电动水泵用滑动轴承的制作方法

1.本发明涉及具备具有旋转自由地支承轴的滑动轴承的转子、和旋转驱动该转子的定子的电动水泵中使用的滑动轴承。特别涉及冷却汽车的逆变器、发动机的电动水泵用滑动轴承。


背景技术：

2.以往，作为冷却汽车的逆变器、发动机等的用途中使用的电动水泵，提出了专利文献1。基于图5对这种电动水泵用转子的结构进行说明。图5的转子11具有：环状的磁体12、滑动轴承13、和一体地具有叶轮安装部15的主体部14。滑动轴承13为大致圆筒状，旋转自由地支承泵的轴。关于滑动轴承13的材质，使用烧结碳、含碳的聚苯硫醚(pps)树脂等热塑性树脂、陶瓷等。其中，主体部14在将磁体12和在该磁体的内侧在同心圆上设置的滑动轴承13配置在模具内的状态下、使用ppe(聚苯醚)等热塑性树脂注射成型。由此，使磁体12、滑动轴承13和主体部14成为一体。
3.基于图6对使用了图5的转子的电动水泵的结构和动作进行说明。泵21在定子22、密封箱23和外壳24成为一体的壳体中容纳有转子11，其中所述定子22为将线圈卷绕于使电磁钢板层叠的定子芯而成的定子，密封箱23将冷却水和定子分隔，外壳24与密封箱23一起形成泵室。由不锈钢或陶瓷构成的轴25的一端插入密封箱23的轴支承部，另一端用外壳24的轴支承部支承。利用向定子22的线圈通电而产生的磁场，具有磁体12的转子11以轴25为中心旋转。叶轮26固定于转子11，因此随着转子11的旋转，叶轮26也旋转。吸入泵室的冷却水通过叶轮26被压送。
4.在专利文献2中，作为电动水泵用滑动轴承，使用了酚醛树脂组合物的成型体。该酚醛树脂组合物以酚醛树脂作为主成分，至少含有(a)碳纤维、和(b)选自聚四氟乙烯(ptfe)树脂和石墨中的至少一种固体润滑剂。
5.在专利文献3中，关于在水中使用的树脂系复合滑动构件，公开了在ptfe树脂中含有选自碳纤维、石墨、氮化硼、二硫化钼、二硫化钨中的至少一种填充剂的复合材料。
6.现有技术文献
7.专利文献
8.专利文献1：日本专利第4812787号公报
9.专利文献2：日本特开2017
‑
25742号公报
10.专利文献3：日本特开2003
‑
21144号公报


技术实现要素：

11.发明要解决的课题
12.一般地，电动水泵的冷却水中使用含有乙二醇的长寿命冷却介质(coolant)等防冻液。在上述专利文献1～3中，没有实施防冻液中的评价，对于水中或防冻液中的滑动轴承的低摩擦性仍有研究的余地。
13.本发明鉴于这样的实际情况而完成，目的在于提供在水中或防冻液中低摩擦性优异的电动水泵用滑动轴承。
14.用于解决课题的手段
15.本发明的电动水泵用滑动轴承(以下也简称为滑动轴承)是电动水泵中的滑动轴承，该电动水泵具备：转子，其具备旋转自由地支承轴的大致圆筒状的滑动轴承、和定子，其设置在与所述轴同轴的圆周上、旋转驱动所述转子，其特征在于，所述滑动轴承包含以合成树脂作为主成分的树脂组合物，该树脂组合物包含密度2.00～2.25g/cm3、且平均纤维长30～300μm的碳纤维。
16.其特征在于，相对于该树脂组合物总体积，所述树脂组合物包含5～30体积％的所述碳纤维。
17.其特征在于，所述树脂组合物包含1～20体积％的ptfe树脂、1～30体积％的石墨。
18.其特征在于，所述合成树脂为pps树脂或聚醚醚酮(peek)树脂。
19.其特征在于，所述滑动轴承作为下述轴承使用：滑动轴承的轴向两端面中的至少一个端面一边接受轴向载荷一边与由不锈钢构成的配合件滑动(
ステンレス
鋼
からなる
相手材
とアキシアル
荷重
を
受
けながら
摺動
する
)。
20.发明效果
21.本发明的电动水泵用滑动轴承中，构成滑动轴承的树脂组合物包含密度2.00～2.25g/cm3、且平均纤维长30～300μm的碳纤维，因此在水中或防冻液中与配合件(対象材)滑动时，碳纤维的折损、以及折损的碳纤维向滑动面的蓄积减少，可获得优异的低摩擦性。
