(57)【要約】【課題】油圧ポンプの集積度を低下させずに効率よく冷却できる歯車ポンプの冷却構造を提供する。【解決手段】ケーシング１８内において、高圧側から低圧側に一部液を逆流させながら動作する歯車ポンプ１０において、ケーシング１８を構成する材料の内部に、インナーローター１４及びアウターローター１６の回転方向に沿って形成された冷却媒体を流す流路を備える。この流路は、アウターローター１６の周囲に螺旋状に形成されていてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内において、高圧側から低圧側に一部液を逆流させながら動作する歯車ポンプにおいて、前記ケーシングを構成する材料の内部に、歯車の回転方向に沿って形成された冷却媒体を流す流路を備える、歯車ポンプの冷却構造。
【請求項２】
前記歯車ポンプが内接歯車ポンプであり、前記液の逆流が、インナーローターの外歯車とアウターローターの内歯車との対向する刃先の間に形成された間隙及びインナーローター及びアウターローターとケーシングとの間隙を通過する、請求項１に記載の歯車ポンプの冷却構造。
【請求項３】
前記ケーシングを構成する材料の内部に、インナーローター及びアウターローターの回転方向に沿って配置された前記冷媒流路を備える、請求項２に記載の歯車ポンプの冷却構造。
【請求項４】
前記冷媒流路が前記アウターローターの最外周の面に近接して配置され、前記アウターローターを収容するケーシングの内面であって、前記アウターローターの最外周の面と対向する内面と前記冷媒流路のアウターローターに最も近い面との距離が、０．５〜５ｍｍの範囲である、請求項２または請求項３に記載の歯車ポンプの冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯車ポンプの冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット用の関節等を動作させる油圧アクチュエータは油圧ポンプにより駆動されるが、油圧アクチュエータと油圧ポンプとを１対１に接続して力の制御を高精度に行えるものが提案されている。
【０００３】
このような用途に使用される油圧ポンプは、一般に歯車ポンプが使用され、高圧側から低圧側への流体（油）の内部漏れを生じる構成となっている（非特許文献１〜３参照）。
【０００４】
上記油圧ポンプでは、油圧アクチュエータへの油の吐出の他に油の内部漏れにより流体摩擦がより多く生じ、発熱しやすいという特徴がある。発熱により油温が上昇すると油の粘度が低下する。この結果、上記内部漏れの増加等により油圧ポンプの吐出能力が低下して、油圧アクチュエータの制御が不能となる。このため、油圧ポンプを効率よく冷却する必要があるが、油圧ポンプの周囲に冷却用ジャケット等を巻くだけでは、油圧ポンプの大きさが大きくなり、集積度が低下するという問題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】H.Kaminaga,J.Ono,Y.Nakashima,and Y.Nakamura. Development of backdrivable hydraulic joint mechanism for knee joint of humanoid robots.In Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation,pp.1577-1582,May 2009.
【非特許文献２】H.Kaminaga,T.Amari,Y.Niwa,and Y.Nakamura. Development of knee power assist using backdrivable electro-hydrostatic actuator. In Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp.5517-5524,Oct 2010.
