JP2014001670A - 一軸偏心ねじポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】吐出圧力が高くラジアル荷重が大きい場合であってもスラスト軸受との摺動面が早期に摩耗することが無く、耐食性の観点からステータ外筒にチタンを使用した場合であっても、ステータを円滑に回転させることができ、長期の使用で摩耗した場合であっても摩耗粉が食品に混入することが防止または抑制され、仮に摩耗した場合であっても食品圧送の用途でも安心して使用できるステータ回転型の一軸偏心ねじポンプを提供する。
【解決手段】この一軸偏心ねじポンプ１は、回転可能に支承されるステータ４を内筒と外筒とから構成し、ステータ４にかかるラジアル荷重を樹脂製もしくは金属表面に樹脂を被覆したラジアル軸受５、６で支承し、ステータ外筒の摺動面４ｃにイオンプレーティング法によって成膜される食品衛生法に適合した１〜３μｍのダイヤモンドライクカーボン膜４０を被覆した。
【選択図】図１

Description

本発明は、食料原料、化学原料、下水汚泥などの粘性液（輸送物）を定量圧送する一軸偏心ねじポンプに関する。

従来、この種の一軸偏心ねじポンプとして、例えば図２に示す構造のものが知られている。この一軸偏心ねじポンプ１００は、雌ねじ状の内面をもつ固定されたステータ１１２に雄ねじ状のロータ１０３が内装されている。ロータ１０３は、自在継手（ユニバーサルジョイント）１０６を介して駆動軸１０２に連結され、駆動軸１０２は、カップリング１０４を介してモータ１０１のシャフト１０１ａに連結されている。この一軸偏心ねじポンプ１００によれば、駆動軸１０２をモータ１０１で回転させることにより、ステータ１１２の軸心に対してロータ１０３が回転しつつ偏心運動を行うことによって粘性液を吸入側１１３から吸込み部１１５を介して吐出側１１４へ圧送することができる。

しかし、この一軸偏心ねじポンプ１００は、ステータ１１２が固定されているので、ロータ１０３が大きな反力を受けながら回転する。そのため、ステータ１１２内面の直線状部分が磨耗し易く、性能が早期に低下する欠点がある。また、ロータ１０３の回転軸線がステータ１１２の軸線を中心として公転することから、駆動軸１０２とロータ１０３との間に自在継手１０６を介在させる必要がある。そのため、ポンプの構造が複雑になるばかりでなく、吸込み部１１５における粘性液の流入を阻害するとともに、食品の圧送等に使用する場合、自在継手の分解組立に手間がかかるとともに内部の洗浄、清掃が困難であるといった間題があった。

これらの問題を解決するために、例えば特許文献１に示される、ステータ回転型の一軸偏心ねじポンプが提案されている。例えば図３に示すように、この一軸偏心ねじポンプ２００は、ステータ２１２を回転可能に支承するとともに、ロータ２０３を駆動軸２０２の先端部に一体に設けている。駆動軸２０２に固定されたロータ２０３は、その回転軸線Ｌ２がステータ２１２の回転軸線Ｌ１から所定距離（Ｅ）だけ偏心するように構成され、ステータ２１２が、ロータ２０３の１／２の回転速度で同一方向に回転するようになっている。同文献記載の技術では、食品衛生法適合の樹脂やセラミックスなどの材料で作られた軸受１０５，１０６でステータ２１２を回転可能に支承するとともに、ステータ２１２の両端部にサニタリー性を有する軸シール１０７，１０８を装着している。特許文献１に示される一軸偏心ねじポンプ２００によれば、ロータ２０３の回転にともないステータ２１２がロータ２０３の１／２の回転速度で同一方向に回転するので、上述のような自在継手の介在を不要として簡素な構造とすることができる。そのため、吸込み部２１５における粘性液の流入を阻害することもなく、分解組立性や清掃性・洗浄性において大きく改善される。

