JP4646629B2

JP4646629B2 - ベーンロータリ型空気ポンプ

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Publication number: JP4646629B2
Application number: JP2004539529A
Authority: JP
Inventors: 澤井　　清; 作田　　淳; 達也中本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: EP1550810A4; WO2004029462A1; KR20050045990A; AU2003268674A1; KR101011202B1; EP1550810A1; JPWO2004029462A1; CN1685158A; CN100394030C

Description

本発明は、燃料電池を用いたモバイル用ノートパソコンの空気供給装置に使用されるベーンロータリ型空気ポンプの構成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流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、その供給圧力はΔｐ＝２〜５ｋＰａ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φ３０ｍｍ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。これらの特性を満たすベーンロータリ型空気ポンプを発明したが、まずはベーンロータリ型ポンプ機械の従来技術について説明する。

従来、この種のベーンロータリ圧縮機としては、特開２００１−２１４８７５公報に記載されているような構成であった。図１０、１１は前記特許文献に記載された従来のベーンロータリ圧縮機を示している。図１１は図１０のＩ−Ｉ線断面図である。図１０、図１１において、内面が円筒状のシリンダ１３内に、中心軸をシリンダ１３の中心軸から所定量だけ偏心させた状態で円柱状のロータ１４が配置されている。ロータ１４にはその中心から外側にずらせて３本の溝１６が放射状に設けられ、これらの溝１６内には板状のベーン１７が摺動可能な状態で嵌合され、ベーン１７の先端部がシリンダ１３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。前記シリンダ１３は、その周囲に吸入口１９と吐出口２０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１１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口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、吐出口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た。

また、図１２および図１３は特開２００１−２２１１８０号公報に記載された従来の他のベーンロータリ型ポンプを示すものである。この他のベーンロータリ型ポンプは、両端がフロントプレート１１およびリアプレート１２で閉鎖された筒状内壁を有するシリンダ１３を有している。シリンダ１３の内部には、外周の一部がシリンダ１３の内壁と小隙間を形成するロータ１４が配設されている。ロータ１４に一体的に形成されたメカシャフト１５は、両端がフロントプレート１１およびリアプレート１２に回転自在に軸支持されている。ロータ１４の外周面には、複数の溝１６が形成され、各溝１６にベーン１７の一端部が摺動自在に挿入されている。そして、ベーン１７はシリンダ１３、ロータ１４、フロントプレート１１、リアプレート１２とともにポンプ空間１８を形成している。シリンダ１３には吸入側のポンプ空間１８と連通する吸入口１９と、圧縮側のポンプ空間１８と連通する吐出口２０が形成されている。

動力がメカシャフト１５に伝達されると、ロータ１４が回転し、吸入口１９から吸入された流体は、吸気側のポンプ空間１８内に吸入されて圧縮される。圧縮された流体は圧縮側のポンプ空間１８からシリンダ１３の吐出口２０から吐出される。
特開２００１−２１４８７５号公報特開２００１−２２１１８０号公報ＥＰ１１１３１７５号公報特開平９−８８８５５号公報特開平１０−１２２１６９号公報

上記従来の構成では、ベーン１７の背面に供給された潤滑油が溝１６とベーン１７の隙間から圧縮空間１８内に少量流れ込み、この潤滑油でベーン１７とロータ１４間の潤滑およびロータ１４とフロントプレート１１、リアプレート１２間の潤滑が行われていたのであるが、燃料電池に空気を供給するポンプとして不可欠なオイルレス運転が困難という課題を有していた。

また、上記従来の構成では、エンジンあるいはモータシャフトがベルトを介してロータ１４と一体になったメカシャフト１５を駆動する構成であった。この構成を改良して同軸上にモータを配置することによりモータシャフトでメカシャフト１５を駆動することを考えた場合、２つのシャフト間の軸心を精度良く合わせるのが難しく、構成が困難という課題を有していた。また、２本のシャフトをフレキシブルジョイント又はカップリング部品などで結合すれば、全体の寸法が大きくなるという課題が生じてしまう。また、２本のシャフトをカップリング部品などで結合した場合、わずかでもズレが生じると振動の原因になったり、歪となってエネルギー損失が生じ伝達効率が低下するという課題を有していた。

