WO2013114813A1 - ポンプ装置 - Google Patents

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WO2013114813A1
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pump
eccentric
bearing
eccentric shaft
drive shaft
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English (en)
French (fr)
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竜二 糸山
元泰 長野
Original Assignee
アルバック機工株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B9/00—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members
    • F04B9/02—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being mechanical
    • F04B9/04—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being mechanical the means being cams, eccentrics or pin-and-slot mechanisms
    • F04B9/045—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being mechanical the means being cams, eccentrics or pin-and-slot mechanisms the means being eccentrics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/14—Pistons, piston-rods or piston-rod connections
    • F04B53/144—Adaptation of piston-rods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/16—Casings; Cylinders; Cylinder liners or heads; Fluid connections

Definitions

  • the present invention relates to a pump device that sucks and exhausts a pump chamber by reciprocating movement of a piston.
  • An oscillating piston pump which is a kind of vacuum pump, is known as a reciprocating pump that alternately performs intake and exhaust of air in a pump chamber by reciprocating a piston in a cylinder. Widely used as a pump.
  • This type of pump is press-fitted into the motor, an eccentric shaft arranged eccentrically with respect to the rotation center of the drive shaft of the motor, a connecting rod connected to the piston, and an outer peripheral surface of the eccentric shaft. And a bearing that rotatably connects the eccentric shaft to the connecting rod, and is configured to convert the revolving motion of the eccentric shaft around the drive shaft into a reciprocating movement of the piston (see, for example, Patent Document 1 below) ).
  • the conventional eccentric shaft has a solid structure, the press-fitting load of the bearing to the outer peripheral portion of the eccentric shaft is large, and it is difficult to mount the bearing with uniform stress in the circumferential direction.
  • the variation in the internal radial gap of the bearing becomes large, and it is not easy to equalize the stress over the entire circumference. Therefore, the bearing is always subjected to a fluctuating load during the pump operation, which causes a problem that the durability of the bearing is lowered and the life of the pump is also reduced.
  • an object of the present invention is to provide a pump device having excellent durability.
  • a pump device includes a piston, a pump case, a motor, an eccentric member, a rod member, and a first bearing.
  • the pump case has a cylinder that houses the piston.
  • the motor has a drive shaft and is fixed to the pump case.
  • the eccentric member has a hollow eccentric shaft that is connected to the drive shaft and formed eccentric to the rotation center of the drive shaft.
  • the rod member has a first end connected to the piston, and a second end formed with a fitting hole for fitting with the eccentric shaft, and rotates the drive shaft. It converts into the reciprocating movement of the piston inside the cylinder.
  • the first bearing is mounted between the eccentric shaft and the fitting hole and rotatably supports the eccentric shaft with respect to the rod member.
  • a pump device includes a piston, a pump case, a motor, an eccentric member, a rod member, and a first bearing.
  • the pump case has a cylinder that houses the piston.
  • the motor has a drive shaft and is fixed to the pump case.
  • the eccentric member has a hollow eccentric shaft that is connected to the drive shaft and formed eccentric to the rotation center of the drive shaft.
  • the rod member has a first end connected to the piston, and a second end formed with a fitting hole for fitting with the eccentric shaft, and rotates the drive shaft. It converts into the reciprocating movement of the piston inside the cylinder.
  • the first bearing is mounted between the eccentric shaft and the fitting hole and rotatably supports the eccentric shaft with respect to the rod member.
  • the eccentric shaft since the eccentric shaft has a hollow structure, the eccentric shaft is easily deformed in the axial direction (radial direction), and the press-fit load of the first bearing on the outer peripheral surface of the eccentric shaft is reduced. be able to. Thereby, the variation of the internal radial gap of the first bearing can be reduced, and the uniformity of stress over the entire circumference of the bearing can be improved. Therefore, according to the said pump apparatus, durability of a 1st bearing can be improved and the lifetime of a pump apparatus can be improved.
  • the eccentric member may further include a base block having a first surface on which a connecting hole connected to the drive shaft is formed and a second surface on which the eccentric shaft is formed.
  • the pump device in the above configuration may further include a second bearing that is fixed to the pump case and rotatably supports the drive shaft.
  • a second bearing that is fixed to the pump case and rotatably supports the drive shaft.
  • the eccentric member may be formed of a sintered body. Thereby, it becomes possible to stably obtain an eccentric member having excellent shape accuracy and having the required mechanical strength.
  • the pump device may further include a counterweight attached to the eccentric member and rotating together with the eccentric member.
  • FIG. 1 is an overall perspective view showing a pump device according to an embodiment of the present invention.
  • the pump device 1 of the present embodiment includes a first pump unit 11, a second pump unit 12, and a drive unit 13 that drives the first pump unit 11 and the second pump unit 12 in common.
  • the first pump unit 11 is configured as a pressure pump (pressure pump), and the second pump unit 12 is configured as a vacuum pump.
