JP6802671B2 - ベーンポンプ - Google Patents
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Description
ベーンポンプは有用な技術ではあるが、作動流体が液体の場合、液体には圧縮性や膨張性が無いので、いわゆる「閉じ込み」やキャビテーションが発生しないようなポート形状の工夫が必要である、という問題が存在する。
以下、図6を参照して、従来のベーンポンプにおける問題点を説明する。
図6において、図示を省略したベーン及びベーン溝は、ロータ102においてロータ回転中心O1から半径方向外方へ延在する仮想線L1〜L6の各々に沿って設けられている。そしてベーンは、ベーン溝に対してプレッシャーローディングを行うことにより、半径方向外方に付勢されて突出し、ベーンの半径方向外方端部はカムリング101の内周面に摺動する。
係る状態(入口ポート101Aとは連通しておらず、出口ポート101Bとも連通していない状態)でロータ102が回転(矢印R1方向)すると、隙間αは液体(作動流体)が供給されることなく拡大することになり、隙間α内に液体が存在しない空間(空洞)が発生してしまう。
当該空洞が発生した状態でさらに矢印R1側にロータ102が回転すると、空間αが出口ポート101B側に向かうに連れて隙間αが収縮して隙間αの圧力が高くなるため、当該空洞は急激に潰れる。そして当該空洞が急激に潰れることにより、大きな騒音が発生する。
しかし、その場合にはロータが回転して隙間αが出口ポート側に向かうに連れて当該隙間が収縮するので、隙間αが出口ポートに連通するまでは隙間αは収縮するが隙間α内の液体は排出されない状態が続き、圧力が急激に上昇する。その結果、所謂「閉じ込み」という現象を惹起して、やはり騒音が発生する。
しかし、その様なポート(仮想線L1と仮想線L3との間の領域に形成した図示しないポート)を入口ポートと出口ポートとは別途形成することは、カムリング製造やポートの製造における労力及びコストを増加する。
さらに従来技術では、入口ポートと出口ポートとの間の領域に別途形成されたポートを複雑な形状に加工して、ポンプ吐出圧を仮想線L1〜L6に沿って形成されたベーン溝内に導入してプレッシャーローディングを行う。しかし、その様な複雑な加工を行うことにより、製造のための労力及びコストがさらに増大してしまう。
作動流体は非圧縮性であり(例えば、水やクーラント等の液体)、
カムリング(1)には入口ポート(1A)と出口ポート(1B)が設けられており、
入口ポート(1A)と出口ポート(1B)はカムリング(1)の内径中心に対して点対称となる位置に形成され、隣接するベーン(3)とロータ(2)とカムリング(1)により画定(区画)される隙間領域(α1:図4参照:ロータ2とカムリング1の隙間:ポンプ室)の容積が最大となる瞬間を除き、入口ポート(1A)或いは出口ポート(1B)の何れかが当該隙間領域(α1)と連通する位置に形成され、カムリング(1)の入口ポート(1A)と出口ポート(1B)の間の領域には補助ポートが形成されておらず、
カムリング(1)の開放端部(図5の上下端部)を覆うサイドプレート(4、5)を有しており、
カムリング(1)の出口ポート(1B)にはサイドプレート(4、5)の何れか一方(例えば、図5の上方のサイドプレート4)側に連通する貫通孔(1C)が形成されており、
当該貫通孔(1C)が連通している側(図5では上方)のサイドプレート(4)には、貫通孔(1C)が連通する箇所から半径方向内方に向かう経路(4A)が形成されており、
ロータ(2)のベーン溝(2A)の半径方向内方端部(2AA)はサイドプレート(4)に形成された円環状の溝(4B)に連通しており、当該円環状の溝(4B)はサイドプレート(4)に形成された前記経路(4A)に連通していることを特徴としている。
