JP5456476B2

JP5456476B2 - 一軸偏心ネジポンプ用ロータ

Info

Publication number: JP5456476B2
Application number: JP2009531211A
Authority: JP
Inventors: 和正北村; 隆雄齊藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: WO2009031473A1; JPWO2009031473A1

Description

本発明は、一軸偏心ネジポンプ用ロータに関し、詳しくは一軸偏心ネジポンプの雌ネジ形のステータ内に嵌挿され、偏心回転することにより移送液を搬送可能な雄ネジ形のロータに関する。

従来、この種の一軸偏心ネジポンプ用ロータとしては、特許文献１に示すように、アルミニウム合金からなるロータ基材の表面に、膜厚５０〜１００μｍのＷＣ（タングステンカーバイド）溶射被膜を介して膜厚０．５〜５μｍのＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン）膜を形成したものが知られている。このロータによれば、比較的摩耗性の少ない移送液を送出する際のロータとステータの寿命が長くなるという効果が得られる。
特開２００６−２４９９３１号公報

ところで、こうした一軸偏心ネジポンプを利用して、炭化珪素やコージェライトなどの高硬度のセラミックスのスラリー（高摩耗性スラリー）を送出したいという要望がある。しかしながら、一軸偏心ネジポンプは、構造的に移送液の入口から出口までの距離がロータの直径に比べて長いこと、移送液の出口ではロータに加わる面圧が高いこと、移送液の送出のオンオフ動作が繰り返し実行されること等のために、高摩耗性の移送液を略一定の温度に保ちながら高い精度で定量的に送出することは難しかった。また、特許文献１に開示されたロータを採用した場合には、ロータ基材がヤング率の低いアルミニウム合金であるため、摩耗性の高いスラリーによって弾性変形してＷＣ溶射被膜やＤＬＣ膜が剥離してしまうという問題が生じることがあった。

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、高摩耗性の移送液を略一定の温度に保ちながら高い精度で定量的に送出可能な一軸偏心ネジポンプ用ロータを提供することを主目的とする。

本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のロータは、
一軸偏心ネジポンプの雌ネジ形のステータ内に嵌挿され、偏心回転することにより移送液を搬送可能な雄ネジ形のロータであって、
鉄系材質からなるロータ基材と、
該ロータ基材の表面に形成され前記鉄系材質よりも熱伝導率の高い中間層と、
該中間層の表面に形成されたＤＬＣ膜からなる表層と、
を備えたものである。

一軸偏心ネジポンプは、移送液の出口付近ではロータに加わる面圧が高いため移送液が高温化する傾向にあるが、本発明のロータを採用した場合にはロータ基材よりも熱伝導率の高い中間層を介して出口から入口にかけての均熱化が促進されるため、移送液を一定の温度に保ちながら送出することが可能となる。また、アルミニウム合金に比べて高硬度の鉄系材質をロータ基材とすると共にロータの表層に耐摩耗性の高いＤＬＣ膜を有しているため、高摩耗性の移送液を送出したとしても摩耗の影響がほとんどなく、高い精度で定量的に移送液を送出することができる。

一軸偏心ネジポンプ１０の断面図である。雄ネジ形ロータ１４の断面図である。実施例１，２及び比較例１〜４の移送液温度に関するグラフである。実施例１，２及び比較例１〜４の移送液量に関するグラフである。実施例１，２及び比較例１〜４の移送液温度に関するグラフである。実施例１，２及び比較例１〜４の移送液量に関するグラフである。

次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は一軸偏心ネジポンプ１０の断面図、図２は雄ネジ形ロータ１４の断面図である。