  • both the pump units 11 and 12 may be configured as vacuum pumps, You may comprise as a pressurization pump (pressure
  • the pump device 1 is used, for example, as a gas pressure booster in a fuel cell system.
  • the first and second pump parts 11 and 12 typically have a common configuration, and in this embodiment, are configured as swing piston pumps.
  • the first and second pump units 11 and 12 may be configured as other reciprocating pumps such as a diaphragm pump.
  • the pump device 1 includes a first casing 101 that constitutes a part of the first pump unit 11, a second casing 102 that constitutes a part of the second pump unit 12, and a part of the drive unit 13.
  • a pump case 100 including a third casing 103 is provided.
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view showing a partial configuration of the first pump unit 11 and the drive unit 13.
  • an X axis, a Y axis, and a Z axis indicate three axial directions that are orthogonal to each other.
  • the 2nd pump part 12 is comprised similarly to the 1st pump part 11, the 1st pump part 11 is mainly demonstrated here.
  • the first pump unit 11 includes a first casing 101, a piston 21, a connecting rod 22 (rod member), and an eccentric member 23.
  • the first casing 101 includes a case main body 110, a cylinder 111, a pump head 112, and a pump head cover 113.
  • the case body 110, the cylinder 111, the pump head 112, and the pump head cover 113 are integrated with each other so as to be stacked in the Z-axis direction.
  • the case body 110 is connected to the third casing 103 that houses the motor M, and has a through hole 110h through which the connecting rod 22 passes.
  • the case main body 110 includes a fixed portion 110 a that fixes a bearing 32 (second bearing) that rotatably supports the drive shaft 131 of the motor M, and a cylindrical portion 110 b that accommodates the coil 132 of the motor M.
  • the bearing 32 is disposed between the main body of the motor M and the eccentric member 23.
  • the cylinder 111 is disposed between the case main body 110 and the pump head 112, and accommodates the piston 21 slidably in the Z-axis direction.
  • the pump head 112 is disposed between the cylinder 111 and the pump head cover 113, and includes an intake valve 112a and an exhaust valve 112b.
  • the pump head cover 113 is disposed on the pump head 112 and has an intake chamber 113a that communicates with the intake port 114a and an exhaust chamber 113b that communicates with the exhaust port 114b. As shown in FIG. 1, the intake port 114 a and the exhaust port 114 b are provided on the side surfaces of the pump portions 11 and 12 that face each other.
  • the piston 21 has a disk shape, and is fixed to the first end 221 of the connecting rod 22 via a screw member 25.
  • the piston 21 forms a pump chamber 26 between the piston 21 and the pump head 112.
  • the piston 21 reciprocates in the direction parallel to the Z-axis direction inside the cylinder 111 and alternately sucks and exhausts the pump chamber 26 via the intake valve 112a and the exhaust valve 11b, thereby performing a predetermined pump action.
  • FIG. 3 and 4 are a longitudinal sectional view and a perspective view showing a connection state between the connecting rod 22 and the eccentric member 23.
  • the connecting rod 22 connects the piston 21 and the eccentric member 23 to each other.
  • the connecting rod 22 has a first end 221 connected to the piston 21 and a second end 222 connected to the eccentric member 23.
  • the first end 221 is formed in a circular shape having substantially the same diameter as the piston 21.
  • a disc-shaped seal member 24 is attached between the piston 21 and the first end 221. The peripheral portion of the seal member 24 is bent toward the pump chamber 26 so as to be slidable on the inner peripheral surface of the cylinder 111.
  • the peripheral edge of the sealing member is bent to the side opposite to the pump chamber side.
  • a fitting hole 222a for fitting with the eccentric shaft 232 of the eccentric member 23 is formed in the second end portion 222 of the connecting rod 22, a fitting hole 222a for fitting with the eccentric shaft 232 of the eccentric member 23 is formed.
  • a bearing 31 (first bearing) that rotatably supports the eccentric shaft 232 is mounted in the fitting hole 222a.
  • FIG. 5 is a front view of the eccentric member 23 viewed from the Y-axis direction
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 5, and FIG.
  • the eccentric member 23 connects the drive shaft 131 of the motor M accommodated in the third casing 103 and the connecting rod 22 to each other.
  • the base block 230 has a substantially cylindrical base block 230.
  • the base block 230 has a first surface 230a in which a connection hole 231 connected to the drive shaft 131 is formed, and a second surface 230b in which an eccentric shaft 232 is formed.
  • the eccentric member 23 is formed integrally with the eccentric shaft 232, and in the present embodiment, is constituted by a sintered body of metal powder, ceramic powder, or a mixed powder thereof.
  • the base block 230 uses an iron-based material as a powder material.
  • connection hole 231 is configured by a circular bottomed hole formed at the center of the first surface 230a of the base block 230.
  • the drive shaft 131 is inserted into the connection hole 231 along the Y-axis direction, and is connected to the connection hole 231 by a fixing screw 41 that is screwed into a first screw hole H1 formed on the side peripheral surface of the base block 230. .
