(57)【要約】【課題】ポンプ機構部と駆動モータを直結してポンプの全体寸法を小さくするとともに、高効率で低騒音のベーンロータリ型空気ポンプを提供すること。【解決手段】ロータ１０とベーン１４をフロントプレート１６とリアプレート１８で挟み込んで構成するベーンロータリ型空気ポンプにおいて、リアプレート１８を駆動モータ６のケーシングに直接ねじ３６で締結するとともに、ねじ穴３２の残空間をポンプ室２０から離隔した。【選択図】  図２
2005002865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ機構部と駆動モータとが並設され、軸心から偏心して形成された円筒状内壁を有するシリンダと、該シリンダ内に配置され複数のベーン溝を有する円筒状のロータと、該ロータと一体的に回転する回転軸と、前記複数のベーン溝に摺動自在に挿入され自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベーンと、前記ロータと前記ベーンを挟み込むように前記シリンダの両端面に取り付けられたフロントプレートとリアプレートとにより前記ポンプ機構部を構成して、該ポンプ機構部に複数のポンプ空間を形成し、前記回転軸を前記駆動モータで駆動することにより前記ポンプ空間の容積を変化させるようにしたベーンロータリ型空気ポンプであって、
前記駆動モータの回転軸は前記リアプレートを貫通して前記ロータと一体的に回転する回転軸を構成し、前記リアプレートに複数のねじ穴を設けて前記駆動モータのケーシング端面に前記リアプレートを複数のねじで締結し、締結後の前記ねじ穴の残空間を圧縮中のポンプ空間から離隔した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】
前記ねじ穴を前記シリンダの円筒状内面の外側に設けた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】
前記複数のねじ穴の一部を前記リアプレートに形成された吸入ポートあるいは吐出ポートに設けた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】
ポンプ機構部と駆動モータとが並設され、軸心から偏心して形成された円筒状内壁を有するシリンダと、該シリンダ内に配置され複数のベーン溝を有する円筒状のロータと、該ロータと一体的に回転する回転軸と、前記複数のベーン溝に摺動自在に挿入され自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベーンと、前記ロータと前記ベーンを挟み込むように前記シリンダの両端面に取り付けられたフロントプレートとリアプレートとにより前記ポンプ機構部を構成して、該ポンプ機構部に複数のポンプ空間を形成し、前記回転軸を前記駆動モータで駆動することにより前記ポンプ空間の容積を変化させるようにしたベーンロータリ型空気ポンプであって、
前記駆動モータの回転軸は前記リアプレートを貫通して前記ロータと一体的に回転する回転軸を構成し、前記リアプレートに複数のねじ穴を設けて前記駆動モータのケーシング端面に前記リアプレートを複数のねじで締結し、圧縮中のポンプ空間に連通する締結後の前記ねじ穴の残空間に樹脂を埋め込んだことを特徴とするベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項５】
前記樹脂が熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項４に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項６】
前記樹脂のポンプ空間との対向面に凹部を形成したことを特徴とする請求項４あるいは５に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項７】
前記凹部の最大深さを５０μｍ以内に設定したことを特徴とする請求項６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】
【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。
【０００２】
【従来の技術】
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１０リットル／分程度の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＝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、及び騒音レベルが低いことが求められる。
