JP2008095563A - ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ機能上の脈動が小さく、構造的強度を得るための設計上の自由度も確保し易い遊星歯車式ポンプ装置を提供すること。
【解決手段】各辺１１がサイクロイド曲線状に内方へ湾曲した断面略四角形の内空間１２を備えるケーシング１０と、そのケーシング１０の内空間において、その内空間１２を形成する内壁面１３に各角部２０ａが一定の微細スキマを保った状態で回転運動可能に、各辺２１がサイクロイド曲線状に内方へ湾曲した断面略三角形のロータ２０と、そのロータ２０の外壁面２３とケーシング１０の内壁面との間で囲まれる各空間の内容積が順次変化するように、ロータ２０を、ケーシング１０の軸心を中心に１回公転させる間に、その公転の方向と反対方向へ４／３回自転させることで、見かけ上において反対方向へ１／３回転させるロータ駆動機構３０とを具備する。
【選択図】図５

Description

本発明は、サイクロイド曲線に基づいて形成されたケーシング及びロータを具備する遊星歯車式のポンプ装置に関する。具体的には、複数歯を有する筒状のケーシング内に、そのケーシングよりも１つ少ない複数歯を有するロータが一定の微細スキマを保った状態で回転し得るようにしたロータ回転機構を有する遊星歯車式のポンプ装置に関する。ロータの回転に伴う内容積の変化によってポンプ作用が生じるものであり、真空ポンプやブロア等として使用されるものである。

先行技術として、各辺の中間部が内方に湾曲した断面ほぼ三角形状の空隙を有する３枚歯のケーシング内にほぼ短冊状の２枚歯のロータが前記空隙の内壁面に接しつつ回転し得るようにしたロータ回転機構が開示されている（特許文献１参照）。
特開平０３−９２５０３号公報（第１頁、第１図）

遊星歯車式ポンプ装置に関して解決しようとする課題は、先行技術のような２枚歯のロータによる場合、容積変化が大きいため吸入量又は吐出量は大きくなるが、ポンプ機能上の脈動が発生し易い点にある。また、その２枚歯のロータでは、その厚さ寸法に制約されて、そのロータ自体及びその駆動機構について構造的強度を高めることが難しいという課題がある。
そこで本発明の目的は、サイクロイド曲線に基づいて形成されたケーシング及びロータを具備し、ポンプ機能上の脈動が小さく、構造的強度を得るための設計上の自由度も確保し易い遊星歯車式ポンプ装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために次の構成を備える。
本発明にかかる遊星歯車式ポンプ装置の一形態によれば、各辺がサイクロイド曲線状に内方へ湾曲した断面略四角形の内空間を備えるケーシングと、該ケーシングの内空間において、該内空間を形成する内壁面に各角部が一定の微細スキマを保った状態で回転運動可能に、各辺がサイクロイド曲線状に内方へ湾曲した断面略三角形のロータと、該ロータの外壁面と前記ケーシングの内壁面との間で囲まれる各空間の内容積が順次変化するように、前記ロータを、前記ケーシングの軸心を中心に１回公転させる間に、該公転の方向と反対方向へ４／３回自転させることで、見かけ上において前記公転の方向と反対方向へ１／３回転させるロータ駆動機構とを具備する。

また、本発明にかかる遊星歯車式ポンプ装置の一形態によれば、前記ロータ駆動機構が、前記ロータの回転軸である出力軸を前記ケーシングの軸心から偏心した位置で回転可能に保持し、基体に対して前記ケーシングの軸心を中心に回転されるキャリアと、該キャリアを回転させる駆動手段と、前記ケーシングの軸心と同軸に前記基体に固定された外歯の固定歯車と、該固定歯車に噛合されて前記キャリアに回転可能に軸着された第１の遊星歯車と、該第１の遊星歯車と同軸に固定されて一体に回転運動をするように前記キャリアに回転可能に軸着された第２の遊星歯車と、前記出力軸に同軸に固定されると共に前記第２の遊星歯車に噛合され、該第２の遊星歯車から伝達される駆動力で前記ロータを自転させる出力歯車とを備えることを特徴とすることができる。

