KR20070038459A - 베인 로터리형 공기 펌프 - Google Patents

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KR20070038459A
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기요시 사와이
아쓰시 사쿠다
다쓰야 나카모토
노보루 이이다
류이치 오노
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

펌프기구부와 구동 모터를 직결한 펌프 구성에 있어서, 저소음의 베인 로터리형 공기 펌프를 제공하는 것이다.
실린더(103)와 로터(110)와 베인(112)을 프론트 플레이트(도시하지 않음)와 리어 플레이트(도시하지 않음)로 사이에 끼워 구성하는 베인 로터리형 공기 펌프에 있어서, 로터(110)의 중심 O와 베인 홈(111)의 폐색단(111a)을 연결하는 직선에 대해, 베인 홈(111)의 개구단(111b)을 로터(110)의 반회전 방향 영역에 설치한 구성, 즉 '스트로크' 타입의 베인 배치로 함으로써, 공기 펌프의 소음을 저감한다.

Description

베인 로터리형 공기 펌프{VANE ROTARY TYPE AIR PUMP}
본 발명은, 모바일 기기용 연료 전지에 이용하는 오일리스(oilless)의 베인 로터리형 공기 펌프에 관한 것이다.
현재, 모바일용의 연료 전지는 개발중에 있으며, 이 연료 전지의 셀에 공기를 공급하는 공기 펌프로서는 적절한 것이 존재하지 않는다. 이러한 종류의 공기 펌프에 요구되는 특성은, 공급 공기는 오일 등의 불순물을 함유하지 않는 것, 즉 오일리스(oilless) 기구(機構)인 것, 공급 공기량은 5L/min∼10L/min 정도의 비교적 작은 유량이어도 좋지만, 연료 전지 셀의 공기 통로에서 발생하는 압력 손실을 극복하고 공기를 보내기 위해서, 그 압력은 ΔP=5kPa이 필요한 것, 크기는 모바일 기기에 조립될 필요성으로부터 직경은 약 φ30mm이하인 것, 및 소음 레벨이 낮은 것이 요구된다.
이들 특성을 만족하는 공기 펌프로서 베인 로터리형 공기 펌프를 고려할 수 있는데, 종래의 베인 로터리형 펌프에 대하여 도 8, 도 9를 참조하여 설명한다.
종래에 이러한 종류의 베인 로터리형 진공 펌프는, 내면이 원통형상인 실린더(1)내에, 중심축이 실린더(1)의 중심축과 소정량만큼 떨어진 상태에서 원통형상의 로터(2)가 배치되고, 로터(2)에는 그 중심축방향으로 복수의 베인 홈(3)이 형성 되고, 이들 베인 홈(3)내에는 판형상의 베인(4)이 슬라이드운동 가능한 상태로 끼워 넣어지고, 베인(4)의 선단부가 실린더(1)의 내면상을 접촉 슬라이드운동하는 구성으로 되어 있다. 그리고, 베인 홈(3)의 개구단(開口端)은, 로터(2)의 중심과 베인 홈(3)의 폐색단(閉塞端)을 연결하는 직선에 대해서 로터(2)의 회전 방향 영역에 설치되어 있다. 즉, 베인 홈(3)은 회전 방향으로 기울어져 있으며, 로터(2)가 회전할 때, 베인(4)의 선단은 실린더 내면에 대해서 '스쿠핑(scooping)'의 위치 관계로 접촉 슬라이드운동하고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
혹은, 베인 홈(3)은 로터(2)의 중심축으로부터 방사형상으로 배열설치되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
특허문헌 1 : 일본 특개소62-276291호 공보
특허문헌 2 : 일본 실개소56-83688호 공보
그러나, 상기 종래의 스쿠핑 타입의 베인 구성의 진공 펌프에서 장시간의 오일리스 운전을 실시하면, 실린더 내면이 거칠어져 면 조도(面粗度)가 커지기 쉽고, 베인의 선단에는 점차 마찰력이 크게 작용하게 된다. 그 결과, 회전시에 베인의 선단이 실린더 내면으로부터 이탈(점핑)하는 현상이 발생하고 있었다. 그리고, 로터의 회전시에 베인의 선단이 간헐적으로 이탈하는 현상이 발생하면, 베인이 실린더 내면에 충돌하는 소리가 발생하고, 또한 베인의 선단부의 갭으로부터 공기가 새어나와 팽창음이 발생한다고 하는 소음의 문제가 일어나고 있었다.
