JP2008196341A - 揺動ピストン式往復動圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】シール部材に対する高負荷時に、シール部材の傾きを小さくして、シール部材がシリンダの内面と均一に接触するようにして、局所磨耗を防止して長寿命を達成でき、かつ、シリンダとシール部材との間の隙間を少なくして、空気漏れを防止して圧縮効率を向上できる揺動ピストン式往復動圧縮機を提供すること。
【解決手段】ピストン１４が下死点にあるときにおいて、上記ピストン１４のヘッド部１２の天面Ｓ、すなわち、環状のシール部材６に沿ったシール平面Ｓは、シリンダ１の中心軸に垂直な平面に対して、傾斜している。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、酸素濃縮装置や真空ポンプ等に使用される揺動ピストン式往復動圧縮機に関する。

従来、この種の揺動ピストン式往復動圧縮機としては、図５に示すように、シリンダ１と、ヘッド部２とロッド部３とが一体になっているピストン４と、上記ヘッド部２に押さえ板５で取り付けられた環状のシール部材６とを備えたものがある（例えば、特開平１０−８９２５３号公報 図３：特許文献１）。このロッド部３に、回転軸７に偏心して固定された偏心軸８を、ベアリング９を介して回転可能に嵌合して、回転軸７の回転により、上記ピストン４が揺動しながら往復動をして空気を圧縮するようになっている。

そして、上記ヘッド部２の天面Ｓ、すなわち、環状のシール部材６に沿ったシール平面（装着面）Ｓは、上記ピストン４が下死点にあるときにおいて、上記回転軸７の中心Ｃおよび偏心軸８の中心Ｅを含む基準平面Ｒに対して、垂直になっている。

ところが、上記揺動ピストン式往復動圧縮機では、上記ピストン４がシリンダ１内を往復動する際に、ヘッド部２が揺動し、つまり、傾き、しかも、上記ヘッド部２の天面Ｓ、つまり、シール平面（シール部材装着面）Ｓは、ピストン４が下死点にあるときにおいて、上記基準平面Ｒに対して、垂直になっているため、基準平面Ｒに垂直な平面に対するシール平面Ｓの傾斜角、つまり、ヘッド部２の傾斜角は、図４において破線の曲線Ｌで示すように、圧縮行程（回転軸７の回転角度が０°から１８０°）と吸入工程（回転軸７の回転角度が１８０°から３６０°）とで絶対値が等しくなる。このため、圧縮行程のシール部材６に対する高負荷時（ＰＶ値が大きいとき）に、シール部材６の傾きが大きくなって、シール部材６がシリンダ１の内面と不均一に接触して、局所磨耗を生じて寿命が短くなり、また、シリンダ１とシール部材６との間に隙間が生じて、空気漏れによる圧縮効率が低下するという問題があった。

なお、ＰＶ値とは、ＰＶ値＝（シール部材の摺動面圧）×（シール部材の摺動速度）であって、シール部材に対する負荷を表す数値である。
特開平１０−８９２５３号公報 図３

そこで、この発明の課題は、シール部材に対する高負荷時に、シール部材の傾きを小さくして、シール部材がシリンダの内面と均一に接触するようにして、局所磨耗を防止して長寿命を達成でき、かつ、シリンダとシール部材との間の隙間を少なくして、空気漏れを防止して圧縮効率を向上できる揺動ピストン式往復動圧縮機を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の揺動ピストン式往復動圧縮機は、
シリンダと、
このシリンダに往復動可能に嵌合されたヘッド部とロッド部とが一体になっているピストンと、
上記ヘッド部に取り付けられたシール部材と、
回転軸に偏心して固定されると共に、上記ロッド部が回転可能に嵌合された偏心軸と
を備え、
上記ピストンが下死点にあるときにおいて、上記回転軸の中心および偏心軸の中心を含む基準平面に対して、上記シール部材に沿ったシール平面が非直角であることを特徴としている。

