JP2017172678A - 極低温環境用転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】固体潤滑性のある樹脂素材の弾性を制限されることなくセパレータの組み込み性を改善し、組み込みの最終段階で隣り合う転動体同士の最も接近した箇所に容易に組み込むことができ、組み込み後には転動体が安定して回転できる極低温環境用転がり軸受とすることである。【解決手段】内輪の外周面と外輪の内周面の間に複数の玉３を配列し、フッ素樹脂系固体潤滑剤を含む複数のセパレータＳを隣り合う玉３の間に介在させ、セパレータＳの周方向に対向する両側面４ａの軸方向中ほどにそれぞれ転動体の接触する球面状の凹部５を形成して玉３を回転自在に保持する転がり軸受であり、複数のセパレータＳの１つのセパレータ４の内外輪軸方向の両端面のうち、一端面を含む壁面部分６を分割片とし、残りの部分は、他端面を含み凹部５の形成されたセパレータ４の角柱状胴部７として、分割片を残りの部分に対して軸方向に切離可能とし、この分割片を前記残りの部分とボルト８で結合状態に設けた極低温環境用転がり軸受とする。【選択図】図２

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ポンプなどに装着され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、常温環境下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、潤滑が必要なものであるが、例えば液化ガス等が存在する−１００℃以下または−２００℃以下のような極低温の環境下で用いる転がり軸受には、潤滑油等による液体潤滑を行なうことが困難である。
また、極低温環境用転がり軸受には、冷却される部品の収縮変形に伴う強度低下や耐久性の低下などが起こりやすく、そのような厳しい使用条件に耐える必要がある。

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、常圧下で−１６１．５℃（約−１６２℃）以下に冷却されると液化する物性であり、この他にも、例えば冷媒、熱媒体、充填用ガスなどに液化状態で利用されるガスとしては、窒素、ヘリウムなども挙げられる。

また、極低温の液化ガスを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、極低温下での使用に適した型式の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、そのため気化ガスの散逸によるロスの少ない点でも優れている。

しかし、サブマージド型のポンプは、モータ軸などを支持する転がり軸が直接に液化ガスに触れる状態で用いられるので、潤滑性に乏しいＬＮＧによって潤滑されることになる。

上記以外にも極低温環境用の転がり軸受の例としては、地表から遠く離れた成層圏より高高度の宇宙空間や、さらに離れた宇宙空間での環境温度が−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転がり軸受は上記同様な極低温環境用の特性が求められる。

ところで、このような極低温環境下で用いられる転がり軸受には、組み込む保持器に固体潤滑性を発揮させるため、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）。

また、同様の使用条件での転がり軸受用の保持器の形態として、環状の保持器を周方向に分割した形態や球状などの形態のセパレータと称されるものがあり、隣り合う転動体間の間隔を適切に保持するために回転体または非回転体として配置され、このようなセパレータは、固体潤滑性に優れたＰＴＦＥ系高分子材料で形成して潤滑性を持たせたものが知られている（特許文献２）。

特開２０１４−０２０４９０号公報 特開２００２−１４７４６２号公報

しかし、上記のセパレータは、周方向に対向する両側面に、ボールを保持するための溝または凹部が形成されており、凹部以外のセパレータの両側面間の距離（厚み）は、当然に凹部同士の距離(厚み)よりも大きい。
そのため、転がり軸受の製造工程において、内輪と外輪の間に転動体とセパレータを交互に組み込んでいくとき、最後に残った1組の隣り合う転動体同士の隙間に対し、セパレータをそのまま変形させずに組み込むことはできず、組み込み作業の最終段階では、セパレータを弾性変形させて強制的に押し込む必要があった。

そのような組み込み作業の困難性を改善するために、セパレータに周方向の幅を弾性的に減少させるための弾性伸縮機構を設け、弾性的に圧縮した状態でセパレータを組み込むことにより、組み込み作業が容易になるように対応を検討した。

しかしながら、保持器の材質によって弾性力が不足すると、押し込みによって塑性変形した保持器と転動体との間に隙間が残ってしまい、転動体の回転が安定しなくなる可能性も検討する必要がある。

