JP2006037828A - ギヤポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 極小水量・小出力の領域での使用に適し、耐久性に優れ、構造が簡単で、小型・コンパクトであり、かつ生産性の良好なギヤポンプを提供する。
【解決手段】 ポンプ吸込口（１ａ）を備えた外ケーシング（１）を設け、その外ケーシング（１）の内部に２つの歯車（２１、２２）を収容する内ケーシング（１５）を設け、ポンプ回転軸（４）を垂直に設けて、吐出口（２ａ）をポンプ上部に形成し、その吐出口（２ａ）の位置をポンプ回転軸中心の延長上として軸受摺動部を吐出口（２ａ）への流路とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ギヤポンプ、特にモータと一体に構成されたギヤポンプの高機能・高性能化の改良に関する。

従来、小流量の割に高い圧力が求められる用途、特に、毎分１リットル以下の流量範囲で使用される用途のポンプには、ギヤポンプが多く使用されている。これは、遠心式ポンプ（非容積式ポンプ）では、比速度Ｎｓの値が極めて小さな値となる領域であり、実際上の設計対応が困難であることが一因である。例えば、流量が毎分１リットル、揚程が１０メートルの遠心式ポンプを毎分１２０００回転の回転速度で設計した場合、比速度Ｎｓの値が６７（ｍ^３／ｍｉｎ、ｍ、ｍｉｎ^−１）となる。一般に比速度Ｎｓの値が７０以下になると遠心式ポンプの効率は著しく低下することが知られている（特許文献１、２参照）。なお、この場合の羽根車外径は２５ｍｍ程度となる。

一方、ギヤポンプ（外歯式）は、潤滑油ポンプ、燃料ポンプなどとして広く用いられている。互いに噛み合う２枚の歯車のそれぞれの歯車と周壁とで囲まれた空間に閉じ込められた流体は、歯車の回転によって吸込側から吐出側に運ばれる。しかるに、この空間が吐出側から吸込側に戻るときには、その空間に他方の歯車の歯が侵入して流体は追出され、流体は歯車の歯と共に回転して吸込側に戻ることができず吐出口から外に吐出される。

従来のギヤポンプは、ポンプ部分にメカニカルシールなどの軸封装置を備えているものが大半であった。このため軸動力が１０Ｗ以下の極小容量のポンプでは、軸動力の多くを軸封装置の摺動トルクとして消費されてしまい、総合効率は必ずしも良好ではなかった。
他方、小規模の各種冷却装置などでは、長寿命化・メンテナンスフリー化のニーズが高まってきており、このため、装置に搭載されるポンプについても、メカニカルシールなどの消耗部品の無い、長寿命な製品が望まれるようになってきた。そして、このような用途ではポンプが常時連続して運転される場合が多く、このため省エネルギー化の観点から高効率なポンプが求められている。
また、潤滑油や燃料用のポンプの場合には、水に比較して取扱液の粘性が高く、かつ、電気絶縁性も良好なために各部の耐久性を確保しやすいが、最近増えている純水・超純水を用いたシステムでは、特に耐久性の確保が難しかった。
特開２００３−２５４２５９号公報 特開２００４−１７６７０４号公報

本発明は上記の間題点に対処し、極小水量・小出力の領域での使用に適し、そして耐久性に優れ、構造が簡単で、小型・コンパクトであり、かつ生産性の良好なギヤポンプを提供することを目的とする。

本発明によれば、駆動歯車２１と、その駆動歯車２１と噛み合って回転する従動歯車２２とを備えたギヤポンプにおいて、ポンプ吸込口１ａを備えた外ケーシング１を設け、その外ケーシング１の内部に前記２つの歯車２１、２２を収容する内ケーシング１５を設け、ポンプ回転軸４を垂直に設けて、吐出口をポンプ上部に構成している。

