(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を有し、水を含んだ液体を圧送する回転体と、前記液体を潤滑流体として前記回転体の回転軸を回転自在に支持する動圧軸受とを備え、
前記動圧軸受の軸方向一端側端面と軸方向他端側端面との間に形成される軸受面と前記回転軸の前記軸受面に対向する対向部分とが回転停止時に接触するポンプであって、
前記軸受面の軸方向範囲において前記対向部分の表面にダイヤモンドライクカーボン膜を当該表面から突出するように形成するとともに、前記軸受面の表面を前記液体に対する耐食性を有する金属素材からなる耐食材により構成すると共に、前記軸受面の表面に動圧発生用溝を形成したことを特徴とするポンプ。
【請求項２】
回転軸を有し、水を含んだ液体を圧送する回転体と、前記液体を潤滑流体として前記回転体の回転軸を回転自在に支持する動圧軸受とを備え、
前記動圧軸受の軸方向一端側端面と軸方向他端側端面との間に形成される軸受面と前記回転軸の前記軸受面に対向する対向部分とが回転停止時に接触するポンプであって、
前記回転体の回転軸を回転自在に支持する前記動圧軸受が前記液体を圧送する方向に離隔して二個形成され、
前記軸受面の軸方向範囲において前記対向部分の表面にダイヤモンドライクカーボン膜を当該表面から突出するように形成するとともに、前記軸受面の表面を前記液体に対する耐食性を有する金属素材からなる耐食材により構成すると共に、前記軸受面の表面に動圧発生用溝を形成したことを特徴とするポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却水などの液体を圧送するポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
液体を循環させるポンプには、その循環液の循環流路上に配置されたハウジング内に、回転軸とこれに取り付けられたインペラ（回転翼）とを備えた回転体を配置し、この回転体を電動モータ等により回転させることでハウジング内から上記循環流路内へ循環液を流すものがある。
ところで、上記のようなポンプでは、その回転体の回転軸を支持する軸受をハウジング内で液中に没した状態で使用する必要がある。このような軸受には、従来、転がり軸受やすべり軸受が用いられているが、それらの軸受構成部材に、上記循環液が水を含む場合には当該液による腐食が生じることがあり、軸受寿命、ひいてはポンプ寿命が短くなることがあった。また、セラミックス材料を用いて軸受構成部材を形成した軸受を使用することも提案されているが、上記水を含む循環液に対する耐食性や液中使用での耐摩耗性や摺動特性が十分でなく、ポンプ寿命を向上することは難しいものであった。
【０００３】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、回転体を支持する軸受の耐食性や耐摩耗性などを向上することができ、よって長寿命化を図ることができるポンプを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のポンプは、回転軸を有し、水を含んだ液体を圧送する回転体と、前記液体を潤滑流体として前記回転体の回転軸を回転自在に支持する動圧軸受とを備え、前記動圧軸受の軸方向一端側端面と軸方向他端側端面との間に形成される軸受面と前記回転軸の前記軸受面に対向する対向部分とが回転停止時に接触するポンプであって、前記軸受面の軸方向範囲において前記対向部分の表面にダイヤモンドライクカーボン膜を当該表面から突出するように形成するとともに、前記軸受面の表面を前記液体に対する耐食性を有する金属素材からなる耐食材により構成すると共に、前記軸受面の表面に動圧発生用溝を形成したことを特徴とするものである（請求項１）。
【０００５】
上記のように構成されたポンプにおける動圧軸受は、その軸受面が上記耐食材により構成されるので、当該軸受の耐食性を向上することができる。また、上記回転体の軸受面に対向する対向部分の表面にダイヤモンドライクカーボン膜を形成しているので、回転開始時などでの当該動圧軸受の回転体に対する耐摩耗性及び摺動特性を向上することができる。