22.上述树脂组合物包含5～30体积％的平均纤维长为30～300μm的碳纤维，因此树脂组合物的每单位体积的碳纤维的纤维根数变得适度，滑动面中能够承受载荷的点(载荷点)增加。由此，在水中或防冻液中滑动面处容易形成水膜，成为低摩擦性。
23.上述树脂组合物含有1～20体积％的ptfe树脂、1～30体积％的石墨，因此进一步成为低摩擦。另外，不易损伤由不锈钢构成的配合件。
附图说明
24.图1为具备本发明的滑动轴承的转子的轴向截面图。
25.图2为实施例3中的圆筒状试验片的滑动面的金属显微镜照片。
26.图3为比较例1中的圆筒状试验片的滑动面的金属显微镜照片。
27.图4为比较例2中的圆筒状试验片的滑动面的金属显微镜照片。
28.图5为以往的电动水泵用滑动轴承的轴向截面图。
29.图6为以往的电动水泵的轴向截面图。
30.具体发明方式
31.本发明人关于在水中或防冻液中使用的树脂制的滑动轴承，对于树脂组合物进行了深入研究，结果发现：通过使用密度2.00～2.25g/cm3的碳纤维，在水中或防冻液中可进一步实现低摩擦化。本发明基于这样的认识。
32.本发明的滑动轴承在具备具有旋转自由地支承轴的滑动轴承的转子、和设置在与轴同轴的圆周上且旋转驱动转子的定子的电动水泵中使用。其特征在于，该滑动轴承包含以pps树脂等合成树脂作为主成分的树脂组合物，该树脂组合物包含密度2.00～2.25g/
cm3、平均纤维长30～300μm的碳纤维。滑动轴承优选为注射成型体。
33.将具备本发明的滑动轴承的电动水泵用转子的一实施例示于图1。图1为该电动水泵用转子的截面图。使用该转子的电动水泵的结构与图6中所示的结构相同。即，具备：成为转子的中心轴的轴、设置在与轴同轴的圆周上且旋转驱动转子的定子、和用于压送冷却水的叶轮。如图1中所示那样，该方式的转子1具有：支承泵的叶轮的主体部2、旋转自由地支承轴的滑动轴承3、与定子相对配置的磁体4、和叶轮安装部5。该滑动轴承与包含磁体和叶轮的主体部的一体化例如能够采用嵌件成型而进行。
34.再有，对于主体部的形状，在图1中所示的形态中，在转子1的主体部2一体地形成了叶轮安装部5。本发明并不限定于此，例如，可以是将叶轮整体与主体部一体地形成的形态。
35.滑动轴承3为在径向中央部具有用于旋转自由地支承轴的轴承孔3a的大致圆筒体。构成轴承孔3a的圆筒内径面成为径向轴承面(滑动面)。对滑动轴承3的外径形状(例如相对于圆筒外径的圆筒长度的比例、圆筒壁厚)并无特别限定，能够根据电动水泵的结构适当地设定。在使电动水泵运转时，滑动轴承3的轴向两端面中的至少一个端面一边承受轴向载荷一边与配合件滑动。
36.图1的滑动轴承3在圆筒一端具有凸缘部(鍔部)3b。在图1中，凸缘部3b的端面3c成为从主体部2的端面在轴向上突出的形状。在泵旋转时，由于压差，叶轮向轴向一侧挤压。此时，凸缘部3b的端面3c成为推力轴承面，例如一边承受轴向载荷一边与由不锈钢构成的配合件滑动。通过使滑动轴承3成为图1中所示的结构，能够省略另外的推力轴承。另外，通过在滑动轴承3设置凸缘部3b，能够将滑动轴承3与在该滑动轴承的外径侧嵌件成型的主体部2牢固地结合，能够防止使用时的脱落、转动。再有，出于同样的强化结合的目的，可预先在滑动轴承3的外径侧形成突起、凹凸形状等。
37.在本发明中，滑动轴承包含以合成树脂作为主成分的树脂组合物，该树脂组合物包含密度2.00～2.25g/cm3、且平均纤维长30～300μm的碳纤维。其中，就作为主成分的合成树脂而言，相对于树脂组合物总体积，以超过50体积％来配合，优选以60体积％以上配合。
38.本发明中使用的密度2.00～2.25g/cm3的碳纤维与密度1.60～1.99g/cm3的碳纤维相比，认为在水中或防冻液中与配合件滑动时，碳纤维的折损和折损的碳纤维向滑动面的蓄积少，成为低摩擦。制造密度2.00～2.25g/cm3的碳纤维时，优选以易于石墨化的中间相沥青作为原料。以各向同性沥青或聚丙烯腈(pan)作为原料时，难以石墨化至成为密度2.00～2.25g/cm3。再有，碳纤维的密度可采用液体置换法、浮沉法、或密度梯度管法(密度
