JP2017078349A - 空気圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却対象物に対する冷却効果を損なうことなく、冷却ファンの数をなるべく少なくする。【解決手段】エアコンプレッサ１は、モータ３０を動力源とする圧縮空気生成部２０と、圧縮空気生成部２０の一側に設けられた冷却ファン４０と、圧縮空気生成部２０の他側に設けられ、モータ３０を制御する制御回路が形成された回路基板が収容された基板ケース５０と、を有する。モータ３０は、圧縮空気生成部２０と冷却ファン４０の間に配置され、基板ケース５０は、その上部がその下部よりも圧縮空気生成部２０から離反するように傾斜している。【選択図】図３

Description

本発明は、空気圧縮機に関するものであり、特に、レシプロ型の空気圧縮機に関するものである。

レシプロ型の空気圧縮機は、動力源と、動力源から出力される駆動力によって往復駆動されるピストンと、ピストンを往復動可能に収容し、ピストンの往復動に伴って容積が変化するシリンダと、を含む。動力源には、回転駆動力を出力する電動モータが用いられることがあり、この場合、電動モータから出力される回転駆動力は、変換機構によって往復駆動力に変換されてピストンに伝達される。

シリンダ内のピストンが上死点から下死点に移動すると、シリンダの容積が拡大してシリンダ内が負圧になり、シリンダ内に空気が導入される。シリンダ内に導入された空気は、シリンダ内を下死点から上死点に移動するピストンによって圧縮され、圧力が高められる。圧縮された空気（高圧空気）は、所定の配管を介して空気タンクに送られ、該空気タンクに貯留される。

空気圧縮機の運転中には各部の温度が上昇する。例えば、空気圧縮機の運転中には、圧縮熱によってピストン、シリンダ及びその周辺の温度が上昇する。また、電動モータや電動モータの制御回路が形成されている回路基板は、負荷電流に起因するジュール熱によって温度が上昇する。このように、空気圧縮機は、その運転中に温度が上昇する複数の要素を含んでいる。そこで、多くの空気圧縮機は、運転中に温度が上昇する要素（冷却対象物）に冷却風を供給する冷却ファンを備えている。特許文献１には、主にピストンやシリンダを冷却するための冷却ファンと主に回路基板を冷却するための冷却ファンとを備えた空気圧縮機が記載されている。

特開２０１２−６７７３３号公報

第１の冷却対象物（例えばピストンやシリンダ）を冷却するための第１の冷却ファンと第２の冷却対象物（例えば回路基板）を冷却するための第２の冷却ファンの双方を設ければ、それぞれの冷却対象物を効果的に冷却することができる。

一方、空気圧縮機には小型化や軽量化が求められており、特に可搬型の小型の空気圧縮機については小型化や軽量化が強く求められている。しかし、複数の冷却ファンを設けると、空気圧縮機の大型化や重量化を招く。

本発明の目的は、冷却対象物に対する冷却効果を損なうことなく、冷却ファンの数をなるべく少なくすることである。

本発明の空気圧縮機は、電動モータを動力源とする圧縮空気生成部と、前記圧縮空気生成部の一側に設けられた冷却ファンと、前記圧縮空気生成部の他側に設けられ、前記電動モータを制御する制御回路が形成された回路基板と、前記圧縮空気生成部と前記冷却ファンの間に配置された前記電動モータと、を有する。前記回路基板は、その上部がその下部よりも前記圧縮空気生成部から離反するように傾斜している。

本発明の一態様では、前記回路基板を収容する基板ケースが設けられる。前記基板ケースは、前記回路基板と同方向に傾斜し、かつ、前記回路基板と熱的に接続される。

本発明の他の態様では、前記電動モータは、前記圧縮空気生成部を貫通して該圧縮空気生成部の両側に突出する回転軸を有し、前記冷却ファンは、前記圧縮空気生成部から突出している前記回転軸の第１突出部の端部に装着される。

本発明の他の態様では、前記圧縮空気生成部の下方に設けられ、前記圧縮空気生成部によって生成された圧縮空気が貯留される空気タンクが設けられる。前記基板ケースは、前記空気タンクよりも高く、かつ、前記回転軸よりも低い位置に配置される。

