JPH08177772A

JPH08177772A - ポンプ

Info

Publication number: JPH08177772A
Application number: JP32476694A
Authority: JP
Inventors: Yuusaku Ishimine; 裕作石峯; Chitose Ueki; 千歳植木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1994-12-27
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 1996-07-12
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: JP3694543B2

Abstract

(57)【要約】【構成】ポンプを構成する部材の少なくとも一つの摺動
面に、ダイヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜を備え
る。【効果】摩擦係数を低くし、かつ摺動する両方の部材の
摩耗量を極めて小さくできることから、長期間にわたっ
て優れた摺動特性を維持することができる。特に、本発
明をベーンポンプに適用すれば、特定フロン全廃に伴う
冷媒の変更により、潤滑油溶解力の少ない冷媒を用いて
も摺動性、耐摩耗性に優れた高性能のベーンポンプを提
供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種ポンプに関し、特
にベーンポンプに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より各種ポンプや、各種軸受等を構
成する摺動部材として、耐摩耗性、耐食性等に優れたセ
ラミックスが用いられている。

【０００３】例えば、冷凍機、空調機械等の圧縮機とし
て使用されるベーンポンプは金属部材により構成されて
いたが、耐摩耗性改善のためにセラミックスを用いるこ
とが検討されている。即ち、特開昭５８−４１２８７
号、特開昭５９−１６８２９１号、および特開昭５９−
２０６６９１号公報に、ハウジング、ロータ、ベーンを
セラミック製としたベーンポンプが示されており、また
特開昭６０−６０９２号公報には圧縮室構成部材をセラ
ミック製としたベーン式圧縮機が示されている。そし
て、これらに用いるセラミックスとして窒化珪素、炭化
珪素、アルミナが示されている。

【０００４】さらに、ベーンポンプにおいて、より摺動
性を高めるために、固体潤滑剤を一部に複合した構造の
ものが提案されている。

【０００５】例えば特開昭６２−１２６２８１号公報に
はベーンポンプのハウジング、ロータを正方晶系の結晶
構造を持つジルコニアとし、ベーンはポリイミド系樹脂
に固体潤滑剤を混合した成形体とした例が示されてい
る。また特開昭６２−２１０２７５号公報にはハウジン
グ、ロータをアルミナに炭化チタンを５〜５０重量％添
加したセラミックスとし、ベーンをアルミナ、アルミナ
に炭化チタンを５〜５０重量％添加したセラミックス、
炭化珪素、窒化珪素、またはポリイミド系樹脂に固体潤
滑剤を混合した成形体とした例が示されている。さら
に、実公平２−３８３４号公報にはセラミックス製ベー
ンポンプにおいて、ベーンを複合構造とし、凹部を形成
したアルミナ、炭化珪素に、固体潤滑剤としてボロンナ
イトライドを摺動可能に嵌合したものが示されている。

【０００６】また、摺動面に各種被膜を形成することも
提案されている。

【０００７】特開昭５９−１２８９９２号、特開昭６３
−１６７０９２号、特開平１−２２７８９５号、特開平
２−３０８９６６号公報にはＴｉＣ、ＴｉＮ、窒化珪
素、グラファイト等の被膜を形成することが、それぞれ
示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】近年、冷凍機、空調機
械用の圧縮機として使用されるベーンポンプ（以下、ベ
ーン型圧縮機を含む）において、特定フロン全廃に伴う
冷媒の変更が急速に進んできている。特定フロンは、そ
の成分中の塩素がオゾン層の破壊を進行させることか
ら、成分中の塩素量を低減させるか又は塩素を無くす等
の代替冷媒が採用されようとしている。従って冷媒の油
分溶解力は特定フロンと比較して非常に小さくなり、必
然的に潤滑油の冷媒中への溶解量も少なくなる。そこ
で、特にベーンポンプを構成する部材の摺動性が極めて
重要な条件となっている。

【０００９】ところが、上記記のようなセラミックスか
らなる摺動部材を用いたベーンポンプは、耐摩耗性には
優れるものの、セラミックス同士あるいはセラミックス
と他部材との摺動抵抗が大きいという問題点があった。
また、ジルコニアセラミックスは、水熱反応による結晶
構造の変化により特性が大幅に低下してしまう等の問題
点があった。

【００１０】また、固体潤滑剤とセラミックスの複合材
を用いたのでは、摺動時の摩擦力は小さくできるが、構
造が複雑化し、製造が困難でコストが高くなるという問
題点があった。

