JP7433829B2 - 絶縁転がり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁転がり軸受に関し、特に冷媒圧縮機に使用される絶縁転がり軸受に関する。

容積形の冷媒圧縮機は、冷凍空調機器用の圧縮機として様々な分野で広く活用されている。近年、エネルギーの削減に向けた関心が高まり、種々の産業において効率向上が求められている。特に、住環境に密接した空気調和機においては、世論の注目度が高いことから、より低コスト化、高効率化を達成できる信頼性の高い製品の開発が求められており、インバータを用いて電動機を駆動する可変速運転が増加し、従来の一定速型の冷媒圧縮機に比べて高効率化が進んでいる。

上記インバータを用いた冷媒圧縮機では、従来の一定速型の冷媒圧縮機に比べて、高負荷時の駆動電流（インバータからモータへの入力電流）がより多くなる。そのため、電動機と一体に回転するクランク軸に発生する電圧（軸電圧）が増大する傾向になっている。この軸電圧の増大に伴って、クランク軸を支持する転がり軸受の内輪と外輪との間の電位差が大きくなり、その結果、転がり軸受に流れる電流の増大が引き起こされる。この電流は、転がり軸受の内輪、外輪の両軌道面と転動体の転動面に電食と呼ばれる腐食を発生させ、冷媒圧縮機の信頼性を低下させる。

このような電食の発生を防止するようにした従来の冷媒圧縮機として、特許文献１記載の冷媒圧縮機が知られている。この冷媒圧縮機では、クランク軸における駆動部よりも反圧縮機構部側の副軸部を回転支持する副軸受とクランク軸との間に絶縁材で構成された絶縁スリーブが設けられている。これにより、軸受の電食を防止し、安価な構造で、軸受電食や給油量不足による軸受損傷を抑制して冷媒圧縮機の信頼性向上を図っている。

また、その他の電食対策を施した転がり軸受として、導電性グリースが充填された転がり軸受（特許文献２参照）や、軌道輪に直接絶縁被膜を形成した転がり軸受（特許文献３参照）などが知られている。

特開２０１８－４０２６１号公報 特開２００４－２６３８３６号公報 特開２００２－２９５４８３号公報

上記特許文献１記載の冷媒圧縮機では、絶縁スリーブが、圧入などの手段で内輪の内径側に嵌め込まれている。しかし、絶縁スリーブとクランク軸、および絶縁スリーブと内輪とがそれぞれ相対回転するため、絶縁スリーブに摩耗が発生しやい。その結果、クランク軸と内輪との間に隙間が生じ、圧縮機全体の振動や異音の原因となる懸念がある。

また、冷媒圧縮機において、転がり軸受は、冷凍機油と冷媒が混合された液冷媒中で使用されるため、上記特許文献２記載の転がり軸受では、導電性グリースが溶出して電食防止効果が低下するという懸念がある。

また、上記特許文献３記載の転がり軸受は、外輪または内輪の反軌道面に合成樹脂からなる絶縁被膜を射出成形で形成している。射出成形は高圧で溶融樹脂を射出するとともに、冷却、固化により樹脂が収縮するため、高精度に形成された軌道面の形状が劣化するおそれがある。このため、絶縁被膜を形成する側の軌道輪の厚みを厚くする必要があり、装置の小型化などが困難であった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電食を防止するとともに、シャフトと軌道輪との間に隙間が生じることを防止できる絶縁転がり軸受を提供することを目的とする。

本発明の絶縁転がり軸受は、内輪および外輪と、この内・外輪間に介在する複数の転動体と、上記内輪の内周部または上記外輪の外周部に嵌合された絶縁ブッシュとを備えた絶縁転がり軸受であって、上記絶縁ブッシュは、略円筒状の金属基材と、該金属基材の内周面または外周面に形成された樹脂層とを有し、上記絶縁ブッシュは、上記金属基材側を上記内輪の内周部または上記外輪の外周部に接触させて嵌合されていることを特徴とする。

