JP2006275131A - 転がり軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
高温下の使用においても嵌合シメシロの低下を抑制し、長期間に亘って耐久性の向上を図った転がり軸受装置を提供する。
【解決手段】
円筒状のハウジング２と、このハウジング２に内挿され、コンプレッサ部品が固定された回転軸３と、この回転軸３に圧入された内輪１３と、ハウジング２にすきまばめされた外輪１２と、これら内外輪間に転動自在に収容された複数の転動体１５を有する密封型の一対の転がり軸受４とを備えた転がり軸受装置において、内輪１３および外輪１２が軸受鋼ＳＵＪ２で形成されると共に、少なくとも内輪１３が２００〜２５０℃の範囲で高温焼戻しされ、鋼材内の残留オーステナイト量が１〜３ｗ％の範囲に規制されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、インペラ式コンプレッサ等の部品が固定された回転軸を支承する転がり軸受装置に関し、特に、燃料電池用のコンプレッサ装置に用いられる転がり軸受装置に関するものである。

燃料電池は、外部から供給された水素と酸素とを化学反応させて電気エネルギーを取り出す発電装置で、この燃料電池に用いられる電解質によって、例えば、自動車用の燃料電池に一般的に適用される固体高分子型をはじめ、リン酸電解質型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等の種類に分類されている。いずれの形式の燃料電池にあっても、電解質または電解質膜の両面をカソード（酸素極）とアノード（燃料極）の両電極で挟持させ、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共に、アノード側には燃料ガスとして水素を供給するようにしたものを単セルとし、セパレータを介した各セルを積層させてスタックとするようにしている。

このような燃料電池のカソード側へ空気を圧送して供給するために、排ガスタービンによりコンプレッサを駆動させるようにした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ようにしたモータ駆動方式がある。また、燃料電池に酸素および水素を供給する際、例えば、固体高分子型等では、燃料として直接水素を使用する直接水素型においても、水蒸気を加えて反応させる必要がある。さらに、例えば、燃料にガソリン等を使用する改質燃料型においては、非常に高温の水蒸気が必要となる。このように水蒸気を必要とするため、エネルギー効率を上げる目的で一般的に水蒸気を圧送するコンプレッサが使用されている。

このコンプレッサにおいては、回転軸に取り付けられたインペラを回転自在に支承するのに転がり軸受が使用されるが、インペラの背面空間が負圧から正圧になる時に水蒸気が転がり軸受内に侵入する場合がある。一般的に、転がり軸受のうち回転側となる内輪と回転軸のハメアイはしまりばめとし、固定側となる外輪とハウジングはすきまばめとするため、すきまばめとされる外輪とハウジングとの隙間から水蒸気等が転がり軸受装置の内部に侵入してくる恐れがある。

この問題を解決したものとして、図５に示す転がり軸受装置が知られている。この転がり軸受装置５０は、ハウジング５１と、このハウジング５１に嵌挿された回転軸５２と、ハウジング５１に対して回転軸５２を回転自在に支承する一対の転がり軸受５３、５４とを備えている。

回転軸５２の一端部は一方の転がり軸受５３から突出し、その先端側にインペラ５５が取り付けられている。このインペラ５５の背面と転がり軸受５３との間にはシール部が設けられている。このシール部は、回転軸５２に外挿されたブッシュ５６と、このブッシュ５６の外周面に形成された溝に装着されたシーリング部材５７と、バックプレート５８と転がり軸受５３との間に配設されたバッフル５９とを備えている。ここで、シーリング部材５７はブッシュ５６の外周面とバックプレート５８の内周面との隙間を密封している。また、ブッシュ５６の端部は転がり軸受５３の内輪５３ｂの側面に当接されている。

この転がり軸受装置５０は、回転軸５２の高速回転に伴ってインペラ５５が回転し、水蒸気吸込み口６０から吸い込まれた水蒸気がインペラ５５によって加圧され、インペラハウジング６１とバックプレート５８とで形成される加圧ボリュート６２を通って水蒸気吐出し口６３から圧送される。

ここで、一対の転がり軸受５３、５４において、内輪５３ｂ、５４ｂ側は回転軸５２としまりばめとなっているが、外輪５３ａ、５４ａ側はハウジング５１とすきまばめとなっている。そして、図６に示すように、外輪５３ａ、５４ａの外周面には環状溝６４が形成され、この環状溝６４にＯリング６５が装着されている。このＯリング６５が外輪５３ａ、５４ａとハウジング５１とに密着し、両者間の隙間が密封されている。これにより、インペラ５５の背面空間６６が負圧から正圧になる時に、水蒸気等が一対の転がり軸受５３、５４の内部に侵入するのを防止することができる。
特開２００３−２０２０１８号公報

