JP2016138479A - ピストンポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで自吸能力の高いピストンポンプを提供すること。
【解決手段】本発明のピストンポンプは、主軸によって回転するシリンダブロックと、前記シリンダブロックに設けられた複数のシリンダボアと、前記複数のシリンダボアにそれぞれ摺動自在に挿入された複数のピストンと、前記シリンダブロックの一端面に接すると共に複数の貫通孔を有するバルブプレートとを備え、前記貫通孔の一端は、前記シリンダボアと連通可能な位置に設けられ、前記貫通孔の他端は、前記貫通孔の一端よりも前記バルブプレートの外縁側の位置に設けられることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、油圧システムの動力伝達に用いるピストンポンプに関する。特に、ピストンポンプを構成するバルブプレートの構造に関する。

従来、産業機械や車両等に組み込まれる油圧システムの動力伝達機構として油圧式のピストンポンプが知られている。図５は、この種のピストンポンプとして知られる従来の斜板式ピストンポンプの概略構成を示す図である。また、図６は、その要素を一部破断して示す斜視図である。以下、従来の斜板式ピストンポンプの構造について図５及び図６を用いて説明する。

図５及び図６において、装置本体５１の内部には、主軸５２を回転中心軸として回転する回転伝達軸５３と、該回転伝達軸５３の回転に連動して回転するシリンダブロック５４とが配置される。シリンダブロック５４は、主軸５２の同心円上に複数のシリンダボア（シリンダ室）５５を有し、各シリンダボア５５には、それぞれ複数のピストン５６が挿入されている。それぞれのピストン５６は、シリンダブロック５４の回転に連動して、各シリンダボア５５内を往復運動し、各ピストン５６の往復運動に応じて、各シリンダボア５５内への流体（例えばオイル）の供給、又は、各シリンダボア５５からの流体の排出が行われる。

各ピストン５６の往復運動は、各ピストン５６の一端に摺接する斜板（ヨーク）５７の回転に伴ってなされる。具体的には、各ピストン５６が、主軸５２を回転中心として公転する間に、斜板５７と該斜板５７に隣接するシュープレート５８とがピストン５６の一端をなす球状部５６ａに装着されたピストンシュー５９を引き上げることによりシリンダボア５５内の空間の容積を拡大する。反対に、斜板５７と該斜板５７に隣接するシュープレート５８とがピストンシュー５９を押し下げることによりシリンダボア５５内の空間の容積を圧縮する。これらシリンダボア５５内の空間の容積の拡大及び圧縮を繰り返すことにより、シリンダボア５５内部への流体の供給、又は、シリンダボア５５内部からの流体の排出が行われる。

シリンダブロック５４の一端面には、流体供給用の吸込みポート６０及び流体排出用の吐出しポート６１を有するバルブプレート６２が設けられる。吸込みポート６０及び吐出しポート６１は、それぞれバルブプレート６２の一方の面と他方の面とを連通させるように設けられた貫通孔であり、ピストンポンプで扱う流体の流動経路を構成する。

図７は、従来のバルブプレート６２の概略構成を示す図である。各ピストン５６は、公転中の半回転の間に流体の吸込み方向に、残りの半回転の間に流体の吐出し方向に往復運動を繰り返すため、吸込みポート６０と吐出しポート６１とは、バルブプレート６２の中心に対して点対称に配置される。つまり、ピストン５６が斜板５７によって引き出されるタイミングでシリンダボア５５とバルブプレート６２の吸込みポート６０とが連通し、ピストン５６が斜板５７によって押し込まれるタイミングでシリンダボア５５とバルブプレート６２の吐出しポート６１とが連通する。これにより、連続的なポンプ作用を得ることができる。なお、６３は、ピストンポンプの回転伝達軸５３が貫通する孔である。

図５及び図６に戻ると、バルブプレート６２を介してシリンダブロック５４と対向する位置には、ポートブロック６４が配置される。ポートブロック６４には、流体を供給する経路となる供給ポート６５と、流体を排出する経路となる排出ポート６６が設けられている。これら供給ポート６５と排出ポート６６は、それぞれ前述のバルブプレート６２における吸込みポート６０と吐出しポート６１とに対応した位置に設けられ、外部のタンクから流体を供給したり、外部へと流体を排出したりできるように構成されている。

また、回転伝達軸５３の周囲には、回転伝達軸５３の回転を滑らかにするためのベアリング６７が配置されている。図５に示されるように、ベアリング６７は、回転伝達軸５３と各ポート６５、６６との間に配置する形となる。

