(57)【要約】【課題】周囲流体が軸方向に通過する転がり軸受において、軸受冷却効果を一層高める。【解決手段】内輪2と、外輪4と、複数の転動体6と、保持器8を備え、内輪2と外輪4との間の空間を流体が軸方向に通過する転がり軸受であって、保持器8は、複数の保持器セグメント10と、保持器セグメント10を円環状に保持する支持リング22とで構成され、各保持器セグメント10はポケット12と案内面14を有し、隣り合う保持器セグメント10間に流体通路24を形成することにより、周囲流体の通過を促進して軸受冷却効果を高めた。【選択図】図１
2016023730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、複数の転動体と、保持器を備え、前記内輪と前記外輪との間の空間を周囲流体が軸方向に通過する転がり軸受において、
前記保持器は、複数の保持器セグメントと、前記保持器セグメントを円環状に保持する支持リングとで構成され、各保持器セグメントはポケットと案内面を有し、隣り合う保持器セグメント間に流体通路を形成した転がり軸受。
【請求項２】
前記保持器セグメントの円周方向端面のうち、少なくとも保持器回転方向の進み側が、軸方向に対して傾斜している請求項１の転がり軸受。
【請求項３】
前記保持器セグメントの円周方向端面のうち、少なくとも保持器回転方向の進み側が、保持器半径方向に対して傾斜している請求項１又は２の転がり軸受。
【請求項４】
前記保持器セグメントの軸方向端面の角部のうち、少なくとも周囲流体が進入する側に面取りを施した請求項１、２又は３の転がり軸受。
【請求項５】
前記保持器セグメントの材料は固体潤滑性のある複合材である請求項１から４のいずれか１項の転がり軸受。
【請求項６】
前記支持リングは、軸方向の両端面のうち、少なくとも前記流体が進入する側の端面が先細りの断面形状である請求項１から５のいずれか１項の転がり軸受。
【請求項７】
前記支持リングは、複数の線材を束ね、よりを加えた集合体で形成されている請求項１から６のいずれか１項の転がり軸受用保持器。
【請求項８】
前記支持リングは、前記保持器セグメントを構成する材料よりも強度の高い材料で形成されている請求項１から７のいずれか１項の転がり軸受。
【請求項９】
前記周囲流体中に浸漬した状態で使用する請求項１から８のいずれか１項の転がり軸受。
【請求項１０】
ロケットのターボポンプ用転がり軸受である請求項９の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は転がり軸受に関し、限定する趣旨ではないが、周囲流体が軸方向に通過する転がり軸受に利用することができる。
【背景技術】
【０００２】
周囲流体が軸方向に通過する転がり軸受の例として、ロケットのターボポンプ用転がり軸受が挙げられる。特に、液体推進剤である液体水素や液体酸素等が取り巻く極低温環境下では、潤滑方式として、油やグリースといった流動性潤滑剤を使用することができないため、固体潤滑を採用している。そして、運転中は、ポンプで昇圧した極低温の推進剤の一部を利用して、軸受が冷却される。
【０００３】
特許文献１には、ターボポンプ用転がり軸受の保持器として、母材のガラス織布にＰＴＦＥを含浸させ、フッ酸処理により表層のガラス繊維を溶解させた一体型のもみ抜き保持器が記載されている。この保持器は、ガラス織布により高速回転時のフープ応力に対する強度を確保し、含浸させたＰＴＦＥにより自己潤滑性としゅう動相手材への移着性を確保することで、極低温かつ高速回転環境下での使用を可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平２−２０８５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されている保持器は、厚肉円筒形状の一体型のもみ抜き形状であるため、この保持器が内輪と外輪との間に介在することにより、内輪と外輪の間の空間の大部分を保持器が占めることになる。したがって、内輪と外輪の間の空間の回転軸線に垂直な断面積が小さく、ポンプによって昇圧した周囲流体が通過しにくいため、軸受冷却効果は限定的とならざるをえない。
【０００６】
