JP2006194091A - ベーンロータリ型空気ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】結露時の運転に対し安定したポンプ性能を確保できる空気ポンプを提供すること。
【解決手段】スリット１２２とベーン１３１が接触摺動する部分で、スリット１２２の摺動面１２２ａと、それと対向するベーン１３１の摺動面１３１ａの少なくとも一方の表面粗さを大きくすることにより、ベーン１３１とスリット１２２の実質上の接触面積が減少し、結露が発生しベーン１３１とスリット１２２間に結露水が介在した場合においても、表面張力の影響を小さくすることができるので、ベーンジャンピングによる騒音増大や空回りの防止が可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池を用いたモバイル用情報端末機器の空気供給装置に使用される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程度は必要なこと、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３０ｍｍ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。

また、さまざまな環境下での使用が想定され、中でも特に結露が発生する環境での使用は避けられない。結露が発生するとベーンとスリットとの間に結露水が介在し、表面張力によりベーンの動作が鈍くなる。その結果、ベーンジャンピングによる騒音増大や、ベーンが出ない状態での運転（空回り）が発生する恐れがある。これを防止するために、ベーンもしくはスリットの摺動面に溝や凹部を設け、接触面積を低減する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

図６と図７は特許文献１に記載された従来のベーンロータリ型ポンプの要部拡大図であり、図６はポンプ機構部の断面を示し、図７はベーンの表面を示す。この種のベーンロータリ型ポンプは、内面が環状のシリンダ１内に、円筒状のロータ３を配置し、ロータ３にはその中心軸方向に複数のスリット６が設けられ、これらのスリット６内には板状のベーン５が摺動可能な状態ではめ込まれ、ベーン５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。またベーン５がスリット６内でスムーズな動作ができるように、ベーン５もしくはスリット６に溝２０，２１や凹部を設け、接触面積を小さくしている。この結果、摩擦抵抗が低減されるだけでなく、結露が発生した場合においても、ベーン５とスリット６間に入り込んだ水分を溝２０，２１や凹部から吐き出し、ベーン５がスリット６に吸着することを防止する。
特開昭５３−５９９０２号公報

しかしながら、前記従来の構成ではオイル潤滑が前提となっており、オイルレス機構の空気ポンプには適用が困難となる。一般的にオイルレス機構では自己潤滑性を有する材質のベーンを用いることが多く、ベーンが摺動摩耗することで潤滑効果を得ている。オイルレス機構の空気ポンプにおいて前記従来の構成を適用した場合、累積運転時間の少ない空気ポンプでは、確かに結露時のベーンジャンピングや空回りを防止できる。しかし累積運転時間が多くなると、摩耗によりベーン形状は変化していくため、ベーンに設けられた溝や凹部の効果も次第に弱まり、結果として結露時のベーン挙動が不安定となってしまう。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、結露時の運転に対し安定したポンプ性能を確保し、さらにはその効果を長期にわたり維持できるベーンロータリ型空気ポンプの提供を目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のベーンロータリ型空気ポンプは、スリットとベーンが接触摺動する部分で、スリットの摺動面と、それと対向するベーン摺動面の少なくとも一方の表面粗さを大きくしたものである。

かかる構成によれば、結露が発生しベーンとスリット間に結露水が介在した場合においても、表面張力の影響を小さくすることができる。すなわちベーンジャンピングによる騒音増大や空回りを防止することができ、安定したポンプ性能の確保が可能となる。またスリットの摺動面の表面粗さを大きくした場合には、摩耗による形状変化がないので、長期にわたりその効果を維持することができる。

本発明のベーンロータリ型空気ポンプは、結露時の運転に対し安定したポンプ性能を確保し、さらにはその効果を長期にわたり維持することができる。

請求項１に記載の本発明では、スリットとベーンが接触摺動する部分で、スリットの摺動面と、それと対向するベーン摺動面の少なくとも一方の表面粗さを大きくしたものである。そしてこの構成によれば、結露が発生しベーンとスリット間に結露水が介在した場合においても、表面張力の影響を小さくすることができる。すなわちベーンジャンピングによる騒音増大や空回りを防止することができ、安定したポンプ性能の確保が可能となる。またスリットの摺動面の表面粗さを大きくした場合には、摩耗による形状変化がないので、長期にわたりその効果を維持することができる。

請求項２に記載の本発明では、特に請求項１に記載のスリット摺動面の平均表面粗さを１．０μｍ以上３．０μｍ以下としたものである。そしてこの構成によれば、結露時のベーン挙動を安定させるだけでなく、通常運転時の騒音低減やベーンの摩耗量低減を図ることができる。

