TW201400702A - 幫浦裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明之課題在於提供能達到減低更多耗電量之幫浦裝置。其解決手段為，本發明之一實施形態的幫浦裝置1，其具備驅動馬達M、具有第1幫浦室與第1活塞21v之真空排氣用第1幫浦部11及具有第2幫浦室與第2活塞21c之加壓用第2幫浦部12。第2活塞21c以0°以上未滿80°之旋轉相位差φ相位超前第1活塞21v。

Description

幫浦裝置
本發明係關於具備真空幫浦及加壓幫浦之幫浦裝置。
眾所周知屬於真空幫浦之一種的搖動活塞型幫浦係作為藉由汽缸內活塞之往復運動而在幫浦室內交互進行吸氣及排氣之往復移動式幫浦，例如作為真空幫浦及加壓幫浦而被廣泛使用。
另一方面，具備有以共同馬達同時驅動之真空排氣用及加壓用之兩個活塞之複合型幫浦裝置也廣為人知。以此種幫浦裝置之驅動方法而言，已知有使該兩活塞互以相反相位往復移動之方法、及使該兩活塞互以同相位往復移動之方法(例如參照下述專利文獻1)。
前者之方法，亦即，以兩活塞之旋轉相位以相差180°往復移動之驅動方法，具有良好地維持各幫浦之動平衡、降低幫浦裝置整體之振動的優點。而後者之方法，亦即，使兩活塞同時往上死點或下死點移動之驅動方法，其能降低驅動源之負載變化並能實現幫浦裝置穩定運轉。
[先行技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開平7-310651號公報
近來，幫浦裝置訴求降低耗電量，即使是上述複合型幫浦裝置也被期望能降低更多的耗電量。
鑑於如以上情事，本發明之目的在於提供能達到減低更多耗電量之幫浦裝置。
為了達成上述目的，本發明之一形態的幫浦裝置具備有驅動馬達、真空排氣用第1幫浦部及加壓用第2幫浦部。
上述驅動馬達具有第1驅動軸及第2驅動軸。上述驅動馬達，構成為能使上述第1驅動軸及上述第2驅動軸繞著第1軸同步旋轉。
上述第1幫浦部具有藉由上述第1驅動軸之旋轉而往與上述第1軸垂直之第2軸方向往復移動之第1活塞、及根據上述第1活塞之往復移動而改變內部壓力之第1幫浦室。
上述第2幫浦部具有藉由上述第2驅動軸之旋轉而往上述第2軸方向往復移動之第2活塞、及根據上述第2活塞之往復移動而改變內部壓力之第2幫浦室。上述第2活塞以0°以上未滿80°之旋轉相位差相位超前上述第1活塞。
1‧‧‧幫浦裝置
11‧‧‧真空幫浦
12‧‧‧加壓幫浦
13‧‧‧驅動部
21,21v,21c‧‧‧活塞
22‧‧‧連桿
23‧‧‧偏心構件
24‧‧‧密封構件
25‧‧‧螺絲構件
26‧‧‧幫浦室
31,32‧‧‧軸承
41‧‧‧螺絲
42‧‧‧固定螺絲
51,52‧‧‧配重
101‧‧‧第1外殼
102‧‧‧第2外殼
103‧‧‧第3外殼
110‧‧‧外殼本體
110a‧‧‧固定部
110b‧‧‧筒部
110h‧‧‧貫通孔
111‧‧‧汽缸
112‧‧‧幫浦頭
112a‧‧‧吸氣閥
112b‧‧‧排氣閥
113‧‧‧幫浦頭蓋
113a‧‧‧吸氣室
113b‧‧‧排氣室
114a‧‧‧吸氣口
114b‧‧‧排氣口
131‧‧‧驅動軸
132‧‧‧線圈
221‧‧‧第1端部
222‧‧‧第2端部
222a‧‧‧嵌合孔
230‧‧‧底座塊
