JP2009068421A - 流体吸入吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カム機構を用い構造が簡単なポンプを提供する。
【解決手段】シリンダ２内のピストン４を中心軸Ｘ方向の往復を許容しつつ回転させる。ピストン端面４１Ａ，４１Ｂとシリンダ内周面２１及び端面部材内端面３１Ａ，３１Ｂと回転軸外周面６１とにより形成される隔室に連通可能なように、シリンダに吸入口９１及び吐出口９２が形成されている。圧縮コイルバネ３３によりピストン端面４１Ａ，４１Ｂとシリンダ内端面３１Ａ，３１Ｂとを近接させるよう付勢する。ピストン端面の形状及びシリンダ内端面の形状は、ピストン回転運動の際に隔室容積が変動するように、決められる。ピストン外周面に形成された切欠部４２Ａ，４２Ｂは、中心軸Ｘ方向にはピストン往復運動の際に吸入口９１及び吐出口９２との連通が可能なように、且つ周方向にはピストン回転運動の際に吸入口９１及び吐出口９２との選択的連通が可能なように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプ及びコンプレッサ等の流体吸入吐出装置に関するものであり、特にカム機構を用いた流体吸入吐出装置に係るものである。

容積型のポンプとしては往復ポンプ及び回転ポンプがある。

代表的な往復ポンプでは、シリンダまたはケーシング内でピストンまたはプランジャーを往復運動させることで隔室の容積を変動させ、この容積変動と吸入側の弁及び吐出側の弁の動作とを組み合わせることで、流体の吸入及び吐出を行う。往復ポンプの一種であるダイヤフラムポンプでは、ダイヤフラムを振動させ、この振動と吸入側の弁及び吐出側の弁の動作とを組み合わせることで、流体の吸入及び吐出を行う。ダイヤフラムポンプにおいてダイヤフラムの振動を駆動するためにカム機構を利用したものが特開平８−１２１２５３号公報（特許文献１）に記載されている。

一方、代表的な回転ポンプでは、可動ベーン付きロータ、歯車及びねじなどの回転部材を回転させることで該回転部材とケーシングなどとにより形成される隔室を吸入側から吐出側へと移動させ、これにより流体の吸入及び吐出を行う。また、回転カムを利用したカムポンプが特開平８−４２４４８号公報（特許文献２）に記載されている。
特開平８−１２１２５３号公報 特開平８−４２４４８号公報

しかるに、特許文献１に記載のカム機構を利用したダイヤフラムポンプでは、逆止弁等のポンプ弁の使用が必須である。また、特許文献２に記載のカムポンプでは、駆動側の回転カムと従動側の回転カムとを同期回転させるための手段が必須である。このように、従来のカム機構を用いたポンプでは、ポンプ弁や同期回転手段が必要であり、構造の簡単化が難しいという難点がある。このような難点は、類似の構造を持つ圧縮性流体の圧縮のためのコンプレッサにおいても同様に存在する。

本発明は、以上のような技術的課題に鑑みて、カム機構を用い且つ構造が簡単なポンプ及びコンプレッサ等の流体吸入吐出装置を提供することを目的とするものである。

本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
中心軸に関し回転対称性を有する内周面をもつシリンダ；
該シリンダ内にて前記中心軸の方向の往復運動及び該中心軸の周りでの回転運動の双方が可能なように配置されたピストン；
該ピストンの往復運動を許容しつつ前記ピストンの回転運動を駆動する回転駆動手段；
前記ピストンの端面と前記シリンダの内周面及び内端面とを含む面により形成される隔室にそれぞれ連通可能に前記シリンダに形成された吸入口及び吐出口；及び、
前記ピストンの端面と前記シリンダの内端面とを互いに近接させるような付勢力を発生させる付勢手段、を備えており、
前記ピストンの端面の形状及び前記シリンダの内端面の形状は、前記隔室の容積が前記ピストンの回転運動の際に最小値と最大値との間で変動するように、決められており、
前記ピストンの外周面には前記端面に連なる切欠部が形成されており、該切欠部は、前記中心軸の方向に関しては前記ピストンの往復運動の際に前記吸入口及び吐出口との連通が可能なように、且つ前記中心軸の周りの周方向に関しては前記ピストンの回転運動の際に前記吸入口及び吐出口との選択的連通が可能なように形成されていることを特徴とする流体吸入吐出装置、
が提供される。

本発明の一態様においては、
前記ピストンの前記端面とは反対側の反対側端面と前記シリンダの内周面及び前記内端面とは反対側の反対側内端面とを含む面により反対側隔室が形成され、該反対側隔室にそれぞれ連通可能に前記吸入口及び吐出口が形成されており、
前記ピストンの反対側端面の形状及び前記シリンダの反対側内端面の形状は、前記反対側隔室の容積が前記ピストンの回転運動の際に最小値と最大値との間で変動するように、決められており、
前記付勢手段は、前記ピストンの反対側端面と前記シリンダの反対側内端面とをも互いに近接させるように前記付勢力を発生させ、
前記ピストンの外周面には前記反対側端面に連なる反対側切欠部が形成されており、該反対側切欠部は、前記中心軸の方向に関しては前記ピストンの往復運動の際に前記吸入口及び吐出口との連通が可能なように、且つ前記中心軸の周りの周方向に関しては前記ピストンの回転運動の際に前記吸入口及び吐出口との選択的連通が可能なように形成されている。

