JP2015516048A - ロータ面のクリアランス制御用の可動エンドプレートを備えた容積式ポンプアセンブリ - Google Patents

Abstract

容積式ポンプアセンブリは、ロータキャビティを形成するロータハウジングと、ロータキャビティの一端を少なくとも部分的に閉鎖するように構成されたエンドプレートとを含む。ロータは、ロータシャフト上に固定されて、支持され、ロータキャビティを通って延びている。一対の第１ベアリングは、ロータシャフトをエンドプレートに軸方向に固定する。一対の第２ベアリングは、ロータシャフトをロータハウジングに軸方向に固定し、ロータシャフトとロータハウジングとの間の相対的な軸方向の移動を防ぐ。温度変化によってロータシャフトの軸方向の長さが変化したとき、ロータシャフト共に軸方向に移動可能であり、温度変化によるロータの端面における軸方向のクリアランスの変化を減少させる。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、ＰＣＴ国際特許出願として、２０１３年４月２９日に提出され、２０１２年４月３０日に出願された米国特許出願第６１／６４０，３３０号に対する優先権を主張するものであり、その開示内容は、参照することにより、その全てが本書に含まれる。

本教示は、一般に、エンジン用スーパーチャージャアセンブリ等の容積式ポンプアセンブリを含む。

容積式ポンプアセンブリは、一定の動作状況下で流体圧力を加えるために用いることができる。スーパーチャージャは、エンジンの吸気管で空気圧を過給するために用いられる容積式ポンプの１つである。容積式エアポンプは、一般に、ロータハウジング内に、噛合うマルチローブロータを有する。空気は、入口から出口に流され、ロータとロータハウジングとの間のクリアランスは、空気が意図しない通路に流れないように設計される。ロータ端面周りの空気漏れは、１つは意図しない通路であり、また、容積式エアポンプの非効率性の要因である。

ロータは、ロータシャフトに取付けられる。ロータ及びロータシャフトは、温度変化によって膨張及び収縮する傾向がある。また、ロータハウジングは、膨張及び収縮する傾向があり、特に、異なる材料から形成される場合に、ロータ又はロータシャフトに比べて異なる比率で膨張及び収縮する。１つの解決策は、ハウジングの入口端部にロータシャフトとハウジングとが互いに対して膨張することができる十分な大きさのロータ面とロータハウジングとの間の隙間を設けることである。ロータシャフトは、一般に、アキシャル軸受と呼ばれるベアリングによって一端でロータハウジングに軸方向に固定される。他端のロータシャフトとロータハウジングとの間のニードルベアリングは、ロータシャフトがロータハウジングに対して軸方向に膨張及び収縮するのを許容する。

ロータの面で軸方向のクリアランスの変化を小さくしつつ、ロータキャビティの長さに沿ってハウジングに対して、ロータ及びロータシャフトが軸方向に膨張及び収縮するのを許容する容積式ポンプアセンブリを提供する。この容積式ポンプアセンブリは、ロータキャビティを形成するロータハウジングと、ロータキャビティの一端を少なくとも部分的に閉鎖するように構成されたエンドプレートとを含む。ロータは、ロータシャフト上に固定されて、支持され、ロータキャビティを通って延びている。一対の第１ベアリングは、ロータシャフトをエンドプレートに軸方向に固定する。一対の第２ベアリングは、ロータシャフトをロータハウジングに軸方向に固定し、ロータシャフトとロータハウジングとの間の相対的な軸方向の移動を防ぐ。エンドプレートは、温度変化によってロータシャフトの軸方向の長さが変化したとき、ロータシャフト共に軸方向に移動可能であり、温度変化によるロータの端面における軸方向のクリアランスの変化を実質的に減少させる。材料選択、並びに、関連するロータ、ロータシャフト及びロータハウジングの熱膨張係数のクリアランスへの影響は、著しく減少し、これにより、このクリアランスを通る漏れが最小限に抑えられ、これに対応して、容積式ポンプアセンブリの効率が増大する。