  • the eccentric shaft 232 is formed on the second surface 230b of the base block 230 so as to be eccentric with respect to the rotation center of the drive shaft 131 (center of the eccentric member 23).
  • the eccentric shaft 232 has a cylindrical shape having a hollow portion 232a.
  • the thickness of the eccentric shaft 232 is appropriately set according to the type of pump, the size of the load, etc., and the ratio of the thickness to the outer diameter of the eccentric shaft 232 is, for example, 0.1 to 0.2. .
  • the bearing 31 is mounted between the eccentric shaft 232 and the fitting hole 222 a of the connecting rod 22, and supports the eccentric shaft 232 so as to be rotatable with respect to the connecting rod 22.
  • the bearings 31 and 32 are constituted by an annular ball bearing having an inner ring (inner race), an outer ring (outer race), and a plurality of rolling elements (spheres) enclosed between them.
  • the inner ring 31a is fixed to the outer peripheral surface of the eccentric shaft 232 by press-fitting
  • the outer ring 31b is fixed to the inner peripheral surface of the fitting hole 222a by press-fitting, and a plurality of spaces are provided between the inner ring 31a and the outer ring 31b.
  • the rolling element 31c is accommodated.
  • the first pump unit 11 further has a counterweight 50.
  • the counterweight 50 is fixed to the side peripheral portion of the eccentric member 23 by a fixing screw 42 that is screwed into a second screw hole H2 formed on the side peripheral surface of the base block 230.
  • the counterweight 50 is for canceling vibration generated when the connecting rod 22 rotates about the eccentric shaft 232 due to the rotation of the drive shaft 131. Is arranged at a position biased in the opposite direction.
  • the second pump unit 12 is configured in the same manner as the first pump unit 11.
  • the second pump unit 12 is driven by a common motor M simultaneously with the first pump unit 11.
  • the drive shaft 131 extends to the second pump unit 12 side and is connected to an eccentric shaft (not shown) of the second pump unit 12.
  • the first pump unit 11 and the second pump unit 12 are driven with different phases.
  • the eccentric shafts of the pump parts 11 and 12 are set so that the piston of the second pump part 12 is located at the bottom dead center when the piston 21 of the first pump part 11 is located at the top dead center. Is done.
  • the eccentric member 23 rotates around the drive shaft 131 by driving the motor M, so that the eccentric shaft 232 has a radius corresponding to the eccentric amount from the drive shaft 131 along the circumference of the drive shaft 131. Revolve around.
  • the connecting rod 22 connected to the eccentric shaft 232 converts the rotation of the drive shaft 131 into the reciprocating movement of the piston 21 inside the cylinder 111. That is, the piston 21 reciprocates in the Z-axis direction while swinging in the X-axis direction in FIG. As a result, the intake and exhaust of the pump chamber 26 are alternately performed, whereby a predetermined boosting action by the first pump unit 11 is obtained. On the other hand, in the second pump unit 12, a predetermined evacuation action is obtained.
  • the bearing 31 mounted between the eccentric shaft 232 and the connecting rod 22 is always subjected to a variable load. Improving the durability of the bearing 31 greatly affects the life of the pump device 1.
  • the variation in load applied to the bearing 31 increases as the variation in the clearance (the bearing internal radial clearance) over the entire circumference between the inner ring and the outer ring increases. Therefore, in order to increase the durability of the bearing, it is necessary to reduce the variation in the gap.
  • FIG. 1 a configuration example of an eccentric member in a pump device having a conventional structure is shown in FIG.
  • the eccentric shaft 71 of the eccentric member 70 according to the comparative example has a solid columnar structure.
  • the bearing press-fit load on the outer peripheral portion of the eccentric shaft 71 is large, and it is difficult to mount the bearing with uniform stress in the circumferential direction.
  • the variation in the radial gap inside the bearing becomes large, and it is not easy to make the stress uniform over the entire circumference.
  • tolerance management is performed at, for example, 10/1000, sufficient improvement cannot be expected.
  • the eccentric shaft 232 has a hollow structure, so that the eccentric shaft 232 can be easily deformed in the axial direction (radial direction), and the outer circumferential surface of the eccentric shaft 232 It is possible to reduce the press-fitting load of the bearing 31 and to reduce the force of expanding the inner ring 31a outward. Thereby, the variation of the internal radial clearance of the bearing 31 can be reduced, and the uniformity of stress over the entire circumference of the bearing 31 can be improved.
  • FIG. 9 is a result of an experiment showing the relationship between the internal radial clearance (horizontal axis) of the bearing and the life of the bearing (vertical axis) by comparing a solid structure eccentric shaft and a hollow structure eccentric shaft. is there.
  • the life on the vertical axis (Life ⁇ ⁇ Ratio) is the relative value of the life when the internal radial clearance (Radial clearance) is an appropriate value (0.000) as a reference. When it is large, it is expressed as positive, and when it is smaller than the appropriate value, it is expressed as negative.
