JP2014114724A - 圧縮機用シリンダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成でありながら、効率良く気体を圧縮することができて、振動、騒音を抑制できる圧縮機用シリンダ装置を提供する。
【解決手段】 互いに同心の入力軸２および後方軸３、２つ１組のシリンダ５、ピストン部１０、および偏心カム１３を備える。２つ１組のシリンダ５は、入力軸２および後方軸３の軸心Ｏ１，Ｏ２を挟んで互いに対向して配置する。ピストン部１０は、２つ１組のシリンダ５にそれぞれ摺動自在な２つのピストンヘッド６を有する。偏心カム１３は、カム軸１５の外周にピストン受け部１４Ａ，１４Ｂが形成され、カム軸１５は入力軸２および後方軸３に軸心Ｏ１，Ｏ２に対して偏心させて回転自在に支持させ、ピストン受け部１４Ａ，１４Ｂはピストン部１０に対して回転自在とする。偏心カム１３の回転バランスをとるためのバランスウェイト１７を、偏心カム１３に対して入力軸側または後方軸側の１箇所に設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、入力軸の回転をシリンダ内のピストンの往復運動に変換するレシプロ式の圧縮機用シリンダ装置に関する。

圧縮機の駆動方式として、クランク軸に連繋されたピストンの往復運動により気体の吸引と吐出とを繰り返すレシプロ駆動方式、固定スクロールに対する旋回スクロールを回転させて気体の吸引と吐出とを繰り返すスクロール型のロータリ駆動方式、一対のローラの回転運動により気体の吸引と吐出とを繰り返すローラ型のロータリ駆動方式等が採用されている。中速回転以下で使用される小型の圧縮機では、高い気密性が要求されることから、上記各駆動方式において気密性で有利なレシプロ駆動方式を採用したものが主流となっている。レシプロ駆動方式である圧縮機の構造が、例えば特許文献１〜５に提案されている。

特許第４８７２９３８号 特許第４４８２３３７号 特許第１４８０１９０号 特開２０１１−２３１７４４号公報 特許第４５５３９７７号

前記各提案の圧縮機の構造は、それぞれ以下の問題がある。
特許文献１のものは、４つのシリンダに４つのピストンおよびピストンロッドが必要となり、それぞれを配置するためには入力シャフト軸方向の長さが拡張してしまう。また、円筒形であるピストン中心軸高さが隣り合う位相で異なり、重心のバランスを取ることが困難となる。

特許文献２のものは、２ヘッド式の構造であり、第１ピストンおよびその関連アセンブリの質量と、第２ピストンおよびその関連アセンブリの質量とを同じにしても、回転軸に対してバランスを取ることが難しい。

特許文献３のものは、ピストンヘッド部とシリンダ内の摺動面との摩擦により、ピストンヘッド部に取り付けられるシールカップおよびピストンシリンダが損傷、偏摩耗等を生じ、気密性の劣化および摩耗の増大によって、エネルギー損失が増加する恐れがある。

特許文献４には、２気筒の図が示されているが、この構造では回転軸に対してバランスを取るのが難しい。明細書中に２気筒単段以外にも適用可能であると記載されているが、明確な記述はなく、２気筒の考え方で構成されるバランスウェイトをそれぞれ取り付けても、完全に回転バランスを取ることはできない。

特許文献５のものは、シャフト軸を中心に等速回転運動する回転部品により、シャフト軸の回転運動をピストン組の直線往復運動に変換する構造である。この構造とすることで、上記特許文献１〜４の各問題の多くを解決することが可能である。加えて、一般的なレシプロ駆動方式の問題点である、振動、騒音が高く、またエネルギー効率が悪いという点についても、ある程度改善することが可能になると期待できる。

しかし、特許文献５のものは、ピストン組の往復運動の不釣り合いによる振動、騒音を、回転部品の両端部に配置した２つのバランスウェイトで抑えている。この場合、精度良く重量バランスをとるには、入力シャフトの中心回りの重心位置を一致させ固定する必要がある。そのため、上記２つのバランスウェイトを高い精度で製造し、かつ各バランスウェイトの位相角が一致するように高い精度で組付けなければならない。