上記構成によれば、上記ピストンが下死点にあるときにおいて、上記回転軸の中心および偏心軸の中心を含む基準平面に対して、上記シール部材に沿ったシール平面が非直角であるので、上記基準平面に垂直な平面に対するシール平面の傾きの絶対値を、吸入行程等のＰＶ値の小さなシール部材の低負荷時よりも、圧縮行程等のＰＶ値の大きなシール部材の高負荷時において小さくすることが可能である。

したがって、上記シール部材に対する高負荷時に、シール部材がシリンダの内面と均一に接触するようにして、シール部材の局所磨耗を防止して長寿命を達成でき、かつ、シリンダとシール部材との間の隙間を少なくして、空気漏れを防止して圧縮効率を向上できる。

１実施形態では、上記ピストンが下死点にあるときにおいて、上記基準平面に対して、上記シール部材の上記シール平面である上記ピストンのヘッド部の天面が非直角である。

上記実施形態によれば、上記ピストンのヘッド部の天面が上記シール部材の上記シール平面であるから、上記ピストンのヘッド部の天面の傾斜角を、圧縮行程等のＰＶ値の大きなシール部材の高負荷時において吸入工程等の低負荷時よりも小さくすることが可能である。

したがって、上記シール部材がシリンダの内面と均一に接触するようにして、シール部材の局所磨耗を防止して長寿命を達成でき、かつ、シリンダとシール部材との間に隙間を少なくして、空気漏れを防止して圧縮効率を向上できる。

また、１実施形態では、上記ピストンが下死点にあるときにおいて、上記基準平面に関して、上記偏心軸の中心の移動方向と反対側において、上記基準平面に対して、上記シール平面が鋭角である。

上記実施形態によれば、上記基準平面に垂直な平面に対するシール平面の傾きの絶対値を、吸入行程等のＰＶ値の小さなシール部材の低負荷時よりも、圧縮行程等のＰＶ値の大きなシール部材の高負荷時において小さくなる。

したがって、上記シール部材の局所磨耗を防止して長寿命を達成でき、かつ、シリンダとシール部材との間に隙間を少なくして、空気漏れを防止して圧縮効率を向上できる。

また、１実施形態では、上記シール部材の一部が、上記ピストンのヘッド部の天面と、押さえ板との間に挟まれて固定されている。

上記実施形態によれば、上記押さえ板によって、上記シール部材をピストンのヘッド部の天面に取り付けているので、上記ピストンの天面の傾斜角を調整して、シール平面の傾きを簡単に設定することができる。

また、１実施形態では、上記ピストンが上死点にあるときにおいて、上記ピストンのヘッド部の天面と上記シリンダのシリンダ室の天面とが略平行である。

上記実施形態によれば、上記ピストンが上死点にあるときにおいて、上記ピストンのヘッド部の天面と上記シリンダのシリンダ室の天面とが略平行であるから、ピストンの上死点において、上記ピストンのヘッド部の天面とシリンダのシリンダ室の天面との間のデッドスぺースを少なくして、圧縮効率を向上することができる。

また、１実施形態では、上記基準平面に垂直な平面に対する上記シール平面の傾斜角の絶対値は、吸入工程においてよりも圧縮行程において小さくなっている。

上記実施形態によれば、上記基準平面に垂直な平面に対する上記シール平面の傾斜角の絶対値は、吸入工程においてよりも圧縮行程において小さくなっているから、シール部材の高負荷時においてシール部材がシリンダの内面と略均一に接触して、シール部材の局所磨耗を防止して長寿命を達成でき、かつ、シリンダとシール部材との間に隙間を少なくして、空気漏れを防止して圧縮効率を向上できる。

また、１実施形態では、シール部材のＰＶ値が最大になる上記回転軸の回転角の近傍において、上記基準平面に対して、上記シール平面が直角になる。

上記実施形態によれば、シール部材のＰＶ値が最大になる上記回転軸の回転角の近傍において、上記基準平面に対して、上記シール平面が直角になって、最大負荷時に、シール平面の傾きがなくなることになるから、シール部材の局所磨耗を防止して長寿命を達成でき、かつ、空気漏れを防止して圧縮効率を向上できる。

