JP2005127139A - マグネットポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 マグネットポンプとして、一時的にドライ運転状態になったり、作業液が気液混合状態になっても、インペラ支軸の軸受部の破損が防止され、軸受部の摩耗も抑制され、耐久性に優れて保全コストを低減できるものを提供する。
【解決手段】 ポンプケーシング１に固定された有底筒状のキャン２Ａの外側に、駆動軸３Ａと一体化して内周側に駆動マグネットＭ１を設けた駆動側保持筒４Ａが配置し、キャン２Ａの内側に、インペラ支軸５Ａに同心状に嵌装されて外周側に従動マグネットＭ２を設けた従動側保持筒６Ａが配置し、駆動マグネットＭ１と従動マグネットＭ２との磁気吸引力により、駆動軸５Ａの回転に伴って従動側保持筒６Ａがインペラ支軸５Ａを中心としてインペラ７Ａと一体に回転するマグネットポンプにおいて、インペラ支軸５Ａの軸受部８Ａ，８Ｂに介在させる摺接部材のブシュ８１、スリーブ８２、スラストリング８３として、摺接面にダイヤモンドライクカーボン膜を有するセラミック又は超硬材料からなるものを用いる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、磁気吸引力を利用してインペラを駆動軸に対して無接触状態で回転させてポンプ作用を行わせるマグネットポンプに関する。

マグネットポンプとして、ポンプケーシングに固定された有底筒状のキャンの外側に、駆動軸と一体化して内周側に駆動マグネットを有する駆動側保持筒が配置すると共に、該キャンの内側に、インペラ支軸に同心状に嵌装されて外周側に従動マグネットを有する従動側保持筒が配置し、両マグネット間の磁気吸引力により、駆動軸の回転に伴って従動側保持筒がインペラ支軸の前端に取り付けたインペラと一体に回転してポンプ作用を行うように構成された、所謂キャンドマグネットカップリング方式のものが汎用されている。この種マグネットポンプは、駆動軸側の空間とインペラ側の空間とが前記キャンで隔絶され、液の漏洩がないため、腐食性、毒性、引火性、放射性等のある液体、あるいは飲料や食品関連等の高度な衛生管理が必要な液体の移送用として適している。

しかして、この種マグネットポンプでは、構造上からインペラ支軸の軸受部に潤滑油を使用できないため、一般的に、該軸受部に介在する摺接部材として耐磨耗性に優れる高硬度のセラミック材料からなるものを使用する一方、作業液の一部をキャンと従動側保持筒との間隙、該従動側保持筒とインペラ支軸との間隙、あるいは該支軸内部を通してキャンの内側に循環させることにより、この液の介在による潤滑作用で軸受部の破損防止及び摩耗抑制を図ると共に、摩擦発熱を生じる該軸受部と渦電流による抵抗発熱を生じるキャンを冷却し、マグネットの熱減磁に起因する作動不良や液の熱変質を防止するようにしている（例えば、特許文献１〜４）。
特開昭５８−１３３４９号公報 特開昭５８−１３８２９４号公報 特開昭６１−１６４０９８号公報 実開昭６１−１２２３９３号公報

しかしながら、従来のマグネットポンプにあっては、送液開始時や中断後の送液再開時に、誤操作等によって液がキャンの内側まで行きわたっていない状態でインペラを回転させる所謂ドライ運転状態になり、稼働して間もなくインペラ支軸の軸受部の破損によって送液不能に陥るという事態がしばしば発生していた。また、作業液が前段でのエアー抜き不備や液から発生する気泡によって気液混合状態になり、インペラ支軸の軸受部が断続的にドライ摺接して摩耗し、摺接部材の早期の交換を余儀なくされることも多かった。

本発明は、上述の情況に鑑み、マグネットポンプとして、一時的にドライ運転状態になったり、作業液が気液混合状態になっても、インペラ支軸の軸受部の破損が防止されると共に摩耗も抑制され、もって耐久性に優れて保全コストを低減できるものを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、図面の参照符号を付して示せば、ポンプケーシング１に固定された有底筒状のキャン２Ａ（２Ｂ）の外側に、駆動軸３Ａ（３Ｂ）と一体化して内周側に駆動マグネットＭ１を設けた駆動側保持筒４Ａ（４Ｂ）が配置すると共に、前記キャン２Ａ（２Ｂ）の内側に、インペラ支軸５Ａ（５Ｂ）に同心状に嵌装されて外周側に従動マグネットＭ２を設けた従動側保持筒６Ａ（６Ｂ）が配置し、前記駆動マグネットＭ１と従動マグネットＭ２との磁気吸引力により、駆動軸５Ａ（５Ｂ）の回転に伴って前記従動側保持筒６Ａ（６Ｂ）がインペラ支軸５Ａ（５Ｂ）を中心としてインペラ７Ａ（７Ｂ）と一体に回転するマグネットポンプにおいて、前記インペラ支軸５Ａ（５Ｂ）の軸受部８Ａ，８Ｂ（８Ｃ，８Ｄ）に、摺接面にダイヤモンドライクカーボン膜（以下、ＤＬＣ膜と略称する）を有するセラミック又は超硬材料からなる摺接部材（ブシュ８１，８４、スリーブ８２、スラストリング８３，８５）が介在していることを特徴としている。

そして、請求項２の発明は、前記ダイヤモンドライクカーボン膜を有する摺接部材が、軸受孔部に嵌装されるブシュ８１（８４）と、インペラ支軸５に嵌装されるスリーブ８２と、これらブシュ８１（８４）又は／及びスリーブ８２の端面に対接するスラストリング８３（８５）とから選択される少なくとも一つである構成としている。

