WO2004029462A1 - ベーンロータリ型空気ポンプ - Google Patents

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rotor
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Kiyoshi Sawai
Atsushi Sakuda
Tatsuya Nakamoto
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • F05C2253/04—Composite, e.g. fibre-reinforced

Definitions

  • the present invention relates to a configuration of a van rotary air pump used for an air supply device of a notebook personal computer for a mopile using a fuel cell.
  • FIGS. 10 and 11 show a conventional vane rotary compressor described in the above-mentioned patent document.
  • FIG. 11 is a sectional view taken along line II of FIG.
  • a cylindrical rotor 14 is disposed in a cylinder 13 having a cylindrical inner surface with its central axis eccentric by a predetermined amount from the central axis of the cylinder 13.
  • Rotor Three grooves 16 are provided radially outwardly from the center of the groove 14, and a plate-like vane 17 is slidably fitted in these grooves 16. The tip of 7 slides on the inner surface of the cylinder 13.
  • the cylinder 13, the mouth 14, the vane 1, and the front plate 11 and the rear plate 12 are arranged on the end face of the cylinder 13 so as to sandwich the mouth 14 and the vane 17.
  • the front plate 1 1 and the rear plate 1 2 t the cylinder 1 3 in which a plurality of compression spaces 1 8 are formed is surrounded by a includes an inlet 1 9 and the discharge port 2 0 therearound.
  • the mouth 14 is provided with a mechanical shaft 15 for transmitting a driving force.
  • an oil supply case 25 is provided behind the rear plate 12, and an oil reservoir 26 is formed therein.
  • An oil control valve for supplying lubricating oil from the oil reservoir 26 to the groove 16 of the outlet 14 through an oil supply passage 28 formed in the rear plate 12 is provided in the oil supply case 25.
  • Unit 29 is stored.
  • the rotor 14 rotates clockwise in FIG. 11 and returns from the refrigeration cycle.
  • the refrigerant gas sucked into the compression space 18 in the cylinder 13 from the suction port 19 is compressed.
  • the compressed high-pressure gas is discharged from the discharge port 20 and enters the refueling case 25.
  • the lubricating oil is separated in the oil supply case 25, and only the refrigerant gas goes out to the refrigeration cycle.
  • the separated lubricating oil is temporarily stored in the oil reservoir 26, and then supplied from the oil control valve unit 29 to the groove 16 of the mouth 14 through the oil supply passage 28.
  • FIGS. 12 and 13 show another conventional vane rotary type pump described in JP2001-2221A.
  • the other vane type pump has a cylinder 13 having a cylindrical inner wall closed at both ends by a front plate 11 and a rear plate 12. Inside the cylinder 13, there is disposed a rotor 14 whose outer periphery forms a small gap with the inner wall of the cylinder 13. Both ends of the mechanical shaft 15 integrally formed with the rotor 14 are rotatably supported by the front plate 11 and the rear plate 12.
  • a plurality of grooves 16 are formed on the outer peripheral surface of the rotor 14, and one end of a van 17 is slidably inserted into each groove 16.
  • the vane 17 forms a pump space 18 together with the cylinder 13, the rotor 14, the front plate 11, and the rear blade 12.
  • the cylinder 13 has a suction port 19 communicating with the pump space 18 on the suction side, and a discharge port 20 communicating with the pump space 18 on the compression side.
  • the engine or the motor shaft drives the mechanical shaft 15 integrated with the rotor 14 via the belt.
  • Met If we consider improving this configuration and driving the mechanical shaft 15 with the motor shaft by arranging the motor on the same axis, it is difficult to accurately match the axis between the two shafts. There was a problem that the configuration was difficult.
  • two shafts are connected by a flexible joint or a coupling part, there is a problem that the overall size is increased.
  • the conventional configuration described above has a configuration in which a suction port 19 and a discharge port 20 are provided on the outer peripheral portion of the cylinder 13, and has a problem that the outer diameter of the entire compressor increases. .
  • the present invention solves such a conventional problem, and provides a vane rotary type air pump capable of oilless operation, capable of directly connecting a pump mechanism and a motor, and having a small outer diameter of the entire pump. Further, the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and has as its object to provide a vane rotary type air pump capable of suppressing a decrease in transmission efficiency and being driven by a DC motor. I do.
  • a plate is provided between the rear plate and the motor, and the motor is fastened to the pump mechanism, and a suction port and a discharge port are arranged on the front plate, so that an axial direction of the cylinder is provided.
  • diameter It is an object of the present invention to provide a vane rotary air pump having a reduced height.
  • the purpose of the present invention is to provide a vane rotary type air pump that reduces fluid suction loss during high-speed rotation of the pump mechanism and suppresses a decrease in suction volume.
  • the present invention provides a vane rotary type pump mechanism using a self-lubricating material for an internal sliding surface, and a motor for driving the pump mechanism. And the above-mentioned motor shaft are integrated.
  • the mechanical shaft of the pump mechanism and the motor shaft of the motor are integrally configured, the axes of the pump mechanism and the motor can be easily matched with each other, and the accuracy can be improved.
  • the whole pump can be assembled high and easily. Furthermore, since no joint is required between the mechanical shaft and the motor shaft, the size can be reduced.
  • a cylinder having a cylindrical inner surface, a cylindrical rotor having a central axis decentered by a predetermined amount from the central axis of the cylinder, and Is provided with a plurality of grooves in the center axis direction, and a plate-like vane made of a material having self-lubricating properties is fitted in these grooves in a slidable state, and a self-lubricating material is formed on the sliding surface.
  • a plurality of pump spaces are created by arranging a front plate and a rear plate provided on the end surface of the cylinder so as to sandwich the opening and the vane, and a pump mechanism including a force shaft on the center axis of the rotor.
  • a DC motor is arranged adjacent to the pump mechanism via the rear plate, and the DC motor drives a mechanical shaft to move the pump space as the vanes rotate. Change in volume Thereby constituting an oil-less air pump that is made by integrating configure Motashafu bets of the DC motor and dudes catcher oice
  • the vane is made of the above-mentioned self-lubricating material and fits in the groove of the rotor in a slidable state, and the front and rear plates having a self-lubricating material on the sliding surface are used. By arranging these plates on the end surface of the cylinder with the vane sandwiched, friction loss and wear on the sliding surface are reduced, and as a result, oil-less operation becomes possible.
  • the pump mechanism and the motor shaft of the DC motor are integrated, the pump mechanism and the motor shaft can be easily aligned with each other for high accuracy and high accuracy. Can be assembled. In addition, since no joint is required between the mechanical shaft and the motor shaft, the size can be reduced.
  • the present invention provides a pump mechanism that includes two grooves that are offset from the center axis of the rotor and that has a suction port and a discharge port on a front plate.
  • the DC motor uses a brushless DC motor.
  • the diameter of the rotor and, consequently, the diameter of the pump mechanism can be reduced.
  • the outer diameter of the pump mechanism can be reduced to ⁇ 30 mm or less, and downsizing applicable to a fuel cell for mopile equipment can be realized.
  • the present invention is such that the outer circumference of a cylindrical surface of a pump mechanism and the outer circumference of a DC motor have substantially the same diameter, and a whole is formed as one cylinder.
  • the present invention provides a vane made of a carbon composite material, an aluminum alloy or a PEEK-based resin used in a raw material, and an aluminum cylinder having a silicon content of about 10% in a cylinder.
  • the front and rear plates are made of an alloy with a self-lubricating material containing PTFE or molybdenum disulfide on the surface.
  • the present invention is such that the mechanical shaft and the motor shaft of the DC motor are joined via the mouth. According to the present invention, the motor shaft and the mouth of the DC motor can be coupled while suppressing a decrease in transmission efficiency.
  • the present invention press-fits or fits a motor shaft to a rotor or joins the shaft with an adhesive. According to the present invention, it is possible to couple the motor shaft and the rotor while suppressing a reduction in transmission efficiency without performing slip prevention processing such as an I-cut on the motor shaft and the rotor.
  • the present invention provides a port hole and a counterbore formed between the rear plate and the motor with the same pitch and the same diameter as those of the pump mechanism and the motor, respectively.
  • the pump mechanism is fastened to the motor.
  • the pitch and diameter of the bolt holes for fastening the pump mechanism are made as small as possible, regardless of the pitch and diameter of the existing screw holes formed on the end face of the casing of the DC motor. It can be installed on the outer peripheral side, and the inner diameter of the cylinder can be increased. As a result, the cylinder can be shortened in the axial direction, It is easy to reduce the size of the structure.
  • the front plate includes a suction port, a discharge port, and a discharge port.
  • the discharge path on the outer peripheral portion of the cylinder is not required, the pump mechanism can be shortened in the radial direction, and the size of the pump mechanism can be easily reduced.
  • the present invention provides a first suction path for guiding outside air from a suction port formed in the front plate to the pump space, and a through hole in the cylinder;
  • a suction port is formed in the rear plate so as to communicate therewith, and a second suction path is provided for guiding outside air from the suction port of the front plate to the pump space through the through hole and the suction port of the rear plate.
