JP4604654B2 - ポンプ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ギヤを有するポンプ装置に関し、例えば車両用油圧サスペンションなどの油圧源として使用することができるギヤポンプに応用可能なポンプ装置に関する。
構造が簡素、小型、軽量、騒音性に優れるなどの理由から、油圧システムの油圧源としてギヤポンプが使用されることがあり、ギヤポンプを改善するための技術がいくつか提案されている。例えば特許文献1では、簡単な構造で油液の吐出容量を変化させる可変容量ギヤポンプが提案されている。
特開2002−106479号公報
ギヤポンプなどのポンプ装置で使用されるギヤの側部からオイルなどの作動流体が漏出すると、ギヤの回転に伴う作動流体の吐出に関する作動効率が低下することがある。そこでギヤ側部の間隙を埋めるためにシール体をギヤの側部に押し当ててギヤ側部のシール性能を向上させることで、作動流体の吐出効率を良好に保つことができる。なお、ギヤ側部に対してシール体を押し当てることを特に「プレッシャーローディング」とも呼ぶ。このプレッシャーローディングにおいてギヤ側部のシール性能を向上させる観点からは、シール体をギヤ側部に強く押し当てることが好ましいが、シール体をギヤ側部に強く押し当てるとシール体とギヤ側部の間で発生する摩擦力が増大し、作動流体の吐出効率の向上を妨げることがある。そのためポンプ装置により調整される作動流体の吐出圧に応じて、作動流体が最適な吐出効率を示す「ギヤ側部に対するシール体の押し当て力」が存在し、「ギヤ側部に対するシール体の押し当て力」に応じて作動流体の吐出圧の上限も制限される。したがって、作動流体の所望吐出圧に応じて「ギヤ側部に対するシール体の押し当て力」を調整することが好ましく、特にそのような「ギヤ側部に対するシール体の押し当て力」の調整を簡素な構成で達成することが好ましい。
本発明は上述の事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、ギヤ側部に対するシール体の押し当て力を作動流体の圧力に応じて調整する機構を簡素な構成で達成するポンプ装置を提案することにある。
本発明の一態様は、ハウジング内に配置されるギヤを備えるポンプ装置に関する。このポンプ装置は、少なくとも一つの圧力作用面を含む圧力作用部を有し、前記圧力作用面に加えられる圧力に応じて前記ギヤの側部に対する押し当て力を変え、前記ギヤの側部における作動流体の流通の封止の程度を前記押し当て力に応じて変えるシール体と、前記ハウジング内の作動流体の圧力に応じて、高圧が加えられる前記圧力作用面の面積を制御する圧力調整手段と、を備えることを特徴とする。
当該ポンプ装置によれば、高圧が加えられる圧力作用面の面積がハウジング内の作動流体の圧力に応じて調整されるので、ハウジング内の作動流体の圧力に応じてギヤの側部に対する押し当て力が変えられ、ギヤの側部における作動流体の流通の封止の程度がコントロールされる。このように当該ポンプ装置は、圧力調整手段が前記ハウジング内の作動流体の圧力に応じてシール体の圧力作用部の特性を適宜変更することで、前記ギヤの側部における作動流体の流通の封止の程度を調整する。
前記圧力作用部は、複数の圧力作用面を有し、前記圧力調整手段は、前記ハウジング内の作動流体の圧力に応じて、高圧が加えられる前記圧力作用面の数を制御してもよい。この場合、高圧が加えられる圧力作用面の数がハウジング内の作動流体の圧力に応じて調整されることで、高圧が加えられる圧力作用面の面積が調整される。
前記圧力調整手段は、前記ハウジング内の作動流体を使用して前記圧力作用面に高圧を加えてもよい。この場合、前記ハウジング内の作動流体を効果的に活用することができる。
前記シール体は、前記圧力作用部を構成する少なくとも一つの段部を有し、前記圧力作用面は、前記段部によって構成されてもよい。この場合、段部という簡単な構造で圧力作用部および圧力作用面を構成することができる。
