JP2011202519A - Rotary cylinder device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シャフトの回転動作とシリンダ内のピストンの往復動作を相互に変換可能なロータリ式シリンダ装置、より具体的には内燃機関、圧縮機、真空ポンプ、流体回転機など様々な装置に適用可能なロータリ式シリンダ装置に関する。 The present invention is applicable to various types of devices such as a rotary cylinder device that can mutually convert the rotational motion of the shaft and the reciprocating motion of the piston in the cylinder, more specifically, an internal combustion engine, a compressor, a vacuum pump, a fluid rotary machine, and the like. The present invention relates to a possible rotary cylinder device.
例えば、酸素濃縮装置には圧縮機としてコンプレッサが用いられている。コンプレッサを構成するモータの駆動を制御して原料空気から90%以上に酸素を濃縮して、鼻カニューレから患者に濃縮酸素を供給することで、慢性気管支炎等の呼吸器疾患の患者の治療に用いられている(特許文献1)。 For example, a compressor is used as a compressor in the oxygen concentrator. By controlling the drive of the motor that composes the compressor to concentrate oxygen to 90% or more from the raw air, and supplying the patient with concentrated oxygen from the nasal cannula, it is used to treat patients with respiratory diseases such as chronic bronchitis. (Patent Document 1).
上記酸素濃縮装置に用いられるコンプレッサは、主にモータ駆動によりピストンを揺動させる揺動タイプのポンプが用いられている。例えば、図13において揺動ピストンを用いた圧縮機の吸排気構造を示す。シャフト401に図示しないクランクアームを介して連繋するクランク軸402にピストン組403が所定の偏芯量を設けて連繋している。ピストン組403の先端側に設けられたピストンヘッド部403aには環状のシールカップ404がシールカップ押さえ405によって一体に組み付けられている。ピストンヘッド部403aは、シリンダ406内に挿入されている。シリンダ406の開口端には第1シリンダヘッド407及び第2シリンダヘッド408が組み付けられている。
As a compressor used in the oxygen concentrator, a swing type pump that swings a piston mainly by driving a motor is used. For example, FIG. 13 shows an intake / exhaust structure of a compressor using a swing piston. A
第1シリンダヘッド407はピストンヘッド部403aとの間で閉止されたシリンダ室409が形成され、第1シリンダヘッド407と第2シリンダヘッド408との間には吸気室410aと排気室410bが各々形成されている。第1シリンダヘッド407には、吸気室410aをシリンダ室409に対して開閉する接続する吸気バルブ(吸気弁)407aと排気室410bをシリンダ室409に対して開閉する排気バルブ(排気弁)407bが設けられている。また第2シリンダヘッド408には、吸気室410aに吸気する吸気口408aと排気室410bより排気する排気口408bが各々設けられている。上記吸気バルブ407a,排気バルブ407bは、第1シリンダヘッド407の反対面に各々設けられており、例えば板ばね等により常時第1シリンダヘッド407を閉止するように付勢されている。
A
駆動源を作動させて、シャフト401を回転させると、クランク軸402が回転し、該クランク軸402に連繋するピストン組403が揺動しながら往復運動する。図14(a)〜(e)はピストン組403が上死点(a)から吸気室410a,シリンダ室409へ吸気を行なって下死点へ移動して吸気が終了し、シリンダ室409を圧縮して排気室410bを介して排気口408bへ排気させ、ピストン組403が上死点に到達して排気が終了する工程を示す説明図である。
When the
上述した第1シリンダヘッド407と第2シリンダヘッド408との間に吸気室410aと排気室410bが分かれて形成されているため、第1シリンダヘッド407には吸気バルブ407aと排気バルブ407bが設けられている。このため、揺動式のピストン組403の往復運動に伴う揺動による振動のほかに、流路が絞られたバルブを通過する際の流体音、バルブ開閉による衝撃音や振動音などが吸気側と排気側とで各々発生する。このため、騒音の発生原因が増えることになり、防振対策や防音対策を強化しなければならず、装置構造が複雑で大がかりになってしまう。
また、ピストン組403が往復運動と共に揺動するため、ピストン本体が直線運動をする範囲が短いため、シリンダ径を大きくするか、ピストン本体の長さを長くしないと十分な流体の流量を確保することが難しくなり、装置が大型化し易い。
Since the
In addition, since the
本発明の目的は、シャフトを中心に回転する第1クランク軸に偏芯して連繋するピストン複合体に組み付けられて直線往復運動するピストン組の回転にともなう振動を低減すると共に、吸排気する際の騒音を低減して静音化を促進したロータリ式シリンダ装置を提供することにある。 An object of the present invention is to reduce vibrations associated with rotation of a piston assembly that is assembled in a piston complex that is eccentrically connected to a first crankshaft that rotates about a shaft, and to perform intake and exhaust of the piston assembly that reciprocates linearly. An object of the present invention is to provide a rotary cylinder device that reduces noise and promotes quietness.