この発明の目的は、簡易な構成でありながら、効率良く気体を圧縮することができて、振動、騒音を抑制できる圧縮機用シリンダ装置を提供することである。

この発明の圧縮機用シリンダ装置は、ケースの一方端に回転自在に支持され、前記ケースの外部から伝達される駆動力により回転させられる入力軸と、前記ケースの他方端に回転自在に支持され、前記入力軸と同心の後方軸と、前記入力軸および後方軸の軸心を挟んで、この軸心と垂直な方向に互いに対向して配置された２つで１組のシリンダと、前記２つで１組のシリンダにそれぞれ摺動自在な２つのピストンヘッド(シールカップを含む)を有し、これら２つのピストンヘッドを互いに一体に動作可能にピストン軸で連結したピストン部と、カム軸の外周にこのカム軸の軸心に対して偏心したピストン受け部が形成され、前記カム軸は前記入力軸および後方軸に、これら入力軸および後方軸の軸心に対して偏心させて回転自在に支持され、かつ前記ピストン受け部は前記ピストン部に対して回転自在とされた偏心カムとを備え、前記入力軸が回転することで、前記２つで１組のシリンダの各ピストンヘッドが進退する。この構成の圧縮機用シリンダ装置において、前記偏心カムの回転バランスをとるためのバランスウェイトを、前記偏心カムに対して前記入力軸側または前記後方軸側の１箇所に設けた。

この構成であると、入力軸の回転による各ピストン部とピストン受部を合わせた重心の入力軸の軸心からの距離と重量の積と、バランスウエイトの重心の入力軸の軸心からの距離と重量の積が、入力軸の軸心に対して同値とすることができるため、バランスウェイトが１つであっても、振動、騒音を抑制することができる。バランスウェイトが１つであれば、従来のように、２つのバランスウェイトそれぞれの絶対位置のみならず、相互の相対位置までをも考慮した複雑な位置調整が簡略化されるため、バランスウェイトの組付け作業が容易である。また、バランスウェイトが１つであるため、バランスウェイトの取付誤差が最小化でき、振動、騒音の抑制に有利であり、しかも効率の良い圧縮性能が得られる。さらに、バランスウェイトを１つとしたことで、構成が簡易になり製造コストを低減できる。

この発明の圧縮機用シリンダ装置において、前記２つで１組のシリンダを２組有していてもよい。
２つで１組のシリンダを２組有すると、入力軸に対してバランスを取り易く、各ピストンヘッドの進退動作を安定させることができる。

この発明の圧縮機用シリンダ装置において、前記バランスウェイトは、前記入力軸または後方軸と一体に回転させる。例えば、前記入力軸または後方軸のうちの前記バランスウェイトが一体に回転する軸は、この軸の軸心と同心の第１円筒面部と、前記軸心に対して偏心した第２円筒面部とを有し、これら第１円筒面部および第２円筒面部のうちのいずれか一方の円筒面部の外周に前記バランスウェイトに設けられた孔を嵌合させ、かつもう一方の円筒面部の外周面に前記バランスウェイトを接触させることで、前記バランスウェイトを回転不能に固定する。
バランスウェイトは入力軸または後方軸と一体に形成されていてもよいが、上記構成とすることで、バランスウェイトを入力軸または後方軸と別体で形成することができる。別体であると、一体である場合に比べて、バランスウェイトを簡易な形状とすることができる。

前記バランスウェイトの孔は、前記第１円筒面部および第２円筒面部の少なくともいずれかに圧入されているのが良い。
この場合、別の部材を用いずに、入力軸または後方軸に対するバランスウェイトの径方向の位置ずれを拘束することができる。

また、前記バランスウェイトは、このバランスウェイトの一部、または前記入力軸および後方軸のうちの前記バランスウェイトが一体に回転する軸の一部を塑性変形させることで、前記入力軸および後方軸のうちの前記バランスウェイトが一体に回転する軸に対して前記バランスウェイトの軸方向の位置ずれを拘束するのが良い。
この場合、別の部材を用いずに、入力軸または後方軸に対するバランスウェイトの軸方向の位置ずれを拘束することができる。

この発明の圧縮機用シリンダ装置において、前記バランスウェイトが前記入力軸または後方軸と別体である場合、前記バランスウェイトを焼結加工または冷鍛加工によって成形しても良い。その場合、焼結加工または冷鍛加工の後で、後加工をしても、しなくても良い。
焼結加工または冷鍛加工を採用すると、バランスウェイトを低コストで成形できる。

この発明の圧縮機用シリンダ装置において、前記入力軸および後方軸のうちの前記バランスウェイトが一体に回転しない方の軸に、この軸の慣性モーメントを増加させるフライホイールを設けると良い。
上記のようにフライホイールを設けると、入力軸および後方軸の軸心回りの偏心カムの旋回による各ピストン圧の変化で生じるトルク変動を吸入することができ、全体的な耐久性が向上する。

具体的には、前記バランスウェイトを前記後方軸と一体回転するように設け、かつ前記フライホイールを前記入力軸に一体回転するように設けるのが良い。
この場合、偏心カムの旋回の安定性と耐久性を向上させつつ、簡素で安価な圧縮機用シリンダ装置とすることができる。フライホイールは、回転駆動力の入力側である入力軸に設けるのが好ましい。

