JP2011111980A - ボールプランジャポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ボールプランジャポンプを定容量ポンプとして小型・軽量化する。
【解決手段】カムフェース部材５の内周面は、カムフェース小径ｒｓの円弧と、カムフェース大径ｒｔの円弧と、これらの円弧を結ぶアルキメデス曲線とから構成される。カムフェース小径ｒｓに沿ってボール１０が公転したときのボール１０の中心の軌跡ｒａと、カムフェース大径ｒｔに沿ってボール１０が公転したときのボール１０の中心の軌跡ｒｚとを結ぶボール１０の中心の軌跡ｒｘ（線分Ａ２）がアルキメデス曲線となる。このボール１０の中心の軌跡ｒｘに対してボール１０が外周（すなわち、カムフェース部材５の内周面）に接触する軌跡によりカムフェース部材５の断面形状の一部ｒｙ（線分Ａ１）が設定される。この軌跡ｒｘの範囲は、カムフェース部材５の小径ｒｓの終了および大径ｒｔの開始のタイミング角度θａ、θｂにより設定される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ラジアルロータリー（回転）ポンプに関し、特に、ガソリンなどの低粘性液体に適し、複数のボールをピストンとして利用するボールプランジャポンプに関する。

自動車用燃料ポンプ（油圧ポンプ）として、耐久性に優れ、省動力を実現可能であって、簡素な構造を有するボールプランジャポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなボールプランジャポンプは、定量性があり、可変容量が可能であること、高効率であることなどの特徴を有する。

ボールプランジャポンプでは、実質的に放射状に穿設された複数のシリンダがロータ内に設けられ、各シリンダ内には、シリンダのシリンダ軸方向への移動と自転とが可能になるように、ボールが挿入されている。ボールのシリンダ軸方向に外方への運動を規制するために、ロータの外周にはリング状のカムフェース部材が設けられている。

このようなボールプランジャポンプは、ロータの回転に応じてボールがシリンダ内をピストン運動（往復運動）し、シャフトに平行に設けられた１つの吸入ポートから流体を吸入して、吸入した流体を圧縮した後、１つの吐出ポートから吐出するものである。

図６に示す概念図を用いて、従来のボールプランジャポンプの構成を具体的に説明する。図６に示すボールプランジャポンプは、図６（ｂ）に示すように、複数（本例では、９つ）のシリンダ９が設けられたロータ４がカムフェース部材５に対向するように配置される。また、図６（ａ）に示すように、ロータ４はハウジングの一部を構成するサイドプレート３ａ、３ｂの間に配置される。なお、図６（ａ）は、図６（ｂ）の矢視６Ａ−６Ａ部分断面図である。複数のボール１０は、図示しないモータによる図６の矢印Ｐ方向へのロータ４の回転に応じて、カムフェース部材５の内周面に当接しながらロータ４の中心に対して公転するとともに、対応するシリンダ９内を往復運動する。

ここで、従来のボールプランジャポンプでは、ロータ４の１回転に対して、シャフト２の軸方向に平行に１つの吸入ポート１１ａと１つの吐出ポート１２ａ、すなわち、１組の吸入ポート１１ａおよび吐出ポート１２ａとが設けられている。各シリンダ９に設けられた開口（ポート）９ａは、ロータ４が１回転するとき、吸入行程において吸入ポート１１ａに開口し、吐出行程において吐出ポート１２ａに開口するように設けられる。これにより、ロータ４の１回転のうち、概ね半分の期間は、流体が吸入ポート１１ａからシリンダ９へ吸入される吸入行程となり、別の半分の期間は、シリンダ９に溜められた流体がシリンダ９から吐出ポート１２ａへ吐出される吐出行程となる。

特開平２−１６１１７５号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるボールプランジャポンプや図４に示す従来のボールプランジャポンプでは、ロータ４内のシリンダ９の形状により、ボール１０の半径よりも小さいストローク量しか確保することができず、ポンプ容量を大きくするためには、ボールプランジャポンプそのもの（特に、ロータ４）を大型化しなければならないという問題があった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数組の吸入ポートおよび吐出ポートを設けることにより、定容量ポンプとして小型・軽量化することができるボールプランジャポンプを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明のボールプランジャポンプ（１、１'）は、複数組の吸入ポート（１１ａ）および吐出ポート（１２ａ）と、シャフト（２）とを有する本体部（３）と、シャフト（２）の周りを回転するロータ（４）と、ロータ（４）内に実質的に放射状に穿設された複数のシリンダ（９）と、複数のシリンダ（９）の各シリンダ（９）内にあって、該シリンダ（９）のシリンダ軸方向への移動と自転とが可能に挿入された複数のボール（１０）と、複数のボール（１０）の外周に位置して、複数のボール（１０）の運動を規制するリング状のカムフェース部材（５、５'）とを備え、複数組の吸入ポート（１１ａ）および吐出ポート（１２ａ）は、シャフト（２）の外周面に沿って交互に設けられていることを特徴とする。

