JP2013256889A - 気体圧縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低振動で静音化を実現したロータリ式シリンダ装置を用いて小型でシール性が高く、気体の脈動を抑えた気体圧縮装置を提供する。
【解決手段】第１，第２ピストン組９，１０が直線往復運動を行なう際に、エア吸入口１ａからいずれかのシリンダバルブ３２を介してシリンダ室Ｒへ流体が吸入され、いずれかのシリンダ室Ｒで圧縮された高圧エアがピストンバルブ１８を介して内部空間Ｋに流出しエア吐出口１ｂより高圧流体が吐出される動作を繰り返し、エア吸込み及び吐出動作を行う際に高圧エアが内部空間Ｋに一時的に貯留されることでエアの脈動を吸収する。
【選択図】図２

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組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を備えた気体圧縮装置に関する。

内燃機関、圧縮機、真空ポンプ、気体回転機などの原動機においては、クランク軸に連繋するピストン組の往復運動で気体の吸込みと送出しを繰り返すレシプロ駆動方式、固定スクロールに対して旋回スクロールを回転させて気体の吸込みと送出しを繰り返すスクロール駆動方式、ローラーの回転運動で気体の吸込みと送出しを繰り返すロータリ駆動方式（特許文献１参照）、その他スクリュー方式、ベーン方式など用途に応じた各種駆動方式が採用されている。
中でも、中速回転（回転数10000rpm）以下で高い気密性を必要とする内燃機関、圧縮機、真空ポンプなどを含む原動機等においては、レシプロ駆動方式が主流となっている。

また、シリンダ室に吸い込んだ気体をピストンにより圧縮して高圧気体として吐出する気体圧縮装置では、ピストンが往復動する際にいずれかのシリンダ室へ気体を吸込みいずれかのシリンダ室から高圧気体を吐出する動作を繰り返すため、気体の吸込み動作と吐出動作の切り替わる際に気体が脈動し、計器類や弁体などが破損したり、圧力バランスが損なわれて気体が逆流したりするなどの不具合を防ぐため、気体の流路の低圧側及び／又高圧側にバッファータンクを設けることが行なわれている（特許文献２参照）。

特開２００４−１９０６１３号公報 特開２００５−６９１０９号公報

上述したレシプロ駆動方式では、シリンダ内のピストン組の往復運動によるエネルギー損失が発生してエネルギー変換効率が低下し易い。また、ピストン組の往復運動に伴う機械振動による騒音が発生する等の課題がある。また、シリンダ内を往復運動するピストン組を支持するコネクティングロッド、コネクティングロッドに接続するクランクシャフトクランクシャフトに連結するクランクアームが必要であり、ピストン組の往復運動を回転運動に変換するためのエネルギー変換装置が大型になり易い。また、ピストン組が往復運動する際に回転部品の質量バランスの偏り（重心の偏り）によって発生する振動を、ダンパー等を設けて吸収する必要があった。また、複数設けられるピストン組やシリンダ室において気体の吸込及び吐出が繰り返される際に、気体圧が脈動するため圧縮装置に接続する流路の低圧側及び／又高圧側にバッファータンクを設ける必要があり、部品点数が増え、装置が大型化するため装置コストが増大する。

本発明の目的は、低振動で静音化を実現したロータリ式シリンダ装置を用いて小型でシール性が高く、気体の脈動を抑えた気体圧縮装置を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は次の構成を有する。
シャフトを中心に半径ｒで組み付けられた第１クランク軸が回転し、当該第１クランク軸に組み付けられた偏心筒体が回転することで、前記第１クランク軸を中心に半径ｒで回転する第２仮想クランク軸の回転軌跡に沿って前記偏心筒体に相対的に回転可能に組み付けられた第１，第２ピストン組が前記シャフトを中心とする半径２ｒの同心円の径方向に直線往復運動を行なうロータリ式シリンダ装置を備えた気体圧縮装置であって、筐体状ケースの一面が開口しその周囲を囲む各側面にシリンダが組み付けられ、シリンダ室が各々形成される本体ケースと、気体を吸入する気体吸入口及びこれに連絡する気体吸入路と、前記本体ケースの内部空間に連絡する気体吐出路及びこれに連絡する気体吐出口とが形成され、前記本体ケースの開口を密閉する蓋体と、前記本体ケースの内部空間と前記蓋体内に形成される前記気体吸込路及び気体吐出路とを仕切る仕切り板と、前記各シリンダ開口側に一体に組み付けられ、前記気体吸入口より吸入した気体を対応する前記シリンダ室に導入するシリンダバルブと、前記第１，第２ピストン組のピストンヘッド部に一体に組み付けられ、前記各シリンダ室内で圧縮された高圧気体を前記本体ケースの前記内部空間に導くピストンバルブと、を具備し、前記本体ケースに前記蓋体を閉止して形成される内部空間に前記偏心筒体が前記シャフトを中心に回転可能に軸支され、前記第１，第２ピストン組が直線往復運動を行なう際に、前記気体吸入路からいずれかの前記シリンダバルブを介して前記シリンダ室へ気体が吸込まれ、いずれかの前記シリンダ室で圧縮された高圧気体が前記ピストンバルブを介して前記内部空間に流出し前記気体吐出口より高圧気体が吐出される動作を繰り返し、前記気体の吸込み及び吐出動作を行う際に前記高圧気体が一時的に貯留される前記内部空間が気体の脈動を吸収することを特徴とする。
尚、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心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。

