(57)【要約】【課題】  転がり軸受装置内部に侵入する異物を低減すると共に、水蒸気等の雰囲気に曝されても長期間に亘って耐久性を確保できる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の内輪１３および外輪１２がＭ５０で形成され、転動体１５がオーステナイト系ステンレス鋼で形成されると共に、外輪１２の外周に環状溝２２が形成され、この環状溝２２に弾性リング２３が装着されてハウジング２に弾性接触しているので、転がり軸受装置内部への異物の侵入を防止し、水蒸気等の雰囲気に曝されても耐久性を確保できる。【選択図】図２
2006312952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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転がり軸受とを備え、
こ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、
前記転がり軸受の内輪および外輪が、高硬度が得られ耐脆性剥離に優れた耐熱鋼で形成されると共に、前記転動体が耐食性と耐脆性剥離に優れた素材で形成されていることを特徴とする転がり軸受装置。
【請求項２】
前記内輪および外輪がＭ５０で形成されている請求項１に記載の転がり軸受装置。
【請求項３】
前記転動体がセラミックスで形成されている請求項１または２に記載の転がり軸受装置。
【請求項４】
前記転動体がオーステナイト系ステンレス鋼で形成されている請求項１または２に記載の転がり軸受装置。
【請求項５】
前記転がり軸受が一対の転がり軸受で構成され、これら一対の転がり軸受のうち少なくとも前記コンプレッサ側の転がり軸受の外輪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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
この問題を解決したものとして、図４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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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５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、両者の嵌合面間に生ずる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。
【特許文献１】特開２００３−２０２０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、従来の転がり軸受装置５０においては、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が形成されると共に、この環状溝６４にＯリング６５が装着され、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ことができるが、これらの転がり軸受５３、５４は、通常ＳＵＪ２等の高炭素クロム鋼で形成されているため、長時間水蒸気等の雰囲気に曝されると軸受表面に錆が発生する恐れがある。また、腐食が発生した場合、環境下に存在する拡散性水素が起因となった白色組織変化を伴う剥離、所謂「脆性剥離」が発生し易くなって好ましくない。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、転がり軸受装置内部に侵入する異物を低減すると共に、水蒸気等の雰囲気に曝されても長期間に亘って耐久性を確保できる転がり軸受装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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転がり軸受とを備え、こ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、前記転がり軸受の内輪および外輪が、高硬度が得られ耐脆性剥離に優れた耐熱鋼で形成されると共に、前記転動体が耐食性と耐脆性剥離に優れた素材で形成されている構成を採用した。
【００１２】
このように、燃料電池のコンプレッサ装置に用いられ、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転がり軸受を備えた転がり軸受装置において、転がり軸受の内輪および外輪が、高硬度が得られ耐脆性剥離に優れた耐熱鋼で形成されると共に、転動体が耐食性と耐脆性剥離に優れた素材で形成されているので、水蒸気等の雰囲気に曝されても錆の発生を防止し、疲労寿命や耐焼付寿命が向上して長期間に亘って耐久性を確保できる転がり軸受装置を提供することができる。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明のように、前記内輪および外輪がＭ５０で形成されていれば、高硬度が得られ耐脆性剥離に優れ、疲労寿命を向上させることができる。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明のように、前記転動体がセラミックスで形成されていれば、耐食性に優れ、耐焼付寿命が向上する。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明のように、前記転動体がオーステナイト系ステンレス鋼で形成されていれば、耐食性に優れていると共に、高硬度が得られ、摩耗を抑制して耐久性を向上させることができる。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明のように、前記転がり軸受が一対の転がり軸受で構成され、これら一対の転がり軸受のうち少なくとも前記コンプレッサ側の転がり軸受の外輪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。
【発明の効果】
【００１７】
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転がり軸受とを備え、こ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、前記転がり軸受の内輪および外輪が、高硬度が得られ耐脆性剥離に優れた耐熱鋼で形成されると共に、前記転動体が耐食性と耐脆性剥離に優れた素材で形成されているので、水蒸気等の雰囲気に曝されても錆の発生を防止し、疲労寿命や耐焼付寿命が向上して長期間に亘って耐久性を確保できる転がり軸受装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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転がり軸受とを備え、こ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、前記転がり軸受の内輪および外輪がＭ５０で形成され、前記転動体がオーステナイト系ステンレス鋼で形成されると共に、前記外輪に環状溝が形成され、この環状溝に弾性リングが装着されて前記ハウジングに弾性接触している。
【実施例１】
【００１９】
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、５とを備えている。
【００２０】
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６を介してインペラ７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のアウトボード側端部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２ｂ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７の背面空間７ａと転がり軸受４とが閉塞されている。
【００２１】
