JP2010504456A - ベーンを備えたロータリー・ポンプ - Google Patents

Abstract

本発明は、周壁（１１０）により形成されたチャンバ（Ｖ）と、このチャンバ（Ｖ）の周壁（１１０）に接しており、このチャンバに対して偏心した軸（Ｘ）を中心に回転するよう駆動されるのに適した円筒状ロータ（２）と、このロータを直径方向に横断しこのロータ内にベーン（３）をガイドする壁（５，５ａ）により相互に仕切られた２つの半部シェル（４，４ａ）を形成する少なくとも１枚のベーン（３）とによってその内部が構成されたステータ（１）を備えたロータリー・ポンプに関する。本発明によれば、これら２つの半部シェル（４，４ａ）は中空であり、これら中空の半部シェルの内部には弾性板バネ（６，６ａ）が格納され、これらの弾性板バネは半部シェル内に形成される４つの通路（７，８，９，１０）に対して一方向弁を形成し、空気とオイルとの混合物の排出は、遠心分離及び部分的再循環が行われた後、またこのポンプが逆方向に回転した場合に通路（１２，１３）を通じてなされる。この構成によって同一のロータを双方向の回転で使用することが可能となる。

Description

本発明の主題はベーンを利用するタイプのロータリー・ポンプである。より詳細には、本発明は、内部がチャンバ、ロータ、そして少なくとも１つのベーンによって構成されるステータを備えたロータリー・ポンプに関し、このステータ内にはその内周壁によってチャンバが形成され、また吸入口、吐出通路、この吸入口からチャンバまで延伸する吸入通路が形成されている。そしてチャンバ内にはこのチャンバに対して偏心した軸を中心に回動可能なようにロータが取り付けられ、このロータは支持部分、ベーン支持部分、及びこのロータを駆動し回転させるための機械結合手段を有する。ロータのこのベーン支持部分はチャンバの周壁領域に接しており、また径方向隙間を形成してこのベーン支持部分を２つの半部シェルに分割する２つの平行壁を有している。そして少なくとも１つのベーンがベーン支持部分のこの径方向隙間に摺動可能に取り付けられ、その両端部はチャンバの周壁に接している。

上に述べたタイプのものとしてはいくつかのベーンポンプが知られており、それらはロータのこの径方向隙間に挿入される単一のベーンを有しており、この単一のベーンはチャンバの周壁の対向する部分と連携して機能するが、この場合このチャンバは楕円状の特殊な輪郭を有しているため、通常は楕円体として表現される。それ以外では、これらのポンプはロータの径方向隙間に挿入される２つのベーンを有しており、これらのベーンは相互且つ連続的に伸長し、このチャンバの周壁の対向する部分と連携して機能する。この場合このチャンバは真円状の輪郭を有する。

いずれの場合においても、この単一のベーンあるいは２つのベーンにより、またこのロータがチャンバの周壁と接触していることによってポンプのチャンバが分割されて吸入チャンバと圧縮チャンバとが形成され、そしてこのロータが回転することによってこれら吸入及び圧縮チャンバの容積が周期的に変化する。このロータが駆動され正しい方向に回転することによって吸入口からの吸入が行われ、また吐出通路からの排出が行われる。もしロータが反対方向に回転するとこれらの動作は逆転する。ポンプの内部空間には、相対的動作をする構成部品を潤滑し、また空気圧の密封性を高めるといった二重の機能を有するオイルが供給される。

これらのポンプは様々な技術分野において幅広く利用されている。それらを大きく発展させた応用例としてリザーバの減圧を行うものなどがあり、この場合この減圧を利用して装置のうちのいくつかを作動させる。これらのポンプは真空ポンプであり、これらには吸入通路を制御する一方向弁が備えられている。自動車の分野において、こうした真空ポンプはエンジンのカム軸又はその他のエンジン駆動の軸によって駆動され、またそれらは特に、補助制動用サーボ系及びその他の空気圧エフェクタを作動させるために利用される。この利用法の一般的特徴を考慮すれば、以下の説明において述べるように、上述のポンプを自動車の分野あるいはその他の技術分野における他の様々な用途に利用できることが理解されるであろう。

