JP2007120433A

JP2007120433A - ベーンポンプ

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Publication number: JP2007120433A
Application number: JP2005315175A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Inaba; 一雄稲葉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-05-17

Abstract

【課題】稼動時に摺動部に生じる摩擦抵抗を低減することができるエネルギー効率の高いベーンポンプを提供する。
【解決手段】上記課題を解決するためのベーンポンプ１０は、円筒状のポンプ室１８が形成されたポンプ本体１２のポンプ室内１８に、偏心して軸支された回転自在なロータ２０を有し、前記ロータ２０にはその全長に亙って形成された複数の嵌挿溝２２が設けられ、前記嵌挿溝２２にはそれぞれベーン２４が出入自在に配置されている。そして、前記ロータ２０の端部には、当該ロータ２０の直径よりも小径に形成したフランジ３２，４２を設ける。また、前記ポンプ本体１２には、ポンプ室１８を密閉するためのサイドカバー３０，４０を設ける。また、前記ロータ２０端面におけるフランジ３２，４２当接面と、その外周面との間には段差を形成し、サイドカバー３０，４０と前記外周面との間に隙間を設ける構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプに係り、特に可動翼を備えたロータを有するベーンポンプに関する。

ベーンポンプは、図８に示すように円筒状のポンプ室２内に偏心して配置された円筒状のロータ３と、このロータ３の全長に亙って設けられた複数の嵌挿溝４に出入自在に備えられた、前記嵌挿溝４よりも若干狭い幅（若干短い長さ）に形成されたベーン５とを有することを基本とする。このような構成要素を基本とするベーンポンプ１では、前記ロータ３は回転軸６により支持され、ポンプ室２の両端部にはサイドカバー７ａ，７ｂ、あるいはポンプ室２を構成するハウジング面との間に若干の隙間が設けられることによって、前記ポンプ室２内での回転を自在とされていた。そして、前記ポンプ室２はベーン５によって複数の圧縮室へと区分けされる構成とされている。このような構成のベーンポンプ１は、前記回転軸６に回転が加えられることに伴ってロータ３が回転し、このロータ３の回転に伴って前記ベーン５がポンプ室２の内周面に沿って出入するようになっている。このようなベーン５とロータ３、及びポンプ室２の作用により、ロータ３を矢印Ａで示すように反時計回りに回転させると、ベーン５によって区分けされた圧縮室が拡大され、外部流体が吸引される。この状態でさらにロータ３を回転させると、圧縮室は閉塞されてその容積が小さくなり内圧が高くなる。さらにロータ３を回転させてベーン５によって区分けされた圧縮室とベーンポンプ１の排出口とが連通すると、圧縮流体は外部空間へ放出される。このような構成及び作用を伴うベーンポンプとしては、例えば特許文献１に開示されているものを挙げることができる。
特開２００４−３０８５０３号公報

上記のような構成のベーンポンプでは、ベーンによってポンプ室を複数の圧縮室に区分けしている。このような構造を有するポンプではベーン側端部及びロータ端部とサイドカバーとの摺動抵抗を減らし、ポンプを稼動させる際に必要とする駆動力を減らすと共に、ベーンの摩耗を防止するために、ベーン側端部及びロータ端部とサイドカバーとの間の交差幅は、双方の部材間に若干の隙間が設けられるように調整されており、前記圧縮室はいわゆる側面開放型に近い状態とされていた。このため、圧縮室からは収容流体の漏れが生じやすく、ポンプの容積効率が低くなる。容積効率を向上させる解決策として、ベーン及びロータがサイドカバーに摺動するように規格を変更するということを考えることができるが、この場合、次のような問題が生じる。すなわち、ベーン及びロータをサイドカバーと常に摺動する規格とした場合、ベーンの側端部はロータの回転による円周方向の摩擦と、ベーンが嵌挿溝に対して出入する際に生じる放射方向の摩擦（往復運動による摩擦）とを常に受けることとなる。また、ロータに関しては、サイドカバーとの摩擦等によって生じる熱の影響により膨張し、サイドカバーとの間で焼きついてしまい、回転不能な状態になる可能性がある。このため、ベーンやロータの端部に設けられる隙間を無くした場合、ベーンポンプを稼動させる際に必要とする駆動力が大きくなる、エネルギー効率が悪くなる、あるいは駆動自体が不能となる等の不具合が生じる可能性がある。また、ベーンについては、摺動面との摩擦抵抗が大きくなることより、ベーン自体の摩耗量も増加するという問題がある。

