JP4300529B2 - ベーン式ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ロータとともに回転するベーンによりポンプ室の流体を加圧または減圧するベーン式ポンプに関する。

ハウジングと偏心配置したロータを回転させ、ハウジングとロータとの間に形成されたポンプ室の流体をロータとともに回転するベーンにより加圧するベーン式ポンプが公知である。ベーン式ポンプのロータは、例えば電気モータなどにより回転駆動される。モータのシャフトとロータとは主に圧入により接続されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２２２０８９号公報

ロータは、ハウジングの内部を高速で回転する。そのため、ロータおよびハウジングの寸法誤差が大きくなったり、ロータに圧入されるシャフトに傾きが生じると、ロータとハウジングとが接触するおそれがある。ロータとハウジングとが接触すると、ロータがロックしたり、異音の発生を招いたり、ロータおよびハウジングの摩耗を招く。また、ロータとハウジングとの接触を低減するためにロータとハウジングとの間に隙間を確保すると、加圧された流体の漏れが大きくなり、ポンプ効率が低下する。さらに、シャフトとロータとを圧入する場合、シャフトの圧入によってロータの変形を招く。これらの理由から、ロータ、ハウジングおよびシャフトの寸法の管理に要求される精度は高くなり、組み付けの精度が高くなるため、部品あるいは組み付けコストが高くなる。

そこで、寸法の公差をロータとシャフトとの間で吸収するために、例えば隙間を許容してロータとシャフトを組み付けることが考えられる。しかしながら、ロータとシャフトとの間に隙間を許容すると、ロータは回転時に許容された隙間の範囲でぶれを生じる。そのため、作動音の増大を招いたり、ポンプから吐出される流体の圧力が変動するという問題がある。

そこで、本発明の目的は、組み付けが容易であり、作動音および圧力変動が小さなベーン式ポンプを提供することにある。

請求項１記載の発明では、ロータは回転の中心軸と重心とがずれている。これにより、ロータが回転すると、ロータには遠心力によって重心方向へ力が生じる。すなわち、ロータには、回転によって常に一定方向へ押し付ける力が生じる。そのため、ロータは、回転によってシャフトに押し付けられる。その結果、ロータとシャフトとの間に隙間が許容される場合でも、ロータの回転時、ロータとシャフトとは密着する。したがって、ロータは安定して回転し、作動音および圧力変動を低減することができる。また、ロータとシャフトとの間に隙間が許容されるので、組み付けを容易にすることができる。

請求項２記載の発明では、ロータは一部を除去することにより重心が移動する。これにより、ロータの除去する部分を調整することにより、中心軸と重心とのずれを任意に調整することができる。
請求項３記載の発明では、ロータは凹部を有している。凹部は、ロータの軸方向の一方の端部側から他方の端部側へ窪んでいる。凹部を形成することにより、ロータの重量は軽くなり、ロータの重心は移動する。また、凹部の数、位置、径または深さなどを調整することにより、軽減する重量は任意に調整される。したがって、簡単な構造で中心軸と重心とのずれを任意に調整することができる。

請求項４記載の発明では、ロータは切欠部を有している。切欠部は、ロータの周方向の一部が内周側へ切り欠かれている。切欠部を形成することにより、ロータの重量は軽くなり、ロータの重心は移動する。また、切欠部の数、大きさまたは位置などを調整することにより、軽減する重量は任意に調整される。したがって、簡単な構造で中心軸と重心とのずれを任意に調整することができる。

請求項５記載の発明では、ロータは一部に錘を設置することにより重心が移動する。これにより、錘の数、重量または位置などを調整することにより、中心軸と重心とのずれを任意に調整することができる。
請求項６記載の発明では、錘はロータの凹部に設置されている。これにより、錘は凹部の内部に収容され、ロータの端面から突出しない。そのため、ロータに設置された錘がケーシングに接触することはない。したがって、錘とケーシングとの接触による異音の発生および局部的な摩耗などを防止することができる。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるベーン式ポンプを図１および図２に示す。ベーン式ポンプ１０は、流体を加圧または減圧して吐出する。ベーン式ポンプ１０で加圧される流体としては、例えば空気などの気体や水などの液体を適用することができる。本実施形態では、ベーン式ポンプ１０は流体を加圧する例について説明する。

ベーン式ポンプ１０は、リング２０、プレート３１、プレート３２、ロータ４０およびベーン４１を備えている。ベーン式ポンプ１０は、プレート３１を挟んで設置されている駆動部としてのモータ１１により駆動される。モータ１１には、例えば直流式または交流式の電気モータが適用される。モータ１１は、図示しない固定子が収容されているカバー１２と、図示しない可動子とともに回転するシャフト１３とを有している。

