JPS62203988A - 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〕 この発明は軽小で耐久性があるポンプと、そのポンプを
効率良く制御して駆ｆＪ＋することに関する。

〔従来の技術〕

従来のポンプは一般にそのケーシングが鋳鉄、鋳鋼又は
青銅等で製作され、ロータやピストン等も青銅、鋳鉄、
特殊鋼等を用いて製作されているのが多い、従って、ポ
ンプ自体は剛性があり耐久性のあるものであるが、重く
なる傾向にある。ポンプは自動ｉ１Ｎ、飛行機、宇宙船
、ビル等あらゆる分野の装置に組込まれて利用されるも
のが多いから、そのような場合は何れも軽小で、強靭で
あることが望まれている。又、ポンプや送風（幾を駆動
しで利用する仕方には色々なものがあるが、その中送風
機の駆動制御する装置の例をあげてみると、送風はに連
結したモータを一定回転速度で運転したままＣ送風機の
風はを調節する代表的なものにダンパ制御がある。ダン
パは円板状の蓋であり、円筒状風道軸方向に直角に取付
けて開度を変え、送風抵抗を発生さけて風量を調節する
ものである。

このダンパを吐出し側に設けてダンパの開閉で送風抵抗
を加減させる方式では広範囲には風量制御ができないし
、又、低風量域でも＠ωＪ力があまり下らない等の欠点
があった。ポンプや送風機を駆動するにあたって、一般
的なＶｆ徴は負荷トルクが回転数の２乗に比例し、軸動
力が回転速度の３乗に比例することである。

（発明が解決しようとする問題点） このようなポンプや送風機に関する従来技術を踏まえて
、この発明は軽量で強靭なポンプや送風機を提供し、そ
のポンプや送風機を効率良く制御することを提供するも
のである。

（問題点を解決するための手段） しかして、この発明はポンプを軽小にし、且つ強靭にす
るために、ケーシングやロータを合成樹脂、繊維強化合
成樹脂（ＦＲＰ）　、Ｔｉを含んだＡ／合金等を用いて
製作し、ケーシングとロータ等の表面、特に摺動面に耐
摩耗性の硬化層を設けるようにした。そしてワイヤカッ
ト放電加工によって仕上加工をしたものである。その耐
摩耗性の硬化層は金属層を電鋳、溶着、接着等によって
得たり、ＡＪｚ　０３　、ＷＣ，Ｔｉ　Ｎ、ＢＮ等々で
３μ以下のサイズの粒子を含んだ合成樹脂の層であった
り、−「ｉを含む合金、例えばΔＪ２Ｔｉ−６Ｖ４とか
を素材としたケーシングや〇−タの表面を窒化、炭化、
■化等し、或いはＴｔ　、　Ｔｔ　Ｎをイオンプレ−フ
イングすることによって得たものである。このようにし
て軽ｌｉｔ　（ヒし、１つ強靭になし１（ｔたポンプを
駆動するにあたっては、モータをインバータ制御し、ポ
ンプの負荷に見合った回転数を選定するようにしたしの
である。

〔作用〕

この発明のポンプはケーシング、ロータ共に軽小であり
、両者が接触して尉仙するところには耐摩耗性の硬化層
を形成したことにより、耐久性を向上させ、史にはワイ
ヤカット放電加工により、硬化層も−ｍｆｆｌきに仕上
加工することができた。

しかしてこの軽量化したポンプをインバータ制御により
、ポンプの負荷に見合った回転数になるように回転数制
御をするようにしたことにより効率のよい制御を可能に
したポンプ装置を得ることができたものである。

〔実施例〕

この発明を例示した図で説明する。第１図はこの発明を
利用したルーツ型のポンプ１の断面図である。ケーシン
グ２は軽量な合成樹脂、ｉｌ維強化樹脂（ＦＲＰ）で形
成し、或いはＴｉを含んだ合金、Ｔｉ−６Ａノー４Ｖ等
で製作し、その表面に耐摩耗性の硬化層３を設けるよう
にしたちのである。又、ロータ４についてもケーシング
２と間係な素材で形成、或いは製作して、同じく耐摩耗
性の硬化層３を設けたもので、ポンプ１はこれ等線々の
素材で形成し、或いは製作したケーシング２とロータ４
とを組合せて溝成するものである。