本発明の他の態様では、前記回転軸は、前記圧縮空気生成部から前記第１突出部と逆向きに突出する第２突出部を有する。前記基板ケースの少なくとも一部は、前記第２突出部の端面から垂下する鉛直線を越えて前記圧縮空気生成部に近接する。

本発明の他の態様では、空気圧縮機は、前記電動モータ，圧縮空気生成部，冷却ファン，基板ケースを少なくとも覆うカバーと、前記カバーに設けられ、前記冷却ファンの回転に伴って外気が導入される第１の風窓と、前記カバーに設けられ、前記第１の風窓から導入された外気が排出される第２の風窓と、を有する。前記第２の風窓は、前記基板ケースと対向する前記カバーの側面であって、前記基板ケースよりも高い位置に設けられる。

本発明によれば、冷却対象物に対する冷却効果を損なうことなく、冷却ファンの数をなるべく少なくすることができる。

エアコンプレッサの斜視図である。 エアコンプレッサの水平断面図である。 エアコンプレッサの垂直断面図である。 エアコンプレッサの他の垂直断面図である。

以下、本発明の空気圧縮機の実施形態の一例について説明する。本実施形態に係る空気圧縮機は、電動モータ（以下“モータ”）を動力源とする圧縮空気生成部を備えるレシプロ型のエアコンプレッサである。本実施形態に係るエアコンプレッサの用途は特に限定されないが、圧縮空気の圧力によって釘やネジを木材などに打ち込む空気工具に圧縮空気を供給する供給源としての利用に適している。以下、本実施形態に係るエアコンプレッサについて図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示されるように、エアコンプレッサ１は、フレーム等の骨格部と、骨格部に連結された互いに平行な２つの空気タンク１０ａ，１０ｂと、を含む基台１１を有する。それぞれの空気タンク１０ａ，１０ｂの両端部下面には脚部１２が取り付けられており、エアコンプレッサ１は、４つの脚部１２によって所望の設置場所に置かれる。また、基台１１の両端部にはハンドル１３が設けられており、作業者は、ハンドル１３を把持してエアコンプレッサ１を持ち運ぶことができる。

基台１１には、図２に示される圧縮空気生成部２０が搭載されている。圧縮空気生成部２０は、クランクケース２１と、２つのシリンダ（第１シリンダ２２ａ，第２シリンダ２２ｂ）と、を少なくとも含んでいる。さらに、圧縮空気生成部２０の一側には、モータ３０及び冷却ファン４０が設けられており、モータ３０は、圧縮空気生成部２０（クランクケース２１）と冷却ファン４０の間に配置されている。また、圧縮空気生成部２０の他側には、基板ケース５０が設けられており、この基板ケース５０の中には、モータ３０を制御する制御回路が形成された回路基板５１が収容されている。尚、制御回路は、モータ３０をインバータ制御するための半導体スイッチング素子などを含んでいる。また、圧縮空気生成部２０及びモータ３０は、図１に示されるカバー１４によって覆われている。

再び図２を参照すると、モータ３０は、ステータ３１と、ステータ３１の内側に組み込まれたロータ３２と、ロータ３２と一体化された回転軸（モータ回転軸）３３と、ロータ３２の回転位置を検出するホール素子などを有するＤＣブラシレスモータであって、ステータ３１及びロータ３２が圧縮空気生成部２０（クランクケース２１）と冷却ファン４０の間に配置されている。もっとも、モータ３０は、クランクケース２１に固定されており、クランクケース２１と一体化されている。

モータ回転軸３３は、圧縮空気生成部２０（クランクケース２１）を貫通してクランクケース２１の両側に突出しているとともに、クランクケース２１に設けられている軸受によって回転自在に支持されている。クランクケース２１から突出しているモータ回転軸３３の第１突出部３３ａは、ロータ３２をさらに貫通しており、ロータ３２から突出している第１突出部３３ａの端部に冷却ファン４０が装着されている。