本発明のボールプランジャポンプによれば、ロータの１回転中に各シリンダが対向する吸入ポートおよび吐出ポートを複数組設けることにより、ボールプランジャポンプを定容量ポンプとして小型・軽量化することができる。

本発明のボールプランジャポンプでは、シャフト（２）の軸方向に垂直な断面におけるカムフェース部材（５、５'）の内周面の形状が平衡型形状であればよい。この場合、シャフト（２）の軸方向に垂直な断面におけるカムフェース部材（５、５'）の内周面の形状は、小径（ｒｓ）を有する円弧と、大径（ｒｔ）を有する円弧と、異なる円弧間を結ぶアルキメデス曲線（Ａ１、Ｂ１）とから形成される形状であればよい。カムフェース部材の内周面をこのように形成（構成）することにより、ボールの回転角度に対するシリンダのストローク量を一定に保つことができるので、ボールプランジャポンプの流体の吸入／吐出流量の変化を一定にすることができ、ポンプ脈動を低減させることができる。

本発明のボールプランジャポンプでは、ロータ（４）の回転に応じて、吸入工程のボール（１０）と吐出工程のボール（１０）とがロータ（４）の回転中心に対して点対称のピストン運動をすればよい。これにより、ボールプランジャポンプの流体の吸入／吐出流量の変化を一定にすることができ、ポンプ脈動を低減させることができる。

本発明のボールプランジャポンプでは、吸入ポート（１１ａ）を介して吸入を開始するポート角度（θ１、θ１'）は、ロータ（４）の回転に伴ってボール（１０）が当接するカムフェース部材（５、５'）の断面形状が小径（ｒｓ）の円弧から大径（ｒｔ）の円弧に移るとき、小径（ｒｓ）の円弧が終了した角度（θａ、θｅ）にシリンダ（９）に設けられた吸入・吐出用開口（９ａ）の半径分に対応する角度（θｃ、θｃ'）を加算した角度であり、吐出ポート（１２ａ）を介して吐出を開始するポート角度（θ４、θ４'）は、ロータ（４）の回転に伴ってボール（１０）が当接するカムフェース部材（５、５'）の断面形状が大径（ｒｔ）の円弧から小径（ｒｓ）の円弧に移るとき、大径（ｒｔ）の円弧が終了した角度（θｄ、θａ'）にシリンダ（９）に設けられた吸入・吐出用開口（９ａ）の半径分に対応する角度（θｃ、θｃ'）を加算した角度であればよい。

なお、上記で括弧内に記した図面参照符号は、後述する実施形態における対応する構成要素を参考のために例示するものである。また、上記で括弧内に記した各部の半径等の参照符号は、後述する実施形態における対応する半径等を参考のために例示するものである。

本発明によれば、複数組の吸入ポートおよび吐出ポートを設けることにより、ボールプランジャポンプを定容量ポンプとして小型・軽量化することができる。また、ボールの回転角度に対するシリンダのストローク量を一定に保つことができるので、ボールプランジャポンプの流体の吸入／吐出流量の変化を一定にすることができ、ポンプ脈動を低減させることができる。

本発明の第１実施形態にかかるボールプランジャポンプの２方向からの断面図である。 図１に示すボールプランジャポンプの吸入ポートおよび吐出ポートの配置を示す概念図である。 図２（ｂ）の領域Ａの拡大図である。 第２実施形態にかかるボールプランジャポンプの吸入ポートおよび吐出ポートの配置を示す概念図である。 図４（ｂ）の領域Ｂの拡大図である。 従来のボールプランジャポンプの吸入ポートおよび吐出ポートの配置を示す概念図である。