以上の構造を有する従来のピストンポンプにおいては、シリンダブロック５４の回転数を上げれば単位時間当たりのピストン運動の回数が増え、結果的にポンプとしての吐出流量を増加させることができる。具体的には、一般的なピストンポンプは、シリンダブロックの回転数とポンプとしての吐出流量とがほぼ比例関係にある。したがって、ピストンポンプの最高回転数を上げることにより、ポンプとしての自吸能力を上げることが可能となる。

しかし、回転数を上げていくと、ある回転数から吐出流量が増加しなくなる限界点に達することが知られている。これは、回転数の増加によりシリンダブロックやバルブプレートのポート部分を通過する流体の流速が上がることによってポート内部が負圧となり、流体内に気泡（キャビテーション）が発生するため、実効的な吐出流量が減少するからである。

このような現象を防止するための対策として、従来、非特許文献１に記載されている技術が知られている。非特許文献１記載の技術は、シリンダブロックのポート（キドニーポートとも呼ばれる）の位置を内側、すなわち主軸側に寄せることにより、ポート部の周方向速度を低下させ、流体の流速を減少させて気泡の発生を抑制するものである。なお、特許文献１には、非特許文献１に記載されている技術を応用したピストンポンプが開示されている。

石原 貞男著「ピストンポンプ・モータの理論と実際」株式会社オーム社、昭和５４年５月２０日、ｐ．１４９

実開昭６１−１９０４７６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたピストンポンプの構造は、シリンダブロックのポートの位置に合わせてバルブプレートのポートの位置やポートブロックのポートの位置もすべて主軸側に寄せる必要がある。そのため、ポート形成のためのマージンを確保するために、回転伝達軸の周りに配置されるベアリングのサイズを小さくする必要があり、結果としてベアリング寿命が非常に短い設計になってしまうという問題があった。

そこで、本発明は、ベアリングサイズを下げることなく、自吸能力の高いピストンポンプを提供することを目的の一つとする。

また、本発明は、新たな部品を追加することなく、低コストで信頼性の高いピストンポンプを提供することを目的の一つとする。

本発明の一態様は、主軸を回転中心として回転するシリンダブロックと、前記シリンダブロックに設けられた複数のシリンダボアと、前記複数のシリンダボアにそれぞれ摺動自在に挿入された複数のピストンと、前記シリンダブロックの一端面に接すると共に複数の貫通孔を有するバルブプレートとを備えたピストンポンプであって、前記貫通孔の一端は、前記シリンダボアと連通可能な位置に設けられ、前記貫通孔の他端は、前記貫通孔の一端よりも前記バルブプレートの外縁側の位置に設けられることを特徴とする。

前記貫通孔の中心軸は、前記主軸に対して２０〜４０度で傾斜していてもよい。

前記貫通孔は、当該貫通孔の中心軸が前記主軸に対して２０〜４０度で傾斜している第１部分と、前記中心軸が前記主軸と平行である第２部分とを有していてもよい。

前記主軸と平行な面で前記貫通孔を切った切断面における当該貫通孔の断面形状は、曲線部分を含んでいてもよい。

前記バルブプレートにおいて、前記貫通孔の一端は、曲率もしくは傾斜を有する面に設けられていてもよい。

さらに、本発明のピストンポンプは、前記複数のピストンの一端に接し前記シリンダブロックの回転に伴って前記複数のピストンを前記複数のシリンダボア内で往復運動させる斜板を備えていてもよい。

さらに、本発明のピストンポンプは、前記バルブプレートを介して前記シリンダブロックに対向すると共に流体を供給又は排出するポートを有するポートブロックを備え、前記貫通孔の他端は、前記ポートと連通可能な位置に設けられていてもよい。

本発明におけるピストンポンプの概略構成を示す図である。 本発明におけるピストンポンプを構成するバルブプレートの概略構成を示す図である。 本発明におけるピストンポンプを構成するバルブプレートの概略構成を示す図である。 本発明のピストンポンプにおける回転数と吐出流量の関係を示す図である。 従来のピストンポンプの概略構成を示す図である。 従来のピストンポンプの要素を一部破断して示す斜視図である。 従来のバルブプレートの概略構成を示す図である。

