(57)【要約】【課題】信頼性の向上と製造上のコスト低減を両立することの可能な冷媒ポンプを提供する。【解決手段】冷媒ポンプ１０は、シャフト１２、軸受１３、ケーシング１１および羽根部１４を備えている。シャフト１２は軸受１３により回転可能に支持されている。ケーシング１１は、冷媒が流れるポンプ室１５を有する。羽根部１４は、ポンプ室１５の内側に回転可能に設けられ、シャフト１２と共に回転することによりポンプ室１５に冷媒を吸入し、ポンプ室１５から外部へ冷媒を圧送する。羽根部摺接面１４１またはポンプ室摺接面１５１の少なくとも一方には、ＤＬＣ、窒化物、炭化物または炭窒化物を含む硬質薄膜皮膜２４が設けられている。【選択図】図６
2018119517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉ループサイクル中に冷媒が封入された冷凍サイクルに用いられる冷媒ポンプであって、
柱状に形成されたシャフト（１２）と、
前記シャフトを回転可能に支持する軸受（１３）と、
冷媒が流れるポンプ室（１５）を有するケーシング（１１）と、
前記ポンプ室の内側に回転可能に設けられ、前記シャフトと共に回転することにより前記ポンプ室に冷媒を吸入し、前記ポンプ室から外部へ冷媒を圧送する羽根部（１４）と、を備え、
前記羽根部の回転軸方向の面（１４１）、および、前記ポンプ室の内壁のうち前記羽根部の回転軸方向の面に対向する面（１５１）の少なくとも一方には、ダイアモンドライクカーボン、窒化物、炭化物または炭窒化物を含む硬質薄膜皮膜（２４）が設けられている、冷媒ポンプ。
【請求項２】
前記硬質薄膜皮膜は、ダイアモンドライクカーボン、窒化クロム、窒化チタン、窒化チタンアルミ、炭窒化チタン、炭化タングステンまたはＡｌＣｒＮの少なくとも１つを含むものである、請求項１に記載の冷媒ポンプ。
【請求項３】
前記羽根部の回転軸方向の面、および、前記ポンプ室の内壁のうち前記羽根部の回転軸方向の面に対向する面の少なくとも一方には、母材に硬度向上処理がされることなく、前記硬質薄膜皮膜が設けられている、請求項１または２に記載の冷媒ポンプ。
【請求項４】
前記冷媒ポンプは、前記羽根部の回転軸方向の面と、前記ポンプ室の内壁のうち前記羽根部の回転軸方向の面に対向する面とが面接触する構成を備えたウエスコポンプである、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の冷媒ポンプ。
【請求項５】
前記ポンプ室の内壁のうち前記羽根部の回転軸方向の面に対向する面と前記羽根部の回転軸方向の面とのクリアランスをＳＣとし、前記羽根部の外径をＤｉとすると、
ＳＣ／Ｄｉ≦０．００１５  の関係を有する、請求項４に記載の冷媒ポンプ。
【請求項６】
前記羽根部の回転軸方向の面、および、前記ポンプ室の内壁のうち前記羽根部の回転軸方向の面に対向する面の少なくとも一方に設けられた前記硬質薄膜皮膜の厚さは０より大きく５μｍ以下である、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の冷媒ポンプ。
【請求項７】
前記硬質薄膜皮膜を第１硬質薄膜皮膜としたとき、
前記シャフトの外壁のうち前記軸受と接触する部位に、母材に硬度向上処理がされた上で、ダイアモンドライクカーボン、窒化物、炭化物または炭窒化物を含む第２硬質薄膜皮膜（２５）が設けられている、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の冷媒ポンプ。
【請求項８】
前記第２硬質薄膜皮膜は、ダイアモンドライクカーボン、窒化クロム、窒化チタン、窒化チタンアルミ、炭窒化チタン、炭化タングステンまたはＡｌＣｒＮの少なくとも１つを含むものである、請求項７に記載の冷媒ポンプ。
【請求項９】
前記シャフトの外壁のうち前記軸受と接触する部位に設けられた前記第２硬質薄膜皮膜の厚さは０より大きく５μｍ以下である、請求項７または８に記載の冷媒ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液冷媒を圧送する冷媒ポンプに関するものであり、特に、冷凍サイクルに用いられる粘度の低い液冷媒の圧送に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷凍サイクルに用いられる液冷媒を圧送する冷媒ポンプが知られている。一般に、冷凍サイクルには、粘度が低く、潤滑性の乏しい液冷媒が用いられる。そのため、冷凍サイクルに用いられる冷媒ポンプは、摺動箇所の摩耗が問題となる。
【０００３】
特許文献１に記載の冷媒ポンプは、モータのシャフトに係止されたインナーロータ、及び、そのインナーロータの径方向外側の外壁に噛み合うアウターロータなどを備えている。モータのシャフトは、軸受等に回転可能に支持され、インナーロータと共に回転する。この冷媒ポンプには、シャフトの外壁のうち軸受等に摺接する箇所、および、インナーロータとアウターロータとが摺接する箇所にダイアモンド皮膜が設けられている。これにより、この冷媒ポンプは、それらの摺動箇所の摩耗を低減させている。
【０００４】
一方、特許文献２には、燃料を圧送するウエスコポンプが記載されている。このポンプは、モータのシャフトに係止された羽根部（インペラともいう）、及び、その羽根部を収容するポンプ室を有するケーシングなどを備えている。このポンプには、羽根部の回転軸方向の面に複数の溝が設けられている。これにより、この冷媒ポンプは、羽根部の回転軸方向の面とポンプ室の内壁とが密着するリンキング現象を回避している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平２−２６４１８８号公報
