JP3694543B2

JP3694543B2 - Vane pump

Info

Publication number: JP3694543B2
Application number: JP32476694A
Authority: JP
Inventors: 裕作石峯; 千歳植木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1994-12-27
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: JPH08177772A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、各種ポンプに関し、特にベーンポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より各種ポンプや、各種軸受等を構成する摺動部材として、耐摩耗性、耐食性等に優れたセラミックスが用いられている。
【０００３】
例えば、冷凍機、空調機械等の圧縮機として使用されるベーンポンプは金属部材により構成されていたが、耐摩耗性改善のためにセラミックスを用いることが検討されている。即ち、特開昭５８−４１２８７号、特開昭５９−１６８２９１号、および特開昭５９−２０６６９１号公報に、ハウジング、ロータ、ベーンをセラミック製としたベーンポンプが示されており、また特開昭６０−６０９２号公報には圧縮室構成部材をセラミック製としたベーン式圧縮機が示されている。
そして、これらに用いるセラミックスとして窒化珪素、炭化珪素、アルミナが示されている。
【０００４】
さらに、ベーンポンプにおいて、より摺動性を高めるために、固体潤滑剤を一部に複合した構造のものが提案されている。
【０００５】
例えば特開昭６２−１２６２８１号公報にはベーンポンプのハウジング、ロータを正方晶系の結晶構造を持つジルコニアとし、ベーンはポリイミド系樹脂に固体潤滑剤を混合した成形体とした例が示されている。また特開昭６２−２１０２７５号公報にはハウジング、ロータをアルミナに炭化チタンを５〜５０重量％添加したセラミックスとし、ベーンをアルミナ、アルミナに炭化チタンを５〜５０重量％添加したセラミックス、炭化珪素、窒化珪素、またはポリイミド系樹脂に固体潤滑剤を混合した成形体とした例が示されている。さらに、実公平２−３８３４号公報にはセラミックス製ベーンポンプにおいて、ベーンを複合構造とし、凹部を形成したアルミナ、炭化珪素に、固体潤滑剤としてボロンナイトライドを摺動可能に嵌合したものが示されている。
【０００６】
また、摺動面に各種被膜を形成することも提案されている。
【０００７】
特開昭５９−１２８９９２号、特開昭６３−１６７０９２号、特開平１−２２７８９５号、特開平２−３０８９６６号公報にはＴｉＣ、ＴｉＮ、窒化珪素、グラファイト等の被膜を形成することが、それぞれ示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
近年、冷凍機、空調機械用の圧縮機として使用されるベーンポンプ（以下、ベーン型圧縮機を含む）において、特定フロン全廃に伴う冷媒の変更が急速に進んできている。特定フロンは、その成分中の塩素がオゾン層の破壊を進行させることから、成分中の塩素量を低減させるか又は塩素を無くす等の代替冷媒が採用されようとしている。従って冷媒の油分溶解力は特定フロンと比較して非常に小さくなり、必然的に潤滑油の冷媒中への溶解量も少なくなる。そこで、特にベーンポンプを構成する部材の摺動性が極めて重要な条件となっている。
【０００９】
ところが、上記記のようなセラミックスからなる摺動部材を用いたベーンポンプは、耐摩耗性には優れるものの、セラミックス同士あるいはセラミックスと他部材との摺動抵抗が大きいという問題点があった。また、ジルコニアセラミックスは、水熱反応による結晶構造の変化により特性が大幅に低下してしまう等の問題点があった。
【００１０】
また、固体潤滑剤とセラミックスの複合材を用いたのでは、摺動時の摩擦力は小さくできるが、構造が複雑化し、製造が困難でコストが高くなるという問題点があった。
【００１１】
さらに、摺動面に被膜を形成したものでも、摺動性の点でやはり満足できるものではなかった。
【００１２】
なお、以上はベーンポンプについてのみ述べたが、この他にも遠心ポンプやプランジャーポンプ等の各種ポンプにおいても、同様の問題が生じていた。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、ポンプを構成する部材の少なくとも一つの摺動面にダイヤモンド膜又は非晶質硬質炭素膜を形成したものである。
【００１４】
即ち、ハウジングのシリンダーの内周面に円筒状をしたロータの外周面を接触させるとともに上記ハウジングに弾性部材を介在させてベーンを配置し、かつ、該ベーンの先端が断続的に摺動するロータの外周面に圧接してなるベーンポンプにおいて、上記ロータは、ビッカース硬度が１０ＧＰａ以上で、かつ、断続的摺動面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．０３〜０．６μｍの窒化珪素質セラミックスで形成するとともに、上記断続的摺動面に膜厚が０．３μｍを超え１０μｍ以下のダイヤモンド膜を備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、ハウジングのシリンダーの内周面に円筒状をしたロータの外周面を接触させるとともに上記ハウジングに弾性部材を介在させてベーンを配置し、かつ、該ベーンの先端が断続的に摺動するロータの外周面に圧接してなるベーンポンプにおいて、上記ロータは、ビッカース硬度が１２ＧＰａ以上で、かつ、断続的摺動面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．０５〜０．６μｍのアルミナ、ジルコニア、炭化珪素又は窒化珪素質セラミックスで形成するとともに、上記断続的摺動面に膜厚が０．３〜１．５μｍの非晶質硬質炭素膜を備えたことを特徴とする。
【００１７】
【作用】
本発明によれば、ベーンポンプを構成するロータの断続的摺動面に摺動面が、高硬度、自己潤滑性、環境安定性の優れたダイヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜からなるため、他部材との間の摺動性を高くできる。そのため、摺動時の摩擦抵抗を小さくできるとともに、摺動部材自体、及び摺動相手部材の摩耗量を少なくできる。
【００１８】
したがって、ベーンポンプで潤滑油溶解力の少ない冷媒を用いても、簡便な構造で耐摩耗性に優れ、低摩擦力を実現し、環境保全、省力化に貢献するものである。
【００１９】
【実施例】
以下本発明をベーンポンプを例にして説明する。
【００２０】
ベーンポンプの構造を図１に示すように、ハウジング１のシリンダー１ａ内周面に円筒状をしたロータ２の外周面２ａを接触させて配置し、またハウジング１に備えた溝１ｂに弾性材４を介在させてベーン３を配置し、このベーン３の先端はロータ２の外周面２ａに圧接するようになっている。さらに、上記ロータ２の外周面２ａにはダイヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜からなる被膜２ｂを備えている。
【００２１】
そして、ロータ２は回転軸５によって、その外周面２ａがシリンダー１ａ内周面に接触した状態で偏心回転可能となっており、この偏心回転にあわせてベーン３は上下運動を行い、ハウジング１の溝部１ｂと摺動する。このような動きによって、例えば冷凍機用の圧縮機として用いる場合は、ハウジング１に備えた吸入口６から冷媒をシリンダー１ａ内へ吸入圧縮し、吐出口７から押し出すことで、冷媒を断熱膨張させ、冷凍、冷却するものである。
【００２２】
この時、ロータ２の外周面２ａは、ダイヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜からなる被膜２ｂから成るため、高硬度で摺動性に優れており、シリンダー１ａ内周面やベーン３との摺動時に、相互の摩耗量が少なく、摩擦係数を小さくすることができる。
【００２３】
なお、図１の実施例では、ロータ２の外周面２ａに被膜２ｂを備えた例を示したが、この他にシリンダー１ａの内周面やベーン３等における摺動面にダイヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜を形成することもできる。
【００２４】
ただし、これらの膜は、互いに摺動する部材同士の一方の摺動面のみに形成しておけば良く、特に断続的な摺動面に形成する。例えば、ロータ２とベーン３との摺動を考えた場合に、ベーン３の先端は常時ロータ２と摺動する連続摺動面となる。これに対し、ロータ２の外周面２ａは常時ベーン３と摺動することはなく断続的摺動面となる。
【００２５】
そして、ベーン３の先端のような連続摺動面にダイヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜を形成すると、摩耗や剥離の恐れが大きく寿命が短くなるため、断続的摺動面であるロータ２の外周面２ａ側に被膜２ｂを形成するのである。
【００２６】
また、被膜２ｂを備えたロータ２の摺動相手であるベーン３やシリンダー１の材質としては、金属材やセラミック材を用いれば良い。
【００２７】
次に、被膜２ｂを成すダイヤモンド膜で形成する場合について詳述する。
【００２８】
ここで、ダイヤモンド膜は、ビッカース硬度が６０〜１１０ＧＰａと高硬度であるため、極めて耐摩耗性に優れたものである。
【００２９】
被膜２をダイヤモンド膜で形成する場合は、母材であるロータ２を、表１に示すようにビッカース硬度１０ＧＰａ以上のアルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム等のセラミックスで形成することが好ましい。また、これらのセラミックスの中でも炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムを用いれば熱膨張係数がダイヤモンドに近いため密着強度にも優れており、この点からは窒化珪素が最適である。
【００３０】
【表１】

