JP2007232013A - セラミックス摺動部材を用いた純水用回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】純水や超純水中で使用可能であり、長期に亘って安定して使用できるセラミックス摺動部材を用いた純水用回転機械を提供する。
【解決手段】互いに摺動して軸を回転自在に支承する回転側部材５１と固定側部材５２とを備え、回転側部材５１及び固定側部材５２の少なくとも一方を、少なくとも一部にβ−ＳｉＣを含むＳｉＣ製としたセラミックス摺動部材を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプ、タービン、コンプレッサー、ブロワ等の回転機械に使用するのに適した軸受またはシール部材を備えたセラミックス摺動部材を用いた回転機械に関し、特に取扱液が純水または超純水であるセラミックス摺動部材を用いた純水用回転機械に関する。

例えば、回転機械であるキャンドモータポンプは、一般に、主軸を両側で支える２つのラジアル滑り軸受と、負荷側及び反負荷側の両軸方向のスラスト荷重を支える２つのスラスト滑り軸受を備えている。これらの滑り軸受として、耐摩耗性及び耐腐食性に優れたセラミックス軸受が広く使用されている。そして、取扱液を自己循環させ、取扱液によって、滑り軸受（セラミックス軸受）の潤滑とモータの冷却を行うようにしている。

回転機械には、固定側と回転側の両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、回転体と固定体とが機械的に摺動する部分に取付けられる部品、例えば、滑り軸受やシール部材等の摺動部材が使用されている。
例えば、滑り軸受は、主軸側に固定されて主軸側と一体に回転する回転側部材と、ケーシング側に固定される固体側部材を有し、両者を互いに摺動させるようにしており、セラミックス軸受は、これらの回転側部材及び固定側部材の一方を炭化ケイ素（ＳｉＣ）で、他方を炭素材料（Ｃ）で構成したり、両者を共にＳｉＣで構成したりすることが広く行われている。このＳｉＣは、六法晶を含むウルツ鉱型の結晶構造を有するα−ＳｉＣからなる。

また、回転機械において、主軸とケーシングとの間を水密的にシールするシール部材としても、α−ＳｉＣからなるセラミックスシール部材が広く使用されている。
つまり、回転機械には、セラミックス軸受やセラミックスシール部材等のセラミックス摺動部材が広く使用されている。

例えば、電気抵抗で０．０１ＭΩ・ｃｍ程度以上の水道水を取扱液とし、滑り軸受としてセラミックス軸受を使用したキャンドモータポンプにあっては、セラミックス軸受（滑り軸受）の摺動面を水道水（取扱液）で有効に潤滑しながら、セラミックス軸受の長期に亘る使用が可能である。しかし、電気抵抗で１ＭΩ・ｃｍ程度以上の純水や、電気抵抗で１０ＭΩ・ｃｍ程度以上の超純水を取扱液とし、滑り軸受としてセラミックス軸受を使用したキャンドモータポンプにあっては、セラミックス軸受の摺動面を純水や超純水（取扱液）で潤滑するときに該摺動面に純水や超純水中で徐々にすべり摩耗痕が発生し、摺動面の滑り損傷と考えられる摩耗に繋がってしまうことがある。

下記の表１は、α−ＳｉＣ同士を、電気抵抗の異なる取扱液（水道水、純水及び超純水）の存在下で、０．５ＭＰａの圧力で押圧しながら、周速７．５９ｍ／ｓで互いに１００時間摺動させる摩擦摩耗試験を行った結果を示す。

この原因は、必ずしも明確ではないが、セラミックス軸受の摺動面が水道水の存在下で滑り接触する時に、摺動面に潤滑膜としてシリコン系水酸化物またはゲル状のシリコン系水和物が形成され、これが摺動面を保護するものと考えられているが、セラミックス軸受の摺動面を極端に溶存酸素が少ない純水や超純水中で摩擦する時には、摺動面にこれらの膜が形成されないためであると考えられる。
このことは、ＳｉＣからなるセラミックスシール部材においても同様である。