更に、具体的に実施例を説明すると、その一つはケーシ
ング２或いはロータ　４をグラファイトｌｌｉ維６０％
を含むエポキシ樹脂を注型して形成したものを、誤差０
．３ｍｍ程度で仕上加工した後に水洗をし、次いで１０
％のＮａ　ＯＨの脱脂液で脱脂をする。この脱脂をした
ケーシング２とロータ　４とを更に３．５％ＨＣ７の酸
洗液により酸洗いをした後に水洗をして乾燥させる。引
続いてＳｎＣノ２１Ｈ／ノとｌ−Ｉ　ＣＪ！２０〜５０
３／ノの組成よりなる感受性液を供給してＳｎをケーシ
ング２とロータ　４との表面に被着さぜる活性化処理し
、軽く水洗をする。

その次にＰｄＣノ２０．５９／ｊ！とＰｌ−１３〜４の
ＰＩＨ調整剤１−Ｉ　ＣＩ！どの活性化液を加熱槽で５
０℃に加熱して供給し、ＳｎをＰｄに置換させて次の化
学メッキ処理の際にメッキの核となる物質をケーシング
２とロータ４との表面に被着させる。そして水洗後ケー
シング２とロータ４とを乾燥室で完全に乾燥した後に化
学メッキで０．３μのＮｉメッキを施し、その後電鋳て
約２＋ｎｎ＋のＮ１層を約７４時間かけて被着した。そ
のＮｉ層をワイヤカット放電加工によってケーシング２
を仕上加工しロータ　４はインボリュート形に、或いは
サイクロイド形、エンベロープ形に、何れも面粗さ３μ
Ｒｍａｘの程度に仕上加工をする。このようにして仕上
げた口−り　４は軸５に固着し、ケーシング２の中に収
納したならば図示していない蓋で軸５を枢支すると共に
、ロータ　４をケーシング２の中に封入してポンプ１を
構成する。

このように耐摩耗性の硬化層を電鋳によって得る外に、
注型Ｊるエポキシ樹脂の表面部分、或いは全体にＡｌ２
Ｏ３　、ＷＣ，Ｔ！　Ｎ、ＢＮ等サイズ３μ以下の粒子
、又は、ＴｉＣの粒子１５％を混入して成形することに
よって得ることもできるし、これらの粒子を含んだ金属
層や青銅、ステンレス鋼等の金属層を周知の溶射装置に
よって設け、その層をワイヤカット放電加工によって仕
上加工をすることもできる。

又、簡単に青銅、ステンレス鋼、或いは−ｌ　ｉの圧延
板をケーシング２やロータ　４の表面に接着することに
よって、耐摩耗性の硬化層とする。ことができ、そのま
ま使用できるが、更にその表面を後に述べるイオンプレ
ーティングによって更に硬化し、耐摩耗性を向上するこ
とができるものである。

次にポンプ１のケーシング２やロータ　４に限らず、多
くの活動面に利用できるＴ１を含んだ合金を使用するよ
うにし、その表面を窒化、炭化、或いは硼化することに
よって耐摩耗性の硬化層を得たり、７−ｉをイオンプレ
ティングするかＴｉＮをイオンプレティングすることに
よって耐摩耗性の硬化層を得るようにしたものについて
説明をする。

アルミニウムを主体としたＴｉを含む合金の表面を窒化
して使用する場合、一般的にＴｉを重量比で０．１％以
上含んだ材料に於て硬化が大きい、従ってこの場合Ｎ〈
窒素）が市川比で０．０２５％以上にしたものが有効で
あるということになる。実用的には−「ｉ−Ａノをベー
スにしたＴｉ−６Ａノー４Ｖとか、ＦｅＴｉ０，１とか
Ａ、＋！にＴｉを１２％又は１８を％を含ｌυだ累月に
直接Ｔ１や−「ｉＮの層を作ることができるしのを用い
るようにした。Ｔｉを含む、例えば−ｒｉ−ａＡｚ−４
Ｖの合金を切削加工したり、その粉末を用いて粉末冶金
による等してポンプ１のケーシング２やロータ　４を形
成し、そのケーシング２やロータ４の表面を窒化するこ
とによって耐摩耗性の硬化層を気体を用いて１りる場合
は、加工したケーシング２やロータ　４を図示していな
い真空容器の中に入れて空気を抜き、酸素を排出したの
と入替えにＮ２ガスとＨＯ、ｌ−１２又はＡｒガスとを
封入する。そうしておいて、ケーシング２やロータ　４
を陽極とし、Ｔａ、Ｔｉ。

ＭＯ又はＷの板を対向させてそれを陽極とし、両者を１
ｏｏｏｖ程度の直流電源に接続することにより、ケーシ
ング２やロータ４０表面にＮ原子が集まり、そこに耐摩
耗性の硬化層である窒化層が得られる。

