JPS60108582A - 無潤滑型ベ−ン式回転機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、無潤滑型ベーン式回転機械に関するもので、
例えば自動車の制動装置に具（ＩＮされる倍力装置（以
下ブレーキブースターと呼ぶ）において、真空を発生さ
せるためのバギュームボンブとして用いて有効である。

（発明の技術的背Ｊｉｔ） 従来周知のベーン式バキュームポンプでは、ポンプの自
己発熱を車両側より給油されるエンジンオイルによって
冷却していた。この給油方式を廃止シ、ポンプの無給油
化を図ることにより、給油配管及び吐出配管が不要とな
り、車両でのオイル洩れがなくなるため、安全性が向上
すると共に、省スペース化、及び省エネルギー化を図る
ことができる。したがって、無潤滑型のバキュームポン
プの出現が従来において要望されていた。

（発明の目的） 本発明の目的は、上記した従来の要望に応えるべく、耐
熱性があり、しかも無給油の、高温度にて焼き付きのな
い無潤滑型ベーン式回転機械を提供するごとにある。

（発明の実施例） 本発明の無潤滑型ベーン式回転機械を、ブレーキブース
ター用の負圧発生源であるバキュームポンプとして用い
た場合の実施例について述べる。

第１図は本実施例を示す部分断面図、第２図は第１図の
■−■断面図である。第１図において、１は通常良く用
いられるモータ部で詳細は省略する。

このモータ部１のハウジングｌａ側方には円筒形状のケ
ーシング３とカバー１０がボルト１１によって固定され
ており、ケーシング３と前記ハウジング１ａの間には第
１端板６が、前記ケーシング３と前記カバー１０との間
には第２端板７が各々介在している。

円筒形状の前記ケーシング３と前記第１端板６と前記第
２端板７とで円柱状空間９が形成され、この円柱状空間
９の中心軸よりずれた位置に前記モータ部１の駆動シャ
ツ］・１ｂが位置している。そして、この駆動シャフト
１ｂには円柱状のロータ４がキー８を軸支され、このロ
ータ４も前記円柱状空間９の中心軸より偏心している。

前記ロータ４の外周には軸方向に長い４つのスリット４
ａが等間隔に設けられており、そのスリット４ａには平
板状のベーン５が各々挿入されている。そして、このベ
ーン５はロータ４の第２図中有回転に伴いケーシング３
の内面と当接しながらスリット４ａ内を自由に摺動する
ことができ、前記ロータ４とベーン５とケーシング３の
円筒状内面とによって前記円柱状空間９が区画され、ポ
ンプ室Ｐが形成される。２つのベーン５の間に区画形成
されたポンプ室Ｐと、前記２つのベーン５のうちロータ
４の回転方向前方に位置するベーン５が収納されるスリ
ン）４ａとは、連絡路４ｂによって連通されている。前
記ケーシング３にはブレーキブースタと接続された真空
タンク（省図示）内の空気をポンプ室Ｐ内に導くための
吸入口２０と、ポンプ室Ｐ内の空気を外部に放出するた
めの吐出口３０が設けられており、吸入口２０は前記ポ
ンプ室Ｐの容積が将に拡大せんとする位置に開１」シ、
吐出口３０はポンプ室Ｐの容積が減少しきった位置に開
口している。吐出口３０にはチェックバルブ３１が配さ
れ、吐出口３０より大気がポンプ室内に逆流するのを防
止している。吸入口２０にも図示しはしないが、チェッ
クバルブが配され、ポンプ室Ｐから前記真空タンク側へ
の空気の流れを防止している。

前記ケーシング３と前記ロータ４とは第２図に示すよう
に２本のビン１２によって位置が固定され、第１，２端
板６，７とロータ４との間にクリアランスＣＩが、第１
，２端板６，７とベーン５との間にはクリアランスＣ２
が存在している。このクリアランスＣＩ、Ｃ２は共に２
０μｍ以下が望ましい。

次に各構成部品の材質について述べる。ケーシング３と
ロータ４の材質は同じ材質で、長繊維炭素繊維を編んだ
ものとアルミニウムとを複合した炭素繊維強化アルミニ
ウム（ＣＦ　ＲＡβ）から成り、ベーン５は樹脂を含浸
した焼結カーボン、端板６．７は金属を含浸した焼結カ
ーボンから成る。

