転がり軸受
【課題】中性子照射環境下で使用できる転がり軸受を提供する。
【解決手段】中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、かつ、前記内輪、外輪及び転動体が、ボロンの少ない炭化ケイ素、高Ｗ非磁性超硬合金、高Ｍｎステンレス鋼、チタン合金のいずれかによって形成されている。
【解決手段】中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、かつ、前記内輪、外輪及び転動体が、ボロンの少ない炭化ケイ素、高Ｗ非磁性超硬合金、高Ｍｎステンレス鋼、チタン合金のいずれかによって形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核融合炉等の中性子環境下で使用される転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
核融合炉においては、核融合達成のためプラズマを１億度以上に加熱し、プラズマ中に電流を流し続けることが必要である。この方法のひとつとして、高周波をプラズマへ入射して加熱及び電流駆動を行う方法が知られている。この場合、プラズマへの高周波の入射方向（角度）をミラー（以下、アンテナミラーという）で反射させる等によって制御しつつ、高周波をプラズマへ入射する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
効率の良いプラズマの加熱及び電流駆動を行うため、高周波の最適入射方向（角度）を設定することが要求される。そこで、本発明者らは、最適な入射方向を与えるためにアンテナミラーの角度を調整可能とすべく、アンテナミラーを揺動可能とし、アンテナミラーの可動部として転がり軸受を使用することに着目した。
しかし、核融合炉の近傍に設置されるアンテナミラーは、核融合により発生する高速中性子に曝されるが、アンテナミラーの可動部（転がり軸受）も、アンテナミラーと同レベル或いはそれより若干低い中性子照射を受けることになる（年間照射量１０23ｎ／ｍ2以上）。
これまでは、真空雰囲気（１０-4Ｐａ以下）且つ中性子照射環境下で、可動部に転がり軸受を用いたアンテナミラーを用いることが困難であるとの考えから、核融合炉用アンテナミラーに適した転がり軸受の検討はされていなかった。
【０００４】
そこで、本発明者らは、中性子環境下という特殊な環境下で使用される転がり軸受においては、転がり軸受としての性能を発揮させるために、材料の選定と組合せに特別な配慮が必要であると考え、中性子環境下でも性能を確保できる転がり軸受の材料と組合せについて下記の点について鋭意検討し、本発明に至った。
【０００５】
すなわち、アンテナミラーが核融合炉の近傍に設置される場合には、核融合により生ずる中性子の照射により軸受部材が影響を受けるという問題が生じる。具体的には、軸受部材にスエリング（ふくれ）が発生したり、脆くなったりすることにより軸受の強度低下ないし回転トルクの増大等の性能低下が生ずる。したがって、中性子照射に対して問題とならない軸受であることが必要である。
また、核融合炉においては、プラズマを磁力により制御しているため、核融合炉近傍で使用する軸受は、核融合炉の磁場による影響を受けないように非磁性材料を用いることが必要である。
【０００６】
すなわち、本発明の課題は、非磁性体であって、かつ、中性子による影響が少なく、中性子が照射される環境下において使用するのに好適な転がり軸受を得ることにある。
また、本発明の他の課題は、中性子照射耐性とコスト低減を両立させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の本発明の特徴は、中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、前記内輪、外輪及び転動体は、それぞれ、ボロン含有量が０．１重量％以下の炭化ケイ素からなる点にある。
炭化ケイ素は、非磁性材料であるが、従来の炭化ケイ素製の転がり軸受の場合、中性子によって悪影響を受ける物質が含まれているため、強度が低下し、中性子照射環境下での使用に適さないことが判明した。そして、中性子によって悪影響を受ける物質としては、従来の炭化ケイ素製転がり軸受に含有されているボロンであることが判明し、このボロン含有量を０．１重量％以下とすることで、中性子による劣化が少ない第１の転がり軸受の完成に至ったものである。
【０００８】
第２の本発明の特徴は、中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、前記内輪、外輪及び転動体は、それぞれ、高Ｗ非磁性超硬合金からなる点にある。
高Ｗ非磁性超硬合金は、中性子が照射されても、劣化度合いが小さく、内輪、外輪及び転動体のすべてを高Ｗ非磁性超硬合金とすることにより、中性子照射環境下でも、強度維持できることが確認された。
【０００９】
第３の発明の特徴は、中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、前記内輪、外輪及び転動体は、それぞれ、高Ｍｎステンレス鋼からなる点にある。
高Ｍｎステンレス鋼は、中性子が照射されても、劣化度合いが小さく、内輪、外輪及び転動体のすべてを高Ｍｎステンレス鋼とすることにより、中性子照射環境下でも、強度維持できることが確認された。
