JP4829957B2 - 歯車ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、特に高圧、高粘性の流体を移送するために使用される歯車ポンプに関する。

噛合する歯車の回転により流体を吸込側から吐出側へと移送する歯車ポンプには、インボリュート平歯車（スパーギヤ）を用いることが一般的である。インボリュート歯形は切削し易く、歯形の仕上げ寸法の測定も容易であるため、高精度の歯車を得ることができるからである。

一方で、インボリュート平歯車は、流体の閉じ込み現象という弊害を伴う。インボリュート平歯車には、回転中に２組の歯が噛み合う期間が存在しており、その際に２組の歯の間に流体が閉じ込められる。この閉じ込み領域の容積は歯車の回転に伴い変動し、圧縮時には閉じ込み流体の圧力上昇と動力浪費、膨張時には真空や気泡の発生といった不具合をもたらす。

そして、閉じ込み現象の害は、移送される流体の粘度や吸込圧力、吐出圧力が高いほど顕著になる。故に、溶融樹脂のような高圧、高粘度の流体の圧送の用途に供するポンプには、インボリュート平歯車を採用し難い。

はすば歯車（ヘリカルギヤ）を採用し、ねじれ角度（ヘリカル角度）を適切な大きさに設定すれば、上述の閉じ込み現象を回避可能である。加えて、はすば歯車ポンプでは移送される流体の圧力変化が急激でなく、歯車の噛合も比較的滑らかであり、騒音や振動も抑えられる。

尤も、はすば歯車は回転中に軸推力（スラスト力）の作用を受けるので、歯車側面が軸心方向に強く押しつけられて摩擦し、時には焼き付きを引き起こすこともある。よって、通常は、軸推力を打ち消し合うことのできるやまば歯車（ダブルヘリカルギヤ）を用いる（例えば、特許文献１参照）。

やまば歯車は成形が容易でない。現に、やまば歯車を作製する場合には、互いに対称な二個のはすば歯車を接合して一個のやまば歯車とすることが多い。しかし、このようなものであると、どうしても歯車と歯車軸とが別部材にならざるを得ない。すると、歯車を歯車軸に結合するためのキー及びキー溝等の形成加工が必要になるばかりか、歯車や歯車軸が径方向に肥大してポンプが大形化することにもつながる。

以上に鑑みてなされた本発明は、やまば歯車を用いることなく、高圧、高粘度の流体の移送に適した歯車ポンプを実現しようとするものである。
特開平０８−０１４１６５号公報

本発明では、噛合するはすば歯車の回転により流体を吸込側から吐出側へと移送する歯車ポンプにおいて、吐出側から歯車軸の軸端側に流体を導入する導入路を設け、はすば歯車で発生する軸推力に対抗する流体圧力を軸端に加えるものとし、前記導入路を介して軸端側に導入した流体を吸込側へ還流させる還流路を設けるとともに、歯車軸を受ける軸受の内周に流体を流入させて潤滑するための凹溝を形成し、その凹溝を前記還流路または前記導入路に連通させるようにした。これにより、ねじれ角度の大小によらず、軸推力の悪影響を排除または低減できる。ねじれ角度の設計の自由度が担保されるので、ねじれ角度を適切な大きさに設定して閉じ込み現象を回避することができ、また様々な仕様条件にも対応し得る。総じて、はすば歯車を用いて高圧、高粘度の流体の移送に適した歯車ポンプを実現することが可能になる。

前記導入路を流通する流体の流体圧を調整するための調整弁をさらに設けておけば、調整弁による調整を通じて軸推力を打ち消すために必要十分な大きさの流体圧力を与えることができる。このことは、非ニュートン流体を圧送するポンプで特に有効となる。非ニュートン流体は剪断速度が変化すると見かけ粘度が変化するので、設計段階で想定していた軸推力と実際に発生する軸推力とがしばしば一致しない。であるから、前記導入路を介して導入する流体圧を予め決定することは難しく、実流体運転時にこれを加減できる方が望ましい。

また、同様の理由から、前記導入路を流通する流体の流体圧を計測する圧力計を設けておくことも好ましい。

各歯車とその歯車に対応する歯車軸とを一体成形品とすれば、ポンプの小形化に資する。やまば歯車を採用する場合、これを歯車軸に一体成形しようとすると、歯車の加工工程上、歯車諸元に制限が生じ最良値に設定することができない。本発明では、やまば歯車ではなくはすば歯車を採用しており、歯車を歯車軸に一体成形することが容易で、しかもねじれ角度を最良値に設定することが許容される。