【０００３】
これらの特性を満たす空気ポンプとしてベーンロータリ型空気ポンプが考えられるが、冷凍サイクルに設けられた従来のベーンロータリ型ポンプ機械（圧縮機）について図６及び図７を参照して説明する。
【０００４】
図６及び図７に示されるように、内面が円筒状のシリンダ１００内に、シリンダ１００の円筒状内面の中心線と所定量だけ偏心した中心軸を有する円筒状のロータ１０２が配置されている。ロータ１０２にはその中心軸方向に延びる複数のベーン溝１０４が形成されており、ベーン溝１０４内には板状のベーン１０６が摺動自在に挿入され、ベーン１０６の先端部はシリンダ１００の内面と摺接している。
【０００５】
また、ロータ１０２とベーン１０６を挟み込むようにフロントプレート１０８とリアプレート１１０がシリンダ１３の両端面に取り付けられており、シリンダ１００、ロータ１０２、ベーン１０６、フロントプレート１０８及びリアプレート１１０により囲繞された複数の圧縮空間１１２が形成されている。さらに、シリンダ１００は、その周囲に形成された吸入口１１４と吐出口１１６を備えており、ロータ１０２は駆動力を伝達する回転軸１１８を備えている。
【０００６】
リアプレート１１０の後方には給油ケース１２０が設けられ、給油ケース１２０の中には油溜まり部１２２が形成されている。また、給油ケース１２０内には、油溜まり部１２２の潤滑油をリアプレート１１０に形成された給油通路１２４を介してロータ１０２のベーン溝１０４に供給するオイルコントロール弁ユニット１２６が収納されている。
【０００７】
上記構成の従来のベーンロータリ型ポンプにおいて、エンジンあるいはモータ（図示せず）からベルト（図示せず）を介して動力が回転軸１１８に伝達されると、図７において時計回りにロータ１０２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１１４からシリンダ１００内の圧縮空間１１２に吸入されて圧縮される。圧縮された高圧の冷媒ガスは、吐出口１１６から吐出され、給油ケース１２０に流入する。給油ケース１２０に流入した冷媒ガスは、給油ケース１２０内で潤滑油と分離されて、冷媒ガスのみが冷凍サイクルへと流出する。
【０００８】
分離された潤滑油は一旦油溜まり部１２２に貯留され、その後、オイルコントロール弁ユニット１２６から給油通路１２４を経て、ロータ１０２のベーン溝１０４に供給される。その結果、潤滑油の圧力によりベーン１０６に背圧が付与され、ベーン１０６がシリンダ１００の内面に摺接する構成になっていた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−２１４８７５号公報（第２頁、図１、図４）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の従来のベーンロータリ型ポンプは、エンジンあるいはモータがベルトを介してロータ１０２と一体的に取り付けられた回転軸１１８を駆動する構成のため、ポンプ全体の寸法が大きい。この構成を改良して同軸上にモータを配置して、モータ軸で回転軸１１８を駆動する場合、モータをフロントプレート１０８に取り付けるとともに、２つの軸（モータ軸及び回転軸１１８）の軸心を精度良く合わせる必要がある。この軸心合わせは容易ではなく、２つの軸をフレキシブルジョイント等を介して連結すると、全体の寸法が大きくなり、モバイル用燃料電池には適用できない。
【００１１】
本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ポンプ機構部と駆動モータを直結してポンプの全体寸法を小さくするとともに、高効率で低騒音のベーンロータリ型空気ポンプを提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうちで請求項１に記載の発明は、ポンプ機構部と駆動モータとが並設され、軸心から偏心して形成された円筒状内壁を有するシリンダと、該シリンダ内に配置され複数のベーン溝を有する円筒状のロータと、該ロータと一体的に回転する回転軸と、前記複数のベーン溝に摺動自在に挿入され自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベーンと、前記ロータと前記ベーンを挟み込むように前記シリンダの両端面に取り付けられたフロントプレートとリアプレートとにより前記ポンプ機構部を構成して、該ポンプ機構部に複数のポンプ空間を形成し、前記回転軸を前記駆動モータで駆動することにより前記ポンプ空間の容積を変化させるようにしたベーンロータリ型空気ポンプであって、前記駆動モータの回転軸は前記リアプレートを貫通して前記ロータと一体的に回転する回転軸を構成し、前記リアプレートに複数のねじ穴を設けて前記駆動モータのケーシング端面に前記リアプレートを複数のねじで締結し、締結後の前記ねじ穴の残空間を圧縮中のポンプ空間から離隔したことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、前記ねじ穴を前記シリンダの円筒状内面の外側に設けたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、前記複数のねじ穴の一部を前記リアプレートに形成された吸入ポートあるいは吐出ポートに設けたことを特徴とする。
