(57)【要約】【課題】低騒音かつ高性能を実現したベーンロータリ型空気ポンプを提供すること。【解決手段】背圧室１２３と繋がる導圧溝１２４を、ロータ１２１の端面に形成したベーンロータリ型空気ポンプとすることにより、ベーン１３１の回転位相に適した背圧を印加することができるので、ベーン１３１の先端と背面の圧力差が緩和され、ベーン１３１の異常摩耗や動力の損失増大を防止しつつ、ベーンジャンピング音を防止することができるものである。【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、前記スリット閉口部側に背圧室を形成し、フロントプレートとリアプレートを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モータシャフトを備えてポンプ機構部を構成し、前記リアプレートの反ポンプ機構部側には駆動モータを配置し、前記駆動モータが前記モータ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空気ポンプであって、前記背圧室と繋がる導圧溝を、前記ロータ端面に形成してなるベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項２】
前記導圧溝を前記ロータの両端面に形成してなる請求項１に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項３】
前記導圧溝を前記スリットに対し前記ロータの回転方向側に形成し、かつ前記背圧室から前記ロータの外周に至るまで一筆で形成し、前記背圧室と前記ポンプ空間を連通してなる請求項１または２に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項４】
前記フロントプレートもしくは前記リアプレートの少なくとも一方に高圧のポンプ空間と繋がる高圧溜まりを設け、前記ベーンが前記スリットから出る区間において、前記導圧溝が前記高圧溜まりと連通してなる請求項１または２に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項５】
前記フロントプレートもしくは前記リアプレートの少なくとも一方に低圧のポンプ空間と繋がる低圧溜まりを設け、前記ベーンが前記スリットに入り込む区間において、前記背圧室が前記低圧溜まりと連通してなる請求項１、２または４に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項６】
前記モータシャフトが前記フロントプレートもしくは前記リアプレートを貫通する際の逃がし穴を介して、前記低圧のポンプ空間と前記低圧溜まりを連通してなる請求項５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に使用されるオイルレスの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】
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５〜１０Ｌ／ｍｉｎ程度の比較的小流量でよいが、燃料電池セル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】
従来、この種のポンプとしては例えば特許文献１のようなベーンロータリ型ポンプがあった。図６、図７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である。内面が円筒状のシリンダ１内に、中心軸がシリンダ１の中心軸と所定量だけ離れた状態で円筒状のロータ２が配置され、ロータ２にはその中心軸方向に複数のスリット３が設けられ、これらのスリット３内には板状のベーン４が摺動可能な状態で嵌合され、ベーン４の先端部がシリンダ１の内面と摺動する構成になっている。さらに、ロータ２とベーン４を挟み込むようにフロントプレート６とリアプレート７がシリンダ１の端面に配置されることで、シリンダ１、ロータ２、ベーン４、フロントプレート６およびリアプレート７により囲まれて複数のポンプ空間８が形成されている。
【０００４】
この種のベーンロータリ型ポンプとしては、ベーンジャンピングによる騒音増大及び性能低下が課題となるため、ベーン４に背圧を印加し、ベーン４を強制的にシリンダ１へと押さえつけることで、ベーンジャンピングを防止する方法がとられている。具体的には背圧室１４と連通するように、リアプレート７に複数の穴１５を形成し、これらの複数の穴１５には高圧のオイルを供給することでベーン４に背圧を印加している。
