JP3985314B2

JP3985314B2 - 吸収式ヒートポンプ用溶液ポンプ

Info

Publication number: JP3985314B2
Application number: JP34745897A
Authority: JP
Inventors: 良一古閑; 敬澤田; 隆仁石井; 松本　　聡
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-12-17
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2017-12-17
Also published as: JPH11182454A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸収式ヒートポンプの作動溶液を搬送する溶液ポンプ、特にアンモニアを冷媒とする吸収式ヒートポンプに用いる溶液ポンプにおける摺動部のアンモニア水溶液中での潤滑性および耐磨耗性の技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の吸収式ヒートポンプ特に、アンモニア水溶液を作動流体とする冷凍機に用いられている溶液ポンプは、一般に油圧ポンプ駆動形のダイアフラムポンプが用いられていた。この種のポンプは、粘度が高く、潤滑性の良い作動油を用いることによって高いポンプ効率が確保できるピストン型の油圧ポンプと、この油圧ポンプで発生する油圧により、全面が駆動されるダイアフラムとを有する油圧ポンプ駆動型ダイアフラムポンプとで構成されていた。この種のポンプは、アンモニアなどの冷媒の粘度が作動油と比較して極めて低く、用いる冷媒の腐食性が高いことから、ダイアフラムで媒体とポンプ機構部が分離させてポンプ効率とポンプ信頼性とを確保していた。
【０００３】
しかしながら、溶液ポンプとして、上記のような油圧ポンプ駆動形のダイアフラムポンプを用いる場合には、ピストン型油圧ポンプと油圧ポンプ駆動型ダイアフラムポンプとの２種類のポンプを組み合わせることが必要で、機器の小型化およびコストの面で問題点があった。また高圧で動作するダイアフラムポンプは、一種の往復動ポンプであるため、脈動が大きく、ポンプ自体の騒音とともに、配管系での共振により生ずる騒音が高くなるという問題点があった。さらにダイアフラムの油圧駆動に用いる作動油、および、可撓性の
ある樹脂材料あるいはゴムで成形されるダイアフラム自体は、定期的なメンテナンスが必要な部品であり、家庭用機器としては不向きなポンプであった。
【０００４】
このダイアフラムポンプに代わるポンプとして通常の油圧機器に用いられている、往復動型と比較して脈動の少ない回転型の容積ポンプを、アンモニアの溶液ポンプに適用した場合、性能、耐久性の面で大きな問題点があった。
【０００５】
従来の油圧機器に用いられている回転型の容積ポンプは、作動流体として潤滑性が優れかつ、粘度が数百ｃｐと流体潤滑が充分に可能な粘度の作動油を使用していた。従ってポンプ差圧が高い条件でも、充分に潤滑されるため、摺動部の材料も通常の鉄系の材料の組み合わせで、性能および信頼性を確保することができた。しかしながら、作動流体がアンモニア水溶液となった場合、流体粘度が０．５ｃｐと油圧用ポンプの場合の１／１００程度になるため、潤滑条件が非常に厳しくなり、かつアンモニア水溶液によりポンプ摺動部に腐食が生じてくるため、従来の油圧用ポンプの構成および材質ではそのまま用いることはできないという問題点があった。
【０００６】
そこで、回転型の容積ポンプの中でも、圧力脈動の少ないトロコイド型の溶液ポンプの適用が検討されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のトロコイド型の溶液ポンプにあっては、以下に説明するような課題を有していた。
