アキシャルピストンポンプ
アキシャルピストンポンプは、シリンダーブロック内に多数のピストンが円形に配列された容積式ポンプです。
スタンドアロンポンプ、油圧モーター、自動車用エアコンコンプレッサーとして使用できます。
説明
アキシャルピストンポンプは、シリンダブロック、ローター、またはバレルと呼ばれるハウジング内に、複数のピストン（通常は奇数）が円形に配列されています。このシリンダブロックは、ポンプピストンとほぼ一直線に並んだ一体型シャフトによって、対称軸を中心に回転駆動されます（通常は平行ですが、必ずしもそうとは限りません）。
- 接触面。シリンダーブロックの一端は凸状になっており、固定バルブプレートの接触面に接触して摩耗します。ポンプの入口流体と出口流体は、シリンダーブロックとバルブプレート間の摺動面の異なる部分を通過します。バルブプレートには、作動流体の入口と出口流体の出口をそれぞれ形成する2つの半円形のポートがあります。
- 突出したピストン。ポンピング ピストンは、シリンダー ブロックの反対側の端から突出しています。ピストンの露出した端にはさまざまな構成が使用されていますが、すべての場合において、ピストンはカムに接しています。可変容量型ユニットでは、カムは可動で、一般的にスワッシュ プレート、ヨーク、またはハンガーと呼ばれます。概念的には、カムは平面で表すことができ、その平面の向きとシャフトの回転の組み合わせによって、ピストンの往復運動、ひいてはポンピングにつながるカム動作が提供されます。カム平面に垂直なベクトルとシリンダー ブロックの回転軸の間の角度 (カム角度)は、ポンプの容量、つまりシャフト 1 回転あたりのポンプされる流体の量を決定する 1 つの変数です。可変容量型ユニットは動作中にカム角度を変更する機能を備えていますが、固定容量型ユニットにはこの機能がありません。
- 往復ピストン。シリンダー ブロックが回転すると、ピストンの露出端はカム面の表面に沿うように拘束されます。カム面は回転軸に対して角度をなしているため、ピストンはシリンダー ブロックの軸の周りを歳差運動しながら軸方向に往復運動する必要があります。ピストンの軸方向の動きは正弦波です。ピストンの往復運動サイクルの上昇部分では、ピストンはバルブ プレートに向かって移動します。また、この間、ピストンの埋め込み端とバルブ プレートの間に閉じ込められた流体は、バルブ プレートの半円形のポートの 1 つ (吐出ポート) からポンプの吐出ポートに排出されます。ピストンがバルブ プレートに向かって移動すると、流体はバルブ プレートの吐出ポートを通して押し出されます。
- 歳差運動の影響。ピストンが往復サイクルの頂点（一般に上死点または単に TDC と呼ばれる）にあるとき、閉じ込められた流体チャンバーとポンプの吐出ポートとの接続は閉じられます。その後まもなく、同じチャンバーがポンプの入口ポートに対して開きます。ピストンがシリンダー ブロックの軸を中心に歳差運動を続けると、バルブ プレートから離れるため、閉じ込められたチャンバーの容積が増加します。このとき、流体がポンプの入口からチャンバーに入り、空間を埋めます。このプロセスは、ピストンが往復シリンダーの底部（一般に下死点または BDC と呼ばれる）に到達するまで続きます。BDC では、ポンプ チャンバーと入口ポートとの接続は閉じられます。その後まもなく、チャンバーは再び吐出ポートに対して開き、ポンプ サイクルが開始されます。
- 可変容量型。可変容量型ポンプでは、カム面（斜板）の法線ベクトルが回転軸と平行に設定されている場合、シリンダー内のピストンは動きません。したがって、出力は発生しません。斜板の動きによって、ポンプの出力はゼロから最大まで制御されます。可変容量型アキシャルピストンポンプには、以下の2種類があります。
- 圧力。典型的な圧力補償ポンプでは、圧力フィードバックを用いたバルブの作用によって斜板角度が調整され、瞬間的なポンプ出力流量が指定圧力を維持するのにちょうど十分な量になるようにします。負荷流量が増加すると圧力は一時的に低下しますが、圧力補償バルブは圧力低下を感知し、斜板角度を増加させてポンプ出力流量を増加させ、所望の圧力を回復させます。実際には、ほとんどのシステムでは、このタイプのポンプの制御に圧力が用いられています。例えば、運転圧力が200 bar（20 MPaまたは2900 psi）に達すると、斜板はゼロ角度（ピストンストロークはほぼゼロ）に向かって駆動され、システム固有の漏れにより、ポンプは設定圧力を維持する吐出量で安定します。需要が増加すると、斜板はより大きな角度に移動し、ピストンストロークが増加して流体量が増加します。需要が減少すると圧力が上昇し、圧力の上昇に伴ってポンプ量は減少します。システム圧力が最大になると、出力は再びほぼゼロになります。流体需要がポンプの吐出能力を超えて増加すると、システム圧力はほぼゼロまで低下します。スワッシュプレート角度は許容最大値を維持し、ピストンはフルストロークで作動します。この状態は、システムの流量需要が緩和し、ポンプの吐出能力が需要を上回るまで続きます。圧力が上昇すると、スワッシュプレート角度は流量需要を満たしながら最大圧力を超えないように調整されます。[ 2 ]
