JP2009127553A - バキュームポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】所望の真空度を達成した後にバキュームポンプの駆動損失を低減する。
【解決手段】略円筒形の内周面を有し吸気口と排気口が開口したポンプ室２８がハウジング内に画成されている。ロータはポンプ室２８に対して偏心して取り付けられる。ベーン１６は、ロータに形成された溝の内部を摺動しつつ少なくとも一端がポンプ室２８の内周面２７に沿って回転運動するように取り付けられる。ベーン１６の先端に取り付けられた摺接バー１８は、ポンプ室２８の内周面と摺接する。駆動ユニット６０は、ベーンの内部に形成されたシリンダ６６と、シリンダ内に配設され摺接バー１８と連結されたピストン６４と、ピストンを付勢するバネ７０と、シリンダとポンプ室２８とを導通する開口部６８とを含む。駆動ユニット６０は、ポンプ室の吸気側圧力が所定圧以下になると、バネ７０の弾性力により摺接バー１８をポンプ室の内周面２７から離間させるように調整されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、駆動軸と一体的に回転するロータにベーンが取り付けられたベーン式のバキュームポンプに関する。

自動車などの車両においては、ブレーキブースタ等の負圧源としてベーン式バキュームポンプが搭載されているものがある。ベーン式バキュームポンプは、略短円柱形状をなすポンプ室内に偏心状態で配設されたロータに溝を設け、この溝に一枚または複数枚のベーンがロータ径方向に移動可能に挿入された構造を有している。ロータが回転すると、遠心力によりベーンが溝から突出し、ベーンがポンプ室内周面と摺接することにより、隣り合うポンプ室間の気密が維持される。これとともに、隣接する二つのベーンにより区画された閉塞空間の容積が増減することで、空気の吸入、圧縮、排出が行われ、ポンプ室内に負圧が発生する。

バキュームポンプでは、ベーンにより区画された空間を気密にする必要があることから、ポンプ室内面に対してベーンを常に摺動させる必要があり、摺動部分に抵抗が発生する。バキュームポンプをエンジンのカムシャフトで駆動する場合には、この摺動抵抗によりエンジントルクの損失が発生し、エンジンの燃費を悪化させる一要因ともなっている。

これを解決する技術として、特許文献１には、吐出圧に応動する作動装置をポンプケーシングに装備し、所定の吐出圧に達すると作動装置によりベーンをロータの外周面から引込めるように構成した容積型ロータリポンプが開示されている。特許文献２には、バキュームタンクの負圧を検出する圧力センサを設け、負圧が規定負圧に達すると、励磁コイルによってベーンをローター内部へと引き込むように構成したバキュームポンプの自動負荷制御装置が開示されている。
特開昭５５−１４７７号公報 実開平３−５９４９１号公報

しかしながら、特許文献１では、ベーンの作動装置がハウジングの外部に設けられているため、構造が複雑になりまたポンプ全体が大きくなってしまうという問題がある。特許文献２では、圧力センサや励磁コイルといった追加要素と制御装置が必要になり、コストが増大する。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、所望の負圧が得られポンプ作動の必要性がなくなったときにベーンの摺動抵抗を低減する機械的手段をベーンの内部に設けたバキュームポンプを提供することにある。

本発明のある態様はバキュームポンプである。このバキュームポンプは、略円筒形の内周面を有し吸気口と排気口が開口したポンプ室を画成するハウジングと、前記ポンプ室に対して偏心して取り付けられたロータと、前記ロータに形成された溝の内部を摺動しつつ少なくとも一端が前記ポンプ室の内周面に沿って回転運動するように取り付けられたベーンと、前記ベーンに取り付けられ前記ポンプ室の内壁と摺接する摺接部材と、前記ベーンの内部に形成されたシリンダと、該シリンダ内に配設され前記摺接部材と連結されたピストンと、該ピストンを付勢する付勢部材と、前記シリンダと前記ポンプ室とを導通する開口部とからなり、前記ポンプ室の吸気側圧力が所定圧以下になると前記付勢部材の弾性力により前記摺接部材を前記ポンプ室の内壁から離間させるように構成された駆動手段と、を備える。