【０００８】
すなわち、アンモニアを冷媒とする吸収式のヒートポンプでは、アンモニア水溶液が溶液ポンプの作動流体となるので、冷凍サイクルの動作範囲から、溶液ポンプの動作点は、圧力差が２０ｋｇ／ｃｍ²、流体粘度は常温の水の半分程度の粘度０．５ｃｐとなる。そして長時間にわたり摺動部の信頼性を確保するためには、摺動部での流体潤滑状態、すなわち、摺動部で流体潤滑膜が形成されて物体同士の直接接触がない状態をできるだけ確保する必要がある。また流体粘度が０．５ｃｐの場合、摺動面に形成される流体潤滑膜は、摺動部の面圧にもよるが１μｍ以下と想定する必要がある。
【０００９】
従って物体同士の直接接触がない流体潤滑状態を実現しようとすれば、摺動面に要求される精度は、形状精度と表面粗さともにサブミクロンの精度が必要となり、摺動面の表面状態は、鏡面に近い状態を実現する必要がある。しかし、ギア歯面の摺動面に形成する流体潤滑膜は、通常の軸受け部の潤滑とは異なり、流体潤滑の形成機構上生成されにくいため、例えば油圧用ギアポンプでは、摺動面の面圧が高いところで作動油の粘度が局所的に上昇し流体潤滑を実現する極圧添加剤が作動油に添加し使用している。しかし、アンモニア吸収式のヒートポンプ冷媒中にこのような添加剤を投入することができないため、さらにギアの歯面の精度、表面粗さを改善する必要があった。
【００１０】
またこの流体潤滑状態は常に確保できるとは限らず、ポンプの起動時や停止時あるいは異常運転時にはこの流体潤滑膜は破壊された状態となることがある。特にポンプがガスがみ運転状態になった場合は摺動面が直接接触して、衝撃的な力が作用することも考えられるため、潤滑膜が破壊されて摺動部が直接接触した場合でも摺動面の摩耗が促進されないように、摺動面の表面粗さ、形状精度が維持する必要があった。
【００１１】
さらに吸収式ヒートポンプシステムにおける溶液ポンプの場合、溶液ポンプが吸い込むアンモニア水溶液の過冷却度が充分にとれない場合があり、アンモニア水溶液の飽和すなわち、過冷却度０ｄｅｇに近い条件で動作する可能性もある。このような吸い込み条件では、ポンプ内部でガスがみ、あるいはキャビテーションが非常に起こり易くなり、キャビ
テーションエロージョンにより、トロコイドギアの歯面が磨耗するという課題があった。
【００１２】
このトロコイドギアの歯面の磨耗に関わる基本的な要素としては、材料の表面硬度、形状精度、表面粗さ、材料の境界潤滑性能、化学的な腐食、互いに摺動させる材料の組み合わせなどが関係している。これらの条件を高いレベルで満たす材料としては、特に水溶液中での潤滑性が優れかつ、硬度が高く、形状精度の面でも優れた珪素系のセラミック材料がある。珪素系のセラミック材料の中でも、炭化珪素あるいは窒化珪素などは水溶液中での潤滑性が特に優れ、軸受けなどの摺動部材に使用されている。
【００１３】
ただ、この種のセラミック材料をギアポンプのギアに適用するには、耐衝撃性などの信頼性と、実運転時の様々な条件によるギア歯面の摺動特性の確保、ギアの歯面硬度が非常に高くなることによるポンプ騒音の増加など解決すべき課題があった。
【００１４】
また、ギア歯面の摺動性については、窒化珪素系のセラミックでトロコイドギアを形成し実運転試験を行い、アンモニア水溶液中で運転した場合に、負荷変動時に溶液ポンプより異常音が発生し、これが窒化珪素系のセラミック自体がもつ負荷変動時の潤滑特性が安定でないということに起因するという課題を見いだした。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は溶液ポンプにおける容積型ポンプのトロコイドギアを構成するアウターギアあるいはインナーギアの少なくとも一方のギアを耐摩耗性、耐キャビテーション性、摺動性などの特性が基本的に優れた珪素系のセラミックで構成するとともに、耐衝撃性などの信頼性と、実運転時の様々な条件によるギア歯面の摺動特性を向上させ、また、ギアの歯面硬度が非常に高くなることにより生じ易くなるポンプ騒音の低減を図ることを目的とする。
