ギアポンプ
【課題】粘度の低い作動流体を用いる場合にあっても摩耗の発生を抑制する。
【解決手段】互いに噛み合った状態でケーシングに収納される駆動ロータ７及び従動ロータ９を備え、両ロータ７、９には、駆動ロータ７の歯７ｂが従動ロータ９の歯９ｂと互いに離間した二位置エ、オで接触する初期噛合姿勢と、この初期噛合姿勢から回転した姿勢であって、二位置エ、オが回転に伴って移動した二位置カ、キに加えて、それらよりも回転方向上流側の一位置クで更に駆動ロータ７の歯７ｂが従動ロータ９の歯９ｂと接触する三点噛合姿勢とがあり、三点噛合姿勢において、回転方向下流側の二位置カ、キ間である下流側空間Ｂの圧力が回転方向上流側の二位置キ、ク間である上流側空間Ａの圧力よりも高いものであり、かつ、回転方向下流側の二位置カ、キを結ぶ線分の垂直二等分線が、従動ロータ９に回転方向のモーメントを生じさせるように、従動ロータ９の軸心９ｃからずれている。
【解決手段】互いに噛み合った状態でケーシングに収納される駆動ロータ７及び従動ロータ９を備え、両ロータ７、９には、駆動ロータ７の歯７ｂが従動ロータ９の歯９ｂと互いに離間した二位置エ、オで接触する初期噛合姿勢と、この初期噛合姿勢から回転した姿勢であって、二位置エ、オが回転に伴って移動した二位置カ、キに加えて、それらよりも回転方向上流側の一位置クで更に駆動ロータ７の歯７ｂが従動ロータ９の歯９ｂと接触する三点噛合姿勢とがあり、三点噛合姿勢において、回転方向下流側の二位置カ、キ間である下流側空間Ｂの圧力が回転方向上流側の二位置キ、ク間である上流側空間Ａの圧力よりも高いものであり、かつ、回転方向下流側の二位置カ、キを結ぶ線分の垂直二等分線が、従動ロータ９に回転方向のモーメントを生じさせるように、従動ロータ９の軸心９ｃからずれている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばバイナリ発電装置などで循環使用される媒体等の作動流体を送り出すためのギアポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギーの観点から、工場等の各種設備から排出される、いわゆる排熱を回収し、その回収された排熱に含まれるエネルギーを利用して発電を行う発電装置の必要性が高まっている。
【０００３】
上記発電装置として、バイナリ発電装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。このバイナリ発電装置は、熱源流体の熱により媒体を蒸発させる蒸発器と、その媒体の蒸気を膨張させて発電機を駆動させるスクリュータービンと、スクリュータービンから排出された媒体の蒸気を凝縮させる凝縮器と、媒体を循環させる循環ポンプと、これらが直列に接続されて閉ループとなった循環流路とを備え、上記スクリュータービンで上記発電機を駆動させて発電を行う構成となっている。
【０００４】
上記循環ポンプとしては、種々の形式のものが適用可能であるものの、いわゆるギアポンプが一般的に用いられる。
【０００５】
ギアポンプとしては、例えば図１０及び図１１に示す構成のものが知られている（例えば特許文献２参照）。このギアポンプは、ハウジング１０１の内部の空洞の対向部分に一対のサイドプレート１１２を嵌め合わせてギア室１１４が区画され、そのギア室１１４の内部に、共に平歯車からなる一対のギア１０３、１０４が互いに噛み合う状態で収容され、更に、各ギア１０３、１０４の支軸１３０、１４０が、対応するサイドプレート１１２に形成した支持孔１３１、１４１によって嵌合支持されるとともに、上記ギア室１１４の内部に、両ギア１０３、１０４の噛み合い位置を挟んで、媒体の吸込室１０５及び吐出室１０６が形成された構成とされる。
【０００６】
そして、ハウジング１０１やサイドプレート１１２には、加工性の向上化及び軽量化のためにアルミニウム合金が使用される一方、各ギア１０３、１０４には耐摩耗性が要求されるので、鋳鉄等の鉄系の材料が使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−１０３０２３号公報
【特許文献２】特開平１０−１４１２４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、このような構成のギアポンプで送出する液体が、例えば粘度が３２ｃＳｔ程度の粘性が高い油であれば、潤滑性が良く、各ギアに前述の鋳鉄等を用いることで十分に摩耗を抑制することができる。
【０００９】
しかしながら、ギアポンプで送出する作動液体が、例えばバイナリ発電装置などに用いられるＲ２４５ｆａ等の媒体であるとき、その粘度は上記の粘性が３２ｃＳｔ程度の油に比して格段に低くなるため、潤滑性も上記の粘性が３２ｃＳｔ程度の油に比して格段に低下する。そのため、各ギアに鋳鉄等のものを用いるだけでは、その摩耗を十分に防止することができない虞があった。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、粘度の低い作動流体を用いる場合にあっても摩耗の発生を抑制することが可能なギアポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のギアポンプは、互いに噛み合った状態でケーシングに収納される駆動ロータ及び従動ロータを備えたギアポンプであって、前記駆動ロータ及び前記従動ロータには、前記駆動ロータの歯が前記従動ロータの歯と互いに離間した二位置で接触する初期噛合姿勢と、この初期噛合姿勢から回転した姿勢であって、前記二位置が回転に伴って移動した二位置に加えて、それら移動後の二位置よりも回転方向上流側の一位置で更に前記駆動ロータの歯が前記従動ロータの歯と接触する三点噛合姿勢とがあり、前記三点噛合姿勢において、回転方向下流側の二位置間である下流側空間の圧力が回転方向上流側の二位置間である上流側空間の圧力よりも高いものであり、かつ、前記回転方向下流側の二位置を結ぶ線分の垂直二等分線が、前記従動ロータに回転方向のモーメントを生じさせるように、前記従動ロータの軸心からずれているものである。
【００１２】
この発明による場合には、三点噛合姿勢のとき、回転方向下流側の二位置間である下流側空間の圧力が回転方向上流側の二位置間である上流側空間の圧力よりも高いものであるので、上流側空間の圧力が従動ロータの回転方向に影響をあまり及ぼさず、しかも、従動ロータに回転方向のモーメントを生じさせるように、回転方向下流側の二位置を結ぶ線分の垂直二等分線が従動ロータの軸心からずれている。このため、三点噛合姿勢のときに、従動ロータを空回り状態で回転させることが可能になる。それにより、粘度の低い作動流体を用いる場合にあっても摩耗の発生を抑制することが可能になる。
【００１３】
この構成のギアポンプにおいて、前記上流側空間は、前記初期噛合姿勢から前記三点噛合姿勢へ変化する際に、容積が零から形成されたものであるようにすることが好ましい。このようにした場合には、従動ロータの回転に対し全く影響が及ばないようにすることができるので、三点噛合姿勢のときに従動ロータをより確実に空回り状態で回転させ得る。
【００１４】
この構成のギアポンプにおいて、上記駆動ロータの歯の形状が、その歯先を挟んで回転方向側歯面（Ｘ）と、反回転方向側歯面（Ｙ）とで２つの異なる形状を有し、上記回転方向側歯面（Ｘ）を第１関数（Ｈ）と定義すると、それに対向する従動ロータの歯面は駆動ロータが反回転方向に回転したときにおける前記第１関数（Ｈ）の創成関数である第２関数（ｈ）にて定義され、上記反回転方向側歯面（Ｙ）では、その反回転方向側歯面（Ｙ）における歯先側の部位を第３関数（Ｆ）と定義すると、従動ロータの歯面は駆動ロータが反回転方向に回転したときにおける前記第３関数（Ｆ）の創成関数である第４関数（ｆ）にて定義されるとともに、その第４関数（ｆ）の歯形領域が従動ロータのピッチ円内の所定の位置までであり、この第４関数（ｆ）に接続される第５関数（ｇ）にて従動ロータの歯先までが定義され、駆動ロータを回転方向に回転した場合における前記第５関数（ｇ）の創成関数である第６関数（Ｇ）が前記第３関数（Ｆ）にて定義された部分に続く状態で上記反回転方向側歯面（Ｙ）が定義される構成とすることができる。この場合には、駆動ロータの歯の形状が第１関数（Ｈ）、第３関数（Ｆ）および第６関数（Ｇ）により定義され、一方の従動ロータの歯の形状が第２関数（ｈ）、第４関数（ｆ）および第５関数（ｇ）により定義されることで、駆動ロータと従動ロータとが前記三点噛合姿勢で噛み合うように駆動ロータ及び従動ロータの歯の形状が設計される。
