JP2019174252A - 極低温環境用軸受評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極低温環境用軸受評価装置に含まれる冷却容器の下部の液溜り部における冷媒液の停留を無くして評価試験の精度向上を図ることを目的としている。【解決手段】定置式超低温貯槽から極低温の冷媒液の供給を受ける冷却容器２の下部に設けられる液溜り部７内に、導入された冷媒液を転がり軸受４の回転方向に向かわせながら液溜り部７の中央側、かつ、上側に誘導する整流部材８を設けた。【選択図】図１

Description

この発明は、液体窒素などの液化ガスを使用して極低温環境下で軸受の評価試験を行う極低温環境用軸受評価装置に関する。

例えば、ロケットや液体窒素などの低温液化ガスの移送に利用されるサブマージドポンプなどには極低温用軸受が用いられており、その極低温用軸受の寿命、強度、運動性能などの妥当性（信頼性）は、試験を行って評価されている。

その妥当性評価の試験は、例えば、ロケットに採用される極低温用軸受については、実機エンジンを用い、燃焼試験などを実施する方法で行われるが、実機試験ができない場合には、極低温環境を模擬した試験での評価が必要になる。

極低温用軸受は、極低温環境下では油やグリースなどの流動性潤滑剤を使用できないため、転動体、軌道輪及び保持器の摩耗対策と摩擦低減に対する固体潤滑剤適用検討のための要素試験が必須である。

実機試験ができないときの要素の評価は、極低温環境創出装置を使用して模擬の極低温環境を作り、その環境下で自己潤滑性を有するフッ素樹脂（例えばＰＴＦＥ）製などの保持器の評価試験や、軸受の内・外輪の軌道面にＰＴＦＥの固体潤滑膜を形成した軸受の単体試験を実施し、その試験結果に基づいて行っている。

模擬の極低温環境下で行う軸受の評価試験は、冷却容器に収容した評価対象の軸受を回転駆動軸に連結して行うが、連結軸は、駆動装置とつなぐ側を冷却容器の外に出す必要があることから、その連結軸と冷却容器との間に形成される隙間からの冷却容器内冷媒（液体窒素など）の外部への不可避の漏出が起こる。

そこで、試験中に継続して極低温環境を維持するために、冷媒を継続して液送する供給装置の含まれた冷却装置を設置して試験のための極低温環境を創出する方法が採られている。

その冷却装置を備える軸受評価試験設備の概要を図５に示す。この軸受評価試験設備は、コールドエバポレータ（ＣＥ）と称されている定置式超低温貯槽１０と、その定置式超低温貯槽１０からの冷媒供給路に配置される圧力計１１、バルブ１２及び安全弁１３と、供給された冷媒を内部に導入して軸受を冷却する軸受評価装置１４とで構成されている。

図５の軸受評価装置１４の軸受冷却部の要部の断面を図６に示す。図中の符号２は、冷却容器、３は、冷却容器２に挿入した回転軸、４は評価対象の転がり軸受である。回転軸３は、上端側が冷却容器２から外部に抜き出されており、その抜き出し部が回転駆動源（図示しないモータ）に連結される。

回転軸３と冷却容器２の回転軸挿入口の内周面との間には、回転軸３の回転を許容するための隙間があり、冷却容器２に供給された冷媒の蒸発ガスがその隙間を通って外部に漏出する。

そのために、冷却容器２には、その冷却容器２の下部に設けられた冷媒液供給口５から冷媒液の補給がなされる。図６の７は、冷媒液が満たされる液溜り部である。

なお、冷却容器内の冷媒が使用時に漏出し、その漏出分を超低温貯槽から補う装置の従来例としては、例えば、下記特許文献１に示されるものなどがある。

特開平０３−００５６８３号公報

液体窒素などの冷媒液を評価対象の軸受が収容された冷却容器に供給する場合、軸受の冷却に必要な熱容量を確保するために、図６に示したような液溜り部７を冷却容器２の下部に設置する必要がある。

その液溜り部７に冷媒液が充満すると、液溜り部７の上部に配設された転がり軸受４が冷却される。

ところで、例示したような軸受評価装置においては、冷却容器２に供給された冷媒液が蒸発してガスになり、そのガスが回転軸３と冷却容器２の回転軸挿入口の内周面との間の隙間を通って外部に漏出する。

そのために、冷却容器２には、その冷却容器２の下部に設けられた冷媒液供給口５から冷媒液の補給がなされる。

冷却容器２に対する冷媒液の注入と、補給は、支持した回転軸３と一緒に転がり軸受４が回転している状況下でなされる。これは、転がり軸受が完全に冷却されてから回転させると、内部に稀に残留する水分が氷結して回転不能となる事態が考えられ、そのトラブルを回避するために転がり軸受を回転させ、この状況下で転がり軸受の冷却と蒸発した分の冷媒液の補給を行う必要があるからである。

