JP4611232B2 - 流体機械およびそのバルブプレート - Google Patents

Description

本発明は、水等の流体を圧送する斜板式ポンプ、又は、水等の流体によって駆動される斜板式モータ等として使用される流体機械に関する。

従来技術の流体機械として、斜板式や斜軸式のアキシャルピストンポンプが知られており、その一例である斜板式アキシャルピストンポンプの構成を示す断面図が特許文献１の図３に示されている。

図８には、従来の斜板式アキシャルピストンポンプのシリンダブロック１０５とバルブプレート（ポートプレート）１０９の摺動面が拡大して示されている。シリンダブロック１０５からの押付力は液圧Ｐ１とシリンダ１０５の直径Ｄとの積となる。一方、高圧ポート１１７において液圧Ｐ１が直接反力として作用する。そして、高圧ポート１１７の形成部とシールランド１１８の内周縁１１８Ａとの間の部位には高圧ポート１１７からの漏洩流体により圧力ＰＡから反力が生じ、また高圧ポート１１７のシールランド１１８の外周縁１１８Ｂとの間にも漏洩流体により圧力ＰＢからなる反力を生じる。

従来、水圧ポンプとして、アキシャルピストンポンプを用いる場合、水のような低粘性流体は、その流体の性質により摺動部から流体の漏れが発生しやすく、特に、高圧が作用するシリンダブロック１０５とバルブプレート１０９との金属同士の接触面において漏れが生じやすい。そのため、シリンダブロック１０５とバルブプレート１０９は、強く押さえつけて隙間を小さくする必要がある。しかし、強く押し込むことによりバルブプレート１０９へシリンダブロック１０５が片当たりし、摺動面に焼き付きを起こしやすいという問題点があった。

そこで、バルブプレート１０９の摺動面に合成樹脂材料を用いたバルブプレート１０９が開発された。このような構成によれば、シリンダブロック１０５とバルブプレート１０９とのなじみがよく、両者の間隔も小さくすることができ、流体の漏れを防止することができ、接触面は金属と樹脂との擦れ合いのため、焼き付きも防止することができる。（特許文献１参照）

特開平９−２０９９１８号公報（段落［０００９］〜［００１５］、図３）

ところが、合成樹脂材料を貼り付けたバルブプレートは値段が高く、特に水圧ポンプとしてアキシャルピストンポンプを普及させるには、バルブプレートの材料として低廉なメタル系のものを使用する必要がある。しかし、メタル系材料のバルブプレートを用いた場合であっても、図９に示すように、シールランド１１８内側、すなわち高圧ポート側１１７の液圧Ｐ１とシールランド１１８外側の液圧Ｐ２の差から、シールランド１１８が液圧の低い外側に向かって変形する（シールランドの二点破線）。このシールランドの変形により、液圧分布が低下し（グラフの二点破線）、シリンダとバルブプレートの片当たりが生じ、焼き付きの原因となる。また、バルブプレートの表面のコーティングの剥離が生じる問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、メタル系材料のバルブプレートを用いても焼き付くことなく低粘性流体に適用できる流体機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の流体機械は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる第一の参考例は、回転軸とともに回転軸線回りに回転する複数のシリンダブロックと、前記シリンダブロックの内部を往復動するピストンと、前記軸線回りに回転する前記ピストンの端部を摺動状態で保持する斜板と、前記シリンダブロックから吐出し又は前記シリンダブロックへ吸入する流体が流入出するポートを備えたバルブプレートと、を備え、前記バルブプレートには前記シリンダブロックと接触して流体の漏出を防止するシールランドが設けられた流体機械であって、前記シールランドの前記シリンダブロックとの接触面に欠損部を設けたことを特徴とする流体機械を構成とする。

係る構成によれば、シールランドのシリンダブロックとの接触面に欠損部を設けることによりシールランドの変形が生じても、漏洩流体の圧力の低下を防止して反力を安定的に形成することができる。したがって、シリンダブロックの片当たり、焼き付きを防止することができる。

本発明に係る第二の参考例は、前記欠損部は、前記接触面の前記ポート側の縁の段差部であることを特徴とする第一の参考例に記載の流体機械を構成とする。

シールランドのシリンダブロックとの接触面のポート側の縁に段差部を設けることができ、シールランドの変形が生じても、漏洩流体の圧力の低下を防止して、反力を安定的に形成することができる。したがって、シリンダブロックの片当たり、焼き付きを防止することができる。

