JP2021055560A - ベーンポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ベーンポンプの性能の低下を抑制する。【解決手段】ベーンポンプ１は、ポンプ室３が形成されるポンプケーシング２と、ポンプ室３に配置され、外周面１７にスリット１８が形成されるロータ４と、スリット１７に配置されるベーン６と、を備え、ロータ４及びベーン６のうち少なくとも一方は、カーボンに樹脂が配合されたカーボン材で構成され、カーボン材の重量に対するカーボンの重量の割合が５０％以上である。【選択図】 図１

Description

本開示は、ベーンポンプに関する。

ベーンポンプは、水や空気などの流体を吸入・排出するものであって、ポンプ室に配置されたロータが回転することで、ベーンがカム面のようなポンプ室に面する壁面に向かって飛び出してポンプ室を区切るとともに、この区切られたポンプ室の容積を拡大・縮小するようになっている。

特許文献１には、強度、耐熱性及び寸法安定性が優れる回転圧縮機用ベーンが開示されている。具体的には、回転圧縮機用ベーンを非晶性樹脂、鱗片状グラファイト及び炭素繊維を含有する樹脂組成物で構成し、非晶性樹脂の含有量が１００質量部に対して、鱗片状グラファイトの含有量を５〜４０質量部、炭素繊維の含有量を５〜６０質量部とする技術が開示されている。

特開２０１６−１７３０５２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、回転圧縮機用ベーンは非晶性樹脂が最も多く含有されるように構成されているので、ポンプ室の壁面に対する回転圧縮機用ベーンの摺動性が確保されない虞がある。また、ポンプ室の壁面に対するロータの摺動性については何ら考慮されていない。回転圧縮機用ベーンの摺動性やロータの摺動性が確保されないと、例えば、ロータの回転エネルギが摩擦熱に変換され、ベーンポンプの性能が低下してしまう。

本開示は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、性能の低下を抑制することができるベーンポンプを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るベーンポンプは、ポンプ室が形成されるポンプケーシングと、ポンプ室に配置され、外周面にスリットが形成されるロータと、スリットに配置されるベーンと、を備え、ロータ及びベーンのうち少なくとも一方は、カーボンに樹脂が配合されたカーボン材で構成され、カーボン材の重量に対するカーボンの重量の割合が５０％以上である。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の構成において、カーボン材の重量に対する樹脂の重量の割合は３０％以下であってもよい。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載の構成において、樹脂は、熱硬化性樹脂であってもよい。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）から（３）の何れか１つに記載の構成において、ポンプケーシングは、ロータの外周面に対向するカム面を有するカムリング部を含み、カーボン材の重量に対する樹脂の重量の割合は２０％以上３０％以下であり、カムリング部はアルミニウムで構成されてもよい。

（５）幾つかの実施形態では、上記（４）に記載の構成において、ポンプケーシングは、ロータの端面及びベーンの端面に対向するディスクプレート部と、ベーンポンプを車体に固定するためのフランジ部とをさらに含み、カムリング部と、ディスクプレート部と、フランジ部の少なくとも一部とは、全体で一部品としてアルミニウムで一体構成されてもよい。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）から（５）の何れか１つに記載の構成において、ベーンポンプは、ドライポンプであってもよい。

本開示のベーンポンプによれば、ロータの自己潤滑性やベーンの自己潤滑性を確保しつつ、ロータの線膨張係数やベーンの線膨張係数を、ポンプ室を構成する部材の線膨張係数に近似させる、又は等しくさせることができるので、ベーンポンプの性能の低下を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るベーンポンプの構成を概略的に示す斜視図であって、説明のためベーンポンプの構成の一部を分解して示している。 本発明の一実施形態に係るポンプ室の構成を概略的に示す図であって、ポンプ室を軸方向他方側（上側）から視たときの図である。 樹脂の重量の割合とカーボン材の線膨張係数との関係を説明するためのグラフであって、横軸は温度であり、縦軸はカーボン材の線膨張係数である。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態に係るベーンポンプ１の構成について説明する。図１に示すように、ベーンポンプ１は、ポンプケーシング２と、ロータ４と、ベーン６と、を備える。ベーンポンプ１は、例えば、車両に搭載されるブレーキブースタの負圧室内を負圧にするための真空ポンプであって、特に、ポンプケーシング２の内部（ポンプ室３）に潤滑油などの液体が含まれないドライポンプである。本開示では、ドライポンプを例にして説明するが、ベーンポンプ１はドライポンプ以外のポンプであってもよい。例えば、ベーンポンプ１は、パワーステアリングポンプのように高圧流体を供給するためのポンプであってもよいし、ポンプ室３に潤滑油が含まれる真空ポンプであってもよい。