また、本発明にかかる遊星歯車式ポンプ装置の一形態によれば、各辺がサイクロイド曲線状に内方へ湾曲した断面略Ｎ角形（Ｎは３以上の自然数）の内空間を備えるケーシングと、該ケーシングの内空間において、該内空間を形成する内壁面に各頂部が一定の微細スキマを保った状態で回転運動可能に形成された（Ｎ−１）個の頂部を有するロータと、該ロータの外壁面と前記ケーシングの内壁面との間で囲まれる各空間の内容積が順次変化するように、前記ロータを、前記ケーシングの軸心を中心に１回公転させる間に、該公転の方向と反対方向へＮ／（Ｎ−１）回自転させることで、見かけ上において前記公転の方向と反対方向へ１／（Ｎ−１）回転させるロータ駆動機構とを具備する遊星歯車式ポンプ装置であって、前記ロータ駆動機構が、前記ロータの回転軸である出力軸を前記ケーシングの軸心から偏心した位置で回転可能に保持し、基体に対して前記ケーシングの軸心を中心に回転されるキャリアと、該キャリアを回転させる駆動手段と、前記ケーシングの軸心と同軸に前記基体に固定された外歯の固定歯車と、該固定歯車に噛合されて前記キャリアに回転可能に軸着された第１の遊星歯車と、該第１の遊星歯車と同軸に固定されて一体に回転運動をするように前記キャリアに回転可能に軸着された第２の遊星歯車と、前記出力軸に同軸に固定されると共に前記第２の遊星歯車に噛合され、該第２の遊星歯車から伝達される駆動力で前記ロータを自転させる出力歯車とを備えることを特徴とする。

本発明にかかる遊星歯車式ポンプ装置によれば、サイクロイド曲線に基づいて形成されたケーシング及びロータを具備し、ポンプ機能上の脈動が小さく、構造的強度を得るための設計上の自由度も確保し易いという特別有利な効果を奏する。

以下、本発明にかかる遊星歯車式ポンプ装置について最良の形態例を添付図面（図１〜７）に基づいて詳細に説明する。
図１〜４は、本発明にかかる遊星歯車式ポンプ装置の形態例を示す正面図であり、図１を基準とし、図２〜４においてロータを順に９０度ずつ旋回させた際の動作を示している。また、図５は、図１の遊星歯車式ポンプ装置のロータ駆動機構を含めて模式的に示す断面図である。さらに、図６は図５のＡ−Ａ断面図であり、図７は図５のＢ−Ｂ断面図である。
なお、本形態例は、主としてロータの駆動を説明するものであり、流体の吸入口及び吐出口等の構成の図示や説明は省略する。

１０はケーシングであり、各辺１１がサイクロイド曲線状に内方へ湾曲した断面略四角形の内空間１２を備える。
２０はロータであり、ケーシング１０の内空間１２において、その内空間１２を形成する内壁面１３に各角部２０ａが一定の微細スキマを保った状態で回転運動可能に、各辺２１がサイクロイド曲線状に内方へ湾曲した断面略三角形に形成されている。

本形態例によれば、ケーシング１０が４枚歯で、ロータ２０が３枚歯であり、容積変化が十分に大きく、背景技術の欄で記載した先行技術の例に比較してポンプ機能上の脈動を小さくすることができる。
また、ロータ２０が略三角形であることから、後述する出力軸２６の直径を大きく設定できるなど、構造的強度を得るための設計上の自由度も確保し易い。

ところで、本形態例のケーシング１０及びロータ２０の形状は、サイクロイド曲線を使用した歯車の形状と同等のものであり、既知のものであるため、説明は省略する。
なお、Ｄ１は大円であり、ケーシング１０の軸心１５と中心を同じくし、４枚歯のサイクロイド曲線を描く際の基礎となる想像上の円である。また、Ｄ２は小円であり、ロータ２０の回転軸（出力軸２６）の軸心２５と中心を同じくし、３枚歯のサイクロイド曲線を描く際の基礎となる想像上の円である。大径Ｄ１の半径をｒ１とし、大径Ｄ２の半径をｒ２とすれば、その関係式は次のようになる。
ｒ２＝３／４×ｒ１

