【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の電極に圧縮気体を供給するコンプレッサ用として好適な転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の基本構造では、電解質膜の両面をカソード（酸素極）とアノード（燃料極）で挟持したものを１セルとし、セパレータを介して複数のセルを積層している。また、各セパレータの表裏面にガス通路を形成し、カソード側には酸化剤ガスとして空気中の酸素を供給すると同時に、アノード側には燃料ガスとして水素を供給する。
【０００３】
そのため、燃料電池は、カソード側へ圧縮空気を供給する空気供給装置と、アノード側へ水素を供給する循環装置とを備えている。これらの装置の駆動方式には、排ガスタービンでコンプレッサを駆動させるターボチャージャ方式や、モータでコンプレッサを駆動させるモータ駆動方式等がある。
燃料電池のカソード側へ圧縮空気を供給するスクロール式コンプレッサとしては、図４に示すものがある。
【０００４】
このスクロール式コンプレッサは、圧縮機構部１０とクランク機構部２０と駆動モータ部３０とからなる。圧縮機構部１０は、固定スクロール１１と旋回スクロール１２とからなり、両スクロール１１，１２で形成される空間が圧縮室として機能する。固定スクロール１１の基盤１１１の中央には、燃料電池のカソード（酸素極）に向かう吐出口１１１ａが設けてある。旋回スクロール１２の中央部には有底円筒状の凹部１２１が設けてある。
【０００５】
クランク機構部２０は、旋回スクロール１２に旋回（公転）運動を行わせる駆動クランク機構２１と、旋回スクロール１２の自転を防止する従動クランク機構２２とからなる。駆動クランク機構２１は、旋回スクロール１２の凹部１２１と、モータ主軸４０に対して偏心させて設けたクランクピン２１１と、クランクピン２１１を凹部１２１に対して回転自在に支持するニードル軸受２１２とからなる。ニードル軸受２１２は、外輪２１２ａところ２１２ｂと保持器２１２ｃとからなる。従動クランク機構２２はボールカップリングからなる。
【０００６】
駆動モータ部３０は、センターハウジング３１と、リアハウジング３２と、それらの間に収納されたモータ３３とで構成されている。モータ３３のロータ３３ａがモータ主軸４０に固定され、ステータ３３ｂがセンターハウジング３１に固定されている。
そして、モータ３３に電力が供給されるとモータ主軸４０が回転し、駆動クランク機構２１を介して旋回スクロール１２が固定スクロール１１とかみ合いながら旋回する。これと同時に、両スクロール１１，１２で形成される空間に空気が吸入され、旋回スクロール１２の旋回によって前記空間の容積が小さくなることで、吸入空気が圧縮されて吐出口１１１ａから吐出される。この吐出口１１１ａから吐出された圧縮空気が、燃料電池のカソードに供給される。
【０００７】
このコンプレッサにおいては、圧縮空気の供給先であるカソードの損傷を防止するために、吐出口１１１ａから吐出される圧縮空気中に汚染物質が混入しないようにする必要がある。そのため、潤滑剤としては、基油として炭化水素を用いる一般グリースではなく、基油がフッ素油からなり増ちょう剤がフッ素樹脂からなるフッ素グリースを使用することが好ましい。フッ素グリースは蒸発し難いため、発塵性が低い。
【０００８】
転がり軸受にフッ素グリースを使用することは、下記の特許文献１および２に記載されている。また、燃焼電池および燃料電池用のコンプレッサについては、下記の特許文献３〜５に記載されている。
また、下記の特許文献６には、保持器の外周面もしくは外輪の内周面および／または保持器の内周面もしくは内輪の外周面に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜等からなる摺動性低減膜を形成することが記載されている。この特許文献６には、また、ＰＥＥＫ等の耐熱性樹脂で形成され、外周面にＤＬＣ膜が形成された保持器が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平５−２０２９４４号公報
【特許文献２】
特開２００１−１７３６６７号公報
【特許文献３】
特開平１１−３０７１１２号公報
【特許文献４】
特開２００２−０７０７６４号公報
【特許文献５】
特開２０００−００２１９２号公報
【特許文献６】
特開２００２−２２７８４５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フッ素グリースは一般グリースと比較して潤滑性能が低く、使用条件によっては耐摩耗性および耐焼き付き性が不十分な場合がある。例えば、上述のコンプレッサでは、駆動時にニードル軸受１２１が高温（１８０℃程度）になるため、ニードル軸受１２１をフッ素グリースで潤滑すると耐焼き付き性が不十分になる場合がある。
本発明は、このような従来技術の未解決の課題を解決するためのものであり、燃料電池の電極に圧縮気体を供給するコンプレッサ用として好適な転がり軸受を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、構成部材として少なくとも外輪と転動体とを備え、軸とハウジングとの間に設置され、転動体の転動により、軸およびハウジングの一方を他方に対して相対回転させる転がり軸受において、フッ素グリースで潤滑されているとともに、転動体以外の構成部材の転動体が接触する面および転動体の転動面のうちの少なくとも一方の面に、ダイヤモンドライクカーボン層が形成されていることを特徴とする転がり軸受を提供する。
