KR20130012560A

KR20130012560A - 기어 펌프

Info

Publication number: KR20130012560A
Application number: KR1020120080304A
Authority: KR
Inventors: 쇼오지 요시무라
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2013-02-04
Also published as: JP2013024192A; JP5695995B2; CN102900666A; KR101375980B1

Abstract

본 발명의 기어 펌프는, 서로 맞물린 상태로 케이싱에 수납되는 구동 로터 및 종동 로터를 구비하고, 양쪽 로터에는, 구동 로터의 이가 종동 로터의 이와 서로 이격한 2위치에서 접촉하는 초기 맞물림 자세와, 이 초기 맞물림 자세로부터 회전한 자세이며, 상기 2위치가 회전에 수반하여 이동한 2위치에 더하여, 그들보다도 회전 방향 상류측의 1위치에서 구동 로터의 이가 종동 로터의 이와 더 접촉하는 3점 맞물림 자세가 있고, 3점 맞물림 자세에 있어서, 회전 방향 하류측의 2위치 사이인 하류측 공간의 압력이 회전 방향 상류측의 2위치 사이인 상류측 공간의 압력보다도 높은 것이고, 또한 회전 방향 하류측의 2위치를 연결하는 선분의 수직 이등분선이, 종동 로터에 회전 방향의 모멘트를 발생시키도록, 종동 로터의 축심으로부터 어긋나 있다. 이와 같은 구성에 의해, 점도가 낮은 작동 유체를 사용하는 경우에 있어서도 마모의 발생을 억제한다.

Description

기어 펌프 {GEAR PUMP}

본 발명은, 예를 들어 바이너리 발전 장치 등에서 순환 사용되는 매체 등의 작동 유체를 송출하기 위한 기어 펌프에 관한 것이다.

최근, 에너지 절약의 관점으로부터, 공장 등의 각종 설비로부터 배출되는, 소위 배열을 회수하고, 그 회수된 배열에 포함되는 에너지를 이용하여 발전을 행하는 발전 장치의 필요성이 높아지고 있다.

상기 발전 장치로서, 바이너리 발전 장치가 제안되어 있다(예를 들어, 일본 특허 출원 공개 평10-103023호 참조). 이 바이너리 발전 장치는, 열원 유체의 열에 의해 매체를 증발시키는 증발기와, 그 매체의 증기를 팽창시켜 발전기를 구동시키는 스크류 터빈과, 스크류 터빈으로부터 배출된 매체의 증기를 응축시키는 응축기와, 매체를 순환시키는 순환 펌프와, 이들이 직렬로 접속되어 폐쇄 루프로 된 순환 유로를 구비하고, 상기 스크류 터빈에서 상기 발전기를 구동시켜 발전을 행하는 구성으로 되어 있다.

상기 순환 펌프로서는, 다양한 형식의 것이 적용 가능하지만, 소위 기어 펌프가 일반적으로 사용된다.

기어 펌프로서는, 예를 들어 도 10 및 도 11에 도시하는 구성의 것이 알려져 있다(예를 들어, 일본 특허 출원 공개 평10-141246호 참조). 이 기어 펌프는, 하우징(101)의 내부의 공동의 대향 부분에 한 쌍의 사이드 플레이트(112)를 끼워 맞추어 기어실(114)이 구획되고, 그 기어실(114)의 내부에, 모두 평기어로 이루어지는 한 쌍의 기어(103, 104)가 서로 맞물리는 상태로 수용되고, 또한 각 기어(103, 104)의 지지축(130, 140)이, 대응하는 사이드 플레이트(112)에 형성된 지지 구멍(131, 141)에 의해 끼워 맞춤 지지되는 동시에, 상기 기어실(114)의 내부에, 양쪽 기어(103, 104)의 맞물림 위치를 사이에 두고, 매체의 흡입실(105) 및 토출실(106)이 형성된 구성으로 된다.

그리고 하우징(101)이나 사이드 플레이트(112)에는, 가공성의 향상화 및 경량화를 위해 알루미늄 합금이 사용되는 한편, 각 기어(103, 104)에는 내마모성이 요구되기 때문에, 주철 등의 철계의 재료가 사용된다.

그런데 이와 같은 구성의 기어 펌프에서 송출하는 액체가, 예를 들어 점도가 32cSt 정도의 점성이 높은 오일이면, 윤활성이 좋아, 각 기어에 전술한 주철 등을 사용함으로써 충분히 마모를 억제할 수 있다.

그러나 기어 펌프에서 송출하는 작동 액체가, 예를 들어 바이너리 발전 장치 등에 사용되는 R245fa 등의 매체일 때, 그 점도는 상기한 점성이 32cSt 정도의 오일에 비해 현격히 낮아지므로, 윤활성도 상기한 점성이 32cSt 정도의 오일에 비해 현격히 저하된다. 그로 인해, 각 기어에 주철 등의 것을 사용하는 것만으로는, 그 마모를 충분히 방지할 수 없을 우려가 있었다.

