JP4940173B2 - ベーンポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ベーンポンプに関する。

従来、複動式の油圧シリンダをアクチュエータとした油圧システムが知られている。複動式の油圧シリンダとしては、シリンダの片側にのみロッドが設けられた片ロッド形シリンダやシリンダの両側にロッドが設けられた両ロッド形シリンダが知られている。従来の油圧システムでは、これらの油圧シリンダを駆動するために、制御弁を用いてアクチュエータの動作方向を切り替えている。

図９は、従来の油圧システム２００の例を、概略的に示したブロック図である。この油圧システム２００は、片ロッド形の油圧シリンダ２１０をアクチュエータとした油圧システムであり、油圧シリンダ２１０には、ピストン２１３を介して区切られた各空間２１５ａ，２１５ｂに、配管に通じるポート２１７ａ，２１７ｂが設けられている。各ポート２１７ａ，２１７ｂから延びる配管は、方向切替弁２２０に接続されており、油圧ポンプ２３０から供給される作動油の流れは、この方向切替弁２２０により、切り替えられる。

例えば、方向切替弁２２０が操作されて、方向切替弁２２０が第一の状態にあるときには、油圧ポンプ２３０から供給される作動油が、ポート２１７ａに入力され、ポート２１７ｂからはタンク２４０に向けて作動油が出力される。このような作動油の油圧シリンダ２１０に対する入出力により、ピストン２１３は、図面左側から右側に移動して、それに伴いロッドが移動する。

これに対し、方向切替弁２２０が、第二の状態にあるときには、油圧ポンプ２３０から供給される作動油がポート２１７ｂに入力されて、ポート２１７ａからは作動油がタンク２４０に向けて出力される。このような作動油の油圧シリンダ２１０に対する入出力により、ピストン２１３は、図面右側から左側に移動して、それに伴いロッドが移動する。

この動作により、油圧ポンプ２３０の運動は、ロッドの線形運動に変換される。尚、この種の油圧システム２００には、油圧ポンプ２３０として、例えば、ベーンポンプが用いられる（特許文献１，２参照）。
特開昭５８−１７０８６８号公報 特開２００２−３１７７８３号公報

しかしながら、上述した従来技術では、複動式の油圧シリンダを駆動するために、タンクや方向切替弁等を用いて油圧システムを構成する必要があり、システム構成が煩雑になるといった問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、複動式の油圧シリンダを簡素なシステム構成で駆動可能なベーンポンプを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１記載のベーンポンプは、回転軸を中心に放射状に形成された複数のベーン溝を有し、回転軸を中心に回転するロータと、ロータより大径に形成された内面であって回転軸に直交する断面がエピトロコイド曲線に沿うように形成された内面を有して、ロータを包囲するカムリングと、ロータの各ベーン溝に設けられ、ロータの回転に応じてベーン溝から、ロータの回転軸に対して直交する方向に出入する複数のベーンと、を備えると共に、回転軸から対称に位置するベーンの組毎に、一方のベーンの先端と他方のベーンの先端との間の距離がロータの直径より長尺な一定距離となるように支持する、所定長さの支持棒を備えるものである。

このベーンポンプにおいて、ロータの回転軸は、カムリングの内面を構成するエピトロコイド曲線上で一定距離だけ離れた任意の二点間を結ぶ直線が通る唯一の定点を通るように、位置決めされている。即ち、本発明のベーンポンプは、各ベーンの先端が常時カムリング内面を当接するように構成されており、ロータが回転すると、各ベーンが、ロータの回転運動に連動してベーン溝から出入し、カムリング内面を摺動する。

また、各ベーンは、一対のベーン構成体が回転方向の前後で重ね合わされた構成にされている。そして、一対のベーン構成体は、対となるベーン構成体に接触する裏面から表面に向けて、対となるベーン構成体とは対称的に傾斜したテーパー部を、カムリング内面に接触する先端側に有して、裏面側に先端を有した尖形形状にされている。

このように構成された本発明のベーンポンプでは、ロータが正回転している場合、吸入口からカムリング内にポンプ対象の流体（以下、「対象流体」と称する。）が流入して、当該流体が吐出口までポンプされ当該吐出口から対象流体が外部に吐出され、ロータが逆回転している場合には、吐出口からカムリング内に対象流体が流入し、当該流体が吸入口までポンプされ当該吸入口から外部に吐出される。

そして、この回転時には、流体をポンプすることによる反作用として、ベーンに、テーパー部を通じて強い圧力が働くが、本発明では、ベーンが、上述した構成の一対のベーン構成体からなることから、上記圧力によってベーンとカムリング内面との間に隙間ができ、対象流体が、この隙間を抜けることによって、ポンプ性能が劣化するのを抑えることができ、効率的に対象流体をポンプすることができる。

詳述すると、ベーンポンプでは、ベーンに回転中心側への強い圧力がかかると、ベーンが、支持棒に支持された状態にあっても、寸法誤差の関係上、回転中心側へ微小量ずれて、ベーン先端とカムリング内面との間に隙間が生じてしまう。特に、回転方向にテーパーが面していると、ベーンには、流体をポンプする過程で、テーパーを通じて回転中心方向への力が働きやすいため、このような事象が発生しやすい。

しかしながら、ベーンを曲面状のカムリング内面で摺動させるためには、ベーン先端にテーパーを設けてベーンを尖形形状とする必要がある。即ち、ベーンポンプを両回転可能に構成する場合には、ベーン先端にテーパーを設けてベーンを尖形形状とする必要があるけれども、テーパー部をベーンの表面及び裏面のいずれに設けても、正回転または逆回転時に、回転方向を向くテーパーが生じてしまうといった問題がある。このため、ベーンポンプを両回転可能に構成する場合には、従来のように、ベーンを単一部材で構成すると、ベーンがカムリング内面から離れてしまい、ポンプ性能が劣化してしまうといった問題がある。

