JP2006084025A - 往復動型軸方向変位装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ポンプデバイスの運動の方向を中心として回転する部品を必要とせずにポンプ内でポンピング動作を創出することができる軸方向変位機構を提供する。
【解決手段】 往復動型軸方向変位装置が開示されており、これは概して、ハウジングと、回転デバイスと、ハウジング内に配置された第１および第２の起伏面を有する変位デバイスと、回転デバイスに連接されると共に第１および第２の起伏カム間に配置されたカムと、を具備してなる。このカムは起伏形状を有するか、あるいは第１および第２の起伏面を有し、カムが回転デバイスによって回転する際に、カムは変位デバイスの第１および第２の起伏面に沿ってスライドし、変位デバイスを回転デバイスの縦軸線に沿って後方および前方に移動させる。ある実施形態では、変位デバイスは、コンプレッサー内の、ポンプデバイスであるか、あるいはポンプデバイス用のアクチュエータである。
【選択図】 図１

Description

本発明は往復運動を創出するための装置に関する。さらに詳しく言うと本発明は、ポンプのシャフトのような回転デバイスの縦軸線に沿った往復変位を発生させる機構に関する。

ポンプのシャフトのような回転デバイスの縦軸線に沿って往復変位を発生させるための装置は従来概して公知である。これら装置は通常、回転デバイスの回転運動を使用し、この回転装置はたとえば所望の往復運動を得るためにコンプレッサー内に駆動シャフトを具備してもよく、この往復運動はたとえば流体を圧縮するためのピストンのようなポンピングデバイスを駆動するのに必要な運動であってもよい。

特にポンプにおいて、回転運動を直線運動に変換する一般的手法は、シャフトの縦軸に沿った往復運度を得るために回転および非回転部品の両方の組み合わせを利用するシャフトに連接された、斜板カムまたは揺らぎ板、または類似の機構を使用することである。この斜板カムは通常、ピストンのような一つ以上のポンピングデバイスに連接され、この板カムが旋回する際、ピストンはシリンダーブロックのピストンチャネル内で往復動し、圧縮される流体を交互にシリンダーブロックのチャネル内に吸い上げ、そして続いて流体を圧縮し排出する。

これらポンプは斜板カムを旋回させるために駆動シャフトの回転力を利用するさまざまな異なる装置、たとえば、Koelzerの米国特許第6,439,857号に開示されかつ本出願人に対して譲渡された斜板カムの下方に傾斜面を備えた作動アセンブリ、Kimuraの米国特許第5,626,463号に開示される回転および非回転プレートからなるアセンブリ、およびTakagiの米国特許第5,394,698号に開示される回転可能なシリンダーブロックなどを用いることによって作動する。このようにして、シャフトの回転力はシャフトの回転軸線に沿ったピストンの直線運動に変換され、ピストンが吸引および圧縮の機能を交互に行うことを可能にし、したがって流体はまずピストンチャネル内に吸い上げられ、続いて圧縮され、そしてピストンチャネルから排出される。

だが、こうした型のポンプには、側面荷重を生じるという一つの欠点がある。すなわち、ピストンはプレートの旋回すなわち揺らぎ動作の結果として、ピストンチャネル内でわずかに傾こうとする。側面荷重が存在する場合、ピストンはピストンチャネルのある部位に大きな応力を加え、これによって甚大な減耗が生じる。その上、場合によっては、過度の側面荷重がピストンとピストンチャネルとの間の適切なシールを消失させる可能性があり、これは圧縮室の完全性を低下させる。

あるポンプ設計では、この好ましくない作用が、斜板カムすなわち揺らぎ板の代わりに波形カム、たとえばHattoriその他の米国特許第4,756,239号に開示されたもの、Murakamiその他の米国特許第5,655,953号に開示されたもの、およびDrewの米国特許第6,481,393号に開示されたものを使用することによってある程度軽減された。上記斜板カムすなわち揺らぎ板を利用したポンプとは異なり、この回転カムは旋回する必要がない。代わりに、その波形状は、それが回転するとき、連続する昇降面を形成し、これによってカムが回転するとき、それに連接されたピストンを昇降させる。

だが、上記装置の一つの問題は次のようなものである。このようにしてカムがピストンを駆動するために、カムはピストンに対して連接されていなければならず、それは、カムとピストンステムとの間の相対的移動を可能とする何らかの機構によって連接されなければならない。たとえば、上記米国特許第4,756,239号および第6,481,393号においてはベアリングが採用されている。上記米国特許第5,655,953号では、ピストンはカムに対して半球形のシューを介して連接されている。

