JP2006046203A - ベーンロータリ型空気ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に空気を供給するポンプとしてリアプレートに構成された吸入ポートとフロントプレートに構成された吸入ポートと吐出ポートとのロータ回転方向のズレを無くし、性能の安定化と騒音の低減を図る。
【解決手段】リアプレート１１２に設けた第２の吸入ポート１１７の大きさをフロントプレート１１１に設けた第１の吸入ポート１１３より小さくして、リアプレート１１２とフロントプレート１１１がロータ１０７の回転方向にずれて組立てられても、リアプレート１１２に設けられた第２の吸入ポート１１７がフロントプレート１１１の第１の吸入ポート１１３の吸入する範囲を越えないようにして、不足圧縮や過圧縮を防ぎ、性能の安定化と騒音の低減を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、モバイル機器用燃料電池等に用いる小型のオイルレス空気ポンプに関するものである。

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／ｍｉｎ程度であり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うち勝って空気を送り込むために、その供給圧力Δｐは２ｋＰａ〜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φはおよそ３０ｍｍ以下であること、および騒音レベルが低いことが求められる。

従来、この種のポンプとしては、ベーンロータリ圧縮機があった（例えば、特許文献１参照）。

図１１は、従来のベーンロータリ圧縮機の縦断面図で、図１２は、従来のベーンロータリ圧縮機の側面断面図である。図１１、図１２において、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の内面と摺動する構成になっている。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。

シリンダ１３は、その周囲で所定の位置に吸入ポート１９と吐出ポート２０を備えている。また、ロータ１４は中心軸に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の後方には給油ケース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から吐出され、給油ケース２５に入る。この給油ケース２５内で冷媒ガスに混合していた潤滑油が分離されて、冷媒ガスのみが冷凍サイクルへと出て行く。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る。
特開２００１−２１４８７５号公報

上記従来の構成では、シリンダの外周部に吸入ポートと吐出ポートを備える構成であり
、圧縮機全体の外径が大きくなってしまうという課題を有している。

そのため、圧縮機の外径を小さくするために吸入ポートをフロントプレートとリアプレートに分けて設け、吐出ポートをフロントプレートに設ける方法がある。しかし、その方法では組立時にフロントプレートとリアプレートの位置が回転方向にずれてしまう可能性がある。すなわち、リアプレートの吸入ポートとフロントプレートの吐出ポートとの回転方向の相対位置、および、ロータとシリンダの隙間の一番狭い位置と吸入ポートや吐出ポートの回転方向の相対位置がずれてしまい、そのずれにより不足圧縮が発生してポンプの性能が低下したり、騒音が増大するといった課題を有する。

本発明はこのような課題を解決するものであり、ポンプの性能の安定化と騒音を低減できる空気ポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、内面が円筒状のシリンダ内に、シリンダの中心軸から所定量だけ偏心させた状態で円筒状のロータを配置し、このロータにはその中心軸方向に複数の溝を設け、これらの溝には自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベーンを摺動可能な状態で勘合させ、摺動面に自己潤滑性材質を備えたフロントプレートとリアプレートをロータとベーンを挟み込むようにシリンダの端面に配置して複数のポンプ空間を作り出し、ロータの中心軸にはメカシャフトを備えてポンプ機構部を構成し、リアプレートの反ポンプメカ側端面にはモータを配置し、このモータがメカシャフトを駆動することによりポンプ空間が伸縮作用を生じるオイルレス空気ポンプを構成するとともに、フロントプレートに設けた第１の吸入ポートが前記シリンダの内周と前記シリンダの前記フロントプレートに臨む面との接合線に沿って前記ポンプ空間の吸入空間に臨む範囲より、リアプレートに設けた第２の吸入ポートが前記シリンダの内周と前記シリンダの前記リアプレートに臨む面の接合線に沿って吸入室に臨む範囲を狭くしたものである。