上記気体圧縮装置を用いれば、シャフトを中心として第２仮想クランク軸が半径２ｒの同心円を滑らずに１回転する際に第１、第２ピストン組の往復動によって４回発生する気体の脈動を内部空間が吸収するので、気体圧縮装置の上流側及び／又は若しくは下流側の流路に設けられるバッファータンクを省略することができ、部品点数を減らして装置の小型化を促進することができる。
また、本体ケースと蓋体とを閉止して形成される内部空間に第１，第２ピストン組が組み付けられた偏心筒体がシャフトを中心に回転可能に軸支されているので、装置本体の密閉構造を容易に形成することができ、装置本体内における気体のシール性を維持することができる。
また、往復動する第１，第２ピストン組の気体圧縮方向と反対側である内部空間の気体圧を高圧側として吐出口に連通させたことにより、ピストンヘッドとシリンダとの間に作用するサイドフォースによる機械的損失を低減することができ、エネルギー変換効率が向上する。

前記気体吸入口より吸入された気体は、前記蓋体内の気体吸込空間より前記本体ケース及び前記シリンダに設けられた流路孔を通じて前記シリンダ開口を閉止するシリンダバルブ押え部材と前記シリンダバルブとの隙間に導かれ、当該シリンダバルブを介して前記シリンダ室に流れ込むことが好ましい。
これにより、蓋体及び本体ケースの空きスペースに設けた流路孔により、気体の流路を形成できるので、配管を省略し装置の小型化を促進することができる。

前記蓋体と前記本体ケースとは仕切り板により仕切られており、前記蓋体と前記仕切り板との間に外シール材、前記仕切り板と前記本体ケースの開口端との間に内シール材を各々重ね合わせ、前記外シール材と前記仕切り板とは気体の吸込孔と吐出孔が互いに連通し、前記内シール材と前記仕切り板とは気体の吸込孔が連通するように組み付けられていることが望ましい。
これにより、蓋体と本体ケースとは仕切り板により仕切られているので、蓋側空間を気体吸込空間部と気体吐出用空間部に分けて利用することができる。また、蓋体と仕切り板との間に外シール材、仕切り板と本体ケースの開口端との間に内シール材を各々重ね合わせているので、気体の漏れを防いで密閉性を維持することができる。
また、外シール材と仕切り板とは気体の吸込孔と吐出孔が互いに連通し、内シール材と仕切り板とは気体の吸込孔が連通するように組み付けられているので、吸込孔と気体吸込空間部と吐出孔と気体吐出用空間部とが互いに連通するように組み付けることができ、気体の吸込流路及び吐出流路をシール性を維持した状態で容易に形成することができる。

本発明に係る気体圧縮装置を用いれば、低振動で静音化を実現したロータリ式シリンダ装置を用いて小型でシール性が高く、気体の脈動を抑えた気体圧縮装置を提供することができる。

気体圧縮装置の外観斜視図である。 図１のロータリ式シリンダ装置の第１本体ケースを取り外した斜視図である。 図１の気体圧縮装置の水平断面斜視図である。 ピストン複合体の斜視図である。 ピストン複合体の分解図である。 シャフトを中心とする第１クランク軸、第２仮想クランク軸の回転運動と複数のクランクアームの往復運動の関係を示す模式原理図である。 偏心筒体の平面図、右側面図、矢印Ａ−Ａ断面図、正面図及び斜視図である。 第１ピストン本体の平面図、右側面図、背面図、矢印Ａ−Ａ断面図、正面図及び斜視図である。 ピストンバルブ押え部材の正面図、背面図、矢印Ａ−Ａ断面図、矢印Ｂ−Ｂ断面図、背面斜視図及び正面斜視図である。 本体ケースの平面図、正面図、矢印Ａ−Ａ断面図、右側面図及び斜視図である。 蓋体の背面図、矢印Ａ−Ａ断面図、右側面図、平面図、斜視図及び正面図である。 シリンダ蓋の裏面図、側面図、表面図、裏面側斜視図である。 気体圧縮装置の分解斜視図である。

以下、本願発明に係る気体圧縮装置を実施するための一実施形態について図１乃至図１３を参照して詳細に説明する。以下では、気体圧縮装置の一例として高圧エアを生成するエア圧縮装置を用いて説明する。また、ロータリ式シリンダ装置は、シリンダに対するピストン組の往復運動とシャフトの回転運動とが相互に変換されて出力される装置を想定している。

図１において、蓋体１と上面が開口した筐体状の本体ケース２とで構成される装置本体３にシャフト４（入出力軸）が回転可能に軸支されている。蓋体１と本体ケース２とは、ボルト５により８か所でねじ嵌合させて一体に組み付けられている。この装置本体３内には、図３に示すように、第１クランク軸６を中心に回転可能な偏心筒体７と該偏心筒体７に軸受８を介して組み付けられた第１ピストン組９及び第２ピストン組１０（以下、これらを「ピストン複合体Ｐ」という；図４参照）が回転可能に収容されている。以下、具体的に説明する。

図３において、第１クランク軸６は、シャフト４の軸心に対して偏心して連結される。シャフト４は、図５に示すように第１シャフト４ａと第２シャフト４ｂに分割されている。第１シャフト４ａと第１クランク軸６の一端は第１バランスウェイト１１と一体に組み付けられる。また、第２シャフト４ｂと第１クランク軸６の他端は第２バランスウェイト１２と一体に組み付けられる。

図３において、第１クランク軸６の両軸端部には軸方向にスリット６ａが各々形成されている。各スリット６ａには、第１クランク軸６と直交する向きにピン孔６ｂが設けられている。ピン孔６ｂの孔径はスリット６ａの幅より大きく、ピン孔６ｂはスリット６ａの一部に重なり合うように形成されている。また、第１クランク軸６の両端外周部には、Ｄカット部６ｃ，６ｄが各々形成されている。