  • the service life decreases as the internal radial clearance deviates from the appropriate value.
  • the clearance between the inner ring and the outer ring is smaller than the proper value, it is larger than the proper value.
  • the rate of life reduction is large. This indicates that the greater the pressure that the inner ring receives radially outward when the bearing is pressed into the eccentric shaft, the greater the influence on the bearing life.
  • C ⁇ b> 1 shows the variation of the bearing internal radial clearance in the eccentric shaft of the solid structure according to the comparative example
  • C ⁇ b> 2 shows the variation of the bearing internal radial clearance in the eccentric shaft of the hollow structure according to the present embodiment.
  • L1 represents the variation in the bearing life of the eccentric shaft having the solid structure according to the comparative example
  • L2 represents the variation in the bearing life of the eccentric shaft having the hollow structure according to the present embodiment.
  • the variation in the radial clearance inside the bearing can be reduced, and the compressive stress on the radially outer side of the inner ring at the time of press-fitting can be reduced, so that an ideal radial clearance can be obtained. Can be realized. As a result, the expected bearing life can be secured stably, so that the life of the pump device can be increased.
  • the eccentric shaft 232 is formed on the eccentric member 23 which is a separate member from the drive shaft 131 and the connecting rod 22, the assembly workability of the drive shaft 131 and the connecting rod 22 is improved.
  • the length of the drive shaft 131 can be shortened. Therefore, the load of the bearing 32 that supports the drive shaft 131 can be reduced, and the life of the pump device 1 can be further improved.
  • the eccentric member 23 is made of a sintered body, it is possible to stably obtain the eccentric member 23 having excellent shape accuracy and having necessary mechanical strength.
  • a high melting point material or a plurality of types of materials that do not dissolve in each other can be used, the range of material selection can be expanded.
  • the pump device that drives the first pump unit 11 and the second pump unit 12 with the common drive unit 13 has been described as an example, but the pump device having a single pump unit is described. It is possible to apply to the same.