このように、転がり軸受４が回転していると、冷却容器の下部の液溜り部７に対する冷媒液の流入と転がり軸受の回転による冷媒液の攪拌が同時に起こり、冷媒液の流れが乱れて液溜り部７内に冷媒液の停留部が出現する。

その停留部では冷媒液が蒸発し易く、蒸発したガスと液体が入り混じって気液混合状態に陥る。その気液混合状態が発生すると軸受の冷却が不十分になり、評価試験の精度が低下する。

そこで、この発明は、極低温環境用軸受評価装置に含まれる冷却容器の下部の液溜り部における冷媒液の停留を無くして評価試験の精度向上を図ることを目的としている。

上記の課題の解決を解決するため、この発明においては、定置式超低温貯槽から極低温の冷媒液の供給を受ける冷却容器を有し、その冷却容器は、前記冷媒液を導入する冷媒液供給口と、導入した冷媒液が満たされる液溜り部を下部に有し、その冷却容器に挿入した回転軸を支える転がり軸受が前記冷却容器の内部に設置され、その転がり軸受が前記液溜り部の上部に配置されて液溜り部に導入された冷媒液により極低温に冷却される極低温環境用軸受評価装置を改善の対象にして、前記冷却容器の前記液溜り部に、導入された冷媒液を前記転がり軸受の回転方向に向かわせながら液溜り部の中央側、かつ、上側に誘導する整流部材を設けた。
その整流部材は、前記液溜り部内に設置されて周方向に間隔をあけて複数設けられたフィンで前記液溜り部に導入された冷媒液を前記転がり軸受の回転方向に向かわせながら前記液溜り部の中央側に誘導し、同時に液流の攪拌を抑制するように構成されたものである。

前記整流部材は、前記液溜り部の底から浮き上がった位置に保持されている。また、液溜り部の内周面から適度に離れた位置に配置されている。これにより、隣り合うフィン間に形成される冷媒通路の各々は、前記フィンの下端と前記液溜り部の底との間及び整流部材の径方向外端と液溜り部の内周面との間にそれぞれ生じた空間を介して連通している。

前記整流部材は、平面視で一方向に湾曲したフィンの複数枚を、前記液溜り部の中心を基準にして中心から径方向に等距離を保った位置に、各フィンの径方向内端と径方向外端がそれぞれ周方向に均一ピッチで並ぶように配列したものが考えられる。この整流部材は、回転はしないが、クロスフロー風車の羽根車に近い形状を持つ。

前記フィンは、平面視で一方向に湾曲し、さらに、前記転がり軸受の回転方向にねじれながら下端から上端に至る螺旋状のフィンも考えられる。

前記整流部材は、複数枚あるフィンの上端と下端をそれぞれ下固定リングと上固定リングに固定して全体をユニット化し、さらに、前記下固定リングに支持部材を設けてその支持部材を冷却容器に取り付けるとよい。

なお、隣り合うフィン間に形成される冷媒通路は、外周側から内周側に向かって通路幅が狭くなる形状にするのがよい。

また、前記冷媒液供給口の冷却容器に対する平面視での冷媒液導入角度が、前記フィンの向きと同一角度（平行）になるように設計されたものがよい。

この発明の極低温環境用軸受評価装置は、評価対象の転がり軸受を内部に収容し、導入した冷媒液でその転がり軸受を冷却する冷却容器の下部の液溜り部に、導入された冷媒液の流れを、前記転がり軸受の回転方向に向かわせながら液溜り部の中央側に誘導する整流部材を備えている。

その整流部材による誘導作用と、液流の攪拌抑制効果により、前記液溜り部に導入された冷媒液は転がり軸受の回転方向と同方向に向かいながら液溜り部の中央側、かつ、上側に向かって流れる。

これにより、液溜り部内での冷媒液の流れが整流化され、冷媒液が滞ることなく軸受設置部に供給されて転がり軸受の冷却が良好になされる。

そのために、極低温環境下における転がり軸受の評価試験が正しく行われ、信頼性の高い評価結果が得られるようになる。

なお、ユニット化された整流部材は、全体を液溜り部の底から浮かせた位置及び液溜り部の内周面から離反した位置に安定して保持することができる。

また、整流部材の隣り合うフィン間の冷媒通路の幅が、外周側から内周側に向かって狭くなっているものや、前記冷媒液供給口の冷却容器に対する平面視での冷媒液導入角度が、前記フィンの向きと同一角度になっているものは、整流部材による整流効果が高まって液溜り部内での冷媒液の流れがより安定する。

