(57)【要約】【課題】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、ポンプ機構部の摩耗を抑制するとともに騒音を低減する。【解決手段】ロータとベーンを挟み込んだベーンロータリ型空気ポンプにおいて、リアプレートには、フロントプレートに設けた吸入ポートおよび吐出ポートと略同一形状でかつ窪み状の吸入ポートおよび擬似吐出ポートを備え、シリンダには、前記フロントプレートに設けた吸入ポートと前記リアプレートに設けた吸入ポートを連通する連通孔を設けているものである。【選択図】  図１
2004225615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内面が円筒状のシリンダ内に、中心軸が前記シリンダの中心軸と所定量だけ離れた状態で円筒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ベーン溝を設け、これらのベーン溝にはベーンを摺動可能な状態で勘合させ、フロントプレートとリア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、前記リアプレートを介して前記ポンプ機構部と反対側にはモータを配置し、この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空気ポンプであって、前記フロントプレートには貫通する吸入ポートと貫通する吐出ポートを備え、前記リアプレートには、前記フロントプレートに設けた吸入ポートおよび吐出ポートと略同一形状でかつ窪み状の吸入ポートおよび擬似吐出ポートを配し、前記シリンダには、前記フロントプレートに設けた吸入ポートと前記リアプレートに設けた吸入ポートを連通する連通孔を設けてい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】
前記フロントプレートあるいは前記リアプレートの少なくとも一方の端面に、前記複数のベーン背面空間のすべてに臨むように環状溝を設けるとともに、この環状溝を前記吐出ポートあるいは前記吸入ポートに連通させてい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】
前記ベーンと、前記フロントプレートと、前記リアプレートの摺動面に自己潤滑性材質を備えていることを特徴とする請求１記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モバイル機器用燃料電池に用いるオイルレス空気ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のベーンロータリ圧縮機として、図９、１０において、内面が円筒状のシリンダ１３内に、中心軸がシリンダ１３の中心軸と所定量だけ離れた状態で円筒状のロータ１４が配置され、ロータ１４にはその中心軸方向に複数のベーン溝１６が設けられ、これらのベーン溝１６内には板状のベーン１７が摺動可能な状態で勘合され、ベーン１７の先端部がシリンダ１３の内面と摺動する構成になっている。さらに、ロータ１４とベーン１７を挟み込むようにフロントプレート１１とリアプレート１２がシリンダ１３の端面に配置されることにより、シリンダ１３、ロータ１４、ベーン１７、フロントプレート１１およびリアプレート１２により囲まれて複数の圧縮空間１８が形成されている。前記シリンダ１３は、その周囲に吸入口１９と吐出口２０を備えている。また、前記ロータ１４は駆動力を伝達するメカシャフト１５を備えている。さらに、リアプレート１２の後方には給油ケース２５が設けられ、その中には油溜まり部２６が形成されている。また、給油ケース２５内には、油溜まり部２６の潤滑油をリアプレート１２に形成された給油通路２８を介してロータ１４の溝１６に供給するオイルコントロール弁ユニット２９が収納されている。
【０００３】
図示されていないエンジンあるいはモータから、図示されていないベルトを介して動力がメカシャフト１５に伝達されると、図１０において時計回りにロータ１４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１９からシリンダ１３内の圧縮空間１８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２０から吐き出され、給油ケース２５に入る。この給油ケース２５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２６に貯留され、この後、オイルコントロール弁ユニット２９から給油通路２８を経て、ロータ１４の溝１６に供給される。この結果、潤滑油の圧力によりベーン１７に背圧が付与され、ベーン１７がシリンダ１３の内面を摺動する構成になっていた。（例えば特許文献１参照）
