JP5033614B2 - ベーンポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ベーンポンプに関する。

従来のベーンポンプとして、特許文献１に開示されるものが知られている。特許文献１に開示されるベーンポンプでは、ロータに形成したベーンを収容するスリットを、回転軸に対して斜めに傾斜させ、これにより、スリットの側面からベーンに対して軸方向一方側に向かう反力を生じさせ、ベーンをケーシングに押し付けるようにしてある。これにより、ベーンの軸方向の往復動を抑制し、以て、振動や騒音を抑制している。
特開２００６−１３２４３０号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されるベーンポンプでは、回転軸に対して斜めに傾斜するスリットを精度良く形成するのが難しく、製造コスト増大の一因となっていた。

そこで、本発明は、より簡素な構成によってベーンに軸方向一方側への力を作用させることが可能なベーンポンプを得ることを目的とする。

請求項１の発明にあっては、ケーシング内で回転する回転部の基体部に当該回転部の回転軸に対して放射状に伸びて径外方向に開口する複数のスリットを形成し、各スリットにベーンを突没可能に収容し、ケーシング内で上記基体部の周囲に形成された環状室を上記複数のベーンで区画して複数のポンプ室を形成し、回転部を回転させることで上記ポンプ室の容積を周期的に増減させて当該ポンプ室に吸入した流体を吐出するように構成したベーンポンプにおいて、上記ポンプ室は、上記回転軸の軸方向一方側に上記回転部と一体の壁部を備え、上記ベーンの表面に、上記回転部の回転に伴って上記回転軸の軸方向一方側の上記壁部へ向かう流体力を当該ベーンに作用させる傾斜面を設け、上記壁部は、上記回転部を回転させるモータの回転子と一体的であることを特徴とする。

請求項２の発明にあっては、上記傾斜面は、上記ベーンの軸方向他方側の端面に、回転方向手前側から先方側に向かうにつれて軸方向一方側へ向かうように形成されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、上記傾斜面によってベーンに回転軸の軸方向一方側への流体力を作用させることができる。したがって、比較的簡素な構成によって、ベーンの軸方向への往復動を抑制し、当該往復動に起因して生じる振動や騒音を抑制することができる。
また、ベーンを、当該ベーンとともに回転する回転部の壁部に押し付けるようにしたため、ベーンをケーシングに押し付けた場合に比べて回転摺動抵抗を減らすことができる。

請求項２の発明によれば、ベーンの軸方向他方側の端面に上記傾斜面を加工するだけで済むため、上記効果を比較的安価な構成によって得ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施形態および複数の変形例には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、それら同様の構成要素については、重複する説明を省略し、共通の符号を付与することとする。

（第１実施形態）図１は、本発明の第１実施形態にかかるベーンポンプの回転軸と直交する断面での断面図、図２は、ベーンポンプの回転軸を含む断面での断面図、図３は、ベーンポンプの分解斜視図、図４は、図２の一部の拡大図、図５は、ベーンポンプに含まれる回転部を示す側面図である。なお、以下では、図２，図３，図４の下側を回転軸Ａｘの軸方向一方側、上側を軸方向他方側とする。

まずは、図１を参照して、ベーンポンプ１の作動流体の吸入および吐出に関わる構成について説明する。

本実施形態にかかるベーンポンプ１では、図１に示すように、ケーシング２内で、円環状のリング３の略円筒状の内周面３ａと回転軸Ａｘを中心に回転する回転部４の略円柱状の基体部５の外周面５ａとの間に、作動流体（液体）を収容する環状室６が形成されている。環状室６の幅ｗは、回転軸Ａｘの周方向に沿って変化している。本実施形態では、内周面３ａの中心Ｃと回転軸Ａｘとを平行にずらして、リング３の内周面３ａと回転部４の基体部５とを偏心させてある。このため、環状室６の幅ｗは、図１の右端の位置で最小となり、当該右端の位置から時計回り方向に徐々に拡がって左端の位置で最大となり、当該左端の位置から右端の位置に向けて時計回り方向に徐々に狭まって最小となっている。

