JP2006249931A - 一軸偏心ねじポンプのロータ - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性と潤滑性を向上させて、比較的摩耗性の少ない移送液において、回転摺動するロータと接するステータの長寿命化及びポンプ低回転時の異常振動・異音の発生を防止する一軸偏心ねじポンプのロータを提供する。
【解決手段】一軸偏心ねじポンプ１１は、雄ねじ形のロータ１２を、雌ねじ形のステータ１３内に回転可能に嵌挿して偏心回転させることにより、被移送物を移送する。ロータ１２には、中実あるいは中空のステンレス鋼、アルミニウム合金を用いる一方、ステータ１３には、ゴムを用いる。ロータ１２は、ロータ基材（ステンレス鋼）の表面に、膜厚さが０．５〜５μｍのＤＬＣ膜を形成してなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体、半固体、粉体、液・固混合体等、種々の状態の移送物を連続して移送するのに用いられる一軸偏心ねじポンプのロータに関する。

一軸偏心ねじポンプは、周知のように、ポンプケーシングの一端部に設けられた駆動モータの駆動軸にコネクチングロッドを介して連結した雄ねじ形のロータを、雌ねじ形のステータ内に回転可能に嵌挿して偏心回転させることにより移送物を移送するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

上記ロータには、アルミニウム合金やステンレス鋼などの金属材料が用いられる一方、上記ステータには、ゴムなどの弾性材料が用いられる。

一軸偏心ねじポンプのロータは、ゴムなどの弾性材料からなるステータの内周面と一定の面圧で接触して、回転摺動状態で使用される。そして、このロータに用いられる金属材料としては、ステンレス鋼が一般的であり、そのようなステンレス鋼でロータが形成される場合には、耐摩耗性を考慮して、３００μｍ以下の厚さの硬質クロムメッキ層がロータ基材（ステンレス鋼）の表面に形成されるのが一般的である。

一方、Ｃ（炭素）とＨ（水素）からなるアモルファス構造を有し、低摩擦係数で耐摩耗性及び潤滑性に優れるダイヤモンドカーボン（本明細書ではＤＬＣという）による薄膜（ＤＬＣ膜）が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−０５２６５５号公報（段落００１９〜００２２） 特開２００４−３２３９７３号公報（段落００１３）

前述したように、ロータがステンレス鋼で形成される場合には、ロータ基材の表面に硬質クロムメッキ層を形成しているが、そのような硬質クロムメッキ層に代えて、環境に優しい表面被覆層を用いたいという要求がある。また、それに併せて耐摩耗性と潤滑性を向上させて、比較的摩耗性の少ない移送液において、回転摺動するロータと接するステータの長寿命化およびポンプの特定運転条件における異常振動・異音の発生を防止したいという要求もある。

そこで、発明者は、比較的摩耗性の少ない移送液において、硬質クロムメッキに代えて、ＤＬＣ膜をロータ基材の表面に形成すればよいことに着想し、本発明をなすに至ったものである。なお、この場合、ＤＬＣ膜を、ロータに代えてステータ側に設けることも考えられるが、ステータ側に設ける場合には雌ねじ形の内周面に設ける必要があり、ＤＬＣ膜の成膜を行いにくい。一方、ロータ側に設ける場合には、ロータ基材の外表面に設ければよいので、成膜しやすく、しかも、ロータは金属材料からなるので、弾性材料からなるステータに比べて剥離しにくいというメリットがある。

また、ロータ基材として軽量であるアルミニウム合金を用い、その表面にＤＬＣ膜を成膜すれば、偏心回転の際にロータに作用する遠心力を小さくして、ゴム等の高分子材料からなるステータに前記ロータから作用する荷重を小さくすることも可能になる。

しかしながら、ロータ基材としてアルミニウム合金を用いる場合には、ロータ基材の表面にＤＬＣ膜を直接に成膜すれば、アルミニウム合金が柔らかいので、大きな面圧がかかると、基材のアルミニウム合金が大きく歪むために硬いＤＬＣ膜が割れて剥離しやすい。

この場合には、ロータ基材とＤＬＣ膜との間に中間層を形成し、この中間層の材質として、ロータ基材との付着性、ＤＬＣ膜との付着性に優れるものを選択すれば、ロータ基材からのＤＬＣ膜の剥離が低減させることが考えられる。

