JP4846586B2 - ベーンロータリ型空気ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、モバイル機器用燃料電池に用いるオイルレスのベーンロータリ型空気ポンプに関する。

現在、モバイル用の燃料電池は開発途上であり、この燃料電池のセルに空気を供給する空気ポンプとしては適切なものが存在しない。この種の空気ポンプに求められる特性は、供給空気はオイル等の不純物を含んでいないこと、すなわちオイルレス機構であること、供給空気量は５Ｌ／ｍｉｎ〜１０Ｌ／ｍｉｎ程度の比較的小流量でよいが、燃料電池セルの空気通路で生じる圧力損失にうち勝って空気を送り込むために、その圧力はΔＰ＝５ｋＰａ必要なこと、大きさはモバイル機器に組み込む必要性から直径はおよそφ３０ｍｍ以下であること、及び騒音レベルが低いことが求められる。
これらの特性を満たす空気ポンプとしてベーンロータリ型空気ポンプが考えられるが、従来のベーンロータリ型ポンプについて図８、図９を参照して説明する。
従来、この種のベーンロータリ型真空ポンプは、内面が円筒状のシリンダ１内に、中心軸がシリンダ１の中心軸と所定量だけ離れた状態で円筒状のロータ２が配置され、ロータ２にはその中心軸方向に複数のベーン溝３が設けられ、これらのベーン溝３内には板状のベーン４が摺動可能な状態ではめ込まれ、ベーン４の先端部がシリンダ１の内面上を接触摺動する構成になっている。そして、ベーン溝３の開口端は、ロータ２の中心とベーン溝３の閉塞端を結ぶ直線に対してロータ２の回転方向領域に設けられていた。すなわち、ベーン溝３は回転方向に傾いており、ロータ２が回転する時、ベーン４の先端はシリンダ内面に対して「すくい」の位置関係で接触摺動していた（例えば、特許文献１参照）。
あるいは、ベーン溝３はロータ２の中心軸から放射状に配設されていた（例えば、特許文献２参照）。
特開昭６２−２７６２９１号公報 実開昭５６−８３６８８号公報

しかしながら、上記従来のすくい型ベーン構成の真空ポンプにおいて長時間のオイルレス運転を実施すると、シリンダ内面が荒れて面粗度が大きくなり易く、ベーンの先端には次第に摩擦力が大きく作用することとなる。その結果、回転時にベーンの先端がシリンダ内面から離脱（ジャンピング）する現象が生じていた。そして、ロータの回転時にベーンの先端が間欠的に離脱する現象が生じると、ベーンがシリンダ内面に衝突する音が発生し、さらにはベーンの先端部の隙間から空気が漏れて膨張音が発生するという騒音の問題が起きていた。

したがって本発明は、前記従来の課題を解決するもので、長期間のオイルレス運転をしても、低騒音を実現するベーンロータリ型空気ポンプを提供することを目的としている。

第１の本発明のベーンロータリ型空気ポンプは、ポンプ機構部と駆動モータとが並設され、円筒状内面を有するシリンダと、前記シリンダ内で偏心して回転する円筒状のロータと、前記ロータの外周面に開口端を有するとともに前記ロータの中心側に閉塞端を有するベーン溝と、前記ベーン溝内を摺動するベーンと、前記ロータと一体的に回転する回転軸と、前記ロータと前記ベーンを挟み込むように前記シリンダの両端面に取り付けられたフロントプレートとリアプレートとにより前記ポンプ機構部を構成し、前記ポンプ機構部に複数のポンプ空間を形成し、前記回転軸を前記駆動モータで駆動することにより前記ポンプ空間の容積を変化させるベーンロータリ型空気ポンプであって、前記ロータの中心と前記ベーン溝の前記閉塞端を結ぶ直線に対し、前記ベーン溝の前記開口端を前記ロータの反回転方向領域に設け、前記フロントプレートには吸入口と吐出ポートが形成され、前記リアプレートには吸入ポートと疑似吐出ポートが形成され、前記リアプレートの前記吸入ポートは前記フロントプレートの前記吸入口と対向する位置に配置し、前記リアプレートの前記疑似吐出ポートは前記フロントプレートの前記吐出ポートと対向する位置に配置したことを特徴とする。
第２の本発明は、第１の発明において、前記ベーンの基材をグラファイトの混在したカーボン素材、又は炭素繊維強化プラスチックで構成し、前記シリンダの表面を前記ベーンより硬度が高くかつ耐食性を有する材料で構成したことを特徴とする。
第３の本発明は、第１の発明において、前記シリンダをアルミニウム合金で構成し、Ｎｉ−Ｐ系の材料、又はＮｉ−Ｐ−Ｂ系の材料で前記シリンダに表面処理を施し、前記シリンダの表面をビッカース硬度（Ｈｖ）５００以上にしたことを特徴とする。
第４の本発明は、第１の発明において、前記ベーンをショア硬度（Ｈｓ）８０〜１２０のカーボン素材で構成したことを特徴とする。
たことを特徴とする。
第５の本発明は、第１の発明において、前記疑似吐出ポートを前記吐出ポートと同一形状としたことを特徴とする。

