JP2005337208A - ベーンロータリ型空気ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ機構部と駆動モータを直結したベーンロータリ型空気ポンプにおいて、吸入口から漏れる騒音を防いで低騒音化を図る。
【解決手段】シリンダ１０３とロータ１１０とベーン１１２をフロントプレート１１４とリアプレート１２２で挟み込んで構成するベーンロータリ型空気ポンプにおいて、フロントプレート１１４に吸入口１１５を設け、吸入口１１５の位置に対応してシリンダ１０３に吸入通路１０５を設け、吸入通路１０５に連通するようにリアプレート１２２に吸入ポート１２３を設けることにより、吸入経路を長くして、ポンプ空間１２９で発生する騒音が吸入口１１５から漏れ出てくるのを少なくして騒音を低減する。
【選択図】図１

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１０リットル／分程度の比較的小流量でよいが、燃料電池システムの空気通路で生じる圧力損失に打ち勝って空気を送り込むために、その供給圧力ΔＰはおよそ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である。

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、ここではベーンロータリ型ポンプ機械として、冷凍サイクルに設けられた従来のベーンロータリ型圧縮機について、図１１及び図１２を参照して説明する（例えば、特許文献１参照）。

図１１及び図１２に示されるように、ベーンロータリ型圧縮機は、内面が円筒状のシリンダ１３内に、中心軸がシリンダ１３の中心軸と所定量だけ離れた状態で円筒状のロータ１４が配置され、ロータ１４にはその中心軸方向に複数のベーン溝１６が設けられ、これらのベーン溝１６内には板状のベーン１７が摺動可能な状態で勘合され、ベーン１７の先端部がシリンダ１３の内面と摺接している。

さらに、ロータ１４とベーン１７を挟み込むようにフロントプレート１１とリアプレート１２がシリンダ１３の端面に配置されることにより、シリンダ１３、ロータ１４、ベーン１７、フロントプレート１１およびリアプレート１２により囲まれて複数の圧縮空間１８が形成されている。前記シリンダ１３は、その周囲に吸入口２２と吸入ポート１９および吐出ポート２０、吐出通路２４と吐出口２７を備えている。また、前記ロータ１４は駆動力を伝達するメカシャフト１５を備えている。

さらに、リアプレート１２の後流側には給油ケース２５が設けられ、その中には油溜まり部２６が形成されている。また、給油ケース２５内には、油溜まり部２６の潤滑油をリアプレート１２に形成された給油通路２８を介してロータ１４の溝１６に供給するオイルコントロール弁ユニット２９が収納されている。

図示されていないエンジンあるいはモータから、図示されていないベルトを介して動力がメカシャフト１５に伝達されると、図１２において時計回りにロータ１４が回転し、冷凍サイクルから戻ってきた冷媒ガスが吸入ポート１９からシリンダ１３内の圧縮空間１８に吸入されて圧縮される。圧縮された高圧のガスは、吐出ポート２０から吐き出され、給油ケース２５に入る。この給油ケース２５内で潤滑油が分離されて、冷媒ガスのみが吐出口２７から冷凍サイクルへと流出する。分離された潤滑油は一旦油溜まり部２６に貯留され、この後、オイルコントロール弁ユニット２９から給油通路２８を経て、ロータ１４の溝１６に供給される。この結果、潤滑油の圧力によりベーン１７に背圧が付与され、ベーン１７がシリンダ１３の内面を摺動する構成になっていた。
特開２００１−２１４８７５号公報

上記構成の従来のベーンロータリ型ポンプは、冷凍サイクル中に組み込まれて使用されるポンプ機構であり、吸入口２２と吐出口２７は冷凍サイクルに連結されており、大気には開放されていないので、ポンプ機構部で発生する音（例えば、ベーンの摺動音や冷媒ガスの圧力変化に伴う流体音）は直接大気中に漏れ出してくる現象は発生しなかった。

しかしながら、この種の容積型ポンプをモバイル燃料電池のセルに空気を供給する空気ポンプに適用すると、空気を直接吸入する関係上、吸入口２２が大気に直接剥き出しになって、ポンプ機構部で発生する騒音が吸入口２２から大気中に漏れることになり、騒音の問題からモバイル燃料電池に使用が難しくなるという課題が生じていた。

