JP2008298097A - 潤滑油を用いた流体軸受装置、これを用いたモータ、および、潤滑油を用いた圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、均一な酸化防止効果および分解劣化防止効果を有するカーボンナノマテリアルなどの炭素繊維を配合した粘度が低い潤滑油を用いた流体軸受、これを用いたモータ、および、潤滑油を用いた圧縮機を提供することを目的とする。
【解決手段】流体軸受装置１０は、筒状の軸受１と、軸受１の端面に配設されるスラスト板６と、軸受１の筒内部に充填される潤滑油３と、潤滑油３の漏れを防止する撥油剤５と、を有する。潤滑油３は、カーボンナノマテリアル４を０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下の割合で配合して構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、部品の酸化を防止することができる潤滑油を用いた流体軸受装置、流体軸受装置を用いたモータ、および、潤滑油を用いた圧縮機に関する。

軸受などの摺動部品の摩擦面がより高面化、高速化する今日においては、摺動部分の摩擦熱が大きくなり、グリースが軟化または分解劣化する。このグリースの軟化または分解劣化の結果、グリースの潤滑性能が低下するという問題が生じる。そこで、特許文献１や特許文献２では、熱伝導性に優れるカーボンナノマテリアルなどの炭素繊維をグリースに配合して、放熱性を高め、摩擦熱によるグリースの軟化および分解劣化を防止する材料が提案されている。
特開２００６−２４１２７７号公報 特開２００２−３３２４９０号公報

しかしながら、このようなカーボンナノマテリアルなどの炭素繊維は、溶液中に分散しにくい特性を有する。したがって、特許文献１や特許文献２のように、カーボンナノマテリアルなどの炭素繊維を配合する潤滑油は、油よりも粘度が高く、増調剤としてのカルシウム、ナトリウム、リチウムの石鹸を鉱油中に乳化させ、ゼリー状にしたものからなるグリースであることが条件であることとされていた。つまり、粘度が低い潤滑油に対してカーボンナノマテリアルなどの炭素繊維を配合しても、粒子径が小さいために互いの分子間力が大きくなり凝集しやすい性質を持っている炭素繊維が分散せず、潤滑油全体として、均一な酸化防止効果および分解劣化防止効果を奏することが困難であるという問題が生じていた。

この発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、均一な酸化防止効果および分解劣化防止効果を有するカーボンナノマテリアルなどの炭素繊維を配合した粘度が低い潤滑油を用いた流体軸受、これを用いたモータ、および、潤滑油を用いた圧縮機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、軸を非接触状態で回転自在に支持する流体軸受装置において、軸外周と軸受け内周との間の空隙部に、カーボンナノマテリアルを配合した潤滑油が充填される。

請求項２に記載の発明は、潤滑油に、前記カーボンナノマテリアルを０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下の割合で配合する。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の流体軸受装置であって、前記カーボンナノマテリアルは、一枚のグラフェンからなる単層カーボンナノチューブ、または、複数枚のグラフェンからなる多層カーボンナノチューブのいずれかである。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の流体軸受装置であって、前記カーボンナノマテリアルは、平均繊維長さが軸外周と軸受け内周との間の空隙部の径方向長さよりも小さい。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の流体軸受装置であって、前記潤滑油は、エステル類潤滑油、合成炭化水素潤滑油、エーテル類潤滑油、フェニルエーテル類潤滑油、のいずれか１種または２種以上を含む。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の流体軸受装置を備える。

請求項７に記載の発明は、モータ機構と、前記モータ機構の駆動により圧縮または伸長する圧縮機構とを有する圧縮機において、前記圧縮機構は、シリンダと、前記シリンダの内側に沿って偏心回転するローラと、スプリングと、前記スプリングに押圧されながら往復運動をするブレードと、前記ローラと前記ブレードとの摺動面を潤滑にさせるための潤滑油と、を備え、前記潤滑油は、カーボンナノマテリアルが配合されることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の圧縮機であって、前記潤滑油に、前記カーボンナノマテリアルを０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下の割合で配合する。

