JP3824281B2 - 高粘度流体圧送用内接歯車ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に油や印刷用インキなどの高粘度の流体を圧送するのに適した内接歯車ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内接歯車ポンプとして、トロコイド歯形をもつロータを互いに内接させたトロコイドポンプが知られている。トロコイドポンプは、ケーシングの内部に、アウタロータを回転自在に収容するとともに、アウタロータの内側に、アウタロータの歯数よりも１つ少ない歯数のインナロータを内接させることにより、アウタロータとインナロータとが接触する仕切点どうしの間に容積室を形成して構成されている。そして、インナロータを回転させることにより、アウタロータを同一方向へ連れ回りさせ、容積室の容積が増加する位置に配置した吸入口から流体を吸入し、容積室の容積が減少する位置に配置した吐出口へ流体を吐出するようになっている。なお、以下の説明においては、アウタロータとインナロータとを総称する場合には、単にロータと称する。
【０００３】
ここで、吸入口と吐出口は、ケーシングの側部を閉塞するカバーに形成され、容積室の回転軌跡を包合するようにほぼ半円弧状とされている。また、吸入口と吐出口を円形の孔に形成し、孔と容積室との間を連通する凹部（以下、ポートと称する）をケーシングやカバーの内面に設けたものもある。さらに、ロータの端面の縁部に面取を施して、テーパランドを設けたトロコイドポンプも提供されている。このトロコイドポンプは、テーパランドとケーシングの内面との間の隙間に流体を溜めておくことにより、流体をアウタロータの端面とケーシングの内面との摺接面に浸み込ませ、そこでの空気の流通を遮断するようになっている。すなわち、吐出側の容積室から吸入側の容積室への空気の漏洩を防止することにより、トロコイドポンプの空回りを防止するとともにポンプ効率を向上させるようになっている。また、これと同じ目的でロータの端面に線状の溝やディンプルを設けたものも提供されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のトロコイドポンプにおいては、比較的低粘度の流体では優れたポンプ性能を示すものの、印刷用のインクのような粘度が高い流体の場合には、ロータを回転しても空回りして流体をポンプの搬送空間部分に吸い込むまでに長い時間がかかったり、吸い込みが不十分な状態となってポンプ機能を十分に果たさないことがあった。そこで、ケーシングにロータを組み込む際に、両者のいずれかにグリースなどのシール材料を塗布しておくことが行われた。しかしながら、その方法では、使用の初期の頃のポンプ性能は改善することができたものの、しばらく使用するとシール材料が消耗してポンプ性能が低下することが判った。
【０００５】
このような問題が生じる原因は、ロータ側面とケーシング内面との摺接面のシール性が不充分なために、粘度が高く吸引抵抗が大きい流体では、これに優先して摺接面から漏洩する空気を吸い込んでしまうからである。また、ポートを有するトロコイドポンプでは、吐出側のポートから摺接面に流体が押し出されて空気の漏洩を遮断する効果も期待されているが、ポートが大きすぎてポートの空間内に流体が容易に充満できず、いずれにしても上記した不具合を解消するには至っていない。
