JP2008196430A - 流体ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 流体ポンプにおいて、ポンプケーシングの内壁面と回転体の側面との間の隙間に潤滑膜を形成する上で有効な技術を提供する。
【解決手段】 流体の吸入口３７と吐出口３９とを有するポンプケーシング４５と、ポンプケーシング４５内に回転可能に収容された回転体４１，４３を有し、回転体４１，４３の回転によって吸入口３７から流体を吸入して吐出口３９から吐出する流体ポンプにおいて、回転体４１，４３の、少なくとも吐出口３９と対向する側と反対側の側面４１ａ，４３ａと、ポンプケーシング４５の内壁面３５ａとの間の隙間が、回転体４１，４３の径方向の一方側から他方側に向って漸減するように形成されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ポンプケーシング内に収容された回転体が回転動作することによって吸入口からポンプケーシング内に吸入した流体を吐出口から吐出する回転形の流体ポンプに関する。

回転形の流体ポンプは、燃料タンク内の燃料を内燃機関に供給する装置として使用することが知られている。このような流体ポンプは、例えば特許第３２２８４４６号公報（特許文献１）に開示されている。
公報に開示された流体ポンプ（燃料ポンプ）は、回転体としての円板状のインペラの側面と、ポンプケーシングの内壁面がインペラの回転動作を許容する微少な隙間を置いて対向している。ポンプケーシングの内壁面には、一端が吸入口に連通され、他端が排出口に連通されたポンプ通路がインペラの周縁部に沿って円弧状に設けられている。そして、インペラが回転動作することによって、吸入口から吸入された燃料がポンプ通路を搬送されつつ昇圧されて排出口から排出される構成である。この種の流体ポンプでは、ロータ側面と、当該ロータ側面と対向するポンプケーシング内壁面との間に微少な隙間を設けてオイルによる潤滑を行っているが、前記隙間内でオイル切れを起こした場合、ロータ側面がポンプケーシング内壁面に接触してロータ側面あるいはポンプケーシング内壁面（特に硬度が低いポンプケーシングの内壁面）が摩耗し、ポンプ効率の低下、あるいは異音の発生といった不具合を起こすこととなる。
特許第３２２８４４６号公報

公報に記載の流体ポンプにおいては、ポンプケーシングの内壁面と対向するインペラの側面に凹状溝を設け、オイル切れによるロータ側面とポンプケーシング内壁面との接触を防止しているが、しかしながら、このような構成においてもオイル切れ対策としては、なお改良の余地がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、流体ポンプにおいて、ポンプケーシングの内壁面と回転体の側面との間の隙間に潤滑膜を形成する上で有効な技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するため、特許請求の範囲の請求項に記載の発明が構成される。
請求項１に記載の発明によれば、流体の吸入口と吐出口とを有するポンプケーシングと、ポンプケーシング内に回転可能に収容された回転体を有し、回転体の回転によって吸入口から流体を吸入して吐出口から吐出する流体ポンプが構成される。なお本発明における「流体ポンプ」は、典型的には、内燃機関の燃料供給装置として適用されるが、その適用範囲については、燃料供給装置に限定されない。また「流体ポンプ」の形式としては、典型的には、ポンプケーシング内に歯数の異なるアウタロータとインナロータが偏心して収容され、それらアウタロータとインナロータが同方向へ回転することによって流体を吸入口から吸入して吐出口から吐出するトロコイドポンプ、あるいはポンプケーシング内に回転自在に配置されるとともに周縁部に羽根溝を有するインペラが回転することによって、吸入口から吸入した流体をポンプケーシングの内壁面に形成されたポンプ通路を経て吐出口から吐出するインペラポンプ等がこれに該当する。しかし、本発明は、これらの形式に限らず、ポンプケーシング内に配置された回転体の回転動作によって流体を吸入口から吸入して吐出口から吐出する構成のポンプにおいて、ポンプケーシングの内壁面と回転体の側面との間をシール面とする構成の回転形の流体ポンプであれば、好適に適用可能である。

本発明の流体ポンプは、特徴的構成として、回転体の、少なくとも吐出口と対向する側と反対側の側面と、ポンプケーシングの内壁面との間の隙間が、回転体の径方向の一方側から他方側に向って漸減するように形成されている。なお本発明における「漸減する」は、隙間が一定の比率で減少する態様、あるいは隙間が異なる比率で減少する態様のいずれも好適に包含する。本発明の流体ポンプの場合、回転体には、吐出口が形成されている内壁面と対向する側面に高圧が作用する。このため、回転体には、吐出口が形成された内壁面と反対側の内壁面に向う方向に押付力が作用する。
本発明によれば、回転体の、少なくとも吐出口と対向する側と反対側の側面とポンプケーシングの内壁面との間の隙間が、回転体の径方向の一方側から他方側に掛けて漸減するように形成したものであり、このことにより、上記の隙間を楔状空間とすることができる。そして隙間を楔状空間とすることによって、回転体の回転動作に伴い流体が楔作用によって隙間に引きずり込まれることで圧力が上昇し、回転体をポンプケーシングの内壁面から引き離す、すなわち浮上させる。この流体の楔作用による圧力上昇によって生ずる浮上力は、楔状空間の隙間が小さくなるほど大きくなり、回転体に対して、当該回転体の側面をポンプケーシングの内壁面に押し付けようとする力（以下、押付力という）に対抗する。かくして、回転体の側面とポンプケーシングの内壁面との間には流体による潤滑膜が形成され、側面と内壁面の接触が防止されて摩耗が軽減され、ポンプ効率の向上、あるいは異音の発生といった問題が解決される。
本発明における「隙間を漸減する」構成は、回転体の側面あるいはポンプケーシングの内壁面の全体形状を、例えば傾斜面あるいは曲面によって形成することによって具現化できる。したがって、ポンプケーシングに傾斜面あるいは曲面を設けた場合には、隙間の漸減する方向は周方向位置において固定されるが、回転体に傾斜面あるいは曲面を設けた場合には、隙間の漸減する方向は周方向位置が回転体の回転に伴い常に変化する。そして回転体の側面あるいはポンプケーシングの内壁面を径方向に延びる傾斜面あるいは曲面のような単純な形状に形成することは、回転体あるいはポンプケーシングの製作が容易になり、製造コストを低くできる。