この発明の圧縮機用シリンダ装置において、前記入力軸と前記偏心カムのカム軸の間、および前記後方軸と前記偏心カムのカム軸の間に軸受を介在させると良い。
軸受を介在させると、入力軸と偏心カムのカム軸との相互回転、および後方軸と偏心カムのカム軸との相互回転が円滑に行われる。

この発明の圧縮機用シリンダ装置において、前記各シリンダが吸入する気体を集める１つの吸入チャンバを設けると共に、前記各シリンダから吐出される気体を集める１つの吐出チャンバを設けるのが良い。
各シリンダで共通の１つの吸入チャンバを設けることで、吸入側に設置するフィルターの個数が１個で済み、フィルターを設置し易い。また、各シリンダで共通の１つの吐出チャンバを設けることで、吐出側の配管の接続が簡単になる。

前記吸入チャンバおよび吐出チャンバは、前記ケース内における前記入力軸および後方軸の軸心方向の互いに反対側の位置に分散して配置するのが良い。
上記のように吸入チャンバと吐出チャンバを分散して配置することで、バランスが良くなる。また、圧縮機用シリンダ装置全体を対称形状とすることができる。それにより、対称箇所に用いられる部品を共通化することができ、低コスト化を図れる。

この発明の圧縮機用シリンダ装置は、ケースの一方端に回転自在に支持され、前記ケースの外部から伝達される駆動力により回転させられる入力軸と、前記ケースの他方端に回転自在に支持され、前記入力軸と同心の後方軸と、前記入力軸および後方軸の軸心を挟んで、この軸心と垂直な方向に互いに対向して配置された２つで１組のシリンダと、前記２つで１組のシリンダにそれぞれ摺動自在な２つのピストンヘッド（シールカップ）を有し、これら２つのピストンヘッドを互いに一体に動作可能にピストン軸で連結したピストン部と、カム軸の外周にこのカム軸に対して偏心したピストン受け部が形成され、前記カム軸は前記入力軸および後方軸に、これら入力軸および後方軸の軸心に対して偏心させて回転自在に支持され、かつ前記ピストン受け部は前記ピストン部に対して回転自在とされた偏心カムとを備え、前記入力軸が回転することで、前記２つで１組のシリンダの各ピストンヘッドが進退する装置であって、前記偏心カムの回転バランスをとるためのバランスウェイトを、前記偏心カムに対して前記入力軸側または前記後方軸側の１箇所に設けたため、簡易な構成でありながら、効率良く気体を圧縮することができて、振動、騒音を抑制できる。

この発明の一実施形態にかかる圧縮機用シリンダ装置の断面図である。 図１のII−II断面図である。 同圧縮機用シリンダ装置のピストン部の一部を断面で表した外形図である。 同圧縮機用シリンダ装置の偏心カムの外形図である。 同圧縮機用シリンダ装置のピストンアセンブリの断面図である。 （Ａ）は同圧縮機用シリンダ装置の後方軸およびバランスウェイトの破断正面図、（Ｂ）はその底面図である。 （Ａ）は同圧縮機用シリンダ装置の入力軸およびフライホイールの破断正面図、（Ｂ）はその底面図である。 同ピストンアセンブリの動作を示す説明図である。 （Ａ）はこの発明の異なる実施形態にかかる圧縮機用シリンダ装置の後方軸およびバランスウェイトの破断正面図、（Ｂ）はその底面図である。

この発明にかかるリンク作動装置の一実施形態を図１〜図８と共に説明する。
図１はこの圧縮機用シリンダ装置の断面図、図２は図１のII−II断面図である。この圧縮機用シリンダ装置は、概略立方体形状のケース１を備え、このケース１の一方端に軸受Ｊ１（図１）を介して入力軸２（図１）が回転自在に支持され、他方端に軸受Ｊ２（図１）を介して後方軸３が回転自在に支持されている。入力軸１の軸心Ｏ１（図１）と後方軸２の軸心Ｏ２は、同一直線上に位置する。
以下の説明では、便宜上、図１に合わせて方向を定めることとする。すなわち、入力軸２および後方軸３の軸心Ｏ１，Ｏ２の方向を上下方向とし、軸心Ｏ１，Ｏ２に直交し、かつ互いに直交する方向をそれぞれ左右方向および前後方向とする。

