WO2007096943A1 - 歯車ポンプ - Google Patents

Abstract

　本発明は、噛合するはすば歯車２、３を用いて高圧、高粘度の流体の移送に適した歯車ポンプを実現することを所期の目的とする。そのために、吐出側から歯車軸２１、３１の軸端側に流体を導入する導入路１２１、１３１を設け、はすば歯車２、３で発生する軸推力に対抗する流体圧力を軸端に加えるようにしている。

Description

明 細 書

歯車ポンプ

技術分野

[0001] 本発明は、特に高圧、高粘性の流体を移送するために使用される歯車ポンプに関 する。

背景技術

[0002] 嚙合する歯車の回転により流体を吸込側から吐出側へと移送する歯車ポンプには 、インボリユート平歯車 (スパーギヤ）を用いることが一般的である。インボリユート歯形 は切削し易ぐ歯形の仕上げ寸法の測定も容易であるため、高精度の歯車を得ること ができるからである。

[0003] 一方で、インボリユート平歯車は、流体の閉じ込み現象という弊害を伴う。インボリュ ート平歯車には、回転中に 2組の歯が嚙み合う期間が存在しており、その際に 2組の 歯の間に流体が閉じ込められる。この閉じ込み領域の容積は歯車の回転に伴 、変 動し、圧縮時には閉じ込み流体の圧力上昇と動力浪費、膨張時には真空や気泡の 発生と ヽつた不具合をもたらす。

[0004] そして、閉じ込み現象の害は、移送される流体の粘度や吸込圧力、吐出圧力が高 いほど顕著になる。故に、溶融樹脂のような高圧、高粘度の流体の圧送の用途に供 するポンプには、インボリユート平歯車を採用し難い。

[0005] はすば歯車 (ヘリカルギヤ）を採用し、ねじれ角度 (ヘリカル角度）を適切な大きさに 設定すれば、上述の閉じ込み現象を回避可能である。力！]えて、はすば歯車ポンプで は移送される流体の圧力変化が急激でなぐ歯車の嚙合も比較的滑らかであり、騒 音や振動も抑えられる。

[0006] 尤も、はすば歯車は回転中に軸推力（スラスト力）の作用を受けるので、歯車側面 が軸心方向に強く押しつけられて摩擦し、時には焼き付きを引き起こすこともある。よ つて、通常は、軸推力を打ち消し合うことのできるやまば歯車 (ダブルヘリカルギヤ）を 用いる (例えば、特許文献 1参照)。

[0007] やまば歯車は成形が容易でない。現に、やまば歯車を作製する場合には、互いに 対称な二個のはすば歯車を接合して一個のやまば歯車とすることが多い。しかし、こ のようなものであると、どうしても歯車と歯車軸とが別部材にならざるを得ない。すると 、歯車を歯車軸に結合するためのキー及びキー溝等の形成加工が必要になるばか り力、歯車や歯車軸が径方向に肥大してポンプが大形ィ匕することにもつながる。

[0008] 以上に鑑みてなされた本発明は、やまば歯車を用いることなぐ高圧、高粘度の流 体の移送に適した歯車ポンプを実現しょうとするものである。

特許文献 1 :特開平 08— 014165号公報

発明の開示

[0009] 本発明では、嚙合するはすば歯車の回転により流体を吸込側から吐出側へと移送 する歯車ポンプにぉ ヽて、吐出側から歯車軸の軸端側に流体を導入する導入路を 設け、はすば歯車で発生する軸推力に対抗する流体圧力を軸端に加えるようにした 。これにより、ねじれ角度の大小によらず、軸推力の悪影響を排除または低減できる 。ねじれ角度の設計の自由度が担保されるので、ねじれ角度を適切な大きさに設定 して閉じ込み現象を回避することができ、また様々な仕様条件にも対応し得る。総じ て、はすば歯車を用いて高圧、高粘度の流体の移送に適した歯車ポンプを実現する ことが可能になる。

