JP2015004290A - 内接ギヤポンプ及びそれを用いた車両用発熱体冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吐出された流体がアウターギヤの側面を通過するような内接ギヤポンプにおいて、ギヤ収容室とアウターギヤとの間の隙間への異物の噛み込みを防止しながら吐出口側の圧力低下を抑制する。
【解決手段】ギヤ収容室２ａに開口する吸入口２ｄと吐出口２ｅとを有する本体２と、内歯を有し、ギヤ収容室内に回転可能に配置されたアウターギヤ４と、アウターギヤの内歯に歯合する外歯を有し、回転軸線がアウターギヤの回転軸線から偏心するインナーギヤ３とを備え、アウターギヤに連結されたモータ６を回転させることで吸入口から吐出口に液体を吐出する内接ギヤポンプ１において、両ギヤにより膨張される空間に液体を導入すると共に、両ギヤにより収縮される空間から、アウターギヤの側面を通過して液体を導出するように吸入口及び吐出口を形成し、ギヤ収容室とアウターギヤとの間に形成された隙間Ｃを吸入口側と吐出口側とに区画する一対のシール部材を設けた。
【選択図】図６

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッド車の電動モータやインバータ等の発熱体を空調機器の液冷媒によって冷却するためなどの目的で設置される内接ギヤポンプ、及び該ポンプを用いた車両用発熱体冷却装置に関する。

電気自動車やハイブリッド車では、モータやインバータ等の発熱体を冷却する必要がある。そのため、特許文献１に記載の発明では、空調装置（蒸気圧縮式冷凍サイクル）を利用して発熱体を冷却する。この際、冷却装置の部品点数の増加を抑えたり、コンパクトな設計を可能とするため、本出願人は、冷却機器と一体化した内接ギヤポンプに関する発明を出願している（特願２０１２−１３９４０２（２０１２年６月２１日出願））。また、コンパクトな設計には、冷却機器に近接して内接ギヤポンプを配置することも有効である。

特許第３５９１３０４号公報

ところで、冷却機器との一体化、冷却機器への近接配置を行うため、内接ギヤポンプから吐出された液冷媒がアウターギヤの側面を通過するような構成を採用する場合には、アウターギヤを収容するギヤ収容室の内壁と、アウターギヤの外周面との間に隙間を形成する必要がある。

この隙間には、冷媒が流れるため、冷媒に摩耗粉等の異物が混入している場合、この隙間に異物が侵入して噛み込み、アウターギヤがロックするおそれがあるという問題があった。そこで、隙間への異物の噛み込みを防止するためには、ギヤ収容室の内壁とアウターギヤの外周面との間の隙間のクリアランスを大きくする必要がある。

しかし、この隙間のクリアランスを大きくした場合には、冷媒を吐出する吐出口側の圧力が低下し、冷媒の吸入口側の圧力と吐出口側の圧力とによる圧力バランスが崩れるため、冷媒を適切に吐出することが困難であるという問題があった。

そこで、本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、内接ギヤポンプから吐出された液冷媒等がアウターギヤの側面を通過するような構成を採用した場合に、ギヤ収容室の内壁とアウターギヤの外周面との間の隙間への異物の噛み込みを防止しながら、吐出口側の圧力低下を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、底部を有する円筒状のギヤ収容室、及び該ギヤ収容室に開口する吸入口と吐出口とを有する本体と、内歯を有し、前記ギヤ収容室内に回転可能に配置されたアウターギヤと、前記アウターギヤの内歯に歯合する外歯を有し、その回転軸線が前記アウターギヤの回転軸線から偏心するように設けられたインナーギヤと、前記アウターギヤに直接又は間接的に連結されたモータとを備え、前記モータを回転させることにより前記吸入口から前記吐出口に液体を吐出する内接ギヤポンプにおいて、前記吸入口は、前記アウターギヤ及びインナーギヤにより膨張される空間に液体を導入するように形成され、前記吐出口は、前記アウターギヤ及びインナーギヤにより収縮される空間から、該アウターギヤの側面を通過して液体を導出するように形成され、さらに、前記ギヤ収容室の内壁と前記アウターギヤの外周面との間には隙間が形成され、該隙間を、前記吸入口に連通する部分と、前記吐出口に連通する部分とに区画する一対のシール部材を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ギヤ収容室の内壁とアウターギヤの外周面との間に形成される隙間を、一対のシール部材によって吸入口に連通する部分と吐出口に連通する部分とに区画するため、ギヤ収容室の内壁とアウターギヤの外周面との間の隙間への異物の噛み込みを防止しながら、吐出口側の圧力低下を抑制することができる。