本発明は上述の事情に鑑みなされたもので、純水や超純水中で使用可能であり、長期に亘って安定して使用できるセラミックス摺動部材を用いた純水用回転機械を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、互いに摺動して軸を回転自在に支承する回転側部材と固定側部材とを備え、前記回転側部材及び前記固定側部材の少なくとも一方を、少なくとも一部にβ−ＳｉＣを含むＳｉＣ製としたセラミックス摺動部材を用いた純水用回転機械である。
閃亜鉛型で立方晶の結晶構造を持つβ−ＳｉＣを一部に含むＳｉＣ部材は、針状結晶が互いに強固に絡み合って、上記のような潤滑膜が形成されない厳しい摺動条件でも良好な摩擦摩耗特性を示すものと考えられる。実際、摺動面（表面）を純水や超純水中で滑り接触させても該摺動面に発生する摩耗を軽微に抑えられることが確かめられている。これによって、回転側部材と固定側部材の少なくとも一方を、少なくとも一部にβ−ＳｉＣを含むＳｉＣ製としたセラミックス摺動部材は、例え摺動面を純水や超純水中で滑り接触するようにしても、長期に亘って安定した使用が可能となる。

請求項２に記載の発明は、前記β−ＳｉＣのＳｉＣ中に占める割合は、２０％以上であることを特徴とする請求項１記載の純水用回転機械である。
一部にβ−ＳｉＣの結晶構造を含むＳｉＣの場合、ＳｉＣの他の結晶構造はα−ＳｉＣとなるが、β−ＳｉＣのＳｉＣ中に占める割合を２０％以上とすることで、純水や超純水に触れたときにＳｉＣの表面に純水や超純水中で滑り摩耗痕が発生することをより軽減することができる。このため、β−ＳｉＣのＳｉＣ中に占める割合は、２０％以上であることが好ましく、３０％以上であることが更に好ましい。

請求項３に記載の発明は、前記セラミックス摺動部材は、ラジアル滑り軸受であることを特徴とする請求項２記載の純水用回転機械である。
請求項４に記載の発明は、前記セラミックス摺動部材は、スラスト滑り軸受であることを特徴とする請求項２記載の純水用回転機械である。

請求項５に記載の発明は、前記純水用回転機械は、キャンドモータポンプであることを特徴とする請求項４記載の純水用回転機械である。
これにより、純水や超純水を取扱液とした場合にあっても、主軸を回転自在に支承するセラミックス軸受等のセラミック摺動部材の摺動面を純水や超純水（取扱液）で潤滑するときに該摺動面に純水や超純水中で滑り摩耗痕が発生することを抑制することができる。

本発明によれば、セラミックス摺動部材の摺動面を、例え純水や超純水で潤滑するようにしても、摺動面に純水や超純水中で滑り摩耗痕が発生することを抑制して、セラミックス摺動部材の長期に亘る安定した使用が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、キャンドモータポンプに適用した本発明の実施の形態の純水用回転機械の断面図を示す。図１に示すように、キャンドモータポンプ（純水用回転機械）は、吸込側ケーシング１と、吐出側ケーシング５と、この吸込側ケーシング１と吐出側ケーシング５との間を接続する外筒９とを備えている。吸込側ケーシング１、外筒９及び吐出側ケーシング５は、開口部側の端部外周部に、それぞれ外方に延設された鍔部１ａ，９ａ，９ｂ，５ａを備えている。そして、吸込側ケーシング１と外筒９とは、相隣接する鍔部１ａ，９ａを鋳鉄等の鋳物製のフランジ２０，２０により挟持するとともに、ボルト４５を締め付けることで一体に接続されている。また、吐出側ケーシング５と外筒９とは、同様に、相隣接する鍔部５ａ，９ｂを鋳鉄等の鋳物製のフランジ２１，２１により挟持するとともに、ボルト４５を締め付けられることで一体に接続されている。そして、これら吸込側ケーシング１、吐出側ケーシング５及び外筒９とでポンプケーシングが構成され、このポンプケーシング内にキャンドモータ２２が配設されている。