そこで、この発明の課題は上記の問題点を解決し、固体潤滑性のある樹脂素材の弾性を制限されることなくセパレータの組み込み性を改善し、組み込みの最終段階で隣り合う転動体同士の最も接近した箇所に容易に組み込むことができ、組み込み後には転動体が安定して回転できる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、内輪外周と外輪内周の間に複数の転動体を配列し、固体潤滑剤を含む角柱状セパレータを隣り合う前記転動体間に介在させ、前記セパレータの内外輪周方向に対向する両側面にそれぞれ転動体を案内する凹部を形成して前記転動体を回転自在に保持する転がり軸受において、前記セパレータの内外輪軸方向の両端面のうち一端面を含むセパレータの一部を、残りの部分に対して軸方向に切離可能な分割片とし、この分割片を前記残りの部分と結合状態に設けた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。

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、内輪と外輪の間に転動体とセパレータを交互に組み込んでいき、最後に残る1組の隣り合う転動体同士の隙間に対し、セパレータの内外輪軸方向の両端面のうち一端面を含むセパレータの一部を分割片として、転がり軸受の軸方向の一方側から差し込むときに、予め転がり軸受の軸方向の反対側から前記セパレータの残りの部分を差し込んでおくことにより、この部分と分割片を結合して一体化することができる。

すなわち、セパレータを最後に残った1組の隣り合う転動体同士の隙間に組み込む際に、軸方向の一方向からの組み込みの妨げになるのは、隣り合う転動体同士の最も離れている凹部外側に位置する「セパレータの内外輪軸方向の両端面」であるが、この両端面のうち一端面を含むセパレータの一部を、残りの部分に対して軸方向に切離可能な分割片としたことにより、前記各端面を転がり軸受の内外輪軸方向の両側から取り付けることが可能になる。
そして、分割片をセパレータの残りの部分に対してねじなどで結合可能とすれば、セパレータを弾性変形させる必要はなく、特に上記転動体が玉であり、かつ凹部が球面状凹部であっても、転がり軸受の転動体およびセパレータの組み込み作業も速やかに効率よく行なえる。

上記セパレータは、分割片と残りの部分との結合面の縁に形成される結合線が、セパレータ表面の転動体と接触する面以外に配置されたセパレータであることが好ましい。なぜなら、分割した部分同士を嵌め合わせる結合面の縁は、機械的な強度が最も弱い部分であるのは物理的に当然であり、このような結合線が回転する転動体に触れないようにすることによって、結合面の縁の損傷を防止できるから、セパレータの耐久性は向上する。

また、上記セパレータは、分割片と残りの部分との結合面の縁に形成される結合線が、セパレータ表面の転動体との接触面に配置されている場合、前記結合線上に重ねて逃げ溝（ヌスミとも別称される。）が設けられていることにより、結合線が回転する転動体に接触しないので、損傷を防止できる。

前記したセパレータの分割片と、このセパレータの残りの部分との結合は、ねじまたはリベットによる結合を採用することにより、結合状態が確実で使用耐久性に優れた極低温環境用転がり軸受になる。

また、上記したセパレータは、極低温環境用転がり軸受に用いることにより、固体潤滑剤を含む素材の弾性特性に制限されることなく、組み込み性の良いセパレータになり、これを用いて転動体が安定して回転する極低温環境用転がり軸受になる。

この発明は、転がり軸受のセパレータの内外輪軸方向の両端面のうち一端面を含むセパレータの一部を、残りの部分に対して軸方向に切離可能として結合状態に設けたので、固体潤滑性のある樹脂素材の弾性を制限することなくセパレータの組み込み性を改善し、組み込みの最終段階で隣り合う転動体同士の最も接近した箇所にセパレータを容易に組み込むことができ、組み込み後には転動体が安定して回転できる極低温環境用転がり軸受となる利点があり、またそのような利点を奏する極低温環境用転がり軸受用のセパレータとなる利点がある。

第１の実施形態の極低温環境用転がり軸受の側面図 第１の実施形態における配列された玉とセパレータの関係を示す断面図 第１の実施形態に用いた第１のセパレータの斜視図 第２のセパレータの斜視図 第３のセパレータの斜視図 第４のセパレータの斜視図 第４のセパレータの結合線上に重ねた逃げ溝を示す要部の断面図

