JP2023104731A - 一軸偏心ねじポンプ - Google Patents

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Abstract

【課題】シール性能と、ロータの回転に必要な駆動力とを必要に応じて適切に設定する。【解決手段】内周面が雌ねじ型に形成された挿通孔１４を有するステータ２と、前記ステータ２の挿通孔１４に挿通される雄ねじ型の軸体からなるロータ３とを備える。前記ロータ３の外周面と前記ステータ２の挿通孔１４の内周面との間に形成される締め代は、横断面に現れる前記挿通孔１４の開口１６の両端領域２０に比べて中央領域１９が小さい。【選択図】図５

Description

本発明は、一軸偏心ねじポンプに関する。
従来、内周面が雌ねじ型に形成された挿通孔を有するステータと、このステータの挿通孔に挿通される雄ねじ型の軸体からなるロータとを備えた一軸偏心ねじポンプが公知である（例えば、特許文献１参照）。
前記従来の一軸偏心ねじポンプでは、ロータがステータの横断面に現れる挿通孔の開口の両端領域に位置する場合と、中央領域に位置する場合とでロータに対するステータの締め代がほぼ同じ値となるように設計されている。
この場合、所望の締め代を確保しようとすれば、ロータの回転に必要となるトルクが大きくなり、大きな駆動力が要求される。
一方、ロータの移動を容易にするために締め代を小さくすると、シール性能が低下して流動物の搬送が適切に行えなくなる。
本発明者らは、両端領域で所望の締め代を確保しさえすれば、中央領域ではそれほどの締め代は必要とされない点を見出し、本発明に係る一軸偏心ねじポンプを開発するに至った。
特開２００５－３４４５８７号公報
本発明は、シール性能と、ロータの回転に必要な駆動力とを必要に応じて適切に設定することができる一軸偏心ねじポンプを提供することを課題とする。
本発明は、前記課題を解決するための手段として、内周面が雌ねじ型に形成された挿通孔を有するステータと、前記ステータの挿通孔に挿通される雄ねじ型の軸体からなるロータと、を備え、前記ロータの外周面と前記ステータの挿通孔の内周面との間に形成される締め代は、横断面に現れる前記挿通孔の開口の両端領域に比べて中央領域が小さい、一軸偏心ねじポンプを提供する。
この構成によれば、ロータが開口の両端領域に位置する場合には、ロータが所定の締め代でステータの挿通孔内面に圧接する。このため、開口の両端領域では十分なシール（耐圧）性能を発揮させることができる。一方、ロータが開口の中央領域に位置する場合には、両端領域に比べて締め代が小さく、ロータがステータの挿通孔内面に圧接する力は弱くなる。このため、開口の中央領域では両端領域に比べてロータに作用する摩擦力が抑制され、ロータの回転に必要とされる駆動力を低減することができる。
前記ステータの開口の輪郭は、短径と長径の比（短径／長径）が０．８３以上０．９６以下の楕円形であるのが好ましい。
この構成によれば、ステータの開口形状をシール性能に優れ、ロータの回転を容易とすることができる最適なものとすることができる。すなわち、短径と長径の比が０．８３未満であれば、両端領域における中央部分（開口の両端部）での締め代が小さくなり過ぎて流動物の漏洩が危惧される一方、０．９６を超えてしまえば、ロータとステータとの間に形成されるキャビティの容積が小さくなり、流動物の搬送が難しくなる。
前記ステータの開口の輪郭は、半円と直線とで構成されるレーストラック形状と比較すると、中央領域の締め代が小さくなる条件を満足する単一式で表されるのが好ましい。
この構成によれば、中央領域でのステータによるロータの締付力を抑え、ロータの回転に必要となる駆動力を低減することが可能となる。
前記ステータの開口の輪郭は、半円と直線とで構成されるレーストラック形状と比較すると、両端領域の締め代が大きくなる条件を満足する単一式で表されるのが好ましい。
この構成によれば、両端領域でのステータによるロータの締付力を大きくして、シール性能を向上させることにより流動物の搬送をより一層確実に行わせることが可能となる。
前記ステータの開口の輪郭は、両端領域と中央領域とに、異なる軌跡を描く部位をそれぞれ備えるのが好ましい。
この構成によれば、両端領域と中央領域とでそれぞれ要求される性能により一層適した開口形状を有する挿通孔を形成することができる。
前記ステータの開口の輪郭は真円の一部を備えてもよい。
前記ステータの開口の輪郭は楕円の一部を備えてもよい。
前記ステータの開口の中央領域の輪郭は、外側に向かって凸状に形成されていてもよい。
