(57)【要約】【課題】金属部品を有するオイルレスポンプにおいて、防錆効果が高く、で高い性能の安価なベーンロータリ型空気ポンプを提供する。【解決手段】ポンプ空間１０４に望む、フロントプレート１１１、エンドプレート１１２、ロータ１０７、シリンダ１０３に、アルマイト被膜、無電解ニッケル鍍金被膜、フッ素樹脂被膜の表面処理を施し、表面処理の被膜を完全に剥がさない範囲で除去加工して寸法精度を確保するとともに、ロータ１０７の溝１０８やシリンダ１０３の端面は被膜が残存しているので、錆を防止でき、高い性能を実現できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状内壁を有するシリンダ内に、円筒形状のロータを前記シリンダ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よりなる板状のベーンを摺動可能な状態で嵌合させ、フロントプレートとエンドプレートを前記ロータ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形成し、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、前記エンドプレートの反ポンプ機構部側には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、前記ポンプ空間が伸縮作用を生じるオイルレス空気ポンプであって、前記ロータ、前記シリンダ、前記フロントプレート、前記エンドプレートのいずれか１箇所以上に金属材料を使用し、前記金属材料部に表面処理を施し、表面処理の被膜を完全に剥がさない範囲で除去加工することを特徴とするベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項２】
アルマイト被膜と、無電解ニッケル鍍金被膜と、フッ素樹脂被膜とを、１種類もしくはこれらを組み合わせた表面処理を前記金属材料部に施してなることを特徴とする請求項１に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項３】
ロータまたはシリンダをアルミニウム合金で形成し、アルマイト被膜による表面処理を前記ロータに施して、溝の部分のアルマイト被膜の厚さ、またはシリンダ端面のアルマイト被膜の厚さが、他の部分のアルマイト被膜の厚さと異なることを特徴とする請求項１に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項４】
ロータまたはシリンダをアルミニウム合金で形成し、無電解ニッケル鍍金被膜による表面処理を前記ロータに施して、溝の部分の無電解ニッケル鍍金被膜の厚さ、または前記シリンダ端面の表面処理の厚さ、または中心軸のメカシャフトが挿入される穴の部分の表面処理の厚さが、他の部分の表面処理の厚さと異なることを特徴とする請求項１に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いたモバイル用情報端末機器の空気供給装置等に使用されるベーンロータリ型空気ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のベーンロータリ型ポンプでオイルレス運転を達成するには、ベーンにカーボンなどの自己潤滑性を有する材質を使用する（例えば、特許文献1参照）。
【０００３】
図４および図５は特許文献１に記載された従来のベーンロータリ型ポンプを示すものである。このベーンロータリ型ポンプは、両端がフロントプレート１１１およびエンドプレート１１２で閉鎖された筒状内壁を有するシリンダ１０３を有している。シリンダ１０３の内部には、外周の一部がシリンダ１０３の内壁と小隙間を形成するロータ１０７が配設されている。
【０００４】
ロータ１０７に一体的に形成されたメカシャフト１１０は、両端がフロントプレート１１１に配設されたボール軸受け１１６およびエンドプレート１１２に配設されたボール軸受け１１８に回転自在に支持されている。ロータ１０７の外周面には、複数の溝１０８が形成され、各溝１０８に自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベーン１０９の一端が摺動自在に挿入されている。そして、ベーン１０９はシリンダ１０３、ロータ１０７、フロントプレート１１１、エンドプレート１１２とともにポンプ空間１０４を形成している。フロントプレート１１１にはポンプ空間１０４と連通する吸入ポート１１３と吐出ポート１１４が形成されている。
