JP4726116B2

JP4726116B2 - トロコイドポンプ

Info

Publication number: JP4726116B2
Application number: JP2005138889A
Authority: JP
Inventors: 利春望月
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2025-05-11
Also published as: JP2006316674A

Description

本発明は、潤滑油やインク等の比較的粘度の高い液体を圧送するのに適したトロコイドポンプに関する。

トロコイドポンプは、トロコイド歯形を有するアウタロータおよびインナロータがケーシング内に密閉された状態で収容され、各ロータの回転に伴って液体を吸入して吐出するように作用するポンプである。この種のポンプは、特許文献１等で知られている。

図７〜図９は、従来のトロコイドポンプの一例を示しており、該ポンプは、複数の内歯１１を有する環状のアウタロータ１０内に複数の外歯２１を有するインナロータ２０が収容されてなるトロコイド１を主体としている。このトロコイド１は、直方体状のケーシング３０に形成された円形のトロコイド収容凹所３１に回転自在に収容されている。ケーシング３０には、トロコイド収容凹所３１を閉塞するカバー４０が固定されている。

インナロータ２０の外歯２１はアウタロータ１０の内歯１１よりも１つ少なく、インナロータ２０は、外歯２１が内歯１１に内接して噛み合う偏心した状態に、アウタロータ１０内に収容されている。各ロータ１０，２０が互いに接触する仕切点Ｐ間には、トロコイド１の回転方向（図８で反時計回り方向）に応じて、吸入側および吐出側の容積室Ｒ_１，Ｒ_２が形成される。

カバー４０には、吸入側の容積室Ｒ_１に連通する吸入口４１と、吐出側の容積室Ｒ_２に連通する吐出口４２とが形成されている。各容積室Ｒ_１，Ｒ_２はカバー４０で密閉され、また、カバー４０の内面に装着されたＯリングからなるシール材４３により、液体の漏洩が防止される。

インナロータ２０の軸心には、図示せぬモータ等の駆動源によって回転させられる駆動シャフト５０が貫通して固定されている。駆動シャフト５０のカバー４０側の端部は、カバー４０のトロコイド１への対向面に形成された軸受穴４４に嵌入されている。すなわち、カバー４０が軸受となって駆動シャフト５０の一端部が支持されている。

そして、駆動シャフト５０が回転してインナロータ２０が回転すると、外歯２１がアウタロータ１０の内歯１１に噛み合うことによりアウタロータ１０が同一方向に連れ回りし、この回転によって容積が増大し、負圧となる吸入側容積室Ｒ_１に吸入口４１から液体が吸入される。吸入側容積室Ｒ_１は、トロコイド１が回転することによって容積が減少して内圧が上昇する吐出側容積室Ｒ_２に変わり、ここから、吸入された液体が吐出口４２に吐出される。

特開平７−７１３７４号公報

上記形式のトロコイドポンプにおいては、吸入された液体が、トロコイド１と、ケーシング３０およびカバー４０との間の隙間を充たして塞ぐことにより、各容積室Ｒ_１，Ｒ_２の密閉性が高められるようになっている。液体シールと呼ばれるこのような作用が有効に働くことにより、吸入側と吐出側の容積室Ｒ_１，Ｒ_２間に生じる差圧が顕著になり、大きなポンプ作用が得られる。

ところが、運転が連続して行われた場合に、ポンプ作用が低下する場合があったので、本出願人がそのトロコイドポンプを調べたところ、トロコイド１のケーシング３０側の端面への液体の付着量が極端に少なくなっていることが認められた。すなわち、この部分での液体シールの効力が低下して、各容積室Ｒ_１，Ｒ_２間の差圧が少なくなっていたのである。

そこで本出願人がその原因を調査したところ、カバー４０の軸受穴４４に侵入した液体が、駆動シャフト５０で閉塞され、封入された状態となって軸受穴４４から抜けにくくなり、ほぼ侵入する一方であることが判った。このため、駆動シャフト５０の先端面と軸受穴４４の底部間の液体圧力が上昇し、駆動シャフト５０はケーシング３０方向に押され、その結果、インナロータ２０がケーシング３０の底面に強く当接して擦れ、液体が喪失し、液体シール効果が不十分となってポンプ作用が低下したと推考された。

このようなポンプ作用の低下は、扱う液体の粘度が高ければ高いほど軸受穴４４から液体が抜けにくくなるので顕著となっていた。軸受穴４４の深さを浅くすれば、液体は抜けやすくなって液体シール効果を損なうほどの内圧上昇は生じないであろうが、駆動シャフト５０を安定して支持することができなくなるといった軸受性能の不具合を招くことになり、このため改良が求められているのが現状である。

