JP2010031663A - ３軸ねじポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】３軸ねじポンプの従回転子を転造加工可能にする。
【解決手段】主回転子２のフランク面２５は、軸直角断面形状が、従回転子３のエッジが描く外トロコイド曲線をなし、従回転子３のフランク面３４は、軸直角断面形状が、主回転子２のエッジが描く外トロコイド曲線をなす３軸ねじポンプにおいて、主収容穴１１と従収容穴１２との軸間距離をａ、主回転子２の歯先半径をｂ、従回転子３の歯先半径をｃ、としたときに、３ｃ²＋ｂ²＜ａ²とすることにより、従回転子３のフランク面３４のアンダカットの状態が解消され、また、ｂ＜０．７５ａとすることにより、従回転子３の歯元直径も主回転子２の歯先直径の１／３以上を確保でき、従回転子３の強度を実用上十分なレベルにすることができる。そして、それらが相俟って従回転子３の転造加工が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ケーシング内に３つのねじ形回転子が回転自在に設けられている３軸ねじポンプに関する。

特許文献１に示された従来の３軸ねじポンプは、平行に配置された主収容穴および２つの従収容穴がケーシングに形成され、螺旋状の歯部および螺旋状の溝部が形成された主回転子が主収容穴に収容され、螺旋状の歯部および螺旋状の溝部が形成されるとともに主回転子と噛み合って回転する２つの従回転子が従収容穴に収容されている。

そして、一般的には、主収容穴と従収容穴の軸間距離と、主回転子の歯元直径と、従回転子の歯先直径の、３つの寸法が等しくなっている。この場合、主回転子のフランク面は、理想的には、軸直角断面形状が、従回転子のエッジ（すなわち、従回転子のフランク面と歯先面との境界部）が描く外サイクロイド曲線をなすことになる。なお、外サイクロイド曲線は、外トロコイド曲線の特殊な場合とみなすことができるものであるが、本明細書において外トロコイド曲線という場合、外サイクロイド曲線を含んでいない。

さらに、従来の３軸ねじポンプでは、上記３寸法（即ち、主収容穴と従収容穴の軸間距離、主回転子の歯元直径、および従回転子の歯先直径）が、主回転子の歯先直径の０．６倍であり、従回転子の歯元径が主回転子の歯先径の約０．２倍のものが一般的である。

また、上記３寸法を等しくとらない３軸ねじポンプも提案されている（例えば、特許文献２参照）。具体的には、従回転子の歯元直径を主回転子の歯先直径の０．３１倍よりも小さくすることが推奨されている。この場合、主回転子のフランク面は、軸直角断面で外トロコイド曲線となる。また、この３軸ねじポンプは、主回転子の歯元直径が軸間距離よりも大きく設定されている。
特開昭６１−２９４１７８号公報 米国特許第７２３４９２５号明細書

しかしながら、特許文献１に示された従来の３軸ねじポンプは、以下述べる３つの問題点があった。

（１）主回転子のフランク面の理論線が軸直角断面で外サイクロイド曲線となるので、フランク面と歯底との接続部分がシャープコーナーとなり、理論線通りの歯型形成が困難となる。すなわち、実際には、主回転子のフランク面と歯底との接続部分には最小限の隅部Ｒの確保が必要となり、これにより従回転子のエッジにも角部Ｒが必要となって理論形状から離れ、両回転子間の隙間が大きくなり、漏れが大きくなってしまうという問題があった。

（２）また、切削加工よりも転造加工の方が、加工精度や加工時間の面で有利であることが知られている。しかし、従回転子のフランク面が、軸直角断面で、従回転子の中心と従回転子のエッジとを結ぶ線よりも内側に入り込むアンダカットの状態となるため、従回転子を転造で形成することは不可能であった。

（３）さらに、従回転子の歯元径が小さくなるので、特に全体を小型化しようとした場合に、従回転子が強度不足となる。このため、転造加工では従回転子の素材が変形・破損し易く、加工方法が制約されるという問題があった。

なお、特許文献２に示された従来の３軸ねじポンプのように、主回転子の歯元直径を軸間距離よりも大きく設定すれば、主回転子のフランク面が外トロコイド曲線となり、フランク面と歯底とが滑らかに繋がるため、上記問題点（１）は解決される。しかしながら、特許文献２では上記問題点（２）および（３）についての解決策は提案されていない。

