WO2014010677A1 - ベーン機械のベーン摩耗予測構造 - Google Patents

Description

ベーン機械のベーン摩耗予測構造

　本発明は、ベーン摩耗の予測を劣化運転により可能としたベーン機械のベーン摩耗予測構造に関する。

　二次電池を電力源にモータ走行を行う電気自動車（電動車両）は、アシストブレーキシステムに求められる負圧を確保するために（アシスト力の確保）、ベーン機構である電動式のバキュームポンプが用いられている。
　バキュームポンプ（ベーン機構）には、吸入穴、吐出穴を備える円形のシリンダ室、同シリンダ室内に回転自在に収められたロータ、複数枚のベーン（プレート状）を組み合わせた構造が用いられる。多くは、ロータの外周面に放射状に複数のベーン溝を形成し、これらベーン溝内にベーンの基端側を進退自在に収め、ベーンの先端部をシリンダ室の内周面と接触させることによって、シリンダ室内を複数に仕切る構造（遠心力やばね部材などによる）が用いられる。つまり、ロータの回転によりベーンをシリンダ室の内周面に沿って摺動させることで、負圧を発生させるようにしてある。

　こうした負圧を発生させる際、ベーンの先端部は、シリンダ室の内周面と摺接するため摩耗する。通常、ベーンは、摩耗が進むと、ベーン溝内から外へ次第に繰り出されるが、摩耗限界に達するまで、ベーンが繰り出されると、ベーン強度の不足（ベーン全長が短くなるため）から、ベーンが破断するおそれがある。
　ブレーキシステムに用いられるバキュームポンプは、作動時間に比例してベーンの摩耗が進むため、ベーンが摩耗限界を達すると、急激にバキュームポンプの機能を失陥させ、ブレーキシステムに大きな影響を与えてしまう。特にカーボン部材から形成したベーンを用い、潤滑油を用いずに、ベーン廻りの潤滑を行わせるバキュームポンプは、こうした摩耗の影響を受けやすい。

　そのため、バキュームポンプでは、通常の使用期間では十分に耐えるベーンを採用して、ベーンの寿命を延ばし、ポンプ機能が失われないように努めている。それでも、想定以上の使用状況により、ベーンの摩耗が摩耗限界に達することが考えられる。
　従来は、引用文献１，２に開示されているようにベーンの側面に溝部を形成して、ベーンの気密性を高めたり、ベーンの潤滑性を高めたりする技術が提案されているだけである。

実開昭６２－１０８５８２号公報 特開平　２－　１１８８５号公報

　このため、ベーンの摩耗限界に達する前の状況を知る由もなかった。
　そこで、本発明の目的は、ベーンの摩耗が、急激な性能劣化をもたらす摩耗が摩耗限界に近付いたことを予測可能としたベーン機械のベーン摩耗予測構造を提供することにある。

　本発明は、上記目的を達成するために、ロータに、ベーン溝内を中継して、シリンダ室内の異なる二室を連通する連通路を設け、ベーン溝内を中継する連通路の通路部分が、ベーン溝に収めたベーンによって、常時は閉じ、ベーンの摩耗が所定量、進行すると開放される構成とした（請求項１）。

　これにより、ベーン機械の運転にて、ベーンの摩耗が所定量まで進み、ベーンの全長が短くなると、それまでベーンによって閉じられていた連通路のベーン溝内を中継する通路部分が開放される。すると、ベーンで仕切られるはずの二室は、連通路を通じて連通する。これで、二室間で漏れが生じ、ベーン機械は、今までの正規性能を発揮する運転でなく、それよりもかなり性能が劣化した運転に変わる。
　この意図的に誘発された劣化運転から、現在の状況が、ベーン摩耗が原因で急激に性能劣化が生じるおそれのある状況に近付いたこと、すなわちベーンが摩耗限界に近付いた状況であることの予測が行える。