【０００５】
動力がメカシャフト１１０に伝達されると、ロータ１０７が回転し、吸入ポート１１３からポンプ空間１０４内に吸入された流体はポンプ空間１０４内で圧縮された後、吐出ポート１１４から吐出され、オイルレスで運転が可能となっている。
【０００６】
なお、ベーン１０９に自己潤滑性を有する材質を使用する場合、通常はベーン１０９との摺動部であるシリンダ１０３、ロータ１０７、フロントプレート１１１、エンドプレート１１２を金属材料で形成することが多い。
【特許文献１】特開平６−１８５４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の構成では、ポンプ空間内に湿度の高い空気が流入した後、長時間ポンプを停止した場合、溝内で発生した錆によってベーンが溝内で固着し、摺動不可能となってシリンダにベーンが衝突し、ロータが回転不可能となり、ポンプ運転が不可能になることや、ポンプの運転が可能であっても、ポンプ空間に臨むフロントプレート、エンドプレート、シリンダ、ロータに発生した錆が抵抗となって運転周波数が低下し、吐出流量が減少し、モータへの入力が増加するという課題を有していた。
【０００８】
そこで防錆対策として、ポンプ空間に臨むフロントプレート、エンドプレート、シリンダ、ロータに表面処理をすることが考えられる。しかし、表面処理を施した場合、シリンダやロータの表面処理の種類によっては、表面処理後に寸法が変化し、シリンダとロータおよびベーンの高さ寸法の隙間や、ロータの溝とベーンの厚さの隙間が設計通りの寸法に安定させることができないために、吐出流量が設計通りにならないと云う課題が有った。
【０００９】
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って、湿度の高い空気が流入した場合でも前記ポンプ空間内に発生する錆を防止し、高い性能で運転可能なベーンロータリ型空気ポンプの提供を目的とすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために、本発明のベーンロータリ型空気ポンプは、ポンプ空間を形成する、ロータ、シリンダ、フロントプレート、エンドプレートに表面処理を施し、各部品の部位によっては、表面処理の被膜を完全に剥がさない範囲で除去加工することにより寸法を調整する。この発明によれば、ポンプ空間内の金属表面を表面処理の被膜によって覆うことで、金属表面への水分の付着を防ぎ、被膜を完全に剥離しない範囲で寸法調整を行う除去加工を行うことにより設計通りの隙間寸法を確保することができるので、ポンプ空間内に発生する錆を防止し、さらに性能の高いポンプとすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のベーンロータリ型空気ポンプは、ポンプ空間に臨む金属材料部に表面処理を施し、有る部品の特定部位、例えば、ロータの溝やシリンダ端面の被膜をラップなどの工法で除去加工することによりベーンやロータなどの相手との隙間寸法を設計通りに確保することで安価で性能の高いポンプを実現し、さらに、ポンプ空間内に湿度の高い空気が流入した場合でも、錆の発生を防ぎ、ポンプロックや運転周波数低下を防止することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
