JP2007032670A - 転がり軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
潤滑性能を確保しつつ、グリースの漏洩を抑制し、信頼性の向上を図った転がり軸受装置を提供する。
【解決手段】
燃料電池用のインペラ式コンプレッサ等の部品が固定された回転軸３を支承し、内輪１３と外輪１２と、これら内外輪間に保持器１４を介して転動自在に収容された複数の転動体１５と、内外輪間に装着されたシール１６と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、転がり軸受４における保持器１４の周方向に点在状に固体潤滑剤２３が固着され、スポットパックで充填されている。これにより、潤滑性能を確保しつつ、潤滑グリースの漏洩を可及的に抑制でき、漏洩したグリースが気体中に混入してカソードやアノードを汚損するのを防止することができる。
【選択図】図３

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、この軸受内部には潤滑のためのグリースが所定量充填されている。しかし、グリースは通常、軟らかくなると発塵が多くなるため、運転中にグリースからの発塵物が燃料電池スタックに付着し易くなり、場合によってはこの付着物が燃料電池スタックの触媒毒として作用することが考えられる。したがって、潤滑性を重視して２５℃での初期混和ちょう度が２５０〜２９５のグリースが一般的に使用されている。このような混和ちょう度のグリースは軟化の度合いが大きく、燃料電池スタックの信頼性において充分とは言えない状況にあった。

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、５３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５４が取り付けられている。このインペラ５４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５５と、このブッシュ５５の外周面に形成された溝に装着されたシーリング部材５６と、バックプレート５７と転がり軸受５３との間に配設されたバッフル５８とを備えている。ここで、シーリング部材５６はブッシュ５５の外周面とバックプレート５７の内周面との隙間を密封している。また、ブッシュ５５の端部は転がり軸受５３の内輪６４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５４が回転し、水蒸気吸込み口５９から吸い込まれた水蒸気がインペラ５４によって加圧され、インペラハウジング６０とバックプレート５７とで形成される加圧ボリュート６１を通って水蒸気吐出し口６２から圧送される。

ここで、回転軸５２を回転自在に支承する転がり軸受５３は、図６に示すように、外輪６３と内輪６４との間に保持器６５を介してボール６６が回転自在に保持されている。また、外輪６３の両端部にはシール６７が装着され、外輪６３、内輪６４、およびボール６６で形成される空所６８に充填された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浸入するのを防止している。そして、グリースは、２５℃における初期混和ちょう度が１５０〜２４０に設定されている。これにより、グリースの軟化の度合いを小さくでき、発塵を抑制することができる。
特開２００４−４７４７４号公報

こうした従来の転がり軸受装置５０において、転がり軸受５３に充填されたグリースが、２５℃における初期混和ちょう度が１５０〜２４０に設定されているので、グリースの軟化の度合いを小さくして発塵を抑制することができ、燃料電池スタックの信頼性を向上させることができる。しかしながら、長期間の運転において、有機ガスによるシール６７の劣化や摩耗により、軸受内部に水蒸気等が浸入する恐れがある。この場合、初期混和ちょう度が１５０〜２４０に設定されていたとしてもグリースが軟化して軸受外部に漏洩する恐れがある。この漏洩したグリースが気体中に混入して装置内に送り込まれた場合、露出したカソード、アノード（図示せず）を汚損し、セルの発電効率を悪化させることになり好ましくない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、潤滑性能を確保しつつ、グリースの漏洩を抑制し、信頼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、この回転軸と前記ハウジングとの間に介装され、このハウジングに対して前記回転軸を回転自在に支承し、内輪と外輪と、これら内外輪間に保持器を介して転動自在に収容された複数の転動体と、前記内外輪間に装着されたシールとを有する密封型の一対の転がり軸受とを備えた転がり軸受装置において、前記転がり軸受に固体潤滑剤が充填されている構成を採用した。

このように、円筒状のハウジングと、このハウジングに内挿され、コンプレッサ部品が固定された回転軸と、この回転軸とハウジングとの間に介装され、このハウジングに対して回転軸を回転自在に支承し、内輪と外輪と、これら内外輪間に保持器を介して転動自在に収容された複数の転動体と、内外輪間に装着されたシールとを有する密封型の一対の転がり軸受とを備えた転がり軸受装置において、転がり軸受に固体潤滑剤が充填されているので、潤滑性能を確保しつつ、潤滑グリースの漏洩を可及的に抑制できると共に、漏洩したグリースが気体中に混入し、カソードとアノードを汚損するのを防止することができ、信頼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。

また、前記固体潤滑剤が、請求項２に記載の発明のように、前記保持器の周方向に点在状に固着されたスポットパックとされていても良いし、また、請求項３に記載の発明のように、フルパックされ、前記固体潤滑剤に摺動する軸受部位との間に所定の隙間が設けられていても良い。これにより、低トルクで温度上昇が少なく、高速回転で使用することが可能となる

