JP5021749B2 - 羽根型機械、特にベーンポンプ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載されている羽根型機械、特にベーンポンプに関するものである。

特許文献１には、半径方向外側に向って延びる多数の羽根部材が半径方向へスライド可能に収容されている、環状の内側ロータを備えたベーンポンプが開示されている。羽根部材の半径方向内側の端部領域は回転不能な中央部分に支持され、半径方向外側に位置する端部領域は回転不能な外側リングに支持されている。ロータは、中央部分および外側リングの中心軸に対して、オフセットされた回転軸を中心として回転することができる。このようにして、ロータが回転したときにそれぞれの羽根部材の間で、当初は比較的大きく、それから再び小さくなる送出セルが形成される。送出セルの容積変化によって、当初は流体が送出セルの中へ吸い込まれ、それから再び吐出される。羽根部材の端部領域は、中央部分ないし外側リングの上で摺動する。このようなベーンポンプは簡単かつ安価に製造することができる。

効率を高めるために、特許文献２には、振子型回転羽根式ポンプの形態の羽根型機械が開示されている。この羽根型機械では、羽根部材は内側ロータにスライド可能に収容され、それに対して、環状の外側ロータでは旋回可能に保持されている。内側ロータの回転軸は外側ロータの回転軸に対してオフセットされ、それにより、作動時には同じく当初は広くなり、それから再び狭くなる送出セルが形成される。しかし、特許文献２から既知の振子型回転羽根式ポンプは複雑であり、従って製造が高価になる。
独国特許出願公開第１００４０７１１Ａ１号明細書 独国特許第１９５３２７０３Ｃ１号明細書

本発明の課題は、高い効率を有すると同時に、簡単かつ安価に製造することができる羽根型機械を提供することにある。

この課題は、請求項１の構成要件を備えている羽根型機械によって解決される。

羽根部材の半径方向内側の端部領域が少なくとも実質的に角度を固定して内側ロータに収容されていることによって、一方では、羽根部材と内側ロータとの間で非常に優れた密閉が実現され、このことは羽根型機械の効率に有利に作用する。他方では、振子型回転羽根式ポンプの場合に必要となる旋回手段をこの領域で省略することによって、本発明による羽根型機械の製造が簡素化され、これによりひいてはその製造費用が下げられる。

各々の羽根部材について別個の個別のシューを外側ロータが含み、これらのシューと羽根部材が旋回可能に結合されていることによって、この領域では、外側ロータと羽根部材との間の優れた密閉が実現され、これは本発明による羽根型機械の効率をいっそう向上させる。しかも、羽根型機械の本発明の実施形態に基づき、作動時に隣接するシューの間で追加の可変容積が生じ、これも、同じく効率の向上を結果としてもたらす。

羽根型機械の１つの好ましい実施形態によると、羽根部材の半径方向外側の領域は作動時に旋回可能なようにシューに取り付けられ、シューは円周方向に強制案内される。このようにして、半径方向内側に位置する中央部材を省略することができ、これは本発明による羽根型機械の構造をいっそう簡素化する。

ベーンポンプが、シューの半径方向外部に配置された回転不能なハウジング区域を含み、シューが作動時に摺動しながらこのハウジング区域に当接すると、同じくベーンポンプの構造の簡素化に貢献する。シューと回転不能なハウジング区域との間のこのような摺動による協働は、優れた密閉性を可能にしながらも、安価に具体化することが可能である。

シューの少なくとも１つの側方の縁部領域が案内軌道で摺動するように案内されていると、正確な強制案内と同時に、少ない摩擦抵抗、簡単な製造可能性、および特に簡単な組立可能性を実現することができる。この案内軌道は、例えば側方の溝によって形成されていてよく、または、外側リングと、側方のカバー部材の環状の段部との間に形成されていてよい。

シューの存在によって比較的広い封止面を利用することができるので、例えば上に述べたようなシューの滑り支承が乾式で作動する場合にも、すなわち、追加の潤滑物質ないし封止物質を用いることなく作動する場合にも、本発明による羽根型機械の十分な密閉およびこれに伴う優れた効率が実現される。それによって、このような物質による気体流の汚れが回避されるので、これは、特に本発明による羽根型機械が真空ポンプまたはコンプレッサとして使用される場合に有利である。

送出セル内部の無駄な容積を最低限に抑え、それによって本発明の羽根型機械の効率を最適化するために、第１の送出セルの容積が最小になる羽根型機械の領域で、隣接するシューの間の間隙がゼロに近くなる程度まで、シューが円周方向に延びていることが提案される。