基体部５には、回転部４の回転軸Ａｘに対して放射状に伸びて径外方向に開口する複数（本実施形態では４つ）のスリット７が形成されており、各スリット７には略角棒状または略帯板状のベーン８が突没可能に収容されている。ベーン８は、回転部４の回転に伴って生じる遠心力とスリット７内の回転軸Ａｘ側に導入される作動流体の与圧によって、スリット７内で径外方向に付勢されている。このため、ベーン８は内周面３ａと摺接しながら回転部４とともに回転することになる。

環状室６は、周方向に一定のピッチで配置された複数のベーン８によって、同数（本実施形態では４つ）のポンプ室９に区画されている。回転部４およびベーン８の回転に伴い、ポンプ室９の容積は、環状室６の幅ｗの変化に従って変化することになる。すなわち、各ポンプ室９の容積は、図１の右端の位置で最小となっている。そして、回転部４の回転方向ＲＤ（図１の時計回り方向）への回転に伴って漸増し、左端の位置で最大となる。その位置からさらに回転部４が時計回り方向に回転すると、ポンプ室９の容積は漸減し、右端の位置で最小となる。つまり、本実施形態では、回転部４の１周回のうち図１の下半分の区間でポンプ室９の容積が拡大し、上半分の区間でポンプ室９の容積が縮小する。このため、リング３の内周面３ａおよびケーシング２（第１のケーシング１０）に、ポンプ室９の容積が拡大する区間に臨ませて吸入開口１１を設けるとともに、ポンプ室９の容積が縮小する区間に臨ませて吐出開口１２を設けてある。吸入開口１１は、第１のケーシング１０の側面上に突設された吸入パイプ１３内の吸入通路１４と連通し、吐出開口１２は、吸入パイプ１３と平行に突設された吐出パイプ１５内の吐出通路１６と連通している。

したがって、図１において、回転部４が回転方向ＲＤに回転すると、隣接する２枚のベーン８によって区画されるポンプ室９は、右端の位置から容積を拡大させながら左端の位置まで移動する。このため、吸入通路１４から吸入開口１１を介してポンプ室９内に作動流体が流入する。そして、ポンプ室９は、左端の位置から容積を縮小しながら右端の位置まで移動する。このため、当該ポンプ室９から吐出開口１２を介して吐出通路１６に作動流体が流出する。複数のポンプ室９についてこのような作動流体の流入および流出が順次行われ、以て、ベーンポンプ１による連続的な作動流体の吸入および吐出が実現されている。

次に、図１〜図５を参照して、本実施形態にかかるベーンポンプ１の各部の構成を詳細に説明する。

図２に示すように、回転部４の基体部５に形成されたスリット７は、軸方向一方側で、底壁部１７によって塞がれており、ベーン８は、この底壁部１７と摺接しながらスリット７内を往復動するようになっている。すなわち、本実施形態では、この底壁部１７がガイド壁部に相当するものである。なお、底壁部１７には、スリット７の径内側に連通する連通孔１７ａが形成されており、この連通孔１７ａを介してスリット７内に、底壁部１７の裏側（軸方向一方側）から作動流体の与圧が導入されるようになっている。

底壁部１７は、回転軸Ａｘを中心とし当該回転軸Ａｘと直交する円板状に形成されており、基体部５の外周面５ａより外側までフランジ状に張り出している。そして、この底壁部１７の外周縁に、略円筒状のスカート部１８が突設されている。スカート部１８は、回転軸Ａｘと同心となっており、基体部５から離間する側（軸方向一方側）に向けて略一定の厚みで突出している。

このスカート部１８は、回転部４を駆動するモータ１９の回転子（ロータ）として機能するものであり、コイルの巻回されたステータコア２０の周方向に沿ってＮ極Ｓ極が交互に着磁された着磁部１８ａを含んでいる。スカート部１８のうち少なくとも着磁部１８ａとして機能する部分は、磁性材料によって構成される。この場合、スカート部１８のうちティース２０ａに対向する部分のみを磁性材料（例えばフェライト磁石やサマリウムコバルト磁石等の硬磁性材料）によって構成してもよいし、スカート部１８全体を磁性材料によって構成しても良いし、回転部４全体を磁性材料によって構成してもよい。この場合、樹脂材料に磁性材料からなる粉状や粒状の磁性フィラーを混合して、回転部４やスカート部１８を成形することも可能である。