こうした構造は多くの欠点を持つ。まず、ピストンとカムとの間の上記相対的運動は依然としてある程度の側面荷重を生じ、したがって耐久性および圧縮がやはり低下する可能性がある。しかも、それらは多数の複雑な部品を必要とするが、これは通常高価であり製造するのが難しい。

ゆえに、ポンピングデバイスの側面荷重の大きさを最小限に抑えることができる軸方向変位機構が求められている。さらに、製造コストが低廉な、ポンプ内でポンピング運動を創出するための軸方向変位機構が求められている。さらにまた、組立てが容易な、ポンプ内でポンピング運動を創出するための軸方向変位機構が求められている。
米国特許第6,439,857号明細書 米国特許第5,626,463号明細書 米国特許第5,394,698号明細書 米国特許第4,756,239号明細書 米国特許第5,655,953号明細書 米国特許第6,481,393号明細書

したがって本発明の目的は、ポンプデバイスの運動の方向を中心として回転する部品を必要とせずにポンプ内でポンピング動作を創出することができる軸方向変位機構を提供することである。

本発明のさらなる目的は、多数の部品を必要とせずにポンプ内でポンピング動作を創出することができる軸方向変位機構を提供することである。

本発明のさらに別な目的は、複雑でないポンプ内でポンピング動作を創出することができる軸方向変位機構を提供することである。

従来技術の欠点を解消すると共に列記した上記目的および長所の少なくともいくつかを実現するために、本発明は、ハウジングと、ハウジング内に配置された回転デバイスであって回転軸線を有する回転デバイスと、回転デバイスに連接された起伏カムと、ハウジング内に配置された変位デバイスであって第１および第２の起伏面を有する変位デバイスとを具備してなる軸方向変位機構であって、回転デバイスが変位デバイスに対して回転する際に、回転デバイスの回転軸線に沿って後方および前方に変位デバイスを変位させるために変位デバイスの第１および第２の起伏面に沿って起伏カムがスライドするように、起伏カムは、変位デバイスの第１および第２の起伏面の間に少なくとも部分的に配置されてなる軸方向変位機構からなる。

他の実施形態では、本発明は、ハウジングと、ハウジング内に配置された回転デバイスであって回転軸線を有する回転デバイスと、回転デバイスに連接されたカムであって第１および第２の起伏面を有するカムとを具備してなる軸方向変位機構であって、回転デバイスが変位デバイスに対して回転する際に、回転デバイスの回転軸線に沿って後方および前方に変位デバイスを変位させるために、カムの第１の面が変位デバイスの第１の面に沿ってスライドすると共にカムの第２の面が変位デバイスの第２の面に沿ってスライドするように、カムが変位デバイスの第１および第２の起伏面の間に少なくとも部分的に配置されてなる軸方向変位機構からなる。

さらに他の実施形態では、本発明は、少なくとも一つのピストンチャネルを有するポンプハウジングと、ポンプハウジング内に配置されたシャフトであって回転軸線を有するシャフトと、シャフトに連接された起伏カムと、ポンプハウジング内に配置されたアクチュエータであって第１および第２の起伏面を有するアクチュエータと、アクチュエータに連接されると共に少なくとも一つのピストンチャネル内にスライド可能に配置された少なくとも一つのピストンとを具備してなる軸方向変位機構であって、シャフトがアクチュエータに対して回転する際に、少なくとも一つのピストンを少なくとも一つのピストンチャネル内で後方および前方に変位させるために、アクチュエータの第１および第２の起伏面に沿って起伏カムがスライドするように、起伏カムはアクチュエータの第１および第２の起伏面の間に少なくとも部分的に配置されてなる軸方向変位機構からなる。

本発明による往復動型軸方向変位機構１０の一実施形態の基本構成を図１に示す。本明細書で使用しているように、「上部」、「底部」、「〜の上」、「〜の下」、「〜上に」、「〜の下に」、「上方に」、「下方に」、「上」、「下」、「上側」、「下側」、「前部」、「後部」、「前方」および「後方」といった用語は、図で示す向きにあるときに言及する物体に関係し、この向きは本発明の目的を達成するのに必要なものではない。

機構１０は、ハウジング２０、およびこのハウジング２０内に配置された回転デバイス２２を具備する。変位デバイス３０がハウジング２０内に配置されており、しかも起伏面３２,３４を有する。カム５０は回転デバイス２２に連接されており、しかも変位デバイス３０の起伏面３２,３４に対応する起伏形状を有する。

