JP2018062855A - 内転歯車ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプの回転時に加わる部品への負荷を低減し、ポンプの耐久性を向上させる。
【解決手段】内転歯車ポンプＰは、外歯４ａを有するピニオン４と内歯５ａを有するギヤ５とがケーシング１内に収容され、内歯５ａと外歯４ａとが噛み合ってピニオン４とギヤ５とが回転する。ピニオン４は、外部モータの回転力を受ける回転シャフト３に回転一体に駆動連結され、回転シャフト３の駆動により回転する駆動歯車とされている。ギヤ５は、ケーシング１に設けたギヤピン６にすべり軸受であるギヤブッシュ７を介して回転可能に支持されて、従動歯車とされている。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、ケーシング内で外歯歯車と内歯歯車とを噛み合わせて回転させて流体を吸引、吐出する内転歯車ポンプに関する。

従来、ケーシング内に、駆動歯車と、この駆動歯車とは偏心した回転軸を有し、駆動歯車に噛合する従動歯車と、これらの間に設けられた三日月形状のガイドとを収容し、モータ等により駆動歯車及び該駆動歯車に噛合する従動歯車を回転させて、流体を吸引、吐出する内転歯車ポンプが一般に知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

また、特許文献２では、駆動歯車であるギヤ（内歯歯車）の隣り合う内歯の外側の歯形が、同じ円の一部である円弧歯形であるとき、従動歯車であるピニオン（外歯歯車）の外歯において、ギヤの内歯との噛み合い面の形状を理論的に導出する例が開示されている。

特開２０１５−２１４９６５号公報 特開平９−６０５９４号公報

近年、内転歯車ポンプには、油圧ポンプのような所定の粘度を有する流体を移送するだけでなく、水よりもはるかに粘度の低い流体や、半固形物のような高粘度の流体をも移送する用途が増えてきている。また、流体自体も単一の物質ではなく、複数の物質の混合物、例えば、スラリーの混じった樹脂等を、内転歯車ポンプで移送することも増えてきている。

しかし、高粘度で、または、固形物が混じったような流体を、内転歯車ポンプを用いて移送する場合は、ポンプへの負荷、特に歯車等、回転部の部品への負荷が大きく、ポンプ自体の耐久性を損ねていた。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、種々の粘度を有する流体や固形物を含有する流体等をも移送可能でかつ耐久性に優れた内転歯車ポンプを提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、駆動歯車をピニオンとし、従動歯車は内歯を持つギヤとし、ギヤは、ケーシングに設けられたギヤピンに、すべり軸受であるギヤブッシュを介して回転可能に支持されるようにした。

具体的には、本発明の内転歯車ポンプは、吸入口及び吐出口が開口するケーシング内に、外歯を有するピニオンと、ピニオンに対し偏心して配置され、ピニオンの外歯に噛合する内歯を有するギヤとが収容され、ピニオン及びギヤが内歯と外歯との噛合状態で回転することで、吸入口からケーシング内に吸い込んだ流体を吐出口から吐出させる内転歯車ポンプであって、ケーシングに回転可能に支持され、外部アクチュエータにより回転駆動される回転シャフトと、ケーシングに設けられたギヤピンとを備え、ピニオンは、回転シャフトに回転一体に駆動連結されていて回転シャフトの駆動により回転可能とされている一方、ギヤはギヤピンに、すべり軸受であるギヤブッシュを介して回転可能に支持されていることを特徴とする。

この構成によれば、ピニオンを駆動歯車とすることにより、すべり軸受であるギヤブッシュに働く荷重を低減でき、ギヤブッシュの長寿命化が図れ、ポンプの耐久性を向上することができる。

ギヤはｍ個（ｍは３以上の自然数）の内歯を有し、この内歯のうち、ｎ個（ｍ／２＜ｎ＜ｍ；ｎは自然数）おきに配置された２つの内歯の内側の歯形が互いに同じ円の円弧上に位置し、ピニオンはｏ個（ｏ＜ｍ；ｏは自然数）の外歯を有し、この外歯の理論歯形は、ギヤをこのギヤの回転中心Ｏｇを中心として所定の角度ずつ回転させたときのギヤとピニオンとの接触点の軌跡をＣＰとするとき、軌跡ＣＰをピニオンの回転中心Ｏｐを中心としてギヤの回転方向と逆方向に、かつギヤとピニオンとの歯数比の逆比（ｍ／ｏ）に上記の所定の角度を乗じた角度ずつ回転させて得られる軌跡と一致するように構成される、のが好ましい。

この構成によれば、従来の歯車に比べて、ギヤの内歯とピニオンの外歯とがなめらかに噛み合うとともに、ギヤの外径と内径との比を大きく取れ、ポンプの吐出量を増加させることができる。