  • suction can be performed not only from the front plate but also from the rear plate, and the suction loss of the fluid at the time of high-speed rotation of the pump mechanism can be reduced, and the reduction in the suction amount can be suppressed.
  • the present invention provides a communication path from the through hole to the pump space at a central portion in the longitudinal direction of the through hole, and connects the communication port with the through hole from the suction port.
  • a third suction path is provided for guiding outside air to the pump space through the third suction path.
  • the present invention provides a method for manufacturing a rotor, comprising:
  • the front plate is provided with a suction port and a recessed discharge port so as to face the pump space over a range up to the rotation angle.
  • the fluid in the discharge chamber can be pushed out by the vane in almost the entire area of the discharge chamber, so that the discharge loss is reduced.
  • the leakage from the minimum radial gap between the rotor and the cylinder to the suction chamber can be suppressed, so that the suction loss is reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a vane rotary air pump showing a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a vertical and horizontal sectional view of a vane rotary type air pump showing a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view of a front plate of the vane rotary air pump according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of a rear plate of the vane type air pump according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing a use state in which a van rotary type air pump according to a second embodiment of the present invention is incorporated in a personal computer.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a third embodiment of the vane rotary type air pump according to the present invention.
  • FIG. 7 is a sectional view of a vane rotary type air pump.
  • FIG. 8 is a front view of the plate of the vane-rotary air pump of FIG.
  • FIG. 9 is a front view of the front plate of the vane rotary air pump of FIG.
  • FIG. 10 is a vertical sectional view of the front of a conventional vane rotary compressor.
  • FIG. 11 is a vertical view of a side surface of a conventional vane compressor.
  • FIG. 12 is a longitudinal sectional view of another conventional vane-roller type pump.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of another conventional vane overnight pump. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a vane rotary air pump according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the vane rotary air pump according to the present embodiment, and
  • FIG. 1 is a sectional view taken along line AA in FIG.
  • the vane rotary air pump main body 101 according to the present embodiment includes a pump mechanism 102 and a DC motor 119.
  • the pump mechanism 102 will be described.
  • the mouth-shaped mouth 107 is arranged close to the inner surface 104.
  • two grooves 108 are offset from the center axis of the rotor 107 in the direction of the center axis, i.e., parallel to and opposite to each other across the center axis. It is provided with an opening.
  • a plate-like vane 109 made of a self-lubricating carbon composite material is fitted in the groove 108 in a slidable state, and the tip of the vane 109 is attached to the cylinder 103. It is configured to be in sliding contact with the inner surface 104.
  • the rotor 107 is made of an aluminum alloy to reduce its weight.
  • the cylinder 103 is made of an aluminum alloy with a silicon content of about 10%.
  • the front plate 1 1 1 and the rear plate 1 1 2 are arranged on both end surfaces of the cylinder 103 so as to sandwich the rotor 1 107 and the van 1 109 from both sides. .
  • cylinder 103, rotor 107, vane 109, front plate 1 1 1 and rear plate 1 1 A plurality of pump spaces 1 2 4 surrounded by 2 are formed. That is, in the cylinder space inside the cylindrical cylinder 103, a cylindrical roller 107 having a smaller diameter than this space is eccentric to one side, and is eccentrically attached to the front plate 111 and the rear plate 112. It is pivoted. This creates a crescent-shaped open space in the cylindrical cylinder 103. This crescent-shaped space is partitioned by a vane 109 to form a plurality of pump spaces 124.
  • the inner surfaces of the front plate 111 and the rear plate 112 are coated with a self-lubricating material containing molybdenum disulfide.
  • the front plate 1 11 is provided with a suction port 1 13, a discharge port 1 1 4, and a discharge port 1 15 connected to the discharge port 1 1 4.
  • the suction port 1 13 is a substantially trapezoidal penetrating hole
  • the discharge port 1 14 is a port in which the inner wall of the front plate 11 is recessed in a groove shape, and the discharge port 1 15 It is connected with.
  • a recessed suction port 117 having the same shape as the suction port 113 is provided in a portion of the rear bracket 112 opposed to the suction port 113. 19 will be described.
  • a DC motor 119 is arranged in direct contact with the rear bracket 112. Therefore, the rear plate 112 also serves as the lid of the casing on one side of the DC motor 119.
  • a brushless DC motor is used for the DC motor 119.
  • the DC motor 119 includes a rotor 121 having a cylindrical coil 120 and a permanent magnet, and the rotor 121 has a long shaft 110.
  • This shaft 110 has both the DC motor and the shaft 107 of the pump mechanism. That is, the shaft 1 1 0 is supported by motor bearings 122 and 123 inside the DC motor 119, but extends from the DC motor 119 to the pump mechanism side, and within the pump mechanism part 102. It is supported by bearings 1 16 in front plate 1 11 and bearings 1 1 8 in rear plate 1 1 2. Inside the pump mechanism, the rotor has a rotor 107 fixed and plays a role of transmitting the rotational force generated by the DC motor 119 to the mouth 107.
  • the remaining air passes through a suction passage 105 passing through the cylinder 103 and then is drawn into a pump space 124 via a suction port 117 provided in a rear plate 112.
  • a vane 109 was made of a carbon composite material of the above configuration. Moreover, The cylinder 103 on which the tip of the vane 109 contacts and slides was made of an aluminum alloy containing 10% silicon. In addition, the sliding surfaces of the front plate 111 and the rear plate 112 are coated with a self-lubricating material containing molybdenum disulfide, and the two plates are sandwiched between the rotor 107 and the vane 109. 1 1 1 and 1 1 2 were placed on the end face of cylinder 103. With these configurations, compatibility on each sliding surface was improved, and friction loss and wear were reduced. As a result, oil-less operation was enabled.
  • the axis of the pump mechanism 102 and the shaft of the motor unit 119 are aligned.
  • the pumps can be easily matched, and the entire pump 101 can be assembled with high accuracy and ease.
  • the need for a joint between the shaft and motor shaft is eliminated.
  • the air supply device of the fuel cell for mopile which requires a relatively small step-up width, can be sufficiently pressurized even if the number of the vanes 109 is two.
  • the diameter of the rotor 107 can be significantly reduced, so the above configuration is adopted.
  • the suction port and the discharge port are not provided around the cylinder 103, and the front plate 1 11 is provided with the suction port 1 13 and the discharge port 1 15 to reduce the outer diameter of the pump mechanism. It was possible to reduce the diameter to ⁇ 30 mm or less, realizing miniaturization applicable to fuel cells for mopile equipment.
  • a material containing molybdenum disulfide is used as a self-lubricating coating material for the front plate 11 and the rear plate 112.
  • a material containing PTFE is used. Same when used Low friction and low wear can be obtained.
  • aluminum alloy is used as the material of raw material 107.
  • PEEK-based resin is used instead, the linear expansion coefficient is reduced by mixing the resin components. Since it can be combined with an aluminum alloy (cylinder 103), the gap can be set small and the weight can be further reduced while ensuring the air pump performance.
  • FIG. 5 is a perspective view when the vane rotary air pump according to Embodiment 2 of the present invention is incorporated in a personal computer.
  • the outer circumference of the cylindrical surface of the pump mechanism 102 and the outer circumference of the DC motor 119 have substantially the same diameter, so that one It forms a cylindrical shape.
  • the personal computer 201 has a main body 201 and a liquid crystal display 202 connected together by a hinge 203. Since the hinge portion 203 has a cylindrical shape, the fuel portion (methanol container) 204 of the fuel cell and the fuel cell body cell 205 are first mounted on this portion. Next, the vane rotor U-type air pump 101 of the present invention can also be configured in a cylindrical shape as described above, and can be easily provided on the hinge portion 203 as an air pump for supplying air to the fuel cell 205. It can be stored in
  • FIGS. 6 and 7 are cross-sectional views of a vane rotary air pump according to Embodiment 3 of the present invention.
  • this vane rotary type air pump is provided with a cylindrical rotor 107 in a cylinder space of a cylinder 103 as in the first embodiment, in a cylinder 103 having a cylindrical inner wall. It is arranged eccentrically from the center axis of.
  • a plurality of (two in FIG. 1) grooves 108 are provided in the central axis 107 in the direction of the central axis thereof, offset from the central axis of the central axis 107.
  • a plate-like vane 109 made of a material having self-lubricating properties is fitted in these grooves 108 in a slidable state.
  • a front plate 1 1 1 and a rear plate 1 1 2 with a self-lubricating material on the sliding surface are arranged on the end face of the cylinder 103 so as to sandwich the rotor 107 and the vane 109, and the pump space 1 2 4 is formed.
  • the central shaft of the rotor 107 is equipped with a mechanical shaft 110, which rotates with the pole bearings 1 16 and 1 18 press-fitted into the front plate 1 1 1 and rear plate 1 1 2 and plate 1 3 4.
