JP2013060841A - ベーンポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数および加工部を増やすことなく、ロータエッジおよびベーン背面部の磨耗を抑制できるようにする。
【解決手段】ロータ２１に設けられた複数のスリット２２の開口方向を、ロータ２１の半径方向に対して傾きを持たせた方向となるように構成するとともに、ベーン３がスリット２２から最も大きく突出するときでもベーン３の重心がスリット２２内に収まるように構成することにより、ロータ２１の回転時に発生する遠心力の分力ＦＢが、ベーン３をスリット２２内の片面に押し付ける方向に生じるようにする。この分力ＦＢを、ベーン３の先端がリング１１の内周面と接触することにより生じる摩擦力ＦＣに対する抗力として働かせ、ベーン３がスリット２２内の片面に張り付くように面で接触するようにして、ベーン３がロータエッジ２２Ａと一点で接触して強く押し付けられることを防止する。
【選択図】図２

Description

本発明はベーンポンプに関し、特に、断面円形のポンプ室内において偏心した状態で回転するロータを備え、当該ロータに設けられた複数のスリットにベーンを摺動自在に収容して成るベーンポンプに用いて好適なものである。

従来、負圧を発生させる部品として、ベーンポンプ（バキュームポンプ）が知られている。ベーンポンプは、例えば、自動車のブレーキペダルやアクセルペダルなどに負圧でアシスト力を与えるために用いられる。最近では、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関を動力源とする自動車に代えて、電気をエネルギー源とし電動機を動力源とする電気自動車が普及し始めている。電気自動車では、エンジンの回転によって生じる負圧を使えないので、電動式のベーンポンプが用いられる。

図４は、電動式のベーンポンプの構成例を示す図である。図４（ａ）はベーンポンプおよびその周辺部の構成を示し、図４（ｂ）はベーンポンプの内部構成を示している。

図４に示すように、ベーンポンプは、断面円形のリング１１およびその両面のディスクプレート１２により形成されるポンプ室と、当該リング１１の中心に対して偏心した位置に回転軸を有してモータ３０により回転駆動されるロータ２１とを備えている。ポンプ室には、吸気孔１３と排気孔１４とが設けられている。また、ロータ２１には、複数のスリット２２が設けられていて、そのスリット２２内にベーン２３が摺動自在に収容されている。

リング１１に対してロータ２１が偏心しているために、ポンプ室内には断面三日月状の空間が生じる。そして、ロータ２１を回転させて、複数のベーンで区画される空間の容積を回転と共に増減させることによって、吸気孔１３から吸気されポンプ室を通って排気孔１４から排気されることにより、負圧を発生させることができるようになされている。

ロータスリット２２内のベーン２３は、ロータ２１の回転時には半径方向外側に向かう遠心力を受けて、ロータスリット２２の外側に摺動する。これにより、ベーン２３の先端は常にリング１１の内周面に接触した状態となっている。なお、ロータスリット２２がリング１１に接触している箇所においては、ベーン２３はロータスリット２２内に収まった状態でリング１１に接触する。一方、ロータスリット２２がリング１１に接触していない箇所においては、ベーン２３はその一部がロータスリット２２から三日月状の空間に突出した状態でリング１１に接触する。

図５は、図４に示したベーンポンプの一部拡大図である。上述したように、ベーンポンプは、ベーン２３の先端がリング１１の内周面と接触してロータ２１の回転方向に摺動する構造になっている（点Ｐ１がベーン２３とリング１１との接触部を示している）。そのため、ベーン２３は、ロータ２１が回転すると、その回転方向とは反対の方向に摩擦力ＦＣを受ける。この摩擦力ＦＣにより、ベーン２３はロータスリット２２内で傾きを生じ、ベーン２３の背面部（ロータ２１の回転軸が存在する方向とは反対の方向の面。以下、ベーン背面部２３Ａという）がロータスリット２２のエッジ部（以下、ロータエッジ２２Ａという）と一点Ｐ２で接触する。

