JP3851940B2

JP3851940B2 - ロータリベーンポンプのシール構造

Info

Publication number: JP3851940B2
Application number: JP15154799A
Authority: JP
Inventors: 富治渡部; 勝猪野屋; 護工藤; 義信上野
Original assignee: Arai Seisakusho Co Ltd; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Arai Seisakusho Co Ltd; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2019-05-31
Also published as: JP2000337269A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般にロータリベーンポンプのシール構造、特に、振子式発電装置等に用いられる揺動型ベーンポンプや自動車用ステアリングサーボとして用いられるロータリアクチュエータのシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
海岸に打ち寄せる波の力を利用して発電を行う振子式波力発電装置及びこれに用いる揺動型ベーンポンプは、本発明者等の先願である特許第２５７３９０５号公報、特許第２５３９７４２号公報、及び特開平９ー１２６１５８号公報等に開示されている。
【０００３】
図１０に示すように、振り子式波力発電装置は、ケーソン(１)の水室(２)内に入射した沖からの波が、振り子(３)を揺動させる。この振り子運動で揺動型ベーンポンプ(４)から圧力流体が吐出され、その圧力エネルギにより流体原動機（図示してない）を動かし、発電機運転などを可能とする。
【０００４】
揺動型ベーンポンプ(４)は、図１１及び図１２に示すような構造のもので、軸(５)により揺動させられるロータ(７)は、対向する２個のベーン(８)を備えており、円筒形のケーシング(６)の中に収容されている。ベーン(８)は円筒形のケーシング(６)の内壁に摺接している。
ケーシング(６)の内部には、２個の対向するシールブロックまたは仕切り(９)が内方に突出して、ロータ(７)に摺接している。
従って、２個のベーン(８)及び２個の仕切り(９)により、ケーシングの内部は、４つのポンプ室(10a)(10b)(10c)(10d)に仕切られる。
【０００５】
ポンプ室(10a)(10b)には、それぞれ外部に通ずるポート(11a)(11b)が設けられており、ロータ(７)には、対向するポンプ室(10a)(10c)及び(10b)(10d)を連通させる流体通路(12a)(12b)が穿設されている。
【０００６】
この揺動型ベーンポンプ(４)では、軸(５)が揺動すると、例えば図１２に示す時計方向回転では、ポート(11b)から流体をポンプ室(10b)(10d)へ吸い込み、ポンプ室(10c)(10a)内の流体をポート(11a)から吐出する。反時計方向回転では、ポート(11a)から吸い込み、ポート(11b)から吐出する。
【０００７】
このような作動のために４個のポンプ室(10a)(10b)(10c)(10d)は、吸込側と吐出側とを厳密に仕切る必要から、図１３に示すように、ベーン(８)には直線状シール(13a)(13b)、仕切り(９)には直線状シール(14a)(14b)、ロータ(７)の両側面にはリングシール(15)を設けている。
【０００８】
