(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内で互いにかみ合って回転するように軸支された一対の歯車と、
前記歯車の回転軸方向の両側方に設けられた側板と、
前記歯車の歯先をシールするシールブロックとを備えた歯車ポンプにおいて、
前記側板と前記シールブロックとの接触面のうち前記シールブロック側の接触面に前記側板及び前記シールブロックよりも硬度の低い材質からなる層を形成し、
前記硬度の低い材質からなる層の厚みを前記歯車によって切削される深さよりも薄くしたことを特徴とする歯車ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の歯車ポンプにおいて、
前記硬度の低い材質からなる層は前記シールブロックの接触面にコーティングを施すことによって形成されたことを特徴とする歯車ポンプ。
【請求項３】
請求項１に記載の歯車ポンプにおいて、
前記硬度の低い材質からなる層は前記シールブロックの接触面を熱処理あるいは表面処理することによって形成されたことを特徴とする歯車ポンプ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の歯車ポンプをエンジンの回転力あるいは電動機で駆動することにより燃料噴射弁に燃料を供給する構成としたことを特徴とするエンジンの燃料供給装置。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の歯車ポンプの歯車の回転速度によって流量または圧力を制御する流体圧装置。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の歯車ポンプのケーシング内に流体を流入させ、この流体の流体圧によって前記歯車の回転駆動力を得るようにした歯車モータ。
【請求項７】
ケーシング内で互いにかみ合って回転するように軸支された一対の歯車と、
前記歯車の回転軸方向の両側方に設けられた側板と、
前記歯車の歯先をシールするシールブロックとを備えた歯車ポンプの組立方法において、
前記シールブロックの前記側板と接触する面及び前記歯車の歯先シール面に前記シールブロックよりも硬度の低い材質からなる層を形成し、前記層を形成したシール面に前記歯車及び前記側板を接触させて前記歯車及び前記側板を組立て、その後前記歯車を回転させることにより前記歯車が当接する部分の前記層を切削して組み立て、前記硬度の低い材質からなる層の厚みは前記歯車によって切削される深さよりも薄くしたことを特徴とする歯車ポンプの組立方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、油圧装置等の流体圧源はもとより、ガソリンや水、高温作動油等の極めて粘度の低い流体を加圧吐出でき、エンジン用の燃料供給装置に用いるにも好適な歯車ポンプや流体圧を利用して駆動される歯車モータの構成に関する。
背景技術
燃料を加圧してエンジンに供給するための燃料供給装置には、ガソリン等の極めて粘度の低い流体でも高圧で吐出でき、しかも、漏れが少なくて効率の高いポンプが必要である。特に、直噴ガソリンエンジンの燃料供給ポンプでは、水の２分の１以下、一般の油圧作動油の約１００分の１という極めて低粘度のガソリンを、エンジンの圧縮行程でも吹込めるように１０ＭＰａを超えるほどの高い圧力で吐出しなければならないため、極力漏れを少なくして高い容積効率を実現しなければならない。また、エンジンルーム内に機器を効率良く配置するため、燃料ポンプの小形化も求められている。
歯車ポンプは部品点数が少なくて小形、低コストである長所により、このような燃料ポンプへの適用が有望視される一方、一般に高圧用ポンプとして用いられるプランジャポンプと比較して流体の内部漏れが多いため、ガソリンのような低粘性流体を高圧に昇圧するのは困難な短所があった。
