JP2016050519A - 空気圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの冷却性能を向上させることの可能な空気圧縮機を提供する。【解決手段】圧縮空気を貯留する空気タンク２ａ，２ｂと、外部より吸入した空気を圧縮して空気タンク２ａ，２ｂに供給する圧縮部３と、圧縮部３を駆動するモータ４と、モータ４の回転軸５の一端側にモータ４に隣接して設けられた冷却ファン８ａと、回転軸５と連動して回転するガイド体６とを備え、ガイド体６に冷却ファン８ａからの空気流が通過する開口部６２を設け、モータ方向への風量増加を図っている。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば釘打機等の空気工具を駆動するために必要な圧縮空気を生成するのに好適な空気圧縮機に関する。

建築現場等では、圧縮空気の圧力で釘やネジを木材等に打ち込む携帯型の空気工具が広く使用されている。一般に、空気工具等を駆動する空気圧縮機は、モータ等の駆動部の回転軸の回転運動を、圧縮部のクランク軸を介してシリンダ内のピストンの往復運動に変換し、ピストンの往復運動によってシリンダの吸気弁から吸い込んだ空気を圧縮するように構成される。シリンダ内で圧縮された圧縮空気はシリンダの排気弁からパイプを通して空気タンクに吐出され、空気タンク内に貯留される。気体を高い圧力まで圧縮する場合には、段階的に圧力をあげていく多段式往復動圧縮機が一般的に用いられている。空気タンク内に貯留された高圧の圧縮空気は、空気タンクに取り付けられた減圧弁により適正圧力へ調整され、エアホースを介して空気工具等へ供給される。このような空気圧縮機は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２０１３−４０５８６号公報

空気圧縮機においては、通常、モータや圧縮部その他の発熱部を冷却するために、モータの回転軸に冷却ファンが設けられる。しかし、冷却ファンの発生する気流は遠心力が大きく外周方向に流れがちで、モータ内部の気流を促進することが難しいため、小型、安価な手段により、モータ内部の冷却効率を向上させることが望まれている。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、モータの冷却効率が向上した空気圧縮機を提供することにある。

本発明のある態様は空気圧縮機である。この空気圧縮機は、圧縮空気を貯留する空気タンクと、外部より吸入した空気を圧縮して前記空気タンクに供給する圧縮部と、前記圧縮部を駆動するモータと、前記モータの回転軸の一端側に前記モータに隣接して設けられた冷却ファンと、前記回転軸と連動して回転するガイド体とを備え、
前記ガイド体に前記冷却ファンからの空気流が通過する開口部を設けている。

前記態様において、前記ガイド体を前記モータと前記冷却ファンの間に介在させるとよい。

前記態様において、前記ガイド体における前記冷却ファン側の開口直径が大きく、前記モータ側の開口直径が小さくなるよう形成される傾斜部を設けるとよい。

前記モータの前記回転軸を中心とする半径方向に関して、前記傾斜部を前記モータの発熱部の外側に配置するとよい。

前記態様において、前記冷却ファンを、前記モータ乃至前記圧縮部に向かって送風する外側ファンと、前記モータ側から空気を吸引する内側ファンとで構成するとよい。

前記態様において、前記ガイド体の材質を前記冷却ファンより密度の大きな材質に設定するとよい。

前記態様において、前記ガイド体と前記冷却ファンの回転数を一致させるとよい。

前記態様において、前記ガイド体によって冷却ファンの外周を囲むとよい。

前記態様において、前記ガイド体によってモータの一部を囲むとよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステム等の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明に係る空気圧縮機によれば、モータ回転軸と連動して回転するガイド体に冷却ファンからの空気流が通過する開口部を設け、制風することで、ファンの大型化、特殊化を図ることなく、モータの冷却効率を向上させることが可能である。

本発明の実施の形態１に係る空気圧縮機の外観を示す斜視図である。 前記実施の形態１の平断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 前記実施の形態１におけるガイド体及びその周辺の組立図である。 前記実施の形態１における冷却ファンの斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る空気圧縮機のモータ回転軸に沿った断面図である。 前記実施の形態２におけるガイド体の斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る空気圧縮機のモータ回転軸に沿った断面図である。 前記実施の形態３におけるガイド体の斜視図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