図５に示すように、３０はロータ駆動機構であり、ロータ２０の外壁面２３とケーシング１０の内壁面１３との間で囲まれる各空間の内容積が順次変化するように、ロータ２０を、ケーシング１０の軸心１５を中心に１回公転させる間に、その公転の方向と反対方向へ４／３回自転させることで、見かけ上において前記公転の方向と反対方向へ１／３回転させる遊星歯車を用いた駆動機構となっている。

このロータ駆動機構３０は、以下の構成を備える。
３１はキャリアであり、ロータ２０の回転軸である出力軸２６をケーシング１０の軸心１５から偏心した位置で回転可能に保持し、基体１９に対してケーシング１０の軸心１５を中心に回転される。なお、偏心距離は、１／４×ｒ１である。
３５は駆動手段であり、キャリア３１を回転させる。例えば、電動モータ及び減速装置によって構成され、キャリア３１に直列に連結されて配設される。

本形態例のキャリア３１は、第１の回転板部３２と第２の回転板部３３が所要の間隔をおいて設けられ、その２層の回転板部３２、３３が連結部３４によって一体化されている。また、第２の回転板部３３は、装置の本体ボディである基体１９に、回転自在に軸受された状態に配設されている。これにより、キャリア３１を構成する第１の回転板部３２と第２の回転板部３３は、ケーシング１０の軸心１５と同心の軸を中心に一体になって回転運動をする。また、第１の回転板部３２と第２の回転板部３３との間に後述する第２の遊星歯車４２と出力歯車２８が配された形態となっている。
また、ロータ２０が一端に固定された出力軸２６は、その他端で第１の回転板部３２に回転自在に軸着されていると共に、中途部（ロータ２０と出力歯車２８との間）で第２の回転板部３３に回転自在に軸着されている。つまり、出力軸２６はキャリア３１の２点で軸受され且つ支持されており、安定的に回転できる。

４０は固定歯車であり、ケーシング１０の軸心１５と同軸に基体１９に固定された外歯の歯車である。キャリア３１を基準にすると、ロータ２０が位置する面側とは反対の面側（駆動手段３５側）に配されている。
４１は第１の遊星歯車であり、固定歯車４０に噛合されてキャリア３１に回転可能に軸着されている。
４２は第２の遊星歯車であり、第１の遊星歯車４１と同軸に固定されて一体に同一方向且つ同一角速度の回転運動をするようにキャリア３１に回転可能に軸着されている。
２８は出力歯車であり、出力軸２６に同軸に固定されると共に第２の遊星歯車４２に噛合され、その第２の遊星歯車４２から伝達される駆動力でロータ２０を自転させる。

本形態例のギヤ比は、固定歯車４０：第１の遊星歯車４１が４：３に設定されており、第２の遊星歯車４２：出力歯車２８が１：１に設定されている。
なお、ギヤ比は、これに限らず、固定歯車４０：第１の遊星歯車４１を１：１とし、第２の遊星歯車４２：出力歯車２８を４：３としても、ロータ２０を同じく運動させることができる。さらに、固定歯車４０と第１の遊星歯車４１のギヤ比と、第２の遊星歯車４２と出力歯車２８のギヤ比を掛け合わせることで、キャリア３１が３回転する間に、ロータ２０が反対方向へ４回自転（見かけ上は反対方向へ１回転）するギヤ比となるように、各歯車の歯数を設定すればよい。このように、複数の歯車の組み合わせによって所要の減速比を得ることが可能であるため、設計上の自由度を高めることができる。