【００１６】
本発明は上記の課題を解決し、その目的を達成するために、トロコイドギアを水溶液中での潤滑性の優れた珪素系のセラミックで形成することとしている。窒化珪素系のセラミックは硬度がＨｖ２０００程度と高く、また耐衝撃性が高くボールベアリングの球にも使用されており破壊モードとして金属材料と同等に扱えることが示されており、さらに、水溶液中での潤滑性にも優れた特性を示す。炭化珪素系のセラミックは硬度がＨｖ３０００程度と非常に高く、水溶液中の潤滑性が優れまた、負荷変動時の摩擦係数も安定しており、耐摩耗性にも優れた特性を発揮する。
【００１７】
また、トロコイドギアのインナーギアを鉄系の素材で形成し、このインナーギアの表面に耐食性の優れた硬化膜を形成し、このインナーギアと珪素系のセラミックで形成されたアウターギアとを組み合わせることとしている。鉄系の素材で形成し表面に薄い硬化膜を形成したインナーギアは表面硬度は高いが、この硬化膜の層は薄いため、応力が集中した部分での硬度は鉄系の母材に近くなり、歯面の応力を緩和する結果、セラミックギアと組み合わせた場合の耐衝撃性が高める機能を有する。トロコイドギアを用いたポンプは駆動力をインナーギアよりアウターギアに伝達する構成をとり、インナーギアにはポンプの動力軸より力が伝達される動力伝達部たとえばキーあるいはＤカット部などを有し、この部分で応力集中が生ずるが、これを金属系の材料で応力を緩和することが可能である。
【００１８】
このトロコイド型ポンプを用いた溶液ポンプの動作点がさらに負荷の高い領域で使用する場合には、鉄系の素材自体をあらかじめ窒化処理をし表面硬度を高めておいてこの上に、耐食性の優れた硬化膜を形成することにより、この硬化膜自体の強度を高めて耐久性を向上させることができる。
【００１９】
また窒化珪素系セラミックの負荷変動時の摺動性を向上させる手段として、自己潤滑性
を有するダイヤモンドライクカーボン（以下ＤＬＣという）の薄膜を窒化珪素系セラミックで構成したギアの表面に構成したものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明は、各請求項に記載された形態により実施されるものであり、その形態について以下説明する。
【００２１】
請求項１のように、アンモニア水溶液を作動流体とする容積型ポンプ部を、窒化珪素系セラミックもしくは炭化珪素系セラミックのいずれかの材料で形成したアウターギアと鉄系の材料で形成したインナーギアとを有するトロコイド型ポンプで構成し、前記インナーギアの表面を硬化層薄膜およびＤＬＣの薄膜の積層膜により被覆することにより、ギア歯面の摺動性が良好となり、耐摩耗性を向上させることができる。
【００２２】
【実施例】
以下本発明について図１ないし図１４を参照して説明する。
【００２３】
（実施例１）
実施例１について、図１〜図６を参照して説明する。直流ブラシレスモータ１の固定子２は、その内側に挿入されたライナー３により回転子４と気密に分離される。回転型の容積型ポンプ部５がボディー６の前側に一体に構成されており、この容積型ポンプ部５は、回転子４に圧入された主軸７により駆動され、２段で昇圧するトロコイド型ポンプで構成している。アンモニア吸収式ヒートポンプでは、ポンプ差圧として２０ｋｇ／ｃｍ²程度必要であるので、上記のトロコイド型ポンプの昇圧構成は、一段で１０ｋｇ／ｃｍ²昇圧させることにより、トロコイドギアなどの摺動部に加わる負荷を低減させ、ポンプの耐久性を高めている。容積型ポンプ部５の主要部材は、ボディー６の前方に設けられた空洞６ａの中に圧入された積層構造としている。積層されるポンプの主要部材のうち最も底面に位置するのが、側板Ａ８で、中央部に、直流ブラシレスモータ１の主軸７の軸受け機能を有する軸受Ａ８ａを備えている。