【００１５】
さらに、請求項４に記載の発明は、ポンプ機構部と駆動モータとが並設され、軸心から偏心して形成された円筒状内壁を有するシリンダと、該シリンダ内に配置され複数のベーン溝を有する円筒状のロータと、該ロータと一体的に回転する回転軸と、前記複数のベーン溝に摺動自在に挿入され自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベーンと、前記ロータと前記ベーンを挟み込むように前記シリンダの両端面に取り付けられたフロントプレートとリアプレートとにより前記ポンプ機構部を構成して、該ポンプ機構部に複数のポンプ空間を形成し、前記回転軸を前記駆動モータで駆動することにより前記ポンプ空間の容積を変化させるようにしたベーンロータリ型空気ポンプであって、前記駆動モータの回転軸は前記リアプレートを貫通して前記ロータと一体的に回転する回転軸を構成し、前記リアプレートに複数のねじ穴を設けて前記駆動モータのケーシング端面に前記リアプレートを複数のねじで締結し、圧縮中のポンプ空間に連通する締結後の前記ねじ穴の残空間に樹脂を埋め込んだことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明は、前記樹脂が熱硬化性樹脂であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、前記樹脂のポンプ空間との対向面に凹部を形成したことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明は、前記凹部の最大深さを５０μｍ以内に設定したことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
実施の形態１．
図１及び図２は、それぞれ本発明の実施の形態１にかかるベーンロータリ型空気ポンプの横断面図及び縦断面図であり、図２は図１におけるＡ−Ｏ−Ａ断面に相当する。
【００２０】
図１及び図２に示されるように、本発明の実施の形態１にかかるベーンロータリ型空気ポンプの本体２は、ポンプ機構部４と駆動モータ６により構成されている。
【００２１】
ポンプ機構部４は、軸心から偏心して形成された円筒状内面８ａを有するシリンダ８と、シリンダ８内に配置された円筒状のロータ１０を備えている。ロータ１０には、その中心軸方向に延びる複数（例えば、２本）のベーン溝１２が形成されており、これらのベーン溝１２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１４が摺動自在に挿入され、ベーン１４の先端部はシリンダ８の内面８ａと摺接している。ロータ１０は、本実施の形態ではアルミニウム合金より構成して軽量化を図っており、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。
【００２２】
また、ロータ１０とベーン１４を挟み込むように、フロントプレート１６とリアプレート１８がシリンダ８の両端面に取り付けられており、シリンダ８、ロータ１０、ベーン１４、フロントプレート１６及びリアプレート１８に囲繞された複数のポンプ空間２０が形成されている。さらに、フロントプレート１６及びリアプレート１８の摺動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。
【００２３】
図１に示されるように、フロントプレート１６には、吸入ポート２２及び吐出ポート２４が形成されており、吐出ポート２４には吐出管２６が取り付けられている。ここで、吸入ポート２２はフロントプレート１６を軸方向に貫通する穴であるが、吐出ポート２４はその中央部に貫通穴が形成された窪み状のポートであり、吐出管２６はこの貫通穴に臨むように設けられている。
【００２４】
図３は、図２におけるリアプレート１８のＢ−Ｂ矢視図を示している。
図３に示されるように、リアプレート１８には、窪み状の吸入ポート２８と窪み状の擬似の吐出ポート３０が形成されている。吸入ポート２２及び吸入ポート２８は、図２のＣ−Ｃ方向から見ると略同一形状をしており、同様に吐出ポート２４と擬似の吐出ポート３０は、Ｃ−Ｃ方向から見ると略同一形状をしている。なお、図１には、吸入ポート２２，２８及び吐出ポート２４，３０が破線で示されている。