以上のロータ駆動機構３０によって駆動されるロータ２０の運動について、図１〜７に基づいて以下に説明する。なお、図面上、右回転を正回転とし、左回転を逆回転として説明する。
キャリア３１（図５及び図７参照）を、９０度正回転させると、図６の矢印（Ｒ１）に示すように固定歯車４０に対して第１の遊星歯車４１が正方向へ９０度旋回（公転）する。これと同時に、ギヤ比が４：３であるため、第１の遊星歯車４１が正方向へ１２０度自転する。
すると同時に、図７の矢印（Ｒ２）に示すように第２の遊星歯車４２も正方向へ１２０度自転する。これにより、出力歯車２８は、第２の遊星歯車４２とギヤ比が１：１であるため、逆方向へ１２０度（−Ｒ２）自転する。

以上の動作を総合すると、出力歯車２８はロータ２０と同軸に固定されているから、図２に示すように、ロータ２０の軸心２５が正方向へ９０度（Ｒ１）旋回する間に、ロータ２０が軸心２５を中心に見かけ上において逆方向へ３０度（−Ｒ３）自転する。ロータ２０の角部２０ａが、ケーシング１０の凹部１０ａから凹部１０ｂ側へ、内壁面１３に沿って移動する。
このような動作が、図３、図４で順次繰り返され、ロータ２０の軸心２５が正方向へ３６０度旋回すると、ロータ２０は軸心２５を中心に見かけ上において逆方向へ１２０度自転する。つまり、ロータ２０が正方向へ３回公転する際に、ロータ２０は見かけ上において逆方向へ１回自転する運動となっている。

このようなロータ２０の運動は、一の内歯車と一の遊星歯車との組み合わせによる駆動機構によっても実現できる。しかし、その場合は、ケーシング１０の軸心１５と出力軸２６の軸心２５の距離によって、内歯車と遊星歯車の寸法が実質的に決定されてしまう。その制約の結果、前述した本発明にかかるロータ駆動機構３０の歯車に比べて、大径の内歯車と遊星歯車が必要となり、遊星歯車のキャリアの形状やバランサーの設定など、設計上の自由度が制限される。

以上に説明した遊星歯車式ポンプ装置によれば、ベーンタイプのポンプ装置とは異なり、ケーシングに対して運動体（ロータ２０）を非接触で駆動させてポンプ作用を得ることができる。従って、音や熱の発生を抑制でき、回転数を適宜変更できるなどの優れた特性を備えるポンプ装置を提供できるという利点がある。

また、以上では、ケーシング１０の内空間１２が４枚歯で、ロータ２０が３枚歯の形態例ついて説明したが、本発明にかかるロータ駆動機構３０は、他の歯数（Ｎ）のケーシングと他の歯数（Ｎ−１）のロータとで構成される遊星歯車式ポンプ装置にあっても好適に用いることができる。その場合も、以上に説明した形態例と同等の効果を得ることができる。なお、Ｎは、多角形の角数のことで、３以上の自然数になる。
例えば、各辺がサイクロイド曲線状に内方へ湾曲した断面略５角形の内空間を備えるケーシングと、そのケーシングの内空間において、その内空間を形成する内壁面に各角部が一定の微細スキマを保った状態で回転運動可能に、各辺がサイクロイド曲線状に内方へ湾曲した断面略４角形のロータとから構成されるポンプ装置の場合には、ギヤ比を５：４にすることなどによって、本発明にかかるロータ駆動機構３０を適用できる。
さらに、各辺がサイクロイド曲線状に内方へ湾曲した断面略３角形の内空間を備えるケーシングと、そのケーシングの内空間において、その内空間を形成する内壁面に各頂部が一定の微細スキマを保った状態で回転運動可能に形成された２個の頂部を有するロータとから構成されるポンプ装置の場合には、ギヤ比を３：２にすることなどによって、本発明にかかるロータ駆動機構３０を適用できる。

以上、本発明につき好適な形態例を挙げて種々説明してきたが、本発明はこの形態例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのは勿論のことである。