また、図１，図３に示すように、基体部５の外周面５ａは一定のピッチで径内方向に凹設され、これにより羽根部５ｂが形成されている。この羽根部５ｂは、基体部５（回転部４）とともに回転し、吐出開口１２と対峙するときにポンプ室９からの作動流体の排出性能を高めている。

また、図２に示すように、基体部５（回転部４）の中央部には、シャフト２１を回転自在に支持する軸受部２２が固定されている。この軸受部２２は、メタルブッシュ等の滑り軸受としてもよいし、ニードルベアリング等の転がり軸受としてもよい。

そして、回転部４は、ケーシング２によって形成される内部空間２ａ（図２参照）内で回転軸Ａｘ回りに回転するように構成されている。本実施形態では、ケーシング２は、軸方向他方側（図２および図３の上側）に位置する第１のケーシング１０と、軸方向一方側（図２および図３の下側）に位置する第２のケーシング２３と、環状室６の外周面（リング３の内周面３ａ）を形成するリング３と、を備えている。

リング３は、図３にも示すように、環状室６の外周面を形成する筒状部３ｂと、筒状部３ｂの軸方向一方側から回転軸Ａｘの径外方向に張り出すフランジ部３ｃとを備え、さらに、吸入通路１４および吐出通路１６の側壁の一部を成すリブ３ｄを備えている。円板環状のフランジ部３ｃから回転軸Ａｘの軸方向に筒状部３ｂとリブ３ｄとが略同じ高さで立設された形状となっている。

このリング３は、図２に示すように、第１のケーシング１０に形成された凹部１０ｂ内に収容される。すなわち、この凹部１０ｂは、リング３の筒状部３ｂとリブ３ｄを嵌合する形状に凹設されている。また、リング３のフランジ部３ｃの外周部３ｅは、凹部１０ｂの反対側で第２のケーシング２３の環状壁部２３ａと接触しており、この部分が第１のケーシング１０と第２のケーシング２３とによって挟持されることで、リング３が回転軸Ａｘの軸方向に固定されている。

第２のケーシング２３には、回転部４のスカート部１８を収容する略円環状の凹部２３ｂと、回転部４の軸受部２２のうち第２のケーシング２３側（軸方向一方側、図２および図３の下側）に突出する部分を収容する凹部２３ｃとが形成されている。

凹部２３ｂの外周にある環状壁部２３ａより径外側の領域は、第１のケーシング１０との当接面となる。この当接面には、Ｏリング３４用の溝部２３ｄを略円環状に形成し、この溝部２３ｄ内に装着したＯリング３４によって、第１のケーシング１０と第２のケーシング２３との境界部分でのシールを確保してある。なお、この境界部分以外の部材同士の境界部分（例えばリング３のフランジ部３ｃと第１のケーシング１０との間の境界面等）にも適宜にシール部材（例えばガスケットやＯリング等）を介在させ、各境界部分のシール性能を向上させるようにしてもよい。

凹部２３ｃの底壁部２３ｅと、第１のケーシング１０の突起部１０ｃとの間にはシャフト２１が架設され、このシャフト２１の中心が回転軸Ａｘとなっている。シャフト２１は、回転部４の中心に設けた軸受部２２を貫通し、当該軸受部２２に回転自在に支持されている。

また、図２に示すように、凹部２３ｂと凹部２３ｃとの間には、回転部４の反対側（軸方向一方側、図２の下側）から回転部４側に向けて突設された環状の突起部２３ｆが形成されており、この突起部２３ｆの裏側となる環状の凹部２３ｊ内にモータ１９をなすステータコア２０が収容されている。

ステータコア２０は、図２，図３に示すように、基板２４の表面２４ａの中央に取り付けられており、回転軸Ａｘと同心で中央に位置する円筒部２０ｂと、円筒部２０ｂから放射状に伸びてコイルが巻回された複数のティース２０ａとを備えている。

