ウォータポンプのインペラ軸受構造及び電動ウォータポンプ
【課題】キャビテーション壊食の発生を防止すると共に、粒径数μ〜２０μｍの砂等が冷却水に混入した場合でもスラリー摩耗を防止し、摺動面の摩耗が抑制された長寿命のウォータポンプのインペラ軸受構造と、かかる軸受構造を用いた信頼性の高い電動ウォータポンプとを提供する。
【解決手段】シャフト２７の外周面及びすべり軸受３５、３６の摺動面を構成する金属表面に、アルミニウムが拡散浸透することによって、アルミナ層Ｂ１と金属基材Ｃの間に、表面からの距離が増すにつれてアルミニウムの濃度が徐々に少なくなるアルミニウム拡散層Ｂ２が形成されることから、アルミナ層Ｂ１と金属基材Ｃとの密着力が大幅に向上する。又、拡散浸透法によって得られたアルミナ層Ｂ１は表面硬度が高く、例えば、溶射法による被膜よりも亀裂や気孔が少なく、摺動面のスラリー摩耗とキャビテーション壊食を効果的に抑制することができる。
【解決手段】シャフト２７の外周面及びすべり軸受３５、３６の摺動面を構成する金属表面に、アルミニウムが拡散浸透することによって、アルミナ層Ｂ１と金属基材Ｃの間に、表面からの距離が増すにつれてアルミニウムの濃度が徐々に少なくなるアルミニウム拡散層Ｂ２が形成されることから、アルミナ層Ｂ１と金属基材Ｃとの密着力が大幅に向上する。又、拡散浸透法によって得られたアルミナ層Ｂ１は表面硬度が高く、例えば、溶射法による被膜よりも亀裂や気孔が少なく、摺動面のスラリー摩耗とキャビテーション壊食を効果的に抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウォータポンプのインペラ軸受構造及び電動ウォータポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、広く普及したハイブリッド車や、実用段階に入った電気自動車では、インバータ、モータ等の電動機器に冷却水を強制循環させるために、電動ウォータポンプが使用されている。この電動ウォータポンプには、シャフトの外周面と、そのシャフトに回転自在に支持される回転体の摺動面との間に隙間を設け、その隙間に冷却水を流通させることによって外周面及び摺動面の冷却や潤滑を実施するものがある。
【０００３】
又、車載用の電動ウォータポンプとしては、図７に示されるような、インナーロータ型ブラシレス直流モータを用いた形式のものが開発されている。この電動ウォータポンプは、本出願人によって出願されたものであり、ポンプケース２とケーシング３により筐体を構成し、センサー付きステータ組立体１４をケーシング３の側壁部８とキャン２１の間に樹脂封止したいわゆるキャンド構造を有している。このキャンド構造は、キャン２１とケーシング３の間に第１の弾性密封材４７を圧縮状態で水密に配置し、ポンプケース２とケーシング３の間にキャン２１と第２の弾性密封材４８を水密状態に配置し、ポンプケース２とケーシング３を固着している。そして、インペラ４１の回転によって、図８にも示される電動ポンプの入口５３から導入された冷却水は、出口５４から吐出される。これらの入口５３及び出口５４は、例えば自動車のエンジン冷却用ラジエターのジャケットに接続されることで、冷却水を循環させることができる。
又、図７、図８に示される、インペラ４１を回転させるインナーロータ型ブラシレス直流モータのすべり軸受３５、３６は、冷却水中に浸積されたとき、潤滑効果を発揮する水中セラミック軸受であり、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、米ぬかセラミックの内のいずれか１つで円筒形に構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、ハイブリッド車等に搭載されるウォータポンプとして、支持シャフトと、支持シャフトに回転自在に支持されたポンプシャフトとを備えるウォータポンプが発明されている。支持シャフトは、ポンプシャフトの回転時、ポンプシャフトと摺動する外周面を有する。ポンプシャフトと支持シャフトの外周面との間には、ポンプシャフトの回転時に冷却水が流通する隙間が形成され、外周面には、摺動面が摩耗することを抑制するためにダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）コーティングが施されている（例えば、特許文献２参照）。
又、上記ウォータポンプに使用可能な、無潤滑滑り軸受用組み合わせ摺動部材として、回転軸スリーブ側摺動部材を、網目状炭素繊維材料を回転軸方向に積層成型させ、摺動面において炭素繊維端面が露出した低熱膨張係数の筒形網目状炭素繊維強化炭素系積層複合材とし、固定軸受側摺動部材の摺動面にセラミックス溶射被膜を用いることにより、水中、土砂等スラリー中に加えて、断続的な無潤滑条件下における摺動を可能とする回転機械用滑り軸受摺動部材の組み合わせが開示されている。セラミックス溶射としては、アルミナ溶射、ジルコニア溶射、クロミア溶射が挙げられている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２８２３７１号公報
【特許文献２】特開２００７−２１１６９１号公報
【特許文献３】特開２００６−１７０２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
さて、上記特許文献１、２記載の発明における超硬合金やセラミックス等を素材として用いた滑り軸受は、高硬度、高耐食性を有するが、破壊靱性が低いため、一旦微細な亀裂が入ると脆性破壊を起こしやすく、又、急激な温度変化による熱衝撃破壊にも弱いという難点がある。
一方、上記特許文献３記載の発明のごときセラミックス溶射被膜は、金属基材に直接溶射した場合は密着力が弱く、溶射層の剥離が起きる場合がある。又、溶射被膜はコストが高いという難点もある。
【０００７】
更に、電動ウォータポンプにおいては、ポンプ内を流れる冷却水の流速の相違によってキャビテーションの問題が発生する場合がある。キャビテーションが発生すると、気泡が短時間で発生と消滅を繰り返すが、気泡が小さくなる過程で、部材の表面近くの泡は表面に激突して分裂する。このときの圧力波によって部材表面にキャビテーション壊食（キャビテーションエロージョン）が生じる。シャフトと軸受の間に設けられた隙間にも気泡を含む冷却水が流入するため、キャビテーション壊食によって摺動面の摩耗が進むおそれがある。
又、不適切なメンテナンスによって冷却水に粒径数μ〜２０μｍの砂等の固体粒子（ＳｉＯ2粒子など）が混入し、それらの固体粒子が摺動面に衝突して、スラリー摩耗による摺動面の摩耗が進むおそれがある。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、キャビテーション壊食の発生を防止すると共に、粒径数μ〜２０μｍの砂等が冷却水に混入した場合でもスラリー摩耗を防止し、摺動面の摩耗が抑制された長寿命のウォータポンプのインペラ軸受構造と、かかる軸受構造を用いた信頼性の高い電動ウォータポンプとを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。