【００１２】
フッ素グリースの基油とするフッ素油としては、パーフルオロエーテル重合体およびその誘導体が好ましい。また、「−ＣＸ Ｆ２Ｘ−Ｏ−」（Ｘ＝１〜４の整数）を繰り返し単位とし、平均分子量が１０００〜１５０００である重合体が特に好ましい。潤滑性能やトルク性能を考慮すると、平均分子量は３０００〜１３０００であることがより好ましい。この平均分子量であると、粘度指数が高く、流動点も高いため、低トルク化およびトルク変動の抑制の点で好ましい。
【００１３】
パーフルオロエーテル重合体の例としては、下記の（１）式に示すような、側鎖を有する構造のパーフルオロアルキルエーテル、下記の（２）式に示すような直鎖構造のパーフルオロアルキルエーテルが挙げられる。特に、直鎖構造のパーフルオロアルキルエーテルは、蒸発特性（蒸発し難いこと）および潤滑性能に優れている。
【００１４】
パーフルオロエーテル重合体の誘導体の例としては、下記の（１）式および（２）式の両末端基に、イソシアネート基、水酸基、カルボキシル基、およびエステル基が導入されたものが挙げられる。特に、水酸基が導入された誘導体が好ましく、その例としては下記の（３）式に示す構造のものが挙げられる。また、下記の（４）式に示すような、末端にアルコールが置換された構造のものも好ましい。
【００１５】
【化１】
【００１６】
【化２】
【００１７】
【化３】
【００１８】
【化４】
【００１９】
構造式が（１）式であるフッ素油としては、ＤＵＰＯＮＴ社の「クライトックス１４３」、「クライトックスＧＰＬ」、「クライトックス１５００」、ＡＳＩＭＯＮＮＴ社の「フォンブリンＹスタンダード」、ＮＯＫクリューバー社の「バリエルタＪフルード」が挙げられる。構造式が（２）式であるフッ素油としては、ダイキン工業社の「デムナム」、ＡＳＩＭＯＮＮＴ社の「フォンブリンＺ」等が挙げられる。構造式が（３）式であるフッ素油としては、ＡＳＩＭＯＮＮＴ社の「フォンブリンＺ誘導体」、ＤＵＰＯＮＴ社の「クライトックス１５７」、ダイキン工業社の「デムナム変性タイプ」が挙げられる。
【００２０】
これらのパーフルオロエーテル重合体およびその誘導体は、平均分子量や官能基が異なるものを任意に混合して使用することができる。これにより、粘度の調整や、金属への濡れ性の向上等を図ることができる。パーフルオロエーテル重合体の誘導体はパーフルオロエーテル重合体よりも蒸気圧が高いため、誘導体を混合する際には、蒸気圧の小さい直鎖構造のパーフルオロエーテル重合体を主体とし、誘導体は少量添加することが好ましい。
【００２１】
なお、これら以外のフッ素油としては、リンや窒素を基本骨格としているフルオロフォスファゼンが挙げられる。
フッ素グリースの増ちょう剤とするフッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレンが挙げられる。ポリテトラフルオロエチレンはフッ素油との親和性が高いため、ポリテトラフルオロエチレンを増ちょう剤として使用することにより、フッ素グリースのゲル構造を長期に渡って良好に維持することができる。使用可能なポリテトラフルオロエチレンとしては、ＤＵＰＯＮＴ社の「クライトックスＤＦ」が挙げられる。
【００２２】
また、本発明で使用するフッ素グリースは、必要に応じて、一般的なフッ素グリースに添加される各種添加剤が添加されたものであってもよい。
本発明の転がり軸受においては、フッ素グリースで潤滑することで生じる耐焼き付き性の低下を、ＤＬＣ層を設けることにより改善することができる。ＤＬＣ層による耐焼き付け性の向上効果を得るために、ＤＬＣ層の厚さは０．５μｍ以上１０μｍ以下とすることが好ましい。１０μｍを超えると内部応力が増大して自己破壊に至る恐れがある。０．５μｍ未満であるとＤＬＣ層が部分的に形成されない恐れがある。
【００２３】
また、ＤＬＣ層とこれを設ける構成部材の面との間に、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、珪素（Ｓｉ）等からなる中間層を設けることにより、ＤＬＣ層とこれを設ける構成部材の面との密着性を高くすることができる。さらに、硼素（Ｂ）や窒素（Ｎ）が添加されてＤＬＣ層を形成することで、耐焼き付け性をさらに向上できる。
【００２４】
本発明の転がり軸受は、構成部材として耐熱性樹脂からなる保持器を有し、この保持器の転動体が接触する面にダイヤモンドライクカーボン層が形成されていることが好ましい。
保持器を形成する耐熱性樹脂としては、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサファイド（ＰＰＳ）、ポリスルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、フェノール樹脂、ポリアミド（ナイロン６６）等が挙げられる。また、これらの耐熱性樹脂にガラス繊維、カーボン繊維、カーボンナノチューブ等の強化繊維が添加された複合材料を用いることにより、保持器の機械的強度を高くすることができる。さらに、耐熱性樹脂からなる保持器は、鉄鋼製あるいは銅製の保持器と比較して軽量である。
【００２５】