（請求項２に記載の発明）
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の流体ポンプにおいて、ポンプケーシングの、少なくとも吐出口が設けられている側の内壁面と反対側の内壁面が、回転体の径方向の一方側から他方側に向って傾斜する傾斜面で形成されている構成とした。本発明では、ポンプケーシングの内壁面のうち、少なくとも吐出口が設けられている側の内壁面と反対側の内壁面を傾斜面によって形成することで楔状空間を形成し、流体の楔作用によって生ずる浮上力を、回転体の吐出口と対向する側面に作用する押付力に対向して作用させることができるため、当該押付力を合理的に低減できる。また本発明によれば、ポンプケーシングの内壁面を傾斜面で形成するため、回転体の回転動作中において、楔状空間の位置が変わらない構成である。つまり楔状空間の位置が固定されているため、回転体に対する浮上力の作用位置が安定したものとなる。またポンプケーシングの内壁面を単純な傾斜面で形成することは、ポンプケーシングの製作が容易になり、製造コストを低くできる。

（請求項３に記載の発明）
請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の流体ポンプにおいて、吸入口と吐出口が回転体の回転方向において所定の位相差を置いて設けられている。そしてポンプケーシングの、少なくとも吐出口が設けられている側の内壁面と反対側の内壁面は、吐出口側の隙間が吸入口側の隙間よりも狭くなる傾斜面で形成された構成とされる。回転体の側面に作用する流体の圧力は、吐出口側圧力が吸引口側圧力よりも大きい。このため、本発明のように、回転体の側面とポンプケーシングの内壁面との間の隙間につき、吐出口側を吸入口側より狭く形成したときは、吐出口側において、流体の楔作用による大きい浮上力を生じさせて上記の吐出口側圧力に対向させるため、回転体の両側面に作用する力のバランスが取り易い。

（請求項４に記載の発明）
請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の流体ポンプにおいて、回転体の、少なくとも吐出口と対向する側と反対側の側面が、径方向の一方側から他方側に向って傾斜する傾斜面で形成されている。上記のように、回転体の側面には、吐出口が形成された内壁面と反対側の内壁面に向う方向に押付力が作用するが、本発明では、回転体の、少なくとも吐出口と対向する側と反対側の側面を傾斜面で形成することで楔状空間を形成し、流体の楔作用によって生ずる浮上力を上記の押付力に対向して作用させることができるため、当該押付力を合理的に低減できる。また回転体の側面を単純な傾斜面で形成することは、回転体の製作が容易になり、製造コストを低くできる。

（請求項５に記載の発明）
請求項５に記載の発明によれば、請求項１〜４のいずれか１つに記載の流体ポンプにおいて、回転体の外周面の表面粗さと、回転体の外周面と対向するポンプケーシングの内周面との表面粗さの合計値が、０．５μｍ〜５μｍの範囲に設定された構成としている。回転体の外周面とこの外周面と対向するポンプケーシングの内周面との間の潤滑状態が流体潤滑にあれば、両面間に作用する圧力で回転体がポンプケーシングから浮いた状態となる。しかしその浮上量に対して表面粗さの方が大きいと、回転体とポンプケーシングが接触してしまう。本発明では、回転体の外周面の表面粗さと、回転体の外周面と対向するポンプケーシングの内周面との表面粗さの合計値を５μｍ以下に設定することで、当該表面粗さの合計値を回転体の浮上量よりも小さくすることが可能になる。これにより回転体の外周面とポンプケーシングの内周面が接触することを回避して摩耗を低減し、結果としてポンプ効率の向上が図れる。また表面粗さの合計値の下限値を、０．５μｍに設定することにより、流体ポンプの起動時において、回転体の外周面とポンプケーシングの内周面間に関するくっつき力（凝着力）の増大を抑え、起動時のトルクが大きくなりすぎなることを防止できる。

（請求項６に記載の発明）
請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜５のいずれか１つに記載の流体ポンプにおいて、回転体は、歯数の異なるアウタロータとインナロータとを備え、アウタロータとインナロータが偏心した状態で回転することによってアウタロータとインナロータの歯間に形成される空間に吸入口から流体を吸入して吐出口から吐出する構成とされている。本発明によれば、請求項１〜５に記載の発明において説明した特長を有するトロコイドポンプを提供することができる。

（請求項７に記載の発明）
請求項７に記載の発明によれば、請求項１〜５のいずれか１つに記載の流体ポンプにおいて、回転体は、周縁部に複数の羽根溝が形成された円板状のインペラを有し、ポンプケーシングには、回転体の回転方向に沿って延在されるとともに、延在方向の一端が吸入口に連通され、延在方向の他端が吐出口に連通されたポンプ通路が形成されており、インペラの回転によって吸入口から吸入した流体をポンプ通路に沿って搬送して吐出口から吐出する構成とされている。本発明によれば、請求項１〜５に記載の発明において説明した特長を有するインペラポンプを提供することができる。

