JP4007270B2

JP4007270B2 - 転がり軸受

Info

Publication number: JP4007270B2
Application number: JP2003203440A
Authority: JP
Inventors: 智哉服部; 和久北村; 浩関本
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: JP2005048799A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素を搬送するポンプの羽根車の回転軸を回転可能に支持し、超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素雰囲気中に配置される転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素を搬送するポンプは、超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素が優れた洗浄効果を有しているなどの点から、洗浄装置などに使用されている。従来、このポンプでは、軸受として、すべり軸受が使用されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
すべり軸受は、頻繁にオン・オフが繰り返される洗浄装置の洗浄液搬送用ポンプのような使用条件では、直接接触による寿命低下の問題があり、長期間安定して使用することができないという問題があった。そこで、すべり軸受に代えて転がり軸受を使用することが考えられるが、超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素雰囲気中に配置される転がり軸受では、粘度の低い超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素が潤滑剤を兼ねることになるので、耐久性の低下を防ぐことが課題となる。
【０００４】
この発明の目的は、超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素を搬送するポンプの軸受として、すべり軸受に代えて使用可能な耐久性に優れた転がり軸受を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明による転がり軸受は、超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素を搬送するポンプの羽根車の回転軸を回転可能に支持し、超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素雰囲気中に配置される転がり軸受であって、前記超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素は、転がり軸受の潤滑剤として作用するものであって、転動体、内輪および外輪がセラミックスで形成されているとともに、転動体を保持する保持器をさらに有しており、保持器が回転輪案内とされていることを特徴とするものである。
【０００６】
第２の発明による転がり軸受は、超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素を搬送するポンプの羽根車の回転軸を回転可能に支持し、超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素雰囲気中に配置される転がり軸受であって、前記超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素は、転がり軸受の潤滑剤として作用するものであって、転動体、内輪および外輪がセラミックスで形成されているとともに、転動体を保持する保持器をさらに有しており、保持器が固定輪案内とされ、案内面が転動体の中心より軸方向片側にのみ形成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
第１および第２の発明の転がり軸受によると、転動体、内輪および外輪がセラミックスで形成されているので、耐摩耗性が向上し、超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素雰囲気中に配置されることにより公転すべりが生じやすくなるにもかかわらず、その耐久性の低下が防止される。したがって、この転がり軸受を使用する超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素を搬送するポンプは、振動が大きくなって継続使用ができないという問題を生じない。
【０００８】