【００１５】
この構成のギアポンプにおいて、前記ケーシング内には、作動流体の吐出室が設けられ、上記駆動ロータおよび上記従動ロータの少なくとも一方のロータ端面には上記下流側空間に連通する第１溝が形成され、上記第１溝を有するロータ端面に対向するケーシングの面には、前記三点噛合姿勢のときに上記第１溝と上記吐出室とを連通させる第２溝が形成されている構成にすることができる。この構成による場合には、下流側空間が形成された後に、その下流側空間の容積が徐々に小さくなっても、その下流側空間には第１溝及び第２溝を介して吐出室が連通しているため、下流側空間に収容された作動流体を吐出室に逃がすことができ、これによりギアポンプの破損を防止できる。
【００１６】
この構成のギアポンプにおいて、上記駆動ロータの各歯および従動ロータの各歯がそれぞれのロータ軸心に対して捩れており、その捩れにより上記下流側空間が上記吐出室に繋がる構成にしてもよい。このようにした場合には、駆動ロータおよび従動ロータの各歯がそれぞれのロータ軸心に対して捩れることで、駆動ロータの歯と従動ロータの歯との噛み合う位置が回転に伴って各ロータの軸心方向へ移動していき、この噛み合う位置の移動により下流側空間に収容された作動流体が移動して作動流体を吐出室に逃がすことができ、これによってもギアポンプの破損を防止できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による場合には、三点噛合姿勢のときに、従動ロータを空回り状態で回転させることが可能になるので、粘度の低い作動流体を用いる場合にあっても摩耗の発生を抑制することが可能なギアポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るギアポンプを示す平面図である。
【図２】図１のギアポンプを構成する駆動ロータと従動ロータとを示す左側面図である。
【図３】（ａ）は駆動ロータと従動ロータとが第１姿勢で噛み合った状態を示し、（ｂ）は同じく第２姿勢で噛み合った状態を示し、（ｃ）は同じく第３姿勢で噛み合った状態を示す。
【図４】本発明で用いる駆動ロータおよび従動ロータの歯面形状を設計するための説明図である。
【図５】三点噛合姿勢のときにおいて接触位置カと接触位置キとの線分の垂直二等分線の方向を示す図である。
【図６】ロータ回転角（横軸）とトルク（縦軸）との関係を示す図である。
【図７】上流側空間の形成過程の説明図である。
【図８】本発明の駆動ロータおよび従動ロータの歯の捩れの説明図である。
【図９】本発明で用いる第１溝及び第２溝の関係を説明するための図である。
【図１０】従来のギアポンプを示す正面図である。
【図１１】図１０のギアポンプの側面図（断面図）である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施形態を具体的に説明する。
【００２０】
図１は本実施形態に係るギアポンプを示す平面図であり、図２はそのギアポンプを構成する駆動ロータと従動ロータとを示す左側面図である。
【００２１】
このギアポンプ１は、ケーシング３の内部に設けた収納室５に、駆動ロータ７及び従動ロータ９が互いに噛み合った状態で収納されている。ケーシング３は、収納室５を一端側に有する第１ケーシング３ａと、第１ケーシング３ａの一端に突き合わされる第２ケーシング３ｂと、第１ケーシング３ａの他端に突き合わされる第１蓋部３ｃと、第２ケーシング３ｂの第１ケーシング３ａを突き合わせる端面とは反対側の端面に突き合わされる第２蓋部３ｄとを有する。なお、第１蓋部３ｃ及び第２蓋部３ｄは、駆動ロータ７及び従動ロータ９の各軸に対応して２分割構造となっている。
【００２２】
駆動ロータ７の軸部７ａは図示しないモータに接続されていて、そのモータにより回転駆動され、その回転が従動ロータ９に伝達されるようになっている。また、ケーシング３の内部には、駆動ロータ７及び従動ロータ９が互いに噛み合う箇所を挟んで一方側に吸込室１５が、他方側に吐出室１７が設けられており、これら吸込室１５及び吐出室１７は収納室５に連通している。なお、図１中の９ａは、従動ロータ９の軸部である。
【００２３】
駆動ロータ７は外周に複数、図示例では１０個の歯７ｂを有し、一方、従動ロータ９は外周に複数、図示例では１２個の歯９ｂを有する。歯７ｂの形状は、駆動ロータ７のピッチ円７ｐの外側において外方へ膨らんだ形状となっており、また、その歯７ｂの根元部分の形状は、前記根元部分の凹状底部が駆動ロータ７のピッチ円７ｐの内側に位置する窪み形状となっている。そして、一方の歯９ｂの形状は従動ロータ９のピッチ円９ｐの内側において、歯７ｂにおけるピッチ円７ｐの外側部分に応じた形状、すなわち駆動ロータ７が回転するときに創成する形状となっている。駆動ロータ７の各歯７ｂは駆動ロータ７の軸心７ｃに対して捩れており、従動ロータ９の各歯９ｂは従動ロータ９の軸心９ｃに対して捩れている。歯７ｂの捩れ方向及び歯９ｂの捩れ方向は、第１蓋部３ｃ側に位置する歯７ｂ、９ｂの端部が、第２蓋部３ｄ側に位置する歯７ｂ、９ｂの端部よりも回転方向下流側に位置するように設定されている。この捩れ角度については、後で詳述する。
【００２４】
従動ロータ９における第２蓋部３ｄ側のロータ端面９ｄには、各歯９ｂ毎に第１溝１１が形成されており、また第２ケーシング３ｂのロータ端面９ｄと向かい合う面３ｅには、第２溝１３が形成されている。これら第１溝１１及び第２溝１３については、後で詳述する。
【００２５】
上記駆動ロータ７の歯７ｂ及び従動ロータ９の歯９ｂの歯面形状は、以下の３つの姿勢が得られるように設計している。
【００２６】
第１姿勢：図３（ａ）に示すように駆動ロータ７の歯７ｂが従動ロータ９の歯９ｂと一
位置アで接触する姿勢（両歯７ｂ、９ｂの間に閉じた空間が形成されていない）
【００２７】
第２姿勢：図３（ｂ）に示すように駆動ロータ７の歯７ｂが従動ロータ９の歯９ｂと互
いに離間した二位置エ、オで接触する姿勢（初期噛合姿勢）
【００２８】
第３姿勢：図３（ｃ）に示すように初期噛合姿勢から回転した姿勢であって、前記二位
置エ、オが回転に伴って移動した二位置カ、キに加えて、それら移動後の二位置カ、キよりも回転方向上流側の一位置クで更に駆動ロータ７の歯７ｂが従動ロータ９の歯９ｂと接触する姿勢（三点噛合姿勢）
【００２９】
駆動ロータ７に発生するトルクＴｍの方向は、第１姿勢、第２姿勢及び第３姿勢のいずれにあっても、駆動ロータ７の回転方向と逆方向のモーメントを駆動ロータ７に生じさせる方向になる。具体的には、図３（ａ）に示す第１姿勢における駆動ロータ７に発生するトルクＴｍの方向は、歯７ｂ及び歯９ｂの接触位置アと、歯７ｂ及びケーシング３の接触位置イとを結ぶ線分の垂直二等分線の方向であり、図３（ｂ）に示す第２姿勢における駆動ロータ７に発生するトルクＴｍの方向は、歯７ｂ及び歯９ｂの接触位置エと、同じく歯７ｂ及び歯９ｂの接触位置オとを結ぶ線分の垂直二等分線の方向であり、図３（ｃ）に示す第３姿勢における駆動ロータ７に発生するトルクＴｍの方向は、歯７ｂ及び歯９ｂの接触位置カと、同じく歯７ｂ及び歯９ｂの接触位置キとを結ぶ線分の垂直二等分線の方向で表される。
【００３０】
