JPH0932738A

JPH0932738A - 吸収式ヒートポンプ用溶液ポンプ

Info

Publication number: JPH0932738A
Application number: JP7181292A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Koga; 良一古閑; Takashi Sawada; 敬澤田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-07-18
Filing date: 1995-07-18
Publication date: 1997-02-04

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は吸収式のヒートポンプの作動溶液の
搬送に用いる溶液ポンプに関し、ポンプの軸と軸受けの
摺動特性を改善し、耐久性の優れた吸収式ヒートポンプ
用の溶液ポンプを提供する。【構成】本発明の溶液ポンプは軸７にマルテンサイト
系のステンレス鋼を、あるいは表面に窒化膜層を形成し
たオーステナイト鋼を用い、軸受け８ａ、２８に水雰囲
気下で優れた潤滑性能を示す炭化珪素系のセラミックス
材料を使用しており、化学的および機械的な摩耗が抑え
られ、耐久性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は吸収式ヒートポンプの作
動溶液の搬送に用いる溶液ポンプの潤滑性の改善に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の吸収式、特にアンモニア溶液を作
動媒体とする冷凍機に用いられている溶液ポンプは、一
般に油圧ポンプ駆動形のダイアフラムポンプが用いられ
てきた。この方式のポンプの構成は、粘度の高い作動油
を用いることで高いポンプ効率を確保できるピストン型
の油圧ポンプと、この油圧ポンプで発生する油圧によ
り、全面駆動されるダイアフラム型の低粘性流体ポンプ
からなる。これはアンモニアなどの冷媒が低粘度でしか
も腐食性が高いことから、ダイアフラムで媒体とポンプ
機構部が分離し、かつポンプ効率とポンプの信頼性を確
保した方式であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、まず油圧ポンプ駆動形のダイアフラムポン
プを用いる場合には、ポンプが２種類必要であり、機器
の小型化およびコストの面で課題があった。またこの種
のポンプが用いられる吸収式のシステムは、現在業務用
が主流で定期的にメンテナンスすることを前提としてお
り、定期的なメンテナンスが必要な、ダイアフラムおよ
び作動油を有するポンプであった。

【０００４】また、このダイアフラムポンプに代えて、
直接駆動型のポンプとした回転型の容積ポンプを用いる
場合でも次のような課題を有していた。すなわち吸収式
のヒートポンプ、特にアンモニア水溶液を媒体とする場
合の溶液ポンプは所要ポンプ差圧が、２０Kg／cm²で低
粘性流体を作動流体とする溶液ポンプにとっては非常に
高く、ポンプ寿命などの信頼性の面で重要な軸受け部な
どの摺動部の潤滑性の確保が極めて困難であった。

【０００５】さらにこの軸と軸受け部の潤滑性を改善す
る手段として、プラント用など特殊用途に耐摺動特性お
よび耐薬品性の優れた炭化珪素系のセラミックスで構成
された軸および軸受けが実用化されつつあるが、特に軸
については動力伝達のため接合部が必要となり、また形
状も大きくなることから、加工面およびコスト面で、家
庭用機器に適用するには多くの課題が残されている。こ
の炭化珪素を含む珪素系のセラミックスは、水中での摺
動面に発生する熱によりトライボケミカル反応といわれ
る僅かな分解が生じ、この結果摺動面が平滑化され、鏡
面状態となり非常に優れた潤滑性を発揮する。しかしセ
ラミックスの部品同志の摺動面を構成することは加工精
度およびコスト面で課題が多く、いかにすればこの優れ
た摺動性を家庭用の機器に実用化できるかが課題であっ
た。

