JP2004204683A

JP2004204683A - オイルフリーレシプロ型コンプレッサに於ける圧縮方法

Info

Publication number: JP2004204683A
Application number: JP2002371123A
Authority: JP
Inventors: Sei Okano; 聖丘野
Original assignee: GOKU KK
Current assignee: GOKU KK
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】公知の往復動形オイルフリー型コンプレッサは、クランクケース内にクランクピン、クランク、コンロッド、クロスヘッド等を設け、ピストンとクロスヘッドが往復動するので慣性力による振動が大きく、圧縮室の気密性保持のためロッドシールを設けるが、完全なシールが出来ず、シール抵抗があるので動力損失が増加し、複雑な構造となり、製造、メインテナンス費用が増加する。
【解決手段】この発明のオイルフリーレシプロ型コンプレッサの圧縮方法は、低圧側と高圧側ピストンとが一体であり、且つ低圧側吐出圧力が高圧側の吸入圧力として加わる。そして高圧側吸入圧力による力と低圧側吐出圧力による力が反対方向に向くことで力が相殺され、省電力化となり、小型でも低出力で大容量の吐出量が得られる。又一体型ピストンであるからコンロッド小端軸受を低圧側に配置できるため軸受を熱による影響を少なくすることができ、従って空冷式でも大容量化、高圧化により低振動・低騒音駆動とを可能とする。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、オイルフリーレシプロ型コンプレッサに於ける圧縮方法に関し、更に詳しくは、シリンダ内に設けられる１個のピストンに駆動軸を貫通して一体とし、シリンダ内を高圧側圧縮室及び低圧側圧縮室とに区画形成し、該ピストンを介して２段の圧縮方法により該低圧側圧縮室の吐出圧力が該高圧側圧縮室側の吸入圧力として加わり、該低圧側圧縮室の吐出圧力が該ピストンに加わって省電力を図り、小型でも低出力で大容量の吐出量と高圧化とが得られ、低振動、低騒音駆動とを可能とするオイルフリーレシプロ型コンプレッサに於ける圧縮方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
低振動、低騒音、油分を含まないクリーンエアーを供給する空冷オイルフリーレシプロ型コンプレッサとしては、例えば電子式パッケージべビコン（株式会社日立製作所登録商標）、特開平２０００−９７１８６、特開平２０００−２７６５７４等が提案されている。
【０００３】
図９、１０に示す通り、公知の中、大型往復動形オイルフリー型コンプレッサは、クランクケースｃｃ内に設けられたクランクピンｃｐにクランクｃｒを連結し、クランクピンｃｐにコンロッドｃｌの一端を連結し、コンロッドｃｌの他端にクロスヘッドｃｈを接続し、ロッドシールｒｓを介してピストンロッドｐｒの一端を連結し、ピストンロッドｐｒの他端に設けたピストンｐをシリンダｃ内に往復動自在に設け、シリンダｃ内を圧縮室ａ_１と圧縮室ｂ_１とに区画している。
【０００４】
そしてピストンｐ、ピストンロッドｐｒ、コンロッドｃｌ及びクロスヘッドｃｈが往復動するので、慣性力による振動が大きく、該圧縮室ｂの気密を保持するためにロッドシールｒｓを設けなければならない。
【０００５】
しかしロッドシールｒｓでは完全なシールが出来ず、又シール抵抗があるので動力損失が増加する。