本発明によれば、流体ポンプにおいて、ポンプケーシングの内壁面と回転体の側面との間の隙間に潤滑膜を形成する上で有効な技術が提供されることとなった。

（本発明の第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態につき、図面を参照しつつ説明する。本実施の形態は、流体ポンプの一例として、燃料タンク内の燃料を自動車の内燃機関に供給する電動式トロコイドポンプを用いて説明する。図１には電動式トロコイドポンプの全体構成が示され、図２にはポンプ部の構成が平面図として示される。図１に示すように、電動式トロコイドポンプは、円筒状に形成されたハウジング５に組み込まれたモータ１と、当該モータ１の下部においてハウジング５に組み込まれ、モータ１によって駆動されるポンプ部３とを主体にして構成されている。

ハウジング５の上部側にはモータカバー７が取り付けられ、ハウジング５の下部側にはポンプカバー９が取り付けられ、これによりハウジング５にはモータ室１１が形成されている。モータ室１１内にはアーマチュア１３が配置され、当該アーマチュア１３の軸１５は、上下方向に延在されるとともに、その上下端部がモータカバー７およびポンプカバー９にそれぞれ軸受１７、１９を介して回転可能に支持されている。ハウジング５の内壁面には、マグネット２１が配設されている。アーマチュア１３の軸１５上には、コイルと接続されるコミュテータ２３が設けられ、アーマチュア１３とともに回転される。

モータカバー７には、アーマチュア１３のコミュテータ２３と摺接するブラシ２５およびブラシ２５を付勢するスプリング２７が組み込まれている。ブラシ２５は、チョークコイル２９を介して外部接続端子と接続されている。モータカバー７に設けた燃料の排出口３１には、チェックバルブ３３が組み込まれており、燃料供給パイプが接続される。

ポンプ部３は、ポンプケーシング４５と、当該ポンプケーシング４５内に回転自在に収容されるアウタロータ４１およびインナロータ４３を主体として構成されている。アウタロータ４１およびインナロータ４３は、本発明における「回転体」に対応する。ポンプケーシング４５は、ポンプカバー９と当該ポンプカバー９の下方に配置されたポンプボディ３５とを互いに突き合わることによって形成されている。ポンプボディ３５は、ポンプカバー９に突き合わせた（重ねた）状態でハウジング５の下端部にかしめ付けによって取り付けられている。

ポンプボディ３５とポンプカバー９により形成される内部空間、すなわちポンプケーシング４５に形成されるポンプ室には、アウタロータ４１およびインナロータ４３が偏心した状態で組み付けられている。図２に示すように、アウタロータ４１は、内周にｎ個（本実施の形態では９個）の内歯４１ｃを有するリング状に形成されている。インナロータ４３は、外周にアウタロータ４１の内歯４１ｃと噛み合うｎ−１個（本実施の形態では８個）の外歯４３ｃを有する。インナロータ４３の中心部には、断面Ｄ字形の貫通孔が設けられ、この貫通孔にアーマチュア１３の軸１５に形成された断面Ｄ字形の軸部が嵌合されている。これにより、インナロータ４３は、アーマチュア１３の軸１５に対して追従回転可能で、かつ、軸方向に僅かに移動可能に連結されている。なおアーマチュア１３の軸１５のポンプ側軸端部は、ポンプボディ３５に取り付けられたスラスト軸受４６によって支持されており、これにより、軸１５に作用するスラスト荷重が受けられる。

ポンプケーシング４５および両ロータ４１，４３の歯面間には、図２に示すように、空間Ｓが区画形成されており、これら各空間Ｓは、アウタロータ４１およびインナロータ４３が同方向に回転されるとき、当該回転動作に伴って回転移動し、１回転を１周期として容積の増大、減少を繰り返す構成とされる。そしてポンプボディ３５には、容積が漸次増大する空間Ｓと連通する燃料の吸入口３７が設けられ、ポンプカバー９には、容積が漸次減少する空間Ｓと連通する燃料の吐出口３９が設けられている。吸入口３７と吐出口３９は、ロータ４１，４３の回転方向につき、概ね１８０度の位相差を置いて設けられる。このように、本実施の形態においては、ポンプケーシング４５は、両ロータ４１，４３の下側の側面４１ａ，４３ａと対向するポンプボディ３５側に吸入口３７を有し、両ロータ４１，４３の上側の側面４１ｂ，４３ｂと対向するポンプカバー９側に吐出口３９を有する構成とされる。以下の説明では、下側の側面４１ａ，４３ａを吸入口側の側面４１ａ，４３ａといい、上側の側面４１ｂ，４３ｂを吐出口側の側面４１ｂ，４３ｂという。吸入口側の側面４１ａ，４３ａは、本発明における「回転体の、吐出口と対向する側と反対側の側面」に対応する。

上記のように構成される電動式トロコイドポンプは、モータ１を通電駆動すると、アウタロータ４１およびインナロータ４３が同方向に偏心した状態で回転する。これにより、両ロータ４１，４３の歯面間に形成された各空間Ｓは、両ロータ４１，４３とともに回転移動しつつ、容積が増加する行程では燃料を吸入口３７から吸入し、容積が減少する行程では燃料を吐出口３９からモータ室１１に吐出する。なお燃料は、空間Ｓの容積減少行程において昇圧される。モータ室１１に吐出された高圧の燃料は、モータカバー７の排出口３１から燃料供給パイプを経てポンプ外部に排出される。