本発明の一態様においては、
前記ピストンは前記回転駆動手段を構成する回転軸の周囲に該回転軸と同軸にて配置された筒状体からなり、
前記端面は環状をなしており前記中心軸の周りの周方向に沿って前記中心軸の方向に高い山部と低い谷部とを有しており、これらの山部及び谷部は前記中心軸の周りの周方向に交互に配列されており、
前記反対側端面は環状をなしており前記中心軸の周りの周方向に沿って前記中心軸の方向に高い反対側山部と低い反対側谷部とを有しており、これらの反対側山部及び反対側谷部は前記中心軸の周りの周方向に交互に配列されており、
前記端面の山部と前記反対側端面の反対側谷部とが前記周方向に関して対応するように配置され、前記端面の谷部と前記反対側端面の反対側山部とが前記周方向に関して対応するように配置されている。

本発明の一態様においては、前記端面の山部及び谷部がいずれも２つ設けられており、前記反対側端面の反対側山部及び反対側谷部がいずれも２つ設けられており、前記吸入口及び吐出口がいずれも２つ設けられている。本発明の一態様においては、前記反対側隔室の容積は、前記ピストンの回転運動の際に前記隔室の容積とは逆のタイミングにて最小値と最大値との間で変動する。

本発明の一態様においては、前記流体吸入吐出装置はポンプであり、前記ピストンの回転運動の際に前記隔室の容積が最大値から次第に減少して最小値に至る前記中心軸の周りでの前記ピストンの回転角度範囲は、前記ピストンの回転運動の際に前記隔室の容積が最小値から次第に増加して最大値に至る前記中心軸の周りでの前記ピストンの回転角度範囲と同等である。

本発明の一態様においては、前記流体吸入吐出装置はコンプレッサであり、前記ピストンの回転運動の際に前記隔室の容積が最大値から次第に減少して最小値に至る前記中心軸の周りでの前記ピストンの回転角度範囲は、前記ピストンの回転運動の際に前記隔室の容積が最小値から次第に増加して最大値に至る前記中心軸の周りでの前記ピストンの回転角度範囲より大きい。

本発明によれば、回転駆動手段によりピストンを回転運動させることで、シリンダ内でピストンが往復運動し、隔室容積が増加する際に吸入口から切欠部を介して隔室内へと流体が吸入され、更に隔室容積が減少する際に隔室内の流体が切欠部を介して吐出口から吐出される。このように、本発明では、ピストンの切欠部及び中心軸方向に関し切欠部と同一の位置にあるピストン外周面部分が弁の機能を持つので、別途の弁は不用であり、しかも構造が簡単である。

以下、図面を参照しながら本発明の具体的な実施の形態を説明する。

図１は本発明による流体吸入吐出装置としてのポンプの一実施形態を示す模式的分解斜視図であり、図２はその組立て状態を示す模式的斜視図であり、図３はこのポンプの正面断面図であり、図４はこのポンプの側面断面図である。

シリンダ本体２の内周面２１は、中心軸Ｘに関し回転対称性を有する。シリンダ本体２の両端は、ケーシング部材７Ａ，７Ｂに固定されている。

シリンダ本体２内にはピストン４が配置されている。ピストン４は、シリンダ本体２に対して、中心軸Ｘの方向の往復運動及び中心軸Ｘの周りでの回転運動の双方が可能である。すなわち、中心軸Ｘはピストン４の回転運動の際の回転中心でもある。ピストン４は、筒状をなしており、回転軸６の外周面６１上に取り付けられている。すなわち、ピストン４は、回転軸６の周囲に該回転軸と同軸にて配置された筒状体からなる。回転軸６は、中心軸Ｘの周りで回転可能なように、ベアリング８１，８２，８３を介してケーシング部材７Ａ，７Ｂにより支持されている。回転軸６は、ピストン４の往復運動を許容しつつ該ピストンの回転運動を駆動する回転駆動手段を構成しており、不図示の回転駆動源たとえば電動モータ等に接続されている。

回転軸６には、中心軸Ｘを通り該中心軸と直交する方向の貫通長孔６２が形成されている。該貫通長孔６２の断面形状は、回転中心Ｘの方向に細長い長円形である。該貫通長孔６２には中心軸Ｘと直交する方向のピン６３が挿通されており、該ピン６３はピストン４に固定されている。従って、回転軸６が中心軸Ｘの周りで矢印Ｒの向きに回転することで、ピストン４が同時に回転する。ピン６３は、貫通長孔６２内で中心軸Ｘの方向にストロークＳで往復移動することができる。

シリンダ本体２の内部には、ピストン４の一方の端面４１Ａに対向するように環状の端面部材３Ａが配置されており、ピストン４の他方（すなわち反対側）の端面４１Ｂに対向するように環状の反対側端面部材３Ｂが配置されている。これらの端面部材３Ａ及び反対側端面部材３Ｂの外周面はいずれもシリンダ本体２の内周面２１に液密に適合している。また、端面部材３Ａ及び反対側端面部材３Ｂの内周面はいずれも回転軸６の外周面６１に液密に適合している。