既知の形態においてもこれらのポンプは十分な性能を提供し得るが、同時にいくつかの欠点を有している。特に上に述べたようにこのポンプが反対方向に駆動されると、その動作も必ず逆転することになる。これに対処するためには、反対方向に駆動される必要性を満たすために、異なる別の設計でポンプを製造することが必要となる。自動車のエンジンが偶発的に逆回転し、真空ポンプが反対方向に駆動された場合などは、深刻な結果を招くことになる。この場合、過剰な負荷が発生し、それが原因となって構成部品の破損などを引き起こす可能性がある。

一般にロータとチャンバの周壁との接触領域には不用な空間が形成されており、これがポンプの性能の低下、またポンプを作動させるために必要となる電力量の増大の原因となる。ポンプには排出弁を備える必要があり、このことがポンプのエンジンへの取り付けをより複雑化させる。また構成部品を潤滑するためのオイルのポンプへの供給には、いくつかの難点が伴う。

本発明の主な目的は上に述べた既知のタイプのポンプの欠点を克服することである。本発明の目的は特に、ポンプのロータが、それに加えられる回転の方向に関わりなく正確に動作することができる特徴を提供することである。このことによってポンプの構成部品の製造及び保管を統一化することができ、そして何よりもポンプが偶発的に逆方向に回転した場合に生じる有害な結果を防止することができる。本発明のその他の目的は、ポンプによって吸収される抵抗トルク及び瞬時トルクを減少させること、ポンプの取り付けをより容易にすること、潤滑オイルをより有効に利用すること、不用な空間を無くすこと、またこのポンプの特徴によって可能となる良好な設計により、その製造コスト及び重量を低減させることである。

本発明によれば、これらの目的は、前置き部分で述べた：ロータのベーン支持部分の各半部シェルが中空であり；各半部シェルがその周方向の各端部に、ベーン支持部分の表面に開口し、この半部シェルの中空空間と連通する吸入通路を有しており；この半部シェルの各吸入通路が、ベーン支持部分の外部から半部シェルのこの中空空間への流入を可能にするよう配置された一方向弁によって制御され；各半部シェルが、支持部分に面するベーン支持部分の端部に吐出口を有している、といった特徴を有するポンプによって達成することが可能となる。

これらの特徴により、ロータが正規の方向に回転してベーンが摺動し、圧縮チャンバ内で圧縮がそして吸入チャンバ内で吸入が行われる場合、圧縮チャンバ内に存在する流体は圧縮され、それによってこのチャンバ内に位置する一方向弁を開き、対応する半部シェルの中空空間へと流入し、続いて対応する吐出口を通じてこの半部シェルから排出される。このとき他の全ての一方向弁は閉じられており遊休状態にある。しかしこのロータが正規の方向ではない方向に回転（逆回転）する場合、この吸入チャンバ内で圧縮が行われることになるが、吸入チャンバ内に存在する流体が圧縮されてこのチャンバ内に位置する一方向弁を開くことになるので、ポンプの固着やその結果としての損傷などを生じさせることはなく、この流体は対応する半部シェルの中空空間へと流入し、続いて対応する吐出口を通じてこの半部シェルから排出される。このとき他の全ての一方向弁は閉じられており遊休状態にある。これによってポンプが偶発的に逆回転することにより生じる全ての不所望の結果は回避される。

当然ながらこのロータの構造は完全に左右対称であるので、このロータは、ステータが時計方向に回転するポンプあるいは反時計方向に回転するポンプ、またあるいは双方向に回転するポンプを対象として構成されているものであっても、それらの事実に一切関わりなくいずれのステータにおいても使用することができる。

