JP2009180268A - ポンプ用転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水の汚染を防止すると共に、耐久性の向上を図ったポンプ用転がり軸受を提供する。
【解決手段】内輪８と外輪７が防錆能を有する鋼製のパイプ材から冷間のローリング加工によって形成され、当該内輪８と外輪７のそれぞれ内周面１４と外周面１２が転走面８ａ、７ａに倣って円弧状に形成されると共に、転走面８ａ、７ａの両端部から径方向内方と外方に環状凸部１３、１１が屈曲形成され、この環状凸部１３、１１の内径と外径が内周面１４と外周面１２より僅かに突出して形成されて回転軸とハウジングとの嵌合面となっている。
【選択図】図２

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に関し、特に、燃料電池用の冷却水循環ポンプに用いられるポンプ用転がり軸受に関するものである。

従来、電動ウォーターポンプや燃料電池の冷却水循環ポンプには樹脂製の滑り軸受が多く使用されている。電動ウォーターポンプとしては、図５に示すように、ハウジング５０に滑り軸受５１、５２を介して回転軸５３の両端が支承され、この回転軸５３の一端にインペラ５４が固定されている。そして、ポンプを駆動する時は、回転軸５３と一体に設けられた回転子５５が駆動モータ５６で駆動され、インペラ５４が回転され、ポンプ室内に水流（図中に矢印で示す）を起させる。

回転軸５３を支承する滑り軸受５１、５２としては、高・低温の冷却水（不凍液）との接触状態でも摺動性、耐摩耗性、機械的強度が長期間維持できるようポリエーテルケトン系樹脂からなる樹脂製のものが使用されている。

しかし、この従来の自動車のウォーターポンプに使用される滑り軸受５１、５２は、これを燃料電池用の冷却水循環ポンプ用滑り軸受として転用すると、冷却水として使用されている純水に不純物が混入するため、燃料電池の効率が低下する恐れがあった。

そのため、滑り軸受５１、５２が金属イオン非含有の合成樹脂で形成されたものが知られている。この滑り軸受５１、５２は、ベース樹脂の他、強化剤、潤滑剤等の配合剤にもＮａイオン等の金属イオンが含まれていないので、冷却水に触れても金属イオンを溶出させず、滑り軸受５１、５２が汚染源にならない。したがって、燃料電池用の冷却水に不純物が混入せず、電池寿命を長寿命化することができる（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−９８１９号公報

然しながら、このような従来の滑り軸受５１、５２では、長期間の使用により、樹脂溶融物や摩耗粉が混入して冷却水が汚染され、燃料電池の効率が低下する恐れがあった。また、クーラント等の薬品や温度上昇によって材料自体が劣化し、長期間に亘って耐久性を維持するのが難しかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、冷却水の汚染を防止すると共に、耐久性の向上を図ったポンプ用転がり軸受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に記載の発明は、円筒状のハウジングと冷却水循環ポンプの回転軸との間に一対介装され、前記ハウジングに対して前記回転軸を回転自在に支承するポンプ用転がり軸受であって、内周に円弧状の外側転走面が形成された外輪と、外周に前記外側転走面に対向する円弧状の内側転走面が形成された内輪と、この内輪と前記外輪の両転走面間に保持器を介して転動自在に収容された複数のボールとを備えたポンプ用転がり軸受において、前記内輪と外輪が防錆能を有する鋼鈑から塑性加工によって形成されている。

このように、ポンプ用転がり軸受の内輪と外輪が防錆能を有する鋼鈑から塑性加工によって形成されているので、耐摩耗性に富み、摩耗粉が混入して冷却水が汚染されるのを防止することができると共に、クーラント等の薬品や温度上昇によって軸受自体が劣化するのを防止し、長期間に亘って耐久性の向上を図ったポンプ用転がり軸受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、前記内輪と外輪が、パイプ材から冷間のローリング加工によって形成されていれば、肉厚を略均等にすることができると共に、形状、寸法を所定の精度に確保しつつ歩留まりを最小限に抑えることができ低コスト化を図ることができる。

また、請求項３に記載の発明のように、前記外輪の外周面が前記外側転走面に倣って円弧状に形成されると共に、前記外輪の外側転走面の両端部から径方向外方に環状凸部が屈曲形成され、この環状凸部の外径が前記外周面より僅かに大径に形成されて前記ハウジングとの嵌合面となっていれば、環状凸部に素材を充足させることができ、外輪を略均等な肉厚に、かつ精度良く形成することができる。

