JP2004036588A - トロコイドポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】インナーロータに僅かの加工を施すことで、キャビテーション或いは脈動等を防止し、流体をスムーズに吸入，吐出させるトロコイドポンプとすること。
【解決手段】外歯を有するインナーロータ５と、該インナーロータ５の外歯と噛み合うトロコイド歯形の内歯を有するアウターロータ６とからなること。前記インナーロータ５の歯底５ｂとアウターロータ６の歯先６ａとの噛み合い箇所に、ほぼ三日月形状の拡大空隙部ｑが前記インナーロータ５の歯底５ｂ側に形成させること。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、インナーロータに僅かの加工を施すことで、キャビテーション或いは脈動等を防止し、流体をスムーズに吸入，吐出させることができるトロコイドポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、自動車等のエンジン潤滑油のポンプとしてトロコイドポンプが広く使用されている。このトロコイドポンプは、図９に示すように、トロコイド歯形のインナーロータ及びアウターロータを備えたものである。このトロコイドポンプは、インナーロータとアウターロータとの噛み合い箇所で両者が密着状態となり、そのために液体送出流時におけるキャビテーションにより引き起こされた気泡が破壊されることによって、送出流中に圧力の突然の変動が起こり得るものであった。
【０００３】
そこで、その圧力の突然の変動による影響を防止するとともに、キャビテーション泡がポンプ又はモータの駆動により破壊されないようにするためにデッドスペースが設けられたものが特許２８１８７２３号に示されている。これは、トロコイドポンプのインナーロータの歯底面にデッドスペースとして溝が形成されたものである。そして、この溝にキャビテーション泡が集中するようにしたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そのトロコイドポンプにおいて、インナーロータの歯底面に形成される溝は、キャビテーション泡が集まるように歯底面に局部的に溝が形成されたものであり、適宜の大きさとすることで、歯底面を局部的に削除されたものである。そのために、その溝とした削除箇所には、応力集中がしやすくなり、ひいてはインナーロータの強度を確保することが難しい。また、キャビテーション泡を多量に集中させるために、そのデッドスペースを確保しようとすると溝が大きくなり、インナーロータの歯底面を局部的に大きく削除することとなり、インナーロータの強度の脆弱化が避けられないという課題がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、発明者は、上記課題を解決すべく、鋭意，研究を行った結果、本発明を、外歯を有するインナーロータと、該インナーロータの外歯と噛み合うトロコイド歯形の内歯を有するアウターロータとからなり、前記インナーロータの歯底とアウターロータの歯先との噛み合い箇所に、ほぼ三日月形状の拡大空隙部がインナーロータの歯底側に形成されてなるトロコイドポンプとしたことにより、トロコイドポンプにおけるキャビテーションの発生を防止し、振動及び騒音が低減でき、且つ構造が極めて簡単であり、ロータ自体の強度も十分に確保することができ、上記課題を解決したものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明のトロコイドポンプは、図１（Ａ）に示すように、一般のトロコイドポンプと同様にケーシング内に形成されたロータ室１にトロコイド歯形のインナーロータ５及びアウターロータ６が内装されている。ロータ室１にはその円周方向に沿ってほぼ外周寄りに吸入ポート２と吐出ポート３とが形成されている。前記吸入ポート２及び吐出ポート３は、ロータ室１の中心に対して左右対称となる位置に形成される。
【０００７】
そのインナーロータ５は、歯数においてアウターロータ６よりも一つ少なく、インナーロータ５が一回転すると、アウターロータ６は一歯分遅れて回転する関係となる。このようにインナーロータ５は外方に突出する歯先５ａ及び内方に凹状の歯底５ｂを有し、同様にアウターロータ６は内周側より中心側に向かって突出する歯先６ａ及び凹状の歯底６ｂを有している。そして、インナーロータ５とアウターロータ６とが常時一箇所で噛み合い、インナーロータ５の歯先５ａがアウターロータ６の歯底６ｂに挿入し、またアウターロータ６の歯先６ａがインナーロータ５の歯底５ｂに挿入する。
【０００８】