【００３１】
そして、これらのセラミックスの表面粗さ（中心線平均粗さ：Ｒａ）を０．０３〜０．６μｍとする。これは表面粗さ（Ｒａ）が０．０３μｍ未満では被膜２ｂの密着力が低くなり、一方０．６μｍを超えると摺動相手材の摩耗を促進してしまうためである。
【００３２】
このような母材の表面にＣＶＤ法、ＰＶＤ法等によりダイヤモンドの被膜２ｂを形成するが、その膜厚は０．３〜１０μｍの範囲とする。これは、膜厚が０．３μｍ未満であると摺動時の接触点に応力が集中し、被膜２ｂが破壊しやすくなり、一方１０μｍを超えると製造コストが高くなり、また膜強度が低下するためである。
【００３３】
一方被膜２ｂを非晶質硬質炭素膜で形成する場合について詳述する。
【００３４】
ここで、非晶質硬質炭素膜とは、合成疑似ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドライクカーボン、ＤＬＣ、ｉ−カーボン等とも呼ばれており、元素で言えばダイヤモンド等と共に炭素（Ｃ）として包括され、比重的には黒鉛や無定形炭素に近く、硬度等の物性的にはダイヤモンドに近似しているという特徴と持つものである。
【００３５】
この非晶質硬質炭素膜は、レーザーラマン分光法によって分析することができる。即ち、レーザーラマン分光法によるラマンスペクトルのピーク位置を検出すると、ダイヤモンド膜の場合は１２００〜１４００ｃｍ^-1に極めてシャープなピークが存在するのに対し、非晶質硬質炭素膜の場合は１２００〜１４００ｃｍ^-1または１５００〜１６００ｃｍ^-1の少なくとも一方に、ブロードなピークが存在することで区別することができる。
【００３６】
そして、非晶質硬質炭素膜は、ビッカース硬度３０〜５０ＧＰａと高硬度で、かつ摺動性に優れることから、摺動部材として好適である。
【００３７】
また、被膜２ｂを非晶質硬質炭素膜で形成する場合、母材となるロータ２としては、ビッカース硬度１２ＧＰａ以上のアルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素等のセラミックスで形成することが好ましい。これらのセラミックスはダイヤモンドと熱膨張係数が近いため密着強度にも優れている。
【００３８】
そして、これらのセラミックスの表面粗さ（中心線平均粗さ：Ｒａ）を０．０５〜０．６μｍとする。これは表面粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ未満では被膜２ｂの密着力が低くなり、一方０．６μｍを超えると摺動相手材の摩耗を促進してしまうためである。
【００３９】
このような母材の表面にＣＶＤ法、ＰＶＤ法等により非晶質硬質炭素膜の被膜２ｂを形成するが、その膜厚は０．３〜１．５μｍの範囲とする。これは、膜厚が０．３μｍ未満であると被膜２ｂが剥離しやすくなり、一方１．５μｍを超えると製造コストが高くなり、しかも摺動時の熱応力でクラックが生じで剥離しやすくなるためである。
【００４０】
なお、以上の実施例ではベーンポンプについてのみ述べたが、参考までに他のさまざまなポンプに適用することができる。例えば、図２に示すロータリーポンプは、ケーシング２１内で二つの回転羽根２２をシャフト２３で回転させることにより吸入口２１ａから吐出口２１ｂに流体を圧送するものであるが、上記ケーシングの内壁面にダイヤモンドまたは非晶質硬質炭素膜からなる被膜２１ａを形成してある。また、この回転羽根２２を歯車形状としたギアポンプにも同様に本発明を適用できる。
【００４１】
さらに、図３に示すプランジャーポンプは、シリンダー３１内でシール材３３を介してプランジャー３２を往復動させるものであるが、上記プランジャー３２の表面にダイヤモンドまたは非晶質硬質炭素膜からなる被膜３２ａを形成してある。
【００４２】
さらに、遠心ポンプ、スクリューポンプ、一軸偏心ねじポンプ、軸流ポンプ等の回転型ポンプでは、インペラ等の回転体を支持する軸受部分の摺動面にダイヤモンド膜又は非晶質硬質炭素膜を形成すれば良く、その他各種ポンプに適用することができる。
【００４３】
実験例１
回転するディスク上にボールを押し付けて摺動させるボールオンディスク型摩耗試験機により、摩擦係数と摩耗量を測定する実験を行った。
【００４４】
本発明実施例として、窒化珪素質セラミックスの表面粗さ（Ｒａ）を０．０５μｍとし、この上にＣＶＤ法にて膜厚１０μｍのダイヤモンド膜を形成したものをディスクとした。また、比較例として、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素のセラミックスのみからなるディスクを用意した。一方、ボールは高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）からなるものを用いた。
【００４５】
このボールを各ディスクの表面に９．８Ｎの押圧力で押し付け、乾式無潤滑剤下でディスクの摺動速度を５ｍ／ｓとして０．５時間の実験を行い、それぞれ摩擦係数とディスク及びボールの比摩耗量を測定した。
【００４６】
結果は表２に示す通りである。この結果より、ダイヤモンド膜を備えた本発明実施例は摩擦係数が０．０８と極めて摺動性に優れ、しかもディスク側ボール側いずれの摩耗量も極めて少ないことが確認された。
【００４７】
【表２】