[0010] 前記導入路を流通する流体の流体圧を調整するための調整弁をさらに設けておけ ば、調整弁による調整を通じて軸推力を打ち消すために必要十分な大きさの流体圧 力を与えることができる。このことは、非-ユートン流体を圧送するポンプで特に有効 となる。非-ユートン流体は剪断速度が変化すると見力 4ナ粘度が変化するので、設計 段階で想定していた軸推力と実際に発生する軸推力とがしばしば一致しない。であ るから、前記導入路を介して導入する流体圧を予め決定することは難しぐ実流体運 転時にこれを加減できる方が望まし 、。

[0011] また、同様の理由から、前記導入路を流通する流体の流体圧を計測する圧力計を 設けておくことも好ましい。

[0012] 各歯車とその歯車に対応する歯車軸とを一体成形品とすれば、ポンプの小形化に 資する。やまば歯車を採用する場合、これを歯車軸に一体成形しょうとすると、歯車 の加工工程上、歯車諸元に制限が生じ最良値に設定することができない。本発明で は、やまば歯車ではなくはすば歯車を採用しており、歯車を歯車軸に一体成形する ことが容易で、し力もねじれ角度を最良値に設定することが許容される。

[0013] 前記導入路を介して軸端側に導入した流体を吸込側へ還流させる還流路を設ける とともに、歯車軸を受ける軸受の内周に流体を流入させて潤滑するための凹溝を形 成し、その凹溝を前記還流路または前記導入路に連通させているならば、軸推力の ノ ランスと軸受の潤滑とを両立できる。

[0014] しかして、ポンプのケーシングが、歯車軸の軸心方向に沿って貫通しはすば歯車、 歯車軸及び軸受を収容するボディと、前記ボディを前後より閉止して内面を各歯車 軸の軸端に対向させるフロントカバー並びにリャカバーとを要素とし、前記フロント力 バー、前記リャカバーのそれぞれの内面に前記導入路及び前記還流路を形成する ものとすれば、徒な構造の複雑ィ匕を招力ない。また、調整弁や圧力計をフロントカバ 一、リャカバーに実装することができ、ポンプの組立工程の簡便化にも奏効する。

[0015] 本発明によれば、やまば歯車を用いることなぐ高圧、高粘度の流体の移送に適し た歯車ポンプを実現可能である。

図面の簡単な説明

[0016] [図 1]本発明の一実施形態の歯車ポンプを示す側断面図である。

[0017] [図 2]同歯車ポンプを示す側断面図である。

[0018] [図 3]同歯車ポンプを示す分解斜視図である。

発明を実施するための最良の形態

[0019] 以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図 1ないし図 3に示す本 実施形態の歯車ポンプは、例えば、石油プラント、化学プラント等にあって、溶融榭 脂その他の高分子重合物等を高圧で圧送するために使用される。この歯車ポンプは 、ケーシング 1が内包する内部空間に駆動歯車 2と従動歯車 3とを嚙合状態で配設し てなるいわゆる外接歯車ポンプであり、両歯車 2、 3を回転駆動することにより歯溝に 捉えた流体を吸込側から吐出側へ移送するポンプ作用を営むものである。実際には 、吸込側を上方、吐出側を下方に位置づけ、吸込口 111の直上に溶融榭脂等を蓄 えたタンクを設置して、タンク内の溶融榭脂等を吸込み吐出口 112より所要の吐出圧 力で吐出させる。 [0020] ケーシング 1は、ボディ 11、フロントカバー 12及びリャカバー 13を要素とする。ボデ ィ 11には、前後方向に沿って貫通する眼鏡孔 113を穿設しており、この眼鏡孔 113 に歯車 2、 3、歯車軸 21、 31及び軸受 4を収容する。具体的には、軸受 4を眼鏡孔 11 3の前後端部に設置して歯車軸 21、 31を回転可能に支持させつつ、両軸受 4の対 向する端面間に歯車 2、 3を位置づける。軸受 4は、眼鏡孔 113の内周形状に対応し て、二個の略円筒体を隣り合わせて接合したような外形をなしている。ボディ 11の上 方に開口する吸込口 111、下方に開口する吐出口 112は、それぞれ眼鏡孔 113に 連通する。その上で、ボディ 11の両側にフロントカバー 12、リャカバー 13をそれぞれ 組み付けて眼鏡孔 113を閉止している。フロントカバー 12には、駆動歯車 2の歯車軸 21の先端部位 (歯車 2、 3を回転駆動する原動機に連結する）を挿通するための軸孔 123を穿ってある。