따라서 본 발명은, 상기 종래의 과제를 해결하는 것으로, 장기간의 오일리스 운전을 해도, 저소음을 실현하는 베인 로터리형 공기 펌프를 제공하는 것을 목적으 로 하고 있다.
제1의 본 발명의 베인 로터리형 공기 펌프는, 펌프기구부와 구동 모터가 나란히 설치되고, 원통형상 내면을 가진 실린더와, 상기 실린더내에서 편심하여 회전하는 원통형상의 로터와, 상기 로터의 바깥둘레면에 개구단을 가짐과 동시에 상기 로터의 중심측에 폐색단을 가진 베인 홈과, 상기 베인 홈내를 슬라이드운동하는 베인과, 상기 로터와 일체적으로 회전하는 회전축과, 상기 로터와 상기 베인을 사이에 끼우도록 상기 실린더의 양 끝단면에 부착된 프론트 플레이트와 리어 플레이트에 의해 상기 펌프기구부를 구성하고, 상기 펌프기구부에 복수의 펌프공간을 형성하여, 상기 회전축을 상기 구동 모터로 구동함으로써 상기 펌프 공간의 용적을 변화시키는 베인 로터리형 공기 펌프로서, 상기 로터의 중심과 상기 베인 홈의 상기 폐색단을 연결하는 직선에 대해, 상기 베인 홈의 상기 개구단을 상기 로터의 반(反)회전 방향 영역에 설치한 것을 특징으로 한다.
제2의 본 발명은, 제1의 발명에 있어서, 상기 베인의 기재(base material)를 그라파이트가 혼재한 카본 소재, 또는 탄소섬유 강화플라스틱으로 구성하고, 상기 실린더의 표면을 상기 베인보다 경도가 높고 내식성을 가진 재료로 구성한 것을 특징으로 한다.
제3의 본 발명은, 제1의 발명에 있어서, 상기 실린더를 알루미늄 합금으로 구성하고, Ni-P계의 재료, 또는 Ni-P-B계의 재료로 상기 실린더에 표면 처리를 실시하여, 상기 실린더의 표면을 비커스 경도(Hv) 500 이상으로 한 것을 특징으로 한다.
제4의 본 발명은, 제1의 발명에 있어서, 상기 베인을 쇼어 경도(Hs) 80∼120의 카본 소재로 구성한 것을 특징으로 한다.
제5의 본 발명은, 제1의 발명에 있어서, 프론트 플레이트에는 흡입구와 토출 포트가 형성되고, 리어 플레이트에는 흡입 포트와 유사 토출 포트가 형성되며, 리어 플레이트의 흡입 포트는 프론트 플레이트의 흡입구와 대향하는 위치에 배치하고, 상기 리어 플레이트의 상기 유사 토출 포트는 상기 프론트 플레이트의 상기 토출 포트와 대향하는 위치에 배치한 것을 특징으로 한다.
제6의 본 발명은, 제5의 발명에 있어서, 상기 유사 토출 포트를 상기 토출 포트와 동일 형상으로 한 것을 특징으로 한다.
제7의 본 발명의 베인 로터리형 공기 펌프는, 원통형상 내면을 가진 실린더와, 상기 실린더 내에서 편심하여 회전하는 원통형상의 로터와, 상기 로터의 바깥둘레면에 개구단을 가짐과 함께 상기 로터의 중심측에 폐색단을 가진 베인 홈과, 상기 베인 홈내를 슬라이드운동하는 베인을 구비한 로터리형 공기 펌프로서, 로터의 중심과 상기 베인 홈의 상기 폐색단을 연결하는 직선에 대해, 상기 베인 홈의 상기 개구단을 상기 로터의 반회전 방향 영역에 설치한 것을 특징으로 한다.
[발명의 효과]
본 발명의 베인 로터리형 공기 펌프에 의하면, 오일리스로 장기간 운전하여도 베인 점핑 현상이 억제되므로, 베인의 충돌음과 공기의 누출에 의한 팽창음의 발생이 억제되고, 장기간에 걸친 저소음을 실현할 수 있다.