前記ハウジング内の作動流体は、前記ギヤを介して低圧作動流体と高圧作動流体に分けられ、前記圧力調整手段は、前記ギヤの側部のうち低圧作動流体側の側部よりも高圧作動流体側の側部のほうが前記シール体によって強く押し当てられるように、高圧が加えられる前記圧力作用面の面積を制御してもよい。
通常は、シール体がギヤ側部に強く押し当てられるほどギヤ側部における作動流体の流通の封止の効果が高い。したがって当該ポンプ装置によれば、少なくとも高圧作動流体側の側部において高い封止効果を確保することができるので、高圧作動流体が低圧作動流体に流入してしまうことを効果的に防ぐことができる。
本発明によれば、ハウジング内の作動流体の圧力に応じて高圧が加えられる圧力作用面の面積が制御され、シール体のギヤ側面に対する押し当て力を調整する機構を簡素な構成で実現することができる。
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
図1は、本発明の一実施の形態を適用したギヤポンプ装置10の断面図である。図2は、図1のC−C線部分の断面図である。なお図2に示される駆動ギヤ30および従動ギヤ32は上方から見た図が示されている。
本実施の形態のギヤポンプ装置10は、ハウジング12内に配置され相互に噛み合う駆動ギヤ30および従動ギヤ32と、駆動ギヤ30および従動ギヤ32の各々に対して設けられ駆動ギヤ30および従動ギヤ32の一方の側部36(「第1ギヤ側部36」とも呼ぶ)に当接するケース14と、を備える。
駆動ギヤ30は、駆動モータ(図示せず)に連結される駆動ギヤ軸部31を有し、駆動モータによって駆動ギヤ軸部31を中心に軸回転駆動される。従動ギヤ32は、駆動ギヤ30の回転に伴って従動ギヤ軸部33を中心に軸回転する。駆動モータと駆動ギヤ軸部31とは継手(図示せず)を介して連結されている。
ケース14は、図1に示すように円筒状の形状を有し、駆動ギヤ30あるいは従動ギヤ32の第1ギヤ側部36に密接して、第1ギヤ側部36における作動オイルの流通を封止する。ケース14の中央部には駆動ギヤ軸部31や従動ギヤ軸部33が挿入されるケース中心孔19が形成され、ケース中心孔19の全周囲には階段状に設けられた第1圧力作用段部15および第2圧力作用段部17が形成されている。第1圧力作用段部15の上面部分はリング状の第1圧力作用面16を構成し、第2圧力作用段部17の上面部分はリング状の第2圧力作用面18を構成する。このケース14は、第1圧力作用面16および第2圧力作用面18に加えられる圧力に応じて駆動ギヤ30あるいは従動ギヤ32に対する押し当て力を変え、駆動ギヤ30あるいは従動ギヤ32の第1ギヤ側部36における作動オイルの流通の封止の程度を押し当て力に応じて変える。
ハウジング12には、作動オイルの流路である高圧側流路40および低圧側流路42が形成されている。高圧側流路40および低圧側流路42は駆動ギヤ30および従動ギヤ32を介した位置に配置され、駆動ギヤ30および従動ギヤ32が回転することにより作動オイルが掻かれて低圧側流路42から高圧側流路40に作動オイルが流れ込む。そのためハウジング12内の作動オイルは低圧側流路42を流れる比較的低圧の作動オイル(「低圧作動オイル」とも呼ぶ)と、高圧側流路40を流れる比較的高圧の作動オイル(「高圧作動オイル」とも呼ぶ)とに分けられる。
ハウジング12内には、高圧側流路40と第1圧力作用面16を連通する第1圧力調整油路44と、高圧側流路40と第2圧力作用面18を連通する第2圧力調整油路46とが形成されている。第2圧力調整油路46は、途中で分岐して第1圧力感応バルブ20を介し低圧側流路42に連通する。第1圧力感応バルブ20は、第2圧力調整油路46と低圧側流路42の間の作動オイルの流量を調整する。また第2圧力調整油路46には、高圧側流路40から流れ込んでくる作動オイルの流量を調整する第2圧力感応バルブ22が設けられている。
