JP2015059572A - ベーンポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】低摩耗性と低ノイズ性を備え、ポンプ室容積を最大化するベーンポンプを提供する。
【解決手段】ローター（１２）の回転軸（１３）を中心とする径（ｒ）が最少径（ｒ_ｍｉｎ）と最大径（ｒ_ｍａｘ）との間で変化する内側輪郭（１４）を有するカムリング（１１）を備え、ローターに設けられた羽根部材（１６）がカムリング内側輪郭に摺動してポンプ室（１５’）を制限するように構成されたベーンポンプ（１）において、内側輪郭の径が関数：ｒ＝ｒ_０＋ａ・ｓｉｎ（ｎ・φ）により定められることを特徴とする。ここで、ｒ_０＝（ｒ_ｍａｘ＋ｒ_ｍｉｎ）／２、ａ＝（ｒ_ｍａｘ−ｒ_ｍｉｎ）／２、φ＝ローター（１２）の回転方向における最少径（ｒ_ｍｉｎ）と最大径（ｒ_ｍａｘ）の間の角度、ｎはポンプ室を有するリフトセクション数である。この内側輪郭は、従来技術による楕円形状の内側輪郭（２１）より外側に軌跡を描く。
【選択図】図２

Description

本発明は、カムリングが内部に構築または設置されたポンプハウジングを有するベーンポンプに関する。カムリング内で回転軸を中心としてローターが回転可能である。カムリングは回転軸を中心とする径方向において最少径と最大径との間で変化する径を有する内側輪郭を有する。内側輪郭とローターとの間の径方向ギャップ内にポンプ室を有するリフトセクションが所定数設けられて、いわゆるベーンセル（vane cells）を形成する。ローターに設けられた羽根部材がカムリングの内側輪郭に摺動してポンプ室を制限するように構成されている。

ドイツ特許公開第102004002076号公報によれば、ポンプハウジングを備えたベーンポンプが公知であり、ポンプハウジング内にカムリングが設置されている。カムリング内にローターが配置されて、回転軸を中心として回転可能である。ローターが回転軸を中心として回転すると、ローター上の羽根部材がカムリングの内側輪郭に沿って摺動する。このようにして各々が幾つかのポンプ室を備えたリフトセクションが形成され、これらポンプ室が径方向において羽根部材によって制限される。

カムリングは、ポンプハウジング内を移動して、ローターに対する同心的配置関係から外れるように移動可能であり、これにより可変容積を有するリフトセクションが形成され、羽根部材を有するローターが回転するようにセットされると、各ポンプ室を形成するために羽根部材によって周方向に分割された各リフトセクションの容積が増減する。このポンプ室容積の増減により、吸入接続構造に接続された吸込口から流体が吸入され、吸入された流体はローターの回転角度によるポンプ室の容積減少に伴って圧縮された後に吐出口へと流れ、吐出口から吐出されるときに再度圧縮されてポンプ室から吐出される。カムリングは回転軸から偏心して設けられるが、この従来技術におけるカムリングは円形の内側輪郭を有している。

イギリス特許公開第4303115号公報には、カムリングの内側輪郭とローターとの間に展開する幾つかのリフトセクションを有するベーンポンプが示されている。カムリングの内側輪郭は幾つかの屈曲形状を有し、その中には円筒形状に似た輪郭が包含される。周方向に分散して６つのリフトセクションが、スプリング装填羽根部材の端部で被覆されるように形成されている。

ドイツ特許公開第4303115号公報には、回転軸を中心としてローターがカムリング内を回転可能であるベーンポンプの他の実施形態が示されており、ここではカムリングが楕円形の内側輪郭を有し、羽根部材の外側端がこの楕円形内側輪郭に沿って摺動する。羽根部材はローターに設けられてローターと共に回転するので、リフトセクションの外側リミットを形成する楕円形状構造により、円筒形状を有するカムリング内側輪郭として形成されるリフトセクションよりも大容量のポンプ室が生成される。