【特許文献２】特開平６−２８０７７６公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１では、インナーロータまたはアウターロータの回転軸方向の面とポンプ室の内壁とが密着するリンキング現象について言及されていない。また、特許文献１では、シャフト、インナーロータまたはアウターロータにダイアモンド皮膜を設ける際、その母材に対する硬度向上処理等についても言及されていない。
【０００７】
一方、特許文献２のウエスコポンプは、リンキング現象を回避するために羽根部の回転軸方向の面に複数の溝が設けられているので、羽根部の構成が複雑なものとなっている。
【０００８】
ここで、ウエスコポンプにリンキング現象が発生するメカニズムについて説明する。
【０００９】
まず、ウエスコポンプの構成について図１および図２を参照して説明する。ウエスコポンプは、ポンプ室１５を有するケーシング１１と、そのケーシング１１内で軸受１３に回転可能に支持されるシャフト１２と、ポンプ室１５内でシャフト１２と共に回転する羽根部１４を備えている。
【００１０】
ケーシング１１は、第１ケーシング部材１１１と第２ケーシング部材１１２とにより構成されている。第１ケーシング部材１１１と第２ケーシング部材１１２との間に、冷媒が流れるポンプ室１５が形成されている。また、ケーシング１１には、シャフト１２が挿入されるシャフト穴１６が形成されている。シャフト１２は、柱状に形成されており、シャフト穴１６の内壁に設けられた２個の軸受１３に回転可能に支持されている。
【００１１】
シャフト１２は、羽根部１４の中央に設けられた中央穴１７に挿通されている。羽根部１４の中央穴１７の内壁に設けられた溝１８と、シャフト１２の外壁に設けられた溝１８１に対し、キー部材１９などのトルク伝達手段が嵌合している。これにより、シャフト１２と羽根部１４とは互いに係止されている。羽根部１４は、略円盤状に形成され、その外周には、液冷媒を昇圧するための複数の溝部２０が設けられている。これにより、シャフト１２共に羽根部１４が回転すると、吸入口２１からポンプ室１５に媒体としての液冷媒が吸入され、ポンプ室１５から吐出口２２を介して外部へ液冷媒が圧送される。
【００１２】
なお、図１および図２では、シャフト１２と羽根部１４の回転方向を実線矢印ＩＲで示している。また、図１では、液冷媒の流れを破線矢印Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３で示している。
【００１３】
図３（ａ）〜（ｄ）は、上述した構成のウエスコポンプに、リンキング現象が発生する状態を示したものである。
【００１４】
図３（ａ）は、羽根部１４の回転軸方向の面とポンプ室１５の内壁との間に一定の隙間が形成された状態で、羽根部１４が回転している状態を示している。
【００１５】
図３（ｂ）は、ポンプ室１５の内壁に対して羽根部１４が傾いた状態となり、羽根部１４の径方向外側の一部がポンプ室１５の内壁に接近した状態を示している。なお、羽根部１４の中央穴１７の内壁とシャフト１２の外壁との間には微小隙間があるので、ポンプ室１５の内壁に対してシャフト１２が垂直に回転している状態であっても、ポンプ室１５の内壁に対して羽根部１４が傾くことがある。この状態で羽根部１４が回転を続けると、ポンプ室１５の内壁と羽根部１４との隙間の小さい側が減圧され圧力降下が生じる。一方、ポンプ室１５の内壁と羽根部１４との隙間の大きい側は絶対圧力である。そのため、ポンプ室１５の内壁と羽根部１４との隙間の小さい側と、ポンプ室１５の内壁と羽根部１４との隙間の大きい側との圧力差により、ポンプ室１５の内壁に羽根部１４を押し付けるスラスト荷重が発生する。なお、図３（ｂ）及び（ｃ）では、スラスト荷重を矢印ＴＬで示している。
【００１６】
さらに羽根部１４が回転を続けると、ポンプ室１５の内壁と羽根部１４との隙間の小さい側で圧力降下の増大により負圧領域が拡大し、上述したスラスト荷重が大きくなる。そして、図３（ｃ）に示すように、羽根部１４の回転軸方向の面とポンプ室１５の内壁とが密着するリンキング現象が生じる。リンキング現象が生じると、羽根部１４の回転軸方向の面とポンプ室１５の内壁との間に液冷媒が介在しなくなり、羽根部１４とポンプ室１５の内壁とが面圧の高い摺動状態となる。
【００１７】
図３（ｄ）に示すように、リンキング現象が生じた状態で羽根部１４が回転を続けると、羽根部１４とポンプ室１５の内壁との間に摩耗で生じた異物Ｍが発生する。この異物Ｍが羽根部１４とポンプ室１５の内壁との間に挟み込まれ、羽根部１４とポンプ室１５の内壁との隙間がなくなると、羽根部１４の回転が停止する所謂ポンプロックへ至るおそれがある。
【００１８】
或いは、リンキング現象が生じた状態で羽根部１４が回転を続けると、羽根部１４とポンプ室１５の内壁とが摩擦熱により羽根部１４とポンプ室１５の内壁を形成する材料が溶融し、それらが凝着することで焼き付きが生じた場合にも、ポンプロックへ至るおそれがある。
【００１９】
このように、リンキング現象が発生する際、ポンプ室１５の内壁と羽根部１４との隙間の小さい側が負圧になる。そのため、冷媒の絶対圧力が高いほど、リンキング現象によりポンプ室１５の内壁に羽根部１４を押し付けるスラスト荷重が大きくなる。そのことから、発明者は、閉ループサイクル中に絶対圧力が高い状態で冷媒が封入された冷凍サイクルに用いられる冷媒ポンプは、その運転が原理的に厳しくなると予測した。
【００２０】
そこで、発明者は、実際に冷媒ポンプを用いて、冷媒の絶対圧力に対する冷媒ポンプの運転状態について実験を行った。図４は、その実験結果を示したものである。
【００２１】
