JP6639592B2 - ウォータポンプ - Google Patents

Description

本発明は、自動車のエンジン、インバーター、バッテリー、あるいは燃料電池などの冷却水の循環、給湯機、床暖房機器などの熱水の循環などに用いられるウォータポンプに関する。

自動車のエンジン、インバーター、バッテリー、あるいは燃料電池の冷却水の循環、給湯機、床暖房機器の熱水の循環などには、ウォータポンプが使用される。従来、このような用途に使用するウォータポンプの代表例として、特許文献１にあるようなマグネットポンプ、または、特許文献２にあるようなＤＣブラシレスポンプが知られている。従来のウォータポンプについて、図５に基づいて説明する。図５はＤＣブラシレスポンプの横断面図である。このポンプ２１では、モータ３２において、コイルを配した巻線２２を有することで磁界を発生し、制御部によりその磁界発生が制御される。発生磁界に追従するために、永久磁石２３が固定された羽根車２４が軸２５によって回転自在に支承されている。回転磁界に追従して羽根車２４が回転することで循環水が吸排水される。軸２５はケーシング２６に固定され、カバー２７の軸支え２７ａにより支持されている。羽根車２４は、滑り軸受２８を介して軸２５に対して回転自在に支承されており、軸２５と滑り軸受２８とが回転摺動する。さらに、滑り軸受２８の両端面は、カバー２７の軸支え２７ａ、ケーシング２６との間にそれぞれ設けたスラスト板２９、３０とスラスト方向の回転摺動を行なう。滑り軸受２８の両端面とスラスト板２９、３０との間には、それぞれ僅かに空隙を設けている。

巻線２２より発生した回転磁界に伴い、羽根車２４は固定された永久磁石２３の吸引反発により追従して回転する。これによりポンプ作用が発生し、矢印Ｘ方向から循環水を吸込み、矢印Ｙ方向へ循環水を吐き出す。この時の差圧により羽根車２４はカバー２７側に押し付けられ、滑り軸受２８の端面とスラスト板２９とが回転摺動する。滑り軸受２８とケーシング２６側のスラスト板３０との摺動はほとんどなく、起動停止時の一瞬や、循環水がない状態でポンプが運転される空運転などの異常運転時に限る。そのため、ケーシング２６側ではスラスト板３０は使用せず、直接ケーシング２６で滑り軸受２８と摺動させる場合もある。

滑り軸受２８と軸２５、および、滑り軸受２８とカバー２７側のスラスト板２９との間の摺動面には循環水が介在する。しかし、流体潤滑ではなく、２部品間の接触も発生するため、滑り軸受には摺動性が求められる。そのため、滑り軸受には、カーボン軸受、あるいは摺動性を有するポリエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリアセタール（ＰＯＭ）樹脂、フェノール樹脂などの樹脂軸受が使用され、軸、スラスト板にはセラミックス、ステンレス鋼などが使用される（特許文献３参照）。また、摺動面に水膜を形成し易いようにするために、羽根車などにポンプ内の高圧側と低圧側を連通させる穴を設け、差圧を利用して滑り軸受の摺動面に循環水を供給する方法が提案されている（特許文献４参照）。

特許第３０９９４３４号公報 特開２００６−２００４２７号公報 特許第４９３６２５８号公報 特許第３７８０６４８号公報

近年、ウォータポンプには省エネルギー化のための高効率化、冷却効果アップのための高出力化が益々求められている。そのため、滑り軸受には低摩擦化が要求されている。また、高出力化により、滑り軸受が受ける荷重が高くなると、水膜を形成し難くなり、摩擦係数が高くなる。また、摺動面の温度が高くなり、耐摩耗性が低下するため、更なる摩擦摩耗特性の向上が求められる。

樹脂製の滑り軸受では、摺動性を高めるために、ベース樹脂にＰＥＥＫ樹脂、ＰＰＳ樹脂などの高耐熱性を採用し、固体潤滑剤を配合している。しかし、摩擦係数の低減効果は不十分であり、滑り軸受と軸、滑り軸受とスラスト板の２部品間の接触を低減することができないため、摩耗低減効果も不十分である。

