JP6452124B2 - オイルポンプ - Google Patents

Description

本発明は、焼結体からなるオイルポンプ用ローター及びハウジングの噛み合わせ部や摺動部にフッ素樹脂が使用された、静粛性に優れたオイルポンプに関する。

オイルポンプは、内燃機関において、エンジン内部等の各所にエンジンオイルを圧送するためのポンプである。このオイルポンプの構成部品同士が接触すると、騒音が生じる場合がある。

この騒音を抑制する方法として、オイルポンプの構成部材であるインナーローターやアウターローターを樹脂で製造することが考えられる。

オイルポンプの使用環境下にて耐久性を有する樹脂は限定されており、製造性及びコスト面で使用範囲が限られている状況である。

一方、オイルポンプの構成部材であるインナーローターやアウターローターの表面にフッ素樹脂をコーティングする方法も考えられている。
このフッ素樹脂は、化学的に極めて安定であるとともに低粘着性や低摩擦性（摩擦係数が低いとの性質）、耐熱性に優れており、かつ、部材同士の接触による騒音の発生も抑制できる。また、コスト面でも安価である。しかし、インナーローターやアウターローターは、優れた耐摩耗性が求められるが、フッ素樹脂は摩耗しやすいとの問題点を有するため、耐摩耗性を向上させない限り、インナーローターやアウターローターとしての使用は困難であった。

ところで、フッ素樹脂の耐摩耗性を向上させる方法として、フッ素樹脂に充填剤を加える方法が知られている。しかし、この方法では、充填剤により、フッ素樹脂固有の優れた性質、例えば低摩擦性が損なわれやすいとの問題がある。これに対し、特許文献１には、フッ素樹脂に電離性放射線を照射することにより耐摩耗性を向上させる方法が提案されており、電離性放射線を照射したフッ素樹脂からなる部材が開示されている。

フッ素樹脂は、かつては放射線照射により機械特性が低下すると考えられていた。しかし、特定の条件の下で照射することにより機械特性を向上できる。例えば、特許文献２では、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）について、酸素不存在下、結晶融点以上の温度、好ましくは３４０℃前後の温度で、電子線等の電離性放射線を１ｋＧｙから１０ＭＧｙ程度の線量で照射すれば、照射による破断伸びや破断強度の劣化が抑制されること、かえって低結晶性でゴム弾性が発現し、降伏点強度が向上することが開示されている。

このような、電離性放射線を照射したフッ素樹脂を金属板からなる基材に被覆させることが特許文献３に開示されている。

特許第３５６６８０５号公報 特許第３３１７４５２号公報 特開２０１１−２０８８０２２号公報

これまで、オイルポンプの静粛性を向上させるためにオイルポンプのローターを樹脂化することが検討されてきたが、製造性及びコスト面で課題を有している状況である。

そこで、この発明は、基材にフッ素樹脂コーティングを用いる手法において、基材と樹脂皮膜が十分な密着性を有するオイルポンプ用ローターを実現し、オイルポンプで発生する騒音を減らすことを可能とすることを課題とする。

発明者らは、前記課題を解決するべく、鋭意検討を重ねた結果、オイルポンプとして、焼結体に特定の架橋されたフッ素皮膜樹脂を形成させることにより、両者間の密着性を向上させると共に、低騒音にすることができることを見出した。

すなわち、本発明は、インナーローター及びアウターローターを有するオイルポンプにおいて、前記のインナーローター及びアウターローターは、焼結体からなり、前記インナーローターの端面、内周面及びこのインナーローターの外周面に設けられる歯の表面、並びに前記アウターローターの端面、外周面及びこのアウターローターの内周面に設けられる歯の表面から選ばれる少なくとも１つの面に架橋されたフッ素樹脂からなる皮膜を有し、前記皮膜の厚みが２０μｍ以上２００μｍ以下であるオイルポンプを用いることを要旨とする。

この発明によると、基材と樹脂皮膜が十分な密着性を有するオイルポンプ用ローターを実現することができ、オイルポンプで発生する騒音を減らすことが可能となる。

この発明にかかるオイルポンプの例を示す斜視図である。 図１のａ−ａ断面図である。

次に、本発明を実施するための形態を説明する。なお、本発明はこの形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない限り、他の形態へ変更することができる。