本発明の転がり軸受は、燃料電池の電極に圧縮気体を供給するコンプレッサに使用される転がり軸受として好適である。特に、圧縮気体吐出口近傍に使用される転がり軸受として好適である。
本発明はまた、燃料電池の電極に圧縮気体を供給するコンプレッサにおいて、本発明の転がり軸受が設置されていることを特徴とする燃料電池用コンプレッサを提供する。特に好ましい形態として、圧縮気体吐出口近傍に本発明の転がり軸受が設置されていることを特徴とする燃料電池用コンプレッサを提供する。
【００２６】
本発明の燃料電池用コンプレッサにおいては、圧縮気体吐出口近傍に設置されている転がり軸受が、フッ素グリースで潤滑されているとともに、ＤＬＣ層により耐焼き付き性が高いものとなっている。すなわち、前記転がり軸受は、良好な耐焼き付き性を有しながら、圧縮気体吐出口から吐出される圧縮空気中に汚染物質を混入させない。そのため、本発明のコンプレッサによれば、圧縮空気の供給先である電極の損傷と転がり軸受の早期焼き付きが防止されるため、コンプレッサおよびこれを備えた燃料電池の寿命を長くすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態に相当するニードル軸受（転がり軸受）を示す斜視図である。このニードル軸受は、外輪１と、ニードル状のころ（転動体）２と、保持器３とからなる。ここでは、以下のようにして、ＪＩＳ軸受系列記号「ＲＮＡ６９０４」に相当するニードル軸受を作製した。
【００２８】
外輪１およびころ２は、ＳＵＳ４４０Ｃからなる素材を用い通常の方法で所定形状に加工した後、通常の熱処理を行った。次に、外輪１およびころ２の表面全体に、下記の方法でＤＬＣ層を形成した。保持器３は、ＰＥＥＫにカーボン繊維を３０質量％含有する材料を射出成形した後、その表面全体に下記の方法でＤＬＣ層を形成した。また、前記材料で射出成形した後ＤＬＣ層を形成しない保持器も用意した。さらに、ＳＰＣＣ製の保持器として、ＤＬＣ膜を形成したものとしないものを用意した。
【００２９】
外輪１およびころ２に対するＤＬＣ層の形成は、（株）神戸製鋼所のアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置「５０４」を用いて行った。中間層としてＣｒとＮｉの混合層を約０．５μｍの厚さで形成した上に、ＤＬＣ層を２μｍの厚さで形成した。
保持器３に対するＤＬＣ層の形成は、（株）神戸製鋼所のアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置「５０４」を用いて行った。中間層としてＴｉ層を約０．５μｍの厚さで形成した上に、ＤＬＣ層を２μｍの厚さで形成した。
【００３０】
また、グリースとして、フッ素グリースであるＡと、基油が炭化水素の合成油であって増ちょう剤がウレアであるＢを用意した。Ａは、ダイキン工業（株）製の「デムナムＬ−２００」であり、Ｂは、協同油脂（株）製の「マルテンプＳＣ−Ｃ」である。
これらの外輪１、ころ２、保持器３、グリースを表１のように組み合わせて、図１のニードル軸受を６種類（サンプルＮｏ． １〜６）作製した。各サンプルについて、荷重：１００００Ｎ、回転速度：６０００ｒｐｍ、雰囲気温度：１８０℃の条件で回転する回転試験を行い、焼き付きが生じるまでの時間を調べた。その結果を図２のグラフに示す。各サンプルについて３個ずつ試験を行った。なお、Ｎｏ． １では５００時間を過ぎても焼き付きが生じなかったので、５００時間で回転試験を打ち切った。
【００３１】
【表１】
【００３２】
図２のグラフから、保持器の材質のみが異なるＮｏ． １とＮｏ． ２、Ｎｏ． ３とＮｏ． ４、Ｎｏ． ５とＮｏ． ６を比較すると、ＰＥＥＫ＋Ｃ（カーボン）繊維からなるＮｏ． １，３，５は、ＳＰＣＣからなるＮｏ． ２，４，６よりも耐焼き付き性に優れていることが分かる。また、保持器のＤＬＣ層の有り無しのみが異なるＮｏ． １とＮｏ． ３との比較、およびＮｏ． ２とＮｏ． ４との比較から、ＤＬＣ層を設けることで耐焼き付き性が向上することが分かる。
【００３３】
また、Ｎｏ． １〜６のニードル軸受を発塵性試験装置にかけて、回転時にニードル軸受から生じる発塵量を測定した。この発塵性試験装置は、クリーンエアが導入される密閉空間と、この密閉空間内に配置された回転軸およびハウジングと、パーティクルカウンタとを備えている。回転軸は密閉空間から外部に貫通配置されて密閉空間の壁材に磁気シールユニットにより取り付けられ、密閉空間内に異物が混入されないようになっている。また、密閉空間の壁材にはクリーンエアの導入口と、パーティクルカウンタへの空気導出口が形成されている。
【００３４】
この発塵性試験装置の回転軸とハウジングとの間に各ニードル軸受を取り付けた後に、試験装置内を密閉した。次に、荷重：１００００Ｎ、回転速度：３００ｒｐｍ、雰囲気温度：室温の条件で回転軸を回転し、１０分毎にパーティクルカウンタで発塵量（０．５０μｍ以下のパーティクルの個数）を測定した。その結果を図３のグラフに示す。
【００３５】
図３のグラフから、フッ素グリースを用いたＮｏ． １〜４は、一般グリースを用いたＮｏ． ５，６と比較して発塵量が少ないことが分かる。また、Ｎｏ． １〜４のうち、保持器がＰＥＥＫ＋Ｃ（カーボン）繊維からなりＤＬＣ層を有するＮｏ． １の発塵性が特に優れていることが分かる。