リング２０は、略円筒形状に形成されており、内周側にロータ４０を収容している。リング２０の内周壁２１は、略円筒面状である。リング２０は、軸方向の両端部がプレート３１およびプレート３２により覆われている。プレート３１は、リング２０のモータ１１側の端部を覆っている。リング２０、プレート３１およびプレート３２は、特許請求の範囲のケーシングを構成している。なお、リング２０の内周壁２１は、円筒形状の面に限らず、楕円筒形状の面であってもよい。

ロータ４０は、リング２０の内周側に収容されている。これにより、リング２０と、プレート３１と、プレート３２と、ロータ４０とから囲まれた空間にポンプ室２２が形成される。ロータ４０は、リング２０の内周壁２１と偏心して設置されている。そのため、リング２０とロータ４０との間に形成されるポンプ室２２は、周方向へ容積が変化している。ポンプ室２２には、流体入口通路２３および流体出口通路２４が連通している。流体入口通路２３は、プレート３１の孔部３３を経由してベーン式ポンプ１０の外側に連通している。流体出口通路２４は、ポンプ室２２から径方向外側へ伸びて形成されている。流体出口通路２４は、リング２０の溝部２５とプレート３１との間に形成されている。

ロータ４０は、略円筒状に形成され、中心部に中心孔４２を有している。モータ１１のシャフト１３は、ロータ４０の中心孔４２に挿入される。中心孔４２は、プレート３１側の端部から軸方向の途中まで円形状の断面に形成されている。また、中心孔４２は、軸方向の途中からプレート３２側の端部まで断面が半円形状に形成されている。これにより、中心孔４２は軸方向の途中に段差４３を有している。モータ１１のシャフト１３は、中心孔４２と同様に、カバー１２側の端部から軸方向の途中まで断面が円形状に形成され、軸方向の途中からカバー１２とは反対側の端部まで断面が半円形状に形成されている。これにより、シャフト１３は、軸方向の途中に段差１４を有している。

中心孔４２およびシャフト１３は、断面の形状が概ね同一であり、いずれも段差４３または段差１４を有している。また、シャフト１３の外径は、中心孔４２の内径よりやや小さい。これにより、中心孔４２にシャフト１３を挿入すると、ロータ４０とシャフト１３とは緩く噛み合った状態で嵌合する。これにより、シャフト１３が回転すると、ロータ４０はシャフト１３とともに回転する。

ロータ４０は、外周面から径方向内側へ窪んで伸びる溝部４４を有している。本実施形態の場合、溝部４４はロータ４０の周方向へ等間隔に四つ形成されている。ロータ４０の溝部４４には、ベーン４１が径方向へ往復移動可能に収容される。ロータ４０とリング２０の内周壁２１とは偏心しているので、ロータ４０の回転にともなってロータ４０とリング２０の内周壁２１との間の距離は変化する。ロータ４０が回転すると、遠心力によりベーン４１は径方向外側へ内周壁２１と接するまで突出する。そして、ロータ４０とリング２０の内周壁２１との距離が小さくなるにしたがって、ベーン４１は溝部４４の径方向内側へ収容される。これにより、ベーン４１は、ロータ４０の回転にともなって径方向外側の端部がリング２０の内周壁２１と接触しながら回転する。なお、ベーン４１および溝部４４の数は、四つに限らず、一つ以上であれば任意に選択することができる。

また、ロータ４０は凹部４５を有している。凹部４５は、ロータ４０のプレート３２側の端部からプレート３１側の端部へ窪んで形成されている。すなわち、凹部４５は、ロータ４０の軸方向の一方の端部から他方の端部側へ窪んで形成されている。本実施形態の場合、ロータ４０は二か所の凹部４５を有している。凹部４５を形成することにより、図３に示す対称軸ｐを中心に、ロータ４０は両側の形状が異なる。これにより、ロータ４０は、対称軸ｐを中心に両側の質量が異なる。すなわち、ロータ４０は、凹部４５をくり抜いて除去することにより、凹部４５に対応する質量が減少する。その結果、ロータ４０は、対称軸ｐを中心としたとき、図３の左方の質量が小さくなる。なお、ベーン式ポンプ１０の構造の理解を容易にするため、図１と図２とでは凹部４５の位置が整合していない。

凹部４５に対応する部分においてロータ４０の質量が減少すると、ロータ４０の重心ｃはロータ４０の中心よりも凹部４５が形成されていない側へ移動する。一方、ロータ４０はモータ１１のシャフト１３とともに回転する。そのため、ロータ４０の回転中心はシャフト１３の中心軸ｑと一致する。その結果、ロータ４０は、重心ｃと回転の中心軸ｑとがずれる。図３に示す場合、凹部４５を形成することにより、ロータ４０の重心ｃは回転の中心軸ｑよりも右方へ移動する。