上記内接ギヤポンプにおいて、前記一対のシール部材の各々を、前記ギヤ収容室の内壁に形成された凹部に装着することができ、シール部材を確実に装着できる。

上記内接ギヤポンプにおいて、前記アウターギヤの前記モータ連結側とは反対側の外周面に摺接し、前記アウターギヤを回転可能に支持する支持部材を備えることができる。これによって、アウターギヤが作動中に傾斜することを防止し、ギヤの摩擦係数の増大に伴う摩耗、振動、騒音の発生を防止することが可能となる。

上記内接ギヤポンプにおいて、前記アウターギヤの前記モータ連結側を回転可能に支持する支持軸を備えることができる。これによって、アウターギヤが作動中に傾斜することをより確実に防止することができる。

上記内接ギヤポンプにおいて、前記吸入口を、前記アウターギヤの側面を通過して、該アウターギヤ及び前記インナーギヤにより膨張される空間に液体を導入するように形成することができる。

また、本発明は、車両の空調システム内を循環する冷媒を該車両の発熱体に供給し、該発熱体を冷却する車両用発熱体冷却装置において、上記のいずれかに記載の内接ギヤポンプを備え、該内接ギヤポンプは、前記発熱体に空調システム内を循環する冷媒の一部を供給することができ、車両搭載性のよい内接ギヤポンプを提供することができる。

以上のように、本発明によれば、内接ギヤポンプから吐出された液冷媒等がアウターギヤの側面を通過するような構成を採用した場合に、ギヤ収容室の内壁とアウターギヤの外周面との間の隙間への異物の噛み込みを防止しながら、吐出口側の圧力低下を抑制することが可能になる。

本発明に係る内接ギヤポンプを備えた冷凍サイクルシステムを示す全体構成図である。 本発明に係る内接ギヤポンプを示す正面図である。 本発明に係る内接ギヤポンプを示す平面図である。 本発明に係る内接ギヤポンプを示す底面図である。 本発明に係る内接ギヤポンプを示す右側面図である。 図３に示す内接ギヤポンプのＡ−Ａ線断面図である。 図３に示す内接ギヤポンプのＢ−Ｂ線断面図である。 図２に示す内接ギヤポンプのＣ−Ｃ線断面図である。 本発明に係る内接ギヤポンプの支持部材を上方から見た斜視図である。 本発明に係る内接ギヤポンプの支持部材を下方から見た斜視図である。 本発明に係る内接ギヤポンプの支持部材の平面図である。 本発明に係る内接ギヤポンプのアウターギヤ及びインナーギヤを示す斜視図である。

図１は、本発明に係る内接ギヤポンプ（以下「ポンプ」という。）を備えた冷凍サイクルシステムを示し、このシステム１０１は、圧縮機１０２と、凝縮器１０３と、膨張弁１０４と、蒸発器１０５と、本発明に係るポンプ１とを備え、ポンプ１を用いて電気自動車やハイブリッド車の電動モータやインバータ等の発熱体１０６を冷却する。

圧縮機１０２と、凝縮器１０３と、膨張弁１０４と、蒸発器１０５とは、配管１０７（１０７Ａ、１０７Ｂ）で接続され、これらの間を冷媒が循環する。また、凝縮器１０３と膨張弁１０４との間の配管１０７Ａと、圧縮機１０２と凝縮器１０３との間の配管１０７Ｂとを接続するバイパス管１０８を液冷媒が流れる。

