JP6588553B2 - ベーン式エアモータ - Google Patents

Description

本発明は、エアモータ、特にシリンダ内に供給した圧縮空気をロータの外周面に出没されるベーンで受けて回転駆動するベーン式エアモータに関するものである。

従来エアモータの形式の１つとしてベーン式エアモータが知られており、従来の一般的なベーン式のエアモータは図５に示すように、断面が真円である円筒形の圧力室１３に高圧エアのエア供給口５とエア排出口６および残エア排出口６２とを形成したシリンダ１内に、前記圧力室１３よりも小径で断面が真円のロータ２をその中心位置を前記シリンダ１の中心位置に偏心させて配置されるように組み込むとともに、前記ロータ２の外周面２３において放射方向に形成される複数の溝８内にその形成方向に沿って摺動可能にベーン９を嵌挿しておき、前記エア供給口５から高圧エアをロータ２、ベーン９、シリンダ１により形成された空間９１に供給することによりロータ２を回転させるものである。

しかしながら、前記図５に示した従来のベーン式エアモータは圧力室１３内周面１１３が真円に形成されるとともにロータ２の外周面２３が真円に形成されていることから圧力室１３の内周面１１３とロータ２の外周面２３との接合部が線接触となりエア供給口５から圧力室１３とロータ２との間に供給される高圧エアが残エア排出口６２側に漏れることになり、ロータ２の回転トルクが設定値に届かないという事態が生じていた。

そこで、図６に示すように特公平７−９１６４号公報に前記圧力室１３の内周面１１３とロータ２の外周面２３の接合部を面接触としてエア供給口５から圧力室１３とロータ２との間に供給される高圧エアが残エア排出口６２側に漏れることを阻止して出力を向上させるベーン式エアモータが提示されている。

この公報に提示されているベーン式エアモータは、図６に示すように、シリンダ１内に形成される圧力室１３に通じるエア供給口５と残エア排出口６２の間に形成される内周面１１３をロータ２の外周面２３の断面外形と同径となる小径円弧１３１となるように形成するとともに前記小径円弧１３１の中心点Ｃ２を通る中心線から離れた位置に中心点Ｃ３，Ｃ４を有する複数の大径円弧１３３，１３４を前記小径円弧１３１の両端に連続して形成した構成であり、圧力室１３のエア供給口５と残エア排出口６２との間にロータ２の外周面２３と同径の円弧を有する小径円弧１３１が互いに面接触してエア供給口５から圧力室１３とロータ２との間に供給される高圧エアが残エア排出口６２側に漏れることを阻止し、更にシリンダ１の外形を変えずに圧力室１３の容積を拡大可能にすることでロータ２の回転トルクの向上を図ることができるものである。

しかしながら、この公報に提示されているベーン式エアモータは、第１に、基本的に従来のベーン式エアモータと同じく互いに隣接するベーン９，９で仕切られた空間に高圧エアの供給と排気行程を繰り返すものであり、高圧エアのエア排出口６がエア供給口５と１２０度の角度位置に配置されており、圧力室１３を拡大したとはいえ然程の出力向上を見込める訳ではない。また、第２に、残エア排出口６２とロータ２の外周面２３と小径円弧１３１が互いに面接触する箇所との間に隙間Ｇ１が形成されてしまうことから、この隙間Ｇ１に取り込まれたエアがベーン９のエア供給口５方向への移動により圧縮されて抵抗となり出力の低下を来す原因となり、また、前記隙間Ｇ１に取り込まれたエアがエア供給口５へ到達するとエア供給口５から供給される高圧エアの圧力低下やベーン９の配置数や配置角度によっては先行するベーン９により形成される空間にエア供給口５から高圧エアを供給している際に残エア排出口６２からエア供給口５に移送されると折角、面接触している漏れ防止効果が得られない事態が生じることも考えられる。第３に、前記公報に提示されているベーン式エアモータは、前記残エア排出口６２の場合と同様にエア供給口５とロータ２の外周面２３との間に隙間Ｇ２が形成されており、ベーン９の駆動手段が一般的なロータ２の回転により生じる遠心力により突出する構成の場合にはエア供給口５から供給される高圧エアがベーン９の突出を妨げることも考えられ、この場合には前記隙間Ｇ２に供給された高圧エアが充填され、その分だけ容積が増加するので出力が低下してしまうという問題がある。尚、従来からベーン９を強制的に突出させるための駆動手段として溝８内に圧縮ばねを配設しておく手段もとられているが（図示せず）、常に一定の付勢力が圧力室１３の内周面１１３に作用していることから大きすぎると摩擦抵抗となり、調整が困難であることはいうまでもなく、密閉した内部に装着されることから保守や修理などの点で問題がある。加えて、第４に前記圧力室１３が小径円弧１３１の中心点Ｃ２を通る中心線から離れた位置に中心点Ｃ３，Ｃ４を有する複数の円弧部を断面とする内周面１１３を前記小径円弧１３１の両端に連続して形成することにより従来のものに比べて圧縮率の拡大を図ることが可能であるが、断面の円弧が異なる複数の内周面を連続して有する円筒形の圧力室を正確に形成することはきわめて困難であり現実的でないなどの多くの問題点を有している。