また、図５に示すように、第１シャフト４ａの一端（下端）には、Ｄカット部４ｃが設けられている。Ｄカット部４ｃには、ねじ孔４ｅがＤカット面に垂直に設けられている。第２シャフト４ｂの一端（上端）にはＤカット部４ｄが設けられている。Ｄカット部４ｄには、ねじ孔４ｆがＤカット面に垂直に設けられている。

また、図５において、第１バランスウェイト１１には、Ｄカット部４ｃを挿入する挿入孔１１ａ及び第１クランク軸６の一端（図５の上端）を挿入する挿入孔１１ｂが連続して設けられている。第１バランスウェイト１１の挿入孔１１ａの周囲には、止めねじ１３ａが貫通する貫通孔１１ｃ（図３参照）が挿入孔１１ａと直交する向きに形成されている。また、挿入孔１１ｂの周囲には、ピン１４ａが挿入されるピン孔１１ｄが挿入孔１１ｂと直交する向きに形成されている。

また、図５に示すように、第２バランスウェイト１２には、Ｄカット部４ｄを挿入する挿入孔１２ａ及び第１クランク軸６の一端（図５の下端）を挿入する挿入孔１２ｂが連続して設けられている。第２バランスウェイト１２の挿入孔１２ａの周囲には、止めねじ１３ｂが貫通する貫通孔１２ｃ（図３参照）が挿入孔１２ａと直交する向きに形成されている。また、挿入孔１２ｂの周囲には、ピン１４ｂが挿入されるピン孔１２ｄが挿入孔１２ｂと直交する向きに形成されている。

図５において第１バランスウェイト１１の挿入孔１１ａに、第１シャフト４ａのＤカット部４ｃ（図５の下端）が挿入され、挿入孔１１ｂに第１クランク軸６の一端（図５の上端）が挿入されＤカット部６ｃがＤカット部４ｃと対向するように挿入される（図３参照）。このＤカット部４ｃ，６ｃを対向させて挿入することにより、貫通孔１１ｃ（図３参照）とねじ孔４ｅが連通するように位置合わせされ、ピン孔１１ｄとピン孔６ｂとが連通するように位置合わせされる。そして、第１バランスウェイト１１の外周側から止めねじ１３ａを貫通孔１１ｃを貫通させてねじ孔４ｅとねじ嵌合させる（図３参照）。止めねじ１３ａは、第１クランク軸６のＤカット部６ｃに当接してねじ嵌合する（図３参照）。また、第１バランスウェイト１１の外周側からピン１４ａをピン孔１１ｄ及びピン孔６ｂを貫通して挿入する。これにより、第１クランク軸６は止めねじ１３ａによってスリット６ａが狭まる向きに押圧されるので、第１シャフト４ａは挿入孔１１ａの内壁に、第１クランク軸６は挿入孔１１ｂの内壁に各々押し当てられる。これにより、第１バランスウェイト１１に組み付けられる第１シャフト４ａと第１クランク軸６の軸間精度が向上する。

同様に第２バランスウェイト１２の挿入孔１２ａに、第２シャフト４ｂのＤカット部４ｄ（図５の上端）が挿入され、挿入孔１２ｂに第１クランク軸６の他端（図５の下端）が挿入されＤカット部６ｄがＤカット部４ｄと対向するように挿入される（図３参照）。このＤカット部４ｄ，６ｄを対向させて挿入することにより、貫通孔１２ｃとねじ孔４ｆが連通するように位置合わせされ（図３参照）、ピン孔１２ｄとピン孔６ｂとが連通するように位置合わせされる。そして、第２バランスウェイト１２の外周側から止めねじ１３ｂを貫通孔１２ｃを貫通させてねじ孔４ｆとねじ嵌合させる。止めねじ１３ｂは、第１クランク軸６のＤカット部６ｄに当接してねじ嵌合する（図３参照）。また、第２バランスウェイト１２の外周側からピン１４ｂをピン孔１２ｄ及びピン孔６ｂを貫通して挿入する。これにより、第１クランク軸６は止めねじ１３ｂによってスリット６ｂが狭まる向きに押圧されるので、第２シャフト４ｂは挿入孔１２ａの内壁に、第１クランク軸６は挿入孔１２ｂの内壁に各々押し当てられる。これにより、第２バランスウェイト１２に組み付けられる第２シャフト４ｂと第１クランク軸６の軸間精度が向上する。

上記第１バランスウェイト１１及び第２バランスウェイト１２は、例えば焼結金属により形成される。原料となる金属粉末をプレス金型にて加熱加圧して焼結材が一体成形される。次いで、焼結後の焼結材にスチーム処理を施して、表面に強制的に酸化皮膜を形成して防錆加工を施す。次に、少なくともスチーム処理前若しくはスチーム処理後のいずれかにおいて、焼結材に加工油を塗布して金型へ搬入し加圧して寸法出しを行なう。焼結材には元来金属粉末に含有する油分とともに、新たに塗布される加工油が存在するため、脱脂（洗浄）を行なう必要がある。そこで、サイジング後の焼結材を加工油の沸点以上の所定温度で加熱して油分を除去する。尚、第１バランスウェイト１１及び第２バランスウェイト１２は、第１シャフト４ａ，第２シャフト４ｂと一体形成されていてもよい。

第１バランスウェイト１１及び第２バランスウェイト１２は、後述するようにシャフト４を中心として組み付けられる第１クランク軸６及びピストン複合体Ｐを含む回転部品間の回転バランスを取るために設けられている。