よって本発明は、インナロータと一体の駆動シャフトが、カバーの軸受穴に嵌入して回転自在に支持された形式のトロコイドポンプにおいて、軸受穴内に充満する液体の圧力上昇を抑え、これによって駆動シャフトおよびインナロータが動いてしまうことを防止し、その結果として、常に液体シール効果が発揮されて高いポンプ作用を安定して得ることができるトロコイドポンプを提供することを目的としている。

本発明は、複数の内歯を有する環状のアウタロータ内に、複数の外歯を有するインナロータが、外歯が内歯に噛み合い、かつ、偏心する状態で回転自在に収容され、内歯と外歯との間に、液体を吸入する吸入側容積室と、この吸入側容積室に吸入した液体を吐出する吐出側容積室とが形成されるトロコイドと、このトロコイドを収容するケーシングと、このケーシングのトロコイド収容凹所を閉塞するとともに、トロコイドの一端面に対向し、その対向面に、底部を有する軸受穴が形成されたカバーと、ケーシングまたはカバーに形成され、吸入側容積室および吐出側容積室にそれぞれ連通する吸入口および吐出口と、インナロータの回転中心に同軸的に固定され、一端部が、カバーの軸受穴に嵌入される駆動シャフトとを備えたトロコイドポンプにおいて、軸受穴の内周面における該軸受穴の底部から開口にわたる領域のみに、該軸受穴の軸方向に沿って延びる適宜深さを有する空間が吸入口側に形成されており、該空間はトロコイド収容凹所のみに開口していることを特徴としている。

本発明のトロコイドポンプは、駆動シャフトが回転すると、インナロータからアウタロータに回転が伝わって両者が連れ回りし、トロコイド全体が回転した状態になる。このようにしてトロコイドが回転することにより、容積が増大して負圧となり吸入圧が生じる吸入側容積室に、吸入口から液体が吸入される。吸入側容積室は、トロコイドの回転によって容積が減少し、内圧が上昇する吐出側容積室に変わる。そして、吐出側容積室で高圧となった液体が吐出口に吐出される。

トロコイドが回転して上記の吸入・吐出が連続的に起こることにより液体は圧送されるが、ポンプ内に吸入される液体は、トロコイドと、カバーおよびケーシングとの間の隙間を充たして塞ぎ、各容積室の密閉性が高まる。この液体シール効果を生じさせる液体の一部は、駆動シャフトを支持する軸受穴に侵入する。従来では、軸受穴内から液体が抜けにくく侵入する一方であり、この現象が液体シール効果を阻害する原因となっていたが、本発明では、軸受穴内の液体は、軸受穴の内周面に形成された空間から常にリークされ、軸受穴内で液体の圧力は上昇しない。

このため、駆動シャフトが、軸受穴内で圧力上昇した液体に押されて軸受穴から抜ける方向に動くといった現象が起こらない。したがって、駆動シャフトが固定されているインナロータが、駆動シャフトとともに動いてケーシングあるいはカバーに強く当接して擦れ、液体シールが必要な部分の液体が喪失することがない。その結果、常に液体シール効果が発揮され、ポンプ作用が維持される。

このように軸受穴内の液体をリークさせる上記空間は、液体が吸入されるため負圧の状態になりやすい吸入口側に形成されているので、その負圧の影響を受けて軸受穴内から空間を経て液体がリークされやすい。つまり、軸受穴内からの液体のリークがポンプの運転によって促進され、結果として液体シール効果の低下が起こらない。

軸受穴に形成される空間は、大きすぎると液体のリーク量が多くなりすぎて液体シール効果が低下し、また、駆動シャフトの軸受としての剛性の低下を招く場合もあることから、取り扱う液体の粘度や、設定する吐出圧等に応じて、最適な大きさに設定されることが望ましい。そこで、その空間に、液体の粘度および／または吐出圧に応じて、該空間の容積を可変とする空間容積可変手段を設けるとよい。

具体的な空間容積可変手段としては、軸受穴内の液体の圧力に応じて弾性変形するゴム等の弾性部材が挙げられる。その弾性部材は、軸受穴内の液体の圧力が上昇しようとすると弾性変形し、このため空間が広がって液体の圧力上昇が逃がされる。弾性部材の傾向としては、液体の粘度が高かったり吐出圧が低かったりする場合には、軸受穴から液体が抜けにくいので比較的弾性変形しやすい弾性部材が用いられ、液体の粘度が低かったり吐出圧が高かったりする場合には、軸受穴から液体が抜けやすいので比較的弾性変形しにくい弾性部材が用いられる。いずれにしても、液体の吐出圧が確保されることと、駆動シャフトが軸受穴内の液体の圧力で押されないこととのバランスが良好に取られるように、液体の粘度や吐出圧を変動要素として、空間の大きさが設定される。