また、上記従来の構成では、シリンダ１３の外周部に吸入口１９と吐出口２０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た。
さらに、吸入はフロントプレート１１からのみで行われるため、ポンプ機構部を高速回転させると吸入工程の時間が短くなり、吸入効率が低下するという課題を有していた。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、オイルレス運転が可能で、ポンプ機構部とモータを直結可能とし、かつポンプ全体の外径の小さいベーンロータリ型空気ポンプを提供することを目的とする。

さらに、本発明は前記従来の課題を解決するためになされたものであって、伝達効率の低下を抑制し、直流モータで駆動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。

さらに、前記リアプレートと前記モータ間にプレートを設け、前記ポンプ機構部と前記モータを締結することや、前記フロントプレートに吸入ポートと吐出ポートを配置することで、シリンダの軸方向および径方向高さを抑制したベーンロータリ型空気ポンプの提供を目的とする。

さらに、吸入損失の少ない構造の流体流入路を備えたことで、ポンプ機構部高速回転時の流体の吸入ロスを低減し、吸入量の低下を抑制させたベーンロータリ型空気ポンプの提供を目的とする。

上記課題を解決するために第１の本発明は、内面が円筒状のシリンダ内に、中心軸を前記シリンダの中心軸から所定量だけ偏心させた状態で円柱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溝を設け、これらの溝に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、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前記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、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、このポンプ機構部に隣接して前記リアプレートを介して直流モータを配置し、この直流モータが前記メカシャフトを駆動することによりポンプ空間がベーンの回転移動に伴ってポンプ空間の容積変化が生じるベーンロータリ型空気ポンプであって、前記ベーンはカーボン複合材料で構成し、前記ロータにはアルミニウム合金あるいはＰＥＥＫ系樹脂を使用し、前記シリンダにはシリコン含有率約１０％のアルミニウム合金を使用し、前記フロントプレートとリアプレートには、ＰＴＦＥあるいは二硫化モリブデンを含む自己潤滑性材料を表面コーティングし、前記メカシャフトと前記直流モータのモータシャフトを一体化構成し、前記ポンプ機構部の外径をφ３０ｍｍ以下に構成し、前記直流モータにはブラシレス直流モータを使用し、モバイル機器用燃料電池に適用するオイルレスの空気供給機とし、前記ポンプ機構部の円筒面外周と前記直流モータの外周を略同一直径となして、全体が一つの円筒を形成し、パーソナルコンピュータのヒンジ部に具備してなるものである。

また、上記課題を解決するために第２の本発明は、一体化構成に代えて、前記メカシャフトと前記直流モータのモータシャフトが前記ロータを介して接合されてなるものである。
また、上記課題を解決するために第３の本発明は、前記モータシャフトを前記ロータに圧入、または焼きばめ、または接着剤で結合されてなるものである。

また、上記課題を解決するために第４の本発明は、前記ポンプ機構部の締結孔と同じピッチ、同じ直径で開けられた第１のボルト孔と、前記モータの締結孔と同じピッチ、同じ直径で開けられ、座刳りの施された第２のボルト孔とが形成されたプレートを前記リアプレートと前記モータ間に設け、前記ポンプ機構部と前記モータを、前記プレートを介して締結されてなるものである。

また、上記課題を解決するために第５の本発明は、前記フロントプレートに吸入ポートと吐出ポートおよび吐出口を備えてなるものである。
また、上記課題を解決するために第６の本発明は、前記フロントプレートに形成された吸入ポートから前記ポンプ空間に外気を導く第１の吸入経路と、前記シリンダに貫通孔を設け、この貫通孔に連通して前記リアプレートに吸入ポートを形成し、前記フロントプレートの吸入ポートから前記貫通孔と前記リアプレートの吸入ポートを経て前記ポンプ空間に外気を導く第２の吸入経路を備えてなるものである。

また、上記課題を解決するために第７の本発明は、前記貫通孔の長手方向中央部に、前記貫通孔から前記ポンプ空間へ連通路を設け、前記吸入ポートから前記貫通孔と前記連通路を経て前記ポンプ空間に外気を導く第３の吸入経路を設けてなるものである。