本発明は、周囲流体が軸方向に通過する転がり軸受において、軸受冷却効果を一層高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題は、本発明によれば、保持器の形状を工夫して、周囲流体の軸方向通過を促進することによって解決される。すなわち、本発明の転がり軸受は、内輪と、外輪と、複数の転動体と、保持器を備え、内輪と外輪との間の空間を流体が軸方向に通過する転がり軸受において、前記保持器は、複数の保持器セグメントと、前記保持器セグメントを円環状に保持する支持リングとで構成され、各保持器セグメントはポケットと案内面を有し、隣り合う前記保持器セグメント間に流体通路を形成したことを特徴とする。
【０００８】
保持器を複数の保持器セグメントに分割し、隣り合う保持器セグメント間に流体通路を形成したことにより、軸受の軸方向に周囲流体が通過しやすくなる。支持リングによって保持器全体の強度を確保することで、保持器の回転軸線に垂直な断面において、保持器の断面積を小さくすることが可能となった。
【０００９】
各保持器セグメントはポケットと案内面を有し、ポケットに転動体を収容し、案内面は内径面又は外径面で、内輪又は外輪の保持器案内面との間に所定の案内すきまを形成して回転中の案内作用（センタリング）に寄与する。また、保持器セグメントを構成する材料として、固体潤滑作用を有する材料を採用することにより、固体潤滑作用が得られる。
【００１０】
支持リングは、保持器セグメントを構成する材料よりも強度の高い材料、たとえば複合材料や金属材料等からなり、高速回転時のフープ応力に対する強度を確保するほか、各保持器セグメントを円周上に等間隔に保持する役割を果たす。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、複数の保持器セグメントを支持リングによって円環状に保持することにより、従来の一体型のもみ抜き保持器と比較して保持器の回転軸線に垂直な断面における保持器の断面積を部分的に小さくし、隣り合う保持器セグメント間に流体通路を形成することができる。したがって、周囲流体が軸受の軸方向に通過しやすくなり、軸受冷却効果が高まる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（Ａ）は本発明の実施例を示す転がり軸受の一部破断斜視図、（Ｂ）は図１（Ａ）における保持器の斜視図、（Ｃ）は保持器セグメントの展開平面図である。
【図２】保持器の第一変形例を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図である。
【図３】保持器の第二変形例を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｆ）は支持リングの素材の断面斜視図である。
【図５】図４（Ｅ）に示す素材からなる支持リングを用いた保持器の部分展開図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面に従って本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１に、本発明の実施例である転がり軸受（図１（Ａ））と、その転がり軸受に使用する保持器（図１（Ｂ））を示す。
【００１５】
図１（Ａ）に示す転がり軸受はアンギュラ玉軸受の軸受形式であって、内輪２と、外輪４と、複数の転動体６と、保持器８を備えている。図示は省略するが、内輪２と外輪４との間の空間を流体が軸方向に通過するようになっている。
【００１６】
保持器８は、図１（Ｂ）からわかるように、複数の保持器セグメント１０と、保持器セグメント１０を円環状に保持する支持リング２２とで構成される。図１（Ｃ）に示すように、各保持器セグメント１０はポケット１２と案内面１４を有し、隣り合う保持器セグメント１０間に流体通路２４が形成される。また、各保持器セグメント１０は、軸方向の両端面１６に円弧状の溝１８を有する。そして、この溝１８に支持リング２２をはめ込むこと（スナップイン）などにより固定することで、保持器セグメント１０と支持リング２２とからなる保持器アセンブリを形成するようになっている。なお、保持器セグメント１０の間隔を保つための突起その他の手段を支持リング２２に設けることもできる。
【００１７】