この態様によると、バキュームポンプの作動によりポンプ室内が予め設定された圧力にまで低下すると、付勢部材により摺接部材をポンプ室の内壁から離間させてクリアランスを拡大するようにした。これによって、摺接部材とポンプ室内壁との間で発生する摺動抵抗を低下させることができる。したがって、例えばバキュームポンプのロータが自動車のエンジンカムシャフトと連結されている場合には、所望の負圧を作り出した後のエンジントルクの損失を低減することができる。なお、ここでいうポンプ室の「内壁」には、ポンプ室の内周面と上下面の両方が含まれる。

前記摺接部材は前記ポンプ室の内周面と摺接する位置に設けられており、前記駆動手段は前記内周面と前記摺接部材とを離間させてもよい。これにより、摺接部材と内周面の間で発生する摺動抵抗を低減することができる。

前記摺接部材は前記ポンプ室の上下面のいずれか一方と摺接する位置に設けられており、前記駆動手段は前記上下面と前記摺接手段とを離間させてもよい。これにより、摺接部材とポンプ室上下面の間で発生する摺動抵抗を低減することができる。また、摺接部材の離間方向とベーンの回転によって摺接部材に作用する遠心力の方向とが直角になるため、ロータ回転数の増減が摺接部材の駆動に与える影響を考慮する必要がない。

前記ベーンに前記摺接部材と前記駆動手段の組合せが少なくとも二組設けられており、前記駆動手段の一方の開口部は前記ポンプ室の吸気側に導通し、他方の開口部は前記ポンプ室の排気側に導通するように構成されていてもよい。こうすると、ベーンが回転を続け吸気側と排気側とが入れ替わった場合でも、いずれかの駆動手段が作動して対応する側の摺接部材をポンプ室内壁から離間させることができる。

前記排気口からポンプ室外部へと通じる排気通路に、前記ポンプ室の排気側圧力の変化により駆動され前記排気通路を塞ぐ逆流防止手段がさらに設けられていてもよい。これにより、排気通路からポンプ室内部への空気の逆流を防止することができる。

本発明によれば、所望の負圧が得られポンプ作動の必要性がなくなったときにベーンの摺動抵抗を低減する機械的手段をベーンの内部に設けることができる。

実施の形態１．
本発明の一実施形態は、自動車のエンジンカムシャフトによって駆動され、ブレーキブースタにより利用される負圧を作り出すバキュームポンプである。

図１は、本実施形態のバキュームポンプ１０の平面図であり、図２はバキュームポンプ１０のＡ−Ａ線断面図である。バキュームポンプ１０は、一端が開放され他端に筒状部５０を有する楕円筒形状のハウジング１２を備える。ハウジング１２の開放端は楕円形状のプレート４０で塞がれており、これらによってポンプ室２８が形成されている。なお、図１は、ハウジング開放端のプレート４０を省略した状態を示している。

ポンプ室２８の内部には、二つの円筒形凹部が内部に形成された円柱形のロータ１４が、ハウジング１２の中心に対して偏心された偏心軸３５の周りに回転自在に収容されている。ロータ１４には、ロータの中心を通るベーン溝１５が形成されている。ベーン溝１５には、略平板形状に形成されたベーン１６が、ロータ１４の径方向に進退するように摺動自在に嵌合されている。ベーン１６の両端部には、ベーン１６の短手方向の幅と略同じ長さを有する摺接バー１８が取り付けられている。摺接バー１８の片側は半円柱形状をなし、ハウジング１２の楕円形状の内周面に摺接している。摺接バー１８は、回転中にポンプ室内周面との接触が保たれるように、ベーン１６の遠心力によってベーン１６の長手方向へ延出可能に取り付けられる。また、ベーン１６のプレート４０側の側面およびハウジング底面側の側面も、プレート４０およびハウジング底面と摺接した状態になっている。このようにして、ベーン１６はポンプ室を吸気室２８ａと排気室２８ｂの二室に区画している。なお、ベーン溝およびベーン溝に嵌合されるベーンの数は、二つ以上でもよい。