ポンプケーシング４５は、両ロータ４１，４３の吸入口側の側面４１ａ，４３ａに対して当該両ロータ４１，４３の回転動作を支障しない微少な隙間を置いて対向する内壁面３５ａと、両ロータ４１，４３の吐出口側の側面４１ｂ，４３ｂに対して当該両ロータ４１，４３の回転動作を支障しない微少な隙間を置いて対向する内壁面９ａを有する。吸入口側の側面４１ａ，４３ａと対向する内壁面３５ａ、すなわち、ポンプボディ３５側の内壁面３５ａは、本発明における「ポンプケーシングの、吐出口が設けられている側の内壁面と反対側の内壁面」に対応する。ポンプ運転時において、両ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂとポンプケーシング４５の内壁面３５ａ，９ａ間の隙間には、燃料が介在されて側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂと内壁面３５ａ，９ａの潤滑が行われる。ところが、このような燃料による潤滑方式において、潤滑面に燃料切れ、つまりオイル切れ（油膜切れ）が生じたときには、両ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａあるいは４１ｂ，４３ｂがポンプケーシング４５の内壁面３５ａあるいは９ａに押し付けられると、当該側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂと内壁面３５ａ，９ａが接触して摩耗を引き起こすことになる。

そこで、本実施の形態においては、両ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂと、ポンプケーシング４５の内壁面３５ａ，９ａ間の隙間を、両ロータ４１，４３の径方向における一方側から他方側に向って漸減する楔状空間に形成し、当該楔状空間における燃料の楔作用によってオイル切れを防止する構成としている。すなわち、両ロータ４１，４３が回転駆動する際、燃料が楔作用によって側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂと内壁面３５ａ，９ａ間の楔状空間の隙間に引きずり込まれることで、当該隙間でのオイル切れが防止される構成としている。このように、燃料が楔状空間に引きずり込まれることで隙間の圧力が上昇し、両ロータ４１，４３には、当該両ロータ４１，４３をポンプケーシング４５の内壁面３５ａ，９ａから離間させようとする力、すなわち浮上力が発生する。この浮上力は、楔状空間の隙間が狭くなるほど大きくなる。

次に楔状空間を形成するための各実施例につき、図３〜図６を参照して説明する。図３に示す第１の実施例は、両ロータ４１，４３の吸入口３７と対向する側および吐出口３９と対向する側の各側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂのそれぞれにつき、径方向に延びる傾斜面（テーパ面）で形成することによって、各側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂとポンプケーシング４５の内壁面３５ａ，９ａとの間の隙間を、両ロータ４１，４３の径方向における一方側から他方側に向って漸減する楔状空間に形成したものである。

上記のように構成された第１の実施例によれば、ポンプ運転時において、アウタロータ４１およびインナロータ４３が回転駆動されることに伴い、両ロータ４１，４３には、吸入口側および吐出口側において、燃料の楔作用によってポンプケーシング４５の内壁面３５ａ，９ａに対して浮上力が発生する。したがって、両ロータ４１，４３は、吐出口側の側面４１ｂ，４３ｂに作用する押付力および浮上力と、吸入口側の側面４１ａ，４３ａに作用する浮上力とが釣り合う位置に置かれる。このため、両ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂとポンプケーシング４５の内壁面３５ａ，９ａ間の隙間におけるオイル切れが防止され、オイル切れに起因する両ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂとポンプケーシング４５の内壁面３５ａ，９ａとの接触が防止される。その結果、摩耗を軽減してポンプ効率の向上を図ることができ、あるいは異音の発生といった問題が解決される。また第１の実施例によれば、両ロータ４１，４３の吸入口側および吐出口側の両側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂを単純な傾斜面形状とすることによって、燃料の楔作用による隙間の昇圧効果を得るための形状を有する両ロータ４１，４３を容易に製作することが可能となり、製造コストを低くできる。

図４に示す第２の実施例は、両ロータ４１，４３における吸入口側の側面４１ａ，４３ａを径方向の傾斜面（テーパ面）で形成することによって、当該吸入口側の側面４１ａ，４３ａとポンプケーシング４５（ポンプボディ３５）の内壁面３５ａとの間の隙間を、両ロータ４１，４３の径方向における一方側から他方側に向って漸減する楔状空間に形成したものである。

したがって、第２の実施例では、ポンプ運転時において、両ロータ４１，４３は、吐出口側の側面４１ｂ，４３ｂに作用する押付力および浮上力と、吸入口側の側面に作用する浮上力とが釣り合う位置に置かれる。このため、両ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂとポンプケーシング４５の内壁面３５ａ，９ａ間の隙間におけるオイル切れが防止され、オイル切れに起因する両ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂとポンプケーシング４５の内壁面３５ａ，９ａとの接触が防止される。その結果、摩耗を軽減してポンプ効率の向上を図ることができ、あるいは異音の発生といった問題が解決される。また第２の実施例によれば、両ロータ４１，４３の吸入口側の側面４１ａ，４３ａを単純な傾斜面形状とすることによって、燃料の楔作用による隙間の昇圧効果を得るための形状を有する両ロータ４１，４３を容易に製作することが可能となり、製造コストを低くできる。

図５に示す第３の実施例は、ポンプケーシング４５の吸入口側（ポンプボディ３５側）および吐出口側（ポンプカバー９側）の両内壁面３５ａ，９ａを、それぞれ径方向の傾斜面（テーパ面）で形成している。また本実施例では、ポンプケーシング４５の吸入口側および吐出口側の両内壁面３５ａ，９ａを、当該両内壁面３５ａ，９ａと、両ロータ４１，４３の各側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂとの間の隙間が、両ロータ４１，４３の径方向における吸入口側から吐出口側に掛けて漸減する楔状空間となるような傾斜面によって形成している。