ここで、「カムリング(1)の内径中心」という文言は、「カムリング(1)の内周面の曲率中心」を意味している。
そのため、隙間領域(α1)が拡大する際には入口ポート(1A)から液体(作動流体)が供給されるので空洞が生じることがなく、空洞が潰れることによる騒音の発生が防止される。また、隙間領域(α1)が収縮する際には出口ポート(1B)から液体が排出されるので、液体の圧力が上昇してしまうことが無く、所謂「閉じ込み」現象の発生が防止されて、騒音の発生も防止される。
また、入口ポート(1A)と出口ポート(1B)はカムリング(1)の内径中心に対して点対称となる様に配置されるので、直径方向に配置されることになるため、流路に折曲部(エルボ)や湾曲部を形成する必要が無い。そのため、流路の抵抗が小さくなり、効率が向上する。
その際に、カムリング(1)の入口ポート(1A)と出口ポート(1B)の間の領域にポート(補助ポート)を形成する必要が無く、当該補助ポートに複雑な加工を施す必要が無いので、カムリング(1)の製造がさらに容易となり、製造のための労力、コストをより一層節減することが可能になる。
図1において、ベーンポンプ10はカムリング1とロータ2を有しており、ロータ2は電動モーター20の回転軸により回転駆動される。そして図1において、ベーンポンプ10と伝導モーター20は一体的に構成されている。
電動モーター20は、モーターシャフト23と、モーターロータ24と、モーターステータ25を備えている。モーターシャフト23はブッシュ21A、21Bを介してモーターハウジング22に回転自在に支持されており、ブッシュ21Bはベーンポンプ10のポンプケース6に設けられている。モーターロータ24は円周方向に並ぶ複数の永久磁石を有し、モーターシャフト23に固定されている。モーターステータ25はモーターハウジング22の内周に固定され、コイル(図示せず)が巻かれている。
モーターロータ24とモーターステータ25は同心円状に配置され、モーターロータ24とモーターステータ25の間には僅かな隙間が存在する。
図1において、符号26はステータ鉄心、符号27A、27Bはスラストワッシャ、符号28はフレームを示す。
ベーンポンプ10のロータ2は、連結手段23A(固定キー)によりモーターシャフト23に連結されている。ロータ2の半径方向中心から半径方向外方に向かって複数のベーン溝2A(図2)が形成されており、ベーン溝2A内には半径方向に移動可能なベーン3(羽根)が設けられている。そしてベーンポンプ10のカムリング1はロータ2を収容しており、カムリング1の内周面(カム面)には、ロータ2の回転に伴ってベーン3の先端部が摺接する。
概略円柱形状のロータ2の回転中心と、ロータ2の外径より大径の内周面(カム面)を有するカムリング1の内径中心(カムリング1の内周面の曲率中心)との偏芯量は、図2において符号δ1で示されている。換言すると、図2、図4において、ロータ2の回転中心とカムリング1の内径中心は、上下方向にδ1だけ偏芯している。
そして前記作動流体流路は、ロータ2の外周面とカムリング1の内周面とサイドプレート4、5(図1)の内面により画定されている。
図1、図2において、カムリング1、ロータ2の両側面(図1では左右両側、図2では紙面に垂直な側)には、プレート部材としてのサイドプレート4、5が配置されている。
上述した様に、隣接して配置されたベーン3と、ロータ2の外周面と、カムリング1の内周面と、サイドプレート4、5により、隙間領域α(ポンプ室:α1、α01、α02、・・・)が画定(区画)されている。
ポンプケース6において、カムリング1の入口ポート1Aに対応する位置には吸込流路6Aが設けられており、カムリング1の出口ポート1Bに対応する位置には吐出流路6Bが設けられている。吸込流路6Aは、配管アダプタ8の入口ポート8Aを介して図示しない非圧縮性作動流体供給源に連通しており、吐出流路6Bは、配管アダプタ9の出口ポート9Aを介して(ベーンポンプ10から吐出された)非圧縮性作動流体の供給先に連通している。