そこで、発明者は、さらに研究を進めて、ロータ基材（アルミニウム合金）の表面に対し、ＷＣ（タングステンカーバイド）溶射による皮膜（ＷＣ溶射皮膜）あるいは窒化層を中間層として設けることで、この中間層によりロータ基材の表面をＤＬＣ膜と同程度に硬くして、その上にＤＬＣ膜を成膜すれば、ＤＬＣ膜の剥離が低減されることを見い出した。

本発明は、ロータ基材の表面にＤＬＣ膜を成膜することで、ＤＬＣの持つ耐摩耗性、高潤滑性により、比較的摩耗性の少ない移送液において、回転摺動するロータと接するステータの長寿命化を図るとともに、ポンプ低回転時の異常振動・異音の発生を防止できる一軸偏心ねじポンプのロータを提供する。

請求項１の発明は、ゴムなどの高分子材料からなる雌ねじ形のステータ内に、ステンレス鋼、アルミニウム合金などの金属材料からなる雄ねじ形のロータを回転可能に嵌挿して、前記ロータを偏心回転させることにより移送物を移送する一軸偏心ねじポンプのロータにおいて、前記ロータは、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を表面に有することを特徴とする。

このようにすれば、ロータはＤＬＣ膜を表面に有するので、ＤＬＣが持つ耐摩耗性と高潤滑性により、回転摺動するロータと接するステータとの潤滑性が向上し、ステータの摩耗損重量が減少し、長寿命化が図れる。また、ＤＬＣが持つ高潤滑性により、ポンプの低回転時の異常振動・異音の発生を防止できる。さらに、クロムメッキの必要がなくなるので、耐環境性、生体融和性にも優れる。

請求項２に記載のように、前記ロータは、アルミニウム合金からなるロータ基材の表面に、ＷＣ（タングステンカーバイド）溶射皮膜を介して前記ＤＬＣ膜を有するものであり、前記ＷＣ溶射皮膜の膜厚さが５０〜１００μｍで、前記ＤＬＣ膜の膜厚さが０．５〜５μｍであることが望ましい。ここで、前記ＷＣ溶射皮膜の膜厚さを５０〜１００μｍとするのは、ＷＣ溶射皮膜の硬さは従来のクロムメッキ層の硬さの２〜３倍あるので、前記範囲の膜厚さであれば、比較的摩耗性の少ない移送液において、一般的に３００μｍ以下の厚さの従来のクロムメッキ層と同等の摩耗量となるからである。また、ＷＣ溶射皮膜の膜厚さは５０μｍ以上とするのは、それ以上であればＷＣ溶射により被膜を安定して生成することができるからである。さらに、ＤＬＣ膜はＷＣ溶射皮膜と同程度の硬さを有し、５μｍ以上を成膜すると剥離しやすく、またコストアップにもなるので、ＤＬＣ膜の特徴である高潤滑性の確保を目的として、０．５〜５μｍの範囲の膜厚さとしている。

このようにすれば、ロータ基材（アルミニウム合金）の表面は、ＷＣ溶射皮膜を生成することでＤＬＣ膜と同程度に硬くなり、その上にＤＬＣ膜が成膜されるので、ＤＬＣ膜が剥離しにくくなるし、優れた耐傷性と耐摩耗性が得られる。

また、ロータ基材をアルミニウム合金としているので、軽量化が図れ、高速回転が可能になる。よって、ポンプによる液移送量が増加し、また、同じ液移送量で比較すると、小型化・低価格化を実現できる。

請求項３に記載のように、前記ロータは、ステンレス鋼あるいはアルミニウム合金からなるロータ基材の表面に、窒化層を介して前記ＤＬＣ膜を有するものであり、前記窒化層の層厚さが２０〜５０μｍで、前記ＤＬＣ膜の膜厚さが０．５〜５μｍであることが望ましい。ここで、窒化層の層厚さを２０〜５０μｍとするのは、窒化層の硬さが、前記ＷＣ溶射皮膜と同様に従来のクロムメッキ層の硬さの２〜３倍あるので、前記範囲の層厚さであれば、比較的摩耗性の少ない移送液において、一般的に３００μｍ以下の厚さの従来のクロムメッキ層とほぼ同等の摩耗量となるからである。特に、ロータ基材がアルミニウム合金であると、ＷＣ溶射皮膜の場合（請求項２の場合）には膜厚さが５０μｍ未満になると、ＷＣ溶射皮膜の生成が不安定となるので、中間層の厚さを５０μｍ未満とする制約がある場合には、金属材の表面を硬化させるのに有効である窒化を採用することができ、有利である。