　好ましくは、ベーンが摩耗限界に近付いていることの予測が正確に行われるよう、連通路の通路部分における開放は、ベーンが摩耗限界の近くまで摩耗したときであることとした（請求項２）。
　好ましくは、さらに劣化運転が誘発されやすくなるよう、ベーンは、異なる二室を連通する貫通口を有し、この貫通口が、常時はベーン溝の壁面により塞がれ、ベーンの摩耗が所定量、進行するとベーン溝外に現れる構成も用いることとした（請求項３）。

　本発明によれば、ロータに形成した連通路を用いて、意図的にベーン機械の劣化運転を誘発させることで、ベーン機械は、ベーン摩耗が原因で急激に性能劣化が生じるおそれのある状況に近付いたこと、すなわちベーン機構の運転状況の判別から、ベーンが摩耗限界に近付いた状況であることを予測することができる（請求項１）。

　また、ベーンが摩耗限界に近付いていることを正確に予測することができる（請求項２）。
　また、ベーン機械の劣化運転は、ベーンに形成した貫通口により、一層、誘発されやすくなる（請求項３）。

本発明の第１の実施形態に係る電動バキュームポンプ（ベーン機構）を、同バキュームポンプを採用した電動車両のアシストブレーキシステムと共に示す一部断面した全体図。 同電動バキュームポンプのポンプ部の構造を示す分解斜視図。 同ポンプ部のロータに形成した連通路の一部を示す正面図。 同連通路の各部を示す斜視図。 同ポンプ部の通常時における運転状態を示す正面図。 同ポンプ部の摩耗限界直前のときの運転状態を示す正面図。 本発明の第２の実施形態の要部を示すポンプ部の正面図。 本発明の第３の実施形態の要部を示し、貫通口を有するベーンを示す斜視図。 同ベーンがベーン溝内に収められた状態を示す斜視図。 ロータの連通孔とベーンの貫通口を併用した構造のポンプ部の通常時の運転状態を示す正面図。 同ポンプ部の摩耗限界直前のときの運転状態を示す正面図。 本発明の第４の実施形態の要部を示すポンプ部の正面図。

　以下、本発明を図１ないし図６に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。
　図１は本発明を適用した電動バキュームポンプ（本願のベーン機構に相当）を、同ポンプを組み込んだ電気自動車（電動車両）のアシストブレーキシステムと共に示し、図２～５は同電動バキュームポンプの各部の構造を示している。
　まず、図１を参照してアシストブレーキシステムａの概略を説明すると、図中１は電気自動車（電動車両）の車室２の内外を仕切るダッシュパネル、４は同ダッシュパネル１の下段側に据付けた負圧式の倍力装置、５は同倍力装置４の出力側に接続された油圧式のマスタシリンダ装置である。マスタシリンダ装置５から倍力装置４内蔵のダイヤフラムプレート４ａを通じ車室２内へ延びているオペレーティングロッド６の端部には、ブレーキペダル８が設けられている。

　またマスタシリンダ装置５の油圧出力部５ａは、油圧配管９を介して、電気自動車の各車輪（前後輪）に制動力を付与するディスク式ブレーキやドラム式ブレーキなどブレーキ装置（図示しない）が接続され、ブレーキペダル８を踏み込むと、負圧でアシストされながら、各輪のブレーキ装置へ油圧を供給できるようにしている（ブレーキ力の付与）。
　すなわち、電気自動車は、エンジン搭載車のような負圧発生源となるエンジンが無いため、倍力装置４の負圧入口部４ｂには、ベーン機械であるところのバキュームポンプ、例えば電動バキュームポンプ１０が接続される。これで、電動バキュームポンプ１０から倍力装置４へ、ブレーキ操作のアシストに求められる負圧が供給されるようにしている。ちなみに電動バキュームポンプ１０と倍力装置４間は、接続ホース１１により接続され、アシストブレーキシステムａの全体を構成している。