  • the pump mechanism 102 is constituted by being supported as much as possible.
  • a DC motor 119 is arranged adjacent to the pump mechanism 102 via a rear bracket 112 to constitute an oilless air pump.
  • the DC motor 119 has a coil 120 arranged around the outer periphery of the rotor 121, and the motor shaft 125 is supported by the bearings 122 and 123.
  • the bearings 122 are provided in the casing of the DC motor 119. According to this configuration, the rotor 121 obtains rotational torque and rotates by the magnetic action between the rotor 121 and the coil 120. Rotary force can be transmitted to the pump mechanism 102 by rotating the motor shaft 125 integrally formed with the rotor 122 by bearings 122 and 123. Noh.
  • the torque output by the DC motor 119 is transmitted to the rotor 107 coupled to the motor shaft 125.
  • Mo overnight shuffle 1 2 5 and low The connection in the evening 107 may be performed by inserting one end of the motor shaft 125 coated with an adhesive into the through hole of the opening 107, or by press-fitting or shrink fitting. With such a configuration, the motor shaft 12 is connected to the pump mechanism 102.
  • the vane 109 jumped radially outward along the groove 108 of the rotor 107 by centrifugal force due to the centrifugal force, and the pump space 1 2 Rotate 4
  • the fluid sucked from the suction port 113 is compressed and discharged from the discharge port 115 through the discharge port 114.
  • the mechanical shaft 110 is formed integrally with the rotor 107. In order to drive the rotor 107 with the integrated DC motor 119, however, since the motor shaft 125 of the DC motor 119 and the power shaft 110 must be connected by a coupling part, the transmission efficiency is reduced as described above.
  • the motor shaft 125 and the mechanical shaft 110 are connected to each other by the rotor 107 serving as a coupling. That is, the motor shaft 125 and the power shaft 110 are press-fitted into the through shaft hole of the mouth 107, shrink-fitted, or bonded with an adhesive, so that the motor shaft 125 is The reduction of torque transmission efficiency from the DC motor to the pump mechanism can be suppressed without performing slip prevention processing on the motor.
  • FIG. 8 shows a front view of the plate 13.
  • this plate 13 4 was drilled with the same pitch and the same diameter as the fastening holes 106 a of the pump mechanism in order to fasten the DC motor 1 19 to the pump mechanism 102.
  • a DC motor fastening hole 302 is formed at the same pitch and the same diameter as the fastening hole (not shown) of the DC motor 119, and has a counterbore.
  • a port is screwed into the DC motor fastening hole 302 on the inner peripheral side of the plate, which is formed at the same pitch and the same diameter as the existing fastening hole formed in the motor casing, and the DC motor is mounted.
  • the Porto head does not protrude from the plate.
  • the port is passed through a pump mechanism fastening hole 106a formed on the outer peripheral side of the plate, and fastened to the DC motor fastening hole 302, and the pump mechanism is fastened to the plate 134.
  • the pump mechanism 102 and the DC motor 119 are connected via the plate 134.
  • the pump mechanism 102 and the DC motor 119 can be fastened irrespective of the pitch and diameter of the existing screw holes formed on the end face of the casing of the DC motor 119.
  • the pump mechanism fastening hole 106a can be installed on the outer peripheral side of the pump mechanism 101 as much as possible while securing the thickness of the cylinder 103 of the pump mechanism 101.
  • the inner diameter of the cylinder 103 can be increased. Therefore, the cylinder 103 can be made smaller in the radial direction, and the pump mechanism 101 can be easily downsized.
  • the vane rotary air pump has a suction port 1 13, a discharge port 1 14 and a discharge port 1 15 on a front plate 11 1.
  • the fluid sucked in from the suction port 113 of the front plate 111 flows into the pump space 124, and is compressed by the rotation of the vane 109, and then compressed. Discharge is performed from the discharge port 1 14 of the plate 1 11 through the discharge port 1 15.
  • the suction path of this vane-in-one air pump is connected to a suction port 113 provided in a front plate 111 so that a mechanical shaft is provided on the wall of the cylinder 103.
  • a through hole 105 is provided in parallel with 110.
  • a recessed suction port 117 is provided in the rear plate 112 so that the through hole 105 communicates with the pump space 124.
  • a communication path (not shown) is provided at a central portion in the longitudinal direction of the through hole 105 so as to radially communicate from the through hole 105 to the pump space 124.
  • the first path is a path that directly flows into the pump space 124 from the front plate 111.
  • the second path is from the suction port 113 through the through hole 105 provided in the cylinder 103, and the suction communicating with the through hole 105 provided in the rear plate 112. This is a path for suctioning into the pump space 1 24 via the port 1 17.
  • a pump space is formed from the suction port 113 through the communicating portion formed in the radial direction of the through hole 105 from the center in the longitudinal direction of the cylinder 103.
  • suction is performed only in one path from the suction port 19 of the front plate 11 to the pump space 18, so if the pump mechanism is rotated at high speed, the time of the suction stroke Is shortened. There was a problem that the amount of fluid suction was reduced due to the inertial force of the incoming fluid, and the suction efficiency was reduced.
  • suction can be performed not only from the front plate 111 but also from the rear blade 112, so that suction pressure loss during high-speed rotation of the pump mechanism can be reduced, and suction loss can be reduced.
  • suction is possible from the center in the longitudinal direction of the cylinder, further reducing suction pressure loss due to an increase in fluid suction volume, and reducing suction loss.
  • FIG. 9 shows a front view of the front plate 1 1 1.
  • the rotation angle of the rotor 107 with the volume ratio exceeding about 1 is about 5 times the minimum radial gap between the rotor 107 and the cylinder 103 from the rotation angle of the rotor 107.
  • a recessed discharge port 114 is formed on the back surface of the front plate 111 so as to face the pump space 124 extending over the range up to the angle.
  • the volume ratio refers to the ratio between the maximum capacity of the pump space 124 after the suction of the rotor 107 and the capacity of the rotor 107 facing the discharge port 114.
  • the minimum radial gap between the rotor 107 and the cylinder 103 in FIG. 9 refers to the right gap drawn as if the rotor 107 and the cylinder 103 were in contact with each other.
  • the rotor 107 and the cylinder 103 are illustrated as being in contact with each other, but in reality, there is a slight gap.
  • this gap is about 10 m wide, the end of the discharge port 114 is located at 50 ⁇ where the gap between the rotor 107 and the cylinder 103 is five times larger.
  • Discharge ports 1 1 4 are formed on the back surface of the front plate 1 1 1 as described above.
  • the discharge port 114 is too close to the minimum radial clearance, air will leak, and if it is too far, the air will not escape completely. Therefore, the discharge port 1 14 is about 5 times the minimum radial gap between the mouth 107 and the cylinder 103. It is good to provide at the place.
  • the vane 109 rotates while moving in and out of the groove 108 with the rotation of the rotor 107, and from the moment the vane 109 faces the discharge port 115, Even when the discharge is started and the vane 109 further rotates from a position where it does not reach the discharge port, the fluid can flow out through the discharge port 115 from the concave portion provided so as to face the pump space 104. . Also, since there is no dent like the discharge port between the rotation angle of the rotor 107, which is about 5 times or less the minimum radial gap between the mouth 107 and the cylinder 103, the fluid Leakage from the discharge port 114 to the suction side of the pump space 104 can be suppressed.
  • the fluid in the pump space 104 can be pushed out by the vane in almost the entire area of the discharge portion of the pump space 104, so that the discharge loss is reduced and the discharge amount is reduced. Can be suppressed.
  • the suction loss is reduced, and the reduction in the suction amount can be suppressed.

