JP6764741B2 - 保持器及びその製造方法、並びに転がり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、保持器及び転がり軸受に関する。

ロケットエンジンのターボポンプ等では、高速に回転する回転軸を支えるために転がり軸受が設けられている。このような転がり軸受は、内輪と、外輪と、転動体と、転動体を保持するための保持器と、を備えている。保持器は、転動体を装着するためのポケットを有している。

特許文献１には、ロケットエンジンのターボポンプに使用される転がり軸受の樹脂製保持器であって、樹脂製保持器本体と、フッ素樹脂を含むポケット部材とを別体で形成した後、樹脂製保持器本体にボケット部材を接着剤で接着して組み立てることが記載されている。

特開２００７−２３９９３５号公報

ところで、特許文献１に記載された樹脂製保持器のように、樹脂製保持器本体と、ポケット部材とを別体で形成する場合には、保持器の構造が複雑になるので、保持器の製造コストが高くなる可能性がある。

そこで本発明の目的は、より簡素な構造の保持器及び転がり軸受を提供することである。

本発明に係る保持器は、転がり軸受用の保持器であって、転動体を保持する保持穴を有し、円環状の保持器本体を備え、前記保持器本体は、ＰＥＥＫ樹脂と、ＰＴＦＥ樹脂と、繊維材と、を含む樹脂組成物で形成されていることを特徴とする。

本発明に係る保持器において、前記繊維材は、ガラス繊維及び炭素繊維の少なくとも一方であることを特徴とする。

本発明に係る転がり軸受は、上記の保持器を備えることを特徴とする。

本発明に係る転がり軸受は、極低温環境下で運転される回転機械に用いられることを特徴とする。

本発明に係る転がり軸受において、前記回転機械は、ロケットエンジンのターボポンプであることを特徴とする。

上記構成によれば、保持器は、ＰＥＥＫ樹脂（ポリエーテルエーテルケトン樹脂）と、ＰＴＦＥ樹脂（ポリテトラフルオロエチレン樹脂）と、繊維材と、を含む樹脂組成物で形成されているので、保持器をより簡素な構造とすることが可能となる。

本発明の実施の形態において、転がり軸受の構成を示す図である。 本発明の実施の形態において、保持器の構成を示す図である。

以下に本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。まず、転がり軸受について説明する。図１は、転がり軸受１０の構成を示す図である。転がり軸受１０は、極低温環境下で運転される回転機械等に適用される。転がり軸受１０は、例えば、ロケットエンジンにおける極低温推進剤（液体酸素や液体水素等）を燃焼器へ供給するターボポンプや、人工衛星等に用いられる。転がり軸受１０は、例えば、液体水素、液体酸素、液化天然ガス、液体窒素等に曝される極低温環境下や、真空環境下等で使用される。

転がり軸受１０は、内輪１２と、外輪１４と、転動体１６と、転動体１６を保持する保持器２０と、を備えている。内輪１２と外輪１４とは、円環状に形成されている。内輪１２と外輪１４とは、マルテンサイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ４４０Ｃ）等の金属材料で形成されている。

転動体１６は、球状、円筒状、円錐状等に形成されている。転動体１６は、マルテンサイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ４４０Ｃ）等の金属材料や、窒化珪素、炭化珪素、アルミナ、ジルコニア、サイアロン等のセラミックス材料で形成されている。

保持器２０は、転動体１６を保持する機能を有している。図２は、保持器２０の構成を示す図である。保持器２０は、円環状の保持器本体２２を備えている。保持器本体２２は、転動体１６を保持するための複数の保持穴２４を有している。保持穴２４は、転動体１６を挿入可能に形成されている。保持穴２４は、真円であってもよいし、平円であってもよい。

保持器本体２２は、ＰＥＥＫ樹脂（ポリエーテルエーテルケトン樹脂）と、ＰＴＦＥ樹脂（ポリテトラフルオロエチレン樹脂）と、繊維材と、を含む樹脂組成物で形成されている。

ＰＥＥＫ樹脂（ポリエーテルエーテルケトン樹脂）は、樹脂組成物中に主成分として含まれており、保持器本体２２の機械的強度を向上させる機能を有している。ＰＥＥＫ樹脂は、液体酸素中や液体水素中等の極低温環境下でも優れた機械的強度を有しており、ターボポンプに用いられる転がり軸受のようなＤＮ値（内輪内径ｍｍ×回転数ｒｐｍ）が１６０万を超える高速回転環境においても、保持器本体２２の強度を確保することができる。また、ＰＥＥＫ樹脂は、熱可塑性樹脂であることから、射出成形等により容易に成形可能であり、製造コストを低減することが可能となる。

樹脂組成物中のＰＥＥＫ樹脂の含有率は、７０体積％以上であることが好ましく、７５体積％以上であることがより好ましい。ＰＥＥＫ樹脂の含有率が７０体積％より小さいと、保持器本体２２の機械的強度が低下し易くなるからである。