【００４８】
実験例２
次に、実験例１におけるダイヤモンド膜を形成したディスクにおいて、母剤である窒化珪素質セラミックスの表面粗さ（Ｒａ）とダイヤモンド膜の膜厚を種々に変化させて、上記と同様の実験を行い、ダイヤモンド膜の剥離の有無や相手材であるボールの比摩耗量を測定した。
【００４９】
結果は表３、４に示す通りである。表３の結果より、母材の表面粗さ（Ｒａ）については０．０３μｍ以下になると剥離が生じやすくなるとともに相手材の摩耗量も大きくなり、一方０．６μｍ以上になると相手材の摩耗量が大きくなる。
したがって、母材の表面粗さ（Ｒａ）は０．０３〜０．６μｍの範囲が良いことがわかった。
【００５０】
また、表４の結果より、膜厚が０．３μｍ以下であると剥離が生じやすくなるため膜厚は０．３μｍ以上が良いこともわかった。
【００５１】
【表３】

【００５２】
【表４】

【００５３】
実験例３
次に、非晶質硬質炭素膜を形成した場合についての実験を行った。
【００５４】
上記実験例と同様のボールオンディスク試験機を用い、ディスクをアルミナセラミックスで形成し、その表面粗さを表５に示すように種々に変化させ、それぞれ膜厚１μｍの非晶質硬質炭素膜を形成したものを用意した。また、摺動相手のボールは高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）を用いた。
【００５５】
上記と同様の条件で実験を行った後の非晶質硬質炭素膜の剥離や、ボール側の摩耗量等を測定したところ、表５に示す通りであった。
【００５６】
この結果より、母材であるアルミナセラミックスの表面粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ未満では膜の密着性が低いために剥離しやすく、一方０．６μｍを超えると摺動相手であるボールの摩耗が大きかった。したがって、母材の表面粗さ（Ｒａ）は０．０５〜０．６μｍの範囲内が良いことがわかった。
【００５７】
【表５】

【００５８】
実験例４
次に、実験例３における非小質硬質炭素膜を形成したディスクにおいて、母材であるアルミナセラミックスの表面粗さ（Ｒａ）を０．３μｍとし、膜厚を種々に変化させて同様の実験を行った。
【００５９】
結果は表６に示す通り、膜厚０．３μｍ未満では剥離が生じやすく、一方膜厚が１．５μｍを超えると摺動時の熱応力によって非晶質硬質炭素膜にクラックが生じ、剥離の恐れがあった。また、膜厚を１．５μｍより大きくすることは時間がかかり、コストも大きいものであった。したがって、非晶質硬質炭素膜の膜厚は０．３〜１．５μｍの範囲内が良いことがわかった。
【００６０】
【表６】

【００６１】
実験例５
次に、非晶質硬質炭素膜を被着する母材の材質を変えて、同様の実験を行った。母材の表面粗さ（Ｒａ）は０．３μｍ、非晶質硬質炭素膜の膜厚は０．７μｍとして、それぞれディスクを構成し、上記と同様のボールオンディスク試験機による実験を行った。
【００６２】
結果は表７に示す通りである。この結果より明らかに、非晶質硬質炭素膜を被着しないものでは摩擦係数が大きく、ディスク及びボールの比摩耗量も大きかった。また、非晶質硬質炭素膜を被着したものでも、母材として硬度の低い金属材を用いた場合は、摩擦係数と、ディスク及びボールの摩耗量がいずれも大きかった。
【００６３】
これらに対し、ビッカース硬度１２ＧＰａ以上のセラミックスを母材とし、非晶質硬質炭素膜を被着したものは、摩擦係数が０．１２以下であり、ディスク及びボールの比摩耗量を極めて小さくできることがわかる。
【００６４】
【表７】

