(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングのシリンダーの内周面に円筒状をしたロータの外周面を接触させるとともに上記ハウジングに弾性部材を介在させてベーンを配置し、かつ、該ベーンの先端が断続的に摺動するロータの外周面に圧接してなるベーンポンプにおいて、上記ロータは、ビッカース硬度が１０ＧＰａ以上で、かつ、断続的摺動面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．０３〜０．６μｍの窒化珪素質セラミックスで形成するとともに、上記断続的摺動面に膜厚が０．３μｍを超え１０μｍ以下のダイヤモンド膜を備えたことを特徴とするベーンポンプ。
【請求項２】
ハウジングのシリンダーの内周面に円筒状をしたロータの外周面を接触させるとともに上記ハウジングに弾性部材を介在させてベーンを配置し、かつ、該ベーンの先端が断続的に摺動するロータの外周面に圧接してなるベーンポンプにおいて、上記ロータは、ビッカース硬度が１２ＧＰａ以上で、かつ、断続的摺動面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．０５〜０．６μｍのアルミナ、ジルコニア、炭化珪素又は窒化珪素質セラミックスで形成するとともに、上記断続的摺動面に膜厚が０．３〜１．５μｍの非晶質硬質炭素膜を備えたことを特徴とするベーンポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、各種ポンプに関し、特にベーンポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より各種ポンプや、各種軸受等を構成する摺動部材として、耐摩耗性、耐食性等に優れたセラミックスが用いられている。
【０００３】
例えば、冷凍機、空調機械等の圧縮機として使用されるベーンポンプは金属部材により構成されていたが、耐摩耗性改善のためにセラミックスを用いることが検討されている。即ち、特開昭５８−４１２８７号、特開昭５９−１６８２９１号、および特開昭５９−２０６６９１号公報に、ハウジング、ロータ、ベーンをセラミック製としたベーンポンプが示されており、また特開昭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スとして窒化珪素、炭化珪素、アルミナが示されている。
【０００４】
さらに、ベーンポンプにおいて、より摺動性を高めるために、固体潤滑剤を一部に複合した構造のものが提案されている。
【０００５】
例えば特開昭６２−１２６２８１号公報にはベーンポンプのハウジング、ロータを正方晶系の結晶構造を持つジルコニアとし、ベーンはポリイミド系樹脂に固体潤滑剤を混合した成形体とした例が示されている。また特開昭６２−２１０２７５号公報にはハウジング、ロータをアルミナに炭化チタンを５〜５０重量％添加したセラミックスとし、ベーンをアルミナ、アルミナに炭化チタンを５〜５０重量％添加したセラミックス、炭化珪素、窒化珪素、またはポリイミド系樹脂に固体潤滑剤を混合した成形体とした例が示されている。さらに、実公平２−３８３４号公報にはセラミックス製ベーンポンプにおいて、ベーンを複合構造とし、凹部を形成したアルミナ、炭化珪素に、固体潤滑剤としてボロンナイトライドを摺動可能に嵌合したものが示されている。
【０００６】
また、摺動面に各種被膜を形成することも提案されている。
【０００７】
特開昭５９−１２８９９２号、特開昭６３−１６７０９２号、特開平１−２２７８９５号、特開平２−３０８９６６号公報にはＴｉＣ、ＴｉＮ、窒化珪素、グラファイト等の被膜を形成することが、それぞれ示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
近年、冷凍機、空調機械用の圧縮機として使用されるベーンポンプ（以下、ベーン型圧縮機を含む）において、特定フロン全廃に伴う冷媒の変更が急速に進んできている。特定フロンは、その成分中の塩素がオゾン層の破壊を進行させることから、成分中の塩素量を低減させるか又は塩素を無くす等の代替冷媒が採用されようとしている。従って冷媒の油分溶解力は特定フロンと比較して非常に小さくなり、必然的に潤滑油の冷媒中への溶解量も少なくなる。そこで、特にベーンポンプを構成する部材の摺動性が極めて重要な条件となっている。
【０００９】