外歯の実用歯形は、理論外形に近似した複数個の円弧を組み合わせてなる形状である、のが好ましい。

この構成によれば、ピニオンの外歯歯形の設計が容易となる。

上記のギヤは、ギヤ基部の外周部に内歯が設けられたものであり、ギヤブッシュは、ギヤ基部よりもピニオン側に向かって所定の突出長さだけ突出しており、ギヤ基部とピニオンとは前記突出長さよりも長い距離をあけて配置されている、のが好ましい。

この構成によれば、ギヤとピニオンとの回転時に、両者が接触して摩耗するのを防止でき、歯車の寿命、ひいては、ポンプの耐久性を向上することができる。

ギヤ基部には、ピニオンと反対側に、回転シャフトの回転軸方向に対するギヤブッシュの位置を調整するためのスリーブが設けられている、のが好ましい。

この構成によれば、ギヤブッシュが摩耗した場合にも、スリーブとギヤとの位置関係を調整することで、ギヤブッシュの突出量を修正できる。このことにより、ギヤとピニオンとの距離を適切に保つことができ、両者の接触による傷の発生や摩耗を防止でき、ひいてはポンプの耐久性を向上することができる。また、ギヤブッシュの交換頻度を低減できる。

ピニオンは鉄系材料からなり、ギヤブッシュは砲金系材料、カーボン系材料、シリコンカーバイド、またはカーボン系材料とシリコンカーバイドとの複合材料のいずれかからなる、のが好ましい。

この構成によれば、ギヤブッシュと対向するピニオンの面に傷がつきにくく、ピニオンの長寿命化が図れる。

以上説明したように、本発明によれば、歯車等、回転部の部品の摩耗を抑制して、内転歯車ポンプの耐久性を向上することができる。

本発明の実施形態に係る内転歯車ポンプの断面図である。 図１ＡのＩＢ−ＩＢ線での断面図である。 内転歯車ポンプの動作説明図である。 ギヤを軸心方向から見た図である。 ギヤの上半分の断面図である。 ギヤボスの形状を変える場合のギヤの上半分の断面図である。 ピニオンを軸心方向から見た図である。 ピニオンの上半分の断面図である。 従来のギヤを軸心方向から見た図である。 従来のピニオンを示す図６相当図である。 従来のピニオンの断面図である。 ６個おきに配置された内歯の内側の歯形が互いに同じ円の円弧上に位置するときのギヤとピニオンとの形状を示す図である。 ７個おきに配置された内歯の内側の歯形が互いに同じ円の円弧上に位置するときのギヤとピニオンとの形状を示す図である。 ５個おきに配置された内歯の内側の歯形が互いに同じ円の円弧上に位置するときのギヤとピニオンとの形状を示す図である。 図１１Ａに示したギヤとピニオンとの接触点の軌跡、及び図１１Ｂに示したギヤとピニオンとの接触点の軌跡を示す図である。 接触点を求める際の諸元を説明する図である。 ギヤとピニオンとの接触点がギヤの回転に対して描く軌跡と、接触点の軌跡から求めたピニオンの理論歯形の軌跡とを示す図である。 ギヤを回転させたときの、本発明の実施形態に係る接触点の軌跡と、従来の技術に係る接触点の軌跡とを示す図である。 図１４Ａの一部の拡大図である。 ギヤを時計回り方向または反時計回り方向に回転させたときの、ギヤの内歯とピニオンの外歯との接触点の軌跡を示す図である。 ギヤを時計回り方向または反時計回り方向に回転させたときの、従来の技術に係るギヤの内歯とピニオンの外歯との接触点の軌跡を示す図１５相当図である。 本発明の実施形態２に係る、ギヤとピニオンとの対向部分の断面拡大図である。 ギヤブッシュをスリーブに取り付ける構造の説明図である。 ギヤにスリーブを取り付ける構造の説明図である。 ギヤブッシュの突出量を調整する構造の説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（内転歯車ポンプの構造と動作）
図１Ａ及び図１Ｂは本発明の実施形態に係る内転歯車ポンプ１を示し、この内転歯車ポンプＰはケーシング１を備え、ケーシング１は、ケーシング本体２と、ケーシング本体２を封止するケーシングカバー９及びエンドカバー１０とからなり、これらによりケーシング１内に密閉状の空間が形成されている。ケーシング本体２には、ケーシング１内に流体を吸引するための吸引口１２と、ケーシング１内から流体を吐出するための吐出口１３とが開口され、吸引口１２及び吐出口１３は、後述するギヤ５の回転軸心に対して９０°の角度間隔をあけた状態で配置されている。

ケーシング１内には、外歯４ａを有する駆動歯車であるピニオン４と、このピニオン４に対し偏心して配置され、ピニオン４の外歯４ａに部分的に噛み合う内歯５ａを有する従動歯車である略有底円筒状のギヤ５とが収容されている。