また、図７（ａ）〜（ｅ）に示すように、偏心筒体７は、回転中心となる第１クランク軸６が嵌め込まれる軸孔７ａが設けられ、その外周には鍔状の軸受保持部７ｂが設けられている。この軸受保持部７ｂの両側に筒体７ｃ，７ｄが各々連続して形成されている。シャフト４を中心として半径ｒだけ偏心した軸孔７ａには第１クランク軸６が嵌め込まれ、偏心筒体７の回転中心となる。また、筒体７ｃの軸心は、第１クランク軸６の軸心に対して半径ｒだけ偏心した第２仮想クランク軸１５ａと一致し、筒体７ｄの軸心は第１クランク軸６の軸心に対して半径ｒだけ偏心した第２仮想クランク軸１５ｂと一致する。本実施形態では、交差して組み付けられるピストン組が２組であるため、第２仮想クランク軸１５ａ，１５ｂは第１クランク軸６を中心として１８０度位相がずれた位置に形成されている。図３に示すように、筒体７ｃ，７ｄの外周には軸受保持部７ｂに保持された軸受８を介して第１，第２ピストン組９，１０が互いに交差して回転可能に嵌め込まれる（図５参照）。

図５、図８、図９を参照して、第１，第２ピストン組９，１０の構成について説明する。いずれも同様な構成のため、以下では、第１ピストン組９の構成について代表して説明する。図８（ａ）〜（ｆ）において、第１ピストン本体９ａの中央部には、偏心筒体７（筒体７ｃ，７ｄ）に嵌合する嵌合孔９ｂが形成されている。第１ピストン本体９ａの長手方向両端部には、第１ピストンヘッド部９ｃが形成されている。第１ピストンヘッド部９ｃには、シリンダ室Ｒ（図２参照）で圧縮された高圧エアの吸込口９ｄやねじ孔９ｅが複数箇所（例えば３箇所）に設けられている。

図５において、第１ピストンヘッド部９ｃの外面には、ピストンスペーサ１６、ピストンリング１７、ピストンバルブ１８、ピストンバルブ押え１９が互いに重ね合わせてボルト２０により一体に組み付けられる。ピストンスペーサ１６には、吸込口９ｄに連通する連通孔１６ａとボルト２０が挿入する複数のねじ孔１６ｂが設けられている。ピストンリング１７は、第１ピストンヘッド部９ｃの外周を覆って組み付けられ、後述するシリンダ内を摺動する円筒部材である。ピストンスペーサ１６、ピストンバルブ１８及びピストンバルブ押さえ１９は、ピストンリング１７の円筒内に収納された状態で一体に組み付けられる。ピストンバルブ１８には、シリンダ室Ｒ内で圧縮された高圧エアを内部空間Ｋ（図２参照）に送り込む弁体１８ａ及びボルト２０を挿入する複数のねじ孔１８ｂが設けられている。ピストンバルブ１８は例えばステンレスなどの金属薄板が用いられ、この金属薄板にスリット１８ｃを設けることで舌片状の弁体１８ａが形成され、エア圧を受けて撓む開閉弁として機能する。

また、図９（ａ）〜（ｆ）において、ピストンバルブ押さえ１９はピストンバルブ１８をピストンリング１７に押さえ付けて固定する。このピストンバルブ押さえ１９には、シリンダ室Ｒ（図２参照）に連通する連通孔１９ａ及びボルト２０が挿通する複数のねじ孔１９ｂが設けられている。また、ピストン押さえバルブ１９の弁体１８ａが当接するリング状の弁体当接部１９ｃの周囲には、凹部１９ｄが設けられている（図９（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）参照）。この凹部１９ｄは、シリンダ室Ｒ側より圧縮されたエアをより高圧な内部空間Ｋに導く際に、弁体１８ａの開閉を容易にするために設けられている。

また、図１において、本体ケース２の上面を閉止する蓋体１には、エア吸込み口１ａとエア吐出口１ｂが各々設けられている。図１１（ａ）〜（ｆ）において、蓋体１の四隅には後述する位置決めピン２ａが嵌め込まれるピン孔１ｃが４箇所に設けられている。また、ピン孔１ｃの両側には、ボルト孔１ｄが各々設けられている。また、蓋体１の中央部には、シャフト４（第１シャフト４ａ）を軸支する軸孔１ｅが設けられている。この軸孔１ｅの内壁には、シール用凹部１ｆ、軸受用凹部１ｇが設けられている。図３に示すように、シール用凹部１ｆにはシール材２１が設けられ、軸受用凹部１ｇには軸受２２が設けられている。シール材２１は、本体ケース２内の高圧エアが外部に漏れないようにシールしている。軸受２２は、第１シャフト４ａを回転可能に軸支している。

また、図１１（ａ）において、蓋体１の裏面側には、外周側にエア吸込み用空間部１ｈが形成され、仕切り部１ｉを介して内周側にエア吐出用空間部１ｊが各々形成されている。エア吸込み用空間部１ｈにはエア吸込み口１ａに連通する連通孔１ｋが設けられており、エア吐出用空間部１ｊにはエア吐出口１ｂに連通する連通孔１ｍが設けられている。
また、仕切り部１ｉには、蓋体１と後述する本体ケース２との内部空間Ｋを仕切る仕切り板２５を固定するための複数（例えば４箇所）のねじ孔１ｎが設けられている。