したがって本発明は、高粘度の流体であっても円滑に運転することができる内接歯車ポンプを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の内接歯車ポンプは、ケーシングの内部に、内歯を有するアウタロータを回転自在に設け、このアウタロータの内側に外歯を有するインナロータを内接させるとともに、上記ケーシングの開放された一端側がカバーによって閉塞された構造を有し、上記アウタロータおよびインナロータを回転させることにより、上記アウタロータの内歯と上記インナロータの外歯とが接触する仕切部どうしの間に形成される容積室を回転させながら容積を変化させ、容積が増加する容積室へ吸入口を介して流体を吸入するとともに容積が減少する容積室から吐出口へ流体を吐出する内接歯車ポンプにおいて、上記ケーシングの上記アウタロータおよびインナロータと摺接する内面のうち容積が減少する容積室が位置する部分に、容積室の回転方向に沿って延在する凹部を設け、この凹部を、容積が減少し始める位置における容積室と容積が増加し始める位置における容積室との円周方向中間部に配置し、さらに、凹部の外周側の縁部を上記内歯の歯底の回転軌跡よりも内周側に配置するか、凹部の内周側の縁部を上記外歯の歯底の回転軌跡よりも外周側に配置するか少なくともいずれか一方の配置を有することを特徴としている。
【０００７】
上記構成の内接歯車ポンプにあっては、容積室の容積が増加することにより、その内部へ流体が吸入口を介して流入する。そして、容積室が回転して容積を減少し始めると容積室が凹部に重なり合い、容積室内の流体が凹部に吐出される。こうして、流体を吐出する容積室のそれぞれは凹部を介して互いに連通し、加圧された流体は、容積室から吐出口へ、あるいは凹部から吐出口へ吐出される。
ここで、上記内接歯車ポンプにおいて、容積が減少し始める位置における容積室と、容積が増加し始める位置における容積室との円周方向中間部に凹部を配置したのは、それら容積室に凹部が重なり合っていると、吐出側の容積室が吸入側の容積室と連通することになり、ポンプとして機能しなくなるからである。この場合、凹部の円周方向の縁部をこれら容積室を区画する仕切部に一致させることができる。
あるいは、凹部の円周方向縁部を仕切部よりも円周方向の内側に配置することもできる。このように構成することにより、容積室の容積が減少しているときに同容積室が凹部と重なり合っていない状態が生じ、加圧された流体の行き場が無い閉込みと呼ばれる状態となる。その結果、加圧された流体がロータとケーシングとの摺接面がなす隙間に押し出されて隙間をシールする。
【０００８】
また、上記構成の内接歯車ポンプでは、凹部の外周側の縁部がアウタロータの内歯の歯底の回転軌跡よりも内周側に位置するか、凹部の内周側の縁部がインナロータの外歯の歯底の回転軌跡よりも外周側に位置するか少なくともいずれか一方の配置を有しているから、容積が減少しつつある容積室に凹部と重なり合わない閉塞部分が生じる。その閉塞部分が容積減少により加圧されると、流体の粘度が低い場合には凹部へ速やかに流入して圧力を開放するが、流体の粘度が高い場合には流体が閉塞部分に留められ、閉込みと同様の状態になる。すなわち、本発明では、流体の粘度が高ければ高い程流体の閉込みが起こり易くなり、上述したと同様に、ロータとケーシングとの隙間が流体によってシールされ易くなる。なお、そのような効果を確実に得るためには、閉塞部分の半径方向の寸法差は０．５ｍｍ以上であることが望ましい。
このように、本発明においては、流体の閉込み作用を起こり易くすることによりロータとケーシングとの隙間を流体でシールし、吐出側から吸入側への空気の漏洩を確実に防止することができる。よって、高粘度の流体であってもロータが空回りすることがなく、円滑に運転することができる。
なお、閉込みの状態を確実に得るためには、凹部の外周側の縁部をアウタロータの内歯の歯底の回転軌跡よりも内周側に配置し、かつ、凹部の内周側の縁部をインナロータの外歯の歯底の回転軌跡よりも外周側に配置するのが望ましい。
【０００９】