232,232v,232c‧‧‧偏心軸
M‧‧‧馬達
X,Y,Z‧‧‧方向
圖1係為本發明之一實施形態的幫浦裝置之正面立體圖。
圖2係為上述幫浦裝置之背面立體圖。
圖3係為上述幫浦裝置之右側視圖。
圖4係為上述幫浦裝置之左側視圖。
圖5係為表示上述幫浦裝置之真空幫浦部及驅動部之部分結構之縱剖視圖。
圖6係為說明上述幫浦裝置之真空幫浦部側之偏心軸與加壓幫浦部側之偏心軸間之關係之示意圖；(A)為前視圖，(B)為由真空幫浦部側觀看之側面圖。
圖7係為以使真空段之幫浦室內部壓力與加壓段之幫浦室內部壓力成為同相位之方式，驅動幫浦裝置之實驗結果；(A)為顯示真空段之幫浦室內部壓力與活塞位置的時間變化，(B)為顯示加壓段幫浦室內部壓力與活塞位置的時間變化，(C)為顯示真空段之幫浦室之壓力波形與加壓段之幫浦室之壓力波形之合成波形。
圖8係為以使真空段之幫浦室內部壓力與加壓段之幫浦室內部壓力成為相反相位之方式，驅動幫浦裝置之實驗結果；(A)為顯示真空段之幫浦室內部壓力與活塞位置的時間變化，(B)為顯示加壓段之幫浦室內部壓力與活塞位置的時間變化，(C)為顯示真空段之幫浦室之壓力波形與加壓段之幫浦室之壓力波形之合成波形。
圖9係為表示加壓段之活塞相對於真空段之活塞之旋轉相位差與馬達消耗電流之關係的實驗結果。
搖動型活塞幫浦之幫浦室內部壓力會隨活塞之往復移 動而產生週期變化。例如，活塞自下死點朝上死點移動時，幫浦室之內部壓力因容積減少而往增加方向移動，活塞自上死點朝下死點移動時，幫浦室之內部壓力因容積增加而往減少方向移動。此時，在真空幫浦方面，幫浦室內部壓力在大氣壓以下之壓力範圍(負壓)內變化，在加壓幫浦方面，幫浦室內部壓力則在大氣壓以上之壓力範圍(正壓)內變化。
然而，根據本發明人等之實驗確認，如上述般，即使真空幫浦用之活塞與加壓幫浦用之活塞以同相位往復移動，兩幫浦室之內部壓力也不會同步變化，而會因兩幫浦室間壓力變化產生相位差。此外，即使控制兩活塞之旋轉相位，使真空幫浦及加壓幫浦兩幫浦室之內部壓力變化為相同相位，馬達之載荷也不會是最低值。
因此，本發明為實現減低幫浦裝置之更多的耗電量，構成如下述之幫浦裝置。
亦即，本發明之一實施形態的幫浦裝置，其具備驅動馬達、真空排氣用第1幫浦部及加壓用第2幫浦部。
上述驅動馬達，其具有第1驅動軸及第2驅動軸。上述驅動馬達之構成能使上述第1驅動軸及上述第2驅動軸繞著第1軸同步旋轉。
上述第1幫浦部具有藉由上述第1驅動軸之旋轉而往與上述第1軸垂直之第2軸方向往復移動之第1活塞、及根據上述第1活塞之往復移動而改變內部壓力之第1幫浦室。
上述第2幫浦部具有藉由上述第2驅動軸之旋轉而往上述第2軸方向往復移動之第2活塞、及根據上述第2活塞之往復移動而改變內部壓力之第2幫浦室。上述第2活塞以0°以上未滿80°之旋轉相位差相位超前上述第1活塞。
依據發明人等之實驗確認，雖然真空排氣用第1幫浦部之活塞之上死點與幫浦室之壓力高峰位置大概一致，但加壓用第2幫浦部之活塞之上死點與幫浦室之壓力高峰位置不一致。特別是，於第2幫浦部，活塞移動至上死點前，幫浦室已達到壓力高峰。
上述旋轉相位差可適當設定在0°以上未滿80°之範圍內。例如，設定為40°±30°時可達到降低一定耗電量之效果，設定為40°±15°則能達到降低更多耗電量之效果。藉由此種旋轉相位差之最佳化，可達到以低耗電量穩定地運轉幫浦裝置。