したがって、第３の実施例によれば、第１の実施例と同様に、両ロータ４１，４３は、吐出口側の側面４１ｂ，４３ｂに作用する押付力および浮上力と、吸入口側の側面４１ａ，４３ａに作用する浮上力とが釣り合う位置に置かれる。このため、両ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂとポンプケーシング４５の内壁面３５ａ，９ａ間の隙間におけるオイル切れが防止され、オイル切れに起因する両ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂとポンプケーシング４５の内壁面３５ａ，９ａとの接触が防止される。その結果、摩耗を軽減してポンプ効率の向上を図ることができ、あるいは異音の発生といった問題が解決される。

また第３の実施例によれば、ポンプケーシング４５の内壁面３５ａ,９ａを単純な傾斜面形状とすることによって、燃料の楔作用による隙間の昇圧効果を得るための形状を有するポンプケーシング４５を容易に製作することが可能となり、製造コストを低くできる。また第３の実施例のように、ポンプケーシング４５の内壁面３５ａ，９ａを傾斜面で形成する構成としたときは、両ロータ４１，４３の回転動作中において、楔状空間の位置が変わらない構成である。つまり楔状空間の位置が固定されているため、両ロータ４１，４３に対する浮上力の作用位置が安定したものとなる。また両ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａとポンプケーシング４５の内壁面３５ａとの間の隙間につき、回転軸線を挟んで吐出口側を吸入口側より狭く形成してあるため、吐出口側において、燃料の楔作用による大きい浮上力を生じさせて吐出口側圧力に対向させることができる。このため、両ロータ４１，４３に作用する力のバランスが取り易い。

図６に示す第４の実施例は、ポンプケーシング４５の吸入口側（ポンプボディ３５側）の内壁面３５ａを径方向に延びる傾斜面（テーパ面）に形成している。また本実施例では、ポンプケーシング４５の吸入口側（ポンプボディ３５側）の内壁面３５ａを、当該吸入口側の内壁面３５ａと両ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａとの間の隙間が、両ロータ４１，４３の径方向における吸入口側から吐出口側に掛けて漸減する楔状空間となるような傾斜面によって形成している。

したがって、第４の実施例によれば、前述した第２の実施例と同様に、ポンプ運転時において、両ロータ４１，４３は、吐出口側の側面４１ｂ，４３ｂに作用する押付力および浮上力と、吸入口側の側面４１ａ，４３ａに作用する浮上力とが釣り合う位置に置かれる。このため、両ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂとポンプケーシング４５の内壁面３５ａ，９ａ間の隙間におけるオイル切れが防止され、オイル切れに起因する両ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂとポンプケーシング４５の内壁面３５ａ，９ａとの接触が防止される。その結果、摩耗を軽減してポンプ効率の向上を図ることができ、あるいは異音の発生といった問題が解決される。

また第４の実施例によれば、ポンプケーシング４５の吸入口側の内壁面３５ａを単純な傾斜面形状とすることによって、燃料の楔作用による隙間の昇圧効果を得るための形状を有するポンプケーシング４５を容易に製作することが可能となり、製造コストを低くできる。また第４の実施例によれば、第３の実施例と同様に、楔状空間の位置が固定されているため、両ロータ４１，４３に対する浮上力の作用位置が安定したものとなる。また両ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａとポンプケーシング４５の内壁面３５ａとの間の隙間につき、回転軸線を挟んで吐出口側を吸入口側より狭く形成してある。このため、吐出口側において、燃料の楔作用による大きい浮上力を生じさせて吐出口側圧力に対向させ、両ロータ４１，４３の両側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂに作用する力のバランスが取り易い。

本実施形態において、ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂあるいはポンプケーシング４５の内壁面３５ａ，９ａを傾斜面によって形成したときの、当該傾斜面に発生する浮上力を計算した。図７に示すラジアル軸受のモデルでは、ラジアル軸受で発生する浮上力と浮上量は，［１式］により計算することができる。

［１式］
この［１式］において、Ｓはゾンマーフェルト数、ηは燃料の粘度、Ｎはロータの回転数、Ｐｍは軸受の内周面に作用する圧力（面圧）、Ｄはロータの外径、ｂは軸受の幅（軸方向長さ）、ｃはロータと軸受との間の隙間の長さ、Ｆはロータの外周面に作用する力（浮上力）、εは偏心率である。なお偏心率εは、ゾンマーフェルト数Ｓを用いて図８により決定される。

そして、ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂあるいはポンプケーシング４５の内壁面３５ａ，９ａを傾斜面形状に形成したときに発生する浮上力を、図９、図１０に示す計算条件を仮定して〔１式〕により求めた。
以上のようにして計算した結果、浮上力Ｆは、Ｆ＝４〔Ｎ〕であった。
ここで、ＣＡＥ（Computer aided engineering）解析を行った結果、ロータ４１，４３がポンプボディ３５に押し付けられる力（押付力）は、約２〔Ｎ〕であった。したがって、本実施形態のように、ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａ，４１ｂ，４３ｂあるいはポンプボディ３５、ポンプカバー９の内壁面３５ａ，９ａを傾斜面とすることにより、ロータ４１，４３のポンプボディ３５への押付力に対向してロータ４１，４３を浮上させるのに必要な浮上力を得ることができる。

