(57)【要約】【課題】極低温下で使用される転がり軸受の回転不良を防止するため、常温での組み立て時の各部品間の隙間を所定範囲に設けることにより、特に固体潤滑剤を保持器からの接触で供給するための案内隙間や、ラジアル内部隙間について極低温下での転がり軸受部品の寸法変化による回転不良を確実に防止することである。【解決手段】内輪１および外輪２は、マルテンサイト系ステンレス鋼または高速度工具鋼であり、転動体３は、セラミックス製の転動体であり、保持器４は樹脂素材からなり、常温（２０℃）の隙間比率Ｃが２．５〜４である極低温環境用転がり軸受とする。ただし、隙間比率Ｃ＝（転動体径×案内隙間）/（内輪外径×ラジアル内部隙間）であり、式中の案内隙間＝内輪外径面と保持器内径面との隙間幅であり、ラジアル内部隙間＝外輪軌道面と転動体表面との隙間幅である。極低温下で固体潤滑剤を保持器からの接触で供給するための案内隙間やラジアル内部隙間についての寸法変化が抑制され、回転不良を確実に防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルテンサイト系ステンレス鋼または高速度工具鋼からなる内・外輪の内・外径面間に、複数の転動体を回転自在に保持する保持器を設けた転がり軸受において、
前記転動体は、セラミックス製の転動体であり、前記保持器は樹脂素材からなり、以下の式で示される２０℃の隙間比率Ｃが２．５〜４であることを特徴とする極低温環境用転がり軸受。
隙間比率Ｃ＝（転動体径×案内隙間）/（内輪外径×ラジアル内部隙間）
(上記式中、案内隙間＝内輪外径面と保持器内径面との隙間幅であり、ラジアル内部隙間＝外輪軌道面と転動体表面との隙間幅である。)
【請求項２】
上記転動体が、窒化ケイ素系のセラミックス製転動体である請求項１に記載の極低温環境用転がり軸受。
【請求項３】
上記保持器が、ポリテトラフルオロエチレンを主成分とする樹脂素材からなる樹脂製保持器である請求項１または２に記載の極低温環境用転がり軸受。
【請求項４】
上記極低温環境用転がり軸受が、液化ガス用ポンプの転がり軸受である請求項１〜３のいずれかに記載の極低温環境用転がり軸受。
【請求項５】
上記液化ガス用ポンプが、液化天然ガス用サブマージドポンプである請求項４に記載の極低温環境用転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液化天然ガスなどの極低温状態の液化ガスを移送するサブマージドポンプに用いられる軸受のように、極低温下で用いられる極低温環境用転がり軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、常温の環境で用いられる転がり軸受は、内輪と外輪の間に転動体を回転自在に保持し、潤滑油等による液体潤滑が必要であるが、例えば−１００℃以下または−２００℃以下のような極低温の液化ガス等が存在する環境や、これらを取り扱う環境下で用いられる転がり軸受には、通常の潤滑油等による液体潤滑を期待できない。また、極低温環境用転がり軸受には、部品の収縮変形に伴う強度や耐久性の低下などが起こりやすいこともあり、そのような厳しい使用条件に耐える特性が必要である。
【０００３】
因みに、極低温の液化ガスの代表例である液化天然ガス（ＬＮＧ）は、メタンを主成分とし、常圧下では−１６１．５℃（約−１６２℃）以下でなければ液化しない物性である。ＬＮＧの他にも、例えば冷媒、熱媒体、充填用ガスなどに液化された状態で利用される液化ガスとして、窒素、ヘリウムなどがある。
【０００４】
このような液化ガスを極低温で液体の状態を維持して移送したり保管したりする場合、極低温下での専用ポンプを用いる必要があり、そのようなポンプの型式としてサブマージド型のポンプが知られている。
この型式のポンプは、モータを含むポンプ装置の全体を液化ガス中に浸漬して用いるので、本体を外気から密封するためのメカニカルシールを必要とせず、気化ガスの散逸によるロスの少ない点でも優れたものである。
【０００５】
このようなサブマージド型のポンプは、モータなども直接に液化ガスに触れる状態で用いられるので、モータ軸などを支持する転がり軸受についても極低温下で潤滑性に乏しいＬＮＧなどの液化ガスで潤滑されながら、耐久性がよく安定して良好な回転状態であることが求められる。
【０００６】
また、極低温環境の他の例としては、上記した液化ガスの存在する環境ばかりではなく、地表から遠く離れた成層圏以上の高高度の宇宙空間や、さらに離れた宇宙空間でも、環境温度は−５０〜−２７０℃程度になることから、そのような人工衛星や宇宙船で用いられる極低温環境用転がり軸受にも同様な特性が求められる。