これに対し、従来の内部漏れが少ない歯車ポンプとしては、例えば、特開平６−３１７２６０号公報、あるいは特開平８−２１９０２９号公報に記載されているように、密封されたケーシング内で互いにかみ合う外接歯車の側面シールを行う側板をケーシングと別個で、歯車の回転軸方向に移動可能に設け、側板の反歯車側の面にも吐出圧を作用させて側板を歯車側面に摺接させ、側面漏れを抑える構成が採られている。
また、さらに内部漏れが少ない歯車ポンプとしては、例えば、特公昭４５−１６３００号公報に記載されているように、密封されたケーシング内で互いにかみ合う外接歯車の歯先シールを行うシールブロックをケーシングと別個に設けた構成が採られている例がある。
しかしながら上記従来技術の歯車ポンプでは、内部漏れを少なくするためには歯車の側面と側板間、歯車の歯先とシールブロック間、側板とシールブロック間等のシール面の隙間をできる限り小さくする必要があり、そのためには非常に高い精度で加工することが要求される。特に側板とシールブロックのシール面は円弧形状であるため、高い精度で加工することは非常に困難である上、コストが高くなってしまう。
例えば、エンジンの燃料供給ポンプに用いた場合には、可変側板式やシールブロック式をもってしても一般の油圧作動油の約１００分の１という極めて低粘度のガソリンに使用し得るほどの十分に高い容積効率を得るのは困難である。
また、一般の作動油においても、温度上昇による粘度の低下や高圧の条件下では漏れが増加し容積効率が低下する。
発明の開示
本発明の目的は、歯車ポンプ又は歯車モータにおいて、十分なシール性能を実現することにある。
本発明の他の目的は、十分なシール性能を実現すると共に、加工、組立てを容易にすることにある。
上記目的を達成するために、本発明の歯車ポンプ又は歯車モータは、ケーシング内で互いにかみ合って回転するように軸支された一対の歯車と、歯車の回転軸方向の両側方に設けられた側板と、歯車の歯先をシールするシールブロックとを備えた歯車ポンプにおいて、側板とシールブロックとの接触面のうち少なくともいずれか一方の接触面に側板及びシールブロックよりも硬度の低い材質からなる層を形成することにより、この層の弾性変形を利用して加工誤差を吸収し、シール面のシール性能を向上することができる。
発明を実施するための最良の形態
始めに本実施例の歯車ポンプの構成と原理を第１図ないし第４図を用いて説明する。
第１図は歯車ポンプを示す縦断面図であり、第１図におけるＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面、Ｃ−Ｃ断面をそれぞれ第２図、第３図、第４図に示す。
第１図において６はカバー、７はケーシングで軸受８、９を介して駆動軸と一体になった駆動歯車２が軸支されている。従動歯車３は駆動歯車２と歯幅がほぼ等しく、互いにかみ合って回転しポンプ作用を行う。側板４、５は両歯車２、３の回転軸方向側方から両歯車２、３を挟み込むように設けられ、両歯車２、３の側面に摺接して、歯車の側面シールを行うと共に、両歯車軸２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂの軸受を兼ね備え、このシール側板４、５によって駆動歯車２、従動歯車３の両軸２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂが平行かつ所定の間隔を有して支持されている。ケーシングは第２図ないし第４図に示すように内部が円筒形をなすもので、両歯車２、３とは離れてこれを包囲し、カバー６とで側板４、５および両歯車２、３を挟み込んで支持している。ただし、ケーシング７の内部深さは、両側板４、５と歯車２、３を重ねた厚さよりもわずかに深くなっているため、側板４、５とケースとは直接接触せず、両者間に間挿されたシール部材１０、１１の弾性力を介して挟設支持されている。