また、本発明によれば、ポンプ回転軸４中心の延長上に吐出口２ａを設け、回転軸４と軸受１２との隙間である軸受け摺動部を流路の一部として構成している。

さらに、本発明によれば、ポンプ回転軸４中心の延長上に吐出口２ａを設け、軸受ハウジング２ｂ部内面に設けた溝２ｍおよび軸受摺動部を流路の一部として構成している。

本発明によれば、ポンプ回転軸を垂直に設け、吐出口をポンプ上部に構成することで、ポンプ内部にポンプ運転初期に存在する空気等の気体、およびポンプ運転中に吸込側より流入する気体を容易にポンプ外部へ排出することができる。
すなわち、運転中にポンプ歯車や、例えば軸受などの摺動部に前記の気体が混入すると流体潤滑状態を維持することができなくなり、しかも、ポンプ内部の気体は流体潤滑の阻害になるだけではなく、ポンプ脈動の原因にもなり、さらに、温度上昇時には内部圧力の急激な上昇の原因となるため、かかる気体はポンプ運転初期に速やかにポンプ外部に排出することは重要なことである。

そして、ポンプ回転軸中心の延長上に吐出口を設け、軸受摺動部を流路の一部として構成することにより、軸受などの摺動部を完全な流体潤滑状態に維持することができ、磨耗の促進を抑制することができる。また、軸受などの摺動部に取扱液が滞留することがなくなり、常に新鮮な取扱液が供給される。

さらに、ポンプ回転軸中心の延長上に吐出口を設け、軸受ハウジング部内面に設けた溝および軸受摺動部を流路の一部として構成することで、取扱液の流量の増加によって軸受摺動部のみの流路では圧損を生じてしまうような場合においても、余剰分が軸受外周部に設けた溝を通過し、ポンプ内部で発生する圧損を防止することができる。

以上の各効果により、極小水量・小出力の領域での使用に適し、耐久性に優れ、構造が簡単で、小型・コンパクトであり、かつ生産性の良好なギヤポンプを提供することが可能である。

次に添付図面を参照して本発明の実施の形態に関し説明する。
図1は本発明の一実施形態を示している。外ケーシング１はポンプ吸込口１ａを備え、その外ケーシング１の上部に回転軸４を垂直に支持するリアケーシング２とモータ部Ｍを内部に収容したモータフレーム３とを備えている。

まずモータ部Ｍについて説明する。モータは、図示の例ではモータ回転子５に永久磁石を使用したＤＣブラシレスモータであり、図示しない駆動用ドライバ(インバータ)から電力供給用のリード線８を介してモータ固定子６の巻線に電力が供給されている。
モータ固定子６の外周部は、例えばアルミニウム合金からなるカップ状の前記モータフレーム３の内周に接着剤によって接着されており、そのモータフレーム３に段付部３ｂが設けられてモータ固定子６のコア積層部端部の上部が当接され位置決めされている。モータフレーム３の下方開放端は前記リアケーシング２に当接している。そして、モータフレーム３の他端中心部の貫通穴部３ａからそのリアケーシング２の先端部２ｓが突出し、後記する回転軸中心の延長上に吐出口２ａが開口されている。

前記モータフレーム３は量産時にはアルミダイキャスト成形による成形品を用いることが可能である。また、前記モータ固定子６とモータフレーム３の固定方法は前記接着剤による接着以外にも「圧入」、「焼嵌め」等の任意適宜の公知の手段を用いることができる。
さらに、モータフレーム３を樹脂にて成型する場合にはモータ固定子６も樹脂にてモールド成型することが可能である。
なお、モータフレーム３の側面に穿設されたリード線穴には、ゴム製のグロメット９がはめ込まれてリード線８に損傷が発生しないように構成されている。なお、図示の例ではリード線８は赤白黒の３本で構成されている。

モータ固定子６の内方には前記リアケーシング２が筒状に延在しており、その内部にはモータ回転子５が設けられてモータ回転子室Ｒが構成されている。
そのモータ回転子室Ｒは取扱液が満たされる構造になっており、モータ回転子室Ｒ内に設けられた後記する上下のすべり軸受１１、１２は取扱液によって効果的に潤滑されて耐久性が確保されている。

そのリアケーシング２は、例えばＰＯＭ（ポリアセタール）などの樹脂で構成され、後記の内ケーシング１５挿入部から吐出口２ａまで一体構造とし、高圧部の部品点数の削減が図られている。
また、リアケーシング２のモータフレーム３からの突出部２ｓは、吐出側ポンプ上面となるため、モータ固定子室Ｒへの水滴などの侵入を防止するためＯリングが適宜設けられている。