【００１０】
（１）金属製のシャフトと、該シャフトの外周面に対し流体が流れ込む間隙を置いて対向する摺動面を有する金属製のすべり軸受とを備え、前記シャフトの外周面及び前記すべり軸受の摺動面の少なくとも一方に、アルミナ層とアルミニウム拡散層とからなる耐摩耗性被膜が形成されているウォータポンプのインペラ軸受構造（請求項１）。
本項に記載のウォータポンプのインペラ軸受構造は、シャフトの外周面及びすべり軸受の摺動面の少なくとも一方に形成された、アルミナ層とアルミニウム拡散層とからなる耐摩耗性被膜により、かかる摺動面のスラリー磨耗とキャビテーション壊食とを何れも抑制するものである。
【００１１】
（２）上記（１）項において、前記耐摩耗性被膜は、前記シャフトの外周面又は前記すべり軸受の摺動面を構成する金属表面に、アルミニウムが拡散浸透することによって構成されているウォータポンプのインペラ軸受構造（請求項２）。
本項に記載のウォータポンプのインペラ軸受構造は、シャフトの外周面又はすべり軸受の摺動面を構成する金属表面に、アルミニウムが拡散浸透することによって、アルミナ層と金属基材の間に、表面からの距離が増すにつれてアルミニウムの濃度が徐々に少なくなるアルミニウム拡散層が形成されることから、アルミナ層と基材との密着力が大幅に向上する。又、拡散浸透法によって得られたアルミナ層は表面硬度が高く、例えば、溶射法による被膜よりも亀裂や気孔が少なく、摺動面のスラリー摩耗とキャビテーション壊食を効果的に抑制することができる。
【００１２】
（３）冷却水を循環させるための車載用のウォータポンプであって、上記（１）又は（２）項記載のインペラ軸受構造を備える電動ウォータポンプ（請求項３）。
本項に記載の電動ウォータポンプは、ウォータポンプのインペラ軸受構造の、シャフトの外周面及びすべり軸受の摺動面の少なくとも一方に形成された、アルミナ層とアルミニウム拡散層とからなる耐摩耗性被膜により、かかる摺動面のスラリー磨耗とキャビテーション壊食とを何れも抑制するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明はこのように構成したので、キャビテーション壊食の発生を防止すると共に、粒径数μ〜２０μｍの砂等が冷却水に混入した場合でもスラリー摩耗を防止し、摺動面の摩耗が抑制された長寿命のウォータポンプのインペラ軸受構造と、かかる軸受構造を用いた信頼性の高い電動ウォータポンプとを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係るウォータポンプのインペラ軸受構造を模式的に示す断面図である。
【図２】スラリー摩耗試験に用いられる噴流型試験機を示す模式図である。
【図３】キャビテーション壊食試験に用いられるキャビテーション壊食試験機を示す模式図である。
【図４】スラリー摩耗試験及びキャビテーション壊食試験に供された試験片を一覧にまとめた図表である。
【図５】図４に挙げられた試験片のスラリー摩耗試験結果を示すグラフである。
【図６】図４に挙げられた試験片のキャビテーション壊食試験結果を示すグラフである。
【図７】従来のウォータポンプの部分断面図である。
【図８】図７に示される従来のウォータポンプの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、従来技術と同一部分若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明を省略する。
本発明の実施の形態に係る電動ウォータポンプは、その基本構造を図７、図８に示される従来の電動ウォータポンプと同じくするものであり、センサーとパワー回路を駆使することにより、ステータ磁極の内側で、永久磁石を備えたロータが回転するインナーロータ型式のブラシレス直流（ＤＣ）モータを用いるものである。ブラシレス（整流子無し）なので、ブラシ摩耗及び機械損が無くなり、ブラシ粉等の異物の混入を防止でき、従来のブラシが発生する電気的ノイズ及び音響ノイズの発生を回避し、ブラシの摩耗による接触不良を無くしたので、メンテナンス等の作業が容易になる。さらには、ブラシのスペースを省略することができる。
【００１６】
又、インナーロータ型なので、アウターロータ型に比べ、冷却水等の流体中で使用する場合、流体との接触面積が比較的小さくなり水損が小さくなり、回転むらが発生しにくく、バランスの良い回転特性を得ることができる。
【００１７】
さらに、ブラシレスＤＣモータなので、永久磁石を設けたロータの回転角を検知するセンサーを組み込み、位置情報によってバイポーラ駆動等により制御するので、ＤＣモータの望ましい特性、即ち、低速から高速までの広い速度範囲を自由自在に変化でき、ノイズ等の発生が抑えられ、しかも制御が容易となる。具体的構造は、以下の通りである。
【００１８】
ポンプ筐体は、フランジ部１ａ、１ｂで締め付け固定されるように、フランジ部１ａ、１ｂで２分割されたポンプケース２とケーシング３からなる。
【００１９】
ポンプケース２は、流体を吸い込むためにホース（図示省略）と嵌合する略筒状の入口ノズル部４と、各インペラ４１の一端を連結するインペラカバー５に対し隙間を介して対抗する略円環状のインペラカバー覆部６と、前記インペラカバー覆部６の外周に連なり、環状の流路の略半分を形成する環状流路部７と、環状流路部７に連なる出口ノズル部（図示省略）と、前記環状流路部７の外周に連なる環状のフランジ部１ａとから構成される。
【００２０】
ケーシング３は、環状のフランジ部１ｂと、フランジ部１ｂに連設する円筒状の側壁部８と、側壁部８に対して底を構成する環状の底板部９と、底板部９から円錐形に膨出する軸受部１０とから構成される。底板部９のケーシング内面側には環状に凸部１１が設けられる。軸受部１０の凹溝１２は、シャフト２７を片持ちするために、シャフト２７の比較的長い支持軸部１３を嵌合固定する。このようにシャフト２７を片持ち支持構造としたので、従来のようにポンプケースの入口ノズル部にもう一方の軸受部を設ける必要性を無くし、流体の流線をなめらかにし、ポンプ効率を向上することができる。
【００２１】
センサー付ステータ組立体１４については、種々の製造方法があるが、例えば、ステータ組立体１９と、センサー組立体２０を図示のように組立て、冷たいアルミダイカスト製のケーシング３及びキャン２１中に配置した後、樹脂をホットメルト（熱した状態で）でポッティングして封止する。このとき、ケーシング３に樹脂の注入口を設けておく。アルミダイカスト製のケーシング３及びキャン２１は熱伝導率が良いので放熱が早く、つまり常に冷たい状態に保つことができるので、従来のように樹脂を型枠内で暖めながら固める代わりに、暖めた樹脂をアルミダイカスト製のケーシング３及びキャン２１を型として急速に放熱させて冷却し、簡単に型無し製造を行うことができる。このポッティング処理により、ステータ巻線も同時にモールドされる。その際、ポッティング処理により、例えば注入量を増やすことにより、キャンの形状を変えることもできる。