ところが、上記記のようなセラミックスからなる摺動部材を用いたベーンポンプは、耐摩耗性には優れるものの、セラミックス同士あるいはセラミックスと他部材との摺動抵抗が大きいという問題点があった。また、ジルコニアセラミックスは、水熱反応による結晶構造の変化により特性が大幅に低下してしまう等の問題点があった。
【００１０】
また、固体潤滑剤とセラミックスの複合材を用いたのでは、摺動時の摩擦力は小さくできるが、構造が複雑化し、製造が困難でコストが高くなるという問題点があった。
【００１１】
さらに、摺動面に被膜を形成したものでも、摺動性の点でやはり満足できるものではなかった。
【００１２】
なお、以上はベーンポンプについてのみ述べたが、この他にも遠心ポンプやプランジャーポンプ等の各種ポンプにおいても、同様の問題が生じていた。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、ポンプを構成する部材の少なくとも一つの摺動面にダイヤモンド膜又は非晶質硬質炭素膜を形成したものである。
【００１４】
即ち、ハウジングのシリンダーの内周面に円筒状をしたロータの外周面を接触させるとともに上記ハウジングに弾性部材を介在させてベーンを配置し、かつ、該ベーンの先端が断続的に摺動するロータの外周面に圧接してなるベーンポンプにおいて、上記ロータは、ビッカース硬度が１０ＧＰａ以上で、かつ、断続的摺動面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．０３〜０．６μｍの窒化珪素質セラミックスで形成するとともに、上記断続的摺動面に膜厚が０．３μｍを超え１０μｍ以下のダイヤモンド膜を備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、ハウジングのシリンダーの内周面に円筒状をしたロータの外周面を接触させるとともに上記ハウジングに弾性部材を介在させてベーンを配置し、かつ、該ベーンの先端が断続的に摺動するロータの外周面に圧接してなるベーンポンプにおいて、上記ロータは、ビッカース硬度が１２ＧＰａ以上で、かつ、断続的摺動面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．０５〜０．６μｍのアルミナ、ジルコニア、炭化珪素又は窒化珪素質セラミックスで形成するとともに、上記断続的摺動面に膜厚が０．３〜１．５μｍの非晶質硬質炭素膜を備えたことを特徴とする。
【００１７】
【作用】
本発明によれば、ベーンポンプを構成するロータの断続的摺動面に摺動面が、高硬度、自己潤滑性、環境安定性の優れたダイヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜からなるため、他部材との間の摺動性を高くできる。そのため、摺動時の摩擦抵抗を小さくできるとともに、摺動部材自体、及び摺動相手部材の摩耗量を少なくできる。
【００１８】
したがって、ベーンポンプで潤滑油溶解力の少ない冷媒を用いても、簡便な構造で耐摩耗性に優れ、低摩擦力を実現し、環境保全、省力化に貢献するものである。
【００１９】
【実施例】
以下本発明をベーンポンプを例にして説明する。
【００２０】
ベーンポンプの構造を図１に示すように、ハウジング１のシリンダー１ａ内周面に円筒状をしたロータ２の外周面２ａを接触させて配置し、またハウジング１に備えた溝１ｂに弾性材４を介在させてベーン３を配置し、このベーン３の先端はロータ２の外周面２ａに圧接するようになっている。さらに、上記ロータ２の外周面２ａにはダイヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜からなる被膜２ｂを備えている。
【００２１】
そして、ロータ２は回転軸５によって、その外周面２ａがシリンダー１ａ内周面に接触した状態で偏心回転可能となっており、この偏心回転にあわせてベーン３は上下運動を行い、ハウジング１の溝部１ｂと摺動する。このような動きによって、例えば冷凍機用の圧縮機として用いる場合は、ハウジング１に備えた吸入口６から冷媒をシリンダー１ａ内へ吸入圧縮し、吐出口７から押し出すことで、冷媒を断熱膨張させ、冷凍、冷却するものである。
【００２２】
この時、ロータ２の外周面２ａは、ダイヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜からなる被膜２ｂから成るため、高硬度で摺動性に優れており、シリンダー１ａ内周面やベーン３との摺動時に、相互の摩耗量が少なく、摩擦係数を小さくすることができる。
【００２３】
