JP6454537B2 - ギヤポンプ - Google Patents

Description

本発明はギヤポンプに関し、さらに詳しくは、流体を圧送する歯車部材（以下「ポンプ歯車」ともいう。）などの主要部品が樹脂からなる外接式のギヤポンプに関する。

ギヤポンプは容積型ポンプの中でも比較的構造が単純で部品点数が少なく、また機械効率も高いことから小型化に適しており、さらに主要部品が樹脂からなるものはコスト面や生産性にも優れている。これらの長所から樹脂製のギヤポンプは、冷蔵庫の自動製氷装置や温水洗浄便座など、家庭用機器における流体の移送手段として広く用いられている。

下記特許文献１には、ポンプ歯車（７、８）の端面に、軸方向に貫通した連通孔（７ｅ、８ｅ）が設けられたギヤポンプが開示されている。また、下記特許文献２には、ポンプ歯車（１、４）を液晶ポリマーで構成することにより、射出成形時のヒケを抑えたギヤポンプが開示されている。

特開２０１３−０７６３４７号公報 特開２０００−３０３９６７号公報

一方で、ギヤポンプは移送する流体の粘度による容積効率への影響が顕著であり、水など低粘度の流体の移送を目的とする場合や、始動時の呼び水を不要とすべく空気の移送を可能とするためには、ミクロンオーダーの寸法精度が要求される。

樹脂製のポンプ歯車を射出成形により製造する場合、製造時に生じたヒケによる歪みで、ポンプ歯車の外周面や両端面と、ポンプ室の内壁面との間に不必要な隙間が生じ、容積効率が低下することがある。このようなヒケの発生を防止するため、ポンプ歯車には一般に肉抜きが施される。肉抜きを行わずポンプ歯車を中実で成形する場合には、ヒケの生じにくい樹脂材料を用いるか、またはヒケを防止するための特別の制御機構を備えた成形機を用いるなどの措置が必要である。

また、ポンプ歯車には、製造時にゲートから射出された樹脂のメルトフロントが金型内で合流する箇所にウェルドラインが形成される。ウェルドラインは非ウェルド部に比べ強度面において脆弱であり、特に肉抜きによりポンプ歯車のヒケを防止する場合には、ウェルドラインが歯車全体における強度上のボトルネックとなり得る。

上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、ヒケの発生を防止する特別な樹脂材料や射出成形機を用いることなく、強度と寸法精度との両立を図ることができるポンプ歯車を備えたギヤポンプを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明のギヤポンプは、流体の吸入口および吐出口と、これら吸入口と吐出口とを連通するポンプ室と、を有するハウジングと、前記ハウジング内に収容されるモータと、前記ポンプ室内に配置され前記流体を圧送する樹脂製の一対の歯車であるポンプ歯車と、を備える外接式のギヤポンプであって、前記ポンプ歯車は、前記モータにより直接または他の歯車を介して回転駆動される駆動ギヤと、該駆動ギヤに噛合する従動ギヤと、からなり、前記各ポンプ歯車の端面における軸穴部と歯部との間には肉抜き部が凹設され、前記肉抜き部には前記各ポンプ歯車と一体成形され前記各ポンプ歯車の強度を保つリブが設けられ、前記肉抜き部の前記歯部側の側面と、該側面に対向する前記リブの対向面との間には間隙が設けられ、前記リブは、前記各ポンプ歯車の前記軸穴部から径方向外側に直線状に延び、前記各ポンプ歯車を軸線方向に見たときの前記リブの幅は、前記各ポンプ歯車の歯部の歯厚よりも広く、前記各ポンプ歯車のウェルドラインと前記リブとは、前記各ポンプ歯車における周方向位置を同じくすることを要旨とする。