ポンプ１は、内接形ギヤポンプであり、図２〜図８に示すように、ギヤ収容室２ａを有する本体２と、ギヤ収容室２ａの内側に回転可能に配置されたアウターギヤ４と、アウターギヤ４の内歯と歯合する外歯を有し、アウターギヤ４の回転軸線から偏心して回転するインナーギヤ３と、アウターギヤ４を回転可能に支持する支持部材７と、アウターギヤ４を磁気カップリング５を介して回転させるモータ６等で構成される。

本体２の内部のギヤ収容室２ａにアウターギヤ４、インナーギヤ３、支持軸１２及び支持部材７が収容され、上部には、カバー（不図示）を装着した際の気密性を確保するためのＯリング（不図示）が配置される。さらに、本体２の下面と仕切板２０との間には、本体２の内部の気密性を確保するためＯリング１３が装着され、本体２と仕切板２０及びモータ取付部８とは、ボルト１４〜１６によって結合される。仕切板２０は、ギヤ収容室２ａの底部を構成する。

本体２には、冷媒入口２ｂと、この冷媒入口２ｂに連通する吸入口２ｄと、吐出口２ｅと、吐出口２ｅに連通する冷媒出口２ｃとが形成され、これらは、ギヤ収容室２ａに連通する。冷媒入口２ｂは、カバーを介して図１の配管１０７Ａ側に接続され、冷媒出口２ｃは発熱体１０６側に接続され、カバーがブラケット等に固定される。吸入口２ｄは、後述するアウターギヤ４及びインナーギヤ３により膨張される空間に冷媒を導入するように形成され、吐出口２ｅは両ギヤ３、４により収縮される空間から、アウターギヤ４の側面を通過して冷媒を導出するように形成される。

上述のように、吐出口２ｅを両ギヤ３、４により収縮される空間からアウターギヤ４の側面を通過して冷媒を導出するように形成したため、図８に示すように、ギヤ収容室２ａの内壁とアウターギヤ４の外周面との間には隙間Ｃが形成されることとなる。

ここで、隙間Ｃには冷媒が流れるため、隙間Ｃのクリアランスが小さいと、冷媒に異物が混入している場合に、隙間Ｃへ異物が噛み込むおそれがあるため、隙間Ｃのクリアランスを大きくすることが好ましい。

一方、このようなポンプ１においては、この隙間Ｃにおける吸入口２ｄ側の圧力（吸入圧）と吐出口２ｅ側の圧力（吐出圧）とに基づいて生じる差圧によって性能が決定し、隙間Ｃのクリアランスを大きくすると、吐出圧が低下して差圧が小さくなり、圧力バランスが崩れるため、冷媒の吸入及び吐出を適切に行うことが困難となる。従って、ポンプ１を適切に動作させるためには、隙間Ｃのクリアランスを小さくすることが好ましい。

そこで、本実施の形態においては、隙間Ｃへ侵入する異物の噛み込みを防止しながら、吐出圧の低下を防止するため、図８に示すように、隙間Ｃに、吸入口２ｄに連通する部分と吐出口２ｅに連通する部分とに区画するための一対のシール部材１０（１０Ａ、１０Ｂ）が設けられる。

このシール部材１０は、樹脂やゴム等の弾性体で形成され、ギヤ収容室２ａの内壁に設けられた溝に嵌合し、アウターギヤ４の外周面に摺接するように配置される。このとき、アウターギヤ４の滑らかな摺動状態を確保するため、アウターギヤ４への摺接面の面積が小さくなるようにシール部材１０の幅を小さくすることが好ましい。

このように、シール部材１０によって隙間Ｃを吸入口２ｄに連通する部分と吐出口２ｅに連通する部分とに区画することにより、ギヤ収容室２ａの上方に存在するカバーと、ギヤ収容室２ａの底部を構成する仕切板２０とで挟まれた隙間Ｃが吸入口２ｄに連通する密閉空間と、吐出口２ｅに連通する密閉空間とに二分されるため、吐出口２ｅ側の圧力低下を抑制することができる。また、シール部材１０を樹脂やゴム等の弾性体で形成することにより、冷媒に混入した異物がシール部材１０に接触した場合でも、異物の噛み込みを防ぐことができる。

