(57)【要約】      （修正有）【課題】長時間のドライ／ウエットの繰返し且つ高負荷の発生する摺動での使用でも破損の恐れがない先行待機型ポンプの軸受摺動部材を提供する。【解決手段】セラミックス繊維を束ねてセラミックス繊維束とし、セラミックス繊維束を編んで複数層積層して円筒状に形成し、空隙にセラミックス基材を含浸した繊維強化セラミックス材の軸スリーブ４と、油含浸多孔質セラミックス材の軸受３とを組み合わせて、滑り軸受ユニット２として使用することで、長時間のドライ摺動やドライとウエットが繰り返される摺動での使用でもクラックの発生や破損の恐れが無く、ポンプを待機運転させておく運転方式の先行待機型ポンプの軸受装置に適する。【選択図】図４
2009204034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス繊維を束ねてセラミックス繊維束（１４）とし、セラミックス繊維束（１４）を編んで複数層積層して円筒状に形成し、空隙にセラミックス基材を含浸した繊維強化セラミックス材の軸スリーブ（４）と、油含浸多孔質セラミックス材の軸受（３）とを回転摺動可能に組み合わせて構成したことを特徴とする滑り軸受ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の滑り軸受ユニット（２）を用いた立軸ポンプ（１）であって、ポンプケーシング（８）内に数箇所配設し、先端に羽根車（６）を固着した主軸（５）を支持する滑り軸受ユニット（２）が、ポンプケーシング（８）側に固定された油含浸多孔質セラミックス材の固定部材で形成された軸受（３）と、主軸（５）に回転を拘束して外挿されると共に、前記軸受（３）に回転摺動可能に内挿された繊維強化セラミックス材の回転部材で形成された軸スリーブ（４）とを備えて構成したことを特徴とする先行待機型ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドライ雰囲気に適用する高面圧用の軸スリーブと軸受の組み合わせで構成した滑り軸受ユニットおよびこの滑り軸受ユニットを用いた先行待機型ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、無注水起動で先行待機運転を行うポンプの軸受等の摺動部材に使用される材料として、超硬合金やセラミックスが広く使用されている。
【０００３】
セラミックス製固定部材と超硬合金製回転部材の組み合せからなる摺動部材は、例えば特許文献１に記載されている。また、セラミックスと炭素繊維を焼結して得られる炭素繊維複合セラミックス焼結体からなる摺動部材は、例えば特許文献２に記載されている。
【特許文献１】特開２００１−１７３６６１号公報
【特許文献２】特開平５−１５５６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
摺動部材としてセラミックス製固定部材を組み合わせる超硬合金は、一定の面圧までは安定した低い動摩擦係数を示すが、脆性特性として靭性が低い。回転機器は経年的な劣化による振動の増加やアンバランスの増大等により許容面圧を超えるような高負荷の面圧が発生することが知られている。そして、高面圧下のドライ摺動においては、凝着磨耗による摩擦係数の増大により異常な温度上昇が生じ、そこに揚水した水による急冷で熱応力や熱衝撃が発生して破損することがある。そして、炭素繊維複合セラミックス焼結体は、自己潤滑性をもつ炭素繊維を複合させることで摩擦係数を低減できるが、磨耗量が増大する。摺動面に堆積する微小な磨耗粉の凝着により、摩擦係数が増大し、摺動特性が悪化するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、セラミックス繊維を束ねてセラミックス繊維束とし、セラミックス繊維束を編んで複数層積層して円筒状に形成し、空隙にセラミックス基材を含浸した繊維強化セラミックス材の軸スリーブと、油含浸多孔質セラミックス材の軸受とを回転摺動可能に組み合わせるもので、セラミックスが本来有する摺動性と耐摩耗性等の特性を維持しつつ引張強度が向上し靭性が高い。また、セラミックス繊維を束ねたセラミックス繊維束を編んでいるので、摺動部には網目状の凹部が形成され、そこにドライ雰囲気で高面圧下での摺動による微小な磨耗粉が堆積し、摺動面に凝着することがなく異常な摩擦係数の上昇がない。さらに、時間の経過とともに油含浸多孔質セラミックス材の内部に保持している油分が徐々に表面に浸み出し、摺動部の潤滑に寄与するので、摺動特性が向上する。
【０００６】
