JP2019138330A - タッチダウン軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】タッチダウン軸受が、回転する軸を支持していない状態で、連れ回りするのを抑制する。【解決手段】タッチダウン軸受（１７）は、内輪２１と、外輪２２と、内輪２１と外輪２２との間に介在する複数の玉２３とを備える。複数の玉２３のうちの少なくとも一つは、玉本体４１と、玉本体４１の表面に設けられている固体潤滑剤によるコーティング層４２とにより構成される。コーティング層４２を有する玉２３（２３ａ）と、内輪２１及び外輪２２との間の内部隙間は、ゼロ以下である。【選択図】 図２

Description

本発明は、タッチダウン軸受に関する。

例えば、ターボ分子ポンプでは、ロータ翼と一体回転するロータ軸を磁気軸受により非接触で支持する構成が用いられる。故障や停電等で磁気軸受が機能停止した場合、磁気軸受に代わってロータ軸を支持するために、ターボ分子ポンプには転がり軸受からなるタッチダウン軸受が設けられる（例えば、特許文献１参照）。

このようなタッチダウン軸受の場合、使用環境の都合、潤滑剤としてグリースやオイルを用いることができない。このため、内輪と外輪とのうちの一方（又は双方）の軌道輪に固体潤滑剤が設けられる。

特開２００８−２４０７９２号公報

ターボ分子ポンプでは磁気軸受を構成するために、ロータ軸に永久磁石が取り付けられる。ターボ分子ポンプの組み立てにおいて、ハウジングにタッチダウン軸受が取り付けられた状態で、前記ロータ軸を組み付ける際、タッチダウン軸受の内輪が前記永久磁石の影響を受けて磁化されることがある。また、組み立て完了後において、タッチダウン軸受の内輪が磁気軸受の影響を受けて磁化される場合もある。このような場合、ターボ分子ポンプの運転中、タッチダウン軸受の内輪が、ロータ軸と非接触であるにもかかわらず、磁気軸受が作る磁場によって連れ回りする（空転する）ことがある。すると、軌道輪に設けられた固体潤滑剤が無駄に消費される。

そこで、本発明の目的は、タッチダウン軸受が、回転する軸を支持していない状態で、連れ回りするのを抑制することにある。

本発明のタッチダウン軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介在する複数の玉と、を備え、前記複数の玉のうちの少なくとも一つは、玉本体と、当該玉本体の表面に設けられている固体潤滑剤によるコーティング層と、により構成され、前記コーティング層を有する前記玉と、前記内輪及び前記外輪との間の内部隙間は、ゼロ以下である。

このタッチダウン軸受によれば、コーティング層を有する玉と内輪及び外輪との間の内部隙間がゼロ以下であるため、回転抵抗トルクが大きくなり、連れ回りを抑制することが可能となる。また、固体潤滑剤によるコーティング層が玉本体から剥がれても、その固体潤滑剤は潤滑に寄与することができる。

また、タッチダウン軸受が、回転する軸を支持せず、回転しない間は、前記のとおり回転抵抗トルクを大きくして連れ回りを抑制するが、回転する軸を支持する場合、スムーズに回転するのが好ましい。そこで、前記複数の玉のうちの一部が、前記コーティング層を有する玉であり、当該一部以外の残りが、コーティング層の設けられていない玉であり、前記コーティング層の設けられていない前記玉と、前記内輪及び前記外輪との間の内部隙間は、ゼロよりも大きいのが好ましい。この場合、回転する軸をタッチダウン軸受が支持する場合、スムーズに回転することが可能となる。

また、前記コーティング層が設けられている前記玉本体は、前記コーティング層が設けられていない前記玉本体と、直径が同じであるのが好ましい。この場合、コーティング層が設けられている玉本体から、仮にコーティング層が全て剥がれると、その玉と内輪及び外輪との間の内部隙間はゼロよりも大きくなる。このため、スムーズに回転することが可能となる。

また、前記複数の玉のうちの二つ以上からなる一部が、前記コーティング層を有する玉であり、当該一部以外の残りが、コーティング層の設けられていない玉であり、前記コーティング層を有する前記玉は、コーティング層の設けられていない前記玉が間に介在することで、周方向に分散して配置されているのが好ましい。仮にコーティング層を有する玉が、周方向について連続して並んでいる場合、もしそのうちの一つの直径が大きいと、その隣のコーティング層を有する直径の小さい玉では、前記のような回転抵抗トルクを大きくする作用が低下する可能性がある。このため、コーティング層を有する玉同士は、連続しないで分散して配置されるのが好ましい。