そして、この一点Ｐ２で接触した部位でベーン背面部２３Ａがロータエッジ２２Ａに強く押し付けられるため、ベーン背面部２３Ａおよびロータエッジ２２Ａに磨耗が発生するという問題があった。特に、電気自動車に用いられる電動式のベーンポンプの場合は、エンジンオイルを潤滑油として用いることができず、ベーンポンプはドライ（無潤滑）状態で動作する。そのため、磨耗が発生しやすいという問題があった。

なお、このような磨耗の発生を抑制するために、ロータエッジ２２Ａを面取り加工する技術が存在する。また、ロータスリット２２内のベーン２３をロータ２１の回転方向先方側に向けて弾性的に押圧付勢する付勢機構を設ける技術も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２４９４５号公報

しかしながら、ロータエッジ２２Ａの面取り加工だけでは、ある程度の磨耗抑制効果はあるものの、磨耗の発生を完全には抑制できないという問題があった。一方、特許文献１に記載の技術では、ベーン２３を押圧付勢することによってロータスリット２２内でのベーン２３の傾きをなくせるので、面取り加工に比べて磨耗の抑制効果は高い。しかしながら、部品点数および加工部が増加し、コストの増加や信頼性の低下につながるという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、部品点数および加工部を増やすことなく、ロータエッジおよびベーン背面部の磨耗を抑制できるようにすることを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明では、ロータに設けられた複数のスリットの開口方向を、ロータの半径方向に対して傾きを持たせた方向となるように構成するとともに、ロータの回転時にスリット内のベーンがスリットの開口部より最も大きく突出するときでもベーンの重心がスリット内に収まるように構成している。

上記のように構成した本発明によれば、スリットがロータの半径方向に対して傾きを持たせた方向に開口しているので、ロータの回転時において半径方向外側に向かう遠心力が発生すると、スリット内に収容されたベーンの重心には当該遠心力の分力が発生する。本発明では、ベーンが最も突出した状態でもベーンの重心がスリット内に収まるように構成されているので、重心位置における遠心力の分力は、ベーンをスリット内の片面に押し付ける方向に発生する。この遠心力の分力は、スリットから突出したベーンの先端がポンプ室の内周面と接触することにより生じる摩擦力によりベーンが傾こうとする方向に対する抗力として働くので、ベーンは摩擦力を受けてもスリット内で傾かず、スリット内の片面に張り付くように面で接触するようになる。

これにより、ロータエッジおよびベーン背面部が一点で接触して強く押し付けられることを防止して、ロータエッジおよびベーン背面部の磨耗を抑制することができる。しかも、付加部品や付加構造が要らないので、部品点数および加工部を増やすことなく、ロータエッジおよびベーン背面部の磨耗を抑制することができる。

本実施形態によるベーンポンプの内部構成例を示す図である。 本実施形態によるベーンポンプの一部拡大図である。 本実施形態によるベーンポンプの変形例を示す図である。 従来のベーンポンプの構成例を示す図である。 従来のベーンポンプの一部拡大図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態によるベーンポンプの内部構成例を示す図である。なお、本実施形態のベーンポンプは、その構造自体は図４に示したものと同じであり、図４に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付している。図２は、本実施形態によるベーンポンプの一部拡大図である。

図１に示すように、本実施形態のベーンポンプは、断面円形のリング１１を側壁として備える断面円形のポンプ室と、当該リング１１の中心に対して偏心した位置に回転軸を有して回転駆動されるロータ２１とを備えている。ロータ２１には、複数のスリット２２が設けられていて、そのロータスリット２２内にベーン３が摺動自在に収容されている。

図２に示すように、ロータスリット２２は、ポンプ室の側壁を形成しているリング１１の内周面の方向に開口する開口部２２Ｂを有している。当該ロータスリット２２の開口方向は、ロータ２１の半径方向に対して所定量の傾きを持たせた方向となるように構成している。これにより、ロータ２１の回転時において半径方向外側に向かう遠心力が発生すると、ロータスリット２２内に収容されたベーン３の重心には、当該遠心力の分力ＦＡ，ＦＢが発生する。

