JP2004270506A - ロータリ式シリンダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無潤滑方式とし且つ摺動部の焼付き及び角部の摩耗を防止する。
【解決手段】回転シリンダ部材２とピストン保持部材５とを、ケーシング及びケース上蓋にそれぞれ回転自在に支持すると共に、ピストン保持部材５の回転中心位置から偏心した自転中心位置には、その位置を中心として回動可能にピストン３，４が保持され、回転シリンダ部材２とピストン保持部材５との相対回動によりピストン３，４自体が自転中心位置を中心として回動しながらかつ回転中心位置を中心として回転することによってシリンダ室２３ａ〜２３ｄに出入りすると共に、ケーシングに、シリンダ室２３ａ〜２３ｄに連なる吸込口及び吐出口を備えたロータリ式シリンダ装置であって、ピストン３，４を、カーボンナノファイバを含有した樹脂材料で形成するようにしている。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータリ式シリンダ装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、ロータリ式シリンダ装置における摺動部分の材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンプレッサなどのシリンダ装置の摺動部における潤滑方式は、オイルなどの液体潤滑剤を用いた潤滑方式と、液体潤滑剤を用いない無潤滑方式（ドライ方式とも呼ばれる）とに大別される。
【０００３】
潤滑方式では、オイル類を用いることで摺動面の潤滑を助け、シリンダやピストンの摩耗を防ぎ、またオイル類がシリンダとピストンの間に入ってシリンダ−ピストン間の空気漏れを防ぐシール材としての役割を果たす。潤滑方式におけるシリンダ及びピストンの構成材料としては、鋳鉄を用いるのが一般的である。更に、潤滑方式においては、摺動面への潤滑剤供給機構として、潤滑油の通路を設けたり、摺動面に保油用のディンプルを設けたりしている。
【０００４】
一方、無潤滑方式では気密性を確保するために、ピストンリングやカップシールを用いている（特許文献１参照）。無潤滑方式におけるシリンダやピストンの構成材料としては、摺動摩擦抵抗の少ない材料、即ち摺動性の良い材料として、カーボン材料、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）が用いられている。また、材料強度や耐磨耗性を高めるために、ガラスファイバやカーボンファイバを含有した樹脂材料が用いられることもある。
【０００５】
ところで、ロータリ式シリンダ装置として、特開２００１−３７０１号公報に開示されたものが従来ある（特許文献２参照）。かかるロータリ式シリンダ装置１０１は、図３１及び図３２に示すように、円形形状の回転シリンダ部材１０２と、１８０度離れた２つの偏心した自転中心位置ｘ１，ｘ２にそれぞれピストン１０３，１０４を回動可能に保持しかつ回転シリンダ部材１０２の回転軸心ｏから偏心した位置を回転中心位置Ｘとして回転するピストン保持部材１０５と、回転シリンダ部材１０２及びピストン保持部材１０５の両回転部材をそれぞれ回転自在に支持するケーシング１０６と、を有している。
【０００６】
回転シリンダ部材１０２にはシリンダ室１２３ａ〜１２３ｄが形成されている。支軸１５１を図示しないモータによって回転させると、ピストン保持部材１０５が回転し、ピストン１０３をシリンダ室１２３ａ，１２３ｂに沿って往復運動させながら、また、ピストン１０４をシリンダ室１２３ｃ，１２３ｄに沿って往復運動させながら、回転中心位置Ｘまわりに回転させる。これにより、回転シリンダ部材１０２も回転し、吸込口１６１からシリンダ室１２３ａ〜１２３ｄ内に吸い込んだ流体をピストン１０３，１０４によって加圧して吐出口１６２から吐出させる。
【０００７】
【特許文献１】
昭６３−１２６５６５号公報
【特許文献２】
特開２００１−３７０１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ロータリ式シリンダ装置を潤滑方式とした場合、次のような問題がある。即ち、吐出口から吐出される流体にオイル等の潤滑剤が不純物として混入してしまう。このため、当該不純物を除去するためのフィルタが別途必要となる。また、潤滑剤供給機構として潤滑油用通路や保油用ディンプルなどを設ける必要が生じる。
【０００９】
一方、ロータリ式シリンダ装置を無潤滑方式とした場合にも、次のような問題がある。即ち、従来のピストンリングやカップシールは、断面が円形であるピストンに用いられるものであり、ピストンの断面が略矩形状を成すロータリ式シリンダ装置に適用することはできない。このため、無潤滑方式のロータリ式シリンダ装置を実現するためには、摺動する部品同士の角部分および壁面を寸法精度良く仕上げる必要がある。さもないと、圧縮流体が漏れてコンプレッサとしての効率が下がってしまう。特に低回転時には、圧縮流体の漏れが多く、吐出流体の圧力が上がらない。
【００１０】
ところが、無潤滑方式のシリンダ装置で用いられていた従来のカーボン材料では、機械加工中にエッジ部が欠けてしまい易い。また、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂材料では、シリンダ装置の運転中にエッジ部が削れて、欠けたり丸まってしまう。また、カーボンファイバやガラスファイバを混合した樹脂材料では、これらの繊維がエッジ部にうまく行き渡らないためエッジ部が鋭角に仕上がらず、またエッジ部の強度が出ないためシリンダ装置の運転中にエッジ部が削れてしまう。また、繊維の影響で型に忠実な成形が困難で、ピストンとシリンダとの間に隙間を生じやすい。
【００１１】
また、ロータリ式シリンダ装置を無潤滑方式とした場合には、高速回転時に摺動部分での発熱量が大きく、焼付きを起こし易くなる。焼付きを防止するためには、摩擦係数の小さい材料であることに加えて、放熱性の良い材料を選択する必要がある。放熱性改善の手段としては、熱伝導率の高いＣｕ系金属材料やＣｕ系金属材料と樹脂との複合材料が考えられるが、金属を含むことにより比重が大きくなるため、ロータリ式シリンダ装置の起動性が悪くなってしまう。
【００１２】
そこで本発明は、機械的強度、加工性、摺動性、放熱性に優れた材料を摺動部分に用いた無潤滑方式のロータリ式シリンダ装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、回転軸心を中心として形成された空洞部に連通し、該空洞部を挟んで対向する少なくとも一対のシリンダ室を有する円形形状の回転シリンダ部材と、回転シリンダ部材の回転軸心から偏心した回転中心位置を中心として回転するピストン保持部材とを、支持部材にそれぞれ回転自在に支持すると共に、ピストン保持部材の回転中心位置から偏心した自転中心位置には、その位置を中心として回動可能にピストンが保持され、回転シリンダ部材とピストン保持部材との相対回動によりピストン自体が自転中心位置を中心として回動しながらかつ回転中心位置を中心として回転することによって一対のシリンダ室の双方に出入りすると共に、支持部材に、シリンダ室に連なる吸込口及び吐出口を備えたロータリ式シリンダ装置において、ピストンと回転シリンダ部材との接触面の一方または双方を、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの一方または双方を含有した複合材料で形成するようにしている。
【００１４】
したがって、カーボンファイバやガラスファイバが線径１００μｍ程度もあるのに対して、カーボンナノチューブは線径が１５ｎｍ以下、カーボンナノファイバは線径１５ｎｍ〜０．２μｍ程度と極めて微細なので、型の角部分（エッジ部分）にまでカーボンナノチューブやカーボンナノファイバが充填される。このため、エッジ部が鋭角に仕上った、型に忠実な寸法精度の良い成形品が得られ、気密性を向上させることができる。さらに、エッジ部分にまでカーボンナノチューブやカーボンナノファイバが充填されるので、エッジ部分の強度が高くなり、摩耗が進み難くなる。さらに、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバは摺動性に優れるのに加えて熱伝導性が銅の３〜５倍と高く、放熱性が極めて良いため、摺動部分での発熱を抑え、焼付きを防止できる。