【００２２】
ステータ組立体１９は、ステータ形状の鋼板を積層した積層鋼板１５に、内側ステータ巻線案内部１６a、１６ｂと外側ステータ巻線案内部１７ａ、１７ｂを両端に立設し、それら両ステータ巻線案内部１６a、１６ｂ、１７ａ、１７ｂを案内としてステータ巻線１８を設けて構成する。この状態で樹脂封止することもできる。
【００２３】
センサー組立体２０は、適所に段部４５ａ、４５ｂ、４６を有する断面略ユ字状の枠体２４と、前記段部４６に設ける感磁性素子２５と、前記段部４５ａ、４５ｂに搭載した回路基板２３により構成する。回路基板２３には、回路素子２２を設け、感磁性素子２５を接続する。
【００２４】
このように組み立てた状態で型に入れて樹脂封止することもできる。枠体２４はステータ組立体１９の特別に長く延ばした外側ステータ巻線案内部１７ｂに沿わせて位置決めする。
【００２５】
センサー付ステータ組立体１４は、ケーシング３の側壁部８に沿い、底板部９の凸部１１により位置決めされるかたちで、ケーシング３内に収納される。
【００２６】
樹脂封止されたセンサー付ステータ組立体１４の外周に沿うように、樹脂材料若しくはステンレス材、或いはその両方を使用した板状成型体のキャン２１を配置する。キャン２１の両端の内、環状の鍔部５２は、Ｏリング４７を介してポンプケース２のフランジ部１ａとケーシング３のフランジ部１ｂにより水密に狭持される。キャン２１の他端の押当部２６は、底板部９の凸部１１に沿って案内される面４９と、Ｏリング４８を水密に押圧する面５０と、底板部９の内側板面に当接して案内される面５１とを順に連設して構成される。この結果、キャンド構造（キャン２１とシールドとしてのＯリング４７、４８を用いて水密構造とする）を採用することができる。
【００２７】
シャフト２７は、一端から、支持軸部１３、軸受止め部２８、すべり軸部２９、ネジ部が一体に連設されて構成される。
【００２８】
支持軸部１３及びすべり軸部２９は円柱状に形成され、軸受止め部２８は円板状に形成される。シャフト２７のネジ部には、スラストワッシャ３１を挿通し、丸ナット３２を螺合して、スラストワッシャ３１を固定する。頂部がドーム状の丸ナット３２を用いることにより、吸い込む流体の流線が滑らかになる。
【００２９】
インペラロータ３３は、ロータ本体４２のシャフト挿通孔３４に離間して軸受３５、３６を備え、ロータ本体４２の外側の環状段部３７に円筒状のバックヨーク３８とこれに嵌合する円筒状のマグネット３９を嵌合固定し、それらの間に貫通孔方向のベントホール４０を貫通形成し、前記環状段部３７の右方端面にインペラ（羽車）４１の一側を一体に連設し、インペラ４１の他側にインペラカバー５を連設する（クローズド構造）。
なお、インペラカバー５を省略した、いわゆるオープン構造も採り得るものである。
【００３０】
インペラ径対ロータ本体径の比（直径比）は約５０％〜１００％が好ましい。即ち、例えば、前記比をほとんど同じの約１００％とすることにより電動ポンプの高さを低くして電動ポンプの占める体積を小さくすることができる。
【００３１】
このようにインペラ４１とロータ本体４２を一体化し、その直径比を前記の範囲としたので、部品点数を削減でき、モータを含むポンプサイズの小型化が図れる。
【００３２】
ロータ本体４２にベントホール４０を設けたことにより、ベントホール４０の両開口端における流体の差圧に基づくスラスト荷重を緩和することができる。この差圧は流体の流速の差に基づいて発生する。
【００３３】
前記すべり軸部２９と前記軸受止め部２８にそれぞれの面を摺動させる円筒状の軸受３６を設け、前記すべり軸部２９と前記スラストワッシャ３１にそれぞれの面を摺動させる円筒状の軸受３５を設ける。両軸受３５、３６は、冷却液による潤滑効果を利用した水中すべり軸受として、インペラロータ３３にその軸方向に離間して固定する。これにより、軸シールが不要になり、シール漏れ及び機械損が抑制され、長寿命とすることができる。
【００３４】
シャフト２７を軸受部１０によって片持ち状に支持した都合上、両軸受３５と３６の位置を、従来のようにマグネット３９に対し均等に配置することができず、インペラ４１方向にオフセットを設けた位置、即ち、ロータ本体４２に対し図示右方（インペラ方向）にずらした位置に設ける。
【００３５】
全体の構成を通し、流体がラジエターの冷却水の場合、流体と接触する樹脂の材料、例えば、インペラ４１やポンプケース２の材料を、耐ロングライフクーラント（耐エチレングリコール）ＬＬＣ樹脂、やポリフタルアミド（ＰＰＡ）樹脂とすることにより長寿命とすることができる。
【００３６】
ポンプの電動モータは、ブラシレス直流（ＤＣ）モータで構成される。電動モータは、ブラシ粉の発生がなく、メンテナンスが容易な、ブラシレスモータが好ましい。又、直流モータは、大きな起動力トルク、リニアな回転特性を有するので、トルク制御が容易になるため、ＡＣモータに比べ好ましい。ブラシレスＤＣモータ駆動回路は、ホールＩＣ駆動回路、ホール電圧の増幅回路、６相ロジック回路、駆動回路等を必要とする。なお、誘起電圧から回転位置を検出して、センサーレスとすることもできる。
【００３７】
次に、以上のように構成されたポンプを駆動させる電源について説明する。エンジン（図示せず）の出力軸に連結される交流発電機（ＡＣＧ）は、エンジンの回転に同期して３相交流を発生する。この３相交流は、整流器で整流されてバッテリに供給される。本発明の電動ポンプのステータ巻線１８には、ＡＣＧで作られた３相交流を、整流器を介して直流電源とし、それをバイポーラ駆動回路等を介して給電する。前記直流電源が前記ステータ巻線１８に供給されると、ステータ磁極４４には回転磁界が生じ、回転子磁石であるマグネット３９がこの回転磁界によって回転する。これにより、回転子磁石と一体化されているインペラ（羽車）４１が回転する。
なお、電源としては、前記直流電源をインバータを介して３相交流、又、コンバータを介して直流、更に直流をチョッパで制御して直流電源として用いることもできる。
【００３８】
更に、本発明の実施の形態では、次のようなインペラ軸受構造が採用されている。
まず、軸受３５は、図１に部分断面として示されるように、アルミニウムを金属表面に拡散浸透させることによって摺動面にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層Ｂ１と、その下にアルミニウム（Ａｌ）拡散層Ｂ２とを形成させた耐摩耗性被膜Ｂを生成したすべり軸受である。
本発明の実施の形態では、拡散浸透法によってアルミナ層とアルミニウム拡散層からなる耐摩耗性被膜を生成するものであり、拡散浸透法によるアルミナ被膜の生成は、アセトン等で脱脂したＳＵＳ３０４材からなる中空円筒形部材をＡｌ2Ｏ3粉末に埋没させ、１０００〜１１００℃の温度で２４時間加熱し、炉内で冷却した。これにより、アルミニウムが表面部から深部へ拡散してＡｌリッチな層ができ、アルミニウムが選択酸化されて、表面がアルミナ層Ｂ１で、その下がアルミニウム拡散層Ｂ１である耐磨耗被膜Ｂが得られた断面構造を有している。