以下、本発明の各実施の形態について、図面等を参照しつつ説明する。但し、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るピストンポンプの概略構成を示す図である。図１において、装置本体１１の内部には、主軸１２、該主軸１２を回転中心軸として回転する回転伝達軸１３、及び該回転伝達軸１３の回転に連動して回転するシリンダブロック１４が配置される。シリンダブロック１４は、主軸１２を中心として複数のシリンダボア１５を有し、各シリンダボア１５は、主軸１２を中心とした同心円上に並んでいる。各シリンダボア１５には、それぞれ複数のピストン１６が摺動自在に挿入され、それぞれのピストン１６は、シリンダブロック１４の回転に連動して、各シリンダボア１５内を往復運動する。これらピストン１６の往復運動に応じて、各シリンダボア１５においては外部からの流体（例えばオイル）の供給、又は、各シリンダボア１５からの流体の排出が行われる。

各ピストン１６の一端には斜板１７が摺接しており、斜板１７の回転に伴って各ピストン１６が往復運動を行う。これにより、主軸１２を回転中心としてピストン１６が公転する間に、斜板１７に隣接するシュープレート１８によりピストン１６の球状部１６ａに装着されたピストンシュー１９が引き上げられ、シリンダボア１５内の空間の容積が拡大される。他方、シュープレート１８がピストンシュー１９を押し下げるタイミングでは、シリンダボア１５内の空間の容積が圧縮される。このように、シリンダボア１５内の空間の容積が拡大及び圧縮される反復運動により、シリンダボア１５内部への流体の供給、又は、シリンダボア１５内部からの流体の排出が繰り返される。

シリンダブロック１４の一端面（シリンダブロックのポート３１が配置される側の面）には、流体供給用の吸込みポート２０及び流体排出用の吐出しポート２１を有するバルブプレート２２が設けられる。吸込みポート２０及び吐出しポート２１は、それぞれバルブプレート２２の一方の面と他方の面とを連通させるように設けられた貫通孔であり、ピストンポンプで扱う流体の流動経路を構成する。

本実施形態のピストンポンプにおいては、図７に示した従来のバルブプレートと各ポートの配置は同じであるが、ポート形状（特にポートの断面形状）が従来のバルブプレートと大きく異なる。詳細については後述する。

図１において、バルブプレート２２を介してシリンダブロック１４と対向する位置には、ポートブロック２４が配置される。ポートブロック２４には、流体を供給する経路となる供給ポート２５と、流体を排出する経路となる排出ポート２６が設けられている。これら供給ポート２５と排出ポート２６は、それぞれ前述のバルブプレート２２における吸込みポート２０と吐出しポート２１とに対応した位置に設けられ、外部のタンクから流体を供給したり、外部へと流体を排出したりできるように構成されている。

また、回転伝達軸１３の周囲には、回転伝達軸１３の回転を滑らかにするためのベアリング２７が配置されている。ベアリング２７は、回転伝達軸１３と各ポート２５、２６との間に配置される。

ここで、本実施形態のピストンポンプにおけるバルブプレート２２について説明する。本実施形態に示すバルブプレート２２は、図１に示すように、各ポート２０、２１が主軸１２に対して斜めに形成され、ポートブロック２４側に設けられる開口部の位置が、シリンダブロック１４側に設けられる開口部の位置よりも、主軸１２を基準にして外側に配置される。換言すれば、バルブプレート２２に設けられたポート（貫通孔）の一端は、シリンダボア１５と連通可能な位置に設けられ、そのポートの他端は、前述のポートの一端よりもバルブプレート２２の外縁側の位置に設けられる。

図２は、バルブプレート２２の概略構成を示す断面図である。具体的には、図２（Ａ）は、シリンダブロック１４に接する面（図２において紙面に向かって上側の面）が平坦面になっている例であり、図２（Ｂ）は、前述のシリンダブロック１４に接する面が、シリンダブロック１４の一端面に対して曲率もしくは傾斜を有する面を含み、当該面にポートを設けた例である。通常のバルブプレート２２の厚さ（ｔ）は、５〜１５ｍｍの範囲に収まる。また、シリンダブロックの一端面に対して曲率もしくは傾斜を有するとは、例えばバルブプレート２２におけるポートブロック２４に接する側の面を基準としたときに、バルブプレート２２におけるシリンダブロック１４と接する側の面が、所定の曲率で曲面となっているか、所定の角度で傾斜していることを意味する。