図１０（ａ）〜（ｅ）において、本体ケース２の上端面には、四隅に位置決めピン２ａが突設されている。また、位置決めピン２ａの両側にはボルト５（図１３参照）をねじ嵌合するねじ孔２ｂが各々形成されている。ボルト５は後述するように蓋体１を本体ケース２に一体に組み付けるために用いられる。また、位置決めピン２ａ、ねじ孔２ｂより内側には、エア吸込口１ａ、エア吸込み用空間部１ｈに連通する端面連通孔２ｃが形成されている。端面連通孔２ｃは上端面に垂直方向に進入して各側面に垂直に設けられた側面連通孔２ｄに連通するように形成されている。図２に、本体ケース２の四隅に設けられた端面連通孔２ｃと側面連通孔２ｄとを連通する吸込み流路２ｅを示す。

また、本体ケース２の側面（４面）には、後述するシリンダが嵌め込まれるシリンダ孔２ｆとその周囲に複数（例えば６箇所）のねじ孔２ｇが設けられている（図１０（ｂ）（ｄ）（ｅ）参照）。
また、本体ケース２の底面中央部には、シャフト４（第２シャフト４ｂ）の軸端を挿入する有底の軸孔２ｈが設けられている（図２（ａ）参照）。第２シャフト４ｂは、図３に示すように軸孔２ｈに挿入され、軸受２３により回転可能に軸支されている。

また、図１３において、本体ケース２の上面には蓋体１が外ガスケット２４、仕切り板２５、内ガスケット２６を介して重ね合わせて複数（例えば８本）のボルト５によって一体に組み付けられる。
外ガスケット２４、仕切り板２５、内ガスケット２６には、四隅に位置決めピン２ａが挿通するピン孔２４ａ，２５ａ，２６ａが各々突設されている。また、ピン孔２４ａ，２５ａ，２６ａの両側にはボルト５をねじ嵌合するねじ孔２４ｂ，２５ｂ，２６ｂが各々形成されている。また、ピン孔２４ａ，２５ａ，２６ａ、ねじ孔２４ｂ，２５ｂ，２６ｂより内側には、エア吸込口１ａ、エア吸込み用空間部１ｈと端面連通孔２ｃとに連通する吸込み用連通孔２４ｃ，２５ｃ，２６ｃが各々形成されている。

また、外ガスケット２４及び仕切り板２５には、蓋体１のエア吐出口１ｂ、エア吐出用空間部１ｊ（図１１（ａ）参照）と内部空間Ｋ（図２参照）とに連通する吐出用連通孔２４ｄ，２５ｄが設けられている。また、外ガスケット２４及び仕切り板２５は、蓋体１の裏面側にねじ２７を吐出用連通孔２５ｄ，２４ｄの一部を挿通して仕切り部１ｉに設けたねじ孔１ｎ（図１（ａ）参照）にねじ嵌合させることで一体に組み付けられる。また、外ガスケット２４及び仕切り板２５には、中心部にシャフト４（第１シャフト４ａ）を挿通する軸孔２４ｅ，２５ｅが各々設けられている。

図１３に示すように、本体ケース２の上面には、内ガスケット２６を介して外ガスケット２４、仕切り板２５がねじ２７により一体に組み付けられた蓋体１が重ね合わせる。このとき、位置決めピン２ａをピン孔２４ａ，２５ａ，２６ａを挿通して重ね合わせることで、蓋体１に設けたエア吸込み口１ａ、エア吸込み用空間部１ｈ、吸込み用連通孔２４ｃ，２５ｃ，２６ｃが連通し、本体ケース２の端面連通孔２ｃ、吸込み流路２ｅ、側面連通孔２ｄが連通する。そして、蓋体１の外側から複数のボルト５をねじ孔１ｄに挿入して、ねじ孔２４ｂ，２５ｂ，２６ｃを各々挿通し、本体ケース２のねじ孔２ｂにねじ嵌合することにより、本体ケース２に蓋体１がシール性を維持したまま一体に組み付けられる。

また、図１３において、本体ケース２の各側面（４面）には、シリンダガスケット２８、シリンダ２９、第１スペーサ３０、第２スペーサ３１、シリンダバルブ３２、シリンダ蓋３３が重ね合されて、複数（例えば６本）のボルト３４により一体に組み付けられる。

シリンダガスケット２８、シリンダ２９、第１スペーサ３０、第２スペーサ３１、シリンダバルブ３２には、本体ケース２の側面連通孔２ｄに連通する吸込み用連通孔２８ａ，２９ａ，３０ａ，３１ａ，３２ａが各々形成されている。また、シリンダガスケット２８、シリンダ２９、第１スペーサ３０、第２スペーサ３１、シリンダバルブ３２、シリンダ蓋３３には、複数（例えば６本）のボルト３４が挿通するねじ孔２８ｂ，２９ｂ，３０ｂ，３１ｂ，３２ｂ，３３ａが各々設けられている。

シリンダガスケット２８は、シリンダ孔２ｆと同等の開口孔２８ｃが形成されており、本体ケース２の側面に設けられたシリンダ孔２ｆに挿入されるシリンダ２９との隙間をシールする。第１スペーサ３０はシリンダ２９の開口孔２９ｃと同等な開口孔３０ｃが設けられており、シリンダ室Ｒを形成する。開口孔３０ｃの一部には凹部３０ｄが形成され、後述するバルブ開閉用のスペースを形成する。第２スペーサ３１は、第１スペーサ３０の開口部３０ｃを閉塞する。即ち、シリンダ２９の開口孔２９ｃを覆う隔壁を形成する。第２スペーサ３１には、凹部３０ｄに対向する位置に貫通孔３１ｃが設けられている。この貫通孔３１ｃも後述するバルブ開閉用のスペースを形成する。