第１の分力ＦＡは、ロータスリット２２の長手方向（開口部２２Ｂの開口する方向）に対して平行な方向に働く力である。第２の分力ＦＢは、ロータスリット２２の長手方向に対して垂直な方向に働く力である。ベーン３は、第１の分力ＦＡの作用により、ロータスリット２２の外側に向かって摺動する。これにより、ロータ２１の回転時にベーン３の先端は、常にリング１１の内周面に接触した状態となっている。

なお、ロータスリット２２がリング１１に接触している箇所においては、ベーン３はロータスリット２２内に収まった状態でリング１１に接触する。一方、ロータスリット２２がリング１１に接触していない箇所においては、ベーン３はその一部がロータスリット２２から三日月状の空間に突出した状態でリング１１に接触する。ロータ２１とリング１１との間の空間が三日月状になっているので、ベーン３のロータスリット２２からの突出量は、空間のどの位置にロータスリット２２があるかによって異なったものとなる。

本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、ロータ２１の回転時にロータスリット２２内のベーン３が開口部２２Ｂより最も大きく突出するときに、ベーン３の重心がロータスリット２２内（図１（ｂ）に示す重心設定範囲内）に収まるように構成している。例えば、ベーン３の長手方向（ロータスリット２２内をベーン３が摺動する方向）の所定位置より根元側の重量が所定位置より先端側の重量より大きくなるようにベーン３を構成している。

具体的には、所定位置より根元側に重りを設けてベーン３を構成することにより、所定位置より根元側の重量が所定位置より先端側の重量より大きくなるようにして、ベーン３の最大突出時でもベーン３の重心がロータスリット２２内に収まるようにする。または、所定位置より根元側と先端側とでベーン３の構成材料を変えて、根元側の構成材料は先端側の構成材料と比べて重量が大きいものを用いるようにしてもよい。

または、所定位置より根元側と先端側とでベーン３の構成材料を変えず、根元側の材料密度を先端側の材料密度よりも大きくしてベーン３を構成するようにしてもよい。例えば、所定位置より先端側を中空状態に加工して、所定位置より根元側の重量が所定位置より先端側の重量より大きくなるようにする。

ここで、「所定位置」は、ベーン３の長手方向の長さと、ベーン３の最大突出量と、所定位置より根元側と先端側との重量比をどれくらいにするかとを勘案して適当な位置に設定する。典型的な例として、ベーン３の長手方向のちょうど半分の長さが最大突出量であり、ベーン３の長手方向のちょうど半分の位置を所定位置とした場合、所定位置より根元側の重量を先端側の重量より大きくすれば（すなわち、重量比を１より大きくすれば）、ベーン３の最大突出時でもベーン３の重心がロータスリット２２内に収まるようにすることができる。

なお、ベーン３の長手方向のちょうど半分の長さが最大突出量であっても、ベーン３の長手方向のちょうど半分の位置よりも先端側に近い位置を所定位置とする場合は、ちょうど半分の位置を所定位置とする場合と比べて、当該所定位置より先端側に対する根元側の重量比をより大きくする必要がある。重量比を適当に設定すれば、ベーン３の最大突出時でもベーン３の重心がロータスリット２２内に収まるようにすることができる。

上述したように、ロータ２１の回転時には、ベーン３の重心位置において遠心力の分力ＦＡ，ＦＢが発生する。このうち、ロータスリット２２の長手方向と垂直な第２の分力ＦＢは、ベーン３がどの程度ロータスリット２２から突出しているかによらず、ロータスリット２２内の片面にベーン３を押し付ける方向に生じる。それは、ベーン３が最も突出した状態でもベーン３の重心がロータスリット２２内に収まるように構成されており、ベーン３の重心はロータスリット２２内に常に収まっているからである。