側板Ａ８に、偏心リングＡ９を積層し、この偏心リングＡ９は、トロコイド形状のアウターギアＡ１０を回転自在に保持し、かつアウターギアＡ１０がインナーギアＡ１１と適正な偏心量を形成するように保持している。アウターギアＡ１０およびインナーギアＡ１１は窒化珪素系のセラミックあるいは炭化珪素系のセラミック材により形成している。また、偏心リングＡ９はアウターギアＡ１０およびインナーギアＡ１１の厚さ方向のクリアランスを適正な値に保持する機能も有する。なお主軸７とインナーギアＡ１１とはＤカット７ａにより固定されている。
【００２４】
偏心リングＡ９に中間スペーサ１２を積層し、この中間スペーサ１２の側板Ａ８側の面には、図５に示すように、ポンプの吸入口１３と連通する切り欠き１４を設け、この切り欠き１４には、中間スペーサ１２の側板Ａ８側の面に設けた吸入溝１５と連通している。また中間スペーサ１２の側板Ａ８側には吐出溝１６を設け、この吐出溝１６には吐出孔１６ａを形成している。このように側板Ａ８と中間スペーサ１２との間に、アウターギアＡ１０およびインナーギアＡ１１を介在させることにより、１段目のポンプ部を構成するポンプ部Ａ１７を形成している（図２参照）。
【００２５】
中間スペーサ１２に偏心リングＢ１８を積層し、この偏心リングＢ１８の偏心方向は、偏心リングＡ９の偏心方向に対し１８０度反転させた方向に設定されている。中間スペーサ１２の偏心リングＢ１８側の面には、図６に示すように、中間スペーサ１２の偏心リングＡ９側と同様に、吸入溝１９と吐出溝２０が設けてあるが、それぞれ吸入溝１５と吐出溝１６に対し１８０度ずらした位置に設けられている。中間スペーサ１２の偏心リングＡ９側の面に設けた吐出溝１６の吐出孔１６ａは、偏心リングＢ１８側の面に設けた吸入溝１９と連通している。偏心リングＢ１８は、トロコイド形状のアウターギアＢ２１を、イ
ンナーギアＢ２２と適正な偏心量を保持しながら回転自在に保持し、また、この偏心リングＢ１８は、アウターギアＢ２１およびインナーギアＢ２２の厚さ方向のクリアランスを適正な値に保持する機能も有する。
【００２６】
アウターギアＢ２１およびインナーギアＢ２２も、一段目のポンプ部Ａ１７のギアと同様に窒化珪素系のセラミックあるいは炭化珪素系のセラミックで構成されている。主軸７とインナーギアＢ２２とはＤカット７ａにより固定されている。さらに、偏心リングＢ１８には側板Ｂ２３が積層されており、この側板Ｂ２３には、中間スペーサ１２の吐出溝２０に対応する位置に吐出ポートが設けられている。このように、中間スペーサ１２と側板Ｂ２３との間に、アウターギアＢ２１およびインナーギアＢ２２を介在させることにより、２段目のポンプを構成するポンプ部Ｂ２４を形成している（図３参照）。
【００２７】
以上説明したように、１段目のポンプ部Ａ１７と２段目のポンプ部Ｂ２４とは中間スペーサ１２を介して積層されて容積型ポンプ部５を構成している。ポンプ部Ａ１７およびポンプ部Ｂ２４の基本寸法は、インナーギアＡ１１およびインナーギアＢ２２の幅および外径で決まり、ポンプ部Ａ１７およびポンプ部Ｂ２４では同一の寸法値に設定している。なお、ボディー６の前方に設けられ、容積型ポンプ部５が存在する空洞６ａは、ポンプ蓋２５により密閉されている。また、ボディー６の前側には流路Ａ２６が設けられ、ボディー６の後側には、軸受２７、スペーサ２８、通路２９、３０が設けられている。
【００２８】