ロータ４０に凹部４５を形成すると、上述のようにロータ４０は回転の中心軸ｑと重心ｃとがずれる。これにより、ロータ４０を回転させたとき、ロータ４０の凹部４５を有する側に加わる遠心力をｆ１とし、ロータ４０の凹部４５を有しない側に加わる遠心力をｆ２とすると、ｆ１＜ｆ２となる。そのため、ロータ４０は、凹部４５を有しない側、すなわち重心ｃ側へ引っ張られる。その結果、ロータ４０が回転すると、ロータ４０はシャフト１３へ押し付けられる。これにより、ロータ４０の回転時、ロータ４０は加わる遠心力の差によりシャフト１３と密着し、ロータ４０とシャフト１３との間のがたつきは低減される。

また、本実施形態では、凹部４５は半円形の断面を有するシャフト１３および中心孔４２の円弧面側に配置されている。そのため、ロータ４０の回転にともなって遠心力に差が生じると、ロータ４０の中心孔４２とシャフト１３とは円弧面同士で接触する。中心孔４２とシャフト１３とが円弧面同士で接触することにより、平面同士が接触する場合と比較して、シャフト１３とロータ４０との間のがたつきは低減する。その結果、シャフト１３およびロータ４０の中心孔４２に高い寸法精度が要求されず、シャフト１３およびロータ４０の加工は容易になる。

次に、上記の構成のベーン式ポンプ１０の作動について説明する。
モータ１１の回転にともなってシャフト１３に接続しているロータ４０は回転する。ロータ４０の回転にともなって、ベーン４１はリング２０の内周壁２１と接触しながらロータ４０とともに回転する。ポンプ室２２の容積は回転方向に変化している。ポンプ室２２の容積は、流体入口通路２３側ほど大きく、流体出口通路２４側ほど小さい。そのため、ベーン４１がロータ４０とともに回転することにより、ポンプ室２２の流体は流体入口通路２３側から流体出口通路２４側へかけて加圧されながらポンプ室２２を流れる。これにより、流体入口通路２３から吸入された流体は、ロータ４０とともに回転するベーン４１によってポンプ室２２の内部で加圧され、流体出口通路２４からベーン式ポンプ１０の外部へ吐出される。ロータ４０の回転により、流体は連続して加圧される。

以上、説明した第１実施形態では、ロータ４０に凹部４５を設置することにより、ロータ４０の回転の中心軸ｑと重心ｃとの間にずれが生じる。そのため、ロータ４０に加わる遠心力が不均衡となり、ロータ４０にはシャフト１３側へ押し付ける力が加わる。これにより、段差１４を有するシャフト１３と段差４３を有する中心孔４２との緩い噛み合いによってシャフト１３とロータ４０とを組み付ける場合でも、ロータ４０はシャフト１３とともに安定して回転する。したがって、ロータ４０の回転時におけるシャフト１３とロータ４０とのがたつきが低減され、作動音および吐出される流体の圧力変動を低減することができる。

また、第１実施形態では、シャフト１３とロータ４０とは緩い噛み合いによって組み付けられる。そのため、シャフト１３とロータ４０との間には隙間の形成が許容される。これにより、シャフト１３はロータ４０に圧入されない。その結果、シャフト１３および中心孔４２の中心軸に対する傾き、シャフト１３およびロータ４０の形状精度などを高めることなく、ロータ４０の安定した回転が確保される。したがって、シャフト１３およびロータ４０の形状精度の確保にともなう加工工数およびコストの増大を抑制することができる。

さらに、第１実施形態では、ロータ４０の回転の中心軸ｑと重心ｃとは凹部４５を形成することによりずれを生じさせている。そのため、凹部４５の数、位置、径または深さなどを調整することにより、ロータ４０の重心ｃは任意の位置に調整される。したがって、ロータ４０の材質、回転数および形状によって、ロータ４０の重心を容易に調整することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態によるベーン式ポンプを図４に示す。なお、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
図４に示す第２実施形態によるベーン式ポンプ５０は、ロータ４０に切欠部４６を有している。切欠部４６は、ロータ４０の周方向の一部を除去することにより形成されている。切欠部４６は、ロータ４０の外周面から径方向内側へ窪んで形成されている。ロータ４０に切欠部４６を形成することにより、切欠部４６に対応する部位の質量は軽減する。そのため、ロータ４０の重心は、回転の中心軸からずれる。