【００１０】
第４の本発明の特徴は、中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、前記内輪及び外輪が、高Ｍｎステンレス鋼からなり、前記転動体が、高Ｗ非磁性超硬合金からなる点にある。
転がり軸受においては、内外輪よりも転動体に損傷が発生し易い傾向にあり、転動体の損傷が内外輪の損傷を引き起こす場合があり、転動体の損傷防止が特に必要とされる。この点、高Ｗ非磁性超硬合金は、中性子が照射されても損傷度合いが小さく、損傷防止には非常に適しているが、この反面、比較的高価である。
そこで、第４の本発明のように、損傷による影響が最も大きい転動体を高Ｗ非磁性超硬合金とし、内輪及び外輪は中性子照射耐性とコストのバランスがとれた材料である高Ｍｎステンレス鋼とすることにより、性能とコストの両立を可能とすることができる。
すなわち、中性子照射環境下においては、内外輪よりも転動体のほうが使用による損傷が激しいため、転動体だけを高Ｗ非磁性超硬合金とすることにより、中性子照射環境下で使用される転がり軸受に関して、中性子照射耐性とコストの両立を図ることができる。
【００１１】
第５の本発明の特徴は、中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、前記内輪、外輪及び転動体は、それぞれ、チタン合金からなる点にある。
チタン合金は、中性子が照射されても、劣化度合いが小さく、内輪、外輪及び転動体のすべてをチタン合金とすることにより、中性子照射環境下でも、中性子照射環境下でも、強度維持できることが確認された。
【発明の効果】
【００１２】
各請求項に記載の本発明によれば、転がり軸受が、非磁性であり、さらに、中性子の照射による劣化が少ないため、中性子照射環境下使用される転がり軸受として好適なものである。
特に、請求項４記載の発明では、内輪及び外輪は中性子照射耐性とコストのバランスに優れた前記高Ｍｎステンレス鋼を使用し、中性子による性能劣化の影響が最も大きい転動体には中性子耐性が極めて高い前記高Ｗ非磁性超硬合金を使用しているため、前記の中性子照射条件下で使用される転がり軸受としての性能とコストの両立を図ることが出来る。
本発明によれば、保持器とその案内面との間の潤滑を適切に維持しつつ、特に摩耗が生じやすい箇所について、その摩耗を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、核融合炉の高周波加熱電流駆動装置において高周波入射方向を変えるアンテナミラーのサポート用軸受として使用され得る本発明の一実施形態による転がり軸受の断面図である。この転がり軸受は、より具体的には、電子サイクロトロン波加熱装置において、電子サイクロトロン波ビームの入射角度を核融合炉の運転中に最適角に合わせるために揺動可能なアンテナミラーに用いられるものである。この転がり軸受は、例えば、以下の条件で使用される。
高速中性子の年間照射量：１０23ｎ／ｍ2以上， Ｅ＞１．０ＭｅＶ
使用温度 ：２００〜３００℃
真空度 ：１０-4Ｐａ以下
軸受の回転 ：内輪が回転
荷重 ：４個の転がり軸受でミラー荷重（１００〜１５０ｋｇ）を支持
【００１４】
本実施形態では、転がり軸受として、外輪１、内輪２，転動体３を備えた、保持器の無い総玉アンギュラ軸受とした。ここで、内外輪及び転動体を全て同じ材料にしてもよいし、あるいは異なる材料を組み合わせて用いることも可能である。また、転がり軸受の形式も総玉軸受やアンギュラ軸受に限定されず種々選択することが可能である。なお、転がり軸受を総玉軸受とした場合には、高荷重で使用するのにより好適であり、また保持器を不要とすることが可能であるから、保持器に対する中性子の影響を考慮しなくて良いという点において好ましい。
【００１５】
本発明では、転がり軸受の材料として、様々な材料を検討した結果、非磁性材料であって中性子照射環境下でも使用できる材料として、特殊な炭化ケイ素（ＳｉＣ）、高Ｗ非磁性超硬合金、高Ｍｎステンレス鋼、チタン合金については、中性子照射環境における特性が十分であることが実験の結果、判明した。
【００１６】
まず、炭化ケイ素（ＳｉＣ）に関しては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の転がり軸受は従来より存在し軸受としての強度も十分であって、非磁性材料であるが、従来の炭化ケイ素製転がり軸受は中性子照射環境下には不向きであることが判明した。すなわち、炭化ケイ素は、難焼結性物質であるため、焼結により成形するためにＢ4Ｃ又はＡｌ2Ｏ3−Ｙ2O3等を含む焼結助剤を用いて焼結しているが、焼結助剤に中性子によって悪影響を受ける物質が含まれているために、炭化ケイ素の劣化のおそれがある。中性子に悪影響を受ける物質としては、ボロン（Ｂ）がある。炭化ケイ素中に焼結助剤として０．２重量％〜０．５重量％程度のボロン（Ｂ）が含有され、中性子照射によって転がり軸受の劣化が考えられる。
【００１７】
そこで、本発明では、焼結助剤を用いることなく炭化ケイ素を成形して、炭化ケイ素に含まれるボロン（Ｂ）の割合をできるだけ少なくすることにより、中性子の影響を少なくして、中性子照射環境下で使用できる転がり軸受とすることができることを見いだした。
