JP2004316578A

JP2004316578A - エアーポンプ

Info

Publication number: JP2004316578A
Application number: JP2003113522A
Authority: JP
Inventors: Tsuguo Inasawa; 嗣夫稲澤; Akira Maekawa; 明前側; Toshio Uehara; 敏夫植原
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2003-04-18
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】ピストン摺動部材により良好な気密性を維持でき、かつピストン摺動部材の長寿命化を図ることができるエアーポンプを提供する。
【解決手段】ピストン１４をシリンダ７内で摺動させて空気を供給または排出するエアーポンプにおいて、ピストン１４とシリンダ７との間を密閉するピストン摺動部材３２を、シリンダ内壁面７ａに向かって外周側に広がるように弾性を有するカップ形状に形成し、このピストン摺動部材３２のシリンダ内壁面７ａに摺接する摺動部３２ａを、その先端部断面が内向きに湾曲する円弧形状に形成した。これにより良好な気密性を維持できながら、接触面積も小さくできる。さらに、接触箇所が円弧形状であるため、滑らかに接触した状態で摺動して摺動抵抗を十分に減少させることができる。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエアーポンプ、特にそのピストン摺動部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ピストンをシリンダ内で摺動させて空気を供給または排出するエアーポンプにおいては、ピストンとシリンダとの間を密閉するピストン摺動部材（Ｏリング、ピストンリング、シールリング、リップリングとも呼ばれる）がピストンの外周部に外嵌されており、このピストン摺動部材はシリンダの壁面に接触した姿勢で摺動する。
【０００３】
従来のピストン摺動部材としては、金属材やカーボン材からなる断面矩形の厚肉のリング体が知られている（例えば、特許文献１、２など）。しかし、このような断面矩形のリング体からなるピストン摺動部材では、気密性があまりよくないとともに、リング体とシリンダとの接触面積が大きいために摺動抵抗が大きくて、潤滑材などがない状態では摺動性が悪かった。
【０００４】
このような不具合に対処するものとして、図８に示すように、弾性を有する薄肉舌片からなる円板状のものをピストン摺動部材５０として用いたものがある（例えば特許文献３など）。このピストン摺動部材５０におけるシリンダ５１の内壁面５１ａに摺接する摺動部５０ａは、シリンダ５１の内壁面５１ａに沿うように屈曲させた形状とされている。なお、５２はピストンである。このような形状のピストン摺動部材５０によれば、その摺動部５０ａがシリンダ５１の内壁面５１ａに密接するので、気密性が良好となる。
【０００５】
しかし、このピストン摺動部材５０では、その摺動部５０ａが、シリンダ５１の壁面５１ａに広い面積にわたって接触しているため、摺動抵抗が大きく、その摺動抵抗分だけ、大きい駆動力を有する大型の駆動モータが必要となったり、摺動部５０ａやこの摺動部５０ａが摺動するシリンダ５１の内壁面５１ａの磨耗量が大きくて寿命が短かったりする問題があった。
【０００６】
この問題を改善する手法の１つとして、図９（ａ）に示すように、ピストン摺動部材６０におけるシリンダ６１の内壁面６１ａに対向する摺動部６０ａを、外向きの傾斜面形状に形成した構造が、例えば特許文献４に記載されている。このピストン摺動部材６０の摺動部６０ａをシリンダ６１の内壁面６１ａに当接するように形成すると、図９（ｂ）に示すように、ピストン摺動部材６０の摺動部６０ａにおける先端角部だけがシリンダ６１の内壁面６１ａに接触するため、シリンダ６１との接触面積が小さくなり、摺動抵抗を減少させることが可能となる。
【０００７】
なお、前記特許文献４においては、ピストン摺動部材６０の摺動部６０ａが、使用時においてもシリンダ６１の内壁面６１ａよりも小さい場合でもよいことが記載されているが、この場合には、ピストン摺動部材６０とシリンダ６１の内壁面６１ａとの間に隙間ができるため、気密性が低下する。したがって、摺動部材６０の摺動部６０ａはシリンダ６１の内壁面６１ａに当接する大きさに形成することが望ましい。
【０００８】
【特許文献１】