本発明の上記特徴、及び、利点、並びに、他の特徴及び利点は、添付図面に関連して、本発明を実施するための最良の形態の以下の詳細な説明から容易に明らかになる。

図１は、本教示の一態様に従う図５の１−１線に沿った容積式ポンプアセンブリの概略断面図である。 図２は、図１の容積式ポンプアセンブリの軸方向のエンドプレートの概略斜視図である。 図３は、図２の軸方向のエンドプレートの他の概略斜視図である。 図４は、ロータハウジングの端部が取り外された図１の容積式ポンプアセンブリの概略斜視図である。 図５は、ロータハウジングの中間部に端部が取付けられた図１の容積式ポンプアセンブリの概略斜視図である。 図６は、本教示の他の態様に従った容積式ポンプアセンブリの概略断面図である。 図７は、図６の容積式ポンプアセンブリのエンドプレートの概略斜視図である。 図８は、ロータハウジングの端部が取り外された図６の容積式ポンプアセンブリの概略斜視図である。

図を参照して、同じ参照符号は、いくつかの図において同じ構成要素を示しており、図１は、容積式ポンプアセンブリ１０を示している。実施形態において、容積式ポンプアセンブリ１０は、エンジン用のスーパーチャージャであるが、容積式ポンプアセンブリ１０は、他の流体の吐出及び他の用途に用いることができる。容積式ポンプアセンブリ１０は、第２ロータ１４に噛合う第１ロータ１２を有する。各ロータ１２，１４は、複数のローブを有する。第１ロータ１２は、第１ロータシャフト１６に取付けられ、第１ロータシャフト１６と共に回転する。第２ロータ１４は、第１ロータシャフト１６に略平行である第２ロータシャフト１８に取付けられ、第２ロータシャフト１８と共に回転する。

ロータ１２，１４及びロータシャフト１６，１８は、マルチコンポーネントの容積式ポンプハウジング２０内に収納されている。ハウジング２０は、フロントカバー２２、ロータハウジング部と呼ばれる中間部２４及び端部分２６を含む。フロントカバー２２及び端部分２６は、ボルト締結又は他の方法で中間部２４に固定される。

エンジンベルト又は他のドライブインプットによって駆動されるインプットシャフト２８は、カップリング３０を介して第１ロータシャフト１６に作動連結される。ねじりスプリング３２は、一端が容積式ポンプハウジング２０のフロントカバー２２に連結され、他端がインプットシャフト２８に連結されている。ねじりスプリング３２は、インプットシャフト２８の振動を減衰する。第１タイミングギヤ３４は、第１ロータシャフト１６に取付けられ、第１ロータシャフト１６と共に回転して、第２ロータシャフト１８に取付けられて第２ロータシャフト１８と共に回転する第２タイミングギヤ３６に噛合って、第２ロータシャフト１８を回転させる。

中間部２４は、ロータシャフト１６，１８が貫通するロータキャビティ３８を形成し、ロータ１２，１４がロータキャビティ３８の中で回転する。エア等の流体は、ロータキャビティ３８を介して端部分２６の入口３９（図５を参照し、以下、空気入口という）から中間部２４の出口４２（図５の隠線を参照し、以下、空気出口という）に流される。ロータ１２，１４の噛合い間を通ることによって空気入口４０から空気出口４２に通ることができる空気、すなわち、ロータ１２，１４の第１軸端部面４０Ａ，４０Ｂ、又は、ロータ１２，１４の第２軸端部面４３Ａ，４３Ｂに沿って入口３９に戻って通ることによりロータキャビティ３８から抜け出る空気は、「漏れ」と呼ばれ、容積式ポンプアセンブリ１０の効率を低下させる。漏れを最小限にするために、温度変化による中間部２４と第２端部面４３Ａ，４３Ｂとの間の軸方向のクリアランス４５の変化、並びに、温度変化による第１端部面４０Ａ，４０Ｂにおける軸方向のクリアランス４８の変化は、最小化されると同時に、容積式ポンプアセンブリ１０が温度変化によるロータハウジング２０に対するロータ１２，１４及びロータシャフト１６，１８の軸方向の膨張及び収縮に対応する。