本発明によれば、駆動シャフトが嵌入されるカバーの軸受穴に、液体リーク用の空間を形成して軸受穴内の液体の圧力が上昇しないようにしたので、軸受穴内の液体の圧力上昇によって駆動シャフトとともにインナロータが動き、これによってトロコイドの液体シールが不十分になるといった従来生じていた不具合は起こらず、このため、常に液体シール効果が発揮されて高いポンプ作用を安定して得ることができるといった効果を奏する。

以下、本発明の一実施形態を説明する。
図１〜図３は、図７〜図９で説明した従来のものと構成を基本的に同じくするトロコイドポンプであり、同一の構成要素には同一の符号を付してある。すなわち、本実施形態のトロコイドポンプは、環状のアウタロータ１０内にインナロータ２０が収容されたトロコイド１と、このトロコイド１を回転自在に収容するケーシング３０と、ケーシング３０のトロコイド収容凹所３１を閉塞するカバー４０と、インナロータ２０の回転中心に同軸的に固定された駆動シャフト５０とから構成されている。

カバー２０は、トロコイド収容凹所３１が開口するケーシング３０の上面３２の外形に合致する矩形状で、四隅に通されるねじ４５を、上面３２に形成されたねじ孔３３にねじ込んで締結することにより、ケーシング３０に固定される。カバー２０に形成された吸入口４１および吐出口４２は、図３に示すように、軸受穴４４を囲むような円弧状であって、左右対称に形成されている。

前述したように、トロコイド１は、インナロータ２０の外歯２１が内歯１１に噛み合い、かつ、偏心した状態で、インナロータ２０がアウタロータ１０内に回転自在に収容されて構成される。このトロコイド１は、回転軸線が図１の上下方向に沿った状態で、ケーシング３０のトロコイド収容凹所３１に回転自在に収容されている。そして、各ロータ１０，２０が互いに接触する仕切点Ｐ間に、トロコイド１の回転方向に応じて、吸入側および吐出側の容積室Ｒ_１，Ｒ_２が形成される。

本実施形態のトロコイドポンプによれば、駆動シャフト５０によってトロコイド１が図２で反時計回り方向に回転することにより、容積が増大して負圧となる吸入側容積室Ｒ_１に、吸入口４１から液体が吸入され、吸入側容積室Ｒ_１は、トロコイド１が回転することによって容積が減少して内圧が上昇する吐出側容積室Ｒ_２に変わり、この吐出側容積室Ｒ_２から、吸入された液体が吐出口４２に吐出される。このようなポンプ作用が、トロコイド１の回転によって連続的に行われ、液体が連続的に圧送される。そして、吸入された液体によって各容積室Ｒ_１，Ｒ_２の密閉性が高められる液体シール効果によって、これら容積室Ｒ_１，Ｒ_２間に生じる差圧が顕著になり、大きなポンプ作用が得られる。

以上が、本実施形態のトロコイドポンプの基本的な構成および作用であるが、本実施形態のトロコイドポンプで従来品にない特徴点は、図４（ａ）および図５（ａ）に示すように、カバー４０の軸受穴４４の内周面に、軸受穴４４の底部４４ａから開口にわたって、適宜深さを有するリーク溝（空間）４６が形成されている点にある。このリーク溝４６は、深さが一定の断面半円弧状で、軸方向に沿って真っ直ぐ延びており、図１および図３に示すように、吸入口４１側に形成されている。

このようにリーク溝４６が軸受穴４４の内周面に形成されていると、軸受穴４４に侵入した液体は、リーク溝４６から常に軸受穴４４外にリークされ、軸受穴４４内で液体の圧力は上昇しない。このため、駆動シャフト５０が、軸受穴４４内で圧力上昇した液体に押されて軸受穴４４から抜ける方向に動くといった現象が起こらない。

したがって、駆動シャフト５０が固定されているインナロータ２０が、駆動シャフト５０とともに動いてケーシング３０のトロコイド収容凹所３１の底面に強く当接して擦れることが起こらず、この部分の液体が喪失することがない。その結果、常に液体シール効果が発揮され、ポンプ作用が維持される。

特に、リーク溝４６は、液体が吸入されるため負圧の状態になりやすい吸入口４１側に形成されているので、その負圧の影響を受けて軸受穴４４内からリーク溝４６を経て液体がリークされやすい。つまり、軸受穴４４内からの液体のリークがポンプの運転によって促進され、結果として液体シール効果の低下が起こらない。