また、このようなマグネットポンプにおいて、請求項３の発明は前記ＤＬＣ膜を有する摺接部材（８１〜８５）が炭化ケイ素又は単価タングステンからなる構成、請求項４の発明は前記ＤＬＣ膜の膜厚が０．１〜１０μｍである構成、請求項５の発明は前記ＤＬＣ膜を有する摺接面のビッカース硬度が９００〜２５００Ｈｖである構成、請求項６の発明は前記ＤＬＣ膜がプラズマイオン注入法によって成膜されたものからなる構成、をそれぞれ採用している。さらに、請求項７の発明は、請求項６のプラズマイオン注入法が、パルスブラズマ生成用のパルス高周波電源とイオン注入用の負の高電圧パルス電源とを重畳させ、基材周囲にプラズマを生成すると共に、プラズマ中のイオンを高電圧パルスによって基材中に引き込む高周波・高電圧パルス重畳方式であるものとしている。

請求項１の発明に係るマグネットポンプでは、インペラ支軸の軸受部に介在する摺接部材が摺接面にＤＬＣ膜を有しており、このＤＬＣ膜が極めて硬い上に非常に低摩擦であり、しかも基材のセラミック及び超硬材料に対する密着強度に優れることから、送液開始時や中断後の送液再開時に誤操作等によって一時的にドライ運転状態になっても、その間の該摺接面での摺動トルクが小さく抑えられ、荷重衝撃による破損が防止されると共に摩耗も殆ど生じず、またドライ運転後に充分な時間を空けずに液張りすることにより、摩擦発熱で昇温していた摺接部材が急冷されても、その熱衝撃による剥離やクラックが発生せず、健全な状態で以降の送液を行える。一方、作業液が前段でのエアー抜き不備や液から発生する気泡によって気液混合状態になった場合でも、該摺接部材の破損がなく摩耗も抑えられ、その後に正常運転に戻して支障なく送液を行える。

請求項２の発明によれば、前記ダイヤモンドライクカーボン膜を有する摺接部材が、軸受孔部に嵌装されるブシュと、インペラ支軸に嵌装されるスリーブと、これらブシュ又は／及びスリーブの端面に対接するスラストリングとから選択される少なくとも一つであることにより、一時的なドライ運転状態に対する軸受部の耐性の確保と摩耗防止を図り得ると共に、気液混合状態での軸受部の摩耗を抑えることができる。しかして、これら摺接部材の全てが摺接面にＤＬＣ膜を有するものであれば、最も好結果が得られることは言うまでもない。

請求項３の発明によれば、ＤＬＣ膜を有する摺接部材の素材が炭素含有材料の炭化ケイ素又は炭化タングステンであるため、ＤＬＣ膜が該素材に対して強い親和性に基づく大きな密着強度を示し、ドライ運転等で大きな荷重衝撃が加わってもＤＬＣ膜の界面剥離やクラックが防止される。

請求項４の発明では摺接部材の摺接面のＤＬＣ膜が特定範囲の厚みを有することから、また請求項５の発明では該ＤＬＣ膜を有する摺接面が特定範囲の硬度を有することから、共に当該摺接部材の耐磨耗性と強度を充分に確保でき、且つＤＬＣ膜形成に要するコスト負担を少なくできる。

請求項６の発明によれば、前記ＤＬＣ膜がプラズマイオン注入法による成膜であるため、摺接部材の三次元表面に対し、該ＤＬＣ膜を簡素な装置構成によって短時間で確実に且つ安価に形成できる。また、請求項７の発明では、そのプラズマイオン注入法が高周波・高電圧パルス重畳方式であるため、ＤＬＣ膜を均一で且つ厚みの大きいものとすることができる。

図１及び図２は本発明に係るマグネットポンプの第一実施形態、図３は同マグネットポンプの第一実施形態を示す。また、図４は高周波・高電圧パルス重畳方式のプラズマイオン注入法によるＤＬＣ膜の形成原理を示す模式図である。

第一実施形態のマグネットポンプは、図１に示すように、ケーシング１Ａが、液吸入口１１ａ及び液送出口１１ｂを備える前部ケーシング１１と、この前部ケーシング１１に前端フランジ部１２ａで環状フランジ部材１４及びボルト１５ａ…，１５ｂ…を介して連結された円筒状の中間ケーシング１２と、この中間ケーシング１２の後端フランジ部１２ｂに前端フランジ部１３ａでボルト１５ｃ…を介して連結された円筒状の後部ケーシング１３とから構成されている。そして、ケーシング１の内部は、前部ケーシング１１と中間ケーシング１２との間に介在する仕切り板１６により、前部ケーシング１１側のポンプ室１ａと、中間ケーシング１２側のマグネットカップリング室１ｂとに区割されている。また、後部ケーシング１３側には、図示省略したモーターによるポンプ駆動部が設けられている。

ケーシング１Ａ内の中心部には、前後方向に沿うインペラ支軸５Ａが、仕切り板１６を貫通してポンプ室１ａとマグネットカップリング室１ｂ間にわたって配置している。このインペラ支軸５Ａの前端には、ポンプ室１ａ内に配置するインペラ７Ａが、インペラナット７ａ及び係合キー５ａを介して相対回転不能に取り付けられている。また、マグネットカップリング室１ｂ内には、厚肉状の底部２ａを後方に向けた有底筒状のキャン２Ａが、前端フランジ部２ｂを前部ケーシング１１と環状フランジ部材１４との間に介在させると共に、該前端フランジ部２ｂを仕切り板１６にボルト１５ｄ…を介して固着することにより、インペラ支軸５Ａと同心状に配置している。そして、インペラ支軸５Ａは、前部において軸受部８Ａを介して仕切り板１６のボス部１６ａに、後端部において軸受部８Ｂを介してキャン２Ａの底部２ａの軸受孔部２ｃに、それぞれ回転自在に枢支されている。