上述の定義に基づくロータリー・ポンプは、好ましくは以下に述べる特徴の内の１つ又は複数を含む：
‐ロータのベーン支持部分の各半部シェルの全ての吸入通路は、この半部シェルの軸方向に沿った中心近傍に位置し、ベーン支持壁に向かって周方向に延在し、内側に一方向弁の内の１つを支承するための弁座を形成する。このような形態を採ることによって不用な空間が解消される。
‐これらの一方向弁は弾性板バネによって各半部シェル内に形成され、この弾性板バネはその中心近傍が支承されており、その両端部近傍に半部シェルのための２つの一方向弁を形成する。
‐各半部シェルの中空空間内には、弁を形成するこの弾性板バネを位置決めし、一体化させ、また押圧して予張力を付与するのに適した構造体が設けられる。
‐またあるいはこれらの一方向弁が半部シェルの周方向に沿った中心近傍で軸支される２つのプレート弁によって各半部シェル内に形成され、この２つのプレート弁には揺動中心に対してプレート弁とは反対側に位置する部分的カウンターウェイトがそれぞれ設けられている。
‐カウンターウェイトが設けられたプレート弁の全ての素子は形状が同一であり、半部シェル内での組み付け位置のみが異なる。
‐各半部シェルの中空空間内には弁の開きを制限するのに適した構造体が設けられる。
‐ロータのベーン支持部分の各平行壁には、そのベーンに面する表面上に、対応する半部シェルの中空空間に通じる潤滑用通路が設けられている。
‐ロータ支持部分は、そのベーン支持部分とは反対の側に、ポンプとこのポンプを駆動させる軸との間の同軸ズレを補償するための中間駆動素子用の座を有している。
‐ステータに排出用接続部及び空気及びオイル用の弁が無い。
‐このステータはオイルを吸入チャンバ内に供給するための通路を有しており、これによってポンプの取り付けがより簡略化される。
‐オイル供給用のこの通路に最低圧の弁が設けられる。
‐このステータはガイド機能を有さないプレーン・カバーを含む。
本発明の主題のこれらの又はその他の特徴、目的及び利点は、以下に述べるいくつかの好ましい、しかし限定的ではない実施の形態から、また添付図面を検討することによってより明確に理解されるであろう。

本発明の第１の実施の形態によるポンプを形成する構成部品を示す分解斜視図である。 図１の構成部品により形成されたポンプを示す断面図である。 ロータのベーン支持部分とその部分的断面を示す拡大図である。 図２の破線ＩＶ−ＩＶ方向に沿って見た縦断面を示す図である。 図２の破線Ｖ−Ｖ方向に沿って見た縦断面を示す図である。 弾性板バネの軸方向及び半径方向の位置をベーン支持部分内側から見た詳細図である。 本発明の第２の実施の形態によるロータのベーン支持部分を示す拡大断面図である。

以下の説明においては、該ポンプを、その実施の形態において自動車用の真空ポンプとして述べるが、本技術分野の当業者であれば、このポンプをそれ以外の用途に適用するために必要な特定の改変法をも容易に想起し得るであろう。

図１は本発明によるポンプを形成する構成部品を示す分解斜視図であり、この図において、ステータ１、ロータ２、ベーン３、２つの弾性板バネ６及び６ａ、オプション弁１４、２つの中間駆動素子２４及び２５、カバー２６、このカバー２６を固定するための３つのネジ２７、フィルタ２８、２つの密封パッキング２９及び３０、一方向弁を含む吸入用ユニット３１を詳しく観察することができる。

図２、及び図３に示すロータの詳細図を参照すると、ステータ１は、内周壁１１０により形成されるチャンバＶと、吸入口３１から吸入チャンバＡまで延在し、吸入用一方向弁３１’を備えた吸入用通路３２とを含む。このチャンバＶ内には、このチャンバＶに対して偏心し軸Ｘを中心として回転するように配置されたロータのベーン支持部分２が格納される。このロータのベーン支持部分２はチャンバＶのこの内周壁１１０の一領域と角度βで接しており、また径方向隙間を形成し、このベーン支持部分２を２つの半部シェル４及び４ａに分割する２つの平行壁５及び５ａを含む。少なくとも１つのベーン３がベーン支持部分２のこの径方向隙間に摺動可能に取り付けられ、そしてその両端部はチャンバＶの内周壁１１０と接しており、このチャンバ内に吸入チャンバＡと圧縮及び吐出チャンバＳとを形成する。ロータのベーン支持部分２の各半部シェル４及び４ａは中空であり、そしてその各端部に、ベーン支持部分２の表面上に開口し、対応する半部シェル４，４ａの中空空間に連通する（周方向に沿っているように見える）径方向吸入通路７，８，９，１０をそれぞれ有している。これら各吸入通路７〜１０は、ベーン支持部分２の外部からその対応する半部シェルの中空空間への流入を可能にするよう配置された一方向弁によって制御される。各半部シェル４及び４ａは、ベーン支持部分２の一端に吐出口１２，１３を有している。