【０００７】
このような極低温環境で用いられる転がり軸受の公知技術として、外輪および内輪がマルテンサイト系ステンレス鋼で形成され、かつ転動体がセラミックで形成され、保持器はフッ素樹脂で形成されたものが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１４−２０４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記した極低温環境で用いられる転がり軸受は、内輪、外輪、転動体、及び保持器の素材を特定して、低温化による寸法変化を生じ難くしたものに過ぎず、転がり軸受を常温で組み立てるときの部品寸法まで、特定されたものではなかった。
すなわち、従来の極低温環境用の転がり軸受では、外輪、内輪、転動体、保持器を所定の素材からなる極低温での熱収縮の少ない材質を採用しても、ある程度は低温化による寸法変化を甘受せざるを得ない。
【００１０】
例えば、極低温下での転がり軸受の樹脂素材からなる保持器の案内形式として、以下の(1)〜(3)の対応がある。
(1)転動体案内：転動体と保持器ポケット間に予定される熱収縮に対応する隙間を空けて、適度の接触を図る。
(2)内輪案内：内輪外径と保持器内径間に予定される熱収縮に対応する隙間を空けて、適度の接触を図る。
(3)外輪案内：外輪内径と保持器外径間に予定される熱収縮に対応する隙間を空けて、適度の接触を図る。
【００１１】
これらの場合において、特に鋼材製の内外輪およびセラミックス製の転動体が採用されている場合には、鋼材やセラミックスよりも樹脂材の方が線膨張係数は大きいことから、極低温下において、(1)では、保持器の収縮が転動体の収縮より大きく、保持器は転動体の回転を妨げる可能性がある。また、(2)では、常温下での隙間の適切な設定が困難であり、理論的には保持器の外径が外輪内径より大きくする必要が生じて、設計は困難になってしまう。
【００１２】
また、上記(3)の対応を採用した場合には、常温での軸受組み立て時の各部品間の隙間をどのようにすれば、極低温下での軸受の回転不良を防止できるのか不明であり、多くの試行錯誤を伴う非容易性があった。
【００１３】
そこで、この発明の課題は上記した問題点を解決し、極低温下で使用される転がり軸受の回転不良を防止するため、常温での組み立て時の各部品間の隙間を所定範囲に設けることにより、特に固体潤滑剤を保持器からの接触で供給するための案内隙間や、ラジアル内部隙間について極低温下での転がり軸受部品の寸法変化による回転不良を確実に防止することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するため、この発明では、マルテンサイト系ステンレス鋼または高速度工具鋼からなる内・外輪の内・外径面間に、複数の転動体を回転自在に保持する保持器を設けた転がり軸受において、前記転動体は、セラミックス製の転動体であり、前記保持器は樹脂素材からなり、以下の式で示される常温（２０℃）の隙間比率Ｃが２．５〜４であることを特徴とする極低温環境用転がり軸受としたのである。
【００１５】
隙間比率Ｃ＝（転動体径×案内隙間）/（内輪外径×ラジアル内部隙間）
(上記の式中、案内隙間＝内輪外径面と保持器内径面との隙間幅であり、ラジアル内部隙間＝外輪軌道面と転動体表面との隙間幅である。)
【００１６】
上記したように構成されるこの発明の極低温環境用転がり軸受は、常温(２０℃)で組み立てられる際に、内輪外径面と保持器内径面との隙間(mm)が、常温またはそれ以上の温度で使用される通常の用途の転がり軸受の同箇所の間隔として、技術常識を超える大きな隙間幅のものである。
【００１７】
すなわち、極低温環境用転がり軸受が、常温(２０℃)で組み立てられた際には、内輪外径面と保持器内径面との案内隙間およびラジアル内部隙間は、常温(２０℃)から極低温下(−１９６℃)まで冷却されるまでの温度差と、内・外輪と保持器のそれぞれの熱膨張率差を考慮して、上記した隙間比率Ｃが２．５〜４に設けられる。
【００１８】