本開示では、ロータ４に連結され、ロータ４を回転させる回転軸（シャフト９）が延びる方向（ロータ４の軸方向）を単に「軸方向」と記載し、この回転軸を中心としてロータ４が回転することで描かれる円弧形状の軌跡の方向（ロータ４の周方向）を単に「周方向」と記載し、この円弧形状の軌跡の半径方向（ロータ４の径方向）を単に「径方向」と記載する。尚、本実施形態では、軸方向一方側を下側、軸方向他方側を上側として説明する。

ポンプケーシング２は、内部にポンプ室３が形成されるものであって、カムリング部８と、ディスクプレート部１０と、ポンプカバー部１２と、フランジ部１４と、トップカバー部１５と、を含んでいてもよい。

カムリング部８は、ロータ４の外周面１７に対向する内周壁面（カム面１６）を有する環状の部材である。ディスクプレート部１０は、ロータ４の下側の一端面５ａ及びベーン６の下側の一端面７ａに対向する壁面１１（ディスクプレート部１０の上面）を有する板状の部材である。この壁面１１はロータ４の一端面５ａと摺接するとともに、ベーン６の一端面７ａと摺接する。ポンプカバー部１２は、ロータ４の上側の他端面５ｂ及びベーン６の上側の他端面７ｂに対向する壁面１３（ポンプカバー部１２の下面）を有する板状の部材である。この壁面１３はロータ４の他端面５ｂと摺接するとともに、ベーン６の他端面７ｂと摺接する。ポンプ室３は、カム面１６、壁面１１及び壁面１３によって囲われることで形成される空間である。

フランジ部１４は、ポンプケーシング２とモータ２０とを一体化するためのものであって、ディスクプレート部１０を挟んでカムリング部８とは反対側に設けられている。このフランジ部１４は、車体側に締結されるフランジ本体部１４ａと、ディスクプレート部１０を支持するとともに、フランジ本体部１４ａをポンプケーシング２に取り付けるためのボルト孔２１が形成されるボルト固定部１４ｂと、を含む。トップカバー部１５は、ポンプカバー部１２を挟んでカムリング部８とは反対側に設けられる部材であり、ボルトを介してポンプカバー部１２と連結されている。本実施形態では、トップカバー部１５側が上側となり、モータ２０側が下側となっている。

ロータ４は、ポンプ室３に配置されるものである。ロータ４の外周面１７には、スリット１８が形成される。このスリット１８は、ロータ４の一端面５ａからロータ４の他端面５ｂに亘ってロータ４の外周面１７を切り欠いて形成されている。ロータ４は、回転軸として機能するシャフト９を介して駆動装置としてのモータ２０と接続されている。ベーン６は、スリット１８から径方向に沿って出没可能であるように、スリット１８に配置されるものである。このようなベーン６は、ロータ４が回転しているときに、スリット１８から径方向外側に向かって突出し、ベーン６の先端がカム面１６に対して摺動するようになっている。

ここで、図２を参照して、ポンプ室３の構成について説明する。図２に示すように、カムリング部８のカム面１６は、ポンプ室３を上側から視たときに、ロータ４の外周面１７との間に隙間が形成されるように、ロータ４の外周面１７の周囲を囲んでいる。また、軸方向視において、外周面１７は円形形状を有しており、カム面１６は楕円形状を有している。このため、外周面１７とカム面１６との隙間の大きさは周方向に周期的に変化する。本実施形態では、隙間の大きさが最も小さい位置における、外周面１７とカム面１６との間の隙間（トップクリアランス２２）が周方向における２つの位置に形成されている。

上述したロータ４及びベーン６のそれぞれは、カーボンに樹脂が配合されたカーボン材で構成される。このカーボン材は、カーボン材の重量に対するカーボンの重量の割合が５０％以上である。本実施形態では、カーボンはグラファイトであり、樹脂は熱硬化性樹脂としてのフェノール樹脂である。ただし、熱硬化性樹脂は、フェノール樹脂に限らずエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂であってもよい。