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７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７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。
【００２２】
ここで、一対の転がり軸受４、５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。
【００２３】
各外輪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、５が位置決めされている。すなわち、一対の外輪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、一対の内輪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６により挟持された状態で位置決め固定されている（図１参照）。なお、一対の転がり軸受４、５をアンギュラ玉軸受とし、間座１７、１８により転がり軸受４、５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。
【００２４】
転がり軸受４（５）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、接触シールを構成している。
【００２５】
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。
【００２６】
ここで、一対の転がり軸受４、５において、内輪１３側は回転軸３としまりばめとなっているが、外輪１２側はハウジング２とすきまばめとなっている。そして、少なくともインボード側の転がり軸受４における外輪１２の外周面に環状溝２２が形成され、この環状溝２２にＯリング等からなる弾性リング２３が弾性装着されている。この弾性リング２３が外輪１２とハウジング２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７の背面空間７ａ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４、５の内部に侵入するのを防止することができる。
【００２７】
転がり軸受４（５）の外輪１２および内輪１３は、高硬度が得られ耐脆性剥離に優れた耐熱鋼で形成されている。耐熱鋼としては、ＡＭＳ６４９１やフェライト系耐熱鋼（ＪＩＳ規格のＳＵＨ４４６等）を例示することができるが、高硬度が得られ耐脆性剥離に優れた析出硬化型高合金鋼のＡＭＳ６４９１、通称ＡＩＳＩ  Ｍ５０（４Ｃｒ−４Ｍｏ−１Ｖ−０．８Ｃ）が好ましい。
【００２８】
また、転動体１５は、耐食性と耐脆性剥離に優れたセラミックスまたは耐食性を有するステンレス鋼からなる。セラミックス素材としては、アルミナ系（Ａｌ2 Ｏ3 ）、ジルコニア系、窒化ケイ素系、炭化ケイ素系、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）、酸化クロム（Ｃｒ2 Ｏ3 ）等の金属酸化物を例示することができる。また、ステンレス鋼としては、オーステナイト系ステンレス鋼（ＪＩＳ規格のＳＵＳ３０４系等）、マルテンサイト系ステンレス鋼（ＪＩＳ規格のＳＵＳ４４０系等）、フェライト系ステンレス鋼（ＪＩＳ規格のＳＵＳ４３０系等）等を例示することができるが、耐食性に優れていると共に、非磁性体で高硬度が得られ、摩耗を抑制できるオーステナイト系ステンレス鋼が好ましい。
【００２９】
また、保持器１４は、耐食性を有するステンレス鋼板またはフッ素系樹脂を素材としたものを例示できるが、転動体１５と同様、耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼板（ＪＩＳ規格のＳＵＳ３０４系等）をプレス加工により形成したものが好ましい。
【００３０】
本実施形態では、転がり軸受４（５）の外輪１２および内輪１３がＡＩＳＩ  Ｍ５０で形成され、転動体１５がセラミックスまたは耐食性を有するステンレス鋼で形成されているので、水蒸気等の雰囲気に曝されても錆の発生を防止し、疲労寿命や耐焼付寿命が向上して長期間に亘って耐久性を確保できる転がり軸受装置１を提供することができる。
【実施例２】
【００３１】
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拡大図である。なお、この実施形態は、前述した第２の実施形態（図３）と外輪とシール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。
【００３２】
この転がり軸受２４は、内周に外側転走面１２ａが形成された外輪２５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１５と、外輪２５の両端部に装着されたシール２６、２６とを備えている。
【００３３】
シール２６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２７とを備えている。このシール部材２７は、内縁部に内輪１３のシール溝１３ｂに沿ったシールリップ２７ａを一体に有し、シール溝１３ｂとでラビリンスシールを構成している。
【００３４】
本実施形態では、前述した実施形態と同様、内輪１３および外輪２５がＡＩＳＩ  Ｍ５０で形成されると共に、転動体１５がセラミックスまたは耐食性を有するステンレス鋼で形成されている。また、外輪２５の幅面には環状溝２８が形成され、この環状溝２８にＯリング等からなる弾性リング２９が弾性装着されている。そして、この弾性リング２９が外輪２５とハウジング２の肩部（図示せず）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７の背面空間７ａ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の内部に侵入するのを効果的に防止することができる。
【００３５】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に係る転がり軸受装置は、燃料電池用のあらゆる形式のコンプレッサ装置に用いられる転がり軸受装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】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２】図１の軸受部を示す要部拡大図である。
【図３】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４】従来の転がり軸受装置を示す縦断面図である。
【図５】図４の軸受部を示す要部拡大図である。
【符号の説明】
【００３８】
１・・・・・・・・・・・・・転がり軸受装置
２・・・・・・・・・・・・・ハウジング
２ａ・・・・・・・・・・・・ハウジング本体
２ｂ・・・・・・・・・・・・小径部
３・・・・・・・・・・・・・回転軸
３ａ・・・・・・・・・・・・肩部
４、５、２４・・・・・・・・転がり軸受
６・・・・・・・・・・・・・固定ナット
７・・・・・・・・・・・・・インペラ
７ａ・・・・・・・・・・・・インペラの背面空間
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、２５・・・・・・・・・外輪
１２ａ・・・・・・・・・・・外側転走面
１３・・・・・・・・・・・・内輪
１３ａ・・・・・・・・・・・内側転走面
１３ｂ・・・・・・・・・・・シール溝
１４・・・・・・・・・・・・保持器
１５・・・・・・・・・・・・転動体
１６、２６・・・・・・・・・シール
１７、１８・・・・・・・・・間座
１９・・・・・・・・・・・・芯金
２０、２７・・・・・・・・・シール部材
２０ａ、２０ｂ、２７ａ・・・シールリップ
２１・・・・・・・・・・・・蓋部材
２１ａ・・・・・・・・・・・軸シール
２２、２８・・・・・・・・・環状溝
２３、２９・・・・・・・・・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
【図１】
2006312952.tif 000003
【図２】
2006312952.tif 000004
【図３】
2006312952.tif 000005
【図４】
2006312952.tif 000006
【図５】
2006312952.tif 000007