JP5859816B2 - 内接歯車式ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、容積効率を向上させることができる内接歯車式ポンプに関する。

従来、インナーロータとアウターロータとから構成された内接歯車式ポンプが存在する。そして、インナーロータ及びアウターロータの歯形において、種々の研究，開発が行われ、ポンプ効率を向上させる発明がなされている。このような発明として、特許文献１及び特許文献２等が存在する。

まず、特許文献１では、インナーロータの歯がアウターロータの歯を押し始める（或いは噛み合い始める）のが最深噛み合い部となっている。これによりアウターロータには、最深噛み合い部から、ロータの回転方向前側に力が加わる。すなわち、最大セル容積部になる搬送側に対して、略横の方向の力がアウターロータに加わる。

特許文献２（ＷO ２００８／１１１２７０）における、オイルポンプロータは、インナーロータの外歯形状（Ｕ_1in，Ｕ_2in）が、数学曲線によって構成された歯形形状（Ｕ’₁，Ｕ’₂）に対する、歯先円（Ａ1）の半径（ＲＡ1）と歯溝円（Ａ2）の半径（ＲＡ2）との間の距離を維持しつつ施された周方向への変形（Ｕ_１，Ｕ_２）と、径方向への変形（Ｕ_1in，Ｕ_2in）とにより形成されている。

このインナーロータ１０及びアウターロータ２０の歯形形状に基づき、インナーロータの歯とアウターロータの歯が噛み合う領域が求められる。例えば特許文献２に開示された図１０に示すようなオイルポンプの例では、歯溝側噛合点ｂと歯先側噛合点ａの間の曲線が、インナーロータ１０及びアウターロータ２０が噛み合う領域となる。

つまり、インナーロータ１０が回転したとき、インナーロータ１０の外歯１１ａにおいては歯溝側噛合点ｂでインナーロータ１０とアウターロータ２０とが噛み合い始める〔特許文献２における図１０（ａ）参照〕。その後、噛合点は徐々に外歯１１ａの歯先側へとスライドしていき、最終的には歯先側噛合点ａでインナーロータ１０とアウターロータ２０とが噛み合わなくなる〔特許文献２における図１０（ｂ）参照〕。

このように、特許文献２では、インナーロータとアウターロータが噛み合い始めるのが最深噛み合い部よりロータの回転方向負の側となっており、噛み合わなくなるのが最深噛み合い部よりロータの回転方向正の側となっている。これによりアウターロータには最深噛み合い部から、ロータの回転方向前側に力が加わり、最大セル容積部になる搬送側に対して、略横の方向の力となる。

特開昭５５−１４８９９２号公報 国際公開ＷＯ２００８／１１１２７０号公報

特許文献１については、トロコイドロータにおいて、インナーロータとアウターロータとが噛み合い始めるのは、最深噛み合い部となっている。これによりアウターロータには最深噛み合い部から、ロータの回転方向前側に力が加わり最大セル容積部になる搬送側に対して、インナーロータからアウターロータにかかる力が横の方向の力となる。それゆえに、搬送側のチップクリアランスが小さくなる方向の力とはならない。したがって、搬送側のチップクリアランスが小さくなることは無く、漏れが小さくなることはないので、容積効率は向上しない。

特許文献２については、最深噛み合い部より回転方向負の位置でインナーロータとアウターロータが噛み合い始め、回転方向正の位置で噛み合いが終わる。

噛み合い範囲が最深噛み合い部をゼロとして、回転方向負から回転方向正となっているので、インナーロータからアウターロータにかかる力の方向が最大セル容積部になる搬送側に対して、インナーロータからアウターロータにかかる力が横の方向の力となり、搬送側のチップクリアランスを小さくなる方向の力とはならない。したがって、搬送側のチップクリアランスが小さくなることは無く、漏れが小さくなることはないので、従って容積効率は向上しない。

本発明の目的（解決しようとする技術的課題）は、内接歯車式ポンプにおいて、搬送側のチップクリアランスを小さくすることにより、吐出側から吸入側への漏れを小さくし、容積効率（理論吐出量に対して、実際に吐出された流量）を向上させることにある。