保持器セグメント１０の形状は、ポケット１２と案内面１４を有する限り任意であるが、具体例を挙げるならば次のとおりである。
【００１８】
＜保持器セグメントの第一実施例＞
図１（Ｂ）に示す保持器８は、円環状の保持器を複数の保持器セグメント１０に分断した形状で、各セグメント１０は、図１（Ｃ）に示すように、保持器８の円周方向に延びる互いに平行な２辺と、保持器８の軸方向に延びる互いに平行な２辺とからなる略矩形を呈している。保持器セグメント１０の軸方向両側の端面１６は、円周方向に、かつ、保持器８の半径方向に延び、円周方向両側の端面２０は、保持器８の軸方向に延び、かつ、保持器８の半径方向に延びている。
隣り合う保持器セグメント１０どうしの間には、互いに向かい合った円周方向の端面２０間にすきま２４が形成され、このすきま２４が流体通路となる。
【００１９】
＜保持器セグメントの第二実施例＞
図２に示す保持器８は、保持器セグメント１０の軸方向両側の端面１６の角部のうち、少なくとも周囲流体が進入する側の角部に、面取りを施した例である。なお、図２（Ｂ）中、黒矢印は保持器８の回転方向を表し、白抜き矢印は周囲流体の流れを表している。面取りは、図示した丸面取り（丸み）のほか、角面取りであってもよい。特に、図２は保持器セグメント１０の四隅に、すなわち周囲流体の進入側だけでなく流出側の角部にも、丸面取りを施した例である。
【００２０】
図２に示すように、少なくとも周囲流体が進入する側の角部に面取りを施すことにより、周囲流体が流体通路２４に進入する際の抵抗が少なくなるため、円滑に進入することができる。したがって、軸受軸方向における周囲流体の通過が促進される。
【００２１】
＜保持器セグメントの第三実施例＞
図３に示す保持器セグメント１０は、円周方向の端面２０が流線形の曲面である。図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）中、黒矢印は保持器８の回転方向を表し、白抜き矢印は周囲流体の流れを表している。端面２０は、図３（Ｂ）からわかるように保持器８の回転軸線に対して傾斜し、かつ、図３（Ｃ）からわかるように保持器８の半径方向に対しても傾斜している。なお、保持器回転方向の進み側の端面２０は凸曲面であり、遅れ側の端面２０は凹曲面である。少なくとも進み側の端面２０が回転軸線及び半径方向に対して傾斜していることで、保持器８の回転に伴い、白抜き矢印で示すように周囲流体の流れを引き起こす作用が得られる。なお、保持器８の回転軸線及び半径方向に対する傾斜は、各々独立して設けてもよい。
【００２２】
＜保持器セグメントの第四実施例＞
上述の第二実施例と第三実施例は、組み合わせて実施をすることもできる。
図３（Ｂ）に示すように、保持器セグメント１０の円周方向の端面２０を回転軸線に対して傾きを有する平面又は曲面とすることで、保持器８の回転に伴い、周囲流体の流れを引き起こして積極的に軸受内に引き込む作用が得られる。その結果、より多くの周囲流体を軸受の軸方向に通過させて、軸受冷却効果を高めることができる。
また、図３（Ｃ）に示すように、保持器セグメント１０の円周方向の端面２０を保持器８の半径方向に対して傾きを有する平面又は曲面とすることで、保持器８の回転に伴い、周囲流体の流れを引き起こして、内輪２及び／又は外輪４の案内面及び軌道面を積極的に冷却することができる。
【００２３】
保持器８の案内形式に関しては、内輪案内、外輪案内のどちらも適用可能である。図１（Ａ）は外輪案内の例であって、この場合、保持器セグメント１０の外径面が案内面１４となり、また、外輪４の内径面が保持器案内面となる。したがって、保持器セグメント１０の外径面（案内面１４）と外輪４の内径面（保持器案内面）との間には微小な案内すきまが形成される一方、保持器セグメント１０の内径面と内輪２の外径面との間には比較的大きなすきまが形成される。
【００２４】
保持器セグメント１０を構成する材料としては合成樹脂（プラスチック）又は金属を採用することができる。
保持器セグメント１０の材質を合成樹脂とする場合、主成分には固体潤滑性を示すＰＴＦＥやＰＦＡ等のフッ素樹脂を用いるのが望ましい。また、主成分にポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアミド（ＰＡ）等を使用する場合、固体潤滑剤として、ＰＴＦＥ、二硫化モリブデン、グラファイト等を配合する。