図２に拡大して示すように、マグネットカップリング室１ｂの内部はキャン２Ａによって外側の駆動側空間１０ａと内側の従動側空間１０ｂとに液密に分画されると共に、従動側空間１０ｂが仕切り板１６に設けた透孔１６ｂ…によってポンプ室１ａに連通している。そして、駆動側空間１０ａには、後方から駆動軸３Ａがインペラ支軸５Ａと同心状に突入しており、この駆動軸３Ａに係合キー３ａ及びセットねじ３ｂを介して後端ボス部４ａを固着した駆動側保持筒４Ａが、その内周に設けた駆動マグネットＭ１とキャン２Ａの外周面との間に小間隙９ａを保つ状態に配置している。一方、従動側空間１０ｂには、インペラ支軸５Ａに係合キー５ｂを介して相対回転不能に嵌装された従動側保持筒６Ａが、従動マグネットＭ２を埋設した外周面とキャン２Ａの内周面との間に小間隙９ｂを保つ状態に配置している。

前後の軸受部８Ａ，８Ｂは共に、固定側である仕切り板１６のボス部１６ａの内側の軸受孔部１６ｃならびにキャン２Ａの軸受孔部２ｃに係止ピン１７ａを介して回転不能に係止されたブシュ８１と、回転側であるインペラ支軸５Ａに係合キー５ｂを介して相対回転不能に嵌装されたスリーブ８２及びスラストリング８３との３つの摺接部材より構成されている。また、スリーブ８２はブシュ８１の内側に配置すると共に、スラストリング８３は従動側保持筒６Ａの端面中央側の環状凹部６ａに嵌合してブシュ８１の端面と摺接するように配置している。なお、ブシュ８１の内周面はスリーブ８２の外周面と摺接するが、この内周面には軸方向に沿う複数本の循環溝８１ａ…が周方向に等配形成されている。

しかして、これら軸受部８Ａ，８Ｂのブシュ８１、スリーブ８２、スラストリング８３の３つの摺接部材は、いずれも表面全体にＤＬＣ膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）が形成された炭化ケイ素（ＳｉＣ）の如きセラミック又は炭化タングステン（ＷＣ）の如き超硬材料の成形物からなる。なお、キャン２Ａ及びインペラ支軸５ＡはＳＵＳ３１６等のステンレス鋼製である。

一方、インペラ支軸５Ａとその前端に螺着したインペラナット７ａには、その両者を軸心に沿って全長にわたって貫通する液流通孔２１が設けられ、またインペラ支軸５Ａの後端とキャン２Ａの軸受孔部１８との間には液溜め部２２を有しており、液溜め部２２とポンプ室１ａとが液流通孔２１によって連通すると共に、後側軸受部８Ｂにおけるブシュ８１内周とスリーブ８２外周との環状の摺接部分が後端側で液溜め部２２に臨んでいる。また、前側軸受部８Ａにおいても、仕切り板１６の軸挿通孔１６ｄとインペラ支軸７Ａとの間に液流通間隙２３が構成され、ブシュ８１内周とスリーブ８２外周との環状の摺接部分が前端側で液流通間隙２３に臨んでいる。更に、両軸受部８Ａ，８Ｂにおけるブシュ８１とスリーブ８２との摺接部は、外周側で従動側空間１０ｂに臨んでいる。

この第一実施形態のマグネットポンプにおいては、駆動軸３Ａの駆動によって駆動側保持筒４Ａが回転した際、その駆動マグネットＭ１と従動マグネットＭ２との磁気吸引力によって従動側保持筒６Ａがインペラ支軸５Ａと一体に従動回転し、もって該インペラ支軸５Ａと一体のインペラ７Ａの回転に伴う遠心ポンプ作用により、送り対象の作業液が液吸入口１１ａより吸入されて液送出口１１ｂより目的部位へ圧送される。

このマグネットポンプの正常な運転状態では、作業液が仕切り板１６の透孔１６ｂ及び小間隙９ｂを通して従動側空間１０ｂの全体に満ちている。そして、前側軸受部８Ａにおいては、作業液が、ポンプ室１ａから液流通間隙２３を通ってブシュ８１の循環溝８１ａ…に浸入し、該ブシュ８１とスリーブ８２との摺接部分に作業液が行き渡り、次いでブシュ８１とスラストリング８３との摺接部分に内側から浸入し、該摺接部分を経て外側へ滲出し、更に従動側空間１０ｂから透孔１６ｂａを通ってポンプ室１ａに戻り、該ポンプ室１ａ内の作業液と合流してインペラ７Ａによって送出される。また、後側軸受部８Ｂにおいても、作業液が、ポンプ室１ａから液流通孔２１を通って液溜め部２２に入り、この液溜め部２２からブシュ８１の循環溝８１ａ…に浸入し、該ブシュ８１とスリーブ８２との摺接部分に行き渡り、次いでブシュ８１とスラストリング８３との摺接部分に内側から浸入し、同様に従動側空間１０ｂの周辺側の小間隙９ｂを通って透孔１６ｂａからポンプ室１ａに戻る。従って、両軸受部８Ａ，８Ｂ共に、摺接部材（８１〜８３）同士が作業液を介在した状態で摺接し、この液の介在による潤滑作用で摺接部材（８１〜８３）の破損が防止されると共に摩耗も抑制され、また該作業液との熱交換による冷却作用で摺接部の摩擦発熱ならびにキャン２Ａの抵抗発熱に伴う温度上昇も回避される。