본 발명은, 이와 같은 종래 기술의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 점도가 낮은 작동 유체를 사용하는 경우에 있어서도 마모의 발생을 억제하는 것이 가능한 기어 펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 기어 펌프는, 서로 맞물린 상태로 케이싱에 수납되는 구동 로터 및 종동 로터를 구비한 기어 펌프이며, 상기 구동 로터 및 상기 종동 로터에는, 상기 구동 로터의 이가 상기 종동 로터의 이와 서로 이격한 2위치에서 접촉하는 초기 맞물림 자세와, 이 초기 맞물림 자세로부터 회전한 자세이며, 상기 2위치가 회전에 수반하여 이동한 2위치에 더하여, 그들 이동 후의 2위치보다도 회전 방향 상류측의 1위치에서, 상기 구동 로터의 이가 상기 종동 로터의 이와 더 접촉하는 3점 맞물림 자세가 있고, 상기 3점 맞물림 자세에 있어서, 회전 방향 하류측의 2위치 사이인 하류측 공간의 압력이 회전 방향 상류측의 2위치 사이인 상류측 공간의 압력보다도 높은 것이고, 또한 상기 회전 방향 하류측의 2위치를 연결하는 선분의 수직 이등분선이, 상기 종동 로터에 회전 방향의 모멘트를 발생시키도록, 상기 종동 로터의 축심으로부터 어긋나 있는 것이다.

본 발명에 의한 경우에는, 3점 맞물림 자세일 때, 회전 방향 하류측의 2위치 사이인 하류측 공간의 압력이 회전 방향 상류측의 2위치 사이인 상류측 공간의 압력보다도 높은 것이므로, 상류측 공간의 압력이 종동 로터의 회전 방향으로 영향을 그다지 미치지 않고, 또한 종동 로터에 회전 방향의 모멘트를 발생시키도록, 회전 방향 하류측의 2위치를 연결하는 선분의 수직 이등분선이 종동 로터의 축심으로부터 어긋나 있다. 이로 인해, 3점 맞물림 자세일 때에, 종동 로터를 공회전 상태로 회전시키는 것이 가능하게 된다. 그에 의해, 점도가 낮은 작동 유체를 사용하는 경우에 있어서도 마모의 발생을 억제하는 것이 가능하게 된다.

이 구성의 기어 펌프에 있어서, 상기 상류측 공간은, 상기 초기 맞물림 자세로부터 상기 3점 맞물림 자세로 변화될 때에, 용적이 0으로부터 형성된 것이도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 한 경우에는, 종동 로터의 회전에 대해 전혀 영향이 미치지 않도록 할 수 있으므로, 3점 맞물림 자세일 때에 종동 로터를 보다 확실하게 공회전 상태로 회전시킬 수 있다.

이 구성의 기어 펌프에 있어서, 상기 구동 로터의 이의 형상이, 그 이끝을 사이에 두고 회전 방향측 치면(齒面)(X)과, 반회전 방향측 치면(Y)으로 2개의 다른 형상을 갖고, 상기 회전 방향측 치면(X)을 제1 함수(H)로 정의하면, 그것에 대향하는 종동 로터의 치면은 구동 로터가 반회전 방향으로 회전하였을 때에 있어서의 상기 제1 함수(H)의 창성 함수인 제2 함수(h)에 의해 정의되고, 상기 반회전 방향측 치면(Y)에서는, 그 반회전 방향측 치면(Y)에 있어서의 이끝측의 부위를 제3 함수(F)로 정의하면, 종동 로터의 치면은 구동 로터가 반회전 방향으로 회전하였을 때에 있어서의 상기 제3 함수(F)의 창성 함수인 제4 함수(f)에 의해 정의되는 동시에, 그 제4 함수(f)의 치형 영역이 종동 로터의 피치원 내의 소정의 위치까지이고, 이 제4 함수(f)에 접속되는 제5 함수(g)에 의해 종동 로터의 이끝까지가 정의되고, 구동 로터를 회전 방향으로 회전한 경우에 있어서의 상기 제5 함수(g)의 창성 함수인 제6 함수(G)가 상기 제3 함수(F)에 의해 정의된 부분에 이어지는 상태로 상기 반회전 방향측 치면(Y)이 정의되는 구성으로 할 수 있다. 이 경우에는, 구동 로터의 이의 형상이 제1 함수(H), 제3 함수(F) 및 제6 함수(G)에 의해 정의되고, 한쪽의 종동 로터의 이의 형상이 제2 함수(h), 제4 함수(f) 및 제5 함수(g)에 의해 정의됨으로써, 구동 로터와 종동 로터가 상기 3점 맞물림 자세에서 맞물리도록 구동 로터 및 종동 로터의 이의 형상이 설계된다.

이 구성의 기어 펌프에 있어서, 상기 케이싱 내에는, 작동 유체의 토출실이 형성되고, 상기 구동 로터 및 상기 종동 로터 중 적어도 한쪽의 로터 단부면에는 상기 하류측 공간에 연통되는 제1 홈이 형성되고, 상기 제1 홈을 갖는 로터 단부면에 대향하는 케이싱의 면에는, 상기 3점 맞물림 자세일 때에 상기 제1 홈과 상기 토출실을 연통시키는 제2 홈이 형성되어 있는 구성으로 할 수 있다. 이 구성에 의한 경우에는, 하류측 공간이 형성된 후에, 그 하류측 공간의 용적이 서서히 작아져도, 그 하류측 공간에는 제1 홈 및 제2 홈을 통해 토출실이 연통되어 있으므로, 하류측 공간에 수용된 작동 유체를 토출실로 배출할 수 있어, 이에 의해 기어 펌프의 파손을 방지할 수 있다.