なお、この例においては、冷媒入口２ｂは本体２の上面に、冷媒出口２ｃは本体２の側面に開口しているが、冷媒入口２ｂを本体２の側面に、冷媒出口２ｃを本体２の上面に開口させても、さらに冷媒入口２ｂ及び冷媒出口２ｃの双方を本体２の側面に開口させることもできる。これらの場合にも、ギヤ収容室２ａの内壁とアウターギヤ４の外周面との間には隙間Ｃが形成される。

支持軸１２は、偏心する２つの回転軸線を有し、上端部１２ａが本体２の挿入孔２ｆに挿入又は圧入され、大径部１２ｂでインナーギヤ３を回転可能に支持し、その下方に位置する小径部１２ｃでアウターギヤ４を軸受９を介して回転可能に支持する。軸受９は、支持軸１２の小径部１２ｃに回転可能に挿入される。

インナーギヤ３は、外歯の歯形がサイクロイド曲線によって形成され、中心に穿設された孔部が本体２の支持軸１２の大径部１２ｂに回転可能に挿入される。

アウターギヤ４は、内歯の歯形がサイクロイド曲線によって形成され、下部が軸受９を介して支持軸１２の小径部１２ｃに回転可能に支持される。なお、インナーギヤ３とアウターギヤ４の歯形をインボリュート曲線によって形成することもできる。

また、アウターギヤ４は、有底円筒状の本体４ａにおいて、後述するモータ６との連結側である底面側とは反対側の上面側の外周面に小径部４ｄが形成され、この小径部４ｄに後述する支持部材７が摺接する。これにより、アウターギヤ４は、上面側が支持部材７によって回転可能に支持される。

さらに、アウターギヤ４は、本体４ａの底面に磁石４ｂを備え、モータ６側の磁石６ｂと共に磁気カップリング５を構成し、ギヤ収容室２ａ内で回転する。磁石４ｂは、例えば、アウターギヤ４の下部に形成される突出部に設けられた爪部（不図示）によってかしめ固定される。

また、図１０に明示するように、アウターギヤ４の隣接する内歯の間であって、本体４ａの下部には貫通孔４ｃが穿設され、貫通孔４ｃを介してギヤ収容室２ａの内部と外部とが連通する。この例においては、貫通孔４ｃは、本体４ａの内部とその下部側面及び底面とに開口するが、本体４ａの内部とその下部側面のみ、あるいは本体４ａの内部と底面のみに開口してもよい。また、貫通孔４ｃを形成しなくてもよい。

インナーギヤ３とアウターギヤ４は、上述のように、歯形がサイクロイド曲線によって形成される内接形の歯車である。これらのギヤ３、４の中心軸は偏心しているので、これらが相対的に回転することにより、ギヤ収容室２ａ内の両ギヤ３、４の間に生じた空隙Ｇが膨張と収縮を繰り返す。

支持部材７は、図９Ａ〜図９Ｃに示すように、図６に示した冷媒入口２ｂに連通する吸入口２ｄに対応する位置に設けられ、吸入口２ｄから流入する冷媒が通過する吸入部７ａと、冷媒出口２ｃに連通する吐出口２ｅに対応する位置に設けられ、ギヤ収容室２ａから吐出された冷媒が通過する吐出部７ｂとを備える。

吸入部７ａは、複数の小径の吸入孔７ｃで形成され、これらの吸入孔７ｃは、冷媒入口２ｂから吸入口２ｄを介して流入する冷媒に混入した異物がギヤ収容室２ａに侵入するのを防止するフィルタとして機能する。

また、支持部材７の上面には、突出部７ｄが設けられる。この突出部７ｄには、上面側及び下面側を貫通する貫通孔７ｅが設けられ、支持部材７をアウターギヤ４に摺接させた際に、支持軸１２が挿通する。

