(57)【要約】【課題】流体として液体を扱うものにおいて、ベーンおよびロータの摩耗を確実に抑えて、長期間にわたりポンプ性能を維持可能とする液ポンプを提供する。【解決手段】シリンダブロック１２０に穿設されたシリンダ１２１内で回転するロータ１４１と、ロータ１４１の径方向に往復動可能としてロータ１４１に押圧される共に、シリンダ１２１およびロータ１４１間に作動室Ｖを形成するベーン１５１とを備え、作動室Ｖに流入される液体をロータ１４１によって圧送して、作動室Ｖ外部に流出させると共に、ベーン１５１が作動室Ｖ内の液体の高圧側と低圧側との圧力差によってロータ１４１に押圧されるようにした液ポンプにおいて、硬度比＝ベーンの硬度／ロータの硬度と定義した場合に、１．６≦硬度比となるようにする。【選択図】図２
2008248800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロック（１２０）に穿設されたシリンダ（１２１）内で回転するロータ（１４１）と、
前記ロータ（１４１）の径方向に往復動可能として前記ロータ（１４１）に押圧される共に、前記シリンダ（１２１）および前記ロータ（１４１）間に作動室（Ｖ）を形成するベーン（１５１）とを備え、
前記作動室（Ｖ）に流入される液体を前記ロータ（１４１）によって圧送して、前記作動室（Ｖ）外部に流出させると共に、前記ベーン（１５１）が前記作動室（Ｖ）内の前記液体の高圧側と低圧側との圧力差によって前記ロータ（１４１）に押圧されるようにした液ポンプにおいて、
硬度比＝前記ベーン（１５１）の硬度／前記ロータ（１４１）の硬度
と定義した場合に、
１．６≦前記硬度比
となるようにしたことを特徴とする液ポンプ。
【請求項２】
前記硬度比≦２．５
となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の液ポンプ。
【請求項３】
前記ベーン（１５１）は、焼入れ焼戻し処理された工具鋼から成り、
前記ロータ（１４１）は、浸炭焼入れ焼戻し処理された肌焼き鋼から成ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液ポンプ。
【請求項４】
前記工具鋼は、前記焼入れ焼戻し処理の後に、更に窒化処理された工具鋼であることを特徴とする請求項３に記載の液ポンプ。
【請求項５】
前記ベーン（１５１）と前記ロータ（１４１）との摺動部における前記ベーン（１５１）の表面粗さは、Ｒｚ０．３以下であり、
前記摺動部における前記ロータ（１４１）の表面粗さは、Ｒｚ０．１以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の液ポンプ。
【請求項６】
車両に用いられることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の液ポンプ。
【請求項７】
前記車両の廃熱回生サイクルに用いられることを特徴とする請求項６に記載の液ポンプ。
【請求項８】
前記廃熱回生サイクルは、廃熱回生ランキンサイクルであることを特徴とする請求項７に記載の液ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばランキンサイクル中の液冷媒を加熱器側に圧送する冷媒ポンプに用いて好適な液ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、エアコンや冷蔵庫等に使用されるロータリーコンプレッサが記載されている。このロータリーコンプレッサにおいては、シリンダに形成されたベーン溝を往復動してロータに圧接されるベーンの先端部が、ベーンの本体部に比べて耐摩耗性の優れた材料から形成されるようになっている。これにより、ベーンの先端部の摩耗性を上げ、且つ、ベーン溝内壁面の摩耗を抑制するようにしている。