【特許文献１】特開２００１−１６５０８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の構成では、オイル潤滑が前提となっているため、オイルにより背圧印加を行っている。また摺動部のクリアランス（例えばロータスリット３とベーン４のクリアランス）はオイルによりシールされ、作動流体の漏れ込みも抑えられている。またポンプ空間８はロータ２の回転とともに圧縮が進行するため、ベーン４の先端圧力も回転位相によって異なる。
【０００６】
そのため特にオイルレス機構のポンプでは、所定圧力（例えば高圧）の作動流体を背圧室１４へと導いた場合、背圧室１４とポンプ空間８が高差圧となる区間において、背圧室１４の作動流体がロータスリット３とベーン４のクリアランスを経てポンプ空間８へと漏れ込んでしまう。さらに高差圧の区間では、過剰な押し付け力によるベーン４の異常摩耗、及び動力の損失増大が生じるといった課題を有していた。
【０００７】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、オイルレス機構においてベーンの回転位相に適した背圧を印加させることで、過剰背圧を防止しつつ、ベーンジャンピング音を防止したベーンロータリ型空気ポンプの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、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、スリット閉口部側に背圧室を形成し、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形成し、ロータの中心軸にはモータシャフトを備えてポンプ機構部を構成し、リアプレートの反ポンプ機構部側には駆動モータを配置し、駆動モータがモータ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空気ポンプであって、背圧室と繋がる導圧溝を、ロータ端面に形成したものである。
【０００９】
かかる構成によれば、ベーンの回転位相に適した背圧を印加することができるので、ベーンの先端と背面の圧力差が緩和される。すわなち、ベーンの異常摩耗や動力の損失増大を防止しつつ、ベーンジャンピング音を防止することができるので、低騒音かつ高性能を実現したベーンロータリ型空気ポンプを提供することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のベーンロータリ型空気ポンプは、ベーンの回転位相に適した背圧を印加することができるので、ベーンの異常摩耗や動力の損失増大を防止しつつ、ベーンジャンピング音を防止することができ、低騒音かつ高性能を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
請求項１に記載の本発明では、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、スリット閉口部側に背圧室を形成し、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形成し、ロータの中心軸にはモータシャフトを備えてポンプ機構部を構成し、リアプレートの反ポンプ機構部側には駆動モータを配置し、駆動モータがモータ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空気ポンプであって、背圧室と繋がる導圧溝を、ロータ端面に形成したものである。そしてこの構成によれば、ベーンの回転位相に適した背圧を印加することができるので、ベーンの先端と背面の圧力差が緩和される。すわなち、ベーンの異常摩耗や動力の損失増大を防止しつつ、ベーンジャンピング音を防止することができるので、低騒音かつ高性能を実現したベーンロータリ型空気ポンプを提供することができる。
【００１２】
請求項２に記載の本発明では、特に請求項１に記載の導圧溝をロータの両端面に形成したものである。そしてこの構成によれば、ロータの両端面で圧力バランスが保たれるので、ロータとフロントプレートもしくはリアプレートとの接触摺動を回避でき、摺動損失を低減することができる。
【００１３】
請求項３に記載の本発明では、特に請求項１または２のいずれか１つに記載の導圧溝をスリットに対しロータの回転方向側に形成し、かつ背圧室からロータの外周に至るまで一筆で形成し、背圧室とポンプ空間を連通したものである。そしてこの構成によれば、背圧室にはベーン先端圧力と同等の圧力が導かれるので、過剰な背圧印加が防止でき、ベーンの異常摩耗や動力の損失増大を防止しつつ、ベーンジャンピング音を防止することができる。
【００１４】