設計上の難しさ
アキシャルピストンポンプの設計において、設計者は克服すべき多くの課題を抱えています。その一つは、効率的な運転に必要な精密な公差を備えたポンプを製造できるようにすることです。回転ピストンシリンダーアセンブリと固定ポンプ本体の接合面は、回転部分が約3000 rpmで回転する間、ほぼ完璧な密閉状態を維持する必要があります。ピストンの直径は通常13 mm（0.5インチ）未満で、ストローク長も同様です。壁とピストンの密閉性を維持するには、非常に小さな隙間が必要であり、膨張係数が同等になるように材料を厳密に適合させる必要があります。
ピストンは何らかの方法でシリンダー内から外側に引き出されなければなりません。小型ポンプでは、シリンダー内のスプリングによってピストンがシリンダー内を押し上げられることでこれを実現できます。また、流体がピストンをシリンダー内を押し上げるように、入口流体圧力を調整することも可能です。多くの場合、この圧力を供給するために、同じ駆動軸にベーンポンプが取り付けられており、これによりポンプアセンブリはリザーバーから一定の吸込ヘッドに逆らって流体を吸い込むことができます。これは、補助なしのアキシャルピストンポンプには備わっていない機能です。
ピストンをシリンダー内に引き込むもう一つの方法は、シリンダーヘッドをスワッシュプレートの表面に取り付けることです。この方法では、ピストンのストロークは完全に機械的なものとなります。しかし、設計者にとってスワッシュプレート面（摺動面）の潤滑という課題はさらに困難になります。
ポンプの内部潤滑は、作動油（通常は油圧作動油）によって行われます。ほとんどの油圧システムの最高動作温度は、作動油によって制限され、約120 °C（250 °F）であるため、この作動油を潤滑剤として使用すると、独自の問題が発生します。このタイプのポンプでは、シリンダーハウジングと本体ブロックの間の面からの漏れを利用して、回転部品の外側を冷却および潤滑します。漏れた液はその後、リザーバーまたはポンプの入口側に再び排出されます。使用済みの作動油は、ポンプ内を循環する前に必ず冷却され、マイクロメートルサイズのフィルターを通過します。
用途
上で示した問題にもかかわらず、このタイプのポンプには、流量と圧力を調節するために必要な回路制御のほとんどが一体化して含まれているため（斜板角度制御）、信頼性が高く、油圧システムの残りの部分は非常にシンプルで安価になります。
アキシャルピストンポンプは、タービンエンジンのメインシャフトからギア駆動され、ジェット機の油圧システムに動力を供給するために使用されます。F-14 で使用されたシステムでは、9 ピストン ポンプが使用され、標準システム動作圧力 3000 psi、最大流量 84 ガロン/分が生成されました。
車内冷却用の自動車用エアコンコンプレッサーは、現在、主にアキシャルピストンポンプ設計を採用しています（スクロールコンプレッサーやロータリーベーンポンプを採用したものもあります）。これは、車両のエンジンルームにおける重量とスペース要件を抑え、振動を低減するためです。固定容量型と動的調整式可変容量型があり、コンプレッサーの設計に応じて、回転スワッシュプレートは、半球状の金属シューを介してその縁に嵌合したピストンセットを直接駆動するか、ロッドを介してピストンセットが取り付けられたナット型プレートを駆動します。
一部の高圧洗浄機にも使用されています。例えば、ケルヒャーには3ピストンのアキシャルピストンポンプを搭載したモデルがいくつかあります。[ 3 ]
アキシャルレシプロモータは、多くの機械の動力源としても使用されています。上記と同じ原理で動作しますが、循環流体が高圧力下で供給され、ピストンハウジングが回転することで別の機械に軸動力を供給する点が異なります。アキシャルレシプロモータの一般的な用途は、スキッドローダーなどの小型土木機械への動力供給です。また、トルピード（魚雷）のスクリュー駆動にも使用されます。
歴史
参考文献
- ^ Danfoss.「アプリケーションマニュアル：トランスミッション回路の推奨事項」 p. 6
- ^ 「ロータリーパワーの油圧モーターとポンプの品揃え」 www.rotarypower.com 。 2010年7月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ 「圧力洗浄機ポンプの決定版ガイド」PressureWashr . 2015年8月13日. 2015年8月13日閲覧。
外部リンク