端面部材３Ａはシリンダ本体２及びケーシング部材７Ａに対して中心軸Ｘの周りの回転を阻止されつつ中心軸Ｘの方向に往復移動することが可能なように配置されている。この端面部材３Ａの往復移動をガイドするために、端面部材３Ａには中心軸Ｘの方向にケーシング部材７Ａの方へと突出した２つのガイドピン３２が固定されており、該ガイドピン３２の先端はケーシング部材７Ａに形成された中心軸Ｘの方向の２つのガイド穴３４内にそれぞれスライド可能に収容されている。ガイドピン３２の周囲には圧縮コイルバネ３３が巻き付けられている。これにより、端面部材３Ａはケーシング部材７Ａに対してピストン４の方へと付勢されている。従って、圧縮コイルバネ３３により構成される付勢手段は、ピストン４の端面４１Ａと端面部材３Ａの内端面３１Ａとを互いに近接させるように付勢力を発生させている。

反対側端面部材３Ｂは、ケーシング部材７Ｂに固定されている。

上記シリンダ本体２と端面部材３Ａ及び反対側端面部材３Ｂとでシリンダが構成される。シリンダ本体２には、中心軸Ｘに関して互いに反対側に位置する２つの吸入口９１，９３が形成されている。また、シリンダ本体２には、中心軸Ｘに関して互いに反対側に位置する２つの吐出口９２，９４が形成されている。これらの２つの吸入口９１，９３及び２つの吐出口９２，９４は、中心軸Ｘの周りで角度９０度ごとに吸入口９１−吐出口９２−吸入口９３−吐出口９４の順に配列されている。これらの吸入口９１，９３及び吐出口９２，９４は、後述するように、ピストン４の往復運動及び回転運動に伴い、適時、隔室または反対側隔室との連通が可能である。

端面部材３Ａと対向するピストン４の端面４１Ａ、該端面と対向する端面部材３Ａの内端面（シリンダの内端面）３１Ａ、シリンダ本体２の内周面（シリンダの内周面）２１、及び回転軸６の外周面６１により２つの上記隔室ＣＡ１，ＣＡ２が形成される。隔室ＣＡ２は図示されていないが、中心軸Ｘに関して隔室ＣＡ１と対称的である。

ピストン４の端面４１Ａは、環状をなしており、中心軸Ｘの周りの周方向に沿って中心軸Ｘに沿った方向に高い２つの山部と低い２つの谷部とを有しており、これらの山部及び谷部は中心軸Ｘの周りの周方向に交互に配列されている。すなわち、端面４１Ａにおいて、２つの山部及び２つの谷部は、中心軸Ｘの周りで角度９０度ごとに山部−谷部−山部−谷部の順に配列されている。ここで、山部は幾分急峻に形成されており、谷部は幾分なだらかに形成されている。尚、端面４１Ａの形状は、中心軸Ｘまたは該中心軸Ｘ上の１点に向かう母線を持つ。

端面部材３Ａの内端面３１Ａは、ピストン４の端面４１Ａと対応する形状をなしている。すなわち、内端面３１Ａは、環状をなしており、中心軸Ｘの周りの周方向に沿って中心軸Ｘに沿った方向に高い２つの山部と低い２つの谷部とを有しており、これらの山部及び谷部は中心軸Ｘの周りの周方向に交互に配列されている。すなわち、内端面３１Ａにおいて、２つの山部及び２つの谷部は、中心軸Ｘの周りで角度９０度ごとに山部−谷部−山部−谷部の順に配列されている。ここで、山部は幾分なだらかに形成されており、谷部は幾分急峻に形成されている。尚、内端面３１Ａの形状は、中心軸Ｘまたは該中心軸Ｘ上の１点に向かう母線を持つ。

ピストン４の端面４１Ａの２つの山部と端面部材３Ａの内端面３１Ａとの当接により、中心軸Ｘの周りの周方向に関して、その２つの当接部（中心軸Ｘの周りで角度１８０度ずれた位置にある）により区画される２つの上記隔室ＣＡ１，ＣＡ２が形成される。

図１〜図４に示される状態では、ピストン４の端面４１Ａの２つの山部と端面部材３Ａの内端面３１Ａの２つの山部とが当接しており、ピストン４の端面４１Ａの谷部と端面部材３Ａの内端面３１Ａの谷部とが対向している。かくして、この状態では、ピストン４の端面４１Ａと端面部材３Ａの内端面３１Ａとは、中心軸Ｘの方向に最も離隔した配置とされ、隔室ＣＡ１，ＣＡ２の容積は最大である。

この配置から、中心軸Ｘの周りで回転軸６が９０度回転すると、ピストン４の端面４１Ａの２つの山部と端面部材３Ａの内端面３１Ａの２つの谷部とが当接し、ピストン４の端面４１Ａの２つの谷部と端面部材３Ａの内端面３１Ａの２つの山部とが当接するようになる。この状態では、ピストン４の端面４１Ａと端面部材３Ａの内端面３１Ａとは、中心軸Ｘの方向に最も近接した配置とされ、隔室ＣＡ１，ＣＡ２の容積は最小（実質上０とすることができるが、必ずしもこれに限定されない）である。

以上のように、ピストン４の端面４１Ａの形状及び端面部材３Ａの内端面３１Ａの形状は、隔室ＣＡ１，ＣＡ２の容積がピストン４の回転運動の際に最小値と最大値との間で変動するように、決められている。