また、前記玉本体はセラミック製であるのが好ましい。この場合、タッチダウン軸受が回転する軸を支持し、回転が継続され、玉本体からコーティング層が無くなっても、焼付きを防止することが可能となる。

本発明によれば、回転抵抗トルクが大きくなり、回転する軸を支持していない状態で、連れ回りを抑制することが可能となる。

タッチダウン軸受を備えたターボ分子ポンプの一例を示す断面図である。 第一転がり軸受の中心軸を含む面における断面図である。 第一転がり軸受の中心軸に直交する面における断面図である。 玉、内輪、及び外輪のイメージ図である。 第二転がり軸受の中心軸を含む面における断面図である。

〔全体構成について〕
図１は、タッチダウン軸受を備えたターボ分子ポンプの一例を示す断面図である。ターボ分子ポンプ１０は、ハウジング１１と、このハウジング１１内に設けられているロータ翼１２と、このロータ翼１２と一体回転する回転軸（ロータ軸）１３と、アキシャル磁気軸受１４と、第一及び第二のラジアル磁気軸受１５，１６と、第一転がり軸受１７と、第二転がり軸受１８とを備えている。第一転がり軸受１７及び第二転がり軸受１８それぞれが、タッチダウン軸受となる。

第一及び第二のラジアル磁気軸受１５，１６それぞれは、通常運転の状態で、回転軸１３を非接触の状態で径方向から支持することができる。なお、前記通常運転の状態とは、通電が行われ、磁気軸受として機能している状態である。

回転軸１３の端部（図１では下端）にはフランジ１９が設けられている。アキシャル磁気軸受１４は、一対の電磁石１４ａ，１４ｂを有し、これら電磁石１４ａ，１４ｂがフランジ１９を軸方向から挟む配置にある。これにより、アキシャル磁気軸受１４は、通常運転の状態で、フランジ１９（回転軸１３）と非接触の状態で回転軸１３を軸方向について支持することができる。

第一転がり軸受１７は、回転軸１３の軸方向一方側（図１では上側）に設けられる。第一転がり軸受１７は、内輪２１、外輪２２、複数の玉（転動体）２３を備えた深溝玉軸受である。外輪２２は、ポンプハウジング１１の一部に取り付けられる。ラジアル磁気軸受１５，１６が通常運転にある状態で、内輪２１と回転軸１３との間には、半径方向の隙間が設けられる。この隙間は、通常運転の状態で、ラジアル磁気軸受１５（１６）と回転軸１３との間に形成される半径方向の隙間よりも小さい。故障や停電等でラジアル磁気軸受１５（１６）が機能停止した場合、つまり、異常運転の状態になると、第一転がり軸受１７は、回転軸１３と接触し回転する。

第二転がり軸受１８は、回転軸１３の軸方向他方側（図１では下側）に設けられる。第二転がり軸受１８は、内輪３１、外輪３２、複数の玉（転動体）３３を備えた組み合わせアンギュラ玉軸受である。外輪３２は、ハウジング１１の一部に取り付けられる。ラジアル磁気軸受１５，１６が通常運転にある状態で、内輪３１と回転軸１３との間には、半径方向の隙間が設けられる。この隙間は、通常運転の状態で、ラジアル磁気軸受１５（１６）と回転軸１３との間に形成される半径方向の隙間よりも小さい。故障や停電等でラジアル磁気軸受１５（１６）が機能停止した場合、つまり、異常運転の状態になると、第二転がり軸受１８は、回転軸１３と接触し回転する。第二転がり軸受１８は（組み合わせ）アンギュラ玉軸受であることから、回転軸１３からのラジアル荷重の他に、回転軸１３からのアキシャル荷重についても支持することができる。

以上のように、通常運転の状態では（つまり、ターボ分子ポンプ１０の正常運転時）、回転軸１３は、アキシャル磁気軸受１４とラジアル磁気軸受１５，１６とによって回転自在に支持される。故障等により、これら磁気軸受１４，１５，１６が制御不能になると、回転軸１３が第一及び第二転がり軸受１７，１８の内輪２１，３１に接触し（タッチダウンし）、回転する回転軸１３は第一及び第二転がり軸受１７，１８によって支持される。このように、第一及び第二転がり軸受１７，１８が、ターボ分子ポンプ１０のタッチダウン軸受として機能する。