具体的には、エンドプレート４４は、ロータシャフト１２，１４とエンドプレート４４との間に配置される一対の第１ベアリング４６Ａ，４６Ｂによって、ロータシャフト１６，１８の移動に対して軸方向に固定される。ベアリング４６Ａ，４６Ｂは、エンドプレート４４の段付き開口部５０Ａ，５０Ｂの中に圧入される。段付き開口部５０Ａ，５０Ｂは、図１及び図３に最もよく示されている。ベアリング４６Ａ，４６Ｂは、ロータシャフト１６，１８をエンドプレート４４に対して回転可能にするように構成されているが、エンドプレート４４に対してロータシャフト１６，１８の軸方向位置を固定する。したがって、温度変化による第１端部面４０Ａ，４０Ｂとエンドプレート４４の面５１（図２参照）との間の所定の第１クリアランス４８の変化は、最小化される。このクリアランス４８は、周囲の部品に比べて非常に小さく、端面４０Ａ，４０Ｂに線として図１に示されている。端部分２６の内面５４とエンドプレート４４の面５６との間の軸方向の第２クリアランス５２は、エンドプレート４４がロータハウジング２０に軸方向に固定されないので、エンドプレート４４が表面５４に向かって、又は、離れて移動することにより、大きさが変化する。エンドプレート４４の表面５１は、ロータキャビティ３８の端部５８を形成する。

一対の第２ベアリング５７Ａ，５７Ｂは、中間部２４とロータシャフト１６，１８との間に配置され、ロータシャフト１６，１８を中間部２４に軸方向に固定する。ベアリング５７Ａ，５７Ｂは、ここではアキシャルベアリングともいう。ベアリング５７Ａ，５７Ｂは、ロータシャフト１６，１８の第２軸端部６５Ａ，６５Ｂの近くにある中間部２４の段付き開口部５９Ａ，５９Ｂの中に圧入される。ベアリング５７Ａ，５７Ｂは、ロータシャフト１６，１８を中間部２４に対して回転可能にするように構成されるが、中間部２４に対してロータシャフト１６，１８の軸方向位置に固定する。シール６３Ａ，６３Ｂは、アキシャルベアリング５７Ａ，５７Ｂとロータキャビティ３８との間の段付き開口部５９Ａ，５９Ｂにロータシャフト１６，１８周りに配置される。オイルは、シール６３Ａ，６３Ｂ周りの段付き開口部５９Ａ，５９Ｂに満たすことができ、シール６３Ａ，６３Ｂがロータキャビティ３８内へのオイルリークを防ぐ。

容積式ポンプアセンブリ１０の温度が上昇することにより、ロータ１２，１４、ロータシャフト１６，１８及びロータハウジング２０は、それらが形成された材料の線膨張係数によって決まる量だけ軸方向に膨張する。また、ロータ１２，１４、ロータシャフト１６，１８及びロータハウジング２０の膨張は、ハウジング２０の出口４２の圧縮空気（又は、他の流体）がハウジング２０の入口３９の空気（又は、他の流体）より高温であることによって、ロータ１２，１４及びハウジング２０の全長に沿って存在する温度勾配に依存する。これにより、シャフト１６，１８の端部６０Ａ，６０Ｂが端部分２６の表面５４に向かって、又は、表面５４から離れるように軸方向に移動して、クリアランス５２を変化させる。クリアランス５２の幅は、容積式ポンプアセンブリ１０の漏れに影響を与えない。クリアランス４８の変化を小さくし、その代わりに、クリアランス５２の幅を温度変化によって自由に変化させることにより、エンドプレート４４は、容積式ポンプアセンブリ１０の効率を高めることができる。

非限定的な一実施形態において、ロータシャフト１６，１８は、鋼材等の第１材料からなり、ロータハウジング２０は、アルミニウム合金等の第２材料からなる。これらの材料は、異なる線膨張率及び線収縮率を有し、線膨張係数を決定する。例えば、鋼材の線膨張係数は、１３×１０^−６／Ｋであり、さらに、アルミニウムの線膨張係数は、２２．２×１０^−６／Ｋであり、アルミニウム合金の線膨張係数は、それらの間にある。しかしながら、エンドプレート４４は、ロータシャフト１６，１８に対して軸方向の移動が固定され、これにより、これらの膨張率及び収縮率が異なるにもかかわらず、クリアランス４８の変化が著しく小さくなる。エンドプレート４４は、クリアランス４８を最適に維持するために、ロータ１２，１４と同じ材料にすることができる。

