JP2005163566A

JP2005163566A - ねじローター歯形の改良

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Publication number: JP2005163566A
Application number: JP2003400947A
Authority: JP
Inventors: Shigeyoshi Osada; 長田重慶
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】
本発明の目的とするところは、噛合い部でのリークを最小限に保ちつつ、ブローホールを殆ど生じさせないようにすることにある。
【解決手段】
ねじポンプ用ねじローターにおいて、その軸直角断面における歯形の歯先円周方向の一端部にそれぞれ相手ローターの第２歯形系トロコイド歯形を創成するためのトロコイド形成歯形を設け、かつそのトロコイド形成歯型を、その歯形曲線が歯先円に滑らかに接続し、その接続点では曲率が小さく、かつ、その接続点から離れるに従ってローター中心からの距離が単調かつ緩やかに減少する、微分可能な曲線からなる主歯型部分と、主歯型部分の終端点に接続される主歯型部分の終端部と対称な副歯型部分とにより構成したことを特徴とする上記のねじポンプ用ねじローター。
【選択図】図4

Description

本発明は、バイローター型に軸流式ねじポンプとして広く用いられているクインビーポンプのねじローターの改良に関し、特に本発明者が先に、特許第1508478号（特公昭63−59031号）により開示したクインビーポンプの歯形の改良に関する。

特公昭63−59031号により開示された発明は、シールを完全にして容積効率を向上させ、ローターの回転バランスを改善すると共に、主動側ローターから従動側ローターへの動力伝達を確実とし、パイロットギアを必要とせずかつ逆回転を可能とすることを目的としたものである。
これらの目的を達成する為、この発明においては、各ローターを２条以上のネジローターとし、互いに噛合い運動する一対の歯面を、それぞれ相手側ローターの歯先円上の一端点が描く第２歯形系のトロコイド歯形とし、上記一対の歯面以外の歯面を総て第１歯形系の一点連続接触歯形とするものである。
而して、この発明においては、第１歯形系の一点連続接触歯形としては、円弧歯形又はサイクロイド歯形が用いられるものとされている。

特開昭５７−４６０８３号公報特開昭５７−６８５７６号公報

本発明は、トロコイド歯形部分における吐出側流体の逆流阻止、即ち歯面間のシール能力の改善に関するものである。
公知のローターのトロコイド部分の歯形は、理論上は相手ローターの歯先円上の一端点が描くトロコイドであるが、実際のポンプでは、歯先円上の一端点を刃物のように先鋭にして相手ローターのトロコイド面に接触させることはできず、多少のアールを付け、相手ローターとの間に微小間隙を設ける必要がある。
即ち、歯先円上の端点は、実際上は先鋭な点ではなく、小さなアール、即ち、トロコイド歯形と歯先円とに滑らかに接続される微小円弧として構成され、そのため、この小円弧部分の歯型は、相手ローターのトロコイド歯面との間に微小間隙を隔てて移動するようになっており、歯面間に微量の洩れを生じていたものである。
このトロコイド歯形部分の噛合点における歯面間の漏れは、噛合点における歯面間の相対曲率が小さいほど少なくなる。
従って、この観点からすれば、上記の微小円弧の曲率半径はなるべく大きくすることが望ましい。

然しながら、この曲率半径を単純に大きくしようとすると、歯先のアール面と相手ローターの間の間隙が増大するばかりでなく、双方のローターの歯先円弧部分が噛合いを開始すべき角度位置に達したとき、互いに接触し噛合うべき歯面が直ちには接触せず、多少回転した後接触を開始するようになり、又、噛合いの終了すべき角度位置に達する以前に、噛合っているべき歯面が離れ、噛合いが終了してしまうという問題が発生するようになる。
このため両歯面間に所謂ブローホールが生じ、容積効率が低下すると言う問題が生じる。

本発明は、叙上の問題を解決するため為されたものであり、その目的とするところは、ブローホールやトロコイド噛合部での間隙増大を発生させることなく、トロコイド噛合部での相対曲率を増大させ、リークを減少させ、ポンプの効率を向上させることにある。