このため、本発明では、上述のような構成の一対のベーン構成体にてベーンを構成することで、回転中心への強い圧力が加わっても、ポンプ性能が劣化しないようにしている。
本発明のように、ベーンを構成すれば、回転方向前方のベーン構成体には、回転中心側への強い圧力が働いてベーン構成体がカムリング内面から離れてしまう可能性があるが、回転方向前方のベーン構成体がカムリング内面から離れると、対象流体が、回転方向前方のベーン構成体の先端から抜けて、回転方向前方のベーン構成体と回転方向後方のベーン構成体との僅かな隙間に侵入し、回転方向後方のベーン構成体の回転中心側の背面に回り込んで、回転方向後方のベーン構成体には、回転中心側とは反対方向の圧力が加わる。

一方で、回転方向後方のベーン構成体は、回転方向に対して後方側の面にテーパー部を有している。即ち、このベーン構成体においては、回転方向側にテーパー部がないため、回転方向前方のベーン構成体と比較して、回転中心側への力が加わりにくい。

従って、本発明によれば、回転方向前方のベーン構成体が圧力によりカムリング内面から浮いてしまっても、回転方向後方のベーン構成体をカムリング内面にしっかりと接触させることができて、ポンプ性能を劣化させずに、流体をポンプすることができるのである。

このように、本発明のベーンポンプは、回転方向に依らずポンプ性能が維持されるように構成されているので、ユーザは、ロータの回転方向を切り替えて、ベーンポンプを駆動することができる。

従って、このベーンポンプの吸入口及び吐出口を、複動式の油圧シリンダに接続して閉回路を構成すれば、方向切替弁やタンクを用いなくとも、ロータの回転方向を切り替える程度で、シリンダ内でピストンにより区切られた各空間内の作動油をシリンダに対して入出力することができ、シリンダ内のピストンの移動方向を切り替えることができる。よって、このベーンポンプを用いれば、複動式の油圧シリンダを簡素なシステム構成で駆動することができるのである。

特に、本発明では、カムリング内面をエピトロコイド曲線として、カムリング内面の二点間の距離が回転中心を挟んで一定距離となるようにしつつ、回転軸を挟んで対称的な位置にある二つのベーンを、その間隔が上記一定距離となるように、支持棒にて支持するようにした。従って、本発明によれば、遠心力によりベーンをカムリング内面に当接させるベーンポンプよりも、良好に対象流体をポンプすることができる。

即ち、従来のベーンポンプとしては、各ベーンを、ベーン溝から遠心力でカムリング内面側へ突出させて、カムリング内面で摺動させるものがよく知られているが、この種のベーンポンプでは、ある所定値以上の回転速度にてベーンを回転させないと、遠心力が弱いためにベーンがカムリング内面に当接しなくなり、ベーンとカムリング内面との間に生じる隙間から、対象流体が漏れ出て、ベーンポンプのポンプ性能が劣化する。

また、カムリング内面とロータの回転軸との間の距離（即ち、カムリング内面の径）がベーンの周回運動に伴って著しく変化するベーンポンプでは、ロータを高速回転させる場合、ベーンにカムリング内面から大きな抗力が働いて、ベーンがカムリング内面から一時的に離れてしまい、ベーンポンプのポンプ性能が劣化する。

これに対し、本発明では、ロータの回転軸に対して、両側に対称に位置する二つのベーンを常に一定距離離れるように支持し、その一対のベーンがカムリング内面に常に当接するような内面形状に、カムリングを形成しているので、ロータの回転速度によってポンプ性能が劣化せずに済み、本発明のベーンポンプを用いれば、簡素な構成で高性能な油圧システムを構成することができるのである。

また、上記ベーンポンプは、次のように構成されるのが一層好ましい。即ち、カムリングの内面には、ロータが正回転した場合の吐出口から吸入口までの経路に、ベーンの先端とカムリングとの間に間隙を形成するための溝を形成するのが好ましい。

ベーンポンプにおいては、対象流体が吐出口から全て排出されないと、その流体は吸入口に至るまでに圧縮され、これに起因してベーンポンプ内に大きなサージ圧が発生するが、上記のようにカムリング内面を構成すると、排出できなかった流体を溝に逃すことができて、サージ圧が発生するのを抑制することができる。

従って、このベーンポンプでは、圧力による衝撃がベーンポンプ全体に伝搬することにより、ベーンポンプ内部に損傷が生じるのを抑制することができ、結果として、ベーンポンプの耐久性を向上させることができる。

また、大きなサージ圧が発生した際には、その圧力によってベーンの運動が阻害されて、ロータが回転しなくなってしまう可能性があるが、当該ベーンポンプによれば、このような事態が起こるのを防止することができる。