以上、ピストン４の一方の端面４１Ａと端面部材３Ａの一方の内端面３１Ａとの関係につき説明したが、ピストン４の他方の端面（反対側端面）４１Ｂと他方の端面部材（反対側端面部材）３Ｂの内端面（反対側内端面）３１Ｂとについても同様な関係がある。

すなわち、反対側端面部材３Ｂと対向するピストン４の反対側端面４１Ｂ、該反対側端面と対向する反対側端面部材３Ｂの内端面（シリンダの反対側内端面）３１Ｂ、シリンダ本体２の内周面（シリンダの内周面）２１、及び回転軸６の外周面６１により中心軸Ｘに関して互いに対称的な２つの上記反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２が形成される。

ピストン４の反対側端面４１Ｂは、環状をなしており、中心軸Ｘの周りの周方向に沿って中心軸Ｘに沿った方向に高い２つの反対側山部と低い２つの反対側谷部とを有しており、これらの反対側山部及び反対側谷部は中心軸Ｘの周りの周方向に交互に配列されている。すなわち、反対側端面４１Ｂにおいて、２つの反対側山部及び２つの反対側谷部は、中心軸Ｘの周りで角度９０度ごとに反対側山部−反対側谷部−反対側山部−反対側谷部の順に配列されている。ここで、反対側山部は幾分なだらかに形成されており、反対側谷部は幾分急峻に形成されている。尚、反対側端面４１Ｂの形状は、中心軸Ｘまたは該中心軸Ｘ上の１点に向かう母線を持つ。

反対側端面部材３Ｂの反対側内端面３１Ｂは、ピストン４の反対側端面４１Ｂと対応する形状をなしている。すなわち、反対側内端面３１Ｂは、環状をなしており、中心軸Ｘの周りの周方向に沿って中心軸Ｘに沿った方向に高い２つの反対側山部と低い２つの反対側谷部とを有しており、これらの反対側山部及び反対側谷部は中心軸Ｘの周りの周方向に交互に配列されている。すなわち、反対側内端面３１Ｂにおいて、２つの反対側山部及び２つの反対側谷部は、中心軸Ｘの周りで角度９０度ごとに反対側山部−反対側谷部−反対側山部−反対側谷部の順に配列されている。ここで、反対側山部は幾分急峻に形成されており、反対側谷部は幾分なだらかに形成されている。尚、反対側内端面３１Ｂの形状は、中心軸Ｘまたは該中心軸Ｘ上の１点に向かう母線を持つ。

反対側端面部材３Ｂの反対側内端面３１Ｂの２つの反対側山部とピストン４の反対側端面４１Ｂとの当接により、中心軸Ｘの周りの周方向に関して、その２つの当接部（中心軸Ｘの周りで角度１８０度ずれた位置にある）により区画される２つの上記反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２が形成される。

図１〜図４に示される状態では、ピストン４の反対側端面４１Ｂの２つの反対側山部と反対側端面部材３Ｂの反対側内端面３１Ｂの２つの反対側谷部とが当接しており、ピストン４の反対側端面４１Ｂの反対側谷部と反対側端面部材３Ｂの反対側内端面３１Ｂの反対側山部とが当接している。この状態では、ピストン４の反対側端面４１Ｂと反対側端面部材３Ｂの反対側内端面３１Ｂとは、中心軸Ｘの方向に最も近接した配置とされ、上記反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積は最小（実質上０）である。

この配置から、中心軸Ｘの周りで回転軸６が９０度回転すると、ピストン４の反対側端面４１Ｂの２つの反対側山部と反対側端面部材３Ｂの反対側内端面３１Ｂの２つの反対側山部とが当接し、ピストン４の反対側端面４１Ｂの２つの反対側谷部と反対側端面部材３Ｂの反対側内端面３１Ｂの２つの反対側谷部とが対向するようになる。かくして、この状態では、ピストン４の反対側端面４１Ｂと反対側端面部材３Ｂの反対側内端面３１Ｂとは、中心軸Ｘの方向に最も離隔した配置とされ、反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積は最大となる。

以上のように、ピストン４の反対側端面４１Ｂの形状及び反対側端面部材３Ｂの反対側内端面３１Ｂの形状は、反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積がピストン４の回転運動の際に最小値と最大値との間で変動するように、決められている。

図示されているように、ピストン４において、端面４１Ａの山部と反対側端面４１Ｂの反対側谷部とが中心軸Ｘの周りの周方向に関して対応位置にあり、端面４１Ａの谷部と反対側端面４１Ｂの反対側山部とが中心軸Ｘの周りの周方向に関して対応位置にある。更に、端面部材３Ａ及び反対側端面部材３Ｂにおいて、内端面３１Ａの山部と反対側内端面３１Ｂの反対側山部とが中心軸Ｘの周りの周方向に関して対応位置にあり、内端面３１Ａの谷部と反対側内端面３１Ｂの反対側谷部とが中心軸Ｘの周りの周方向に関して対応位置にある。従って、上記のように、反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積は、ピストン４の回転運動の際に上記隔室ＣＡ１，ＣＡ２の容積とは逆のタイミングにて最小値と最大値との間で変動する。かくして、動作中の中心軸Ｘに沿った方向の端面部材３Ａの移動距離が低減される。

