WO2017146047A1 - 極低温環境用転がり軸受 - Google Patents

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鈴木　康介
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Definitions

  • the present invention relates to a rolling bearing for a cryogenic environment used at a cryogenic temperature, such as a bearing used in a submerged pump for transferring a liquefied gas in a cryogenic state such as liquefied natural gas.
  • a rolling bearing used in a normal temperature environment requires a rolling element to be rotatably held between an inner ring and an outer ring and requires liquid lubrication with a lubricating oil or the like.
  • liquid lubrication with a normal lubricating oil or the like cannot be expected.
  • rolling bearings for cryogenic environments are liable to deteriorate in strength and durability due to shrinkage and deformation of parts, and are required to withstand such severe use conditions.
  • liquefied natural gas which is a typical example of a cryogenic liquefied gas, has methane as a main component and has a physical property that does not liquefy unless it is below ⁇ 161.5 ° C. (about ⁇ 162 ° C.) under normal pressure.
  • examples of liquefied gas used in a liquefied state such as a refrigerant, a heat medium, and a filling gas include nitrogen and helium.
  • a dedicated pump When transporting or storing such a liquefied gas while maintaining a liquid state at a cryogenic temperature, it is necessary to use a dedicated pump at a cryogenic temperature.
  • a submerged pump As a type of such a pump, a submerged pump is used. Are known. Since this type of pump is used by immersing the entire pump device including the motor in liquefied gas, it does not require a mechanical seal to seal the main body from the outside air, and is excellent in that there is little loss due to dissipation of the vaporized gas. It is a thing.
  • the rolling bearing supporting the motor shaft and the like is also lubricated with a liquefied gas such as LNG having poor lubricity at extremely low temperatures.
  • a liquefied gas such as LNG having poor lubricity at extremely low temperatures.
  • it is required to have a good rotation state with good durability and stability.
  • the environmental temperature is not limited to the above-described environment where liquefied gas exists, but also in a high altitude space beyond the stratosphere far from the surface of the earth, and in a far away space, Since the temperature is about 50 to ⁇ 270 ° C., similar characteristics are required for rolling bearings for cryogenic environments used in such artificial satellites and spacecraft.
  • an outer ring and an inner ring are made of martensitic stainless steel, a rolling element is made of ceramic, and a cage is made of a fluororesin. (Patent Document 1 below).
  • the rolling bearings used in the cryogenic environment described above are only those in which the material of the inner ring, outer ring, rolling element, and cage is specified to make it difficult to cause dimensional changes due to low temperatures.
  • the dimensions of the parts when assembled were not specified.
  • outer rings, inner rings, rolling elements, and cages are made of a predetermined material and have a low heat shrinkage at a very low temperature, the dimensional change due to low temperatures is to some extent. I have to accept it.
  • the following types (1) to (3) are available as guide types for cages made of resin material for rolling bearings at extremely low temperatures.
  • Rolling element guide A gap corresponding to the expected heat shrinkage is provided between the rolling element and the cage pocket to achieve appropriate contact.
  • Inner ring guide A gap corresponding to the expected heat shrinkage is provided between the outer diameter of the inner ring and the inner diameter of the cage to achieve appropriate contact.
  • Outer ring guide A gap corresponding to the expected heat shrinkage between the inner diameter of the outer ring and the outer diameter of the cage is provided to achieve appropriate contact.
  • the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide clearances between parts in a predetermined range during assembly at room temperature in order to prevent rotation failure of a rolling bearing used at an extremely low temperature.
  • it is to reliably prevent a rotation failure due to a change in dimensions of a rolling bearing component at a cryogenic temperature in a guide gap for supplying a solid lubricant by contact from a cage or a radial internal gap.
  • a cage for rotatably holding a plurality of rolling elements is provided between inner and outer diameter surfaces of inner and outer rings made of martensitic stainless steel or high-speed tool steel.
  • the rolling element is a ceramic rolling element
  • the cage is made of a resin material
  • a gap ratio C at a normal temperature (20 ° C.) represented by the following formula is 2.5 to 4. This is a rolling bearing for a cryogenic environment characterized by this.