これら吸入通路７〜１０は、ベーン３のための空間を形成する壁５及び５ａの端部１８及び１８ａに向かって徐々に幅を狭めつつ延在する。このように構成することにより不用な空間を完全に解消することができる。

この実施の形態において、各半部シェル４，４ａの２つの一方向弁は、対応する半部シェル上に形成された保持及び支持素子１９，２２によって図に示す配置を構成する弾性板バネ６，６ａによって形成され、弁座を形成する構造体１７，１７ａに支承され通路７〜１０を塞ぐ。半部シェルの突起部２０は板バネ６，６ａの上昇能力を制限し、その過度の変形を防ぐ。各弾性板バネを軸方向及び径方向に位置決めするための好ましい手段を図６に示す。これはこの手段を内側から眺めた図である。

ロータ２が矢印Ｒの方向、つまり逆時計方向に回転すると、ベーン３が摺動して吸入チャンバＡの容積が増大し、それによって通路３２を通じて流体が吸入され、同時にこのベーン３の摺動により圧縮チャンバＳの容積が減少する。この容積の減少により圧縮チャンバＳ内の圧力が上昇し、圧縮チャンバＳ内に存在する流体が吸入通路１０を塞いでいる一方向吸入弁を押し上げ、半部シェル４ａの中空空間へと流入する。そこからこの流体は吐出口１３を通過し、ポンプ外へと排出される。

当然ながらロータ２が半回転した後、半部シェル４及び４ａは、その全ての構成部品と共にそれらの位置及び動作を逆転させる。上に述べた動作はこのポンプの通常の動作である。

もし一方でこのポンプが反対方向に回転、つまりロータ２が矢印Ｒとは逆方向に回転する場合、吸入チャンバＡ内の空間が圧縮されることになり、これが従来の技術に基づいて行われる場合は深刻な結果をもたらすことであろう。しかし本発明によるポンプであれば、吸入チャンバＡ内で圧縮された流体は、吸入通路９を塞ぐ一方向吸入弁を押し上げ、半部シェル４ａの中空空間へと流入することが可能である。そこからこの流体は吐出口１３を通過し、不所望の結果を生じさせることなくポンプ外へと排出される。従って本発明によるポンプは偶発的に逆回転した場合であっても損傷を被ることがない。

エンジン潤滑系からフィルタを備えた接続部２８（図５）を通じて流入するオイルは、通路Ｉを通じ、チャンバＶ、好ましくは吸入チャンバＡ内へと導入される。このオイルは相互間の動作に曝される部品の潤滑油となり、空気圧の封止性を高める。このオイルはチャンバＶ内に存在する空気と共にオイルと空気との混合物を形成し、圧縮ステップの過程で、通路１０を通じて半部シェル４ａの中空空間へと流入する。この混合物のオイル成分は、その一部が小孔３５又はスクラッチ３６を通じて、微粒子状にチャンバＶ及び吸入チャンバＡへと排出され、また開口１６及び１６ａを通じてダクト１５及び１５ａ内に流入し、ベーン３とガイド壁５及び５ａとの間の接触域３３を潤滑する。回転中、この空気及びオイルの混合物には遠心力が作用して部分的に分離され、これによってオイルから空気が部分的に分離され吐出口１３を通じて半部シェル４ａの中空空間から排出される。半部シェル４ａの外周域には潤滑孔３４が設けられており、遠心力によってオイルがここに集中し、この孔を通じてこのオイルは半部シェルがロータの径方向ガイドと接続する領域内に誘導されてこの領域を潤滑し、また空気圧の封止性を高める。

ここで図４及び５を参照すると、吐出口１２及び１３を通じて排出される空気が一方向弁１４を横切って移動するのを観察することができる。この弁はオプションの素子であり必須のものではないが保護機能を付加するために有効であり、ゴムなどの可撓性の材料により形成することができる。続いてこの空気は中間駆動素子２４及び２５が配置された領域を通じて排出される。この領域は吐出通路及び接続部を形成し、ここからまだ部分的にオイルと混合した状態の空気がエンジン内又はダクトへと誘導され、オイルが回収される。

