JP4333734B2 - ベーンポンプ - Google Patents

Description

本発明はベーンポンプに関する。

一般的なベーンポンプとしては例えば図１０に示すものが知られている。このベーンポンプ１は、ロータ室２にロータ３を偏心させて収納している。ロータ３には複数状のベーン溝１９を放射状に形成してあり、各ベーン溝１９にはベーン４を摺動自在に収納している。各ベーン４はロータ３のラジアル方向に移動自在となっている。ロータ３を回転駆動すると、各ベーン４の先端部はロータ室２の内周面２ａに摺接し、これによりロータ室２の内面とロータ３の外周面３ａとベーン４とで囲まれた作動室５の容積が大小変化し、この作動室５を介して吸入口６からの作動流体を吐出口７から排出する。例えば特許文献１には図１０と同様のベーンポンプが開示されている。

ところで上記図１０に示すベーンポンプは、ロータ３の外周面３ａから突出するベーン４により作動室５内の作動流体に圧力を加えることはできるが、ロータ３の外周面３ａにおいて隣り合うベーン４間の部分は凹凸のない滑らかな円弧状の曲面となり、作動室５内で流体の流れが生じ難くなっており、このため作動室５内の流体にそれ程圧力を発生させることができずポンプ性能が悪いという問題がある。
特開昭６２−２９１４８８号公報

本発明は上記従来の問題点に鑑みて発明したものであって、作動室内の作動流体の圧力を高めて吐出口から効率良く作動流体を送り出すことができ、ポンプ性能を向上できるベーンポンプを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明に係るベーンポンプは、ロータ室２に収納したロータ３と、ロータ３に設けられて先端がロータ室２の内周面２ａに摺接される複数のベーン４と、ロータ室２の内面とロータ３の外周面３ａとベーン４とで囲まれてロータ３の回転駆動によりその容積を大小変化させる作動室５と、容積拡大過程の作動室５に作動流体を流入させる吸入口６と、容積縮小過程の作動室５から作動流体を排出させる吐出口７とを備え、ロータ３の外周面３ａにおいて隣り合うベーン４間の部分に羽根部２７を突設し、前記羽根部２７のロータ３の回転方向における前側の面をロータ３のスラスト方向の中央部が両端側よりもロータ３の回転方向の後側に位置する凹面３０として成ることを特徴とする。このようにロータ３の外周面３ａにおいて隣り合うベーン４間の部分に羽根部２７を突設することで、回転駆動するロータ３に設けた羽根部２７によりロータ３の外周面３ａとロータ室２の内周面２ａの間に形成された作動室５の作動流体中に渦流が発生し、これにより作動室５内の作動流体の圧力を高めることができる。また、羽根部２７のロータ３の回転方向における前側の面をロータ３のスラスト方向の中央部が両端側よりもロータ３の回転方向の後側に位置する凹面３０とすることで、ロータ３の回転駆動時においては羽根溝２８内の作動流体中にロータ３のスラスト方向の両側から中央に向かって流れる渦流が発生し、これにより作動室５内の作動流体の圧力をより高めることができる。

また請求項２は請求項１において、ロータ３の外周面３ａにおいて隣り合うベーン４間の部分に前記羽根部２７をロータ３の周方向に複数突設し、隣り合う羽根部２７間に形成された羽根溝２８をロータ３のスラスト面３ｂから開口させて成ることを特徴とする。このように羽根溝２８をロータ３のスラスト面３ｂから開口させることで、該開口に対向するロータ室２の内底面２ｂに羽根溝２８内の作動流体が接触して流れが生じ、これにより作動室５内の作動流体の圧力をより高めることができる。

また請求項３は請求項１又は請求項２において、前記ロータ３の外周面３ａから突出する羽根部２７の突端部をロータ３の回転方向の前側に向けて突出して成ることを特徴とする。このように羽根部２７の突端部をロータ３の回転方向の前側に向けて突出することで、ロータ３を回転駆動した場合には、羽根溝２８内の作動流体中に羽根部２７の突端側から基端側に向かって流れる渦流が発生し、これにより作動室５内の作動流体の圧力をより高めることができる。

請求項１に係る発明では、回転駆動するロータに設けた羽根部によりロータの外周面とロータ室の内周面の間に形成された作動室の作動流体中に渦流が発生し、これにより作動室内の作動流体の圧力を高めて吐出口から効率良く作動流体を送り出すことができる。また、羽根部のロータの回転方向における前側の面をロータのスラスト方向の中央部が両端側よりもロータの回転方向の後側に位置する凹面とすることで、ロータの回転駆動時においては羽根溝内の作動流体中にロータのスラスト方向の両側から中央に向かって流れる渦流が発生し、これにより作動室内の作動流体の圧力をより高めて吐出口からより効率良く作動流体を送り出すことができる。