また、騒音低減のために吸入マフラーを取り付けることも考えられるが、サイズが大きくなって、この手段もモバイル燃料電池に適用することが難しい。

本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、空気ポンプの全体寸法が小さいままで、低騒音の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。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、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、該シリンダ内にその中心軸から偏心させた状態で配置され複数のベーン溝を有する円筒状のロータと、該ロータと一体的に回転する回転軸と、前記複数のベーン溝に摺動自在に挿入され自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベーンと、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て、該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ようにしたベーンロータリ型空気ポンプであって、前記フロントプレートあるいはリアプレートのいずれかに吸入口が設けられ、該吸入口の位置に対応して前期シリンダに吸入通路が設けられ、該吸入通路に連通するように前記フロントプレートあるいはリアプレートのいずれかに吸入ポートが設けられることにより、空気が前記吸入口から吸い込まれ、順次前記吸入通路と前記吸入ポートを経て前記ポンプ空間へ流入することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、吸入口がフロントプレートに設けられ、該吸入口の位置に対応してシリンダに吸入通路が設けられ、該吸入通路に連通するようにリアプレートに吸入ポートが設けられることにより、空気が前記フロントプレート側から吸い込まれ、順次前記吸入通路と前記吸入ポートを経て、前記リアプレート側から前記ポンプ空間へ流入することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、吸入口がリアプレートに設けられ、該吸入口の位置に対応してシリンダに吸入通路が設けられ、該吸入通路に連通するようにフロントプレートに吸入ポートが設けられることにより、空気が前記リアプレート側から吸い込まれ、順次前記吸入通路と前記吸入ポートを経て、前記フロントプレート側から前記ポンプ空間へ流入することを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、フロントプレートあるいはリアプレートのいずれかに吸入口が設けられ、前記フロントプレートあるいはリアプレートのいずれかに吸入ポートが設けられ、シリンダには１つが前記吸入口に連通し他の１つが前記吸入ポートに連通するとともに互いにつながった複数本の吸入通路が設けられたことを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、フロントプレートに吸入口と吸入ポートがそれぞれ独立して設けられ、シリンダには前記吸入口に連通する第１の吸入通路と前記吸入ポートに連通する第２の吸入通路とが設けられ、第１の吸入通路と第２の吸入通路とはリアプレート側で互いにつながってなり、空気が前記フロントプレート側から吸い込まれ、第１の吸入通路と第２の吸入通路を通過した後、前記フロントプレート側から前記ポンプ空間へ流入することを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、リアプレートに吸入口と吸入ポートがそれぞれ独立して設けられ、シリンダには前記吸入口に連通する第１の吸入通路と前記吸入ポートに連通する第２の吸入通路とが設けられ、第１の吸入通路と第２の吸入通路とはフロントプレート側で互いにつながってなり、空気が前記リアプレート側から吸い込まれ、第１の吸入通路と第２の吸入通路を通過した後、前記リアプレート側から前記ポンプ空間へ流入することを特徴とする。

本発明によれば、フロントプレートあるいはリアプレートのいずれかに吸入口が設けられ、該吸入口の位置に対応してシリンダに吸入通路が設けられ、該吸入通路に連通するようにフロントプレートあるいはリアプレートのいずれかに吸入ポートが設けられたことにより、空気が吸入口から吸い込まれ、順次吸入通路と吸入ポートを経てポンプ空間へ流入することになるから、空気がポンプ空間に吸い込まれるまでの吸入通路が長くなり、ポンプ空間で発生する騒音は、吸入通路内で減衰して吸入口から外部へ漏れ出すことが少なくなり、低騒音の空気ポンプを提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるベーンロータリ型空気ポンプの正面断面図であり、図２は図１におけるポンプ機構部の側面断面に相当する。

図１及び図２において、ベーンロータリ型空気ポンプの本体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、円筒状の内面１０４を有するシリンダ１０３と、シリンダ１０３内に配置されシリンダ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、その中心軸方向に延びる複数（本実施の形態では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カーボン複合材料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の内面１０４と摺接している。ロータ１１０とシリンダ１０３は、本実施の形態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に囲繞された複数のポンプ空間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１におけるフロントプレート１１４のＢ−Ｂ矢視図を示している。

図１及び図３において、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あり、吐出管１１７はこの貫通穴に臨むように設けられている。

図４は、図１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において、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２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。

上記構成とすることにより、本発明のベーンロータリ型空気ポンプは、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に示す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、図１の実線矢印で示すように、空気がフロントプレート１１４の吸入口１１５より吸い込まれ、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ΔＰが上昇（およそΔＰ＝５ｋＰａ）した後、図１の破線矢印で示すように、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、磨耗が生じにくくなる。