請求項９に記載の発明は、請求項７または請求項８に記載の圧縮機であって、前記カーボンナノマテリアルは、一枚のグラフェンからなる単層カーボンナノチューブ、または、複数枚のグラフェンからなる多層カーボンナノチューブのいずれかである。

請求項１０に記載の発明は、請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の圧縮機であって、前記潤滑油は、エステル類潤滑油、合成炭化水素潤滑油、エーテル類潤滑油、フェニルエーテル類潤滑油、のいずれか１種または２種以上を含む。

請求項１および請求項６によれば、軸外周と軸受け内周との間の空隙部に、カーボンナノマテリアルを配合して潤滑油が充填されることから、軸が回転する場合には常にカーボンナノマテリアルが攪拌され、粘度が低い潤滑油において、均一な酸化防止効果および分解劣化防止効果を奏することが可能となる。

請求項２および請求項６に記載の発明によれば、カーボンナノマテリアルを０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下の割合で配合することから、粘性の低い潤滑油において、カーボンナノマテリアルを凝縮させることなく、均一な酸化防止効果および分解劣化防止効果を奏することが可能となる。

請求項３および請求項６に記載の発明によれば、カーボンナノマテリアルは、一枚のグラフェンからなる単層カーボンナノチューブ、または、複数枚のグラフェンからなる多層カーボンナノチューブのいずれかであることから、均一な酸化防止効果および分解劣化防止効果を奏することが可能となる。

請求項４および請求項６に記載の発明によれば、カーボンナノマテリアルは、平均繊維長さが軸外周と軸受け内周との間の空隙部の径方向長さよりも小さいことから、軸と軸受との間の空隙部の径方向の長さよりも大きい場合に生じる潤滑油３内で均一に混合することが困難となるという問題を防止することができる。

請求項５および請求項６に記載の発明によれば、潤滑油は、エステル類潤滑油、合成炭化水素潤滑油、エーテル類潤滑油、フェニルエーテル類潤滑油、のいずれか１種または２種以上を含むことから、酸化劣化の連鎖を起こしやすい性質を持つ潤滑油に対し、特に有
効な効果を奏することができる。

請求項７に記載の発明によれば、ローラとブレードとの摺動面を潤滑にさせるための潤滑油を備え、潤滑油は、カーボンナノマテリアルが配合されることから、ローラが回転する場合には常にカーボンナノマテリアルが攪拌され、粘度が低い潤滑油において、均一な酸化防止効果および分解劣化防止効果を奏することが可能となる。

請求項８に記載の発明によれば、カーボンナノマテリアルを０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下の割合で配合することから、粘性の低い潤滑油において、カーボンナノマテリアルを凝縮させることなく、均一な酸化防止効果および分解劣化防止効果を奏することが可能となる。

請求項９に記載の発明によれば、カーボンナノマテリアルは、一枚のグラフェンからなる単層カーボンナノチューブ、または、複数枚のグラフェンからなる多層カーボンナノチューブのいずれかであることから、均一な酸化防止効果および分解劣化防止効果を奏することが可能となる。

請求項１０に記載の発明によれば、潤滑油は、エステル類潤滑油、合成炭化水素潤滑油、エーテル類潤滑油、フェニルエーテル類潤滑油、のいずれか１種または２種以上を含むことから、酸化劣化の連鎖を起こしやすい性質を持つ潤滑油に対し、特に有効な効果を奏することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、この発明の第１実施形態に係る流体軸受装置１０を用いたモータ２０の部分断面を示す図である。また、図２は図１の流体軸受装置１０および軸２部分を拡大して示す図である。

このモータ２０は、流体軸受装置１０と、流体軸受装置１０に回転可能に支持される軸２と、軸２に固定されるロータ２１と、ロータ２１と半径方向に対向して配置されるステータ２２と、流体軸受装置１０およびステータ２１を固定する基台２３と、を備える。

ロータ２１は、ロータフレーム２１ａと永久磁石２１ｂとを有する。ロータフレーム２１ａは、軸２に固定される。また永久磁石２１ｂは、ステータ２２と半径方向に対向するようにロータフレーム２１ａに固着される。ステータ２２は、ステータコア２２ａと、ステータコア２２ａに巻回されるコイル２２ｂとを有する。そして、コイル２２ｂに通電されることにより、永久磁石２１ｂに回転力が発生し、ロータ２１およびロータ２１に固定される軸２が回転駆動される。