　電動バキュームポンプ１０は、例えば横向きのモータ部１２の出力軸１２ａ（回転軸）に、ロータリベーン式のポンプ部１４を連結（直結）し、ポンプ部１４の周りを有底筒形のポンプカバー１５で覆う構造が用いられている。
　具体的には、図２に示されるようにポンプ部１４は、円形のポンプリング１６の両側に、それぞれ平板状のポンプカバー１８ａ，１８ｂを据付けて、内部に円形のシリンダ室１９を形成する。このシリンダ室１９内に、モータ部１２の出力軸１２ａと連結した円形のロータ２１が収められる。ロータ２１は、ポンプリング１６（シリンダ室１９）の中心とは偏心した位置に配置され、この偏心した位置を中心に回転駆動される。

　このロータ２１の外周面には、等間隔で、複数枚、ここでは５枚のベーン２３が突出可能に据付けられている。具体的には、ロータ２１の外周面には、５個のベーン溝２５が、斜めの向きで等間隔に設けられている。ベーン溝２５は、いずれもロータ２１の幅方向に渡る溝で形成されている。各ベーン２３には、いずれも潤滑油を用いずに円滑な摺動が行えるよう（無潤滑油式）、カーボン部材でプレート状に形成したベーンが用いられている。各ベーン２３は、ベーン溝２５の幅寸法（ポンプリング幅）に応じた角形形状に形成されている。これら各ベーン２３が基端側から各ベーン溝２５内に摺動自在に収められ、各ベーン２３の先端側を周囲へ飛び出し可能（進退可能）に据付けている。つまり、各ベーン２３は、ロータ２１の回転により生ずる遠心力にて、外側へ張り出て、負圧を発生させる。

　すなわち、ロータ２１の回転により、各ベーン２３の先端部は、シリンダ室１９の内周面（ポンプリング１６の内周面）と接触してシリンダ室１９を複数に仕切る。さらに各ベーン２３が、ロータ２１の回転にしたがい、シリンダ室１９の内周面と接しながら移動することにより（摺動）、例えばポンプカバー１８ａに形成してある吸入穴２７から、例えばポンプ部１４を支えるフレーム部１７に設けた負圧吸入部１７ａ（図１に図示）、同負圧吸入部１７ａとつながる接続ホース１１を通じて、倍力装置４内の空気が掻き出されるようにしている。つまり、掻き出した空気は、例えばポンプカバー１８ａに形成された吐出穴２８から外部（外気）へ吐出され、このとき発生する負圧が、ダイヤフラムプレート４ａで仕切られた負圧室４ｃへ供給される。これで、電動バキュームポンプ１０の発生する負圧が、ブレーキ操作をアシストする力として、倍力装置４へ供給される。

　ここで、各ベーン２３は、通常の想定し得る使用期間では十分に耐える性能を有するベーンが採用されている。つまり、各ベーン２３は、寿命を延ばし、想定し得る使用状況では破断が生じないように努めている。それでも、想定以上の使用状況により、各ベーン２３の摩耗が摩耗限界に達して破断を招くことが考えられる。例えば、カーボン製ベーンを潤滑材として用いる無潤滑式の電動バキュームポンプは、その傾向が高い。
　そこで、ロータ２１の各部には、図３～図５に示されるようなベーン２３の摩耗限界に近付いたことを予測可能にするベーン摩耗予測構造が設けられている。同構造は、ロータ２１に連通路３０を設けて構成されるものである。連通路３０は、ベーン溝２５内を中継して、シリンダ室１９内の異なる二室を連通する通路で構成され、ベーン２３の摩耗が摩耗限界に近付くと、ベーン２３がベーン溝２５を中継する通路部分を開放して、意図的に、通常の正規性能を発揮している運転から、それよりもかなり性能の劣化した運転を誘発するものである。

