4.2.2 ピストンポンプ

4.2.2 ピストンポンプ(piston pump)

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1. ピストンポンプの種類

ピストンポンプは数本以上のピストンが、シリンダ内を定められた位相差で順番に往復運動することにより液体を加圧して送出する形式のポンプをいいます。他のポンプと比較すると、高圧での使用に耐えて効率的にも優れています。

ピストンの配列の仕方によって、アキシャル形、ラジアル形、及びレシプロ形の3種類に大別されます。歴史的には、まずレシプロ形が考案され、アキシャル形、ラジアル形が考案されて、改良が加えられて、現在では仕様や用途に応じていろいろな種類が提供されています。

構造的には、ほかの容積式ポンプと比較すると複雑ですが、可変容量形への対応の容易さ、油圧モータとしての使用が容易であることから、単位容積(質量)あたりの出力が大きいため、建設車両や、鉄鋼、造船、工作機械などいろいろな分野で使用されています。

図4.2.2.1にピストンポンプの種類を示します。
それぞれの形式の特徴は、
・レシプロ形:ピストンをカムまたはクランクで駆動するもの。
・アキシャル形:ピストンを駆動軸の方向に配置しているもの。
・ラジアル形:ピストンを駆動軸に対して、半径方向に放射状に配置しているもの
です。

図4.22.1 ピストンポンプの種類

2. ピストンポンプの特徴

[長所]
(1)ほかの形式の油圧ポンプと比較して、非常に高圧(吐出圧力;50MPaクラス)まで耐圧性があり、ポンプ効率も優れています。
(2)可変容量形への適用が容易にできます。
(3)油圧制御弁をいろいろ組み合わせることにより、いろいろな制御が容易にできます。
(4)2,3項の性質より、回路の設計は比較的容易で、省エネルギー化もはかれます。
(5)ポンプとモータとの設計は基本的に同一であり、ポンプとモータとを直接接続して動力伝達をはかる、油圧トランスミッション(HST;Hydro static transmession)の設計が容易です。

[短所]
(1))ほかの形式の油圧ポンプと比較して、構造が複雑で精密な加工仕上げが必要で、コストが高くなりがちです。
(2)ピストンとシリンダーとの摺動部などクリアランスの小さい個所が多いので、作動油が汚染してコンタミナントが多いと、摩耗や焼付きを起こしやすくなります。作動油や付属機器(油圧ホースなど)の汚染管理が非常に重要になります。
(3)ポンプの動作原理が、ピストンが正弦波的にシリンダ内を動くことより、脈動が発生して振動源や騒音源になりやすいです。ポンプの脈動・騒音対策からはピストン本数は多い方が良好で、かつ奇数本の方が偶数本と比較して脈動が少なくなります。
図4.2.2.2は、ピストン本数による脈動の程度について示しています。

図4.2.2.2 ピストン本数による脈動の程度

実際のピストンポンプでは、スペースや価格等の面から、小型ポンプは5~9本、大型ポンプでは9本または11本がよく用いられます。ただし、これらの関係は、アキシャル形ピストンポンプやレシプロ形ピストンポンプでは考慮されますが、ラジアル形の場合は、理論上は出力変動率をゼロにできるので、奇数本である必要は無く、むしろラジアル方向の荷重をバランスさせるために偶数ピストンの方が好都合になります。

3. アキシャルピストンポンプ

アキシャルピストンポンプには、ピストンの往復作動する方式によって、斜軸形と斜板形との2種類があります。アキシャルピストンポンプは、構造的に容易に可変容量形になり、両側ポートからの吐出が可能です。また、同じ構造でモータにもなりますので、ピストンポンプの中では最も多く用いられています。

3.1 斜板式アキシャルピストンポンプ(swash plate axial piston pump)

代表的な構造を、図4.2.2.3に示します(斜板式可変容量形アキシャルピストンポンプ)。駆動軸とはスプライン等により結合されたシリンダブロックが回転して、そのシリンダブロック内で摺動するピストンが頭部を軸とは離れた位置に設けられた斜板によりシリンダブロック内を往復運動することにより、ポンプ作用を行います。斜板の角度(傾転角)を固定すれば定容量形、斜板の傾転角を可変にすれば可変容量形ポンプになります。

図4.2.2.3斜板式可変容量形アキシャルピストンポンプ

3.2 斜軸式アキシャルピストンポンプ(bent axis axial piston pump)

