JP2866969B2 - 一軸偏心ねじポンプ - Google Patents

一軸偏心ねじポンプ

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    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04CROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/10Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member
    • F04C2/107Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth
    • F04C2/1071Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth the inner and outer member having a different number of threads and one of the two being made of elastic materials, e.g. Moineau type
    • F04C2/1073Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth the inner and outer member having a different number of threads and one of the two being made of elastic materials, e.g. Moineau type where one member is stationary while the other member rotates and orbits

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、特に粘性の高い流体の輸送に好適な一軸偏
心ねじポンプに関するものである。
〔従来の技術〕
一軸偏心ねじポンプは粘性の高い流体でも圧送でき、
定量性があるという特長を有しているため、オイルや塗
料、パルプ液などの高粘性流体や薬液、食品などの圧送
に使用されていた。
この一軸偏心ねじポンプの構造は、第1図に示すよう
に、回転軸に対して偏心した円形断面を有する雄ねじ状
のロータ2を、長円形断面を有し、ピッチがロータ2の
2倍である雌ねじ状の内面を形成したステータ1に内装
し、前記ロータ2には、2つのユニバーサルジョイント
3,3、コネクティングロッド4を介してシャフト5が連
結され、軸封部6でシールされていた。該シャフト5に
よって前記ロータ2を回転させれば、ロータ2は回転軸
を中心として回転すると共に、固定されたステータ1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口
7から吐出口8へ圧送できるようになっていた。
また、ステータ1は金属、ゴムなどから形成されてお
り、ロータ2、コネクティングロッド4、シャフト5な
どはすべて金属からなっていたが、近年ステータ1ある
いはロータ2をセラミックスで形成することによって、
高温流体や腐蝕性流体を圧送でき、摩耗を少なくするよ
うにした一軸偏心ねじポンプが開発されてきた。
たとえばステータ1をセラミックスで形成する場合
は、内面形状と同形状の中金型を用いて、ラバープレ
ス、鋳込みなどにより成形した後焼成するようにしてい
た(特開昭62−29781号公報参照)。
〔従来技術の課題〕
ところが、上記の如きセラミックスからなるステータ
1の内面やロータ2の外面は非常に複雑な形状であるた
め焼成後の研削を行っておらず、収縮率のばらつきや焼
成時の変形などにより、寸法精度に限界があった。たと
えば、セラミックスからなるステータ1とロータ2を用
いた一軸偏心ねじポンプではステータ1とロータ2の間
の隙間が300μm程度生じていた。
また、特開昭63−102864号公報に示されるように、ロ
ータ2のみを切削することも考えられていたが、それで
もステータ1とロータ2の隙間は150μm程度生じてし
まい、このように一軸偏心ねじポンプはポンプ効率が低
く、水などの粘度の低い流体は圧送不能であるといった
問題があった。
〔課題を解決するための手段〕
上記に鑑みて本発明は、一軸偏心ねじポンプのロータ
およびステータをセラミックにより形成するとともに、
ロータの外面およびステータの内面を研削することによ
って両者の隙間を100μm以下としたものである。
また、上記ロータの研削は、円柱状砥石を用い、該円
柱状砥石の側面がロータの曲線に法線方向から接するよ
うに予め位置を計算しておき、ロータの回転と円柱状砥
石の送りを同期させることによって行い、長軸方向にス
パイラル状の研削痕を形成する。
さらに、ステータの研削は、内面と同形状の雄ねじ状
でかつ先細状の総形砥石を挿入し、ステータと総形砥石
を相対的に往復動させながら、徐々に総形砥石を進めて
ゆくことによって行なう。
