JPS62126281A - ベ−ンポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明はベーンポンプ、更に詳しくはカムリングとロー
ターとに用いるセラミックとベーンに用いる樹脂との適
切な組合せにより耐スラリー摩耗性を向上せしめたベー
ンポンプに関するものである。

〈従来の技術とその問題点〉 従来、ベーンポンプは金属部材により構成されていたが
、耐摩耗性改善の為にセラミックを素材とする考えが開
発され、例えば特開昭５８−４１２８７号公報、特開昭
５９−１６８２９１号公報あるいは特開昭５９−２ｏｓ
６９１号公報にカムリング、ローター及びベーンをセラ
ミック製とするベーンポンプが示されており、又特開昭
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の例としては窒化珪素、アルミナあ
るいは炭化珪素が例示されている。

しかるにこれらのセラミックをカムリング、ローター及
びベーンの全てに用いたのでは、金属材料と比較すると
耐摩耗性に優れてはいるが、セラミック同志の摺！ｌ１
ｌＪ９耗は相当大であると共に、スラリー摩耗もあり各
部所の摩耗によるポンプ性能の低下が著しい事が判明し
た。

又Ｙ２Ｏ３を２〜３モル添加しｔこ部分安定化ジルコニ
ア（以下ＰＳＺという）は、スラリー摩耗は非常に小さ
いが、このＰＳＺ同志あるいはＰＳＺと他のセラミック
との組合せに於いては摺動摩耗が著しく大きくやはり短
時間でポンプ性能が低下する事も判っｔこ。

〈問題点を解決する為の手段〉 本発明では、ん値（圧力×速度）が非常に高いカムリン
グ内壁部とベーン先端では特に摺動摩耗が問題となり、
又スラリーを含有する溶液の移送用には対スラリー摩耗
が問題となる等を勘案し、カムリング、ローター及びベ
ーンの素材の組合せを適切なものとする事により、上記
諸問題を解決しようとするものであり、その要旨は少な
（とも内壁部がセラミックである略円筒状のカムリング
内に、セラミック製ローターが回転自在に装着され、同
ローターに設けられたベーン溝にベーンが出入自在に嵌
挿された如きベーンポンプに於いて、前記カムリングの
セラミック部分及びローターを、正方晶系の結晶構造を
もつジルコニア（以下正方品ジルコニアという）を少な
くとも５０モル％含むが単斜晶系の結晶構造をもつジル
コニア（以下単斜晶ジルコニアという）は実質的に含ま
ないジルコニア焼結体で構成し、一方前記ベーンをポリ
イミド系樹脂に固体潤滑剤を混合した成形体で構成した
ことを特徴とするベーンポンプである。

〈実施例及び作用〉 以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図、第２図及び第３図に於いて、（１）は金属製の
ポンプハウジング、（２）はサイドプレー１・であり、
このハウジングの内壁部にセラミックス製のカムリング
（１１）が金属製平キー（１９ａ）によって固定されて
いる。カムリングの内側曲面は第１図及び第２図に示す
様なシングルベーンポンプの場合は、ローターの中心を
通る直線が円周によって切られる長さが一定（ベーン長
）の曲線の筒である。第３図に示す様なマルチベーンポ
ンプの場合には、カムリング内側曲線は真円の円筒で良
い。

セラミックスから成るローター（１４）は駆動軸（４）
の駆動系の反対側端部にキー（１８）、固定用平板（１
７）、ボルト（１６）によって回転可能な状態で固定さ
れている。ベーン（１５）はローターと駆動軸の中心を
通り開けられた溝に貫通セットされている。

スラリー摩耗を考慮すると第１図に示す様にハウジング
の両サイドの内面接液部、つまり平キー（１９ｂ）、　
（１９Ｃ）によって固定されるサイドプレート（１２）
、　（１３）もカムリングと同一素材で構成することが
望ましい。カムリングのセラミックス部品は第２図、第
３図の如く平キー（１９ａ）によって金属部品（１）に
取付ける以外に、焼バメ法、接着法によったり、あるい
は金属部品の部分も含めて全体をセラミックスで一体化
し形成してもよい。カムリング両サイドのサイドプレー
トについても同様である。