  • Clearance ratio C (Rolling element diameter ⁇ Guide clearance) / (Inner ring outer diameter ⁇ Radial internal clearance) (In the above formula, the guide gap is the gap width between the inner ring outer diameter surface and the cage inner diameter surface, and the radial inner gap is the gap width between the outer ring raceway surface and the rolling element surface.)
  • the clearance (mm) between the outer surface of the inner ring and the inner surface of the cage is at room temperature or higher.
  • the interval of the same location of the rolling bearing of a normal use used at a temperature of 5 mm it has a large gap width exceeding the technical common sense.
  • the guide gap and the radial inner gap between the inner ring outer diameter surface and the cage inner diameter surface are from ordinary temperature (20 ° C.) to cryogenic temperature.
  • the gap ratio C described above is set to 2.5-4.
  • the main components of the resin cage are polytetrafluoroethylene, polypropylene, polystyrene, acrylonitrile styrene, acrylonitrile-butadiene-styrene plastic, polytrifluoroethylene chloride, polycarbonate, polymethyl methacrylate, polyamide 6, polyamide 66, polysulfone.
  • Polyphenylene oxide, phenol resin, epoxy resin, unsaturated polyester resin, urea resin, melamine resin, etc. are used, but polytetrafluoroethylene (PTFE) is particularly preferable in the use state at an extremely low temperature ( ⁇ 196 ° C.). .
  • the inner surface of the cage and the inner ring outer diameter surface made of a predetermined steel material made of martensite stainless steel or high-speed tool steel come into contact with each other at an appropriate frequency.
  • the PTFE-based resin is transferred to the outer surface of the inner ring and exhibits good lubricity.
  • the clearance ratio C is not simply obtained by calculation based only on the thermal expansion coefficient and temperature of the material of each component, but the load on the bearing ring during use, the amount of movement of the outer ring in the radial direction, Under these influences, the clearance ratio C is obtained according to the above-described formula, and an appropriate numerical value that can reliably prevent a rotation failure due to a change in the dimensions of the bearing component and achieve a good rotation state is experimentally found. It was possible to specify.
  • the inner ring and outer ring made of martensitic stainless steel or high-speed tool steel are materials that do not easily undergo dimensional changes at extremely low temperatures, and wear during use is also unlikely to occur. And a good rotation state is more stable.
  • the rolling elements that are in frictional contact during rotation of the inner ring and the outer ring are made of ceramics in which the resin component is easily transferred. Therefore, the resin component that transfers at an appropriate frequency from the cage with rotation, particularly polytetrafluoroethylene. (PTFE) stably exhibits excellent solid lubricity even at extremely low temperatures, and every time the inner ring and outer ring come into contact with the rolling element, the rolling element is solid-lubricated to suppress wear and rotate smoothly and stably. To do.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the ceramic rolling element is preferably a silicon nitride ceramic rolling element because of its high hardness and excellent wear resistance.
  • the rolling bearing for the cryogenic environment can be applied to a rolling bearing of a liquefied gas pump.
  • the liquefied natural gas submerged pump, which is a liquefied gas pump, is an application example that increases the practical utility value of the rolling bearing of the present invention.
  • the rolling bearing of the embodiment holds a plurality of rolling elements (balls) 3 rotatably between an outer diameter surface 1 a of an inner ring 1 and an inner diameter surface 2 a of an outer ring 2, which will be described later.
  • the rolling element 3 is made of ceramics
  • the cage 4 is made of a resin material mainly composed of polytetrafluoroethylene
  • the clearance ratio C (Rolling element diameter ⁇ guide).
  • This is a rolling bearing for a cryogenic environment having a predetermined gap ratio C of 2.5 to 4 represented by the equation of gap ⁇ 1 ) / (inner ring outer diameter ⁇ radial inner gap ⁇ 2 ).
  • the guide gap ⁇ 1 in the above formula is the gap (mm) between the inner ring outer diameter surface 1a and the inner diameter surface of the cage 4 at room temperature (20 ° C.), and the radial inner gap ⁇ 2 is at a very low temperature ( ⁇ The clearance (mm) between the outer ring inner surface 2a and the surface of the rolling element 3 at 196 ° C.).