以下、添付図面を参照して本発明のボールプランジャポンプの好適な実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態におけるボールプランジャポンプ１の構成を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態にかかるボールプランジャポンプ１の２方向からの断面図を示し、図１（ａ）は、シャフト２の軸方向に水平な面で取られた断面図（すなわち、図１（ｂ）の矢視１Ａ−１Ａ部分断面図）であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の矢視１Ｂ−１Ｂ部分断面図である。本実施形態のボールプランジャポンプ１は、図示しないモータ等により外部から駆動され、ガソリンや軽油などの低粘性の燃料（流体）を図示しないエンジンの燃焼室（ピストン）に供給するものである。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、ボールプランジャポンプ１では、ハウジング（本体部）３の内面には、変形リング状のカムフェース部材（ステータリングともいう）５が固定的に設けられている。本実施形態では、カムフェース部材５は、その中心がシャフト（ピントルともいう）２の軸心と同軸上になるように設けられている。シャフト２はハウジング３と一体的に設けられる。なお、ハウジング３は２つの部材をボルト７により固定することにより構成される。また、ハウジング３の内部空間には、ロータ４を挟み込むようにサイドプレート３ａ、３ｂが設けられる。サイドプレート３ａ、３ｂおよびカムフェース部材５は、ノックピン１３によりハウジング３に固定されている。

カムフェース部材５の内側には、周辺に複数のボール（本例では、８つ）が実質的に放射状に穿設された複数のシリンダ９を有するロータ４がカムフェース部材５に対して相対回転可能に設けられている。カムフェース部材５には、図１（ａ）に示すように、その内周面にボール１０のロータ４の外周方向への移動（ボールの公転運動）を規制（案内）するための凹部が設けられている。

ロータ４は、複数のベアリング８を介してハウジング３に軸支され、シャフト２によって図１（ｂ）の矢印Ｐ方向に回転駆動される。シャフト２は図示しないモータ等に連結されている。図１（ｂ）に示すように、シャフト２の軸方向に平行に、外部と連通した吸入通路１１と吐出通路１２とがそれぞれ２つ（すなわち、２組の吸入通路１１と吐出通路１２とが）設けられている。各通路１１、１２は、それぞれ、吸入ポート１１ａおよび吐出ポート１２ａを介してロータ４の一側面上に開口している。吸入ポート１１ａおよび吐出ポート１２ａは、ロータ４が回転されているにもかかわらず固定状態となる。そのため、ロータ４の回転に応じて、吸入ポート１１ａおよび吐出ポート１２ａが後述する開口９ａを介して複数のシリンダ９のいずれかと連通・遮断を繰り返すようになっている。

なお、各シリンダ９の吸入ポート１１ａおよび吐出ポート１２ａに対応する部分には、これらのポート１１ａ、１２ａと連通するための吸入・吐出用の開口（ポート）９ａが設けられている。図１（ｂ）は、開口９ａおよび各ポート１１ａ、１２ａを概念的に示すものであるが、各シリンダ９における開口９ａの位置は、シャフト２の位置にどのように吸入ポート１１ａと吐出ポート１２ａとが配置されているかにより設定されればよい。

図１（ｂ）から分かるように、本実施形態のボールプランジャポンプ１では、ロータ４の１回転の間に、２つの吸入ポート１１ａと２つの吐出ポート１２ａとがシャフト２の外周面に沿って交互に配置されている。

ボール１０は、各シリンダ９内に設けられ、シリンダ９のシリンダ軸方向（ロータ４の中心から放射方向）への移動と自転とが可能に挿入されている。シリンダ９とボール１０とにより画成されるポンプ室（油圧室）は、開口９を介して吸入ポート１１ａに連通して燃料を吸入し、ロータ４の回転に応じてボール１０がシリンダ９内に移動することにより燃料を圧縮しつつ、開口９を介して吐出ポート１２ａに連通して圧縮された燃料を吐出するようになっている。

なお、シャフト２とロータ４との嵌合状態は、固定されたシャフト２に対してロータ４が相対的に回転自在であるが、燃料（流体）の漏洩を最小限に抑止可能なようになっている。なお、ハウジング３のサイドプレート３ａ、３ｂの近傍には、ロータ４から燃料が漏洩しないようにオイルシール６が設けられている。

ここで、本発明の特徴部分であるカムフェース部材５の構成について詳細に説明する。図２は、図１に示すボールプランジャポンプ１の吸入ポート１１ａおよび吐出ポート１２ａの配置を示す概念図である。図２（ａ）は図２（ｂ）の矢視２Ａ−２Ａ部分断面図である。図３は図２（ｂ）の領域Ａの拡大図である。図２（ｂ）に示すように、本実施形態のボールプランジャポンプ１には、２つの吸入ポート１１ａと２つの吐出ポート１２ａとがロータ４の中心に対して点対称に配置されている。また、カムフェース部材５の形状はｘ軸およびｙ軸に対して線対称になっている。

本実施形態では、ロータ４の回転に応じて、吸入工程のボール１０と吐出工程のボール１０とがロータ４の回転中心に対して点対称のピストン運動をするように、カムフェース部材５の内周面を形成している。

