JP2017089726A - 極低温環境用転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】可及的に充分な量の潤滑成分を転動体、および転動体を経由して転がり軸受の要所に供給することができるので、損傷を防止できる。
【解決手段】隣り合うボール３同士の間隙にリング状のフッ素樹脂系素材を周方向に分割した複数のセパレータ型の保持器片Ａにおける両側面には、ボールに可及的に広く面接触可能な球曲面の凹部４を設け、軸方向の両端面に通じるＶ溝状の切欠き溝５および径方向の内外両周面に通じる同形状の切欠き溝６を設け、これらの溝幅を弾性的に減少させ易くした弾性伸縮機構を有する極低温環境用の転がり軸受とする。
【選択図】図１

Description

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等の軸受等のように、極低温下で用いられる極低温環境用転がり軸受および保持器片に関するものである。

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。

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。

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には、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。

しかしながら、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で潤滑されながら、長期にわたって安定して良好な回転状態であることが求められる。

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。

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、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、析出硬化系ステンレス鋼、又は高速度工具鋼で形成され、かつ転動体がセラミック、マルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、析出硬化系ステンレス鋼、又は高速度工具鋼で形成され、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）。

特開２０１４−２０４９０号公報

しかし、上記した従来の極低温環境用転がり軸受は、極低温環境下で固体潤滑成分を転動体や内外輪の軌道面に充分に供給することが容易ではなく、フッ素樹脂製の保持器から経時的に充分な量の潤滑成分を転動体や、転動体を経由して軌道面に供給することは困難であった。

ここで、保持器から転動体に固体潤滑剤の供給量を可及的に多くするために、転動体と保持器との接触面積を広げることは予想されるが、その際に従来の櫛形保持器や冠型保持器よりも保持器片を隣り合うボール同士の間隙に介在させるセパレータ型の保持器片を採用することが好ましい。

例えばフッ素樹脂系素材からなるリング状成形体を周方向に分割し、その分割の幅を、転がり軸受における隣り合う転動体同士の所要間隙に合わせて設けたものが好ましく、なぜならその形状は、個々の保持器について転動体と保持器との接触面積をできるだけ広げるように設計可能だからである。

しかしながら、このようなセパレータ型保持器片は、転がり軸受の製造工程において組み込まれる際に、転動体と保持器片とを交互に組み込んでいくと、最後に残った隣り合う転動体同士の隙間には、組み込み作業に要するスペースがなく、保持器片を変形させて強制的に押し込む必要がある。

このような組み立て工程上の困難は、保持器片を転動体との接触面積を広げようと設計するときに、保持器片の前記間隙の幅方向に対向する両側面に、ボールに面接触可能な球曲面の凹部を設ける必要があり、そのような凹部の縁の部分の幅が、隣り合うボール同士の最も接近した箇所の間隙よりも広いという理由から必ず生じる。
したがって、保持器片の組み込み性は、できるだけ効率良く固体潤滑剤の転動体への供給を行なおうとして、転動体と保持器片との接触面積をできるだけ広げようとするほど、より困難になる。

そこで、この発明の課題は、上記した問題点を解決して、極低温環境で使用される転がり軸受において、フッ素樹脂系素材からなるセパレータ型の保持器片から固体潤滑成分を転動体に充分に供給する場合に、可及的に充分な量の潤滑成分を転動体、および転動体を経由して転がり軸受の要所に供給することができ、しかも保持器片の転がり軸受への組み込み性も容易な極低温環境用転がり軸受とすることである。

上記の課題を解決するために、この発明においては、内輪と外輪の間に、フッ素樹脂系素材からなるセパレータ型の保持器片を隣り合うボール同士の間隙に介在させて前記ボールを回転自在に保持する転がり軸受において、前記保持器片の前記間隙の幅方向に対向する両側面に、ボールに面接触可能な球曲面の凹部を設け、前記保持器片には、前記両側面間の幅を弾性的に減少可能な弾性伸縮機構を設けた極低温環境用転がり軸受としたのである。

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、保持器片が、ボールに面接触可能な球曲面の凹部を有していることにより、保持器片とボールとの接触面積が広く、効率良く固体潤滑剤の転動体への供給を行なえる。
そして、保持器片は、弾性伸縮機構によって、両側面間の幅を軸受の組み立て作業のときに圧縮可能であって、すなわち、転動体と保持器片とを交互に組み込んでいくとき、最後に残った隣り合う転動体同士の隙間にも容易に組み込むことができる。

