JP2010534805A - フルオロポリマー軸受筒 - Google Patents

Abstract

フルオロポリマーと円周に配向した連続の高引張弾性率繊維とから製造された軸受筒のような部品は、ポンプおよび圧縮機ならびに他の類似タイプの装置用の部品として有用である。これらの部品は、高温でおよび／または非常に腐食性の環境で有用であるかもしれず、多くの場合、必要とされる保守点検間の時間を長くし、かつ、非標準的な運転条件下で金属軸受筒より通常は良好に機能する。

Description

円周に配向した連続の高引張弾性率繊維を含むフルオロポリマー熱可塑性軸受筒は、軸受筒などの、ポンプ、特に遠心ポンプおよび他の類似タイプの装置用の部品として有用である。

関連出願の相互参照
本出願は２００７年７月２６日出願の米国仮特許出願第６０／９６２，１１１号明細書の優先権を主張するものである。

ポンプ、特に遠心ポンプは、互いに回転する多くの表面を有し、多くの場合に１表面は回転するが、他表面は固定されている。多くの場合これらは固定部品であり、金属製の軸受筒であり、ポンプからのガスおよび／または液体の漏洩を回避するために、隙間は多くの場合狭いかまたは小さいものでなければならないので、表面は互いに摩耗するおそれがある。ゴムまたは他のタイプのシールが時々使用されてもよいが、より高いもしくはより低い温度環境または腐食性環境では特に、かかるシールでは十分ではない。また多くの場合には、シールは耐荷重性（硬質）でなければならないので、金属対金属シールが使用される。しかしながら上述のように、これらは、ポンプがある期間乾燥して作動するか、またはそれが乾燥して作動させられるときに特に、すり減るおよび／または摩耗する傾向を有する。かかる軸受筒に対する類似のニーズを有する他のタイプの装置には、圧縮機および液圧式変速機が含まれる。

改善されたタイプのシールは、平面にランダムに配向した高弾性率細断繊維を含有する、熱可塑性樹脂シール、または軸受筒であり、その平面は、密封されているシャフトの回転に垂直であり、例えば、ＤｕＰｏｎｔ^TM Ｖｅｓｐｅｌ（登録商標）ＣＲ−６１００ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ Ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｐｕｍｐ Ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ Ｗｅａｒ Ｐａｒｔｓ，Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ＆ Ｃｏ．，Ｉｎｃ．（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，Ｄｅｌａｗａｒｅ，ＵＳＡ），２００７年３月を参照されたい。しかしながら、かかる部品の製造は複雑であり、高価につき、かかる用途向け部品のより安価な製造方法が望まれており、例えば、米国特許第５，４７０，４０９号明細書および米国特許第５，４２７，７３１号明細書を参照されたい。熱可塑性ポリマーから製造された軸受筒は、好ましくは良好な摩耗特性および軸受筒に対して動く表面との低い摩擦係数を有する。

フルオロポリマーなどの熱可塑性樹脂と円周に配向した連続の高引張弾性率繊維とを含有する複合チューブ、およびそれらの製造方法は、参照により本明細書によって援用される、米国特許第４，９７５，３２１号明細書に記載されている。特に、より低い放射熱膨張係数が望ましい、軸受筒用途へのこれらのチューブの使用については全く言及されていない。

フルオロポリマー熱可塑性樹脂と円周に配向した連続の高引張弾性率繊維とを含む軸受筒が本明細書に開示される。

第２部品に対して、および第２部品との間で回転する第１部品を含み、かつ、フルオロポリマー熱可塑性樹脂と円周に配向した連続の高引張弾性率繊維とを含む軸受筒中で前記第１および前記第２部品を接触させる装置もまた開示される。

図１Ａ〜Ｄは、軸受筒についての様々な形状を示す。 典型的な遠心ポンプにおける本発明のフルオロポリマー軸受筒を示す。

ある種の用語が本明細書に用いられ、それらの幾つかが以下に定義される。

「軸受筒」または「軸受筒として機能する」とは、回転する部品の運動を制限するかまたは抑えるように設計された、また摩擦および／もしくは摩耗を低減する、ならびに／または液体および／もしくはガスに対してシールを提供し得る円筒形内張りを意味する。少なくとも１つの表面、外側または内側表面は円筒形であり、内側および外側表面は円筒形であることが好ましい。軸受筒の内側表面および外側表面のそれぞれが、第１部品および第２部品と接触し、第１および第２部品は互いに回転してもよい。軸受筒などの、有用な部品／形状は、図１Ａ〜１Ｄに示される。それが内側シャフトを滑落できないときに軸受筒部品が２つ以上の要素（通常は直径にわたって切り開かれる２要素）へ分割される分割軸受筒もまた有用である。

