TW201402946A

TW201402946A - 幫浦裝置

Info

Publication number: TW201402946A
Application number: TW102102940A
Authority: TW
Inventors: Ryuji Itoyama; Motoyasu Chouno
Original assignee: Ulvac Kiko Inc
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2014-01-16
Also published as: CN104081051A; DE112013000763T5; KR20140102753A; JPWO2013114813A1; WO2013114813A1

Abstract

本發明之課題在於提供耐久性優異的幫浦裝置。本發明之解決手段為在與本發明之一實施形態有關的幫浦裝置1，偏芯軸232具有空心構造，該偏芯軸232係將馬達M的驅動軸131的旋轉轉換成活塞21的往復移動。由於偏芯軸232為空心構造，使得偏芯軸232變得容易朝軸直方向(徑方向)變形，而能減輕軸承31對偏芯軸232外周面的壓入負載。藉此，能減少軸承31的內部徑向間隙之偏差，能提升遍及軸承全周的應力之均等性，提升軸承31的耐久性，並且能提升幫浦裝置1的壽命。

Description

幫浦裝置

本發明係關於藉由活塞的往復移動使幫浦室進行吸排氣之幫浦裝置。

真空幫浦之一種的搖動活塞型幫浦係作為往復移動式幫浦而為眾所周知，該往復移動式幫浦係於汽缸內藉由活塞進行往復運動使幫浦室內的吸氣及排氣交互進行，例如作為真空幫浦及加壓幫浦而廣泛地使用著。

這種幫浦具備：馬達、對該馬達的驅動軸之旋轉中心偏芯配置的偏芯軸、連接於活塞的連桿、以及被壓入在偏芯軸的外周面使偏芯軸可旋轉地連結於連桿之軸承，且構成為將以驅動軸為中心之偏芯軸的公轉運動轉換成活塞的往復移動(例如，參照下述專利文獻1)。

〔先前技術文獻〕〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕日本特開2002-364543號公報

然而，由於以往的偏芯軸具有實心構造，軸承對偏芯軸的外周部分之壓入負載大，因而要以均等的應力將軸承裝設於周方向會有困難。其結果，於軸承壓入後，軸承的內部徑向間隙(外輪和內輪之間的間隙)之偏差變大，不易使遍及全周的應力均等。因而，於幫浦運轉中，軸承常承受變動負載，此原因造朝軸承的耐久性降低，亦有幫浦壽命降低之問題。

鑑於如以上之情事，本發明之目的在於提供耐久性優異的幫浦裝置。

為了達成上述目的，與本發明之一形態相關的幫浦裝置為具備活塞、幫浦外殼、馬達、偏芯構件、桿構件以及第1軸承。

上述幫浦外殼具有用以收納上述活塞之汽缸。

上述馬達具有驅動軸且該馬達固定於上述幫浦外殼。

上述偏芯構件具有空心的偏芯軸，該偏芯軸連結於上述驅動軸，對上述驅動軸的旋轉中心偏芯形成。

上述桿構件具有連接於上述活塞之第1端部及形成有與上述偏芯軸嵌合的嵌合孔之第2端部，且該桿構件係將上述驅動軸的旋轉轉換成上述汽缸內部的上述活塞的往復移動。

上述第1軸承係裝設在上述偏芯軸和上述嵌合孔之間，用以使上述偏芯軸可旋轉地支撐於上述桿構件。

1‧‧‧幫浦裝置

11‧‧‧第1幫浦部

12‧‧‧第2幫浦部

13‧‧‧驅動部

21‧‧‧活塞

22‧‧‧連結桿(桿構件)