本発明のベーンロータリ型空気ポンプによれば、オイルレスで長期間運転してもベーンジャンピング現象が抑制されるので、ベーンの衝突音と空気の漏れによる膨張音の発生が抑制されて、長期間にわたる低騒音を実現することができる。

本発明の第１の実施の形態によるベーンロータリ型空気ポンプは、ロータの中心とベーン溝の閉塞端を結ぶ直線に対し、ベーン溝の開口端をロータの反回転方向領域に設け、フロントプレートには吸入口と吐出ポートが形成され、リアプレートには吸入ポートと疑似吐出ポートが形成され、リアプレートの吸入ポートはフロントプレートの吸入口と対向する位置に配置し、リアプレートの疑似吐出ポートはフロントプレートの吐出ポートと対向する位置に配置したものである。本実施の形態によれば、ベーン溝を回転方向の後側に傾けることで、ロータが回転する時、ベーンの先端はシリンダ内面に対して「なで」の位置関係で接触摺動することとなり、ベーン先端に摩擦力が発生すると、この摩擦力がベーン先端をシリンダ内面に接触させるように作用し、ベーンがシリンダ内面と接触摺動する時に生じ易いベーンのジャンピング現象を抑制し、長期間にわたる低騒音を実現することができる。また、リアプレートにも吸入ポートと疑似吐出ポートを形成することで、ロータはフロントプレートとリアプレートとの間で圧力バランスがとれ、一方のプレートに押しつけられることもなく、ロータの回転をスムーズに行わせることができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるベーンロータリ型空気ポンプにおいて、ベーンの基材をグラファイトの混在したカーボン素材、又は炭素繊維強化プラスチックで構成し、シリンダの表面をベーンより硬度が高くかつ耐食性を有する材料で構成したものである。本実施の形態によれば、ベーン先端がシリンダ内面と接触摺動すると、相対的に硬度が低いベーンが少しずつ摩耗し、その摩耗紛が摺動面の潤滑剤の役目を果たし、シリンダ内面の荒れを抑制するので、その結果、ベーン先端とシリンダ内面の摩擦の増大が抑制され、ポンプの長寿命化が図れるとともに騒音の増加を抑制することができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態によるベーンロータリ型空気ポンプにおいて、シリンダをアルミニウム合金で構成し、Ｎｉ−Ｐ系の材料、又はＮｉ−Ｐ−Ｂ系の材料でシリンダに表面処理を施し、シリンダの表面をビッカース硬度（Ｈｖ）５００以上にしたものである。本実施の形態によれば、シリンダの表面処理層とカーボン系の材料より構成されたベーンとが接触摺動した時、摩耗はほぼベーンに限定されて、シリンダの表面処理層の表面祖度が小さく保たれ、その結果、摺動部での摩擦力が増大することもなく、ポンプの長寿命化と騒音の増加を抑制することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態によるベーンロータリ型空気ポンプにおいて、ベーンをショア硬度（Ｈｓ）８０〜１２０のカーボン素材で構成したものである。本実施の形態によれば、例えばベーンをショア硬度（Ｈｓ）１１５以下のカーボン素材で構成することによって、ベーン先端がシリンダ内面と摺動した時にベーンの摩耗紛が発生するが、ベーンはＨｓ１１５以下の素材を使用しているために摩耗紛の中には多くのグラファイトが含まれており、このグラファイト粒子によって摺動部の潤滑が行われるので、長期間運転してもシリンダ内面の荒れが抑制され、よりポンプの長寿命化が図れるとともに騒音の増加を抑制することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１の実施の形態によるベーンロータリ型空気ポンプにおいて、疑似吐出ポートを吐出ポートと同一形状としたものである。本実施の形態によれば、疑似吐出ポートを設けることで、吐出ポートの圧力によってロータがリアプレートに押しつけられることがなく、ロータの回転をスムーズに行わせることができる。