凹部は、ケーシングおよびカバーの片側だけに設けることができる。この場合、吐出口の位置は凹部と同じ側であっても反対側であっても良い。また、その半径方向の幅がロータの回転方向へ向かうに従って漸次減少するような形状が望ましい。具体的には、凹部の外周側の縁部は、アウタロータの回転中心を中心とする円弧とし、内周側の縁部は、インナロータの回転中心を中心とする円弧とする。これにより、凹部の形状をロータの回転方向へ向けて先細りとなる略三日月状にする。凹部をこのように構成することにより、上述した閉塞部分がどの容積室においても形成され、流体によって隙間が均一にシールされる。
なお、凹部をケーシングおよびカバーの両側に設けることもでき、凹部を両側に設けることにより、流体が容積室から吐出口へ円滑に吐出され、脈動などの発生を有効に防止することができる。
【００１０】
ところで、閉塞部分の流体は容積室から凹部へと流れるから、凹部が深過ぎると流体が流れ易くなって閉込みが生じ難くなる。一方、凹部が浅すぎると閉込みが許容限度を越え、ロータが回転しなくなるか、回転させることができても過大なトルクを必要とする。そこで、本発明者等は、凹部の深さについて定量的に解析した結果、流体に適度な閉込みを生じさせることができる凹部の深さを見い出した。すなわち、本発明によれば、インキなどのように粘度が１．８〜２．７×１０^６ｃＰの範囲の場合の凹部の適切な深さ（凹部をケーシングおよびカバーの両側に設けた場合には深さの合計）は、０．２ｍｍ以上で０．４ｍｍ以下である。
上記した凹部は、ロータの回転方向に沿って連続したものであるが、断続的に複数設けることもできる。ただし、この場合には、容積室どうしを互いに連通させるためにロータの反対側にも凹部を設ける必要がある。また、反対側にも断続的な凹部を設ける場合には、両側の凹部を平面的に投影したときに投影図が互いに連続するように配置する必要がある。このようにすることにより、容積室どうしが常に連通し、ポンプの円滑な運転が可能となる。
【００１１】
さらに、ケーシングのアウタロータおよびインナロータと摺接する内面のうち容積が増加する容積室が位置する部分に、容積室の回転方向に沿って延在する凹部を設けることも可能である。このような吸入側の凹部を全く形成しない場合でも良好なポンプ性能を示すが、吸入側にも凹部に流体が満たされてロータの端面やケーシングの内面が濡れることにより、吐出側から漏洩する空気が遮断されるので、ロータとケーシングの隙間のシール性能を向上させることができる。
ただし、この場合の凹部も、上述したと同じ理由により、容積が減少し始める位置における容積室と、容積が増加し始める位置における容積室との円周方向中間部に配置する必要がある。また、この凹部は、ケーシングおよびカバーの片側だけか両側に設けることができるが、各凹部の深さは１ｍｍ以下にすることが望ましい。凹部の深さが１ｍｍを上回ると、流動性の低い流体では凹部の空間に流体が満たされずに空隙部分が残り、シール性能を低下させてしまうからである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
Ａ．トロコイドポンプの構成
以下、図１ないし図４を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、トロコイドポンプ（内接歯車ポンプ）の横断面図である。図中符号１はケーシングであり、ケーシング１には、有底円筒状の穴１ａが形成されている。穴１ａには、トロコイド歯形の内歯を有するアウタロータ３が回転自在に嵌合させられている。このアウタロータ３の内側には、トロコイド歯形の外歯を有するインナロータ２が内接させられ、両者の回転中心はそれぞれＡとＢとなっている。インナロータ２の外歯の歯数は、アウタロータ３の内歯の歯数よりも１つ少なく、内歯と外歯は、図１に示すように、仕切点（仕切部）Ｐ１〜Ｐ８で互いに接触している。そして、ケーシング１の開放された一側部は、カバー４（図２（ｂ）参照）によって閉塞され、互いに隣接する仕切点Ｐ１〜Ｐ８どうしの間に形成された空間が、流体搬送空間である容積室Ｖ１〜Ｖ８とされている。なお、以下の説明においては、図１に示すトロコイドポンプの右半分を吸入側Ｓ、左半分を吐出側Ｄと称する。
