JP2008309259A - 転がり軸受 - Google Patents

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Abstract

【課題】排油性を向上させて動力損失(軸受のトルク損失)の低減を図ることが可能な耐焼き付き性及び耐摩耗性に優れた転がり軸受を提供する。
【解決手段】圧縮羽根を回転させて冷媒を圧縮するターボ圧縮機に用いられた転がり軸受であり、相対回転可能に対向配置された軌道輪(内輪２、外輪４)と、これら軌道輪の対向面にそれぞれ形成された軌道溝2g,4g間に転動自在に組み込まれた複数の転動体６と、各転動体を１つずつ回転可能に保持する複数のポケットを有する保持器８とを具備し、一方の軌道輪には、その軌道溝の片側に保持器案内面(2s又は4s)が構成されていると共に、保持器には、一方の軌道輪の保持器案内面に対向する部位に軌道輪案内面８ｓが構成されており、保持器案内面及び軌道輪案内面のいずれか一方又は双方には、軸受内部に供給された潤滑剤を排出する排出部(凹状溝８ｇ)が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ圧縮機に用いる転がり軸受に関する。
従来、例えばビル空調や地域熱源供給に使用されるターボ圧縮機は、駆動モータで回転軸(単に、軸とも言う)を駆動させ、当該回転軸に取り付けられた圧縮羽根を所定回転数で回転させることにより、冷媒を圧縮して循環させるようになっている。この場合、冷媒の圧縮効率を上げるためには、圧縮羽根を高速回転させる必要がある。ここで、回転軸を支持する軸受としてすべり軸受を使用した場合には、その摩擦損失が高いことから、現在では転がり軸受が多く採用されている。
ところで、高速回転環境下で転がり軸受を使用する場合には、軸受内部に多量の潤滑剤(例えば、油)を供給して、当該軸受を冷却及び潤滑することになるが、その際の軸受の摩擦損失は、潤滑剤(油)の撹拌抵抗に起因した損失が支配的となる。そこで、軸受の撹拌抵抗を低減するために、従来では、以下のような各種の方策が採られている。
その一例として図３(ａ)には、外輪片側に保持器案内面が形成された転がり軸受の構成(外輪片側案内)が示されている。当該転がり軸受は、ターボ圧縮機の回転軸を支持しつつ相対回転可能に対向配置された軌道輪(内輪２、外輪４)と、内外輪2,4の対向面2s,4sにそれぞれ形成された軌道溝2g,4g間(内輪軌道溝２ｇと外輪軌道溝４ｇとの間)に転動自在に組み込まれた複数の転動体６(図面では、玉)と、各転動体(玉)６を１つずつ回転可能に保持する複数のポケット(図示しない)を有する保持器８とを備えている。なお、内輪２の対向面２ｓとは、外輪４に対向した内輪外径面２ｓであり、外輪４の対向面４ｓとは、内輪２に対向した外輪内径面４ｓである。
ここで、外輪４としては、外輪軌道溝４ｇの一方側(図面では向って左側)の溝肩が周方向に沿って全部取り除かれ、且つ、その他方側(図面では向って右側)に当該外輪４の対向面４ｓ(外輪内径面４ｓ)がそのまま残留した肩おとし外輪が用いられている。この場合、肩おとし外輪４には、外輪軌道溝４ｇの他方側(片側)に保持器案内面が構成されており、当該保持器案内面として、外輪軌道溝４ｇの他方側(片側)に残留した外輪内径面４ｓが適用されている。なお、内輪２の対向面２ｓ(内輪軌道溝２ｇ両側の内輪外径面２ｓ)の構成については、特に限定されることは無い。
また、保持器８は、内外輪2,4間に組み込まれており、当該内外輪2,4間に沿って周方向に連続した円環状を成している。このような保持器８としては、外輪軌道溝４ｇの一方側及び他方側のそれぞれに対向する部位(保持器８の外径面の部位)に軌道輪案内面８ｓが構成された軌道輪案内保持器が用いられている。この場合、軌道輪案内保持器８を内外輪2,4間に組み込んだ状態において、当該保持器８の他方側(片側)の軌道輪案内面８ｓは、外輪４の保持器案内面(外輪内径面)４ｓに対向して位置付けられる。