樹脂製の保持器の主成分としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリロニトリルスチレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンプラスチック、ポリ三フッ化塩化エチレン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリスルホン、ポリフェニレンオキシド、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂などが用いられるが、極低温下(−１９６℃)の使用状態においては、特にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が好ましい。ＰＴＦＥ系樹脂製の保持器の場合、保持器の内径面と、マルテンサイト系ステンレス鋼または高速度工具鋼からなる所定鋼材製の内輪外径面とが、適当な頻度で接触し、保持器表面のＰＴＦＥ系樹脂が内輪外径面に移着して良好な潤滑性が発揮される。
【００１９】
ここで、隙間比率Ｃは、単に各部品の材質の熱膨張率と温度だけで計算により求められるものではなく、使用中に軌道輪に係る荷重や、外輪の径方向への移動量、各部品の弾性変形量に関わり、これらの影響下に前記した式に従って、隙間比率Ｃを求め、軸受部品の寸法変化による回転不良を確実に防止でき良好な回転状態になる適切な数値を実験的に見つけだすことにより、特定することができたものである。
【００２０】
また、この発明の極低温環境用転がり軸受は、マルテンサイト系ステンレス鋼または高速度工具鋼からなる内輪と外輪が、極低温下で寸法変化の起こり難い素材であり、使用時の摩耗も起こり難いものであり、良好な回転状態がより安定する。
【００２１】
また、内輪と外輪の回転時に摩擦接触する転動体は、樹脂成分が移着しやすいセラミックス製であるから、回転に伴って保持器から適当な頻度で移着する樹脂成分、特にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が極低温下でも安定して優れた固体潤滑性を発揮し、内輪と外輪が転動体に接触する度に、転動体が固体潤滑されて摩耗は抑制され、円滑に安定して回転する。
【００２２】
そのため、転がり軸受を長期間使用するときにも軌道面および転動体の摩耗が極めて少なくなり、特にＬＮＧによって潤滑されかつ冷却されるという極低温環境下での内外輪と転動体が長期使用に耐えるようになり、耐摩耗性および潤滑性が低下せず耐久性に優れた極低温環境用転がり軸受となる。
【００２３】
上記セラミックス製の転動体は、窒化ケイ素系のセラミックス製転動体であることが高硬度で耐摩耗性に優れているので、好ましい。
また、上記極低温環境用転がり軸受は、液化ガス用ポンプの転がり軸受に適用できる。液化ガス用ポンプである液化天然ガス用サブマージドポンプは、特にこの発明の転がり軸受の実用的利用価値を高める適用例である。
【発明の効果】
【００２４】
この発明は、セラミックス製転動体と、樹脂製保持器とを具備し、常温での所定の隙間比率Ｃ＝（転動体径×案内隙間）/（内輪外径×ラジアル内部隙間）の特定された極低温環境用転がり軸受としたので、極低温下で固体潤滑剤を保持器からの接触で供給するための案内隙間や、ラジアル内部隙間について寸法変化が抑制され、回転不良を確実に防止でき、また軌道面および転動体の摩耗が極めて少ないものとなり、特にＬＮＧ等の液化ガスによって潤滑されかつ冷却される極低温環境下や宇宙環境のような極低温環境下でも長期間の使用に耐えて経時的に耐摩耗性および潤滑性が低下せず、回転状態の安定した極低温環境用転がり軸受になる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施形態を示す極低温環境用転がり軸受の要部断面図
【図２】実施形態の使用状態を説明し、液化天然ガス用サブマージドポンプの概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
この発明の実施形態を以下に添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように実施形態の転がり軸受は、後記所定の鋼材からなる内輪１の外径面１ａと外輪２の内径面２ａの間に、複数の転動体（玉）３を回転自在に保持する保持器４を設けた玉軸受Ａであり、転動体３はセラミックス製であり、保持器４はポリテトラフルオロエチレンを主成分とする樹脂素材からなり、隙間比率Ｃ＝（転動体径×案内隙間σ1）/（内輪外径×ラジアル内部隙間σ２）の式で示される所定の隙間比率Ｃが２．５〜４である極低温環境用転がり軸受である。
ここで前記式中の案内隙間σ1は常温(２０℃)での内輪外径面１ａと保持器４の内径面との隙間(mm)であり、ラジアル内部隙間σ２は極低温下(−１９６℃)での外輪内径面２ａと転動体３の表面との隙間(mm)である。
