(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プランジャーポンプ機構による圧縮により被処理流体を昇圧し、ディスクバルブと当該ディスクバルブに対向して設けられるシートとの間で径方向に形成される乳化処理路に、前記昇圧された被処理流体を通過させて乳化分散する乳化分散装置であって、
前記プランジャーポンプ機構の駆動部が、クランクシャフトに連結された連結棒と、ピストンに設けられたピストンピンとが軸受け部材を介して摺動可能に連結され、前記クランクシャフトの回転により前記連結棒及びピストンが往復運動することで、当該ピストンの一端側に設けられたプランジャーがシリンダ内を往復運動して、当該シリンダ内の吸入圧縮室で被処理流体を吸入又は圧縮し送出する構成の駆動装置で構成され、
前記軸受け部材が、銅を主成分とし、ケイ化マンガンを含む金属材料を、少なくとも摺動面に備え、前記金属材料におけるケイ素とマンガンとの質量比が、６６：３４〜５３：４７の範囲であるメタルブッシュで構成されてなる乳化分散装置。
【請求項２】
前記金属材料が、８８質量％の銅、７質量％のケイ素及び５質量％のマンガンで構成されてなる請求項１に記載の乳化分散装置。
【請求項３】
前記金属材料が、６７質量％の銅、２１質量％のニッケル、７質量％のケイ素及び５質量％のマンガンで構成されてなる請求項１に記載の乳化分散装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動装置を備えた乳化分散装置に関し、特に、金属材料からなり、鉛を含有せず、かつ、高い摺動摩耗特性を有するメタルブッシュを用いた駆動装置を備えた乳化分散装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被処理流体を乳化分散する乳化分散装置（食品加工装置の一例）として、例えば、被処理流体を一定圧力に昇圧する３連又は５連式プランジャーポンプ機構と、均質ディスク機構とを備えて構成されるものがある。この乳化分散装置は、例えば、プランジャーポンプ機構で加圧された被処理流体を均質ディスク機構に導入し、当該均質ディスク機構において、粒体分子間にせん断・激突等の相乗作用を瞬間的に発生させ、均質的な乳化状態を作り、液分離（浮遊・沈殿）を防ぐ装置である。均質ディスク機構では、ディスクバルブと、当該ディスクバルブに対向して設けられるシートとを備えて構成され、ディスクバルブとシートとの間で径方向に形成される乳化処理路に、被処理流体を通過させて被処理流体を乳化分散させる。
プランジャーポンプ機構は、例えば、特許文献１に示すように、モータ等に連結されるクランクシャフトを有し、このクランクシャフトに連結された連結棒と、ピストンに設けられたピストンピンとが軸受け部材を介して摺動可能に連結され、クランクシャフトの回転により連結棒及びピストンが往復運動することで、当該ピストンの一端側に設けられたプランジャーがシリンダ内を往復運動して、当該シリンダ内に設けられた吸入圧縮室で被処理流体を吸入又は圧縮し送出する構成とされている。
これにより、プランジャーがシリンダ内をクランクシャフト側に移動することにより、吸入弁を介して吸入口から吸入圧縮室に被処理流体が流入し、続いて、プランジャーがシリンダ内をクランクシャフト側から離間する側に移動することにより、吸入圧縮室から吐出弁を介して昇圧された被処理流体が均質ディスク機構に流入する動作が繰り返され、均質ディスク機構における被処理流体の乳化分散を良好に行うことができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２２０８３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような乳化分散装置のプランジャーポンプ機構においては、クランクシャフトに連結された連結棒とピストンに設けられたピストンピンとは軸受け部材を介して摺動可能に連結される。この軸受け部材としてはメタルブッシュが用いられ、連結棒及びピストンピンが行う回転や往復運動による荷重を受けて当該連結棒とピストンピンとを摺動可能に連結するように、一方の部材（例えば、連結棒の開口部）に圧入される部材である。一般的には、連結棒及びピストンピンは炭素鋼であることが多いので、凝着し易い「ともがね」の組み合わせを避けるため、メタルブッシュは黄銅、青銅等の銅合金が用いられ、潤滑剤としてのグリスを封入する等して使用される。
