JP2006125328A - ベーンポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ性能を向上できるベーンポンプを提供する。
【解決手段】ロータ６の溝に挿入されたベーン７で仕切られた複数のセグメント空間Ｅをロータ６の回転により容積変化させて圧縮性流体を圧送するベーンポンプ１を前提とする。ロータ６の軸方向両端面に、複数の漏れ抑制部材８の夫々を、隣接したベーン７同士に渡るように設けたことを特徴としている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、空気等の圧縮性流体を圧送するベーンポンプに関する。

従来、シリンダの端面に取付けたサイドブロックに、シリンダ内に配置されるロータの回転軸を回転自在に軸支し、このロータに形成された複数のベーン溝の夫々にベーンを出没可能に挿入した構成を備えて、シリンダ、サイドブロック、ロータ、隣接するベーンにより仕切られた小室（セグメント空間）の容積を、ロータの回転により変化させて、気体を圧送するベーンポンプが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この種のベーンポンプのシリンダ及びサイドブロックは、アルミニューム合金等の金属製であり、ロータは、アルミニューム合金製等の金属又は樹脂等の非金属製である。そして、一般に知られているようにベーンは耐熱性及び摺動性に優れたカーボンで作られる場合が多い。
特開2003−314481号（段落0002−0006,0016−0019、図１−図２）

ベーンポンプでは、金属又は樹脂等の非金属からなるロータの摺動性は、カーボン製のベーンに比較して劣り、このロータの端面とサイドブロックの内面とが接すると、過大な摩擦負荷が発生してロータの回転が妨げられることがあるため、これらロータとサイドブロックとの間には僅かながらもギャップ（スラストギャップと称される。）を形成しなければならない。

このスラストギャップを通じて前記小室（セグメント空間）同士が連通するので、体積効率が低下する。この場合、液体等の非圧縮性流体に比較して空気等の圧縮性流体は、既述のような僅かなスラストギャップであっても、そこを極めて容易に流通できる。このため、圧縮性流体を圧送するベーンポンプでは、そのポンプ性能の低下がもたらされ、吐出し風量や吐出し圧力の損失が大きい。

ところで、引用文献１には、以上のポンプ性能の低下を改善する工夫についての記載がない。前記ポンプ性能についての対策として、通常は、前記スラストギャップを形成する関連部品の寸法加工精度を高めて、スラストギャップを、可能な限り小さく、かつ、ばらつかないようにすることが必要とされる。しかし、このように加工精度を高めることは、コスト高になるので好ましくない。

本発明の目的は、ポンプ性能を向上できるベーンポンプを提供することにある。

本発明は、ロータの溝に挿入されたベーンで仕切られた複数のセグメント空間をロータの回転により容積変化させて圧縮性流体を圧送するベーンポンプにおいて、ロータの軸方向両端面に、複数の漏れ抑制部材の夫々を、隣接したベーン同士に渡るように設けている。

本発明によれば、セグメント空間同士にわたる圧縮正流体の流通を抑制してポンプ性能を向上できるベーンポンプを提供することができる。

図１〜図６を参照して本発明の一実施形態を説明する。

図１中符号１で示すベーンポンプは、例えばエアーマッサージ機で使用され、給排気により膨縮されるマッサージ用空気袋に圧縮性流体である空気を圧送するために用いられる。このベーンポンプ１は、図１に示すように駆動源である電動モータ２とポンプ機構ユニット３とを具備している。電動モータ２にはＡＣモータ又はＤＣモータを使用できる。図２及び図３に示すようにポンプ機構ユニット３は、シリンダ４と、カバー５と、ロータ６と、複数のベーン７と、複数の漏れ抑制部材８とを備えている。

シリンダ４は、金属製であって、内周面が円形をなす筒状で、外周面には接続凸部４ａが形成されている。シリンダ４には、吸気口４ｂと吐出し口４ｃとが設けられている。吸気口４ｂ及び吐出し口４ｃの夫々の一端はシリンダ４の内周面に開口され、夫々の他端は接続凸部４ａに開口されている。吸気口４ｂには必要に応じて図示しない吸気管が接続される。吐出し口４ｃは図示しないエアーチューブを介して前記マッサージ用空気袋等に連通される。

カバー５は例えばシリンダ４と同種の金属製である。このカバー５はシリンダ４の軸方向両端に夫々固定されていて、シリンダ４の軸方向の両端開口を夫々塞いでいる。これらのカバー５の中央部には玉軸受などの軸受５ａ（図２参照）が夫々取付けられている。