本発明は上記点に鑑みて、３軸ねじポンプの従回転子を転造加工可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、主収容穴（１１）およびこの主収容穴（１１）に平行で且つ主収容穴（１１）に連通する２つの従収容穴（１２）が形成されたケーシング（１）と、螺旋状の歯部（２１）および螺旋状の溝部（２２）が形成されるとともに、主収容穴（１１）に回転自在に収容されて回転する主回転子（２）と、螺旋状の歯部（３１）および螺旋状の溝部（３２）が形成されるとともに、従収容穴（１２）に回転自在に収容されて主回転子（２）と噛み合って回転する２つの従回転子（３）とを備え、主回転子（２）のフランク面（２５）は、軸直角断面形状が、従回転子（３）のエッジが描く外トロコイド曲線をなし、従回転子（３）のフランク面（３４）は、軸直角断面形状が、主回転子（２）のエッジが描く外トロコイド曲線をなす３軸ねじポンプにおいて、主収容穴（１１）と従収容穴（１２）との軸間距離をａ、主回転子（２）の歯先半径をｂ、従回転子（３）の歯先半径をｃ、としたときに、３ｃ²＋ｂ²＜ａ²であるとともに、ｂ＜０．７５ａであることを特徴とする３軸ねじポンプ。

これによると、３ｃ²＋ｂ²＜ａ²とすることにより、従回転子（３）のフランク面（３４）のアンダカットの状態が解消される。また、ｂ＜０．７５ａとすることにより、従回転子（３）の歯元直径も主回転子（２）の歯先直径の１／３以上を確保でき、従回転子（３）の強度を実用上十分なレベルにすることができる。そして、それらが相俟って従回転子（３）の転造加工が可能となり、ひいては従回転子（３）の加工精度を向上し且つ加工時間を短くすることが可能となる。

ところで、ｂ＋ｃがａに近くなると、ケーシング（１）における主収容穴（１１）と従収容穴（１２）との接続部分のシャープエッジの角度が鋭くなり、ケーシング（１）の加工が困難となる虞がある。これに対し、請求項２に記載の発明のように、ｂ＋０．９ｃ＞ａとした場合は、ケーシング（１）における主収容穴（１１）と従収容穴（１２）との接続部分のシャープエッジの角度を約３０度以上にすることができるため、ケーシング（１）の加工に格別の困難は生じない。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態について説明する。図１は一実施形態に係る３軸ねじポンプの断面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

図１、図２に示すように、３軸ねじポンプは、ケーシング１、主回転子２、及び２本の従回転子３を、主要構成部品として備えている。

ケーシング１は、軸直角断面形状が円形で且つ平行に延びる３つの収容穴１１、１２が形成されている。具体的には、中央部に主収容穴１１が位置し、この主収容穴１１の両側に従収容穴１２が配置されている。主収容穴１１の内径と従収容穴１２の内径の和は、主収容穴１１と従収容穴１２との軸間距離ａよりも大きくなっており、したがって主収容穴１１と従収容穴１２は連通状態になっている。また、ケーシング１には、作動液の吸入口となる入力ポート１３が一端側端部に形成され、作動液の吐出口となる出力ポート１４が他端側近傍の側壁部に形成されている。

主収容穴１１には、主回転子２が回転自在に収容されている。主回転子２の一端側には、入力ポート１３から出力ポート１４までの範囲に亘って、螺旋状に主回転子歯部２１が形成されるとともに、この螺旋状の主回転子歯部２１に沿って螺旋状の主回転子溝部２２が形成されている。主回転子歯部２１の外周縁（すなわち、歯先面）は、主収容穴１１の内周面と摺動自在に接触している。

主回転子２の他端側端部には、ケーシング１の外部に突出する駆動端部２３が形成されており、駆動端部２３にモータなどの駆動手段（図示せず）が連結され、その駆動手段により主回転子２が回転駆動されるようになっている。