したがって、メタルブッシュは、摺動摩耗特性、特に、耐荷重性、耐摩耗性、なじみ性等が要求されるものであり、これら特性を用途に応じて適切に設定することが必要となる。
ここで、上述のような乳化分散装置のプランジャーポンプ機構において、メタルブッシュに用いられる銅合金としては、強度が高く、耐摩耗性、なじみ性に優れるという観点から、リン青銅鋳物（ＰＢＣ２Ｃ）が用いられることが多い。
しかしながら、近年、被処理流体をより微細化する要請があるなど、従来よりも高圧で被処理流体を処理する場合が増加しており、高圧化によってプランジャーポンプ機構、特にメタルブッシュに負担がかかり、当該メタルブッシュが破損、焼き付き或いは異常摩耗するなどの問題が生じるおそれがある。したがって、従来のリン青銅鋳物（ＰＢＣ２Ｃ）と比較して、より強度が高く、耐摩耗性、なじみ性等が優れる材料があれば、そのような材料をメタルブッシュとして用いることが望ましい。
このような材料としては、耐摩耗性は劣るものの、耐荷重性、なじみ性に優れる鉛青銅鋳物（ＬＢＣ３）やＪＩＳ銅合金鋳物の中で最も高強度で、耐摩耗性、耐荷重性に優れるアルミニウム青銅鋳物（ＡＬＢＣ３）等を挙げることができるが、これら材料には微量ながら鉛が含まれている。メタルブッシュは、食品に直接接触する部分ではないが、上述の乳化分散装置は食品加工工場に設置される食品加工装置であり、装置内における鉛の使用は当該装置を使用する者にとって懸念事項となる。したがって、当該装置の構成部材として鉛等の有害物質となり得るものが含まれていないことが望ましい。
【０００５】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、乳化分散装置における駆動装置の軸受け部材であるメタルブッシュを、摺動摩耗特性である耐荷重性、耐摩耗性、なじみ性等に優れ、鉛を発生することがないものとする技術を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明に係る乳化分散装置の特徴構成は、プランジャーポンプ機構による圧縮により被処理流体を昇圧し、ディスクバルブと当該ディスクバルブに対向して設けられるシートとの間で径方向に形成される乳化処理路に、前記昇圧された被処理流体を通過させて乳化分散する乳化分散装置であって、
前記プランジャーポンプ機構の駆動部が、クランクシャフトに連結された連結棒と、ピストンに設けられたピストンピンとが軸受け部材を介して摺動可能に連結され、前記クランクシャフトの回転により前記連結棒及びピストンが往復運動することで、当該ピストンの一端側に設けられたプランジャーがシリンダ内を往復運動して、当該シリンダ内の吸入圧縮室で被処理流体を吸入又は圧縮し送出する構成の駆動装置で構成され、
前記軸受け部材が、銅を主成分とし、ケイ化マンガンを含む金属材料を、少なくとも摺動面に備え、前記金属材料におけるケイ素とマンガンとの質量比が、６６：３４〜５３：４７の範囲であるメタルブッシュで構成されてなる点にある。
【０００７】
上記特徴構成によれば、銅を主成分とし、ケイ化マンガンを含む金属材料を、少なくとも摺動面に備えてなるメタルブッシュであるので、鉛を含有しないメタルブッシュを得ることができ、例えば、食品加工装置の駆動装置におけるメタルブッシュとして用いた場合であっても、このメタルブッシュの摩耗等に起因する鉛が万が一にも食品に混入することが無く、より安全、安心な装置を得ることができる。
また、従来一般的にメタルブッシュとして用いられ優れた摺動摩耗特性を備えるアルミニウム青銅鋳物（ＡＬＢＣ３）と同等程度、或いはより優れた耐荷重性、耐摩耗性、なじみ性等を備える金属材料を用いたメタルブッシュを得ることができるので、破損の可能性が少なく磨耗の少ない金属材料を用いて、より信頼性が高く、長期間使用することが可能なメタルブッシュを得ることが可能となる。
