(57)【要約】【課題】燃料電池の電極に圧縮気体を供給するコンプレッサ用として好適な転がり軸受を提供する。【解決手段】外輪１と、ニードル状のころ（転動体）２と、保持器３とからなるニードル軸受を以下の構成とする。保持器３は、ＰＥＥＫにカーボン繊維を含有する材料を射出成形した後、その表面全体にＤＬＣ層を形成する。外輪１およびころ２についても表面全体にＤＬＣ層を形成する。グリースとしてはフッ素グリースを使用する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成部材として少なくとも外輪と転動体とを備え、軸とハウジングとの間に設置され、転動体の転動により、軸およびハウジングの一方を他方に対して相対回転させる転がり軸受において、
フッ素グリースで潤滑されているとともに、
転動体以外の構成部材の転動体が接触する面および転動体の転動面のうちの少なくとも一方の面に、ダイヤモンドライクカーボン層が形成されていることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
構成部材として耐熱性樹脂からなる保持器を有し、この保持器の転動体が接触する面にダイヤモンドライクカーボン層が形成されている請求項１記載の転がり軸受。
【請求項３】
燃料電池の電極に圧縮気体を供給するコンプレッサに使用されることを特徴とする請求項１または２記載の転がり軸受。
【請求項４】
燃料電池の電極に圧縮気体を供給するコンプレッサにおいて、請求項１または２記載の転がり軸受が設置されていることを特徴とする燃料電池用コンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の電極に圧縮気体を供給するコンプレッサ用として好適な転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の基本構造では、電解質膜の両面をカソード（酸素極）とアノード（燃料極）で挟持したものを１セルとし、セパレータを介して複数のセルを積層している。また、各セパレータの表裏面にガス通路を形成し、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同時に、アノード側には燃料ガスとして水素を供給する。
【０００３】
そのため、燃料電池は、カソード側へ圧縮空気を供給する空気供給装置と、アノード側へ水素を供給する循環装置とを備えている。これらの装置の駆動方式には、排ガスタービンでコンプレッサを駆動させる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モータ駆動方式等がある。
燃料電池のカソード側へ圧縮空気を供給するスクロール式コンプレッサとしては、図４に示すものがある。
【０００４】
このスクロール式コンプレッサは、圧縮機構部１０とクランク機構部２０と駆動モータ部３０とからなる。圧縮機構部１０は、固定スクロール１１と旋回スクロール１２とからなり、両スクロール１１，１２で形成される空間が圧縮室として機能する。固定スクロール１１の基盤１１１の中央には、燃料電池のカソード（酸素極）に向かう吐出口１１１ａが設けてある。旋回スクロール１２の中央部には有底円筒状の凹部１２１が設けてある。
【０００５】
クランク機構部２０は、旋回スクロール１２に旋回（公転）運動を行わせる駆動クランク機構２１と、旋回スクロール１２の自転を防止する従動クランク機構２２とからなる。駆動クランク機構２１は、旋回スクロール１２の凹部１２１と、モータ主軸４０に対して偏心させて設けたクランクピン２１１と、クランクピン２１１を凹部１２１に対して回転自在に支持するニードル軸受２１２とからなる。ニードル軸受２１２は、外輪２１２ａところ２１２ｂと保持器２１２ｃとからなる。従動クランク機構２２はボールカップリングからなる。
【０００６】
駆動モータ部３０は、センターハウジング３１と、リアハウジング３２と、それらの間に収納されたモータ３３とで構成されている。モータ３３のロータ３３ａがモータ主軸４０に固定され、ステータ３３ｂがセンターハウジング３１に固定されている。
そして、モータ３３に電力が供給されるとモータ主軸４０が回転し、駆動クランク機構２１を介して旋回スクロール１２が固定スクロール１１とかみ合いながら旋回する。これと同時に、両スクロール１１，１２で形成される空間に空気が吸入され、旋回スクロール１２の旋回によって前記空間の容積が小さくなることで、吸入空気が圧縮されて吐出口１１１ａから吐出される。この吐出口１１１ａから吐出された圧縮空気が、燃料電池のカソードに供給される。
