WO2021065525A1

WO2021065525A1 - ギアポンプ

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Publication number: WO2021065525A1
Application number: PCT/JP2020/035162
Authority: WO
Inventors: 健治高宮
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2019-10-03
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2021-04-08
Anticipated expiration: 2022-04-03
Also published as: EP4039979B1; EP4039979A4; US11852142B2; JP7298704B2; JPWO2021065525A1; EP4039979A1; US20220074408A1

Abstract

流体を加圧して吐出するギアポンプは、前記流体を吸入する吸入口と、加圧された前記流体を吐出する吐出口と、を備えたケーシングと、ギア歯に縁取られたホイール部と、前記ホイール部から軸方向に延びた軸部と、を備え、軸周りの回転により前記ギア歯が前記流体を前記吸入口から前記吐出口へ輸送するように前記ケーシングに収容されたギアと、前記軸部を回転可能に支持し軸方向には可動な浮動軸受であって、前記ホイール部に接するシール面と、前記シール面に軸方向に対向する受圧面であって、前記ケーシングとの組み合わせにより前記吸入口と連通した第１の与圧室を区画する第１の受圧面と、前記ケーシングとの組み合わせにより前記吐出口と連通した第２の与圧室を区画する第２の受圧面と、を含む受圧面と、前記ケーシングとの組み合わせにより第３の与圧室を区画する第３の受圧面と、前記シール面に開口を有し、前記開口と前記第３の与圧室とを連通する連通路と、を含む浮動軸受と、を備える。

Description

ギアポンプ

　本開示は、ギアの回転により流体を加圧して吐出する浮動軸受型のギアポンプに関し、特に、より高速な回転においても浮動軸受への与圧が適正に保たれるギアポンプに関する。

　ギアポンプは、通常、互いに噛合した一対のギアと、これを収容するハウジングとを備え、ハウジングが画する流路において一対のギアが回転することにより流体を加圧して吐出する。大流量は望み難いが連続的に流体を吐出する必要のある用途に好適に利用される。用途の例は、高粘度の重合体を押し出して樹脂製品を製造する製造装置、加圧した作動油を利用する油圧装置、レシプロエンジンやジェットエンジンへの燃料供給装置等である。

　ギアポンプにおいて、ギアの支持には固定軸受を利用することがあるが、場合により浮動軸受が選択される。浮動軸受型のギアポンプにおいては、軸受は軸方向に僅かに可動であり、適宜の圧力でギアホイールに押し付けられることにより、その側面からの流体の漏れを防止する。軸受への与圧には、弾性体よりなるばねを利用することもあるが、ギアポンプが加圧した流体の圧力それ自体を利用することもある。

　特許文献１，２は、関連する技術を開示する。

特開２００５－３４４５３８号公報国際公開公報ＷＯ２０１７／００９９９４

　ギアポンプの加圧力に応じて、ギアホイールの側からは軸受をギアホイールから引き離そうとする力が軸受に作用する。軸受に印加する与圧はこれに抗するに十分である必要があり、さもなくば軸受がギアホイールから浮いて流体の漏れが生じ、ギアポンプの効率は低下してしまう。その一方で与圧が大きすぎれば、ギアの回転への抵抗が増し、これも効率を低下させる要因であるし、また抵抗による発熱は意図せざる不具合を生じかねない。

　加圧力を利用して与圧するときには、軸受の一方の面に作用する圧力が増大するときには他方の圧力も増大するので、与圧面積を考慮した設計により両者を釣り合わせることができるはずである。ところが本発明者が検討したところによれば、効率を向上するべくギアの回転速度を高めようとするときには、浮動軸受が不安定になりうることが見出された。以下に開示するギアポンプは、かかる問題を解決するべく工夫されたものである。

　本開示に係る流体を加圧して吐出するギアポンプは、前記流体を吸入する吸入口と、加圧された前記流体を吐出する吐出口と、を備えたケーシングと、ギア歯に縁取られたホイール部と、前記ホイール部から軸方向に延びた軸部と、を備え、軸周りの回転により前記ギア歯が前記流体を前記吸入口から前記吐出口へ輸送するように前記ケーシングに収容されたギアと、前記軸部を回転可能に支持し軸方向には可動な浮動軸受であって、前記ホイール部に接するシール面と、前記シール面に軸方向に対向する受圧面であって、前記ケーシングとの組み合わせにより前記吸入口と連通した第１の与圧室を区画する第１の受圧面と、前記ケーシングとの組み合わせにより前記吐出口と連通した第２の与圧室を区画する第２の受圧面と、を含む受圧面と、前記ケーシングとの組み合わせにより第３の与圧室を区画する第３の受圧面と、前記シール面に開口を有し、前記開口と前記第３の与圧室とを連通する連通路と、を含む浮動軸受と、を備える。