（本発明の第２の実施形態）
ところで、トロコイドポンプのアウタロータ４１は、図１１に示すように、その外周面４１ｄ（回転軸線周りの面）がポンプケーシング４５の内周面４５ａに対して微少な隙間を置いて収容され、燃料が介在された状態で外周面４１ｄと内周面４５ａ間の潤滑が行われる。しかしながら、アウタロータ４１の外周面４１ｄやポンプケーシング４５の内周面４５ａの表面粗さ（面粗度）によっては、アウタロータ４１の外周面４１ｄがポンプケーシング４５の内周面４５ａに接触し、周面が摩耗することになる。このため、接触に伴う摩耗の対策が必要とされる。
そこで、アウタロータ４１の外周面４１ｄとポンプケーシング４５の内周面４５ａとの間の摩耗対策として提案された本発明の第２の実施形態にかかるトロコイドポンプつき、図１１〜図１５を参照しつつ説明する。

本発明者は、アウタロータ４１の外周面４１ｄと、当該外周面４１ｄと対向するポンプケーシング４５の内周面４５ａ（図１に示すポンプカバー９の周壁９ｂの内周面）の表面粗さと、アウタロータ４１の浮上量との関連につき、考察を加えた。なおトロコイドポンプの全体構成および作用については、前述した第１の実施形態と同様に構成されるため、その説明については、これを省略する。

１．アウタロータ外周面とポンプケーシング内周面の表面粗さの決定法。
アウタロータ４１の外周面４１ｄとポンプケーシング４５の内周面４５ａ間は、燃料の流体潤滑作用が生ずるため、アウタロータ４１は、径方向に浮上する。つまりポンプケーシング４５の内周面４５ａから離間する。しかしながら、径方向の浮上量に対して表面粗さの方が大きいと、アウタロータ４１とポンプケーシング４５が接触してしまう。この接触している状態がオイル切れ（油膜切れ）している状態に相当する。本実施形態では、アウタロータ４１の外周面４１ｄの表面粗さＲｑ１と、ポンプケーシング４５の内周面４５ａの表面粗さＲｑ２を合計した表面粗さ合計値が、アウタロータ４１の浮上量ｈ以下となるように設定することで、当該アウタロータ４１とポンプケーシング４５の接触を防ぐ構成としている（図１４参照）。表面粗さを決定する方法は、以下の手順で行う。
（１）アウタロータ４１の外周面４１ｄをポンプケーシング４５の内周面４５ａに押し付ける力（以下、押付力という）を求める。
（２）この押付力に対して、ポンプ運転条件における浮上量を求める。
（３）表面粗さが浮上量以下となるように設定する。

２．押付力の算出
アウタロータ４１をポンプケーシング５４に押し付ける押付力は、様々な要因によって発生するが、特に吸入口と吐出口の圧力差によって発生する力が最も大きい。そこで、下記計算方法でこの押付力を計算する。
アウタロータ４１にかかる圧力差による押付力は、概括的に見て２つ考えられる。１つは、アウタロータ４１の外側（外周）に作用する回転中心に向う内径方向の力Ｆｙｉｎであり、他の１つはアウタロータ４１の内側（内周）に作用する回転中心から外側に向かう外径方向の力Ｆｙｏｕｔである。この二つの力ＦｙｉｎおよびＦｙｏｕｔは、〔２式〕により求めることができる。

［２式］
この［２式］において、Ｐはポンプ部の雰囲気圧力、Ｒｏｕｔはアウタロータ４１の半径、Ｒｉｎはアウタロータ歯４１ｃの中心半径、ｂはアウタロータ４１の幅（軸方向長さ）である。なお、図１１において、θは任意の基準角度（一点鎖線で示す角度）θｏからの角度、θｉｎは吸入行程の終端位置、θｕｐは吐出行程の始端位置、θｏｕｔは吐出行程の終端位置、θｄｏｗｎは吸入行程の始端位置であり、またθｉｎからθｕｐまでの間は圧力増加区間、θｕｐからθｏｕｔまでの間は吐出圧力区間、θｏｕｔからθｄｏｗｎまでの間は圧力減少区間、θｄｏｗｎからθｉｎまでの間は圧力が０の区間である。
アウタロータ４１をポンプケーシング４５に押し付ける力（押付力）Ｆは、この二つの力の差、すなわち［Ｆ＝Ｆｙｏｕｔ−Ｆｙｉｎ］である。

３．浮上量ｈは、ポンプ運転条件等を仮定することにより、［１式］により求まる。

４．表面粗さの決定
図１２のストライベック線図および図１３の潤滑状態から表面粗さを設定する。つまりアウタロータ４１の外周面４１ｄとポンプケーシング４５の内周面４５ａ間の潤滑状態を流体潤滑とするために、摩擦係数μが０．０１〜０．０５、すなわち燃料の膜厚比Λが２〜３以上となるように設定する。この設定は、滑り軸受をトロコイドポンプのロータに置き換えて検討し、試験を行った結果、膜厚比２〜３程度まで摩擦損失が低下し、効率が向上することを確認できたことに基づくものである。膜厚比Λと浮上量ｈを用いて［３式］から表面粗さ合計値を求める。

［３式］
この［３式］において、Ｒｑ１はアウタロータ４１の外周面４１ｄの表面粗さ、Ｒｑ２はポンプケーシング４５の内周面４５ａの表面粗さである。

５．実験結果との比較
浮上量ｈが最大１０μｍとした場合、表面粗さ合計値Ｒｚ（＝Ｒｑ１＋Ｒｑ２）が５μｍ以下であればよい。表面粗さ合計値とポンプ効率の実験結果を図１５に示す。図１５から表面粗さ合計値が５μｍ以下でポンプ効率が向上していることが分かる。

以上のように、第２の実施形態によれば、アウタロータ４１の外周面４１ｄの表面粗さと、ポンプケーシング４５の内周面４５ａの表面粗さの合計値Ｒｚを５μｍ以下とすることにより、アウタロータ４１の外周面４１ｄとポンプケーシング４５の内周面４５ａの接触を防ぎ、ポンプ効率を向上することができる。