〔実施例〕
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
この一軸偏心ねじポンプの構造は、第1図に示すよう
に、回転軸に対して偏心した円形断面を有する雄ねじ状
のロータ2を、長円形断面を有し、ピッチがロータ2の
2倍である雌ねじ状の内面を形成したステータ1に内装
し、前記ロータ2には、2つのユニバーサルジョイント
3,3、コネクティングロッド4を介してシャフト5が連
結され、軸封部6でシールされている。該シャフト5に
よって前記ロータ2を回転させれば、ロータ2は回転軸
を中心として回転すると共に、固定されたステータ1の
軸心に対して偏心運動を行なうことによって流体を吸入
口7から吐出口8へ圧送できるよになっている。
また、上記ステータ1、ロータ2はセラミックスによ
り形成されており、第1図中のA−A線断面図を第2図
に示すように、ステータ1の内面は長円形断面であり、
ロータ2の断面は円形となっている。そしてステータ1
内面の短径をD1、ロータ2の直径をD2とすると、両者の
隙間Cは、C=D1−D2で与えられ、結局隙間CはD1とD2
の寸法精度によって決定されるものである。そこで、本
発明では以下に示すようにステータ1の内面、ロータ2
の外面を研削することによって、D1,D2の寸法精度を高
めて隙間Cを小さくし、特に隙間Cを100μm以下とす
ることによって水などの粘度の低い流体でも圧送できる
ようにポンプ効率を高めたものである。
次にステータ1の研削方法について説明する。
第3図において、1は中金型を用いて成形後焼成して
なるセラミック製のステータであり、このステータ1を
ベアリング11を用いて保持部材10に回転自在に保持して
ある。また総形砥石12は、前記ステータ1の内面と同形
状の雄ねじ状であり、金属からなる基体の表面に#120
程度のダイヤモンド砥粒を電着したものである。この総
形砥石12は、先端部12aに向けてテーパ状に小断面とな
るような先細形状であり、根元部12bから、ステータ1
の全長と同じ長さの範囲は正規寸法となっている。
この総形砥石12をステータ1の内面に挿入し、研削液
13を供給した状態で、前記総形砥石12を前後に往復させ
ながら徐々に先端方向へ進めてゆけば良い。このとき先
端部12aでは小断面であるため総形砥石12とステータ1
の内面との間にクリアランスがあるが、根元部12b近傍
では総形砥石12は正規寸法となっているため、この間の
テーパ形状によって、ステータの1の内面を徐々に研削
できる。そして、総形砥石12の正規寸法部分がステータ
1の内面を完全に通過するまでの総形砥石12を進めれば
研削は終了する。
また、総形砥石12の動きは単に前後動するだけである
が、総形砥石12およびステータ1の内面の形状はねじ状
となっているため、総形砥石12の前後動に応じてステー
タ1は従属回転し、ステータ1の内面をすべて均一に研
削することができる。
次にロータ2の研削方法について説明する。
第4図(a)は平面図、第4図(b)は正面図、第4
図(c)は側面図である。第4図(a)〜(c)中、2
は一軸偏心ねじポンプ用のロータであり、窒化珪素、ア
ルミナなどのセラミックスからなるものである。また、
20は円柱状砥石であり、これは円柱状の基体の表面にダ
イヤモンド等の砥粒を固着してなるものである。
この円柱状砥石20を回転させながら、その側面20a
で、ロータ2の表面を研削してゆくが、このときロータ
2をW軸(X軸まわりの回転)方向に回転させながら、
円柱状砥石20をX軸、Y軸、Z軸方向に制御しつつ、X
軸方向に移動させてゆけば、ロータ2の全面を研削する
ことができる。また、第4図(a)に示すようにロータ
2表面の研削点Bを研削する場合には、研削点Bにおけ
るロータ曲面の法線Lを計算しておき、円柱状砥石20の
中心Rがこの法線L上にくるように円柱状砥石20の位置
を設定しておけば良い。
また、このようにして研削されたロータ2は、第4図
(b)に示すように、根元部2aが曲線状となり、かつ研
削痕2bは長軸方向にスパイラル状に形成されることか
ら、いずれもロータ2の抗折強度を大きくするように作
用する。
さらに、上記のようにして研削した後のステータ1、
ロータ2.の表面は、研削痕を有し、表面粗さ5〜6s程度
の面であるが、このままポンプとして使用しても特に問
題はない。ただし、必要があれば、研削後、バレル研磨
を行なって、表面粗さ2s以下のなめらかな面とすること
もできる。特に食品の圧送に用いる場合は、ステータ
1、ロータ2の表面をなめらかな面としておくことによ
って付着物の除去を容易にできる。
次に、本発明の一軸偏心ねじポンプにおいて、ステー
タ1、ロータ2に用いるセラミック材について説明す
る。上記ロータ2はステータ1の内部で互いに摺動しな
がら激しく回転するため、これらの材料として要求され
る特性は、靭性が高く、摺動性に優れていることであ
る。
そこで、さまざまなセラミック材について、靭性と摺
動性を調べた。靭性については臨界応力拡大係数(K
1c)によって評価し、また摺動特性については、明確な
基準はないが、硬度、高温強度、熱伝導率などの特性、