無潤滑型のバキュームポンプでは、各材質は摩擦係数が
小さくて熱発生に充分耐え得るものでなくてはならず、
また本実施例においてポンプ性能を向上させるためには
、前述のクリアランスＣＩ。

Ｃ２を限り無く小さくする必要がある。通常のオイル潤
滑のバキュームポンプは、オイルによってクリアランス
が密閉シールされ、高真空性能を得ることができ、さら
にこのオイルで冷却も期待できるため、多（この方式の
ポンプが使われているが、一方オイルを使わない無潤滑
型のポンプで、特に自動車のような温度変化が大きな所
に使うものは、実現が非常に困難で、未だ実用化されて
はいない。（ピストン式のものは実用化されているが、
振動・騒音が大きく本発明のベーン式のようなロータリ
ータイプに関しては未だない）そこで一本発明者等は無
潤滑型バキュームポンプの実現化を図るべく、種々の材
料を検討した結果、まず、低摩擦係数で摺動する必要が
有ることから、ベーン５の材質としては、焼結カーボン
が最も望ましいことを見出した。これはカーボン自身が
自己潤１４性を持つために摩擦係数が小さく、焼き付き
が起こりに（いためである。本実施例のようなベーン式
バキュームポンプでは、ベーン５の先端５ａは、遠心力
と背圧によりケーシング３の円筒状内周面に押し付けら
れてポンプ室Ｐをシールしているため、前述のクリアラ
ンスＣＩ、Ｃ２が真空性能を得るのに重要な要因となる
。本実施例のバキュームポンプは１回転当りの吐出量が
２３ｃｃであり、この大きさで、−７００鶴Ｈｇ１度の
真空度を得るためには、クリアランスＣＩ、Ｃ２は約２
０μｍ以下にしなければならないことが本発明者等の実
験等によりわかっている。ここでクリアランスの値に影
響を及ぼす要因としては、ケーシング３．ロータ４．ベ
ーン５の各々の製作公差と熱膨張係数があげられる。

ケーシング３はその両側を端板６，７と接しているため
、ケーシング３が熱膨張すればその分だけ端板６と７の
距離は拡がることになる。そこで、ロータ４をケーシン
グ３と同じ材質にずれば、ロータ４とケーシング３の軸
方向の長さはほとんど変わらないので、ケーシング３が
熱膨張すればその量と同じだけロータ４も熱膨張する。

従って、ロータ４と端板６．７とのクリアランスＣＩは
初期設定値を保ちつづけ、あえてその誤差要因を考える
なら製作交差のみである。

一方、前記ベーン５の材質として選定した焼結カーボン
の熱膨張係数は６．５ｘｌＯ−６／’ｃであるが、前記
ケーシングの熱膨張によって前記端板６．７が押し拡げ
られる量と、ベーン５の熱膨張量に大きな差異があると
ベーン５と端板６，７とのクリアランスＣ２が適正に保
つことができない。

クリアランスＣ２を２０μｍ以下にするには、製作公差
を５μｍとすると熱膨張によるクリアランスＣ２変化を
１５μｍ以内に抑えなければならない。そこで、バキュ
ームポンプ全体に影響する温度変化要因は自動車の環境
温度とバキュームポンプ自身の発熱であり、その温度変
化は一り０℃〜１５０℃即ら１８０°Ｃである。ケーシ
ング３とベーン５の軸方向の長さをほぼ等しい値３０ｉ
ｉ墓とすると、ケーシング３とベーン５の熱膨張係数差
は土２．８　Ｘ　１０−６／’Ｃ以内でなければならな
い。

前述したようにベーン５の熱膨張係数は６．５×１０−
６／’Ｃであるため、ケーシング３の熱膨張係数（ロー
タ４もおなし材質）の範囲は６．５×１０−６±２．８
ｘｌＯ−６７’ｃでなければならない。もちろん、ケー
シング３．ロータ４．ベーン５の熱−膨張係数が三者と
も同じであることが最良であるが、バキュームポンプに
影響する温度変化範囲のうら最低温度においてクリアラ
ンスＣＩ。