ここで、図８に示すように、アウターギヤ４を矢印Ｒ方向に回転させれば、吸入口２ｄがインナーギヤ３とアウターギヤ４の間の空隙Ｇの膨張領域に開口し、一方、吐出口２ｅが空隙Ｇの収縮領域に開口することになるため、両ギヤ３、４の相対回転により、冷媒が冷媒入口２ｂ及び吸入口２ｄを介して両ギヤ３、４間の空隙Ｇに吸い込まれ、吸い込まれた冷媒は、吐出口２ｅ及び冷媒出口２ｃより吐出される。

図６に示すように、モータ６は、モータ取付部８にボルト２１を介して取り付けられると共に、駆動軸６ａに磁石６ｂが装着され、この状態でモータ取付部８と本体２とがボルト１４、１５、１６により締結される。これにより、仕切板２０を挟んで磁石６ｂと磁石４ｂとが対峙し、アウターギヤ４とモータ６とを連結する磁気カップリング５が構成される。

上記構成を有するポンプ１は、モータ６が回転すると、磁気カップリング５を介してアウターギヤ４がインナーギヤ３と噛み合いながら支持軸１２を中心に回転する。インナーギヤ３とアウターギヤ４との噛合によって、図８に明示されるように、ギヤ収容室２ａの内部の両ギヤ３、４間の空隙Ｇの容積が変化し、本体２の冷媒入口２ｂ及び吸入口２ｄと支持部材７の吸入部７ａとを介してギヤ収容室２ａに、図１に示す配管１０７Ａから吸入された液冷媒がギヤ収容室２ａ及び吐出口２ｅを通って冷媒出口２ｃに流れる。冷媒出口２ｃから吐出された液冷媒は、図１において発熱体１０６に供給されて発熱体１０６を冷却する。

ここで、回転するアウターギヤ４とインナーギヤ３との間に形成される空隙Ｇの膨張収縮により、空隙Ｇに冷媒が吸い込まれ、また吐出されるが、また、この吸入口２ｄと吐出口２ｅの冷媒の圧力差によりアウターギヤ４に隅力が働き、ギヤ収容室２ａの内壁とアウターギヤ４の外周面との間に隙間Ｃが形成されているため、アウターギヤ４が傾斜し易くなる。

しかし、小径部４ｄに摺接する支持部材７によって上面側が支持されていると共に、アウターギヤ４は軸受９を介して支持軸１２の小径部１２ｃによって底面側が支持されるため、隅力によるアウターギヤ４の傾斜を防止することができる。これによって、アウターギヤ４やインナーギヤ３の摩擦の増大に伴う摩耗、振動、騒音の発生を防止することができる。なお、シール部材１０がアウターギヤ４の外周部とギヤ収容室２ａの内壁との間に存在するため、シール部材１０がアウターギヤ４の傾斜を抑制する機能も有するように見えるが、シール部材１０とアウターギヤ４の外周部との滑らかな摺動状態を確保する必要があることと、シール部材１０とアウターギヤ４の外周部との摺接面積が小さいことから、シール部材１０によるアウターギヤ４の傾斜抑制の効果は小さい。

また、ギヤ収容室２ａに冷媒が流入する際に、支持部材７の吸入部７ａを通過するため、吸入部７ａを形成する吸入孔７ｃの径よりも大きい異物がギヤ収容室２ａ内に侵入するのを防止することができる。

また、図６に明示されるように、吐出口２ｅは、狭い冷媒流路となっているため、空隙Ｇからこの吐出口２ｅを通過する冷媒の流速が高まり、冷媒圧が低下するが、アウターギヤ４の下部に複数の貫通孔４ｃを形成したため、この貫通孔４ｃからも空隙Ｇ内の冷媒が吐出され、貫通孔４ｃを形成しない場合に比較して、アウターギヤ４の冷媒吐出側における上方と下方との間で生じる圧力差（すなわち、回転するアウターギヤ４の吐出口２ｅ側の開口部と、アウターギヤ４の中心軸に対して平行な方向における前記開口部と反対側に位置する（対応する）底部との間に生じる圧力差）が減じられ、これによってもアウターギヤ４が傾斜するのを防止することができる。