ベーンポンプ全体の構成は第１図に示す如く、サイドプ
レート（３）の駆動軸貫通孔側と、カバー（８）を有す
るベアリングボックス（７）に固定されたケーシング（
９）によって形成される空間に設置されたメカニカルシ
ール部品（２１）　、（２２）　、（２３）によって液
封されている。

シールの方法はメカニカルシールに限定されろものでは
なく、グランドバッキング方式でも良い。

ベアリング（５）、　（６）によって駆動軸（４）の位
置が、ハウジング（１）内のカムリングの位置に対し固
定される。図中、（１０ａ）　、　（１０ｂ）　、　（
１０ｃ）　、　（１０ｄ）　。

（１０ｅ）は液シールの為のテフロン系樹脂等から成ろ
Ｏリングである。

第３図はマルチベーンポンプの場合を示し、乙の場合ベ
ーン長は長い方が、また図示している様に回転方向と逆
向きに傾斜させた方がカムリングとの接触圧が小さくな
り望ましい。（２０）はベーンのカムリング摺接側の反
対側に摺接して、カムリング側へ押出すためのリングで
ローターのサイドプレートと接触する両側面に設けた凹
部に配設される。

次に摺動摩耗特性の良いカムリング、ローターのセラミ
ック素材とベーン素材の組合せについて説明する。上記
組合せを全てセラミックで構成する場合、異なる素材間
にあっても、お互いに相手を摩耗させる現象があり、カ
ムリングやローターの摩耗を生じる。ベーンが摩耗する
場合は交換が容易なため、ポンプ性能が直ちに復帰でき
るが、カムリング内壁部やローターの摩耗はベーンを交
換しても性能復帰ができないという欠点がある。

そこで本発明ではセラミック素材を摩耗させない適切な
ベーン素材として、ポリイミド系樹脂を主成分とする樹
脂成形体を採用した。

ポリイミド系樹脂は耐熱性が高く、摺動による温度上昇
や高い応力によっても軟化や、永久変形が少なく、相手
材のセラミックを摩耗せず、ベーン素材として適してい
る。なおセラミックスとの摩擦係数を下げ、接触応力を
緩和するために、四フッ化エチレン、炭素、二硫化モリ
ブデン等の固体潤滑剤を混合することが必要である。更
に靭性を高め、チッピングやスラリー摩耗を少なくする
ために、ガラス繊維、炭素繊維、ポリイミドｍ維等の強
化用フィラーを混合強化することが望ましい。

ポリイミド系樹脂は四フッ化エチレン系樹脂、その他の
樹脂に比べ耐熱性に優れ、変形を生ずる応力が大きいた
めベーンの寿命が長く、ベーン用素材として適している
。

次に上記ポリイミド系樹脂と摺動摩耗特性の良いセラミ
ック相手材を求める為に行なった試験及びその結果につ
いて説明する。

（１）摺動摩耗特性の測定：　ピンオンディスク式摩耗
試験機により、回転中のセラミックスディスク上に四フ
ッ化エヂレン樹脂を１０体積％添加したポリイミド樹脂
のピンを一定の押付は圧で押付け、ディスクを一定の回
転速度で回転させ、摩耗量を測定した。ピン先端形状は
幅４　ｍｍ、先端角９０°。

セラミックディスク表面は０．５Ｓ以下の表面粒度に研
摩し使用した。テス）・条件は圧力Ｐ　＝　１００ｋｇ
　／ｃｙｌ、ひ＝　１　ｍ／ｓ、　６０分後の摩耗量を
測定した。

（２）スラリー摩耗特性の測定ニスラリ−として珪砂（
３０メツシユ）を摺動面の上まで添加し、水中に設置し
た銅の摺動リング上にテストピースを乗せ、一定の押付
は圧下、一定の速度で回転し、摩耗量をｉＷｌ］定した
。テスト条件は（１）と同じである。