以下に本発明の実施例について、図面と共に説明する。
図１は、本発明が適用されたベーンポンプ１の概略分解斜視図であり、図２は、ロータ２０の回転軸（図１で示す一点鎖線Ｒ−Ｒ’）に垂直な面に沿うベーンポンプ１の概略断面図であり、図３は、その断面から見た対象流体のポンプ態様を表す説明図である。尚、図２及び図３では、シャフト２５を、一点鎖線で透過して表す。この他、図１では、ベーン形状を簡略的に表しているので、ベーン形状の詳細については、図２等を参照されたい。また、図４は、ロータ２０の回転軸に平行な面に沿うベーンポンプ１の概略断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施例のベーンポンプ１は、主に、ベーン１１を備えたロータ２０と、ロータ２０を収容する筒状のカムリング３０と、カムリング３０の周縁に固着され、カムリング３０の開口端を閉塞してロータ２０を包囲するサイドプレート４０Ｌ，４０Ｒと、これらの部材を収容するセンタケーシング５１及びサイドケーシング５３Ｌ，５３Ｒからなるケーシング５０と、から構成されている。

このベーンポンプ１は、モータからの回転トルクを受けて、ロータ２０を回転させる構成にされており、図３（ａ）に示すように、ロータ２０が正回転すると、ベーン１１は、ロータ２０の回転運動に連動して、カムリング３０及びサイドプレート４０Ｌ，４０Ｒによって形成されたポンプ室３の内面を摺動し、第一接続ポート５５から、対象流体を、吸入口４５を介してベーンポンプ１内部のポンプ室３に吸入すると共に、ポンプ室３内で対象流体をポンプし、吐出口４７を介して第二接続ポート５７から対象流体を外部へ排出する。

また、このベーンポンプ１では、モータの回転方向が切り替わり、ロータ２０が、図３（ｂ）に示すように逆回転すると、ベーン１１は、ロータ２０の回転運動に連動して、カムリング３０及びサイドプレート４０Ｌ，４０Ｒによって形成されたポンプ室３の内面を摺動し、第二接続ポート５７から、対象流体を、吐出口４７を介してベーンポンプ１内部のポンプ室３に吸入すると共に、ポンプ室３内で対象流体をポンプし、吸入口４５を介して第一接続ポート５５から対象流体を外部へ排出する。

ロータ２０は、円柱状に形成されたロータ本体の中心軸（換言すれば回転軸）から、その中心軸に直交する方向に沿って放射状に（本実施例では、角度３０度おきに）、ベーン１１を収納するためのベーン溝２３を備えた構成にされており、このベーン溝２３にて、対象流体をポンプするためのベーン１１を、収納すると共に支持する。

一方、ベーン１１は、ロータ２０に角度３０度おきに形成された１２個のベーン溝２３に対応して、ベーン溝２３毎に、一つずつ設けられており、ロータ２０の回転軸に対して対称に位置する二つのベーン１１は、互いに一定距離を保つように、回転軸に対向する背面にて、支持棒１３により支持された構成にされている。尚、以下では、ロータ２０の回転軸に対して対称に位置する二つのベーン１１と、このベーン１１を支持する支持棒１３との組合せからなるもの（換言すれば、二つのベーン１１が支持棒１３にて支持されたもの）を、特に、対ベーン１０と表現する。

そして、各ベーン１１は、ベーン溝２３に対して摺動自在、且つ、ロータ２０の回転軸に直交する方向（ロータ法線方向）に沿って、ベーン溝２３からロータ２０外部に出入自在にされて、ロータ２０に支持されている。

また、ロータ２０は、その回転軸に沿って貫設されたシャフト２５を備えており、このシャフト２５には、支持棒１３を、シャフト２５の中心軸（換言すれば回転軸）に直交するように配設するための支持棒用貫通孔２７が、設けられている。

また、このような構造のシャフト２５は、サイドケーシング５３Ｌ，５３Ｒによって回転自在に支持されており、外部モータから発生した回転トルクがシャフト２５に伝達されると、シャフト２５の回転に伴って、ロータ２０は、シャフト２５の中心軸を中心に回転する。

次に、内面でベーン１１が摺動するカムリング３０は、内径がロータ２０より大径で、左右の縁端が開口された筒状に形成されており、この外周面は、後述のセンタケーシング５１内側に当接されるようにして固定され、内周面（内面）は、ロータ２０及びロータ２０に支持されたベーン１１を、ロータ２０の外周側から包囲する。

また、カムリング３０の内面は、ロータ２０の回転軸に垂直な断面にて、次式で表されるエピトロコイド曲線となるように形成されている。
ｘ＝Ｒｃｏｓα−ｒｓｉｎ２α
ｙ＝Ｒｓｉｎα＋ｒｃｏｓ２α−ｒ …式（１）
上式において、αは変数（α＝０〜２π）、Ｒ，ｒは、形成するポンプ室３の大きさによって定まる定数であり、上式で算出されるｘ，ｙは、ロータ２０の回転軸を原点とした直交座標（ｘ，ｙ）系にて、カムリング３０の内面を形成するエピトロコイド曲線上の座標を表している。

図５は、この式にて描かれるエピトロコイド曲線を表す説明図である。但し、図５に示すエピトロコイド曲線は、エピトロコイド曲線の形状が理解しやすいように、本実施例のカムリング３０の内面を形成するエピトロコイド曲線より、定数ｒが定数Ｒと比較して小さい値に設定されている。つまり、図２からもわかるように、本実施例のカムリング３０内面を形成するエピトロコイド曲線における原点（即ち、ロータ２０の回転軸）は、図５に示す原点Ｏよりも、エピトロコイド曲線によって囲まれる領域の中央側に設定されている。

このエピトロコイド曲線は、原点Ｏから対称に位置する曲線上の任意の二点間（例えば、図５に示すＡ−Ａ’間、Ｂ−Ｂ’間、Ｃ−Ｃ’間、Ｄ−Ｄ’間）の距離が一定となる性質を持っており、本実施例のカムリング３０の内面は、ロータ２０の回転軸に対して対称に位置する二点間の距離が一定値２Ｒとなるようにされている。

