JP2008223634A - ベーンポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】遠心力の作用によりベーンの先端部がポンプ室の内周面に圧接される力が働いても、ベーンの先端部とポンプ室の内周面との間の摩擦による抵抗の増大および摩耗の増大が生じてしまうことのないベーンポンプを提供する。
【解決手段】内部にポンプ室２を形成したケーシング１０と、ポンプ室２に収納したロータ３と、ロータ３をケーシング１０に対して回転させるための回転駆動手段と、ロータ３に設けられて先端がポンプ室２の内周面に摺接される複数のベーン４を備え、ポンプ室２の内周面２ａとロータ３の外周面とベーン４とで囲まれてロータ３の回転駆動によりその容積を大小変化させる作動室５と、容積拡大過程の作動室５に作動流体を流入させる吸入口部６と、容積縮小過程の作動室５から作動流体を排出させる吐出口部７を備えたベーンポンプにおいて、ベーン４の前記ポンプ室２の内周面２ａに摺接する先端面４ａに作動流体が溜まる凹溝４１を凹設した。
【選択図】図１

Description

本発明はベーンポンプに関する。

従来よりベーンポンプが知られている（例えば特許文献１参照）。例えば図８に示すように、ベーンポンプ１はケーシング１０内に形成したポンプ室２の偏心位置にロータ３を収納してあり、ロータ３には先端がポンプ室２の内周面２ａに摺接されるベーン４を複数設けている。ロータ３を回転駆動すると、各ベーン４の先端面４ａはロータ３の回転による遠心力の作用を受けてポンプ室２の内周面２ａに摺接し、これによりポンプ室２の内面とロータ３の外周面とベーン４とで囲まれた作動室５の容積が大小変化し、この作動室５を介して吸入口部６から作動流体を吸入すると共に吐出口部７から作動流体を排出する。図中の符号２１は押圧バネである。

このようなベーンポンプは、上述したようにロータ３の回転による遠心力の作用によりベーン４の先端部がポンプ室２の内周面２ａに圧接されることとなり、摩擦による抵抗の増大および摩耗の増大が生じてしまう、という問題があるものであった。
特開昭５３−２７０４号公報

本発明は上記従来の問題点に鑑みて発明したものであって、その目的とするところは、遠心力の作用によりベーンの先端部がポンプ室の内周面に圧接される力が働いても、ベーンの先端部とポンプ室の内周面との間の摩擦による抵抗の増大および摩耗の増大が生じてしまうことのないベーンポンプを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために請求項１に係るベーンポンプは、内部にポンプ室２を形成したケーシング１０と、ポンプ室２に収納したロータ３と、ロータ３をケーシング１０に対して回転させるための回転駆動手段と、ロータ３に設けられて先端がポンプ室２の内周面に摺接される複数のベーン４を備え、ポンプ室２の内周面２ａとロータ３の外周面とベーン４とで囲まれてロータ３の回転駆動によりその容積を大小変化させる作動室５と、容積拡大過程の作動室５に作動流体を流入させる吸入口部６と、容積縮小過程の作動室５から作動流体を排出させる吐出口部７を備えたベーンポンプにおいて、ベーン４の前記ポンプ室２の内周面２ａに摺接する先端面４ａに作動流体が溜まる凹溝４１を凹設して成ることを特徴とするものである。

このような構成とすることで、作動流体が凹溝４１内に溜まり、ロータ３の回転によって凹溝４１内に溜まった作動流体にてポンプ作用による圧力が発生して流体膜を形成し、ベーン４の先端部とポンプ室２の内周面２ａとの摺動抵抗（摩擦抵抗）を低減させると共にこれらの摩耗を無くすことが可能となるものである。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、凹溝４１のベーン進行方向と反対側の端部に、ベーン進行方向と反対側へ行く程溝深さが浅くなるテーパ状のランド部４１ａを形成して成ることを特徴とするものである。

このような構成とすることで、ロータ３の回転によって凹溝４１内に溜まった作動流体にてくさび膜効果による圧力が発生して流体膜を形成し、ベーン４の先端部とポンプ室２の内周面２ａとの摺動抵抗（摩擦抵抗）を低減させると共にこれらの摩耗を抑制することが可能となるものである。