実公平３−３２７９１号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２００２−１３８９５９号公報（図３）
【００１０】
【特許文献３】
特開平１０−２８１０７７号公報
【００１１】
【特許文献４】
特開平１０−１４８１７８号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９（ｂ）に示す従来のエアーポンプに用いたピストン摺動部材６０でも、ピストン摺動部材６０の摺動部６０ａにおける先端角部がシリンダ６１の内壁面６１ａに強く当接した状態で擦るように摺動するため、シリンダ６１との接触面積は小さいものの、摺動抵抗を十分には減少させることができず、摺動部６０ａの磨耗が早くて長寿命化を図れないおそれがあった。
【００１３】
本発明は上記課題を解決するもので、ピストン摺動部材により良好な気密性を維持でき、かつピストン摺動部材の長寿命化を図ることができるエアーポンプを提供することを目的とする。
【００１４】
【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、ピストンをシリンダ内で摺動させて空気を供給または排出するエアーポンプであって、ピストンとシリンダとの間を密閉するピストン摺動部材を、シリンダ内壁面に向かって外周側に広がるように弾性を有するカップ形状に形成し、このピストン摺動部材のシリンダ内壁面に摺接する摺動部を、その先端部断面が内向きに湾曲する円弧形状に形成したことを特徴とし、この構成によれば、ピストン摺動部材により良好な気密性を維持でき、かつピストン摺動部材の長寿命化を図ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、ピストンをシリンダ内で摺動させて空気を供給または排出するエアーポンプであって、ピストンとシリンダとの間を密閉するピストン摺動部材を、シリンダ内壁面に向かって外周側に広がるように弾性を有するカップ形状に形成し、このピストン摺動部材のシリンダ内壁面に摺接する摺動部を、その先端部断面が内向きに湾曲する円弧形状に形成したことを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、ピストン摺動部材の摺動部における円弧形状の外周端部だけがシリンダ内壁面に接触した状態でピストン摺動部材が摺動するので、良好な気密性を維持できながら、接触面積も小さくでき、さらに、接触箇所が円弧形状であるため、滑らかに接触した状態で摺動して摺動抵抗を十分に減少させることができる。
【００１７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のエアーポンプにおいて、摺動部における湾曲する円弧形状箇所を、ピストン摺動部材が摺動するシリンダ内壁面直径よりも、その先端が片側で０．０１〜１ｍｍ内向きに湾曲する形状となるように形成したことを特徴とする。
【００１８】
この構成により、シリンダ内からの圧力やシリンダ内への吸引圧が作用してピストン摺動部材の摺動部が外周側に膨らむように変形した場合でも、摺動部における先端角部がシリンダの内壁面に接触することを防止でき、これにより摺動抵抗の増加を防止できる。
【００１９】
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載のエアーポンプにおいて、ピストンの外周部におけるピストン摺動部材の摺動部内側位置に、ピストン摺動部材の摺動部が、シリンダ内の圧力により内側に変形することを阻止する弾性体を配設したことを特徴とする。
【００２０】
この構成により、弾性体によって、ピストン摺動部材の摺動部が、シリンダ内の圧力により内側に変形することが阻止され、ピストン摺動部材の摺動部とシリンダ内壁面との間に大きく隙間があいてシール性が損なわれることを防止できる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態に係るエアーポンプを図面に基づき説明する。
ここで、この実施の形態に係るエアーポンプは、酸素富化膜に圧縮空気を供給する用途に使用されるものである。前記酸素富化膜は、空気が供給されると、膜通過時に酸素濃度を高めた気体を反対側から排出する性質を有するものであり、酸素富化膜の片側に空気を供給すると、酸素富化膜の反対側に酸素濃度の高い気体状態を作成することができる。ただし、このエアーポンプの用途は、これに限るものではなく、各種の空気供給用として用いることができるだけでなく、空気を外部に排出する減圧用や真空ポンプ用などに適用することも可能である。