ケーシングカバー９はピニオン４側のカバーを構成し、このケーシングカバー９には、図外のモータ（外部アクチュエータ）からの回転力を受けて回転駆動される回転シャフト３が気密状に貫通され、この回転シャフト３のケーシング１内の端部にはピニオン４が挿通されて回転一体に駆動連結され、回転シャフト３の駆動によりピニオン４が回転可能とされている。

また、ケーシングカバー９内にはケーシング１内に突出するガイド８が設けられ、このガイド８は三日月形状のもので、ピニオン４の外歯４ａの歯先とギヤ５の内歯５ａの歯先との間に配置されている。

エンドカバー１０はギヤ５側のカバーを構成し、このエンドカバー１０には、回転シャフト３に対し偏心した位置に、回転シャフト３と平行なギヤピン６が内端部をケーシング１内に突出させるように気密状に貫通して取付固定され、このギヤピン６にギヤ５が円筒状のギヤブッシュ７を介して回転可能に挿通支持されている。このギヤブッシュ７は、エンドカバー１０に固定して取り付けられたギヤピン６とギヤピン６の周りに回動するギヤ５との間のすべり軸受の役割を果たしている。

なお、以降、特に断らない限り、「前」とは、回転シャフト３に直交する方向から見てケーシングカバー９が配置された側（図１Ａでは右側）をいい、「後」とはその反対側、つまり、エンドカバー１０が配置された側（図１Ａでは左側）をいう。

ギヤ５は、円板状の基部５ｂを有しており、この基部の中心部には取付孔５ｆ（図３及び図５参照）が貫通形成されている。また、基部５ｂにおいて、ピニオン４と対向する前面５ｃの外周部には、複数の内歯５ａが一定の角度間隔をあけてリング状をなすように突設されている。また、基部５ｂにおける、ピニオン４と反対側の後面５ｄには、取付孔５ｆ内に挿入される円筒状のスリーブ１１（図１７参照）が取り付けられており、ギヤブッシュ７は、ギヤピン６とスリーブ１１とで挟み込まれるように配置されている。なお、ギヤ５に、直接ギヤブッシュ７を取り付けてもよい。

本実施形態において、外歯４ａの歯数は８とし、内歯５ａの歯数は１１としている。ただし、これらの歯数は、ポンプの設計条件等により適宜変更されるものであり、上記の値に限定されるものではない。

そして、図２に示すように、回転シャフトによる駆動によりピニオン４及びギヤ５がピニオン４の外歯４ａとギヤ５の内歯５ａとの噛合状態で回転することで、吸入口１２からケーシング１内に吸い込んだ流体を吐出口１３から吐出させるようになっている。具体的には、モータ等により回転シャフト３が回転し、さらに回転シャフト３に駆動されてピニオン４が回転する。このとき、ピニオン４の外歯４ａと内歯５ａで噛み合っているギヤ５がトルクを受けることにより、そのギヤ５もまたギヤピン６を軸として回転する。

外歯４ａと内歯５ａとが噛み合った状態で、吸引口１２より流体１４を吸引するため、吐出口１１への流体１４の漏洩は起こらない。

ピニオン４とギヤ５との回転により、外歯４ａと内歯５ａとの噛み合いが離れ、吸引口１２より吸引された流体１４は、ガイド８の内周面と外歯４ａの歯溝とギヤ５の基部５ｂとケーシングカバー９とで区画される空間に閉じ込められて、ガイド８に沿って移動する。同時に、流体１４は、ガイド８の外周面と内歯５ａの歯溝とギヤ５の基部５ｂとケーシングカバー９とで区画される空間にも閉じ込められて同様に移動し、両方の空間に充填された流体１４は、ピニオン４とギヤ５との回転につれて、吐出口１３に向かって送られる。

さらに、ピニオン４とギヤ５とが回転すると、外歯４ａと内歯５ａとが再び噛み合いはじめ、上記のそれぞれの空間に充填された流体１４が吐出口１２より吐出される。

外歯４ａと内歯５ａとが完全に噛み合うとき、これらの歯４ａ、５ａとギヤ５の基部５ｂとケーシングカバー９とで流体１４を封止するため、流体１４は吐出口１３より先に送られず、吸引口１２に逆流しない。

（ピニオンドライブ方式について）
一般に、内転歯車ポンプでは、その運転中に、従動歯車側に設けられたブッシュは流体中にあり、流体と接触している。

上述したように、移送される流体は、粘度や含有される固形物の種類、量等がまちまちであるため、ポンプの回転中に、流体と接触するブッシュの摩耗が起こりやすい。

そこで、本実施形態では、特許文献２に開示するような、ギヤ５が駆動歯車として回転する従来のギヤドライブ方式ではなく、ピニオン４が駆動歯車として回転するピニオンドライブ方式としている。