【００２５】
一方、リアプレート１８の反ポンプ機構部側には、リアプレート１８と直接接触する駆動モータ６が配置されている。リアプレート１８には、複数のねじ穴３２が形成されており、リアプレート１８は駆動モータ６のケーシング端面３４に複数のねじ３６で直接締結されている。
【００２６】
駆動モータ６は、円筒状のコイル３８と永久磁石を備えた回転子４０より成る直流モータで、回転子４０は長尺の回転軸４２を備えている。回転軸４２は、駆動モータ６の内部ではモータ軸受４４、４６で支承されており、駆動モータ６からリアプレート１８を貫通してポンプ機構部４に延び、ポンプ機構部４内ではシリンダ８の軸心上に延在し、フロントプレート１６内の軸受４８及びリアプレート１８内の軸受５０により支承されている。また、ポンプ機構部４内の回転軸４２にはロータ１０が固定されており、駆動モータ６で発生した回転力は回転軸４２を介してロータ１０に伝達される。
【００２７】
上記構成の本発明にかかるベーンロータリ型空気ポンプにおいて、駆動モータ６に通電すると、互いに連結された回転軸４２及びロータ１０が図１の矢印の方向に一体的に回転する。この時、ベーン１４は回転の遠心力によりベーン溝１２内で外側に向かって移動し、ベーン１４の先端部がシリンダ内面８ａに摺接しながら回転運動する。その結果、ポンプ空間２０は伸縮する（容積が変化する）ので、空気がフロントプレート１６の吸入ポート２２より吸い込まれ、その一部がポンプ空間２０に直接流入する。残りの空気は、シリンダ８を軸方向に貫通する吸入通路５２を経由した後、リアプレート１８に形成された吸入ポート２８を経て、ポンプ空間２０に吸い込まれる。ポンプ空間２０に流入した空気は、ほぼ１回転する間に圧力が上昇（ΔＰ＝５ｋＰａ）した後、フロントプレート１６に形成された吐出ポート２４を経て吐出管２６より外部へ流出する。
【００２８】
なお、擬似の吐出ポート３０は、ロータ１０の左右に同じ圧力を印可させるためのもので、擬似の吐出ポート３０が存在することで、ロータ１０はフロントプレート１６とリアプレート１８との間で圧力バランスがとれ、一方のプレートに押し付けられることがなく、磨耗が生じにくくなる。
【００２９】
ここで、上記構成において、ポンプ機構部４と駆動モータ６を締結する手段として、リアプレート１８に複数のねじ穴３２を設け、リアプレート１８を駆動モータ６のケーシング端面３４に複数のねじ３６で直接締結するとともに、締結後のねじ穴３２の残空間を圧縮中のポンプ空間２０から離隔した（ねじ穴３２の残空間がポンプ空間２０には臨まない）構成としている。すなわち、図３に示されるように、シリンダ８の円筒状内面８ａ（図３において１点鎖線で表示）の外側にねじ穴３２を設け、ねじ３６で締め付けている。
【００３０】
このような構成にすることにより、ロータ１０の回転時にベーン１４がねじ穴３２の残空間を横切ることがなくなるので、この残空間を経由して高圧のポンプ空間に存在する空気が低圧のポンプ空間へと流れる現象がなくなる。その結果、圧縮中のポンプ空間からの空気の漏れがなくなるので、空気ポンプの体積効率が上昇し、効率の高い空気ポンプを実現することができる。また、高圧のポンプ空間に存在する空気が低圧のポンプ空間へと流れると空気の膨張音が発生するが、これも同時に解消されるので、運転時の騒音を著しく低減することもできる。
【００３１】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２にかかるベーンロータリ型空気ポンプを示しており、図２におけるリアプレート１８のＢ方向矢視図である。
【００３２】
図４に示されるように、リアプレート１８に設けられた吸入ポート２８と擬似の吐出ポート３０の内側に複数のねじ穴３２の一部が形成されており、このねじ穴３２を用いてリアプレート１８は駆動モータ６のケーシング端面３４に取り付けられている。なお、吸入ポート２８と擬似の吐出ポート３０の内側に形成されたねじ穴３２以外のねじ穴３２は、上述した実施の形態１と同様、シリンダ８の円筒状内面８ａの外側に形成されている。
【００３３】
この構成により、締結後のねじ穴３２の残空間は圧縮中のポンプ空間２０には臨まないことになり、実施の形態１と同様、高効率で低騒音の空気ポンプを提供することができる。
【００３４】
なお、リアプレート１８に設けた吸入ポート２８あるいは擬似の吐出ポート３０の内側にねじ穴３２を設けることで、締結半径を小さくでき、駆動モータ６の直径が小さい場合にも対応できる。
【００３５】
