JP2008128041A - 内接歯車式ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】インナーロータとアウターロータの歯数差が１枚の内接歯車式ポンプの機械効率の向上と容積効率の低下抑制を図り、その際にポンプの回転数を大きくしてもキャビテーションの発生が抑えられるようにしてキャビテーションエロージョンを減少させることを課題としている。
【解決手段】吸入ポート４上でチャンバ８のロータ回転方向前後に形成されるインナーロータ１とアウターロータ２の各歯の最接近部のクリアランスのうち、最大部位のクリアランスを０．３ｍｍ以上にすると共に、アウターロータ２の厚みｔと外径φＤの関係をｔ／Ｄ≦０．３５に規定し、吸入初期のチャンバに先行するチャンバからも液体が吸い込まれるようにしてアウターロータの外径を小、厚みを大にして機械効率を高めようとするときにチャンバに吸入される液体の流速が高まることを抑制した。
【選択図】図１

Description

この発明は、歯数差が１枚のインナーロータとアウターロータを組み合わせた内接歯車式ポンプ、詳しくは、機械効率と容積効率を向上させつつキャビテーション発生時の回転数を大きくすることを可能にしてキャビテーションエロージョンを減少させた内接歯車式ポンプに関する。キャビテーションエロージョンとは、キャビテーションによって発生するロータやケースの腐食である。

首記の内接歯車式ポンプは、車のエンジンやオートマチックトランスミッション用のオイルポンプなどとして多用されている。この種の内接歯車式ポンプの従来例として、例えば、下記特許文献１〜３に開示されたものなどがある。

特許文献１は、インナーロータの歯面のうち、アウターロータとの噛合部をインボリュート曲線で形成し、それにより、インナーロータとアウターロータの偏心量の設定に自由度を持たせて理論吐出量を大きくすることを開示している。

また、特許文献２は、チャンバ(ポンプ室)から吐出ポートに流出する液体（作動液）の流量をポンプロータの回転に伴って漸増させる流量制御手段を設けてポンプ吐出時の脈動を低減することと、ポンプボディやポンプカバーをキャビテーション耐性の高い材料で形成してキャビテーションエロージョンを防止することを開示している。

さらに、特許文献３は、吐出ポートの始端側をロータの回転方向後方に向かってＶ字状に狭くすることにより、チャンバ内での液体の過度の圧縮や吐出ポートに連通したチャンバの内圧の急変をなくして振動騒音とキャビテーションエロージョンを防止することを開示している。
特開２００５−３６７３５号公報 特開２００３−１６１２６９号公報 特開２００４−３３２６９６号公報

内接歯車式ポンプは、同じ理論吐出量を確保する場合、アウターロータの外径をできる限り小さくして歯厚（ロータ厚み）を厚くしたものが、アウターロータ外径を大きくしてロータ厚み薄くしたものよりも各部の摺動損失が小さくて機械効率が良くなる。

ところが、歯厚を厚くすると、インナーロータとアウターロータの歯形間に形成されるチャンバに吸入ポートから液体（例えばオイル）を吸い込むときの流速が早くなりすぎ、キャビテーションが発生してロータやケースにキャビテーションエロージョンができる。

なお、キャビテーションを抑えるためにポンプの回転数を下げると単位時間当たりの吐出量が減少する。

前掲の特許文献１のポンプは、上記の問題に対応できるものではなく、アウターロータの外径を小さくし、歯厚を厚くして機械効率を向上させようとするとキャビテーションが懸念されるようになる。また、そのために、使用時の回転数も制限されるようになる。

また、特許文献２が開示している方法、即ち、ボディやポンプカバーをキャビテーション耐性の高い材料で形成してキャビテーションエロージョンを防止する方法では、ポンプの構造の複雑化やコストアップなどを招く。

特許文献３は、吸い込み時の流速抑制の効果はなく、アウターロータの外径を小さくし、歯厚を厚くして機械効率を向上させようとすると特許文献１のポンプと同様の問題が生じる。