また、上記課題を解決するために第８の本発明は、前記フロントプレートのポンプ空間側を溝状に窪ませたポートを前記吐出ポートとし、前記ロータが吸入を終えたポンプ空間の最大の容量と、前記ロータが前記吐出ポートに臨む容量との比を容積比とし、前記ロータが前記シリンダに最も近接するときの前記ロータと前記シリンダの径方向隙間を径方向最小隙間とし、前記容積比が約１を上回る状態の前記ロータの回転角度から、前記ロータと前記シリンダの径方向隙間が前記径方向最小隙間の約５倍となる前記ロータの回転角度までの範囲に亘る前記ポンプ空間に臨むように、前記吐出ポートを前記フロントプレートに備えてなるものである。

上記第１の本発明は、上記自己潤滑性を有する材質でベーンを構成してロータの溝に摺動可能な状態で勘合させるとともに、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用い、ロータとベーンを挟み込む状態でこれらのプレートをシリンダの端面に配置したことによって、摺動面での摩擦損失や摩耗が小さくなり、その結果オイルレス運転が可能になる。また、メカシャフトと直流モータのモータシャフトを一体化して構成しているので、ポンプ機構部とモータ部の軸心を容易に一致させることができて、精度が高くかつ簡単にポンプ全体を組立てることが出来る。さらに、メカシャフトとモータシャフト間にジョイント部などが不必要になるため、小型化が可能となる。また、上記ロータの中心軸からオフセットさせて溝を設け、ベーンをこの２つの溝に嵌め込む構成にすることにより、ロータの直径、ひいてはポンプ機構部の直径を小さくでき、さらに、ポンプ機構部の外径をφ３０ｍｍ以下にすることによって、モバイル機器用燃料電池に適用可能な小型化を実現することができる。また、上記のように、各部品をそれぞれの材質で構成することによって、摺動部における自己潤滑作用が的確に確保されるとともに、軽量化も実現できる。また、上記一つの円筒形状で空気ポンプを構成したことによって、パーソナルコンピュータのヒンジ部に搭載することが可能となる。

また、第２の本発明によれば、直流モータのモータシャフトとロータを、伝達効率の低下を抑制して結合することができる。
また、第３の本発明によれば、モータシャフトおよびロータにＩカットなどのすべり防止加工を施すことなく、伝達効率の低下を抑制してモータシャフトとロータを結合することができる。

また、第４の本発明によれば、直流モータのケーシングの端面に形成された既存のねじ孔のピッチ及び直径にとらわれず、ポンプ機構部を締結するためのボルト孔のピッチ、直径を可能な限りポンプ機構部の外周側に設置可能となり、シリンダ内径を大きくできる。そのため、シリンダを軸方向に短くでき、ポンプ機構部の小型化を図りやすい。

また、第５の本発明によれば、シリンダ外周部の吐出経路が不要となり、ポンプ機構部を径方向に短くでき、ポンプ機構部の小型化を図りやすい。
また、第６の本発明によれば、フロントプレートだけでなくリアプレートからも吸入可能となり、ポンプ機構部高速回転時の流体の吸入ロスを低減し、吸入量の低下を抑制することができる。

また、第７の本発明によれば、シリンダ長手方向中央部からも吸入可能となり、ポンプ機構部高速回転時の流体の吸入ロスをさらに低減できる。
また、第８の本発明によれば、吐出室のほぼ全域において、吐出室の流体をベーンで押し出すことができるため、吐出損失が少なくなり、前記ロータと前記シリンダの径方向最小隙間から吸入室への漏れも抑制できるため、吸入損失も少なくなる。

以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係わるベーンロータリ型空気ポンプの横断面図である。また、図２は本実施の形態に係わる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断面図である。本実施の形態に係わるベーンロータリ型空気ポンプ本体１０１は、ポンプ機構部１０２と直流モータ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。円筒状をした内面１０４を有するシリンダ１０３内のシリンダ空間に、ロータ１０７の中心軸が、シリンダ１０３のシリンダ空間の中心軸と所定量だけ偏心した状態で円筒状のロータ１０７を内面１０４に接近させて配置している。前記ロータ１０７には、その中心軸方向に２本の溝１０８がロータ１０７の中心軸からオフセットさせて、即ち、中心軸を挟んで互いに平行で、相反する方向に開口して設けられている。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嵌合させ、ベーン１０９の先端部がシリンダ１０３の内面１０４と摺接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１０３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。