ある実施形態では、変位デバイス３０は、外側部分３６およびこの外側部分３６内に配置されたカム係合部分４２,４４を具備する。したがって内側カム係合部分４２,４４はカム５０に係合するための起伏面３２,３４を有する。だが他の実施形態では、たとえば起伏面を備えた部分的に中空芯を有する単一の一体形成された部片のような、別な構造とすることも可能である。

変位デバイス３０は、回転デバイス２２の縦軸線２４に沿ってハウジング２０内でスライド式に変位可能である。ある実施形態では、これはハウジング２０のスロット４８内に配置されたピン４６によって実現される。このピン４６は変位デバイス３０の外側部分３６に連接されており、しかもたとえば外側部分３６に対して、その空隙内に部分的に配置されるかあるいはそれと一体的に形成された状態で固定的に取り付けることができる。だが他の実施形態では別な構造を採用できる。ある実施形態では、外側部分３６がその中をスライドする際に、外側部分３６とハウジング２０との間の摩擦を低減するために摩擦低減デバイス、たとえばハウジング２０から変位デバイス３０をオフセットさせるためのリニアベアリングまたはコンプレッションリングが利用される。

ある実施形態ではカム５０は回転デバイス２２に対して、カム５０をそれに対して固定的に取り付けるためのピンまたは他の機構によって連接される。他の実施形態ではカム５０は回転デバイス２２に一体的に形成される。カム５０のいくつかの実施形態を図２Ａおよび図２Ｂに示す。図２Ａに示すようにある有利な実施形態では、カム５０全体は起伏形状を有する。だが図２Ｂに示すように他の実施形態では、カム５０は単に、変位デバイス３０の起伏面３２,３４に係合するための二つの起伏面５２,５４を有する。

ある有利な実施形態では、カム５０は波形ディスクであるが、上記した単に面５２,５４を有する実施形態では、この面５２,５４は波形である。ある実施形態では、この波形は正弦状のものである。

本往復動型軸方向変位機構は図３Ａおよび図３Ｂに示すように働く。回転デバイス２２が回転するときカム５０はそれと共に回転する。だが、変位デバイス３０(これはピン４６または他の手法によって固定されてもよい)は回転しない。したがって、カム５０の起伏面は変位デバイス３０の起伏面３２,３４に沿ってスライドし、変位デバイスを回転デバイス２２の回転軸線２４に沿って後方および前方に移動させる。

数多くの往復動ストロークが望まれる実施形態では、カム５０(あるいは面５２,５４)は数多くの葉部５６を有するが、これは、付加的な葉部が１回転あたりの往復動ストロークを増加させるからである。ある有利な実施形態では、カム５０(あるいは面５２,５４)は少なくとも三つの葉部を有し、これによって少なくとも三つの接触ポイントを、したがってより高い安定性を提供する。

図４〜図６に示すように、ある実施形態では、ハウジング２０はコンプレッサーのハウジングのようなポンプハウジングであり、そして回転デバイス２２はこのコンプレッサー内に配置された駆動シャフトである。これら実施形態のあるものでは、変位デバイス３０は、流体を圧縮するためのピストン６０のようなポンプデバイスである。他の実施形態では、変位デバイス３０は、それに連接された少なくとも一つのピストン６４用のアクチュエータ６２である。

図４に示すように、ポンプデバイス３０の動作は往復動的なものなので、ある実施形態では、ポンプハウジング２０はポンプデバイス６０の両側に配置された圧縮室６６,６８を有する。このポンプデバイ６０はそれぞれ圧縮室６６,６８内で流体を圧縮するための第１および第２の面７０,７２を有する。これによって複動式コンプレッサーが形成される。図５に示すように、上記実施形態のあるものでは、圧縮室６６は圧縮室６８と流体連通状態にあり、しかも第２の圧縮室６８は第１の圧縮室６６よりも小さい。これによって二段式コンプレッサーが形成される。

ポンプデバイス３０をここではピストンとして説明したが、それはここで説明した軸方向運動を必要とするいかなるポンプデバイス、たとえばダイヤフラム、ベローズ、あるいは他の往復動型デバイスを具備してもよい、ということに留意されたい。

