(57)【要約】  自己潤滑コーティング及び基材に自己潤滑コーティングを施工する方法である。本方法は、基材に少なくとも液体金属の層をガスで吹き付ける段階と、基材に吹き付けられる際の液体金属に化合物を加える段階と、上記金属と上記化合物を含む多孔質層であって複数の細孔を含む多孔質層を基材上に形成する段階と、多孔質層を加熱して細孔を開く段階と、開いた細孔をグリース材料に漬けてグリース材料の一部が１以上の細孔に留まるようにする段階と、多孔質層を冷却して細孔を閉じて、細孔の内部にグリース材料を捕捉する段階とを含む。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材に自己潤滑コーティングを施工する方法であって、
基材に少なくとも液体金属の層をガスで吹き付ける段階と、
基材に吹き付けられる際の液体金属に化合物を加える段階と、
上記金属と上記化合物を含む多孔質層であって複数の細孔を含む多孔質層を基材上に形成する段階と、
多孔質層を加熱して細孔を開く段階と、
開いた細孔をグリース材料に漬けてグリース材料の一部が１以上の細孔に留まるようにする段階と、
多孔質層を冷却して細孔を閉じて、細孔の内部にグリース材料を捕捉する段階と
を含む方法。
【請求項２】
前記液体金属が、軸受用金属の１種、ねずみ鋳鉄、ステンレス鋼、炭素鋼又は非鉄合金である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記化合物が、グラファイト粉末、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）、二硫化タングステン（ＷＳ2）又はこれらの組合せの１種である、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
Ｆｅ、Ｎｉ又はコバルトの低炭素成分及び高炭素成分を含むベース材料を準備する段階、又は基材に良好に密着するように多孔質層をベース材料上に形成するために、吹き付ける前に基材に可塑性非鉄金属を準備する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記加熱が多孔質材料を所定の温度のグリース材料に浸漬することによって実施される、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記基材が圧縮機の軸受である、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記ガスが窒素（Ｎ）を含有する、請求項１記載の方法。
【請求項８】
軸受のための安全メカニズムを有するターボ機械を運転する方法であって、
シャフトをターボ機械のステータに対して回転させる段階と、
複数の細孔を形成する金属及び化合物と、細孔に蓄えられたグリース材料とを含む１以上の多孔質層を含む軸受でシャフトを支持する段階と、
軸受の作動温度が実質的に一定になるようにシャフトの回転時に軸受に潤滑油を供給する段階と
を含む方法。
【請求項９】
故障して潤滑湯を供給する段階と、
軸受の作動温度を上昇させる段階と、
蓄えられたグリース材料が細孔から流出して軸受を潤滑するように、少なくとも多孔質層の細孔を開く段階と
をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
固定されるように構成されるステータと、
ステータに対して回転するように構成されるシャフトと、
シャフトを支持してシャフトの回転を容易にするように構成される軸受と、
軸受上又はシャフト上に設けられる自己潤滑コーティングと
を備えるターボ機械であって、
上記自己潤滑コーティングが１以上の多孔質層を含んでいて、１以上の多孔質層が、複数の細孔を形成する金属及び化合物と、細孔に蓄えられたグリース材料とを含んでおり、軸受の作動温度が所定の温度値以下の場合に細孔は閉じてグリース材料を捕捉する、ターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する主題の実施形態は、全体的には方法及びシステムに関連し、詳細には自己潤滑コーティングを提供するメカニズム及び技術に関連する。
【背景技術】
【０００２】
ここ数年間、化石燃料の高騰により、化石燃料の処理に関連する種々の態様に対する関心が高まっている。さらに、より効率的で信頼性の高いモータ、タービン、圧縮機等を製造してオイル及びガス系生成物の良好な生産及び分配を容易にすることへの関心が高まっている。
【０００３】
このような機械装置は、一般に、固定部のステータ、及び回転部のロータを含む。ロータはステータに対して回転して、媒体の圧縮、電気エネルギの生成又は電気エネルギの機械エネルギへの変換の１つを行うようになっている。ロータは、ステータに対して最小の機械的摩擦及び特定の温度範囲で回転する必要がある。ロータの連続回転及びその重量（２０〜２００００ｋｇの範囲とすることができ、機械的摩擦が増加する）により、大量の熱が発生する。この熱は主としてロータを支持する軸受で発生する。