しかし、特許文献１に示される一軸偏心ねじポンプ２００のように、ステータ２１２を支承する軸受１０５，１０６に対し、その軸受材料にセラミックスを用いた場合、清水での潤滑が必要である。また、軸受材料に樹脂を用いた場合であっても、特にスラスト方向の摩擦抵抗が大きくなることから、軸受表面に食品用グリスを塗布して摩擦係数の低減を図る必要がある。

これに対し、例えば特許文献２に示される一軸偏心ねじポンプでは、図４に示す一軸偏心ねじポンプ３００のように、ステータ２１２の両端を円筒形の自己潤滑樹脂製のラジアル軸受１０５，１０６と、２層構造もしくは３層構造のグリス密封式のスラスト軸受１３０，１３０で支承している。この一軸偏心ねじポンプ３００によれば、ステータ２１２を回転自在に支承する軸受が、ラジアル方向の荷重とスラスト方向の荷重を別個の軸受（つまり、ラジアル軸受１０５，１０６とスラスト軸受１３０，１３０）によって支持する構成なので、分解組立性や清掃性・洗浄性を向上させつつ、ステータ２１２のスラスト方向の摩擦抵抗を抑制することができる。また、スラスト軸受１３０，１３０は、２層構造もしくは３層構造のグリス密封式なので、スラスト方向の摩擦抵抗を抑制（摩擦係数が０．０５程度まで抑制）する上で好適である。

特開２００９−２９３５２９号公報 特開２０１２−１７６６０号公報

しかしながら、特許文献２に示される、一軸偏心ねじポンプ３００は、ラジアル軸受１０５，１０６との摺動面２１３を有するステータ外筒２２０がステンレス製の場合には、ラジアル軸受１０５，１０６との摩擦係数が０．２程度であるところ、耐食性の観点からステータ外筒２２０にチタンを使用した場合には、チタンとラジアル軸受１０５，１０６との摩擦係数が０．３（以上）と大きくなり、ステータ２１２のスムーズな回転を阻害するという問題があった。

また、ラジアル軸受１０５，１０６とステータ外筒２２０との摺動面２１３の摩耗に関しても、吐出圧力が高くラジアル荷重が大きい場合、ステンレス製のステータ外筒２２０のラジアル軸受１０５，１０６との摺動面２１３が早期に摩耗するという問題があった。
これら問題点に対する対策として、ステータ外筒２２０の摺動面２１３にセラミクスコーティングを施すことも考えられるが、セラミクスコーティングを施す場合、長期の使用においては、被膜が剥離して食品に混入するおそれがあるため、対策として不十分である。

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、吐出圧力が高くラジアル荷重が大きい場合であってもラジアル軸受との摺動面の早期摩耗を防止または抑止し、耐食性の観点からステータ外筒にチタンを使用した場合であっても、ステータをスムーズに回転させることができ、また、長期の使用で摺動面が摩耗した場合に、食品圧送の用途であっても食品への摩耗粉の混入が防止または抑制され、仮に摺動面が摩耗した場合であっても、食品圧送の用途でも安心して使用することができるステータ回転型の一軸偏心ねじポンプを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る一軸偏心ねじポンプは、回転可能に支承されるステータと、駆動軸に固定されたロータとを備え、前記ロータの回転軸線が前記ステータの回転軸線から所定距離偏心するように構成された一軸偏心ねじポンプにおいて、前記ステータにかかるラジアル荷重を樹脂製もしくは金属表面に樹脂を被覆したラジアル軸受で支承し、該ラジアル軸受に支承される前記ステータの摺動面に、イオンプレーティング法によって成膜される食品衛生法に適合したダイヤモンドライクカーボン膜を被覆したことを特徴とする。
本発明の一態様に係る一軸偏心ねじポンプにおいて、前記ダイヤモンドライクカーボン膜の厚さは、１〜３μｍであることは好ましい。