【００１５】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のロータリ式シリンダ装置において、複合材料は、樹脂材料をマトリックスとして、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの一方または双方を含有させたものとしている。この場合、樹脂材料をマトリックスとすることで、金属をマトリックスとした場合と比較して、耐食性が向上し、重量が軽くなるためロータリ式シリンダ装置の起動性が向上する、という利点が得られる。
【００１６】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載のロータリ式シリンダ装置において、カーボンナノファイバまたはカーボンナノチューブは、フッ素化されたものとしている。この場合、通常のカーボンナノファイバまたはカーボンナノチューブと比べて摩擦係数を更に低くでき、摺動部分での発熱をより抑えることができる。
【００１７】
また、請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載のロータリ式シリンダ装置において、カーボンナノファイバまたはカーボンナノチューブはカップスタック型であり、該カップスタック型の空洞部に潤滑油を含浸させたものとしている。従って、使用中に微量の潤滑油が徐々にしみ出てくるので、複合材料の摺動性を更に高めることができる。
【００１８】
また、請求項５記載の発明は、回転軸心を中心として形成された空洞部に連通し、該空洞部を挟んで対向する少なくとも一対のシリンダ室を有する円形形状の回転シリンダ部材と、回転シリンダ部材の回転軸心から偏心した回転中心位置を中心として回転するピストン保持部材とを、支持部材にそれぞれ回転自在に支持すると共に、ピストン保持部材の回転中心位置から偏心した自転中心位置には、その位置を中心として回動可能にピストンが保持され、回転シリンダ部材とピストン保持部材との相対回動によりピストン自体が自転中心位置を中心として回動しながらかつ回転中心位置を中心として回転することによって一対のシリンダ室の双方に出入りすると共に、支持部材に、シリンダ室に連なる吸込口及び吐出口を備えたロータリ式シリンダ装置において、ピストンと回転シリンダ部材との接触面の一方または双方に、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの一方または双方を摺動面に対して垂直方向に配向させるようにしている。カーボンナノチューブやカーボンナノファイバは、通常のカーボンファイバに比べて、折れ難く且つ柔軟性を有しているため、流体のシール性が高まる。しかも、摺動性に優れ、且つ熱伝導性が銅の３〜５倍と高く、放熱性が極めて良いため、摺動部分での発熱を抑え、焼付きを防止できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図１から図３に本発明のロータリ式シリンダ装置の実施の一形態を示す。なお、本実施形態では、ロータリ式シリンダ装置を、例えばピストン保持部材に回転動作を与えることにより、吸込口から流体例えば気体を吸入し、吐出口から流体を排出する気体圧縮機（コンプレッサ）として説明するが、回転シリンダ部材に回転動作を与えることにより、吸込口から流体例えば気体を吸入し、吐出口から流体を排出する気体圧縮機としても良い。また、流体としては気体に限るものではなく、液体であっても良い。また、圧縮機に限るものではなく、真空ポンプであっても良い。
【００２１】
このロータリ式シリンダ装置１は、回転軸心を中心として形成された空洞部に連通し、該空洞部を挟んで対向する少なくとも一対のシリンダ室を有する円形形状の回転シリンダ部材２と、回転シリンダ部材２の回転軸心から偏心した回転中心位置を中心として回転するピストン保持部材５とを、支持部材にそれぞれ回転自在に支持すると共に、ピストン保持部材５の回転中心位置から偏心した自転中心位置には、その位置を中心として回動可能にピストン３，４が保持され、回転シリンダ部材２とピストン保持部材５との相対回動によりピストン３，４自体が自転中心位置を中心として回動しながらかつ回転中心位置を中心として回転することによって一対のシリンダ室の双方に出入りすると共に、支持部材に、シリンダ室に連なる吸込口６１及び吐出口６２を備える装置であって、ピストン３，４と回転シリンダ部材２との接触面の一方または双方を、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの一方または双方を含有した複合材料で形成するようにしている。
【００２２】
本実施形態の複合材料（コンポジット）は、例えば樹脂材料をマトリックス（母相）として、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの一方または双方を含有したものとしている。樹脂材料をマトリックスとすることで、金属をマトリックスとした場合と比較して、耐食性が向上し、重量が軽くなるためロータリ式シリンダ装置の起動性が向上する、という利点が得られる。但し、場合によっては金属材料（例えば軽量で機械的性質に優れるアルミニウム合金）などをマトリックスとしても良い。
【００２３】
マトリックスとなる樹脂材料は、特に限定されるものではないが、耐熱性に優れるＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＬＣＰ（液晶樹脂）などや、摺動性に優れるポリアミド（ナイロン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＯＭ（ポリアセタール）などの利用が好ましい。例えば本実施形態では、ＰＰＳをベース樹脂として用いている。
【００２４】
カーボンナノチューブは、線径が１５ｎｍ以下、長さが１μｍ程度のものが好ましく、単層タイプまたは多層タイプ或いはカップスタック型といった形態は特に限定はされない。また、カーボンナノファイバは、線径が１５ｎｍ〜０．１μｍ程度、長さが２０μｍ程度のものが好ましい。また、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバを構成する分子にフッ素が付加したフッ素化カーボンナノチューブまたはフッ素化カーボンナノファイバも、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバと比較して摩擦係数が低いので、好適である。カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバの両方をベース樹脂に含めるものとしても良いが、どちらか一方のみを含めるものであっても良い。
【００２５】
例えば本実施形態では、ＰＰＳ９０質量％に対して、線径０．１μｍで長さ２０μｍのカーボンナノファイバを１０質量％混合するようにしている。そして、この混合樹脂を用いて射出成形をし、機械加工仕上げを行なって、ピストン３，４を作製するようにしている。
【００２６】
一方、ピストン３，４と接触する回転シリンダ部材２、ピストン保持部材５、支持部材としてのケーシング６は、例えばアルミニウム材料で作製し且つ少なくともピストン３，４と接触する面は、陽極酸化処理と封孔処理（いわゆるアルマイト処理）またはアルマイト処理に加えてＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）処理などを施し、耐摩耗性や摺動性を改善するようにしている。尚、アルミニウム材料に無電解Ｎｉメッキ、無電解Ｎｉ−ＳｉＯ_２複合メッキ、無電解Ｎｉ−ＰＴＦＥ複合メッキなどを施しても良い。この場合も、耐摩耗性や摺動性を改善することができる。
【００２７】