【０００４】
従って、軸受を冷却する種々のメカニズムが必要となるであろう。このようなメカニズムの１つは、ロータと軸受の間で油等の媒体を連続的に循環させて、油を冷却することで過剰な熱を取り除くようになっている。強制的な油循環のためにポンプを使用できる。しかし、ポンプが故障すると、油が流れなくなり結果的にロータと軸受との間の境界面で生じる熱の除去が妨げられる。このような状况下で、油はロータと軸受との間の境界面に存在できず、温度がロータ及び／又は軸受又は機械装置の他の構成部品の破損に繋がるレベルまで上昇してしまう。
【０００５】
機械装置の操作者又は専用システムがこの異常状態を即座に発見して機械装置を停止できない場合、全ての機械装置がひどく破損して、結果的に、機械装置が含まれる全てのプロセスの障害になり、このことはコストがかかり油及びガス製造業では望ましくない。機械装置の故障状態を迅速に発見できたとしても、該当機械装置が、複数の機械装置が連係しており他の機械装置の安全性を妨げることなく１つの機械装置を即座に運転停止することが不可能であるプロセスの一部である場合は、影響を受けた機械装置を停止することができない場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、機械装置の操作者に機械装置が適切に作動できない瞬間と、例えば油ポンプの故障で発生する高温により機械装置が損傷を受ける瞬間との間の時間バッファを与えるシステム及び方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ある例示的な実施形態は、基材に自己潤滑コーティングを施工する方法である。本方法は、基材に少なくとも液体金属の層をガスで吹き付ける段階と、基材に吹き付けられる際の液体金属に化合物を加える段階と、上記金属と上記化合物を含む多孔質層であって複数の細孔を含む多孔質層を基材上に形成する段階と、多孔質層を加熱して細孔を開く段階と、開いた細孔をグリース材料に漬けてグリース材料の一部が１以上の細孔に留まるようにする段階と、多孔質層を冷却して細孔を閉じて、細孔の内部にグリース材料を捕捉する段階とを含む。
【０００８】
別の例示的な実施形態は、軸受のための安全メカニズムを有するターボ機械を運転する方法である。ロータをターボ機械のステータに対して回転させる段階と、複数の細孔を形成する金属及び化合物と、細孔に蓄えられたグリース材料とを含む１以上の多孔質層を含む軸受でロータを支持する段階と、軸受の作動温度が実質的に一定になるようにロータの回転時に軸受に潤滑油を供給する段階とを含む。
【０００９】
さらに別の例示的な実施形態は、ターボ機械であって、固定されるように構成されるステータと、ステータに対して回転するように構成されるロータと、ロータを支持してロータの回転を容易にするように構成される軸受と、軸受上又はロータ上に設けられる自己潤滑コーティングとを備える。自己潤滑コーティングは、１以上の多孔質層を含み、１以上の多孔質層は、複数の細孔を形成する金属及び化合物と、細孔に蓄えられたグリース材料とを含んでいて、軸受の作動温度が所定の温度値以下の場合に細孔は閉じてグリース材料を捕捉するようになっている。
【００１０】
本明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付図面は、１以上の実施形態を例証しており、本明細書と共にこれらの実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ロータ及びステータを有する機械装置の概略図。
【図２】例示的な実施形態による自己潤滑コーティングを有する基材の概略図。
【図３】例示的な実施形態による多孔質層の実例。
【図４】例示的な実施形態による基材に自己潤滑コーティングを施工するための方法を示すフローチャート。
【図５】例示的な実施形態による軸受のための安全メカニズムを有するターボ機械を運転するための方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
例示的な実施形態は添付図面を参照する。異なる図面で同じ参照番号は同じ又は類似の構成部品を示す。以下の詳細な説明は本発明を限定するものではない。その代わりに、本発明の範囲は添付の請求項によって定義される。以下の実施形態は、簡単にするために、圧縮機の用語及び構造に関して説明する。しかし、以下に説明する実施形態は圧縮機に限定されず、軸受で支持されるロータを含む他のシステムに適用できる。
【００１３】