なお、図１の実施例では、ロータ２の外周面２ａに被膜２ｂを備えた例を示したが、この他にシリンダー１ａの内周面やベーン３等における摺動面にダイヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜を形成することもできる。
【００２４】
ただし、これらの膜は、互いに摺動する部材同士の一方の摺動面のみに形成しておけば良く、特に断続的な摺動面に形成する。例えば、ロータ２とベーン３との摺動を考えた場合に、ベーン３の先端は常時ロータ２と摺動する連続摺動面となる。これに対し、ロータ２の外周面２ａは常時ベーン３と摺動することはなく断続的摺動面となる。
【００２５】
そして、ベーン３の先端のような連続摺動面にダイヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜を形成すると、摩耗や剥離の恐れが大きく寿命が短くなるため、断続的摺動面であるロータ２の外周面２ａ側に被膜２ｂを形成するのである。
【００２６】
また、被膜２ｂを備えたロータ２の摺動相手であるベーン３やシリンダー１の材質としては、金属材やセラミック材を用いれば良い。
【００２７】
次に、被膜２ｂを成すダイヤモンド膜で形成する場合について詳述する。
【００２８】
ここで、ダイヤモンド膜は、ビッカース硬度が６０〜１１０ＧＰａと高硬度であるため、極めて耐摩耗性に優れたものである。
【００２９】
被膜２をダイヤモンド膜で形成する場合は、母材であるロータ２を、表１に示すようにビッカース硬度１０ＧＰａ以上のアルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム等のセラミックスで形成することが好ましい。また、これらのセラミックスの中でも炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムを用いれば熱膨張係数がダイヤモンドに近いため密着強度にも優れており、この点からは窒化珪素が最適である。
【００３０】
【表１】
0003694543.tif 000002
【００３１】
そして、これらのセラミックスの表面粗さ（中心線平均粗さ：Ｒａ）を０．０３〜０．６μｍとする。これは表面粗さ（Ｒａ）が０．０３μｍ未満では被膜２ｂの密着力が低くなり、一方０．６μｍを超えると摺動相手材の摩耗を促進してしまうためである。
【００３２】
このような母材の表面にＣＶＤ法、ＰＶＤ法等によりダイヤモンドの被膜２ｂを形成するが、その膜厚は０．３〜１０μｍの範囲とする。これは、膜厚が０．３μｍ未満であると摺動時の接触点に応力が集中し、被膜２ｂが破壊しやすくなり、一方１０μｍを超えると製造コストが高くなり、また膜強度が低下するためである。
【００３３】
一方被膜２ｂを非晶質硬質炭素膜で形成する場合について詳述する。
【００３４】
ここで、非晶質硬質炭素膜とは、合成疑似ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドライクカーボン、ＤＬＣ、ｉ−カーボン等とも呼ばれており、元素で言えばダイヤモンド等と共に炭素（Ｃ）として包括され、比重的には黒鉛や無定形炭素に近く、硬度等の物性的にはダイヤモンドに近似しているという特徴と持つものである。
【００３５】
この非晶質硬質炭素膜は、レーザーラマン分光法によって分析することができる。即ち、レーザーラマン分光法によるラマンスペクトルのピーク位置を検出すると、ダイヤモンド膜の場合は１２００〜１４００ｃｍ-1に極めてシャープなピークが存在するのに対し、非晶質硬質炭素膜の場合は１２００〜１４００ｃｍ-1または１５００〜１６００ｃｍ-1の少なくとも一方に、ブロードなピークが存在することで区別することができる。
【００３６】
そして、非晶質硬質炭素膜は、ビッカース硬度３０〜５０ＧＰａと高硬度で、かつ摺動性に優れることから、摺動部材として好適である。
【００３７】
また、被膜２ｂを非晶質硬質炭素膜で形成する場合、母材となるロータ２としては、ビッカース硬度１２ＧＰａ以上のアルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素等のセラミックスで形成することが好ましい。これらのセラミックスはダイヤモンドと熱膨張係数が近いため密着強度にも優れている。
【００３８】
そして、これらのセラミックスの表面粗さ（中心線平均粗さ：Ｒａ）を０．０５〜０．６μｍとする。これは表面粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ未満では被膜２ｂの密着力が低くなり、一方０．６μｍを超えると摺動相手材の摩耗を促進してしまうためである。
