JP2019039315A - 内接歯車式ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】低トルク化の要求とポンプ効率向上の要求を併せて満たし得る内接歯車式ポンプを実現して提供することを目的とする。【解決手段】歯数がｎのインナーロータと歯数がｎ＋１のアウターロータからなるポンプロータをポンプケースに組み込んだ内接歯車式ポンプを、前記ポンプロータの外径をＤ、そのポンプロータの全長をＬとして、Ｄ／Ｌ≧５．０の条件を満たすものにした。【選択図】図２

Description

本発明は、歯数差が１枚のインナーロータとアウターロータからなるポンプロータを備えた内接歯車式ポンプ、詳しくは、低回転域での使用において、高いポンプ効率が発揮される内接歯車式ポンプに関する。

車両に搭載される内接歯車式ポンプは、年々高まってきている燃費向上の要求に応えるために、駆動トルクの低減（低トルク化）を目的にポンプロータを小径化する傾向にある。

歯形の工夫による低トルク化には限界があることから、歯形の工夫で低トルク化の目的が達成できない場合には、ポンプロータの全長を増加させてでもロータ径を縮小することが行われている。

ここで、下記特許文献１には、インナーロータの歯底円の外周側に形成される外歯の面積とアウターロータの歯底円の内周側に形成される内歯の面積の比を適切に設定することで、小型化と高性能化を実現した内接歯車式ポンプが示されている。

しかしながら、特許文献１に示されたその内接歯車式ポンプも、駆動トルク低減の要求度合によっては、ロータ径の更なる縮小のためにポンプロータの全長を増加させることが考えられる。

特許第３９１７０２６号公報 実公平０６−０３９１０９号公報

内接歯車式ポンプは、使用するポンプロータの全長が長くなるほどポンプ効率が低下する。

そのポンプ効率（ポンプの全効率）は、インナーロータとアウターロータ間に形成されるポンピングチャンバ（以下では単にチャンバと言う）の容積効率と機械効率の積で表される。ここに、
ポンプ効率（％）＝容積効率（％）×機械効率（％）÷１００
容積効率（％）＝実吐出量÷理論吐出量（Ｖ_ＴＨ）×１００
機械効率（％）＝（理論吐出量×吐出圧）÷（２π×駆動トルク）×１００

そのポンプ効率を決定する前記２要素のうち、機械効率はポンプロータが回転する時の摺動抵抗に左右される。その摺動抵抗は、ポンプロータの外径を縮小して摺動面の面積を減少させると小さくなるが、ポンプロータの外径が小さくなるにつれてポンプの理論吐出量も小さくなる。

そこで、ポンプロータの全長を増加させて吐出量の低下を補っているが、この方法を採ると、ポンプロータの全長が増加した分、チップクリアランスの形成領域が広がる。

その結果、ポンプロータの外径縮小による駆動トルク低減によって機械効率は向上するが、チップクリアランス部からの液洩れ量が多くなって容積効率が大きく低下し、これにより、機械効率の向上による効果が打ち消されてポンプ効率が低下する。

前記チップクリアランスは、インナーロータとアウターロータが理論偏心位置にあるときに、最大体積チャンバを仕切る位置の歯間隙間である。

そこで、本発明は、低トルク化の要求とポンプ効率向上の要求を併せて満たし得る内接歯車式ポンプを実現して提供することを目的とする。

上記の課題の解決策として提供する本発明の一態様にかかる内接歯車式ポンプは、歯数がｎのインナーロータと歯数がｎ＋１のアウターロータからなるポンプロータをポンプケースに組み込んだものであって、前記ポンプロータの外径をＤ、そのポンプロータの全長をＬとして、Ｄ／Ｌ≧５．０の条件を満たすものである。

本発明の内接歯車式ポンプは、低回転域で高いポンプ効率を発揮する。また、低回転域で使用することで低トルク化を併せて実現することができる。

本発明の内接歯車式ポンプの一態様を示す分解斜視図である。 図１の内接歯車式ポンプを、ポンプケースの蓋を外した状態にして示す端面図である。 図１の内接歯車式ポンプの縦断面図である。

［本発明の実施形態の説明］
本発明の一態様にかかる内接歯車式ポンプは、歯数がｎのインナーロータと歯数がｎ＋１のアウターロータからなるポンプロータを備えている。そのポンプロータは、自己の直径Ｄと全長Ｌの比がＤ／Ｌ≧５．０となっており、そのポンプロータをポンプケースに組み込んでポンプが構成されている。