ケース１には、２つで１組の円筒状のシリンダ５が２組、計４個のシリンダ５が組込まれている。２つで１組のシリンダ５は、入力軸１および後方軸２の軸心Ｏ１，Ｏ２を挟んで、これら軸心Ｏ１，Ｏ２と垂直な方向に互いに対向して配置されている。また、各組の２つのシリンダ５の並び方向は、各組で互いに直交している。この実施形態では、１つの組のシリンダ５（Ａ）の並び方向は左右方向であり、もう１つの組のシリンダ５（Ｂ）（図２）の並び方向は前後方向である。

上記各シリンダ５には、それぞれピストンヘッド６が、具体的にはそのシールカップ９が摺動自在に嵌合している。図３に示すように、２つで１組のシリンダ５にそれぞれ摺動自在に嵌合する２つのピストンヘッド６（シールカップ９）は、ピストン軸７により互いに連結されて、一体に動作するようになっている。ピストンヘッド６は、ピストン軸７の両端のフランジ部７ａにねじ部材８により取り付けられる。ピストンヘッド６の外周面には、シールカップ９が設けられる。このシールカップ９は、ピストンヘッド６の外周面に密着させられる円筒部９ａと、この円筒部９ａの一方端から内径側に延びるつば状部９ｂとでなり、つば状部９ｂをピストンヘッド６とピストン軸７のフランジ部７ａとの間に挟み込ませることで固定される。これらピストンヘッド６、ピストン軸７、ねじ部材８、およびシールカップ９で、ピストン部１０が構成される。なお、前記シールカップ９の代わりに、Ｃ形またはそれに類似した形状のピストンリングを用いてもよい。

左右方向に並ぶシリンダ５（Ａ）にピストンヘッド６（シールカップ９）が摺動自在に嵌合するピストン部１０の場合、前記ピストン軸７における両端のフランジ部７ａ間の部分である軸部７ｂの左右中央部に、前後に貫通する円形孔１２が形成されている。この円形孔１２には、後記偏心カム１３の円形のピストン受け部１４Ａが、軸受Ｊ３（図１）を介して回転自在に嵌合する。

図４に示すように、偏心カム１３は、カム軸１５の外周に、上下に並ぶ２つのピストン受け部１４Ａ，１４Ｂが形成されている。これら２つのピストン受け部１４Ａ，１４Ｂの中心Ｏ４Ａ，Ｏ４Ｂは、カム軸１５の軸心Ｏ３に対して、互いに１８０°の位相差を持って、同じ偏心距離ａだけ偏心している。この実施形態の場合、一方のピストン受け部１４Ａは、左右方向に並ぶ２つで１組のシリンダ５（Ａ）用のピストン部１０の円形孔１２に軸受Ｊ３を介して回転自在に嵌合し、もう一方のピストン受け部１４Ｂは、前後方向に並ぶ２つで１組のシリンダ５（Ｂ）用のピストン部１０の円形孔１２に軸受Ｊ３を介して回転自在に嵌合する。

図５に示すように、ピストン部１０と、それに対応するピストン受け部１４Ａ（１４Ｂ）と、軸受Ｊ３とで、ピストンアセンブリ１６Ａ（１６Ｂ）が構成される。これらピストンアセンブリ１６Ａ，１６Ｂは、２つで１組のシリンダ５に対してそれぞれ進退動作する集合体である。

図１に示すように、偏心カム１３のカム軸１５は、その両端部で入力軸２および後方軸３に、軸受Ｊ４，Ｊ５を介して回転自在に支持されている。カム軸１５の軸心Ｏ３は、入力軸２および後方軸３の軸心Ｏ１，Ｏ２に対して、偏心距離ｂだけ偏心させてある。入力軸２および後方軸３の軸心Ｏ１，Ｏ２に対するカム軸１５の軸心Ｏ３の偏心距離ｂは、カム軸１５の軸心Ｏ３に対するピストン受け部１４Ａ，１４Ｂの中心Ｏ４Ａ，Ｏ４Ｂの偏心距離ａと同じである。

後方軸３には、偏心カム１３の回転バランスをとるためのバランスウェイト１７が、後方軸３と一体に回転するように設けられている。図６に示すように、バランスウェイト１７は、後方軸３の軸心Ｏ２に沿って見て半円形の形状であり、後方軸３の軸心Ｏ２を基準にして、カム軸１３の軸心Ｏ３に対し円周位相で１８０°の位置に中心が存在する。この実施形態では、バランスウェイト１７は、後方軸３と一体に形成されている。