上記目的を達成するため本発明は次の構成を有する。
シリンダ内を往復運動するピストンとシャフトの回転運動を相互に変換可能なロータリ式シリンダ装置であって、前記シャフトの軸芯に対して偏芯して組み付けられ、当該シャフトを中心に半径rの第1仮想クランクアームを介して回転可能に組み付けられた第1クランク軸と、前記第1クランク軸に同芯状に嵌め込まれた第1筒体と該第1筒体の軸芯に対して偏芯した複数の第2仮想クランク軸を軸芯とする第2筒体が連続して形成された偏芯筒体を備え、前記第2筒体に複数のピストン組が互いに交差したまま前記第1クランク軸を中心に半径rの第2仮想クランクアームを介して回転可能に嵌め込まれたピストン複合体と、前記ピストン複合体が嵌め込まれた前記第1クランク軸の両端部に各々組み付けられ、前記シャフトを中心に回転する回転部品間の回転バランスをとる第1,第2バランスウェイトと、前記シャフトを回転可能に軸支し、当該シャフトを中心に回転する前記第1クランク軸及び前記第1,第2バランスウェイト、前記第1クランク軸を中心に回転する前記ピストン複合体を回転可能に収容する本体ケースと、前記本体ケースに組み付けられ、ピストンヘッド部が摺動可能に挿入され当該シリンダの摺動面に吸気口が形成されたシリンダと、前記シリンダ内に挿入されたピストンヘッド部に対向してシリンダ開口部を閉止するように組み付けられてシリンダ室を形成する吐出バルブのみが形成されたシリンダヘッドと、を具備し、前記シャフトを中心に前記第1クランク軸が回転し、当該第1クランク軸を中心に前記ピストン複合体が回転することで、前記複数のピストン組が前記シャフトを中心とする前記第2仮想クランク軸の半径2rの転がり円の径方向に沿った直線往復運動を行なう際に、各ピストン組の両端側に形成される一方のシリンダ室へ前記吸気口から吸気動作が行なわれ他方のシリンダ室から前記吐出バルブを経て排気動作が交互に行なわれることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration.
A rotary cylinder device capable of mutually converting rotational movements of a piston and a shaft that reciprocate in a cylinder, and is assembled eccentrically with respect to the shaft center of the shaft, and has a radius r around the shaft. A first crankshaft rotatably assembled via a virtual crank arm, a first cylinder fitted concentrically to the first crankshaft, and an eccentricity with respect to the axis of the first cylinder The first cylinder is provided with an eccentric cylindrical body in which a second cylindrical body having a plurality of second virtual crankshafts as axial centers is continuously formed, and a plurality of piston sets intersect with each other in the second cylindrical body. A piston complex rotatably fitted through a second virtual crank arm having a radius r around the shaft, and both ends of the first crankshaft into which the piston complex is fitted; Times in the center First and second balance weights that balance the rotation between rotating parts, and the first crankshaft and the first and second balance weights that support the shaft rotatably and rotate around the shaft, A main body case that rotatably accommodates the piston complex that rotates about the first crankshaft, and a piston head portion that is slidably inserted into the main body case, and an intake port on a sliding surface of the cylinder And a cylinder head that is assembled so as to close the cylinder opening so as to face the piston head portion inserted into the cylinder and has only a discharge valve that forms a cylinder chamber. The first crankshaft rotates about the shaft, and the piston complex rotates about the first crankshaft. One cylinder formed at both ends of each piston set when a plurality of piston sets perform linear reciprocating motion along the radial direction of the rolling circle of radius 2r of the second virtual crankshaft centered on the shaft An intake operation is performed to the chamber from the intake port, and an exhaust operation is alternately performed from the other cylinder chamber through the discharge valve.
ここで、第1仮想クランクアームとは、シャフトと第1クランク軸の軸芯間を連結する部位を言い、部品単体でクランクアームが存在しなくても構造上クランクアームの存在が認められるものを言う。また、第2仮想クランクアームとは、第1クランク軸と第2仮想クランク軸の軸芯間を連結する部位をいい、クランクアームが省略されていても機構上クランクアームの存在が認められるものを言う。また、第2仮想クランク軸とは、機構上のクランク軸が存在しなくとも回転中心となる軸芯の存在が仮想上認められるクランク軸を言う。また、ピストン組とは、ピストン単体のピストンヘッド部にシールカップ及びシールカップ押さえ部材やピストンリングなどのシール材が一体に組み付けられたものを言う。 Here, the first virtual crank arm is a portion that connects between the shaft and the axis of the first crankshaft, and a component that can be recognized as having a crank arm even if the crank arm does not exist as a single component. To tell. The second virtual crank arm is a portion that connects the shaft centers of the first crank shaft and the second virtual crank shaft, and the existence of the crank arm on the mechanism is recognized even if the crank arm is omitted. To tell. The second virtual crankshaft is a crankshaft in which the existence of an axis serving as the center of rotation is virtually recognized even if no crankshaft is present on the mechanism. Further, the piston assembly means that a seal member such as a seal cup, a seal cup pressing member, and a piston ring is integrally assembled to a piston head portion of a single piston.