また、請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明において、ロータ３に形成されベーン４を突没自在に収容するベーン溝１９の側面と摺接するベーン４の側面に、ベーン溝１９の側面と接触するのを回避するための凹部４２を形成して成ることを特徴とするものである。

このような構成とすることで、ベーン４がロータ３のベーン溝１９から突没する際の摺動抵抗を低減させると共にこれらの摩耗を抑制することが可能となるものである。

また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３に係る発明において、ベーン４の少なくともポンプ室２の内周面２ａと摺接する部分を滑性を有する部材で形成して成ることを特徴とするものである。

このような構成とすることで、ポンプ起動時のベーン４の先端面４ａとポンプ室２の内周面２ａとの間に流体膜が形成されない時でも、ベーン４の先端部とポンプ室２の内周面２ａとの摺動摩擦を低減させると共にこれらの摩耗を抑制することが可能となるものである。

また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４に係る発明において、ケーシング１０の少なくともポンプ室２の内周面２ａを滑性を有する部材で形成して成ることを特徴とするものである。

このような構成とすることで、ポンプ起動時のベーン４の先端面４ａとポンプ室２の内周面２ａとの間に流体膜が形成されない時でも、ベーン４の先端部とポンプ室２の内周面２ａとの摺動摩擦を低減させると共にこれらの摩耗を抑制することが可能となるものである。

本発明にあっては、ベーンによって作動流体を搬送する際、作動流体が凹溝内に溜まり、ロータの回転によってポンプ室の内周面とベーンの先端面との間に相対速度が生じた際に、前記凹溝内に溜まった作動流体にてポンプ作用による圧力が発生して流体膜を形成し、ベーンに対して遠心力等による外方への力に抗する中心方向への力がかかることになり、ベーンのポンプ室の内周面への押圧力が緩和されると共にベーンと内周面との直接接触を阻止することができ、ベーンの先端部（先端面）とポンプ室の内周面との摺動抵抗（摩擦抵抗）を低減させると共にこれらの摩耗を無くす又は低減させることが可能となる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明する。

本例のベーンポンプ１は、図２及び図３に示すように、ケーシング１０内に設けたポンプ室２にロータ３を偏心させて収納し、先端部がポンプ室２の内周面２ａに摺接される複数のベーン４をロータ３に設け、ケーシング１０に吸入口６及び吐出口７をポンプ室２に至るように設け、ロータ３を回転駆動させることでポンプ室２の内面とロータ３の外周面３ａとベーン４とで囲まれた空間である作動室５の容積を大小させて、作動室５を介して吸入口６からの作動流体を吐出口７から排出する構成を有する。以下詳述する。

ケーシング１０は上ケース１１と下ケース１２とを合わせることで形成されている。下ケース１２には上ケース１１の合わせ面から下方に凹没した下凹所１６が形成され、この下凹所１６の上方開口を上ケース１１の合わせ面で閉塞することでポンプ室２が形成される。このポンプ室２は平面視円形又は楕円形に形成されている。また、図示はしないが、下ケース１２の下方には下凹所１６の底面に隣接するようにステータが配置されている。

ロータ３は中央に軸受部１８を備えて平面視円形に形成されており、ロータ３の上部には複数条（本例では４つ）のベーン溝１９が放射状に形成されている。また、図示はしないが、ロータ３の下部には磁性体が一体に装着されている。このロータ３は、軸受部１８がポンプ室２を上下に貫いた固定軸２０に回転自在に挿通されることで、外周面３ａがポンプ室２の内周面２ａに対向すると共にスラスト面（上面３ｂ）が上ケース１１のポンプ室２の上面構成部に対向するようにしてポンプ室２に回転自在に配置されている。また、各ベーン溝１９にはベーン４がスライド自在に収納されてロータ３の外周面３ａから突没自在にされている。ロータ３をポンプ室２に配置した際には磁性体（図示せず）とステータ（図示せず）とが隣接して配置されるのであるが、この隣接する磁性体とステータとはロータ３を回転駆動させる回転駆動手段を構成する。つまり、この回転駆動手段は、図示しない電源部からステータに電流を入力することで、ステータと磁性体との間の磁気作用によって磁性体に回転トルクを発生させるものであり、この回転トルクにより磁性体、ひいてはロータ３が回転駆動されるようになっている。