また、差圧を利用して滑り軸受の摺動面に循環水を供給しようとする場合でも、閉塞している摺動面に水は入りにくく、抵抗の少ない他の隙間を流路としてしまう。このため、特に高面圧条件では、摺動面への水の供給が不充分であり、摩擦係数の低減効果に乏しい。また、摺動面の冷却も不十分となる。

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、ポンプ内部に設けられた滑り軸受摺動面への水の供給性を高め、該滑り軸受の低摩擦特性および耐摩耗特性を向上させたウォータポンプを提供することを目的とする。

本発明のウォータポンプは、羽根車と、上記羽根車を固定するための軸と、上記軸に対し上記羽根車を回転自在に支承するための上記羽根車に固定された滑り軸受と、上記滑り軸受のそれぞれの端面と摺動するスラスト受部材と、上記羽根車を収納しポンプ室を形成するケーシングおよびカバーとを備えてなり、上記羽根車の回転により上記ポンプ室を介して循環水を吸排出するウォータポンプであって、上記滑り軸受が、ＰＰＳ樹脂をベース樹脂とし、少なくとも炭素繊維を含む樹脂組成物からなることを特徴とする。

上記炭素繊維は、１０００〜１５００℃で焼成された炭化品であることを特徴とする。また、上記炭素繊維は、平均繊維径が５〜１５μｍ、平均繊維長が２０〜２００μｍであることを特徴とする。

上記樹脂組成物が、さらにポリテトラフルオロエチレン樹脂または黒鉛の少なくとも一つを含む樹脂組成物であることを特徴とする。また、上記樹脂組成物は、ポリテトラフルオロエチレン樹脂および／または黒鉛の配合割合が３〜３０体積％、炭素繊維が５〜３０体積％、残部がＰＰＳ樹脂であることを特徴とする。

また、上記羽根車の回転時における、上記スラスト受部材と上記滑り軸受との相対回転によって、上記循環水を上記滑り軸受の一方の端面側から軸受内径面側に吸引する吸引手段、および、上記循環水を前記滑り軸受の軸受内径面側から他方の端面側に排出する排出手段の両方を有することを特徴とする。なお、「スラスト受部材」とは、滑り軸受のスラスト荷重受けるために設けられた専用のスラスト板のみならず、ケーシングなどの他部材でスラスト荷重を受ける場合には該他部材を含む。

上記吸引手段が、上記滑り軸受の循環水吸引側の端面および該端面と摺動する上記スラスト受部材から選ばれる少なくとも一方のスラスト摺動面に形成された液体吸引用の溝であることを特徴とする。また、上記溝が動圧溝であることを特徴とする。

上記排出手段が、上記滑り軸受の循環水排出側の端面および該端面と摺動する上記スラスト受部材から選ばれる少なくとも一方のスラスト摺動面に形成された液体排出用の溝であることを特徴とする。また、上記溝が動圧溝であることを特徴とする。

上記滑り軸受の循環水吸引側の端面の内径角部に、該端面側に向かって内径を拡径する傾斜面を有することを特徴とする。

上記滑り軸受の内径面および上記軸の外径面から選ばれる少なくとも一方のラジアル摺動面に動圧溝が形成されていることを特徴とする。

上記滑り軸受と上記羽根車とが、上記樹脂組成物を用いて一体に射出成形された一体成形品であることを特徴とする。

本発明のウォータポンプは、羽根車の回転時における、滑り軸受とこれと摺動するスラスト受部材との相対回転によって、循環水を滑り軸受の一方の端面側から軸受内径面側に吸引する吸引手段、および、循環水を滑り軸受の軸受内径面側から他方の端面側に排出する排出手段を有するので、摺動面に多くの水を循環供給することができ、摺動面の冷却効果や潤滑特性が向上し、低摩擦低摩耗な滑り軸受を有するウォータポンプとなる。

上記吸引手段が、滑り軸受の循環水吸引側の端面および該端面と摺動するスラスト受部材から選ばれる少なくとも一方のスラスト摺動面に形成された液体吸引用の溝であるので、既存のポンプ装置構成を大きく変更することなしに、滑り軸受端面などに溝を形成するのみで、水の供給性（吸引能力）を向上できる。