また、ロータ４を構成するカーボン材は、ベーン６を構成するカーボン材とは異なるカーボン材であってもよい。例えば、ベーン６とスリット１８との摩擦におけるロータ４の耐摩耗性がベーン６の耐摩耗性より高くなるように、ロータ４を構成するカーボン材に添加剤を加えてもよいし、ロータ４を構成するカーボン材におけるカーボンの重量の割合と、ベーン６を構成するカーボン材におけるカーボンの重量の割合とを異ならせてもよい。本実施形態では、ベーン６を構成するカーボン材は、ロータ４を構成するカーボン材よりカーボンの重量の割合が高くなっている。

本発明の一実施形態に係るベーンポンプ１の作用・効果について説明する。ベーンポンプの性能は、作動時に、上述したトップクリアランス２２に加えて、ロータ４の一端面５ａと壁面１１との間の隙間、ロータ４の他端面５ｂとポンプカバー部１２の他方側壁面１３との間の隙間、ベーン６の一端面７ａと壁面１１との間の隙間、及びベーン６の他端面７ｂと壁面１３との間の隙間（以下、これらを纏めてクリアランスと記載する）が適切な大きさであるか否かによって決定される。特に、ベーンポンプ１がドライポンプである場合、粘性係数の小さい空気を吸入・排出するために、ポンプ室３内で膨張及び圧縮が行われることでポンプ室３内の温度が変化しても、クリアランスが小さい状態で維持されることが重要である。また、カムリング部８は、ロータ４やベーン６の摺動によってポンプ室３内で発生した摩擦熱をベーンポンプ１の外部に伝導するためには、ＳＵＳのような金属で構成されることが好ましい。

図３を参照して、カーボン材の重量における樹脂の重量の割合とカーボン材の線膨張係数との関係について説明する。第１のカーボン材Ｃ１は、第１〜第３のカーボン材のうち、樹脂の重量の割合が最も低いカーボン材であって、例えば、樹脂の重量の割合が２１％のカーボン材である。第２のカーボン材Ｃ２は、第１〜第３のカーボン材のうち、樹脂の重量の割合が最も高いカーボン材であって、例えば、樹脂の重量の割合が３０％のカーボン材である。第３のカーボン材Ｃ３は、樹脂の重量の割合が第１のカーボン材Ｃ１に配合される樹脂の重量の割合より高く、第２のカーボン材Ｃ２に配合される樹脂の重量の割合より低いカーボン材であって、例えば、樹脂の重量の割合が２４％のカーボン材である。図３に示すように、第１〜第３のカーボン材の線膨張係数のそれぞれは、温度が上がるにつれて線形に大きくなっている。また、第１〜第３のカーボン材の線膨張係数の関係は、同じ温度では、第１のカーボン材Ｃ１の線膨張係数＜第３のカーボン材Ｃ３の線膨張係数＜第２のカーボン材Ｃ２の線膨張係数となっており、カーボンに配合される樹脂の重量の割合を増やすと、カーボン材の線膨張係数が大きくなる。

本実施形態によれば、ロータ４及びベーン６のそれぞれはカーボンに樹脂が配合されたカーボン材で構成される。このため、ロータ及びベーンのそれぞれをカーボンのみで構成する場合と比較して、ロータ４の線膨張係数及びベーン６の線膨張係数を大きくすることができ、金属で構成されるカムリング部８の線膨張係数に近似させる、又は等しくすることができる。ロータ４の線膨張係数とカムリング部８の線膨張係数の差、及び、ベーン６の線膨張係数とカムリング部８の線膨張係数の差が小さくなると、ポンプ室３内の温度に応じてロータ４及びベーン６はカムリング部８と同程度に膨張又は収縮するため、温度変化に対するクリアランスの変化量を抑制することができる。このため、ベーンポンプ１がドライポンプであったとしても、ポンプ室３内の温度に関わらずクリアランスを小さい状態で維持することが容易になり、ベーンポンプ１の性能の低下を抑制することができる。また、カーボン材は、カーボンの重量の割合が５０％以上であるので、ロータ４の自己潤滑性（金属に対する摩擦係数が小さい）及びベーン６の自己潤滑性が確保され、ロータ４及びベーン６のそれぞれをスムーズに摺動させることができる。