以上の結果から、外輪１ところ２と保持器３とからなるニードル軸受では、外輪１ところ２がともにＳＵＳ４４０Ｃ製で表面にＤＬＣ層を有し、保持器３がＳＰＣＣ製またはＰＥＥＫ＋Ｃ（カーボン）繊維製でＤＬＣ層を有し、フッ素グリースで潤滑する構成とすることにより、耐焼き付け性と低発塵性の両方に優れたものが得られる。したがって、このニードル軸受は、図４に示す「燃料電池の電極に圧縮気体を供給するスクロール式コンプレッサ」のニードル軸受２１２として好適なものとなる。
【００３６】
なお、本発明の転がり軸受は図１のような内輪無しのニードル軸受に限定されず、内輪、外輪、転動体、および保持器からなる一般的な転がり軸受や、保持器を有さない転がり軸受にも適用できる。
また、本発明の転がり軸受は、「燃料電池の電極に圧縮空気を供給するインペラ式コンプレッサ」に使用される転がり軸受としても（特に、圧縮気体吐出口近傍に使用される転がり軸受として）好適である。このインペラ式コンプレッサの一例を図５に示す。
【００３７】
このコンプレッサは、回転軸５１、インペラ５２、転がり軸受５３，５４、ブッシュ５５、バックル５６、ハウジング５７、バックプレート５８、リアハウジング６０等で構成されている。ハウジング５７には吸気口５７１と吐出口５７２が設けてある。ハウジング５７とバックプレート５８とにより加圧ボリュート５９が形成されている。回転軸５１の回転によりインペラ５２が回転し、吸気口５７１から吸い込まれた空気がインペラ５２の遠心力で加圧され、加圧ボリュート５９を通って吐出口５７２から、燃料電池のカソードに向けて圧縮空気が排出される。
【００３８】
リアハウジング６０には、潤滑油の導入口６１と導出口６２が形成されている。コンプレッサ起動時等の低速回転時にはインペラ５２の背面空間５２１が負圧になるため、ブッシュ５５とバックプレート５８との間の隙間から潤滑油が背面空間５２１に吸い込まれることがある。これを防止するためにシールリング６３やバックル５６を設けているが、これだけでは完全に防止できない。背面空間５２１に入った潤滑油が圧縮空気とともに吐出口５７２から燃料電池のカソードに入ると、カソードに損傷が生じる恐れが有る。
【００３９】
したがって、このインペラ式コンプレッサの転がり軸受５３，５４として、耐焼き付け性と低発塵性の両方に優れた本発明の転がり軸受を使用することにより、圧縮空気の供給先であるカソードが損傷し難くなるとともに、コンプレッサの寿命を長くすることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池の電極に圧縮気体を供給するコンプレッサ用として好適な転がり軸受が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に相当するニードル軸受（転がり軸受）を示す斜視図である。
【図２】実施形態で行った耐焼き付き性試験の結果を示すグラフである。
【図３】実施形態で行った発塵性試験の結果を示すグラフである。
【図４】燃料電池のカソード側へ圧縮空気を供給するスクロール式コンプレッサの一例を示す断面図である。
【図５】燃料電池のカソード側へ圧縮空気を供給するインペラ式コンプレッサの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 外輪
２ ころ（転動体）
３ 保持器
１０ 圧縮機構部
１１ 固定スクロール
１２ 旋回スクロール
１１１ａ 燃料電池のカソード（酸素極）に向かう吐出口
２０ クランク機構部
２１ 駆動クランク機構
２１１ クランクピン
２１２ ニードル軸受
２１２ａ 外輪
２１２ｂ ころ
２１２ｃ 保持器
２２ 従動クランク機構
３０ 駆動モータ部
３３ モータ
４０ モータ主軸
５１ 回転軸
５２ インペラ
５３，５４ 転がり軸受
５５ ブッシュ
５６ バックル
５７ ハウジング
５８ バックプレート
５９ 加圧ボリュート
６０ リアハウジング
５７１ 吸気口
５７２ 燃料電池のカソード（酸素極）に向かう吐出口[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a rolling bearing suitable for a compressor for supplying a compressed gas to an electrode of a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
In the basic structure of a fuel cell, a cell in which both surfaces of an electrolyte membrane are sandwiched between a cathode (oxygen electrode) and an anode (fuel electrode) is defined as one cell, and a plurality of cells are stacked with a separator interposed therebetween. In addition, gas passages are formed on the front and back surfaces of each separator, and oxygen in the air is supplied to the cathode side as oxidant gas, and hydrogen is supplied to the anode side as fuel gas.
