叶片旋转式空气泵.pdf

本发明提供一种低噪音的叶片旋转式空气泵。在该空气泵中，泵机构部和驱动马达直接连接着，用前板(图未示)和后板(图未示)将缸体(103)、转子(110)和叶片(112)夹入其间，叶片槽(111)的开口端(111b)，相对于连接转子(110)的中心O与叶片槽(111)的封闭端(111a)的直线，设在转子(10)的反转方向区域内。即，通过配置“抚摸”型的叶片，可降低空气泵的噪音。

1.  一种叶片旋转式空气泵，并排设置着泵机构部和驱动马达，由缸体、圆筒形转子、叶片槽、叶片、旋转轴、前板和后板构成上述泵机构部；上述缸体具有圆筒形内面；上述转子在上述缸体内偏心地旋转；上述叶片槽在上述转子的外周面具有开口端，并且在上述转子的中心侧具有封闭端；上述叶片可在上述叶片槽内滑动；上述旋转轴与上述转子一体地旋转；在上述缸体的两端面以夹入上述转子和上述叶片的方式安装着前板和后板；在上述泵机构部形成有若干个泵空间，通过用上述驱动马达驱动上述旋转轴，使上述泵空间的容积变化；其特征在于，上述叶片槽的上述开口端相对于连接上述转子中心与上述叶片槽的上述封闭端的直线，设在上述转子的反转方向区域内。

2.  如权利要求1所述的叶片旋转式空气泵，其特征在于，上述叶片的基体材料，由混有石墨的碳材料或碳素纤维强化塑料构成；上述缸体的表面，由比上述叶片硬度高且具有耐腐蚀性的材料构成。

3.  如权利要求1所述的叶片旋转式空气泵，其特征在于，用铝合金构成上述缸体，用Ni-P类材料或Ni-P-B类材料对上述缸体实施表面处理，使上述缸体的表面硬度为维氏硬度(Hv)500或500以上。

4.  如权利要求1所述的叶片旋转式空气泵，其特征在于，用肖氏硬度(Hs)为80～120的碳材料构成上述叶片。

5.  如权利要求1所述的叶片旋转式空气泵，其特征在于，在上述前板上形成吸入口和排出口，在上述后板上形成吸入口和疑似排出口，上述后板的上述吸入口配置在与上述前板的上述吸入口相向的位置，上述后板的上述疑似排出口配置在与上述前板的上述排出口相向的位置。

6.  如权利要求5所述的叶片旋转式空气泵，其特征在于，上述疑似排出口和上述排出口是相同的形状。

7.  一种叶片旋转式空气泵，具有缸体、圆筒形转子、叶片槽和叶片；上述缸体具有圆筒形内面；上述转子在上述缸体内偏心地旋转；上述叶片槽在上述转子的外周面具有开口端，并且在上述转子的中心侧具有封闭端；上述叶片可在上述叶片槽内滑动；其特征在于，上述叶片槽的上述开口端，相对于连接上述转子中心和上述叶片槽的上述封闭端的直线，设在上述转子的反转方向区域内。