叙上の目的を達成する為、本発明に係るネジポンプにおいては、その軸直角断面における歯形の歯先円上の一端部にそれぞれ相手ローターの第２歯形系トロコイド歯形を創成するためのトロコイド形成歯型を設け、かつそのトロコイド形成歯型曲線を、歯先円に滑らかに接続し、その接続点では曲率が小さく、かつ、その接続点から離れるに従ってローター中心からの距離が単調かつ緩やかに減少する、微分可能な曲線からなる主歯型部分と、主歯型部分の終端点に接続される主歯型部分の終端部と対称な副歯型部分とにより構成するものである。
而して、本発明においては、上記歯先円上の一端部の歯形、即ちトロコイド形成歯型部分によって相手ローターのトロコイド歯面を形成する。換言すれば、噛合い運動によって描かれる、それぞれの相手ローターのトロコイド形成歯型の包絡線として、トロコイド歯面が形成されるものである。
このトロコイド形成歯型の主歯型部分及び副歯型部分は、楕円弧、インボリュート、円弧その他の曲線歯型として構成される。

上記のように構成すると、噛合い運動が行なわれる第２歯形系のトロコイド歯形部分では、噛合い部における両ローター間の相対曲率が極めて小さくなり、そのため歯形曲線間のリークが抑制され，シール効果が大幅に向上する一方、噛合いの開始点及び終了点では、両ローターともトロコイド曲線部が歯先円周の至近距離まで到達するようになり、そのためブローホールが発生若しくは大きくなることがない。

望ましい一実施例においては、トロコイド形成歯型は、上記歯先円との接続点では曲率が最小で、その接続点からの距離が増大するのに従ってその曲率が単調に増加する滑らかな曲線とされる。
このようなとトロコイド形成歯型の一例は、歯先円に内接する楕円の一部から成る楕円弧により構成される歯型である。この楕円弧としては上記楕円の任意の部分の弧が利用できる。
又他の一例としては、歯先円の一半径に接する円を基礎円とし、歯先円上の上記接続点を起点とするインボリュートの一部からなる歯形を挙げることができる。
この歯型も、上記の条件を満足する。

又、更に別異の一実施例としては、上記接続点で歯先円に内接する曲率の小さい円の一部から成る円弧が採用される。
この実施例では、トロコイド形成歯型曲線は、曲率が一定であるが、その曲率は小さく、かつ、歯先円弧との接続点から離れるに従ってローター中心からの距離が単調かつ緩やかに減少する、微分可能な曲線となると言う条件に適合する。

楕円弧を用いる場合、特に限定されるわけではないが、その楕円の短軸を歯先円の半径方向に合わせることが推奨される。このようにすると上記歯先円ことの接続点では曲率が最小となり、楕円の周に沿って長径方向に向かうにつれ、曲率が順次増大することになる。
噛合点の相対曲率を小さくするという観点からすれば、理論上は楕円の離心率が大きいことが望ましいが、歯先円との接続点における曲率は、歯先円の曲率より大きくなければならない。
この楕円弧であるトロコイド形成歯型曲線は、形状が扁平であり、その主歯型部分の一端では歯先円弧と滑らかに連なり、副歯型部の一端では相手ローターのトロコイド形成歯型によって描かれるトロコイド歯形部分と接続する。
両ローターのこのトロコイド形成歯型が扁平であるので、図６に示した円弧によるトロコイド形成歯型と同様に、これらのトロコイド形成歯型は噛合いの開始点および終了点で会合するので、ブローホールは生じないか、生じたとしても極めて僅かのものとなる。
尚、楕円の短軸の方向が上記歯先円の半径方向と直角或いは任意の角度で交叉する位置に置かれても何ら問題はない。

このトロコイド形成歯型を構成する曲線は、上記の如く楕円弧以外の曲線であって良く、例えば、インボリュート、上記とは異なったトロコイド、ラセン、正弦曲線、双曲線及びそれらの複合曲線であっても良い。

更に別異の好ましい実施例においては、トロコイド形成歯型が、歯先円周上の一点を起点とする曲率半径が歯先円のそれよりやや小さい円弧により構成される。この円弧であるトロコイド形成歯型の副歯型部は、その一端で相手ローターのトロコイド形成歯型によって描かれるトロコイド歯形の端点に連なる。両ローターのこの端点は噛合いの開始点および終了点では一点で会合するので、ブローホールは生じないか、生じたとしても極めて僅かのものとなる。

このトロコイド形成歯型部分は、相手ローターの歯先円近傍のこれと対応する同形同大のトロコイド形成歯型が噛合い運動で描くトロコイド歯形部分と、歯先円の円弧による円弧歯形部分との間の微小歯形部分であり、噛合い運動においてその包絡線が相手ローターのトロコイド歯形部分となるものである。

