JP2008280871A

JP2008280871A - スコッチ・ヨーク型オイル・フリー・コンプレッサ

Info

Publication number: JP2008280871A
Application number: JP2007123992A
Authority: JP
Inventors: Sei Okano; 聖丘野
Original assignee: GOKU KK
Current assignee: GOKU KK
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2008-11-20

Abstract

【課題】公知のスコッチ・ヨーク型オイル・フリー・コンプレッサは、１個の圧縮室に１個のピストンを対応させているため、機械効率は５３％程度が限界であった。
【解決手段】駆動軸の両側に容積の異なる圧縮室を形成し、クランク軸の回転運動をピストンの一定方向のみの往復運動に変換して駆動し、高い機械効率を得るスコッチ・ヨーク型オイル・フリー・コンプレッサ。
【選択図】図１

Description

この発明は、スコッチ・ヨーク型コンプレッサに関し、更に詳しくは、駆動軸の両側に容積の異なる圧縮室を形成し、クランク軸の回転運動をピストンの一定方向の往復運動に変換して駆動し、高い機械効率を得るスコッチ・ヨーク型オイル・フリー・コンプレッサに関する。

従来提案されているオイル・フリー・コンプレッサとしては、
特開２００３−１６１２５０株式会社宇野澤組鉄工所のスコッチ・ヨーク型コンプレッサ等があげられる。

公知のスコッチ・ヨーク型オイル・フリー・コンプレッサは、スライド枠にロッドを取付け、該ロッドの先端にピストンを設け、クランク軸の回転運動をピストンの直線運動に変換し、吸入・圧縮を行う構造であるから全長を短くできる特徴がある。

公知のスコッチ・ヨーク型オイル・フリー・コンプレッサに於いては、１個の圧縮室に１個のピストンを対応させているため、機械効率は５３％程度が限界であった。

更に、公知のスコッチ・ヨーク型オイル・フリー・コンプレッサは、往復動部の質量が大きいので慣性力が大きくなり、機械損失の増加及び振動発生が避けられない。

この発明は、前述の課題を解決するものであり、その要旨は、シリンダと、ハウジング・カバーと、ハウジングと、軸受ハウジングと、第１バルブ・プレートと、第１バルブ・カバーと、第２バルブ・プレートと、第２バルブ・カバーと、該ハウジング内に直線運動自在に挿入されたスライダを内臓するスコッチ・ヨークと、ピストンと、ピストン・ロッドと、ガイド・ロッドと、駆動軸と、駆動ギアと、従動ギアと、バランス・ウエイトと、補助バランス・ウエイトとから成り、該クランク軸の回転運動を該ピストンの一定方向の往復運動に変換して該駆動軸の両側に容積の異なる圧縮室を形成するスコッチ・ヨーク型オイル・フリー・コンプレッサである。

（１）この発明に係るスコッチ・ヨーク型オイル・フリー・コンプレッサによれば、クランク軸の回転運動をピストンの一定方向の往復運動に変換して駆動し、駆動軸の両側に容積の異なる圧縮室を形成するので、小型でも低振動で大容量の吐出量と高圧縮化とが高効率で得られるようになる。

（２）公知のスコッチ・ヨーク型コンプレッサと比較して、この発明に係るスコッチ・ヨーク型オイル・フリー・コンプレッサは、駆動軸の両側に形成された両圧縮室の直径が同径の場合、容積は片側の２倍となる。

（３）この発明によれば、両側のシリンダ内径が同じ場合は、効率向上を目的とするものではなく、吐出量を２倍にする。

（４）この発明によれば、公知コンプレッサの限界を超えることを目的とするもので、駆動軸の両側に容積の異なる圧縮室を設け、両圧縮室を１個のピストンにより交互に圧縮する構成とし、これにより低圧側圧縮室の圧縮工程を補助することが可能となり、８０％という高効率を実現可能となる。

（５）この発明によれば、ハウジング内の駆動軸を跨ぐ様に容積の異なる圧縮室を形成し、コンロッド他のアンバランスと、ピストンの慣性力を打消すバランス・ウエイト及び補助バランス・ウエイトとを設けたので、ピストンの慣性力を打消してピストンの往復運動を１００％バランスさせ、振動の発生を抑制可能となる。