バランスウェイト１７は、後方軸３と別体としてもよい。具体的には、図９に示すように、後方軸３は、軸心Ｏ２と同心の第１円筒面部３ａと、軸心Ｏ２に対して偏心した第２円筒面部３ｂとを有し、第１円筒面部３ａの外周にバランスウェイト１７に設けられた孔１７ａを嵌合させ、第２円筒面部３ｂの外周面にバランスウェイト１７を接触させることで、バランスウェイト１７を後方軸３に回転不能に固定する。この例とは逆に、第２円筒面部３ｂの外周にバランスウェイト１７に設けられた孔（図示せず）を嵌合させ、第１円筒面部３ａの外周面にバランスウェイト１７を接触させても、バランスウェイト１７を後方軸３に回転不能に固定することができる。

この実施形態では、バランスウェイト１７の孔１７ａを、第１円筒面部３ａに圧入させることにより、バランスウェイト１７の径方向の位置ずれを拘束している。また、バランスウェイト１７の一部または後方軸３の一部を塑性変形させることで、バランスウェイト１７の軸方向に位置ずれを拘束している。この例の場合、後方軸３の第１円筒面部３ａにおけるバランスウェイト１７の孔１７ａに嵌合していない部分の円周方向複数箇所を外径側に塑性変形させて、位置ずれ拘束用の突起３ａａとしている。このように圧入、塑性変形を採用することで、他の固定用部材を用いずに、後方軸３に対するバランスウェイト１７の径方向および軸方向の位置ずれを拘束することができる。

上記のようにバランスウェイト１７を後方軸３と別体とすると、後方軸３およびバランスウェイト１７を簡易な形状とすることができ、加工が容易となる。バランスウェイト１７が後方軸３と別体であれば、バランスウェイト１７を焼結加工または冷鍛加工によって成形することができる。その場合、焼結加工または冷鍛加工によって直接成形してもよく、焼結加工または冷鍛加工後に後加工を行って成形してもよい。焼結加工または冷鍛加工を採用すると、バランスウェイト１７を低コストで成形できる。

図１において、入力軸２には、この入力軸２の慣性モーメントを増加させるフライホイール１８が設けられている。フライホイール１８は、図７に示すように、入力軸２の軸心Ｏ１と同心の円板状である。この実施形態では、フライホイール１８は入力軸２と一体に形成されているが、入力軸２と別体であってもよい。

以上説明した構成において、ピストンアセンブリ１６Ａ，１６Ｂ、フライホイール１８付きの入力軸２、バランスウェイト１７付きの後方軸３のすべてを合わせた重心位置が、入力軸２および後方軸３の軸心Ｏ１，Ｏ２上、または軸心Ｏ１，Ｏ２に極めて近くに位置するように、上記各部品が配置されている。

図１、図２において、前記各シリンダ５の外側の端面には蓋部材１９が取り付けられ、シリンダ５内における蓋部材１９と前記シリンダヘッド６の間の空間が圧縮室２０とされている。なお、蓋部材１９の外面には、多数のフィン１９ａが形成されている。

図１において、各シリンダ５の圧縮室２０は、吸入バルブ２１および通路２２を介して各シリンダ５で共通の吸入チャンバ２３と繋がっている。吸入チャンバ２３には、外部に向けて開口する吸入口２４が設けられている。吸引口２４は、フィルター（図示せず）に接続される。また、各シリンダ５の圧縮室２０は、吐出バルブ２５および通路２６を介して各シリンダ５で共通の吐出チャンバ２７と連通している。吐出チャンバ２７には、外部に向けて開口する吸入口２８が設けられている。吸入口２８には、圧縮した気体を送る対象機器に繋がる配管（図示せず）が接続される。上記吸入チャンバ２３および吐出チャンバ２７は、ケース１における入力軸２および後方軸３の軸心Ｏ１，Ｏ２方向の互いに反対側にそれぞれ配置されている。この実施形態では、吸入チャンバ２１が入力軸２側に配置され、吐出チャンバ２３が後方軸３側に配置されている。

前記吸入バルブ２１および吐出バルブ２５は、バルブ台２９の両側に配置される。バルブ台２９は、圧縮室２０の圧力が吸入チャンバ２３の圧力よりも低くなると、吸入バルブ２１が開くと共に吐出バルブ２５が閉じ、圧縮室２０の圧力が吐出チャンバ２７の圧力よりも高くなると、吐出バルブ２５が開くと共に吸入バルブ２１が閉じるようになっている。バルブ台２９は、特に限定するものではなく、公知のものを使用することができる。バルブ台２９はシリンダ５と蓋部材１９の間に介在させて設けられている。前記通路２２，２６は蓋部材１９に形成されている。

この圧縮機用シリンダ装置の作用を説明する。
入力軸２には、図示しないモータまたはエンジンより回転駆動力が伝達される。入力軸２は、モータまたはエンジンの回転軸と直結していてもよく、またはカップリングを介して連結されていてもよい。さらに、ベルト伝動装置、チェーン伝動装置等を介して、モータまたはエンジンの回転軸から入力軸２に回転駆動力を伝達してもよい。