この実験に使用した冷媒ポンプは、図２に示した形状と同様の形状のもので、羽根部１４およびケーシング１１がいずれもＳＵＳ３０４のステンレス鋼で形成されたものである。また、冷媒ポンプは、ポンプ室１５の内壁のうち羽根部１４の回転軸方向の面に対向する面と羽根部１４の回転軸方向の面とのクリアランス（以下、サイドクリアランスＳＣという）と、羽根部１４の外径Ｄｉとの関係が異なる２種類の冷媒ポンプを使用した。なお、サイドクリアランスＳＣは、羽根部１４の回転軸方向の一方の面とポンプ室の一方の内壁とのクリアランスＳＣ１と、羽根部１４の回転軸方向の他方の面とポンプ室の他方の内壁とのクリアランスＳＣ２との和である（すなわち、ＳＣ＝ＳＣ１＋ＳＣ２）。ここで、羽根部１４の外径Ｄｉに対するサイドクリアランスＳＣを、クリアランス比（ＳＣ／Ｄｉ）という。第１の冷媒ポンプは、クリアランス比が、０．０００８の関係を有するものである。第２の冷媒ポンプは、クリアランス比が、０．００１５の関係を有するものである。
【００２２】
実験条件は、冷媒ポンプの回転数をいずれも４０００ｒｐｍとし、冷媒ポンプの吸入圧力をそれぞれ０．６ＭＰａ、１．１ＭＰａ、２．１ＭＰａの条件とした。吸入圧力が０．６ＭＰａと１．１ＭＰａの条件のものについては、冷媒にＲ１３４ａを使用した。吸入圧力が２．１ＭＰａの条件のものについては、冷媒にＲ４１０Ａを使用した。ポンプが冷媒を圧送するときの冷媒の圧力差（吐出圧力−吸入圧力）は、いずれも０．１ＭＰａとした。
【００２３】
実験結果は、クリアランス比０．０００８である第１の冷媒ポンプでは、冷媒にＲ１３４ａを使用し、吸入圧力が０．６ＭＰａと１．１ＭＰａの場合に運転可能であった。しかし、この第１の冷媒ポンプは、冷媒にＲ４１０Ａを使用し、吸入圧力が２．１ＭＰａの場合に凝着が発生し、ポンプロックへ至った。
【００２４】
クリアランス比０．０１５である第２の冷媒ポンプは、冷媒にＲ１３４ａを使用し、吸入圧力が１．１ＭＰａの場合に運転可能であった。また、第２の冷媒ポンプは、冷媒にＲ４１０Ａを使用し、吸入圧力が２．１ＭＰａの場合にも運転可能であった。
【００２５】
上述の実験により、発明者は、絶対圧力が高い状態にある冷媒を圧送する冷媒ポンプは、リンキング現象によるスラスト荷重が大きくなり、ポンプロックへ至る可能性があるため、運転が厳しくなることを見出した。
【００２６】
本発明は上記点に鑑みて、信頼性の向上と製造上のコスト低減を両立することの可能な冷媒ポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、閉ループサイクル中に冷媒が封入された冷凍サイクルに用いられる冷媒ポンプであって、
柱状に形成されたシャフト（１２）と、
シャフトを回転可能に支持する軸受（１３）と、
冷媒が流れるポンプ室（１５）を有するケーシング（１１）と、
ポンプ室の内側に回転可能に設けられ、シャフトと共に回転することによりポンプ室に冷媒を吸入し、ポンプ室から外部へ冷媒を圧送する羽根部（１４）と、を備えている。
【００２８】
この冷媒ポンプは、羽根部の回転軸方向の面（１４１）、および、ポンプ室の内壁のうち羽根部の回転軸方向の面に対向する面（１５１）の少なくとも一方に、ダイアモンドライクカーボン、窒化物、炭化物または炭窒化物を含む硬質薄膜皮膜（２４）が設けられている。
【００２９】
これによれば、羽根部の回転軸方向の面（以下、羽根部摺接面という）、または、ポンプ室の内壁のうち羽根部の回転軸方向の面に対向する面（以下、ポンプ室摺接面という）の摺動に対する耐久性が向上する。そのため、この冷媒ポンプは、絶対圧力が高い状態にある冷媒の圧送に用いられた場合、リンキング現象によりスラスト荷重が大きくなり、羽根部摺接面とポンプ室摺接面との間に冷媒が介在し難くなっても、その間に摩耗による異物が発生することが抑制される。また、羽根部とポンプ室の内壁を形成する材料同士が溶融し凝着することが抑制される。したがって、この冷媒ポンプは、絶対圧力が高い状態にある冷媒の圧送に用いられた場合でも、ポンプロックに至ることが防がれるので、信頼性を向上することができる。
【００３０】
また、この冷媒ポンプは、上述した特許文献２のポンプのように羽根部摺接面の構成が複雑なものにならず、羽根部の構成を簡素にすることが可能である。したがって、この冷媒ポンプは、製造上のコストを低減することができる。
【００３１】
なお、上記各構成の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】ウエスコポンプの構成を示す模式図である。
【図２】図１のＩＩ―ＩＩ線の断面図である。
【図３】ウエスコポンプにポンプロックが発生する状態を説明する説明図である。
【図４】冷媒の絶対圧力に応じた冷媒ポンプの運転状態に関する実験結果を示した表である。
【図５】一実施形態の冷媒ポンプが用いられる沸騰冷凍サイクルの構成図である。
【図６】一実施形態の冷媒ポンプの断面図である。
【図７】羽根部の表面処理方法に応じた冷媒ポンプ運転後の状態に関する実験結果を示した表である。
【図８】一実施形態の冷媒ポンプの運転状態を説明する説明図である。
【図９】図８のＩＸ部分の断面図である。
【図１０】比較例の冷媒ポンプにおいて、シャフトの硬質薄膜皮膜に亀裂破壊が生じた状態を説明する説明図である。
【図１１】シャフトの表面処理方法に応じた冷媒ポンプ運転後の状態に関する実験結果を示した表である。
【図１２】羽根部に設けられる硬質薄膜皮膜の材料に応じた冷媒ポンプ運転後の状態に関する実験結果を示した表である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。
【００３４】
（一実施形態）