【００３９】
このような母材の表面にＣＶＤ法、ＰＶＤ法等により非晶質硬質炭素膜の被膜２ｂを形成するが、その膜厚は０．３〜１．５μｍの範囲とする。これは、膜厚が０．３μｍ未満であると被膜２ｂが剥離しやすくなり、一方１．５μｍを超えると製造コストが高くなり、しかも摺動時の熱応力でクラックが生じで剥離しやすくなるためである。
【００４０】
なお、以上の実施例ではベーンポンプについてのみ述べたが、参考までに他のさまざまなポンプに適用することができる。例えば、図２に示すロータリーポンプは、ケーシング２１内で二つの回転羽根２２をシャフト２３で回転させることにより吸入口２１ａから吐出口２１ｂに流体を圧送するものであるが、上記ケーシングの内壁面にダイヤモンドまたは非晶質硬質炭素膜からなる被膜２１ａを形成してある。また、この回転羽根２２を歯車形状としたギアポンプにも同様に本発明を適用できる。
【００４１】
さらに、図３に示すプランジャーポンプは、シリンダー３１内でシール材３３を介してプランジャー３２を往復動させるものであるが、上記プランジャー３２の表面にダイヤモンドまたは非晶質硬質炭素膜からなる被膜３２ａを形成してある。
【００４２】
さらに、遠心ポンプ、スクリューポンプ、一軸偏心ねじポンプ、軸流ポンプ等の回転型ポンプでは、インペラ等の回転体を支持する軸受部分の摺動面にダイヤモンド膜又は非晶質硬質炭素膜を形成すれば良く、その他各種ポンプに適用することができる。
【００４３】
実験例１
回転するディスク上にボールを押し付けて摺動させるボールオンディスク型摩耗試験機により、摩擦係数と摩耗量を測定する実験を行った。
【００４４】
本発明実施例として、窒化珪素質セラミックスの表面粗さ（Ｒａ）を０．０５μｍとし、この上にＣＶＤ法にて膜厚１０μｍのダイヤモンド膜を形成したものをディスクとした。また、比較例として、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素のセラミックスのみからなるディスクを用意した。一方、ボールは高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）からなるものを用いた。
【００４５】
このボールを各ディスクの表面に９．８Ｎの押圧力で押し付け、乾式無潤滑剤下でディスクの摺動速度を５ｍ／ｓとして０．５時間の実験を行い、それぞれ摩擦係数とディスク及びボールの比摩耗量を測定した。
【００４６】
結果は表２に示す通りである。この結果より、ダイヤモンド膜を備えた本発明実施例は摩擦係数が０．０８と極めて摺動性に優れ、しかもディスク側ボール側いずれの摩耗量も極めて少ないことが確認された。
【００４７】
【表２】
0003694543.tif 000003
【００４８】
実験例２
次に、実験例１におけるダイヤモンド膜を形成したディスクにおいて、母剤である窒化珪素質セラミックスの表面粗さ（Ｒａ）とダイヤモンド膜の膜厚を種々に変化させて、上記と同様の実験を行い、ダイヤモンド膜の剥離の有無や相手材であるボールの比摩耗量を測定した。
【００４９】
結果は表３、４に示す通りである。表３の結果より、母材の表面粗さ（Ｒａ）については０．０３μｍ以下になると剥離が生じやすくなるとともに相手材の摩耗量も大きくなり、一方０．６μｍ以上になると相手材の摩耗量が大きくなる。
したがって、母材の表面粗さ（Ｒａ）は０．０３〜０．６μｍの範囲が良いことがわかった。
【００５０】
また、表４の結果より、膜厚が０．３μｍ以下であると剥離が生じやすくなるため膜厚は０．３μｍ以上が良いこともわかった。
【００５１】
【表３】
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【００５２】
【表４】
0003694543.tif 000005
【００５３】
実験例３
次に、非晶質硬質炭素膜を形成した場合についての実験を行った。
【００５４】
上記実験例と同様のボールオンディスク試験機を用い、ディスクをアルミナセラミックスで形成し、その表面粗さを表５に示すように種々に変化させ、それぞれ膜厚１μｍの非晶質硬質炭素膜を形成したものを用意した。また、摺動相手のボールは高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）を用いた。
【００５５】
上記と同様の条件で実験を行った後の非晶質硬質炭素膜の剥離や、ボール側の摩耗量等を測定したところ、表５に示す通りであった。