【００６５】
実験例６
以上の実験例では、ボールオンディスク試験機のディスク側に非晶質硬質炭素膜を形成した場合について述べてきたが、逆にボール側に非晶質硬質炭素膜を形成して実験を行った。
【００６６】
即ち、ディスクを高炭素クロムクロム軸受鋼（ＳＵＪ２）で形成し、ボールをアルミナセラミックスで形成して表面に非晶質硬質炭素膜を被着したものを用意し、この組合せで、前記実施例と同様の実験を行った。
【００６７】
その結果、ボール側に被着した非晶質硬質炭素膜は、摺動時に剥離しやすく、その結果ディスク及びボールの摩耗量が大きいものであった。
【００６８】
これは、ディスク側が断続的摺動面であるのに対し、ボール側は常時摺動する連続摺動面であるためであり、本発明の非晶質硬質炭素膜は断続的摺動面に形成することが好ましい。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ポンプを構成する部材の少なくとも一つの断続的摺動面に、ダイヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜を備えたことによって、摩擦係数を低くし、かつ摺動する両方の部材の摩耗量を極めて小さくできることから、長期間にわたって優れた摺動特性を維持することができる。
【００７１】
特に、本発明をベーンポンプに適用すれば、特定フロン全廃に伴う冷媒の変更により、潤滑油溶解力の少ない冷媒を用いても摺動性、耐摩耗性に優れた高性能のベーンポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の一実施例であるベーンポンプを示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＸ−Ｘ線断面図である。
【図２】ロータリーポンプを示す断面図である。
【図３】プランジャーポンプを示す断面図である。
【符号の説明】
１：ハウジング
２：ロータ
２ｂ：被膜
３：ベーン
４：弾性材
５：回転軸
６：吸込口
７：吐出口[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to various pumps, and more particularly to a vane pump.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, ceramics excellent in wear resistance, corrosion resistance and the like have been used as sliding members constituting various pumps and various bearings.
[0003]
For example, a vane pump used as a compressor of a refrigerator, an air conditioner, or the like is made of a metal member. However, the use of ceramics for improving wear resistance has been studied. That is, JP-A-58-41287, JP-A-59-168291, and JP-A-59-206691 disclose vane pumps in which the housing, rotor, and vane are made of ceramic. Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-6092 discloses a vane compressor in which a compression chamber component is made of ceramic.
Further, silicon nitride, silicon carbide, and alumina are shown as ceramics used for these.
[0004]
Furthermore, a vane pump having a structure in which a solid lubricant is partially combined has been proposed in order to further improve slidability.
[0005]
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-126281 shows an example in which a vane pump housing and rotor are zirconia having a tetragonal crystal structure, and a vane is a molded body in which a solid lubricant is mixed with a polyimide resin. . Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-210275 discloses a housing and a rotor made of ceramics in which 5 to 50% by weight of titanium carbide is added to alumina, ceramics in which vane is added to alumina and titanium carbide is added to 5 to 50% by weight of alumina, silicon carbide. An example of a molded body obtained by mixing a solid lubricant with silicon nitride or polyimide resin is shown. Further, Japanese Utility Model Publication No. 2-3834 discloses a ceramic vane pump in which a composite structure of vanes is formed, and boron nitride as a solid lubricant is slidably fitted to alumina and silicon carbide formed with recesses. Has been.
[0006]
It has also been proposed to form various coatings on the sliding surface.
[0007]
In JP-A-59-128992, JP-A-63-167092, JP-A-1-227895, and JP-A-2-308966, it is possible to form a film such as TiC, TiN, silicon nitride, graphite, etc. It is shown.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, in vane pumps (hereinafter referred to as vane type compressors) used as compressors for refrigerators and air conditioners, changes in refrigerant due to the complete abolition of specific CFCs are rapidly progressing. As for specific chlorofluorocarbons, chlorine in the components causes the destruction of the ozone layer, and therefore alternative refrigerants such as reducing the amount of chlorine in the components or eliminating chlorine are being adopted. Accordingly, the oil dissolving power of the refrigerant is much smaller than that of the specific Freon, and the amount of lubricating oil dissolved in the refrigerant is inevitably reduced. Therefore, the slidability of members constituting the vane pump is an extremely important condition.
[0009]
However, the vane pump using the sliding member made of ceramics as described above has a problem that the sliding resistance between the ceramics or between the ceramics and the other member is large although it is excellent in wear resistance. In addition, zirconia ceramics have problems such as a significant decrease in characteristics due to a change in crystal structure due to a hydrothermal reaction.
[0010]
In addition, when a composite material of solid lubricant and ceramics is used, the frictional force at the time of sliding can be reduced, but there is a problem that the structure is complicated, the manufacturing is difficult and the cost is increased.
[0011]
Furthermore, even if a coating was formed on the sliding surface, it was still not satisfactory in terms of slidability.
[0012]
Although only the vane pump has been described above, the same problem occurs in various pumps such as a centrifugal pump and a plunger pump.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in the present invention, a diamond film or an amorphous hard carbon film is formed on at least one sliding surface of a member constituting the pump.
[0014]