ここで、炭化ケイ素に含まれるボロン（Ｂ）は、０．１重量％以下とするのが必要であり、好ましくは、０．０１重量％以下、さらには、０．００１重量％以下とすることにより、中性子の影響を少なくすることができる。さらに一層、中性子の影響を非常に小さくするためには、炭化ケイ素が９９．９９９５％以上の高純度であるのが好ましく。また、高純度炭化ケイ素は単結晶であるのが好ましい。高純度の炭化ケイ素を得るには、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法がある。ＣＶＤ法では、単結晶の炭化ケイ素を得ることができ、また高純度でかつ比較的強度の高い炭化ケイ素が得られるという点で有利である。ただし、ＣＶＤ法に限定されるものではない。
【００１８】
また、高Ｗ非磁性超硬合金、高Ｍｎステンレス鋼、チタン合金についても、非磁性材料であって、転がり軸受として十分な強度を有し、中性子照射環境化でも劣化が少なく、中性子照射環境下で使用される転がり軸受の材料として適当であることが判明した。
【００１９】
高Ｗ非磁性超硬合金としては、
ニッケル（Ｎｉ） ：１０〜１５重量％、
クロム（Ｃｒ） ：０．７５〜２重量％、
モリブデン（Ｍｏ）：１重量％以下
を含み、残部がタングステンカーバイド（ＷＣ）及び不可避的不純物、からなるものが好ましい。なお、上記クロム（Ｃｒ）は０．７５〜１．５重量％であるのがより好ましい。
【００２０】
高Ｍｎステンレス鋼としては、
炭素（Ｃ） ：０．５７〜０．６７重量％、
ケイ素（Ｓｉ） ：０．８〜１．２重量％、
マンガン（Ｍｎ） ：１２．０〜１４．０重量％、
ニッケル（Ｎｉ） ：２．６〜８．０重量％、
クロム（Ｃｒ） ：９．０〜１１．０重量％、
バナジウム（Ｖ） ：１．８〜２．４重量％、
リン（Ｐ） ：０．０３重量％以下、
硫黄（Ｓ） ：０．０１重量％以下
を含むものが好ましい。なお、高Ｍｎステンレス鋼は、高Ｗ非磁性超硬合金やチタン合金に比べて安価である。
【００２１】
また、チタン合金としては、
アルミニウム ：５．５〜６．７５重量％、
バナジウム（Ｖ） ：３．５〜４．５重量％、
鉄（Ｆｅ） ：０．４重量％以下 、
炭素（Ｃ） ：０．１重量％以下、
窒素（Ｎ） ：０．０５重量％以下、
酸素（Ｏ） ：０．２０重量％以下、
水素（Ｈ） ：０．０１５重量％以下、
を含み、残部がチタン（Ｔｉ）及び不可避的不純物であるものが好ましい。
【００２２】
保持器の無い総玉軸受の場合、転動体相互の接触摩擦が生ずるため、中性子により転動体が劣化した場合には、接触摩擦との相乗により劣化が早まることが考えられる。したがって、保持器のない総玉軸受においては、特に転動体の中性子照射耐性を高くすることが有効である。この観点からは、特に、転動体３を高Ｗ非磁性超硬合金とすることにより、総玉軸受の利点を保持しつつ、中性子による劣化の少ない転がり軸受とすることができる。そして、転動体３を高Ｗ非磁性超硬合金製としつつ、外輪１及び内輪２を中性子照射耐性とコストのバランスに優れた高Ｍｎステンレス鋼とすることで、中性子照射耐性とコストの両立を図ることができる。
【実施例】
【００２３】
以下、実施例について説明する。ただし、この発明はこれらに限定されるものではない。以下のすべての実施例においては、図１の総玉アンギュラ軸受または、その転動体（玉）としたものである。
【００２４】
（実施例１）
実施例１では、ボロン（Ｂ）を０．０００１５重量％、その他不可避的不純物を含み、純度が９９．９９９５重量％の炭化ケイ素（ＳｉＣ）を、転動体（玉）に使用した。この実施例１の内輪等はＣＶＤ法により得られたバルク材を研削加工にすることにより作製した。
【００２５】
（実施例２）
実施例２では、ニッケル（Ｎｉ）が１３重量％、クロム（Ｃｒ）が１．５重量％、モリブデン（Ｍｏ）が０．５重量％、残部がタングステンカーバイド（ＷＣ）及び不可避適不純物、からなる高Ｗ非磁性超硬合金を内外輪及び転動体（玉）に用いた。
【００２６】
（実施例３）
実施例３では、炭素（Ｃ）が、０．６重量％、ケイ素（Ｓｉ）が１．０重量％、マンガン（Ｍｎ）が１３．０重量％、ニッケル（Ｎｉ）が５．１重量％、クロム（Ｃｒ）が１０．０重量％、バナジウム（Ｖ）が２．０重量％、リン（Ｐ）が０．０１重量％、硫黄（Ｓ）が０．００５％である高Ｍｎステンレス鋼を転動体（玉）に用いた。
【００２７】
（実施例４）
実施例４は、実施例３の高Ｍｎステンレス鋼を内外輪に使用し、実施例２の高Ｗ非磁性超硬合金を転動体（玉）に使用した。
【００２８】
（実施例５）
実施例４では、アルミニウム（Ａｌ）が６．０重量％、バナジウム（Ｖ）が４．０重量％、鉄（Ｆｅ）が０．１重量％、炭素（Ｃ）が０．０３重量％、窒素（Ｎ）が０．０１重量％、酸素（Ｏ）が０．０５重量％、水素（Ｈ）が０．００５重量％であり、残部がチタン（Ｔｉ）及び不可避的不純物であるチタン合金を転動体（玉）に使用した。
【００２９】
（試験１：圧壊試験）
実施例１，２，３及び５における転動体（直径３／８インチ（９．５２５ｍｍ）の玉）を破壊靱性試験装置にて、同種の転動体を上下に２個接触させて両者を所定の圧砕速度（３．０ｍｍ／ｍｉｎ）で押し付けていき、一方が破砕するまで押し付けを行い、押付荷重の最大値（ｋＮ）で評価した。
試験は、各実施例１，２，３及び５の転動体について、中性子が照射されていないものと、所定の中性子照射条件（フルエンス １０24ｎ／ｍ2， Ｅ＞１．０ＭｅＶ）にて中性子を照射したものとについて、それぞれ行い、試験結果を表１に示した。