以下，一邊參照圖式一邊說明本發明之實施形態。
圖1至圖4係為表示本發明之一實施形態相關的幫浦裝置之外部視圖，圖1為正面立體圖，圖2為背面立體圖，圖3為右側視圖，圖4為左側視圖。
本實施形態之幫浦裝置1具有作為真空段之真空幫浦部11(第1幫浦部)、作為加壓段之加壓幫浦部12(第2幫浦部)及共同驅動真空幫浦部11和加壓幫浦部12之驅動部13。幫浦裝置1例如作為用於燃料電池系統中之氣體升壓鼓風機來使用、或作為用於醫療分析器之真空及加壓幫浦來使用。
真空幫浦部11及加壓幫浦部12具有典型之共同的構造，於本實施形態中構成為搖動活塞幫浦。
幫浦裝置1具有幫浦外殼100，該幫浦外殼100包含：構成真空幫浦部11的一部分之第1外殼101、構成加壓幫浦部12的一部分之第2外殼102及構成驅動部13的一部分之第3外殼103。
圖5為表示真空幫浦部11及驅動部13之部分結構之縱剖面圖。圖5之X軸、Y軸及Z軸分別表示相互正交之3軸方向。此外，加壓幫浦部12因具有與真空幫浦部11相同之構成，本處以真空幫浦部11為主進行說明。
真空幫浦部11具有第1外殼101、活塞21、連桿22(桿件)及偏心構件23。
第1外殼101具有外殼本體110、汽缸111、幫浦頭112及幫浦頭蓋113。外殼本體110、汽缸111、幫浦頭112及幫浦頭蓋113係於Z軸方向相互層疊而一體化。
外殼本體110係與用以收容馬達M之第3外殼103連接，並具有讓連桿22貫通之貫通孔110h。外殼本體110具有：固定部110a，其能固定用以可旋轉地支持馬達M之驅動軸131之軸承32；及筒部110b，其係用以收容馬達M之線圈132。驅動軸131係與Y軸方向(第1軸方向)平行配置，並藉由馬達M之驅動而繞著Y軸旋轉。軸承32係配置於馬達M的本體與偏心構件23之間。
汽缸111係配置於外殼本體110與幫浦頭112之間，其內部容納可往Z軸方向自由滑動之活塞21。幫浦頭112 係配置於汽缸111與幫浦頭蓋113之間，且分別具有吸氣閥112a及排氣閥112b。幫浦頭蓋113係配置於幫浦頭112上方，且內部具有與吸氣口114a連通之吸氣室113a，及與排氣口114b連通之排氣室113b。如圖1及圖2所示，吸氣口114a及排氣口114b係分別設置於各幫浦部11、12彼此相對向之側面。
活塞21具有圓盤形狀，藉由螺絲構件25固定於連桿22之第1端部221。活塞21在該活塞21與幫浦頭112之間形成幫浦室26。活塞21於汽缸111之內部往與Z軸方向(第2軸方向)平行之方向往復移動而改變幫浦室26之內部壓力。此外，活塞21透過吸氣閥112a及排氣閥112b使幫浦室26交互地吸氣與排氣而進行預定之幫浦作用。
連桿22係相互連結於活塞21與偏心構件23之間。連桿22具有與活塞21連接之第1端部221、及與偏心構件23連接之第2端部222。第1端部221形成為與活塞21大致同直徑之圓形。該等活塞21與第1端部221之間安裝有圓盤形之密封構件24。密封構件24之周緣部係在幫浦室26側以可與汽缸111的之內周面滑接之方式被彎折。
此外，於加壓幫浦部12中，上述密封構件之周緣部與上述例子相反，被彎折於幫浦室側。