クランクケース２１を挟んでモータ３０と反対側に位置している基板ケース５０は金属製（本実施形態ではアルミニウム製）であって、回路基板５１と熱的に接続されており、回路基板５１との関係でヒートシンクとして機能する。また、基板ケース５０は、クランクケース２１のカバー（クランクケースカバー２１ａ）と対向するように配置され、空気タンク１０ｂに固定されている。基板ケース５０及び回路基板５１の配置については後に詳述する。

上記及び図２に示されるように、本実施形態では、冷却ファン４０，ステータ３１及びロータ３２，圧縮空気生成部２０，基板ケース５０及び回路基板５１が、モータ回転軸３３に沿ってこの順で並んでいる。

上記のように、クランクケース２１の両側には第１シリンダ２２ａ及び第２シリンダ２２ｂが取り付けられている。第１シリンダ２２ａと第２シリンダ２２ｂとは、モータ回転軸３３の回転方向に関して１８０度異なる位置に配置されており、第１シリンダ２２ａには第１ピストン２３ａが往復動可能に収容され、第２シリンダ２２ｂには第２ピストン２３ｂが往復動可能に収容されている。

モータ回転軸３３の回転運動を第１ピストン２３ａの往復運動に変換するために、第１ピストン２３ａには、第１コネクティングロッド２４ａの一端がピン結合されており、第１コネクティングロッド２４ａの他端は、モータ回転軸３３の中間部（第１突出部３３ａと第２突出部３３ｂの間の部分）に装着されている偏心カムに回転自在に結合されている。すなわち、第１コネクティングロッド２４ａは、クランクケース２１と第１シリンダ２２ａとに跨り、モータ回転軸３３と第１ピストン２３ａとを連結している。また、モータ回転軸３３の回転運動を第２ピストン２３ｂの往復運動に変換するために、第２ピストン２３ｂには、第２コネクティングロッド２４ｂの一端がピン結合されており、第２コネクティングロッド２４ｂの他端は、モータ回転軸３３の中間部に装着されている他の偏心カムに回転自在に結合されている。すなわち、第２コネクティングロッド２４ｂは、クランクケース２１と第２シリンダ２２ｂとに跨り、モータ回転軸３３と第２ピストン２３ｂとを連結している。そこで、以下の説明では、モータ回転軸３３を“クランクシャフト３３”と呼ぶ場合がある。モータ３０から出力される回転駆動力は、クランクシャフト３３，偏心カム及びコネクティングロッド（第１コネクティングロッド２４ａ，第２コネクティングロッド２４ｂ）からなる変換機構によって往復駆動力に変換されてピストン（第１ピストン２３ａ，第２ピストン２３ｂ）に伝達される。

ここで、それぞれの偏心カムは、ピストン２３ａ，２３ｂの駆動方向に関して互いに逆向きに偏心している。したがって、第１ピストン２３ａが第１シリンダ２２ａの上室を圧縮する方向に駆動されるとき、第２ピストン２３ｂは第２シリンダ２２ｂの上室を膨張させる方向に駆動される。一方、第２ピストン２３ｂが第２シリンダ２２ｂの上室を圧縮する方向に駆動されるとき、第１ピストン２３ａは第１シリンダ２２ａの上室を膨張させる方向に駆動される。尚、シリンダ２２ａ，２２ｂの上室とは、それぞれのシリンダ２２ａ，２２ｂ内におけるピストン２３ａ，２３ｂよりも上方の空間である。

それぞれのシリンダ２２ａ，２２ｂに設けられているシリンダヘッドの内側には、バッファ室２５ａ，２５ｂが設けられており、シリンダ２２ａ，２２ｂの上室とバッファ室２５ａ，２５ｂとの間にはそれぞれ逆止弁が設けられている。第１ピストン２３ａが第１シリンダ２２ａの上室を圧縮する方向に駆動され、上室内の空気の圧力が所定圧力よりも高くなると、第１シリンダ２２ａの上室とバッファ室２５ａとの間にある逆止弁が開かれる。すると、第１ピストン２３ａによって圧縮された空気は、第１シリンダ２２ａと第２シリンダ２２ｂとを連通させている配管を介して第２シリンダ２２ｂの上室に送られる。