このように、従来の転がり軸受装置５０においては、転がり軸受５３、５４の嵌合部の隙間から水蒸気等が侵入するのを防止するため、ハウジング５１とすきまばめとなる外輪５３ａ、５４ａの外周面に環状溝６４が形成され、この環状溝６４にＯリング６５が装着されている。しかしながら、燃料電池用のコンプレッサ装置における動作温度は、室温から１５０℃前後となるため、通常、ＳＵＪ２等の高炭素クロム鋼で形成されているこれらの転がり軸受５３、５４は、長時間の使用による経年変化（寸法変化）が生じる恐れがある。すなわち、鋼材内の残留オーステナイトのマルテンサイト変態による経年変化（体積膨張）により、例えば、転がり軸受５３、５４の内輪５３ｂ、５４ｂと回転軸５２とのはめあいが変化（シメシロの低下）し、ここから水蒸気等の異物が軸受部に侵入するだけでなく、内輪５３ｂ、５４ｂに軸受クリープが発生して焼付いたり、短寿命を誘発する恐れがあった。ここで、軸受クリープとは、嵌合シメシロ不足や嵌合面の加工精度不良等により軸受が周方向に微動して嵌合面が鏡面化し、場合によってはかじりを伴い焼付きや溶着する現象をいう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、高温下の使用においても嵌合シメシロの低下を抑制し、長期間に亘って耐久性の向上を図った転がり軸受装置を提供することを目的としている。

係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項１記載の発明は、燃料電池のコンプレッサ装置に用いられる転がり軸受装置であって、円筒状のハウジングと、このハウジングに嵌挿され、前記コンプレッサ装置の部品が固定された回転軸と、この回転軸に圧入された内輪と、前記ハウジングにすきまばめされた外輪と、これら内外輪間に転動自在に収容された複数の転動体とを有する密封型の一対の転がり軸受とを備え、これら一対の転がり軸受によって、前記ハウジングに対して前記回転軸が回転自在に支承された転がり軸受装置において、少なくとも前記内輪に耐熱処理が施され、鋼材内の残留オーステナイト量が５ｗ％以下に規制されている構成を採用した。

このように、燃料電池のコンプレッサ装置に用いられる転がり軸受装置であって、円筒状のハウジングに対して、コンプレッサ装置の部品が固定された回転軸を回転自在に支承する一対の転がり軸受を備えた転がり軸受装置において、少なくとも内輪に耐熱処理が施され、鋼材内の残留オーステナイト量が５ｗ％以下に規制されているので、高温下の使用においても嵌合シメシロの低下を抑制し、長期間に亘って耐久性の向上を図った転がり軸受装置を提供することができる。

好ましくは、請求項２に記載の発明のように、前記残留オーステナイト量が１〜３ｗ％の範囲に設定されていれば、寸法変化量を所定値以下に抑制して嵌合シメシロを確保することができ、軸受クリープの発生を確実に防止することができる。

また、請求項３に記載の発明のように、前記内輪が軸受鋼ＳＵＪ２で形成され、高温焼戻しされていれば、硬度低下を抑制することができ、軸受の耐久性を確保することができる。

また、請求項４に記載の発明のように、前記内輪の両幅面に環状溝が形成されると共に、これらの環状溝に弾性リングが装着され、相手部材、例えば、回転軸の肩部等に弾性接触していれば、外部から異物が内輪と回転軸との嵌合部を通って一対の転がり軸受の内部に侵入するのを防止することができる。

また、請求項５に記載の発明のように、前記外輪の外径面に環状溝が形成されると共に、この環状溝に弾性リングが装着され、前記ハウジングの内径に弾性接触していれば、外部から異物が外輪とハウジングとの嵌合部を通って一対の転がり軸受の内部に侵入するのを防止することができる。