モータまたはエンジンの回転駆動力により入力軸２が回転すると、その回転力が、入力軸２の軸心Ｏ１から距離ｂだけオフセットされた位置で偏心カム１３のカム軸１５に伝達される。それにより、偏心カム１３が入力軸２および後方軸３の軸心Ｏ１，Ｏ２を中心として旋回するが、偏心カム１３のピストン受け部１４Ａ，１４Ｂがピストン部１０の円形孔１２に軸受Ｊ３を介して嵌合しているため、偏心カム１３が軸心Ｏ３回りの角度規制を受ける。それにより、ピストンアセンブリ１６Ａ，１６Ｂは図８のように動作する。図８は、ピストンアセンブリ１６Ａの動作を示す。

同図（Ａ）は、カム軸１５の軸心Ｏ３が、入力軸２および後方軸３の軸心Ｏ１，Ｏ２の真左に位置する状態を示す。このとき、ピストン受け部１４Ａの中心Ｏ４Ａは、入力軸２および後方軸３の軸心Ｏ１，Ｏ２から真左に距離（ａ＋ｂ）だけ離れて位置する。

同図（Ａ）の状態から偏心カム１３が右回りに９０°旋回すると、同図（Ｂ）となる。すなわち、偏心カム１３全体が入力軸２および後方軸３の軸心Ｏ１，Ｏ２回りに９０°公転すると共に、偏心カム１３は、カム軸１５の軸心Ｏ３回りに公転とは逆方向に９０°自転する。このときのピストン受け部１４Ａの中心Ｏ４Ａは、入力軸２および後方軸３の軸心Ｏ１，Ｏ２と左右同じ位置となる。

同図（Ｂ）の状態から偏心カム１３が右回りに９０°旋回すると、同図（Ｃ）となる。前記同様に偏心カム１３が公転および自転することにより、ピストン受け部１４Ａの中心Ｏ４Ａが、入力軸２および後方軸３の軸心Ｏ１，Ｏ２から真右に距離（ａ＋ｂ）だけ離れた位置に到達する。つまり、ピストン受け部１４Ａの中心Ｏ４Ａが、同図（Ａ）の初期位置から距離（２ａ＋２ｂ）だけ移動したことになる。

その後、同図（Ｃ）の状態から偏心カム１３が右回りに９０°旋回すると、同図（Ｄ）となる。このとき、ピストン受け部１４Ａの中心Ｏ４Ａは、入力軸２および後方軸３の軸心Ｏ１，Ｏ２から真左に距離（ａ＋ｂ）だけ離れて位置する。さらに、同図（Ｄ）の状態から偏心カム１３が右回りに９０°旋回することで、同図（Ａ）の状態に戻る。

上記ピストンアセンブリ１６Ａの動作において、ピストン受け部１４Ａの中心Ｏ４Ａはピストン部１０の円形孔１２の中心に維持されるから、偏心カム１３が３６０°旋回する間に、ピストン部１０が（２ａ＋２ｂ）のストロークで１往復の進退運動をする。ここで、カム軸１５の軸心Ｏ３に対するピストン受け部１４Ａの中心Ｏ４Ａの偏心距離ａと、入力軸２および後方軸３の軸心Ｏ１，Ｏ２に対するカム軸１５の軸心Ｏ３の偏心距離ｂとは等しいので、ピストン部１０のストロークは偏心距離ａ，ｂの４倍である。

入力軸２が連続回転することにより、２組のピストン部１０がそれぞれ往復運動を繰り返す。ピストンアセンブリ１６Ａの場合、ストロークの左端へ移動したときに、左のピストンヘッド６が上死点に位置し、右のピストンヘッド６が下死点に位置する。逆に、ストロークの右端へ移動したときに、左のピストンヘッド６が下死点に位置し、右のピストンヘッド６が上死点に位置する。

シリンダヘッド６が上死点に向かって移動するとき、このシリンダヘッド６が嵌合するシリンダ５の圧縮室２０の圧力が上昇する。そして、圧縮室２０の圧力が吐出チャンバ２７の圧力を超えると、吐出バルブ２５が開き、圧縮室２０内の圧縮された気体が、通路２６を通って吐出チャンバ２７へ流れ込む。また、シリンダヘッド６が下死点に向かって移動するとき、このシリンダヘッド６が嵌合するシリンダ５の圧縮室２０の圧力が低下する。そして、圧縮室２０の圧力が吸入チャンバ２３の圧力より低くなると、吸入バルブ２２が開き、吸入チャンバ２３内の気体が通路２２を通って圧縮室２０に送り込まれる。