上記排出手段が、滑り軸受の循環水排出側の端面および該端面と摺動するスラスト受部材から選ばれる少なくとも一方のスラスト摺動面に形成された液体排出用の溝であるので、既存のポンプ装置構成を大きく変更することなしに、滑り軸受端面などに溝を形成するのみで、水の供給性（排出能力）を向上できる。

液体吸引用または液体排出用の溝が動圧溝であるので、吸引あるいは排出効果が高まるとともに、発生した動圧による閉塞した摺動面に水を押込む効果も加わり、摺動面の冷却効果や潤滑特性がさらに向上する。また、必要に応じて、滑り軸受の内径面および軸の外径面から選ばれる少なくとも一方のラジアル摺動面に動圧溝が形成されているので、上記同様に閉塞した摺動面に水を押込む効果がある。また、これらの動圧溝による圧力は、滑り軸受が受ける負荷と反対方向であるため、負荷力の低減となり低摩擦係数となる

上記滑り軸受の循環水吸引側の端面の内径角部に、該端面側に向かって内径を拡径する傾斜面を有するので、水の吸引効果が向上し、多くの水を摺動面に供給できる。

上記滑り軸受が、ＰＰＳ樹脂をベース樹脂とする樹脂組成物からなるので、高耐熱性であり、冷却水の温度が上昇しても剛性が高い。また、摩擦発熱により摺動面温度が高くなっても、低摩耗で、水切れの異常状態においても焼付き難い利点がある。さらに、低吸水性であるため、使用中に溝、羽根を含めた軸受の寸法変化が非常に小さい。特に、上記樹脂組成物に炭素繊維を含むので、剛性、耐摩耗性、寸法精度が向上する。

上記滑り軸受と羽根車とが、射出成形可能な樹脂組成物を用いて一体に射出成形された一体成形品であるので、予め射出成形した滑り軸受を金型にインサートし、羽根車を射出成形するような場合と比較して、高寸法精度の液体吸引用溝、液体排出用溝、あるいは液体吸引用羽根、液体排出用羽根を形成でき、かつ安価にウォータポンプを製造できる。

本発明のウォータポンプの一例を示す横断面図である。 滑り軸受端面に形成された溝を示す図である。 溝の断面形状を示す図である。 滑り軸受の吸引側端面の内径角部に傾斜面を設ける 従来のウォータポンプを示す横断面図である。

本発明のウォータポンプの一実施形態を図１に基づき説明する。ウォータポンプ１では、ケーシング６とカバー７とが固定され、羽根車４を収納するポンプ室を形成している。ケーシング６とカバー７とは、パッキン１１を介することでシールされ、ポンプ室内の循環水が漏れることを防止している。モータ１２が、コイルを配した巻線２を有することで磁界を発生し、制御部によりその磁界発生が制御される。この発生磁界に追従するため、永久磁石３が固定された羽根車４が、ポンプ室内で軸５により回転自在に支承されている。羽根車４が回転磁界に追従してポンプ室内で回転することで、循環水が吸排水される。詳細には、巻線２より発生した回転磁界に伴い、羽根車４が、固定された永久磁石３の吸引反発により追従して回転し、これによりポンプ作用が発生して矢印Ｘ方向から循環水を吸込み、矢印Ｙ方向へ循環水を吐き出す。

軸５はケーシング６の略中央に固定され、カバー７の軸支え７ａにより支持されている。羽根車４は、その中心に固定された滑り軸受８を介して、軸５に対して回転自在に支承されている。軸５は固定軸（回転しない）であり、軸５の外径面と、滑り軸受８の内径面とが回転摺動する。滑り軸受８の両端面は、カバー７の軸支え７ａおよびケーシング６との間にそれぞれ設けたスラスト受部材であるスラスト板９、１０と、スラスト方向の回転摺動を行なう。なお、「滑り軸受」とは、内径および端面で荷重を受け、摺動する部品であり、必ずしも１部品に限定されるものではなく、２部品以上に分割され、さらには材質が異なっていてもよい。