楕円形状の輪郭はベーンポンプは不利なことにベーンポンプに大きな摩耗を与えるので、これに手当するためにポンプ室の容積をより大きく形成しなければならない。円筒形状のカムリング内側輪郭を用いてポンプ室を形成する場合は、摩耗が小さくて済むが、比較的小さなポンプ室容量しか形成することができない。したがって、ベーンポンプの摩耗を増大させることなしに、ポンプ室の容積を増大させることが望まれる。

ローター外側輪郭上のリフトセクションの径方向高さが高ければ高いほど、羽根部材が内側輪郭に沿って摺動することによる往復移動の振幅が増大する。この加速的挙動は摩耗を増大させるだけでなく、騒音をも増大させる。したがって、さらに望まれることは、羽根部材がローター内側輪郭に沿って摺動する際の騒音発生を最小限に抑えるために最適な構造を提供することである。

本発明の課題は、低摩耗性と低ノイズ性を備え、ポンプ室容積を最大限に増大させたベーンポンプを提供することである。特に、車両においてブレーキ力をブーストするブレーキブースターないし制動倍力装置として使用するに適したベーンポンプを提供することである。

この課題は、特許請求の範囲の請求項１の前提部分に記載の構成を有するベーンポンプにおいてその特徴部分に記載の構成を備えることによって達成される。従属請求項には本発明の好適な実施形態が記載されている。

本発明は、回転軸からの内側輪郭の径が関数：ｒ＝ｒ_０＋ａ・ｓｉｎ（ｎ・φ）により定められるという技術的教示を含む。ここで、ｒ_０＝（ｒ_ｍａｘ＋ｒ_ｍｉｎ）／２、ａ＝（ｒ_ｍａｘ−ｒ_ｍｉｎ）／２、および、φ＝ローターの回転方向における最少径（ｒ_ｍｉｎ）と最大径（ｒ_ｍａｘ）の間の角度である。

本発明により内側輪郭を形成するための円筒座標として規定される関数を用いることにより、羽根部材の加速的挙動が、カムリングの内側輪郭を楕円形状にした場合と比較して改善し、低摩耗性および低ノイズ性の要求を実現する。本発明による関数を用いて内側輪郭を形成すれば、楕円方程式によるカムリング内側輪郭によって与えられる回転軸からの径よりも大きな径でリフトセクションのための内側輪郭を形成することができる。この径が大きいことにより、羽根部材の外側端がカムリング内側輪郭に当接する可変接触の挙動に、楕円形状内側輪郭の場合より有利な改善を与え、摩耗を最小化する。羽根部材の加速ピークの扁平化はベーンポンプの運転に有利な改善を与える。

内側輪郭を形成するための本発明による関数は、回転軸からの径によって定義され、この径は平均径に関する三角関数で振幅変化する。リフトセクション数ｎはｎ＝２、ｎ＝３またはｎ＞３の自然数から選択される。リフトセクション数ｎがたとえば１として定義されるとすると、この関数はｒ＝Ｒ０・ａ・ｓｉｎ（φ）となる。

カムリング内側輪郭を形成するための本発明による径の関数は円筒座標として定義されるので、本発明は、筒座標に近似する直交座標（デカルト座標）として定義される内側輪郭記述関数に拡張することができる。

下位短軸からの内側輪郭径は、リフトセクション数ｎ＝２であるときに、φ＝３６０度の角度範囲において４回、円筒形状のカムリング内側輪郭と一致する。楕円形状の内側輪郭は、関数：ｒ＝（ｒ_ｍｉｎ＋ｒ_ｍａｚ）／｛（ｒ_ｍｉｎ ^２−（ｓｉｎ（φ））^２＋ｒ_ｍａｚ ^２−（ｃｏｓ（φ））^２で記述することができる。ここで、ｒ_ｍｉｎは楕円の長軸の長さ、ｒ_ｍａｚは楕円の短軸の長さを示す。

本発明のベーンポンプは特に自動車用ブレーキブースターに好適に用いられ、ローターは、１，０００〜１０，０００ｒｐｍ、好ましくは３，０００〜８，０００ｒｐｍ、特に好ましくは６，０００ｒｐｍの回転速度で回転するものとすることができる。本発明のベーンポンプは好ましくはローターを駆動する電気モーターを有する。