前記ステータの開口の輪郭は直線部を備えていてもよい。
前記直線部は、前記中央領域で対向して平行に形成されているのが好ましい。
この構成によれば、挿通孔の設計が容易となり、ロータが中央領域を移動している際の締め代の変化をロータの回転位置及び外面形状から容易に設定することが可能となる。
前記ステータは、弾性材料からなるステータ本体のみで構成されていてもよい。
この構成によれば、部品点数を削減して簡単かつ安価に製作することができる。
本発明によれば、シール性能と、ロータの回転に必要となる駆動力とを必要に応じて適切に設定することができる。
本実施形態に係る一軸偏心ねじポンプの概略正面図である。 図１の縦断面図である。 図１のステータの挿通孔の横断面である開口の一例を示す断面図である。 図３の開口において、ロータが中央領域に位置するときの断面図である。 図３の開口において、ロータが両端領域に位置するときの断面図である。 図１のステータの挿通孔の横断面である開口の他の例を示す断面図である。 図１のステータの挿通孔の横断面である開口の他の例を示す断面図である。 図１のステータの挿通孔の横断面である開口の他の例を示す断面図である。 図１のステータの挿通孔の横断面である開口の他の例を示す断面図である。 図１のステータの挿通孔の横断面である開口の他の例を示す断面図である。 図１のステータの挿通孔の横断面である開口の他の例を示す断面図である。 図１のステータの挿通孔の横断面である開口の他の例を示す断面図である。 図１のステータの挿通孔の横断面である開口の他の例を示す断面図である。 他の実施形態に係る一軸偏心ねじポンプの一部を示す縦断面図である。
以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「側」、「端」を含む用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。また、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。さらに、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは相違している。
図１は、回転容積型ポンプの一例である一軸偏心ねじポンプの正面図、図２は、図１のＡ－Ａ線断面図（縦断面図）を示す。この一軸偏心ねじポンプは、ケーシング１の一端側に設けた駆動機（図示せず）と、他端側に設けたステータ２、ロータ３及びエンドスタッド４とを備える。
ケーシング１は金属材料を筒状としたもので、カップリングロッド５が収容されている。カップリングロッド５の一端部はカップリング６に接続され、図示しない駆動機から駆動力が伝達されるようになっている。またケーシング１の一端側外周面には第１開口部７が形成され、そこには接続管８が接続されている。そして、この接続管８を介して図示しないタンク等からケーシング１内に流動物（例えば、マヨネーズ等の粘性を有する材料等）を供給可能となっている。
ステータ２は、外筒９とステータ本体１０とで構成されている。外筒９とステータ本体１０は互いに接着されていてもよいし、圧接などの接着以外の手段によって固定されていてもよい。
ステータ本体１０は、弾性材料を筒状（例えば、円筒状）に形成したものである。使用可能な弾性材料は、ニトリルゴム、フッ素ゴム、エチレンプロピレンゴム、スチレンブタジエンゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム等が含まれ、適宜移送する材料（流動物）に応じて選択することができる。ステータ２の中心には挿通孔１４が形成されている。挿通孔１４は、その内周面がｎ条（ここでは、２条）で単段あるいは多段の雌ねじ形状に形成されている。
ロータ３は、金属材料からなる軸体をｎ－１条（ここでは、１条）で単段あるいは多段の雄ねじ形状としたものである。ロータ３は、ステータ２の挿通孔１４内に配置され、長手方向につながった移送空間１５を形成する。ロータ３の一端部はケーシング側のカップリングロッド５に連結されている。ロータ３は、駆動機（図示せず）からの駆動力により、ステータ２の挿通孔１４内で自転すると共に、その内周面に沿って公転する。つまり、ロータ３はステータ２の挿通孔１４内で偏心回転する。ステータ２の横断面で見ると、ロータ３は挿通孔１４の横断面である開口１６を一端部と他端部との間で往復移動する。この移動距離は、ロータ３が回転する際の偏心量の４倍となっている。このようなロータ３の偏心回転により、移送空間１５内の流動物が長手方向へと移送される。