上記絶縁ブッシュは、円周方向の一部に切断部を有する巻きブッシュであることを特徴とする。

上記樹脂層のベース樹脂がポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂であることを特徴とする。また、上記樹脂層に、該樹脂層全体に対して１０質量％～３０質量％のガラス繊維が含まれることを特徴とする。

上記絶縁転がり軸受は、冷媒圧縮機に使用され、該冷媒圧縮機の電動機によって回転駆動されるシャフトを回転支持する軸受であることを特徴とする。また、上記冷媒圧縮機は、スクロール式の冷媒圧縮機であることを特徴とする。

本発明の絶縁転がり軸受は、内輪および外輪と、転動体と、内輪の内周部または外輪の外周部に嵌合された絶縁ブッシュとを備え、該絶縁ブッシュは、金属基材と該金属基材の表面に形成された樹脂層とを有し、該金属基材を内輪の内周部または外輪の外周部に接触させて嵌合される。この場合、絶縁ブッシュにおいて、外輪または内輪の反軌道面と接触する面が金属となり、非接触面が樹脂層となるので、軸電流がシャフトを介して軸受本体部に流れることを遮断でき、電食を防止できる。また、軸受本体部と絶縁ブッシュが篏合一体構造になることで、絶縁ブッシュが軸受本体部やシャフトに対して相対回転（摺動）することを防止でき、絶縁ブッシュの摩耗を防止できる。その結果、軸受本体部とシャフトとの間に隙間が生じることを防止でき、例えば冷媒圧縮機などに使用した場合でも圧縮機全体の振動や異音の発生を防ぐことができる。

また、本発明の絶縁転がり軸受によれば、軌道輪の厚みを厚くする必要がなく、装置の小型化が可能となる。さらには、導電性グリースを充填している転がり軸受を使用することなく、安価な構造で、軸受電食や給油量不足による軸受損傷を抑制して、冷媒圧縮機の信頼性向上を図ることができる。

樹脂層のベース樹脂がＰＴＦＥ樹脂であるので、耐熱性や耐薬品性に優れる。さらに、樹脂層に、該樹脂層全体に対して１０質量％～３０質量％のガラス繊維が含まれるので、耐クリープ性も向上できる。

本発明の絶縁転がり軸受を用いた冷媒圧縮機の一例を示す断面図である。 図１の絶縁転がり軸受の拡大断面図である。 本発明の絶縁転がり軸受の絶縁ブッシュの一例を示す斜視図である。 本発明の絶縁転がり軸受の絶縁ブッシュの他の例を示す斜視図である。

本発明の絶縁転がり軸受を備える冷媒圧縮機を図１に基づいて説明する。図１は冷媒圧縮機の断面図である。なお、図１には、冷媒圧縮機として、容積形のスクロール圧縮機を示すが、本発明の絶縁転がり軸受が適用される冷媒圧縮機は、スクロール方式に限定されず、ロータリ方式、レシプロ方式、スクリュー方式等の他の圧縮方式の容積形圧縮機にも適用できる。また、横型の冷媒圧縮機でも縦型の冷媒圧縮機でも適用できる。

図１に示すように、圧縮機１は、固定スクロール２と、センターハウジング３と、モータハウジング４によってハウジングが構成されている。センターハウジング３およびモータハウジング４には、回転軸である鉄製のシャフト５が主軸受１８および副軸受２１を介して回転可能に支持されている。シャフト５には、バランスウェイト６が取り付けられており、シャフト５およびバランスウェイト６によって回転部材が構成されている。

センターハウジング３は、転がり軸受で構成された主軸受１８を設置する軸受支持部３ａと、この軸受支持部３ａよりも外径方向に延び、固定スクロール２を固定する支持部３ｂを有する。主軸受１８は、軸受支持部３ａの中央に形成された貫通孔に嵌入されている。