前記導入路を介して軸端側に導入した流体を吸込側へ還流させる還流路を設けるとともに、歯車軸を受ける軸受の内周に流体を流入させて潤滑するための凹溝を形成し、その凹溝を前記還流路または前記導入路に連通させているならば、軸推力のバランスと軸受の潤滑とを両立できる。

しかして、ポンプのケーシングが、歯車軸の軸心方向に沿って貫通しはすば歯車、歯車軸及び軸受を収容するボディと、前記ボディを前後より閉止して内面を各歯車軸の軸端に対向させるフロントカバー並びにリヤカバーとを要素とし、前記フロントカバー、前記リヤカバーのそれぞれの内面に前記導入路及び前記還流路を形成するものとすれば、徒な構造の複雑化を招かない。また、調整弁や圧力計をフロントカバー、リヤカバーに実装することができ、ポンプの組立工程の簡便化にも奏効する。

本発明によれば、やまば歯車を用いることなく、高圧、高粘度の流体の移送に適した歯車ポンプを実現可能である。

本発明の一実施形態の歯車ポンプを示す側断面図である。

同歯車ポンプを示す側断面図である。

同歯車ポンプを示す分解斜視図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１ないし図３に示す本実施形態の歯車ポンプは、例えば、石油プラント、化学プラント等にあって、溶融樹脂その他の高分子重合物等を高圧で圧送するために使用される。この歯車ポンプは、ケーシング１が内包する内部空間に駆動歯車２と従動歯車３とを噛合状態で配設してなるいわゆる外接歯車ポンプであり、両歯車２、３を回転駆動することにより歯溝に捉えた流体を吸込側から吐出側へ移送するポンプ作用を営むものである。実際には、吸込側を上方、吐出側を下方に位置づけ、吸込口１１１の直上に溶融樹脂等を蓄えたタンクを設置して、タンク内の溶融樹脂等を吸込み吐出口１１２より所要の吐出圧力で吐出させる。

ケーシング１は、ボディ１１、フロントカバー１２及びリヤカバー１３を要素とする。ボディ１１には、前後方向に沿って貫通する眼鏡孔１１３を穿設しており、この眼鏡孔１１３に歯車２、３、歯車軸２１、３１及び軸受４を収容する。具体的には、軸受４を眼鏡孔１１３の前後端部に設置して歯車軸２１、３１を回転可能に支持させつつ、両軸受４の対向する端面間に歯車２、３を位置づける。軸受４は、眼鏡孔１１３の内周形状に対応して、二個の略円筒体を隣り合わせて接合したような外形をなしている。ボディ１１の上方に開口する吸込口１１１、下方に開口する吐出口１１２は、それぞれ眼鏡孔１１３に連通する。その上で、ボディ１１の両側にフロントカバー１２、リヤカバー１３をそれぞれ組み付けて眼鏡孔１１３を閉止している。フロントカバー１２には、駆動歯車２の歯車軸２１の先端部位（歯車２、３を回転駆動する原動機に連結する）を挿通するための軸孔１２３を穿ってある。

駆動歯車２及び従動歯車３は、はすば歯車とする。但し、歯車２、３の歯形は特に限定されない。インボリュート歯形としてもよいし、これ以外の種類の歯形、例えばシマクロイドのような閉じ込み現象を生じさせない一点連続接触歯形としてもよい。また、歯車２、３は、各々の歯車軸２１、３１に一体成形してもよく、一体成形でなくともよい。

上述の如き構成を有する歯車ポンプにおいて、本実施形態では、駆動歯車２及び従動歯車３で発生する軸推力に対抗してこれを打ち消す流体圧力を歯車軸２１、３１の軸端に加えるようにしている。

詳述すると、ケーシング１に、吐出側から歯車軸２１、３１の軸端側に高圧の流体を導入する導入路１２１、１３１を設けておき、この導入路１２１、１３１を介して導入した流体圧力を軸推力とバランスさせる。歯車２、３を回転駆動したとき、駆動歯車２では後方に向かう軸推力が発生する。これに対し、リヤカバー１３の内面即ちボディ１１の後向面に面する前向面に有底溝状の導入路１３１を形成して、導入路１３１へ流入させた流体の圧力を以て歯車軸２１の後側の軸端面を押圧する。並びに、従動歯車３では前方に向かう軸推力が発生する。これに対し、フロントカバー１２の内面即ちボディ１１の前向面に面する後向面に有底溝状の導入路１２１を形成して、導入路１２１へ流入させた流体の圧力を以て歯車軸３１の前側の軸端面を押圧する。