図２（Ａ）について説明すると、バルブプレート２２のポート２０、２１は、ポートの中心を貫く線（ポートの中心線）が、主軸１２に対してθの角度を有している。この角度θは、１０〜５０度、好ましくは２０〜４０度である。θが小さいとベアリングの配置スペースを確保することが困難になるため、２０度以上であることが好ましい。また、角度θが大きければその分だけポートブロック２４のポート２５、２６を主軸から離すことができるが、ポート２０、２１の開口部の耐久性が落ちるおそれがあるため、４０度以下とすることが好ましい。勿論、これらの角度は一例であり、この数値範囲に限定されるものではない。

また、本実施形態では、直線状にポート２０、２１を設ける例を示しているが、曲線状に設けることも可能である。すなわち、主軸１２と平行な面でポート２０、２１を切った切断面における当該ポートの断面形状は、曲線部分を含んでいてもよい。例えば、ポート２０、２１の開口部付近ではθを小さくし（主軸に平行な方向に近づけ）、中央付近ではθを大きくすることにより、ポート２０、２１とシリンダブロックやポートブロックのポートとの接続点における連通を滑らかなものとし、吐出流量の改善を図ることも可能である。

このように、本実施形態のピストンポンプを構成するバルブプレート２２は、ポートブロック２４に接する側（図２において紙面に向かって下側）に設けられる開口部３３の位置（代表的には、開口部３３の中心位置）が、シリンダブロック１４に接する側（図２において紙面に向かって上側）に設けられる開口部３２の位置（代表的には、開口部３２の中心位置）よりも、主軸１２を基準として外側になる。

このような構成とすることにより、シリンダブロック１４に設けるポート３１の位置を内側（主軸１２に近い側）に寄せつつ、ポートブロック２４に設ける供給ポート２５及び排出ポート２６の位置は外側（主軸１２から遠い側）に離すことができる。その結果、バルブプレート２２のポート２０、２１やシリンダブロック１４のポート３１を通過する流体の流速を抑えて気泡の発生を抑えつつ、ベアリングの配置スペースを確保してベアリング寿命の長い設計を実現することができる。

以上のように、本実施形態によれば、ベアリングサイズを下げることなく、最高回転数を増加させることができ、自吸能力の高いピストンポンプを実現することができる。また、新たな部品を追加することなく自吸能力の高いピストンポンプを実現できるため、低コストで信頼性の高いピストンポンプを提供することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態にかかるピストンポンプについて説明する。本実施形態の第１の実施形態との違いは、バルブプレート２２に設けられるポート２０、２１の形状の違いである。その他の点は、第１の実施形態で説明したピストンポンプと同様であるため、詳細な説明を省略する。

図３は、バルブプレート２２の概略構成を示す断面図である。具体的には、図３（Ａ）は、シリンダブロック１４に接する面（図３において紙面に向かって上側の面）が平坦面になっている例であり、図３（Ｂ）は、前述のシリンダブロック１４に接する面が、シリンダブロック１４の一端面に対して曲率もしくは傾斜を有する面を含み、当該面にポートを設けた例である。

図３（Ａ）について説明すると、バルブプレート２２のポート２０、２１は、第１部分３４と第２部分３５の２つの部分を有している。ここで、第１部分３４は、その中心線が主軸１２に対して角度θ（１０〜５０度、好ましくは２０〜４０度）で傾斜し、第２部分３５は、その中心線が主軸１２と略平行になっている。

この場合、第１部分３４は、ポートブロック２４に接する側（図３において紙面に向かって下側）から開けて形成され、第２部分３５は、シリンダブロック１４に接する側（図３において紙面に向かって上側）から開けて形成される。このように、シリンダブロック１４に接する側に第２部分３５を設けることにより、シリンダブロック１４との接続点となる開口部に急峻なエッジが形成されることを防ぐことができ、バルブプレート２２の耐久性を向上させることができる。

また、ポート２０、２１の第１部分３４は、第１の実施形態で説明したように曲線状に設けることも可能である。すなわち、第１部分３４の中心線が、曲線部分を有するようにポートとなる貫通孔を設けてもよい。

本実施形態のピストンポンプを構成するバルブプレート２２においても、ポートブロック２４に接する側（図３において紙面に向かって下側）に設けられる開口部３３の位置（例えば、開口部３３の中心位置）は、シリンダブロック１４に接する側（図３において紙面に向かって上側）に設けられる開口部３２の位置（例えば、開口部３２の中心位置）よりも、主軸１２を基準として外側になる。

