(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化ガス等の極低温状態の液体を収容するタンクに設けられる極低温液体ポンプであって、相対摺動するシリンダとピストン基材とを同一素材で形成し、ピストンの外周面を自己潤滑機能を有する素材の粒子を界面活性剤に均一に分散させた懸濁液を用いたニッケルメッキメッキ層を位置させ、このメッキ層を研磨することによりシリンダ内周面とピストン外周面との間のクリアランスを所定精度に形成してあることを特徴とする極低温液体ポンプ。
【請求項２】
ピストン周面とシリンダ内周面との間のクリアランスを１〜３μｍに設定した請求項１に記載の極低温液体ポンプ。
【請求項３】
極低温状態の液体が液体水素である請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の極低温液体ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば液体水素などのように極低温状態で液化された液化ガスを液体状態で取り出し、供給するための液体ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような極低温状態にある液化ガスを吐出供給する液体ポンプとして、本発明者等が先に提案した特開平７−４３５０号に開示されたものが知られている。
この液体ポンプは、ポンプハウジングに形成された吸込口を液体水素を収容するタンクの底部に開口し、ポンプハウジングの上部に配置されたポンプ駆動部にシリンダを連接してシリンダを往復移動可能に構成し、シリンダに対して相対移動するピストンをポンプハウジングの底部に接続して、ピストンを固定した構造になっている。
【０００３】
ところで、液体水素に代表される液化ガスは、粘度が小さく、潜熱が小さく、極低温であるという性状を有している。このため、このような液体を扱う液体ポンプは、圧縮時にシリンダとピストンの隙間から液体が漏れないようにそのクリアランスを１〜３μｍ程度に調整しなければならず、また熱収縮の問題から、ピストンとシリンダとを同一素材で形成しなければならない、という制約がある。
【０００４】
そこで、前述従来のものでは、ピストンの周面部分を線膨張率がシリンダの線膨張率よりも小さいニッケル合金でライニングし、そのライニング面の外周面に自己潤滑性合成樹脂を配置した構造とし、自己潤滑性合成樹脂の収縮をニッケル合金で抑制するようにし、自己潤滑性合成樹脂の存在でピストンとシリンダとの間の焼き付きを防止するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、各素材の線膨張率は、温度依存性があるうえ、それぞれの素材は生産ロットによって微妙な組成の違いがあり、ピストンとシリンダとの間の隙間寸法を所定寸法に正確に設定することは困難であり、実験的に求めているのが実情である。このため、工業的に量産することが難しいという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような点に鑑み提案されたもので、常温で組立てることができ、高精度の製作技術を必要とせず、摺動部分での焼き付きが発生しない極低温で使用可能な液体ポンプを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために本発明は、相対摺動するシリンダとピストン基材とを同一素材で形成し、ピストンの外周面を自己潤滑機能を有する素材の粒子を界面活性剤に均一に分散させた懸濁液を用いたニッケルメッキメッキ層を位置させ、このメッキ層を研磨することによりシリンダ内周面とピストン外周面との間のクリアランスを所定精度に形成してあることを特徴としている。
【０００８】
【発明の作用】
本発明では、シリンダと同一素材で形成したピストンの外周面を自己潤滑性複合メッキし、この自己潤滑性複合メッキ部分を研磨することにより、ピストン周面とシリンダ内周面との間隙を所定精度(１〜３μｍ)のクリアランスに形成するようにしているので、簡単な作業で、ピストン周面とシリンダ内周面との間隙を正確に設定することができることになる。また、ピストン周面を自己潤滑性複合メッキしているが、このメツキ厚さはピストンの厚みに対して格段に薄いことから、メッキ層の収縮量はピストンの金属部分の収縮量に比べて無視できる程度の極めて微小量となるから、ピストンとシリンダとの間隙を一定に保持することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を適用した液体ポンプの一例を示す液体水素圧送ポンプの概略構成図であり、図２はその要部断面図である。
この液体水素ポンプは、有底筒状に形成したポンプハウジング(１)の底部に吸い込み口(２)が径方向に開口している。また、ポンプハウジング(１)の上部には図示を省略した液体水素貯蔵容器に固定するための取り付けフランジ(３)が固定されており、この取り付けフランジ(３)の上側にポンプヘッド(４)が装着してある。
【００１０】
このポンプヘッド(４)内にはポンプ駆動機構(５)が収容してある。このポンプ駆動機構(５)は、図示を省略した直流電動モータ等の回転駆動源に連動連結されて回転駆動されるクランク軸(６)と、このクランク軸(６)にコネクティングロッド(７)を介して連接されているクロスヘッド(８)とで構成してあり、このクロスヘッド(８)はポンプヘッド(４)内にライナ(９)を介して摺動可能に挿嵌してある。
【００１１】
