JPH03210087A - ベーンポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 太巻Ｈａ　ｌ＋　川筋Ｙのロー々ｈ（ベーン本宏内寸る
ために、該ロータのｌ軸平面内に位置したンだ１つのガ
イドスロットを有しがっケーシンご横断面が垂直断面図
で見て１つの閉じた曲線εよって局限され、前記ロータ
の軸線に交わる１割線が実質的に前記ベーンの両接触エ
ツジ間（ベーン長に等しく、がっケーシング輪郭が、ν
死点域ではロータ中心をめぐる円弧から成り、また両死
点間では夫々１つの正弦曲線ＳがらＫす、該正弦曲線が
ロータ中心に対する前記曲部の距離経過線を描いている
形式のベーンポンプに関する。

［従来の技術］ 前記形式のベーンポンプは西独国特許出願公開第３８　
１３　１３２号明細書及び米国特許穿４．３７３，８８
０号明細書に基づいて公知である。これらのベーンポン
プではロータとケーシング間のシール作用を改善するた
めに、ケーシング輪郭はベーン運動の下死点域において
、ケーシング横断面を局限する閉じた曲線がロータに緊
密に密接しかつポンプの吐出域と吸込み域との間にはロ
ータの相応した回転角範囲にわたって接触面が存在する
ように成形されている。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の課題は、冒頭で述べた形式のベーンポンプを改
良して、ロータに対して相対的に押出し・押込み運動を
行うベーンに、強い騒音の原因となるような衝撃負荷を
発生させずかつベーン両端部において最高値を示す機械
的応力が、確定された上限値を超えないようにすること
である。

［課題を解決するための手段］ 前記課題を解決する本発明の構成手段は、正弦曲線の、
極限値を含む範囲が夫々抛物線区分によって置き換えら
れており、しかも前記正弦曲線とその抛物線区分は、該
正弦曲線の第１の導関数と第２の導関数が円弧と正弦曲
線との間、正弦曲線と抛物線との間、抛物線と正弦曲線
との間及び正弦曲線と円弧との間の各移行点において夫
々実質的に等しくなるように定められている点にある。

［作用コ 本発明は、前掲の米国特許第４，３７３．８８０号明細
書に開示されているケーシング輪郭には諸欠点が付随す
るという認識から出発している。それというのは、当該
特許の第６図に示されている、押出し・押込み運動を行
うベーンのための加速曲線が著しく強い突発的な変化を
有しているか、又は、より調和した上り勾配と下り勾配
を示してはいるが、加速力について、従ってベーンに作
用する慣性力について、より高い絶対値を有しているか
らである。

ケーシング輪郭を描いている曲線は、回転角を関数とし
たロータ中心からのケーシング輪郭の距離の経過線とし
て規定されている（米国特許第４．３７３，８８０号、
第４図参照）。両死点域における円弧間の最も単純な移
行曲線は線移行すなわち直線ではあるが、このような移
行曲線は実地では使用不能である。それというのは、円
弧から直線への移行点、また逆に直線か発生することに
なるがらである。それゆえに米国特許第４，３７３．８
８０号によれば、移行曲線を、直線に対称的な完全な正
弦曲線として、しかも、ベーン運動の下死点を起点とし
て９０’及び２７０°の回転角φに夫々変曲点を有する
正弦曲線として構成することがすでに提案されている。

ところで本発明によれば、正弦曲線が極限値を有する各
角度範囲において正弦曲線区分が抛物線区分によって置
き換えられるのであり、しかも正弦曲線と抛物線区分は
、その第１と第２の導関数が各曲線区分の各移行点にお
いて実質的に等しい大きさになるように定められている
これによって、ベーン加速力の極限値を含む角度範囲で
は、すなわちベーンが最も負荷を受けるケーシング域で
は、ケーシング輪郭形状の付与によって、加速度と摩耗
が低下され、がっ殊に加速度はコンスタントになる。こ
のために移行曲線の選出範囲では正弦曲線は二次抛物線
れというのは二次抛物線は、その第２の導関数が定数で
あるという特性を有しているからである。