実施の形態１
図１乃至図５で本発明の実施の形態１を説明する。これらの図において、空気圧縮機１は、一定の間隔を隔てて平行に配置され、圧縮空気を貯留する一対の空気タンク２ａ,２ｂと、外部より吸入した空気を圧縮して空気タンク２ａ,２ｂに供給する圧縮部３と、圧縮部３に連結され圧縮部３を駆動するモータ４とを有し、モータ４の軸方向が空気タンク２ａ,２ｂの長手方向と略直交するように、モータ４と圧縮部３が一対の空気タンク２ａ,２ｂの上方に配置、固定されている。

図２及び図３に示すように、モータ４の出力軸である回転軸５は圧縮部３を貫通しており、回転軸５のモータ側端部に冷却ファン８ａ（第１の冷却ファン）が設けられ、非モータ側端部に冷却ファン８ｂ（第２の冷却ファン）が設けられる。また、モータ４と冷却ファン８ａの間にはガイド体６が配置される。冷却ファン８ａ、冷却ファン８ｂ、ガイド体６は回転軸５と一体に回転する。ガイド体６については、後述する。

図１に示すように、空気圧縮機１には減圧弁９ａ,９ｂと、減圧された圧縮空気の圧力を表示する圧力計１０ａ,１０ｂと、圧縮空気取り出し口となるカプラ１１ａ,１１ｂとが設けられる。作業者は、図示しない高圧用エアホースによりカプラ１１ａ,１１ｂと図示しない釘打機等の空気工具を接続することで、圧縮空気を利用して空気工具を動作させ、適宜作業を行うことが可能となる。

図２に示すように、空気タンク２ａ,２ｂには、圧力が所定値よりも高くなった時に圧縮空気の一部を外部に排出する排気弁１２と、ドレン排出装置１３が設けられる。ドレン排出装置１３は操作部１４を有し、操作部１４を操作することで適宜空気タンク２ａ,２ｂ内の圧縮空気及び水分を外部に排出できる。

図２に示すように、圧縮部３においてはクランクケース１７内部にクランク機構が設けられ、モータ４の回転軸５の回転運動が第１コンロッド３３ａ、第２コンロッド３３ｂを介して第１ピストン３４ａ、第２ピストン３４ｂの往復運動にそれぞれ変換される。第１ピストン３４ａは、第１シリンダ１５ａ及び第１シリンダヘッド１６ａに収容される。第２ピストン３４ｂは、第２シリンダ１５ｂ及び第２シリンダヘッド１６ｂに収容される。第１シリンダ１５ａ及び第２シリンダ１５ｂは、モータ回転軸５を介在させて水平対向し、空気タンク２ａ,２ｂと略平行に配置される。圧縮部３において外部の空気が吸入されると、まず第１シリンダ１５ａで圧縮され、第１シリンダ１５ａで圧縮された空気は配管１９を介して第２シリンダ１５ｂに供給され、第２シリンダ１５ｂで更に圧縮された空気が更に図示しない配管を介して空気タンク２ａに供給される。空気タンク２ａ,２ｂは互いに図示しない連結管で接続されており、空気タンク２ａ,２ｂの圧力は均一となる。なお、回転軸５には回転変動抑制のためのフライホイール４０が固着されている。

図２に示すように、モータ４を駆動するための制御回路２１（制御回路基板）は、圧縮部３の非モータ側の冷却ファン８ｂに対向して配置され、空気タンク２ｂに固定される。モータ４はＤＣブラシレス方式であり、ステータコイル２３ａを設けたステータ２３と、ステータ２３の内側に配置されるロータ２４と、ロータ２４の回転位置を検出するホール素子基板２５とを有し、制御回路２１によってインバータ制御される。制御回路２１はインバータ制御のための半導体スイッチング素子等を含んだ構成となっており、冷却ファン８ｂによって冷却される。

図１に示すように、空気タンク２ａ,２ｂ上方には圧縮部３、モータ４、制御回路２１等の空気圧縮機の構成部品を覆うカバー２６が配置され、空気タンク２ａ,２ｂに固定される。空気タンク２ａ,２ｂの長手方向の両端部には空気圧縮機１を運搬するための把持部３１ａ,３１ｂが設けられる。カバー２６には空気圧縮機１を作動させる図示しない電源スイッチ等を有する操作パネル２８が設けられる。カバー２６には冷却ファン８ａ,８ｂ対向する壁面に風窓２９ａ,２９ｂ（図２）が設けられる。空気タンク２ａ,２ｂには地面との直接接触を防止して保護するための脚部３２が設けられる。

