JP2008032114A - 耐食・絶縁転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】洋上設置の風力発電用主軸支持装置にも使用可能な、優れた耐食・絶縁性能を有する耐食・絶縁転がり軸受を提供する。
【解決手段】風力発電装置においてブレードが取付けられた主軸を軸支する耐食・絶縁転がり軸受５であって、内輪１１、外輪１２、およびこれら内外輪の軌道面間に介在する複数の転動体１３を備え、内輪１１の内周面および外輪１２の外周面から選ばれた少なくとも一つの周面にセラミックス被膜１７を有し、該セラミックス被膜１７は、アルミナ微粒子等をエアロゾル原料として使用したエアロゾルデポジション法により形成される被膜である。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電装置においてブレードが取付けられた主軸を軸支する耐食・絶縁転がり軸受に関する。

風力発電用風車は、効率面および採算面から無人で運転されたり、大型化されて高所に設置されることが多く、風車主軸用軸受もメンテナンスフリー化を図り、潤滑面でも簡易な軸受とすることが望まれる。風車主軸用軸受としては、例えば、複列自動調心ころ軸受等が利用されている（非特許文献１参照）。
近年において、陸地では風力発電用風車の設置条件を満たす場所が少なくなってきている。このため、最近では大型風車は洋上に設置される例が多くなってきている。この場合、風車用軸受には塩害に対する耐腐食性が要求される。また、同時に落雷による電食防止のための絶縁性能も要求されている。これらの特性は、陸地設置の場合も設置場所によっては要求される。
このような電食や腐食を防止する有効な手段として、従来、軸受軌道輪の外表面にセラミックス等の絶縁体の溶射被膜を形成することが知られている。

しかしながら、溶射技術を用いて軸受の外径面および幅面にセラミックス層を設ける方法は、熱処理して硬化させた軸受綱の溶射加工時の熱による焼き戻り防止のために、ワークを冷却しながらセラミックス層を成膜せねばならず、非常に煩雑であり、生産性の低下を招いていた。さらに、溶射法で軸受外径面および幅面にセラミックス層を設けようとすると、下地処理としてニッケルアルミ等の層を予め溶射する必要があり、これも生産性の低下を招く原因となっている。

一方、溶射法で得られたセラミックス層は、多孔質となるため結露などでの水分の侵入による絶縁抵抗の低下を封孔処理で対策する必要がある。封孔処理については合成樹脂、重合性有機溶剤、並びにフッ素系界面活性剤およびパーフルオロ基含有有機ケイ素化合物からなる群から選ばれる少なくとも１種を含有する封孔処理剤を用いる方法（特許文献１参照）や、浸透性良好な絶縁樹脂による封孔処理層を下層とし、浸透性が完全でない絶縁樹脂による封孔処理層を上層とする組合せ層を形成することにより封孔する方法（特許文献２参照）等が知られている。しかし、これらの封孔処理方法を用いる場合は、非常にコスト高となるという問題がある。
ＮＴＮ社カタログ「新世代風車用軸受」Ａ６５．ＣＡＴ．Ｎｏ．８４０４/０４/ＪＥ、２００３年５月１日発行 特開２００３−１８３８０６号公報 特許第３００９５１６号公報

本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、洋上設置の風力発電用主軸支持装置にも使用可能な、優れた耐食・絶縁性能を有する耐食・絶縁転がり軸受を提供することを目的とする。

本発明の耐食・絶縁転がり軸受は風力発電装置においてブレードが取付けられた主軸を軸支する耐食・絶縁転がり軸受であって、上記耐食・絶縁転がり軸受は、外輪と内輪と、この外輪および内輪間に介在する転動体とを備え、上記外輪の外周面および上記内輪の内周面から選ばれた少なくとも一つの周面にエアロゾルデポジション法（以下、ＡＤ法と記す）により形成されるセラミックス被膜を有することを特徴とする。

上記セラミックス被膜は、アルミナ微粒子をエアロゾル原料として使用した被膜であることを特徴とする。
また、上記アルミナ微粒子の平均粒子径は、0.01μm〜2μm であることを特徴とする。なお、本発明において平均粒子径は日機装株式会社製：レーザー式粒度分析計マイクロトラックＭＴ３０００によって測定した値である。