次に、前記ロータ１０７とベーン１０９とを両サイドから挟み込むように、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。この構成により、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にとり囲まれた複数のポンプ空間１２４が形成される。即ち、円筒状のシリンダー１０３内のシリンダー空間に、この空間より径の小さい円柱状のロータ１０７を、一方側に偏心させてフロントプレート１１１およびリアプレート１１２に軸支している。このため、円筒状のシリンダー１０３内に三日月形の空いた空間ができる。この三日月形の空間をベーン１０９で仕切って複数のポンプ空間１２４としている。

なお、フロントプレート１１１とリアプレート１１２の内側表面には二硫化モリブデンを含む自己潤滑性材料のコーティング処理を施している。
また、図３と図４に示すように、フロントプレート１１１には吸入ポート１１３と吐出ポート１１４、および吐出ポート１１４につながる吐出口１１５を設けている。ここで、吸入ポート１１３は略台形状の貫通した孔であるが、吐出ポート１１４はフロントプレート１１１の内壁を溝状に窪ませたポートであって、吐出口１１５と連なっている。

他方、前記吸入ポート１１３と対向するリアプレート１１２の部分には吸入ポート１１３と同形状の窪み状の吸入ポート１１７を設けている。
次に直流モータ１１９について説明する。前記リアプレート１１２のポンプ機構部１０２側の面とは反対側の面には直流モータ１１９を、リアプレート１１２に直接接触させて配置している。従って、直流モータ１１９の一方側のケーシングの蓋体をリアプレート１１２が兼ねている。本実施の形態では、直流モータ１１９にはブラシレス直流モータを使用している。この直流モータ１１９は円筒状のコイル１２０と永久磁石を備えた回転子１２１より成り、この回転子１２１は長尺のシャフト１１０を備えている。このシャフト１１０は、前記の直流モータとポンプ機構部のロータ１０７のシャフトを兼ね備えている。即ち、シャフト１１０は、直流モータ１１９の内部ではモータ軸受１２２、１２３で支承されているが、直流モータ１１９からポンプ機構側に伸びて、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によって支承されている。ポンプ機構内部では、シャフトはロータ１０７が固定されて、直流モータ１１９で発生した回転力をロータ１０７に伝達する役割を果している。

上記の構成で、直流モータ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はロータ１０７が回転する遠心力により溝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に接触・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、ベーン１０９の回転移動に伴ってベーンによって仕切られた空間容積の拡大、縮小（所謂呼吸作用）に伴い、その容積が変化する。このポンプ空間１２４の容積変化に伴って空気がフロントプレート１１１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、矢印方向に回転するベーン１０９によって吸入ポート１１３側から下側に位置する吐出ポート１１４側に押されて、ロータ１０７がおよそ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上の吐出ポート１１４を経て吐出口１１５より外部へ出て行く。

上記構成の内、カーボン複合材料でベーン１０９を製作した。しかも、ベーン１０９の先端が接触して摺動するシリンダ１０３は１０％のシリコンを含有するアルミニウム合金で製作した。さらに、フロントプレート１１１とリアプレート１１２の摺動面は二硫化モリブデンを含む自己潤滑性材料をコーティングし、ロータ１０７とベーン１０９を挟み込むように２枚のプレート１１１と１１２をシリンダ１０３の端面に配置した。これらの構成によって、各摺動面での相性が良くなって摩擦損失や摩耗が小さくなり、その結果オイルレス運転を可能にすることができた。

また、ロータ１０７のメカシャフトと直流モータのモータシャフトを一体化してシャフト１１０を構成したことにより、ポンプ機構部１０２とモータ部１１９の軸心を容易に一致させることができ、精度が高くかつ簡単にポンプ全体１０１の組立てができるようになった。さらに、メカシャフトとモータシャフト間にジョイント部などが不必要になるため、小型化も実現できた。

また、昇圧巾が比較的小さくてすむモバイル用燃料電池の空気供給機には、ベーン１０９の個数を２個にしても十分に昇圧が可能であること、また、ロータ１０７の中心軸からオフセットさせて溝１０８を設けることにより、ロータ１０７の直径を大幅に小さくすることが可能になることから、上記の構成を採用している。さらに、シリンダ１０３の周囲に吸入口と吐出口を設けず、フロントプレート１１１に吸入ポート１１３と吐出口１１５を備える構成にすることによって、ポンプ機構部の外径をφ３０ｍｍ以下に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することができた。