固定スクロール２は、基板２ａと、この基板２ａから垂直に立設したスクロールラップ２ｂを備える。また、固定スクロール２の外周部には吸入口２ｃが設けられている。可動スクロール７は、基板７ａと、この基板７ａから垂直に立設したスクロールラップ７ｂを備え、中心には吐出口７ｄが設けられている。また、基板７ａの反スクロールラップ側の中央にはボス部７ｃが垂直に突出するように設けられ、このボス部７ｃ内にはすべり軸受で構成された旋回軸受８が圧入されている。

固定スクロール２と可動スクロール７を噛み合わせることにより圧縮室１０が形成され、可動スクロール７が旋回運動することにより、その容積が減少する圧縮動作が行われる。可動スクロール７の旋回運動に伴って、冷凍サイクルの冷媒ガスが吸入管（図示省略）および吸入口２ｃを介して圧縮室１０へ導入される。

圧縮室１０に吸込まれた冷媒ガスは、圧縮行程を経て、吐出口７ｄから吐出室１３に吐出され、その後、流体流路（図示省略）からモータ室１４側に流れる。モータ室１４側に流れた圧縮冷媒ガスは吐出管（図示省略）から冷凍サイクルに流出する。

モータハウジング４の内周面には固定子であるステータ１１が固定されており、シャフト５の外周面にはステータ１１と相対する位置に回転子であるロータ１２が固定されている。ステータ１１およびロータ１２は電動機を構成し、ステータ１１への通電によりロータ１２およびシャフト５が一体回転する。

シャフト５は、主軸受１８で回転支持される主軸部５ａと、副軸受２１に回転支持される副軸部５ｂと、主軸部５ａの端部に設けられ可動スクロール７の旋回軸受８に支持される偏心軸部５ｃなどで構成される。主軸部５ａと副軸部５ｂとは同一軸心上に形成され、偏心軸部５ｃは主軸部５ａに対して偏心して設けられる。また、偏心軸部５ｃは、スリーブ９を介して旋回軸受８に回転自在に支持されている。旋回軸受８の内周面が、偏心軸部５ｃの外周面との摺接面となる。

図１の１５は、可動スクロール７の基板７ａに対向するセンターハウジング３の溝に設けられたシールリングである。このシールリング１５を挟んで外側は吸入圧に近い圧力値を有した低圧室１６となる。空間１７は、調整弁による調圧や、主軸受１８および旋回軸受８と、シャフト５との僅かな隙間を介した高圧領域（モータ室１４や吐出室１３）からの冷媒ガスの漏洩により、該高圧領域よりも低圧であるとともに低圧室１６よりも高圧な中間圧状態に維持される。可動スクロール７の背面に高圧領域よりも圧力が低い領域（空間１７）が設けられることにより、可動スクロール７の背面に加わる圧力によって可動スクロール７に生じる固定スクロール２側への荷重は軽減される。そのため、可動スクロール７のスムーズな公転が得られるとともに、可動スクロール７の機械的損失が低減される。

主軸受１８は、転がり軸受である玉軸受により構成され、シャフト５の電動機よりも圧縮機構部側に配設されている。副軸受２１は、転がり軸受である玉軸受により構成され、電動機よりも反圧縮機構部側に配設されている。

副軸受２１は、モータハウジング４の軸受支持部４ａ内に設けられている。具体的には、軸受支持部４ａは、電動機側に副軸受２１を挿入するための開口部４ｂを有しており、この開口部４ｂから副軸受２１が挿入される。なお、副軸受２１の開口部４ｂを覆うカバーが備えられていてもよい。

次に、図２を用いて図１に示す副軸受２１である絶縁転がり軸受を説明する。図２に示すように、副軸受２１は、軌道輪である内輪２２および外輪２３と、この内・外輪間に介在する複数の玉（転動体）２４とを有する軸受本体部と、内輪２２の内周部に嵌合された絶縁ブッシュ２８とを備える。玉２４は、保持器２５によって一定間隔に整列して保持されている。玉２４周囲の軸受空間にはグリース２７が充填されており、シール部材２６によって軸受空間が密封されている。内輪２２と外輪２３と玉２４は、ＳＵＪ２などの軸受鋼で形成されている。