また、請求項４に記載の発明のように、前記内輪の内周面が前記内側転走面に倣って円弧状に形成されると共に、前記内輪の内側転走面の両端部から径方向内方に環状凸部が屈曲形成され、この環状凸部の内径が前記内周面より僅かに小径に形成されて前記回転軸との嵌合面となっていれば、環状凸部に素材を充足させることができ、内輪を略均等な肉厚に、かつ精度良く形成することができる。

また、請求項５に記載の発明のように、前記内輪と外輪が浸炭焼入れによって表面硬さを５０〜６４ＨＲＣの範囲に硬化処理されていれば、耐摩耗性を向上させ、摩耗粉が混入して冷却水が汚染されるのを防止することができると共に、長期間に亘って耐久性の向上を図ることができる。

また、請求項６に記載の発明のように、前記外輪の端部内周に旋削加工によって環状溝が形成され、この環状溝にシールが装着されると共に、軸受内部にグリースが充填されていれば、シールによってグリースが漏洩するのを防止すると共に、軸受内部に冷却水が浸入するのを防止して軸受の耐久性を向上させることができる。

また、請求項７に記載の発明のように、前記保持器がオーステナイト系ステンレス鋼鈑からプレス加工によって形成されていれば、耐摩耗性を向上させ、摩耗粉が混入して冷却水が汚染されるのを防止することができる。

また、請求項８に記載の発明のように、前記ポンプ用転がり軸受が前記回転軸の両端部にそれぞれ配設されると共に、前記回転軸の一端部にインペラが固定され、中央部に駆動モータを構成するロータが一体に設けられ、このロータに径方向のエアギャップを介してステータが前記ハウジングに固定された燃料電池のコンプレッサ装置に用いられていれば、冷却水として使用されている純水に摩耗粉が混入して燃料電池の効率が低下するのを防止することができる。

本発明に係るポンプ用転がり軸受は、円筒状のハウジングと冷却水循環ポンプの回転軸との間に一対介装され、前記ハウジングに対して前記回転軸を回転自在に支承するポンプ用転がり軸受であって、内周に円弧状の外側転走面が形成された外輪と、外周に前記外側転走面に対向する円弧状の内側転走面が形成された内輪と、この内輪と前記外輪の両転走面間に保持器を介して転動自在に収容された複数のボールとを備えたポンプ用転がり軸受において、前記内輪と外輪が防錆能を有する鋼鈑から塑性加工によって形成されているので、耐摩耗性に富み、摩耗粉が混入して冷却水が汚染されるのを防止することができると共に、クーラント等の薬品や温度上昇によって軸受自体が劣化するのを防止し、長期間に亘って耐久性の向上を図ったポンプ用転がり軸受を提供することができる。

円筒状のハウジングと一端部にインペラが設けられた回転軸との間に一対介装され、前記ハウジングに対して前記回転軸を回転自在に支承するポンプ用転がり軸受であって、内周に円弧状の外側転走面が形成された外輪と、外周に前記外側転走面に対向する円弧状の内側転走面が形成された内輪と、この内輪と前記外輪の両転走面間に保持器を介して転動自在に収容された複数のボールとを備えた燃料電池の冷却水循環ポンプのポンプ用転がり軸受において、前記内輪と外輪が防錆能を有する鋼製のパイプ材から冷間のローリング加工によって形成され、当該内輪と外輪のそれぞれ内周面と外周面が前記転走面に倣って円弧状に形成されると共に、前記転走面の両端部から径方向内方と外方に環状凸部が屈曲形成され、この環状凸部の内径と外径が前記内周面と外周面より僅かに突出して形成されて前記回転軸とハウジングとの嵌合面となっている。

以下、本発明の実施の形態を図面に基いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るポンプ用転がり軸受が使用された燃料電池の冷却水循環ポンプを示す縦断面図、図２は、図１のポンプ用転がり軸受を示す拡大図、図３（ａ）は、図２のポンプ用転がり軸受の外輪単体を示す断面図、（ｂ）は、同上、内輪単体を示す断面図、図４（ａ）は、図２のポンプ用転がり軸受の変形例を示す拡大図、（ｂ）は、同上、他の変形例を示す拡大図である。