流体軸受装置１０は、筒状の軸受１と、軸受１の端面に配設されるスラスト板６と、軸受１の筒内部に充填される潤滑油３と、潤滑油３の漏れを防止する撥油剤５と、を有する。筒状の軸受１は、筒内に複数の動圧発生用溝７が形成される。この動圧発生用溝７は、円周方向に均等に形成されている。この流体軸受装置１０は、動圧発生用溝７を有する軸受１、軸２、および、軸受１と軸２との間に介在する潤滑油５により、軸受１の側面と軸２の側面とを非接触の状態で回転する。

また、軸２の潤滑油３に接触する部分の末端部や、軸受１の筒上端部など、潤滑油３と接触する可能性のある部分には撥油剤５が塗布されている。これは、潤滑油３の漏れを防止するためである。この撥油剤５の材料としては、フッ素系のものであることが好ましい
。

潤滑油３は、カーボンナノマテリアル４を配合して構成される。この潤滑油３は、エステル類潤滑油、合成炭化水素潤滑油、エーテル類潤滑油、フェニルエーテル類潤滑油、のいずれか１種または２種以上を含んでいることが好ましい。

カーボンナノマテリアル４は、０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下の割合で配合される。なお、カーボンナノマテリアル４は、一枚のグラフェンからなる単層カーボンナノチューブ、または、複数枚のグラフェンからなる多層カーボンナノチューブのいずれであってもよく、また、それらを混合したものであってもよい。そして、カーボンナノマテリアル４は、平均繊維長さが軸２と軸受１との間の空隙部の径方向長さよりも小さいものを配合することが好ましい。これは、軸２と軸受１との間の空隙部の径方向の長さよりも大きい場合には、カーボンナノマテリアル４自身の質量が大き過ぎることとなり、潤滑油３内で均一に混合することが困難となるためである。

カーボンナノマテリアル４は、潤滑油３の酸化劣化を防止する効果を有する。ここで、潤滑油３の酸化劣化のメカニズムについて説明する。

エステル類潤滑油、合成炭化水素潤滑油、エーテル類潤滑油、フェニルエーテル類潤滑油などの炭化水素基（ＲＨ）を有する潤滑油３にに熱や光が加えられると、その熱や光により炭化水素基（ＲＨ）がＲ（活性）とＨとに分解される。次に、分解されたＲ（活性）と酸素（Ｏ²）と結合して、活性した過酸化物（ＲＯＯ）になる。そして、活性した過酸化物（ＲＯＯ）と潤滑油の炭化水素（ＲＨ）とが反応して、過酸化物（ＲＯＯＨ）とＲ（活性）になる。このような反応が連鎖され、急速に酸化劣化することとなる。

そこで、潤滑油３の酸化劣化を防止することができるカーボンナノマテリアル４を配合させて、酸化劣化を防止することとしている。

ここで、カーボンナノマテリアル４の配合割合を０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下とする理由を説明する。

図３は、潤滑油３の粘性をカーボンナノマテリアル４の配合割合毎に示す図である。この図３から、カーボンナノマテリアル４の配合割合が０ｗｔ％、１ｗｔ％、３ｗｔ％の場合には粘性が１００ｍＰａ以下となっていることがわかる。これに対し、５ｗｔ％の場合には、１０００ｍＰａ以上となっている。５ｗｔ％の配合割合の場合には、粘性が高くなりすぎるため、軸２の回転に不具合が生じてしまう。このため、カーボンナノマテリアル４の配合割合を３ｗｔ％以下とすることが好ましい。

図４は、試験時間と潤滑油重量との関係を示す図である。なお、この測定は、１５０℃の空気雰囲気で行っている。

潤滑油３の酸化劣化は、上述のようなメカニズムで進行している。このため、潤滑油３が酸化劣化するときには、重量が減少する。図４から、カーボンナノチューブ４の配合割合が多くなればなるほど、潤滑油３の重量の減少に遅れが生じていることがわかる。つまり、カーボンナノチューブ４が潤滑油３の酸化劣化を防止している。そして、０．１ｗｔ％の配合割合でも、酸化劣化防止の効果を奏していることがわかる。