ＰＴＦＥ樹脂（ポリテトラフルオロエチレン樹脂）は、摩擦係数が小さく、自己潤滑性に優れており、固体潤滑剤としての機能を有している。ＰＴＦＥ樹脂は、潤滑油を用いることが困難な液体酸素中や液体水素中等の極低温環境下でも、化学的に安定であり、優れた潤滑性を有している。樹脂組成物中にＰＴＦＥ樹脂を含むことにより、保持穴２４の内周面（摺動面）と、転動体１６とが摺動したときに、転動体１６にＰＴＦＥ樹脂が移着し、更に、転動体１６から内輪１２や外輪１４にＰＴＦＥ樹脂が移着することで潤滑性を高めることができる。

また、ＰＴＦＥ樹脂は、ＰＥＥＫ樹脂における転動体１６の摺動面に対する攻撃性を抑える機能を有している。ＰＥＥＫ樹脂は、転動体１６の摺動面に対して攻撃性を有しているが、ＰＥＥＫ樹脂にＰＴＦＥ樹脂を添加することにより、極低温環境下等での摩擦係数を小さくする傾向があるからである。これにより、保持穴２４の内周面と、転動体１６とが摺動したときに、転動体１６の摩耗を抑制することができる。

樹脂組成物中のＰＴＦＥ樹脂の含有率は、３体積％以上３０体積％以下であることが好ましく、３体積％以上１５体積％以下であることがより好ましい。ＰＴＦＥ樹脂の含有率が３体積％より小さいと、保持穴２４の内周面と、転動体１６とが摺動したときに、ＰＴＦＥ樹脂の移着が少なくなるので、潤滑性が低下すると共に、ＰＥＥＫ樹脂における転動体１６の摺動面に対する攻撃性が大きくなり、転動体１６が摩耗し易くなるからである。また、ＰＴＦＥ樹脂の含有率が３０体積％以下であるのは、ＰＴＦＥ樹脂の含有率が３０体積％であれば、保持穴２４の内周面と、転動体１６とが摺動したときに、ＰＴＦＥ樹脂の移着が十分行われるので潤滑性が確保されると共に、ＰＥＥＫ樹脂における転動体１６の摺動面に対する攻撃性が十分抑えられるので、転動体１６の摩耗を低減可能だからである。

繊維材は、保持穴２４の内周面（摺動面）の耐摩耗性や、保持器本体２２の機械的強度を向上させる機能を有している。樹脂組成物中に繊維材を含むことにより、保持穴２４の内周面と、転動体１６とが摺動したときに、保持穴２４の内周面の耐摩耗性を向上させることができる。また、樹脂組成物中に繊維材を含むことにより、樹脂組成物が繊維材で強化されることから、保持器本体２２の機械的強度を向上させることができる。

繊維材には、液体酸素中や液体水素中等の極低温環境下でも化学的に安定であるガラス繊維及び炭素繊維の少なくとも一方を用いることができる。繊維材には、ガラス繊維を用いてもよく、炭素繊維を用いてもよく、ガラス繊維と炭素繊維とを混ぜて用いてもよい。ガラス繊維には、極低温環境下で耐摩耗性に優れることから、酸化カルシウム（ＣａＯ）や、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含有するガラスを用いてもよい。ガラス繊維には、例えば、Ｅガラス等を用いるとよい。炭素繊維には、ＰＡＮ系炭素繊維やピッチ系炭素繊維等を用いることが可能である。繊維材には、短繊維やウイスカ等を用いることができる。

樹脂組成物中の繊維材の含有率は、３体積％以上１９体積％以下であることが好ましく、３体積％以上１０体積％以下であることがより好ましい。繊維材の含有率が３体積％より小さいと、保持穴２４の内周面の耐摩耗性が低下する場合や、保持器本体２２の機械的強度が低下する場合があるからである。また、繊維材の含有率が１９体積％以下であるのは、ＰＥＥＫ樹脂に繊維材を多く含むと摩擦係数が上昇し、転動体１６が損傷し易くなるからである。

樹脂組成物は、ブロンズ（青銅）等の充填剤を含んでいてもよい。例えば、樹脂組成物にブロンズ（青銅）が含有されていると、転動体１６が窒化珪素等で形成されている場合において、転動体１６にＰＴＦＥ樹脂を移着し易くなるからである。

樹脂組成物は、ＰＴＦＥ樹脂と、繊維材と、含み、残部がＰＥＥＫ樹脂からなるようにしてもよい。

このように、保持器本体２２が、ＰＥＥＫ樹脂（ポリエーテルエーテルケトン樹脂）と、ＰＴＦＥ樹脂（ポリテトラフルオロエチレン樹脂）と、繊維材と、を含む樹脂組成物により一体で形成されていることにより、簡素な構成とすることが可能となる。

次に、保持器２０の製造方法について説明する。

保持器２０は、例えば、一般的な合成樹脂の成形法である射出成形や押出し成形等により製造することができる。例として、保持器２０を射出成形で製造する場合について説明する。