また、前記吸気口に接続する貫通孔若しくは溝孔が、前記シリンダのピストンヘッド部が摺動する摺動面に形成されていることを特徴とする。 Further, a through hole or a groove hole connected to the intake port is formed on a sliding surface on which a piston head portion of the cylinder slides.
また、前記貫通孔若しくは溝孔の摺動面に臨むエッジ部には、R面、面取り部、テーパー面のいずれかを含む逃げ部が形成されていることを特徴とする。 Further, the edge portion facing the sliding surface of the through hole or the groove hole is formed with a relief portion including any of an R surface, a chamfered portion, and a tapered surface.
本発明に係るロータリ式シリンダ装置を用いれば、複数のピストン組がシャフトを中心とする第2仮想クランク軸の半径2rの転がり円の径方向に沿った直線往復運動を行なう際に各ピストン組の往復運動による振動を抑えて静音化することができるうえに、シリンダヘッドに吸気バルブを省略することで、吸気バルブを通過する際の流体音、バルブ開閉による衝撃音や振動音などが低減するので静音化を促進することができる。また、通常シリンダヘッドに設けられる吸気バルブを省略できるので部品点数が減るうえにシリンダヘッドの形状も簡易に形成することができる。 When the rotary cylinder device according to the present invention is used, when the plurality of piston sets perform linear reciprocating motion along the radial direction of the rolling circle having the radius 2r of the second virtual crankshaft centered on the shaft, The vibration due to reciprocating motion can be suppressed and noise can be reduced, and by omitting the intake valve from the cylinder head, fluid noise when passing through the intake valve, impact sound and vibration noise due to opening and closing of the valve are reduced. Silencing can be promoted. Further, since the intake valve normally provided in the cylinder head can be omitted, the number of parts can be reduced and the shape of the cylinder head can be easily formed.
また、吸気口に接続する貫通孔若しくは溝孔が、シリンダのピストンヘッド部が摺動する摺動面に形成されていると、部品点数が減り、ピストンヘッド部の往復運動により簡易な構造で吸気バルブを形成することができる。
尚、シリンダ胴部に貫通孔や溝孔を設けても、ピストン組のストロークがシャフトに対する第1クランク軸の偏芯量rの4倍のストローク(4r)を実現できるので、シリンダ径を必要以上に大きくしなくても十分な吸排気動作を行なうことができる。
Also, if the through hole or groove hole connected to the intake port is formed in the sliding surface on which the piston head part of the cylinder slides, the number of parts is reduced, and the intake and intake air can be made with a simple structure by the reciprocating motion of the piston head part. A valve can be formed.
Even if a through hole or a slot is provided in the cylinder body, the stroke of the piston assembly can achieve a stroke (4r) that is four times the eccentric amount r of the first crankshaft with respect to the shaft. A sufficient intake / exhaust operation can be performed without increasing the size.
また、貫通孔若しくは溝孔のピストンヘッド部が摺動する摺動面に臨むエッジ部にはR面、面取り部、テーパー面のいずれかを含む逃げ部が形成されていると、シリンダ胴部の摺動面を摺動するピストンヘッド部に設けられたシールカップの噛み込みや破損を防ぐことができる。 Further, when an escape portion including any one of an R surface, a chamfered portion, and a tapered surface is formed on the edge portion facing the sliding surface on which the piston head portion of the through hole or the groove hole slides, It is possible to prevent biting or breakage of the seal cup provided on the piston head portion that slides on the sliding surface.
発明を実施するための一実施形態について添付図面に基づいて詳細に説明する。
ロータリ式シリンダ装置について図1乃至図4を参照して説明する。ロータリ式シリンダ装置は、シャフト(駆動軸)304の回転運動が第1,第2ピストン組301,302の直線往復運動に変換されて出力される。
An embodiment for carrying out the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
A rotary cylinder device will be described with reference to FIGS. In the rotary cylinder device, the rotary motion of the shaft (drive shaft) 304 is converted into the linear reciprocating motion of the first and second piston sets 301 and 302 and output.