【００３９】
又、軸受３６も、軸受３５と同じすべり軸受であり、アルミニウムを金属表面に拡散浸透させることによって摺動面にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層Ｂ１（厚さ：１００μｍ）と、その下にアルミニウム（Ａｌ）拡散層Ｂ２（厚さ：１５０μｍ）とを形成させた、膜厚が約２５０μｍの耐摩耗性被膜Ｂを生成したものである。
更に、シャフト２７についてはＳＵＳ３０３材からなり、その断面構造は、軸受３５と同様に、アルミニウムを金属表面に拡散浸透させることによって摺動面にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層Ｂ１と、その下にアルミニウム（Ａｌ）拡散層Ｂ２とを形成させた耐摩耗性被膜Ｂを生成したものである。そして、支持軸部１３、軸受止め部２８、すべり軸部２９、ネジ部３０を順に一体成形して構成する。
なお、本発明の実施の形態では、シャフト２７と軸受３５、３６との双方に耐摩耗性被膜Ｂが形成されているが、必要に応じその一方にのみこれを採用することとしても良い。
【００４０】
上記構成をなす、本発明の実施の形態によれば、シャフト２７の外周面及びすべり軸受３５、３６の摺動面を構成する金属表面に、アルミニウムが拡散浸透することによって、アルミナ層Ｂ１と金属基材Ｃの間に、表面からの距離が増すにつれてアルミニウムの濃度が徐々に少なくなるアルミニウム拡散層Ｂ２が形成されることから、アルミナ層Ｂ１と金属基材Ｃとの密着力が大幅に向上する。又、拡散浸透法によって得られたアルミナ層Ｂ１は表面硬度が高く、例えば、溶射法による被膜よりも亀裂や気孔が少なく、摺動面のスラリー摩耗とキャビテーション壊食を効果的に抑制することができる。
従って、本発明の実施の形態に係る電動ウォータポンプは、インペラ軸受構造を構成するシャフト２７の外周面及びすべり軸受３５、３６の摺動面に形成された、アルミナ層Ｂ１とアルミニウム拡散層Ｂ２とからなる耐摩耗性被膜Ｂにより、かかる摺動面のスラリー磨耗とキャビテーション壊食とを、何れも効果的に抑制するものとなる。そして、粒径数μ〜２０μｍの砂が冷却水に混入した場合でも、長寿命を低コストで達成することが可能となる。
【実施例】
【００４１】
本発明者らは、図２に示される噴流型試験機１００と、図３に示されるキャビテーション壊食試験機２００とを用い、図４に挙げた試験片を対象として、スラリー摩耗試験及びキャビテーション壊食試験を行った。
図２の噴流方試験機１００は、タンク１０２内のスラリー１０４をポンプ１０６でくみ上げ、ノズル１０８から試験片１１０に噴射するものである。図中、符号１１２はタンク１０２内のスラリー１０４を攪拌する攪拌機、符号１１４はインバータである。
スラリー摩耗試験の具体的条件設定として、平均粒径２０μｍのＪＩＳ９号けい砂を水道水に重量比で１％混ぜたスラリー１０４を試験液としてタンク１０２内で撹拌しながらポンプ１０６で圧送した。スラリー１０４の温度は２５℃に管理された。スラリー１０４の噴射ノズル１０６（直径：φ３ｍｍ）を、試験片１１０の表面から２５ｍｍ離した位置から流速１０ｍ／ｓでスラリー１０４を試験片１１０の表面に対して直角に当て、一定時間経過ごとに試験片１１０の重量を計測し、質量減少量を得た。
【００４２】
又、図３のキャビテーション壊食試験機２００は、ＡＳＴＭ規格Ｇ３２−０３による磁歪振動装置を持ち手静置試験片法でキャビテーション壊食試験を行うものであり、超音波発振器２０２に駆動される振動子２０４の増幅ホーン２０６先端部に固定された振動ディスク２０８を、水槽に溜められたイオン交換水２１０に浸し、振動ディスク２０８端面よりキャビテーション気泡を発生させるために、振動ディスク２０８に振動を与え、このキャビテーション気泡によって、試験片１１０の表面を壊食させ、一定時間経過ごとに試験片１１０の重量を計測し、質量減少量を得るものである。図中、符号２１２は電圧計、符号２１４は水温調節装置、符号２１６は水準器である。
又、キャビテーション壊食試験の具体的設定条件として、イオン交換水の温度２５℃、振動ディスク２０８と試験片１１０との隙間１ｍｍ、振動子２０４の共振周波数１９．５ｋＨｚ、振動ディスク２０８端面の全振幅５０μｍとした。
【００４３】
図４に列記された試験片のうち、実施例１が本実施の形態に係る試験片であり、アルミニウムを表面に拡散浸透させたＳＵＳ３０４板材である。又、比較例１〜７は、実施例１と同寸法のＳＵＳ３０４板材に溶射法によって異なる被膜を生成したものであり、比較例８は、参考として被膜を有しない試験片である。
【００４４】
スラリー摩耗試験結果は、図５に示される通りである。図５では、質量減少量が小さいほどスラリー摩耗を抑制できる被膜であることを意味する。
一般的に、炭化タングステン（ＷＣ）を金属と混合して溶射した被膜がスラリー摩耗に対して優れているとされている。図５より、拡散浸透法で形成したＡｌ２Ｏ３被膜を有する実施例１は、溶射法で形成したＷＣ−２７ＮｉＣｒ被膜を有する比較例２と同等の耐スラリー磨耗性を示し、その他の溶射被膜を有する比較例よりも格段に優れていることが分かる。
【００４５】
又、キャビテーション壊食試験結果が図６に示されている。ただし、他の比較例と比べて耐スラリー磨耗性が特に低かった比較例６と比較例８についてはキャビテーション壊食試験を行わなかった。
図６では、質量減少量が小さいほどキャビテーション壊食を抑制できる被膜であることを意味する。拡散浸透法で形成したＡｌ２Ｏ３被膜を有する実施例１は、溶射法で形成したＣｏ−Ｃｒ−Ｃ被膜を有する比較例５と同等の耐スラリー磨耗特性を示している。そして、本発明は、その他の成分の溶射被膜を有する比較例よりも格段に優れていることが分かる。一方、高い耐スラリー磨耗性を示したＷＣ−２７ＮｉＣｒ被膜を有する比較例２は、キャビテーション壊食試験においては大きな質量減少量を示し、キャビテーション壊食を十分に抑制できないことが分かった。
したがって、拡散浸透法で形成したＡｌ２Ｏ３被膜を有する実施例１のみが、優れた耐スラリー磨耗性と耐キャビテーション壊食性を併せ持つことが確認された。
【符号の説明】
【００４６】
２７：シャフト、 ３５、３６：軸受、Ｂ：耐磨耗被膜、：Ｂ１アルミナ層、Ｂ１：アルミニウム拡散層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウォータポンプのインペラ軸受構造及び電動ウォータポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、広く普及したハイブリッド車や、実用段階に入った電気自動車では、インバータ、モータ等の電動機器に冷却水を強制循環させるために、電動ウォータポンプが使用されている。この電動ウォータポンプには、シャフトの外周面と、そのシャフトに回転自在に支持される回転体の摺動面との間に隙間を設け、その隙間に冷却水を流通させることによって外周面及び摺動面の冷却や潤滑を実施するものがある。
