JP2007524026A - ハイブリッド摂動ポンプ - Google Patents

Abstract

摂動ポンプは、摂動部材をポンプハウジングに接続するクロス型自在ジョイントと、摂動部材をピストンロッドに接続するボールジョイントと、及びピストンヘッドに固定されたピストンロッドを有しているので、ピストンヘッドはポンプシリンダー内で揺動する。
【選択図】図１

Description

（関連出願への相互参照）

（連邦政府により保証された研究開発に関する陳述）
適用なし

（発明の技術分野）
本発明はポンプに関するものであり、特に、摂動ポンプ（nutating pump）に関する。

（発明の背景）
結果的にポンピング運動となるようにピストンを往復運動させるための環状のロッキング（rocking）あるいはウォブル（wobble「揺動」）運動を行う摂動（nutating）部材を備えた摂動ポンプは公知である。例えば、米国特許第５，００７，３８５号は、ウォブル部材とハウジングの間に球面ベアリングあるいはクロス型自在ジョイントを使用するメカニズムを開示する。ウォブル部材は、駆動シャフトによって偏心的に駆動され、ボールジョイントあるいは他の車軸ジョイント（pivot joint）によって線形に往復運動するピストンに接続されたアームを備えている。

これらのタイプのメカニズムは、該して多くの摺動面を有するので、多くのベアリングを有することになり、各ベアリングは、全体構造を比較的複雑で、組み立てが難しく、かつ高価なものとする。

（発明の概要）
本発明は、クロス型自在ジョイントが摂動部材をハウジングに接続し、ボールジョイントが摂動部材をピストンロッドに接続し、ピストンロッドはピストンヘッドに固定され、それによりピストンヘッドがポンプシリンダー内で揺動する摂動ポンプを提供する。これによってピストンロッドとピストンヘッド間のベアリング接続を避けることができ、一方では、ピストンヘッドの側面負荷を除去するために、ハウジングに摂動部材を接続する自在ジョイントを使用するという利点を得ることができる。

本発明の他の特徴によれば、ポンプシリンダー内でのピストンヘッドのウォブル運動を最小限にするために、ピストンロッドは比較的長く形成されている。ピストンロッドを長くできるほど、ポンプシリンダー内でのピストンヘッドの揺動は少なくなる。すなわち、例えば、自在ジョイントの傾斜角度が１２°の場合、十分長いピストンロッドであれば、ピストンヘッドは１°傾斜するのみである。ポンプシリンダーの軸方向に整列配置されたピストンヘッドの傾斜が少ないため、ウォブルピストンで一般的に使用される、ピストンカップ、あるいは分割リングシール（内燃往復機関及びある種の往復ポンプで一般的に使用されるタイプの分割リング）を使用することができる。分割リングシールは、一般に磨耗寿命が長くガス漏れが少ないと考えられ、ウォブルピストンカップは、ウォブルピストンヘッドの比較的大きな傾斜角度も適切にシールすることができる。

自在ジョイントはウォブル部材が被る捩り荷重を担持し、ピストンの側面負荷を低減することができるため、ハウジングに摂動部材を接続するには自在ジョイントを使用することが望ましい。ピストンの側面負荷は、磨耗を増大させ、寿命を短くし、ポンプの耐用年数に亘るガス漏れを増やす。

更に、Ｕ−ジョイント及びピストンロッドにウォブル部材を接続するソケットジョイントの使用によって可能となる長いストロークは、小さな空間での高い流量を実現し、これは他のタイプの摂動ポンプの設計よりもはるかに高い流量である。ピストンカップの代わりに分割リングシールを使用することで、摩擦負荷の減少に役立ち、より高い効率を提供する。