一方、従動ロータ９に発生するトルクＴｆの方向は、図３（ａ）に示す第１姿勢にあっては、前記接触位置アと歯９ｂ及びケーシング３の接触位置ウとを結ぶ線分の垂直二等分線の方向であって、従動ロータ９の回転方向と逆方向のモーメントを従動ロータ９に生じさせる方向になり、図３（ｂ）に示す第２姿勢にあっては、前記接触位置エと前記接触位置オとを結ぶ線分の垂直二等分線の方向であって従動ロータ９の軸心９ｃ方向になり、図３（ｃ）に示す第３姿勢にあっては前記接触位置カと前記接触位置キとを結ぶ線分の垂直二等分線の方向であって、従動ロータ９の回転方向と同方向のモーメントを従動ロータ９に生じさせる方向になる。
【００３１】
ここで、従動ロータ９の回転方向と同方向のモーメントを従動ロータ９に生じさせる場合のトルクＴｆは、回転を助けるように働くときを負の値と考え、逆に回転を妨げるように働くときを正の値と考える。
【００３２】
このとき、従動ロータ９に発生するトルクＴｆは、第１姿勢では正の値、第２姿勢では０、第３姿勢では負の値になる。そして、従動ロータ９は、回転に伴って第１姿勢、第２姿勢及び第３姿勢とこの順に変化するので、第１姿勢から第３姿勢までのトルクの合計値を０に近づくようにすることが可能になる。
【００３３】
このような構成の駆動ロータ７及び従動ロータ９の歯面の設計は、図４に基づき、以下にように行われる。
【００３４】
駆動ロータ７の歯７ｂの形状が、その歯先を挟んで回転方向側歯面（Ｘ）と、反回転方向側歯面（Ｙ）とで２つの異なる形状を有し、上記回転方向側歯面（Ｘ）を第１関数（Ｈ）と定義すると、それに対向する従動ロータ９の歯面は相手側の駆動ロータ７が反回転方向に回転したときにおける第１関数（Ｈ）の創成関数である第２関数（ｈ）にて定義される。その回転に際して、互いのピッチ円７ｐ、９ｐが滑らないように回転させる。上記反回転方向側歯面（Ｙ）では、その反回転方向側歯面（Ｙ）における歯先側の部位を第３関数（Ｆ）と定義すると、従動ロータ９の歯面は相手側の駆動ロータ７が反回転方向に回転したときにおける第３関数（Ｆ）の創成関数である第４関数（ｆ）にて定義され、その第４関数（ｆ）の歯形領域は従動ロータ９のピッチ円９ｐ内の所定の位置までであり、この所定の位置において第４関数（ｆ）になめらかに接続される第５関数（ｇ）にて従動ロータ９の歯先までが定義され、駆動ロータ７を回転方向に回転した場合における第５関数（ｇ）の創成関数である第６関数（Ｇ）が前記第３関数（Ｆ）にて定義された部分に続く状態で上記反回転方向側歯面（Ｙ）が定義されるように行われる。この場合の回転についても、前同様に、互いのピッチ円７ｐ、９ｐが滑らないように回転させる。
【００３５】
これにより、第３姿勢において、図４および図５に示すように、第１関数（Ｈ）と第２関数（ｈ）との接触位置カと、第３関数（Ｆ）と第４関数（ｆ）との接触位置キと、第５関数（ｇ）と第６関数（Ｇ）との接触位置クとが形成される。
【００３６】
ところで、第３姿勢にあっては接触位置カと接触位置キとで囲まれた下流側空間Ｂの他に、接触位置キと接触位置クとで囲まれた上流側空間Ａが存在する。
【００３７】
この状態において、駆動ロータ７に作用するトルクＴｍは、下記１式で表され、
Ｔｍ＝Ｌ×Ｋｍ×Ｚ×（Ｐｄ−Ｐｓ） ・・・（式１）
但し、Ｌ：接触位置カと接触位置キを結ぶ線分長さ
Ｋｍ：上記２位置カとキを結ぶ線分の垂直二等分線と駆動ロータ７の軸心７ｃとの距離
Ｚ：駆動ロータ７の軸方向の長さ
Ｐｄ：下流側空間Ｂの圧力
Ｐｓ：上流側空間Ａの圧力
同じ状態において、従動ロータ９に作用するトルクＴｆは、前述したように従動ロータ９の回転方向と同じ方向に作用して回転を助けるため、下記２式のように負の値で表される。
【００３８】
Ｔｆ＝−Ｌ×Ｋｆ×Ｚ×（Ｐｄ−Ｐｓ） ・・・（式２）
但し、Ｋｆ：上記２位置カとキを結ぶ線分の垂直二等分線と従動ロータ９の軸心９ｃとの距離
図６は、横軸にロータ回転角（ｄｅｇ）を、縦軸にトルクをとって、駆動ロータのトルク（実線）と従動ロータのトルク（破線）との一例を示すグラフである。
【００３９】
この図６から理解されるように駆動ロータ７に発生するトルクＴｍは常時正の値になる。つまり、上述したように駆動ロータ７に発生するトルクＴｍの方向が、第１姿勢、第２姿勢及び第３姿勢のいずれにあっても、駆動ロータ７の軸心７ｃからずれて、駆動ロータ７の回転方向と逆方向のモーメントを駆動ロータ７に生じさせる方向になる。一方、従動ロータ９に発生するトルクＴｆは、正の値から０になった後に負の値になる。つまり、上述したように従動ロータ９に発生するトルクＴｆの方向は、第１姿勢にあっては、接触位置アと接触位置ウとの線分の垂直二等分線の方向であって、従動ロータ９の回転方向と逆方向のモーメントを従動ロータ９に生じさせる方向になり、正の値となる。そして、第２姿勢にあっては、接触位置エと接触位置オとの線分の垂直二等分線の方向であって従動ロータ９の軸心９ｃ方向になって、従動ロータ９に発生するトルクは０になり、第３姿勢にあっては、接触位置カと接触位置キとの線分の垂直二等分線の方向であって、従動ロータ９の回転方向と同方向のモーメントを従動ロータ９に生じさせる方向になり、従動ロータ９に発生するトルクＴｆは負の値になる。
【００４０】
したがって、上記第３姿勢にあっては、従動ロータ９に発生するトルクＴｆを負の値にできるので、従動ロータ９を空回りさせることが可能となり、この空回りにより両ロータ７、９の摩耗を減らし得る。そして、その空回り状態となるときのトルクを負側で大きくすることが望ましく、そのために上記２式に基づきＰｄの値に対してＰｓの値を小さくさせようにする。
【００４１】
そこで、本実施形態では、上流側空間Ａの形成に関し、図７（ａ）に示すように第２姿勢（初期噛合姿勢）になった時点では、接触位置キのみが存在し、図７（ｂ）に示す次の時点（僅かに回転した時点）では２つの接触位置キ、クが形成されるようになし、その後、接触位置キ、クの間隔、つまり上流側空間Ａの容積が大きくなるように設計している。つまり、上流側空間Ａが容積０から大きくなるようにすることで、Ｐｓの値を小さく、好ましくは０に近づくように設計している。
【００４２】
このように構成された本実施形態に係るギアポンプ１にあっては、第３姿勢（三点噛合姿勢）のとき、回転方向下流側の二位置カ、キの間である下流側空間Ｂの圧力が回転方向上流側の二位置キ、クの間である上流側空間Ａの圧力よりも高いものであるので、上流側空間Ａの圧力が従動ロータ９の回転に影響をあまり及ぼさず、しかも、従動ロータ９に回転方向のモーメントを生じさせるよう、回転方向下流側の二位置カ、キを結ぶ線分の垂直二等分線が従動ロータ９の軸心９ｃからずれている。このため、三点噛合姿勢のときに、従動ロータ９を空回り状態で回転させることが可能になる。それにより、粘度の低い作動流体を用いる場合にあっても、両ロータ７、９の摩耗の発生を抑制することが可能になる。
【００４３】
また、本実施形態において、第２姿勢（初期噛合姿勢）から第３姿勢（三点噛合姿勢）へ変化する際に、上流側空間Ａが容積零から形成されるようになっているので、従動ロータ９の回転方向に対し全く影響が及ばないようにすることができ、第３姿勢のときに、従動ロータ９をより確実に空回り状態で回転させ得る。
【００４４】
更に、本実施形態では、前述したように駆動ロータ７及び従動ロータ９に、各ロータの歯７ｂ、歯９ｂが各ロータの軸心７ｃ、９ｃに対して捩れたものを用いているので、下流側空間Ｂに入っている液体を吐出室１７へ逃がすようにすることが可能になる。このことを図８に基づき説明する。
【００４５】
図８は駆動ロータ７及び従動ロータ９が噛み合って回転する状態を示し、図８（ｍ）、図８（ｏ）、図８（ｑ）、図８（ｓ）及び図８（ｕ）は第１蓋部３ｃ側のロータ端面を示し、図８（ｎ）、図８（ｐ）、図８（ｒ）、図８（ｔ）及び図８（ｖ）は第２蓋部３ｄ側のロータ端面を示す。また、図８（ｍ）及び図８（ｎ）は回転角度が０度のとき、図８（ｏ）及び図８（ｐ）は回転角度が７．２度のとき、図８（ｑ）及び図８（ｒ）は回転角度が１４．４度のとき、図８（ｓ）及び図８（ｔ）は回転角度が２１．６度のとき、図８（ｕ）及び図８（ｖ）は回転角度が２８．８度のときである。なお、図中のサ、シ、スおよびセは、各ロータの一端と他端とが繋がることを示すためのもので、例えば図８（ｏ）及び図８（ｐ）において、図８（ｏ）中のセと図８（ｐ）中のセとが繋がる部分を表し、同じく図８（ｏ）中のスと図８（ｐ）中のスとが繋がる部分を表す。他の図においても同様である。