本発明ではこのウォータポンプにおいて、羽根車４の回転時における、スラスト受部材（スラスト板９、１０）と滑り軸受８との相対回転によって、（１）循環水を滑り軸受８の一方の端面側から軸受内径面側に吸引する吸引手段、および、（２）上記相対回転によって、循環水を滑り軸受８の軸受内径面側から他方の端面側に排出する排出手段、から選ばれる少なくとも一つを有している。（１）（２）のいずれか一方を有することで、水を摺動面に供給する能力を向上できるが、安定して多くの水を吸引・排出して摺動面の水を循環させるため、（１）（２）の両方を有することが好ましい。この水の循環により、軸受内径面（ラジアル摺動面）は勿論、軸受端面（スラスト摺動面）にも多くの水が供給される。

吸引手段としては、例えば、滑り軸受８の循環水吸引側の端面および該端面と摺動するスラスト受部材（スラスト板９、１０）から選ばれる少なくとも一方のスラスト摺動面に形成された液体吸引用の溝または羽根が挙げられる。また、排出手段としては、例えば、滑り軸受８の循環水排出側の端面および該端面と摺動するスラスト受部材（スラスト板９、１０）から選ばれる少なくとも一方のスラスト摺動面に形成された液体排出用の溝または羽根が挙げられる。

滑り軸受８において、いずれの端面を循環水吸引側または循環水排出側とするかは適宜決定できるが、水を多く摺動面に供給しやすいことから、ポンプ室内において滑り軸受が配置されている箇所における水の流れに合わせることが好ましい。すなわち、水の流れの上流側に位置する端面を循環水吸引側とし、下流側に位置する端面を循環水排出側とすることが好ましい。

ここで、図１の形態では、回転時において、羽根車４は差圧により、カバー７側に押し付けられ、滑り軸受８の一方の端面がスラスト板９と回転摺動する。滑り軸受８の他方の端面とケーシング６側のスラスト板１０との摺動はほとんどない。差圧による水の流れ方向は、スラスト板１０側からスラスト板９側である。よって、図１では、滑り軸受８のスラスト板１０側の滑り軸受の端面に、吸引手段として液体吸引用の溝を形成し、スラスト板９側の端面に、排出手段として液体排出用の溝を形成している。なお、溝の形状は、後述のスパイラルとしている。

液体吸引用溝および液体排出用溝は、滑り軸受が回転した際にそれぞれ吸引、排出の作用を発生するものであればよく、形状は特に限定されない。動圧が発生する溝形状（動圧溝）にすると、閉塞した摺動面に水が押込まれ、摺動面の冷却効果も高まるため好ましい。吸引、排出時にそれぞれの軸受端面に動圧を発生するヘリングボーン、スパイラル、あるいは流路を複雑にした動圧溝とし、これらを単独あるいは併用することが、摺動面の冷却効果と合わせて潤滑状態の向上も図れるため好ましい。さらに好ましくは、動圧効果の高いヘリングボーン、スパイラルである。図２に溝の平面形状を示す。図２（ａ）〜（ｆ）がへリングボーンであり、図２（ｇ）、（ｈ）がスパイラルであり、図２（ｉ）、（ｊ）が流路を複雑にした放射状である。図中の黒塗り部分が液体排出溝である。図２の各図に示す溝は、図中に示す軸受回転方向に回転することで、内径側から外径側に水を送る（排出方向）機能を有する。なお、溝は、滑り軸受端面の内外径を連通している溝（連通溝）、連通していない溝（非連通溝）のいずれであってもよい。非連通溝では、途中で水の流れが阻害されるため、動圧が発生しやすい。一方で、連通溝は摩耗粉などの異物排出、軸の摺動面の冷却の役割があるため、連通溝、非連通溝を併用することが好ましい。

図２（ａ）などのへリングボーンにおける溝の折り返し位置は、適宜設定できる。図２（ａ）〜（ｆ）に示す形状と軸受回転方向では、折り返し位置が円周外側に行くほど、内径側から外径側に向かう力が大きくなる。また、図２（ｉ）および図２（ｊ）の形状は、内径から外径までの溝流路が、内径と外径とを中心から放射状の直線や曲線で結ぶ場合よりも長くなるように形成している。具体的には、滑り軸受の端面の半径方向略中央位置に該端面中心と同心の円周溝を設けて、内径から円周溝までの内径側溝と、円周溝から外径までの外径側溝とが、円周溝上の重ならない円周位置で該円周溝に連結された形状を有する。さらに、内径側溝と円周溝との連結位置と、外径側溝と円周溝との連結位置とが、円周方向で交互に略等間隔で配された形状となっている。

