JP2009156083A - ベーンポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】長期間の使用によってもベーンの摺動抵抗を高く維持することができるベーンポンプを提供する。
【解決手段】回転可能に軸支されたロータ４をケーシング２内に設け、前記ロータ４の径方向に沿ってベーン収容部７を延設し、該ベーン収容部７内にスライド可能なベーン８を収容すると共に、該ベーン８の外周側にリング部材３を配設することにより、ロータ回転によってベーン８がベーン収容部７をスライドして前記リング部材３の内周面に摺接するベーンポンプ１であって、前記リング部材３の内周面、前記ベーン収容部７におけるベーン８との摺動面、及び、前記ベーン８の外表面の少なくともいずれかを耐摩耗性材料で構成している。
【選択図】図３

Description

本発明は、モーターにより駆動され、液体を吸入して吐出するベーンポンプに関する。

従来から、ロータリー圧縮機として特許文献１に開示されたものが知られている。このロータリー圧縮機では、シリンダー内にリングを配設し、該リングの内方側にロータを回転可能に支持している。また、ロータにはベーン収容溝が形成され、該ベーン収容溝にはベーンがスライド可能に収容されている。

このベーンの先端は、前記リングの内周面に摺接するため、緻密質セラミックス材料で形成され、前記リングを含油セラミックス材料で形成している。
特開平４−２５２８８８号公報

しかしながら、前記従来のロータリー圧縮機においては、長期間の使用を経たあとに、含油された潤滑油が消耗されると急激にベーン先端とリング内周面との摺動抵抗が増大し、ポンプ効率の低下や摩耗による寿命低下を起こすおそれがある。なお、前記潤滑油がロータリー圧縮機の循環液体に混合するおそれもある。

そこで、本発明は、長期間の使用によってもベーンの摺動抵抗を高く維持することができるベーンポンプを提供することを目的とする。

請求項１に係るベーンポンプにおいては、回転可能に軸支されたロータをケーシング内に設け、前記ロータの径方向に沿ってベーン収容部を延設し、該ベーン収容部内にスライド可能なベーンを収容すると共に、該ベーンの外周側にリング部材を配設することにより、ロータ回転によってベーンがベーン収容部をスライドして前記リング部材の内周面に摺接するベーンポンプであって、前記リング部材の内周面、前記ベーン収容部におけるベーンとの摺動面、及び、前記ベーンの外表面の少なくともいずれかを耐摩耗性材料で構成したことを特徴とする。

請求項２に係るベーンポンプにおいては、前記ベーンは、ベーン本体部と、該ベーン本体部の外表面を被覆した耐摩耗性被覆層とからなり、前記ベーンの比重を、耐摩耗性被覆層の比重よりも大きく設定したことを特徴とする。

請求項３に係るベーンポンプにおいては、前記耐摩耗性被覆層のうちロータ外周側の厚さを、ロータ内周側の厚さよりも薄く形成したことを特徴とする。

請求項４に係るベーンポンプにおいては、前記ベーン収容部におけるベーンとの摺動部分を、ロータの一般部位とは別体の耐摩耗性部材で構成したことを特徴とする。

請求項１に記載のベーンポンプによれば、ベーンポンプにおけるベーンの摺動部位を耐摩耗性材料で構成したため、ベーンの摺動に伴う摩耗の度合いが少なくなり、ベーンポンプの寿命を延ばすことができる。

請求項２に記載のベーンポンプによれば、耐摩耗性を維持しつつ所定重量を有するベーンを得ることができる。つまり、ベーンはロータのベーン収容部内を摺動するため、遠心力を得るべく所定重量が必要となる。一方、ベーンの外表面は、ベーン収容部内を摺動するために耐摩耗性を必要とする。従って、ベーン本体部を比重の大きい材料とし、外表面側に比重の小さい耐摩耗性被覆層で被覆することにより、耐摩耗性を維持しつつ所定重量を有するベーンを得ることができる。

請求項３に記載のベーンポンプによれば、前記耐摩耗性被覆層のうちロータ外周側の厚さを、ロータ内周側の厚さよりも薄く形成している。ベーン本体部の比重は、耐摩耗性被覆層の比重よりも大きいため、ベーン全体に対してベーン本体部の位置を主な摺動方向であるロータ外周側に寄せる（偏心させる）ことによって、ロータ回転に伴う回転によってベーンがスライドしやすくなる。

請求項４に記載のベーンポンプによれば、ロータの全体でなく摺動部位のみを別体の耐摩耗性部材で構成したため、コストを安価に抑制することができる。また、メンテナンス時に交換する場合でも、簡単に交換作業を行うことができる。