図１は、本発明の実施例のベーンロータリ型空気ポンプの断面図であり、図２は、図１のベーンロータリ型空気ポンプにおけるＡ−Ｏ−Ａ断面図である。
図１及び図２において、本実施例にかかるベーンロータリ型空気ポンプの空気ポンプ本体１０１は、ポンプ機構部１０２と駆動モータ１３０により構成されている。

ポンプ機構部１０２は、円筒状のシリンダ内面１０４を有するシリンダ１０３と、シリンダ１０３内に配置されてシリンダ１０３の中心軸と所定量だけ偏心した中心軸を有する円筒状のロータ１１０を備えている。ロータ１１０には、その中心軸方向で、かつ回転方向の後側に傾くように延びる２本のベーン溝１１１が形成されており、これらのベーン溝１１１内に、自己潤滑性を有するグラファイトの混在したカーボン素材よりなる板状のベーン１１２が摺動自在に挿入され、ベーン１１２の先端部はシリンダ１０３のシリンダ内面１０４と摺接している。ロータ１１０とシリンダ１０３は、本実施例ではアルミニウム合金より構成されて軽量化が図られており、その材質にはシリコン含有率が約１０％のアルミニウム合金が使用されている。
また、ロータ１１０とベーン１１２を挟み込むように、フロントプレート１１４とリアプレート１２２がシリンダ１０３の両端面に取り付けられており、シリンダ１０３、ロータ１１０、ベーン１１２、フロントプレート１１４及びリアプレート１２２に囲まれて、複数のポンプ空間１２９が形成されている。さらに、フロントプレート１１４及びリアプレート１２２の摺動表面には二硫化モリブデン等の自己潤滑性材料がコーティング処理されている。

図３は、図２のベーンロータリ型空気ポンプにおけるフロントプレート１１４のＢ−Ｂ断面図を示している。
図２と図３に示されるように、フロントプレート１１４には、吸入口１１５及び吐出ポート１１６が形成されており、吐出ポート１１６には吐出管１１７が取り付けられている。ここで、吸入口１１５はフロントプレート１１４を軸方向に貫通する穴であり、吐出ポート１１６はその中央部に貫通穴が形成された窪み状のポートで、吐出管１１７はこの貫通穴に設けられている。

図４は、図２のベーンロータリ型空気ポンプにおけるリアプレート１２２のＣ−Ｃ矢視図を示している。
図４に示されるように、リアプレート１２２には、窪み状の吸入ポート１２３と窪み状の擬似の吐出ポート１２４が形成されている。吐出ポート１１６と擬似の吐出ポート１２４は、Ｂ−Ｂ方向から見ると略同一形状をしている。なお、図１には、吸入ポート１２３及び吐出ポート１１６，１２４が破線で示されている。また、シリンダ１０３には軸方向に貫通する吸入通路１０５が設けられており、この吸入通路１０５は吸入口１１５と吸入ポート１２３とを連通させるように設けられている。
リアプレート１２２の反ポンプ機構部側には、リアプレート１２２に直接接触させて駆動モータ１３０が配置されている。リアプレート１２２には、複数のねじ穴１２７が円周に沿って形成されており、リアプレート１２２は駆動モータ１３０のケーシング端面１３１に複数のねじ１４０で直接締結されている。
駆動モータ１３０は、円筒状のコイル１３２と永久磁石を備えた回転子１３３より成る直流モータで、回転子１３３は長尺の回転軸１１３を備えている。回転軸１１３は、駆動モータ１３０の内部ではモータ軸受１３４，１３５で支承されており、駆動モータ１３０からリアプレート１２２を貫通してポンプ機構部１０２に延び、ポンプ機構部１０２内ではフロントプレート１１４内の軸受１１８及びリアプレート１２２内の軸受１２５により支承されている。また、ポンプ機構部１０２内の回転軸１１３にはロータ１１０が固定されており、駆動モータ１３０で発生した回転力は回転軸１１３を介してロータ１１０に伝達される。