〔第一転がり軸受１７について〕
図２は、第一転がり軸受１７の中心軸Ｃを含む面における断面図である。図３は、第一転がり軸受１７の中心軸Ｃに直交する面における断面図である。第一転がり軸受１７は、内輪２１と、外輪２２と、これら内輪２１と外輪２２との間に介在する複数の玉２３（転動体）とを備える。これら複数の玉２３のうちの少なくとも一つは、玉本体４１と、この玉本体４１の表面に設けられている固体潤滑剤によるコーティング層４２とにより構成されている。本実施形態の第一転がり軸受１７は、総玉形式の転がり軸受である。総玉形式とすることで、負荷容量を高めることができ、また、慣性重量を低減することができる。なお、図示しないが、第一転がり軸受１７は、総玉形式以外の転がり軸受であってもよい。

本実施形態では、複数の玉２３のうちの一部が、コーティング層４２を有する玉２３であり、この一部以外の残りが、コーティング層の設けられていない玉本体４１のみにより構成された玉２３である。以下において、コーティング層４２が設けられている玉２３を「コーティング付き玉２３ａ」と定義し、コーティング層が設けられていない玉２３を「コーティング無し玉２３ｂ」と定義する。

例えば、全ての玉２３のうちの半数がコーティング付き玉２３ａであり、残りがコーティング無し玉２３ｂである。コーティング付き玉２３ａの数とコーティング無し玉２３ｂの数とは変更可能であり、コーティング付き玉２３ａが少なくとも一つ含まれていればよい。なお、全てがコーティング付き玉２３ａであってもよい。

内輪２１の外周面には内輪軌道面２４が形成されており、外輪２２の内周面には外輪軌道面２５が形成されている。第一転がり軸受１７（本実施形態では内輪２１）が回転すると、玉２３が内輪軌道面２４及び外輪軌道面２５を転がり接触する。

内輪２１及び外輪２２は鋼製であり、例えばＳＵＳ４４０Ｃ等のステンレス鋼製、ＳＵＪ２等の軸受鋼製、又はＳＫＨ４等の高速度工具鋼が採用される。内輪軌道面２４は、超仕上げ加工面である。この内輪軌道面２４に固体潤滑剤によるコーティング層２６が設けられていてもよい。同様に、外輪軌道面２５は、超仕上げ加工面である。この外輪軌道面２５に固体潤滑剤によるコーティング層２７が設けられていてもよい。コーティング層２６，２７はそれぞれ同じであり、二硫化モリブデン皮膜により構成されている。なお、二硫化モリブデン被膜に代えて二硫化タングステン皮膜等であってもよい。

玉本体４１は球体であり、ステンレス鋼等の金属製であってもよいが、本実施形態では、セラミック製（窒化ケイ素製）である。コーティング層４２は、二硫化モリブデン皮膜により構成されている。なお、二硫化モリブデン被膜に代えて二硫化タングステン皮膜等であってもよい。

図４は、玉２３、内輪２１、及び外輪２２のイメージ図である。第一転がり軸受１７において、荷重が作用していない状態で、コーティング付き玉２３ａと、内輪２１及び外輪２２との間の内部隙間は、ゼロ以下である。つまり、コーティング付き玉２３ａと内輪２１及び外輪２２との間の内部隙間はゼロである、又は前記内部隙間が負隙間である。これに対して、第一転がり軸受１７において、荷重が作用していない状態で、コーティング無し玉２３ｂと内輪２１及び外輪２２との間の内部隙間はゼロよりも大きい。つまり、コーティング無し玉２３ｂと内輪２１及び外輪２２との間の内部隙間は正隙間である。

コーティング付き玉２３ａの玉本体４１の直径Ｄａと、コーティング無し玉２３ｂの玉本体４１の直径Ｄｂとは同じである（Ｄａ＝Ｄｂ）。つまり、第一転がり軸受１７に含まれる玉本体４１は、全て同じ形状（直径）である。これら玉本体４１の一部（又は全部）にコーティング層４２が形成されていることで、一部（又は全部）の玉２３の直径が大きくなる。これにより、コーティング付き玉２３ａと内輪２１及び外輪２２との間の内部隙間がゼロ以下となる。

コーティング付き玉２３ａとコーティング無し玉２３ｂとの配置について説明する。図３に示すように、第一転がり軸受１７には、複数のコーティング付き玉２３ａが含まれる。図３に示す形態では、コーティング付き玉２３ａとコーティング無し玉２３ｂとが交互に配置されている。このように、複数のコーティング付き玉２３ａは、コーティング無し玉２３ｂが間に介在することで、周方向に分散して配置されている。つまり、コーティング付き玉２３ａは二つ以上連続して並んで配置されていない。なお、コーティング無し玉２３ｂについては二つ以上連続して並んで配置されていてもよい。