図1において、第1本体ケース305と第2本体ケース306とで構成される本体ケース307にシャフト304(駆動軸)が回転可能に軸支されている。シャフト304は、図示しない電動モータの出力軸に連繋して組み付けられる。第1本体ケース305と第2本体ケース306とは、ボルト307aにより四隅をねじ嵌合させて一体に組み付けられている。
In FIG. 1, a shaft 304 (drive shaft) is rotatably supported by a
この本体ケース307内には、図2に示すように、第1クランク軸308を中心に回転可能な偏芯筒体303と該偏芯筒体303に組み付けられた第1ピストン組301及び第2ピストン組302(以下、これらを「ピストン複合体P」という)が回転可能に収容されている。以下、具体的に説明する。
In the
図2において、第1クランク軸308は、シャフト304の軸芯に対して偏芯して連結される。本実施形態では、シャフト304は、第1バランスウェイト309と一体に形成されている。尚、第2バランスウェイト310側にもシャフトが形成されていてもよい。第1,第2バランスウェイト309,310は第1クランク軸308の両軸端部に各々嵌め込まれて一体に組み付けられている。
In FIG. 2, the
図3において、第1クランク軸308の両軸端部には軸方向にスリット308aが各々形成されている。各スリット308aの一部には、ピン孔308bが設けられている。ピン孔308bの孔径は、スリット308aの幅より大きく形成されている。
In FIG. 3, slits 308 a are formed in the axial direction at both shaft ends of the
図2において、第1,第2バランスウェイト309,310が第1クランク軸308の両端部にボルト312a,312bにより一体に組み付けられている。第1バランスウェイト309に一体形成されたシャフト304は第1軸受313aにより回転可能に軸支されており、第2バランスウェイト310に形成された軸部310cは第2軸受313bにより回転可能に軸支されている。第1,第2バランスウェイト309,310は、例えば扇型などのブロック形状をしており、シャフト304を中心に回転可能に組み付けられている。第1,第2バランスウェイト309,310は、第1クランク軸308及びピストン複合体Pを含むシャフト304を中心とした回転運動の質量バランスをとり、特に第1,第2ピストン組301,302の直線往復運動により発生する偏重心の影響を少なくするために設けられている。
In FIG. 2, first and
また、図2に示す偏芯筒体303は、第1クランク軸308の軸芯に対して偏芯した複数の第2仮想クランク軸314a,314b(図4(a)参照)を有する。本実施形態では、交差するピストンが2本であるため、第2仮想クランク軸314a,314bは第1クランク軸308を中心として180度位相がずれた位置に設けられている。
2 includes a plurality of second
図2に示すように、第1,第2ピストン301,302が互いに交差して第1クランク軸308を中心に回転する偏芯筒体303に組み付けられている。具体的には、偏芯筒体303は、回転中心となる第1クランク軸308が挿通する第1筒体303aと、該第1筒体303aに連続して第2筒体303bが軸芯方向両側に各々連続して形成されている。第1筒体303aには第1クランク軸308が同芯状に嵌め込まれており、偏芯筒体303の回転中心となっている。また、第2筒体6bの軸芯は、第1クランク軸5の軸芯に対して偏芯した第2仮想クランク軸314a,314bと一致するようになっている(図4(a)参照)。軸方向両側に設けられた第2筒体303bには、外側軸受316a,316bを介して第1,第2ピストン組301,302が回転可能に嵌め込まれている。
As shown in FIG. 2, the first and
また、図2に示すように、第2筒体303bの内周側には、内側軸受315a,315bが保持されており、外周側には外側軸受316a,316bが各々保持されている。内側軸受315a,315bは第1クランク軸308を回転可能に支持している。また、外側軸受316a,316bは、第1,第2ピストン組301,302が第2筒体303bに軸直角方向に互いに交差して回転可能に嵌め込まれている。
Further, as shown in FIG. 2,
このように、第1,第2ピストン組301,302が、偏芯円筒303の第2筒体303bにピストンどうしが交差(直交)して重なり合うように組み付けられているので、第1,第2ピストンヘッド部301c,302cどうしが同一平面上で往復動可能に組み付けられている。よって、ピストン複合体P(図2参照)を高さ方向及び径方向にコンパクトに組み付けることができ、省スペースで小型軽量化を図ることができる。
As described above, the first and
また、図3に示すように、第1,第2ピストン組301,302の長手方向両端部に設けられる第1ピストンヘッド部301c、第2ピストンヘッド部302cには、リング状のシールカップ317a,317b、シールカップ押さえ部材318a,318bが各々ボルト319により組み付けられる。シールカップ317a,317bは、オイルフリーのシール材(例えばPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂材等)が用いられる。シールカップ317a,317bの外周縁部にはピストン摺動方向に起立部317cが起立形成されている。コンプレッサや流体回転機などにおいては、起立部317cは第1,第2ピストンヘッド部301c,302cの摺動方向外側に向けて組み付けられる。
Further, as shown in FIG. 3, the first
また、図2において、本体ケース307(第1本体ケース305及び第2本体ケース306)の側面部(4面)に設けられた開口には、シリンダ321がボルト322により組み付けられている。第1,第2ピストン組301,302は、シールカップ317a,317b(図3参照)によって、シリンダ321の内壁面とのシール性を保ちながら摺動するようになっている。
In FIG. 2, a
シリンダ321は、本体ケース307の開口にシリンダ胴部321cを挿入してフランジ部321bを側面部に重ね合わせ、ボルト322を、貫通孔及びボルト孔と嵌合することにより本体ケース307に一体に組み付けられる(図1参照)。
The
また、図1においてフランジ部321bには、複数箇所にボルト孔321eが設けられている。これは、後述するように、シリンダ321に重ね合わせて後述する第1,第2シリンダヘッド340,341を組み付ける際に、ボルト嵌合用のボルト孔が必要になるためである。
In FIG. 1, the
図3において、ロータリ式シリンダ装置の組立構成の一例を示す。
偏芯筒体303の第2筒体303bに内側軸受315a,315bを組み付ける。また、偏芯筒体303の内側軸受315a,315b、第1円筒体303aの中心孔に第1クランク軸308を嵌め込む(図6参照)。また、第1,第2ピストン301,302の第1、第2ピストンヘッド部301c,302cに、シールカップ317a,317b及びシールカップ押さえ部材318a,318bをボルト319にて一体に組み付ける。更に、第1,第2ピストン301,302の軸受保持部,に外側軸受316a,316bが嵌まり込むように組み付ける。そして、上記第1,第2ピストン301,302を第2円筒部303bに外側軸受316a,316bを介して交差するように嵌め込む。
FIG. 3 shows an example of the assembly configuration of the rotary cylinder device.