図２及び図３は、エンドプレート４４の外周部７０の特有の形状を示す。外周部７０の第１部分７２は、ロータハウジング２０の内周面７４の外形に沿った形状になっている。具体的には、第１部分７２の形状は、ロータ１２，１４を収納するためのロータキャビティ３８を形成する隣り合った円筒形状のキャビティと一致し、また、エンドプレート４４が収納される端部分２６の凹部７５に一致する。エンドプレート４４は、中間部２４の開口端部を部分的に閉鎖して、ロータキャビティ３８の端部５８を形成する。エンドプレート４４は、外周部７０の第１部分７２が端部分２６の凹部７５の内周面に対して軸方向に摺動できるが外周部７０周りの空気の漏れを最小限にするような大きさである。他の実施形態の端部分１２６の内周面７４を図７に示す。端部分１２６は、端部分２６と同じ内周面７４を有する。

図２に示す外周部７０の第２部分７８は、ロータキャビティ３８の中の入口８０Ａ，８０Ｂを部分的に形成し、この入口８０Ａ，８０Ｂは、本明細書では、空気入口という。空気入口８０Ａ，８０Ｂは、端部分２６の空気入口４０に整合される。中間部２４は、図４に示すように、空気入口８０Ａ，８０Ｂの残りの部分を形成する。中間部２４の内周面は、ロータキャビティ３８に沿って軸方向に延びてロータキャビティ３８の隣り合った円筒形状のキャビティを部分的に仕切る支持リブ８２を形成する。空気入口４０において、端部分２６の内周面は、端部分２６が中間部２４に固定されるとき、支持リブ８２に整合する支持リブ８３を有する。エンドプレート４４は、支持リブ８３の形状に合うように構成されたフレア端部８６を有する延長部８４を有する。支持リブ８３は、エンドプレート４４を端部分２６内で支持するために役立つ。

図６は、容積式ポンプアセンブリ１２０のロータシャフト１１６，１１８及び端部分１２６が異なる構成を有するのを除いて、容積式ポンプアセンブリ１０に関して説明されたものと同じである第２実施形態の容積式ポンプアセンブリ１１０を示す。具体的には、第１及び第２ロータシャフト１１６，１１８は、開口部９０Ａ，９０Ｂを有する端部分１２６の中に延びて用いられる。ロータシャフト１１６，１１８の端部１６０Ａ，１６０Ｂは、エンドプレート４４を超えて延びる。容積式ポンプアセンブリ１２０は、フロントカバー２２、中間部２４及び端部分１２６を含む。ニードルベアリング９２Ａ，９２Ｂは、開口部９０Ａ，９０Ｂに支持され、ロータシャフト１１６，１１８を取り囲む。ロータシャフト１１６，１１８は、両方のベアリングのセット５７Ａ，５７Ｂ及び４６Ａ，４６Ｂによって、フロントカバー２２及び端部分１２６に対して軸方向に固定される。ニードルベアリング９２Ａ，９２Ｂは、ロータシャフト１１６，１１８を端部分１２６に対して軸方向に移動可能にし、ハウジング１２に対するロータシャフト１１６，１１８の付加的な位置基準として機能する。端部分１２６及びエンドプレート４４は、クリアランス５２を形成し、ロータ端部面４０Ａ，４０Ｂ及びエンドプレート４４の面５１は、容積式ポンプアセンブリ１１０の実施形態と全く同じように、クリアランス４８を形成する。