そこで、発明者は上記課題を解決すべく、鋭意，研究を重ねた結果、請求項１の発明をインナーロータの歯形が複数の楕円や円もしくは高次曲線を組み合わせた曲線により創成され、前記インナーロータとアウターロータとは、偏心量ｅとし、前記インナーロータの歯底直径ｄ及び歯数Ｎとしたとき、ｅ＞ｄ／〔２（Ｎ−２）〕が満たされたロータ収納室に前記インナーロータと前記アウターロータとが配置された内接歯車式ポンプにおいて、前記インナーロータの中心と、前記アウターロータの中心とを結んだ線上付近に最深噛み合い部が位置すると共に、前記ロータ収納室の中心は、前記アウターロータの中心とを同一中心とした状態から前記最深噛み合い部側に、吸入ポートの終端側と吐出ポートの始端側との間のシールランド付近のインナーロータの歯先とアウターロータの歯先との隙間であるチップクリアランスよりも小さい量だけオフセットされてなる内接歯車式ポンプとしたことにより、上記課題を解決した。

請求項２の発明を、請求項１において、前記アウターロータの外周とロータ収納室の内周との隙間であるラジアルクリアランスのクリアランス量は、前記チップクリアランスのクリアランス量よりも大きいものとし、前記ロータ収納室のオフセットにおける移動量をｍ，チップクリアランスのクリアランス量をｄｔ及び前記ラジアルクリアランスのクリアランス量をｄｒとしたとき、ｍ＜ｄｔ＜ｄｒが満たされてなる内接歯車式ポンプとしたことにより、上記課題を解決した。

請求項１の発明では、インナーロータとアウターロータとは、偏心量ｅとし、前記インナーロータの歯底直径ｄ及び歯数Ｎとしたとき、ｅ＞ｄ／〔２（Ｎ−２）〕が満たされることにより、通常のトロコイド歯形によるインナーロータとアウターロータの歯数よりも多くの歯数を有することができ、ポンプ効率を向上させることができる。また、通常のトロコイド曲線で描かれたロータとサイズが同じなため、ハウジングのロータ収納室の大きさは変わらず、理論吐出量の大きいロータに容易に変更することができる。

また、ロータ収納室の中心位置をインナーロータとアウターロータによって構成される最深噛み合い部側にオフセット（位置を変更）したことにより、ポンプの作動において、アウターロータが最大セル容積側から最深噛み合い部側に揺動しても、アウターロータの回転中心の位置を、ロータ収納室の直径中心の位置に略一致させることができる。

そして、アウターロータは、ロータ収納室とのラジアルクリアランスが外周（３６０°）に沿って均一となり、アウターロータの回転がスムーズに行われる。また、インナーロータとアウターロータとの噛み合い範囲が、最深噛み合い部より回転方向における負の範囲であることにより、搬送側の最大セル容積部におけるインナーロータとアウターロータとのチップクリアランスは小さくなり、最大セル容積部からの漏れを抑えることができ、容積効率を向上させることができる。

さらに、インナーロータの歯形が複数の楕円や円もしくは高次曲線を組み合わせた曲線により創成されることにより、繋ぎ部も滑らかに形成され、耐久性が向上し、ロータが噛み合うときの音も小さくでき、静粛性も良くなる。

本発明のオフセット後の正面図である。 （Ａ）はロータ収納室がオフセットされる前の正面図、（Ｂ）はロータ収納室がオフセットされた正面図である。 （Ａ）は図１の（ア）部拡大図、（Ｂ）は図１の（イ）部拡大図である。 （Ａ）はポンプ作動状態におけるオフセットされたロータ収納室の中心とアウターロータの回転中心とが一致した状態の正面図、（Ｂ）は（Ａ）の（ウ）部拡大図、（Ｃ）は（Ａ）の（エ）部拡大図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明において、ポンプロータとは、内接歯車式ポンプのロータを構成するもので、具体的には、インナーロータ１とアウターロータ２とから構成されるものである（図１参照）。インナーロータ１は、外歯タイプの歯車であり、アウターロータ２は内歯タイプの歯車である。図１において、噛合開始から噛合終了の範囲内に記載された２点鎖線の矢印は、インナーロータ１からアウターロータ２にかかる力を示したものである。