【０００７】
このコンプレッサにおいては、圧縮空気の供給先であるカソードの損傷を防止するために、吐出口１１１ａから吐出される圧縮空気中に汚染物質が混入しないようにする必要がある。そのため、潤滑剤としては、基油として炭化水素を用いる一般グリースではなく、基油がフッ素油からなり増ちょう剤がフッ素樹脂からなるフッ素グリースを使用することが好ましい。フッ素グリースは蒸発し難いため、発塵性が低い。
【０００８】
転がり軸受にフッ素グリースを使用することは、下記の特許文献１および２に記載されている。また、燃焼電池および燃料電池用のコンプレッサについては、下記の特許文献３〜５に記載されている。
また、下記の特許文献６には、保持器の外周面もしくは外輪の内周面および／または保持器の内周面もしくは内輪の外周面に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜等からなる摺動性低減膜を形成することが記載されている。この特許文献６には、また、ＰＥＥＫ等の耐熱性樹脂で形成され、外周面にＤＬＣ膜が形成された保持器が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平５−２０２９４４号公報
【特許文献２】
特開２００１−１７３６６７号公報
【特許文献３】
特開平１１−３０７１１２号公報
【特許文献４】
特開２００２−０７０７６４号公報
【特許文献５】
特開２０００−００２１９２号公報
【特許文献６】
特開２００２−２２７８４５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フッ素グリースは一般グリースと比較して潤滑性能が低く、使用条件によっては耐摩耗性および耐焼き付き性が不十分な場合がある。例えば、上述のコンプレッサでは、駆動時にニードル軸受１２１が高温（１８０℃程度）になるため、ニードル軸受１２１をフッ素グリースで潤滑すると耐焼き付き性が不十分になる場合がある。
本発明は、このような従来技術の未解決の課題を解決するためのものであり、燃料電池の電極に圧縮気体を供給するコンプレッサ用として好適な転がり軸受を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、構成部材として少なくとも外輪と転動体とを備え、軸とハウジングとの間に設置され、転動体の転動により、軸およびハウジングの一方を他方に対して相対回転させる転がり軸受において、フッ素グリースで潤滑されているとともに、転動体以外の構成部材の転動体が接触する面および転動体の転動面のうちの少なくとも一方の面に、ダイヤモンドライクカーボン層が形成されていることを特徴とする転がり軸受を提供する。
【００１２】
フッ素グリースの基油とするフッ素油としては、パーフルオロエーテル重合体およびその誘導体が好ましい。また、「−ＣＸ  Ｆ２Ｘ−Ｏ−」（Ｘ＝１〜４の整数）を繰り返し単位とし、平均分子量が１０００〜１５０００である重合体が特に好ましい。潤滑性能やトルク性能を考慮すると、平均分子量は３０００〜１３０００であることがより好ましい。この平均分子量であると、粘度指数が高く、流動点も高いため、低トルク化およびトルク変動の抑制の点で好ましい。
【００１３】
パーフルオロエーテル重合体の例としては、下記の（１）式に示すような、側鎖を有する構造のパーフルオロアルキルエーテル、下記の（２）式に示すような直鎖構造のパーフルオロアルキルエーテルが挙げられる。特に、直鎖構造のパーフルオロアルキルエーテルは、蒸発特性（蒸発し難いこと）および潤滑性能に優れている。
【００１４】
パーフルオロエーテル重合体の誘導体の例としては、下記の（１）式および（２）式の両末端基に、イソシアネート基、水酸基、カルボキシル基、およびエステル基が導入されたものが挙げられる。特に、水酸基が導入された誘導体が好ましく、その例としては下記の（３）式に示す構造のものが挙げられる。また、下記の（４）式に示すような、末端にアルコールが置換された構造のものも好ましい。
【００１５】
【化１】
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【００１６】
【化２】
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【００１７】
【化３】
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【００１８】
