(57)【要約】【課題】耐摺動性及び耐摩耗性を上げることができ、靭性が高く、さらに摩擦係数も低くできる複合紡績糸及び繊維強化材料及び滑り軸受及びポンプを提供すること。【解決手段】セラミック繊維２４と炭素繊維１６とを紡績加工することで複合紡績糸３０を構成する。この複合紡績糸３０を、織物、編物、組紐、或いはフィラメントワインディングに加工し、さらにその空隙にセラミック、樹脂、或いは金属を充填して繊維強化構造体とする。この繊維強化構造体を用いて滑り軸受を作製する。この滑り軸受は、ポンプ等の各種回転機械の回転軸の軸受として利用できる。【選択図】　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック繊維と炭素繊維とを紡績加工してなることを特徴とする複合紡績糸。
【請求項２】
請求項１記載の複合紡績糸を、織物、編物、組紐、或いはフィラメントワインディングに加工し、さらにその空隙にセラミック、樹脂、或いは金属を充填して構成したことを特徴とする繊維強化構造体。
【請求項３】
請求項２記載の繊維強化構造体を用いて作製したことを特徴とする滑り軸受。
【請求項４】
請求項３記載の滑り軸受を組み込んだことを特徴とする回転機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摺動性と耐摩耗性があり且つ摩擦係数を低くすることができる複合紡績糸及びこの複合紡績糸を用いた繊維強化構造体及び滑り軸受及び回転機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、遠心式ポンプ等の回転機械では、ポンプケーシング等の静止体に対してポンプ軸等の回転体を保持するために滑り軸受が使用される場合がある。この種の滑り軸受の材質は、簡便さより、通常、ゴム製の水潤滑軸受を使用することが多い。しかしながらゴム製の水潤滑軸受は、運転中に異物が混入した場合に摩耗を生じ易い。また運転開始時に潤滑水を供給しなければならないので、無注水で運転開始した後に揚水する水で潤滑するタイプの滑り軸受としては使用できない。
【０００３】
一方無注水起動ができ、また水中での耐食性及び耐摩耗性を上げるためには、セラミック等、高硬度材料を使用すればよいが、この種の材質は靭性が低くて割れ易く、滑り軸受等の構造部品としては取り扱いが困難であった。
【０００４】
そこで靭性を高めるために、セラミック繊維を成形することで構成される滑り軸受等の構造部品もあるが、その場合でもセラミック材料は摩擦係数が高いので、摺動時の発熱・冷却の繰り返しで割れが発生する恐れがあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、耐摺動性及び耐摩耗性を上げることができ、靭性が高く、さらに摩擦係数も低くできる複合紡績糸及び繊維強化材料及び滑り軸受及び回転機械を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、前記セラミック繊維に炭素繊維を混紡することで、セラミックの特性（摩耗しにくいが摩擦係数大）と炭素の特性（摩耗するが摩擦係数小）とをバランス良く取って所定の硬度と摺動性を得るようにするとともに摩擦係数を小さくし、繊維とすることで靭性も向上させるようにした。
【０００７】
即ち本願の請求項１にかかる発明は、所定の割合で混合したセラミック繊維と炭素繊維とを紡績加工してなることを特徴とする複合紡績糸である。
糸とするためにはセラミック繊維と炭素繊維は何れも連続単繊維（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＦｉｂｅｒ）を寄せ集めたものであることが望ましい。ここで連続単繊維とは、繊維材料の最小単位であり、引き伸ばしたり、撚りをかけたりすることで形成される基礎の単位であり、単独では使用されず、寄せ集めて十分な強度と柔軟性を持った紡績糸として使用される。
【０００８】
本願の請求項２にかかる発明は、請求項１記載の複合紡績糸を、織物、編物、組紐、或いはフィラメントワインディングに加工し、さらにその空隙にセラミック、樹脂、或いは金属を充填して構成したことを特徴とする繊維強化構造体である。繊維を用いた繊維強化構造体は、靭性があり、割れが生じにくい。特に破壊靭性を高くできるので、例えばこの繊維強化構造体を滑り軸受に用いたような場合は異物を噛み込んでも欠ける恐れがなくなる。