一軸偏心ネジポンプ１０は、モーノポンプと呼ばれるものであり、雌ネジ形ステータ１２と、この雌ネジ形ステータ１２内に偏心回転可能に嵌挿された雄ネジ形ロータ１４と、雌ネジ形ステータ１２を覆うステータケーシング１６と、ステータケーシング１６の後端に取り付けられ移送液の入口１８が設けられた入口側ケーシング２０と、ステータケーシング１６の先端に取り付けられ移送液の出口２２が設けられた出口側ケーシング２４とを備えている。雌ネジ形ステータ１２は、ゴム等の弾性材で形成されており、内周面にはダブルピッチの螺旋溝が形成されている。雄ネジ形ロータ１４は、図２に示すように、鉄系材質からなるロータ基材１４ａと、該ロータ基材１４ａの表面に形成されロータ基材１４ａよりも熱伝導率が高い中間層１４ｂと、該中間層１４ｂの表面に形成されたＤＬＣ膜からなる表層１４ｃとを備えている。この雄ネジ形ロータ１４は、第１ユニバーサルジョイント２６を介してカップリングロッド２８の先端に結合されている。また、カップリングロッド２８の後端は、第２ユニバーサルジョイント３０を介してドライブシャフト３２に結合されている。ドライブシャフト３２は、ボールベアリング３４によって軸回転可能に支持されており、第２ユニバーサルジョイント３０の近傍に設けられた軸封装置３６によって液密に入口側ケーシング２０に取り付けられている。

このような構成を備えた一軸偏心ネジポンプ１０の使用例について説明する。一軸偏心ネジポンプ１０のドライブシャフト３２を図示しないモータによって駆動して定速で軸回転させながら、入口１８から移送液として高摩耗性のスラリーを導入する。ドライブシャフト３２の軸回転に伴って雄ネジ形ロータ１４も回転するため、雄ネジ形ロータ１４と雌ネジ形ステータ１２の螺旋溝との間に形成される空洞部３８が出口２２に向かって移動していく。この空洞部３８には入口１８から導入されたスラリーが充填されるため、スラリーは空洞部３８の移動に伴って移送され、出口２２から外部へ吐出される。このようにして、入口１８から導入されたスラリーは出口２２から外部へ一定の流量で（つまり定量的に）吐出される。

以上詳述した本実施形態の一軸偏心ネジポンプ１０によれば、スラリーを移送しているうちに出口付近が面圧の上昇によって高温になったとしても、その熱は雄ネジ形ロータ１４の熱伝導性の高い中間層１４ｂを介して出口側から入口側へと拡散するため均熱化される。したがって、移送液を略一定の温度で供給することができる。また、最表面に高い耐摩耗性を有するＤＬＣ膜を有しているため、高摩耗性のスラリーを移送したとしても摩耗の影響がほとんどなく、高い精度で定量的にスラリーを移送することができる。更に、上述したように雄ネジ形ロータ１４を均熱化することによりロータ内部の熱による歪みが低減されるため、この点でも定量性が向上する。

ここで、ロータ基材１４ａは、鉄系材質としてＳＵＳ材、ＳＫＤ材（ダイス鋼）又はＳＫＨ材（ハイスピード鋼）からなることが好ましい。ＳＵＳ材としては、例えば鉄−クロム−ニッケル系のＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６、鉄−クロム系のＳＵＳ４１０やＳＵＳ４３０などが挙げられる。ＳＵＳ材の熱伝導率は概ね１５〜３０Ｗ／ｍＫである。ＳＫＤ材としては、例えばＳＫＤ１１やＳＫＤ６１などが挙げられる。ＳＫＤ材の熱伝導率は概ね３０Ｗ／ｍＫ前後である。ＳＫＨ材としては、例えばＳＫＨ２，ＳＫＨ１０，ＳＫＨ５１，ＳＫＨ５５などが挙げられる。ＳＫＨ材の熱伝導率は概ね２５〜２７Ｗ／ｍＫである。なお、ＳＵＳ材やＳＫＤ材、ＳＫＨ材のヤング率は２３０ＧＰａ前後（ちなみにアルミニウムのヤング率は７０ＧＰａ）、硬度はＨＲＣ４０〜７０である。ロータ基材１４ａの材質は、ＳＫＤ材が靭性に富む点及び割れにくい点で特に好ましい。