【０００６】本発明は上記課題を解決するもので、ポン
プの摺動部の中で特に重要な軸と軸受け部を、窒化珪素
系のセラミックスの材料を応用し水中での優れた潤滑性
を確保し信頼性の高い、吸収式ヒートポンプ用の溶液の
ポンプを提供することを第１の目的としたものである。
さらに潤滑性を確保し、量産性を高める上で重要な初期
馴染み性の改善を計ることを第２の目的としたものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、軸あるいは軸受け部の材質を水雰囲気下でト
ライボケミカル反応により摺動面が平滑化されて従来に
ない潤滑特性を示す珪素系のセラミックス材料を使用す
ることを基本とし、この珪素系セラミックス材料を実用
的な形態で使用するため、耐腐食性の良い金属系材料と
の組合せとした。また回転式容積ポンプを駆動する主軸
に関しては、耐食性が優れかつ軸材料として多量に量産
されている、ステンレス鋼系の材料の中から材質的に最
も硬度が高くなるマルテンサイト系のステンレス鋼を選
定した。また、軸受けについては珪素系セラミックス材
料の中で特に水雰囲気下での潤滑性が優れた窒化珪素あ
るいは炭化珪素を選定したものである。

【０００８】上記第２の目的を達成するため、窒化処理
し表面硬度を高めるとともに窒化層のポーラスな特性に
より初期馴染み性の優れた、オーステナイト系のステン
レス鋼を選定し、軸受けについては珪素系セラミックス
材料の中で特に水雰囲気下での潤滑性が優れた窒化珪素
あるいは炭化珪素を選定したものである。

【０００９】

【作用】本発明は上記した構成により、回転式容積ポン
プの摺動部の主要部である軸受けに用いた珪素系のセラ
ミックスの水雰囲気下でのトライボケミカル反応により
摺動面が平滑化されて従来にない潤滑特性を発揮するた
め、主軸と軸受けの摺動信頼性が確保される。主軸に関
しては、耐食性の優れたステンレス鋼系の材料の内、材
質的に最も硬度が高くなるマルテンサイト系のステンレ
ス鋼を選定しているため、化学的及び機械的な摩耗が抑
えられる。

【００１０】また、主軸の材料として表面に窒化処理を
したオーステナイト系のステンレス鋼を選定することに
より、表面硬度が高く、化学的および機械的な摩耗が抑
えられると共に、若干ポーラスな窒化層の作用により初
期馴染み特性をよくすることができる。

【００１１】また、製造の面でも、主軸のベース材料と
なるマルテンサイト系およびオーステナイト系のステン
レス鋼は軸材料としても量産されており、加工面での問
題はない。また軸受けは珪素系セラミックスを使用して
いるが形状をシンプルな構成としており、材料の使用量
も僅かなため、十分に実用化できる構成となっている。

【００１２】

【実施例】以下本発明の一実施例を添付図面に基づいて
説明する。図１〜図１０において、１は直流ブラシレス
モータを用いたキャンドモータであり、固定子２の内側
に挿入されたライナー３で回転子４と気密に分離され
る。容積型ポンプ部５はボディー６の前方に一体に構成
されている。容積型ポンプ部５は回転子４に圧入された
主軸７により駆動されるトロコイド型ポンプであり、２
段で昇圧する構成を有している。主軸７はマルテンサイ
ト系のステンレス鋼（例えばＳＵＳ４４０ＣあるいはＳ
ＵＳ４２０Ｊ）を用いたもので、所定の熱処理後研磨加
工により表面仕上げ加工を行っている。

【００１３】容積型ポンプ部５の主要部材はボディー６
の前方に設けられた空洞６ａの中に圧入し、積層構造で
容積型ポンプ部５を構成する。積層されるポンプの主要
部材のうち最も底面に位置するのが、側板Ａ８であり、
中央に軸受Ａ８ａを有しキャンドモータ１の主軸７の軸
受け機能も果たす。軸受Ａ８は窒化珪素系のセラミック
スで作られ薄肉のスリーブ状に加工して側板Ａ８ａに圧
入する。

【００１４】窒化珪素系のセラミックスは一般のセラミ
ックス材料の中でも靱性が高くこの圧入等の機械加工も
比較的容易に行うことができる。また窒化珪素系のセラ
ミックスは水雰囲気下で摺動するとトライボケミカル反
応により、摺動面表面が僅かに溶解し、表面が鏡面化し
て特に軸受け潤滑では流体潤滑状態が達成されてほぼ摩
耗がない摺動条件が達成される。このトライボケミカル
反応は珪素系のセラミックス同志で確認された現象であ
るが、硬化処理を施した金属材料と珪素系セラミックス
との間でも、ある条件範囲では似た現象が生じ、耐久試
験でも良好な結果が得られた。