上記セラミックス被膜は、エアロゾル噴射ノズルを固定し、上記外輪または上記内輪を、対象物回転用モータを用いて回転させつつ、位置決め用ＸＹテーブルを用いて軸方向に移動させて形成することを特徴とする。

本発明の耐食・絶縁転がり軸受は、風力発電装置においてブレードが取付けられた主軸を軸支する耐食・絶縁転がり軸受において、外輪の外周面および内輪の内周面から選ばれた少なくとも一つの表面に、ＡＤ法によりセラミックス被膜を形成するので、常温で被膜表面と軌道輪素地とを連通することのない緻密なセラミックス被膜が得られ、優れた耐食性能および絶縁性能を保持できる。この結果、洋上設置の風力発電用主軸支持軸受として、高い信頼性を有する。
また、高温にさらされることがないＡＤ法で、αアルミナを用いて成膜するので、αアルミナがγアルミナに変態することがなく、絶縁性の高いαアルミナの被膜が得られる。

真空室内等で、位置決め用ＸＹテーブル上に軸を回転させる対象物回転用モータを設置し、エアロゾル噴射ノズルを固定し、軸受外輪または軸受内輪を回転させながら、かつ軸方向に移動させるので、セラミックス被膜を外輪外周面または内輪内周面に均一に形成できる。回転させてエアロゾルによる被膜を塗り重ねることで、数μm〜数十μm の緻密なセラミックス被膜を密着性良好に形成できる。また、ワークの冷却不要、ニッケルアルミ等の下地処理不要および封孔処理不要などにより、溶射法と比較すると製造コストが大幅に安くなる。

本発明の耐食・絶縁転がり軸受が用いられる風力発電用主軸支持装置を図５および図６に基づいて説明する。図５は風力発電用主軸支持装置を含む風力発電機全体の模式図であり、図６は図５の風力発電用主軸支持装置を示す図である。
図５または図６に示すように、風力発電機１は、風車となる羽根２が取り付けられた主軸３を、ナセル４内の軸受ハウジング１５に設置された軸受５により回転自在に支持し、さらにナセル４内に増速機６および発電機７を設置したものである。増速機６は、主軸３の回転を増速して発電機７の入力軸に伝達するものである。ナセル４は、支持台８上に旋回座軸受を介して旋回自在に設置され、図６の旋回用のモータ９の駆動により、減速機１０を介して旋回させられる。ナセル４の旋回は、風向きに羽根２の方向を対向させるために行なわれる。主軸支持用の軸受は、図６の例では２個設けているが、１個であってもよい。

上記風力発電用主軸支持装置において、耐食・絶縁転がり軸受および該軸受を設置する部位の詳細な構造を図４により説明する。
本発明の耐食・絶縁転がり軸受５は、一対の軌道輪となる内輪１１および外輪１２と、これら内外輪１１、１２間に介在した複数の転動体１３とを有する。耐食・絶縁転がり軸受５は、スラスト負荷が可能なラジアル軸受であればよく、自動調心ころ軸受の他に、アンギュラ玉軸受や、円すいころ軸受、深溝玉軸受等であってもよい。これらの中で、軽荷重から突風時の重荷重まで幅広い荷重域で、かつ風向の変化が絶えず生じる状態で運転される風力発電用主軸支持軸受としては、運転に伴なう主軸の撓みを吸収できる自動調心ころ軸受が好ましい。
耐食・絶縁転がり軸受５の外輪１２は軌道面１２ａが球面状とされ、各転動体１３は外周面が外輪軌道面１２ａに沿う球面状のころとされている。内輪１１は各列の軌道面１１ａ、１１ａを個別に有するつば付きの構造とされている。転動体１３は、各列毎に保持器１４で保持されている。
外輪１２は軸受ハウジング１５の内径面に嵌合して設置され、内輪１１は主軸３の外周に嵌合して主軸３を支持している。軸受ハウジング１５は、耐食・絶縁転がり軸受５の両端を覆う側壁部１５ａと主軸３との間にラビリンスシール等のシール１６が構成されている。軸受ハウジング１５で密封性が得られるため、耐食・絶縁転がり軸受５にはシールなしの構造が用いられている。なお、内輪１１、外輪１２および転動体１３は、軸受鋼等の金属材からなる。