また請求項２に係る発明では、請求項１に係る発明の効果に加えて、また羽根溝をロータのスラスト面から開口させることで、該開口に対向するロータ室の内底面に羽根溝内の作動流体が接触して流れが生じ、これにより作動室内の作動流体の圧力をより高めて吐出口からより効率良く作動流体を送り出すことができる。

また請求項３に係る発明では、請求項１又は請求項２に係る発明の効果に加えて、羽根部の突端部をロータの回転方向の前側に向けて突出することで、ロータを回転駆動した場合には、羽根溝内の作動流体中に羽根部の突端側から基端側に向かって流れる渦流が発生し、これにより作動室内の作動流体の圧力をより高めて吐出口からより効率良く作動流体を送り出すことができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。図１乃至図４に示す本例のベーンポンプ１は例えば燃料電池に燃料を供給するためのポンプとして利用され、ケーシング１０内に設けたロータ室２にロータ３を偏心させて収納し、先端がロータ室２の内周面２ａに摺接される複数のベーン４をロータ３に設け、ケーシング１０に吸入口６及び吐出口７をロータ室２に至るように設け、ロータ３を回転駆動させることでロータ室２の内面とロータ３の外周面３ａとベーン４とで囲まれた作動室５の容積を大小変化させて、作動室５を介して吸入口６からの作動流体を吐出口７から排出する構成を有する。以下詳述する。

本例ではロータ３のスラスト方向（ロータ３の軸方向）を上下方向とするものであり、ロータ３を収納するケーシング１０はロータ３の上方に位置する上ケース１１とロータ３の下方に位置する下ケース１２とをパッキン１３を介して合わせることで形成されている。なお図１の１４は上ケース１１と下ケース１２を締結させる締結具用の孔である。上ケース１１には下ケース１２との合わせ面から上方に凹没した上凹所１５が形成され、下ケース１２には上ケース１１との合わせ面から下方に凹没した下凹所１６が形成され、この上凹所１５と下凹所１６を合わせることでロータ室２が形成される。

上凹所１５にはロータ３の上部が位置し、下凹所１６にはロータ３の下部が位置する。上凹所１５はロータ３の外径よりも大きな内径形状を有し、下凹所１６はロータ３の外径と略同じ内径を有する。つまり下凹所１６は上凹所１５よりも小さい内径に形成してあり、上ケース１１と下ケース１２とを合わせた際には下凹所１６はロータ３と同様に上凹所１５の偏心位置に位置する。上凹所１５の周縁部分にはリング材１７が嵌合されてリング材１７の内周面がロータ室２の内周面２ａを構成する。ロータ室２はロータ３のスラスト方向から見た断面が円形であるが、リング材１７の内周形状を変化させることで容易に平面視楕円形等の任意形状にできる。また、上ケース１１には作動流体を作動室５に引き込む吸入口６と作動流体を作動室５から排出する吐出口７とが形成されており、リング材１７の貫通孔１７ａを介して作動室５となるロータ室２にそれぞれ連通されている。また、下ケース１２の下方には下凹所１６の内底面に隣接するようにステータ２３が配置されている。

ロータ３は中央に軸受部１８を備えて平面視円形に形成されている。ロータ３の上部にはロータ３のラジアル方向に伸びるベーン溝１９をロータ３の周方向に等間隔で複数条（本例では４つ）放射状に形成してあり、各ベーン溝１９はロータ３の外周面３ａ及びロータ３の上面から開口している。またロータ３の下部にはマグネットから成る磁性体２２が一体に装着されている。

ロータ３は、軸受部１８がロータ室２を上下に貫く固定軸２０に回転自在に挿通されることで、外周面３ａがロータ室２の内周面２ａに対向すると共にロータ３の一方のスラスト面３ｂ（上面）が上凹所１５の底面が構成するロータ室２の内底面２ｂに対向するようにしてロータ室２に回転自在に配置される。固定軸２０は対向するロータ室２の内底面２ｂの偏心位置と下凹所１６の内底面の中央部とに設けた軸着部２１に回転不能状態で支持されている。