ピストン４の外周面には、端面４１Ａに連なる２つの切欠部４２Ａ１，４２Ａ２が形成されている。これらの切欠部４２Ａ１，４２Ａ２は、中心軸Ｘの方向に関してはピストン４の往復運動の際に吸入口９１，９３及び吐出口９２，９４との連通が可能なように、且つ中心軸Ｘの周りの周方向に関してはピストン４の回転運動の際に吸入口９１，９３及び吐出口９２，９４との選択的連通が可能なように形成されている。尚、切欠部４２Ａ１，４２Ａ２以外のピストン４の外周面部分であって中心軸Ｘの方向に関し切欠部４２Ａ１，４２Ａ２と同一の位置にある部分は、シリンダ２の内周面２１に液密に適合している。

また、ピストン４の外周面には、反対側端面４１Ｂに連なる２つの反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２が形成されている。これらの反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２は、中心軸Ｘの方向に関してはピストン４の往復運動の際に吸入口９１，９３及び吐出口９２，９４との連通が可能なように、且つ中心軸Ｘの周りの周方向に関してはピストン４の回転運動の際に吸入口９１，９３及び吐出口９２，９４との選択的連通が可能なように形成されている。尚、反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２以外のピストン４の外周面部分であって中心軸Ｘの方向に関し反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２と同一の位置にある部分は、シリンダ２の内周面２１に液密に適合している。

本実施形態においては、付勢手段を構成する圧縮コイルバネ３３の押圧力は、端面部材３Ａを中心軸Ｘの方向に沿ってピストン４の方へと付勢すると共に、端面部材３Ａを介してピストン４を中心軸Ｘの方向に沿って反対側端面部材３Ｂの方へと付勢する。従って、付勢手段は、ピストン４の反対側端面４１Ｂと反対側端面部材３Ｂの反対側内端面３１Ｂとを互いに近接させるように付勢力を発生させている。

本実施形態では、不図示の電動モータの出力軸から回転力の伝達を受けて、回転軸６が中心軸Ｘの周りで矢印Ｒの向きに回転する。これにより、回転軸６の貫通長孔６２に適合せるピン６３を介してピストン４へと回転力が伝達され、該ピストン４がシリンダ２内で中心軸Ｘの周りで矢印Ｒの向きに回転せしめられる。その際、ピストン４の端面４１Ａと端面部材３Ａの内端面３１Ａとの係合関係、及びピストン４の反対側端面４１Ｂと反対側端面部材３Ｂの反対側内端面３１Ｂとの係合関係に基づき、ピストン４及び端面部材３Ａはシリンダ２内で中心軸Ｘの方向の往復運動をする。この往復運動は、ピストン４が１回転するうちに２往復するようになされる。

シリンダ本体２が空間固定されているとし、中心軸Ｘの周りでのピストン４の空間固定回転角度をθとして、ピストン４の往復運動に基づく回転運動に伴う隔室ＣＡ１，ＣＡ２の容積Ｖの変化は、図５にＣＡで示されるようになる。すなわち、ピストン４の回転角度θが０度（図１〜図４に示される状態）から９０度まで変化する時に、上記のように隔室ＣＡ１，ＣＡ２の容積Ｖは最大値Ｖ２から最小値Ｖ１（実質上０）まで変化し、続いて、ピストン４の回転角度θが９０度から１８０度まで変化する時に、隔室ＣＡ１，ＣＡ２の容積Ｖは最小値Ｖ１から最大値Ｖ２まで変化する。同様に、ピストン４の回転角度θが１８０度から２７０度まで変化する時に、隔室ＣＡ１，ＣＡ２の容積Ｖは最大値Ｖ２から最小値Ｖ１（実質上０）まで変化し、続いて、ピストン４の回転角度θが２７０度から３６０度（＝０度）まで変化する時に、隔室ＣＡ１，ＣＡ２の容積Ｖは最小値Ｖ１から最大値Ｖ２まで変化する。以下、同様に繰り返す。尚、この隔室ＣＡ１，ＣＡ２の容積変化のパターンは、ピストン４の端面４１Ａの形状及びこれに対応する端面部材３Ａの内端面３１Ａの形状を変化させることで、適宜変更することができる。

図５には、ピストン４の往復運動及び回転運動に伴う切欠部４２Ａ１，４２Ａ２と吸入口９１，９３及び吐出口９２，９４との連通状態の変化も示されている。ピストン４の回転角度θが０度より僅かに大きいθ１から９０度より僅かに小さいθ２までの間は、切欠部４２Ａ１，４２Ａ２は吸入口９１，９３と連通し（ＣＡ吸入口連通ＯＮ）、吐出口９２，９４とは連通しない（ＣＡ吐出口連通ＯＦＦ）。ピストン４の回転角度θが９０度より僅かに大きいθ３から１８０度より僅かに小さいθ４までの間は、切欠部４２Ａ１，４２Ａ２は吐出口９２，９４と連通し（ＣＡ吐出口連通ＯＮ）、吸入口９１，９３とは連通しない（ＣＡ吸入口連通ＯＦＦ）。ピストン４の回転角度θが１８０度より僅かに大きいθ５から２７０度より僅かに小さいθ６までの間は、切欠部４２Ａ１，４２Ａ２は吸入口９１，９３と連通し（ＣＡ吸入口連通ＯＮ）、吐出口９２，９４とは連通しない（ＣＡ吐出口連通ＯＦＦ）。ピストン４の回転角度θが２７０度より僅かに大きいθ７から３６０度より僅かに小さいθ８までの間は、切欠部４２Ａ１，４２Ａ２は吐出口９２，９４と連通し（ＣＡ吐出口連通ＯＮ）、吸入口９１，９３とは連通しない（ＣＡ吸入口連通ＯＦＦ）。ピストン４の回転角度θが０度からθ１までの間、θ２からθ３までの間、θ４からθ５までの間、θ６からθ７までの間、及びθ８から３６０度までの間は、切欠部４２Ａ１，４２Ａ２は吸入口９１，９３及び吐出口９２，９４のいずれとも連通しない。これらの間では、ピストン４の往復運動の距離は小さく、隔室ＣＡ１，ＣＡ２の容積Ｖの変化は小さい。以下、同様に繰り返す。以上のＣＡ吸入口連通及びＣＡ吐出口連通は、切欠部４２Ａ１，４２Ａ２を介しての隔室ＣＡ１，ＣＡ２と吸入口９１，９３または吐出口９２，９４との連通をも意味する。