以下に、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

図１は本発明の実施形態によるベーンポンプの回転軸と直交する断面での断面図、図２は本発明の実施形態によるベーンポンプの回転軸を含む断面での断面図、図３は本発明の実施形態によるベーンポンプの分解斜視図である。

まず、図１を参照して、ベーンポンプ１の作動流体の吸入および吐出に関わる構成について説明する。

本実施形態にかかるベーンポンプ１では、図１に示すように、ケーシング２内で、円環状のリング部材３の略円筒状の内周面３ａと回転軸Ａｘを中心に回転するロータ４の略円柱状の基体部５の外周面５ａとの間に、作動流体（液体）を収容する環状室６が形成されている。環状室６の幅ｗは、回転軸Ａｘの周方向に沿って変化している。本実施形態では、内周面３ａの中心Ｃと回転軸Ａｘとを平行にずらして、リング部材３の内周面３ａとロータ４の基体部５とを偏心させてある。このため、環状室６の幅ｗは、図１の右端の位置で最小となり、右端の位置から時計回り方向に徐々に拡がって左端の位置で最大となり、左端の位置から右端の位置に向けて時計回り方向に徐々に狭まって最小となっている。

基体部５には、ロータ４の回転軸Ａｘに対して外周方向に放射状に伸びて径外方向に開口する４つのベーン収容部７が形成されており、各ベーン収容部７には略角棒状または略帯板状のベーン８がスライド可能に収容されている。ベーン８は、ロータ４の回転に伴って生じる遠心力とベーン収容部７内の回転軸Ａｘ側に導入される作動流体の与圧によって、ベーン収容部７内で径外方向に付勢されている。このため、ベーン８は、リング部材３の内周面３ａと摺接しながらロータ４とともに回転する。

環状室６は、周方向に一定のピッチで配置された複数のベーン８によって、同数（本実施形態では４つ）のポンプ室９に区画されている。ロータ４およびベーン８の回転に伴い、ポンプ室９の容積は、環状室６の幅ｗの変化に従って変化することになる。すなわち、各ポンプ室９の容積は、図１の右端の位置で最小となっている。そして、ロータ４の回転方向ＲＤ（図１の時計回り方向）への回転に伴って漸増し、左端の位置で最大となる。その位置からさらにロータ４が時計回り方向に回転すると、ポンプ室９の容積は漸減し、右端の位置で最小となる。つまり、本実施形態では、ロータ４の１周回のうち図１の下半分の区間でポンプ室９の容積が拡大し、上半分の区間でポンプ室９の容積が縮小する。このため、リング部材３の内周面３ａおよびケーシング２（第１のケーシング１０）に、ポンプ室９の容積が拡大する区間に臨ませて吸入開口１１を設けるとともに、ポンプ室９の容積が縮小する区間に臨ませて吐出開口１２を設けてある。吸入開口１１は、第１のケーシング１０の側面上に突設された吸入パイプ１３内の吸入通路１４と連通し、吐出開口１２は、吸入パイプ１３と平行に突設された吐出パイプ１５内の吐出通路１６と連通している。

したがって、図１において、ロータ４が回転方向ＲＤに回転すると、隣接する２枚のベーン８によって区画されるポンプ室９は、右端の位置から容積を拡大させながら左端の位置まで移動する。このため、吸入通路１４から吸入開口１１を介してポンプ室９内に作動流体が流入する。そして、ポンプ室９は、左端の位置から容積を縮小しながら右端の位置まで移動する。このため、ポンプ室９から吐出開口１２を介して吐出通路１６に作動流体が流出する。複数のポンプ室９についてこのような作動流体の流入および流出が順次行われ、以て、ベーンポンプ１による連続的な作動流体の吸入および吐出が実現されている。

次に、図２および図３を参照して、本実施形態にかかるベーンポンプ１の各部の構成を詳細に説明する。

ロータ４の基体部５に形成されたベーン収容部７は、軸方向他方側となる下側において底壁部１７によって塞がれており、ベーン８は、ベーン収容部７内を往復動する。なお、底壁部１７には、ベーン収容部７の径内側に連通する連通孔１７ａが形成されており、この連通孔１７ａを介してベーン収容部７内に、底壁部１７の裏側（軸方向他方側）から作動流体の与圧が導入されるようになっている。この与圧は、吐出圧と吸入圧の中間の圧力となっている。