この歯先円上の一端部の歯形曲線、即ちトロコイド形成歯型は、上記のインボリュート、円弧、又は、楕円弧に限定されるものでなく、正弦曲線、双曲線、その他、請求項１または２に記載の要件を満たす曲線であれば如何なるものであっても良いものである。

図１は、本発明に係る歯形曲線を有するねじローターの歯形を示す軸直角断面図、図2は、1葉形ローターの軸直角断面図、図3は、ブローホールの発生状態を示す説明図、図4は、本発明に係る歯型を用いたローターの噛合い状態説明図、図5は、円弧により構成されたトロコイド形成歯型を示す説明図、図6は、円弧により構成されたトロコイド形成歯型の噛合いの最終接触点における相対位置関係を示す説明図、図7は、インボリュートにより構成されたトロコイド形成歯型を示す説明図である。

図1において、1は主動側ローター、2は従動側ローター、CAは半径R₁の歯先円、CDは半径R₂の歯元円、CPは半径（R₁+R₂）／2のピッチ円である。
主動側ローター1と従動側ローター2とは、ねじれ方向が逆である以外は統べて同一形状同一寸法であるので、以下には主動側ローター1の歯形のみについて説明する。

ここでは、差し当たり、歯形曲線の歯先端部は点A及びA'であるとして説明する。
歯形曲線は、ABCDEFGG'HIJKLMNOPQRSS'TUVAで示される閉曲線から成る。
この曲線で、曲線ABCは相手ローター2の歯先端部の点A'が描くトロコイド、CDEは歯元円C_Bの円弧、EFGはピッチ円C_P上の点O₁を中心として歯元円C_Bに外接する半径r（但し、r=(R₁−R₂)／2）の円弧、GG‘は半径方向直線、G'Hはピッチ円半径（R₁+R₂）／2を直径とする転円によるサイクロイド、HIはピッチ円上の点O₂を中心とし歯先円C_Tに内接する半径rの円弧、LM'はピッチ円半径を直径とする転円によるサイクロイド、MM’は半径方向直線、MNOはピッチ円上の点O₄をを中心として歯元円に外接する半径rの円弧、OPQは歯元円の円弧、QRSはピッチ円上の点O₅を中心として歯元円に外接する半径rの円弧、SS'は半径方向直線、S'T歯ピッチ円半径を直径とする転円によるサイクロイド、TUはピッチ円上の点O₅を中心として歯先円に内接する半径rの円弧、UVAは歯先円の円弧である。

従動ローターの歯先先端点A'が、主動ローター１のトロコイド歯面ABCに接触している状態は、点接触の0次接触であるため、シールが充分に行なわれないが、この歯面ABCは、点A'が描くトロコイドであるため、この噛み合い状態から更に回転が進行すると、両ローターの歯形曲線上の点A、A'は、噛合い開始点または終了点において一致することになる。即ち、この場合にはブローホールは生じない。

図2は一葉形のローター3の軸直角断面を示す。本発明は葉数の如何を問わず、図に示された円形で囲んだ歯先部分３aの歯型に関するものである。

図3は、公知のねじローターでブローホールが発生する状態を示す説明図である。
歯先が曲率の大きい円弧状となっている公知のローターでは、図中左側の図のような噛合い状態ではブローホールが生じていないが、この状態から回転が進むと、右側の図に示す如く噛合いが外れ、ブローホールが生ずるものである。

図4は、本発明にかかるねじポンプ歯型の一実施例を示している。この例ではトロコイド形成歯型は楕円弧からなるものであり、一方のローターのトロコイド歯形A₁B₁C₁D₁が、楕円弧によるトロコイド形成歯型部分の包絡線として形成されることが示されている。このトロコイド形成歯型の詳細は、後に示す図面によりより一層明瞭に理解されよう。

図5は本発明に係るトロコイド形成歯型の一実施例を示すものである。図中、ABは歯先円弧、曲線BCは、トロコイド形成歯型の主歯型部を構成する歯先円の一半径OB上の点Sを中心とする半径ρの円に一部からなる円弧であり、曲線CDは、円弧BCのx軸について対称な円弧の一部からなる副歯型部である。
図中の点Dにおいて、歯型曲線は他の一方のローターの歯先に設けられる上記と同様なトロコイド形成歯型により形成されるトロコイド歯型と滑らかに接続している。
ここで、曲線BCを円弧としたが、これは前述の楕円弧であっても良く、また他の適宜の曲線であっても良い。

