JP2006009636A - 多気筒往復圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 水平対向型配置のピストン機構が奏する低振動を有効に生かすことができると共に、多気筒化に伴うクランク軸の長大化を抑制すること。
【解決手段】 ピストン機構１０が、水平対向型に配置された２個のピストン１１、１２から構成されると共にクランク機構５に複数個連結されて構成されている多気筒往復圧縮機１において、クランク機構５は、クランク軸９に沿って連続して設けた複数のクランク軸偏心部８、８を備えて構成されており、複数のピストン機構１０、１０は、隣接するピストン機構同士の干渉を少なくとも避けることができる交差角度θを維持して交差するようにクランク軸偏心部８、８に組み付けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、エンジンやコンプレッサーとして好適に実施可能な、ピストン機構−クランク機構を有する多気筒往復圧縮機に関する。

図５（ａ）、（ｂ）は、一般的な水平対向型の２気筒往復圧縮機５０を示す（例えば、非特許文献１参照）。この２気筒往復圧縮機５０は、回転運動を往復運動に変換するクランク機構５と、このクランク機構５に連結されガスを圧縮するピストン機構１０とから概略構成されている。

このときクランク機構５は、相対的に１８０°の位相差で設けられる第１偏心部６および第２偏心部７からなるクランク軸偏心部８を１個設けたクランク軸９を備えて構成されており、ピストン機構１０は、水平対向型に配置された２個の第１ピストン１１および第２ピストン１２をクランク軸偏心部８に組み付けて構成されている。第１および第２ピストン１１および１２は、それぞれ連接棒１３および１４を介して第１偏心部６および第２偏心部７に結合されている。

そしてこの２気筒往復圧縮機５０によれば、電動機１５によりクランク軸９が回転すると、軸心から１／２ストローク分偏心した第１偏心部６および第２偏心部７にそれぞれ結合した連接棒１３および１４を介して第１および第２ピストン１１および１２が往復運動する。このとき第１および第２ピストン１１および１２は、クランク軸９の回転に伴って、相互に逆方向に同一速度で運動するため、慣性力が略釣り合う。このため２気筒往復圧縮機５０は、駆動時の振動が外部に作用しない、というメリットがある。

さらに、このメリットを生かして多気筒往復圧縮機、例えば水平対向型の４気筒往復圧縮機５１を構成するには、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、２個のクランク軸偏心部８、８をクランク軸９に沿って連続して形成したクランク機構５と、２個のクランク軸偏心部８、８にそれぞれ結合される２個のピストン機構１０、１０とから概略構成されることになるが、この場合隣接するピストン機構１０、１０を構成するピストン（シリンダを含めた全体）１１，１１、および１２，１２同士が干渉するため（図６（ｂ）中、干渉部分は斜線を付して示した）、単純な気筒数増加では対処できない。

この気筒数増加の課題は、構成ピストン１１、１１、１２、１２を星型配置にすれば解決することができるが、そうすることにより水平対向型配置で得られる前述したメリットが得られなくなり、駆動時に大きな振動騒音を招くことになる。

そこで、従来では、図７（ａ）、（ｂ）に示す４気筒往復圧縮機５２のように、２個のクランク軸偏心部８、８間に連結軸６０を設けてその間を広げることによりクランク機構５を構成し、各クランク軸偏心部８にピストン機構１０をそれぞれ結合することにより全体構成するものが提案されている。

この４気筒往復圧縮機５２は、隣接するピストン機構１０が相互の構成ピストン同士の干渉を避けて適正に配置することができると共に、各ピストン機構１０が水平対向型配置になっているので、駆動時の振動音が小さいものとなっている。
伊藤茂、他３名著，「実用機械シリーズ容積形圧縮機」，第６版，産業図書（株），昭和５４年４月５日，ｐ．３２〜３３

しかしながら、４気筒往復圧縮機５２は、クランク軸９が連結軸６０を設けた分長くなるので、装置の大型化を招くばかりでなく、クランク軸９に掛かるモーメントも大きくなるため、軸の大径化および軸受け数の増加により耐久性の向上を図る必要があり、ひいてはコスト高をも招く、という課題を有している。

そこで、本発明は、水平対向型配置のピストン機構が奏する低振動を有効に生かすことができると共に、多気筒化に伴うクランク軸の長大化を抑制して、装置の小型化および低コスト化を共に図ることができる多気筒往復圧縮機を提供することを目的としている。