底壁部１７は、回転軸Ａｘを中心とし当該回転軸Ａｘと直交する円板状に形成されており、基体部５の外周面５ａより外側までフランジ状に張り出している。そして、この底壁部１７の外周縁に、略円筒状のスカート部１８が突設されている。スカート部１８は、回転軸Ａｘと同心となっており、基体部５から離間する側（軸方向他方側）に向けて略一定の厚みで突出している。

このスカート部１８は、ロータ４を駆動するモータ１９の回転子として機能するものであり、コイルの巻回されたステータコア２０のティース２０ａに対応して周方向に沿ってＮ極Ｓ極が交互に着磁された着磁部１８ａを含んでいる。スカート部１８のうち少なくとも着磁部１８ａとして機能する部分は、磁性材料によって構成される。この場合、スカート部１８のうちティース２０ａに対向する部分のみを磁性材料（例えばフェライト磁石やサマリウムコバルト磁石等の硬磁性材料）によって構成してもよいし、スカート部１８全体を磁性材料によって構成しても良いし、ロータ４全体を磁性材料によって構成してもよい。この場合、樹脂材料に磁性材料からなる粉状や粒状の磁性フィラーを混合して、ロータ４やスカート部１８を成形することも可能である。

また、基体部５の外周面５ａは一定のピッチで径内方向に凹設され、これにより羽根部５ｂが形成されている。この羽根部５ｂは、ロータ４の基体部５とともに回転し、吸入開口１１と対峙するときにはポンプ室９への作動流体の吸入性能を高めるとともに、吐出開口１２と対峙するときにはポンプ室９からの作動流体の排出性能を高めている。そして、ロータ４は、ケーシング２によって形成される内部空間内で回転軸Ａｘ回りに回転するように構成されている。

リング部材３は、図３に示すように、環状室６の外周面を形成する筒状部３ｂと、筒状部３ｂの軸方向他方側から回転軸Ａｘの径外方向に張り出すフランジ部３ｃとを備え、さらに、吸入通路１４および吐出通路１６の側壁の一部を成すリブ３ｄを備えている。円板環状のフランジ部３ｃから回転軸Ａｘの軸方向に筒状部３ｂとリブ３ｄとが略同じ高さで立設された形状となっている。

このリング部材３は、第１のケーシング１０に形成された凹部内に収容される。すなわち、この凹部は、リング部材３の筒状部３ｂとリブ３ｄを嵌合する形状に凹設されている。また、リング部材３のフランジ部３ｃの外周部３ｅは、凹部の反対側で第２のケーシング２３の環状壁部２３ａと接触しており、この部分が第１のケーシング１０と第２のケーシング２３とによって挟持されることで、リング部材３が回転軸Ａｘの軸方向に固定されている。

第２のケーシング２３には、略円環状の凹部２３ｂと、ロータ４の軸受部のうち第２のケーシング２３側（軸方向他方側）に突出する部分を収容する凹部２３ｃとが形成されている。

凹部２３ｂの外周にある環状壁部２３ａより径外側の領域は、第１のケーシング１０との当接面となる。この当接面には、Ｏリング部材３４用の溝部２３ｄを略円環状に形成し、この溝部２３ｄ内に装着したＯリング部材３４によって、第１のケーシング１０と第２のケーシング２３との境界部分でのシールを確保してある。なお、この境界部分以外の部材同士の境界部分（例えばリング部材３のフランジ部３ｃと第１のケーシング１０との間の境界面等）にも適宜にシール部材（例えばガスケットやＯリング等）を介在させ、各境界部分のシール性能を向上させるようにしてもよい。

シャフト２１は、ロータ４の中心に設けた軸受部２２を貫通し、該軸受部２２に回転自在に支持されている。

また、凹部２３ｂと凹部２３ｃとの間には、ロータ４の反対側（軸方向他方側、図２の下側）からロータ４側に向けて突設された環状の突起部２３ｆが形成されており、この突起部２３ｆの裏側となる環状の凹部内にモータ１９を構成するステータコア２０が収容されている。

ステータコア２０は、基板２４の表面２４ａの中央に取り付けられており、回転軸Ａｘと同心で中央に位置する円筒部２０ｂと、円筒部２０ｂから放射状に伸びてコイルが巻回された複数のティース２０ａとを備えている。

