JPS63280888A - 冷媒ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発ＦＪＡ　ハカスエンジンヒートポンプシステム等の
空調装置に使用される液冷媒を搬送する冷媒ポンプに関
するものである。

従来の技術 近年、都市ガス等を動力とするエンジンで圧縮機を駆動
させ、ヒートポンプ冷凍サイクルにより、冷暖房、給湯
を行い、さらに、高圧側過冷却液冷媒を搬送する冷媒ポ
ンプを使用してエンジンの排熱も暖房、給湯に利用する
ガスエンジンヒートポンプシステムの開発が進められて
いる。

まず、上記ガスエンジンヒートポンプシステムについて
説明する。第３図はガスエンジンヒートポンプシステム
の原理を示すものである。１はガスエンジン、２は圧縮
機、３は冷暖切り換え用の四方弁、４は室内熱交換器、
５は膨張弁、６は室外熱交換器、７は給湯用の熱交換器
、８は液冷媒を搬送する冷媒ポンプ、９はガスエンジン
の排熱を利用する冷媒加熱器である。

以上のように構成されたガスエンジンヒートポンプシス
テムの動作を説明する。ガスエンジン１により圧縮機２
を駆動すると、高温高圧となった過熱ガス冷媒は、例え
ば、暖房運転時の場合、四方弁３により、室内熱交換器
４に送られ、放熱して過冷却液冷媒となる。この高圧側
過冷却液冷媒は膨張弁５により減圧され、室外熱交換器
６で吸熱して低圧のガス冷媒となり、圧縮機２へ戻る。

ここで、冷媒ポンプ８は室内熱交換器４を通過後の高圧
側過冷却液冷媒の一部を冷媒加熱器９へ搬送するもので
、過冷却液冷媒はガスエンジンの排熱を利用した冷媒加
熱器９で、再び過熱ガス冷媒となり、室内熱交換器４へ
送られる。これをモリエル線図で示すと第４図の破線Ｂ
で表わされる。

すなわち、実線Ａで表わされる通常の冷媒サイクルに対
して、過冷却液冷媒を冷媒ポンプ８で搬送し、ガスエン
ジン１の排熱で過熱ガス冷媒として、再び室内熱交換器
４へ送ることにょシ、暖房能力及び効率を高めるもので
ある。

上記ガスエンジンヒートポンプシステムの過冷却液冷媒
の搬送に使用される従来の冷媒ポンプの一例について説
明する。第５図は従来の冷媒ポンプの縦断面図、第６図
は第５図のＣ−Ｃ線によるポンプ要素の断面図である。

図において、１ｏはシリンダ、１１はロータシャフト、
１２は上軸受、１３は下軸受、１４けべ−・ン、１５は
ベーンバネでポンプ要素を構成している。このポンプ要
素は、支持板１６に固定され、シェル容器１了内に収納
されている。前記シェル容器１７は前記支持板１６で、
吸入室１８と吐出室１９に分離されている。

２ｏは前記ポンプ要素を駆動するモータ、２１１−１゜
モータ軸、２２は駆動マグネットで、前記モータ軸２１
に固定された駆動側ヨーク板２３に取り付けられている
。２４は前記モータ２Ｑを固定し、前記シェル容器１９
内で密閉する非磁性材の上シェル、２６は前記上シェル
２４を介して、前記駆動マグネット２２と対向する被駆
動マグネットで、締め付は板２６で被駆動側ヨーク板２
７に取シ付けられており、前記被１駆動側ヨーク板２７
に形成されたＤカッ８部で前記ロータシャフト１１と軸
方向に移動可能に結合されている。２８は樹脂材から成
るスラスト軸受で、前記被駆動側ヨーク板２７に収納さ
れ、前記上シェル２４に当接して、前記被駆動マグネッ
ト２５を回転自在に支持している。なお、２９は吸入孔
、３０は吐出孔、３１は吸入管、３２は吐出管、３３は
取り付は板である。