図１４及び図１５は、金属製の従来のリングシール(15)をケーシング(６)のサイドケース(6a)に形成した溝(16)内に収容した状況を示す図であり、図１４から明らかなように、リングシール(15)は、サイドケース(6a)との間に形成されるギャップ(ｇ１)を通ってギャップ(ｇ２)圧力室から導入される吐出圧(Ｐ)により、そのシール面(Ｓ１)をロータ(７)に押し付けられ、ギャップ(ｇ３)をなくして密封している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような直線状シールには、シールを横切り、吐出側（圧力室）から吸込側（大気室）へ向かう漏れ（これを(ｑ１)で表す）が生ずる。この漏れ(ｑ１)は、先願発明でも可成り小さくすることができている。しかし、リングシールでは、シールを横切り、吐出側（圧力室）から大気側へ向かう漏れ(ｑ１)のほかに、図１５に示すように、シールに沿って流れる漏れ(ｑ２)が存在し、この漏れの値は、意外に大きいものである。
この漏れ(ｑ２)は、ギャップ(ｇ１)及び(ｇ２)が原因である。すなわち、上述のようにギャップ(ｇ１)及び(ｇ２)は、吐出圧(Ｐ)によりリングシールを摺動面(Ｓ１)に押し付けるために必要であるが、反面、図１５に示すように、ポンプ室（圧力室）(10b)をポンプ室（大気室）(10c)に結ぶ通路にもなる。
【００１０】
漏れ(ｑ２)を小さくするには、ギャップ(ｇ１)及び(ｇ２)を小さく（例えば１０μｍ以下）することが必要だが、この場合は、リングシールに働く圧力(Ｐ)が低下し、摺動面(Ｓ１)を押す力が不足して、漏れ(ｑ１)を防止する能力がなくなるという問題が生じる。
【００１１】
本発明は、上述の問題点に鑑み、ロータリベーンポンプのシールを横切る漏れ(ｑ１)とシールに沿って流れる漏れ(ｑ２)との両方を有効に阻止でき、しかもシールの摺動面の摩擦抵抗が増大したり、シール製造コストが大幅に増加したりしないようにしたシール構造を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、上記課題は、次のようにして解決される。
（１）ケーシングと該ケーシングの中に回動可能に収容されたロータとの間にシールを設けたロータリベーンポンプのシール構造において、ポンプ吐出圧を導入してシール摺動面を前記ロータに押し付けてシールを横断する漏れ流路を遮断する部分と、前記シールの外周面と前記ケーシングとのギャップ及び前記シール摺動面の反対側のシール面と前記ケーシングとのギャップを塞いでシールに沿う漏れ流路を遮断する部分とを、交互に組み合わせてシールを構成する。
【００１３】
（２）上記(１)項において、シールをゴム状弾性体により形成し、該シールに、シール摺動面の反対側の面に開口する多数個のポケットを設け、該ポケットに、シールの外周に設けた軸線方向のそれぞれの連通溝を介して吐出圧を導入するようにする。
【００１４】
（３）上記(２)項において、ゴム状弾性体のシールを、そのつぶし代を利用して、ケーシングの溝内外周面及び溝外側面に密着させる。
【００１５】
（４）上記(１)〜(３)項のいずれかにおいて、ゴム状弾性体のシールの心部に、金属その他の弾性係数が大きい部材を挿入する。
【００１６】
（５）上記(１)項において、シールを金属により形成し、該シールに、シール摺動面の反対側のシール面に対向してケーシングに穿設した有底孔に挿置したばね付勢の遮蔽体により、前記シール面と前記ケーシングとの間を通るシールに沿う漏れ流路を遮断するようにする。
【００１７】
（６）上記(１)〜(５)項のいずれかにおいて、ロータリベーンポンプを揺動型のものとし、シールをリングシールとする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明シール構造の一実施形態に用いるリングシール(15)の一部分を示す図である。このリングシール(15)は、ゴム状弾性体製のもので、その外周面(Ｓ０)に軸線方向に設けた連通溝(17)と、ローラとのシール摺接面(Ｓ１)の反対側のシール面(ｂ１)に穿設され、かつ連通溝(17)に連通するポケット(18)とを有するリング部分(Ａ)と、このような１個のリング部分(Ａ)と、これに連設する同様なリング部分(Ａ)との間の部分(Ｂ)とを交互に組み合わせて、環状に形成してなるものである。