（３）、テストサンプルの種類と物性二表１表１ 物性は焼結体から３ｍｍＸ４ｍｍＸ３５ｍｍのテストピ
ースを作成し、曲げ強度はＪＩＳ　Ｒ１６０１による３
点曲げ硬度はマイクロビッカース硬度計、破壊靭性ＫＬ
ｃはやはり硬度計の圧痕のエツジ先端のクラック長さか
ら計算によって求めるマイクロインデンテーンヨン法（
硬度計抑圧３０ｋｇ、計算は新原の式による）によって
測定した。なお表１中旧Ｐは熱間静水圧焼結を、又ＣＰ
は常圧焼結を表わす。

これ等の素材で直径５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのディスク
を製作し、片方の西をダイヤモンドペーストを用いて表
面粗度Ｏ，ＳＳ以下に研摩した。なおここて用いたサン
プルの内Ｙ２Ｏ３２，５モル％ＰＳＺは正方晶ジルコニ
アを９０％含み、単斜晶ジルコニアを実質的に含まない
ジルコニア焼結体である。これ等の素材と四フッ化エチ
レン添加ポリイミド樹脂製ピンとの摺！ｌ１ＩＩ摩耗テ
スト結果を表２に示す。

なお摩耗量はポリイミド樹脂の摩耗量を示す。

又スラリー摩耗の測定結果を表３に示す。

なお上記表３に示す値はＹ２Ｏ３２，５モル％ＰＳＺの
摩耗量を１０としたものである。

表２．表３に示す様ＩＣｙ２ｏ＝　２．５モルＸＰＳＺ
はポリイミド樹脂との摺動特性が良く、摩擦係数が低い
上に、ポリイミド樹脂を摩耗しない。またスラリー摩耗
に優れるので、スラリー溶液を移送するベーンポンプの
カムリング内壁部、ローター用素材として最適である。

ベーンポンプにおいて、ポンプの性能を決定するのはカ
ムリングとベーンの間のクリアランスである。摺動摩耗
やスラリー摩耗によって部品が摩耗した時、ベーンの交
換は容易に可能で、性能も回復するが、カムリングの交
換は困難なので、摩耗の小さい素材を選ぶことが必要で
ある。即ち、カムリングやローターにはスラリー摩耗が
小さく、ベーンのポリイミド樹脂との摩擦係数が小さく
摩耗を抑える正方品ジルコニアが優れている。

次に本発明のカムリング及びローターの素材として用い
ろジルコニアについて説明する。

本発明のジルコニア焼結体は、正方晶ジルコニアか、ま
たは正方品ジルコニアと立方晶系の結晶構造をもつジル
コニア（以下立方晶ジルコニアという）とが共存してい
て、かつ正方晶ジルコニアが全体に対して５０モル％以
上、好ましくは７０モル％以上であるようなものである
必要がある。即ち、正方晶ジルコニアを少な（とも５０
モル％含むジルコニアを使用する。かつまた、上記ジル
コニア焼結体は単斜晶ジルコニアを実質的に含／しでい
ないことが必要である。こ＼に於いて単斜晶ジルコニア
を実質的に含まないという意味は、もしそれが含まれて
いたとしても、その量が１０モル％以下であるというこ
とである。しかして、正方晶ジルコニアを少なくとも５
０モル％含むジルコニア焼結体は、それが外力を受けた
時に正方晶系から単斜晶系への結晶構造の変態が起こり
、その変態に必要なエネルギーが応力を緩和するので、
それをカムリング内壁部やローターに使用する時は、靭
性、曲げ強度が高く、スラリー摩耗が小さく、また上記
表２に示す様にポリイミド樹脂との摩擦係数が小さく、
樹脂を摩耗しないため、スラリーを含有する溶液を移送
するベーンポンプの部品に使用し、好適である。

しかし乍ら、単斜晶ジルコニアが含まれていると、それ
は単斜晶ジルコニアの周囲または近傍に正方晶系から単
斜晶系への結晶構造の変態に伴なうマイクロクラックを
生しているということであり、その様なジルコニア焼結
体が外力を受けるとマイクロクラックを起点とする破壊
が進行し、高い機械的特性が得られなくなる。それ故、
本発明に於いては、上述した様に実質的に単斜晶ジルコ
ニアを含まないジルコニア焼結体を使用する。上記にお
いて、正方晶ジルコニアの量は、ベーンポンプセラミッ
ク部品の表面をＸ線回折し、得られた回折パターンの強
度（面積強度）と回折角から次式によって求められる。