こう
配管法)测定(jis r 7603：1999)。上述碳纤维的密度优选2.10～2.25g/cm3。
39.就本发明中使用的碳纤维而言，使用平均纤维长为30～300μm，例如对短切纤维(
チョップドファイバー
)进行了粉碎加工的磨碎纤维(
ミルドファイバー
)。本发明中的平均纤维长为数均纤维长。如果平均纤维长不到30μm，则补强效果变小，耐磨损性降低。另外，如果平均纤维长比300μm大，则树脂组合物的每单位体积的纤维根数减少，滑动面中的载荷点减少。载荷点减少时，在滑动面中难以形成水膜，摩擦系数升高。上述平均纤维长优选50～200μm。
40.作为本发明中能够使用的市售的磨碎纤维，有三菱化学株式会社制
ダイアリード
k223hm
‑
200μm(平均纤维长200μm、平均纤维直径11μm、密度2.22g/cm3)、
ダイアリード
k223hm
‑
50μm(平均纤维长50μm、平均纤维直径11μm、密度2.22g/cm3)、日本
グラファイトファイバー
株式会社制hc
‑
600
‑
15m(平均纤维长150μm、平均纤维直径10μm、密度2.22g/cm3)等。
41.对本发明中使用的碳纤维的平均纤维直径并无特别限定，例如为5～20μm，优选为10～20μm。平均纤维直径能够采用本领域中通常使用的电子显微镜、原子力显微镜等来测定。另外，平均纤维直径能够基于上述测定、作为数均纤维直径算出。
42.就密度2.00～2.25g/cm3的碳纤维的配合量而言，相对于树脂组合物总体积，优选5～30体积％，更优选10～30体积％，进一步优选10～20体积％。如果不到5体积％，则缺乏补强效果，耐磨损性有可能变差，另外，如果超过30体积％，则有成本升高的倾向。
43.对上述树脂组合物中使用的合成树脂的种类并无限定，从耐热性的方面出发，优选为超级工程塑料。具体地，可列举出pps树脂、peek树脂、聚酰胺酰亚胺(pai)树脂、ptfe树脂、聚偏二氟乙烯树脂、液晶聚合物、聚醚砜树脂、聚砜树脂、聚芳酯树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂等。考虑在水中或防冻液中的使用，更优选吸水性小且耐化学品性优异的pps树脂和peek树脂，更优选在超级工程塑料中价格比较便宜的pps树脂。
44.pps树脂是具有苯环在对位通过硫键连接的聚合物结构的结晶性的热塑性树脂。pps树脂的熔点为约280℃，玻璃化转变温度(tg)为93℃，具有极高的刚性和优异的耐热性、尺寸稳定性、耐磨损性等。pps树脂根据其分子结构，有交联型、半交联型、直链型、分支型等类型，在本发明中，能够不限定于这些分子结构、分子量地使用。
45.上述树脂组合物除了合成树脂和碳纤维以外，优选包含ptfe树脂和石墨(石墨)。就ptfe树脂的配合比例而言，相对于树脂组合物总体积，优选1～20体积％，更优选3～20体积％，进一步优选10～20体积％。另外，就石墨的配合比例而言，相对于树脂组合物总体积，优选1～30体积％，更优选3～30体积％，进一步优选10～30体积％。
46.ptfe树脂为固体润滑剂，在没有形成水膜的断水状态(水切
れ
状態)的情形等下，能够减小边界润滑下的成型体的动摩擦系数。作为ptfe树脂，可采用利用悬浮聚合法得到的成型粉、利用乳液聚合法得到的细粉末、再生ptfe中的任一种。为了使树脂组合物的流动性稳定，优选采用难以由于成型时的剪切而纤维化、难以增加熔融粘度的再生ptfe。所谓再生ptfe，为热处理(施加了热经历的)粉末、照射了γ射线或电子束等的粉末。例如，有对成型粉或细粉末进行了热处理的粉末、另外对该粉末进一步照射了γ射线或电子束的粉末、将成型粉或细粉末的成型体粉碎的粉末、以及然后照射了γ射线或电子束的粉末、对成型粉或细粉末照射了γ射线或电子束的粉末等类型。