ポンプ室２に収納したロータ３を回転駆動手段にて回転駆動させた際には（矢印ｆ）、各ベーン４はロータ３が回転することによる遠心力を受けてロータ３の外周面３ａから外方へ突出させてその先端面４ａをポンプ室２の内周面２ａに摺接させるのであり、ポンプ室２の内面（内周面２ａや上面等）とロータ３の外周面３ａとベーン４とで囲まれた複数の作動室５をポンプ室２に形成させる。ロータ３はポンプ室２の偏心位置にあるから、ポンプ室２の内周面２ａとロータ３の外周面３ａとの距離はロータ３の回転位置に応じて異なると共にベーン４のロータ３からの突出量もロータ３の回転位置に応じて異なるのであり、つまりロータ３を回転駆動させることで各作動室５はロータ３の回転方向に移動しながらその容積を大小に変化させる。ここで、上ケース１１には作動流体を作動室５に引き込む吸入口６と作動流体を作動室５から排出する吐出口７とが形成されている。吸入口６や吐出口７はポンプ室２の上面に作動室５に連通可能にするように開口されている。なお図中１４は吸入口６に至る吸入経路であり、８は吐出口７から至る吐出経路である。

すなわち、各作動室５は吸入口６に連通する位置にある時にはロータ３の回転に伴い容積が増大し、吐出口７に連通する位置にある時にはロータ３の回転に伴い容積が減少するようにされ、従ってロータ３を回転駆動すれば、作動流体が吸入口６からこれに連通する作動室５内に流入し（矢印ａ）、この作動室５内で圧縮された後に吐出口７から吐出されるのであり（矢印ｂ）、これによりポンプとして機能する。

ベーン４はロータ３の回転駆動時の遠心力で外方へ突出するようにされているが、ベーン溝１９にベーン４を外方へ付勢するような押圧バネ２１（図８参照）を介装してロータ３の回転スピードによらずにベーン４の先端部をポンプ室２の内周面２ａに確実に摺接させるようにしてもよい。また、上記実施形態では、ロータ３が固定軸２０に対して回転自在に軸支されているが、上記固定軸２０の代わりにロータ３に固定させた回転軸をポンプ室２に対して回転自在に軸支される構造を採用してもよい。また、上記実施形態ではロータ３を回転駆動させる回転駆動手段は磁気作用を発生させるステータと磁性体とで構成しているが、回転駆動手段としてはロータ３に固定した回転軸をモータにて回動駆動させる構造を採用してもよい。

ところで、上述したようにベーン４の先端部とポンプ室２の内周面２ａと圧接されて作動室５を形成するようになっているが、この時、ベーン４の先端部とポンプ室２の内周面２ａとの間の摩擦による摺動抵抗が増大すると共に摩耗が増大してしまうため、摺動抵抗を低減させるため本発明では、ベーン４のポンプ室２の内周面２ａに摺接する先端面４ａに作動流体が溜まる凹溝４１を凹設するものである。

凹溝４１の断面形状は、本実施形態では略転倒コ字状をしたものであるが、略転倒Ｕ字状、略Ｖ字状等、様々なものであってもよく特に限定されない。また凹溝４１は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、ベーン４の先端面４ａにベーン４の進行方向（図中の矢印）と略直交する方向に直線状の溝列を一列又は複数列（図１（ａ）（ｂ）に示す実施例では三列）形成している。また、図１（ｃ）に示す例では、ベーン４が進行方向とその反対方向の端縁へ行く程先端面４ａの突出量が少なく中央部が最も突出していて、この最も突出した部分に一列の凹溝４１が形成してある。

このような凹溝４１を設けることで、ベーン４によって作動流体を搬送する際、作動流体が凹溝４１内に溜まり、ロータ３の回転によってポンプ室２の内周面２ａとベーン４の先端面４ａとの間に相対速度が生じた際に、前記凹溝４１内に溜まった作動流体にてポンプ作用による圧力が発生して流体膜を形成し、ベーン４に対して遠心力や押圧バネ２１を設けている場合には更に付勢力による外方への力に抗する中心方向への力がかかることになり、ベーン４のポンプ室２の内周面２ａへの押圧力が緩和されると共にベーン４と内周面２ａとの直接接触を阻止することができ、ベーン４の先端部（先端面４ａ）とポンプ室２の内周面２ａとの摺動抵抗（摩擦抵抗）を低減させると共にこれらの摩耗を無くす又は低減させることが可能となるものである。