請求項４に記載の本発明では、特に請求項１または２のいずれか１つに記載の導圧溝に関して、フロントプレートもしくはリアプレートの少なくとも一方に高圧のポンプ空間と繋がる高圧溜まりを設け、ベーンがスリットから出る区間において、導圧溝が高圧溜まりと連通したものである。そしてこの構成によれば、背圧室内の作動流体が膨張するのを防ぐことができるので、ベーン先端がシリンダ内面から離れ、再接触する際に発生する衝突音を防止することができる。
【００１５】
請求項５に記載の本発明では、特に請求項１、２または４のいずれか１つに記載の背圧室に関して、フロントプレートもしくはリアプレートの少なくとも一方に低圧のポンプ空間と繋がる低圧溜まりを設け、ベーンがスリットに入り込む区間において、背圧室が低圧溜まりと連通したものである。そしてこの構成によれば、背圧室内の作動流体が圧縮されるのを防ぐことができるので、ベーン先端に働く荷重を緩和し、異常摩耗を防止することができる。
【００１６】
請求項６に記載の本発明では、特に請求項５に記載の低圧溜まりに関して、モータシャフトがフロントプレートもしくはリアプレートを貫通する際の逃がし穴を介して、低圧のポンプ空間と低圧溜まりを連通したものである。そしてこの構成によれば、高圧と干渉することなく背圧室へ低圧を導くことができので、回転位相に合わせて低圧印加区間を細かく設定することが可能となる。
【００１７】
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。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１におけ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におけ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−Ｏ−Ａ断面に相当する。
【００１９】
まず構成について説明する。図１において、本発明のベーンロータリ型空気ポンプは、ポンプ機構部１００と駆動モータ部２００により構成されている。
【００２０】
ポンプ機構部１００は、筒状内壁を有するシリンダ１１１と、円筒形状のロータ１２１と、自己潤滑性を有するカーボン複合材質よりなる板状のベーン１３１と、自己潤滑性材質を一面に塗布したフロントプレート１４１及びリアプレート１５１から構成されている。ロータ１２１はシリンダ１１１の中心軸から偏心した状態で配置され、このロータ１２１の中心軸方向に設けられた複数のスリット１２２に、ベーン１３１が摺動可能な状態で嵌合され、スリット１２２の閉口部側に背圧室１２３を形成している。本実施の形態では、ロータ１２１とシリンダ１１１はアルミニウム合金より構成されて軽量化を図っており、その材質にはシリコン含有量が約１０％のアルミニウム合金を使用している。そしてフロントプレート１４１とリアプレート１５１が、ロータ１２１とベーン１３１を挟み込むようにシリンダ１１１の両端に配置され、複数のポンプ空間１６１を形成している。このとき、フロントプレート１４１とリアプレート１５１は、互いに自己潤滑性材質の塗布された面が向かい合うように配置される。両プレートに塗布された自己潤滑性材質としては、例えば二硫化モリブデン等がある。
【００２１】
駆動モータ部２００は、ステータ２１１とモータロータ２２１とモータシャフト２２２とモータケーシング２３１と固定板２４１から構成される。固定板２４１にステータ２１１が取り付けられ、ステータ２１１の外周を覆うようにモータロータ２２１が配置され、さらにモータロータ２２１の外周を覆うようにモータケーシング２３１が配置され、固定板２４１に取り付けられている。モータシャフト２２２はモータロータ２２１の中心に固
定されている。なお本実施の形態では、代表してアウターロータタイプの直流モータを例に挙げているが、これに限ったものではない。
【００２２】
ロータ１２１の中心軸には、リアプレート１５１の反ポンプ機構部側に配置された駆動モータ部２００のモータシャフト２２２が結合されており、駆動モータ部２００で発生した回転力をロータ１２１に伝達する役割を果たしている。このモータシャフト２２２はフロントプレート１４１とリアプレート１５１にそれぞれ設けられた軸受１４２、１５２で回転可能に支承されている。これらの軸受としては、無潤滑でも使用可能なグリス封入型ボールベアリングが望ましい。
【００２３】
次に動作について説明する。上記構成で駆動モータ部２００に通電すると、モータシャフト２２２とこれに連結されたロータ１２１が図２の矢印の方向に回転する。この時ベーン１３１は回転の遠心力によりスリット１２２内で外側へと移動し、ベーン１３１の先端がシリンダ１１１の内面に接触・摺動しながら回転運動する。その結果、ポンプ空間１６１は伸縮するので、空気がフロントプレート１４１の吸入口１４１ａより吸い込まれ、その一部は直接ポンプ空間１６１に入り込む。残りの空気は、シリンダ１１１を軸方向に貫通する連通路１１１ｂを経由した後、リアプレート１５１に形成された吸入ポート１５１ｂを経て、ポンプ空間１６１に入り込む。ポンプ空間１６１に入った空気は、およそ１回転する間に圧力が上昇（ΔＰ＝５ｋＰａ）し、フロントプレート１４１に設けられた吐出口１４１ｃを経て外部へと供給される。