以上のように構成された冷媒ポンプについて、以下その
動作を説明する。シェル容器１９外の上シェル２４に取
り付けたモータ２ｏを駆動すると、モータ軸２１に固定
された駆動マグネット２２が回転する。シェル容器２４
内の被駆動マグネット２５は非磁性材の上シェル２４を
介してｎＩＪ記駆動駆動マグネット２２向して磁気結合
しており、駆動マグネット２２の回転に対応して、被駆
動マグネット２６が回転するこのとき、駆動マグネット
２２と被駆動マグネット２６は軸方向に互いに引っばり
合い、強力なスラスト力が発生するが、このスラスト力
は樹脂材のスラスト軸受２８が上シェル２４に当接して
支持し、被駆動マグネット２６を回転自在に支持してい
る。被駆動マグネット２５を取り付けた被駆動側ヨーク
板２７とポンプ要素の駆動軸であるロータシャフト１１
ｉはＤカッ８部で軸方向に対して変位可能なように結合
され、モータ２０の駆動力をポンプ要素に伝達する。

ポンプ要素においては、吸入管３１よりシェル容器１９
内の吸入室１８に流入した過冷却液冷媒を吸入孔２９か
らシリンダ１ｏ内に流入させ、口・−タシャフト１１の
スリットに摺動可能に挿入されたべ一７１４がベーンバ
ネ１６に付勢されてロータシャフト１１の回転とともに
、シリンダ１０の内周面に沿って摺動し、シリンダ１０
とロータシャフト１１およびベーン１４で構成された空
間の体積を連続的に変化させ、過冷却液冷媒を吐出孔３
０から吐出室１９に送り出し、さらに、吐出管３２から
冷凍サイクルの第３図に示す冷熱加熱器９へ搬送する。

以上のように、冷媒ポンプはモータの駆動力を磁気結合
により、ポンプ要素のロータシャフトに伝達し、液冷媒
を搬送する構成となっている。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記のような構成では、モータの駆動力を
ポンプ要素に伝達する被駆動マグネットを回転自在に支
持し、駆動マグネットとの磁気結合によるスラスト力を
上シェルの吐出室内側に当接して支持する樹脂材から成
るスラスト軸受２８の耐摩耗性に問題があった。すなわ
ち、駆動マグネットと被駆動マグネットは非磁性材の上
シェルを介して磁気結合を構成し、軸方向に互いに引っ
ばり合う強力なスラスト力により、駆動マグネットの回
転に応じて、被駆動マグネットがスラスト軸受に支持さ
れて回転する。そして、モータの駆動力を被駆動マグネ
ットと軸方向に変位可能に結合されたポンプ要素のロー
タシャフトに伝達する。

この場合、駆動マグネットと被駆動マグネットの間隙は
、ポンプ要素の負荷に対する伝達トルクにより決まり、
間隙を小さくするほど、スラスト力が大きくなり、高い
伝達トルクが確保できる。したがって、上シェルと被駆
動マグネットとの間隙を極力小さく、しかも一定に保持
して、被駆動マグネットが回転時に上シェルと接触する
のを防止する必要があり、そのため被１駆動マグネツト
を回転自在に支持するスラスト軸受は重要である。この
スラスト軸受と上シェルは磁気結合の関係から非磁性材
を使用する必要があり、スラスト軸受には摩擦係数の低
い樹脂材、上シェルには厚みを薄くして耐圧が確保でき
る非磁性のステンレス鋼が用いられている。しかし、ス
ラスト軸受の潤滑には水より粘度の低い液冷媒に頼るし
かなく、はとんど無潤滑の状態にある。そのため、上シ
ェルの摺動による摩耗はほとんどないが、樹脂材のスラ
スト軸受の摩耗が大きく、例えば１０００時間の運転に
おいては、約０．５７ＥＩＢの摩耗が発生し、上シェル
と被駆動マグネットの間隙はその摩耗量だけ小さくなる
とともに、スラスト軸受の摩耗によっては傾き等が生じ
て、被駆動マグネットに回転振れが生じ、その結果、被
駆動マグネノ）と上シェルが接触して、摩耗粉の発生、
回転変動等で耐久性が損われる。また被駆動マグネット
と上シェルとの間隙を最初に大きく設定するには、マグ
ネットの磁気結合を強くしなければならず、大きなマグ
ネットを使用する必要がある。