【００３０】
【表１】
【００３１】
試験１の試験結果によると、炭化ケイ素（ＳｉＣ）：実施例１、高Ｗ非磁性超硬合金：実施例２、高Ｍｎステンレス鋼：実施例３，チタン合金：実施例５では、いずれも中性子を照射しても殆ど圧壊強度が低下しない。市販されている転がり軸受を中性子照射環境下で使用すると大幅な強度低下のおそれがあるが、中性子照射後の強度低下が表１の程度であれば、これらの材料によって形成された内外輪及び転動体によって構成される転がり軸受は、十分な強度が確保され、アンテナミラー用転がり軸受として最適である。
なお、高Ｍｎステンレス鋼及びチタン合金については、中性子照射後の値の方が増加しているが、これは、サンプル毎のバラツキによるものと考えられ、換言すると、中性子照射による強度低下はサンプル毎のバラツキの範囲内よりも小さいものと考えられる。
また、表１において、炭化ケイ素（ＳｉＣ）は押付荷重が極小さくて破砕するのに対し、高Ｍｎステンレス鋼は徐々につぶれていき押付量３ｍｍで試験を止めた。炭化ケイ素の押付荷重最大値が高Ｍｎステンレス鋼のものより著しく小さいのはこのためである。高Ｍｎステンレス鋼を軸受に適用する場合は大きな塑性変形は好ましくないため、３ｍｍの押付時の押付荷重では軸受として使用困難である。よって本試験の押付荷重値は軸受としての絶対的強度（耐荷重性）に直接対応しない。
【００３２】
（試験２：トルク試験）
実施例２及び実施例４の転がり軸受について、所定の中性子照射条件（フルエンス １０24ｎ／ｍ2， Ｅ＞１．０ＭｅＶ）にて中性子を照射し、照射前後の転がり軸受にスプリングを用いて負荷を加えて、回転トルク試験を行った。
試験条件は、以下の通りである。
雰囲気 ：空気中
温度 ：２００℃
回転速度 ：１０ｒｐｍ
荷重 ：２５ｋｇ（アンテナミラー実機の１個の軸受荷重に相当）
回転状態 ：正逆回転繰返し（±１５０゜）
連続回転時間：６時間（正逆共に１８００回転）
【００３３】
以上の実施例２及び３について試験結果を表２に示す。表２の数値のうち、「照射前トルク」及び「照射後トルク」は実施例３において照射前のトルクを１としたときの値である。また、表１において「照射後トルク／照射前トルク」の値は、中性子照射後のトルクが、照射前のトルクの何倍になったかを示している。
【００３４】
【表２】
【００３５】
試験２では、中性子照射によって、転がり軸受に損傷が生じて、転がり抵抗増大によってトルクが増加するが、照射後のトルクが照射前のトルクの５倍以内であれば、アンテナミラー用の転がり軸受としての使用に耐え得るものとして評価を行った。この結果、表２に示すように、実施例２及び実施例３においては、試験後トルクは試験前トルクの約２倍にしかならず、中性子照射条件下において実用に供するのに充分な中性子照射耐性を有していることがわかる。さらに、実施例２では、試験前後を問わずトルクの絶対値が小さいので、転がり軸受としての性能がより高いことが分かる。
また、実施例４では、トルクの絶対値が比較的大きいものの、中性子照射後のトルク増加度合いが低く中性子耐性が十分であって、しかも、低コストの高Ｍｎステンレス鋼を内外輪に用いているため、中性子耐性とコストの両立が図られている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る転がり軸受の断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ 外輪
２ 内輪
３ 転動体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核融合炉等の中性子環境下で使用される転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
核融合炉においては、核融合達成のためプラズマを１億度以上に加熱し、プラズマ中に電流を流し続けることが必要である。この方法のひとつとして、高周波をプラズマへ入射して加熱及び電流駆動を行う方法が知られている。この場合、プラズマへの高周波の入射方向（角度）をミラー（以下、アンテナミラーという）で反射させる等によって制御しつつ、高周波をプラズマへ入射する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
効率の良いプラズマの加熱及び電流駆動を行うため、高周波の最適入射方向（角度）を設定することが要求される。そこで、本発明者らは、最適な入射方向を与えるためにアンテナミラーの角度を調整可能とすべく、アンテナミラーを揺動可能とし、アンテナミラーの可動部として転がり軸受を使用することに着目した。
しかし、核融合炉の近傍に設置されるアンテナミラーは、核融合により発生する高速中性子に曝されるが、アンテナミラーの可動部（転がり軸受）も、アンテナミラーと同レベル或いはそれより若干低い中性子照射を受けることになる（年間照射量１０23ｎ／ｍ2以上）。
これまでは、真空雰囲気（１０-4Ｐａ以下）且つ中性子照射環境下で、可動部に転がり軸受を用いたアンテナミラーを用いることが困難であるとの考えから、核融合炉用アンテナミラーに適した転がり軸受の検討はされていなかった。
【０００４】
そこで、本発明者らは、中性子環境下という特殊な環境下で使用される転がり軸受においては、転がり軸受としての性能を発揮させるために、材料の選定と組合せに特別な配慮が必要であると考え、中性子環境下でも性能を確保できる転がり軸受の材料と組合せについて下記の点について鋭意検討し、本発明に至った。