【００２７】
上記した内輪１および外輪２は、マルテンサイト系ステンレス鋼または高速度工具鋼であり、これらは硬質で耐摩耗性に優れた鋼材である。マルテンサイト系ステンレス鋼の例としては、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４２０、ＳＵＳ４４０Ｃなどが挙げられる。また、高速度工具鋼としては、米国鉄鋼協会ＡＩＳＩ規格の高速度鋼Ｍ５０、日本工業規格のＳＫＨ４等が挙げられる。
【００２８】
なお、図示は省略したが、内輪１および外輪２の基材の表面側、少なくとも軌道面（または転走面とも別称される。）に、ビッカース硬度（Ｈｖ）１０００〜４０００程度のダイヤモンドライクカーボンを主体とする硬質皮膜を、基材に対し表面へ向けて段階的または連続的に硬度を高めた中間層を介して設けることによって、より耐摩耗性を高めた実施形態とすることもできる。
【００２９】
この発明に用いる転動体３は、セラミックス製であり、セラミックスの種類は、特に限定されないが、窒化ケイ素系、ジルコニア系、炭化ケイ素系、アルミナ系の各系のセラミックスを調製することができるが、例えば窒化ケイ素系セラミックス製の転動体は、特に硬質で耐摩耗性に優れているので好ましい。
【００３０】
この発明に用いる保持器４は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリロニトリルスチレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンプラスチック、ポリ三フッ化塩化エチレン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリスルホン、ポリフェニレンオキシド、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂などを主成分とする樹脂素材が用いられる。特に良好な潤滑性を考慮した場合、ポリテトラフルオロエチレン（例えばＮＴＮ社製：ベアリーFL3000等）からなるものを採用する。このような樹脂素材は、極低温でも転動体の表面に固体潤滑剤を移着させ、良好かつ安定した固体潤滑性を発揮させるからである。
【００３１】
保持器４の形式(または形態)は、特に限定されるものではなく、周知の環状のものであり、例えば冠型タイプ、また円筒またはリング状の周方向にポケット穴を等間隔に形成した円環状タイプ、さらに環状の軸方向に二つ割り可能なものであって、これら分割された部品をピンで加締めて一体化可能なタイプであっても良い。
【００３２】
また、この発明においては、転がり軸受の種類（型式）は、ラジアル内部隙間を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、深溝玉軸受または円筒ころ軸受の極低温環境用転がり軸受であっても良い。
【００３３】
そして、この発明の極低温環境用転がり軸受は、その具体的な用途を、液化ガス用ポンプ用の転がり軸受としたものでも良く、また人工衛星アンテナの支持や駆動装置に用いる転がり軸受であっても良い。
【００３４】
転がり軸受の用途が液化ガス用ポンプである場合は、液化天然ガス（ＬＮＧ）用サブマージドポンプであってもよいが、その場合には、転がり軸受が直接に極低温のＬＮＧに接触するため、この発明の内外輪と転動体が長期間の使用に耐えて耐摩耗性および潤滑性の低下しない耐久性に優れた極低温環境用転がり軸受となる効果が顕著に現れる。
【００３５】
図２に示すように、液化天然ガス（ＬＮＧ）用サブマージドポンプは、ポンプ全体を液中に浸漬することにより、ポット（圧力容器）８内で気密性を発揮するものであり、ポンプ軸９は、モータ軸１０に同軸上に一体に連結された構造である。
【００３６】
ポット８は、ＬＮＧの吸込口１１を外側に向けて開口しており、また外部配管（図示せず。）に通じる吐出口１２を有している。ポット８内に装着されたモータ１３は、外部電源によって回転するモータ軸１０の上側と下側を、図１に示される実施形態の玉軸受Ａで支持しており、このモータ軸１０と一体に回転するポンプ軸９には、複数段の羽根車（インペラー）１４が取り付けられている。
【００３７】
このポンプの図示した装置内の流路は、駆動したモータ１３によるポンプ軸９と一体に回転する羽根車１４によって、ポット８内に吸込口１１から流入したＬＮＧが、ポット８の内側面に沿って下向きに流れ、多段の羽根車１４の最下段部分から吸い込まれて、羽根車１４の周囲に配置された筒状内壁１５の内側の配管１６から吐出口１２に流れるが、ＬＮＧの一部は筒状内壁１５の内側の他の配管１７からモータ１３内を潤滑液として流れて、玉軸受Ａを潤滑および冷却し、ポット８の内側面に沿って下向きの流れに合流して、再度、多段の羽根車１４の先端部分から吸い込まれる。
