(57)【要約】【課題】  ベーンの磨耗を抑制し、長期にわたり安定した性能を確保すること。【解決手段】  シリンダ５の内径中心とロータ６の外径中心の偏心量を、ベーン７の摺動方向長さＬの１／６以下にすることにより、ベーンの飛び出し部７ｃに作用する荷重が低減され、その結果ベーン７の側面部磨耗が抑制されるので、長期にわたり安定した性能を確保することができる。【選択図】  図２
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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所定量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スリットを設け、これらの各スリット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モータを配置し、前記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ベーンロータリ型真空ポンプであって、前記シリンダに対する前記ロータの偏心量を前記ベーンの摺動方向長さの１／１０以上１／５以下としてなるベーンロータリ型真空ポンプ。
【請求項２】
前記ベーンの材質として、１８５０℃から１９５０℃の間で焼成したカーボンを用いてなる請求項１記載のベーンロータリ型真空ポンプ。
【請求項３】
前記ベーンの材質として、ジビニルベンゼンを含浸したカーボンを用いてなる請求項１または２記載のベーンロータリ型真空ポンプ。
【請求項４】
前記シリンダ内面にニッケルリンメッキ処理を施し、さらに処理後の前記シリンダ内面にラッピング処理を施し、前記シリンダ内面の平均表面粗さを０．２以下としてなる請求項１から３のいずれかに記載のベーンロータリ型真空ポンプ。
【請求項５】
前記スリットは、前記ロータリの中心軸を通る放射状の直線に対し、平行に形成され、かつ前記放射状の直線の位置から前記ロータの反回転方向領域に前記スリット幅の０．５倍以上２倍以下の範囲で平行移動した位置に設けられている請求項１から４のいずれかに記載のベーンロータリ型真空ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気圧縮機および真空ポンプとして使用される回転式流体機械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としては金属ベーンが使用され、オイルによる潤滑が前提となっていたが、シリンダ内面にコーティングを施し、更なるベーン先端磨耗量の低減を図ったものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
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圧縮機のポンプ機構部断面図を示すものである。図５において、アルミベーン３８はロータ３５に形成されたスリット３７に嵌合されており、ベーン３８の先端がシリンダ３１の内壁と接触することでポンプ空間３９を形成している。そしてロータ３５が回転すると、ベーン３８の先端がシリンダ３１の内壁を摺動し、ポンプ空間３９の容積が増減することで作動流体の圧縮が行なわれる。摺動部となるベーン３８の先端はオイルを用いて潤滑を行なっているが、更なる磨耗量低減対策として、シリンダ３１の内壁に鉄系薄膜３２を構成していた。
【特許文献１】特開平６−３３８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の構成ではオイル潤滑が前提となっているため、摺動部のオイルが欠乏した場合、ベーン先端や側面などの摺動部で焼き付きが生じ、運転不可能な状態に陥るという課題を有していた。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ベーン材料として自己潤滑性を有する高硬度カーボンを使用し、さらにロータからのベーン飛び出し長さを小さくすることで、オイルレス機構を達成すると共に、高信頼性を実現したベーンロータリ型真空ポンプの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の本発明は、筒状内壁を有するシリンダ内に、円筒形状のロータをシリンダの中心軸から所定量偏心させた状態で配置し、ロータにはその中心軸方向に複数のスリットを設け、これらの各スリット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形成し、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、エンドプレートの反ポンプ機構部側にはモータを配置し、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ベーンロータリ型真空ポンプであって、シリンダに対するロータの偏心量をベーンの摺動方向長さの１／１０以上１／５以下となるように構成したことを特徴とする。そしてこの構成によれば、シリンダに対するロータの偏心量をベーンの摺動方向長さの１／１０〜１／５、より好ましくは１／８〜１／６とすることにより、ベーンの飛び出し部に作用する荷重が低減され、ベーン側面部の磨耗量を低減することができる。その結果、ベーン側面部からの漏れ損失が低減するので、長期にわたり安定した性能を確保することができる。
【０００７】