ピストン３，４のみを上述した複合材料で作製する場合、必要となるカーボンナノチューブやカーボンナノファイバの量も低減されるため、コストを抑えることができる。尚、ピストン３，４の全部を上述した複合材料で作製するものに限らず、ピストン３，４における他部材（ケーシング６、回転シリンダ部材２、ピストン保持部材５）との接触面のみを上述した複合材料を用いて構成するようにしても良い。また、ピストン３，４と接触するケーシング６、回転シリンダ部材２、ピストン保持部材５、保持軸５２，５３の全部または少なくともピストン３，４と接触する面を、上述した複合材料を用いて構成するようにしても良い。また、ケーシング６と回転シリンダ部材２との接触面の一方または双方を、上述した複合材料を用いて構成するようにしても良い。また、ケース上蓋９５とピストン保持部材５との接触面の一方または双方を、上述した複合材料を用いて構成するようにしても良い。
【００２８】
次に、本実施形態におけるロータリ式シリンダ装置の構成の一例について更に詳述する。このロータリ式シリンダ装置１は、円形形状の回転シリンダ部材２と、１８０度離れた２つの偏心した自転中心位置ｘ１，ｘ２にそれぞれピストン３，４を回動可能に保持しかつ回転シリンダ部材２の回転軸心ｏから偏心した位置を回転中心位置Ｘとして回転するピストン保持部材５と、回転シリンダ部材２及びピストン保持部材５の両回転部材をそれぞれ回転自在に支持する支持部材としてのケーシング６及びケース上蓋９５と、を有している。
【００２９】
回転シリンダ部材２は、所定の厚みを有する円形形状で形成されており、ケーシング６の内部空間に回転自在に配置されている。この回転シリンダ部材２の一側面には、センタ軸２１が一体成形されている。センタ軸２１は、ケーシング６の底壁６ｂに設けられた孔６ｃに嵌め込まれたシリンダラジアル軸受７０によって回転自在に支持されている。また、回転シリンダ部材２とケーシング６との間には、シリンダスラスト軸受８５が配置されている。これらのため、回転シリンダ部材２は、センタ軸２１を回転中心としてケーシング６内で回転可能となっている。なお、回転シリンダ部材２には、シリンダスラスト軸受８５のリテーナを位置決めするリング２０１が、その対向位置に固定されている。
【００３０】
シリンダラジアル軸受７０は、例えばボールベアリングである。ただし、ボールベアリングに限るものではなく、ニードルベアリング等の転がり軸受であっても良く、さらには滑り軸受であっても良い。また、シリンダスラスト軸受８５は、例えばニードルベアリングである。ただし、ニードルベアリングに限るものではなく、ボールベアリング等の転がり軸受であっても良く、さらには滑り軸受であっても良い。
【００３１】
回転シリンダ部材２の他側面には、４つの扇状の台部２５を利用して形成された十字状の空間が設置されている。この十字状の空間は、空洞部２２と４つのシリンダ室２３ａ〜２３ｄとから構成されている。すなわち、回転シリンダ部材２の他側面には、回転軸心ｏを中心として所定の広さを備えかつ底面を有する空洞部２２が形成されている。そして、この空洞部２２内の回転軸心ｏを中心として放射状に、４つの断面矩形のシリンダ室２３ａ〜２３ｄが設けられている。すなわち、シリンダ室２３ａ〜２３ｄは、ピストン保持部材５側が開放され、他の３方の面が全て平面で形成されており、長手方向の一端側は空洞部２２に連通している。
【００３２】
なお、これらのシリンダ室２３ａ〜２３ｄ内には、後述するようにピストン保持部材５に保持されたピストン３，４が嵌まり込むようになっており、各シリンダ室２３ａ〜２３ｄの３方の各平面部分が、４方の外面を平面で形成されたピストン３，４の３方の各平面部分との接触面となっている。すなわち、シリンダ室２３ａ〜２３ｄのピストン３，４との対向面及びこれに対するピストン３，４側の対向面は、互いに平面で形成され、これらの平面同士が接触面となっている。このように各ピストン３，４と各シリンダ室２３ａ〜２３ｄとの接触面が平面同士で形成されるため、接触面積が大きくなっている。そのため、各ピストン３，４が各シリンダ室２３ａ〜２３ｄ内に嵌まり込むことによって形成している各空間から、接触面を伝って他の空間へ気体が漏れ出すことを防止するようにしている。
【００３３】
なお、上述したように形成されたシリンダ室２３ａ〜２３ｄの長手方向の他端側は、回転シリンダ部材２の外周面２ａに開放されている。そのため、各シリンダ室２３ａ〜２３ｄは、後述するケーシング６に形成された吸込口６１及び吐出口６２に連通可能となっている。
【００３４】
なお、上述した各シリンダ室２３ａ〜２３ｄのうちの２つのシリンダ室２３ａ，２３ｂは、１８０度の位置に配置されており、ピストン３にとって、それぞれ空洞部２２を挟んで対向する一対の部材となっている。そして、後述するように、ピストン保持部材５の回転により、回転シリンダ部材２とピストン保持部材５とが相対回動すると、ピストン３が空洞部２２を経てシリンダ室２３ａ，２３ｂ間を見た目上の往復直線運動し、シリンダ室２３ａ，２３ｂ内の双方に出入りするようになっている。
【００３５】
また、残りの２つのシリンダ室２３ｃと２３ｄも、１８０度の位置に配置されており、ピストン４にとって、それぞれ空洞部２２を挟んで対向する一対の部材となっている。そして、回転シリンダ部材２とピストン保持部材５とが相対回転すると、ピストン４が空洞部２２を経てシリンダ室２３ｃ，２３ｄ間を見た目上の往復直線運動し、シリンダ室２３ｃ，２３ｄ内の双方に出入りするようになっている。
【００３６】
なお、空洞部２２及び十字に配置された直線状のシリンダ室２３ａ〜２３ｄによって形成された十字状の空間に連通するように、細い十字溝が回転シリンダ部材２に形成されている。この細い十字溝は、ピストン３を一対のシリンダ室２３ａ，２３ｂ間において見た目上の往復直線運動をより安定的にするための直線状のガイド溝２４ａと、ピストン４を一対のシリンダ室２３ｃ，２３ｄ間において往復直線運動をより安定的にするための直線状のガイド溝２４ｂとが十字状に交差することによって形成されている。
【００３７】
ロータリ式シリンダ装置１は予圧手段２０２を有しており、回転シリンダ部材２のスラスト方向に予圧をかけている。予圧手段２０２を図４に示す。予圧手段２０２は、例えば皿ばね（以下、皿ばね２０２という）である。本実施形態では、予圧手段２０２として、例えば６枚の皿ばね２０２を有している。回転シリンダ部材２のセンタ軸２１をシリンダラジアル軸受７０に嵌め込んで突出させ、その突出部分に座金２０３と６枚の皿ばね２０２を通している。そして、２枚の座金２０４，２０５をセンタ軸２１の端面に当ててボルト２０６によって留めている。皿ばね２０２の弾性力が回転シリンダ部材２をケーシング６に向けて引っ張るので、即ち回転シリンダ部材２は予圧でシリンダスラスト軸受８５に当接するので、シリンダラジアル軸受７０のがた付きを抑えることができる。このため、回転シリンダ部材２のセンタリングが容易になり、回転する装置としての信頼性を高めることができる。また、ロータリ式シリンダ装置１の運転により回転シリンダ部材２に吐出口側から径方向の圧力が作用し、この圧力が回転シリンダ部材２を傾け中心ずれをしようとするが、回転シリンダ部材２に予圧をかけておくことで回転シリンダ部材２の傾きを抑えることができ、回転シリンダ部材２を安定回転させることができ、回転する装置としての信頼性をより一層高めることができる。
【００３８】
図５に皿ばね２０２を示す。皿ばね２０２に多数の孔２０２ａを形成し、変形し易い形状にしている。また、皿ばね２０２を薄板で形成し、複数枚積層して配置している。これらのため、皿ばね２０２全体としてのばね定数が小さくなり、安定したスラスト荷重を得ることができる。なお、座金２０４はスラスト荷重調整用の座金で、枚数を増減することで皿ばね２０２による予圧力の大きさを調整する。
【００３９】
一方、ピストン保持部材５は、回転シリンダ部材２の外径よりも小さい外径を有する円形形状で形成されている。このピストン保持部材５の回転中心位置Ｘには、支軸５１の一端が挿入され、丸断面のキー２０７によって周方向の相対回転は制限され且つ軸方向の相対移動は許容される。なお、このピストン保持部材５の回転中心位置Ｘは、上述の回転シリンダ部材２の回転軸心ｏから偏心した位置に設けられている（図２）。支軸５１は、例えば電動モータ等の駆動源（以下、モータという）７２の出力軸である。モータ７２の側板７２ａはケース上蓋９５に取り付けられている。支軸５１はモータ７２の軸受部材８に回転自在に支持されている。
【００４０】