そして、基板２４のステータコア２０を設けた表面２４ａに、各種電子部品（図示せず）が実装され、モータ１９の駆動回路やその他の回路が形成されている。本実施形態では、基板２４に形成された駆動回路によって各ティース２０ａに巻回されたコイルの通電状態を適宜に切り替えてティース２０ａの外周部分における極性を切り替え、これにより、ティース２０ａに対して径外方向に対向する着磁部１８ａ（スカート部１８）に周方向の推力を与え、以て、回転部４を回転させるようになっている。よって、第２のケーシング２３のうち、少なくとも、ステータコア２０（ティース２０ａ）の外周部とスカート部１８との間に介在する隔壁部２３ｇは、透磁性を有するものとする必要がある。このため、隔壁部２３ｇあるいは第２のケーシング２３の全体が、透磁性を有する材料（例えばステンレススチールや、樹脂材料等）で形成される。

基板２４は、凹部２３ｃを回転部４の反対側（軸方向一方側）から塞ぐようにして取り付けられており、さらに、基板２４を、基板カバー２５によって、回転部４の反対側（軸方向一方側）から覆ってある。基板カバー２５には、基板２４との間に電子部品を配置する間隔を確保するため、突条２５ａを設けてある。

第１のケーシング１０および第２のケーシング２３は、いずれも回転軸Ａｘに沿う軸方向視で略正方形状の外形状を呈している。そして、これらケーシング１０，２３の四隅に、これらを締結するねじ２６の貫通孔１０ａ，２３ｋを形成してある。これら貫通孔１０ａ，２３ｋおよび基板カバー２５の四隅に形成された貫通孔２５ｂにねじ２６を挿通して、ナット２７を螺結することで、ベーンポンプ１が組み立てられる。

なお、ベーンポンプ１をなす上記各構成部品の材料や製造方法は、上述した着磁性や透磁性の他、耐摩耗性、耐食性、耐膨潤性、成形性、部品精度等を考慮して適宜に選択される。

また、本実施形態では、回転部４に、その回転に伴って上記回転軸Ａｘの軸方向他方側（図２，図３，図５では上側）への流体力を発生させる流体力発生部としての傾斜面２８を設け、回転部４を、底壁部１７を設けた側と反対側に位置する第１のケーシング１０に押し付けるようにしている。

図５に示すように、本実施形態では、スカート部１８の軸方向一方側の端面１８ｂに、回転部４の回転方向ＲＤに対して傾斜する傾斜面２８を設けてある。傾斜面２８は、回転方向ＲＤの手前側から先方側にかけて軸方向一方側（図５で下側）から他方側（同上側）に向けて傾斜して設定してある。このため、回転部４の回転に伴ってこの傾斜面２８に当たった作動流体は、回転部４に流体力Ｆを作用させ、軸方向他方側（図５の上側）に押し上げることになる。

そして、かかる軸方向他方側に向けて作用する流体力Ｆ（推力）を受けながら回転する回転部４を摺動可能に支持するため、第１のケーシング１０には、図４に示すように、スラスト支持部２９を設けてある。具体的には、第１のケーシング１０においてシャフト２１を嵌挿して支持する部分を軸方向一方側へ突出させて突起部１０ｃを形成し、この突起部１０ｃの頂面１０ｄに、ワッシャ３０を介して、回転部４（基体部５）の中央部に形成した凹部４ａの底面４ｂを突き当てている。本実施形態では、スラスト支持部２９にワッシャ３０を介在させるとともに、このワッシャ３０に回転部４の中央部に設けた軸受部２２の軸方向端面２２ａ（凹部４ａの底面４ｂに一部露出させて設けてある）を突き当てることで、耐摩耗性を高め易くしている。すなわち、かかる構成により、この部分の耐摩耗性はワッシャ３０と軸受部２２との摺接部分のスペック（材質、寸法、硬化処理等）によって調整し、回転部４の本体部分（基体部５、底壁部１７等）のスペックは、軽量化や、他の摺動部分の摺動性、耐食性等の観点から選定することができる。

そして、図４に示すように、スラスト支持部２９における摺動部分の直径Ｄ２を、基体部５の直径Ｄ１より小さくしてある。傾斜面２８を設けた場合に、特段スラスト支持する部分を設けないと、基体部５の端面５ｃが第１のケーシング１０と摺接することになって、摺動抵抗が増大してしまう虞がある。この点、本実施形態では、摺動部分の直径Ｄ２を基体部５の直径Ｄ１より小さくしたため、摺動抵抗をより低減して、フリクションをより低減することができる。