吸込側ケーシング１は、円錐台状の本体部２と、この本体部２より吸込側に延設された吸込ノズル３とを備えている。また、吐出側ケーシング５も、吸込側ケーシング１と同様に、円錐台状の本体部６と、この本体部６より吐出し側に延設された吐出ノズル７とを備えている。

吸込側ケーシング１の内側には内ケーシング１０が設けられており、この内ケーシング１０は、容器状の本体部１１と、この本体部１１より吸込側に延設された円筒状の吸込側部１２とから構成されており、本体部１１と吸込側部１２との間にはＯリング等の弾性材からなるシール部材１８が介装されている。そして、内ケーシング１０の本体部１１の内側にガイドベーンまたはボリュートを構成する案内装置１３が設置されている。案内装置１３はインロー嵌合部を有し、このインロー嵌合部がキャンドモータ２２のモータフレーム２３と嵌合されている。このキャンドモータ２２のモータフレーム２３は高い剛性を有している。モータフレーム２３に案内装置１３が支持されるため、結果として、内ケーシング１０は、高い剛性を有したキャンドモータ２２のモータフレーム２３に支持されることになる。

内ケーシング１０の吸込側部１２の一端は、吸込ノズル３の近傍まで延びている。そして、内ケーシング１０の吸込側部１２の端部と吸込側ケーシング１の吸込ノズル３との間隙にはシール部材１４が介装されており、このシール部材１４によって吸込側（低圧側）と吐出側（高圧側）とがシールされている。

内ケーシング１０の内側には羽根車１５が収容されており、この羽根車１５は、キャンドモータ２２の主軸１６に固定され支持されている。また、吸込ノズル３及び吐出ノズル７には、それぞれ中間リング４６，４６を介して吸込フランジ４８及び吐出フランジ４９がそれぞれ固定されている。

前記キャンドモータ２２のモータフレーム２３は、略円筒状のフレーム外胴２４と、このフレーム外胴２４の両側開口部に設けられたフレーム側板２５，２６とから構成されている。フレーム外胴２４は、その外周部に軸方向に沿って放射状に複数のリブ２４ａが形成されている。この複数のリブ２４ａは、プレス成形によってフレーム外胴２４に一体に形成され、そして、これらリブ２４ａの外側面がポンプケーシングの外筒９の内周面に嵌合されるとともに、この嵌合部で両者はスポット溶接等で接合され一体化されている。

前記モータフレーム２３内には、ステータ２７及びロータ２８が配設されている。ロータ２８は、主軸１６によって支持されており、ステータ２７の内側には円筒状のキャン２９が嵌着されている。フレーム側板２５と主軸１６との間には、ラジアル滑り軸受としてのセラミックス軸受（セラミックス摺動部材）３０が設けられている。

前記セラミックス軸受（ラジアル滑り軸受）３０は、主軸１６に固定された該主軸と１６と一体に回転する回転側部材としての内輪５１と、フレーム側板２５に固定された固定側部材としての外輪５２とを備えている。このセラミックス軸受３０の内輪（回転側部材）５１及び外輪（固定側部材）５２は、共に少なくとも一部にβ−ＳｉＣを含むＳｉＣ製である。

閃亜鉛型で立方晶の結晶構造を持つβ−ＳｉＣを一部に含むＳｉＣ部材は、針状結晶が互いに強固に絡み合って、摺動面に潤滑膜としてシリコン系水酸化物またはゲル状のシリコン系水和物が形成されない、純水や超純水中の厳しい摺動条件で滑り接触させて使用しても、該摺動面に発生する摩耗を軽微に抑えられることが確かめられている。これによって、セラミックス軸受３０の内輪（回転側部材）５１及び外輪（固定側部材）５２は、共に少なくとも一部にβ−ＳｉＣを含むＳｉＣ製とすることで、例え摺動面を純水や超純水で潤滑するようにしても、セラミックス軸受３０の長期に亘って安定した使用が可能となる。