中間層１４ｂは、熱伝導率がロータ基材１４ａよりも高ければ特に限定されないが、熱伝導率が３０〜３００Ｗ／ｍＫであることが好ましい。また、中間層１４ｂは、Ｃｒ（Ｃｒめっきの場合で熱伝導率９４Ｗ／ｍＫ）又はＮｉ（Ｎｉめっきの場合で熱伝導率９１Ｗ／ｍＫ）を主成分とする膜としてもよい。Ｃｒを主成分とする膜を中間層１４ｂとする場合には、ロータ基材１４ａの表面に電解めっきを施すことにより形成することができる。また、Ｎｉを主成分とする膜を中間層１４ｂとする場合には、ロータ基材１４ａの表面に無電解めっきにより形成することができる。このようなＣｒ又はＮｉの中間層１４ｂの厚さは５０〜１００μｍが好ましい。５０μｍ未満ではロータの全長にわたって均熱化することが難しくなることと高摩耗性スラリーを移送した場合にロータ基材まで弾性変形し摩耗が進むことから好ましくなく、１００μｍを超えるとめっき時間が長くなり高コストになるため好ましくない。

あるいは、中間層１４ｂは、ＣＶＤ法によりコートされたＴｉＣ膜又はＳｉＣ膜としてもよい。ＣＶＤ法によるコーティングは、７００℃以上で行うことが好ましい。このようなＴｉＣ膜又はＳｉＣ膜の厚さは１〜１０μｍが好ましい。１μｍ未満ではロータの全長にわたって均熱化することが難しくなることから好ましくなく、１０μｍを超えるとＣＶＤの時間が長くなり高コストになるため好ましくない。なお、ＴｉＣ膜やＳｉＣ膜は、Ｃｒ膜やＮｉ膜に比べて硬度が高く耐摩耗性に優れていることやＤＬＣ膜との相性がよいこと等から、薄くすることができる。また、ＴｉＣ膜やＳｉＣ膜の熱伝導率は、膜の緻密性等によって変化するが、ロータ基材１４ａの熱伝導率より高くなるように調整すればよい。

表層１４ｃのＤＬＣ膜は、厚さが１〜２０μｍ、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以下、硬度が８ＧＰａ以上であることが好ましい。厚さが１μｍ未満だと耐摩耗性が不十分になるおそれがあるため好ましくなく、２０μｍを超えると膜形成に要する時間が長くなり高コスト化の原因になるため好ましくない。また、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫを超えるとロータ温度の均熱化よりも移送液への放熱が進むため好ましくない。更に、硬度が８ＧＰａ未満だと耐摩耗性が十分得られないことがあるため好ましくない。

一軸偏心ネジポンプ１０において、移送液は、ＳｉＣ粉末又はコージェライト粉末を含むスラリーとしてもよい。このような高摩耗性スラリーを移送液とした場合においても、雄ネジ形ロータ１４は摩耗の影響がほとんどなく、一軸偏心ネジポンプ１０により高い精度で定量的に移送液を送出することができる。なお、ＳｉＣ粉末と同程度の硬度を有する粉末やコージェライト粉末と同程度の硬度を有する粉末を含むスラリーを移送液として用いた場合でも、同様にして本発明の効果を得ることができる。

［実施例１］
ＳＵＳ３０４（ヤング率１９３ｋＮ／ｍｍ²、熱伝導率１６．３Ｗ／ｍＫ、硬さ１６０ＨＶ）からなるロータ基材に７０μｍのＣｒめっきを行うことにより中間層を形成し、その上に５μｍのＤＬＣ膜を形成することにより、全長１２２ｍｍ、主軸径φ５ｍｍの雄ネジ形ロータとした。ここで、Ｃｒめっきは、以下のようにして行った。すなわち、ロータ表面を酸で洗浄後、無水クロム酸２００ｇ／Ｌ及び硫酸２ｇ／Ｌが混入した薬液中に投入し、２０Ａ／ｃｍ²の電流を流すことでめっきを行った。めっき時間は約６時間であった。このようにして得られたＣｒ膜の硬さは８００ＨＶ以上、熱伝導率は９４Ｗ／ｍＫであった。また、ＤＬＣ膜の形成は、以下のようにして行った。すなわち、ロータ基材をプラズマＣＶＤ用のチャンバに入れ、チャンバ内の真空度が１．０Ｐａとなるように真空ポンプを用いて調整した。続いて、アルゴンガスを用いた表面スパッタリング及びテトラメチルシランガスを用いたＳｉＣの中間層（厚さ０．１μｍ）のコートを行った。続いて、チャンバ内にアセチレンガスを導入し、ロータ基材に導体を介してプラズマ発生用電源によりパルス電圧を印加した。このとき、パルス電圧の周波数を１０ｋＨｚ、立ち上がり時間を５００ｎｓｅｃ、パルス継続時間（オンオフの繰り返しからなるパルス電圧においてパルスが連続する時間）を１２００ｎｓｅｃとした。また、パルスの電圧値及び電流値はそれぞれ１０ｋＶ及び１０Ａとした。このパルス電圧を印加して１２０分間放電を行い、ＤＬＣ膜を形成した。このようにして得られたＤＬＣ膜は、硬度が１７ＧＰａ、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫであった。