第２ピストン２３ｂが第２シリンダ２２ｂの上室を圧縮する方向に駆動され、上室内の空気の圧力が所定圧力よりも高くなると、第２シリンダ２２ｂの上室とバッファ室２５ｂとの間にある逆止弁が開かれる。すると、第２ピストン２３ｂによって圧縮された空気は、第２シリンダ２２ｂと空気タンク１０ａとを連通させている配管を介して空気タンク１０ａに送られ、貯留される。尚、空気タンク１０ａ，１０ｂは配管を介して互いに連通している。よって、空気タンク１０ａ，１０ｂ内の圧力は均等に保たれる。尚、本実施形態における各配管は金属製のパイプである。

ここで、図２に示される第１シリンダ２２ａの上室には外気が導入される。すなわち、第１ピストン２３ａは外気を圧縮し、第２ピストン２３ｂは、第１ピストン２３ａによって圧縮された外気（空気）をさらに圧縮する。換言すれば、第１ピストン２３ａは１段目の低圧用のピストンであり、第２ピストン２３ｂは２段目の高圧用のピストンである。また、第１シリンダ２２ａは１段目の低圧用のシリンダであり、第２シリンダ２２ｂは２段目の高圧用のシリンダである。このように、本実施形態に係るエアコンプレッサ１は、空気を２段階で圧縮する。具体的には、第１ピストン２３ａによって１．０[ＭＰａ]前後の圧縮空気を生成し、第２ピストン２３ｂによって４．０〜４．５[ＭＰａ]程度の圧縮空気を生成する。

図１に示されるように、空気タンク１０ａ，１０ｂの端部上方には、圧縮空気の取り出し口であるカプラ１５ａ，１５ｂが設けられている。さらに、空気タンク１０ａ，１０ｂとカプラ１５ａ，１５ｂとの間には、圧縮空気の圧力を調節する減圧弁１６ａ，１６ｂがそれぞれ設けられている。減圧弁１６ａ，１６ｂによって調節された圧縮空気の圧力は、それぞれの減圧弁１６ａ，１６ｂの近傍に設置されている圧力計１７ａ，１７ｂによって計測され、表示される。

また、図２に示されるように、空気タンク１０ａには、空気タンク１０ａ，１０ｂ内の圧力が所定圧力よりも高くなると自動的に開く安全弁１８ａが設けられている。一方、空気タンク１０ｂにはドレン装置１８ｂが設けられており、ドレン装置１８ｂが操作されると、空気タンク１０ａ，１０ｂ内の水分が圧縮空気と一緒に排出される。

図１に示されるように、カバー１４の上面には操作パネル１９が設けられており、この操作パネル１９に設けられている不図示の入力部を介して、モータ３０（図２）の起動指令や回転数が入力される。

また、図３に示されるように、カバー１４の側面１４ａには第１の風窓１９ａが設けられ，側面１４ｂには第２の風窓１９ｂが設けられている。以下の説明では、図３において冷却ファン４０と対向している側面１４ａを“前面１４ａ”と呼び、基板ケース５０と対向している側面１４ｂを“背面１４ｂ”と呼ぶ。また、前面１４ａに設けられている第１の風窓１９ａを“吸気口１９ａ”と呼び、背面１４ｂに設けられている第２の風窓１９ｂを“排気口１９ｂ”と呼ぶ。

エアコンプレッサ１の運転中、図２に示されるピストン２３ａ，２３ｂの駆動源であるモータ３０には負荷電流が生じる。よって、負荷電流に伴うジュール熱によってモータ３０や回路基板５１の温度が上昇する。また、圧縮工程で発生する圧縮熱によってシリンダ２２ａ，２２ｂやピストン２３ａ，２３ｂの温度が上昇する。さらに、モータ３０やシリンダ２２ａ，２２ｂの温度上昇に伴ってこれらと接しているクランクケース２１の温度も上昇する。したがって、モータ３０，回路基板５１及び圧縮空気生成部２０の過熱を回避するためにこれらを冷却する必要があり、本実施形態では冷却ファン４０が生み出す気流（冷却風）によってこれらが冷却される。

上記のように、本実施形態では、複数の冷却対象物が１つの冷却ファン４０によって冷却される。そこで、１つの冷却ファン４０によって複数の冷却対象物を効果的に冷却するための工夫が施されており、特に、冷却ファン４０から最も離れている回路基板５１を効果的に冷却するための工夫が施されている。以下、具体的に説明する。