図１は燃料電池の冷却水循環ポンプで、ハウジング１に転がり軸受２、３を介して回転軸４の両端が支承されている。この回転軸４の一端部にはインペラ５が固定され、中央部には駆動モータ６を構成するロータ６ａが一体に設けられている。ハウジング１にはこのロータ６ａに径方向のエアギャップを介してステータ６ｂが固定されている。そして、ポンプを駆動する時は、駆動モータ６が駆動されることによりインペラ５が回転され、ポンプ室内に水流（図中に矢印で示す）を起させる。

回転軸４を支承する転がり軸受２、３は、図２に拡大して示すように、内周に円弧状の外側転走面７ａが形成された外輪７と、外周にこの外側転走面７ａに対向する円弧状の内側転走面８ａが形成された内輪８と、両転走面間に保持器９を介して転動自在に収容された複数のボール１０とを備えている。

外輪７および内輪８は、防錆能を有するオーステナイト系ステンレス鋼鈑（ＪＩＳ規格のＳＵＳ３０４系等）、フェライト系のステンレス鋼鈑（ＪＩＳ規格のＳＵＳ４３０系等）、マルテンサイト系ステンレス鋼鈑（ＪＩＳ規格のＳＵＳ４４０Ｃ系等）からプレス加工または冷間のローリング加工（以下、塑性加工という）によって形成され、浸炭焼入れによって表面硬さを５０〜６４ＨＲＣの範囲に硬化処理されている。なお、ここで、素材としてパイプ材を使用すれば、肉厚を均一にできると共に、歩留まりを最小限に抑えることができ低コスト化を図ることができる。

保持器９は、オーステナイト系ステンレス鋼鈑（ＪＩＳ規格のＳＵＳ３０４系等）や防錆処理された冷間圧延鋼鈑（ＪＩＳ規格のＳＰＣＣ系等）からプレス加工によって形成されている。また、ボール１０は、ＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼からなり、ズブ焼入れにより芯部まで５８〜６４ＨＲＣの範囲で硬化処理されている。これにより、耐摩耗性を向上させ、摩耗粉が混入して冷却水が汚染されるのを防止することができると共に、長期間に亘って耐久性の向上を図ることができる。

本実施形態では、転がり軸受２（３）を構成する外輪７および内輪８が防錆能を有する鋼板から塑性加工によって形成されているので、耐摩耗性に富み、摩耗粉が混入して冷却水が汚染されるのを防止することができると共に、クーラント等の薬品や温度上昇によって軸受自体が劣化するのを防止し、長期間に亘って耐久性の向上を図ったポンプ用転がり軸受を提供することができる。

次に、図３を用いて、外輪７および内輪８の構成について詳細に説明する。
外輪７は、図３（ａ）に示すように、素材となるパイプ材から塑性加工により、円弧状の外側転走面７ａが形成されると共に、この外側転走面７ａの両端部から径方向外方に屈曲形成され、ハウジング１との嵌合面となる環状凸部１１が形成される。この環状凸部１１の外径は、軸方向中央部の外周面１２より僅かに大径に形成されている。そして、塑性加工でバリが発生する環状凸部１１は加工後に所定の外径寸法に旋削加工される。ここで、外輪７の外周面１２が外側転走面７ａに倣って円弧状に形成されているので、環状凸部１１に素材を充足させることができ、外輪７を略均等な肉厚に、かつ精度良く形成することができる。

ここで、略均等とは、成形前のパイプ材の肉厚が均等であり、隅部や角部に円弧を形成する目的以外に特に塑性流動させることなく成形を行った結果得られた形状の肉厚の状態を意味し、隅部や角部の円弧を形成する際の材料の肉の変位により僅かに肉薄となったり肉厚となる状態は含むことを意味する。

さらに、外輪７の外側転走面７ａを熱処理後に研削加工しても良い。これにより、熱処理による変形を除去して外側転走面７ａを一層精度良く仕上げることができ、品質的に信頼性の高い転がり軸受２（３）を提供することができる。