また、ポンプ室３内の温度に関わらずクリアランスが小さい状態で維持されるようになると、例えば、ロータ４の他端面５ｂと壁面１３との間の隙間（ロータ４のサイドクリアランス）、ベーン６の他端面７ｂと壁面１３との間の隙間（ベーン６のサイドクリアランス）、及びトップクリアランス２２からリークする空気の量を抑制することができるので、ポンプ室３を区切るベーン６の枚数を減らすことができ、或いは圧力工程における圧力を高めて排気の逆流を抑制することでポンプ性能を向上することができる。

一般的に、熱硬化性樹脂は熱可塑性樹脂と比較して耐熱性が高い。本実施形態によれば、カーボン材に配合される樹脂は熱硬化性樹脂であるため、ロータ４の耐熱性及びベーン６の耐熱性の向上を図ることができる。尚、本実施形態では、樹脂は熱硬化性樹脂である場合を例示したが、本発明は、この実施形態に限定されず、樹脂は熱可塑性樹脂のような熱硬化性樹脂以外の樹脂であってもよい。

スリット１８内では、ベーン６がロータ４に対して摺動するため、ロータ４又はベーン６の何れか一方が何れか他方に対して優先的に摩耗するように構成されていることが望ましい。本実施形態によれば、ロータ４を構成するカーボン材は、ベーン６を構成するカーボン材と比較して、カーボン材の重量に占めるカーボンの重量の割合が低い。カーボン（グラファイト）は層状構造を有するので、カーボンの重量の割合が高いベーン６を優先的に摩耗させることができる。このため、摩耗に起因する部品交換の観点では、ロータ４を優先的に摩耗させるよりもコスト的に有利である。

尚、本実施形態では、ロータ４及びベーン６のそれぞれをカーボンに樹脂が配合されたカーボン材で構成する場合について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されない。ロータ４だけがカーボンに樹脂が配合されたカーボン材で構成されてもよいし、ベーン６だけがカーボンに樹脂が配合されたカーボン材で構成されてもよい。また、ロータ４及びベーン６のそれぞれは、カーボンの重量の割合が互いに等しいカーボン材で構成されてもよいし、ロータ４はベーン６よりカーボンの重量の割合が高いカーボン材で構成されてもよい。

幾つかの実施形態では、上述したベーンポンプ１の構成において、ロータ４及びベーン６のそれぞれは、カーボン材の重量に対する樹脂の重量の割合が３０％以下のカーボン材で構成されてもよい。

熱硬化性樹脂は吸水性を有する場合が多い。このため、カーボン材に熱硬化性樹脂が配合されている場合、このカーボン材で構成されたロータ４及びベーン６は、熱硬化性樹脂に吸水されている水分の量だけ膨潤し、ロータ４及びベーン６の寸法の安定性が低下する。

本発明者らの知見によると、樹脂の重量の割合を３０％以下にすることで、膨潤による寸法の変化量を抑制するとともに、ポンプ室３内の温度に関わらずクリアランスを小さい状態で維持することができる。上記実施形態によれば、ロータ４及びベーン６のそれぞれは、樹脂の重量の割合が３０％以下であるカーボン材で構成されるので、ロータ４及びベーン６の寸法の安定性が向上し、ベーンポンプ１の性能の低下をさらに抑制することができる。

幾つかの実施形態では、上述したベーンポンプ１の構成において、ロータ４及びベーン６のそれぞれは、カーボン材の重量に対する樹脂の重量の割合が２０％以上３０％以下のカーボン材で構成されてもよい。この場合、カムリング部８は、アルミニウムで構成されてもよく、カムリング部８と、ディスクプレート部１０と、フランジ部１４のうちボルト固定部１４ｂとは、全体で一部品としてアルミニウムで一体構成されてもよい。

ロータやベーンがカーボンのみで構成される場合、カムリング部は、ロータの線膨張係数やベーンの線膨張係数に近い金属で構成され、ディスクプレート部やフランジ部とは異なる金属で構成されることがある。例えば、ＳＵＳの線膨張係数はアルミニウムの線膨張係数よりもカーボンの線膨張係数に近いので、カムリング部はＳＵＳで構成されるのに対して、ディスクプレート部及びフランジ部は軽量化や熱伝導率の向上のためにアルミニウムで構成される。この場合、カムリング部、ディスクプレート部及びフランジ部のそれぞれは個々に設計・製造される。