溝の断面形状は、上記の吸引、排出の作用を発生するものであれば形状は特に限定されず、角溝、Ｒ溝、Ｖ溝のいずれであってもよい。溝の断面形状を図３に示す。図３（ａ）、（ｄ）が角溝であり、図３（ｂ）がＲ溝であり、図３（ｃ）がＶ溝である。ウォータポンプにおいては、軸受サイズの制約から、スラスト荷重に比べて動圧効果による液膜の負荷容量が小さく、軸受端面とスラスト受部材間を完全に非接触にすることは困難である。したがって、滑り軸受とスラスト受部材とは当接して摺動し、混合潤滑状態となる。このように液膜によって完全に非接触支持できない場合、溝断面形状において楔形状（末狭まり形状）を有するＶ溝やＲ溝の方が角溝に比べて楔効果によって動圧を発生させやすい。したがって、角溝よりもＶ溝、Ｒ溝が好ましい。更には、楔形状の空間内に満たされた水は、すきまの小さい部分程圧力が高まるため、断面形状としてすきまの小さい領域を多く有するＶ溝がＲ溝よりも好ましい。したがって、角溝よりもＲ溝が好ましく、Ｒ溝よりもＶ溝が好ましい。Ｖ溝の角度は特に限定されないが、対称な溝である必要はなく、図３（ｆ）に示すように、回転により摺動面に液体の流れ込む側の摺動面と溝の角度が鋭角の方が好ましい。Ｒ溝についても同様であり、図３（ｅ）に示すように、回転により摺動面に液体の流れ込む側の傾斜が緩い方が好ましい。溝幅、深さは水の流れ方向から入口を広く、出口を狭くすることで動圧を発生させ易くなる。また、溝の本数は多いほど動圧を発生させやすいが、摺動面の面圧が高くなるため、使用条件を考慮し設定すればよい。

軸受内径における水の流れから、水の流れの上流側の端面は外径から内径に、下流側の端面は内径から外径に水が流れ易い。よって、動圧溝を設ける場合は、水の流れも利用し、上流側の端面は外径から内径に、下流側の端面は内径から外径に水を引き込む方向の溝とし、動圧を発生させることが好ましい。

また、図１において、滑り軸受８のスラスト板１０側の滑り軸受の端面に、吸引手段として液体吸引用の羽根を形成し、スラスト板９側の端面に、排出手段として液体排出用の羽根を形成してもよい。ここでの羽根は、主に、滑り軸受端面に形成される羽根形状部分を意味する。溝に替えて、水をより直接的に送ることができる形状の羽根を設けることで、水の供給量を多くできる。液体吸引用羽根および液体排出用羽根は、滑り軸受が回転した際にそれぞれ吸引、排出の作用を発生するものであればよく、形状は特に限定されない。摺動面における面圧が高くなると、摩耗特性が低下するため、図１における滑り軸受８の端面とスラスト板９のように、主に回転摺動する側では羽根よりも溝の方が好ましい。

また、図４に示すように、滑り軸受８の循環水吸引側の端面の内径角部に、該端面側に向かって内径を拡径する傾斜面８ａを有することが好ましい。循環水吸引側にこのような傾斜面８ａを設けることで、水が、軸５の外径面５ａと滑り軸受８の内径面８ｂとの隙間（摺動面）に入り込みやすくなり、より多くの水を摺動面に供給できる。さらに、傾斜面８ａに、スパイラルなどの吸引溝または吸引羽根を設けることで、吸引効果がさらに高まる。

上述した滑り軸受８の端面に加えて、滑り軸受８の内径面８ｂおよび軸５の外径面５ａから選ばれる少なくとも一方のラジアル摺動面にも溝を形成することが好ましい。例えば、軸方向に平行な直線溝、あるいは螺旋溝を形成できる。また、この溝を動圧溝にすることが好ましい。動圧溝を設けることで、閉塞した摺動面に水を押込み、水を多く供給することが可能となり、反負荷方向の荷重を発生させ、水膜が形成され、低摩擦係数となる。また、水切れの異常状態においても、空冷効果が期待できる。上記螺旋溝において、螺旋回転方向を軸の回転方向と同じにすることで、動圧を発生し易くなる。この溝の断面形状については、上述の滑り軸受端面に形成する場合と同じである。また、転造などによりヘリングボーン、スパイラル溝の形成も可能である。また、この溝は、上述の滑り軸受端面に形成する場合と同様の理由で、連通溝（軸受の一方の端面から、他方の端面へ連通した溝）と非連通溝とを併用することが好ましい。