Ｃ２の初期設定値を２０μｍとした場合はケーシング３
およびロータ４の熱膨張係数はベーン５の熱１１！５張
係数より小さくなくてはならず、初期設定値をほぼ零と
した場合は、その逆でなければならない。

上記のように熱膨張係数を満足するケーシング３及びロ
ータ４の材質の設定に際し、本発明者らが種々検討した
結果、ケーシング３及びロータ４の材質には炭素繊維強
化アルミニウム（ＣＦＲＡ７りがＲｋ通であることを見
出した。ＣＦ　ＲＡ　／の熱膨張係数は、炭素繊維含有
率によって変化さＵることができ、上記条件を満足する
には、第３図に示す如く炭素繊維を約３３〜５４％含有
さ−Ｕれば良い。

以上、軸方向の熱膨張に関して述べたが、ロータ４及び
ケーシング３の円周方向の熱膨張はロータ４とケーシン
グ３に関してのみその熱膨張係数が一致するだけで良い
ので、ロータ４とケーシング３を同材質にすることによ
り問題は解決される。

次に前記炭素＃Ａ維強化アルミニウム（ＣＦ　ＲＡβ）
の製造方法について述べる。まず、長繊帷の炭素繊維を
クロス状に織り、幅をケーシング３゜ロータ４の厚みよ
り少し大きく切断し、これをロール状に巻いて溶融した
アルミニウムを流し込み加圧成形する。この時の繊維の
閂をコントロールすることにより熱膨張係数を変えるこ
とができる。

以」二のようにすれば、アルミニウムが主体であるため
、軽量であり、さらに炭素繊維により熱膨張係数も焼結
カーボンに近づけることができる。

しかしこのままではロータ４と端板６，７あるいはロー
タ４とケーシング３の接触が必ず生ずるため、これらの
摩擦係数を極力小さくしないと、駆動トルクが大きくな
ってしまうという問題がある。

上記した材質ののままでも摩擦係数は低いのであるが、
ＣＦＲＡｊ！の表面にはアルミニウム地にカーボン繊維
が数十％混じっているだけで、製作が均一に行かないと
表面がほとんどアルミニウムの地はだのままということ
が起きる可能性がある。

こうなると、摩擦係数が高くなってしまい、ケーシング
３とロータ４が同材質のため、焼き付くおそれも生ずる
。そこで、ロータ４の表面に自己潤滑性のある材料をコ
ーティング（例えば、テフロンコーティングあるいは鉄
とモリブデンの溶射等）することにより、無潤滑状態で
の摩擦係数を低くすることができ、駆動トルクの低減が
可能となる。

また、特にＣＦＲＡＡの製造において、炭素繊維は表面
にでないように複合し、わざとロータ４の表面及びケー
シング３の内表面約１〜２１層をアルミニウム地のみに
することにより、コーティングが普通のアルミニウムに
対してするのと同じ条件となり、簡単にコーティングが
実現できることとなる。

第４図はロータ４の表面近（の一部を拡大したもので、
４ｄが炭素繊維の複合された部分、４ｃがアルミニウム
のみの部分、４ｅがテフロンをコーティングした部であ
る。

なお、端板６，７はベーン５と同様の焼結カーボンから
構成されている。

次に本実施例の作動について説明する。図示しない自動
車用バッテリ等の電源からモータ１に電圧が印加される
と、モータ１は駆動シャフト１ｂを介して第２図時計方
向にロータ４を回転させる。

この時の遠心力でベーン５は円周外方へとび出し、ケー
シング３、ロータ４、二枚のベーン５によっテホンブ室
Ｐが区画形成される。そしてロータ４の回転に伴ってポ
ンプ室Ｐの容積が拡大し、最大容積になるまでブレーキ
ブースタ用のバキュームタンク（図示しない）内の空気
を吸入口２０よりポンプ室Ｐ内に吸入する。そして、さ
らにロータ４が回転するとポンプ室Ｐの容積は徐々に減
少し、ポンプ室Ｐ内の空気は吐出口３０より大気中に放
出される。このようなポンプ作用によって前記バキュー
ムタンク内は徐々に真空に近づき所定の真空圧力になる
と、圧力スイツチ（図示しない）により通電が停止され
、モータ１及びロータ４の回転が停止する。その後、前
記バキュームタンク内の真空が消費されバキュームタン
ク内圧力が上昇すると、前記圧力スイツチが閉じモータ
１が゛ｍ電再起動され、前述のポンプ作動がなされるわ
けである。