具体的には、カムフェース部材５の内周面の形状を以下のように構成している。すなわち、カムフェース部材５のシャフト２の軸方向に垂直な断面の形状（以下、「カムフェース部材５の断面形状」という）は、図３に示すように、カムフェース部材５の小径（小半径、以下、「カムフェース小径」または「小径」という）ｒｓの円弧とカムフェース部材５の大径（大半径、以下、「カムフェース大径」または「大径」という）ｒｔの円弧が概ね９０°の間隔で交互に配置され、カムフェース小径ｒｓの円弧とカムフェース大径ｒｔの円弧の間にアルキメデス曲線ｒｘに対応する曲線ｒｙが配置されるような形状となっている。

ここで、カムフェース部材５の断面形状は、ポート組の数に応じた数の線において線対称となっている。本実施形態では、図２（ｂ）に示す２本の２点鎖線（垂直線であるｙ軸線と水平線であるｘ軸線）が対称軸となる。

ボール１０がカムフェース小径ｒｓに当接して公転するときにおけるボール１０の中心の軌跡は、図３に示すように、半径ｒａ（＝カムフェース小径ｒｓ−ボール半径ｒｂ）の円弧となる。また、ボール１０がカムフェース大径ｒｔに当接して公転するときにおけるボール１０の中心の軌跡は、半径ｒｚ（＝カムフェース大径ｒｔ−ボール半径ｒｂ）の円弧となる。

そして、カムフェース小径ｒｓに沿ってボール１０が公転したときのボール１０の中心の軌跡ｒａと、カムフェース大径ｒｔに沿ってボール１０が公転したときのボール１０の中心の軌跡ｒｚとを結ぶボール１０の中心の軌跡ｒｘ（線分Ａ２）を以下に示すようなアルキメデス曲線とし、このボール１０の中心の軌跡ｒｘに対してボール１０が外周（すなわち、カムフェース部材５の内周面）に接触する軌跡によりカムフェース部材５の断面形状の一部ｒｙ（線分Ａ１）が設定される。なお、この軌跡ｒｘの範囲は、カムフェース部材５の小径ｒｓの終了および大径ｒｔの開始のタイミングである角度θａ、θｂにより設定される。図３において、θａはカムフェース部材５の小径ｒｓが終了する角度であり、θｂはカムフェース部材５の大径ｒｔが開始する角度であり、θはθａからの変化角である。

ここで、吸入ポート１１ａと吐出ポート１２ａのポート形状（ポート配置）の設定方法について説明する。まず、ボールプランジャポンプ１の必要吐出量および圧力変動対応などに応じて、ロータ４に埋設されるシリンダ９およびボール１０の数と、シリンダ９の内径（ボール１０の径）とを決定する。そして、決定されたボール１０の数および吸入ポート１１ａと吐出ポート１２ａの組数（本実施形態では、２組）に基づいて、吸入開始ポート角度および吸入終了ポート角度並びに吐出開始ポート角度および吐出終了ポート角度を以下のように設定する。

すなわち、開口９ａを介して吸入ポート１１ａからシリンダ９に流体の吸入を開始する吸入開始ポート角度θ１（ここでは、ｘｙ平面における第２象限にある一方の吸入ポート１１ａの吸入開始ポート角度）は、ロータ４の回転に伴ってボール１０が当接するカムフェース部材５の形状が小径ｒｓから大径ｒｔに移るとき、小径ｒｓが終了した角度θａにシリンダ９の開口９ａの半径分に対応する角度θｃを加算した角度となり、以下の式が成立する。
θ１＝θａ＋θｃ

また、開口９ａを介して吸入ポート１１ａからシリンダ９に流体の吸入を開始する吸入終了ポート角度θ２（ここでは、第１象限にある他方の吸入ポート１１ａの吸入終了ポート角度）は、ロータ４の回転に伴ってボール１０が当接するカムフェース部材５の形状が大径ｒｔから小径ｒｓに移るとき、大径ｒｔが終了した角度θｄからシリンダ９の開口９ａの半径分に対応する角度θｃおよびクリアランス用の角度θ６を減算した角度となり、以下の式が成立する。
θ２＝θｄ−θｃ−θ６

同様に、開口９ａを介してシリンダ９から吐出ポート１２ａを介して流体の吐出を開始する吐出開始ポート角度θ４（ここでは、第１象限にある一方の吐出ポート１２ａの吐出開始ポート角度）は、ロータ４の回転に伴ってボール１０が当接するカムフェース部材５の形状が大径ｒｔから小径ｒｓに移るとき、大径ｒｔが終了した角度θｄにシリンダ９の開口９ａの半径分に対応する角度θｃを加算した角度となり、以下の式が成立する。
θ４＝θｄ＋θｃ