이 구성의 기어 펌프에 있어서, 상기 구동 로터의 각 이 및 종동 로터의 각 이가 각각의 로터 축심에 대해 비틀어져 있고, 그 비틀림에 의해 상기 하류측 공간이 상기 토출실에 연결되는 구성으로 해도 된다. 이와 같이 한 경우에는, 구동 로터 및 종동 로터의 각 이가 각각의 로터 축심에 대해 비틀림으로써, 구동 로터의 이와 종동 로터의 이의 맞물리는 위치가 회전에 수반하여 각 로터의 축심 방향으로 이동해 가고, 이 맞물리는 위치의 이동에 의해 하류측 공간에 수용된 작동 유체가 이동하여 작동 유체를 토출실로 배출할 수 있어, 이에 의해서도 기어 펌프의 파손을 방지할 수 있다.

본 발명에 의한 경우에는, 3점 맞물림 자세일 때에, 종동 로터를 공회전 상태로 회전시키는 것이 가능하게 되므로, 점도가 낮은 작동 유체를 사용하는 경우에 있어서도 마모의 발생을 억제하는 것이 가능한 기어 펌프를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 기어 펌프를 도시하는 평면도.
도 2는 도 1의 기어 펌프를 구성하는 구동 로터와 종동 로터를 도시하는 좌측면도.
도 3의 (a)는 구동 로터와 종동 로터가 제1 자세로 맞물린 상태를 도시하고, (b)는 마찬가지로 제2 자세로 맞물린 상태를 도시하고, (c)는 마찬가지로 제3 자세로 맞물린 상태를 도시함.
도 4는 본 발명에서 사용하는 구동 로터 및 종동 로터의 치면 형상을 설계하기 위한 설명도.
도 5는 3점 맞물림 자세일 때에 있어서 접촉 위치 바와 접촉 위치 사의 선분의 수직 이등분선의 방향을 도시하는 도면.
도 6은 로터 회전각(횡축)과 토크(종축)의 관계를 나타내는 도면.
도 7은 상류측 공간의 형성 과정의 설명도.
도 8은 본 발명의 구동 로터 및 종동 로터의 이의 비틀림의 설명도.
도 9는 본 발명에서 사용하는 제1 홈 및 제2 홈의 관계를 설명하기 위한 도면.
도 10은 종래의 기어 펌프를 도시하는 정면도.
도 11은 도 10의 기어 펌프의 측면도(단면도).

이하에, 본 발명의 실시 형태를 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 실시 형태에 관한 기어 펌프를 도시하는 평면도이고, 도 2는 그 기어 펌프를 구성하는 구동 로터와 종동 로터를 도시하는 좌측면도이다.

이 기어 펌프(1)는, 케이싱(3)의 내부에 형성한 수납실(5)에, 구동 로터(7) 및 종동 로터(9)가 서로 맞물린 상태로 수납되어 있다. 케이싱(3)은, 수납실(5)을 일단부측에 갖는 제1 케이싱(3a)과, 제1 케이싱(3a)의 일단부에 맞대어지는 제2 케이싱(3b)과, 제1 케이싱(3a)의 타단부에 맞대어지는 제1 덮개부(3c)와, 제2 케이싱(3b)의 제1 케이싱(3a)과 맞대어지는 단부면과는 반대측의 단부면에 맞대어지는 제2 덮개부(3d)를 갖는다. 또한, 제1 덮개부(3c) 및 제2 덮개부(3d)는, 구동 로터(7) 및 종동 로터(9)의 각 축에 대응하여 2분할 구조로 되어 있다.

구동 로터(7)의 축부(7a)는 도시하지 않은 모터에 접속되어 있어, 그 모터에 의해 회전 구동되고, 그 회전이 종동 로터(9)에 전달되도록 되어 있다. 또한, 케이싱(3)의 내부에는, 구동 로터(7) 및 종동 로터(9)가 서로 맞물리는 개소를 사이에 두고 일측에 흡입실(15)이, 타측에 토출실(17)이 형성되어 있고, 이들 흡입실(15) 및 토출실(17)은 수납실(5)에 연통되어 있다. 또한, 도 1 중의 부호 9a는, 종동 로터(9)의 축부이다.