ポンプ歯車の端面に肉抜き部を設けることにより、ポンプ歯車の射出成形時におけるヒケを防止することができる。一方、単に肉抜き部を設けるだけではポンプ歯車の強度が不十分となるため、ポンプ歯車のたわみによる容積効率の低下や騒音の発生、部品寿命の低下が懸念される。肉抜き部にリブを設けることでポンプ歯車全体としての強度を保ち、また、リブに生じたヒケが歯部に影響しないよう、肉抜き部の歯部側の側面と該側面に対向するリブの対向面との間に間隙を設けることで、ポンプ歯車の強度と寸法精度との両立を図ることができる。また、ポンプ歯車のリブにウェルドラインが形成されることにより、ウェルド面の密着面積が広くなる。これによりウェルドラインにおける引張強度が高められ、ポンプ歯車全体の強度面における脆弱性を低減することができる。

また、この場合、回転時における振れを抑えるため、前記肉抜き部は前記端面に同心円状に設けられ、前記リブは前記各ポンプ歯車の前記端面において周方向等間隔に設けられることが望ましい。

また、前記肉抜き部および前記リブは、前記各ポンプ歯車の両端面に設けられる構成とすることが望ましい。

ポンプ歯車の両端面の形状を同様とすることにより、ポンプ歯車の回転が安定し、回転時の振れによる騒音を抑えることができる。

また、前記各ポンプ歯車は、いずれか一方の端面において、周方向等間隔、かつ、中心からの径方向距離が等しい位置にゲート痕を有することが望ましい。

ポンプ歯車のウェルドラインが形成される位置に沿って直線状のリブが形成されることにより、ウェルド面の密着面積が広くなる。これによりウェルドラインにおける引張強度が高められ、ポンプ歯車全体の強度面における脆弱性を低減することができる。

本発明にかかるギヤポンプによれば、ヒケの発生を防止する特別な樹脂材料や射出成形機を用いることなく、強度と寸法精度との両立を図ることができるポンプ歯車を備えたギヤポンプを提供することができる。

ギヤポンプ１の分解斜視図である。 組み立て後のギヤポンプ１の正面視断面図である。 ギヤポンプ１における流体の移送原理を示す説明図である。 ポンプ歯車２０の平面図および底面図である。 駆動ギヤ２１の平面図、斜視図、および部分拡大図である。 支軸５１が挿通された駆動ギヤ２１の斜視図および断面図である。

以下、本発明にかかるギヤポンプの実施形態について図面を用いて詳細に説明する。本実施形態にかかるギヤポンプ１は、冷蔵庫に搭載される自動製氷装置を構成する機器であり、貯水タンクから製氷皿に水を移送するポンプである。尚、本実施形態における「上」および「下」とは図１に示される上下をいい、「水平方向」とはかかる上下方向に直交する方向をいう。「正面視」とは、図１において吸入口１１１が設けられた側を前として、正面からギヤポンプ１を観察したときの視線方向をいい、「平面視」とは図１において上方からギヤポンプ１を観察したときの視線方向をいう。

（全体構成）
図１はギヤポンプ１の分解斜視図、図２は組み立て後のギヤポンプ１の正面視断面図（図１におけるＡ−Ａ位置の断面図）である。図１および図２に示されるように、本実施形態のギヤポンプ１は、主として、ハウジング１０、ハウジング１０内に収容されるモータ４０、モータ４０の駆動力を減速して伝達する大小一対のはすば歯車からなる減速歯車列３０、およびギヤポンプ１の移送流体である水を圧送する一対の平歯車であるポンプ歯車２０により構成される。

ハウジング１０は、上下方向に４つの部品に分割され、上から順に第一のハウジング体１１、第二のハウジング体１２、第三のハウジング体１３、および第四のハウジング体１４を有する。これらハウジング体の平面視四隅の同位置には、上下方向にネジ穴が設けられており、これらネジ穴にネジ１０１が螺挿されることにより、第一〜第四のハウジング体はハウジング１０として一体化される。

第一のハウジング体１１は、移送流体である水の吸入口１１１および吐出口１１２を備えている。吸入口１１１は、図示しない貯水タンクから管を介して後述するポンプ室５０内に水を取り込み、吐出口１１２は、ポンプ室５０内に取り込まれた水を図示しない製氷皿に管を介して供給する。

