JP4823744B2 - ポンプ用摺動部材及びポンプ - Google Patents

Description

本発明は、セラミックスからなり、水中等で使用されるポンプに用いられるポンプ用摺動部材及びポンプに関する。

海水をはじめとして、ハロゲンイオンを含む汚水や河川水等を揚水するポンプは、水中で回転して揚水する羽根車、水中を貫通して羽根車に動力を伝達する軸及び水中で用いられる水中軸受を備えている。水中軸受は、軸との回転摺動部を有し、機能上では、耐食性と耐摩耗性とが要求される。その他に、羽根車出口後の高圧部から羽根車入口側への揚水の漏れを防止するため、回転側にウェアリングと称するリングを嵌め込み、静止側に嵌め込んだライナリングとの間に極狭い隙間をもって対峙させて摺動させながら、高圧側から低圧側への処理液の漏れを防ぎ、ポンプの効率が低下しないようにさせる漏水防止部材が設けられている。

これらのポンプの構成部材には、多くの場合、海水などの揚水そのものが固定側と回転側との両摺動部品の端面や摺動面に接して運転される構造のものが多く、従来、耐食性と耐摩耗性の点から、金属のみならず種々のセラミックス等が使用されてきた。しかしながら、機械的に回転側と固定側とが互いに摺動する部分に取り付けられる部品（以下単に摺動部材と称す）には、海水用として耐摩耗性と耐腐食性との点から完全に満足できる材質はまだ実現できていないのが現状である。

その中で、例えば水中軸受やライナリング等の固定側に用いられる摺動部材には、ＳｉＣやＳｉ_３Ｎ_４系のセラミックスが、また回転側の軸スリーブやウェアリングなどの摺動部材には、ＷＣやＴｉＣ系のサーメットを用いた組合せが海水中において使用されるようになってきている。

なお、炭化珪素マトリックス中に所定量のカーボン粒子を分散させ、あるいはさらにセラミックス繊維を配列したセラミックス複合材料で構成した摺動部材は知られている。

しかしながら、セラミックスをポンプの摺動部材に適用して水中で使用すると、セラミックスは、一般に摩擦係数が大きく、しかも熱伝導率が低いばかりでなく、破壊靭性も低いため、摺動部に大きな摩擦熱が発生し、発生した熱が摺動部材の内部に蓄積し、発熱と冷却の繰り返しによって、摺動部材にクラックが発生するという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、特に水中で使用するポンプに用いられ、耐摩耗性に優れて内部にクラックが発生することを防止できるようにしたセラミックス製のポンプ用摺動部材及び該摺動部材を備えたポンプを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、ＳｉＣから構成されたセラミックス繊維を編んだ複数枚の織物を互いに重合せ、セラミックス繊維同士で接合させて積層した織物積層物を所定の形状に成形したことを特徴とするポンプ用摺動部材である。
これにより、内部に大きな気孔率で気孔を生じさせて、ポンプ用摺動部材の摩擦係数を低下させ、さらに気孔内に潤滑剤を挿入することで、摩擦係数を更に低下させるようにすることもできる。また、セラミックス繊維によりポンプ用摺動部材の線膨張係数を小さくして、発熱による抱き着きを防止することができる。

請求項２に記載の発明は、前記ＳｉＣは、フリーの炭素を有することを特徴とする請求項１記載のポンプ用摺動部材である。
このように、ポンプ用摺動部材を、フリーの炭素を有するＳｉＣ製とすることによっても、ポンプ用摺動部材の摩擦抵抗を低下させることができる。

請求項３に記載の発明は、前記織物積層物は、複数枚の互いに重合せた織物に熱間静圧成形処理を施して形成されることを特徴とする請求項１または２記載のポンプ用摺動部材である。
これにより、織物積層物をセラミックス繊維のみで構成して、内部に充填むらが生じてしまうことを防止し、しかも、セラミックス繊維を互いに密着させて、ポンプ用摺動部材の破壊靭性を向上させることができる。

請求項４に記載の発明は、前記織物は、直径が７〜１４μｍの複数のセラミックス繊維を束ねた、直径１００〜２００μｍの糸を編んで形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のポンプ用摺動部材である。

請求項５に記載の発明は、前記織物積層物の気孔率は、容積比で３０％以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のポンプ用摺動部材である。
これにより、ポンプ用摺動部材の摩耗率を所定の範囲内に抑えることができる。

請求項６に記載の発明は、前記セラミックス繊維にアルミニウム及び／またはジルコニウムが含まれていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のポンプ用摺動部材である。
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載のポンプ用摺動部材を組込んだことを特徴とするポンプである。