なお序でに述べておくが、極限値範囲の正弦曲線を置き
換えようとする曲線区分は、次の条件が満たされる限り
、より高次の抛物線又は他の多項曲線であってもよい。

すなわち正弦曲線−多項曲線の移行点もしくは多項曲線
−正弦曲線の移行点において導関数の第１と第２の導関
数の関数値が等しい大きさであり、かつ、正弦曲線が置
き換えられる全範囲にわたる第２の導関数の関数値の絶
対値が正弦曲線の第２の導関数の関数値の絶対値よりも
小であるという条件が満たされる限りである。

請求項２に記載の本発明の構成は回転角φの有利な角度
範囲を提供する。この角度範囲におけるロータとケーシ
ング間の接触面によって吸込み効率が著しく改善される
。それというのは、ベーンポンプにおける吸込み側と吐
出側との間の短絡流が避けられるからである。この手段
によって、シールギャップが技術的に好ましい長さにな
ると共にベーンポンプの体積効率も高められる。前記角
度範囲は２０°よりも小であり、しかもベーン厚に少な
くともほぼ等しいのが有利である。

これに対して請求項３及び４に記載の手段により、ベー
ンポンプのベーン両端に作用する摩耗力及び慣性力が特
に均等になり、かつ、該作用力の最高値が著しく引下げ
られる。このように構成したベーンポンプでは特に吐出
体積が高くなるほかに体積効率も高くなり、摩耗が低下
しかつ運転音が著しく静かになる。

［実施例］ 次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。

第１図に略示横断面で示したベーンポンプのポンプケー
シング１内において、偏心支承されて駆動される半径ｒ
Ｒの円筒形ロータ２が回転する。該ロータ２は、１つの
部位いわゆる下死点でポンプケーシング１と周方向で周
面接触し、つまり該ポンプケーシングと狭いシールギャ
ップを形成するように、該ポンプケーシング１内に支承
されている。ロータ２はただ１つのベーン３を案内する
ために、ロータ２の１軸平面内に位置するガイドスロッ
トを１つだけ有しているにすぎない。ベーン３はロータ
２のガイドスロット内で摺動可能に案内されている。ベ
ーン３の幅はポンプケーシング１の軸方向長に相当する
。ベーンは単一部材から一体に製作されている。しかし
該ベーン３はその両端にアペックスシールを有していて
もよく、該アペックスシールはベーンの溝内で半径方向
に摺動可能にしかも封隙しつつ案内されている。ベーン
ポンプのその他の詳細及びベージ３の異なった構造形に
関しては西独国特許出願公開第３８１３１３２号明細書
に開示されており、これらの関連事項は本発明によるベ
ーンポンプにとっても当て嵌まる。

第１図では一体構成された、又は両端にアペックスシー
ルを有するベーン３は長さＬを有しかつロータ２のいか
なる回転位置においてもポンプケーシング１の周面に当
接して封隙する。

しかしベーン両端部には、第４図に示したように曲率半
径ｒＦをもって丸く面取りが施されているのが殊に有利
である。該曲率半径ｒＦはベーン３の厚さの’／２に等
しいかそれよりも大であるのが有利である。ベーンポン
プの入口及び出口並びにポンプケーシングの細部の図示
は第１図及び第４図では省かれている。

ポンプケーシング１の周壁は、ロータ２の中心を通るす
べての正割線が等長であるという幾何学的条件を満たす
閉じた曲線１０になるように確定されており、しかも前
記正割線長はベーン長りに等しい。このことが当て嵌ま
るのは、ベーンが第１図に示すように尖った端部を有す
るように構成された場合である。それというのはこの場
合はポンプケーシング１におけるベーンの両アペックス
の接点がベーン２の回転時に変化せず、従って両接点間
のベーン長が常にコンスタントであるからである。しか
しながらべ−ン両端部が、第４図に示したように程度の
差こそあれ大きな曲率半径ｒＦを有している場合には、
ベーンアペックスの接点及び両接点間のベーン長はロー
タ２の回転位置に伴って変化する。この場合ポンプケー
シング１の内周壁は、第４図に示したようにベーンポン
プの垂直断面で見て、閉じた曲線１１に対して等距離線
１０′を描いており、前記曲線１１は、ロータ２の中心
を通るすべての正割線が等しい長さを有しかつベーン長
Ｌ−２ｒＦに等しいという幾何学的条件を満たしている
。等距離線１０′は、ベーンアペックス（ベーンヘッド
）の曲率半径ｒＦに実質的に等しい距離を前記曲線１１
から有している。