このような転がり軸受において、ターボ圧縮機の回転軸を稼働させた際に内外輪2,4が相対回転すると、保持器８の各ポケットに保持された複数の転動体(玉)６が軌道溝2g,4g間に沿って転動し、これに伴って保持器８は、その片側の軌道輪案内面８ｓが外輪４の保持器案内面４ｓに案内されつつ内外輪2,4間に沿って公転することになる。
ところで、外輪片側に保持器案内面４ｓが構成された転がり軸受では、保持器８は、その自重によってポケットすきま(保持器８のポケットと転動体(玉)６との間のすきま)が無くなるまで大きく傾いてしまう場合がある。但し、保持器８には、その加工精度の誤差によるアンバランスが少量存在するが、これによるアンバランス荷重が保持器８の重量を越えた場合、当該保持器８は、外輪４の保持器案内面４ｓで案内されながら振れ回り運動を繰り返す。この結果、保持器８の傾きが抑制される。
これに対して、保持器８の加工精度が高い状態、或いは、ターボ圧縮機の稼働直後の低速回転状態では、アンバランス荷重が保持器８の重量よりも小さくなるため、当該保持器８は、上述したような振れ回り運動を行うこと無く、大きく傾いたまま公転する。このとき、例えば図３(ｃ)に示すように、保持器８のエッジ部８ｅが外輪４の保持器案内面４ｓに常時摺接することになる。この場合、その摺接圧の程度によっては、保持器案内面４ｓの潤滑剤(油)が破断して、保持器８(エッジ部８ｅ)と外輪４(保持器案内面４ｓ)とが早期に摩耗したり(異常摩耗)、焼き付いたり、更には、軸受の動力損失(軸受のトルク損失)が大きくなってしまう。
また、他の一例として図３(ｂ)には、外輪両側に保持器案内面が形成された転がり軸受の構成(外輪両側案内)が示されている。この場合、外輪４、外輪軌道溝４ｇの両側に対向面４ｓ(外輪内径面４ｓ)がそのまま残留し、双方の外輪内径面４ｓが保持器案内面４ｓとして構成されている。なお、内輪２の対向面２ｓ(内輪軌道溝２ｇ両側の内輪外径面２ｓ)の構成については、特に限定されることは無い。また、保持器８は、図３(ａ)と同一の構成配置となっている。
上述した転がり軸受において、ターボ圧縮機の回転軸を稼働させた際に内外輪2,4が相対回転すると、保持器８は、その両側の軌道輪案内面８ｓが外輪４両側の保持器案内面４ｓに案内されるため、傾くこと無く安定した姿勢で内外輪2,4間に沿って公転する。この場合、保持器８(エッジ部８ｅ)と外輪４(保持器案内面４ｓ)との異常摩耗は発生し難くなるものの、保持器案内面４ｓからの排油抵抗が大きくなるため、外輪片側案内(図３(ａ))に比べて動力損失(軸受のトルク損失)が大きくなってしまう。
このような動力損失(軸受のトルク損失)を低減させるためには、例えば特許文献１の転がり軸受のように、保持器の軌道輪案内面に排油溝を設けて排油性を向上させる方法も考えられる。しかしながら、かかる方法では、排油溝の大きさや個数に制限があるため、排油性の向上には一定の制限があり、その結果、動力損失(軸受のトルク損失)の低減には限界がある。また、特許文献１の軸受には、内輪両側に保持器案内面が形成された内輪案内が採られているが、当該内輪案内は、排油性に優れているものの、給油ノズルを狭いすきまの案内面を狙った位置に設定する必要があるため、この位置がずれると潤滑剤(油)が遠心力で吹き飛ばされ、充分な潤滑が困難になってしまう虞がある。
特開２００１−１２４７６号公報
本発明は、このような問題を解決するためになされており、その目的は、排油性を向上させて動力損失(軸受のトルク損失)の低減を図ることが可能な耐焼き付き性及び耐摩耗性に優れた転がり軸受を提供することにある。