47.作为本发明中能够使用的市售品的ptfe树脂，可列举出株式会社喜多村制：ktl
‑
610、ktl
‑
450、ktl
‑
350、ktl
‑
8n、ktl
‑
400h、三井
ケマーズフロロプロダクツ
株式会社制：
テフロン
(注册商标)7
‑
j、tlp
‑
10、agc株式会社制：
フルオン
g163、l150j、l169j、l170j、l172j、l173j、
ダイキン
工业株式会社制：
ポリフロン
m
‑
15、
ルブロン
l
‑
5、
スリーエムジャパン
株式会社制：
ダイニオン
tf9205、tf9207等。另外，可以是用全氟烷基醚基、氟烷基、或其他的具有氟烷基的侧链基改性的ptfe树脂。在上述中，作为照射了γ射线或电子束等的ptfe树脂，可列举出株式会社喜多村制：ktl
‑
610、ktl
‑
450、ktl
‑
350、ktl
‑
8n、ktl
‑
8f、agc株式会社制：
フルオン
l169j、l170j、l172j、l173j等。
48.石墨为固体润滑剂，与ptfe树脂同样地能够减小边界润滑下的动摩擦系数。另外，
石墨在提高磨损特性、弹性模量的同时，也具有提高注射成型时的滑动轴承的尺寸精度的效果。作为石墨，天然石墨、人造石墨均可使用。就粒子的形状而言，有鳞片状、球状等，鳞片状由于滑动时的脱落少，因此更优选。作为天然石墨，可列举出日本石墨工业株式会社制：acp、作为人造石墨，可列举出
イメリス
·
ジーシー
·
ジャパン
株式会社制：ks
‑
6、ks
‑
25、ks
‑
44等。
49.本发明的滑动轴承优选该滑动轴承的轴向两端面中的至少一个端面一边承受径向载荷一边与由不锈钢构成的配合件滑动。不锈钢的定义根据jis g 0203。通过使用上述树脂组合物，不易损伤由不锈钢构成的配合件，能够维持良好的滑动状态。
50.再有，在不损害本发明的效果的程度上，可对于上述树脂组合物配合公知的树脂用添加剂。作为添加剂，例如可列举出氮化硼、二硫化钼、二硫化钨等摩擦特性提高剂、炭黑、氧化铁、氧化钛等着色剂。
51.对于构成上述树脂组合物的各材料，根据需要可采用亨舍尔混合机、球式混合机、带式掺混机等混合后，采用双螺杆混炼挤出机等熔融挤出机进行熔融混炼，得到成型用粒料(
ペレット
)。再有，就填充材料的投入而言，可在用双螺杆挤出机等进行熔融混炼时采用侧进料。使用该成型用粒料，采用注射成型来成型滑动轴承。
52.本发明的电动水泵用转子具有：支承泵的叶轮的主体部、旋转自由地支承轴的滑动轴承、和与定子相对配置的磁体。图1中，主体部2使用与构成滑动轴承的树脂组合物(以下称为第一树脂组合物)不同的组成的树脂组合物(以下称为第二树脂组合物)形成。具体地，在将预先成型的滑动轴承和磁体插入主体部形成用的注射成型模具的状态下，通过在该模具中将第二树脂组合物注射填充，从而注射成型。对注射成型方法(嵌件成型方法)的条件等并无特别限定，能够采用公知的方法
·
条件。由此，使滑动轴承、主体部、磁体一体化，得到本发明的转子。
53.第二树脂组合物以合成树脂(以下称为第二合成树脂)作为主成分。对该合成树脂并无特别限定，能够使用第一树脂组合物中例示的合成树脂(以下称为第一合成树脂)。第二合成树脂优选为具有与第一合成树脂同等以下的熔点的热塑性树脂。例如，将pps树脂用于第一合成树脂的情况下，优选将pbt树脂、pps树脂用于第二合成树脂，更优选pps树脂。另外，在将peek树脂用于第一合成树脂的情况下，优选将pps树脂用于第二合成树脂。如果将比第一合成树脂熔点高的热塑性树脂用于第二合成树脂，则在嵌件成型时有时在滑动轴承中产生显著的变形，因而不优选。
54.在形成主体部的第二树脂组合物中，优选配合配合剂。例如，为了高强度化、高弹性化、高尺寸精度化，可配合玻璃纤维、碳纤维、晶须、云母、滑石等补强剂，为了除去注射成型收缩的各向异性等，可配合矿物、碳酸钙、玻璃珠等无机填充剂。作为配合剂，优选配合以玻璃纤维为代表的价格便宜的补强材料。