  • the eccentric member 23 is formed of a sintered body, but is not limited thereto, and may be formed of a cast or die cast part. Such a configuration can also reduce the variation in the internal radial clearance of the bearing and improve the bearing life.
  • the pump device according to the present invention is not limited to the oscillating piston type pump but can be similarly applied to other reciprocating pumps such as a diaphragm pump.

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Abstract

【課題】耐久性に優れたポンプ装置を提供する。 【解決手段】本発明の一実施形態に係るポンプ装置１においては、モータＭの駆動軸１３１の回転をピストン２１の往復移動に変換する偏芯軸２３２が中空構造を有する。偏芯軸２３２を中空構造とすることにより、偏芯軸２３２の軸直方向（径方向）への変形が容易となり、偏芯軸２３２外周面へのベアリング３１の圧入負荷を軽減することができる。これによりベアリング３１の内部ラジアル隙間のバラツキを小さくでき、ベアリング全周にわたる応力の均一性を高め、ベアリング３１の耐久性を高めることができると共に、ポンプ装置１の寿命を向上させることができる。

Description

ポンプ装置
　本発明は、ピストンの往復移動によってポンプ室を吸排気するポンプ装置に関する。
　真空ポンプの一種である揺動ピストン型ポンプは、シリンダ内でピストンが往復運動することによりポンプ室内の吸気及び排気を交互に行う往復移動式のポンプとして知られており、例えば真空ポンプや加圧ポンプとして広く使用されている。
　この種のポンプは、モータと、当該モータの駆動軸の回転中心に対して偏芯して配置された偏芯軸と、ピストンに接続されたコネクティングロッドと、偏芯軸の外周面に圧入され偏芯軸をコネクティングロッドに回転可能に連結するベアリングとを備え、駆動軸を中心とする偏芯軸の公転運動をピストンの往復移動に変換するように構成されている（例えば下記特許文献１参照）。
特開２００２－３６４５４３号公報
　しかしながら従来の偏芯軸は中実構造を有するため、偏芯軸の外周部分へのベアリングの圧入負荷が大きく、周方向に均一な応力でベアリングを装着することが困難である。その結果、ベアリングの圧入後は、ベアリングの内部ラジアル隙間（外輪と内輪との間の隙間）のバラツキが大きくなり、全周にわたる応力の均一化が容易でない。従ってポンプ運転中、ベアリングは常に変動負荷を受けることになり、これが原因でベアリングの耐久性が低下し、ポンプの寿命も低下するという問題がある。
　以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、耐久性に優れたポンプ装置を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るポンプ装置は、ピストンと、ポンプケースと、モータと、偏芯部材と、ロッド部材と、第１のベアリングとを具備する。
　上記ポンプケースは、上記ピストンを収容するシリンダを有する。
　上記モータは、駆動軸を有し、上記ポンプケースに固定される。
　上記偏芯部材は、上記駆動軸に連結され、上記駆動軸の回転中心に対して偏芯して形成された中空の偏芯軸を有する。
　上記ロッド部材は、上記ピストンに接続される第１の端部と、上記偏芯軸と嵌合する嵌合孔が形成された第２の端部と、を有し、上記駆動軸の回転を上記シリンダ内部における上記ピストンの往復移動に変換する。
　上記第１のベアリングは、上記偏芯軸と上記嵌合孔との間に装着され、上記ロッド部材に対して上記偏芯軸を回転可能に支持する。
本発明の一実施形態に係るポンプ装置の全体を示す斜視図である。 上記ポンプ装置の要部の縦断面図である。 上記ポンプ装置のコネクティングロッド及び偏芯部材との接続関係を示す縦断面図である。 上記ポンプ装置のコネクティングロッド及び偏芯部材との接続関係を示す斜視図である。 上記偏芯部材の正面図である。 上記偏芯部材の縦断面図である。 上記偏芯部材の斜視図である。 比較例に係る偏芯部材の斜視図である。 本実施形態の偏芯部材を備えたポンプ装置のベアリング特性を示す一実験結果である。
　本発明の一実施形態に係るポンプ装置は、ピストンと、ポンプケースと、モータと、偏芯部材と、ロッド部材と、第１のベアリングとを具備する。
　上記ポンプケースは、上記ピストンを収容するシリンダを有する。
　上記モータは、駆動軸を有し、上記ポンプケースに固定される。
　上記偏芯部材は、上記駆動軸に連結され、上記駆動軸の回転中心に対して偏芯して形成された中空の偏芯軸を有する。
　上記ロッド部材は、上記ピストンに接続される第１の端部と、上記偏芯軸と嵌合する嵌合孔が形成された第２の端部と、を有し、上記駆動軸の回転を上記シリンダ内部における上記ピストンの往復移動に変換する。
　上記第１のベアリングは、上記偏芯軸と上記嵌合孔との間に装着され、上記ロッド部材に対して上記偏芯軸を回転可能に支持する。