代表的な構造を、図4.2.2.4に示します(斜軸式定容量形アキシャルピストンポンプ)。駆動軸に対して傾斜した軸により駆動されるシリンダブロックに対して、シリンダブロック内のピストンがシリンダボア内で相対的に往復運動をすることにより、作動油の吸込み・吐出しを行う構造です。

図4.2.2.4 斜軸式定容量型アキシャルピストンポンプ

シリンダブロック軸の傾き角を可変にすれば、ピストンによる押しのけ容積はゼロから最大まで連続的に変化させることができます。

シリンダブロックの駆動は、ピストンとコネクティングロッド(以下、コンロッド)とを組み合わせてコンロッドで駆動します。この形式の特徴は、傾転角が斜板式と比較して大きく取れるところにあります。コンロッドの接続形式にもよりますが、最大40°までのものが商品化されています。

4. ラジアルピストンポンプ

ラジアルピストンポンプは、ピストンを駆動軸とは直角方向に放射状に配置して、偏心したカムリングまたはカムによってピストンを往復運動させてポンプ作用を行わせます。

図4.2.2.5 に偏心形ラジアルピストンポンプを示します。この形式では、ピストンはシリンダブロックとともに回転します。ピストンは偏心して組み付けられたカムリングの形状に沿って往復運動を行います。可変容量にするには、カムリングの偏心量を変化させればよいので、容易に行えて応答性も良好です。ピストンにはカムリングとの摺動のためにスリッパ(slipper pad)が取り付けられています。

図4.2.2.5 偏心形ラジアルピストンポンプ

シリンダブロックが回転するとピストンは遠心力と油圧によってカムリングに押し付けられて、カムリングの内面を摺動、回転しながら偏心量の 2倍分ストロークします。作動油の吸込み、吐出しはハウジング及びコントロールシャフトの通路を経て、スリットにより制御されます。
また、カムリングの偏心量はコントロールピストンとカウンタピストンの位置関係により決定されます。この一対のピストンを制御することによって、アキシャルピストンポンプと同等の制御機能を持たせることができます。
駆動力は十字継手のカップリングを介してシリンダブロックに伝達されます。そのため、回転力以外の曲げモーメントはポンプの機能部貧には伝達されない構造になっています。また、カムリングからピストンに働く力は、常にカムリングの中心に向かつて作用するため、全体的なアンバランス力は大きな値にはなりません。

この形式以外のラジアル形(例えばシリンダ回転形)は、通常はモータとしてのみ使用されますので、省略します。

5. レシプロピストンポンプ

図4.2.2.6 にクランク式レシプロピストンポンプの一例を示します。これは3連のレシプロピストンポンプです。クランク軸の回転によりシリンダブロックに挿入されたピストンが120°の位相差で往復運動します。吐出量を増加する場合はシリンダブロックを並列に多数連重ねて作動されます。

図4.2.2.6 にクランク式レシプロピストンポンプ

レシプロピストンポンプは、構造がやや複雑で大形になりやすいです。作動油の出し入れにチェック弁を使用しているためモータとしての使用はできません。
可変容量形にすることも、構造上難しいですが、高圧化は容易です。ピストンポンプの中では吐出圧力が最も高い50MPa程度までが商品化されています。そのため、通常の使用域である20MPa程度の使用では寿命に余裕がありますので、潤滑性の悪い難燃性作動油や水を使った設備機械に使用されることが多いです。
機械工場内でよく見かけるのは、水系洗浄液を使用した高圧洗浄機のポンプとしてです。ちなみに、筆者はこの形式のポンプをプランジャポンプ(plunger pump)と呼んでいました。今、この文を記述する際に参考にする本を見ていると、昔(40年ほど前)は、ピストンポンプという呼び名ばかりではなく、プランジャポンプという名称も併記されていました。

 

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参考文献
実用油圧ポケットブック 2012年版    (一社)日本フールドパワー工業会
油・空圧の本① 入門・機械保全ブックス    JIPMソリューション
油圧教本 増補改訂版     日刊工業新聞社

 

引用図表
図4.2.2.1 ピストンポンプの種類   油空圧便覧
図4.2.2.2 ピストン本数による脈動の程度   Fluid power enginnering
図4.2.2.3斜板式可変容量形アキシャルピストンポンプ    実用油圧ポケットブック_2012年版
図4.2.2.4 斜軸式定容量型アキシャルピストンポンプ    実用油圧ポケットブック_2012年版
図4.2.2.5 偏心形ラジアルピストンポンプ    実用油圧ポケットブック_2012年版
図4.2.2.6 クランク式レシプロピストンポンプ    実用油圧ポケットブック_2012年版

 

 

ORG*2018/6/30