一方、内輪８は、図３（ｂ）に示すように、外輪７と同様、素材となるパイプ材から塑性加工により、円弧状の内側転走面８ａが形成されると共に、この内側転走面８ａの両端部から径方向内方に屈曲形成され、回転軸４との嵌合面となる環状凸部１３が形成されている。この環状凸部１３の内径は、軸方向中央部の内周面１４より僅かに小径に形成されている。そして、塑性加工でバリが発生する環状凸部１３は加工後に所定の内径寸法に旋削加工される。

ここで、内輪８の外周面１２が内側転走面８ａに倣って円弧状に形成されているので、環状凸部１３に素材を充足させることができ、内輪８を略均等な肉厚に、かつ精度良く形成することができる。さらに、内輪８内側転走面８ａを熱処理後に研削加工しても良い。これにより、熱処理による変形を除去して内側転走面８ａを一層精度良く仕上げることができ、品質的に信頼性の高い転がり軸受２（３）を提供することができる。

図４（ａ）は、前述した転がり軸受２（３）の変形例を示している。なお、この実施形態は、前述した実施形態と基本的にはシールの有無が異なるだけで、その他同一部品同一部位あるいは同様の機能を有する部品や部位には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。この転がり軸受１５は、内周に円弧状の外側転走面７ａが形成された外輪１６と、外周にこの外側転走面７ａに対向する円弧状の内側転走面８ａが形成された内輪１７と、両転走面間に保持器９を介して転動自在に収容された複数のボール１０と、外輪１６の一端部に装着されたシール１８とを備えている。

外輪１６および内輪１７は、防錆能を有するオーステナイト系ステンレス鋼鈑（ＪＩＳ規格のＳＵＳ３０４系等）、フェライト系のステンレス鋼鈑（ＪＩＳ規格のＳＵＳ４３０系等）、マルテンサイト系ステンレス鋼鈑（ＪＩＳ規格のＳＵＳ４４０Ｃ系等）から塑性加工によって形成され、浸炭焼入れによって表面硬さを５０〜６４ＨＲＣの範囲に硬化処理されている。

シール１８は、耐熱性、耐薬品性に優れたポリアクリルゴムからなり、外輪１６の端部内周に形成された環状溝１９に嵌合され、複数のシールリップ１８ａ、１８ｂを備えている。環状溝１９は塑性加工後に旋削加工によって形成されている。シール１８の材質として、ポリアクリルゴム以外にも、フッ素ゴム、シリコンゴム、あるいはエチレン・プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）を例示することができる。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。

内輪１７の端部外周には断面略Ｕ字状のシール溝２０が形成されている。このシール溝２０は塑性加工後に旋削加工によって形成されている。このシール溝２０にシール１９のシールリップ１８ａ、１８ｂが摺接されている。なお、この転がり軸受１５は、反インペラ側の転がり軸受に使用され、軸受内部に封入されたグリースの漏洩を防止している。

図４（ｂ）は、前述した転がり軸受１５の変形例を示している。なお、この実施形態は、前述した実施形態と基本的にはシールの個数が異なるだけで、その他同一部品同一部位あるいは同様の機能を有する部品や部位には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。この転がり軸受２１は、内周に円弧状の外側転走面７ａが形成された外輪２２と、外周にこの外側転走面７ａに対向する円弧状の内側転走面８ａが形成された内輪２３と、両転走面間に保持器９を介して転動自在に収容された複数のボール１０と、外輪２２の両端部に装着されたシール１８、１８とを備えている。

外輪２２および内輪２３は、防錆能を有するオーステナイト系ステンレス鋼鈑（ＪＩＳ規格のＳＵＳ３０４系等）、フェライト系のステンレス鋼鈑（ＪＩＳ規格のＳＵＳ４３０系等）、マルテンサイト系ステンレス鋼鈑（ＪＩＳ規格のＳＵＳ４４０Ｃ系等）から塑性加工によって形成され、浸炭焼入れによって表面硬さを５０〜６４ＨＲＣの範囲に硬化処理されている。この転がり軸受２１は、インペラ側の転がり軸受に使用され、軸受内部に封入されたグリースの漏洩と、冷却水が軸受内部に浸入するのを防止している。

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。

本発明に係るポンプ用転がり軸受は、燃料電池用の冷却水循環ポンプ等、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ポンプ用転がり軸受に適用できる。