【００４６】
この図８から、回転角度が１４．４度、２１．６度、２８．８度のときに、図８（ｑ）、図８（ｓ）及び図８（ｕ）に示すセと、図８（ｒ）、図８（ｔ）及び図８（ｖ）に示すセとの位置関係から下流側空間Ｂが吐出室１７に繋がっていることが理解される。なお、前述した駆動ロータ７及び従動ロータ９の捩れ角度は、下流側空間Ｂが形成されているときに、その下流側空間Ｂが吐出室１７に繋がる角度範囲に設定される。
【００４７】
この駆動ロータ７及び従動ロータ９の捩れにより、歯７ｂと歯９ｂとの噛み合い位置が移動し、これにより下流側空間Ｂに入っている液体を吐出室１７へ逃がすことが可能になり、ギアポンプの破損を防止することができる。
【００４８】
更に、本実施形態では、上述したように従動ロータ９のロータ端面９ｄに第１溝１１が形成され、またケーシング３に第２溝１３が形成されているので、第３姿勢において下流側空間Ｂの容積がロータ回転に伴って減少して下流側空間Ｂの圧力が高くなっても、その下流側空間Ｂに入っている液体を吐出室１７へ逃がしてギアポンプの破損を防止することができる。そして、これを可能とすべく、図２に示したように、第１溝１１は第３姿勢のときに従動ロータ９におけるロータ端面９ｄの下流側空間Ｂが形成される部分であって各歯９ｂ毎に形成され、一方、第２溝１３はケーシング３のロータ端面９ｄと向かい合う面３ｅに、駆動ロータ７の歯７ｂと噛み合っている従動ロータ９の歯９ｂに設けた第１溝１１と吐出室１７とを第３姿勢にあるときに連通するように形成されている。この第１溝１１と吐出室１７との連通により、前記下流側空間Ｂの圧力が吐出室１７の圧力と等しくなる。
【００４９】
なお、第２溝１３は、一端が吐出室１７に連通するように設けられるが、他端については、図９に示すように、吐出室１７から下流側空間Ｂへ前記液体が逆流を起こす直前で、第１溝１１との連通が解除される位置に配設される。一方、第１溝１１は、一端が下流側空間Ｂの形成される部分に設けられ、他端が前記逆流を起こす直前で第２溝１３との連通が解除される位置に配設される。また、第１溝１１及び第２溝１３は、図２、９等に示す直線状であっても、図示を省略するものの曲線状であってもよい。
【００５０】
なお、上述した実施形態では歯が１０個の駆動ロータと、歯が１２個の従動ロータとを用いているが、本発明はこれに限らない。例えば、歯が４個の駆動ロータ及び歯が６個の従動ロータを用いたり、他の歯数の駆動ロータ及び従動ロータを用いたりしてもよい。
【００５１】
また、上述した実施形態では第１溝１１と第２溝１３とを用いることで下流側空間Ｂの圧力を吐出室１７の圧力にし、加えて、下流側空間Ｂと吐出室１７とが連通するように各ロータの歯７ｂ、歯９ｂが各ロータの軸心７ｃ、９ｃに対して捩れた駆動ロータ７及び従動ロータ９を用いることで下流側空間Ｂの圧力を吐出室１７の圧力にする構成としているが、本発明はこれに限らない。例えば、第１溝１１と第２溝１３とを用いることのみで、下流側空間Ｂの圧力を吐出室１７の圧力にしてもよい。或いは、下流側空間Ｂと吐出室１７とが連通するように各ロータの歯７ｂ、歯９ｂが各ロータの軸心７ｃ、９ｃに対して捩れた駆動ロータ７及び従動ロータ９を用いることで、下流側空間Ｂの圧力と吐出室１７の圧力とが同じ圧力になる構成としてもよい。但し、前者のように第１溝１１と第２溝１３とを用いることのみで、下流側空間Ｂの圧力を吐出室１７の圧力に一致させる場合にあっては、下流側空間Ｂと吐出室１７とが連通するように各ロータの軸心７ｃ、９ｃに対する各ロータの歯７ｂ、９ｂの捩れ角度にする必要はないものの、その捩れ角度よりも小さい角度の捩れとすることにより下流側空間Ｂ内の液体を第１溝１１側へ移動させるように構成することが好ましい。
【００５２】
更に、上述した実施形態では従動ロータに第１溝を形成しているが、本発明はこれに限らず、駆動ロータに第１溝を形成してもよく、或いは、従動ロータと駆動ロータの両方に
第１溝を形成してもよい。この場合、第２溝は第１溝に対応するケーシングの位置に設けられる。
【符号の説明】
【００５３】
１ ギアポンプ
３ ケーシング
７ 駆動ロータ
９ 従動ロータ
７ｂ、９ｂ 歯
７ｃ、９ｃ 軸心
１１ 第１溝
１３ 第２溝
１５ 吸込室
１７ 吐出室
Ｂ 下流側空間
Ａ 上流側空間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばバイナリ発電装置などで循環使用される媒体等の作動流体を送り出すためのギアポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギーの観点から、工場等の各種設備から排出される、いわゆる排熱を回収し、その回収された排熱に含まれるエネルギーを利用して発電を行う発電装置の必要性が高まっている。
【０００３】
上記発電装置として、バイナリ発電装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。このバイナリ発電装置は、熱源流体の熱により媒体を蒸発させる蒸発器と、その媒体の蒸気を膨張させて発電機を駆動させるスクリュータービンと、スクリュータービンから排出された媒体の蒸気を凝縮させる凝縮器と、媒体を循環させる循環ポンプと、これらが直列に接続されて閉ループとなった循環流路とを備え、上記スクリュータービンで上記発電機を駆動させて発電を行う構成となっている。
【０００４】
上記循環ポンプとしては、種々の形式のものが適用可能であるものの、いわゆるギアポンプが一般的に用いられる。
【０００５】
ギアポンプとしては、例えば図１０及び図１１に示す構成のものが知られている（例えば特許文献２参照）。このギアポンプは、ハウジング１０１の内部の空洞の対向部分に一対のサイドプレート１１２を嵌め合わせてギア室１１４が区画され、そのギア室１１４の内部に、共に平歯車からなる一対のギア１０３、１０４が互いに噛み合う状態で収容され、更に、各ギア１０３、１０４の支軸１３０、１４０が、対応するサイドプレート１１２に形成した支持孔１３１、１４１によって嵌合支持されるとともに、上記ギア室１１４の内部に、両ギア１０３、１０４の噛み合い位置を挟んで、媒体の吸込室１０５及び吐出室１０６が形成された構成とされる。
【０００６】
そして、ハウジング１０１やサイドプレート１１２には、加工性の向上化及び軽量化のためにアルミニウム合金が使用される一方、各ギア１０３、１０４には耐摩耗性が要求されるので、鋳鉄等の鉄系の材料が使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−１０３０２３号公報
【特許文献２】特開平１０−１４１２４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、このような構成のギアポンプで送出する液体が、例えば粘度が３２ｃＳｔ程度の粘性が高い油であれば、潤滑性が良く、各ギアに前述の鋳鉄等を用いることで十分に摩耗を抑制することができる。
【０００９】