なお、図２に示すように、底壁部１７の軸方向他方側の端面１７ｂとリング３の軸方向一方側の端面３ｆとの間の隙間３１は狭く設定し、これら端面１７ｂ，３ｆ間の隙間からのリーク流量を可及的に減らしてある。また、軸受部２２の軸方向一方側にもワッシャ３０を介在させてある。

図６は本実施形態にかかるベーンポンプに含まれるベーンを径内側から見た側面図である。この図６に示すように、本実施形態では、ベーン８の軸方向他方側の端面８ａに、回転部４の回転に伴って回転軸Ａｘの軸方向一方側（図６中で下側）への流体力Ｆｂを当該ベーン８に作用させる傾斜面３５Ａを設けてある。この傾斜面３５Ａは、回転方向ＲＤの手前側から先方側へ向かうにつれて軸方向一方側へ向けて傾斜しており、回転部４およびベーン８の回転に伴って生じる作動流体の相対流は、傾斜面３５Ａに当たると、ベーン８に軸方向一方側（図６中下方）への流体力Ｆｂを作用させる。

したがって、本実施形態によれば、比較的簡素な構成によって、ベーン８の軸方向での往復動を抑制し、当該往復動に起因して生じる振動や騒音を抑制することができる。また、ベーン８の軸方向他方側の端面に傾斜面３５Ａを加工するだけで済むため、上記効果を比較的安価な構成によって得ることができる。

特に、本実施形態では、当該流体力Ｆｂにより、ベーン８を、当該ベーン８とともに回転する回転部４の底壁部１７に押し付けるようにしたため、ベーン８をケーシング２（第１のケーシング１０）に押し付けた場合に比べて回転摺動抵抗を減らすことができる。すなわち、本実施形態のように、ベーン８を軸方向一方側で摺動可能に支持するガイド壁部としての底壁部１７を有する構成においては、当該流体力Ｆｂを当該底壁部１７側に向けて作用させるようにするのが好ましいのである。

また、本実施形態では、傾斜面２８によって回転部４を回転軸Ａｘの軸方向他方側に押し上げるようにした。かかる構成により、回転部４をケーシング２の軸方向他方側（すなわち第１のケーシング１０）に突き当てて、回転部４が回転中に軸方向に往復動するのを抑制することができ、当該往復動によって、振動や騒音が生じるのを抑制することができる。また、図４に示すように、基体部５の軸方向他方側の端面５ｃと、第１のケーシング１０の軸方向一方側の端面１０ｅとのギャップｇを、回転部４の寸法ｄ１と第１のケーシング１０の寸法ｄ２とで、より容易にかつより精度良く規定できるようになり、このギャップが拡大したり変動したりすることによるリーク流量の増大、ひいてはポンプ効率の低下を抑制できるとともに、ベーンポンプ１の吐出量のばらつき（個体差）を低減することができる。

また、本実施形態では、回転部４の回転方向ＲＤに対して傾斜する傾斜面２８を設けたことで、極めて容易に回転部４に対して軸方向他方側への流体力を作用させることができる。特に、本実施形態にかかる傾斜面２８を設けたスカート部１８の軸方向一方側の端面１８ｂは、面積を比較的広く確保しやすく、かつ第２のケーシング２３との隙間を広く確保しやすいため、より容易に所望の流体力を生じさせることができる。なお、軸方向に流体力を発生させる機構としては、上記構成以外にも考えられる。例えば、回転部４の外周面を径方向に凹設し、その軸方向端部に上記と同様の傾斜面を形成してもよいし、回転部４に翼形状を設けてもよいし、回転部４に軸方向に対して螺旋状に巻回する凹溝あるいは突条を設けてもよい。

また、本実施形態では、図２に示すように、スカート部１８と第２のケーシング２３との間に、略筒状の隙間（環状隙間）３２，３３を設けてある。隙間３２は、スカート部１８の外周面１８ｃと第２のケーシング２３の環状壁部２３ａの内周面２３ｈとの間の隙間であり、隙間３３は、隔壁部２３ｇの外周面２３ｉとスカート部１８の内周面１８ｄとの間の隙間である。このようにスカート部１８を設けて、第２のケーシングとの間に筒状の隙間３２，３３を回転軸Ａｘの軸方向に所定区間に亘って形成し、クリアランスの大きさを適宜に設定する（比較的微少な隙間とする）ことで、吐出行程にあるポンプ室９（図１で上側にあるポンプ室９）から吸入行程にあるポンプ室９（図１で下側にあるポンプ室９）へ、基体部５の軸方向一方側を経由してリークする作動流体の通流抵抗を大きくしリーク流量を低減することができる。