叶片旋转式空气泵
技术领域
本发明涉及可动设备用燃料电池中使用的无油叶片旋转式空气泵。
背景技术
目前，可动设备用燃料电池尚处于开发过程中，作为向该燃料电池的盒内供给空气的空气泵尚不存在合适的装置。这种空气泵要求具有以下的特性，即，供给的空气中不含有油等的不纯物，即，必须是无油机构；供给的空气量可以是5L/min～10L/min左右的比较小的流量，但是，为了弥补燃料电池盒的空气通路内产生的压力损失、送入空气，其压力必须是ΔP＝5kPa；大小要能够组装入汽车内，所以其直径必须在大约φ30mm以下；噪音低。
满足这些特性的空气泵，有叶片旋转式空气泵。下面，参照图8、图9，说明已往的叶片旋转式空气泵。
已往，这种叶片旋转式真空泵，在内面为圆筒形的缸体1内，配置着圆筒形的转子2，该转子2的中心轴与缸体1的中心轴仅离开规定的量。在转子2上，朝其中心轴方向设有若干个叶片槽3，板状的叶片4可滑动地嵌合在这些叶片槽3内。叶片4的前端部在缸体1的内面上接触滑动。叶片槽3的开口端，相对于连接转子2的中心与叶片槽3的封闭端的直线、设在转子2的旋转方向区域内。即，叶片槽3朝着旋转方向倾斜，在转子2旋转时，叶片4的前端相对于缸体1内面以“抄取(すくぃ)”的位置关系接触滑动(例如，参见专利文献1)。
或者，叶片槽3从转子2的中心轴呈放射状地配设着(例如，参见专利文献2)。
专利文献1：日本特开昭62-276291号公报
专利文献2：日本实开昭56-83688号公报
发明内容
但是，在上述已往的抄取型叶片构造的真空泵中，在进行长时间的无油运转后，缸体内面容易变粗糙、面粗糙度增大，对叶片前端作用的摩擦力渐渐增大。结果，在旋转时，产生了叶片前端脱离缸体内面(跳动)的现象。并且，在转子旋转时，如果叶片前端间歇地产生脱离现象，则将产生噪音问题，即，产生叶片碰撞缸体内面的声音，另外，空气将从叶片前端部的间隙泄漏、产生膨胀音。
因此，本发明为了解决上述的课题，提供一种即使长时间无油运转、也能实现低噪音的叶片旋转式空气泵。
第1发明的叶片旋转式空气泵，并排设置着泵机构部和驱动马达，由缸体、圆筒形转子、叶片槽、叶片、旋转轴、前板和后板构成上述泵机构；上述缸体具有圆筒形内面；上述转子在上述缸体内偏心地旋转；上述叶片槽在上述转子的外周面具有开口端，并且在上述转子的中心侧具有封闭端；上述叶片可在上述叶片槽内滑动；上述旋转轴与上述转子一体地旋转；在上述缸体的两端面以夹入上述转子和上述叶片的方式安装着前板和后板；在上述泵机构部形成有若干个泵空间，通过用上述驱动马达驱动上述旋转轴，使上述泵空间的容积变化；其特征在于，上述叶片槽的上述开口端相对于连接上述转子中心与上述叶片槽的上述封闭端的直线，设在上述转子的反转方向区域内。
第2发明，是在第1发明的叶片旋转式空气泵中，其特征在于，上述叶片的基体材料，由混有石墨的碳材料或碳素纤维强化塑料构成；上述缸体的表面，由比上述叶片硬度高且具有耐腐蚀性的材料构成。
第3发明，是在第1发明的叶片旋转式空气泵中，其特征在于，用铝合金构成上述缸体，用Ni-P类材料或Ni-P-B类材料对上述缸体实施表面处理，使上述缸体的表面硬度为维氏硬度(Hv)500或500以上。
第4发明，是在第1发明的叶片旋转式空气泵中，其特征在于，用肖氏硬度(Hs)为80～120的碳材料构成上述叶片。
第5发明，是在第1发明的叶片旋转式空气泵中，其特征在于，在前板上形成吸入口和排出口，在后板上形成吸入口和疑似排出口，后板的吸入口配置在与前板的吸入口相向的位置，上述后板的上述疑似排出口配置在与上述前板的上述排出口相向的位置。
第6发明，在第5发明的叶片旋转式空气泵中，其特征在于，上述疑似排出口和上述排出口是相同的形状。
第7发明的叶片旋转式空气泵，具有缸体、圆筒形转子、叶片槽和叶片；上述缸体具有圆筒形内面；上述转子在上述缸体内偏心地旋转；上述叶片槽在上述转子的外周面具有开口端，并且在上述转子的中心侧具有封闭端；上述叶片可在上述叶片槽内滑动；其特征在于，上述叶片槽的上述开口端，相对于连接转子中心和上述叶片槽的上述封闭端的直线，设在上述转子的反转方向区域内。
