JP2007211865A

JP2007211865A - クリープ防止転がり軸受

Info

Publication number: JP2007211865A
Application number: JP2006031412A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Nakajima; 良一中島
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-02-08
Filing date: 2006-02-08
Publication date: 2007-08-23

Abstract

【課題】高温多湿の雰囲気で使用されても、外輪の円周溝に装着されるＯリングの経時変化を抑制して、クリープ防止機能の低下を防止することである。
【解決手段】外輪３の外径面の２つの円周溝３ａに装着したＯリング７を、耐熱性と耐薬品性に優れたフッ素ゴムで形成することにより、高温多湿の雰囲気で使用されても、Ｏリング７の寸法と硬度の経時変化を抑制して、クリープ防止機能の低下を防止できるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、クリープ防止転がり軸受に関し、特に、燃料電池用圧送機に使用されるものに好適なクリープ防止転がり軸受に関する。

例えば、アルミニウム合金等のように、転がり軸受の外輪を形成する鋼よりも熱膨張係数が大きい金属で形成された軸受箱等のハウジングに外輪が内嵌される転がり軸受には、ハウジングと外輪の熱膨張差に伴う締め代の低下によって外輪がハウジングの内径面に沿って転がるクリープを防止するために、外輪の外径面に設けた複数の円周溝に、ハウジングの内径面との間で弾性的に圧縮されるＯリングを装着したクリープ防止転がり軸受が用いられている（例えば、特許文献１乃至３参照）。このようなクリープ防止転がり軸受は、内輪と外輪が非分離とされた深溝玉軸受に多く採用され、内輪が回転軸にしまり嵌めされ、外輪がハウジングにすきま嵌めされている。

特許文献１および２に記載されたものでは、前記Ｏリングを装着した複数の円周溝の間の外輪の外径面に高粘度油を塗布して、ハウジング内径面と外輪外径面との間の摩擦係数μを小さくし、外輪がラジアル荷重Ｐとハウジングとの摩擦によって、その内径面に沿って転がろうとするクリープ力Ｆ（＝μ・Ｐ）を低減するようにし、より確実に外輪のクリープを防止するようにしている。また、このように円周溝の間の外輪の外径面に高粘度油を塗布したクリープ防止転がり軸受は、回転軸の熱膨張に伴う軸受の軸方向移動を許容する自由側の支持に用いると、軸受の軸方向移動をスムーズにするとともに、ハウジングとの軸方向摺動に伴うＯリングの摩耗を低減する効果もある。

一方、次世代の発電システムとして近年注目されている燃料電池システムでは、都市ガスやＬＰガス等の炭化水素系燃料を改質器で水蒸気と反応させて、水素リッチな改質ガスを取り出し、この改質ガスと空気や酸素ガス等の酸化ガスとの電気化学反応によって、電気エネルギを得る方法の開発が進んでおり、この燃料電池システムの改質器には、炭化水素系燃料や水蒸気等のガスを圧送する圧送機が用いられている。この圧送機には、スクロール型、スクリュー型、斜板式等のものがあり、そのモータ駆動軸の支持等に、上述したクリープ防止転がり軸受が使用されている。

実開昭４９−８９５４４号公報特開平１０−１５９８４１号公報特開２００１−２７２５５号公報

上述したクリープ防止転がり軸受のＯリングには、汎用性があり安価なブタジエンアクリロニトリルゴム（ＮＢＲ）を使用するのが一般的であるが、燃料電池システムの水蒸気を圧送する圧送機のように、高温多湿の雰囲気で使用されるものは、Ｏリングの寸法や硬度の経時変化が大きくなり、クリープ防止機能が低下する問題がある。特に、燃料電池システムは長い耐用年数を要求されるが、このようにクリープ防止転がり軸受のクリープ防止機能が低下すると、クリープによるハウジング内径面や外輪外径面の摩耗や、この摩耗に伴う摩耗粉の発生によって、圧送機の振動や騒音が大きくなるとともに、圧送機の圧送効率が著しく低下するため、軸受交換のためのシステムの停止を余儀なくされる。

そこで、本発明の課題は、高温多湿の雰囲気で使用されても、外輪の円周溝に装着されるＯリングの経時変化を抑制して、クリープ防止機能の低下を防止することである。

上記の課題を解決するために、本発明は、ハウジングの内径面に内嵌される外輪の外径面に複数の円周溝を設け、これらの円周溝に、前記ハウジングの内径面との間で弾性的に圧縮されるＯリングを装着し、これらのＯリングを装着した複数の円周溝の間の外輪の外径面に高粘度油を塗布して、外輪のクリープを防止するようにしたクリープ防止転がり軸受において、前記外輪の複数の円周溝に装着されるＯリングをフッ素ゴムで形成した構成を採用した。