この発明は、機械効率の向上と容積効率の低下抑制を図り、その際にポンプの回転数を大きくしてもキャビテーションの発生が抑えられるようにしてキャビテーションエロージョンを減少させることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、歯数がｎ枚のインナーロータと歯数が（ｎ＋１）枚のアウターロータを組み合わせた内接歯車式ポンプを以下のように構成する。
具体的には、吸入ポート上でチャンバのロータ回転方向前後に形成されるインナーロータとアウターロータの各歯の最接近部のクリアランスのうち、最大部位のクリアランス（この発明ではこれを「横の最大クリアランス」という）を０．３ｍｍ以上にして吸入ポート上に位置するチャンバ同士の連通状態を高めると共に、アウターロータの厚みｔと外径φＤの関係をｔ／Ｄ≦０．３５に規定する。

なお、チャンバの閉じ込み部においてインナーロータの歯先とアウターロータの歯先間に形成されるチップクリアランスを大きくする方法によってもチャンバ間の連通状態を高めることができるが、チップクリアランスを大きくすると、チャンバに閉じ込めた液体のチップクリアランスからの漏れが大きくなってポンプの容積効率が低下するので、このチップクリアランスは通常採用されている程度の数値に制限するのがよい。

上記の横の最大クリアランスが０．３ｍｍ以下であると、吸入ポートからチャンバに液体を吸い込むときに、その吸い込みが各チャンバ毎に独立してなされる。各チャンバが独立して液体を吸い込むと、吸入初期のチャンバは容積変化が大きいのに入口面積は小さいため、アウターロータの外径を小、厚みを大にして機械効率を高めようとすると液体の流速が早くなりすぎる現象が発生してしまう。

これに対し、横の最大クリアランスを０．３ｍｍ以上にすると吸入ポート上に位置する各チャンバの連通状態が向上し、入口面積の小さい吸入初期のチャンバにロータ回転方向前方にあるチャンバからも液体が吸い込まれるようになる。これにより、機械効率向上のためにアウターロータの外径を小さく、厚みを大きくしたときにも液体の吸入速度の上昇が抑えられる。

その結果、キャビテーションの発生が抑えられてロータやケースのエロージョンが減少し、ポンプの耐久性が向上する。また、キャビテーションが発生するときのポンプ回転数が大きくなってポンプ使用時の回転数規制も緩和される。

なお、横の最大クリアランスを０．３ｍｍ以上とすることでチップクリアランスを大きくせずに吸入ポート上に位置するチャンバ間の連通性を高めることができるため、容積効率の低下も防止することができる。

以下、添付図面の図１及び図３に基づいてこの発明の内接歯車式ポンプの実施の形態を説明する。図１に示す内接歯車式ポンプ１０は、歯数ｎが４枚のインナーロータ１と歯数が５枚のアウターロータ２を組み合わせてポンプロータ３を構成し、このポンプロータ３を、吸入ポート４と吐出ポート５を有するハウジング６に収納して構成されている。Ｏｉはインナーロータの回転中心、Ｏｏはアウターロータの回転中心であり、ＯｉとＯｏはｅ偏心している。

インナーロータ１には回転軸７が連結される。この回転軸７からインナーロータ１に駆動力を伝えてインナーロータ１を回転させる。このとき、アウターロータ２は従動回転する。ポンプロータ３の回転に伴ってインナーロータ１とアウターロータ２間に形成されるチャンバ（ポンプ室）８の容積が増減し、オイルなどの液体の吸入、吐出がなされる。

例示のポンプのインナーロータ１は、歯底部１ｂがハイポサイクロイド曲線によって、アウターロータ２との噛合部１ｃがインボリュート曲線によって、歯先部１ａがエピサイクロイド曲線などの任意の曲線によってそれぞれ形成されたものになっている。これは、前掲の特許文献１に開示された歯形であり、噛合部１ｃをインボリュート曲線で形成したことによってアウターロータとの偏心量ｅの設定に自由度が生じる。

アウターロータ２は、それと組み合わせるインナーロータを、その中心をアウターロータの中心周りに直径（２ｅ＋ｔ_１）の円を描いて公転させ、インナーロータ中心がその円を１周公転する間にインナーロータ１を１／ｎ回自転させ、こうして作られるインナーロータの歯形曲線群の包絡線（図示せず）をアウターロータ歯形となしたものにしている。
ここに、ｅ：インナーロータ中心とアウターロータ中心の偏心量
ｔ_１：アウターロータとそれに押しつけたインナーロータとの間のロータ間 隙間の最大値
ｎ：インナーロータの歯数