以上のように、本実施形態の第一転がり軸受１７では、複数の玉２３のうちの少なくとも一つは、玉本体４１と、この玉本体４１の表面に設けられている固体潤滑剤によるコーティング層４２とにより構成される。コーティング付き玉２３ａと内輪２１及び外輪２２との間の内部隙間はゼロ以下である。なお、前記内部隙間は、第一転がり軸受１７が回転軸１３とハウジング１１との間に取り付けられておらず、ラジアル荷重が作用していない状態の値である。

このように、コーティング付き玉２３ａと内輪２１及び外輪２２との間の内部隙間がゼロ以下であるため、このコーティング付き玉２３ａと内輪２１及び外輪２２との間において、回転抵抗トルクが大きくなる。このため、例えば、図１に示すターボ分子ポンプ１０において、組み立ての際、又は、組み立て完了後などにおいて、内輪２１が磁化されていても、内輪２１がラジアル磁気軸受１５の影響を受ける等して連れ回りするのを抑制することが可能となる。

コーティング付き玉２３ａは、玉本体４１と、玉本体４１の表面に設けられている固体潤滑剤によるコーティング層４２とにより構成されていることから、例えば、タッチダウン後に第一転がり軸受１７が回転した際にコーティング層４２が剥がれても、剥がれた固体潤滑剤は潤滑に寄与することができる。

以上より、ラジアル磁気軸受１５，１６が通常運転にある状態で、ラジアル磁気軸受１５，１６が回転軸１３を支持し、第一転がり軸受１７が回転軸１３を支持していない状態で、第一転がり軸受１７には連れ回りが発生しない。この結果、通常運転の状態で、内輪２１、外輪２２、及び玉２３に設けられた固体潤滑剤が無駄に消費されない。このため、回転軸１３がタッチダウンした場合に、第一転がり軸受１７は固体潤滑剤を活用して回転軸１３をスムーズに、しかも必要期間について継続して回転させることが可能となる。

第一転がり軸受１７が、回転軸１３を支持せず、回転しない間は（つまり、通常運転の間は）、前記のとおり第一転がり軸受１７の回転抵抗トルクを大きくして連れ回りを抑制するが、回転軸１３が第一転がり軸受１７にタッチダウンし、第一転がり軸受１７が回転軸１３を支持する場合、スムーズに回転するのが好ましい。しかも、タッチダウンにより、第一転がり軸受１７は、急加速して高速回転する。そこで、本実施形態では、コーティング無し玉２３ｂと内輪２１及び外輪２２との間の内部隙間を、コーティング付き玉２３ａと同様にゼロ以下とするのではなく、コーティング無し玉２３ｂと内輪２１及び外輪２２との間の内部隙間は、ゼロよりも大きい。このため、第一転がり軸受１７が回転軸１３を支持する場合に、スムーズに回転することが可能となり、また、急加速して高速回転しても、この回転に対応することが可能となる。

更に、本実施形態では（図４参照）、コーティング付き玉２３ａの玉本体４１は、コーティング無し玉２３ｂと、直径が同じである（Ｄａ＝Ｄｂ）。このため、コーティング層４２が設けられている玉本体４１から、仮にコーティング層４２が全て剥がれると、その玉２３ａと内輪２１及び外輪２２との間の内部隙間はゼロよりも大きくなる。このため、回転軸１３を支持した状態にある第一転がり軸受１７は、スムーズに回転することが可能となる。

本実施形態の玉本体４１は、全てセラミック製である。このため、第一転がり軸受１７が回転軸１３を支持し、回転が継続され、玉本体４１からコーティング層４２が無くなっても、焼付きを防止することが可能となる。玉本体４１をセラミック製とすることで、耐摩耗性及び耐焼付き性を向上させ、また、慣性重量を低減することができる。

また、図３に示すように、複数の玉２３のうちの二つ以上からなる一部が、コーティング付き玉２３ａであり、この一部以外の残りが、玉本体４１のみにより構成されたコーティング無し玉２３ｂである。コーティング付き玉２３ａは、少なくとも一つのコーティング無し玉２３ｂが間に介在することで、周方向に分散して配置されている。仮にコーティング付き玉２３ａが、周方向について連続して並んでいる場合、もしそのうちの一つの玉２３ａの直径が大きいと、その隣の直径の小さいコーティング付き玉２３ａと内輪２１及び外輪２２との間の内部隙間が、ゼロ以下でなくなってしまう可能性がある。この場合、コーティング付き玉２３ａによる前記のような回転抵抗トルクを大きくする作用が低下する可能性がある。このため、コーティング付き玉２３ａ同士は、連続しないで分散して配置されるのが好ましい。