[0021] 駆動歯車 2及び従動歯車 3は、はすば歯車とする。但し、歯車 2、 3の歯形は特に限 定されない。インボリユート歯形としてもよいし、これ以外の種類の歯形、例えばシマク ロイドのような閉じ込み現象を生じさせない一点連続接触歯形としてもよい。また、歯 車 2、 3は、各々の歯車軸 21、 31に一体成形してもよぐ一体成形でなくともよい。

[0022] 上述の如き構成を有する歯車ポンプにぉ 、て、本実施形態では、駆動歯車 2及び 従動歯車 3で発生する軸推力に対抗してこれを打ち消す流体圧力を歯車軸 21、 31 の軸端に加えるようにして 、る。

[0023] 詳述すると、ケーシング 1に、吐出側から歯車軸 21、 31の軸端側に高圧の流体を 導入する導入路 121、 131を設けておき、この導入路 121、 131を介して導入した流 体圧力を軸推力とバランスさせる。歯車 2、 3を回転駆動したとき、駆動歯車 2では後 方に向力 軸推力が発生する。これに対し、リャカバー 13の内面即ちボディ 11の後 向面に面する前向面に有底溝状の導入路 131を形成して、導入路 131へ流入させ た流体の圧力を以て歯車軸 21の後側の軸端面を押圧する。並びに、従動歯車 3で は前方に向力 軸推力が発生する。これに対し、フロントカバー 12の内面即ちボディ 11の前向面に面する後向面に有底溝状の導入路 121を形成して、導入路 121へ流 入させた流体の圧力を以て歯車軸 31の前側の軸端面を押圧する。

[0024] 導入路 121、 131は、歯車 2、 3の歯先円よりも外周側となる所定箇所から、歯車軸 21、 31の軸端面近傍に向力 ように延伸している。歯車軸 21、 31の軸端面は軸受 4 の反歯車 2、 3側の端面よりも若干内奥にあって、導入路 121、 131を経由して流入し た流体は軸受 4内に進入して軸端面を押圧することとなる。導入路 121、 131はボン プの吐出側に連通している必要があるが、図示例では、ボディ 11の後向面及び前向 面と吐出口 112の内周面との間に存在する隔壁を貫く分流路 114を設け、この分流 路 114の終端を導入路 121、 131に臨む位置に開口させることで導入路 121、 131 を吐出側に連通させている。

[0025] また、軸受 4の内周には、歯車軸 21、 31と軸受 4との境界面を潤滑するべく多少の 流体を流入させる凹溝 41を設けている。凹溝 41は、少なくとも軸受 4の歯車 2、 3側 の端面に開口し、かつ軸心方向に沿って軸受 4の反歯車 2、 3側の端面付近まで延 伸するものであり、歯車 2、 3の歯溝に捉えられた流体の一部を流入させ得る。