すなわち、転がり軸受の製造工程において、転動体と保持器片とを交互に組み込んでいくとき、最後に残った隣り合う転動体同士の所定の隙間には、組み込み作業に要するスペースがなくなるが、その際に保持器片の両側面間の幅を弾性伸縮機構により減少させることにより、保持器片の樹脂素材が過剰に変形することなく、前記所定の隙間に弾性的に所定幅以下に弾性変形した保持器片を容易に組み込むことができる。

上記弾性伸縮機構の態様としては、保持器片の両側面間に幅方向を一致させて設けた切り欠き溝を採用することができる。
このように、ボールとの接触面積を広げる球曲面の凹部を有する保持器片は、切り欠き溝のある周囲が比較的薄肉となって、比較的小さな力での弾性変形が可能になり、そのため、保持器片の軸方向両端部の両側面間の幅を弾性的に減少させやすく、比較的容易に隣り合う転動体同士の所定の隙間に押し入れることができる。

また、上記同様の効果を得るために、上記弾性伸縮機構が、両側面間で分割された前記保持器片の分割面同士を、ばね等の弾性素材を介して伸縮可能に結合した弾性伸縮機構を採用することもできる。

上記のようにセパレータ型の保持器片が、両側面間で分割され、弾性素材の弾性力に抗して、分割された前記保持器片の分割面同士を近づけた際、保持器片の軸方向の両端面および径方向の内外両周面に通じるよう形成された切欠き溝の幅が縮まり、両側面間の幅が減少し、容易に所定の隣り合う転動体同士の隙間に保持器片を押し入れることができる。

上記した弾性素材が、圧縮ばね、またはゴム状弾性体である場合には、ゴムの製造時の架橋度を調整すること等により、ゴム状弾性体の弾性力の調整が比較的容易である。そのため、保持器片の軸方向両端部の両側面間の幅を所要の弾性力によって確実に減少させることができ、比較的容易に隣り合う転動体同士の所定の隙間に押し入れることができる。

このような保持器片は、極低温環境用転がり軸受に用いられる保持器片として、フッ素樹脂の転動体への供給性および転がり軸受への組み込み性について極めて優れた特性を有しており、潤滑性および組み込み性について、極めて好ましい極低温環境用転がり軸受用の保持器片となる。

この発明は、フッ素樹脂系素材からなるセパレータ型の保持器片を用いた極低温環境用転がり軸受として、保持器片の両側面に、ボールに広い面積で面接触可能な球曲面の凹部を設けると共に、保持器片に両側面間の幅を弾性的に減少可能な弾性伸縮機構を設けたので、保持器片の組み込み性が良い転がり軸受となり、しかも可及的に充分な量の潤滑成分を転動体と転動体を経由する転がり軸受の要所に供給できる極低温環境用転がり軸受、およびそれに用いるセパレータ型の保持器片となる利点がある。

第１実施形態の転がり軸受を軸方向から見た正面図 第１実施形態に用いる保持器片の斜視図 第１実施形態に用いる保持器片の平面図 第２実施形態の転がり軸受を軸方向から見た正面図 第２実施形態に用いる保持器片の斜視図 第２実施形態に用いる保持器片の断面図 第３実施形態に用いる保持器片の断面図

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１〜３に示すように、第１実施形態は、内輪１と外輪２の間に、複数のボール３を回転自在に保持する保持器を設けた深溝玉軸受からなり、隣り合うボール３同士の間隙にリング状のフッ素樹脂系素材を周方向に分割した複数のセパレータ型であって、弾性伸縮機構を有する保持器片Ａおよびそのような機構を特に有しない保持器片Ｂを取り合わせて組み込んでいる。

そして、保持器片Ａ，Ｂにおける前記間隙の幅方向に対向する両側面には、ボール３に可及的に広く面接触可能な球曲面の凹部４を設け、保持器片Ａには、両側面間に設けられて両側面間の幅と溝幅方向の一致する切り欠き溝の一態様として、軸方向の両端面に通じるＶ溝状の切欠き溝５および径方向の内外両周面に通じる同形状の切欠き溝６を２本ずつ設けており、これらの溝幅を弾性的に減少させ易くした弾性伸縮機構を設けた極低温環境用の転がり軸受である。