請求項１に記載の発明では、ポンプ空間を形成する、ロータ、シリンダ、フロントプレート、エンドプレートに表面処理を施し、各部品の部位によっては、表面処理の被膜を完全に剥がさない範囲で除去加工することにより寸法を調整する。この発明によれば、ポンプ空間内の金属表面を表面処理の被膜によって覆うことで、金属表面への水分の付着を防ぎ、被膜を完全に剥離しない範囲で寸法調整を行う除去加工を行うことにより設計通りの隙間寸法を確保することができるので、ポンプ空間内に発生する錆を防止し、さらに性能の高いポンプとすることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、請求項１の発明において、表面処理の種類を、アルマイト被膜、無電解ニッケルリンめっき被膜、フッ素樹脂被膜に限定し、１種類もしくはこれらを組み合わせた表面処理をロータ、シリンダ、フロントプレート、エンドプレートに施し、各部品の部位によっては、表面処理の被膜を完全に剥がさない範囲で除去加工することにより寸法を調整する。この発明によれば、これらの表面処理の場合、すずめっきやＤＬＣによる表面処理に比べて、ベーンとの摺動による被膜の摩滅がはるかに少なく、長時間の使用でも被膜が残存するため、錆の発生を防止することができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明では、請求項１の発明において、ロータまたはシリンダにアルマイト被膜による表面処理を施し、アルマイト被膜を完全に剥がさない範囲で除去加工することにより寸法を調整する。この発明によれば、ロータとベーンの厚さの隙間寸法とシリンダとベーンとロータの高さの隙間寸法が設計値通りとなり、性能が安定し、錆の発生を防止できる。さらに、アルマイト処理はコスト面で有利であるため、安価なポンプを供給することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明では、請求項１の発明において、ロータをアルミ素材で形成した上で、ロータまたはシリンダに無電解ニッケル鍍金被膜を施し、鍍金被膜を完全に剥がさない範囲で除去加工することにより寸法を調整する。この発明によれば、ロータとベーンの厚さの隙間寸法とシリンダとベーンとロータの高さの隙間寸法が設計値通りとなり、性能が安定し、錆の発生を防止できる。さらにシリンダの処理後の表面が滑らかなため、騒
音発生の大きな割合を占めるベーン先端部とシリンダ内面の摺動音を低減することができる。またロータの中心部のメカシャフトを挿入する内径の寸法を調整するために、無電解ニッケル鍍金被膜の表面を除去しない範囲でホーニングやラップなどの工法で削り取り、設計通りの寸法とし、穴に挿入するシャフトとの隙間を設計通りの数値に維持する事ができきるので、シャフトとロータを組み付けた時のフレが少なくなり、安定した性能を維持することができる。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１、図２は、本発明の実施の形態１におけるベーンロータリ型空気ポンプの断面図である。
【００１８】
図１、図２において、このベーンロータリ型空気ポンプは、ポンプ機構部１０１と直流モータ１１９で構成している。筒状内壁を有するシリンダ１０３内に、円筒形状のロータ１０７をシリンダ１０３の中心軸から偏心させた状態で配置し、ロータ１０７にはその中心軸方向に複数の溝１０８を設け、これらの溝１０８には自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベーン１０９を摺動可能な状態で嵌合させ、フロントプレート１１１とエンドプレート１１２をロータ１０７とベーン１０９を挟み込むようにシリンダ１０３の端面に配置して複数のポンプ空間１０４を形成し、ロータの中心軸にはエンドプレートの反メカ側に配置された直流モータ１１９のモータシャフトを兼ねるメカシャフト１１０が結合されており、フロントプレート１１１に圧入されたボール軸受け１１６およびエンドプレートに圧入されたボール軸受け１１８で回転可能に支持することでポンプ機構部１０１を構成している。
【００１９】
直流モータ１１９はモータロータ１２１の外周にステータ１２０を配置し、モータシャフトを兼ねるメカシャフト１１０は軸受け１２２および軸受け１２３で支持されている。かかる構成により、ロータ１２１とステータ１２０間の磁気作用によりモータロータ１２１は回転トルクを得て回転運動する。ロータ１２１と一体的に構成されたモータシャフトを兼ねるメカシャフト１１０が軸受け１２２および１２３によって回転可能に支持されることで、ポンプ機構部１０１に回転力を伝達可能とする。
【００２０】