　上記ポンプ装置は、偏芯軸が中空構造を有するため、偏芯軸の軸直方向（径方向）への変形が容易となり、偏芯軸外周面への第１のベアリングの圧入負荷を軽減することができる。これにより第１のベアリングの内部ラジアル隙間のバラツキを小さくでき、ベアリング全周にわたる応力の均一性を高めることができる。したがって上記ポンプ装置によれば、第１のベアリングの耐久性を高め、ポンプ装置の寿命を向上させることができる。
　上記偏芯部材は、上記駆動軸と連結される連結孔が形成された第１の面と、上記偏芯軸が形成された第２の面とを有するベースブロックを、さらに有してもよい。
　これにより駆動軸とロッド部材との組み立て作業性を高めることができると共に、モータの駆動軸の長さを短くすることができる。
　上記構成におけるポンプ装置は、上記ポンプケースに固定され上記駆動軸を回転可能に支持する第２のベアリングをさらに具備してもよい。
　上述のようにモータの駆動軸が短くなる結果、当該駆動軸を支持する第２のベアリング部材に加わる負荷が軽減され、これによりポンプ装置の寿命をより一層向上させることができる。
　上記偏芯部材は、焼結体で構成されてもよい。
　これにより、形状精度に優れ、かつ必要な機械的強度を有する偏芯部材を安定して得ることが可能となる。
　上記ポンプ装置は、上記偏芯部材に取り付けられ上記偏芯部材と共に回転するカウンタウェイトをさらに具備してもよい。
　これによりモータの回転による振動の発生を抑制することができると共に、ポンプ装置の安定した吸排気動作を確保することができる。
　以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係るポンプ装置を示す全体斜視図である。
　本実施形態のポンプ装置１は、第１のポンプ部１１と、第２のポンプ部１２と、第１のポンプ部１１及び第２のポンプ部１２を共通に駆動する駆動部１３とを有する。
　第１のポンプ部１１は加圧ポンプ（昇圧ポンプ）として、第２のポンプ部１２は真空ポンプとしてそれぞれ構成されるが、両ポンプ部１１，１２がそれぞれ真空ポンプとして構成されてもよいし、加圧ポンプ（昇圧ポンプ）として構成されてもよい。ポンプ装置１は、例えば、燃料電池システムにおけるガスの昇圧ブロワ等として使用される。
　第１及び第２のポンプ部１１，１２は典型的には共通の構成を有しており、本実施形態では揺動ピストンポンプとして構成される。なおこれ以外にも、第１及び第２のポンプ部１１，１２は、ダイアフラムポンプ等の他の往復移動型ポンプとして構成されてもよい。
　ポンプ装置１は、第１のポンプ部１１の一部を構成する第１のケーシング１０１と、第２のポンプ部１２の一部を構成する第２のケーシング１０２と、駆動部１３の一部を構成する第３のケーシング１０３とを含むポンプケース１００を有する。
　図２は、第１のポンプ部１１及び駆動部１３の一部の構成を示す縦断面図である。図２においてＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、相互に直交する３軸方向をそれぞれ示している。なお、第２のポンプ部１２は、第１のポンプ部１１と同様に構成されているため、ここでは第１のポンプ部１１を主に説明する。
　第１のポンプ部１１は、第１のケーシング１０１と、ピストン２１と、コネクティングロッド２２（ロッド部材）と、偏芯部材２３とを有する。
　第１のケーシング１０１は、ケース本体１１０と、シリンダ１１１と、ポンプヘッド１１２と、ポンプヘッドカバー１１３とを有する。ケース本体１１０、シリンダ１１１、ポンプヘッド１１２及びポンプヘッドカバー１１３は、Ｚ軸方向に積み重ねられるように相互に一体化されている。
　ケース本体１１０は、モータＭを収容する第３のケーシング１０３と接続され、コネクティングロッド２２が貫通する貫通孔１１０ｈを有する。ケース本体１１０は、モータＭの駆動軸１３１を回転可能に支持するベアリング３２（第２のベアリング）を固定する固定部１１０ａと、モータＭのコイル１３２を収容する筒部１１０ｂとを有する。ベアリング３２は、モータＭの本体と偏芯部材２３との間に配置される。
　シリンダ１１１は、ケース本体１１０とポンプヘッド１１２との間に配置され、内部にピストン２１をＺ軸方向に摺動自在に収容する。ポンプヘッド１１２は、シリンダ１１１とポンプヘッドカバー１１３との間に配置され、吸気弁１１２ａ及び排気弁１１２ｂをそれぞれ有する。ポンプヘッドカバー１１３はポンプヘッド１１２の上に配置されており、吸気ポート１１４ａに連通する吸気室１１３ａと、排気ポート１１４ｂに連通する排気室１１３ｂとを内部に有する。吸気ポート１１４ａ及び排気ポート１１４ｂは、図１に示すように各ポンプ部１１，１２の相互に対向する側面にそれぞれ設けられている。
　ピストン２１は円板形状を有し、コネクティングロッド２２の第１の端部２２１にネジ部材２５を介して固定されている。ピストン２１は、当該ピストン２１とポンプヘッド１１２との間にポンプ室２６を形成する。ピストン２１は、シリンダ１１１の内部におけるＺ軸方向に平行な方向に往復移動し、吸気弁１１２ａ及び排気弁１１ｂを介してポンプ室２６を交互に吸気し及び排気することで、所定のポンプ作用を行う。
　図３及び図４は、コネクティングロッド２２と偏芯部材２３との接続状態を示す縦断面図及び斜視図である。
　コネクティングロッド２２は、ピストン２１と偏芯部材２３との間を相互に連結する。コネクティングロッド２２は、ピストン２１と接続される第１の端部２２１と、偏芯部材２３と接続される第２の端部２２２とを有する。第１の端部２２１は、ピストン２１とほぼ同径の円形に形成される。これらピストン２１と第１の端部２２１との間には円板形状のシール部材２４が取り付けられている。シール部材２４の周縁部は、シリンダ１１１の内周面に摺接可能にポンプ室２６側に折り曲げられている。