【０００５】
すなわち、アンテナミラーが核融合炉の近傍に設置される場合には、核融合により生ずる中性子の照射により軸受部材が影響を受けるという問題が生じる。具体的には、軸受部材にスエリング（ふくれ）が発生したり、脆くなったりすることにより軸受の強度低下ないし回転トルクの増大等の性能低下が生ずる。したがって、中性子照射に対して問題とならない軸受であることが必要である。
また、核融合炉においては、プラズマを磁力により制御しているため、核融合炉近傍で使用する軸受は、核融合炉の磁場による影響を受けないように非磁性材料を用いることが必要である。
【０００６】
すなわち、本発明の課題は、非磁性体であって、かつ、中性子による影響が少なく、中性子が照射される環境下において使用するのに好適な転がり軸受を得ることにある。
また、本発明の他の課題は、中性子照射耐性とコスト低減を両立させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の本発明の特徴は、中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、前記内輪、外輪及び転動体は、それぞれ、ボロン含有量が０．１重量％以下の炭化ケイ素からなる点にある。
炭化ケイ素は、非磁性材料であるが、従来の炭化ケイ素製の転がり軸受の場合、中性子によって悪影響を受ける物質が含まれているため、強度が低下し、中性子照射環境下での使用に適さないことが判明した。そして、中性子によって悪影響を受ける物質としては、従来の炭化ケイ素製転がり軸受に含有されているボロンであることが判明し、このボロン含有量を０．１重量％以下とすることで、中性子による劣化が少ない第１の転がり軸受の完成に至ったものである。
【０００８】
第２の本発明の特徴は、中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、前記内輪、外輪及び転動体は、それぞれ、高Ｗ非磁性超硬合金からなる点にある。
高Ｗ非磁性超硬合金は、中性子が照射されても、劣化度合いが小さく、内輪、外輪及び転動体のすべてを高Ｗ非磁性超硬合金とすることにより、中性子照射環境下でも、強度維持できることが確認された。
【０００９】
第３の発明の特徴は、中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、前記内輪、外輪及び転動体は、それぞれ、高Ｍｎステンレス鋼からなる点にある。
高Ｍｎステンレス鋼は、中性子が照射されても、劣化度合いが小さく、内輪、外輪及び転動体のすべてを高Ｍｎステンレス鋼とすることにより、中性子照射環境下でも、強度維持できることが確認された。
【００１０】
第４の本発明の特徴は、中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、前記内輪及び外輪が、高Ｍｎステンレス鋼からなり、前記転動体が、高Ｗ非磁性超硬合金からなる点にある。
転がり軸受においては、内外輪よりも転動体に損傷が発生し易い傾向にあり、転動体の損傷が内外輪の損傷を引き起こす場合があり、転動体の損傷防止が特に必要とされる。この点、高Ｗ非磁性超硬合金は、中性子が照射されても損傷度合いが小さく、損傷防止には非常に適しているが、この反面、比較的高価である。
そこで、第４の本発明のように、損傷による影響が最も大きい転動体を高Ｗ非磁性超硬合金とし、内輪及び外輪は中性子照射耐性とコストのバランスがとれた材料である高Ｍｎステンレス鋼とすることにより、性能とコストの両立を可能とすることができる。
すなわち、中性子照射環境下においては、内外輪よりも転動体のほうが使用による損傷が激しいため、転動体だけを高Ｗ非磁性超硬合金とすることにより、中性子照射環境下で使用される転がり軸受に関して、中性子照射耐性とコストの両立を図ることができる。
【００１１】
第５の本発明の特徴は、中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、前記内輪、外輪及び転動体は、それぞれ、チタン合金からなる点にある。
チタン合金は、中性子が照射されても、劣化度合いが小さく、内輪、外輪及び転動体のすべてをチタン合金とすることにより、中性子照射環境下でも、中性子照射環境下でも、強度維持できることが確認された。
【発明の効果】
【００１２】
各請求項に記載の本発明によれば、転がり軸受が、非磁性であり、さらに、中性子の照射による劣化が少ないため、中性子照射環境下使用される転がり軸受として好適なものである。
特に、請求項４記載の発明では、内輪及び外輪は中性子照射耐性とコストのバランスに優れた前記高Ｍｎステンレス鋼を使用し、中性子による性能劣化の影響が最も大きい転動体には中性子耐性が極めて高い前記高Ｗ非磁性超硬合金を使用しているため、前記の中性子照射条件下で使用される転がり軸受としての性能とコストの両立を図ることが出来る。
本発明によれば、保持器とその案内面との間の潤滑を適切に維持しつつ、特に摩耗が生じやすい箇所について、その摩耗を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、核融合炉の高周波加熱電流駆動装置において高周波入射方向を変えるアンテナミラーのサポート用軸受として使用され得る本発明の一実施形態による転がり軸受の断面図である。この転がり軸受は、より具体的には、電子サイクロトロン波加熱装置において、電子サイクロトロン波ビームの入射角度を核融合炉の運転中に最適角に合わせるために揺動可能なアンテナミラーに用いられるものである。この転がり軸受は、例えば、以下の条件で使用される。