シリンダバルブ３２は第２スペーサ３１の貫通孔３１ｃに対向する位置にＵ字状のスリット３２ｃが形成されて、エア圧で変形可能な舌状のバルブ３２ｄが形成されている。シリンダバルブ３２は、例えばステンレスなどの金属薄板が好適に用いられ、ピストン組の往復動に応じてバルブ３２ｄを開閉して吸込み用連通孔３２ａからシリンダ室Ｒへ所定のタイミングでエアを吸い込む。

シリンダ蓋３３は、シリンダバルブ３２に形成された吸込み用連通孔３２ａを閉塞する。図１２（ａ）〜（ｄ）に示すように、シリンダバルブ３２に対向する裏面側に、吸込み用連通孔３２ａに対向する位置にトラック形状の凹部３３ｂが形成され、その周囲にＵ字状の凹部３３ｃが形成されている。凹部３３ｂは吸込み用連通孔３２ａから吸込まれたエア流路であり、凹部３３ｃは低圧側である凹部３３ｂから高圧側であるシリンダ室Ｒに向って圧力バランスを調整してバルブ３２ｄの開閉をスムーズに行うために設けられている。

図１３に示すように、本体ケース２の各側面には、シリンダガスケット２８、シリンダ２９、第１スペーサ３０、第２スペーサ３１、シリンダバルブ３２、シリンダ蓋３３がこの順に重ね合さされ、ボルト３４をねじ孔３３ａ，３２ｂ，３１ｂ，３０ｂ，２９ｂ，２８ｂを挿通してねじ孔２ｇとねじ嵌合させてシリンダ２９がシリンダ蓋３３に閉止されてシール性を維持したまま一体に組み付けられる。このとき、側面連通孔２ｄと吸込み用連通孔２８ａ，２９ａ，３０ａ，３１ａ，３２ａ及び凹部３３ｂ（図１２（ａ）（ｂ）参照）が連通し、バルブ３２ｄの開閉により貫通孔３１ｃ、凹部３０ｄ、開口孔２９ｃを通じてシリンダ室Ｒ（図２参照）と連通する。

次にエア圧縮装置の組立構成の一例について図１３を参照して説明する。
先ず、図５に示すように偏心筒体７の軸孔７ａに第１クランク軸６を嵌め込み、一対の筒体７ｃ，７ｄの外周に軸受保持部７ｂを介して軸受８を各々組み付け、第１，第２ピストン組９，１０が各軸受８を介して互いに交差するように嵌め込む。また、第１バランスウェイト１１の挿入孔１１ａ，１１ｂに第１シャフト４ａのＤカット部４ｃ、第１クランク軸６のＤカット部６ｃを対向するように挿入し、第２バランスウェイト１２の挿入孔１２ａ，１２ｂに第２シャフト４ｂのＤカット部４ｄ及び第１クランク軸６のＤカット部６ｄを挿入し、止めねじ１３ａ，１３ｂ及びピン１４ａ，１４ｂを挿入してシャフト４と第１クランク軸６を第１バランスウェイト１１及び第２バランスウェイト１２によって一体に組み付ける。これにより、偏心筒体７には図５の第１ピストンヘッド部９ｃ，第２ピストンヘッド部１０ｃ（図示せず）に何も組付けられていない状態で第１ピストン本体９ａ及び第２ピストン本体１０ａが各々交差して組み付けられた状態となる。

この状態で、図１３に示すようにケース本体２に偏心筒体７に組み付けられた第１，第２ピストン本体９ａ，１０ａの可動範囲（ストローク）を調整して収納する。第２シャフト４ｂを軸孔２ｈ内の軸受２３に嵌め込み、第１，第２ピストン本体９ａ，１０ａの第１ピストンヘッド部９ｃ及び第２ピストンヘッド部１０ｃ（図２参照）をシリンダ孔２ｆに各々対向する向きに収納する。そして、本体ケース２のシリンダ孔２ｆより４方向に露出する各第１ピストンヘッド部９ｃ及び第２ピストンヘッド部１０ｃ（図２参照）の外面に、ピストンスペーサ１６、ピストンリング１７、ピストンバルブ１８、ピストンバルブ押え１９が互いに重ね合わせボルト２０により一体に組み付ける（図４参照）。

次に、図１３において、本体ケース２の各側面（４面）にシリンダガスケット２８、シリンダ２９、第１スペーサ３０、第２スペーサ３１、シリンダバルブ３２、シリンダ蓋３３を重ね合わせて、複数のボルト３４により一体に組み付けられる。
次に、本体ケース２の上面に蓋体１が外ガスケット２４、仕切り板２５、内ガスケット２６を介して重ね合わせて複数のボルト５によって一体に組付けられる。
これにより、図１に示すように筐体状の本体ケース２が蓋体１で密閉されたシール性の高いエア圧縮装置を組み立てることができる。

尚、装置を小型化するためピストンのストローク（可動範囲）を本体ケース２のサイズに合わせて形成したため、第１ピストンヘッド部９ｃ（図５参照）及び第２ピストンヘッド部１０ｃ（図２参照）にピストンスペーサ１６、ピストンリング１７、ピストンバルブ１８、ピストンバルブ押え１９を予め組付けることなく収納したが、スペースに余裕があれば、予め図４に示すピストン複合体Ｐを組み立ててから本体ケース２に収納するようにしてもよい。