「高引張弾性率繊維」（ＨＴＭＦ）とは、ＡＳＴＭ方法Ｄ８８５−８５に従って測定されたときに、約１０ＧＰａ以上、好ましくは約５０ＧＰａ以上、より好ましくは約７０ＧＰａ以上の引張弾性率を有する繊維を意味する。この繊維が布またはトウの形態にある場合、引張弾性率測定は、当該布またはトウ中の単繊維に関して行われるであろう。繊維の２つ以上のタイプが存在する場合には、それがＨＴＭＦであるかどうかを決定するために各タイプが測定されるものとする。ＨＴＭＦの要件を満たさない繊維は、存在するＨＴＭＦの総量の中に考慮されないものとし、このようにＨＴＭＦと非ＨＴＭＦとが存在し得る。

「連続の」繊維とは、約３ｃｍ以上、好ましくは少なくとも約１０ｃｍ以上の長さ、好ましくは１メートルの長さを有する繊維を意味する。繊維が完全に連続ではなく、長さをカットされている場合、繊維長さは複合材料中で互いに重なり合うことが好ましい。複合材料中の繊維の全てが円周に配向している必要があるわけではない。

「円周に配向した」とは、繊維が軸受筒の円形の内側または外側表面の円周にほぼ平行に配向していることを意味する。それは、円形の内側または外側表面の中心軸に垂直である必要はないが、例えば、当該軸に対してらせんを形成する角度にあってもよい。繊維は、それが円筒の軸に対して０°に配向している場合、円周に配向したとは考えられない。

「と接触して」とは、２つの表面が少なくともある時間互いに接触することを意味する。このように軸受筒部品の円形内側表面と当該表面内の円形シャフトとの間に、シャフトが軸受筒内で回転できるように幾らかの小さな隙間があってもよい。これは、液体またはガスの薄膜が２つの表面間に存在する場合でさえ、「接触して」いると考えられる。この薄膜は潤滑油としての機能を果たし得る。

「フルオロポリマー」とは、好ましくは少なくとも約５重量パーセントのフッ素を含有し、かつ、熱可塑性である合成有機ポリマーを意味する。

「熱可塑性樹脂」とは、熱可塑性樹脂を溶融させ、次にそれをその融点および／またはガラス転移温度より下に冷却することによって改質することができるポリマーを意味する。かかるポリマーは架橋されていない。それらは、示差走査熱量測定法によって測定されたときに、３０℃より上、好ましくは１００℃より上の融点および／またはガラス転移温度を有する。好ましくは３０℃より上の融点は、約３Ｊ／ｇ以上、より好ましくは約５Ｊ／ｇ以上の融解熱を有する。

フルオロポリマー熱可塑性樹脂と円周に配向した連続の高引張弾性率繊維とを含む軸受筒が本明細書に開示される。本発明の軸受筒は、ポンプおよび圧縮機ならびに他の類似タイプの装置用の部品として有用である。これらの部品は、高温でおよび／または非常に腐食性の環境で有用であるかもしれず、多くの場合、必要とされる保守点検間の時間を長くし、かつ、通常は非標準的な運転条件下で金属軸受筒より長く、良好に機能する。

好ましくは、軸受筒の内側部品表面および外側部品表面の両方とも円形（円筒形）であり、より好ましくはこれらの円の両方の中心軸は同心である。

好ましくは、軸受筒部品と接触する第１および第２表面の１つまたは両方は金属である。

高引張弾性率繊維は通常の使用温度軸受筒で約１×１０^-5ｃｍ／ｃｍ／℃未満、より好ましくは約１×１０^-6ｃｍ／ｃｍ／℃未満の熱膨張係数を有することも好ましい。本明細書に開示される軸受筒の使用温度は、それが製造される熱可塑性樹脂の熱特性に大きく依存するであろう。軸受筒が広い温度範囲にわたって使用されるべきであり、そして当該温度が２３℃を含む場合には、膨張係数は約２３℃で測定されるべきである。当該範囲が２３℃を含まない場合には、当該膨張係数はこの範囲の中点で測定されるべきである。