そして、これらの動作によりインナーロータ５とアウターロータ６との間には、図１（Ａ）に示すように、仕切られた複数の空隙部ｓ，ｓ，…が形成され、回転するインナーロータ５とアウターロータ６により前記吸入ポート２側でその空隙部ｓが次第に容積を増加しつつ吸入ポート２から流体を吸入し、また吐出ポート３側で空隙部ｓが次第に容積を減少させつつ、吐出ポート３から流体の吐出を行う（図３参照）。
【０００９】
本発明におけるインナーロータ５の形状は、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、二つの歯形曲線によって複合されて形成されたものである。その一つは、アウターロータ６のトロコイド歯形に対応する通常のトロコイド歯形を有する形状の曲線であり、以下これを第１歯形曲線Ｍと称する。該第１歯形曲線Ｍのみからなるトロコイド曲線は、アウターロータ６との噛み合いが通常のトロコイドの噛み合い関係となる。次に、前記第１歯形曲線Ｍとともに前記インナーロータ５の外形を構成する別の歯形曲線が存在する。これは、前記第１歯形曲線Ｍと同じ歯数であるが、異なる形状のトロコイド歯形曲線であり、以下，第２歯形曲線Ｎと称する。
【００１０】
これらの第１歯形曲線Ｍと第２歯形曲線Ｎとを以下に示すように複合してインナーロータ５を構成する。まず、第１歯形曲線Ｍのピッチ円Ｐ上又はそれより内側で第２歯形曲線Ｎをそれぞれの歯先が一致するように重ね合わせる。このようにして、前記インナーロータ５の外形は、歯先５ａが第１歯形曲線Ｍの第１歯先Ｍ_１となり、その歯底５ｂが第２歯形曲線Ｎの第２歯底Ｎ_２となる。すなわち、そのインナーロータ５の歯先５ａが前記アウターロータ６の歯底６ｂとが接触するときには密着状となる。
【００１１】
このように、図２（Ｃ）に示すように、インナーロータ５は、その歯先５ａの形状は、前記第１歯形曲線Ｍの第１歯先Ｍ_１の形状に倣って形成され、また歯底５ｂは前記第２歯形曲線Ｎの第２歯底Ｎ_２の形状に倣って形成されたものである。そして、第１歯形曲線Ｍと第２歯形曲線Ｎとを複合させてインナーロータ５が構成され、その歯先５ａの歯形形状は、ピッチ円Ｐを基準として前記第１歯形曲線Ｍの第１歯先Ｍ_１が適用され、歯底５ｂには前記ピッチ円Ｐより内方に位置する第２歯形曲線Ｎの第２歯底Ｎ_２が適用される。
【００１２】
上述した第１歯形曲線Ｍと第２歯形曲線Ｎとから構成されるインナーロータ５において、歯底５ｂの曲線形状は、前記第２歯形曲線Ｎが使用されることにより、第１歯形曲線Ｍのみからなるインナーロータ５とした場合よりも内方に深く湾曲する歯底曲線を形成することができる。その結果、前記インナーロータ５の隣接する歯先５ａ，５ａと、前記アウターロータ６の隣接する歯先６ａ，６ａとにより囲まれた範囲の容積，すなわち歯間容積を拡大させることができる。
【００１３】
これによって、インナーロータ５の歯底５ｂと，アウターロータ６の歯先６ａとの噛み合い状態において、前記歯底５ｂは第２歯形曲線Ｎの第２歯底Ｎ_１が使用されているので、三日月形状の拡大空隙部ｑが構成されることになる。該三日月形状の拡大空隙部ｑは、アウターロータ６の歯先６ａの外周に沿って形成され、且つインナーロータ５の歯底５ｂ側がほぼ引き込むようにして形成されたものである。三日月形状に拡大空隙部ｑにおいて、三日月形状には、筋，線形状から、ほぼ半月状の形状まで種々存在する。また、アウターロータ６の歯先６ａの両側に二つに別れて三日月形状の拡大空隙部ｑが形成されることもある。その拡大空隙部ｑには、図４，図５に示すように、吐出ポート３から吸入ポート２に移動する歯間容積への流体の流れ込みを緩やかに導入させる役目を有し、キャビテーションの発生を抑制して、振動や騒音を防止することができるものである。なお、この拡大空隙部ｑは、前記空隙部ｓが最小となったときに残った空隙部位ともいえる。
【００１４】
しかも、このように歯間容積の拡大箇所が第２歯形曲線Ｎとの複合によって、歯底５ｂすべてがほぼトロコイド歯形曲線となるので、拡大空隙部ｑが従来技術における局部的な矩形状等の溝形状とは異なり、応力集中がほとんど作用することなく、その拡大空隙部ｑ付近のインナーロータ５の歯底５ｂと、アウターロータ６の歯先６ａに均一に作用し、荷重が分散され、その結果、ロータの強度を損なうことが低減でき、強度の確保ができる。
【００１５】
その第２歯形曲線Ｎは、前記第１歯形曲線Ｍと同じ歯数にしながらも、数多くの歯形曲線を設定することができる。このような種々の第２歯形曲線との複合により、インナーロータ５の歯間容積を所望量に適宜拡大して設定することができる。そのインナーロータ５の歯底５ｂを第２歯形曲線にすることで、歯底５ｂを歯形曲線のピッチ円Ｐより下側の第２歯底Ｎ_２とし、第１歯形曲線Ｍのみによる第１歯底Ｍ_２よりも容積を大きく適宜設定できる。