本発明の上記及び他の目的及び効果は、以下の詳細な説明で明らかになるであろう。発明の詳細な説明において、本発明の好適な実施の形態を示す添付図面が参照される。

（好適な実施の形態の説明）
本発明のポンプ１０は、その数がいくつであってもよいハウジング１２、一対の互いに対向した圧縮ピストン１４（一方のみが示され、他方は図示された一方から１８０°離れている。図１は９０°断面図である）、一対の真空ピストン１６（一方のみが示され、他方の真空ピストン１６は図示された一方と対向しており、図示された駆動シャフト１８の軸回りに１８０°離れている）。各ピストン１４，１６は、ヘッド１４Ａ又は１６Ａ、及びロッド１４Ｂ又は１６Ｂを夫々有している。ヘッド１４Ａ及び１６Ａは、各ポンプシリンダー２０及び２２内において僅かなウォブル運動を伴って往復運動する。ヘッド１４Ａ及び１６Ａは、望ましくは夫々ポリテトラフルオロエチレン複合材料からなり、分割リングシール１４Ｃ，１６Ｃを有し、それらはシリンダー２０,２２の壁面に摺動シールを実現する。ヘッド１４Ａ及び１６Ａは、シリンダー内でピストンが揺動する際の良好なシーリングを維持するために、望ましくはその外表面においてシリンダー半径に等しい半径を有する。シリンダー２０内のポンピングチャンバへの吸入弁２４及びポンピングチャンバからの排出弁２６が夫々設けられ、シリンダー２２のポンピングチャンバへの吸入弁２８及びポンピングチャンバからの排出弁３０が夫々設けられている。本発明は、圧縮単独のあるいは真空単独のポンプにも適用することができる。その場合には、ガス・パルセーション（gas pulsation）を最小限にするために、奇数個の、例えば３個又は５個の、ピストンを設けることが望ましい。

シリンダー２０への吸気は、孔部３６を通って吸入チャンバ３４に入り、圧縮空気はシリンダー２０から出て弁２６を通って排出チャンバ３６に入り、破線４０によって示されるように、排出チャンバ３６からチャンバ３６と連通しているコネクタチューブ３８を通る。真空シリンダー２２への吸気は、孔部４２を通って消音ハウジング４４に入り、孔部４６を通ってハウジング１２の内部に入り、ピストンヘッド１６Ａを通過し、弁２８を通って、シリンダー２２のポンピングチャンバ内に入る。真空シリンダー２２からの圧縮排気は、弁３０を通って排出チャンバ４８に入り、排出チャンバ４８から出て孔部５０を通り、あるいは破線５４に示されるように、チャンバ４８と連通しているコネクタチューブ５２を通る。コネクタチューブ３８及び５２は消音チャンバ４４を通過するため、真空チャンバへの吸気口４２及び圧縮及び真空ポンプからの排気口を含む、ポンプの接続の全てをポンプの端部に設けることができる。もし必要であれば、チューブ３８及び５２のようなコネクタチューブを圧縮シリンダー２０の吸気口のために設けることもできる。

クロス型自在ジョイント５６は、コネクタ５８に軸止された２本の対向したアームと、ウォブル部材６０に軸止された （前記第１の２本の対向したアームに対して９０°の角度にある）他の２本の対向したアームを備えている。ここで用いられる「対向する」は２本のアームが１８０°離れていることを意味する。ウォブル部材６０は、自在ジョイント５６と反対の端部において、ベアリング６２の外側軸受けを載置する。ベアリングの内側軸受けは、駆動シャフト１８に対して角度を有し中心を外れて固定された偏心スタブシャフト６４上に押圧される。駆動シャフト１８は、ハウジング１２に固定子が固定されたモータ６８によって駆動され、ベアリング７０によってハウジング１２に軸止される。自在ジョイント５６の中心はシャフト１８の軸上にある。シャフト１８が回転すると、偏心器６４はウォブル部材６０に対して自在ジョイント５６によりウォブル運動を与えることができるので、２つの圧縮ピストン１４（シャフト１８の軸回りに互いに１８０°の位置にある）は、互いに１８０°位相がずれ、シャフト１８の軸回りに圧縮ピストン１４に対して９０°に位置する（及び、それらはシャフト１８の軸回りに互いに１８０°の位置にある）２つの真空ピストン１６は、互いに１８０°位相がずれる。