【００２５】
ここで、保持器８の強度は支持リング２２に依存するため、強化材を添加しなくてもよいが、保持器セグメント１０の耐摩耗性が必要な場合、強化材には、ガラス繊維（ＧＦ）、ガラスビーズ（ＧＢ）、炭素繊維（ＣＦ）等を添加してもよい。また、極低温環境下で使用する場合、玉６や支持リング２２の線膨張係数に近づけるため、ＧＦ、ＣＦ等を添加してもよい。
【００２６】
保持器セグメント１０の材質を金属とする場合、ポケット１２及び案内面１４にＰＴＦＥ、二硫化モリブデン、グラファイト等の固体潤滑剤の皮膜を設けるのが好ましい。
【００２７】
次に、支持リング２２について述べる。支持リング２２は少なくとも１本使用する。図１は、支持リング２２を保持器８の軸方向の両側に２本配置した例である。図１（Ｃ）を参照してすでに述べたとおり、保持器セグメント１０の軸方向の両端面１６の溝１８に、支持リング２２をはめ込むこと（スナップイン）などにより固定する。なお、保持器セグメント１０を射出成形などにより、支持リング２２と一体成形する場合は、溝１８を設けなくてもよい。保持器８の軸方向で見た、支持リング２２を配置すべき位置は、保持器セグメント１０の軸方向両端部、保持器セグメントの柱部中央などいずれの位置でもよい。
【００２８】
支持リング２２は、保持器８の強度及び剛性の増加に寄与し、保持器８の断面積を小さくすることに貢献できる形状がよい。支持リング２２の形状の具体例を挙げるならば次のとおりである。
【００２９】
支持リング２２は、線状の素材を円環状に曲げて、又は成形したものである。素材の横断面形状は任意であるが、具体例を挙げるならば、円形又は三角形その他の多角形のほか、支持リングの表面積を大きくし、セグメント接合時の接合強度を高める目的で、Ｌ字型（図４（Ａ））やコの字型（図４（Ｂ））とすることができる。さらに、周囲流体の流れ性を向上させる目的で、頂点又は頂部を保持器８の軸方向に向けた略三角形状（図４（Ｃ））や略半円形状（図４（Ｄ））とすることもできる。
【００３０】
また、支持リング２２は、単一の素材で構成するほか、図４（Ｅ）や４（Ｆ）に示すように、複数の素線の集合体で形成することもできる。図４（Ｆ）は４本の素線を束ねて使用する例であり、図４（Ｅ）は７本の素線を束ね、さらによって使用する例である。複数の素線の集合体とすることで、単一の部材に比べて表面積が大きく、セグメント接合時に接合強度が向上する。さらに、よりを加えることにより、保持器の回転に伴い、支持リングによる周囲流体の流れの促進効果が得られる。
【００３１】
図５に示すように、保持器８の回転方向が一方向である場合、支持リング２２を構成する複数の素線の集合体に、保持器８の回転方向に応じて一方向によりを加えることで、保持器８の回転に伴い、周囲流体に流れを引き起こす作用が得られる。したがって、周囲流体が軸受をより通過しやすくなり、軸受冷却効果を更に高めることができる。また、支持リング２２を構成する素線の集合体によりを加えることで、支持リング２２の単位長さあたりの表面積が増加するため、保持器セグメント１０と支持リング２２との密着性が向上する。図５中、破線矢印はよりの方向を示す。なお、黒矢印が保持器回転方向を表し、白抜き矢印が周囲流体の流れを表している点は図４と同じである。
【００３２】
さらに、保持器８の縦断面において、周囲流体が進入する側の支持リング２２の端部形状を先細りとすることによって、周囲流体が流体通路２４に進入する際の抵抗が少なくなるため、流体の通過を促進することができる。先細りの断面形状とは、文字どおり先になるほど細くなった形状の意で、具体例を示すならば、略三角形（図４（Ｃ））や略半円形（図４（Ｄ））を挙げることができる。ただし、必ずしも図示例のように対称形である必要はない。
【００３３】
支持リング２２の材料としては、次に例示するような高強度材が望ましい。すなわち、ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ等の繊維強化プラスチック、又は、アルミニウム合金、チタン合金、マグネシウム合金、炭素鋼、ステンレス鋼、銅合金等である。
【００３４】