各シリンダ５の圧縮室２０で気体の圧縮および吐出が繰り返し行われることにより、圧縮機用シリンダ装置の外部から吸入された気体を圧縮し、圧縮された気体を図示しない対象機器に送り出す。２組で計４個のシリンダ５は、入力軸２および後方軸３の軸心Ｏ１，Ｏ２を中心にしてそれぞれ９０°の間隔で円周方向に並んで配置され、その並び順と同じ順序で、各圧縮室２０における吐出と吸引のサイクル動作が実行される。各圧縮室２０のサイクル動作は同じ時間間隔でずれている。このため、吐出チャンバ２７および吸入チャンバ２３での圧力変動が少なく、気体の圧縮を安定して行える。

この圧縮機用シリンダ装置は、偏心カム１３が、入力軸２および後方軸３の軸心Ｏ１，Ｏ２回りに公転、ならびにカム軸１５の軸心Ｏ３回りに自転することで、入力軸２の回転運動をピストンアセンブリ１６Ａ，１６Ｂの進退運動に変換する構成である。この機構を用いてさらにバランスウエイト１７によってバランスを保つことで、クランク機構を用いた従来のレシプロ駆動方式と比べて、振動、騒音を抑制できる。また、振動によるエネルギー損失が少ない分、効率良く気体を圧縮することができる。

偏心カム１３の回転バランスをとるためのバランスウェイト１７は、後方軸３に１つだけ設けられている。入力軸２の回転による各ピストン部１０とピストン受部１４Ａ，１４Ｂを合わせた重心の入力軸２の軸心Ｏ１からの距離と重量の積と、バランスウエイト１７の重心の入力軸２の軸心Ｏ１からの距離と重量の積が、入力軸２の軸心Ｏ１に対して同値とすることができるため、バランスウェイト１７が１つであっても、振動、騒音を抑制することができる。バランスウェイト１７を複数有する場合、各バランスウェイト１７の重量調整と位置調整をする必要があるが、１つであれば、これらの調整が不要である。そのため、バランスウェイト１７の加工が容易であり、かつバランスウェイト１７の組付け作業が容易である。また、バランスウェイト１７が１つであれば、バランスウェイト１７の取付誤差が生じることが最小化でき、振動、騒音の抑制に有利である。さらに、バランスウェイト１７を１つとしたことで、構成が簡易になり製造コストを低減できる。

入力軸２にフライホイール１８が設けられているため、圧縮室２０の圧力変化によるトルク変動を平準化することができる。これにより、モータ等の駆動源の負荷変動を平準化し、全体的な耐久性を向上させることができる。フライホイール１８は後方軸３に設けてもよいが、この実施形態のように、回転駆動力の入力側である入力軸２にフライホイール１８を設けるのがより好ましい。

相互回転する部品間に軸受Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５を介在させてあるため、各回転部品の回転動作が円滑に行われる。例えば、入力軸２と偏心カム１３のカム軸１５との間に軸受Ｊ４を介在させ、後方軸３と偏心カム１３のカム軸１５との間に軸受Ｊ５を介在させたことにより、入力軸２と偏心カム１３のカム軸１５との相互回転、および後方軸３と偏心カム１３のカム軸１５との相互回転が円滑に行われる。

また、この圧縮機用シリンダ装置では、各シリンダ５が吸入する気体を集める１つの吸入チャンバ２３が入力軸２側に設けられ、各シリンダ５から吐出される気体を集める１つの吐出チャンバ２７が後方軸３側に設けられている。このように、各シリンダ５で吸入チャンバ２３を共通とすることにより、フィルター（図示せず）が１つだけで済み、フィルターの設置が容易になる。また、各シリンダ５で吐出チャンバ２７を共通とすることにより、吐出側での配管の接続が簡単になる。

さらに、吸入チャンバ２３および吐出チャンバ２７を、入力軸２および後方軸３の軸方向反対側にそれぞれ分散して配置することで、全体の配置バランスが良くなる。加えて、上記分散配置とすると、圧縮機用シリンダ装置全体を対称形状とすることができる。それにより、対称箇所に用いられる部品を共通化することができ、低コスト化を図れる。

１…ケース
２…入力軸
３…後方軸
３ａ…第１円筒面部
３ｂ…第２円筒面部
５…シリンダ
６…ピストンヘッド
７…ピストン軸
１０…ピストン部
１３…偏心カム
１４Ａ，１４Ｂ…ピストン受け部
１７…バランスウェイト
１７ａ…孔
１８…フライホイール
２３…吸入チャンバ
２７…吐出チャンバ
Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５…軸受
Ｏ１…入力軸の軸心
Ｏ２…後方軸の軸心
Ｏ３…カム軸の軸心
Ｏ４Ａ，Ｏ４Ｂ…ピストン受け部の中心