以上から、カーボンナノマテリアル４の配合割合を０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下とすることが好ましいと言える。

次に、第１実施形態に係るモータ２０の駆動の過程を説明する。

モータ２０を駆動する場合には、先ず、コイル２２ｂに通電する。すると、永久磁石２１ｂに回転力が発生し、ロータ２１およびロータ２１に固定される軸２が回転駆動される。

軸２が回転すると、潤滑油３が軸受１内で攪拌される。一方、カーボンナノマテリアル４は、粒子径が小さいために互いの分子間力が大きくなり凝集しやすい性質を持っている。したがって、潤滑油３が静止している状態では、カーボンナノマテリアル４が凝集した状態にある。このような状態のカーボンナノマテリアル４が潤滑油３の攪拌により、潤滑油３内で均一に分散される。

このような状態で、潤滑油３の動圧発生溝７方向への流れが発生し、動圧発生溝７部において高圧力となり、軸２が回転状態で支持される。

この第１実施形態に係るモータ２０は、以上のような構成を有することにより、軸２が回転する場合には常にカーボンナノマテリアル４が攪拌され、粘度が低い潤滑油３において、均一な酸化防止効果および分解劣化防止効果を奏することが可能となる。

次に、この発明の第２実施形態に係る圧縮機について図面を用いて説明する。

図５は、第２実施形態に係る圧縮機５０の断面を示す図である。また、図６は、図５のローラ３３とブレード３４部分を拡大して示す図である。

この圧縮機５０は、ケーシング４１と、ケーシング４１内に配置されるステータ４２およびロータ４３とで構成されるモータ機構４４と、モータ４４の下部に配置されモータ機構４４の駆動により圧縮伸長する圧縮機構４５と、モータ機構４４と圧縮機構４５とを接続する軸４８と、冷媒を導入するための供給管４６と、冷凍機に冷媒を供給するための吐出管４７と、を備える。

圧縮機構４５は、軸受４９と、シリンダ３０と、サブベアリング３１と、クラック３２と、シリンダ３０の内側に沿って偏心回転するローラ３３と、スプリング３５と、スプリング３５に押圧されながら往復運動をするブレード３４と、を備える。また、この圧縮機構４５の底部には、ローラ３３とブレード３４との摺動面を潤滑にさせるための冷凍機油３６が収容されている。このような圧縮機５０においては、ローラ３３が回転駆動するときには常に冷凍機油３６が攪拌される。

冷凍機油３６は、第１実施形態における潤滑油３と同様に、カーボンナノマテリアル３７を配合して構成される。この冷凍機油３６は、エステル類潤滑油、合成炭化水素潤滑油、エーテル類潤滑油、フェニルエーテル類潤滑油、のいずれか１種または２種以上を含んでいることが好ましい。

カーボンナノマテリアル３７は、０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下の割合で配合される。なお、カーボンナノマテリアル３７は、一枚のグラフェンからなる単層カーボンナノチューブ、または、複数枚のグラフェンからなる多層カーボンナノチューブのいずれであってもよく、また、それらを混合したものであってもよい。そして、カーボンナノマテリアル３７は、平均繊維長さは軸受４９とブレード３４との間の空隙部の幅よりも小さいものを配合することが好ましい。これは、軸受４９とブレード３４との間の空隙部の幅よりも大きい場合には、カーボンナノマテリアル３７自身の質量が大き過ぎることとなり、冷凍機油３６内で均一に混合することが困難となるためである。

この圧縮機５０において、ローラ３３が回転駆動するときには常に冷凍機油３６が攪拌されることから、ローラ３３の静止状態に凝集した状態となったカーボンナノマテリアル３７は、冷凍機油３６の攪拌により、冷凍機油３６内で均一に分散される。

この第２実施形態に係る圧縮機５０は、以上のような構成を有することにより、ローラ３３が回転する場合には常に冷凍機油３６が攪拌され、粘度が低い冷凍機油３６において、均一な酸化防止効果および分解劣化防止効果を奏することが可能となる。