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２１４８７５号公報（第２頁、第１、４図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の構成では、ベーン１７の背面に供給された潤滑油が溝１６とベーン１７の隙間から圧縮空間１８内に少量流れ込み、この潤滑油でベーン１７とロータ１４間の潤滑およびロータ１４とフロントプレート１１、リアプレート１２間の潤滑が行われていたのであるが、この機構を燃料電池に空気を供給する空気ポンプに適用しても、この種の空気ポンプに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。
【０００６】
また、上記従来の構成では、シリンダ１３の外周部に吸入口１９と吐出口２０を備える構成であり、圧縮機全体の外径が大きくなってしまうという課題を有していた。
【０００７】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、  現在、モバ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当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１０リットル／ｍｉｎ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通路で生じる圧力損失にうち勝って空気を送り込むために、その供給圧力はΔｐ＝２〜５ｋＰａ必要なこと、大きさはモバイル機器に組み込む必要性から直径はおよそφ３０ｍｍ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。
【０００８】
従って、本願発明は、オイルレス運転が可能で、ポンプ全体の外径を小さくでき、かつ長期間運転しても摺動部品に生じる摩耗を抑制し、長寿命なオイルレス空気ポンプを提供することを目的とする。
【０００９】
さらに、ベーンがロータの摺動面でジャンプすることが少なく、騒音の小さいオイルレス空気ポンプを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
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、シリンダの中心軸から所定量だけ偏心させた状態で円筒状のロータを配置し、このロータにはその中心軸方向に複数の溝を設け、これらの溝にはベーンを摺動可能な状態で勘合させ、フロントプレートとリアプレートをロータとベー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カシャフトを備えてポンプ機構部を構成し、リアプレートを介し前記ポンプ機構部と反対側にはモータを配置し、このモータがメカシャフトを駆動することによりポンプ空間が伸縮作用を生じる空気ポンプを構成するとともに、フロントプレートには貫通する吸入ポートと貫通する吐出ポートを備え、リアプレートにはフロントプレートに設けた吸入ポートおよび吐出ポートと略同一形状でかつ窪み状の吸入ポートおよび擬似吐出ポートを備え、さらにシリンダには、フロントプレートに設けた吸入ポートとリアプレートに設けた吸入ポートを連通する連通孔を設けたものである。
【００１１】
上記構成において、シリンダの周囲には吸入口と吐出口を設けず、フロントプレートにポンプの吸入ポートと吐出ポートを備える構成としたことにより、ポンプ機構部の外径をφ３０ｍｍ以下まで小さくし、モバ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。  さらに、リアプレートにも略同一形状の吸入ポートと擬似の吐出ポートを備える構成としたことにより、ロータおよびベーンの側面に作用する力は左右釣り合って、摺動面で摩擦損失が小さくなるとともに摩耗が抑制されることとなる。
【００１２】
また、本発明は、フロントプレートあるいはリアプレートの少なくとも一方の端面に、複数のベーン背面空間のすべてに臨むように環状溝を設け、さらにこの環状溝を吐出ポートあるいは吸入ポートに連通させる構成としている。この環状溝には吐出圧力あるいは吸入圧力の空気が常に導かれているので、空気がベーンの背面空間に自由に出入りし、ベーンが溝内で容易に往復運動することができることとなる。さらに、ベーン背面に吐出圧力を印加させた場合には、ベーンには遠心力に加えて背面からガス力が作用するので、ベーンは円筒状の内壁に押し付けられ、ジャンプなどが生じない円滑なベーンの摺動が実現する。これらによって、騒音レベルが低くかつ漏れの少ない空気ポンプが実現できる。
【００１３】
本発明は、前記ベーンと、前記フロントプレートと、前記リアプレートの摺動面に自己潤滑性材質を備えているものである。
【００１４】