例示のポンプは、吸入ポート４上でチャンバ８のロータ回転方向前後に形成されるインナーロータ１とアウターロータ２の各歯の最接近部のクリアランスのうち、横の最大クリアランスを０．３ｍｍ以上に設定している（図１のポンプは図１（ｂ）に示す０．４８ｍｍが横の最大クリアランス）。

特許文献１のポンプは、横の最大クリアランスを０．１ｍｍ程度に設定していたためにアウターロータ２の厚みｔと外径φＤの比ｔ／Ｄをあまり大きくすることができなかった
。汲み上げる液体がＡＴＦ（オートマチックトランスミッション用フルード）の場合、流速が３．５〜５．０ｍ／ｓｅｃを越えるとキャビテーションを発生させることが経験的に知られており、ｔ／Ｄの値が大きくなるにつれて流速が早くなるため、キャビテーションが発生し易くなる。

そのキャビテーションを抑制するために、この発明においては、前述の横の最大クリアランスを大きくして吸入時の流速を下げる。横の最大クリアランスを０．３ｍｍ以上にすると吸入ポート上のチャンバが互いにつながり、容積変化の激しい吸入初期のチャンバに対してロータ回転方向前方にあるチャンバからも液体が吸い込まれるようになる。これによって流速が低下し、そのために、ｔ／Ｄの値を大きくしてポンプの機械効率を高めることやキャビテーションが発生するときのポンプの回転数を大きくすることが可能になる。

なお、インナーロータとアウターロータの歯先間に形成されるチップクリアランスＴは可能な限り小さくするのがよい。図１のポンプはそのチップクリアランスＴを０．１ｍｍに設定している。このチップクリアランスＴが０．２４ｍｍ以下であると、チャンバ閉じ込み部からの液洩れが少なく、ポンプの容積効率の低下が抑えられる。

但し、ｔ／Ｄ＞０．３５の場合には元の流速が早くなりすぎ、横の最大クリアランスを０．３ｍｍ以上にするだけでは対応しきれなくなって流速抑制の効果が期待できなくなる。従って、ｔ／Ｄ≦０．３５の条件も併せて満足させる。

なお、インナーロータ１とアウターロータ２は例示の歯形以外の歯形を有するものを組み合わせて用いてもよい。

図３の内接歯車式ポンプ１０Ａも、基本的な構成は図１のポンプとかわるところがない。従って、図１と同一箇所については説明を省略し、ここでは図１との相違点のみを述べる。この図３の内接歯車式ポンプ１０Ａは、歯数ｎが９枚のインナーロータ１と歯数が１０枚のアウターロータ２を組み合わせている。また、閉じ込み部９のチップクリアランスを０．１２ｍｍ、横の最大クリアランスを０．５８ｍｍに設定している。また、インナーロータとアウターロータは、歯先と歯底を共にサイクロイド曲線で形成している。
アクターロータ２の厚みｔと外径φＤの比はｔ／Ｄ≦０．３５の条件を満たしており、これと横の最大クリアランスを０．３ｍｍ以上とした点は図１のポンプと共通している。

このポンプも、図１のポンプと同様に任意の形状の歯形を採用することができる。なお、アウターロータ外径とアウターロータ長径の差は、アウターロータの強度維持の関係上、一般的に約６ｍｍ〜約９ｍｍに設定される。

−実施例−
以下に、この発明の効果を確認するために行った実験について述べる。実験は、表１に示す仕様の発明品１、２と比較例１〜３を試作し、各試作品の性能（容積効率と吐出量）を測定する方法で行った。発明品１は歯数が４枚のインナーロータと歯数が５枚のアウターロータを組み合わせた図１のロータを使用している。比較例１と比較例２はともに図２のロータを使用しており、アウターロータの厚みのみを異ならせている。
発明品２は、歯数が９枚のインナーロータと歯数が１０枚のアウターロータを組み合わせた図３のロータを使用し、比較例３は発明品と歯数が同じ図４のロータを使用している
。
表１の「アウターロータ長径」はアウターロータの歯底部の直径を、「厚み／外径」はアウターロータの厚みと外径の比をそれぞれ表す。