ポンプハウジング(１)の内部には、ＳＵＳ３０４Ｌで形成したピストン(10)とこのピストン(10)に対して摺動可能に挿嵌されたＳＵＳ３０４Ｌで形成したシリンダ(11)とが装着してあり、ピストン(10)はポンプハウジング(１)の底壁(12)に自在継手(13)を介して保持されたピストンホルダ(14)の内部に固定されている。また、シリンダ(11)は前述のクロスヘッド(８)に連結ロッド(15)及び自在継手(16)を介して支持されているシリンダホルダ(17)の下端部に固定されている。
【００１２】
シリンダ(11)には吸入弁(18)が、ピストン(10)には吐出弁(19)がそれぞれ形成してあり、シリンダ(11)の下降作動時に吸入弁(18)が開弁するとともに吐出弁(19)が閉弁し、シリンダ(11)の上昇移動時に吐出弁(19)が開弁するとともに吸入弁(18)が閉弁するようになっている。そして、ポンプ駆動機構(５)の作動によりシリンダ(11)が下降作動時にピストン(10)内に形成した加圧室(20)に液体水素を取り込み、シリンダ(11)の上昇作動時に加圧室(20)から液体水素を送出するようになっている。
【００１３】
このような基本構造を有する液体ポンプにおいては、ピストン(10)の周面とシリンダ(11)の内周面との間のクリアランスがポンプ効率に大きく影響する。そこで、本発明では、ピストン(10)の外周面をポリテトラフルオロエチレンや、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素、グラファイト等の自己潤滑機能を有する素材の粒子を金属マトリックス(界面活性剤)に均一に分散させた懸濁液を用いて１５μmの厚さにニッケルメッキし、このメッキ層(21)を研磨して、シリンダ(11)の内周面とピストン(10)の外周面との間のクリアランスが１〜３μmになるように形成する。
【００１４】
ピストン(10)とシリンダ(11)とをＳＵＳ３０４Ｌで形成し、ピストン(10)の外形寸法をＤｐ、メッキ層(21)の厚みをｔ、ピストン(10)・シリンダ(11)間のクリアランスをｈとした場合のシリンダ径(Ｄｃ)は、
Ｄｃ＝Ｄｐ＋２ｔ＋２ｈ
で表される。
そして、ピストン(10)とシリンダ(11)を常温(３００Ｋ)で組み立て、液体水素温度(２０Ｋ)まで冷却した場合のピストン径(ＤP1)は、ＳＵＳ３０４Ｌの線膨張率をα1、メッキ素材の線膨張率をα2とすると、
ＤP1＝ＤP(1-α1×(300-20))+2t(1-α2×(300-20))
で表される。また、その場合のシリンダ径(ＤC1)は、
Ｄc1＝Ｄc((1-α1×(300-20))＝(Dp+2t+2h)((1-α1×(300-20))
で表される。
【００１５】
ここで、３００Ｋでのピストン径ＤPを１８mm、メツキ層(21)の厚みｔを１０μm、クリアランスｈを１μm、ＳＵＳ３０４Ｌの線膨張率α1を１１×１０-6、メッキ素材の線膨張率α2を３.５×１０-6とした場合、２０Ｋでのピストン径ＤP1は１７.９６４３４mm、２０Ｋでのシリンダ径ＤC1は１７.９６６４９mmとなる。
したがって、２０Ｋでのクリアランスは(ＤC1−ＤP1)／２であることから、ｈ＝０.０００９７６(mm)となり、３００Ｋでの０.００１mmのクリアランスに対して(０.００１−０.０００９７６)／０.００１＝０.０２４つまり、１μmのクリアランスに対して２.４％しかクリアランス変化は生じないことになる。
【００１６】
このように、ピストン(10)の外周面を自己潤滑性複合メッキし、このメッキ層(21)を研磨することにより、シリンダ(11)・ピストン(10)間の間隙を調整するようにした場合には、メッキ層(21)の厚みがピストン(10)の肉厚に対して極めて小さいことから、メッキ層(21)を構成している素材の線膨張率とピストン構成部材の線膨張率とが多少相違していても、メッキ層(21)での収縮量はピストン(10)の収縮量に比べて無視し得る程度に小さい。このため、ポンプを例えば２０Ｋの温度域で運転しても、同じ素材で形成されているシリンダ(11)とピストン(10)とは同じように収縮するため、クリアランスでの変化は、組付け時のクリアランスに対してミクロンオーダーでの数％程度の変化となるから、２０Ｋという極低温域でも組付け時のクリアランスを維持することができることになる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明は、シリンダと同一素材で形成したピストンの外周面を自己潤滑性複合メッキし、このメッキ層部分を研磨することにより、ピストン周面とシリンダ内周面との間隙を所定精度(１〜３μm)のクリアランスに形成するようにしているので、簡単な作業で、ピストン周面とシリンダ内周面との間隙を正確に設定することができることになる。また、ピストン周面を自己潤滑性複合メッキしているが、このメツキ厚さはピストンの厚みに対して格段に薄いことから、メツキ層部分の収縮量はピストンの金属部分の収縮量に比べて無視できる程度の極めて微少量となるから、ピストンとシリンダとの間隙を一定に保持することができる。
【００１８】
そして、常温域と極低温域でのクリアランスをほぼ一定に維持するための作業は、ピストンの周面を自己潤滑性複合メッキし、このメッキ層を研磨して所定寸法に形成するものであるから、高精度の加工を比較的容易に行うことができ、量産に適した実用的なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した液体ポンプの一例を示す液体水素圧送ポンプの概略構成図でである。
【図２】図１の要部断面図である。
【図３】要部の概念図である。
【符号の説明】
10…ピストン、11…シリンダ、21…メッキ層。
【図１】
0004299912.tif 000002
【図２】
0004299912.tif 000003
【図３】
0004299912.tif 000004