有用な繊維には、炭素繊維、アラミド繊維、金属繊維（ワイヤ）、ガラス繊維、およびセラミック繊維が含まれる。繊維は、フルオロポリマー熱可塑性樹脂へのそれらの接着性を向上させるためにサイジングされてもよい。最終軸受筒での繊維は、それらが、機械加工による場合のように、軸受筒の最終形成中にカットされるので、ある程度短くされてもよいが、本質的には（１メートルを超える）非常に長い繊維が軸受筒用のプレフォームの少なくとも製造においては好ましい。

円周に配向している連続の高引張弾性繊維は、全熱可塑性組成物（すなわち、軸受筒）の約１０〜約７０、より好ましくは約２０〜約６０容積パーセントであることが好ましい。

軸受筒は、例えばＨＴＭＦおよびフルオロポリマーからチューブを形成するために、含浸トウまたはユニテープの形態での、ＨＴＭＦをはじめとする、繊維を使用するフィラメント巻繊様（ｗｉｎｄｉｎｇ−ｌｉｋｅ）法を記載している、参照により本明細書に援用される、米国特許第４，９７５，３２１号明細書に記載されているように製造されてもよい。繊維、トウまたはユニテープは、円筒の軸に対して９０°または０°以外のある角度で巻繊法で巻かれ、それによってらせんを形成してもよい。繊維にとっての好ましい角度は、円筒の軸に対して約３５°〜約５５°、より好ましくは約４５°である。それは次に、オートクレーブ中で圧縮成形か、またはバッグ成形によって一体化されてもよい（バッグは型の周りに置かれ、バッグは排気され、オートクレーブ中に入れられ、そして任意選択的に圧力がバッグの外側にかけられて、加熱される）。あるいはまた、含浸繊維がフィラメント巻繊法で巻き付けられる時に、それは、熱可塑性樹脂を流れさせ、そして含浸繊維が巻き取られる時に一体化するように加熱されてもよい。冷却すると、固体部品が得られる。

含浸繊維、例えば、含浸トウは、例えば、未含浸トウを熱可塑性ポリマーまたはフルオロポリマーラテックス乳濁液または懸濁液に通し、乳濁液または懸濁液で湿ったトウが浴を出た後にポリマーを（凍結による場合のように）凝固させ、次にトウを乾燥させることによって得られてもよい。

これは最終軸受筒を与えるかもしれないが、これらの軸受筒は多くの場合タイトサイズ許容度を有し、および／または不規則に造形されるので、チューブ様プリフォームが圧縮成形によって形成されるかもしれず、プリフォームは次に１つ以上の軸受筒へ機械加工される。これらの機械加工法は、フルオロポリマーおよびＨＴＭＦから製造される複合材料について周知であり、例えば、Ｖｅｓｐｅｌ（登録商標）ＣＲ−６１００ ＆ ６２００，Ｇｅｎｅｒａｌ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｇｕｉｄｅ，Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ＆ Ｃｏ．，Ｉｎｃ．（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，Ｄｅｌａｗａｒｅ，ＵＳＡ），２００３年を参照されたい。例えば、これらの材料は、鋸引き、穿孔、旋削、圧延および研削によって造形することができる。

有用なフルオロポリマーは、約１５０℃以上、より好ましくは約２００℃以上、特に好ましくは約２５０℃以上の融点および／またはガラス転移温度を有する。軸受筒が使用中に化学薬品に暴露される場合、フルオロポリマー熱可塑性樹脂は、使用温度でそれらの化学薬品によって比較的影響を受けないものであるべきである。フルオロポリマー熱可塑性樹脂のブレンドもまた使用されてもよい。