以上のように、従来の冷媒ポンプはスラスト軸受の摩耗
が大きく、耐久性が確保できないという問題点を有して
いた。

本発明は上記問題点に鑑み、スラスト軸受の耐摩耗性を
向上させて、耐久性及び信頼性を確保した冷媒ポンプを
提供するものである。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明の第１の発明は、密
閉容器内に収納したポンプ要素と、１１Ｊ記密閉容器に
取り付けたモータと、前記モータの駆動軸に固定した駆
動マグネ、ノドと、前記密閉容器内において、Ｒ’＋１
記駆動マグネットと対向して、前記ポンプ要素の駆動軸
と軸方向に移動可納に結合された被駆動マグネットと、
ｉ′］ｉＪ記被、駆動マグネットを回転自在に支持する
β型炭化ケイ素セラミックのスラスト軸受と、１ｉｉＪ
記スラスト軸受が当接して摺動する前記密閉容器部分が
非磁性ステンレス鋼から成るものである。

また、本発明の第２発明は、密閉容器内に収納したポン
プ要素と、前記密閉容器に取り付けたモータと、前記モ
ータの駆動軸に固定した駆動マグネットと、前記密閉容
器内において、１１■記駆動マグネツトと対向して、前
記ポンプ要素の駆動軸と軸方向に移動可能に結合された
被駆動マグネ、７［・と、前記密閉容器に当接して、Ｔ
ＪＩ前記前記部動マグネットを回転自在に支持するβ型
炭化ケイ素セラミックのスラスト軸受と、ｒＪＴＩ記ス
ラススラスト軸受ＩＪＪＩ駆動マグネットに固定する固
定す・トとから成るものである。

作　　用 本発明の第１の発明の作用は、駆動マグネットと被駆動
マグネットの磁気結合によるスラスト力を支持するスラ
スト軸受にβ型炭化ケイ素セラミックを用い、スラスト
軸受が当接して摺動する密閉容器部分に非磁性ステンレ
ス鋼と組み合わせたことにより、スラスト軸受及び密閉
容器の摺動部での耐摩耗性が飛躍的に向上し、被駆動マ
グネットと密閉容器との間隙を一定し保持して、被駆動
マグネットが安定して支持されるため、モータの駆動力
をポンプ要素に確実に伝達することができ、冷媒ポンプ
の耐久性、信頼性を向上させることができる。

本発明の第２の発明の作用は、β型炭化ケイ素セラミッ
クのスラスト軸受を被駆動マグネットの挿入部に固定ナ
ンドで固定し、スラスト軸受と被駆動マグネットを一体
に回転させることにより、駆動時あるいはポンプ要素の
負荷増大による税調現象時のスラスト軸受にかかる衝撃
力や挿入部でのガタによる傾きをなくし、β型炭化ケイ
素セラミックのスラスト軸受の破損、異常摩耗や被駆動
マグネットの回転振れ等を防止して、冷媒ポンプの耐久
性、信頼性をさらに高めるものである。