なお、ピストン保持部材５とケース上蓋９５の間には、スラスト軸受９６が配置されている。ピストン保持部材５には、スラスト軸受９６のリテーナを位置決めするリング２０８が、その対向位置に固定されている。スラスト軸受９６は、例えばニードルベアリングである。ただし、ニードルベアリングに限るものではなく、ボールベアリング等の転がり軸受であっても良く、さらには滑り軸受であっても良い。さらに、スラスト軸受９６を省略しても良い。
【００４１】
ピストン保持部材５の支軸５１が挿入されている面（背面５ａ）と反対側の面には、ピストン３を自転可能に保持する保持軸５２と、ピストン４を自転可能に保持する保持軸５３とが立設固定されている。そして、保持軸５２には、ピストン３がシリンダ室２３ａ，２３ｂを含む直線状の溝、すなわちガイド溝２４ａ内の所定の部位に嵌まり込んだ状態で遊嵌されている。
【００４２】
ピストン３は、見かけ上の往復直線運動時における前後の面３１，３１が若干丸みを有するように形成されているが、他の４面、すなわちシリンダ室２３ａ，２３ｂ内に嵌まり込んだ状態における上面３２、底面３３及び両側面３４，３４が平面に形成されている。すなわち、ピストン３は、略長方体のブロック形状を有している。そして、平面に形成された各面のうちの上面３２を除く底面３３と両側面３４，３４は、ピストン３がシリンダ室２３ａ，２３ｂ内に嵌まり込んだ際のシリンダ室２３ａ，２３ｂとの接触面となる。また、ピストン３の中心部分には、保持軸５２に遊嵌されるための孔３ａが設けられている。さらに、ピストン３の底部分には、上述したガイド用溝２４ａに嵌まり込む凸片３ｂが設けられている。
【００４３】
一方、保持軸５３には、ピストン４がシリンダ室２３ｃ，２３ｄを含む直線状の溝、すなわちガイド溝２４ｂ内の所定の位置に嵌まり込んだ状態で遊嵌されている。ピストン４もピストン３と同様、見かけ上の往復直線運動時における前後の面４１，４１が若干丸みを有するように形成されているが、他の４面、すなわちシリンダ室２３ｃ，２３ｄ内に嵌まり込んだ状態における上面４２、底面４３及び両側面４４，４４が平面に形成されている。すなわち、ピストン４も、ピストン３と同様、略長方体のブロック形状を有している。そして、平面に形成された各面のうちの上面４２を除く底面４３と両側面４４，４４は、ピストン４がシリンダ室２３ｃ，２３ｄ内に嵌まり込んだ際のシリンダ室２３ｃ，２３ｄとの接触面となる。また、ピストン４の中心部分には、保持軸５３に遊嵌されるための孔４ａが設けられている。さらに、ピストン４の底部分には、上述したガイド用溝２４ｂに嵌まり込む凸片４ｂが設けられている。
【００４４】
例えば本実施形態のピストン３，４では、弾性を有する鍔部２０９を備えるようにしている。したがって、シリンダ室２３ａ〜２３ｄ内の流体の圧力が上昇すると、この圧力によって鍔部２０９が拡がりピストン３，４の周囲の隙間をシールする。このため、たとえピストン３，４の周囲に隙間があったとしても、この隙間からの流体の漏れが防止される。
【００４５】
ここで、図６に示すように、ピストン３，４を中駒２１０と表皮膜２１１より構成するようにしても良い。図６の例では、鍔部２０９は表皮膜２１１に形成されている。この場合、例えば中駒２１０をポーラスな空隙を有する例えばＡｌカーボン又はＣｕ等の粉末焼結体とし、表皮膜２１１を上述したカーボンナノファイバ含有ＰＰＳ樹脂の膜とする。中駒２１０の表面に表皮膜２１１をアウトサートすることで、これらは一体的に成形される。中駒２１０がポーラスな粉末焼結体であるため、表皮膜２１１は成形時にその圧力で中駒２１０の空隙部に入り込み、アンカー効果で中駒２１０の表面に強固に結合される。このため、表皮膜２１１は、通常の使用では剥がれることがない。このことは、孔３ａの内周面の表皮膜２１１についても同様である。
【００４６】
図７〜図９に中駒２１０を示す。中駒２１０には、孔２１０ａの他、アウトサート用の位置決め孔２１０ｂが型抜き方向に設けられている。位置決め孔２１０ｂは、例えば４箇所に設けられている。アウトサート成形時に位置決め孔２１０ｂに段付けピン２１２（図６）を上下から挿入することで、成形型から中駒２１０を浮かして支持することができ、中駒２１０の周囲に表皮膜２１１となる樹脂を充填することができる。即ち、中駒２１０は、段付けピン２１２の段部２１２ａに当接する部分と位置決め孔２１０ｂ内の部分以外は、表皮膜２１１により均一に覆われている。なお、段付けピン２１２の段部２１２ａは、例えば図３０に示す形状にしても良い。
【００４７】
本実施形態では、前後の面３１，３１、４１，４１の３辺に、当該３辺に沿ってスリット２１３を形成することで、弾性を有する鍔部２０９を形成している。ただし、鍔部２０９を３辺に形成する必要はなく、少なくとも上下の辺のどちらか一方と左右の辺のどちらか一方に鍔部２０９を形成すれば良い。また、鍔部２０９を４辺に形成しても良い。鍔部２０９はシリンダ室２３ａ〜２３ｄ内の圧力を受けて拡がる。
【００４８】
ロータリ式シリンダ装置１の運転時には運転発熱により各構成部品は発熱し膨張する。図６の例では、回転シリンダ部材２とピストン３，４の表被膜２１１及び中駒２１０の線膨張率は異なるが、表被膜２１１の肉厚と中駒２１０の寸法でピストン３，４の線膨張率を適正化できる。また、鍔部２０９の拡がり具合によって線膨張率の差を吸収することができる。即ち、表皮膜２１１の肉厚と中駒２１０の寸法で材料の線膨張率を適正化するのと同様の効果が得られる。
【００４９】
ケーシング６の周壁６ａには、外部の気体をケーシング６内に吸い込むための吸込口６１と、ケーシング６内に吸い込んだ気体を外部へ吐出するための吐出口６２とが形成されている。
【００５０】
吸込口６１は、ケーシング６の周壁６ａの内面に形成されたスリット６１ａと、このスリット６１ａとケーシング６の外部とを連通させる連通孔６１ｂと、この連通孔６１ｂのケーシング６の外面側に接続される吸気管６１ｃとから構成されている。そして、スリット６１ａは、回転シリンダ部材２が回転すると、各シリンダ室２３ａ〜２３ｄとそれぞれ連なるようになっている。
【００５１】
また、吐出口６２は、吸込口６１のスリット６１ａから離れた位置に形成されたスリット６２ａと、このスリット６２ａとケーシング６の外部とを連通させる連通孔６２ｂと、この連通孔６２ｂのケーシング６の外面側に接続される排気管６２ｃとから構成されている。そして、スリット６２ａは、回転シリンダ部材２が回転すると、各シリンダ室２３ａ〜２３ｄとそれぞれ連なるようになっている。また、スリット６２ａは、シリンダ室２３ｄ内の圧力が十分に上昇した後に各シリンダ室２３ａ〜２３ｄに連通する位置に形成されている。即ち、シリンダ室２３ａ〜２３ｄ内の圧力が所要圧力になるタイミングで当該シリンダ室２３ａ〜２３ｄが吐出口６２に連通する。
【００５２】
支持部材としてのケーシング６には、回転シリンダ部材２のケーシング６に対する軸方向の組み上がり精度を確保する第１の塑性変形する調整手段２１４が設けられている。図１０〜図１３に、第１の塑性変形する調整手段２１４を示す。第１の塑性変形する調整手段２１４は、例えば環状のリブ（以下、リブ２１４という）で、ケーシング６内の底面にシリンダスラスト軸受８５と同心円状に設けられている。リブ２１４の横断面形状は、例えば三角形状を成している。ロータリ式シリンダ装置１を組み立てる場合、ケーシング６内にシリンダスラスト軸受８５を入れリブ２１４に載せる。そして、シリンダスラスト軸受８５に回転シリンダ部材２を載せる。この状態のリブ２１４の様子を図１３（ａ）に示す。また、この状態では回転シリンダ部材２はケーシング６の縁から軸方向に若干（距離ｄ１）突出している（図１４（ａ））。
【００５３】
そして、ケーシング６の底面を受けながら回転シリンダ部材２の他側面を加圧することで、図１３（ｂ）に示すように、リブ２１４が潰れて回転シリンダ部材２を所定位置まで押し込むことができる（図１４（ｂ））。即ち、リブ２１４を塑性変形させながら回転シリンダ部材２を所定の高さ、例えば回転シリンダ部材２の縁の高さがケーシング６の縁の高さから若干（距離ｄ３）低い位置まで押し込むことで、たとえ回転シリンダ部材２やケーシング６等の軸方向加工寸法に誤差があったとしても、回転シリンダ部材２の軸方向の位置出しを正確に行うことができ、回転シリンダ部材２の軸方向の精度を確保することができる。このため、回転シリンダ部材２やケーシング６の加工精度をある程度ラフにすることができ、調整要素が減少し、組み付けが容易になり、製造コストを低減することができる。