滑り軸受の端面の一方もしくは両方、および内径面に溝を設ける場合、溝の位置関係は特に限定しないが、非連通にすることで、途中で水の流れが阻害されるため、動圧が発生し易い。また、溝を介して別の面に供給された潤滑水は、摺動面に突き当たり流れが阻害されることになるため、摺動面に水が入りやすくなり、潤滑状態が良好となる。一方、連通にすることで異物排出溝の効果がより高まるため、連通溝、非連通溝の併用が好ましい。スラスト板面の一方もしくは両方、および軸の外周に溝を設ける場合も同様である。

滑り軸受の材質としては、摺動性を有していればよく、例えば、カーボンや、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＰＳ樹脂、ＰＯＭ樹脂、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂などの熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂などが挙げられる。複雑な形状の液体吸引用溝、液体排出用溝、あるいは液体吸引用羽根、液体排出用羽根を、精度良く、安価に形成できることから、射出成形可能な樹脂組成物が好ましい。具体的には、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＰＳ樹脂、フェノール樹脂をベース樹脂とするものが好ましい。

滑り軸受および羽根車が、射出成形可能な熱可塑性樹脂組成物からなり、射出成形時に滑り軸受および羽根車を同時に形成した一体成形品とすることが好ましい。永久磁石の羽根車への固定方法は特に限定されない。滑り軸受および羽根車を成形する際にインサート成形することで、成形後に圧入や物理的に固定する場合よりも安価となる。予め射出成形した滑り軸受を金型にインサートし、羽根車を射出成形する場合、射出成形圧力により、滑り軸受の内径、溝（動圧溝）、羽根の寸法が変化し得る。これに対して、滑り軸受および羽根車を同時に成形することで、高寸法精度の内径や溝（動圧溝）を形成でき、かつ安価に製造できる。

射出成形可能な樹脂組成物としては、上記の中でも、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＰＳ樹脂をベース樹脂とする組成物が好ましい。これらの樹脂は高耐熱性であるため、冷却水の温度が上昇しても剛性が高い。また、摩擦発熱により摺動面温度が高くなっても、低摩耗で、水切れの異常状態においても焼付き難い利点がある。さらに、低吸水性であるため、使用中に溝、羽根を含めた軸受の寸法変化が非常に小さい。そのため、滑り軸受の材質としても、羽根車の材質としても好ましい。なお、安価なウォータポンプとするためには、特にＰＰＳ樹脂が好ましい。

ＰＰＳ樹脂は、ベンゼン環がパラの位置で、硫黄結合によって連結されたポリマー構造を持つ結晶性の熱可塑性樹脂である。ＰＰＳ樹脂は、融点が約２８０℃、ガラス転移点が９３℃であり、極めて高い剛性と、優れた耐熱性、寸法安定性、耐摩耗性などを有する。ＰＰＳ樹脂は、その分子構造により、架橋型、半架橋型、直鎖型、分岐型などのタイプがあるが、本発明ではこれらの分子構造や分子量に限定されることなく使用できる。水膜が形成されない水切れ状態、異物が噛み込んだ状態のようなアブレシブ摩耗形態を考慮した滑り軸受とするためには、靭性のある直鎖型の方が好ましい。

ＰＥＥＫ樹脂は、ベンゼン環がパラの位置で、カルボニル基とエーテル結合によって連結されたポリマー構造を持つ結晶性の熱可塑性樹脂である。ＰＥＥＫ樹脂は、融点が約３４０℃、ガラス転移点が１４３℃であり、優れた耐熱性、耐クリープ性、耐荷重性、耐摩耗性、摺動特性、疲労特性などに加え、優れた成形性を有する。