滑り軸受ユニットを用いた立軸ポンプであって、ポンプケーシング内に数箇所配設し、先端に羽根車を固着した主軸を支持する滑り軸受ユニットが、ポンプケーシング側に固定された油含浸多孔質セラミックス材の固定部材で形成された軸受と、主軸に回転を拘束して外挿されると共に、前記軸受に回転摺動可能に内挿された繊維強化セラミックス材の回転部材で形成された軸スリーブとを備えるもので、長時間のドライ摺動やドライとウエットが繰り返される摺動での使用でもクラックの発生や破損の恐れが無い。また、ドライ運転を一定時間継続していると、油含浸多孔質セラミックス材で構成した固定部材の油分が摺動部の潤滑に寄与するので、摩擦係数が小さくなり安定する。さらに、高面圧下での摺動でも異常な摩擦係数の上昇がないので、大口径のポンプにも適用できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の繊維強化セラミックス材の摺動部材は、セラミックス基材にセラミックス繊維を複合強化した材料であるため、セラミックスが本来有する摺動性と耐摩耗性等の特性を維持しつつ引張強度が向上し靭性が高い。また、セラミックス繊維を束ねたセラミックス繊維束を編んでいるので、摺動部には網目状の凹部が形成される。ドライ雰囲気で高面圧下での摺動による微小な磨耗粉は凹部に堆積し、摺動面に凝着することがなく異常な摩擦係数の上昇がない。時間の経過とともに油含浸多孔質セラミックス材の内部に保持している油分が徐々に表面に浸み出し、摺動部の潤滑に寄与するので、摺動特性が向上する。高面圧下で長時間のドライ摺動やドライとウエットが繰り返される摺動での使用でもクラックの発生や破損の恐れが無く、大口径の先行待機型ポンプの軸受装置としても使用可能な摺動部材である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
この発明に係る滑り軸受ユニットを図面に基づき詳述すると、図１は繊維強化セラミックス材の回転部材であって、ＳｉＣ系セラミックスからなるＳｉＣ繊維を複数本束ねてＳｉＣ繊維束１４とし、ＳｉＣ繊維束１４を編んで円筒状に複数層積層して３〜５ｍｍ厚に形成し、空隙にＳｉＣ系セラミックス基材を含浸して軸スリーブ４としたものである。
【０００９】
実施例ではＳｉＣ系セラミックス基材を含浸させる方法としてＣＶＩ法（化学気相浸透法／Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）を用いているが、セラミックス繊維及びセラミックス基材の種類に応じてＲＳ法（反応焼結法／Ｒｅａｃｔｉｏｎ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）、溶浸直接金属酸化法（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ（Ｌａｎｘｉｄｅ）  Ｐｒｏｃｅｓｓ）、ＰＩＰ法（ポリマー含浸・熱分解法／Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）、ＭＩ法（溶融浸透法／Ｍｅｌｔ  Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）、ゾルゲル法（Ｓｏｌ−Ｇｅｌ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）、ＨＩＰ法（加圧焼結法／Ｈｏｔ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）等の各種セラミック充填方法を用いてもよい。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。
【００１０】
ＳｉＣ繊維束１４は図２に示すように平織りしており、直交するＳｉＣ繊維束１４が１本おきに交互に上下するよう成形されている。実施例では平織りであるが、ニット編み、ブレード編み等で編成したものであってもよい。高面圧ドライ摺動時に発生する微小な磨耗粉１７は、表面に存在する網目状の凹部１５に堆積するので、摺動面１６に凝着することはない。
【００１１】
図３および図４は、滑り軸受ユニット２を、本発明に係る摺動部材で構成した立軸ポンプ１を示す。図３は、立軸ポンプ１の全体を示す概念図であり、図４は、立軸ポンプ１の要部拡大図である。
【００１２】
立軸ポンプ１は、ポンプケーシング８内の数個所（図３では上，下２個所）に配設した滑り軸受ユニット２に、先端に羽根車６を固着した主軸５が回転自在に支持されて大略構成されている。このとき、主軸５は、その下部が案内羽根７の基部に嵌合された滑り軸受ユニット２に、その上部がポンプケーシング８に設けたリブ９に嵌合された滑り軸受ユニット２によって回転自在に支持されている。
【００１３】
また、滑り軸受ユニット２は、図４に示すように、ポンプケーシング８側に固定された軸受３と、主軸５に回転を拘束して外挿されると共に、軸受３に回転摺動可能に内挿された軸スリーブ４とを備えて構成されている。図４は、図３の上部に位置する滑り軸受ユニット２を示している。
