JP2006138316A - ピストンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】製造および保守の点で好ましく、比較的重量が軽く、かつ小型の空気／ガスコンプレッサを提供する。
【解決手段】単数または複数の空気／ガス圧縮用シリンダ／ピストンユニットと、シリンダ４内のピストン５運動のためにピストンに連結されるクランク機構１２を含み、前記クランク機構は電気モータのロータに連結される。連結部１４１８は回転に対しては剛性であり、組み立て時や運動時には角度差や軸方向に対して柔軟性を持っている。従って平衡錘１０、１１の接合も簡単になる。
【選択図】図３

Description

本発明は１または複数の空気／ガス圧縮シリンダピストンユニットと、シリンダ内で内部のピストンを作動させるためにピストンに連結され、電気モータ内のロータに駆動的に連結されたクランク機構と、を含むピストンエンジンに関する。

発明の背景

現在既知であるガスおよび特に空気の圧縮ユニットは比較的重いものである。クランク機構を有するピストンエンジンはピストンの動きの方向に重量を平衡にするとともに、不均等な走行、つまりフライホイールを平衡にする手段が必要である。

フライホイールは多くの場合、ホイールリムの径が大きく、重量も大きいタイプのホイールである。このようなホイールは力のモーメントにより影響を受けた場合に速度を変化するのに長い時間を必要とする。フライホイールはピストンエンジンの走行を滑らかなものにするために、石油およびディーゼルエンジンだけでなく、コンプレッサ内部でも用いられている。コンプレッサはガス（たとえば空気）を低い圧力レベルから高い圧力レベルへ移動させるための装置である。

ピストンコンプレッサは１または複数のシリンダで構成され、単動式または複動式であってもよい。コンプレッサは、装置を操作させるために圧縮空気を送るため、またはブレーキシステムとして、自動制御を行なうためのサーボモータとして、内部燃焼エンジンとして、その他の多くの目的のために用いられている。適用範囲の他の領域には、化学的な工程のための圧力または真空の生成、ならびに燃焼エンジン、ガスタービン工場、圧気輸送、冷却器、ヒートポンプ工場、その他での過給があげられる。

シリンダ温度をコンプレッサ内部で適切なレベルに低く保つためには、効率をあげるためにリブを併用しての水冷または空冷がなされることが多い。

通常のコンプレッサ作動には、ピストンコンプレッサのクランクシャフトにベルトトランスミッションがついた電気モータが用いられる。

クランクシャフトに電気モータを直接位置合わせして取り付けることもまた可能である。電気モータのロータは直接クランクシャフトに連結されて１つのユニットとして設計されてもよく、あるいは、柔軟であるシャフト連結が適切になされて、これによりシャフトラインでの不正確さをなくすことができる。

現在既知のフライホイールを有するコンプレッサは、このフライホイールのために例外的に重い場合が多い。

本発明の目的は、比較的重量が軽く、かつ小型の空気／ガスコンプレッサを提供することである。

本発明の他の目的は、製造および保守の点で好ましいコンプレッサを提供することである。

したがって本発明においては、請求項１に示されるようにピストンエンジンが提案される。

動径方向および軸方向かつ電気モータのロータとクランク機構との間の角度に可撓性である、対ねじり剛性を有する連結部を用いることにより、さらに別途のフライホイールの数を実質的に減少または完全になくすることによりかかる重量を保ったままで、フライホイール要素としてロータを使用することが可能となる。高い対ねじり剛性によりまた、電気モータ内のロータの回転モーメントを利用することが可能となり、これにより別途に取り付けられたフライホイールの大きさを抑えたり、または別途のフライホイールを不要にしたりすることも可能となる。

連結部の動径方向、軸方向および角度的な可撓性により、コンプレッサと駆動モータとの間のシャフトラインの小さい誤差および角度差の平衡をはかることができる。このことは、たとえば電気モータの実際のコンプレッサへのフランジ成形などの取り付け工程を容易にする。軸方向の可撓性によりまた、温度差を吸収することが可能となる。