本明細書を通して「一実施形態」又は「実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される具体的な特徴、構造又は特性が開示される主題の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体を通じて様々な箇所で表現「一実施形態では」又は「ある実施形態では」が出現するが、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではない。さらに、具体的な特徴、構造又は特性は、１以上の実施形態ではあらゆる好適な様態で組合せてもよい。
【００１４】
例示的な実施形態では、ロータの一部、軸受又はこれらの両者は、自己潤滑コーティングで被覆されており、機械装置が通常の温度で作動する間にグリース材料を蓄え、機械装置の温度が所定の温度閾値を超えて上昇した場合にグリース材料を放出するようになっている。
【００１５】
図１に示す例示的な実施形態では、圧縮機１０は、特にロータ１４に対して回転するようになったロータ１２を含む。ロータ１２は、例えば両端で１以上の軸受１６で支持される。従来から種々の軸受が知られており、いずれの軸受もロータ１２を支持するために使用できる。軸受の一例は、米国特許第６３６１２１５号に説明されているジャーナル軸受であり、この開示内容は引用によって本明細書に組み込まれている。
【００１６】
ジャーナル軸受１６は、ロータ１２を支持する１以上のパッド１８を使用しており、油は、パッド１８とロータ１２の間で境界面２０に噴射されて機械的摩耗を低減する及び／又は境界面を冷却するようになっている。ポンプ（図示せず）を使用して、油を各パッドの通路２２を通ってパッド１８とロータ１２の間の境界面２０の送り込むことができる。境界面２０への油の供給ができない場合、この境界面の温度は軸受１６、ロータ１２又はこれら両方に損傷を与える場合がある許容値を超えて上昇することになる。
【００１７】
図２に示す例示的な実施形態では、ロータ１２又は軸受１６の一部又はこれら両方は、自己潤滑層２４で被覆できる。自己潤滑層２４は、図２に示すように、ロータ１２及び／又は軸受１６の１つとすることができる基材２６上に堆積させることができる。
【００１８】
自己潤滑層２４がロータ１２上に堆積される場合、自己潤滑層が軸受１６と直接向かい合うように堆積させることが望ましい。自己潤滑層２４は、基材２４上に堆積されるベース材料２８を含むことができる。ベース材料としては、軸受用金属、例えば、ねずみ鋳鉄、ステンレス鋼、炭素鋼、非鉄合金等が挙げられる。１つの用途において、ベース材料は、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ又はコバルトの低炭素成分及び高炭素成分を含む材料を含有する可塑性である。他の用途において、ベース材料はＣｒを含有しない。さらに別の用途において、ベース材料は、非鉄金属を含有することができるのでベース材料は可塑性である。ベース材料は、従来から公知の方法で堆積させることができる。例えば、ベース材料は、基材に吹き付けることができる。しかし、１つの用途において、ベース材料層２８は自己潤滑層２４の一部ではない。ベース材料層２８は、自己潤滑層２４と基材２６との間の良好な密着を確保するために堆積される。
【００１９】
自己潤滑機能をもたらす多孔質層３０は、ベース材料層２８上に又は直接基材２６上に形成される。多孔質層３０は、多孔質層３０に細孔の形成を促進する金属及び化合物を含有できる。金属は、用途、所望の層硬度、軸受荷重に基づいて、１種以上の軸受用金属、例えば、ねずみ鋳鉄、ステンレス鋼、炭素鋼とすることができる。化合物は、１種以上のグラファイト粉末、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）、二硫化タングステン（ＷＳ2）とすることができる。金属は、液体としてベース材料層２８上に吹き付けられる。例えば、電気アーク又はプラズマ溶射は、液体金属及び化合物を吹き付けるために使用できる。加圧下の不活性ガスは、ガン又は基材のコーティングに使用する他の装置から溶融金属を供給するだけでなく、溶融金属中に化合物を加えるために使用できる。例えば、不活性ガスは窒素（Ｎ）とすることができる。
【００２０】
多孔質層３０は図３に示されており、金属及び化合物の混合物３４の全体に分布する複数の細孔３２を有している。複数の細孔３２の数は多くの変数に依存する。例えば、細孔の数は、液体金属を基材に吹き付ける温度、不活性ガスの圧力、液体金属を吹き付けるガンと基材との間の距離、使用される特定の金属、使用される特定の化合物等に依存することができる。１つの用途において、自己潤滑層３０の厚さは、数マイクロメートル乃至数ミリメートルの範囲である。
【００２１】
基材２６上に多孔質層３０が形成された状態で、アセンブリの温度が室温（約２５℃）程度と低い場合、細孔は閉じ、例えば、多孔質層３０を液体浴に浸漬しても、わずかな量の液体しか多孔質層３０の細孔に入らない。しかし、多孔質層３０及び基材２６を高温の油浴に暴露（例えば、浸漬）すると、多孔質層３０の細孔３２が開いて油が細孔に充満し始める。高温の温度範囲は例えば油の種類（合成か否か等）によって８０〜５００℃とすることができる。例示的に油が使用されるが、何らかのグリース材料を使用して多孔質層３０の細孔の一部又は全てを部分的に満たすことができる。