請求項２に記載の本発明は、特に請求項１記載のベーンの材質として、１８５０℃から１９５０℃の間で焼成したカーボンを用いたものである。そしてこの構成によれば、炭素 の結晶子が小さくなり、結晶子構造が緻密となって高度が上がるため、ベーンの磨耗量を低減することができる。
【０００８】
請求項３に記載の本発明では、特に請求項１または２記載のベーンの材質として、ジビニルベンゼンを含浸したカーボンを用いたものである。そしてこの構造によれば、カーボンべーンの炭素結晶子構造の隙間空間にジビニルベンゼンを入れ込むこととなり、さらに硬度が上がり、ベーンの磨耗量を低減することができる。
【０００９】
請求項４に記載の本発明では、特に請求項１から３のいずれかに記載のシリンダ内面にニッケルリンメッキ処理を施し、さらに処理後のシリンダ内面にラッピング処理を施し、シリンダ内面の平均表面粗さを０．２以下としたものである。そしてこの構成によれば、ベーン先端磨耗量が低減されると同時に、摺動面の摩擦係数が低くなるため入力低減効果もあり、更にはベーンの微小ジャンピングも抑制されるので騒音低減にもつながる。またシリンダの強度を上げるため、シリンダにシリコン含有のアルミニウム合金を用いた場合においても、ニッケルリンメッキがシリコンを覆い隠すので、シリコンがベーン先端を攻撃することもなく、シリンダ材質選定の幅も広がる。
【００１０】
請求項５に記載の本発明では、特に請求項１から４のいずれかに記載のロータリの中心軸を通る放射状の直線に対し、平行に形成され、かつ前記放射状の直線の位置からロータの反回転方向領域にスリット幅の０．５倍以上２倍以下の範囲で平行移動した位置に設けられたものである。そしてこの構成によれば、ベーン先端の摩擦力によりベーンがシリンダから離れようとする方向に力が働くので、ベーン先端に作用する押付力が軽減され、摩擦量軽減を図ることができる。またスリットの形成位置に関しては、平行移動量が小さいので、スリット加工によるロータ外周部の変形もなく、高精度ロータの供給が可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のベーンロータリ型真空ポンプは、カーボンベーンの磨耗量を低減でき、長期にわたり安定した性能を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１３】
図１は、本実施形態におけるベーンロータリ型真空ポンプの断面図を示すものである。
【００１４】
図１において、ベーンロータリ型真空ポンプ１は、ポンプ機構部２とモータ部３と冷却回路部４により構成されている。
【００１５】
ポンプ機構部２は、筒状内壁を有するシリンダ５と、円筒形状のロータ６と、自己潤滑性材質よりなるベーン７と、これらを挟み込んで複数のポンプ空間８を形成させるフロントプレート９とエンドプレート１０から構成されている。ロータ６はシリンダ５の中心軸から所定量偏心した状態で配置され、このロータ６の中心軸方向に設けられた複数のスリット１１（図２参照）に、ベーン７が摺動可能な状態で嵌合されている。そしてこれらの両側には、フロントプレート９とエンドプレート１０が隣接配置され、ポンプ空間８を形成している。またロータ６の中心軸にはメカシャフト１８が備えられており、このメカシャフトが回転することで、ロータ６も一体となって回転し、それに伴ってベーン７がロータスリット１１の内部で移動する。運転中は図２に示すように、ベーン７の先端７ａがシリンダ５の内壁と接触回転することにより、ポンプ空間８が仕切られ、吸入・圧縮・吐出を繰り返し、ポンプ機能を果たしている。
【００１６】
モータ部３は、図１に示すようにステータ１２とモータロータ１３とモータケーシング１４から構成されている。ステータ１２はエンドプレート１０とモータケーシング１４で両側から挟みこまれ、その内部にモータロータ１３を備えている。モータロータ１３の中心軸にはモータシャフト１５が備えられており、その両端は軸受１６および１７により支承されている。ここで用いられる軸受としては、グリス封入タイプのボールベアリングが望ましい。またモータシャフト１５とメカシャフト１８は一体型となっており、モータロータ１３の回転が直接ロータ６の回転となるため、動力の伝達ロスは発生しない。
【００１７】
冷却回路部４は、図１に示すように冷却ファン１９とエアーガイド２０から構成されている。モータシャフト１５の反ポンプ機構側端部に冷却ファン１９を取り付け、その周りをエアーガイド２０で囲い、風の分散を防いでいる。またモータケーシング１４の軸方向端面には複数の貫通穴が設けられており、風回路を形成することでモータ部３の冷却を行なっている。
【００１８】
図２は、請求項１に記載の第一実施形態におけるベーンロータリ型真空ポンプ１のポンプ機構部２の断面図を示すものである。この形態では、ベーン７の飛び出し長さ７ｃを低減させることで、ベーン７の側面部７ｂの摩擦を抑制するものである。具体的には、シリンダ５の内径中心とロータ６の外径中心の偏心量を、ベーン７の摺動方向長さＬの１／６以下にする。これにより、ベーン７の最大飛び出し長さ７ｃがベーン長さＬの１／３以下となる。この結果、作動流体の圧力差から発生する荷重で、ベーン７の飛び出し部７ｃに作用する荷重も低減される。ベーン７の飛び出し部７ｃに荷重が作用した場合、スリット１１の開口端１１ａでベーン７は支持されることになるが、ロータ６の高さとベーン７の高さが同等であるため、作動流体からの荷重に限って言えば、開口端１１ａにかかる単位長さあたりの荷重は飛び出し長さ７ｃにほぼ比例関係にある。すなわち、ベーン飛び出し長さ７ｃを小さくすると、ベーン７の側面部７ｂの磨耗が抑制され、ベーン７折れが防止できると共に、ベーン側面部７ｂからの漏れ損失が低減するので、長期にわたり安定した性能を確保することができる。