【００１９】
これを、ケーシング(６)に組み込んだ状態を図３及び図４に示す。図３に示すように、サイドケース(6a)のリング状の溝(16)内にリングシール(15)を挿入して、ロータ(７)に接触させた状態で、サイドケース(6a)をボルト(19)により円筒状のケース(6b)に取り付ける。
【００２０】
ゴム状弾性体のリングシール(15)の断面寸法は、図１４及び図１５について前述のギャップ(ｇ１)及び(ｇ２)がゼロとなるように、溝(16)に対してつぶし代を持たせた寸法に設定されている。
【００２１】
このようなシール構造では、図３及び図４に示すように、圧力室(10b)から吐出圧(Ｐ)が、リングシール(15)の連通溝(17)を介してポケット(18)に加わると、リングシール(15)は、その摺接面(Ｓ１)が、矢印(Ｆ)の方向に回動するロータ(７)に押し付けられて、前述のギャップ(ｇ３)を通る漏れ(ｑ１)を遮断する。
【００２２】
また、ゴム状弾性体のリングシール(15)は、上述のようにそのつぶし代がギャップ(ｇ１)及び(ｇ２)をゼロとしており、しかもポケット(18)に導入された圧力(Ｐ)が、ポケット間の部分(Ｂ)の弾性体材料を押圧して軸方向及び半径方向に付勢しているので、圧力室(10b)からリングシール(15)に沿って大気室(10c)に至る流路（すなわちギャップ(ｇ１)及び(ｇ２)）は、吐出圧(Ｐ)が加わっても形成されることがない。
【００２３】
なお、各ポケット(18)に働く圧力は、それぞれ独立していて、隣接するポケット(18)には連通していない。
【００２４】
ケース(6b)とサイドケース(6a)とをボルト(19)により結合したケーシング構造では、内部の圧力(Ｐ)によりケースが変形し（例えばサイドケース(6a)が図３の右方に押される）、結果として、ギャップ(ｇ２)は、圧力(Ｐ)の上昇とともに増加することがあるが、上述のシール構造では、材料の弾性により、このような状況下でも、ギャップ(ｇ２)＝０の状態を保つことができる。
【００２５】
図４に示すように、リングシール(15)には圧力室から大気室に向かう円周方向の力(Ｆ)が働くので、これによる円周方向の伸びを極力防止しなくてはならない。このため、図５に示すように、リングシール(15)には、リング状の心金のような金属その他の弾性係数の大きな部材(20)が挿入され、周りのゴム状弾性体に焼き付けられている。
【００２６】
図６〜図９は、リングシール(15)を金属製のものとした実施形態を示す。図６及び図７に示すように、このリングシール(15)の外周面(Ｓ０)には、多数の軸線方向の連通溝(17)が等間隔に穿設されている。
また、サイドケースに穿設したリング状の溝(16)の背後には、多数の有底孔(21)が等間隔に穿設されている。有底孔(21)の直径は溝(16)の幅と等しく、その中にピストン状の遮蔽体(22)が挿入されており、遮蔽体(22)は、ばね(23)によりリングシールのシール面(ｂ１)に付勢されている。
【００２７】
このシール構造では、リングシール(15)のギャップ(ｇ１)はほどんどゼロとなっているが、ギャップ(ｇ２)は存在し、ここに圧力室から圧力(Ｐ)が導入され、リングシール(15)の摺動面(Ｓ１)をロータ(７)に押し付けて、ギャップ(ｇ３)をなくしている。
また、図９に示すように、ピストン(22)は、圧力室から連通溝(17)ないしはギャップ(ｇ１)からリングシール(15)に沿って大気室に達する漏れ通路を遮断し、漏れ(ｑ２)をなくしている。
【００２８】
前述の第１の実施形態（ゴム状弾性体のリングシール）を用いた海水用の揺動型ベーンポンプの実施例（試作中）は次のとおりのデータのものである。