一方、送液開始時に呼び水を怠ったり、中断後の送液再開時にポンプ内の液レベルの確認を怠る等の誤操作等により、液が従動側空間１０ｂの全体に行きわたっていない状態で稼働するドライ運転状態になった場合、両軸受部８Ａ，８Ｂの摺接部材（８１〜８３）同士が液による潤滑作用なしにドライ摺接することになる。しかるに、両軸受部８Ａ，８Ｂの摺接部材であるブシュ８１、スリーブ８２、スラストリング８３は、いずれも表面全体にＤＬＣ膜を形成した炭化ケイ素の成形物からなり、このＤＬＣ膜が極めて硬い上に非常に低摩擦であることから、ドライ運転がある程度の時間継続しても、その間の該摺接面での摺動トルクが小さく抑えられ、荷重衝撃による破損が防止されると共に摩耗も殆ど生じず、以降の正常運転を支承なく行える。また、ドライ運転後に充分な時間を置かずに液張りすることにより、摩擦発熱で昇温していた摺接部材（８１〜８３）が急冷されても、その熱衝撃による剥離やクラックが発生せず、健全な状態で以降の送液を行える。

更に、作業液が前段でのエアー抜き不備や液から発生する気泡によって気液混合状態になった場合は、その気泡が摺接部材（８１〜８３）の摺接部分に入り込むことにより、両軸受部８Ａ，８Ｂは断続的にドライ摺接することになる。しかるに、この場合でも、摺接部材（８１〜８３）は、摺接表面が非常に低摩擦で極めて硬いＤＬＣ膜からなると共に、該ＤＬＣ膜が基材のセラミック又は超硬材料に対して強固に密着しているため、その間に摩耗を殆ど生じず、その後に正常運転に戻して支障なく送液を行えると共に、作業液の種類等によって気液混合状態の発生頻度が高くなっても摩耗は軽微に抑えられるので、長期にわたって継続使用できる。

なお、上記のドライ運転や気液混合運転になっていることは、吐出圧力の不足、液流の停止や変動、電流値の異常低下等で知ることができる。

図３に示す第二実施形態のマグネットポンプは、ケーシング１Ｂが、液吸入口３１ａ及び液送出口３１ｂを備える前部ケーシング３１と、この前部ケーシング３１に前端フランジ部３２ａでボルト１５ｅ…を介して連結された円筒状の中間ケーシング３２と、この中間ケーシング３２の後端フランジ部３２ｂに前端フランジ部３３ａでボルト１５ｆ…を介して連結された円筒状の後部ケーシング３３とから構成されている。また、ケーシング１Ｂ内には、有底筒状のキャン２Ｂが、前部ケーシング３１と中間ケーシング３２との対向端面間に前端フランジ部２ｅを挟持させることにより、底部２ｆを後方に向けて配置している。そして、このキャン２Ｂによってケーシング１Ｂ内は、該キャン２Ｂの外側の駆動側空間２０ａと、該キャン２Ｂの内側から前部ケーシング３１側のポンプ室３０にわたる従動側空間２０ｂとに区画されている。後部ケーシング３３側には、図示省略したモーターによるポンプ駆動部が設けられている。

駆動側空間筒２０ａには、後方から駆動軸３Ｂがキャン２Ｂと同心状に突入しており、この駆動軸３Ｂにキー溝３ｃ及びセットねじ３ｄを介して後端ボス部４ｂを固着した駆動側保持筒４Ｂが、その内周に設けた駆動マグネットＭ１とキャン２Ｂの外周面との間に小間隙９ｃを保つ状態に配置している。

一方、従動側空間２０ｂには、キャン２Ｂの中心線に沿うインペラ支軸５Ｂが、断面切欠円形の前端部５ｃを前部ケーシング３１に一体形成されたボス部３１ｃに挿嵌すると共に、後端部５ｄをキャン２Ｂの底部２ｆの内面側中央に形成されたボス部２ｇに挿嵌することにより、回転不能に保持されている。しかして、キャン２Ｂ内には、インペラ支軸５Ｂに前後の軸受部８Ｃ，８Ｄを介して回転自在に嵌装された従動側保持筒６Ｂが、従動マグネットＭ２を埋設した外周面とキャン２Ｂの内周面との間に小間隙９ｄを保つ状態に配置している。また、ポンプ室３０内には、該従動側保持筒６Ｂの前端に一体的に取り付けられたインペラ７Ｂが配置している。

前側軸受部８Ｃは、回転側である従動側保持筒６Ｂの前端面中央側の環状凹部６ｂに嵌合し、且つ係止ピン１７ｂを介して該従動側保持筒６Ｂに係止されたブシュ８４と、インペラ支軸５Ｂの断面切欠円形の前端部５ａに回転不能に嵌装されたスラストリング８５との二つの摺接部材によって構成され、ブシュ８４が内周面でインペラ支軸５Ｂの外周面に摺接すると共に、該ブシュ８４の前端面がスラストリング８５の後端面に摺接するようになっている。また、後側軸受部８Ｄは、従動側保持筒６Ｂの後端側に前端側と同様に嵌装係止されたブシュ８４のみを摺接部材として、該ブシュ８４が内周面でインペラ支軸５Ｂの外周面に摺接する構成になっている。なお、ブシュ８４は、内周面に軸方向に沿う複数本の循環溝８４ａ…が等配形成されると共に、外側端面にも複数本の半径方向の循環溝８４ｂ…が等配形成されている。