  • the inner ring 1 and the outer ring 2 described above are martensitic stainless steel or high-speed tool steel, and these are steel materials that are hard and have excellent wear resistance.
  • martensitic stainless steel include SUS403, SUS420, and SUS440C.
  • high-speed tool steel include American Steel Association AISI standard high-speed steel M50, Japanese Industrial Standard SKH4, and the like.
  • diamond-like carbon having a Vickers hardness (Hv) of about 1000 to 4000 is provided on the surface side of the base material of the inner ring 1 and the outer ring 2, at least on the raceway surface (or also called the rolling surface).
  • Hv Vickers hardness
  • the rolling element 3 used in this invention is made of ceramics, and the type of ceramics is not particularly limited, but silicon nitride-based, zirconia-based, silicon carbide-based, and alumina-based ceramics can be prepared.
  • rolling elements made of silicon nitride ceramics are preferable because they are particularly hard and excellent in wear resistance.
  • the cage 4 used in the present invention includes polytetrafluoroethylene (PTFE), polypropylene, polystyrene, acrylonitrile styrene, acrylonitrile-butadiene-styrene plastic, polytrifluoroethylene chloride, polycarbonate, polymethyl methacrylate, polyamide 6, polyamide 66, A resin material mainly composed of polysulfone, polyphenylene oxide, phenol resin, epoxy resin, unsaturated polyester resin, urea resin, melamine resin or the like is used. In consideration of particularly good lubricity, one made of polytetrafluoroethylene (for example, NTN Corporation: BEAREE FL3000) is employed. This is because such a resin material transfers a solid lubricant to the surface of the rolling element even at an extremely low temperature and exhibits good and stable solid lubricity.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • polypropylene polystyrene
  • polystyrene acrylon
  • the type (or form) of the cage 4 is not particularly limited, and is a well-known annular type, for example, a crown type type, or a circular shape in which pocket holes are formed at equal intervals in the circumferential direction of a cylinder or a ring.
  • the type (model) of the rolling bearing is not particularly limited as long as it has a radial internal clearance.
  • it is a rolling bearing for cryogenic environments such as a deep groove ball bearing or a cylindrical roller bearing. There may be.
  • the rolling bearing for the cryogenic environment of the present invention may be a rolling bearing for a pump for a liquefied gas, the rolling bearing used for supporting or driving a satellite antenna. Also good.
  • the rolling bearing When the application of the rolling bearing is a pump for liquefied gas, it may be a submerged pump for liquefied natural gas (LNG), but in that case, since the rolling bearing directly contacts the cryogenic LNG, the inner and outer rings and rolling elements of the present invention have a remarkable effect of becoming a rolling bearing for a cryogenic environment excellent in durability that withstands long-term use and does not deteriorate wear resistance and lubricity.
  • LNG liquefied natural gas
  • the submerged pump for liquefied natural gas exhibits airtightness in a pot (pressure vessel) 8 by immersing the entire pump in the liquid.
  • a pot pressure vessel 8 by immersing the entire pump in the liquid.
  • the pot 8 is opened with the LNG suction port 11 facing outward, and has a discharge port 12 leading to an external pipe (not shown).
  • the motor 13 mounted in the pot 8 supports the upper and lower sides of the motor shaft 10 rotated by an external power source with the ball bearing A of the embodiment shown in FIG.
  • a plurality of stages of impellers 14 are attached to the rotating pump shaft 9.
  • the flow path in the illustrated apparatus of the pump is such that the LNG flowing from the suction port 11 into the pot 8 along the inner surface of the pot 8 by the impeller 14 that rotates integrally with the pump shaft 9 by the driven motor 13. It flows downward and flows into the discharge port 12 from the pipe 16 inside the cylindrical inner wall 15 arranged around the impeller 14, and is sucked in from the lowermost portion of the multistage impeller 14.
  • the other pipe 17 inside the cylindrical inner wall 15 flows in the motor 13 as a lubricating liquid, lubricates and cools the ball bearing A, joins the downward flow along the inner side surface of the pot 8, and again multistage. Is sucked from the tip of the impeller 14.