本発明に係る第三の参考例は、前記欠損部は、前記接触面の一部が前記ポートに向うテーパ部であることを特徴とする第一の参考例に記載の流体機械を構成とする。

シールランドのシリンダブロックとの接触面のポート側の縁にテーパ部を設けることができ、シールランドの変形が生じても、シールランドとシリンダブロックの接触面が平行に保たれ、接触面を広く保つことができる。したがって、漏洩流体の圧力の低下を防止して、反力を安定的に形成することができ、シリンダブロックの片当たり、焼き付きを防止することができる。

本発明に係る第四の参考例は、前記欠損部は、前記接触面の前記ポート側の縁の周方向の一部に設けられたことを特徴とする第二の参考例又は第三の参考例に記載の流体機械を構成とする。

係る構成によれば、ポート側のシールランドの縁の周方向の一部に欠損部が設けられることにより、シールランドの幅を広く保つことができ、シールランドのシール性を保ち、シリンダブロックとの接触面圧を安定させることができる。また、漏洩流体の圧力の低下を抑えることができる。この欠損部は、シールランドに複数設けてもよい。シールランドの変形が生じても、漏洩流体の圧力分布を維持して、反力を安定的に形成することができる。したがって、シリンダブロックの片当たり、焼き付きを防止することができる。

本発明に係る第一の形態は、前記欠損部は、前記シールランドの吐出ポートに連通する前記接触面の溝部とされ、該溝部は、複数設けられているとともに、それぞれが弧状、直線状またはジグザグ状とされ、前記接触面の一部は、前記吐出ポートと前記溝部とに囲まれた領域とされていることを特徴とする流体機械を構成とする。

溝部は、弧状、直線状、ジグザグ状等にすることができ、シールランドに複数設けてもよい。溝部は、ポートと連通する形にすれば漏洩流体を保持できる。係る構成によれば、シールランドの接触面に溝部が設けられることにより、シールランドとシリンダブロックとの間に漏洩液体を保持することができ、漏洩流体の圧力低下を抑えることができる。シールランドの変形が生じても、漏洩流体の圧力分布を維持して、反力を安定的に形成することができ、シリンダブロックとの接触面圧を安定させることができる。したがって、シリンダブロックの片当たり、焼き付きを防止することができる。

本発明に係る第二の形態は、円周上に設けられた吸入ポートと吐出ポートと、少なくとも前記吸入ポート又は前記吐出ポートのいずれか一方のポートの周囲に形成されたシールランドと、前記シールランドの接触面の前記ポート側の縁に欠損部とを設け、前記欠損部は、前記シールランドの吐出ポートに連通する前記接触面の溝部とされ、該溝部は、複数設けられているとともに、それぞれが弧状、直線状またはジグザグ状とされ、前記接触面の一部は、前記吐出ポートと前記溝部とに囲まれた領域とされていることを特徴とする流体機械用のバルブプレートを構成とする。

係る構成によれば、シリンダブロックと接触するシールランドの接触面のポート側の縁に欠損部を設けることで、シールランドの変形が生じても、漏洩流体の圧力の低下を防止して、反力を安定的に形成できる。したがって、本発明に係るバルブプレートを用いれば、廉価なメタル系のバルブプレートを用いても、シリンダブロックの片当たり、焼き付きを防止した流体機械を製造できる。

流体の吐出、吸入するポート部からの流体のシールランドにおける漏洩を抑えつつ、漏洩した流体の圧力分布を保ち、反力の低下を防止する。そのため、シリンダブロックとバルブプレートとの片当たりを防止でき、焼き付きを防ぐことができる。本発明を適用してアキシャルピストンポンプを構成すれば、廉価なメタル系のバルブプレートを用いても低粘性の流体に適用できるポンプを提供することができる。本発明は粘性の低い流体である水に好適である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一参考実施形態］
以下、本発明の第一参考実施形態について、まず本発明が適用されるアキシャルピストンポンプについて説明し、次にバルブプレートについて説明する。

図７は、アキシャルピストンポンプ（流体機械）の一例である斜板式アキシャルピストンポンプの構成を示す断面図が示されている。ケーシング１の両端にそれぞれエンドプレート２、グレードル３が設けられ、ケーシング１の内部に回転軸４、回転軸に取り付けられたシリンダブロック５、シリンダブロック５内を往復動するピストン６、斜板８とピストンを固定するピストンシュー７、シリンダブロック５とエンドプレート２に挟まれるバルブプレート９が内装される。