図３は、絶縁ブッシュの一例を示す斜視図である。図３に示すように、絶縁ブッシュ２８は、円周方向の一部に切断部を有する略円筒状部材であり、略円筒状の金属基材２８ａと、該金属基材２８ａの内周面に形成された樹脂層２８ｂとを有する。

図２において、絶縁ブッシュ２８は、金属基材２８ａを、内輪２２の反軌道側である内周部に接触させて圧入嵌合されている。絶縁ブッシュ２８が圧入嵌合され、さらに、絶縁ブッシュ２８の軸孔にシャフト５が挿入されることで、シャフト５、絶縁ブッシュ２８、および内輪２２は一体回転可能となる。シャフトの回転時において、樹脂層２８ｂはシャフト５の外周面に対し摺動せずに接触する。図２のように、樹脂層２８ｂが、内輪２２および金属基材２８ａとシャフト５との間に介在することで、シャフト５を介して軸電流が軸受本体部に流れることを遮断できる。

絶縁ブッシュの他の例を図４に示す。図４に示す絶縁ブッシュ２８’は、フランジ付き円筒状の金属基材２８ａの内周面に樹脂層２８ｂを設けたものである。絶縁ブッシュ２８’が内輪の内周部に嵌合される場合、フランジ部は内輪の幅面と嵌合され、該幅面に金属基材２８ａが接触する。

金属基材および樹脂層の厚さは特に限定されないが、金属基材の厚さの方が樹脂層の厚さよりも大きいことが好ましい。金属基材の厚さは、好ましくは０．５ｍｍ～５ｍｍであり、より好ましくは１ｍｍ～３ｍｍである。樹脂層の厚さは、好ましくは０．１ｍｍ～２ｍｍであり、より好ましくは０．５ｍｍ～１ｍｍである。

金属基材の材料として、ＳＰＣＣ製の鋼板などを用いることができる。樹脂層は、冷媒や潤滑油にさらされた環境下で使用されるため耐薬品性を有していることが好ましい。具体的には、樹脂層のベース樹脂として、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ＰＴＦＥ樹脂を用いることが好ましい。これらの中でも、特に耐薬品性に優れるＰＴＦＥ樹脂を用いることが好ましい。また、樹脂層には、添加剤を適宜配合することができる。添加剤としては、耐クリープ性を向上できることから非導電性の補強材（ガラス繊維など）を配合することが好ましい。

具体的な樹脂層の形態として、ベース樹脂にＰＴＦＥ樹脂を用い、添加剤としてガラス繊維を用いることが好ましい。該ガラス繊維は、樹脂層全体の１０質量％～３０質量％含むことが好ましい。

図３の絶縁転がり軸受は、例えば、以下の方法で得ることができる。まず、厚さ１ｍｍのＳＰＣＣなどの鋼板の表面に、ＰＴＦＥ樹脂にガラス繊維を配合した厚さ０．５ｍｍの樹脂シートを接着させる。なお、金属基材の接着面は、粗面化処理によって粗くなっていることが好ましい。粗面化した金属基材表面は、アンカー効果により樹脂層（樹脂シートを含む）を強固に密着させる役割を果たす。粗面化処理としては、ショットブラスト法などの機械的粗面化法、グロー放電やプラズマ放電処理などの電気的粗面化法、アルカリ処理などの化学的粗面化法などが採用できる。そして、金属基材および合成樹脂シートの複合板を所定サイズの長方形にカットした後、樹脂シートが内周側となるように、複合板を円筒状に曲げ加工することで、巻きブッシュ（絶縁ブッシュ）が得られる。