特公平７−９１６４号公報

本発明は、前記従来のベーン式エアモータが有する問題点を解決して、従来のシリンダやロータと同様な容積や重量のものを用いても出力の向上が顕著で効率がよく、製造、保守も困難でない従来にない画期的なベーン式エアモータを提供することを課題とする。

前記課題を解決するためになされた本発明であるベーン式エアモータは、内部に形成した円筒状の圧力室にエア供給口およびエア排出口を設けたシリンダと、前記圧力室の内径よりも小さくかつ断面が真円に形成されているロータと、このロータの外周面において放射方向に形成される複数個の溝内にその放射方向に摺動可能に嵌合されているベーンとからなっており、前記シリンダ内の偏心位置に、前記ロータの中心位置を偏心させて組合せ、上記エア供給口から供給される高圧エアをロータおよびベーンとシリンダ内に形成される空間に供給することによりロータを回転する構造のベーン式エアモータにおいて、前記圧力室における前記エア排出口と前記エア供給口との間の断面が前記ロータの外周面に重合する小径円弧に形成されているとともに前記小径円弧の両端に連続して前記ロータの径よりも大きな径を有する真円の大径円弧が連続して形成されており、且つ前記エア排出口と前記エア供給口が前記小径円弧と大径円弧の重合部の両端位置にそれぞれ隙間なく配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、前記圧力室における前記エア排出口と前記エア供給口との間の断面が前記ロータの外周面に重合する小径円弧に形成されていることから、前記従来のベーン式エアポンプと同様に圧力室とロータとが面接触することからエア供給口から圧力室とロータとの間に供給される高圧エアがエア排出口側に漏れることを阻止し、更にシリンダの外形を変えずに圧力室の容積を拡大可能にすることでロータの回転トルクの向上を図ることができるものである。加えて、本発明では前記従来のベーン式エアモータと異なりエア排出口を例えばエア供給口から１２０度程度の角度の部位に設けることなく前記圧力室における前記エア排出口と前記エア供給口との間の断面が前記ロータの外周面に重合する小径円弧の両側に形成されていることから従来のベーン式エアモータに比べて有効な圧力室の容積を拡大して回転トルクの向上を図ることができる。

また、本発明において前記ロータに形成される溝に嵌合されているベーンが前記溝の基端に供給される高圧エアにより突出される構成であるとともに前記高圧エアが予め定めたロータの回転位置において連続して供給される構成とすることにより、遠心力を用いた従来のベーンに比べて確実に突出させることができ、また、強制的に突出させるための駆動手段として溝内に圧縮ばねを配設する場合のようなばね圧力の面倒な調整が不要であり、また、ベーン先端の圧力室の内周面に作用している付勢力が摩擦抵抗となって出力が低下するということもない。

加えて、前記高圧エアによりベーンの突出位置をエア排出口の設置位置によらずにロータの回転位置で制御することができることからエア供給口から圧力室内のベーンとロータにより囲まれた空間に供給させた高圧エアをエア排出口に到達する前にベーンの押圧を解除することにより前記空間の容積を一旦膨張させた後に排出することにより前記膨張時から排出するまでのエアを回転出力の一部として使用することで更に回転出力の向上を図ることができる。