さらに、羽根部材の半径方向内側の端部領域と内側ロータとの間で形成される少なくとも１つの第２の送出セルを羽根型機械が含むと好ましい。この送出セルは、通常のピストンポンプの場合に存在している種類のものである。これにより、全体としてさらに広い送出容積を利用することができるので、効率がいっそう向上する。

送出を行う第１および第２の送出セルおよび／または吸込みをする第１および第２の送出セルが、それぞれ少なくとも１つの通路によって相互に接続されていると、羽根型機械の構造を簡素化するのに貢献する。さらにこの通路は、側方のカバー部材にある溝として設けられているのが好ましく、半径線に対して０°よりも大きい角度、特に４５°よりも大きい角度で延びている。これは、羽根部材と通路との間の相互作用を防止する。

次に、本発明の格別に有利な実施例について、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。

ベーンポンプには、図１から図９では全体として符号１０が付されている。ここであらかじめ指摘しておくと、図面を見やすくする都合上、以下のどの図面においても、可能な符号がすべて図示されているわけではない。特に図２から明らかなように、ベーンポンプは、カップ状の部分１２ａと端面側の蓋１２ｂとで構成される円筒状のハウジング１２を含む。ハウジング１２の中にポンプモジュール１４が配置されている。

図３は、ハウジング１２のカップ状区域１２ａの底面１６の領域を示す、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。底面１６には、底面１６の内側にある腎臓形の切欠き２２ないし２４と連通する取込口１８と排出口２０とがある。さらに底面１６には駆動軸２６が支承され、この駆動軸は反対側の端部ではハウジング１２の蓋１２ｂを貫通し、そこで図示しない継手を介して、相応の駆動装置と連結することができる。

例えば図６と図７からも明らかにわかるように、駆動軸２６は円筒状の内側ロータ２８と結合され、この内側ロータには、円周全体にわたって配分された半径方向に延びる複数のスリット３０があり、ただし図面では、図面を見やすくする都合上、これらのスリットにすべてに符号が付されてはいない。それぞれのスリット３０には、全体として長方形をした円板状の羽根部材３２の領域が半径方向へスライド可能なように、ただし内側ロータ２８に対しては角度を固定して収容されている。羽根部材３２の対応するスリット３０に受けられている羽根部材３２の半径方向内側の端部領域３４は直線状に製作され、それに対して、羽根部材３２の半径方向外側の端部領域は、断面が円形をした輪郭をもつ軸状の肉厚部３６として構成されている。この肉厚部３６の長軸は、駆動軸２６の長軸と平行に延びている。

羽根部材３２の円形に肉厚になっている端部領域３６は、シュー３８にある相補的な切欠き（符号なし）に受けられている。このようにして、羽根部材３２とシュー３８とは半径方向（図７の矢印Ｒ）および円周方向（図７の矢印Ｕ）では互いに不動に結合されているが、嵌合による結合によって、羽根部材３２はある程度の角度範囲内でシュー３８に対して旋回することができる。その意味において、羽根部材３２における端部側の肉厚部３６は旋回軸を形成している。

それぞれのシュー３８は、羽根部材３２と同様に、共通の中心軸をもつリング切片状のシェル部分として互いに同一に構成されている。シューは外側リング４０の半径方向内側の仕切壁に当接し、この外側リングは、後でまた詳しく説明するように、ハウジング１２と回転不能に結合されている。

特に図８を見ると明らかなように、シュー３８は駆動軸２６の方向で見て羽根部材３２よりも長くなっている。すなわちシューは側方の縁部領域４２ａおよび４２ｂで、羽根部材３２の側方の縁部４４よりも突出している。側方の縁部領域４２ａおよび４２ｂのこのような突出は、案内軌道４６ａないし４６ｂでシュー３８を強制案内するために利用される。案内軌道は、一方では、駆動軸２６の方向で見てシュー３８とちょうど同じ長さの外側リング４０によって形成され、また、外側リング４０と不動に結合された側方のカバー部材５０ａおよび５０ｂにある環状の段部４８ａないし４８ｂによって形成される。すなわち両方のカバー部材５０ａおよび５０ｂは、ポンプモジュール１４の端面側の仕切を形成している（図４も参照）。シュー３８は外側ロータ５１を形成する。

図８では左側、図４では手前側にあるカバー部材５０ａは、腎臓形吸込部５２と腎臓形圧力部５４を備えるとともに、半径方向外側でシュー３８の半径方向高さに位置する吸込スリット５６およびこれに対応する圧力スリット５８を備えている。さらに、図５から明らかなように、羽根部材３２の方を向いているカバー部材５０ａの内面には腎臓形をした追加の溝状の切欠き６０および６２があり、これらの切欠きは、腎臓形吸込部５２ないし腎臓形圧力部５４の半径方向内方で、ほぼスリット３０の半径方向内側の領域の高さに配置されている。ここで付言しておくと、腎臓形吸込部５２の領域に配置されている腎臓形の切欠き６０は、円周方向Ｕで、腎臓形圧力部５４の領域に配置されている腎臓形の切欠き６２よりも短い範囲にわたって延びている。