【０００３】
又、車載用の電動ウォータポンプとしては、図７に示されるような、インナーロータ型ブラシレス直流モータを用いた形式のものが開発されている。この電動ウォータポンプは、本出願人によって出願されたものであり、ポンプケース２とケーシング３により筐体を構成し、センサー付きステータ組立体１４をケーシング３の側壁部８とキャン２１の間に樹脂封止したいわゆるキャンド構造を有している。このキャンド構造は、キャン２１とケーシング３の間に第１の弾性密封材４７を圧縮状態で水密に配置し、ポンプケース２とケーシング３の間にキャン２１と第２の弾性密封材４８を水密状態に配置し、ポンプケース２とケーシング３を固着している。そして、インペラ４１の回転によって、図８にも示される電動ポンプの入口５３から導入された冷却水は、出口５４から吐出される。これらの入口５３及び出口５４は、例えば自動車のエンジン冷却用ラジエターのジャケットに接続されることで、冷却水を循環させることができる。
又、図７、図８に示される、インペラ４１を回転させるインナーロータ型ブラシレス直流モータのすべり軸受３５、３６は、冷却水中に浸積されたとき、潤滑効果を発揮する水中セラミック軸受であり、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、米ぬかセラミックの内のいずれか１つで円筒形に構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、ハイブリッド車等に搭載されるウォータポンプとして、支持シャフトと、支持シャフトに回転自在に支持されたポンプシャフトとを備えるウォータポンプが発明されている。支持シャフトは、ポンプシャフトの回転時、ポンプシャフトと摺動する外周面を有する。ポンプシャフトと支持シャフトの外周面との間には、ポンプシャフトの回転時に冷却水が流通する隙間が形成され、外周面には、摺動面が摩耗することを抑制するためにダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）コーティングが施されている（例えば、特許文献２参照）。
又、上記ウォータポンプに使用可能な、無潤滑滑り軸受用組み合わせ摺動部材として、回転軸スリーブ側摺動部材を、網目状炭素繊維材料を回転軸方向に積層成型させ、摺動面において炭素繊維端面が露出した低熱膨張係数の筒形網目状炭素繊維強化炭素系積層複合材とし、固定軸受側摺動部材の摺動面にセラミックス溶射被膜を用いることにより、水中、土砂等スラリー中に加えて、断続的な無潤滑条件下における摺動を可能とする回転機械用滑り軸受摺動部材の組み合わせが開示されている。セラミックス溶射としては、アルミナ溶射、ジルコニア溶射、クロミア溶射が挙げられている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２８２３７１号公報
【特許文献２】特開２００７−２１１６９１号公報
【特許文献３】特開２００６−１７０２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
さて、上記特許文献１、２記載の発明における超硬合金やセラミックス等を素材として用いた滑り軸受は、高硬度、高耐食性を有するが、破壊靱性が低いため、一旦微細な亀裂が入ると脆性破壊を起こしやすく、又、急激な温度変化による熱衝撃破壊にも弱いという難点がある。
一方、上記特許文献３記載の発明のごときセラミックス溶射被膜は、金属基材に直接溶射した場合は密着力が弱く、溶射層の剥離が起きる場合がある。又、溶射被膜はコストが高いという難点もある。
【０００７】
更に、電動ウォータポンプにおいては、ポンプ内を流れる冷却水の流速の相違によってキャビテーションの問題が発生する場合がある。キャビテーションが発生すると、気泡が短時間で発生と消滅を繰り返すが、気泡が小さくなる過程で、部材の表面近くの泡は表面に激突して分裂する。このときの圧力波によって部材表面にキャビテーション壊食（キャビテーションエロージョン）が生じる。シャフトと軸受の間に設けられた隙間にも気泡を含む冷却水が流入するため、キャビテーション壊食によって摺動面の摩耗が進むおそれがある。
又、不適切なメンテナンスによって冷却水に粒径数μ〜２０μｍの砂等の固体粒子（ＳｉＯ2粒子など）が混入し、それらの固体粒子が摺動面に衝突して、スラリー摩耗による摺動面の摩耗が進むおそれがある。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、キャビテーション壊食の発生を防止すると共に、粒径数μ〜２０μｍの砂等が冷却水に混入した場合でもスラリー摩耗を防止し、摺動面の摩耗が抑制された長寿命のウォータポンプのインペラ軸受構造と、かかる軸受構造を用いた信頼性の高い電動ウォータポンプとを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。
【００１０】
（１）金属製のシャフトと、該シャフトの外周面に対し流体が流れ込む間隙を置いて対向する摺動面を有する金属製のすべり軸受とを備え、前記シャフトの外周面及び前記すべり軸受の摺動面の少なくとも一方に、アルミナ層とアルミニウム拡散層とからなる耐摩耗性被膜が形成されているウォータポンプのインペラ軸受構造（請求項１）。
本項に記載のウォータポンプのインペラ軸受構造は、シャフトの外周面及びすべり軸受の摺動面の少なくとも一方に形成された、アルミナ層とアルミニウム拡散層とからなる耐摩耗性被膜により、かかる摺動面のスラリー磨耗とキャビテーション壊食とを何れも抑制するものである。
【００１１】
（２）上記（１）項において、前記耐摩耗性被膜は、前記シャフトの外周面又は前記すべり軸受の摺動面を構成する金属表面に、アルミニウムが拡散浸透することによって構成されているウォータポンプのインペラ軸受構造（請求項２）。
本項に記載のウォータポンプのインペラ軸受構造は、シャフトの外周面又はすべり軸受の摺動面を構成する金属表面に、アルミニウムが拡散浸透することによって、アルミナ層と金属基材の間に、表面からの距離が増すにつれてアルミニウムの濃度が徐々に少なくなるアルミニウム拡散層が形成されることから、アルミナ層と基材との密着力が大幅に向上する。又、拡散浸透法によって得られたアルミナ層は表面硬度が高く、例えば、溶射法による被膜よりも亀裂や気孔が少なく、摺動面のスラリー摩耗とキャビテーション壊食を効果的に抑制することができる。
【００１２】
（３）冷却水を循環させるための車載用のウォータポンプであって、上記（１）又は（２）項記載のインペラ軸受構造を備える電動ウォータポンプ（請求項３）。