また、開口９ａを介してシリンダ９から吐出ポート１２ａを介して流体の吐出を終了する吐出終了ポート角度θ５（ここでは、第１象限から第２象限に続く一方の吐出ポート１２ａの吐出終了ポート角度）は、ロータ４の回転に伴ってボール１０が当接するカムフェース部材５の形状が小径ｒｓから大径ｒｔに移るとき、小径ｒｓが終了した角度θａからシリンダ９の開口９ａの半径分に対応する角度θｃおよびクリアランス用の角度θ６を減算した角度となり、以下の式が成立する。
θ５＝θａ−θｃ−θ３

なお、クリアランス用の角度θ３およびθ６は、それぞれ吸入ポート１１ａと吐出ポート１２ａとの間にシリンダ９の開口９ａが位置したときに、吸入ポート１１ａと吐出ポート１２ａの間のシール性を確保するために設けられたものである。

また、吸入ポート１１ａに対応するボール１０の中心の軌跡ｒｘは、アルキメデス曲線の定数ａを以下のように定義して、最初にカムフェース部材５の小径ｒｓにボール１０が当接しているときのボール１０の中心の軌跡ｒａを考慮して、角度θ１からの変化角θを用いて以下のように表される。
定数ａ＝（ｒｚ−ｒａ）／（θｂ−θ１）
ｒｘ＝ｒａ＋ａ×θ

一方、吐出ポート１２ａに対応するボール１０の中心の軌跡ｒｘ'は、アルキメデス曲線の定数ａを以下のように定義して、最初にカムフェース部材５の大径ｒｔにボール１０が当接しているときのボール１０の中心の軌跡ｒｚを考慮して、角度θｄからの変化角θを用いて以下のように表される。
定数ａ＝（ｒｚ−ｒａ）／（θｂ−θ１）
ｒｘ'＝ｒｚ−ａ×θ

以上のように、本実施形態では、ロータ４の１回転に対して２組の吸入ポート１１ａと吐出ポート１２ａを配置することにより、ロータ４が１回転する際に、２度の吸入・吐出行程を行うことができるので、同じ吐出量のボールプランジャポンプ１を小型・軽量化することができる。

また、アルキメデス曲線を利用してカムフェース部材５の内径の形状を構成することにより、ボール１０の回転角度に対するシリンダ９のストローク量を一定に保つことができるので、ボールプランジャポンプ１の流体の吸入／吐出流量の変化を一定にすることができ、ポンプ脈動を低減させることができる。

また、隣り合う吸入ポート１１ａと吐出ポート１２ａの間には、シリンダ９の開口９ａが位置したときにおいても所定のクリアランス角度θ３、θ６を設けているので、吸入行程と吐出行程における油路のシール性を確保することができるとともに、サイドプレート３ａ、３ｂとのサイドクリアランスからの漏れを低減させることができる。これにより、ボールプランジャポンプ１の容積効率を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、図４および図５を参照して、本発明の第２実施形態におけるボールプランジャポンプ１'の構成を詳細に説明する。なお、第２実施形態のボールプランジャポンプ１'は、カムフェース部材の構成以外は第１実施形態のボールプランジャポンプ１と同様の構成を有するので、第１実施形態における図１に対応する全体構成の図示を省略するとともに、同様の構成要素（部材）に対しては同様の符号を付すものとする。

本実施形態のカムフェース部材５'の構成について詳細に説明する。図４は、第２実施形態にかかるボールプランジャポンプ１'の吸入ポート１１ａおよび吐出ポート１２ａの配置を示す概念図である。図４（ａ）は図４（ｂ）の矢視４Ａ−４Ａ部分断面図である。図５は図４（ｂ）の領域Ｂの拡大図である。図４（ｂ）に示すように、本実施形態のボールプランジャポンプ１'には、３つの吸入ポート１１ａと３つの吐出ポート１２ａとがロータ４の中心に対して点対称に配置されている。また、カムフェース部材５の形状はｙ軸および２本の１点鎖線Ｌ、Ｍに対して線対称に配置されている。

本実施形態においても、第１実施形態の構成と同様に、ロータ４の回転に応じて、吸入工程のボール１０と吐出工程のボール１０とがロータ４の回転中心に対して点対称のピストン運動をするように、カムフェース部材５'の内周面を形成している。