　連通路を介して取り出されたシール面上の圧力は、軸受に印加される与圧の変動に対して逆位相の圧力変動を含み、これが第３の受圧面に負帰還として作用することにより、軸受への与圧は適切な範囲に保持される。

図１は、一実施形態によるギアポンプの斜視図であって、その内部を部分的に見せる斜視図である。図２は、前記ギアポンプの平面断面図である。図３は、ギアホイールの側から見た軸受のシール面の立面図である。図４は、ギアホイールが回転する方向に沿って見た、前記シール面上の流体の圧力プロファイルを模式的に表すグラフである。図５は、ギアホイールの径に沿って見た、前記シール面上の流体の圧力プロファイルを模式的に表すグラフである。

　添付の図面を参照して以下にいくつかの例示的な実施形態を説明する。

　本実施形態によるギアポンプは、例えば航空機エンジンへの燃料供給の用に利用されるものであって、ケロシン等の比較的に低粘性の油のごとき流体を加圧して吐出する。以下の説明は、互いに噛合して逆方向に回転する一対のギアを利用する例に基づくが、これは説明の便宜に過ぎない。噛合する３以上のギアを利用してもよく、あるいはただ一つのギアによることもありうる。また以下の説明において特段の言及はしないが、一方のギアには外部の動力源がシャフト結合またはギア結合しており、他方のギアは従動ギアである。あるいは両方が駆動ギアであってもよい。

　主に図１，２を参照するに、ギアポンプ１は、概して、互いに噛合する一対のギアと、これを収容するケーシング３と、よりなる。

　ケーシング３は、吸入口５と吐出口７とを備え、専ら前者は加圧前の流体ＦＬを吸入し、後者は加圧後の流体ＦＨを吐出する。図１において吸入口５と吐出口７とはケーシング３の両端に開口しているが、もちろんこれに限定されず、上下面あるいは側面に開口していてもよい。

　ケーシング３は、吸入口５および吐出口７を介した内外の連絡を除き、その内部を外部から流体密的に封ずるよう構成されている。ケーシング３は、また、ホイール部９の周囲に接するように寸法づけられており、ギアが軸周りの回転Ｒを起こすことによりホイール部９のギア歯間に閉じ込められた流体が加圧を受けながら輸送される。ホイール部９の１回の回転Ｒにおいて、その始点付近に吸入口５が開口し、終点付近に吐出口７が開口しており、以って流体は吸入口５から吸入されて加圧されて吐出口７から吐出される。

　ギアは、ギア歯に縁取られたホイール部９と、ホイール部９から軸方向に延びた軸部９Ｓとよりなる。軸部９Ｓは、後述の浮動軸受１１による軸支に供されるものであり、ホイール部９はこれより大径であって概して円筒形である。ギア歯はホイール部９の周囲に歯付けられており、軸に平行なラジアル歯の形式にすることができるが、あるいは軸に対して傾きを有してもよい。ホイール部９の側面は、後述のシール面に面接触するべく平面にすることができる。軸部９Ｓはホイール部９と一体に成形することができるが、あるいは別体であって圧入等により結合されていてもよい。

　軸部９Ｓは、軸受１１，１３により回転可能に支持され、以ってギアは軸周りに回転可能である。一方の軸受１１は軸方向に可動な浮動軸受であり、他方の軸受１３は、ケーシング３に対して固定または少なくとも可動ではない固定軸受にすることができる。あるいは他方の軸受１３も浮動軸受であってもよい。何れの軸受１１，１３も、少なくともその外周はケーシング３に実質的に密に接する一方、端面はケーシング３に対して余裕があり、特に浮動軸受１１においてホイール部９に面するのとは反対の端面は、ケーシング３との間に、流体を導入して浮動軸受１１に与圧する与圧室ＧＬ，ＧＭ，ＧＨを保持する。これらの詳細については後述する。