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Abstract

本発明は、燃料電池に空気を供給するポンプとして不可欠なオイルレス運転を可能にするとともに、ポンプ機構部とモータ部の軸心を容易にかつ精度良く合わせることができ、ポンプ全体の小型化を目的としたものである。本発明は、自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベーン１０９と、摺動面に自己潤滑性材質を備えたフロントプレート１１１とリアプレート１１２を使用するとともに、ポンプ機構部１０２のメカシャフト１１０と直流モータのモータシャフトを一体化構成したものである。

Description

明 細 書
ベ一ンロータリ型空気ポンプ
技術分野
本発明は、 燃料電池を用いたモパイル用ノートパソコンの空気供給装 置に使用されるべ一ンロータリ型空気ポンプの構成に関するものである, 背景技術
現在、 モパイル用の燃料電池は開発途上であり、 この燃料電池のセル に空気を供給する空気ポンプとしては適切なものが存在しない。 この種 の空気ポンプに求められる特性は、 供給空気はオイル等の不純物を含ん でいないこと、 すなわちオイルレス機構であること。 供給空気量は 1 0 リッ トル Zm i n程度であり比較的小流量でよいが、 燃料電池システム の空気流路で生じる圧力損失に打ち勝って空気を送り込むために、 その 供給圧力は△ p = 2〜 5 k P a必要なこと。 大きさはモパイル機器に組 み込む必要性から直径 Φ 3 0 mm以下であること、 および騒音レベルが 低いことが求められる。 これらの特性を満たすベーンロータリ型空気ポ ンプを発明したが、 まずはべーンロータリ型ポンプ機械の従来技術につ いて説明する。
従来、 この種のベ一ンロ一タリ圧縮機としては、 J P 2 0 0 1— 2 1 4 8 7 5 Aに記載されているような構成であった。 図 1 0、 1 1は前 記特許文献に記載された従来のベーンロ一タリ圧縮機を示している。 図 1 1は図 1 0の I— I線断面図である。 図 1 0、 図 1 1 において、 内面 が円筒状のシリンダ 1 3内に、 中心軸をシリンダ 1 3の中心軸から所定 量だけ偏心させた状態で円柱状のロータ 1 4が配置されている。 ロータ 1 4にはその中心から外側にずらせて 3本の溝 1 6が放射状に設けられ， これらの溝 1 6内には板状のベーン 1 7が摺動可能な状態で嵌合され、 ベーン 1 7の先端部がシリンダ 1 3内面と摺動する構成になっている。 さらに、 口一夕 1 4とべーン 1 7を挟み込むようにフロントプレート 1 1 とリァプレート 1 2がシリ ンダ 1 3の端面に配置されることにより、 シリンダ 1 3、 口一夕 1 4、 ベーン 1 7、 フロントプレート 1 1および リアプレート 1 2により囲まれて複数の圧縮空間 1 8が形成されている t 前記シリンダ 1 3は、 その周囲に吸入口 1 9 と吐出口 2 0を備えている。 また、 前記口一夕 1 4は駆動力を伝達するメカシャフ ト 1 5を備えてい る。 さらに、 リアプレート 1 2の後方には給油ケース 2 5が設けられ、 その中には油溜まり部 2 6が形成されている。 また、 給油ケース 2 5内 には、 油溜まり部 2 6の潤滑油をリアプレート 1 2に形成された給油通 路 2 8を介して口一夕 1 4の溝 1 6に供給するオイルコントロール弁ュ ニッ ト 2 9が収納されている。
図示されていないエンジンあるいはモー夕から、 図示されていないべ ルトを介して動力がメカシャフ ト 1 5に伝達されると、 図 1 1において 時計回りにロータ 1 4が回転し、 冷凍サイクルから戻ってきた冷媒ガス が吸入口 1 9からシリンダ 1 3内の圧縮空間 1 8に吸入されて、 圧縮さ れる。 圧縮された高圧のガスは、 吐出口 2 0から吐き出され、 給油ケー ス 2 5に入る。 この給油ケース 2 5内で潤滑油が分離されて、 冷媒ガス のみが冷凍サイクルへと出て行く。 分離された潤滑油は一旦油溜まり部 2 6に貯留され、 この後、 オイルコントロール弁ユニッ ト 2 9から給油 通路 2 8を経て、 口一夕 1 4の溝 1 6に供給される。 この結果、 潤滑油 の圧力によりべーン 1 7に背圧が付与され、 ベーン 1 7がシリンダ 1 3 の内面を摺動する構成になっていた。 また、 図 1 2および図 1 3は J P 2 0 0 1 - 2 2 1 1 8 0 Aに記載さ れた従来の他のベーンロータリ型ポンプを示すものである。 この他のベ —ンロ一タリ型ポンプは、 両端がフロントプレート 1 1およびリアプレ 一ト 1 2で閉鎖された筒状内壁を有するシリンダ 1 3を有している。 シ リンダ 1 3の内部には、 外周の一部がシリンダ 1 3の内壁と小隙間を形 成するロータ 1 4が配設されている。 ロータ 1 4に一体的に形成された メカシャフ ト 1 5は、 両端がフロントプレート 1 1およびリアプレート 1 2に回転自在に軸支持されている。 ロータ 1 4の外周面には、 複数の 溝 1 6が形成され、 各溝 1 6にべ一ン 1 7の一端部が摺動自在に挿入さ れている。 そして、 ベーン 1 7はシリンダ 1 3、 ロータ 1 4、 フロント プレート 1 1、 リアブレ一ト 1 2とともにポンプ空間 1 8を形成してい る。 シリンダ 1 3には吸入側のポンプ空間 1 8 と連通する吸入口 1 9と、 圧縮側のポンプ空間 1 8と連通する吐出口 2 0が形成されている。
動力がメカシャフト 1 5に伝達されると、 ロータ 1 4が回転し、 吸入 口 1 9から吸入された流体は、 吸気側のポンプ空間 1 8内に吸入されて 圧縮される。 圧縮された流体は圧縮側のポンプ空間 1 8からシリンダ 1 3の吐出口 2 0から吐出される。
上記従来の構成では、 ベ一ン 1 7の背面に供給された潤滑油が溝 1 6 とべーン 1 7の隙間から圧縮空間 1 8内に少量流れ込み、 この潤滑油で ベーン 1 7 と口一夕 1 4間の潤滑および口一夕 1 4とフロントプレート 1 1、 リアプレート 1 2間の潤滑が行われていたのであるが、 燃料電池 に空気を供給するポンプとして不可欠なオイルレス運転が困難という課 題を有していた。
また、 上記従来の構成では、 エンジンあるいはモータシャフ トがベル トを介してロータ 1 4と一体になつたメカシャフ ト 1 5を駆動する構成 であった。 この構成を改良して同軸上にモータを配置することによりモ 一夕シャフ トでメカシャフ ト 1 5を駆動することを考えた場合、 2つの シャフ ト間の軸心を精度良く合わせるのが難しく、 構成が困難という課 題を有していた。 また、 2本のシャフ トをフレキシブルジョイント又は カップリング部品などで結合すれば、 全体の寸法が大きくなるという課 題が生じてしまう。 また、 2本のシャフ トをカップリング部品などで結 合した場合、 わずかでもズレが生じると振動の原因になったり、 歪とな つてエネルギー損失が生じ伝達効率が低下するという課題を有していた, また、 上記従来の構成では、 シリンダ 1 3の外周部に吸入口 1 9 と吐 出口 2 0を備える構成であり、 圧縮機全体の外径が大きくなつてしまう という課題を有していた。
さらに、 吸入はフロントプレート 1 1からのみで行われるため、 ボン プ機構部を高速回転させると吸入工程の時間が短くなり、 吸入効率が低 下するという課題を有していた。 発明の開示
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、 オイルレス運 転が可能で、 ポンプ機構部とモータを直結可能とし、 かつポンプ全体の 外径の小さいベーンロータリ型空気ポンプを提供することを目的とする, さらに、 本発明は前記従来の課題を解決するためになされたものであ つて、 伝達効率の低下を抑制し、 直流モータで駆動できるベーンロータ リ型空気ポンプの提供を目的とする。
さらに、 前記リアプレートと前記モータ間にプレートを設け、 前記ポ ンプ機構部と前記モー夕を締結することや、 前記フロントプレー卜に吸 入ポートと吐出ポートを配置することで、 シリンダの軸方向および径方 向高さを抑制したベーンロータリ型空気ポンプの提供を目的とする。 さらに、 吸入損失の少ない構造の流体流入路を備えたことで、 ポンプ 機構部高速回転時の流体の吸入ロスを低減し、 吸入量の低下を抑制させ たべーンロ一タリ型空気ポンプの提供を目的とする。
上記課題を解決するために本発明は、 内部摺動面に自己潤滑性材質を 用いたベーンロ一タリ型のポンプ機構と、 このポンプ機構を駆動するモ 一夕を備え、 前記ポンプ機構のメカシャフ 卜と前記モ一夕のモ一タシャ フトとを一体化構成する。