本発明に係る遊星歯車式ポンプ装置の形態例を示す正面図である。 図１の状態からロータを９０度旋回させた際の正面図である。 図１の状態からロータを１８０度旋回させた際の正面図である。 図１の状態からロータを２７０度旋回させた際の正面図である。 図１の遊星歯車式ポンプ装置のロータ駆動機構を含む模式的断面図である。 図５のＡ−Ａ断面図である。 図５のＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１０ ケーシング
１１ 辺
１２ 内空間
１３ 内壁面
１５ 軸心
１９ 基体
２０ ロータ
２０ａ 角部
２１ 辺
２３ 外壁面
２５ 軸心
２６ 出力軸
２８ 出力歯車
３０ ロータ駆動機構
３１ キャリア
３５ 駆動手段
４０ 固定歯車
４１ 第１の遊星歯車
４２ 第２の遊星歯車

Claims (3)

1. 各辺がサイクロイド曲線状に内方へ湾曲した断面略四角形の内空間を備えるケーシングと、
   該ケーシングの内空間において、該内空間を形成する内壁面に各角部が一定の微細スキマを保った状態で回転運動可能に、各辺がサイクロイド曲線状に内方へ湾曲した断面略三角形のロータと、
   該ロータの外壁面と前記ケーシングの内壁面との間で囲まれる各空間の内容積が順次変化するように、前記ロータを、前記ケーシングの軸心を中心に１回公転させる間に、該公転の方向と反対方向へ４／３回自転させることで、見かけ上において前記公転の方向と反対方向へ１／３回転させるロータ駆動機構とを具備することを特徴とする遊星歯車式ポンプ装置。
2. 前記ロータ駆動機構が、
   前記ロータの回転軸である出力軸を前記ケーシングの軸心から偏心した位置で回転可能に保持し、基体に対して前記ケーシングの軸心を中心に回転されるキャリアと、
   該キャリアを回転させる駆動手段と、
   前記ケーシングの軸心と同軸に前記基体に固定された外歯の固定歯車と、
   該固定歯車に噛合されて前記キャリアに回転可能に軸着された第１の遊星歯車と、
   該第１の遊星歯車と同軸に固定されて一体に回転運動をするように前記キャリアに回転可能に軸着された第２の遊星歯車と、
   前記出力軸に同軸に固定されると共に前記第２の遊星歯車に噛合され、該第２の遊星歯車から伝達される駆動力で前記ロータを自転させる出力歯車とを備えることを特徴とする請求項１記載の遊星歯車式ポンプ装置。
3. 各辺がサイクロイド曲線状に内方へ湾曲した断面略Ｎ角形（Ｎは３以上の自然数）の内空間を備えるケーシングと、
   該ケーシングの内空間において、該内空間を形成する内壁面に各頂部が一定の微細スキマを保った状態で回転運動可能に形成された（Ｎ−１）個の頂部を有するロータと、
   該ロータの外壁面と前記ケーシングの内壁面との間で囲まれる各空間の内容積が順次変化するように、前記ロータを、前記ケーシングの軸心を中心に１回公転させる間に、該公転の方向と反対方向へＮ／（Ｎ−１）回自転させることで、見かけ上において前記公転の方向と反対方向へ１／（Ｎ−１）回転させるロータ駆動機構とを具備する遊星歯車式ポンプ装置であって、
   前記ロータ駆動機構が、
   前記ロータの回転軸である出力軸を前記ケーシングの軸心から偏心した位置で回転可能に保持し、基体に対して前記ケーシングの軸心を中心に回転されるキャリアと、
   該キャリアを回転させる駆動手段と、
   前記ケーシングの軸心と同軸に前記基体に固定された外歯の固定歯車と、
   該固定歯車に噛合されて前記キャリアに回転可能に軸着された第１の遊星歯車と、
   該第１の遊星歯車と同軸に固定されて一体に回転運動をするように前記キャリアに回転可能に軸着された第２の遊星歯車と、
   前記出力軸に同軸に固定されると共に前記第２の遊星歯車に噛合され、該第２の遊星歯車から伝達される駆動力で前記ロータを自転させる出力歯車とを備えることを特徴とする遊星歯車式ポンプ装置。

Images