【００２２】
図１〜図４に示すように、このエアーポンプは、モータ１の出力軸１ａが連結された駆動軸２に偏心部としてのカム体３が取り付けられ、このカム体３が設けられた駆動軸２を２つの軸受４、５でカム体３配置を配置している箇所（偏心部配置点）の両側から２点の両持ち状態で回転自在に支持させている。
【００２３】
そして、２つの軸受４、５を保持するポンプハウジング２０（図３、図４参照）を、駆動軸２の回転軸心に沿った面（この実施の形態では水平面であるが、これに限るものではない）で２分割して、シリンダ７が一体形成されている第１の分割ハウジング２１と、この第１の分割ハウジング２１の下方に結合手段としての結合ボルト８により結合される第２の分割ハウジング２２とにより構成し、これらの第１、第２の分割ハウジング２１、２２にそれぞれ形成した半円形状の軸受用受面２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂにより、前記２つの軸受４、５を上下から挟持した状態で受けている。また、第２の分割ハウジング２２上にモータブラケット９を介してモータ１が取り付けられており、モータ１の出力軸１ａと駆動軸２とが連結ビス１０により一体的に回転するように結合されている。また、１１はモータ１の配設箇所を覆うモータカバーである。
【００２４】
カム体３は止めねじ１２により駆動軸２に固定され、カム体３にはカム軸受１３を介して、上部にピストン１４が取り付けられたピストンロッド１５が連結されている。第１の分割ハウジング２１上には、空気導入管１６ａ，空気導入室１６ｂおよび空気排出室１６ｃ，空気排出管１６ｄを有するヘッドカバー１６と、ヘッドプレート１７とがねじで固定されている。これらの第１の分割ハウジング２１とヘッドカバー１６との間には、それぞれ舌状の吸入用弁部１８ａと排出用弁部１８ｂとが一体形成されたバルブシート１８が介装されている。そして、第１の分割ハウジング２１の上端部とヘッドカバー１６とにそれぞれ形成された空気導入路２１ｃ，１６ｅおよび空気排出路２１ｄ，１６ｆがバルブシート１８の吸入用弁部１８ａと排出用弁部１８ｂとに臨むように形成されており、第１の分割ハウジング２１の空気導入路２１ｃが吸入用弁部１８ａに臨む箇所には、この吸入用弁部１８ａが吸入側に変形することを許容させるための凹部２１ｅが形成され、ヘッドカバー１６の空気排出路１６ｆが排出用弁部１８ｂに臨む箇所には、この排出用弁部１８ｂが排出側に変形することを許容させるための凹部１６ｇが形成されている。
【００２５】
ピストン１４は、ピストンロッド１５が連結されたピストン本体１４ａと、このピストン本体１４ａの上に結合ねじ３０で取り付けられたピストンヘッド１４ｂとからなり、これらのピストン本体１４ａとピストンヘッド１４ｂとの間に、ピストン１４とシリンダ７との間を密閉するピストン摺動部材３２が挟持された状態で取り付けられている。
【００２６】
ここで、ピストン摺動部材３２は、図５（ａ）により拡大して示すように、シリンダ７の内壁面７ａに向かって外周側に広がるように弾性を有するカップ形状に形成されている。そして、このピストン摺動部材３２のシリンダ内壁面７ａに摺接する摺動部３２ａが、その先端部断面が内向きに湾曲する円弧形状（いわゆるカール形状）に形成されている。
【００２７】
ここで、ピストン摺動部材３２は図５（ａ）に示すように、下向きに湾曲するカップ形状に形成するとよいが、これに限るものではなく、図５（ｂ）に示すように、下向きに湾曲するカップ形状に形成してもよい。
【００２８】
また、図６に拡大して示すように、摺動部３２ａにおける湾曲する円弧形状箇所は、ピストン摺動部材３２が摺動するシリンダ内壁面７ａの直径よりも、その先端が片側で０．０１〜１ｍｍの寸法Ｌだけ内向きに湾曲する形状、いわゆる収縮径の形状となるように形成することが望ましい。また、図６に示すように、ピストン１４における摺動部３２ａが湾曲して設けられている箇所は、摺動部３２ａの先端部が当接しないように、少しだけ小径に形成されている。
【００２９】
なお、ピストン摺動部材３２の材料としては、フッ素系樹脂を採用すると底摩擦性であり滑り性が良好であるため好適であり、熱成形およびアンダーカット取出しにより加工したり、ホーミング加工したりするとよいが、これに限るものではなく、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン樹脂）やポリアミドイミド樹脂などを成形して製造したり、ホーミング材を用いたりしてもよく、これらの材料を用いると温度変化に対しても膨張が少ない利点がある。また、ピストン摺動部材３２におけるピストン本体１４ａとピストンヘッド１４ｂとの取付箇所には、ニッケルめっきや硬質アルマイトやＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）などで表面処理してもよい。