【００２２】
次に、基材２６及び多孔質層３０は室温まで冷却され、吸収されたグリース材料が細孔３２の内部に蓄えられるように細孔がシールされる。次に、自己潤滑層３０を有するこの基材は、１以上の前述の機械装置に使用される。従って、この機械装置がロータと軸受との間の境界面に油を供給できない場合、自己潤滑層３０の細孔が開く温度を超えるまで境界面の温度が上昇し、これにより多孔質層３０はロータと軸受との間の境界面にグリース材料を放出し始める。サイズ及び軸受及び／又はロータ上の分布に応じて、この自己潤滑層３０は、機械装置の主油供給メカニズムが故障したとしても、機械装置の操作者に数時間とまではいかなくても数分の安全な操業を与える。このようにして、操作者には、プロセスラインを構成する他の機械装置の安全性を損なく、管理された方法で全プロセスラインを停止するのに必要な時間が提供される。
【００２３】
グリース材料を長時間与えるために厚い自己潤滑層３０を設けることが直感的に分かるが、厚い層は割れが発生し易いので寿命が短いことが分かっている。さらに、厚い層の割れによりグリース材料が期待よりも早期に漏れ、多孔質層の基材への密着が損なわれる場合もある。逆に、薄い層は、十分なグリース材料を蓄えることができないので望ましくない。従って、自己潤滑層３０の適切な厚さは、機械装置の種類、ロータの重量、パッドの数、及び軸受の数等に依存する。
【００２４】
図４に示す例示的な実施形態では、基材に自己潤滑コーティングを施工する方法が示される。本方法は、ガスを用いて少なくとも液体金属の層を基材に吹き付けるステップ４００、基材に吹き付けられる間に液体金属に化合物を加えるステップ４０２、基材に、金属及び化合物を含有し複数の細孔を有する多孔質層を形成するステップ４０４、多孔質層を加熱して細孔を開くステップ４０６、グリース材料が１以上の細孔の中に蓄えられるように開いた細孔にグリース材料を充満させるステップ４０８、多孔質層を冷却して細孔を閉じて細孔の内部にグリース材料を捕捉するステップ４１０を含む。
【００２５】
液体金属を堆積するために使用するガスは不活性ガスとすることができる。しかし、鉄層を堆積するために、安価なＮ2ガスを使用できる。また、Ｎ2ガスは、多孔質層に可塑性を与えることができるので望ましい。Ｎ2ガスは、液体金属の合金化元素の酸化を防止すると共に堆積層の組成物を変質いないので、アルゴン又は圧縮空気より優れている。
【００２６】
図５に示す例示的な実施形態では、ターボ機械の軸受のための安全メカニズムを提供する方法が開示される。本方法は、ロータをターボ機械のステータに対して回転させるステップ５００、複数の細孔を形成する金属及び化合物、及び細孔に蓄えられたグリース材料を含む１以上の多孔質層を含む軸受でロータを支持するステップ５０２、軸受の作動温度が実質的に一定になるようにロータの回転時に軸受に潤滑油を供給するステップ５０４を含む。
【００２７】
開示された例示的な実施形態は、グリース材料の専用供給が機能しなくなった場合にグリース材料を供給するためのシステム及び方法を提供する。本明細書は本発明を限定することを意図していない点は理解されたい。逆に、例示的な実施形態は、添付の請求項によって定義される本発明の技術的思想及び範囲に含まれる、代替形態、修正形態、及び均等形態を保護するものとする。さらに、例示的な実施形態の詳細な説明において、請求項に記載された本発明を包括的に理解するために多数の具体的な詳細事項が記載されている。しかし、種々の実施形態はこのような具体的な詳細事項がなくとも実施できる点は当業者であれば理解されるであろう。
【００２８】
本発明の例示的な実施形態の特徴及び要素は、特定の組合せで実施形態では説明したが、各特徴又は要素は、実施形態の他の特徴及び要素を伴わず単独で、或いは本明細書で開示される他の特徴及び要素の有無に関わりなく種々の組合せで用いることができる。
【００２９】
本明細書は、開示される主題の実施例を用いて、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施工するることを含む本発明を実施工するることを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は請求項の範囲内であることが意図されている。
【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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【国際調査報告】
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