また、凹溝４１は、図４（ａ）に示す実施例のように、先端面４ａに、ベーン４の進行方向（図中の矢印）程幅広となる略Ｖ字状（ヘリングボーン）としたり、あるいは図４（ｂ）に示す実施例のように、先端面４ａに、ベーン４の進行方向に伸びてジグザグに蛇行する略三角波形状の溝列を一列又は複数列形成したりしてもよく、特に限定されない。

図４（ａ）に示す実施例のように、ベーン４の進行方向程幅広となる略Ｖ字状の凹溝４１を形成することで、凹溝４１内を通過する作動流体が凹溝４１のベーン４進行方向の最後の部分で合流して圧力が上昇し、べーン４にかかるロータ３の中心向きの力が大きくなって、より一層ベーン４のポンプ室２の内周面２ａへの押圧力が緩和され、ベーン４の先端部とポンプ室２の内周面２ａとの摺動抵抗を低減させると共にこれらの摩耗を無くす又は低減させることが可能となる。

また図４（ｂ）に示す実施例のように、ベーン４の進行方向に伸びてジグザグに蛇行する略三角波形状の凹溝４１を形成することで、凹溝４１内を通過する作動流体が幾度も進路変更されてその度に圧力が上昇し、べーン４にかかるロータ３の中心向きの力が大きくなって、より一層ベーン４のポンプ室２の内周面２ａへの押圧力が緩和され、ベーン４の先端部とポンプ室２の内周面２ａとの摺動抵抗を低減させると共にこれらの摩耗を無くす又は低減させることが可能となる。

次に、他の実施形態について図５に基づいて説明する。本実施形態では、凹溝４１のベーン進行方向と反対側の端部に、ベーン４進行方向と反対側へ行く程溝深さが浅くなるテーパ状のランド部４１ａを形成したものである。

このようなランド部４１ａを設けることで、凹溝４１内に溜まった作動流体は、ロータ３の回転によってポンプ室２の内周面２ａとベーン４の先端面４ａとの間に相対速度が生じた際に、くさび膜効果による圧力が発生し、ベーン４に対してロータ３の中心方向への力がかかることになり、ベーン４のポンプ室２の内周面２ａへの押圧力が緩和されると共にベーン４と内周面２ａとの直接接触を阻止することができ、ベーン４の先端部とポンプ室２の内周面２ａとの摺動抵抗を低減させると共にこれらの摩耗を無くす又は低減させることが可能となるものである。

次に、他の実施形態について図６に基づいて説明する。本実施形態では、ロータ３に形成されベーン４を突没自在に収容するベーン溝１９の側面と摺接するベーン４の側面に、ベーン溝１９の側面と接触するのを回避するための凹部４２を形成したものである。

これにより、ベーン４がロータ３のベーン溝１９から突没する際に、ベーン４の側面とベーン溝１９の側面との接触面積が小さくなると共に、凹部４２内に溜まった作動流体によって、ベーン４の側面とベーン溝１９の側面との間に流体膜が形成されて、ベーン４の側面とベーン溝１９の側面との直接接触を阻止することができ、突没の際の摺動抵抗（摩擦抵抗）を低減させると共にこれらの摩耗を無くす又は低減させることが可能となるものである。

次に、他の実施形態について図７に基づいて説明する。本実施形態では、ベーン４の少なくともポンプ室２の内周面２ａと摺接する部分を滑性を有する部材で形成するものである。これにあたっては、図７（ａ）に示すように、ベーン４全体を滑性を有する部材で形成するか、あるいは図７（ｂ）に示すように、ベーン４の先端面４ａ近傍の部分のみをベーン本体４０とは別部材の滑性を有する部材４３で形成してもよい。滑性を有する部材の材質としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の摺動性の樹脂材料や、セラミック、カーボン、グラファイト等の無機材料または二硫化モリブデン等の材料が挙げられるが、これらに限定されない。