上記のように構成した溶液ポンプの動作について、以下説明する。直流ブラシレスモータ１の回転子４が回転すると、回転子４に圧入してある主軸７が回転する。主軸７が回転すると、Ｄカット７ａにより主軸７に固定されたインナーギアＡ１１およびインナーギアＢ２２が回転し、これらのギアと各々噛み合うアウターギアＡ１０およびアウターギアＢ２１は従動ギアとして回転し、ポンプ部Ａ１７およびポンプ部Ｂ２４においてトロコイドポンプとしてのポンプ動作を行う。このポンプ動作は、ポンプ部Ａ１７およびポンプ部Ｂ２４により、直列に２段で行われ、ポンプ部Ａ１７におけるインナーギアＡ１１とアウターギアＡ１０とでポンプ作用が行われる１段目と、ポンプ部Ｂ２４におけるインナーギアＢ２２とアウターギアＢ２１とで２段目のポンプ作用が行われ、２段階の昇圧作用が分割される。したがって、一段当たりの昇圧量は最大で１０ｋｇ／ｃｍ²と負荷が低減され、耐久性を高めることができる。
【００２９】
また、インナーギアＡ１１とアウターギアＡ１０、および、インナーギアＢ２２とアウターギアＢ２１とはそれぞれ窒化珪素系のセラミックあるいは炭化珪素系のセラミックで形成されており、これらのセラミック材料は高硬度でしかも水溶液中で潤滑特性を有しているため、耐摩耗性とキャビテーション性を向上することができる。
【００３０】
（参考例１）
参考例１について、図７および図８を参照して説明する。実施例１の場合と比較して異なる構成は、インナーギアＡ１１、インナーギアＢ２２を鉄系の材料で形成し、インナーギアＡ１１、インナーギアＢ２２の表面に窒化チタン膜Ａ１１ａおよび、窒化チタン膜Ｂ２２ａを形成した点である。これらインナーギアは、高硬度でしかも化学的にアンモニア水溶液に対して侵されない窒化チタン膜によりギア内部が保護されているので、ギア歯面における形状精度、表面粗さは維持され、表面硬度が高くなって耐摩耗性と耐キャビテーション性が向上する。またこれら窒化チタン膜は数μｍと非常に薄い膜であるため、ギア表面硬度を保ちつつ、窒化珪素系のセラミックあるいは炭化珪素系のセラミックで形成されたアウターギアＡ１０、および、アウターギアＢ２１と当接する際に生ずるギア歯面の応力を、金属系のギア側で緩和して耐衝撃性を向上することができる。また、ギア歯面の精度が充分に出ていない箇所で生ずる当接音についても、金属側のギアが弾性変形することによりギア歯面の当接を緩和して、運転騒音を低減することができる。
【００３１】
（参考例２）
参考例２について、図９および図１０を参照して説明する。参考例１の場合と比較して異なる構成は、インナーギアＡ１１、インナーギアＢ２２を形成する材質をクロムを含有する特殊鋼とし、インナーギアＡ１１、インナーギアＢ２２の表面に窒化処理された硬度の高い窒化薄膜Ａ１１ｂ、窒化薄膜Ｂ２２を形成し、この窒化薄膜Ａ１１ｂ、および窒化薄膜Ｂ２２ｂの上に、それぞれ窒化チタン膜Ａ１０ａ、窒化チタン膜Ｂ２２ａを形成した点である。この窒化処理により硬く、しかも強度の高い窒化薄膜Ａ１１ｂ、および窒化薄膜Ｂ２２ｂが形成される。この窒化薄膜は、等価的には母材の特殊鋼の硬度が高くなったと同様の効果があり、この上に形成される窒化チタンの薄膜は母材の上に直接窒化チタンの薄膜を形成した場合と比較して高い実効硬度を実現することができる。この実効硬度が高くなったことにより、より高いポンプ負荷に対しても、鉄系の材料で形成されたインナーギアＡ１１およびインナーギアＢ２２側で、歯面の応力集中を吸収し、耐久性を向上させることができる。
【００３２】
（実施例２）
実施例２について、図１１、図１２を参照して説明する。参考例２の場合と比較して異なる構成はインナーギアＡ１１およびインナーギアＢ２２の表面に形成した窒化チタン膜Ａ１１ａおよび窒化チタン膜Ｂ２２ａの上にさらにＤＬＣの薄膜Ａ１１ｃ、およびＤＬＣの薄膜Ｂ２２ｃを形成した点である。
【００３３】
ＤＬＣの薄膜は摺動性がたいへん優れ、セラミック系の材料に対しても摩擦係数および摩耗量ともに優れた特性を示す。
【００３４】
（参考例３）
参考例３について、図１３、図１４を参照して説明する。実施例１の場合と比較して異なる構成は珪素系のセラミックで形成したインナーギアＡ１１及びインナーギアＢ２２の表面にＤＬＣの薄膜Ａ１１ｃ、及びＤＬＣの薄膜Ｂ２２ｃを形成した点である。