請求項３に記載の本発明では、特に請求項１又は２に記載のスリットをワイヤーカット放電加工機にて加工したものである。そしてこの構成によれば、加工条件を変更するだけでスリット摺動面の表面粗さを自由に選定することができ、用途に合わせたスリット表面粗さの空気ポンプを提供することができる。

請求項４に記載の本発明では、特に請求項１又は２に記載のスリットを平面研磨機にて加工したものである。そしてこの構成では、スリット摺動部の表面粗さだけでなく、平面度や平行度を確保できるので、大量生産の場合においても安定した性能のポンプを提供することができる。

請求項５に記載の本発明では、特に請求項１から４のいずれか１つに記載のスリット摺動面上でロータ外周に位置する開口部分、及びスリット摺動面上でベーン後端の軌跡に対向する部分を除いた摺動面上に、凹部を形成したものである。そしてこの構成によれば、スリットとベーンの接触面積をさらに縮小できるので、摩擦抵抗を低減することができる。同時に結露が発生しベーンとスリット間に結露水が介在した場合においても、表面張力の影響を小さくすることができる。

請求項６に記載の本発明では、特に請求項５に記載のスリット摺動面上でロータ外周に位置する開口部分と、スリット摺動面上でベーン後端の軌跡に対向する部分とを部分的に同一平面でつないだものである。そしてこの構成によれば、ベーンとスリットのクリアランスは一定に保たれるため、ベーンがスリットに形成された凹部に落ち込むこともなく、ベーンがスリット内で大きく傾いたり倒れたりする恐れもない。すなわちベーン損傷を防
止することができ、高信頼性を得ることができる。

請求項７に記載の本発明では、特に請求項１から６のいずれか１つに記載のベーン摺動面の平均表面粗さを１．０μｍ以上３．０μｍ以下としたものである。そしてこの構成によれば、結露時のベーン挙動を安定させるだけでなく、通常運転時の騒音も低減することができる。さらにスリットとベーンの両摺動面の表面粗さを適切に選定することで、結露に対し高い効果を得ることが可能となる。

請求項８に記載の本発明では、特に請求項１から７のいずれか１つに記載のスリットとベーンの組み立て時のクリアランスを、スリット幅の１％から５％としたものである。そしてこの構成によれば、通常運転時の性能を確保しつつ、結露時のベーン挙動を安定させることができる。

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、本実施の形態におけるベーンロータリ型空気ポンプの断面図である。また図２は、本実施の形態におけるベーンロータリ型空気ポンプのポンプ機構部の断面図であり、図１は図２におけるＡ−Ｏ−Ａ断面に相当する。また図３は、本実施の形態におけるベーンロータリ型空気ポンプのロータとベーンの斜視図である。以下、図１から３をもとに請求項１から４に記載の発明について実施の形態を説明する。

まず構成について説明する。図１において、本発明のベーンロータリ型空気ポンプは、ポンプ機構部１００と駆動モータ部２００により構成されている。

ポンプ機構部１００は、筒状内壁を有するシリンダ１１１と、円筒形状のロータ１２１と、自己潤滑性を有するカーボン複合材質よりなる板状のベーン１３１と、自己潤滑性材質を一面に塗布したフロントプレート１４１及びリアプレート１５１から構成されている。ロータ１２１はシリンダ１１１の中心軸から偏心した状態で配置され、このロータ１２１の中心軸方向に設けられた複数のスリット１２２に、ベーン１３１が摺動可能な状態で嵌合されている。本実施の形態では、ロータ１２１とシリンダ１１１はアルミニウム合金より構成されて軽量化を図っており、その材質にはシリコン含有量が約１０％のアルミニウム合金を使用している。そしてフロントプレート１４１とリアプレート１５１とが、ロータ１２１とベーン１３１とを挟み込むようにシリンダ１１１の両端に配置され、複数のポンプ空間１６１を形成している。このとき、フロントプレート１４１とリアプレート１５１とは互いに自己潤滑性材質の塗布された面が向かい合うように配置される。両プレートに塗布された自己潤滑性材質としては、例えば二硫化モリブデン等がある。

駆動モータ部２００は、ステータ２１１とモータロータ２２１とモータシャフト２２２とモータケーシング２３１と固定板２４１から構成される。固定板２４１にステータ２１１が取り付けられ、ステータ２１１の外周を覆うようにモータロータ２２１が配置され、さらにモータロータ２２１の外周を覆うようにモータケーシング２３１が配置され、固定板２４１に取り付けられている。モータシャフト２２２はモータロータ２２１の中心に固定されている。なお本実施の形態では、代表してアウターロータタイプの直流モータを例に挙げているが、これに限ったものではない。