そして、基板２４のステータコア２０を設けた表面２４ａに対して反対側（軸方向他方側、図２の下側）となる裏面２４ｂには、各種電子部品が実装され、モータの駆動回路やその他の回路が形成されている。本実施形態では、基板２４に形成された駆動回路によって各ティース２０ａに巻回されたコイルの通電状態を適宜に切り替えてティース２０ａの外周部分における極性を切り替え、これにより、ティース２０ａに対して径外方向に対向する着磁部に周方向の推力を与え、以て、ロータ４を回転させるようになっている。よって、第２のケーシング２３のうち、少なくとも、ステータコア２０（ティース２０ａ）の外周部とスカート部との間に介在する隔壁部２３ｇは、透磁性を有するものとする必要がある。このため、隔壁部２３ｇあるいは第２のケーシング２３の全体が、透磁性を有する材料（例えば、ステンレススチールや、樹脂材料等）で形成される。

基板２４は、凹部２３ｃをロータ４の反対側（軸方向他方側）から塞ぐようにして取り付けられており、さらに、基板２４を、基板カバー２５によって、ロータ４の反対側（軸方向他方側）から覆ってある。基板カバー２５には、基板２４との間に電子部品を配置する間隔を確保するため、突条２５ａを設けてある。

第１のケーシング１０および第２のケーシング２３は、いずれも回転軸Ａｘに沿う軸方向視で略正方形状の外形状を呈している。そして、これらケーシング１０，２３の四隅に、これらを締結するねじ２６の貫通孔１０ａ，２３ｊを形成してある。これら貫通孔１０ａ，２３ｊおよび基板カバー２５の四隅に形成された貫通孔２５ｂにねじ２６を挿通して、ナット２７を螺結することで、ベーンポンプ１が組み立てられる。

なお、ベーンポンプ１をなす前記各構成部品の材料や製造方法は、前述した着磁性や透磁性の他、耐摩耗性、耐食性、耐膨潤性、成形性、部品精度等を考慮して適宜に選択される。また、符号３０はワッシャである。

図４は、図３のうちのロータを拡大した斜視図である。

前述したように、ロータ４においては、円盤状の底壁部１７の上に基体部５が設けられている。該基体部５は、４つのベーン収容部７が径方向に沿って延設されている。これらのベーン収容部７は、周方向に沿って約９０°の等間隔で配置されている。ベーン８は略直方体状に形成され、ベーン収容部７は、ベーン８が収容可能な大きさに画成されている。

図５は本発明の実施形態によるベーンを示す斜視図、図６は図５のＡ−Ａ線による断面図、図７は図５のＢ−Ｂ線による断面図である。

ベーン８は、図６に示すように、外形が直方体状に形成されたベーン本体部４０と、該ベーン本体部４０の外表面を覆う耐摩耗性被覆層４１とからなる。

耐摩耗性被覆層４１の厚さは、各部位によって異なっている。ベーン本体部４０の上面と下面に設けた耐摩耗性被覆層４１の厚さは共にＴ１であり、ロータ外周側に設けた耐摩耗性被覆層４１の厚さＴ２と略同一寸法になっている。そして、ベーン本体部４０のロータ内周側に設けた耐摩耗性被覆層４１の厚さＴ３は、Ｔ２よりも厚く設定されている。なお、図７に示すように、ベーン本体部４０の上面、下面、両側面に設けた耐摩耗性被覆層４１の厚さは全て略同一寸法になっている。

図８は本発明の他の実施形態によるベーン収容部を示す拡大斜視図、図９は図８のＣ−Ｃ線による断面図である。

図８に示すロータ４２には、ベーン収容部が形成されている。該ベーン収容部におけるベーン８との摺動部分には、ロータ４２の他の一般部位４３とは別体の耐摩耗性部材４４，４５，４６が組み込まれている。

具体的には、ベーン収容部の底壁部４４と、ベーン収容部の両側部に配設された側壁部４５と、ベーン収容部の奥行き部分に配設された奥行部４６とが、耐摩耗性部材によって構成されている。なお、図８に示すように、一般部位４３の上面と底壁部４４の上面とは略同一高さに設定されている。

なお、前記耐摩耗性被覆層４１、底壁部４４ 、側壁部４５及び奥行部４６を構成する耐摩耗性材料又は耐摩耗性部材の材質は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン：四フッ化エチレン樹脂）、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）などの樹脂材料、又は、セラミックやカーボンなどの無機材料を好適に用いることができる。

以下に、本発明の実施形態による作用効果を説明する。

ロータ４のベーン収容部７におけるベーンの摺動部位を耐摩耗性材料で構成したため、ベーン８の摺動に伴う摩耗の度合いが少なくなり、ベーンポンプ１の寿命を延ばすことができる。