第２実施形態では、ロータ４０の一部を切欠部４６によって除去することにより重心を回転の中心軸からずらしている。これにより、ロータ４０に加わる遠心力に差が生じ、ロータ４０はシャフト１３に押し付けられる。そのため、ロータ４０はシャフト１３とともに安定して回転する。したがって、ロータ４０の回転時におけるシャフト１３とロータ４０とのがたつきが低減され、作動音および吐出される流体の圧力変動を低減することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態によるベーン式ポンプを図５に示す。なお、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
図５に示す第３実施形態によるベーン式ポンプ６０は、ロータ４０に錘６１を有している。錘６１は、ロータ４０の凹部６２に設置されている。凹部６２は、第１実施形態と同様にプレート３２側の端部からプレート３１側へ端部へ窪んで形成されている。錘６１は、この凹部６２の内部に収容されている。ロータ４０に錘６１を設置することにより、錘６１に対応する部位の質量は増加する。そのため、ロータ４０の重心は、回転の中心軸からずれる。

第３実施形態では、ロータ４０に錘６１を設置することにより重心を回転の中心からずらしている。これにより、ロータ４０に加わる遠心力に差が生じ、ロータ４０はシャフト１３に押し付けられる。そのため、ロータ４０はシャフト１３とともに安定して回転する。したがって、ロータ４０の回転時におけるシャフト１３とロータ４０とのがたつきが低減され、作動音および吐出される流体の圧力変動を低減することができる。また、錘６１を凹部６２に収容することにより、錘６１はロータ４０のプレート３２側の端部からプレート３２側へ突出しない。これにより、錘６１がプレート３２と接触し、プレート３２の摩耗および異音の発生を招くことはない。

以上、説明した第１実施形態では、凹部４５をプレート３２側の端部に形成する例について説明した。しかし、凹部４５は、プレート３２側の端部に限らず、プレート３１側の端部に形成してもよい。また、同様に第３実施形態では、錘６１をロータ４０のプレート３１側に設置してもよい。また、第３実施形態では、錘６１を凹部６２に収容していたが、例えばロータ４０が樹脂製であれば、錘６１をインサートしてロータ４０を樹脂成形してもよい。その際、錘６１は、ロータ４０より重ければ金属でも樹脂でもよい。これにより、上記第３実施形態における説明と同様に、錘６１はロータ４０のプレート３１または３２側の端部からプレート３１または３２側へ突出しない。これにより、錘６１がプレート３１または３２と接触し、プレート３１または３２の摩耗および異音の発生を招くことはない。

図２の矢印Ｉ方向から見た矢視図である。 本発明の第１実施例によるベーン式ポンプを示す断面図である。 本発明の第１実施例によるベーン式ポンプのロータを示す概略図である。 本発明の第２実施例によるベーン式ポンプを図２の矢印Ｉに対応する方向から見た概略図である。 本発明の第３実施例によるベーン式ポンプを図２の矢印Ｉに対応する方向から見た概略図である。

符号の説明

１０、５０、６０ ベーン式ポンプ、１１ モータ（駆動部）、１３ シャフト、２０ カムリング（ケーシング）、２１ 内周壁、２２ ポンプ室、３１、３２ プレート（ケーシング）、４０ ロータ、４１ ベーン、４５ 凹部、４６ 切欠部、６１ 錘、６２ 凹部

Claims (6)

1. 円筒状の内周壁を有するケーシングと、
   前記ケーシングと偏心して回転可能であり、前記ケーシングとの間に周方向へ容積の変化するポンプ室を形成するロータと、
   前記ロータの外周側に設置され、前記ロータとともに回転することにより前記内周壁と摺動し前記ポンプ室の流体を加圧するベーンと、
   前記ロータを回転させる駆動部と、
   前記ロータに前記駆動部の回転力を伝えるシャフトとを備え、
   前記ロータは回転の中心軸に前記シャフトと隙間を有して嵌合されるとともに、前記ロータの重心は回転の中心軸とずれていることを特徴とするベーン式ポンプ。
2. 前記ロータは、一部を除去することにより前記中心軸と前記重心とをずらしていることを特徴とする請求項１記載のベーン式ポンプ。
3. 前記ロータは、軸方向の一方の端部側から他方の端部側へ窪む凹部を有することを特徴とする請求項２記載のベーン式ポンプ。
4. 前記ロータは、周方向の一部に内周側へ切り欠かれた切欠部を有することを特徴とする請求項２記載のベーン式ポンプ。
5. 前記ロータは、一部に錘を設置して前記中心軸と前記重心とをずらしていることを特徴とする請求項１記載のベーン式ポンプ。
6. 前記錘は、前記ロータの軸方向の一方の端部側から他方の端部側へ窪む凹部に設置されていることを特徴とする請求項５記載のベーン式ポンプ。

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