本発明者らの知見によると、樹脂の重量の割合が２０％以上３０％以下であると、カーボン材の線膨張係数をアルミニウムの線膨張係数に近似させる、又は等しくさせることができる。

また、ロータ４及びベーン６のそれぞれを、樹脂の重量の割合が２０％以上３０％以下であるカーボン材で構成することにより、カムリング部８をアルミニウムで構成し、カムリング部８の軽量化を図ることができる。また、カムリング部８をアルミニウムで構成することで、カムリング部８の熱伝導率を向上させ、ポンプ室３内で発生した摩擦熱をベーンポンプ１の外部にスムーズに放熱し、ポンプ室３の温度の上昇を抑制することができる。

また、カムリング部８、ディスクプレート部１０及びボルト固定部１４ｂを全体で一部品としてアルミニウムで一体構成することにより、これら３つの部分を１部品（一体型部品）として設計・製造することができ、ポンプケーシング２の部品点数を削減することができる。このため、ベーンポンプ１の設計・製造コストを抑制することができる。また、これらを別部品で構成する場合と比較して放熱性を向上することができる。

また、カムリング部を焼結工法で製造する場合、ベーンポンプの作動時にカムリング部から油が染み出すことを抑制するために脱脂処理をする必要があった。これに対し、カムリング部８をアルミニウムで構成する場合、ディスクプレート部１０及びボルト固定部１４ｂとともに一体型部品としてダイキャスト工法で製造することができるので、カムリング部８から油が染み出すことを防止することができる。よって、脱脂処理が不要となり、ベーンポンプ１の製造コストを低減することができる。

尚、上記実施形態では、カムリング部８、ディスクプレート部１０、及びボルト固定部１４ｂを全体で一部品（一体型部品）としてアルミニウムで構成していたが、本発明はこの実施形態に限定されない。例えば、この一体型部品は、ＳＵＳや鉄のようなアルミニウム以外の金属で構成してもよい。このような場合でも、カーボン材に配合される樹脂の重量の割合を調整することで、ロータ４の線膨張係数やベーン６の線膨張係数を、一体型部品の線膨張係数に近似させる、又は等しくさせることができる。また、一体型部品がＳＵＳで構成される場合には、アルミニウムで構成される場合と比較して、一体型部品の耐食性を向上させることができる。一体型部品が鉄で構成される場合には、アルミニウムで構成される場合と比較して、ポンプケーシング２を安価に製造することができる。

以上、本発明の一実施形態に係るベーンポンプについて説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。

１ ベーンポンプ
２ ポンプケーシング
３ ポンプ室
４ ロータ
５ａ ロータの一端面（ロータの端面）
６ ベーン
７ａ ベーンの一端面（ベーンの端面）
８ カムリング部
１０ ディスクプレート部
１４ フランジ部
１６ カム面
１７ 外周面
１８ スリット

Claims (6)

1. ポンプ室が形成されるポンプケーシングと、
   前記ポンプ室に配置され、外周面にスリットが形成されるロータと、
   前記スリットに配置されるベーンと、を備え、
   前記ロータ及び前記ベーンのうち少なくとも一方は、カーボンに樹脂が配合されたカーボン材で構成され、前記カーボン材の重量に対する前記カーボンの重量の割合が５０％以上であるベーンポンプ。
2. 前記カーボン材の重量に対する前記樹脂の重量の割合は３０％以下である請求項１に記載のベーンポンプ。
3. 前記樹脂は、熱硬化性樹脂である請求項１又は２に記載のベーンポンプ。
4. 前記ポンプケーシングは、前記ロータの外周面に対向するカム面を有するカムリング部を含み、
   前記カーボン材の重量に対する前記樹脂の重量の割合は２０％以上３０％以下であり、
   前記カムリング部はアルミニウムで構成される請求項１から３の何れか一項に記載のベーンポンプ。
5. 前記ポンプケーシングは、前記ロータの端面及び前記ベーンの端面に対向するディスクプレート部と、前記ベーンポンプを車体に固定するためのフランジ部とをさらに含み、
   前記カムリング部と、前記ディスクプレート部と、前記フランジ部の少なくとも一部とは、全体で一部品としてアルミニウムで一体構成される請求項４に記載のベーンポンプ。
6. 前記ベーンポンプは、ドライポンプである請求項１から５の何れか一項に記載のベーンポンプ。

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