上記構成において、組立時にフロントプレートとリアプレートの回転方向の位置がずれてもリアプレートの吸入ポートが吸入空間に臨む区間はフロントプレートの吸入ポートが吸入空間に臨む区間に含まれ、第２の吸入ポートと吐出ポートとの回転方向における相対位置のずれの許容範囲を大きくすることができ、ポンプの性能の安定化と騒音の低減を図ることができる。

本発明の空気ポンプは、組立時の吸入ポートと吐出ポートとの回転方向における相対位置のずれの許容範囲を大きくして回転方向の位置ズレによる性能低下を防ぐことができ、ポンプの性能安定化と騒音の低減を図ることができる。

第１の発明は、内面が円筒状のシリンダ内に、中心軸がシリンダの中心軸と所定量だけ離れた状態で円筒状のロータを配置し、ロータにはその中心軸方向に複数のベーン溝を設け、これらのベーン溝には自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベーンを摺動可能な状態で勘合させ、摺動面に自己潤滑性材質を備えたフロントプレートとリアプレートとをロータとベーンを挟み込むようにシリンダの端面に配置して複数のポンプ空間を形成し、フロントプレートを貫通する第１の吸入ポートと吐出ポートとを備え、リアプレートには第１の吸入ポートに相対して窪み状の第２の吸入ポートを備え、シリンダには、第１の吸入ポートと第２の吸入ポートとを連通する連通孔を設け、ロータの中心軸にはメカシャフトを備えてポンプ機構部を構成し、リアプレートの反ポンプ側端面にはモータを配置し、このモータがメカシャフトを駆動することによりポンプ空間が伸縮作用を生じるオイルレス空気ポンプを構成し、第１の吸入ポートがシリンダの内周とフロントプレートに臨む面と
の接合線に沿ってポンプ空間の吸入空間に臨む範囲より、第２の吸入ポートがシリンダの内周とシリンダのリアプレートに臨む面の接合線に沿って吸入室に臨む範囲を狭くしたものである。

これにより、組立時にフロントプレートとリアプレートの回転方向の位置がずれても第２の吸入ポートが吸入空間に臨む区間は第１の吸入ポートが吸入空間に臨む区間に含まれ、第２の吸入ポートと吐出ポートとの回転方向における相対位置のずれの許容範囲を大きくすることができ、ポンプの性能の安定化と騒音の低減を図ることができる。

第２の発明は、特に第１の発明に加えて第１の吸入ポートがシリンダの内周とシリンダのフロントプレートに臨む面との接合線に沿ってポンプ空間の吸入空間に臨む範囲より広い範囲でシリンダの内周とシリンダのフロントプレートに臨む面の接合線の部分に切り欠きを設けたもので、シリンダとロータの距離が一番狭い位置と吸入終了位置とのズレを防ぐことができ、ポンプ性能の安定化と騒音の低減を図ることができる。

第３の発明は、特に第１と第２の発明に加えてフロントプレートに設けられた吐出ポートがシリンダの内周とシリンダのフロントプレートに臨む面との接合線に沿ってポンプ空間の圧縮空間に臨む範囲より広い範囲でシリンダの内周とシリンダのフロントプレートに臨む面の接合線の部分に切り欠きを設けたもので、シリンダとロータの距離が一番狭い位置と吐出開始位置とのズレを防ぐことができ、ポンプ性能の安定化と騒音の低減を図ることができる。

第４の発明は、特に第２の発明に加えてシリンダの内周とシリンダのリアプレートに臨む面の接合線の部分の切り欠きをシリンダの内周とシリンダのフロントプレートに臨む面の接合線の部分の切り欠きと同形状にしたもので、シリンダとロータの距離が一番狭い位置と吸入終了位置とのズレを防ぐことができ、ポンプ性能の安定化と騒音の低減を図ることができる。

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。なおこの実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（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側面断面図である。また、図２は、同ベーンロータリ型空気ポンプの縦断面図であり、図１は図２におけるＡ−Ａ断面に相当する。図３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側面図で、図２においてＢ−Ｂ方向から見たフロントプレートの吸入ポートを示す。図４は、同ベーンロータリ型空気ポンプの側面断面図で、同様にリアプレートの吸入ポートを示す。