【０００９】
一方空隙にセラミックを充填した場合は、繊維強化セラミック（ＣＦＣＣ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｆｉｂｅｒ　Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）になり、空隙に樹脂を充填（含浸）した場合は繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ／ＣＦＲＴＰ）になり、空隙に金属を充填（含浸）した場合は金属マトリックス繊維強化材料（ＭＭＣｓ）になる。何れの材料を充填した場合も、耐摩耗性が向上するが、セラミックを充填した場合に最も耐摩耗性が向上する。一方樹脂や金属を充填した場合はセラミックを充填した場合に比べて耐摩耗性は劣るが、その代わりに靭性が向上する。また樹脂の場合はセラミックや金属よりも材料費を安価にできる。一方金属は腐食する恐れがあるが、セラミックや樹脂は腐食しない。従って上記条件を比較して用途に応じて最適な材料を選択すれば良い。
【００１０】
織物、編物、組紐には、平面状に織っていく平織り等の二次元のものと、立体状に織っていく三次元のものとがある。二次元のものとしては、例えば図１に示すように糸１００を平面状（Ｘ−Ｙ軸方向）のみに織っていくものがある。三次元のものとしては、例えば図２（ａ）に示すように糸１００をＸ−Ｙ−Ｚ軸方向に織っていくものや、円筒状であれば例えば図２（ｂ）に示すように糸１００を円周−軸−半径方向に織っていくものがある。また織物は例えば図３（ａ）に示すようにたて糸１０１とよこ糸１０３とをシャトル１０５等によって織って構成されるものであり、編物は例えば図３（ｂ）に示すように糸１０７を編み機１０９等によって編んで構成されるものであり、組紐は例えば図３（ｃ）に示すように糸１１１を紐状に組み合わせて構成されるものである。またフィラメントワインディングとは、例えば図３（ｄ）に示すように予め表面に樹脂を付着した複合紡績糸１１５を加圧ローラ１１７で加圧しながら心棒１２０に巻きつけていくことで所定の形状を形成するものである。
【００１１】
二次元の織物等を用いて円筒状の軸受を構成する場合、平板状の織物等を円筒状に複数回巻き回して軸受を構成することとなるので、内部で生じた熱の伝導が半径方向よりも円周方向に伝達し易くなる。このため熱の外部への伝達が効果的に行えない。一方三次元の織物等を用いて円筒状の軸受を構成する場合は、内部で生じた熱は半径方向にも円周方向と同様に伝導していくので外部への熱の伝達が容易に行え、好適である。
【００１２】
複合紡績糸を織物、編物、組紐、或いはフィラメントワインディングに加工したものの空隙に、セラミックを含浸して繊維強化セラミックを得る方法としては、ＣＶＩ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＲＳ（Ｒｅａｃｔｉｏｎ　Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）、溶浸直接金属酸化法（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ　Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ（Ｌａｎｘｉｄｅ）　Ｐｒｏｃｅｓｓ）、ＰＩＰ（Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）、ＭＩ（Ｍｅｌｔ　Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）、ゾル・ゲル法（Ｓｏｌ−Ｇｅｌ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）、ＨＩＰ（Ｈｏｔ　Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）法等の、従来ある各種セラミック充填方法がある。セラミックの材質としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタンカーバイト等を用いる。