本発明によれば、ステータが内筒と外筒とから構成され、外筒の摺動面にイオンプレーティング法によって成膜されるダイヤモンドライクカーボン膜が被服されているので、ダイヤモンドライクカーボン膜の摩擦係数が０．１５以下と小さく、また、ビッカース硬度も１０００〜３５００ＨＶと高硬度であることから、吐出圧力が高くラジアル荷重が大きい場合であってもラジアル軸受との摺動面が早期に摩耗することが防止または抑制される。
また、耐食性の観点からステータの外筒にチタンを使用した場合であっても、ダイヤモンドライクカーボン膜をチタン表面に被覆することで、ラジアル軸受との摩擦抵抗を大幅に改善でき、ステータをスムーズに回転させることができる。

また、食品衛生法に適合した１〜３μｍのダイヤモンドライクカーボン膜で摺動面を被覆すれば、膜厚を１μｍ以上とすることで、摺動面が長期の使用で摩耗した場合であってもセラミクスコーティングの場合のように被膜が剥離して、食品に混入することが防止または抑制される。また、仮に摺動面が摩耗した場合であっても、その摩耗粉が３μｍ以下の食品衛生法に適合した微細粉であることから、食品圧送の用途でも安心して使用することができる。なお、ダイヤモンドライクカーボン膜の厚さが１μｍ未満であると、摺動面が長期の使用で摩耗し易くなるし、また、３μｍを超えると、剥離した摩耗粉が大きくなるので、食品圧送の用途で好ましくない。

本発明に係る一軸偏心ねじポンプの一実施形態の側面図である。なお、同図では要部を軸線に沿った断面にて示している（以下同様）。 従来の一軸偏心ねじポンプの側面図である。 従来の一軸偏心ねじポンプの側面図である。 従来の一軸偏心ねじポンプの側面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１に示すように、この一軸偏心ねじポンプ１は、不図示のモータが収容されるブラケット１１を有する。ブラケット１１には、モータの駆動軸３側の面１１ａにハウジング７が装着されている。ハウジング７は、吸込側（同図の右側）から順に、吸込部７ａ、本体部７ｂおよび吐出部７ｃを備えて構成されている。ハウジング７の吸込部７ａには圧送流体の吸込口８が形成され、また、吐出部７ｃには圧送流体の吐出口９が形成されている。そして、この一軸偏心ねじポンプ１は、このハウジング７内に、雄ねじ状のロータ２と、雌ねじ状の内面をもつステータ４とを備えている。

ロータ２は、先端側の雄ねじ状の螺旋部２ａと、直線状の基端部２ｂとから構成されている。基端部２ｂは、自在継手（ユニバーサルジョイント）を用いることなくモータの駆動軸３に直結されている。螺旋部２ａは自身の回転軸線Ｌ２に対して偏心した円形断面を有し、この螺旋部２ａが、雌ねじ状の長円形断面を内面に形成したステータ４に内装されている。ロータ２の回転軸線Ｌ２は、ステータ４の回転軸線Ｌ１に対して、所定の偏心量Ｅだけ偏心するように配置されており、ロータ２が回転しつつステータ４の軸心に対して偏心運動を行うことによって流体を吸入側から吐出側へ圧送可能になっている。
ここで、上記ステータ４は、その両端がラジアル軸受５，６、およびスラスト軸受３０，３０によって回転自在に支承されている。

詳しくは、ステータ４は、ゴム製のステータ内筒４ａと、このステータ内筒４ａの外周面にインロー嵌合して嵌め込まれて接着された円筒状をなす金属製のステータ外筒４ｂとからなる。ステータ内筒４ａ内部に形成される螺旋部４ｅは、その雌ねじ状のピッチがロータ２の螺旋部２ａの２倍である。ステータ外筒４ｂは、食品衛生法に適合したステンレス製またはチタン製である。ステータ外筒４ｂは、外周面がラジアル軸受５，６に対する摺動面４ｃとされ、その摺動面４ｃに、イオンプレーティング法によって成膜される食品衛生法に適合した１〜３μｍのダイヤモンドライクカーボン膜４０が被覆されている。ラジアル軸受５，６は、ステータ外筒４ｂの両端の摺動面４ｃに対してそれぞれ配置されている。ラジアル軸受５，６は、円筒形をなす自己潤滑樹脂製のすべり軸受であり、食品衛生法に適合した樹脂もしくは金属表面に樹脂を被覆した材料から作られている。

