JP2006226230A - 容積形ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 ピストンおよびシリンダの摺動部をシールするシール部材が不要な容積型ポンプを提供する。
【解決手段】 超磁歪アクチュエータ１５により往復動する往復動部材２１とポンプハウジング１３とを金属ベローズ１９で接続してポンプ室２２を区画し、ポンプ室２２に吸入弁２３および吐出弁２４を接続したので、シール部材を介して摺動するピストンおよびシリンダを不要にし、部品点数の削減、摺動抵抗の削減およびシール部材の噛み込みによる作動不良の回避が可能になる。またポンプ室２２の内部に作動流体排除ブロック２９を配置して該ポンプ室２２の容積を減少させたので、高圧時における作動流体の圧縮性の影響を最小限に抑えてポンプ効率を高めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ポンプハウジングと、ポンプハウジングの内部に区画されて作動流体を吸入・吐出するポンプ室と、駆動源により往復動してポンプ室の容積を拡大・縮小する往復動部材と、ポンプ室の容積が拡大するときに開弁する吸入弁と、ポンプ室の容積が縮小するときに開弁する吐出弁とを備えた容積型ポンプに関する。

シリンダおよびピストンにより区画されたポンプ室に吸入弁および吐出弁を接続し、超磁歪素子の周囲をコイルで囲んだ超磁歪アクチュエータでピストンを往復駆動してポンプ室の容積を拡大・縮小することで、吸入弁からポンプ室に吸入した作動流体を吐出弁から吐出するものが、下記特許文献１により公知である。
特開平１０−１７６６７９号公報

ところで上記従来のものは、ピストンおよびシリンダの摺動部のシール性を確保するためにシール部材が必要であり、シール部材において発生する摺動抵抗や変形荷重によってポンプ効率が低下する問題があるだけでなく、ピストンおよびシリンダの摺動部にシール部材が噛み込んで作動不良が発生する可能性があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ピストンおよびシリンダの摺動部をシールするシール部材が不要な容積型ポンプを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、ポンプハウジングと、ポンプハウジングの内部に区画されて作動流体を吸入・吐出するポンプ室と、駆動源により往復動してポンプ室の容積を拡大・縮小する往復動部材と、ポンプ室の容積が拡大するときに開弁する吸入弁と、ポンプ室の容積が縮小するときに開弁する吐出弁とを備えた容積型ポンプにおいて、ポンプハウジングと往復動部材とを接続するベローズの内部にポンプ室を区画したことを特徴とする容積形ポンプが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、ポンプ室の内部に、該ポンプ室の容積を減少させる作動流体排除ブロックを配置したことを特徴とする容積形ポンプが提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、吸入弁および吐出弁の少なくとも一方を作動流体排除ブロックの内部に配置したことを特徴とする容積形ポンプが提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項３の構成に加えて、アキュムレータを作動流体排除ブロック内の吸入弁の上流側に設けたことを特徴とする容積形ポンプが提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、ベローズが作動流体排除ブロックの外周面をガイドにして伸縮することを特徴とする容積形ポンプが提案される。

また請求項６に記載された発明によれば、請求項１〜請求項５の何れか１項の構成に加えて、駆動源が超磁歪素子を含み、ベローズは超磁歪素子にプリストレスを付与することを特徴とする容積形ポンプが提案される。

尚、実施例の超磁歪アクチュエータ１５は本発明の駆動源に対応し、実施例の金属ベローズ１９は本発明のベローズに対応する。

請求項１の構成によれば、駆動源により往復動する往復動部材でポンプ室の容積を拡大・縮小することで、吸入弁および吐出弁を介して作動流体を吸入および吐出する際に、ポンプハウジングと往復動部材とを接続するベローズの内部にポンプ室を区画したので、シール部材を介して摺動するピストンおよびシリンダを不要にし、部品点数の削減、摺動抵抗の削減およびシール部材の噛み込みによる作動不良の回避が可能になる。