観察されるように、本発明によるポンプにおいては、潤滑流体は有効に利用され、障害や逆流などの不具合を生じさせることなく流出することができ、これによりポンプによって吸収されてしまう回転力を減少させることができる。また構成部品に加わる圧力が減少することから、重量やコストなどの面においてより有利なポンプを設計することが可能となる。特に、吸入チャンバ内に分散されまた圧力の低下により微粒化された潤滑流体は、ベーンとステータ壁との接触を潤滑し、ロータ内に流入した後は、ロータとカバーとの接触面と、ベーンとロータのベーン支持部分との間の摺動接触面と、ロータ・ガイドと、中間駆動素子とを潤滑する。また一方で遠心力の作用により空気からオイルが部分的に分離され、オイルの大部分の再循環が可能となるため、従来のポンプに比べ、必要とされる潤滑オイルの量を減少させることができる。

図７は、図３に示す上述のロータを変形した一実施の形態を示す。この実施の形態において、半部シェル４及び４ａの吸入通路７〜１０を制御する一方向弁は、半部シェル４又は４ａの長手方向の中心に位置する軸４０上に軸支されるプレート部材４１によって形成され、通路７〜１０と連携してこれらの通路を制御する。各プレート弁４１は軸４０の反対側へと延伸し、軸４０に対する慣性モーメントがプレート弁４１の同軸に対する慣性モーメントよりも小さい構造体４２を形成する。それ故、プレート弁４１上に作用する遠心力は構造体４２上に作用する遠心力によって部分的に補償され、これにより部分的カウンターウェイトが形成される。いずれにせよ、プレート弁４１は遠心力により押圧されて通路７〜１０を塞ぐ。しかし適切な寸法で設計されたカウンターウェイト４２が存在することで、一方向弁として機能するプレート素子４１の閉塞力を適度に制限することが可能となる。図７においては、通路７、８、１０に対応する一方向弁が通路を塞いだ状態で示され、一方通路９に対応する一方向弁は開かれた状態で示される。この状態で、流体は矢印Ｆが示すように通路９を通じて半部シェル４ａ内に流入する。

適切に設計することによって、全ての弁素子４１，４２に同一の形状を割り当てることもでき、これによれば単一の構成部品をさえ製造すればよく、これらを異なる組み付け位置に取り付け、ポンプの全ての弁を形成することが可能となる。

なお設計者の選択によりこれらの弁を異なる形状に設計することも可能であること、また上に述べあるいは図に示した全ての内容は限定的な意味合いを持つものではなく、本発明の精神から逸脱せず、本明細書添付の請求項に規定する範囲に該当する設計において種々の変更が可能であることが理解されなければならない。

Claims (13)