また、これら隙間（微小隙間）３２，３３は回転軸Ａｘと同心であるため、回転部４が軸方向他方側に移動した場合においても、回転部４の軸方向一方側の部分と第２のケーシング２３との間における作動流体のリーク流量を低減することができる。

そして、このスカート部１８は、モータ１９を構成する回転子（ロータ）として機能する部分である。すなわち、本実施形態によれば、回転子として機能させるスカート部１８ならびにその周囲の構造を有効に利用して、当該スカート部１８の径外側および径内側の筒状の隙間（微小隙間）３２，３３によってリーク流量を効率良く減らすことができる。

（ベーンに設けた傾斜面の変形例）図７〜図９は、ベーンに設けた傾斜面の変形例を示すベーンの側面図（径内側から見た図）である。これら図７〜図９に示すように、傾斜面３５Ｂ〜３５Ｄは、平面としてもよいし、曲面としてもよい。また、その凹凸の向き、大きさ、曲率半径、形状、傾斜角度、平面度、位置等のスペックは、適宜に変更することができる。また、図７に示すように、端面８ａの一部を傾斜面３５Ｂとしてもよい。

以上、本発明の実施形態および変形例について説明したが、本発明は上記各実施形態や変形例には限定されず、種々の変形が可能である。例えば、ベーンポンプの回転部やリング、ケーシングの詳細な構成は上記実施形態には限定されない。

本発明の第１実施形態にかかるベーンポンプの回転軸と直交する断面での断面図である。 本発明の第１実施形態にかかるベーンポンプの回転軸を含む断面での断面図である。 本発明の第１実施形態にかかるベーンポンプの分解斜視図である。 図２の一部の拡大図である。 本発明の第１実施形態にかかるベーンポンプに含まれる回転部の側面図である。 本発明の第１実施形態にかかるベーンポンプに含まれるベーンの側面図である。 本発明の第１実施形態の変形例にかかるベーンポンプに含まれるベーンの側面図である。 本発明の第１実施形態の別の変形例にかかるベーンポンプに含まれるベーンの側面図である。 本発明の第１実施形態のさらに別の変形例にかかるベーンポンプに含まれるベーンの側面図である。

符号の説明

１ ベーンポンプ
２ ケーシング
２ａ 内部空間
３ リング（ケーシング）
４ 回転部
５ 基体部
６ 環状室
７ スリット
８ ベーン
３５，３５Ａ〜３５Ｄ 傾斜面
９ ポンプ室
１０ 第１のケーシング（ケーシング）
２３ 第２のケーシング（ケーシング）
Ａｘ 回転軸
Ｆｂ 軸方向一方側への流体力

Claims (2)

1. ケーシング内で回転する回転部の基体部に当該回転部の回転軸に対して放射状に伸びて径外方向に開口する複数のスリットを形成し、各スリットにベーンを突没可能に収容し、ケーシング内で前記基体部の周囲に形成された環状室を前記複数のベーンで区画して複数のポンプ室を形成し、回転部を回転させることで前記ポンプ室の容積を周期的に増減させて当該ポンプ室に吸入した流体を吐出するように構成したベーンポンプにおいて、
   前記ポンプ室は、前記回転軸の軸方向一方側に前記回転部と一体の壁部を備え、
   前記ベーンの表面に、前記回転部の回転に伴って前記回転軸の軸方向一方側の前記壁部へ向かう流体力を当該ベーンに作用させる傾斜面を設け、
   前記壁部は、前記回転部を回転させるモータの回転子と一体的であることを特徴とするベーンポンプ。
2. 前記傾斜面は、前記ベーンの軸方向他方側の端面に、回転方向手前側から先方側に向かうにつれて軸方向一方側へ向かうように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のベーンポンプ。

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