  • the ball bearing A used in this way holds the rolling element with a resin cage, the rolling element is a ceramic rolling element, and the cage is a resin material mainly composed of polytetrafluoroethylene. Since the predetermined gap ratio C expressed by the following formula is 2.5 to 4, the guide gap for supplying the solid lubricant by contact from the cage at a very low temperature and the radial internal gap Dimensional change is suppressed, and rotation failure can be reliably prevented. As a result, the wear of the raceway surface and rolling elements becomes extremely low, and it can withstand long-term use even in a cryogenic environment such as a space environment or a cryogenic environment that is lubricated and cooled by a liquefied gas such as LNG. It becomes a rolling bearing for a cryogenic environment where the wear resistance and lubricity do not deteriorate with time and the rotational state is stable.
  • a rolling bearing for a cryogenic environment is shown as an embodiment of the present invention.
  • an outer ring having a predetermined inner diameter is set so that the clearance ratio C represented by the above formula is 2.5 to 4.
  • the invention may be an invention of a method for adjusting a bearing internal clearance of a rolling bearing for a cryogenic environment characterized by selecting and adjusting the radial internal clearance.
  • Examples 1 to 3 Made by BEAREE FL made by NTN Precision Resin Co., Ltd., which has martensitic stainless steel (SUS440C) inner and outer rings, with silicon nitride ceramic balls as rolling elements and polytetrafluoroethylene (PTFE) as the main component
  • SUS440C martensitic stainless steel
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • Table 1 shows the model numbers of various rolling (ball) bearings manufactured by NTN, the inner ring inner diameter ⁇ d (mm) and the outer ring outer diameter ⁇ D (mm), and the ball diameter (mm) at room temperature (20 ° C.).
  • Comparative Examples 1 and 2 in which the value of the gap ratio C C 1 / C 2 is less than 2.5 is 1/2 or less of the appropriate guide gap (Comparative Example 1).
  • the value of the ball diameter ⁇ guide gap is a negative value, indicating a pressure contact state (Comparative Example 2), and the cage comes into contact with the inner ring and is in a state of poor rotation or heat generation.