1. ステータ（１）を含むタイプのロータリー・ポンプであって、
   前記ステータ（１）内が、周壁（１１０）によってチャンバ（Ｖ）が形成され、また吸入口（３１）、吐出通路、及び前記吸入口（３１）から前記チャンバ（Ｖ）へと延伸する吸入通路（３２）が形成され、前記チャンバ（Ｖ）内には前記チャンバ（Ｖ）に対して偏心した軸（Ｘ）を中心に回転することができるようにロータ（２）が取り付けられ、前記ロータは支持部分（２’）、ベーン支持部分（２）及び前記ロータを駆動して回転させるための機械結合手段（２４，２５）を有しており、前記ロータの前記ベーン支持部分（２）は前記チャンバ（Ｖ）の前記周壁（１１０）の一領域と角度（β）で接しており、前記ロータの前記ベーン支持部分（２）は、径方向隙間を形成し、また前記ベーン支持部分（２）を２つの半部シェル（４，４ａ）に分割する２つの平行壁（２，２ａ）を有しており、そして少なくとも１つのベーン（３）が、前記ベーン支持部分（２）の前記径方向隙間に摺動可能なように、また前記チャンバの前記周壁（１１０）にその両端部を接した状態で取り付けられる、ことによって構成されるロータリー・ポンプにおいて：
   ‐前記ロータの前記ベーン支持部分（２）の各半部シェル（４，４ａ）は中空であり；
   ‐各半部シェル（４，４ａ）はその周方向の各端部に、前記ベーン支持部分（２）の表面上に開口し、前記半部シェル（４，４ａ）の前記中空空間へと通じる径方向吸入通路開口部（７，８，９，１０）を有しており；
   ‐前記半部シェルの前記各吸入通路（７，８，９，１０）は、前記ベーン支持部分（２）の外部から前記半部シェル（４，４ａ）の前記中空空間への流入を可能にするように配置された一方向弁（６，６ａ；４１）によって制御され；
   ‐そして各半部シェル（４，４ａ）は、前記支持部分（２’）に面する前記ベーン支持部分（２）の端部に吐出口（１２，１３）を有していることを特徴とするロータリー・ポンプ。
2. 前記ロータのベーン支持部分（２）の各半部シェル（４，４ａ）の各吸入通路（７，８，９，１０）は、半部シェルの軸方向に沿った中心部近傍に位置し、ベーン支持壁（５，５ａ）へ向かって周方向に延在し、前記一方向弁のうちの１つのための座をその内側に形成することを特徴とする請求項１に記載のロータリー・ポンプ。
3. 前記一方向弁（６，６ａ）は、各半部シェル（４，４ａ）内に、その中心部近傍で支承され、またその両端部において前記半部シェル（４，４ａ）のための前記２つの一方向弁を形成する弾性バネ（６，６ａ）によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のロータリー・ポンプ。
4. 各半部シェル（４，４ａ）の前記中空空間内に、前記弁を形成する前記弾性板バネ（６，６ａ）を位置決めし、一体化させ、また押圧して予張力を付与するのに適した構造体（１９，２１，２２）が設けられることを特徴とする請求項３に記載のロータリー・ポンプ。
5. 前記一方向弁が、各半部シェル（４，４ａ）内に、前記半部シェル（４，４ａ）の長手方向の中心部（４０）近傍で軸支された２つのプレート弁（４１）によって形成され、各プレート弁（４１）には、前記揺動中心部（４０）に対して前記プレート弁（４１）とは反対側に位置する部分的カウンターウェイト（４２）が設けられることを特徴とする請求項１に記載のロータリー・ポンプ。
6. 各プレート弁（４１）を形成する素子及びそのカウンターウェイト（４２）が全て同一の形状であり、それらの前記半部シェル（４，４ａ）内での組み付け位置のみが異なることを特徴とする請求項５に記載のロータリー・ポンプ。
7. 各半部シェル（４，４ａ）の前記中空空間内に、前記弁の開口を制限するのに適した構造体（２０）が設けられることを特徴とする請求項３又は５に記載のロータリー・ポンプ。
8. 前記ロータのベーン支持部分（２）の前記各平行壁（５，５ａ）は、前記ベーン（３）に面する表面（３３）上に、対応する前記半部シェル（４，４ａ）の前記中空空間に通じる潤滑用通路（１５，１５ａ）が設けられることを特徴とする請求項１に記載のロータリー・ポンプ。
9. 前記ロータ支持部分（２’）が、そのベーン支持部分（２）とは反対の側に、前記ポンプと前記ポンプを駆動する軸との間の同軸ズレを補償する中間駆動素子（２４，２５）用の座を有していることを特徴とする請求項１に記載のロータリー・ポンプ。
10. 前記ステータ（１）が、接続部と、空気及びオイルを排出するための弁とを有していないことを特徴とする請求項１に記載のロータリー・ポンプ。
11. 前記ステータ（１）が、オイルを前記吸入チャンバ（Ａ）内に供給するための通路（Ｉ）を有していることを特徴とする請求項１に記載のロータリー・ポンプ。
12. オイルを供給するための前記通路（Ｉ）に最低圧の弁が設けられることを特徴とする請求項１１に記載のロータリー・ポンプ。
13. 前記ステータ（１）が、ガイド機能を有さない平面カバー（２６）を含むことを特徴とする請求項１に記載のロータリー・ポンプ。

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