本項に記載の電動ウォータポンプは、ウォータポンプのインペラ軸受構造の、シャフトの外周面及びすべり軸受の摺動面の少なくとも一方に形成された、アルミナ層とアルミニウム拡散層とからなる耐摩耗性被膜により、かかる摺動面のスラリー磨耗とキャビテーション壊食とを何れも抑制するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明はこのように構成したので、キャビテーション壊食の発生を防止すると共に、粒径数μ〜２０μｍの砂等が冷却水に混入した場合でもスラリー摩耗を防止し、摺動面の摩耗が抑制された長寿命のウォータポンプのインペラ軸受構造と、かかる軸受構造を用いた信頼性の高い電動ウォータポンプとを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係るウォータポンプのインペラ軸受構造を模式的に示す断面図である。
【図２】スラリー摩耗試験に用いられる噴流型試験機を示す模式図である。
【図３】キャビテーション壊食試験に用いられるキャビテーション壊食試験機を示す模式図である。
【図４】スラリー摩耗試験及びキャビテーション壊食試験に供された試験片を一覧にまとめた図表である。
【図５】図４に挙げられた試験片のスラリー摩耗試験結果を示すグラフである。
【図６】図４に挙げられた試験片のキャビテーション壊食試験結果を示すグラフである。
【図７】従来のウォータポンプの部分断面図である。
【図８】図７に示される従来のウォータポンプの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、従来技術と同一部分若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明を省略する。
本発明の実施の形態に係る電動ウォータポンプは、その基本構造を図７、図８に示される従来の電動ウォータポンプと同じくするものであり、センサーとパワー回路を駆使することにより、ステータ磁極の内側で、永久磁石を備えたロータが回転するインナーロータ型式のブラシレス直流（ＤＣ）モータを用いるものである。ブラシレス（整流子無し）なので、ブラシ摩耗及び機械損が無くなり、ブラシ粉等の異物の混入を防止でき、従来のブラシが発生する電気的ノイズ及び音響ノイズの発生を回避し、ブラシの摩耗による接触不良を無くしたので、メンテナンス等の作業が容易になる。さらには、ブラシのスペースを省略することができる。
【００１６】
又、インナーロータ型なので、アウターロータ型に比べ、冷却水等の流体中で使用する場合、流体との接触面積が比較的小さくなり水損が小さくなり、回転むらが発生しにくく、バランスの良い回転特性を得ることができる。
【００１７】
さらに、ブラシレスＤＣモータなので、永久磁石を設けたロータの回転角を検知するセンサーを組み込み、位置情報によってバイポーラ駆動等により制御するので、ＤＣモータの望ましい特性、即ち、低速から高速までの広い速度範囲を自由自在に変化でき、ノイズ等の発生が抑えられ、しかも制御が容易となる。具体的構造は、以下の通りである。
【００１８】
ポンプ筐体は、フランジ部１ａ、１ｂで締め付け固定されるように、フランジ部１ａ、１ｂで２分割されたポンプケース２とケーシング３からなる。
【００１９】
ポンプケース２は、流体を吸い込むためにホース（図示省略）と嵌合する略筒状の入口ノズル部４と、各インペラ４１の一端を連結するインペラカバー５に対し隙間を介して対抗する略円環状のインペラカバー覆部６と、前記インペラカバー覆部６の外周に連なり、環状の流路の略半分を形成する環状流路部７と、環状流路部７に連なる出口ノズル部（図示省略）と、前記環状流路部７の外周に連なる環状のフランジ部１ａとから構成される。
【００２０】
ケーシング３は、環状のフランジ部１ｂと、フランジ部１ｂに連設する円筒状の側壁部８と、側壁部８に対して底を構成する環状の底板部９と、底板部９から円錐形に膨出する軸受部１０とから構成される。底板部９のケーシング内面側には環状に凸部１１が設けられる。軸受部１０の凹溝１２は、シャフト２７を片持ちするために、シャフト２７の比較的長い支持軸部１３を嵌合固定する。このようにシャフト２７を片持ち支持構造としたので、従来のようにポンプケースの入口ノズル部にもう一方の軸受部を設ける必要性を無くし、流体の流線をなめらかにし、ポンプ効率を向上することができる。
【００２１】
センサー付ステータ組立体１４については、種々の製造方法があるが、例えば、ステータ組立体１９と、センサー組立体２０を図示のように組立て、冷たいアルミダイカスト製のケーシング３及びキャン２１中に配置した後、樹脂をホットメルト（熱した状態で）でポッティングして封止する。このとき、ケーシング３に樹脂の注入口を設けておく。アルミダイカスト製のケーシング３及びキャン２１は熱伝導率が良いので放熱が早く、つまり常に冷たい状態に保つことができるので、従来のように樹脂を型枠内で暖めながら固める代わりに、暖めた樹脂をアルミダイカスト製のケーシング３及びキャン２１を型として急速に放熱させて冷却し、簡単に型無し製造を行うことができる。このポッティング処理により、ステータ巻線も同時にモールドされる。その際、ポッティング処理により、例えば注入量を増やすことにより、キャンの形状を変えることもできる。
【００２２】
ステータ組立体１９は、ステータ形状の鋼板を積層した積層鋼板１５に、内側ステータ巻線案内部１６a、１６ｂと外側ステータ巻線案内部１７ａ、１７ｂを両端に立設し、それら両ステータ巻線案内部１６a、１６ｂ、１７ａ、１７ｂを案内としてステータ巻線１８を設けて構成する。この状態で樹脂封止することもできる。
【００２３】
センサー組立体２０は、適所に段部４５ａ、４５ｂ、４６を有する断面略ユ字状の枠体２４と、前記段部４６に設ける感磁性素子２５と、前記段部４５ａ、４５ｂに搭載した回路基板２３により構成する。回路基板２３には、回路素子２２を設け、感磁性素子２５を接続する。
【００２４】
このように組み立てた状態で型に入れて樹脂封止することもできる。枠体２４はステータ組立体１９の特別に長く延ばした外側ステータ巻線案内部１７ｂに沿わせて位置決めする。
【００２５】
センサー付ステータ組立体１４は、ケーシング３の側壁部８に沿い、底板部９の凸部１１により位置決めされるかたちで、ケーシング３内に収納される。
【００２６】
樹脂封止されたセンサー付ステータ組立体１４の外周に沿うように、樹脂材料若しくはステンレス材、或いはその両方を使用した板状成型体のキャン２１を配置する。キャン２１の両端の内、環状の鍔部５２は、Ｏリング４７を介してポンプケース２のフランジ部１ａとケーシング３のフランジ部１ｂにより水密に狭持される。キャン２１の他端の押当部２６は、底板部９の凸部１１に沿って案内される面４９と、Ｏリング４８を水密に押圧する面５０と、底板部９の内側板面に当接して案内される面５１とを順に連設して構成される。この結果、キャンド構造（キャン２１とシールドとしてのＯリング４７、４８を用いて水密構造とする）を採用することができる。
【００２７】
シャフト２７は、一端から、支持軸部１３、軸受止め部２８、すべり軸部２９、ネジ部が一体に連設されて構成される。