なお、上述した第１実施形態においては、動圧流体軸受装置の例で説明しているが、駆動状態において潤滑油が攪拌されれば、静圧流体軸受装置としても良い。

また、上述した第１実施形態においては、ラジアル方向にのみ動圧の負荷がかけられる構造としているが、軸側面と軸受側面とが非接触の状態で回転する構成であれば、スラスト方向に動圧の負荷がかけられる構造としても良い。

本発明に係る潤滑油を用いた流体軸受装置、これを用いたモータ、および、潤滑油を用いた圧縮機は、粘度が低い潤滑油において、均一な酸化防止効果および分解劣化防止効果を奏し、部品の酸化を防止することができる潤滑油を用いた流体軸受装置、流体軸受装置を用いたモータ、および、潤滑油を用いた圧縮機等として有用である。

この発明の第１実施形態に係る流体軸受装置１０を用いたモータ２０の部分断面を示す図 流体軸受装置１０および軸２部分を拡大して示す図 潤滑油３の粘性をカーボンナノマテリアル４の配合割合毎に示す図 試験時間と潤滑油重量との関係を示す図 第２実施形態に係る圧縮機５０の断面を示す図 ローラ３３とブレード３４部分を拡大して示す図

符号の説明

１ 軸受
２ 軸
３ 潤滑油
４ カーボンナノマテリアル
５ 撥油剤
６ スラスト板
７ 動圧発生溝
１０ 流動軸受装置
２０ モータ
２１ ロータ
２２ ステータ
２３ 基台
３０ シリンダ
３１ サブベアリング
３２ クラック
３３ ローラ
３４ ブレード
３５ スプリング
３６ 冷凍機油
３７ カーボンナノマテリアル
４１ ケーシング
４２ ステータ
４３ ロータ
４４ モータ機構
４５ 圧縮機構
４６ 供給管
４７ 吐出管
４８ 軸
４９ 軸受
５０ 圧縮機

Claims (10)

1. 軸を軸側面と非接触状態で回転自在に支持する流体軸受装置において、
   筒状の軸受と軸との間の空隙部に、カーボンナノマテリアルを配合した潤滑油が充填されることを特徴とする流体軸受装置。
2. 請求項１に記載の流体軸受装置であって、
   前記潤滑油に、前記カーボンナノマテリアルを０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下の割合で配合する流体軸受装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の流体軸受装置であって、
   前記カーボンナノマテリアルは、一枚のグラフェンからなる単層カーボンナノチューブ、または、複数枚のグラフェンからなる多層カーボンナノチューブのいずれかである流体軸受装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の流体軸受装置であって、
   前記カーボンナノマテリアルは、平均繊維長さが軸受と軸との間の空隙部の径方向長さよりも小さい流体軸受装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の流体軸受装置であって、
   前記潤滑油は、エステル類潤滑油、合成炭化水素潤滑油、エーテル類潤滑油、フェニルエーテル類潤滑油、のいずれか１種または２種以上を含む流体軸受装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の流体軸受装置を備えるモータ。
7. モータ機構と、前記モータ機構の駆動により圧縮または伸長する圧縮機構とを有する圧縮機において、
   前記圧縮機構は、シリンダと、前記シリンダの内側に沿って偏心回転するローラと、スプリングと、前記スプリングに押圧されながら往復運動をするブレードと、前記ローラと前記ブレードとの摺動面を潤滑にさせるための潤滑油と、を備え、
   前記潤滑油は、カーボンナノマテリアルが配合されることを特徴とする圧縮機。
8. 請求項７に記載の圧縮機であって、
   前記潤滑油に、前記カーボンナノマテリアルを０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下の割合で配合する圧縮機。
9. 請求項７または請求項８に記載の圧縮機であって、
   前記カーボンナノマテリアルは、一枚のグラフェンからなる単層カーボンナノチューブ、または、複数枚のグラフェンからなる多層カーボンナノチューブのいずれかである圧縮機。
10. 請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の圧縮機であって、
    前記潤滑油は、エステル類潤滑油、合成炭化水素潤滑油、エーテル類潤滑油、フェニルエーテル類潤滑油、のいずれか１種または２種以上を含む圧縮機。