周面が円形のロータ６は、金属等からなり、その中心部を貫通する鋼製のロータ軸６ａを有していて、このロータ軸６ａを一対のカバー５の軸受５ａに回転自在に軸支することによってシリンダ４内に配設されている。このロータ６の中心Ｃ１は、図３に示すようにシリンダ４の中心軸線Ｃ２に対し偏心している。ロータ６の軸方向の端面６ｂとカバー５の内面５ｂとは、互いに近接して対向されていて、互いの間には相互が接触しないようにするためのスラストギャップＧ（図２参照）が形成されている。

ロータ軸６ａの一端部は電動モータ２のモータ軸２ａ（図１参照）に図示しない軸継ぎ手により連結される。それにより、電動モータ２が運転されると、ロータ６が回転駆動される。前記偏心に拘わらず回転されるロータ６の外周面は、シリンダ４の内周面に接しないようになっている。

図４等に示されるようにロータ６には、その周面及び軸方向両端面６ｂにわたって開放する複数の溝６ｃが、ロータ６の周方向に一定間隔で設けられている。ベーン７はロータ６の周面に対して出没するように各溝６ｃに個別に摺動自在に挿入されている。各ベーン７は摺動性及び耐熱性に優れたカーボンにより成形されている。なお、本実施形態では、ベーン７をロータ６外に向けて突出させる力は、ロータ６の回転に伴う遠心力のみで得ているが、各溝６ｃ内にばねなどの弾性体を収容して、この弾性体の付勢力を付加してもよい。各ベーン７の幅（ロータ６の軸方向に沿う長さ）は、ロータ６の軸方向に沿う長さより若干長い。それにより、ベーン７の両端部は、いずれもロータ６の端面６ｂから僅かに突出されて、カバー５の内面に摺動自在に軽く接するか、若しくは前記スラストギャップＧより小さいギャップをカバー５の内面５ｂとの間に形成してこの内面５ｂに一層近接して位置されている。

シリンダ４内には、このシリンダ４の内周面、カバー５の内面５ｂ、ロータ６の周面、及び隣接したベーン７で仕切られた複数のセグメント空間（圧縮室）Ｅが形成されている。ベーン７と同数のセグメント空間Ｅは、ロータ６の回転により移動しながら容積変化するものであり、その容積が大きくなるときに前記吸気口４ｂと連通する位置に移動し、かつ、容積が小さくなるときに前記吐出し口４ｃと連通する位置に移動して、それにより、空気が圧送されるようになっている。

図４及び図５に示すようにロータ６には、その軸方向の端面６ｂ面に開放する取付け溝６ｄが複数形成されている。これらの取付け溝６ｄは、例えば真っ直ぐな溝からなり、ロータ６の周面に対するベーン７の突没に拘わらずに隣接したベーン７，７同士に渡るように設けられている。つまり、ロータ６の周面から最大に突出したベーン７（なお、図５中に識別を容易にするために符号７ａを括弧書きで併記した。）と取付け溝６ｄの端との位置関係で代表して説明すれば、溝６ｃに挿入されたベーン７ａのロータ軸６ａ側の縁部７ｂと、ロータ６の周面との間であって、ベーン７ａを挟むようにその両側に位置している取付け溝６ｄの端が、溝６ｃに極めて近接して位置するように取付け溝６ｄが設けられている。この場合、本実施形態のように取付け溝６ｄの端を、ベーン７ａのロータ軸６ａ側の縁部７ｂに対応する位置に設けることが好ましい。

各取付け溝６ｄの夫々に、これらの取付け溝６ｄの形状に対応した形状たとえば短冊状の漏れ抑制部材８が嵌め込んで支持されている。こうしてロータ６の軸方向の端面６ｂに設けられた漏れ抑制部材８の長手方向の端は、ロータ６の端面６ｂから突出しているベーン７の長手方向の端部に極めて接近して設けられている。それによって、端面６ｂに取付けられた複数の漏れ抑制部材８と、前記端面６ｂから突出した各ベーン７の長手方向（軸方向）の端部の一部、つまり隣接する漏れ抑制部材８間に位置する部分とは略連続する関係となるので、端面６ｂから突出した各漏れ抑制部材８と各ベーン７の長手方向の端部の一部とによって、ロータ６とカバー５との間に環状境界が形成されている。そして、漏れ抑制部材８は、カバー５の内面５ｂに摺動自在に接触してロータ６とカバー５との間に挟設されている。したがって、スラストギャップＧは、環状境界によって、この環状境界の内側領域とセグメント空間Ｅに連通する外側領域とに完全に或いは実質的に仕切られるようになっている。