また、主回転子２には、主回転子歯部２１及び主回転子溝部２２と駆動端部２３との間に、ケーシング１に回転自在に支持される短円柱形のジャーナル部２４が形成されている。ケーシング１とジャーナル部２４との間はほぼ液密状態を保っているが、ケーシング１とジャーナル部２４との間の微小な隙間を通ってケーシング１外に出てきた作動液は、図示しないドレイン回路により回収される。

なお、詳細後述するように、主回転子２のフランク面２５は、軸直角断面形状が、従回転子３のエッジ（すなわち、従回転子３のフランク面３４と歯先面との境界部）が描く外トロコイド曲線をなしている。

従収容穴１２には、従回転子３が回転自在に収容されている。なお、２本の従回転子３は、同一構成になっている。従回転子３の一端側には、入力ポート１３から出力ポート１４までの範囲に亘って、螺旋状に従回転子歯部３１が形成されるとともに、この螺旋状の従回転子歯部３１に沿って螺旋状の従回転子溝部３２が形成されている。従回転子歯部３１の外周縁（すなわち、歯先面）は、従収容穴１２の内周面と摺動自在に接触している。従回転子３の他端側端部には、短円柱形のジャーナル部３３が形成されており、ケーシング１に回転自在に支持されている。

なお、詳細後述するように、従回転子３のフランク面３４は、軸直角断面形状が、主回転子２のエッジ（すなわち、主回転子２のフランク面２５と歯先面との境界部）が描く外トロコイド曲線をなしている。

主回転子歯部２１及び主回転子溝部２２と、従回転子歯部３１及び従回転子溝部３２は、互いに逆方向の螺旋向きになっており、主回転子歯部２１が従回転子溝部３２に嵌り込み、且つ従回転子歯部３１が主回転子溝部２２に嵌り込む状態で、主回転子２と従回転子３が噛み合っている。そして、駆動手段により主回転子２が回転駆動されるのに伴って、従回転子３が回転するようになっている。

上記のように構成された３軸ねじポンプは、駆動手段によって主回転子２を所定の正転方向に駆動すると、従回転子３が主回転子２と逆方向に回転する。主回転子２及び従回転子３の回転により、入力ポート１３から低圧作動液が吸い込まれる。この作動液は、主回転子溝部２２及び従回転子溝部３２を満たし、主回転子２及び従回転子３の回転によって昇圧しながら主回転子２及び従回転子３の軸方向に移動して、出力ポート１４に向かう。このようにして、低圧作動液を昇圧して高圧作動液として出力ポート１４から吐出することができる。

そして、主回転子２のフランク面２５及び従回転子３のフランク面３４は、いずれも外トロコイド曲線をなしているので、両回転子２、３のエッジはそれぞれのフランク面２５、３４に接しながら移動し、主回転子溝部２２及び従回転子溝部３２に閉じ込めた作動液を隣接する溝部に漏らすことなく吐出させることができる。

次に、本実施形態に係る３軸ねじポンプの特徴点について説明する。ここで、主収容穴１１と従収容穴１２との軸間距離をａ、主回転子２の歯先半径をｂ、従回転子３の歯先半径をｃとする。主回転子２の歯元半径はａ−ｃ、従回転子３の歯元半径はａ−ｂとなる。因みに、従来の３軸ねじポンプでは、ａ＝１．２ｂ、ｃ＝０．６ｂとなるものが一般的である。なお、図３は、横軸にｂ／ａ、縦軸にｃ／ａをとって、以下で求めた条件をグラフ上に表したものである。

まず、主回転子２の歯底からの立ち上がり部分（すなわち、フランク面２５と歯底との接続部分）をシャープコーナーにしないためには、フランク面２５が外トロコイド曲線であればよい。このためには、主回転子２の歯元半径ａ−ｃを軸間距離ａの半分より大きく取ればよい。これより、ａ−ｃ＞ａ／２、即ち、ｃ＜ａ／２という条件が求められるが、後述するように、他の必要条件を満足するようにすればこの条件は自動的に満足される。

次に、従回転子３のフランク面３４にアンダカットが生じない条件を求める。パラメータθに対し、θ＝０で歯底（ａ−ｂ、０）より立ち上がる外トロコイドの軌跡は、
（ｘ、ｙ）＝（ａ・ｃｏｓθ−ｂ・ｃｏｓ２θ、ａ・ｓｉｎθ−ｂ・ｓｉｎ２θ）となる。