すなわち、ＥＰＭＡ分析（Ｘ線マイクロアナライザ）により、上記金属材料中に銅、ケイ素、マンガンが全体的に分布していることが判明しており、また、ケイ素、マンガンが多く存在する箇所は硬く（例えば、ビッカース硬さで、５５３ＨＶ）、銅が多く存在する箇所は純銅よりも硬くなっていることから（例えば、２１６ＨＶ、なお純銅の硬さは１０７ＨＶ）、銅の組織内部にケイ素とマンガンが固溶し硬化しているものと考えられるので、上記金属材料は硬く、耐摩耗性が向上することとなっている（例えば、図４に示すマイクロスコープ写真参照）。さらに、上記金属材料の組織全体にケイ化マンガンが晶出されていることが判明しており、低摩擦性を有するケイ化マンガン（摩擦係数０．１７程度）の存在により耐摩耗性が向上することとなっている。加えて、銅を主成分としているので、例えば、メタルブッシュと摺接するピストンピンや連結棒が炭素鋼からなる場合であっても良好ななじみ性を備えている。ここで、本願において、銅を主成分とするとは、金属材料中に銅が６０質量％以上存在することを意味する。なお、ビッカース硬さ（ＨＶ）はマイクロビッカース固さ試験機を使用し、荷重５００ｇｆ、荷重時間１０ｓｅｃで硬さを測定した値である。
よって、メタルブッシュを、摺動摩耗特性である耐荷重性、耐摩耗性、なじみ性等に優れ、鉛を発生することがないものとすることができる。
また、金属材料におけるケイ素とマンガンとの質量比を、６６：３４〜５３：４７の範囲とする。この混合割合にあっては、上記金属材料の鋳造時にケイ化マンガンであるＭｎＳｉ及びＭｎ11Ｓｉ19を確実に晶出させることが可能となり（図６の斜線の領域）、低摩擦性を有するケイ化マンガンを含む耐摩耗性が向上した金属材料を確実に得ることができる。なお、ケイ素とマンガンとの質量比が６６：３４〜５３：４７の範囲に入らないと（例えば、ケイ素に対するマンガンの質量比が３４よりも低く、或いはマンガンの質量比が４７よりも高いと）、低摩擦性を有するケイ化マンガンであるＭｎＳｉ及びＭｎ11Ｓｉ19を晶出することができなくなる（図６参照）。ケイ素とマンガンとの質量比が６６：３４〜５３：４７の範囲にある場合には、銅とケイ素、銅とマンガンの金属間では化合物は形成されないことが確認されており、上述のとおり、残りのケイ素及びマンガンは銅に固溶しているものと考えられ、これにより硬さ及び耐摩耗性が向上することともなっている。
更に、上記駆動装置において、連結棒及びピストンピンが行う回転や往復運動による荷重を受けて当該連結棒とピストンピンとを摺動可能に連結するように、一方の部材（例えば、連結棒の開口部）に圧入される部材である軸受け部材が、上記金属材料を摺動面に備えたメタルブッシュからなるので、鉛を含有しないメタルブッシュを軸受け部材に採用することができ、さらに、従来の銅合金（リン青銅鋳物、アルミニウム青銅鋳物等）と比して、より耐荷重性、耐摩耗性等の向上した軸受け部材とすることができる。
よって、構成部材に鉛を使用せず安全、安心な駆動装置を得ることができるとともに、より高圧における運転を行っても軸受け部材の破損の可能性が少なく、また軸受け部材の交換等メンテナンス性の向上した駆動装置を得ることができる。
加えて、上記乳化分散装置のプランジャーポンプ機構において、圧縮により被処理流体を昇圧するための駆動部が、上記軸受け部材が上記金属材料を摺動面に備えたメタルブッシュからなる駆動装置であるので、鉛を含有しないメタルブッシュを軸受け部材に採用することができ、さらに、従来の銅合金（リン青銅鋳物、アルミニウム青銅鋳物等）と比して、より耐荷重性、耐摩耗性等の向上した軸受け部材とすることができる。
よって、構成部材に鉛を使用せず安全、安心な乳化分散装置を得ることができるとともに、より高圧における運転を行っても軸受け部材の破損の可能性が少なく、また軸受け部材の交換等メンテナンス性の向上した駆動装置を備えた乳化分散装置を得ることができる。
【００１０】
本発明に係るメタルブッシュの更なる特徴構成は、前記金属材料が、８８質量％の銅、７質量％のケイ素及び５質量％のマンガンで構成されてなる点にある。
【００１１】
本特徴構成によれば、金属材料中の銅、ケイ素及びマンガンの質量比が、当該金属材料の鋳造時にケイ化マンガンを晶出することができる質量比に適切に設定されているので（図６の破線で示す質量比）、低摩擦性を有するケイ化マンガンを含む耐摩耗性が向上した金属材料をより確実に得ることができる。
【００１２】
本発明に係るメタルブッシュの更なる特徴構成は、前記金属材料が、６７質量％の銅、２１質量％のニッケル、７質量％のケイ素及び５質量％のマンガンで構成されてなる点にある。
【００１３】