【０００６】
また、本発明のポンプは、回転軸を有し、水を含んだ液体を圧送する回転体と、前記液体を潤滑流体として前記回転体の回転軸を回転自在に支持する動圧軸受とを備え、前記動圧軸受の軸方向一端側端面と軸方向他端側端面との間に形成される軸受面と前記回転軸の前記軸受面に対向する対向部分とが回転停止時に接触するポンプであって、前記回転体の回転軸を回転自在に支持する前記動圧軸受が前記液体を圧送する方向に離隔して二個形成され、前記軸受面の軸方向範囲において前記対向部分の表面にダイヤモンドライクカーボン膜を当該表面から突出するように形成するとともに、前記軸受面の表面を前記液体に対する耐食性を有する金属素材からなる耐食材により構成すると共に、前記軸受面の表面に動圧発生用溝を形成したことを特徴とするものである（請求項２）。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のポンプの好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明では、水を含む液体として、水とエチレングリコールとの混合液からなる冷却水（不凍液）を流路内で循環させる軸流式のポンプを構成した場合を例示して説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るポンプの構成を示す断面図であり、図２は図１に示した動圧軸受の動圧発生部とこれに対向する回転軸の対向部分とを示す拡大断面図である。図１及び２において、本実施形態のポンプ１は、筒状のハウジング２と、このハウジング２の吸入口２ａ側から吐出口２ｂ側に上記冷却水を圧送する回転体３とを備えている。ハウジング２は上記流路の途中に配置されたものであり、その吸入口２ａ及び吐出口２ｂが流路を構成する配管（図示せず）に接続されている。
【０００８】
上記回転体３は、軸長の回転軸４と、この回転軸４の一端部側の外周面４ａに一体回転可能に取り付けられたインペラ５とを備えており、上記回転軸４が電動モータ７により図のＲ方向に回転駆動されたときに、回転体３は上記吸入口２ａから冷却水をハウジング２内に導入し、その冷却水を図１の矢印Ｆにて示すようにハウジング２内を流して、上記吐出口２ｂから冷却水を送り出す。
上記回転軸４及びインペラ５は、冷却水に対する耐食性に優れた金属、例えばオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４等）により構成されたものであり、回転体３として必要な強度を有している。また、回転軸４の一端部側の先端部には球状部４ｂが形成されており、この球状部４ｂがハウジング２内に固定された円盤状のピボット板６の球面座６ａに接した状態で、回転体３が回転するようになっている。このピボット板６は、例えば上記ステンレス鋼により構成されたものであり、回転体３が冷却水を圧送したときに当該回転体３が図１の左側に移動するのを規制している。また、このピボット板６には、冷却水を流すための複数の開口６ｂが周方向に沿って適宜設けられており、ポンプ効率の低下を極力抑えるようになっている。
【０００９】
上記電動モータ７は、例えばハウジング２の外部に配置されたステータ巻線７ａと、ハウジング２の内部に配置され、上記回転軸４に固定された筒状のモータロータ７ｂとを備えている。詳細には、モータロータ７ｂは、回転軸４が圧入された円筒部７ｃと、この円筒部７ｃとの間で周方向に所定間隔をおいて等配された複数のリブ７ｄとにより、回転軸４の軸方向中央部分に一体回転可能に取り付けられており、当該ロータ７ｂの一端開口部７ｂ１から流入した冷却水が複数のリブ７ｄの各間を通って他端開口部７ｂ２から流出するようになっている。また、これらのモータロータ７ｂ、円筒部７ｃ、及びリブ７ｄは、例えば上記オーステナイト系ステンレス鋼により構成されたものであり、必要な強度及び上記冷却水に対する耐食性が確保されている。また、モータロータ７ｂの外周側には、樹脂モールドされることにより防水性が確保された永久磁石（図示せず）が設けられている。そして、この電動モータ７は、そのステータ巻線７ａに通電することによって回転磁界を発生させ、その回転磁界と上記永久磁石の磁界との相互作用により回転体３を所望の回転速度で回転させる。