更にまた、本発明において、前記圧力室のエア排出口の上流側に膨出部が連続して形成されていることにより圧力室内のエア排出口付近の容積を拡大して残留エアの圧力を低下させて確実に排気口から排出させることができる。また、本発明を可逆回転可能として例えば昇降装置に使用する場合に、膨出部側をエア排気口として使用する場合には上昇側として使用することにより迅速に且つ高出力で作業が可能であり、逆に膨出側のエア排気口をエア吸気口として逆転させて降下側として使用する場合には最初から容積が大きいので出力は低下するが、逆に降下に際して降下物の重量による負荷が掛かっても高圧エアの収縮により出力は低下するが、負荷が掛かって安全に作業ができるという利点を有している。

本発明によれば、従来ベーン式エアモータのシリンダやロータと同様な容積や重量のものを用いても出力の向上が顕著で効率がよく、製造、保守も容易である。

本発明の好ましい実施の形態を示す縦断面図。 図１に示した実施の形態のＡ−Ａ線に沿う断面図。 図１に示した実施の形態のロータを除いたＡ−Ａ線に沿う断面図。 図１に示した実施の形態の回転行程を示す説明図。 従来例を示す説明図。 異なる従来例を示す説明図。

以下に、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１乃至図３は、本発明の好ましい実施の形態を示すものであり、前記従来のベーン式エアモータと同じく、両側に側板１１および側板１２がそれぞれ配設されて内部に円筒状の圧力室１３を形成するシリンダ１と、前記シリンダ１内に形成される前記圧力室１３の内径よりも小さい真円の断面を有する円柱状で両側面２１，２２の中心位置に突設した回転軸２１１，２２１をボールベアリング式の回転軸受３，４を介して回転可能に支持される円柱状のロータ２とから形成される。

そして、前記ロータ２の両側面２１，２２は前記側板１１および１２の内周面に密に接している。

また、本実施の形態では、図示するシリンダ１の頂面１４から圧力室１３に貫通する高圧エアのエア供給口５およびエア排出口６が貫通して形成されており、圧力室１３の図示する頂部の前記エア供給口５とエア排出口６との間の断面が前記ロータ２の中心点Ｃ２を中心とする半径Ｒ２の真円である外周面に重合する小径円弧１３１に形成されているとともに前記小径円弧１３１の両端に連続して前記ロータ２の中心点Ｃ２に偏心する位置に配置される中心点Ｃ１を中心とする前記ロータの半径Ｒ２よりも大きな半径Ｒ１を有する真円の大径円弧１３２が連続して形成されており、特に、前記エア供給口５と前記エア排出口６が前記小径円弧１３１と大径円弧１３２の重合部の両端位置にそれぞれ隙間なく配置されている。

更に、前記ロータ２には外周面２３において中心に向かって放射方向に形成される複数個（本実施の形態では４個）の溝８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ内にその放射方向に適宜の隙間を形成して摺動可能にベーン９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄがそれぞれ摺動可能に嵌挿されている。

尚、本実施の形態では４個のベーン９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを互いに９０度の角度を有して配置した構成としたが、本発明は、これに限る訳でなく、従来周知のベーン式エアモータと同様に５個や６個など他の個数であっても同様に実施できるものである。

また、本実施例では前記各ベーンは９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄはロータ２の回転によって生じる遠心力によっても前記溝８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ内から押圧されるが、本実施の形態では、特に、シリンダ１の側板１２に接するロータ２の側面２１にはロータ２に形成した前記溝８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄの底部に連通するエア供給部８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄが露出しているとともに前記シリンダ１の側板１２の内側面１２１にシリンダ１に形成された高圧エアの供給通路７の出口が接続される円弧状の溝条からなるエア噴出口７１が形成されており、前記シリンダ１に形成された高圧エアの供給通路７から供給される高圧エアが前記エア噴出口７１から噴出してロータ２の回転位置が前記側板１２に接する前記ロータ２の側面２１に露出させた前記溝８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄの基端に形成されエア供給部８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄが前記エア噴出口７１に連通する間だけ高圧エアが溝８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ内に供給されて各ベーン９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄがロータ２の外周面２３方向に強制的に押圧され、前記溝８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄの基端に形成したエア供給部８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄがエア噴出口７１を通過していないときには溝８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ内に高圧エアが噴出されず、前記溝８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ内の高圧エアがベーン９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄとの隙間を介して圧力室１３内に排出され、ベーン９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄが溝８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ内に遊嵌状態とされる。