このような空気圧縮機１の運転時において、モータ４には第１ピストン３４ａと第２ピストン３４ｂの往復運動によって空気を圧縮する際の圧縮負荷が交互に作用する。そのため、ステータコイル２３ａ及び制御回路２１には負荷電流が生じ、負荷電流に伴うジュール熱により温度上昇する。また、第１ピストン３４ａ及び第２ピストン３４ｂ、第１シリンダ１５ａ及び第１シリンダヘッド１６ａ、並びに第２シリンダ１５ｂ及び第２シリンダヘッド１６ｂは、圧縮空気の圧縮熱により温度上昇する。配管１９及び空気タンク２ａ,２ｂも、圧縮熱で温度上昇した圧縮空気が流動するため温度上昇する。そのため、第１シリンダ１５ａ及び第１シリンダヘッド１６ａ、第２シリンダ１５ｂ及び第２シリンダヘッド１６ｂ、ステータコイル２３ａ、制御回路２１、並びにクランクケース１７等の発熱部を中心に各部の温度上昇を冷却により抑制する必要がある。以下、冷却に関する構成を説明する。

（冷却ファン８ａによる冷却）
通常の軸流ファンによる冷却構造では、発生する気流は遠心力によって中心領域よりも外周方向の風量が多い特性を有し、ファンの中心領域に隣接するモータ内部に対する冷却効率は外周部よりも低い状況であった。すなわち、ファンの中心領域の気流を促進することが難しいため、効率的にモータ内部を冷却することが困難であった。ここでは、モータ４の冷却性能を向上させる構成について説明する。

図２において、モータ４を運転すると、冷却ファン８ａが回転することで、風窓２９ａから冷却ファン８ａを介してモータ４乃至第１シリンダ１５ａ及び第１シリンダヘッド１６ａ、第２シリンダ１５ｂ及び第２シリンダヘッド１６ｂに向かう冷却風が供給される。

図５に示すように冷却ファン８ａは外側ファン２７と内側ファン１８から構成される。外側ファン２７は軸流ファン、すなわち、プロペラファンとして働き、風窓２９ａから外気を吸入するもので、内側ファン１８はモータ４側から吸引して風窓２９ａ側に向かう気流を発生させるものである。

図２乃至図４に示すように冷却ファン８ａとモータ４の間にはガイド体６が配置される。ガイド体６は外周部６１が円環状のガイドプレートであり、ガイド体６はキー４１と共にファンシャフト３９によってモータ回転軸５に連結、固定される。ファンシャフト３９には更に冷却ファン８ａが取り付け、固定される。ガイド体６の中央寄り部分には開口部６２が形成され、空気が流動（通過）可能となっている。開口部６２より外側の円環状の外周部６１には冷却ファン８ａ側に向かって広がる傾斜部６３が設けられる。換言すれば、ガイド体６において冷却ファン８ａ側の開口直径（ほぼ外周部６１の外周円の直径となる）が大きく、モータ４側の開口直径が小さくなるよう傾斜部６３が形成され、該構造は、冷却ファンから流れる風を所望の方向に導く導風部材、或いは制風部材として機能する。また、モータ４の回転軸５を中心とする半径方向に関して、傾斜部６３は図３に示すようにステータコイル２３ａ（モータの主な発熱部の一つである）より外側に配置される。また、冷却ファン８ａは樹脂、ガイド体６はファン８ａの樹脂よりも密度の大きな材質（例えば鋼材等）によって作製することが好ましい。これにより、慣性質量が増加し、いわゆるフライホイールとして回転変動を抑制する効果も奏する。