That is, a rotor in which an outer peripheral surface of a cylindrical rotor is brought into contact with an inner peripheral surface of a cylinder of a housing, a vane is disposed with an elastic member interposed in the housing, and a tip of the vane slides intermittently. In the vane pump formed by pressure contact with the outer peripheral surface of the silicon nitride, the rotor has a Vickers hardness of 10 GPa or more and a center line average roughness (Ra) of the intermittent sliding surface of 0.03 to 0.6 μm. In addition to being formed of ceramics, the intermittent sliding surface is provided with a diamond film having a film thickness of more than 0.3 μm and not more than 10 μm .
[0015]
Further, according to the present invention, the outer peripheral surface of the cylindrical rotor is brought into contact with the inner peripheral surface of the cylinder of the housing, and the vane is disposed with the elastic member interposed in the housing, and the tip of the vane is intermittently provided. In the vane pump press-contacted with the outer peripheral surface of the sliding rotor, the rotor has a Vickers hardness of 12 GPa or more, and the centerline average roughness (Ra) of the intermittent sliding surface is 0.05 to 0.6 μm. And an amorphous hard carbon film having a film thickness of 0.3 to 1.5 μm on the intermittent sliding surface.
[0017]
[Action]
According to the present invention, the intermittent sliding surface of the rotor constituting the vane pump is made of a diamond film or an amorphous hard carbon film having high hardness, self-lubrication, and environmental stability. The slidability between the members can be increased. Therefore, the frictional resistance during sliding can be reduced, and the amount of wear of the sliding member itself and the sliding counterpart member can be reduced.
[0018]
Therefore, even if a refrigerant having a low lubricating oil dissolving power is used in the vane pump, it has a simple structure, excellent wear resistance, a low frictional force, and contributes to environmental conservation and labor saving.
[0019]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described using a vane pump as an example.
[0020]
As shown in FIG. 1, the structure of the vane pump is arranged such that the outer peripheral surface 2 a of the cylindrical rotor 2 is in contact with the inner peripheral surface of the cylinder 1 a of the housing 1, and the elastic material 4 is provided in the groove 1 b provided in the housing 1. The vane 3 is disposed so as to be interposed, and the tip of the vane 3 is in pressure contact with the outer peripheral surface 2 a of the rotor 2. Further, the outer peripheral surface 2a of the rotor 2 is provided with a coating 2b made of a diamond film or an amorphous hard carbon film.
[0021]
The rotor 2 can be rotated eccentrically by the rotating shaft 5 with the outer peripheral surface 2a in contact with the inner peripheral surface of the cylinder 1a. The vane 3 moves up and down in accordance with the eccentric rotation, and the housing 1 Slides with the groove 1b. For example, when used as a compressor for a refrigerator, the refrigerant is sucked and compressed into the cylinder 1a from the suction port 6 provided in the housing 1 and pushed out from the discharge port 7 to adiabatically expand the refrigerant. Refrigerate and cool.
[0022]
At this time, since the outer peripheral surface 2a of the rotor 2 is made of a coating 2b made of a diamond film or an amorphous hard carbon film, it has high hardness and excellent slidability, and it slides on the inner peripheral surface of the cylinder 1a and the vane 3. When moving, the amount of mutual wear is small, and the friction coefficient can be reduced.
[0023]
In the embodiment of FIG. 1, an example in which the outer peripheral surface 2 a of the rotor 2 is provided with the coating 2 b is shown. A hard carbon film can also be formed.
[0024]
However, these films may be formed only on one sliding surface of the members that slide with each other, and are formed particularly on intermittent sliding surfaces. For example, when the sliding of the rotor 2 and the vane 3 is considered, the tip of the vane 3 is a continuous sliding surface that always slides with the rotor 2. On the other hand, the outer peripheral surface 2a of the rotor 2 does not always slide with the vane 3, but becomes an intermittent sliding surface.
[0025]
If a diamond film or an amorphous hard carbon film is formed on a continuous sliding surface such as the tip of the vane 3, there is a risk of wear and peeling and the life is shortened. The coating 2b is formed on the outer peripheral surface 2a side.
[0026]
Moreover, what is necessary is just to use a metal material and a ceramic material as a material of the vane 3 or the cylinder 1 which is a sliding other party of the rotor 2 provided with the film 2b.
[0027]
Next, the case where it forms with the diamond film which comprises the film 2b is explained in full detail.
[0028]
Here, since the diamond film has a high Vickers hardness of 60 to 110 GPa, it is extremely excellent in wear resistance.
[0029]
When the coating 2 is formed of a diamond film, the rotor 2 as a base material is formed of ceramics such as alumina, zirconia, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride having a Vickers hardness of 10 GPa or more as shown in Table 1. preferable. Of these ceramics, silicon carbide, silicon nitride, and aluminum nitride are excellent in adhesion strength because they have a thermal expansion coefficient close to that of diamond. From this point, silicon nitride is optimal.
[0030]
[Table 1]