かかる目的を達成するために、本発明は、圧縮羽根が取り付けられた軸を駆動することで、圧縮羽根を所定回転数で回転させて冷媒を圧縮するターボ圧縮機に用いられた転がり軸受であって、ターボ圧縮機の軸を支持しつつ相対回転可能に対向配置された軌道輪と、これら軌道輪の対向面にそれぞれ形成された軌道溝間に転動自在に組み込まれた複数の転動体と、各転動体を１つずつ回転可能に保持する複数のポケットを有する保持器とを具備し、一方の軌道輪には、その軌道溝の片側に保持器案内面が構成されていると共に、保持器には、一方の軌道輪の保持器案内面に対向する部位に軌道輪案内面が構成されており、保持器案内面及び軌道輪案内面のいずれか一方又は双方には、軸受内部に供給された潤滑剤を排出する排出部が設けられている。この場合、排出部は、いずれか一方又は双方の保持器案内面及び軌道輪案内面を一部窪ませて形成した凹状溝として構成されており、当該凹状溝は、保持器案内面及び軌道輪案内面を横断する方向に貫通して形成されている。また、保持器は、合成樹脂材料で形成されている。
本発明によれば、排油性を向上させて動力損失(軸受のトルク損失)の低減を図ることが可能な耐焼き付き性及び耐摩耗性に優れた転がり軸受を実現することができる。
以下、本発明の一実施の形態に係る転がり軸受について添付図面を参照して説明する。本実施の形態は、図３(ａ)に示された転がり軸受の改良であるため、以下、改良部分の説明にとどめる。この場合、上述した転がり軸受(図３(ａ))と同一の構成については、その構成に付された参照符号と同一の参照符号を本実施の形態の添付図面に付すことで、その説明を省略する。
図１(ａ),(ｂ)には、本発明の一実施の形態に係る転がり軸受の構成が示されている。当該転がり軸受は、外輪片側に保持器案内面４ｓが形成された外輪片側案内の軸受構造を成しており、その保持器案内面４ｓ及び軌道輪案内面８ｓのいずれか一方又は双方には、軸受内部に供給された潤滑剤(油)を排出する排出部が設けられている。なお、図面では一例として、保持器８の外径面に構成された軌道輪案内面８ｓに排出部が設けられている。
排出部は、軌道輪案内面８ｓを一部窪ませて形成した凹状溝８ｇ(排油溝とも言う)として構成されており、凹状溝８ｇは、軌道輪案内面８ｓを横断する方向に貫通して形成されている。また、凹状溝８ｇは、保持器８の周方向に沿って所定間隔(例えば、等間隔)で複数個形成されている。この場合、凹状溝８ｇの個数、形状、溝深さ、溝幅は、例えば軸受の使用目的や使用環境、保持器８の形状や大きさ、潤滑剤(油)の種類(粘性)などに応じて任意に設定されるため、ここでは特に数値限定しない。なお、凹状溝８ｇの形状については、一例として図面上では円弧形状としたが、これに限定されることは無く、例えば矩形状、楕円形状、三角形状など各種の形状とすることができる。
また、本実施の形態の保持器８は、合成樹脂材料で形成されている。ここで、合成樹脂材料としては、例えば、ポリアミド６(ＰＡ６)、ポリアミド６６(ＰＡ６６)、ポリアミド１１(ＰＡ１１)、ポリアミド１２(ＰＡ１２)、ポリアミド４６(ＰＡ４６)、ポリブチレンテレフタレート(ＰＢＴ)、ポリオキシメチレン(ＰＯＭ)、ポリテトラフロロエチレン(ＰＴＦＥ)、ポリアリレート(ＰＡＲ)、ポリエーテルスルホン(ＰＥＳ)、ポリフェニレンサルファイド(ＰＰＳ)、ポリエーテルイミド(ＰＥＩ)、ポリアミドイミド(ＰＡＩ)、ポリアセタール(ＰＯＭ)、ポリエーテルエーテルケトン(ＰＥＥＫ)、ポリイミド(ＰＩ)などを適用することができる。この場合、合成樹脂材料には、例えばガラス繊維やその他の繊維、ホイスカー、ビーズ、エラストマーなどを配合した強化型合成樹脂も含まれる。
以上、本実施の形態によれば、保持器８の材質として合成樹脂材料を適用したことにより、外輪片側案内により保持器８が傾いて公転しても、保持器８の重量が軽いため、当該保持器８のエッジ部８ｅ(図３(ｃ))は、外輪４の保持器案内面４ｓに対して比較的小さな摺接圧で摺接する。即ち、従来の黄銅製保持器に比べて小さな摺接圧で摺接するため、保持器案内面４ｓの潤滑剤(油)が破断することは無い。この結果、保持器案内面４ｓ及び軌道輪案内面８ｓ相互の耐摩耗性を向上させた転がり軸受を実現することができる。