直流モータ１１９によって出力された回転力はモータシャフトを兼ねるメカシャフト１１０と結合されたロータ１０７に伝達される。回転力を得たロータ１０７の回転にともない、ベーン１０９が遠心力によってロータ１０７の中心軸方向に設けられた溝１０８に沿って飛び出すことで、ポンプ空間１０４を形成する。同時に吸入ポート１１３より吸入された空気は、直接ポンプ空間１０４に流入する経路、シリンダ１０３に設けられた貫通穴１０５を通じてエンドプレート１１２に設けられた段落ち部１１７からポンプ空間１０４に流入する経路、貫通穴１０５を通じてシリンダ中央部に設けられた連通路１２６からポンプ空間１０４に流入する経路の３箇所からポンプ空間１０４に流入する。
【００２１】
流入した空気は、ロータ１０７の回転にともないポンプ空間１０４内で圧縮され、吐出ポート１１４を経て吐出口１１５より吐出される。
【００２２】
前述のように、従来のポンプでは、ポンプ空間１０４に望むロータ１０７、シリンダ１０３、フロントプレート１１１、エンドプレート１１２には表面処理が施されておらず、ポンプ空間１０４内に湿度の高い空気が流入した後、長時間ポンプを停止した場合、溝１０８内で錆が発生し、錆が成長することによってベーン１０９が溝１０８内で固着し、摺動不可能となる。そのため、ベーン１０９がシリンダ１０３に衝突することで、ロータ１０７が回転不可能となり、ポンプ運転が不可能になることや、ポンプの運転が可能であっ
ても、ポンプ空間１０４に臨むフロントプレート１１１、エンドプレート１１２、シリンダ１０３、ロータ１０７に発生した錆がベーン１０９の摺動の抵抗となって運転周波数が低下し、吐出流量が減少し、モータへの入力が増加するという課題を有していた。
【００２３】
これに対して、本実施形態では、フロントプレート１１１およびエンドプレート１１２のポンプ空間１０４に臨む面に、自己潤滑性に優れたフッ素樹脂被膜による表面処理を施すため、ロータ１０７の端面およびベーン１０９がフロントプレート１１１およびエンドプレート１１２のポンプ空間１０４に臨む面に接触した場合でも、ロータ１０７の端面とフロントプレート１１１およびエンドプレート１１２間の摩擦係数を低減し、運転周波数の低下を防ぎ、吐出流量の低下を防止し、モータ入力を低減しながら、錆の発生を防止できる。
【００２４】
アルミを材料とするロータ１０７にはアルマイト被膜を施す。アルマイト被膜は、溝１０８内はアルマイト処理時の液の更新や通電状態が他の部分より不安定になりやすく、他の部分に比べて被膜が不均一になりやすい。この膜厚を制御してベーン１０９との隙間を一定の設定隙間にするよりも、アルマイト被膜を厚めに付けて、処理後にラップなどの工法で溝１０８の寸法と平面度を規定寸法になるまで削り取る事により、ベーン１０９との隙間を設計で決められた一定の寸法に容易に合わせることができる。また、シリンダ１０３とロータ１０７の高さもロータ１０３の寸法増加分に合わせて、シリンダ端面の高さを被膜が残存する範囲内で削って調整することにより、隙間寸法を一定の設計値に合わせることができる。従って性能が安定し、しかもアルマイト被膜は低コストで処理可能なため、安価で、長時間の運転でも被膜が残存するため、長期間にわたり錆の発生を防止することができる。
【００２５】
アルマイト被膜による表面処理を施したロータ１０７は、フロントプレート１１１およびエンドプレート１１２のポンプ空間１０４に臨む面および自己潤滑性に優れた材質であるカーボンからなるベーン１０９と摺動するが、フロントプレート１１１およびエンドプレート１１２のポンプ空間１０４に臨む面に施したフッ素樹脂被膜の持つ自己潤滑性により、処理後の表面が粗いアルマイト処理であっても、焼付きを防止できる。ベーン１０９が往復摺動する溝１０８はラップなどの工法で表面の面粗さが良化しているので、更に摩耗の少ない高い信頼性を実現することができる。
【００２６】