また、請求項４に記載の発明のように、前記シールが耐熱性、耐薬品性に優れた合成ゴムで構成され、前記内輪に摺接する接触型とされていれば、長期間の運転において、有機ガスによるシールの劣化や摩耗を防止し、軸受内部に水蒸気等が浸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、この回転軸と前記ハウジングとの間に介装され、このハウジングに対して前記回転軸を回転自在に支承し、内輪と外輪と、これら内外輪間に保持器を介して転動自在に収容された複数の転動体と、前記内外輪間に装着されたシールとを有する密封型の一対の転がり軸受とを備えた転がり軸受装置において、前記転がり軸受に固体潤滑剤が充填されているので、潤滑性能を確保しつつ、潤滑グリースの漏洩を可及的に抑制できると共に、漏洩したグリースが気体中に混入し、カソードとアノードを汚損するのを防止することができ、信頼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、この回転軸と前記ハウジングとの間に介装され、このハウジングに対して前記回転軸を回転自在に支承し、内輪と外輪と、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、前記内外輪間に装着されたシールとを有する密封型の一対の転がり軸受とを備えた転がり軸受装置において、前記転がり軸受における保持器の周方向に点在状に固体潤滑剤が固着されている。

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一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、同一部品、同一部位には同じ符号を付し、重複した説明を省略する。

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の一端部は一方の転がり軸受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。また、ハウジング２には蓋部材１９が取り付けられている。この蓋部材１９の内周には回転軸３に摺接する軸シール１９ａが装着され、ハウジング２の開口部が閉塞されている。

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る。この転がり軸受４は、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内輪接触型のシール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浸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２および蓋部材１９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および固定ナット２０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。

図３は、本実施形態に係る転がり軸受４を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のシール１６を外した状態の側面図である。この転がり軸受４は、保持器１４におけるポケット２１間の加締部２２の周りを取り巻いて一塊の後述する固体潤滑剤２３が固着されている。すなわち、外輪１２と内輪１３とで形成される環状空間内に両側からリング状の金型（図示せず）を挿入し、未焼成の固体潤滑剤２３が充填された後、ベースとなる樹脂の融点以上で加熱して溶融させ、その後、冷却して固化させている。

ここでは、金型の合せ面は、保持器１４の加締部２２に対応して、この加締部２２を囲むように凹球面に形成され、図示しないピンゲートを介してこの凹球面に未焼成の固体潤滑剤２３が充填される。このように、固体潤滑剤２３が保持器１４の周方向に点在状に固着された、所謂スポットパック型が採用されている。これにより、低トルクで温度上昇が少なく、高速回転で使用することが可能となると共に、潤滑性能を確保しつつ、潤滑グリースの漏洩を可及的に抑制できる。

また、シール１６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（ＥＰＤＭ）で形成されている。中でも、エチレン・プロピレンゴムは、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、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）が可能となり、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。

本実施形態に用いられる固体潤滑剤２３は、プラスチックグリース、ポリルーブ等の商品名で知られているものであり、平均分子量約１〜５×１０^６の超高分子量ポリエチレン９５〜１ｗｔ％と、その超高分子量ポリエチレンのゲル化温度より高い融点を有するグリース５〜９９ｗｔ％とからなる（特公昭６３−２３２３９号公報）。

その他の例として、平均分子量約１〜５×１０^６の超高分子量ポリエチレン９５〜１ｗｔ％と、その超高分子量ポリエチレンのゲル化温度より高い融点を有するグリース５〜９９ｗｔ％に、粒径１〜１００μｍの前記超高分子量ポリエチレン粉末９５〜１ｗｔ％を混合して前記ゲル化点以上の温度で分散保持させたものでも良い。

また、固体潤滑剤２３は、（ａ）反応性有機基を有する変性シリコーンオイル（東レ・ダウコーニング社製アミノ変性シリコーンＢＹ１６−８４９）：３２ｗｔ％、と、（ｂ）反応性有機基に反応する有機基を有する硬化剤（環式脂肪族エポキシ、スリーボンド社製スリーボンド２０２３）：１７ｗｔ％とを、（ｃ）グリース中で重合反応させて、成分（ｃ）がシリコーンの三次元網目構造体で保持させたものでも良い（特開平９−１５７６７８号公報）。なお、グリースは、基油にＰＡＯ（ポリアルファオレフィン）：３８ｗｔ％、ウレア増ちょう剤：１０ｗｔ％、添加剤：３ｗｔ％からなる。

このように、本実施形態では、回転軸３を支承する転がり軸受４は、固体潤滑剤２３がスポットパックされると共に、耐熱性、耐薬品性に優れたシール１６にて密封されているので、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浸入するのを防止することができると共に、グリースが軸受外部に漏洩するのを防止することができる。したがって、漏洩したグリースが気体中に混入し、カソードとアノードを汚損するのを防止することができ、信頼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。

ここでは転がり軸受４に固体潤滑剤２３がスポットパックされたものを例示したが、必ずしもこうした構成に限らない。例えば、図４に示すように、固体潤滑剤２３が軸受空間内に充填された、所謂フルパックされた転がり軸受２４であっても良い。なお、前述した実施形態と同一部位、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。