根据本发明的叶片旋转式空气泵，即使长时间无油运转，也能抑制叶片的跳动现象，所以可以抑制发生叶片的碰撞音和由空气泄漏引起的膨胀音，可实现长时间的低噪音。
附图说明
图1是本发明的实施例的叶片旋转式空气泵的剖面图。
图2是图1所示的叶片旋转式空气泵中的A-O-A剖面图。
图3是图2所示的叶片旋转式空气泵中的前板的B-B剖面图。
图4是图2所示的叶片旋转式空气泵中的后板的C-C视图。
图5是本实施例的叶片旋转式空气泵的模式图。
图6是叶片磨耗量与运转时间的特性图。
图7是现有的叶片旋转式空气泵的模式图。
图8是现有的叶片旋转式空气泵的剖面图。
图9是另一种现有的叶片旋转式空气泵的剖面图。
具体实施方式
本发明的第1实施方式的叶片旋转式空气泵，叶片槽的开口端，相对于连接转子中心与叶片槽封闭端的直线、设在转子的反转方向区域内。根据本实施方式，由于叶片槽朝向旋转方向后侧倾斜，所以在转子旋转时，叶片的前端相对于缸体内面以“抚摸(なで)”的位置关系在缸体内面上接触滑动。当在叶片前端产生了摩擦力时，该摩擦力使叶片前端与缸体内面接触，抑制叶片与缸体内面接触滑动时容易产生的叶片跳动现象，可实现长时间的低噪音。
本发明的第2实施方式，在第1实施方式的叶片旋转式空气泵中，叶片的基体材料由混有石墨的碳材料或碳素纤维强化塑料构成。缸体的表面由硬度比叶片高、且具有耐腐蚀性的材料构成。根据本实施方式，在叶片前端与缸体内面接触滑动时，硬度相对较低的叶片一点一点地被磨耗，其磨耗粉起到滑动面的润滑剂的作用，可以抑制缸体内面变得粗糙。其结果，可抑制叶片前端与缸体内面的摩擦增大，可实现泵的长寿命化，同时可抑制噪音的增加。
本发明的第3实施方式，在第1实施方式的叶片旋转式空气泵中，用铝合金构成缸体，用Ni-P类材料或Ni-P-B类材料对缸体实现表面处理，使缸体表面具有大于等于500的维氏硬度(Hv)。根据本实施方式，在缸体的表面处理层与由碳类材料构成的叶片接触滑动时，磨耗基本上只产生在叶片上，可将缸体表面处理层的表面粗糙度保持为比较小，结果，滑动部处的摩擦力不会增大，可实现泵的长寿命化，并可抑制噪音的增加。
本发明的第4实施方式，在第1实施方式的叶片旋转式空气泵中，用肖氏硬度(Hs)为80～120的碳材料构成叶片。根据本实施方式，例如用肖氏硬度(Hs)为小于等于115的碳材料构成叶片，由此，当叶片前端在缸体面上滑动时，将产生叶片的磨耗粉，但由于叶片使用Hs小于等于115的材料，所以磨耗粉中含有大量的石墨，该石墨粒子对滑动部起到润滑作用，所以，即使长时间运转也能抑制缸体内面变粗糙，可进一步实现泵的长寿命化，并抑制噪音的增加。
本发明的第5实施方式，在第1实施方式的叶片旋转式空气泵中，在前板上形成了吸入口和排出口，在后板上形成吸入口和疑似排出口，后板的吸入口配置在与前板的吸入口相向的位置，后板的疑似排出口配置在与前板的排出口相向的位置。根据本实施方式，由于在后板上也形成吸入口和疑似排出口，所以在前板与后板之间压力平衡，转子不会被推压到一方的板上，可以顺利地进行转子的旋转。
本发明的第6实施方式，在第5实施方式的叶片旋转式空气泵中，疑似排出口和排出口是相同形状。根据本实施方式，由于设置了疑似排出口，所以转子不会被排出口的压力推压在后板上，可以顺利地进行转子的旋转。
本发明的第7实施方式的叶片旋转式空气泵，叶片槽的开口端相对于连接转子中心与叶片槽封闭端的直线，设在转子的反转方向区域内。根据本实施方式，由于叶片槽朝着旋转方向的后侧倾斜，所以在转子旋转时，叶片的前端相对于缸体内面以“抚摸”的位置关系在缸体内面上接触滑动。当在叶片前端产生摩擦力时，该摩擦力使叶片前端与缸体内面接触，抑制叶片与缸体内面接触滑动时容易产生的叶片跳动现象，可实现长时间的低噪音。
实施例
图1是本发明的实施例的叶片旋转式空气泵的剖面图。图2是图1所示的叶片旋转式空气泵中的A-O-A剖面图。