上記構成の本実施例にかかるベーンロータリ型空気ポンプにおいて、駆動モータ１３０に通電すると、互いに連結された回転軸１１３及びロータ１１０が図１の矢印の方向に一体的に回転する。この時、ベーン１１２は回転の遠心力によりベーン溝１１１内で外側に向かって移動し、ベーン１１２の先端部がシリンダ内面１０４に摺接しながら回転運動する。その結果、ポンプ空間１２９は伸縮する（容積が変化する）ので、空気がフロントプレート１１４の吸入口１１５より吸い込まれ、一部の空気は直接ポンプ空間１２９に吸い込まれ、残りの空気はシリンダ１０３を軸方向に貫通する吸入通路１０５を経由した後、リアプレート１２２に形成された吸入ポート１２３を経て、ポンプ空間１２９に吸い込まれる。ポンプ空間１２９に流入した空気は、ほぼ１回転する間に圧力が上昇（ΔＰ＝５ｋＰａ）した後、フロントプレート１１４に形成された吐出ポート１１６を経て吐出管１１７より外部へ流出する。
なお、擬似の吐出ポート１２４は、ロータ１１０の左右に同じ圧力を印加させるためのもので、擬似の吐出ポート１２４が存在することで、ロータ１１０はフロントプレート１１４とリアプレート１２２との間で圧力バランスがとれ、一方のプレートに押し付けられることがなく、摩耗が生じにくくなっている。
上記のようなオイルレス運転を数千時間に亘って継続すると、ベーン１１２の先端がシリンダ内面１０４を長い距離にわたって接触摺動することになり、シリンダ内面１０４が荒れてその面粗度が大きくなるという現象が生じる。

従来のベーンロータリ型機械（例えば従来例で示したベーンロータリ型真空ポンプ）では、図７の従来のベーンロータリ型空気ポンプの模式図に示すように、ベーン１１２の先端がシリンダ内面１０４を接触摺動する形態は、「すくい」型が主流であった。これは、ロータ１１０の中心Ｏとベーン溝１１１の閉塞端１１１ａを結ぶ直線に対し、ベーン溝１１１の開口端１１１ｂはロータ１１０の回転方向領域に設けられており、換言すると、回転方向に傾いた状態になっていた。
このようなベーン１１２とシリンダ内面１０４の「すくい」の位置関係において、シリンダ内面１０４の面粗度が大きくなると、ベーン１１２の先端に生じる摩擦力が大きくなり、この摩擦力のベーン方向分力はベーン１１２をベーン溝１１１内に引っ込ませるように作用する。この分力がベーン１１２に作用する遠心力より大きくなると、ベーン１１２の先端がシリンダ内面１０４から離脱する瞬間が発生し、ベーン１１２のジャンピング現象が生じる。