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
본 발명의 제1의 실시형태에 의한 베인 로터리형 공기 펌프는, 로터의 중심과 베인 홈의 폐색단을 연결하는 직선에 대해, 베인 홈의 개구단을 로터의 반회전 방향 영역에 설치한 것이다. 본 실시형태에 의하면, 베인 홈을 회전 방향의 뒤쪽으로 기울게 함으로써, 로터가 회전할 때, 베인의 선단은 실린더 내면에 대해서 '스트로크(stroke)' 위치관계로 접촉 슬라이드운동하게 되고, 베인 선단에 마찰력이 발생하면, 이 마찰력이 베인 선단을 실린더 내면에 접촉시키도록 작용하여, 베인이 실린더 내면과 접촉 슬라이드운동할 때에 발생하기 쉬운 베인의 점핑 현상을 억제하여, 장기간에 걸친 저소음을 실현할 수 있다.
본 발명의 제2의 실시형태는, 제1의 실시형태에 의한 베인 로터리형 공기 펌프에 있어서, 베인의 기재를 그라파이트가 혼재한 카본 소재, 또는 탄소섬유 강화플라스틱으로 구성하고, 실린더의 표면을 베인보다 경도가 높고 내식성을 가진 재료로 구성한 것이다. 본 실시형태에 의하면, 베인 선단이 실린더 내면과 접촉 슬라이드운동하면, 상대적으로 경도가 낮은 베인이 조금씩 마모하고, 그 마모 분말이 슬라이드운동면의 윤활제 역할을 하여, 실린더 내면이 거칠어지는 것을 억제하므로, 그 결과, 베인 선단과 실린더 내면의 마찰의 증대가 억제되어, 펌프의 장기 수명화를 도모할 수 있는 동시에 소음의 증가를 억제할 수 있다.
본 발명의 제3의 실시형태는, 제1의 실시형태에 의한 베인 로터리형 공기 펌프에 있어서, 실린더를 알루미늄 합금으로 구성하고, Ni-P계의 재료, 또는 Ni-P-B 계의 재료로 실린더에 표면 처리를 실시하여, 실린더의 표면을 비커스 경도(Hv) 500 이상으로 한 것이다. 본 실시형태에 의하면, 실린더의 표면 처리층과 카본계의 재료로 구성된 베인이 접촉 슬라이드운동했을 때, 마모는 거의 베인에 한정되어, 실린더의 표면 처리층의 표면 조도가 작게 유지되고, 그 결과, 슬라이드운동부에서의 마찰력이 증대하지 않아, 펌프의 장기 수명화와 소음의 증가를 억제할 수 있다.
본 발명의 제4의 실시형태는, 제1의 실시형태에 의한 베인 로터리형 공기 펌프에 있어서, 베인을 쇼어 경도(Hs) 80∼120의 카본 소재로 구성한 것이다. 본 실시형태에 의하면, 예를 들면 베인을 쇼어 경도(Hs) 115 이하의 카본 소재로 구성하는 것에 의해서, 베인 선단이 실린더 내면과 슬라이드운동했을 때에 베인의 마모 분말이 발생하지만, 베인은 Hs 115 이하의 소재를 사용하고 있기 때문에 마모 분말 중에는 많은 그라파이트가 포함되어 있으며, 이 그라파이트 입자에 의해서 슬라이드운동부의 윤활이 이루어지므로, 장기간 운전하더라도 실린더 내면이 거칠어지는 것이 억제되어, 한층 더 펌프의 장기 수명화를 도모할 수 있는 동시에 소음의 증가를 억제할 수 있다.
본 발명의 제5의 실시형태는, 제1의 실시형태에 의한 베인 로터리형 공기 펌프에 있어서, 프론트 플레이트에는 흡입구와 토출 포트가 형성되고, 리어 플레이트에는 흡입 포트와 유사 토출 포트가 형성되며, 리어 플레이트의 흡입 포트는 프론트 플레이트의 흡입구와 대향하는 위치에 배치하고, 리어 플레이트의 유사 토출 포트는 프론트 플레이트의 토출 포트와 대향하는 위치에 배치한 것이다. 본 실시형태에 의하면, 리어 플레이트에도 흡입 포트와 유사 토출 포트를 형성함으로써, 로터는 프론트 플레이트와 리어 플레이트의 사이에서 압력 밸런스를 취하여, 한쪽의 플레이트로 밀어붙여지지 않아, 로터의 회전을 부드럽게 행하게 할 수 있다.