図２に示されるように、第一のハウジング体１１の内壁面と、第二のハウジング体１２の上面は、ポンプ歯車２０が配置されるポンプ室５０を区画する。第一のハウジング体１１と第二のハウジング体１２との当接部にはＯリング５３が装着され、ポンプ室５０からハウジング１０外への水の漏出が防止されている。Ｏリング５３は、第一のハウジング体１１下端部の内壁面と、その内壁面に対向する第二のハウジング体１２の側面により水平方向に圧縮されている。Ｏリング５３が水平方向に圧縮されていることにより、ネジ１０１の螺合が緩んだ場合でも、Ｏリング５３の反発力により第一のハウジング体１１が上方に持ち上げられることが防止され、ポンプ室５０の密閉性が保たれる。

ポンプ室５０には、ポンプ歯車２０を支持する支軸５１および５２が立設されており、支軸５１は第二のハウジング体１２を上下方向に貫通している。第二のハウジング体１２における支軸５１の貫通孔が設けられた位置の下面には、かかる貫通孔から漏出した水の進行を止める円盤状の弾性部材であるシール部材５４が配設されている。

ポンプ歯車２０は、支軸５１に固定され支軸５１とともに回転する駆動ギヤ２１と、支軸５２に回転可能に支持され、駆動ギヤ２１に噛合することにより駆動ギヤ２１の回転に連動して回転する従動ギヤ２２と、からなる。駆動ギヤ２１および従動ギヤ２２はいずれも、射出成形により製造された樹脂製の歯車である。

第二のハウジング体１２の下面と第三のハウジング体１３の内壁面は、減速歯車列３０が配置されるギヤ室６０を区画する。ギヤ室６０内には、第二のハウジング体１２側から支軸５１が貫入しており、第三のハウジング体１３の底部からはモータ４０の回転軸４１が貫入している。支軸５１には減速歯車列３０を構成する大径のはすば歯車である第一のはすば歯車３１が固定され、支軸５１ははすば歯車３１の回転とともに回転する。小径のはすば歯車である第二のはすば歯車３２は、ピニオンギヤとして回転軸４１に固定され、モータ４０の駆動力により回転軸４１とともに回転する。

第四のハウジング体１４は上端が開口された上下方向に延びる円筒状の空間部を有し、その空間部にはモータ４０が収容されている。モータ４０は公知のブラシレスＤＣモータである。モータ４０の内部機構の詳細については省略する。

（ポンプ室の構造）
図３はギヤポンプ１における流体の移送原理を示す説明図である。ポンプ室５０に配置されたポンプ歯車２０が回転し、ポンプ歯車２０の噛合部の歯部が離間すると、ポンプ室５０の吸入口１１１側には負圧が生じ、流体が吸入口１１１からポンプ室５０内へと吸入される。吸入された流体は、ポンプ室５０の内壁面とポンプ歯車２０の歯部とにより区画される空間に封入され、ポンプ室５０の吐出口１１２側に搬送される。吐出口１１２側に搬送された流体は、ポンプ歯車２０の歯部が噛合することで生じる正圧により吐出口１１２からポンプ室５０外へと圧送される。

尚、本実施形態におけるギヤポンプ１は、低粘度の流体である水を移送対象としており、また、始動時の呼び水を不要とすべく、圧縮性流体である空気の移送をも可能とするものである。そのため、ポンプ歯車２０の外周面および両端面の位置と、ポンプ室５０の内壁面の位置には高い寸法精度が要求される。