ロータ３の各ベーン溝１９にはベーン４を摺動自在に収納してあり、これにより各ベーン４はロータ３のラジアル方向に移動自在となってロータ３の外周面３ａから出没自在となる。

上記ロータ３をロータ室２に配置した際には磁性体２２とステータ２３とが隣接して配置されるが、この隣接する磁性体２２とステータ２３とはロータ３を図１の矢印ａに示す一方向に回転駆動させる駆動部を構成する。つまり、この駆動部は、図示しない電源部からステータ２３に電流を入力することで、ステータ２３と磁性体２２との間の磁気作用によって磁性体２２に回転トルクを発生させるものであり、この回転トルクにより磁性体２２、ひいてはロータ３が回転駆動されるようになっている。

ロータ室２に収納したロータ３を駆動部にて回転駆動させた際には、各ベーン４はロータ３が回転することによる遠心力を受けてロータ３の外周面３ａから外方へ突出させてその先端をロータ室２の内周面２ａに摺接させるのであり、ロータ室２の内面（内周面２ａや内底面２ｂ等）とロータ３の外周面３ａとベーン４とで囲まれた複数の作動室５をロータ室２に形成する。ロータ３はロータ室２の偏心位置にあるから、ロータ室２の内周面２ａとロータ３の外周面３ａとの距離はロータ３の回転位置に応じて異なると共にベーン４のロータ３からの突出量もロータ３の回転位置に応じて異なるのであり、つまりロータ３を回転駆動させることで各作動室５はロータ３の回転方向に移動しながらその容積を大小に変化させる。すなわち、各作動室５は吸入口６に連通する位置にある時にはロータ３の回転に伴い容積が増大し、吐出口７に連通する位置にある時にはロータ３の回転に伴い容積が減少するようにされ、従ってロータ３を回転駆動すれば、作動流体が吸入口６からこれに連通する作動室５内に流入し、この作動室５内で圧縮された後に吐出口７から吐出されるのであり、これによりポンプとして機能する。

ここでロータ３の外周面３ａにおいて各ベーン４（ベーン溝１９）とこれと隣り合うベーン４（ベーン溝１９）の間の部分にはロータ３の周方向に複数の羽根部２７をロータ３と一体に突設してあり、各羽根部２７はロータ３の周方向に等間隔で設けられている。各羽根部２７はロータ３の中心からラジアル方向の外側に向かう方向に突出し、その突出長さはロータ室２の内周面２ａに接しない長さに設定されている。各羽根部２７のロータ３の回転方向における前側（矢印ａに示す方向）の面はロータ３の周方向に対して垂直な面となっている。各羽根部２７間にはロータ３の外周面３ａから開口する羽根溝２８が形成され、各羽根溝２８のロータ３のスラスト方向における両端は閉塞している。上記のようにロータ３の外周面３ａにおいて隣り合うベーン４間の部分に羽根部２７を突設することで、回転駆動するロータ３に設けた各羽根部２７によりロータ３の外周面３ａとロータ室２の内周面２ａの間に形成された作動室５の作動流体中に図１のｂに示すような渦流が発生し、これにより作動流体の圧力を高めて吐出口７から効率良く作動流体を送り出すことができる。

また上記実施の形態の一例の各羽根溝２８はロータ３のスラスト方向における両端を閉塞したが、各羽根溝２８をロータ３のスラスト面から開口させることが好ましい。図５及び図６（ａ）に示す例ではロータ３のスラスト方向の両側のスラスト面のうち一方のスラスト面を構成する上面を開口側スラスト面３ｂとし、各羽根溝２８のスラスト方向における一端を開口側スラスト面３ｂから開口させている。また図６（ａ）では各羽根部２７の突端面はロータ３のラジアル方向に対して垂直な断面直線状の面となっている。

なおこの場合の羽根部２７の突端部のロータ３の回転方向で見た断面形状としては、図６（ａ）のように各羽根部２７の突端面をロータ３のラジアル方向に対して垂直な断面直線状の面とするものの他に、例えば図６（ｂ）や図６（ｃ）に示すものが考えられる。図６（ｂ）では羽根部２７の突端面を開口側スラスト面３ｂ側に行く程ロータのラジアル方向の内側（ロータ３の中心側）に位置するように湾曲したロータ３の中心側に凸となる弧状の面としている。また図６（ｃ）では羽根部２７の突端面において開口側スラスト面３ｂ側の半部を開口側スラスト面３ｂ側に行く程ロータ３のラジアル方向の内側（ロータ３の中心側）に位置するように湾曲したロータ３の中心側に凸となる弧状の面とすると共に、開口側スラスト面３ｂとは反対側の半部を開口側スラスト面３ｂと反対側に行く程ロータ３のラジアル方向の内側に位置するように湾曲したロータ３の中心側に凸となる弧状の面としている。なお図６（ａ）〜（ｃ）の例では各羽根部７のロータ３のスラスト方向における一端面を開口側スラスト面３ｂと面一としている。

