(57)【要約】【課題】タッチダウン時に、保護用転がり軸受の軌道部材の軌道面と転動体との接触部分で温度が急上昇しても、焼きつきを生じにくくする非接触型軸受の保護用転がり軸受を提供すること。【解決手段】内輪３６と外輪３８の間にセラミックスの玉４０を介挿し、内輪３６及び外輪３８をマルテンサイト系ステンレス鋼により形成して４５０℃〜５００℃の温度範囲内で焼戻し処理を施して非接触型軸受の保護用転がり軸受３０を構成する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転状態の回転軸を非接触状態で支承する非接触型軸受に併設され、回転軸が回転を停止する際にこの回転軸を受ける保護用転がり軸受において、
軌道部材はマルテンサイト系ステンレス鋼製であり、且つ４５０℃〜５００℃の温度範囲内で焼戻し処理が施されていることを特徴とする非接触型軸受の保護用転がり軸受。
【請求項２】
請求項１に記載の保護用転がり軸受であって、前記軌道部材の間に介挿される転動体はセラミックス製であることを特徴とする非接触型軸受の保護用転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速回転する装置の回転軸を非接触状態で支承する非接触型軸受に併設され、回転停止に際して回転軸を受ける保護用転がり軸受に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ターボ分子ポンプ、工作機械、その他高速回転装置に非接触型軸受が使用されており、高速回転装置が回転を停止した際に回転軸を受けるために、保護用転がり軸受を非接触型軸受に併設している（たとえば、特許文献１を参照）。すなわち、図４に示すように、ターボ分子ポンプ１０の本体には非接触型軸受である磁気軸受１２、１４とともに保護用転がり軸受３０が設置されている。ターボ分子ポンプ１０は、気体分子の運動速度と同程度の周速度になる毎分数万回転の高速度で回転する動翼１４が回転軸１６と一体化された一体型ロータ１８を有し、動翼１４と対をなす静翼２０が固定部であるハウジング２２の内壁に固定されている。駆動モータ２４によって回転駆動する回転軸１６は、駆動モータ２４を挟んで上下に配設されている一対のラジアル磁気軸受１２の磁気力により、ハウジング２２に対してラジアル方向に非接触に支承されるとともに、ハウジング２２の下端部に配設されたスラスト磁気軸受１４の磁気力によりアキシアル方向に浮上支持されている。
【０００３】
かかるターボ分子ポンプ１０の磁気軸受１２、１４は、停電などの異常事態発生において機能を失い、慣性によりなお高速回転し続ける回転軸１６と接触し、損傷を受けるおそれがある。これを防止するべく、一対の転がり軸受からなる保護用転がり軸受３０が回転軸１６の上下に配設されている。
保護用転がり軸受３０は、ドライ又は固体潤滑の単列又は複数個の転がり軸受から構成されており、保護用転がり軸受３０の軌道部材である外輪と内輪は軸受鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼によって形成されて、焼戻し処理を１５５℃〜１９５℃の温度で施してある。また、保護用転がり軸受３０の内輪と回転軸１６との間に通常０．１ｍｍオーダーの隙間を設けてあり、磁気軸受１２、１４が正常に機能している状態で回転軸１６が保護用転がり軸受３０の内輪と接触しない構成となっている。なお、保護用転がり軸受３０の内輪と回転軸１６の間の隙間は、ラジアル磁気軸受１２の内輪と回転軸１６との間の隙間よりも小さい。そして、磁気軸受１２、１４が機能を失ったときは、高速回転している回転軸１６を保護用転がり軸受３０が接触し受け止めて停止（タッチダウン）させる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００―２９１６５５号公報（第１〜２頁、第３図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の保護用転がり軸受３０にあっては、タッチダウンの際に、保護用転がり軸受３０が高速回転している回転軸１６に接触して急遽回転を開始し、保護用転がり軸受３０の温度が摩擦熱により急上昇する。特に、ターボ分子ポンプ１０は、真空中で使用されているので空気の対流に起因する冷却効果もなく、その温度上昇は急激である。また、回転軸１６が垂直に設置してあると、回転軸１６のアンバランスに起因する振れ周り荷重が保護用転がり軸受３０に作用し、保護用転がり軸受３０の発熱量は一層大きなものとなり、タッチダウンの際にこれらの内輪及び外輪の軌道面と転動体との接触部分は、前述の温度上昇によって局所的に４００℃近くまで達する。
【０００６】
したがって、保護用転がり軸受３０の内輪及び外輪の軌道面において硬度が低下し、塑性流動を生じてしまう。同時に、転動体においても硬度の低下を生じる。この結果、保護用転がり軸受３０の回転トルクが大きくなり、保護用転がり軸受３０と回転軸１６との間で滑りを生じ、保護用転がり軸受３０の温度がさらに上昇してしまう。そして最終的には、保護用転がり軸受３０が焼きつき、ターボ分子ポンプ１０が損傷してしまう。
【０００７】