本発明では上記のような問題を解決し、ベーンやロータとサイドカバーとの間の隙間を無くした、あるいは小さくした場合であっても、ポンプを稼動させせる際に生じる摩擦抵抗を低減することができ、従来と比べて小さな駆動力でポンプを稼動させることができるエネルギー効率の高いベーンポンプを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係るベーンポンプは、円筒状のポンプ室が形成されたハウジングの前記ポンプ室内に、偏心して軸支された回転自在なロータを有し、前記ロータにはその全長に亙って形成された複数の嵌挿溝が設けられ、前記嵌挿溝にはそれぞれベーンが出入自在に配置されているベーンポンプであって、前記ロータの端部には、当該ロータの直径よりも小径に形成した円板状の側板を設け、前記ハウジングには、前記ポンプ室を密閉するための平滑面に前記側板を収容するための凹陥部を有する蓋体を設け、前記ロータ端面における前記側板当接面とその外周面との間には段差を形成し、前記蓋体と前記外周面との間に隙間を設ける構成としたことを特徴とする。このような構成とすることにより、ロータと側板（フランジ）とが連動して回転することとなるため、フランジによって封止されている部分についてベーンに作用する摩擦抵抗は、出入に際しての放射方向の摩擦抵抗のみとなる。このため、蓋体（サイドカバー）とベーンとの間に生じる摩擦抵抗を低減することができる。また当然に、ロータにおけるフランジ当接面にも摩擦が生じることは無いので、ロータとサイドカバーとの摩擦抵抗をも低減することができる。また、ロータ端面のフランジ当接面とその外周面とに段差を形成し、サイドカバーとの間に隙間を設ける構成としたことにより、熱膨張によりロータの長さが増したとしても、ロータとサイドカバーとの間の摩擦抵抗が大きくなり、ロータの回転を妨げるということが無い。

また、上記のような構成のベーンポンプでは、前記嵌挿溝には、隣り合う嵌挿溝同士を相互に連通する貫通孔を設けることが望ましい。このような構成とすることにより、嵌挿溝に対するベーンの出入をスムーズなものとすることができるようになる。詳細すると、ベーンは、嵌挿溝の底部に形成される底部空間とポンプ室との気圧差や容積変化により、出入時に抵抗を受けることがある。嵌挿溝の底部空間の容積は、ポンプ全体として見た場合には略一定となる。このため、隣り合う嵌挿溝同士を連通することにより底部空間全体としての容積変化を無くすことができ、嵌挿溝に対する出入時に受ける抵抗を減らすことができる。また、ポンプ室との圧力差も、吸入側と排気側との間で相殺されることとなり平均化することが可能となる。このため、ベーンが嵌挿溝に対してスムーズに出入することとなり、ポンプ室の内周面に沿ってスムーズに摺動することができるようになる。よって、ベーンによって区分けされる圧縮室は、高い気密性を維持することができるようになる。また、上記のようにロータにフランジを取り付ける構成とすることによれば、嵌挿溝の気密性が高められるため、底部空間に対して出入する気体を抑制することができ、底部空間の容積変化の抑制効果を高めることができる。

また、上記のような構成のベーンポンプでは、前記ベーンは、ベーンの突出方向に対して±９０°未満の傾斜角を持たせたラインに沿って幅方向に分割し、突出時における各個片の突出量にズレが生じる構成とすることが望ましい。ベーンをこのような構成とすることにより、ベーンに作用する遠心力の影響を受け、ロータから突出したベーンを拡幅させることができる。このため、ベーン端部とサイドカバーとの間に生じる隙間を閉塞することができ、ベーンによって構成される圧縮室の密閉性を高めることができる。よって、ベーンポンプ自体の容積効率を高めることができる。

また、上記のような構成のベーンポンプでは、前記ベーンの構成部材をカーボン焼結体、又はエンジニアリングプラスチックを含浸させたカーボン焼結体、あるいはエンジニアリングプラスチックを基材としたカーボン繊維材料とすると良い。このような構成とすることにより、ベーンは、いわゆるカーボン部材の特性としての高い耐磨耗性、自己潤滑性を得ることができる。このため、ベーン側端部とサイドカバーとの隙間を狭め、気密性を高めた場合であっても接触面での摩擦抵抗を低減することができる。また、耐磨耗性に優れることから、ベーン自体の摩耗量が少なく、自己潤滑性が優れることから摺動対象面を摩耗させることも少ない。このため、圧縮室としては、高い気密性を長期間にわたり維持することが可能となる。また、上述したようにベーン自体の自己潤滑性が高まることより、摺動部に対して潤滑油等の潤滑剤が不要となる。

また、上記のような構成のベーンポンプでは、前記ポンプ室の内壁面に炭素薄膜、あるいはフッ素薄膜を被服するようにしても良い。このような構成とすることにより、ベーンと摺動面であるポンプ室内周（内壁）面との摩擦抵抗を減らすことができる。よって上記と同様に、ポンプ室、ベーン共に摩耗量を減らすことができる。このため、ベーンによって形成される圧縮室は、高い気密性を長期間にわたり維持することが可能となる。また、ベーンとポンプ室内周面との潤滑性が高まることより潤滑油等の潤滑剤が不要となる。