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、深溝玉軸受の内輪１の外周面と外輪２の内周面の間に複数の玉３を配列し、フッ素樹脂系固体潤滑剤を含む複数のセパレータＳを隣り合う玉３の間に介在させ、セパレータＳの周方向に対向する両側面４ａの軸方向中ほどにそれぞれ転動体（玉３）の接触する角溝状の凹部５を形成して玉３を回転自在に保持する転がり軸受である。
そして、上記転がり軸受の複数のセパレータＳのうち、１つのセパレータ４の内外輪軸方向の両端面のうち、一端面を含む壁面部分６を分割片とし、残りの部分は、他端面を含み凹部５の形成されたセパレータ４の角柱状胴部７として、分割片を前記残りの部分に対して軸方向に切離可能とし、この分割片を前記残りの部分とボルト８で結合状態に設けた極低温環境用転がり軸受である。

実施形態の玉軸受の内輪１および外輪２は、極低温環境下の使用に良く耐える素材からなり、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。

玉３を例示した転動体の素材は、耐摩耗性が良くて、しかもフッ素樹脂などの固体潤滑剤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好ましい。使用するセラミックスの種類は、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例示できる。
なお、転がり軸受は、深溝玉軸受を代表例として図示したが、セパレータを採用した転がり軸受であれば、玉軸受であっても良く、ころ軸受であっても良い。

この発明に用いるセパレータ４は、固体潤滑剤を含む素材からなり固体潤滑剤としてはグラファイトや二硫化タングステン、二硫化モリブデンなどの層状物質、金、銀、鉛などの軟質金属、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂を含む樹脂材もしくはフッ素樹脂成形体または固体潤滑剤をコーティングした金属、セラミックスまたはこれらの複合材などを用いることが好ましい。
特に、ＰＴＦＥ等のフッ素樹脂素材からなるセパレータ４は、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。

また、セパレータ４の実施形態は、内輪１の外周および外輪２の内周の間に収まる所要高さの短円筒状、すなわちリング状の素材を、周方向に分割して隣り合う転動体の間隔を保持する適切な大きさに設けているが、他の周知形状のものを採用しても良い。

図３に示すようにセパレータ４は、略角柱状であって軸直交断面が扇形のフッ素樹脂系素材で形成され、軸方向の両端面のうち、一端面を含む壁面部分６を分割片とし、残りの部分（他端面を含む壁面部分９および凹部５の形成されたセパレータ４の角柱状胴部７）に対して軸方向に切離可能としたものであり、分割片と残りの部分とを結合するようにボルト８を一端面を含む壁面部分６から角柱状胴部７に軸方向にねじ込んで固定している。

このような第１実施形態の転がり軸受は、玉３およびセパレータ４の組み込み工程において、玉３と、固体潤滑剤を含む角柱状のセパレータ４を交互に組み込んでいくとき、最後に残った隣り合う玉３同士の隙間に、一端面を含む壁面部分６を、残りの部分に対して軸方向からボルト８で結合したものである。

すなわち、第１実施形態は、分割片である一端面を含む壁面部分６が、予め転がり軸受の軸方向の反対側から差し込んでおいた前記セパレータの残りの部分に対して軸方向の一方側からボルト８で結合して一体化することができる。

上記セパレータ４は、分割片と残りの部分との結合面の縁に形成される結合線１０が、セパレータ４の表面のうち玉３と接触する面以外に配置されている。このように結合線１０が回転する玉３と接触しないようにすることによって、分割されているセパレータ４の使用状態における耐久性は向上する。

図４に示す第２実施形態は、第１実施形態に用いたセパレータの分割片とその残りの部分を変更したものであり、それ以外は第１実施形態と同様の構成である。
すなわち、第２実施形態に用いるセパレータ１１は、断面扇形の角柱状のフッ素樹脂系素材を用いて成形され、その内外輪軸方向の両端面のうち、一端面を含む壁面部分１２と２分割された角柱状胴部１３の１つを結合し、例えて言えば「一本歯の高下駄状部分」を１つの分割片とし、同形状の残りの部分とを組み合わせて、対向する結合面を２本のボルト８で結合した極低温環境用転がり軸受である。

図５に示す第３実施形態についても第２実施形態と同様に、セパレータの分割片とその残りの部分の形態を変更したものであり、それ以外は第２実施形態と同様に構成したものである。

すなわち、第３実施形態に用いるセパレータ１４は、断面扇形の角柱状のフッ素樹脂系素材を用いて成形する際に、軸方向の両端面のうち、一端面を含む壁面部分１５と共に、角柱状の胴部を長方形状の外周面および内周面の平行する２つの対角線を含む面で２分割し、そのように２分割された角柱状胴部１６の一つとボルト８で結合して設けた極低温環境用転がり軸受である。