高速中性子の年間照射量：１０23ｎ／ｍ2以上， Ｅ＞１．０ＭｅＶ
使用温度 ：２００〜３００℃
真空度 ：１０-4Ｐａ以下
軸受の回転 ：内輪が回転
荷重 ：４個の転がり軸受でミラー荷重（１００〜１５０ｋｇ）を支持
【００１４】
本実施形態では、転がり軸受として、外輪１、内輪２，転動体３を備えた、保持器の無い総玉アンギュラ軸受とした。ここで、内外輪及び転動体を全て同じ材料にしてもよいし、あるいは異なる材料を組み合わせて用いることも可能である。また、転がり軸受の形式も総玉軸受やアンギュラ軸受に限定されず種々選択することが可能である。なお、転がり軸受を総玉軸受とした場合には、高荷重で使用するのにより好適であり、また保持器を不要とすることが可能であるから、保持器に対する中性子の影響を考慮しなくて良いという点において好ましい。
【００１５】
本発明では、転がり軸受の材料として、様々な材料を検討した結果、非磁性材料であって中性子照射環境下でも使用できる材料として、特殊な炭化ケイ素（ＳｉＣ）、高Ｗ非磁性超硬合金、高Ｍｎステンレス鋼、チタン合金については、中性子照射環境における特性が十分であることが実験の結果、判明した。
【００１６】
まず、炭化ケイ素（ＳｉＣ）に関しては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の転がり軸受は従来より存在し軸受としての強度も十分であって、非磁性材料であるが、従来の炭化ケイ素製転がり軸受は中性子照射環境下には不向きであることが判明した。すなわち、炭化ケイ素は、難焼結性物質であるため、焼結により成形するためにＢ4Ｃ又はＡｌ2Ｏ3−Ｙ2O3等を含む焼結助剤を用いて焼結しているが、焼結助剤に中性子によって悪影響を受ける物質が含まれているために、炭化ケイ素の劣化のおそれがある。中性子に悪影響を受ける物質としては、ボロン（Ｂ）がある。炭化ケイ素中に焼結助剤として０．２重量％〜０．５重量％程度のボロン（Ｂ）が含有され、中性子照射によって転がり軸受の劣化が考えられる。
【００１７】
そこで、本発明では、焼結助剤を用いることなく炭化ケイ素を成形して、炭化ケイ素に含まれるボロン（Ｂ）の割合をできるだけ少なくすることにより、中性子の影響を少なくして、中性子照射環境下で使用できる転がり軸受とすることができることを見いだした。
ここで、炭化ケイ素に含まれるボロン（Ｂ）は、０．１重量％以下とするのが必要であり、好ましくは、０．０１重量％以下、さらには、０．００１重量％以下とすることにより、中性子の影響を少なくすることができる。さらに一層、中性子の影響を非常に小さくするためには、炭化ケイ素が９９．９９９５％以上の高純度であるのが好ましく。また、高純度炭化ケイ素は単結晶であるのが好ましい。高純度の炭化ケイ素を得るには、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法がある。ＣＶＤ法では、単結晶の炭化ケイ素を得ることができ、また高純度でかつ比較的強度の高い炭化ケイ素が得られるという点で有利である。ただし、ＣＶＤ法に限定されるものではない。
【００１８】
また、高Ｗ非磁性超硬合金、高Ｍｎステンレス鋼、チタン合金についても、非磁性材料であって、転がり軸受として十分な強度を有し、中性子照射環境化でも劣化が少なく、中性子照射環境下で使用される転がり軸受の材料として適当であることが判明した。
【００１９】
高Ｗ非磁性超硬合金としては、
ニッケル（Ｎｉ） ：１０〜１５重量％、
クロム（Ｃｒ） ：０．７５〜２重量％、
モリブデン（Ｍｏ）：１重量％以下
を含み、残部がタングステンカーバイド（ＷＣ）及び不可避的不純物、からなるものが好ましい。なお、上記クロム（Ｃｒ）は０．７５〜１．５重量％であるのがより好ましい。
【００２０】
高Ｍｎステンレス鋼としては、
炭素（Ｃ） ：０．５７〜０．６７重量％、
ケイ素（Ｓｉ） ：０．８〜１．２重量％、
マンガン（Ｍｎ） ：１２．０〜１４．０重量％、
ニッケル（Ｎｉ） ：２．６〜８．０重量％、
クロム（Ｃｒ） ：９．０〜１１．０重量％、
バナジウム（Ｖ） ：１．８〜２．４重量％、
リン（Ｐ） ：０．０３重量％以下、
硫黄（Ｓ） ：０．０１重量％以下
を含むものが好ましい。なお、高Ｍｎステンレス鋼は、高Ｗ非磁性超硬合金やチタン合金に比べて安価である。
【００２１】
また、チタン合金としては、
アルミニウム ：５．５〜６．７５重量％、
バナジウム（Ｖ） ：３．５〜４．５重量％、
鉄（Ｆｅ） ：０．４重量％以下 、
炭素（Ｃ） ：０．１重量％以下、
窒素（Ｎ） ：０．０５重量％以下、
酸素（Ｏ） ：０．２０重量％以下、
水素（Ｈ） ：０．０１５重量％以下、
を含み、残部がチタン（Ｔｉ）及び不可避的不純物であるものが好ましい。
【００２２】