[0003]
Therefore, the fuel cell includes an air supply device that supplies compressed air to the cathode side, and a circulation device that supplies hydrogen to the anode side. The drive system of these devices includes a turbocharger system in which a compressor is driven by an exhaust gas turbine, and a motor drive system in which a compressor is driven by a motor.
FIG. 4 shows a scroll compressor that supplies compressed air to the cathode side of a fuel cell.
[0004]
The scroll compressor includes a compression mechanism 10, a crank mechanism 20, and a drive motor 30. The compression mechanism unit 10 includes a fixed scroll 11 and an orbiting scroll 12, and a space formed by the scrolls 11, 12 functions as a compression chamber. At the center of the base 111 of the fixed scroll 11, there is provided a discharge port 111a toward the cathode (oxygen electrode) of the fuel cell. At the center of the orbiting scroll 12, a bottomed cylindrical concave portion 121 is provided.
[0005]
The crank mechanism section 20 includes a drive crank mechanism 21 that causes the orbiting scroll 12 to make a revolving (orbiting) motion, and a driven crank mechanism 22 that prevents the orbiting scroll 12 from rotating. The drive crank mechanism 21 includes a concave portion 121 of the orbiting scroll 12, a crankpin 211 provided eccentrically with respect to the motor main shaft 40, and a needle bearing 212 that rotatably supports the crankpin 211 with respect to the concave portion 121. . The needle bearing 212 includes an outer ring 212a and a place 212b and a retainer 212c. The driven crank mechanism 22 includes a ball coupling.
[0006]
The drive motor unit 30 includes a center housing 31, a rear housing 32, and a motor 33 housed therebetween. The rotor 33a of the motor 33 is fixed to the motor main shaft 40, and the stator 33b is fixed to the center housing 31.
When electric power is supplied to the motor 33, the motor main shaft 40 rotates, and the orbiting scroll 12 orbits while engaging with the fixed scroll 11 via the drive crank mechanism 21. At the same time, air is sucked into the space formed by the scrolls 11 and 12, and the volume of the space is reduced by the turning of the orbiting scroll 12, so that the sucked air is compressed and discharged from the discharge port 111a. The compressed air discharged from the discharge port 111a is supplied to the cathode of the fuel cell.
[0007]
In this compressor, it is necessary to prevent contaminants from being mixed into the compressed air discharged from the discharge port 111a in order to prevent damage to the cathode to which the compressed air is supplied. Therefore, as the lubricant, it is preferable to use not a general grease using a hydrocarbon as the base oil, but a fluorine grease in which the base oil is made of a fluorine oil and the thickener is made of a fluorine resin. Fluorine grease hardly evaporates and therefore has low dust generation.
[0008]
The use of fluorine grease for rolling bearings is described in Patent Documents 1 and 2 below. Patent documents 3 to 5 below describe a compressor for a combustion battery and a fuel cell.
Further, Patent Literature 6 described below discloses a slidability comprising a diamond-like carbon (DLC) film or the like on the outer peripheral surface of the cage or the inner peripheral surface of the outer ring and / or the inner peripheral surface of the cage or the outer peripheral surface of the inner ring. It is described that a reduction film is formed. Patent Document 6 also discloses a cage formed of a heat-resistant resin such as PEEK and having a DLC film formed on an outer peripheral surface.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-5-202944 [Patent Document 2]
JP 2001-173667 A [Patent Document 3]
JP-A-11-307112 [Patent Document 4]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-070764 [Patent Document 5]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-002192 [Patent Document 6]
JP 2002-227845 A
[Problems to be solved by the invention]
However, fluorine grease has low lubricating performance as compared with general grease, and may have insufficient wear resistance and seizure resistance depending on use conditions. For example, in the above-described compressor, since the needle bearing 121 becomes high temperature (about 180 ° C.) during driving, lubrication of the needle bearing 121 with fluorine grease may result in insufficient seizure resistance.