第２の発明において、固定輪の案内面が軸方向片側にのみ形成されているようにするには、固定輪が外輪の場合には、外輪の軸方向片側の内径を大きくして、外輪の大径部の内周面と保持器の外周面とが接触しないようにしてもよく、また、保持器の軸方向片側の外径を小さくして、保持器の小径部の外周面と外輪の内周面とが接触しないようにしてもよい。また、固定輪が内輪の場合には、内輪の軸方向片側の外径を小さくして、内輪の小径部の外周面と保持器の内周面とが接触しないようにしてもよく、また、保持器の軸方向片側の内径を大きくして、保持器の大径部の内周面と内輪の外周面とが接触しないようにしてもよい。
【０００９】
流体（超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素）雰囲気中で使用される転がり軸受では、主に流体抵抗により、特に高速回転領域において転動体の公転（保持器の回転）に遅れが生じ、転がり接触をすべき軌道輪と転動体との間にすべりが生じる（公転すべり）。公転すべりが生じると、軌道輪や転動体が短期間で損傷し継続使用が不可能になることがある。
【００１０】
第１および第２の発明は、この公転すべりに着目して、公転すべりを抑えることにより、転がり軸受の継続使用を可能とするもので、第１の発明では、回転輪との接触によるトラクション力および案内部にある流体のトラクション力で保持器の公転遅れを減少させる（保持器を公転方向に駆動する）ことにより、第２の発明では、回転する保持器が固定輪から受ける抵抗（接触による摩擦および流体の粘性抵抗）を減らすことにより、その公転すべりが抑制されている。
【００１１】
第１の発明の転がり軸受によると、転動体、内輪および外輪がセラミックスで形成されているので、耐摩耗性が向上し、しかも、保持器を回転輪案内とすることによって、回転輪および案内部の流体から公転方向に駆動する力を転動体に作用させ、公転すべりを抑えることができる。したがって、転がり軸受の耐久性の低下が防止され、この転がり軸受を使用する超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素を搬送するポンプは、振動が大きくなって継続使用ができないという問題を生じない。
【００１２】
第２の発明の転がり軸受によると、転動体、内輪および外輪がセラミックスで形成されているので、耐摩耗性が向上し、しかも、保持器を固定輪案内とするとともに、案内面を軸方向片側にのみ形成することによって、転動体の公転方向への移動を妨げる力を低減させ、公転すべりを抑えることができる。したがって、転がり軸受の耐久性の低下が防止され、この転がり軸受を使用する超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素を搬送するポンプは、振動が大きくなって継続使用ができないという問題を生じない。
【００１３】
上記の各発明において、好ましくは、ポンプがキャンドモータポンプで、回転軸がキャンドモータのロータとされる。具体的には、キャンドモータポンプは、超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素の吸込口および吐出口を回転軸方向に直列配置した筒状ケーシングと、このケーシング内面に沿って配置される円筒状ステータと、ステータに相対回転可能に収容されるロータとを備え、ステータとロータとの対向面間が超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素の経路とされており、転がり軸受の内輪がロータに、転がり軸受の外輪がステータに取り付けられる。
【００１４】
本発明の転がり軸受は、汚染原因となる潤滑剤の使用が禁止されている半導体洗浄装置の洗浄液（溶媒）とされる超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素の搬送用ポンプ用としてより好適である。超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素は、純水に比べて、拡散性が強く、常圧で瞬時に蒸発し、レジスト倒壊が起こらずしかも付着痕跡が残らないなどの利点を有しており、より高い洗浄効果を得ることができる。この種の洗浄装置では、洗浄力をより高めるために、超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素にふっ酸などが共溶媒として加えられる。
【００１５】
転がり軸受を形成するセラミックスとしては、ジルコニア系、炭化ケイ素、アルミナおよび窒化ケイ素などが例示されるが、このうち、炭化ケイ素およびアルミナは、強度不足で摩耗粉が発生する懸念があり、また、ジルコニア系セラミックスは、温度等の雰囲気により、相転移を起こしてく脆化する懸念があり、結局、機械的特性に優れ、かつ、化学的に安定な窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）またはサイアロンが最適である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。以下の説明において、上下は、図１の上下をいうものとする。