구동 로터(7)는 외주에 복수, 도시예에서는 10개의 이(7b)를 갖고, 한편 종동 로터(9)는 외주에 복수, 도시예에서는 12개의 이(9b)를 갖는다. 이(7b)의 형상은, 구동 로터(7)의 피치원(7p)의 외측에 있어서 외측으로 부풀어 오른 형상으로 되어 있고, 또한 그 이(7b)의 근원 부분의 형상은, 상기 근원 부분의 오목 형상 바닥부가 구동 로터(7)의 피치원(7p)의 내측에 위치하는 오목 형상으로 되어 있다. 그리고 한쪽의 이(9b)의 형상은 종동 로터(9)의 피치원(9p)의 내측에 있어서, 이(7b)에 있어서의 피치원(7p)의 외측 부분에 따른 형상, 즉 구동 로터(7)가 회전할 때에 만들어내는 형상으로 되어 있다. 구동 로터(7)의 각 이(7b)는 구동 로터(7)의 축심(7c)에 대해 비틀어져 있고, 종동 로터(9)의 각 이(9b)는 종동 로터(9)의 축심(9c)에 대해 비틀어져 있다. 이(7b)의 비틀림 방향 및 이(9b)의 비틀림 방향은, 제1 덮개부(3c)측에 위치하는 이(7b, 9b)의 단부가, 제2 덮개부(3d)측에 위치하는 이(7b, 9b)의 단부보다도 회전 방향 하류측에 위치하도록 설정되어 있다. 이 비틀림 각도에 대해서는, 이후에 상세하게 서술한다.

종동 로터(9)에 있어서의 제2 덮개부(3d)측의 로터 단부면(9d)에는, 각 이(9b)마다 제1 홈(11)이 형성되어 있고, 또한 제2 케이싱(3b)의 로터 단부면(9d)과 마주 보는 면(3e)에는, 제2 홈(13)이 형성되어 있다. 이들 제1 홈(11) 및 제2 홈(13)에 대해서는, 이후에 상세하게 서술한다.

상기 구동 로터(7)의 이(7b) 및 종동 로터(9)의 이(9b)의 치면 형상은, 이하의 3개의 자세가 얻어지도록 설계되어 있다.

제1 자세 : 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이 구동 로터(7)의 이(7b)가 종동 로터(9)의 이(9b)와 1위치 가에서 접촉하는 자세[양쪽 이(7b, 9b)의 사이에 폐쇄된 공간이 형성되어 있지 않음]

제2 자세 : 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 구동 로터(7)의 이(7b)가 종동 로터(9)의 이(9b)와 서로 이격한 2위치 라, 마에서 접촉하는 자세(초기 맞물림 자세)

제3 자세 : 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이 초기 맞물림 자세로부터 회전한 자세이며, 상기 2위치 라, 마가 회전에 수반하여 이동한 2위치 바, 사에 더하여, 그들 이동 후의 2위치 바, 사보다도 회전 방향 상류측의 1위치 아에서 구동 로터(7)의 이(7b)가 종동 로터(9)의 이(9b)와 더 접촉하는 자세(3점 맞물림 자세)

구동 로터(7)에 발생하는 토크 Tm의 방향은, 제1 자세, 제2 자세 및 제3 자세 중 어느 곳에 있어서도, 구동 로터(7)의 회전 방향과 역방향의 모멘트를 구동 로터(7)에 발생시키는 방향으로 된다. 구체적으로는, 도 3의 (a)에 도시하는 제1 자세에 있어서의 구동 로터(7)에 발생하는 토크 Tm의 방향은, 이(7b) 및 이(9b)의 접촉 위치 가와, 이(7b) 및 케이싱(3)의 접촉 위치 나를 연결하는 선분의 수직 이등분선의 방향이고, 도 3의 (b)에 도시하는 제2 자세에 있어서의 구동 로터(7)에 발생하는 토크 Tm의 방향은, 이(7b) 및 이(9b)의 접촉 위치 라와, 마찬가지로 이(7b) 및 이(9b)의 접촉 위치 마를 연결하는 선분의 수직 이등분선의 방향이고, 도 3의 (c)에 도시하는 제3 자세에 있어서의 구동 로터(7)에 발생하는 토크 Tm의 방향은, 이(7b) 및 이(9b)의 접촉 위치 바와, 마찬가지로 이(7b) 및 이(9b)의 접촉 위치 사를 연결하는 선분의 수직 이등분선의 방향으로 나타낸다.

한편, 종동 로터(9)에 발생하는 토크 Tf의 방향은, 도 3의 (a)에 도시하는 제1 자세에 있어서는, 상기 접촉 위치 가와 이(9b) 및 케이싱(3)의 접촉 위치 다를 연결하는 선분의 수직 이등분선의 방향이며, 종동 로터(9)의 회전 방향과 역방향의 모멘트를 종동 로터(9)에 발생시키는 방향으로 되고, 도 3의 (b)에 도시하는 제2 자세에 있어서는, 상기 접촉 위치 라와 상기 접촉 위치 마를 연결하는 선분의 수직 이등분선의 방향이며 종동 로터(9)의 축심(9c) 방향으로 되고, 도 3의 (c)에 도시하는 제3 자세에 있어서는 상기 접촉 위치 바와 상기 접촉 위치 사를 연결하는 선분의 수직 이등분선의 방향이며, 종동 로터(9)의 회전 방향과 동일 방향의 모멘트를 종동 로터(9)에 발생시키는 방향으로 된다.

여기서, 종동 로터(9)의 회전 방향과 동일 방향의 모멘트를 종동 로터(9)에 발생시키는 경우의 토크 Tf는, 회전을 돕도록 작용할 때를 부의 값으로 생각하고, 반대로 회전을 방해하도록 작용할 때를 정의 값으로 생각한다.