実施形態の玉軸受は、極低温環境下での使用に耐える材質の素材からなり、例えば、内輪１および外輪２は、マルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、析出硬化系ステンレス鋼、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。
フェライト系ステンレス鋼は、ＳＵＳ４３０、オーステナイト系ステンレス鋼はＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５、ＳＵＳ３１６、又はＳＵＳ３１７、析出硬化系ステンレス鋼はＳＵＳ６３０、ＳＵＳ６３１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規格の高速度鋼のＭ５０、日本工業規格のＳＫＨ４等が挙げられる。

ボール（球）３の素材は、耐摩耗性が良く、フッ素樹脂の移着性に優れているものが好ましく、例えば、前述したマルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、析出硬化系ステンレス鋼や、高速度工具鋼、またはセラミックスを使用することができる。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、アルミナ系その他各系のセラミックスを調製して用いることができる。

この発明に用いる保持器片Ａは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂を主成分とする素材からなる成形体を採用する。極低温でも転動体の表面に固体潤滑材であるフッ素樹脂を移着させて、良好かつ安定した固体潤滑性を発揮させるために好ましいからである。図中の保持器片Ｂも、保持器片Ａと同様の素材で構成することが好ましい。

また、保持器片Ａ、Ｂは、いずれも適当な厚みの短円筒状、すなわち一般的なリング状成形体からなる素材を、周方向に分割してボール３同士の隙間に整合する大きさのセパレータ型の保持器片Ａ，Ｂとしたものである。

保持器片Ａ，Ｂの前記間隙の幅方向に対向する両側面には、ボール３に面接触可能な半球面状の凹部４が形成され、また前記両側面間の幅を弾性的に減少可能な弾性伸縮機構として、この実施形態では、保持器片Ａにおける軸受の軸方向の両端面および軸受径方向の内外両周面にＶ溝状の切欠き溝５，６を形成している。

図２、３に示すように、Ｖ溝状の切欠き溝５，６は、少なくとも保持器片Ａの両側面間に設けられており、保持器片Ａの軸方向の両端面に通じる切欠き溝５および径方向の内外両周面に通じる切欠き溝６は、Ｖ字状の溝の開き角度を小さくするように弾性変形させれば、両側面間の幅を弾性的に減少可能である。

また、図示した実施形態では、切り欠き溝５，６は、Ｖ溝状のものだけを示したが、Ｕ溝状や円溝、角溝などであっても良く、また溝の深さを深く形成した周知形態のスリット状のものであっても良い。また、このような溝の形状と共に、溝の数や配置は、適宜に最適な態様を採用すればよい。

このような第１実施形態の保持器片Ａを転がり軸受に使用するには、転がり軸受の製造工程において、ボール３と、通常の弾性伸縮機構を有しない保持器片Ｂとを交互に組み込んでいき、最後に残った隣り合うボール３同士の隙間に、実施形態の弾性伸縮機構を有する保持器片Ａを組み込む。

このとき、隣り合うボール３同士の隙間に、保持器片Ａを組み込むために充分なスペースはないが、実施形態の保持器片Ａは、その弾性伸縮機構による両側面の幅の圧縮調整により、組み込みに所要な幅に弾性圧縮変形させた状態で前記隙間に押し入れることができる。
そして、このような保持器片Ａは、ボール３に面接触可能な球曲面状の凹部４を有しているので、保持器片とボール３との接触面積が広くて効率の良い固体潤滑剤であるフッ素樹脂の供給を行なうことができる。

次に、図４〜６に示す第２実施形態の転がり軸受は、第１実施形態において、保持器片Ａの弾性伸縮機構の切り欠き溝５，６に代えて、両側面間の周方向の中ほどに対向する分割面７ａ，８ａを有するように、２つの保持部品７，８に分割された保持器片Ｃを設け、その対向する分割面７ａ，８ａ同士をコイルばね９を有する弾性伸縮機構で結合して、両側面間の幅を伸縮可能に結合したものである。