まず、ギヤ５とピニオン４に働く荷重について説明する。図７に示すピニオン４に働く荷重Ｆｐは、
Ｆｐ＝ｒｐ×Ｐ×Ｔ （１）
で表わされる。

ここで、
ｒｐ： ピニオン４の外半径
Ｐ ： 吸入圧力と吐出圧力との差圧
Ｔ ： ピニオン４の回転軸方向における厚み（歯幅）
である。

一方、図４に示すギヤ５に働く荷重Ｆｇは、
Ｆｇ＝ｒｇ×Ｐ×ｔ／２ （２）
で、近似的に表わされる。

ここで、
ｒｇ： ギヤ５の外半径
ｔ ： 基部５ｂの回転軸方向における厚み
である。

なお、ギヤ５においては、差圧Ｐは基部５ｂに加わり、前面５ｃに加わる圧力Ｐａと後面５ｄに加わる圧力Ｐｂとの差に相当する。

また、ピニオン４とギヤ５との外半径の比率は、歯数比によって決定される。

本実施形態において、ピニオン４の歯数ｏが８で、ギヤ５の歯数ｍが１１であるから、歯数比ｏ／ｍは、８／１１である。また、ピニオン４の回転軸方向における厚みＴとギヤ基部５ｂの回転軸方向における厚みｔとの比を、０．３から０．４の間とすると、式（１）で表わされる荷重Ｆｐと式（２）で表わされる荷重Ｆｇとの比であるＦｇ／Ｆｐは、０．２から０．２７５の間となる。

従って、ギヤに働く荷重Ｆｇは、ピニオンに働く荷重Ｆｐの１／５から約１／４となる。

式（２）で表わされる荷重Ｆｇは、ギヤブッシュ７にも働くため、ピニオン４側に流体と接触するブッシュを設けるギヤドライブ方式よりも、ギヤ５側に流体と接触するブッシュを設けるピニオンドライブ方式の方がブッシュに加わる負荷が小さくなる。このことにより、ギヤブッシュ７の長寿命化が図れ、ポンプＰ全体の耐久性が向上する。

また、ピニオンドライブ方式とすることにより、モータから受ける伝達トルクを小さくすることが可能となる。

一般に、モータから回転シャフトへの伝達トルクが大きくなると、回転シャフトと歯車との締結力も増加させる必要がある。

回転シャフトと歯車との間をネジ止めして締結する場合、ネジの強度で締結力に制限がかかるため、伝達トルクを大きくしたい場合には、焼きばめにより両者を締結することが多い。なお、焼きばめとは、歯車を加熱して膨張させ、歯車の孔の径を拡げ、その状態で孔に回転シャフトを嵌め込んで、冷却後、歯車の収縮力で固着状態にすることをいう。

焼きばめによる締結力は、回転シャフトが歯車から受ける圧力とこれらの接触面積により決まる。

ギヤドライブ方式の場合、モータの負荷を増大させないために、ギヤ５の基部５ｂを必要以上に厚くすることができない。従って、回転シャフト３の径を大きくするか、図５に示すギヤボス５ｅのように形状を変え、この径を大きくしたり、あるいは長くしたりして接触面積を拡げて、回転シャフト３とギヤ５との締結力を増す必要があった。

ただし、上記の方法のいずれも、装置の大型化や部材コストの増大を招いていた。

一方、ピニオンドライブ方式では、ピニオン４に設けられた取付孔４ｃの内側面がすべて回転シャフト３と接触することになるため、ギヤドライブ方式の場合と異なり、回転シャフト３の寸法を修正したり、ギヤボス５ｅを設けたりする必要が無くなり、設計面やコストの面で有利となる。

ギヤドライブ方式におけるギヤの取付孔５ｆと、ピニオンドライブ方式におけるピニオンの取付孔４ｃとの径を同じとして、両者の伝達トルクを計算したところ、後者では、前者の約１．１３倍〜１．７倍のトルクを伝達することができることがわかった。この違いは、主に、ギヤ基部５ｂの厚みとピニオン４の歯幅との違いによる。

また、ピニオンドライブ方式とすることで、回転シャフト３を回転させる機構を簡素化し、また、そのコストを削減できる。

上記の歯数比で計算すると、ギヤ５が１００ｒｐｍで回転するとき、ピニオン４の回転速度は１３８ｒｐｍとなる。同じ仕事量であれば、回転速度が大きいほど、回転トルクは小さくなるため、ギヤドライブ方式と比較すると、ピニオンドライブ方式において、回転シャフト４の回転トルクは小さくなる。

従って、減速機を介して、モータからの回転力を回転シャフト４に伝達する場合には、減速比の小さい、すなわち、回転トルクの小さい簡便な構成の減速機を用いることができる。

（ピニオン及びギヤの歯形設計）
上述のピニオンドライブ方式の内転歯車ポンプＰにおいて、ピニオンの外歯とギヤの内歯との噛み合いをなめらかにすることにより、さらに、ポンプＰの耐久性を向上させることができる。