[0026] 導入路 121、 131を介して軸端側に導入した流体、凹溝 41を介して軸受 4内に導 入した流体は、最終的にポンプの吸込側に還流させる。そのために、リャカバー 13 及びフロントカバー 12の内面に有底溝状の還流路 122、 132を形成している。還流 路 122、 132は、リャカバー 13、フロントカバー 12のそれぞれにおいて、各歯車軸 2 1、 31に相対して略八字型をなすように二本設けておく。還流路 122、 132は、歯車 軸 21、 31の軸端面近傍から、歯車 2、 3の歯先円よりも外周側となる所定箇所に向か うように延伸する。さらに、二本の還流路 122、 132のうちの一方は導入路 121、 131 に連続している。還流路 122、 132はポンプの吸込側に連通している必要があるが、 図示例では、ボディ 11の前向面及び後向面と吸込口 111の内周面との間に存在す る隔壁を貫く合流路 115を設け、この合流路 115の終端を還流路 122、 132に臨む 位置に開口させることで還流路 122、 132を吸込側に連通させている。 歯車ポンプ の理論トルクを T、必要トルクを T、効率を 7?、歯車 2、 3—回転当たりの吐出量を V th s th

、歯車 2、 3の外径を D、歯幅を B、歯モジュールを M、歯数を Z、ピッチ円直径を A、 はすば歯車 2、 3のねじれ角度を |8、吸込圧力と吐出圧力との差圧を P、歯車 2、 3で 発生する軸推力を Fとおく。必要トルク Tは T Z r?、換言すれば理論トルク Tとロスト s th th ルクとの和である。理論トルク T について、

th

T =V Χ Ρ/2/ π が成立し、吐出量 V について、

th

V = 2 π Χ Μ² Χ Ζ Χ Β

th

が成立する。そして、必要トルク丁より、軸推力 Fが求められる。

上式より、軸推力 Fは差圧 Pに比例することが分力る。

[0027] 凹溝 41を介して軸受 4内を流通する潤滑用の流体のみを考慮した場合、歯車軸 2 1、 31の軸端側に作用する流体圧力は吸込圧力よりも若干大きい程度となるように設 定することが一般的である。翻って、歯車 2、 3で発生する軸推力が差圧に比例する ことを踏まえた上で、還流路 122、 132及び合流路 115の内径ないし内寸を適当な 大きさに設定すれば、吐出側より導入した流体圧力と軸推力とのノ ランスによって軸 推力による悪影響を排除または低減することができる。

[0028] とは言え、高分子重合物等の非ニュートン流体は剪断速度が変化すると見かけ粘 度が変化するので、設計段階で想定していた軸推力と実際に発生する軸推力とがし ばしば一致しない。であるから、吐出側より導入する流体圧を、実流体運転時に加減 できる方が望まし 、ことも事実である。

[0029] 本実施形態の歯車ポンプには、分流路 114及び導入路 121、 131を流通する流体 の流体圧を調整するための調整弁 5と、その流体圧を計測するための圧力計 6とを設 けている。調整弁 5は、例えばねじ送りによってスプール (弁体）を進退させる手動の もので、図示例ではリャカバー 13、フロントカバー 12に実装している。調整弁 5のス プールには、先端に向力うにつれて徐々に縮径するテーパ部を形成してあり、このテ 一パ部を分流路 114の開口（弁座）に密接させることで全閉し、あるいはテーパ部を 分流路 114の開口より離反させることで流体圧を加減できる。圧力計 6もまた、リャカ バー 13、フロントカバー 12に実装しておく。但し、圧力計 6の種類、方式等は特に限 定されない。

[0030] 本実施形態によれば、嚙合するはすば歯車 2、 3の回転により流体を吸込側から吐 出側へと移送する歯車ポンプにおいて、吐出側から歯車軸 21、 31の軸端側に流体 を導入する導入路 121、 131を設け、はすば歯車 2、 3で発生する軸推力に対抗する 流体圧力を軸端に加えるようにしたため、ねじれ角度の大小によらず、軸推力の悪影 響を排除または低減できる。ねじれ角度の設計の自由度が担保されるので、ねじれ 角度を適切な大きさに設定して閉じ込み現象を回避することができ、また様々な仕様 条件にも対応し得る。従って、はすば歯車 2、 3を用いて高圧、高粘度の流体の移送 に適した歯車ポンプを実現することが可能になる。