【特許文献１】特開昭６３−２７７８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記ロータリーコンプレッサは、例えばエアコンの冷凍サイクルにおける気相冷媒を圧縮するものであり、定常運転時においてはベーンとロータ間に充分な油膜が形成される流体潤滑の状態に保持できる。そして、起動停止時の過渡的な運転時のみにおいて、充分な油膜が得られなくなる境界潤滑の状態となる。よって、ロータリーコンプレッサにおいては、図６中の破線に示すように、時間経過に伴う摩耗の進行はさほど顕著ではなく、境界潤滑の時のみについて耐摩耗性の配慮をすればよかった。
【０００４】
しかしながら、低粘度な液体を圧送するような液ポンプにおいては、いかなる運転時においてもベーンとロータ間は境界潤滑の状態となるため、図６中の実線に示すように、時間経過に伴う摩耗の進行が極めて顕著となり、上記のようなロータリーコンプレッサでの摩耗性向上の考え方では、実用に供しないことになる。
【０００５】
例えば、図７に示すように、
液ポンプで扱う液体の粘度＝１［ｍＰａ・ｓ］
ベーン１５１の先端半径Ｒｖ＝２０［ｍｍ］
ベーン１５１の単位長さあたりのロータへの荷重Ｆ＝４０００［Ｎ／ｍ］
ベーン１５１の表面粗さＲｚｖ＝０．８
ロータ１４１の半径Ｒｒ＝２０［ｍｍ］
ロータ１４１の摺動速度ｖ＝１［ｍ／ｓ］
ロータ１４１の表面粗さＲｚｒ＝０．３２
として、弾性流体潤滑理論を用いてベーンとロータ間の最小油膜厚さｔ、および油膜パラメータΛを計算すると、
最小油膜厚さｔ＝０．０３［μｍ］
油膜パラメータΛ＜１
となり、明らかに境界潤滑の状態を呈していることが解り、液ポンプにおいては、ベーンとロータ間の摩耗を確実に抑え、ポンプ性能が長期間にわたって維持できるように両部品の寿命を極力伸ばすようにしなければならない。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、流体として液体を扱うものにおいて、ベーンおよびロータの摩耗を確実に抑えて、長期間にわたりポンプ性能を維持可能とする液ポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
請求項１に記載の発明では、シリンダブロック（１２０）に穿設されたシリンダ（１２１）内で回転するロータ（１４１）と、ロータ（１４１）の径方向に往復動可能としてロータ（１４１）に押圧される共に、シリンダ（１２１）およびロータ（１４１）間に作動室（Ｖ）を形成するベーン（１５１）とを備え、作動室（Ｖ）に流入される液体をロータ（１４１）によって圧送して、作動室（Ｖ）外部に流出させると共に、ベーン（１５１）が作動室（Ｖ）内の液体の高圧側と低圧側との圧力差によってロータ（１４１）に押圧されるようにした液ポンプにおいて、硬度比＝ベーン（１５１）の硬度／ロータ（１４１）の硬度と定義した場合に、１．６≦前記硬度比となるようにしたことを特徴としている。
【０００９】
液ポンプ（１００）においては、ロータ（１４１）に対するベーン（１５１）摺動部の摩耗が進行すると、ベーン（１５１）がロータ（１４１）に接触する範囲が作動室（Ｖ）内の低圧側に拡大され、圧力差を受けるべきベーン（１５１）の面積が大きく低下する瞬間が発生して、ベーン（１５１）に作用する押圧力が低下してしまう。この押圧力が低下すると、高圧側から低圧側への液体の漏れが増加してポンプ性能が低下してしまう。
【００１０】
硬度比を１．６以上とすることで、ロータ（１４１）に対するベーン（１５１）の比摩耗量を確実に抑えることができるので、ロータ（１４１）との接触範囲が低圧側に拡大することを防止でき、長期間にわたりポンプ性能を維持することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、硬度比≦２．５となるようにしたことを特徴としている。
【００１２】