この発明の極低温環境用軸受評価装置の一例の要部の概要を示す断面図である。 図１の評価装置の冷却容器の液溜り部を上から見た断面図である。 冷却容器の液溜り部に設置される整流部材の一例を示す斜視図である。 整流部材のフィン間に形成される冷媒通路の内周側の幅をより狭くした例を示す平面図である。 冷却装置を備える軸受評価試験設備の一例の概要を示す図である。 図５の軸受評価試験設備に採用されている冷却装置の従来構造の要部を示す断面図である。

以下、添付図面の図１〜図４に基づいて、この発明の極低温環境用軸受評価装置の実施の形態を説明する。

図１に示すように、例示の極低温環境用軸受評価装置１は、冷却容器２と、回転軸３と、転がり軸受４と、モータ６を組み合わせたものになっている。

回転軸３は、上端側が冷却容器２から外部に抜き出されており、その抜き出し部にモータ６が連結され、モータ６の駆動により、回転軸３の外周に取り付けられて冷却容器２の内部に収容された転がり軸受４が回転軸３と共に回転する。
転がり軸受４の外輪４ａは、冷却容器２に固定されている。この転がり軸受４は、回転軸３に固定した内輪４ｂが回転し、内輪４ｂの回転に伴い、転動体４ｃとその転動体４ｃを保持した保持器４ｄも回転方向に引きずられて動く。

回転軸３と冷却容器２の回転軸挿入口の内周面との間には、回転軸３の回転を許容するための隙間があり、冷却容器２に供給された冷媒の蒸発ガスがその隙間を通って外部に漏出する。

このため、冷却容器２には、定置式超低温貯槽１０（図５参照）から液体窒素などの冷媒液が供給される。

冷却容器２の下部には、定置式超低温貯槽から供給される冷媒液を内部に導入する冷媒液供給口５と、冷媒液の導入量を増加させる液溜り部７が設けられている。

転がり軸受４は、液溜り部７の上部に配置されており、その転がり軸受４が、液溜り部７に充満した冷媒液によって冷却される。

冷却容器２の液溜り部７内には、この発明を特徴づける整流部材８が設けられている。その整流部材８は、液溜り部７に導入された冷媒液を、転がり軸受４の回転方向に向かわせながら液溜り部７の中央側に誘導する働きをする。

例示の極低温環境用軸受評価装置１には、図２、図３に詳しく示したような整流部材８が採用されている。

図２、図３の整流部材８は、平面視で一方向に湾曲したフィン８ａの複数枚を、液溜り部７の中心を基準にして中心から径方向に等距離を保った位置に、各フィン８ａの径方向内端と径方向外端がそれぞれ周方向に均一ピッチで並ぶように配列したものになっている。

各フィン８ａの上端と下端は、下固定リング８ｂと上固定リング８ｃにそれぞれ固定されている。これにより、各フィン８ａ、下固定リング８ｂ、上固定リング８ｃの３者が一体化され、整流部材８がユニット化されたものになっている。

その整流部材８は、クロスフロー風車の羽根車に近い形状を持つが、羽根車と違って回転はしない。この整流部材８は、下固定リング８ｂに支持部材８ｄを設けてその支持部材８ｄを冷却容器２に取り付けており、その支持部材８ｄによる支持によって液溜り部７の底から浮き上がり、なおかつ、図２に示すように、径方向外端が液溜り部７の内周面７ａから適度に離反した位置に保持されている。

図示の整流部材８のフィン８ａは、内端側が平面視で液溜り部７の中心部に向かう向きに配置されている。

また、冷却容器２の下部に設けられた冷媒液供給口５は、液溜り部７に対する平面視での冷媒液の導入角度θ（図２参照）がフィン８ａの内端側の向きと同一角度になるように設計されている。

例示の整流部材８は、液溜り部７の内部空間がフィン８ａによって周方向に複数に区画され、隣り合うフィン８ａ、８ａ間に、径方向の外端から内端に至る冷媒通路９が形成される。フィン８ａは、冷媒液が液溜り部７内で自由に移動することを阻止する邪魔板としても働く。

そのために、冷媒通路９に流入した冷媒液は、フィン８ａに案内されて液溜り部７の中心側に向かいながら上側に移動する。これにより、冷媒液の流れが安定して停留部の発生が防止される。

フィン８ａの径方向内端と径方向外端を、各々の端部が周方向に均一ピッチで並ぶように配列したことにより、隣り合うフィン８ａ，８ａ間の冷媒通路９は、径方向内側に向かって幅が次第に狭くなっている。