上記のような構成のベーンポンプによれば、ポンプを稼動させる際に各摺動部に生じる摩擦抵抗を低減することができ、ポンプを稼動させる際に必要とするエネルギーを小さなものとすることができ、エネルギー効率の高いベーンポンプを得ることができる。

以下、本発明のベーンポンプに係る実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明に係る一部の実施形態であり、本発明の技術的範囲は以下の形態のみに拘束されるものではない。
まず、図１を参照して本発明のベーンポンプ１に係る第１の実施形態について説明する。なお、図１（Ａ）は同図（Ｂ）におけるＡ−Ａ断面を示し、図１（Ｂ）は同図（Ａ）における部分断面側面を示す図である。

本実施形態のベーンポンプ１０は、ポンプ室１８を形成したポンプ本体（ハウジング）１２と、前記ポンプ室１８内に配置されるロータ２０と、前記ロータ２０に備えられるベーン２４、及び前記ロータ２０を回転支持する回転軸５０とを基本的な構成とする。

前記ポンプ室１８は、前記ポンプ本体１２に形成された円筒状の孔であり、詳細を後述する蓋体（以下、サイドカバーという）３０，４０によって両端部を封止されることで密閉空間の体を成す。ポンプ本体１２には圧縮性流体（例えば空気：以下気体という）を吸入するための吸入口１４と、同じく気体を排出するための排出口１６とが設けられている。また、前記ポンプ室１２には、前記吸入口１４と連通する吸入路１４ａと、前記排出口１６と連通する排出路１６ａとが設けられており、ポンプ室１８内への気体の吸入、ポンプ室１８内からの気体の排出を可能な構成とされている。

前記ロータ２０は、円柱形状をしており、断面中央には詳細を後述する回転軸５０を挿通させるための孔が形成されている。前記ロータ２０には、定められた角度で放射状に形成された複数（図では８つ）の溝（嵌挿溝）２２が形成されている。なお、前記嵌挿溝２２はロータ２０の全長に亙って形成されている。本実施形態のベーンポンプ１０では、前記ロータ２０の両端部に、側板（以下、フランジという）３２，４２を取り付け、前記嵌挿溝２２の端部を封止する構成としている。フランジ３２，４２の大きさ、形状等の好適な条件は、前記ロータ２０端面の径よりも若干小径とした円板形状である。このように、ロータ２０に直接フランジ３２，４２を取り付け、嵌挿溝２２の端部を封止する構成としたことにより、ロータ２０が回転する際には前記フランジ３２，４２も、同様に回転することとなる。このため、フランジ３２，４２がある部分では、嵌挿溝２２に嵌挿されたベーン（詳細は後述）２４に円周方向の摩擦抵抗が付与されることが無くなる。よって、ベーン２４の摩耗量が少なくなることはもちろん、低摩擦化による駆動力の省エネ化、及び小発熱効果も期待することができる。なお、ロータ２０に対するフランジ３２，４２の固定は、図４に示すように、ロータ２０にネジ穴、フランジ３２，（４２）に貫通孔を形成し、ボルト３２ａ，（４２ａ）を用いて固定するようにすれば良い。

また、本実施形態のロータ２０の端部には、サイドカバー３０，４０との間の隙間（クリアランス）を考慮する必要があるため図４に示すように、フランジ３２，４２を取り付けた面と、その外周にあたる面との間に僅かな隙間ｔを形成するための段差部が設けられる。ロータ２０をこのような形状に構成し、ロータ２０にフランジ３２，４２を設ける構成としたことにより、嵌挿溝２２の密閉性を向上させることができると共に、ロータ２０に作用する摩擦抵抗を低減することができる。また、従来と同様に、ロータ２０の端部とサイドカバー３０，４０との間に、隙間ｔを設けるようにしたため、熱膨張によりロータ２０の軸方向の長さが増した場合であっても、ロータ２０とサイドカバー３０，４０とのクリアランスを確保することができ、ロータ２０の回転を妨げることが無い。

前記ベーン２４は、前記嵌挿溝２２に嵌挿する平板状の翼であり、ロータ２０の回転に伴って生じる遠心力によって嵌挿溝２２から突出して前記ポンプ室１８の内周面に当接して摺動し、ポンプ室１８の空間を複数の圧縮室１８ａに分割する。前記ベーン２４は前述したように、ポンプ室１８の内周面に沿って摺動する構成とされているため、その突出量は前記ポンプ室１８の内周面の形状に倣って変化することとなる。また、ベーンの幅（長手方向の長さ）は、前記嵌挿溝２２の長さと同等（所定の交差幅の範囲）に形成され、ポンプとしての体を成した際に、サイドカバー３０，４０との間の気密性が高められるような構成としている。例えば従来はサイドカバーとベーンとの間の間隔をプラスの０．０５〜０．１５程度としていた場合、本実施形態におけるベーンポンプでは、プラスの０．０２〜０．０５程度とした場合であっても、従来に比べて稼動時に生じる摩擦抵抗を低く保つことが可能となるのである。