　ここでは、連通路３０は、加工しやすい直線状の貫通孔３０ａを用いて形成している。具体的には図３～図５に示されるように貫通孔３０ａは、各ベーン溝２５の底部、例えば幅方向中央の底部分へ、ドリル工具（図示しない）の先端部を差し込み、ベーン溝２５の全長に沿ってドリル加工を行い、隣接するベーン溝２５の底側の両壁面を突き通し、そのままロータ２１の外周面まで突き抜けるまでドリル加工を施すことによって形成されている。つまり、貫通孔３０ａは、ベーン溝２５の底部から、同ベーン溝２５と隣接するベーン溝２５内を貫通して、ロータ２１の外周面に開口する。このベーン溝２５の底部から延びる貫通孔３０ａの組合わせから、ベーン溝２５を中継した通路、すなわち途中にベーン溝２５を介在させて、異なる二室間、ここでは当該ベーン溝２５内のベーン２３を挟んだ両側の二室間を連通する連通路３０を形成している。

　さらに述べると、ベーン溝２５の両壁面に開口する貫通孔３０ａの開口部３０ｂは、例えば図３中の実線のように通常時は、ベーン２３の壁面によって閉じられ、ベーン２３の先端部での摩耗が所定量まで進行したとき、具体的には例えば図３中の二点鎖線のように摩耗限界（ベーン摩耗を原因として急激なポンプ機能の失陥が生じるとされる部位）の近くまで摩耗したときに開放される位置に形成されている。
　特に開放する位置は、所定位置、すなわち吸入初期のとき、吸入穴２７の近くに配置される二室１９ａ，１９ｂ（異なる二室）を連通させるように位置決められ、ベーン２３の摩耗が摩耗限界に近付くと、吸入初期のベーン２３で仕切られるベーン両側の二室１９ａ，１９ｂを連通路３０を通じ連通させる。つまり、ポンプ性能の劣化した運転が行える構造としている。

　ちなみに、連通路３０は、隣合う２つのベーン溝２５を利用した構造でなく、１つのベーン溝２５を利用した構造でもよい。例えば連通路３０は、各ベーン溝２５の両側のロータの外周面から、ベーン溝２５の底側の壁面に向かい、ドリル工具などで、斜め方向からそれぞれ穿設して、ベーン溝２５の底側を頂点とした二室を連通するＶ形の貫通孔の構造から構成しても構わない。
　同構造により、ベーン２３の摩耗が摩耗限界に近付いていることの予測が行える。
　すなわち、図５に示されるように電動バキュームポンプ１０は、モータ部１２によりロータ２１が駆動（回転）されるにしたがい、外周面上の各ベーン２３が、遠心力により外側へ張り出て、先端部をシリンダ室１９の内周面に押し付ける。

　すると、各ベーン２３は、シリンダ室１９の内周面と接触しながら移動する。このときの各ベーン２３で仕切られた室の空間容積の変化（小）により、吸入穴２７から空気を掻き出し、吐出穴２８から大気へ排気する。これにより、電動バキュームポンプ１０で発生した負圧が倍力装置４へ与えられる。
　こうした電動バキュームポンプ１０の作動により（通常運転）、各ベーン２３の先端部における摩耗は次第に進行する。

　このとき、ベーン先端部が、想定を越えるポンプ機能の稼働などから、摩耗限界（急激にポンプ性能の失陥が生じるとされる）に近付くまで摩耗が進行したとする（ベーン全長：短）。
　すると、図６に示されるようにベーン２３の大きく張り出す吸入初期の段階のとき、全長の短くなったベーン２３により、同段階にある二つのベーン溝２５の壁面の開口部３０ｂが開放され始まる。

　これにより、図６に示されるようにベーン２３で仕切られるはずの初期段階の二室１９ａ，１９ｂ（隣室）は、二つのベーン溝２５の各開口部３０ｂを中継部として、貫通孔３０ａを通じ、連通し始める。すると、室１９ａ内に閉じ込められる空気は、図６中の矢印に示されるように二つのベーン溝２５、連通路３０を通じ、ロータ２１の外周面に開口する開口部３０ｃから、隣室の室１９ｂに漏れ出す。この漏れの発生により、電動バキュームポンプ１０は、それまでの正規のポンプ性能を発揮する運転でなく、空気を掻き出す性能が劣る、かなり劣化したポンプ運転となる。
　この意図的に誘発された電動バキュームポンプ１０の劣化運転から、現在の電動バキュームポンプ１０の運転状況が、ベーン摩耗が原因でポンプ機能の失陥するおそれのある状況（急激に性能劣化が生じる状況）に近付いていることと認識できる。つまり、連通路３０がもたらす電動バキュームポンプ１０の運転状況の変化から、ベーン２３が摩耗限界に近付いているとの判別、すなわち予測ができる。