본 발명의 제6의 실시형태는, 제5의 실시형태에 의한 베인 로터리형 공기 펌프에 있어서, 유사 토출 포트(pseudo-discharge port)를 토출 포트와 동일 형상으로 한 것이다. 본 실시형태에 의하면, 유사 토출 포트를 설치함으로써, 토출 포트의 압력에 의해서 로터가 리어 플레이트로 밀어붙여지지 않아서, 로터의 회전을 부드럽게 행하게 할 수 있다.
본 발명의 제7의 실시형태에 의한 베인 로터리형 공기 펌프는, 로터의 중심과 베인 홈의 폐색단을 연결하는 직선에 대해, 베인 홈의 개구단을 로터의 반회전 방향 영역에 설치한 것이다. 본 실시형태에 의하면, 베인 홈을 회전 방향의 뒤쪽으로 기울임으로써, 로터가 회전할 때, 베인의 선단은 실린더 내면에 대해서 '스트로크' 위치 관계로 접촉 슬라이드운동하게 되어, 베인 선단에 마찰력이 발생하면, 이 마찰력이 베인 선단을 실린더 내면에 접촉시키도록 작용하여, 베인이 실린더 내면과 접촉 슬라이드운동할 때에 발생하기 쉬운 점핑 현상을 억제하여, 장기간에 걸친 저소음을 실현할 수 있다.
[도 1] 본 발명의 실시예의 베인 로터리형 공기 펌프의 단면도
[도 2] 도 1의 베인 로터리형 공기 펌프에 있어서의 A-O-A선을 따라 취해진 단면도
[도 3] 도 2의 베인 로터리형 공기 펌프에 있어서의 프론트 플레이트의 B-B 선을 따라 취해진 단면도
[도 4] 도 2의 베인 로터리형 공기 펌프에 있어서의 리어 플레이트의 C-C 선을 따라 취해진 단면도
[도 5] 본 실시예의 베인 로터리형 공기 펌프의 모식도
[도 6] 베인 마모량의 운전 시간에 따른 특성도
[도 7] 종래의 베인 로터리형 공기 펌프의 모식도
[도 8] 종래의 베인 로터리형 펌프의 단면도
[도 9] 종래의 다른 베인 로터리형 펌프의 단면도
[부호의 설명]
101 : 공기 펌프 본체 102 : 펌프기구부
103 : 실린더 104 : 실린더 내면
105 : 흡입 통로 110 : 로터
111 : 베인 홈 111a : 폐색단
111b : 개구단 112 : 베인
113 : 회전축 114 : 프론트 플레이트
115 : 흡입구 116 : 토출 포트
117 : 토출관 122 : 리어 플레이트
123 : 흡입 포트 129 : 펌프 공간
130 : 구동 모터
도 1은, 본 발명의 실시예의 베인 로터리형 공기 펌프의 단면도이고, 도 2는, 도 1의 베인 로터리형 공기 펌프에 있어서의 A-O-A선을 따라 취해진 단면도이다.
도 1 및 도 2에 있어서, 본 실시예에 관한 베인 로터리형 공기 펌프의 공기펌프 본체(101)는, 펌프기구부(102)와 구동 모터(130)에 의해 구성되어 있다.
펌프기구부(102)는, 원통형상의 실린더 내면(104)을 가진 실린더(103)와, 실린더(103)내에 배치되어 실린더(103)의 중심축과 소정량만큼 편심한 중심축을 가진 원통형상의 로터(110)를 구비하고 있다. 로터(110)에는, 그 중심축방향으로, 또한 회전 방향의 뒤쪽으로 기울어지도록 연장된 2개의 베인 홈(111)이 형성되어 있으며, 이들 베인 홈(111)내에, 자기(自己) 윤활성을 가진 그라파이트가 혼재한 카본 소재로 이루어진 판형상 베인(112)이 슬라이드운동 자유롭게 삽입되고, 베인(112)의 선단부는 실린더(103)의 실린더 내면(104)과 슬라이드 접촉하고 있다. 로터(110)와 실린더(103)는, 본 실시예에서는 알루미늄 합금으로 구성되어 경량화를 도모할 수 있으며, 그 재질로는 실리콘 함유율이 약 10%인 알루미늄 합금이 사용되고 있다.