具体的では、カムフェース部材５'の内周面の形状を以下のように構成している。すなわち、カムフェース部材５'の断面形状は、図４（ｂ）に示すように、カムフェース部材５'の小径ｒｓの円弧とカムフェース部材５'の大径ｒｔの円弧が概ね６０°の間隔で交互に配置され、カムフェース小径ｒｓの円弧とカムフェース大径ｒｔの円弧の間にアルキメデス曲線ｒｘに対応する曲線ｒｙが配置されるような形状となっている。

ここで、カムフェース部材５'の断面形状は、ポート組の数に応じた数の線において線対称となっている。本実施形態では、上述のように、図４（ｂ）に示す２本の１点鎖線Ｌ、Ｍおよびｙ軸が対称軸となる。

ボール１０がカムフェース大径ｒｔに当接して公転するときにおけるボール１０の中心の軌跡は、図５に示すように、半径ｒｚ（＝カムフェース大径ｒｔ−ボール半径ｒｂ）の円弧となる。また、ボール１０がカムフェース小径ｒｓに当接して公転するときにおけるボール１０の中心の軌跡は、半径ｒａ（＝カムフェース小径ｒｓ−ボール半径ｒｂ）の円弧となる。

そして、カムフェース大径ｒｔに沿ってボール１０が公転したときのボール１０の中心の軌跡ｒｚと、カムフェース小径ｒｓに沿ってボール１０が公転したときのボール１０の中心の軌跡ｒａとを結ぶボール１０の中心の軌跡ｒｘ（線分Ｂ２）を以下に示すようなアルキメデス曲線とし、このボール１０の中心の軌跡ｒｘに対してボール１０が外周（すなわち、カムフェース部材５'の内周面）に接触する軌跡によりカムフェース部材５'の断面形状の一部ｒｙ（線分Ｂ１）が設定される。なお、この軌跡ｒｘの範囲は、カムフェース部材５'の小径ｒｓの開始および大径ｒｔの終了のタイミングである角度θａ'、θｂ'により設定される。図３において、θａ'はカムフェース部材５'の大径ｒｔが終了する角度であり、θｂ'はカムフェース部材５'の小径ｒｓが開始する角度であり、θはθａ'からの変化角である。

ここで、吸入ポート１１ａと吐出ポート１２ａのポート形状（ポート配置）の設定方法について説明する。まず、ボールプランジャポンプ１の必要吐出量および圧力変動対応などに応じて、ロータ４に埋設されるシリンダ９およびボール１０の数と、シリンダ９の内径（ボール１０の径）とを決定する。そして、決定されたボール１０の数および吸入ポート１１ａと吐出ポート１２ａの組数（本実施形態では、３組）に基づいて、吸入開始ポート角度および吸入終了ポート角度並びに吐出開始ポート角度および吐出終了ポート角度を以下のように設定する。

すなわち、開口９ａを介して吸入ポート１１ａからシリンダ９に流体の吸入を開始する吸入開始ポート角度θ１'（ここでは、ｘｙ平面における第１象限にある一の吸入ポート１１ａの吸入開始ポート角度）は、ロータ４の回転に伴ってボール１０が当接するカムフェース部材５'の形状が小径ｒｓから大径ｒｔに移るとき、小径ｒｓが終了した角度θｅからシリンダ９の開口９ａの半径分に対応する角度θｃ'を減算した角度となり、以下の式が成立する。
θ１'＝θｅ−θｃ'

また、開口９ａを介して吸入ポート１１ａからシリンダ９に流体の吸入を開始する吸入終了ポート角度θ２'（ここでは、第１象限から第２象限に続く一の吸入ポート１１ａの吸入終了ポート角度）は、ロータ４の回転に伴ってボール１０が当接するカムフェース部材５'の形状が大径ｒｔから小径ｒｓに移るとき、大径ｒｔが終了した角度θ４'からシリンダ９の開口９ａの半径分に対応する角度θｃ'およびクリアランス用の角度θ６'を減算した角度となり、以下の式が成立する。
θ２'＝θ４'−θｃ'−θ６'

同様に、開口９ａを介してシリンダ９から吐出ポート１２ａを介して流体の吐出を開始する吐出開始ポート角度θ４'（ここでは、第２象限にある一の吐出ポート１２ａの吐出開始ポート角度）は、ロータ４の回転に伴ってボール１０が当接するカムフェース部材５'の形状が大径ｒｔから小径ｒｓに移るとき、大径ｒｔが終了した角度θａ'にシリンダ９の開口９ａの半径分に対応する角度θｃ'を加算した角度となり、以下の式が成立する。
θ４'＝θａ'＋θｃ'