なお、この例では、内輪５１及び外輪５２の双方を、少なくとも一部にβ−ＳｉＣを含むＳｉＣ製としたが、内輪５１及び外輪５２の一方のみを、少なくとも一部にβ−ＳｉＣを含むＳｉＣ製としてもよい。

ここで、β−ＳｉＣを含まないＳｉＣ同士、β−ＳｉＣの占める割合が５％，２１％，３２％，６５％，及び７２％のＳｉＣ同士を、超純水（１０ＭΩ・ｃｍ）の存在下で、０．５ＭＰａの圧力で押圧しながら、周速７．５９ｍ／ｓで互いに１００時間摺動させる摩擦摩耗試験を行った結果を表２に示す。

β‐ＳｉＣの粉末を出発原料としても、焼結ＳｉＣには、β‐ＳｉＣばかりでなく、α‐ＳｉＣも存在する。β‐ＳｉＣの占める割合は、焼成条件等により、変わることが分かっている。

β‐ＳｉＣの定量分析は、多形のＸ線回折を用いた定量分析方法で行った。産業に利用されている多くのＳｉＣ材料に表れる多形は、通常、２Ｈ，３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ，１５Ｒである。各多形からのＸ線回折ピークは互いに重なる場合が多いので、複数の回折線の理論強度と測定強度を比較して行った。表３は、２Ｈ，３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ，１５Ｒの多形の回折強度を格子面間隔ｄ＝0.267〜0.154 nmまで計算したものである。

２Ｈ，３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ，１５Ｒの多形の含有量を各々ｘi（i＝１，２…，５）、ピーク１〜２２のＸ線回折強度の測定値をｙj（j＝１，２…，２２）とすると、ｘiの係数ａjiは、表３に示す値で、各ピークの強度は以下のようになる。
y₁＝39.697x₁＋0x₂＋9.924x₃＋0x₄＋3.197x₅，
・・・・・・
y_j＝a_j1x₁＋a_j2x₂＋a_j3x₃＋a_j4x₄＋a_j5x₅，
・・・・・・
y₂₂＝22.172x₁＋44.328x₂＋22.164x₃＋33.243x₄＋25.710x₅
このような多数の式を近似するｘiの推定値は回帰分析で決められる。回帰では、ｙjを従属変数にａjiを説明変数にとり、回帰係数ｘi を計算した。

実際の計算例を以下に説明する。
Ｘ線回折から得られた各ピーク強度を図２に、このピーク強度を表３に書き込んだものを表４に示す。

この表４に示す値を使用し、市販の表計算ソフトを用いて回帰分析を行った結果を表５に示す。表５に示す係数は、各多形の含有率（％）である。

Ｘ線回折結果から４Ｈと１５Ｒは検出されなかったため、これらの含有率を０％とし、２Ｈ，３Ｃ，６Ｈの合計が100％となるように計算したのを表６に示す。

２Ｈ，４Ｈ，６Ｈ，１５Ｒはα−ＳｉＣで、３Ｃはβ−ＳｉＣであるので、この例の場合、α−ＳｉＣの含有率は、５．５＋２２．１＝２７．６％、β−ＳｉＣの含有率は７２．４％となる。

一部にβ−ＳｉＣの結晶構造を含むＳｉＣの場合、他の結晶構造はα−ＳｉＣとなる。上記の表２から、ＳｉＣ中にβ−ＳｉＣを含むことで、超純水中におけるＳｉＣの摺動面の損傷を軽減できることが判る。特に、ＳｉＣ中にβ−ＳｉＣの占める割合を２０％以上、更には３０％以上とすることで、超純水中におけるＳｉＣの摺動面の損傷を更に軽減することができる。このため、β−ＳｉＣのＳｉＣ中に占める割合は、２０％以上であることが好ましく、３０％以上であることが更に好ましい。

結晶構造の平均アスペクト比（縦横比）の異なるＳｉＣ同士を、超純水（１０ＭΩ・ｃｍ）の存在下で、０．５ＭＰａの圧力で押圧しながら、周速７．５９ｍ／ｓで互いに１００時間摺動させる摩擦摩耗試験を行った結果を表７に示す。