そこで、本実施形態では、ギヤ５の内歯５ａの形状を、特許文献２に開示された円弧形状と逆向きにするとともに、ギヤ５の内歯５ａの歯形及び、それに対応するピニオン４の外歯４ａの歯形を、以下のように設計することで、従来の内転歯車ポンプよりも歯車のかみ合いをなめらかにすることが可能となる。

（ギヤ歯形の設計）
図３に示すように、ギヤ５の内歯５ａは、ギヤ５のピッチ円上の１点（図中の点ａ）と、ギヤ５の歯元円上の１点（図中の点ｂ）及び図中の点ｃを通る円弧形状として設計される。

この円弧の向きは、図８に示す従来のギヤの内歯と逆向き、いわば、逆円弧形状になっている。

なお、ギヤ５の歯元円とは、ギヤ５の回転中心Ｏｐを中心とし、半径がギヤ５の内半径である円をいう。

ここで、図３中の点ｃを決めるには、ピニオン４の歯元形状との兼ね合いが重要となる。

実際のピニオン４の歯形設計において、歯元形状は隣り合う外歯４ａの間を円弧でつなぐように設計することが多い。この際、加工のしやすさを考慮すると、円弧の半径は、大きめに設計する方がよい。

一方、ポンプの回転時にピニオン４の外歯４ａが受ける荷重を考慮すると、外歯４ａの歯元の厚みｄは厚い方が強度的に有利である。

実際の設計では、外歯４ａの強度が重視され、一般には、ギヤ５の外歯５ａの歯数がｍ個（ｍは３以上の自然数）であるとき、ｎ個おき（ｍ／２＜ｎ＜ｍ；ｎは自然数）に選ばれた内歯の内側の歯形が、同一円弧上に位置するようにするとよい。

以上を考慮すると、まず、図１１Ｃに示される構成では、ピニオン４の強度が他の２つの構成よりも弱くなるため、実用にはあまり適さない。また、図１２に示すように、図１１Ａに示したギヤとピニオンとの接触点の軌跡Ａのほうが、図１１Ｂに示した場合の接触点の軌跡Ｂよりも、ギヤ５の半径方向に対する変化が小さく、ギヤ５とピニオン４とがなめらかに接触しているといえる。

よって、本実施形態においては、図１１Ａに示す、６個おきに配置された内歯の内側の歯形が互いに同じ円の円弧上に位置する構成が、最適な形状となる。

なお、図１１Ａから図１１Ｃにおいて、上述の通り、ピニオン４の歯数ｏが８として、ギヤ５の歯数ｍが１１として設計している。

（ピニオン歯形の設計）
ピニオンの理論歯形は、以下に示すようにして求められる。

図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、まず、ピニオン４とギヤ５とのピッチ点Ｐと、ギヤ５の歯形円中心Ｏｃとを結ぶ直線Ｌを定める。次に、ギヤ５の回転中心Ｏｐを中心として、ギヤ５を角度θだけ回転させる。つまり、回転中心Ｏｐを中心として、歯形円Ｃの中心Ｏｃを角度θだけ回転させ、これを中心として歯形円を新たに描く。同様に直線Ｌも新たに描かれる。

新たに描かれた歯形円Ｃと直線Ｌとの交点を求める。図１３Ａ及び図１３Ｂでは、ギヤの左側の歯形と直線Ｌとの交点として示されている。この交点は、歯車の機構学的条件から、ピニオン４とギヤ５との接触点にあたる。

なお、ギヤ５の回転角度は５度刻みとしている。

次に、角度θを変化させて、接触点が描く軌跡ＣＰを求める。ピニオン４とギヤ５とが理想的に噛み合うとき、この軌跡ＣＰは、ギヤ５の回転とともに移動するピニオン４の歯形に対応している。よって、ピニオン４の理論歯形ＰＴは、この接触点を、ピニオン４上に投影させた形状となる。具体的には、接触点の軌跡ＣＰを、ピニオン４のピッチ円の回転中心Ｏｐを中心として、ギヤ５の回転を元に戻す、つまり、ギヤ５の回転方向とは逆方向に回転させて得ることができる。

このとき、接触点を、角度θだけ戻すのではなく、回転中心Ｏｐを中心として、式（３）で表わされる角度θｚだけ戻す。

θｚ＝θ×（ｍ／ｏ） （３）
上記の操作を行って、図６に示すように、ピニオン４の理論歯形が得られる。

ただし、上記のようにして求めた形状は複雑であるため、実際の設計では、この理論歯形を複数個の円弧で近似し、これらを組み合わせてなる形状をピニオン４の実用歯形としている。