この発明を実施するための最良の形態は、ハウジング内に上下動自在に挿入されたスライダを内臓するスコッチ・ヨークと、ハウジング・カバー、該スコッチ・ヨーク及び該ハウジングを貫通して設けられたガイド・ロッドと、ピストン・ロッドとを介して該スコッチ・ヨークに連結されて該に摺動自在に挿入されたピストンと、該スライダに貫通して設けられた駆動軸と、該駆動軸の突出端に設けられた駆動ギアと、該駆動ギアに噛合された従動ギアと、該駆動軸の突出端に設けられたバランス・ウエイトと、従動軸に設けられた補助バランス・ウエイトとから成り、該クランク軸の回転運動を該ピストンの一定方向の往復運動に変換して該駆動軸の両側に容積の異なる圧縮室を形成するスコッチ・ヨーク型オイル・フリー・コンプレッサである。

図１〜５に於いて、請求項１記載の発明に係るスコッチ・ヨーク型オイル・フリー・コンプレッサの実施例を説明する。該スコッチ・ヨーク型オイル・フリー・コンプレッサは、所要の容積を有し、内面仕上げをし、周囲に冷却用フィンを設けたシリンダ１０の両側面に、所要面積の開口部１０ａ、１０ｂを夫々形成する。

特に図４、５に於いて、上面内端近くに、後述の一方のガイド・ロッド３８の上端を貫通する貫通穴１２ａ_１と貫通孔１２ａ_２を穿設したハウジング・カバー１２Ａを該シリンダ１０の上部フランジ１０ｃに一体に設ける。

上面内端近くに、後述の他方のガイド・ロッド３８の上端を貫通する貫通穴１２ｂ_１と貫通孔１２ｂ_２とを穿設したハウジング・カバー１２Ｂを該シリンダ１０の上部フランジ１０ｄに一体に設ける。

一対のハウジング１２Ｃ、１２Ｄの下部フランジ１２ｃ、１２ｄで該ハウジング・カバー１２Ａ、１２Ｂの該貫通穴１２ａ_１と該貫通穴１２ｂ_１とに対応する箇所に、夫々該ガイド・ロッド３８、３８の貫通孔１２ｃ’、１２ｄ’を穿設した一対の該ハウジング１２Ｃ、１２Ｄを該ハウジング・カバー１２Ａ、１２Ｂと該シリンダ１０の下部両側に一体に設ける。

該シリンダ１０の上端部に、第１吸入口２６ａと第１吐出口２６ｂとを形成し、夫々吸入弁２６ａ’と吐出弁２６ｂ’を有する第１バルブ・プレート２６を一体に設ける。

該第１バルブ・プレート２６の上端部に、第１吸入口２８ａと第１吐出口２８ｂとを形成し、夫々吸入弁２８ａ’と吐出弁２６ｂ’を有する第１バルブ・カバー２８を一体に設ける。

該シリンダ１０の下端部に、第１吸入口３０ａと第１吐出口３０ｂとを形成し、夫々吸入弁３０ａ’と吐出弁３０ｂ’を有する第１バルブ・プレート３０を一体に設ける。

該第１バルブ・プレート３０の下端部に、第１吸入口３２ａと第１吐出口３２ｂとを形成し、夫々吸入弁３２ａ’と吐出弁３２ｂ’を有する第１バルブ・カバー３２を一体に設ける。