リーク溝４６は、図４（ｂ）に示すように、軸受穴４４の底部４４ａから開口に向かうにしたがって次第に深さが大きくなって開放するように形成されているものであってもよい。また、図５は、リーク溝４６の横断面形状のバリエーションを挙げており、断面が（ａ）の半円弧状の他に、（ｂ）三角形状、（ｃ）大きな円弧状、（ｄ）Ｔ字状、等に形成されていてもよい。

さて、上記リーク溝４６は、容積が大きすぎると液体のリーク量が多くなりすぎて液体シール効果が低下し、また、駆動シャフト５０の軸受としての剛性の低下を招く場合もある。したがって、取り扱う液体の粘度や、設定する吐出圧等に応じて、最適な大きさに設定されることが望ましい。

そこで、リーク溝４６に、液体の粘度や吐出圧に応じてリーク溝４６の容積を可変とする容積可変手段を設けるとよい。その手段としては、例えば、図６に示すように、リーク溝４６の内面に挿入、固定されるゴム片４７が挙げられる。ゴム片４７は、適度な弾性を有し、断面三日月状に形成されており、厚さはリーク溝４６の深さの半分程度で、リーク溝４６のほぼ全長にわたって延在している。

ゴム片４７は、軸受穴４４に侵入した液体の粘度や圧力に応じて厚さが変化するように弾性変形する。すなわち、軸受穴４４内の液体の圧力が上昇しようとすると、弾性片４７は潰れてリーク溝４６の容積が広がり、液体の圧力上昇が逃がされる。また、軸受穴４４内の液体の圧力が低くなると、弾性片４７は自然状態に復帰する。

このように、軸受穴４４内の液体の圧力に応じて弾性片４７が適宜に弾性変化することにより、液体の吐出圧が確保されることと、駆動シャフト５０が軸受穴４４内の液体の圧力でケーシング３０側に押されないこととのバランスが良好に取られる。その結果、常に適正なポンプ作用を安定して発揮させることができる。

本発明の一実施形態に係るトロコイドポンプの縦断面図である。図１のII−II線矢視図である。図１のIII−III線矢視図である。（ａ）は図１のIV部拡大図、（ｂ）はリーク溝の別態様を示す断面図である。（ａ）は一実施形態のリーク溝の横断面形状を示す図、（ｂ）〜（ｄ）はリーク溝の横断面形状の別態様を示す図である。リーク溝に空間容積可変手段としてゴム片を挿入した状態を示す軸受穴の平面図である。従来のトロコイドポンプの一例を示す縦断面図である。図７のVIII−VIII線矢視図である。図８のIX−IX線矢視図である。

符号の説明

１…トロコイド、１０…アウタロータ、１１…内歯、２０…インナロータ、
２１…外歯、３０…ケーシング、３１…トロコイド収容凹所、４０…カバー、
４１…吸入口、４２…吐出口、４４…軸受穴、４４ａ…軸受穴の底部、
４６…リーク溝（空間）、４７…ゴム片（空間容積可変手段、弾性部材）、
５０…駆動シャフト、Ｒ_１…吸入側容積室、Ｒ_２…吐出側容積室。

Claims

複数の内歯を有する環状のアウタロータ内に、複数の外歯を有するインナロータが、前記外歯が前記内歯に噛み合い、かつ、偏心する状態で回転自在に収容され、前記内歯と前記外歯との間に、液体を吸入する吸入側容積室と、この吸入側容積室に吸入した液体を吐出する吐出側容積室とが形成されるトロコイドと、
このトロコイドを収容するケーシングと、
このケーシングのトロコイド収容凹所を閉塞するとともに、前記トロコイドの一端面に対向し、その対向面に、底部を有する軸受穴が形成されたカバーと、
前記ケーシングまたは前記カバーに形成され、前記吸入側容積室および前記吐出側容積室にそれぞれ連通する吸入口および吐出口と、
前記インナロータの回転中心に同軸的に固定され、一端部が、前記カバーの前記軸受穴に嵌入される駆動シャフトと
を備えたトロコイドポンプにおいて、
前記軸受穴の内周面における該軸受穴の底部から開口にわたる領域のみに、該軸受穴の軸方向に沿って延びる適宜深さを有する空間が前記吸入口側に形成されており、該空間は前記トロコイド収容凹所のみに開口していることを特徴とするトロコイドポンプ。
前記空間には、吸入・吐出する液体の粘度および／または吐出圧に応じて、該空間の容積を可変とする空間容積可変手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のトロコイドポンプ。
前記空間容積可変手段は、前記軸受穴内の液体の圧力に応じて弾性変形する弾性部材であることを特徴とする請求項２に記載のトロコイドポンプ。