本発明によると、角度方向、軸方向、動径方向に可撓性の、対ねじり剛性を有する連結部は、有利なことに請求項２ないし５に示されるように設計されてもよい。

説明されるように、スリーブ壁部の形状により所望の動径方向の可撓性をもたらして、シャフトライン上の不正確性をなくすことができる。

スリーブとして、一端部を締付環に連結するとともにもう一方の端部を締め付け可能なシャフト軸首に連結する設計により、より早くより容易な駆動系統または駆動列内の組立／取外しが可能となる。シャフト軸首はまたクランク機構に向かって連結部の本体から円錐状にテーパー勾配をつけ、クランク機構に入るシャフト軸首の相補的に成形された開口部に取り付けられることが好ましい。これにより、連結部のクランク機構に対する心合わせを容易にする。さらに連結部のクランク機構に対するシャフト軸首は、中央部が開口し、クランク機構の入ってくるシャフトに連結部を輪留めするねじ接合部を固定すると同時に、ねじ接合部により、円錐形のシャフト軸首の相補的に成形された開口部内への引き込みを容易にし、心出しを容易にすることが好ましい。取外しを容易にするために中央開口部はさらに、連結部を支持するボルトより径／寸法の大きい内部ねじを有してもよい。取り外し中に留めボルトをゆるめ、クランク機構内の構成要素に沿って新しい径の大きいボルトを締めて、円錐形の接続部を噛合部から押出す。

このように、軸方向に連結された要素としての連結部はまた、請求項６に示されるように駆動列の部分を形成し、請求項８に示されるように（有する場合には）ファンホイールとともに電気モータのロータおよびクランク機構を備える。

特に保守が容易なタイプは請求項７に示されるように平衡錘を含む。

請求項９の同期手段は、好ましくはファンホイール用のシャフト軸首を有するように設計された、平衡錘の組立を容易にする。この平衡錘は、クランク機構内のクランクピン上の締め連結部があるため、取り外しが容易である。簡単かつ好ましい実施形態においては、同期手段は２つの平衡錘内で中空であってもよく、その孔は外部平衡錘を固定する際には調節ピンまたは中央ボルトで配置される。

図面においては、平衡錘／フライホイール１０および１１は平衡錘と呼ばれる場合と、平衡錘／フライホイールと呼ばれる場合があるが、これらの要素が平衡装置として機能すると同時に必要な場合にはフライホイールとして機能する平衡錘であるからである。以下の説明において、その名称は機能を説明するために重要なものではない。

図１は本発明に係るコンプレッサが取り付けられた状態を示す。これは図１が、実際のコンプレッサユニットが取り付けられ、このコンプレッサユニットに電気モータ２がフランジされたハウジング１を示すのみだからである

本発明に係るコンプレッサは、図２の簡略化された縦方向部分で図示されるように全体が設計されてもよい。

図２に示されるコンプレッサは単一シリンダであり、シリンダ４およびピストン５はその内部を前後に動くことができる。頂部ではシリンダ４には頭部６が設けられ、必要なバルブ（図示せず）が取り付けられている。クランクケース７には、ベアリング手段８、９により、２つのフライホイール／平衡錘１０および１１を含むクランク機構が取り付けられている。平衡錘１０と１１との間には、クランクピン１２が取り付けられ、ピストン５に取り付けられたピストンロッド１３に対して作動する。

ハウジング１にフランジされた電気モータ２（図２には図示せず）はロータ１４を有する。ロータ１４は、ベアリング１５、１６およびロータ１４、またはより具体的にはそのシャフト１７に取り付けられて、クランク機構１０、１１、１２に対ねじり剛性を有する連結部１８の手段により駆動するように連結される。既に述べられているように、この連結部１８は対ねじり剛性を有するが柔軟性があり、このためクランクシャフト／クランクケースに対して電気モータの全ての方向（動径方向、軸方向、角度方向）での不正確性をなくすことができる。これにより電気モータは、任意の不正確性を補償するための特別な位置合わせを必要とすることなく、本来の正確な態様で取り付けられることが可能となる。

連結部１８のねじり剛性により、電気モータ２内部のロータ１４の回転モーメントを利用することができ、これにより本願明細書では平衡錘／フライホイール１０により示されるフライホイール部の寸法を小さくすることができる。