【００１５】ただ、この非常に硬い珪素系のセラミック
ス（ビッカース硬度で３０００程度）と金属材料とを摺
動させて上述のような良好な摺動状態を実現するには、
硬い側の表面粗さを十分に小さくしておく必要がある。
珪素系のセラミックスで作られた軸受Ａ８ａの内面は相
手材がマルテンサイト系とはいえ、ビッカース硬度で７
００程度であるので、耐摩耗性の向上のため鏡面研磨を
することが望ましい。側板Ａ８に積み重ねられるのが、
偏心リングＡ９である。偏心リングＡ９はトロコイド形
状のアウターギアＡ１０をインナーギアＡ１１と適正な
偏心量を保持しながら回転自在に保持する。また、偏心
リングＡ９はアウターギアＡ１０およびインナーギアＡ
１１の厚さ方向のクリアランスを適正な値に保持する機
能を有する。主軸７とインナーギアＡ１１とはＤカット
７ａにより固定されている。中間スペーサ１２の側板Ａ
８側にはポンプの吸入口１３と連通する切り欠き１４が
あり、中間スペーサ１２に設けた吸入溝１５とも連通し
ており、また吐出溝１６には吐出孔１６ａがあいてい
る。１段目のポンプを構成するポンプ部Ａ１７はこのよ
うにして構成される。

【００１６】中間スペーサ１２にさらに積み重ねられる
のが偏心リングＢ１８であり、偏心リングＢ１８の偏心
方向は偏心リングＡ９と１８０度反転させた方向に設定
される。中間スペーサ１２の偏心リングＢ１８側の面に
も中間スペーサ１２の偏心リングＡ９側と同様な吸入溝
１９と吐出溝２０が設けてあるが、角度は１８０度ずら
した位置に設定してある。中間スペーサ１２の偏心リン
グＡ９側に設けた吐出溝１６の吐出孔１６ａは偏心リン
グＢ１８側の面に設けた吸入溝１９と連通している。偏
心リングＢ１８はトロコイド形状のアウターギアＢ２２
をインナーギアＢ２３と適正な偏心量を保持しながら回
転自在に保持し、また偏心リングＢ１８はアウターギア
Ｂ２２およびインナーギアＢ２３の厚さ方向のクリアラ
ンスを適正な値に保持する機能を有する。主軸７とイン
ナーギアＢ２３とはＤカット７ａにより固定されてい
る。さらに偏心リングＢ１８には側板Ｂ２４が積み重ね
られる。側板Ｂ２４には中間スペーサ１２の吐出溝２０
に対応する位置に吐出ポート２４ａが設けられている。
２段目のポンプを構成するポンプ部Ｂ２５はこのように
して構成され、１段目と２段目のポンプの主要部材はこ
のように積層されてポンプ主要部を構成する。

【００１７】ポンプ部Ａ１７およびポンプ部Ｂ２５の基
本寸法はインナーギアＡ１１およびインナーギアＢ２３
の幅および外径であり、ポンプ部Ａ１７およびポンプ部
Ｂ２５では同一の寸法値に設定してある。ボディー６の
前方に設けられた空洞６ａはポンプ蓋２６により密閉さ
れる。ボディー６には流路Ａ２７が設けられており、側
板Ｂ２４の吐出ポート２４ａより吐出された溶液は、流
路Ａ２７を通り、固定子２の内側に挿入されたライナー
３と回転子４との隙間を通過し、さらに回転子４を回転
自在に支持する軸受Ｂ２８を固定する軸受けスリーブ２
９に設けた流路Ｂ３０を通過して吐出口３１に至りシス
テム系に流出する。軸受Ｂ２８は軸受Ａ８ａと同様に水
雰囲気下で潤滑性の優れた窒化珪素系のセラミックスに
より構成される。このキャンドモータ１の駆動は、商用
電源である単相ＡＣ１００Ｖを直接に整流器３２で整流
しトランジスター３３〜３８でスイッチング動作させる
ことで行っている。