本実施例のオイルレスで長期間運転するベーンロータリ型空気ポンプにおいては、図５の本実施例のベーンロータリ型空気ポンプの模式図に示すように、ベーン１１２の先端がシリンダ内面１０４を接触摺動する形態は「なで」型に設定されている。これは、ロータ１１０の中心Ｏとベーン溝１１１の閉塞端１１１ａを結ぶ直線に対し、ベーン溝１１１の開口端１１１ｂはロータ１１０の反回転方向領域に設けられており、換言すると、回転方向の後側に傾いた状態になっている。
この構成にすることより、シリンダ内面１０４の表面が荒れてベーン１１２の先端に作用する摩擦力が大きくなっても、そのベーン方向分力はベーン１１２をシリンダ内面１０４に押しつけるように作用することになるので、ベーン１１２の先端はシリンダ内面１０４から離脱することは無くなる。したがって、長期間オイルレスで運転しても、ベーン１１２のジャンピング現象が発生することがなく、騒音の増大を抑制し、静かな空気ポンプを提供することができることになる。
また、本実施例のベーンロータリ型空気ポンプにおいては、ベーン１１２の基材はグラファイトを混在したカーボン素材より構成しており、かつ、シリンダ１０３の表面をベーン１１２より硬度が高くかつ耐食性を有する材料で構成している。具体的には、ベーン１１２は、その焼成温度を１２００℃以上に高くすることにより、含まれるグラファイトの比率を多くし、そのショア硬度をＨｓ１２０以下にしたカーボン素材を用いている。一方、アルミニウム合金素材のシリンダ１０３の表面には、Ｎｉ−Ｐ（ニッケル−リン）系の材料の表面処理（コーティング）を施し、表面硬度をビッカース硬度Ｈｖ５００以上に設定している。

図６は、ベーン摩耗量の運転時間による特性図であり、ベーン１１２とシリンダ１０３の表面処理に関して３種類の組合せを準備し、長時間の連続運転を実施した状態での、ベーン１１２の摩耗量の時間経過による変化を示している。

Ａ：ベーン硬度Ｈｓ１２０／シリンダ表面処理なし
Ｂ：ベーン硬度Ｈｓ１２０／シリンダＮｉ−Ｐ処理
Ｃ：ベーン硬度Ｈｓ１１０／シリンダＮｉ−Ｐ処理
図６から分かるように、ＡとＢを比較すると、長時間のオイルレス運転結果では、シリンダ１０３にＮｉ−Ｐの表面処理を施し、その表面硬度を高くした方がベーン１１２の摩耗が少ないことが分かる。この表面処理部の硬度は、およそＨｖ５００〜７００程度である。このようにシリンダ１０３の表面を硬くすることにより、ベーン１１２が接触摺動した時にシリンダ内面１０４の荒れが小さくなり、その結果、ベーン１１２の摩耗量が少なくなったものと考えられる。同時に、Ｂのシリンダ１０３に表面処理をした場合、運転時の騒音も低いことが確認された。また、Ｎｉ−Ｐの表面処理は耐食性も有するので、空気ポンプ本体１０１が水分を吸入しても円滑に動作するという効果も得られる。これらのことより、シリンダ１０３の表面を、ベーン１１２より硬度が高く耐食性の材料で構成することにより、ポンプの長寿命化を図るとともに騒音の増加を抑制することができる。
なお、図６の結果では、シリンダ１０３の表面処理としてＮｉ−Ｐ系の材料を示したが、これがＮｉ−Ｐ−Ｂ系の材料であっても、同等の効果が得られる。ボロン（Ｂ）を加えることで表面の硬度はさらに高くなって、ベーン１１２とシリンダ内面１０４の摩耗を低減する効果が得られ、その結果、ポンプの長寿命化と低騒音化が実現できる。

一方、図６のＢとＣを比較すると、ベーン１１２の硬度は低い方が、長時間運転後のベーン１１２の摩耗量は少ない傾向があることが分かる。これは、ベーン１１２をショア硬度の低いカーボン素材で構成することによって、ベーン１１２の先端がシリンダ内面１０４と摺動した時にベーン１１２の摩耗紛が発生するが、発生した摩耗紛の中には多くのグラファイトが含まれており、このグラファイト粒子によって摺動部の潤滑が行われるものと考えられ、長期間運転してもシリンダ内面１０４の荒れが抑制され、ポンプの長寿命化が図れるとともに騒音の増加を抑制することができる。