図２，図３に示されるように、基板ケース５０は、一面が開口した断面コ字形の箱であり、長手方向両側面がブラケット５２にそれぞれねじ留めされている。図３に示されるように、基板ケース５０は、閉塞されている底部が圧縮空気生成部２０（クランクケース２１）の方を向くようにして設置されている。さらに、基板ケース５０は、その上部がその下部よりも圧縮空気生成部２０（クランクケース２１）から離反するように傾斜しており、基板ケース５０に収容されている回路基板５１（図２）も同方向に傾斜している。換言すれば、基板ケース５０は、その上部がその下部よりも排気口１９ｂが設けられているカバー１４の背面１４ｂに近接するように傾斜しており、基板ケース５０に収容されている回路基板５１（図２）も同方向に傾斜している。

ここで、図３中のＸ−Ｘ線はモータ回転軸３３の中心線を示しており、Ｙ−Ｙ線は第２突出部３３ｂの端面から垂下する鉛直線を示している。図３より、基板ケース５０がＸ−Ｘ線と空気タンク１０ｂとの間に位置しており、また、基板ケース５０の一部がＹ−Ｙ線を越えてカバー１４の前面１４ａ側に迫り出していることがわかる。つまり、基板ケース５０は、空気タンク１０ｂよりも高く、かつ、モータ回転軸３３よりも低い位置に配置されている。さらに、基板ケース５０の少なくとも一部は、モータ回転軸３３の第２突出部３３ｂの端面から垂下する鉛直線を越えて圧縮空気生成部２０（クランクケース２１）に近接している。換言すれば、基板ケース５０の下部がモータ回転軸３３の第２突出部３３ｂと空気タンク１０ｂとの間の空間に差し入れられている。

図４に示されるように、冷却ファン４０が回転すると、吸気口１９ａから外気が導入され、カバー１４の内部に気流（冷却風）が発生する。冷却風はモータ３０の内外を通過し、その過程でモータ３０を冷却する。モータ３０を通過した冷却風は、クランクケース２１及びシリンダ２２ａ，２２ｂ（図４にはシリンダ２２ａのみ図示されている。）の周囲を通過し、その過程でクランクケース２１及びシリンダ２２ａ，２２ｂを冷却する。クランクケース２１及びシリンダ２２ａ，２２ｂの周囲を通過した冷却風のうち、これらクランクケース２１及びシリンダ２２ａ，２２ｂの下方を通過した冷却風は、基板ケース５０の底部外面５０ａに沿って上昇し、排気口１９ｂからカバー１４の外に排出される。このとき、基板ケース５０の底部外面５０ａに沿って流れる冷却風によって基板ケース５０が冷却され、基板ケース５０と熱的に接続されている回路基板５１（図２）が冷却される。図４に示されるように、基板ケース５０の底部外面５０ａは、その上部がその下部よりもクランクケース２１から離反するように傾斜している。つまり、基板ケース５０の底部外面５０ａは、上方に向かうに従ってクランクケース２１から離反するように傾斜している。そして、排気口１９ｂは基板ケース５０よりも高い位置に設けられている。このため、クランクケース２１及びシリンダ２２ａ，２２ｂの下方を通過した冷却風は、基板ケース５０の底部外面５０ａの傾斜に沿ってスムーズに上昇して排気口１９ｂに到達し、排気口１９ｂから排出される。この結果、基板ケース５０の周囲を通過する冷却風の流れがスムーズになり、基板ケース５０の冷却効果が向上し、基板ケース５０と熱接続されている回路基板５１（図２）の冷却効果も向上する。

また、基板ケース５０の下部がモータ回転軸３３の第２突出部３３ｂと空気タンク１０ｂとの間の空間に差し入れられているので、エアコンプレッサ１の寸法（Ｗ）が小さくなる。さらに、基板ケース５０の開口部が斜め下を向いているので、基板ケース５０内に粉塵や水滴が侵入し難い。