　軸受１１，１３は、軸部９Ｓの周囲に嵌合してこれを回転可能に支持し、またその一端においてホイール部９の側面に接する。図１，２に組み合わせて図３を参照するに、軸受１１，１３の内周と軸部９Ｓの外周との間には僅かな隙間ＧＳが保持されていてもよく、かかる隙間ＧＳには加圧前の流体ＦＬが流入して潤滑作用を生ずる。軸受１１，１３の全体は概ね円筒形だが、隣接する軸受１１，１３に接する部分のみ切り欠かれた平面にすることができる。

　軸受１１，１３はホイール部９の側面に接する端において、実質的にその全面に面接触するに十分な径だが、軸部９Ｓの周囲に嵌合する部分においてより小径にすることができる。ホイール部９の側面に面接触する端は、流体が側面に漏れることを防止するシール面として作用する。シール面は概して平面だが、後述するいくつかの凹構造を有する。

　図１，２に戻って参照するに、浮動軸受１１において、シール面に軸方向に対向する端は、流体による与圧を受ける受圧面１１Ｌ，１１Ｍ，１１Ｈである。必須ではないが、浮動軸受１１には、ホイール部から遠くなるに従い段階的に絞られた構造を採用することができ、最も遠い、すなわち径方向に最内方の肩を低圧受圧面１１Ｌと、最も近く最外方の肩を高圧受圧面１１Ｈとすることができる。

　低圧受圧面１１Ｌはケーシング３との間に室ＧＬを区画する。室ＧＬは吸入口５と直接あるいは間接に連通しており、加圧前の流体ＦＬが導入されて低圧受圧面１１Ｌに与圧する低圧与圧室ＧＬである。低圧与圧室ＧＬは、また、軸受１１の内周の隙間ＧＳに連通していてもよい。同様に高圧受圧面１１Ｈはケーシング３との間に室ＧＨを区画する。室ＧＨは吐出口７と直接あるいは間接に連通しており、加圧された流体ＦＨが導入されて高圧受圧面１１Ｈに与圧する高圧与圧室ＧＨである。

　浮動軸受１１は、低圧受圧面１１Ｌよりも径方向に外方であって高圧受圧面１１Ｈよりも径方向に内方に、さらに肩を備えることができ、かかる肩はケーシング３との間に中圧与圧室ＧＭを区画する中圧受圧面１１Ｍである。また浮動軸受１１は、それ自身を軸方向に貫いてかかる肩とシール面とに開口する連通路１５を備えることができる。後述するように中圧受圧面１１Ｍには連通路１５を介してシール面の側の圧力ＰＭが印加される。中圧与圧室ＧＭまたは中圧受圧面１１Ｍの作用については後により詳しく述べる。

　与圧室ＧＬ，ＧＭ，ＧＨ間を隔離するよう、例えば浮動軸受１１の周囲にＯリングまたはガスケットを介在させることができる。上述のごとき多段構造は、肩の間にかかるＯリングまたはガスケットを介在させるのに便利である。あるいは他の適宜の構造および隔離手段により、受圧面１１Ｌ，１１Ｍ，１１Ｈの一部または全部が同一面上であってもよい。

　図３に戻って参照するに、シール面は連通路１５の開口を有し、これはギア歯よりも径方向に内方であって軸部９Ｓよりも径方向に外方に相当する位置にある。また必須ではないが、開口から連続した溝１７をシール面は有することができる。溝１７は一定の量の流体を溜めておくことができ、連通路１５へ供給される流体の圧を安定化するのに役立つ。また必須ではないが、シール面は吸入口５に連通した凹所１９と吐出口７に連通した凹所２１とを有することができ、これらも液溜まりとして作用する。

　ギアの回転Ｒが開始される前において、加圧前の流体ＦＬが低圧与圧室ＧＬに侵入して低圧受圧面１１Ｌを与圧するので、浮動軸受１１は僅かにホイール部９に押し付けられており、以ってホイール部９の側面から流体が漏れることは防止されている。かかる与圧に代えて、あるいは加えて、弾性体よりなるばねによる与圧を利用してもよい。

　図１－３に組み合わせて図４を参照するに、ホイール部９に軸周りの回転Ｒが与えられると、流体は周方向Ｃに向かって輸送されながら、加圧前の流体ＦＬが持つ低圧ＰＬから加圧後の流体ＦＨの高圧ＰＨにまで加圧される。図４は、かかる圧力勾配を模式的に表したものであって、圧力勾配が図示の通りに直線的であるか否かは定かではない。