パラメータθの変化に対する軌跡点の速度ベクトルは、
（−ａ・ｓｉｎθ＋２ｂ・ｓｉｎ２θ、ａ・ｃｏｓθ−２ｂ・ｃｏｓ２θ）・ｄθとなる。

アンダカットが発生する限界は、原点から軌跡点へのベクトルが速度ベクトルと平行となるところなので、
（ａ・ｃｏｓθ−ｂ・ｃｏｓ２θ）・（ａ・ｃｏｓθ−２ｂ・ｃｏｓ２θ）
＝（ａ・ｓｉｎθ−ｂ・ｓｉｎ２θ）・（−ａ・ｓｉｎθ＋２ｂ・ｓｉｎ２θ）となる。

これを三角関数の公式を用いて整理すると、式１が得られる。
ｃｏｓθ＝（ａ²＋２・ｂ²）／（３ａｂ） …式１
このときの、原点からの距離の二乗は、
（ａ・ｃｏｓθ−ｂ・ｃｏｓ２θ）²＋（ａ・ｓｉｎθ−ｂ・ｓｉｎ２θ）²
＝ａ²＋ｂ²−２ａｂ（ｃｏｓθｃｏｓ２θ＋ｓｉｎθｓｉｎ２θ）
＝ａ²＋ｂ²−２ａｂ・ｃｏｓθであり、
式１を代入して、
ａ²＋ｂ²−２ａｂ・ｃｏｓθ
＝ａ²＋ｂ²−２ａｂ・（ａ²＋２・ｂ²）／（３ａｂ）
＝（ａ²−ｂ²）／３
となる。

そして、従回転子３のフランク面３４にアンダカットを生じさせないためには、従回転子３の歯先半径ｃの二乗をこの値よりも小さくすればよい。即ち、ｃ²＜（ａ²−ｂ²）／３、変換すると、３ｃ²＋ｂ²＜ａ²が、アンダカットなしの必要十分条件となる。なお、図３の線（１）は、従回転子３のフランク面３４にアンダカットが発生するか否かの境界線（すなわち、３ｃ²＋ｂ²＝ａ²）である。

特許文献２では、従回転子３の歯元直径を主回転子２の歯先直径の０．３１倍より小さくすることが推奨されているが、従回転子３の強度を確保して従回転子３の転造を容易にするためには、従回転子３の歯元直径はむしろ大きい方が望ましい。具体的には、従回転子３の歯元直径は、主回転子２の歯先直径の１／３倍より大きいことが望ましい。これを歯先半径で表記すると、ａ−ｂ＞ｂ／３、すなわち、ｂ＜０．７５ａが、従回転子３の歯元直径が主回転子２の歯先直径の１／３倍より大きくなる条件である。なお、図３の線（２）は、従回転子３の歯元直径が主回転子２の歯先直径の１／３倍となる線（すなわち、ｂ＝０．７５ａ）である。

ここまで述べた条件では、ｂ、ｃがａに対し相対的に小さい場合に満足されるが、ｂ＋ｃがａに近くなると、ケーシング１における主収容穴１１と従収容穴１２との接続部分のシャープエッジの角度（以下、収容穴交角という）が鋭くなり、ケーシング１の加工が困難となる虞がある。

この収容穴交角は、ａ、ｂ、ｃを３辺とする三角形のａの対角の補角であり、余弦定理より、この収容穴交角を３０度以上確保するには、本来は、
ａ²＜ｂ²＋ｃ²−２ｂｃ・ｃｏｓ１５０°
＝ｂ²＋ｃ²＋√３・ｂｃ
が必要十分条件となるが、溝深さｂ＋ｃ−ａを従回転子３の歯先半径ｃの０．１以上確保するという条件（すなわち、ｂ＋ｃ−ａ＞０．１ｃより、ｂ＋０．９ｃ＞ａ）も実用上ほぼ等価である。