ハウジング１２には、吸気口２２および排気口２６がポンプ室２８にそれぞれ連通するように設けられている。排気口２６のポンプ室内周面における位置は、ポンプ室２８の内周面とロータ１４の外周面とが最も接近する位置よりも、ロータ１４の回転方向手前側に設定される。吸気口２２にはエアーインレットパイプ２０が接続されており、外部からポンプ室２８内に空気が供給される。吸気口２２内には、ポンプ室２８からの空気の逆流を防止するためのチェックバルブ（図示せず）が設置されている。

ロータ１４は、ハウジング１２の底面に形成された筒状部５０を貫通し、カップリング３２を介してカムシャフト３０と接続される。カムシャフト３０内には、図示しない給油装置に接続されたオイル流路３４が貫通している。

カムシャフト３０が図示しないエンジンにより回転され、ロータ１４が図１において時計方向に回転されると、ベーン１６はベーン溝１５に対して進退し、摺接バー１８をハウジング１２の内周面に対して摺接させながら回転移動する。このベーン１６の移動に伴い吸気室２８ａおよび排気室２８ｂが拡張または収縮されることによって、吸気口２２から吸気室２８ａ内に空気が吸入されると共に、排気口２６から排気室２８ｂ内の空気が排出される。この動作を繰り返すことにより、ポンプ室内に負圧が作り出される。

ロータ１４が回転すると、給油装置（図示せず）の圧力とベーン１６の回転により発生する真空とによって、オイルインレットパイプ３６を通って潤滑油がＴ字型流路３８に流入する。ロータ１４の回転によりＴ字型流路３８がハウジング１２の底面に形成された溝（図示せず）と一致すると、この溝を通して潤滑油がポンプ室２８内に供給される。ポンプ室２８に流入した潤滑油は、摺接バー１８およびベーン１６とポンプ室内壁との間を潤滑するとともに、吸気室２８ａと排気室２８ｂの間の気密を維持する。ポンプ室２８内に供給された潤滑油は空気に混入し、ベーン１６の回転に伴って空気と共に排気口２６から排出される。

排気口２６のハウジング外部と連通する側には、金属製の薄板状の逆止弁４６が設けられている。逆止弁４６は、排気時には空気の圧力により開放する一方で、それ以外のときは座面と密接し、バキュームポンプ１０が本来の性能を発揮できるようにする。

本実施形態のような自動車用のバキュームポンプでは、ロータがエンジンのカムシャフトで駆動されるので、たとえ負圧が所定の基準値に到達した後でもバキュームポンプが作動し続ける。そのため、摺接バーとポンプ室内壁との間で発生する摺動抵抗により、結果的にエンジントルクを損失している。このトルク損失は、エンジンの燃費を悪化させる一因となる。
そこで、本実施形態では、負圧が所定の基準値に到達しバキュームポンプを作動させる必要がなくなったときに、摺動抵抗が発生しているベーン端部の摺接バーとハウジング内壁との間の摩擦を減らし、トルク損失を低減する機構を採用している。

以下、図３および図４を参照して、このような摩擦低減機構を説明する。
図３は、図１のベーン１６をＥ方向から観察した側面図であり、図４は、図３のＢ−Ｂ断面を拡大して示す。ベーン１６の両端にはベーン幅と略同じ長さの摺接バー１８が取り付けられている。ベーン１６の内部には、所望の負圧が達成されたときに摺接バー１８をポンプ室内周面から離間させるための駆動ユニット６０が形成されている。駆動ユニット６０は、ベーン１６の内部に形成され長手方向に延びるシリンダ６６と、シリンダ６６の内部に配設されシリンダ軸に沿って摺動可能であるピストン６４と、ピストン６４と摺接バー１８とを連結するコラム６２と、シリンダ６６とポンプ室２８内とを導通する開口部６８とを含む。コラム６２の一端はピストン６４に接合され、他端は摺接バー１８とＴ字形をなして接合される。開口部６８は、吸気室２８ａ側を向くように設けられる。この開口部６８により、ピストン６４の右側のシリンダ内部は吸気室２８ａと同じ圧力になる。ピストン６４の左側のシリンダ内部には、バネ７０などの付勢手段が圧縮された状態で配置される。摺接バー１８の半球部とポンプ室の内周面２７との間には若干のクリアランスＣが存在するが、このクリアランスＣは潤滑油によりシールされる。