一方、ピストン４の往復運動に基づく回転運動に伴う反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積Ｖの変化は、図５にＣＢで示されるようになる。すなわち、ピストン４の回転角度θが０度（図１〜図４に示される状態）から９０度まで変化する時に、上記のように反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積Ｖは最小値Ｖ１（実質上０）から最大値Ｖ２まで変化し、続いて、ピストン４の回転角度θが９０度から１８０度まで変化する時に、反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積Ｖは最大値Ｖ２から最小値Ｖ１まで変化する。同様に、ピストン４の回転角度θが１８０度から２７０度まで変化する時に、反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積Ｖは最小値Ｖ１（実質上０）から最大値Ｖ２まで変化し、続いて、ピストン４の回転角度θが２７０度から３６０度（＝０度）まで変化する時に、反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積Ｖは最大値Ｖ２から最小値Ｖ１まで変化する。以下、同様に繰り返す。尚、この反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積変化のパターンは、ピストン４の反対側端面４１Ｂの形状及びこれに対応する反対側端面部材３Ｂの内端面３１Ｂの形状を変化させることで、適宜変更することができる。

図５には、ピストン４の往復運動及び回転運動に伴う反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２と吸入口９１，９３及び吐出口９２，９４との連通状態の変化も示されている。ピストン４の回転角度θが０度より僅かに大きいθ１から９０度より僅かに小さいθ２までの間は、反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２は吐出口９２，９４と連通し（ＣＢ吐出口連通ＯＮ）、吸入口９１，９３とは連通しない（ＣＢ吸入口連通ＯＦＦ）。ピストン４の回転角度θが９０度より僅かに大きいθ３から１８０度より僅かに小さいθ４までの間は、反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２は吸入口９１，９３と連通し（ＣＢ吸入口連通ＯＮ）、吐出口９２，９４とは連通しない（ＣＢ吐出口連通ＯＦＦ）。ピストン４の回転角度θが１８０度より僅かに大きいθ５から２７０度より僅かに小さいθ６までの間は、反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２は吐出口９２，９４と連通し（ＣＢ吐出口連通ＯＮ）、吸入口９１，９３とは連通しない（ＣＢ吸入口連通ＯＦＦ）。ピストン４の回転角度θが２７０度より僅かに大きいθ７から３６０度より僅かに小さいθ８までの間は、反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２は吸入口９１，９３と連通し（ＣＢ吸入口連通ＯＮ）、吐出口９２，９４とは連通しない（ＣＢ吐出口連通ＯＦＦ）。ピストン４の回転角度θが０度からθ１までの間、θ２からθ３までの間、θ４からθ５までの間、θ６からθ７までの間、及びθ８から３６０度までの間は、反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２は吸入口９１，９３及び吐出口９２，９４のいずれとも連通しない。これらの間では、ピストン４の往復運動の距離は小さく、反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積Ｖの変化は小さい。以下、同様に繰り返す。以上のＣＢ吸入口連通及びＣＢ吐出口連通は、反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２を介しての反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２と吸入口９１，９３または吐出口９２，９４との連通をも意味する。

かくして、ピストン４の回転角度θが０度から３６０度まで変化する（すなわちピストン４が１回転する）うちに、吸入口９１，９３から隔室ＣＡ１，ＣＡ２及び反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２内へと流体が吸入され、該流体が隔室ＣＡ１，ＣＡ２及び反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２から吐出口９２，９４へと吐出され、ポンプ作用がなされる。各隔室及び各反対側隔室のそれぞれにつき、ピストン４が１回転する間に、吸入及び吐出のサイクルが２回実行される。

以上の説明からわかるように、本実施形態では、隔室ＣＡ１，ＣＡ２につき吸入／吐出が行われる時に反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２においてそれぞれ吐出／吸入が行われるので、平均化された滑らかで連続的なポンプ作用が得られる。

尚、以上の実施形態で、接頭語「反対側」を付したのは便宜上のことであり、反対側であるものとそうでないものとで本質的機能において差異があることを意味するものではない。