この転がり軸受２４は、固体潤滑剤２３を軸受空間に充填するにあたり、充填される固体潤滑剤２３と、この固体潤滑剤２３に摺動する軸受部位、すなわち、外輪１２の内周面１２ｂと内輪１３の外周面１３ｂおよびシール１６の内側面１６ａとの間に所定の隙間が設けられている。この隙間は、シール１６を装着する前に、外輪１２の内周面１２ｂと内輪１３の外周面１３ｂにリング状の中子をそれぞれ嵌合させると共に、外輪１２と内輪１３の環状空間内に両側からリング状の金型（図示せず）を挿入し、未焼成の固体潤滑剤２３が空間内に充填された後、ベースとなる樹脂の融点以上で加熱して溶融させ、インサート成形することによって製造することができる。

このように、固体潤滑剤２３が転がり軸受２４にフルパックされ、充填される固体潤滑剤２３と、この固体潤滑剤２３に摺動する軸受部位との間に所定の隙間が設けられているので、低トルクで温度上昇が少なく、高速回転で使用することできると共に、潤滑剤（グリース）の絶対量を増やすことができ、一層潤滑性能を向上させることができる。

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、燃料電池の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一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。 （ａ）は、本発明に係る転がり軸受の実施形態を示す縦断面図である。 （ｂ）は、（ａ）のシールを外した状態の側面図である。 （ａ）は、本発明に係る転がり軸受の他の実施形態を示す縦断面図である。 （ｂ）は、（ａ）のシールを外した状態の側面図である。 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
３ａ・・・・・・・・・・・・・・・・・・肩部
３・・・・・・・・・・・・・・・・・・・回転軸
４、２４・・・・・・・・・・・・・・・・転がり軸受
５、２０・・・・・・・・・・・・・・・・固定ナット
６・・・・・・・・・・・・・・・・・・・インペラ
６ａ・・・・・・・・・・・・・・・・・・背面
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・・・・・・・・・・・・・・・・・・外輪
１２ａ・・・・・・・・・・・・・・・・・外側転走面
１２ｂ・・・・・・・・・・・・・・・・・内周面
１３・・・・・・・・・・・・・・・・・・内輪
１３ｂ・・・・・・・・・・・・・・・・・外周面
１４・・・・・・・・・・・・・・・・・・保持器
１５・・・・・・・・・・・・・・・・・・転動体
１６・・・・・・・・・・・・・・・・・・シール
１６ａ・・・・・・・・・・・・・・・・・内側面
１７、１８・・・・・・・・・・・・・・・間座
１９・・・・・・・・・・・・・・・・・・蓋部材
１９ａ・・・・・・・・・・・・・・・・・軸シール
２１・・・・・・・・・・・・・・・・・・ポケット
２２・・・・・・・・・・・・・・・・・・加締部
２３・・・・・・・・・・・・・・・・・・固体潤滑剤
５０・・・・・・・・・・・・・・・・・・転がり軸受装置
５１・・・・・・・・・・・・・・・・・・ハウジング
５２・・・・・・・・・・・・・・・・・・回転軸
５３・・・・・・・・・・・・・・・・・・転がり軸受
５４・・・・・・・・・・・・・・・・・・インペラ
５５・・・・・・・・・・・・・・・・・・ブッシュ
５６・・・・・・・・・・・・・・・・・・シーリング部材
５７・・・・・・・・・・・・・・・・・・バックプレート
５８・・・・・・・・・・・・・・・・・・バッフル
５９・・・・・・・・・・・・・・・・・・水蒸気吸込み口
６０・・・・・・・・・・・・・・・・・・インペラハウジング
６１・・・・・・・・・・・・・・・・・・加圧ボリュート
６２・・・・・・・・・・・・・・・・・・水蒸気吐出し口
６３・・・・・・・・・・・・・・・・・・外輪
６４・・・・・・・・・・・・・・・・・・内輪
６５・・・・・・・・・・・・・・・・・・保持器
６６・・・・・・・・・・・・・・・・・・ボール
６７・・・・・・・・・・・・・・・・・・シール
６８・・・・・・・・・・・・・・・・・・空所

Claims (4)

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、
   この回転軸と前記ハウジングとの間に介装され、このハウジングに対して前記回転軸を回転自在に支承し、内輪と外輪と、これら内外輪間に保持器を介して転動自在に収容された複数の転動体と、前記内外輪間に装着されたシールとを有する密封型の一対の転がり軸受と、を備えた転がり軸受装置において、
   前記転がり軸受に固体潤滑剤が充填されていることを特徴とする転がり軸受装置。
2. 前記固体潤滑剤が、前記保持器の周方向に点在状に固着されたスポットパックとされている請求項１に記載の転がり軸受装置。
3. 前記固体潤滑剤がフルパックされ、当該固体潤滑剤に摺動する軸受部位との間に所定の隙間が設けられている請求項１に記載の転がり軸受装置。
4. 前記シールが耐熱性、耐薬品性に優れた合成ゴムで構成され、前記内輪に摺接する接触型とされている請求項１乃至３いずれかに記載の転がり軸受装置。

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