이때, 종동 로터(9)에 발생하는 토크 Tf는, 제1 자세에서는 정의 값, 제2 자세에서는 0, 제3 자세에서는 부의 값으로 된다. 그리고 종동 로터(9)는, 회전에 수반하여 제1 자세, 제2 자세 및 제3 자세로 이 순서대로 변화되므로, 제1 자세로부터 제3 자세까지의 토크의 합계값을 0에 근접하도록 하는 것이 가능하게 된다.

이와 같은 구성의 구동 로터(7) 및 종동 로터(9)의 치면의 설계는, 도 4에 기초하여, 이하와 같이 행해진다.

구동 로터(7)의 이(7b)의 형상이, 그 이끝을 사이에 두고 회전 방향측 치면(X)과, 반회전 방향측 치면(Y)으로 2개의 다른 형상을 갖고, 상기 회전 방향측 치면(X)을 제1 함수(H)로 정의하면, 그것에 대향하는 종동 로터(9)의 치면은 상대측의 구동 로터(7)가 반회전 방향으로 회전하였을 때에 있어서의 제1 함수(H)의 창성 함수인 제2 함수(h)에 의해 정의된다. 그 회전 시, 서로의 피치원(7p, 9p)이 미끄러지지 않도록 회전시킨다. 상기 반회전 방향측 치면(Y)에서는, 그 반회전 방향측 치면(Y)에 있어서의 이끝측의 부위를 제3 함수(F)로 정의하면, 종동 로터(9)의 치면은 상대측의 구동 로터(7)가 반회전 방향으로 회전하였을 때에 있어서의 제3 함수(F)의 창성 함수인 제4 함수(f)에 의해 정의되고, 그 제4 함수(f)의 치형 영역은 종동 로터(9)의 피치원(9p) 내의 소정의 위치까지이고, 이 소정의 위치에 있어서 제4 함수(f)에 매끄럽게 접속되는 제5 함수(g)에 의해 종동 로터(9)의 이끝까지가 정의되고, 구동 로터(7)를 회전 방향으로 회전시킨 경우에 있어서의 제5 함수(g)의 창성 함수인 제6 함수(G)가 상기 제3 함수(F)에 의해 정의된 부분에 이어지는 상태로 상기 반회전 방향측 치면(Y)이 정의되도록 행해진다. 이 경우의 회전에 대해서도, 상기한 바와 마찬가지로, 서로의 피치원(7p, 9p)이 미끄러지지 않도록 회전시킨다.

이에 의해, 제3 자세에 있어서, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 함수(H)와 제2 함수(h)의 접촉 위치 바와, 제3 함수(F)와 제4 함수(f)의 접촉 위치 사와, 제5 함수(g)와 제6 함수(G)의 접촉 위치 아가 형성된다.

그런데 제3 자세에 있어서는 접촉 위치 바와 접촉 위치 사에 의해 둘러싸인 하류측 공간(B) 외에, 접촉 위치 사와 접촉 위치 아에 의해 둘러싸인 상류측 공간(A)이 존재한다.

이 상태에 있어서, 구동 로터(7)에 작용하는 토크 Tm은, 하기 수학식 1로 나타나고,

단, L : 접촉 위치 바와 접촉 위치 사를 연결하는 선분 길이

Km : 상기 2위치 바, 사를 연결하는 선분의 수직 이등분선과 구동 로터(7)의 축심(7c)의 거리

Z : 구동 로터(7)의 축 방향의 길이

Pd : 하류측 공간(B)의 압력

Ps : 상류측 공간(A)의 압력

동일한 상태에 있어서, 종동 로터(9)에 작용하는 토크 Tf는, 전술한 바와 같이 종동 로터(9)의 회전 방향과 동일한 방향으로 작용하여 회전을 도우므로, 하기 수학식 2와 같이 부의 값으로 나타난다.

단, Kf : 상기 2위치 바와 사를 연결하는 선분의 수직 이등분선과 종동 로터(9)의 축심(9c)의 거리

도 6은 횡축에 로터 회전각(deg)을, 종축에 토크를 취하여, 구동 로터의 토크(실선)와 종동 로터의 토크(파선)의 일례를 나타내는 그래프이다.

이 도 6으로부터 이해되는 바와 같이 구동 로터(7)에 발생하는 토크 Tm은 상시 정의 값으로 된다. 즉, 상술한 바와 같이 구동 로터(7)에 발생하는 토크 Tm의 방향이, 제1 자세, 제2 자세 및 제3 자세 중 어디에 있어서도, 구동 로터(7)의 축심(7c)으로부터 어긋나, 구동 로터(7)의 회전 방향과 역방향의 모멘트를 구동 로터(7)에 발생시키는 방향으로 된다. 한편, 종동 로터(9)에 발생하는 토크 Tf는, 정의 값으로부터 0이 된 후에 부의 값으로 된다. 즉, 상술한 바와 같이 종동 로터(9)에 발생하는 토크 Tf의 방향은, 제1 자세에 있어서는, 접촉 위치 가와 접촉 위치 다의 선분의 수직 이등분선의 방향이며, 종동 로터(9)의 회전 방향과 역방향의 모멘트를 종동 로터(9)에 발생시키는 방향으로 되어, 정의 값으로 된다. 그리고 제2 자세에 있어서는, 접촉 위치 라와 접촉 위치 마의 선분의 수직 이등분선의 방향이며 종동 로터(9)의 축심(9c) 방향으로 되어, 종동 로터(9)에 발생하는 토크는 0이 되고, 제3 자세에 있어서는, 접촉 위치 바와 접촉 위치 사의 선분의 수직 이등분선의 방향이며, 종동 로터(9)의 회전 방향과 동일 방향의 모멘트를 종동 로터(9)에 발생시키는 방향으로 되어, 종동 로터(9)에 발생하는 토크 Tf는 부의 값으로 된다.