また、インナーギヤ３の摩耗粉、空隙Ｇに入り込んだゴミやスライム等を貫通孔４ｃを介してギヤ収容室２ａの外部へ排出することも可能となる。

なお、上記実施の形態においては、１本の支持軸１２でインナーギヤ３とアウターギヤ４とを支持したが、インナーギヤ３とアウターギヤ４の支持軸を別々に設けることもできる。

さらに、ポンプ１は、電気自動車やハイブリッド車の電動モータやインバータ等の発熱体１０６を冷却するため、発熱体１０６に対して冷凍サイクルシステム１０１内の液冷媒を供給する車両用発熱体冷却装置の一部として説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、膨張弁１０４や蒸発器１０５等に対する冷媒の循環そのものや、冷媒以外の流体の移送等に用いることもできる。

１ 内接ギヤポンプ
２ 本体
２ａ ギヤ収容室
２ｂ 冷媒入口
２ｃ 冷媒出口
２ｄ 吸入口
２ｅ 吐出口
２ｆ 挿入孔
３ インナーギヤ
４ アウターギヤ
４ａ 本体
４ｂ 磁石
４ｃ 貫通孔
４ｄ 小径部
５ 磁気カップリング
６ モータ
６ａ 駆動軸
６ｂ 磁石
７ 支持部材
７ａ 吸入部
７ｂ 吐出部
７ｃ 吸入孔
７ｄ 突出部
７ｅ 貫通孔
８ モータ取付部
９ 軸受
１０（１０Ａ、１０Ｂ） シール部材
１２ 支持軸
１２ａ 上端部
１２ｂ 大径部
１２ｃ 小径部
１３ Ｏリング
１４〜１６ ボルト
２０ 仕切板
２１ ボルト
１０１ 冷凍サイクルシステム
１０２ 圧縮機
１０３ 凝縮器
１０４ 膨張弁
１０５ 蒸発器
１０６ 発熱体
１０７（１０７Ａ、１０７Ｂ） 配管
１０８ バイパス管

Claims (6)

1. 底部を有する円筒状のギヤ収容室、及び該ギヤ収容室に開口する吸入口と吐出口とを有する本体と、
   内歯を有し、前記ギヤ収容室内に回転可能に配置されたアウターギヤと、
   前記アウターギヤの内歯に歯合する外歯を有し、その回転軸線が前記アウターギヤの回転軸線から偏心するように設けられたインナーギヤと、
   前記アウターギヤに直接又は間接的に連結されたモータとを備え、
   前記モータを回転させることにより前記吸入口から前記吐出口に液体を吐出する内接ギヤポンプにおいて、
   前記吸入口は、前記アウターギヤ及びインナーギヤにより膨張される空間に液体を導入するように形成され、
   前記吐出口は、前記アウターギヤ及びインナーギヤにより収縮される空間から、該アウターギヤの側面を通過して液体を導出するように形成され、
   さらに、前記ギヤ収容室の内壁と前記アウターギヤの外周面との間には隙間が形成され、
   該隙間を、前記吸入口に連通する部分と、前記吐出口に連通する部分とに区画する一対のシール部材を備えることを特徴とする内接ギヤポンプ。
2. 前記一対のシール部材の各々は、前記ギヤ収容室の内壁に形成された凹部に装着されることを特徴とする請求項１に記載の内接ギヤポンプ。
3. 前記アウターギヤの前記モータ連結側とは反対側の外周面に摺接し、前記アウターギヤを回転可能に支持する支持部材を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内接ギヤポンプ。
4. 前記アウターギヤの前記モータ連結側を回転可能に支持する支持軸を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内接ギヤポンプ。
5. 前記吸入口は、前記アウターギヤの側面を通過して、該アウターギヤ及び前記インナーギヤにより膨張される空間に液体を導入するように形成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内接ギヤポンプ。
6. 車両の空調システム内を循環する冷媒を該車両の発熱体に供給し、該発熱体を冷却する車両用発熱体冷却装置において、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の内接ギヤポンプを備え、
   該内接ギヤポンプは、前記発熱体に空調システム内を循環する冷媒の一部を供給することを特徴とする車両用発熱体冷却装置。