55.作为第二树脂组合物的优选形态，为将pps树脂用于第二合成树脂、相对于树脂组合物总体积包含5～30体积％的玻璃纤维的树脂组合物。优选在该树脂组合物中不含碳纤维。
56.使用本发明的滑动轴承和转子的电动水泵使用水或含有乙二醇的防冻液作为冷却水。就防冻液中的乙二醇的配合比例而言，相对于防冻液总体积，优选为30～70体积％。
实施例
57.以下一齐示出实施例和比较例中使用的树脂组合物的原材料。使用原材料(1)～(8)，采用双螺杆混炼挤出机进行熔融混炼，制作粒料。
58.(1)交联型聚苯硫醚树脂[pps]
[0059]
東
ソー
株式会社：b
‑
042
[0060]
(2)聚醚醚酮树脂[peek]
[0061]
ビクトレックス
日本株式会社：peek 150p
[0062]
(3)中间相沥青系碳纤维[cf
‑
1]
[0063]
三菱化学株式会社：
ダイアリード
k223hm
‑
50μm(平均纤维长50μm、平均纤维直径11μm、密度2.22g/cm3)
[0064]
(4)中间相沥青系碳纤维[cf
‑
2]
[0065]
三菱化学株式会社：
ダイアリード
k223hm
‑
200μm(平均纤维长200μm、平均纤维直径11μm、密度2.22g/cm3)
[0066]
(5)各向同性沥青系碳纤维[cf
‑
3]
[0067]
株式会社
クレハ
：
クレカ
m
‑
101s(平均纤维长150μm、平均纤维直径14.5μm、密度1.63g/cm3)
[0068]
(6)pan系碳纤维[cf
‑
4]
[0069]
东邦
テナックス
株式会社：
ベスファイト
ht m800 160mu
[0070]
(平均纤维长160μm、平均纤维直径7μm、密度1.77g/cm3)
[0071]
(7)ptfe树脂[ptfe]
[0072]
株式会社喜多村：ktl
‑
610(再生ptfe)
[0073]
(8)石墨[grp]
[0074]
イメリス
·
ジーシー
·
ジャパン
株式会社：ks
‑
6(人造石墨、鳞片状)
[0075]
将实施例1～6、比较例1～3的树脂组合物示于表1、2中。使用该树脂组合物，采用注射成型制作内径10mm、外径17mm、高13mm的圆筒状试验片。使用制作的圆筒状试验片和圆板状配合件(sus304)，采用ring
‑
on
‑
disk型试验机(
リングオンディスク
)测定了防冻液中(乙二醇50体积％：水50体积％)的动摩擦系数。应予说明，试验条件设为：速度125m/分钟、面压1mpa、温度50℃。将动摩擦系数的测定值一并记载于表1和表2中。
[0076]
[表1]
[0077]
[0078]
[表2]
[0079][0080]
如表1和表2中所示那样，实施例1～6的动摩擦系数为0.04～0.05，比比较例1～3的动摩擦系数0.07～0.11低，是在防冻液中的低摩擦特性优异的结果。
[0081]
进而，将实施例3、比较例1和比较例2中的圆筒状试验片的滑动面的金属显微镜照片示于图2～4中。
[0082]
在实施例3(图2)中，碳纤维的纤维长度得到维持，几乎没有发现折损。另一方面，在比较例1(图3)和比较例2(图4)中，发现了碳纤维的折损。特别是，在比较例2(图4)中，折损的碳纤维蓄积于滑动面。由该观察结果能够推测：实施例3中维持了良好的滑动状态，成为了低摩擦。另一方面，在比较例1和比较例2中，能够推测折损的碳纤维使动摩擦系数上升。
[0083]
产业上的可利用性
[0084]
本发明的电动水泵用滑动轴承在水中或防冻液中的低摩擦特性优异，因此能够适合作为将汽车的发动机、逆变器冷却的电动水泵用滑动轴承利用。
[0085]
附图标记说明
[0086]
1 转子
[0087]
2 主体部
[0088]
3 滑动轴承
[0089]
4 磁体
[0090]
5 叶轮安装部