図３は、２つの角度がつけられたシリンダ／ピストンを有するコンプレッサの改良された実施形態を示す。他の点では、図２で示されるものと同様の構成要素、すなわちベアリング１５、１６を有する電気モータのロータ１４、対ねじり剛性を有する連結部１８、フライホイール／平衡錘１０、ベアリング８および９、外部フライホイール／平衡錘１１である。しかしながら、２つの実施形態の間には差異がある。図２では平衡錘間にクランクピンを示し、図３では平衡錘間にクランクディスクを示すからである。クランクピンと同様に、かかるクランクディスクはクランクロッド（複数のクランクロッド）の異常運動をもたらすが、より大きい径を有し、平衡錘のうちの１つと１つのユニットとしてともに設計される。

図２で示されるようなシリンダ４内部にピストン５を１つのみ有する代わりに、図３のコンプレッサは、クランクロッド２１、２２を有する２つの角度がつけられたピストン１９および２０を含む。

図３はさらに、シャフト軸首２４上に設けられた動径方向のファンホイール２３を示す。既に取り付けられた状態において、動径方向のファンホイール２３はハウジング１（図１を参照のこと）内の開口部３のすぐ内部に配置され、空気をハウジング内部またはチャンバ１に引き込む。

連結部１８の特に有利な実施形態を図４、図５、図６に示す。

連結部１８はスリーブ本体として実質的に設計され、スリーブ壁部２５には互いの後方に配置された、対のスリーブ壁部溝部２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３５が設けられて、周縁およびスリーブの縦方向全体に互いに対して分布される。

一端部では、より具体的には電気モータのロータ１４およびそのシャフト１７に対向する端部では、連結部１８のスリーブ部は締付環３６の態様である。この締付環を有しているため、スリーブすなわち連結部１８は、スリーブ内に挿入されたロータシャフト１７に連結されうる。このことは本願明細書では示されていないが、ねじ手段により締められ、孔３７を通過する締付環による既知の態様でなされる。連結部１８のもう一方の端部にはシャフト軸首３８が設けられる。

図４からわかるように、シャフト軸首３８は円錐状にテーパー勾配をつけた端部３８ａを有する。この端部はシャフト軸首３８の全体または部分に延在してもよい。図５からさらに明らかなように、連結部のシャフト軸首３８は中央開口部３８ｂを有する中空であり、連結部をクランク機構に連結する、心合わせされたねじ接合部を固定する。クランク機構の開口部は、円錐状にテーパー勾配をつけた端部３８ａを有するシャフト軸首３８に対して相補的に形成され、さらにこの開口部は連結部内部の中央開口部３８ｂを介してねじ結合のためにねじを設けられている。さらに開口部３８ｂは上述されるように内部ねじを有している。

連結部または図４、図５、図６に示されるように構築された連結部スリーブ１８は極めて高いねじり剛性を有しているが、これとは別にスリーブ壁部内の溝は可撓性であり、したがって連結部１８は、角度差および動径方向の誤配置／芯ずれの双方、ならびに特に温度による軸方向の変化の全ての方向で不正確性を排除する。

図７、図８、図９、図１０は、クランクシャフト、ピストン、（ある場合には）冷却ファンに関するさらなる詳細を示す。

図７および図８においては、連結部１８および動径方向ファンホイール２３がない。図７および図８ではフライホイール／平衡錘１０、クランクディスク３９に締付けられた外部平衡錘１１、平衡錘１１とベアリング８および９に連結されたシャフト軸首２４が示される。ピストン１９、２０およびそれぞれのクランクロッド２１、２２もまた示される。

平衡錘／フライホイール１０は中空シャフト軸首とともに設けられて、軸受８と作動し、かつ連結部１８上にスリーブ軸首３８を受ける。かかる中空シャフト軸首は相補的に連結部上のシャフト軸首３８ａに対して形成されて、連結部とフライホイール／平衡錘との間をねじ接合するために、ねじ切りされた中央開口部を設けられる。

図示されたフライホイール／平衡錘１１の中で、特に図８はクランクピン／クランクディスク３９に締付けられうる１つの構成要素の形状を示している、このために、平衡錘１１には孔４０が設けられて、クランクピン／クランクディスク３９を受けとめ、かつ４１で示されるように、孔４０から外方に平衡錘１１が分裂する。平衡錘１１はねじボルト４２の手段により締付けられる。平衡錘１１はシャフト軸首２４とともに１つのユニットとして設計され、軸受９とともに作動し、かつファンホイール２３（があれば）を受け止めるように設計される。