　それ故、この予測から、電動バキュームポンプ１０（ベーン機械）における不測の事態の発生を未然に回避することができる。しかも、ベーン２３の交換時期も知ることができ、安全性や信頼性の向上を図ることができる。カーボン製のベーン２３を用いて、潤滑油を不要（無潤滑油式）とした電動バキュームポンプ１０（ベーン機械）には有効である。
　特に、ベーン２３の摩耗限界の近くで連通路３０を開放（開口部３０ｂの開放）させたことにより、ベーン２３が摩耗限界の直前の状況であることを、正確に予測することができる。
　むろん、電動バキュームポンプ１０を用いたアシストブレーキシステムａは、この予測により、たとえ電動バキュームポンプ１０が想定を越える稼働をしていても、アシスト機能が損傷する事態を未然に回避することができる。

　図７は、本発明の第２の実施形態の要部を示す。
　本実施形態は、３枚のベーン２３を有して構成される電動バキュームポンプに本発明を適用したものである。図７において、第1の実施形態と同じ部分には同一符号を付してその説明を省略した。
　このような電動バキュームポンプでも、第1の実施形態と同様の作用効果を奏する。
　図８～図１１は、本発明の第３の実施形態の要部を示す。
　本実施形態は、第1の実施形態のようにロータ２１に隣室１９ａ，１９ｂを連通させる構造を設けるだけでなく、ベーン２３にも連通構造を設けて、吸入初期の段階にある二室１９ａ，１９ｂ（異なる二室）を連通させ、電動バキュームポンプにおける劣化運転を誘発されやすくしたものである。

　同実施形態は、図８、図９および図１０に示されるように第１の実施形態に、ベーン２３側の構造、すなわち各ベーン２３にシリンダ室１９内の異なる二室１９ａ，１９ｂを連通させる貫通口４０を形成し、同貫通口４０が、常時はベーン溝２５の壁面により塞がれ、ベーン２３の摩耗が所定量、ここでは摩耗限界Ｌに進行すると、ベーン溝２５外に現れるようにしたものである。
　具体的には、ベーン２３の貫通口４０は、ベーン溝２５内に収められるベーン部分に厚み方向を貫通するように設けられる。ここでは、貫通口４０には、例えば角形の開口部が用いられる。同貫通口４０は、図８中に一点鎖線で示すベーン２３の摩耗限界Ｌ（ベーン摩耗を原因として急激なポンプ機能の失陥が生じるとされる部位）の手前、摩耗限界Ｌの直前位置に配置され、ベーン２３の摩耗限界付近がシリンダ室１９の内周面に近付くと、吸入初期の段階のとき、貫通口４０がベーン溝２５外に現れ始めるようにしている。

　これにより、図１１に示されるようにベーン２３の摩耗が摩耗限界に近付くと、貫通口４０が、ベーン溝２５外に現れる。つまり、貫通口４０は、シリンダ室１９内に配置される。すると、ベーン２３で仕切られるはずの二室１９ａ，１９ｂは、貫通口４０で連通され、室１９ａの空気が室１９ｂ（隣室）に漏れる。
　この空気の漏れが、第1の実施形態で述べた連通路３０からの空気の漏れと共に行われ、大量の空気の漏れをもたらす。このため、電動バキュームポンプは、ポンプ性能を劣化させた運転が誘発されやすくなる。
　なお、図８～図１１において、第１の実施形態と同じ部分には同一符号を付してその説明を省略した。