［実施例２］
ＨＲｃ５５に硬度を制御したＳＫＤ１１（ヤング率２０６ｋＮ／ｍｍ²、熱伝導率２９Ｗ／ｍＫ）からなるロータ基材にＣＶＤ法によるＴｉＣ膜を５μｍコートすることにより中間層を形成し、その上に５μｍのＤＬＣ膜を形成することにより、全長１２２ｍｍ、主軸径φ５ｍｍの雄ネジ形ロータとした。ここで、ＣＶＤ法によるＴｉＣ膜の形成は、以下のようにして行った。すなわち、ロータ基材を熱ＣＶＤ用のチャンバに入れ、チャンバ内の温度が１０００℃、真空度が１０００Ｐａとなるようにヒータ及び真空ポンプにて調整した。その後、塩素ガスを用い３０分間表面クリーニングを行った後、圧力を１００００Ｐａに設定し、四塩化チタンガスとメタンガス、水素ガスを同時に流し、ＴｉＣ膜を成膜した。成膜時間は２時間であった。このようにして得られたＴｉＣ膜の硬度は３５ＧＰａ、熱伝導率は４０Ｗ／ｍＫであった。また、ＤＬＣ膜の形成は実施例１と同様にして行った。

［比較例１］
アルミニウムからなるロータ基材にＷＣ溶射を５０μｍ行うことによりＷＣ層を形成し、その上に５μｍのＤＬＣ膜を形成することにより、全長１２２ｍｍ、主軸径φ５ｍｍの雄ネジ形ロータとした。

［比較例２］
ＳＵＳ３０４からなるロータ基材に５００℃にて約５０μｍのラジカル窒化を行うことにより窒化層を形成し、その上に５μｍのＤＬＣ膜を形成することにより、全長１２２ｍｍ、主軸径φ５ｍｍの雄ネジ形ロータとした。なお、ラジカル窒化については特開２００６−２４９９３１号公報の段落００４０〜００４２の記載に準じて行った。

［比較例３］
ＳＵＳ３０４からなるロータ基材に７０μｍのＣｒめっきを行うことにより、全長１２２ｍｍ、主軸径φ５ｍｍの雄ネジ形ロータとした。

［比較例４］
ＳＵＳ３０４からなるロータ基材に５μｍのＣｒめっきを行うことにより、全長１２２ｍｍ、主軸径φ５ｍｍの雄ネジ形ロータとした。

[実施例１，２及び比較例１〜４の評価−その１]
以上のようにして作製した実施例１，２及び比較例１〜４の雄ネジ形ロータをそれぞれ一軸偏心ネジポンプ（型番３ＮＤＰＬ、兵神装備社製）に組み込み、ドライブシャフトの駆動を４０秒オフしたあと２０秒オンするというサイクルで２ヶ月間繰り返した。なお、２０秒オンしている期間に出口から排出される移送液は、３０℃、１２０ｇとなるようにした。移送液には、摩耗性が非常に高いスラリー、具体的には、炭化珪素粉末３９重量％、アルミシリケート繊維３２重量％、コロイダルシリカ１９重量％、水１０重量％からなるスラリーを用いた。このスラリーの粘度は回転粘度計で測定したところ、３５パスカル秒であった。こうしたサイクル試験を行ったときの移送液温度とそのバラツキを図３に、移送液量とそのバラツキを図４に示した。

図３及び図４から明らかなように、移送液温度及び移送量のいずれも、比較例１〜４ではバラツキが大きかったのに対し、実施例１，２ではバラツキが極めて小さかった。特に移送量に関しては、ヤング率の低いアルミニウムからなるロータ基材を採用した比較例１では、摩耗性の高いスラリーによってロータ基材が弾性変形してＷＣ膜やＤＬＣ膜が剥離してしまうという問題が生じた。また、比較例２では窒化層とＤＬＣ膜との接着性が不十分なためＤＬＣ膜の剥離が生じた。更に、比較例３，４では表層がＣｒめっきであり耐摩耗性が不十分なため、途中で移送液の漏れが生じた。これに対して、実施例１，２では中間層やＤＬＣ膜の剥離は見られず、移送液の漏れも生じなかった。