本発明によれば、ポンプに使用される摺動部材を、摩擦係数が小さく、破壊靭性が高いセラミックス材料製とすることで、耐食性を維持しつつ、耐摩耗性を向上させ、内部にクラックが発生するのを防止して、摺動部材の信頼性を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１には、本発明を実施したポンプＰが示されている。図１において、ポンプＰのケース１０内には軸受ケース１１が設けられており、その軸受ケース１１には水中軸受１２が嵌挿されている。そして、一端にインペラ１４が取り付けられた軸１５には、軸スリーブ２が嵌められて前記水中軸受１２によって回転自在に支持されている。なお、符号１３は保護管を示している。また、インペラ１４の入口側および出口側それぞれの固定部との間にはウェアリングｌＡ，１Ｂが設けられている。このポンプＰの構造自体は公知のものである。

そして、本発明によるセラミックス製の摺動部材は、これら機械的に回転側と固定側とが互いに回転摺動する部材である上記ウェアリング１Ａ，１Ｂ、水中軸受１２および軸スリーブ２に適用されている。

図２には、本発明による軸受の一実施形態が示されている。図２において、本発明によるセラミックス製の摺動部材としての軸受１２Ａは、その外周にバックアップ用金属リング１７が巻かれており、弾性体または粘性体２２を介して軸受ケース１１Ａに嵌挿されている。
また、軸１５にはトレランスリング２１を介して、本発明によるセラミックス製の摺動部材としての軸スリーブ２Ａが嵌められており、この軸スリーブ２Ａは、前記軸受１２Ａに回転自在に支持されている。なお、符号２３はスリーブ押さえを示している。

次に、本発明によるセラミックス製の摺動部材としての円筒状の軸受１２Ａの製造例を以下に説明する。なお、図１に示すウェアリング１Ａ，１Ｂ、水中軸受１２および軸スリーブ２、並びに、図２に示す軸スリーブ２Ａも、軸受１２Ａとほぼ同様に製造される。

先ず、図３に写真で示す、例えば直径が７〜１４μｍで、フリーの炭素（Ｃ）を含むＳｉＣから構成されるセラミックス繊維を製造する。このセラミックス繊維は、重量比でＳｉが４０〜４６％、Ｏが５０〜５２％、Ａｌが０〜３％、Ｚｒが０〜２％の繊維（原料）を、（ＣＯ＋ＣＯ_２＋Ｈ_２）の混合ガス中で、１０００℃で６００時間加熱することによって製造される。この製造時における混合ガスの比をコントロールすることで、セラミックス繊維の成分は、重量比で、Ｓｉが５０〜７０％、Ｃが３０〜３５％、Ａｌが０〜３％、Ｚｒが０〜２％、Ｏが０〜２０％となる。このＳｉＣには、０．１〜５％のフリーの炭素が含まれる。

次に、図４に示すように、複数本のセラミックス繊維３０を紡績して束ね、例えば直径が１００〜２００μｍの紡績糸３２とする。この紡績糸３２の製造例を図５に示す。この例は、複数本の糸状のセラミックス繊維３０を溶解紡績ローラ３４で紡績して束ね、この束ねたセラミックス繊維３０を加熱装置３５で焼成し、安定化装置３６を通過させて安定化させた後、焼結装置３８を通過させて焼結させ、これによって、所望のセラミックス繊維からなる紡績糸３２を得るようにしている。

そして、この紡績糸３２をたて糸とよこ糸として、図６（ａ）に示すように、たて糸（紡績糸３２）とよこ糸（紡績糸３２）とを、例えば２本置きに交互に編んで織物４０とする。なお、図６（ｂ）に示すように、たて糸（紡績糸３２）とよこ糸（紡績糸３２）とを交互に編む、いわゆる平織りにより、織物４０ａとしてもよい。この織り方は、これらに限定されないことは勿論である。

次に、図７に示すように、複数枚の織物４０を互いに重合わせ、この重ね合せた織物４０の外周を、例えば２相ステンレスやオーステナイト系ステンレスからなるステンレス箔４２で包む。そして、例えば１４００℃、１０００気圧で４時間の高温高圧雰囲気中で成形する熱間静圧成形法（ＨＩＰ法）で処理し、これによって、複数枚の織物４０を互いにセラミックス繊維同士で接合させた織物積層物を形成する。

このように、セラミックス繊維３０を編んだ複数枚の織物４０を互いに積層して織物積層物を形成することで、従来の一般的な緻密な繊維強化セラミックスとは異なり、内部に大きな気孔率で気孔を生じさせることができる。しかも、ＨＩＰ処理を施して織物積層物を形成することで、織物積層物をセラミックス繊維のみで構成して、例えば通常のＦＣＶＩ（Forced Chemical Vapor Infiltration）、ＣＶＩ（Chemical Vapor Infiltration）またはＰＩＰ（Polymer Infiltration and Pyrolysis）による繊維強化セラミックスのように内部に充填むらが生じてしまうことを防止し、しかも、セラミックス繊維を互いに密着させて、破壊靭性を向上させることができる。