第1圧力感応バルブ20および第2圧力感応バルブ22は、ハウジング12内の作動オイルの油圧に応じて作動する機械的な構造を有する。特に本実施の形態では、高圧側流路40内の作動オイルの圧力が所定の圧力以上に達すると、第2圧力感応バルブ22が開弁するとともに第1圧力感応バルブ20が閉弁する。一方、高圧側流路40内の作動オイルの圧力が所定の圧力よりも小さい場合には、第2圧力感応バルブ22が閉弁するとともに第1圧力感応バルブ20が開弁する。そのような第1圧力感応バルブ20および第2圧力感応バルブ22の構成の一例が図3に示されている。
図3は、機械的な構造を有する第1圧力感応バルブ20および第2圧力感応バルブ22の一例を示す図である。高圧側流路40と第2圧力調整油路46の間、および低圧側流路42と第2圧力調整油路46の間には、ピストン−シリンダ構造を有する油圧調整シリンダ60および油圧調整ピストン62が配置されている。油圧調整シリンダ60の一方の端部には、高圧側流路40から分岐する高圧側分岐流路41が接続されている。油圧調整シリンダ60内において、油圧調整ピストン62の一方の側には高圧側分岐流路41から作動オイルが流入し、油圧調整ピストン62の他方の側には油圧調整ピストン62を押圧する油圧調整バネ64が配置されている。油圧調整ピストン62は、高圧側分岐流路41から流入する作動オイルによってもたらされる力と、油圧調整バネ64の弾性力のバランス関係に基づいて油圧調整シリンダ60内における配置位置を変える。
例えば高圧側分岐流路41から油圧調整シリンダ60に流入する高圧作動オイルの圧力が比較的高い場合、油圧調整ピストン62は油圧調整バネ64の弾性力に抗うようにして油圧調整バネ64側へ移動する(図3の矢印A参照)。そして低圧側流路42と第2圧力調整油路46の間に油圧調整ピストン62が配置されると、高圧側流路40−第2圧力調整油路46間の作動オイルの流通が確保されるとともに、低圧側流路42−第2圧力調整油路46間の作動オイルの流通が止められる(図3の点線で描かれた62、64参照)。一方、高圧側分岐流路41から油圧調整シリンダ60に流入する高圧作動オイルの圧力が比較的低い場合、油圧調整ピストン62は油圧調整バネ64により押圧されて高圧作動オイル側へ移動する(図3の矢印B参照)。そして高圧側流路40と第2圧力調整油路46の間に油圧調整ピストン62が配置されると、高圧側流路40−第2圧力調整油路46間の作動オイルの流通が止められるとともに、低圧側流路42−第2圧力調整油路46間の作動オイルの流通が確保される(図3の実線で描かれた62、64参照)。
このように図3に示す例では、油圧調整シリンダ60、油圧調整ピストン62、および油圧調整バネ64によって第1圧力感応バルブ20および第2圧力感応バルブ22が機械的に構成される。そして高圧側流路40内の高圧作動オイルの圧力に応じた油圧調整シリンダ60内における油圧調整ピストン62の移動によって第1圧力感応バルブ20および第2圧力感応バルブ22が開弁あるいは閉弁し、高圧側流路40内の高圧作動オイルを利用して高圧が加えられる圧力作用面の数を調整することで、高圧が加えられる前記圧力作用面の面積を制御する。第1圧力感応バルブ20が開弁するとともに第2圧力感応バルブ22が閉弁する場合、高圧側流路40から第1圧力調整油路44に高圧作動オイルが流入して第1圧力作用面16には高圧が加えられるが、第2圧力作用面18には低圧側流路42から第2圧力調整油路46に流入する低圧作動オイルによって比較的低圧が加えられる。一方、第1圧力感応バルブ20が閉弁するとともに第2圧力感応バルブ22が開弁する場合、高圧側流路40から第1圧力調整油路44および第2圧力調整油路46に高圧作動オイルが流入して、第1圧力作用面16だけではなく第2圧力作用面18にも高圧が加えられる。そして第2圧力作用面18に高圧側流路40内の高圧作動オイルが流入している状態で第1圧力感応バルブ20を開弁するとともに第2圧力感応バルブ22を閉弁することで、第2圧力作用面18には低圧側流路42内の低圧作動オイルの圧力が作用して比較的低圧が加えられる。