エンドスタッド４は金属材料を筒状としたもので、先端には第２開口部１７が形成されている。
ケーシング１とエンドスタッド４とはステーボルト１８によって連結されている。ステーボルト１８を締め付けることにより、ケーシング１とエンドスタッド４の間にステータ２を挟持した状態で取り付けることができるようになっている。この取付状態で、ケーシング１の第１開口部７からステータ２の挿通孔１４、さらにはエンドスタッド４の第２開口部１７へとつながる流路が形成される。
本実施形態では、ステータ２に形成した挿通孔１４の横断面形状である開口１６の形状の違いに特徴がある。
図３では、ステータ本体１０の挿通孔１４の横断面に現れる開口１６は楕円形状となっている。開口１６は、短径Ｓｄと長径Ｌｄの比（Ｓｄ／Ｌｄ）が０．８３以上０．９６以下、好ましくは０．８８以上０．９５以下を満足するように形成されている。開口１６は、図４に示すように、ロータ３の中心が開口１６の中心と合致したときに、ロータ３が圧接する領域である中央領域１９と、この中央領域１９よりも長軸方向両端側の両端領域２０とで構成されている。
Ｓｄ／Ｌｄが０．８８未満であれば、両端領域２０での締め代が不十分なものとなり、０．８３未満となれば、シール線がなくなりポンプとして使用できなくなる場合がある。これは、ロータ３が中央領域１９から両端領域２０に移動するに従って、ステータ２から受ける弾性力が大きくなり、ロータ３の移動が妨げられ、図６に示すように、ロータ３と両端領域２０との間に本来ならば形成されない隙間ｘが形成されることに起因する。そこで、Ｓｄ／Ｌｄを０．８３以上とすることにより、ポンプとしての機能を発揮させることができるようにしている。さらに、Ｓｄ／Ｌｄを０．８８以上とすれば、十分なシール性能を得ることが可能となる。
一方、Ｓｄ／Ｌｄが０．９５を超えれば、開口１６の楕円周長にロータ３の円周長が近づき、ロータ３とステータ２との間に形成されるキャビティの容積が小さくなる。キャビティの容積が小さくなることで、搬送可能な流動物の容量が制限される。さらに、Ｓｄ／Ｌｄが０．９６を超えれば、開口１６の楕円周長とロータ３の円周長とがほぼ等しくなり、ロータ３とステータ２との間にキャビティは殆ど形成されなくなる。キャビティがなくなることで、流動物の搬送は難しくなる。
なお、前記楕円形状の開口１６は、一部に直線部を備えた構成としてもよい。例えば、長軸に沿って両側に平行な２本の直線部を備えた構成とすることができる。
また、開口１６を楕円形状とすることで、ステータ２によるロータ３の締め代は、図４及び図５に示すように、開口１６の両端領域２０の締め代δ１に比べて中央領域１９の締め代δ２の方が小さくなる。このため、ロータ３が偏心回転により、開口１６の両端領域２０から中央領域１９へと移動すると、ロータ３に対するステータ２の締め代が徐々に小さくなる。つまり、ステータ２からロータ３に作用する摩擦力が小さくなり、ロータ３を回転させるための駆動力を低減することができる。
（開口形状の他の形態）
前記ステータ本体１０に形成した挿通孔１４の横断面に現れる開口１６は、前述の楕円に限らず他の形状とすることもできる。
（１）開口１６は、長円（レーストラック）形状すなわち平行な直線と、各直線の両端部同士をそれぞれ接続する一対の半円とで構成される形状と比較して、両端領域２０に比べて中央領域１９の締め代が小さくなる、あるいは、中央領域１９に比べて両端領域２０の締め代が大きくなる条件を満足する単一式で表される形状とすることができる。例えば次式で表されるスーパー楕円形状とすることができる。
Figure 2023104731000002
 （ａ、ｂ、ｎ：正の数）
この場合、ｎが約２から約３の間の値であれば、両端領域２０で所望のシール性能を確保しつつ、中央領域１９でロータ３の移動をスムーズに行わせることが期待できる。図７は、ｎ＝２．５である場合の開口形状を示す。図面から明らかなように、この形状の開口１６であれば、横断面真円のロータ３が開口１６の中央領域１９を移動する際の締め代を抑えることができる。これにより、ロータ３を移動しやすくして、その回転に必要となる駆動力を抑制することが可能となる。また、ロータ３が両端領域２０を移動する際の締め代を、中央領域１９を移動する場合に比べて大きくすることができる。したがって、シール性能を高めて流動物を確実に搬送することが可能となる。
（２）スーパー楕円以外としては、例えば、極座標表示する場合、次式を満足する曲線とすることができる。
Figure 2023104731000003