また本実施の形態においては、アウタロータ４１の外周面４１ｄの表面粗さと、ポンプケーシング４５の内周面４５ａの表面粗さの合計値Ｒｚの下限値を、０．５μｍに設定した。これにより、流体ポンプの起動時において、アウタロータ４１の外周面４１ｄとポンプケーシング４５の内周面４５ａ間に関するくっつき力（凝着力）の増大を抑え、起動時のトルクが大きくなりすぎなることを防止できる。

したがって、第１の実施形態の構成と第２の実施形態の構成とを組み合わせて実施することにより、トロコイドポンプにおいて、アウタロータ４１の側面４１ａ，４１ｂとポンプケーシング４５の内壁面３５ａ，９ａとの接触、およびアウタロータ４１の外周面４１ｄとポンプケーシング４５の内周面４５ａとの接触を防止してポンプ効率の向上を図ることができる。勿論、第２の実施形態の構成は、第１の実施形態で説明したトロコイドポンプ以外の回転形の流体ポンプに用いることが可能であるし、第１の実施形態と組み合わせることなく、独立した態様での実施が可能である。

なお上述した各実施の形態は、図１に示すように、ポンプボディ３５に吸入口３７が形成され、ポンプカバー９に吐出口３９が形成されている形式、つまりアウタロータ４１およびインナロータ４３を挟んで一方の側面４１ａ，４３ａと対向する側に吸入口３７が設けられ、他方の側面４１ｂ，４３ｂと対向する側に吐出口３９が設けられている形式の電動式トロコイドポンプを対象としたものであるが、これに限定されない。すなわち、図１６に示すように、ポンプボディ３５に吸入口３７と吐出口３９が形成されている形式、つまりアウタロータ４１およびインナロータ４３の一方の側面４１ａ，４３ａと対向する側に吸入口３７と吐出口３９が設けられている形式の電動式トロコイドポンプにおいて、各実施例で説明した各構成を適用することが可能である。なお図１６において、上記の点を除く電動式トロコイドポンプの全体構成については、図１に示す実施形態の場合と概ね同様であるため、同一構成部材については、同一符号を付してその説明を省略する。

図１７には、アウタロータ４１およびインナロータ４３の一方の側面４１ａ，４３ａと対向する側、すなわち、ポンプボディ３５に吸入口３７と吐出口３９が設けられている形式の電動式トロコイドポンプにおいて、ポンプケーシング４５におけるポンプカバー９の内壁面９ａを、傾斜面で形成した例が示される。ポンプカバー９の内壁面９ａは、本発明における「ポンプケーシングの、吐出口が設けられている側の内壁面と反対側の内壁面」に対応する。このように、ポンプカバー９の内壁面９ａ、すなわち、吐出口３９が設けられている側の内壁面３５ａと反対側の内壁面９ａを、当該内壁面９ａと両ロータ４１，４３の側面４１ｂ，４３ｂとの間の隙間が、両ロータ４１，４３の径方向における吸入口側から吐出口側に掛けて漸減する楔状空間となるような傾斜面（テーパ面）によって形成している。これにより、前述した第４の実施例と同様の作用効果を得ることができる。

なお図１６に示す構成の電動式トロコイドポンプにおいて、図１７に示す構成のほか、ポンプカバー９の内壁面９ａとポンプボディ３５の内壁面３５ａの両方につき、両ロータ４１，４３の側面４１ａ，４３ａ、４１ｂ、４３ｂとの隙間が、吸入口３７側から吐出口３９側に向って漸次狭くなるように傾斜する傾斜面で形成する構成、あるいは両ロータ４１，４３の、少なくとも吐出口３９と対向する側と反対側の側面４１ｂ，４３ｂを、ポンプカバー９の内壁面９ａとの隙間が、両ロータ４１，４３の径方向の一方側から他方側に向かって漸次狭くなるように傾斜する傾斜面で形成する構成を採用することができる。

また上述した実施の形態では、流体ポンプの一例としてトロコイドポンプを例にとって説明したが、図１８に示すようなインペラポンプに適用してもよい。ここでインペラポンプとは、図１８に示すように、回転体として、周縁部に複数の羽根溝５３が形成された円板状のインペラ５１を有し、ポンプケーシング４５には、インペラ５１の回転方向に沿って延在されるとともに、延在方向の一端が吸入口３７に連通され、延在方向の他端が吐出口３９に連通されたポンプ通路５５，５７が形成されており、インペラ５１の回転によって吸入口３７から吸入した流体をポンプ通路５５，５７に沿って搬送して吐出口３９から吐出するように構成されている流体ポンプをいう。なお図１８において、ポンプ部３を除く電動式インペラポンプの全体構成については、図１に示すトロコイドポンプと概ね同様であるため、同一構成部材については、同一符号を付してその説明を省略する。

上記発明の趣旨に鑑み、以下の態様を構成することが可能とされる。
（態様１）
「流体の吸入口と吐出口とを有するポンプケーシングと、前記ポンプケーシング内に回転可能に収容された回転体を有し、前記回転体の回転によって前記吸入口から流体を吸入して前記吐出口から吐出する流体ポンプであって、
前記回転体の外周面の表面粗さと、前記回転体の外周面と対向する前記ポンプケーシングの内周面の表面粗さの合計値が、０．５μｍ〜５μｍの範囲に設定されていることを特徴とする流体ポンプ。」