The
また、第1クランク軸308の両端部に第1,第2バランスウェイト309,310を嵌め込んで、ピン311a,311bをピン孔308bに嵌め込み、ボルト312a,312bを締付けて第1,第2バランスウェイト309,310を第1クランク軸308の端部に一体に組み付ける。また、第1本体ケース305の軸受保持部305aに第1軸受313a、第2本体ケース302の軸受保持部302aに第2軸受313bを嵌め込む。そして、第1軸受313aにシャフト304を嵌め込み、第2軸受313bに第2バランスウェイト310の軸部310cを嵌め込むようにして、第1本体ケース305と第2本体ケース306を組み合わせる。これにより、偏芯筒体303とこれに交差して組み付けられた第1,第2ピストン301,302(ピストン複合体P)を本体ケース307(図1参照)内に収容する。そして、ボルト孔305cとボルト孔306cを位置合わせして重ね合わせた状態で、ボルト307aを嵌め込んで本体ケース307が組み立てられる。最後に、本体ケース307の側面(4面)に形成される開口にシリンダ321を嵌め込んで、第1ピストンヘッド部301c,第2ピストンヘッド部302cがシリンダ321の開口部321a内に各々摺動可能に嵌め込まれる(図1参照)。
Also, the first and
図5において、4面に設けられたシリンダ321の端面(フランジ部321b)には、第1シリンダヘッド340と第2シリンダヘッド341とがシリンダ開口部を閉止するように重ねて組み付けられ、ロータリ式シリンダ装置が組み立てられる。第1ピストン組301の一方の第1ピストンヘッド部301cが挿入されるシリンダ321と、該シリンダ321の端面(フランジ部321b)に第1シリンダヘッド340と第2シリンダヘッド341が組み付けられた構造を図6に模式的に示す。
In FIG. 5, the
図6において、第1シリンダヘッド340と第1ピストンヘッド部301cとの間にはシリンダ室342が各々形成されている。また、第1シリンダヘッド340には吐出バルブ340aのみが形成されている。第1シリンダヘッド340と第2シリンダヘッド341との間には排気室343が各々形成される。また、第2シリンダヘッド341には、吐出口341aが形成されている。また、第1ピストンヘッド部301cが摺動可能に挿入されるシリンダ胴部321cには摺動面321hの一部に吸気口321fが複数個所に各々形成されている。吸気口321fは、第1ピストン組301が上死点と下死点との間を往復動する範囲内に形成され、第1ピストン組301が下死点にあるときシリンダ室342と連通するようになっている。
In FIG. 6, a
シリンダ321の形態について具体的に説明すると、図7(a)〜(c)において、吸気口321fは、シリンダ胴部321cに形成された貫通孔321gに連通している。貫通孔321gは周方向に等間隔で複数箇所(例えば4か所)に設けられている。貫通孔321gの摺動面321hに臨むエッジ部には、R面,テーパー面,面取り部のうちいずれかを含む逃げ部が形成されているのが好ましい(図7(c)参照)。尚、貫通孔321gに連通している吸気口321fは、シリンダ胴部321cに1箇所だけ形成されていてもよい。
The form of the
また、図8にはロータリ式シリンダ装置の他例を示す。シリンダ装置の概略構成は図5と同様であるが、図8に示すシリンダ装置はシリンダ321には、摺動面321hに貫通孔321gに替えて溝孔321iが軸方向に沿って形成されている。
FIG. 8 shows another example of the rotary cylinder device. Although the schematic configuration of the cylinder device is the same as that of FIG. 5, the cylinder device shown in FIG. 8 has a
シリンダ321の形態について具体的に説明すると、図9(a)〜(c)において、吸気口321fは、シリンダ胴部321cに形成された溝孔(角孔)321iに連通している。溝孔321iは周方向に等間隔で複数箇所(例えば4か所)に設けられている。溝孔321iの摺動面321hに臨むエッジ部には、R面,テーパー面,面取り部のうちいずれかを含む逃げ部が形成されているのが好ましい(図9(c)参照)。尚、溝孔321iに連通している吸気口321fは、シリンダ胴部321cに1箇所だけ形成されていてもよい。
The form of the
また、溝孔の他の形態として図10(a)〜(c)に示すように、摺動面321hよりシリンダ端部に向かって溝深さが漸進深くなるようにテーパー溝321jが形成されていても良い。
このようにシリンダヘッド321の摺動面321hに臨むエッジ部の形状がなだらかであると、第1,第2ピストンヘッド部301c,302cに設けられるシールカップ317a,317b(図3参照)の噛み込みや破損を防ぐことができる。
As another form of the groove hole, as shown in FIGS. 10A to 10C, a
When the shape of the edge portion facing the sliding
上述のように組み立てられたロータリ式シリンダ装置は、第1,第2ピストン組301,302の外側軸受316a,316b(第2仮想クランク軸314a,314b)周りの回転バランス(第1のバランス)、ピストン複合体Pの第1クランク軸308周りの回転バランス(第2のバランス)、シャフト304周りの構成部品の回転バランス(第3のバランス)が、バランスウェイト309,310により調整されて組み立てられている。
これにより、シャフト304を中心として第1クランク軸308、第1クランク軸308を中心として偏芯筒体303が回転し、第1,第2ピストン組301,302の直線往復運動によるピストン複合体Pに偏重心が発生しても、回転による振動を抑えて静音化を図ることができ、しかも機械的損失を低減してエネルギー変換効率を高めることができる。