また、このような曲線形状のカムリング３０内面の大きさは、ロータ２０の回転軸（原点Ｏ）からエピトロコイド曲線上の点までの最短距離がロータ２０の半径と同程度になるように設定されている。

また、この構成に伴って、ロータ２０の回転軸からの距離が最短となるカムリング３０内面付近には、ロータ２０の回転軸を基準とする角度３０度の範囲（隣り合う二つのベーン溝２３の間隔）で、断面円弧状に切削された溝部３１が形成されている。

なぜなら、このような溝部３１が形成されていないカムリングにてベーンポンプ１を構成すると、ロータ２０の外周面が、回転軸から最も近いカムリング３０内面に略接することになり、例えば、ロータ２０が正回転する際には、ベーンポンプ１が対象流体を吐出口４７から排出しきれないと、ロータ２０がこの対象流体を圧縮して、ベーンポンプ１内に、大きなサージ圧が発生してしまう可能性があるからである。

換言すると、本実施例のベーンポンプ１では、吐出口４７から排出しきれなかった対象流体を溝部３１に逃すことにより、サージ圧が発生するのを抑制して、サージ圧が発生することによるベーンポンプ１への衝撃を抑制し、結果として、ベーンポンプ１の耐久性を向上させている。尚、溝部３１を設けることにより得られる効果は、ロータ２０が逆回転する際にも同様に得ることができる。即ち、本実施例のベーンポンプ１は、ロータ２０の逆回転時においても、吸入口４５から排出しきれなかった対象流体を溝部３１に逃しつつ、吐出口４７側にロータ２０を回転させることができる。

尚、溝部３１は、ベーン１１が溝部３１内に侵入しないようにベーン１１の幅より細い筋状に形成されている。このため、ベーンポンプ１内部においては、ベーン１１が溝部３１に侵入することはない。

また、サイドプレート４０Ｌ，４０Ｒは、カムリング３０の左右の開口端を閉塞するようにして、上述のカムリング３０の左右周縁に当接されており、このサイドプレート４０Ｌ，４０Ｒと上述のカムリング３０とによって、本実施例のベーンポンプ１の内部には、対象流体をポンプするためのポンプ室３が形成されている。

詳述すると、このサイドプレート４０Ｌ，４０Ｒは、円盤状で、側縁がカムリング３０の周縁の外周に沿った形状となるように形成されており、ロータ２０の回転軸に対応する位置には、左右外側にシャフト２５を貫通させて、サイドケーシング５３Ｌ，５３Ｒ側へ導くための筒状のシャフト貫通部４１を備えている。

また、サイドプレート４０Ｌ，４０Ｒの端部には、サイドプレート４０Ｌ，４０Ｒとカムリング３０とを、ピンを用いて固定するための固定孔４３が設けられ、更に、右サイドプレート４０Ｒには、吸入口４５が形成され、左サイドプレート４０Ｌには、吐出口４７が形成されている。

この吸入口４５及び吐出口４７は、半径が僅かに異なる所定角度の二つの円弧の両端を結んでできる形状の切欠により構成されており、小径の円弧は、略ロータ２０と同半径にされ、大径の円弧は、ロータ２０の半径より、ロータ２０の外面とカムリング３０との内面との間の最大距離分だけ大径にされている。

そして、このような形状の右サイドプレート４０Ｒの吸入口４５は、右サイドプレート４０Ｒがカムリング３０に当接された状態において、吸入口４５の小径な円弧状に形成された端部がロータ２０の外周部分に沿うようにして、カムリング３０の溝部３１の端部を基点として配置され、ポンプ室３と連通された状態にされる。

また、左サイドプレート４０Ｌに形成された吐出口４７は、左サイドプレート４０Ｌがカムリング３０に当接された状態において、吐出口４７の小径な円弧状に形成された端部がロータ２０の外周部分に沿うように、カムリング３０の溝部３１の端部を基点として配置され、ポンプ室３と連通された状態にされる。

この他、ケーシング５０は、カムリング３０の外周面に内面が当接される筒状のセンタケーシング５１と、このセンタケーシング５１の左右周縁に螺子を用いて固着されるサイドケーシング５３Ｌ，５３Ｒと、から構成されている。

つまり、センタケーシング５１は、左右が開口された状態にされ、且つ、内面がカムリング３０の外周の形状に合わせて、断面円状となるように形成されている。また、このセンタケーシング５１の外周面には、ベーンポンプ１を外部に螺子で固定するための固定部５２が備えられている。

一方、サイドケーシング５３Ｌ，５３Ｒは、センタケーシング５１の左右開口端を閉塞可能な形状にされており、内部には、ロータ２０に接続されたシャフト２５をケーシング５０に回転自在に固定するためのベアリング５４を、ロータ２０の回転軸（一点鎖線Ｒ−Ｒ’）上となる対応箇所に備えている。

また、左右のサイドケーシング５３Ｌ，５３Ｒの内、右サイドケーシング５３Ｒには、外部の配管を接続するための筒状の第一接続ポート５５が備えられており、この右サイドケーシング５３Ｒの内部には、第一接続ポート５５から右サイドプレート４０Ｒの吸入口４５に繋がる流路５６が形成されている。即ち、右サイドケーシング５３Ｒは、ベーンポンプ１内側に位置する流路５６の開口部が、右サイドプレート４０Ｒの吸入口４５に連通するようにされて、センタケーシング５１に固定されており、この構成によりベーンポンプ１は、第一接続ポート５５を通じて、外部の配管とポンプ室３とが連通された構成にされている。