The present invention has been made to solve such an unsolved problem of the related art, and has an object to provide a rolling bearing suitable for a compressor that supplies a compressed gas to an electrode of a fuel cell.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention includes at least an outer ring and a rolling element as constituent members, is installed between a shaft and a housing, and the rolling element rotates one of the shaft and the housing with respect to the other. A rolling bearing which is lubricated with fluorine grease and has a diamond-like carbon layer on at least one of a surface with which the rolling elements of the components other than the rolling elements contact and a rolling surface of the rolling elements. The present invention provides a rolling bearing characterized in that a rolling bearing is formed.
[0012]
As the fluorine oil used as the base oil of the fluorine grease, a perfluoroether polymer and a derivative thereof are preferable. Further, a polymer having “-C X F 2X -O-” (X = 1 to 4 as an integer) as a repeating unit and having an average molecular weight of 1,000 to 15,000 is particularly preferable. In consideration of lubrication performance and torque performance, the average molecular weight is more preferably 3000-13000. With this average molecular weight, the viscosity index is high and the pour point is high, so that it is preferable in terms of lowering torque and suppressing torque fluctuation.
[0013]
Examples of the perfluoroether polymer include a perfluoroalkyl ether having a side chain structure as shown in the following formula (1) and a perfluoroalkyl ether having a linear structure as shown in the following formula (2). Is mentioned. In particular, a linear-structured perfluoroalkyl ether is excellent in evaporation characteristics (it is difficult to evaporate) and lubrication performance.
[0014]
Examples of perfluoroether polymer derivatives include those in which an isocyanate group, a hydroxyl group, a carboxyl group, and an ester group are introduced into both terminal groups of the following formulas (1) and (2). Particularly, a derivative into which a hydroxyl group is introduced is preferable, and examples thereof include those having a structure represented by the following formula (3). Further, those having a structure in which an alcohol is substituted at the terminal as shown in the following formula (4) are also preferable.
[0015]
Embedded image
[0016]
Embedded image
[0017]
Embedded image
[0018]
Embedded image
[0019]
Examples of the fluorine oil having the structural formula (1) include “Krytox 143”, “Crytox GPL”, and “Crytox 1500” by Dupont, “Fomblin Y Standard” by ASIMONNT, and NOK Kluber. "Varierta J Fluid" is an example. Examples of the fluorine oil having the structural formula (2) include “Demnum” by Daikin Industries, and “Fomblin Z” by ASIONNTNT. Examples of the fluorine oil having the structural formula (3) include “Fomblin Z Derivative” manufactured by ASIMONNT, “Crytox 157” manufactured by DUPONT, and “Demnum Modified Type” manufactured by Daikin Industries, Ltd.
[0020]
These perfluoroether polymers and derivatives thereof can be used by arbitrarily mixing those having different average molecular weights and different functional groups. Thereby, adjustment of viscosity, improvement of wettability to metal, and the like can be achieved. Since the perfluoroether polymer derivative has a higher vapor pressure than the perfluoroether polymer, when mixing the derivatives, the perfluoroether polymer having a linear structure with a low vapor pressure is mainly used, and a small amount of the derivative is added. Is preferred.
[0021]
It should be noted that other fluoro oils include fluorophosphazene having phosphorus or nitrogen as a basic skeleton.
Polytetrafluoroethylene is mentioned as a fluororesin used as a thickener for fluorine grease. Since polytetrafluoroethylene has a high affinity for fluorine oil, by using polytetrafluoroethylene as a thickener, the gel structure of fluorine grease can be maintained well for a long period of time. Examples of usable polytetrafluoroethylene include "CRYTOX DF" manufactured by DUPONT.
[0022]
Further, the fluorine grease used in the present invention may be one to which various additives added to general fluorine grease are added, if necessary.
In the rolling bearing of the present invention, a decrease in seizure resistance caused by lubrication with fluorine grease can be improved by providing a DLC layer. In order to obtain the effect of improving the seizure resistance by the DLC layer, the thickness of the DLC layer is preferably 0.5 μm or more and 10 μm or less. If it exceeds 10 μm, internal stress may increase and self-destruction may occur. If it is less than 0.5 μm, the DLC layer may not be partially formed.
[0023]
In addition, an intermediate layer made of nickel (Ni), chromium (Cr), tungsten (W), titanium (Ti), silicon (Si), or the like is provided between the DLC layer and the surface of the component on which the DLC layer is provided. The adhesion between the DLC layer and the surface of the component on which the DLC layer is provided can be increased. Further, by adding boron (B) or nitrogen (N) to form the DLC layer, the burning resistance can be further improved.