　高圧与圧室ＧＨには加圧された流体ＦＨが導入され、高圧受圧面１１Ｈに高圧ＰＨが印加される。加圧が高まるほど浮動軸受１１をホイール部９から引き離す力が作用するが、高圧受圧面１１Ｈにはこれに抗する力が作用し、原則的に両者は拮抗してホイール部９の側面から流体が漏れることは防止される。

　一方、図５に模式的に示す通り、シール面の径方向にも圧力勾配が生ずる。すなわち軸部９Ｓの周囲の隙間ＧＳにおいては流体ＦＬが侵入しているので圧力は低圧ＰＬに一致するが、径方向に外方に向かって圧力は上昇し、ギア歯が掃く領域９Ｔにおいて圧力は最も高くなる。連通路１５の開口は、ホイール部９よりも径方向に内方であって軸部９Ｓよりも径方向に外方に位置するので、中間圧ＰＭが取り出されて与圧室ＧＭに導かれ、中圧受圧面１１Ｍに印加される。

　かかる圧力勾配は一定ではなく、シール面とホイール部側面との密着の程度が反映される。すなわち浮動軸受１１への与圧が過少となってシール面とホイール部側面との密着が不足したときには、加圧された流体ＦＨのシール面への侵入が顕著となるので、シール面上の圧力はより高くなるであろう。一方、与圧が過大となってより密着が過剰になったときには、シール面上の圧力はより低くなるであろう。それゆえ浮動軸受１１への与圧に対する外乱に対して、かかる中間圧ＰＭは逆位相の変動圧ｄＰを含む。かかる中間圧ＰＭが取り出されて中圧与圧室ＧＭに導かれることにより、中圧受圧面１１Ｍには与圧の外乱に対して逆位相の変動圧ｄＰが印加される。これは一種の負帰還回路として作用してホイール部に対する浮動軸受１１への与圧を適正に保つ働きをする。

　上述の説明より理解される通り、中圧受圧面１１Ｍに印加される中間圧ＰＭおよび変動圧ｄＰは、連通路１５のシール面における開口の位置、また溝１７の位置に依存する。要求特性に応じて、径方向および周方向に位置を適宜に選択して設計することができる。その範囲は、径方向には既に述べた通りギア歯よりも径方向に内方であって軸部９Ｓよりも径方向に外方に相当する範囲であり、周方向には凹所１９から凹所２１までであろう。

　いくつかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正または変形をすることが可能である。

　負帰還を利用して軸受への与圧を適切な範囲に保持し、以って回転速度を高めても浮動軸受の安定を維持することができるギアポンプが提供される。

Claims

　流体を加圧して吐出するギアポンプであって、
　前記流体を吸入する吸入口と、加圧された前記流体を吐出する吐出口と、を備えたケーシングと、
　ギア歯に縁取られたホイール部と、前記ホイール部から軸方向に延びた軸部と、を備え、軸周りの回転により前記ギア歯が前記流体を前記吸入口から前記吐出口へ輸送するように前記ケーシングに収容されたギアと、
　前記軸部を回転可能に支持し軸方向には可動な浮動軸受であって、
　前記ホイール部に接するシール面と、
　前記シール面に軸方向に対向する受圧面であって、
　前記ケーシングとの組み合わせにより前記吸入口と連通した第１の与圧室を区画する第１の受圧面と、
　前記ケーシングとの組み合わせにより前記吐出口と連通した第２の与圧室を区画する第２の受圧面と、を含む受圧面と、
　前記ケーシングとの組み合わせにより第３の与圧室を区画する第３の受圧面と、
　前記シール面に開口を有し、前記開口と前記第３の与圧室とを連通する連通路と、を含む浮動軸受と、
　を備えたギアポンプ。
　前記第３の受圧面は、前記第１の受圧面よりも径方向に外方であって前記第２の受圧面よりも径方向に内方に位置する、請求項１のギアポンプ。
　前記連通路の前記開口は、前記シール面において、前記ギア歯よりも径方向に内方であって前記軸部よりも径方向に外方に位置する、請求項１のギアポンプ。
　前記ホイール部との間に前記流体を保持するべく、前記シール面において周方向に延びた溝であって、前記連通路の前記開口に連通する溝、
　をさらに備えた、請求項１のギアポンプ。
　前記シール面は、前記吸入口に連通した低圧側凹所と、前記吐出口に連通した高圧側凹所と、を有し、前記溝は周方向に前記低圧側凹所および前記高圧側凹所に重ならないように配置されている、請求項４のギアポンプ。