第１図に示した尖ったベーンアペックスを有するベーン
ポンプのケーシング輪郭を構成するためには先ずベーン
長り並びにロータ２の外径２ｒＲが確定される。この場
合重要な点は、ベーン長りとロータ２の外径２ｒＲとの
差がベーンポンプの吐出体積を実質的に確定することで
ある。この差は強度その他の考量によって制限される。

ポンプケーシング１内でロータ２は、１つの部位いわゆ
る下死点でポンプケーシングと周面接触するか又は該ポ
ンプケーシング１と狭いシールギャップを形成するよう
に支承されているので、ベーン３は下死点では、第４図
に破線で示したようにロータ２のガイドスロット内に完
全に潜没している。本発明では吸込み域と吐出域との間
のシール作用は、ポンプケーシング１とロータ２との線
接触の代りに、ケーシング周方向に比較的長いシールギ
ャップを有する接触面を設けたことによって高められる
。それゆえに下死点前後で、すなわち点ｍとａとの間で
特に±１０°より小さい角度範囲φ１内においてはケー
シング輪郭１０は、ロータ２の半径に実質的に等しい半
径ｒＲを有する、ロータ２の中心をめぐる円弧Ｋを形成
している。直径方向で見てポンプケーシング１の対向側
でも、等しい角度範囲φ２＝φ１にわたって、つまり第
１図では曲線１０の点ｆとｇとの間に相応の円弧が設け
られている。円弧の中心はロータ２の中心でありかつ円
弧の半径はＬ−ｒＲに等しい。ケーシング輪郭のその他
の点は回転角９０゜及び２７０°について生じる。それ
というのは、該回転角においてベーン３は両方向で等し
い距離だけロータ２から押出されているからである。と
ころで円弧部分間のケーシング輪郭を確定する曲線１０
は、第２図及び第３図に基づいて以下に説明するように
構成されている。

第２図には、ケーシング輪郭を描く曲線１０はベーン３
の回転角φを関数としてプロットされている。縦座標も
しくは関数値Ｒ＝ｆ（φ）はその場合回転角φが００と
１８０°間にある場合に押出されたベーンのストローク
を、また回転角φが１８０°と３６０°の間にある場合
に押込まれたベーンのストロークを表わす。すでに前述
した通り点ｍとａとの間並びにｆとｇとの間の曲線Ｒ＝
ｆ（φ）はそれぞれコンスタントな関数値を有している
。それというのはベーン７ペ１１．々ブーｈ（１１１１
２創トル靴齢ナス６、こプ太１゜第２図から判るように
ケーシング輪郭の円弧終端点ａとｆとの間の最も単純な
移行は直線移行であろう。これは−点鎖線の直線Ｇで示
されている。前記と同等のことは、−点鎖線の直線Ｇ′
で結合された点ｇとｍとについても当て嵌まる。しかし
ながら、このような移行曲線は、円弧へ連続的に移行し
ないので、無衝撃性という条件を満たさない。それゆえ
に、点ａを起点とし点ｆを終点として完全な１周期を経
過するように前記直線ＧもしくはＧ′を中心とする完全
な正弦曲線を描くようにすることがすでに提案されてお
り、該正弦曲線は直線Ｇ、Ｇ’に対して夫々対称的であ
り、すなわち区間中点で直線に交わりかつその交点にそ
れぞれ変曲点を有している。このような曲線Ｒ＝ｆ（φ
）は、第３図に示すように第２の導関数Ｒ′を有してい
るが、しかし正弦曲線の極限値範囲では図示の扁平部を
有せず、むしろかなり高い又はかなり低い関数値を有し
ている。