ポンプハウジングと、内部でローターが回転し外部に羽根部材が設けられるカムリングとを備えたベーンポンプの断面図である。 図１中のＡ部詳細図である。 リフトセクション数ｎがｎ＝２である場合の本発明による内側輪郭を楕円形状近似の内側輪郭と対比して示す図である。 リフトセクション数ｎがｎ＝３である場合の本発明による内側輪郭を楕円形状近似の内側輪郭と対比して示す図である。

図１はポンプハウジング１０を備えたベーンポンプ１の断面図である。内側輪郭１４を有するカムリング１１がポンプハウジング１０内に設けられる。ローター１２がカムリング１１内で回転軸１３を中心として回転可能に設けられる。ローター１２上には複数の羽根部材１６が設けられ、ローター１２が回転軸１３を中心として回転するとき、これら羽根部材１６の外側端面が内側輪郭１４に沿って摺動する。内側輪郭１４は、２つのリフトセクション１５がポンプ室１５’と共に構成され、これらリフトセクション１５が径方向において正対する位置に対向配置されて、ポンプ室１５’がいわゆるベーンセル（vane cells）を形成するように設けられる。ポンプ室１５’の容積は羽根部材１６によって制限され、したがって幾つかのポンプ室１５’は一つのリフトセクション１５の容積から形成される。第一のリフトセクション１５に吸込口１７が開口し、対向する第二のリフトセクション１５には圧力口１８が開口しており、吸込口１７は吸入接続構造１９に通気接続される。ローター１２を駆動する電気モーターが用いられ、詳細には示されていないがポンプハウジング１０の内側またはその上に配置されて、電気接続手段２０により電気エネルギーを用いて運転可能である。

内側輪郭１４は最少径ｒ_ｍｉｎと最大径ｒ_ｍａｘとの間で変化し、一例として、最大径ｒ_ｍａｘは１２時位置で得られ、最少径ｒ_ｍｉｎは３時位置で得られる。したがって、この場合の最大径ｒ_ｍａｘと最少径ｒ_ｍｉｎとの間の角度φは９０度（０＜φ＜１８０）である。

図２は図１中のＡ部詳細図であり、カムリング１１の内側輪郭１４が約９０度の角度範囲に亘って示されている。ここでの径ｒは、０度位置で最少径ｒ_ｍｉｎ、９０度位置で最大径ｒ_ｍａｘを有するものとして示されている。この内側輪郭１４は、本発明による関数：ｒ＝ｒ_０＋ａ・ｓｉｎ（ｎ・φ）として定義される。比較のために、楕円の数学方程式による内側輪郭２１が点線で示されている。図示されるように、本発明による内側輪郭１４は、楕円方程式によって形成される内側輪郭２１と比べて、ローター回転軸１３に対してより外側に描かれている。ローター１２が回転軸１３を中心として回転すると、羽根部材１６の外側端が内側輪郭１４に沿って摺動する。内側輪郭１４は、楕円方程式による内側輪郭２１より大きな弧を描くように形成されるので、楕円方程式による内側輪郭２１の場合と比べて、ポンプ室１５’を有するリフトセクション１５の容積が増大し、羽根部材１６が、ローター１２の反時計方向回転に伴って、最少径ｒ_ｍｉｎ位置から徐々に大径となる方向に移動し、ローター１２の羽根収容溝２２から外側に突出していく。これにより、羽根部材１６のリフト移動が調和的でスムーズな動きとなり、羽根部材１６はその外側端において常に同一の頂点で内側輪郭１４と接触するのではなく、ローター１２の回転につれて羽部材１６が異なる角度位置を取るときには異なる頂点位置で内側輪郭１４と接触することになるので、摩耗を軽減させるように働く。

内側輪郭１４は、回転軸１３に対して、楕円方程式による内側輪郭２１より外側に軌跡を描くので、羽根部材１６は、羽根部材１６を内側輪郭１４に押し付けようとする遠心力に抗して、最少径ｒ_ｍｉｎと位置の羽根部材１６が最大径ｒ_ｍａｘまで移動することによって径方向内側に向かう力が与えられる。したがって、このことによっても摩耗を軽減する作用が実現する。