또한, 로터(110)와 베인(112)을 사이에 끼우도록, 프론트 플레이트(114)와 리어 플레이트(122)가 실린더(103)의 양단면에 부착되어 있으며, 실린더(103), 로터(110), 베인(112), 프론트 플레이트(114) 및 리어 플레이트(122)에 둘러싸여, 복수의 펌프공간(129)이 형성되어 있다. 또한, 프론트 플레이트(114) 및 리어 플레 이트(122)의 슬라이드운동 표면에는 2황화 몰리브덴 등의 자기 윤활성 재료가 코팅 처리되어 있다.
도 3은, 도 2의 베인 로터리형 공기 펌프에 있어서의 프론트 플레이트(114)의 B-B선을 따라 취해진 단면도를 나타내고 있다.
도 2와 도 3에 나타낸 바와 같이, 프론트 플레이트(114)에는, 흡입구(115) 및 토출 포트(116)가 형성되어 있으며, 토출 포트(116)에는 토출관(117)이 부착되어 있다. 여기서, 흡입구(115)는 프론트 플레이트(114)를 축방향으로 관통하는 구멍이며, 토출 포트(116)는 그 중앙부에 관통 구멍이 형성된 오목한 형상의 포트로, 토출관(117)은 이 관통 구멍에 형성되어 있다.
도 4는, 도 2의 베인 로터리형 공기 펌프에 있어서의 리어 플레이트(122)의 C-C선을 따라 취해진 단면도를 나타내고 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 리어 플레이트(122)에는, 오목한 형상의 흡입 포트(123)와 오목한 형상의 의사 토출 포트(pseudo-discharge port;124)가 형성되어 있다. 토출 포트(116)와 의사 토출 포트(124)는, B-B방향에서 보아 대략 동일한 형상을 이루고 있다. 한편, 도 1에는, 흡입 포트(123) 및 토출 포트(116,124)가 파선으로 나타나 있다. 또한, 실린더(103)에는 축방향으로 관통하는 흡입 통로(105)가 설치되어 있으며, 이 흡입 통로(105)는 흡입구(115)와 흡입 포트(123)를 연이어 통하도록 설치되어 있다.
리어 플레이트(122)의 펌프기구부 반대측에는, 리어 플레이트(122)에 직접 접촉시켜 구동 모터(130)가 배치되어 있다. 리어 플레이트(122)에는, 복수의 나사 구멍(127)이 원둘레를 따라 형성되어 있으며, 리어 플레이트(122)는 구동 모터(130)의 케이싱 끝단면(131)에 복수의 나사(140)로 직접 체결되어 있다.
구동 모터(130)는, 원통형상의 코일(132)과 영구자석을 구비한 회전자(133)로 이루어지는 직류 모터로, 회전자(133)는 기다란 회전축(113)를 구비하고 있다. 회전축(113)은, 구동 모터(130)의 내부에서는 모터 축받이(134,135)로 지지되고 있으며, 구동 모터(130)로부터 리어 플레이트(122)를 관통하여 펌프기구부(102)로 이어져, 펌프기구부(102)내에서는 프론트 플레이트(114)내의 축받이(118) 및 리어 플레이트(122)내의 축받이(125)에 의해 지지되고 있다. 또한, 펌프기구부(102)내의 회전축(113)에는 로터(110)가 고정되어 있으며, 구동 모터(130)로 발생한 회전력은 회전축(113)을 통하여 로터(110)에 전달된다.