本実施形態によれば、ピストン４の切欠部４２Ａ１，４２Ａ２及び反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２、並びに中心軸Ｘの方向に関しこれらの切欠部と同一の位置にあるピストン外周面部分（切欠部以外の外周面部分）がポンプ弁の機能を持つので、別途のポンプ弁は不用であり、しかも構造が簡単であり、小型化が可能である。本実施形態では、ピストン４の端面４１Ａと端面部材３Ａの内端面３１Ａとの係合、及びピストン４の反対側端面４１Ｂと反対側端面部材３Ｂの反対側内端面３１Ｂとの係合により、それぞれ一種のカム機構が構成され、このカム機構はピストン４の回転運動から当該ピストン４の往復運動を生ぜしめるのに利用されている。かくして、隔室ＣＡ１，ＣＡ２及び反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積変化は、ピストン４の回転運動とそれに基づく往復運動とにより実現するので、本実施形態のポンプは複合形式のポンプであるということができる。

以上の実施形態では流体吸入吐出装置が流体の吸入吐出に使用されるポンプであるが、本発明においては流体吸入吐出装置は圧縮性流体の吸入吐出に用いられるコンプレッサであってもよい。この場合には、装置を構成する要素として上記ポンプの場合と同様なものを使用することができるが、ポンプの場合とは異なり流体圧縮過程が必要であるので、ピストン４の端面４１Ａ及び端面部材３Ａの内端面３１Ａの形状、ピストン４の反対側端面４１Ｂ及び反対側端面部材３Ｂの反対側内端面３１Ｂの形状、ピストン４の切欠部４２Ａ１，４２Ａ２及び反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２の中心軸Ｘの周りの周方向のそれぞれの角度範囲及び互いの位置関係、並びに、吸入口９１，９３及び吐出口９２，９４の中心軸Ｘの周りの周方向の位置をポンプの場合と異なるものにする。以下、コンプレッサに関しても、上記ポンプに関する実施形態と同一の符号を用いて説明する。

図６に、コンプレッサの場合における、上記図５と同様なピストン４の往復運動に基づく回転運動に伴う反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積Ｖの変化ＣＢ並びに反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２と吸入口９１，９３及び吐出口９２，９４との連通状態の変化の一例が示されている。反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２の中心軸Ｘの周りの周方向の角度範囲を、ピストン４がその回転運動の向きに中心軸Ｘの周りで回転する際に上記ポンプの場合より十分に小さい角度範囲内で吸入口９１，９３及び吐出口９２，９４と選択的に連通するように、形成する。すなわち、角度範囲［θ２−θ１］、［θ４−θ３］、［θ６−θ５］及び［θ８−θ７］は、ポンプの場合より十分に小さい。

また、ピストン４の反対側端面４１Ｂ及び反対側端面部材３Ｂの反対側内端面３１Ｂの形状は、反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積Ｖの減少過程が反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積Ｖの増加過程より中心軸Ｘの周りで大きな角度範囲に亘って存在するように、形成されている。すなわち、角度範囲０〜１８０度において、反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積増加過程の角度範囲は［θ２−θ１］より僅かに大きな値であり、反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積減少過程の角度範囲は［θ４−θ３］より十分に大きい値である。角度範囲１８０〜３６０度においても同様である。

また、ピストン４の切欠部４２Ａ１，４２Ａ２及び反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２の中心軸Ｘの周りの周方向の互いの位置関係、並びに、吸入口９１，９３及び吐出口９２，９４の中心軸Ｘの周りの周方向の位置を、上記ポンプの場合とは異なり、容積増加過程の大半において反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２が反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２を介して吸入口９１，９３と連通し、且つ、容積減少過程の最終段階においてのみ反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２が反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２を介して吐出口９２，９４と連通するように、する。

尚、ピストン４の反対側端面４１Ｂ及び反対側端面部材３Ｂの反対側内端面３１Ｂの形状は、適宜変更することができる。

ピストン４の往復運動に基づく回転運動に伴う隔室ＣＡ１，ＣＡ２の容積Ｖの変化並びに切欠部４２Ａ１，４２Ａ２と吸入口９１，９３及び吐出口９２，９４との連通状態の変化については、反対側隔室ＣＢ１，ＣＢ２の容積Ｖの変化並びに反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２と吸入口９１，９３及び吐出口９２，９４との連通状態の変化と適宜の角度たとえば９０度ずれることを除いて同様である。

本実施形態のコンプレッサの動作及び作用効果は、流体圧縮過程があることから、ピストン４の端面４１Ａ及び端面部材３Ａの内端面３１Ａの形状、ピストン４の反対側端面４１Ｂ及び反対側端面部材３Ｂの反対側内端面３１Ｂの形状、ピストン４の切欠部４２Ａ１，４２Ａ２及び反対側切欠部４２Ｂ１，４２Ｂ２の中心軸Ｘの周りの周方向のそれぞれの角度範囲及び互いの位置関係、並びに、吸入口９１，９３及び吐出口９２，９４の中心軸Ｘの周りの周方向の位置を上記のようにしていることを除いて、本質的には上記図１〜図５に関しポンプについて説明した実施形態のものと同一である。

本発明によるポンプの一実施形態を示す模式的分解斜視図である。 図１のポンプの組立て状態を示す模式的斜視図である。 図１のポンプの正面断面図である。 図１のポンプの側面断面図である。 図１のポンプの動作説明図である。 本発明によるコンプレッサの動作説明図である。