かかる効果は、例えば図２に示された試験結果からも明らかである。この試験では、内径１３６ｍｍ、外径１５９.３８ｍｍ、幅４１ｍｍの保持器を２つ用意し、その一方を合成樹脂製、他方を黄銅製とした。そして、それぞれの保持器を転がり軸受(内外輪間)に組み込んだ状態で、軸受内部に粘度１０.７cstの潤滑油を供給しながら８０℃の雰囲気中で軸受を回転させた。このとき、回転数を９.９７０ｍｉｎ−１まで上げる間における保持器案内面４ｓ及びその近傍領域(軌道輪案内面８ｓを含む)の潤滑剤油の膜厚を計測した。その試験結果によれば、図２に示すように、合成樹脂製保持器では、黄銅製保持器に比べて低速回転で既に充分な油膜が形成されていることが分かる。この結果、保持器案内面４ｓ及び軌道輪案内面８ｓ相互の耐摩耗性が向上することが確認された。
また、本実施の形態によれば、保持器案内面４ｓの潤滑剤(油)が破断しても、保持器８は合成樹脂製であるため、保持器案内面４ｓが例えば金属製の場合、保持器８(エッジ部８ｅ)と外輪４(保持器案内面４ｓ)と焼き付きが生じることは無い。この結果、上述した効果に加えて更に、保持器案内面４ｓ及び軌道輪案内面８ｓ相互の耐焼き付き性を向上させた転がり軸受を実現することができる。
また、本実施の形態によれば、上述した効果に加えて更に、保持器８を外輪片側案内とすると共に、当該保持器８の外径面(軌道輪案内面８ｓ)に凹状溝(排油溝)８ｇを形成したことにより、軸受内部に供給された潤滑剤(油)を凹状溝(排油溝)８ｇを介して軸受外部に効率良く且つスムーズに排出することができる。これにより、軸受回転中における潤滑剤(油)の撹拌抵抗を大幅に低減することができるため、軸受の動力損失(軸受のトルク損失)を従来品に比べて大幅に低減することができる。
なお、上述した実施の形態では、外輪片側に保持器案内面４ｓが形成された外輪片側案内の転がり軸受を想定して説明したが、他の実施の形態として例えば図１(ｃ),(ｄ)に示すように、内輪片側に保持器案内面が形成された内輪片側案内の転がり軸受に対して、上述した実施の形態の構成を施すことにより、同様の効果を実現することができる。
この場合、図１(ｃ),(ｄ)に示すように、内輪片側案内の転がり軸受において、内輪２としては、内輪軌道溝２ｇの一方側(図面では向って左側)の溝肩が周方向に沿って全部取り除かれ、且つ、その他方側(図面では向って右側)に当該内輪２の対向面２ｓ(内輪内径面２ｓ)がそのまま残留した肩おとし内輪が用いられている。この場合、肩おとし内輪２には、内輪軌道溝２ｇの他方側(片側)に保持器案内面が構成されており、当該保持器案内面として、内輪軌道溝２ｇの他方側(片側)に残留した内輪内径面２ｓが適用されている。なお、外輪４の対向面４ｓ(外輪軌道溝４ｇ両側の外輪外径面４ｓ)の構成については、特に限定されることは無い。
また、保持器８としては、内輪軌道溝２ｇの一方側及び他方側のそれぞれに対向する部位(保持器８の内径面の部位)に軌道輪案内面８ｓが構成された軌道輪案内保持器が用いられている。この場合、軌道輪案内保持器８を内外輪2,4間に組み込んだ状態において、当該保持器８の他方側(片側)の軌道輪案内面８ｓは、内輪２の保持器案内面(内輪内径面)２ｓに対向して位置付けられる。
このような転がり軸受において、ターボ圧縮機の回転軸を稼働させた際に内外輪2,4が相対回転すると、保持器８の各ポケットに保持された複数の転動体(玉)６が軌道溝2g,4g間に沿って転動し、これに伴って保持器８は、その片側の軌道輪案内面８ｓが内輪２の保持器案内面２ｓに案内されつつ内外輪2,4間に沿って公転することになる。
このような内輪片側案内の転がり軸受では、その保持器案内面２ｓ及び軌道輪案内面８ｓのいずれか一方又は双方には、軸受内部に供給された潤滑剤(油)を排出する排出部が設けられている。なお、図面では一例として、保持器８の内径面に構成された軌道輪案内面８ｓに排出部が設けられている。