更に、本実施の形態では、シリンダ１において圧力室１３に連通して形成されるエア排出口の上流側に膨出部６１が連続して形成されている。

次に、本実施の形態における運転行程について、詳細に説明する。

図４は本発明におけるベーン式エアモータの運転行程の１単位を１つのベーン９ａに着目して示すものであるが、これらの行程は他のベーン９ｂ，９ｃ，９ｄを含めて連続して行われるものである。

まず、図４（ａ）に示すように、ロータ２に備えられたベーン９ａの先端がエア供給口５の直前位置（圧力室１３の小径円弧１３１の下流位置）にあるときにエア噴出口７１はベーン９ａが嵌挿しているロータ２の側面２１に形成されたエア供給部８１ａに連通位置にあり、溝８ａの底部に連通しているエア供給部８１ａに前記高圧エアの供給通路７から高圧エアが供給されてベーン９ａを圧力室１３の内周面１１３に押圧させた状態としてエア供給口５から高圧エアを供給する。

このとき、本実施の形態では、ベーン９ａが圧力室１３の内周面１１３を押圧しているとともに圧力室１３内でロータ２の外周面２３と同径の小径円弧１３１が密に重合して面接触していることと相俟ってエア供給口５から供給された高圧エアがエア排出口６方向に漏れることによる出力の低下を防止することができる。

そして、エア供給口５から高圧エアが供給されると、図４（ｂ）に示すように、ロータ２とベーン９ａと圧力室１３の内周面１１３により囲まれる空間Ｓ１にエア供給口５から高圧エアが供給され、更に、ベーン９ａが圧力室１３の内周面１１３を押圧した状態で継続して高圧エアが空間Ｓ１に供給されて、図４（ｃ）に示すように前記空間Ｓ１の容積が増加するので大きな回転力が加えられてロータ２が回転する。

次いで、ロータ２が更に回転すると、図４（ｄ）に示すように、ベーン９ａが嵌合されている溝８ａのエア供給部８１ａとエア噴出口７１との連通状態が解消してエア噴出口７１からの溝８ａへの高圧エアの供給が途切れる。

このとき、前記図５および図６に示した従来のベーン式エアモータでは前記図４（ｃ）に示した空間Ｓ１に供給された高圧エアは、図５および図６に示したエア供給口５と１２０度程度の角度位置に形成されるエア排出口６から排出されて１つのベーンについてのエア供給出力が消失するのであるが、本実施の形態では排出口４はエア供給口５から１２０度程度の角度位置に設けられておらず、ベーン９ａの押圧が解除されるとベーン９ａの遮断効果が消失して前記図４（ｃ）に示した空間Ｓ１が図４（ｄ）更には図４（ｅ）に示す空間Ｓ１に膨張するとともに図４（ｆ）に示すように排出口４から排出するまでロータ２の回転出力として作用するので従来のベーン式エアモータに比べて２倍近くの出力の向上（出願人における従来の同種製品との比較）を得ることができる。

尚、本実施の形態ではエア排出口６の近傍には膨出部６１が形成されているので十分に空間Ｓ１内に供給されている高圧エアの気圧が低下するので確実にエア排出口４から排出される。加えて、従来の図５および図６に示したベーン式エアモータのように残留エア排気口６２を必要としないで排出口６から確実に排出され、更に前述のように、圧力室１３とロータ２とが面接触であるばかりか図４（ａ）に示したベーン９ａに直ちに圧力室１３を押圧する最初の状態に復帰するので残留エアによる出力の低下も生じない。