【００１７】
図１に示すポンプ(1)は、超臨界二酸化炭素を搬送するキャンドモータポンプであり、ケーシング(2)と、ケーシング(2)内に配置された配置された円筒状ステータ(3)と、ステータ(3)の内側に相対回転可能に配置されたロータ(4)と、ロータ(4)の下端部に設けられた羽根車(5)とを備え、ステータ(3)とロータ(4)との対向面間(G)が被搬送超臨界二酸化炭素の経路とされている。
【００１８】
ケーシング(2)は、円筒状の本体(2a)と、本体(2a)の下端部に設けられかつ羽根車(5)を収容するとともに超臨界二酸化炭素の吸込口(6)を有する吸込み部(2b)と、本体(2a)の上端部に設けられ超臨界二酸化炭素の吐出口(7)を有する吐出部(2c)とからなる。吸込口(6)および吐出口(7)は、回転軸方向に直列配置され、ステータ(3)は、本体(2a)内面に沿って配置されている。
【００１９】
ケーシング(2)の吸込み部(2b)とロータ(4)下端部との間およびケーシング(2)の吐出部(2c)とロータ(4)上端部との間に、ロータ(4)を回転支持するこの発明の転がり軸受(11)(11)がそれぞれ配置されている。
【００２０】
キャンドモータポンプ(1)は、洗浄装置に使用され、３３．１℃以上でかつ７２．５気圧以上とされた超臨界二酸化炭素洗浄液を揚液として、高速回転（回転速度：３００００〜６００００ｒｐｍ）で使用される。吸込口(6)から導入された超臨界二酸化炭素洗浄液は、下部軸受(11)を通過して、ロータ(4)とステータ(3)との間の洗浄液経路(G)に流入し、上部軸受(11)を通過した後、吐出口(7)から送出される。
【００２１】
上部および下部の軸受(11)は、図２に示すように、斜接玉軸受であり、外輪(12)、内輪(13)、これらの間に配置された複数の転動体としての玉(14)、および玉(14)を保持する保持器(15)を有している。
【００２２】
外輪(12)、内輪(13)および玉(14)は、すべて窒化ケイ素製とされており、保持器(15)は、スーパーエンジニアリングプラスチックのＰＥＥＫ（polyether ether keton）製とされている。
【００２３】
保持器(15)は、固定輪である外輪(12)に案内されて円滑に回転するように、その外径が外輪(12)の内径より若干小さく形成（０．１５ｍｍ程度）されている。そして、外輪(12)は、保持器(15)の外径より若干大きい（０．１５ｍｍ程度）内径を有する左半部の小径部(12a)と、保持器(15)の外径よりも十分に大きい内径を有する右半部の大径部(12b)とから構成され、外輪(12)の軌道溝は、小径部(12a)および大径部(12b)の両方にわたって形成されている。これにより、保持器(15)を案内する案内面が外輪(12)の軸方向片側（玉の中心より左側）にのみ形成されている。なお、上記の「十分に大きい内径」とは、外輪(12)と保持器(15)の相対回転時に、左半部における両者の対向面間にほとんどトラクションが作用しない程にその対向面間距離が大きいことをいう。
【００２４】
図３に示す転がり軸受(11)は、図２のものと保持器だけが異なっており、この保持器(16)は、回転輪である内輪(13)に案内されて円滑に回転するように、その内径が内輪(13)の外径より若干大きくなされている。
【００２５】
図４は、上記転がり軸受(11)の評価装置を示している。この評価装置(21)は、転がり軸受(11)の公転すべりを評価するもので、円筒状ハウジング(22)と、ハウジング(22)に相対回転可能に収容される回転軸(23)とを備え、ハウジング(22)と回転軸(23)との間の軸方向に離れた２カ所に、回転軸(23)を回転支持する左側および右側の転がり軸受(11)(11)を配置することができる。回転軸(23)は、その左端部において、エアータービンの駆動部（図示略）に接続される。２つの転がり軸受(11)間の外輪側には、これらにアキシャル荷重を負荷する円筒状コイルばね(24)が介在されており、同内輪側には、円筒状スペーサ(25)が介在されている。そして、右側の転がり軸受(11)の右端面を臨むように、非接触変位計(26)が配置されている。右側の転がり軸受(11)の保持器(15)の右面の周方向の所定箇所には、アルミニウムのコーティングが施され、これにより、変位計(26)は、保持器(15)のアルミニウムコーティング部の通過周波数を検知し、この周波数から保持器(15)の回転数したがって玉(14)の公転回転数を求めることができる。
【００２６】