導入路１２１、１３１は、歯車２、３の歯先円よりも外周側となる所定箇所から、歯車軸２１、３１の軸端面近傍に向かうように延伸している。歯車軸２１、３１の軸端面は軸受４の反歯車２、３側の端面よりも若干内奥にあって、導入路１２１、１３１を経由して流入した流体は軸受４内に進入して軸端面を押圧することとなる。導入路１２１、１３１はポンプの吐出側に連通している必要があるが、図示例では、ボディ１１の後向面及び前向面と吐出口１１２の内周面との間に存在する隔壁を貫く分流路１１４を設け、この分流路１１４の終端を導入路１２１、１３１に臨む位置に開口させることで導入路１２１、１３１を吐出側に連通させている。

また、軸受４の内周には、歯車軸２１、３１と軸受４との境界面を潤滑するべく多少の流体を流入させる凹溝４１を設けている。凹溝４１は、少なくとも軸受４の歯車２、３側の端面に開口し、かつ軸心方向に沿って軸受４の反歯車２、３側の端面付近まで延伸するものであり、歯車２、３の歯溝に捉えられた流体の一部を流入させ得る。

導入路１２１、１３１を介して軸端側に導入した流体、凹溝４１を介して軸受４内に導入した流体は、最終的にポンプの吸込側に還流させる。そのために、リヤカバー１３及びフロントカバー１２の内面に有底溝状の還流路１２２、１３２を形成している。還流路１２２、１３２は、リヤカバー１３、フロントカバー１２のそれぞれにおいて、各歯車軸２１、３１に相対して略八字型をなすように二本設けておく。還流路１２２、１３２は、歯車軸２１、３１の軸端面近傍から、歯車２、３の歯先円よりも外周側となる所定箇所に向かうように延伸する。さらに、二本の還流路１２２、１３２のうちの一方は導入路１２１、１３１に連続している。還流路１２２、１３２はポンプの吸込側に連通している必要があるが、図示例では、ボディ１１の前向面及び後向面と吸込口１１１の内周面との間に存在する隔壁を貫く合流路１１５を設け、この合流路１１５の終端を還流路１２２、１３２に臨む位置に開口させることで還流路１２２、１３２を吸込側に連通させている。 歯車ポンプの理論トルクをＴ_th、必要トルクをＴ_s、効率をη、歯車２、３一回転当たりの吐出量をＶ_th、歯車２、３の外径をＤ、歯幅をＢ、歯モジュールをＭ、歯数をＺ、ピッチ円直径をＡ、はすば歯車２、３のねじれ角度をβ、吸込圧力と吐出圧力との差圧をＰ、歯車２、３で発生する軸推力をＦとおく。必要トルクＴ_sはＴ_th／η、換言すれば理論トルクＴ_thとロストルクとの和である。理論トルクＴ_thについて、
Ｔ_th＝Ｖ_th×Ｐ／２／π
が成立し、吐出量Ｖ_thについて、
Ｖ_th≒２π×Ｍ²×Ｚ×Ｂ
が成立する。そして、必要トルクＴ_sより、軸推力Ｆが求められる。
Ｆ＝Ｔ_s×Ａ×ｔａｎβ
上式より、軸推力Ｆは差圧Ｐに比例することが分かる。

凹溝４１を介して軸受４内を流通する潤滑用の流体のみを考慮した場合、歯車軸２１、３１の軸端側に作用する流体圧力は吸込圧力よりも若干大きい程度となるように設定することが一般的である。翻って、歯車２、３で発生する軸推力が差圧に比例することを踏まえた上で、還流路１２２、１３２及び合流路１１５の内径ないし内寸を適当な大きさに設定すれば、吐出側より導入した流体圧力と軸推力とのバランスによって軸推力による悪影響を排除または低減することができる。

とは言え、高分子重合物等の非ニュートン流体は剪断速度が変化すると見かけ粘度が変化するので、設計段階で想定していた軸推力と実際に発生する軸推力とがしばしば一致しない。であるから、吐出側より導入する流体圧を、実流体運転時に加減できる方が望ましいことも事実である。