ある有利な実施形態では、機構１０は、協働する変位デバイス３０およびカム５０の起伏面へ流体を供給するための流路を具備する。たとえば、回転デバイス２２は、この回転デバイス２２内部の流路８２と流体連通状態にある導入ポートを具備してもよく。この流路８２は今度は排出ポート８４と流体連通状態となっている。流体(これは潤滑剤または冷却空気のいずれであってもよい)は導入ポート８０に入り、路８２を経て流れ、排出ポート８４を経て排出され、そして起伏面と接する。このようにして、カム５０が面３２,３４に沿ってスライドする際に摩擦が著しく低減され、これによって機構１０の耐用期間を延ばすことができる。

上記事項は実例であって限定するものではなく、しかも本発明の精神から逸脱することなく当業者は明白な変更をなし得ることを理解されたい。したがって本発明の範囲を特定するためには、上記記述よりもむしろ主として特許請求の範囲を参照すべきである。

本発明による往復動型軸方向変位機構の等角斜視図である。 図１の往復動型軸方向変位機構の回転デバイスおよびカムの等角斜視図である。 図１の往復動型軸方向変位機構の回転デバイスおよびカムの等角斜視図である。 図１の往復動型軸方向変位機構を一部断面状態で示す側面図である。 異なるポジションでの図３Ａの往復動型軸方向変位機構を一部断面状態で示す側面図である。 複動式コンプレッサーの一部として図１の往復動型軸方向変位機構を一部断面状態で示す側面図である。 二段式コンプレッサーの一部として図１の往復動型軸方向変位機構を一部断面状態で示す側面図である。 図１の往復動型軸方向変位機構を採用したコンプレッサーを一部断面状態で示す側面図である。

符号の説明

１０ 往復動型軸方向変位機構
２０ ハウジング
２２ 回転デバイス
２４ 縦軸線
３０ 変位デバイス
３２,３４ 起伏面
３６ 外側部分
４０ 変位デバイス
４２,４４ カム係合部分
４６ ピン
４８ スロット
５０ カム
５２,５４ 起伏面
５６ 葉部
６０ ピストン
６２ アクチュエータ
６４ ピストン
６６,６８ 圧縮室
７０ 第１の面
７２ 第２の面
８２ 流路
８４ 排出ポート

Claims (26)