保持器の無い総玉軸受の場合、転動体相互の接触摩擦が生ずるため、中性子により転動体が劣化した場合には、接触摩擦との相乗により劣化が早まることが考えられる。したがって、保持器のない総玉軸受においては、特に転動体の中性子照射耐性を高くすることが有効である。この観点からは、特に、転動体３を高Ｗ非磁性超硬合金とすることにより、総玉軸受の利点を保持しつつ、中性子による劣化の少ない転がり軸受とすることができる。そして、転動体３を高Ｗ非磁性超硬合金製としつつ、外輪１及び内輪２を中性子照射耐性とコストのバランスに優れた高Ｍｎステンレス鋼とすることで、中性子照射耐性とコストの両立を図ることができる。
【実施例】
【００２３】
以下、実施例について説明する。ただし、この発明はこれらに限定されるものではない。以下のすべての実施例においては、図１の総玉アンギュラ軸受または、その転動体（玉）としたものである。
【００２４】
（実施例１）
実施例１では、ボロン（Ｂ）を０．０００１５重量％、その他不可避的不純物を含み、純度が９９．９９９５重量％の炭化ケイ素（ＳｉＣ）を、転動体（玉）に使用した。この実施例１の内輪等はＣＶＤ法により得られたバルク材を研削加工にすることにより作製した。
【００２５】
（実施例２）
実施例２では、ニッケル（Ｎｉ）が１３重量％、クロム（Ｃｒ）が１．５重量％、モリブデン（Ｍｏ）が０．５重量％、残部がタングステンカーバイド（ＷＣ）及び不可避適不純物、からなる高Ｗ非磁性超硬合金を内外輪及び転動体（玉）に用いた。
【００２６】
（実施例３）
実施例３では、炭素（Ｃ）が、０．６重量％、ケイ素（Ｓｉ）が１．０重量％、マンガン（Ｍｎ）が１３．０重量％、ニッケル（Ｎｉ）が５．１重量％、クロム（Ｃｒ）が１０．０重量％、バナジウム（Ｖ）が２．０重量％、リン（Ｐ）が０．０１重量％、硫黄（Ｓ）が０．００５％である高Ｍｎステンレス鋼を転動体（玉）に用いた。
【００２７】
（実施例４）
実施例４は、実施例３の高Ｍｎステンレス鋼を内外輪に使用し、実施例２の高Ｗ非磁性超硬合金を転動体（玉）に使用した。
【００２８】
（実施例５）
実施例４では、アルミニウム（Ａｌ）が６．０重量％、バナジウム（Ｖ）が４．０重量％、鉄（Ｆｅ）が０．１重量％、炭素（Ｃ）が０．０３重量％、窒素（Ｎ）が０．０１重量％、酸素（Ｏ）が０．０５重量％、水素（Ｈ）が０．００５重量％であり、残部がチタン（Ｔｉ）及び不可避的不純物であるチタン合金を転動体（玉）に使用した。
【００２９】
（試験１：圧壊試験）
実施例１，２，３及び５における転動体（直径３／８インチ（９．５２５ｍｍ）の玉）を破壊靱性試験装置にて、同種の転動体を上下に２個接触させて両者を所定の圧砕速度（３．０ｍｍ／ｍｉｎ）で押し付けていき、一方が破砕するまで押し付けを行い、押付荷重の最大値（ｋＮ）で評価した。
試験は、各実施例１，２，３及び５の転動体について、中性子が照射されていないものと、所定の中性子照射条件（フルエンス １０24ｎ／ｍ2， Ｅ＞１．０ＭｅＶ）にて中性子を照射したものとについて、それぞれ行い、試験結果を表１に示した。
【００３０】
【表１】
【００３１】
試験１の試験結果によると、炭化ケイ素（ＳｉＣ）：実施例１、高Ｗ非磁性超硬合金：実施例２、高Ｍｎステンレス鋼：実施例３，チタン合金：実施例５では、いずれも中性子を照射しても殆ど圧壊強度が低下しない。市販されている転がり軸受を中性子照射環境下で使用すると大幅な強度低下のおそれがあるが、中性子照射後の強度低下が表１の程度であれば、これらの材料によって形成された内外輪及び転動体によって構成される転がり軸受は、十分な強度が確保され、アンテナミラー用転がり軸受として最適である。
なお、高Ｍｎステンレス鋼及びチタン合金については、中性子照射後の値の方が増加しているが、これは、サンプル毎のバラツキによるものと考えられ、換言すると、中性子照射による強度低下はサンプル毎のバラツキの範囲内よりも小さいものと考えられる。
また、表１において、炭化ケイ素（ＳｉＣ）は押付荷重が極小さくて破砕するのに対し、高Ｍｎステンレス鋼は徐々につぶれていき押付量３ｍｍで試験を止めた。炭化ケイ素の押付荷重最大値が高Ｍｎステンレス鋼のものより著しく小さいのはこのためである。高Ｍｎステンレス鋼を軸受に適用する場合は大きな塑性変形は好ましくないため、３ｍｍの押付時の押付荷重では軸受として使用困難である。よって本試験の押付荷重値は軸受としての絶対的強度（耐荷重性）に直接対応しない。
【００３２】
（試験２：トルク試験）
実施例２及び実施例４の転がり軸受について、所定の中性子照射条件（フルエンス １０24ｎ／ｍ2， Ｅ＞１．０ＭｅＶ）にて中性子を照射し、照射前後の転がり軸受にスプリングを用いて負荷を加えて、回転トルク試験を行った。
試験条件は、以下の通りである。
雰囲気 ：空気中
温度 ：２００℃
回転速度 ：１０ｒｐｍ
荷重 ：２５ｋｇ（アンテナミラー実機の１個の軸受荷重に相当）
回転状態 ：正逆回転繰返し（±１５０゜）
連続回転時間：６時間（正逆共に１８００回転）
【００３３】
以上の実施例２及び３について試験結果を表２に示す。表２の数値のうち、「照射前トルク」及び「照射後トルク」は実施例３において照射前のトルクを１としたときの値である。また、表１において「照射後トルク／照射前トルク」の値は、中性子照射後のトルクが、照射前のトルクの何倍になったかを示している。
【００３４】
【表２】
【００３５】