本発明に係るポンプ用転がり軸受が使用された燃料電池の冷却水循環ポンプを示す縦断面図である。 図１のポンプ用転がり軸受を示す拡大図である。 （ａ）は、図２のポンプ用転がり軸受の外輪単体を示す断面図である。 （ｂ）は、同上、内輪単体を示す断面図である。 （ａ）は、図２のポンプ用転がり軸受の変形例を示す拡大図である。 （ｂ）は、同上、他の変形例を示す拡大図である。 従来の燃料電池の冷却水循環ポンプを示す縦断面図である。

符号の説明

１・・・・・・・・・・・・・・・・ハウジング
２、３、１５、２１・・・・・・・・転がり軸受
４・・・・・・・・・・・・・・・・回転軸
５・・・・・・・・・・・・・・・・インペラ
６・・・・・・・・・・・・・・・・駆動モータ
６ａ・・・・・・・・・・・・・・・ロータ
６ｂ・・・・・・・・・・・・・・・ステータ
７、１６、２２・・・・・・・・・・外輪
７ａ・・・・・・・・・・・・・・・外側転走面
８、１７、２３・・・・・・・・・・内輪
８ａ・・・・・・・・・・・・・・・内側転走面
９・・・・・・・・・・・・・・・・保持器
１０・・・・・・・・・・・・・・・ボール
１１、１３・・・・・・・・・・・・環状凸部
１２・・・・・・・・・・・・・・・外周面
１４・・・・・・・・・・・・・・・内周面
１８・・・・・・・・・・・・・・・シール
１９・・・・・・・・・・・・・・・環状溝
２０・・・・・・・・・・・・・・・シール溝
５０・・・・・・・・・・・・・・・ハウジング
５１、５２・・・・・・・・・・・・滑り軸受
５３・・・・・・・・・・・・・・・回転軸
５４・・・・・・・・・・・・・・・インペラ
５５・・・・・・・・・・・・・・・回転子
５６・・・・・・・・・・・・・・・駆動モータ

Claims (8)

1. 円筒状のハウジングと冷却水循環ポンプの回転軸との間に一対介装され、前記ハウジングに対して前記回転軸を回転自在に支承するポンプ用転がり軸受であって、
   内周に円弧状の外側転走面が形成された外輪と、
   外周に前記外側転走面に対向する円弧状の内側転走面が形成された内輪と、
   この内輪と前記外輪の両転走面間に保持器を介して転動自在に収容された複数のボールとを備えたポンプ用転がり軸受において、
   前記内輪と外輪が防錆能を有する鋼鈑から塑性加工によって形成されていることを特徴とするポンプ用転がり軸受。
2. 前記内輪と外輪が、パイプ材から冷間のローリング加工によって形成されている請求項１に記載のポンプ用転がり軸受。
3. 前記外輪の外周面が前記外側転走面に倣って円弧状に形成されると共に、前記外輪の外側転走面の両端部から径方向外方に環状凸部が屈曲形成され、この環状凸部の外径が前記外周面より僅かに大径に形成されて前記ハウジングとの嵌合面となっている請求項１または２に記載のポンプ用転がり軸受。
4. 前記内輪の内周面が前記内側転走面に倣って円弧状に形成されると共に、前記内輪の内側転走面の両端部から径方向内方に環状凸部が屈曲形成され、この環状凸部の内径が前記内周面より僅かに小径に形成されて前記回転軸との嵌合面となっている請求項１乃至３いずれかに記載のポンプ用転がり軸受。
5. 前記内輪と外輪が浸炭焼入れによって表面硬さを５０〜６４ＨＲＣの範囲に硬化処理されている請求項１乃至４いずれかに記載のポンプ用転がり軸受。
6. 前記外輪の端部内周に旋削加工によって環状溝が形成され、この環状溝にシールが装着されると共に、軸受内部にグリースが充填されている請求項１乃至５いずれかに記載のポンプ用転がり軸受。
7. 前記保持器がオーステナイト系ステンレス鋼鈑からプレス加工によって形成されている請求項１乃至６いずれかに記載のポンプ用転がり軸受。
8. 前記ポンプ用転がり軸受が前記回転軸の両端部にそれぞれ配設されると共に、前記回転軸の一端部にインペラが固定され、中央部に駆動モータを構成するロータが一体に設けられ、このロータに径方向のエアギャップを介してステータが前記ハウジングに固定された燃料電池のコンプレッサ装置に用いられる請求項１乃至７いずれかに記載のポンプ用転がり軸受。

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