前記した目的を達成するため、請求項１記載の発明は、クランク機構が、クランク軸回りに１８０°の位相差で設けられる第１偏心部および第２偏心部からなるクランク軸偏心部を、クランク軸の軸方向に沿って少なくとも１個備えて構成されると共に、前記第１偏心部および第２偏心部にそれぞれ連結されて水平対向型に配置される第１ピストンおよび第２ピストンからなるピストン機構が前記クランク機構に複数個連結されて構成されている多気筒往復圧縮機において、
前記複数個のピストン機構は、隣接するピストン機構同士の干渉を少なくとも避けることができる交差角度を維持して交差するように前記クランク軸偏心部を介して組み付けられていることを特徴とする。

このため、請求項１記載の発明では、単位ピストン機構は、水平対向型に配置された２個のピストンから構成されているので、クランク軸の回転に伴って、２個のピストンは相互に逆方向に同一速度で運動するため、慣性力が略釣り合い、駆動時の振動が外部に作用しない。

また、複数個のピストン機構は、隣接するピストン機構同士の干渉を少なくとも避けることができる交差角度を維持して交差するようにクランク軸偏心部を介して組み付けられるので、ピストン機構同士をクランク軸の軸方向に沿って離間させる必要もなく、これによりクランク軸を必要最小限の長さを有して構成することができると共に、単位ピストン機構の水平対向型配置を維持したまま適正に組み付けることができる。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の多気筒往復圧縮機であって、前記クランク機構は、前記クランク軸偏心部を、少なくとも２個軸方向に連続して設けたクランク軸を備えて構成されており、前記複数個のピストン機構の各々は、前記交差角度を維持して前記クランク軸偏心部毎に組み付けられていることを特徴とする。

このため、請求項２記載の発明では、クランク機構は、クランク軸偏心部を少なくとも２個軸方向に連続して設けたクランク軸を備えて構成されており、クランク軸偏心部同士の間に間隔を広げる連結軸を設けていないので、クランク軸を必要最小限の長さを有して構成することができる。

また、複数個のピストン機構の各々は、クランク軸偏心部毎に、水平対向型配置構成を維持したまま適正に組み付けることができる。

また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の多気筒往復圧縮機であって、前記クランク機構は、前記クランク軸偏心部を、少なくとも１個設けたクランク軸を備えて構成されており、前記複数個のピストン機構の各々は、前記交差角度を維持すると共に、前記第１偏心部および第２偏心部を共用して同一の前記クランク軸偏心部に組み付けられていることを特徴とする。

このため、請求項３記載の発明では、複数個のピストン機構の各々を、第１偏心部および第２偏心部を共用して同一のクランク軸偏心部に組み付けるようにしたので、クランク軸偏心部を構成するクランクウエブの設置個数を削減することができる。

また、複数個のピストン機構の各々は、相互に干渉しない交差角度を維持して組み付けられるので、ピストン機構同士をクランク軸の軸方向に沿って離間させる必要もなく、これによりクランク軸を必要最小限の長さを有して構成することができると共に、単位ピストン機構の水平対向型配置を維持したまま適正に組み付けることができる。

また、請求項４記載の発明は、請求項１記載の多気筒往復圧縮機であって、前記クランク機構は、前記クランク軸偏心部を、前記第１偏心部および第２偏心部のいずれか一方を共通にして軸方向に少なくとも２個連続して設けたクランク軸を備えて構成されており、前記複数個のピストン機構の各々は、前記交差角度を維持して前記クランク軸偏心部毎に組み付けられていることを特徴とする。

このため、請求項４記載の発明では、クランク軸偏心部を、第１偏心部および第２偏心部のいずれか一方を共通にして少なくとも２個軸方向に連続して設けたので、共通にした偏心部間のクランクウエブを省略することができ、これによりクランク軸偏心部を構成するクランクウエブの設置個数を削減することができる。

また、複数個のピストン機構の各々は、相互に干渉しない交差角度を維持して、クランク軸偏心部毎に組み付けられるので、ピストン機構同士をクランク軸の軸方向に沿って離間させる必要もなく、これによりクランク軸を必要最小限の長さを有して構成することができると共に、単位ピストン機構の水平対向型配置を維持したまま適正に組み付けることができる。

請求項１記載の発明によれば、クランク軸を必要最小限の長さを有して構成することができること、および複数個のピストン機構の各々を水平対向型配置構成を維持したまま適正に組み付けることができることにより、低振動で、装置の小型化および低コスト化を共に図ることができる多気筒往復圧縮機を提供することができる。

また、請求項２記載の発明によれば、複数個のピストン機構の各々を、クランク軸偏心部毎に、水平対向型配置構成を維持したまま適正に組み付けることができるので、請求項１記載の発明と同様の効果を奏することができる。