  • Comparative Example 3 in which the gap ratio C is 4.5 the cage is loosely moved inside the rolling bearing, causing a so-called rattling and vibration, resulting in poor rotation.
  • each of Examples 1 to 3 in which the gap ratio C is 2.7 to 3.6 has a smooth rotation state, can withstand long-term use even in an extremely low temperature environment, and is resistant to wear over time. It was in a stable rotational state without lowering the lubricity.

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Abstract

内輪（１）および外輪（２）は、マルテンサイト系ステンレス鋼または高速度工具鋼であり、転動体（３）は、セラミックス製の転動体であり、保持器（４）は樹脂素材からなり、常温（２０℃）の隙間比率（Ｃ）が２．５～４である極低温環境用転がり軸受とする。ただし、隙間比率Ｃ＝（転動体径×案内隙間）/（内輪外径×ラジアル内部隙間）であり、式中の案内隙間＝内輪外径面と保持器内径面との隙間幅であり、ラジアル内部隙間＝外輪軌道面と転動体表面との隙間幅である。極低温下で固体潤滑剤を保持器からの接触で供給するための案内隙間やラジアル内部隙間についての寸法変化が抑制され、回転不良を確実に防止する。

Description

極低温環境用転がり軸受
　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に用いられる軸受のように、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、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。
　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などの液化ガスで潤滑されながら、耐久性がよく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で形成され、かつ転動体がセラミックで形成され、保持器はフッ素樹脂で形成されたものが知られている（下記特許文献１）。
特開２０１４－２０４９０号公報
　しかし、上記した極低温環境で用いられる転がり軸受は、内輪、外輪、転動体、及び保持器の素材を特定して、低温化による寸法変化を生じ難くしたものに過ぎず、転がり軸受を常温で組み立てるときの部品寸法まで、特定されたものではなかった。
　すなわち、従来の極低温環境用の転がり軸受では、外輪、内輪、転動体、保持器を所定の素材からなる極低温での熱収縮の少ない材質を採用しても、ある程度は低温化による寸法変化を甘受せざるを得ない。
　例えば、極低温下での転がり軸受の樹脂素材からなる保持器の案内形式として、以下の(1)～(3)の対応がある。
(1)転動体案内：転動体と保持器ポケット間に予定される熱収縮に対応する隙間を空けて、適度の接触を図る。
(2)内輪案内：内輪外径と保持器内径間に予定される熱収縮に対応する隙間を空けて、適度の接触を図る。
(3)外輪案内：外輪内径と保持器外径間に予定される熱収縮に対応する隙間を空けて、適度の接触を図る。
　これらの場合において、特に鋼材製の内外輪およびセラミックス製の転動体が採用されている場合には、鋼材やセラミックスよりも樹脂材の方が線膨張係数は大きいことから、極低温下において、(1)では、保持器の収縮が転動体の収縮より大きく、保持器は転動体の回転を妨げる可能性がある。また、(2)では、常温下での隙間の適切な設定が困難であり、理論的には保持器の外径が外輪内径より大きくする必要が生じて、設計は困難になってしまう。
　また、上記(3)の対応を採用した場合には、常温での軸受組み立て時の各部品間の隙間をどのようにすれば、極低温下での軸受の回転不良を防止できるのか不明であり、多くの試行錯誤を伴う非容易性があった。
　そこで、この発明の課題は上記した問題点を解決し、極低温下で使用される転がり軸受の回転不良を防止するため、常温での組み立て時の各部品間の隙間を所定範囲に設けることにより、特に固体潤滑剤を保持器からの接触で供給するための案内隙間や、ラジアル内部隙間について極低温下での転がり軸受部品の寸法変化による回転不良を確実に防止することである。
　上記の課題を解決するため、この発明では、マルテンサイト系ステンレス鋼または高速度工具鋼からなる内・外輪の内・外径面間に、複数の転動体を回転自在に保持する保持器を設けた転がり軸受において、前記転動体は、セラミックス製の転動体であり、前記保持器は樹脂素材からなり、以下の式で示される常温（２０℃）の隙間比率Ｃが２．５～４であることを特徴とする極低温環境用転がり軸受としたのである。