内側の腎臓形の切欠き６０、腎臓形吸込部５２、および吸込スリット５６は、同じく羽根部材３２の方を向いているカバー部材５０ａの内面に設けられた溝状の通路６４によって、互いに流動接続されている。これに準じて、腎臓形の切欠き６２、腎臓形圧力部５４、および圧力スリット５８も、相応の溝状の通路６６によって互いに接続されている。通路６４および６６は、半径線Ｒに対してほぼ４５°の角度で延びている。

特に図４および図７から明らかなように、符号６８が付され、案内軌道４６での強制案内に基づくシュー３８および羽根部材３２も帰属している、外側リング４０と側方のカバー部材５０ａおよび５０ｂとで構成されるユニットは、軸７０を中心として旋回することができる。そのために外側リング４０は、図７に示す位置へとばね７４によって付勢されるヨーク部材７２と結合されている。この位置のとき、ユニット６８の中心軸は駆動軸２６の中心軸上にあるのではなく、これに対して平行にオフセットされている。圧力室７６に流体力学的な圧力が作用することで、ヨーク部材７２およびこれと共にユニット６８は、場合によりユニット６８の中心軸と駆動軸２６の長軸とが同心的になるまで、ばね７４の力に抗して軸７０を中心として旋回することができる。圧力室７６を密閉するために、ヨーク部材７２は、摺動しながらハウジング１２と協働する封止面７８ａおよび７８ｂを備えている。

ベーンポンプ１０は次のように作動する。まず、図７に示すユニット６８の位置について考察する。駆動軸２６が矢印７９の方向へ回転すると、内側ロータ２８も同じく回転する。それにより羽根部材３２も連行され、さらに羽根部材を介して、外側ロータ５１を構成するシュー３８も連行される。ユニット６８が図７に示す位置にあるとき、その中心軸は駆動軸２６の回転軸に対してオフセットされているので、外側リング４０、シュー３８、羽根部材３２、および内側ロータ２８の間には第１の送出セル８０が生じ、その容積は吸込側８１で最初に増加してから、圧力側８３で再び減少する。

羽根部材３２がスリット３０で案内されていることにより、および、羽根部材３２の旋回軸３６がこれと相補的なシュー３８の切欠きで嵌合によって受けられていることにより、隣接する送出セル８０は相互に良好に密閉されている。吸込側８１で増大していく第１の送出セル８０の容積によって、対応する腎臓形吸込部５２、腎臓形の切欠き２２、および取込口１８を介して、流体は送出セル８０へ吸い込まれる。図６および図７から特に良くわかるように、円周方向Ｕで見たときの隣接するシュー３８の間の間隔も、回転が進行するうちに吸込側８１で同じく増大するという意味において、同じく可変である。それにより、第１の送出セル８０の内部に追加の送出容積８２が生みだされる。

同じ図面から明らかなように、半径方向内側の端部領域３４と内側ロータ２８との間のスリット３０が第２の送出セル８４を形成し、その容積も、同じく吸込側８１で増加して圧力側８３で減少する。この送出セル８４も吸込側で、半径方向内側の腎臓形をした切欠き６０と、通路６４と、腎臓形吸込部５２と、腎臓形の切欠き２２とを介して流体で充填される。第１の送出セル８０および第２の送出セル８４の容積が圧力側８３で再び狭くなることに基づき、そこに収容された流体は、腎臓形圧力部５４ないし腎臓形の切欠き６２および通路６６を介して腎臓形の切欠き２４へ、さらにそこから排出部２０へと押し出される。これに加えて、隣接するシュー３８の間にある流体容積８２は、圧力スリット５８を通って排出口２０へ逃げることができる。このとき、同じく図６および図７に特に良く見られるように、円周方向Ｕにおけるシュー３８の長さは、第１の送出セル８０の容積が最小になるベーンポンプ１０の領域（符号８６）で、隣接するシュー３８の間の間隙がゼロに近くなるように選択されている。

すでに上に説明したとおり、シュー３８はその半径方向外面で摺動をしながら外側リング４０の内壁と協働する。封止面が比較的広いことに基づき、隣接する第１の送出セル８０の間で優れた密閉が得られ、追加の封止剤、特に潤滑剤などを必要とすることがない。シュー３８と外側リング４０の間の滑り摩擦の低減は、相応の材料選択によって実現することができる。