しかる後、この織物積層物を摺動部材としての軸受１２Ａに沿った円筒状に切出し、必要に応じて、仕上げ加工を施す。これにより、図８に示すように、複数の織物４０を積層した織物積層物からなる軸受１２Ａを作製する。この軸受（製品）１２Ａの写真を図９に示す。

この軸受１２Ａは、上記のように構成されているので、気孔率を大きくして摩擦係数を小さくすることができる。しかも、破壊靭性が大きいので、より大きな気孔を形成し、この気孔の内部に潤滑剤を容易に挿入することで、摩擦係数を更に低下させるようにすることもできる。また、セラミックス繊維３０中にフリーな炭素を含ませることによっても、軸受１２Ａの摩擦係数を低下させることができる。更に、軸受１２Ａの線膨張係数を小さくして、発熱による抱き着きを防止することができる。なお、気孔率を高めると、軸受１２Ａの消耗率が上がってしまう。このため、気孔率を容積比で３０％以下とすることで、軸受１２Ａの摩耗率を所定の範囲内に抑えることが好ましい。

上記のようにして製造される円筒状の軸受（摺動部材）のセラミックス繊維（ＳｉＣ繊維）と気孔の割合（容積比）を変化させた時の各機械的性質を測定した結果を下記の表１に示す。この表１には、サンドスラリー０．０２％混入水中における摩耗試験結果と、面圧０．１ＭＰａ、周速３ｍ／ｓでの繰返し摺動試験結果も示している。なお、表１に最下段には、参考として、従来の一般的な緻密な繊維強化セラミックス製の軸受の各機械的性質と、サンドスラリー０．０２％混入水中における摩耗試験結果と、面圧０．１ＭＰａ、周速３ｍ／ｓでの繰返し摺動試験結果も示している。

この表１より、従来例にあっては、繰返し試験を２００回行ったところでヒートクラックが発生したが、本発明の軸受（摺動部材）にあっては、従来例に比べて、摩擦係数が低く、しかも破壊靭性が高いため、繰返し試験に耐えられる（割れ生じない）ことが判る。これにより、長年の使用に耐えられると判断できる。また、気孔率を、容積比で３０％以下にすることで、比摩耗量を所定の範囲内に抑えることができることが判る。

本発明の摺動部材の適用箇所を示すポンプの断面図である。 本発明の摺動部材の一実施形態を示す断面図である。 セラミックス繊維を示す写真である。 （ａ）は紡績糸を示す断面図で、（ｂ）は紡績糸を示す正面図である。 紡績糸の製造装置を示す図である。 （ａ）は織物の一例を示す図で、（ｂ）は織物の他の例を示す図である。 複数枚の織物を重合せてステンレス箔で外周を覆った状態の一部を示す斜視図である。 織物積層物から円筒状に切出して成形した軸受（摺動部材）を示す断面図である。 織物積層物から円筒状に切出して成形した軸受（摺動部材）を示す写真である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ ウェアリング（摺動部材）
２，２Ａ 軸スリーブ（摺動部材）
１０ ケース
１１ 軸受ケース
１２ 水中軸受（摺動部材）
１２Ａ 軸受（摺動部材）
１３ 保護管
１４ インペラ
１５ 軸
３０ セラミックス繊維
３２ 紡績糸
４０ 織物

Claims (7)

1. ＳｉＣから構成されたセラミックス繊維を編んだ複数枚の織物を互いに重合せ、セラミックス繊維同士で接合させて積層した織物積層物を所定の形状に成形したことを特徴とするポンプ用摺動部材。
2. 前記ＳｉＣは、フリーの炭素を有することを特徴とする請求項１記載のポンプ用摺動部材。
3. 前記織物積層物は、複数枚の互いに重合せた織物に熱間静圧成形処理を施して形成されることを特徴とする請求項１または２記載のポンプ用摺動部材。
4. 前記織物は、直径が７〜１４μｍの複数のセラミックス繊維を束ねた、直径１００〜２００μｍの紡績糸を編んで形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のポンプ用摺動部材。
5. 前記織物積層物の気孔率は、容積比で３０％以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のポンプ用摺動部材。
6. 前記セラミックス繊維にアルミニウム及び／またはジルコニウムが含まれていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のポンプ用摺動部材。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のポンプ用摺動部材を組込んだことを特徴とするポンプ。
   

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