そして、リアケーシング２の吐出口２ａを備えた先端部２ｓの下方には、反負荷側軸受ハウジング２ｂが形成されており、例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などの摺動特性に優れた樹脂材料によって形成されたすべり軸受が反負荷側軸受１２として内装され、前記回転軸４の一端を軸支し、軸受１２と回転軸４との隙間が吐出口２ａへの流路となっている。
また、モータ回転子５の外周部には永久磁石の腐食を防止するためのキャン部７が、例えばＰＥＥＫなどの樹脂材料で形成されている。

前記回転軸４はステンレス合金からなり、その両軸端部には、負荷側（下方）、反負荷側（上方）の各軸受１１、１２との摺動部が形成されている。なお、例えばアルミナ、ＳｉＣなどの耐摩耗性に優れたセラミック材料をスリーブ構造として該部に設けても良い。
そして、回転軸４とモータ回転子５の永久磁石の内周側とは接着剤で固着されている。

回転軸４は垂直に配置されており、リアケーシング２に嵌合された負荷側軸受１１と反負荷軸受ハウジング２ｂ内の反負荷側軸受１２とによってラジアル荷重が支承され、スラスト荷重は負荷側軸受１１にスラスト受け部１１ａ（図４参照）が設けられてポンプ部Ｐへ自重が負荷されるのが防止されている。
なお、負荷側軸受１１のスラスト荷重を支承するスラスト受け部１１ａには放射状に深さ１〜２ｍｍの溝（図示なし）が設けられている。このように構成することによって、回転軸４との摺動面は取扱液によって効果的に潤滑され、耐久性が確保されている。
また、負荷側軸受１１は前記リアケーシング２に嵌合によって固着されており、後記する内ケーシング部１５が位置決めピン２５によって固定されている。このように軸受１１に位置決めピン２５を設けることで、回転軸４と後記する駆動歯車軸２３との芯ずれの誤差を低減させている。

次に、図２〜図４を参照し、ポンプ部Ｐを説明する。
外ケーシング１内に設けられてギヤポンプのケーシングを構成する内ケーシング部１５は、駆動・従動歯車２１、２２が収容される内ケーシング本体１６とその上下に位置する２枚のアルミナ焼成材で形成されるサイドプレート１７、１８とよりなる。
そして、外ケーシング１の底部上面にゴムなどの弾性体１９を介して負荷側軸受１１との間に挟まれて設けられており、前記２つの歯車２１、２２の歯幅と内ケーシング本体１６の厚さを調整して、歯車２１、２２の歯側面とサイドプレート１７、１８との隙間が適正に管理されている。

これら２つの歯車２１、２２はＰＥＥＫなどの樹脂材料あるいはジルコニアなどのセラミック材料で形成され、サイドプレート１７、１８にそれぞれ軸受穴を穿設して各歯車の軸部２３、２４が支承されている。そして、ケーシング本体１６とサイドプレート１７、１８とは平行ピン２５により位置決めされ、本体１６の内周と歯車２１、２２の外周とを適切な隙間に維持している。
なお、図３において、符号Ｓはポンプの吸込口、Ｄは吐出口をそれぞれ示している。

また、前記の位置決め手段としては内ケーシング本体１６、サイドプレート１７、１８、負荷側軸受１１に凹凸部を設けて嵌め合わせる手段であっても良い。内ケーシング本体１６およびサイドプレート１７、１８を樹脂成型によって製作する際には凹凸部を設けて嵌め合わせることで部品点数の削減、組立の容易さという観点から非常に有利である。
一方、前記弾性体１９としては、各種ゴムの他に樹脂エラストマーや液状ガスケットの類であっても良い。

そして、図４に示すように、内ケーシング部１５と外ケーシング１との間に介装された前記弾性体１９および負荷側軸受１１には、２枚のサイドプレート１７、１８の軸受部の貫通穴に取扱液の圧力が加わるように流路が設けられている。
このように構成することにより、前記２つの歯車２１、２２の両側軸端部には取扱液の圧力が加わり、常時安定した状態で運転され、ギヤポンプにおける性能や効率の向上が図れる。また負荷側軸受１１に貫通穴を設けることで、駆動歯車２１、および従動歯車２２を同一形状とすることができ、部品の共有化が図れ、組立の不具合を軽減することができる。