さて、本実施の形態１の構成においては、フロントプレート１１４には吸入ポートが設けられていない。すなわち、吸入口１５から吸い込まれた空気は、フロントプレート１１４側からポンプ空間１２９に直接流れ込むことがなく、シリンダ１１０を貫通する吸入通路１０５を通過した後、リアプレート１２２に設けられた吸入ポート１２３に到達し、このポートからポンプ空間１２９に流入する。

上記のような運転を行うと、ポンプ空間１２９内では、例えばベーン１１２がシリンダ円筒面１０４を摺動する時に生じる接触摺動音、あるいは圧縮された空気がポンプ機構部１０２の隙間から低圧側のポンプ空間１２９へと漏れる時に生じる空気の膨張音などの騒音が発生し、この騒音が吸入口１１５から外部へ漏れて来るが、本実施の形態１ように吸入通路１０５を設けて吸入経路を長くすることにより、前記の騒音が該吸入通路１０５内で減衰し、吸入口１１５から外部へ漏れ出すことが少なくなり、運転時の騒音を著しく低減することができる。

（実施の形態２）
吸入口をポンプ外周円筒面に設ける場合の一例について説明する。図５は、本発明の実施の形態２におけるベーンロータリ型空気ポンプの正面断面図であり、図６は図５におけるポンプ機構部の側面断面図である。

図５及び図６において、本実施の形態２では吸入口１２６はリアプレート１２２の外周部に設けられており、吸入ポート１１９がフロントプレート１１４に設けられている。また、シリンダ１０３に設けられた吸入通路１０５は、吸入口１２６と吸入ポート１１９とを連通させている。

上記構成によって、リアプレート１２２の吸入口１２６から吸い込まれた空気は、直接ポンプ空間１２９に吸い込まれることはなく、一旦吸入通路１０５を通過した後、フロントプレート１１４の吸入ポート１１９を経てポンプ空間１２９に流入するので、吸入経路が長くなり、実施の形態１と同様、外部への騒音の漏れを著しく低減することができる。

（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３におけるベーンロータリ型空気ポンプの正面断面図であり、図８は図７におけるポンプ機構部の側面断面図である。

図７及び図８において、本実施の形態３ではフロントプレート１１４に吸入口１１５と吸入ポート１２０がそれぞれ独立して設けられている。一方、シリンダ１０３には、軸方向に貫通する２本の吸入通路１０５，１０６が設けられており、吸入通路１０５は吸入口１１５に連通し、吸入通路１０６は吸入ポート１２０に連通している。また、リアプレート１２２には、２本の吸入通路１０５，１０６がつながるように連通ポート１２７が設けられている。なお、連通ポート１２７はシリンダ１０３のリアプレート１２２側端に設けても良い。

上記構成によって、フロントプレート１１４の吸入口１１５から吸い込まれた空気は、まず吸入通路１０５を通過した後、リアプレート１２２の連通ポート１２７に到達し、その後吸入通路１０６を経て吸入ポート１２０からポンプ空間１２９に流入する。

このように本実施の形態３では、ポンプ全体のサイズはそのままでありながら、実施の形態１又は２の場合よりさらに吸入経路が長くなって、運転時の騒音が吸入口１１５から漏れ出すことが少なくなって、一層の騒音低減を図ることができる。

（実施の形態４）
吸入口をポンプ外周円筒面に設ける他の一例について説明する。図９は、本発明の実施の形態４におけるベーンロータリ型空気ポンプの正面断面図であり、図１０は図９におけるポンプ機構部の側面断面図である。

図９及び図１０において、本実施の形態４ではリアプレート１２２に吸入口１２６と吸入ポート１２８がそれぞれ独立して設けられている。一方、シリンダ１０３には、軸方向に貫通する２本の吸入通路１０５，１０６が設けられており、吸入通路１０５は吸入口１２６に連通し、吸入通路１０６は吸入ポート１２８に連通している。また、フロントプレート１１４には、２本の吸入通路１０５，１０６がつながるように連通ポート１２１が設けられている。なお、連通ポート１２１はシリンダ１０３のフロントプレート１１４側端に設けても良い。

上記構成によって、リアプレート１２２の吸入口１２６から吸い込まれた空気は、まず入通路１０５を通過した後、フロントプレート１１４の連通ポート１２１に到達し、その後吸入通路１０６を経て吸入ポート１２８からポンプ空間１２９に流入する。