（ポンプ歯車の形状）
図４はポンプ歯車２０の平面図（図４（ａ））および底面図（図４（ｂ））である。以下、ポンプ歯車２０の形状について駆動ギヤ２１を例にとって説明する。本実施形態における駆動ギヤ２１は、射出成形により製造される樹脂製の歯車であり、射出成形時に生じるヒケにより寸法精度が低下することを防ぐため、駆動ギヤ２１の両端面における軸穴部２１１と歯部２１２との間には、肉抜き部２１３が同心円状に凹設されている。尚、ここでいう軸穴部２１１とは、支軸５１が挿通される軸穴だけでなく、その軸穴を区画する軸穴近傍の周方向に連続した筒状体部分も含んでいる。

単に肉抜き部２１３を設けただけでは、駆動ギヤ２１の強度が不十分となり、駆動ギヤ２１のたわみによる容積効率の低下や、騒音の発生、部品寿命の低下が懸念される。よって、駆動ギヤ２１の強度を保つべく、肉抜き部２１３には駆動ギヤ２１と一体成形されたリブ２１４が設けられている。リブ２１４は、軸穴部２１１から径方向外側に直線状に延び、周方向等間隔に三つ設けられている。かかるリブ２１４により、駆動ギヤ２１の強度が保たれている。尚、ここでいう肉抜き部２１３とは、リブ２１４が形成された周方向範囲も含んだ、駆動ギヤ２１の全周における軸穴部２１１と歯部２１２との間の部分を指している。

また、本実施形態においては、肉抜き部２１３およびリブ２１４が駆動ギヤ２１の両端面に設けられていることから、駆動ギヤ２１の両端面は同様の形状とされている。これにより駆動ギヤ２１の回転が安定し、回転時のガタツキが抑えられている。

上述のように、駆動ギヤ２１は射出成形により製造される樹脂製の歯車である。図４（ａ）に示される点Ｂは駆動ギヤ２１の製造時に金型内に樹脂が射出されたゲート痕である。駆動ギヤ２１は、周方向等間隔、かつ、中心からの径方向距離が等しい位置に配置された三か所のゲートから樹脂が射出されて製造されている。図４（ａ）に示される点線Ｃはゲートから射出された樹脂のメルトフロントが金型内で合流するウェルドラインである。一般にウェルドラインは非ウェルド部に比べ強度面において脆弱となる。

本実施形態における駆動ギヤ２１は、かかるウェルドラインが形成される位置に沿って直線状のリブ２１４が設けられている。ウェルドラインとリブ２１４の周方向位置が重なることにより、ウェルド面の密着面積が他の肉抜き部２１３よりも広く確保され、ウェルドラインにおける引張強度が高められている。これにより、駆動ギヤ２１全体の強度面における脆弱性が軽減されている。

ウェルドラインによる強度上の脆弱性を減らすためには、すべてのウェルドラインの形成位置に沿ってリブ２１４が設けられることが望ましい。本実施形態における駆動ギヤ２１は三か所のゲートから樹脂が射出されて製造されているため、成形品には三つのウェルドラインが存在する。かかる構造から駆動ギヤ２１には三つのリブ２１４が設けられている。しかし、上記はあくまで望ましい構成であり、リブ２１４は必ずしもウェルドラインの数と同数で、またウェルドラインの形成位置に沿って設けられている必要はない。リブ２１４の数や位置は、駆動ギヤ２１に形成されるウェルドラインの数や、駆動ギヤ２１に求められる強度に応じて、適宜調整することができる。

図５（ａ）は駆動ギヤ２１の平面図、図５（ｂ）は駆動ギヤ２１の斜視図、図５（ｃ）は図５（ａ）の破線で囲んだ部分の拡大図である。図５に示されるように、駆動ギヤ２１の肉抜き部２１３における歯部２１２側の側面と、その側面に対向するリブ２１４の対向面との間には間隙２１５が設けられている。尚、リブ２１４のかかる対向面が傾斜面とされているのは、単に射出成形時の抜き勾配を設けるためである。