따라서 상기 제3 자세에 있어서는, 종동 로터(9)에 발생하는 토크 Tf를 부의 값으로 할 수 있으므로, 종동 로터(9)를 공회전시키는 것이 가능해지고, 이 공회전에 의해 양쪽 로터(7, 9)의 마모를 줄일 수 있다. 그리고 그 공회전 상태로 될 때의 토크를 부측으로 크게 하는 것이 바람직하고, 그로 인해 상기 수학식 2에 기초하여 Pd의 값에 대해 Ps의 값을 작게 하도록 한다.

따라서 본 실시 형태에서는, 상류측 공간(A)의 형성에 관해, 도 7의 (a)에 도시한 바와 같이 제2 자세(초기 맞물림 자세)로 된 시점에서는, 접촉 위치 사만이 존재하고, 도 7의 (b)에 도시하는 다음 시점(약간 회전한 시점)에서는 2개의 접촉 위치 사, 아가 형성되도록 되고, 그 후 접촉 위치 사, 아의 간격, 즉 상류측 공간(A)의 용적이 커지도록 설계되어 있다. 즉, 상류측 공간(A)이 용적 0으로부터 커지도록 함으로써, Ps의 값을 작게, 바람직하게는 0에 근접하도록 설계하고 있다.

이와 같이 구성된 본 실시 형태에 관한 기어 펌프(1)에 있어서는, 제3 자세(3점 맞물림 자세)일 때, 회전 방향 하류측의 2위치 바, 사의 사이인 하류측 공간(B)의 압력이 회전 방향 상류측의 2위치 사, 아의 사이인 상류측 공간(A)의 압력보다도 높은 것이므로, 상류측 공간(A)의 압력이 종동 로터(9)의 회전에 영향을 그다지 미치지 않고, 또한 종동 로터(9)에 회전 방향의 모멘트를 발생시키도록, 회전 방향 하류측의 2위치 바, 사를 연결하는 선분의 수직 이등분선이 종동 로터(9)의 축심(9c)으로부터 어긋나 있다. 이로 인해, 3점 맞물림 자세일 때에, 종동 로터(9)를 공회전 상태에서 회전시키는 것이 가능하게 된다. 그에 따라, 점도가 낮은 작동 유체를 사용하는 경우에 있어서도, 양쪽 로터(7, 9)의 마모의 발생을 억제하는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 제2 자세(초기 맞물림 자세)로부터 제3 자세(3점 맞물림 자세)로 변화될 때에, 상류측 공간(A)이 용적 0으로부터 형성되도록 되어 있으므로, 종동 로터(9)의 회전 방향에 대해 전혀 영향이 미치지 않도록 할 수 있어, 제3 자세일 때에, 종동 로터(9)를 보다 확실하게 공회전 상태에서 회전시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 전술한 바와 같이 구동 로터(7) 및 종동 로터(9)에, 각 로터의 이(7b), 이(9b)가 각 로터의 축심(7c, 9c)에 대해 비틀어진 것을 사용하고 있으므로, 하류측 공간(B)에 들어 있는 액체를 토출실(17)로 배출하도록 하는 것이 가능하게 된다. 이것을 도 8에 기초하여 설명한다.

도 8은 구동 로터(7) 및 종동 로터(9)가 맞물려 회전하는 상태를 도시하고, 도 8의 (m), 도 8의 (o), 도 8의 (q), 도 8의 (s) 및 도 8의 (u)는 제1 덮개부(3c)측의 로터 단부면을 도시하고, 도 8의 (n), 도 8의 (p), 도 8의 (r), 도 8의 (t) 및 도 8의 (v)는 제2 덮개부(3d)측의 로터 단부면을 도시한다. 또한, 도 8의 (m) 및 도 8의 (n)은 회전 각도가 0도일 때, 도 8의 (o) 및 도 8의 (p)는 회전 각도가 7.2도일 때, 도 8의 (q) 및 도 8의 (r)은 회전 각도가 14.4도일 때, 도 8의 (s) 및 도 8의 (t)는 회전 각도가 21.6도일 때, 도 8의 (u) 및 도 8의 (v)는 회전 각도가 28.8도일 때이다. 또한, 도면 중의 자, 차, 카 및 타는, 각 로터의 일단부와 타단부가 이어지는 것을 나타내기 위한 것으로, 예를 들어 도 8의 (o) 및 도 8의 (p)에 있어서, 도 8의 (o) 중의 타와 도 8의 (p) 중의 타가 이어지는 부분을 나타내고, 마찬가지로 도 8의 (o) 중의 카와 도 8의 (p) 중의 카가 이어지는 부분을 나타낸다. 다른 도면에 있어서도 마찬가지이다.