【００１８】上記構成において動作を説明する。キャン
ドモータ１の回転子４が回転すると、回転子４に圧入し
てある主軸７が回転する。主軸７が回転すると主軸７に
固定されたインナーギアＡ１１、インナーギアＢ２３が
回転し、これらのギアと各々噛み合うアウターギアＡ１
０、アウターギアＢ２２は従動ギアとして回転し、トロ
コイドポンプとしてのポンプ動作を行う。ポンプ動作は
直列に２段で行われインナーギアＡ１１とアウターギア
Ａ１０でポンプ作用が行われる１段目と、インナーギア
Ｂ２３とアウターギアＢ２２でポンプ作用が行われる２
段目とで昇圧作用が分割される。

【００１９】低粘性流体でしかも高差圧で使われるポン
プでは軸受けに対する負荷が非常に大きくなり、さらに
吸収式ヒートポンプのように耐久時間が数万時間のオー
ダの製品では、軸受けの潤滑条件も実質上摩耗が殆ど生
じない流体潤滑状態を確保することが望ましい。この実
施例では主軸７は熱処理によりマルテンサイトの組織と
なり軸の表面硬度が軸表面より十分な深さまで硬くなる
マルテンサイト系のステンレス鋼を用い、これを後加工
で研磨加工をすることにより軸の真円度など形状精度が
確保された金属系の材料としては十分に硬い金属組織を
得ることができる。また軸受Ａ８ａおよび軸受Ｂ２８
は、水雰囲気下での潤滑性が良い窒化珪素系のセラミッ
クスを用い、この内面を鏡面加工して、この鏡面を表面
硬度の低い側の主軸７側に転写させ、さらにトライボケ
ミカル反応により軸受けＡ８ａの表面がさらにポンプ運
転中に平滑化されることにより、実質上摩耗が殆ど生じ
ない流体潤滑状態を確保することが可能で、摺動性の改
善に大きな効果がある。さらに窒化珪素系のセラミック
スは水中で摩擦した際にトライボケミカル反応により、
窒化珪素の表面が僅かに溶ける炭化珪素系のセラミック
スよりもやや強く、この特性により初期の馴染み効果が
軸系のミスアライメントを吸収して、ポンプの駆動トル
クが早期に安定する効果がある。

【００２０】次に本発明の他の実施例に付いて説明す
る。本実施例は前記実施例と比較し、軸受Ａ８ａおよび
軸受Ｂ２８の材質を炭化珪素系のセラミックスとした点
が異なる。軸受Ａ８ａに用いた炭化珪素系のセラミック
スは窒化珪素系のセラミックスよりも表面硬度が高く単
体では耐摩耗性は窒化珪素系のセラミックスよりも良
い。また化学的な安定性も高い特長を有する。また窒化
珪素系のセラミックスと同様に水雰囲気下での潤滑性が
良い特長を有し、流体潤滑状態を確保することが可能
で、摺動性の改善に大きな効果がある。ただ、主軸７と
の硬度差が大きいため、ポーラス状のセラミックスとし
若干表面硬度を下げたほうが初期馴染み等の点で望まし
い。

【００２１】次に本発明の潤滑の初期馴染み性の改善に
ついての実施例について説明する。本実施例は先の実施
例と比較し、軸受けＡ８ａおよび軸受Ｂ２８の材質を炭
化珪素系の材料を用い、主軸７の材料として、主軸７の
表面に窒化膜７ａを設けた、耐食性の優れたオーステナ
イト系のステンレス鋼を用いた点が異なる。窒化膜７ａ
は、構造が若干ポーラスであり、初期馴染み性が良くポ
ンプ組み込み後に必要な馴染み運転の時間が短くて済
み、安定した性能のポンプが得られる。

【００２２】さらに他の実施例について説明する。本実
施例は先の実施例と比較し、軸受Ａ８ａおよび軸受Ｂ２
８の材質を窒化珪素系の材料を用いた点が異なる。主軸
７の表面の窒化膜７ａの構造が若干ポーラスであり、初
期馴染み性が良いのに加えて、さらに軸受Ａ８ａおよび
軸受Ｂ２８に用いた窒化珪素系のセラミックスにも、水
溶液中で用いた場合の初期馴染み性が高い性質があり、
この両者の効果があいまってポンプ組み込み後に必要な
馴染み運転の時間がさらに短くて済み、安定した性能の
ポンプが得られる。