を表わす曲線では、最大値を含む点すと０間及び点にと
１間の範囲並びに最小値を含む点ｄと０間及びｈと１間
の範囲は切除されている。これによって、回転角を関数
とするベーンの遠心加速経過を表わす前記曲線の関数値
の制限が行われる。前記範囲は、はぼ４５°の回転角φ
に相応する幅をそれぞれ有しているのが有利である。し
かしこの範囲をより広い幅又はより狭い幅に選ぶことも
可能である。その場合は加速の極限値について相応の関
数値が生じる。第３図では導関数Ｒ″の図示範囲は横座
標軸に対する平行線によって代えられており、かつ導関
数Ｒ＃と、点ｂ　−ｅもしくは点ｈ〜１における直線区
分との移行部は折曲なく設計されている。第２図の相応
範囲では点ｂ　−ｅ及び点ｈ−１の直線区分の２重のグ
ラフ積分算法によって夫々、やはり折曲な（正弦曲線へ
移行する相応の抛物線区分が生じる。従って今や曲線Ｒ
＝ｆ（φ）から、所属の回転角φの関数値を消去するこ
とによって第１図に示したケーシング輪郭の残りの点が
得られる。

曲線１０を確定する場合ケーシング輪郭のすべての点に
ついて、ロータ２の中心を通るすべての任意のケーシン
グ正割線もベーン長りを有するという条件が当て嵌まる
。更に注目すべき点は、第２図及び第３図による線図に
おける諸曲線区分（円弧、正弦曲線、二次抛物線）間の
移行点では、互いに突合わさる曲線の関数値と勾配が等
しい大きさであることである。同等のことは、回転角φ
に関連したベーンアペックスの速度のための尺度である
（図示を省いた）第１の導関数Ｒ’＝ｇ（φ）について
も当て嵌まる。

ベーンアペックスは、第１図に示すようにシャープエツ
ジを有せず、第４図に示したように充分な丸みをもった
大きな曲率半径ｒＦを有しているのが有利である。この
曲率半径ｒＦはベーン厚のほぼｌ／２に等しくなければ
ならない。

ベーンの両端部を丸く面取りして構成した場合、ケーシ
ング周壁を次の設計値に従って構成するならば、ベーン
アペックスとケーシング周壁との間をきわめて良好にシ
ールするベーンポンプが得られる。

先ず、第１図に示しｌ゛閉じた曲線１０が、前述の原則
に従って設計される。その場合、理論上のロータ半径と
してのロータ半径値ｒＲが、ベーン両端部を丸める曲率
半径ｒＦ分を差引いた事実上のロータ半径に等しくなる
のは勿論である。次いて曲線１１が、所望のシール区域
で理論上の周面に密着するように確定される。曲線１１
の正割線長は値しに等しく、その場合値しは、ベーンア
ペックスの曲率半径ｒＦの２倍分を差引いた事実上の（
選定された）最大ベーン長として規定されている。次い
で曲線１１の正割線長のための値Ｌ（ベーン長Ｌ）とし
て理論上のベーン長　Ｌｔｈが規定される。その場合こ
の理論上のベーン長　Ｌｔｈは、両ベーンアペックスの
選定した曲率半径ｒＦ分を差引いた選定した事実上のベ
ーン長に等しい。次いでケーシング周壁が、ベーンアペ
ックスの曲率半径ｒＦ分の距離をとって曲線１１に対す
る等距離線１０′として確定される。

ベーンアペックスには円形横断面をもって丸（面取りが
施される必要はない。任意の丸味づけについては、曲線
１１に対するケーシング周壁を、ベーン３の中心平面に
対する法線上にベーン３の瞬間接触エツジが有する距離
によって確定することがすべて当て嵌まる。曲線１１は
これらの法線と中心平面との交点のために求められる。