前記回転軸５０は、前記ロータ２０の中心に形成された孔に挿通される棒状部材であり、前記ロータ２０を前記ポンプ室１８の中心から予め定められた距離だけ偏心させた状態で回転支持する構成を採る。当該回転軸５０は、前記ポンプ室１８を密閉するためのサイドカバー３０，４０に設けられた孔によって固定位置が決定されるものであり、サイドカバー３０，４０に備えられたベアリング３６，４６によって支持されることで回転自在な構成とされる。

前記サイドカバー３０，４０と前記ポンプ本体１２との当接面には、前記フランジ３２，４２及びボルト３２ａ，４２ａを収容するための凹部３０ａ，１３０ａが形成されているが、ポンプ室１８と前記凹部３０ａ，４０ａとの間の気密性が保たれるように、サイドカバー３０，４０とロータ２０の端部あるいはフランジ３２，４２の端面とのクリアランスが調整されている。なお、サイドカバー３０，４０の外側面には前記ベアリング３６，４６の脱落を防止するためのキャップ３８，４８が設けられる。また、前記フランジ３２，４２と前記ベアリング３６，４６との間には、位置決めのためのカラー３４，４４が設けられる。なお、前記回転軸５０と前記ロータ２０との固定は、図示しないキー溝とキー部材などによれば良い。

このような構成のベーンポンプ１０は、前記回転軸５０を矢印Ａで示す方向へ回転させる（図１（Ａ）においては左方向）ことにより、回転軸５０に固定されたロータ２０が回転する。ロータ２０の回転に伴いベーン２４に遠心力が作用すると、嵌挿溝２２に嵌挿されたベーン２４が突出する。このときベーン２４は、ロータ２０の配置位置とポンプ室１８との偏心量に伴って変化するロータ２０の外周面とポンプ室１８の内周面との距離に倣って突出量を変化させ、前記ポンプ室１８の内周面に沿って先端部を摺動させる。

ベーン２４によって圧縮室１８ａとして区分けされたポンプ室には、図１（Ａ）左側では、圧縮室１８ａの拡開に伴って吸入口１４から吸入路１４ａを介して気体が流入する。圧縮室内１８ａに流入した気体は、ベーン２４とポンプ室１８の内周面、及びサイドカバー３０，４０の内側面とによって気密性が保たれたままロータ２０の回転方向に移動し、ポンプ室１８の内周面とロータ２０の外周面との距離の変化に伴って圧縮されることとなる。圧縮されつつポンプ室１８内を移動させられた気体は、図１（Ａ）右側において、圧縮室１８ａの縮閉に伴い、排出路１６ａを介して排出口１６から排出される。

上記のようなベーンポンプ１０では、流体を送り出すためにロータ２０が回転すると、ロータ２０に付随してフランジ３２，４２も回転する構成と成っているため、ロータ２０及びロータ２０の嵌挿溝２２に収納（嵌挿）されたベーン２４、あるいはベーン２４の嵌挿溝２２に収納されている部分は、円周方向の摩擦抵抗を受けることが無くなる。このため、ベーン２４によって形成される圧縮室１８ａの気密性向上と、ベーン２４、及びロータ２０の摩擦抵抗低減の両方を実現することが可能となり、ベーン２４の摩耗量を低減させつつベーン２４の側面部とサイドカバー３０，４０との気密性を保つことが可能となる。また、摩擦抵抗が減少することより、摩擦部に生じる発熱量も少なくなり、回転軸５０を回転させる際に必要とされる駆動力も小さなもので良いこととなり、省エネ効果を期待することができる。

次に、本発明のベーンポンプに係る第２の実施形態について、図２を参照して説明する。なお、本実施形態のベーンポンプにおける殆どの構成は、図１に示した第１の実施形態におけるベーンポンプと同様なため、その機能を同一とする個所には、図１に示した符号に１００を足した符号を附してその詳細な説明は省略することとする。

本実施形態のベーンポンプ１１０の構成上の特徴は、嵌挿溝１２２の底部に、隣り合う嵌挿溝１２２との間に空間を設ける貫通孔１２６を形成し、複数の嵌挿溝１２２を連通状態としたことにある。具体的には、嵌挿溝１２２の底部から隣接して形成された嵌挿溝１２２の側面部に向けて貫通孔１２６を形成し、双方の嵌挿溝１２２に形成される低部空間を連結するというものである。このように形成する嵌挿溝１２２間の貫通孔１２６を、ロータ１２０の外周面に沿って複数形成された嵌挿溝１２２の全てに対して形成することで、ロータ１２０に形成された嵌挿溝１２２を連通状態とすることができるのである。