在图1和图2中，本实施例的叶片旋转式空气泵的空气泵本体101，由泵机构部102和驱动马达130构成。
泵机构部102，备有缸体103和圆筒状的转子110，所述缸体103具有圆筒形的缸体内面104，所述转子110配置在缸体103内、具有与缸体103的中心轴仅偏离规定量的中心轴。在转子110上形成有两个叶片槽111，该2个叶片槽111在转子中心轴方向并且朝旋转方向后侧倾斜地延伸。由混有具有自身润滑性的石墨的碳材料构成的板状叶片112，滑动自如地插入到这些叶片槽111内，叶片112的前端部与缸体103的缸体内面104滑动接触。转子110和缸体103，在本实施例中是用铝合金构成的，可实现轻量化，其材质采用硅含有率大约为10％的铝合金。
另外，在缸体103的两端面，以夹入转子110和叶片112的方式安装有前板114和后板122，并且以由缸体103、转子110、叶片112、前板114及后板122包围的方式形成若干个泵空间129。另外，对前板114和后板122的滑动表面实施二硫化钼等的自身润滑性材料的涂敷处理。
图3是图2所示的叶片旋转式空气泵中的前板114的B-B剖面图。
如图2和图3所示，在前板114上，形成有吸入口115和排出口116，在排出口116上安装着排出管117。吸入口115是沿轴方向贯穿前板114的孔。排出口116是在其中央部形成贯通孔的凹状口，排出管117设在该贯通孔内。
图4是图2所示的叶片旋转式空气泵中的后板122的C-C视图。
如图4所示，在后板122上，形成有凹状的吸入口123和凹状的疑似排出口124。排出口116和疑似排出口124从B-B方向看是大致相同的形状。另外，图1中，吸入口123和排出口116、124用虚线表示。在缸体103上，设有沿轴方向贯穿的吸入通路105，该吸入通路105使吸入口115与吸入口123连通。
在后板122的泵机构部的相反侧，与后板122直接接触地配置有驱动马达130。在后板122上，沿圆周形成有若干个螺纹孔127。后板122通过若干个螺钉140直接连接在驱动马达130的箱体端面131上。
驱动马达130是直流马达，由圆筒状的线圈132和备有永磁铁的转子133构成，转子133具有长尺寸的旋转轴113。旋转轴113在驱动马达130的内部由马达轴承134、135支承着，从驱动马达130贯通后板122伸到泵机构部102，在泵机构部102内，由前板114内的轴承118及后板122内的轴承125支承着。另外，在泵机构部102内的旋转轴113上，固定着转子110，驱动马达130产生的旋转力通过旋转轴113传递给转子110。
在上述构造的本实施例的叶片旋转式空气泵中，当驱动马达130通电时，相互连接着的旋转轴113及转子110，一体地朝图1中的箭头方向旋转。这时，叶片112在旋转离心力的作用下，在叶片槽111内朝外侧移动，叶片112的前端部一边与缸体内面104滑动接触，一边旋转运动。结果，泵空间129伸缩(容积变化)，所以空气从前板114的吸入口115被吸入，一部分空气直接被吸入到泵空间129内，其余的空气经过沿轴方向贯穿缸体103的吸入通路105后，再经过形成在后板122上的吸入口123，被吸入到泵空间129内。流入到泵空间129内的空气，在大致一个旋转期间压力上升(ΔP＝5kPa)，然后，经过形成在前板114上的排出口116从排出管117流出到外部。
另外，疑似排出口124的作用是，使相同的压力施加在转子110的左右。由于疑似排出口124的存在，前板114与后板122之间压力平衡，转子110不会被推压在一方的板上，不容易产生磨耗。
在上述那样的无油运转持续了数千小时后，叶片112的前端在缸体内面104上进行了长距离的接触滑动，缸体内面104将变粗糙，其面粗糙度将增大。
在已往的叶片旋转式机械(例如已往的叶片旋转式真空泵)中，如图7那样的现有的叶片旋转式空气泵的模式图所示，叶片112的前端在缸体内面104上接触滑动的形态是以“抄取”式为主。这是因为叶片槽111的开口端111b相对于连接转子110的中心O与叶片槽111的封闭端111a的直线，设在转子110的旋转方向区域内的缘故。换言之，是朝着旋转方向倾斜的状态。