ただし、強度はローレンツ因子による補正後の値を使用
する。

Ｔ＝　　（（Ｂ＋Ｃ）／（人士Ｂ＋Ｃ））　　Ｘ　　１
００りｔ！シ、Ｔ・正方晶ジルコニアの量（モル％）Ａ
゛立方晶ジルコニア４００面の回折強度Ｂ゛正方品ジル
コニア００４面の回折強度Ｃ正方晶ジルコニア２２０面
の回折強度同様に、単斜晶ジルコニアの量は次式によっ
て求めろ。

Ｍ−（（Ｅ＋Ｆ）／（Ｄ＋Ｅ＋Ｆ））　ｘ　１００たｔ
！シ、Ｍ゛単斜晶ジルコニアの量（モル％）Ｄ正方晶ジ
ルコニア１１１面の回折強度Ｅ゛単斜晶ジルコニア１１
１面の回折強度Ｆ単斜晶ジルコニア１１１面の回折強度
なお、上式によって正方晶および単斜晶ジルコニアの量
が求まれば、残余（よ立方晶ジルコニアということにな
る。

上記ジルコニア焼結体は０２〜５μｍの平均結晶粒子径
を有するものであるのが好ましい。

更に好ましいのは、０２〜１μｍである。このような緻
密な結晶をもつジルコニア焼結体を使用すると、より機
械的特性の高いポンプ部品が得られる。

この発明に使用するセラミック部品は、いろいろな方法
によって製造することができる。次にその好ましい一例
を示す。

即ち、まず純度が９９，５％以上である高純度のオキシ
塩化ジルコニウムと塩化イツトリウム、塩化カルシウム
、塩化マグネシウム等の塩化物の少なくとも１種とを塩
化物が１０モル％以下になるように混合する。

次に上記混合溶液を約１５０℃まで徐々に昇温しで乾燥
した後、約り００℃／時の速度で約１０００℃まで昇温
し、その温度に数時間保持して仮焼する。

さらにその仮焼体をよく湿式粉砕する。かかる仮焼、粉
砕を繰り返し行って原料粉末を得る。この過程で、オキ
シ塩化ジルコニウムを含む上記すべての塩化物は酸化物
となる。

次に、上記原料粉末にポリビニルアルコール等のバイン
ダを加え、湿式混合した後スプレードライヤなどで造粒
、乾燥し、更にラバープレス法等の周知の成形法を用い
てベーンポンプのセラミック部品の形状をした成形体を
得る。

この場合金型成形法によってもよいし、鋳込成形法や射
出成形法等の湿式成形法を用いてもよい。

上記成形体を、湿式成形法による場合には脱脂工程を経
て、２０〜ｂ ℃まで加熱し、その温度に数時間保持して焼成した後、
２０〜ｂ その後炉冷してベーンポンプセラミック部品の所望の部
分の形状をしたジルコニア焼結体を得ろ。

このとき、イツトリアやカルシア、マグネシアはジルコ
ニアの安定化剤として作用する。

次に、上記焼結体を精密研削加工して、所望のセラミッ
ク部品を得る。これを別に製作した金属部品に嵌め込み
（キー使用）、接着剤による接合、あるいは焼パメ等の
方法により組込み使用する。

次にベーンについて説明する。本発明のベーン素材は、
ポリイミド系樹脂を主成分とするもので、強度、靭性を
高めるためフィラーを添加することが望ましく、フィラ
ーとして同じポリイミド系繊維のケブラー以外に、炭素
繊維、ガラス繊維、セラミックス繊維等を用いる場合も
あり、この様な場合には繊維に対する接着性、含浸性が
良いことや、硬化時にボイドが発生しないことが要求さ
れるため、各種の添加剤が必要である。またベーン用素
材としてはセラミック部品との摩擦係数、摺動摩耗が低
いことが必要で、そのため炭素（特に黒鉛）、二硫化モ
リブデン、ボリテトラフルオロイエチレン（ＰＴＦＥ）
等の固体潤滑剤の粉末を充填することが是非必要である
。