【非特許文献３】H.Kaminaga,S.Otsuki,and Y.Nakamura. Development of high-power and backdrivable linear electro-hydrostatic actuator. In 14th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids),Nov 2014.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、油圧ポンプの集積度を低下させずに効率よく冷却できる歯車ポンプの冷却構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の一実施形態は、歯車ポンプの冷却構造であって、ケーシング内において、高圧側から低圧側に一部液を逆流させながら動作する歯車ポンプにおいて、前記ケーシングを構成する材料の内部に、歯車の回転方向に沿って形成された冷却媒体を流す流路を備える。
【０００８】
上記歯車ポンプは内接歯車ポンプであり、前記液の逆流が、インナーローターの外歯車とアウターローターの内歯車との対向する刃先の間に形成された間隙及びインナーローター及びアウターローターとケーシングとの間隙を通過するように構成されている。
【０００９】
また、前記ケーシングを構成する材料の内部に、インナーローター及びアウターローターの回転方向に沿って配置された前記冷媒流路を備えるのが好適である。
【００１０】
また、前記冷媒流路が前記アウターローターの最外周の面に近接して配置され、前記アウターローターを収容するケーシングの内面であって、前記アウターローターの最外周の面と対向する内面と前記冷媒流路のアウターローターに最も近い面との距離が、０．５〜５ｍｍの範囲であるのが好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、油圧ポンプの集積度を低下させずに効率よく冷却できる歯車ポンプの冷却構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態にかかる歯車ポンプの冷却構造の説明図である。
【図２】実施形態にかかる歯車ポンプの冷却構造の効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１４】
図１（ａ）、（ｂ）には、実施形態にかかる歯車ポンプの冷却構造の説明図が示される。この歯車ポンプは、油圧アクチュエータに油を供給する油圧ポンプとして機能する。図１（ａ）が、本実施形態の適用対象である内接歯車ポンプの回転軸に直交する平面で示された断面図、図１（ｂ）が、本実施形態の適用対象である内接歯車ポンプの回転軸を含んでこれに平行な平面で示された断面図である。なお、図１（ａ）、（ｂ）では、トロコイドポンプ（登録商標）が例示されているが、本発明はその他の形式の内接歯車ポンプ及び外接歯車ポンプにも適用可能である。
【００１５】
図１（ａ）、（ｂ）において、歯車ポンプ１０は、駆動軸１２によりインナーローター１４が矢印Ｒ方向に回転し、インナーローター１４に形成された外歯車１４ｇに一部でかみあう内歯車１６ｇが形成されたアウターローター１６も、インナーローター１４とともに矢印Ｒ方向に回転することにより低圧側から吸い込んだ油を高圧側から吐出する構成となっている。これらのインナーローター１４及びアウターローター１６はケーシング１８内に収容されており、ケーシング１８には、図示しない低圧側の吸い込み口及び高圧側の吐出口が形成されている。
【００１６】
本実施形態にかかる歯車ポンプ１０の特徴は、インナーローター１４及びアウターローター１６が収容されたケーシング１８内において、インナーローター１４の外歯車１４ｇとアウターローター１６の内歯車１６ｇの各刃先が対向する位置Ａで、外歯車１４ｇと内歯車１６ｇとの対向する刃先の間に形成された２０μｍ程度の微少な間隙を通過して、高圧側から低圧側に一部の液（油）の逆流を生じさせながら動作する点である。油の逆流を生じさせることにより、油の供給先である油圧アクチュエータで力を制御対象に加える際に、良好な力の制御が可能となる。なお、上記位置Ａにおける外歯車１４ｇと内歯車１６ｇは、インナーローター１４及びアウターローター１６の回転に伴いその組み合わせが変化してゆく。外歯車１４ｇの山（または谷）の数は、内歯車１６ｇの山（または谷）の数より一つ少なく、インナーローター１４の一回転毎に外歯車１４ｇの山（または谷）が内歯車１６ｇの山（または谷）を一つ追い越すからである。また、インナーローター１４とアウターローター１６の側面の位置Ｂにおいて、インナーローター１４及びアウターローター１６とケーシング１８との１０μｍ〜２０μｍ程度の微少な間隙で流体が回転速度の違いによるせん断応力を受ける。この間隙により、静止摩擦やクーロン摩擦が排除されるので、力の制御性能を向上することができる。