於連桿22之第2端部222上形成有與偏心構件23之偏心軸232嵌合之嵌合孔222a。嵌合孔222a安裝有以旋轉自如之方式支持偏心軸232之軸承31。
偏心構件23係相互連結於使收容於第3外殼103之馬 達M之驅動軸131與連桿22之間。偏心構件23具有大致圓柱形狀的底座塊230。底座塊230之馬達M側之面係與驅動軸131連接，連桿22側之面形成有偏心軸232。偏心軸232之軸心，係以隨著驅動軸131之旋轉而偏移之方式對驅動軸131偏心。驅動軸131藉由鎖固於底座塊230側表面之螺絲41而與底座塊230連接。
偏心構件23安裝有配重(counter weight)51。配重51藉由鎖固於底座塊230側表面之固定螺絲42固定於偏心構件23之側表面。配重51係與活塞21一起旋轉，並具有消除隨著驅動軸131之旋轉而繞著連桿22之偏心軸232旋轉時產生的振動之作用。配重51係配置在驅動軸131中之朝與偏心軸232之偏心方向相反方向偏移之位置。
在如上述設計所構成的真空幫浦部11中，偏心構件23受馬達M的驅動而繞著驅動軸131旋轉，藉此偏心軸232沿著具有對應於來自驅動軸131之偏心量的半径之圓周而繞著驅動軸131公轉。連接於偏心軸232之連桿22係將驅動軸131之旋轉改變成在汽缸111內部之活塞21之往復移動。亦即，於汽缸111內部，活塞21一邊於圖5中之X軸方向搖動，一邊於Z軸方向往復移動。藉此，交互地進行幫浦室26之吸氣與排氣，而獲得真空幫浦部11所產生之預定之真空排氣作用。
另一方面，加壓幫浦部12係與真空幫浦部11採相同構成，驅動軸131亦朝加壓幫浦部12側突出，並與加壓幫浦部12之偏心軸(圖式省略)連接。藉此，加壓幫浦部12 能與真空幫浦部11同時被共同的馬達M驅動，並進行預定之加壓(升壓)作用。
本處，真空幫浦部11與加壓幫浦部12相互以不同相位驅動。亦即本實施形態中，加壓幫浦部12之活塞21(第2活塞)構成為以0°以上未滿80°之旋轉相位差相位超前真空幫浦部11之活塞21(第1活塞)。
為使上述各活塞保持上述之旋轉相位差，須令本實施形態中各幫浦11、12之偏心軸232處於相異位置。根據本實施形態，由於只靠螺絲41的鎖固將偏心構件23固定於驅動軸131，因此易於調整兩幫浦11、12之偏心軸232彼此之相對位置。
此外，由於固定於偏心構件23之配重的位置與偏心軸232之偏心方向相關，因此即使從幫浦裝置1外部亦可輕易確認兩活塞21之旋轉相位差。亦即，如圖1~圖4所示，加壓幫浦部12之配重52固定於驅動軸131之旋轉方向(於圖3係為以Y軸為中心之順時針方向，於圖4係為以Y軸為中心之逆時針方向)並以上述預定旋轉相位差(0°以上未滿80°)相位超前真空幫浦部11之配重51之位置。
圖6(A)，圖6(B)為說明真空幫浦部11側之偏心軸232v與加壓幫浦部12側之偏心軸232c間之關係示意圖：圖6(A)為前視圖，圖6(B)為由真空幫浦部11側觀看之側面圖。如圖6(B)所示，加壓幫浦部12側之偏心軸232c被設置為以預定旋轉相位差φ相位超前真空幫浦部11側之偏心軸232v。因此，真空幫浦部11側之活塞21v與加壓幫浦部 12側之活塞21c相互位移達至相位差φ而被驅動，活塞21c係以達至相當於相位差φ之時間比活塞21v還快到達上死點。