一方、左サイドケーシング５３Ｌには、外部の配管を接続するための筒状の第二接続ポート５７が備えられ、左サイドケーシング５３Ｌの内部には、左サイドプレート４０Ｌの吐出口４７から第二接続ポート５７に繋がる流路５８が形成されている。即ち、左サイドケーシング５３Ｌは、ベーンポンプ１内側に位置する流路５８の開口部が、左サイドプレート４０Ｌの吐出口４７に連通するように配置されて、センタケーシング５１に固定されており、この構成によりベーンポンプは、第二接続ポート５７を通じて、外部の配管とポンプ室３とが連通された構成にされている。

また、左サイドケーシング５３Ｌには、シャフト２５をベーンポンプ１外部に露出させるためのシャフト用孔部５９が形成されている。当該ベーンポンプ１は、このようにして外部に露出されたシャフト２５を通じてモータの回転トルクを受ける。

続いて、本実施例のベーンポンプ１を構成するベーン１１の構成について、図６を用いて詳述する。図６は、対ベーン１０の構成を表す説明図であり、図６（ａ）は、対ベーン１０の構成を表す概略側面図、図６（ｂ）は、ベーン１１が一本の支持棒１３にて支持される対ベーン１０の構成を表す概略上面図、図６（ｃ）は、ベーン１１が二本の支持棒１３にて支持される対ベーン１０の構成を表す概略上面図である。

本実施例のベーン１１は、長方形で平板状に形成された二つのベーン構成体１１ａが重ね合わされた構成にされている。
このベーン１１を構成する二つのベーン構成体１１ａは、夫々同一構成にされており、対となるベーン構成体１１ａに接触する裏面１１ｃから表面に向けて傾斜したテーパー部１１ｂを、カムリング３０内面に接触する先端側に有して、裏面側に先端を有した尖形形状にされている。

この二つのベーン構成体１１ａの夫々は、対となるベーン構成体１１ａを固定するための構造を有せず、ベーン溝２３に収納されていない状態では、対となるベーン構成体１１ａに対して自由に移動可能な構成にされている。但し、ベーン溝２３のロータ回転方向の幅は、ベーン構成体１１ａの厚みの２倍程度であるため、各ベーン構成体１１ａは、ベーン溝２３に収容されると、ベーン溝２３の内面２３ａと、対となるベーン構成体１１ａの裏面１１ｃとの間で挟まれるように支持され、ロータ回転方向の移動が規制された状態にされる。尚、ベーン構成体１１ａの１組は、ロータ回転方向の前後で重ね合わされて、ベーン溝２３に収容される。

また、ベーン構成体１１ａのロータ法線方向の移動は、回転軸から対称に位置するベーン１１の組毎に設けられた支持棒１３により規制される。
本実施例においては、上述したように、カムリング３０内面の回転軸を挟んだ二点間の距離が、一定距離２Ｒとなるように、ベーンポンプ１が設計されており、支持棒１３は、この距離２Ｒと、ベーン１１のロータ法線方向の長さＤ１と、の関係に基づき、所定長さＤ２に設計されている。具体的には、Ｄ２＝２・（Ｒ−Ｄ１）となるように、設計されている。

このようにして、本実施例では、回転軸から対称に位置する二つのベーン１１間の距離、即ち、一方のベーン１１の先端と他方のベーン１１の先端との間の距離が、ロータ２０の直径より長尺な一定距離２Ｒとなるように、支持棒１３が、ベーン１１を背面から支持する構成にされている。

具体的に、支持棒１３は、シャフト２５の支持棒用貫通孔２７に挿通され、回転軸から対称に位置する二つのベーン１１の間に設けられる。このような状態で、支持棒１３は、ベーン１１を構成する各ベーン構成体１１ａのテーパー部１１ｂが設けられた先端部とは反対側の背面を支持し、一方のベーン１１の先端と他方のベーン１１の先端との間の距離がロータ２０の直径より長尺な一定距離２Ｒとなるようにする。

尚、本実施例では、計６個の対ベーン１０を、ベーンポンプ１に設けているため、回転軸から対称に位置するベーン１１の組を、１本の支持棒で支持しようとすると、１つの対ベーン１０を除いて、ベーン１１の背面をその中心にて支持することができない。

このため、本実施例では、計６つの対ベーン１０の内、１つの対ベーン１０を１本の支持棒１３によりベーン１１を支持する構成とし、他の５つの対ベーン１０を、２本の支持棒１３によりベーン１１を支持する構成とした。

図４に示すように、シャフト２５は、回転軸方向に沿って、１１個の支持棒用貫通孔２７が等間隔に配列された構成にされている。この内、真ん中に位置する支持棒用貫通孔２７は、支持棒１３が、ベーン１１の背面を、その中心にて支持可能な位置に設けられている。

即ち、１本の支持棒１３でベーン１１が支持される対ベーン１０は、図６（ｂ）に示すように、回転軸から対称に位置する各ベーン１１の背面を、背面の中心にて支持する構成にされている。一方、２本の支持棒１３でベーン１１が支持される対ベーン１０は、図６（ｃ）に示すように、回転軸から対称に位置するベーン１１の背面を、背面の中心から、等距離離れた二点で支持する構成にされている。

本実施例では、このような方法で、合計六つの対ベーン１０を構成している。尚、このような構成の対ベーン１０は、生産者が、支持棒１３をシャフト２５の支持棒用貫通孔２７に挿入すると共に、ベーン溝２３に、１対のベーン構成体１１ａを重ね合わせて挿入することによって、ロータ２０に取り付けられる。そして、このような支持棒１３がベーン１１を支持することによって、ベーンポンプ１においては、各ベーン構成体１１ａが、カムリング３０内面に当接されるように配置される。