このようにすれば、ロータ基材の表面は窒化層による硬化によりＤＬＣ膜と同程度に硬くなり、その上にＤＬＣ膜が成膜されるので、ＤＬＣ膜が剥離しにくくなるし、優れた耐傷性と耐摩耗性が得られる。

以上のように構成したから、本発明は、ロータ基材の表面に成膜されるＤＬＣ膜が持つ優れた耐摩耗性と高潤滑性により、回転摺動するロータと接するステータの摩耗損重量が減少するので、長寿命化を図ることができる。さらに、前記ＤＬＣ膜の持つ高潤滑性によって、ポンプ低回転時の異常振動・異音の発生を防止できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。

図１は本発明に係る一軸偏心ねじポンプの一実施の形態を示す断面図である。

図１に示すように、一軸偏心ねじポンプ１１は、雄ねじ形のロータ１２を、雌ねじ形のステータ１３内に回転可能に嵌挿して偏心回転させることにより、被移送物を移送するように構成されている。このロータ１２は、カップリングロッド１４を介して駆動軸１５に連結され、この駆動軸１５は、軸受けハウジング１６の後壁面に設けられた駆動モータ（図示せず）に減速装置（図示せず）を介して接続されている。

ロータ１２には、中実（無垢）あるいは中空のステンレス鋼（金属材料）が用いられる一方、ステータ１３には、ゴム（弾性材料）が用いられる。なお、ロータ１２を形成する金属材料（ロータ基材）としては、軽量金属であるアルミニウム合金やチタン合金を用いると、回転を高速化でき、装置の小型化が達成できるので、有用である。

そして、ロータ１２を構成するロータ基材の表面に、膜厚さが０．５〜５μｍのＤＬＣ膜が形成されている。

続いて、前記ロータについて行った粉体摩耗試験について説明する。

粉体摩耗試験機は、図２に示すように、第１のローラ２１に対し、第２のローラ２２が上側に載置されたスライドテーブル２３に対し重り２４の荷重（荷重：３．６Ｎ）を作用させ、両ローラ２１，２２を圧接させる状態とされている。各ローラ２１，２２にはそれぞれブラシローラ２５，２６が接触している。

そして、両ローラ２１，２２の間に上側から試料粉２７を落下させつつ、モータ２８の回転により第１のローラ２１を回転させ、ロードセル２９によって検出される荷重から第２のローラ２２との摩擦係数を算出する。なお、第２のロータ２２は、第１のローラ２１の回転により１ｒｐｍ程度で供回りするようになっている。ブラシローラ２５，２６は清掃用で、７０ｒｐｍ程度で回転する。

具体的には、図２（ａ）（ｂ）に示す試験機において、第１のローラ２１として、従来のクロムメッキされたステンレス鋼製ロータに対応する、表面にクロムメッキ層を有する円柱ローラ（試料Ｓ１）、あるいは本発明に係るＤＬＣ膜（膜厚さ：５μｍ）が成膜されたステンレス鋼製ロータに対応する、表面にＤＬＣ膜を有する円柱ローラ（試料Ｓ２）を用いる。第２のローラ２２として、（ステータと同じ材質であるゴムの）円柱ローラを用いる。そしてモータ２８により第１のローラ２１を１００ｒｐｍの速度で回転させ、ステータ内でロータが回転するのと同様な状態を再現して、粉体摩耗試験を行った。なお、試料粉２７としては、硅石粉（平均粒径３μｍで、ギザギザ状態の岩石粉）を用いた。

試験結果は、図３に示すように、試料Ｓ１の場合には、ゴム摩耗速度が５．１ｍｇ／ｈｒであるのに対して、試料Ｓ２の場合には、ゴム摩耗速度は２．８ｍｇ／ｈｒとほぼ半減している。よって、第１のローラ２１（ロータに対応）に、クロムメッキ層に代えて、ＤＬＣ膜を成膜したことにより、ゴム摩耗速度において大幅な改善が見られた。

本摩耗試験は、前述したように、試料粉として硅石粉（平均粒子径３μｍのギザギザ形状の岩石粉）を用いた最も過酷なレベルであり、その改善の効果は非常に大きいと評価される。

よって、ステンレス鋼製のロータにＤＬＣ膜を成膜することにより、ゴム製のステータとの潤滑性が向上し、ステータのゴム摩耗速度が大幅に低下することがわかる。さらに、後述するように、ステンレス鋼からなるロータ基材の表面に窒化層を介してＤＬＣ膜を成膜すれば、さらに効果は高まるものと推測される。