図９には、ユニット６８の中心軸と駆動軸２６の回転軸とが同心的になるように、ヨーク部材７２がばね７４の力に抗して旋回している状態でベーンポンプ１０が示されている。この場合、第１の送出セル８０と第２の送出セル８４とは駆動軸２６が回転しても容積を変化させず、従ってベーンポンプ１０はこの動作位置では流体を送出しないことがわかる。

ベーンポンプを示す平面図である。 図１のベーンポンプを示す側面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図１のベーンポンプのポンプモジュールを示す外観図である。 図２のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 ポンプモジュールの内部を示す、図３に類似する外観図である。 図２のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図である。 図１のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図である。 別の動作状態にあるベーンポンプを示す、図７に類似する図面である。

Claims (11)

1. ハウジング（１２）と、
   前記ハウジング（１２）の内部に設けられる外側リング（４０）と、
   少なくとも１つの内側ロータ（２８）と、
   前記外側リング（４０）の内側面に当接する複数のシュー（３８）を含む少なくとも１つの外側ロータ（５１）と、
   互いに分離される第１の送出セル（８０）を形成するようにほぼ半径方向に延びる複数の羽根部材（３２）であって、前記羽根部材（３２）の各々の半径方向内側の端部領域（３４）が前記内側ロータ（２８）に半径方向へスライド可能に取り付けられ、前記羽根部材（３２）の各々の半径方向外側の端部領域（３６）が前記外側ロータ（５１）の前記シュー（３８）の各々に旋回可能に取り付けられ、前記羽根部材（３２）の半径方向内側の端部領域（３４）は前記内側ロータ（２８）に実質的に角度を固定して取り付けられる、羽根部材（３２）と、
   前記シュー（３８）の少なくとも１つの側方の縁部領域（４２）が摺動するように案内される案内手段（４６）と、
   前記ハウジング（１２）の内部に設けられ、前記外側リング（４０）を支持し、回転軸（７０）を中心として旋回するように取り付けられるヨーク部材（７２）であって、前記ヨーク部材（７２）と前記ハウジング（１２）とが圧力室（７６）を画定し、前記圧力室（７６）に流体圧力が作用する際に前記ヨーク部材（７２）が前記回転軸（７０）を中心として旋回するように構成される、ヨーク部材（７２）と、
   を備える、
   羽根型機械（１０）。
2. 前記羽根部材（３２）の半径方向外側の端部領域（３６）は前記羽根型機械（１０）の作動時に旋回可能なように前記シュー（３８）と協働し、前記シュー（３８）は円周方向（Ｕ）へ強制駆動されることを特徴とする、請求項１に記載の羽根型機械。
3. 前記外側リング（４０）は、前記圧力室（７６）に流体圧力が作用する際に、前記前記ヨーク部材（７２）と共に旋回することを特徴とする、請求項１または２に記載の羽根型機械。
4. 前記案内手段（４６）は、前記外側リング（４０）と側方のカバー部材（５０）の環状の段部（４８）との間に形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の羽根型機械。
5. 前記シュー（３８）の滑り支承は乾式で作動することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の羽根型機械。
6. 前記シュー（３８）は、前記第１の送出セル（８０）の容積が最小になる前記羽根型機械（１０）の各領域（８６）で、隣接する前記シュー（３８）の間の間隙がゼロに近くなる程度まで円周方向（Ｕ）に延びていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の羽根型機械。
7. 前記羽根部材（３２）の半径方向内側の端部領域（３４）と前記内側ロータ（２８）との間に形成される少なくとも１つの第２の送出セル（８４）を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の羽根型機械。
8. 前記第１および第２の送出セル（８０、８４）はそれぞれ少なくとも１つの送出通路（６４、６６）によって相互に接続されていることを特徴とする、請求項７に記載の羽根型機械。
9. 前記送出通路（６４、６６）は側方のカバー部材（５０ａ）にある溝として設けられ、前記送出通路（６４、６６）は半径方向（Ｒ）に対して０°よりも大きい角度で延びていることを特徴とする、請求項８に記載の羽根型機械。
10. 前記角度は４５°よりも大きいことを特徴とする、請求項９に記載の羽根型機械。
11. 少なくとも１つの第１の吸込みセルおよび少なくとも１つの第２の吸込みセルはそれぞれ少なくとも１つの吸込み通路によって相互に接続され、前記吸込み通路は側方のカバー部材にある溝として設けられ、前記吸込み通路は半径方向に対して４５°よりも大きい角度で延びていることを特徴とする、請求項１に記載の羽根型機械。

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