排出部は、軌道輪案内面８ｓを一部窪ませて形成した凹状溝(排油溝)８ｇとして構成されており、凹状溝８ｇは、軌道輪案内面８ｓを横断する方向に貫通して形成されている。また、凹状溝８ｇは、保持器８の周方向に沿って所定間隔(例えば、等間隔)で複数個形成されている。この場合、凹状溝８ｇの個数、形状、溝深さ、溝幅は、例えば軸受の使用目的や使用環境、保持器８の形状や大きさ、潤滑剤(油)の種類(粘性)などに応じて任意に設定されるため、ここでは特に数値限定しない。なお、凹状溝８ｇの形状については、一例として図面上では円弧形状としたが、これに限定されることは無く、例えば矩形状、楕円形状、三角形状など各種の形状とすることができる。また、保持器８の材質は、上述した実施の形態と同様であるため、その説明は省略する。
以上、他の実施の形態によれば、内輪片側案内の転がり軸受では、保持器８の内径面に凹状溝(排油溝)８ｇを形成したことにより、その分だけ保持器８の軌道輪案内面８ｓと内輪２の保持器案内面２ｓとの間の空間を広げることができる。この場合、潤滑剤(油)を軌道輪案内面８ｓ及び保持器案内面２ｓの双方に向けて供給し易くすることができる。これにより、保持器案内面２ｓの潤滑剤(油)が破断し難くなり、その結果、保持器案内面２ｓ及び軌道輪案内面８ｓ相互の耐摩耗性を向上させた転がり軸受を実現することができる。なお、その他の効果は、上述した実施の形態と同様であるため、その説明は省略する。
また、上述したそれぞれの実施の形態では、保持器８の軌道輪案内面８ｓのみに排出部(即ち、凹状溝８ｇ)を形成したが、これに代えて、内外輪2,4の保持器案内面2s,4sのみに凹状溝８ｇと同様の排出部を構成しても良いし、或いは、軌道輪案内面８ｓ及び保持器案内面2s,4sの双方に凹状溝８ｇと同様の排出部を構成しても良い。
(ａ)は、本発明の一実施の形態に係る転がり軸受の構成を示す部分拡大断面図、(ｂ)は、同図(ａ)の転がり軸受に組み込まれた保持器の構成を示す部分拡大断面図、(ｃ)は、本発明の他の実施の形態に係る転がり軸受の構成を示す部分拡大断面図、(ｄ)は、同図(ｃ)の転がり軸受に組み込まれた保持器の構成を示す部分拡大断面図。 軸受の回転数と保持器のエッジ部の油膜パラメータとの関係を示す図。 (ａ)は、外輪片側案内の軸受構成を示す部分拡大断面図、(ｂ)は、外輪両側案内の軸受構成を示す部分拡大断面図、(ｃ)は、保持器が傾いてエッジ部が保持器案内面に摺接した状態を示す断面図。
符号の説明
２ 内輪
４ 外輪
２ｇ 内輪軌道溝
４ｇ 外輪軌道溝
２ｓ 保持器案内面
４ｓ 保持器案内面
６ 転動体
８ 保持器
８ｇ 凹状溝(排出部)
８ｓ 軌道輪案内面

Claims (3)

  1. 圧縮羽根が取り付けられた軸を駆動することで、圧縮羽根を所定回転数で回転させて冷媒を圧縮するターボ圧縮機に用いられた転がり軸受であって、
    ターボ圧縮機の軸を支持しつつ相対回転可能に対向配置された軌道輪と、これら軌道輪の対向面にそれぞれ形成された軌道溝間に転動自在に組み込まれた複数の転動体と、各転動体を１つずつ回転可能に保持する複数のポケットを有する保持器とを具備し、
    一方の軌道輪には、その軌道溝の片側に保持器案内面が構成されていると共に、保持器には、一方の軌道輪の保持器案内面に対向する部位に軌道輪案内面が構成されており、
    保持器案内面及び軌道輪案内面のいずれか一方又は双方には、軸受内部に供給された潤滑剤を排出する排出部が設けられていることを特徴とする転がり軸受。
  2. 排出部は、いずれか一方又は双方の保持器案内面及び軌道輪案内面を一部窪ませて形成した凹状溝として構成されており、当該凹状溝は、保持器案内面及び軌道輪案内面を横断する方向に貫通して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
  3. 保持器は、合成樹脂材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の転がり軸受。
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