 ａ(θ)：真円又は楕円
ｆ(θ)：θ=α＋π[ｒａｄ]を境界とする対称な曲線（α≦θ≦α＋２π[ｒａｄ]）
θ=α＋３π/２[ｒａｄ]を境界とする対称な曲線（α＋π≦θ≦α＋２π[ｒａｄ]）
f(θ)の例としては、例えば、次式を挙げることができる。
Figure 2023104731000004
 ａ：正の数
ｍ：正の実数（１．５以上が好ましい。）
Figure 2023104731000005
 ｃ：正の数
Figure 2023104731000006
 ｄ、ｅ…：正の数
（３）開口１６は、両端領域２０に比べて中央領域１９の締め代が小さくなることを条件として、複数の線をつなぎ合わせた形状等、中央領域１９と両端領域２０とで異なる軌跡を描く部位で構成することができる。
例えば、複数の直線部（線分）をつなぎ合わせた形状とすることができる。直線部は開口１６の一部であってもよいし、全部であってもよい。但し、直線部同士の接続部分は円弧等で滑らかに接続するのが好ましい。
また、開口１６を構成する複数の線は、直線部に代えて、あるいは直線部と共に、真円の一部（円弧）や楕円の一部（楕円弧）で構成することもできる。曲率半径の相違する複数の円弧を組み合わせてもよいし、長径及び短径の相違する複数の楕円の一部を組み合わせてもよい。円弧と楕円弧とを組み合わせることも可能である。
図８は、曲率半径の相違する２組の円弧で構成した開口１６を示す。すなわち、縦軸方向に離間し、横軸に沿う両側部分を第１曲率半径Ｒ１の円弧３ａでそれぞれ構成し、横軸方向に離間し、縦軸に沿う両側部分を、第１曲率半径Ｒ１よりも小さい第２曲率半径Ｒ２の円弧３ｂでそれぞれ構成することができる。
図９は、曲率半径の相違する２種類の楕円弧で構成した開口１６を示す。すなわち、縦軸方向に離間し、横軸に沿う両側部分を第１楕円の一部（横軸の両側に位置する部分）からなる第１曲線３ｃでそれぞれ構成し、横軸方向に離間し、縦軸に沿う両側部分を、第２楕円の一部（縦軸の両側に位置する部分）からなり、第１曲線３ｃとは曲率半径が相違する第２曲線３ｄでそれぞれ構成することができる。図９の例では、第１楕円１１の中心と第２楕円１２の中心とを一致させ、第１曲線３ｃを単一の第１楕円１１の２箇所の部分で構成し、第２曲線３ｄを単一の第２楕円１２の２箇所の部分で構成したが、これに限らない。第１曲線３ｃ及び第２曲線３ｄは、それぞれ横軸及び縦軸を中心として対称な形状であればよい。例えば、第１曲線３ｃを構成する第１楕円１１の中心を、一方と他方（図９中、上方側と下方側）とで、中心Ｏから縦軸のプラス方向とマイナス方向に同距離だけそれぞれ位置をずらせることもできる。第２曲線３ｄについても同様である。
図１０は、直線と楕円の一部（楕円弧）とで構成した開口１６を示す。中央領域１９では、直線は所定間隔で平行に配置することができる。両端領域２０では、楕円の長軸を横軸に合致させることで、楕円弧が半円に比べて内側の軌跡を描くように形成することができる。この構成によれば、挿通孔１４の設計が容易となり、ロータ３が中央領域１９を移動している際の締め代の変化をロータ３の回転位置及び外面形状から容易に設定することが可能となる。また、両端領域２０での締め代を大きくすることにより、シール性能を高めて流動物の搬送を確実なものとすることが可能となる。なお、楕円弧で構成した部分は、複数の円弧を組み合わせた構成としてもよい。また、開口形状は円弧又は楕円弧を組み合わせた構成（円弧と円弧、円弧と楕円弧、楕円弧と楕円弧のいずれかの組み合わせ）としてもよい。
開口形状を、中央領域１９で外側に向かって凸状に形成することができる。この構成によれば、ロータ３が開口１６の中心位置に向かうに従って、ステータ２からロータ３に作用する摩擦力を小さくすることができ、より一層ロータ３の回転に必要となる駆動力を低減することが可能となる。図１１は、開口１６をレーストラック形状とし、その中央領域１９の直線部の一部又は全部を曲率半径Ｒ３の円弧３ｅで構成したものである。円弧３ｅの中心Ｏ１は短軸上で、中心Ｏを超えた遠位の位置にある。
開口形状を、両端領域２０での湾曲形状を半円に対して内側へとせり出させることができる。この構成によれば、半円と比較すると、両端領域２０に至ったロータ３に対し、ステータ２の挿通孔１４の内面をより強く圧接させることができる。図１２は、開口１６をレーストラック形状とし、半円に相当する部分をそれよりも内側に位置する２つの円弧３ｆで構成したものである。円弧３ｆは、半円よりも曲率半径が大きく、その中心Ｏ３が半円の中心Ｏ２に対して長軸方向及び短軸方向に遠位の位置にある。