しかしながら、ギアポンプで送出する作動液体が、例えばバイナリ発電装置などに用いられるＲ２４５ｆａ等の媒体であるとき、その粘度は上記の粘性が３２ｃＳｔ程度の油に比して格段に低くなるため、潤滑性も上記の粘性が３２ｃＳｔ程度の油に比して格段に低下する。そのため、各ギアに鋳鉄等のものを用いるだけでは、その摩耗を十分に防止することができない虞があった。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、粘度の低い作動流体を用いる場合にあっても摩耗の発生を抑制することが可能なギアポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のギアポンプは、互いに噛み合った状態でケーシングに収納される駆動ロータ及び従動ロータを備えたギアポンプであって、前記駆動ロータ及び前記従動ロータには、前記駆動ロータの歯が前記従動ロータの歯と互いに離間した二位置で接触する初期噛合姿勢と、この初期噛合姿勢から回転した姿勢であって、前記二位置が回転に伴って移動した二位置に加えて、それら移動後の二位置よりも回転方向上流側の一位置で更に前記駆動ロータの歯が前記従動ロータの歯と接触する三点噛合姿勢とがあり、前記三点噛合姿勢において、回転方向下流側の二位置間である下流側空間の圧力が回転方向上流側の二位置間である上流側空間の圧力よりも高いものであり、かつ、前記回転方向下流側の二位置を結ぶ線分の垂直二等分線が、前記従動ロータに回転方向のモーメントを生じさせるように、前記従動ロータの軸心からずれているものである。
【００１２】
この発明による場合には、三点噛合姿勢のとき、回転方向下流側の二位置間である下流側空間の圧力が回転方向上流側の二位置間である上流側空間の圧力よりも高いものであるので、上流側空間の圧力が従動ロータの回転方向に影響をあまり及ぼさず、しかも、従動ロータに回転方向のモーメントを生じさせるように、回転方向下流側の二位置を結ぶ線分の垂直二等分線が従動ロータの軸心からずれている。このため、三点噛合姿勢のときに、従動ロータを空回り状態で回転させることが可能になる。それにより、粘度の低い作動流体を用いる場合にあっても摩耗の発生を抑制することが可能になる。
【００１３】
この構成のギアポンプにおいて、前記上流側空間は、前記初期噛合姿勢から前記三点噛合姿勢へ変化する際に、容積が零から形成されたものであるようにすることが好ましい。このようにした場合には、従動ロータの回転に対し全く影響が及ばないようにすることができるので、三点噛合姿勢のときに従動ロータをより確実に空回り状態で回転させ得る。
【００１４】
この構成のギアポンプにおいて、上記駆動ロータの歯の形状が、その歯先を挟んで回転方向側歯面（Ｘ）と、反回転方向側歯面（Ｙ）とで２つの異なる形状を有し、上記回転方向側歯面（Ｘ）を第１関数（Ｈ）と定義すると、それに対向する従動ロータの歯面は駆動ロータが反回転方向に回転したときにおける前記第１関数（Ｈ）の創成関数である第２関数（ｈ）にて定義され、上記反回転方向側歯面（Ｙ）では、その反回転方向側歯面（Ｙ）における歯先側の部位を第３関数（Ｆ）と定義すると、従動ロータの歯面は駆動ロータが反回転方向に回転したときにおける前記第３関数（Ｆ）の創成関数である第４関数（ｆ）にて定義されるとともに、その第４関数（ｆ）の歯形領域が従動ロータのピッチ円内の所定の位置までであり、この第４関数（ｆ）に接続される第５関数（ｇ）にて従動ロータの歯先までが定義され、駆動ロータを回転方向に回転した場合における前記第５関数（ｇ）の創成関数である第６関数（Ｇ）が前記第３関数（Ｆ）にて定義された部分に続く状態で上記反回転方向側歯面（Ｙ）が定義される構成とすることができる。この場合には、駆動ロータの歯の形状が第１関数（Ｈ）、第３関数（Ｆ）および第６関数（Ｇ）により定義され、一方の従動ロータの歯の形状が第２関数（ｈ）、第４関数（ｆ）および第５関数（ｇ）により定義されることで、駆動ロータと従動ロータとが前記三点噛合姿勢で噛み合うように駆動ロータ及び従動ロータの歯の形状が設計される。
【００１５】
この構成のギアポンプにおいて、前記ケーシング内には、作動流体の吐出室が設けられ、上記駆動ロータおよび上記従動ロータの少なくとも一方のロータ端面には上記下流側空間に連通する第１溝が形成され、上記第１溝を有するロータ端面に対向するケーシングの面には、前記三点噛合姿勢のときに上記第１溝と上記吐出室とを連通させる第２溝が形成されている構成にすることができる。この構成による場合には、下流側空間が形成された後に、その下流側空間の容積が徐々に小さくなっても、その下流側空間には第１溝及び第２溝を介して吐出室が連通しているため、下流側空間に収容された作動流体を吐出室に逃がすことができ、これによりギアポンプの破損を防止できる。
【００１６】
この構成のギアポンプにおいて、上記駆動ロータの各歯および従動ロータの各歯がそれぞれのロータ軸心に対して捩れており、その捩れにより上記下流側空間が上記吐出室に繋がる構成にしてもよい。このようにした場合には、駆動ロータおよび従動ロータの各歯がそれぞれのロータ軸心に対して捩れることで、駆動ロータの歯と従動ロータの歯との噛み合う位置が回転に伴って各ロータの軸心方向へ移動していき、この噛み合う位置の移動により下流側空間に収容された作動流体が移動して作動流体を吐出室に逃がすことができ、これによってもギアポンプの破損を防止できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による場合には、三点噛合姿勢のときに、従動ロータを空回り状態で回転させることが可能になるので、粘度の低い作動流体を用いる場合にあっても摩耗の発生を抑制することが可能なギアポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るギアポンプを示す平面図である。
【図２】図１のギアポンプを構成する駆動ロータと従動ロータとを示す左側面図である。
【図３】（ａ）は駆動ロータと従動ロータとが第１姿勢で噛み合った状態を示し、（ｂ）は同じく第２姿勢で噛み合った状態を示し、（ｃ）は同じく第３姿勢で噛み合った状態を示す。
【図４】本発明で用いる駆動ロータおよび従動ロータの歯面形状を設計するための説明図である。
【図５】三点噛合姿勢のときにおいて接触位置カと接触位置キとの線分の垂直二等分線の方向を示す図である。
【図６】ロータ回転角（横軸）とトルク（縦軸）との関係を示す図である。
【図７】上流側空間の形成過程の説明図である。
【図８】本発明の駆動ロータおよび従動ロータの歯の捩れの説明図である。
【図９】本発明で用いる第１溝及び第２溝の関係を説明するための図である。
【図１０】従来のギアポンプを示す正面図である。
【図１１】図１０のギアポンプの側面図（断面図）である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施形態を具体的に説明する。
【００２０】
図１は本実施形態に係るギアポンプを示す平面図であり、図２はそのギアポンプを構成する駆動ロータと従動ロータとを示す左側面図である。
【００２１】
このギアポンプ１は、ケーシング３の内部に設けた収納室５に、駆動ロータ７及び従動ロータ９が互いに噛み合った状態で収納されている。ケーシング３は、収納室５を一端側に有する第１ケーシング３ａと、第１ケーシング３ａの一端に突き合わされる第２ケーシング３ｂと、第１ケーシング３ａの他端に突き合わされる第１蓋部３ｃと、第２ケーシング３ｂの第１ケーシング３ａを突き合わせる端面とは反対側の端面に突き合わされる第２蓋部３ｄとを有する。なお、第１蓋部３ｃ及び第２蓋部３ｄは、駆動ロータ７及び従動ロータ９の各軸に対応して２分割構造となっている。
【００２２】
駆動ロータ７の軸部７ａは図示しないモータに接続されていて、そのモータにより回転駆動され、その回転が従動ロータ９に伝達されるようになっている。また、ケーシング３の内部には、駆動ロータ７及び従動ロータ９が互いに噛み合う箇所を挟んで一方側に吸込室１５が、他方側に吐出室１７が設けられており、これら吸込室１５及び吐出室１７は収納室５に連通している。なお、図１中の９ａは、従動ロータ９の軸部である。
【００２３】