【００２４】
ベーンロータリ型ポンプでは一般的にベーンジャンピングによる騒音増大及び性能低下が課題となっており、この対策としてベーン１３１に背圧を印加し、強制的にシリンダ１１１の内面に押し付ける方法がある。背圧印加方法としてはオイルを供給するものがあるが、本発明のベーンロータリ型空気ポンプはオイルレス機構であるため、作動流体を用いた背圧印加方法となる。そのため背圧として高圧の作動流体を印加すると、例えばスリット１２２とベーン１３１のクリアランスなどを経てポンプ空間１６１へと漏れ込んでしまい、性能低下を引き起こす。さらに高差圧の区間では、過剰な押し付け力によるベーン１３１の異常摩耗、及び動力の損失増大の現象も発生する恐れもある。
【００２５】
そこで背圧室１２３と繋がる導圧溝１２４を、ロータ１２１の端面に形成する。これにより、ベーン１３１の回転位相に適した背圧を印加することができるので、ベーン１３１の先端と背面の圧力差が緩和される。すわなち、ベーン１３１の異常摩耗や動力の損失増大を防止しつつ、ベーンジャンピング音を防止することができるので、低騒音かつ高性能を実現したベーンロータリ型空気ポンプを提供することができる。
【００２６】
また導圧溝１２４はロータ１２１の両端面に形成するのが望ましく、これによりロータ１２１の両端面で圧力バランスが保つことができる。すなわちロータ１２１とフロントプレート１４１もしくはリアプレート１５１との接触摺動を回避でき、摺動損失を低減することができると同時に、フロントプレート１４１やリアプレート１５１に塗布された自己潤滑性材質の摩耗も低減でき、高い信頼性を実現することができる。
【００２７】
（実施の形態２）
図３は本実施の形態２におけるベーンロータリ型空気ポンプの縦断面図である。図３において図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００２８】
導圧溝１２４をスリット１２２に対しロータ１２１の回転方向側に形成し、かつ背圧室１２３からロータ１２１の外周１２１ｏに至るまで一筆で形成し、常に背圧室１２３とポンプ空間１６１を連通した状態にする。これにより、背圧室１２３にはベーン１３１の先端圧力の回転方向側圧力、すなわち高圧側のポンプ空間１６１と同等の圧力が導かれるの
で、過剰な背圧印加が防止でき、ベーン１３１の異常摩耗や動力の損失増大を防止することができる。
【００２９】
（実施の形態３）
図４は本実施の形態３におけるベーンロータリ型空気ポンプの縦断面図である。図４において図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００３０】
ベーン１３１がスリット１２２から出る区間では背圧室１２３の体積は増加するので、背圧室１２３内の作動流体は強制的に膨張させられる。そのため背圧室１２３内の作動流体はベーン１３１がスリット１２２から出ていくのを引き戻そうとすることで膨張を回避する。すなわちベーン１３１にはスリット１２２に引き込まれる力が働くので、ベーン１３１の先端がシリンダ１１１の内面から離れてしまい、再度接触するときに衝突音が発生してしまう。そこでフロントプレート１４１もしくはリアプレート１５１の少なくとも一方に高圧のポンプ空間１６１と繋がる高圧溜まり１４４ｈ（もしくは１５４ｈ）を設け、ベーン１３１がスリット１２２から出る区間において、導圧溝１２４を高圧溜まり１４４ｈ（もしくは１５４ｈ）と連通させる。これにより、背圧室１２３内の作動流体が膨張するのを防ぐことができるので、ベーン１３１の先端がシリンダ１１１の内面から離れ、再接触する際に発生する衝突音を防止することができる。
【００３１】
仮に導圧溝１２４を低圧と連通させた場合、ベーン１３１の先端と背圧室１２３の圧力差で、ベーン１３１にはスリット１２２に押し戻す力が働き、シリンダ１１１の内面から離れてしまうので、導圧溝１２４は高圧と連通させなければならない。
【００３２】
また導圧溝１２４を高圧と連通させるのは、特にベーン１３１の前後のポンプ空間１６１で差圧が発生した時点からベーン１３１がスリット１２２に入り込む直前までである。ベーン１３１がスリット１２２から出る区間であっても、ベーン１３１の前後のポンプ空間１６１で差圧が発生していない区間では必ずしも導圧溝１２４と高圧を連通させる必要はなく、低圧と連通させても問題ない。