モータ４を運転すると、冷却ファン８ａが回転することで気流が発生する。すなわち、外側ファン２７によって風窓２９ａから外気が吸入され、第１シリンダ１５ａ及び第１シリンダヘッド１６ａ、第２シリンダ１５ｂ及び第２シリンダヘッド１６ｂ、並びにクランクケース１７に対して図３に示すように気流ＣＡ１が発生する。この時、ガイド体６によって冷却風の一部は気流ＣＡ２のごとくモータの主な発熱部の一つであるステータコイル２３ａに案内される。従って、ステータコイル２３ａに確実に冷却風を供給することができる。また、ガイド体６は冷却ファン８ａと共にモータ回転軸５に取付けられており、ガイド体６を冷却ファン８ａと接するようにするか、あるいはガイド体６と冷却ファン８ａの隙間を小さくできるので、冷却ファン８ａによる気流を漏れなく集め、ステータコイル２３ａに供給される気流ＣＡ２の冷却風量を増大できる。

一方、内側ファン１８は、モータ４側から風窓２９ａ側に向かう気流ＣＡ３を発生させる。従って、ロータ２３近傍に籠った熱気を吸引してモータ４内部の換気性能を高め、冷却効果を得ることができる。更に、内側ファン１８の吸引作用により外側ファン２７による気流ＣＡ２がより確実にステータコイル２３ａに向かうため、ガイド体６による気流の案内効果を高め、更に冷却性能を高めることができる。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) モータ４の回転軸５と連動して回転するガイド体６に冷却ファン８ａからの空気流が通過する開口部６２を設け制風させることで、モータ方向への風量が増加し、モータ４の冷却性能を向上させることができる。

(2) ガイド体６をモータ４と冷却ファン８ａの間に介在させており、回転軸５の軸受を有する圧縮部３の近くにガイド体６を配置できるので、ガイド体６のアンバランス質量によって軸受に作用する回転モーメントのぶれを低減し、耐久性及び振動を抑制できる。特に、モータ４及や冷却ファン８ａが片持ち構造となる場合に、より一層の効果が期待される。

(3) ガイド体６において冷却ファン８ａ側の開口直径が大きく、モータ４側の開口直径が小さくなるよう傾斜部６３を設けることで、冷却ファン８ａによる気流をモータ４の中央側に集めることができる。

(4) 傾斜部６３がステータコイル２３ａより半径方向（モータ４の回転軸５を中心とする）に関して外側に配置されているので、冷却ファン８ａにおいて周速が大きく流速が大きな外側の風をステータコイル２３ａ（モータ発熱部）に案内することができ、ステータコイル２３ａに供給される風量を増大させ、冷却性能を高めることができる。

(5) ガイド体６は冷却ファン８ａと共にモータ回転軸５に取付けられており（ガイド体６と冷却ファン８ａの回転数が一致している）、ガイド体６を冷却ファン８ａと接するようにするか、あるいはガイド体６と冷却ファン８ａの隙間を小さくできるので、冷却ファン８ａによる気流を効率的に集めてモータ４側に送ることができる。

(6) 冷却ファン８ａを、モータ４乃至圧縮部３に向かって送風する外側ファン２７と、モータ４側から空気を吸引する内側ファン１８とで構成しており、内側ファン１８は、モータ４側から風窓２９ａ側に向かう気流ＣＡ３を発生させて、ロータ２３近傍に籠った熱気を吸引してモータ４内部の換気性能を高め、冷却効果を得ることができる。更に、内側ファン１８の吸引作用により外側ファン２７による気流ＣＡ２がより確実にステータコイル２３ａに向かうため、ガイド体６による気流の案内効果を高め、更に冷却性能を高めることができる。

(7) ガイド体６は冷却ファン８ａよりも密度が大きな材質、例えば金属体（銅、アルミ、鋼材等）あるいは、金属と樹脂との複合材等で作製されているため大きな慣性を有し、フライホイールとしての機能も兼ね備えることができる。従って、圧縮部３の圧縮負荷によるモータ４への負荷変動を低減することができるので、モータ４への負荷電流を低減でき、モータの長寿命化やステータコイル２３ａの発熱量を低減できる。さらに、冷却性能の向上に加えて、モータ４自身の発熱量を低減する効果も重畳して奏するため、ステータコイル２３ａの温度上昇をより効率的に、大幅に低減することができる。

実施の形態２
図６及び図７で本発明の実施の形態２を説明する。この場合、ガイド体７０は冷却ファン８ａの外周を囲む扁平円筒部７１と、この内側に形成された開口部７２とを備えている。その他の構成は前述の実施の形態１と同様である。