【００１０】
また、上記回転体３の回転軸４は、モータロータ７ｂを左右方向で挟むように設けられた一対の動圧軸受８により、上記ハウジング２内で回転自在に支持されている。
上記動圧軸受８は、上記オーステナイト系ステンレス鋼などの冷却水に対する優れた耐食性をもつ金属素材からなる耐食材により構成されたものであり、ハウジング２に固定された円環状の固定部８ａと、この固定部８ａと同芯円上に設けられ、軸方向一端側端面と軸方向他端側端面との間に形成される軸受面である内周面８ｂ１にスパイラルパターンやへリングボーンパターン等の帯状の動圧発生用溝８ｂ２（図２）が形成された円環状の動圧発生部８ｂとを備えている。また、動圧軸受８は、図１の矢印Ｆ１にて示すように、ハウジング２内を流れる冷却水を潤滑流体として、その動圧発生用溝８ｂ２とこれに対向する回転軸外周面４ａとの間に、回転体３の回転に応じた動圧を発生させることにより、回転体３をラジアル方向に支承する。
また、この動圧軸受８では、上記固定部８ａと動圧発生部８ｂとの間で周方向に沿って等間隔に複数の開口８ｃが設けられており、これらの開口８ｃに冷却水を通してポンプ効率の低下を極力抑えるようになっている。
【００１１】
また、図２に示すように、上記動圧発生部８ｂと対向する回転軸外周面４ａの上記対向部分の表面にはダイヤモンドライクカーボン膜（以下、「ＤＬＣ膜」ともいう）１０が形成されている。
上記ＤＬＣ膜１０は、例えば炭素をターゲットとしたスパッタリング法により、１．０〜５．０μｍ程度の膜厚で上記対向部分の表面上に成膜されたものであり、ビッカース硬度１０００〜２０００（Ｈｖ）程度の硬さを有する硬質膜を構成している。このＤＬＣ膜１０の表面粗さは例えば中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ以下に管理されている。また、このＤＬＣ膜１０は、所定の密着力（少なくとも４０Ｎ、好ましくは６０Ｎ）で対向部分の上記表面に接合されており、この表面から剥離しないようになっている。さらに、このＤＬＣ膜１０は、冷却水に対する優れた耐食性を有するとともに、当接する相手材への攻撃性及び摩擦係数が低く、しかも耐摩耗性に優れ、若干の自己潤滑性を有する皮膜であり、回転体３の回転開始時や停止時などにおいて動圧軸受８と回転体３の回転軸外周面４ａとが接触するときに動圧軸受８の回転軸外周面４ａとの間での耐摩耗性及び摺動特性を向上させる。
【００１２】
上記スパッタリング法によるＤＬＣ膜１０の形成では、アルゴンガス、炭化水素ガスなどの導入ガスが導入された蒸着室内の圧力を１０-3〜１０（Ｔｏｒｒ）程度とし、放電電圧１００〜２０００（Ｖ）、電流２〜１０（Ａ）の放電処理を行うことにより、ターゲット面である上記対向部分の表面に炭素を蒸着する。これにより、上記膜厚、硬さ等を有し、グラファイト（ＳＰ2）構造とダイヤモンド（ＳＰ3）構造とが共存した非晶質構造からなるＤＬＣ膜１０が上記対向部分の表面上に形成される。尚、このＤＬＣ膜１０を形成するときには、上記ターゲット面以外の外周面４ａなどの回転軸表面はマスク部材によりマスキングが施され、炭素が付着しないようになっている。
また、上記ＤＬＣ膜１０の膜厚が１．０μｍ未満であれば耐摩耗性が不足し、５．０μｍを超えると、コストが膨大となるだけでなく、膜厚が厚すぎることによる内部応力が大きくなり剥離の原因となる。それ故、ＤＬＣ膜１０の好ましい膜厚は、１．０〜５．０μｍであり、さらに好ましくは３．０μｍである。
また、ＤＬＣ膜１０の上記表面に対する密着力が４０Ｎ未満であると、当該ＤＬＣ膜１０の剥離を生じやすくなる。
また、ＤＬＣ膜１０の硬さがビッカース硬度（Ｈｖ）で１０００未満であれば耐摩耗性が不足し、２０００を超えると、内部応力が大きくなり剥離の原因となる。
【００１３】