本発明は、上記した従来の技術の問題点を除くためになされたものであり、その目的とするところは、タッチダウンの際に、保護用転がり軸受の軌道部材の軌道面と転動体との接触部分で温度が急上昇しても、保護用転がり軸受に焼きつきを生じにくくする非接触型軸受の保護用転がり軸受を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その課題を解決するために以下のような構成をとる。請求項１の発明は、回転状態の回転軸を非接触状態で支承する非接触型軸受に併設され、回転軸が回転を停止する際にこの回転軸を受ける保護用転がり軸受において、軌道部材はマルテンサイト系ステンレス鋼製であり、且つ４５０℃〜５００℃の温度範囲内で焼戻し処理が施されている非接触型軸受の保護用転がり軸受である。
【０００９】
請求項１の発明によると、保護用転がり軸受の軌道部材は、４５０℃〜５００℃の温度範囲内で焼戻し処理を施したマルテンサイト系ステンレス鋼製であり、タッチダウン時であっても軌道部材の温度は４００℃程度まで上昇するだけであり、焼戻し温度を超えた温度まで達することは防がれる。したがって、軌道部材が転動体と接触する部分において硬度の低下を起して塑性流動を生じることが防止され、保護用転がり軸受に焼きつきを生じることが防止される。
【００１０】
なお、保護用転がり軸受の軌道部材を４５０℃〜５００℃の温度範囲内で焼戻し処理すると、４００℃近傍の温度環境下での硬度をロックウェルＣスケール硬さ（ＨＲＣ）で５６〜６０に保つことができる。
請求項２の発明は、請求項１に記載の保護用転がり軸受であって、前記軌道部材の間に介挿される転動体はセラミックス製である非接触型軸受の保護用転がり軸受である。
【００１１】
請求項２の発明によると、転動体がセラミックスより形成されているので、４００℃程度の温度環境下で転動体に硬度、強度に低下を生じず、転動体と軌道部材が接触する部分において焼きつきを生じにくくなる。
なお、転動体は、玉であってもころであってもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず、図１を参照して本発明の実施の形態の構成を説明する。図１は、本実施の形態に係る保護用転がり軸受のアキシアル方向断面図である。なお、前述した従来のものと同様の構成については、同様の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１３】
全体を図示しないターボ分子ポンプがあり、従来のものと同様に、このターボ分子ポンプは、動翼を有して回転軸１６と一体化した一体型ロータ、前記動翼と対をなす静翼、回転軸１６を回転駆動させる駆動モータを備える。そして、非接触型軸受である一対のラジアル磁気軸受が、回転軸１６を磁気力によりターボ分子ポンプのハウジングに対してラジアル方向に非接触に支承し、ハウジングの下端部に配設されたスラスト磁気軸受が、磁気力により回転軸１６をアキシアル方向に浮上支持する構成となっている。
【００１４】
また、一対の転がり軸受からなる保護用転がり軸受３０が回転軸１６の上部と下部に配設されている。図１に一方の保護用転がり軸受３０のアキシアル方向断面を示すが、他方の保護用転がり軸受３０も同様の断面を有する。これらの保護用転がり軸受３０は、アキシアル方向にアンギュラ玉軸受３２を並列してなり、軌道部材である内輪３６と回転軸１６との間に０．１ｍｍオーダーの隙間Ｌを形成してある。この隙間Ｌの大きさは、前記ラジアル磁気軸受の内輪と回転軸１６との間の隙間の大きさよりも小さい。
【００１５】
さらに、保護用転がり軸受３０の軌道部材である内輪３６、外輪３８の材質はマルテンサイト系ステンレス鋼であり、４５０℃〜５００℃の温度範囲内で焼戻し処理を施してある。
また、保護用転がり軸受３０の内輪３６と外輪３８との間には、セラッミックス製の玉４０からなる転動体を複数個介挿してある。さらに、保護用転がり軸受３０は固体潤滑となっている。
【００１６】
本実施の形態は上記のように構成されており、次にその作用について説明する。
従来のものと同様に、通常の運転状態における前記ターボ分子ポンプは、回転軸１６を回転駆動させ、前記動翼が毎分数万回転の高速度で回転し、吸気を昇圧して外へ排気する。このとき、回転軸１６は、前記ラジアル磁気軸受の磁気力により、前記ハウジングに対してラジアル方向に非接触に支承されているとともに、前記スラスト磁気軸受の磁気力によりアキシアル方向に浮上支持されている。また、保護用転がり軸受３０の内輪３６と回転軸１６との間には隙間Ｌがあるので、内輪３６は回転する回転軸１６と接触していない。したがって、保護用転がり軸受３０は、通常の運転状態では回転していない。
【００１７】
次に、タッチダウン時のターボ分子ポンプについて説明する。
停電などの異常事態が発生すると、前記ラジアル磁気軸受及び前記スラスト磁気軸受が発生させていた磁気力は消失し、ラジアル磁気軸受は回転軸１６をラジアル方向に非接触に支承することを止め、スラスト磁気軸受は回転軸１６をアキシアル方向に浮上支持することを止める。これらの磁気軸受により支承、支持されなくなった回転軸１６の上下部分は、保護用転がり軸受３０の内輪３６と接触し、回転軸１６の上下を保護用転がり軸受３０がそれぞれ支承する。