なお、本実施の形態では、フロントプレート１１１とリアプレート１１２の自己潤滑性コーティング材料として、二硫化モリブデンを含む材料を採用しているが、これに替えてＰＴＦＥを含む材料を使用しても同様の低摩擦・低摩耗の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、ロータ１０７の材質としてアルミニウム合金を採用しているが、これに替えてＰＥＥＫ系樹脂を使用した場合には、樹脂成分の配合によりその線膨張率をアルミニウム合金（シリンダ１０３）と合わせることができるので、隙間を小さく設定することができ、空気ポンプ性能を確保しながら更なる軽量化を図ることができる。
（実施の形態２）
図５は、発明の実施の形態２に係わるベーンロータリ型空気ポンプを、パーソナルコンピュータに組み込んだ時の斜視図である。図２に示すように、ベーンポンプ型空気ポンプにおいては、ポンプ機構部１０２の円筒面外周と直流モータ１１９の外周を略同一直径となして、全体で一つの円筒形を形成している。

図５においては、パーソナルコンピュータは、その本体部２０１とその液晶ディスプレイ部２０２とをヒンジ部２０３で結合して構成している。このヒンジ部２０３は、円筒形状になっているので、まずこの部分に燃料電池の燃料部（メタノール容器）２０４と燃料電池本体セル２０５とを搭載する。次に、本発明のベーンロータリ型空気ポンプ１０１も、上記のように円筒形状に構成できるので、燃料電池セル２０５に空気を供給する空気ポンプとして、ヒンジ部２０３に容易に収納することができる。
（実施の形態３）
図６、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断面図である。

図６、図７において、このベーンロータリ型空気ポンプは、筒状内壁を有するシリンダ１０３内に、実施の形態１と同様に円柱形状のロータ１０７をシリンダ１０３のシリンダ空間の中心軸から偏心させた状態で配置している。ロータ１０７にはその中心軸方向に複数（図１では２本）の溝１０８がロータ１０７の中心軸からオフセットさせて設けられている。これらの溝１０８には自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベーン１０９を摺動可能な状態で嵌合させている。摺動面に自己潤滑性材質を備えたフロントプレート１１１とリアプレート１１２をロータ１０７とベーン１０９を挟み込むようにシリンダ１０３の端面に配置してポンプ空間１２４を形成している。ロータ１０７の中心軸にはメカシャフト１１０を備えており、フロントプレート１１１とリアプレート１１２、プレート１３４に圧入されたボール軸受け１１６、１１８で回転可能に支持することでポンプ機構部１０２を構成している。ポンプ機構部１０２に隣接してリアプレート１１２を介して直流モータ１１９が配置されオイルレス空気ポンプを構成している。

直流モータ１１９は回転子１２１の外周にコイル１２０を配置し、モータシャフト１２５は軸受１２２および軸受１２３で支持されている。なお、軸受１２２は直流モータ１１９のケーシングに設けられている。

かかる構成部によれば、回転子１２１とコイル１２０間の磁気作用により回転子１２１は回転トルクを得て回転運動する。回転子１２１と一体的に構成されたモータシャフト１２５が軸受１２２および１２３によって回転可能に支持されることで回転力をポンプ機構部１０２に伝達可能とする。

直流モータ１１９によって出力された回転力はモータシャフト１２５と結合されたロータ１０７に伝達される。モータシャフト１２５とロータ１０７の結合は、ロータ１０７の貫通軸孔に、接着剤を塗布したモータシャフト１２５の一端部を挿入するか、圧入もしくは焼きばめとしてもよい。このような構成によりモータシャフト１２をポンプ機構部１０２と連結する。

回転力を得たロータ１０７の回転にともない、ベーン１０９が遠心力によってロータ１０７の溝１０８に沿って径方向の外側に飛び出し、ポンプ空間１２４を回転移動する。吸入ポート１１３より吸入された流体は圧縮され、吐出ポート１１４を経て吐出口１１５より吐出される。