　図１２は、本発明の第４の実施形態の要部を示す。
　本実施形態は、ロータにベーンを設けた電動バキュームポンプ（ベーン機械）でなく、シリンダ室の内周面にベーンを設けたベーン機械、例えばベーン式コンプレッサに本発明を適用したものである。
　具体的には、ベーン式コンプレッサは、シリンダリング４５で形成される円形のシリンダ室４６内にロータ４７を偏心回転可能に収め、シリンダ室４６の内周面に、ベーン溝４８を設け、同ベーン溝４８内にベーン４９を突出可能に収め、同ベーン４９の先端部をロータ４７の外周面に接触させる構造で構成され、ロータ４７をシリンダ室４６の内周面と接触させながら回転することにより、ベーン４９で仕切られるシリンダ室４６内の容積が変化して圧縮運転を行う。

　このうち、ベーン溝４８を挟んだシリンダリング４５の両側には、ベーン４９の摩耗が所定量、進行したとき、コンプレッサ性能を劣化させた運転が誘発されるよう、連通路５１が設けてある。同連通路５１は、例えばベーン溝４８を挟んだシリンダリング４５の両側に、ベーン溝４８の先端側とクロスしながらシリンダ室１９に突き抜ける貫通路、例えば２本の貫通孔５１ａを穿設して構成される（Ｘ形）。これで、シリンダ室４６側に、ベーン溝４８内を中継し、シリンダ室４６内の異なる二室４６ａ，４６ｂを連通する連通路５１を形成している。連通路５１のベーン溝４８内を中継する交差部分（通路部分）は、ベーン溝４８内のベーン４９によって、常時は閉じ、ベーン４９の摩耗が所定量、ここではベーン４９の摩耗限界の近くまで進行すると開放されるようにしてある。
　これにより、ベーン式コンプレッサでも、第1の実施形態と同様、ベーン４９が摩耗限界に近付いているとの予測ができる。むろん、他のベーンを用いたベーン機械に本発明を適用しても構わない。

　なお、本発明は、上記した第１～４の実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々可変して実施してもよい。例えば上述した実施形態の連通路３０は、貫通孔から形成したが、これに限らず、ロータ２１やシリンダリング４５の側面に貫通溝を形成して連通孔を構成してもよく、連通孔の構造には限定されるものではない。また第１～３の実施形態では、ベーン両側の二室を連通する構造を挙げたが、シリンダ室内の異なる二室を連通させる構造であればよく、要は劣化運転を誘発しさえすればよい。

　１０　電動バキュームポンプ（ベーン機械）
　１９　シリンダ室
　２１　ロータ
　２３　ベーン
　２５　ベーン溝
　３０　連通路
　３０ａ　貫通孔
　４０　貫通口

Claims (3)

1. 　円形のシリンダ室と、同シリンダ室内に設けられたロータと、前記シリンダ室の内周面および前記ロータの外周面のうちの一方に形成されたベーン溝と、同ベーン溝内に突出自在に収められ、先端部が前記シリンダ室の内周面および前記ロータの外周面のうちの他方の周面と接し前記シリンダ室内を複数の室に仕切るベーンとを有し、前記ベーンが、先端部での摩耗にしたがい前記ベーン溝内から繰り出されるベーン機械において、
   　前記ロータに、前記ベーン溝内を中継して、前記シリンダ室内の異なる二室を連通する連通路を設け、
   　前記ベーン溝内を中継する前記連通路の通路部分が、前記ベーン溝に収めた前記ベーンによって、常時は閉じ、前記ベーンの摩耗が所定量、進行すると開放される
   　ことを特徴とするベーン機械のベーン摩耗予測構造。
2. 　前記連通路の通路部分は、前記ベーンが摩耗限界の近くまで摩耗したとき、開放するものであることを特徴とする請求項１に記載のベーン機械のベーン摩耗予測構造。
3. 　更に、前記ベーンは、前記異なる二室を連通する貫通口を有し、
   　前記貫通口が、常時はベーン溝の壁面により塞がれ、前記ベーンの摩耗が所定量、進行すると前記ベーン溝外に現れる
   　ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のベーン機械のベーン摩耗予測構造。

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