　　　隙間比率Ｃ＝（転動体径×案内隙間）/（内輪外径×ラジアル内部隙間）
　(上記の式中、案内隙間＝内輪外径面と保持器内径面との隙間幅であり、ラジアル内部隙間＝外輪軌道面と転動体表面との隙間幅である。)
　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、常温(２０℃)で組み立てられる際に、内輪外径面と保持器内径面との隙間(mm)が、常温またはそれ以上の温度で使用される通常の用途の転がり軸受の同箇所の間隔として、技術常識を超える大きな隙間幅のものである。
　すなわち、極低温環境用転がり軸受が、常温(２０℃)で組み立てられた際には、内輪外径面と保持器内径面との案内隙間およびラジアル内部隙間は、常温(２０℃)から極低温下(－１９６℃)まで冷却されるまでの温度差と、内・外輪と保持器のそれぞれの熱膨張率差を考慮して、上記した隙間比率Ｃが２．５～４に設けられる。
　樹脂製の保持器の主成分としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリロニトリルスチレン、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレンプラスチック、ポリ三フッ化塩化エチレン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリスルホン、ポリフェニレンオキシド、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂などが用いられるが、極低温下(－１９６℃)の使用状態においては、特にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が好ましい。ＰＴＦＥ系樹脂製の保持器の場合、保持器の内径面と、マルテンサイト系ステンレス鋼または高速度工具鋼からなる所定鋼材製の内輪外径面とが、適当な頻度で接触し、保持器表面のＰＴＦＥ系樹脂が内輪外径面に移着して良好な潤滑性が発揮される。
　ここで、隙間比率Ｃは、単に各部品の材質の熱膨張率と温度だけで計算により求められるものではなく、使用中に軌道輪に係る荷重や、外輪の径方向への移動量、各部品の弾性変形量に関わり、これらの影響下に前記した式に従って、隙間比率Ｃを求め、軸受部品の寸法変化による回転不良を確実に防止でき良好な回転状態になる適切な数値を実験的に見つけだすことにより、特定することができたものである。
　また、この発明の極低温環境用転がり軸受は、マルテンサイト系ステンレス鋼または高速度工具鋼からなる内輪と外輪が、極低温下で寸法変化の起こり難い素材であり、使用時の摩耗も起こり難いものであり、良好な回転状態がより安定する。
　また、内輪と外輪の回転時に摩擦接触する転動体は、樹脂成分が移着しやすいセラミックス製であるから、回転に伴って保持器から適当な頻度で移着する樹脂成分、特にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が極低温下でも安定して優れた固体潤滑性を発揮し、内輪と外輪が転動体に接触する度に、転動体が固体潤滑されて摩耗は抑制され、円滑に安定して回転する。
　そのため、転がり軸受を長期間使用するときにも軌道面および転動体の摩耗が極めて少なくなり、特にＬＮＧによって潤滑されかつ冷却されるという極低温環境下での内外輪と転動体が長期使用に耐えるようになり、耐摩耗性および潤滑性が低下せず耐久性に優れた極低温環境用転がり軸受となる。
　上記セラミックス製の転動体は、窒化ケイ素系のセラミックス製転動体であることが高硬度で耐摩耗性に優れているので、好ましい。
　また、上記極低温環境用転がり軸受は、液化ガス用ポンプの転がり軸受に適用できる。液化ガス用ポンプである液化天然ガス用サブマージドポンプは、特にこの発明の転がり軸受の実用的利用価値を高める適用例である。
　この発明は、セラミックス製転動体と、樹脂製保持器とを具備し、常温での所定の隙間比率Ｃ＝（転動体径×案内隙間）/（内輪外径×ラジアル内部隙間）の特定された極低温環境用転がり軸受としたので、極低温下で固体潤滑剤を保持器からの接触で供給するための案内隙間や、ラジアル内部隙間について寸法変化が抑制され、回転不良を確実に防止でき、また軌道面および転動体の摩耗が極めて少ないものとなり、特にＬＮＧ等の液化ガスによって潤滑されかつ冷却される極低温環境下や宇宙環境のような極低温環境下でも長期間の使用に耐えて経時的に耐摩耗性および潤滑性が低下せず、回転状態の安定した極低温環境用転がり軸受になる利点がある。
実施形態を示す極低温環境用転がり軸受の要部断面図 実施形態の使用状態を説明し、液化天然ガス用サブマージドポンプの概略構成図
　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に示すように実施形態の転がり軸受は、後記所定の鋼材からなる内輪１の外径面１ａと外輪２の内径面２ａの間に、複数の転動体（玉）３を回転自在に保持する保持器４を設けた玉軸受Ａであり、転動体３はセラミックス製であり、保持器４はポリテトラフルオロエチレンを主成分とする樹脂素材からなり、隙間比率Ｃ＝（転動体径×案内隙間σ1）/（内輪外径×ラジアル内部隙間σ２）の式で示される所定の隙間比率Ｃが２．５～４である極低温環境用転がり軸受である。