【００１７】
本実施形態にかかる歯車ポンプ１０では、ケーシング１８内で上記油の逆流が生じることから、上述したように、流体摩擦がより多く生じ、流体摩擦による発熱を来たす。発熱は、主として位置Ａ及び位置Ｂにおいて、微少な間隙を油が通過する際に発生する。このため、発熱場所に近い位置および熱せられた流体が搬送される位置で冷却することが、高い冷却能力を確保する上で好適である。そこで、本実施形態では、ケーシング１８を構成する材料の内部に、アウターローター１６の最外周の面に近接して、かつインナーローター１４及びアウターローター１６の回転方向（外歯車１４ｇ及び内歯車１６ｇの回転方向）に沿って配置された、水等の冷却媒体を流す冷媒流路２０が形成されている。この冷媒流路２０が、本実施形態にかかる歯車ポンプの冷却構造を構成する。なお、図１（ａ）、（ｂ）に示された例では、上述したように、冷媒流路２０がアウターローター１６の最外周の面に近接して形成されているが、これには限定されない。例えば、インナーローター１４及びアウターローター１６の側面側、例えば図１（ｂ）に示される位置Ｂに近接して形成されていてもよい。
【００１８】
ここで、「ケーシング１８を構成する材料の内部に冷媒流路２０を形成する」とは、ケーシング１８の外表面にジャケットタイプとして冷媒流路２０を形成するのではなく、ケーシング１８の材料内部にトンネル状に冷媒流路２０を形成することをいう。これにより、歯車ポンプ１０の小型化が可能となり、歯車ポンプ１０の集積度を高く維持することができる。
【００１９】
ケーシング１８は、アルミニウム等の金属で形成されている。アルミニウム等の金属で形成されたケーシング１８の材料内部における冷媒流路２０の形成は、例えば三次元積層造形装置（３Ｄプリンター）を使用し、冷媒流路２０が内部に形成されたケーシング１８を造形することにより行うことができる。
【００２０】
形成された冷媒流路２０に水等の冷媒を流す方向は特に限定されず、任意の方向に流すことができる。
【００２１】
図１（ｂ）に示される例では、冷媒流路２０の断面が矩形状に形成されているが、これには限定されず、例えば断面が円形であってもよい。ただし、冷媒流路２０のアウターローター１６側の面の面積を大きくし、冷却能力を向上させるためには、断面が矩形である方が好適である。また、図１（ｂ）に示される例では、冷媒流路２０がアウターローター１６の周囲に２週巻かれた螺旋状に形成されているが、これには限定されず、必要となる冷却能力に応じて螺旋の巻き数を決定することができる。
【００２２】
また、図１（ｂ）において、アウターローター１６を収容するケーシング１８の内面の内、アウターローター１６の最外周の面と対向する内面と冷媒流路２０のアウターローター１６に最も近い面との距離ｄ（当該部分におけるケーシング１８の肉厚）は、０．５〜５ｍｍの範囲が好適である。上記距離ｄが０．５ｍｍより小さいとケーシング１８の強度が実用レベルを下回り、５ｍｍより大きいと熱抵抗が大きくなり、冷媒流路２０の冷却能力が低下する。このため、上記範囲が好適である。
【００２３】
図２は、本実施形態にかかる歯車ポンプの冷却構造の効果を示す図である。図２において、横軸が歯車ポンプの始動時からの経過時間であり、縦軸が一定の吐出圧力を維持するための、駆動軸１２を回転させるモーターの回転数である。図２では、本実施形態にかかる歯車ポンプの冷却構造（冷媒流路２０）を備えた歯車ポンプ１０（実施例と標記）と備えない空冷の歯車ポンプ１０（比較例と標記）との上記回転数の経時変化が示されている。
【００２４】
図２に示されるように、実施例では、比較例に較べて、駆動軸１２（モーター）の回転数の上昇を抑制できている。
【００２５】
歯車ポンプ１０内の油温が上昇すると油の粘度が低下するので、ケーシング１８内の油の逆流量が増加し、吐出圧力が低下する。このため、一定の吐出圧力を維持するためには上記回転数を上げる必要がある。本実施形態にかかる歯車ポンプの冷却構造を備えた実施例では、これを備えない比較例と較べ、効率よく油を冷却できていることが分かる。
【符号の説明】
【００２６】
１０  歯車ポンプ、１２  駆動軸、１４  インナーローター、１４ｇ  外歯車、１６  アウターローター、１６ｇ  内歯車、１８  ケーシング、２０  冷媒流路。
【図１】
2017048728.tif 000003
【図２】
2017048728.tif 000004