なお、油圧調整シリンダ60内における油圧調整ピストン62の移動特性は、高圧作動オイルの圧力および油圧調整バネ64のバネ特性によって変動するので、例えば高圧側流路40から油圧調整ピストン62内に流入することが予想される高圧作動オイルの圧力に応じて油圧調整バネ64のバネ定数を調整することで所望の「油圧調整ピストン62の移動特性」を得ることができる。なお図3には基本原理を示す構成が図示されており、実際のギヤポンプ装置10では他の部分の配置状態などに応じた変形が適宜加えられる。
また図1に示すように、第1圧力調整油路44におけるハウジング12とケース14の間には第1環状シール部材24が設けられ、第2圧力調整油路46におけるハウジング12とケース14の間には第2環状シール部材26が設けられて、ハウジング12とケース14の間がシールされている。
次に、本実施の形態の作用について説明する。
本実施の形態のギヤポンプ装置10では、駆動ギヤ30および従動ギヤ32の第1ギヤ側部36における作動オイルの流通封止の程度が高圧側流路40内の作動オイルの圧力に応じて変わる。例えば高圧側流路40内の作動オイルの圧力が比較的低い場合、第2圧力感応バルブ22は閉弁して、作動オイルによって第1圧力作用面16に高圧が加えられるとともに第2圧力作用面18に低圧が加えられた状態で、ケース14は駆動ギヤ30および従動ギヤ32の第1ギヤ側部36に押し当てられる。一方、高圧側流路40内の作動オイルの圧力が比較的高い場合、第2圧力感応バルブ22は開弁して、作動オイルによって第1圧力作用面16だけではなく第2圧力作用面18にも高圧が加えられ、ケース14は駆動ギヤ30および従動ギヤ32の第1ギヤ側部36に強い力で押し当てられる。
第1ギヤ側部36における作動オイルの流通封止の程度は駆動ギヤ30、従動ギヤ32に対するケース14の押し当て力に応じて変動するので、高圧側流路40内の作動オイルの圧力が低い場合よりも高い場合のほうが第1ギヤ側部36における作動オイルの流通封止の程度が高まる。したがって本実施の形態では、高圧側流路40内の作動オイルの圧力に応じて第1ギヤ側部36における作動オイルの流通封止の程度を適切にコントロールすることができ、駆動ギヤ30および従動ギヤ32によって生成され高圧側流路40内に吐出される作動オイルの昇圧に関する効率を良好に保つことができる(後述する図5参照)。
図4は、高圧側流路40内の作動オイルの圧力(「高圧側作動オイル圧力」とも呼ぶ)と作動効率の一般的な関係を示す図である。ここでいう「作動効率」とは、「作動オイルの圧力変動量」に対する「ギヤポンプ装置10の作動時に費やされるエネルギー量」の割合を直接的あるいは間接的に示す指標値である。図4において、タイプ1は「駆動ギヤ30、従動ギヤ32に対するケース14の押し当て力が小さい場合」の関係を示し、タイプ2は「駆動ギヤ30、従動ギヤ32に対するケース14の押し当て力が中程度の場合」の関係を示し、タイプ3は「駆動ギヤ30、従動ギヤ32に対するケース14の押し当て力が大きい場合」の関係を示す。図4に示すようにタイプ1〜タイプ3は、各々の特徴に応じて、それぞれ他のタイプよりも有利な範囲が存在する。例えば高圧作動オイル圧力が比較的小さい範囲(図4の「A」参照)ではタイプ1が作動効率に関して有利であり、高圧作動オイル圧力が中程度の範囲(図4の「B」参照)ではタイプ2が作動効率に関して有利であり、高圧作動オイル圧力が比較的大きい範囲(図4の「C」参照)ではタイプ3が作動効率に関して有利である。
図5は、本実施の形態における「高圧側作動オイル圧力と作動効率の関係を示す図」(図5(a)参照)および「高圧側作動オイル圧力とギヤ押し当て力の関係を示す図」(図5(b)参照)を示す。ここでいう「ギヤ押し当て力」とは、駆動ギヤ30、従動ギヤ32の第1ギヤ側部36に対するケース14の押し当て力を意味する。本実施の形態において、高圧作動オイル圧力が比較的小さい範囲(図4の「A’」参照)では、第2圧力感応バルブ22が閉弁して第1圧力作用面16にのみ高圧が加えられ、ギヤ押し当て力は比較的小さい。そして高圧作動オイル圧力が比較的大きい範囲(図4の「B’」参照)では、第2圧力感応バルブ22が開弁して第1圧力作用面16および第2圧力作用面18に高圧が加えられ、ギヤ押し当て力は比較的大きくなる。これにより「高圧側作動オイル圧力と作動効率の関係」は図5(a)の実線で示すような関係となり、高圧側作動オイル圧力の範囲に応じた適切な作動効率を確保することができる。