[0024]
The rolling bearing of the present invention preferably has a cage made of a heat-resistant resin as a constituent member, and preferably has a diamond-like carbon layer formed on the surface of the cage that contacts the rolling elements.
Examples of the heat-resistant resin forming the retainer include polyetheretherketone (PEEK), polyphenylene sulfide (PPS), polysulfone (PSF), polyethersulfone (PES), polyphthalamide (PPA), and polyarylate (PAR). ), Polyetherimide (PEI), polyimide (PI), phenolic resin, polyamide (nylon 66) and the like. Further, by using a composite material in which reinforcing fibers such as glass fiber, carbon fiber, and carbon nanotube are added to these heat-resistant resins, the mechanical strength of the cage can be increased. Furthermore, a cage made of a heat-resistant resin is lighter in weight than a steel or copper cage.
[0025]
The rolling bearing of the present invention is suitable as a rolling bearing used for a compressor that supplies a compressed gas to an electrode of a fuel cell. In particular, it is suitable as a rolling bearing used near the compressed gas discharge port.
The present invention also provides a compressor for a fuel cell, wherein the rolling bearing of the present invention is installed in a compressor for supplying a compressed gas to an electrode of a fuel cell. As a particularly preferred embodiment, there is provided a compressor for a fuel cell, wherein the rolling bearing of the present invention is provided near a compressed gas discharge port.
[0026]
In the fuel cell compressor of the present invention, the rolling bearing installed near the compressed gas discharge port is lubricated with fluorine grease and has high seizure resistance due to the DLC layer. That is, the rolling bearing has good seizure resistance and does not mix contaminants into the compressed air discharged from the compressed gas discharge port. Therefore, according to the compressor of the present invention, damage to the electrode to which the compressed air is supplied and premature seizure of the rolling bearing are prevented, so that the life of the compressor and the fuel cell including the compressor can be extended.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 is a perspective view showing a needle bearing (rolling bearing) corresponding to one embodiment of the present invention. The needle bearing includes an outer ring 1, needle rollers (rolling elements) 2, and a cage 3. Here, a needle bearing corresponding to the JIS bearing series symbol "RNA6904" was manufactured as follows.
[0028]
The outer ring 1 and the rollers 2 were processed into a predetermined shape by a normal method using a material made of SUS440C, and then subjected to a normal heat treatment. Next, a DLC layer was formed on the entire surface of the outer ring 1 and the rollers 2 by the following method. The cage 3 was formed by injection molding a material containing 30% by mass of carbon fiber in PEEK, and then formed a DLC layer on the entire surface by the following method. Further, a cage in which a DLC layer was not formed after injection molding with the above material was also prepared. Further, as SPCC-made cages, those with and without a DLC film were prepared.
[0029]
The formation of the DLC layer on the outer ring 1 and the rollers 2 was performed using an unbalanced magnetron sputtering apparatus “504” of Kobe Steel Ltd. A mixed layer of Cr and Ni was formed with a thickness of about 0.5 μm as an intermediate layer, and a DLC layer was formed with a thickness of 2 μm.
The formation of the DLC layer on the cage 3 was performed using an unbalanced magnetron sputtering apparatus “504” of Kobe Steel Ltd. A Ti layer was formed with a thickness of about 0.5 μm as an intermediate layer, and a DLC layer was formed with a thickness of 2 μm.
[0030]
Further, as grease, A which is a fluorine grease and B where the base oil is a synthetic oil of hydrocarbon and the thickener is urea were prepared. A is "Demnum L-200" manufactured by Daikin Industries, Ltd., and B is "Multemp SC-C" manufactured by Kyodo Yushi Co., Ltd.
These outer ring 1, roller 2, cage 3, and grease were combined as shown in Table 1 to produce six types of needle bearings (Sample Nos. 1 to 6) in FIG. For each sample, a rotation test was performed under the conditions of load: 10000 N, rotation speed: 6000 rpm, and ambient temperature: 180 ° C., and the time until seizure occurred was examined. The results are shown in the graph of FIG. Three tests were performed for each sample. In addition, No. In sample No. 1, no burn-in occurred even after 500 hours, so the rotation test was terminated after 500 hours.
[0031]
[Table 1]
[0032]
From the graph of FIG. 1 and No. 2, No. 3 and No. 4, no. 5 and No. 5 No. 6 made of PEEK + C (carbon) fiber, Nos. 1, 3, and 5 are SPCC Nos. It turns out that it is more excellent in the seizure resistance than 2,4,6. No. 2 differs only in the presence or absence of the DLC layer of the cage. 1 and No. No. 3 and No. 3 2 and No. Comparison with No. 4 shows that the provision of the DLC layer improves the seizure resistance.