上記樹脂組成物において、水膜が形成されない水切れ状態の摩擦特性を付与するために、ＰＴＦＥ樹脂を配合することが好ましい。また、冷却水中での摩擦特性を付与するために、黒鉛を配合することが好ましい。さらに、黒鉛は摩耗特性、弾性率の向上とともに、射出成形時の滑り軸受の寸法精度を向上させる効果もある。

上記樹脂組成物において、滑り軸受あるいは羽根車としての剛性、耐摩耗性、寸法精度の向上のため、炭素繊維を配合することが好ましい。炭素繊維は、原材料から分類されるピッチ系またはＰＡＮ系のいずれのものであってもよい。その焼成温度は特に限定されないが、２０００℃またはそれ以上の高温で焼成されて黒鉛（グラファイト）化されたものよりも、１０００〜１５００℃程度で焼成された炭化品の方が吸水性が高いため、低摩擦化に寄与するとともに、相手材を摩耗損傷しにくいので好ましい。炭素繊維の平均繊維径は２０μｍ以下、好ましくは５〜１５μｍである。上記範囲をこえる太い炭素繊維では、極圧が発生するため、耐荷重性の向上効果が乏しく、相手材である軸などがステンレス鋼の場合、相手材の摩耗損傷が大きくなるため好ましくない。

炭素繊維はチョップドファイバー、ミルドファイバーのいずれであってもよいが、繊維長が１ｍｍ未満のミルドファイバーの方が好ましく、より好ましくは、平均繊維長は２０〜２００μｍである。２０μｍ未満では充分な剛性、補強効果が得られず、耐摩耗性に劣るおそれがある。２００μｍをこえる場合は、極圧が発生するため相手材である軸などがステンレス鋼の場合、相手材の摩耗損傷が大きくなるため好ましくない。

上記樹脂組成物において、弾性率を向上させることは、摺動面の真実接触面積を下げて低摩擦化となるため、これを向上させ得るマイカ、タルクなどの燐片状充填剤を配合することも有効である。

上記樹脂組成物における配合割合は、少なくともＰＴＦＥ樹脂および／または黒鉛の配合割合が３〜３０体積％、より好ましくは５〜２０体積％、炭素繊維が５〜３０体積％、より好ましくは１０〜２０体積％、残部が合成樹脂（ベース樹脂）であることが好ましい。さらに、ＰＴＦＥ樹脂、黒鉛は併用する方が好ましい。

なお、この発明の効果を阻害しない程度に、樹脂組成物に対して周知の樹脂用添加剤を配合してもよい。この添加剤としては、例えば、窒化ホウ素、二硫化モリブデン、二硫化タングステンなどの摩擦特性向上剤、炭素粉末、酸化鉄、酸化チタンなどの着色剤、金属酸化物粉末などの熱伝導性向上剤が挙げられる。

本発明のウォータポンプにおいて、滑り軸受と摺動する軸、スラスト板の材質としては、防錆に優れるアルミナなどのセラミックス、ステンレス鋼などが挙げられる。セラミックスは高硬度で耐摩耗性に優れるため好ましい。スラスト板に液体吸引用溝、液体排出用溝、あるいは液体吸引用羽根、液体排出用羽根を施す場合、セラミックスへの形成は容易でないため、機械加工、転造などにより形成可能なステンレス鋼が好ましい。セラミックスやステンレス鋼のスラスト板に上記溝や羽根を設けると、溝エッジ部で滑り軸受を摩耗させるおそれがあるため、この場合は、滑り軸受側に該溝を形成することが好ましい。また、滑り軸受を射出成形可能な熱可塑性樹脂で形成する場合は、金型転写で溝などを形成でき安価となるため、滑り軸受側に該溝を形成することが好ましい。

軸、滑り軸受端面と摺動する相手面に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などの潤滑性被膜を形成する表面処理を施してもよい。ＤＬＣは水中での摩擦特性に優れるため、動圧溝への水を供給下にて、滑り軸受と接触する微小部における摩擦係数を低減できる。また、硬質被膜であるため、ステンレス鋼の摩耗を防止できる。また、軸、滑り軸受端面と摺動する相手面に、ディンプルなどの表面の凹凸を形成してもよい。動圧効果があるとともに、接触面積が低下するので、低摩擦となる。ディンプルはショットブラストなどで形成することができ、微小凹凸の方が有効である。