駆動ロータ７は外周に複数、図示例では１０個の歯７ｂを有し、一方、従動ロータ９は外周に複数、図示例では１２個の歯９ｂを有する。歯７ｂの形状は、駆動ロータ７のピッチ円７ｐの外側において外方へ膨らんだ形状となっており、また、その歯７ｂの根元部分の形状は、前記根元部分の凹状底部が駆動ロータ７のピッチ円７ｐの内側に位置する窪み形状となっている。そして、一方の歯９ｂの形状は従動ロータ９のピッチ円９ｐの内側において、歯７ｂにおけるピッチ円７ｐの外側部分に応じた形状、すなわち駆動ロータ７が回転するときに創成する形状となっている。駆動ロータ７の各歯７ｂは駆動ロータ７の軸心７ｃに対して捩れており、従動ロータ９の各歯９ｂは従動ロータ９の軸心９ｃに対して捩れている。歯７ｂの捩れ方向及び歯９ｂの捩れ方向は、第１蓋部３ｃ側に位置する歯７ｂ、９ｂの端部が、第２蓋部３ｄ側に位置する歯７ｂ、９ｂの端部よりも回転方向下流側に位置するように設定されている。この捩れ角度については、後で詳述する。
【００２４】
従動ロータ９における第２蓋部３ｄ側のロータ端面９ｄには、各歯９ｂ毎に第１溝１１が形成されており、また第２ケーシング３ｂのロータ端面９ｄと向かい合う面３ｅには、第２溝１３が形成されている。これら第１溝１１及び第２溝１３については、後で詳述する。
【００２５】
上記駆動ロータ７の歯７ｂ及び従動ロータ９の歯９ｂの歯面形状は、以下の３つの姿勢が得られるように設計している。
【００２６】
第１姿勢：図３（ａ）に示すように駆動ロータ７の歯７ｂが従動ロータ９の歯９ｂと一
位置アで接触する姿勢（両歯７ｂ、９ｂの間に閉じた空間が形成されていない）
【００２７】
第２姿勢：図３（ｂ）に示すように駆動ロータ７の歯７ｂが従動ロータ９の歯９ｂと互
いに離間した二位置エ、オで接触する姿勢（初期噛合姿勢）
【００２８】
第３姿勢：図３（ｃ）に示すように初期噛合姿勢から回転した姿勢であって、前記二位
置エ、オが回転に伴って移動した二位置カ、キに加えて、それら移動後の二位置カ、キよりも回転方向上流側の一位置クで更に駆動ロータ７の歯７ｂが従動ロータ９の歯９ｂと接触する姿勢（三点噛合姿勢）
【００２９】
駆動ロータ７に発生するトルクＴｍの方向は、第１姿勢、第２姿勢及び第３姿勢のいずれにあっても、駆動ロータ７の回転方向と逆方向のモーメントを駆動ロータ７に生じさせる方向になる。具体的には、図３（ａ）に示す第１姿勢における駆動ロータ７に発生するトルクＴｍの方向は、歯７ｂ及び歯９ｂの接触位置アと、歯７ｂ及びケーシング３の接触位置イとを結ぶ線分の垂直二等分線の方向であり、図３（ｂ）に示す第２姿勢における駆動ロータ７に発生するトルクＴｍの方向は、歯７ｂ及び歯９ｂの接触位置エと、同じく歯７ｂ及び歯９ｂの接触位置オとを結ぶ線分の垂直二等分線の方向であり、図３（ｃ）に示す第３姿勢における駆動ロータ７に発生するトルクＴｍの方向は、歯７ｂ及び歯９ｂの接触位置カと、同じく歯７ｂ及び歯９ｂの接触位置キとを結ぶ線分の垂直二等分線の方向で表される。
【００３０】
一方、従動ロータ９に発生するトルクＴｆの方向は、図３（ａ）に示す第１姿勢にあっては、前記接触位置アと歯９ｂ及びケーシング３の接触位置ウとを結ぶ線分の垂直二等分線の方向であって、従動ロータ９の回転方向と逆方向のモーメントを従動ロータ９に生じさせる方向になり、図３（ｂ）に示す第２姿勢にあっては、前記接触位置エと前記接触位置オとを結ぶ線分の垂直二等分線の方向であって従動ロータ９の軸心９ｃ方向になり、図３（ｃ）に示す第３姿勢にあっては前記接触位置カと前記接触位置キとを結ぶ線分の垂直二等分線の方向であって、従動ロータ９の回転方向と同方向のモーメントを従動ロータ９に生じさせる方向になる。
【００３１】
ここで、従動ロータ９の回転方向と同方向のモーメントを従動ロータ９に生じさせる場合のトルクＴｆは、回転を助けるように働くときを負の値と考え、逆に回転を妨げるように働くときを正の値と考える。
【００３２】
このとき、従動ロータ９に発生するトルクＴｆは、第１姿勢では正の値、第２姿勢では０、第３姿勢では負の値になる。そして、従動ロータ９は、回転に伴って第１姿勢、第２姿勢及び第３姿勢とこの順に変化するので、第１姿勢から第３姿勢までのトルクの合計値を０に近づくようにすることが可能になる。
【００３３】
このような構成の駆動ロータ７及び従動ロータ９の歯面の設計は、図４に基づき、以下にように行われる。
【００３４】
駆動ロータ７の歯７ｂの形状が、その歯先を挟んで回転方向側歯面（Ｘ）と、反回転方向側歯面（Ｙ）とで２つの異なる形状を有し、上記回転方向側歯面（Ｘ）を第１関数（Ｈ）と定義すると、それに対向する従動ロータ９の歯面は相手側の駆動ロータ７が反回転方向に回転したときにおける第１関数（Ｈ）の創成関数である第２関数（ｈ）にて定義される。その回転に際して、互いのピッチ円７ｐ、９ｐが滑らないように回転させる。上記反回転方向側歯面（Ｙ）では、その反回転方向側歯面（Ｙ）における歯先側の部位を第３関数（Ｆ）と定義すると、従動ロータ９の歯面は相手側の駆動ロータ７が反回転方向に回転したときにおける第３関数（Ｆ）の創成関数である第４関数（ｆ）にて定義され、その第４関数（ｆ）の歯形領域は従動ロータ９のピッチ円９ｐ内の所定の位置までであり、この所定の位置において第４関数（ｆ）になめらかに接続される第５関数（ｇ）にて従動ロータ９の歯先までが定義され、駆動ロータ７を回転方向に回転した場合における第５関数（ｇ）の創成関数である第６関数（Ｇ）が前記第３関数（Ｆ）にて定義された部分に続く状態で上記反回転方向側歯面（Ｙ）が定義されるように行われる。この場合の回転についても、前同様に、互いのピッチ円７ｐ、９ｐが滑らないように回転させる。
【００３５】
これにより、第３姿勢において、図４および図５に示すように、第１関数（Ｈ）と第２関数（ｈ）との接触位置カと、第３関数（Ｆ）と第４関数（ｆ）との接触位置キと、第５関数（ｇ）と第６関数（Ｇ）との接触位置クとが形成される。
【００３６】
ところで、第３姿勢にあっては接触位置カと接触位置キとで囲まれた下流側空間Ｂの他に、接触位置キと接触位置クとで囲まれた上流側空間Ａが存在する。
【００３７】
この状態において、駆動ロータ７に作用するトルクＴｍは、下記１式で表され、
Ｔｍ＝Ｌ×Ｋｍ×Ｚ×（Ｐｄ−Ｐｓ） ・・・（式１）
但し、Ｌ：接触位置カと接触位置キを結ぶ線分長さ
Ｋｍ：上記２位置カとキを結ぶ線分の垂直二等分線と駆動ロータ７の軸心７ｃとの距離
Ｚ：駆動ロータ７の軸方向の長さ
Ｐｄ：下流側空間Ｂの圧力
Ｐｓ：上流側空間Ａの圧力
同じ状態において、従動ロータ９に作用するトルクＴｆは、前述したように従動ロータ９の回転方向と同じ方向に作用して回転を助けるため、下記２式のように負の値で表される。
【００３８】
Ｔｆ＝−Ｌ×Ｋｆ×Ｚ×（Ｐｄ−Ｐｓ） ・・・（式２）
但し、Ｋｆ：上記２位置カとキを結ぶ線分の垂直二等分線と従動ロータ９の軸心９ｃとの距離
図６は、横軸にロータ回転角（ｄｅｇ）を、縦軸にトルクをとって、駆動ロータのトルク（実線）と従動ロータのトルク（破線）との一例を示すグラフである。
【００３９】
この図６から理解されるように駆動ロータ７に発生するトルクＴｍは常時正の値になる。つまり、上述したように駆動ロータ７に発生するトルクＴｍの方向が、第１姿勢、第２姿勢及び第３姿勢のいずれにあっても、駆動ロータ７の軸心７ｃからずれて、駆動ロータ７の回転方向と逆方向のモーメントを駆動ロータ７に生じさせる方向になる。一方、従動ロータ９に発生するトルクＴｆは、正の値から０になった後に負の値になる。つまり、上述したように従動ロータ９に発生するトルクＴｆの方向は、第１姿勢にあっては、接触位置アと接触位置ウとの線分の垂直二等分線の方向であって、従動ロータ９の回転方向と逆方向のモーメントを従動ロータ９に生じさせる方向になり、正の値となる。そして、第２姿勢にあっては、接触位置エと接触位置オとの線分の垂直二等分線の方向であって従動ロータ９の軸心９ｃ方向になって、従動ロータ９に発生するトルクは０になり、第３姿勢にあっては、接触位置カと接触位置キとの線分の垂直二等分線の方向であって、従動ロータ９の回転方向と同方向のモーメントを従動ロータ９に生じさせる方向になり、従動ロータ９に発生するトルクＴｆは負の値になる。
【００４０】