【００１１】さらに、摺動面に被膜を形成したもので
も、摺動性の点でやはり満足できるものではなかった。

【００１２】なお、以上はベーンポンプについてのみ述
べたが、この他にも遠心ポンプやプランジャーポンプ等
の各種ポンプにおいても、同様の問題が生じていた。

【００１３】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は、ポン
プを構成する部材の少なくとも一つの摺動面にダイヤモ
ンド膜又は非晶質硬質炭素膜を形成したものである。

【００１４】即ち、ポンプとして作動させるためには、
ある部材が回転したり往復動したりする必要があり、必
然的に各部材同士が摺動することになる。そして、本発
明はこの摺動面のうち少なくとも一つにダイヤモンド膜
または非晶質硬質炭素膜を備えたことを特徴とする。

【００１５】また、本発明は、上記摺動面として、ポン
プの作動中に常時摺動する面ではなく、断続的に摺動す
る面にダイヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜を備えた
ことを特徴とする。

【００１６】さらに、本発明は、ハウジング、ロータ、
及びベーンから成るベーンポンプにおいて、これらの部
材の少なくとも一つの摺動面にダイヤモンド膜又は非晶
質硬質炭素膜を形成したものである。

【００１７】

【作用】本発明によれば、ポンプを構成する部材の摺動
面が、高硬度、自己潤滑性、環境安定性の優れたダイヤ
モンド膜または非晶質硬質炭素膜からなるため、他部材
との間の摺動性を高くできる。そのため、摺動時の摩擦
抵抗を小さくできるとともに、摺動部材自体、及び摺動
相手部材の摩耗量を少なくできる。

【００１８】したがって、ベーンポンプで潤滑油溶解力
の少ない冷媒を用いても、簡便な構造で耐摩耗性に優
れ、低摩擦力を実現し、環境保全、省力化に貢献するも
のである。

【００１９】

【実施例】以下本発明をベーンポンプを例にして説明す
る。

【００２０】ベーンポンプの構造を図１に示すように、
ハウジング１のシリンダー１ａ内周面に円筒状をしたロ
ータ２の外周面２ａを接触させて配置し、またハウジン
グ１に備えた溝１ｂに弾性材４を介在させてベーン３を
配置し、このベーン３の先端はロータ２の外周面２ａに
圧接するようになっている。さらに、上記ロータ２の外
周面２ａにはダイヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜か
らなる被膜２ｂを備えている。

【００２１】そして、ロータ２は回転軸５によって、そ
の外周面２ａがシリンダー１ａ内周面に接触した状態で
偏心回転可能となっており、この偏心回転にあわせてベ
ーン３は上下運動を行い、ハウジング１の溝部１ｂと摺
動する。このような動きによって、例えば冷凍機用の圧
縮機として用いる場合は、ハウジング１に備えた吸入口
６から冷媒をシリンダー１ａ内へ吸入圧縮し、吐出口７
から押し出すことで、冷媒を断熱膨張させ、冷凍、冷却
するものである。

【００２２】この時、ロータ２の外周面２ａは、ダイヤ
モンド膜または非晶質硬質炭素膜からなる被膜２ｂから
成るため、高硬度で摺動性に優れており、シリンダー１
ａ内周面やベーン３との摺動時に、相互の摩耗量が少な
く、摩擦係数を小さくすることができる。

【００２３】なお、図１の実施例では、ロータ２の外周
面２ａに被膜２ｂを備えた例を示したが、この他にシリ
ンダー１ａの内周面やベーン３等における摺動面にダイ
ヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜を形成することもで
きる。

【００２４】ただし、これらの膜は、互いに摺動する部
材同士の一方の摺動面のみに形成しておけば良く、特に
断続的な摺動面に形成する。例えば、ロータ２とベーン
３との摺動を考えた場合に、ベーン３の先端は常時ロー
タ２と摺動する連続摺動面となる。これに対し、ロータ
２の外周面２ａは常時ベーン３と摺動することはなく断
続的摺動面となる。

【００２５】そして、ベーン３の先端のような連続摺動
面にダイヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜を形成する
と、摩耗や剥離の恐れが大きく寿命が短くなるため、断
続的摺動面であるロータ２の外周面２ａ側に被膜２ｂを
形成するのである。