本特徴構成によれば、金属材料中の銅、ニッケル、ケイ素及びマンガンの質量比が、当該金属材料の鋳造時にケイ化ニッケル（Ｎｉ2Ｓｉ）及びケイ化マンガンを晶出することができる質量比に適切に設定されているので、良好な耐摩耗性を有するケイ化ニッケルと良好な低摩擦性を有するケイ化マンガンとを含む、耐摩耗性を向上した金属材料を確実に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、本願に係る乳化分散装置１００（食品加工装置の一例）の概略構成図、図２は、乳化分散装置１００に備えられる均質ディスク機構１０４の構成を示す概略構成図、図３は乳化分散装置１００に備えられる駆動部としてのプランジャーポンプ機構１０３（駆動装置の一例）の構成を示す概略構成図である。
図１に示すように、乳化分散装置１００は、被処理流体Ｌを受け入れる入口１０１から、乳化分散処理後の被処理流体Ｌを送出する出口１０２に向けて、プランジャーポンプ機構１０３、均質ディスク機構１０４を、記載順に備えて構成されている。
【００１９】
プランジャーポンプ機構１０３は、図１、図３に示す例では、３連式プランジャーポンプ機構とされており、吸入ブロック１から順次、被処理流体Ｌを吸入弁１０５ａを介して吸入圧縮し、高圧状態として送出弁１０５ｂを介して均質ディスク機構１０４に送り出す。
具体的には、図１、図３に示すように、プランジャーポンプ機構１０３は、電気モータ１０の駆動により回転する３つのクランクシャフト１１と、これらクランクシャフト１１にそれぞれ連結される連結棒１２と、ピストン１４に設けられたピストンピン１３と、当該連結棒１２とピストンピン１３とを摺動可能に連結する軸受け部材としてのメタルブッシュ１５とを備える。また、プランジャーポンプ機構１０３は、ピストン１３の一端側（クランクシャフト１１とは反対方向）に設けられたプランジャー１６と、当該プランジャー１６を嵌挿可能に構成されたシリンダ１７とを備え、シリンダ１７内において、プランジャー１６の先端側（クランクシャフト１１とは反対方向）の空間には、被処理流体Ｌを吸入或いは圧縮可能な吸入圧縮室１８が形成される。
これにより、電気モータ１０が駆動してクランクシャフト１１が回転すると、当該クランクシャフト１１の働きにより、３つの連結棒１２が相互に等間隔の時間だけずれて往復運動を行い、当該連結棒１２の往復運動がピストンピン１３、メタルブッシュ１５、ピストン１４を介してプランジャー１６に伝えられ、当該プランジャー１６がシリンダ１７内を往復運動するように構成されている。そして、このプランジャー１６の往復運動、すなわち、プランジャー１６がシリンダ１７内をクランクシャフト１１側に移動することにより、吸入弁１０５ａが開いて入口１０１から吸入圧縮室１８に被処理流体Ｌが吸入され、続いて、プランジャー１６がシリンダ１７内をクランクシャフト１１側から離間する側に移動することにより、吸入圧縮室１８から昇圧された被処理流体Ｌが送出弁１０５ｂを開いて均質ディスク機構１０４に流入させる動作が、各プランジャー１６毎に順次繰り返され、高圧状態（例えば、１５ＭＰａ〜１５０ＭＰａ程度）となった被処理流体Ｌを連続的に均質ディスク機構１０４に送出して、当該均質ディスク機構１０４における被処理流体Ｌの乳化分散を良好に行うことができるように構成されている。なお、吸入弁１０５ａ及び送出弁１０５ｂは、弁体の上部に弾性部材を備えており、プランジャー１６の往復運動に対応して被処理流体Ｌを入口１０１から吸入圧縮室１８に吸入し、高圧状態とした被処理流体Ｌを当該吸入圧縮室１８から均質ディスク機構１０４に送出することができるように開閉可能に構成されている。
【００２０】
次に、均質ディスク機構１０４は、図１、図２に示す例では、第１均質ディスク部３０及び第２均質ディスク部６０から構成され、第１均質ディスク部３０は、シート３１、ディスクバルブ３２、インパクトリング３３を主要な構成要素として構成されている。
第１均質ディスク部３０は、図１、図２に示すようにプランジャーポンプ機構１０３に接続される導入流路形成部材３４の先端に装着されるシート３１と、このシート３１に対向して設けられるディスクバルブ３２とを備え、シート３１とディスクバルブ３２との間に径方向に延びる狭隘な乳化処理路３５が形成されているとともに、当該乳化処理路３５の出口側（外径側）に設けられるインパクトリング３３を備え、インパクトリング３３とディスクバルブ３２との間にも狭隘路３６が形成されている。さらにその下流側に吐出流路形成部材３７を設けて、径方向に延びる吐出路３８としている。この吐出路３８は、第２均質ディスク部６０への導入路となっている。