同様の装置で炭化層を得る場合にはＣｌ−１４，Ｃ２１
１ｓ、ｃ３Ｈ３のガスを封入することによって、その中
のＣが炭化にあづかり、硼化層を得る場合はＢＣＪ３と
１−１２とを封入することによって１３がケーシング２
やロータ４の表面を硼化して耐摩耗性の硬化層を得るこ
とができる。

イオンプレーティングは周知のように真空蒸着とプラズ
マとの複合技術であって、電気メッキ、真空蒸着、スパ
ッタリングに比較して、緻密でピンボールやふくれのな
い均一な厚さの層をＩ＋７ることかできるらのである。

このイオンプレーティングを利用してＴｉ又はＴｉＮの
耐摩耗性の硬化層を得る場合は、図示していない容器の
中にあるタングステンフィラメント等を抵抗加熱式、又
は高真空電子ビーム式とホローカソード放電、プラズマ
電子ビーム式等による蒸発装置によってＴｉ、又はＴｉ
Ｎの金属を蒸発させるのであるが、その蒸発はＴｉの場
合はアルゴン、工ｉＮの場合はＮ２又Ｎ　Ｈ３のガスを
容器の中に５〜２５ｍ　Ｔｏｒｒの圧力で封入した雰囲
気の中で行なわれる。そしてこの容器の中にあって蒸発
装置と対抗する位置に設置したウーシング２やロータ　
４に一５００ｖ乃至−５０００Ｖという負の高電圧をか
けるとケーシング２や１］−夕　４の周囲にグロー放電
が持続して、ケーシング２やロータ　４を囲んでダーク
スペースができる。一方蒸発装置で蒸発したＴｉ、又は
ＴｉＮの金属原子は途中で容器に封入したアルゴン、又
はＮ２やＮＨ３のガス分子と幾回か衝突を繰返した後、
ダークスペースで加速されてケーシング２やロータ　４
に￥１１達するために、ガス散乱効果を受けてケーシン
グ２やロータ　４が蒸発装置に而していない位置にもＴ
ｉ又はＴｉＮの金属原子がまわり込み堆積して一様な厚
さの耐摩耗性の硬化層を得ることができる。次にこのよ
うにして構成したポンプの制御装置を説明りる。

第２図に示すものはカップリング６によりモータ　７に
接続したルーツ型のポンプ１を負荷に見合った回転数を
選定するようにしたルーツポンプ装置であって、ポンプ
１をなるべく負荷が一定になるようにインバータ　８で
制御するようにしたものである。インバータ８で回転数
を可変制御するモータ　７は誘導雷＃Ｊ機であり、その
回転数Ｎは、Ｎ＝１２０　、　ｆ　／Ｄの式で示される
。ここで１〕は極数、［は電源周波数であるから、電源
周波数ｆを変化ざＶて同期回転数Ｎを変化させるように
する。誘Ｓ電動磯をインバータで駆すノする場合、電動
機の磁気飽和をさけると共に始動電流を適当に押え、且
つ必要トルクを発生して安全な運転を行なうためには周
波数を変えると共に、インバータ８の出力電圧も制御２
１１することが必要である。このように可変電圧、可変
周波数の償能を備えたインバータ８は調節計９の出力信
号によって作動するのであるが、この調節計９は所定の
流量、圧ノコが設定入力されるようになっている。一方
ポンブ１により吐出する流量、圧力等を検出器１０で検
出し、その検出信号を調節計９に入力する。この入力し
た信号と前に設定入力しておいた流ｍ、圧力の設定値に
基づいて両者を比較してインバータ８に信号を出）ｊす
るようになっている。

第３図はこの発明のルーツ型のポンプ装置と従来型のダ
ンパにより制御したルーツ型のポンプ装置とを比較して
示したグラフであって、左側の縦軸は吸入圧力Ｐ１ど、
吐出し圧力１〕２との圧力比Ｐ２／Ｐｌを示し、右側の
縦軸に流Ｉｎ及び吐出し圧７Ｊに基づく負荷動力ＫＷを
示し、横軸は圧力Ｔｏｒｒを示したものである。ここで
線図１１はルーツ型ポンプの全断熱効率を示すもので１
１℃回転では低く、回転上昇と共に増大し、再び低下す
るというルーツ型ポンプの特性を示す。点線１２は負荷
従来型のルーツ型ポンプの特性を示ずもので、ポンプの
回転数は、この場合２ＧＯＯＲＰＭであり、圧力比Ｐ２
／Ｐｌ　と吐出し圧力の増減に従って動力ＫＷが大ぎく
増減しているのが特徴である。これに対して点１５１１
３ではこの発明の実験例として用いたルーツ型のポンプ
の特性を示しているもので、回転数をインバータ制御に
より、３０００〜８２００ＰＰＭの範囲内で負荷に見合
って制御した結果、圧力比Ｐ２／ＰＬと動力ＫＷの変化
が少なく、はぼ一定にすることができたことを示してい
る。