[0031]
And the surface roughness (centerline average roughness: Ra) of these ceramics shall be 0.03-0.6 micrometer. This is because if the surface roughness (Ra) is less than 0.03 μm, the adhesion of the coating 2b is low, while if it exceeds 0.6 μm, the wear of the sliding counterpart material is promoted.
[0032]
A diamond coating 2b is formed on the surface of such a base material by a CVD method, a PVD method, or the like, and the film thickness is in the range of 0.3 to 10 μm. This is because when the film thickness is less than 0.3 μm, stress concentrates on the contact point at the time of sliding, and the coating film 2b tends to break, whereas when it exceeds 10 μm, the manufacturing cost increases and the film strength decreases. Because.
[0033]
On the other hand, the case where the coating 2b is formed of an amorphous hard carbon film will be described in detail.
[0034]
Here, the amorphous hard carbon film is also called a synthetic pseudo-diamond thin film, diamond-like carbon, DLC, i-carbon, and the like. Is similar to graphite and amorphous carbon, and has properties such as hardness and similar properties to diamond.
[0035]
This amorphous hard carbon film can be analyzed by laser Raman spectroscopy. That is, when the peak position of the Raman spectrum by laser Raman spectroscopy is detected, an extremely sharp peak is present at 1200 to 1400 cm ⁻¹ in the case of the diamond film, whereas 1200 to 1400 cm in the case of the amorphous hard carbon film. ^-1 or 1500-1600 cm ^-1 can be distinguished by the presence of a broad peak.
[0036]
The amorphous hard carbon film is suitable as a sliding member because it has a high Vickers hardness of 30 to 50 GPa and an excellent sliding property.
[0037]
When the coating 2b is formed of an amorphous hard carbon film, the rotor 2 serving as a base material is preferably formed of a ceramic such as alumina, zirconia, silicon carbide, or silicon nitride having a Vickers hardness of 12 GPa or more. Since these ceramics have a thermal expansion coefficient close to that of diamond, they have excellent adhesion strength.
[0038]
And the surface roughness (centerline average roughness: Ra) of these ceramics shall be 0.05-0.6 micrometer. This is because when the surface roughness (Ra) is less than 0.05 μm, the adhesion of the coating 2b is low, while when it exceeds 0.6 μm, the wear of the sliding counterpart material is promoted.
[0039]
The amorphous hard carbon film 2b is formed on the surface of such a base material by CVD, PVD, or the like, and the film thickness is in the range of 0.3 to 1.5 μm. This is because if the film thickness is less than 0.3 μm, the coating 2 b tends to be peeled off, while if it exceeds 1.5 μm, the manufacturing cost increases, and cracks are generated due to thermal stress during sliding, and the film 2 b tends to peel off. Because.
[0040]
In the above embodiment, only the vane pump has been described. However, it can be applied to various other pumps for reference . For example, the rotary pump shown in FIG. 2 pumps fluid from the suction port 21a to the discharge port 21b by rotating two rotary blades 22 with a shaft 23 in the casing 21. A film 21a made of diamond or an amorphous hard carbon film is formed. Further, the present invention can be similarly applied to a gear pump in which the rotary blade 22 has a gear shape.
[0041]
Further, the plunger pump shown in FIG. 3 reciprocates the plunger 32 in the cylinder 31 via the sealing material 33, and the surface of the plunger 32 is made of diamond or an amorphous hard carbon film. A coating 32a is formed.
[0042]
Furthermore, in rotary pumps such as centrifugal pumps, screw pumps, uniaxial eccentric screw pumps, and axial flow pumps, a diamond film or an amorphous hard carbon film is formed on the sliding surface of a bearing portion that supports a rotating body such as an impeller. It can be applied to various other pumps.
[0043]
Experimental example 1
Experiments were conducted to measure the friction coefficient and the amount of wear with a ball-on-disk type wear tester in which a ball is slid onto a rotating disk.
[0044]
As an example of the present invention, the surface roughness (Ra) of silicon nitride ceramics was set to 0.05 μm, and a diamond film having a film thickness of 10 μm formed thereon by CVD was used as a disk. Further, as a comparative example, a disk made only of ceramics of alumina, silicon nitride, and silicon carbide was prepared. On the other hand, a ball made of high carbon chromium bearing steel (SUJ2) was used.
[0045]
This ball was pressed against the surface of each disk with a pressing force of 9.8 N, and the experiment was performed for 0.5 hour under a dry non-lubricant at a disk sliding speed of 5 m / s. The specific wear amount was measured.
[0046]
The results are as shown in Table 2. From this result, it was confirmed that the embodiment of the present invention provided with the diamond film had a friction coefficient of 0.08 and was extremely excellent in slidability, and the amount of wear on the disk side ball side was extremely small.
[0047]
[Table 2]