상기 구성의 본 실시예에 관한 베인 로터리형 공기 펌프에 있어서, 구동 모터(130)에 통전(通電)하면, 서로 연결된 회전축(113) 및 로터(110)가 도 1의 화살표의 방향으로 일체적으로 회전한다. 이 때, 베인(112)은 회전의 원심력에 의해 베인 홈(111)내에서 바깥쪽을 향하여 이동하고, 베인(112)의 선단부가 실린더 내면(104)에 슬라이드 접촉하면서 회전운동한다. 그 결과, 펌프 공간(129)는 신축하므로(용적이 변화하므로), 공기가 프론트 플레이트(114)의 흡입구(115)로부터 흡입되어, 일부의 공기는 직접 펌프 공간(129)에 흡입되고, 나머지 공기는 실린더(103)를 축방향으로 관통하는 흡입 통로(105)를 경유한 후, 리어 플레이트(122)에 형성된 흡입 포트(123)를 거쳐, 펌프 공간(129)에 흡입된다. 펌프 공간(129)에 유입한 공기는, 거의 1회전하는 동안에 압력이 상승(ΔP=5kPa)한 후, 프론트 플레이 트(114)에 형성된 토출 포트(116)를 거쳐 토출관(117)으로부터 외부로 유출한다.
한편, 의사의 토출 포트(124)는, 로터(110)의 좌우에 동일한 압력을 인가시키기 위한 것으로, 의사의 토출 포트(124)가 존재하는 것에 의해, 로터(110)는 프론트 플레이트(114)와 리어 플레이트(122)의 사이에서 압력 밸런스가 취해지고, 한쪽의 플레이트로 밀어붙여지지 않아, 마모가 발생하기 어렵게 되어 있다.
상기와 같은 오일리스 운전을 수천 시간에 걸쳐 계속하면, 베인(112)의 선단이 실린더 내면(104)을 긴 거리에 걸쳐서 접촉 슬라이드운동하게 되어, 실린더 내면(104)이 거칠어져 그 면 조도가 커진다고 하는 현상이 발생한다.
종래의 베인 로터리형 기계(예를 들면 종래예에서 나타낸 베인 로터리형 진공 펌프)에서는, 도 7의 종래의 베인 로터리형 공기 펌프의 모식도에 나타낸 바와 같이, 베인(112)의 선단이 실린더 내면(104)을 접촉 슬라이드운동하는 형태는, '스쿠핑' 타입이 주류였다. 이것은, 로터(110)의 중심 O와 베인 홈(111)의 폐색단(111a)을 연결하는 직선에 대해, 베인 홈(111)의 개구단(111b)은 로터(110)의 회전 방향 영역에 설치되어 있으며, 바꾸어 말하면, 회전 방향으로 기울어진 상태가 되어 있었다.
이러한 베인(112)과 실린더 내면(104)의 '스쿠핑'의 위치 관계에 있어서, 실린더 내면(104)의 면 조도가 커지면, 베인(112)의 선단에 발생하는 마찰력이 커지고, 이 마찰력의 베인 방향 분력은 베인(112)을 베인 홈(111)내에 끌어 들이도록 작용한다. 이 분력이 베인(112)에 작용하는 원심력보다 커지면, 베인(112)의 선단이 실린더 내면(104)으로부터 이탈하는 순간이 발생하여, 베인(112)의 점핑 현상이 발생한다.
본 실시예의 오일리스로 장기간 운전하는 베인 로터리형 공기 펌프에서는, 도 5의 본 실시예의 베인 로터리형 공기 펌프의 모식도에 나타낸 바와 같이, 베인(112)의 선단이 실린더 내면(104)을 접촉 슬라이드운동하는 형태는 '스트로크' 타입으로 설정되어 있다. 이것은, 로터(110)의 중심 O와 베인 홈(111)의 폐색단(111a)을 연결하는 직선에 대해, 베인 홈(111)의 개구단(111b)은 로터(110)의 반회전 방향 영역에 설치되어 있으며, 바꾸어 말하면, 회전 방향의 뒤쪽으로 기울어진 상태로 되어 있다.
