JP4876112B2 - すべり軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転及び／または揺動及び／または往復運動する軸受装置に関し、特に樹脂製部材と接触する金属部材とからなる軸受装置に関する。

摺動部材として用いられる樹脂材料は一般に、軽量，成形性，自己潤滑性等に優れており、油やグリース等の潤滑剤の使用できない環境に使用されている。単独の樹脂材料のままでは耐荷重性や耐摩耗性に課題があるため、補強のためにガラス繊維や炭素繊維が加えられ、耐摩耗性のためにグラファイトやポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、二硫化モリブデン等の固体潤滑剤を加えることで未添加の場合に比べ低摩擦，低摩耗となることが知られている。近年では、軸受に対する要求が高まり、低摩擦，耐摩耗性に優れた軸受構造が求められている。

潤滑剤の使用できない環境であるドライガス雰囲気中における摺動部材として、例えば、特許文献１や特許文献２に記載のドライガス用摺動部材が提案されている。

特許文献１記載の摺動部材は熱硬化性の樹脂に炭素繊維，黒鉛粉末を混合し熱圧成型してなるものである。

特許文献２に記載の摺動部材としては、コークス，黒鉛，カーボンブラック等の炭素質材料とコールタールピッチ，熱硬化性樹脂等の有機質結合剤との混合物からなり炭化珪素繊維の短円柱状硬質材を多数埋め込んだ層を少なくとも摺動部材の摺動面付近に設けている。

特開平１１−２７９４１３号公報 特開平０４−９３３９７号公報

特許文献１や特許文献２に記載された方法では、摺動部材に熱硬化性樹脂を使用するため軸受は耐熱性に優れるが、成型加工時間が長いことや、リサイクルが困難である。

そこで、本発明はリサイクル性が高く、固体潤滑剤を含まない熱可塑性樹脂を用いた摺動部材においても、油やグリースの使用できない環境下にて、摩擦係数が低く耐摩耗性を向上するすべり軸受装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明のすべり軸受装置は、ガラス繊維及びまたは炭素繊維を含む熱可塑性樹脂部材からなる軸受部と、この軸受部で支持し前記熱可塑性樹脂部材と接触する金属部材からなる軸と、を有するすべり軸受装置であって、
前記軸受部と軸とが摺動する軸受摺動部に、乾燥した空気，窒素またはアルゴンを供給する気体供給部を有し、前記乾燥した空気，窒素またはアルゴン中で、前記樹脂部材からなる軸受部と前記金属部材からなる軸とを摺動することにより、前記熱可塑性樹脂部材からなる軸受部の摩耗粉の成長が抑制され、相手材である前記金属部材からなる軸表面への移着が促進され、摩耗粉が一様に移着することにより、前記熱可塑性樹脂部材からなる軸受部の摩擦及び摩耗を低減することを特徴とするものである。

本発明のすべり軸受装置としては、軸受と軸とが回転，揺動、または往復運動する関係の何れでも良い。軸受部の形態としては、円筒端面型，円筒平面型，ピン−ディスク型、ジャーナル型、往復型やそれらの部分軸受、またはそれらを組み合わせた複合軸受でもよい。

また、軸受部の樹脂材としては、熱可塑性樹脂の少なくとも一種類以上を有し、熱可塑性樹脂として例えばポリアミド，ポリフタルアミド，ポリアミドイミド，ポリアセタール，ポリフェニレンサルファイド，ポリエーテルイミド，超高分子量ポリエチレン，ポリエーテルエーテルケトン等が挙げられる。これら樹脂には補強のために繊維状，球状，りん片状のガラスや炭素が単独または複合したものが加えられる。