両側板４、５は第２図ないし第４図に示すように吸込用流通孔となる吸込ポート１５を有しており、吸込ポート近傍におけるシール面２３、２４は両歯車２、３の歯先円の径にほぼ等しくかつ歯先面とほぼ平行に形成されている。１４は吸込ポート１５近傍において両歯車２、３の歯先シールを行うシールブロックで、カバー６およびケーシング７とは別個に構成される。シールブロック１４のそれぞれのシール面２１、２２も、両歯車２、３の歯先円の径とほぼ等しくかつ歯先面とほぼ平行に形成され、そのシール面が両側板４、５のシール面２３、２４に接合した状態で両持ち保持されている。すなわち、側板４、５のシール面２３、２４は側板４、５を歯車２、３の回転軸を横切る方向に押し付けるようにしてシールブロック１４のシール面２１、２２に密着するように組み立てられる。
吸込ポート１５は側板４、５およびシールブロック１４とケーシング７において形成されて、両歯車２、３のポンプ作用によって吸込ポート１５より吸い込まれた流体はケーシング７内に放出され、このケース内に充満すると、吐出ポート１６より外部に吐出される。
第１図、第２図において１０、１１は、側板４、５およびシールブロック１４の端面に形成された溝にはめ込んだシール部材で吸込ポート１５とカバー６およびケーシング７の接合面のシールを行うものである。これはケーシング７内の圧力すなわち吐出圧力と、吸込ポート部の圧力すなわち吸込圧力との圧力差によって、ケーシング７内の流体がこの接合面を通って吸込ポート１５と連通しないようにするためのものであると同時に側板の反歯車側面の圧力分布を決定し、側板４、５の歯車側面の圧力との軸方向推力をバランスさせ、歯車２、３に対してスラストな推力が生じないようにする役割を担うものである。すなわち、シール部材１０、１１の内側を吸込圧力、外側を吐出圧力に区画することで、側板４、５の両面にはケース内の圧力が大きさ等しく作用するようになっており、軸方向の完全な圧力バランスが得られていると同時に側板４、５の歯車側面シールが良好に行われる。
以上述べたように本ポンプはいわゆる可動側板タイプのシールブロック形歯車ポンプであり、両歯車２、３の側面を側板４、５でシールし、歯先をシールブロック１４でシールしてポンプの内部漏れを極小化させるものである。側板４、５の役割は吐出圧力の大小に依らず歯車側面とのすきまを常に一定に保つためのものであり、基本的には歯車２、３と接触しているため巨視的なすきまはない。もし側板内面が高圧になれば側板背面のすきまに導かれた流体も高圧になるので軸方向の圧力平衡が保たれる結果、側板４、５は常に歯車側面との接触を保つようになっている。
このように可動側板タイプのシールブロック形歯車ポンプは、内部漏れを極力抑えて高効率化を図る構成であるものの、ガソリンや水、高温作動油などのような極めて粘性の低い流体を扱う場合は十分でなく、さらに漏れを減らすことが望ましい。
本実施例の歯車ポンプは第１図ないし第５図に示すように両側板４、５とシールブロック１４のシール面２１、２２にコーティング２８、２９を施し、その弾性変形によって、加工誤差を吸収できるのでシール面２１、２２と２３、２４の隙間が極小になり、内部漏れが減少し高い容積効率を得ることができる。特に、側板４と５のシール面２３、２４と、シールブロック１４のシール面２１、２２のそれぞれのＲ形状と位置関係を合わせなければならないため、非常に加工が困難である。従って、弾性変形可能なコーティング２８、２９を施すことで加工誤差を吸収できるので、内部漏れ低減、および、コスト低減効果は非常に大きい。
また、第５図（ａ）に示すように、歯車２、３の歯先に接する面にコーティング２８、２９を施しても、ならし運転の際に余分なコーティングは歯車２、３の歯先で削られるので全く問題はない。
このときのコーティング２８、２９の膜厚は第５図（ｂ）に示すように歯車２、３の歯先による削り面３０、３１の深さがシールブロック１４とコーティング２８、２９の境界面以上になるようにすれば歯車の歯先とシールブロックの間にコーティングが残らないので、使用中、歯先によって擦られて徐々にコーティングが剥がれ落ちていく心配がなく、信頼性の面からもこの方が望ましい。また、コーティングの膜厚が削り面の深さより厚いとならし運転でコーティングを切削する際、シールブロック１４とコーティング２８、２９の境界面からコーティングが剥がれてしまい歯先の隙間が大きくなり内部漏れが増加してしまう。