および実験結果などから相対的に評価した。結果は第1
表に示す通りである。
第1表中、No.1は80〜95重量%のSi3N4を主成分と
し、焼結助剤としてY2O3、Al2O3を含むものである。こ
の窒化珪素質セラミックスは、結晶がアスペクト比2〜
20の針状結晶となっているため靭性が高く、かつ摺動特
性も優れていることから、一軸偏心ねじポンプ用の材料
として最も優れている。なお、No.1は常圧焼結によるも
のであるが、焼結助剤の量を減らしてGPS(ガス圧焼
結)、HIP(熱間静水圧プレス)、HP(ホットプレス)
などで焼結することにより、強度、靭性を一層高めるこ
とができる。
また、No.2は80〜95重量%のSiCを主成分として、焼
結助剤としてY2O3、Al2O3を含み液相焼結したものであ
る。この炭化珪素質セラミックスAはNo.1の窒化珪素質
セラミックスと類似した特性を示している。一方、No.3
は80〜95重量%のSiCを主成分とし、焼結助剤としてB
(ホウ素)、C(炭素)を含有して固相焼結したもので
ある。この炭化珪素質セラミックスBは靭性がやや低い
が、固相焼結であるため耐蝕性に優れており、特に薬品
の圧送に適している。
さらに、No.4のジルコニアセラミックスは、ZrO2を主
成分とし、安定化材として3mol%程度のY2O3を含有して
なる部分安定化ジルコニアセラミックスである。このジ
ルコニアセラミックスは靭性は高いが、摺動特性が悪い
ためあまりふさわしいものではなかった。
また、No.5はAl2O3を99%程度含有し、焼結助剤とし
てSiO,MgO,CaOなどを含有したアルミナセラミックスで
あり、特性的にはやや劣るが、厳しい環境でなければ充
分使用することができる。なお、その場合は、Al2O3
有量99%以上のものが好ましい。
以上のように、本発明の一軸偏心ねじポンプを構成す
るステータ1、ロータ2の材質としては、アルミナセラ
ミックスでも良いが、厳しい環境で使用する場合は、窒
化珪素質セラミックス、炭化珪素質セラミックスが優れ
ており、なかでも第1表中No.1に示す窒化珪素質セラミ
ックスが最も優れていた。また、特に薬品の圧送に用い
る場合は、耐蝕性に優れたNo.3の炭化珪素質セラミック
スが良い。
さらに、上記ステータ1、ロータ2は、高温流体圧送
時でも互いの隙間の大きさが変わらないように、両者を
同じ材質としたものが良いが、炭化珪素質セラミックス
と窒化珪素質セラミックスのように熱膨張率の類似した
もの同士があればこれらの組合わせとすることもでき
る。
ここで、本発明実施例として、第1表中No.1の窒化珪
素質セラミックスによりステータ1および直径15mmのロ
ータ2を形成して一軸偏心ねじポンプを構成し、第2表
に示すようにステータ1とロータ2の隙間Cの大きさを
変化させ、それぞれ回転数500回転/分で清水を圧送し
たときの締め切り圧力を比較した。
第2表において、No.3はステータ1側に研削を行なわ
ない比較例であり、ステータ1とロータ2の隙間が150
μmであるため、締め切り圧力が5mと低く、清水の圧送
には使用できなかった。これに対して、本発明実施例で
あるNo.1,2はステータ1およびロータ2を研削すること
によって両者の隙間を100μm以下としたため締め切り
圧力を20m以上とでき、清水の圧送に通常使用できる程
度の性能であった。
〔発明の効果〕
叙上のように本発明によれば、一軸偏心ねじポンプの
ロータ及びステータをセラミックスで形成し、両者の隙
間を100μ以下とするとともに、上記ロータの表面には
長軸方向にスパイラル状の研削痕が形成してあることか
ら、ポンプ効率が高く、水などの低粘性流体でも圧送で
きるだけでなく、耐蝕性、耐摩耗性、耐熱性等にも優れ
た長寿命で高性能な一軸偏心ねじポンプを提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は一軸偏心ねじポンプの構造を示す断面図、第2
図は第1図中のA−A線断面図である。 第3図は本発明の一軸偏心ねじポンプを構成するステー
タの研削方法を示す断面図である。第4図(a)〜
(c)はそれぞれ本発明の一軸偏心ねじポンプを構成す
るロータの研削方法を示しており、第4図(a)は平面
図、第4図(b)は正面図、第4図(c)は側面図であ
る。 1……ステータ、2……ロータ 3……ユニバーサルジョイント 4……コネクティングロッド 5……シャフト

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】回転軸に対して偏心した円形断面を有する
    雄ねじ状のロータを、長円形断面で雌ねじ状の内面をも
    ったステータに内装してなる一軸偏心ねじポンプにおい
    て、前記ロータ及びステータをセラミックスで構成し、
    両者の隙間を100μm以下にするとともに、上記ロータ
    の表面には長軸方向にスパイラル状の研削痕が形成され
    ていることを特徴とする一軸偏心ねじポンプ。
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