【００３３】
なお本実施の形態で用いた高圧溜まり１４４ｈ（もしくは１５４ｈ）は、ロータ１２１の回転位相によっては低圧溜まりとなる場合もあるが、背圧室１２３がこの圧力溜まり１４４ｈ（もしくは１５４ｈ）に差し掛かる時点では必ず高圧溜まりとなっているため、ベーン１３１への背圧印加には全く影響しない。
【００３４】
（実施の形態４）
図５は本実施の形態４におけるベーンロータリ型空気ポンプの縦断面図である。図５において図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００３５】
ベーン１３１がスリット１２２に入り込む区間では背圧室１２３の体積は減少するので、背圧室１２３内の作動流体は強制的に圧縮させられる。そのため背圧室１２３内の作動流体はベーン１３１がスリット１２２に入り込むのを押し返そうとすることで圧縮を回避する。すなわちベーン１３１にはシリンダ１１１に押し付ける力が働くので、ベーン１３１の先端にかかる荷重が増大し、異常摩耗を引き起こしてしまう。そこでフロントプレート１４１もしくはリアプレート１５１の少なくとも一方に低圧のポンプ空間１６１と繋がる低圧溜まり１４４ｌ（もしくは１５４ｌ）を設け、ベーン１３１がスリット１２２に入り込む区間において、背圧室１２３を低圧溜まり１４４ｌ（もしくは１５４ｌ）と連通させる。これにより、背圧室１２３内の作動流体が圧縮するのを防ぐことができるので、ベーン１３１の先端に働く荷重を緩和し、異常摩耗を防止することができる。
【００３６】
また背圧室１２３を低圧と連通させるのは、特にベーン１３１がスリット１２２に入り
込む時点からベーン１３１の前後のポンプ空間１６１で差圧がゼロとなるまでが望ましい。ベーン１３１がスリット１２２に入り込む区間であっても、ベーン１３１の前後のポンプ空間１６１で差圧が発生しない区間、すなわちベーン１３１の先端圧力がすべて高圧となった区間では、背圧室１２３は高圧と連通させる方が望ましい。
【００３７】
またフロントプレート１４１もしくはリアプレート１５１に低圧溜まり１４４ｌ（もしくは１５４ｌ）を形成する方法として、フロントプレート１４１もしくはリアプレート１５１の中心部に設けられたモータシャフト２２２用の逃がし穴１４３（もしくは１５３）を利用するとよい。この逃がし穴１４３（もしくは１５３）を介して、低圧のポンプ空間１６１と低圧溜まり１４４ｌ（もしくは１５４ｌ）を連通させることにより、高圧と干渉することなく背圧室１２３へ低圧を容易に導くことができので、回転位相に合わせて低圧印加区間を細かく設定することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明にかかるベーンロータリ型空気ポンプは、低騒音かつ高性能を実現しており、モバイル用燃料電池の空気供給装置のみならず、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】
【００３９】
【図１】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横断面図
【図２】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縦断面図
【図３】本発明の実施の形態２におけるベーンロータリ型空気ポンプの縦断面図
【図４】本発明の実施の形態３におけるベーンロータリ型空気ポンプの縦断面図
【図５】本発明の実施の形態４におけるベーンロータリ型空気ポンプの縦断面図
【図６】従来のベーンロータリ型ポンプの横断面図
【図７】従来のベーンロータリ型ポンプの縦断面図（図６におけるｘ−ｘ断面図）
【符号の説明】
【００４０】
１００  ポンプ機構部
１１１  シリンダ
１２１  ロータ
１２１ｏ  ロータ外周
１２２  スリット
１２３  背圧室
１２４  導圧溝
１３１  ベーン
１４１  フロントプレート
１５１  リアプレート
１４２、１５２  軸受
１４３、１５３  逃がし穴
１４４ｈ、１５４ｈ  高圧溜まり
１４４ｌ、１５４ｌ  低圧溜まり
１６１  ポンプ空間
１７１  接続プレート
１８１  予圧ばね
２００  駆動モータ部
２１１  ステータ
２２１  モータロータ
２２２  モータシャフト
２３１  ケーシング
２４１  固定板
【図１】
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【図２】
2007127053.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007127053.tif 000007
【図６】
2007127053.tif 000008
【図７】
2007127053.tif 000009