また、図６，７で説明したように、ベーン本体部４０の外表面を耐摩耗性被覆層４１で覆った場合でも、耐摩耗性を維持しつつ所定重量を有するベーン８を得ることができる。つまり、ベーン８はロータ４のベーン収容部内を摺動するため、遠心力を得るべく所定重量が必要となる。一方、ベーン８の外表面は、ベーン収容部内を摺動するために耐摩耗性を必要とする。従って、ベーン本体部４０を比重の大きい材料とし、外表面側に比重の小さい耐摩耗性被覆層４１で被覆することにより、耐摩耗性を維持しつつ所定重量を有するベーン８を得ることができる。

そして、前記耐摩耗性被覆層４１のうちロータ外周側の厚さＴ２を、ロータ内周側の厚さＴ３よりも薄く形成している。ベーン本体部４０の比重は、耐摩耗性被覆層４１の比重よりも大きいため、ベーン８全体に対してベーン本体部４０の位置を主な摺動方向であるロータ外周側に寄せる（偏心させる）ことによって、ロータ回転に伴う回転によってベーン８がスライドしやすくなる。

さらに、ロータ４２の全体でなく摺動部位のみを別体の耐摩耗性部材４４，４５，４６で構成したため、コストを安価に抑制することができる。また、メンテナンス時に交換する場合でも、簡単に交換作業を行うことができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されずに、本発明の技術思想に基づいて種々の変形及び変更が可能である。

例えば、図５〜図７では、ベーン８の外表面に耐摩耗性被覆層４１を形成したが、図４に示すベーン収容部７の内周面に耐摩耗性被覆層４１を被覆しても良く、図３に示すリング部材３の内周面３ａに耐摩耗性被覆層４１を被覆しても良い。

本発明の実施形態によるベーンポンプの回転軸と直交する断面での断面図である。 本発明の実施形態によるベーンポンプの回転軸を含む断面での断面図である。 本発明の実施形態によるベーンポンプの分解斜視図である。 図３のうちのロータを拡大した斜視図である。 本発明の実施形態によるベーンを示す斜視図である。 図５のＡ−Ａ線による断面図である。 図５のＢ−Ｂ線による断面図である。 本発明の他の実施形態によるベーン収容部を示す拡大斜視図である。 図８のＣ−Ｃ線による断面図である。

符号の説明

１…ベーンポンプ
２…ケーシング
３…リング部材
３ａ…内周面
３ｂ…筒状部
３ｃ…フランジ部
３ｄ…リブ
３ｅ…外周部
４，４２…ロータ
５…基体部
５ａ…外周面
５ｂ…羽根部
６…環状室
７…ベーン収容部
８…ベーン
９…ポンプ室
１０…第１のケーシング（ケーシング）
１０ａ，２３ｊ…貫通孔
１１…吸入開口
１２…吐出開口
１３…吸入パイプ
１４…吸入通路
１５…吐出パイプ
１６…吐出通路
１７…底壁部
１７ａ…連通孔
１８…スカート部
１８ａ…着磁部
１９…モータ
２０…ステータコア
２０ａ…ティース
２０ｂ…円筒部
２１…シャフト
２２…軸受部
２３…第２のケーシング（ケーシング）
２４…基板
２５…基板カバー
２７…ナット
３０…ワッシャ
３４…Ｏリング部材
４０…ベーン本体部
４１…耐摩耗性被覆層
４３…一般部位
４４，４５，４６…耐摩耗性部材

Claims (4)

1. 回転可能に軸支されたロータをケーシング内に設け、前記ロータの径方向に沿ってベーン収容部を延設し、該ベーン収容部内にスライド可能なベーンを収容すると共に、該ベーンの外周側にリング部材を配設することにより、ロータ回転によってベーンがベーン収容部をスライドして前記リング部材の内周面に摺接するベーンポンプであって、
   前記リング部材の内周面、前記ベーン収容部におけるベーンとの摺動面、及び、前記ベーンの外表面の少なくともいずれかを耐摩耗性材料で構成したことを特徴とするベーンポンプ。
2. 前記ベーンは、ベーン本体部と、該ベーン本体部の外表面を被覆した耐摩耗性被覆層とからなり、前記ベーンの比重を、耐摩耗性被覆層の比重よりも大きく設定したことを特徴とする請求項１に記載のベーンポンプ。
3. 前記耐摩耗性被覆層のうちロータ外周側の厚さを、ロータ内周側の厚さよりも薄く形成したことを特徴とする請求項２に記載のベーンポンプ。
4. 前記ベーン収容部におけるベーンとの摺動部分を、ロータの一般部位とは別体の耐摩耗性部材で構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のベーンポンプ。

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