ここで、シャフト４を中心とする第１クランク軸６、第２仮想クランク軸１５ａ，１５ｂの回転運動と複数のピストン組の直線往復運動の関係を図６（ａ）〜（ｄ）に示す構造原理図を参照して説明する。中心Ｏ（シャフト４）と第１クランク軸６との軸心間距離ｒを第１仮想クランクアームのアーム長、第１クランク軸６を中心とする第２仮想クランクアームの回転半径ｒをアーム長とする。また、シャフト４の軸心（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３５上を第１クランク軸６が回転する。更には、第１クランク軸６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３６）上を第２仮想クランク軸１５ａ，１５ｂ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３６の直径Ｒ（２ｒ）を半径とする転がり円３７の径方向の回転軌跡（内サイクロイド）に沿って第１，第２ピストン組９，１０が各々往復動するようになっている。第１ピストン組９は半径２ｒの転がり円３７（シャフト４の軸心を中心Ｏとする同心円）の直径Ｒ１上で往復動を繰り返し、第２ピストン組１０が半径２ｒの転がり円３７（シャフト４の軸心を中心Ｏ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。

上述のように組み立てられたエア圧縮装置は、第１，第２ピストン組９，１０の第２仮想クランク軸１５ａ，１５ｂを中心とした第１の回転バランス、ピストン複合体Ｐの第１クランク軸６を中心とする第２の回転バランス及び第１クランク軸６及びピストン複合体Ｐのシャフト４を中心とする第３の回転バランスが第１，第２バランスウェイト１１，１２によりバランス取りされて組み立てられている。

これにより、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、シャフト４を中心とする第１クランク軸６の回転運動と、第１クランク軸６を中心とするピストン複合体Ｐの回転運動により、筒体７ｃ，７ｄに相対的に回転可能に組み付けられた第１，第２ピストン組９，１０がシャフト４を中心とする第２仮想クランク軸１５ａ，１５ｂの半径２ｒの転がり円３７の径方向に沿って直線往復運動を行なう際の偏重心量を含めたバランス取りをすることによって回転による振動を抑えて静音化を図ることができる。また、回転による振動を低減することで、第１，第２ピストン組９，１０は従来のレシプロタイプに比べてピストンヘッドの往復運動による機械的な損失を防いでエネルギー変換効率を高めることができ、しかもダンパー等の防振構造を簡略化することができる。

以上説明したように、シャフト４を回転させると、当該シャフト４を中心に第１クランク軸６が回転し、当該第１クランク軸６を中心に偏心筒体７が回転することで、第２仮想クランク軸１５ａ，１５ｂの回転軌跡（内サイクロイド）に沿って筒体７ｃ，７ｄに組み付けられた第１，第２ピストン組９，１０がシャフト４を中心とする半径２ｒの同心円（転がり円３７；図６（ａ）〜（ｄ）参照）の径方向に直線往復運動を行なう。

この第１，第２ピストン組９，１０の往復動によりエア吸込み及び吐出動作を行う際に、圧縮エアが本体ケース２の内部空間Ｋ（図２参照）に一時的に貯留されることで、シャフト４を中心として第２仮想クランク軸１５ａ，１５ｂが半径２ｒの転がり円を１回転する際に第１、第２ピストン組９，１０により往復動によって４回発生するエアの脈動を内部空間Ｋにより吸収するので、エア圧縮装置の上流側及び／又は若しくは下流側の流路に設けられるバッファータンクを省略することができ、部品点数を減らして装置の小型化を促進することができる。
また、本体ケース２と蓋体１とを閉止して形成される空間内にピストン複合体Ｐがシャフト４を中心に回転可能に軸支されているので、密閉構造を容易に形成することができ、装置本体３内におけるエアのシール性を維持することができる。
また、往復動する第１，第２ピストン組９，１０のエア圧縮方向と反対側である内部空間Ｋのエア圧を高圧側として蓋体１に吐出口１ｂを設けたことにより、各ピストンヘッドとシリンダ２９との間に作用するサイドフォースを低減することができ、エネルギー変換効率が向上する。

また、エア吸入口１ａより吸入されたエアは、蓋体１内のエア吸込用空間部１ｈより本体ケース２及びシリンダ２９に設けられた流路孔を通じてシリンダ２９を閉止するシリンダ蓋３３とシリンダバルブ３２との隙間に導かれ、当該シリンダバルブ３２を介して各シリンダ室Ｒに流れ込むので、蓋体１及び本体ケース２の空きスペースに設けた流路孔により、エア流路を形成できるので、配管を省略し小型化を促進することができる。

また、蓋体１と本体ケース２とは仕切り板２５により蓋側空間部と本体側空間部が仕切られているので、蓋側空間部をエア吸込動作及びエア吐出動作を行う空間として利用することができる。また、蓋体１、外ガスケット２４、仕切り板２５、内ガスケット２６、本体ケース２がこの順に重ね合わせて外ガスケット２４と仕切り板２５とはエア吸込み用連通孔２４ｃ，２５ｃと吐出用連通孔２４ｄ，２５ｄが互いに連通するように組み付けられ、仕切り板２５と内ガスケット２６とはエア吸込み孔２５ｃ，２６ｃが端面連通孔２ｃと連通するように組み付けられるので、エア吸込流路及びエア吐出流路をシール性を維持したまま容易に形成することができる。

尚、流体としては、気体を想定して説明したが、液相ポンプのような液体であってもよい。また、気体には混合気体や水蒸気など相転移する状態のものも含まれる。また、気体圧縮装置に限らず、気体回転機、真空吸引装置、など様々な駆動装置への利用が見込まれる。