各漏れ抑制部材８は、摺動性、耐熱性、及び耐摩耗性に優れた材料で形成され、例えばゴアテックス（登録商標）を好適に用いることができる。ゴアテックス製の漏れ抑制部材８は、厚み方向に押された場合に弾性変形して撓む性質を有している。この点に着目して、図６に示すようにロータ６の端面６ｂからの漏れ抑制部材８の突出寸法をロータ６の軸方向の長さに加えた寸法Ａを、シリンダ４の軸方向の長さＢより若干長くする設定とすることによって、シリンダ４にカバー５をねじ止めなどにより組付けるに伴い、漏れ抑制部材８を取付け溝６ｄの底面に向けて若干押し潰して、漏れ抑制部材８をカバー５の内面５ｂになじみ良く接触させることができる。

取付け溝６ｄの内面例えば底面には図６で代表して示すように係合部例えば凸部６ｅが設けられている。凸部６ｅは、例えば取付け溝６ｄの長手方向に沿って連続して又は間隔的に延びており、この凸部６ｅは、既述のように取付け溝６ｄの底面に向けて押される漏れ抑制部材８内に、食い込んで係合するようになっていて、そのための好ましい形状として先細状に形成されている。

前記構成のベーンポンプ１は、その電動モータ２でロータ６を回転駆動することにより、空気を圧送するポンプ動作を営む。このポンプ動作の際にロータ６は図３中時計回りに回転されるとともに、各ベーン７は、それに作用する遠心力によってシリンダ４の内周面を摺動しつつ、この内周面とロータ６の周面との距離の変化に応じて溝６ｃの内面に沿って摺動するから、ロータ６の１回転中に容積が拡大するセグメント空間Ｅには吸気口４ｂが連通して、エアーが拡大する前記セグメント空間Ｅには外部の空気が吸込まれる。そして、このセグメント空間Ｅが移動してその容積を縮小するようになると、その時点で容積が縮小するセグメント空間Ｅが吐出し口４ｃに連通するので、このセグメント空間Ｅ内の圧縮された空気が吐出し口４ｃから外部に吐き出される。したがって、こうした給排気動作がロータ６の回転の継続により連続して繰り返されて、脈動が少ない状態で空気を圧送できる。

この場合、ロータ６の端面６ｂから突出している各漏れ抑制部材８は、カバー５の内面５ｂに摺接する。この摺接に伴う摩擦熱が各漏れ抑制部材８には作用するが、これらは耐熱性を有しているので、熱的な劣化がない。さらに、各漏れ抑制部材８は、ロータ６の取付け溝６ｄに嵌め込まれていることに加えて、取付け溝６ｄの底面の凸部６ｅが漏れ抑制部材８に食い込んでいるので、遠心力や前記摺接に伴って作用する力に抗して、所定の取付け位置に保持される。

しかも、本実施形態では、各漏れ抑制部材８を短冊状として、これらの各漏れ抑制部材８を図３及び図５に示したようにロータ６のロータ軸６ａ側に寄せて配置している。これにより、ロータ６の周面側に比較して各漏れ抑制部材８に作用する周速度を低くできる。そのため、カバー５の内面５ｂに対する動摩擦抵抗を小さくできる点で好ましく、更に、漏れ抑制部材８の長さが短くなりその材料使用量を少なくできる点でも好ましい。

そして、これらの漏れ抑制部材８の互いに近付けられた端間には、この端間を塞ぐようにベーン７の長手方向の端部がロータ６の周面に対するベーン７の出没動作に拘わらず常に配置されている。これにより、端面６ｂに取付けられてカバー５の内面５ｂに摺動自在に接触する複数の漏れ抑制部材８と、前記端面６ｂから突出した各ベーン７の長手方向（軸方向）の端部における隣接する漏れ抑制部材８間に位置する部分とによって形成された環状境界によって、ロータ６とカバー５との間のスラストギャップＧは、環状境界の内側領域とセグメント空間Ｅに連通する環状境界の外側領域とに完全に或いは実質的に仕切られるようになっている。

このようにスラストギャップＧが環状境界で仕切られるようになっているため、容積が圧縮される状態にあるセグメント空間Ｅとその他のセグメント空間ＥとがスラストギャップＧを通じて連通することを抑制できる。これにより、容積が圧縮される状態にあるセグメント空間Ｅから他のセグメント空間Ｅに、圧縮された空気が逃げることが抑制されるので、体積効率（圧縮効率）を向上できる。したがって、吐出し風量や吐出し圧力の損失が抑制されてポンプ性能を高めることができる。

そして、このようにポンプ性能を向上させるのに、前記環状境界を設けることで実現したので、スラストギャップＧを極限にまで狭めるために各部材の寸法精度を格段に厳しくする必要がなく、よって、加工コストが高くなることを抑制できる。

図７及び図８は本発明の他の実施形態を示している。この実施形態は、以下説明する事項以外は、前記一実施形態と同じであるので、同じ部分には一実施形態と同じ符号を付して、その説明を省略する。