上記評価装置(21)を用いて、転がり軸受(11)の玉(14)の公転回転数ｎ_ｅを実測し、これと理論的に求められる玉の公転回転数ｎ_Ｔとから公転すべり率（％）＝（ｎ_Ｔ−ｎ_ｅ）／ｎ_Ｔ×１００を求めることにより、異なる仕様の転がり軸受について、その公転すべりを評価することができる。なお、ｎ_Ｔは、α：接触角として、ｎ_Ｔ＝内輪の回転数×（１−玉径×ｃｏｓα／玉のピッチ径）／２で求められる。
【００２７】
こうして得られた公転すべり率を図５および図６に示す。
【００２８】
図５のグラフにおいて、白い三角印は、アキシャル荷重が６．５ｋｇｆ時の外輪片側案内の転がり軸受(11)（図２のもの）で、白い四角印は、同じ軸受(11)でアキシャル荷重を２３ｋｇｆとしたものであり、黒い三角印は、アキシャル荷重が６．５ｋｇｆ時の外輪両側案内の転がり軸受（比較例）で、黒い四角印は、同じ軸受でアキシャル荷重が２３ｋｇｆとしたものの公転すべり率をそれぞれ示している。このグラフから分かるように、図２に示した転がり軸受(11)は、案内面が軸方向両側に形成されている転がり軸受に比べて、公転すべり率が小さくなっており、転がり軸受(11)の摩耗性を悪化させる公転すべりが改善されている。
【００２９】
図６のグラフにおいて、白い三角印は、アキシャル荷重が６．５ｋｇｆ時の内輪案内の転がり軸受(11)（図３のもの）で、白い四角印は、同じ軸受(11)でアキシャル荷重が２３ｋｇｆとしたものであり、黒い三角印は、アキシャル荷重が６．５ｋｇｆ時の外輪案内の転がり軸受（比較例）で、黒い四角印は、同じ軸受でアキシャル荷重が２３ｋｇｆとしたものの公転すべりをそれぞれ示している。図６のグラフから分かるように、図３に示した転がり軸受(11)は、外輪案内でかつ案内面が軸方向両側に形成されている転がり軸受に比べて、公転すべり率が大幅に小さくなっており、転がり軸受(11)の摩耗性を悪化させる公転すべりが顕著に改善されている。
【００３０】
したがって、上記図２および図３に示した転がり軸受(11)によると、超臨界二酸化炭素雰囲気中という軸受にとって厳しい条件下であっても、その耐久性の低下が防止され、この転がり軸受を使用する超臨界二酸化炭素ポンプの長期間の連続使用を可能にする。
【００３１】
なお、上記各実施形態において、外輪(12)、内輪(13)および玉(14)をすべてサイアロン製としても、窒化ケイ素製の場合と同じ効果を得ることができる。また、超臨界二酸化炭素ポンプにつき例示したが、上記転がり軸受(11)は液体二酸化炭素ポンプにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の転がり軸受が使用される一例としての超臨界二酸化炭素ポンプを示す縦断面図である。
【図２】図２は、第１の発明による転がり軸受を示す縦断面図である。
【図３】
図３は、第２の発明による転がり軸受を示す縦断面図である。
【図４】図４は、この発明による転がり軸受の評価装置を示す縦断面図である。
【図５】図５は、第１の発明による転がり軸受の評価結果を示すグラフである。
【図６】図６は、第２の発明による転がり軸受の評価結果を示すグラフである。
【符号の説明】
(11) 転がり軸受
(12) 外輪（固定輪）
(13) 内輪（回転輪）
(14) 玉（転動体）
(15) 保持器
(16) 保持器

Claims

超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素を搬送するポンプの羽根車の回転軸を回転可能に支持し、超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素雰囲気中に配置される転がり軸受であって、
前記超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素は、転がり軸受の潤滑剤として作用するものであって、転動体、内輪および外輪がセラミックスで形成されているとともに、転動体を保持する保持器をさらに有しており、保持器が回転輪案内とされていることを特徴とする転がり軸受。
超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素を搬送するポンプの羽根車の回転軸を回転可能に支持し、超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素雰囲気中に配置される転がり軸受であって、
前記超臨界二酸化炭素あるいは液体二酸化炭素は、転がり軸受の潤滑剤として作用するものであって、転動体、内輪および外輪がセラミックスで形成されているとともに、転動体を保持する保持器をさらに有しており、保持器が固定輪案内とされ、案内面が転動体の中心より軸方向片側にのみ形成されていることを特徴とする転がり軸受。
前記セラミックスが窒化ケイ素製およびサイアロン製のいずれか一方であることを特徴とする請求項１または２の転がり軸受。