[0048]
Experimental example 2
Next, on the disk on which the diamond film was formed in Experimental Example 1, the surface roughness (Ra) of the silicon nitride ceramic as a base material and the film thickness of the diamond film were variously changed, and the same experiment as described above was performed. Then, the presence or absence of peeling of the diamond film and the specific wear amount of the ball as the counterpart material were measured.
[0049]
The results are as shown in Tables 3 and 4. From the results shown in Table 3, when the surface roughness (Ra) of the base material is 0.03 μm or less, peeling tends to occur and the wear amount of the mating material increases. Becomes larger.
Therefore, it was found that the surface roughness (Ra) of the base material is preferably in the range of 0.03 to 0.6 μm.
[0050]
Further, from the results shown in Table 4, it was found that when the film thickness is 0.3 μm or less, peeling easily occurs, so that the film thickness is preferably 0.3 μm or more.
[0051]
[Table 3]

[0052]
[Table 4]

[0053]
Experimental example 3
Next, an experiment for forming an amorphous hard carbon film was performed.
[0054]
Using the same ball-on-disk testing machine as in the above experimental example, the disk was formed of alumina ceramics, and the surface roughness was variously changed as shown in Table 5, and an amorphous hard carbon film having a thickness of 1 μm was formed. What was formed was prepared. Further, high-carbon chromium bearing steel (SUJ2) was used as the ball of the sliding partner.
[0055]
Table 5 shows the results of measuring the peeling of the amorphous hard carbon film and the amount of wear on the ball side after the experiment was conducted under the same conditions as described above.
[0056]
From this result, when the surface roughness (Ra) of the alumina ceramic as a base material is less than 0.05 μm, the film adhesion is low and the film is easy to peel off. Was big. Therefore, it was found that the surface roughness (Ra) of the base material should be in the range of 0.05 to 0.6 μm.
[0057]
[Table 5]