尚、上記のスパッタリング法以外に、ベンゼンを原料ガスとしたイオンビーム蒸着によるイオンプレーティング法等の他の物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、あるいはプラズマジェットを利用したプラズマ溶射などの溶射法を用いて、ＤＬＣ膜１０を形成してもよい。また、ローレット加工等により、上記対向部分の表面を粗面に仕上げることでＤＬＣ膜１０が形成される表面への密着性（密着強度）を高めてもよい。但し、上記スパッタリング法等のＰＶＤは、物理的メカニズムを利用した成膜法であることから、下地（回転軸４）の材料に左右されることがなく、他の成膜法に比べて下地に対する高い密着性を容易に確保できるので、ＤＬＣ膜１０の形成に最適である。また、この説明以外に、タングステン等をＤＬＣ膜１０に含有させたり、クロム膜等をＤＬＣ膜１０と表面との間に介在させたりして、ＤＬＣ膜１０の回転軸表面に対する密着強度を高める構成でもよい。
【００１４】
また、図１においては、上記動圧発生部８ｂと回転軸４との隙間を誇張して図示しているが、実際の隙間の寸法は数十μｍ程度に設定されており、動圧発生部８ｂがＤＬＣ膜１０との間でキャビテーションとこれに起因する異常音及び異常振動等を生じることなく、上記動圧を適切に発生させて回転体３を安定して支持するようになっている。
【００１５】
以上のように、本実施形態のポンプ１では、上記金属素材からなる耐食材により動圧軸受８を構成しているので、当該軸受８の冷却水に対する耐食性を向上することができる。また、回転軸外周面４ａの動圧軸受８と対向する対向部分に上記ＤＬＣ膜１０を形成して、回転体３の回転開始時などでの動圧軸受８の回転軸外周面４ａとの間での耐摩耗性及び摺動特性を向上させるので、冷却水に対する耐食性を向上することができる点とも相まって、動圧軸受８は長期間にわたって回転体３を高精度に支持することができ、当該動圧軸受８の寿命、ひいてはポンプ１の寿命を長寿命なものとすることができる。さらに、ポンプ１の循環水である冷却水を潤滑流体として用いた動圧軸受８によって回転体３を支持させているので、グリースが封入された転がり軸受を用いた場合と異なり、軸受内部への循環水の浸入に起因するグリースの流出やその粘度低下、劣化等が発生することがなく、循環水の汚染及び軸受性能の低下などの発生を防いだ高性能で環境性に優れ、かつ長期間にわたって回転体３の回転精度を維持することができるエンジン冷却用等のポンプを容易に構成することができる。
【００１６】
尚、本発明の発明者等による検証試験によれば、回転体３を１００００ｒｐｍで回転させて、６０℃の水を循環供給するポンプで６ヶ月以上連続運転させても、動圧軸受８及びポンプ１に不具合発生の兆候は全く現れておらず、ポンプ寿命を格段に延ばせることが実証されている。
【００１８】
また、上記の説明では、モータロータ７ｂを左右方向で挟むように、一対の動圧軸受８を設けた構成について説明したが、動圧軸受８の形状、設置数や設置箇所、またはＤＬＣ膜１０の成膜箇所、あるいはインペラ５の形状や個数などの回転体３の構成は上記のものに何等限定されない。
具体的にいえば、上記一対の動圧軸受８に代えて、図３及び４に示すように、モータロータ７ｂの外周面に対向するようハウジング２の内周面に固定された筒状のスリーブ部材１８ａによって動圧軸受１８を構成して、回転体３を回転自在に支持する構成でもよい。上記スリーブ部材１８ａは、動圧軸受８と同様に、上記オーステナイト系ステンレス鋼などの金属素材からなる耐食材によって構成されたものであり、当該スリーブ部材１８ａには、モータロータ７ｂの対向する外周面７ｂ３との対向面に回転体３の回転に応じた所望の動圧を発生させる動圧発生用溝１８ａ２が内周面１８ａ１に形成されている。
また、図４に示すように、モータロータ７ｂの外周面７ｂ３の表面上には、上記ＤＬＣ膜１０が形成されている。尚、上記とは逆に、モータロータ７ｂの外周面７ｂ３に動圧発生用溝を設け、スリーブ部材１８ａには同溝を設けない構成としてもよい。
【００１９】