この第２の分力ＦＢは、ロータスリット２２から突出したベーン３の先端がリング１１の内周面と接触することにより生じる摩擦力ＦＣによりベーン３が傾こうとする方向に対する抗力として働く。そのため、ベーン３は、リング１１との接触点Ｐ１において摩擦力ＦＣを受けてもロータスリット２２内で傾かず、ロータスリット２２内の片面に張り付くように面で接触するようになる。

これにより、ロータエッジ２２Ａとベーン３の背面部とが一点で接触して強く押し付けられることを防止して、ロータエッジ２２Ａおよびベーン３の背面部の磨耗を抑制することができる。しかも、ベーン３の重心位置を変えるだけで、付加部品や付加構造が要らないので、部品点数および加工部を増やすことなく磨耗を抑制することができる。

なお、上記実施形態では、ベーン３の重心が常にロータスリット２２内に収まるようにするための構成例として、ベーン３の長手方向の所定位置より根元側の重量が所定位置より先端側の重量より大きくなるようにベーン３を構成する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。

すなわち、所定位置より根元側と先端側とで重量比をつけない従来と同様のベーン２３を用いて構成することも可能である。従来と同様のベーン２３は、その長手方向の中心位置に重心ができるように構成されている。この場合、ベーン２３の最大突出量がベーン２３の長手方向の長さの半分よりも小さくなるように構成することにより、ベーン３の重心が常にロータスリット２２内に収まるようにすることができる。

例えば、図３に示すように、ロータ２１’の直径を大きくすることにより、三日月上の空間を狭くすれば、ベーン２３の最大突出量がベーン２３の長手方向の長さの半分よりも小さくなるようにすることができる。ロータ２１’の直径を大きくすることに代えて、リング１１の直径を小さくしてもよい。ただし、このように構成した場合、三日月上の空間が狭くなってポンプ効果が低下する可能性があるので、図１のようにベーン３を用いる例の方が好ましい。

なお、この変形例において用いることが可能なベーンは、その長手方向の中心位置に重心があるものに限定されない。ベーンが最も突出するときでもベーンの重心が常にロータスリット２２内に収まるという条件を満たすようにロータ２１の直径あるいはリング１１の直径を設計すれば、長手方向の中心位置より先端側に重心があるベーンを用いてもよい。

また、本実施形態のベーンポンプは、電気自動車に使われる電動バキュームポンプとして適用するのが最も好適であるが、適用例はこれに限定されない。内燃機関を動力源とする自動車に適用することも可能である。例えば、エンジンオイルを潤滑油として用いる場合であっても、ベーン２３がロータスリット２２内で傾いてしまうと、ロータエッジ２２Ａやベーン背面部２３Ａの磨耗を完全には防げない。よって、内燃機関を動力源とする自動車に適用してもよい。

その他、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

３ ベーン
１１ ポンプ室を形成するリング
２１ ロータ
２２ ロータスリット

Claims (5)

1. 断面円形のポンプ室内において偏心した状態で回転するロータを備え、当該ロータに設けられた複数のスリットにベーンを摺動自在に収容して成るベーンポンプであって、
   上記スリットは上記ポンプ室の内周面の方向に開口する開口部を有し、当該スリットの開口方向が、上記ロータの半径方向に対して所定量の傾きを持たせた方向となるように構成しており、
   上記ロータの回転時に上記スリット内の上記ベーンが上記開口部より最も大きく突出するときに、上記ベーンの重心が上記スリット内に収まるように構成したことを特徴とするベーンポンプ。
2. 上記ベーンの長手方向の所定位置より根元側の重量が上記所定位置より先端側の重量より大きくなるように上記ベーンを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。
3. 上記所定位置より根元側に重りを設けて上記ベーンを構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. 上記所定位置より根元側の材料密度を上記所定位置より先端側の材料密度よりも大きくして上記ベーンを構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。
5. 上記ロータの回転時に上記スリット内の上記ベーンが上記開口部より最も大きく突出するときに、上記ベーンの突出量が上記ベーンの長手方向の長さの半分よりも小さくなるように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。

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