【化４】
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【００１９】
構造式が（１）式であるフッ素油としては、ＤＵＰＯＮＴ社の「クライトックス１４３」、「クライトックスＧＰＬ」、「クライトックス１５００」、ＡＳＩＭＯＮＮＴ社の「フォンブリンＹスタンダード」、ＮＯＫクリューバー社の「バリエルタＪフルード」が挙げられる。構造式が（２）式であるフッ素油としては、ダイキン工業社の「デムナム」、ＡＳＩＭＯＮＮＴ社の「フォンブリンＺ」等が挙げられる。構造式が（３）式であるフッ素油としては、ＡＳＩＭＯＮＮＴ社の「フォンブリンＺ誘導体」、ＤＵＰＯＮＴ社の「クライトックス１５７」、ダイキン工業社の「デムナム変性タイプ」が挙げられる。
【００２０】
これらのパーフルオロエーテル重合体およびその誘導体は、平均分子量や官能基が異なるものを任意に混合して使用することができる。これにより、粘度の調整や、金属への濡れ性の向上等を図ることができる。パーフルオロエーテル重合体の誘導体はパーフルオロエーテル重合体よりも蒸気圧が高いため、誘導体を混合する際には、蒸気圧の小さい直鎖構造のパーフルオロエーテル重合体を主体とし、誘導体は少量添加することが好ましい。
【００２１】
なお、これら以外のフッ素油としては、リンや窒素を基本骨格としているフルオロフォスファゼンが挙げられる。
フッ素グリースの増ちょう剤とするフッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレンが挙げられる。ポリテトラフルオロエチレンはフッ素油との親和性が高いため、ポリテトラフルオロエチレンを増ちょう剤として使用することにより、フッ素グリースのゲル構造を長期に渡って良好に維持することができる。使用可能なポリテトラフルオロエチレンとしては、ＤＵＰＯＮＴ社の「クライトックスＤＦ」が挙げられる。
【００２２】
また、本発明で使用するフッ素グリースは、必要に応じて、一般的なフッ素グリースに添加される各種添加剤が添加されたものであってもよい。
本発明の転がり軸受においては、フッ素グリースで潤滑することで生じる耐焼き付き性の低下を、ＤＬＣ層を設けることにより改善することができる。ＤＬＣ層による耐焼き付け性の向上効果を得るために、ＤＬＣ層の厚さは０．５μｍ以上１０μｍ以下とすることが好ましい。１０μｍを超えると内部応力が増大して自己破壊に至る恐れがある。０．５μｍ未満であるとＤＬＣ層が部分的に形成されない恐れがある。
【００２３】
また、ＤＬＣ層とこれを設ける構成部材の面との間に、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、珪素（Ｓｉ）等からなる中間層を設けることにより、ＤＬＣ層とこれを設ける構成部材の面との密着性を高くすることができる。さらに、硼素（Ｂ）や窒素（Ｎ）が添加されてＤＬＣ層を形成することで、耐焼き付け性をさらに向上できる。
【００２４】
本発明の転がり軸受は、構成部材として耐熱性樹脂からなる保持器を有し、この保持器の転動体が接触する面にダイヤモンドライクカーボン層が形成されていることが好ましい。
保持器を形成する耐熱性樹脂としては、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサファイド（ＰＰＳ）、ポリスルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、フェノール樹脂、ポリアミド（ナイロン６６）等が挙げられる。また、これらの耐熱性樹脂にガラス繊維、カーボン繊維、カーボンナノチューブ等の強化繊維が添加された複合材料を用いることにより、保持器の機械的強度を高くすることができる。さらに、耐熱性樹脂からなる保持器は、鉄鋼製あるいは銅製の保持器と比較して軽量である。
【００２５】
本発明の転がり軸受は、燃料電池の電極に圧縮気体を供給するコンプレッサに使用される転がり軸受として好適である。特に、圧縮気体吐出口近傍に使用される転がり軸受として好適である。
本発明はまた、燃料電池の電極に圧縮気体を供給するコンプレッサにおいて、本発明の転がり軸受が設置されていることを特徴とする燃料電池用コンプレッサを提供する。特に好ましい形態として、圧縮気体吐出口近傍に本発明の転がり軸受が設置されていることを特徴とする燃料電池用コンプレッサを提供する。
【００２６】