【００３８】
このようにして使用される玉軸受Ａは、転動体を樹脂製保持器で保持し、転動体は、セラミックス製の転動体であり、前記保持器はポリテトラフルオロエチレンを主成分とする樹脂素材からなり、以下の式で示される所定の隙間比率Ｃが２．５〜４であるので、極低温下で固体潤滑剤を保持器からの接触で供給するための案内隙間や、ラジアル内部隙間について寸法変化が抑制され、回転不良を確実に防止できる。
これにより軌道面および転動体の摩耗が極めて少ないものとなり、特にＬＮＧ等の液化ガスによって潤滑されかつ冷却される極低温環境下や宇宙環境のような極低温環境下でも長期間の使用に耐えて経時的に耐摩耗性および潤滑性の低下せず、回転状態の安定した極低温環境用転がり軸受になる。
【００３９】
なお、上記したように、この発明の実施形態として、極低温環境用転がり軸受を示したが、前記した式で示される隙間比率Ｃが２．５〜４となるように、所定内径の外輪を選択してラジアル内部隙間を調整することを特徴とする極低温環境用転がり軸受の軸受内部隙間の調整方法の発明とすることもできる。
【実施例】
【００４０】
［実施例１〜３］
マルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）の内輪と外輪を備え、窒化ケイ素系のセラミックス製の玉を転動体とし、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を主成分とするＮＴＮ精密樹脂株式会社製のベアリーＦＬ製の円環状の保持器を用いて、表１に示す型番の転がり軸受を組み立てた。
【００４１】
表１中にＮＴＮ社製の各種転がり(玉)軸受の型番と、その内輪内径φｄ(mm)と外輪外径φＤ(mm)を示すと共に、常温(２０℃)での玉径（mm）と案内隙間σ1(mm)（＝内輪外径面と保持器内径面との隙間幅）との積：Ｃ1を示し、また常温(２０℃)での内輪外径（mm）とラジアル内部隙間σ２(mm)（＝外輪軌道面と転動体表面との隙間幅）との積：Ｃ２を示し、また隙間比率Ｃ＝Ｃ１／Ｃ２の値を表１中に示した。
また、実施例１〜３の転がり軸受を極低温下(−１９６℃)の環境下における玉径（mm）と案内隙間σ1(mm)（＝内輪外径面と保持器内径面との隙間幅）とを調べ、それらの積Ｃ1を表中に併記した。
【００４２】
［比較例１〜３］
上記各実施例と同じ型番の転がり（玉）軸受と同じ素材からなる部品を組み立てて、表１に示す内輪内径φｄ(mm)と外輪外径φＤ(mm)の転がり軸受を製造し、常温(２０℃)環境下において所定範囲(２．５〜４)の範囲外の隙間比率Ｃ＝Ｃ１／Ｃ２に設定し、これらの軸受についても実施例と同様に各寸法を調べ、常温(２０℃)での玉径（mm）と案内隙間σ1(mm)との積：Ｃ1、および常温(２０℃)での内輪外径（mm）とラジアル内部隙間σ２(mm)との積：Ｃ２を表１中に示した。
また、比較例１〜３の転がり軸受を極低温下(−１９６℃)の環境下において、玉径（mm）と案内隙間σ1(mm)（＝内輪外径面と保持器内径面との隙間幅）とを調べ、それらの積Ｃ1を表中に併記した。
【００４３】
【表１】
2017150593.tif 000003
【００４４】
表１の結果からも明らかなように、隙間比率Ｃ＝Ｃ1/Ｃ２の値が、２．５未満の比較例１、２は、適正な案内隙間の１／２以下（比較例１）であり、また玉径×案内隙間の値がマイナスの値で圧接状態を示しており（比較例２）、保持器は内輪に接触して回転不良または発熱する状態になった。また、隙間比率Ｃが４．５の比較例３は、保持器は転がり軸受内部で遊動し、いわゆるガタつきと振動を起こして回転不良の状態であった。
【００４５】
一方、隙間比率Ｃが、２．７〜３．６の実施例１〜３は、いずれも回転状態が円滑であり、極低温環境下でも長期間の使用に耐え、経時的に耐摩耗性および潤滑性が低下せずに安定した回転状態であった。
【符号の説明】
【００４６】
１  内輪
１ａ  内輪外径面
２  外輪
２ａ  外輪内径面
３  転動体
４  保持器
８  ポット
９  ポンプ軸
１０  モータ軸
１１  吸込口
１２  吐出口
１３  モータ
１４  羽根車
１５  筒状内壁
１６、１７  配管
【図１】
2017150593.tif 000004
【図２】
2017150593.tif 000005