【００５４】
また、支持部材としてのケース上蓋９５には、ピストン保持部材５のケース上蓋９５に対する軸方向の組み上がり精度を確保する第２の塑性変形する調整手段２１５が設けられている。図１５及び図１６に、第２の現合調整手段２１５を示す。第２の現合調整手段２１５は、例えば環状のリブ（以下、リブ２１５という）で、ケース上蓋９５内の底面に設けられている。リブ２１５の横断面形状は、例えば三角形状を成している。ロータリ式シリンダ装置１を組み立てる場合、ケース上蓋９５内にピストン保持部材５を入れた状態、即ち、図１６（ａ）に示すようにリブ２１５を潰していない状態では、ピストン保持部材５はケーシング６の縁からスラスト方向に若干（距離ｄ２）突出している（図１７（ａ））。
【００５５】
そして、ケース上蓋９５を受けながらピストン保持部材５を押し込むことで、図１６（ｂ）に示すように、リブ２１５が潰れてピストン保持部材５を所定位置まで押し込むことができる（図１７（ｂ））。即ち、リブ２１５を塑性変形させながらピストン保持部材５を所定の高さ、例えばピストン保持部材５の縁の高さがケース上蓋９５の縁の高さから若干（距離ｄ４）低い位置まで押し込むことで、たとえピストン保持部材５やケース上蓋９５等の加工寸法に誤差があったとしても、ピストン保持部材５の軸方向の位置出しを正確に行うことができ、ピストン保持部材５の軸方向の精度を確保することができる。このため、ピストン保持部材５やケース上蓋９５の加工精度をある程度ラフにすることができ、調整要素が減少し、組み付けが容易になり、製造コストを低減することができる。
【００５６】
ロータリ式シリンダ装置１は、気体循環による冷却手段を備えている。本実施形態では、冷却手段として、主に回転シリンダ部材２を冷却する第１の冷却手段２１６と、主にピストン保持部材５を冷却する第２の冷却手段２１７を備えている。ただし、第１及び第２の冷却手段２１６，２１７のうちいずれか一方を省略しても良く、両方の冷却手段２１６，２１７を省略しても良い。
【００５７】
第１の冷却手段２１６は、図１８〜図２１に示すように、ケーシング６の底壁６ｂに設けられた内側通路２１８と、回転シリンダ部材２の一側面（背面２ｄ）に設けられた放射状通路２１９と、ケーシング６の周壁６ａに設けられた外側通路２２０より構成されている。内側通路２１８は、シリンダラジアル軸受７０の周囲に等間隔で複数形成されている。放射状通路２１９は、回転シリンダ部材２の背面２ｄに放射状に多数形成された溝２１９ａと、溝２１９ａを塞ぐように配置されたシリンダスラスト軸受８５とで形成されている。また、外側通路２２０は周壁６ａに等間隔で複数形成されている。
【００５８】
回転シリンダ部材２が回転すると、遠心力によって放射状通路２１９内に中心から外側に向かう空気の流れが発生する。即ち、放射状通路２１９の中心側の圧力が低くなり、外側の圧力が高くなるので、ケーシング６の外の空気が内側通路２１８を通ってケーシング６内に流入し、放射状通路２１９の内側から放射状通路２１９を外側に向けて移動した後、外側通路２２０からケーシング６の外へと流出する。回転シリンダ部材２が回転し、ピストン３，４がシリンダ室２３ａ〜２３ｄ内を相対的に往復運動することで、摩擦や圧縮仕事により発熱し、回転シリンダ部材２等は加熱される。この熱を内側通路２１８→放射状通路２１９→外側通路２２０へと流れる空気によって除去することができる。即ち、第１の冷却手段２１６によってケーシング６内を冷却することができ、回転シリンダ部材２やピストン３，４等の熱膨張を抑えることができる。このため、性能の良い圧縮機を提供することができる。
【００５９】
このように、第１の冷却手段２１６では、ケーシング６内に空気を循環させてケーシング６内の冷却を行うため、例えばケーシング６の表面に放熱用のフィンを設けてケーシング６の表面に伝わった熱を放出する方式の冷却手段に比べて、効率よく冷却を行うことができる。むろん、ケーシング６に放熱フィンを設けてもかまわない。
【００６０】
なお、本実施形態では、回転シリンダ部材２をある程度肉厚にし、外周面２ａの軸方向の長さ寸法をある程度長くすることでシール性を確保し、気体が回転シリンダ部材２の背面２ｄに回り込むことの防止を図っている。しかしながら、気体は加圧されるので、加圧された気体が回転シリンダ部材２の背面２ｄに回り込むことがある。回転シリンダ部材２の背面２ｄに回り込んだ気体は、冷却用の空気と一緒にケーシング６の外に放出される。即ち、回転シリンダ部材２の背面２ｄの冷却用空気はベアリングを通過するため潤滑グリース等の臭いがついた気体となるが、吐出口６２から吐出させる気体とは別に処理することができる。吐出空気にはグリス等の臭いが混入しない。
【００６１】
第２の冷却手段２１７は、図１８，図２２〜図２４に示すように、ケース上蓋９５の周壁９５ａに設けられた流入通路２２１と、ケース上蓋９５とモータ７２の間の空隙通路２２２と、ピストン保持部材５の背面（モータ７２側の面）５ａに設けられた放射状通路２２３と、ケース上蓋９５の周壁９５ａに設けられた流出通路２２４より構成されている。流入通路２２１は、例えば１箇所に設けられている。放射状通路２２３は、ピストン保持部材５の背面５ａに放射状に多数形成された溝２２３ａと、溝２２３ａを塞ぐように配置されたスラスト軸受９６とで形成されている。また、流出通路２２４は、例えば３箇所に２本ずつ設けられている。なお、図３では、ピストン保持部材５について溝２２３ａの記載を省略している。
【００６２】
ピストン保持部材５が回転すると、遠心力によって放射状通路２２３内に中心から外側に向かう空気の流れが発生する。即ち、放射状通路２２３の中心側の圧力が低くなり、外側の圧力が高くなるので、ケース上蓋９５の外の空気が流入通路２２１と空隙通路２２２を通って放射状通路２２３の内側に流入し、放射状通路２２３を外側に向けて移動した後、流出通路２２４からケース上蓋９５の外へと流出する。ピストン保持部材５が回転し、ピストン３，４がシリンダ室２３ａ〜２３ｄ内を往復運動することで、摩擦や圧縮仕事により発熱し、ピストン保持部材５等は加熱される。この熱を流入通路２２１→空隙通路２２２→放射状通路２２３→流出通路２２４へと流れる空気によって除去することができる。即ち、第２の冷却手段２１７によってケース上蓋９５内を冷却することができ、ピストン保持部材５やピストン３，４等の熱膨張を抑えることができる。このため、性能の良い圧縮機を提供することができる。
【００６３】
このように、第２の冷却手段２１７では、ケース上蓋９５内に空気を循環させてケース上蓋９５内の冷却を行うため、例えばケース上蓋９５の表面に放熱用のフィンを設けてケース上蓋９５の表面に伝わった熱を放出する方式の冷却手段に比べて、効率よく冷却を行うことができる。むろん、ケース上蓋９５に放熱フィンを設けても良い。
【００６４】
なお、本実施形態では、ピストン保持部材５の厚さをある程度厚くし、外周面５ｂの軸方向の長さ寸法をある程度長くすることでシール性を確保し、気体のピストン保持部材５の背面５ａへの漏れ防止を図っている。しかしながら、気体は加圧されるので、加圧された気体がピストン保持部材５の背面５ａに回り込むことがある。ピストン保持部材５の背面５ａに回り込んだ気体は、冷却用の空気と一緒にケース上蓋９５の外に放出される。即ち、ピストン保持部材５の背面５ａの冷却用空気はベアリングを通過するため潤滑グリース等の臭いがついた気体となるが、吐出口６２から吐出させる気体とは別に処理することができる。吐出空気にはグリス等の臭いが混入しない。なお、図１８〜図２０、図２２、図２３、図２５〜図２８において、斜線で塗りつぶした矢印は空気の流れを示している。
【００６５】
ロータリ式シリンダ装置１は、回転シリンダ部材２と支持部材であるケーシング６の対向面の少なくともいずれか一方、及びピストン保持部材５と支持部材であるケース上蓋９５の対向面の少なくともいずれか一方に非金属の塗膜を形成している。本実施形態では、回転シリンダ部材２の面２ａ（外周面）と面２ｂ、及びピストン保持部材５の面５ｂ（外周面）に非金属の塗膜を形成している。この塗膜に、上述したカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバの一方または双方を含んだ材料を用いても良い。