このように、本実施の形態４では、実施の形態３と同様にポンプ全体のサイズはそのままでありながら、実施の形態１又は２の場合よりさらに吸入経路が長くなって、運転時の騒音が吸入口１２６から漏れ出すことが少なくなり、一層の騒音低減を図ることができる。

本発明の実施の形態１におけるベーンロータリ型空気ポンプの正面断面図 図１におけるポンプ機構部の側面断面図 図１におけるＢ−Ｂ矢視図 図１におけるＣ−Ｃ矢視図 本発明の実施の形態２におけるベーンロータリ型空気ポンプの正面断面図 図５におけるポンプ機構部の側面断面図 本発明の実施の形態３におけるベーンロータリ型空気ポンプの正面断面図 図７におけるポンプ機構部の側面断面図 本発明の実施の形態４におけるベーンロータリ型空気ポンプの正面断面図 図９におけるポンプ機構部の側面断面図 従来のベーンロータリ型圧縮機の断面図 図１１におけるＩ−Ｉ断面図

符号の説明

１０１ 空気ポンプ本体
１０２ ポンプ機構部
１０３ シリンダ
１０４ シリンダの円筒状内面
１０５，１０６ 吸入通路
１１０ ロータ
１１１ ベーン溝
１１２ ベーン
１１３ 回転軸
１１４ フロントプレート
１１５，１２６ 吸入口
１１９，１２０，１２３，１２８ 吸入ポート
１２１，１２７ 連通ポート
１２２ リアプレート
１２９ ポンプ空間
１３０ 駆動モータ

Claims (6)

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、該シリンダ内にその中心軸から偏心させた状態で配置され複数のベーン溝を有する円筒状のロータと、該ロータと一体的に回転する回転軸と、前記複数のベーン溝に摺動自在に挿入され自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベーンと、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て、該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ようにしたベーンロータリ型空気ポンプであって、
   前記フロントプレートあるいは前記リアプレートのいずれかに吸入口が設けられ、該吸入口の位置に対応して前期シリンダに吸入通路が設けられ、該吸入通路に連通するように前記フロントプレートあるいは前記リアプレートのいずれかに吸入ポートが設けられることにより、空気が前記吸入口から吸い込まれ、順次前記吸入通路と前記吸入ポートを経て前記ポンプ空間へ流入することを特徴としたベーンロータリ型空気ポンプ。
2. 吸入口がフロントプレートに設けられ、該吸入口の位置に対応してシリンダに吸入通路が設けられ、該吸入通路に連通するようにリアプレートに吸入ポートが設けられることにより、空気が前記フロントプレート側から吸い込まれ、順次前記吸入通路と前記吸入ポートを経て、前記リアプレート側から前記ポンプ空間へ流入することを特徴とした請求項１に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
3. 吸入口がリアプレートに設けられ、該吸入口の位置に対応してシリンダに吸入通路が設けられ、該吸入通路に連通するようにフロントプレートに吸入ポートが設けられることにより、空気が前記リアプレート側から吸い込まれ、順次前記吸入通路と前記吸入ポートを経て、前記フロントプレート側から前記ポンプ空間へ流入することを特徴とした請求項１に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
4. フロントプレートあるいはリアプレートのいずれかに吸入口が設けられ、前記フロントプレートあるいは前記リアプレートのいずれかに吸入ポートが設けられ、シリンダには１つが前記吸入口に連通し、他の１つが前記吸入ポートに連通するとともに互いにつながった複数本の吸入通路が設けられたことを特徴とした請求項１に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
5. フロントプレートに吸入口と吸入ポートがそれぞれ独立して設けられ、シリンダには前記吸入口に連通する第１の吸入通路と前記吸入ポートに連通する第２の吸入通路とが設けられ、前記第１の吸入通路と前記第２の吸入通路とはリアプレート側で連通されてなり、空気が前記フロントプレート側から吸い込まれ、前記第１の吸入通路と前記第２の吸入通路とを通過した後、前記フロントプレート側から前記ポンプ空間へ流入することを特徴とした請求項１又は請求項４に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
6. リアプレートに吸入口と吸入ポートがそれぞれ独立して設けられ、シリンダには前記吸入口に連通する第１の吸入通路と前記吸入ポートに連通する第２の吸入通路とが設けられ、前記第１の吸入通路と前記第２の吸入通路とはフロントプレート側で連通されてなり、空気が前記リアプレート側から吸い込まれ、前記第１の吸入通路と前記第２の吸入通路とを通過した後、前記リアプレート側から前記ポンプ空間へ流入することを特徴とした請求項１又は請求項４に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。

Images