このような近似を行うことで、ピニオン４の形状を容易に設計・作図することができる。

なお、上述したように、ピニオン４の歯元は、隣り合う外歯４ａの間をつなぐ円弧形状で近似している。また、歯先は、ギヤ５の歯元円に近似した形状としている。

なお、実用歯形の設計では、ピニオン４とギヤ５との間のバックラッシも考慮する必要があるが、本明細書では詳細な説明は省略する。

以下、従来の技術に対する本実施形態における有利な点を説明する。

ここで、本実施形態の歯車におけるギヤ５及びピニオン４は、それぞれ、図３及び図６に示す形状であり、従来の歯車におけるギヤ５及びピニオン４は、それぞれ、図８及び図９に示す形状である。

まず、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、ギヤ５の回転に対する、本実施形態の歯車の接触点（黒丸で表示）の軌跡が、従来の歯車の接触点（白丸で表示）の軌跡と比べて、なめらかに変化しており、ギヤ５の回転に対する接触点の移動距離のばらつきも小さい。

これは、本実施形態において、ピニオン４が、その歯形の広い範囲にわたって、ギヤ５と等速に近く、かつ、なめらかに接触していることを示している。従って、従来と比べて、ピニオン４とギヤ５との間が摩耗しにくく、これらの寿命が向上する。

また、ギヤ５を時計回りに回転させたときに、図１６に示す従来の歯車では、接触点は、ギヤのピッチ円半径の約１．０１２倍まで到達可能であるが、図１５に示す本実施形態の歯車では、ギヤのピッチ円半径の約１．０３７倍まで接触点が到達可能である。

従って、従来の歯車に比べて、本実施形態の歯車では、ピニオン４とギヤ５との接触範囲を拡げることができる、このことにより、ギヤ５の外径と内径との比、すなわち、歯車の歯たけを大きく取ることができ、ポンプＰの吐出量を増加させることができる。

例えば、ギヤ５の外径、ピッチ円半径及びピニオン４の回転中心とギヤ５の回転中心との距離が同じであるとし、従来の技術に係る内転歯車ポンプと、本実施形態に係る内転歯車ポンプとで、１回転あたりの吐出量を比較すると、後者は前者の約１．１倍となる。

以上、説明したように、本実施形態によれば、ギヤ５の歯形を逆円弧形状とし、それに対応するピニオン４の歯形を、ギヤ５の回転に対してピニオン４とギヤ５との接触点が描く軌跡を、ピニオン４の回転中心に対して幾何学的に変換して得られる軌跡とすることで、ピニオン４とギヤ５とを、各々の歯形の広い範囲にわたってなめらかに接触させることができる。このことにより、歯車の長寿命化が図れ、ポンプＰの耐久性が向上する。

なお、本実施形態において、６個おきに配置された内歯５ａの内側の歯形が互いに同じ円の円弧上に位置するようにギヤ５の歯形を設計したが、ピニオン４とギヤ５との歯数の組合せによって、同じ円の円弧上に位置する２つの内歯５ａの間隔は、適宜変更されうる。

（ギヤブッシュとギヤ及びピニオンとの配置について）
従来の内転歯車ポンプでは、回転シャフト３に直交する方向から見て、ピニオン４とギヤ５とを、わずかな隙間を有する状態で対向させていた。ポンプの回転時に、流体のシール性を保ちつつ、ピニオン４とギヤ５との摩擦を低減するためである。

しかし、流体の粘度が高く、上記の隙間に流体が入り込めないような場合や、ポンプ内の圧力によっては、対向面同士が直接、擦れ合うおそれがあり、ポンプを長期間使用すると、各々の対向面に傷が発生する可能性があった。

また、流体内に固形粒子等が含まれる場合にも、その粒径によっては、対向面に傷が発生する可能性があった。

ギヤ５やピニオン４に傷または摩耗が発生した場合、その箇所から流体が漏れるおそれがあり、また、歯車自体が摩耗、損傷するため、ギヤ５かピニオン４、あるいは、その両方を交換する必要があった。

本実施形態では、上記の内転歯車ポンプＰにおいて、ギヤブッシュ７とピニオン４との距離を、ピニオン４とギヤ５との距離よりも近づけることで、この問題を解決している。

以下、詳細に説明する。

図１７に示すように、ギヤ５の基部５ｂと対向する、ピニオン４の後面４ｂと、基部５ｂの前面５ｃとの間には一定の間隔が設けられ、ギヤブッシュ７は、ピニオン４に向かって、つまり、前方に向かって突出している。言い換えると、ギヤブッシュ７における、ピニオン４と対向する面は、後面４ｂに対して、前面５ｃよりも近くなるように配置されている。