また、軸受の外周面から軸受面に貫通した孔を設け、該貫通孔より軸受摺動部へ除塵した乾燥気体を供給してもよい。

また、軸受摺動部に供給する乾燥気体は、酸素を含む気体としてもよい。例えば、露点温度に換算して−５０℃以下の湿度の乾燥空気が挙げられる。

また、軸受摺動部に供給する乾燥気体は、酸素を含まない気体としてもよい。例えば、窒素やアルゴン等の不活性ガス，水素ガスや炭化水素ガス等が挙げられる。

本発明によれば、樹脂軸受の摩耗粉の成長が抑制され、相手材表面への移着が促進されることにより、樹脂製軸受の摩擦及び摩耗を低減でき、各種機器の駆動エネルギーの低減や油や固体の潤滑剤を使用しないことで資源の消費を抑え環境負荷も低減できる。

以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説明する。なお本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

まず、図２を用いて、本発明の基本的な構成について説明する。図２にはジャーナル型試験機の試験部を示す。

〔実験例１〕
この試験機の試験部は、樹脂軸受２がケーシング１に圧入され、軸４を回転自在に支持している。ケーシング１は樹脂軸受２へ荷重を加える構造になっている。軸４の一方端には回転駆動用のモータ（図示せず）が接続されている。

試験部は保護カバー５で覆われており、軸周辺の他に上部に通気孔６を設けている。樹脂軸受２には熱可塑性樹脂のポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）に３０重量％炭素繊維を含んだものを用いた。軸４にはステンレス（ＳＵＳ）を使用した。

保護カバー５を貫通した気体供給管３を設け、それより吐出される気体の流れ７を示す。図で示したように、気体の流れ７は、気体供給管３から樹脂軸受２と軸４との軸受摺動部に向かい、乾燥気体として窒素を２０Ｌ／min供給した。樹脂軸受２付近の相対湿度は保護カバー５内に設置した湿度センサ８の下限値である１.５％であった。

その結果、最小摩擦係数は０.０８となり、湿潤大気中の０.２５に比べ大幅に低下していた。摩耗深さも湿潤大気中に比べ約４０％低減していた。相手材であるＳＵＳの軸には樹脂軸受の摩耗粉が一様に移着していた。

〔実験例２〕
同様な試験として、樹脂軸受にガラス繊維を３０重量％含むポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を用いた例を説明する。その他は上述の試験と同様とした。

試験の結果は、本試験においても最小摩擦係数は０.０９となり、湿潤大気中の０.３に比べ大幅に低減しており、摩耗深さも約４０％低減していた。相手材であるＳＵＳの軸には樹脂軸受の摩耗粉が一様に移着していた。

〔実験例３〕
次に、軸受への他の気体供給部について図３を用いて説明する。図３に示すように軸の反負荷面にケーシング１側から軸方向に連通した孔３ａを有し、その孔３ａを共有するように配管部品９をケーシング１及び樹脂軸受２に固定した。その他は実験例１と同様とした。このようにすることで配管部品９が樹脂軸受２の廻り止めになり、周囲の温度変化により樹脂軸受２が収縮した場合にも樹脂軸受２のケーシング１からの脱落や軸との連れ廻りを防止することができた。

〔実験例４〕
次に、図４を用いて円筒平面型の試験について説明する。軸受部に用いる樹脂材として炭素繊維を３０重量％含むポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）材の平面型樹脂試験片４２について検討した。錘４０を取付けたカンチレバー４１とステンレス（ＳＵＳ）製の軸１０の間に組込んだ。軸は９０度の揺動運動を行う。試験部の周囲は保護カバー５で覆い、気体供給管３を組込んでいる。

乾燥気体として乾燥空気を２０Ｌ／min供給した。その結果、最小摩擦係数は０.１５であり、湿潤大気中に比べ約半減しており、摩耗深さも約４０％低減していた。ＳＵＳの軸には樹脂軸受の摩耗粉が揺動部に一様に移着していた。

〔実験例５〕
本実施例では実施例４の装置を用いて、乾燥空気の代わりに液体窒素の気化した気体を気体供給管３から保護カバー５の内部に供給した。供給量は保護カバー５内の温度が−１００℃になるように制御した。その他の条件は先の試験と同様である。