【００１９】
ここでは代表して一例を示したが、シリンダ５に対するロータ６の偏心量はベーン７の摺動方向長さＬの１／１０〜１／５、より好ましくは１／８〜１／６の範囲で選定するのがよい。
【００２０】
偏心量を小さくすると、シリンダ５とロータ６で囲まれる面積が小さくなるため、行程容積を確保するには軸方向寸法を大きくしなければならず、結果として大型化を招いてしまう。逆に偏心量を大きくすると、前述したようにベーン７の飛び出し部７ｃにかかる荷重が大きくなり、ベーン７の側面部７ｂの磨耗が増大することとなる。
【００２１】
この両方を満足する偏心量の範囲として、ベーン７の摺動方向長さＬの１／８〜１／６が最適となる。
【００２２】
また、ベーン７は自己潤滑性材質から構成されており、その材質として、１８５０℃から１９５０℃の間で焼成したカーボンが用いられている。この結果、炭素の結晶子が小さくなり、結晶構造が緻密となって硬度が上がるため、ベーン７の先端部７ａと側面部７ｂの磨耗量を低減することができる。
【００２３】
なお、前記ベーン７の他の材質として、ジビニルベンゼンを含浸したカーボンを用いても良い。これにより、カーボンベーンの炭素結晶子構造の隙間空間にジビニルベンゼンを入れ込むこととなり、さらに硬度が上がり、ベーン７の磨耗量を低減することができる。
【００２４】
また、この自己潤滑性材質をフロントプレート９、エンドプレート１０の摺動面に備えてもよい。これによりロータ６とフロントプレート９、エンドプレート１０の焼き付きを防止することができる。
【００２５】
また、前記シリンダ５は、シリンダ５の内面にニッケルリンメッキ処理を施し、さらに処理後のシリンダ５の内面にラッピング処理を施し、シリンダ５の内面の平均表面粗さを０．２以下とした構成となっている。この結果、ベーン７の先端磨耗力が低減されると同時に、シリンダ５の内面の摩擦係数が低くなるため入力低減効果もあり、更にはベーン７の微小ジャンピングも抑制されるので騒音低減にもつながる。またシリンダ５の強度を上げるため、シリコン含有のアルミニウム合金を用いた場合においても、ニッケルリンメッキがシリコンを覆い隠すので、シリコンがベーン７の先端７ａを攻撃することもない。アルミニウム合金に限らず、様々な材質に関しても同様の効果が得られるので、シリンダ５ の材質選定の幅も広がる。
【００２６】
図３および図４は、請求項５に記載の第二実施の形態におけるベーンロータリ型真空ポンプ１のロータ６の平面図とポンプ機構部２の断面図を示すものである。この形態は、ロータ６の中心軸を通る放射状の直線Ｓに対し、スリット１１を平行に形成し、かつロータ６の反回転方向領域にスリット幅Ｗの０．５倍以上２倍以下の範囲で平行移動した位置に設けたものである。この結果、ベーン７の先端７ａに働く摩擦力Ｆのスリット方向分力Ｆｓは、常にスリット１１側に作用する。そのため、ベーン７はシリンダ５から離れようとするので、ベーン７の先端７ａに作用する押付力が軽減され、磨耗量低減を図ることができる。参考までにベーン７には摩擦力のほかに、遠心力と背圧力が働いており、シリンダ５の内面に押さえつけられているので、ベーンジャンピングが発生する心配はない。また仮に磨耗が進行し、スリット１１内でベーン７が傾いたとしても、ベーン７の先端７ａに働く摩擦力Ｆのスリット方向分力Ｆｓがシリンダ５の内面方向に作用することはなく、常にスリット１１側に作用するので、メカロックの防止にもつながる。また加工面から見ると、放射状直線Ｓに対してスリット１１の平行移動量が小さいので、スリット加工によるロータ６の外周部の変形もなく、高精度ロータ６の供給が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
以上のように、本発明にかかるベーンロータリ型真空ポンプは、無潤滑運転が可能であると同時に、カーボンベーンの磨耗量を低減でき、長期にわたり安定した性能を確保することができるので、家庭用健康器具や医療用治療器具等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第一実施形態におけるベーンロータリ型真空ポンプの断面図である。
【図２】本発明の第一実施形態におけるベーンロータリ型真空ポンプのポンプ機構部の断面図である。
【図３】本発明の第二実施形態におけるベーンロータリ型真空ポンプのロータの平面図である。
【図４】本発明の第二実施形態におけるベーンロータリ型真空ポンプのポンプ機構部の断面図である。
【図５】従来のベーンロータリ型圧縮機のポンプ機構部の断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１    ベーンロータリ型真空ポンプ
２    ポンプ機構部
３    モータ部
４    冷却回路部
５    シリンダ
６    ロータ
７    ベーン
７ｃ  ベーン飛び出し長さ
８    ポンプ空間
９    フロントプレート
１０  エンドプレート
１１  スリット １２  ステータ
１３  モータロータ
１４  モータケーシング
１５  モータシャフト
１６  軸受
１７  軸受
１８  メカシャフト
１９  冷却ファン
２０  エアーガイド
Ｆ    摩擦力
Ｆｓ  スリット方向分力
Ｌ    ベーン長さ
Ｗ    スリット幅
【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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