ベーンロータリ型空気ポンプ本体１０１は、ポンプ機構部１０２とモータ１１９より構成される。まずポンプ機構部１０２について説明する。円筒状の内面１０４を有するシリンダ１０３内に、中心軸がシリンダ１０３の中心軸と所定量だけ離れた状態で円筒状のロータ１０７を配置し、ロータ１０７にはその中心軸方向に２本の溝１０８を設け、これらの溝１０８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１０９を摺動可能な状態で勘合させ、ベーン１０９の先端部がシリンダ１０３の内面１０４と摺動する構成になっている。ロータ１０７は、本実施の形態ではアルミニウム合金より構成し、軽量化を図っている。また、シリンダの材質にはシリコン含有率が約１０％のアルミニウム合金を使用している。

ロータ１０７とベーン１０９を挟み込むように、フロントプレート１１１とリアプレー
ト１１２をシリンダ１０３の両端面に配置している。これにより、シリンダ１０３、ロータ１０７、ベーン１０９、フロントプレート１１１およびリアプレート１１２にとり囲まれて複数のポンプ空間１２４が形成される。ここで、フロントプレート１１１とリアプレート１１２の表面には二硫化モリブデン等の自己潤滑性材料をコーティング処理している。

フロントプレート１１１には吸入ポート１１３と吐出ポート１１４を設け、さらに吐出ポート１１４には吐出管１１５を設けている。ここで、第１の吸入ポート１１３は貫通した穴であるが、吐出ポート１１４はその中央部に貫通穴を備えた窪み状のポートであり、貫通穴に臨むように吐出管１１５を備えている（図３参照）。一方、リアプレート１１２には、窪み状の第２の吸入ポート１１７を設けており（図２参照）、第１の吸入ポート１１３から第２の吸入ポート１１７へは吸入通路１０５で連通している。ここで第２の吸入ポート１１７は第１の吸入ポート１１３よりＢ−Ｂ方向から見たらシリンダ内周円形状において小さい形状をしている。なお、図１には、ポンプ機構部１０２上に上記二つの吸入ポート１１３，１１７と吐出ポート１１４を１点鎖線で示している。

図２において、リアプレート１１２の反ポンプ機構部側にはモータ１１９を配設している。このモータ１１９は円筒状のコイル１２０と永久磁石を備えた回転子１２１より成る直流モータである。このモータ１１９の回転子１２１は、ポンプ機構部１０２まで通じる長尺のシャフト１１０を備えている。このシャフト１１０は、モータ１１９の内部ではモータ軸受１２２，１２３で支承されているが、モータ１１９から外部に伸びて、ポンプ機構部１０２内ではフロントプレート１１１内の軸受１１６およびリアプレート１１２内の軸受１１８によって支承されるとともに、ロータ１０７を固定されて、モータ１１９で発生した回転力をロータ１０７伝達する役割を果している。

上記の構成で、モータ１１９に通電すると、図１においてシャフト１１０およびこれに連結されたロータ１０７が矢印の方向に回転する。この時、ベーン１０９は回転の遠心力によりベーン溝１０８内で外側へと移動し、ベーン１０９の先端がシリンダの内面１０４に摺動しながら回転運動する。

これによって、ポンプ空間１２４は伸縮作用を呈するので、空気がフロントプレート１１１の第１の吸入ポート１１３より吸い込まれ、その一部がポンプ空間１２４に直接入り込む。残りの空気は、シリンダ１０３を貫通する吸入通路１０５を経由した後、リアプレート１１２に設けた第２の吸入ポート１１７を経て、ポンプ空間１２４に吸い込まれる。ポンプ空間１２４に入った空気は、およそ１回転する間に圧力が上昇（ΔＰ＝２〜５ｋＰａ）した後、フロントプレート１１１に設けられた吐出ポート１１４を経て吐出管１１５より外部へ出て行く。