【００２６】また、被膜２ｂを備えたロータ２の摺動相
手であるベーン３やシリンダー１の材質としては、金属
材やセラミック材を用いれば良い。

【００２７】次に、被膜２ｂを成すダイヤモンド膜で形
成する場合について詳述する。

【００２８】ここで、ダイヤモンド膜は、ビッカース硬
度が６０〜１１０ＧＰａと高硬度であるため、極めて耐
摩耗性に優れたものである。

【００２９】被膜２をダイヤモンド膜で形成する場合
は、母材であるロータ２を、表１に示すようにビッカー
ス硬度１０ＧＰａ以上のアルミナ、ジルコニア、炭化珪
素、窒化珪素、窒化アルミニウム等のセラミックスで形
成することが好ましい。また、これらのセラミックスの
中でも炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムを用いれ
ば熱膨張係数がダイヤモンドに近いため密着強度にも優
れており、この点からは窒化珪素が最適である。

【００３０】

【表１】

【００３１】そして、これらのセラミックスの表面粗さ
（中心線平均粗さ：Ｒａ）を０．０３〜０．６μｍとす
る。これは表面粗さ（Ｒａ）が０．０３μｍ未満では被
膜２ｂの密着力が低くなり、一方０．６μｍを超えると
摺動相手材の摩耗を促進してしまうためである。

【００３２】このような母材の表面にＣＶＤ法、ＰＶＤ
法等によりダイヤモンドの被膜２ｂを形成するが、その
膜厚は０．３〜１０μｍの範囲とする。これは、膜厚が
０．３μｍ未満であると摺動時の接触点に応力が集中
し、被膜２ｂが破壊しやすくなり、一方１０μｍを超え
ると製造コストが高くなり、また膜強度が低下するため
である。

【００３３】一方被膜２ｂを非晶質硬質炭素膜で形成す
る場合について詳述する。

【００３４】ここで、非晶質硬質炭素膜とは、合成疑似
ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドライクカーボン、ＤＬ
Ｃ、ｉ−カーボン等とも呼ばれており、元素で言えばダ
イヤモンド等と共に炭素（Ｃ）として包括され、比重的
には黒鉛や無定形炭素に近く、硬度等の物性的にはダイ
ヤモンドに近似しているという特徴と持つものである。

【００３５】この非晶質硬質炭素膜は、レーザーラマン
分光法によって分析することができる。即ち、レーザー
ラマン分光法によるラマンスペクトルのピーク位置を検
出すると、ダイヤモンド膜の場合は１２００〜１４００
ｃｍ^-1に極めてシャープなピークが存在するのに対し、
非晶質硬質炭素膜の場合は１２００〜１４００ｃｍ^-1ま
たは１５００〜１６００ｃｍ^-1の少なくとも一方に、ブ
ロードなピークが存在することで区別することができ
る。

【００３６】そして、非晶質硬質炭素膜は、ビッカース
硬度３０〜５０ＧＰａと高硬度で、かつ摺動性に優れる
ことから、摺動部材として好適である。

【００３７】また、被膜２ｂを非晶質硬質炭素膜で形成
する場合、母材となるロータ２としては、ビッカース硬
度１２ＧＰａ以上のアルミナ、ジルコニア、炭化珪素、
窒化珪素等のセラミックスで形成することが好ましい。
これらのセラミックスはダイヤモンドと熱膨張係数が近
いため密着強度にも優れている。

【００３８】そして、これらのセラミックスの表面粗さ
（中心線平均粗さ：Ｒａ）を０．０５〜０．６μｍとす
る。これは表面粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ未満では被
膜２ｂの密着力が低くなり、一方０．６μｍを超えると
摺動相手材の摩耗を促進してしまうためである。

【００３９】このような母材の表面にＣＶＤ法、ＰＶＤ
法等により非晶質硬質炭素膜の被膜２ｂを形成するが、
その膜厚は０．３〜１．５μｍの範囲とする。これは、
膜厚が０．３μｍ未満であると被膜２ｂが剥離しやすく
なり、一方１．５μｍを超えると製造コストが高くな
り、しかも摺動時の熱応力でクラックが生じで剥離しや
すくなるためである。

【００４０】なお、以上の実施例ではベーンポンプにつ
いてのみ述べたが、本発明は他のさまざまなポンプに適
用することができる。例えば、図２に示すロータリーポ
ンプは、ケーシング２１内で二つの回転羽根２２をシャ
フト２３で回転させることにより吸入口２１ａから吐出
口２１ｂに流体を圧送するものであるが、上記ケーシン
グの内壁面にダイヤモンドまたは非晶質硬質炭素膜から
なる被膜２１ａを形成してある。また、この回転羽根２
２を歯車形状としたギアポンプにも同様に本発明を適用
できる。