[0058]
Experimental Example 4
Next, in the disk formed with the non-small hard carbon film in Experimental Example 3, the surface roughness (Ra) of the alumina ceramic as the base material was set to 0.3 μm, and the same experiment was performed by changing the film thickness variously. went.
[0059]
As shown in Table 6, peeling is likely to occur when the film thickness is less than 0.3 μm. On the other hand, when the film thickness exceeds 1.5 μm, cracks occur in the amorphous hard carbon film due to thermal stress during sliding. There was a fear. Moreover, it took time to make the film thickness larger than 1.5 μm, and the cost was high. Therefore, it was found that the film thickness of the amorphous hard carbon film is preferably in the range of 0.3 to 1.5 μm.
[0060]
[Table 6]

[0061]
Experimental Example 5
Next, the same experiment was performed by changing the material of the base material on which the amorphous hard carbon film was deposited. The base material surface roughness (Ra) was 0.3 μm, and the amorphous hard carbon film thickness was 0.7 μm. Each disk was constructed, and an experiment using a ball-on-disk tester similar to the above was performed.
[0062]
The results are as shown in Table 7. As is apparent from this result, the friction coefficient was large when the amorphous hard carbon film was not deposited, and the specific wear amount of the disk and ball was also large. Even when an amorphous hard carbon film was applied, when a metal material having low hardness was used as the base material, both the friction coefficient and the wear amount of the disk and ball were large.
[0063]
On the other hand, a ceramic having a Vickers hardness of 12 GPa or more and having an amorphous hard carbon film deposited thereon has a friction coefficient of 0.12 or less, and the specific wear amount of the disk and ball can be extremely reduced. Understand.
[0064]
[Table 7]

[0065]
Experimental Example 6
In the above experimental examples, the case where an amorphous hard carbon film is formed on the disk side of the ball-on-disk tester has been described, but conversely, an experiment was conducted by forming an amorphous hard carbon film on the ball side. .
[0066]
That is, the disk is made of high carbon chrome chrome bearing steel (SUJ2), the ball is made of alumina ceramic, and the surface is coated with an amorphous hard carbon film. A similar experiment was conducted.
[0067]
As a result, the amorphous hard carbon film deposited on the ball side was easily peeled when sliding, and as a result, the wear amount of the disk and the ball was large.
[0068]
This is because the disc side is an intermittent sliding surface while the ball side is a continuous sliding surface that always slides, and the amorphous hard carbon film of the present invention is formed on the intermittent sliding surface. It is preferable to do.
[0070]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, at least one intermittent sliding surface of a member constituting the pump is provided with a diamond film or an amorphous hard carbon film, thereby reducing the friction coefficient and sliding. Since the wear amount of both the members can be made extremely small, excellent sliding characteristics can be maintained over a long period of time.
[0071]
In particular, if the present invention is applied to a vane pump, it is possible to provide a high-performance vane pump that is excellent in slidability and wear resistance even when a refrigerant having a low lubricating oil dissolving power is used by changing the refrigerant due to the complete abolition of specified CFC Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a longitudinal sectional view showing a vane pump according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a sectional view taken along line XX in FIG.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a rotary pump .
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a plunger pump .
[Explanation of symbols]
1: Housing 2: Rotor 2 b: Coating 3: Vane 4: Elastic material 5: Rotating shaft 6: Suction port 7: Discharge port

Claims

The outer periphery of the rotor in which the outer peripheral surface of the cylindrical rotor is brought into contact with the inner peripheral surface of the cylinder of the housing and the vane is disposed with the elastic member interposed in the housing, and the tip of the vane slides intermittently In the vane pump pressed against the surface, the rotor is made of silicon nitride ceramics having a Vickers hardness of 10 GPa or more and a centerline average roughness (Ra) of the intermittent sliding surface of 0.03 to 0.6 μm. A vane pump characterized by comprising a diamond film having a film thickness of more than 0.3 μm and not more than 10 μm on the intermittent sliding surface .

The outer periphery of the rotor in which the outer peripheral surface of the cylindrical rotor is brought into contact with the inner peripheral surface of the cylinder of the housing and the vane is disposed with the elastic member interposed in the housing, and the tip of the vane slides intermittently In the vane pump press-contacted to the surface, the rotor has alumina, zirconia, carbonized carbon having a Vickers hardness of 12 GPa or more and an intermittent sliding surface centerline average roughness (Ra) of 0.05 to 0.6 μm. A vane pump characterized in that it is formed of silicon or silicon nitride ceramics, and an amorphous hard carbon film having a thickness of 0.3 to 1.5 μm is provided on the intermittent sliding surface.