JP2009299877A - メタルブッシュ、及びこれを用いた駆動装置並びに乳化分散装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】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15とする。また、この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15とする。
【選択図】図3
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
摺動側試験片を、アルミニウム青銅鋳物(ALBC3)で構成する。
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。
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。
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。
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。
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。
(1)上記実施形態では、食品加工装置として乳化分散装置100の駆動部(プランジャーポンプ機構103)に用いる軸受け部材に、メタルブッシュ15を用いる構成としたが、駆動部に軸受け部材を備える構成の食品加工装置であれば、特に制限なく当該メタルブッシュ15を用いることができる。
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
Claims (6)
- 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。
- 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の範囲である請求項1に記載のメタルブッシュ。
- 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又は2に記載のメタルブッシュ。
- 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又は2に記載のメタルブッシュ。
- 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において、
前記軸受け部材が、請求項1から4の何れか一項に記載されたメタルブッシュで構成されてなる駆動装置。 - 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、請求項5に記載された駆動装置で構成されてなる乳化分散装置。
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