また、図３においては、スリーブ部材１８ａと上記モータロータ７ｂとの隙間を誇張して図示しており、スリーブ部材１８ａとモータロータ７ｂの最外周部である上記ＤＬＣ膜１０との隙間は数十μｍ程度であり、図１に示した場合と同様に、スリーブ部材１８ａがＤＬＣ膜１０との間でキャビテーションとこれに起因する異常音及び異常振動等を生じることなく、上記動圧を適切に発生させて回転体３を安定して支持するようになっている。また、上記耐食材によりスリーブ部材１８ａを構成するとともに、このスリーブ部材１８ａに対向するモータロータ７ｂの表面にＤＬＣ膜１０を形成したことから、動圧軸受１８は図１に示した動圧軸受８と同様な効果を得ることができる。
【００２０】
また、この実施形態では、図３に示すように、モータロータ７ｂの内部に一対のインペラ５を設け、これらのインペラ５を介してモータロータ７ｂと回転軸４とを一体回転可能に連結するとともに、上記動圧軸受１８と同軸上で回転体３を回転支持する一対のタッチダウン軸受１２をハウジング２内に設けている。
詳細には、インペラ５の一端（外周）側がモータロータ７ｂの内周面側に固定され、他端（内周）が回転軸４の外周面側に一体回転可能に取り付けられている。これにより、図１に示した円筒部７ｃ及びリブ７ｄを割愛することができるとともに、インペラ５をモータロータの７ｂの内部に設けたことから、回転体３、ひいてはポンプ１の軸方向長さを容易に短くすることができる。
【００２１】
また、上記タッチダウン軸受１２は、上記耐食材からなる円筒状の部材により構成されたものであり、同耐食材により構成されたドーナツ状の取付部材１１を介してハウジング２内に配置されている。
上記取付部材１１は、ハウジング２に固定された円環状の固定部１１ａと、タッチダウン軸受１２が圧入固定されたリング状部１１ｂと、これら固定部１１ａとリング状部１１ｂとの間で周方向に沿って等間隔に形成された複数の開口１１ｃとを備えており、上記の開口１１ｃに冷却水を通してポンプ効率の低下を極力抑えるようになっている。
また、上記タッチダウン軸受１２の内周面１２ａと回転軸４の外周面４ａとの離間寸法は、動圧軸受１８の内周面１８ａ１と上記外周面７ｂ３上のＤＬＣ膜１０との間の間隔寸法より、数μｍ〜数十μｍ程度小さい値に設定されており、タッチダウン軸受１２は回転体３のラジアル方向の可動範囲を規制するとともに、ポンプ１の起動時及び停止時などで回転軸４の外周面４ａと当接することによって、動圧軸受１８のＤＬＣ膜１０との接触を防止する。
【００２２】
以上のように、この実施形態では、タッチダウン軸受１２を設けて動圧軸受１８のＤＬＣ膜１０との接触を防止するので、この接触による摩耗や損傷が動圧軸受１８及びＤＬＣ膜１０などに発生するのを確実に防止することができる。また、タッチダウン軸受１２が動圧軸受１８とＤＬＣ膜１０との接触を防止することから、たとえ冷却水漏れ等により動圧軸受１８が動圧を発生させることができないポンプ緊急停止時などでも、当該軸受１８とＤＬＣ膜１０との衝突を防ぐことができ、上記動圧発生用溝１８ａ２などに変形や破損を生じることを防止することができる。また、上記取付部材１１及びタッチダウン軸受１２を、動圧軸受８，１８と同様に上記耐食材により構成したことから冷却水に対する耐食性を向上することができるとともに、タッチダウン軸受１２の回転軸４に対する耐摩耗性及び摺動特性を向上させることができ、タッチダウン軸受１２の寿命、ひいてはポンプ寿命を長寿命化することができる。また、ポンプ１の起動停止を頻繁に行う用途でタッチダウン軸受１２が損傷した場合でも、当該ダッチダウン軸受１２のみ交換すればポンプ１の継続使用が可能となる。また、モータロータ７ｂに向かい合う上記動圧軸受１８によって回転体３を回転自在に支持することから、一対の動圧軸受８を用いたものに比べて、ポンプ１の軸方向長さを長くすることなくタッチダウン軸受１２を容易にハウジング２内に設けることができる。
【００２３】
尚、上記の説明では、冷却水を循環させる軸流式のポンプに適用した場合について説明したが、本発明は、蒸留水などのピュアな水や化学物質を含んだ水溶液などの液体を圧送する回転体と、この液体を潤滑流体として用いて回転体を回転自在に支持する動圧軸受とを有する、電動ウォータポンプ等の各種ポンプに好適に用いることができる。