すなわち、図３の線（３）は、収容穴交角が３０度となる線（すなわち、ｂ²＋ｃ²＋√３・ｂｃ）であり、図３の線（４）は、溝深さｂ＋ｃ−ａが従回転子３の歯先半径ｃの０．１となる線（すなわち、ｂ＋０．９ｃ＝ａ）であり、図３の線（３）と線（４）により、両者がほぼ等価であることが読み取れる。なお、図３の線（５）は、ｂ＋ｃ＝ａの線である。

図３において、線（１）、（２）および（５）によって囲まれる領域で、３ｃ²＋ｂ²＜ａ²と、ｂ＝０．７５ａの、２条件を満足する。また、線（１）、（２）および（３）によって囲まれる領域で、３ｃ²＋ｂ²＜ａ²と、ｂ＝０．７５ａと、ｂ＋０．９ｃ＞ａの、３条件を満足する。そして、図３から明らかなように、上記２条件ないしは３条件を満足する（ａ、ｂ、ｃ）の組み合わせでは、自動的にｃ＜ａ／２は満足される。

この３条件を満足する（ａ、ｂ、ｃ）の組み合わせとして、例えば（１２、８、５）がある。特許文献２に倣って主回転子２の歯先直径基準で表現すると、溝深さが０．１２５倍、従回転子の歯元直径が０．５倍となる。このような形状の回転子は、転造でフランク面を成型した後に、所定歯先径になるように例えばセンタレス研削を施すことにより、比較的容易に製造することが出来る。

以上述べたように、本実施形態に係る３軸ねじポンプによると、３ｃ²＋ｂ²＜ａ²とすることにより、従回転子３のフランク面３４のアンダカットの状態が解消される。また、ｂ＜０．７５ａとすることにより、従回転子３の歯元直径も主回転子２の歯先直径の１／３以上を確保でき、従回転子３の強度を実用上十分なレベルにすることができる。そして、それらが相俟って従回転子３の転造加工が可能となり、ひいては従回転子３の加工精度を向上し且つ加工時間を短くすることが可能となる。

また、ｂ＋０．９ｃ＞ａとすることにより、収容穴交角を約３０度以上にすることができるため、ケーシング１の加工に格別の困難は生じない。

なお、本実施形態では歯型以外の要素については簡略化して説明したが、公知の３軸ねじポンプに関する公知の技術と組み合わせて実施できることは言うまでも無い。

本発明の一実施形態に係る３軸ねじポンプの断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の一実施形態に係る３軸ねじポンプにおける軸間距離ａと主回転子２の歯先半径ｂと従回転子３の歯先半径ｃとの関係を示す図である。

符号の説明

１ ケーシング
２ 主回転子
３ 従回転子
１１ 主収容穴
１２ 従収容穴
２１ 歯部
２２ 溝部
２５ フランク面
３１ 歯部
３２ 溝部
３４ フランク面
ａ 軸間距離
ｂ 主回転子２の歯先半径
ｃ 従回転子３の歯先半径

Claims (2)

1. 主収容穴（１１）およびこの主収容穴（１１）に平行で且つ前記主収容穴（１１）に連通する２つの従収容穴（１２）が形成されたケーシング（１）と、
   螺旋状の歯部（２１）および螺旋状の溝部（２２）が形成されるとともに、前記主収容穴（１１）に回転自在に収容されて回転する主回転子（２）と、
   螺旋状の歯部（３１）および螺旋状の溝部（３２）が形成されるとともに、前記従収容穴（１２）に回転自在に収容されて前記主回転子（２）と噛み合って回転する２つの従回転子（３）とを備え、
   前記主回転子（２）のフランク面（２５）は、軸直角断面形状が、前記従回転子（３）のエッジが描く外トロコイド曲線をなし、
   前記従回転子（３）のフランク面（３４）は、軸直角断面形状が、前記主回転子（２）のエッジが描く外トロコイド曲線をなす３軸ねじポンプにおいて、
   前記主収容穴（１１）と前記従収容穴（１２）との軸間距離をａ、前記主回転子（２）の歯先半径をｂ、前記従回転子（３）の歯先半径をｃ、としたときに、
   ３ｃ²＋ｂ²＜ａ²であるとともに、ｂ＜０．７５ａであることを特徴とする３軸ねじポンプ。
2. ｂ＋０．９ｃ＞ａであることを特徴とする請求項１に記載の３軸ねじポンプ。

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