上記構成において、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り、摺動面でオイルによる潤滑が不要となって基本的にオイルレス運転が可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係わるベー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１に係わるベー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断面図に相当する。本実施の形態１に係わるベーンロータリ型空気ポンプ本体１０１は、ポンプ機構部１０２とモータ１１９より構成される。まずポンプ機構部１０２について説明する。円筒状の内面１０４を有するシリンダ１０３内に、中心軸がシリンダ１０３の中心軸と所定量だけ離れた状態で円筒状のロータ１０７を配置し、ロータ１０７にはその中心軸方向に２本の溝１０８を設け、これらの溝１０８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１０９を摺動可能な状態で勘合させ、ベーン１０９の先端部がシリンダ１０３の内面１０４と摺動する構成になっている。ロータ１０７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、シリンダの材質にはシリコン含有率が約１０％のアルミニウム合金を使用している。次に、前記ロータ１０７とベーン１０９を挟み込むように、フロントプレート１１１とリアプレート１１２をシリンダ１０３の両端面に配置している。これにより、シリンダ１０３、ロータ１０７、ベーン１０９、フロントプレート１１１およびリアプレート１１２にとり囲まれて複数のポンプ空間１２４が形成される。ここで、フロントプレート１１１とリアプレート１１２の表面には二硫化モリブデン等の自己潤滑性材料をコーティング処理している。
【００１７】
次に、実施の形態１を構成するフロントプレート１１１を図３に示し、リアプレート１１２を図４に示す。図３と図４は、ともに図２においてＢ−Ｂの方向から見た図である。図３に示すように、フロントプレート１１１には吸入ポート１１３と吐出ポート１１４を設け、さらに吐出ポート１１４には吐出管１１５を設けている。ここで、吸入ポート１１３は貫通した穴であるが、吐出ポート１１４はその中央部に貫通穴を備えた窪み状のポートであり、貫通穴に臨むように吐出管１１５を備えている。一方、図４に示すリアプレート１１２には、窪み状の吸入ポート１１７と窪み状の擬似の吐出ポート１３０を設けている。ここで、吸入ポート１１３と吸入ポート１１７は、Ｂ−Ｂ方向から見たら略同一形状をしており、同じく吐出ポート１１４と擬似の吐出ポート１３０は、Ｂ―Ｂ方向から見たら略同一形状をしている。なお、図２には、ポンプ機構部１０２上に上記の吸入ポート（１１３、１１７）と吐出ポート（１１４、１３０）を１点鎖線で示している。
【００１８】
次にモータ１１９について説明する。前記リアプレート１１２の反ポンプ機構部側にはモータ１１９を、リアプレート１１２に直接接触させて配置している。このモータ１１９は円筒状のコイル１２０と永久磁石を備えた回転子１２１より成る直流モータである。このモータ１１９の回転子１２１は長尺のシャフト１１０を備えている。このシャフト１１０は、モータ１１９の内部ではモータ軸受１２２、１２３で支承されているが、モータ１１９から外部に伸びて、ポンプ機構部１０２内ではフロントプレート１１１内の軸受１１６およびリアプレート１１２内の軸受１１８によって支承されるとともに、ロータ１０７に固定されて、モータ１１９で発生した回転力をロータ１０７伝達する役割を果している。
【００１９】
上記の構成で、モータ１１９に通電すると、図１においてシャフト１１０およびこれに連結されたロータ１０７が矢印の方向に回転する。この時、ベーン１０９は回転の遠心力によりベーン溝１０８内で外側へと移動し、ベーン１０９の先端がシリンダの内面１０４に接触・摺動しながら回転運動する。これによって、ポンプ空間１２４は伸縮作用を呈するので、空気がフロントプレート１１１の吸入ポート１１３より吸い込まれ、その一部がポンプ空間１２４に直接入り込む。残りの空気は、シリンダ１０３を貫通する吸入通路１０５を経由した後、リアプレート１１２に設けた吸入ポート１１７を経て、ポンプ空間１２４に吸い込まれる。  ポンプ空間１２４に入った空気は、およそ１回転する間に圧力が上昇（ΔＰ＝２〜５ｋＰａ）した後、フロントプレート１１１に設けられた吐出ポート１１４を経て吐出管１１５より外部へ出て行く。
【００２０】
さて、上記構成において、カーボン複合材料でベーン１０９を構成し、フロントプレート１１１とリアプレート１１２については、その摺動面に二硫化モリブデン等の自己潤滑性材質をコーティングし、ロータ１０７とベーン１０９を挟み込むように２枚のプレート１１１と１１２をシリンダ１０３の端面に配置したことによって、各摺動面での摩擦損失が小さくなるとともに摩耗が減少し、摺動面でオイルによる潤滑が不要となって、その結果オイルレス運転を実現可能となった。
【００２１】
また、シリンダ１０２の周囲には吸入口と吐出口を設けず、フロントプレート１１１に吸入ポート１１３と吐出ポート１１４を備える構成にすることによって、ポンプ機構部１０１の外径をφ３０ｍｍ以下することが可能になり、モバイル機器用燃料電池に適用可能な小型化を実現している。
【００２２】