【００２８】
支持軸部１３及びすべり軸部２９は円柱状に形成され、軸受止め部２８は円板状に形成される。シャフト２７のネジ部には、スラストワッシャ３１を挿通し、丸ナット３２を螺合して、スラストワッシャ３１を固定する。頂部がドーム状の丸ナット３２を用いることにより、吸い込む流体の流線が滑らかになる。
【００２９】
インペラロータ３３は、ロータ本体４２のシャフト挿通孔３４に離間して軸受３５、３６を備え、ロータ本体４２の外側の環状段部３７に円筒状のバックヨーク３８とこれに嵌合する円筒状のマグネット３９を嵌合固定し、それらの間に貫通孔方向のベントホール４０を貫通形成し、前記環状段部３７の右方端面にインペラ（羽車）４１の一側を一体に連設し、インペラ４１の他側にインペラカバー５を連設する（クローズド構造）。
なお、インペラカバー５を省略した、いわゆるオープン構造も採り得るものである。
【００３０】
インペラ径対ロータ本体径の比（直径比）は約５０％〜１００％が好ましい。即ち、例えば、前記比をほとんど同じの約１００％とすることにより電動ポンプの高さを低くして電動ポンプの占める体積を小さくすることができる。
【００３１】
このようにインペラ４１とロータ本体４２を一体化し、その直径比を前記の範囲としたので、部品点数を削減でき、モータを含むポンプサイズの小型化が図れる。
【００３２】
ロータ本体４２にベントホール４０を設けたことにより、ベントホール４０の両開口端における流体の差圧に基づくスラスト荷重を緩和することができる。この差圧は流体の流速の差に基づいて発生する。
【００３３】
前記すべり軸部２９と前記軸受止め部２８にそれぞれの面を摺動させる円筒状の軸受３６を設け、前記すべり軸部２９と前記スラストワッシャ３１にそれぞれの面を摺動させる円筒状の軸受３５を設ける。両軸受３５、３６は、冷却液による潤滑効果を利用した水中すべり軸受として、インペラロータ３３にその軸方向に離間して固定する。これにより、軸シールが不要になり、シール漏れ及び機械損が抑制され、長寿命とすることができる。
【００３４】
シャフト２７を軸受部１０によって片持ち状に支持した都合上、両軸受３５と３６の位置を、従来のようにマグネット３９に対し均等に配置することができず、インペラ４１方向にオフセットを設けた位置、即ち、ロータ本体４２に対し図示右方（インペラ方向）にずらした位置に設ける。
【００３５】
全体の構成を通し、流体がラジエターの冷却水の場合、流体と接触する樹脂の材料、例えば、インペラ４１やポンプケース２の材料を、耐ロングライフクーラント（耐エチレングリコール）ＬＬＣ樹脂、やポリフタルアミド（ＰＰＡ）樹脂とすることにより長寿命とすることができる。
【００３６】
ポンプの電動モータは、ブラシレス直流（ＤＣ）モータで構成される。電動モータは、ブラシ粉の発生がなく、メンテナンスが容易な、ブラシレスモータが好ましい。又、直流モータは、大きな起動力トルク、リニアな回転特性を有するので、トルク制御が容易になるため、ＡＣモータに比べ好ましい。ブラシレスＤＣモータ駆動回路は、ホールＩＣ駆動回路、ホール電圧の増幅回路、６相ロジック回路、駆動回路等を必要とする。なお、誘起電圧から回転位置を検出して、センサーレスとすることもできる。
【００３７】
次に、以上のように構成されたポンプを駆動させる電源について説明する。エンジン（図示せず）の出力軸に連結される交流発電機（ＡＣＧ）は、エンジンの回転に同期して３相交流を発生する。この３相交流は、整流器で整流されてバッテリに供給される。本発明の電動ポンプのステータ巻線１８には、ＡＣＧで作られた３相交流を、整流器を介して直流電源とし、それをバイポーラ駆動回路等を介して給電する。前記直流電源が前記ステータ巻線１８に供給されると、ステータ磁極４４には回転磁界が生じ、回転子磁石であるマグネット３９がこの回転磁界によって回転する。これにより、回転子磁石と一体化されているインペラ（羽車）４１が回転する。
なお、電源としては、前記直流電源をインバータを介して３相交流、又、コンバータを介して直流、更に直流をチョッパで制御して直流電源として用いることもできる。
【００３８】
更に、本発明の実施の形態では、次のようなインペラ軸受構造が採用されている。
まず、軸受３５は、図１に部分断面として示されるように、アルミニウムを金属表面に拡散浸透させることによって摺動面にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層Ｂ１と、その下にアルミニウム（Ａｌ）拡散層Ｂ２とを形成させた耐摩耗性被膜Ｂを生成したすべり軸受である。
本発明の実施の形態では、拡散浸透法によってアルミナ層とアルミニウム拡散層からなる耐摩耗性被膜を生成するものであり、拡散浸透法によるアルミナ被膜の生成は、アセトン等で脱脂したＳＵＳ３０４材からなる中空円筒形部材をＡｌ2Ｏ3粉末に埋没させ、１０００〜１１００℃の温度で２４時間加熱し、炉内で冷却した。これにより、アルミニウムが表面部から深部へ拡散してＡｌリッチな層ができ、アルミニウムが選択酸化されて、表面がアルミナ層Ｂ１で、その下がアルミニウム拡散層Ｂ１である耐磨耗被膜Ｂが得られた断面構造を有している。
【００３９】
又、軸受３６も、軸受３５と同じすべり軸受であり、アルミニウムを金属表面に拡散浸透させることによって摺動面にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層Ｂ１（厚さ：１００μｍ）と、その下にアルミニウム（Ａｌ）拡散層Ｂ２（厚さ：１５０μｍ）とを形成させた、膜厚が約２５０μｍの耐摩耗性被膜Ｂを生成したものである。
更に、シャフト２７についてはＳＵＳ３０３材からなり、その断面構造は、軸受３５と同様に、アルミニウムを金属表面に拡散浸透させることによって摺動面にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層Ｂ１と、その下にアルミニウム（Ａｌ）拡散層Ｂ２とを形成させた耐摩耗性被膜Ｂを生成したものである。そして、支持軸部１３、軸受止め部２８、すべり軸部２９、ネジ部３０を順に一体成形して構成する。
なお、本発明の実施の形態では、シャフト２７と軸受３５、３６との双方に耐摩耗性被膜Ｂが形成されているが、必要に応じその一方にのみこれを採用することとしても良い。
【００４０】
上記構成をなす、本発明の実施の形態によれば、シャフト２７の外周面及びすべり軸受３５、３６の摺動面を構成する金属表面に、アルミニウムが拡散浸透することによって、アルミナ層Ｂ１と金属基材Ｃの間に、表面からの距離が増すにつれてアルミニウムの濃度が徐々に少なくなるアルミニウム拡散層Ｂ２が形成されることから、アルミナ層Ｂ１と金属基材Ｃとの密着力が大幅に向上する。又、拡散浸透法によって得られたアルミナ層Ｂ１は表面硬度が高く、例えば、溶射法による被膜よりも亀裂や気孔が少なく、摺動面のスラリー摩耗とキャビテーション壊食を効果的に抑制することができる。