請求項２の構成によれば、ポンプ室の内部に作動流体排除ブロックを配置して該ポンプ室の容積を減少させたので、高圧時における作動流体の圧縮性の影響を最小限に抑えてポンプ効率を高めることができる。

請求項３の構成によれば、吸入弁または吐出弁を作動流体排除ブロックの内部に配置したので、作動流体排除ブロックの容積を有効に利用して容積形ポンプ全体の寸法を小型化することができる。

請求項４の構成によれば、アキュムレータを作動流体排除ブロック内の吸入弁の上流側に設けたので、アキュムレータを設けたことによる容積形ポンプの大型化を回避することができ、しかも吸入弁の上流側の油路を短縮してポンプ効率を高めることができる。

請求項５の構成によれば、ベローズが作動流体排除ブロックの外周面をガイドにして伸縮するので、特別のガイド部材を設けることなくベローズを安定して伸縮させることができる。

請求項６の構成によれば、駆動源を超磁歪素子で構成したので、超磁歪素子に交流電流を供給するだけで高い応答性で往復動部材を往復動させることができ、またベローズを利用して超磁歪素子にプリストレスを付与するので、プリストレスを付与するための特別の弾発部材が不要になって部品点数が削減される。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図４は本発明の第１実施例を示すもので、図１は吸入行程にある超磁歪式ポンプの縦断面図、図２は吐出行程にある超磁歪式ポンプの縦断面図、図３は超磁歪アクチュエータの電流波形、磁束密度の絶対値および往復動部材の変位の関係を示すグラフ、図４はベローズの各部の寸法を示す図である。

図１および図２に示すように、軸線Ｌに関して実質的に対称な構造を有する超磁歪式ポンプＰは、概略カップ状のハウジング本体１１と、その上面開口部に形成されたフランジ１１ａに重ね合わされてボルト１４…で固定されるハウジングカバー１２とよりなるポンプハウジング１３を備える。ハウジング本体１１の小径になった下部に収納された超磁歪アクチュエータ１５は、円筒状のコイル１６と、その内部に収納された円柱状の超磁歪素子１７とを備えており、コイル１６には制御手段１８から交流電流が供給される。大径になったハウジング本体１１の上部には、軸線Ｌ方向に伸縮する蛇腹状の金属ベローズ１９（Ｕ型ベローズ）が収納される。金属ベローズ１９の上端に形成されたフランジ１９ａは、ハウジング本体１１のフランジ１１ａとハウジングカバー１２の外周部との間にシール部材２０を介して挟持される。また金属ベローズ１９の下端は、超磁歪素子１７の上端に固定した円板状の往復動部材２１の外周部に固定される。その結果、ハウジングカバー１２の下面、往復動部材２１の上面および金属ベローズ１９の内面によって囲まれたポンプ室２２が区画され、その内部に作動流体が充填される。

ポンプハウジング１３のハウジングカバー１２には、ポンプ室２２への作動媒体の流入を許容して、その逆方向の作動媒体の流出を阻止する吸入弁２３と、ポンプ室２２からの作動媒体の流出を許容して、その逆方向の作動媒体の流入を阻止する吐出弁２４とが設けられる。吸入弁２３は、ハウジングカバー１２に形成した弁座１２ａと、この弁座１２ａに着座可能なボールよりなる弁体２５と、この弁体２５を弁座１２ａに着座する方向に付勢する弁ばね２６とで構成される。また吐出弁２４は、ハウジング本体１２に形成した弁座１２ｂと、この弁座１２ｂに着座可能なボールよりなる弁体２７と、この弁体２７を弁座１２ｂに着座する方向に付勢する弁ばね２８とで構成される。ハウジングカバー１２の下面には、ポンプ室２２の内部に突出して周囲を金属ベローズ１９に囲まれた、概略円柱状の作動流体排除ブロック２９が固定される。超磁歪素子１７に有効な磁歪を発生させるべく、金属ベローズ１９は自己の弾性復元力で往復動部材２１を下向きに付勢し、超磁歪素子１７に圧縮方向へ予め一定の荷重を加えるプリストレスを付与する。