また、第６図の実施例のように側板４、５にコーティング３３、３４を施しても、当然のごとく、シールブロック１４にコーティング２８、２９を施した場合と同様の効果が得られるが、加工の容易さなどを考慮するとシールブロック側の方が望ましい。
さらに、上記実施例ではコーティングについて説明してきたが、他の実施例として、側板とシールブロックより硬度の低い材質の層をシール面に形成すれば、同様の効果が得られる。例えば、薄いシール材をシール面に貼り付けたり、側板とシールブロックで挟んだりする方法がある。また、熱処理や表面処理によってシール面の硬度を低下させてもよい。
以上のように、弾性変形によって加工誤差を吸収し内部漏れやコストの低減を図る方法として、コーティング、熱処理など幾つか上げたが、層の厚さが容易に調整できる上、生産性の良いコーティングがコストの面からも適している。
次に、他の実施例を第７図を用いて説明する。
本実施例は、シールブロック５０のシール面５３、５４の肉厚を薄くして弾性変形可能とした例である。このようにすれば、上記実施例と同様に、シールブロック５０自身の弾性変形によって加工誤差を吸収でき、また、高い加工精度を必要としないので内部漏れ低減、および、コスト低減効果を容易に得られる。尚、本実施例ではシール面５３、５４の後部に切り欠きを入れた形状としているが、例えば、シール面に沿った溝を設けたり、シールブロック自身に孔を設けるなどによって、シール面に弾性を持たせてもよい。
また、樹脂などの硬度の低い材料でシールブロックを製作して、シールブロック自身に弾性変形を持たせてもよい。樹脂の場合、射出成形ができるので、金属の切削加工に比べて生産性がよい。
以上のように、シールブロックと側板のシール面に弾性変形可能な層を形成する場合は、使用する流体に対して化学的に安定であり、膨潤や溶け出すことのない材質を選定してやればよく、例えば、殆どの流体に対して耐性がある四フッ化エチレン樹脂を用いれば適用範囲が広がる。
一方、形成する層の硬度については、柔らかすぎると、ケーシング内の圧力変化に対して弾性変形量の差が大きくなりすぎるので、高圧時にはシールブロックが側板に強く押し付けられ歯車の歯先でシールブロックを深くまで削ってしまい、低圧時の弾性変形が小さいときには歯車の歯先とシールブロックの隙間が大きくなり内部漏れが増加してしまう。逆に、硬すぎても弾性変形が得られずシール性が低下してしまう。しかし、このような場合には、層の厚さやシール面の面圧を調整して所望の弾性変形が得られるようにすればよい。
次に、本歯車ポンプを用いたエンジンの燃料供給装置の一実施例を第８図を用いて説明する。
エンジン８０には、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄが設けてある。燃料は、まず燃料タンク８２からモータ８３で駆動されるフィードポンプ８４によって０．２〜０．５ＭＰａ程の圧力に昇圧された後、高圧燃料供給ポンプ１によってさらに加圧され、圧力制御弁８５によって３〜１２ＭＰａ程の所定の燃圧に調整されて燃料噴射弁に供給される。この高圧燃料供給ポンプ１は第１図ないし第７図のいずれかに示した歯車ポンプであり、エンジンのカムシャフト８７の回転力によってカップリング８６を介して駆動される。圧力制御弁８５は、圧力センサ８８からのフィードバック信号９１を目標値９２と照らし合わせ、他のセンサからの情報９３を参照して制御指令９４を圧力制御弁駆動回路９０に与え、これに基づいて圧力制御弁８５を駆動して燃圧を制御する。