ハウジング７を構成する吸込部７ａおよび本体部７ｂの内周面には、凹の段部７ｎ、７ｍがそれぞれ形成されており、ラジアル軸受５、６は、その内周面がステータ外筒４ｂの摺動面４ｃに外嵌されるとともに、その外周面が凹の段部７ｎ、７ｍに内嵌されることでラジアル方向の荷重を受けるようになっている。これにより、ステータ４（ステータ外筒４ｂ）の円筒部の両端の摺動面４ｃは、ラジアル軸受５、６を介して上記ハウジング７内に回転自在に支承される。なお、ラジアル軸受５、６によっては、ステータ４の軸方向への移動は拘束されていない。

また、ステータ外筒４ｂには、その中央部に、上記スラスト軸受３０，３０との軸方向での当接面をつくる凸部４ｍが環状に形成され、ハウジング７側には、凸部４ｍに対応する凹部２１が環状に形成されている。そして、これら凸部４ｍと凹部２１と対向面間（符号７ｔと４ｕの間）に、スラスト軸受３０，３０が介装されている。これにより、ステータ４の凸部４ｍ両端が、スラスト軸受３０，３０によって挟持されつつ支承される。つまり、スラスト方向についてのステータ４の拘束は、ラジアル軸受５、６とは別個のスラスト軸受３０，３０が受け持っている。

スラスト軸受３０，３０は、３層構造のグリス密封式の軸受であり、相互の装着の向きが逆向きになる以外は、単体の構造自体は同じものを使用している。つまり、各スラスト軸受３０は、合成樹脂製の外方環状板３８と、この外方環状板に内方から組み合わせられる合成樹脂製の内方環状板３４と、これら外方及び内方環状板３８，３４間に配された合成樹脂製の円環樹脂板３６とを備える。円環樹脂板３６の両面には、グリスなどの潤滑剤が塗布される。本実施形態では、スラスト軸受３０内に密封されるグリスとして、増ちょう剤としてアルミニウム複合石鹸もしくはフッ素樹脂を用い、かつ、ＮＳＦ（National Sanitary Foundation：国際衛生科学財団）Ｈ１に登録されたグリスを用いている。そのため、このスラスト軸受３０は、３層構造のグリス密封式なので、スラスト方向の摩擦抵抗を抑制する上で好適である。
なお、ステータ外筒４ｂの両端部４ｄとハウジング７との間（相互の軸直方向対向面間）には、サニタリー性を有する円環状のシール部材１６，１８が吸入側および吐出側それぞれに、ハウジング７との間を密封するように介装されている。

次に、この一軸偏心ねじポンプ、およびそのステータ支承構造の作用・効果について説明する。
この一軸偏心ねじポンプ１は、駆動軸３に直結された雄ねじ状のロータ２と雌ねじ状の内面を有するステータ４とを備え、ステータ４が、ラジアル軸受５、６、およびスラスト軸受３０，３０を介して回転可能に支承されるとともに、回転軸線Ｌ１がロータ２の回転軸線Ｌ２に対して偏心して配置され、ロータ２が回転しつつステータ４の軸心に対して偏心運動を行うことによって流体を吸入側から吐出側へ圧送する構成なので、モータの駆動軸３によってロータ２を回転させると、ロータ２はその回転軸線Ｌ２を中心として回転し、ロータ２の螺旋部２ａの動きに伴ってステータ４もその回転軸線Ｌ１を中心としてロータ２の回転と同期して従動回転することにより、圧送流体を吸込口８から吐出口９へ圧送することができる。

そのため、自在継手を用いない構成とすることができ、構造が簡単である。特に圧送流体として食品を圧送する場合においては、自在継手のデッドスペースの洗浄の問題も解消されるので、駆動軸とロータとの間に自在継手を介在させた従来の一軸偏心ねじポンプと比べて分解組立性や清掃性・洗浄性を向上させることができる。
そして、この一軸偏心ねじポンプ１によれば、ステータ４を回転自在に支承する軸受を、上述したラジアル軸受５、６、およびスラスト軸受３０，３０によって支承する構成としたので、ラジアル方向の荷重とスラスト方向の荷重を別個の軸受によって支持することができる。