これにより、ロータ（１４１）の比摩耗量を１０−１６［ｍ２／Ｎ］のレベルに抑えることができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明では、ベーン（１５１）は、焼入れ焼戻し処理された工具鋼から成り、ロータ（１４１）は、浸炭焼入れ焼戻し処理された肌焼き鋼から成ることを特徴としている。
【００１４】
これにより、ベーン（１５１）、およびロータ（１４１）の硬度の向上、あるいは硬度の調整が可能となり、容易に硬度比の設定が可能となる。
【００１５】
請求項４に記載の発明では、工具鋼は、焼入れ焼戻し処理の後に、更に窒化処理された工具鋼であることを特徴としている。
【００１６】
これにより、更にベーン（１５１）の硬度を上げることができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明では、ベーン（１５１）とロータ（１４１）との摺動部におけるベーン（１５１）の表面粗さは、Ｒｚ０．３以下であり、摺動部におけるロータ（１４１）の表面粗さは、Ｒｚ０．１以下であることを特徴としている。
【００１８】
これにより、ベーン（１５１）とロータ（１４１）間のアブレシブ摩耗を低減して、更にベーン（１５１）、およびロータ（１４１）の比摩耗量を低減することができる。
【００１９】
請求項６〜請求項８に記載の発明のように、本液ポンプ（１００）は、車両に搭載して好適であり、特に車両の廃熱回生サイクル、具体的には廃熱回生ランキンサイクルに用いて好適である。
【００２０】
上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明の液ポンプを車両用の廃熱回生ランキンサイクル（廃熱回生サイクル）内の液相冷媒（本発明における液体に対応）を圧送する冷媒ポンプ１００に適用したものとしている。以下、図１、図２を用いて冷媒ポンプ１００の基本構成について説明する。尚、廃熱回生ランキンサイクルは、冷媒ポンプ１００、加熱器、膨張機、凝縮器が環状に接続されたものであり、凝縮器で凝縮された液相冷媒を冷媒ポンプ１００によって加熱器に圧送して、車両用内燃機関の廃熱によって液相冷媒を加熱して過熱蒸気冷媒として膨張機に流入させ、冷媒の膨張によって得られる機械的エネルギーを回収するものである。この廃熱回生ランキンサイクルに使用される冷媒としては、車両用空調装置の冷凍サイクルに使用される冷媒を用いるのが望ましい。
【００２２】
冷媒ポンプ１００は、シリンダ１２１内にロータ１４１およびベーン１５１を備えるロータリベーン型のポンプである。ここでは、シリンダ１２１、ロータ１４１、ベーン１５１がそれぞれ２つずつ設けられた２気筒のポンプとしている。
【００２３】
冷媒ポンプ１００は、それぞれ扁平円筒状を成すサイドプレート１１１、シリンダプレート１２０、中間プレート１１２、シリンダプレート１２０、サイドプレート１１３、軸受けホルダ１１４が順に接続されて形成される本体部を有している。
【００２４】
サイドプレート１１１の一端側（図１中の左側）は、大きく開口しており、例えば冷媒ポンプ１００の駆動源となる電動モータを装着可能としている。そして、一端側の開口は他端側（図１中の右側）に向けて段状に縮径して、他端側に連通している。他端側は、後述するシャフト１３１を挿通可能とすると共に、後述するシリンダプレート１２０のシリンダ１２１の内径よりも小さく設定された内径（連通孔）で開口している。他端側の中心部には、シャフト１３１の一端側を回転可能に支持する軸受け１３３が固定されている。
【００２５】
中間プレート１１２、およびサイドプレート１１３は、円盤状の部材であり、中心部に上記サイドプレート１１１の他端側開口と同等の内径設定された挿通孔を有している。また、軸受けホルダ１１４は、一端側の中心部で開口する凹部が形成された有底の円筒状部材であり、この凹部には、シャフト１３１の他端側を回転可能に支持する軸受け１３４が固定されている。
【００２６】