このような構成とすることにより、シリンダブロック１４に設けるポート３１の位置を内側（主軸１２に近い側）に寄せつつ、ポートブロック２４に設けるポート２５、２６の位置は外側（主軸１２から遠い側）に離すことができる。その結果、バルブプレート２２のポート２０、２１やシリンダブロック１４のポート３１を通過する流体の流速を抑えて気泡の発生を抑えつつ、ベアリングの配置スペースを確保してベアリング寿命の長い設計を実現することができる。

以上のように、本実施形態によれば、ベアリングサイズを下げることなく、最高回転数を増加させることができ、自吸能力の高いピストンポンプを実現することができる。また、新たな部品を追加することなく自吸能力の高いピストンポンプを実現できるため、低コストで信頼性の高いピストンポンプを提供することができる。

（実施例）
図４は、本発明のピストンポンプにおける回転数と吐出流量の関係を示す図である。具体的には、電動機によってピストンポンプの回転数を徐々に上げ、ピストンポンプの吸込限界回転数をプロットしたものである。なお、図４において、符号４０１は本発明のピストンポンプの特性を示し、符号４０２は従来のピストンポンプの特性を示す。

試験条件として、油種は「ＩＳＯ ＶＧ３２」を用い、油温は４０℃とした。ポンプの押しのけ容積は８０ｃｍ^３／ｒｅｖである。

図４を参照すると、従来のピストンポンプは、回転数が２５００ｍｉｎ^−１に達する直前辺りから吐出流量が増加しなくなり、約２４５０ｍｉｎ^−１で頭打ちとなるのに対し、本発明のピストンポンプは、回転数が約２６５０ｍｉｎ^−１になるまで吐出流量が増加する。つまり、本発明のピストンポンプは、従来のピストンポンプと比べて吸込限界回転数が２００ｍｉｎ^−１ほど向上していることが分かる。

以上のように、本発明のピストンポンプを用いた場合、同一サイズのピストンポンプを用いても、従来よりも高い回転数（すなわち、大きな吐出流量）で動作させることができる。したがって、様々な油圧システムに対応することができるとともに、余裕をもった設計が可能となり、信頼性の高い油圧システムを構築することが可能となる。

以上、本発明のピストンポンプについて説明したが、上述した各実施形態のピストンポンプを基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り本発明の範囲に含まれる。

また、上述した各実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。

１１：装置本体
１２：主軸
１３：回転伝達軸
１４：シリンダブロック
１５：シリンダボア（シリンダ室）
１６：ピストン
１７：斜板（ヨーク）
１８：シュープレート
１９：ピストンシュー
２０：吸込みポート
２１：吐出しポート
２２：バルブプレート
２４：ポートブロック
２５：供給ポート
２６：排出ポート
３１：シリンダブロックのポート

Claims (7)

1. 主軸を回転中心として回転するシリンダブロックと、前記シリンダブロックに設けられた複数のシリンダボアと、前記複数のシリンダボアにそれぞれ摺動自在に挿入された複数のピストンと、前記シリンダブロックの一端面に接すると共に複数の貫通孔を有するバルブプレートとを備えたピストンポンプであって、
   前記貫通孔の一端は、前記シリンダボアと連通可能な位置に設けられ、
   前記貫通孔の他端は、前記貫通孔の一端よりも前記バルブプレートの外縁側の位置に設けられることを特徴とするピストンポンプ。
2. 前記貫通孔の中心軸は、前記主軸に対して２０〜４０度で傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のピストンポンプ。
3. 前記貫通孔は、当該貫通孔の中心軸が前記主軸に対して２０〜４０度で傾斜している第１部分と、前記中心軸が前記主軸と平行である第２部分とを有することを特徴とする請求項１に記載のピストンポンプ。
4. 前記主軸と平行な面で前記貫通孔を切った切断面における当該貫通孔の断面形状は、曲線部分を含むことを特徴とする請求項１に記載のピストンポンプ。
5. 前記貫通孔の一端が、シリンダブロックの一端面に対して曲率もしくは傾斜を有する面に設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のピストンポンプ。
6. さらに、前記複数のピストンの一端に接し前記シリンダブロックの回転に伴って前記複数のピストンを前記複数のシリンダボア内で往復運動させる斜板を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のピストンポンプ。
7. さらに、前記バルブプレートを介して前記シリンダブロックに対向すると共に流体を供給又は排出するポートを有するポートブロックを備え、
   前記貫通孔の他端は、前記ポートと連通可能な位置に設けられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のピストンポンプ。

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