図４における軸受部分の拡大図として、本発明の耐食・絶縁転がり軸受の実施態様を図１〜図３に示す。図１は、本発明の一実施例として外輪外周面にＡＤ法によるセラミックス被膜を形成した場合の断面図である。なお、セラミックス被膜は非常に薄い、数μm〜数十μm の被膜であるが、図１および後述する図２、図３においては説明便宜上、実際よりも厚く図示している。
耐食・絶縁転がり軸受５は、図１に示すように外輪１２の外周面１２ｂにＡＤ法によりセラミックス被膜１７が形成されている。本発明においてセラミックス被膜１７を形成する外輪１２の外周面１２ｂとは、少なくとも外輪１２を保持するハウジング１５と外輪１２とが接触する範囲の面および腐食性物質と接触するおそれのある面の全面である。図１に示す場合において、外輪１２の外周面１２ｂは、外輪１２の外径面ａから端面ｂに渡る範囲で、面取部ｃも含めた範囲の面である。

また、セラミックス被膜１７は、上記外輪１２の外周面１２ｂの他、内輪１１の内周面に形成されていてもよい。本発明の耐食・絶縁転がり軸受の他の実施例を図２および図３に基づいて説明する。図２に示す例では、内輪１１の内周面１１ｂにセラミックス被膜１７が形成されている。本発明においてセラミックス被膜１７を形成する内輪１の内周面１１ｂとは、少なくとも内輪１１が支持する主軸３と接触する範囲の面および腐食性物質と接触するおそれのある面の全面である。図２に示す場合において、内輪１１の内周面１１ｂは、内輪１１の内径面ｄから端面ｅに渡る範囲で、面取部ｆも含めた範囲の面である。
図３に示す例では、外輪１２の外周面１２ｂおよび内輪１１の内周面１１ｂにセラミックス被膜１７がそれぞれ形成されている。

本発明においてＡＤ法は、原料セラミックスの微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを内輪や外輪等の基材に向けてエアロゾル噴射ノズルより噴射し、エアロゾルをこの基材表面に高速で衝突させ、微粒子の構成材料からなる被膜を基材上に形成させる方法である。セラミックス微粒子は、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成し、低温接合を生じさせるので、室温で微粒子同士の接合を実現できる。
エアロゾル中ではセラミックスの微粒子は分散状態を維持している。溶射法から得られる被膜が多孔質であるのに対し、ＡＤ法により得られる被膜は、上記のようにエアロゾルに分散した微粒子から被膜を形成するので、得られる被膜は極めて緻密なセラミックス層となる。このため、内輪内周面や外輪外周面に、該被膜を形成した耐食・絶縁転がり軸受は、水分や腐食性物質が基材素地に侵入することがなく、耐食性・絶縁性の低下を招くことがない。
また、ＡＤ法によるセラミックス被膜は緻密で耐食性・絶縁性に優れるので、一定の被膜特性を確保するために必要な被膜厚さは、溶射法に比べて薄くすることができる。

本発明においてＡＤ法によるセラミックス被膜を形成するための、エアロゾル原料となるセラミックス微粒子としては、絶縁性よび耐食性に優れ、ＡＤ法で使用可能なものであれば、任意のセラミックス微粒子を使用できる。例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物セラミックスの微粒子等が挙げられる。それぞれのセラミックスの高純度グレードにおいて、真比重が小さい方がエアロゾル化しやすいことから、アルミナ微粒子が好ましい。
本発明に用いることができるアルミナ微粒子の平均粒子径は、0.01μm〜2μm である。0.01μm 未満では凝集しやすくエアロゾル化は困難であり、2μm をこえるとＡＤ法での膜形成はできない（膜成長しない）。
アルミナ微粒子の粒子径調整方法としては、アルコキシド法やコロイド法、アンモニウム明礬の熱分解法、アンモニウムアルミニウム炭酸塩熱分解法、改良バイヤー法、エチレンクロルヒドリン法の化学的手法や、ガス中蒸発法やスパッタリング（気相酸化）法、アルミニウムの水中火花放電法などの物理的手法を用いて作製された数 10 nm 以下の微細な微粒子を加熱し、粒子径で数 100 nm 程度の２次粒子に凝集させる方法等が挙げられる。また、被膜形成を良好に行なうため、基材への衝突時にアルミナ微粒子が容易に粉砕するように、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を用いてクラックを予め形成しておくことが好ましい。