しかして、両軸受部８Ｃ，８Ｄの摺接部材であるブシュ８４とスリーブ８５は、第一実施形態における軸受部８Ａ，８Ｂの摺接部材（８１〜８３）と同様に、いずれも表面全体にＤＬＣ膜が形成された炭化ケイ素（ＳｉＣ）の如きセラミック又は炭化タングステンの如き超硬材料の成形物からなる。また、インペラ支軸５Ｂは、前後の両軸受部８Ｃ，８Ｄにおいてブシュ８４と摺接するため、炭化ケイ素の如きセラミックからなる成形物を用いている。

この第二実施形態のマグネットポンプは、インペラ支軸固定型であり、駆動軸３Ｂの駆動によって駆動側保持筒４Ｂが回転した際、その駆動マグネットＭ１と従動マグネットＭ２との磁気吸引力により、従動側保持筒６Ｂがインペラ支軸５Ｂを中心としてインペラ７Ｂと一体に従動回転し、このインペラ７Ｂの回転に伴う遠心ポンプ作用により、送り対象の作業液が液吸入口３１ａより吸入されて液送出口３１ｂより目的部位へ圧送される。そして、正常な運転状態においては、作業液が従動側空間２０ｂの全体に満ちており、ポンプ室の作業液の一部が、インペラ７Ｂの基部内周と前側軸受部８Ｃのスラストリング８５の外周との間を通ってブシュ８４の外側端面の循環溝８４ｂ…へ浸入し、このブシュ８４とスラストリング８５との摺接部分に行き渡り、次いで内周の循環溝８４ｂ…へ浸入してインペラ支軸５Ｂとの摺接部分に行き渡り、更に該インペラ支軸５Ｂと従動側保持筒６Ｂとの間の環状空間を通って後側軸受部８Ｄのブシュ８４の内周の循環溝８４ｂ…へ浸入し、インペラ支軸５Ｂとの摺接部分に行き渡った上で当該ブシュ８４の外側端面の循環溝８４ｂ…より従動側空間２０ｂの周辺側へ向かい、小間隙９ｄを通ってポンプ室３０へ戻り、該ポンプ室３０内の作業液と共にインペラ７Ｂによって送出される。従って、両軸受部８Ｃ，８Ｄの各摺接部分には作業液が介在し、その潤滑作用でインペラ７Ｂの円滑な回転が確保され、摺接部材（８４，８５）の破損が防止されると共に、摺接部材（８４，８５）とこれらに摺接するインペラ支軸５Ｂ表面の摩耗も抑制され、また該作業液との熱交換による冷却作用で摺接部の摩擦発熱ならびにキャン２Ｂの抵抗発熱に伴う温度上昇も回避される。

一方、送液開始時に呼び水を怠ったり、中断後の送液再開時にポンプ内の液レベルの確認を怠る等の誤操作等により、液が従動側空間２０ｂの全体に行きわたっていない状態で稼働するドライ運転状態になったり、作業液が前段でのエアー抜き不備や液から発生する気泡によって気液混合状態になっても、前記第一実施形態と同様に、摺接部材のブシュ８４及びスリーブ８５の表面が非常に低摩擦で極めて硬いＤＬＣ膜であって、且つ基材のセラミックや超硬材料に対する該ＤＬＣ膜の密着強度が優れるため、その間の該摺接面での摺動トルクが小さく抑えられ、荷重衝撃による破損が防止されると共に摩耗も殆ど生じず、異常検知後に正常運転に戻して支障なく送液を行えると共に、ドライ運転後に充分な時間を置かずに液張りしても、熱衝撃による剥離やクラックを生じない。

なお、本発明のマグネットポンプにあっては、軸受部の摺接部材は、前記第一及び第二実施形態のように表面全体にＤＬＣ膜を設ける必要はなく、摺接面に該ＤＬＣ膜を有しておればよい。また、前記第一実施形態の前後両軸受部８Ａ，８Ｂや第二実施形態の前側軸受部８Ｃのように、軸受部に複数種の摺接部材が介在する場合、全部の摺接部材の摺接面にＤＬＣ膜を有することが理想的であるが、本発明は摺接面に該ＤＬＣ膜を有する摺接部材と該ＤＬＣ膜を有さない摺接部材との組み合わせ構成を包含する。更に、本発明においては、ケーシングの構造、これに対するキャンの取付構造、駆動軸と駆動側保持筒との連結構造、インペラの形状、該インペラと従動側保持筒との連結構造、軸受部に介在させる摺接部材の種類及び組合せと保持構造、軸受部の摺接部分に作業液を行き渡らせるための液通路構成等、細部構成については実施形態以外に種々設計変更可能である。

ここで、軸受部の摺接部材の摺接面に設けるＤＬＣ膜の形成手段としては、種々の方法が知られるが、ブシュの内周面やスリーブの外周面等の三次元表面部（非平面部）に対する成膜性及び密着性等の面よりプラズマイオン注入法（非特許文献１，２）が好適である。すなわち、このプラズマイオン注入法は、プラズマに浸した基材に負の高電圧パルスを印加して、基材表面に形成されるシース電場でイオン（ＤＬＣ膜では炭素イオン）を加速して注入するものであり、基材表面に沿ってイオンシースができるため、三次元表面部へ均等にイオン注入できると共に、基材周囲のプラズマから直接にイオンを引き出すのでビーム電流を大きくとれ、短時間で高密度のイオン注入を行える。また、プラズマの制御によって低温プロセスが可能であり、装置構成も比較的単純で安価に製作できるという利点がある。
J.R.Conrad,L.A.Dodd,F.G.Worzarz and N.C.Tran:Plasma source ion-implantation technique for surfsce modiffication of materials,J.Appl.Phys.62p4591-4596(1987) Ed.By A.Anders:Handbook of Plasma Immersion Ion Implantat-ion and Deposition,John Wiley & Sons,INC.(2000)