発明品１と比較例１、２について、表２、３に示す回転数での吐出圧力０．５ＭＰａでの容積効率と吐出圧力０．９ＭＰａでの容積効率を調べた結果を表２、３と図５、図６に示す。
この評価は、以下の条件下で行った。
（評価条件）
使用オイル：エンジンオイルＳＡＥ３０
油 温 ：１２０℃
吐出圧力 ：０．５ＭＰａ及び０．９ＭＰａ
（クリアランス）
サイドクリアランス：０．０６ｍｍ
チップクリアランス：０．０８ｍｍ
ボディークリアランス：０．２５ｍｍ

この評価試験からわかるように、比較例１、２は回転数が７０００／ｒｐｍを超えたところから容積効率が低下したのに対し、発明品１は８０００／ｒｐｍまではその低下がみられず、キャビテーション発生時の回転数が１０００／ｒｐｍ程度多くなっている。

また、発明品２と比較例３について、表４、５に示す回転数での吐出圧力０．５ＭＰａでの吐出量と吐出圧力１．０ＭＰａでの吐出量を調べた結果を表４、５と図７、図８に示す。
この評価は、以下の条件下で行った。
（評価条件）
使用オイル：ＡＴＦ
油 温１２０℃、吐出圧力０．５ＭＰａ、及び油温８０℃、吐出圧力１．０ＭＰａ
（クリアランス）
サイドクリアランス：０．０５ｍｍ
チップクリアランス：０．１１ｍｍ
ボディークリアランス：０．１５ｍｍ

この評価試験では、回転数が５５００／ｒｐｍを超えたところから吐出量に差が生じて発明品２の方が比較例３よりも吐出量が多くなっている。

（ａ）：この発明の内接歯車式ポンプの実施形態をカバーを外した状態にして示す図、（ｂ）：図１（ａ）のポンプのロータがチャンバ閉じ込め位置に回転した状態を示す図 （ａ）：比較例１、２のポンプのロータを示す図、（ｂ）：図２（ａ）のロータがチャンバ閉じ込め位置に回転した状態を示す図 （ａ）：この発明の内接歯車式ポンプの他の実施形態をカバーを外した状態にして示す図、（ｂ）：図３（ａ）のポンプのチップクリアランス形成状態を示す図 （ａ）：比較例３のポンプのロータを示す図、（ｂ）：図４（ａ）のポンプのチップクリアランス形成状態を示す図 発明品１と比較例１、２の吐出圧力０．５ＭＰａでの容積効率の調査結果を示す図 発明品１と比較例１、２の吐出圧力０．９ＭＰａでの容積効率の調査結果を示す図 発明品２と比較例３の油温１２０℃、吐出圧力０．５ＭＰａでの吐出量の調査結果を示す図 発明品２と比較例３の油温８０℃、吐出圧力１．０ＭＰａでの吐出量の調査結果を示す図

符号の説明

１ インナーロータ
１ａ 歯先部
１ｂ 歯底部
１ｃ 噛合部
２ アウターロータ
３ ポンプロータ
４ 吸入ポート
５ 吐出ポート
６ ハウジング
７ 回転軸
８ チャンバ
９ 閉じ込み部
１０、１０Ａ 内接歯車式ポンプ

Claims (1)

1. 歯数がｎ枚のインナーロータ（１）と歯数が（ｎ＋１）枚のアウターロータ（２）を組み合わせた内接歯車式ポンプにおいて、
   吸入ポート（４）上でチャンバ（８）のロータ回転方向前後に形成されるインナーロータ（１）とアウターロータ（２）の各歯の最接近部のクリアランスのうち、最大部位のクリアランスを０．３ｍｍ以上にすると共に、アウターロータ（２）の厚みｔと外径φＤの関係をｔ／Ｄ≦０．３５に規定したことを特徴とする内接歯車式ポンプ。

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