図2で示す状態において、ポンプ室α01、α02は、カムリング1の入口ポート1Aと連通しているので、密閉空間には該当しない。
図2において、非圧縮性の作動流体の流れは、矢印Aで示されている。
作動流体は、隣接するベーン3とロータ2とカムリング1により画定されるポンプ室αにより出口ポート1Bへと移送され、ポンプ室αの容積の変動(拡縮)により作動流体は入口ポート1Aから吸い込まれ、ヘッドを付加されて出口ポート1Bから吐出される。
図2を参照して上述した様に、ロータ2が回転することにより(図2の矢印R1方向)、非圧縮性の作動流体は入口ポート1Aから、ベーン3A、3B、ロータ2、カムリング1により画定されたポンプ室α1(隙間領域)、ベーン3B、3C、ロータ2、カムリング1により画定されたポンプ室(隙間領域)α02に流入する(矢印A)。
一方、図3で示される瞬間には、ベーン3C、3D、ロータ2、カムリング1により画定されたポンプ室α1は入口ポート1Aとは連通しておらず、出口ポート1Bとも連通していない。換言すれば、図3で示される瞬間に、ポンプ室α1(ポンプ室α02の時計方向に隣接する隙間領域)は入口ポート1Aと非連通状態となる。一方、図3で示される瞬間には、ポンプ室α1は出口ポート1Bと非連通状態であるが、出口ポート1Bと連通する直前の状態である。さらに別の表現をすれば、図3で示される瞬間の直前までは、ポンプ室α1はカムリング1の入口ポート1Aと連通しており、図3で示される瞬間の直後には、ポンプ室α1は出口ポート1Bと連通する。
すなわち図示のベーンポンプ10は、図3で示す瞬間(隣接するベーン3とロータ2とカムリング1により画定されるポンプ室α1(隙間領域)の容積が最大となる瞬間)を除き、入口ポート1A或いは出口ポート1Bの何れかがポンプ室α1(隙間領域)と連通する様に構成されている。
そして図1〜図3から明らかな様に、カムリング1の入口ポート1Aと出口ポート1Bの間の領域には、補助ポートは一切設けられていない。
なお、図3における符号1Cは貫通口であり、貫通口1Cについては図5を参照して後述する。
図2を参照して上述した様に、概略円柱形状のロータ2の回転中心O1と、ロータの外径より大径の内周面(カム面)を有するカムリング1の内径中心O2は、符号δ1で示す量だけ偏芯している。
図4で示す瞬間において、仮想線L1に位置するベーン(図示しない)と仮想線L2に位置するベーン(図示しない)とカムリング1とロータ2により画定されたポンプ室α1(隙間領域)は、カムリング1の入口ポート1Aと連通しておらず、出口ポート1Bとも連通していない。
すなわち、図4に示す瞬間の直前まではポンプ室α1の容積は膨張(拡大)し、ポンプ室α1(隙間領域)は入口ポート1Aと連通している。そのため、隙間領域α1が拡大する際には入口ポート1Aから隙間領域α1に作動流体が供給される。
一方、図4に示す瞬間以降はポンプ室α1の容積が減少(収縮)するが、ポンプ室α1(隙間領域)は出口ポート1Bと連通した状態となる。そのため、隙間領域α1が収縮して非圧縮性の作動流体を加圧する際には出口ポート1Bと連通しており、ポンプ室α1内の作動流体が出口ポート1Bに排出される。
また、図3、図4で示す瞬間(ポンプ室α1の容積が最大となる瞬間)の直後にポンプ室α1は出口ポート1Bと連通するので、ポンプ室α1(隙間領域)が収縮する際には出口ポート1Bから作動流体が排出され、作動流体の圧力が上昇してしまうことが無く、所謂「閉じ込み」現象の発生が防止されて、騒音の発生も防止される。