1. ハウジングと、
   前記ハウジング内に配置された回転デバイスであって、回転軸線を有する回転デバイスと、
   前記回転デバイスに連接された起伏カムと、
   前記ハウジング内に配置された変位デバイスであって、第１および第２の起伏面を有する変位デバイスと、
   を具備してなる往復動型軸方向変位装置であって、
   前記回転デバイスが前記変位デバイスに対して回転する際に、前記回転デバイスの前記回転軸線に沿って後方および前方に前記変位デバイスを変位させるために前記変位デバイスの前記第１および第２の起伏面に沿って前記起伏カムがスライドするように、前記起伏カムは、前記変位デバイスの前記第１および第２の起伏面の間に少なくとも部分的に配置されてなることを特徴とする往復動型軸方向変位装置。
2. 前記カムは前記回転デバイスと一体的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の往復動型軸方向変位装置。
3. 前記カムは波形ディスクを具備してなることを特徴とする請求項１に記載の往復動型軸方向変位装置。
4. 前記波形は正弦状のものであることを特徴とする請求項３に記載の往復動型軸方向変位装置。
5. 前記波形ディスクは少なくとも三つの葉部を有することを特徴とする請求項３に記載の往復動型軸方向変位装置。
6. 前記回転デバイスはドライブシャフトからなることを特徴とする請求項１に記載の往復動型軸方向変位装置。
7. 前記ハウジングはポンプハウジングからなることを特徴とする請求項１に記載の往復動型軸方向変位装置。
8. 前記変位デバイスはポンプデバイスを具備してなることを特徴とする請求項７に記載の往復動型軸方向変位装置。
9. 前記ポンプデバイスは流体を圧縮するためのピストンを具備してなることを特徴とする請求項８に記載の往復動型軸方向変位装置。
10. 前記ポンプデバイスは、その両端に流体を圧縮するための第１および第２の面を有することを特徴とする請求項８に記載の往復動型軸方向変位装置。
11. 前記ハウジングは、前記ポンプデバイスの前記第１および第２の面に隣接する第１および第２の圧縮室を有することを特徴とする請求項１０に記載の往復動型軸方向変位装置。
12. 前記第２の圧縮室は前記第１の圧縮室よりも小さなものであり、かつ
    前記第２の圧縮室は前記第１の圧縮室と流体連通状態であることを特徴とする請求項１１に記載の往復動型軸方向変位装置。
13. さらに少なくとも一つのポンプデバイスを具備してなり、前記変位デバイスは、前記少なくとも一つのポンプデバイスを作動させるためのアクチュエータを具備してなることを特徴とする請求項７に記載の往復動型軸方向変位装置。
14. 前記少なくとも一つのポンプデバイスは流体を圧縮するためのピストンを具備してなることを特徴とする請求項７に記載の往復動型軸方向変位装置。
15. 前記少なくとも一つのポンプデバイスは、前記アクチュエータの一端における第１のポンプデバイスと、前記アクチュエータの逆側端部における第２のポンプデバイスとを具備してなることを特徴とする請求項７に記載の往復動型軸方向変位装置。
16. 前記ハウジングは、前記第１および第２のポンプデバイスのそれぞれに隣接する第１および第２の圧縮室を有することを特徴とする請求項７に記載の往復動型軸方向変位装置。
17. 前記第２の圧縮室は前記第１の圧縮室よりも小さなものであり、かつ
    前記第２の圧縮室は前記第１の圧縮室と流体連通状態であることを特徴とする請求項１６に記載の往復動型軸方向変位装置。
18. 前記変位デバイスは、
    前記ハウジングに取り付けられた外側部分であって、前記ハウジング内でスライド可能である外側部分と、
    前記外側部分内に配置された第１および第２のカム係合部と、を具備し、
    前記第１のカム係合部は前記変位デバイスの前記第１の起伏面を有すると共に、前記第２のカム係合部は前記変位デバイスの前記第２の起伏面を有することを特徴とする請求項１６に記載の往復動型軸方向変位装置。
19. 前記ハウジングは複数のスロットを具備してなると共に、
    前記変位デバイスの前記外側部分は前記複数のスロット内に配置された複数のピンを具備してなることを特徴とする請求項１８に記載の往復動型軸方向変位装置。
20. 前記回転デバイスは、
    流体を受け入れる導入ポートと、
    前記導入ポートを経て受け入れられた流体を移送するためのチャネルと、
    前記変位デバイスの前記第１および第２の起伏面と流体連通状態にある排出ポートと、を具備してなることを特徴とする請求項１６に記載の往復動型軸方向変位装置。
21. ハウジングと、
    前記ハウジング内に配置された回転デバイスであって、回転軸線を有する回転デバイスと、
    前記回転デバイスに連接されたカムであって、第１および第２の起伏面を有するカムと、
    を具備してなる往復動型軸方向変位装置であって、
    前記回転デバイスが前記変位デバイスに対して回転する際に、前記回転デバイスの前記回転軸線に沿って後方および前方に前記変位デバイスを変位させるために、前記カムの前記第１の面が前記変位デバイスの前記第１の面に沿ってスライドすると共に前記カムの前記第２の面が前記変位デバイスの前記第２の面に沿ってスライドするように、前記カムは、前記変位デバイスの前記第１および第２の起伏面の間に少なくとも部分的に配置されてなることを特徴とする往復動型軸方向変位装置。
22. 前記カムの前記第１および第２の起伏面は波形であることを特徴とする請求項２１に記載の往復動型軸方向変位装置。
23. 前記波形は正弦状のものであることを特徴とする請求項２２に記載の往復動型軸方向変位装置。
24. 少なくとも一つのピストンチャネルを有するポンプハウジングと、
    前記ポンプハウジング内に配置されたシャフトであって、回転軸線を有するシャフトと、
    前記シャフトに連接された起伏カムと、
    前記ポンプハウジング内に配置されたアクチュエータであって、第１および第２の起伏面を有するアクチュエータと、
    前記アクチュエータに接続されると共に前記少なくとも一つのピストンチャネル内にスライド可能に配置された少なくとも一つのピストンと、
    を具備してなる往復動型軸方向変位装置であって、
    前記シャフトが前記アクチュエータに対して回転する際に、前記少なくとも一つのピストンを前記少なくとも一つのピストンチャネル内で後方および前方に変位させるため、前記アクチュエータの前記第１および第２の起伏面に沿って前記起伏カムがスライドするように、前記起伏カムは、前記アクチュエータの前記第１および第２の起伏面の間に少なくとも部分的に配置されてなることを特徴とする往復動型軸方向変位装置。
25. 前記カムは波形ディスクを具備してなることを特徴とする請求項２４に記載の往復動型軸方向変位装置。
26. 前記波形は正弦状のものであることを特徴とする請求項２５に記載の往復動型軸方向変位装置。
    

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