【００１３】
次に、図２を参照してケーシング１とカバー４の内面の構成について説明する。ケーシング１の穴１ａの底（ロータ２，３の端面との摺動面）の吸入側Ｓには、平面視略円弧状をなす深さが０．５ｍｍのポート（凹部）１１が形成されている。ポート１１の両端部は、図１に示す仕切点Ｐ１およびＰ４に位置している。また、インナロータ２の外歯の歯底の半径をＲ３とすると、ポート１１の内周側の輪郭線は回転中心Ｂを中心とし半径Ｒ３の円弧と一致するか、あるいはその円弧よりも内周側に位置している。また、アウタロータ３の内歯の歯底の半径をＲ４とすると、ポート１１の外周側の輪郭線は、回転中心Ａを中心とし半径Ｒ４の円弧と一致するか、あるいはその円弧よりも外周側に位置している。これにより、ポート１１は、吸入側Ｓの容積室Ｖ２〜Ｖ４全体をカバーするように包合している。
【００１４】
また、ケーシング１の穴１ａの底の吐出側Ｄには、異形ポート（凹部）１０が形成されている。この異形ポート１０は、深さが０．３ｍｍとされ、その両端部は図１の仕切点Ｐ５および仕切点Ｐ８にそれぞれ位置している。この異形ポート１０は、インナロータ２の回転中心Ｂを中心とし半径Ｒ２の円弧と、アウタロータ３の回転中心Ａを中心とし半径Ｒ１の円弧とで囲まれる略三日月状をなしている。異形ポート１０の内周側の輪郭線の半径Ｒ２は、インナロータ２の歯底の半径Ｒ３より大きく、外周側の輪郭線の半径Ｒ１は、アウタロータ３の歯底の半径Ｒ４より小さくされている。これら半径Ｒ１，Ｒ２のオフセット量（Ｒ３，Ｒ４との差）は、０．５ｍｍ以上とされている。
【００１５】
次に、カバー４には、流体の吸入口５および吐出口６が断面円形の貫通孔として形成されている。また、カバー４の吸入側Ｓには、ポート１３がケーシング１に設けたポート１１と同じ位置に形成されている。ポート１３は、ポート１１と同じ大きさで勝手反対の形状とされ、深さは０．５ｍｍとされている。そして、カバー４は、ケーシング１の一側部に取り付けられ、その内面がロータ２，３の端面と摺接するようになっている。
【００１６】
Ｂ．トロコイドポンプの作用・効果
次に、上記構成のトロコイドポンプの動作について説明する。図１に示す状態では、容積室Ｖ１の容積が最も小さく、容積室Ｖ５の容積が最も大きくなっている。この状態からロータ２，３を図中矢印方向へ回転させると、容積室Ｖ１〜Ｖ４の容積は増加し、容積室Ｖ５〜Ｖ８の容積は減少する。ここで、ポート１１，１３の一端部は図１に示す仕切点Ｐ１に位置しているから、ロータ２，３が回転し始めると直ちにポート１１，１３に容積室Ｖ１が連通し、容積を増加しつつある容積室Ｖ１〜Ｖ４の総てがポート１１，１３と連通することになる。そして、容積室Ｖ１〜Ｖ４に生じた負圧により、流体が吸入口５からポート１３を経由して各容積室Ｖ１〜Ｖ４に送られ、ポート１１も流体で満たされるようになる。
【００１７】
次に、異形ポート１０の一端部は図１に示す仕切点Ｐ５に位置しているから、ロータ２，３が回転し始めると直ちにポート１０に容積室Ｖ５が連通し、容積を減少しつつある容積室Ｖ５〜Ｖ８の総てが異形ポート１０と連通することになる。そして、容積室Ｖ５〜Ｖ８内の流体が加圧されることにより、吐出口６に対向する容積室（例えばＶ７）から吐出口６へ流体が吐出される。
ここで、図３を参照して吐出側Ｄにおける流体の流れを説明する。図３は、仕切点８の近傍の縦断面図であり、説明の便宜のために要部を拡大誇張して模式的に示してある。図３に示すように、インナロータ２とアウタロータ３の間に容積室Ｖ８があり、ケーシング１のロータ２，３との摺動面には、異形ポート１０が位置している。そして、加圧搬送されてきた容積室Ｖ８の流体は、異形ポート１０内に圧送充填される。この場合、異形ポート１０は、ロータ２，３の回転方向に向かうに従って楔状に狭くなっているから、容積の小さい容積室Ｖ８も異形ポート１０と部分的に重なり合い、図３に斜線で示すような閉塞部分Ｖが容積室Ｖ８に生じている。