シート３１は、導入流路形成部材３４に固定され、導入流路形成部材３４とは反対側の軸方向端面が乳化処理路形成面３１ａとされており、ディスクバルブ３２は、シート３１に対向するシート側の軸方向端面が乳化処理路形成面３２ａとされ、シート３１とは反対側の端面側に位置決め機構３９に保持されている。この位置決め機構３９を調整することで、シート側の乳化処理路形成面３１ａとディスクバルブ側の乳化処理路形成面３２ａとの間の隙間（本願にいう乳化処理路３５の幅）を調整可能に構成されている。この乳化処理路３５は、非常に狭い間隔（例えば、数十μｍ〜数百μｍ程度）に調整される。なお、第２均質ディスク部６０においても、第１均質ディスク部３０と同様に、シート、ディスクバルブ、インパクトリングを主要な構成要素として構成されている。
【００２１】
具体的には、図１、図２に示すように、乳化処理路３５に面するディスクバルブ３２の表面（乳化処理路形成面３２ａ）が、軸心周りにリング状を成す複数のリング状突起４０を備えた多段リング状に構成されるとともに、乳化処理路３５に面するシート３１の表面（乳化処理路形成面３１ａ）が、ディスクバルブ３２のリング状突起４０に補完的に組み合う複数のスリット４１が設けられた多段リング状に構成されている。図示する例では、乳化処理路３５に面するディスクバルブ３２の表面（乳化処理路形成面３２ａ）に、軸心周りにリング状を成す２つのリング状突起４０を備え、乳化処理路３５に面するシート３１の表面（乳化処理路形成面３１ａ）に、ディスクバルブ３２のリング状突起４０に補完的に組み合う２つのスリット４１が設けられている。さらに、ディスクバルブ３２には、当該ディスクバルブ３２の軸心を中心軸とし、リング状突起４０より被処理流体導入路４２側に伸びる円錐状突起４３（中心突起）が設けられ、シート３１が軸方向に伸びる被処理流体導入路４２内に突出するように配置されている。従って、乳化処理路３５は、ディスクバルブ３２側に設けられる２重のリング状突起４０及び円錐状突起４３と、シート３１側に設けられる２重のスリット４１との間に、径方向で軸方向にジグザグ状となるように形成されている。
【００２２】
したがって、図１、図２にも示すように、この均質ディスク機構１０４に加圧導入される被処理流体Ｌは、水等の流体内に比較的大粒径の粒子（ココアパウダーなどの固体粒子、油・牛乳などの液体で比較的粒径の大きなもの）が不均一に混合した混合流体であり、均質ディスク機構１０４の第１均質ディスク部３０を通過させることで、この被処理流体Ｌを、流体内に粒径が小径化された粒子が含まれる状態とし、処理前の状態よりも均一化する（乳化分散する）ことができる。また、第２均質ディスク部６０は、第１均質ディスク部３０で乳化分散された被処理流体Ｌを、さらに乳化分散する、もしくは、乳化分散状態を調える機能を果たすことができる。
以上の構成を採用することで、ディスクバルブ３２とシート３１間に設けられる乳化処理路３５に、プランジャーポンプ機構１０３から送り出された高圧の被処理流体Ｌを通過させ、被処理流体Ｌを良好に乳化分散することができる。
【００２３】
以上が乳化分散装置１００の概略構成であるが、以下、本願の特徴構成に関して説明する。
図３（ａ）に示すように、上記乳化分散装置１００のプランジャーポンプ機構１０３において、クランクシャフト１１の回転運動を往復運動に変換する機能の一部を担う連結棒１２とピストンピン１３とは、軸受け部材であるメタルブッシュ１５を介して連結されている。
このメタルブッシュ１５は、図３（ｂ）に示すように、軸方向両端が開口した概略円筒形状に形成されている。また、メタルブッシュ１５の内周面側には、軸方向に複数の油溝１５ａが切ってあり、この油溝１５ａから潤滑油をピストンピン１３に供給可能に構成されている。そして、このメタルブッシュ１５は、連結棒１２に設けられた円形の開口部の内径側に圧入され、ピストンピン１３を中心として連結棒１２がメタルブッシュ１５を介して回転可能に構成されて、ピストンピン１３の外径側とメタルブッシュ１５の内周面とが摺接する。なお、この場合、メタルブッシュ１５の摺動面は、少なくともメタルブッシュ１５の内周面となる。