また、ステンレス鋼よりも柔らかいアルミニウム合金をロータ基材とし、そのロータ基材の表面に１００μｍ厚さのＷＣ（タングステンカーバイド）を溶射した上に、ＤＬＣ膜（膜厚さ：５μｍ）を成膜した試料Ｓ３についても、同様な摩耗試験を行ったところ、ゴム摩耗速度について、試料Ｓ２とほぼ同程度の効果が得られた。

さらに、図４（ａ）（ｂ）に示すように、アルミニウム合金製のロータに直接ＤＬＣ膜を成膜した試料Ｓ４の場合には試験時間６hrで、試料粉による深い筋状の傷を生じた（図４（ａ）参照）のに対して、試料Ｓ３の場合には１００hr経過しても無傷であった（図４（ｂ）参照）。

よって、柔らかいアルミニウム合金からなるロータ基材の表面を、ＤＬＣ膜のような硬い膜で直接被覆するだけでは不十分であるが、アルミニウム合金からなるロータ基材の表面をＷＣ溶射皮膜で一旦被覆し、それからその皮膜の上にＤＬＣ膜を成膜するようにすれば、耐傷性と耐摩耗性とが優れることがわかる。

このような硬い膜（層）としては、ＷＣ溶射皮膜のほか、窒化層（あるいは炭化層）でも同様な効果が得られるものと推測される。そして、このＷＣ溶射皮膜や窒化層が、ロータ基材やＤＬＣ膜との付着性に優れる中間層として機能することになる。

よって、ロータ基材がステンレス鋼からなる場合も、ロータ基材の表面にＤＬＣ膜を直接成膜するよりも、ロータ基材の表面に窒化層を形成した上にＤＬＣ膜を成膜する方が耐傷性、耐摩耗性に優れる、と推測される。

このような試験結果より、次の構成のものが、一軸偏心ねじポンプのロータとして優れていると考えられる。
(１)ロータ基材がステンレス鋼からなり、その表面に層厚さ２０〜５０μｍの窒化層を介して膜厚さ０．５〜５μｍのＤＬＣ膜を成膜したもの。
(２)ロータ基材がアルミニウム合金からなり、その表面に膜厚さ５０〜１００μｍのＷＣ溶射皮膜を介して層厚さ０．５〜５μｍのＤＬＣ膜を成膜したもの。
(３)ロータ基材がアルミニウム合金からなり、その表面に層厚さ２０〜５０μｍの窒化層を介して膜厚さ０．５〜５μｍのＤＬＣ膜を成膜したもの。

ここで、窒化層の層厚さを２０〜５０μｍとしたりＷＣ溶射皮膜の膜厚さを５０〜１００μｍとしたりするのは、窒化層やＷＣ溶射皮膜の硬さが従来のクロムメッキ層の２〜３倍あるので、前記範囲の層厚さや膜厚さであれば、比較的摩耗性の少ない移送液において、一般的に３００μｍ以下の厚さの従来のクロムメッキ層と同等の摩耗量であると考えられるからである。また、ＷＣ溶射皮膜の膜厚さを５０μｍ以上とするのは、それ以上であればＷＣ溶射皮膜を安定して生成することができるからである。一方、ＷＣ溶射皮膜の生成が不安定なる層厚さが５０μｍ未満とする必要がある場合には、金属材料を硬化させるのに有効である別の手段である窒化を採用することができる。さらに、ＤＬＣ膜は、ＷＣ溶射皮膜と同程度の硬さを有し、５μｍ以上を成膜すると剥離しやすく、また、コストアップにもなるので、ＤＬＣ膜の特徴である高潤滑性の確保を目的として、０．５〜５μｍの膜厚さとしている。