エンドプレート２はケーシング１の一端部に、また、グレードル３はケーシング１の他端部にそれぞれ装着され、これらの中央部に個別に設けた軸受１１によって回転軸４が回転自在に支持されている。エンドプレート２には、作動流体である水の出入り口をなす吸入口１２と吐出口１３とがそれぞれ設けられている。これらケーシング１とエンドプレート２とグレードル３とで囲まれる空間は、作動流体室１５として利用される。

回転軸４の一端部は、グレードル３を貫通しており、モータや原動機などの駆動機器に接続される。複数本のピストン６は、金属製のシリンダブロック５内を摺動可能なように挿入され、作動流体室１５内において回転軸４にスプライン結合して回転軸４と一緒に回転されるように取り付けられている。斜板８は、グレードル３に支持されて回転軸４の軸線に対して斜めに交差する姿勢で作動流体室１５に内蔵されており、この斜板８には、円環形のスラストプレート１４が取り付けられている。スラストプレート１４には、各ピストン６のピストンシュー７が摺動可能に取り付けられている。

バルブプレート９は、エンドプレート２に固定されて、エンドプレート２とシリンダブロック５との間に挟まれ、シリンダブロック５に対して摺動する。バルブプレート９は、吸入口１２と連通する低圧ポート１６と、吐出口１３に連通する高圧ポート１７を有している。このバルブプレート９は、作動流体室１５の外径とほぼ同径をなす円板である。バルブプレート９は、その低圧ポート１６を吸入口１２における作動流体室１５側の開口に連続させるとともに、高圧ポート１７を吐出口１３における作動流体室１５側の開口に連続させてエンドプレート２に固定されている。

こうした構成の斜板型アキシャルピストンポンプは、回転軸４が駆動されると、この軸４と一緒にシリンダブロック５が回転されるに伴い、ピストンシュー７は斜板８のスラストプレート１４に対して摺動し、シリンダブロック５はバルブプレート９上を摺動する。

そのため、回転軸４の回転に伴い、斜板８の傾斜角度に従ってピストン６がその軸方向に往復動する。シリンダ５とピストン６との間隔が広がる際、吸入口１２からバルブプレート９の低圧ポート１６を通ってシリンダブロック５内に作動流体である水が吸込まれる。シリンダ５とピストン６との間隔が狭まる際、バルブプレート９の高圧ポート１７を通って吐出口１３から高圧水として吐出される。

図１（ａ）には、バルブプレート９の平面図が示されている。バルブプレート９は、その中心に回転軸４の通る回転軸穴１９が設けられ、同心円上に低圧ポート１６、高圧ポート１７がバルブプレート９を貫通して設けられている。シールランド１８は、低圧ポート１６と高圧ポート１７とを取り囲むようにバルブプレート９の板圧方向に突出して設けられている。バルブプレート９は、メタル系材料を用いると廉価に製作することができるが、必ずしもメタル系材料に限定されず、樹脂系材料を用いてもよい。

バルブプレート９は、低圧ポート１６を吸入口１２における作動流体室１５側の開口に連続させるとともに、高圧ポート１７を吐出口１３における作動流体室１５側の開口に連続させてエンドプレート２に固定されている。また、これら低圧ポート１６、高圧ポート１７には、シリンダブロック５の回転に伴い、その各シリンダ室の出入口が連通される。

図１（ｂ）には、（ａ）におけるバルブプレート９のＡ−Ａ断面図が示されている。バルブプレート９のシリンダブロック５の接触する面にシールランド１８が設けられている。シールランド１８は、バルブプレート９とこれに摺動するシリンダブロック５との間からの作動流体の漏れを抑制するシール面として機能する。高圧ポート１７からみて、内径側及び外形側に設けられたシールランド１８の高さは同じ高さに設定され、接触面２０はフラットである。

シールランド１８の接触面２０の高圧ポート１７側の縁にはテーパ部２１が形成されている。また、低圧ポート１６側にも同様にシールランド１８が設けられ、低圧ポート１６側の縁にはテーパ部２１が形成されている。テーパ部２１の角度αは、接触面を基準として１０^−５rad〜１０^−３rad程度の角度であることが好ましい。これにより、シール性を保ちつつ漏洩液体の液圧の低下を防ぐことができるからである。