また、このようなプラズマイオン注入法の中でも、高周波（ＲＦ）・高電圧パルス重畳方式（特許文献５等）は、厚膜で均一性及び密着性に優れたＤＬＣ膜を形成できることから、本発明のマグネットポンプの軸受部に用いる摺接部材のＤＬＣ膜形成手段として特に推奨される。この高周波・高電圧パルス重畳方式は、例えば図４に示すように、内部に被処理物Ｍを配置させた真空容器Ｂ内を排気管Ｏより真空吸引した上で、該真空容器Ｂ内で給気管Ｉからプラズマ形成ガスを導入し、プラズマ生成用のパルス高周波電源Ｓ１とイオン注入用の高電圧パルス電源Ｓ２とを重畳整合回路Ｃによって重畳（相互の誘導障害を防止しながら、お互いに結合する）させ、この重畳した電力を導体Ｌを介して被処理物Ｍに印加することにより、被処理物Ｍの周囲にプラズマＰを発生させると共に、このプラズマＰ中のイオンを負の高電圧パルスによって被処理物Ｍに誘引・注入させ、また該イオンのラジカル種の堆積中にもイオン注入を伴いがら成膜を行うものである。なお、図中のＦは、真空容器Ｂの導体挿通部に介在して高電圧を真空容器Ｂから絶縁するフィードスルーである。
特開２００１−２６８８９

この高周波（ＲＦ）・高電圧パルス重畳方式によるＤＬＣ膜は、被処理物Ｍへのプラズマ表面調整、表層へのイオン注入、成膜の３段階を経て形成され、真空容器Ｂ内への導入ガスとして、表面調整段階ではアルゴンやメタン等、イオン注入段階では窒素、メタン、アセチレン等、成膜段階ではアセチレン、プロバン、トルエン等がそれぞれ使用される。しかして、各段階での導入ガスの種類と導入流量、真空度、高周波電力とパルス幅、注入電圧とパルス幅、遅延時間、繰り返し数等の設定により、ＤＬＣ膜の厚みや硬さ等を調整できる。

ここで、本発明のマグネットポンプの軸受部に用いる摺接部材の摺接面に形成するＤＬＣ膜は、膜厚が０．１〜１０μｍ程度の範囲、ビッカース硬度が９００〜２５００Ｈｖ程度の範囲に設定することが推奨される。しかして、ＤＬＣ膜の膜厚が薄過ぎたり、硬度が低過ぎる場合は、摺接面の充分な耐久性が得られない。また逆に、膜厚が厚過ぎたり、硬度が大き過ぎるＤＬＣ膜は、成膜コストが高く付くわりに、それによる耐久性の向上は僅かであるため、不経済である。なお、このような膜厚及び硬度範囲のＤＬＣ膜を形成する上で、高周波の加速電圧及びイオンの注入電圧は１〜３０ｋＶの範囲がよい。

一方、摺接部材の形成材料としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）等の硬質のセラミック材料、ならびに炭化タングステン（ＷＣ）の如き超硬材料を使用できるが、特に炭化ケイ素又は炭化タングステンは組成中に炭素を含むためにＤＬＣ膜との親和性がよく、アルミナや窒化ケイ素等の他の材料よりも該ＤＬＣ膜の密着強度に優れるという利点がある。しかして、炭化タングステンの如き超硬材料は、靱性を有するために性能的にはセラミックよりも優れるが、高価であることに加えて複雑な形状に成形しにくいことから、既述の３種の摺接部材の中でもスリーブ用として推奨される。なお、窒化ケイ素（標準ＳｉＣ）からなる摺接部材に対し、その表面にＤＬＣ膜を設けた摺接部材の静摩擦係数は約１／４に低減する。

ところで、ＤＬＣ膜はステンレス鋼を始めとする金属表面にも支障なく形成できるが、金属素材の表面にＤＬＣ膜を設けた摺接部材をマグネットポンプの軸受部に用いた場合、ドライ運転や作業液の気液混合等あった際、セラミックや超硬材料に比べてＤＬＣ膜の密着強度が劣るため、ＤＬＣ膜に亀裂や剥離を生じ易く、耐久性が不充分になる。

〔ドライ運転による性能テスト１〕
図１及び図２に示す構成で最大吐出量１，１００Ｌ／分の大型マグネットポンプにおいて、前後の軸受部８Ａ，８Ｂのブシュ８１、スリーブ８２、スラストリング８３の３種の摺接部材として、標準ＳｉＣよりなる成形物表面に、高周波・高電圧パルス重畳方式のプラズマイオン注入法によって膜厚約２μｍでビッカース硬度１６００ＨｖのＤＬＣ膜を設けたものを使用した本発明のポンプＰ１と、ＤＬＣ膜を設けていない標準ＳｉＣよりなる成形物を使用した従来構成のポンプＰ２とを用い、回転数を３６００ｒｐｍ（スリーブ８２の周速約６ｍ／分、軸受荷重約３．７ｋｇ）に設定して作業液なしのドライ運転を行った。