【００１３】
繊維強化プラスチックを得るために含浸する樹脂の材質としては、エポキシ、ポリエステル、ビスマルイミド、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等を用いる。
【００１４】
金属マトリックス繊維強化材料を得るために含浸する金属の材質としては、アルミ基合金、チタン基合金、ニッケル基合金、鉄基合金、コバルト基合金等を用いる。
【００１５】
本願の請求項３にかかる発明は、請求項２記載の繊維強化構造体を用いて作製したことを特徴とする滑り軸受である。この滑り軸受は、各種回転機械の回転軸の軸受けとして利用でき、耐摺動性、耐摩耗性に優れ且つ低摩擦係数なので、例えば水潤滑軸受に用いて好適である。特にこの滑り軸受を、無注水で運転開始した後に自己が揚水する水で潤滑を開始する構造のポンプ等の回転機械用の滑り軸受に用いたとしても、低摩擦係数のため水潤滑が開始されるまでの摺動による発熱量が小さく割れが生じることはなく、その使用に耐えられる。
【００１６】
本願の請求項４にかかる発明は、請求項３記載の滑り軸受を組み込んだことを特徴とする回転機械である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図４乃至図８は本発明を用いて水潤滑軸受を作製する手順の一例を示す図である。図４は複合紡績糸３０の製造装置を示す図である。同図に示すように複合紡績糸３０を製造するには、まずアクリル繊維（ＰＡＮ、ポリアクリロニトリル）１０をボビン１１から引き出し、熱硬化装置１３で２００〜３００℃に加熱して硬化させ、次に炭化装置１５で高熱により炭化し、さらに黒鉛化装置１７で高熱により黒鉛化し、所望の炭素繊維１６を得る。一方ＳｉＣ原料１８を糸状に引き伸ばして加熱装置１９で焼成し、次に安定化装置２１で安定化処理を行い、さらに焼結装置２３で焼結化し、所望のＳｉＣ繊維２４を得る。そしてこれら炭素繊維１６とＳｉＣ繊維２４とを任意の割合でより合わせたものを表面処理装置２５でシラン系溶剤に通してエポキシ樹脂が付着し易い状態とし、次にサイジング処理装置２７でエポキシ樹脂を付着させた後、ボビン２９に巻き取る。なお付着させたエポキシ樹脂は、以下の織物等を加工する工程中の加熱によって揮発する。
【００１８】
図５は以上のようにして製造した複合紡績糸３０の要部拡大図である。同図に示すように複合紡績糸３０は、炭素繊維１６とＳｉＣ繊維２４とが絡み合って構成されている。この実施形態では複合紡績糸３０の直径は約２００μｍである。
【００１９】
以上のようにして作製された複合紡績糸３０をこの実施形態においては、図６に示すように平織りして二次元の織物３５とし、これを図７に示すように円筒状に巻き回して滑り軸受の形状の成形品４０とする。次に図８に示すようにこの成形品４０をＣＶＩ装置５０の成形品収納室５５内に収納する。ここでＣＶＩ装置５０は、円筒状のヒータ５１の外周を黒鉛製の容器５３で囲むことでリング状の成形品収納室５５を設けており、ヒータ５１によって成形品収納室５５内を加熱（加熱温度１４００℃）しながら容器５３の外周に設けた反応ガス入口５７から反応ガス（ＣＨ３ＳｉＣｌ３−Ｈ２）を導入して成形品４０を通した後に容器５３の内周側に設けた反応ガス出口５９から排出する。これによって成形品４０の表面にＳｉＣが析出し、成形品４０の空隙にＳｉＣが充填され、繊維強化構造体として繊維強化セラミック（ＣＦＣＣ）製の滑り軸受が完成する。
【００２０】
以下に示す表１は以上のようにして製造される円筒状の滑り軸受のＳｉＣ繊維と炭素繊維の割合を変化させたときの各種機械的性質を測定した測定結果を示す表である。
【表１】
2004003047.tif 000003
【００２１】