[0033]
No. The needle bearings Nos. 1 to 6 were subjected to a dust test apparatus to measure the amount of dust generated from the needle bearing during rotation. The dust test apparatus includes a sealed space into which clean air is introduced, a rotating shaft and a housing arranged in the sealed space, and a particle counter. The rotating shaft is arranged so as to penetrate from the closed space to the outside, and is attached to a wall material of the closed space by a magnetic seal unit so that foreign matter is not mixed into the closed space. In addition, an inlet for clean air and an outlet for air to the particle counter are formed in the wall material of the closed space.
[0034]
After attaching each needle bearing between the rotating shaft and the housing of this dusting test device, the inside of the test device was sealed. Next, the rotating shaft was rotated under the conditions of load: 10000 N, rotation speed: 300 rpm, ambient temperature: room temperature, and the amount of generated particles (the number of particles of 0.50 μm or less) was measured every 10 minutes by a particle counter. The results are shown in the graph of FIG.
[0035]
From the graph of FIG. No. 1 to No. 4 using general grease were used. It can be seen that the amount of dust generation is smaller than that of Nos. 5 and 6. No. No. 1 to No. 4 in which the cage was made of PEEK + C (carbon) fiber and had a DLC layer. It can be seen that the dust generation of No. 1 is particularly excellent.
From the above results, in the needle bearing composed of the outer ring 1 and 2 and the cage 3, both the outer ring 1 and 2 are made of SUS440C and have a DLC layer on the surface, and the cage 3 is made of SPCC or PEEK + C (carbon) fiber. By having a DLC layer and lubricating with fluorine grease, a material excellent in both seizure resistance and low dust generation can be obtained. Therefore, this needle bearing is suitable as the needle bearing 212 of the “scroll compressor that supplies compressed gas to the electrodes of the fuel cell” shown in FIG.
[0036]
The rolling bearing of the present invention is not limited to a needle bearing without an inner ring as shown in FIG. 1, but is a general rolling bearing including an inner ring, an outer ring, a rolling element, and a cage, and a rolling bearing without a cage. Also applicable to
Further, the rolling bearing of the present invention is suitable as a rolling bearing used for an “impeller type compressor that supplies compressed air to the electrodes of a fuel cell” (particularly as a rolling bearing used near a compressed gas discharge port). is there. FIG. 5 shows an example of this impeller type compressor.
[0037]
This compressor includes a rotating shaft 51, an impeller 52, rolling bearings 53 and 54, a bush 55, a buckle 56, a housing 57, a back plate 58, a rear housing 60, and the like. The housing 57 has an intake port 571 and a discharge port 572. A pressure volute 59 is formed by the housing 57 and the back plate 58. The rotation of the rotation shaft 51 rotates the impeller 52, and the air sucked in from the intake port 571 is pressurized by the centrifugal force of the impeller 52, passes through the pressurized volute 59, and from the discharge port 572 toward the cathode of the fuel cell. The compressed air is discharged.
[0038]
The rear housing 60 has an inlet 61 and an outlet 62 for lubricating oil. At the time of low-speed rotation such as when the compressor is started, the back space 521 of the impeller 52 is under negative pressure, so that lubricating oil may be sucked into the back space 521 from the gap between the bush 55 and the back plate 58. To prevent this, the seal ring 63 and the buckle 56 are provided, but this alone cannot completely prevent it. If the lubricating oil that has entered the rear space 521 enters the cathode of the fuel cell through the outlet 572 together with the compressed air, the cathode may be damaged.
[0039]
Therefore, by using the rolling bearing of the present invention which is excellent in both seizure resistance and low dust generation as the rolling bearings 53 and 54 of the impeller type compressor, the cathode to which the compressed air is supplied is hardly damaged. In addition, the life of the compressor can be prolonged.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a rolling bearing suitable for a compressor for supplying a compressed gas to an electrode of a fuel cell is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a needle bearing (rolling bearing) corresponding to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the results of a seizure resistance test performed in the embodiment.
FIG. 3 is a graph showing the results of a dusting test performed in the embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an example of a scroll compressor that supplies compressed air to a cathode side of a fuel cell.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of an impeller type compressor that supplies compressed air to a cathode side of a fuel cell.
[Explanation of symbols]
1 outer ring 2 roller (rolling element)
3 Cage 10 Compression Mechanism 11 Fixed Scroll 12 Orbiting Scroll 111a Discharge Port 20 Ahead to Fuel Cell Cathode (Oxygen Electrode) Crank Mechanism 21 Drive Crank Mechanism 211 Crank Pin 212 Needle Bearing 212a Outer Ring 212b Roller 212c Cage 22 Follower Crank Mechanism 30 drive motor unit 33 motor 40 motor main shaft 51 rotating shaft 52 impeller 53, 54 rolling bearing 55 bush 56 buckle 57 housing 58 back plate 59 pressurized volute 60 rear housing 571 intake port 572 toward the cathode (oxygen electrode) of the fuel cell Discharge port