以上のように、本実施の形態によれば、供給する高圧エアの排出口への漏れ防止や供給した高圧エアを直ちに排出しないで一旦膨張させて排出することにより、更に、ベーンの余分な接触抵抗の排除などによりロータ回転有効化を図るとともに残留エアの排出を確実にして従来のこの種のベーン式エアモータのほぼ２倍の出力向上（出願人の製品について比較）が可能であるとともに起動性も向上するという作用・効果を奏するものである。

加えて、本実施の形態では、エア排出口６の口径をエア供給口５の口径よりも大きくすることで供給された高圧エアが残留することなく効率よくロータ２が回転するように構成されている。

また、前記説明では、ロータ２が図示する反時計方向に回転駆動する場合を示したが、本実施の形態は前記エア供給口５をエア排出口とし、とエア排出口６をエア供給口として高圧エアを供給することで逆回転（図示する時計方向）をさせることも可能であり、この場合には上流位置に形成したエア排気口６から供給された高圧エアが更に圧縮されて容積が減少してから小径のエア供給口５から排出されることから高出力化には向かないが、逆にロータ２の回転に対して負荷を与えることができることから例えば本実施の形態を重量物の昇降装置などの駆動源として利用する際に重量物を上昇させるときには高出力で且つ高速に上昇させ、重量物を降下させる際はエアモータを排気ブレーキを用いているような排気負荷を用いて安全に降下させるなどの用途にも採用することも可能である。

１ シリンダ、２ ロータ、３ 回転軸受、４ 回転軸受、５ エア供給口、６ エア排出口、７ 高圧エアの供給通路、８，８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ 溝、９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ ベーン、１１，１２ 側板、１３ 圧力室、１４ 頂面、２１，２２ 側面、２３ 外周面、６１ 膨出部、８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄ エア供給部、１１３ 内周面、１３１ 小径円弧、１３２ 大径円弧、２１１，２２１ 回転軸

Claims (4)

1. 内部に形成した円筒状の圧力室にエア供給口およびエア排出口を設けたシリンダと、
   前記圧力室の内径よりも小さくかつ断面が真円に形成されているロータと、
   このロータの外周面において放射方向に形成される複数個の溝内にその放射方向に摺動可能に嵌合されているベーンとからなっており、
   前記ロータの中心位置が前記シリンダ内部に形成された圧力室の偏心位置になるように組合せ、前記エア供給口から供給される高圧エアをロータおよびベーンとシリンダ内に形成される空間に供給することによりロータを回転する構造のベーン式エアモータにおいて、
   前記ロータに形成される溝に嵌合されているベーンが前記溝の基端に供給される高圧エアにより突出される構成であるとともに
   前記溝への前記高圧エアの供給が前記ベーンが前記エア供給口前の位置から前記エア排出口よりも手前の回転位置まで連続して供給されるとともに
   そのロータの回転位置でそのベーンが嵌合している溝への供給を停止させてそのベーンの押圧を前記エア排出口よりも手前の回転位置で解除して
   そのベーンと後方のベーンとロータとシリンダ内に形成される空間に供給されていた高圧エアを、ロータが回転した際に、全てそのベーンの回転方向に位置するロータとシリンダ内に形成される空間において膨張させて
   そのまま前記エア排出口から排出させることにより出力の向上を得ることを特徴とするベーン式エアモータ。
2. 前記圧力室の前記エア排出口の上流側に膨出部が連続して形成されることを特徴とする請求項１記載のベーン式エアモータ。
3. 前記圧力室における前記エア排出口と前記エア供給口との間の断面が前記ロータの外周面に重合する小径円弧に形成されているとともに前記小径円弧の両端に連続して前記ロータの径よりも大きな径を有する真円の大径円弧が連続して形成されており、且つ前記エア排出口と前記エア供給口が前記小径円弧と大径円弧の重合部の両端位置にそれぞれ隙間なく配置されていることを特徴とする請求項１または２記載のベーン式エアモータ。
4. 前記ベーンが前記エア供給口の直前位置で前記圧力室の内周面を押圧していることを特徴とする請求項１，２または３記載のベーン式エアモータ。

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