対応する構成部品と同様に、図面及び明細書に用いられる参照符号は、次の通りである。
１０ 容積式ポンプアセンブリ
１２ 第１ロータ
１４ 第２ロータ
１６ 第１ロータシャフト
１８ 第２ロータシャフト
２０ 容積式ポンプハウジング
２２ フロントカバー
２４ 中間部
２６ 端部分
２８ インプットシャフト
３０ カップリング
３２ ねじりスプリング
３４ 第１タイミングギヤ
３６ 第２タイミングギヤ
３８ ロータキャビティ
３９ 入口
４０Ａ，Ｂ 第１軸端部面
４２ 出口
４３Ａ，Ｂ 第２軸端部面
４４ エンドプレート
４５ クリアランス
４６Ａ，Ｂ 第１アキシャルベアリング
４８ 第１アキシャルクリアランス
５０Ａ，Ｂ エンドプレートの段付き開口部
５１ エンドプレートの面
５２ 第２クリアランス
５４ エンドプレートの内周面
５６ エンドプレートの面
５７Ａ，Ｂ 一対の第２アキシャルベアリング
５８ ロータキャビティの端部
５９Ａ，Ｂ 端部分の段付き開口部
６０Ａ，Ｂ ロータシャフトの端部
４３Ａ，Ｂ シール
６５Ａ，Ｂ 第２軸端部
７０ エンドプレートの外周部
７２ 外周部の第１部分
７４ エンドプレートの内周面
７５ エンドプレートの凹部
７８ 外周部の第２部分
８０Ａ，Ｂ 入口
８２ 中間部の支持リブ
８３ 端部分の支持リブ
８４ 延長部
８６ フレア端部
９０Ａ，Ｂ エンドプレート１２６の開口部
９２Ａ，Ｂ ニードルベアリング
１１０ 容積式ポンプアセンブリ
１１６ 第１ロータシャフト
１１８ 第２ロータシャフト
１２０ 容積式ポンプハウジング
１２６ 端部分
１６０Ａ，Ｂ ロータシャフトの端部

本教示を実施するための最良の形態を詳細に記載してきたが、本教示に関連する当業者は、添付された特許請求の範囲の技術的範囲内で本教示を実施するための様々な代替態様を認識するであろう。

Claims (20)