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３にかかるベーンロータリ型空気ポンプの一部を示しており、リアプレート１８を駆動モータ６のケーシング端面３４に締結するねじ３６の断面を示している。
【００３６】
本実施の形態３においては、ねじ穴３２はリアプレート１８のどの位置にあってもよく、リアプレート１８をねじ３６でケーシング端面３４に取り付けた後、ねじ３６の頭部にできた残空間に樹脂５４を埋めこむとともに、ロータ１０あるいはベーン１４との干渉を避けるために、樹脂５４のポンプ空間との対向面に凹部を形成している。
【００３７】
この構成により、締結後のねじ穴３２の残空間がポンプ空間２０に連通しても、ねじ穴３２の残空間に空気が入り込む余地がないため、実施の形態１と同様、高効率で低騒音の空気ポンプを提供することができる。
【００３８】
また、ねじ穴３２の残空間を埋める樹脂５４には、熱硬化性樹脂を用いるのが望ましい。一般に空気ポンプは、運転時、摺動部の摩擦熱と空気の断熱圧縮により温度が上昇する。熱硬化性樹脂を樹脂５４として使用すると、運転状態が長期に亘っても、樹脂５４が変質することなく安定した性能（効率）と低騒音を維持することができる。
【００３９】
さらに、ねじ穴３２の残空間を埋めた後の樹脂５４の表面（凹部）は、その最大深さが５０μｍ以内に設定することが望ましい。凹部の深さについて調べたところ、その最大深さが５０μｍより大きくなると、騒音が急激に大きくなるという結果が得られた。この騒音は、凹部を経由してポンプ空間２０の高圧側から低圧側へと空気が流れる時に、空気が膨張することに起因している。したがって、ねじ穴３２の残空間を埋めた後の樹脂５４表面凹部は、その最大深さを５０μｍ以内に設定することにより、騒音の低い空気ポンプを得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明によれば、駆動モータの回転軸をリアプレートを貫通させてロータと一体的に回転する回転軸を構成したので、ポンプ全体を小さくすることができる。
また、リアプレートに複数のねじ穴を設けて駆動モータのケーシング端面にリアプレートを複数のねじで締結し、締結後のねじ穴の残空間を圧縮中のポンプ空間から離隔したので、ロータ回転時にベーンがねじ穴の残空間を横切ることがない。したがって、ねじ穴の残空間を経由して高圧のポンプ空間に存在する空気が低圧のポンプ空間へと流れることがなく、高効率の空気ポンプを提供することができるとともに、高圧のポンプ空間に存在する空気が低圧のポンプ空間へと流れる時に発生する膨張音もなくなり、低騒音の空気ポンプ提供することができる。
【００４１】
あるいは、圧縮中のポンプ空間に連通する締結後のねじ穴の残空間に樹脂を埋め込むようにしたので、同様に、ねじ穴の残空間を経由して高圧のポンプ空間に存在する空気が低圧のポンプ空間へと流れることがなく、高効率で低騒音の空気ポンプ提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるベーンロータリ型空気ポンプの横断面図である。
【図２】図１における線Ａ−Ｏ−Ａに沿った断面図である。
【図３】図２におけるリアプレートのＢ−Ｂ矢視図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかるベーンロータリ型空気ポンプを示しており、図２におけるリアプレートのＢ−Ｂ矢視図である。
【図５】本発明の実施の形態３にかかるベーンロータリ型空気ポンプの部分断面図である。
【図６】冷凍サイクルに設けられた従来のベーンロータリ型圧縮機の縦断面図である。
【図７】図６のベーンロータリ型圧縮機の横断面図である。
【符号の説明】
２  空気ポンプ本体、  ４  ポンプ機構部、  ６  駆動モータ、
８  シリンダ、  ８ａ  シリンダの円筒状内面、  １０  ロータ、
１２  ベーン溝、  １４  ベーン、  １６  フロントプレート、
１８  リアプレート、  ２０  ポンプ空間、  ２２  吸入ポート、
２４  吐出ポート、  ２６  吐出管、  ２８  吸入ポート、
３０  擬似の吐出ポート、  ３２  ねじ穴、  ３４  ケーシング端面、
３６  ねじ、  ３８  コイル、  ４０  回転子、  ４２  回転軸、
４４，４６，４８，５０  軸受、  ５２  吸入通路、  ５４  樹脂。
【図１】
2005002865.tif 000003
【図２】
2005002865.tif 000004
【図３】
2005002865.tif 000005
【図４】
2005002865.tif 000006
【図５】
2005002865.tif 000007
【図６】
2005002865.tif 000008
【図７】
2005002865.tif 000009