本実施例によれば、高圧燃料供給ポンプ１が漏れが少なくて低回転域から高い容積効率を得られるので、エンジン始動時やアイドリング時等の低い回転数でも十分高い圧力で燃料を供給することが可能となり、エンジンを確実に始動できる、より安定したアイドリング運転ができるのでより円滑に発進できる等の効果が得られ、このエンジンを搭載した車両の運動性能が向上する。また、低回転域での容積効率の低下を補うために吐出量の大きいポンプを選定する必要がなくなるので、高圧燃料ポンプとフィードポンプが小形のもので済む、常用回転域から高回転域で過剰な燃料を吐出することがなくなりエネルギー損失が減少して燃費が向上する、圧力制御弁からのリリーフ流量が最小限に抑えられキャビテーションや発熱を防止できる、圧力制御弁の寿命が長くなる等々、多くの効果を得ることができる。さらに、フィードポンプ８４の吐出圧によって高圧燃料供給ポンプ１の吸込ポートの圧力が燃料の飽和蒸気圧よりも高く保たれるので、キャビテーションとこれによる壊食が防止され、高い性能と信頼性を長期間にわたって保てるようになる。また、高圧燃料供給ポンプ１は製作が容易で低コストなのでエンジンや車両のコストも低減できる上、小形で軽量なのでエンジンルーム内の機器の配置が容易になる等の効果も得られる。
さらに、高圧燃料供給ポンプ１はフィードポンプ８４と同様にモータで駆動する構成としてもよい。このとき、圧力制御弁駆動回路９０はモータ駆動回路に置き換えられ、圧力センサ８８からのフィードバック信号９１を目標値９２と照らし合わせ、他のセンサからの情報９３を参照して制御指令９４をモータ駆動回路に与え、これに基づいてモータの回転数を調整して燃圧を制御する構成としてもよい。
このように構成すれば、所望の燃圧に保つために必要最小限の流量だけを吐出するようになるので、圧力制御弁が不要になり異物かみ込みによる動作不良やキャビテーション壊食による性能低下等の不具合発生を解消できる。その上、高圧燃料供給ポンプ１の回転数をエンジンの回転数とは無関係に選定できるので、１種類のポンプで多機種のエンジンに対応できるようになり、ポンプの開発から生産、保守までのコストが低減でき、量産効果によるポンプの生産コスト低減の効果も一層大きくなる。
本歯車ポンプを上記のようなエンジンの燃料供給装置に用いるとき、例えば、加工が容易なコーティングの場合は、ガソリンに対して耐性があり、適度な膜厚で所望の弾性変形が得られ、一般的に広く用いられているフッ素コートが適当である。
次に、本歯車ポンプの他の実施例を第９図を用いて説明する。
本実施例と上記実施例との相違点はシールブロック１０７、１０８を２個設けたことにある。制御ポート１０９と制御ポート１１０、ケーシング１０６内をそれぞれシールブロック１０７、１０８によって区画することで、例えば、歯車１０１を時計回りに回転させると、流体は制御ポート１０９から吸入されケーシング１０６内を通り制御ポート１１０へ吐出される。歯車１０１を反時計回りに回転させると今度は逆方向の流れを生じる。流体が制御ポート１０９から吸入され制御ポート１１０へ吐出される場合は、制御ポート１０９より制御ポート１１０の方が高圧となるので、その圧力差によって両歯車１０１、１０２にシールブロック１０７側へのラジアル荷重が働き、両歯車１０１、１０２の歯先はシールブロック１０７のシール面１１１、１１２に押し付けられるので、制御ポート１０９と１１０は確実にシールされる。また、歯車１０１が反時計回りに回転し逆の流れを生じる場合は、シールブロック１０８のシール面１１３、１１４で確実にシールされるので、流れの方向を歯車の回転方向によって切り換え可能な両方向ポンプとして用いる場合でも、高い容積効率を得ることができる。尚、本実施例の歯車ポンプ１００のシール面１１２、１１３、１１４、１１５の構成は第１図ないし第７図のどの方法を用いてもよい。
第１０図に第９図の歯車ポンプ１００を用いた流体圧システムの一実施例を示す。