シリンダプレート１２０は、中心部に円形のシリンダ１２１が穿設された円盤状のシリンダブロック部材であり、２つのシリンダプレート１２０のうち、１つのシリンダプレート１２０は、サイドプレート１１１と中間プレート１１２との間に介在されている。また、もう１つのシリンダプレート１２０は、中間プレート１１２とサイドプレート１１３との間に介在されている。サイドプレート１１１、シリンダプレート１２０、中間プレート１１２、シリンダプレート１２０、サイドプレート１１３、軸受けホルダ１１４の間は、挿通孔およびシリンダ１２１によって連通している。
【００２７】
シリンダプレート１２０には、上記シリンダ１２１に加えて、吸入口１２２、吐出口１２３、ベーン用溝１２４、背圧導入口１２５が形成されている。即ち、吸入口１２２は、外部とシリンダ１２１内とを連通させる連通部として形成されている。また、吐出口１２３は、シリンダ１２１内と外部とを連通させる連通部として形成されており、シリンダプレート１２０の周方向において吸入口１２２に隣接して設けられている。また、ベーン用溝１２４は、シリンダ１２１側からシリンダプレート１２０の外径側に向けて凹状を成す溝として形成されており、吸入口１２２と吐出口１２３との間に設けられている。そして、背圧導入口１２５は、ベーン用溝１２４内部と後述する作動室Ｖの高圧側圧力領域とを連通させる連通部として形成されている。
【００２８】
シャフト１３１のシリンダ１２１に対応する部位（２ヶ所）には、シャフト１３１の軸芯に対して偏心した円形のカム部１３２が設けられている。
【００２９】
ロータ１４１は、液相冷媒を圧送する扁平円筒状の部材であり、カム部１３２の外周側に図示しないベアリングを介して装着されている。ロータ１４１の外径は、シリンダ１２１の内径より小さく設定されてシリンダ１２１内に挿入されており、ロータ１４１はカム部１３２によってシリンダ１２１内を公転する。
【００３０】
ベーン１５１は、板状の部材であり、ベーン用溝１２４内に往復動可能となるように収容されている。凹状を成すベーン用溝１２４の底部とベーン１５１との間にはバネ１５２が介在されており、このバネ１５２によって、主に冷媒ポンプ１００の停止時に、ベーン１５１はロータ１４１側に付勢されて、ベーン１５１の先端側がロータ１４１の外周部に当接するようになっている。そして、シリンダ１２１内において、ロータ１４１およびベーン１５１によって囲まれる空間が作動室Ｖとして形成されている。
【００３１】
ベーン１５１、ロータ１４１については、材料の選定、表面の熱処理の選定等によってそれぞれの材料硬度が設定されており、ベーン１５１の材料硬度／ロータ１４１の材料硬度として定義される硬度比が、１．６以上となるようにしている（詳細後述）。
【００３２】
本冷媒ポンプ１００は、上記のように構成されており、吸入口１２２が凝縮器の吐出側に接続され、吐出口１２３が加熱器の流入側に接続されている。図示しない電動モータの作動に伴って、シャフト１３１が回転駆動されると、カム部１３２を介してロータ１４１は、シリンダ１２１内を公転し、凝縮器からの液相冷媒を作動室Ｖ内に吸入して、液相冷媒の圧力を高めて加熱器に流出させる。
【００３３】
この時、ベーン用溝１２４内には、背圧導入口１２５を介して作動室Ｖ内の高圧側圧力が通じて、作動室Ｖ内の低圧側圧力との圧力差分がロータ１４１への押付け力としてベーン１５１に付加される。ベーン１５１は、この押付け力によってロータ１４１側に押付けられて、ベーン１５１の先端側はロータ１４１の外周部に確実に当接する。ベーン１５１がロータ１４１に当接することで、高圧側から低圧側への液相冷媒の漏れが防止される。
【００３４】
ここで、ベーン１５１に付加される押付け力について、図３を用いて更に詳細に説明する。尚、ベーン用溝１２４に設けられたバネ１５２は、主に冷媒ポンプ１００の停止時において、ベーン１５１に付勢力を与えてロータ１４１に当接させた状態を維持して、起動時における高圧側と低圧側との液相冷媒の漏れを防止するものとしており、その付勢力は以下説明する押付け力に比べて非常に小さいものであり、バネ１５２による付勢力は無視している。