The rotary cylinder device assembled as described above has a rotational balance (first balance) around the
As a result, the
ここで、シャフト304を中心とする第1クランク軸308、第2仮想クランク軸314a,314bの回転運動と複数のピストン組の往復運動の関係を図4(a)〜(l)に示す模式構造原理図を参照して説明する。図4(a)〜(l)において、転がり円323の中心Oはシャフト304の軸芯と一致する。また、中心Oより偏芯した位置に第1クランク軸308が存在し、第1クランク軸308の回転に伴い第2仮想クランク軸314a,314bが滑らずに回転するものとする。第2仮想クランク軸314a,314bの数は、ピストンの数に対応している。
Here, the schematic structure shown in FIGS. 4A to 4L shows the relationship between the rotational motion of the
シャフト304(中心O)と第1クランク軸308との軸芯間距離rを第1仮想クランクアーム及び第2仮想クランクアームのアーム長(回転半径)とする。また、シャフト304の軸芯(中心O)周りに第1仮想クランクアームのアーム長rを回転半径とする回転軌道330上を第1クランク軸308が回転する。更には、第1クランク軸308を中心とする第2仮想クランクアームのアーム長rを回転半径とする回転軌道(仮想円324)上を第2仮想クランク軸314a,314bが見かけ上滑らずに回転する。これにより、中心Oの周りに仮想円324の直径R(2r)を半径とする転がり円323の径方向(内サイクロイド)に沿って第1,第2ピストン組301,302が各々直線往復運動するようになっている。
A center distance r between the shaft 304 (center O) and the
本実施例では、互いに直交する第1、第2ピストン組301,302が連繋する第2筒体303bの第2仮想クランク軸を314a,314bとして例示するものとする。図4(a)において、第2仮想クランク軸314aは転がり円323と直径R1の交点(下端位置)にあり、第2仮想クランク軸314bは、転がり円323の中心O(シャフト4の軸芯位置)にある。第1クランク軸308は転がり円323の中心Oから半径rの位置にあるものとする。
In the present embodiment, the second virtual crankshaft of the
第1クランク軸308が転がり円323の中心Oの周りに反時計回り方向に1回転する場合について説明する。仮想円324は時計回り方向に転がり円323の内周に沿って滑らずに回転するものとする。図4(a)〜(l)は第1クランク軸308が30度ずつ変位した状態を示している。
A case where the
第1クランク軸308が図4(a)の位置から反時計回り方向に90度回転すると図4(d)の位置となる。このとき、第2仮想クランク軸314aは転がり円323の直径R1上を中心Oへ移動し、第2仮想クランク軸314bは直径R1と直交する直径R2と転がり円323との交点(右端位置)まで移動する。
When the
第1クランク軸308が図4(d)の位置から反時計回り方向にさらに90度回転すると図4(g)の位置となる。このとき、第2仮想クランク軸314aは転がり円323と直径R1との交点(上端位置)へ移動し、第2仮想クランク軸314bは転がり円323の中心Oへ移動する。
When the
第1クランク軸308が図4(g)の位置から反時計回り方向にさらに90度回転すると図4(j)の位置となる。このとき、第2仮想クランク軸314aは転がり円323の中心Oへ移動し、第2仮想クランク軸314bは転がり円323と直径R2との交点(左端位置)へ移動する。
When the
第1クランク軸308が図4(j)の位置から反時計回り方向にさらに90度回転すると図4(a)の位置となる。このとき、第2仮想クランク軸314aは転がり円323と直径R1との交点(下端位置)へ移動し、第2仮想クランク軸314bは転がり円323の中心Oへ移動する。
When the
以上のように、第1クランク軸308が中心O(シャフト304)の周りに回転すると、第2仮想クランク軸314aは仮想円324の転がり軌跡(内サイクロイド)である転がり円323の直径R1上を往復移動し、第2仮想クランク軸314bは転がり円323の直径R2上を往復移動する。
As described above, when the
即ち、シャフト304の軸芯(中心O)を中心とした半径rの回転軌道330に沿った第1クランク軸308及びピストン複合体P(図2参照)の回転移動に伴い、第2仮想クランク軸314a,314bを軸芯に有する第2円筒部303bにおいて偏芯筒体303と連繋する第1ピストン301が半径2rの転がり円323(シャフト304の軸芯を中心とする同心円)の直径R1上で往復動を繰り返し、第2ピストン302が半径2rの転がり円323(シャフト304の軸芯を中心とする同心円)の直径R2上で往復動を繰り返すことになる。
That is, with the rotational movement of the
図11(a)〜(e)は、ロータリ式シリンダ装置におけるシャフト4の回転角度変化に伴う吸気及び排気動作を例示する動作説明図である。シャフト4の回転角度は、一体形成された第1バランスウェイト309の反時計回りの回転位置により識別して説明するものとする。また、2ピストン組により4か所に形成されるシリンダ室342のうち第1ピストン組301の左端部形成されるシリンダ室342の状態を中心に説明する。