【００２３】

【発明の効果】以上のように本発明の吸収式ヒートポン
プ用溶液ポンプによれば、次の効果が得られる。

【００２４】（１）回転式容積ポンプの摺動部の主要部
を構成する軸受けに用いた珪素系のセラミックスの水雰
囲気下でのトライボケミカル反応により摺動面が平滑化
されて従来にない潤滑特性を発揮するため、主軸と軸受
けの摺動信頼性が確保される。主軸に関しては、耐食性
の優れたステンレス鋼系の材料のうち、材質的に最も硬
度が高くなるマルテンサイト系のステンレス鋼を選定し
ているため、化学的および機械的な摩耗が抑えられる。

【００２５】（２）主軸に関しては、耐食性の優れたオ
ーステナイト系のステンレス鋼を用いさらに、この主軸
の表面に初期馴染み特性の良い窒化膜層を形成している
ため、化学的および機械的な摩耗が抑えられる。

【００２６】（３）製造の面でも、主軸のベース材料と
なるマルテンサイト系のステンレス鋼は軸材料としても
量産されており、加工面での問題はない。また軸受けは
珪素系セラミックスを使用しているが形状をシンプルな
構成としており、材料の使用量も僅かなため、十分に実
用化できる構成となっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例における吸収式ヒートポ
ンプ用溶液ポンプの概略断面図

【図２】主軸の断面図

【図３】溶液ポンプの１段目の要部断面図

【図４】中間スペーサの断面図

【図５】中間スペーサの側板Ａ側端面の平面図

【図６】中間スペーサの側板Ｂ側端面の平面図

【図７】溶液ポンプの２段目の要部断面図

【図８】溶液ポンプのポンプ蓋を取り除いた状態での部
分要部平面図

【図９】軸受けおよびスリーブの平面図

【図１０】キャンドモータの駆動回路図

【符号の説明】

１キャンドモータ４回転子５容積型ポンプ部７主軸８ａ軸受けＡ２８軸受けＢ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アンモニア水溶液を作動流体とし、キャン
ドモータと一体に構成された回転式容積型ポンプ部を有
し、前記キャンドモータの回転子に固定された主軸を、
前記回転式容積型ポンプ部に設けた軸受Ａと、前記キャ
ンドモータに設けた軸受Ｂとで回転自在に支持すると共
に、前記主軸をマルテンサイト系のステンレス鋼で構成
し、軸受Ａおよび軸受Ｂを窒化珪素系のセラミックスで
構成した吸収式ヒートポンプ用溶液ポンプ。
【請求項２】アンモニア水溶液を作動流体とし、キャン
ドモータと一体に構成された回転式容積型ポンプ部を有
し、前記キャンドモータの回転子に固定された主軸を、
前記回転式容積型ポンプ部に設けた軸受Ａと、前記キャ
ンドルモータに設けた軸受Ｂとで回転自在に支持すると
共に、前記主軸をマルテンサイト系のステンレス鋼で構
成し、軸受Ａおよび軸受Ｂを炭化珪素系のセラミックス
で構成した吸収式ヒートポンプ用溶液ポンプ。
【請求項３】アンモニア水溶液を作動流体とし、キャン
ドモータと一体に構成された回転式容積型ポンプ部を有
し、前記キャンドモータの回転子に固定された主軸を、
前記回転式容積型ポンプ部に設けた軸受Ａと、前記キャ
ンドモータに設けた軸受Ｂとで回転自在に支持すると共
に、前記主軸は表面を窒化処理したオーステナイト系の
ステンレス鋼で構成し、軸受Ａおよび軸受Ｂを窒化珪素
系のセラミックスで構成した吸収式ヒートポンプ用溶液
ポンプ。
【請求項４】アンモニア水溶液を作動流体とし、キャン
ドモータと一体に構成された回転式容積型ポンプ部を有
し、前記キャンドモータの回転子に固定された主軸を、
前記回転式容積型ポンプ部に設けた軸受Ａと、前記キャ
ンドモータに設けた軸受Ｂとで回転自在に支持すると共
に、前記主軸は表面を窒化処理したオーステナイト系の
ステンレス鋼で構成し、軸受Ａおよび軸受Ｂを炭化珪素
系のセラミックスで構成した吸収式ヒートポンプ用溶液
ポンプ。