第２実施形態では、両側面間の幅の約半分に分割された保持器片Ｃの一方の保持部品７の分割面７ａに、大径頭部付きのピン型突起７ｂを一体に設け、他方の保持部品８の分割面８ａには、ピン型突起７ｂの大径頭部および圧縮コイルばね９を収容するための孔１０
を形成し、孔１０の開口部には、ピン型突起７ｂの大径頭部の抜け止め用のＣ型リング１１を圧入してねじ止めで固定し、圧縮コイルばね９の孔１０の孔外への飛び出しを防止している。
上記したねじ止めやＣ型リング１１を圧入する抜け止め構造に代えて、ピン型突起７ｂをキー型とし、かつ孔１０にキー溝を形成して、保持部品７，８の分割面を向き合わせ、キーをキー溝に差し込んで半回転させることにより、結合させることが可能である。

第２実施形態では、転がり軸受に最後に組み込む保持器片Ｃとして、図５、６に示すものを採用しており、この保持器片Ｃの両側面間の幅を、圧縮コイルばね９の弾性圧縮性により所要幅に弾性変形させることができるので、隣り合うボール同士の間に残された隙間に容易に押し入れることができ、しかも保持器片Ｃに構造上の無理な歪がない。

このような保持器片Ｃは、第１実施形態の保持器片Ａと同様に、ボール３に面接触可能な球曲面の凹部４を有しており、保持器片Ｃとボール３との接触面積が広く、固体潤滑剤であるフッ素樹脂のボール３への供給を効率よく行なうことができる。

また、図７に示す第３実施形態は、両側面間で分割された保持器片Ｄのそれぞれの保持部品１２、１３に、両側面方向に貫通する孔１２ｂ，１３ｂを形成しており、それらの中ほどに内向きのフランジ１２ｃ，１３ｃを有している。そして、保持部品１２，１３の対向する両フランジ１２ｃ，１３ｃ間に、圧縮コイルばね１４を弾性的に圧縮された状態で装着し、さらに両フランジ１２ｃ，１３ｃ同士をリベット１５等の周知の連結具で連結することにより、保持器片Ｄの両側面の幅を弾性圧縮変形可能に設けたものである。

このように構成される第３実施形態に用いる保持器片Ｄは、第２実施形態と同様に、保持器片Ｄの軸方向両端部の両側面間の幅を圧縮コイルばね１４の弾性圧縮性によって弾性的に狭めることが可能であり、保持器片Ｄを弾性圧縮した状態で容易にボール同士の隙間に押し入れることができる。

そして、第１、２実施形態と同様に、ボール３（図４参照）に面接触可能な球曲面の凹部４を有していることにより、保持器片Ｄとボール３との接触面積が広く、効率良く固体潤滑剤の転動体への供給を行なうことができる。

以上のように構成されるこの発明の実施形態１〜３の極低温環境用転がり軸受は、その具体的な用途として、前述のように潤滑条件が極めて厳しい液化ガス用ポンプの転がり軸受として適用でき、また同様に極低温下で液体潤滑の不可能な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としても適用できる。

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に適用でき、その場合に、転がり軸受が直接に極低温のＬＮＧに接触するが、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。

１ 内輪
２ 外輪
３ ボール
４ 凹部
５、６ 切り欠き溝
７、８、１２、１３ 保持部品
７ａ，８ａ 分割面
７ｂ ピン型突起
９，１４ 圧縮コイルばね
１０、１２ｂ，１３ｂ 孔
１１ Ｃ型リング
１５ リベット
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 保持器片

Claims (5)

1. 内輪と外輪の間に、フッ素樹脂系素材からなるセパレータ型の保持器片を隣り合うボール同士の間隙に介在させて前記ボールを回転自在に保持する転がり軸受において、
   前記保持器片の前記間隙の幅方向に対向する両側面に、ボールに面接触可能な球曲面の凹部を設け、前記保持器片には、前記両側面間の幅を弾性的に減少可能な弾性伸縮機構を設けたことを特徴とする極低温環境用転がり軸受。
2. 上記弾性伸縮機構が、保持器片の両側面間に幅方向を一致させて設けた切り欠き溝である請求項１に記載の極低温環境用転がり軸受。
3. 上記弾性伸縮機構が、両側面間の中ほどで分割された前記保持器片の分割面同士を弾性素材を介して伸縮可能に結合した弾性伸縮機構である請求項１に記載の極低温環境用転がり軸受。
4. 上記弾性素材が、圧縮ばね、またはゴム状弾性体である請求項３に記載の極低温環境用転がり軸受。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の極低温環境用転がり軸受に用いられる上記保持器片。

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