そして、ポンプロータは、トロコイド歯形ではなく、理論吐出量の増大を図ったいわゆる高容積歯形のことをいう。高容積歯形は、例えばインナーロータ１の歯形１１が複数の楕円や円、もしくは高次曲線を組み合わせた曲線により創成される。

本発明では、ポンプロータにおいて、インナーロータ１の回転中心をＰ1とし、アウターロータ２との回転中心をＰ2とし、その偏心量をｅとする。また、インナーロータ１の歯底直径をｄとし、インナーロータ１の歯数をＮとする。そして、インナーロータ１及びアウターロータ２は、次の式を満たす構成とする。

上式を満たす設定で描かれたロータは、以下で解説するようにインナーロータ１とアウターロータ２との噛み合いがアウターロータ２の中心Ｐ2と、インナーロータ１の中心Ｐ1とを結んだ線（以下基準線Ｌという）上の最深噛み合い部Ｓ1の位置をゼロとしたとき、回転方向における負の領域となる。

インナーロータ１とアウターロータ２が噛み合う範囲が回転方向正の領域となる通常のトロコイド歯形によるインナーロータでは、次の式が適用される。

そして、偏心量ｅ，歯底直径ｄに具体的に実施可能な数値を当てはめ、歯数Ｎを本発明におけるインナーロータ１と、従来タイプのトロコイド歯形としたインナーロータとの歯数を比較する。

その結果から、本発明によるインナーロータ１はトロコイドタイプのインナーロータよりも歯数Ｎを多くすることができ、ひいてはポンプ効率を向上させることができる。

インナーロータ１は、駆動ギアの役割をなし、アウターロータ２はインナーロータ１の駆動に伴って動く従動ギアとなる。駆動シャフト３は、インナーロータ１を回転させ、該インナーロータ１はアウターロータ２と噛み合ってインナーロータ１の回転に伴ってアウターロータ２が回転する。

このとき、インナーロータ１とアウターロータ２との噛合開始の位置は、アウターロータ２の中心Ｐ2と、インナーロータ１の中心Ｐ1を結んだ基準線Ｌ上に位置する最深噛み合い部Ｓ1の回転方向後方側に存在する。最深噛み合い部Ｓ1とは、インナーロータ１の歯形１１と、アウターロータ２の歯形２１とが最も深く噛み合う箇所である。また、噛合終了の位置は、噛合開始の位置から回転方向後方で１歯分送れた位置となる（図１参照）。

インナーロータ１と、アウターロータ２との噛合開始の位置と、噛合終了の位置とが共に回転方向における負の位置にあるので、インナーロータ１からアウターロータ２にかかる力は、最深噛み合い部Ｓ1側の位置に生じるものであり、且つ最大セル容積部Ｓ2から最深噛み合い部Ｓ1に向う方向の力となる。つまり、アウターロータ２には、図１で示されているように、上方側から下方側で且つ回転方向沿う力が作用する。

これによって、搬送側において、アウターロータ２がインナーロータ１に押し付けられる状態になり、アウターロータ２が下方側に移動することにより、搬送側のチップクリアランスＴｃが減少し、下方側のラジアルクリアランスＲｃは、減少する。具体的にはラジアルクリアランスＲｃのクリアランス量ｄｒは、チップクリアランスＴｃのクリアランス量ｄｔが減少した分だけ小さくなる。

ここで、チップクリアランスＴｃとは、最大セル容積となるところの搬送側の吸入ポート４１の終端側４１ｔと吐出ポート４２の始端側４２ｆとの間の間仕切りであるシールランド４３付近のインナーロータ１の（歯形１１の）歯先とアウターロータ２の（歯形２１の）歯先との隙間のことである〔図１，図３（Ａ）参照〕。また、ラジアルクリアランスＲｃとは、アウターロータ２の外周とロータ収納室４の内周との隙間のことである。ラジアルクリアランスＲｃは、チップクリアランスＴｃより大きく設定される必要がある。