ここで、ベーン１２４はロータ１２０の回転に伴って嵌挿溝１２２内を往復するため、嵌挿溝１２２の側面部に形成された貫通孔１２６の開口部１２６ａは、ベーン１２４によって塞がれてしまうことがある。そこで、本実施形態のベーンポンプ１１０に採用するベーン１２４は、図３に示すような形状とした。すなわち、嵌挿溝１２２の側面部に形成される貫通孔１２６の開口部１２６ａにかかる部分の板面に、切欠き部１２４ａを形成したのである。切欠き部１２４ａの形状は特に限定するものでは無いが、例えば図３に示す蒲鉾形の形状とすれば、加工量を少なくすることができる。なお、切欠き部１２４ａをベーン１２４の全幅に亙って形成した場合であっても、本実施形態のベーンポンプ１１０に採用するベーン１２４であることに変わりはない。ベーン１２４をこのような構成とすることにより、ベーン１２４が完全に嵌挿溝に収納された状態となった場合でも、貫通孔１２６の開口部１２６ａを塞ぐことが無く、嵌挿溝１２２に形成される低部空間の連通状態を確保することができるようになる。

ベーンポンプ１１０を上記のような構成とすることにより嵌挿溝１２２に対するベーン１２４の出入をスムーズなものとすることができるようになる。詳細すると、ベーン１２４は、嵌挿溝１２２の底部に形成される底部空間とポンプ室１１８との気圧差や容積変化により、出入時に抵抗を受けることがある。

ここで、嵌挿溝１２２の底部空間の容積の合計は、ベーンポンプ１１０が駆動している状態であっても略一定となる。このため、上記のようにして隣り合う嵌挿溝１２２同士を連結することで底部空間全体としての容積変化を無くすことができ、容積変化によって生じる抵抗を無くすことができる。また、ポンプ室１１８と低部空間との圧力差も、吸入側と排出側との間で相殺されることとなり平均化することが可能となる。

このため、ベーン１２４が嵌挿溝１２２に対してスムーズに出入することが可能となり、ポンプ室の内周面に沿ってスムーズに摺動することができるようになる。そして、ベーン１２４によって区分けされる圧縮室１１８ａは、高い気密性を維持することができるようになる。よって、本実施形態のベーンポンプ１１０によれば、容積効率を向上させることができる。

また、本実施形態のベーンポンプ１１０は、第１の実施形態に記載したように、ロータ１２０にフランジ１３２（１４２）を設けて、嵌挿溝１２２の気密性を高める構成としている。このため、上述した底部空間の気密性も高めることができる。よって、底部空間からの気体の流出あるいは底部空間への気体の流入を抑制することができ、ロータ２０の端部が開放されている場合に比べ、底部空間全体としての容積変化を極めて小さく押えることができる。このような作用により、気圧変化によって生じるベーン１２４の出入時の抵抗を、より小さくすることができる。
その他の作用、効果等については、上述した第１の実施形態のベーンポンプ１０と同様である。

次に、本発明のベーンポンプに係る第３の実施形態について、図５を参照して説明する。図５は、本実施形態のベーンポンプの特徴部分であるベーンの構成を示す図である。つまり、本実施形態のベーンポンプにおけるベーン２２４以外の構成は、上記第１及び第２の構成として示したベーンポンプ１０，１１０の構成と同様である。なお、図５において、図５（Ａ）はベーンの全体構成を示す正面図であり、図５（Ｂ）はベーンを分割した場合における各個片の様子を示す図であり、図５（Ｃ）はロータの回転によりベーンが拡幅される様子を示す図である。

本実施形態のベーンポンプにおけるベーン２２４は、図５に示すように、１つのベーン２２４を複数に分割した構造である。ベーン２２４の分割は、ベーン２２４の突出方向に対して±９０°未満の傾斜角を持たせたラインを想定し、このラインに沿って分割するというものである。図５に示すベーン２２４は、３つの個片２２５ａ，２２５ｂ，２２５ｃに分割され、それぞれの個片２２５ａ，２２５ｂ，２２５ｃは、突出方向に対して傾斜を持った辺で分割された個片（図５では台形）に形成されており、個片２２５ａ、及び個片２２５ｃに形成された傾斜部ｃ，ｄは、個片２２５ｂに形成された傾斜部ａ，ｂとそれぞれ摺動する構成とされる。そして、ロータが回転した際に生じる遠心力が矢印Ｂで示す方向へ働くと、それぞの個片２２５ａ，２２５ｂ，２２５ｃは、ロータの嵌挿溝から突出して、個片の先端部２２３をポンプ室の内周面に摺動させることとなる。この際、個片２２５ｂにおける先端部２２３の割合（例えば個片の面積に対する先端部の割合）は、他の個片２２５ａ，２２５ｃにおける先端部２２３の割合よりも小さい。したがって、個片２２５ｂの先端部２２３の摩耗量は、個片２２５ａ及び個片２２５ｃの先端部２２３に比べて大きくなる。