この発明にかかるオイルポンプ１は、図１に示すような、インナーローター２、及びアウターローター３からなるオイルポンプ用ローター、並びにポンプボディ４Ａ及びポンプカバー４Ｂからなるハウジング４から構成されるポンプである。このオイルポンプ１は、シャフト穴７に通されたシャフト（図示せず）でインナーローター２の回転を制御する。そして、吸入ポート５から吸入したオイルをインナーローター２及びアウターローター３の間に供給し、インナーローター２の回転によって、前記オイルがインナーローター２及びアウターローター３の間を移動し、そして、吐出ポート６から前記オイルが送り出すポンプである。

前記のオイルポンプ用ローターは、金属材からなる。この金属材としては、鉄系の金属材や非鉄金属系の金属材等があげられる。
また、金属材としては、焼結体を用いることで、より密着性を向上させることができる。焼結体の表面は空孔があり、凹凸形状となるためフッ素樹脂の密着性を向上させることができる。

上記のオイルポンプ１のポンプ用ローターの所定箇所には、架橋されたフッ素樹脂からなる皮膜が形成される。

このフッ素樹脂は、フッ素を含有する樹脂であり、表層を形成するフッ素樹脂としては、機械的強度や耐薬品性に優れるという点で、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、又はテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等が好ましく、この中でも、機械的強度や耐薬品性、耐熱性が特に優れたＰＴＦＥがより好ましい。また、この発明の趣旨を損ねない範囲で、他の成分を前記フッ素樹脂に含ませてもよい。例えば、ＰＴＦＥの中には、パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）、ヘキサフルオロプロピレン、（パーフルオロアルキル）エチレン、あるいはクロロトリフルオロエチレン等の共重合性モノマーに基づく重合単位を微量含有させてもよい。又、２種以上のフッ素樹脂の混合物であってもよい。

このフッ素樹脂からなる皮膜は、前記金属材と密着しなければならない。この皮膜が、剥がれてしまい基材が露出してしまうと、静粛性の向上の効果が無くなってしまう。

このため、焼結体との密着性を高めるため、フッ素樹脂と焼結体とを同時に電離性放射線を照射する。架橋がされない場合又は架橋が不十分である場合は、耐摩耗性が低く、又、フッ素樹脂の機械的強度が低下し、摺動部材として使用できない。照射は、通常、１ｋＧｙから１５００ｋＧｙ程度の線量で行われる。

この耐摩耗性については、圧力を加えながら円筒をサンプル上に置いて回転させ摩耗の程度を測定するスラスト摩耗試験（リングオンディスク式摩耗評価）が行われることも多い。特に、この試験方法において急激な摩耗が生じる圧力（Ｐ）と回転速度（Ｖ）の乗数（限界ＰＶ値）により耐摩耗性と動摩擦係数（μ）の評価が行われる場合が多くなっている。本発明の摺動部材は、この限界ＰＶ値が非常に高いものであり、滑り性もよく、優れた耐摩耗性と低い動摩擦係数を有するものである。

上記特定の架橋されたフッ素樹脂からなる皮膜を前記のオイルポンプ１に形成する箇所としては、図２に示すような、次の１）〜２）の少なくとも１つがあげられる。なお、図２においては、下記の１）〜２）の全てを記載しているが、全てに設けることが必須ではなく、少なくとも１箇所形成すればよい。
１）前記インナーローター２の端面２ａ、内周面２ｂ及びこのインナーローターの外周面に設けられる歯の表面２ｃ。
２）前記アウターローター３の端面３ａ、外周面３ｂ及びこのアウターローターの内周面に設けられる歯の表面３ｃ。
なお、図２で前記皮膜が連続して形成されていない部分があるが、ここには、必要に応じて、前記皮膜を設けてもよい。

前記フッ素樹脂からなる皮膜の厚みは、２０μｍ以上がよく、４０μｍ以上が好ましい。さらに、対向する両面に形成される場合の皮膜の厚みの合計も、２０μｍを超えることがよく、４０μｍ以上が好ましい。この厚みが薄すぎると、騒音を十分に抑制することが困難となる傾向がある。
一方、厚みの上限は、２００μｍがよく、１００μｍが好ましい。この厚みが厚すぎると、特に歯面部に安定した膜厚を形成することが困難となり、密着性が低下してしまうおそれがある。