ポンプケースは、ロータ収納室を有するケース本体と前記ロータ収納室の入口を塞ぐ蓋を組み合わせた周知の構造のケースである。

ケース本体は、吸入ポートと吐出ポートを有する。その吸入ポートと吐出ポートは、ポンプロータの側面と向き合う前記ロータ収納室の端面に開口している。

インナーロータとアウターロータ間に形成されるチャンバはポンプロータの回転に伴って容積が増減し、その増減によってポンプで汲み上げる流体のチャンバへの吸入、チャンバからの吐出がなされる。

ポンプロータの歯形は、トロコイド曲線を用いた歯形やサイクロイド曲線を用いた歯形、或いは前記特許文献２に示された歯形など、多くの歯形が知られており、その既知の歯形を任意に選択して採用することができ、特定の歯形に限定されない。

いずれの歯形を採用する場合も、アウターロータは、組み合わせ相手のインナーロータを特許文献２に開示された方法で回転させて得られるインナーロータ歯形曲線群の包絡線で創成された歯形を有するものがロータ回転中の歯間隙間の変動を小さく抑えることができて好ましい。

本発明の一態様にかかる内接歯車式ポンプは、ポンプロータの全長Ｌが、例えば直径Ｄ=φ５０ｍｍのロータの場合で１０ｍｍと極めて短い。

このため、ポンプロータの全長を長くしてポンプロータの外径を小さくした従来の内接歯車式ポンプと同じ理論吐出量を確保しようとすると、ポンプロータ外径を大きくせざるを得ず、これにより、ポンプの機械効率が低下する。

しかしながら、ポンプロータの全長が短いことで、チップクリアランス部を通しての液洩れが減少し（理論上の液洩れ量は回転数によらず概ね一定）、容積効率が高まる。

３０００ｒｐｍ以下の低回転域では、その容積効率の向上幅がポンプロータの全長短縮による機械効率の低下幅よりも大きく、これにより、ポンプ効率が向上する。

また、ポンプの駆動トルクは回転数の増加に比例して増大するが、この発明のポンプは、３０００ｒｐｍ以下の低回転域で高いポンプ効率が発揮されるため、使用時の回転数を３０００ｒｐｍ以下に減少させて駆動トルクの低減（低トルク化）を図ることも可能になる。

使用時の回転数を３０００ｒｐｍ以下に減少させることで音と振動の低減効果（ＮＶ特性）も高まる。

この発明は、３０００ｒｐｍ以下の回転数で駆動されるポンプであれば、駆動源の種類を問わず、高効率化とＮＶ特性向上の効果を期待できるが、中でも、電動モータを駆動源とする電動オイルポンプに利用するのに特に適している。

電動オイルポンプの駆動源である電動モータは、回転数の制御が可能であり、回転数を３０００ｒｐｍ以下に下げることができる。

そのため、この発明を電動オイルポンプに適用すると、モータの小型化、磁石の使用数削減によるモータの低コスト化などに寄与できる。

なお、アイドリングストップ機能を有する車両においては、エンジンの始動直後における自動変速機（ＡＴ・ＣＶＴ）のクラッチ係合用の油圧を確保する目的でエンジンの停止中に作動させる電動オイルポンプが採用されている。

その用途の電動オイルポンプは、車両のバッテリーに蓄えられた電力で動かすため、消費電力が小さいことが要求される。従って、その用途の電動オイルポンプについては、消費電力低減のためにポンプロータの外径をφ５０ｍｍ以下にすると好ましい。

摺動面の面積が小さいほど摺動抵抗が小さくなるため、駆動トルクは小さくてよく、駆動用電力の消費が少なくて済む。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の一態様にかかる内接歯車式ポンプの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれ等の例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１〜図３に例示した内接歯車式ポンプ１は、車のバッテリーから供給される直流の電力で作動させる電動ポンプである。

この内接歯車式ポンプ１は、ポンプロータ２と、そのポンプロータを収納するポンプケース３と、ポンプロータ２を軸１０を介して回転駆動する電動式のモータ４とで構成されている。

ポンプロータ２は、歯数がｎ（ｎは２以上の整数）のインナーロータ２ｉと、歯数がｎ＋１のアウターロータ２ｏを組み合わせたものが用いられている。

例示のポンプロータは、パラコイドロータ（住友電工社商標）と称されるものであって、インナーロータ２ｉがトロコイド曲線を用いた歯形を有し、アウターロータは、インナーロータを前記特許文献２に示された方法で回転させて得られるインナーロータ歯形曲線群の包絡線で創成された歯形を有している。

また、ポンプケース３は、ケース本体５と蓋６を組み合わせたケースであって、ケース本体５は、ロータ収納室５ａと、各々がそのロータ収納室５ａの端面に開口した吸入ポート５ｂ及び吐出ポート５ｃを有する。蓋６は、ロータ収納室５ａの入口を塞ぐものである。