23‧‧‧偏芯構件

24‧‧‧密封構件

25‧‧‧螺桿構件

26‧‧‧幫浦室

31‧‧‧軸承

31a‧‧‧內輪

31b‧‧‧外輪

31c‧‧‧轉動體

32‧‧‧偏芯軸

41‧‧‧固定螺桿

42‧‧‧固定螺桿

50‧‧‧配重

70‧‧‧偏芯構件

71‧‧‧偏芯軸

100‧‧‧幫浦外殼

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‧‧‧基塊

230a‧‧‧第1面

230b‧‧‧第2面

231‧‧‧連結孔

232‧‧‧偏芯軸

232a‧‧‧空心部

C1‧‧‧與比較例相關之實心構造的偏芯軸的軸承內部徑向間隙之偏差

C2‧‧‧與本實施形態相關之空心構造的偏芯軸的軸承內部徑向間隙之偏差

H1‧‧‧第1螺桿孔

H2‧‧‧第2螺桿孔

L1‧‧‧與比較例相關之實心構造的偏芯軸的軸承壽命之偏差

L2‧‧‧與本實施形態相關之空心構造的偏芯軸的軸承壽命之偏差

M‧‧‧馬達

圖1係顯示與本發明之一實施形態相關的幫浦裝置的全體之立體圖。

圖2係上述幫浦裝置的重要部分之縱剖視圖

圖3係顯示上述幫浦裝置的連結桿及偏芯構件之連接關係的縱剖視圖。

圖4係顯示上述幫浦裝置的連結桿及偏芯構件之連接關係的立體圖。

圖5係上述偏芯構件的前視圖。

圖6係上述偏芯構件的縱剖視圖。

圖7係上述偏芯構件的立體圖。

圖8係與比較例相關的偏芯構件之立體圖。

圖9係顯示具備本實施形態的偏芯構件之幫浦裝置的軸承特性之一實驗結果。

與本發明之一實施形態相關的幫浦裝置為具備活塞、幫浦外殼、馬達、偏芯構件、桿構件、以及第1軸承。

上述幫浦外殼具有用以收納上述活塞之汽缸。

上述馬達具有驅動軸且該馬達固定於上述幫浦外殼。

上述幫浦裝置由於偏芯軸具有空心構造，因而偏芯軸變得容易朝軸直方向(徑方向)變形，能減輕第1軸承對偏芯軸外周面的壓入負載。藉此，能減少第1軸承的內部徑向間隙之偏差，而能提升遍及軸承全周的應力之均等性。因而，根據上述幫浦裝置，能提升第1軸承的耐久性並提升幫浦裝置的壽命。

上述偏芯構件亦可進一步具有基塊，該基塊具有形成有與上述驅動軸連結的連結孔之第1面，及形成有上述偏芯軸之第2面。

藉此，能提升驅動軸和桿構件之組裝作業性，並且能縮短馬達的驅動軸之長度。

上述構成中的幫浦裝置亦可進一步具備固定於上述幫浦外殼用以將上述驅動軸可旋轉地支撐著的第2軸承。

如上述般使馬達的驅動軸變短的結果，能減輕施加於支撐該驅動軸的第2軸承構件之負載，藉此能進一步提升幫浦裝置的壽命。

上述偏芯構件亦可由燒結體構成。

藉此，能穩定地得到形狀精度優異且具有必要的機械強度之偏芯構件。

上述幫浦裝置亦可進一步具備安裝在上述偏芯構件且與上述偏芯構件一起旋轉的配重。

藉此，能抑制因為馬達的旋轉所產生的振動，並且能確保幫浦裝置有穩定的吸排氣動作。

以下，一邊參照圖式一邊說明本發明之實施形態。

圖1係顯示與本發明之一實施形態相關的幫浦裝置之全體立體圖。

本實施形態之幫浦裝置1具有第1幫浦部11、第2幫浦部12、以及將第1幫浦部11及第2幫浦部12共同地驅動之驅動部13。

分別將第1幫浦部11作為加壓幫浦(昇壓幫浦)、將第2幫浦部12作為真空幫浦予以構成，但亦可將兩幫浦部11、12分別作為真空幫浦予以構成，亦可作為加壓幫浦(昇壓幫浦)予以構成。幫浦裝置1例如用於作為燃料電池系統中的氣體之昇壓鼓風機等。

第1及第2幫浦部11、12典型上具有共同的構造，於本實施形態中，被構成作為為搖動活塞幫浦。再者，除此以外，亦可將第1及第2幫浦部11、12構成作為隔膜式幫浦等其他的往復移動型幫浦。

幫浦裝置1具有幫浦外殼100，該幫浦外殼100包含：構成第1幫浦部11的一部分之第1外殼101、構成第2幫浦部12的一部分之第2外殼102、以及構成驅動部13的一部分之第3外殼103。

圖2係顯示第1幫浦部11及驅動部13的一部分之構成的縱剖視圖。在圖2中，X軸、Y軸及Z軸分別表示相互正交的3軸方向。此外，由於第2幫浦部12和第1幫浦部11具有同樣的構成，因而此處以第1幫浦部11為主進行說明。

第1幫浦部11具有第1外殼101、活塞21、連桿22(桿構件)、以及偏芯構件23。

第1外殼101具有外殼本體110、汽缸111、幫浦頭112、以及幫浦頭蓋113。外殼本體110、汽缸111、幫浦頭112及幫浦頭蓋113係於Z軸方向層疊而彼此一體化。

外殼本體110係與收納馬達M的第3外殼103連接，且具有讓連桿22貫通的貫通孔110h。外殼本體110具有：固定部110a，其係用以固定將馬達M的驅動軸131可旋轉地支撐著的軸承32(第2軸承)；及筒部110b，其係用以收納馬達M的線圈132。軸承32係配置在馬達M的本體和偏芯構件23之間。