【００１８】
今、インナロータ２が図中矢印Ｘ方向へ移動すると、容積室Ｖ８内の流体が加圧されるが、流体の粘度が高い場合には、流体は異形ポート１０に速やかに流出することなく閉塞部分Ｖに留められる。その結果、容積室Ｖ８の内部が閉込みと同様の状態となり、ロータ２，３とケーシング１およびカバー４との隙間に流体が押し出される。そして、この流体がシールとなって吐出側Ｄから吸入側Ｓへの空気の漏洩が防止され、吸入側Ｓでの負圧が高められてポンプ効率が向上する。よって、高粘度の流体であってもロータ２，３が空回りすることがなく、円滑に運転することができる。
特に、上記実施の形態では、吸引側Ｓにもポート１１，１３を設けているので、図４に示すように、ポート１１，１３が流体で満たされることにより、ロータ２，３の端面を濡らしてシールする。これにより、吐出側Ｄの異形ポート１０のシール効果と相まって、吐出側Ｄから漏洩する空気がほぼ完全に遮断され、ロータ２，３とケーシング１の隙間のシール性能を大幅に向上させることができる。なお、ポート１１，１３のうちいずれか一方のみを設けることもでき、あるいは、いずれも設けない構成にすることも可能である。この場合も、上記と同等の作用、効果を得ることができる。
【００１９】
なお、液体として粘度２．７×１０⁶ｃＰの印刷用インクを用い、吸入口５の負圧を測定した結果によれば、吐出側Ｄの異形ポート１０を設けた本発明のトロコイドポンプでは、従来構造のトロコイドポンプに比べて、負圧が５０％高くなった。
また、吐出側Ｄの異形ポート１０に加えて、吸入側Ｓのポート１１，１３を設け、その深さを１ｍｍ以下としたトロコイドポンプでは、従来構造のトロコイドポンプの負圧より７５％高くなった。
一方、吸入側Ｓのポート１１，１３の深さを２．５ｍｍにしたものでは、従来のものに近い負圧を示し、ポート１１，１３の深さを深くするとインクの吸い込み状態が悪くなることが判った。
【００２０】
Ｃ．変更例
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、以下のように種々の変更が可能である。
▲１▼図５に示すように、カバー４の吐出側Ｄにも上記異形ポート１０と同等の異形ポート１２を形成することができる。このように構成することにより、流体が容積室Ｖ５〜Ｖ８から吐出口６へ円滑に吐出され、脈動などの発生を有効に防止することができる。なお、ケーシング１にロータ２，３を装着する際に、摺動する部分に予め流体を塗布しておけば、初期の慣らし運転時間を短縮することができる。
▲２▼図６に示すように、ケーシング１の吐出側Ｄに、複数の異形ポート１０をロータの回転方向に沿って断続的に設けることができる。なお、この場合には、カバー４の吐出側Ｄを図２（ｂ）または図５のように構成することができる。
▲３▼異形ポート１０の内周側の輪郭線は、回転中心Ｂを中心とし半径Ｒ３の円弧よりも内周側に位置させても良い。この場合もアウタロータ３の歯底の部分に閉塞部分が生じるので、上記と同様に閉込みの状態を得ることができる。同様に、異形ポート１０の外周側の輪郭線は、回転中心Ａを中心とし半径Ｒ４の円弧よりも外周側に位置させることができ、インナロータ２の歯底の部分に閉塞部分を設けるようにすることもできる。
▲４▼ロータ２，３の歯形はトロコイド歯形に限らず、インボリュート歯形やその他の歯形を用いることができる。
▲５▼インナロータの歯数は奇数であっても良い。