更に、ロッドシールｒｓを設けると、複雑な構造となり、コスト増大要因となり、メインテナンス費用が増加する。
【０００６】
従来公知のオイルフリー型コンプレッサは、例えば、モータ出力が７．５ｋｗの場合、吐出圧力０．７ＭＰａ時空気の吐出量が８００リットル／ｍin．或いは同じモータ出力で、空気の吐出量が８５０リットル／ｍin．が得られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示す通り、シリンダｃの直径ｄに対するピストンｐの軸受の長さｌの割合ｌ／ｄが小さいと、シリンダｃ内のピストンｐの運動が不安定となり、性能低下の原因となるが、割合ｌ／ｄを大きくするためには、軸受の長さｌを大きくしなければならない。
従ってピストンｐを大きくすると質量が増えるので振動も増加し、ピストンｐがシリンダｃ内をふらつきながら往復動するので極めて不安定である。
【０００８】
その結果シリンダｃ内壁とピストンｐとの接触とシール性とが損なわれるのでコンプレッサの性能低下の要因となる。
【０００９】
しかし公知のオイルフリー型コンプレッサは、その構成上その機械効率が５０％にも達せず、モータ出力が小さいと所望の大きな空気の吐出量が得られなかった。
そして地球環境対策、省資源、低消費電力等の観点から小さいモータ出力でも高圧化した大容量の空気の吐出量が得られるオイルフリー型コンプレッサが要望されている。
【００１０】
近年スクリュー型コンプレッサが提案されているが、そのメインテナンスやオーバホールが煩雑で、それらの費用の嵩みが避けられず、その機械効率も５０％程度に過ぎなかった。
【００１１】
更に公知の往復動形オイルフリーコンプレッサも提案されているが、その運転、オーバーホール費用等も増加せざるを得なかった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、公知のオイルフリー型コンプレッサの欠陥を除去するもので、その要旨は、シリンダ内に設けられる１個のピストンに駆動軸を貫通して一体とし、シリンダ内を高圧側圧縮室及び低圧側圧縮室とに区画形成した複数のコンプレッサに於いて、該ピストンを介して２段の圧縮方法により該低圧側圧縮室の吐出圧力が該高圧側圧縮室側の吸入圧力として加わり、該低圧側圧縮室の吐出圧力が該ピストンに加わって省電力を図り、小型でも低出力で大容量の吐出量と高圧化とが得られ、低振動と低騒音駆動とを可能とするオイルフリーレシプロ型コンプレッサに於ける圧縮方法である。
【００１３】
特にピストンの貫通孔に駆動軸を貫通させたことにより、シリンダ内を高圧側圧縮室と低圧側圧縮室とに区画し、一端を該ピストンに、他端を該駆動軸に連結した偏心ホィール又はクランクに接続したコンロッドの小端軸受とピストンピンとを該低圧側圧縮室側に配置して該小端軸受を高温から保護し、コンプレッサの大容量化と高圧化とを可能とする。
【００１４】
【実施例】
請求項１記載の発明に係るオイルフリーレシプロ型コンプレッサに於ける圧縮方法を図１〜５に示す実施例について説明する。
この発明に係るオイルフリー型コンプレッサは、所要の容積を有し、内面仕上げをし、周囲に冷却用フィン１０ａを設けたシリンダ１０の壁面所要箇所に吸入孔１０ｂと吐出孔１０ｃとを形成し、該シリンダ１０の両側板中心の外側に夫々フランジ１０ｆ、１０ｆを突設して後述の駆動軸１４の貫通孔１０ｅ、１０ｅを夫々穿設する。
【００１５】