また、請求項３記載の発明によれば、複数個のピストン機構の各々を、第１偏心部および第２偏心部を共用して同一のクランク軸偏心部に組み付けるようにしたので、クランク軸偏心部を構成するクランクウエブの設置個数を削減することができ、これにより請求項１記載の発明の効果に加えて、装置の小型化および低コスト化を一層図ることができる。

また、請求項４記載の発明によれば、クランク軸偏心部は、第１偏心部および第２偏心部のいずれか一方を共通にして少なくとも２個軸方向に連続して設けたので、クランク軸偏心部を構成するクランクウエブの設置個数を削減することができ、これにより請求項１記載の発明の効果に加えて、装置の小型化および低コスト化を一層図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、図５〜図７に開示したものと同一機能を奏する構成要素は、同一符号を付して説明する。

図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施形態としての４気筒往復圧縮機１を示す。この圧縮機１は、回転運動を往復運動に変換するクランク機構５と、このクランク機構５に複数個連結されるピストン機構１０、１０とから大略構成されている。

すなわち、クランク機構５は、クランク軸９回りに１８０°の位相差で設けられる第１偏心部６および第２偏心部７からなるクランク軸偏心部８を、クランク軸９の軸方向に沿って少なくとも１個備えて構成されている。また、ピストン機構前１０は、第１偏心部６および第２偏心部７にそれぞれ連結されて水平対向型に配置される第１ピストン１１および第２ピストン１２で構成されている。

このとき複数個のピストン機構１０、１０は、隣接するピストン機構同士の干渉を少なくとも避けることができる交差角度θを維持して交差するようにクランク軸偏心部８を介して組み付けられている。

本実施形態では、クランク機構５は、クランク軸９に沿って連続して設けた４個の偏心部６、７、６、７を備えて構成されており、かつ２個のピストン機構１０、１０は、隣接するピストン機構１０同士の干渉を少なくとも避けることができる交差角度θを維持して交差するように偏心部６、７、６、７に組み付けられている。なお、図１（ｂ）中、符号１５はクランク軸９を駆動する電動機、符号４５はクランク軸偏心部８を構成するクランクウエブである。

より詳しくは、クランク機構５は、相対的に１８０°の位相差で軸方向に連続して設けられる第１偏心部６および第２偏心部７からなるクランク軸偏心部８を、２個軸方向に連続して設けたクランク軸９を備えて構成されている。

また、２個のピストン機構１０、１０の各々は、構成要素としての第１ピストン１１および第２ピストン１２を、クランク軸偏心部８毎に第１偏心部６および第２偏心部７にそれぞれ連接棒１３、１４を介して結合することによって構成されると共に、隣接する他のピストン機構１０との間に交差角度θを維持して組み付けられている。このときの交差角度θは、単位ピストン機構１０の２個のピストン１１、１２の作動方向に沿う軸線Ａ、Ｂであって、隣接する２個のピストン機構１０、１０の各軸線Ａ、Ｂは、平面視（図１（ａ））で相互に交差するが、このときの交差部分の角度である。

このように構成された圧縮機１は、単位ピストン機構１０は、水平対向型に配置された２個のピストン１１、１２から構成されているので、クランク軸９の回転に伴って、２個のピストン１１、１２は相互に逆方向に同一速度で運動するため、慣性力が略釣り合い、駆動時の振動が外部に作用しない。

また、複数個のピストン機構１０、１０は、隣接するピストン機構同士の干渉を少なくとも避けることができる交差角度θを維持して交差するように各クランク軸偏心部８を介して組み付けられるので、クランク軸偏心部８、８をクランク軸９の軸方向に沿って離間させる（従来の連結軸６０参照）必要もなく近接させて設けることができ、これによりクランク軸９を必要最小限の長さを有して構成することができると共に、単位ピストン機構１０の水平対向型配置を維持したまま適正に組み付けることができる。

短いクランク軸９は、装置の小型化を招くばかりでなく、クランク軸９に掛かるモーメントも小さくなるため軸の小径化および軸受けの設置個数の削減も可能で、ひいてはコスト低減化をも図ることができる。

図２（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態としての４気筒往復圧縮機２を示す。この圧縮機２は、２個のピストン機構１０、１０が１個のクランク軸偏心部１８に組み付けられている点が異なるのみで、他の構成は前述した圧縮機１と同様に構成されている。

すなわち、圧縮機２におけるクランク機構５は、クランク軸偏心部１８を、少なくとも１個設けたクランク軸９を備えて構成されており、複数個のピストン機構１０、１０の各々は、交差角度θを維持すると共に、第１偏心部１６および第２偏心部１７を共用して同一のクランク軸偏心部１８に組み付けられている。