上記のように、 前記ポンプ機構のメカシャフ 卜と前記モー夕のモータ シャフ トとを一体化構成しているので、 ポンプ機構部とモータ部の軸心 を容易に一致させることができて、 精度が高くかつ簡単にポンプ全体を 組立てることが出来る。 さらに、 メカシャフ トとモータシャフ ト間にジ ョイント部などが不必要になるため、 小型化が可能となる。
また、 上記課題を解決するために本発明は、 内面が円筒状のシリンダ 内に、 中心軸を前記シリンダの中心軸から所定量だけ偏心させた状態で 円柱状のロータを配置し、 前記ロータにはその中心軸方向に複数の溝を 設け、 これらの溝に自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベ一ンを摺 動可能な状態で嵌合させ、 摺動面に自己潤滑性材質を備えたフロン卜プ レートとリアプレートを前記口一夕とべ一ンを挟み込むようにシリンダ の端面に配置して複数のポンプ空間を作り出し、 ロータの中心軸にはメ 力シャフトを備えてポンプ機構部を構成し、 このポンプ機構部に隣接し て前記リアプレートを介して直流モー夕を配置し、 この直流モータがメ 力シャフ トを駆動することによりポンプ空間がベ一ンの回転移動に伴つ て容積変化が生じるオイルレス空気ポンプを構成するとともに、 メカシ ャフ トと直流モータのモータシャフ トを一体化構成してなるものである 上記自己潤滑性を有する材質でベーンを構成してロータの溝に摺動可 能な状態で勘合させるとともに、 摺動面に自己潤滑性材質を備えたフロ ントプレートとリアプレートを用い、 ロータとベーンを挟み込む状態で これらのプレートをシリンダの端面に配置したことによって、 摺動面で の摩擦損失や摩耗が小さくなり、 その結果オイルレス運転が可能になる。 また、 メカシャフトと直流モータのモ一タシャフ トを一体化して構成し ているので、 ポンプ機構部とモー夕部の軸心を容易に一致させることが できて、 精度が高くかつ簡単にポンプ全体を組立てることが出来る。 さ らに、 メカシャフトとモータシャフト間にジョイント部などが不必要に なるため、 小型化が可能となる。
また、 上記課題を解決するために本発明は、 ロー夕にはその中心軸か らオフセッ トさせて 2つの溝を設けるとともに、 フロントプレートに吸 入口と吐出口を備えてポンプ機構部を構成し、 直流モータにはブラシレ ス直流モー夕を使用したものである。
上記ロータの中心軸からオフセッ トさせて溝を設け、 ベーンをこの 2 つの溝に嵌め込む構成にすることにより、 ロータの直径、 ひいてはボン プ機構部の直径を小さくでき、 さらに、 フロントプレートに吸入口と吐 出口を備える構成にすることによって、 ポンプ機構部の外径を Φ 3 0 m m以下にすることができ、 モパイル機器用燃料電池に適用可能な小型化 を実現することができる。
また、 上記課題を解決するために本発明は、 ポンプ機構部の円筒面外 周と直流モータの外周を略同一直径となして、 全体が一つの円筒を形成 したものである。
上記一つの円筒形状で空気ポンプを構成したことによって、 パーソナ ルコンピュータのヒンジ部に搭載することが可能となる。 、 また、 上記課題を解決するために本発明は、 ベーンはカーボン複合材 料で構成し、 ロー夕にはアルミニウム合金あるいは P E E K系樹脂を使 用し、 シリンダにはシリコン含有率 1 0 %前後のアルミニウム合金を使 用し、 フロントプレートとリアプレートには、 P T F Eあるいは二硫化 モリブデンを含む自己潤滑性材料を表面コ一ティングしたものである。 上記のように、 各部品をそれぞれの材質で構成することによって、 摺 動部における自己潤滑作用が的確に確保されるとともに、 軽量化も実現 できる。
また、 上記課題を解決するために本発明は、 前記メカシャフ トと前記 直流モ一夕のモータシャフ卜が前記口一夕を介して接合されるようにし たものである。 この発明によれば、 直流モータのモータシャフ トと口一 夕を、 伝達効率の低下を抑制して結合することができる。
また、 上記課題を解決するために本発明は、 モータシャフトをロータ に圧入、 または焼きばめ、 または接着剤で結合する。 この発明によれば、 モータシャフ トおよびロータに Iカツ トなどのすべり防止加工を施すこ となく、 伝達効率の低下を抑制してモータシャフ トとロータを結合する ことができる。
また、 上記課題を解決するために本発明は、 前記リアプレートと前記 モー夕間に、 前記ボンプ機構部と前記モータにそれぞれ対応した同じピ ツチと同じ直径で開けられたポルト孔および座刳りを有するプレー卜を 設け、 前記ポンプ機構部と前記モータを締結する。 この発明によれば、 直流モータのケーシングの端面に形成された既存のねじ孔のピッチ及び 直径にとらわれず、 ボンプ機構部を締結するためのボルト孔のピッチ、 直径を可能な限りポンプ機構部の外周側に設置可能となり、 シリンダ内 径を大きくできる。 そのため、 シリンダを軸方向に短くでき、 ポンプ機 構部の小型化を図りやすい。
また、 上記課題を解決するために本発明は、 前記フロントプレートに 吸入ポートと吐出ポートおよび吐出口を備える。 この発明によれば、 シ リンダ外周部の吐出経路が不要となり、 ポンプ機構部を径方向に短くで き、 ポンプ機構部の小型化を図りやすい。
また、 上記課題を解決するために本発明は、 前記フロントプレートに 形成された吸入ポー卜から前記ポンプ空間に外気を導く第 1の吸入経路 と、 前記シリンダに貫通孔を設け、 この貫通孔に連通して前記リアプレ —トに吸入ポートを形成し、 前記フロントプレートの吸入ポートから前 記貫通孔と前記リアプレー卜の吸入ポートを経て前記ポンプ空間に外気 を導く第 2の吸入経路を備える。 この発明によれば、 フロントプレート だけでなく リアプレー卜からも吸入可能となり、 ポンプ機構部高速回転 時の流体の吸入ロスを低減し、 吸入量の低下を抑制することができる。 また、 上記課題を解決するために本発明は、 前記貫通孔の長手方向中 央部に、 前記貫通孔から前記ポンプ空間へ連通路を設け、 前記吸入ポー トから前記貫通孔と前記連通路を経て前記ポンプ空間に外気を導く第 3 の吸入経路を設ける。 この発明によれば、 シリンダ長手方向中央部から も吸入可能となり、 ポンプ機構部高速回転時の流体の吸入ロスをさらに 低減できる。
また、 上記課題を解決するために本発明は、 容積比が約 1 を上回る状 態の前記ロータの回転角度から、 前記ロータと前記シリ ンダの径方向最 小隙間の約 5倍となる前記ロータの回転角度までの範囲に亘る前記ボン プ空間に臨むように、 吸入ポートと、 窪み形状の吐出ポートをフロント プレートに備える。 この発明によれば、 吐出室のほぼ全域において、 吐 出室の流体をべーンで押し出すことができるため、 吐出損失が少なくな り、 前記ロータと前記シリンダの径方向最小隙間から吸入室への漏れも 抑制できるため、 吸入損失も少なくなる。 図面の簡単な説明
図 1は本発明の第 1の実施形態を示すベーンロ一タリ型空気ポンプの 横断面図である。
図 2は本発明の第 1の実施形態を示すベーンロータリ型空気ポンプの 縦横断面図である。
図 3は本発明の第 1の実施形態を示すベーンロ一タリ型空気ポンプの フロントプレー卜の平面図である。
図 4は本発明の第 1の実施形態を示すベ一ンロ一タリ型空気ポンプの リアプレートの平面図である。
図 5は本発明の第 2の実施形態を示すベ一ンロ一タリ型空気ポンプを パーソナルコンピュータへ組み込んだ使用状態図である。
図 6は本発明にかかるベ一ンロータリ型空気ポンプの第 3の実施形態 を示す縦断面図である。
図 7はべーンロータリ型空気ポンプの断面図である。
図 8は図 7のべ一ンロ一タリ型空気ポンプのプレート正面図である。 図 9は図 7のべーンロータリ型空気ポンプのフロントプレート正面図 である。
図 1 0は従来のベ一ンロータリ圧縮機の正面の縦断面図である。
図 1 1は従来のベーンロ一夕リ圧縮機の側面の縦面図である。
図 1 2は従来の他のベーンロ一夕リ型ポンプの縦断面図である。
図 1 3は他の従来のベ一ンロ一夕リ型ポンプの断面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
(実施の形態 1 )
図 1は、 本発明の実施の形態 1に係わるベ一ンロータリ型空気ポンプ の横断面図である。 また、 図 2は本実施の形態に係わるベ一ンロータリ 型空気ポンプの縦断面図であり、 図 1は図 2における A— A断面図であ る。 本実施の形態に係わるベ一ンロータリ型空気ポンプ本体 1 0 1は、 ポンプ機構部 1 0 2と直流モータ 1 1 9より構成される。