該フランジ１０ｆ、１０ｆ内に夫々ベアリング１２、１２を嵌合した該シリンダ１０内に、所要容積を有し、両側板中心で該貫通孔１０ｅ、１０ｅの対応箇所に夫々該駆動軸１４の貫通孔２０ａ、２０ａを穿設する。両側板の外面に形成された凹部２０ｂ、２０ｂ内に低圧側に対し高圧側の直径を小さくした中空ピストン２０をスライドベアリング２１、２１を嵌合して該圧縮室１０ｄ内に摺動自在に嵌合し、該貫通孔１０ｅ、１０ｅ内に夫々スリーブ１０ｇ、１０ｇを嵌合し、該シリンダ１０と該中空ピストン２０の該貫通孔１０ｅ、１０ｅと該貫通孔２０ａ、２０ａとに該駆動軸１４を貫通する。
【００１６】
該圧縮室１０ｄ内で該駆動軸１４に偏心ホイール１６を一体に設けて高圧側圧縮室１０ｄ’と低圧側圧縮室１０ｄ”とに区画し、該偏心ホイール１６にベアリング１２ａ、１２ａを介してコンロッド１８の一端を連結し、該コンロッド１８の他端に小端軸受１２ｂを介してピストンピン２３を連結し、該ピストンピン２３を該低圧側圧縮室１０ｄ”内に配置して第1コンプレッサＡ（ａ）とする。
【００１７】
図４で、オイルフリーレシプロ型コンプレッサの第2実施例に於いては、駆動軸１４に設ける偏心ホイールの代わりにクランクｃｒを設けたオイルフリーレシプロ型コンプレッサとする。
【００１８】
図１の第１実施例に於いて、該第1コンプレッサＡ（ａ）と同じ構造を有する第２コンプレッサＢ（ｂ）を前者と１８０°位相関係で該駆動軸１４に両者を隣接して一体に設ける。
【００１９】
該第２コンプレッサＢから突出する該駆動軸１４の一端にプーリ２２を一体に設け、ベルト（図示せず）を介して所要の駆動モータ（図示せず）に連結し、他端にバランスウエイト２４を一体に設ける。
【００２０】
図２〜６に於いて、オイルフリーレシプロ型コンプレッサの第２実施例を説明する。
該第1コンプレッサＡ（ａ）、該第２コンプレッサＢ（ｂ）及びこれらコンプレッサと同一の構成を有する第３コンプレッサＣ（ｃ）とを該駆動軸に１２０゜の位相関係で一体に設け、該第２コンプレッサＢ（ｂ）内に付加ウエイト１５を設ける。
【００２１】
図２、５、６に於いて、オイルフリーレシプロ型コンプレッサの第２実施例を更に詳しく説明する。
第1コンプレッサＡ（ａ）、第３コンプレッサＣ（ｃ）とを駆動軸１４に同位相で設け、該第1コンプレッサＡ（ａ）と該第３コンプレッサＣ（ｃ）との間に第２コンプレッサＢ（ｂ）を１８０゜の位相関係で設け、該ピストン２０の作用により発生する該第1コンプレッサＡ（ａ）と該第３コンプレッサＣ（ｃ）との慣性力Ｆの合力２Ｆとのバランスをとるため、該第２コンプレッサＢ（ｂ）により発生する慣性力Ｆに加えて該第２コンプレッサＢ（ｂ）の該ピストン２０に慣性力Ｆを発生する付加ウエイト１５を設けることを特徴とするオイルフリーレシプロ型コンプレッサとする。
【００２２】
この発明に係るオイルフリー型コンプレッサの第３実施例は、第1コンプレッサＡ（ａ）、第２コンプレッサＢ（ｂ）、第３コンプレッサＣ（ｃ）並びに第4コンプレッサＤ（ｄ）とを駆動軸１４に９０゜の位相関係で一体に設ける。
【００２３】
図７で、この発明に係るオイルフリー型コンプレッサの第４実施例について説明する。
第1コンプレッサＡと第４コンプレッサＤとを同位相とし、第２コンプレッサＢと第３コンプレッサＣとを該第1コンプレッサＡ及び該第４コンプレッサＤとに対して駆動軸１４に１８０゜の位相関係で一体に設ける。
【００２４】
この発明に係るオイルフリー型コンプレッサの第５実施例を図８について説明する。
第1コンプレッサＡと第３コンプレッサＣとを同位相とし、該第1コンプレッサＡと該第３コンプレッサＣに対して第２コンプレッサＢと該第４コンプレッサＤとを１８０゜の位相関係で一体に設けてオイルフリーレシプロ型コンプレッサとする。