したがって、このメタルブッシュ１５は、連結棒１２の往復運動をピストン１４に伝えるとともに、連結棒１２がピストンピン１３の周りを摺動可能にする機能を担っており、本願においては、このメタルブッシュ１５を、摺動摩耗特性、特に耐荷重性、耐摩耗性、連結棒１２とピストンピン１４とのなじみ性を向上させた、以下の金属材料で構成する。
【００２４】
本願に係るメタルブッシュ１５の摺動面を構成する金属材料は、銅を主成分とし、ケイ化マンガンを含む金属材料である。
すなわち、上記金属材料として、銅が６０質量％以上存在するとともに、少なくともケイ化マンガンが晶出しており、当該金属材料におけるケイ素とマンガンとの質量比が、６６：３４〜５３：４７の範囲である材料を用いる。
【００２５】
このような金属材料は基本的に銅合金鋳物であるといえるので、一般に炭素鋼からなる連結棒１２及びピストンピン１３とは良好ななじみ性を備えている。
【００２６】
また、上記金属材料において、ケイ素とマンガンとの質量比が６６：３４〜５３：４７の範囲であるので、図６のケイ素―マンガンの状態図に示すように、当該金属材料の鋳造時にケイ化マンガンであるＭｎＳｉ及びＭｎ11Ｓｉ19を確実に晶出することが可能となり、低摩擦性（摩擦係数０．１７程度）を有するケイ化マンガンを含み、耐摩耗性を向上させることが可能となっている。なお、ケイ素とマンガンとの質量比が６６：３４〜５３：４７の範囲に入らないと（例えば、ケイ素に対するマンガンの質量比が３４よりも低く、或いはマンガンの質量比が４７よりも高いと）、低摩擦性を有するケイ化マンガンであるＭｎＳｉ及びＭｎ11Ｓｉ19を晶出することができなくなる。
【００２７】
ケイ素とマンガンとの質量比が６６：３４〜５３：４７の範囲にある場合には、銅とケイ素、銅とマンガンの金属間では化合物は形成されないことが銅とケイ素、銅とマンガンの状態図（図示せず）から確認されており、残りのケイ素及びマンガンは銅に固溶しているものと考えられ、これにより硬さ及び耐摩耗性が向上することともなっている。
すなわち、上記金属材料のＥＰＭＡ分析（Ｘ線マイクロアナライザ）により、上記金属材料中に銅、ケイ素、マンガンが全体的に分布していることが判明しており、図４に示すように、ケイ素、マンガンが多く存在する箇所は硬く（例えば、５５３ＨＶ）、銅が多く存在する箇所は純銅よりも硬くなっていることから（例えば、２１６ＨＶ、なお純銅の硬さは１０７ＨＶ）、銅の組織内部にケイ素とマンガンが固溶し硬化しているものと考えられ、これにより硬さ及び耐摩耗性が向上することとなっている。なお、図４は、８８質量％の銅、７質量％のケイ素及び５質量％のマンガンからなる金属材料の表面のマイクロスコープ（光学顕微鏡）写真（１５００倍）である。
【００２８】
一方で、上記銅が６０質量％以上存在するとともに、少なくともケイ化マンガンが晶出しており、当該金属材料におけるケイ素とマンガンとの質量比が、６６：３４〜５３：４７の範囲である材料において、ケイ化ニッケルを晶出するように構成することもできる。
ケイ素とマンガンとの質量比はそのままで、金属材料中の銅の質量％を減少させた分量だけニッケルを添加することにより、ケイ化マンガンとともにケイ化ニッケルを晶出した金属材料をメタルブッシュ１５に用いることもできる。
すなわち、当該金属材料のＥＰＭＡ分析により、銅の周辺にニッケル、ケイ素及び微量のマンガンの存在が確認され、ニッケル及びケイ素が比較的多く検出されたことにより、当該金属中に耐摩耗性に優れるケイ化ニッケル（Ｎｉ2Ｓｉ）が晶出していると考えられる。また、図５に示すように、ニッケル、ケイ素が多く存在する箇所は硬く（例えば、６１４ＨＶ）、銅が多く検出された箇所は純銅よりも硬くなっていることから（例えば、３１９ＨＶ、なお純銅の硬さは１０７ＨＶ）、銅の組織内部にニッケルとケイ素が固溶し硬化しているものと考えられ、これにより硬さ及び耐摩耗性が向上することとなっている。なお、図５は、６７質量％の銅、２１質量％のニッケル、７質量％のケイ素及び５質量％のマンガンからなる金属材料の表面のマイクロスコープ（光学顕微鏡）写真（１５００倍）である。
【００２９】
［摺動摩耗試験］