次に、前記皮膜の形成方法について述べる。なお、以下において、前記のフッ素樹脂からなる皮膜が形成される構成部材の表面（インナーローター２、アウターローター３の箇所（前記の１）〜２）の少なくとも１箇所））を「部材表面」と称する場合がある。
先ず、図１に示すような形状のインナーローター２及びアウターローター３を形成する。

次いで、前記部材表面にフッ素樹脂を被覆して皮膜を形成する。この皮膜を施す方法としては、フッ素樹脂のフィルムを被せる方法、粉体塗装する方法、例えばフッ素樹脂粉末を静電塗装する方法やフッ素樹脂粉末をスプレーする方法、又、フッ素樹脂ディスパージョン（フッ素樹脂の粉体を分散媒中に均一に分散した液体）を塗布して分散媒を乾燥して除去する方法等を挙げることができる。

中でも、フッ素樹脂ディスパージョンを塗布する方法は、均一な厚みのフッ素樹脂皮膜を容易に形成できる点で好ましい方法である。溶剤に可溶なフッ素樹脂の場合は、フッ素樹脂溶液を塗布して溶剤を乾燥して除去する方法も採用できるが、ＰＴＦＥ等の溶剤に不溶な樹脂の場合は適用できない。

フッ素樹脂ディスパージョンを塗布する方法による場合は、分散媒としては、水と乳化剤、水とアルコール、水とアセトン、または水とアルコールとアセトンの混合溶媒などを用いることができる。フッ素樹脂ディスパージョンを塗布した後は、風乾あるいは熱風乾燥することにより分散媒を乾燥して除去する。分散媒の乾燥、除去によりフッ素樹脂粉末からなる膜が形成される。

前記の塗布等によりフッ素樹脂の塗布膜が形成された後、フッ素樹脂の融点以上に加熱する焼成が行われ、フッ素樹脂粉末間が融着し、フッ素樹脂からなる皮膜が形成される。焼成は、好ましくは３５０〜４００℃の温度範囲で行われる。乾燥工程を特に設けず、焼成の工程で分散媒の除去を行うことも可能である。

続いて、このようにして形成されたフッ素樹脂皮膜の表面に、電離性放射線を照射してフッ素樹脂皮膜の架橋が行われる。フッ素樹脂と部材表面の材料の組合せとして適当なものを選定すると、この架橋の際に、フッ素樹脂皮膜と部材表面の密着性も向上する。

架橋を施す際には、無酸素雰囲気下、具体的には酸素濃度１０００ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下の雰囲気に置き、フッ素樹脂の結晶融点〜４００℃程度の温度範囲、好ましくは結晶融点より０〜３０℃高い温度範囲に保ちながら、フッ素樹脂膜の表面に電離性放射線を照射する。照射線量の範囲は、通常１ｋＧｙ〜１５００ｋＧｙ、好ましくは１００ｋＧｙ〜１０００ｋＧｙである。

このとき前記の焼成と電離性放射線照射を同時に実施してもよい。雰囲気の温度が低すぎるとフッ素樹脂の架橋反応は起こりにくく、雰囲気温度が高すぎる場合、特に４００℃を越えるとフッ素樹脂の熱分解が促進されて材料特性が低下するため好ましくない。また、照射線量が１ｋＧｙ未満であると架橋反応が不十分で特性の向上が期待できず、１５００ｋＧｙを越えるとフッ素樹脂の分解が生じやすくなり好ましくない。

フッ素樹脂の架橋に用いられる電離性放射線としては、電子線、高エネルギーイオン線等の荷電粒子線、ガンマ線、Ｘ線等の高エネルギー電磁波、中性子線等が挙げられるが、電子線発生装置は比較的安価で又大出力の電子線が得られるとともに架橋度の制御が容易であるので、電子線が好ましく用いられる。