符号の説明

２ シリンダ本体
２１ 内周面
３Ａ 端面部材
３１Ａ 内端面
３Ｂ 反対側端面部材
３１Ｂ 反対側内端面
３２ ガイドピン
３３ 圧縮コイルバネ
３４ ガイド穴
４ ピストン
４１Ａ 端面
４２Ａ１，４２Ａ２ 切欠部
４１Ｂ 反対側端面
４２Ｂ１，４２Ｂ２ 反対側切欠部
６ 回転軸
６１ 外周面
６２ 貫通長孔
６３ ピン
７Ａ，７Ｂ ケーシング部材
８１，８２，８３ ベアリング
９１，９３ 吸入口
９２，９４ 吐出口
Ｘ 中心軸
ＣＡ１ 隔室
ＣＢ１，ＣＢ２ 反対側隔室

Claims (7)

1. 中心軸に関し回転対称性を有する内周面をもつシリンダ；
   該シリンダ内にて前記中心軸の方向の往復運動及び該中心軸の周りでの回転運動の双方が可能なように配置されたピストン；
   該ピストンの往復運動を許容しつつ前記ピストンの回転運動を駆動する回転駆動手段；
   前記ピストンの端面と前記シリンダの内周面及び内端面とを含む面により形成される隔室にそれぞれ連通可能に前記シリンダに形成された吸入口及び吐出口；及び、
   前記ピストンの端面と前記シリンダの内端面とを互いに近接させるような付勢力を発生させる付勢手段、を備えており、
   前記ピストンの端面の形状及び前記シリンダの内端面の形状は、前記隔室の容積が前記ピストンの回転運動の際に最小値と最大値との間で変動するように、決められており、
   前記ピストンの外周面には前記端面に連なる切欠部が形成されており、該切欠部は、前記中心軸の方向に関しては前記ピストンの往復運動の際に前記吸入口及び吐出口との連通が可能なように、且つ前記中心軸の周りの周方向に関しては前記ピストンの回転運動の際に前記吸入口及び吐出口との選択的連通が可能なように形成されていることを特徴とする流体吸入吐出装置。
2. 前記ピストンの前記端面とは反対側の反対側端面と前記シリンダの内周面及び前記内端面とは反対側の反対側内端面とを含む面により反対側隔室が形成され、該反対側隔室にそれぞれ連通可能に前記吸入口及び吐出口が形成されており、
   前記ピストンの反対側端面の形状及び前記シリンダの反対側内端面の形状は、前記反対側隔室の容積が前記ピストンの回転運動の際に最小値と最大値との間で変動するように、決められており、
   前記付勢手段は、前記ピストンの反対側端面と前記シリンダの反対側内端面とをも互いに近接させるように前記付勢力を発生させ、
   前記ピストンの外周面には前記反対側端面に連なる反対側切欠部が形成されており、該反対側切欠部は、前記中心軸の方向に関しては前記ピストンの往復運動の際に前記吸入口及び吐出口との連通が可能なように、且つ前記中心軸の周りの周方向に関しては前記ピストンの回転運動の際に前記吸入口及び吐出口との選択的連通が可能なように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の流体吸入吐出装置。
3. 前記ピストンは前記回転駆動手段を構成する回転軸の周囲に該回転軸と同軸にて配置された筒状体からなり、
   前記端面は環状をなしており前記中心軸の周りの周方向に沿って前記中心軸の方向に高い山部と低い谷部とを有しており、これらの山部及び谷部は前記中心軸の周りの周方向に交互に配列されており、
   前記反対側端面は環状をなしており前記中心軸の周りの周方向に沿って前記中心軸の方向に高い反対側山部と低い反対側谷部とを有しており、これらの反対側山部及び反対側谷部は前記中心軸の周りの周方向に交互に配列されており、
   前記端面の山部と前記反対側端面の反対側谷部とが前記周方向に関して対応するように配置され、前記端面の谷部と前記反対側端面の反対側山部とが前記周方向に関して対応するように配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の流体吸入吐出装置。
4. 前記端面の山部及び谷部がいずれも２つ設けられており、前記反対側端面の反対側山部及び反対側谷部がいずれも２つ設けられており、前記吸入口及び吐出口がいずれも２つ設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の流体吸入吐出装置。
5. 前記反対側隔室の容積は、前記ピストンの回転運動の際に前記隔室の容積とは逆のタイミングにて最小値と最大値との間で変動することを特徴とする、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の流体吸入吐出装置。
6. 前記流体吸入吐出装置はポンプであり、前記ピストンの回転運動の際に前記隔室の容積が最大値から次第に減少して最小値に至る前記中心軸の周りでの前記ピストンの回転角度範囲は、前記ピストンの回転運動の際に前記隔室の容積が最小値から次第に増加して最大値に至る前記中心軸の周りでの前記ピストンの回転角度範囲と同等であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の流体吸入吐出装置。
7. 前記流体吸入吐出装置はコンプレッサであり、前記ピストンの回転運動の際に前記隔室の容積が最大値から次第に減少して最小値に至る前記中心軸の周りでの前記ピストンの回転角度範囲は、前記ピストンの回転運動の際に前記隔室の容積が最小値から次第に増加して最大値に至る前記中心軸の周りでの前記ピストンの回転角度範囲より大きいことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の流体吸入吐出装置。

Images