その結果最小摩擦係数は０.０５であった。本実施例のＳＵＳ軸への樹脂軸受の摩耗粉の移着が最も多かった。

次に、本発明の一実施例における軸受装置を遠心圧縮機に適用した例を、図１を用いて説明する。この実施例の遠心圧縮機１１は駆動装置（図示せず）によって主軸（図示せず）に取付けられた羽根車１２を回転させることで、ケーシング１３に設けられた流路１４を通過し羽根車に供給された気体を羽根車の回転により圧縮するものである。圧縮された気体は吐出口（図示せず）を通過して外部へと供給される。尚、図１中、羽根車１２を回転させる主軸は図示されていないが、図１においては羽根車１２の下側に設けられる。

この遠心圧縮機には、羽根車１２へ気体を導く流路内に気体の流量を制御するための複数のベーン１５が設けられている。

このベーン１５は歯車機構により揺動し、歯車機構は駆動機構（図示せず）に接続された駆動軸１６に固定された駆動歯車である第１の歯車１７と、ベーン１５に接続されたベーン軸１８に固定されたベーン歯車である第３の歯車１９と、これら第１，第３の歯車の間に介在し、駆動歯車からの回転を第３の歯車に伝達する歯車としてリング歯車である第２の歯車２０とを備えている。

これら各歯車１７，１９，２０は、ケーシング１３内に収容される。第１の歯車と第３の歯車は駆動軸１６とベーン軸１８とに設けられ、それぞれ、ケーシング内に固定された炭素繊維を含むポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂の軸受２２および軸受２４により回転自在に支持されている。

回転軸１８は流路１４側にシール２５を備え、流路１４内からの気体の流入を防止している。本実施例ではシールに接触式シールを用いたが、非接触式のラビリンスシールでも構わない。

軸受２２，２４にはそれぞれ気体供給部２１が接続され、ボンベを含む気体供給装置３３より露点温度−５０℃以下の窒素をおよそ０.０２ＭＰａの圧力で供給し、歯車機構が含まれるケーシング１３の一部に逆止弁（図示せず）を設けた外部と連通する連通孔２３より窒素を回収して気体供給装置内で除湿している。

窒素の代わりに除湿及び除塵した高圧空気やアルゴンの不活性ガスを供給しても構わなく、ボンベの代わりにガス製造装置を用いても構わない。回収した窒素は除塵装置３１，ポンプ３２を介して気体供給装置に戻され、循環して軸受２４へと供給している。

軸受２４は、図５の軸受部分拡大図に示すように、ベーン軸１８と摺動する軸受面と、気体供給孔と連通する連通孔２４ａを介して窒素を摺動部に供給する。軸受２２には、駆動軸１６に沿って軸受２２の端部より駆動軸１６との隙間を介して窒素が供給される。

このように窒素を軸受に循環供給した状態で遠心圧縮機の所定の動作を行った。流路１４を流れるガスの温度はガス種により−１６０℃から６０℃まで幅広く、各種の温度条件でグリースや固体潤滑剤を使用することなく、乾燥気体を流さない場合に比べて駆動軸１６のトルクを低減できた。

実験例では、ボンベから窒素ガスを軸受部に供給した後、回収し循環供給していた。しかし本実施例では図６に示すように、供給気体の余剰分を回収せずに逆止弁（図示せず）を設けた外部と連通する連通孔２３よりフィルター（図示せず）を通して排気した。この場合高圧空気等を除湿，除塵して用いることで駆動軸１６のトルクを低減できた。このように、軸受２２に供給する気体は除湿と共に除塵することも本実施例においては有効である。

比較例として、繊維等を含まないポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を用いて実験例１または４と同様の試験を行った。その結果、乾燥気体として窒素を供給した場合においても湿潤大気中と同等の摩擦係数，摩耗深さを示した。