一実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態の冷媒ポンプは、閉ループサイクル中に冷媒が封入された冷凍サイクルに用いられる。
【００３５】
図５に、本実施形態の冷媒ポンプ１０を備える冷凍サイクルの一例として、サーモサイフォン式のサイクル１を示す。この種のサーモサイフォン式のサイクル１は、例えば大型コンピュータが設置された基地局の室内を冷却することなどに用いられる。
【００３６】
サーモサイフォン式のサイクル１は、冷媒ポンプ１０、蒸発器２、凝縮器３および液貯め部４などが配管５により環状に接続され、閉ループサイクルを構成している。この閉ループサイクルには、冷媒が絶対圧力が高い状態で封入されている。
【００３７】
冷媒ポンプ１０は、閉ループサイクルのうち重力方向の最下部となる位置に設けられている。冷媒ポンプ１０は、凝縮器３で凝縮して自重により配管５を流下した液冷媒を、蒸発器２に向けて圧送することに用いられる。
【００３８】
蒸発器２は、冷却対象空間である室内６に設けられている。蒸発器２は、室内６に設けられたコンピュータ設備などにより高温となった空気と冷媒とを熱交換させる室内熱交換器である。蒸発器２では、冷媒ポンプ１０から供給された液冷媒が、室内６の空気から吸熱して蒸発する。室内６の空気は、その冷媒の蒸発潜熱により冷却される。
【００３９】
蒸発器２と凝縮器３とは、配管５を通じて接続されている。凝縮器３は、室外に設けられている。凝縮器３は、室外の低温の空気と冷媒とを熱交換させる室外熱交換器である。凝縮器３では、蒸発器２から供給された気相冷媒が、室外の低温の空気に放熱して凝縮する。凝縮器３で凝縮した液冷媒は、自重により配管５を流下し、液貯め部４に流入する。なお、凝縮器３では、凝縮した液冷媒が配管５を液貯め部４に向けて流下することで、凝縮器３の内側の気相冷媒側の空間が負圧になる。そのため、凝縮器３の内側の気相冷媒側の空間に、蒸発器２から気相冷媒が供給される。
【００４０】
液貯め部４は、凝縮器３より重力方向下側に設けられている。液貯め部４では、気相冷媒と液冷媒とが分離される。冷媒ポンプ１０は、液貯め部４より重力方向下側に設けられている。冷媒ポンプ１０は、液貯め部４から供給される液冷媒を、蒸発器２に向けて圧送する。このように、サーモサイフォン式のサイクル１は、コンプレッサを用いることなく、基本的には冷媒の自然循環により冷却対象空間である室内６の空気を冷却することが可能である。冷媒ポンプ１０は、このサーモサイフォン式のサイクル１の配管５が、設備の構造上、重力方向上下に曲がって取り回されている場合、閉ループサイクルに冷媒を循環させることが可能である。上述したように、サーモサイフォン式のサイクル１が構成する閉ループサイクルには、絶対圧力が高い状態で冷媒が封入されている。したがって、サーモサイフォン式のサイクル１では、その冷媒を圧送するため、信頼性の高い冷媒ポンプ１０を用いることが望まれる。
【００４１】
次に、本実施形態の冷媒ポンプ１０について説明する。
【００４２】
図６に示すように、本実施形態の冷媒ポンプ１０は、ウエスコポンプであり、モータ部７、マグネットカップリング部８およびポンプ部９から構成されている。モータ部７は、ステータ７１およびロータ７２などを備えている。ロータ７２の中心部には、モータシャフト７３が固定されている。ステータ７１またはロータ７２の一方には、図示していないコイルが巻かれている。そのコイルに通電されると、回転磁界が発生し、ロータ７２とモータシャフト７３が軸周りに回転する。
【００４３】
マグネットカップリング部８は、アウターマグネット８１、インナーマグネット８２、および有底筒状のキャン８３などを備えている。アウターマグネット８１は、モータ部７が備えるモータシャフト７３の端部に固定されている。インナーマグネット８２は、ポンプ部９が備えるシャフト１２の端部に固定されている。キャン８３は、アウターマグネット８１とインナーマグネット８２との間に設けられ、ポンプ部９に充満する高圧の冷媒がモータ部７に漏れることを防いでいる。このキャン８３は、非磁性体から形成されている。そのため、モータシャフト７３と共にアウターマグネット８１が回転すると、磁力のつれ回りにより、インナーマグネット８２が回転する。これにより、モータ部７からポンプ部９にトルクが伝達される。
【００４４】
ポンプ部９は、ケーシング１１、シャフト１２、軸受１３および羽根部１４などを備えている。なお、ポンプ部９の概略構成は、図１および図２で示したウエスコポンプと、実質的に同一である。図６では、ポンプ部９の構成に対し、図１および図２を参照して説明した構成と同一の符号を付している。本実施形態のポンプ部９も、羽根部１４の回転軸方向の面（以下、羽根部摺接面１４１という）と、ポンプ室１５の内壁のうち羽根部１４の回転軸方向の面に対向する面（以下、ポンプ室摺接面１５１という）とが面接触する構成である。
【００４５】
ここで、羽根部摺接面１４１とポンプ室摺接面１５１とのサイドクリアランスをＳＣ（ＳＣ＝ＳＣ１＋ＳＣ２）とし、羽根部１４の外径をＤｉとする。そして、羽根部１４の外径Ｄｉに対するサイドクリアランスＳＣを、クリアランス比（ＳＣ／Ｄｉ）ということとする。本実施形態では、クリアランス比が、０．００１５以下に設定されている。このようにクリアランス比を小さく設定することで、ポンプ部９による冷媒の昇圧性能が向上する。したがって、ポンプ部９により圧送される冷媒の流量が増加し、また、その圧送される冷媒の圧力が上昇するなど、ポンプ性能を向上することができる。
【００４６】