【００３０】
上記構成において、モータ１を駆動させてピストン１４をシリンダ７内で昇降させると、ピストン１４を下降させた際には、吸入用弁部１８ａだけが第１の分割ハウジング２１の凹部２１ｅ内に変形して、シリンダ７内に空気が導入され、この状態からピストン１４を上昇させることで、排出用弁部１８ｂだけがヘッドカバー１６の凹部１６ｇ内に変形して、シリンダ７内の空気が空気排出管１６ｄから排出される。
【００３１】
また、特にこの構成によれば、ピストン摺動部材３２の摺動部３２ａにおける円弧形状の外周端部だけがシリンダ内壁面７ａに接触した状態でピストン摺動部材３２が摺動するので、良好な気密性を維持できながら、接触面積も小さくできる。さらに、接触箇所が円弧形状であるため、図９（ａ），（ｂ）に示すような場合のように、ピストン摺動部材６０の摺動部６０ａにおける先端角部がシリンダ６１の内壁面６１ａに強く当接した状態で擦るように摺動することがなく、滑らかに接触した状態で摺動して摺動抵抗を十分に減少させることができる。この結果、摺動部３２ａの磨耗が少なく、長寿命化を図ることができるとともに信頼性も向上し、また、モータ１への負荷も小さくなるので、負荷の小さな安価なモータを用いることも可能となって製造コストの低減も図ることができる。
【００３２】
また、摺動部３２ａにおける湾曲する円弧形状箇所を、ピストン摺動部材３２が摺動するシリンダ内壁面７ａの直径より、その先端部が片側で０．０１〜１ｍｍ（図６に示す寸法Ｌ）だけ内向きに湾曲する、いわゆる収縮径の形状となるように形成したことにより、図５（ａ）に示すような下向きに湾曲するカップ形状のピストン摺動部材３２を配設したエアーポンプにおいて、シリンダ７内への吸引圧が作用してピストン摺動部材３２の摺動部３２ａが外周側上向きに膨らむように変形した場合や、図５（ｂ）に示すような上向きに湾曲するカップ形状のピストン摺動部材３２を配設したエアーポンプにおいて、シリンダ７内からの圧力が作用してピストン摺動部材３２の摺動部３２ａが外周側下向きに膨らむように変形した場合でも、摺動部３２ａにおける先端角部がシリンダ７の内壁面７ａに強く当接することを防止でき、これにより摺動抵抗の増加を防止できる。すなわち、摺動部３２ａにおける先端部の内向きに湾曲する収縮径が片側で０．０１ｍｍよりも小さい場合には、上述のように、ピストン摺動部材３２の摺動部３２ａが外周側に膨らむように変形した場合に、摺動部３２ａにおける先端角部がシリンダ７の内壁面７ａに接触するおそれがあるが、上記寸法Ｌだけ内向きに湾曲させることにより、このような不具合を防止できる。また、摺動部３２ａにおける先端部の内向きに湾曲する収縮径が片側で１ｍｍよりも大きい場合には、摺動部３２ａの先端部がピストン本体１４ａやピストンヘッド１４ｂの外周部に当接して、摺動部３２ａが良好には弾性変形できなくなり、摺動抵抗が増加するおそれがあるが、上記構成により、このようことを防止できる。
【００３３】
さらに、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ピストン１４の外周部におけるピストン摺動部材３２の摺動部３２ａ内側位置に、ピストン摺動部材３２の摺動部３２ａが、シリンダ７内の圧力により内側に変形することを阻止するＯリングからなる弾性体３３を配設するとさらに効果がある。
【００３４】
すなわち、図７（ａ）に示すように、下向きに湾曲するカップ形状のピストン摺動部材３２を配設したエアーポンプにおいては、ピストン本体１４ａにおけるピストン摺動部材３２の直下外周箇所に溝部１４ｃを形成し、この溝部１４ｃに弾性体３３を外嵌する。また、図７（ｂ）に示すように、上向きに湾曲するカップ形状のピストン摺動部材３２を配設したエアーポンプにおいては、ピストンヘッド１４ｂにおけるピストン摺動部材３２の直上外周箇所に溝部１４ｄを形成し、この溝部１４ｄに弾性体３３を外嵌する。
【００３５】