本発明に係る転がり軸受装置は、燃料電池のコンプレッサ装置に用いられる転がり軸受装置であって、円筒状のハウジングと、このハウジングに嵌挿され、前記コンプレッサ装置の部品が固定された回転軸と、この回転軸に圧入された内輪と、前記ハウジングにすきまばめされた外輪と、これら内外輪間に転動自在に収容された複数の転動体とを有する密封型の一対の転がり軸受とを備え、これら一対の転がり軸受によって、前記ハウジングに対して前記回転軸が回転自在に支承された転がり軸受装置において、少なくとも前記内輪に耐熱処理が施され、鋼材内の残留オーステナイト量が５ｗ％以下に規制されているので、高温下の使用においても嵌合シメシロの低下を抑制し、長期間に亘って耐久性の向上を図った転がり軸受装置を提供することができる。

燃料電池のコンプレッサ装置に用いられる転がり軸受装置であって、円筒状のハウジングと、このハウジングに嵌挿され、前記コンプレッサ装置の部品が固定された回転軸と、この回転軸に圧入された内輪と、前記ハウジングにすきまばめされた外輪と、これら内外輪間に転動自在に収容された複数の転動体とを有する密封型の一対の転がり軸受とを備え、これら一対の転がり軸受によって、前記ハウジングに対して前記回転軸が回転自在に支承された転がり軸受装置において、前記内輪および外輪が軸受鋼ＳＵＪ２で形成されると共に、少なくとも前記内輪が２００〜２５０℃の範囲で高温焼戻しされ、鋼材内の残留オーステナイト量が１〜３ｗ％の範囲に規制されている。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る転がり軸受装置の第１の実施形態を示す縦断面図、図２は、図１の軸受部を示す要部拡大図である。なお、以下の説明では、コンプレッサ部品（インペラ）側をインボード側（図面左側）、外部側をアウトボード側（図面右側）という。

この転がり軸受装置１は、ハウジング２と、このハウジング２に嵌挿された回転軸３と、ハウジング２に対して回転軸３を回転自在に支承する一対の転がり軸受４、４とを備えている。

回転軸３の一端部はインボード側の転がり軸受４から突出し、その先端側に固定ナット５を介してインペラ６が取り付けられている。ハウジング２は、円筒状のハウジング本体２ａと、このハウジング本体２ａに取り付けられた蓋部材２１とからなる。この蓋部材２１の内周には回転軸３に摺接する軸シール２１ａが装着され、ハウジング２の開口部が閉塞されている。ハウジング本体２ａのインボード側の内周には小径部７が形成され、回転軸３の肩部３ａと僅かな径方向すきまを介して対峙し、所謂ラビリンスシール８が構成されている。このラビリンスシール８によってインペラ６の背面６ａと転がり軸受４とが閉塞されている。

この転がり軸受装置１は、回転軸３の高速回転に伴ってインペラ６が回転し、水蒸気吸込み口９から吸い込まれた水蒸気が、インペラ６によって加圧され、インペラハウジング１０とハウジング２とで形成される加圧ボリュート１１を通って圧送される。

ここで、一対の転がり軸受４、４は深溝玉軸受からなり、図２に拡大して示すように、内周に外側転走面１２ａが形成された外輪１２と、外周に内側転走面１３ａが形成された内輪１３と、両転走面１２ａ、１３ａ間に保持器１４を介して転動自在に収容された転動体（ボール）１５と、外輪１２の両端部に装着されたシール１６、１６とを備えている。このシール１６、１６により軸受内部に封入された潤滑グリースが外部に漏洩するのを防止すると共に、外部から水蒸気等の異物が軸受内部に侵入するのを防止している。

外輪１２、１２間および内輪１３、１３間には間座１７、１８が装着され、一対の転がり軸受４、４が位置決めされている。すなわち、外輪１２、１２は、間座１７とハウジング本体２ａおよび蓋部材２１により挟持された状態で軸方向に位置決め固定されると共に、内輪１３、１３は、間座１８と回転軸３の肩部３ａおよびアウトボード側に螺着された固定ナット２１により挟持された状態で位置決め固定されている。なお、一対の転がり軸受４、４をアンギュラ玉軸受とし、間座１７、１８により転がり軸受４、４に予圧を付与するようにしても良い。これにより、回転軸３の触れを抑制することができ、転がり軸受装置１の剛性を向上させることができる。

転がり軸受４のシール１６は、断面が略Ｌ字状に形成された鋼板製の芯金１９と、この芯金１９に加硫接着され、ゴム等の弾性部材からなるシール部材２０とを備えている。このシール部材２０は、内縁部に二股状に形成されたシールリップ２０ａ、２０ｂを一体に有している。