そのポンプケース３のロータ収納室５ａにポンプロータ２が組み込まれている。内接歯車式ポンプ１に採用されたポンプロータ２は、ロータ外径Ｄ（図２参照）と、ロータ全長Ｌ（図３参照）の比Ｄ／Ｌが５．０以上となっている。

Ｄ／Ｌが５．０以上の条件を満たすポンプロータの、ロータ外径Ｄとロータ全長Ｌの具体的な組み合わせの一例を以下に示す。

・２０ｍｍ≦Ｄ＜２５ｍｍ、Ｌ＝４ｍｍ以下 Ｄ／Ｌ≧５．０
・２５ｍｍ≦Ｄ＜３０ｍｍ、Ｌ＝５ｍｍ以下 Ｄ／Ｌ≧５．０
・３０ｍｍ≦Ｄ＜３５ｍｍ、Ｌ＝６ｍｍ以下 Ｄ／Ｌ≧５．０
・３５ｍｍ≦Ｄ＜４０ｍｍ、Ｌ＝７ｍｍ以下 Ｄ／Ｌ≧５．０
・４０ｍｍ≦Ｄ＜４５ｍｍ、Ｌ＝８ｍｍ以下 Ｄ／Ｌ≧５．０
・４５ｍｍ≦Ｄ＜５０ｍｍ、Ｌ＝９ｍｍ以下 Ｄ／Ｌ≧５．０

このように構成された内接歯車式ポンプ１は、３０００ｒｐｍ以下の低回転域で高いポンプ効率を発揮する。

また、回転数を３０００ｒｐｍ以下に減少させることで駆動トルクの低減やＮＶ特性の向上を図ることも可能になる。

−実施例１−
ロータ外径Ｄ＝φ４０ｍｍ、ロータ全長Ｌ＝４．５ｍｍ、Ｄ／Ｌ＝８．９のポンプロータ（パラコイドロータ：住友電工社商標）と、ロータ外径Ｄ＝φ２４．８ｍｍ、ロータ全長Ｌ＝１４ｍｍ、Ｄ／Ｌ＝１．８のポンプロータ（パラコイドロータ：住友電工社商標）を有するオイルポンプの性能シミュレーションを行った。

これ等のポンプの理論吐出量（Ｖ_ＴＨ）は以下の通りである。その理論吐出量は、どちらのポンプも同じである。
回転数５００ｒｐｍ時：０．６３ｃｍ^３／ｒｅｖ
回転数８００ｒｐｍ時：１．００ｃｍ^３／ｒｅｖ
回転数１０００ｒｐｍ時：１．２５ｃｍ^３／ｒｅｖ
回転数１５００ｒｐｍ時：１．８８ｃｍ^３／ｒｅｖ
回転数２０００ｒｐｍ時：２．５０ｃｍ^３／ｒｅｖ
回転数３０００ｒｐｍ時：３．７５ｃｍ^３／ｒｅｖ

このポンプについて、油温８０℃、吐出圧力１．０ＭＰａ時のポンプ効率を表１に比較して示す。

−実施例２−
実施例１で用いた２種類のオイルポンプの性能シミュレーションを油温と吐出圧力を変えて行った。その性能シミュレーションでのポンプ効率を表２に示す。

上記実施例１，２から、ポンプロータの外径と全長の比Ｄ／Ｌを５．０又はそれ以上に設定した内接歯車式ポンプは、Ｄ／Ｌが５．０以下の内接歯車式ポンプに比べて３０００ｒｐｍ以下の領域での使用において、高いポンプ効率が得られることが分かる。

１ 内接歯車式ポンプ
２ ポンプロータ
２ｉ インナーロータ
２ｏ アウターロータ
３ ポンプケース
４ モータ
５ ケース本体
５ａ ロータ収納室
５ｂ 吸入ポート
５ｃ 吐出ポート
６ 蓋

Claims (3)

1. 歯数がｎのインナーロータと歯数がｎ＋１のアウターロータからなるポンプロータをポンプケースに組み込んだ内接歯車式ポンプであって、前記ポンプロータの外径をＤ、そのポンプロータの全長をＬとして、Ｄ／Ｌ≧５．０の条件を満たす内接歯車式ポンプ。
2. 電動モータを駆動源とする電動オイルポンプとして構成された請求項１に記載の内接歯車式ポンプ。
3. 前記ポンプロータの外径Ｄが、φ５０ｍｍ以下である請求項１又は請求項２に記載の内接歯車式ポンプ。

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