[実施例１，２及び比較例１〜４の評価−その２]
実施例１，２及び比較例１〜４の雄ネジ形ロータをそれぞれ前出の一軸偏心ネジポンプに組み込み、ドライブシャフトの駆動を４０秒オフしたあと２０秒オンするというサイクルで２ヶ月間繰り返した。なお、２０秒オンしている期間に出口から排出される移送液は、３０℃、８０ｇとなるようにした。移送液には、摩耗性が非常に高いスラリー、具体的には、コージェライト粉末６０重量％、シリカゾル（コロイダルシリカ）１８重量％、セラミックスファイバ３重量％、分散剤０．６重量％、有機バインダ０．２重量％、防腐剤０．２重量％、水１８重量％からなるスラリーを用いた。また、コージェライト粉末のタップかさ密度は１．３〜１．５ｇ／ｃｍ³、平均粒子径は２０〜５５μｍ、４４μｍ以下粉末成分含有割合（Ａ，Ｂ）が４５〜８０重量％のものを使用した。詳しくは、特開２００４−２３１５０６号公報参照。このスラリーの粘度は回転粘度計で測定したところ、３０パスカル秒であった。こうしたサイクル試験を行ったときの移送液温度とそのバラツキを図５に、移送液量とそのバラツキを図６に示した。

図５及び図６から明らかなように、移送液温度及び移送量のいずれも、比較例１〜４ではバラツキが大きかったのに対し、実施例１，２ではバラツキが極めて小さかった。特に移送量に関しては、ヤング率の低いアルミニウムからなるロータ基材を採用した比較例１では、摩耗性の高いスラリーによってロータ基材が弾性変形してＷＣ膜やＤＬＣ膜が剥離してしまうという問題が生じた。また、比較例２では窒化層とＤＬＣ膜との接着性が不十分なためＤＬＣ膜の剥離が生じた。更に、比較例３，４では表層がＣｒめっきであり耐摩耗性が不十分なため、途中で移送液の漏れが生じた。これに対して、実施例１，２では中間層やＤＬＣ膜の剥離は見られず、移送液の漏れも生じなかった。

本出願は、２００７年９月３日に出願された日本国特許出願第２００７−２２７７７８号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。

本発明は、炭化珪素やコージェライトなどの高硬度のセラミックスのスラリー（高摩耗性スラリー）を送出するときなどに利用可能である。

Claims

一軸偏心ネジポンプの雌ネジ形のステータ内に嵌挿され、偏心回転することにより移送液を搬送可能な雄ネジ形のロータであって、
鉄系材質からなるロータ基材と、
該ロータ基材の表面に形成され前記鉄系材質よりも熱伝導率の高い中間層と、
該中間層の表面に形成されたＤＬＣ膜からなる表層と、
を備え、
前記ＤＬＣ膜は、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以下である、
一軸偏心ネジポンプ用ロータ。
前記鉄系材質は、ＳＵＳ材、ＳＫＤ材又はＳＫＨ材からなる、
請求項１に記載の一軸偏心ネジポンプ用ロータ。
前記中間層は、熱伝導率が３０〜３００Ｗ／ｍＫである、
請求項１又は２に記載の一軸偏心ネジポンプ用ロータ。
前記中間層は、Ｃｒ又はＮｉを主成分とする、
請求項３に記載の一軸偏心ネジポンプ用ロータ。
前記中間層は、ＣＶＤ法によりコートされたＴｉＣ膜又はＳｉＣ膜である、
請求項３に記載の一軸偏心ネジポンプ用ロータ。
前記ＤＬＣ膜は、厚さが１〜２０μｍ、硬度が８ＧＰａ以上である、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の一軸偏心ネジポンプ用ロータ。
前記移送液は、ＳｉＣ粉末又はコージェライト粉末を含むスラリーである、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の一軸偏心ネジポンプ用ロータ。