また、本発明における動圧軸受には、動圧溝を有さないものや、すべり軸受、ステップ軸受をも含んでいる。
また、上記の説明では、オーステナイト系ステンレス鋼などの金属素材からなる耐食材により動圧軸受８，１８を構成した場合について説明したが、本発明は、冷却水等の水を含む液体（潤滑流体）に対する耐食性をもつ耐食材により動圧軸受８，１８を構成するものであれば何等限定されない。具体的には、上記ＤＬＣ膜１０を軸受用鋼（ＳＵＪ２等）の表面に形成した耐食材により、動圧軸受８，１８を構成してもよく、このように動圧軸受８，１８側にＤＬＣ膜１０を形成した場合は、その軸受の耐摩耗性及び摺動特性を向上することから回転体３側でのＤＬＣ膜１０の形成を割愛することができる。また、ＤＬＣ膜１０に代えて、上記水を含む液体に対する耐食性に優れたニッケル等の金属皮膜を電気メッキなどによって軸受用鋼などの表面上に形成した耐食材を用いて、動圧軸受８，１８を構成してもよい。
【００２４】
また、上記の説明では、回転軸４の一端部側の先端部に球状部４ｂを設け、この球状部４ｂをピボット板６の球面座６ａに接した状態で回転体３を回転させる構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば上記球状部４ｂを設けることなく回転軸４の上記先端部を断面円形状とし、さらに上記球面座６ａの代わりに、ピボット板６の回転軸先端部に対向する軸方向端面にヘリングボーン状等の動圧発生用溝を形成して、この溝により発生させた動圧によって回転体３が冷却水を圧送したときに当該回転体３が図１，３の左側に移動するのを規制しつつ、軸方向に回転体３を支承する構成でもよい。このようにピボット板６で回転体３を軸方向に支承する場合、動圧軸受８，１８と同様に、このピボット板６あるいは球状部４ｂを上記耐食材によって構成し、このピボット板６に対向する回転軸４の先端部表面にＤＬＣ膜１０を形成することにより、当該ピボット板６の寿命、ひいてはポンプ寿命を容易に向上することができる。また、逆に、ピボット板６の表面にＤＬＣ膜１０を形成し、対向する回転軸４の先端部を上記耐食材で形成してもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明は以下の効果を奏する。
請求項１のポンプによれば、動圧軸受の水を含む液体に対する耐食性を向上することができるとともに、回転開始時などでの当該軸受の回転体に対する耐摩耗性及び摺動特性を向上することができるので、長期間にわたって回転体を高精度に支持することができ、軸受寿命、ひいてはポンプ寿命の長寿命化を図ることができる。
【００２７】
請求項２のポンプによれば、上記動圧軸受が二個配置されているので、請求項１と同様に、長期間にわたって回転体を高精度に支持することができ、軸受寿命、ひいてはポンプ寿命の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るポンプの構成を示す断面図である。
【図２】図１に示した動圧軸受の動圧発生部とこれに対向する回転軸の対向部分とを示す拡大断面図である。
【図３】別の実施形態に係るポンプの構成を示す断面図である。
【図４】図３に示した動圧軸受の動圧発生部とこれに対向するモータロータの対向部分とを示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１    ポンプ
３    回転体
８，１８    動圧軸受
１０  ダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）
１２  タッチダウン軸受
【図１】
0003988531.tif 000002
【図２】
0003988531.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003988531.tif 000005