すなわち、外輪の複数の円周溝に装着されるＯリングを、耐熱性と耐薬品性に優れたフッ素ゴムで形成することにより、高温多湿の雰囲気で使用されても、外輪の円周溝に装着されるＯリングの経時変化を抑制して、クリープ防止機能の低下を防止できるようにした。また、フッ素ゴムは耐油性も非常に優れているので、外輪の外径面に塗布される高粘度油と接触しても経時変化することはない。

前記フッ素ゴムは、耐熱温度が約３００℃で、水、油を含めて各種薬品とも反応し難く、耐熱性と耐薬品性に非常に優れている。ちなみに、ＮＢＲは耐熱温度が約１３０℃であり、ある程度の耐薬品性と耐油性も有するが、フッ素ゴムには及ばない。

前記Ｏリングを形成するフッ素ゴムの硬度を７０デュロメータＡ以上とすることにより、寸法の経時変化をより抑制することができる。

本発明者は、フッ素ゴムの硬度と圧縮永久歪との関係を調査した結果、図４に示すように、フッ素ゴムの硬度と圧縮永久歪との間には密接な関係が有り、硬度を７０デュロメータＡ以上とすることにより、圧縮永久歪を２０％以下に抑制できることを発見した。この発見に基づいて、フッ素ゴムの好ましい硬度を７０デュロメータＡ以上とした。

上述したクリープ防止転がり軸受は、燃料電池用圧送機に使用されるものに好適である。

本発明のクリープ防止転がり軸受は、外輪の複数の円周溝に装着されるＯリングを、耐熱性と耐薬品性に優れたフッ素ゴムで形成したので、高温多湿の雰囲気で使用されても、外輪の円周溝に装着されるＯリングの経時変化を抑制して、クリープ防止機能の低下を防止することができる。また、フッ素ゴムは耐油性も非常に優れているので、外輪の外径面に塗布される高粘度油と接触しても経時変化することはない。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。このクリープ防止転がり軸受は、図１に示すように、内輪２と外輪３の間の軸受空間に複数のボール４が保持器５に保持され、軸受空間がシール部材６でシールされた深溝玉軸受１であり、ハウジング１０の内径面に内嵌された外輪３の外径面の両端部に２つの円周溝３ａが設けられて、各円周溝３ａにＯリング７が装着され、これらのＯリング７が装着された円周溝３ａの間の外輪３の外径面に、高粘度油８が塗布されている。

前記Ｏリング７はフッ素ゴムで形成され、その硬度は７０デュロメータＡ以上とされており、ハウジング１０の内径面との間で弾性的に圧縮されることにより、その弾性圧縮力で外輪３を拘束し、外輪３がハウジング１０の内径面に沿って転がろうとするクリープを防止する。

また、前記外輪３の外径面に塗布した高粘度油８は、ハウジング１０の内径面と外輪３の外径面との間の摩擦係数μを小さくし、図２に模式的に示すように、外輪３がラジアル荷重Ｐとハウジングとの摩擦によって、その内径面に沿って転がろうとするクリープ力Ｆ（＝μ・Ｐ）を低減して、より確実に外輪３のクリープを防止する働きをする。

実施例として、上述したように、Ｏリングをフッ素ゴムで形成した深溝玉軸受を用意した。比較例として、ＯリングをＮＢＲで形成した深溝玉軸受も用意した。実施例、比較例ともＯリングの硬度は７０デュロメータＡとし、軸受寸法は外径２２ｍｍ、内径８ｍｍ、幅７ｍｍとした。

上記実施例と比較例の深溝玉軸受について、内輪を回転軸にしまり嵌めし、外輪はＯリングを圧縮変形させてハウジングにすきま嵌めし、軸受回転に伴う外輪のクリープの有無を調査するクリープ試験を行った。クリープ試験時間は５００時間とし、試験の途中で所定時間経過後に各試験軸受を取り外すことにより、Ｏリングの寸法と硬度の経時変化も調査した。試験条件は以下の通りである。
・ハウジング内径：２２．００７ｍｍ
・回転速度：１００００ｒｐｍ
・試験雰囲気：乾燥状態、多湿状態
・雰囲気温度：９０℃

表１は、上記クリープ試験の結果と、Ｏリングの寸法および硬度の経時変化の調査結果を併せて示す。なお、寸法の経時変化は、初期の寸法を１００とする相対値で表示した。寸法の経時変化については、乾燥状態では実施例と比較例はほぼ同等であるが、多湿状態では、比較例の寸法変化率が約１０％実施例のものよりも大きくなっている。また、硬度の経時変化については、実施例のものが、乾燥、多湿のいずれの状態でもほとんど変化していないのに対して、比較例のものはいずれの状態でも硬度が高くなっており、特に多湿状態での硬度はかなり高くなっている。