また、開口９ａを介してシリンダ９から吐出ポート１２ａを介して流体の吐出を終了する吐出終了ポート角度θ５'（ここでは、第４象限から第１象限に続く別の吐出ポート１２ａの吐出終了ポート角度）は、ロータ４の回転に伴ってボール１０が当接するカムフェース部材５'の形状が小径ｒｓから大径ｒｔに移るとき、小径ｒｓが終了した角度θｅからシリンダ９の開口９ａの半径分に対応する角度θｃおよびクリアランス用の角度θ３'を加算した角度となり、以下の式が成立する。
θ５'＝θｅ＋θｃ'＋θ３'

なお、クリアランス用の角度θ３'およびθ６'は、第１実施形態と同様に、それぞれ吸入ポート１１ａと吐出ポート１２ａとの間にシリンダ９の開口９ａが位置したときに、吸入ポート１１ａと吐出ポート１２ａの間のシール性を確保するために設けられたものである。

また、吸入ポート１１ａに対応するボール１０の中心の軌跡ｒｘ（図４（ｂ）の第１象限の軌跡）は、アルキメデス曲線の定数ａを以下のように定義して、最初にカムフェース部材５'の小径ｒｓにボール１０が当接しているときのボール１０の中心の軌跡ｒａを考慮して、角度θｅからの変化角θ'を用いて以下のように表される。
定数ａ＝（ｒｚ−ｒａ）／（θｂ'−θａ'）
ｒｘ＝ｒａ＋ａ×θ

一方、吐出ポート１２ａに対応するボール１０の中心の軌跡ｒｘ'は、アルキメデス曲線の定数ａを以下のように定義して、最初にカムフェース部材５'の大径ｒｔにボール１０が当接しているときのボール１０の中心の軌跡ｒｚを考慮して、角度θａ'からの変化角θ'を用いて以下のように表される。
定数ａ＝（ｒｚ−ｒａ）／（θｂ'−θａ'）
ｒｘ'＝ｒｚ−ａ×θ

以上のように、本実施形態においても、ロータ４の１回転に対して３組の吸入ポート１１ａと吐出ポート１２ａを配置することにより、ロータ４が１回転する際に、３度の吸入・吐出行程を行うことができるので、同じ吐出量のボールプランジャポンプ１'をさらに小型・軽量化することができる。

また、アルキメデス曲線を利用してカムフェース部材５'の内径の形状を構成することにより、ボール１０の回転角度に対するシリンダ９のストローク量を一定に保つことができるので、ボールプランジャポンプ１'の流体の吸入／吐出流量の変化を一定にすることができ、ポンプ脈動を低減させることができる。

また、隣り合う吸入ポート１１ａと吐出ポート１２ａの間には、シリンダ９の開口９ａが位置したときにおいても所定のクリアランス角度θ３'、θ６'を設けているので、吸入行程と吐出行程における油路のシール性を確保することができるとともに、サイドプレート３ａ、３ｂとのサイドクリアランスからの漏れを低減させることができる。これにより、ボールプランジャポンプ１の容積効率を向上させることができる。

以上説明したように、本発明のボールプランジャポンプ１、１'によれば、複数組（第１実施形態では２組、第２実施形態では３組）の吸入ポート１１ａおよび吐出ポート１２ａと、シャフト２とを有するハウジング３と、シャフト２の周りを回転するロータ４と、ロータ４内に実質的に放射状に穿設された８つのシリンダ９と、各シリンダ９内にあって、シリンダ９のシリンダ軸方向への移動と自転とが可能に挿入されたボール１０と、８つのボール１０の外周に位置して、これらのボール１０の公転運動を規制するリング状のカムフェース部材５、５'とを備え、複数組の吸入ポート１１ａおよび吐出ポート１２ａがシャフト２の外周面に沿って交互に設けられるように構成することとした。本発明のボールプランジャポンプ１、１'によれば、ロータ４の１回転中に各シリンダ９の開口９ａに対向する吸入ポート１１ａおよび吐出ポート１２ａを複数組設けることにより、ボールプランジャポンプ１、１'を定容量ポンプとして小型・軽量化することができる。

本発明のボールプランジャポンプ１、１'では、シャフト２の軸方向に垂直な断面におけるカムフェース部材５、５'の内周面の形状が平衡型形状であるのが好ましい。この場合、シャフト２の軸方向に垂直な断面におけるカムフェース部材５、５'の内周面の形状（カムフェース部材５、５'の断面形状）は、カムフェース小径ｒｓを有する円弧と、カムフェース大径ｒｔを有する円弧と、これら異なる円弧間を結ぶアルキメデス曲線Ａ１、Ｂ１とから形成される形状であればよい。カムフェース部材５、５'の断面の内周面をこのように形成（構成）することにより、ボール１０の回転角度に対するシリンダ９のストローク量を一定に保つことができるので、ボールプランジャポンプ１、１'の流体の吸入／吐出流量の変化を一定にすることができ、ポンプ脈動を低減させることができる。