　ここで前記式中の案内隙間σ1は常温(２０℃)での内輪外径面１ａと保持器４の内径面との隙間(mm)であり、ラジアル内部隙間σ２は極低温下(－１９６℃)での外輪内径面２ａと転動体３の表面との隙間(mm)である。
　上記した内輪１および外輪２は、マルテンサイト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。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Ｍ５０、日本工業規格のＳＫＨ４等が挙げられる。
　なお、図示は省略したが、内輪１および外輪２の基材の表面側、少なくとも軌道面（または転走面とも別称される。）に、ビッカース硬度（Ｈｖ）１０００～４０００程度のダイヤモンドライクカーボンを主体とする硬質皮膜を、基材に対し表面へ向けて段階的または連続的に硬度を高めた中間層を介して設けることによって、より耐摩耗性を高めた実施形態とすることもできる。
　この発明に用いる転動体３は、セラミックス製であり、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、アルミナ系の各系のセラミックスを調製することができるが、例えば窒化ケイ素系セラミックス製の転動体は、特に硬質で耐摩耗性に優れているので好ましい。
　この発明に用いる保持器４は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリロニトリルスチレン、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレンプラスチック、ポリ三フッ化塩化エチレン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリスルホン、ポリフェニレンオキシド、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂などを主成分とする樹脂素材が用いられる。特に良好な潤滑性を考慮した場合、ポリテトラフルオロエチレン（例えばＮＴＮ社製：ベアリーFL3000等）からなるものを採用する。このような樹脂素材は、極低温でも転動体の表面に固体潤滑剤を移着させ、良好かつ安定した固体潤滑性を発揮させるからである。
　保持器４の形式(または形態)は、特に限定されるものではなく、周知の環状のものであり、例えば冠型タイプ、また円筒またはリング状の周方向にポケット穴を等間隔に形成した円環状タイプ、さらに環状の軸方向に二つ割り可能なものであって、これら分割された部品をピンで加締めて一体化可能なタイプであっても良い。
　また、この発明においては、転がり軸受の種類（型式）は、ラジアル内部隙間を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、深溝玉軸受または円筒ころ軸受の極低温環境用転がり軸受であっても良い。
　そして、この発明の極低温環境用転がり軸受は、その具体的な用途を、液化ガス用ポンプ用の転がり軸受としたものでも良く、また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であっても良い。
　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であってもよいが、その場合には、転がり軸受が直接に極低温のＬＮＧに接触するため、この発明の内外輪と転動体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効果が顕著に現れる。
　図２に示すように、液化天然ガス（ＬＮＧ）用サブマージドポンプは、ポンプ全体を液中に浸漬することにより、ポット（圧力容器）８内で気密性を発揮するものであり、ポンプ軸９は、モータ軸１０に同軸上に一体に連結された構造である。
　ポット８は、ＬＮＧの吸込口１１を外側に向けて開口しており、また外部配管（図示せず。）に通じる吐出口１２を有している。ポット８内に装着されたモータ１３は、外部電源によって回転するモータ軸１０の上側と下側を、図１に示される実施形態の玉軸受Ａで支持しており、このモータ軸１０と一体に回転するポンプ軸９には、複数段の羽根車（インペラー）１４が取り付けられている。
　このポンプの図示した装置内の流路は、駆動したモータ１３によるポンプ軸９と一体に回転する羽根車１４によって、ポット８内に吸込口１１から流入したＬＮＧが、ポット８の内側面に沿って下向きに流れ、多段の羽根車１４の最下段部分から吸い込まれて、羽根車１４の周囲に配置された筒状内壁１５の内側の配管１６から吐出口１２に流れるが、ＬＮＧの一部は筒状内壁１５の内側の他の配管１７からモータ１３内を潤滑液として流れて、玉軸受Ａを潤滑および冷却し、ポット８の内側面に沿って下向きの流れに合流して、再度、多段の羽根車１４の先端部分から吸い込まれる。