しかし、クリアランス比を小さく設定すると、図３（ａ）〜（ｄ）を参照して説明したように、リンキング現象が生じやすくなる。リンキング現象が生じると、羽根部摺接面１４１とポンプ室摺接面１５１との間に液冷媒が存在しなくなり、羽根部摺接面１４１とポンプ室摺接面１５１とが面圧の高い摺動状態となる。このとき、冷媒の絶対圧力が高いほど、ポンプ室摺接面１５１に羽根部摺接面１４１を押し付けるスラスト荷重が大きくなる。その状態で羽根部１４が回転を続け、羽根部摺接面１４１とポンプ室摺接面１５１との間に摩耗で生じた異物が発生し、その異物が羽根部摺接面１４１とポンプ室摺接面１５１との間に挟み込まれると、ポンプロックへ至るおそれがある。また、羽根部摺接面１４１とポンプ室摺接面１５１を形成する材料が摩擦熱により溶融し、それらが凝着することで焼き付きが生じた場合にも、ポンプロックへ至るおそれがある。
【００４７】
そこで、本実施形態では、羽根部摺接面１４１に硬質薄膜皮膜２４を施している。この羽根部摺接面１４１に設けられた硬質薄膜皮膜２４は、特許請求の範囲に記載の第１硬質薄膜皮膜の一例に相当するものである。図６では、羽根部１４を構成する母材と硬質薄膜皮膜２４との境界に説明のため模式的に破線２４１を付している。硬質薄膜皮膜２４は、ダイアモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣと記載する）、窒化物、炭化物または炭窒化物を含むものである。窒化物、炭化物または炭窒化物として、窒化クロム（以下、ＣｒＮと記載する）、窒化チタン（以下、ＴｉＮと記載する）または窒化チタンアルミ（以下、ＴｉＡｌＮと記載する）等が例示される。ＤＬＣ、ＣｒＮ、ＴｉＮまたはＴｉＡｌＮ等を含む硬質薄膜皮膜２４は、摺動に対する耐力が高いという特性を有している。本実施形態の冷媒ポンプ１０は、羽根部摺接面１４１に硬質薄膜皮膜２４を設けたことで、羽根部摺接面１４１とポンプ室摺接面１５１との間で異物が発生することが抑制され、また、ポンプ室摺接面１５１と羽根部摺接面１４１との焼き付きが抑制される。したがって、本実施形態の冷媒ポンプ１０は、ポンプロックを回避することができる。
【００４８】
硬質薄膜皮膜２４の厚さは、例えば０より大きく５μｍ以下に設定されている。一般に羽根部１４の寸法は数ミリ単位であり、羽根部摺接面１４１とポンプ室摺接面１５１との間のサイドクリアランスＳＣが数十マイクロメートル単位であることから、上記の設定により、硬質薄膜皮膜２４の厚さを十分に薄いものにできる。これにより、母材に対し硬質薄膜皮膜２４を形成する際に、仮にその硬質薄膜皮膜２４に公差による凹凸が生じたとしても、その後に研磨処理などの調整加工をする必要がない。したがって、製造上のコストを低減することができる。
【００４９】
ところで、ＤＬＣ、ＣｒＮ、ＴｉＮまたはＴｉＡｌＮ等を含む硬質薄膜皮膜２４は、摺動に対する耐力は高いものの、膜自体が非常に薄いので、膜強度が弱く、エッジ当たりなどした場合は膜に亀裂が入ったり、膜の剥離が発生するおそれがある。しかし、羽根部摺接面１４１とポンプ室摺接面１５１とは密着により潤滑不良となるものの、面当たりであるので、膜に亀裂が入ったり、膜の剥離が発生することが殆どない。そこで、本実施形態では、羽根部１４を構成する金属の母材に熱処理などの硬度向上処理を行うことなく、所謂生材（素材そのまま）に硬質薄膜皮膜２４を設けている。仮に、羽根部１４を構成する母材に熱処理などの硬度向上処理を行えば、熱処理のコストが増大し、さらに、熱処理で発生した歪みの除去のために研削などの後工程によるコストが増大する。それに対し、本実施形態では、羽根部１４を構成する母材に対し熱処理などの硬度向上処理を行わないことで、製造上のコストの低減と信頼性の向上を両立することが可能である。
【００５０】
上述したように、羽根部１４を構成する母材に熱処理などの硬度向上処理を行うことなく硬質薄膜皮膜２４を設けることに関し、その有効性を確認する実験を行った結果を図７に示す。
【００５１】
図７に示すように、冷媒ポンプ１０の第１のサンプル仕様は、羽根部１４を構成する母材にＳＵＳ３０４のステンレス鋼を使用し、熱処理を行うことなく、ＤＬＣを含む硬質薄膜皮膜２４を施したものである。
【００５２】
冷媒ポンプ１０の第２のサンプル仕様は、羽根部１４を構成する母材にＳＵＳ３０４のステンレス鋼を使用し、熱処理を行うことなく、ＣｒＮを含む硬質薄膜皮膜２４を施したものである。
【００５３】
冷媒ポンプ１０の第３のサンプル仕様は、羽根部１４を構成する母材にＳＵＪ２の高炭素クロム軸受鋼を使用し、ＱＴ処理による熱処理を行った上で、ＤＬＣを含む硬質薄膜皮膜２４を施したものである。
【００５４】
実験条件は、図４で示した実験結果においてポンプロックが生じた条件と同一とした。すなわち、その条件とは、冷媒にＲ４１０Ａを使用し、冷媒ポンプ１０のクリアランス比０．０００８、回転数４０００ｒｐｍ、吸入圧力２．１ＭＰａ、吐出圧力２．２ＭＰａとした。なお、ポンプ室１５の内壁を構成するケーシング１１は、ＳＵＳ３０４のステンレス鋼を使用した。
【００５５】
実験結果は、第１〜第３のサンプル仕様のいずれにおいても、図４で示した実験結果でポンプロックが生じた冷媒ポンプに対し大幅な改善が見られ、ポンプロックに至ることなく、良好な運転が可能であった。したがって、上記の通り、羽根部１４を構成する母材に熱処理などの硬度向上処理を行う必要はなく、母材を生材としたまま硬質薄膜皮膜２４を設けることで、製造上のコストを低減し、且つ、信頼性を向上できることが実証された。
【００５６】
ところで、図８および図９に示すように、冷媒ポンプ１０は、モータ部７からポンプ部９にトルクが伝達され、ポンプ部９のシャフト１２と羽根部１４とが回転するとき、２個の軸受１３の中心線１３１に対してシャフト１２が傾くことがある。そのため、本実施形態では、シャフト１２の外壁に、ＤＬＣ、ＣｒＮ、ＴｉＮまたはＴｉＡｌＮ等を含む硬質薄膜皮膜２５が設けられている。硬質薄膜皮膜２５は、シャフト１２の外壁のうち、少なくとも軸受１３と接触する部位に設けられていればよい。