【００６６】
つまり、ケーシング６とケース上蓋９５はそれぞれ同軸加工し、それぞれの軸芯と各同軸部位の同軸度と位置の精度を確保している。ケーシング６とケース上蓋９５は例えばアルミ製であり、表面に陽極酸化処理と封孔処理（いわゆるアルマイト処理）を施している。これにより、ケーシング６とケース上蓋９５の両摺動面に非金属の塗膜を形成している。また、回転シリンダ部材２とピストン保持部材５を同軸加工し、それぞれの軸芯と各同軸部位の同軸度と位置の精度を確保している。回転シリンダ部材２とピストン保持部材５は例えばアルミ製であり、表面に硫酸浴を用いて硬質の陽極酸化被膜を生成し、この被膜の多孔層にフッ化炭化水素重合体の水性分散液を含浸させる処理（いわゆるタフラム処理）を施している。これにより、回転シリンダ部材２とピストン保持部材５の対向面に非金属の塗膜を形成している。さらに、回転シリンダ部材２の外周面及びピストン保持部材５の外周面にフッ素樹脂塗装を行うと共に、規定寸法に仕上げ、ケーシング６の内周面又はケース上蓋９５の内周面との間のクリアランスを確保している。
【００６７】
上述したように構成されたロータリ式シリンダ装置１は、ピストン保持部材５がモータ７２により等角速度の回転運動を行うと、ピストン３，４が周回動作をし、この動作に伴って回転シリンダ部材２も等角速度運動を行うようになっている。この動作によって、圧縮動作を行うものとなっている（図２５〜図２８）。なお、図２５〜図２８の（ａ）〜（ｃ）は、回転シリンダ部材２の回転角にして１５度おきに示したものである。図２５（ｃ）に続く動作は図２６（ａ）である。また、図２７（ｃ）に続く動作は図２８（ａ）である。
【００６８】
例えば、シリンダ室２３ｄに着目して説明する。図２５（ａ）の状態では、ピストン４は、回転シリンダ部材２のシリンダ室２３ｄ内の最外周端部まで進出した（押し進められた）状態となっている。シリンダ室２３ｄは吸込口６１のスリット６１ａと吐出口６２のスリット６２ａのいずれにも対向していない。即ち、吸込口６１と吐出口６２のいずれも閉口している。
【００６９】
この状態より回転シリンダ部材２が回転すると、シリンダ室２３ｄが吸込口６１のスリット６１ａに対向し、吸込口６１が開口する（図２５（ｂ））。このとき、ピストン４は空洞部２２に向けて移動しており、吸込口６１の開口によりシリンダ室２３ｄ内に気体を吸入する。そして、シリンダ室２３ｄが吸込口６１のスリット６１ａから外れるまで、即ち吸込口６１が閉口するまで、気体を吸入し続ける（図２５（ｃ）→図２６（ａ）→（ｂ）→（ｃ））。
【００７０】
図２６（ｃ）の状態より、回転シリンダ部材２が１９５度回転した状態を図２７（ａ）示す。図２７（ａ）の状態から圧縮行程が開始される。即ち、空洞部２２の位置からピストン４がシリンダ室２３ｄ内に進入するので、シリンダ室２３ｄ内の気体が圧縮される（図２７（ａ）→（ｂ）→（ｃ））。そして、シリンダ室２３ｄが吐出口６２のスリット６２ａに対向すると（図２８（ａ））、吐出口６２が開口し、シリンダ室２３ｄ内の加圧気体が吐出される。回転シリンダ部材２の回転によりピストン４は最外周端部に向けて進出するので、シリンダ室２３ｄ内の加圧気体は吐出口６２に吐出される（図２８（ａ）→（ｂ）→（ｃ））。この後、図２５（ａ）の状態に戻る。
【００７１】
ここで、吐出口６２のスリット６２ａは、シリンダ室２３ｄ内の圧力が十分に上昇した後にシリンダ室２３ｄに連通する位置に形成されているので、シリンダ室２３ｄ内の圧力を十分に上昇させた後に吐出口６２から吐出させることができる。本実施形態では、シリンダ室２３ｄ内の圧力が吐出口６２内の圧力と等しくなった時に、シリンダ室２３ｄが吐出口６２に連通する。このため、効率良い圧縮仕事ができ、消費電力を低く抑えることができる。また、吐出口６２に逆止弁を設ける必要もなくなる。
【００７２】
以上の動作は、他のシリンダ室２３ａ〜２３ｃとピストン３，４についても同様に行われる。そして、回転シリンダ部材２の回転に伴い、各シリンダ室２３ａ〜２３ｄからの気体の吐出が繰り返し行われるので、ロータリ式シリンダ装置１が圧縮機として機能する。
【００７３】
ロータリ式シリンダ装置１の運転によりピストン３，４がシリンダ室２３ａ〜２３ｄ内を進むと、その進行方向の空間の圧力は上昇する。この圧力がピストン３，４に設けられた鍔部２０９の弾性力よりも大きくなると、鍔部２０９が変形し拡がる。拡がった鍔部２０９は回転シリンダ部材２、ピストン保持部材５、ケース上蓋９５に接触し、これらの間をシールする。したがって、たとえピストン３，４の周囲に隙間があったとしても、シール性を確実に確保することができる。なお、上昇していたシリンダ室２３ａ〜２３ｄ内の圧力が低下すると、鍔部２０９はその弾性力により基の形状に復帰する。
【００７４】
ロータリ式シリンダ装置１では、ピストン３，４に鍔部２０９を設けると共に、回転シリンダ部材２、ピストン保持部材５に非金属の塗装を形成しているので、液体シール材を使わなくともピストン３，４のシール性を確保することができる。このため、液体を使用しないドライ運転が可能となり、液体シール材を使用した場合に比べるとシール抵抗の影響を受けないため消費電力を抑えることができる。
【００７５】
また、ドライ運転できるため、液体シール材を使用する場合のように液体シール用の付帯機器が不要になり、コンパクトで簡易な圧縮空気を得られるシステムとなる。
【００７６】
そして、材料強度や耐磨耗性の改善のために従来用いられていたカーボンファイバやガラスファイバは線径が１００μｍ程度もあるのに対して、ピストン３，４に用いられるカーボンナノチューブは線径が１５ｎｍ以下、カーボンナノファイバは線径１５ｎｍ〜０．２μｍ程度と極めて微細なので、成形金型の角部分（エッジ部分）にまでカーボンナノチューブやカーボンナノファイバが充填される。このため、エッジ部が鋭角に仕上った、金型に忠実な寸法精度の良い成形品が得られ、ピストン３，４とシリンダ室２３ａ〜２３ｄとの間に隙間が生じてしまうことを防止できる。これより、圧縮流体が漏れ難く、効率の良いコンプレッサを得ることができる。さらに、エッジ部分にまでカーボンナノチューブやカーボンナノファイバが充填されるので、エッジ部分の強度が高くなり、摩耗が進み難くなる。従って、長時間の使用でも最大圧力は減少せず、コンプレッサの効率は下がらない。
【００７７】
また、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバは摺動性に優れているのに加えて熱伝導性が銅の３〜５倍と高く、放熱性が極めて良いため、摺動部分での発熱が小さく、またピストン３，４が摺動する際の摩擦音振動を小さくできる。
【００７８】
また、構成部品の重量が、金属製材料または金属粉末を充填した樹脂材料と比べて軽くなるので、慣性が小さくなり起動性が改善され、ピストン３，４が摺動する際の振動も小さくなる。また、金属を用いないことで耐食性の改善がされ、ロータリ式シリンダ装置１を、水分を多く含む気体や腐食性ガスのコンプレッサとしても利用することができる。
【００７９】
また、無潤滑方式（ドライ方式）であるので、吐出口６２から吐出される流体にオイル等の潤滑剤が不純物として混入してしまうことが回避され、不純物の少ない圧縮流体が得られる。このため、不純物を除去するためのフィルタ（オイルミストフィルタなど）をコンプレッサの周辺機器として設ける必要がない。また、潤滑剤供給機構として潤滑油用通路や保油用ディンプルなどを設ける必要もない。これらは、ロータリ式シリンダ装置１の一層の小型化およびコスト低減に寄与する。
【００８０】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、ピストン３，４または回転シリンダ部材２の摺動面を構成する複合材料は、樹脂材料をマトリックスとするものに限定されず、アルミニウムなどの軽金属に、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの一方または双方を混合するものとしても良い。この場合も、機械的強度、加工性、摺動性、放熱性に優れた複合材料を得ることができる。また、マトリックスとなる樹脂材料は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）に限定されず、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＬＣＰ（液晶樹脂）などの耐熱性樹脂や、ポリアミド（ナイロン）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＥ（ポリエチレン）などの摺動性良好な樹脂材料でも良い。
