイラル形状の撹拌要素８ｂの場合、保持器８の回転に伴って保持器８の内径側から外径側に向かる流体の流れを起こすようにするため、図４（Ｂ）の反時計方向が回転方向となるようにする。
【００２３】
図５（Ａ）と図５（Ｂ）は、内径がその長手方向に均一な貫通穴１２とした場合と、保持器８の内径側から外径側に向かって内径が徐々に拡大する貫通穴１２ａとした場合を対比して示す。後者の場合、遠心力による貫通穴１２ａ内の流体の流れが助長され、保持器８の内径側がさらに減圧される。
【００２４】
また、図６に示すように、保持器８を案内する内輪２の肩２ｂの端部に環状突縁を設け、保持器８の側面８ａと環状突縁の内壁面２ｃとの間にすきまを設ける。なお、すきまの図示は省略してある。
【００２５】
軸受の組立時すなわち常温時には、図６（Ｂ）に示すように、保持器８の内径と内輪２の環状突縁の外径との間に「正」のすきまが存在する設定とし、これにより、組み付けを可能とする。
【００２６】
運転時すなわち極低温時には、合成樹脂製保持器８の線膨張係数が金属製内輪２の線膨張係数よりも大きいため、図６（Ｃ）に示すように、保持器８の内径が内輪２の環状突縁の外径より小さくなる。したがって、保持器８は内輪２の環状突縁間にはまり、保持器８の側面８ａと環状突縁の内壁面２ｃとの間にすきまが設けられる。このすきまも図示は省略してある。その結果、保持器８の内径側に流体が流入しにくくなり、保持器８の内径側が一層減圧される。
【００２７】
上述の実施例の効果をまとめると次のとおりである。
【００２８】
実施例の転がり軸受は、内輪２と、外輪４と、内輪２の軌道面２ａと外輪４の軌道面４ａとの間に介在する複数の転動体６と、転動体６を収容するポケット１０を有する保持器８とを具備し、周囲流体に浸漬された環境で使用される転がり軸受を前提としている。そして、保持器８の内周に円周方向の溝１４を設け、溝１４から保持器８の外周面まで貫通した穴１２を設けたものである。
【００２９】
溝１４は、保持器８の軸方向で見てポケット１０の両側に溝１４を配置することにより、溝１４および穴１２を通じて周囲流体を保持器８の内径側から外径側へ導く作用が保持器８の軸方向両側でバランスよく発揮される。
【００３０】
穴１２は、保持器８の円周方向に等配とし、また、保持器８のポケット１０と同数とするのが保持器８の回転バランス上好ましい。
【００３１】
穴１２は、隣り合ったポケット１０の中間に配置するのが好ましい。ポケット１０の周囲はポケットを形成するために薄肉となっていることから、ポケット１０とポケット１０の間の部分に穴１２を設けることで、保持器８の強度低下を避けることができる。
【００３２】
保持器８の側面８ａに撹拌要素８ｂを設けることにより、保持器８の回転に伴う遠心力の作用で、保持器８の内径側から外径側に向かう流体の流れを発生させ、保持器８の側面８ａ付近の流体を積極的に外径側に移動させて保持器８の外径側を昇圧することができる。撹拌要素８ｂはたとえば溝または突起の形態で、放射状またはスパイラル形状に配置することができる。
【００３３】
穴１２の内径を保持器８の外径に向かって徐々に大きくなるようすれば、遠心力による貫通穴１２ａ内の流体の流れが助長され、保持器８の内径側がさらに減圧される。
【００３４】
内輪２の端部外周に環状突縁を設け、保持器８の側面８ｂと環状突縁の内壁面２ｃとの間にすきまを設けることにより、運転時すなわち極低温時には、保持器８と内輪２の線膨張係数差によって、保持器８の内径が内輪２の環状突縁の外径より小さくなり、保持器８は内輪２の環状突縁間にはまる。その結果、保持器８の内径側に流体が流入しにくくなり、保持器８の内径側が一層減圧される。
【００３５】
周囲流体が極低温流体の場合、油は凍結してしまい潤滑剤として使用できないため、保持器８にＰＴＦＥ系合成樹脂その他の固体潤滑剤を付与してもよい。
また、内輪２の軌道面２ａおよび外輪４の軌道面４ａならびに転動体６の表面にＰＴＦＥスパッタ被膜を施してもよく、そのような構成を採用することにより、ＰＴＦＥが転がり接触部分に転着して潤滑作用を行う。
【００３６】
内輪２および外輪４ならびに転動体６の材料はマルテンサイト系ステンレス鋼製とすることができる。あるいは、転動体６の材質をセラミックスとすることにより、セラミックスは鋼に比べて密度が約４０％であるため遠心力の影響を受け難く、高速回転するターボポンプ用軸受の転動体の材料として有利である。
【００３７】
周囲流体は油であってもよく、その場合、当該転がり軸受は油潤滑下で運転する。言い換えるならば、当該転がり軸受は極低温流体を扱う用途でさえ使用することができるのであるから、油潤滑下でも当然に使用可能である。
【００３８】
実施例の転がり軸受は、周囲流体が油であるものを除き、ロケットエンジンのターボポンプに使用することができる。当該ターボポンプ用転がり軸受は保持器強度について信頼性が高い。
【００３９】
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】
【００４０】
２  内輪
２ａ  軌道面
２ｂ  肩
２ｃ  環状突縁の内壁面
４  外輪
４ａ  軌道面
４ｂ  カウンターボア
６  転動体
８  保持器
８ａ  側面
８ｂ  撹拌要素
１０  ポケット
１２  貫通穴
１４  円周方向溝
【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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