前述のように、従来のポンプでは、メカシャフト１１０はロータ１０７に一体的に形成されており、一体型の直流モータ１１９でロータ１０７を駆動するためには、直流モータ１１９のモータシャフト１２５とメカシャフト１１０をカップリング部品で連結しなければならないため、前記のように伝達効率が低下する。これに対して、本実施形態３では、モータシャフト１２５とメカシャフト１１０を、ロータ１０７をカップリングの役割を果たさせて結合する。即ち、モータシャフト１２５とメカシャフト１１０を、ロータ１０７の貫通軸孔に圧入、または焼きばめ、または接着剤で結合するため、モータシャフト１２５にＩカットなどのすべり防止加工を施すことなく直流モータからポンプ機構部へのトルクの伝達効率の低下を抑制できる。

直流モータ１１９とポンプ機構部１０１の締結はプレート１３４を介して行われる。
図８にプレート１３４の正面図を示す。図８において、このプレート１３４には、ポンプ機構部１０２に直流モータ１１９を締結するためにポンプ機構部の締結孔１０６ａと同じピッチ、同じ直径で開けられた外側のポンプ機構部締結孔１０６ｂと、直流モータ１１９を締結するために、直流モータ１１９の締結孔（図示せず）と同じピッチ、同じ直径で開けられ、座刳りの施された内側の直流モータ締結孔３０２とが形成されている。

かかる構成部によれば、モータケーシングに開けられた既存の締結孔と同じピッチ、同じ直径で開けられたプレート内周側の直流モータ締結孔３０２にボルトをねじ込み直流モータ１１９をプレート１３４に締結する。座刳りにより、ボルト頭はプレートより突出しない。その後、プレート外周側に開けられたポンプ機構部締結孔１０６ａにボルトを挿通して直流モータ締結孔３０２に締結し、ポンプ機構部をプレート１３４に締結する。このように、プレート１３４を介してポンプ機構部１０２と直流モータ１１９が連結される。

この発明によれば、直流モータ１１９のケーシングの端面に形成された既存のねじ孔のピッチ及び直径にとらわれず、ポンプ機構部１０２と直流モータ１１９を締結できる。このため、ポンプ機構部１０１のシリンダ１０３の肉厚を確保しながら、可能な限りポンプ機構部１０１の外周側にポンプ機構部締結孔１０６ａが設置可能となり、シリンダ１０３の内径を大きくできる。そのため、シリンダ１０３を径方向に小さくでき、ポンプ機構部１０１の小型化を図りやすい。

図７において、このベーンロータリ型空気ポンプは、フロントプレート１１１に吸入ポート１１３と吐出ポート１１４および吐出口１１５を備えている。
かかる構成によれば、フロントプレート１１１の吸入ポート１１３から吸入された流体はポンプ空間１２４に流入し、ベーン１０９の回転移動によって圧縮された後、フロントプレート１１１の吐出ポート１１４から吐出口１１５を経て吐出される。

この発明によれば、フロントプレート１１１が露出していれば吸入・吐出が可能となるため、シリンダ外周部へ吐出口１１５を設置しなくてもよいため、ポンプ機構部１０２をシリンダ径方向に小型化できる。

図７において、このベーンロータリ型空気ポンプの吸入経路は、フロントプレート１１１に設けられた吸入ポート１１３と連通させて、シリンダ１０３の壁部にメカシャフト１１０と平行に貫通孔１０５を設けている。リアプレート１１２に、この貫通孔１０５とポンプ空間１２４とが連通するように窪み状の吸入ポート１１７が設けられている。また、貫通孔１０５の長手方向中央部に、貫通孔１０５からポンプ空間１２４へ径方向に連通する連通路（図示せず）を設けている。

かかる構成によれば、外気は、ロータ１０７が回転すると、フロントプレート１１１に設けられた吸入ポート１１３から吸入され、２つの経路からポンプ室に流入する。第１の経路は、フロントプレート１１１から直接ポンプ空間１２４に流入する経路である。第２の経路は、吸入ポート１１３からシリンダ１０３に設けられた貫通孔１０５を通り、リアプレート１１２に設けられた、貫通孔１０５と連通する吸入ポート１１７を経て、ポンプ空間１２４に吸入する経路である。