FIGS. 11A to 11E are operation explanatory views illustrating the intake and exhaust operations accompanying the change in the rotation angle of the shaft 4 in the rotary cylinder device. The rotation angle of the shaft 4 is described by being identified by the counterclockwise rotation position of the integrally formed
図11(a)は第1ピストン組301が上死点位置(原点位置;第1バランスウェイト309の回転角0°)、図11(b)は第1ピストン組301が上死点位置から移動し始めた状態(第1バランスウェイト309の回転角45°)、図11(c)は第1ピストン組301が下死点に向けて移動途中(シリンダ室342内が真空)を示しており(第1バランスウェイト309の回転角90°)、図11(d)は第1ピストン組301がシリンダ321の吸気口321f付近を通過する際に、シリンダ室342の内外の圧力差によって外気が吸気口321fを通じて瞬時に吸入される状態を示しており(第1バランスウェイト309の回転角135°)、図11(e)は第1ピストン組301が下死点に到達してシリンダ室342が外気で満たされた状態を示す(第1バランスウェイト309の回転角170°)。シャフト304が更に同方向に回転すると、第1ピストン組301は下死点から上死点に向けて移動するため、シリンダ室342に吸引した外気を圧縮して排気する工程に移行する。
11A shows that the first piston set 301 is at the top dead center position (origin position; the rotation angle of the
図12(a)〜(e)は第1ピストン組301が上死点から下死点を経て再度上死点に戻るまでの吸気及び排気動作を例示する模式図である。
第1ピストン組301が上死点(図12(a))から吸気動作(図12(b))を行なって下死点へ移動して吸気を終了する(図12(c))。
12A to 12E are schematic views illustrating the intake and exhaust operations until the first piston set 301 returns from the top dead center to the top dead center again through the bottom dead center.
The first piston set 301 performs the intake operation (FIG. 12B) from the top dead center (FIG. 12A), moves to the bottom dead center, and ends the intake (FIG. 12C).
次に、第1ピストン組301が下死点から上死点に向けて移動することにより、シリンダ室342内の空気を圧縮して吐出バルブ340aを開放し、排気室343を経て吐出口341aより圧縮空気を排気する状態を示す(図12(d))。そして、第1ピストン組301が再度上死点に到達すると(図12(e))排気動作が終了する。シリンダ室342へ吸気を行なって下死点へ移動して吸気が終了し、シリンダ室342を圧縮して排気室343を介して吐出口341aへ排気させ、第1ピストン組304が上死点に到達して排気が終了する。以降は、同様の動作の繰り返しであり、第2ピストン組302についても移動状態は異なるが吸気及び排気動作は同様である。
Next, when the first piston set 301 moves from the bottom dead center toward the top dead center, the air in the
以上説明したように、シャフト304を中心としたピストン複合体Pの回転に際して各ピストン組の往復運動による振動を抑えて静音化することができるうえに、シリンダヘッドに吸気バルブを省略することで、吸気バルブを通過する際の流体音、バルブ開閉による衝撃音や振動音などが低減するので静音化を促進することができる。
また、通常シリンダヘッドに設けられる吸気バルブを省略できるので、部品点数が減りうえにシリンダヘッドの形状も簡易に形成することができる。
As described above, when the piston complex P is rotated around the
Further, since the intake valve normally provided in the cylinder head can be omitted, the number of parts can be reduced and the shape of the cylinder head can be easily formed.
上述したロータリ式シリンダ装置は、例えば酸素濃縮装置のコンプレッサ(圧縮機)に用いることが可能であり、その他にも内燃機関、圧縮機、真空ポンプ、流体回転機など様々な装置に適用が見込まれる。 The above-described rotary cylinder device can be used for, for example, a compressor (compressor) of an oxygen concentrator, and is expected to be applied to various devices such as an internal combustion engine, a compressor, a vacuum pump, and a fluid rotating machine. .