▲６▼上記実施の形態はインナロータの歯数がアウタロータの歯数よりも１つ少ない例であるが、３つあるいはもっと多数の歯数差を設けても良い。なお、この場合には、インナロータとアウタロータどうしが接触しない隙間が生じるので、その隙間を閉塞するための仕切板が必要となる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の内接歯車回転ポンプによれば、流体の閉込み作用を起こり易くすることによりロータとケーシングとの隙間を流体でシールし、吐出側から吸入側への空気の漏洩を確実に防止することができる。よって、ペースト状のような高粘度の流体であってもロータが空回りすることなく円滑に運転することができ、利用分野が拡大するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態のトロコイドポンプの横断面図である。
【図２】 （ａ）は実施の形態のトロコイドポンプのケーシングの構造を示す平面図であり、（ｂ）はカバーの構造を示す平面図である。
【図３】 トロコイドポンプの吐出側の縦断面を模式的に示した図である。
【図４】 トロコイドポンプの吸入側の縦断面を模式的に示した図である。
【図５】 カバーの構造の変更例を示す平面図である。
【図６】 異形ポートの変更例を示す平面図である。
【符号の説明】
１…ケーシング、２…インナロータ、３…アウタロータ、４…カバー、
５…吸入口、６…吐出口、１０，１２…異形ポート（凹部）、
１１，１３…ポート（凹部）、Ｐ１〜Ｐ８…仕切点（仕切部）、
Ｖ１〜Ｖ８…容積室。

Claims (3)

1. ケーシング１の内部に、内歯を有するアウタロータ３を回転自在に設け、このアウタロータ３の内側に外歯を有するインナロータ２を内接させるとともに、上記ケーシング１の開放された一端側がカバー４によって閉塞された構造を有し、上記アウタロータ３およびインナロータ２を回転させることにより、上記アウタロータ３の内歯と上記インナロータ２の外歯とが接触する複数の仕切部Ｐ１〜Ｐ８どうしの間に形成される複数の容積室Ｖ１〜Ｖ８を回転させながら容積を変化させ、容積が増加する複数の容積室Ｖ１〜Ｖ４へ吸入口５を介して流体を吸入するとともに容積が減少する複数の容積室Ｖ５〜Ｖ８から吐出口６へ流体を吐出する内接歯車ポンプにおいて、
   上記ケーシング１および上記カバー４の片側または両側の上記アウタロータ３およびインナロータ２と摺接する内面のうち容積が減少する複数の容積室Ｖ５〜Ｖ８が位置する部分に、容積室の回転方向に沿って延在し、かつ上記片側または両側の深さの合計が０．２〜０．４ｍｍの吐出側凹部１０を設け、さらに、吐出側凹部１０の外周側の縁部を上記内歯の歯底の回転軌跡Ｒ４よりも内周側に配置するか、吐出側凹部１０の内周側の縁部を上記外歯の歯底の回転軌跡Ｒ３よりも外周側に配置するか少なくともいずれか一方の配置を有し、かつ、上記吐出側凹部１０の半径方向の幅を上記アウタロータ３およびインナロータ２の回転方向へ向かうに従って漸次減少させるとともに、上記ケーシング１および上記カバー４の片側または両側の上記アウタロータ３およびインナロータ２と摺接する内面のうち容積が増加する複数の容積室Ｖ１〜Ｖ４が位置する部分に、容積室の回転方向に沿って延在し、かつ上記片側または両側の深さが各々１ｍｍ以下の吸入側凹部１１を設けたことを特徴とする粘度が１．８〜２．７×１０ ^６ ｃＰの高粘度流体圧送用内接歯車ポンプ。
2. 前記吐出側凹部１０を、前記容積室の回転方向に沿って断続的に複数設けたことを特徴とする請求項１に記載の高粘度流体圧送用内接歯車ポンプ。
3. 前記吐出側凹部１０における前記外周側の縁部の半径方向寸法Ｒ１と前記内周側の縁部の半径方向寸法Ｒ２の差が０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の高粘度流体圧送用内接歯車ポンプ。

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