本発明の燃料電池用コンプレッサにおいては、圧縮気体吐出口近傍に設置されている転がり軸受が、フッ素グリースで潤滑されているとともに、ＤＬＣ層により耐焼き付き性が高いものとなっている。すなわち、前記転がり軸受は、良好な耐焼き付き性を有しながら、圧縮気体吐出口から吐出される圧縮空気中に汚染物質を混入させない。そのため、本発明のコンプレッサによれば、圧縮空気の供給先である電極の損傷と転がり軸受の早期焼き付きが防止されるため、コンプレッサおよびこれを備えた燃料電池の寿命を長くすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態に相当するニードル軸受（転がり軸受）を示す斜視図である。このニードル軸受は、外輪１と、ニードル状のころ（転動体）２と、保持器３とからなる。ここでは、以下のようにして、ＪＩＳ軸受系列記号「ＲＮＡ６９０４」に相当するニードル軸受を作製した。
【００２８】
外輪１およびころ２は、ＳＵＳ４４０Ｃからなる素材を用い通常の方法で所定形状に加工した後、通常の熱処理を行った。次に、外輪１およびころ２の表面全体に、下記の方法でＤＬＣ層を形成した。保持器３は、ＰＥＥＫにカーボン繊維を３０質量％含有する材料を射出成形した後、その表面全体に下記の方法でＤＬＣ層を形成した。また、前記材料で射出成形した後ＤＬＣ層を形成しない保持器も用意した。さらに、ＳＰＣＣ製の保持器として、ＤＬＣ膜を形成したものとしないものを用意した。
【００２９】
外輪１およびころ２に対するＤＬＣ層の形成は、（株）神戸製鋼所のアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置「５０４」を用いて行った。中間層としてＣｒとＮｉの混合層を約０．５μｍの厚さで形成した上に、ＤＬＣ層を２μｍの厚さで形成した。
保持器３に対するＤＬＣ層の形成は、（株）神戸製鋼所のアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置「５０４」を用いて行った。中間層としてＴｉ層を約０．５μｍの厚さで形成した上に、ＤＬＣ層を２μｍの厚さで形成した。
【００３０】
また、グリースとして、フッ素グリースであるＡと、基油が炭化水素の合成油であって増ちょう剤がウレアであるＢを用意した。Ａは、ダイキン工業（株）製の「デムナムＬ−２００」であり、Ｂは、協同油脂（株）製の「マルテンプＳＣ−Ｃ」である。
これらの外輪１、ころ２、保持器３、グリースを表１のように組み合わせて、図１のニードル軸受を６種類（サンプルＮｏ．  １〜６）作製した。各サンプルについて、荷重：１００００Ｎ、回転速度：６０００ｒｐｍ、雰囲気温度：１８０℃の条件で回転する回転試験を行い、焼き付きが生じるまでの時間を調べた。その結果を図２のグラフに示す。各サンプルについて３個ずつ試験を行った。なお、Ｎｏ．  １では５００時間を過ぎても焼き付きが生じなかったので、５００時間で回転試験を打ち切った。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
図２のグラフから、保持器の材質のみが異なるＮｏ．  １とＮｏ．  ２、Ｎｏ．  ３とＮｏ．  ４、Ｎｏ．  ５とＮｏ．  ６を比較すると、ＰＥＥＫ＋Ｃ（カーボン）繊維からなるＮｏ．  １，３，５は、ＳＰＣＣからなるＮｏ．  ２，４，６よりも耐焼き付き性に優れていることが分かる。また、保持器のＤＬＣ層の有り無しのみが異なるＮｏ．  １とＮｏ．  ３との比較、およびＮｏ．  ２とＮｏ．  ４との比較から、ＤＬＣ層を設けることで耐焼き付き性が向上することが分かる。
【００３３】
また、Ｎｏ．  １〜６のニードル軸受を発塵性試験装置にかけて、回転時にニードル軸受から生じる発塵量を測定した。この発塵性試験装置は、クリーンエアが導入される密閉空間と、この密閉空間内に配置された回転軸およびハウジングと、パーティクルカウンタとを備えている。回転軸は密閉空間から外部に貫通配置されて密閉空間の壁材に磁気シールユニットにより取り付けられ、密閉空間内に異物が混入されないようになっている。また、密閉空間の壁材にはクリーンエアの導入口と、パーティクルカウンタへの空気導出口が形成されている。
【００３４】
この発塵性試験装置の回転軸とハウジングとの間に各ニードル軸受を取り付けた後に、試験装置内を密閉した。次に、荷重：１００００Ｎ、回転速度：３００ｒｐｍ、雰囲気温度：室温の条件で回転軸を回転し、１０分毎にパーティクルカウンタで発塵量（０．５０μｍ以下のパーティクルの個数）を測定した。その結果を図３のグラフに示す。
【００３５】