〔第二転がり軸受１８について〕
図５は、第二転がり軸受１８の中心軸を含む面における断面図である。第二転がり軸受１８は、前記のとおり、組み合わせアンギュラ玉軸受であり、二つのアンギュラ玉軸受２９，３０が組み合わされて構成されている。一方のアンギュラ玉軸受３０と他方のアンギュラ玉軸受２９とは同じものである。

アンギュラ玉軸受２９（３０）では、玉３３が内輪３１及び外輪３２に対して接触角を有して接触する。この点で、アンギュラ玉軸受２９（３０）は、図２に示す第一転がり軸受１７と異なるが、それ以外の構成は、第一転がり軸受１７と同様である。

つまり、アンギュラ玉軸受２９（３０）においても、複数の玉３３のうちの少なくとも一つは、玉本体５１と、この玉本体５１の表面に設けられている固体潤滑剤によるコーティング層５２とにより構成される。コーティング層５２を有する玉３３（コーティング付き玉３３ａ）と、内輪３１及び外輪３２との間の内部隙間は、ゼロ以下である。本実施形態では、複数の玉３３のうちの一部（半数）が、コーティング付き玉３３ａであり、この一部以外の残り（半数）が、コーティング無し玉３３ｂである。コーティング無し玉３３ｂと、内輪３１及び外輪３２との間の内部隙間は、ゼロよりも大きい。コーティング付き玉３３ａの玉本体５１は、コーティング無し玉３３ｂの玉本体５１と、直径が同じである。そして、複数のコーティング付き玉３３ａは、コーティング無し玉３３ｂが間に少なくとも一つ介在することで、周方向に分散して配置されている。

このような第二転がり軸受１８によれば、コーティング付き玉３３ａと内輪３１及び外輪３２との間において、回転抵抗トルクが大きくなる。このため、内輪３１が連れ回りするのを抑制することが可能となる。この結果、内輪３１、外輪３２、及び玉３３に設けられた固体潤滑剤が無駄に消費されず、回転軸１３がタッチダウンした場合に、第二転がり軸受１８は固体潤滑剤を活用して回転軸１３をスムーズに、しかも必要期間について継続して回転させることが可能となる。

〔その他について〕
今回開示した実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の権利範囲は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲に記載された構成と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。

前記実施形態の転がり軸受１７，１８は、ターボ分子ポンプ１０（図１参照）に用いられるタッチダウン軸受であるが、このようなタッチダウン軸受（転がり軸受１７，１８）をターボ分子ポンプ１０以外にも用いることができる。例えば、前記実施形態の転がり軸受１７，１８は、エア（ガス）が存在する雰囲気中で用いられるタッチダウン軸受であってもよい。この場合、回転する軸がエア（ガス）を引き連れることで、タッチダウン軸受の内輪が連れ回りする場合があるが、本実施形態のタッチダウン軸受（転がり軸受１７，１８）によれば、このような連れ回りについても抑制することが可能となる。

１７：第一転がり軸受（タッチダウン軸受）
１８：第二転がり軸受（タッチダウン軸受）
２１，３１：内輪 ２２，３２：外輪 ２３，３３：玉
２３ａ：コーティング付き玉 ２３ｂ：コーティング無し玉
３３ａ：コーティング付き玉 ３３ｂ：コーティング無し玉
４１：玉本体 ４２：コーティング層
５１：玉本体 ５２：コーティング層

Claims (5)

1. 内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介在する複数の玉と、を備え、
   前記複数の玉のうちの少なくとも一つは、玉本体と、当該玉本体の表面に設けられている固体潤滑剤によるコーティング層と、により構成され、
   前記コーティング層を有する前記玉と、前記内輪及び前記外輪との間の内部隙間は、ゼロ以下である、タッチダウン軸受。
2. 前記複数の玉のうちの一部が、前記コーティング層を有する玉であり、当該一部以外の残りが、コーティング層の設けられていない玉であり、
   前記コーティング層の設けられていない前記玉と、前記内輪及び前記外輪との間の内部隙間は、ゼロよりも大きい、請求項１に記載のタッチダウン軸受。
3. 前記コーティング層が設けられている前記玉本体は、前記コーティング層が設けられていない前記玉本体と、直径が同じである、請求項２に記載のタッチダウン軸受。
4. 前記複数の玉のうちの二つ以上からなる一部が、前記コーティング層を有する玉であり、当該一部以外の残りが、コーティング層の設けられていない玉であり、
   前記コーティング層を有する前記玉は、コーティング層の設けられていない前記玉が間に介在することで、周方向に分散して配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のタッチダウン軸受。
5. 前記玉本体はセラミック製である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のタッチダウン軸受。

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