ここで、摩耗量が大きくなった個片２２５ｂは必然的に、個片２２５ａ及び個片２２５ｃに比べて嵌挿溝からの突出量が多くなる。このため、傾斜部ａと傾斜部ｃ、及び傾斜部ｂと傾斜部ｄとの間にはそれぞれズレが生じ、個片２２５ｂは楔のような役割を果たして個片２２５ａ及び個片２２５ｃをそれぞれ矢印Ｃ及び矢印Ｄで示す方向へ押しのけることとなる。この作用により、ベーン２２４全体としての幅は増すこととなり、嵌挿溝から突出したベーン２２４の端部がサイドカバーと摺動する。なお、図５（Ａ）に示すように、ベーン２２４の先端部に角度θ_１を持たせた切り欠きを形成し、先端部２２３の板厚ｔ_２を通常よりも薄くすることで、初期摩耗を増大させ、上記拡幅作用を早期に発揮することが可能となる。例えば、通常設定される先端部２２３の板厚ｔ２を２ｍｍ程度とした場合、本実施形態における板厚ｔ_２は１〜１．５ｍｍ程度とすると良い。ベーン２２４をこのように形成することで、ベーン２２４が拡幅作用を発揮するまでの時間をポンプの起動から５〜６分程度の間とすることができる。

このようにベーン２２４に付加される遠心力を受けてベーン２２４自体が拡幅し、サイドカバーとの隙間を無くすことにより、ベーン２２４によって形成される圧縮室の密閉性が増し、ポンプ自体の容積効率を向上させることができる。また、ベーン２２４の拡幅は、ベーン２２４に付加される遠心力によって成されるものであるため、サイドカバーとベーン２２４との間に生じる摩擦力がロータの回転を妨げるほどに増大することは無い。なお、個片をサイドカバーへ押し付ける力（矢印Ｃ及び矢印Ｄで示す力）は、図５（Ｃ）に示す角度θ０、すなわち傾斜部ａ〜ｄの角度を変えることにより、調整することができる。例えばθ０を大きくした場合には、個片間のズレ量に対する拡幅の割合が大きくなるため、あるズレ量における矢印Ｃ及び矢印Ｄで示す力は大きくなる。逆に、θ０を小さくした場合には、個片間のズレ量に対する拡幅の割合が小さくなるため、あるズレ量における矢印Ｃ及び矢印Ｄで示す力は小さくなる。その他の作用効果については、上述したベーンポンプと同様である。

なお、本実施形態では主にベーン２２４を３つの個片に分割する場合を例に挙げて説明したが、ベーンの分割は、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように２つの個片に分割するものであっても良い。図６に示すようなベーン３２４であっても、図５に示すベーン２２４と同様の作用、及び効果を奏することができる。すなわち、ベーン３２４に対して矢印Ｂで示す方向の遠心力が作用した場合、個片３２５ａ、個片３２５ｂは双方共に嵌挿溝から突出し、先端部３２３をポンプ室の内周面に摺動させる。ここで、個片３２５ａは、個片３２５ｂに比べて面積に対する先端部３２３の割合が小さい。このため、個片３２５ａの先端部３２３の摩耗量は、個片３２５ｂの先端部３２３の摩耗量に比べて大きくなる。先端部３２３の摩耗量が大きくなった場合、嵌挿溝からの突出量が大きくなり、個片３２５ａと個片３２５ｂとの間には、傾斜部ａ，ｂに沿ってズレが生じる。個片３２５ａと個片３２５ｂとの間にズレが生じると、個片３２５ａと個片３２５ｂとにはそれぞれ、矢印Ｃ、矢印Ｄで示した方向に力が作用することとなり、結果としてベーン３２４が拡幅することとなるのである（図６（Ｃ）参照）。なお、図５（Ｃ）、図６（Ｃ）は、理解を容易にするために、摩耗量等を実際とは異なる割合で示している。

上記実施形態のベーンポンプ１０（１１０、及び第３の実施形態に係るベーンポンプ）において、回転軸５０（１５０）とロータ２０（１２０）、及びフランジ３２（１３０，（４２，１４０））との関係は、図４に示すように、それぞれ別体であるように説明してきた。すなわち、回転軸５０はロータ２０及びフランジ３２を貫通する構成とされており、回転軸５０とロータ２０とはキー材（不図示）等を用いて接合され、フランジ３２はロータ２０に対してボルト３２ａ（１３２ａ，（４２ａ，１４２ａ）を用いて固定されることで、それぞれの部材を１つの回転子ユニットとして構成する旨記載した。