したがって、上記第３姿勢にあっては、従動ロータ９に発生するトルクＴｆを負の値にできるので、従動ロータ９を空回りさせることが可能となり、この空回りにより両ロータ７、９の摩耗を減らし得る。そして、その空回り状態となるときのトルクを負側で大きくすることが望ましく、そのために上記２式に基づきＰｄの値に対してＰｓの値を小さくさせようにする。
【００４１】
そこで、本実施形態では、上流側空間Ａの形成に関し、図７（ａ）に示すように第２姿勢（初期噛合姿勢）になった時点では、接触位置キのみが存在し、図７（ｂ）に示す次の時点（僅かに回転した時点）では２つの接触位置キ、クが形成されるようになし、その後、接触位置キ、クの間隔、つまり上流側空間Ａの容積が大きくなるように設計している。つまり、上流側空間Ａが容積０から大きくなるようにすることで、Ｐｓの値を小さく、好ましくは０に近づくように設計している。
【００４２】
このように構成された本実施形態に係るギアポンプ１にあっては、第３姿勢（三点噛合姿勢）のとき、回転方向下流側の二位置カ、キの間である下流側空間Ｂの圧力が回転方向上流側の二位置キ、クの間である上流側空間Ａの圧力よりも高いものであるので、上流側空間Ａの圧力が従動ロータ９の回転に影響をあまり及ぼさず、しかも、従動ロータ９に回転方向のモーメントを生じさせるよう、回転方向下流側の二位置カ、キを結ぶ線分の垂直二等分線が従動ロータ９の軸心９ｃからずれている。このため、三点噛合姿勢のときに、従動ロータ９を空回り状態で回転させることが可能になる。それにより、粘度の低い作動流体を用いる場合にあっても、両ロータ７、９の摩耗の発生を抑制することが可能になる。
【００４３】
また、本実施形態において、第２姿勢（初期噛合姿勢）から第３姿勢（三点噛合姿勢）へ変化する際に、上流側空間Ａが容積零から形成されるようになっているので、従動ロータ９の回転方向に対し全く影響が及ばないようにすることができ、第３姿勢のときに、従動ロータ９をより確実に空回り状態で回転させ得る。
【００４４】
更に、本実施形態では、前述したように駆動ロータ７及び従動ロータ９に、各ロータの歯７ｂ、歯９ｂが各ロータの軸心７ｃ、９ｃに対して捩れたものを用いているので、下流側空間Ｂに入っている液体を吐出室１７へ逃がすようにすることが可能になる。このことを図８に基づき説明する。
【００４５】
図８は駆動ロータ７及び従動ロータ９が噛み合って回転する状態を示し、図８（ｍ）、図８（ｏ）、図８（ｑ）、図８（ｓ）及び図８（ｕ）は第１蓋部３ｃ側のロータ端面を示し、図８（ｎ）、図８（ｐ）、図８（ｒ）、図８（ｔ）及び図８（ｖ）は第２蓋部３ｄ側のロータ端面を示す。また、図８（ｍ）及び図８（ｎ）は回転角度が０度のとき、図８（ｏ）及び図８（ｐ）は回転角度が７．２度のとき、図８（ｑ）及び図８（ｒ）は回転角度が１４．４度のとき、図８（ｓ）及び図８（ｔ）は回転角度が２１．６度のとき、図８（ｕ）及び図８（ｖ）は回転角度が２８．８度のときである。なお、図中のサ、シ、スおよびセは、各ロータの一端と他端とが繋がることを示すためのもので、例えば図８（ｏ）及び図８（ｐ）において、図８（ｏ）中のセと図８（ｐ）中のセとが繋がる部分を表し、同じく図８（ｏ）中のスと図８（ｐ）中のスとが繋がる部分を表す。他の図においても同様である。
【００４６】
この図８から、回転角度が１４．４度、２１．６度、２８．８度のときに、図８（ｑ）、図８（ｓ）及び図８（ｕ）に示すセと、図８（ｒ）、図８（ｔ）及び図８（ｖ）に示すセとの位置関係から下流側空間Ｂが吐出室１７に繋がっていることが理解される。なお、前述した駆動ロータ７及び従動ロータ９の捩れ角度は、下流側空間Ｂが形成されているときに、その下流側空間Ｂが吐出室１７に繋がる角度範囲に設定される。
【００４７】
この駆動ロータ７及び従動ロータ９の捩れにより、歯７ｂと歯９ｂとの噛み合い位置が移動し、これにより下流側空間Ｂに入っている液体を吐出室１７へ逃がすことが可能になり、ギアポンプの破損を防止することができる。
【００４８】
更に、本実施形態では、上述したように従動ロータ９のロータ端面９ｄに第１溝１１が形成され、またケーシング３に第２溝１３が形成されているので、第３姿勢において下流側空間Ｂの容積がロータ回転に伴って減少して下流側空間Ｂの圧力が高くなっても、その下流側空間Ｂに入っている液体を吐出室１７へ逃がしてギアポンプの破損を防止することができる。そして、これを可能とすべく、図２に示したように、第１溝１１は第３姿勢のときに従動ロータ９におけるロータ端面９ｄの下流側空間Ｂが形成される部分であって各歯９ｂ毎に形成され、一方、第２溝１３はケーシング３のロータ端面９ｄと向かい合う面３ｅに、駆動ロータ７の歯７ｂと噛み合っている従動ロータ９の歯９ｂに設けた第１溝１１と吐出室１７とを第３姿勢にあるときに連通するように形成されている。この第１溝１１と吐出室１７との連通により、前記下流側空間Ｂの圧力が吐出室１７の圧力と等しくなる。
【００４９】
なお、第２溝１３は、一端が吐出室１７に連通するように設けられるが、他端については、図９に示すように、吐出室１７から下流側空間Ｂへ前記液体が逆流を起こす直前で、第１溝１１との連通が解除される位置に配設される。一方、第１溝１１は、一端が下流側空間Ｂの形成される部分に設けられ、他端が前記逆流を起こす直前で第２溝１３との連通が解除される位置に配設される。また、第１溝１１及び第２溝１３は、図２、９等に示す直線状であっても、図示を省略するものの曲線状であってもよい。
【００５０】
なお、上述した実施形態では歯が１０個の駆動ロータと、歯が１２個の従動ロータとを用いているが、本発明はこれに限らない。例えば、歯が４個の駆動ロータ及び歯が６個の従動ロータを用いたり、他の歯数の駆動ロータ及び従動ロータを用いたりしてもよい。
【００５１】
また、上述した実施形態では第１溝１１と第２溝１３とを用いることで下流側空間Ｂの圧力を吐出室１７の圧力にし、加えて、下流側空間Ｂと吐出室１７とが連通するように各ロータの歯７ｂ、歯９ｂが各ロータの軸心７ｃ、９ｃに対して捩れた駆動ロータ７及び従動ロータ９を用いることで下流側空間Ｂの圧力を吐出室１７の圧力にする構成としているが、本発明はこれに限らない。例えば、第１溝１１と第２溝１３とを用いることのみで、下流側空間Ｂの圧力を吐出室１７の圧力にしてもよい。或いは、下流側空間Ｂと吐出室１７とが連通するように各ロータの歯７ｂ、歯９ｂが各ロータの軸心７ｃ、９ｃに対して捩れた駆動ロータ７及び従動ロータ９を用いることで、下流側空間Ｂの圧力と吐出室１７の圧力とが同じ圧力になる構成としてもよい。但し、前者のように第１溝１１と第２溝１３とを用いることのみで、下流側空間Ｂの圧力を吐出室１７の圧力に一致させる場合にあっては、下流側空間Ｂと吐出室１７とが連通するように各ロータの軸心７ｃ、９ｃに対する各ロータの歯７ｂ、９ｂの捩れ角度にする必要はないものの、その捩れ角度よりも小さい角度の捩れとすることにより下流側空間Ｂ内の液体を第１溝１１側へ移動させるように構成することが好ましい。
【００５２】
更に、上述した実施形態では従動ロータに第１溝を形成しているが、本発明はこれに限らず、駆動ロータに第１溝を形成してもよく、或いは、従動ロータと駆動ロータの両方に
第１溝を形成してもよい。この場合、第２溝は第１溝に対応するケーシングの位置に設けられる。
【符号の説明】
【００５３】
１ ギアポンプ
３ ケーシング
７ 駆動ロータ
９ 従動ロータ
７ｂ、９ｂ 歯
７ｃ、９ｃ 軸心
１１ 第１溝
１３ 第２溝
１５ 吸込室
１７ 吐出室
Ｂ 下流側空間
Ａ 上流側空間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに噛み合った状態でケーシングに収納される駆動ロータ及び従動ロータを備えたギアポンプであって、
前記駆動ロータ及び前記従動ロータには、前記駆動ロータの歯が前記従動ロータの歯と互いに離間した二位置で接触する初期噛合姿勢と、この初期噛合姿勢から回転した姿勢であって、前記二位置が回転に伴って移動した二位置に加えて、それら移動後の二位置よりも回転方向上流側の一位置で更に前記駆動ロータの歯が前記従動ロータの歯と接触する三点噛合姿勢とがあり、