表７に示されるように、焼結ＳｉＣ中のβ−ＳｉＣの平均アスペクト比が１３以上とすることで、超純水中におけるＳｉＣの摺動面の損傷を更に軽減することができる。このため、平均アスペクト比は、２を超える値であることが好ましく、１３以上であることが更に好ましい。前記フレーム側板２６には、弾性体４４を介して軸受ハウジング３２が着脱可能に設けられており、この軸受ハウジング３２には、外輪３３と固定側リング３４とがそれぞれ保持されており、外輪３３は、主軸１６に固着された内輪３５と互いに摺動するようになっている。この外輪３３と内輪３５とで、前述のセラミックス軸受（セラミックス摺動部材）３０と同様な構成のセラミックス軸受（ラジアル滑り軸受）３８が構成されている。

主軸１６の吐出側端部には、スラストディスク３６が固定されており、スラストディスク３６には、前記固定側リング３４と対向して配置されて互いに摺動する回転側リング３７が備えられている。この固定側リング（固定側部材）３４と回転側リング（回転側部材）３７で、スラスト滑り軸受としてセラミックス軸受（セラミックス摺動部材）３９が構成されている。このセラミックス軸受（スラスト滑り軸受）３９の固定側リング３４及び回転側リング３７は、前述のセラミックス軸受３０の内輪５１及び外輪５２と同様に、共に少なくとも一部にβ−ＳｉＣを含むＳｉＣ製である。なお、固定側リング３４及び回転側リング３７の一方を、少なくとも一部にβ−ＳｉＣを含むＳｉＣ製としてもよい。

フレーム側板２６にはフィルタを構成する端板４０が固定されている。端板４０は、略半球形に突出した整流部４１を有し、この整流部４１に半径方向内方から外方に放射状に伸びる複数のスリット４２が形成されている。端板４０の整流部４１は、吐出側ケーシング５内の流れの流線に沿うように略半球形状に形成されており、羽根車１５から吐出された流体は、外筒９とフレーム外胴２４間に形成された流路５０を通って吐出側ケーシング５内に流入した後、整流部４１の整流作用によって整流されて吐出口に導かれる。

整流部４１に放射状にスリット４２を形成したため、このスリット４２がフィルタとして機能し、流体がこのスリット４２を通ってキャンドモータ２２内に流入する際に、流体内の異物がスリット４２に捕捉され除去される。このスリット４２は、流れの方向に沿うように形成されているため、一旦、スリット４２に捕捉された異物は、流速により流れ方向に押されて移動し、スリット４２から除去され、スリット４２の目詰まりが防止される。即ち、スリット４２は、その形状によって自浄作用を有するようになっている。なお、端板４０は、軸受ハウジング３２をフレーム側板２６に固定するための押え板の役割をも果している。

前記キャンドモータポンプの作用を説明すると、吸込ノズル３より吸い込まれた流体は、内ケーシング１０の吸込側部１２を通って羽根車１５内に導かれる。回転する羽根車１５から吐出された流体は、案内装置１３を経て遠心方向から軸方向に流れ方向が転換された後、外筒９とキャンドモータ２２のフレーム外胴２４との間に形成された流路５０に流入し、この流路５０を通って吐出側ケーシング５内に流入する。その後、流体は、端板４０の整流部４１によって整流された後、吐出側ケーシング５に一体に形成された吐出ノズル７より吐出される。

一方、羽根車１５の主板１５ａとフレーム側板２５との間には間隙が形成されているため、羽根車１５の回転によって、この間隙内に円板摩擦が生じ、この間隙に減圧効果が生ずる。そのため、端板４０のスリット４２よりキャンドモータ２２内に流入した流体は、矢印で示されるように、軸受ハウジング３２の開口３２ａを通り、更にロータ２８とステータ２７のキャン２９との間隙を通って、フレーム側板２５の開口２５ａより羽根車１５の主板１５ａの裏側に流出する循環路が形成される。そして、この取扱液がキャンドモータ２２の内部を循環する間に、セラミックス軸受３０，３８，３９の摺動面が取扱液で潤滑され、同時にキャンドモータ２２も取扱液で冷却される。