【００８１】
また、上述の実施形態では、ピストン３，４の材料にカーボンナノファイバを混合した樹脂複合材料を用いたが、ピストン３，４と接触するケーシング６、回転シリンダ部材２、ピストン保持部材５の全部または少なくともピストンと接触する面をこの樹脂複合材料で形成しても良い。
【００８２】
また、ピストン３，４または回転シリンダ部材２の接触面を構成する複合材料は、例えば潤滑剤を含むものであっても良い。例えば、カーボンナノファイバまたはカーボンナノチューブをカップスタック型とし、このカップスタック型の芯となる空洞部分に潤滑油を含浸させたものを用いても良い。或いは、マトリクスとなる樹脂に、カーボンナノファイバまたはカーボンナノチューブに加えて、固体潤滑剤（例えばＰＴＦＥ、ＭｏＳ_２（二硫化モリブデン）、ＷＳ_２（二硫化タングステン）、ＢＮ（ボロンナイトライド）など）を添加しても良い。この場合、更に摺動性を高めることができる。
【００８３】
また、複合材料によりピストン３，４または回転シリンダ部材２の摺動面を形成するものに限られず、ピストン３，４と回転シリンダ部材２との接触面の一方または双方に、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの一方または双方を摺動面に対して垂直方向に配向させるようにしても良い。カーボンナノチューブやカーボンナノファイバは、通常のカーボンファイバに比べて、折れ難く柔軟性を有しているため、流体のシール性を高めることができる。また、アルミニウム合金などの金属材料で作製したピストンの表面に、カーボンナノファイバを混入した有機樹脂塗料を塗布し、この塗料を硬化させた後、上記塗料の表面を切削加工するようにしても良い。
【００８４】
また、カーボンナノファイバやカーボンナノチューブ以外のナノカーボン材料（例えばカーボンナノホーン、ツェッペリン、フラーレンなど）であっても、機械的強度、摺動性、熱伝導性に優れるものであれば、用いても良い。これらのナノカーボン材料も微細であることから型の角部分（エッジ部分）にまで充填することができ、且つ機械的強度、摺動性、熱伝導性に優れるものであれば、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８５】
なお、上述の説明では、ケース上蓋９５とモータ７２の側板７２ａを別体としていたが、例えば図２９に示すように、ケース上蓋９５とモータ７２の側板７２ａを一体化しても良い。なお、この場合には第２の冷却手段２１７の空隙通路２２２を省略し、流入通路２２１によって空気を放射状通路２２３の中心側に導くようにすることが好ましい。
【００８６】
また、上述の説明では、第１及び第２の塑性変形する調整手段２１４，２１５は横断面形状が三角形のリブであったが、リブの横断面形状は三角形に限るものではなく、適切な荷重で潰れ易ければ、作り易いその他の形状でも良い。
【００８７】
また、ロータリ式シリンダ装置１の冷却効果をより高めるために、モータ７２の出力軸（支軸）５１をピストン保持部材５とは逆側に延長し、この延長部分にファンを付加しても良く、あるいは回転シリンダ部材２のセンタ軸２１をケーシング６の外側に延長し、この延長部分にファンを付加しても良い。
【００８８】
また、上述の説明では、本発明を圧縮機に適用していたが、真空ポンプに適用しても良い。なお、真空ポンプの場合は圧縮機とは入出力が逆の動作になる。つまり、圧縮機では吐出口６２からの圧縮空気を利用し、吸込口６１は大気圧である。真空ポンプでは吐出口６２は大気圧開放し、吸込口６１にタンク等を付加し負圧を利用する。
【００８９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１記載のロータリ式シリンダ装置によれば、ピストンと回転シリンダ部材との接触面の一方または双方を、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの一方または双方を含有した複合材料で形成しているので、カーボンファイバやガラスファイバと比較して極微細なカーボンナノチューブやカーボンナノファイバが成形金型の角部分（エッジ部分）にまで充填され、エッジ部を鋭角とでき且つエッジ部を高強度とできる。これにより、ピストンとシリンダ室との間に隙間が生じてしまうことを防止でき、圧縮流体が漏れ難く、効率の良いコンプレッサを得ることができる。また、エッジ部分の摩耗が進み難くなり、長時間の使用でも最大圧力が減少しない高効率を維持できるコンプレッサを実現できる。更に、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバは摺動性に優れるのに加えて熱伝導性が高く放熱性が良いため、摺動部分での発熱を抑え、焼付きを防止できる。
【００９０】
また、無潤滑方式（ドライ方式）とできるので、吐出口から吐出される流体にオイル等の潤滑剤が不純物として混入してしまうことが回避され、不純物の少ない圧縮流体が得られる。このため、不純物を除去するためのフィルタを周辺機器として設ける必要がない。また、潤滑剤供給機構として潤滑油用通路や保油用ディンプルなどを設ける必要もない。これらは、ロータリ式シリンダ装置の一層の小型化およびコスト低減に寄与する。
【００９１】
さらに、請求項２記載のロータリ式シリンダ装置によれば、複合材料は、樹脂材料をマトリックスとして、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの一方または双方を含有させたものとしているので、金属をマトリックスとした場合と比較して、耐食性が向上する。このため、ロータリ式シリンダ装置を、水分を多く含む気体や腐食性ガスのコンプレッサとしても利用することができる。また、金属をマトリックスとした場合と比較して、重量が軽くなるためロータリ式シリンダ装置の起動性が向上し、ピストン摺動時の振動も小さくなる。
【００９２】
さらに、請求項３記載のロータリ式シリンダ装置では、カーボンナノファイバまたはカーボンナノチューブは、フッ素化されたものとしているので、摩擦係数が低くなり、従って摺動抵抗が小さくなり、摺動部分での発熱をより抑えることができる。
【００９３】
さらに、請求項４記載のロータリ式シリンダ装置では、カーボンナノファイバまたはカーボンナノチューブはカップスタック型であり、該カップスタック型の空洞部に潤滑油を含浸させたものとしているので、使用中に微量の潤滑油が徐々にしみ出て、複合材料の摺動性を更に高めることができる。
【００９４】
また、請求項５記載のロータリ式シリンダ装置では、ピストンと回転シリンダ部材との接触面の一方または双方に、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの一方または双方を摺動面に対して垂直方向に配向させるようにしており、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバは通常のカーボンファイバに比べて折れ難く且つ柔軟性を有しているので、流体のシール性が高めることができる。しかも、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバは摺動性に優れるのに加えて熱伝導性が高く放熱性が良いため、摺動部分での発熱を抑え、焼付きを防止できる。また、無潤滑方式（ドライ方式）とできるので、吐出口から吐出される流体にオイル等の潤滑剤が不純物として混入してしまうことが回避され、不純物の少ない圧縮流体が得られる。このため、不純物を除去するためのフィルタを周辺機器として設ける必要がない。また、潤滑剤供給機構として潤滑油用通路や保油用ディンプルなどを設ける必要もない。これらは、ロータリ式シリンダ装置の一層の小型化およびコスト低減に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したロータリ式シリンダ装置の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】図１のロータリ式シリンダ装置のケース上蓋とピストン保持部材を取り外した状態の平面図である。