超磁歪アクチュエータ１５のコイル１６に、図３（Ａ）に示すような波形の交流電流を供給すると、コイル１６は、図３（Ｂ）に示すような磁束を発生し、超磁歪素子１７は電流波形の半周期毎に１回伸縮して各１回の吐出行程および吸入行程を行う。

即ち、超磁歪アクチュエータ１５のコイル１６が発生した磁界によって超磁歪素子１７が軸線Ｌ方向に収縮して往復動部材２１が下降すると、図１に示すように金属ベローズ１９が伸長してポンプ室２２の容積が増加する。このとき、金属ベローズ１９の弾性復元力により往復動部材２１は速やかに下降する。逆に超磁歪アクチュエータ１５のコイル１６が発生した磁界によって超磁歪素子１７が軸線Ｌ方向に伸長して往復動部材２１が上昇すると、図２に示すように金属ベローズ１９が収縮してポンプ室２２の容積が減少する。

往復動部材２１の下動によってポンプ室２２の容積が拡大するとき、吐出弁２４の弁体２７が弁座１２ｂに着座して閉弁し、吸入弁２３の弁体２５が弁座１２ａから離間して開弁することで、吸入弁２３を介してポンプ室２２に作動流体が吸入される。続いて往復動部材２１の上動によってポンプ室２２の容積が縮小するとき、吸入弁２３の弁体２５が弁座１２ａに着座して閉弁し、吐出弁２４の弁体２７が弁座１２ｂから離間して開弁することで、ポンプ室２２の作動流体が吐出弁２４を介して吐出される。

このように電流に対する応答性が高い超磁歪素子１７を駆動源としたことにより、超磁歪式ポンプＰの作動流体の吐出量をきめ細かく制御することができる。またポンプ室２２をハウジングカバー１２、金属ベローズ１９および往復動部材２１によって区画したので、ピストンやシリンダのような摺動部材を廃止して摺動抵抗を削減するとともに、摺動面をシールするシール部材の噛み込み等によるトラブルを未然に阻止することができる。

ところで、作動流体が完全な非圧縮性流体である場合にはポンプ室２２の容積が大きくても超磁歪式ポンプＰの吐出容量は影響を受けない。しかしながら、実際には非圧縮性流体といえども、高圧が作用すると体積が若干縮小することが避けられず、その影響はポンプ室２２の容積が大きいほど大きくなる。本実施例では、ポンプ室２２の内部に作動流体排除ブロック２９を収納して該ポンプ室２２の実質的な容積（ポンプ室２２に収納可能な作動流体の容積）を減少させたので、作動流体の圧縮性の影響を受け難くして超磁歪式ポンプＰの吐出容量の低下を最小限に抑えることができる。

また吐出弁２４がポンプハウジング１３の最も高い位置に配置されているため、作動流体中に混入した気泡を、吐出弁２４を介してポンプ室２２から効果的に排出することができる。

図４を参照すると明らかなように、超磁歪式ポンプＰの１ストローク当たりの必要吐出容量をＶとし、往復動部材２１のストロークをＸとすると、金属ベローズ１９の有効断面積Ａは、
Ａ＝Ｖ／Ｘ
で与えられる。ストロークＸが金属ベローズ１９の最大変位量Δｃに比べて大幅に小さい場合には、つまりストロークＸによる金属ベローズ１９の外径Ｄｏおよび内径Ｄｉの変化が小さい場合には、金属ベローズ１９の有効断面積Ａは、
Ａ＝π（Ｄｏ² ＋Ｄｉ² ）／８
で与えられる。従って、上式を満足する外径Ｄｏおよび内径Ｄｉを有するように金属ベローズ１９の形状を設定すれば、往復動部材２１の１ストローク当たりの必要吐出容量Ｖを確保することができる。