この取扱液として、電気抵抗で１ＭΩ・ｃｍ程度以上の純水や、電気抵抗で１０ＭΩ・ｃｍ程度以上の超純水を使用しても、セラミックス軸受３０，３８，３９の摺動面に発生する摩耗を軽微に抑え、これによって、セラミックス軸受３０，３８，３９の長期に亘る安定した使用が可能となる。
なお、上記の例では、セラミックス摺動部材としてセラミックス軸受を用いたキャンドモータポンプ（回転機械）に適用した例を示しているが、セラミックス摺動部材としてＳｉＣからなるセラミックシール部材を用いた回転機械に適用することもできる。

図３は、セラミックス摺動部材としてセラミックシール部材を用いた本発明の他の実施の形態の純水用回転機械の要部を示す。この例は、回転軸６０にスリーブ６２を取付け、このスリーブ６２の周囲を、互いに端面を摺接する可動シール部材６４と静止シール部材６６を有するメカニカルシール６８でシールするようにしている。そして、この例では、可動シール部材６４と静止シール部材６６の双方を、少なくとも一部にβ−ＳｉＣを含むＳｉＣ製としている。なお、可動シール部材６４と静止シール部材６６の一方のみを、少なくとも一部にβ−ＳｉＣを含むＳｉＣ製とし、他方をＳｉＣまたは他のセラミックス製としてもよい。

この例にあっても、この取扱液として、電気抵抗で１ＭΩ・ｃｍ程度以上の純水や、電気抵抗で１０ＭΩ・ｃｍ程度以上の超純水を使用しても、メカニカルシール６８の可動シール部材６４と静止シール部材６６との摺動面に発生する摩耗を軽微に抑え、これによって、メカニカルシール６８の長期に亘る安定した使用が可能となる。

キャンドモータポンプに適用した本発明の実施の形態の純水用回転機械を示す断面図である。 Ｘ線解析から得られた各ピーク強度を示す方グラフである。 セラミックス摺動部材としてセラミックシール部材を用いた本発明の他の実施の形態の純水用回転機械の要部を示す断面図である。

符号の説明

１ 吸込側ケーシング
３ 吸込ノズル
５ 吐出側ケーシング
７ 吐出ノズル
１０ 内ケーシング
１３ 案内装置
１５ 羽根車
１６ 主軸
２２ キャンドモータ
２３ モータフレーム
２７ ステータ
２８ ロータ
２９ キャン
３０ セラミックス軸受（ラジアル滑り軸受）
３２ 軸受ハウジング
３３ 外輪（固定側部材）
３４ 固定側リング（固定側部材）
３５ 内輪（回転側部材）
３６ スラストディスク
３７ 回転側リング（回転側部材）
３８ セラミックス軸受（ラジアル滑り軸受）
３９ セラミックス軸受（スラスト滑り軸受）
５１ 内輪（回転側部材）
５２ 外輪（固定側部材）
６０ 回転軸
６４ 可動シール部材
６６ 静止シール部材
６８ メカニカルシール

Claims (5)

1. 互いに摺動して軸を回転自在に支承する回転側部材と固定側部材とを備え、
   前記回転側部材及び前記固定側部材の少なくとも一方を、少なくとも一部にβ−ＳｉＣを含むＳｉＣ製としたセラミックス摺動部材を用いた純水用回転機械。
2. 前記β−ＳｉＣのＳｉＣ中に占める割合は、２０％以上であることを特徴とする請求項１記載の純水用回転機械。
3. 前記セラミックス摺動部材は、ラジアル滑り軸受であることを特徴とする請求項２記載の純水用回転機械。
4. 前記セラミックス摺動部材は、スラスト滑り軸受であることを特徴とする請求項２記載の純水用回転機械。
5. 前記純水用回転機械は、キャンドモータポンプであることを特徴とする請求項３または４記載の純水用回転機械。

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