このように、炭素繊維や、炭素繊維に近い性質を有するガラスを含む樹脂製の軸受を用いて、摺動部の雰囲気を制御することで油やグリース，固体潤滑剤等を必要としない樹脂の摺動部を得ることが出来る。

本発明の一実施例を適用した遠心圧縮機の要部を示す図である。 本発明の第１の実施例に係るジャーナル型試験を示す図である。 本発明の第３の実施例に係る軸受部の構造を示す図である。 本発明の第４の実施例に係る円筒平面型試験を示す図である。 本発明の第６の実施例に係る遠心圧縮機の軸受部を示す図である。 本発明の第７の実施例に係る遠心圧縮機の要部を示す図である。

符号の説明

１，１３ ケーシング
２ 樹脂軸受
３ 気体供給管
３ａ 孔
４，１０ 軸
５ 保護カバー
６ 通気孔
７ 気体の流れ
８ 湿度センサ
９ 配管部品
１１ 遠心圧縮機
１２ 羽根車
１４ 流路
１５ ベーン
１６ 駆動軸
２１ 気体供給部
２２，２４ 軸受
２３，２４ａ 連通孔
２５ シール
３１ 除塵装置
３２ ポンプ
３３ 気体供給装置
４０ 錘
４１ カンチレバー
４２ 平面型樹脂試験片

Claims (6)

1. ガラス繊維及びまたは炭素繊維を含む熱可塑性樹脂部材からなる軸受部と、この軸受部で支持し前記熱可塑性樹脂部材と接触する金属部材からなる軸と、を有するすべり軸受装置であって、
   前記軸受部と軸とが摺動する軸受摺動部に、乾燥した空気，窒素またはアルゴンを供給する気体供給部を有し、前記乾燥した空気，窒素またはアルゴン中で、前記樹脂部材からなる軸受部と前記金属部材からなる軸とを摺動することにより、前記熱可塑性樹脂部材からなる軸受部の摩耗粉の成長が抑制され、相手材である前記金属部材からなる軸表面への移着が促進され、摩耗粉が一様に移着することにより、前記熱可塑性樹脂部材からなる軸受部の摩擦及び摩耗を低減することを特徴とするすべり軸受装置。
2. 請求項１記載のすべり軸受装置において、前記軸受部はその外周面から軸受面に貫通し
   た貫通孔を有し、この貫通孔より前記軸受摺動部へ前記乾燥した空気，窒素またはアルゴンを供給することを特徴とするすべり軸受装置。
3. 請求項２記載のすべり軸受装置において、前記軸受部は円筒状の樹脂製軸受であること
   を特徴とするすべり軸受装置。
4. 回転駆動する金属部材からなる駆動軸と、この駆動軸と接続して流体を圧縮する圧縮機部とを有する圧縮機において、
   前記駆動軸を支持し前記金属部材と接触するガラス繊維及びまたは炭素繊維を含む熱可塑性樹脂部材からなるすべり軸受を有し、このすべり軸受と前記駆動軸とが摺動する軸受摺動部に、除塵した乾燥した空気，窒素またはアルゴンを供給する気体供給部を有し、前記乾燥した空気，窒素またはアルゴン中で、前記樹脂部材からなるすべり軸受と前記金属部材からなる駆動軸とを接触摺動することにより、前記樹脂材からなる軸受部の摩耗粉の成長が抑制され、相手材である前記金属部材からなる軸表面への移着が促進され、摩耗粉が一様に移着することにより、樹脂製軸受の摩擦及び摩耗を低減することを特徴とする圧縮機。
5. 請求項４記載の圧縮機において、前記軸受部はその外周面から軸受面に貫通した貫通孔
   を有し、この貫通孔より前記軸受摺動部へ前記乾燥した空気，窒素またはアルゴンを供給することを特徴とする圧縮機。
6. 請求項５記載の圧縮機において、前記軸受部は円筒状の樹脂製軸受であることを特徴と
   する圧縮機。

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