(57)【要約】【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。【選択図】図２
2013114813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３６４５４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】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。
【図２】上記ポンプ装置の要部の縦断面図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】上記偏芯部材の正面図である。
【図６】上記偏芯部材の縦断面図である。
【図７】上記偏芯部材の斜視図である。
【図８】比較例に係る偏芯部材の斜視図である。
【図９】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。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【符号の説明】
【００５３】
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
【図１】
2013114813.tif 000003
【図２】
2013114813.tif 000004
【図３】
2013114813.tif 000005
【図４】
2013114813.tif 000006
【図５】
2013114813.tif 000007
【図６】
2013114813.tif 000008
【図７】
2013114813.tif 000009
【図８】
2013114813.tif 000010
【図９】
2013114813.tif 000011
【国際調査報告】
2013114813.tif 000012
2013114813.tif 000013
2013114813.tif 000014
2013114813.tif 000015