　なお真空ポンプとして構成される第２のポンプ部においては、上記シール部材の周縁部は、ポンプ室側とは反対側に折り曲げられる。
　コネクティングロッド２２の第２の端部２２２には、偏芯部材２３の偏芯軸２３２と嵌合する嵌合孔２２２ａが形成されている。嵌合孔２２２ａには偏芯軸２３２を回転自在に支持するベアリング３１（第１のベアリング）が装着されている。
　図５はＹ軸方向から見た偏芯部材２３の正面図、図６は図５におけるＡ－Ａ線方向の断面図、図７は偏芯部材２３の斜視図である。
　偏芯部材２３は、第３のケーシング１０３に収容されたモータＭの駆動軸１３１とコネクティングロッド２２との間を相互に連結する。ベースブロック２３０は、略円柱形状のベースブロック２３０を有する。
　ベースブロック２３０は、駆動軸１３１と連結される連結孔２３１が形成された第１の面２３０ａと、偏芯軸２３２が形成された第２の面２３０ｂとを有する。偏芯部材２３は、偏芯軸２３２と一体的に形成され、本実施形態では金属粉末、セラミック粉末あるいはこれらの混合粉末の焼結体で構成される。本実施形態では、ベースブロック２３０は、粉末材料として鉄系材料が用いられる。
　連結孔２３１は、ベースブロック２３０の第１の面２３０ａの中心部に形成された円形の有底孔で構成される。駆動軸１３１は、Ｙ軸方向に沿って連結孔２３１に挿入され、ベースブロック２３０の側周面に形成された第１のネジ孔Ｈ１に螺合する固定ネジ４１によって連結孔２３１と連結される。
　偏芯軸２３２は、ベースブロック２３０の第２の面２３０ｂに、駆動軸１３１の回転中心（偏芯部材２３の中心）に対して偏芯して形成される。偏芯軸２３２は、中空部２３２ａを有する円筒形状を有する。偏芯軸２３２の肉厚は、ポンプの種類や負荷の大きさ等に応じて適宜設定され、偏芯軸２３２の外径に対する肉厚の比は、例えば０．１～０．２とされる。
　ベアリング３１は、偏芯軸２３２とコネクティングロッド２２の嵌合孔２２２ａとの間に装着され、コネクティングロッド２２に対して偏芯軸２３２を回転可能に支持する。ベアリング３１，３２は、内輪（インナレース）と、外輪（アウタレース）と、これらの間に封入された複数の転動体（球）とを有する円環状の球軸受で構成される。ベアリング３１に関しては、内輪３１ａは偏芯軸２３２の外周面に圧入により固定され、外輪３１ｂは嵌合孔２２２ａの内周面に圧入により固定され、これら内輪３１ａと外輪３１ｂとの間に複数の転動体３１ｃが収容される。
　第１のポンプ部１１は、カウンタウェイト５０をさらに有する。カウンタウェイト５０は、ベースブロック２３０の側周面に形成された第２のネジ孔Ｈ２に螺合する固定ネジ４２によって偏芯部材２３の側周部に固定される。カウンタウェイト５０は、駆動軸１３１の回転に伴うコネクティングロッド２２の偏芯軸２３２まわりの回転の際に生じる振動を打ち消すためのもので、駆動軸１３１に対して偏芯軸２３２の偏芯方向とは逆方向に偏倚した位置に配置される。
　第２のポンプ部１２は、第１のポンプ部１１と同様に構成される。第２のポンプ部１２は、第１のポンプ部１１と同時に共通のモータＭによって駆動される。駆動軸１３１は、第２のポンプ部１２側にも延在し、第２のポンプ部１２の偏芯軸（図示略）に連結される。本実施形態では、第１のポンプ部１１と第２のポンプ部１２とが異なる位相で駆動される。例えば、第１のポンプ部１１のピストン２１が上死点に位置するとき、第２のポンプ部１２のピストンが下死点に位置するように、各ポンプ部１１，１２の偏芯軸が設定される。
　次に、以上のように構成される本実施形態のポンプ装置１の動作について説明する。ここでは、第１のポンプ部１１の作用を中心に説明する。
　モータＭの駆動により偏芯部材２３が駆動軸１３１のまわりに回転することで、偏芯軸２３２は、駆動軸１３１からの偏芯量に対応する半径を有する円周に沿って駆動軸１３１のまわりを公転する。偏芯軸２３２に連結されたコネクティングロッド２２は、駆動軸１３１の回転をシリンダ１１１の内部におけるピストン２１の往復移動に変換する。すなわちピストン２１は、シリンダ１１１の内部において図２においてＸ軸方向に揺動しながらＺ軸方向に往復移動する。これによりポンプ室２６の吸気及び排気が交互に行われることで、第１のポンプ部１１による所定の昇圧作用が得られる。一方、第２のポンプ部１２においては所定の真空排気作用が得られる。
　ここで、ポンプ装置１の駆動時、偏芯軸２３２とコネクティングロッド２２との間に装着されたベアリング３１は、常に、変動負荷を受けている。このベアリング３１の耐久性を向上させることは、ポンプ装置１の寿命に大きな影響を与える。ベアリング３１に加わる負荷変動は、内輪と外輪間の全周にわたる隙間（ベアリング内部ラジアル隙間）のバラツキが大きいほど大きい。そのため、ベアリングの耐久性を高めるには、上記隙間のバラツキを小さくする必要がある。
　比較例として、従来構造のポンプ装置における偏芯部材の構成例を図８に示す。比較例に係る偏芯部材７０の偏芯軸７１は中実の円柱構造を有する。このような偏芯軸７１にベアリングの内輪を圧入により固定すると、偏芯軸７１の外周部分へのベアリングの圧入負荷が大きく、周方向に均一な応力でベアリングを装着することが困難である。その結果、ベアリングの圧入後は、ベアリング内部ラジアル隙間のバラツキが大きくなり、全周にわたる応力の均一化が容易でない。また当該バラツキを小さくするため、偏芯軸７１の加工を旋削・研削等により行い、公差管理を例えば10/1000で実施したとしても十分な改善が期待できない。