【図３】図１のロータリ式シリンダ装置の回転シリンダ部材とピストンとピストン保持部材を示す分解斜視図である。
【図４】回転シリンダ部材にスラスト方向の予圧をかける構造を分解して示す断面図である。
【図５】予圧手段である皿ばねの斜視図である。
【図６】ピストンを一部切り欠いて示す斜視図である。
【図７】ピストンの中駒を示す平面図である。
【図８】ピストンの中駒を示す側面図である。
【図９】ピストンの中駒を示す正面図である。
【図１０】ケーシングを一部切り欠いて示す斜視図である。
【図１１】図１０に円Ａで示す部分を拡大して示す斜視図である。
【図１２】第１の塑性変形する調整手段を示す断面図である。
【図１３】図１２に円Ｂで示す部分を拡大して示し、（ａ）はケーシングに対して回転シリンダ部材を押し込む前の状態を示す断面図、（ｂ）はケーシングに対して回転シリンダ部材を所定位置まで押し込んだ状態を示す断面図である。
【図１４】図１２に円Ｃで示す部分を拡大して示し、（ａ）はケーシングに対して回転シリンダ部材を押し込む前の状態を示す断面図、（ｂ）はケーシングに対して回転シリンダ部材を所定位置まで押し込んだ状態を示す断面図である。
【図１５】第２の塑性変形する調整手段を示す断面図である。
【図１６】図１５に円Ｄで示す部分を拡大して示し、（ａ）はケース上蓋に対してピストン保持部材を押し込む前の状態を示す断面図、（ｂ）はケース上蓋に対してピストン保持部材を所定位置まで押し込んだ状態を示す断面図である。
【図１７】図１５に円Ｅで示す部分を拡大して示し、（ａ）はケース上蓋に対してピストン保持部材を押し込む前の状態を示す断面図、（ｂ）はケース上蓋に対してピストン保持部材を所定位置まで押し込んだ状態を示す断面図である。
【図１８】第１及び第２の冷却手段の空気の流れを示す断面図である。
【図１９】第１の冷却手段を示すケーシングの底面図である。
【図２０】回転シリンダ部材の背面図である。
【図２１】回転シリンダ部材を背面側からみた斜視図である。
【図２２】第２の冷却手段を示すケース上蓋の正面図である。
【図２３】ピストン保持部材の背面図である。
【図２４】ピストン保持部材を背面側からみた斜視図である。
【図２５】ロータリ式シリンダ装置の作動原理を説明するための図で、（ａ）は一方のピストンが空洞部を横切り、他方のピストンがシリンダ室の最奥部にまで進入した状態を示す図、（ｂ）は（ａ）の状態から回転シリンダ部材の回転角で１５度だけ回転した状態を示す図、（ｃ）は（ｂ）の状態から回転シリンダ部材の回転角で更に１５度だけ回転した状態を示す図である。
【図２６】ロータリ式シリンダ装置の作動原理を説明するための図で、（ａ）は図２５（ｃ）の状態から回転シリンダ部材の回転角で１５度だけ回転した状態を示す図、（ｂ）は（ａ）の状態から回転シリンダ部材の回転角で更に１５度だけ回転した状態を示す図、（ｃ）は（ｂ）の状態から回転シリンダ部材の回転角で更に１５度だけ回転した状態を示す図である。
【図２７】ロータリ式シリンダ装置の作動原理を説明するための図で、（ａ）は図２６（ｃ）の状態から回転シリンダ部材の回転角で１９５度だけ回転した状態を示す図、（ｂ）は（ａ）の状態から回転シリンダ部材の回転角で１５度だけ回転した状態を示す図、（ｃ）は（ｂ）の状態から回転シリンダ部材の回転角で更に１５度だけ回転した状態を示す図である。
【図２８】ロータリ式シリンダ装置の作動原理を説明するための図で、（ａ）は図２７（ｃ）の状態から回転シリンダ部材の回転角で１５度だけ回転した状態を示す図、（ｂ）は（ａ）の状態から回転シリンダ部材の回転角で更に１５度だけ回転した状態を示す図、（ｃ）は（ｂ）の状態から回転シリンダ部材の回転角で更に１５度だけ回転した状態を示す図である。
【図２９】本発明を適用したロータリ式シリンダ装置の第２の実施形態を示す断面図である。
【図３０】ピストンの他の実施形態を一部切り欠いて示す斜視図である。
【図３１】従来のロータリ式シリンダ装置を示す断面図である。
【図３２】従来のロータリ式シリンダ装置を示し、ケース上蓋とピストン保持部材を取り外した状態の平面図である。
【符号の説明】
１ ロータリ式シリンダ装置
２ 回転シリンダ部材
２ａ （回転シリンダ部材の）外周面
３，４ ピストン
５ ピストン保持部材
６ ケーシング（支持部材）
２２ 空洞部
２３ａ〜２３ｄ シリンダ室
６１ 吸込口
６２ 吐出口
２０９ 鍔部
２１４ 第１の現合調整手段
２１５ 第２の現合調整手段
２１６ 第１の冷却手段
２１７ 第２の冷却手段
ｏ 回転軸心
Ｘ （回転軸心から）偏心した回転中心位置
ｘ１，ｘ２ （ピストン保持部材の）偏心した自転中心位置

Claims (5)

1. 回転軸心を中心として形成された空洞部に連通し、該空洞部を挟んで対向する少なくとも一対のシリンダ室を有する円形形状の回転シリンダ部材と、上記回転シリンダ部材の回転軸心から偏心した回転中心位置を中心として回転するピストン保持部材とを、支持部材にそれぞれ回転自在に支持すると共に、上記ピストン保持部材の上記回転中心位置から偏心した自転中心位置には、その位置を中心として回動可能にピストンが保持され、上記回転シリンダ部材と上記ピストン保持部材との相対回動により上記ピストン自体が上記自転中心位置を中心として回動しながらかつ上記回転中心位置を中心として回転することによって上記一対のシリンダ室の双方に出入りすると共に、上記支持部材に、上記シリンダ室に連なる吸込口及び吐出口を備えたロータリ式シリンダ装置において、前記ピストンと前記回転シリンダ部材との接触面の一方または双方が、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの一方または双方を含有した複合材料で形成されていることを特徴とするロータリ式シリンダ装置。
2. 前記複合材料は、樹脂材料をマトリックスとして、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの一方または双方を含有させたものであることを特徴とする請求項１記載のロータリ式シリンダ装置。
3. 前記カーボンナノファイバまたは前記カーボンナノチューブは、フッ素化されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載のロータリ式シリンダ装置。
4. 前記カーボンナノファイバまたは前記カーボンナノチューブはカップスタック型であり、該カップスタック型の空洞部に潤滑油を含浸させたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のロータリ式シリンダ装置。
5. 回転軸心を中心として形成された空洞部に連通し、該空洞部を挟んで対向する少なくとも一対のシリンダ室を有する円形形状の回転シリンダ部材と、上記回転シリンダ部材の回転軸心から偏心した回転中心位置を中心として回転するピストン保持部材とを、支持部材にそれぞれ回転自在に支持すると共に、上記ピストン保持部材の上記回転中心位置から偏心した自転中心位置には、その位置を中心として回動可能にピストンが保持され、上記回転シリンダ部材と上記ピストン保持部材との相対回動により上記ピストン自体が上記自転中心位置を中心として回動しながらかつ上記回転中心位置を中心として回転することによって上記一対のシリンダ室の双方に出入りすると共に、上記支持部材に、上記シリンダ室に連なる吸込口及び吐出口を備えたロータリ式シリンダ装置において、前記ピストンと前記回転シリンダ部材との接触面の一方または双方に、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの一方または双方を摺動面に対して垂直方向に配向させたことを特徴とするロータリ式シリンダ装置。

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