本発明のボールプランジャポンプ１、１'では、ロータ４の回転に応じて、吸入工程のボール１０と吐出工程のボール１０とがロータ４の回転中心に対して点対称のピストン運動をするのが好ましい。これにより、ボールプランジャポンプ１、１'の流体の吸入／吐出流量の変化を一定にすることができ、ポンプ脈動を低減させることができる。

本発明のボールプランジャポンプ１、１'では、吸入ポート１１ａを介して吸入を開始するポート角度θ１、θ１'は、ロータ４の回転に伴ってボール１０が当接するカムフェース部材５、５'の断面形状がカムフェース小径ｒｓの円弧からカムフェース大径ｒｔの円弧に移るとき、カムフェース小径ｒｓの円弧が終了した角度θａ、θｅにシリンダ９に設けられた開口９ａの半径分に対応する角度θｃ、θｃ'を加算した角度であり、吐出ポート１２ａを介して吐出を開始するポート角度θ４、θ４'は、ロータ４の回転に伴ってボール１０が当接するカムフェース部材５、５'の断面形状がカムフェース大径ｒｔの円弧からカムフェース小径ｒｓの円弧に移るとき、カムフェース大径ｒｔの円弧が終了した角度θｄ、θａ'にシリンダ９に設けられた開口９ａの半径分に対応する角度θｃ、θｃ'を加算した角度であるのが好ましい。

以上、本発明のボールプランジャポンプの実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明したが、本発明は、これらの構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲、明細書および図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお、直接明細書および図面に記載のない形状・構造・機能を有するものであっても、本発明の作用・効果を奏する以上、本発明の技術的思想の範囲内である。すなわち、ボールプランジャポンプを構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。

なお、上述の実施形態では、吸入ポート１１ａおよび吐出ポート１２ａの組数が２組および３組の場合について説明したが、本発明はこれらに限らず、ボールプランジャポンプの大きさ等の他の条件を満たす限り、吸入ポート１１ａおよび吐出ポート１２ａが４組以上設けられていてもよい。

１、１' ボールプランジャポンプ
２ シャフト
３ ハウジング（本体部）
４ ロータ
５ カムフェース部材
７ 駆動シャフト
９ シリンダ
９ａ 開口
１０ ボール
１１ａ 吸入ポート
１２ａ 吐出ポート

Claims (5)

1. 複数組の吸入ポートおよび吐出ポートと、シャフトとを有する本体部と、
   前記シャフトの周りを回転するロータと、
   前記ロータ内に実質的に放射状に穿設された複数のシリンダと、
   前記複数のシリンダの各シリンダ内にあって、該シリンダのシリンダ軸方向への移動と自転とが可能に挿入された複数のボールと、
   前記複数のボールの外周に位置して、前記複数のボールの運動を規制するリング状のカムフェース部材と
   を備え、
   前記複数組の吸入ポートおよび吐出ポートは、前記シャフトの外周面に沿って交互に設けられていることを特徴とするボールプランジャポンプ。
2. 前記シャフトの軸方向に垂直な断面における前記カムフェース部材の内周面の形状が平衡型形状であることを特徴とする請求項１に記載のボールプランジャポンプ。
3. 前記シャフトの軸方向に垂直な断面における前記カムフェース部材の内周面の形状は、小径を有する円弧と、大径を有する円弧と、異なる円弧間を結ぶアルキメデス曲線とから形成される形状であることを特徴とする請求項２に記載のボールプランジャポンプ。
4. 前記ロータの回転に応じて、吸入工程の前記ボールと吐出工程の前記ボールとが該ロータの回転中心に対して点対称のピストン運動をすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のボールプランジャポンプ。
5. 前記吸入ポートを介して吸入を開始するポート角度は、前記ロータの回転に伴って前記ボールが当接する前記カムフェース部材の断面形状が前記小径の円弧から前記大径の円弧に移るとき、前記小径の円弧が終了した角度に前記シリンダに設けられた吸入・吐出用開口の半径分に対応する角度を加算した角度であり、
   前記吐出ポートを介して吐出を開始するポート角度は、前記ロータの回転に伴って前記ボールが当接する前記カムフェース部材の断面形状が前記大径の円弧から前記小径の円弧に移るとき、前記大径の円弧が終了した角度に前記シリンダに設けられた前記吸入・吐出用開口の半径分に対応する角度を加算した角度であ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ボールプランジャポンプ。

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