一方の該ハウジング１２Ｃに、中心に内側軸筒２２ａ、外側軸筒２２ｂ及び軸受押さえ２２ｃを有する軸受ハウジング２２を一体に設ける。図中４８は、軸受を表す。

他方の該ハウジング１２Ｄに、中心に軸筒２４ａを有する軸受ハウジング２４を一体に設ける。

図５に於いて、該ハウジング・カバー１２Ａ、１２Ｂの該フランジ１２ａ、１２ｂの該ボルト貫通穴１２ａ_１と該ボルト貫通穴１２ｂ_１に対応する箇所でスコッチ・ヨーク３４の上面３４ａから下面３４ｂに貫通孔３４ｃ、３４ｃを形成し、該貫通孔３４ｃ、３４ｃの内周囲にシール３４ｄ、３４ｄを設け、該貫通孔３４ｃ、３４ｃ内に該ガイド・ロッド３８、３８を夫々貫通し、該ガイド・ロッド３８、３８の上端に形成した螺合穴３８ａ、３８ａ内に上からボルト４６、４６を螺合して該ハウジング・カバー１２Ａ、１２Ｂ、該ガイド・ロッド３８、３８及び該ハウジング１２Ｃ、１２Ｄを一体とする。

図４に於いて、該スコッチ・ヨーク３４の空間部３４ｆ内の中心水平方向に、後述の駆動軸１４を遊嵌する所要容積の貫通孔３６ａを有するスライダ３６を設ける。

該シリンダ１０内にピストン２０Ａと該スコッチ・ヨーク３４とを導き、該ピストン２０Ａに上端を固着したピストン・ロッド２０ａの下端を該スコッチ・ヨーク３４の該螺合孔３４ｅに螺合し、ピストン２０Ｂに下端を固着したピストン・ロッド２０ｂの上端を該スコッチ・ヨーク３４の該螺合孔３４ｅに螺合して連結し、該ピストン２０Ａと２０Ｂとを夫々ピストン・リング２０ｃ、２０ｃを介して該シリンダ１０内で上下に摺動自在とする。

該ハウジング１２Ｃの該下端フランジ１２ｃの該貫通孔１２ｃ’から該スコッチ・ヨーク３４の該貫通孔３４ｃ内に貫通した一方の該ガイド・ロッド３８の上端を、該ハウジング・カバー１２Ａの該貫通孔１２ａ_１と該ボルト貫通孔１２ａ_２内に導き、該ガイド・ロッド３８の該螺合穴３８ａ内に上からボルト４６を螺合して一体とする。

該ハウジング１２Ｄの該下端フランジ１２ｄの該貫通孔１２ｄ’から該スコッチ・ヨーク３４の該貫通孔３４ｃ内に貫通した他方の該ガイド・ロッド３８の上端を、該ハウジング・カバー１２Ｂの該貫通穴１２ｂ_１と該貫通孔１２ｂ_２内に導き、該ガイド・ロッド３８の該螺合穴３８ａ内に上からボルト４６を螺合して一体とする。

図５に於いて、他方の該ハウジング１２Ｂから外側に導かれる該駆動軸１４の突出端に駆動ギア５０とバランス・ウエイト５４とを固着し、該駆動ギア５０を該ハウジング１２Ｄに設けた補助軸１４ａの従動ギア５２と噛合させ、且つ該補助軸１４ａに補助バランス・ウエイト５６を設ける。

前述の通り、該シリンダ１０内に夫々摺動自在に嵌合された該ピストン２０Ａ、２０Ｂを該ピストン・リング２０ａ、２０ｂを介して該ピストン２０Ａ、２０Ｂに連結し、該駆動軸１４の両側に容積の異なる低圧側圧縮室１０ｄ’と高圧側圧縮室１０ｄ’’とを形成する。

従って、この発明に於いては、該軸駆動１４が回転すると、該スコッチ・ヨーク３４が該ガイド・ロッド３８、３８に沿って往復動する。

この特許出願人の特開２００３−１６１２５０に於いて、該シリンダ１０の径を変えて２段圧縮した場合の実施例の効率を具体的に示す。該シリンダ１０の該圧縮室を低圧側圧縮室１０ｄ’と高圧側圧縮室１０ｄ’’とに区画した場合、該低圧側圧縮室１０ｄ’と該高圧側圧縮室１０ｄ’’との面積が同じでは、その効果が生じなく、高効率の圧縮率を構成するためには、図５に示す通り、該高圧側圧縮室１０ｄ’’の高圧側の該シリンダ１０の両側板に対する幅をｄ１とし、低圧側のそれをｄ２とした場合、
ｄ２＞ｄ１
とする必要がある。