本実施例においては、ベーン１１２のショア硬度はＨｓ１２０以下ならば問題がなく、効果があることを確認した。なお、ショア硬度が低すぎても初期の摩耗が激しく、下限はＨｓ８０程度が望ましい。
なお、ベーンの材質として、カーボン素材に代えて、炭素繊維強化プラスチックを用いても同様の効果が発揮される。

以上のように、本発明にかかるベーンロータリ型空気ポンプでは、長期間のオイルレス運転においても、ベーンのジャンピング現象を解消するとともに、ベーンの摩耗やシリンダ内面の荒れを抑制することにより、騒音を低く抑え、長寿命化を図ることができるので、家庭用健康器具や医療用治療器具等の用途にも適用できる。

本発明の実施例のベーンロータリ型空気ポンプの断面図 図１のベーンロータリ型空気ポンプにおけるＡ−Ｏ−Ａ断面図 図２のベーンロータリ型空気ポンプにおけるフロントプレートのＢ−Ｂ断面図 図２のベーンロータリ型空気ポンプにおけるリアプレートのＣ−Ｃ矢視図 本実施例のベーンロータリ型空気ポンプの模式図 ベーン摩耗量の運転時間による特性図 従来のベーンロータリ型空気ポンプの模式図 従来のベーンロータリ型ポンプの断面図 従来の他のベーンロータリ型ポンプの断面図

１０１ 空気ポンプ本体
１０２ ポンプ機構部
１０３ シリンダ
１０４ シリンダ内面
１０５ 吸入通路
１１０ ロータ
１１１ ベーン溝
１１１ａ 閉塞端
１１１ｂ 開口端
１１２ ベーン
１１３ 回転軸
１１４ フロントプレート
１１５ 吸入口
１１６ 吐出ポート
１１７ 吐出管
１２２ リアプレート
１２３ 吸入ポート
１２９ ポンプ空間
１３０ 駆動モータ

Claims (5)

1. ポンプ機構部と駆動モータとが並設され、円筒状内面を有するシリンダと、前記シリンダ内で偏心して回転する円筒状のロータと、前記ロータの外周面に開口端を有するとともに前記ロータの中心側に閉塞端を有するベーン溝と、前記ベーン溝内を摺動するベーンと、前記ロータと一体的に回転する回転軸と、前記ロータと前記ベーンを挟み込むように前記シリンダの両端面に取り付けられたフロントプレートとリアプレートとにより前記ポンプ機構部を構成し、前記ポンプ機構部に複数のポンプ空間を形成し、前記回転軸を前記駆動モータで駆動することにより前記ポンプ空間の容積を変化させるベーンロータリ型空気ポンプであって、前記ロータの中心と前記ベーン溝の前記閉塞端を結ぶ直線に対し、前記ベーン溝の前記開口端を前記ロータの反回転方向領域に設け、前記フロントプレートには吸入口と吐出ポートが形成され、前記リアプレートには吸入ポートと疑似吐出ポートが形成され、前記リアプレートの前記吸入ポートは前記フロントプレートの前記吸入口と対向する位置に配置し、前記リアプレートの前記疑似吐出ポートは前記フロントプレートの前記吐出ポートと対向する位置に配置したことを特徴とするベーンロータリ型空気ポンプ。
2. 前記ベーンの基材をグラファイトの混在したカーボン素材、又は炭素繊維強化プラスチックで構成し、前記シリンダの表面を前記ベーンより硬度が高くかつ耐食性を有する材料で構成したことを特徴とする請求項１に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
3. 前記シリンダをアルミニウム合金で構成し、Ｎｉ−Ｐ系の材料、又はＮｉ−Ｐ−Ｂ系の材料で前記シリンダに表面処理を施し、前記シリンダの表面をビッカース硬度（Ｈｖ）５００以上にしたことを特徴とする請求項１に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
4. 前記ベーンをショア硬度（Ｈｓ）８０〜１２０のカーボン素材で構成したことを特徴とする請求項１に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
5. 前記疑似吐出ポートを前記吐出ポートと同一形状としたことを特徴とする請求項１に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。

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