ギヤブッシュ７は、回転軸に直交する方向の力（以下、ラジアル力という）と、回転軸と同じ方向の力（以下、スラスト力という）とを同時に受け止める必要がある。これを受けて、図１８に示すように、スリーブ１１は後端部に外向きのフランジ部１１ａを有する断面略Ｌ字形状となっており、フランジ部１１ａには、周方向に等間隔を空けて配置された複数のボルト挿通孔１１ｂと複数のボルトねじ孔１１ｃ（図２０参照）とが貫通形成されている。また、ギヤ５の基部５ｂの後面５ｄにはボルト挿通孔１１ｂに対応するボルト締結穴１５が形成されている。

また、スリーブ１１が略Ｌ字形状であるため、回転軸と直交する方向から見て、ギヤブッシュ７は、スリーブ１１の前後それぞれから挿入する必要がある。よって、ギヤブッシュ７は、回転軸方向に対して２つの分割部７ａに２分割されている。また、各分割部７ａの外周面には、相対する分割部７ａ側の端部から分割部７ａの軸心方向の中間部までの範囲に、スリーブ１１の略半部を嵌合するための凹部７ｂが全周に亘り形成され、両分割部７ａが組み合わされたときにスリーブ１１の外周面に両凹部７ｂによる１つの環状凹部が形成され、この環状凹部にスリーブ１１が嵌合されるようになっている。

そして、図１９に示すように、ギヤブッシュ７の両分割部７ａをスリーブ１１の両側から嵌め込んだ後、ギヤ５とスリーブ１１との間で、ボルト締結穴１５とボルト挿通孔１１ｂとの位置合わせを行う。なお、ギヤブッシュ７のスリーブ１１への嵌め込みは、焼きばめ、ないし圧入によって行われる。

なお、図１８及び図１９は、上半分の断面図である。

図１９及び図２０に示すように、ギヤ５の取付孔５ｆに対して、スリーブ１１とギヤブッシュ７の両分割部７ａとを両分割部７ａの凹部７ｂにスリーブ１１が嵌合された状態で挿入するとともに、ボルト挿通孔１１ｂに六角穴付きボルト１６を挿入してボルト挿入穴１５に螺合し、締め付け固定する。

このとき、基部５ｂの前面５ｃに対するギヤブッシュ７の突出量を、六角穴付きボルト１６と、ボルトねじ孔１１ｃに螺合される押しボルト１７とで調整して決定する。

押しボルト１７をスリーブ１１にねじ込むことにより、押しボルト１７の先端部がギヤ５の基部５ｂに突き当たって、基部５ｂを押す。この際、スリーブ１１とギヤ５の基部５ｂとの間に隙間が生じる。この隙間に、シム（図示せず）を挿入し、六角穴付きボルト１６を締め付けて全体の位置を固定するとともに、ギヤブッシュ７の突出量を調整する。

なお、図示しないが、ボルト挿通孔１１ｂとボルトねじ孔１１ｃとの数は同じではなく、後者の数が前者の数よりも少なくなるようにしている。

本実施形態では、ギヤ基部５ａの前面５ｃに対するギヤブッシュ７の突出量を約０．２ｍｍとし、ギヤ基部５ｃの前面５ｃとピニオン４の後面４ｂとの距離を約０．４７ｍｍとしたが、特にこれに限定されず、移送される流体の種類やその温度、また、ポンプの大きさやその組み立て精度等によって適宜変更される。

以上、説明したように、ギヤブッシュ７を前方に向かって、ギヤ基部５ａに対して所定の長さ分だけ突出させることにより、ギヤ５とピニオン４との対向面同士、すわなち、ギヤ５の前面５ｃとピニオン４の後面４ｂとを、突出量よりも長い距離だけ離間させている。

このことにより、ギヤ５の前面５ｃとピニオン４の後面４ｂとの接触を抑制できるとともに、これらの対向面間への流体の進入を容易にし、ピニオン４やギヤ５における傷や摩耗の発生を抑制できる。また、ギヤブッシュ７とピニオン４の後面４ｂとの間で流体のシール性を保つことができる。

これらによって、ポンプＰ内での流体の液漏れを防止し、ピニオン４やギヤ５の交換頻度を長くすることができ、ポンプＰの耐久性を向上できる。

なお、ギヤドライブ方式の場合には、図９及び図１０に示すように、ピニオンブッシュ１８がピニオン４の取付孔４ｃに嵌め込まれている。

この場合、ピニオンブッシュ１８がピニオン４に固着されており、また、ピニオン４がギヤ５とケーシングカバー９とに挟み込まれて固定されているため、ピニオンブッシュ１８を微少量だけ突出させることは困難であった。

しかし、本実施形態によれば、図１Ａに示すように、ギヤ５とエンドカバー１０との間に空間を設けることができ、回転軸方向に対して、ギヤブッシュ７やスリーブ１１を移動させるマージンを取ることができる。よって、ギヤブッシュ７が取り付けられたスリーブ１１の位置の微調整を容易に行うことができる。