이러한 구성으로 함으로써, 실린더 내면(104)의 표면이 거칠어져 베인(112)의 선단에 작용하는 마찰력이 커져도, 그 베인 방향 분력은 베인(112)을 실린더 내면(104)에 밀어붙여지도록 작용하게 되므로, 베인(112)의 선단은 실린더 내면(104)으로부터 이탈하는 경우는 없게 된다. 따라서, 장기간 오일리스로 운전해도, 베인(112)의 점핑 현상이 발생하는 경우는 없고, 소음의 증대를 억제하여, 조용한 공기 펌프를 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예의 베인 로터리형 공기 펌프에서는, 베인(112)의 기재는 그라파이트를 혼재한 카본 소재로 구성하고 있으며, 또한, 실린더(103)의 표면을 베인(112)보다 경도가 높고 내식성을 가진 재료로 구성하고 있다. 구체적으로는, 베인(112)은, 그 소성온도를 1200℃이상으로 높게 하는 것에 의해, 포함되는 그라파이트의 비율을 많게 하고, 그 쇼어 경도를 Hs120 이하로 한 카본 소재를 이용하고 있다. 한편, 알루미늄 합금 소재의 실린더(103)의 표면에는, Ni-P(니켈-인)계의 재료의 표면 처리(코팅)를 실시하여, 표면 경도를 비커스 경도 Hv 500 이상으로 설정하고 있다.
도 6은, 베인 마모량의 운전 시간에 따른 특성도이며, 베인(112)과 실린더(103)의 표면 처리에 관해서 3종류의 조합을 준비하여, 장시간의 연속 운전을 실시하여, 베인(112)의 마모량의 시간 경과를 나타내고 있다.
A:베인 경도 Hs120/실린더 표면 처리 없음
B:베인 경도 Hs120/실린더 Ni-P처리
C:베인 경도 Hs110/실린더 Ni-P처리
도 6으로부터 알 수 있듯이, A와 B를 비교하면, 장시간의 오일리스 운전 결과에서는, 실린더(103)에 Ni-P의 표면 처리를 실시하고, 그 표면 경도를 높게 하는 것이 베인(112)의 마모가 적은 것을 알 수 있다. 이 표면 처리부의 경도는, 대략 Hv500∼700 정도이다. 이렇게 실린더(103)의 표면을 딱딱하게 함으로써, 베인(112)이 접촉 슬라이드운동했을 때에 실린더 내면(104)의 거칠기가 작아져, 그 결과, 베인(112)의 마모량이 적어진 것으로 생각된다. 동시에, B의 실린더(103)에 표면 처리를 했을 경우, 운전시의 소음도 낮은 것이 확인되었다. 또한, Ni-P의 표면처리는 내식성도 있으므로, 공기 펌프 본체(101)가 수분을 흡입하더라도 원활하게 동작한다고 하는 효과도 얻을 수 있다. 이러한 점에서, 실린더(103)의 표면을, 베인(112)보다 경도가 높고 내식성의 재료로 구성함으로써, 펌프의 장기 수명화를 도모하는 동시에 소음의 증가를 억제할 수 있다.
한편, 도 6의 결과에서는, 실린더(103)의 표면 처리로서 Ni-P계의 재료를 나 타냈지만, 이것이 Ni-P-B계의 재료라도, 동등한 효과를 얻을 수 있다. 붕소(B)를 첨가함으로써 표면의 경도는 더 높아지고, 베인(112)과 실린더 내면(104)의 마모를 저감하는 효과를 얻을 수 있고, 그 결과, 펌프의 장기 수명화와 저소음화를 실현할 수 있다.
한편, 도 6의 B와 C를 비교하면, 베인(112)의 경도는 낮은 편이, 장시간 운전 후의 베인(112)의 마모량은 적은 경향이 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 베인(112)을 쇼어 경도가 낮은 카본 소재로 구성함으로써, 베인(112)의 선단이 실린더 내면(104)과 슬라이드운동했을 때에 베인(112)의 마모 분말이 발생하지만, 발생한 마모 분말중에는 많은 그라파이트가 포함되어 있으며, 이 그라파이트 입자에 의해서 슬라이드부의 윤활이 이루어지는 것으로 생각되며, 장기간 운전하더라도 실린더 내면(104)의 거칠기가 억제되어, 펌프의 장기 수명화를 도모할 수 있는 동시에 소음의 증가를 억제할 수 있다.