実施例 以下、本発明の一実施例の冷媒ポンプについて第１図及
び第２図に基づいて説明する。

この実施例の冷媒ポンプを使用するガスエンジンヒート
ポンプシステムの基本構成は、第３図に示す通りであっ
て既に説明したのでその説明を省略する。

第１図は本発明の一実施例における冷媒ポンプの縦断面
図である。図において、３４はシリンダ、３６はロータ
シャフト、３６は上軸受、３７は下軸受で、前記ロータ
シャフト３６に摺動自在に収納されたベーンとベーンバ
ネ（図示せず）とでポンプ要素が構成されてお９、この
ポンプ要素はシェル容器３８内に収納されている。３９
はポンプ要素を固定する支持後で、前記シェル容器３８
を吸入室４０と吐出室４１に分離する。４２は前記シェ
ル容器を密閉する非磁性のステンレス鋼から成るシェル
で、゛駆動用のモータ４３が外側部に取り付けられ、前
記モータ４３の駆動軸４４に駆動マグネット４６を取り
付けた駆動側ヨーク板４６が固定されている。前記上シ
ェル４２を介在して、前記駆動マグネット４６と対向す
る吐出室４１内には被駆動マグネット４７が配設され、
前記駆動マグネット４５と磁気結合されている。前記被
駆動マグネット４７は被駆動側ヨーク板４８に接着剤で
取り付けられ、さらに、締め付は板４９を前記被駆動側
ヨーク板４８にネジ込んで固定されている。また、被駆
動側ヨーク板４８とポンプ要素のロータシャフト３６は
インボリュートスプライン部５０で軸方向に移動可能に
結合されている。

５１はβ型炭化ケイ素から成るスラスト軸受で、前記被
駆動側ヨーク板４８の挿入部に挿入され、前記締め付は
板４９にネジ込んだ固定ナツト５２により前記被駆動側
ヨーク板４８に固定されている。このスラスト軸受５１
は、前記駆動マグネット４６と前記被駆動マグネット４
７の磁気結合によるスラスト力を、前記上シェル４２に
当接して支持するものであり、前記被駆動マグネット４
７と一体となって回転して前記上シェル４２の当接部で
摺動する構成となって＾る。なお、５３は吸入管、５４
Ｖｉ吐出管、６５は取り付は板である。

以上のように構成された冷媒ポンプについて、以下その
動作を説明する。モータ４３を駆動すると、駆動軸４４
に固定された駆動マグネット４５が回転し、この回転ト
ルクは磁気結合した被駆動マグネット４７に伝達させる
。被駆動マグネット４７に伝達される被駆動マグネット
４７が回転すると、インボリュートスプライン部５０で
結合されたポンプ要素のロータシャフト３５が回転し、
吸入管５３から吸入室４０に流入した液冷媒を、ポンプ
要素のシリンダ３５内のポンプ作用により、吐出室４１
へ流出させ、さらに吐出管５４から第３図の冷媒加熱器
９へ搬送する。

上記したモータ４３の駆動力をペンプ要素に伝える磁気
結合部における動作を説明する。駆動マーグネソト４６
と被駆動マグネット４７の磁気結合によるスラスト力は
上シェル４２に当接して摺動する１スラスト軸受６１で
支持される。被５駆動マグネット４７は前記スラスト軸
受５１で、上シェル４２と間隙を有して回転自在に支持
され、ポンプ要素のロータシャフト３６に回転トルクを
伝える。

被駆動マグネット４７とロータシャフト３６の結合は駆
動側ヨーク板４８において、インボリュートスプライン
部５ｏで軸方向に移動可能に結合され、被駆動マグネッ
ト４７が軸方向に変位し、ポンプ要素のロータシャフト
３６はシリンダ３４内において軸方向への変位がなく、
端面の摩擦損失が増加しないようになっている。また、
インボリュートスプライン部５ｏによる結合は、作動時
、自動的に同心となり、さらに、歯面とピッチの精度を
比較的容易に高めることが可能なので、回転力を円滑に
伝えることができる。

ここで、前記スラスト軸受５１は磁気結合による強力な
スラスト力を支持して摺動するため、耐摩耗性が問題と
なるが、スラスト軸受６１ばβ型炭化ケイ素セラミック
から成り、摺動する相手材である上シェル４２の非磁性
ステンレス鋼と組み合わせにおける摩擦係数は従来の樹
脂材に比べてかなり小さく、潤滑が液冷媒である状態に
おいても耐摩耗性が向上する。例えば、１０００時間の
運転における摩耗はスラスト軸受６１は２μｍ１上シエ
ル４２は１８μｍ１合計で２０μｍとなり、摺動部にお
ける摩耗量は従来の２６分の１程度と非常に少くなる。