【００５７】
なお、シャフト１２の外壁に設けられた硬質薄膜皮膜２５は、特許請求の範囲に記載の第２硬質薄膜皮膜の一例に相当するものである。
【００５８】
図９では、シャフト１２の外壁に設けられた硬質薄膜皮膜２５と、軸受１３とがエッジ当たりしている状態を示している。ポンプ部９のシャフト１２と羽根部１４とが回転するとき、２個の軸受１３の中心線１３１に対してシャフト１２が傾くと、シャフト１２に設けられた硬質薄膜皮膜２５と軸受１３との摺動箇所は、エッジ当たりとなる。
【００５９】
これに対し、図１０に示したものは、第１実施形態と比較するための比較例の冷媒ポンプが備えるシャフト１２と軸受１３の部分断面図である。この比較例の冷媒ポンプは、シャフト１２を構成する母材に熱処理などの硬度向上処理が行われることなく、その母材が生材のまま、硬質薄膜皮膜２５が施されたものである。上述したように、ＤＬＣ、ＣｒＮ、ＴｉＮまたはＴｉＡｌＮ等を含む硬質薄膜皮膜２５は、摺動に対する耐力は高いものの、膜自体が非常に薄いので、膜強度が弱く、エッジ当たりなどした場合は膜に亀裂が入ったり、膜の剥離が発生するおそれがある。そのため、軸受１３からシャフト１２に印加される応力がシャフト１２を構成する母材に到達すると、その母材が陥没し、それにより硬質薄膜皮膜２５が破壊される（図１０の符号Ｃで示す箇所を参照）。
【００６０】
そこで、本実施形態では、図９に示したように、シャフト１２を構成する金属の母材（例えば、ＳＵＪ２の高炭素クロム軸受鋼）に熱処理などの硬度向上処理を行った上で、硬質薄膜皮膜２５を設けている。これにより、シャフト１２の外壁のうち軸受１３と接触する部位の耐摩耗性を確保すると共に、軸受１３のエッジ当たりによる硬質薄膜皮膜２５の亀裂破壊や剥離を回避することができる。
【００６１】
なお、シャフト１２のエッジ当たりによる陥没を防ぐために、軸受１３を樹脂材などの軟質材とすることも考えられる。しかし、ＤＬＣ等を含む硬質薄膜皮膜は自己摩耗が小さいものの、相手部材への攻撃性も強い。そのため、軸受１３を樹脂材などの軟質材とすれば、軸受１３の摩耗が大きくなる。したがって、本実施形態では、軸受１３の材料として樹脂材などの軟質材を採用することなく、少なくとも金属、望ましくは焼き入れした金属を採用している。
【００６２】
上述したように、シャフト１２を構成する母材に熱処理などの硬度向上処理を行った上で硬質薄膜皮膜２５を設けることに関し、その有効性を確認する実験を行った結果を図１１に示す。
【００６３】
図１１に示すように、冷媒ポンプ１０の第４のサンプル仕様は、シャフト１２を構成する母材にＳＵＪ２の高炭素クロム軸受鋼を使用し、熱処理を行うことなく、ＤＬＣを含む硬質薄膜皮膜２４を施したものである。
【００６４】
冷媒ポンプ１０の第５のサンプル仕様は、シャフト１２を構成する母材にＳＵＪ２の高炭素クロム軸受鋼を使用し、ＱＴ処理による熱処理を行った上で、ＤＬＣを含む硬質薄膜皮膜２４を施したものである。
【００６５】
実験条件は、図７で示した実験条件と同一とした。すなわち、その条件とは、冷媒にＲ４１０Ａを使用し、冷媒ポンプ１０のクリアランス比０．０００８、回転数４０００ｒｐｍ、吸入圧力２．１ＭＰａ、吐出圧力２．２ＭＰａとした。なお、軸受１３は、ＳＵＪ２の高炭素クロム軸受鋼にＱＴ処理による熱処理を行ったものを使用した。また、この実験では、シャフト１２と軸受１３とが羽根部１４のような密着状態にならないので、試験時間を１００時間と長めに行った。
【００６６】
実験結果は、第４のサンプル仕様では、シャフト１２の硬質薄膜皮膜２５に凹状の剥離を伴う摩耗が見られた。一方、第５のサンプル仕様は、シャフト１２の硬質薄膜皮膜２５に異常が見られなかった。したがって、上記の通り、シャフト１２を構成する母材に熱処理などの硬度向上処理を行った上で硬質薄膜皮膜２５を設けることで、シャフト１２の耐摩耗性を確保し、且つ、硬質薄膜皮膜２５の亀裂破壊や剥離を回避できることが実証された。
【００６７】
続いて、本実施形態で羽根部１４に設けた硬質薄膜皮膜２４を、一般的な表面処理皮膜用の材料に代えて実験を行った結果を図１２に示す。
【００６８】
図１２に示すように、冷媒ポンプ１０の第６のサンプル仕様は、羽根部１４を構成する母材にＳＵＳ３０４のステンレス鋼を使用し、熱処理を行うことなく、表面処理皮膜としてニッケルリン鍍金を施したものである。
【００６９】
冷媒ポンプ１０の第７のサンプル仕様は、羽根部１４を構成する母材にＳＵＳ３０４のステンレス鋼を使用し、熱処理を行うことなく、表面処理皮膜としてポリテトラフルオロエチレンコーティング（以下、ＰＴＦＥコーティングという）を施したものである。
【００７０】
実験条件は、図７で示した実験条件と同一とした。すなわち、その条件とは、冷媒にＲ４１０Ａを使用し、冷媒ポンプ１０のクリアランス比０．０００８、回転数４０００ｒｐｍ、吸入圧力２．１ＭＰａ、吐出圧力２．２ＭＰａとした。なお、ポンプ室１５の内壁を構成するケーシング１１は、ＳＵＳ３０４のステンレス鋼を使用した。
【００７１】
実験結果は、第６のサンプル仕様では、凝着が発生し、ポンプロックへ至った。これは、ニッケルリン鍍金は羽根部１４の素材と同様に金属ベースであり、融点が金属と同様であるので、溶融による凝着が発生したものと考えられる。
【００７２】
一方、第７のサンプル仕様では、ポンプロックには至らなかったものの、ＰＴＦＥコーティングに剥離が発生し、良好とはいえないものであった。これは、ＰＴＦＥコーティングは摩擦係数が小さいため、発熱が少なく、溶融凝着までは至っていないと考えられるが、膜自体の硬度や強度が低いため、高い面圧下で摩耗や剥離に至ったものと考えられる。