また、アルマイト被膜の代わりに無電解ニッケル被膜を施した場合には、アルマイト被膜に比べて溝１０８内の膜厚変化は小さいが、処理後の溝幅寸法を設計値に押さえ込むことは前加工寸法精度を不必要に高くしたり、無電解ニッケル鍍金被膜の寸法変化把握のためにダミー部品で寸法確認をしながら処理を行う必要が有るなど、安価に処理しにくい条件となってしまう。前加工寸法や無電解ニッケル鍍金被膜の処理工程を安価に行い、組立前に溝を鍍金被膜層が残存する範囲内でラップ等の除去加工を施すことにより、溝幅寸法とベーン厚さの隙間寸法を確保する方が、安価なポンプを実現でき、更に、長期間にわたり錆の発生を防止することができる。また、シリンダ１０３とロータ１０７の高さ寸法隙間についても同様であり、ロータ１０７の高さ寸法の処理後寸法に合わせてシリンダ１０３の高さを調整すれば良く、より、安価で信頼性の高いポンプを実現することができる。
【００２７】
さらに、シリンダ１０３内面処理の種類とメカ騒音、表面粗さ、表面硬さの関係を図３に示す。図３は、横軸にシリンダ１０３内面処理の種類を示す。下段のグラフは、処理後の表面の硬さをショア硬さで示している。上段のグラフは、ポンプ運転時の騒音を棒グラフで、処理後の表面の平均表面粗さを折れ線グラフで示している。
【００２８】
騒音値は、アルマイト被膜およびフッ素樹脂被膜に比べて、無電解ニッケルリン被膜が低くなっている。平均表面粗さに関しても、無電解ニッケルリン鍍金被膜は、アルマイト
被膜やフッ素樹脂被膜に比べて小さい値となっている。また、騒音値の高いアルマイト被膜やフッ素樹脂被膜は、平均表面粗さも大きな値となっている。さらに、騒音値と表面硬さに相関性はないため、騒音の原因は、被膜の表面粗さであることがわかる。よって、シリンダ１０３内面に、無電解ニッケルリン鍍金被膜による表面処理を施すことで、錆の発生を防止でき、ニッケルりん被膜は、処理後の被膜表面が滑らかなため、ロータ１０７の回転にともなうベーン１０９先端とシリンダ１０３内面の摺動音が低減できる。
【００２９】
また、ロータ１０７の内径の場合も溝１０８と同様で、無電解ニッケル被膜を施した場合には、内径にも均一な被膜形成がなされるが、寸法を機械加工のように設計通りに仕上げる事は、前加工寸法精度を不必要に高くしたり、無電解ニッケル鍍金被膜の寸法変化把握のためにダミー部品で寸法確認をしながら処理を行う必要が有るなど、安価に処理しにくい条件となってしまう。
【００３０】
前加工寸法や無電解ニッケル鍍金被膜の処理工程を安価に行い、組立前に溝を鍍金被膜層が残存する範囲内で内径をホーニングやラップ等の除去加工を施すことにより、メカシャフト１１０の外径寸法ととローター１０７の内径寸法の隙間寸法を容易に確保する事ができ、安価なポンプを実現できる。更に、長期間にわたり錆の発生を防止することができる。また、ロータ１０７の内径寸法とメカシャフト１１０の外径寸法の隙間についても同様であり、より隙間の少ない、勘合が可能となり、性能の良い、より、安価で信頼性の高いポンプを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
以上のように、本発明のベーンロータリ型空気ポンプは、オイルレスで運転しても錆を防止して高い性能を実現できる空気ポンプであり、燃料電池を用いたモバイル用情報端末機器の空気供給装置に使用されるベーンロータリ型空気ポンプに限らず、真空ポンプ等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかるベーンロータリ型空気ポンプの縦断面図
【図２】図１のＡ−Ａ断面図
【図３】シリンダ内面処理の種類と騒音、平均表面粗さ、表面硬さの関係を示す特性図
【図４】従来のベーンロータリ型ポンプの縦断面図
【図５】図４のＩ−Ｉ断面図
【符号の説明】
【００３３】
１０１  ポンプ機構部
１０３  シリンダ
１０４  ポンプ空間
１０５  貫通穴
１０６  ポンプ機構部締結用ボルト穴
１０７  ロータ
１０８  溝
１０９  ベーン
１１０  メカシャフト
１１１  フロントプレート
１１２  エンドプレート
１１３  吸入ポート
１１４  吐出ポート
１１５  吐出口
１１６  ボール軸受け
１１７  段落ち部
１１８  ボール軸受け
１１９  直流モータ
１２０  ステータ
１２１  モータロータ
１２２  軸受け
１２３  軸受け
１２６  連通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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