본 실시예에서는, 베인(112)의 쇼어 경도는 Hs120 이하라면 문제가 없고, 효과가 있는 것을 확인하였다. 한편, 쇼어 경도가 너무 낮아도 초기의 마모가 격렬하여, 하한은 Hs 80 정도가 바람직하다.
한편, 베인의 재질로서 카본 소재에 대신하여, 탄소섬유 강화 플라스틱을 이용해도 같은 효과가 발휘된다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 베인 로터리형 공기 펌프에서는, 장기간의 오일리스 운전에서도, 베인의 점핑 현상을 해소하는 동시에, 베인의 마모나 실린더 내면의 거칠기를 억제함으로써, 소음을 낮게 억제하고, 장기 수명화를 도모할 수 있으므로, 가정용 건강 기구나 의료용 치료 기구 등의 용도에도 적용할 수 있다.

Claims (7)

  1. 펌프기구부와 구동 모터가 나란히 설치되고, 원통형상 내면을 가진 실린더와, 상기 실린더내에서 편심하여 회전하는 원통형상의 로터와, 상기 로터의 바깥둘레면에 개구단(開口端)을 가짐과 동시에 상기 로터의 중심측에 폐색단(閉塞端)을 가진 베인 홈과, 상기 베인 홈내를 슬라이드운동하는 베인과, 상기 로터와 일체적으로 회전하는 회전축과, 상기 로터와 상기 베인을 사이에 끼우도록 상기 실린더의 양단면에 부착된 프론트 플레이트와 리어 플레이트에 의해 상기 펌프기구부를 구성하고, 상기 펌프기구부에 복수의 펌프공간을 형성하여, 상기 회전축을 상기 구동 모터로 구동함으로써 상기 펌프공간의 용적을 변화시키는 베인 로터리형 공기 펌프로서, 상기 로터의 중심과 상기 베인 홈의 상기 폐색단을 연결하는 직선에 대해, 상기 베인 홈의 상기 개구단을 상기 로터의 반(反)회전 방향 영역에 설치한 것을 특징으로 하는 베인 로터리형 공기 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 베인의 기재(base material)를 그라파이트가 혼재한 카본 소재, 또는 탄소섬유 강화 플라스틱으로 구성하고, 상기 실린더의 표면을 상기 베인보다 경도가 높고 내식성을 가진 재료로 구성한 것을 특징으로 하는 베인 로터리형 공기 펌프.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 실린더를 알루미늄 합금으로 구성하고, Ni-P계의 재 료, 또는 Ni-P-B계의 재료로 상기 실린더에 표면처리를 실시하여, 상기 실린더의 표면을 비커스 경도(Hv) 500 이상으로 한 것을 특징으로 하는 베인 로터리형 공기 펌프.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 베인을 쇼어 경도(Hs) 80∼120의 카본 소재로 구성한 것을 특징으로 하는 베인 로터리형 공기 펌프.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 프론트 플레이트에는 흡입구와 토출 포트가 형성되고, 상기 리어 플레이트에는 흡입 포트와 유사 토출 포트(pseudo-discharge port)가 형성되며, 상기 리어 플레이트의 상기 흡입 포트는 상기 프론트 플레이트의 상기 흡입구와 대향하는 위치에 배치하고, 상기 리어 플레이트의 상기 유사 토출 포트는 상기 프론트 플레이트의 상기 토출 포트와 대향하는 위치에 배치한 것을 특징으로 하는 베인 로터리형 공기 펌프.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 유사 토출 포트를 상기 토출 포트와 동일 형상으로 한 것을 특징으로 하는 베인 로터리형 공기 펌프.
  7. 원통형상 내면을 가진 실린더와, 상기 실린더내에서 편심하여 회전하는 원통형상의 로터와, 상기 로터의 바깥둘레면에 개구단을 가짐과 함께 상기 로터의 중심 측에 폐색단을 가진 베인 홈과, 상기 베인 홈내를 슬라이드운동하는 베인을 구비한 로터리형 공기 펌프로서,
    상기 로터의 중심과 상기 베인 홈의 상기 폐색단을 연결하는 직선에 대해, 상기 베인 홈의 상기 개구단을 상기 로터의 반회전 방향 영역에 설치한 것을 특징으로 하는 베인 로터리형 공기 펌프.
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