以下、駆動ユニット６０の動作について説明する。バキュームポンプ１０が作動すると、吸気室２８ａの気圧が次第に低下してくる。吸気室２８ａに導通する開口部６８を通してシリンダ６６内の気圧も低下する。吸気室２８ａが所望の気圧まで低下すると、バネ７０により生じる図中右向きの弾性力によって、ピストン６４が右側すなわちベーン１６の中心側に押し込まれる。これにより、ピストン６４に連結されている摺接バー１８も右側に移動し、摺接バー１８と内周面２７との間のクリアランスＣが拡大する。その結果、摺接バーと内周面の間の摺動抵抗が低下し、エンジントルク損失も軽減される。

上述の動作を実現するために、駆動ユニット６０におけるバネ７０のバネ係数やピストン６４の底面積は、以下に述べる条件を満たすように予め設定しておく必要がある。
吸気室２８ａの気圧が所定の基準圧まで低下していない間は、ベーン１６の回転により摺接バー１８に働く遠心力Ｆは、ピストン６４の左右の圧力差により生じる力Ｇとバネ７０の弾性力Ｋの和（Ｇ＋Ｋ）に打ち勝って、摺接バー１８を内周面に摺接させる。吸気室２８ａの気圧が低下すると、ピストン６４の圧力差により生じる右向きの力Ｇが大きくなり、吸気室２８ａの気圧が基準圧になるとＦ＝（Ｇ＋Ｋ）となる。吸気室２８ａの気圧がさらに低下すると、Ｆ＜Ｇ＋Ｋとなり、ピストン６４が右側に移動する。この結果、摺接バー１８がベーン１６の中心側に引き込まれ、ベーン１６とポンプ室内周面２７とのクリアランスが拡大し、摺動抵抗が低下する。

摺接バー１８に作用する遠心力Ｆの大きさは、ロータ１４またはベーン１６の回転数に応じて異なる。したがって、エンジン（図示せず）が最も高頻度で駆動される回転数を基準として駆動ユニット６０を設計するといった配慮が必要になる。

以上説明したように、本実施形態によれば、バキュームポンプの作動によって吸気室内の負圧が所定の基準値に達し、バキュームポンプを作動させる必要がなくなったときに、ベーン先端の摺接バーをポンプ内周面から離間する方向に移動する駆動ユニットをベーンの内部に設けるようにした。これにより、摺接面における摺動抵抗が低下するため、エンジントルクの損失を低減することができる。

図３には示していないが、駆動ユニット６０はベーン右端の摺接バー１８に対しても設置することができる。この場合、右側の駆動ユニットの開口部６８は排気室２８ｂに導通するようにしておくことが好ましい。このようにすると、ベーンが回転を続け吸気側と排気側とが入れ替わった場合でも、左右いずれかの駆動ユニットが作動してその側の摺接バーを内周面から離間させることができる。しかしながら、ベーン両側の駆動ユニットの開口部を同一側に開口するようにしてもよい。この場合、ロータが約半回転する間は摺接バーと内周面とのクリアランスが拡大するが、さらに半回転する間はクリアランスが広がらないことになる。

実施の形態２．
実施の形態１では、摺接バーの移動方向がベーンの回転による遠心力の作用する方向と同一方向にあるため、駆動ユニットの調整がやや複雑なものとなる。また、ロータ回転数が設計値より小さい場合には、吸気室の圧力が基準値に到達する前に摺接バーと内周面とのクリアランスが拡大したり、ロータ回転数が設計値より大きい場合には、遠心力がより強く作用して摺接バーを内周面から離間させられなくなったりするという問題がある。
そこで、実施の形態２では、ロータ回転数の変化の影響を受けずにベーンとポンプ室内壁との摺動抵抗を低減させる機構について説明する。