クランク軸偏心部１８は、相対的に１８０°の位相差で軸方向に連続して設けられる第１偏心部１６および第２偏心部１７から構成されている。このときの第１および第２偏心部１６および１７は、前述したクランク軸偏心部８の第１および第２偏心部６および７の略倍の長さを有して形成されている。

そして、２個のピストン機構１０、１０の内、一のピストン機構１０は、構成要素としての第１ピストン１１をクランク軸偏心部１８の第１偏心部１６の上側部分に連結させると共に、その第２ピストン１２を同一のクランク軸偏心部１８の第２偏心部１７の上側部分に連結させることによって軸線Ａに沿って組み付けられており、他のピストン機構１０は、構成要素としての第１ピストン１１を前記した同一のクランク軸偏心部１８の第１偏心部１６の下側部分に連結させると共に、その第２ピストン１２を前記した同一のクランク軸偏心部１８の第２偏心部１７の下側部分に連結させることによって軸線Ｂに沿って組み付けられ、かつ一のピストン機構１０に対して相互に干渉を避けることのできる交差角θを少なくとも維持して交差するように組み付けられている。

このように構成された圧縮機２は、複数個のピストン機構１０、１０を、第１偏心部１６および第２偏心部１７を共用して同一のクランク軸偏心部１８に組み付けるようにしたので、クランク軸偏心部１８を構成するクランクウエブ４５の設置個数を削減することができる。例えば、圧縮機１と圧縮機２は、同数のピストン機構１０を設置しているにも拘わらず、クランクウエブ４５の設置個数は、圧縮機１が５個（図１（ｂ））であるのに対して、圧縮機２が３個（図２（ｂ））であり、圧縮機２は、圧縮機１に比べてクランク機構５の簡略化を図ることができる。

その上、圧縮機２は、圧縮機１と同様にクランク軸９を必要最小限の長さを有して構成することができると共に、２個のピストン機構１０、１０が水平対向型配置構成を維持したまま適正に組み付けることができ、これにより駆動時の低振動を確保することができると共に、装置の小型化および低コスト化をも図ることができる。

図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３実施形態としての４気筒往復圧縮機３を示す。この圧縮機３は、２個のピストン機構１０、１０の各第２ピストン１２、１２を共通の第２偏心部７に連結した点が異なるだけで、他の構成は前述した圧縮機１と同様に構成されている。

すなわち、圧縮機３におけるクランク機構５は、クランク軸偏心部２４を、第１偏心部２１および第２偏心部２２のいずれか一方を共通にして軸方向に少なくとも２個連続して設けたクランク軸９を備えて構成されており、複数個のピストン機構１０、１０の各々は、交差角度θを維持してクランク軸偏心部２４毎に組み付けられている。

本実施形態では、クランク軸９は、軸回りに１８０°の位相差を有して軸方向に連続して順次設けられる第１偏心部２１、第２偏心部２２、および第１偏心部２１を備えて構成されており、クランク軸偏心部２４は、第２偏心部２２を共通にして、軸方向に２個連続して設けられている。単位クランク軸偏心部２４は、第１偏心部２１と、第２偏心部２２とで構成されている。このとき第２偏心部２２は、第１偏心部２１の略倍の長さを有して形成されている。

そして２個のピストン機構１０、１０は、その内の一のピストン機構１０を構成する第１ピストン１１が上側の第１偏心部２１に、第２ピストン１２が第２偏心部２２の上側部分にそれぞれ連接棒１３および１４を介して軸線Ａに沿って結合されると共に、他のピストン機構１０を構成する第１ピストン１１が下側の第１偏心部２１に、第２ピストン１２が第２偏心部２２の下側部分にそれぞれ連接棒１３および１４を介して軸線Ｂに沿って結合され、かつ一のピストン機構１０と他のピストン機構１０とが交差角度θを維持して交差するように組み付けられている。

このように構成された圧縮機３は、クランク軸偏心部２４を、第２偏心部２２を共通にして軸方向に２個連続して設けたので、共通にした偏心部（第２偏心部２２）間のクランクウエブ４５を省略することができ、これによりクランク軸偏心部２４を構成するクランクウエブ４５の設置個数を削減することができる。因みに、圧縮機１では、クランクウエブ４５を５個要するが、圧縮機３では、クランクウエブ４５が４個で足りるので、クランク機構５の簡略化を図ることができる。