一方、外ケーシング１には吸込口が設けられている。図１を参照して、本実施形態では外ケーシング１の内部に流路を設け吸込口１ａを横向きに設けている。このように構成することによって、装置全体を限られたスペースに収めることができ、省スペース化を図ることができる。なお、外ケーシング１とリアケーシング２との当接部にはＯリンクが適宜設けられており、ボルトによって固定されている。

次に、図５および図６に示す実施形態では、リアケーシング２の反負荷側軸受ハウジング部２ｂの内面に溝２ｍを設け、その溝２ｍと軸受１２の摺動部とを流路の一部として構成されている。
このように構成することによって取扱液の流量の増加が図れ、軸受摺動部のみの流路では圧損を生じてしまうような場合に、余剰分が軸受ハウジング内周部に設けた溝２ｍを通過してポンプ内部で発生する圧損を低減することができる。
なお、図示例では前記リアケ一シング２に設けられた反負荷側軸受ハウジング２ｂの内面に０．５〜１ｍｍの溝を軸垂直方向に設けているが、反負荷側軸受１２の外周部に同様の溝を設けることでもよい。

以下、上記の構成による作用効果について説明する。
再び図１を参照して、上記したモータフレーム２とモータ固定子５とは固着構造であり、モータ固定子５とモータフレーム２との間の空間に発生する結露などにより水滴が生じモータ固定子５の腐食の発生、あるいは巻線の絶縁劣化といった問題点を防止することができる。

また、モータ固定子５の製造工程の一環としてモールド成型を行うことで、組立工程の簡略化、部品点数の削減、品質管理の徹底を行うことができる。
さらに、モータフレーム３の一部にリード線穴を設け、ゴム製のグロメット９を挿入しているが、これらをモールド成形とすることによって、生産性と信頼性を改善することができる。

そして、上記のようにモータ回転子室Ｒは取扱液で満たされている構造であり、モータ回転子室Ｒに空気などの気体が残存すると、遠心分離作用によって気体は軸心に集まって軸受摺動部が阻害されるという問題があったが、かかる構成によれば取扱液がモータ回転子室Ｒを通過する構造であるため気体がモータ回転子室Ｒ内に残留することは無く、軸受１１、１２の潤滑は常に良好な状態が維持される。

また、ポンプ回転軸４を垂直に配置し、吐出口２ａをポンプ上部に構成することにより、モータ回転子室Ｒの内部およびポンプ内部にポンプ連転初期に存在する空気等の気体、およびポンプ運転中に吸込側より流入する気体は容易にポンプ外部へ排出される。
なお、運転中にポンプ歯車２１、２２および軸受１１、１２等の摺動部に前記気体が混入することは、流体潤滑状態を維持することができなくなり、さらに、ポンプ内部の気体は摺動潤滑の阻害となるだけではなく、ポンプ脈動の原因にもなる。そして、温度上昇時には内部圧力の急激な上昇の原因となるため、このように気体をポンプ運転初期に速やかにポンプ外部に排出することは重要なことである。

また、前記リアケーシングの吐出口２ａ下方には反負荷側軸受ハウジング２ｂが形成され、反負荷側軸受１２とその軸受１２で支承する回転軸４の摺動部との隙間により前記回転軸中心の延長上に設けられた吐出口２ａへつながる流路を形成している。
このような流路構成によって軸受摺動部を完全な流体潤滑状態に維持することができ、磨耗が促進されるのを抑制することができる。そして、軸受摺動部に取扱液が滞留することがなく、常に新鮮な取扱液が供給されている。

一方、リアケーシング２は、吐出口２ａが中心部に設けられていることから、樹脂にて成型する場合には、対称的な形状となって量産時の成型性の良さという観点から、非常に有利である。

また、図示の実施形態では、反負荷側軸受１２はリアケーシング２にＯリングを用いて固定されており、リアケーシング２と反負荷側軸受１２とが共に樹脂製であって、例えば、リアケーシングをＰＯＭ、反負荷側軸受をＰＥＥＫにて構成した場合には、ＰＯＭはＰＥＥＫより線膨張係数が大きいため、取扱液の温度上昇時にリアケーシング２内に形成された反負荷側軸受ハウジング２ｂはその内側に嵌合されている反負荷側軸受１２を保持することができなくなり、反負荷側軸受１２は回転軸４の回転トルクを受け空転してしまうことになる。そこで、Ｏリングを用いて固定することにより、温度上昇時の部材の線膨張による寸法差異を補うことができ、運転中の軸受の脱落を防止することができる。