その結果、ＤＬＣ膜のない摺接部材を用いた従来構成のポンプＰ２では、運転開始から２秒後に異音の発生と共にポンプが停止し、手回しも不能な状態に陥った。そして、この停止したポンプ内部を調べたところ、前側軸受部８Ａのブシュ８１及びスリーブ８２と後側軸受部８Ｂのブシュ８１が破損していた。これに対し、ＤＬＣ膜を有する摺接部材を用いた本発明のポンプＰ１では、運転開始から８０秒後にスイッチ操作で運転を停止させたが、この間の異音の発生はない上、停止後のポンプ内部を調べたところ、前部の摺接部材のいずれにも異常がなく、摩耗も生じていなかった。なお、このポンプＰ１を運転開始後８０秒で停止させたのは、長時間のドライ運転継続によるキャン２Ａの高温化を回避するためである。

〔ドライ静摩擦係数の測定〕
上記性能テスト１における本発明のポンプＰ１に使用するＤＬＣ膜を有するスラストリング８２と、従来構成のポンプＰ２に使用するＤＬＣ膜のないスラストリングについて、ドライ静摩擦係数を測定したところ、後者のドライ静摩擦係数が０．３９１であるのに対し、前者のドライ静摩擦係数は約１／４の０．０９９という結果が得られた。従って、ＤＬＣ膜の表面はＳｉＣ表面に比較して極めて低摩擦であることが判る。

〔気液混合運転による性能テスト〕
ドライ運転による性能テスト１に用いたものと同様構成の本発明のポンプＰ１及び従来構成のポンプＰ２を用い、水道水に対して容積比約５０％の空気が混ざった気液混合状態の作業液を送液対象として、回転数を３６００ｒｐｍ（スリーブ８２の周速約６ｍ／分、軸受荷重約３．７ｋｇ）に設定して１５分間の気液混合運転を行った。この運転後のポンプ内部を調べたところ、従来構成のポンプＰ２では後側軸受部８Ｂのブシュ８１及びスリーブ８２に摩耗を生じていたが、本発明のポンプＰ１では両軸受部８Ａ，８Ｂ共に３種の摺接部材はいずれも全く異常がなく、テスト前同様の良好な状態を保っていた。なお、運転時間を１５分としたのは、前記同様にキャン２Ａの高温化を回避するためである。

〔ドライ運転による性能テスト２〕
図１及び図２に示す構成で最大吐出量１００Ｌ／分の小型マグネットポンプにおいて、前後の軸受部８Ａ，８Ｂのブシュ８１、スリーブ８２、スラストリング８３の３種の摺接部材として、標準ＳｉＣよりなる成形物表面に高周波・高電圧パルス重畳方式のプラズマイオン注入法によって膜厚約２μｍでビッカース硬度１６００ＨｖのＤＬＣ膜を設けたものを使用した本発明のポンプＰ３と、ＤＬＣ膜を設けていない標準ＳｉＣよりなる成形物を使用した従来構成のポンプＰ４とを用い、回転数を３６００ｒｐｍ（スリーブ８２の周速約４．７ｍ／分、軸受荷重約１ｋｇ）に設定して作業液なしのドライ運転を行った。

その結果、ＤＬＣ膜のない摺接部材を用いた従来構成のポンプＰ４では、毎回摺接部材を交換して行った３回のテストで、１回目は運転開始から４５秒後、２回目は同２秒後、３回目は同５秒後に、それぞれ異音が発生した。そして、各テスト後に内部を調べたところ、両軸受部８Ａ，８Ｂのブシュ８１とスリーブ８２が共に破損していた。これに対し、ＤＬＣ膜を有する摺接部材を用いた本発明のポンプＰ３では、摺接部材を交換せずに、１回目１５分、２回目３０分、３回目１時間の延べ１時間４５分の運転を行ったが、異音を生じなかった。そして、この３回目の運転終了直後にポンプＰ３のポンプ内部を調べたところ、ブシュ８１の循環溝８１ａに極微量の摩耗粉の付着が認められたが、両軸受部８Ａ，８Ｂ共に３種の摺接部材のいずれにも異常はなかった。また、ヒートラベルによる温度測定では、テスト直後における後側軸受部８Ｂのブシュ８１の温度は１６６℃以上に上昇していたが、前側軸受部８Ｂのブシュ８１の温度は１０４℃以下であり、キャン２Ａは２００〜２５０℃のテンパーカラーを呈していた。

〔耐熱衝撃テスト〕
上記のドライ運転による性能テスト２に用いたものと同様構成の本発明のポンプＰ２を用い、回転数を３６００ｒｐｍ（スリーブ８２の周速約４．７ｍ／分、軸受荷重約１ｋｇ）に設定して作業液なしのドライ運転を行い、運転開始から１時間経過した時点でケーシング１Ａ内に常温の水を流し込むことにより、ドライ運転後の急激な液張りによる熱衝撃（ヒートショック）を想定したテストを行った。しかして、１時間のドライ運転は上記のドライ運転による性能テスト２における３回目のテスト運転と同条件であるため、運転後の回転側のブシュ８１の温度は１６６℃以上に達しているものと推定されるが、テスト後の３種の摺接部材はいずれも剥離やクラックの発生がなく全く健全であった。