この発明によれば、シール部材の高負荷時において、シール部材がシリンダの内面と略均一に接触するから、シール部材の局所磨耗を防止して長寿命を達成でき、かつ、空気漏れを防止して圧縮効率を向上できる。

以下、この発明を図示の実施形態により詳細に説明する。

図１に示すように、シリンダ１にシリンダヘッド２１を固定して、シリンダ室２２を形成している。このシリンダ１にシリンダヘッド２１との間は、シール部材３１でシールしている。上記シリンダ１はケーシング２０に固定している。

一方、上記ケーシング２０及びシリンダ１内には、ピストン１４を配置している。このピストン１４は、ヘッド部１２とロッド部１３とが一体になっており、上記ヘッド１２をシリンダ１内に揺動及び往復動自在に配置している。上記ピストン１４のヘッド部１２の天面Ｓ、すなわち、シール平面Ｓには、環状のシール部材６の一部を載置し、この一部を上記ピストン１４のヘッド部１２の天面Ｓと押さえ板５とで挟んで固定している。このシール部材６の他の一部は、上記ヘッド１２及び押さえ板５から突出してシリンダ１の内面に接触して、シールを行う。

上記押さえ板５は、ヘッド部１２にビス３２で固定している。

一方、上記ピストン１４のロッド部１３は、回転軸７に偏心して固定された偏心軸８にベアリング９を介して回転可能に嵌合している。上記回転軸７は、図２に示すように、モータ３０の出力軸７であり、この回転軸７は、ケーシング２０に取り付けられたベアリング２５と、ケーシング２０に固定した端板２４に支持されたベアリング２６とにより回転自在に支持されている。

図１に示すように、上記ピストン１４のヘッド部１２の天面Ｓ、すなわち、環状のシール部材６に沿ったシール平面Ｓは、上記ピストン１４が下死点にあるときにおいて、上記回転軸７の中心Ｃおよび偏心軸８の中心Ｅを含む基準平面Ｒに対して、非直角になっている。より詳しくは、上記ピストン１４が下死点にあるときにおいて、上記ピストン１４のヘッド部１２の天面Ｓ、すなわち、環状のシール部材６に沿ったシール平面Ｓは、上記基準平面Ｒに対して、８８．５°傾斜している。すなわち、上記ピストン１４が下死点にあるときにおいて、上記ピストン１４のヘッド部１２の天面Ｓ（シール平面Ｓ）は、上記基準平面Ｒに垂直な平面に対して、１．５°傾斜していて、シリンダ１の中心軸に垂直な平面に対して、１．５°の傾斜角を有する。これにより、図４に示すように、ＰＶ値が略最大になる回転軸７の回転角約１３５°の近傍の約１４９°において、基準平面Ｒに垂直な平面に対する傾斜角、つまり、ピストン１４のヘッド部１２の天面Ｓの傾斜角が零になるようになっている。

上記シリンダ１のシリンダ室２２の天面４１は、上記ピストン１４が下死点及び上死点にあるときにおいて、上記ピストン１４のヘッド部１２の天面Ｓに平行になっている。つまり、上記シリンダ１のシリンダ室２２の天面４１は、シリンダ１の中心軸に垂直な平面に対して、１．５°傾斜している。これにより、ピストン１４が上死点にあるときに、上記シリンダ１のシリンダ室２２の天面４１と押さえ板５の上面との間にデッドスペースが生じないようにして、圧縮効率を高くしている。

なお、図２において、５１は、図示しない吸入弁で開閉される吸入ポートであり、５２は、図示しない吐出ポートの吐出弁のバックアッププレートである。

上記構成の揺動ピストン式往復動圧縮機の動作を、図１、図３及び図４を参照しながら説明する。

図４において、横軸は、回転軸７の回転角度を表し、右側の縦軸は、ピストン１４のヘッド部１２の天面Ｓのシリンダ１の中心軸に垂直な平面に対する傾斜角を表し、左側の縦軸はＰＶ値を表す。