該中心平面はロータ２の１半径方向平面内においてベー
ン３の両側面間の中点に位置している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるベーンポンプの略示垂直横断面図
、第２図はベーンの回転角φを横座標に、またロータ中
心からのベーンアペックスの距離を縦座標にとって示し
た、ケーシング内側輪郭に接する曲線の展開図、第３図
は第２図に示した関数の第２導関数を示す図、第４図は
アペックスに丸く面取りを施したベーンを有するポンプ
の、第１図に相応した横断面図である１・・・ポンプケ
ーシング、２・・・ロータ、３・・・ベーン、４・・・
ケーシング正割線、１０・・・ケーシング輪郭を表わす
曲線、１０′・・・等距離線、１１・・・閉じた曲線、
ａ−ｍ・・・曲線１０の点、Ｇ、Ｇ’・・・結合直線、
Ｌ・・・ベーン長、ｒＦ・・・ベーンアペックスの曲率
半径、ｒＲ・・ロータ半径、Ｋ・・・定半径の円弧、Ｓ
・・・正弦曲線区分、ＱＰ・・・二次抛物線区分、Ｒ′
・・・第１の導関数、Ｒ′・・・第２の導関数、Ｗｌ、
Ｗ２・・・関数Ｒ＝ｆ（φ）の変曲点、Ｗ３．Ｗ４・・
・第２の導関数Ｒ＃の変曲点、φ・・・回転角 図面の浄書（内容に変更なし） 栢 図 手続補正書、ヵ、。 平成 ２１日 特 許 庁 長 官 殿 １゜ 事件の表示 平成 ２年 特許願 第 ６８５６７ ２、発明の名称 ベ ン ポ ン プ ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名称　　パルマーク・アクチェンゲゼルシャフト４、代 理 人 平成　３年　１月２２日（発送臼） ６゜ ７゜ 補正の対象 （１）願書の特許出願人の代表者槽 （２）委任状 （３）図面 補正の内容

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、円筒形のロータ（２）がベーン（３）を案内するた
   めに、該ロータ（２）の１軸平面内に位置したただ１つ
   のガイドスロットを有しかつケーシング横断面が垂直断
   面図で見て１つの閉じた曲線（１０、１１）によって局
   限され、前記ロータの軸線に交わる正割線が実質的に前
   記ベーン（３）の両接触エッジ間のベーン長に等しく、
   かつケーシング輪郭が、両死点域ではロータ中心をめぐ
   る円弧（Ｋ）から成り、また両死点間では夫々１つの正
   弦曲線（Ｓ）から成り、該正弦曲線がロータ中心に対す
   る前記曲線の距離経過線を描いている形式のベーンポン
   プにおいて、正弦曲線（Ｓ）の、極限値を含む範囲が夫
   々抛物線区分（Ｐ）によって置き換えられており、しか
   も前記正弦曲線（Ｓ）とその抛物線区分（Ｐ）は、その
   第１の導関数Ｒ′（φ）と第２の導関数Ｒ″（φ）が円
   弧（Ｋ）と正弦曲線（Ｓ）との間、正弦曲線（Ｓ）と抛
   物線（Ｐ）との間、抛物線（Ｐ）と正弦曲線（Ｓ）との
   間及び正弦曲線（Ｓ）と円弧（Ｋ）との間の各移行点（
   ａ〜ｆ）において夫々実質的に等しい大きさになるよう
   に定められていることを特徴とする、ベーンポンプ。 ２、円弧（Ｋ）の角度範囲（φ１）及び（φ２）が夫々
   ２０°より小である、請求項１記載のベーンポンプ。 ３、抛物線区分（Ｐ）が夫々、約４５°の回転角範囲（
   φ）にわたっている、請求項１又は２記載のベーンポン
   プ。 ４、それぞれ同次抛物線（Ｐ）、特に二次抛物線（ｑ、
   Ｐ）を使用する、請求項１から３までのいずれか１項記
   載のベーンポンプ。