さて、上記構成において、カーボン複合材料でベーン１０９を構成し、フロントプレート１１１とリアプレート１１２については、その摺動面に二硫化モリブデン等の自己潤滑性材質をコーティングし、ロータ１０７とベーン１０９を挟み込むようにそれぞれをシリンダ１０３の端面に配置したことによって、各摺動面での摩擦損失が小さくなるとともに摩耗が減少し、摺動面でオイルによる潤滑が不要となって、その結果オイルレス運転を実現可能となった。

また、シリンダ１０３の周囲に吸入ポートと吐出ポートを設けるのではなく、フロントプレート１１１に第１の吸入ポート１１３と吐出ポート１１４を備えるように、軸方向に構成にすることによって、ポンプ機構部１０２の外径をφ３０ｍｍ以下することが可能になり、モバイル機器用燃料電池に適用可能な小型化を実現している。

上記のようなフロントプレート１１１に第１の吸入ポート１１３と吐出ポート１１４を、リアプレート１１２に第２の吸入ポート１１７を設けた空気ポンプにおいて、第２の吸入ポート１１７を第１の吸入ポート１１３よりＢ−Ｂ方向から見たらシリンダ内周円形状において小さい形状としたことで、組立時にフロントプレートとリアプレートが回転方向にずれても、第２の吸入ポート１１７は第１の吸入ポート１１３の外周形状よりシリンダ内周円形状方向ではみ出すことがなく、第２の吸入ポート１１７と吐出ポート１１４の回転方向の相対位置のずれの許容範囲を大きくすることができ、ポンプの性能の安定化と騒音の低減を図ることができる。

（実施の形態２）
図５に、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側面断面図で、シリンダのフロントプレートに臨む面を示す。図６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縦断面図である。

図５と図６は、フロントプレート２１１に設けられた第１の吸入ポート２１３が、シリンダ２０３の内周とシリンダ２０３のフロントプレート２１１に臨む面との接合線に沿ってポンプ空間２２４の吸入空間に臨む範囲より広い範囲でシリンダ２０３の内周とシリンダ２０３のフロントプレート２１１に臨む面の接合線の部分に第１の切り欠き２３０を設けたものである。

この構成により、フロントプレート２１１の組み付け時に円周方向にずれて第１の吸入ポート２１３が回転方向にずれたとしても、シリンダ２０３とロータ２０７の隙間の最も狭い箇所２２５と吸入終了位置は第１の切り欠き２３０により規定されるためずれることがなく、不足圧縮を防ぐことができ、空気ポンプの性能の安定化と騒音の低減を図ることができる。

（実施の形態３）
図７に、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側面断面図で、シリンダのフロントプレートに臨む面を示す。図８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縦断面図である。

図７と図８は、フロントプレート３１１に設けられた吐出ポート３１４がシリンダ３０３の内周とシリンダ３０３のフロントプレート３１１に臨む面との接合線に沿ってポンプ空間３２４の圧縮空間に臨む範囲より広い範囲でシリンダ３０３の内周とシリンダ３０３のフロントプレート３１１に臨む面の接合線の部分に第２の切り欠き３３１が設けられている。

この構成により、フロントプレート３１１の組み付け時に円周方向にずれて吐出ポート３１４が回転方向にずれたとしてもシリンダ３０３とロータ３０７の隙間の最も狭い箇所３２５と吐出開始位置は第２の切り欠き３３１により規定されるためずれることがなく、不足圧縮や過圧縮を防ぐことができ、空気ポンプの性能の安定化と騒音の低減を図ることができる。

（実施の形態４）
図９に、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側面断面図で、シリンダのリアプレートに臨む面を示す。図１０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縦断面図である。

図９と図１０は、フロントプレート４１１に設けられた第１の吸入ポート４１３がシリンダ４０３の内周とシリンダ４０３のフロントプレート４１１に臨む面との接合線に沿っ
てポンプ空間４２４の圧縮空間に臨む範囲より広い範囲で、シリンダ４０３の内周とシリンダ４０３のフロントプレート４１１に臨む面の接合線の部分に第１の切り欠き４３０を設けるとともに、シリンダ４０３の内周とシリンダ４０３のリアプレート４１２に臨む面の接合線の部分に第３の切り欠き４３２が、第１の切り欠き４３０と同形状にして設けられている。