既に前述されたように図９および図１０は、図７および図８と同様の詳細を示すが、さらに図９および図１０は連結部１８および取り付けられた動径方向のファンホイール２３をも示す。

既に前述されたように平衡錘１１はクランクディスク３９に対して開放可能な本体の形態である。ピストンおよび平衡錘１０に対して組立および平衡錘１１の正確な位置調整を容易に行なうには、２つの平衡錘１０および１１に位置決めされた位置あわせ孔４３、４４（図１０参照のこと）を設ける。２つの孔に挿入される位置合わせピン／同期ボルトの手段により、平衡錘１１はクランクディスク３９上の正しい角度位置内に配置されてもよい。

以下に本発明を、図面を用いて詳細に説明する。
本発明に係るコンプレッサの可能な実施形態を示す。 本発明に係るコンプレッサにわたる簡略化された細長い縦方向部分を示す。 本発明に係るコンプレッサの第２の実施形態の主要な部分の簡略化された透視図を示す。 本発明に係る専用の連結部の側面図を示す。 図４に示される連結部にわたる縦方向の部分を示す。 図４および図５の連結部をわずかに拡大した透視図を示す。 図３の実施形態のピストンおよび関連する平衡錘の透視図を示す。 図７に示される構成要素群と同様なものを他方の面から見た図を示す。 外部平衡錘から突出するシャフト軸首上の動径方向のファンを有する図７および図８の構成要素群を示す。 図９を他の側面から見た構成要素群を示す。

Claims (9)

1. ピストンエンジンであって、１または複数の空気／ガス圧縮シリンダ／ピストンユニットと、シリンダ内のピストン運動のために前記シリンダまたはシリンダ内のピストンに連結されたクランク機構と、を含み、前記クランク機構は電気モータ内部のロータに駆動的に連結されるピストンエンジンにおいて、
   ロータ（１４）とクランク機構（１０、１２、１１；１０、３９、１１）との間の連結部（１８）であって、回転するように剛性であるが他は柔軟性があり、このため組み立て時および／または運動時の角度差および／または軸方向および／または動径方向の差異をなくす連結部であることを特徴とするピストンエンジン。
2. ピストンエンジンであって、対ねじり剛性を有し、かつ可撓性の連結部（１８）は、スリーブ本体部と、スリーブの長さ方向にわたり動径方向に切欠を設けられたスリーブ壁部（２５）と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のピストンエンジン。
3. ピストンエンジンであって、スリーブ壁部（２５）の形状は、スリーブ壁部（２５）が１または複数の溝部を設けられ、スリーブ壁部溝部（２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３４、３５）は周縁部にわたり互いに対して分布されるとともに、スリーブの縦方向に背を向けて互いに配置されており、溝部（２６、２７）は周縁部にわたり分布されていることに起因することを特徴とする請求項２に記載のピストンエンジン。
4. ピストンエンジンであって、スリーブの２つの端部のうち一方は、締付環（３６）またはシャフト軸首の形状であり、スリーブの２つの端部のうちもう一方は、シャフト軸首（３８）または締付環の形状であることを特徴とする請求項２または３に記載のピストンエンジン。
5. ピストンエンジンであって、シャフト軸首（３８）はその長さ全体または一部にわたって円錐状にテーパー勾配をつけられ、かつ中央にねじ接合のための通し開口部を有することを特徴とする請求項２ないし４のうちの１つまたはいずれかに記載のピストンエンジン。
6. ピストンエンジンであって、ロータ（１４）と、連結部（１８）と、クランク機構（１０、１１）とは軸方向に締付環の連結部に連結されたことを特徴とする前述の請求項のいずれか１つに記載のピストンエンジン。
7. ピストンエンジンであって、クランク機構内のフライホイール／平衡錘（１１）はクランク機構内のクランクピン（３９）に締付けられた（４１、４２）ことを特徴とする前述の請求項のいずれか１つに記載のピストンエンジン。
8. ピストンエンジンであって、前記平衡錘（１１）はファンホイール（２３）を固定するためにシャフト軸首（２４）とともに設けられたことを特徴とする請求項７に記載のピストンエンジン。
9. 前記締付けられた平衡錘（１１）および第２の平衡錘（１２）は共通の同期手段（４３、４４）を有することを特徴とする請求項７または８に記載のピストンエンジン。