摺動摩耗試験は、試験片に垂直方向の圧縮荷重を負荷し、一定の面圧を与え、水平方向に往復摺動させる独自の摺動摩耗試験機を使用し、室温、大気中、乾式摩擦下で実施した。実験条件は、接触面圧を１０ＭＰａ、摺動速度を９０ｒｐｍ（０．０９ｍ／ｓ）とし、摩耗量の摺動距離に対する変化を調べるために、最大５４ｍまでの摩耗量の継時変化を測定した。摺動距離は、１５０、３００、４５０、６００ｓｅｃ毎に試験機を止め、そのときの往復摺動回数から求めた。なお、異なる密度の材料を比較検討するため、材料の摩耗損傷は重量減少量で比較するのではなく、体積減少量で比較するほうが適当であり、電子天秤により試験前後の試験片から重量減少量を計測し、式１から摩耗体積を算出した。
〔式１〕摩耗体積（ｍｍ3）＝重量減少量（ｇ）／材料の密度（ｋｇ／ｍｍ3）
試験片は、加圧側試験片と摺動側試験片とを対象とし、加圧側試験片として通常のピストンピンの材料である炭素鋼（Ｓ５０Ｃ）を使用し、摺動側試験片として実施例１、実施例２、比較例１の各金属材料を使用した。また、加圧側試験片は正方形に形成された板状の部材を２段重ねた凸型に形成され、上部は縦１０×横１０×高さ５ｍｍ、下部は縦２０×横２０×高さ５ｍｍとされ、摺動側試験片は長方形の板状の部材に形成され、縦５５×横２５×高さ１０ｍｍとされている。
【００３０】
［実施例１］
摺動側試験片を、８８質量％の銅、７質量％のケイ素及び５質量％のマンガンからなる金属材料で構成する。この金属材料は、例えば、まず、鋳造容器中で８８質量％の銅を１２００℃に加熱して１０分間保持することで溶解し、その後、当該鋳造容器中に７質量％のケイ素及び５質量％のマンガンを投入して１４６０℃に加熱して３０分間保持することにより得られる。そして、溶解した金属材料を金型に注湯し、ケイ化マンガン（ＭｎＳｉ及びＭｎ11Ｓｉ19）を晶出することができる温度（例えば、常温）にまで冷却することにより、摺動側試験片を形成することができる。なお、上記銅、ケイ素及びマンガンを一気に鋳造容器中に投入して１４６０℃程度で溶解して、上記金属材料を得ることも可能である。
【００３１】
［実施例２］
摺動側試験片を、６７質量％の銅、２１質量％のニッケル、７質量％のケイ素及び５質量％のマンガンからなる金属材料で構成する。この金属材料は、例えば、まず、鋳造容器中で６７質量％の銅及び２１質量％のニッケルを１２００℃に加熱して１０分間保持することで溶解し、その後、当該鋳造容器中に７質量％のケイ素及び５質量％のマンガンを投入して１４６０℃に加熱して３０分間保持することにより得られる。そして、溶解した金属材料を金型に注湯し、ケイ化マンガン（ＭｎＳｉ及びＭｎ11Ｓｉ19）及びケイ化ニッケルを晶出することができる温度（例えば、常温）にまで冷却することにより、摺動側試験片を形成することができる。なお、上記銅、ニッケル、ケイ素及びマンガンを一気に鋳造容器中に投入して１４６０℃程度で溶解して、上記金属材料を得ることも可能である。
【００３２】
［比較例１］
摺動側試験片を、アルミニウム青銅鋳物（ＡＬＢＣ３）で構成する。
【００３３】
［結果］
これら実施例１、実施例２、比較例１の摺動摩耗試験結果を図７に示す。図７は、摺動距離と摩耗量との関係を示すグラフ図である。
実施例１の８８質量％の銅、７質量％のケイ素及び５質量％のマンガンからなる金属材料では、摺動距離が最大の５４ｍとなっても非常に少ない摩耗量となっており、比較例１のアルミニウム青銅鋳物（ＡＬＢＣ３）と比べても、より摩耗量が少ないことが判明した。
また、実施例２の６７質量％の銅、２１質量％のニッケル、７質量％のケイ素及び５質量％のマンガンからなる金属材料では、実施例１及び比較例１の金属材料と比して摩耗量が増加することとなっている。
ここで、比較例１のアルミニウム青銅鋳物（ＡＬＢＣ３）は、銅合金の中でも硬く、耐摩耗性にも優れている材料であるので、このアルミニウム青銅鋳物と同等、或いはより摩耗量が少ないと非常に優れた摺動摩耗特性を有する金属材料であるといえる。
検討すると、実施例１の金属材料では、比較例１のアルミニウム青銅鋳物（ＡＬＢＣ３）よりも摩耗量が少ないので、非常に優れた摺動摩耗特性を備えているといえる。また、実施例２の金属材料では、比較例１のアルミニウム青銅鋳物（ＡＬＢＣ３）の３倍程度の摩耗量であるが、この程度の摩耗量であれば十分実用性を有する耐摩耗性を備えているといえる。
したがって、本願に係る実施例１、実施例２の金属材料は、鉛を含有していない材料であるにも関わらず、優れた摺動摩耗特性を有する比較例１のアルミニウム青銅鋳物（ＡＬＢＣ３）と同等程度、或いはより優れた摺動摩耗特性を備える材料であるといえる。