在这样的叶片112与缸体内面104的“抄取”位置关系中，当缸体内面104的面粗糙度变大时，叶片112前端产生的摩擦力增大，该摩擦力的叶片方向的分力，将叶片112向叶片槽111内拉。当该分力大于作用在叶片112上的离心力时，叶片112的前端将瞬间地脱离缸体内面104，产生叶片112的跳动现象。
在本实施例的、无油长期运转的叶片旋转式空气泵中，如图5的本实施例的叶片旋转式空气泵的模式图所示，将叶片112的前端在缸体内面104上接触滑动的形态设定为“抚摸”型。这是因为叶片槽111的开口端111b，相对于连接转子110的中心O与叶片槽111的封闭端111a的直线，设在转子110的反转方向区域内的缘故。换言之，是朝着旋转方向后侧倾斜的状态。
根据该结构，即使缸体内面104的表面变粗糙、作用在叶片112前端的摩擦力增大，由于其叶片方向的分力将叶片112压接在缸体内面104上，所以叶片112的前端也不会脱离缸体内面104。因此，即使长期无油运转，也不会产生叶片112的跳动现象，可以抑制噪音的增大，可提供安静的空气泵。
另外，在本实施例的叶片旋转式空气泵中，叶片112的基体材料由混有石墨的碳材料构成。并且，用硬度比叶片112高的具有耐腐蚀性的材料构成缸体103的表面。具体地说，叶片112采用的是烧结温度高达1200℃以上、所含的石墨比率大、肖氏硬度小于等于Hs120的碳材料。另一方面，对铝合金材料的缸体103的表面实施了Ni-P(镍-磷)类材料的表面处理(涂敷)，将其表面硬度设定为大于等于维氏硬度Hv500。
图6是叶片磨耗量与运转时间的特性图。准备了与叶片112和缸体103的表面处理相关的3种组合，进行长时间的连续运转，表示叶片112的磨耗量的时间经过。
A：叶片硬度Hs120/缸体表面未处理
B：叶片硬度Hs120/缸体进行了Ni-P处理
C：叶片硬度Hs110/缸体进行了Ni-P处理
从图6可知，若比较A和B，则在长时间无油运转后，对缸体103实施Ni-P表面处理，其表面硬度高的一方，叶片112的磨耗较少。该表面处理部的硬度大约是Hv500～700左右。这样，通过使缸体103的表面变硬，在叶片112接触滑动时，缸体内面104的粗糙度变小，结果，叶片112的磨耗量减少。同时，在对B的缸体103实施表面处理后，运转时的噪音也降低。另外，由于Ni-P的表面处理具有耐腐蚀性，所以即使空气泵本体101吸入了水分，也能灵活地动作。如上所述，通过用比叶片112硬度高的耐腐蚀性材料构成缸体103的表面，可以实现泵的长寿命化、抑制噪音的增加。
另外，图6中，表示用Ni-P类材料对缸体103的表面实施处理，但是，用Ni-P-B类材料也能得到同样的效果。通过加入硼(B)，表面硬度进一步提高，可获得减低叶片112和缸体内面104的磨耗的效果，结果，可实现泵的长寿命化和低噪音化。
另一方面，将图6的B与C进行比较，叶片112的硬度低的一方，在长时间运转后，叶片112的摩耗量较少。这是因为，通过由肖氏硬度低的碳材料构成叶片112，叶片112的前端在缸体内面104上滑动时产生了叶片112的摩耗粉，产生的摩耗粉中含有大量的石墨，这些石墨粒子对滑动部有润滑作用，所以，即使长时间运转，也能抑制缸体内面104变粗糙，可实现泵的长寿命化、抑制噪音的增加。
在本实施例中，叶片112的硬度只要在肖氏硬度Hs120以下就没有问题，就能得到较好的效果。另外，即使肖氏硬度过低，导致初期的磨耗严重，也希望下限为Hs80左右。
另外，叶片的材质，采用碳素纤维强化塑料代替碳材料，也能得到同样的效果。
如上所述，本发明的叶片旋转式空气泵，即使长期地无油运转，也能消除叶片的跳动现象，同时，可抑制叶片的磨耗和缸体内面的粗糙，由此可抑制噪音、实现长寿命化，所以，适用于家庭用健康器具、医疗用治疗器具等。