以上説明したように本実施の形態によれば、高圧側流路40の作動オイルの圧力に応じて第1圧力感応バルブ20および第2圧力感応バルブ22の開閉が調節され、高圧が加えられる圧力作用面の数、面積が適宜制御されるので、第1ギヤ側部36に対するケース14の押し当て力を適切な大きさにコントロールすることができる。特に本実施の形態では、複数形成された圧力作用面16、18のうち高圧が負荷される数が制御されており、第1ギヤ側部36に対するケース14の押し当て力が簡素な構成で段階的に調整されるので、押し当て力をより適切な大きさに調整することができる。これにより第1ギヤ側部36をケース14によって適切にシールするとともに、ケース14と駆動ギヤ30、従動ギヤ32との間の摩擦力によるエネルギーロスを減少させることができ、エネルギー効率に優れたギヤポンプ装置10の運転を実施することができる。また特に本実施の形態では、ケース14の圧力作用部分の構造的な特性を工夫することにより、上述のような効率の良いギヤポンプ装置10の運転が実現される。このように本実施の形態によれば、簡素な機械的な構成によって効率的なポンプ運転を実施することができるので、複雑化を防いでギヤポンプ装置10を安価に提供することも可能である。
本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を上述の実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
例えば、上述の実施の形態では図1に示すように駆動ギヤ30および従動ギヤ32によって圧力コントロールされる作動オイルの流路40、42が駆動ギヤ30および従動ギヤ32の回転方向を含む平面に沿って延設される例について説明したが、それに限定されない。本発明に係るギヤポンプ装置10では、ハウジング12内における作動オイルの流路を、上述の目的を達成することができる範囲で任意の方向へ延設することが可能ある。例えば図6に示すように、駆動ギヤ30および従動ギヤ32の回転方向を含む平面に対して垂直な方向へ高圧側流路40および低圧側流路42を延設することも可能である。
また、上述の実施の形態では第1圧力感応バルブ20および第2圧力感応バルブ22が図3に示す機械的な構成を有する例について説明したが、他の既存の技術を応用して第1圧力感応バルブ20および第2圧力感応バルブ22を構成することも可能である。例えば、高圧側流路40内の作動オイルの液圧を検出する液圧センサを設け、その液圧センサの検出結果に基づいて開閉がコントロールされる電磁バルブを第1圧力感応バルブ20および第2圧力感応バルブ22に適用することも可能である。
また、上述の実施の形態では第1圧力作用段部15および第2圧力作用段部17の二段構成によって二つの圧力作用面を形成する例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、三以上の多段構成によって三つの圧力作用面を形成したり、一つの段部によって形成される圧力作用面を複数に区画することで複数の圧力作用面を形成したり、段状構造以外の構造によって複数の圧力作用面を形成することも可能である。また、単数の圧力作用面を形成して、この圧力作用面のうち比較的高圧が加えられる面積と比較的低圧が加えられる面積とを高圧側流路40の作動オイルの圧力に応じて制御する機構を採用することで、第1ギヤ側部36に対するケース14の押し当て力を適切な大きさにコントロールすることも可能である。