P ピストン複合体
301 第1ピストン組
301c 第1ピストンヘッド部
302 第2ピストン組
302c 第2ピストンヘッド部
303 偏芯筒体
303a 第1筒体
303b 第2筒体
304 シャフト
305 第1本体ケース
305a,306a 軸受保持部
305c,306c,309a,310a,318c,321e ボルト孔
306 第2本体ケース
307 本体ケース
307a,312a,312b,319,322 ボルト
304 シャフト
308 第1クランク軸
308a スリット
308b ピン孔
309 第1バランスウェイト
310 第2バランスウェイト
310c 軸部
311a,311b ピン
313a 第1軸受
313b 第2軸受
314a,314b 第2仮想クランク軸
315a,315b 内側軸受
316a,316b 外側軸受
317a,317b シールカップ
317c 起立部
318a,318b シールカップ押さえ部材
321 シリンダ
321a 開口部
321b フランジ部
321c シリンダ胴部
321f 吸気口
321g 貫通孔
321h 摺動面
323 転がり円
324 仮想円
342 シリンダ室
330 回転軌道
331 出力軸
340 第1シリンダヘッド
340a 吐出バルブ
341 第2シリンダヘッド
341a 吐出口
343 排気室
Claims (3)
前記シャフトの軸芯に対して偏芯して組み付けられ、当該シャフトを中心に半径rの第1仮想クランクアームを介して回転可能に組み付けられた第1クランク軸と、
前記第1クランク軸に同芯状に嵌め込まれた第1筒体と該第1筒体の軸芯に対して偏芯した複数の第2仮想クランク軸を軸芯とする第2筒体が連続して形成された偏芯筒体を備え、前記第2筒体に複数のピストン組が互いに交差したまま前記第1クランク軸を中心に半径rの第2仮想クランクアームを介して回転可能に嵌め込まれたピストン複合体と、
前記ピストン複合体が嵌め込まれた前記第1クランク軸の両端部に各々組み付けられ、前記シャフトを中心とする回転部品間の回転バランスをとる第1,第2バランスウェイトと、
前記シャフトを回転可能に軸支し、当該シャフトを中心に回転する前記第1クランク軸及び前記第1,第2バランスウェイト、前記第1クランク軸を中心に回転する前記ピストン複合体を回転可能に収容する本体ケースと、
前記本体ケースに組み付けられ、ピストンヘッド部が摺動可能に挿入され当該シリンダの摺動面に吸気口が形成されたシリンダと、
前記シリンダ内に挿入されたピストンヘッド部に対向してシリンダ開口部を閉止するように組み付けられてシリンダ室を形成する吐出バルブのみが形成されたシリンダヘッドと、を具備し、
前記シャフトを中心に前記第1クランク軸が回転し、当該第1クランク軸を中心に前記ピストン複合体が回転することで、前記複数のピストン組が前記シャフトを中心とする前記第2仮想クランク軸の半径2rの転がり円の径方向に沿った直線往復運動を行なう際に、各ピストン組の両端側に形成される一方の前記シリンダ室へ吸気口から吸気動作が行なわれ他方のシリンダ室から吐出バルブを経て排気動作が交互に行なわれることを特徴とするロータリ式シリンダ装置。 A rotary cylinder device capable of mutually converting the rotational motion of a piston and a shaft that reciprocate in a cylinder,
A first crankshaft assembled eccentrically with respect to the shaft axis of the shaft and rotatably assembled via a first virtual crank arm having a radius r around the shaft;
A first cylinder fitted concentrically to the first crankshaft and a second cylinder having a plurality of second virtual crankshafts eccentric to the axis of the first cylinder are continuous. And a plurality of piston sets intersecting with each other while being intersected with each other so as to be rotatable through a second virtual crank arm having a radius r. A piston complex,
First and second balance weights that are respectively assembled at both ends of the first crankshaft into which the piston complex is fitted, and that balances rotation between rotating parts around the shaft;
The shaft is rotatably supported, and the first crankshaft and the first and second balance weights that rotate about the shaft and the piston complex that rotates about the first crankshaft are rotatable. A main body case for housing;
A cylinder that is assembled to the main body case, the piston head portion is slidably inserted, and an intake port is formed on a sliding surface of the cylinder; and
A cylinder head formed only with a discharge valve which is assembled so as to close the cylinder opening facing the piston head portion inserted into the cylinder and forms a cylinder chamber;
The first crankshaft rotates about the shaft, and the piston complex rotates about the first crankshaft so that the plurality of piston sets center on the shaft. When performing a linear reciprocating motion along the radial direction of a rolling circle having a radius of 2r, an intake operation is performed from one intake port to one of the cylinder chambers formed at both ends of each piston set, and discharge is performed from the other cylinder chamber. A rotary cylinder device characterized in that exhaust operations are alternately performed through valves.
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