（４）開口１６は、両端領域２０のいずれかで長手軸に対して非対称に形成することもできる。図１３は、開口１６をレーストラック形状とし、その半円に相当する部分の一部に内側に膨出する膨出部１６ａを形成したものである。ここでは、膨出部１６ａは、ステータ２の中心に対して対角位置に形成され、横軸に対して非対称となる直線で構成されている。直線同士は平行とされている。このように、開口の両端領域２０のいずれかで長手軸に対して非対称に形成することで、用途に応じた設計の自由度を高めることが可能となる。
（他の実施形態）
なお、本発明は、前記実施形態に記載された構成に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
前記実施形態では、第１開口部７からケーシング１内に流動物を取り込んで第２開口部１７から吐出するように構成したが、ロータ３を逆方向に回転させることにより第２開口部１７から取り込んで第１開口部７から吐出させるように構成することも可能である。
前記実施形態では、ステータ２を外筒９とステータ本体１０とで構成したが、図１４に示すように、外筒９のないステータ本体１０のみで構成することもできる。ケーシング１の一端部は、段付き形状に形成され、内径側端部２１が円筒状に突出している。エンドスタッド４は、一方の面の中心孔２２の周囲に凹部２３が形成されている。ステータ本体１０は一端側に鍔部２４が形成されている。エンドスタッド４の凹部２３に、ステータ本体１０の鍔部２４、さらにケーシング１の内径側端部２１を挿入することにより、鍔部２４を凹部２３の底面と内径側端部２１の端面との間に挟持してステータ２（ステータ本体１０）を装着することができる。
この構成によれば、ステータ２（ステータ本体１０）を、外径側に変形可能で、前記挟持部分での片持ち構造とすることができる。これにより、構造を簡略化して簡単かつ安価に製作することができる。前記実施形態のように、外筒９とステータ本体１０とを固定するための接着剤もないので、接着剤の耐液性等を考慮する必要もない。
１…ケーシング
２…ステータ
３…ロータ
４…エンドスタッド
５…カップリングロッド
６…カップリング
７…第１開口部
８…接続管
９…外筒
１０…ステータ本体
１４…挿通孔
１５…移送空間
１６…開口
１７…第２開口部
１８…ステーボルト
１９…中央領域
２０…両端領域
２１…内径側端部
２２…中心孔
２３…凹部
２４…鍔部

Claims (11)

  1. 内周面が雌ねじ型に形成された挿通孔を有するステータと、
    前記ステータの挿通孔に挿通される雄ねじ型の軸体からなるロータと、
    を備え、
    前記ロータの外周面と前記ステータの挿通孔の内周面との間に形成される締め代は、横断面に現れる前記挿通孔の開口の両端領域に比べて中央領域が小さい、一軸偏心ねじポンプ。
  2. 前記ステータの開口の輪郭は、短径と長径の比（短径／長径）が０．８３以上０．９６以下の楕円形である、請求項１に記載の一軸偏心ねじポンプ。
  3. 前記ステータの開口の輪郭は、半円と直線とで構成されるレーストラック形状と比較すると、中央領域の締め代が小さくなる条件を満足する単一式で表される、請求項１に記載の一軸偏心ねじポンプ。
  4. 前記ステータの開口の輪郭は、半円と直線とで構成されるレーストラック形状と比較すると、両端領域の締め代が大きくなる条件を満足する単一式で表される、請求項１又は３に記載の一軸偏心ねじポンプ。
  5. 前記ステータの開口の輪郭は、両端領域と中央領域とに、異なる軌跡を描く部位をそれぞれ備える、請求項１に記載の一軸偏心ねじポンプ。
  6. 前記ステータの開口の輪郭は真円の一部を備える、請求項５に記載の一軸偏心ねじポンプ。
  7. 前記ステータの開口の輪郭は楕円の一部を備える、請求項５に記載の一軸偏心ねじポンプ。
  8. 前記ステータの開口の中央領域の輪郭は、外側に向かって凸状に形成されている、請求項３から７のいずれか１項に記載の一軸偏心ねじポンプ。
  9. 前記ステータの開口の輪郭は直線部を備える、請求項１から８のいずれか１項に記載の一軸偏心ねじポンプ。
  10. 前記直線部は、前記中央領域で対向して平行に形成されている、請求項９に記載の一軸偏心ねじポンプ。
  11. 前記ステータは、弾性材料からなるステータ本体のみで構成されている、請求項１から１０のいずれか１項に記載の一軸偏心ねじポンプ。
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