試験２では、中性子照射によって、転がり軸受に損傷が生じて、転がり抵抗増大によってトルクが増加するが、照射後のトルクが照射前のトルクの５倍以内であれば、アンテナミラー用の転がり軸受としての使用に耐え得るものとして評価を行った。この結果、表２に示すように、実施例２及び実施例３においては、試験後トルクは試験前トルクの約２倍にしかならず、中性子照射条件下において実用に供するのに充分な中性子照射耐性を有していることがわかる。さらに、実施例２では、試験前後を問わずトルクの絶対値が小さいので、転がり軸受としての性能がより高いことが分かる。
また、実施例４では、トルクの絶対値が比較的大きいものの、中性子照射後のトルク増加度合いが低く中性子耐性が十分であって、しかも、低コストの高Ｍｎステンレス鋼を内外輪に用いているため、中性子耐性とコストの両立が図られている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る転がり軸受の断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ 外輪
２ 内輪
３ 転動体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、
前記内輪、外輪及び転動体は、それぞれ、ボロン含有量が０．１重量％以下の炭化ケイ素からなることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、
前記内輪、外輪及び転動体は、それぞれ、高Ｗ非磁性超硬合金からなることを特徴とする転がり軸受。
【請求項３】
中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、
前記内輪、外輪及び転動体は、それぞれ、高マンガンステンレス鋼からなることを特徴とする転がり軸受。
【請求項４】
中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、
前記内輪及び外輪が、高マンガンステンレス鋼からなり、
前記転動体が、高Ｗ非磁性超硬合金からなることを特徴とする転がり軸受。
【請求項５】
中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、
前記内輪、外輪及び転動体は、それぞれ、チタン合金からなることを特徴とする転がり軸受。
【請求項１】
中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、
前記内輪、外輪及び転動体は、それぞれ、ボロン含有量が０．１重量％以下の炭化ケイ素からなることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、
前記内輪、外輪及び転動体は、それぞれ、高Ｗ非磁性超硬合金からなることを特徴とする転がり軸受。
【請求項３】
中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、
前記内輪、外輪及び転動体は、それぞれ、高マンガンステンレス鋼からなることを特徴とする転がり軸受。
【請求項４】
中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、
前記内輪及び外輪が、高マンガンステンレス鋼からなり、
前記転動体が、高Ｗ非磁性超硬合金からなることを特徴とする転がり軸受。
【請求項５】
中性子照射環境下で使用される転がり軸受であって、内輪、外輪及び転動体を備えており、
前記内輪、外輪及び転動体は、それぞれ、チタン合金からなることを特徴とする転がり軸受。
【図１】
【公開番号】特開２００９−３６３７９（Ｐ２００９−３６３７９Ａ）
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４７７５４（Ｐ２００８−２４７７５４）
【出願日】平成２０年９月２６日（２００８．９．２６）
【分割の表示】特願２００２−３０７２１２（Ｐ２００２−３０７２１２）の分割
【原出願日】平成１４年１０月２２日（２００２．１０．２２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００２年６月１３日〜１４日 プラズマ・核融合学会、日本原子力学会主催の「第４回 核融合エネルギー連合会講演会予稿集」に文書をもって発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００２年９月９日 「第２２回 核融合テクノロジーに関するシンポジウム 摘要集」に発表
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月２６日（２００８．９．２６）
【分割の表示】特願２００２−３０７２１２（Ｐ２００２−３０７２１２）の分割
【原出願日】平成１４年１０月２２日（２００２．１０．２２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００２年６月１３日〜１４日 プラズマ・核融合学会、日本原子力学会主催の「第４回 核融合エネルギー連合会講演会予稿集」に文書をもって発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００２年９月９日 「第２２回 核融合テクノロジーに関するシンポジウム 摘要集」に発表
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
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