また、ギヤブッシュ７が摩耗した場合にも、位置の再調整を行うことで対応できるため、ギヤブッシュ７の交換周期を長くでき、長寿命化が図れる。

なお、実施形態１および２において、ギヤブッシュ７の構成材料として、青銅鋳物等の砲金系材料や、カーボン系材料、シリコンカーバイド、あるいはカーボン系材料とシリコンカーバイドとの複合材料を用いるのが好ましい。

通常、ピニオン４やギヤ５は、鉄系材料、例えば、ＦＣ系材料やＳ４５Ｃ系材料、またはステンレス系材料を用いて形成されることが多い。ギヤブッシュ７の構成材料を、上記の材料とすることで、ギヤブッシュ７と鉄系材料であるピニオン４の後面４ｂとが接触したとしても、ピニオン４に傷がつきにくくなり、ピニオン４の長寿命化が図れる。

また、ギヤブッシュ７が摩耗したとしても、上述の通り、スリーブ１１の位置の再調整を行って、ギヤブッシュ７の位置を設計値に戻すことが可能であり、また、ギヤブッシュ７は容易に交換することができる。

なお、ギヤブッシュ７の構成材料は、特にこれに限定されるものではなく、移送される流体の種類によっても適宜変更可能である。

本発明の内転歯車ポンプは、回転時に歯車やすべり軸受に加わる負荷を低減でき、耐久性に優れた、流体の吸引・吐出用ポンプとしてきわめて有用である。

Ｐ 内転歯車ポンプ
１ ケーシング
３ 回転シャフト
４ ピニオン
４ａ ピニオンの外歯
５ ギヤ
５ａ ギヤの内歯
５ｂ ギヤの基部
６ ギヤピン
７ ギヤブッシュ
８ 三日月形状のガイド
１１ スリーブ
１２ 吸引口
１３ 吐出口
ＣＰ ギヤとピニオンとの接触点の軌跡
Ｏｐ ピニオンの回転中心
Ｏｇ ギヤの回転中心

Claims (6)

1. 吸入口及び吐出口が開口するケーシング内に、外歯を有するピニオンと、該ピニオンに対し偏心して配置され、ピニオンの外歯に噛合する内歯を有するギヤとが収容され、前記ピニオン及びギヤが前記内歯と前記外歯との噛合状態で回転することで、吸入口からケーシング内に吸い込んだ流体を吐出口から吐出させる内転歯車ポンプであって、
   前記ケーシングに回転可能に支持され、外部アクチュエータにより回転駆動される回転シャフトと、
   前記ケーシングに設けられたギヤピンと、を備え、
   前記ピニオンは、前記回転シャフトに回転一体に駆動連結されていて該回転シャフトの駆動により回転可能とされている一方、
   前記ギヤは前記ギヤピンに、すべり軸受であるギヤブッシュを介して回転可能に支持されている、内転歯車ポンプ。
2. 前記ギヤはｍ個（ｍは３以上の自然数）の内歯を有し、
   前記内歯のうち、ｎ個（ｍ／２＜ｎ＜ｍ；ｎは自然数）おきに配置された２つの内歯の内側の歯形が互いに同じ円の円弧上に位置し、
   前記ピニオンはｏ個（ｏ＜ｍ；ｏは自然数）の外歯を有し、
   前記外歯の理論歯形は、前記ギヤを該ギヤの回転中心Ｏｇを中心として所定の角度ずつ回転させたときの前記ギヤと前記ピニオンとの接触点の軌跡をＣＰとするとき、前記軌跡ＣＰを前記ピニオンの回転中心Ｏｐを中心として前記ギヤの回転方向と逆方向に、かつ前記ギヤと前記ピニオンとの歯数比の逆比（ｍ／ｏ）に前記所定の角度を乗じた角度ずつ回転させて得られる軌跡と一致するように構成される、請求項１に記載の内転歯車ポンプ。
3. 前記外歯の実用歯形は、前記理論歯形に近似した複数個の円弧を組み合わせてなる形状である、請求項２に記載の内転歯車ポンプ。
4. 前記ギヤは、ギヤ基部の外周部に前記内歯が設けられたものであり、
   前記ギヤブッシュは、前記ギヤ基部よりも前記ピニオン側に向かって所定の突出長さだけ突出しており、
   前記ギヤ基部と前記ピニオンとは前記突出長さよりも長い距離をあけて配置されている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の内転歯車ポンプ。
5. 前記ギヤ基部には、前記ピニオンと反対側に、前記回転シャフトの回転軸方向に対する前記ギヤブッシュの位置を調整するためのスリーブが設けられている、請求項４に記載の内転歯車ポンプ。
6. 前記ピニオンは鉄系材料からなり、
   前記ギヤブッシュは、砲金系材料、カーボン系材料、シリコンカーバイド、またはカーボン系材料とシリコンカーバイドとの複合材料のいずれかからなる、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のポンプ内転歯車ポンプ。

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