上記（１）（３）で説明した中間層として窒化層を用いるロータは、次のようにして製造することができる。なお、この製造方法は、真空チャンバー内に、ステンレス鋼あるいはアルミニウム合金からなるロータ基材を導体を介して配置し、前記ロータ基材の周囲をプラズマ状態とした上で、前記導体に負の高電圧パルスを印加して、ロータ基材の周囲の電子を追い払って正イオンを残し、ロータ基材にイオン誘引を行うことを前提とする（パルスプラズマイオン注入・成膜法／Plasma-Based Implantation and Deposition：PBIID ）。
（工程１）
前記ロータ基材を、例えば電気炉加熱やハロゲンランプなどの既存の加熱方法を用いて３００〜５００℃に加熱する。
（工程２）
前記工程１での加熱温度状態を保持しながら、真空チャンバー内に窒素ガスあるいは窒素混合ガスからなる反応ガスを供給する。そして、例えば放電室で生成された放電プラズマから、加速電極により引き出して加速した電子ビームを前記真空チャンバー内に導き、前記反応ガスをプラズマ化して、その電子ビーム励起プラズマ（ＥＢＥＰ）を前記ロータ基材に作用させることによりロータ基材中に窒素原子及び窒素イオンを注入し、中間層となる、２０〜５０μｍ厚の窒化層（窒素化合物層あるいは窒素拡散層）をロータ基材の表面に形成する。

なお、この窒化のための処理条件は、加速電圧５０〜１５０Ｖ、加速電流１０Ａ以上、放電用ガスはアルゴンガス、原料ガスは窒素ガスまたは窒素・水素混合ガス、処理温度は３５０〜５００℃である。
（工程３）
続いて、同一の真空チャンバー内に炭化水素系ガスを導入し、前記ロータ基材に前記導体を介して、プラズマ発生用電源により高周波電力を所定時間印加して、ロータ基材の周囲にプラズマを発生させ、プラズマ発生後に前記ロータ基材に前記導体を介して高電圧パルス発生用電源により負の高電圧パルスを印加して、ロータ基材にプラズマ中のイオンを誘引注入し、前記窒化層の表面に０．５〜５μｍ厚のＤＬＣ膜を成膜する。

これにより、本発明に係るロータを製造することができる。このようにすれば、前記窒化層と前記ＤＬＣ膜とは、同一の真空チャンバー内での連続処理により形成することができる。

ここで、（ロータ基材に高周波パルスを印加する）前記プラズマ発生用電源及び（ロータ基材に負の高電圧パルスを印加する）前記高電圧パルス発生用電源の供給条件の一例は、パルスＲＦ電圧の入力電圧、電力及びパルス幅がそれぞれ１〜２ｋＶ、１００Ｗ及び５０μｓであり、高電圧パルス電圧のパルス幅が５μｓである。また、パルスＲＦ電圧の出力周波数１３．５６ＭＨｚ、繰り返し発振周波数５００Ｈｚであり、高電圧パルス電圧はパルスＲＦ電圧の立ち下がりから５０μｓ後に印加する。そして、パルスＲＦ電圧の印加と、高電圧パルス電圧の印加との組を３６０万回にわたり、繰り返す（合計２時間）

本発明に係る一軸偏心ねじポンプの実施例を示す断面図である。 粉体摩耗試験機を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。 粉体によるステータ（ゴム）の摩耗量に及ぼすＤＬＣ膜の影響の試験結果を示す図である。 （ａ）は表面にＤＬＣ膜を直接成膜したアルミニウム合金製ローラについての粉体によるダメージの状態を示す図、（ｂ）は表面にＷＣ溶射した後ＤＬＣ膜を成膜したアルミニウム合金製ローラについての粉体によるダメージの状態を示す図である。

符号の説明

１１ 一軸偏心ねじポンプ
１２ ロータ
１３ ステータ

Claims (3)

1. ゴムなどの高分子材料からなる雌ねじ形のステータ内に、ステンレス鋼、アルミニウム合金などの金属材料からなる雄ねじ形のロータを回転可能に嵌挿して、前記ロータを偏心回転させることにより、比較的摩耗性の少ない移送液を移送する一軸偏心ねじポンプのロータにおいて、
   前記ロータは、ＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン）膜を表面に有することを特徴とする一軸偏心ねじポンプのロータ。
2. 前記ロータは、アルミニウム合金からなるロータ基材の表面に、ＷＣ（タングステンカーバイド）溶射皮膜を介して前記ＤＬＣ膜を有するものであり、
   前記ＷＣ溶射皮膜の膜厚さが５０〜１００μｍで、前記ＤＬＣ膜の膜厚さが０．５〜５μｍであること特徴とする請求項１記載の一軸偏心ねじポンプのロータ。
3. 前記ロータは、ステンレス鋼あるいはアルミニウム合金からなるロータ基材の表面に、窒化層を介して前記ＤＬＣ膜を有するものであり、
   前記窒化層の層厚さが２０〜５０μｍで、前記ＤＬＣ膜の膜厚さが０．５〜５μｍであること特徴とする請求項１記載の一軸偏心ねじポンプのロータ。