ロータ１２１の中心軸には、リアプレート１５１の反ポンプ機構部側に配置された駆動モータ部２００のモータシャフト２２２が結合されており、駆動モータ部２００で発生した回転力をロータ１２１に伝達する役割を果たしている。このモータシャフト２２２はフ
ロントプレート１４１とリアプレート１５１とにそれぞれ設けられた軸受１４２，１５２で回転可能に支承されている。これらの軸受としては、無潤滑でも使用可能なグリス封入型ボールベアリングが望ましい。

次に動作について説明する。上記構成で駆動モータ部２００に通電すると、モータシャフト２２２とこれに連結されたロータ１２１が図２の矢印の方向に回転する。この時ベーン１３１は回転の遠心力によりスリット１２２内で外側側へと移動し、ベーン１３１の先端がシリンダ１１１の内面に接触・摺動しながら回転運動する。その結果、ポンプ空間１６１は伸縮するので、空気がフロントプレート１４１の吸入口１４１ａより吸い込まれ、その一部は直接ポンプ空間１６１に入り込む。残りの空気は、シリンダ１１１を軸方向に貫通する連通路１１１ｂを経由した後、リアプレート１５１に形成された吸入ポート１５１ｂを経て、ポンプ空間１６１に入り込む。ポンプ空間１６１に入った空気は、およそ１回転する間に圧力が上昇（例えばΔＰ＝５ｋＰａ）し、フロントプレート１４１に設けられた吐出ポート１４１ｄから、吐出口１４１ｃを経て、吐出管１４３より外部へと供給される。

モバイル用の燃料電池に使用される空気ポンプにはいくつかの要求項目があり、その１つとして環境に対する性能の安定化がある。さまざまな環境での使用が想定されるが、中でも特に結露が発生する環境での使用は避けられない。結露が発生するとベーン１３１とスリット１２２との間に結露水が介在し、表面張力によりベーン１３１の動作が鈍くなる。その結果、ベーンジャンピングによる騒音増大や、ベーンが出ない状態での運転（空回り）が発生する恐れがあり、安定した圧力と流量の供給が困難となってしまう。

そこで結露時の性能安定化対策として、図３に示すようにスリット１２２とベーン１３１が接触摺動する部分で、スリット１２２の摺動面１２２ａと、それと対向するベーン１３１の摺動面１３１ａの少なくとも一方の表面粗さを大きくする。表面粗さを大きくすることで、ベーン１３１とスリット１２２との実質上の接触面積が減少し、結露が発生してベーン１３１とスリット１２２との間に結露水が介在した場合においても、表面張力の影響を小さくすることができる。すなわちベーンジャンピングによる騒音増大や空回りを防止することができ、安定したポンプ性能の確保が可能となる。

さらに追加するならば、オイルレス機構を実現するため、ベーン１３１にはカーボンなどの自己潤滑性を有する材質を使用しており、運転とともにベーン１３１の摺動面１３１ａは摩耗していく。すなわちベーン１３１の形状を最適化しても、累積運転時間が少ない時には結露時の対策効果はあったとしても、次第にその効果は弱まっていく。以上のことからスリット１２２に対応策を施すことが望ましい。すなわちスリット１２２の表面粗さを大きくした場合には、摩耗による形状変化がないので、長期にわたりその効果を維持することができる。

またスリット摺動面１２２ａの平均表面粗さを１．０μｍ以上とすることで表面張力の影響を小さくする効果を発揮できるが、３．０μｍを超えると摺動音等の騒音が大きくなる。従って、１．０μｍ以上３．０μｍ以下とすることにより、結露時のベーン挙動を安定させるだけでなく、通常運転時の騒音低減やベーン１３１の摩耗量低減を図ることができる。

スリット１２２の加工方法としては、ワイヤーカット放電加工機による加工と平面研磨機による加工がある。ワイヤーカット放電加工機の特徴としては、加工条件を変更するだけでスリット摺動面１２２ａの表面粗さを自由に選定することができるので、用途に合わせたスリット表面粗さの空気ポンプを提供することができる。また平面研磨機の特徴としては、スリット摺動部１２２ａの表面粗さだけでなく、平面度や平行度を確保できるので
、大量生産の場合においても安定した性能のポンプを提供することができる。

図４、図５は（ａ）がロータの斜視図で、（ｂ）がその断面図である。以下に図４、図５をもとに請求項５から８に記載の本発明について実施の形態を説明する。

図４に示すように、ロータ１２１のスリット摺動面１２２ａ上でロータ１２１の外周に位置する開口部分、及びスリット摺動面１２２ａ上でベーン１３１の後端の軌跡に対向する部分を除いた摺動面上に、凹部１２２ｂを形成する。これによりベーン１３１とスリット１２２の実質上の接触面積がさらに減少し、摩擦抵抗を低減すると同時に、結露が発生しベーンとスリット間に結露水が介在した場合においても、表面張力の影響を小さくすることができる。