また、入口ポート1Aと出口ポート1Bはカムリング1の内径中心に対して点対称となる様に配置され(直径方向に配置され)るので、流路に折曲部(エルボ)や湾曲部を形成する必要が無く、作動流体の流路における抵抗が小さくなり、効率が向上する。
図5において、内部にロータ2を収容したカムリング1の開放端部(図5の上下両端部)は、サイドプレート4、5により覆われている。
カムリング1の出口ポート1Bにはサイドプレート4側に貫通する貫通孔1Cが穿孔されており、サイドプレート4には貫通孔1Cが連通する箇所から半径方向内方に向かう経路4Aが形成されている。
そのため、出口ポート1Bを流れる昇圧された作動流体は、カムリング1の貫通孔1C、サイドプレート4の経路4A、円環状の溝4Bを介して、ベーン溝2Aの半径方向内方端部2AAに供給される(導入される)。係る作動流体の流れは、図5において矢印Bで示されている。
加圧されて出口ポート1Bから排出された作動流体の一部が貫通口1C、経路4A、円環状の溝4Bを流れ、ベーン溝2Aの半径方向内方端部2AAに供給される(導入される)ことにより、ベーン溝2A内のベーン3に対してプレッシャーローディングが為され、ベーン3は半径方向外方に付勢される。ベーン3を半径方向外方に付勢する力は、図5では矢印Fで示されている。
そのため、カムリング1やポンプ本体の製造がさらに容易となり、製造のための労力、コストをより一層節減することが可能になる。
例えば、ロータに形成するベーン溝の数と、当該ベーン溝に配置するベーンの数は、図示の実施形態では「6」であるが、それ以外の数、例えば「8」、「10」、その他の数とすることも出来る。
1A・・・入口ポート
1B・・・出口ポート
1C・・・貫通孔
2・・・ロータ
2A・・・ベーン溝
2AA・・・半径方向内方端部
3、3A、3B、3C、3D・・・ベーン(羽根)
4、5・・・サイドプレート
4A・・・経路
4B・・・円環状の溝
6・・・ポンプケース
6A・・・吸込流路
6B・・・吐出流路
7・・・ポンプカバー
8、9・・・配管アダプタ
8A・・・入口ポート
9A・・・出口ポート
10・・・ベーンポンプ
20・・・電動モーター
21A、21B、21C・・・ブッシュ
22・・・モーターハウジング
23・・・モーターシャフト
23A・・・連結手段
24・・・モーターロータ
25・・・モーターステータ
26・・・ステータ鉄心
27A、27B・・・スラストワッシャ
28・・・フレーム
α1、α01、α02・・・ポンプ室(隙間領域)
Claims (1)
- カムリングと、カムリングの内径中心に対して回転中心が偏芯しているロータと、ロータの回転中心から半径方向外方に向かって形成されているベーン溝と、当該ベーン溝内を移動可能なベーンとを有するベーンポンプにおいて、
作動流体は非圧縮性であり、
カムリングには入口ポートと出口ポートが設けられており、
入口ポートと出口ポートはカムリングの内径中心に対して点対称となる位置に形成され、隣接するベーンとロータとカムリングにより画定される隙間領域の容積が最大となる瞬間を除き、入口ポート或いは出口ポートの何れかが当該隙間領域と連通する位置に形成され、カムリングの入口ポートと出口ポートの間の領域には補助ポートが形成されておらず、
カムリングの開放端部を覆うサイドプレートを有しており、
カムリングの出口ポートにはサイドプレートの何れか一方側に連通する貫通孔が形成されており、
当該貫通孔が連通している側のサイドプレートには、貫通孔が連通する箇所から半径方向内方に向かう経路が形成されており、
ロータのベーン溝の半径方向内方端部はサイドプレートに形成された円環状の溝に連通しており、当該円環状の溝はサイドプレートに形成された前記経路に連通していることを特徴とするベーンポンプ。
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