斜板式アキシャルピストンポンプにおける液漏れは、特に、高圧が作用するバルブプレート９とシリンダブロック５との接触（摺動）面において生じ易い。シリンダブロック５をバルブプレート９に押さえ付けて、接触面２０での隙間を小さくし、流体の漏出を防止している。

図２には、図１（ｂ）における漏洩流体の液圧分布が示されている。シリンダブロック５とバルブプレート９との隙間からの液体の漏出により、シリンダブロック５に対する反力が形成されている。シリンダブロック５からの液圧は、シールランド１８の外側における液圧を基準としてｐとすると、高圧ポート１７の液圧はｐとなり、接触面２０に設けられたテーパ部２１における液圧もｐである。漏出液体の液圧は、接触面２０において、高圧ポート１７の外側に向かうにつれ液圧が０に漸次減少していく。

図３には、従来のバルブプレート１０９と本参考実施形態に係るバルブプレート９との漏洩液体の圧力分布を比較した図が示されている。図３（ａ）は従来のシールランド１１８における漏洩液体の圧力分布を示している。図３（ｂ）は本参考実施形態のテーパ部２１を有するシールランド１８における漏洩液体の圧力分布を示している。シールランドの変形前圧力分布を点線で示し、変形後圧力分布を実線で示してある。従来のシールランド１１８がバルブプレート９の外周側に変形すると、シールランド１１８の内周側接触面がシリンダブロック１０５に当たり、漏洩液体の圧力が減少し、接触面圧が極端に上昇する。一方、本参考実施形態に係るシールランド１８がバルブプレート９の外周側に変形した場合、テーパ部２１の接触面がシリンダブロック５と平行に近い状態に保たれるので、漏洩液体の圧力が一定に保たれる部分が確保でき、接触面圧が極端に上昇することがない。したがって、シリンダブロック５とバルブプレート９との隙間のシール性を保つとともに、シリンダブロック５とバルブプレート９の片当たり、焼き付きを防止することができる。

［第二参考実施形態］
次に、本発明の第二参考実施形態について、図４を用いて説明する。図４には、バルブプレートの高圧ポート側の断面図が示されている。
バルブプレート９上にシールランド１８が高圧ポート１７を取り囲むように形成されている。シールランド１８には、段差部２２が設けられ、この段差部２２においては、高圧ポート１７の液圧がそのままシリンダブロック５に対して作用する。そして、シールランド１８の接触面２０がシリンダブロック５との間でシールランド１８のシール性を保ち、片当たりを防止している。段差部２２の段差は数マイクロメートル〜数十マイクロメートルであることが好ましい。係る参考実施形態のシールランド１８は、高圧ポート１７側のみならず、低圧ポート１６側にも同様に形成することができる。

［第三参考実施形態］
次に、本発明の第三参考実施形態について、図５を用いて説明する。図５（ａ）には、高圧ポート１７側のシールランド１８が拡大して示されている。図５（ｂ）は図５（ａ）のシールランド１８のＢ−Ｂ断面である。
バルブプレート９上にシールランド１８が高圧ポート１７を取り囲むように形成されている。シールランド１８の高圧ポート１７側の縁の周方向における一部には、所定間隔を有して複数のテーパ部２３が設けられている。また、テーパ部２３の代わりに段差部を設けてもよい。このテーパ部２３においては、第一実施形態と同様に高圧ポート１７の液圧がそのままシリンダブロック５に対して作用する。シールランド１８の接触面２０はシリンダブロック５との間でシールランドのシール性を保ち、片当たりを防止している。係る参考実施形態のシールランド１８は、高圧ポート１７側のみならず、低圧ポート１６側にも同様の形状で形成することができる。

［実施形態］
次に、本発明の実施形態について、図６を用いて説明する。図６（ａ）には、高圧ポート１７側のシールランド１８が拡大して示されている。図６（ｂ）は図６（ａ）のシールランド１８のＣ−Ｃ断面である。
バルブプレート９上にシールランド１８が高圧ポート１７を取り囲むように形成されている。シールランド１８の接触面には、複数の溝部２４が弧状に形成され設けられている。溝部２４は、高圧ポート１７と連通しているので、液体を保持することができ、液圧を高圧ポート１７側と同じに保つことができる。溝部２４の漏洩液体の液圧がそのままシリンダブロック５に対して作用するので、シリンダブロック５の片当たり、焼き付きを防止することができる。