このようなトロコイド形成歯型の噛合い状態は、図6に示されている。図6は両ローターのトロコイド歯面の噛合い開始点における両ローターの歯先の相対位置を示すものである。
この図でも、ABは一方のローターの歯先円弧、曲線BCは、トロコイド形成歯型の主歯型部を構成する歯先円の一半径O_２B上の点S₁を中心とする半径ρの円に一部からなる円弧であり、曲線CDは、円弧BCのx軸について対称な円弧の一部からなる副歯型部、即ち点S₂を中心とする半径ρの円の一部からなる円弧であり、さらに曲線DEFはトロコイド歯形部である。

この図の位置では、ローターO₁及びO₂のトロコイド形成歯型部分は、噛合い開始点にあり互いに接触しているので、ブローホールは発生しない。
而して、このローターではトロコイド歯型部は相手ローターの円弧からなる主歯型部と噛合うので、その相対曲率は極めて小さい値となり、このためシール効果が大いに高められる。

図7は、トロコイド形成歯型の他の実施例を示す。ここでは曲線BCは、歯先円の一直径に接する円C₁を基礎円とするインボリュート、CDはその対称曲線の一部、即ち、上記歯先円の一直径に接する円C_２を基礎円とするインボリュートである。
上記には、主歯型部の曲線BCとして、円弧、楕円弧、インボリュートが示されたがこれは、これらに曲線に限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載された条件に適合するものであれば、他の適宜の曲線であって良いものである。

本発明は叙上の如く構成されるから、本発明によるときは、広く用いられているクインビーポンプの容積効率を向上させ、揚程を高く維持することができるから、これを実施すれば多大の利益がある。

本発明にかかるねじローターの軸直角断面を示す説明図である。 1葉形ローターの軸直角断面図である。ブローホールの発生状態を示す説明図である。本発明に係る歯型を用いたローターの噛合い状態説明図である。円弧により構成されたトロコイド形成歯型を示す説明図である。円弧により構成されたトロコイド形成歯型の噛合い終了点における相対位置関係を示す説明図である。インボリュートにより構成されたトロコイド形成歯型を示す説明図である。

符号の説明

１主動側ローター
２従動側ローター

Claims

ねじポンプ用ねじローターにおいて、その軸直角断面における歯形の歯先円周方向の一端部にそれぞれ相手ローターの第２歯形系トロコイド歯形を創成するためのトロコイド形成歯形を設け、かつそのトロコイド形成歯型を、その歯形曲線が歯先円に滑らかに接続し、その接続点では曲率が小さく、かつ、その接続点から離れるに従ってローター中心からの距離が単調かつ緩やかに減少する、微分可能な曲線からなる主歯型部分と、主歯型部分の終端点に接続される主歯型部分の終端部と対称な副歯型部分とにより構成したことを特徴とする上記のねじポンプ用ねじローター。
上記トロコイド形成歯形の主歯型部分の歯型曲線が、上記歯先円との接続点では曲率が最小で、その接続点からの距離が増大するのに従ってその曲率が単調に増加する滑らかな曲線である、請求項1に記載のねじポンプ用ねじローター。
上記トロコイド形成歯形の歯型曲線が、上記接続点において歯先円に内接する楕円の一部から成る楕円弧により構成される、請求項1または2に記載のねじポンプ用ねじローター。
上記トロコイド形成歯形の歯型曲線が、歯先円の一半径に接する円を基礎円とし、歯先円上の上記接続点を起点とするインボリュートの一部である、請求項1または2に記載のねじポンプ用ねじローター。
ねじポンプ用ねじローターにおいて、その軸直角断面における歯形の歯先円上の一端部にそれぞれ相手ローターの第２歯形系トロコイド歯形を創成するためのトロコイド形成歯形を設け、かつそのトロコイド形成歯型の歯型曲線が、歯先円に滑らかに接続し、かつその接続点を起点とし、歯先円に内接する曲率の小さい円の一部の円弧からなる主歯型部分と、主歯型部分の終端点に接続される主歯型部分の終端部と対称な副歯型部分とにより構成したことを特徴とした上記のねじポンプ用ねじローター。