ガイド体７０が冷却ファン８ａの外周を囲む扁平円筒部７１を有することで、気流ＣＡ１において冷却ファン８ａの外周方向に向かう成分を抑制して、全ての風を確実にモータ４乃至圧縮部３のクランクケース１７側に導くことができる。また、渦流Ｖ（吐出した風を自分で吸引してしまう流れ）を抑制して冷却ファン８ａの送風効率を高めることができる。なお、開口部７２は、実施の形態１における開口部６２と同様の作用を果たすものである。本実施の形態のガイド体７０は、導風にあたり実質的な傾斜を有しない構成を例示したが、上記実施の形態１の傾斜部６３と同様に、傾斜面を有した構造としてもよい。

実施の形態３
図８及び図９で本発明の実施の形態３を説明する。この場合、ガイド体８０はモータ４の外周（冷却ファン８ａに近い側）の一部を囲む扁平円筒部８１と、この内側に形成された開口部８２とを備えている。その他の構成は前述の実施の形態１と同様である。

ガイド体８０がモータ４の外周の一部を囲む扁平円筒部８１を有することで、気流ＣＡ１の一部を気流ＣＡ４のようにモータ４（とくにステータコイル２３ａを有するステータ２３）及びクランクケース１７に確実に案内することができる。本実施の形態のガイド体８０は、導風にあたり実質的な傾斜を有しない構成を例示したが、上記実施の形態１の傾斜部６３と同様に、傾斜面を有した構造としてもよい。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。

１ 空気圧縮機
２ａ，２ｂ 空気タンク
３ 圧縮部
４ モータ
５ 回転軸
６，７０，８０ ガイド体
８ａ，８ｂ 冷却ファン
９ａ，９ｂ 減圧弁
１０ａ，１０ｂ 圧力計
１１ａ，１１ｂ カプラ
１２ 排気弁
１３ ドレン排出装置
１４ 操作部
１５ａ 第１シリンダ
１５ｂ 第２シリンダ
１６ａ 第１シリンダヘッド
１６ｂ 第２シリンダヘッド
１７ クランクケース
１８ 内側ファン
１９ 配管
２１ 制御回路
２３ ステータ
２３ａ ステータコイル
２４ ロータ
２５ ホール素子基板
２６ カバー
２７ 外側ファン
２８ 操作パネル
２９ａ，２９ｂ 風窓
３１ａ，３１ｂ 把持部
３２ 脚部
３３ａ 第１コンロッド
３３ｂ 第２コンロッド
３４ａ 第１ピストン
３４ｂ 第２ピストン
３９ ファンシャフト
４０ フライホイール
４１ キー
６２，７２，８２ 開口部
６３ 傾斜部
ＣＡ１，ＣＡ２，ＣＡ３，ＣＡ４ 気流

Claims (9)

1. 圧縮空気を貯留する空気タンクと、
   外部より吸入した空気を圧縮して前記空気タンクに供給する圧縮部と、
   前記圧縮部を駆動するモータと、
   前記モータの回転軸の一端側に前記モータに隣接して設けられた冷却ファンと、
   前記回転軸と連動して回転するガイド体とを備え、
   前記ガイド体に前記冷却ファンからの空気流が通過する開口部を設けた、空気圧縮機。
2. 前記ガイド体を前記モータと前記冷却ファンの間に介在させた、請求項１に記載の空気圧縮機。
3. 前記ガイド体において前記冷却ファン側の開口直径が大きく、前記モータ側の開口直径が小さくなるよう形成される傾斜部を設けた、請求項１又は２に記載の空気圧縮機。
4. 前記モータの前記回転軸を中心とする半径方向に関して、前記傾斜部を前記モータの発熱部の外側に配置した、請求項３に記載の空気圧縮機。
5. 前記冷却ファンを、前記モータ乃至前記圧縮部に向かって送風する外側ファンと、前記モータ側から空気を吸引する内側ファンとで構成した、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の空気圧縮機。
6. 前記ガイド体の材質を前記冷却ファンより密度の大きな材質に設定した、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の空気圧縮機。
7. 前記ガイド体と前記冷却ファンの回転数を一致させた、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の空気圧縮機。
8. 前記ガイド体によって冷却ファンの外周を囲んでいる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の空気圧縮機。
9. 前記ガイド体によってモータの一部を囲んでいる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の空気圧縮機。

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