他の実施形態では、各取付け溝６ｄの内面に設けた凸部（係合部）６ｅが、漏れ抑制部材８に作用する摩擦力と遠心力との関係で特定されるストッパ面６ｆを有して形成している。詳しくは、図７中に示すベクトル図において符号Ｚはロータ６の時計回りの回転に従って漏れ抑制部材８に作用する遠心力の方向を示し、図７中符号Ｙはカバー５への摺接により漏れ抑制部材８に作用する摩擦の方向を示している。したがって、ロータ６の回転に伴い漏れ抑制部材８には遠心力とカバー５から受ける摩擦力の合力Ｘが作用する。なお、図７中矢印Ｗは合力Ｘと逆方向のベクトルを示している。そして、図８に示すように凸部６ｅは、前記合力Ｘの方向に抗して漏れ抑制部材８に引っ掛かり係合するストッパ面６ｆを有している。なお、以上の事項以外の事項は、図７及び図８に示されない事項を含めて前記一実施形態と同じである。

このようなストッパ面６ｆを係合部である凸部６ｅに設けたことによって、ロータ６の取付け溝６ｄに対する漏れ抑制部材８の保持性能を高めることができる。これにより、漏れ抑制部材８のカバー５への摺接に拘わらず漏れ抑制部材８を所定位置に保持して、既述の環状境界の機能を維持させることができる。なお、その他の作用効果は前記一実施形態と同じである。

なお、本発明は前記両実施形態には制約されない。例えば、漏れ抑制部材を構成する材料はカーボンであっても良い。又、取付け溝の係止部は、凸部に代えて凹部で形成してもよく、或いは凹凸により形成しても良い。

本発明の一実施形態に係るベーンポンプを電動モータとともに示す斜視図。 一実施形態に係るベーンポンプを示す縦断面図。 図２中Ｆ３−Ｆ３線に沿って示すベーンポンプの断面図。 一実施形態に係るベーンポンプのロータ周りを分解して示す斜視図。 一実施形態に係るベーンポンプのロータ周りを示す側面図。 図５中Ｆ６−Ｆ６線に沿ってロータの一部を示す断面図。 本発明の他の実施形態に係るベーンポンプのロータ周りを示す側面図。 図７中Ｆ８−Ｆ８線に沿ってロータの一部を示す断面図。

符号の説明

１…ベーンポンプ、３…ポンプ機構ユニット、４…シリンダ、４ａ…吸気口、４ｂ…吐出し口、５…カバー、５ａ…軸受、５ｂ…カバーの内面、６…ロータ、６ａ…ロータ軸、６ｂ…ロータの端面、６ｃ…溝、６ｄ…取付け溝、６ｅ…凸部（係合部）、６ｆ…ストッパ面、７…ベーン、７ｂ…ベーンのロータ軸側の縁部、８…漏れ抑制部材、Ｇ…スラストギャップ、Ｅ…セグメント空間

Claims (5)

1. シリンダと、このシリンダの軸方向両端に夫々取付けられたカバーと、これらのカバーに回転自在に軸支されたロータ軸を有して前記シリンダ内に配設されたロータと、このロータの周面及び軸方向両端面にわたって開放して前記ロータに設けられた複数の溝の夫々に摺動自在に挿入された複数のベーンとを具備して、前記シリンダ、カバー、ロータ、及び隣接したベーンで仕切られた複数のセグメント空間を前記ロータの回転により容積変化させて圧縮性流体を圧送するベーンポンプにおいて、
   複数の漏れ抑制部材の夫々を、隣接したベーン同士に渡るように前記ロータの軸方向両端面に設けたベーンポンプ。
2. 前記漏れ抑制部材を、前記カバーの内面に摺動自在に接触させて前記ロータとカバーとの間に挟設した請求項１に記載のベーンポンプ。
3. 前記隣接したベーン同士に渡るように位置された前記漏れ抑制部材が短冊状であって、この漏れ抑制部材の端部を、前記ロータから最大に突出された前記ベーンの前記ロータ軸側の縁部に連続するように設けた請求項１又は２に記載のベーンポンプ。
4. 前記ロータにその軸方向の端面に開放するとともに内面に凸部又は凹部若しくは凹凸からなる係合部を有する取付け溝を形成し、この取付け溝に挿入して前記ロータの軸方向端面に取付けられた前記漏れ抑制部材を前記係合部に係合させた請求項１から３の内のいずれか一項に記載のベーンポンプ。
5. 前記ロータの回転により前記漏れ抑制部材が受ける遠心力と前記カバーとの間で前記漏れ抑制部材受ける摩擦力との合力の方向と逆向きのストッパ面を前記係合部に設けた請求項４に記載のベーンポンプ。

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