駆動ギヤ２１には高い寸法精度が要求される一方で、駆動ギヤ２１の強度が保てる程度にリブ２１４に厚みと幅をもたせる必要もあり、リブ２１４にヒケが生じることで寸法精度に影響を及ぼすことが懸念される。本実施形態における駆動ギヤ２１では、肉抜き部２１３の歯部２１２側の側面とリブ２１４との間に間隙２１５が設けられていることで、駆動ギヤ２１の製造時にリブ２１４にヒケが生じた場合でも、その影響が歯部２１２にまで及ばないようになっている。これにより、駆動ギヤ２１の強度と寸法精度との両立が図られている。

尚、本実施形態の駆動ギヤ２１は、材料効率を考慮し、必要十分な幅を有する直線状のリブ２１４により強度を確保しているが、リブ２１４は必ずしも直線状である必要はない。例えばリブ２１４を全周にわたって形成した構成でも、間隙２１５が設けられていれば強度と寸法精度との両立を図ることは可能である。

ここまでに述べた駆動ギヤ２１の形状に関する特徴は、従動ギヤ２２においても同様である。しかし、駆動ギヤ２１と従動ギヤ２２はその軸穴部２１１、２２１の軸穴の形状において異なっている。

上述のように、駆動ギヤ２１は支軸５１とともに回転し、従動ギヤ２２は支軸５２に回転可能に支持され駆動ギヤ２１の回転に連動して回転する。図６（ａ）は支軸５１が挿通された駆動ギヤ２１の斜視図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。図６に示されるように、支軸５１の上部には、外周面の一部が平面状に切り欠かれたＤカット部５１１が形成され、支軸５１が挿通される駆動ギヤ２１の軸穴部２１１上部にも、Ｄカット部５１１と相補的な形状をなすＤカット部２１１ａが形成されている。支軸５１のＤカット部５１１と駆動ギヤ２１のＤカット部２１１ａとが係合することにより、駆動ギヤ２１は支軸５１における周方向位置の位置決めがなされ、駆動ギヤ２１の空転が防止される。

支軸５１におけるＤカット部５１１よりも下の部分は径方向断面が円形の円柱部５１２となっており、駆動ギヤ２１の軸穴部２１１の円柱部５１２に対応する部分も径方向断面が円形の円筒部２１１ｂとなっている。円筒部２１１ｂが円柱部５１２に挿入されることにより、駆動ギヤ２１の径方向位置が位置決めされる。

一方、従動ギヤ２２の軸穴部２２１および支軸５２には、Ｄカット部に相当する構成はなく、軸穴部２２１、支軸５２ともに上下方向の全長において径方向断面が円形とされている。

（ギヤポンプの動作）
以下、図２を用いて本実施形態にかかるギヤポンプ１の動作について説明する。

モータ４０の端子４２に直流電力が供給され、回転軸４１が回転すると、回転軸４１の上部に固定された第二のはすば歯車３２が回転軸４１とともに回転する。第二のはすば歯車３２は、第二のはすば歯車３２よりも大径の第一のはすば歯車３１に噛合しており、第二のはすば歯車３２の回転は、第一のはすば歯車３１により減速されて支軸５１へと伝達される。

モータ４０の駆動力をポンプ歯車２０に伝達する減速歯車列３０にはすば歯車が用いられていることにより、減速歯車列３０の噛合部における歯部の衝突音が緩和され、ギヤポンプ１の運転時の騒音が低減されている。また、支軸５１にはスラスト方向への推力も生じることから、支軸５１が軸方向のいずれか一方に押圧されることでガタツキが抑えられ、支軸５１に固定された駆動ギヤ２１の回転が安定することも期待される。

モータ４０の駆動力が支軸５１に伝達されることにより、ポンプ室５０内に貫入した支軸５１に固定された駆動ギヤ２１が図３に示される方向に回転する。駆動ギヤ２１のＤカット部２１１ａが支軸５１のＤカット部５１１に係合することにより支軸５１の空転が防止され、また、駆動ギヤ２１の円筒部２１１ｂが支軸５１の円柱部５１２に挿入されていることにより、駆動ギヤ２１の径方向位置の位置決め精度が確保されている。尚、本実施形態においてはモータ４０の駆動力は減速歯車列３０を介して駆動ギヤ２１に伝達されているが、これは必要不可欠な構成ではなく、モータ４０の回転軸４１に駆動ギヤ２１を直接固定する構成も考えられる。