このように隣り合う羽根部２７間に形成された羽根溝２８をロータ３のスラスト面３ｂから開口させることで、該開口を介して回転駆動するロータ３の各羽根溝２８内にある作動流体がロータ室２の内底面２ｂと接触してこの間に流れが生じ、これにより作動室５内の作動流体の圧力をより高めて吐出口７からより効率良く作動流体を送り出すことができる。

なお上記図６（ａ）〜（ｃ）に示す例では各羽根溝２８をロータ３の両側のスラスト面のうち一方のスラスト面３ｂからのみ開口させたが、ロータ３のスラスト方向における両端の夫々がロータ３の両側のスラスト面に開口するものであっても良く、この場合はロータ３の各羽根溝２８内にある作動流体がロータ３の両側のスラスト面に対向するロータ室２の内底面２ｂの夫々と接触し、各羽根溝２８内の作動流体中により一層渦流を発生させることができる。

また上記図６（ａ）〜（ｃ）に示す例のように各羽根溝２８を開口側スラスト面３ｂから開口させたものにあっては、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように羽根溝２８を構成する各羽根部２７のロータ３の回転方向における前側の面において少なくとも開口側スラスト面３ｂ側の部分にガイド面２９を形成し、該ガイド面２９を前記開口側スラスト面３ｂ側に行く程ロータ３の回転方向の後側に位置するように傾斜した面とすることが好ましい。

図７（ａ）〜（ｃ）に示す各羽根溝２８はロータ３の両側のスラスト面のうち一方のスラスト面を開口側スラスト面３ｂ（上面）から開口するものであり、このうち図７（ａ）では、各羽根部２７は開口側スラスト面３ｂ側に行く程ロータ３の回転方向の後側に位置するように傾斜し、これにより各羽根部２７のロータ３の回転方向における前側の面は開口側スラスト面３ｂ側に行く程ロータ３の回転方向の後側に位置するように傾斜した直線状の面となっており、この面をガイド面２９としている。

また図７（ｂ）では各羽根部２７は開口側スラスト面３ｂ側に行く程ロータ３の回転方向の後側に位置するようにロータ３の中心側に凸となる弧状に湾曲し、これにより各羽根部２７のロータ３の回転方向における前側の面は開口側スラスト面３ｂ側に行く程ロータ３の回転方向の後側に位置するように湾曲した弧状の面となっており、この面をガイド面２９としている。

また図７（ｃ）では各羽根部２７を断面Ｖ字状に形成し、これにより各羽根部２７のロータ３の回転方向における前側の面の開口側スラスト面３ｂ側の半部を開口側スラスト面３ｂ側に行く程ロータ３の回転方向の後側に位置するように傾斜した直線状の面とし、この面をガイド面２９としている。なお図７（ａ）〜（ｃ）の例では各羽根部７のロータ３のスラスト方向における一端面を開口側スラスト面３ｂと面一としている。

上記図７（ａ）〜（ｃ）に示すように各羽根部２７のロータ３の回転方向における前側の面にガイド面２９を形成することで、ロータ３の回転駆動時においては、各羽根溝２８内の作動流体中に図７（ａ）〜（ｃ）の矢印のようにガイド面２９に沿って各羽根溝２８から開口側スラスト面３ｂ側に向かう渦流を発生させることができ、これにより作動室５内の作動流体の圧力をより高めて吐出口７からより効率良く作動流体を送り出すことができる。

なお図７（ａ）〜（ｃ）においても図６（ａ）〜（ｃ）に示す例の場合と同様に各羽根溝２８のロータ３のスラスト方向における両端をロータ３の両側のスラスト面の夫々から開口させ、ロータ３の各羽根溝２８内にある作動流体がロータ３の両側のスラスト面に対向するロータ室２の内底面２ｂの夫々と接触するようにしても良いものとする。

また図８（ａ）や図８（ｂ）に示すように各羽根部２７のロータ３の回転方向における前側の面をロータ３のスラスト方向の中央部が両端側よりもロータ３の回転方向の後側に位置する凹面３０とすることが好ましい。なお図８（ａ）では各羽根部２７を弧状に形成することで凹面３０を形成してあり、また図８（ｂ）では各羽根部２７を断面Ｖ字状に形成することで凹面３０を形成している。