図４、図５に示すように第２、第３実施形態に用いるセパレータ１１、１４については、分割片と残りの部分との結合面の縁に形成される結合線１７、１８は、セパレータ１１、１４の表面の玉３と接触する面以外に配置されるから、結合線１７、１８が回転する玉３に触れないようにすることによって、結合面の縁部分の損傷を防止でき、セパレータ１１、１４の耐久性は向上する。

図６、７に示す第４実施形態についても第３実施形態と同様に、セパレータ１９の分割片とその残りの部分の形態を変更したものであり、それ以外は全く同様に構成したものである。

すなわち、第４実施形態に用いるセパレータ１９は、断面扇形の角柱状のフッ素樹脂系素材を用いて成形する際、内外輪軸方向の両端面のうち、一端面を含む壁面部分２０と共に、内外輪周方向に対向する両側面１９ａにそれぞれ玉３を案内する略球面状の凹部２１を形成すると共に、セパレータ１９の中央部で軸方向を２分割し、各部分をボルト８で結合して設けた極低温環境用転がり軸受である。

上記セパレータ１９は、２分割した部分同士の結合面の縁に形成される結合線２２が、玉３との接触面である凹部２１の内側部分を通って配置されるが、この部分については結合線２２に重ねて逃げ溝（ヌスミとも別称される。）２３を設けて、結合線２２が回転する転動体３に接触しないようにして損傷を防止している。

図７に示すように、逃げ溝２３の形状は、円溝(図７(a))ばかりでなく、三角溝(図７(b))２３ａその他の多角形溝などの周知の溝形状を採用できる。

このセパレータ１９は、玉３に対し、できるだけ広い面積で接触可能であるように両側面１９ａの中程に半球曲面状の凹部５を有しているので、セパレータと玉との接触面積が広く、固体潤滑剤であるフッ素樹脂を効率良く供給できる。

第１〜４実施形態では、結合状態が、ねじを用いたボルト８を示したが、分割片と残りの部分に対して貫通する孔を設けてリベットを用いた結合状態を採用することもできる。また転がり軸受の回転時の振動によるねじの緩みを防止するために、接着や溶着を利用した周知の緩み止め手段を採用することもできる。

以上のように構成されるこの発明の実施形態１〜４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 玉
４、１１、１４、１９ セパレータ
４ａ 両側面
５、２１ 凹部
６、１２、１５、２０ 一端面を含む壁面部分
７ 角柱状胴部
８ ボルト
９ 他端面を含む壁面部分
１０、１７、１８、２２ 結合線
１３、１６ ２分割された角柱状胴部
２３、２３ａ 逃げ溝

Claims (6)

1. 内輪外周と外輪内周の間に複数の転動体を配列し、固体潤滑剤を含む角柱状のセパレータを複数設け、これらを隣り合う転動体間のそれぞれに介在させると共に、前記セパレータの内外輪周方向に対向する両側面にそれぞれ転動体を案内する凹部を形成して前記転動体を回転自在に保持する転がり軸受において、
   前記複数のセパレータのうち、少なくとも一つのセパレータの内外輪軸方向の両端面のうち一端面を含むセパレータの一部を、残りの部分に対して軸方向に切離可能な分割片とし、この分割片を前記残りの部分と結合状態に設けたことを特徴とする極低温環境用転がり軸受。
2. 上記転動体が玉であり、かつ凹部が球面状凹部である請求項１に記載の極低温環境用転がり軸受。
3. 上記セパレータは、分割片と残りの部分との結合面の縁に形成される結合線が、セパレータ表面の転動体と接触する面以外に配置されたセパレータである請求項１または２に記載の極低温環境用転がり軸受。
4. 上記セパレータは、分割片と残りの部分との結合面の縁に形成される結合線が、セパレータ表面の転動体との接触面に配置され、かつ前記結合線に重ねて逃げ溝を設けたセパレータである請求項１〜３のいずれかに記載の極低温環境用転がり軸受。
5. 上記結合状態が、ボルトまたはリベットを用いた結合状態である請求項１〜４のいずれかに記載の極低温環境用転がり軸受。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の極低温環境用転がり軸受に用いるセパレータ。

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