そしてポンプ室２２の容積は、金属ベローズ１９の取付時の高さをＬ′とし、図１に示すように、作動流体排除ブロック２９の直径をｄとし、高さをｈとすると、ポンプ室２２の容積はＶｉは、
Ｖｉ＝Ａ×Ｌ′−ｈ×πｄ² ／４
＝π｛（Ｄｏ² ＋Ｄｉ² ）×Ｌ′−２×ｈ×ｄ² ｝／８
で与えられる。

次に、超磁歪素子１７に必要なプリストレスσｐを与えるための、金属ベローズ１９のセット荷重Ｆは、超磁歪素子１７の断面積をａとして、
Ｆ＝ａ×σｐ
で与えられる。金属ベローズ１９の自由状態での高さをＬとし、取付時の高さをＬ′とし、かつ金属ベローズ１９のばねレートＫとすると、
Ｋ＝Ｆ／（Ｌ−Ｌ′）
が成立する。ここでＵ型の金属ベローズ１９の場合には、材料係数をｍとし、谷部の肉厚をｔとし、山の数をｎとし、山の高さをＨとすると、金属ベローズ１９のばねレートＫは、
Ｋ＝ｍ×Ｄｏ×ｔ³ ／（Ｈ^2.8 ×ｎ）
で与えられる。従って、上式を満足する材料係数ｍ、谷部の肉厚ｔ、山の数ｎし、山の高さＨを設定すれば、金属ベローズ１９によって超磁歪素子１７に必要なプリストレスσｐを与えることができる。

また作動流体排除ブロック２９の容積は大きいほど効果は増加するが、作動流体排除ブロック２９が金属ベローズ１９の内面あるいは往復動部材２１の上面と干渉しないように配慮する必要がある。作動流体排除ブロック２９が金属ベローズ１９の内面と干渉しないための条件は、
Ｄｉ＞ｄ
であり、また作動流体排除ブロック２９が往復動部材２１の上面と干渉しないための条件は、
Ｌ′−Ｘ＞ｈ
である。

次に、図５および図６に基づいて本発明の第２実施例を説明する。尚、第２実施例において、第１実施例の部材に対応する部材に第１実施例と同じ符号を付すことで、重複する説明を省略する。

第１実施例では吸入弁２３がハウジングカバー１２の内部に設けられているのに対し、第２実施例では吸入弁２３が作動流体排除ブロック２９の内部に設けられている。吸入弁２３の構造は第１実施例と実質的に同じであり、作動流体排除ブロック２９に形成した弁座２９ａに向けて弁体２５を弁ばね２６で付勢したものである。

この第２実施例によれば、第１実施例の作用効果に加えて、作動流体排除ブロック２９の内部のデッドスペースを利用して吸入弁２３を配置したので、超磁歪式ポンプＰの更なる小型化を図ることができる。しかも吸入弁２３の出口が吐出弁２４の入口に接近して配置されるので、吸入弁２３から吸入された気泡を吐出弁２４から速やかに排出することができる。

次に、図７および図８に基づいて本発明の第３実施例を説明する。尚、第３実施例において、第１実施例の部材に対応する部材に第１実施例と同じ符号を付すことで、重複する説明を省略する。

第１実施例の作動流体排除ブロック２９はハウジングカバー１２と別部材で構成されていたが、第３実施例の作動流体排除ブロック２９がハウジングカバー１２の下面に一体に形成される。作動流体排除ブロック２９の外径は金属ベローズ１９の内径よりも僅かに小さく設定されている。

一対の吸入弁２３，２３は、第２実施例と同様に作動流体排除ブロック２９の内部に配置されており、その弁ばね２６，２６の下端は往復動部材２１の上面に係止される。また各々の吸入弁２３の上流側には、円環状のシリンダ３０に摺動自在に嵌合させた円環状のピストン３１を複数のスプリング３２…で下向きに付勢したアキュムレータ３３に連通する。アキュムレータ３３の中心に配置した吐出管３４の下端には、弁体２７を弁ばね２８で弁座２９ｂに向けて付勢した吐出弁２４が配置される。