上記揺動ピストン式往復動圧縮機において、図１に示す状態から、モータ３０の駆動により、回転軸７が時計回りに回転すると、ピストン１４は、図３の（イ）〜（チ）に示すように、揺動しながら往復動を行って、空気等のガスの吸気・圧縮を行う。

このとき、図４において曲線Ｍで示すように、下死点（回転軸の回転角０°）
及び上死点（回転軸７の回転角１８０°）において、上記ピストン１４のヘッド部１２の天面Ｓ、すなわち、環状のシール部材６に沿ったシール平面Ｓは、上記基準平面Ｒに垂直な平面（シリンダ１の中心軸に垂直な平面）に対して、１．５°傾斜している。そして、回転軸７の回転につれて、図３及び図４に示すように、ピストン１４のヘッド部１２の天面Ｓ、すなわち、環状のシール部材６に沿ったシール平面Ｓの傾斜角（ヘッド傾斜角）が変化する。

図４の曲線Ｍから分かるように、この実施形態では、ピストン１４のヘッド部１２の天面Ｓの傾斜角、つまり、シール平面Ｓの傾斜角の絶対値は、曲線Ｌで示される従来の図５のピストン４のヘッド部２の天面Ｓの傾斜角よりも、圧縮行程において、小さく、吸入工程において大きくなっている。

このように、ＰＶ値が大きくてシール部材６に対する負荷が大きい圧縮行程において、この実施形態のシール平面Ｓの傾斜角の絶対値（図４の曲線Ｍ）が、図５の従来例のシール平面Ｓの傾斜角の絶対値（図４の曲線Ｌ）よりも小さくなるから、シール部材６がシリンダ１の内面と略均一に接触して、シール部材６の局所磨耗を防止して長寿命を達成でき、かつ、シリンダ１とシール部材６との間の隙間を少なくして、空気漏れを防止して圧縮効率を向上できる。

なお、吸入工程においては、圧縮行程よりも、ＰＶ値が全体的に小さくて、シール部材６に対する負荷が比較的小さいから、ピストン１４のヘッド部１２の天面Ｓの傾斜角、つまり、シール平面Ｓの傾斜角の絶対値が大きくなっても、シール部材６の局所的な摩耗や漏れ等の不都合は殆ど生じない。

また、上記実施形態では、上記基準平面Ｒに垂直な平面に対するシール平面Ｓの傾斜角の絶対値は、吸入工程においてよりも圧縮行程において小さくなっているので、シール部材６の高負荷時においてシール部材６がシリンダの内面と略均一に接触して、シール部材６の局所磨耗を防止して長寿命を達成でき、かつ、シリンダ１とシール部材６との間に隙間を少なくして、空気漏れを防止して圧縮効率を向上できる。

また、上記実施形態では、ＰＶ値が最大になる回転軸７の回転角約１３５°の近傍において、基準平面Ｒに対して、ピストン４のヘッド部２の天面Ｓ、つまり、シール平面Ｓが直角になって、最大負荷時に、シリンダ１の中心軸に対してシール平面Ｓの傾きがなくなることになるから、シール部材６の局所磨耗を防止して長寿命を達成でき、かつ、空気漏れを防止して圧縮効率を向上できる。

また、上記実施形態では、上記押さえ板５によって、シール部材６をピストン１４のヘッド部１２の天面Ｓに取り付けているので、上記ヘッド部１２の天面Ｓの傾斜角を調整して、シール平面Ｓの傾きを簡単に設定することができる。

また、上記実施形態では、上記ピストン１４のヘッド部１２の天面Ｓとシリンダ１のシリンダ室２２の天面４１とが平行であり、押さえ板５の上面とシリンダ１のシリンダ室２２の天面４１との間のデッドスぺースを小さくして、圧縮効率を向上することができる。

上記実施形態では、シール部材６を押さえ板５でピストン１４のヘッド部１２に固定したが、押さえ板を用いないで、図示しないピストンのヘッド部にシリンダの中心軸に垂直な平面に対して傾斜した面に沿った溝を設け、この溝に環状のシール部材を嵌合してもよい。要は、環状のシール部材に沿ったシール平面が、ピストンの上死点及び下死点において、シリンダの中心軸に垂直な平面に対して傾斜していればよい。