この発明に使用するベーンは、いろいろな方法によって
製造することができる。次にその好ましい一例を示す。

即ち、ポリイミド系樹脂粉末と、炭素、二硫化モリブデ
ン、ＰＴＦＥ等の固体潤滑剤一種以上の粉末と、ポリイ
ミド系繊維、炭素繊維、ガラス繊維、セラミックス繊維
等フィラーとなる短繊維を一定の割合でよく混合する。

潤滑剤；よ容積比で５〜３０％、好ましくは１０〜２０
％、繊維は５〜３０％、゛好ましくは１０〜２０％、両
者合計で４０％以下に選ぶことが、摩擦係数、素材強度
、破壊靭性のバランスをとり、摺動摩耗とベーンの衝撃
による破損を防止する上で望ましい。次に上記混合粉末
を圧力１００〜２００ｋｇ　１ｃｒｄ　、　ｆｊ１度２
００〜２５０℃、成形時間５〜１０分の条件で加熱プレ
ス成形し、板状成形体を得ろ。

次に上記成形体を所望の形状に切削加工、精密研削加工
を行ない、ベーン部品を得る。

以上の様にして得たベーンポンプ部品を図面に示す様に
組立て、第１図のベアリングボックスの左側駆動軸に駆
動源（モーター等）を取付けろと、本発明にか−わるベ
ーンポンプが完成する。

次に本発明のベーンポンプと市販の金属製ベーンポンプ
等を実際に使用した場合のポンプ性能の比較を示す。

即ち、ポンプ室容積１４０ｃｃ、回転数１００ｒ、　ｐ
、　ｍなる各種のベーンポンプを用い、平均粒径１０μ
ｍのＡＪ２０３粉末を４０体積％含む粘度１０００ｃｐ
のスラリー溶液を１０４’　／ｍｉｎ、　、圧力５ｋｇ
／ｃｎｒの条件で移送した場合、市販の金属製のシング
ルベーンポンプでは約１月後に流量が１／２に低下した
が、本発明のシングルベーンポンプでは同じく１月後で
も流量は９／１０てあった。又ベーンのみを交換する事
により本発明のポンプは性能が元に復帰したが、金属製
のベーンポンプでは性能低下が著しかった。

なお本発明のベーンポンプのセラミック部分にＳｉ３Ｎ
４を用いた場合は、上記同様の条件で１肩側用後の流量
（よ４１５であり、ベーン交換後の性能は若干の低下が
見られた。

〈発明の効果〉 以上述べて来た如く、本発明によればカムリングとロー
ターを上述の如き正方品系ジルコニアを少なくとも５０
モル％含み、単斜晶系ジルコニアを実質的に含まないジ
ルコニア焼結体で構成シ、ベーンをポリイミド系樹脂に
四フッ化エチレン等の固体潤滑剤を混合した成形体で構
成している為に、カムリングやローターの摩耗は非常に
少なく、又ベーンも耐スラリー摩耗特性が良好なのでス
ラリー含有液等の移送に使った場合でも長時間ポンプ性
能を低下させる事がない。

又長時間の使用でもカムリングやローターは殆んど摩耗
せずベーンのみが若干摩耗する程度であるので、ベーン
のみの取替でポンプ性能を元に復帰させる事が出来るの
で交換作業が容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明ベーンポンプの中でシングルベーンタイ
プの縦断面説明図、第２図は同横断面説明図、第３図は
同マルチベーンタイプの横断面説明図。 図中、　（１１）カムリング （１４）ローター （１５）ベーン 特許出願人　東し株式会社（他１名） 代　理　人　有吉　教哨 第１図 第２図 ９ａ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくとも内壁部がセラミックである略円筒状のカ
   ムリング内に、セラミック製ローターが回転自在に装着
   され、同ローターに設けられたベーン溝にベーンが出入
   自在に嵌挿された如きベーンポンプに於いて、前記カム
   リングのセラミック部分及びローターを、正方晶系の結
   晶構造をもつジルコニアを少なくとも５０モル％含むが
   単斜晶系の結晶構造をもつジルコニアは実質的に含まな
   いジルコニア焼結体で構成し、一方前記ベーンをポリイ
   ミド系樹脂に固体潤滑剤を混合した成形体で構成したこ
   とを特徴とするベーンポンプ。