旋轉相位差φ設定在0°以上未滿80°之適宜範圍內。藉此，與兩活塞21v，21c以同相位(φ=0)驅動相比，可達到降低馬達M之耗電量。此外，φ設定為40°±15°時，可穩定地維持上述馬達M的低耗電量運轉。
圖7(A)係為表示真空幫浦中的幫浦室內部壓力與活塞位置的時間變化之實驗結果，圖7(B)係為表示加壓幫浦中的幫浦室內部壓力與活塞位置的時間變化之實驗結果。圖中，實線為50赫(Hz)、虛線為60赫時運轉之實驗結果。
另外，用於實驗之幫浦裝置的汲取高度，真空段(真空幫浦)為40kPa(絕對壓力)、加壓段(加壓幫浦)為220kPaG(測量壓力)。幫浦室之內部壓力係藉由將管子插入密閉之幫浦室測量得之。活塞位置則用於安裝在連桿下部之加速度計之輸出。各段幫浦之汽缸徑係為φ 37mm，偏心軸之偏心量係為3.3mm，馬達之旋轉數約為1400rpm/1700rpm(50赫/60赫)。圖8、圖9表示之實驗結果的條件亦同。
於真空段中，幫浦室內部壓力係與活塞位置同步、同相位變化(圖7(A))，相對於此，加壓段中，幫浦室內部壓力係與活塞位置不同步而在兩者間產生相位差(圖7(B))。更具體來說，加壓段之活塞在達到上死點之前，幫浦室內出現壓力高峰。
藉由以上實驗結果確定，即使真空段及加壓段各者之活塞相互以同相位驅動，真空段及加壓段各者之幫浦室內部壓力亦不會以同相位變化，加壓段之幫浦室較真空段幫浦室更快達到壓力最大值。
此外，經實驗確認，與將各幫浦部之活塞相互以同相位驅動之情況作比較，以使第1幫浦部及第2幫浦部之兩幫浦室的內部壓力變化為相反相位之方式所構成之幫浦裝置可達到降低驅動馬達之耗電量。
本處，內部壓力之時間變化為相反相位時，典型上，兩幫浦室內之壓力波形具有180°之相位，但不限於此，只要具有實質意義能解釋相反相位的關係之相位關係即可。本處，實質意義的相反相位係例如可定義為比起兩活塞以同相位驅動之情況更能減低耗電量之相位關係。
以使真空段之幫浦室內部壓力之壓力波形與加壓段幫浦室內部壓力之壓力波形成為同相位之方式構成加壓段之活塞與真空段之活塞間維持預定之相位差之幫浦裝置時，將加壓段之活塞相對真空段之活塞設定在達至180°以上未滿260°之旋轉相位差。該旋轉相位差為220°時之實驗結果由圖7(A)至圖7(C)表示。圖7(C)係表示真空段之幫浦室之壓力波形與加壓段之幫浦室之壓力波形的合成波形。
另一方面，以使真空段之幫浦室內部壓力之壓力波形與加壓段之幫浦室內部壓力之壓力波形成為相反相位之方式構成加壓段之活塞與真空段之活塞間維持預定之相位差之幫浦裝置時，將加壓段之活塞相對於真空段之活塞設定 在達至0°以上未滿80°之旋轉相位差。該旋轉相位差為40°時之實驗結果由圖8(A)至圖8(C)表示。圖8(A)係表示真空段之幫浦室內部壓力與活塞位置之時間變化，圖8(B)係表示加壓段之幫浦室內部壓力與活塞位置之時間變化，圖8(C)係表示真空段之幫浦室之壓力波形與加壓段之幫浦室之壓力波形的合成波形。
接著圖9係為表示加壓段之活塞相對於真空段之活塞之旋轉相位差與馬達消耗電流之關係之實驗結果。橫軸之旋轉相位差係表示加壓段之活塞相對於真空段之活塞之相位超前角度(於驅動軸之旋轉方向，加壓側活塞相位角度超前真空側活塞)。
如圖9所示，可瞭解馬達電流值係根據加壓段之活塞相對於真空段之活塞之旋轉相位差φ而變化。其被認為與各段之幫浦室間壓力變化之均衡性有關。