이 도 8로부터, 회전 각도가 14.4도, 21.6도, 28.8도일 때에, 도 8의 (q), 도 8의 (s) 및 도 8의 (u)에 나타내는 타와, 도 8의 (r), 도 8의 (t) 및 도 8의 (v)에 나타내는 타의 위치 관계로부터 하류측 공간(B)이 토출실(17)에 이어져 있는 것이 이해된다. 또한, 전술한 구동 로터(7) 및 종동 로터(9)의 비틀림 각도는, 하류측 공간(B)이 형성되어 있을 때에, 그 하류측 공간(B)이 토출실(17)에 이어지는 각도 범위로 설정된다.

이 구동 로터(7) 및 종동 로터(9)의 비틀림에 의해, 이(7b)와 이(9b)의 맞물림 위치가 이동하고, 이에 의해 하류측 공간(B)에 들어 있는 액체를 토출실(17)로 배출하는 것이 가능하게 되어, 기어 펌프의 파손을 방지할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이 종동 로터(9)의 로터 단부면(9d)에 제1 홈(11)이 형성되고, 또한 케이싱(3)에 제2 홈(13)이 형성되어 있으므로, 제3 자세에 있어서 하류측 공간(B)의 용적이 로터 회전에 수반하여 감소하여 하류측 공간(B)의 압력이 높아져도, 그 하류측 공간(B)에 들어 있는 액체를 토출실(17)로 배출하여 기어 펌프의 파손을 방지할 수 있다. 그리고 이것을 가능하게 하기 위해, 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 홈(11)은 제3 자세일 때에 종동 로터(9)에 있어서의 로터 단부면(9d)의 하류측 공간(B)이 형성되는 부분이며 각 이(9b)마다 형성되고, 한편 제2 홈(13)은 케이싱(3)의 로터 단부면(9d)과 마주 보는 면(3e)에, 구동 로터(7)의 이(7b)와 맞물려져 있는 종동 로터(9)의 이(9b)에 형성된 제1 홈(11)과 토출실(17)을 제3 자세에 있을 때에 연통하도록 형성되어 있다. 이 제1 홈(11)과 토출실(17)의 연통에 의해, 상기 하류측 공간(B)의 압력이 토출실(17)의 압력과 동등해진다.

또한, 제2 홈(13)은, 일단부가 토출실(17)에 연통되도록 형성되지만, 타단부에 대해서는, 도 9에 도시한 바와 같이, 토출실(17)로부터 하류측 공간(B)으로 상기 액체가 역류를 일으키기 직전에, 제1 홈(11)과의 연통이 해제되는 위치에 배치된다. 한편, 제1 홈(11)은, 일단부가 하류측 공간(B)이 형성되는 부분에 형성되고, 타단부가 상기 역류를 일으키기 직전에 제2 홈(13)과의 연통이 해제되는 위치에 배치된다. 또한, 제1 홈(11) 및 제2 홈(13)은, 도 2, 9 등에 도시하는 직선 형상이어도, 도시를 생략하지만 곡선 형상이어도 된다.

또한, 상술한 실시 형태에서는 이가 10개인 구동 로터와, 이가 12개인 종동 로터를 사용하고 있지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 이가 4개인 구동 로터 및 이가 6개인 종동 로터를 사용하거나, 다른 잇수의 구동 로터 및 종동 로터를 사용해도 된다.

또한, 상술한 실시 형태에서는 제1 홈(11)과 제2 홈(13)을 사용함으로써 하류측 공간(B)의 압력을 토출실(17)의 압력으로 하고, 또한 하류측 공간(B)과 토출실(17)이 연통되도록 각 로터의 이(7b), 이(9b)가 각 로터의 축심(7c, 9c)에 대해 비틀어진 구동 로터(7) 및 종동 로터(9)를 사용함으로써 하류측 공간(B)의 압력을 토출실(17)의 압력으로 하는 구성으로 하고 있지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 제1 홈(11)과 제2 홈(13)을 사용하는 것만으로, 하류측 공간(B)의 압력을 토출실(17)의 압력으로 해도 된다. 혹은, 하류측 공간(B)과 토출실(17)이 연통되도록 각 로터의 이(7b), 이(9b)가 각 로터의 축심(7c, 9c)에 대해 비틀어진 구동 로터(7) 및 종동 로터(9)를 사용함으로써, 하류측 공간(B)의 압력과 토출실(17)의 압력이 동일한 압력으로 되는 구성으로 해도 된다. 단, 전자와 같이 제1 홈(11)과 제2 홈(13)을 사용하는 것만으로, 하류측 공간(B)의 압력을 토출실(17)의 압력에 일치시키는 경우에 있어서는, 하류측 공간(B)과 토출실(17)이 연통되도록 각 로터의 축심(7c, 9c)에 대한 각 로터의 이(7b, 9b)의 비틀림 각도로 할 필요는 없지만, 그 비틀림 각도보다도 작은 각도의 비틀림으로 함으로써 하류측 공간(B) 내의 액체를 제1 홈(11)측으로 이동시키도록 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상술한 실시 형태에서는 종동 로터에 제1 홈을 형성하고 있지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 구동 로터에 제1 홈을 형성해도 되고, 혹은 종동 로터와 구동 로터의 양쪽에 제1 홈을 형성해도 된다. 이 경우, 제2 홈은 제1 홈에 대응하는 케이싱의 위치에 형성된다.