ＡＤ法では、溶射法と異なり高温処理が不要であるため、高温にさらされることによる原料セラミックスの変態による絶縁性の低下を招くこともない。例えば、絶縁性に優れたαアルミナを用いても溶射法ではγアルミナに変態して絶縁性が低下するため、膜厚を増加させる必要があるが、ＡＤ法でαアルミナを用いると絶縁性の高いαアルミナのままで成膜できるので、絶縁性の高いセラミックス層が得られる。

本発明においてＡＤ法によるセラミックス被膜の形成方法としては、耐食・絶縁転がり軸受を固定してエアロゾル噴射ノズルを移動させて被膜を形成する方法、または、エアロゾル噴射ノズルを固定して耐食・絶縁転がり軸受を移動させて被膜を形成する方法のいずれも採用できる。
これらの方法の中で、エアロゾルを安定な状態で吹きつけることができ、位置決め用ＸＹテーブルおよび対象物回転用モータを併用し、軸受の内輪または外輪を回転させつつ軸方向に移動させることで、セラミックス被膜を容易に塗り重ねて形成できることから、後者の方法を用いることが好ましい。

本発明におけるＡＤ法を図７に基づいて説明する。図７はＡＤ法により外輪外周面にセラミックス被膜を形成する場合の、セラミックス被膜形成装置を示す図である。
図７に示すように、ＡＤ法によるセラミックス被膜形成装置１８は真空室１９を有する。真空室１９内には、セラミックス被膜形成対象である耐食・絶縁転がり軸受の外輪１２（または内輪）と、エアロゾル噴射ノズル２６とが配設されている。エアロゾル噴射ノズル２６にはエアロゾル発生装置２５からエアロゾルが供給される。真空室１９の内部は真空ポンプ２３によって減圧される。セラミックス微粒子の混入を防止するため、真空ポンプ２３の直前に微粒子フィルター２２が設けられている。外輪１２は、真空室１９内において、対象物回転用モータ２１により回転させられ（図中Ａ）、位置決め用ＸＹテーブル２０により軸方向に移動させられる（図中Ｂ）。

エアロゾル噴射ノズル２６は、セラミックス微粒子を、長方形等の開口部を有するノズル先端から、内輪内周面および外輪外周面から選ばれた少なくとも一つの周面に噴射するものである。なお、エアロゾル噴射ノズル２６は、１本であっても複数本であってもよい。また、エアロゾル噴射ノズル２６は、真空室９内で変位可能に構成してもよい。
エアロゾルの搬送ガスとしては、不活性ガスを使用し、ガス供給設備２４からエアロゾル発生装置２５に供給されている。使用可能な不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等が挙げられる。
固定したエアロゾル噴射ノズル２６から、対象物回転用モータ２１により所定回転数で回転している外輪１２に、セラミックス微粒子を原料とするエアロゾルが噴射され、外輪１２の外周面にセラミックス被膜が塗り重ねられて形成される。同時に、位置決め用ＸＹテーブル２０により外輪１２を軸方向に移動させることで、各周面の軸方向にも均一に被膜が形成される。なお、被膜形成は、被膜厚さが 30μm 程度となるまで行なうことが好ましい。
以上の形成方法は、内輪内周面にセラミックス被膜する場合も同様である。