したがって、被駆動マグネット４７と上シェル４２の間
隙はほぼ一定に保つことができ、またスラスト軸受６１
と上シェル４２の摺動部での摩耗が駆動マグネット４７
の回転にほとんど影響しないため、回転振れが発生せず
、スラスト軸受６２の摺動部での摩擦損失も少いので、
インボリュートスプライン部５０の結合部を通じて、ポ
ンプ要素のロータシャフト３６に効率的に円滑な回転ト
ルクを伝達することがでさ、耐久性信頼性が向上すると
ともに、能力も高めることができる。

次に、起動時及び税調時のスラスト軸受の動作について
説明する。起動時、磁気結合により、駆動マグネット４
５０回転に対応して、被駆動マグネット４７が回転する
が、第２図イに示すように、スラスト軸受５６を、被駆
動マグネット４了を取り付けた被駆動側ヨーク板４８の
ボス部６７にスラスト軸受６６の回り止め用に形成した
異形溝５８に挿入しただけの場合、被駆動マグネット４
了が矢印の方向に回転すると、スラスト軸受５６の摺動
面６９が上シェル４２に当接しているため、スラスト軸
受５６は異形？４５８とのガタ分だけ回転が遅れ、異形
溝５８とＤ点、Ｅ点の２箇所で接触して固定され、その
後は被駆動マグネット４７と一体となり回転する。この
とき、スラスト軸受６ｅのＤ点、Ｅ点には大きな衝撃力
が加わり、β型炭化ケイ素セラミックのスラスト軸受５
６が異形溝５８とのガタで傾いて異形溝Ｓ８に固定され
る場合があり、被駆動マグネツト４７に回転振れが生じ
、さらに、衝撃力が過大になると、スラスト軸受のＤ点
、Ｅ点に応力集中して、破損する可能性もありうる。

また、ポンプ要素での負荷が磁気結合による伝達トルク
より過大になると税調現象が発生するが、この場合、上
記の起動時よりもはるかに大きい衝撃力がスラスト軸受
６６にかかることになり、破損の危険性がより大きくな
る。

すなわち、スラスト軸受５６を被駆動側ヨーク板４８の
回り止め用の異形溝５８に挿入しただけんば、軸方向及
び回転方向にスラスト軸受が可動する場合があり、傾い
て挿入されたり、衝撃力がかかり破損することがあり得
る。又、スラスト軸受５６を可動しないようにするには
、挿入部のハメアイ寸法の精度を高めることが考えられ
るが、これには限界がある。また、接着剤で固定する方
法もあるが、液冷媒中であり、衝撃力がかかることもあ
って、信頼性が得らｎない。

そこで、第２図口に示すように、締め付は板４９のネジ
部６０を利用し、スラスト軸受５１を被駆動側ヨーク板
４８に固定ナツト５２で押し付け、機械的に固定する構
成とする。このとき、スラスト軸受６１に応力等中しな
いように、固定ナツト５２はスラスト軸受６１の斜面に
面接触で押し付け、固定する。したがって、スラスト軸
受５１と被駆動マグネット４７は一体で回転することに
なリ、起動時ちるいは税調時の衝撃力が直接、スラスト
軸受５１にかかることがなく、被駆動マグネット４７は
円滑に回転し、ポンプ要素に回転トルクを伝達すること
ができる。また、スラスト軸受５１及び被、駆動側ヨー
ク板４９の挿入部６１のハメアイ寸法の精度が不必要と
なり、形状も単純化されるため、コストも安価になる。

なお、本発明の一実施例における冷媒ポンプをガスエン
ジンヒートポンプシステムに使用するものとして説明し
たが、液冷媒を搬送するシステム（パζ使用すれば、同
様の効果が得られる。