【００７３】
このような第６及び第７のサンプル仕様に対し、本実施形態の冷媒ポンプ１０は、羽根部１４に設けた硬質薄膜皮膜２４がＤＬＣまたはＣｒＮなどを含むものである。
【００７４】
ＤＬＣは、カーボン系の硬質薄膜皮膜２４であるので、摩擦係数が低く、且つ、膜自体の強度がＰＴＦＥコーティングなどに比べて高いため、凝着や剥離、摩耗に至り難いものと考えられる。一方、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮは、セラミック系の硬質薄膜皮膜２４であるので、融点が高いため、凝着に至り難いものと考えられる。
【００７５】
以上説明した本実施形態の冷媒ポンプ１０は、次の作用効果を奏する。
【００７６】
（１）本実施形態では、羽根部摺接面１４１に、ＤＬＣ、ＣｒＮ、ＴｉＮまたはＴｉＡｌＮ等を含む硬質薄膜皮膜２４が設けられている。
【００７７】
これによれば、羽根部摺接面１４１の摺動に対する耐久性が向上する。そのため、この冷媒ポンプ１０は、絶対圧力が高い状態にある冷媒の圧送に用いられる場合でも、ポンプロックに至ることが防がれるので、信頼性を向上することができる。
【００７８】
また、この冷媒ポンプ１０は、上述した特許文献２のポンプのように羽根部摺接面の構成が複雑なものにならず、その構成を簡素にすることが可能である。したがって、この冷媒ポンプ１０は、製造上のコストを低減することができる。
【００７９】
（２）本実施形態では、羽根部摺接面１４１には、母材に硬度向上処理がされることなく、硬質薄膜皮膜２４が設けられている。
【００８０】
これによれば、羽根部摺接面１４１とポンプ室摺接面１５１とは密着により潤滑不良となるものの、面当たりであるので、膜に亀裂が入ることや膜の剥離が発生することが殆どない。したがって、母材に対し熱処理などの硬度向上処理を行わないことで、製造上のコストの低減と信頼性の向上を両立することができる。
【００８１】
（３）本実施形態では、冷媒ポンプ１０は、羽根部摺接面１４１とポンプ室摺接面１５１とが面接触する構成を備えたウエスコポンプである。
【００８２】
これによれば、本実施形態の構成をウエスコポンプに適用すると、サイドクリアランスＳＣを微小隙間にすることが可能となり、圧送冷媒の流量増加および圧送冷媒の圧力上昇などのポンプ性能を向上することができる。また、本実施形態では、ウエスコポンプにおけるサイドクリアランスＳＣを微小隙間としたときでも、その微小隙間に摩耗による異物が発生することが抑制されるので、ポンプロックが防がれ、信頼性を向上することができる。
【００８３】
（４）本実施形態では、クリアランス比（ＳＣ／Ｄｉ）が０．００１５以下である。
【００８４】
これによれば、クリアランス比を小さくすることで、圧送冷媒の流量増加および圧送冷媒の圧力上昇などのポンプ性能を向上することができる。また、本実施形態では、クリアランス比を小さくしたときでも、その微小隙間に摩耗による異物が発生することが抑制されるので、ポンプロックが防がれ、信頼性を向上することができる。
【００８５】
（５）本実施形態では、シャフト１２の外壁のうち軸受１３と接触する部位に、硬度向上処理がされた上で、ＤＬＣ、ＣｒＮ、ＴｉＮまたはＴｉＡｌＮ等を含む硬質薄膜皮膜２５が設けられている。
【００８６】
これによれば、シャフト１２の外壁のうち軸受１３と接触する部位の耐摩耗性を確保し、且つ、軸受１３のエッジ当たりによる膜の亀裂破壊や剥離を回避することができる。
【００８７】
（６）本実施形態では、羽根部摺接面１４１に設けられた硬質薄膜皮膜２４の厚さは０より大きく５μｍ以下である。
【００８８】
これによれば、一般に羽根部１４の寸法は数ミリ単位であり、羽根部摺接面１４１とポンプ室摺接面１５１との間のサイドクリアランスＳＣが数十マイクロメートル単位であるのに対し、硬質薄膜皮膜２４の厚さを十分に薄いものとすることが可能である。そのため、母材に対し硬質薄膜皮膜２４を形成する際に、仮にその硬質薄膜皮膜２４に公差による凹凸が生じたとしても、その後に研磨処理などの調整加工をする必要がない。したがって、製造上のコストを低減することができる。
【００８９】
（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
【００９０】
（１）例えば、上記実施形態では、羽根部摺接面１４１に硬質薄膜皮膜２４を設ける構成とした。これに対し、他の実施形態では、ポンプ室摺接面１５１に硬質薄膜皮膜２４を設ける構成としてもよい。また、羽根部摺接面１４１とポンプ室摺接面１５１の両方に硬質薄膜皮膜２４を設ける構成としてもよい。
【００９１】
（２）また、他の実施形態では、硬質薄膜皮膜２４、２５は、ＤＬＣ、ＣｒＮ、ＴｉＮおよびＴｉＡｌＮ等を複数種含むものとしてもよく、または、他の材料を含むものとしてもよい。
【００９２】
（３）上記実施形態では、硬質薄膜皮膜として前記４種にて説明してきたが、本発明の硬質薄膜皮膜はこの４種に限定されるわけではなく、同様に高硬度となるＰＶＤ（physical vapor deposition）等の真空中で物質を蒸着させる所謂物理蒸着法にて生成される薄膜（ＴｉＣＮ、ＷＣ/Ｃ、ＡｌＣｒＮ）等も含まれることは当然である。
【００９３】
（まとめ）