この構成によれば、図７（ａ）に示すような下向きに湾曲するカップ形状のピストン摺動部材３２を配設したエアーポンプにおいて、シリンダ７内から大きな圧力が作用してピストン摺動部材３２の摺動部３２ａを押し下げて縮径させる方向に変形させようとした場合でも、弾性体３３が摺動部３２ａに内側から当接し、これにより摺動部３２ａが内側に大きく変形することが阻止される。また、図７（ｂ）に示すような上向きに湾曲するカップ形状のピストン摺動部材３２を配設したエアーポンプにおいて、シリンダ７内へ大きな吸引圧が作用してピストン摺動部材３２の摺動部３２ａを押し上げて縮径させる方向に変形させようとした場合でも、弾性体３３が摺動部３２ａに内側から当接し、これにより摺動部３２ａが内側に大きく変形することが阻止される。これにより、ピストン摺動部材３２の摺動部３２ａとシリンダ７の内壁面７ａとの間に大きな隙間があくことが防止され、その結果、良好なシール性を維持できる。また、この際、摺動部材３２の変形を、弾性変形自在な弾性体３３により阻止するので、摺動部材３２が弾性体３３に当接した場合でも、摺動部材３２が損傷することが防止され、摺動部材３２の長寿命化を図ることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ピストンとシリンダとの間を密閉するピストン摺動部材を、シリンダ内壁面に向かって外周側に広がるように弾性を有するカップ形状に形成し、このピストン摺動部材のシリンダ内壁面に摺接する摺動部を、その先端部断面が内向きに湾曲する円弧形状に形成したことにより、良好な気密性を維持できながら、接触面積も小さくでき、摺動抵抗を十分に減少させることができて、長寿命化を図ることができるとともに、信頼性も向上する。
【００３７】
また、摺動部における湾曲する円弧形状箇所を、ピストン摺動部材が摺動するシリンダ内壁面直径よりも、その先端が片側で０．０１〜１ｍｍ内向きに湾曲する形状となるように形成することにより、シリンダ内からの圧力やシリンダ内への吸引圧が作用してピストン摺動部材の摺動部が外周側に膨らむように変形した場合でも、摺動部における先端角部がシリンダの内壁面に接触することをさらに確実に防止でき、これにより摺動抵抗の増加を防止できる。
【００３８】
また、ピストンの外周部におけるピストン摺動部材の摺動部内側位置に、ピストン摺動部材の摺動部が、シリンダ内の圧力により内側に変形することを阻止する弾性体を配設したことにより、弾性体によって、ピストン摺動部材の摺動部が、シリンダ内の圧力により内側に変形することが阻止され、ピストン摺動部材の摺動部とシリンダ内壁面との間に大きく隙間があいてシール性が損なわれることを防止できるとともに、摺動部材の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるエアーポンプの分解斜視図
【図２】同エアーポンプの第１の分割ハウジングと第２の分割ハウジングとを分割した状態を示す斜視図
【図３】同エアーポンプの断面図
【図４】同エアーポンプの部分切欠側面図
【図５】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ同エアーポンプのピストン摺動部材およびその近傍箇所の断面図
【図６】同エアーポンプのピストン摺動部材およびその近傍箇所の拡大断面図
【図７】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の他の実施の形態にかかるエアーポンプの、ピストン摺動部材およびその近傍箇所の断面図
【図８】従来のエアーポンプの断面図
【図９】（ａ）および（ｂ）はそれぞれその他の従来のエアーポンプの断面図
【符号の説明】
１モータ
２駆動軸
３カム体（偏心部）
４、５軸受
７シリンダ
７ａ内壁面
１３カム軸受
１４ピストン
１５ピストンロッド
１８バルブシート
１８ａ吸入用弁部
１８ｂ排出用弁部
２０ポンプハウジング
３２ピストン摺動部材
３２ａ摺動部
３３弾性体

Claims

ピストンをシリンダ内で摺動させて空気を供給または排出するエアーポンプであって、ピストンとシリンダとの間を密閉するピストン摺動部材を、シリンダ内壁面に向かって外周側に広がるように弾性を有するカップ形状に形成し、このピストン摺動部材のシリンダ内壁面に摺接する摺動部を、その先端部断面が内向きに湾曲する円弧形状に形成したことを特徴とするエアーポンプ。
摺動部における湾曲する円弧形状箇所を、ピストン摺動部材が摺動するシリンダ内壁面直径よりも、その先端が片側で０．０１〜１ｍｍ内向きに湾曲する形状となるように形成したことを特徴とする請求項１記載のエアーポンプ。
ピストンの外周部におけるピストン摺動部材の摺動部内側位置に、ピストン摺動部材の摺動部が、シリンダ内の圧力により内側に変形することを阻止する弾性体を配設したことを特徴とする請求項１または２に記載のエアーポンプ。