【００３５】
図３において、左右方向をベーン１５１の板厚方向と定義し、紙面に対して垂直方向をベーン１５１の奥行き方向と定義する。ベーン１５１の右側の作動室Ｖは、吸入口１２２と直接的に連通する低圧側領域となっている。また、ベーン１５１の左側の作動室Ｖは、吐出口１２３と直接的に連通する高圧側領域となっている。
【００３６】
初期状態においてベーン１５１の先端部は、ロータ１４１側に対して板厚方向の中心部で最大凸部を有するように凸状に形成されており、ロータ１４１との当接部において、接触点１５１ａを形成している。接触点１５１ａからベーン１５１の高圧側端部までの距離をＬｈｉｇｈ、接触点１５１ａからベーン１５１の低圧側端部までの距離をＬｌｏｗとする。また、ロータ１４１側に向かうベーン１５１への背圧をＰｂ、高圧側圧力をＰｈｉｇｈ、低圧側圧力をＰｌｏｗとすると、
（数１）
背圧力Ｆｂ＝Ｐｂ×（Ｌｈｉｇｈ＋Ｌｌｏｗ）×奥行き方向寸法
となる。
【００３７】
また、
（数２）
高圧による押返し力Ｆｈｉｇｈ＝Ｐｈｉｇｈ×Ｌｈｉｇｈ×奥行き方向寸法
（数３）
低圧による押返し力Ｆｌｏｗ＝Ｐｌｏｗ×Ｌｌｏｗ×奥行き方向寸法
となる。
【００３８】
よって、上記数式１〜数式３、およびＰｂ＝Ｐｈｉｇｈであることより、
（数４）
押付け力＝Ｆｂ−（Ｆｈｉｇｈ＋Ｆｌｏｗ）
＝（Ｐｈｉｇｈ−Ｐｌｏｗ）×Ｌｌｏｗ×奥行き方向寸法
となる。
【００３９】
このように、押付け力は高圧側圧力Ｐｈｉｇｈと低圧側圧力Ｐｌｏｗとの圧力差に応じて定まり、また、Ｌｌｏｗが大きいほど、大きな値として得られることに成る。
【００４０】
冷媒ポンプ１００が使用される中で、ベーン１５１、およびロータ１４１の摩耗が進行していく。図４に示すように、ベーン１５１の先端部の凸状部は、ロータ１４１の公転に伴う包絡線に沿って平坦な面となっていく。このようにベーン１５１が摩耗していくと、初期状態において、ロータ１４１の公転に対してベーン１５１の先端部がロータ１５１と接触しうる接触幅がＡであったものが、接触幅Ｂに拡大する。つまり、冷媒ポンプ１００の作動中において、上記で説明した接触点１５１ａに対応するポイントが低圧側に大きく移動しうる瞬間が現れることになり、それに伴い距離Ｌｌｏｗが小さくなって、ベーン１５１の押付け力が低下してしまう。そして、高圧側から低圧側への液相冷媒の漏れが発生して、ポンプ性能の低下、更には、ベーン１５１の暴れによる摩耗の促進、破損、異音等の不具合が発生する。
【００４１】
そこで、本実施形態では、ベーン１５１の材料硬度／ロータ１４１の材料硬度として定義される硬度比が、１．６以上となるようにすることで、上記のような摩耗を確実に抑えるようにしている。
【００４２】
具体的には、図５に示すように、ベーン１５１の材料には、工具鋼として、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４１５）、高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）、合金工具鋼（ＳＫＤ１１）を選定した。また、ベーン１５１の表面の熱処理には、浸炭焼入れ焼戻し（ＧＣ）、焼入れ焼き戻し（ＱＴ）、軟窒化処理（ＴＦＧ）、窒化クロムコート（ＣｒＮ）、窒化チタンコート（ＴｉＮ）を選定した。尚、ベーン１５１の表面粗さは、Ｒｚ３．２、０．３の設定とした。
【００４３】
また、ロータ１４１の材料には、肌焼き鋼として、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４１５）を選定した。また、ロータ１４１の表面の熱処理には、浸炭焼入れ焼戻し（ＧＣ）を選定した。尚、ロータ１４１の表面粗さは、Ｒｚ３．２の設定とした。
【００４４】
そして、熱処理を施した各材料の硬度をビッカース硬さ（Ｈｖ）にて把握して、
（数５）
硬度比＝ベーン１５１の硬度／ロータ１４１の硬度
と定義した。
【００４５】
また、ベーン１５１、ロータ１４１のそれぞれについて、