【００１４】
このとき、軸受３は油含浸多孔質ＳｉＣからなるセラミックス製固定部材で形成されており、軸スリーブ４はＳｉＣ系セラミックスからなるＳｉＣ繊維を複数本束ねてＳｉＣ繊維束１４とし、ＳｉＣ繊維束１４を編んで円筒状に複数層積層して形成し、空隙にＳｉＣ系セラミックス基材を含浸した繊維強化ＳｉＣ製回転部材で形成されている。
【００１５】
そしてより詳しくは、滑り軸受ユニット２は、軸スリーブ４が、廻り止め部材１３により相対回転を拘束されて主軸５に取り付けられており、かつ軸受３が、緩衝材１０を介在させて取付治具１１に嵌着されると共に、この嵌着状態のまま、ポンプケーシング８にリブ９を介して固着された軸受支持部１２に嵌合されて取り付けられることによって構成されている。緩衝材１０は、軸受３に急激な負荷がかかった場合にセラミックが破損するのを防止するためのものであり、ゴム等の弾性体を用いて形成されている。
【００１６】
この立軸ポンプ１においては、主軸５が回転すれば軸受３と軸スリーブ４との間で摺動する。本実施例の立軸ポンプ１は、吸水槽の水位に関らずあらかじめ待機運転を行う全速全水位型先行待機ポンプであるので、低水位時の気中運転では滑り軸受ユニット２に無注水で長時間待機運転を行うことができる。
【００１７】
このように構成された立軸ポンプ１は、本発明に係る摺動部材で構成した滑り軸受ユニット２を採用しているので、軸スリーブ４の極めて優秀な摩擦係数、温度上昇、強度、耐腐食性に起因して、長時間のドライ摺動状態における先行待機運転が可能になる。
【００１８】
図５は本発明の軸受摺動試験に用いる実験装置の概念図である。実験装置１００は試験用滑り軸受ユニット１０１の実験を行う装置であり、この試験用滑り軸受ユニット１０１は、軸１０４を支持する試験軸受であり、軸１０４に固定された前記試験用軸スリーブ１０２と、装置ケーシング１０５側に固定され前記試験用軸スリーブ１０２を回転摺動可能に内挿する前記試験用軸受１０３とから構成されている。そして、試験用滑り軸受ユニット１０１に振れ回り荷重がかかるように軸１０４にアンバランスウエイト１０６を設け、このウエイトを増減することにより軸受面圧を調節することができるようになっている。なお、符号１０７は、インバーターモータであり、軸受部の周速度を実機に近い周速度に調節可能である。また、トルク測定は、トルクメータ１０８で測定することができ、温度測定は、固定側の試験用軸受１０３に温度センサー（図示せず）を取付け測定する。温度測定の場所は、摺動面より約３ｍｍ離れた所である。
【００１９】
図６および図７は、実験装置１００における試験用軸スリーブ１０２を、本発明品の繊維強化ＳｉＣで形成したものと、従来の超硬合金で形成したものとを使用して、それぞれ油含浸多孔質ＳｉＣで形成した試験用軸受１０３と組合わせた摺動部の摩擦係数及び上昇温度（ドライ上昇）とを比較して示している。
【００２０】
図６は、
＜摺動試験条件＞
・軸スリーブ  ：繊維強化ＳｉＣ／超硬合金（ＢＮ５Ｃ）
・軸受        ：油含浸多孔質ＳｉＣ
・周速度      ：４．７０ｍ／ｓｅｃ
・面圧        ：０．１３ＭＰａ
・摺動時間    ：７０分
の摺動試験条件で、本発明品と比較品における摩擦係数と時間の関係をグラフ化したものであり、横軸に時間（分）、縦軸に摩擦係数（μ）を表わしている。図１から解るように、本発明品である繊維強化ＳｉＣ材で形成した試験用軸スリーブ１０２ａは、摺動試験の初期に若干大きな数値（摩擦係数０．２５）となり、時間の経過とともに摩擦係数は小さくなり、約１０分で安定した低い数値（摩擦係数０．１５〜０．１３）となる。それに対して、比較品である超硬合金の試験用軸スリーブ１０２ｂは、摺動試験の初期に摩擦係数が０．４前後まで上昇し、時間の経過（約３０分）とともに摩擦係数は小さくなる。この現象は摺動試験開始直後は油含浸多孔質ＳｉＣ製の試験用軸受１０３内に保持している油分が固化しており、摺動部の潤滑に寄与していない為であり、時間の経過とともに油含浸多孔質ＳｉＣの温度が上昇を始め、内部に保持している油分が徐々に表面に浸み出し、摺動部の潤滑に寄与し始める為である。摩擦係数が安定して小さい値を示すまでの時間は、繊維強化ＳｉＣの試験用軸スリーブ１０２ａが超硬合金の試験用軸スリーブ１０２ｂよりも早く、このことから、繊維強化ＳｉＣの試験用軸スリーブ１０２ａは摩擦による発熱量が少なく、割れ等の問題が生じにくいことが分かる。
【００２１】
図７は、
＜摺動試験条件＞
・軸スリーブ  ：繊維強化ＳｉＣ／超硬合金（ＢＮ５Ｃ）
・軸受        ：油含浸多孔質ＳｉＣ
・周速度      ：１．５７ｍ／ｓｅｃ
・面圧        ：０．１９ＭＰａ
・摺動時間    ：７０分