この構成により、シリンダ４０３とロータ４０７の距離が一番狭い位置４２５と吸入終了位置とのズレを防ぐことができ、不足圧縮を防ぐことができ、空気ポンプの性能の安定化と騒音の低減を図ることができる。

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は、空気ポンプの性能の安定化と騒音の低減を図ることができるため、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。

本発明の実施の形態１におけるベーンロータリ型空気ポンプの側面断面図 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縦断面図 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側面図 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側面断面図 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側面断面図 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縦断面図 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縦断面図 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縦断面図 従来のベーンロータリ圧縮機の縦断面図 従来のベーンロータリ圧縮機の側面断面図

符号の説明

１０１ 空気ポンプ本体
１０２ ポンプ機構部
１０３，２０３，３０３，４０３ シリンダ
１０７，２０７，３０７，４０７ ロータ
１０９ ベーン
１１０ シャフト
１１１，２１１，３１１，４１１ フロントプレート
１１２，４１２ リアプレート
１１３，２１３，４１３ 第１の吸入ポート
１１４，３１４ 吐出ポート
１１９ モータ
１１７ 第２の吸入ポート
１２４，２２４，３２４，４２４ ポンプ空間
２２５，３２５，４２５ シリンダとロータの隙間が狭い場所
２３０，４３０ 第１の切り欠き
３３１ 第２の切り欠き
４３２ 第３の切り欠き

Claims (4)

1. 内面が円筒状のシリンダ内に、中心軸が前記シリンダの中心軸と所定量だけ離れた状態で円筒状のロータを配置し、前記ロータにはその中心軸方向に複数のベーン溝を設け、これらのベーン溝には自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベーンを摺動可能な状態で勘合させ、摺動面に自己潤滑性材質を備えたフロントプレートとリアプレートとを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端面に配置して複数のポンプ空間を形成し、前記フロントプレートを貫通する第１の吸入ポートと吐出ポートとを備え、前記リアプレートには前記第１の吸入ポートに相対して貫通はしない第２の吸入ポートを備え、前記シリンダには、前記第１の吸入ポートと前記第２の吸入ポートとを連通する連通孔を設け、前記ロータの中心軸にはメカシャフトを備えてポンプ機構部を構成し、前記リアプレートの反ポンプメカ側端面にはモータを配置し、このモータが前記メカシャフトを駆動することにより前記ポンプ空間が伸縮作用を生じるオイルレス空気ポンプであって、前記第１の吸入ポートが前記シリンダの内周と前記シリンダの前記フロントプレートに臨む面との接合線に沿って前記ポンプ空間の吸入空間に臨む範囲より、前記第２の吸入ポートが前記シリンダの内周と前記シリンダの前記リアプレートに臨む面の接合線に沿って吸入室に臨む範囲を狭くしたベーンロータリ型空気ポンプ。
2. 第１の吸入ポートがシリンダの内周と前記シリンダのフロントプレートに臨む面との接合線に沿ってポンプ空間の吸入空間に臨む範囲より広い範囲で前記シリンダの内周と前記シリンダの前記フロントプレートに臨む面の接合線の部分に第１の切り欠きを設けた請求項１に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
3. 吐出ポートがシリンダの内周と前記シリンダのフロントプレートに臨む面との接合線に沿ってポンプ空間の圧縮空間に臨む範囲より広い範囲で前記シリンダの内周と前記シリンダの前記フロントプレートに臨む面の接合線の部分に第２の切り欠きを設けた請求項１または２に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
4. シリンダの内周と前記シリンダのリアプレートに臨む面の接合線の部分に第３の切り欠きを設け、前記第３の切り欠きを第１の切り欠きと同形状にした請求項２に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。

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