図３のグラフから、フッ素グリースを用いたＮｏ．  １〜４は、一般グリースを用いたＮｏ．  ５，６と比較して発塵量が少ないことが分かる。また、Ｎｏ．  １〜４のうち、保持器がＰＥＥＫ＋Ｃ（カーボン）繊維からなりＤＬＣ層を有するＮｏ．  １の発塵性が特に優れていることが分かる。
以上の結果から、外輪１ところ２と保持器３とからなるニードル軸受では、外輪１ところ２がともにＳＵＳ４４０Ｃ製で表面にＤＬＣ層を有し、保持器３がＳＰＣＣ製またはＰＥＥＫ＋Ｃ（カーボン）繊維製でＤＬＣ層を有し、フッ素グリースで潤滑する構成とすることにより、耐焼き付け性と低発塵性の両方に優れたものが得られる。したがって、このニードル軸受は、図４に示す「燃料電池の電極に圧縮気体を供給するスクロール式コンプレッサ」のニードル軸受２１２として好適なものとなる。
【００３６】
なお、本発明の転がり軸受は図１のような内輪無しのニードル軸受に限定されず、内輪、外輪、転動体、および保持器からなる一般的な転がり軸受や、保持器を有さない転がり軸受にも適用できる。
また、本発明の転がり軸受は、「燃料電池の電極に圧縮空気を供給するインペラ式コンプレッサ」に使用される転がり軸受としても（特に、圧縮気体吐出口近傍に使用される転がり軸受として）好適である。このインペラ式コンプレッサの一例を図５に示す。
【００３７】
このコンプレッサは、回転軸５１、インペラ５２、転がり軸受５３，５４、ブッシュ５５、バックル５６、ハウジング５７、バックプレート５８、リアハウジング６０等で構成されている。ハウジング５７には吸気口５７１と吐出口５７２が設けてある。ハウジング５７とバックプレート５８とにより加圧ボリュート５９が形成されている。回転軸５１の回転によりインペラ５２が回転し、吸気口５７１から吸い込まれた空気がインペラ５２の遠心力で加圧され、加圧ボリュート５９を通って吐出口５７２から、燃料電池のカソードに向けて圧縮空気が排出される。
【００３８】
リアハウジング６０には、潤滑油の導入口６１と導出口６２が形成されている。コンプレッサ起動時等の低速回転時にはインペラ５２の背面空間５２１が負圧になるため、ブッシュ５５とバックプレート５８との間の隙間から潤滑油が背面空間５２１に吸い込まれることがある。これを防止するためにシールリング６３やバックル５６を設けているが、これだけでは完全に防止できない。背面空間５２１に入った潤滑油が圧縮空気とともに吐出口５７２から燃料電池のカソードに入ると、カソードに損傷が生じる恐れが有る。
【００３９】
したがって、このインペラ式コンプレッサの転がり軸受５３，５４として、耐焼き付け性と低発塵性の両方に優れた本発明の転がり軸受を使用することにより、圧縮空気の供給先であるカソードが損傷し難くなるとともに、コンプレッサの寿命を長くすることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池の電極に圧縮気体を供給するコンプレッサ用として好適な転がり軸受が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に相当するニードル軸受（転がり軸受）を示す斜視図である。
【図２】実施形態で行った耐焼き付き性試験の結果を示すグラフである。
【図３】実施形態で行った発塵性試験の結果を示すグラフである。
【図４】燃料電池のカソード側へ圧縮空気を供給するスクロール式コンプレッサの一例を示す断面図である。
【図５】燃料電池のカソード側へ圧縮空気を供給するインペラ式コンプレッサの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  外輪
２  ころ（転動体）
３  保持器
１０  圧縮機構部
１１  固定スクロール
１２  旋回スクロール
１１１ａ  燃料電池のカソード（酸素極）に向かう吐出口
２０  クランク機構部
２１  駆動クランク機構
２１１  クランクピン
２１２  ニードル軸受
２１２ａ  外輪
２１２ｂ  ころ
２１２ｃ  保持器
２２  従動クランク機構
３０  駆動モータ部
３３  モータ
４０  モータ主軸
５１  回転軸
５２  インペラ
５３，５４  転がり軸受
５５  ブッシュ
５６  バックル
５７  ハウジング
５８  バックプレート
５９  加圧ボリュート
６０  リアハウジング
５７１  吸気口
５７２  燃料電池のカソード（酸素極）に向かう吐出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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