そして、モータ回転子５の外周部には例えばＰＥＥＫ等の樹脂材料にてキャン部７が形成されている。したがって、非金属製であるためにキャン部７には渦電流が発生することがなく、その分モータは高効率となる。また、モータ回転子５の外周部に設けたキャン部７は、本来、取扱液によって永久磁石が腐食されることを防止するためのものであるが、このように構成することによって電気絶縁性の低い液体、例えば純水での使用が可能となっている。なお、モータ固定子６の内側のモータ回転子室Ｒが流路となっているため、取扱液との間で熱の授受が行われ、取扱液が常温レベルであった際は、モータ回転子５およびモータ固定子６は良好に冷却される。

また、ポンプ部Ｐは図２〜図４に示した構成であり、精密加工を必要とする内ケーシング部１５は小形化でき、コストの低減が図れる。そして、内ケーシング部１５と外ケーシングＣとの間に弾性体１９を設けて共に締付けることで、ポンプ昇圧された取扱液をシールすると共に、内ケーシング部１５を構成する部品がお互いの寸法公差で隙間を生じ、ずれてしまうようなことが防止できる。なお、弾性体１９が経年劣化により押え付け力を失った際も、外ケーシング１内部はボンプ昇圧された取扱液で満たされているため、内ケーシング部１５がずれてしまうことはなく、性能を維持することができる。

そして、位置決め手段によって、２つの歯車２１、２２と内ケーシング本体１６とが接触し、歯車及び内ケーシング本体１６に傷や変形を発生させ、性能や効率に悪影響を及ぼす不具合を防止することができる。また、２つの歯車２１、２２はサイドプレート１７、１８に軸支され、内ケーシング本体１６および２枚のサイドプレート１７、１８は平行ピン２５の位置決めにより常時固定されているので、外ケーシング１の支承が無くとも、内ケーシング本体１６とサイドプレート１７、１８の当接面は分割されることはなく、ポンプ運転時の状態を保つことができる。
このため、ポンプ部故障時には内ケーシング部１５のみの交換により対応することができる。また、生産時の性能試鹸も内ケーシング部１５のみにて容易に行うことで、生産性の向上を図ることができる。また、性能及び要項の変化に応じて、内ケーシング部１５のみの交換により対応することも可能となる。位置決めを行っている平行ピン２５は前記負荷側軸受１１に固定されている。このように構成することにより、前記回転軸４と前記駆動歯車軸の芯ずれの誤差を低減させることができる。

本発明の一実施形態を示す縦断面図。 ポンプ部を示す断面図。 図２のＡ−Ａ矢視断面図。 図３のＢ−Ｂ矢視断面図。 軸受ハウジング部の別の実施形態を示す縦断面図。 図５のＣ−Ｃ矢視断面図。

符号の説明

１・・・外ケーシング
１ａ・・・吸込口
２・・・リアケーシング
２ａ・・・吐出口
２ｂ・・・軸受ハウジング部
３・・・モータフレーム
４・・・主軸（ポンプ回転軸）
５・・・モータ回転子
６・・・モータ固定子
１１・・・負荷側軸受
１２・・・反負荷側軸受
１５・・・内ケーシング部
１６・・・内ケーシング本体
１７、１８・・・サイドプレート
２１・・・駆動歯車
２２・・・従動歯車
Ｍ・・・モータ部
Ｐ・・・ポンプ部

Claims (3)

1. 駆動歯車と、その駆動歯車と噛み合って回転する従動歯車とを備えたギヤポンプにおいて、ポンプ吸込口を備えた外ケーシングを設け、その外ケーシングの内部に前記２つの歯車を収容する内ケーシングを設け、ポンプ回転軸を垂直に設けて、吐出口をポンプ上部に構成したことを特徴とするギヤポンプ。
2. ポンプ回転軸中心の延長上に吐出口を設け、軸受摺動部を流路の一部として構成していることを特徴とする請求項1に記載のギヤポンプ、
3. ポンプ回転軸中心の延長上に吐出口を設け、軸受ハウジング部内面に設けた溝および軸受摺動部を流路の一部として構成していることを特徴とする請求項1に記載のギヤポンプ。

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