また、上述の実施の形態では第1圧力作用面16および第2圧力作用面18がリング状に形成されている例について説明したが、ケース14を駆動ギヤ30、従動ギヤ32に対し押し当てることができれば半リング状等、どのような形状であってもよい。例えば、高圧が加えられる圧力作用面を高圧側作動オイルが流れる高圧側流路40側に形成し、第1ギヤ側部36のうち低圧作動オイルが流れる低圧側流路42側よりも高圧側流路40側のほうがケース14によって強く押し当てられるように設定することも可能である。この場合、比較的小さな圧力作用面に高圧が加えられるが、駆動ギヤ30、従動ギヤ32の第1ギヤ側部36に漏出しやすい高圧側流路40内の高圧作動オイルはケース14によって適切にシールされる。このように本変形例によれば、第1ギヤ側部36において高いシール効果を確保することができるだけではなく、駆動ギヤ30、従動ギヤ32に対するケース14の押し当てに費やされるエネルギー消費量を抑えることができる。
また、上述の実施の形態ではギヤポンプに関して説明したが、本発明はハウジング内にギヤが配置されるポンプ装置全般に対して応用可能である。例えば少なくとも一部が作動オイルなどの流体に接するギヤを備えるベーンポンプなどの各種ポンプに対しても本発明は有効である。
本発明の一実施の形態を適用したギヤポンプ装置の断面図である。 図1のC−C線部分の断面図である。 機械的な構造を有する第1圧力感応バルブおよび第2圧力感応バルブの一例を示す図である。 高圧側流路内の作動オイルの圧力(「高圧側作動オイル圧力」とも呼ぶ)と作動効率の一般的な関係を示す図である。 (a)は、本発明の一実施の形態における高圧側作動オイル圧力と作動効率の関係を示す図であり、(b)は、本発明の一実施の形態における高圧側作動オイル圧力とギヤ押し当て力の関係を示す図である。 本発明の一変形例のギヤポンプ装置を示す図である。
符号の説明
10 ギヤポンプ装置、 12 ハウジング、 14 ケース、 15 第1圧力作用段部、 16 第1圧力作用面、 17 第2圧力作用段部、 18 第2圧力作用面、 19 ケース中心孔、 20 第1圧力感応バルブ、 22 第2圧力感応バルブ、 24 第1環状シール部材、 26 第2環状シール部材、 30 駆動ギヤ、 31 駆動ギヤ軸部、 32 従動ギヤ、 33 従動ギヤ軸部、 36 第1ギヤ側部、 37 第2ギヤ側部、 40 高圧側流路、 41 高圧側分岐流路、 42 低圧側流路、 44 第1圧力調整油路、 46 第2圧力調整油路、 60 油圧調整シリンダ、 62 油圧調整ピストン、 64 油圧調整バネ。

Claims (4)

  1. ハウジング内に配置されるギヤを備え、低圧側流路から高圧側流路に作動流体を流すポンプ装置であって、
    複数の圧力作用面を含む圧力作用部を有し、前記圧力作用面に加えられる圧力に応じて前記ギヤの側部に対する押し当て力を変え、前記ギヤの側部における作動流体の流通の封止の程度を前記押し当て力に応じて変えるシール体と、
    前記高圧側流路内の作動流体の圧力を使用して前記圧力作用面に流入する前記作動流体の流路を切り替えることで、前記作動流体の圧力が加えられる前記圧力作用面の面積が切り替わるように構成された圧力調整手段と、
    を備えることを特徴とするポンプ装置。
  2. 記圧力調整手段は、前記高圧側流路内の作動流体の圧力を使用して、高圧が加えられる前記圧力作用面の数が切り替わるように構成されることを特徴とする請求項1に記載のポンプ装置。
  3. 前記シール体は、前記圧力作用部を構成する複数の段部を有し、
    前記圧力作用面は、前記段部によって構成されることを特徴とする請求項1または2に記載のポンプ装置。
  4. 前記ハウジング内の作動流体は、前記ギヤを介して低圧作動流体と高圧作動流体に分けられ、
    前記圧力調整手段は、前記ギヤの側部のうち低圧作動流体側の側部よりも高圧作動流体側の側部のほうが前記シール体によって強く押し当てられるように、高圧が加えられる前記圧力作用面の面積が調整されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のポンプ装置。
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