図５は、実施の形態２に係るベーン７６の側面図であり、図６は、図５のＤ−Ｄ断面を拡大して示す。図３と同様に、ベーン７６の両端にベーン幅と略同じ長さの摺接バー１８が取り付けられている。これらに加え、ベーン７６の長辺側に凹形の切り込みが形成され、この切り込み部分に断面長方形状の摺接バー７８がはめ込まれている。摺接バー７８は、プレート４０の下面に摺接する。別の実施例として、ベーン７６の長辺部分の全体を摺接バー７８としてもよい。

実施の形態１と同様の構成を有する駆動ユニット８０がベーン７６の内部に形成されている。すなわち、駆動ユニット８０は、ベーン７６の内部に形成され短手方向に延びるシリンダ８６と、シリンダ８６の内部に配設されシリンダ軸に沿って摺動可能なピストン８４と、ピストン８４と摺接バー７８とを連結するコラム８２と、シリンダ８６と吸気室２８ａとを導通させる開口部８８と、わずかに伸張された状態でピストン８４の上側に収容されたバネ９０とを含む。

バキュームポンプ１０が作動すると、吸気室２８ａの気圧が次第に低下してくる。吸気室２８ａに導通する開口部８８を通してシリンダ８６内の気圧も低下する。吸気室２８ａが所望の気圧まで低下すると、ピストン８４の上下圧力差により生じる力に対してバネ９０の弾性力が上回り、ピストン８４を図中下方に押し下げる。これにより、ピストン８４に連結されている摺接バー７８とプレート４０の下面との間のクリアランスＣが拡大する。その結果、摺接バーとプレート下面の間の摺動抵抗が低下し、エンジントルク損失も軽減される。

実施の形態２では、摺接バー７８の移動方向と、ベーン７６の回転による遠心力が作用する方向とが異なるため、ピストン８４の動作について遠心力を考慮する必要がない。つまり、吸気室２８ａの気圧が所定の基準圧まで低下していない間は、バネの弾性力による上向きの力Ｋが、ピストン８４の上下の圧力差により生じる力Ｇを上回り、吸気室２８ａの気圧が基準圧を下回るとＫ＜Ｇとなりピストン８４を押し下げるように、バネ係数やピストンの直径等を定めればよい。したがって、実施の形態１に比べて駆動ユニットの設計が簡単になる。

実施の形態２でも、ベーン７６の両側に摺接バー７８とこれを駆動する駆動ユニット８０とを設け、開口部８８がベーン７６のそれぞれ反対側に導通するように構成してもよい。
また、実施の形態１および２に係る摺接バーと駆動ユニットを両方ともベーンに設置してもよい。こうすると、いずれかの実施の形態に係る摺接バーと駆動ユニットを単独で用いる場合よりも、摺動抵抗の発生箇所を減らせるため、トルク損失をさらに軽減できる。

ベーン７６の下側の長辺、すなわちポンプ室の底面と接する部分に摺接バー７８を設け、これを駆動ユニットにより底面から離間させるように構成してもよい。さらに、ベーンの上下長辺の両方に摺接バーと駆動ユニットを設置してもよい。

ところで、バキュームポンプはエンジンのカムシャフトとともに回転し続けているため、ポンプ室内の圧力が次第に低下していくと、排出口から空気が逆流するようになる。これを防止するために、通常排出口には板状の逆止弁４６が設けられている。このような逆止弁の代わりに、実施の形態１または２と同様の構造を排出口に設けてもよい。

図７は、排出口の変形例を示す図である。ポンプ室の底面に空けられた排気口２６から略垂直方向に延びるシリンダ９８がハウジング１２に形成され、その途中から排気通路９４が分岐している。したがって、シリンダ９８と排気通路９４とはＴ字形に交差している。シリンダ９８の排気通路９４より右側には、ピストン９２とバネ９６等の付勢手段が収容される。
排気室２８ｂの圧力が低下すると、ピストン９２の両側の気圧差により生じる力をバネ９６の弾性力が上回り、ピストン９２を図中の左方（白矢印方向）へと押し込む。ピストン９２が排気通路９４よりも左側に移動することで、排気通路９４と排気室２８ｂとの連通が妨げられ、排気通路９４からの逆流を防ぐことができる。
なお、シリンダ９８は静止部分に設けられているため、ロータ回転数の変化を考慮する必要はない。