また、ポンプ要素をスライディングベーン式ポンプで説
明したが、ポンプ要素が他方式であってもきしつかえな
い。

＠１ＩＦ１の効果 以上のように本発明の第１２発明によれば、駆動マグネ
ットと被駆動マグネットの磁気結合によるスラスト力を
支持するスラスト軸受をβ型炭化ケ・イ素セラミックに
て構成し、前記スラスト軸受が当接して摺動する密閉容
器部分の非磁性ステンレス鋼と組み合わせることＫより
、ｎｉ［ａスラスト軸受及び前記密閉容器の摺動部での
耐摩耗性を向上させ、モータの駆動力をポンプ要素に円
滑に伝達することができ、冷媒ポンプの耐久性、信頼性
を向上させるだけでなく、効率的な磁気結合により能力
も高めることができる。

また、本発明の第２の発明によれば、β型炭化ケイ素セ
ラミックのスラスト軸受を被駆動マグネットの挿入部に
固定ナンドで固定し、前記スラスト軸受と前記被駆動マ
グネットを一体に回転させることにより、駆動時あるい
はポンプ要素の負荷増大による脱調現象時のｉＪ記スス
ラスト軸受かかる衝撃力−や挿入部でのガタによる傾き
をなくし、前記β型炭化ケイ素セラミックのスラスト軸
受の破損、異常摩耗や前記被駆動マグネットの回転振れ
等を防止して冷媒ポンプの耐久性、信頼性をさらに高め
るとともに、スラスト軸受及びその挿入部の形状が単純
化されることから、コストダウンを図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における冷媒ポンプのｗ１断
面図、第２図イはスラスト軸受の比較例を示す下面図、
同口は本発明のスラスト軸受の構成を示す平面図、第３
図はガスエンジンヒートポンプシステムの原理を示す図
、第４図はガスエンジンヒートポンプシステムのモリエ
ル線図、第５図は従来の冷媒ポンプの縦断面図、第６図
は第５図のＣ−Ｃ線による断面図である。 ３４・・・　・シリンダ、３５・・・　・ロータシャフ
ト、３８・・　・シェル容器、４２・・川・上シェル、
４３・・・・・モータ、４５・・・・・駆動マグネット
、４７・・・・・被駆動マグネット、４８・・・・被駆
動側ヨーク板、４９・・・　・締め付は板、５０・・・
・・インボリュートスプライン部、５１・・・　スラス
ト軸受。６２・・・・固定ナノ　　１・　０ 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第２
図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）密閉容器内に収納したポンプ要素と、前記密閉容
   器に取り付けたモータと、前記モータの駆動軸に固定し
   た駆動マグネットと、前記密閉容器内において、前記ポ
   ンプ要素の駆動軸と軸方向に移動可能に結合され、前記
   駆動マグネットと対向して、前記密閉容器の内側に当接
   したスラスト軸受で回転自在に支持された被駆動マグネ
   ットとから構成された冷媒ポンプにおいて、前記スラス
   ト軸受をβ型炭化ケイ素セラミックにて構成し、前記ス
   ラスト軸受が当接して摺動する密閉容器部分を非磁性ス
   テンレス鋼にて構成したことを特徴とする冷媒ポンプ。
2. （２）密閉容器内に収納したポンプ要素と、前記密閉容
   器に取り付けたモータと、前記モータの駆動軸に固定し
   た駆動マグネットと、前記密閉容器内において、前記ポ
   ンプ要素の駆動軸と軸方向に移動可能に結合され、前記
   駆動マグネットと対向して、前記密閉容器の内側に当接
   したスラスト軸受で回転自在に支持された被駆動マグネ
   ットとから構成された冷媒ポンプにおいて、前記スラス
   ト軸受をβ型炭化ケイ素セラミックにて構成し、かつ前
   記被駆動マグネットの挿入部に挿入した前記スラスト軸
   受を固定する固定ナットを設けたことを特徴とする冷媒
   ポンプ。