汽缸111係配置在外殼本體110和幫浦頭112之間，內部收納可朝Z軸方向自由滑動的活塞21。幫浦頭112係配置在汽缸111和幫浦頭蓋113之間，分別具有吸氣閥112a及排氣閥112b。幫浦頭蓋113係配置在幫浦頭112上方，內部具有與吸氣口114a連通的吸氣室113a，及與排氣口114b連通的排氣室113b。如圖1所示，吸氣口114a及排氣口114b係分別設在各幫浦部11、12彼此相對向的側面。

活塞21具有圓板形狀，且透過螺桿構件25固定於連桿22的第1端部221。活塞21係該活塞21和幫浦頭112之間形成幫浦室26。活塞21係於與汽缸111內部的Z軸方向平行之方向往復移動，以透過吸氣閥112a及排氣閥11b使幫浦室26交互地進行吸氣及排氣的方式，進行既定的幫浦作用。

圖3及圖4係顯示連桿22和偏芯構件23的連接狀態之縱剖視圖及立體圖。

連桿22係使活塞21和偏芯構件23之間彼此連結。連桿22具有與活塞21連接的第1端部221、及與偏芯構件23連接的第2端部222。第1端部221形成為與活塞21大致同徑的圓形。該等活塞21和第1端部221之間安裝有圓板形狀的密封構件24。密封構件24的周緣部被彎折於幫浦室26側且可與汽缸111的內周面滑接。

此外，在被構成作為真空幫浦的第2幫浦部，上述密封構件的周緣部被彎折於與幫浦室側相反側。

連桿22的第2端部222形成有與偏芯構件23的偏芯軸232嵌合的嵌合孔222a。嵌合孔222a裝設有將偏芯軸232可自由旋轉地支撐著的軸承31(第1軸承)。

圖5係從Y軸方向所見的偏芯構件23之前視圖，圖6係圖5中的A-A線方向之剖視圖，圖7係偏芯構件23之立體圖。

偏芯構件23係使第3外殼103所收納的馬達M的驅動軸131和連桿22之間彼此連結。基塊230係具有大致圓柱形狀的基塊230。

基塊230具有形成有與驅動軸131連結的連結孔231之第1面230a，及形成有偏芯軸232之第2面230b。偏芯構件23係與偏芯軸232一體形成，於本實施形態中，由金屬粉末，陶瓷粉末或該等之混合粉末的燒結體所構成。於本實施形態中，基塊230係使用鐵系材料作為粉末材料。

連結孔231係由形成在基塊230的第1面230a的中心部之圓形有底孔所構成。驅動軸131係沿著Y軸方向插入於連結孔231，且藉由固定螺桿41而與連結孔231連結，該固定螺桿41螺合於形成在基塊230的側周面的第1螺桿孔H1。

偏芯軸232係於基塊230的第2面230b，對驅動軸131的旋轉中心(偏芯構件23的中心)偏芯形成。偏芯軸232具有具空心部232a之圓筒形狀。偏芯軸232的軸壁厚度係對應於幫浦的種類和負載的大小等而被適當設定，軸壁厚度對偏芯軸232的外徑之比，例如為0.1~0.2。

軸承31係裝設在偏芯軸232和連桿22的嵌合孔222a之間，使偏芯軸232可旋轉地支撐於連桿22。軸承31、32係由圓環狀的球軸承所構成，該球軸承具有內輪(內環)、外輪(外環)、以及封入在該等之間的複數個轉動體(球)。關於軸承31，內輪31a係藉由壓入於偏芯軸232的外周面而被固定，外輪31b係藉由壓入於嵌合孔222a的內周面而被固定，該等內輪31a和外輪31b之間收納有複數個轉動體31c。

第1幫浦部11進一步具有配重50。配重50係藉由固定螺桿42固定於偏芯構件23的側周部，該固定螺桿42螺合於形成在基塊230的側周面之第2螺桿孔H2。配重50係用以消除隨著驅動軸131的旋轉之連桿22的繞偏芯軸232之旋轉時所產生的振動者，配置在偏向於偏芯軸232對驅動軸131的偏芯方向之反方向的位置。

第2幫浦部12係與第1幫浦部11同樣地構成。第2幫浦部12係與第1幫浦部11同時地被共同的馬達M驅動。驅動軸131亦延伸至第2幫浦部12側，與第2幫浦部12的偏芯軸(圖示省略)連結。於本實施形態中，第1幫浦部11和第2幫浦部12係以不同的相位被驅動。例如，將各幫浦部11、12的偏芯軸設定成，第1幫浦部11的活塞21位於上死點時，第2幫浦部12的活塞位於下死點。