上記クリープ試験の結果では、比較例のものでは多湿状態で５００時間後にクリープが発生したのに対して、実施例のものでは、いずれの状態でも全くクリープが発生していない。この結果は、上述したＯリングの経時変化が少ないこと、特に、多湿状態での寸法と硬度の経時変化が少ないことによるものと考えられる。

図３は、上述した深溝玉軸受１を使用した燃料電池用圧送機を示す。この圧送機はスクロール型のものであり、ハウジング１０に２つの深溝玉軸受１ａ、１ｂで支持された駆動軸１１を、ハウジング１０に固定されたステータ２１と、駆動軸１１に取り付けられたロータ２２で回転駆動するモータ駆動部２０と、駆動軸１１の偏心部１１ａに取り付けられた旋回スクロール４１の自転を、従動クランク軸３１のクランクピン３１ａとの係合によって防止するクランク機構部３０と、旋回スクロール４１と固定スクロール４２との間で、吸入口４３から吸入されるガスを圧縮して、吐出口４４から圧縮されたガスを燃料電池に圧送する圧縮機構部４０とからなる。

前記駆動軸１１の基端側を支持する深溝玉軸受１ａは、ハウジング１０の蓋部材１０ａに、外輪３が軸方向移動を固定されるように内嵌されている。また、駆動軸１１の中間部を支持する深溝玉軸受１ｂは、ハウジング１０の中間フレーム１０ｂに内嵌され、外輪３がコイルばね１２で軸方向に予圧されて、駆動軸１１の熱膨張に伴う軸方向移動を許容されている。

前記クランク機構部３０の従動クランク軸３１は、軸受３２でハウジング１０の中間フレーム１０ｂに支持され、そのクランクピン３１ａは、軸受３３を介して旋回スクロール４１の背面側に設けられた凹部に係合している。このクランクピン３１ａとの係合によって、駆動軸１１の偏心部１１ａに軸受３４で支持された旋回スクロール４１の自転が防止される。

前記圧縮機構部４０の旋回スクロール４１と固定スクロール４２は、それぞれ渦巻状の旋回ラップ４１ａと固定ラップ４２ａとを有し、旋回スクロール４１の旋回に伴うこれらの渦巻状のラップ４１ａ、４２ａの摺接によって、外径側の吸入口４３から吸入されるガスが内径側に送られながら圧縮され、圧縮されたガスが中心部に設けられた吐出口４４から吐出される。

上述した実施形態では、クリープ防止転がり軸受を深溝玉軸受とし、スクロール型の燃料電池用圧送機に使用したが、本発明に係るクリープ防止転がり軸受は、ころ軸受等の他のタイプの転がり軸受にも適用することができ、スクリュー型や斜板式等の他の燃料電池用圧送機にも使用することができる。

クリープ防止転がり軸受の実施形態を示す一部省略縦断面図図１のクリープ防止転がり軸受の外輪に作用するクリープ力を説明する模式的断面図図１のクリープ防止転がり軸受を用いた燃料電池用圧送機を示す縦断面図フッ素ゴムの硬度と圧縮永久歪との関係を示すグラフ

符号の説明

１、１ａ、１ｂ深溝玉軸受
２内輪
３外輪
３ａ円周溝
４ボール
５保持器
６シール部材
７Ｏリング
８高粘度油
１０ハウジング
１０ａ蓋部材
１０ｂ中間フレーム
１１駆動軸
１１ａ偏心部
１２コイルばね
２０モータ駆動部
２１ステータ
２２ロータ
３０クランク機構部
３１従動クランク軸
３１ａクランクピン
３２、３３、３４軸受
４０圧縮機構部
４１旋回スクロール
４２固定スクロール
４１ａ、４２ａラップ
４３吸入口
４４吐出口

Claims

ハウジングの内径面に内嵌される外輪の外径面に複数の円周溝を設け、これらの円周溝に、前記ハウジングの内径面との間で弾性的に圧縮されるＯリングを装着し、これらのＯリングを装着した複数の円周溝の間の外輪の外径面に高粘度油を塗布して、外輪のクリープを防止するようにしたクリープ防止転がり軸受において、前記外輪の複数の円周溝に装着されるＯリングをフッ素ゴムで形成したことを特徴とするクリープ防止転がり軸受。
前記Ｏリングを形成するフッ素ゴムの硬度を７０デュロメータＡ以上とした請求項１に記載のクリープ防止転がり軸受。
前記クリープ防止転がり軸受が、燃料電池用圧送機に使用されるものである請求項１または２に記載のクリープ防止転がり軸受。