図３は、リフトセクション１５の数ｎがｎ＝２である場合の本発明による内側輪郭１４を楕円方程式による内側輪郭２１と対比して示す図であり、図４は、リフトセクション数ｎ＝３の場合の本発明による内側輪郭１４を楕円方程式による内側輪郭２１と対比して示す図である。

本発明は上述の実施例で示した設計に限定されるのものではなく、設計が異なっても、本願の特許請求の範囲に記載される発明の範囲内にある限りにおいて幅広く変形して実施可能である。本願の特許請求の範囲、明細書および図面の記載から導かれる特徴および／または利点のすべては、それ自体として、あるいは異なる組み合わせにおいて、本発明に関連するものと理解すべきである。

１ ベーンポンプ
１０ ポンプハウジング
１１ カムリング
１２ ローター
１３ 回転軸
１４ 内側輪郭
１５ リフトセクション
１５’ ポンプ室
１６ 羽根部材
１７ 吸込口
１８ 圧力口
１９ 吸入接続構造
２０ 電気接続手段
２１ 楕円方程式による内側輪郭
２２ 羽根収容溝
ｎ リフトセクション数
ｒ_ｍｉｎ 最少径
ｒ_ｍａｘ 最大径

Claims (7)

1. カムリング（１１）が内設されたポンプハウジング（１０）を有し、カムリング（１１）内で回転軸（１３）を中心としてローター（１２）が回転可能であり、カムリング（１１）は回転軸（１３）を中心とする径方向において最少径（ｒ_ｍｉｎ）と最大径（ｒ_ｍａｘ）との間で変化する径（ｒ）を有する内側輪郭（１４）を有し、内側輪郭（１４）とローター（１２）との間の径方向ギャップ内に数（ｎ）のポンプ室（１５’）を有するリフトセクション（１５）が設けられ、ローター（１２）に設けられた羽根部材（１６）がカムリング（１１）の内側輪郭（１４）に摺動してポンプ室（１５’）を制限するように構成されたベーンポンプ（１）において、回転軸（１３）からの内側輪郭（１４）の径（ｒ）が関数：ｒ＝ｒ_０＋ａ・ｓｉｎ（ｎ・φ）により定められることを特徴とするベーンポンプ、ただし、ｒ_０＝（ｒ_ｍａｘ＋ｒ_ｍｉｎ）／２、ａ＝（ｒ_ｍａｘ−ｒ_ｍｉｎ）／２、および、φ＝ローター（１２）の回転方向における最少径（ｒ_ｍｉｎ）と最大径（ｒ_ｍａｘ）の間の角度。
2. リフトセクション（１３）を形成するため、前記内側輪郭（１４）の回転軸（１３）からの径（ｒ）が、楕円方程式によるカムリング（１１）の内側輪郭（２１）により形成される径より大きい、請求項１記載のベーンポンプ。
3. 前記内側輪郭（１４）の回転軸（１３）からの径（ｒ）が、平均径（ｒ₀）に関連する三角関数によって定義される振幅で変化する、請求項１または２記載のベーンポンプ。
4. 前記リフトセクション数（ｎ）がｎ＝２、ｎ＝３またはｎ＞３である。請求項１ないし３のいずれか記載のベーンポンプ。
5. 前記ローター（１２）が１，０００〜１０，０００ｒｐｍ、好ましくは３，０００〜８，０００ｒｐｍ、特に好ましくは６，０００ｒｐｍの回転速度で回転する、請求項１ないし４のいずれか記載のベーンポンプ。
6. 前記リフトセクション数（ｎ）がｎ＝２であるときに、内側輪郭（１４）の回転軸（１３）からの径（ｒ）が、３６０度の角度範囲において、カムリング（１１）の楕円内側輪郭（２１）の径と４回一致する、請求項１ないし5のいずれか記載のベーンポンプ。
7. 自動車用ブレーキブースターに用いられる、請求項１ないし６のいずれか記載のベーンポンプ。