このように、冷媒通路９の幅が径方向内側に向かって狭くなると、冷媒通路９を通る冷媒液の整流効果が高まって液溜り部７に導入された冷媒液の流れがより安定する。

冷媒通路９の径方向内端側の幅は、図４に示すように、フィン８ａの内端側の一面に内端側の厚みが厚くなる添え板８ｅを接合するなどの方法でさらに狭めることが可能である。

液溜り部７に導入された冷媒液の流れは、冷媒液供給口５からの冷媒液の導入角度θがフィン８ａの内端側の向きと同一角度であることによっても安定化される。

なお、整流部材８のフィン８ａは、平面視で一方向に湾曲し、さらに、転がり軸受４の回転方向にねじれながら下端から上端に至る螺旋状のフィンであってもよい。

冷媒液供給口５から液溜り部７に導入された冷媒液は、整流部材８のフィン８ａに案内されて液溜り部７に向かいながら上側に移動する。そのため、フィン８ａが転がり軸受４の回転方向にねじれていると、冷媒液はフィン８ａのねじれの影響も受けて転がり軸受４の回転方向に案内されることになる。

そのねじれの影響は、フィン８ａのねじれ角を調整して度合いを変化させることができる。この螺旋状のフィンを有する整流部材は、冷媒液の転がり軸受の回転方向への流れを速くしたい評価装置などに好適に利用することができる。

１ 極低温環境用軸受評価装置
２ 冷却容器
３ 回転軸
４ 転がり軸受
４ａ 外輪
４ｂ 内輪
４ｃ 転動体
４ｄ 保持器
５ 冷媒液供給口
６ モータ
７ 液溜り部
７ａ 内周面
８ 整流部材
８ａ フィン
８ｂ 下固定リング
８ｃ 上固定リング
８ｄ 支持部材
８ｅ 添え板
９ 冷媒通路
１０ 定置式超低温貯槽
１１ 圧力計
１２ バルブ
１３ 安全弁
１４ 軸受評価装置
θ 冷媒液の導入角度

Claims (6)

1. 定置式超低温貯槽（１０）から極低温の冷媒液の供給を受ける冷却容器（２）を有し、その冷却容器（２）は、前記冷媒液を導入する冷媒液供給口（５）と、導入した冷媒液が満たされる液溜り部（７）を下部に有し、その冷却容器（２）に挿入した回転軸（３）を支える転がり軸受（４）が前記冷却容器（２）の内部に設置され、その転がり軸受（４）が前記液溜り部（７）の上部に配置されて前記液溜り部（７）に導入された冷媒液により極低温に冷却される極低温環境用軸受評価装置であって、
   前記冷却容器（２）の前記液溜り部（７）に、導入された冷媒液を前記転がり軸受（４）の回転方向に向かわせながら液溜り部（７）の中央側、かつ、上側に誘導する整流部材（８）を備えた極低温環境用軸受評価装置。
2. 前記整流部材（８）が、前記液溜り部（７）内に設置されて周方向に間隔をあけて複数設けられたフィン（８ａ）で前記液溜り部（７）に導入された冷媒液を前記転がり軸受（４）の回転方向に向かわせながら前記液溜り部（７）の中央側、かつ、上側に誘導するように構成された請求項１に記載の極低温環境用軸受評価装置。
3. 前記整流部材（８）は、平面視で一方向に湾曲したフィン（８ａ）の複数枚を、前記液溜り部（７）の中心を基準にして中心から径方向に等距離を保った位置に、各フィン（８ａ）の径方向内端と径方向外端がそれぞれ周方向に均一ピッチで並ぶように配列し、そのフィン（８ａ）の上端と下端を、下固定リング（８ｂ）と上固定リング（８ｃ）にそれぞれ固定されてユニット化されており、その整流部材（８）が前記下固定リング（８ｂ）に設けた支持部材（８ｄ）を前記冷却容器（２）に取り付けて前記液溜り部（７）の底から浮き上がった位置、かつ、前記液溜り部（７）の内周面（７ａ）から離れた位置に保持されている請求項１又は２に記載の極低温環境用軸受評価装置。
4. 前記フィン（８ａ）が、前記転がり軸受（４）の回転方向にねじれながら下端から上端に至る螺旋状のフィンである請求項３に記載の極低温環境用軸受評価装置。
5. 前記フィン（８ａ）間に、そのフィン（８ａ）の径方向の外端から内端に至る冷媒通路（９）が形成され、その冷媒通路（９）の通路幅が外周側から内周側に向かって狭くなっている請求項２〜４のいずれかに記載の極低温環境用軸受評価装置。
6. 前記冷媒液供給口（５）は、冷却容器（２）に対する平面視での冷媒液導入角度が前記フィン（８ａ）の向きと同一角度になるように設計されている請求項２〜５のいずれかに記載の極低温環境用軸受評価装置。

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