本実施形態の歯車ポンプには、分流路１１４及び導入路１２１、１３１を流通する流体の流体圧を調整するための調整弁５と、その流体圧を計測するための圧力計６とを設けている。調整弁５は、例えばねじ送りによってスプール（弁体）を進退させる手動のもので、図示例ではリヤカバー１３、フロントカバー１２に実装している。調整弁５のスプールには、先端に向かうにつれて徐々に縮径するテーパ部を形成してあり、このテーパ部を分流路１１４の開口（弁座）に密接させることで全閉し、あるいはテーパ部を分流路１１４の開口より離反させることで流体圧を加減できる。圧力計６もまた、リヤカバー１３、フロントカバー１２に実装しておく。但し、圧力計６の種類、方式等は特に限定されない。

本実施形態によれば、噛合するはすば歯車２、３の回転により流体を吸込側から吐出側へと移送する歯車ポンプにおいて、吐出側から歯車軸２１、３１の軸端側に流体を導入する導入路１２１、１３１を設け、はすば歯車２、３で発生する軸推力に対抗する流体圧力を軸端に加えるようにしたため、ねじれ角度の大小によらず、軸推力の悪影響を排除または低減できる。ねじれ角度の設計の自由度が担保されるので、ねじれ角度を適切な大きさに設定して閉じ込み現象を回避することができ、また様々な仕様条件にも対応し得る。従って、はすば歯車２、３を用いて高圧、高粘度の流体の移送に適した歯車ポンプを実現することが可能になる。

前記導入路１２１、１３１を流通する流体の流体圧を調整するための調整弁５、前記導入路１２１、１３１を流通する流体の流体圧を計測する圧力計６をさらに設けているため、流体圧をモニタしつつ調整弁５を操作して軸推力を打ち消すために必要十分な大きさに調整することができる。軸推力は差圧に比例することから、ある運転条件下で調整弁５を調整しておけばその後に運転条件が変化したとしても調整弁５を再調整しなくてよい。つまり、ポンプの稼働運転時に煩雑な調整作業は不要である。

各歯車２、３とその歯車２、３に対応する歯車軸２１、３１とを単一の部材によって構成しているため、ポンプの小形化に資する。

前記導入路１２１、１３１を介して軸端側に導入した流体を吸込側へ還流させる還流路１２２、１３２を設けるとともに、歯車軸２１、３１を受ける軸受４の内周に流体を流入させて潤滑するための凹溝４１を形成し、その凹溝４１を前記還流路１２２、１３２及び前記導入路１２１、１３１に連通させているため、軸推力のバランスと軸受４の潤滑とを両立できる。

ポンプのケーシング１は、歯車軸２１、３１の軸心方向に沿って貫通しはすば歯車２、３、歯車軸２１、３１及び軸受４を収容するボディ１１と、前記ボディ１１を前後より閉止して内面を各歯車軸２１、３１の軸端に対向させるフロントカバー１２並びにリヤカバー１３とを要素とし、前記フロントカバー１２、前記リヤカバー１３のそれぞれの内面に前記導入路１２１、１３１及び前記還流路１２２、１３２を形成するものとしているため、徒な構造の複雑化を招かない。また、調整弁５や圧力計６をフロントカバー１２、リヤカバー１３に実装することができ、ポンプの組立工程の簡便化にも奏効する。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。とりわけ、本発明の適用対象は、高圧、高粘度の流体の圧送の用途に供するポンプには限定されない。あらゆるはすば歯車を採用したポンプに対し、本発明を適用可能である。

その他各部の具体的構成は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

Claims (2)

1. 噛合するはすば歯車の回転により流体を吸込側から吐出側へと移送する歯車ポンプであって、
   吐出側から歯車軸の軸端側に流体を導入する導入路を設け、はすば歯車において発生する軸推力に対抗する流体圧力を軸端に加えるようにし、
   前記導入路を介して軸端側に導入した流体を吸込側へ還流させる還流路を設けるとともに、
   歯車軸を受ける軸受の内周に流体を流入させて潤滑するための凹溝を形成し、その凹溝を前記還流路または前記導入路に連通させている歯車ポンプ。
2. 歯車軸の軸心方向に沿って貫通しておりはすば歯車、歯車軸及び軸受を収容するボディと、前記ボディを前後より閉止して内面を各歯車軸の軸端に対向させるフロントカバー並びにリヤカバーとを要素とするケーシングを具備し、
   前記フロントカバー、前記リヤカバーのそれぞれの内面に前記導入路及び前記還流路を形成している請求項１記載の歯車ポンプ。

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