溝部２４は、弧状に限定されるものではなく、直線状、ジグザグ状であってもよい。

図６（ｂ）に示されたシールランド１８の漏洩液体のシリンダブロック５への圧力分布を検討する。高圧ポート１７側の接触面２０Ａは、高圧ポート１７のラジアル方向の液圧の影響で変形する。圧力分布にも変化が生じ、接触面２０Ａで圧力低下が見られる。しかし、溝部１７が漏洩液体を保持しているので、再び液体の圧力は高圧ポート部の液圧ｐと同じになる。したがって、シールランド１８の接触面全体として、漏洩液体の液圧を高い状態に保つことができるので、シールランド１８の接触面２０Ａ及び２０Ｂは、シリンダブロック５との間でシールランド１８のシール性を保ち、片当たりを防止できる。係る実施形態のシールランド１８は、高圧ポート１７側のみならず、低圧ポート１６側にも同様の形状で形成することができる。

本発明の第一参考実施形態に係るバルブプレートを示す図であり、（ａ）は、バルブプレートの平面図、（ｂ）はバルブプレートの高圧ポート側の断面図である。 本発明の第一参考実施形態のテーパ部を有するシールランドにおける液圧の分布を示す図である。 本発明のシールランドにおける液圧の分布を比較した図であり、（ａ）は従来のシールランドにおける液圧分布を、（ｂ）は、本発明の第一参考実施形態に係るシールランドにおける液圧分布を示す図である。 本発明の第二参考実施形態の段差部を有するシールランドの形状を示す断面図である。 本発明の第三参考実施形態に係るバルブプレートを示す図であり、（ａ）は、バルブプレートの平面図、（ｂ）はバルブプレートの高圧ポート側の断面図である。 本発明の実施形態に係るバルブプレートを示す図であり、（ａ）は、バルブプレートの平面図、（ｂ）はバルブプレートの高圧ポート側の断面図及び液圧分布を示す図である。 アキシャルピストンポンプの一例である斜板式アキシャルピストンポンプの構成を示す断面図である。 従来のバルブプレートにおけるシールランドとシリンダポンプとの接触部位を拡大した断面図である。 従来のバルブプレートにおけるシールランドの形状変化と圧力分布の変化を示す図である。

１ ケーシング
２ エンドプレート
３ グレードル
４ 回転軸
５ シリンダブロック
６ ピストン
７ ピストンシュー
８ 斜板
９ バルブプレート
１１ 軸受
１２ 吸入口
１３ 吐出口
１４ スラストプレート
１５ 作動流体室
１６ 低圧ポート
１７ 高圧ポート
１８ シールランド
１９ 回転軸穴
２０ 接触面
２１ テーパ部
２２ 段差部
２３ テーパ部
２４ 溝部

Claims (2)

1. 回転軸とともに回転軸線回りに回転する複数のシリンダブロックと、
   前記シリンダブロックの内部を往復動するピストンと、
   前記軸線回りに回転する前記ピストンの端部を摺動状態で保持する斜板と、
   前記シリンダブロックから吐出し又は前記シリンダブロックへ吸入する流体が流入出するポートを備えたバルブプレートと、を備え、
   前記バルブプレートには前記シリンダブロックと接触して流体の漏出を防止するシールランドが設けられた流体機械であって、
   前記シールランドの前記シリンダブロックとの接触面に欠損部を設け、
   前記欠損部は、前記シールランドの吐出ポートに連通する前記接触面の溝部とされ、
   該溝部は、複数設けられているとともに、それぞれが弧状、直線状またはジグザグ状とされ、
   前記接触面の一部は、前記吐出ポートと前記溝部とに囲まれた領域とされていることを特徴とする流体機械。
2. 円周上に設けられた吸入ポートと吐出ポートと、少なくとも前記吸入ポート又は前記吐出ポートのいずれか一方のポートの周囲に形成されたシールランドと、前記シールランドの接触面の前記ポート側の縁に欠損部とを設け、
   前記欠損部は、前記シールランドの吐出ポートに連通する前記接触面の溝部とされ、
   該溝部は、複数設けられているとともに、それぞれが弧状、直線状またはジグザグ状とされ、
   前記接触面の一部は、前記吐出ポートと前記溝部とに囲まれた領域とされていることを特徴とする流体機械用のバルブプレート。

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