上記各実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、冷媒ポンプは、シャフト、軸受、ケーシングおよび羽根部を備える。シャフトは、柱状に形成されている。軸受は、シャフトを回転可能に支持する。ケーシングは、冷媒が流れるポンプ室を有する。羽根部は、ポンプ室の内側に回転可能に設けられ、シャフトと共に回転することによりポンプ室に冷媒を吸入し、ポンプ室から外部へ冷媒を圧送する。羽根部の回転軸方向の面、および、ポンプ室の内壁のうち羽根部の回転軸方向の面に対向する面の少なくとも一方には、ダイアモンドライクカーボン、窒化物、炭化物または炭窒化物を含む硬質薄膜皮膜が設けられている。
【００９４】
第２の観点によれば、硬質薄膜皮膜は、ダイアモンドライクカーボン、窒化クロム、窒化チタン、窒化チタンアルミ、炭窒化チタン、炭化タングステンまたはＡｌＣｒＮの少なくとも１つを含むものである。
【００９５】
第３の観点によれば、羽根部の回転軸方向の面、および、ポンプ室の内壁のうち羽根部の回転軸方向の面に対向する面の少なくとも一方には、母材に硬度向上処理がされることなく、硬質薄膜皮膜が設けられている。
【００９６】
これによれば、ダイアモンドライクカーボン、窒化物、炭化物または炭窒化物を含む硬質薄膜皮膜は、摺動に対する耐力が高い。そのため、羽根部摺接面とポンプ室摺接面とは密着により潤滑不良となるものの、面当たりであるので、膜に亀裂が入ることや膜の剥離が発生することが殆どない。そこで、母材に対し熱処理などの硬度向上処理を行わないことで、熱処理のコストの増大を防ぎ、また、熱処理で発生した歪み除去のための研削などの後工程を廃止することが可能となる。したがって、製造上のコストの低減と信頼性の向上を両立することができる。
【００９７】
第４の観点によれば、冷媒ポンプは、羽根部の回転軸方向の面と、ポンプ室の内壁のうち羽根部の回転軸方向の面に対向する面とが面接触する構成を備えたウエスコポンプである。
【００９８】
これによれば、ウエスコポンプは、羽根部摺接面とポンプ室摺接面との間のサイドクリアランスを微小隙間にすることが可能となり、圧送冷媒の流量増加および圧送冷媒の圧力上昇などのポンプ性能を向上することができる。また、ウエスコポンプにおいて、羽根部摺接面とポンプ室摺接面との間のサイドクリアランスを微小隙間としたときでも、その微小隙間に摩耗による異物が発生することが抑制されるので、ポンプロックが防がれ、信頼性を向上することができる。
【００９９】
第５の観点によれば、ポンプ室の内壁のうち羽根部の回転軸方向の面に対向する面と羽根部の回転軸方向の面とのクリアランスをＳＣとし、羽根部の外径をＤｉとすると、ＳＣ／Ｄｉ≦０．００１５  の関係を有する。
【０１００】
これによれば、クリアランス比（ＳＣ／Ｄｉ）を小さくすることで、圧送冷媒の流量増加および圧送冷媒の圧力上昇などのポンプ性能を向上することができる。また、クリアランス比を小さくしたときでも、その微小隙間に摩耗による異物が発生することが抑制されるので、ポンプロックが防がれ、信頼性を向上することができる。
【０１０１】
第６の観点によれば、羽根部の回転軸方向の面、および、ポンプ室の内壁のうち羽根部の回転軸方向の面に対向する面の少なくとも一方に設けられた硬質薄膜皮膜の厚さは０より大きく５μｍ以下である。
【０１０２】
これによれば、一般に羽根部の寸法は数ミリ単位であり、羽根部摺接面とポンプ室摺接面との間のサイドクリアランスが数十マイクロメートル単位であるのに対し、硬質薄膜皮膜の厚さを十分に薄いものとすることが可能である。そのため、母材に対し硬質薄膜皮膜を形成する際に、仮にその硬質薄膜皮膜に公差による凹凸が生じたとしても、その後に研磨処理などの調整加工をする必要がない。したがって、製造上のコストを低減することができる。
【０１０３】
第７の観点によれば、シャフトの外壁のうち軸受と接触する部位は、母材に硬度向上処理がされた上で、ダイアモンドライクカーボン、窒化物、炭化物または炭窒化物を含む第２硬質薄膜皮膜が設けられている。
【０１０４】
これによれば、ダイアモンドライクカーボン、窒化物、炭化物または炭窒化物を含む硬質薄膜皮膜は、摺動に対する耐力は高いものの、膜自体が例えば数マイクロメートルと非常に薄いので、膜強度が弱く、エッジ当たりなどした場合は膜に亀裂が入ることや膜の剥離が発生するおそれがある。そこで、シャフトの外壁のうち軸受と接触する部位には、母材に対し熱処理などの硬度向上処理による強度アップを行った上で、硬質薄膜皮膜を設けている。これにより、シャフトの外壁のうち軸受と接触する部位の耐摩耗性を確保し、且つ、軸受のエッジ当たりによる膜の亀裂破壊や剥離を回避することができる。
【０１０５】
第８の観点によれば、第２硬質薄膜皮膜は、ダイアモンドライクカーボン、窒化クロム、窒化チタン、窒化チタンアルミ、炭窒化チタン、炭化タングステンまたはＡｌＣｒＮの少なくとも１つを含むものである。
【０１０６】
第９の観点によれば、シャフトの外壁のうち軸受と接触する部位に設けられた第２硬質薄膜皮膜の厚さは０より大きく５μｍ以下である。
【符号の説明】
【０１０７】
１０  冷媒ポンプ
１１  ケーシング
１２  シャフト
１３  軸受
１４  羽根部
１５  ポンプ室
２４  硬質薄膜皮膜
【図１】
2018119517.tif 000003
【図２】
2018119517.tif 000004
【図３】
2018119517.tif 000005
【図４】
2018119517.tif 000006
【図５】
2018119517.tif 000007
【図６】
2018119517.tif 000008
【図７】
2018119517.tif 000009
【図８】
2018119517.tif 000010
【図９】
2018119517.tif 000011
【図１０】
2018119517.tif 000012
【図１１】
2018119517.tif 000013
【図１２】
2018119517.tif 000014