【００２５】
この発明に係るオイルフリー型コンプレッサの実施例に於いては、コンプレッサが奇数個の場合、付加ウエイトを設けるが、偶数個の場合は、付加ウエイトを設ける必要がない。
【００２６】
更にこの発明のオイルフリーレシプロ型コンプレッサの第６の実施例に於いては、該シリンダ１０の直径ｄに対する該ピストンｐの軸受の長さｌの割合ｌ／ｄを大きくするために、該軸受の長さｌを大きくすることを特徴としたオイルフリーレシプロ型コンプレッサである。
【００２７】
該圧縮室１０ｄを低圧側圧縮室１０ｄ’と高圧側圧縮室１０ｄ”とに区画した場合、該低圧側圧縮室１０ｄ’と該高圧側圧縮室１０ｄ”との容積が同じではその効果が生じなく、高効率の圧縮率を達成するためには、図5に示す通り、該高圧側圧縮室１０ｄ”の高圧側の該シリンダ１０の両側板に対する幅をｄ１とし、低圧側のそれをｄ２とした場合、
ｄ２＞ｄ１
とする必要がある。
【００２８】
該駆動軸１４と該中空ピストン２０とを一体としたので、該高圧側圧縮室１０ｄ”の吸入圧力による力F_１が高圧側ピストンに加わり、該低圧側圧縮室１０ｄ’の吐出圧力による力F_２が低圧側ピストンに加わって相殺する。

【００２９】
一般的に、１段目と２段目の圧縮比率を径を変える事により最適の圧縮比率Ｐｍが得られる。

【００３０】
【発明の動作】
この発明に係るオイルフリーレシプロ型コンプレッサの圧縮方法に於いては、該シリンダ１０内に摺動自在に嵌合された該ピストン２０の貫通孔２０ａに該駆動軸１４を貫通して高圧・低圧共に軸受を設け、該シリンダ１０の直径ｄに対する該ピストン２０の軸受長さｌの割合ｌ／ｄを大きく出来る。
【００３１】
図１１に示す通り、該シリンダ１０の低圧側吐出圧力（ｐａ）は、高圧側吸入圧力（ｐｂ）と同じである。該低圧側圧縮室１０ｄ”が吐出行程の時、高圧側は、吸入行程にあり、該ピストン２０の高圧側には吸入圧力（ｐｂ）が働き、図示の通りの状態となり、低圧側の吐出圧力による力の方向と、高圧側の吸入圧力による力の方向とは、互いに反対方向である。
従って、該低圧側圧縮室１０ｄ”が吐出行程の時、該ピストン２０には、左方向にπ／４ｘ１０^２（ｄ１）ｘｐａの力Ｆ_１が、右方向には、π／４ｘ１６^２（ｄ２）ｘｐａの力Ｆ_２が働くので、該ピストン２０に加わる力Ｆの合計は、π／４ｘ（１６^２―１０^２）ｘｐａとなる。
【００３２】
図１１の通り、公知のコンプレッサに於いては、該ピストン２０の低圧側に加わる力Ｆ_２は、π／４ｘ１６^２ｘｐａである。具体的には、低圧側吐出圧力（ｐａ）を１．５ｋｇｆ／ｃｍ^２とすると、圧力による力をＦ_３とすれば、公知のものではF₃＝π／４ｘ１６^２ｘ１．５＝３０１ｋｇｆ／ｃｍ^２となる。即ち、公知のコンプレッサと比較し、この発明の圧縮方法では、Ｆ／Ｆ₃ ｘ１００＝１８４／３０１ｘ１００＝６１％の力で良いことになる。
【００３３】
公知のコンプレッサに於いては、低圧側及び高圧側ピストンは、夫々別の構成であるから、低圧側の吐出圧力が高圧側の吸入圧力として加わる。しかし、低圧側と高圧側ピストンとが一体でないから、力の方向が相殺する方向に作用しないので省電力に寄与しない。
他方、この発明のピストンは、低圧側と高圧側ピストンとが一体であり、且つ低圧側吐出圧力による力と、高圧側吸入圧力による力の方向が反対であるから、ピストンに加わる力の合計が低圧側と高圧側の差の面積に低圧側吐出圧力を掛けた値となる。
この差は、機械効率の差となって現れる。即ち、公知のものでは機械効率が５０％程度であったが、この発明では７０％を上回る結果が得られる。