上記のようなフロントプレート１１１に吸入ポート１１３と吐出ポート１１４を設けて、一方向から吸入・排気を行う空気ポンプにおいて、リアプレート１１２にもフロントプレート１１１と略同一形状の吸入ポート１１７と擬似の吐出ポート１３０を設けた構成としたことにより、ロータ１０７が回転したとき、ロータ１０７およびベーン１０９の側面に作用する圧力が釣り合って、これらはフロントプレート１１１あるいはリアプレート１１２のいずれにも強く押し付けられることがなくなり、摩擦損失が小さくなるとともに摩耗も抑制される。その結果、消費電力が小さく、かつ寿命が長いオイルレス空気ポンプを提供することができることとなる。
【００２３】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係わるベーンロータリ型空気ポンプの横断面を図５に示している。また、図６にはこの実施の形態２に係わるフロントプレート１１１ＣのＢ方向矢視図を示している。図６に示すように、フロントプレート１１１Ｃには、すべてのベーン１０９の背面空間に臨む位置に環状溝１３１を設けるととともに、この環状溝１３１を吸入ポート１１３に連絡する連通溝１３２を設けている。この構成により、ベーン１０９の背面空間は常に吸入圧力の空気が導かれているので、空気がベーン１０９の背面空間内で自由に出入りができ、ベーン１０９がベーン溝１０８内で容易に往復運動することができることとなる。
【００２４】
また、運転時にはベーン１０９には遠心力が作用するので、ベーン１０９はベーン溝１０８内で速やかに動いて、シリンダ１０３の内面１０４に常に押し付けられることになるので、ベーン１０９が摺動する時に内面１０４から浮き上がる現象が起きず、低騒音化と高性能化が図れることとなる。
【００２５】
（実施の形態３）
一方、次に、本発明の実施の形態３に係わるベーンロータリ型空気ポンプの横断面を図７に示している。図８には、この実施の形態３に係わるリアプレート１１２ＤのＢ方向矢視図を示している。図８に示すように、リアプレート１１２Ｄにはすべてのベーン１０９の背面空間に臨む位置に環状溝１３３を設けるととともに、この環状溝１３３を擬似の吐出ポート１３０に連絡する連通溝１３４を設けている。この構成により、ベーン１０９の背面空間は常に吐出圧力に保たれるので、運転時ベーン１０９には遠心力とともに吐出圧力によるガス力が背面から作用する。これらの合力により、ベーン１０９はシリンダ１０３の内面１０４に常に押し付けられることになるので、ベーン１０９が摺動する時に内面１０４から浮き上がるのを防止することができる。これにより、ベーン１０９のジャンプによる騒音を防止することが出来るとともに、ベーン１０９先端からの漏れを低減することもできて、ポンプの吐き出し流量を大きくすること、すなわち高性能化が図れることとなる。
【００２６】
【発明の効果】
上記から明らかなように、本発明は、、フロントプレートとリアプレートのいずれにも同一形状の吸入ポートと吐出ポートを設け、左右の圧力バランスを取って、摩耗を低減することにより、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、騒音を低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】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横断面図
【図２】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
【図３】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フロントプレート図
【図４】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リアプレート図
【図５】本発明の第２の実施形態を示すベーンロータリ型空気ポンプの横断面図
【図６】本発明の第２の実施形態を示すベーンロータリ型空気ポンプのフロントプレート図
【図７】本発明の第３の実施形態を示すベーンロータリ型空気ポンプの横断面図
【図８】本発明の第３の実施形態を示すベーンロータリ型空気ポンプのリアプレート図
【図９】従来のベーンロータリ圧縮機の縦断面図
【図１０】図９の従来のベーンロータリ圧縮機のＩ−Ｉ線横断面図
【符号の説明】
１０１  空気ポンプ本体
１０２  ポンプ機構部
１０３  シリンダ
１０７  ロータ
１０９  ベーン
１１０  シャフト
１１１  フロントプレート
１１２  リアプレート
１１３  吸入ポート
１１４  吐出ポート
１１９  モータ
１１７  吸入ポート
１３０  擬似の吐出ポート
１３１  フロントプレート上の円環溝
１３２  連通溝
１３３  リアプレート上の円環溝
１３４  連通溝
【図１】
2004225615.tif 000003
【図２】
2004225615.tif 000004
【図３】
2004225615.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2004225615.tif 000008
【図７】
2004225615.tif 000009
【図８】
2004225615.tif 000010
【図９】
2004225615.tif 000011
【図１０】
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