また図５に示すように、スリット摺動面１２２ａ上でロータ１２１の外周に位置する開口部分と、スリット摺動面１２２ａ上でベーン１３１の後端の軌跡に対向する部分を、ベーン１３１の上端側、下端側をそれぞれ同一平面でつなぐことで、ベーン１３１とスリット１２２のクリアランスは一定に保たれる。その結果、ベーン１３１がスリット１２２に形成された凹部１２２ｃに落ち込むこともなく、ベーン１３１がスリット１２２内で大きく傾いたり倒れたりする恐れもない。すなわちベーン１３１の損傷を防止することができ、高信頼性を得ることができる。なお本実施の形態では、スリット１２２の開口部分と閉口部分をつなぐ同一平面として、軸方向の上下で２本形成しているが、数や位置、及び幅に関してはこれに限ったものではない。

またベーン１３１の摺動面１３１ａの平均表面粗さを１．０μｍ以上３．０μｍ以下とすると、結露時のベーン１３１の挙動を安定させるだけでなく、通常運転時の騒音も低減することができる。さらにスリット１２２とベーン１３１の両摺動面の表面粗さを適切に選定することで、結露に対し高い効果を得ることが可能となる。

またスリット１２２とベーン１３１の組み立て時のクリアランスを、スリット１２２の幅の１％から５％とすると、通常運転時の性能を確保しつつ、結露時のベーン１３１の挙動を安定させることができる。クリアランスに関しては、スリット１２２の幅の１％以下の場合には、結露時にベーン１３１がスリット１２２に入り込んだままの運転、すなわち空回りが発生し、逆に５％以上の場合には、体積効率の低下だけでなく、騒音値の増大を引き起こしてしまう。より望ましいクリアランスの範囲としては、スリット１２２の幅の１％から３％である。

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、結露時の運転に対し安定したポンプ性能を確保し、さらにはその効果を長期にわたり維持することができるので、モバイル燃料電池用の空気供給だけでなく、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におけるベーンロータリ型空気ポンプの断面図 本発明の実施の形態におけるベーンロータリ型空気ポンプのポンプ機構部の断面図 本発明の実施の形態におけるベーンロータリ型空気ポンプのロータとベーンの斜視図 （ａ）本発明の実施の形態におけるベーンロータリ型空気ポンプのロータの斜視図（ｂ）Ｂ−Ｂ断面図 （ａ）本発明の実施の形態におけるベーンロータリ型空気ポンプのロータの斜視図（ｂ）Ｃ−Ｃ断面図 従来のベーンロータリ型ポンプのポンプ機構部の要部断面図 従来のベーンロータリ型ポンプのベーンの要部拡大図

符号の説明

１００ ポンプ機構部
１１１ シリンダ
１２１ ロータ
１２２ スリット
１２２ａ 摺動面
１２２ｂ 凹部
１２２ｃ 凹部
１３１ ベーン
１３１ａ 摺動面
１４１ フロントプレート
１５１ リアプレート
１６１ ポンプ空間
２００ 駆動モータ部

Claims (8)

1. 筒状内壁を有するシリンダ内に、円筒形状のロータを前記シリンダの中心軸から偏心させた状態で配置し、前記ロータにはその中心軸方向に複数のスリットを設け、これらのスリット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嵌合させ、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とを挟み込むように前記シリンダの両端面に配置して複数のポンプ空間を形成し、前記ロータの中心軸にはモータ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機構部側には駆動モータを配置し、前記駆動モータが前記モータ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ベーンロータリ型空気ポンプであって、
   前記スリットと前記ベーンとが接触摺動する部分で、前記スリットの摺動面と、それと対向する前記ベーンの摺動面の少なくとも一方の表面粗さを大きくしたことを特徴とするベーンロータリ型空気ポンプ。
2. スリットの摺動面の平均表面粗さを１．０μｍ以上３．０μｍ以下としてなる請求項１に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
3. スリットをワイヤーカット放電加工機にて加工してなる請求項１又は２に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
4. スリットを平面研磨機にて加工してなる請求項１又は２に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
5. スリットの摺動面上でロータ外周に位置する開口部分、及び前記摺動面上でベーン後端の軌跡に対向する部分を除いた摺動面上に、凹部を形成してなる請求項１から４のうちいずれか一項に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
6. スリットの摺動面上でロータ外周に位置する開口部分と、前記摺動面上でベーン後端の軌跡に対向する部分とを部分的に同一平面でつないでなる請求項５に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
7. ベーンの摺動面の平均表面粗さを１．０μｍ以上３．０μｍ以下としてなる請求項１から６のうちいずれか一項に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
8. スリットとベーンの組み立て時のクリアランスを、前記スリットの幅の１％から５％としてなる請求項１から７のうちいずれか一項に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
   
   

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