従って、本発明の実施の形態に係る電動ウォータポンプは、インペラ軸受構造を構成するシャフト２７の外周面及びすべり軸受３５、３６の摺動面に形成された、アルミナ層Ｂ１とアルミニウム拡散層Ｂ２とからなる耐摩耗性被膜Ｂにより、かかる摺動面のスラリー磨耗とキャビテーション壊食とを、何れも効果的に抑制するものとなる。そして、粒径数μ〜２０μｍの砂が冷却水に混入した場合でも、長寿命を低コストで達成することが可能となる。
【実施例】
【００４１】
本発明者らは、図２に示される噴流型試験機１００と、図３に示されるキャビテーション壊食試験機２００とを用い、図４に挙げた試験片を対象として、スラリー摩耗試験及びキャビテーション壊食試験を行った。
図２の噴流方試験機１００は、タンク１０２内のスラリー１０４をポンプ１０６でくみ上げ、ノズル１０８から試験片１１０に噴射するものである。図中、符号１１２はタンク１０２内のスラリー１０４を攪拌する攪拌機、符号１１４はインバータである。
スラリー摩耗試験の具体的条件設定として、平均粒径２０μｍのＪＩＳ９号けい砂を水道水に重量比で１％混ぜたスラリー１０４を試験液としてタンク１０２内で撹拌しながらポンプ１０６で圧送した。スラリー１０４の温度は２５℃に管理された。スラリー１０４の噴射ノズル１０６（直径：φ３ｍｍ）を、試験片１１０の表面から２５ｍｍ離した位置から流速１０ｍ／ｓでスラリー１０４を試験片１１０の表面に対して直角に当て、一定時間経過ごとに試験片１１０の重量を計測し、質量減少量を得た。
【００４２】
又、図３のキャビテーション壊食試験機２００は、ＡＳＴＭ規格Ｇ３２−０３による磁歪振動装置を持ち手静置試験片法でキャビテーション壊食試験を行うものであり、超音波発振器２０２に駆動される振動子２０４の増幅ホーン２０６先端部に固定された振動ディスク２０８を、水槽に溜められたイオン交換水２１０に浸し、振動ディスク２０８端面よりキャビテーション気泡を発生させるために、振動ディスク２０８に振動を与え、このキャビテーション気泡によって、試験片１１０の表面を壊食させ、一定時間経過ごとに試験片１１０の重量を計測し、質量減少量を得るものである。図中、符号２１２は電圧計、符号２１４は水温調節装置、符号２１６は水準器である。
又、キャビテーション壊食試験の具体的設定条件として、イオン交換水の温度２５℃、振動ディスク２０８と試験片１１０との隙間１ｍｍ、振動子２０４の共振周波数１９．５ｋＨｚ、振動ディスク２０８端面の全振幅５０μｍとした。
【００４３】
図４に列記された試験片のうち、実施例１が本実施の形態に係る試験片であり、アルミニウムを表面に拡散浸透させたＳＵＳ３０４板材である。又、比較例１〜７は、実施例１と同寸法のＳＵＳ３０４板材に溶射法によって異なる被膜を生成したものであり、比較例８は、参考として被膜を有しない試験片である。
【００４４】
スラリー摩耗試験結果は、図５に示される通りである。図５では、質量減少量が小さいほどスラリー摩耗を抑制できる被膜であることを意味する。
一般的に、炭化タングステン（ＷＣ）を金属と混合して溶射した被膜がスラリー摩耗に対して優れているとされている。図５より、拡散浸透法で形成したＡｌ２Ｏ３被膜を有する実施例１は、溶射法で形成したＷＣ−２７ＮｉＣｒ被膜を有する比較例２と同等の耐スラリー磨耗性を示し、その他の溶射被膜を有する比較例よりも格段に優れていることが分かる。
【００４５】
又、キャビテーション壊食試験結果が図６に示されている。ただし、他の比較例と比べて耐スラリー磨耗性が特に低かった比較例６と比較例８についてはキャビテーション壊食試験を行わなかった。
図６では、質量減少量が小さいほどキャビテーション壊食を抑制できる被膜であることを意味する。拡散浸透法で形成したＡｌ２Ｏ３被膜を有する実施例１は、溶射法で形成したＣｏ−Ｃｒ−Ｃ被膜を有する比較例５と同等の耐スラリー磨耗特性を示している。そして、本発明は、その他の成分の溶射被膜を有する比較例よりも格段に優れていることが分かる。一方、高い耐スラリー磨耗性を示したＷＣ−２７ＮｉＣｒ被膜を有する比較例２は、キャビテーション壊食試験においては大きな質量減少量を示し、キャビテーション壊食を十分に抑制できないことが分かった。
したがって、拡散浸透法で形成したＡｌ２Ｏ３被膜を有する実施例１のみが、優れた耐スラリー磨耗性と耐キャビテーション壊食性を併せ持つことが確認された。
【符号の説明】
【００４６】
２７：シャフト、 ３５、３６：軸受、Ｂ：耐磨耗被膜、：Ｂ１アルミナ層、Ｂ１：アルミニウム拡散層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製のシャフトと、該シャフトの外周面に対し流体が流れ込む間隙を置いて対向する摺動面を有する金属製のすべり軸受とを備え、
前記シャフトの外周面及び前記すべり軸受の摺動面の少なくとも一方に、アルミナ層とアルミニウム拡散層とからなる耐摩耗性被膜が形成されていることを特徴とするウォータポンプのインペラ軸受構造。
【請求項２】
前記耐摩耗性被膜は、前記シャフトの外周面又は前記すべり軸受の摺動面を構成する金属表面に、アルミニウムが拡散浸透することによって構成されていることを特徴とする請求項１記載のウォータポンプのインペラ軸受構造。
【請求項３】
冷却水を循環させるための車載用のウォータポンプであって、請求項１又は２記載のインペラ軸受構造を備えることを特徴とする電動ウォータポンプ。
【請求項１】
金属製のシャフトと、該シャフトの外周面に対し流体が流れ込む間隙を置いて対向する摺動面を有する金属製のすべり軸受とを備え、
前記シャフトの外周面及び前記すべり軸受の摺動面の少なくとも一方に、アルミナ層とアルミニウム拡散層とからなる耐摩耗性被膜が形成されていることを特徴とするウォータポンプのインペラ軸受構造。
【請求項２】
前記耐摩耗性被膜は、前記シャフトの外周面又は前記すべり軸受の摺動面を構成する金属表面に、アルミニウムが拡散浸透することによって構成されていることを特徴とする請求項１記載のウォータポンプのインペラ軸受構造。
【請求項３】
冷却水を循環させるための車載用のウォータポンプであって、請求項１又は２記載のインペラ軸受構造を備えることを特徴とする電動ウォータポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−４７２８８（Ｐ２０１１−４７２８８Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９４１４６（Ｐ２００９−１９４１４６）
【出願日】平成２１年８月２５日（２００９．８．２５）
【出願人】（０００１１４２１５）ミネベア株式会社 (846)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２５日（２００９．８．２５）
【出願人】（０００１１４２１５）ミネベア株式会社 (846)
【Ｆターム（参考）】
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