【００４１】さらに、図３に示すプランジャーポンプ
は、シリンダー３１内でシール材３３を介してプランジ
ャー３２を往復動させるものであるが、上記プランジャ
ー３２の表面にダイヤモンドまたは非晶質硬質炭素膜か
らなる被膜３２ａを形成してある。

【００４２】さらに、遠心ポンプ、スクリューポンプ、
一軸偏心ねじポンプ、軸流ポンプ等の回転型ポンプで
は、インペラ等の回転体を支持する軸受部分の摺動面に
ダイヤモンド膜又は非晶質硬質炭素膜を形成すれば良
く、その他各種ポンプに本発明を適用することができ
る。

【００４３】実験例１回転するディスク上にボールを押し付けて摺動させるボ
ールオンディスク型摩耗試験機により、摩擦係数と摩耗
量を測定する実験を行った。

【００４４】本発明実施例として、窒化珪素質セラミッ
クスの表面粗さ（Ｒａ）を０．０５μｍとし、この上に
ＣＶＤ法にて膜厚１０μｍのダイヤモンド膜を形成した
ものをディスクとした。また、比較例として、アルミ
ナ、窒化珪素、炭化珪素のセラミックスのみからなるデ
ィスクを用意した。一方、ボールは高炭素クロム軸受鋼
（ＳＵＪ２）からなるものを用いた。

【００４５】このボールを各ディスクの表面に９．８Ｎ
の押圧力で押し付け、乾式無潤滑剤下でディスクの摺動
速度を５ｍ／ｓとして０．５時間の実験を行い、それぞ
れ摩擦係数とディスク及びボールの比摩耗量を測定し
た。

【００４６】結果は表２に示す通りである。この結果よ
り、ダイヤモンド膜を備えた本発明実施例は摩擦係数が
０．０８と極めて摺動性に優れ、しかもディスク側ボー
ル側いずれの摩耗量も極めて少ないことが確認された。

【００４７】

【表２】

【００４８】実験例２次に、実験例１におけるダイヤモンド膜を形成したディ
スクにおいて、母剤である窒化珪素質セラミックスの表
面粗さ（Ｒａ）とダイヤモンド膜の膜厚を種々に変化さ
せて、上記と同様の実験を行い、ダイヤモンド膜の剥離
の有無や相手材であるボールの比摩耗量を測定した。

【００４９】結果は表３、４に示す通りである。表３の
結果より、母材の表面粗さ（Ｒａ）については０．０３
μｍ以下になると剥離が生じやすくなるとともに相手材
の摩耗量も大きくなり、一方０．６μｍ以上になると相
手材の摩耗量が大きくなる。したがって、母材の表面粗
さ（Ｒａ）は０．０３〜０．６μｍの範囲が良いことが
わかった。

【００５０】また、表４の結果より、膜厚が０．３μｍ
以下であると剥離が生じやすくなるため膜厚は０．３μ
ｍ以上が良いこともわかった。

【００５１】

【表３】

【００５２】

【表４】

【００５３】実験例３次に、非晶質硬質炭素膜を形成した場合についての実験
を行った。

【００５４】上記実験例と同様のボールオンディスク試
験機を用い、ディスクをアルミナセラミックスで形成
し、その表面粗さを表５に示すように種々に変化させ、
それぞれ膜厚１μｍの非晶質硬質炭素膜を形成したもの
を用意した。また、摺動相手のボールは高炭素クロム軸
受鋼（ＳＵＪ２）を用いた。

【００５５】上記と同様の条件で実験を行った後の非晶
質硬質炭素膜の剥離や、ボール側の摩耗量等を測定した
ところ、表５に示す通りであった。

【００５６】この結果より、母材であるアルミナセラミ
ックスの表面粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ未満では膜の
密着性が低いために剥離しやすく、一方０．６μｍを超
えると摺動相手であるボールの摩耗が大きかった。した
がって、母材の表面粗さ（Ｒａ）は０．０５〜０．６μ
ｍの範囲内が良いことがわかった。

【００５７】

【表５】

【００５８】実験例４次に、実験例３における非小質硬質炭素膜を形成したデ
ィスクにおいて、母材であるアルミナセラミックスの表
面粗さ（Ｒａ）を０．３μｍとし、膜厚を種々に変化さ
せて同様の実験を行った。