【００５６】
この結果より、母材であるアルミナセラミックスの表面粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ未満では膜の密着性が低いために剥離しやすく、一方０．６μｍを超えると摺動相手であるボールの摩耗が大きかった。したがって、母材の表面粗さ（Ｒａ）は０．０５〜０．６μｍの範囲内が良いことがわかった。
【００５７】
【表５】
0003694543.tif 000006
【００５８】
実験例４
次に、実験例３における非小質硬質炭素膜を形成したディスクにおいて、母材であるアルミナセラミックスの表面粗さ（Ｒａ）を０．３μｍとし、膜厚を種々に変化させて同様の実験を行った。
【００５９】
結果は表６に示す通り、膜厚０．３μｍ未満では剥離が生じやすく、一方膜厚が１．５μｍを超えると摺動時の熱応力によって非晶質硬質炭素膜にクラックが生じ、剥離の恐れがあった。また、膜厚を１．５μｍより大きくすることは時間がかかり、コストも大きいものであった。したがって、非晶質硬質炭素膜の膜厚は０．３〜１．５μｍの範囲内が良いことがわかった。
【００６０】
【表６】
0003694543.tif 000007
【００６１】
実験例５
次に、非晶質硬質炭素膜を被着する母材の材質を変えて、同様の実験を行った。母材の表面粗さ（Ｒａ）は０．３μｍ、非晶質硬質炭素膜の膜厚は０．７μｍとして、それぞれディスクを構成し、上記と同様のボールオンディスク試験機による実験を行った。
【００６２】
結果は表７に示す通りである。この結果より明らかに、非晶質硬質炭素膜を被着しないものでは摩擦係数が大きく、ディスク及びボールの比摩耗量も大きかった。また、非晶質硬質炭素膜を被着したものでも、母材として硬度の低い金属材を用いた場合は、摩擦係数と、ディスク及びボールの摩耗量がいずれも大きかった。
【００６３】
これらに対し、ビッカース硬度１２ＧＰａ以上のセラミックスを母材とし、非晶質硬質炭素膜を被着したものは、摩擦係数が０．１２以下であり、ディスク及びボールの比摩耗量を極めて小さくできることがわかる。
【００６４】
【表７】
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【００６５】
実験例６
以上の実験例では、ボールオンディスク試験機のディスク側に非晶質硬質炭素膜を形成した場合について述べてきたが、逆にボール側に非晶質硬質炭素膜を形成して実験を行った。
【００６６】
即ち、ディスクを高炭素クロムクロム軸受鋼（ＳＵＪ２）で形成し、ボールをアルミナセラミックスで形成して表面に非晶質硬質炭素膜を被着したものを用意し、この組合せで、前記実施例と同様の実験を行った。
【００６７】
その結果、ボール側に被着した非晶質硬質炭素膜は、摺動時に剥離しやすく、その結果ディスク及びボールの摩耗量が大きいものであった。
【００６８】
これは、ディスク側が断続的摺動面であるのに対し、ボール側は常時摺動する連続摺動面であるためであり、本発明の非晶質硬質炭素膜は断続的摺動面に形成することが好ましい。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ポンプを構成する部材の少なくとも一つの断続的摺動面に、ダイヤモンド膜または非晶質硬質炭素膜を備えたことによって、摩擦係数を低くし、かつ摺動する両方の部材の摩耗量を極めて小さくできることから、長期間にわたって優れた摺動特性を維持することができる。
【００７１】
特に、本発明をベーンポンプに適用すれば、特定フロン全廃に伴う冷媒の変更により、潤滑油溶解力の少ない冷媒を用いても摺動性、耐摩耗性に優れた高性能のベーンポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の一実施例であるベーンポンプを示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＸ−Ｘ線断面図である。
【図２】ロータリーポンプを示す断面図である。
【図３】プランジャーポンプを示す断面図である。
【符号の説明】
１ ：ハウジング
２ ：ロータ
２ｂ：被膜
３ ：ベーン
４ ：弾性材
５ ：回転軸
６ ：吸込口
７ ：吐出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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