なお、絶縁ブッシュの樹脂層は、樹脂シートで形成する場合に限らず、溶融した樹脂組成物を金属基材の表面に塗工し乾燥することや、射出成形によっても得られる。

得られた絶縁ブッシュを、軸受部の内輪の内周部に圧入することで、図２の絶縁転がり軸受が得られる。なお、圧入代は、例えば１０μｍ～６０μｍであり、好ましくは２０μｍ～５０μｍである。圧入代が１０μｍより少ないと、シャフトの回転に伴い、内輪と絶縁ブッシュとが相対的に回転するおそれがある。また、圧入代が６０μｍより多いと、絶縁ブッシュの軌道面、つまり樹脂層で形成される軸受面の真円度が悪くなるおそれがある。

以上のとおり、本発明の絶縁転がり軸受は、図１の冷媒圧縮機に用いる場合、内輪の内周部に絶縁ブッシュを嵌合した構成としたが、これに限らない。例えば、冷媒圧縮機に用いる軸受が外輪回転の構成では、外輪の外周部に絶縁ブッシュを嵌合することができる。この場合、絶縁ブッシュは、外輪の外周部に金属基材が接触するように嵌合され、絶縁転がり軸受の外周面が樹脂層となる。

上記図では、副軸受として玉軸受を示したが、円すいころ軸受、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受、針状ころ軸受、スラスト円筒ころ軸受、スラスト円すいころ軸受、スラスト針状ころ軸受、スラスト自動調心ころ軸受などにも適用できる。

冷媒圧縮機の構成は、図１の構成に限らない。例えば、図１のシャフト５の端部に油溜りに接続された給油ポンプを設けるとともに、シャフト５内に軸方向に貫通するように油通路を形成してもよい。この構成によれば、油溜りの油（冷凍機油）を給油ポンプを介して、油通路に供給することで、旋回軸受や、主軸受、副軸受を潤滑させることができる。

本発明の絶縁転がり軸受は、電食を防止するとともに、シャフトと軌道輪との間に隙間が生じることを防止できる電食防止軸受として広く利用することができる。

１ 圧縮機
２ 固定スクロール
３ センターハウジング
４ モータハウジング
５ シャフト
６ バランスウェイト
７ 可動スクロール
８ 旋回軸受
９ スリーブ
１０ 圧縮室
１１ ステータ
１２ ロータ
１３ 吐出室
１４ モータ室
１５ シールリング
１６ 低圧室
１７ 空間
１８ 主軸受
２１ 副軸受（絶縁転がり軸受）
２２ 内輪
２３ 外輪
２４ 玉
２５ 保持器
２６ シール部材
２７ グリース
２８ 絶縁ブッシュ

Claims (5)

1. 内輪および外輪と、この内・外輪間に介在する複数の転動体と、前記内輪の内周部または前記外輪の外周部に嵌合された絶縁ブッシュとを備えた絶縁転がり軸受であって、
   前記絶縁ブッシュは、略円筒状の金属基材と、該金属基材の内周面または外周面に形成された樹脂層とを有し、前記絶縁ブッシュは、前記金属基材側を前記内輪の内周部または前記外輪の外周部に接触させて嵌合されており、
   前記絶縁ブッシュは、円周方向の一部に切断部を有する巻きブッシュであることを特徴とする絶縁転がり軸受。
2. 前記樹脂層のベース樹脂がポリテトラフルオロエチレン樹脂であることを特徴とする請求項１記載の絶縁転がり軸受。
3. 前記樹脂層に、該樹脂層全体に対して１０質量％～３０質量％のガラス繊維が含まれることを特徴とする請求項２記載の絶縁転がり軸受。
4. 前記絶縁転がり軸受は、冷媒圧縮機に使用され、該冷媒圧縮機の電動機によって回転駆動されるシャフトを回転支持する軸受であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項記載の絶縁転がり軸受。
5. 前記冷媒圧縮機は、スクロール式の冷媒圧縮機であることを特徴とする請求項４記載の絶縁転がり軸受。

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