【００５９】結果は表６に示す通り、膜厚０．３μｍ未
満では剥離が生じやすく、一方膜厚が１．５μｍを超え
ると摺動時の熱応力によって非晶質硬質炭素膜にクラッ
クが生じ、剥離の恐れがあった。また、膜厚を１．５μ
ｍより大きくすることは時間がかかり、コストも大きい
ものであった。したがって、非晶質硬質炭素膜の膜厚は
０．３〜１．５μｍの範囲内が良いことがわかった。

【００６０】

【表６】

【００６１】実験例５次に、非晶質硬質炭素膜を被着する母材の材質を変え
て、同様の実験を行った。母材の表面粗さ（Ｒａ）は
０．３μｍ、非晶質硬質炭素膜の膜厚は０．７μｍとし
て、それぞれディスクを構成し、上記と同様のボールオ
ンディスク試験機による実験を行った。

【００６２】結果は表７に示す通りである。この結果よ
り明らかに、非晶質硬質炭素膜を被着しないものでは摩
擦係数が大きく、ディスク及びボールの比摩耗量も大き
かった。また、非晶質硬質炭素膜を被着したものでも、
母材として硬度の低い金属材を用いた場合は、摩擦係数
と、ディスク及びボールの摩耗量がいずれも大きかっ
た。

【００６３】これらに対し、ビッカース硬度１２ＧＰａ
以上のセラミックスを母材とし、非晶質硬質炭素膜を被
着したものは、摩擦係数が０．１２以下であり、ディス
ク及びボールの比摩耗量を極めて小さくできることがわ
かる。

【００６４】

【表７】

【００６５】実験例６以上の実験例では、ボールオンディスク試験機のディス
ク側に非晶質硬質炭素膜を形成した場合について述べて
きたが、逆にボール側に非晶質硬質炭素膜を形成して実
験を行った。

【００６６】即ち、ディスクを高炭素クロムクロム軸受
鋼（ＳＵＪ２）で形成し、ボールをアルミナセラミック
スで形成して表面に非晶質硬質炭素膜を被着したものを
用意し、この組合せで、前記実施例と同様の実験を行っ
た。

【００６７】その結果、ボール側に被着した非晶質硬質
炭素膜は、摺動時に剥離しやすく、その結果ディスク及
びボールの摩耗量が大きいものであった。

【００６８】これは、ディスク側が断続的摺動面である
のに対し、ボール側は常時摺動する連続摺動面であるた
めであり、本発明の非晶質硬質炭素膜は断続的摺動面に
形成することが好ましい。

【００６９】また、以上の実施例では、ダイヤモンド膜
又は非晶質硬質炭素膜を形成した部材の摺動相手の材質
として、高炭素クロム軸受鋼を用いたが、他の金属材や
あるいは各種セラミックス材に対しても好適な摺動性を
示すことができる。さらには、上記被膜を形成した部材
同士の摺動であっでも良い。

【００７０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ポンプを
構成する部材の少なくとも一つの断続的摺動面に、ダイ
ヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜を備えたことによっ
て、摩擦係数を低くし、かつ摺動する両方の部材の摩耗
量を極めて小さくできることから、長期間にわたって優
れた摺動特性を維持することができる。

【００７１】特に、本発明をベーンポンプに適用すれ
ば、特定フロン全廃に伴う冷媒の変更により、潤滑油溶
解力の少ない冷媒を用いても摺動性、耐摩耗性に優れた
高性能のベーンポンプを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の一実施例であるベーンポンプ
を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＸ−Ｘ線断面図で
ある。

【図２】本発明の他の実施例であるロータリーポンプを
示す断面図である。

【図３】本発明の他の実施例であるプランジャーポンプ
を示す断面図である。

【符号の説明】

１：ハウジング２：ロータ２ｂ：被膜３：ベーン４：弾性材５：回転軸６：吸込口７：吐出口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ポンプを構成する部材の少なくとも一つの
断続的摺動面に、ダイヤモンド膜又は非晶質硬質炭素膜
を備えたことを特徴とするポンプ。
【請求項２】上記ポンプが、ハウジング、ロータ、及び
ベーンより構成されるベーンポンプであり、これらの部
材の少なくとも一つの摺動面に、ダイヤモンド膜又は非
晶質硬質炭素膜を備えたことを特徴とする請求項１記載
のポンプ。