第２の実施形態（金属のリングシール）を用いた油圧用の揺動型ベーンポンプの実施例（振り子式波力発電装置に組み込み運転試験中）

【００２９】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、シールを横切る漏れを遮断するとともに、シールに沿って圧力室から大気側に流れる漏れをも、有効に遮断することができる気密性の高いロータリベーンポンプを、安価に提供することができる。
【００３０】
請求項２記載の発明のようにすると、金型成型法により容易に量産できる複雑な形状のリングシールにより、気密性の高いシール構造を形成することができる。
【００３１】
請求項３記載の発明のようにすると、シール材料の弾性を利用してシールに沿う漏れ流路を有効に遮断することができる。
【００３２】
請求項４記載の発明のようにすると、リングの伸びを防止することができる。
【００３３】
請求項５記載の発明のようにすると、金属のシールに沿う漏れ流路を遮断し、ロータリベーンポンプの気密性を高めることができる。
【００３４】
請求項６記載の発明のようにすると、揺動型ベーンポンプの側面におけるシールに沿う漏れを遮断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシール構造の第１の実施形態に用いるゴム状弾性体のリングシールの一部を一側方より見た拡大斜視図である。
【図２】同じく、他側方より見た拡大斜視図である。
【図３】同じく、そのリングシールの配置を示す揺動型ベーンポンプの隅部の部分拡大縦断正面図である。
【図４】同じく、そのリングシールを側面から見た、揺動型ベーンポンプの隅部の部分拡大縦断側面図である。
【図５】心金を埋設したリングシールの部分拡大断面図である。
【図６】本発明シール構造の第２の実施形態に用いる金属製のリングシールの部分拡大側面図である。
【図７】同じく、その部分斜視図である。
【図８】同じく、そのリングシールの配置を示す揺動型ベーンポンプの隅部の部分拡大縦断正面図である。
【図９】同じく、そのリングシールを側面から見た、揺動型ベーンポンプの隅部の部分拡大縦断側面図である。
【図１０】振子式波力発電装置の概略を示す斜視図である。
【図１１】図１の振子式波力発電装置の揺動型ベーンポンプの縦断正面図である。
【図１２】図２の揺動型ベーンポンプの縦断側面図である。
【図１３】同じく、揺動型ベーンポンプにおけるシールの配置を示す、ロータ付近の斜視図である。
【図１４】従来の金属のリングシールの配置を示す揺動型ベーンポンプの隅部の部分拡大縦断正面図である。
【図１５】従来の金属のリングシールを側面から見た、揺動型ベーンポンプの隅部の部分拡大縦断側面図である。
【符号の説明】
(１)ケーソン
(２)水室
(３)振り子
(４)揺動型ベーンポンプ
(５)軸
(６)ケーシング
(6a)サイドケース
(6b)ケース
(７)ロータ
(８)ベーン
(９)仕切り
(10a)(10b)(10c)(10d)ポンプ室
(11a)(11b)ポート
(12a)(12b)流体通路
(13a)(13b)(14a)(14b)直線状シール
(15)リングシール
(16)溝
(17)連通溝
(18)ポケット
(19)ボルト
(20)弾性係数の大きな部材
(21)有底孔
(22)遮蔽体
(23)ばね
(Ｓ０)外周面
(Ｓ１)シール摺動面
(ｂ１)シール面

Claims

ケーシングと該ケーシングの中に回動可能に収容されたロータとの間にシールを設けたロータリベーンポンプのシール構造において、
ポンプ吐出圧を導入してシール摺動面を前記ロータに押し付けてシールを横断する漏れ流路を遮断する部分と、前記シールの外周面と前記ケーシングとのギャップ、及び前記シール摺動面の反対側のシール面と前記ケーシングとのギャップを塞いで、シールに沿う漏れ流路を遮断する部分とを、交互に組み合わせてシールを構成したことを特徴とするロータリベーンポンプのシール構造。
シールをゴム状弾性体により形成し、該シールに、シール摺動面の反対側の面に開口する多数個のポケットを設け、該ポケットに、シールの外周に設けた軸線方向のそれぞれの連通溝を介して吐出圧を導入するようにした請求項１記載のロータリベーンポンプのシール構造。
ゴム状弾性体のシールを、そのつぶし代を利用して、ケーシングの溝内外周面及び溝外側面に密着させた請求項２記載のロータリベーンポンプのシール構造。
ゴム状弾性体のシールの心部に、金属その他の弾性係数が大きい部材を挿入してなる請求項１〜３のいずれかに記載のロータリベーンポンプのシール構造。
シールを金属により形成し、該シールに、シール摺動面の反対側のシール面に対向してケーシングに穿設した有底孔に挿置したばね付勢の遮蔽体により、前記シール面と前記ケーシングとの間を通るシールに沿う漏れ流路を遮断するようにした請求項１記載のロータリベーンポンプのシール構造。
ロータリベーンポンプを揺動型のものとし、シールをリングシールとした請求項１〜５のいずれかに記載のシール構造。