図８（ａ）や図８（ｂ）に示すように各羽根部２７のロータ３の回転方向における前側の面をロータ３のスラスト方向の中央部が両端側よりもロータ３の回転方向の後側に位置する凹面３０とすることで、ロータ３の回転駆動時においては各羽根溝２８内の作動流体中に凹面３０に沿ってロータ３のスラスト方向の両側から中央に向かって流れる渦流が発生し、これにより作動室５内の作動流体の圧力をより高めて吐出口７からより効率良く作動流体を送り出すことができる。

また図９に示すようにロータ３の外周面３ａから突出する各羽根部２７の突端部をロータ３の回転方向の前側に向けて突出することが好ましく、図示例ではロータ３の外周面３ａからロータ３のラジアル方向に突出した各羽根部２７の突端部をロータ３の回転方向の前側に向けて屈曲している。

図９のように各羽根部２７の突端部をロータ３の回転方向の前側に向けて突出することで、図中ｃに示すように各羽根溝２８内の作動流体中に羽根部２７の突端側から基端側に向かって流れる渦流が発生し、これにより作動室５内の作動流体の圧力をより高めて吐出口７からより効率良く作動流体を送り出すことができる。

なお、上記各例ではベーン４をロータ３の回転駆動時の遠心力で外方へ突出するようにしたが、ベーン溝１９にベーン４を外方へ付勢するようなバネ材２６（図１０参照）を介装してロータ３の回転スピードによらずにベーン４の先端をロータ室２の内周面２ａに確実に摺接するようにしてもよい。また、上記各例ではロータ３が固定軸２０に対して回転自在に軸支されているが、上記固定軸２０の代わりにロータ３に固定された回転軸をロータ室２に対して回転自在に軸支される構造を採用しても良い。また上記各例ではロータ３を回転駆動させる駆動部は磁気作用を発生させるステータ２３と磁性体２２とで構成しているが、駆動部としてはロータ３に固定した軸をモータにて回動駆動させる構造を採用してもよい。また本例のベーンポンプ１は燃料電池に燃料を供給するためのポンプとして利用されるものであるが、ベーンポンプ１としてはこれに限られるものではなく、また作動流体としては気体または液体のいずれであっても良いものとする。

本発明の実施の形態の一例を示すベーンポンプの断面図である。 同上のベーンポンプの分解斜視図である。 同上のロータの羽根部を示す斜視図である。 （ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）はロータを図１の状態から所定角度回転した時のＡ−Ａ断面の図である。 他例のロータの羽根部を示す斜視図である。 （ａ）は同上の羽根部近傍を拡大した縦断面図であり、（ｂ）（ｃ）は更に他例の羽根部近傍を拡大した縦断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は更に他例の羽根部を示す説明図である。 （ａ）（ｂ）は更に他例の羽根部を示す説明図である。 更に他例の羽根部を示す水平断面図である。 従来のベーンポンプの断面図である。

符号の説明

１ ベーンポンプ
２ ロータ室
３ ロータ
３ａ 外周面
３ｂ 開口側スラスト面
４ ベーン
５ 作動室
６ 吸入口
７ 吐出口
２７ 羽根部
２９ ガイド面
３０ 凹面

Claims (3)

1. ロータ室に収納したロータと、ロータに設けられて先端がロータ室の内周面に摺接される複数のベーンと、ロータ室の内面とロータの外周面とベーンとで囲まれてロータの回転駆動によりその容積を大小変化させる作動室と、容積拡大過程の作動室に作動流体を流入させる吸入口と、容積縮小過程の作動室から作動流体を排出させる吐出口とを備え、ロータの外周面において隣り合うベーン間の部分に羽根部を突設し、前記羽根部のロータの回転方向における前側の面をロータのスラスト方向の中央部が両端側よりもロータの回転方向の後側に位置する凹面として成ることを特徴とするベーンポンプ。
2. ロータの外周面において隣り合うベーン間の部分に前記羽根部をロータの周方向に複数突設し、隣り合う羽根部間に形成された羽根溝をロータのスラスト面から開口させて成ることを特徴とする請求項１に記載のベーンポンプ。
3. 前記ロータの外周面から突出する羽根部の突端部をロータの回転方向の前側に向けて突出して成ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のベーンポンプ。

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