また、シール部材２０は、耐熱性、耐薬品性に優れたポリアクリルゴム、フッ素ゴム、あるいはエチレン・プロピレンゴムで形成されている。中でも、エチレン・プロピレンゴムは、オレフィン系ゴムの一種で、エチレンとプロピレンの共重合体であるＥＰＭと、エチレンとプロピレンおよび架橋用のジエンモノマーとの三元共重合体であるＥＰＤＭの２種類がある。とりわけＥＰＤＭは、非共役ジエンモノマーである第３成分を共重合することで硫黄架橋（加硫）が可能で、天然ガスやメタノール、あるいはアセトン等のガスに対しても耐久性を有し、アセトンに弱いフッ素ゴムに比べ低コストでポリアクリルゴム相当の耐薬品性を有している。これにより、長期間の運転において、有機ガスによるシール１６の劣化や摩耗を防止し、軸受内部に水蒸気等が侵入するのを防止することができる。

ここで、転がり軸受４の外輪１２および内輪１３は、ＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼で形成され、少なくとも、内輪１３が、耐熱処理により、鋼材内の残留オーステナイト量が３〜５ｗ％、好ましくは、１〜３ｗ％の範囲に規制されている。具体的には、焼入れ加熱温度を８２０〜８７０℃、例えば８４５℃とし、油冷後に１６０〜１８０℃、例えば１８０℃で焼戻しを施す通常のものに対して、２００〜２５０℃に上げて高温焼戻しを施すことによって、少なくとも６０〜６２ＨＲＣの硬度を確保すると共に、残留オーステナイト量を減少させている。したがって、鋼材内の残留オーステナイトのマルテンサイト変態による経年変化を抑制して、嵌合シメシロの低下を防止すると共に、硬度低下を抑制して軸受の所望の耐久性を確保することができる。なお、他の耐熱処理として、焼入れ・焼戻しの間にサブゼロ処理を施しても良い。

このように、回転側部材となる内輪１３に耐熱処理が施され、鋼材内の残留オーステナイト量が規制されているので、高温下の使用においても嵌合シメシロの低下を抑制し、長期間に亘って耐久性の向上を図った転がり軸受装置を提供することができる。

表１は、本出願人が実施した高温雰囲気中（１３０℃）で内輪１３の経年変化率を検証した試験結果であるが、残留オーステナイト量が従来の７〜８ｗ％の場合（比較例）に対し、３〜４ｗ％の場合（実施例Ａ）では、１５００時間経過した時点で略１／４に減少し、また、１〜３ｗ％の場合（実施例Ｂ）では略１／６に減少する。

例えば、内輪１３の内径を５０ｍｍとし、回転軸３との嵌合シメシロを１０〜２０μｍとした場合、従来の内輪では寸法変化量が３１μｍとなり、完全にルーズ嵌合となって軸受クリープが発生するのは必至である。一方、実施例Ａの場合、内輪１３の寸法変化量が８μｍとなり、さらには、実施例Ｂにおいては、内輪１３の寸法変化量が５μｍに抑制されて嵌合シメシロを確保することができ、水蒸気等の異物の侵入を防止すると共に、軸受クリープの発生を防止することができる。

なお、固定側部材となる外輪１２は、ハウジング２に対してすきまばめで嵌合されているため、高温下の使用において、その嵌合シメシロが増大する方向に寸法変化するため、内輪１３のような耐熱処理は必ずしも施す必要はない。

図３は、本発明に係る転がり軸受装置の第２の実施形態を示す要部断面図である。なお、この実施形態は、前述した第１の実施形態（図２）と内輪の構成のみが異なるだけで、その他同一部位、同一部品、あるいは同一の機能を有する部位には同じ符号を付けてその詳細な説明を省略する。

本実施形態は、前述した実施形態と同様、内輪２３に耐熱処理が施され、鋼材内の残留オーステナイト量が規制されていると共に、内輪２３の両幅面に環状溝２４、２４が形成され、これらの環状溝２４、２４に、Ｏリング等からなる弾性リング２５、２５が装着されている。この弾性リング２５は、ポリアクリルゴム等の耐熱性合成ゴムからなる。そして、この弾性リング２５が回転軸３の肩部３ａ、間座１８、および固定ナット２２にそれぞれ弾性接触している。

これにより、液密的に外部と一対の転がり軸受の内部とを遮断し、図１に示すインペラ６の背面空間６ｂが負圧から正圧になる時に、水蒸気等の異物が内輪２３と回転軸３との嵌合部を通って一対の転がり軸受の内部に侵入するのを確実に防止することができる。