このようにして、ロータ２０に取り付けられたベーン構成体１１ａは、カムリング３０内面からの抗力を受けると共に、支持棒１３からの押圧力を背面から受けて、ロータ２０の回転と共に、ベーン溝２３から出入りするように動作し、カムリング３０内面を摺動しながら、ポンプ室３内を周回運動する。

以上が、本実施例のベーンポンプ１の構成に関する説明であるが、このような構成のベーンポンプ１では、ベーン１１がベーン構成体１１ａの１組から構成されているので、対象流体をポンプすることによる反作用として、ベーン構成体１１ａに、テーパー部１１ｂを通じて強い圧力が働いても、この圧力によってベーン１１とカムリング３０内面との間に隙間ができ、対象流体が、この隙間を抜けることによって、ポンプ性能が劣化するのを抑えることができ、効率的に対象流体をポンプすることができる。

即ち、ベーン１１を、ベーン構成体１１ａの１組ではなく単一部材で構成すると、ロータ２０の回転時にベーン１１に回転中心側への強い圧力がかかった場合、ベーン１１が支持棒１３に支持された状態にあっても、寸法誤差の関係上、回転中心側へ微小量ずれて、ベーン１１先端とカムリング３０内面との間に隙間が生じてしまう。特に、回転方向にテーパーが面していると、ベーン１１には、対象流体をポンプする過程で、テーパーを通じて回転中心方向への力が働きやすいため、このような事象が発生しやすい。

しかしながら、ベーン１１を曲面状のカムリング３０内面で摺動させるためには、ベーン１１先端にテーパーを設けてベーン１１を尖形形状とする必要がある。即ち、ベーンポンプ１を両回転可能に構成する場合には、ベーン１１先端にテーパーを設けてベーンを尖形形状とする必要があるけれども、テーパーをベーン１１の表面及び裏面のいずれに設けても、正回転または逆回転時に、回転方向を向くテーパーが生じてしまうといった問題がある。このため、ベーンポンプ１を両回転可能に構成する場合には、従来のように、ベーン１１を単一部材で構成すると、ベーン１１がカムリング３０内面から離れてしまい、ポンプ性能が劣化してしまうといった問題がある。

このため、本実施例では、上述のような構成の１組のベーン構成体１１ａにてベーン１１を構成することで、回転中心への強い圧力が加わっても、ポンプ性能が劣化しないようにした。

本実施例のように、ベーン１１を構成すれば、図７に示すように、回転方向前方のベーン構成体１１ａには、回転中心側への強い圧力Ｐ１が働いてベーン構成体１１ａがカムリング３０内面から離れてしまう可能性があるが、回転方向前方のベーン構成体１１ａがカムリング３０内面から離れると、対象流体が、回転方向前方のベーン構成体１１ａの先端から抜けて、回転方向前方のベーン構成体１１ａと回転方向後方のベーン構成体１１ａとの僅かな隙間に侵入し、回転方向後方のベーン構成体１１ａの回転中心側の背面に回り込んで、回転方向後方のベーン構成体１１ａには、回転中心側とは反対方向の圧力Ｐ２が加わる。尚、対象流体の流れは、図７において、点線で示す。

一方で、回転方向後方のベーン構成体１１ａは、回転方向に対して後方側の面にテーパー部１１ｂを有している。即ち、このベーン構成体１１ａにおいては、回転方向側にテーパー部１１ｂがないため、回転方向前方のベーン構成体１１ａと比較して、回転中心側への力が加わりにくい。

従って、本実施例によれば、回転方向前方のベーン構成体１１ａが圧力Ｐ１によりカムリング３０内面から浮いてしまっても、回転方向後方のベーン構成体１１ａをカムリング３０内面にしっかりと接触させることができて、ポンプ性能を劣化させずに、対象流体をポンプすることができるのである。

このように、本実施例のベーンポンプ１は、回転方向に依らずポンプ性能が維持されるように構成されているので、ユーザは、ロータ２０の回転方向を切り替えて、ベーンポンプ１を駆動することができる。

従って、本実施例のベーンポンプ１によれば、第一接続ポート５５から第二接続ポート５７への対象流体のポンプ動作及び第二接続ポート５７から第一接続ポート５５への対象流体のポンプ動作を、ロータ２０の回転方向の切替、即ち、ロータ２０を駆動するモータの回転方向の切替により、簡単に実現することができる。

結果、このベーンポンプ１の第一接続ポート５５及び第二接続ポート５７を、複動式の油圧シリンダに接続して閉回路を構成すれば、方向切替弁やタンクを用いなくとも、ロータ２０の回転方向を切り替える程度で、シリンダ内でピストンにより区切られた各空間内の作動油をシリンダに対して入出力することができ、シリンダ内のピストンの移動方向を切り替えることができる。よって、このベーンポンプ１を用いれば、複動式の油圧シリンダを簡素なシステム構成で駆動することができるのである。

また、本実施例によれば、カムリング３０内面が、上述したようにエピトロコイド曲線にて形成されているので、ベーン１１がカムリング３０内面から離れ辛く、良好に対象流体をポンプすることができる。

また、本実施例によれば、生産者は、部材を数式で表される曲線に沿って切削可能な工作機器を用いることで、簡単に、カムリング３０内面を加工することができ、簡単に、高性能なベーンポンプ１を製造することができる。