また、上記第１および第２の経路に加えて、吸入ポート１１３から貫通孔１０５の径方向に形成された連通部を経て、シリンダ１０３の長手方向中央部からポンプ空間１２４に外気を導く第３の吸入経路を設けることで、フロントプレート１１１とリアプレート１１２とシリンダ１０３の３箇所から外気をポンプ空間１２４に導くことができる。

前述したように、従来のポンプでは、吸入はフロントプレート１１１の吸入ポート１９からポンプ空間１８への１経路のみで行われるため、ポンプ機構部を高速回転させると、吸入行程の時間が短くなることで吸入流体の慣性力により流体吸入量が減少し、吸入効率が低下するという課題を有していた。

この発明によれば、フロントプレート１１１だけでなくリアプレート１１２からも吸入可能となり、ポンプ機構部高速回転時の吸入圧力損失を少なくし、吸入ロスを低減できる。また、シリンダ長手方向中央部からも吸入可能となり、流体吸入量増加にともなう吸入圧力損失をさらに少なくし、吸入ロスを低減できる。

フロントプレート１１１の正面図を図９に示す。図９において、容積比が約１を上回る状態のロータ１０７の回転角度から、ロータ１０７とシリンダ１０３の径方向最小隙間の約５倍となるロータ１０７の回転角度までの範囲に亘るポンプ空間１２４に臨むように、窪み形状の吐出ポート１１４をフロントプレート１１１の裏面に形成されている。

なお、容積比とは、ロータ１０７が吸入を終えたポンプ空間１２４の最大の容量と、ロータ１０７が吐出ポート１１４に臨む容量との比を言う。
ロータ１０７とシリンダ１０３の径方向最小隙間とは図９では、ロータ１０７とシリンダ１０３とが接触したように描かれた右側の隙間を言う。図９ではロータ１０７とシリンダ１０３とが接触しているように描かれているが、実際はほんの僅かながら隙間が開いている。例えば、この隙間１０μｍ程度開いていたとすると、ロータ１０７とシリンダ１０３との隙間が５倍となる５０μの部分に、吐出ポート１１４の終端が位置するようにフロントプレート１１１の裏面に吐出ポート１１４を形成する。吐出ポート１１４が径方向最小隙間に近づきすぎると、空気の漏れが生じ、遠すぎると空気が完全に抜けなくなる。従って、吐出ポート１１４はロータ１０７とシリンダ１０３の径方向最小隙間の約５倍程度の所に設けるのがよい。

かかる構成によれば、ロータ１０７の回転とともにベーン１０９が溝１０８内を出たり入ったりしながら回転移動し、ベーン１０９が吐出口１１５に臨む瞬間から流体の吐出が開始され、ベーン１０９が吐出口に臨まなくなる位置からさらに回転した場合でも、ポンプ空間１０４に臨むように設けられた窪み状部分から流体が吐出口１１５を経て流出できる。また、ロータ１０７とシリンダ１０３の径方向最小隙間の約５倍以下となるロータ１０７の回転角度間は吐出ポートのような窪みが形成されてないため、流体が吐出ポート１１４からポンプ空間１０４の吸入側へ漏れることを抑制できる。

この発明によれば、ポンプ空間１０４の吐出部のほぼ全域において、ポンプ空間１０４にある流体をベーンで押し出すことができるため、吐出損失が少なくなり、吐出量の減少を抑制できる。また、径方向最小隙間を通じてのポンプ空間１０４の吸入部への漏れも防止できるため、吸入損失も少なくなり、吸入量の減少も抑制できる。

本発明の第１の実施形態を示すベーンロータリ型空気ポンプの横断面図である。本発明の第１の実施形態を示すベーンロータリ型空気ポンプの縦断面図である。本発明の第１の実施形態を示すベーンロータリ型空気ポンプのフロントプレートの平面図である。本発明の第１の実施形態を示すベーンロータリ型空気ポンプのリアプレートの平面図である。本発明の第２の実施形態を示すベーンロータリ型空気ポンプをパーソナルコンピュータへ組み込んだ使用状態図である。本発明にかかるベーンロータリ型空気ポンプの第３の実施形態を示す縦断面図である。ベーンロータリ型空気ポンプの断面図である。図７のベーンロータリ型空気ポンプのプレート正面図である。図７のベーンロータリ型空気ポンプのフロントプレート正面図である。従来のベーンロータリ圧縮機の正面の縦断面図である。従来のベーンロータリ圧縮機の側面の縦断面図である。従来の他のベーンロータリ型ポンプの縦断面図である。他の従来のベーンロータリ型ポンプの断面図である。