これにより、ポンプ起動時には、ベーン４の先端面４ａとポンプ室２の内周面２ａとの間に流体膜が形成されないかあるいは形成されても薄いため、摺動摩擦低減の効果が低いため、本実施形態のように滑性を有する部材にてベーン４の先端部を形成することで、ベーン４の先端部とポンプ室２の内周面２ａとの摺動摩擦を低減させると共にこれらの摩耗を無くす又は低減させることが可能となるものである。

次に、他の実施形態について説明する。本実施形態では、図２、図３におけるケーシング１０の少なくともポンプ室２の内周面２ａを滑性を有する部材で形成するものである。これにあたっては、ケーシング１０全体を滑性を有する部材で形成しても勿論よいものであるが、ケーシング１０の内周面２ａのみを滑性を有する膜状の部材で形成してもよい。滑性を有する部材の材質としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の摺動性の樹脂材料や、セラミック、カーボン、グラファイト等の無機材料または二硫化モリブデン等の材料や、ＤＬＣ膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）が挙げられるが、これらに限定されない。

ポンプ起動時には、ベーン４の先端面４ａとポンプ室２の内周面２ａとの間に流体膜が形成されないかあるいは形成されても薄いため、摺動摩擦低減の効果が低いため、本実施形態のようにポンプ室２の内周面２ａを滑性を有する部材にて形成することで、ベーン４の先端部とポンプ室２の内周面２ａとの摺動摩擦を低減させると共にこれらの摩耗を無くす又は低減させることが可能となるものである。

本発明の一実施形態を示し、（ａ）はベーンの先端面の図、（ｂ）はベーンの断面図、（ｃ）は他例のベーンの斜視図である。 同上の実施形態のベーンポンプの分解斜視図である。 同上の実施形態のベーンポンプの水平断面図である。 （ａ）（ｂ）は同上のベーンの他例の先端面の図である。 他の実施形態のベーンを示し、（ａ）はベーンの先端面の図であり、（ｂ）はベーンの断面図である。 更に他の実施形態のベーンの斜視図である。 更に他の実施形態のベーンを示し、（ａ）は全体を滑性を有する部材で形成したベーンの斜視図であり、（ｂ）は先端面の近傍のみをベーン本体とは別体の滑性を有する部材で形成したベーンの斜視図である。 従来のベーンポンプの水平断面図である。

符号の説明

１ ベーンポンプ
１０ ケーシング
２ ポンプ室
２ａ 内周面
３ ロータ
３ａ 外周面
４ ベーン
４ａ 先端面
４１ 凹溝
５ 作動室
６ 吸入口
７ 吐出口
８ 吐出経路

Claims (5)

1. 内部にポンプ室を形成したケーシングと、ポンプ室に収納したロータと、ロータをケーシングに対して回転させるための回転駆動手段と、ロータに設けられて先端がポンプ室の内周面に摺接される複数のベーンを備え、ポンプ室の内周面とロータの外周面とベーンとで囲まれてロータの回転駆動によりその容積を大小変化させる作動室と、容積拡大過程の作動室に作動流体を流入させる吸入口部と、容積縮小過程の作動室から作動流体を排出させる吐出口部を備えたベーンポンプにおいて、ベーンの前記ポンプ室の内周面に摺接する先端面に作動流体が溜まる凹溝を凹設して成ることを特徴とするベーンポンプ。
2. 凹溝のベーン進行方向と反対側の端部に、ベーン進行方向と反対側へ行く程溝深さが浅くなるテーパ状のランド部を形成して成ることを特徴とする請求項１に記載のベーンポンプ。
3. ロータに形成されベーンを突没自在に収容するベーン溝の側面と摺接するベーンの側面に、ベーン溝の側面と接触するのを回避するための凹部を形成して成ることを特徴とする請求項１又は２に記載のベーンポンプ。
4. ベーンの少なくともポンプ室の内周面と摺接する部分を滑性を有する部材で形成して成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のベーンポンプ。
5. ケーシングの少なくともポンプ室の内周面を滑性を有する部材で形成して成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のベーンポンプ。

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