ウォブル部材６０は、４本のピストンロッド１４Ｂ及び１６Ｂに向かって延びるアーム７４を有する。アーム７４は、各ピストンロッド内に延び、その端部にボールヘッド７６を有する。ピストンロッド１４Ｂ及び１６Ｂは中空であり、各々内部に固定半ソケット７８及び付勢半ソケット８０を含む。圧縮ピストンロッド１４Ｂの各固定半ソケット７８は、ロッド１４Ｂ内に含まれるスペーサチューブ８２によってピストンヘッド１４Ａから一定の間隔に保たれ、真空ピストンロッド１６Ｂの固定半ソケット７８は、ロッド１６Ｂの端部８４に圧着されることより真空ピストンヘッド１６Ａから一定の間隔に保たれている。各圧縮ピストンロッド１４Ｂの付勢半ソケット８０は、端部８４に圧着されることでロッド１４Ｂ内に保持されたバネ８６によって、ボールヘッド７６に向かって及びピストンヘッド１４Ａに向かって付勢される。真空ピストン１６の半ソケット８０は、各ピストンロッド１６Ｂ内部でスペーサチューブ８８に対して作用する他の端部を有するバネ８６によって、ボールヘッド７６に対して、またピストンヘッド１６Ａから離れるように付勢される。バネ８６は、ボールヘッド７６に予圧を加えるが、（自身が及ぼす力以外の）各ピストンの働きストローク（working stroke）の力の影響を受けない。なぜなら、圧縮ピストンの動力ストローク上の（すなわち、上死点に向かっていく）スペーサチューブ８２及び半ソケット７８によって、ボールヘッド７６と圧縮ピストンヘッド１４Ａの間が固結されるからであり、また、半ソケット７８及びそれに圧着されたピストンロッド１６Ｂによって、動力ストローク上の（すなわち、下死点に向かっていく）ボールヘッド７６と真空ピストンヘッド１６Ａの間が固結されるからである。また、ピストンロッド１４Ｂ，１６Ｂのボールとウォブル部材６０のソケットについては、ボールとソケットのジョイントを逆にしてもよい。

本発明の好適な実施の形態は詳細に説明された。記載した好適な実施の形態に対して多数の変更及び変形例が可能であることは当業者には明らかである。例えば、ピストンロッドが十分長く形成され、あるいは、分割リングシールを使用できる程度にピストンのウォブルが低減される場合には、カップ型シールよりも分割リングシールを使用することができる。従って、本発明は記載された実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明を包含するポンプを図示する９０°切断線に沿った断面概観図である。

Claims (10)

1. ポンプハウジングと、
   シャフト軸を備えた駆動シャフトを有し、前記駆動シャフトを前記ポンプハウジングに対して前記シャフト軸回りに駆動する原動機と、
   前記シャフト軸回りにほぼ平行に半径方向に配置された複数の軸を備え、前記ポンプハウジングに対して固定された複数のポンピングシリンダーと、
   各ポンピングシリンダーに一つのウォブルピストンが設けられ、前記ウォブルピストンの夫々はピストンヘッド及び前記ピストンヘッドに固定接続されたピストンロッドを有し、前記ピストンヘッドの夫々は関連する前記ポンピングシリンダーに受け入れられ、前記ピストンが往復運動するのに従って前記ポンピングシリンダーに対する前記ピストンヘッドのウォブル運動を可能とする嵌合状態にある、複数のウォブルピストンと、
   前記ピストンロッドに接続されたウォブル部材と、及び
   前記ハウジングに前記ウォブル部材を接続する自在ジョイントとからなることを特徴とする摂動ポンプ。
2. 摂動部材は、ボール及びソケットジョイントによって前記ピストンロッドに接続されることを特徴とする請求項１記載の摂動ポンプ。
3. 前記ボール及びソケットジョイントの夫々が固定部材及び付勢部材を含むことを特徴とする請求項２記載の摂動ポンプ。
4. 前記ウォブルピストンの動力ストロークの間、前記固定部材は前記ウォブル部材と前記ウォブルピストンの間にポンピング力を伝達することを特徴とする請求項３記載の摂動ポンプ。
5. 前記ウォブル部材は、ポンプの真空ピストンのためのウォブルピストンのヘッドと前記固定部材の間に軸方向に位置することを特徴とする請求項３記載の摂動ポンプ。
6. 前記ウォブルピストンのピストンロッドは中空であることを特徴とする請求項１記載の摂動ポンプ。
7. 前記ピストンロッドはボール及びソケットジョイントを含むことを特徴とする請求項６記載の摂動ポンプ。
8. 前記ピストンロッドはボール及びソケットジョイントの部分を同時に付勢するバネを含むことを特徴とする請求項７記載の摂動ポンプ。
9. 各ピストンロッドは、前記駆動シャフトの前記軸から前記ピストンロッドに関連するシリンダーの軸までの距離よりも長いことを特徴とする請求項１記載の摂動ポンプ。
10. 各ピストンヘッドは、関連するポンピングシリンダーに摺動シールを形成するカップ型シールを有することを特徴とする請求項１記載の摂動ポンプ。

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