この省電力化は、この発明に係るオイルフリー型コンプレッサの高低圧ピストンを一体化して初めて可能となったものであり、公知のコンプレッサでは全く不可能である。
【００３４】
このオイルフリー型コンプレッサの高低圧ピストンを一体化して得られた省電力量を具体的に計算した結果を次の表１に示す。

この結果が示す様に省電力量は、１．４ｋｗである。この値は、シリンダ１個当たりであるからシリンダ数が２個（モータ容量７．５ｋｗ）では２倍の２．８ｋｗとなる。２段圧縮による効率向上と合わせると省電力量は、
３．３／７．５ｘ１００＝４４％となる。
【００３５】
【発明の効果】
（１）この発明に係るオイルフリーレシプロ型コンプレッサに於ける圧縮方法では、オイルフリー型コンプレッサのピストンの貫通孔に駆動軸を貫通したので、シリンダの直径ｄに対するピストン軸受の長さｌの割合ｌ／ｄを大きくし、ピストンの運動が安定化するので、性能(効率)が向上し、小型化し、該シリンダ内を高圧側と低圧側とに区画したので、２段の圧縮方法により該低圧側圧縮室の吐出圧力ｐａが該高圧側圧縮室側に加わり、該低圧側圧縮室の吐出圧力が該ピストンに加わって省電力を図り、小型でも低出力で大容量の吐出量と高圧化とが得られ、低振動と低騒音駆動とを可能とするオイルフリーレシプロ型コンプレッサに於ける圧縮方法となる。
【００３６】
（２）従って、出力が１サイズ下のモータでも高圧化した大きな空気の吐出量が容易に得られ、トルク変動を減らし、脈動を平均化するので低振動且つ低騒音で運転可能となり、軸受を高温から保護するために低圧側圧縮室に導き、コンプレッサの大容量化、高圧化、長寿命化とを可能とする。
【００３７】
（３）公知のオイルフリーレシプロ型コンプレッサに於ける圧縮方法に比較し、圧縮室の気密を保持するためのロッドシールが全く必要としなくなるから、構造が簡単、且つ小型になるので製造が容易且つ安価となり、製造コストやメインテナンス費用も大幅に減少する。
【００３８】
（４）そのため、公知のオイルフリーレシプロ型コンプレッサに於ける圧縮方法は、０．７ＭＰａ時、８００ｌ／ｍ、または、８５０ｌ／ｍの吐出量しか得られないが、この発明に係るオイルフリーレシプロ型コンプレッサに於ける圧縮方法では、１２００ｌ／ｍの吐出量が得られるから、モータ出力が小さくても、スクリュウ型オイルフリー型コンプレッサに比較して、その機械効率が７５％にも達し、画期的な効果が得られる。
【００３９】
（５）そして、シリンダの直径ｄに対するピストンｐの軸受の長さｌの割合ｌ／ｄを大きくするために、ｌを大きくしたのでシリンダ内のピストンの往復運動が安定となり、ピストンを大きくしても性能低下が避けられる。
【００４０】
（６）前述の通り、この発明に係るオイルフリーレシプロ型コンプレッサに於ける圧縮方法に使用するオイルフリーレシプロ型コンプレッサは、製作、運転及び小さいモータ出力でも高圧化した大容量の空気の吐出量が得られるので、二酸化炭素排出の抑制等の地球環境対策、省資源、消費電力の低減等にも寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るオイルフリーレシプロ型コンプレッサに於ける圧縮方法に使用するオイルフリーレシプロ型コンプレッサの実施例の平面略図である。
【図２】この発明に係るオイルフリーレシプロ型コンプレッサの第2実施例の平面略図である。
【図３】図１の実施例の１１１−１１１線断面略図である。