【００１６】
本発明におけるインナーロータ５は、歯底５ｂの歯形曲線を第２歯形曲線又はその近似曲線Ｋ（円弧含む）にすることにより、歯底面の周長方向に容積を拡大した歯底面にすることができ、応力集中を防ぎ、ロータ強度を損なうことなく確保することができる。これに対して、従来技術では、歯間容積を単に拡大するために、歯底面のほぼ中心箇所に局部的な溝が形成され、該溝の拡大を行うことになるが、このような局部的な溝の拡大は、歯底面との急激な形状変化箇所が存在し、このような箇所に応力集中が発生しやすく、ひいてはロータ強度の確保が難しくなる。
【００１７】
また、インナーロータ５の歯底５ｂをピッチ円Ｐの内側に設定して歯間容積を拡大することで、吸入初期から吸入工程全体において流体が滑らかに流動し、その充填性を向上させることができ、ひいてはキャビテーションを抑制することができる。このような歯間容積の拡大において、インナーロータ５の歯底５ｂに設定される拡大容積を最大容積の３％乃至１０％増加させる。この最大容積は、通常のトロコイド歯形曲線によって形成される場合を基準にしたものである。
【００１８】
前述したように、その最大容積を３％乃至１０％の範囲で増加させることにより、インナーロータ５の回転角に対する容積の変化率が緩やかにできる。図７のグラフは、インナーロータ５の回転角（ｄｅｇ）と容積変化率（％）についての関係を示すものである。このグラフには、容積増加率は、３％，５％及び１０％となる３種の新歯形と、従来歯形のものが示されている。このグラフ（図７）に示されているように、１０％の増加率となる歯底５ｂ形状のものが最も容積変化率を少なくできる。
【００１９】
特に、吸入工程における容積変化率を緩やかにすることができるので、図４，図５に示すように、容積内への流体の流入を徐々に満たすことができ、充填率を向上させることができ、キャビテーションの発生を抑制することができる。従来タイプ（図９参照）のものでは、容積変化率が大きいため、容積内への流体の流入が急激になり、流体が滑らかに流動することができず、充填率が低下し、キャビテーションの発生を抑制することが難しいものであった。
【００２０】
そのインナーロータ５の歯底５ｂには、第２歯形曲線Ｎの第２歯底Ｎ_２の代わりに近似曲線Ｋが適用されることもある。その近似曲線Ｋは、図６に示すように真円曲線Ｋａや、図８に示すように楕円曲線Ｋｂ等による曲線が存在する。また、第２歯形曲線Ｎの第２歯底Ｎ_２の最深部と近似曲線Ｋによる歯底５ｂとの最深部とが一致していればよい。このように、インナーロータ５の歯底５ｂを第２歯形曲線Ｎ又は該第２歯形曲線Ｎに近似する近似曲線Ｋにした場合、簡易曲線形状によりインナーロータ５の歯底５ｂを形成することができるので、インナーロータ５の金型成形における成形性を容易にすることができる。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、外歯を有するインナーロータ５と、該インナーロータ５の外歯と噛み合うトロコイド歯形の内歯を有するアウターロータ６とからなり、前記インナーロータ５の歯底５ｂとアウターロータ６の歯先６ａとの噛み合い箇所に、ほぼ三日月形状の拡大空隙部ｑがインナーロータ５側に形成されてなるトロコイドポンプとしたことにより、流体をスムーズに吸入，吐出させることができ、且つキャビテーション或いは脈動等を防止することができる。
【００２２】
上記効果を詳述すると、前記インナーロータ５とアウターロータ６との噛み合い箇所において、拡大空隙部ｑが形成されるとともに、該拡大空隙部ｑは、その形状がほぼ三日月形状となるようにしている。該拡大空隙部ｑの形状は、前記インナーロータ５及びアウターロータ６に対してその外形に適正に馴染むもので、従来のインナーロータの形状に対して極めて僅かに形状が変化するのみである。
【００２３】
そのために、前記インナーロータ５及びアウターロータ６ともに動作時に荷重がかかっても応力集中が生じにくいものにすることができる。したがって、本発明のトロコイドポンプによる流体の容積を拡大させることでキャビテーションの発生を抑制することができ、ひいては振動及びそれに伴う騒音を防止し、トロコイドポンプの耐久性を良好なものにできる。
【００２４】