以上、本発明をいくつかの実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態はあくまで例示であり、実施の形態どうしの任意の組合せ、実施の形態の各構成要素の組合せなどの変形例もまた、本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能である。各図に示す構成は、一例を説明するためのもので、同様な機能を達成できる構成であれば、適宜変更可能である。

実施の形態ではベーンが一枚のバキュームポンプを例示したが、複数枚のベーンを有するバキュームポンプに対しても本発明を適用できる。例えば、ロータに三枚のベーンが１２０度間隔で設けられた三枚ベーンのバキュームポンプであれば、ポンプ室内周面と摺接する各ベーン先端の摺接バーを駆動する駆動ユニットか、または各ベーンとポンプ室上下面との摺接部に配置された摺接バーを駆動する駆動ユニットを、各ベーンに対して設けることができる。

実施の形態では、ベーンの長手方向両端に配置された摺接バーを駆動するためにベーンの両側に駆動ユニットを設けることを述べたが、駆動ユニットを片側だけに設けていずれか一端の摺接バーのみを駆動するようにしてもよい。この場合、シリンダの開口部が排気室側に開口している場合には摺接バーがポンプ室内周面から離間しないが、少なくともロータが約半回転する間に発生するトルク損失を軽減することができる。

本発明の一実施形態に係るバキュームポンプの平面図である。 図１のバキュームポンプのＡ−Ａ断面図である。 本発明の一実施形態に係るベーンをＥ方向から観察した拡大図である。 図３のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の別の実施形態に係るベーンの側面拡大図である。 図５のＤ−Ｄ断面図である。 排出口の変形例を示す図である。

符号の説明

１０ バキュームポンプ、 １２ ハウジング、 １４ ロータ、 １５ ベーン溝、 １６ ベーン、 １８ 摺接バー、 ２０ エアーインレットパイプ、 ２２ 吸気口、 ２６ 排気口、 ２８ ポンプ室、 ２８ａ 吸気室、 ２８ｂ 排気室、 ４６ 逆止弁、 ５０ 筒状部、 ６２、８２ コラム、 ６４、８４、９２ ピストン、 ６６、８６、９８ シリンダ、 ６８、８８ 開口部、 ７０、９０、９６ バネ、 ７８ 摺接バー、 ９４ 排気通路。

Claims (5)

1. 略円筒形の内周面を有し吸気口と排気口が開口したポンプ室を画成するハウジングと、
   前記ポンプ室に対して偏心して取り付けられたロータと、
   前記ロータに形成された溝の内部を摺動しつつ少なくとも一端が前記ポンプ室の内周面に沿って回転運動するように取り付けられたベーンと、
   前記ベーンに取り付けられ前記ポンプ室の内壁と摺接する摺接部材と、
   前記ベーンの内部に形成されたシリンダと、該シリンダ内に配設され前記摺接部材と連結されたピストンと、該ピストンを付勢する付勢部材と、前記シリンダと前記ポンプ室とを導通する開口部とからなり、前記ポンプ室の吸気側圧力が所定圧以下になると前記付勢部材の弾性力により前記摺接部材を前記ポンプ室の内壁から離間させるように構成された駆動手段と、
   を備えることを特徴とするバキュームポンプ。
2. 前記摺接部材は前記ポンプ室の内周面と摺接する位置に設けられており、前記駆動手段は前記内周面と前記摺接部材とを離間させることを特徴とする請求項１に記載のバキュームポンプ。
3. 前記摺接部材は前記ポンプ室の上下面のいずれか一方と摺接する位置に設けられており、前記駆動手段は前記上下面と前記摺接部材とを離間させることを特徴とする請求項１に記載のバキュームポンプ。
4. 前記ベーンに前記摺接部材と前記駆動手段の組合せが少なくとも二組設けられており、
   前記駆動手段の一方の開口部は前記ポンプ室の吸気側に導通し、他方の開口部は前記ポンプ室の排気側に導通するように構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載のバキュームポンプ。
5. 前記排気口からポンプ室外部へと通じる排気通路に、前記ポンプ室の排気側圧力の変化により駆動され前記排気通路を塞ぐ逆流防止手段がさらに設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のバキュームポンプ。

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