【００３４】
また、上記摺動摩耗試験の後、実施例１、実施例２、比較例１の金属材料の摩耗表面を観察するとともに、上記摺動摩耗試験の前後のビッカース硬さを測定した。
この結果、実施例１、実施例２の金属材料は共に、摩耗表面において組織の流動が少なく、耐摩耗性に優れていることが判明した。また、実施例１の金属材料では試験（加工）後の硬さが２１７ＨＶから３１１ＨＶに向上し、同様に、実施例２の金属材料では３３５ＨＶから４７９ＨＶに向上し、比較例１の金属材料では２６３ＨＶから４１８ＨＶに向上していることが判明した。加工後の硬さの程度により耐摩耗性の向上の程度が決定されるものではないが、加工後の硬さが向上していることにより、耐摩耗性は確実に向上しているものと考えられる。
【００３５】
［乳化分散装置１００における摺動摩耗試験］
上記実施例１、比較例１の金属材料を用いて上記メタルブッシュ１５を形成し、実際に乳化分散装置１００のプランジャーポンプ機構１０３に装着して運転した場合における、当該メタルブッシュ１５の摩耗量を計測した。
プランジャーポンプ機構１０３による被処理流体Ｌの昇圧は１０ＭＰａとし、メタルブッシュ１５は径方向断面視で半分程度潤滑オイルに浸かった状態で、６２時間運転した後の摩耗量を計測した。なお、摺動距離は２．８ｋｍであった。
【００３６】
結果、実施例１の金属材料からなるメタルブッシュ１５の摩耗量は、１１．２ｍｍ3であるのに対し、比較例１のアルミニウム青銅鋳物（ＡＬＢＣ３）からなるメタルブッシュの摩耗量は、２２．０ｍｍ3であった。
検討すると、実施例１のメタルブッシュ１５の摩耗量は、比較例１のメタルブッシュの摩耗量の半分程度であり、実際に乳化分散装置１００のプランジャーポンプ機構１０３に用いても、従来用いられている比較例１のメタルブッシュよりも非常に優れた摺動摩耗性能を発揮できることが確認された。
【００３７】
したがって、メタルブッシュ１５によれば、非常に優れた摺動摩耗特性である耐荷重性、耐摩耗性、なじみ性等を有するとともに、鉛を発生しない金属材料により構成すること可能となった。
よって、当該メタルブッシュ１５を軸受け部材とするプランジャーポンプ機構１０３（駆動装置の一例）、及び当該プランジャーポンプ機構１０３を備えた乳化分散装置１００（食品加工装置の一例）において、構成部材に鉛を使用せず安全、安心な装置とすることができるとともに、より高圧における運転を行っても軸受け部材の破損の可能性が少なく、また軸受け部材の交換等メンテナンス性の向上した装置を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、乳化分散装置における駆動装置の軸受け部材であるメタルブッシュを、摺動摩耗特性である耐荷重性、耐摩耗性、なじみ性等に優れ、鉛を発生することがないものとする技術として有用に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】乳化分散装置の概略構成を示す図
【図２】均質ディスク機構の概略構成を示す図
【図３】（ａ）プランジャーポンプ機構の概略構成を示す図、（ｂ）メタルブッシュの概略構成を示す図
【図４】８８質量％の銅、７質量％のケイ素及び５質量％のマンガンからなる金属材料の表面のマイクロスコープ写真（１５００倍）
【図５】６７質量％の銅、２１質量％のニッケル、７質量％のケイ素及び５質量％のマンガンからなる金属材料の表面のマイクロスコープ写真（１５００倍）
【図６】マンガンとケイ素の構成を示す状態図
【図７】摩耗量と摺動距離との関係を示すグラフ図
【符号の説明】
【００４２】
１１：クランクシャフト
１２：連結棒
１３：ピストンピン
１４：ピストン
１５：メタルブッシュ
１６：プランジャー
１７：シリンダ
１８：吸入圧縮室
３１：シート
３２：ディスクバルブ
３５：乳化処理路
１００：乳化分散装置（食品加工装置）
１０３：プランジャーポンプ機構（駆動装置）
Ｌ：被処理流体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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【図５】
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