これにより、この一軸偏心ねじポンプ１によれば、一軸偏心ねじポンプの構造に起因するラジアル荷重が作用したときは、ステータ外筒４ｂの両端部のラジアル軸受５，６のみがラジアル荷重を支承する。このとき、スラスト軸受３０，３０内においては、各合成樹脂同志の摺動によってラジアル方向の移動が円滑に許容される。他方、スラスト荷重が作用したときは、スラスト軸受３０，３０のみがこれを支承する。このとき、ラジアル軸受５，６においては、ラジアル方向の移動が円滑に許容される。そのため、従来の一軸偏心ねじポンプと比べて分解組立性や清掃性・洗浄性を向上させつつも、スラスト方向の摩擦抵抗を抑制することができる。

特に、この一軸偏心ねじポンプ１によれば、ステータ４にかかるラジアル荷重を樹脂製もしくは金属表面に樹脂を被覆したラジアル軸受５，６で支承し、さらに、ステータ４の摺動面４ｃにイオンプレーティング法によって成膜される食品衛生法に適合した１〜３μｍのダイヤモンドライクカーボン膜４０を被覆したので、ダイヤモンドライクカーボン膜４０の摩擦係数が０．１５以下と小さく、ビッカース硬度も１０００〜３５００ＨＶと高硬度であることから、吐出圧力が高くラジアル荷重が大きい場合でもラジアル軸受５，６との摺動面４ｃが早期に摩耗することが防止または抑制される。
また、耐食性の観点からステータ外筒４ｂにチタンを使用した場合でも、ダイヤモンドライクカーボン膜４０をチタン表面に被覆することで、ラジアル軸受５，６の摩擦抵抗を大幅に改善でき、ステータ４をスムーズに回転させることができる。

また、摺動面４ｃを、食品衛生法に適合した１〜３μｍのダイヤモンドライクカーボン膜４０で被覆することで、長期の使用で摺動面４ｃが摩耗した場合であっても、セラミクスコーティングの場合のように被膜が剥離して食品等の圧送流体に混入することが防止または抑制されるので、仮に摺動面４ｃが摩耗した場合であっても、摩耗粉は３μｍ以下の食品衛生法に適合した微細粉であることから、食品圧送の用途であっても安心して使用することができる。
なお、本発明に係る一軸偏心ねじポンプは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能なことは勿論である。

１ 一軸偏心ねじポンプ
２ ロータ
３ 駆動軸
４ ステータ
４ａ ステータ内筒（内筒）
４ｂ ステータ外筒（外筒）
４ｃ （ステータ（外筒）の）摺動面
５、６ 自己潤滑軸受（ラジアル軸受）
７ ハウジング
８ 吸込口
９ 吐出口
１１ ベースブラケット
１６ （吐出側の）シール部材
１８ （吸入側の）シール部材
３０ スラスト軸受
３４ 内方環状板
３６ 円環樹脂板
３８ 外方環状板
４０ ダイヤモンドライクカーボン膜

Claims (2)

1. 回転可能に支承されるステータと、駆動軸に固定されたロータとを備え、前記ロータの回転軸線が前記ステータの回転軸線から所定距離偏心するように構成された一軸偏心ねじポンプにおいて、
   前記ステータにかかるラジアル荷重を樹脂製もしくは金属表面に樹脂を被覆したラジアル軸受で支承し、さらに、該ラジアル軸受に支承される前記ステータの摺動面に、イオンプレーティング法によって成膜される食品衛生法に適合したダイヤモンドライクカーボン膜を被覆したことを特徴とする一軸偏心ねじポンプ。
2. 前記ダイヤモンドライクカーボン膜の厚さが、１〜３μｍであることを特徴とする請求項１に記載の一軸偏心ねじポンプ。

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