接著，說明如以上構成之本實施形態之幫浦裝置1的動作。於此，以第1幫浦部11的作用為中心進行說明。

以藉由馬達M的驅動使偏芯構件23在驅動軸131的周圍旋轉之方式，使偏芯軸232沿著具有與來自驅動軸131的偏芯量對應的半徑之圓周，在驅動軸131的周圍進行公轉。與偏芯軸232連結的連桿22，將驅動軸131的旋轉轉換成汽缸111內部的活塞21的往復移動。亦即，活塞21係於汽缸111的內部，於圖2中，一邊在X軸方向搖動一邊在Z軸方向往復移動。藉此使幫浦室26的吸氣及排氣交互進行，而獲得第1幫浦部11達成的既定之昇壓作用。另一方面，在第2幫浦部12獲得既定的真空排氣作用。

其中，於幫浦裝置1驅動時，裝設在偏芯軸232和連桿22之間的軸承31，一直承受著變動負載。提升該軸承31的耐久性對幫浦裝置1的壽命有很大的影響。施加於軸承31的負載變動，係隨著遍及內輪和外輪間全周之間隙(軸承內部徑向間隙)的偏差愈大則愈大。因此，為了提升軸承的耐久性，必須減少上述間隙的偏差。

作為比較例，習知構造的幫浦裝置中的偏芯構件之構成例係顯示於圖8。與比較例相關的偏芯構件70的偏芯軸71具有實心之圓柱構造。若藉由將軸承的內輪壓入這種偏芯軸71予以固定，則軸承對偏芯軸71外周部分的壓入負載大，難以在周方向用均等的應力裝設軸承。其結果，軸承壓入後，軸承內部徑向間隙的偏差變大，不容易使遍及全周的應力均等化。又，為了減少該偏差，藉由車削、研磨等進行偏芯軸71之加工，例如以10/1000實施公差管理亦不能期待充分之改善。

相對於此，在本實施形態之幫浦裝置1，由於偏芯軸232具有空心構造，偏芯軸232變得容易朝軸直方向(徑方向)變形，能減輕軸承31對偏芯軸232外周面的壓入負載，且減少使內輪31a朝徑外方側擴出的力量。藉此能減少軸承31的內部徑向間隙之偏差，而能提升遍及軸承31全周的應力之均等性。

圖9係比較實心構造的偏芯軸和空心構造的偏芯軸，顯示軸承的內部徑向間隙(橫軸)和軸承的壽命(縱軸)之關係的一實驗結果。縱軸的壽命(Life Ratio)係以內部徑向間隙(Radial clearance)為適當值(0.000)時作為基準時的壽命之相對值，橫軸的數值之極性於比適當值大時以正表示，比適當值小時以負表示。

如圖9所示，內部徑向間隙愈偏離適當值則壽命愈降低，特別是內輪和外輪間的間隙比適當值小時，相較於比適當值大時，壽命降低率大。其係表示軸承對偏芯軸壓入時，內輪承受朝徑外方側的壓力愈大，則對軸承壽命的影響愈大。

在圖9中，C1表示與比較例相關之實心構造的偏芯軸的軸承內部徑向間隙之偏差，C2表示與本實施形態相關之空心構造的偏芯軸的軸承內部徑向間隙之偏差。又，L1表示與比較例相關之實心構造的偏芯軸的軸承壽命之偏差，L2表示與本實施形態相關之空心構造的偏芯軸的軸承壽命之偏差。

從圖9能明白，根據本實施形態，能減少軸承內部徑向間隙的偏差，並且能減少壓入時內輪朝徑外方側之壓縮應力，實現理想的徑向間隙。藉此能穩定地確保所期待的軸承壽命，因此能實現幫浦裝置的高壽命化。

又，根據本實施形態，偏芯軸232係形成在與驅動軸131和連桿22不同構件之偏芯構件23，因此能提升驅動軸131和連桿22之組裝作業性，並且能縮短驅動軸131之長度。因而，亦能減少支撐驅動軸131的軸承32之負載，而能進一步提升幫浦裝置1的壽命。

再者，由於偏芯構件23係由燒結體構成，因此形狀精度優異，且能穩定地得到具有必要的機械強度之偏芯構件23。且，能使用高熔點材料和彼此不會固溶的複數種材料，因此材料選擇幅度較廣。

以上已說明本發明之實施形態，但本發明不僅限定於上述實施形態，於不超出本發明之主旨的範圍內，當然可加以各種變更。

例如於以上實施形態，係例舉以共同的驅動部13驅動第1幫浦部11和第2幫浦部12之幫浦裝置予以說明，但亦可同樣地適用於具有單一幫浦部之幫浦裝置。

又，以上實施形態係以燒結體構成偏芯構件23，但不限於此，亦可用鑄造或壓鑄構件構成。藉由這種構成亦能減少軸承的內部徑向間隙之偏差，而能提升軸承壽命。

再者，如上述般與本發明相關之幫浦裝置不僅限於搖動活塞型幫浦，隔膜式幫浦等其他的往復移動型幫浦亦同樣地能適用。