次に、本実施例のベーンポンプ１を用いた油圧システムについて説明する。図８は、本実施例のベーンポンプ１を用いた油圧システム１００の構成を表す説明図である。
この油圧システム１００は、本実施例のベーンポンプ１と、ベーンポンプ１を駆動するモータ１０１と、モータ１０１を制御する制御部１０３と、両ロッド形の複動式油圧シリンダ１１０と、油圧シリンダ１１０に設けられた第一ポート１１１とベーンポンプ１の第一接続ポート５５を結ぶ配管１２１と、油圧シリンダ１１０に設けられた第二ポート１１３とベーンポンプ１の第二接続ポート５７を結ぶ配管１２３と、を備えるものである。

油圧シリンダ１１０は、両側にロッドを備えるピストン１１５を、シリンダ本体１１７内で摺動可能に保持しており、第一ポート１１１は、ピストン１１５により分離されるシリンダ本体１１７内の第一室１１８ａに設けられ、第二ポート１１３は、ピストン１１５により分離されるシリンダ本体１１７内の第二室１１８ｂに設けられている。

また、この油圧システム１００において、シリンダ本体１１７及び配管１２１，１２３及びベーンポンプ１には、作動油が充填されており、この作動油の制御により、ピストン１１５は、左右に移動し、それに伴ってロッドが左右に移動する。これにより、ベーンポンプ１内のロータ２０を駆動するモータ１０１の回転運動は、ロッドによる線形運動に変換される。

この油圧システム１００においては、制御部１０３に対して入力される指令信号に従って、制御部１０３が、モータ１０１を制御して、ロータ２０の回転方向等を制御する。そして、制御部１０３の制御により、ロータ２０が正回転する方向にモータ１０１が制御されると、ベーンポンプ１は、油圧シリンダ１１０の第一室１１８ａ内の作動油を第一接続ポート５５を通じて吸引すると共に、作動油を吸入口４５から吐出口４７側へとポンプして、第二接続ポート５７を通じ、油圧シリンダ１１０の第二室１１８ｂ内に作動油を送り出す。これにより、油圧シリンダ１１０内のピストン１１５は、左方向に移動する。

また、この際、ベーンポンプ１は、具体的に、次のようにして、対象流体（作動油）をポンプする。
まず、ロータ２０が正回転（図２では、反時計回りに回転）すると、この回転に連動して、ベーン１１がカムリング３０内面を摺動する。

そして、ベーン１１が、このような動作で溝部３１側から吸入口４５側に移動すると、当該ベーン１１が、ベーン溝２３から次第に突出して、回転方向前方のベーン１１と共にポンプ室３内を区画して対象流体を運搬するための作動室３ａを形成する。尚、このベーン１１の動きに従動して、このベーン１１とは対称に位置するベーン１１は、ベーン溝２３に沿って回転中心に向かって移動し、ベーン溝２３内に収納される。

また、回転方向に移動するベーン１１がベーン溝２３から次第に突出されるのに伴って、このベーン１１によって形成される作動室３ａは、その体積を広げる。これにより、ベーンポンプ１は、吸入口４５から対象流体を作動室３ａ内に吸入する。

この後、対象流体が充填された作動室３ａは、ベーン１１の周回運動と共に、吐出口４７側へと対象流体を運搬する。そして、作動室３ａが吐出口４７と連通される位置まで移動すると、ベーン１１は次第にベーン溝２３内に収納され、ベーン１１によって区画された作動室３ａの体積は徐々に小さくなり、それと共に作動室３ａは、室内の対象流体を吐出口４７より押し出して吐出する。

そして、ベーン１１がカムリング３０の溝部３１周辺にまで移動すると、この作動室３ａの体積は略ゼロになり、作動室３ａからは、作動室３ａ内の対象流体の略全てが吐出される。尚、完全に作動室３ａ内から対象流体を吐出できなかった場合、ベーンポンプ１は、上述したように残った対象流体を溝部３１に流入させて、ベーンポンプ１内部にサージ圧が発生するのを抑制する。この後、ベーン１１は、再び吸入口４５まで移動して、上述と同様の動作をする。

一方、制御部１０３の制御により、ロータ２０が逆回転する方向にモータ１０１が制御されると、ベーンポンプ１は、油圧シリンダ１１０の第二室１１８ｂ内の作動油を第二接続ポート５７を通じて吸引すると共に、作動油を吐出口４７から吸入口４５側へとポンプして、第一接続ポート５５を通じ、油圧シリンダ１１０の第一室１１８ａ内に作動油を送り出す。これにより、油圧シリンダ１１０内のピストン１１５は、右方向に移動する。

また、この際、ベーンポンプ１は、具体的に、次のようにして、対象流体（作動油）をポンプする。即ち、ロータ２０が逆回転（図２では、時計回りに回転）した場合には、ベーン１１が溝部３１側から吐出口４７側に移動するのに伴って、当該ベーン１１がベーン溝２３から次第に突出し、回転方向前方のベーン１１と共にポンプ室３内を区画して対象流体を運搬するための作動室３ａを形成する。

また、回転方向に移動するベーン１１がベーン溝２３から次第に突出されるのに伴って、このベーン１１によって形成される作動室３ａは、溝部３１側の吐出口４７の端部から、その体積を広げる。これにより、ベーンポンプ１は、吐出口４７から対象流体を作動室３ａ内に吸入する。

この後、対象流体が充填された作動室３ａは、ベーン１１の周回運動と共に、吸入口４５側へと対象流体を運搬する。そして、作動室３ａが吸入口４５と連通される位置まで移動すると、ベーン１１は次第にベーン溝２３内に収納され、ベーン１１によって区画された作動室３ａの体積は徐々に小さくなり、それと共に作動室３ａは、室内の対象流体を吸入口４５より押し出して吐出する。