まずポンプ機構部 1 0 2について説明する。 円筒状をした内面 1 0 4 を有するシリンダ 1 0 3内のシリンダ空間に、 ロー夕 1 0 7の中心軸が、 シリンダ 1 0 3のシリンダ空間の中心軸と所定量だけ偏心した状態で円 筒状の口一夕 1 0 7を内面 1 0 4に接近させて配置している。 前記ロー 夕 1 0 7には、 その中心軸方向に 2本の溝 1 0 8がロータ 1 0 7の中心 軸からオフセッ トさせて、 即ち、 中心軸を挟んで互いに平行で、 相反す る方向に開口して設けられている。 これらの溝 1 0 8内に、 自己潤滑性 を有するカーボン複合材料よりなる板状のベーン 1 0 9を摺動可能な状 態で嵌合させ、 ベーン 1 0 9の先端部がシリンダ 1 0 3の内面 1 0 4と 摺接する構成になっている。
ロータ 1 0 7は、 本実施の形態ではアルミニウム合金より構成し、 軽 量化を図っている。 また、 シリンダ 1 0 3の材質にはシリコン含有率が 約 1 0 %のアルミニウム合金を使用している。
次に、 前記ロー夕 1 0 7 とべ一ン 1 0 9 とを両サイ ドから挟み込むよ うに、 フロン卜プレート 1 1 1 とリアプレート 1 1 2をシリンダ 1 0 3 の両端面に配置している。 この構成により、 シリンダ 1 0 3、 ロータ 1 0 7、 ベーン 1 0 9、 フロントプレート 1 1 1およびリアプレート 1 1 2にとり囲まれた複数のポンプ空間 1 2 4が形成される。 即ち、 円筒状 のシリンダー 1 0 3内のシリンダー空間に、 この空間より径の小さい円 柱状のロー夕 1 0 7を、 一方側に偏心させてフロントプレート 1 1 1お よびリアプレート 1 1 2に軸支している。 このため、 円筒状のシリンダ — 1 0 3内に三日月形の空いた空間ができる。 この三日月形の空間をべ —ン 1 0 9で仕切って複数のポンプ空間 1 2 4としている。
なお、 フロントプレート 1 1 1 とリアプレート 1 1 2の内側表面には 二硫化モリブデンを含む自己潤滑性材料のコ一ティング処理を施してい る。
また、 図 3 と図 4に示すように、 フロントプレート 1 1 1には吸入ポ ート 1 1 3 と吐出ポート 1 1 4、 および吐出ポート 1 1 4につながる吐 出口 1 1 5を設けている。 ここで、 吸入ポート 1 1 3は略台形状の貫通 した孔であるが、 吐出ポート 1 1 4はフロントプレート 1 1 1の内壁を 溝状に窪ませたポートであって、 吐出口 1 1 5と連なっている。
他方、 前記吸入ポート 1 1 3と対向するリアブレ一卜 1 1 2の部分に は吸入ポート 1 1 3 と同形状の窪み状の吸入ポート 1 1 7を設けている, 次に直流モ一夕 1 1 9について説明する。 前記リァプレート 1 1 2の ポンプ機構部 1 0 2側の面とは反対側の面には直流モー夕 1 1 9を、 リ アブレ一卜 1 1 2に直接接触させて配置している。 従って、 直流モータ 1 1 9の一方側のケ一シングの蓋体をリアプレー卜 1 1 2が兼ねている, 本実施の形態では、 直流モータ 1 1 9にはブラシレス直流モー夕を使用 している。 この直流モータ 1 1 9は円筒状のコイル 1 2 0と永久磁石を 備えた回転子 1 2 1より成り、 この回転子 1 2 1 は長尺のシャフ ト 1 1 0を備えている。 このシャフト 1 1 0は、 前記の直流モータとポンプ機 構部のロー夕 1 0 7のシャフ トを兼ね備えている。 即ち、 シャフ ト 1 1 0は、 直流モータ 1 1 9の内部ではモー夕軸受 1 2 2、 1 2 3で支承さ れているが、 直流モータ 1 1 9からポンプ機構側に伸びて、 ポンプ機構 部 1 0 2内ではフロントプレート 1 1 1内の軸受 1 1 6およびリアプレ —ト 1 1 2内の軸受 1 1 8によって支承されている。 ポンプ機構内部で は、 シャフ トはロータ 1 0 7が固定されて、 直流モータ 1 1 9で発生し た回転力を口一夕 1 0 7に伝達する役割を果している。
上記の構成で、 直流モー夕 1 1 9に通電すると、 図 1においてシャフ 卜 1 1 0およびこれに連結されたロータ 1 0 7が矢印の方向に回転する, この時、 ベーン 1 0 9は口一夕 1 0 7が回転する遠心力により溝 1 0 8 内で外側へと移動し、 ベーン 1 0 9の先端がシリンダの内面 1 0 4に接 触 · 摺動しながら回転運動する。 これによつて、 ポンプ空間 1 2 4は、 ベ一ン 1 0 9の回転移動に伴ってベーンによって仕切られた空間容積の 拡大、 縮小 （所謂呼吸作用） に伴い、 その容積が変化する。 このポンプ 空間 1 2 4の容積変化に伴って空気がフロン卜プレート 1 1 1の吸入ポ ート 1 1 3より吸い込まれ、 その一部がポンプ空間 1 2 4に直接入り込 む。
残りの空気は、 シリンダ 1 0 3を貫通する吸入通路 1 0 5を経由した 後、 リアプレート 1 1 2に設けた吸入ポート 1 1 7を経て、 ポンプ空間 1 2 4に吸い込まれる。
ポンプ空間 1 2 4に入った空気は、 矢印方向に回転するべーン 1 0 9 によって吸入ポート 1 1 3側から下側に位置する吐出ポート 1 1 4側に 押されて、 ロータ 1 0 7がおよそ 1回転する間に圧力が上昇 （Δ Ρ = 2 〜 5 k P a) した後、 フロントプレート 1 1 1上の吐出ポ一卜 1 1 4を 経て吐出口 1 1 5より外部へ出て行く。
上記構成の内、力一ボン複合材料でベ一ン 1 0 9を製作した。しかも、 ベーン 1 0 9の先端が接触して摺動するシリンダ 1 0 3は 1 0 %のシリ コンを含有するアルミニウム合金で製作した。 さらに、 フロントプレー 卜 1 1 1 とリアプレート 1 1 2の摺動面は二硫化モリブデンを含む自己 潤滑性材料をコーティングし、 ロータ 1 0 7 とべーン 1 0 9を挟み込む ように 2枚のプレート 1 1 1 と 1 1 2をシリンダ 1 0 3の端面に配置し た。 これらの構成によって、 各摺動面での相性が良くなつて摩擦損失や 摩耗が小さくなり、 その結果オイルレス運転を可能にすることができた。
また、 ロータ 1 0 7のメカシャフ 卜と直流モ一夕のモータシャフ 卜を 一体化してシャフ ト 1 1 0を構成したことにより、 ポンプ機構部 1 0 2 とモ一夕部 1 1 9の軸心を容易に一致させることができ、 精度が高くか つ簡単にポンプ全体 1 0 1の組立てができるようになった。 さらに、 メ 力シャフ トとモ一タシャフト間にジョイント部などが不必要になるため. 小型化も実現できた。
また、 昇圧巾が比較的小さくてすむモパイル用燃料電池の空気供給機 には、 ベーン 1 0 9の個数を 2個にしても十分に昇圧が可能であること、 また、 ロータ 1 0 7の中心軸からオフセッ トさせて溝 1 0 8を設けるこ とにより、 ロータ 1 0 7の直径を大幅に小さくすることが可能になるこ とから、 上記の構成を採用している。 さらに、 シリンダ 1 0 3の周囲に 吸入口と吐出口を設けず、 フロントプレート 1 1 1に吸入ポート 1 1 3 と吐出口 1 1 5を備える構成にすることによって、 ポンプ機構部の外径 を Φ 3 0 mm以下することが可能になり、 モパイル機器用燃料電池に適 用可能な小型化を実現することができた。
なお、 本実施の形態では、 フロントプレート 1 1 1 とリアプレート 1 1 2の自己潤滑性コーティング材料として、 二硫化モリブデンを含む材 料を採用しているカ^ これに替えて P T F Eを含む材料を使用しても同 様の低摩擦 · 低摩耗の効果を得ることができる。
また、 本実施の形態では、 ロー夕 1 0 7の材質としてアルミニウム合 金を採用しているが、 これに替えて P E E K系樹脂を使用した場合には、 樹脂成分の配合によりその線膨張率をアルミニウム合金 （シリンダ 1 0 3 ) と合わせることができるので、 隙間を小さく設定することができ、 空気ボンプ性能を確保しながら更なる軽量化を図ることができる。
(実施の形態 2 )
図 5は、 発明の実施の形態 2に係わるベーンロータリ型空気ポンプを、 パーソナルコンピュータに組み込んだ時の斜視図である。 図 2に示すよ うに、 ベ一ンポンプ型空気ポンプにおいては、 ポンプ機構部 1 0 2の円 筒面外周と直流モ一夕 1 1 9の外周を略同一直径となして、 全体で一つ の円筒形を形成している。