実施例
図３に示す耐食・絶縁転がり軸受を作成し試験用軸受とした。ここで、外輪１２の外周面１２ｂ、および、内輪１１の内周面１１ｂにアルミナ微粒子からなる被膜１７をＡＤ法により形成した。ＡＤ法は、位置決め用ＸＹテーブル２０および対象物回転用モータ２１を併用した軸受駆動装置を用いて、周速 100 mm／分で回転しつつ軸方向に移動する外輪外周面に、100 Pa 以下の減圧下で、開口サイズ 1.0 mm×15 mm のノズルを通してアルミナ微粒子のエアロゾルを噴射して被膜形成を行なった。被膜形成は、被膜厚さが 30μm となるまで行なった。同様に内輪内周面にも被膜形成を行なった。
アルミナ微粒子は、大明化学工業社製：タイミクロンＴＭ-ＤＡＲを用い、平均粒子径 0.16μm で、10 Pa 以下の減圧下、加熱乾燥処理して使用した。なお、搬送ガスにはヘリウムを用い、粒子速度は搬送ガス流量で制御した。

得られた試験用軸受の耐食性は、軸受表面を完全にアセトンで脱脂した後、ＪＩＳ規格Ｚ２３７１に準拠し、35℃、5％ＮａＣｌ水溶液を用いて行なった。試験時間 50 時間後の外観で評価した結果、発錆は認められなかった。また、この試験用軸受の絶縁性については所定の絶縁抵抗（ 10 ＭΩ以上／500Ｖ負荷時）が得られることが確認できた。

本発明の耐食・絶縁転がり軸受は、外輪の外周面および内輪の内周面から選ばれた少なくとも一つの表面に、ＡＤ法によりセラミックス被膜を形成するので、優れた耐食性能および絶縁性能を保持でき、特に洋上設置の風力発電用主軸支持軸受として好適に利用できる。

本発明の耐食・絶縁転がり軸受の一実施例を示す断面図である。 本発明の耐食・絶縁転がり軸受の他の実施例を示す断面図である。 本発明の耐食・絶縁転がり軸受の他の実施例を示す断面図である。 風力発電用主軸支持装置における耐食・絶縁転がり軸受の設置構造を示す図である。 風力発電用主軸支持装置を含む風力発電機全体の模式図である。 風力発電用主軸支持装置を示す図である。 ＡＤ法によるセラミックス被膜形成装置を示す図である。

符号の説明

１ 風力発電機
２ 羽根
３ 主軸
４ ナセル
５ 耐食・絶縁転がり軸受
６ 増速機
７ 発電機
８ 支持台
９ モータ
１０ 減速機
１１ 内輪
１２ 外輪
１３ 転動体（ころを含む）
１４ 保持器
１５ 軸受ハウジング
１６ シール
１７ セラミックス被膜
１８ セラミックス被膜形成装置
１９ 真空室
２０ 位置決め用ＸＹテーブル
２１ 対象物回転用モータ
２２ 微粒子フィルター
２３ 真空ポンプ
２４ ガス供給設備
２５ エアロゾル発生装置
２６ エアロゾル噴射ノズル

Claims (4)

1. 風力発電装置においてブレードが取付けられた主軸を軸支する耐食・絶縁転がり軸受であって、該耐食・絶縁転がり軸受は、外輪と内輪と、この外輪および内輪間に介在する転動体とを備えてなり、
   前記外輪の外周面および前記内輪の内周面から選ばれた少なくとも一つの周面にエアロゾルデポジション法により形成されるセラミックス被膜を有することを特徴とする耐食・絶縁転がり軸受。
2. 前記セラミックス被膜は、アルミナ微粒子をエアロゾル原料として使用した被膜であることを特徴とする請求項１記載の耐食・絶縁転がり軸受。
3. 前記アルミナ微粒子の平均粒子径は、0.01μm〜2μm であることを特徴とする請求項２記載の耐食・絶縁転がり軸受。
4. 前記セラミックス被膜は、エアロゾル噴射ノズルを固定し、前記外輪または前記内輪を、対象物回転用モータを用いて回転させつつ、位置決め用ＸＹテーブルを用いて軸方向に移動させて形成することを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の耐食・絶縁転がり軸受。

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