まず、ＰＥＥＫ樹脂と、ＰＴＦＥ樹脂と、繊維材とを、所定の混合比で溶融混合機により混練して、ペレットを形成する。ＰＥＥＫ樹脂と、ＰＴＦＥ樹脂と、繊維材とには、市販品を用いることができる。溶融混合機には、単軸押出し機、２軸押出し機等を用いることが可能である。なお、ＰＥＥＫ樹脂と、ＰＴＦＥ樹脂と、繊維材とについては、予めミキサ等で混合した後に、溶融混合機に供給してもよい。

次に、このペレットを用いて射出成形機により射出成形して、保持器本体２２を形成する。射出成形機には、一般的な合成樹脂の射出成形に用いられる射出成形機を使用可能である。転動体１６を保持する保持穴２４については、例えば、機械加工等して形成すればよい。このようにして保持器２０が製造される。

この保持器２０によれば簡素な構造であることから、樹脂製保持器本体と、ポケット部材とを別体で形成した後に、これらの部品を接着するタイプの従来の保持器に対して、ポケット部材を形成する工程や、接着する工程が不要となるので、生産性の向上と製造コストの低減が可能となる。

また、この保持器２０は、射出成形等により製造可能であるので、ガラス織布を円筒状に積層した積層体にフッ素樹脂を含浸させて焼成することにより成形するタイプの従来の保持器に対して、低コストで製造することができる。なお、このタイプの従来の保持器では、焼成後に表面に露出しているガラス繊維を弗酸で溶解させる弗酸処理をする必要があるが、この保持器２０の製造方法では、弗酸処理する必要がないので、生産性の向上と製造コストの低減が可能となる。

以上、上記構成の保持器によれば、転動体を保持する保持穴を有し、円環状の保持器本体を備え、保持器本体は、ＰＥＥＫ樹脂と、ＰＴＦＥ樹脂と、繊維材と、を含む樹脂組成物により一体で形成されていることから、簡素な構造とすることができる。これにより、保持器の製造コストを低減することが可能となる。

転がり軸受用の保持器の摩耗特性について評価した。

実施例１の保持器には、７５体積％から７７体積％のＰＥＥＫ樹脂と、１３体積％から１５体積％のＰＴＦＥ樹脂と、８体積％から１０体積％のガラス繊維と、からなる樹脂組成物で形成したものを使用した。なお、樹脂組成物は、ＰＥＥＫ樹脂と、ＰＴＦＥ樹脂と、ガラス繊維との合計が１００体積％となるようにした。実施例１の保持器は、ＰＥＥＫ樹脂と、ＰＴＦＥ樹脂と、ガラス繊維と、を２軸押出し機で混練してペレットとした後に、射出成形により成形した。転動体を保持する保持穴については、機械加工により形成した。

実施例１の保持器を用いた転がり軸受を摩耗評価試験機に組み込み、保持器の摩耗特性を評価した。転がり軸受の軌道輪（内輪及び外輪）と、転動体とには、マルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４４０Ｃで形成したものを使用した。

摩耗試験については、液化天然ガス中と、液体酸素中とにおいて行った。総運転時間については、各々の環境下で１０００秒以上とした。摩耗試験後に、転がり軸受を分解して、この軸受の摩耗を評価した。

液化天然ガス中では、この軸受には殆ど摩耗が認められなかった。また、この軸受には、割れ等の損傷が認められなかった。

液体酸素中では、この軸受の摩耗が１μｍ以下だった。また、この軸受には、割れ等の損傷が認められなかった。

摩耗評価試験結果から、この軸受は、液化天然ガス中及び液体酸素中で摩耗が小さく、極低温流体中で使用可能であることがわかった。

１０ 転がり軸受
１２ 内輪
１４ 外輪
１６ 転動体
２０ 保持器
２２ 保持器本体
２４ 保持穴

Claims (5)

1. 転がり軸受用の保持器であって、
   転動体を保持する複数の円形の保持穴を有し、円環状に一体で形成された保持器本体を備え、
   前記保持器本体は、ＰＴＦＥ樹脂と、ガラス繊維と、を含み、残部がＰＥＥＫ樹脂からなる樹脂組成物で形成されており、
   前記樹脂組成物は、ＰＥＥＫ樹脂と、ＰＴＦＥ樹脂と、ガラス繊維との合計を１００体積％としたとき、７５体積から７７体積％のＰＥＥＫ樹脂と、１３体積％から１５体積％のＰＴＦＥ樹脂と、８体積％から１０体積％のガラス繊維とから構成されていることを特徴とする保持器。
2. 請求項１に記載の保持器を備えることを特徴とする転がり軸受。
3. 請求項２に記載の転がり軸受であって、
   液体水素、液体酸素、液化天然ガスまたは液体窒素に曝される極低温環境下で運転される回転機械に用いられることを特徴とする転がり軸受。
4. 請求項３に記載の転がり軸受であって、
   前記回転機械は、ロケットエンジンのターボポンプであることを特徴とする転がり軸受。
5. 請求項１に記載の保持器の製造方法であって、
   前記樹脂組成物を射出成形し、前記保持器本体を一体で形成する工程と、
   前記保持器本体を機械加工して、前記保持穴を形成する工程と、
   を備えることを特徴とする保持器の製造方法。
   

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