図 5においては、 パーソナルコンピュー夕は、 その本体部 2 0 1 とそ の液晶ディスプレイ部 2 0 2 とをヒンジ部 2 0 3で結合して構成してい る。 このヒンジ部 2 0 3は、 円筒形状になっているので、 まずこの部分 に燃料電池の燃料部 （メタノール容器） 2 0 4と燃料電池本体セル 2 0 5 とを搭載する。次に、本発明のベーンロータ U型空気ポンプ 1 0 1 も、 上記のように円筒形状に構成できるで、 燃料電池セル 2 0 5に空気を供 給する空気ポンプとして、 ヒンジ部 2 0 3に容易に収納することができ る。
(実施の形態 3 )
図 6、 図 7は、 本発明の実施の形態 3におけるベーンロ一タリ型空気 ポンプの断面図である。 図 6、 図 7において、 このべーンロータリ型空気ポンプは、 筒状内壁 を有するシリンダ 1 0 3内に、 実施の形態 1 と同様に円柱形状のロー夕 1 0 7をシリンダ 1 0 3のシリンダ空間の中心軸から偏心させた状態で 配置している。 ロー夕 1 0 7にはその中心軸方向に複数 （図 1では 2本） の溝 1 0 8がロー夕 1 0 7の中心軸からオフセッ 卜させて設けられてい る。 これらの溝 1 0 8には自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベー ン 1 0 9を摺動可能な状態で嵌合させている。 摺動面に自己潤滑性材質 を備えたフロントプレート 1 1 1 とリアプレー卜 1 1 2をロータ 1 0 7 とべーン 1 0 9を挟み込むようにシリンダ 1 0 3の端面に配置してボン プ空間 1 2 4を形成している。 ロータ 1 0 7の中心軸にはメカシャフ ト 1 1 0を備えており、 フロントプレート 1 1 1とリアプレート 1 1 2、 プレート 1 3 4に圧入されたポール軸受け 1 1 6、 1 1 8で回転可能に 支持することでポンプ機構部 1 0 2を構成している。 ポンプ機構部 1 0 2に隣接してリアブレ一ト 1 1 2を介して直流モー夕 1 1 9が配置され オイルレス空気ポンプを構成している。
直流モー夕 1 1 9は回転子 1 2 1の外周にコイル 1 2 0を配置し、 モ 一夕シャフ ト 1 2 5は軸受 1 2 2および軸受 1 2 3で支持されている。 なお、 軸受 1 2 2は直流モータ 1 1 9のケーシングに設けられている。 かかる構成部によれば、 回転子 1 2 1とコイル 1 2 0間の磁気作用に より回転子 1 2 1は回転トルクを得て回転運動する。 回転子 1 2 1 と一 体的に構成されたモータシャフト 1 2 5が軸受 1 2 2および 1 2 3によ つて回転可能に支持されることで回転力をポンプ機構部 1 0 2に伝達可 能とする。
直流モータ 1 1 9によって出力された回転力はモ一タシャフ卜 1 2 5 と結合されたロー夕 1 0 7に伝達される。 モ一夕シャフ ト 1 2 5とロー 夕 1 0 7の結合は、 'ロー夕 1 0 7の貫通軸孔に、 接着剤を塗布したモ一 タシャフ ト 1 2 5の一端部を挿入するか、 圧入もしくは焼きばめとして もよい。 このような構成によりモータシャフト 1 2をポンプ機構部 1 0 2と連結する。
回転力を得た口一夕 1 0 7の回転にともない、 ベ一ン 1 0 9が遠心力 によってロータ 1 0 7の溝 1 0 8に沿って径方向の外側に飛び出し、 ポ ンプ空間 1 2 4を回転移動する。 吸入ポー卜 1 1 3より吸入された流体 は圧縮され、 吐出ポ一ト 1 1 4を経て吐出口 1 1 5より吐出される。 前述のように、 従来のポンプでは、 メカシャフ 卜 1 1 0はロータ 1 0 7に一体的に形成されており、 一体型の直流モ一夕 1 1 9でロータ 1 0 7を駆動するためには、 直流モー夕 1 1 9のモ一夕シャフ ト 1 2 5とメ 力シャフト 1 1 0をカツプリング部品で連結しなければならないため、 前記のように伝達効率が低下する。 これに対して、 本実施形態 3では、 モータシャフ 卜 1 2 5 とメカシャフト 1 1 0を、 ロータ 1 0 7をカップ リングの役割を果たさせて結合する。 即ち、 モータシャフト 1 2 5とメ 力シャフト 1 1 0を、 口一夕 1 0 7の貫通軸孔に圧入、または焼きばめ、 または接着剤で結合するため、 モータシャフ ト 1 2 5に Iカッ トなどの すべり防止加工を施すことなく直流モータからポンプ機構部へのトルク の伝達効率の低下を抑制できる。
直流モータ 1 1 9 とポンプ機構部 1 0 1の締結はプレート 1 3 4を介 して行われる。
図 8にプレート 1 3 4の正面図を示す。 図 8において、 このプレート 1 3 4には、 ポンプ機構部 1 0 2に直流モー夕 1 1 9を締結するために ポンプ機構部の締結孔 1 0 6 aと同じピッチ、 同じ直径で開けられた外 側のポンプ機構部締結孔 1 0 6 bと、 直流モータ 1 1 9を締結するため に、 直流モ一夕 1 1 9の締結孔 （図示せず） と同じピッチ、 同じ直径で 開けられ、 座刳りの施された内側の直流モータ締結孔 3 0 2とが形成さ れている。
かかる構成部によれば、 モータケ一シングに開けられた既存の締結孔 と同じピッチ、 同じ直径で開けられたプレート内周側の直流モータ締結 孔 3 0 2にポルトをねじ込み直流モー夕 1 1 9をプレート 1 3 4に締結 する。 座刳りにより、 ポルト頭はプレートより突出しない。 その後、 プ レート外周側に開けられたポンプ機構部締結孔 1 0 6 aにポルトを揷通 して直流モータ締結孔 3 0 2に締結し、 ポンプ機構部をプレート 1 3 4 に締結する。 このように、 プレート 1 3 4を介してポンプ機構部 1 0 2 と直流モータ 1 1 9が連結される。
この発明によれば、 直流モータ 1 1 9のケ一シングの端面に形成され た既存のねじ孔のピッチ及び直径にとらわれず、 ポンプ機構部 1 0 2 と 直流モー夕 1 1 9を締結できる。 このため、 ポンプ機構部 1 0 1のシリ ンダ 1 0 3の肉厚を確保しながら、 可能な限りポンプ機構部 1 0 1の外 周側にポンプ機構部締結孔 1 0 6 aが設置可能となり、 シリンダ 1 0 3 の内径を大きくできる。 そのため、 シリンダ 1 0 3を径方向に小さくで き、 ポンプ機構部 1 0 1の小型化を図りやすい。
図 7において、 このべーンロータリ型空気ポンプは、 フロントプレ一 ト 1 1 1 に吸入ポート 1 1 3 と吐出ポート 1 1 4および吐出口 1 1 5を 備えている。
かかる構成によれば、 フロントプレート 1 1 1の吸入ポート 1 1 3か ら吸入された流体はポンプ空間 1 2 4に流入し、 ベ一ン 1 0 9の回転移 動によって圧縮された後、 フロントプレート 1 1 1の吐出ポート 1 1 4 から吐出口 1 1 5を経て吐出される。 この発明によれば、 フロントプレート 1 1 1が露出していれば吸入 · 吐出が可能となるため、 シリンダ外周部へ吐出口 1 1 5を設置しなくて もよいため、 ポンプ機構部 1 0 2をシリンダ径方向に小型化できる。 図 7において、 このべーン口一タリ型空気ポンプの吸入経路は、 フロ ントプレート 1 1 1に設けられた吸入ポート 1 1 3 と連通させて、 シリ ンダ 1 0 3の壁部にメカシャフ ト 1 1 0 と平行に貫通孔 1 0 5を設けて いる。 リアプレート 1 1 2に、 この貫通孔 1 0 5 とポンプ空間 1 2 4と が連通するように窪み状の吸入ポート 1 1 7が設けられている。 また、 貫通孔 1 0 5の長手方向中央部に、 貫通孔 1 0 5からポンプ空間 1 2 4 へ径方向に連通する連通路 （図示せず） を設けている。
かかる構成によれば、 外気は、 ロータ 1 0 7が回転すると、 フロント プレート 1 1 1に設けられた吸入ポート 1 1 3から吸入され、 2つの経 路からポンプ室に流入する。 第 1の経路は、 フロントプレート 1 1 1か ら直接ポンプ空間 1 2 4に流入する経路である。 第 2の経路は、 吸入ポ —ト 1 1 3からシリンダ 1 0 3に設けられた貫通孔 1 0 5を通り、 リア プレー卜 1 1 2に設けられた、 貫通孔 1 0 5 と連通する吸入ポート 1 1 7を経て、 ポンプ空間 1 2 4に吸入する経路である。
また、 上記第 1および第 2の経路に加えて、 吸入ポート 1 1 3から貫 通孔 1 0 5の径方向に形成された連通部を経て、 シリンダ 1 0 3の長手 方向中央部からポンプ空間 1 2 4に外気を導く第 3の吸入経路を設ける ことで、 フロントプレート 1 1 1 とリアプレー卜 1 1 2 とシリンダ 1 0 3の 3箇所から外気をポンプ空間 1 2 4に導く ことができる。