【図４】この発明に係るオイルフリーレシプロ型コンプレッサの第2実施例の１１１−１１１線断面略図V１−V１線断面略図である。
【図５】この発明に係るオイルフリーレシプロ型コンプレッサの第2実施例の拡大断面略図である。
【図６】この発明に係るオイルフリーレシプロ型コンプレッサの第2実施例に於いて、第1と第３コンプレッサとを同位相とし、第２コンプレッサを
１８０°の位置関係で設けた状態を模式的に表した図である。
【図７】この発明に係るオイルフリーレシプロ型コンプレッサの第2実施例に於いて、第1と第４コンプレッサとを同位相とし、第２と第３コンプレッサを１８０°の位置関係で設けた状態を模式的に表した図である。
【図８】この発明に係るオイルフリーレシプロ型コンプレッサの第2実施例の模式的拡大断面略図である。
【図９】公知のオイルフリーレシプロ型コンプレッサの実施例の模式的拡大断面略図である。
【図１０】公知のオイルフリーレシプロ型コンプレッサの他の実施例の模式的拡大断面略図である。
【図１１】この発明に係るピストンに加わる圧力により得られる力を模式的に示す略図である。
【図１２】公知のオイルフリーレシプロ型コンプレッサに加わる圧力により得られる力を示す高圧側を示す略図である。
【図１３】公知のオイルフリーレシプロ型コンプレッサに加わる圧力により得られる力を示す低圧側を示す略図である。
【符号の説明】
Ａ・・・第1コンプレッサ；
Ｂ・・・第２コンプレッサ；
Ｃ・・・第３コンプレッサ；
Ｄ・・・第４コンプレッサ；
１０・・・シリンダ；
１０ａ・・・冷却用フィン；
１０ｂ・・・吸入孔；
１０ｃ・・・吐出孔；
１０ｄ・・・圧縮室；
１０ｄ’・・・低圧側；
１０ｄ”・・・高圧側；
１０ｅ・・・貫通孔；
１０ｆ・・・フランジ；
１０ｇ・・・付加ウエイト；
１２・・・ベアリング；
１２ｂ・・・小端軸受；
１４・・・駆動軸；
１５・・・付加ウエイト：
１６・・・偏心ホイール；
１８・・・コンロッド；
２０・・・中空ピストン；
２０ａ・・・貫通孔；
２０ｂ・・・凹部；
２１・・・スライドベアリング；
２２・・・プーリ；
２３・・・ピストンピン；
２４・・・バランスウエイト。

Claims

所要の容積を有し、周囲に冷却用フィンを設け、内面仕上げをし、壁面所要箇所に形成された吸入孔及び吐出孔とを有するシリンダと、該シリンダ内に摺動自在に嵌合され、低圧側に対し高圧側の直径を小さくした段付きピストンと、該シリンダと該ピストンとに穿設された貫通孔に貫通された駆動軸と、該駆動軸に一体に設けられた偏心ホイ−ルにより該シリンダ内に区画された高圧側圧縮室及び低圧側圧縮室と、該偏心ホイ−ルにより一端を連結されたコンロッドと、該コンロッドの他端に設けられた小端軸受を該低圧側圧縮室側に配置した第１コンプレッサと、該第１コンプレッサと同じ構造を有し、該駆動軸で該第１コンプレッサと１８０゜の位相関係でそれと隣接して設けられた第２コンプレッサと、該駆動軸の一端に一体に設けられたプーリと、該プーリに懸架され、且つ所要駆動モータに連結されたベルトと、該第２コンプレッサから突出する該駆動軸の他端に一体に設けられたバランスウエイトとから成るオイルフリーレシプロ型コンプレッサに於いて；
該駆動軸に一体に設けられた該偏心ホイールに連結された１個の該ピストンにより該シリンダ内を該高圧側圧縮室及び該低圧側圧縮室とに区画形成し、該ピストンを介して２段の圧縮方法により該低圧側圧縮室の吐出圧力が該高圧側圧縮室側の吸入圧力として加わり、該低圧側圧縮室の吐出圧力が該ピストンに加わる事を特徴とするオイルフリーレシプロ型コンプレッサに於ける圧縮方法。