以上、述べたように、アウターロータ２は、インナーロータ１から最深噛み合い部Ｓ1側に向け押圧されるため、アウターロータ２は、最深噛み合い部Ｓ1側に移動しようとする。

チップクリアランスＴｃは、ラジアルクリアランスＲｃより小さく設定されているので、アウターロータ２が搬送側のチップクリアランスＴｃが詰まる方向に移動しても、アウターロータ２が通常（従来）の位置に設定された場合のアウターロータ２の中心と同心円で設定されているロータ収納室４にぶつかってしまうことはないが、詰まったチップクリアランスＴｃ分、ロータ収納室４を最深噛み合い部Ｓ1側にオフセットすることにより、アウターロータ２の回転はより安定する方向になる。

次に、ロータ収納室４のオフセットについて説明する。まず、ロータ収納室４のオフセットにおける移動量ｍは、ポンプの非動作時（停止時）において、アウターロータ２の回転中心Ｐ2と、ロータ収納室４の中心Ｐ4とが一致した状態を仮想的に設定する。図２（Ａ）は、前述した仮想設定された状態で、且つインナーロータ１及びアウターロータ２は想像線にて示されている。ここで、ラジアルクリアランスＲｃのクリアランス量ｄｒは、チップクリアランスＴｃのクリアランス量ｄｔよりも大きい。

そして、図１，図２（Ｂ）及び図３は、ロータ収納室４がオフセットされた状態を示す。オフセットされる前のロータ収納室４の中心Ｐ4は、アウターロータ２の回転中心Ｐ2と同一の位置〔図２（Ａ）参照〕であるが、ロータ収納室４がオフセットされたことにより、ポンプが動作していないときには、ロータ中心Ｐ4と回転中心Ｐ2は、異なる位置である〔図２（Ｂ），図３参照〕。

インナーロータ１とアウターロータ２との噛み合い範囲が、回転方向における負の範囲であるために、アウターロータ２がチップクリアランスＴｃのクリアランス量ｄｔを狭める（小さくする）方向に揺動する〔図３（Ａ）参照〕。

ここで、ロータ収納室４のオフセットにおける移動量ｍは、最大セル容積部Ｓ2から最深噛み合い部Ｓ1に向う方向、或いは、前記基準線Ｌにおいてアウターロータ２の回転中心Ｐ2からインナーロータ１の回転中心Ｐ1に向う方向で、且つチップクリアランスＴｃのクリアランス量ｄｔよりも小さい量の範囲である。

そして、ラジアルクリアランスＲｃのクリアランス量ｄｒは、チップクリアランスＴｃのクリアランス量ｄｔよりも大きいので、ロータ収納室４のオフセットにおける移動量ｍ，チップクリアランスＴｃのクリアランス量ｄｔ及びラジアルクリアランスＲｃのクリアランス量ｄｒとの関係は、以下の式となる。

つまり、

である。

これによって、アウターロータ２の位置変移による揺動した分を吸収することができる。前記チップクリアランスＴｃを含め、その他全てのチップクリアランスは、通常約５０μmに設定され、前記ラジアルクリアランスＲｃは通常約７５μmに設定される。

図４は、ロータ収納室４がオフセットされた状態で、ポンプ作動時において、アウターロータ２が回転したときに、アウターロータ２の回転中心Ｐ2がロータ収納室４の中心Ｐ4と一致する状態を示すものである。そして、チップクリアランスＴｃは、アウターロータ２の揺動により小さくなり〔図４（Ｂ）参照〕、ロータ収納室４の中心Ｐ4と、アウターロータ２の回転中心Ｐ2とが近づくことになり、中心Ｐ4と回転中心Ｐ2とは、その位置が略一致する状態となる〔図４（Ａ）参照〕。

つまり、ロータ収納室４の位置が最深噛み合い部Ｓ1側にオフセットされたことにより、インナーロータ１とアウターロータ２との噛み合い範囲が回転方向における負の範囲であるために、アウターロータ２が最深噛み合い部Ｓ1側に揺動した状態で、アウターロータ２の回転中心Ｐ2と、ロータ収納室４の中心Ｐ4とが略一致し、アウターロータ２はロータ収納室４とのラジアルクリアランスＲｃを全周に亘って均一にすることができ、アウターロータ２の回転が円滑に行われる（図４参照）。