　このようにして使用される玉軸受Ａは、転動体を樹脂製保持器で保持し、転動体は、セラミックス製の転動体であり、前記保持器はポリテトラフルオロエチレンを主成分とする樹脂素材からなり、以下の式で示される所定の隙間比率Ｃが２．５～４であるので、極低温下で固体潤滑剤を保持器からの接触で供給するための案内隙間や、ラジアル内部隙間について寸法変化が抑制され、回転不良を確実に防止できる。
　これにより軌道面および転動体の摩耗が極めて少ないものとなり、特にＬＮＧ等の液化ガスによって潤滑されかつ冷却される極低温環境下や宇宙環境のような極低温環境下でも長期間の使用に耐えて経時的に耐摩耗性および潤滑性の低下せず、回転状態の安定した極低温環境用転がり軸受になる。
　なお、上記したように、この発明の実施形態として、極低温環境用転がり軸受を示したが、前記した式で示される隙間比率Ｃが２．５～４となるように、所定内径の外輪を選択してラジアル内部隙間を調整することを特徴とする極低温環境用転がり軸受の軸受内部隙間の調整方法の発明とすることもできる。
　［実施例１～３］
　マルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）の内輪と外輪を備え、窒化ケイ素系のセラミックス製の玉を転動体とし、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を主成分とするＮＴＮ精密樹脂株式会社製のベアリーＦＬ製の円環状の保持器を用いて、表１に示す型番の転がり軸受を組み立てた。
　表１中にＮＴＮ社製の各種転がり(玉)軸受の型番と、その内輪内径φｄ(mm)と外輪外径φＤ(mm)を示すと共に、常温(２０℃)での玉径（mm）と案内隙間σ1(mm)（＝内輪外径面と保持器内径面との隙間幅）との積：Ｃ1を示し、また常温(２０℃)での内輪外径（mm）とラジアル内部隙間σ２(mm)（＝外輪軌道面と転動体表面との隙間幅）との積：Ｃ２を示し、また隙間比率Ｃ＝Ｃ１／Ｃ２の値を表１中に示した。
　また、実施例１～３の転がり軸受を極低温下(－１９６℃)の環境下における玉径（mm）と案内隙間σ1(mm)（＝内輪外径面と保持器内径面との隙間幅）とを調べ、それらの積Ｃ1を表中に併記した。
　［比較例１～３］
　上記各実施例と同じ型番の転がり（玉）軸受と同じ素材からなる部品を組み立てて、表１に示す内輪内径φｄ(mm)と外輪外径φＤ(mm)の転がり軸受を製造し、常温(２０℃)環境下において所定範囲(２．５～４)の範囲外の隙間比率Ｃ＝Ｃ１／Ｃ２に設定し、これらの軸受についても実施例と同様に各寸法を調べ、常温(２０℃)での玉径（mm）と案内隙間σ1(mm)との積：Ｃ1、および常温(２０℃)での内輪外径（mm）とラジアル内部隙間σ２(mm)との積：Ｃ２を表１中に示した。
　また、比較例１～３の転がり軸受を極低温下(－１９６℃)の環境下において、玉径（mm）と案内隙間σ1(mm)（＝内輪外径面と保持器内径面との隙間幅）とを調べ、それらの積Ｃ1を表中に併記した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１の結果からも明らかなように、隙間比率Ｃ＝Ｃ1/Ｃ２の値が、２．５未満の比較例１、２は、適正な案内隙間の１／２以下（比較例１）であり、また玉径×案内隙間の値がマイナスの値で圧接状態を示しており（比較例２）、保持器は内輪に接触して回転不良または発熱する状態になった。また、隙間比率Ｃが４．５の比較例３は、保持器は転がり軸受内部で遊動し、いわゆるガタつきと振動を起こして回転不良の状態であった。
　一方、隙間比率Ｃが、２．７～３．６の実施例１～３は、いずれも回転状態が円滑であり、極低温環境下でも長期間の使用に耐え、経時的に耐摩耗性および潤滑性が低下せずに安定した回転状態であった。
１　内輪
１ａ　内輪外径面
２　外輪
２ａ　外輪内径面
３　転動体
４　保持器
８　ポット
９　ポンプ軸
１０　モータ軸
１１　吸込口
１２　吐出口
１３　モータ
１４　羽根車
１５　筒状内壁
１６、１７　配管

Claims (5)

  1. 　マルテンサイト系ステンレス鋼または高速度工具鋼からなる内・外輪の内・外径面間に、複数の転動体を回転自在に保持する保持器を設けた転がり軸受において、
    　前記転動体は、セラミックス製の転動体であり、前記保持器は樹脂素材からなり、以下の式で示される２０℃の隙間比率Ｃが２．５～４であることを特徴とする極低温環境用転がり軸受。
    　　　隙間比率Ｃ＝（転動体径×案内隙間）/（内輪外径×ラジアル内部隙間）
    　(上記式中、案内隙間＝内輪外径面と保持器内径面との隙間幅であり、ラジアル内部隙間＝外輪軌道面と転動体表面との隙間幅である。)
  2. 　上記転動体が、窒化ケイ素系のセラミックス製転動体である請求項１に記載の極低温環境用転がり軸受。
  3. 　上記保持器が、ポリテトラフルオロエチレンを主成分とする樹脂素材からなる樹脂製保持器である請求項１または２に記載の極低温環境用転がり軸受。
  4. 　上記極低温環境用転がり軸受が、液化ガス用ポンプの転がり軸受である請求項１～３のいずれかに記載の極低温環境用転がり軸受。
  5. 　上記液化ガス用ポンプが、液化天然ガス用サブマージドポンプである請求項４に記載の極低温環境用転がり軸受。
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