前述したように、 従来のポンプでは、 吸入はフロントプレート 1 1 1 の吸入ポート 1 9からポンプ空間 1 8への 1経路のみで行われるため、 ポンプ機構部を高速回転させると、 吸入行程の時間が短くなることで吸 入流体の慣性力により流体吸入量が減少し、 吸入効率が低下するという 課題を有していた。
この発明によれば、 フロントプレート 1 1 1だけでなくリアブレ一ト 1 1 2からも吸入可能となり、 ポンプ機構部高速回転時の吸入圧力損失 を少なくし、 吸入ロスを低減できる。 また、 シリンダ長手方向中央部か らも吸入可能となり、 流体吸入量増加にともなう吸入圧力損失をさらに 少なくし、 吸入ロスを低減できる。
フロントプレート 1 1 1の正面図を図 9に示す。 図 9において、 容積 比が約 1を上回る状態の口一夕 1 0 7の回転角度から、 ロータ 1 0 7と シリンダ 1 0 3の径方向最小隙間の約 5倍となるロータ 1 0 7の回転角 度までの範囲に亘るポンプ空間 1 2 4に臨むように、 窪み形状の吐出ポ ート 1 1 4をフロントプレート 1 1 1の裏面に形成されている。
なお、 容積比とは、 ロータ 1 0 7が吸入を終えたポンプ空間 1 2 4の 最大の容量と、 ロータ 1 0 7が吐出ポート 1 1 4に臨む容量との比を言 う。
ロー夕 1 0 7とシリンダ 1 0 3の径方向最小隙間とは図 9では、 ロー 夕 1 0 7とシリンダ 1 0 3とが接触したように描かれた右側の隙間を言 う。 図 9ではロータ 1 0 7とシリンダ 1 0 3とが接触しているように描 かれているが、 実際はほんの僅かながら隙間が開いている。 例えば、 こ の隙間 1 0 m程度開いていたとすると、 ロータ 1 0 7とシリンダ 1 0 3との隙間が 5倍となる 5 0 ^の部分に、 吐出ポー卜 1 1 4の終端が位 置するようにフロントプレート 1 1 1の裏面に吐出ポート 1 1 4を形成 する。 吐出ポート 1 1 4が径方向最小隙間に近づきすぎると、 空気の漏 れが生じ、 遠すぎると空気が完全に抜けなくなる。 従って、 吐出ポート 1 1 4は口一夕 1 0 7とシリンダ 1 0 3の径方向最小隙間の約 5倍程度 の所に設けるのがよい。
かかる構成によれば、 ロータ 1 0 7の回転とともにベーン 1 0 9が溝 1 0 8内を出たり入ったりしながら回転移動し、 ベーン 1 0 9が吐出口 1 1 5に臨む瞬間から流体の吐出が開始され、 ベーン 1 0 9が吐出口に 臨まなくなる位置からさらに回転した場合でも、 ポンプ空間 1 0 4に臨 むように設けられた窪み状部分から流体が吐出口 1 1 5を経て流出でき る。 また、 口一夕 1 0 7とシリンダ 1 0 3の径方向最小隙間の約 5倍以 下となるロータ 1 0 7の回転角度間は吐出ポートのような窪みが形成さ れてないため、 流体が吐出ポート 1 1 4からポンプ空間 1 0 4の吸入側 へ漏れることを抑制できる。
この発明によれば、 ポンプ空間 1 0 4の吐出部のほぼ全域において、 ポンプ空間 1 0 4にある流体をべーンで押し出すことができるため、 吐 出損失が少なくなり、 吐出量の減少を抑制できる。 また、 径方向最小隙 間を通じてのポンプ空間 1 0 4の吸入部への漏れも防止できるため、 吸 入損失も少なくなり、 吸入量の減少も抑制できる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 内部摺動面に自己潤滑性材質を用いたベーンロータリ型のボン プ機構と、 このポンプ機構を駆動するモータを備え、 前記ポンプ機構の メ力シャフ トと前記モータのモ一タシャフ トとを一体化構成してなるベ ーンロ一タリ型空気ポンプ。
2 . 内面が円筒状のシリ ンダ内に： 中心軸を前記シリンダのシリン ダ空間の中心軸から所定量だけ偏心させて円柱状のロータを配置し、 前 記ロータにはその中心軸方向に複数の溝を設け、 これらの溝に自己潤滑 性を有する材質よりなる板状のベーンを摺動可能な状態で嵌合させ、 摺 動面に自己潤滑性材質を備えたフロントプレートとリアプレートを前記 口—夕とベーンを挟み込むように前記シリ ンダの端面に配置して複数の ポンプ空間を作り出し、 前記ロータの中心軸にはメカシャフ トを備えて ポンプ機構部を構成し、 このポンプ機構部に隣接して前記リアプレート を介して直流モー夕を配置し、 この直流モータが前記メカシャフ トを駆 動することにより前記ポンプ空間がベーンの回転移動に伴ってポンプ空 間の容積変化が生じるベ一ンロータリ型空気ポンプであって、 前記メカ シャフトと前記直流モータのモータシャフ トを一体化構成してなるベー ンロータリ型空気ポンプ。
3 . 前記口一夕にはその中心軸からオフセッ 卜させて 2つの溝を設 けるとともに、 前記フロントプレートに吸入口と吐出口を備えて、 前記 ポンプ機構部の外径を Φ 3 O m m以下に構成し、 前記直流モータにはプ ラシレス直流モ一夕を使用し、 モパイル機器用燃料電池に適用する空気 供給機としてなる請求項 1 に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
4 . 前記ポンプ機構部の円筒面外周と前記直流モータの外周を略同 —直径となして全体が一つの円筒を形成し、 パーソナルコンピュータの ヒンジ部に具備してなる請求項 2に記載のベ一ンロータリ空気ポンプ。
5 . 前記べーンはカーボン複合材料で構成し、 前記ロー夕にはアル ミニゥム合金あるいは P E E K系樹脂を使用し、 前記シリンダにはシリ コン含有率 1 0 %前後のアルミニウム合金を使用し、 前記フロントプレ —卜とリアプレートには、 P T F Eあるいは二硫化モリブデンを含む自 己潤滑性材料を表面コーティングしてなる請求項 1〜 3のいずれかに記 載のベ一ンロータリ空気ポンプ。
6 . 筒状内壁を有するシリンダ内に、 円柱形状の口一夕を前記シリン ダのシリンダ空間の中心軸から偏心させた状態で配置し、 前記ロータに はその中心軸方向に複数の溝を設け、 これらの溝には自己潤滑性を有す る材質 りなる板状のベ一ンを摺動可能な状態で嵌合させ、 摺動面に自 己潤滑性材質を備えたフロン卜プレー卜とリアプレートを前記ロータと ベ一ンを挟み込むように前記シリンダの端面に配置して複数のポンプ空 間を形成し、 前記ロー夕の中心軸にはメカシャフ 卜を備えてポンプ機構 部を構成し、 このポンプ機構部に隣接して前記リアプレートを介して直 流モータを配置し、 この直流モータが前記メカシャフトを駆動すること により、 前記ポンプ空間の容積変化が生じるベーンロ一夕リ型空気ボン プであって、 前記メカシャフ トと前記直流モー夕のモータシャフ 卜が前 記口一夕を介して接合されてなるベーンロータリ型空気ポンプ。
7 . 前記モー夕シャフ トを前記ロータに圧入、 または焼きばめ、 ま たは接着剤で結合されてなる請求項 5に記載のベ一ンロータリ型空気ポ ンプ。
8 . 前記リアプレートと前記モータ間に、 前記ポンプ機構部と前記 モータにそれぞれ対応した同じピッチと同じ直径で開けられたポルト穴 および座刳りを有するプレートを設け、 前記ポンプ機構部と前記モータ を、 前記プレートを介して締結されてなる請求項 5に記載のベーンロ一 夕リ型空気ポンプ。
9 . 前記フロントプレートに吸入ポートと吐出ポートおよび吐出口 を備えてなる請求項 5に記載のベ一ンロータリ型空気ポンプ。
1 0 . 前記フロントプレートに形成された吸入ポー卜から前記ボン プ空間に外気を導く第 1の吸入経路と、 前記シリンダに貫通孔を設け、 この貫通孔に連通して前記リァプレー卜に吸入ポー卜を形成し、 前記フ ロントプレー卜の吸入ポー卜から前記貫通孔と前記リアプレー卜の吸入 ポートを経て前記ポンプ空間に外気を導く第 2の吸入経路を備えてなる 請求項 8に記載のベーンロ一夕リ型空気ポンプ。
1 1 . 前記貫通孔の長手方向中央部に、 前記貫通孔から前記ポンプ 空間へ連通路を設け、 前記吸入ポ一卜から前記貫通孔と前記連通路を経 て前記ポンプ空間に外気を導く第 3の吸入経路を設けてなる請求項 9に 記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
1 2 . 容積比が約 1 を上回る状態の前記ロータの回転角度から、 前 記ロータと前記シリンダの径方向最小隙間の約 5倍となる前記ロータの 回転角度までの範囲に亘る前記ポンプ空間に臨むように、 吸入ポー卜と、 窪み形状の吐出ポー卜をフロントプレー卜に備えてなる請求項 8に記載 のべーンロ一タリ型空気ポンプ。
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