好ましいフルオロポリマーは、パーフルオロポリマー、特に、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）のホモポリマーおよびコポリマーである（本明細書では、テトラフルオロエチレンのホモポリマーは、その融点より上で十分に流れなくても、熱可塑性樹脂と考えられる）。ＴＦＥの有用なコポリマーには、ヘキサフルオロプロピレンまたはパーフルオロ（アルキルビニルエーテル）を含有するものが含まれる。フルオロポリマー熱可塑性樹脂は約２００℃以上、より好ましくは約２５０℃以上の融点および／またはガラス転移温度を有することが好ましい。融点、融解熱、およびガラス転移温度は、１０℃／分の加熱速度を用いて、ＡＳＴＭ方法Ｄ３４１８によって測定される。融点は溶融吸熱の最大として取られるが、ガラス転移温度は転移の中間点として取られ、両方とも二次加熱で測定される。２つ以上の融点が存在する場合、ポリマーの融点は融点の最高のものとして取られる。

他の有用なフルオロポリマーには、ポリフッ化ビニリデン、エチレンとフッ化ビニルとのコポリマー、エチレンとテトラフルオロエチレンとのコポリマー、およびポリ（クロロトリフルオロエチレン）が含まれる。フルオロポリマーは少なくとも約４５重量パーセントのフッ素を含有することが好ましい。

本軸受筒は、回転シャフトが存在する場合、および液体および／またはガスの漏洩から密封されなければならない機器のそれらのシャフトと別の要素との間に界面が存在する場合に特に多くのタイプの機器で有用である。

このように、本軸受筒を含んでもよい機器の好ましい一タイプは、ポンプ、特に遠心ポンプである。これらの軸受筒は、片持ちおよび垂直インラインポンプならびに単段軸受間ポンプで固定摩耗リングおよびスロート軸受筒として、多段水平ポンプで固定摩耗リング、スロート軸受筒、段間軸受筒および減圧軸受筒として、ならびに垂直ポンプで固定摩耗リング、段間軸受筒、ラインシャフト軸受およびスロート軸受筒として遠心ポンプで有用である。

図２は、本発明の軸受筒の配置および場所を示す、水平の一段階遠心ポンプの部分断面図を示す。図２は、典型的な遠心ポンプにおける本発明のフルオロポリマー軸受筒を示す。

本発明の一実施態様は、第２部品に対して、および第２部品との間で回転する第１部品を含み、かつ、フルオロポリマー熱可塑性樹脂と円周に配向した連続の高引張弾性率繊維とを含む軸受筒中で前記第１および前記第２部品を接触させる装置である。

軸受筒を含んでもよい別のタイプの装置は、この軸受筒がピストンおよびライダリングとして使用されてもよい圧縮機である。他の有用な装置は液圧式変速機である。

装置に取り付けられるとき、軸受筒は圧縮して取り付けられることが好ましい。このように部品は、軸受筒の外側表面の周りで装置の部品中に圧縮してぴったりと押し込まれてもよい。

Claims (10)

1. フルオロポリマー熱可塑性樹脂と円周に配向した連続の高引張弾性率繊維とを含む軸受筒。
2. 前記高引張弾性率繊維が炭素繊維、アラミド繊維、金属繊維、ガラス繊維またはセラミック繊維である請求項１に記載の軸受筒。
3. 前記高引張弾性率繊維が前記軸受筒の約２０〜約６０容積パーセントである請求項１または２に記載の軸受筒。
4. 前記フルオロポリマーが約２００℃以上の融点を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸受筒。
5. 前記フルオロポリマーがパーフルオロポリマーである請求項１〜４のいずれか一項に記載の軸受筒。
6. 第２部品に対して、および第２部品との間で回転する第１部品を含み、かつ、フルオロポリマー熱可塑性樹脂と円周に配向した連続の高引張弾性率繊維とを含む軸受筒中で前記第１および前記第２部品を接触させる装置。
7. 遠心ポンプである請求項５に記載の装置。
8. 前記高引張弾性率繊維が炭素繊維、アラミド繊維、金属繊維、ガラス繊維またはセラミック繊維である請求項６または７に記載の装置。
9. 前記高引張弾性率繊維が前記軸受筒の約２０〜約６０容積パーセントである請求項６〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記フルオロポリマーがパーフルオロポリマーであり、そして約２００℃以上の融点を有する請求項６〜９のいずれか一項に記載の装置。

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