〔ドライ運転による性能テスト３〕
図３に示す構成で最大吐出量１００Ｌ／分の小型マグネットポンプにおいて、前後の軸受部８Ａ，８Ｂのブシュ８１及びスラストリング８３として、前記同様に標準ＳｉＣよりなる成形物表面に高周波・高電圧パルス重畳方式のプラズマイオン注入法によって膜厚約２μｍでビッカース硬度１６００ＨｖのＤＬＣ膜を設けたものを使用すると共に、スリーブ８２として炭化タングステンの基材表面に同様のＤＬＣ膜を設けたものを使用し、回転数を３６００ｒｐｍ（スリーブ８２の周速約４．７ｍ／分、軸受荷重約１ｋｇ）に設定し、作業液なしのドライ運転を１時間行ったが、異音の発生はなかった。この運転停止後のポンプ内部を調べたところ、ブシュ８１の循環溝８１ａに極微量の摩耗粉の付着が認められたが、両軸受部８Ａ，８Ｂの３種の摺接部材に異常は認められなかった。

〔ドライ運転による性能テスト４〕
図３に示す構成で最大吐出量１００Ｌ／分の小型マグネットポンプにおいて、前後の軸受部８Ａ，８Ｂのブシュ８１として、前記同様に標準ＳｉＣよりなる成形物表面に高周波・高電圧パルス重畳方式のプラズマイオン注入法によって膜厚約２μｍでビッカース硬度１６００ＨｖのＤＬＣ膜を設けたものを使用すると共に、スリーブ８２及びスラストリング８３としてＳＵＳ３１６の基材表面に同様のＤＬＣ膜を設けたものを使用し、回転数を３６００ｒｐｍ（スリーブ８２の周速約４．７ｍ／分、軸受荷重約１ｋｇ）に設定して作業液なしのドライ運転を行ったところ、運転開始から９分２５秒後に異音が発生したため、運転を停止した。この運転停止後のポンプ内部を調べたところ、両軸受部８Ａ，８Ｂ共にブシュ８１には異常はなかったが、後側軸受部８Ｂにおけるスリーブ８２はＤＬＣ膜が摩耗してＳＵＳ３１６基材の地肌が出た箇所があり、また前側軸受部８Ｂにおけるスリーブ８２にも若干の摩耗が認められると共に、従動側空間１ｂの底部にＤＬＣ膜の摩耗粉が溜まっていた。この結果から、軸受部の摺接部材は、摺接面にＤＬＣ膜を設けていても基材が金属である場合は、基材がセラミックとりわけ炭化ケイ素や超硬材料の炭化タングステンであるものに比較して充分な密着強度及び耐摩耗性が得られず、ドライ運転等の誤操作があった際に急速にＤＬＣ膜が損なわれてしまうことが判る。

本発明に係る第一実施形態のマグネットポンプの縦断側面図である。 同マグネットポンプの要部を拡大して示す縦断側面図である。 本発明に係る第二実施形態のマグネットポンプの縦断側面図である。 高周波・高電圧パルス重畳方式のプラズマイオン注入法によるダイヤモンドライクカーボン膜の形成原理を示す模式図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ ポンプケーシング
２Ａ，２Ｂ キャン
３Ａ，３Ｂ 駆動軸
４Ａ，４Ｂ 駆動側保持筒
５Ａ，５Ｂ インペラ支軸
６Ａ，６Ｂ 従動側保持筒
７Ａ，７Ｂ インペラ
８Ａ，８Ｃ 前側軸受部
８Ｂ，８Ｄ 後側軸受部
８１，８４ ブシュ
８２ スリーブ
８３，８５ スラストリング
Ｍ１ 駆動マグネット
Ｍ２ 従動マグネット

Claims (7)

1. ポンプケーシングに固定された有底筒状のキャンの外側に、駆動軸と一体化して内周側に駆動マグネットを設けた駆動側保持筒が配置すると共に、前記キャンの内側に、インペラ支軸に同心状に嵌装されて外周側に従動マグネットを設けた従動側保持筒が配置し、前記駆動マグネットと従動マグネットとの磁気吸引力により、駆動軸の回転に伴って前記従動側保持筒がインペラ支軸を中心としてインペラと一体に回転するマグネットポンプにおいて、
   前記インペラ支軸の軸受部に、摺接面にダイヤモンドライクカーボン膜を有するセラミック又は超硬材料からなる摺接部材が介在していることを特徴とするマグネットポンプ。
2. 前記ダイヤモンドライクカーボン膜を有する摺接部材が、軸受孔部に嵌装されるブシュと、インペラ支軸に嵌装されるスリーブと、これらブシュ又は／及びスリーブの端面に対接するスラストリングとから選択される少なくとも一つである請求項１記載のマグネットポンプ。
3. 前記ダイヤモンドライクカーボン膜を有する摺接部材が炭化ケイ素又は炭化タングステンからなる請求項１又は２に記載のマグネットポンプ。
4. 前記ダイヤモンドライクカーボン膜の膜厚が０．１〜１０μｍである請求項１〜３のいずれかに記載のマグネットポンプ。
5. 前記ダイヤモンドライクカーボン膜を有する摺接面のビッカース硬度が９００〜２５００Ｈｖである請求項１〜４のいずれかに記載のマグネットポンプ。
6. 前記ダイヤモンドライクカーボン膜がプラズマイオン注入法によって成膜されたものからなる請求項１〜５のいずれかに記載のマグネットポンプ。
7. 前記プラズマイオン注入法が、パルスブラズマ生成用のパルス高周波電源とイオン注入用の負の高電圧パルス電源とを重畳させ、基材周囲にプラズマを生成すると共に、プラズマ中のイオンを高電圧パルスによって基材中に引き込む高周波・高電圧パルス重畳方式である請求項６記載のマグネットポンプ。
   

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