（発明の効果） この発明によると、ポンプを合成樹脂やアルミニウムを
主体としたＴｉを含む合金で製作し、その表面には、特
に摺動面には耐摩耗性の硬化層を設け、その硬化層もワ
イヤカット放電加工で１を上加工をづ−ることができた
ことによって軽■で強靭なポンプを安価に得ることがで
きた。従って、従来のスチール製のポンプに比して約１
／１０の軽さになった為に、従来３６００Ｐ　Ｐ　Ｍで
６　ｍ３７ｍ１ｎの吐出し世を有するスチール製のポン
プに於ては５．５Ｋ　Ｗの動力を要していたのに対して
本発明のポンプでは同じ吐出量を得るのに要した動力は
２．２Ｋ　Ｗであった。一般にルーツ型ポンプの￥？徴
は、圧力上昇は回転数のはは２乗に、駆動馬力は３乗に
比例するものであるから、負荷に見合った回転数を選定
することと、その回転数をインバータを用いて制御する
ことによって効率の良いポンプ装置を１！することかで
きた。しかしてこの発明はルーツ型のポンプに限らず、
ターボポンプ、ネジポンプ、レシプロポンプにも利用で
きるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施したポンプの断面図、第２図はポ
ンプ装置の図、第３図は特性を示した線図である。 １・・・・・・・・・ポンプ ２・・・・・・・・・ケーシング ３・・・・・・・・・耐摩耗性の硬化層４・・・・・・
・・・ロータ ７・・・・・・・・・モータ ８　・・・・・・・・インバータ 図面の浄↑も（内容に変更なし） 手　　配売　　ネｒｔ１　　　正　　書く方式）％式％ ： １、事件の表示 昭和６１年　　特　：Ｔ　願　第４４．４９６号２、発
明の名称 ポンプ ３、補正をする者 事ｆ＋との関係　　　　特許出願人 任　所　神奈川ＩｆＡ横浜市緑区長津田町字道正５２８
９番地４、補正命令の日付 昭和６１年５月２７日

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. （１）軽量の素材で形成したケーシング及びロータ等の
   表面に耐摩耗性の硬化層を設けてなるポンプ。
2. （２）軽量の素材が合成樹脂である特許請求の範囲第１
   項記載のポンプ。
3. （３）軽量の素材がＴｉを含んだ合金である特許請求の
   範囲第１項記載のポンプ。
4. （４）耐摩耗性の硬化層が金属を電鋳してなる特許請求
   の範囲第１項記載のポンプ。
5. （５）耐摩耗性の硬化層が金属板を接着してなる特許請
   求の範囲第１項記載のポンプ。
6. （６）耐摩耗性の硬化層がＡｌ＿２Ｏ＿３、又はＷＣ、
   又はＴｉＮ、又はＢＮ等の粒子を含んだ層である特許請
   求の範囲第１項記載のポンプ。
7. （７）耐摩耗性の硬化層が窒化層である特許請求の範囲
   第１項記載のポンプ。
8. （８）耐摩耗性の硬化層が炭化層である特許請求の範囲
   第１項記載のポンプ。
9. （９）耐摩耗性の硬化層が硼化層である特許請求の範囲
   第１項記載のポンプ。
10. （１０）耐摩耗性の硬化層がＴｉをイオンプレーティン
    グしてなる特許請求の範囲第１項記載のポンプ。
11. （１１）耐摩耗性の硬化層がＴｉＮをイオンプレーティ
    ングしてなる特許請求の範囲第１項記載のポンプ。
12. （１２）耐摩耗性の硬化層が金属を溶着してなる特許請
    求の範囲第１項記載のポンプ。
13. （１３）ポンプが負荷に見合った回転数にインバータ制
    御してなる特許請求の範囲第１項記載のポンプ。
14. （１４）ケーシングがワイヤカット放電加工によって仕
    上加工された特許請求の範囲第１項記載のポンプ。
15. （１５）ロータがワイヤカット放電加工によって仕上加
    工された特許請求の範囲第１項記載のポンプ。