以上述べたように、本発明における内接歯車式ポンプは、ロータ収納室４にインナーロータ１とアウターロータ２とが配置された内接歯車式ポンプにおいて、前記インナーロータ１と前記アウターロータ２とは、それぞれの中心Ｐ1と中心Ｐ2との偏心量ｅとし、前記インナーロータ１の歯底直径ｄ及び歯数Ｎとしたとき、ｅ＞ｄ／〔２（Ｎ−２）〕
が満たされる構成を特徴としたものである。

さらに、前述した構成において、前記インナーロータ１の中心Ｐ1と、前記アウターロータ２の中心Ｐ2とを結んだ線Ｌ上付近に最深噛み合い部Ｓ1が位置すると共に、前記ロータ収納室４の中心Ｐ４は、前記アウターロータ２の中心Ｐ2とを同一中心とした状態から前記最深噛み合い部Ｓ1側に、吸入ポート４１の終端側４１ｔと吐出ポート４２の始端側４２ｆとの間のシールランド４３付近のインナーロータ１の歯先とアウターロータ２の歯先との隙間であるチップクリアランスＴｃよりも小さい量（移動量ｍ）オフセットされる構成を特徴としたものである。さらに、前述した構成に加えて、前記インナーロータ１の歯形１１が複数の楕円や円もしくは高次曲線を組み合わせた曲線により創成された構成をを特徴としたものである。

そして、前述したした構成において、オフセットされない状態では、前記ロータ収納室４と前記アウターロータ２のラジアルクリアランスＲｃのクリアランス量ｄｒは、前記チップクリアランスＴｃのクリアランス量ｄｔよりも大きく、且つオフセットにおける前記ロータ収納室４の移動量ｍは、前記チップクリアランスＴｃのクリアランス量ｄｔよりも小さい範囲に設定されるものであって、前記チップクリアランスＴｃのクリアランス量ｄｔと前記ラジアルクリアランスＲｃのクリアランス量ｄｒと、前記オフセットにおける移動量ｍとの関係は、ｍ＜ｄｔ＜ｄｒが満たされる構成としてなることを特徴としたものである。

１…インナーロータ、２…アウターロータ、４…ロータ収納室、４１…吸入ポート、
４２…吐出ポート、４３…シールランド、Ｌ…基準線、Ｓ1…最深噛み合い部、
Ｓ2…最大セル容積部、Ｔｃ…チップクリアランス、Ｒｃ…ラジアルクリアランス、
Ｐ1…（インナーロータ１の）回転中心、
Ｐ2…（アウターロータ２の）回転中心。

Claims (2)

1. インナーロータの歯形が複数の楕円や円もしくは高次曲線を組み合わせた曲線により創成され、前記インナーロータとアウターロータとは、偏心量ｅとし、前記インナーロータの歯底直径ｄ及び歯数Ｎとしたとき、
   ｅ＞ｄ／〔２（Ｎ−２）〕
   が満たされたロータ収納室に前記インナーロータと前記アウターロータとが配置された内接歯車式ポンプにおいて、
   前記インナーロータの中心と、前記アウターロータの中心とを結んだ線上付近に最深噛み合い部が位置すると共に、前記ロータ収納室の中心は、前記アウターロータの中心とを同一中心とした状態から前記最深噛み合い部側に、吸入ポートの終端側と吐出ポートの始端側との間のシールランド付近のインナーロータの歯先とアウターロータの歯先との隙間であるチップクリアランスよりも小さい量だけオフセットされてなることを特徴とする内接歯車式ポンプ。
2. 請求項１において、前記アウターロータの外周とロータ収納室の内周との隙間であるラジアルクリアランスのクリアランス量は、前記チップクリアランスのクリアランス量よりも大きいものとし、前記ロータ収納室のオフセットにおける移動量をｍ，チップクリアランスのクリアランス量をｄｔ及び前記ラジアルクリアランスのクリアランス量をｄｒとしたとき、
   

   

   が満たされてなることを特徴とする内接歯車式ポンプ。

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