請求項２の発明は、外歯を有するインナーロータ５と、該インナーロータ５の外歯と噛み合うトロコイド歯形の内歯を有するアウターロータ６とからなり、前記インナーロータ５は、前記アウターロータ６と適正に噛み合うトロコイド歯形を構成する第１歯形曲線Ｍと，該第１歯形曲線Ｍの歯底面よりも中心側寄りに深く形成された歯底面を有する第２歯形曲線Ｎとから複合されるものとし、前記インナーロータ５の歯先形状は前記第１歯形曲線Ｍの歯先形状とし、歯底形状は前記第２歯形曲線Ｎの歯底形状としてなるトロコイドポンプとしたことにより、アウターロータ６のトロコイド歯形に適正に噛み合うトロコイド歯形となる第１歯形曲線Ｍを有するインナーロータ５に対して、歯底面の曲線をそれと異なる第２歯形曲線Ｎにより、歯底面を内側に位置させることによって、ロータの強度を確保しつつ、ロータの歯間容積の拡大を容易にすることができる。
【００２５】
また、インナーロータ５の歯底面における容積拡大は、第２歯形曲線Ｎのトロコイド歯形形状を種々に変化させて前記第１歯形曲線Ｍと複合させることにより、適宜設定することが可能である。また、第１歯形曲線と第２歯形曲線との交差位置を第１歯形曲線のピッチ円Ｐより、内側（歯底側）とすることでインナーロータ５の歯先を残しつつ容積拡大の歯底面を形成することができるので、更にロータの強度を確保することができる。
【００２６】
請求項３の発明は、請求項２において、前記第１歯形曲線Ｍと前記第２歯形曲線Ｎとの複合によって形成される歯底面に設定される容積は第１歯形曲線Ｍのみの歯底面に設定される容積の３％乃至１０％の増加としてなるトロコイドポンプとしたことにより、最大容積の３％〜１０％歯底面の曲線により形成することで、吸入工程における容積変化率を緩やかにすることができる。また、ロータの容積への流体の充填率を向上させることができ、キャビテーションの発生を抑制することができ、脈動を防ぐことができる。
【００２７】
請求項４の発明は、請求項２又は３において、前記第２歯形曲線Ｎの歯底箇所の形状は適宜の近似曲線としてなるトロコイドポンプとしたことにより、異なるトロコイド歯形曲線（第２歯形曲線）に代えて、歯底面箇所の形状を近似した曲線によって、形成することで、形状曲線を簡単にすることができ、作製を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明におけるインナーロータとアウターロータとが噛み合っている状態の正面図
（Ｂ）は（Ａ）の拡大空隙部箇所の拡大図
【図２】（Ａ）は第１歯形曲線の正面図
（Ｂ）は第２歯形曲線の正面図
（Ｃ）は第１歯形曲線と第２歯形曲線とを複合したインナーロータの正面図
【図３】（Ａ）乃至（Ｄ）は本発明におけるインナーロータとアウターロータとの回転状態を示す動作図
【図４】（Ａ）はインナーロータとアウターロータとの間に拡大空隙部が構成される直前の要部拡大図
（Ｂ）はインナーロータとアウターロータとの間に拡大空隙部が構成された要部拡大図
（Ｃ）は拡大空隙部に吸入ポートから流体が入り込む状態の要部拡大図
【図５】（Ａ）はインナーロータとアウターロータとの間に拡大空隙部が構成された最拡大図
（Ｂ）は逃げ空隙部に吸入ポートから流体が入り込む状態の最拡大図
【図６】インナーロータの歯底を真円状の近似曲線とした要部拡大図
【図７】本発明の特性を示すグラフ
【図８】インナーロータの歯底を楕円状の近似曲線とした要部拡大図
【図９】従来技術を示す略示図
【符号の説明】
５…インナーロータ
５ｂ…歯底
６…アウターロータ
ｑ…拡大空隙部
Ｍ…第１歯形曲線
Ｍ_１…第１歯先
Ｍ_２…第１歯底
Ｎ…第２歯形曲線
Ｎ_１…第２歯底面
Ｎ_２…第２歯底

Claims (4)

1. 外歯を有するインナーロータと、該インナーロータの外歯と噛み合うトロコイド歯形の内歯を有するアウターロータとからなり、前記インナーロータの歯底とアウターロータの歯先との噛み合い箇所に、ほぼ三日月形状の拡大空隙部が前記インナーロータの歯底側に形成されてなることを特徴とするトロコイドポンプ。
2. 外歯を有するインナーロータと、該インナーロータの外歯と噛み合うトロコイド歯形の内歯を有するアウターロータとからなり、前記インナーロータは、前記アウターロータと適正に噛み合うトロコイド歯形曲線であって，第１歯先を有する第１歯形曲線と、該第１歯形曲線の第１歯底よりも中心側寄りに深く形成された第２歯底を有する第２歯形曲線とから複合されるものとし、前記インナーロータの歯先の形状は前記第１歯形曲線の第１歯先とし、歯底の形状は前記第２歯形曲線の第２歯底としてなることを特徴とするトロコイドポンプ。
3. 請求項２において、前記第２歯底の容積は、第１歯底に設定される容積の３％乃至１０％の増加としてなることを特徴とするトロコイドポンプ。
4. 請求項２又は３において、前記第２歯形曲線の第２歯底の形状は適宜の近似曲線としてなることを特徴とするトロコイドポンプ。

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