Claims (13)

1. ケースの一方端に回転自在に支持され、前記ケースの外部から伝達される駆動力により回転させられる入力軸と、
   前記ケースの他方端に回転自在に支持され、前記入力軸と同心の後方軸と、
   前記入力軸および後方軸の軸心を挟んで、この軸心と垂直な方向に互いに対向して配置された２つで１組のシリンダと、
   前記２つで１組のシリンダにそれぞれ摺動自在な２つのピストンヘッドを有し、これら２つのピストンヘッドを互いに一体に動作可能にピストン軸で連結したピストン部と、
   カム軸の外周にこのカム軸の軸心に対して偏心したピストン受け部が形成され、前記カム軸は前記入力軸および後方軸に、これら入力軸および後方軸の軸心に対して偏心させて回転自在に支持され、かつ前記ピストン受け部は前記ピストン部に対して回転自在とされた偏心カムとを備え、
   前記入力軸が回転することで、前記２つで１組のシリンダの各ピストンヘッドが進退する圧縮機用シリンダ装置であって、
   前記偏心カムの回転バランスをとるためのバランスウェイトを、前記偏心カムに対して前記入力軸側または前記後方軸側の１箇所に設けたことを特徴とする圧縮機用シリンダ装置。
2. 請求項１に記載の圧縮機用シリンダ装置において、前記２つで１組のシリンダを２組有する圧縮機用シリンダ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の圧縮機用シリンダ装置において、前記バランスウェイトは、前記入力軸または後方軸と一体に回転する圧縮機用シリンダ装置。
4. 請求項３に記載の圧縮機用シリンダ装置において、前記入力軸または後方軸のうちの前記バランスウェイトが一体に回転する軸は、この軸の軸心と同心の第１円筒面部と、前記軸心に対して偏心した第２円筒面部とを有し、これら第１円筒面部および第２円筒面部のうちのいずれか一方の円筒面部の外周に前記バランスウェイトに設けられた孔を嵌合させ、かつもう一方の円筒面部の外周面に前記バランスウェイトを接触させることで、前記バランスウェイトを回転不能に固定した圧縮機用シリンダ装置。
5. 請求項４に記載の圧縮機用シリンダ装置おいて、前記バランスウェイトの孔は、前記第１円筒面部および第２円筒面部の少なくともいずれかに圧入されている圧縮機用シリンダ装置。
6. 請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載の圧縮機用シリンダ装置において、前記バランスウェイトは、このバランスウェイトの一部、または前記入力軸および後方軸のうちの前記バランスウェイトが一体に回転する軸の一部を塑性変形させることで、前記入力軸および後方軸のうちの前記バランスウェイトが一体に回転する軸に対して前記バランスウェイトの軸方向の位置ずれを拘束した圧縮機用シリンダ装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の圧縮機用シリンダ装置において、前記バランスウェイトは、前記入力軸または後方軸と別体であり、焼結加工または冷鍛加工によって成形される圧縮機用シリンダ装置。
8. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の圧縮機用シリンダ装置において、前記バランスウェイトは、前記入力軸または後方軸と別体であり、焼結加工または冷鍛加工によって後加工無しに成形される圧縮機用シリンダ装置。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の圧縮機用シリンダ装置において、前記入力軸および後方軸のうちの前記バランスウェイトが一体に回転しない方の軸に、この軸の慣性モーメントを増加させるフライホイールを設けた圧縮機用シリンダ装置。
10. 請求項９に記載の圧縮機用シリンダ装置において、前記バランスウェイトを前記後方軸と一体回転するように設け、かつ前記フライホイールを前記入力軸に一体回転するように設けた圧縮機用シリンダ装置。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の圧縮機用シリンダ装置において、前記入力軸と前記偏心カムのカム軸の間、および前記後方軸と前記偏心カムのカム軸の間に軸受を介在させた圧縮機用シリンダ装置。
12. 請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の圧縮機用シリンダ装置において、前記各シリンダが吸入する気体を集める１つの吸入チャンバを設けると共に、前記各シリンダから吐出される気体を集める１つの吐出チャンバを設けた圧縮機用シリンダ装置。
13. 請求項１２に記載の圧縮機用シリンダ装置において、前記吸入チャンバおよび吐出チャンバを、前記ケース内における前記入力軸および後方軸の軸心方向の互いに反対側の位置に分散して配置した圧縮機用シリンダ装置。

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