しかしながら、上記実施形態における回転軸５０とロータ２０、及びフランジ３２の構造は、図７に示すようなものであっても良い。すなわち、ロータ２０には回転軸５０を嵌合するための嵌合穴５０ａを形成し、回転軸５０はロータ２０を貫通すること無く前記嵌合穴５０ａに嵌め込まれる構成とするのである。また、図７に示す形態では、回転軸５０とフランジ３２とを一体形成し、フランジ３２を回転軸５０のフランジ部とする構成とした。このような構成とすることにより、フランジ３２をロータ２０に固定することに伴って回転軸５０がロータ２０に固定されることとなる。このような構成とすることにより、構成部材を減らすことができ、製造コストを削減することができる。また、図７に示すような構成によれば、ロータ２０に貫通孔を形成する必要が無いため、ロータ２０の強度を高く保つことができる。なお、図示はしていないが、上記実施形態のベーンポンプ１０，１１０を製造するにあたっては、ロータ２０，１２０と回転軸５０，１５０とを一体に構成するものも含まれることは言うまでも無い。

上記実施形態では、ベーン２４（１２４，２２４，３２４）の構成については、単に平板状の翼である旨記載した（第２、第３の実施形態においては切欠き部１２４ａを設ける構成とした）。当然に、このような構成のベーン２４を用いれば上記のようなベーンポンプ１０（１１０、及び第３の実施形態に係るベーンポンプ）を製造することは可能である。しかし、ベーン２４の構成については構成部材をカーボン焼結体とすると良い。ベーン２４をこのような部材で構成することにより、金属製のベーンに比べて硬く、耐磨耗性、自己潤滑性に優れるため、潤滑材を不要とするポンプのドライ化を実現することができる。また、ベーン２４の構成部材としてさらに好適な部材として、ポリイミド系のエンジニアリングプラスチックを含浸させたカーボン焼結体を挙げることができる。このような部材によってベーンを構成した場合、上述したベーンの硬度、耐磨耗性、自己潤滑性はいずれも向上し、ドライ運転でのポンプ、及びベーンの寿命を延ばすことができると考えられる。
また、上記ポリイミド系のエンジニアリングプラスチックを含浸させたカーボン焼結体と同等の硬度、耐磨耗性、自己潤滑性等を有する部材として、ポリイミド系エンジニアプラスチックを基材としたカーボン繊維強化複合材料を挙げることができる。

このようなポリイミド系エンジニアリングプラスチック充填材料は、エンジニアリングプラスチックの充填量を増加させることにより、負荷に対する摩擦係数が減少し、最大で３０％程度の減少率を得ることができる。ただし、上記エンジニアリングプラスチックの充填量を上げていった場合、部材の硬度と引き換えにじん性が低下し、脆くなる。このため、部材の硬度とじん性を考慮した充填量を選択した場合、ポンプの駆動力を最大で２０％以上低減させることができる。

このような部材によって形成されたベーン２４は、耐磨耗性、自己潤滑性に優れているという特性から、摺動によるベーン２４自体の摩耗量を低減できることはもちろん、摺動相手であるサイドカバー３０，４０（１３０，１４０）やフランジ３２，４２（１３２，１４２）をも傷つける虞が少ない。また、上記部材はサイドカバー３０，４０等を構成する金属部材に比べて線膨張率が低い。このため、例えばベーン２４の端部とサイドカバー３０，４０との間に設ける隙間ｔを従来に比べて狭く設定したとしても、熱膨張により前記隙間ｔが無くなり、ベーン２４とサイドカバー３０，４０との間の摩擦抵抗が極端に向上するという事態を避けることができる。このようなことより、圧縮室１８ａ（１１８ａ）の高い気密性を長期的に維持することが可能となる。さらに、容積効率の向上、省エネ等の効果を長期的に維持することも可能となる。さらにまた、上記のような構成のベーン２４によれば、嵌挿溝２２に対する出入時の抵抗（摩擦抵抗）をも低減することができる。

また、上述したようにロータ２０やサイドカバー３０，４０等を構成する金属部材に比べて線膨張率が低いカーボン部材によって構成されたベーンでは、次のようなこともいうことができる。例えば、ベーンを上記のように拡幅可能な構成としておくことによれば、稼動時の発熱によって変化する構成部材間のギャップ（例えばロータ２０とサイドカバー３０，４０との間に設けられた隙間ｔ）に追従してベーンの幅を変化させることができる。このような作用により、隙間ｔが広がった場合であっても、ベーン端部とサイドカバー３０，４０との間に新たな隙間が生じることが無く、圧縮室の気密性が保たれる。また、隙間ｔが狭まった場合であっても、ベーン端部とサイドカバー３０，４０との間に作用する摩擦力が極端に高まることが無い。