そして、ベーン１１がカムリング３０の溝部３１周辺にまで移動すると、この作動室３ａの体積は略ゼロになり、作動室３ａからは、作動室３ａ内の対象流体の略全てが吐出される。

このように、本実施例の油圧システム１００では、方向切替弁等を流路に設けなくとも、モータ制御により作動油の流れを切り替え、複動式油圧シリンダを駆動することができる。従って、本実施例のベーンポンプ１を用いれば、複動式の油圧シリンダを簡素なシステム構成で駆動することができる。

以上、本発明の実施例について説明をしたが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。例えば、上記実施例では、ベーンポンプ１を、複動式の油圧シリンダをアクチュエータとした油圧システム１００に適用した例を示したが、ベーンポンプ１は、上記実施例に限定されず、種々の用途で用いることができる。

この他、上記実施例では、サージ圧の発生を抑制するため、切削によりカムリング３０内面に溝部３１を設けたが、場合によっては、溝部３１を設けなくてもよい。
また、溝部３１に代えて、カムリング３０内面の溝部３１に該当する箇所を、エピトロコイド曲線ではなく、ロータ２０の回転軸を中心とし且つ半径がロータ２０の径よりも僅かに大きい円弧にて形成することも可能である。このようにカムリングを形成する場合には、ロータの回転軸より両側に位置するカムリング内面の間隔が２Ｒとなるように、カムリング内において上記円弧にて形成された位置とは対称的な位置を、ロータの回転軸を中心とする円弧にて形成すればよい。

このようにするとカムリング内面の円弧部分が、溝部３１と同様の効果を奏するため、ベーンポンプはサージ圧を抑制することができる。また、生産者は、カムリング形成時の溝部３１の切削工程を省略することができるので、同一のベーンポンプを大量生産する場合においては、効率的にベーンポンプを生産することが可能である。

ベーンポンプ１の構成を分解して表した概略分解斜視図である。 ロータ２０の回転軸方向に垂直なベーンポンプ１の断面の構成を表す概略断面図である。 ベーンポンプ１のポンプ態様を表す説明図である。 ロータ２０の回転軸方向に平行なベーンポンプ１の断面の構成を表す概略断面図である。 エピトロコイド曲線の形状を表す説明図である。 ベーン１１の構成を表す説明図である。 ベーン構成体１１ａの機能に関する説明図である。 油圧システム１００の構成を表す説明図である。 従来技術に関する説明図である。

符号の説明

１…ベーンポンプ、３…ポンプ室、３ａ…作動室、１０…対ベーン、１１…ベーン、１１ａ…ベーン構成体、１１ｂ…テーパー部、１３…支持棒、２０…ロータ、２３…ベーン溝、２５…シャフト、２７…支持棒用貫通孔、３０…カムリング、３１…溝部、４０Ｌ，４０Ｒ…サイドプレート、４１…シャフト貫通部、４３…固定孔、４５…吸入口、４７…吐出口、５０…ケーシング、５１…センタケーシング、５２…固定部、５３Ｌ，５３Ｒ…サイドケーシング、５４…ベアリング、５５…第一接続ポート、５６，５８…流路、５７…第二接続ポート、５９…シャフト用孔部、１００…油圧システム、１０１…モータ、１０３…制御部、１１０…油圧シリンダ、１１１…第一ポート、１１３…第二ポート、１１５…ピストン、１１７…シリンダ本体、１１８ａ…第一室、１１８ｂ…第二室、１２１，１２３…配管

Claims (1)

1. 回転軸を中心に放射状に形成された複数のベーン溝を有し、当該回転軸を中心に回転するロータと、
   前記ロータより大径に形成された内面であって、前記回転軸に直交する断面がエピトロコイド曲線に沿うように形成された内面を有して、前記ロータを包囲するカムリングと、
   前記ロータの前記各ベーン溝に設けられ、前記ロータの回転に応じてベーン溝から、前記ロータの回転軸に対して直交する方向に出入する複数のベーンと、
   を備えると共に、
   前記回転軸から対称に位置するベーンの組毎に、
   一方のベーンの先端と他方のベーンの先端との間の距離が前記ロータの直径より長尺な一定距離となるように支持する、所定長さの支持棒
   を備え、
   前記ロータの回転軸は、前記カムリングの内面を構成するエピトロコイド曲線上で前記一定距離だけ離れた任意の二点間を結ぶ直線が通る唯一の定点を通るように、位置決めされ、
   前記各ベーンは、一対のベーン構成体が回転方向の前後で重ね合わされた構成にされ、
   前記一対のベーン構成体は、対となるベーン構成体に接触する裏面から表面に向けて、前記対となるベーン構成体とは対称的に傾斜したテーパー部を、前記カムリング内面に接触する先端側に有して、前記裏面側に先端を有した尖形形状にされ、
   前記ロータが回転すると、前記各ベーンが、前記ロータの回転運動に連動して、前記ベーン溝から出入しつつ前記カムリング内面を摺動することにより、前記ロータが正回転している場合には、吸入口から前記ロータの外面と前記カムリングの内面との間に流体が流入して、当該流体が吐出口までポンプされ当該吐出口から外部に吐出され、前記ロータが逆回転している場合には、前記吐出口から前記ロータの外面と前記カムリング内面との間に流体が流入して、当該流体が前記吸入口までポンプされ当該吸入口から外部に吐出される
   ことを特徴とするベーンポンプ。

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