該ピストン２０Ａと該ピストン２０Ｂとを一体としたので、該高圧側圧縮室１０ｄ’’の吸入圧力による力Ｆ_１が高圧側ピストンに加わり、該低圧側圧縮室１０ｄ’の吐出圧力による力Ｆ_２が低圧側ピストンに加わって相殺される。
が右方向には、π／４ｘ１６^２（ｄ２）ｘｐａの力Ｆ_２が働くので、該ピストン２０に加わるＦの合計は、π／４ｘ（１６^２−１０^２）ｘｐａとなる。
上記の式に於いて、Ｆ_１は、高圧側圧縮室の吸入圧力による力Ｆ_２は、低圧側圧縮室による力を表す。

一般的に、１段目と２段目の圧縮比率を径を変える事により最適の中間圧力Ｐｍが得られる。

該シリンダ１０の低圧側吐出圧力（ｐａ）は、高圧側吸入圧力（ｐｂ）と同じである。該低圧側圧縮室１０ｄ’が吐出行程の時、高圧側は、吸入行程にあり、該ピストン２０の高圧側には、吸入圧力（ｐｂ）が働き、図示の通りの状態となり、低圧側の吐出圧力による力の方向とは、互いに反対方向である。従って、該低圧側圧縮室１０ｄ’が吐出行程の時、該ピストン２０Ａ、２０Ｂには、左方向にπ／４ｘ１０^２（ｄ１）ｘｐａの力Ｆ_１が、右方向には、π／４ｘ１６^２（ｄ２）ｘｐａの力Ｆ_２が働くので、該ピストン２０Ａ、２０Ｂに加わる力Ｆの合計は、π／４ｘ（１６^２−１０^２）ｘｐａとなる。

公知のコンプレッサのピストンに於いては、低圧側及び高圧側ピストンは、夫々別の構成であるから、低圧側及び高圧側の吸入圧力として加わる。しかし、低圧側及び高圧側ピストンが一体でないから、力の方向が相殺する方向に作用しないので省電力に寄与しない。他方、この発明のピストンは、低圧側と高圧側ピストンとが一体であり、且つ低圧側吐出圧力による力と、高圧側吸入圧力による力の方向が反対であるから、ピストンに加わる力の合計が低圧側と高圧側の差の面積に低圧側吐出圧力を掛けた値となる。この差は、機械効率の差となって現れる。この発明では、８０％の結果が得られている。この省電力化は、この発明に係るオイル・フリー・コンプレッサの高低圧ピストンを一体化して初めて可能となったものであり、公知のコンプレッサでは全く不可能である。

このオイル・フリー・コンプレッサの高低圧ピストンを一体化して得られた省電力量を具体的に計算した結果を次の表１に示す。

この結果が示す様に、省電力量は、１．４ｋｗである。この値は、シリンダ１個当りであるから、シリンダ数が２個（モータ容量７．５ｋｗ）では、２倍の２．８ｋｗとなる。２段圧縮による効率向上と合わせると省電力量は、３，３／７．５ｘ１００＝４４％となる。

そのため、公知のコンプレッサに於ける圧縮方法では、０．７ＭＰａ時、８００ｌ／ｍ又は８５０１／ｍの吐出量しか得られないが、この発明に係るオイル・フリー・コンプレッサでは、１２００ｌ／ｍが得られるから、モータ出力かが小さくても、スクリュウ型オイル・フリー・コンプレッサ及び公知のレシプロ空冷式オイル・フリー・コンプレッサと比較して、その機械効率が８０％にも達し、画期的な効果が得られる。

このオイル・フリー型コンプレッサの・コンプレッサの高低圧ピストンを一体化して得られた省電力量を具体的に計算したと該ピストン２０の低圧側に加わる力Ｆ_２は、π／４ｘ１６^２ｘｐａである。具体的には、低圧側吐出圧力（ｐａ）を１．５ｋｇｆ／ｃｍ^２とすると、圧力による力をＦ_２とすれば、公知のものではＦ_２＝ π／４ｘ１６^２ｘ１．５ｋｇｆ／ｃｍ^２＝３０１ｋｇｆとなる。即ち、公知のコンプレッサと比較し、この発明に係るコンプレッサでは、Ｆ／Ｆ_２ｘ１００＝６１％の力で良いことになる。