（数６）
比摩耗量［ｍ２／Ｎ］＝摩耗量［ｍ３］／荷重［Ｎ］×摺動距離［ｍ］
と定義した。
【００４６】
ベーン１５１、ロータ１４１の材料、および熱処理、表面粗さＲｚを種々組合せて（４水準）、硬度比に対するベーン、ロータの比摩耗量の関係を確認したところ、図５に示す結果が得られた。即ち、硬度比を大きくしていくに従って、ベーン１５１の比摩耗量は、略低下していくようになり、また、ロータ１４１の比摩耗量は、増加していく。そして、ベーン１５１の比摩耗量をロータ１４１の比摩耗量よりも小さくするためには、硬度比を１．６以上とするのが良いことが解った。
【００４７】
また、液相冷媒の漏れを防止するには、ベーン、ロータの比摩耗量は１０−１６［ｍ２／Ｎ］レベルに抑えるのが良いことを確認しており、この条件を満たすためには、硬度比を２．５レベルまでに抑えるのが良いことが解った。よって、本確認の中では、水準２と水準３のものが良好であると言える。
【００４８】
以上のように、ベーン１５１とロータ１４１との硬度比を１．６以上とすることで、ロータ１４１に対するベーン１５１の比摩耗量を確実に抑えることができるので、図４で説明したようなロータ１４１との接触幅が低圧側に拡大することを防止でき、長期間にわたりポンプ性能を維持することができる。また、硬度比を２．５以下とすることで、特にロータ１４１側の比摩耗量を抑えて、ポンプ性能を充分に維持することができる。
【００４９】
（第２実施形態）
上記第１実施形態に対して、ベーン１５１、ロータ１４１の表面粗さＲｚを考慮することで、ベーン１５１、ロータ１４１の比摩耗量を更に低減することができる。
【００５０】
第１実施形態の水準２において、ロータ１４１の表面粗さをＲｚ３．２からＲｚ０．０８とすることで、
ベーン１５１の比摩耗量＝８．６３×１０−１９［ｍ２／Ｎ］
ロータ１４１の比摩耗量＝２．２２×１０−１８［ｍ２／Ｎ］
となり、ベーン１５１においては二桁の比摩耗量の低減、ロータ１４１においては一桁の比摩耗量の低減が得られた。これは、ベーン１５１とロータ１４１間のアブレシブ摩耗が抑えられたことによるものと考えられる。
【００５１】
よって、ベーン１５１、ロータ１４１の比摩耗量を、更に１０−１８［ｍ２／Ｎ］以下のレベルまで低減させるならば、ベーン１５１の表面粗さは、Ｒｚ０．３以下、ロータ１４１の表面粗さはＲｚ０．１以下にすると良い。
【００５２】
（その他の実施形態）
上記第１実施形態では、本発明を車両に搭載される廃熱回収ランキンサイクルに用いられる冷媒ポンプ１００に適用したものとして説明したが、これに限らず、例えば定置搭載される発電用のランキンサイクル等、作動流体として液体を扱うロータリベーン型の液ポンプであれば、広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１実施形態における冷媒ポンプを示す断面図である。
【図２】図１のII−II部を示す断面図である。
【図３】ベーン近傍を示す拡大断面図である。
【図４】ベーンの摩耗状態を示すモデル図である。
【図５】各種硬度比に対するベーン、およびロータの比磨耗量を示す図である。
【図６】ロータリーコンプレッサと液ポンプにおける時間経過に対する摩耗量を比較したグラフである。
【図７】ベーンとロータとの間における潤滑状態を説明するためのモデル図である。
【符号の説明】
【００５４】
１００  冷媒ポンプ（液ポンプ）
１２０  シリンダプレート（シリンダブロック）
１２１  シリンダ
１４１  ロータ
１５１  ベーン
【図１】
2008248800.tif 000003
【図２】
2008248800.tif 000004
【図３】
2008248800.tif 000005
【図４】
2008248800.tif 000006
【図５】
2008248800.tif 000007
【図６】
2008248800.tif 000008
【図７】
2008248800.tif 000009