その上、圧縮機３は、圧縮機１と同様にクランク軸９を必要最小限の長さを有して構成することができると共に、２個のピストン機構１０、１０が水平対向型配置構成を維持したまま適正に組み付けることができ、これにより駆動時の低振動を確保することができると共に、装置の小型化および低コスト化をも図ることができる。

図４は、第１実施形態をさらに具体化した４気筒往復圧縮機４を示す。この圧縮機４におけるクランク機構５は、クランク室２５、クランク軸９、連接棒１３，１４、クランク軸９の主軸受２６，２７、第１偏心部６および第２偏心部７の偏心部軸受２８および２９、クロスヘッド３０，３１、および電動機１５を有して大略構成されており、ピストン機構１０を構成する第１および第２ピストン１１および１２は、シリンダ３２、ピストン３３、吸込弁および吐出し弁を備えた弁機構３４を有して大略構成されている。なお、図４中、符号１９は、クランク軸９に設けたキー溝である。

この圧縮機４も又、圧縮機１と同様の作用効果を奏することができることは云うまでもない。

また、本発明は、以上述べた４気筒の実施形態に限定されるものでなく、次のような実施形態も含むものである。

すなわち、各実施形態におけるクランク軸偏心部８、１８、および２４をそれぞれクランク軸９に沿って増設することにより、各実施形態に則った６気筒、８気筒等の多気筒往復圧縮機を容易に設計することができ、本発明はこれら多気筒往復圧縮機をも含むものである。

本発明の第１実施形態としての４気筒往復圧縮機で、（ａ）はその模式的平面図、（ｂ）はその模式的側面図である。 本発明の第２実施形態としての４気筒往復圧縮機で、（ａ）はその模式的平面図、（ｂ）はその模式的側面図である。 本発明の第３実施形態としての４気筒往復圧縮機で、（ａ）はその模式的平面図、（ｂ）はその模式的側面図である。 本発明の第１実施形態をさらに具体化した４気筒往復圧縮機で、（ａ）はその平面視断面図、（ｂ）はその側面視断面図である。 従来の２気筒往復圧縮機で、（ａ）はその模式的平面図、（ｂ）はその模式的側面図である。 従来の仮想４気筒往復圧縮機で、（ａ）はその模式的平面図、（ｂ）はその模式的側面図である。 従来の４気筒往復圧縮機で、（ａ）はその模式的平面図、（ｂ）はその模式的側面図である。

符号の説明

１、２、３、４ ４気筒往復圧縮機
５ クランク機構
６、１６、２１ 第１偏心部
７、１７、２２ 第２偏心部
８、１８、２４ クランク軸偏心部
９ クランク軸
１０ ピストン機構
１１ 第１ピストン（ピストン）
１２ 第２ピストン（ピストン）
θ 交差角度

Claims (4)

1. クランク機構が、クランク軸回りに１８０°の位相差で設けられる第１偏心部および第２偏心部からなるクランク軸偏心部を、クランク軸の軸方向に沿って少なくとも１個備えて構成されると共に、前記第１偏心部および第２偏心部にそれぞれ連結されて水平対向型に配置される第１ピストンおよび第２ピストンからなるピストン機構が前記クランク機構に複数個連結されて構成されている多気筒往復圧縮機において、
   前記複数個のピストン機構は、隣接するピストン機構同士の干渉を少なくとも避けることができる交差角度を維持して交差するように前記クランク軸偏心部を介して組み付けられていることを特徴とする多気筒往復圧縮機。
2. 請求項１記載の多気筒往復圧縮機であって、
   前記クランク機構は、前記クランク軸偏心部を、少なくとも２個軸方向に連続して設けたクランク軸を備えて構成されており、
   前記複数個のピストン機構の各々は、前記交差角度を維持して前記クランク軸偏心部毎に組み付けられていることを特徴とする多気筒往復圧縮機。
3. 請求項１記載の多気筒往復圧縮機であって、
   前記クランク機構は、前記クランク軸偏心部を、少なくとも１個設けたクランク軸を備えて構成されており、
   前記複数個のピストン機構の各々は、前記交差角度を維持すると共に、前記第１偏心部および第２偏心部を共用して同一の前記クランク軸偏心部に組み付けられていることを特徴とする多気筒往復圧縮機。
4. 請求項１記載の多気筒往復圧縮機であって、
   前記クランク機構は、前記クランク軸偏心部を、前記第１偏心部および第２偏心部のいずれか一方を共通にして軸方向に少なくとも２個連続して設けたクランク軸を備えて構成されており、
   前記複数個のピストン機構の各々は、前記交差角度を維持して前記クランク軸偏心部毎に組み付けられていることを特徴とする多気筒往復圧縮機。

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