本實驗例中最低電流值的旋轉相位差φ為40°，此時各段之幫浦室之壓力波形如圖8(A)、(B)所示互為相反相位之關係。此時各段之幫浦室內部壓力之合成波形如圖8(C)所示，各段之幫浦室之內部壓力互相抵消的結果，使馬達之消耗電流達到最低。
相對於此，於各段之幫浦室之內部壓力互為同相位之驅動條件(加壓段之活塞相對於真空段之活塞之旋轉相位差為+220°)，如圖7(C)所示，各段之幫浦室之內部壓力相互重疊對馬達造成周期性地負載變動，此被認為是增加消耗電流之原因。
此外如圖9所示，當電源頻率為50赫或60赫時在旋轉相位差φ於0°以上未滿80°之範圍內，相較於當旋轉相位差φ=0°(360°)時，確認可減少馬達的驅動電流。特別是，不論電源頻率是否不同，在旋轉相位差φ=40°±30°的範圍內，相較於旋轉相位差φ=0°時可常時性地減少電流值。更進一步，在φ=40°±15°之範圍內，可更有效降低耗電量，在50赫時約可減少4.1%之電流值，在60赫時約可減少2.2%之電流值。
更進一步，藉由將上述相位差φ設定在40°±15°，不僅可降低電流消耗量，也可降低驅動幫浦裝置1時產生之振動。依據本發明人之實驗確定，例如當φ=40°時，真空段及加壓段之各活塞比起同相位(φ=0°)時，都能降低X、Y及Z軸方向(參照圖1)之振動加速度。此降低振動之效果，無論電源頻率在50赫或60赫皆確認可達到。
以上已說明本發明之實施形態，但本發明非用以限定於只有上述實施形態，凡未脫離本發明主旨的範圍內所作之任何變更，均應包含於本案之專利範圍中。
例如於以上實施形態，構成幫浦裝置之真空幫浦部11及加壓幫浦部12雖分別由搖動型活塞幫浦所構成，但不限於此，亦可例如由隔膜(diaphragm)式幫浦等其他往復移動型活塞幫浦所構成。
又，以上實施形態，係以具有單一驅動馬達及兩個幫浦部之幫浦裝置為例予以說明，但本發明亦可適用於具複數組(例如兩組)由上述驅動馬達及兩個幫浦部構成幫浦單 元之幫浦裝置。
11‧‧‧真空幫浦
12‧‧‧加壓幫浦
21v,21c‧‧‧活塞
23‧‧‧偏心構件
101102‧‧‧第1外殼第2外殼
131‧‧‧驅動軸
232v,232c‧‧‧偏心軸
M‧‧‧馬達
X,Y,Z‧‧‧方向

Claims (3)

  1. 一種幫浦裝置，具備：驅動馬達，其具有第1驅動軸及第2驅動軸，並能使前述第1驅動軸及前述第2驅動軸繞著第1軸同步旋轉；真空排氣用第1幫浦部，其具有藉由前述第1驅動軸之旋轉而往與第1軸垂直之第2軸方向往復移動之第1活塞及根據前述第1活塞之往復移動而改變內部壓力之第1幫浦室；及加壓用第2幫浦部；其具有藉由前述第2驅動軸之旋轉而往前述第2軸方向往復移動之第2活塞及根據前述第2活塞之往復移動而改變內部壓力之第2幫浦室，前述第2活塞以0°以上未滿80°之旋轉相位差相位超前前述第1活塞。
  2. 如請求項1所記載之幫浦裝置，其中前述旋轉相位差為40°±15°。
  3. 如請求項1所記載之幫浦裝置，其中前述第1幫浦部更具有與前述第1活塞一起繞著前述第1驅動軸旋轉之第1配重；前述第2幫浦部更具有相對於前述第1配重以前述旋轉相位差與前述第2活塞一起繞著前述第2驅動軸旋轉之第2配重。
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