この第３実施例によれば、上述した第２実施例の作用効果に加えて、作動流体排除ブロック２９の外径を金属ベローズ１９の内径よりも僅かに小さく設定したことで、金属ベローズ１９は作動流体排除ブロック２９の外周面をガイドにしてスムーズに伸縮することができる。また吸入弁２３，２３の上流側のアキュムレータ３３，３３を設けたので、作動流体の供給を途切れなくスムーズに行うことができる。更に、アキュムレータ３３，３３を作動流体排除ブロック２９内の吸入弁２３，２３の上流側に設けたので、アキュムレータ３３，３３を設けたことによる超磁歪式ポンプＰの大型化を回避することができ、しかも吸入弁２３，２３の上流側の油路を短縮してポンプ効率を高めることができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施例では駆動源として超磁歪アクチュエータ１５を例示したが、駆動源としてモータ等の任意のものを使用することができる。

また本発明の容積型ポンプは自動車のオートマチックトランスミッションのクラッチの駆動用に適しているが、その用途は任意である。

第１実施例の吸入行程にある超磁歪式ポンプの縦断面図 第１実施例の吐出行程にある超磁歪式ポンプの縦断面図 超磁歪アクチュエータの電流波形、磁束密度の絶対値および往復動部材の変位の関係を示すグラフ ベローズの各部の寸法を示す図 第２実施例の吸入行程にある超磁歪式ポンプの縦断面図 第２実施例の吐出行程にある超磁歪式ポンプの縦断面図 第３実施例の吸入行程にある超磁歪式ポンプの縦断面図 第３実施例の吐出行程にある超磁歪式ポンプの縦断面図

符号の説明

１３ ポンプハウジング
１５ 超磁歪アクチュエータ（駆動源）
１９ 金属ベローズ（ベローズ）
２１ 往復動部材
２２ ポンプ室
２３ 吸入弁
２４ 吐出弁
２９ 作動流体排除ブロック
３３ アキュムレータ

Claims (6)

1. ポンプハウジング（１３）と、
   ポンプハウジング（１３）の内部に区画されて作動流体を吸入・吐出するポンプ室（２２）と、
   駆動源（１５）により往復動してポンプ室（２２）の容積を拡大・縮小する往復動部材（２１）と、
   ポンプ室（２２）の容積が拡大するときに開弁する吸入弁（２３）と、
   ポンプ室（２２）の容積が縮小するときに開弁する吐出弁（２４）と、
   を備えた容積型ポンプにおいて、
   ポンプハウジング（１３）と往復動部材（２１）とを接続するベローズ（１９）の内部にポンプ室（２２）を区画したことを特徴とする容積形ポンプ。
2. ポンプ室（２２）の内部に、該ポンプ室（２２）の容積を減少させる作動流体排除ブロック（２９）を配置したことを特徴とする、請求項１に記載の容積形ポンプ。
3. 吸入弁（２３）および吐出弁（２４）の少なくとも一方を作動流体排除ブロック（２９）の内部に配置したことを特徴とする、請求項２に記載の容積形ポンプ。
4. アキュムレータ（３３）を作動流体排除ブロック（２９）内の吸入弁（２３）の上流側に設けたことを特徴とする、請求項３に記載の容積形ポンプ。
5. ベローズ（１９）が作動流体排除ブロック（２９）の外周面をガイドにして伸縮することを特徴とする、請求項２に記載の容積形ポンプ。
6. 駆動源（１５）が超磁歪素子（１７）を含み、ベローズ（１９）は超磁歪素子（１７）にプリストレスを付与することを特徴とする、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の容積形ポンプ。
   

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