以上述べた本実施例のような無潤滑型ベーン式バギュー
ムポンプを用いれば、ケーシング３とロータ４は同一材
質のＣＦＲＡＡから出来ているため、クリアランスＣ１
は温度がいくら変化しても鰻初の設定値を保ち、性能が
低下することはない。

また、ベーン５とケーシング３は材質が違うものの、熱
膨張係数を出来る限り等しくしであるため、クリアラン
スＣ２も初期設定値の２０μｍ１２２下になり、要求性
能を病足することができる。さらに、端板６．７の材質
が焼結カーボンでベーン５の材質も焼結カーボンにしで
あるため、各部品の摺動は、焼結カーボン対自己潤滑性
材料コーティングのＦＲＡ７！又は焼結カーボン対焼結
カーボンとなり、摩擦力の低減を図ることができ、ひい
ては低トルク運転が可能、消費電力低減、さらに小型化
が可能となる。また、低トルクが可能となるため、発熱
も小さく抑さえ、大幅に寿命を向上さ・υ−ることかで
きる。

以上述べた実施例ではロータ４．ケーシング３の材質を
炭素繊維強化アルミニウム（ＣＦ　ＲＡβ）としたが、
それぞれの表面は自己潤滑性の有る材料でコーティング
されるため、内部は全体の熱膨張係数が所定の値にでき
れば、何でもよく、また自己潤滑性の無い材料でも良い
ことになる。即ら、アルミニウムにガラス繊維を複合し
たガラス繊維強化アルミニウム（ＧＦＲＡ７りを用いて
も良く、そうすれば全体の強度を上げ、かつ熱膨張係数
を所定の値にでき、低コストのロータ４．ケーシング３
を得ることができる。

また、炭素繊維強化アルミニウム（ＣＦＲＡβ）やガラ
ス繊維帰化アルミニウム（ＧＦＲ／ｌ）に複合した炭素
繊維及びガラス繊維は長繊維のみに限−らず数１−の長
さの短繊維としてもよい。

また、上記実施例はバキュームポンプとして用いた例で
あったが、バキュームポンプに限らず、その他のポンプ
あるいは各種圧縮機としても用いることができる。

（発明の効果） 以上述べたように本発明の無潤滑型ベーン式回転機械を
用いれば、無潤滑で良好に運転させることができるので
、給油配管及び吐出配管が不要となり、車両でのオイ洩
れがなくなるため安全性が向上し、同時に省スペース化
、省エネルギー化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実路例を示す正面部分断面図、第２図
は第１図のＨ−Ｈ断面図、ｕ（３図は炭素繊維強化アル
ミニウムの炭素繊維含有率とその熱膨張係数の関係を示
す図、第４図は第１図装置におけるロータ表面の詳細図
である。 ３・・・ケーシング、４・・・ロータ、４ａ・・・スリ
ｙ　）、５・・・ベーン、２０・・・吸入口、３ｏ・・
・吐出口、Ｐ・・・ポンプ室（作動室） 代理人弁理士　岡　部　隆

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）回転機械外形を形成し円筒状内面を有するケーシ
   ングと、このケーシング内に偏心して配設され、駆動源
   によって回転されるロータと、このロータに設けた複数
   のスリット内に摺動自在に配設された複数のベーンと、
   このベーンと前記ロータとｔｉｉｌ記ハウジングとによ
   って区画形成される作動室と、この作動室内に流体を吸
   入するための吸入口と、作動室内の空気を外部に吐出す
   るための吐出口とを備え、前記ベーンを焼結カーボンか
   ら構成し、前記ロータ及びケーシングを前記ベーンの熱
   膨張係数に近い値の熱膨張係数を有する材質からイＭ成
   し、その表面に自己潤滑性のある材料をコーティングし
   たことを特徴とする無潤滑型ベーン式回転機械。 （２１１ｉｉＪ記ロータ及びケーシングを炭素繊維強化
   アルミニウムより構成したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の無潤滑型ベーン式回転ｆｌｕ　ｂ＆。 （３）前記ロータ及びケーシングをガラス繊維強化アル
   ミニウムより構成したことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の無潤滑型ベーン式回転機械。