　これに対して本実施形態のポンプ装置１においては、偏芯軸２３２が中空構造を有するため、偏芯軸２３２の軸直方向（径方向）への変形が容易となり、偏芯軸２３２外周面へのベアリング３１の圧入負荷を軽減し、内輪３１ａを径外方側へ広げる力を小さくすることができる。これによりベアリング３１の内部ラジアル隙間のバラツキを小さくでき、ベアリング３１全周にわたる応力の均一性を高めることができる。
　図９は、ベアリングの内部ラジアル隙間（横軸）とベアリングの寿命（縦軸）との関係を、中実構造の偏芯軸と中空構造の偏芯軸とを比較して示す一実験結果である。縦軸の寿命（Life Ratio）は、内部ラジアル隙間（Radial clearance）が適正値（0.000）の場合を基準としたときの寿命の相対値であり、横軸の数値の極性は、適正値よりも大きいときを正、適正値よりも小さいときを負として表している。
　図９に示すように、内部ラジアル隙間が適正値から外れるほど寿命が低下し、特に、内輪と外輪間の隙間が適正値よりも小さいときの方が、適正値よりも大きいときと比較して寿命の低下率が大きい。これは、偏芯軸へのベアリングの圧入時に内輪が径外方側へ受ける圧力が大きいほど、ベアリング寿命への影響が大きいことを表している。
　図９において、Ｃ１は、比較例に係る中実構造の偏芯軸におけるベアリング内部ラジアル隙間のバラツキを示し、Ｃ２は、本実施形態に係る中空構造の偏芯軸におけるベアリング内部ラジアル隙間のバラツキを示す。また、Ｌ１は、比較例に係る中実構造の偏芯軸におけるベアリング寿命のバラツキを表し、Ｌ２は、本実施形態に係る中空構造の偏芯軸におけるベアリング寿命のバラツキを表している。
　図９から明らかなように、本実施形態によれば、ベアリング内部ラジアル隙間のバラツキを小さくすることできるとともに、圧入時における内輪の径外方側への圧縮応力を小さくし、理想的なラジアル隙間を実現することができる。これにより安定して所期のベアリング寿命を確保することができるので、ポンプ装置の高寿命化を実現することができる。
　また本実施形態によれば、偏芯軸２３２が、駆動軸１３１やコネクティングロッド２２とは別部材である偏芯部材２３に形成されているため、駆動軸１３１とコネクティングロッド２２との組み立て作業性を高めることができると共に、駆動軸１３１の長さを短くすることができる。したがって駆動軸１３１を支持するベアリング３２の負荷も低減でき、ポンプ装置１の寿命をより一層向上させることができる。
　さらに偏芯部材２３が焼結体で構成されているため、形状精度に優れ、かつ必要な機械的強度を有する偏芯部材２３を安定して得ることができる。また、高融点材料や相互に固溶しない複数種の材料を用いることができるため、材料選択の幅を広げることができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
　例えば以上の実施形態では、第１のポンプ部１１と第２のポンプ部１２とを共通の駆動部１３で駆動するポンプ装置を例に挙げて説明したが、単一のポンプ部を有するポンプ装置にも同様に適用することが可能である。
　また以上の実施形態では、偏芯部材２３を焼結体で構成したが、これに限られず、鋳造あるいはダイキャスト部品で構成されてもよい。このような構成によってもベアリングの内部ラジアル隙間のバラツキを小さくでき、ベアリング寿命を向上させることができる。
　さらに上述のように本発明に係るポンプ装置は、揺動ピストン型ポンプだけに限られず、ダイアフラムポンプ等の他の往復移動型ポンプにも同様に適用可能である。
　１…ポンプ装置
　１１…第１のポンプ部
　１２…第２のポンプ部
　１３…駆動部
　２１…ピストン
　２２…コネクティングロッド
　２３…偏芯部材
　３１…ベアリング
　５０…カウンタウェイト
　１００…ポンプケース
　１１１…シリンダ
　１３１…駆動軸
　２３１…連結孔
　２３２…偏芯軸
　Ｍ…モータ

Claims (5)

  1. 　ピストンと、
    　前記ピストンを収容するシリンダを有するポンプケースと、
    　駆動軸を有し、前記ポンプケースに固定されたモータと、
    　前記駆動軸に連結され、前記駆動軸の回転中心に対して偏芯して形成された中空の偏芯軸を有する偏芯部材と、
    　前記ピストンに接続される第１の端部と、前記偏芯軸と嵌合する嵌合孔が形成された第２の端部と、を有し、前記駆動軸の回転を前記シリンダ内部における前記ピストンの往復移動に変換するロッド部材と、
    　前記偏芯軸と前記嵌合孔との間に装着され、前記ロッド部材に対して前記偏芯軸を回転可能に支持する第１のベアリングと
    　を具備するポンプ装置。
  2. 　請求項１に記載のポンプ装置であって、
    　前記偏芯部材は、前記駆動軸と連結される連結孔が形成された第１の面と、前記偏芯軸が形成された第２の面とを有するベースブロックを、さらに有する
    　ポンプ装置。
  3. 　請求項２に記載のポンプ装置であって、
    　前記ポンプケースに固定され、前記駆動軸を回転可能に支持する第２のベアリングをさらに具備する
    　ポンプ装置。
  4. 　請求項２に記載のポンプ装置であって、
    　前記偏芯部材は、焼結体で構成される
    　ポンプ装置。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載のポンプ装置であって、
    　前記偏芯部材に取り付けられ、前記偏芯部材と共に回転するカウンタウェイトをさらに具備する
    　ポンプ装置。
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