符号の説明

１０２ポンプ機構部
１０３シリンダ
１０５貫通孔
１０７ロータ
１０８溝
１０９ベーン
１１０メカシャフト
１１１フロントプレート
１１２リアプレート
１１３吸入ポート
１１４吐出ポート
１１５吐出口
１１７吸入ポート
１１９直流モータ
１２４ポンプ空間
１２５モータのモータシャフト
１３４プレート
２０３ヒンジ部

Claims

内面が円筒状のシリンダ内に、中心軸を前記シリンダのシリンダ空間の中心軸から所定量だけ偏心させて円柱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溝を設け、これらの溝に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、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前記ロータと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作り出し、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、このポンプ機構部に隣接して前記リアプレートを介して直流モータを配置し、この直流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ベーンの回転移動に伴ってポンプ空間の容積変化が生じるベーンロータリ型空気ポンプであって、
前記ベーンはカーボン複合材料で構成し、前記ロータにはアルミニウム合金あるいはＰＥＥＫ系樹脂を使用し、前記シリンダにはシリコン含有率約１０％のアルミニウム合金を使用し、前記フロントプレートとリアプレートには、ＰＴＦＥあるいは二硫化モリブデンを含む自己潤滑性材料を表面コーティングし、
前記メカシャフトと前記直流モータのモータシャフトを一体化構成し、
前記ポンプ機構部の外径をφ３０ｍｍ以下に構成し、前記直流モータにはブラシレス直流モータを使用し、モバイル機器用燃料電池に適用するオイルレスの空気供給機とし、
前記ポンプ機構部の円筒面外周と前記直流モータの外周を略同一直径となして、全体が一つの円筒を形成し、パーソナルコンピュータのヒンジ部に具備してなる
ベーンロータリ型空気ポンプ。
一体化構成に代えて、前記メカシャフトと前記直流モータのモータシャフトが前記ロータを介して接合されてなる請求項１に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
前記モータシャフトを前記ロータに圧入、または焼きばめ、または接着剤で結合されてなる請求項２に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
前記ポンプ機構部の締結孔と同じピッチ、同じ直径で開けられた第１のボルト孔と、前記モータの締結孔と同じピッチ、同じ直径で開けられ、座刳りの施された第２のボルト孔とが形成されたプレートを前記リアプレートと前記モータ間に設け、前記ポンプ機構部と前記モータを、前記プレートを介して締結されてなる請求項１又は請求項２に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
前記フロントプレートに吸入ポートと吐出ポートおよび吐出口を備えてなる請求項１又は請求項２に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
前記フロントプレートに形成された吸入ポートから前記ポンプ空間に外気を導く第１の吸入経路と、前記シリンダに貫通孔を設け、この貫通孔に連通して前記リアプレートに吸入ポートを形成し、前記フロントプレートの吸入ポートから前記貫通孔と前記リアプレートの吸入ポートを経て前記ポンプ空間に外気を導く第２の吸入経路を備えてなる請求項５に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
前記貫通孔の長手方向中央部に、前記貫通孔から前記ポンプ空間へ連通路を設け、前記吸入ポートから前記貫通孔と前記連通路を経て前記ポンプ空間に外気を導く第３の吸入経路を設けてなる請求項６に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
前記フロントプレートのポンプ空間側を溝状に窪ませたポートを前記吐出ポートとし、
前記ロータが吸入を終えたポンプ空間の最大の容量と、前記ロータが前記吐出ポートに臨む容量との比を容積比とし、
前記ロータが前記シリンダに最も近接するときの前記ロータと前記シリンダの径方向隙間を径方向最小隙間とし、
前記容積比が約１を上回る状態の前記ロータの回転角度から、前記ロータと前記シリンダの径方向隙間が前記径方向最小隙間の約５倍となる前記ロータの回転角度までの範囲に亘る前記ポンプ空間に臨むように、前記吐出ポートを前記フロントプレートに備えてなる請求項５に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。