図３に示すように、駆動ギヤ２１が回転することにより、駆動ギヤ２１に噛合する従動ギヤ２２も連動して回転する。駆動ギヤ２１と従動ギヤ２２が回転し、噛合部の歯部が離間すると、ポンプ室５０の吸入口１１１側には負圧が生じる。吸入口１１１側に負圧が生じることで、吸入口１１１から水がポンプ室５０内に吸入される。吸入された水は、ポンプ室５０の内壁面とポンプ歯車２０の歯部とにより区画される空間に封入され、ポンプ歯車２０が回転することで吐出口１１２側に搬送される。吐出口１１２側に搬送された水は、ポンプ歯車２０の歯部が噛合することで生じる正圧により吐出口１１２からポンプ室５０外へ圧送される。

ポンプ歯車２０は一般的な樹脂材料と射出成形機を用いて製造されているが、図５に示すように、ポンプ歯車２０のウェルドラインに沿って形成されたリブ２１４、２２４と歯部２１２、２２２との間に間隙２１５、２２５が設けられていることにより、強度と寸法精度の両立が図られている。これにより、本実施形態におけるギヤポンプ１では、移送対象である水、およびギヤポンプ１始動時の管内の空気ともに、高い容積効率で移送することが可能とされている。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

１ ギヤポンプ１
１０ ハウジング１０
１１１ 吸入口
１１２ 吐出口
２０ ポンプ歯車
２１ 駆動ギヤ
２１１ 軸穴部
２１１ａ Ｄカット部
２１１ｂ 円筒部
２１２ 歯部
２１３ 肉抜き部
２１４ リブ
２１５ 間隙
２２ 従動ギヤ
５０ ポンプ室
５１ 支軸
５１１ Ｄカット部
５１２ 円柱部
５２ 支軸

Claims (4)

1. 流体の吸入口および吐出口と、これら吸入口と吐出口とを連通するポンプ室と、を有するハウジングと、
   前記ハウジング内に収容されるモータと、
   前記ポンプ室内に配置され前記流体を圧送する樹脂製の一対の歯車であるポンプ歯車と、を備える外接式のギヤポンプであって、
   前記ポンプ歯車は、前記モータにより直接または他の歯車を介して回転駆動される駆動ギヤと、該駆動ギヤに噛合する従動ギヤと、からなり、
   前記各ポンプ歯車の端面における軸穴部と歯部との間には、肉抜き部が凹設され、
   前記肉抜き部には前記各ポンプ歯車と一体成形され前記各ポンプ歯車の強度を保つリブが設けられ、
   前記肉抜き部の前記歯部側の側面と、該側面に対向する前記リブの対向面との間には間隙が設けられ、
   前記リブは、前記各ポンプ歯車の前記軸穴部から径方向外側に直線状に延び、
   前記各ポンプ歯車を軸線方向に見たときの前記リブの幅は、前記各ポンプ歯車の歯部の歯厚よりも広く、
   前記各ポンプ歯車のウェルドラインと前記リブとは、前記各ポンプ歯車における周方向位置を同じくすることを特徴とするギヤポンプ。
2. 前記肉抜き部は前記端面に同心円状に設けられ、
   前記リブは、前記各ポンプ歯車の前記端面において周方向等間隔に設けられることを特徴とする請求項１に記載のギヤポンプ。
3. 前記肉抜き部および前記リブは、前記各ポンプ歯車の両端面に設けられることを特徴とする請求項２に記載のギヤポンプ。
4. 前記各ポンプ歯車は、いずれか一方の端面において、周方向等間隔、かつ、中心からの径方向距離が等しい位置にゲート痕を有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のギヤポンプ。
   

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