また、上記実施形態では、ピストン１４のヘッド部１２の天面Ｓのシリンダ１の中心軸に垂直な平面に対する傾斜角は、１．５°であるが、１．５°に限らないことは、勿論である。

また、図示しないが、偏心軸として、クランク軸のクランクピンを用いてもよい。

この発明の揺動ピストン式往復動圧縮機の１実施形態の縦断面図である。 上記実施形態の側断面図である。 上記実施形態の動作説明図である。 上記実施形態の回転角度とＰＶ値とヘッド傾斜角との関係を示す図である。 従来の揺動ピストン式往復動圧縮機の縦断面図である。

符号の説明

１ シリンダ
２，１２ ヘッド部
３，１３ ロッド部
４，１４ ピストン
５ 押さえ板
６ シール部材
７ 回転軸
８ 偏心軸
９，２５，２６ ベアリング
２１ シリンダヘッド
２２ シリンダ室
Ｒ 基準平面
Ｓ シール平面

Claims (7)

1. シリンダ（１）と、
   このシリンダ（１）に往復動可能に嵌合されたヘッド部（１２）とロッド部（１３）とが一体になっているピストン（１４）と、
   上記ヘッド部（１２）に取り付けられたシール部材（６）と、
   回転軸（７）に偏心して固定されると共に、上記ロッド部（１３）が回転可能に嵌合された偏心軸（８）と
   を備え、
   上記ピストン（１４）が下死点にあるときにおいて、上記回転軸（７）の中心（Ｃ）および偏心軸（８）の中心（Ｅ）を含む基準平面（Ｒ）に対して、上記シール部材（６）に沿ったシール平面（Ｓ）が非直角であることを特徴とする揺動ピストン式往復動圧縮機。
2. 請求項１に記載の揺動ピストン式往復動圧縮機において、
   上記ピストン（１４）が下死点にあるときにおいて、上記基準平面（Ｒ）に対して、上記シール部材（６）の上記シール平面（Ｓ）である上記ピストン（１４）のヘッド部（１２）の天面（Ｓ）が非直角であることを特徴とする揺動ピストン式往復動圧縮機。
3. 請求項１または２に記載の揺動ピストン式往復動圧縮機において、
   上記ピストン（１４）が下死点にあるときにおいて、上記基準平面（Ｒ）に関して、上記偏心軸（８）の中心（Ｅ）の移動方向と反対側において、上記基準平面（Ｒ）に対して、上記シール平面（Ｓ）が鋭角であることを特徴とする揺動ピストン式往復動圧縮機。
4. 請求項２に記載の揺動ピストン式往復動圧縮機において、
   上記シール部材（６）の一部が、上記ピストン（１４）のヘッド部（１２）の天面（Ｓ）と、押さえ板（５）との間に挟まれて固定されていることを特徴とする揺動ピストン式往復動圧縮機。
5. 請求項２または４に記載の揺動ピストン式往復動圧縮機において、
   上記ピストン（１４）が上死点にあるときにおいて、上記ピストン（１４）のヘッド部（１２）の天面（Ｓ）と上記シリンダ（１）のシリンダ室（２２）の天面（４１）とが略平行であることを特徴とする揺動ピストン式往復動圧縮機。
6. 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の揺動ピストン式往復動圧縮機において、
   上記基準平面（Ｒ）に垂直な平面に対する上記シール平面（Ｓ）の傾斜角の絶対値は、吸入工程においてよりも圧縮行程において小さくなっていることを特徴とする揺動ピストン式往復動圧縮機。
7. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の揺動ピストン式往復動圧縮機において、
   シール部材（６）のＰＶ値が最大になる上記回転軸（７）の回転角の近傍において、上記基準平面（Ｒ）に対して、上記シール平面（Ｓ）が直角になることを特徴とする揺動ピストン式往復動圧縮機。

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