歯車ポンプ１００はサーボモータ１１５で駆動され、制御ポート１０９と１１０はそれぞれ配管１２０と１２１を介して流体圧アクチュエータ１１９へ接続されている。タンク１１８はチェック弁１１６と１１７を介してそれぞれ配管１２０と１２１に接続されている。チェック弁１１６、１１７は配管１２２から配管１２０および１２１へは流体を流し、逆方向へは流れない構造のものである。
第１０図のような構成とし各種センサによって流体圧アクチュエータ１１９の状態をフィードバックして、サーボモータ１１５をそれに応じた回転方向と回転速度で制御し歯車ポンプ１００を駆動してやれば、流体圧アクチュエータ１１９を任意に制御できる。
通常の流体圧システムは、ポンプで発生した流体圧を圧力制御弁で調圧しサーボ弁で流れの方向を切り換えながら流体圧アクチュエータの状態を制御するが、本実施例は直接ポンプでアクチュエータを駆動する構成なので、圧力制御弁や高価なサーボ弁を必要とせずコストを大幅に低減できる上、配管も短くて済むので、システム全体の小形化ができる。また、サーボ弁を用いたときのような余剰流量がなく流体の温度上昇を抑えられるので、作動油の使用量が非常に少なくて済む。さらに、歯車ポンプは流量脈動が小さい特徴を持っている上、本実施例の歯車ポンプは非常に漏れが少ないので、高精度、かつ、高応答の流体圧システムが実現できる。
従って、上記のように、本実施例の歯車ポンプは水の２分の１以下の粘度しかないガソリンでも高圧かつ高効率に加圧供給できるので、水や食品、薬品等、他の流体にも用いられる。勿論、本実施例の歯車ポンプを油圧装置の油圧源に用いれば、漏れが小さくて高い容積効率が得られるので、より高い圧力で吐出することが可能となる。従って、これまでは２５ＭＰａ程が限界とされていた歯車ポンプの使用圧力を３０ＭＰａをも超える圧力まで高めることが可能となり、ピストンポンプ等の高価なポンプを用いていたシステムも低コストの歯車ポンプで済むようになってシステム全体のコスト低減を図ることができる。
以上、歯車ポンプの実施例を説明したが、本実施例の歯車ポンプの吐出ポートに流体圧源から供給される高圧の供給ポートを、吸込ポートにリザーバへ至る低圧の戻りポートをそれぞれ接続して流体を流せば、前出の図中に示した矢印とは反対の向きに歯車が回転して流体エネルギーを機械的な回転のエネルギーに変換する歯車モータとして作用する。この歯車モータを用いれば、小流量から大流量まで広い範囲にわたって高い効率が得られるので、モータの起動、停止時の特性が向上する、小形化と低コスト化が図れる等の効果が得られる。
以上の実施例によれば、簡単な構成によりポンプの内部漏れが大幅に低減され、低回転域から高回転域まで広い範囲で高い効率と高い吐出圧が安定して得られるようになる上、効率が高いので小形軽量化も図れる歯車ポンプを実現することができる。従って、一般の油圧装置の流体圧源等はもとより、ガソリン等の極めて低粘度の流体でも高圧かつ高効率で吐出できるようになり、直噴ガソリンエンジン用の高圧燃料供給ポンプを歯車ポンプで実現できるようになる。また、加工誤差を吸収できるので、高い加工精度を必要とせずコストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の歯車ポンプの縦断面図である。
第２図は、図１のＡ−Ａ線横断面図である。
第３図は、図１のＢ−Ｂ線横断面図である。
第４図は、図１のＣ−Ｃ線横断面図である。
第５図は、本発明の歯車ポンプのシールブロックの一実施例を示す図である。
第６図は、本発明の歯車ポンプの側板の一実施例を示す図である。
第７図は、本発明の歯車ポンプの別の実施例を示す横断面図である。
第８図は、本発明の歯車ポンプを用いたエンジンの燃料供給装置の一実施例を示す図である。
第９図は、本発明の歯車ポンプの別の実施例を示す横断面図である。
第１０図は、本発明の歯車ポンプを用いた流体圧システムの一実施例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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