Claims

서로 맞물린 상태로 케이싱에 수납되는 구동 로터 및 종동 로터를 구비한 기어 펌프이며,
상기 구동 로터 및 상기 종동 로터에는, 상기 구동 로터의 이가 상기 종동 로터의 이와 서로 이격한 2위치에서 접촉하는 초기 맞물림 자세와, 이 초기 맞물림 자세로부터 회전한 자세이며, 상기 2위치가 회전에 수반하여 이동한 2위치에 더하여, 그들 이동 후의 2위치보다도 회전 방향 상류측의 1위치에서 상기 구동 로터의 이가 상기 종동 로터의 이와 더 접촉하는 3점 맞물림 자세가 있고,
상기 3점 맞물림 자세에 있어서, 회전 방향 하류측의 2위치 사이인 하류측 공간의 압력이 회전 방향 상류측의 2위치 사이인 상류측 공간의 압력보다도 높은 것이고, 또한 상기 회전 방향 하류측의 2위치를 연결하는 선분의 수직 이등분선이, 상기 종동 로터에 회전 방향의 모멘트를 발생시키도록, 상기 종동 로터의 축심으로부터 어긋나 있는, 기어 펌프.
제1항에 있어서,
상기 상류측 공간은, 상기 초기 맞물림 자세로부터 상기 3점 맞물림 자세로 변화될 때에, 용적이 0으로부터 형성된 것인 것을 특징으로 하는, 기어 펌프.
제1항에 있어서,
상기 케이싱 내에는, 작동 유체의 토출실이 형성되고,
상기 구동 로터 및 상기 종동 로터 중 적어도 한쪽의 로터 단부면에는 상기 하류측 공간에 연통되는 제1 홈이 형성되고, 상기 제1 홈을 갖는 로터 단부면에 대향하는 케이싱의 면에는, 상기 3점 맞물림 자세일 때에 상기 제1 홈과 상기 토출실을 연통시키는 제2 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 기어 펌프.
제1항에 있어서,
상기 케이싱 내에는, 작동 유체의 토출실이 형성되고,
상기 구동 로터의 각 이 및 종동 로터의 각 이가 각각의 로터 축심에 대해 비틀어져 있고, 그 비틀림에 의해 상기 하류측 공간이 상기 토출실에 이어지는 구성으로 되어 있는 것을 특징으로 하는, 기어 펌프.
제1항에 있어서,
상기 케이싱 내에는, 작동 유체의 토출실이 형성되고,
상기 구동 로터 및 상기 종동 로터 중 적어도 한쪽의 로터 단부면에는 상기 하류측 공간에 연통되는 제1 홈이 형성되고, 상기 제1 홈을 갖는 로터 단부면에 대향하는 케이싱의 면에는, 상기 3점 맞물림 자세일 때에 상기 제1 홈과 상기 토출실을 연통시키는 제2 홈이 형성되고,
또한, 상기 구동 로터의 각 이 및 종동 로터의 각 이가 각각의 로터 축심에 대해 비틀어져 있고, 그 비틀림에 의해 상기 하류측 공간이 상기 토출실에 이어지는 구성으로 되어 있는 것을 특징으로 하는, 기어 펌프.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구동 로터의 이의 형상이, 그 이끝을 사이에 두고 회전 방향측 치면(X)과, 반회전 방향측 치면(Y)으로 2개의 다른 형상을 갖고, 상기 회전 방향측 치면(X)을 제1 함수(H)로 정의하면, 그것에 대향하는 종동 로터의 치면은 구동 로터가 반회전 방향으로 회전하였을 때에 있어서의 상기 제1 함수(H)의 창성 함수인 제2 함수(h)에 의해 정의되고, 상기 반회전 방향측 치면(Y)에서는, 그 반회전 방향측 치면(Y)에 있어서의 이끝측을 제3 함수(F)로 정의하면, 종동 로터의 치면은 구동 로터가 반회전 방향으로 회전하였을 때에 있어서의 상기 제3 함수(F)의 창성 함수인 제4 함수(f)에 의해 정의되는 동시에, 그 제4 함수(f)의 치형 영역이 종동 로터의 피치원 내의 소정의 위치까지이며, 이 제4 함수(f)에 접속되는 제5 함수(g)에 의해 종동 로터의 이끝까지가 정의되고, 구동 로터를 회전 방향으로 회전한 경우에 있어서의 상기 제5 함수(g)의 창성 함수인 제6 함수(G)가 상기 제3 함수(F)에 의해 정의된 부분에 이어지는 상태로 상기 반회전 방향측 치면(Y)이 정의되는 구성으로 되어 있는 것을 특징으로 하는, 기어 펌프.