１ 蓋体 １ａ エア吸込み口 １ｂ エア吐出口 １ｃ，６ｂ，１１ｄ，１２ｄ ２４ａ，２５ａ，２６ａ ピン孔 １ｄ ボルト孔 １ｅ，２ｈ，７ａ，２４ｅ，２５ｅ 軸孔 １ｆ シール用凹部 １ｇ 軸受用凹部 １ｈ エア吸込み用空間部 １ｉ 仕切り部 １ｊ エア吐出用空間部 １ｋ，１ｍ，１６ａ，１９ａ 連通孔 １ｎ，２ｂ，２ｇ，４ｅ，４ｆ，９ｅ，１６ｂ，１８ｂ，１９ｂ，２４ｂ，２５ｂ，２６ｂ，２８ｂ，２９ｂ，３０ｂ，３１ｂ，３２ｂ，３３ａ ねじ孔 ２ 本体ケース ２ａ 位置決めピン ２ｃ 端面連通孔 ２ｄ 側面連通孔 ２ｅ 吸込み流路 ２ｆ シリンダ孔 ３ 装置本体 ４ シャフト ４ａ 第１シャフト ４ｂ 第２シャフト ４ｃ，４ｄ，６ｃ，６ｄ Ｄカット部 ５，２０，３４ ボルト ６ 第１クランク軸 ６ａ スリット ７ 偏心筒体 ７ｂ 軸受保持部 ７ｃ，７ｄ 筒体 ８，２２，２３ 軸受 ９ 第１ピストン組 ９ａ 第１ピストン本体 ９ｂ 嵌合孔 ９ｃ 第１ピストンヘッド部 ９ｄ 吸込口 １０ 第２ピストン組 １０ｃ 第２ピストンヘッド部 Ｐ ピストン複合体 １１ 第１バランスウェイト １１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ 挿入孔 １１ｃ，１２ｃ 貫通孔 １２ 第２バランスウェイト １３ａ，１３ｂ 止めねじ １４ａ，１４ｂ ピン １５ａ，１５ｂ 第２仮想クランク軸 １６ ピストンスペーサ １７ ピストンリング １８ ピストンバルブ １８ａ 弁体 １８ｃ スリット １９ ピストンバルブ押さえ １９ｃ 弁体当接部 １９ｄ，３０ｄ，３３ｂ，３３ｃ 凹部 ２１ シール材 ２４ 外ガスケット ２４ｃ，２５ｃ，２６ｃ 吸込み用連通孔 ２４ｄ，２５ｄ 吐出用連通孔 ２５ 仕切り板 ２６ 内ガスケット ２７ ねじ ２８ シリンダガスケット ２８ａ，２９ａ，３０ａ，３１ａ，３２ａ 吸込み用連通孔 ２８ｃ，２９ｃ，３０ｃ 開口孔 ２９ シリンダ ３０ 第１スペーサ ３１ 第２スペーサ ３２ シリンダバルブ ３３ シリンダ蓋 ３５ 回転軌道 ３６ 仮想円 ３７ 転がり円 Ｋ 内部空間 Ｒ シリンダ室

Claims (3)

1. シャフトを中心に半径ｒで組み付けられた第１クランク軸が回転し、当該第１クランク軸に組み付けられた偏心筒体が回転することで、前記第１クランク軸を中心に半径ｒで回転する第２仮想クランク軸の回転軌跡に沿って前記偏心筒体に相対的に回転可能に組み付けられた第１，第２ピストン組が前記シャフトを中心とする半径２ｒの同心円の径方向に直線往復運動を行なうロータリ式シリンダ装置を備えた気体圧縮装置であって、
   筐体状ケースの一面が開口しその周囲を囲む各側面にシリンダが組み付けられ、シリンダ室が各々形成される本体ケースと、
   気体を吸入する気体吸入口及びこれに連絡する気体吸入路と、前記本体ケースの内部空間に連絡する気体吐出路及びこれに連絡する気体吐出口とが形成され、前記本体ケースの開口を密閉する蓋体と、
   前記本体ケースの内部空間と前記蓋体内に形成される前記気体吸込路及び気体吐出路とを仕切る仕切り板と、
   前記各シリンダ開口側に一体に組み付けられ、前記気体吸入口より吸入した気体を対応する前記シリンダ室に導入するシリンダバルブと、
   前記第１，第２ピストン組のピストンヘッド部に一体に組み付けられ、前記各シリンダ室内で圧縮された高圧気体を前記本体ケースの前記内部空間に導くピストンバルブと、を具備し、
   前記本体ケースに前記蓋体を閉止して形成される内部空間に前記偏心筒体が前記シャフトを中心に回転可能に軸支され、前記第１，第２ピストン組が直線往復運動を行なう際に、前記気体吸入路からいずれかの前記シリンダバルブを介して前記シリンダ室へ気体が吸込まれ、いずれかの前記シリンダ室で圧縮された高圧気体が前記ピストンバルブを介して前記内部空間に流出し前記気体吐出口より高圧気体が吐出される動作を繰り返し、前記気体の吸込み及び吐出動作を行う際に前記高圧気体が一時的に貯留される前記内部空間が気体の脈動を吸収することを特徴とする気体圧縮装置。
2. 前記気体吸入口より吸入された気体は、前記蓋体内の気体吸込空間より前記本体ケース及び前記シリンダに設けられた流路孔を通じて前記シリンダ開口を閉止するシリンダバルブ押え部材と前記シリンダバルブとの隙間に導かれ、当該シリンダバルブを介して前記シリンダ室に流れ込む請求項１記載の気体圧縮装置。
3. 前記蓋体と前記本体ケースとは仕切り板により仕切られており、前記蓋体と前記仕切り板との間に外シール材、前記仕切り板と前記本体ケースの開口端との間に内シール材を各々重ね合わせ、前記外シール材と前記仕切り板とは気体の吸込孔と吐出孔が互いに連通し、前記内シール材と前記仕切り板とは気体の吸込孔が連通するように組み付けられている請求項１又は請求項２記載の気体圧縮装置。

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