前記三点噛合姿勢において、回転方向下流側の二位置間である下流側空間の圧力が回転方向上流側の二位置間である上流側空間の圧力よりも高いものであり、かつ、前記回転方向下流側の二位置を結ぶ線分の垂直二等分線が、前記従動ロータに回転方向のモーメントを生じさせるように、前記従動ロータの軸心からずれているギアポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載のギアポンプにおいて、
前記上流側空間は、前記初期噛合姿勢から前記三点噛合姿勢へ変化する際に、容積が零から形成されたものであることを特徴とするギアポンプ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のギアポンプにおいて、
前記ケーシング内には、作動流体の吐出室が設けられ、
上記駆動ロータおよび上記従動ロータの少なくとも一方のロータ端面には上記下流側空間に連通する第１溝が形成され、上記第１溝を有するロータ端面に対向するケーシングの面には、前記三点噛合姿勢のときに上記第１溝と上記吐出室とを連通させる第２溝が形成されていることを特徴とするギアポンプ。
【請求項４】
請求項１または２に記載のギアポンプにおいて、
前記ケーシング内には、作動流体の吐出室が設けられ、
上記駆動ロータの各歯および従動ロータの各歯がそれぞれのロータ軸心に対して捩れており、その捩れにより上記下流側空間が上記吐出室に繋がる構成になっていることを特徴とするギアポンプ。
【請求項５】
請求項１または２に記載のギアポンプにおいて、
前記ケーシング内には、作動流体の吐出室が設けられ、
上記駆動ロータおよび上記従動ロータの少なくとも一方のロータ端面には上記下流側空間に連通する第１溝が形成され、上記第１溝を有するロータ端面に対向するケーシングの面には、前記三点噛合姿勢のときに上記第１溝と上記吐出室とを連通させる第２溝が形成され、
かつ、上記駆動ロータの各歯および従動ロータの各歯がそれぞれのロータ軸心に対して捩れており、その捩れにより上記下流側空間が上記吐出室に繋がる構成になっていることを特徴とするギアポンプ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のギアポンプにおいて、
上記駆動ロータの歯の形状が、その歯先を挟んで回転方向側歯面（Ｘ）と、反回転方向側歯面（Ｙ）とで２つの異なる形状を有し、上記回転方向側歯面（Ｘ）を第１関数（Ｈ）と定義すると、それに対向する従動ロータの歯面は駆動ロータが反回転方向に回転したときにおける前記第１関数（Ｈ）の創成関数である第２関数（ｈ）にて定義され、上記反回転方向側歯面（Ｙ）では、その反回転方向側歯面（Ｙ）における歯先側を第３関数（Ｆ）と定義すると、従動ロータの歯面は駆動ロータが反回転方向に回転したときにおける前記第３関数（Ｆ）の創成関数である第４関数（ｆ）にて定義されるとともに、その第４関数（ｆ）の歯形領域が従動ロータのピッチ円内の所定の位置までであり、この第４関数（ｆ）に接続される第５関数（ｇ）にて従動ロータの歯先までが定義され、駆動ロータを回転方向に回転した場合における前記第５関数（ｇ）の創成関数である第６関数（Ｇ）が前記第３関数（Ｆ）にて定義された部分に続く状態で上記反回転方向側歯面（Ｙ）が定義される構成となっていることを特徴とするギアポンプ。
【請求項１】
互いに噛み合った状態でケーシングに収納される駆動ロータ及び従動ロータを備えたギアポンプであって、
前記駆動ロータ及び前記従動ロータには、前記駆動ロータの歯が前記従動ロータの歯と互いに離間した二位置で接触する初期噛合姿勢と、この初期噛合姿勢から回転した姿勢であって、前記二位置が回転に伴って移動した二位置に加えて、それら移動後の二位置よりも回転方向上流側の一位置で更に前記駆動ロータの歯が前記従動ロータの歯と接触する三点噛合姿勢とがあり、
前記三点噛合姿勢において、回転方向下流側の二位置間である下流側空間の圧力が回転方向上流側の二位置間である上流側空間の圧力よりも高いものであり、かつ、前記回転方向下流側の二位置を結ぶ線分の垂直二等分線が、前記従動ロータに回転方向のモーメントを生じさせるように、前記従動ロータの軸心からずれているギアポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載のギアポンプにおいて、
前記上流側空間は、前記初期噛合姿勢から前記三点噛合姿勢へ変化する際に、容積が零から形成されたものであることを特徴とするギアポンプ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のギアポンプにおいて、
前記ケーシング内には、作動流体の吐出室が設けられ、
上記駆動ロータおよび上記従動ロータの少なくとも一方のロータ端面には上記下流側空間に連通する第１溝が形成され、上記第１溝を有するロータ端面に対向するケーシングの面には、前記三点噛合姿勢のときに上記第１溝と上記吐出室とを連通させる第２溝が形成されていることを特徴とするギアポンプ。
【請求項４】
請求項１または２に記載のギアポンプにおいて、
前記ケーシング内には、作動流体の吐出室が設けられ、
上記駆動ロータの各歯および従動ロータの各歯がそれぞれのロータ軸心に対して捩れており、その捩れにより上記下流側空間が上記吐出室に繋がる構成になっていることを特徴とするギアポンプ。
【請求項５】
請求項１または２に記載のギアポンプにおいて、
前記ケーシング内には、作動流体の吐出室が設けられ、
上記駆動ロータおよび上記従動ロータの少なくとも一方のロータ端面には上記下流側空間に連通する第１溝が形成され、上記第１溝を有するロータ端面に対向するケーシングの面には、前記三点噛合姿勢のときに上記第１溝と上記吐出室とを連通させる第２溝が形成され、
かつ、上記駆動ロータの各歯および従動ロータの各歯がそれぞれのロータ軸心に対して捩れており、その捩れにより上記下流側空間が上記吐出室に繋がる構成になっていることを特徴とするギアポンプ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のギアポンプにおいて、
上記駆動ロータの歯の形状が、その歯先を挟んで回転方向側歯面（Ｘ）と、反回転方向側歯面（Ｙ）とで２つの異なる形状を有し、上記回転方向側歯面（Ｘ）を第１関数（Ｈ）と定義すると、それに対向する従動ロータの歯面は駆動ロータが反回転方向に回転したときにおける前記第１関数（Ｈ）の創成関数である第２関数（ｈ）にて定義され、上記反回転方向側歯面（Ｙ）では、その反回転方向側歯面（Ｙ）における歯先側を第３関数（Ｆ）と定義すると、従動ロータの歯面は駆動ロータが反回転方向に回転したときにおける前記第３関数（Ｆ）の創成関数である第４関数（ｆ）にて定義されるとともに、その第４関数（ｆ）の歯形領域が従動ロータのピッチ円内の所定の位置までであり、この第４関数（ｆ）に接続される第５関数（ｇ）にて従動ロータの歯先までが定義され、駆動ロータを回転方向に回転した場合における前記第５関数（ｇ）の創成関数である第６関数（Ｇ）が前記第３関数（Ｆ）にて定義された部分に続く状態で上記反回転方向側歯面（Ｙ）が定義される構成となっていることを特徴とするギアポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−２４１９２（Ｐ２０１３−２４１９２Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６１８６７（Ｐ２０１１−１６１８６７）
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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