1. ロータキャビティを形成するロータハウジングと、
   前記ロータキャビティの一端を少なくとも部分的に閉鎖するように構成されるエンドプレートと、
   前記ロータキャビティを通って延びるロータシャフトと、
   前記ロータシャフトに支持されて、固定されるロータと、を備え、
   前記ロータは、前記エンドプレートに対面する端面を備えた軸端部を有し、
   更に、前記ロータシャフトを前記エンドプレートに軸方向に固定する一対の第１ベアリングと、
   前記ロータシャフトを前記ロータハウジングに軸方向に固定する一対の第２ベアリングと、を備え、
   前記エンドプレートは、前記ロータシャフトが温度変化によって軸方向の長さが変化したとき、前記ロータシャフトと共に前記ロータハウジングに対して軸方向に移動可能であり、前記端面における軸方向のクリアランスの変化を小さくするようにしたことを特徴とする容積式ポンプアセンブリ。
2. 前記ロータハウジングは、前記ロータキャビティを形成する中間部を有し、更に、該中間部に固定された端部分を含み、
   前記ロータシャフト及び前記エンドプレートが軸方向に移動したとき、前記エンドプレートと前記端部分との間の軸方向の第２クリアランスが変化することを特徴とする請求項１に記載の容積式ポンプアセンブリ。
3. 前記ロータシャフトは、エンドプレートを通って前記端部分の中に延び、
   さらに、前記ロータシャフトと前記端部分との間にニードルベアリングを含むことを特徴とする請求項２に記載の容積式ポンプアセンブリ。
4. 前記ロータシャフトは、第２クリアランスにおいて前記エンドプレートの面と面一の端部を有することを特徴とする請求項２に記載の容積式ポンプアセンブリ。
5. 前記エンドプレートは、前記第１ベアリング及び前記ロータシャフトを受入れるように構成される段付き開口部を含むことを特徴とする請求項１に記載の容積式ポンプアセンブリ。
6. 前記エンドプレートは、前記ロータハウジングの内周面の輪郭に沿って形成さられた部分を備える外周部を有することを特徴とする請求項１に記載の容積式ポンプアセンブリ。
7. 前記エンドプレートの前記外周部の他の部分は、前記ロータキャビティへの入口を部分的に形成することを特徴とする請求項６に記載の容積式ポンプアセンブリ。
8. 前記エンドプレートは、前記ロータハウジングの内面に置かれて前記入口を仕切るように構成された延長部を有することを特徴とする請求項７に記載の容積式ポンプアセンブリ。
9. 前記ロータシャフトは、第１材料からなり、前記ロータハウジングは、第２材料からなり、
   前記第１材料と前記第２材料とは、異なる熱膨張率を有することを特徴とする請求項１に記載の容積式ポンプアセンブリ。
10. ロータキャビティが貫通するように形成された中間部を有するロータハウジングと、
    軸を形成し、前記ロータキャビティを通って延びるロータシャフトと、
    前記ロータシャフトによって支持され、前記ロータシャフトに固定されて前記軸周りに回転するロータと、を備え、
    前記ロータは、軸方向端部面を有し、
    更に、前記ロータハウジング内に配置されて、前記ロータキャビティの端部を少なくとも部分的に閉鎖するエンドプレートと、
    前記エンドプレートと前記ロータシャフトとの間の前記ロータシャフト上に設けられ、前記エンドプレートが、前記ロータシャフトに対して軸方向に固定されて、温度変化により、前記ロータシャフトと共に軸方向に移動するように構成され、
    これにより、前記ロータの端面の軸方向のクリアランスの変化を小さくするベアリングとを備えていることを特徴とする容積式ポンプアセンブリ。
11. 更に、前記ロータハウジングは、前記中間部に固定された端部分を含み、
    前記ロータシャフト及び前記エンドプレートが軸方向に移動したとき、前記エンドプレートと前記端部分との間の軸方向の第２クリアランスが変化することを特徴とする請求項１０に記載の容積式ポンプアセンブリ。
12. 前記ロータシャフトは、前記エンドプレートを貫通して端部分の中へ延び、
    さらに、前記ロータシャフトと前記端部分との間に配置されたニードルベアリングを含むことを特徴とする請求項１１に記載の容積式ポンプアセンブリ。
13. 前記ロータシャフトは、前記軸方向の第２クリアランスにおいて前記エンドプレートの面と面一の端部を有することを特徴とする請求項１１に記載の容積式ポンプアセンブリ。
14. 前記エンドプレートは、前記第１ベアリング及び前記ロータシャフトを受入れるように構成された段付き開口部を含むことを特徴とする請求項１０記載の容積式ポンプアセンブリ。
15. 前記エンドプレートは、前記ロータハウジングの内周面の輪郭に沿って形成された部分を備える外周部を有することを特徴とする請求項１０に記載の容積式ポンプアセンブリ。
16. 前記エンドプレートの前記外周部の他の部分は、前記ロータキャビティへの入口を部分的に形成することを特徴とする請求項１５に記載の容積式ポンプアセンブリ。
17. 前記エンドプレートは、前記ロータハウジングの内面に置かれて入口を仕切るように構成された延長部を有することを特徴とする請求項１０に記載の容積式ポンプアセンブリ。
18. 前記ベアリングは、第１ベアリングであり、前記ロータの端面は、第１端面であり、
    さらに、前記第１ベアリングの反対側の前記ロータの端部で前記ロータハウジングと前記ロータシャフトとの間に配置された第２ベアリングを含み、
    前記ロータシャフトが第２ベアリングで前記ロータハウジングに対して軸方向に固定されることを特徴とする請求項１０に記載の容積式ポンプアセンブリ。
19. 前記ロータシャフトは、第１材料からなり、前記ロータハウジングは、第２材料からなり、
    前記第１材料と前記第２材料とは、異なる熱膨張率を有することを特徴とする請求項１０に記載の容積式ポンプアセンブリ。
20. 第１端部を有するロータキャビティを形成するロータハウジングと、
    前記ロータキャビティを通って延びる第１及び第２ロータシャフトと、
    前記第１及び第２ロータシャフト上で前記ロータキャビティ内において回転するように構成された第１及び第２ロータと、を備え、
    前記第１及び第２ロータのそれぞれは、第１及び第２軸端部の反対側に第１端面及び第２端面を有し、
    更に、前記ロータキャビティの第１端部を少なくとも部分的に閉鎖するように配置されたエンドプレートと、
    前記エンドプレートと前記ロータシャフトとの間で前記ロータシャフト上に配置されて、前記エンドプレートが前記ロータシャフトに対して軸方向に固定されて、前記ロータと共に前記ハウジングに対して軸方向に移動するように構成された一対の第１ベアリングと、
    前記ロータハウジングと前記ロータシャフトとの間で、かつ、軸方向で前記第２端面と前記第２軸端部との間で、前記ロータシャフト上に配置されて、前記第１及び第２ロータが前記ロータハウジングに対して軸方向に移動するのを防ぐように構成された一対の第２ベアリングと、を備えることを特徴とする容積式ポンプアセンブリ。
    

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