前述の通り、このオイル・フリー・コンプレッサは、公知と同じモータ出力でも高圧化した大容量の空気の吐出量が得られるので、二酸化炭素排出の抑制等の地球環境対策、省資源、消費電力の低減等にも寄与するものである。

この発明に係るスコッチ・ヨーク型オイル・フリー・コンプレッサの正面図。図１に示すオイル・フリー・コンプレッサの他の実施例の正面図。図２に示す実施例の平面略図。図３に示す実施例の１Ｖ−１Ｖ線断面略図。図３に示す実施例のＶ−Ｖ線断面略図。

符号の説明

１０シリンダ；
１０ｄ’ 低圧側圧縮室；
１０ｄ’’ 高圧側圧縮室；
１２Ａ、１２Ｂハウジング・カバー；
１２ａ_１、１２ｂ_１貫通穴；
１２ａ_２、１２ｂ_２貫通孔；
１２Ｃ、１２Ｄハウジング；
１２ｃ、１２ｄ下部フランジ；
１４駆動軸；
１４ａ補助軸；
２０Ａ、２０Ｂピストン；
２０ａ、２０ｂピストン・ロッド；
２０ｃピストン・リング；
２２、２４軸受ハウジング；
２６第１バルブ・プレート；
２８第１バルブ・カバー；
３０第２バルブ・プレート；
３２第２バルブ・カバー；
３４スコッチ・ヨーク；
３６スライダ；
３８ガイド・ロッド；
４６ボルト；
４８軸受；
５０駆動ギア；
５２従動ギア；
５４バランス・ウエイト；
５６補助バランス・ウエイト。

Claims

両側面に所要面積の開口部を形成したシリンダと、上面の各内端近くに所要間隔でガイド・ロッド貫通穴と貫通孔とを形成し、該シリンダの上部両側に一体に設けられた一対のハウジング・カバーと、下端フランジで該ガイド・ロッド貫通穴の対応箇所にガイド・ロッド貫通孔を形成し、該ハウジング・カバーと該シリンダの外側に一体に設けられた一対のハウジングと、中心に内側軸筒、外側軸筒及び軸受押さえを有し、一方の該ハウジングに一体に設けられた一方の軸受ハウジングと、軸筒を有し、他方の該ハウジングに一体に設けられた他方の軸受ハウジングと、吸入弁を有する吸入口と吐出口とを有し、該シリンダの上端部に一体に設けられた第１バルブ・プレートと、吸入口と吐出弁を有する吐出口とを有し、該第1バルブ・プレートに一体に設けられた第1バルブ・カバーと、吸入弁を有する吸入口と吐出口とを有し、該シリンダの下端部に一体に設けられた第２バルブ・プレートと、吸入口と吐出弁を有する吐出口とを有し、該第２バルブ・プレートに一体に設けられた第２バルブ・カバーと、上下面で該ガイド・ロッド貫通孔を形成し、該シリンダ内に摺動自在に設けられたスコッチ・ヨークと、中心水平方向に駆動軸を遊嵌する所要容積の貫通孔を形成し、該スコッチ・ヨーク内に摺動自在に設けられたスライダと、該シリンダ内に挿入され、ピストン・ロッドを介して該スコッチ・ヨークに連結された一対のピストンと、該ハウジング・カバーと該ハウジングとの該ガイド・ロッド貫通孔に貫通されたガイド・ロッドと、一方の該軸受ハウジング、該スライダから他方の該軸受ハウジングを貫通する駆動軸と、該駆動軸の突出端に設けられた駆動ギアと、該駆動ギアに噛合された従動ギアと、該駆動軸の突出端に設けられたバランス・ウエイトと、該従動軸に設けられた補助バランス・ウエイトとから成り、該クランク軸の回転運動を該ピストンの一定方向の往復運動に変換して該駆動軸の両側に容積の異なる圧縮室を形成する事を特徴とするスコッチ・ヨーク型オイル・フリー・コンプレッサ。