【００３５】
ＤＬＣ薄膜は摺動性がたいへん優れ、セラミック系の材料に対しても摩擦係数および摩耗量ともに優れた特性を示す。またセラミックの母材自体の硬度が高くまた、珪素系のセラミックであるためＤＬＣ薄膜が強固に母材に付着し、潤滑効果を高める効果がある。なお図１３に示すようにアウターギアＡ１０の表面にＤＬＣの薄膜１０Ｃを形成したり、図１４に示すようにアウターギアＢ２１の表面にＤＬＣの薄膜２１Ｃを形成するとより一層硬度を高くすることができる。
【００３６】
（参考例４）
参考例４が実施例１の場合と比較して異なる構成は偏心リングＡ９、偏心リングＢ１８を鉄系の材料から炭化珪素系セラミックとした点である。
【００３７】
偏心リングＡ９はアウターギアＡ１０をインナーギアＡ１１に対して所定の量偏心させ、同様に、偏心リングＢ１８はアウターギアＢ２１をインナーギアＡ２２に対して所定の量偏心させる機能を有している。これら偏心リングの摺動面が摩耗するとアウターギアＡ１０、アウターギアＢ２１が所定の位置からずれて回転することになり、ギア歯面の摩耗そして流量の低下へとつながる。また、アウターギアＡ１０、アウターギアＢ２１と偏心リングＡ９、偏心リングＢ１８との摺動抵抗はギア歯面の応力と直接関係する。従って、偏心リングとアウターギアとの摺動抵抗および摩耗を低減することは非常に重要であり、珪素系のセラミックで形成したアウターギアに対して、炭化珪素あるいは窒化珪素で構成した偏心リングは珪素系セラミックの特徴であるトライボケミカル反応で摩擦係数が０．０８以下と非常に少なくまた摩耗量も少ない流体潤滑状態を確保できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上に説明するような形態で実施される本発明の吸収式ヒートポンプ用溶液ポンプによれば、次に記載するような効果が得られる。
【００３９】
本発明によればアウターギアあるいはインナーギアの表面に潤滑性が優れ、かつ硬度の高いダイアモンドライクカーボンの薄膜を形成することにより、優れた耐摩耗性と耐キャビテーション性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における吸収式ヒートポンプ用溶液ポンプの概略断面図
【図２】同溶液ポンプにおける１段目ポンプ部の要部断面図
【図３】同溶液ポンプにおける２段目ポンプ部の要部断面図
【図４】同溶液ポンプにおける中間スペーサの断面図
【図５】同中間スペーサの１段目ポンプ部側の平面図
【図６】同中間スペーサの２段目ポンプ部側の平面図
【図７】本発明の参考例１における溶液ポンプの１段目ポンプ部の要部断面図
【図８】同溶液ポンプの２段目ポンプ部の要部断面図
【図９】本発明の参考例２における溶液ポンプの１段目ポンプ部の要部断面図
【図１０】同溶液ポンプの２段目ポンプ部の要部断面図
【図１１】本発明の実施例２における溶液ポンプの１段目ポンプ部の要部断面図
【図１２】同溶液ポンプの２段目ポンプ部の要部断面図
【図１３】本発明の参考例３における溶液ポンプの１段目ポンプ部の要部断面図
【図１４】同溶液ポンプの２段目ポンプ部の要部断面図
【符号の説明】
５容積型ポンプ部
１０アウターギアＡ
１０ａ窒化チタン膜Ａ
１１インナーギアＡ
１１ａ窒化チタン膜Ａ
１１ｂ窒化薄膜Ａ
１１ｃＤＬＣの薄膜Ａ
２１アウターギアＢ
２２インナーギアＢ
２２ａ窒化チタン膜Ｂ
２２ｂ窒化薄膜Ｂ
２２ｃＤＬＣの薄膜Ｂ

Claims

アンモニア水溶液を作動流体とする容積型ポンプ部を、窒化珪素系セラミックもしくは炭化珪素系セラミックのいずれかの材料で形成したアウターギアと鉄系の材料で形成したインナーギアとを有するトロコイド型ポンプで構成し、前記インナーギアの表面を硬化層薄膜およびダイヤモンドライクカーボン薄膜の積層膜により被覆した吸収式ヒートポンプ用溶液ポンプ。