本発明のウォータポンプにおいて、ケーシング、カバーの材質は、特に限定されず、射出成形可能な樹脂組成物などが使用できる。例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂、ＰＰＳ樹脂、ＰＯＭ樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂（ＰＡ６６樹脂、変性ＰＡ樹脂など）などをベース樹脂とする組成物が挙げられる。また、これらの組成物の強度、弾性率を向上するために、ガラス繊維、炭素繊維などの繊維状充填剤を配合することが好ましい。

本発明のウォータポンプは、ポンプ内部に設けられた滑り軸受摺動面への水の供給性に優れ、該滑り軸受の低摩擦特性および耐摩耗特性に優れるので、自動車のエンジン、インバーター、バッテリー、あるいは燃料電池などの冷却水の循環、給湯機、床暖房機器などの熱水の循環を行なうためのポンプとして好適に利用できる。なお、本発明のウォータポンプは水の循環だけに限定するものではなく、水を移動供給するポンプとしても有用である。また、媒体が水以外の薬液、溶剤、オイル、飲料などの液体を循環、移動供給するポンプであっても同様の効果が期待できる。

１ ウォータポンプ
２ 巻線
３ 永久磁石
４ 羽根車
５ 軸
６ ケーシング
７ カバー
８ 滑り軸受
９ スラスト板
１０ スラスト板
１１ パッキン
１２ モータ

Claims (10)

1. 羽根車と、前記羽根車を固定するための軸と、前記軸に対し前記羽根車を回転自在に支承するための前記羽根車に固定された滑り軸受と、前記滑り軸受のそれぞれの端面と摺動するスラスト受部材と、前記羽根車を収納しポンプ室を形成するケーシングおよびカバーとを備えてなり、前記羽根車の回転により前記ポンプ室を介して循環水を吸排出するウォータポンプであって、
   前記滑り軸受は、内径および端面で荷重を受け、前記端面と同じ厚みを有する円筒状の軸受であり、直鎖型のポリフェニレンサルファイド樹脂をベース樹脂とし、少なくとも炭素繊維と、ポリテトラフルオロエチレン樹脂または黒鉛の少なくとも一つとを含む樹脂組成物の一体射出成形品であり、前記炭素繊維は、１０００〜１５００℃で焼成された炭化品であることを特徴とするウォータポンプ。
2. 前記炭素繊維は、平均繊維径が５〜１５μｍ、平均繊維長が２０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１記載のウォータポンプ。
3. 前記樹脂組成物は、ポリテトラフルオロエチレン樹脂および／または黒鉛の配合割合が３〜３０体積％、炭素繊維が５〜３０体積％、残部がポリフェニレンサルファイド樹脂であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のウォータポンプ。
4. 前記羽根車の回転時における、前記スラスト受部材と前記滑り軸受との相対回転によって、前記循環水を前記滑り軸受の一方の端面側から軸受内径面側に吸引する吸引手段、および、前記循環水を前記滑り軸受の軸受内径面側から他方の端面側に排出する排出手段の両方を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項記載のウォータポンプ。
5. 前記吸引手段が、前記滑り軸受の循環水吸引側の端面および該端面と摺動する前記スラスト受部材から選ばれる少なくとも一方のスラスト摺動面に形成された液体吸引用の溝であることを特徴とする請求項４記載のウォータポンプ。
6. 前記排出手段が、前記滑り軸受の循環水排出側の端面および該端面と摺動する前記スラスト受部材から選ばれる少なくとも一方のスラスト摺動面に形成された液体排出用の溝であることを特徴とする請求項４または請求項５記載のウォータポンプ。
7. 前記溝が動圧溝であることを特徴とする請求項５または請求項６記載のウォータポンプ。
8. 前記滑り軸受の循環水吸引側の端面の内径角部に、該端面側に向かって内径を拡径する傾斜面を有することを特徴とする請求項４から請求項７のいずれか１項記載のウォータポンプ。
9. 前記滑り軸受の内径面および前記軸の外径面から選ばれる少なくとも一方のラジアル摺動面に動圧溝が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項記載のウォータポンプ。
10. 前記滑り軸受と前記羽根車とが、前記樹脂組成物を用いて一体に射出成形された一体成形品であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項記載のウォータポンプ。

Images