表１において空隙に充填するセラミック（基材：ＳｉＣ）に対してＳｉＣ繊維と炭素繊維を合わせた繊維の比率を４０％（基材６０％）で一定にした上で、ＳｉＣ繊維と炭素繊維の割合（体積％）を変化させてそれぞれの場合の各種機械的性質を測定した。その結果、繊維としてＳｉＣ繊維だけを用いた場合は摩擦係数が大きく（０．７３〜０．５５）、このＳｉＣ繊維に炭素繊維を少しだけでも（２０％）混合すると摩擦係数が急激に低下し（０．２３〜０．３９）、さらに炭素繊維を増やしても摩擦係数はそれほど変化しない。一方炭素繊維だけを用いた場合は比摩耗量が大きく（７．２×１０−８）、ＳｉＣ繊維の混合量を増やしていくことで比摩耗量は指数関数的に大きく減少していく。これらのことから少なくとも炭素繊維の混合割合を２０％以上にすることで摩擦係数は大きく低下し、また少なくともＳｉＣ繊維の混合量を１０％以上にすることでＳｉＣ繊維を全く混合しない場合に比べて比摩耗量が大きく減少することがわかった。
【００２２】
図９は本発明にかかる滑り軸受を用いて構成したポンプ６０の一例を示す概略断面図である。同図に示すポンプ６０は、ポンプケーシング６１内にポンプ軸６３を収納するとともにポンプ軸６３の下端に羽根車６５を取り付け、ポンプ軸６３のポンプケーシング６１から上部に突出した部分を図示しない駆動手段によって回転駆動して羽根車６５を回転し、ポンプケーシング６１の吸込口６７から吐出口６９に向けて水を揚水していくものである。そしてポンプ軸６３を支持する滑り軸受７１，７３として本発明にかかる滑り軸受を用いている。これら滑り軸受７１，７３は揚水する水によって水潤滑される水潤滑軸受であり、運転開始時には滑り軸受７１，７３を潤滑する水は供給されていないが、本発明の滑り軸受７１，７３は摩擦係数が小さいので発熱量が少なく、割れ等の問題が発生しない。
【００２３】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造や材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。例えば上記実施形態では滑り軸受を適用する回転機械としてポンプを示したが、タービン、コンプレッサー、ブロワ等の他の各種回転機械にも適用できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、セラミック繊維と炭素繊維とを紡績加工してなる複合紡績糸を用いたので、耐摺動性と耐摩耗性と靭性と耐食性が高く且つ低摩擦係数を有する繊維強化構造体及び滑り軸受が得られ、またこの滑り軸受は低摩擦係数なのでこれを回転機械に用いて好適であり、特にポンプに用いた場合は無注水起動が容易に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】二次元の織物等を示す要部拡大図である。
【図２】三次元の織物等を示す要部拡大図である。
【図３】織物と編物と組紐とフィラメントワインディングの例を示す要部拡大図である。
【図４】複合紡績糸３０の製造装置を示す図である。
【図５】複合紡績糸３０の要部拡大図である。
【図６】複合紡績糸３０を平織りして作製した織物３５を示す図である。
【図７】織物３５を円筒状に巻き回した成形品４０を示す図である。
【図８】ＣＶＩ装置５０によって成形品４０にＣＶＩ処理を行う方法を示す図である。
【図９】本発明の滑り軸受７１，７３を適用したポンプ６０の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０　アクリル繊維
１１　ボビン
１３　熱硬化装置
１５　炭化装置
１６　炭素繊維
１７　黒鉛化装置
１９　加熱装置
２１　安定化装置
２３　焼結装置
２４　ＳｉＣ繊維
２５　表面処理装置
２７　サイジング処理装置
３０　複合紡績糸
３９　ボビン
３５　織物
４０　成形品
５０　ＣＶＩ装置
５１　ヒータ
５３　容器
５５　成形品収納室
５７　反応ガス入口
５９　反応ガス出口
６０　ポンプ
６１　ポンプケーシング
６３　ポンプ軸
６５　羽根車
６７　吸込口
６９　吐出口
７１，７３　軸受
【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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【図６】
2004003047.tif 000009
【図７】
2004003047.tif 000010
【図８】
2004003047.tif 000011
【図９】
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