また、ベーン２４の自己潤滑性、耐磨耗性を向上させる構成としては、ベーン２４を構成する母材を低摩擦部材によって被服するというものも挙げることができる。例えば、ベーン２４を構成する母材の全部、あるいは特定部分（例えば先端部と側端部等）に対して、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon：ダイヤモンドライクカーボン）膜を被服する処理を施せば良い。ＤＬＣ膜とは、被膜対象物に対してアモルファス（Amorphous）の炭素膜をスパッタリング等の技術を用いて成膜したものである。このＤＬＣ膜は、硬く、耐磨耗性、自己潤滑性に優れているという特性を有することより、上記焼成炭化処理部材によって構成されたベーン２４と同様の効果を奏することができる。

また、上述したＤＬＣ膜のように摩擦係数を低くする表面処理として、フッ素樹脂による表面処理を挙げることができる。ベーンに対してこのような表面処理を施した場合であっても、本発明の一部とみなすことができる。
また、上述したような被服処理は、ポンプ室１８（１１８）の内周面、サイドカバー３０，４０（１３０，１４０）、及びフランジ３２，４２（１３２，１４２）等に対して施した場合にも、同様の効果を得ることができる。例えばポンプ室１８の内周面に上記のような被膜処理を施した場合、ベーン２４を従来通りのものとした場合でも高い潤滑性、低磨耗性を実現することが可能となる。

上記のように、ベーン２４とポンプ室１８内周面、サイドカバー３０，４０、及びフランジ３２，４２との摺動時の低摩擦化を図ることにより、各部の潤滑に用いる潤滑剤が不要となる。こうした場合には、ベーンポンプ１０，１１０としてのメンテナンス性が向上する。なお、上記では、ベーン２４の構成部材としてカーボンを挙げているが、摩擦係数を低くすることができる部材であれば、これに限定されるものでは無い。

なお、上記第１、第２、第３の実施形態では、いずれもロータに形成する嵌挿溝が８つである旨図示しているが、当然にこれに限定するものでは無い。例えば背景技術として示した図８のベーンポンプのように嵌挿溝、及びベーンを４つとしたベーンポンプに対して、本発明を適用したとしても、本発明を実施することに変わりは無い。

本発明のベーンポンプに係る第１の実施形態を示す図である。本発明のベーンポンプに係る第２の実施形態を示す図である。第２の実施形態のベーンポンプに採用するベーンの形態を示す図である。本発明のベーンポンプにおける回転軸とロータ、及びフランジとの関係の第１の形態を示す図である。本発明のベーンポンプに係る第３の実施形態の特徴部分を示す図である。第３の実施形態の特徴部分における他の例を示す図である。本発明のベーンポンプにおける回転軸とロータ、及びフランジとの関係の第２の形態を示す図である。従来のベーンポンプの構成を示す図である。

符号の説明

１０………ベーンポンプ、１２………ポンプ本体（ハウジング）、１４………吸入口、１４ａ………吸入路、１６………排出口、１６ａ………排出路、１８………ポンプ室、１８ａ………圧縮室、２０………ロータ、２２………嵌挿溝、２４………ベーン、３０………サイドカバー、３２………フランジ、３４………カラー、３６………ベアリング、３８………キャップ、４０………サイドカバー、４２………フランジ、４４………カラー、４６………ベアリング、４８………キャップ、５０………回転軸。

Claims

円筒状のポンプ室が形成されたハウジングの前記ポンプ室内に、偏心して軸支された回転自在なロータを有し、前記ロータにはその全長に亙って形成された複数の嵌挿溝が設けられ、前記嵌挿溝にはそれぞれベーンが出入自在に配置されているベーンポンプであって、
前記ロータの端部には、当該ロータの直径よりも小径に形成した円板状の側板を設け、
前記ハウジングには、前記ポンプ室を密閉するための平滑面に前記側板を収容するための凹陥部を有する蓋体を設け、
前記ロータ端面における前記側板当接面とその外周面との間には段差を形成し、前記蓋体と前記外周面との間に隙間を設ける構成としたことを特徴とするベーンポンプ。
前記嵌挿溝には、隣り合う嵌挿溝同士を相互に連通する貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１に記載のベーンポンプ。
前記ベーンは、ベーンの突出方向に対して±９０°未満の傾斜角を持たせたラインに沿って幅方向に分割し、突出時における各個片の突出量にズレが生じる構成としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のベーンポンプ。
前記ベーンの構成部材をカーボン焼結体、又はエンジニアリングプラスチックを含浸させたカーボン焼結体、あるいはエンジニアリングプラスチックを基材としたカーボン繊維材料としたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１に記載のベーンポンプ。
前記ポンプ室の内壁面に炭素薄膜、あるいはフッ素薄膜を被服したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１に記載のベーンポンプ。