高速回転用に使用する場合、比強度の高い、言い換えれば比重が低く、強度が高い材料が望ましい。具体例を挙げるならば、ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ、アルミニウム合金、チタン合金、マグネシウム合金である。
【００３５】
また、液体酸素／液体水素ターボポンプ用に使用される場合、水素反応性の低いＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ、アルミニウム合金を使用することが望ましく、液体酸素ターボポンプに使用される場合、酸化反応性の低いＧＦＲＰを使用することが望ましい。
【００３６】
上述の実施例の効果を要約して列記するならば次のとおりである。
【００３７】
実施例の転がり軸受は、内輪２と、外輪４と、複数の転動体６と、保持器８を備え、前記内輪２と前記外輪４との間の空間を流体が軸方向に通過する転がり軸受において、前記保持器８は、複数の保持器セグメント１０と、前記保持器セグメント１０を円環状に保持する支持リング２２とで構成され、各保持器セグメント１０はポケット１２と案内面１４を有し、隣り合う保持器セグメント１０間に流体通路２４を形成したものである。隣り合う保持器セグメント１０間に流体通路２４を形成したことにより、周囲流体が通過しやすくなり、軸受冷却効果が高まる。
【００３８】
前記保持器セグメント１０の円周方向の端面２０のうち、少なくとも保持器回転方向の進み側を、軸方向に対して傾斜させることにより、保持器８の回転に伴い、当該傾斜した端面２０によって周囲流体の流れが誘起され、軸受冷却効果が一層高まる。
【００３９】
前記保持器セグメント１０の円周方向の端面２０のうち、少なくとも保持器回転方向の進み側を、保持器半径方向に対して傾斜させることにより、保持器８の回転に伴い、当該傾斜した端面２０によって周囲流体の流れが誘起され、軸受冷却効果が一層高まる。
【００４０】
前記保持器セグメント１０の軸方向の端面１６の角部の少なくとも片方に面取りを施すことにより、流体通路２４への流体の進入が円滑になり、これによっても流体の通過が促進される。
【００４１】
前記保持器セグメント１０の材料に固体潤滑性のある複合材を採用することにより、固体潤滑作用が得られる。
【００４２】
前記支持リング２２の軸方向の端面のうち、少なくとも前記流体が進入する側の端面を先細りの断面形状とすることにより、流体通路２４への流体の進入が円滑になり、これによっても流体の通過が促進される。
【００４３】
前記支持リング２２を、複数の素線を束ね、よりを加えた集合体で形成することにより、保持器８の回転に伴い、周囲流体の流れを引き起こすことができるため、軸受冷却効果が一層高まる。
【００４４】
前記支持リング２２を、前記保持器セグメント１０を構成する材料よりも強度の高い材料で形成することにより、保持器セグメント１０を円周上に等間隔に保持することに加えて、高速回転時のフープ応力に対する強度を確保することができる。したがって、保持器セグメント１０の材料選択の自由度が広がる。
【００４５】
上記転がり軸受は、周囲流体中に浸漬した状態で使用する転がり軸受、たとえばロケットのターボポンプ用転がり軸受に適用することで、軸受冷却効果を一層高めることができる。
【００４６】
以上、図面に従って実施の形態を説明したが、本発明は、ここに述べ、かつ、図示した実施の形態に限らず、特許請求の範囲を逸脱することなく種々の改変を加えて実施をすることができる。
【００４７】
本発明の転がり軸受は、上に例示したロケットのターボポンプ用転がり軸受に限らず、たとえばキャンドモータを駆動源とした水中ポンプの駆動軸の支持軸受にも利用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
２  内輪
４  外輪
６  玉（転動体）
８  保持器
１０  保持器セグメント
１２  ポケット
１４  案内面
１６  軸方向両側の端面
１８  溝
２０  円周方向両側の端面
２２  支持リング
２４  流体通路
【図１】
2016023730.tif 000003
【図２】
2016023730.tif 000004
【図３】
2016023730.tif 000005
【図４】
2016023730.tif 000006
【図５】
2016023730.tif 000007