の摺動試験条件で、本発明品と比較品における摩擦係数と時間の関係をグラフ化したものであり、横軸に時間（分）、縦軸に摩擦係数（μ）を表わしている。面圧が高い場合でも、本発明品である繊維強化ＳｉＣの試験用軸スリーブ１０２ａは、摺動試験の初期に若干大きな数値（摩擦係数０．２５）となるが、時間の経過とともに摩擦係数は小さくなり、約１５〜２０分で安定した低い数値（摩擦係数０．１４）となる。それに対して、比較品である超硬合金の試験用軸スリーブ１０２ｂは、摺動試験の初期に摩擦係数が０．４付近まで上昇し、時間の経過とともに摩擦係数は小さくなるが、７０分後には摩擦係数が０．３前後であり、面圧が０．１３ＭＰａの場合と比較して、２倍以上の摩擦係数の数値を示している。このことから、繊維強化ＳｉＣの試験用軸スリーブ１０２ａは面圧の影響を受けることなく、常時良好な摺動性を有することが分かる。
【００２２】
図８は本発明の滑り軸受ユニットと従来の滑り軸受ユニットの要部概略断面図である。（ａ）に示す本発明の繊維強化ＳｉＣの軸スリーブ４の摺動面１６には、ＳｉＣ系セラミックスからなるＳｉＣ繊維を複数本束ねてＳｉＣ繊維束１４とし、そのＳｉＣ繊維束１４を編んだ際に発生する網目状の凹部１５が存在する。そのため、高い面圧で摺動する際に発生する微小な磨耗粉１７は、前記凹部１５に入り込み、軸受３と軸スリーブ４の間の摺動クリアランスを一定に維持している。一方、（ｂ）に示すように摺動面１６に凹部１５のない部材同士の滑り軸受ユニットでは、高い面圧時に発生する多くの磨耗粉１７の逃げ場がなく、軸受３と軸スリーブ４’の間の摺動面１６に堆積していく。そして、堆積した磨耗粉１７が熱で固定部材の表面に凝着し、摺動特性の悪化を招く。摩擦係数は大きくなり、摩擦による発熱量が急激に増加し、破壊靭性が小さい部材は割れを生じる。
本発明のＳｉＣ系セラミックスからなるＳｉＣ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。特に破壊靭性が高いので、異物が摺動面に入り込んでも割れることはない。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明に係る滑り軸受ユニットおよびこの滑り軸受ユニットを用いた先行待機型ポンプは上記のように構成してあり、繊維強化セラミックス材の摺動部材は、セラミックス基材にセラミックス繊維を複合強化した材料であるため、セラミックスが本来有する摺動性と耐摩耗性等の特性を維持しつつ引張強度が向上し靭性が高い。また、セラミックス繊維を束ねたセラミックス繊維束を編んでいるので、摺動部には網目状の凹部が形成され、そこにドライ雰囲気で高面圧下での摺動による微小な磨耗粉が堆積し、摺動面に凝着することがなく異常な摩擦係数の上昇がないので、摺動特性が向上する。
長時間のドライ摺動やドライとウエットが繰り返される摺動での使用でもクラックの発生や破損の恐れが無く、ポンプを待機運転させておく運転方式の先行待機型ポンプの軸受装置に適するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る繊維強化セラミックス摺動部材の概略斜視図である。
【図２】同じく、繊維強化セラミックス摺動部材の部分拡大図である。
【図３】本発明に係る摺動部材を用いた立軸ポンプの概念図である。
【図４】同じく、摺動部材を用いた立軸ポンプの要部拡大図である。
【図５】軸受摺動試験に用いる実験装置の概念図である。
【図６】本発明品と比較品の超硬合金と、油含浸多孔質ＳｉＣとを組合わせた摺動部の摩擦係数の時間変化を示すグラフである。
【図７】同じく、発明品と比較品の超硬合金と、油含浸多孔質ＳｉＣとを組合わせた摺動部の摩擦係数の時間変化を示すグラフである。
【図８】本発明に係る滑り軸受ユニットと、従来の滑り軸受ユニットの要部概略断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１    立軸ポンプ
２    滑り軸受ユニット
３    軸受
４    軸スリーブ
５    主軸
６    羽根車
８    ポンプケーシング
１４  セラミックス繊維束
【図１】
2009204034.tif 000003
【図２】
2009204034.tif 000004
【図３】
2009204034.tif 000005
【図４】
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【図５】
2009204034.tif 000007
【図６】
2009204034.tif 000008
【図７】
2009204034.tif 000009
【図８】
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