なお、図４は図３の変形例で、外輪２６の外径面に環状溝２７が形成され、この環状溝２７に、Ｏリング等からなる弾性リング２８が装着されている。そして、この弾性リング２８がハウジング２の内径面に弾性接触している。これにより、水蒸気等の異物が外輪２６とハウジング２との嵌合部を通って一対の転がり軸受の内部に侵入するのを防止することができる

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

本発明に係る転がり軸受装置は、あらゆる形式のコンプレッサ等の部品が固定された回転軸を支承する転がり軸受装置に適用することができる。

本発明に係る転がり軸受装置の第１の実施形態を示す縦断面図である。 図１の軸受部を示す要部拡大図である。 本発明に係る転がり軸受装置の第２の実施形態を示す要部拡大図である。 図３の変形例を示す要部拡大図である。 従来の転がり軸受装置を示す縦断面図である。 図５の軸受部を示す要部拡大図である。

符号の説明

１・・・・・・・・転がり軸受装置
２・・・・・・・・ハウジング
２ａ・・・・・・・ハウジング本体
２ｂ、３ａ・・・・肩部
３・・・・・・・・回転軸
４・・・・・・・・転がり軸受
５、２２・・・・・固定ナット
６・・・・・・・・インペラ
６ａ・・・・・・・インペラの背面
６ｂ・・・・・・・インペラの背面空間
７・・・・・・・・小径部
８・・・・・・・・ラビリンスシール
９・・・・・・・・水蒸気吸込み口
１０・・・・・・・インペラハウジング
１１・・・・・・・加圧ボリュート
１２、２６・・・・外輪
１２ａ・・・・・・外側転走面
１３、２３・・・・内輪
１３ａ・・・・・・内側転走面
１４・・・・・・・保持器
１５・・・・・・・転動体
１６・・・・・・・シール
１７、１８・・・・間座
１９・・・・・・・芯金
２０・・・・・・・シール部材
２０ａ、２０ｂ・・シールリップ
２１・・・・・・・蓋部材
２１ａ・・・・・・軸シール
２４、２７・・・・環状溝
２５、２８・・・・弾性リング
５０・・・・・・・転がり軸受装置
５１・・・・・・・ハウジング
５２・・・・・・・回転軸
５３、５４・・・・転がり軸受
５３ａ、５４ａ・・外輪
５３ｂ、５４ｂ・・内輪
５５・・・・・・・インペラ
５６・・・・・・・ブッシュ
５７・・・・・・・シーリング部材
５８・・・・・・・バックプレート
５９・・・・・・・バッフル
６０・・・・・・・水蒸気吸込み口
６１・・・・・・・インペラハウジング
６２・・・・・・・加圧ボリュート
６３・・・・・・・水蒸気吐出し口
６４・・・・・・・環状溝
６５・・・・・・・Ｏリング
６６・・・・・・・インペラの背面空間

Claims (5)

1. 燃料電池のコンプレッサ装置に用いられる転がり軸受装置であって、
   円筒状のハウジングと、
   このハウジングに嵌挿され、前記コンプレッサ装置の部品が固定された回転軸と、
   この回転軸に圧入された内輪と、前記ハウジングにすきまばめされた外輪と、これら内外輪間に転動自在に収容された複数の転動体とを有する密封型の一対の転がり軸受とを備え、これら一対の転がり軸受によって、前記ハウジングに対して前記回転軸が回転自在に支承された転がり軸受装置において、
   少なくとも前記内輪に耐熱処理が施され、鋼材内の残留オーステナイト量が５ｗ％以下に規制されていることを特徴とする転がり軸受装置。
2. 前記残留オーステナイト量が１〜３ｗ％の範囲に設定されている請求項１に記載の転がり軸受装置。
3. 前記内輪が軸受鋼ＳＵＪ２で形成され、高温焼戻しされている請求項１または２に記載の転がり軸受装置。
4. 前記内輪の両幅面に環状溝が形成されると共に、これらの環状溝に弾性リングが装着され、相手部材に弾性接触している請求項１乃至３いずれかに記載の転がり軸受装置。
5. 前記外輪の外径面に環状溝が形成されると共に、この環状溝に弾性リングが装着され、前記ハウジングの内径面に弾性接触している請求項１乃至４いずれかに記載の転がり軸受装置。

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