態様１に記載の発明によれば、回転体の外周面とこの外周面と対向するポンプケーシングの内周面との間の潤滑状態が流体潤滑にあれば、両面間に圧力が作用し、浮いた状態となる。しかしその浮上量に対して表面粗さの方が大きいと、回転体とポンプケーシングが接触してしまう。本発明では、回転体の外周面の表面粗さと、回転体の外周面と対向するポンプケーシングの内周面の表面粗さの合計値を５μｍ以下に設定することで、当該表面粗さの合計値が回転体の浮上量よりも小さくなる。これにより回転体の外周面とポンプケーシングの内周面が接触することを回避して摩耗を低減し、結果としてポンプ効率の向上が図れる。また表面粗さの合計値の下限値を、０．５μｍに設定することにより、流体ポンプの起動時において、回転体の外周面とポンプケーシングの内周面間に関するくっつき力（凝着力）の増大を抑え、起動時のトルクが大きくなりすぎなることを防止できる。

電動式トロコイドポンプの全体構成を示す断面図である。 第１の実施形態に係るポンプ部の構成を示す平面図である。 傾斜面の構成に関する第１の実施例を示す断面図である。 傾斜面の構成に関する第２の実施例を示す断面図である。 傾斜面の構成に関する第３の実施例を示す断面図である。 傾斜面の構成に関する第４の実施例を示す断面図である。 ラジアル軸受のモデルを示す模式図である。 Ｓ−ε線図である。 ポンプ部を傾斜面形状とした場合の模式図である。 仮定した計算条件を示す図である。 第２の実施形態に係るポンプ部の構成を示す平面図である。 ストライベック線図である。 潤滑状態を示す図である。 浮上量を示す図である。 実験結果を示す図である。 燃料の流れ方向に関する形式が異なる別の電動式トロコイドポンプの全体構成を示す断面図である。 図１６に示す構成の電動式トロコイドポンプにおける傾斜面に関する１つの実施例を示す断面図である。 電動式インペラポンプの全体構成を示す断面図である。

符号の説明

１ モータ
３ ポンプ部
５ ハウジング
７ モータカバー
９ ポンプカバー
９ａ 内壁面
９ｂ 周壁
１１ モータ室
１３ アーマチュア
１５ 軸
１７ 軸受
１９ 軸受
２１ マグネット
２３ コミュテータ
２５ ブラシ
２７ スプリング
２９ チョークコイル
３１ 排出口
３３ チェックバルブ
３５ ポンプボディ
３５ａ 内壁面
３７ 吸入口
３９ 吐出口
４１ アウタロータ（回転体）
４１ａ 吸入口側の側面
４１ｂ 吐出口側の側面
４１ｃ 内歯
４１ｄ 外周面
４３ インナロータ（回転体）
４３ａ 吸入口側の側面
４３ｂ 吐出口側の側面
４３ｃ 外歯
４５ ポンプケーシング
４５ａ 内周面
４６ スラスト軸受
５１ インペラ
５３ 羽根溝
５５ ポンプ通路
５７ ポンプ通路
Ｓ 空間

Claims (7)

1. 流体の吸入口と吐出口とを有するポンプケーシングと、前記ポンプケーシング内に回転可能に収容された回転体を有し、前記回転体の回転によって前記吸入口から流体を吸入して前記吐出口から吐出する流体ポンプであって、
   前記回転体の、少なくとも前記吐出口と対向する側と反対側の側面と、前記ポンプケーシングの内壁面との間の隙間が、前記回転体の径方向の一方側から他方側に向って漸減するように形成されていることを特徴とする流体ポンプ。
2. 請求項１に記載の流体ポンプであって、
   前記ポンプケーシングの、少なくとも前記吐出口が設けられている側の内壁面と反対側の内壁面が、前記回転体の径方向の一方側から他方側に向って傾斜する傾斜面で形成されていることを特徴とする流体ポンプ。
3. 請求項２に記載の流体ポンプであって、
   前記吸入口と前記吐出口が前記回転体の回転方向において所定の位相差を置いて設けられ、
   前記ポンプケーシングの、少なくとも前記吐出口が設けられている側の内壁面と反対側の内壁面は、前記吐出口側の隙間が前記吸入口側の隙間よりも狭くなる傾斜面で形成されていることを特徴とする流体ポンプ。
4. 請求項１に記載の流体ポンプであって、
   前記回転体の、少なくとも前記吐出口と対向する側と反対側の側面が、径方向の一方側から他方側に向って傾斜する傾斜面で形成されていることを特徴とする流体ポンプ。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の流体ポンプであって、
   前記回転体の外周面の表面粗さと、前記回転体の外周面と対向する前記ポンプケーシングの内周面の表面粗さの合計値が、０．５μｍ〜５μｍの範囲に設定されていることを特徴とする流体ポンプ。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の流体ポンプであって、
   前記回転体は、歯数の異なるアウタロータとインナロータとを備え、前記アウタロータと前記インナロータが偏心した状態で回転することによって前記アウタロータと前記インナロータの歯間に形成される空間に前記吸入口から流体を吸入して前記吐出口から吐出する構成とされていることを特徴とする流体ポンプ。
7. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の流体ポンプであって、
   前記回転体は、周縁部に複数の羽根溝が形成された円板状のインペラを有し、前記ポンプケーシングには、前記回転体の回転方向に沿って延在されるとともに、延在方向の一端が前記吸入口に連通され、延在方向の他端が前記吐出口に連通されたポンプ通路が形成されており、前記インペラの回転によって前記吸入口から吸入した流体を前記ポンプ通路に沿って搬送して前記吐出口から吐出する構成とされていることを特徴とする流体ポンプ。

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