【００１８】
回転軸１６と保護用転がり軸受３０の間の隙間Ｌの大きさは、前記ラジアル磁気軸受の内輪と回転軸１６との間の隙間の大きさよりも小さいので、回転軸１６が前記ラジアル磁気軸受と接触することは防止される。また、保護用転がり軸受３０が、回転軸１６を上下方向にも支持するので、回転軸１６が前記スラスト磁気軸受と接触することも防止される。したがって、前記ラジアル磁気軸受及び前記スラスト磁気軸受が回転軸１６と接触して損傷することは防止される。
【００１９】
また、タッチダウン直前まで高速回転していた回転軸１６は、タッチダウン後も慣性によって高速で回転し続けている。保護用転がり軸受３０の内輪３６は、高速回転する回転軸１６と接触して回転を開始し、その回転は短時間で高速回転となる。これに伴って保護用転がり軸受３０の内輪３６と外輪３８の間に介挿されている多数の玉４０も高速で転動を開始する。また、回転軸１６は垂直に設置されているが、保護用転がり軸受３０の内輪３６と接触するときはわずかに傾くので、回転のバランスが乱れて振れ周り荷重を内輪３６に加える。玉４０と内輪３６及び外輪３８との間の接触面には、回転軸１６により回転させられる力と振れ周り荷重が働き、摩擦によって生じる発熱量は大きなものとなる。その結果、玉４０と内輪３６及び外輪３８の軌道面との間の接触面の温度は４００℃程度まで上昇する。
【００２０】
しかし、内輪３６、外輪３８に焼戻し処理を施した４５０℃〜５００℃まで温度が上昇することはなく、内輪３６及び外輪３８の４００℃近傍の温度環境下での硬さは、ＨＲＣで５６〜６０の硬度を保っている。したがって、内輪３６及び外輪３８の軌道面の硬度が低下して塑性流動を生じることは防止され、保護用転がり軸受３０が焼きつくことも防止される。さらに、玉４０はセラミックス製であり、４００℃程度の温度環境下で硬度、強度に低下を生じず、玉４０と内輪３６及び外輪３８の軌道面との間で焼きつきを生じることも防止される。
【００２１】
次に、保護用転がり軸受３０の内輪３６及び外輪３８の焼戻し処理の温度と、焼戻し処理をした内輪３６及び外輪３８の４００℃近傍における硬度との関係について図２を参照して説明する。図２は、マルテンサイト系ステンレス鋼の焼戻し処理温度を横軸にとり、縦軸に焼戻し処理を行ったマルテンサイト系ステンレス鋼が４００℃近傍の温度環境下で示す硬度をとっており、焼戻し処理温度と硬度の関係を示す。なお、図２の左側縦軸は硬度をビッカース硬さ（Ｈｖ）を示し、右側縦軸は硬度をロックウェルＣスケール硬さ（ＨＲＣ）を示している。
【００２２】
図２より、マルテンサイト系ステンレス鋼の焼戻し処理を４５０℃〜５００℃の範囲で行うと、４００℃近傍の温度環境下における硬度はＨＲＣでほぼ５８程度の値を示すことがわかる。したがって、焼戻し処理の効果のばらつきを考慮すると、焼戻し処理を４５０℃〜５００℃の範囲で行えば、４００℃近傍の温度環境下における硬度をＨＲＣで５６〜６０の範囲内に維持することができることがわかる。
【００２３】
なお、本実施の形態において、保護用転がり軸受３０は、アンギュラ玉軸受３２からなるとしたが、替わりに、図３の変形例に示すように深溝玉軸受３４により構成することができることは勿論である。
また、本実施の形態において、保護用転がり軸受３０は、アキシアル方向にアンギュラ玉軸受３２が並列してなるとしたが、アンギュラ玉軸受３２が単列して保護用転がり軸受３０を構成可能であることは勿論である。
【００２４】
さらに、保護用転がり軸受３０の転動体は玉４０であるとしたが、替わりに転動体をころとすることが可能であることは勿論である。
また、隙間Ｌの大きさを０．１ｍｍオーダーとしたが、かかる範囲に限定されるものではないことは勿論である。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は、上記のような非接触型軸受の保護用転がり軸受であるので、タッチダウンの際に、保護用転がり軸受の軌道部材の軌道面と転動体との接触部分で温度が急上昇しても、保護用転がり軸受に焼きつきを生じにくくする非接触型軸受の保護用転がり軸受を提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の保護用転がり軸受のアキシアル方向断面図である。
【図２】マルテンサイト系ステンレス鋼の焼戻し温度と４００℃近傍における硬度との関係図である。
【図３】変形例に係る保護用転がり軸受のアキシアル方向断面図である。
【図４】従来あるターボ分子ポンプの立体断面図である。
【符号の説明】
１０　ターボ分子ポンプ
１２　ラジアル磁気軸受
１４　スラスト磁気軸受
１４　動翼
１６　回転軸
１８　一体型ロータ
２０　静翼
２２　ハウジング
２４　駆動モータ
３０　保護用転がり軸受
３２　アンギュラ玉軸受
３４　深溝玉軸受
３６　内輪
３８　外輪
４０　玉
【図１】
2004116558.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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