[0031] 前記導入路 121、 131を流通する流体の流体圧を調整するための調整弁 5、前記 導入路 121、 131を流通する流体の流体圧を計測する圧力計 6をさらに設けて 、る ため、流体圧をモニタしつつ調整弁 5を操作して軸推力を打ち消すために必要十分 な大きさに調整することができる。軸推力は差圧に比例することから、ある運転条件 下で調整弁 5を調整しておけばその後に運転条件が変化したとしても調整弁 5を再 調整しなくてよい。つまり、ポンプの稼働運転時に煩雑な調整作業は不要である。

[0032] 各歯車 2、 3とその歯車 2、 3に対応する歯車軸 21、 31とを単一の部材によって構成 しているため、ポンプの小形ィ匕に資する。

[0033] 前記導入路 121、 131を介して軸端側に導入した流体を吸込側へ還流させる還流 路 122、 132を設けるとともに、歯車軸 21、 31を受ける軸受 4の内周に流体を流入さ せて潤滑するための凹溝 41を形成し、その凹溝 41を前記還流路 122、 132及び前 記導入路 121、 131に連通させているため、軸推力のバランスと軸受 4の潤滑とを両 立できる。

[0034] ポンプのケーシング 1は、歯車軸 21、 31の軸心方向に沿って貫通しはすば歯車 2、 3、歯車軸 21、 31及び軸受 4を収容するボディ 11と、前記ボディ 11を前後より閉止し て内面を各歯車軸 21、 31の軸端に対向させるフロントカバー 12並びにリャカバー 1 3とを要素とし、前記フロントカバー 12、前記リャカバー 13のそれぞれの内面に前記 導入路 121、 131及び前記還流路 122、 132を形成するものとしているため、徒な構 造の複雑ィ匕を招かない。また、調整弁 5や圧力計 6をフロントカバー 12、リャカバー 1 3に実装することができ、ポンプの組立工程の簡便化にも奏効する。

[0035] なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。とりわけ、本発 明の適用対象は、高圧、高粘度の流体の圧送の用途に供するポンプには限定され ない。あらゆるはすば歯車を採用したポンプに対し、本発明を適用可能である。

[0036] その他各部の具体的構成は上記実施形態に限られるものではなぐ本発明の趣旨 を逸脱しな 、範囲で種々変形が可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 嚙合するはすば歯車の回転により流体を吸込側から吐出側へと移送する歯車ポンプ であって、

吐出側から歯車軸の軸端側に流体を導入する導入路を設け、はすば歯車において 発生する軸推力に対抗する流体圧力を軸端に加えるようにしたことを特徴とする歯車 ポンプ。

[2] 前記導入路を流通する流体の流体圧を調整するための調整弁をさらに設けている請 求項 1記載の歯車ポンプ。

[3] 前記導入路を流通する流体の流体圧を計測する圧力計をさらに設けている請求項 2 記載の歯車ポンプ。

[4] 各はすば歯車とその歯車に対応する歯車軸とを一体成形している請求項 1、 2または 3記載の歯車ポンプ。

[5] 前記導入路を介して軸端側に導入した流体を吸込側へ還流させる還流路を設けると ともに、

歯車軸を受ける軸受の内周に流体を流入させて潤滑するための凹溝を形成し、その 凹溝を前記還流路または前記導入路に連通させている請求項 1、 2、 3または 4記載 の歯車ポンプ。

[6] 歯車軸の軸心方向に沿って貫通しておりはすば歯車、歯車軸及び軸受を収容する ボディと、前記ボディを前後より閉止して内面を各歯車軸の軸端に対向させるフロント カバー並びにリャカバーとを要素とするケーシングを具備し、

前記フロントカバー、前記リャカバーのそれぞれの内面に前記導入路及び前記還流 路を形成して 、る請求項 5記載の歯車ポンプ。