本発明のオイルポンプは、特定の部材表面に皮膜を密着させるので、オイルポンプ用ローターが他の部材と接触しても、騒音を抑制することができる。

以下に、この発明について実施例を用いて説明する。まず、評価方法について説明する。
＜評価方法＞
［騒音評価試験］
各実施例又は比較例で得られたインナーローター及びアウターローターを用いて、図１に示すオイルポンプを作成した（ローター体格：φ４０×１０Ｌ、理論吐出量：３．５ｃｍ^３／ｒｅｖ）。次いで、このオイルポンプを５０℃×１０００ｒｐｍ×０．１ＭＰａ、及び１２０℃×３０００ｒｐｍ×０．３ＭＰａの条件下で稼働させ、オイルＡＴＦ（ＪＷＳ３３２４）を送り出した。クリアランス条件は、サイドクリアランス０．０３ｍｍ、ボディクリアランス０．２０ｍｍ、チップクリアランス０．０８ｍｍに固定した。このときの音圧をマクロホン（（株）小野測器製）を用いて、オーバーオール値を測定した。
なお、サイドクリアランスとは、ケーシングとインナーローターやアウターローターの端面との間の距離をいう。さらに、ボディクリアランスとは、ケーシング内周とアウターローターの外周との間の距離をいう。また、チップクリアランスとは、インナーローター歯先とアウターローター歯先とを突き合わせた状態でインナーローター中心とアウターローターの中心を偏心軸上に設置し、その歯先のクリアランスが最大になるようにインナーローターの中心をアウターローターの中心から離れる方向に向けて移動させて、インナーローターとアウターローターの歯面を接触させる。その際の最初に突き合せたインナーローター歯先とアウターローター歯先との間の距離をいう。

（実験例１〜１０）
厚さ１０ｍｍの鉄系焼結材料（２．０％Ｃｕ−０．８％Ｃ−Ｆｅ）の歯面、内径面、外径面上に、フッ素ディスパージョン（ダイキン（株）製：ＥＫ−３７００、樹脂名：ＰＴＦＥ）を塗布し乾燥後、３８０℃×１０分で窒素雰囲気化にて焼成して、フッ素樹脂膜がコートされたインナーローター及びアウターローターを得た。フッ素樹脂膜の厚みは、１０μｍ、２０μｍ、４０μｍ、７０μｍとした。その後、窒素雰囲気下（酸素濃度：５ＰＰＭ）、３３０℃に加温し、日新電気（株）製照射装置（サガトロン：加速電圧１．１３ＭｅＶ）で３００ｋＧｙの照射を行った。
得られたインナーローター及びアウターローターを用いて、前記の騒音評価試験を行った。その結果を表１に示す。

（結果）
オイルポンプを５０℃×１０００ｒｐｍ×０．１ＭＰａの条件下で稼働させた場合は、実験例１，２においては、音圧が７０ｄＢ程度となるのに対し、実験例３〜５においては、６５ｄＢ程度に下がることが明らかとなった。
また、オイルポンプを１２０℃×３０００ｒｐｍ×０．３ＭＰａの条件下で稼働させた場合は、実験例６，７においては、音圧が７５ｄＢ程度となるのに対し、実験例８〜１０においては、７０ｄＢ程度に下がることが明らかとなった。

１ オイルポンプ
２ インナーローター
２ａ インナーローターの端面
２ｂ インナーローターの内周面
２ｃ インナーローターの歯の表面
３ アウターローター
３ａ アウターローターの端面
３ｂ アウターローターの外周面
３ｃ アウターローターの歯の表面
４ ハウジング
４Ａ ポンプボディ
４Ｂ ポンプカバー
５ 吸入ポート
６ 吐出ポート
７ シャフト穴

Claims (1)

1. 外周面に歯が設けられたインナーローター及び内周面に歯が設けられたアウターローターを有するオイルポンプにおいて、
   前記のインナーローター及びアウターローターは、鉄系の焼結体からなり、
   前記インナーローターの端面、内周面及びこのインナーローターの外周面に設けられる歯の表面、並びに前記アウターローターの端面、外周面及びこのアウターローターの内周面に設けられる歯の表面から選ばれる少なくとも１つの面に架橋されたフッ素樹脂からなる皮膜を有し、
   前記フッ素樹脂が、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、及びテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体からなる群から選ばれる１種以上であり、
   前記皮膜の厚みが４０μｍ以上７０μｍ以下であることで騒音を抑制したオイルポンプ。

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