以上のように、回路基板５１を収容している基板ケース５０が上記のように傾斜している本実施形態では、冷却ファン４０から最も離れている基板ケース５０にも十分な冷却風が供給される。よって、回路基板５１を冷却するための冷却ファンを別途設けなくとも回路基板５１が十分に冷却される。また、基板ケース５０よりも冷却ファン４０に近い位置にあるモータ３０，クランクケース２１，シリンダ２２ａ，２２ｂ等も十分に冷却されることはもちろんである。つまり、本実施形態では、１つの冷却ファン４０によって該冷却ファン４０から最も離れている回路基板５１を含む複数の冷却対象物が十分に冷却される。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記実施形態に係るエアコンプレッサ１は、２組のシリンダ及びピストンを備えた多段式の空気圧縮機であったが、シリンダ及びピストンは１組でも３組以上でもよい。

１ エアコンプレッサ
１０ａ，１０ｂ 空気タンク
１１ 基台
１２ 脚部
１３ ハンドル
１４ カバー
１４ａ 側面（前面）
１４ｂ 側面（背面）
１５ａ，１５ｂ カプラ
１６ａ，１６ｂ 減圧弁
１７ａ，１７ｂ 圧力計
１８ａ 安全弁
１８ｂ ドレン装置
１９ 操作パネル
１９ａ 第１の風窓（吸気口）
１９ｂ 第２の風窓（排気口）
２０ 圧縮空気生成部
２１ クランクケース
２１ａ クランクケースカバー
２２ａ シリンダ（第１シリンダ）
２２ｂ シリンダ（第２シリンダ）
２３ａ ピストン（第１ピストン）
２３ｂ ピストン（第２ピストン）
２４ａ 第１コネクティングロッド
２４ｂ 第２コネクティングロッド
２５ａ，２５ｂ バッファ室
３０ モータ
３１ ステータ
３２ ロータ
３３ モータ回転軸（クランクシャフト）
３３ａ 第１突出部
３３ｂ 第２突出部
４０ 冷却ファン
５０ 基板ケース
５０ａ 底部外面
５１ 回路基板
５２ ブラケット

Claims (6)

1. 電動モータを動力源とする圧縮空気生成部を備える空気圧縮機であって、
   前記圧縮空気生成部の一側に設けられた冷却ファンと、
   前記圧縮空気生成部の他側に設けられ、前記電動モータを制御する制御回路が形成された回路基板と、
   前記圧縮空気生成部と前記冷却ファンの間に配置された前記電動モータと、を有し、
   前記回路基板は、その上部がその下部よりも前記圧縮空気生成部から離反するように傾斜している、
   空気圧縮機。
2. 前記回路基板を収容する基板ケースを有し、
   前記基板ケースは、前記回路基板と同方向に傾斜しており、かつ、前記回路基板と熱的に接続されている、
   請求項１に記載の空気圧縮機。
3. 前記電動モータは、前記圧縮空気生成部を貫通して該圧縮空気生成部の両側に突出する回転軸を有し、
   前記冷却ファンは、前記圧縮空気生成部から突出している前記回転軸の第１突出部の端部に装着されている、
   請求項２に記載の空気圧縮機。
4. 前記圧縮空気生成部の下方に設けられ、前記圧縮空気生成部によって生成された圧縮空気が貯留される空気タンクを有し、
   前記基板ケースは、前記空気タンクよりも高く、かつ、前記回転軸よりも低い位置に配置されている、
   請求項３に記載の空気圧縮機。
5. 前記回転軸は、前記圧縮空気生成部から前記第１突出部と逆向きに突出する第２突出部を有し、
   前記基板ケースの少なくとも一部は、前記第２突出部の端面から垂下する鉛直線を越えて前記圧縮空気生成部に近接している、
   請求項４に記載の空気圧縮機。
6. 前記電動モータ，圧縮空気生成部，冷却ファン，基板ケースを少なくとも覆うカバーと、
   前記カバーに設けられ、前記冷却ファンの回転に伴って外気が導入される第１の風窓と、
   前記カバーに設けられ、前記第１の風窓から導入された外気が排出される第２の風窓と、を有し、
   前記第２の風窓は、前記基板ケースと対向する前記カバーの側面であって、前記基板ケースよりも高い位置に設けられている、
   請求項２〜５のいずれかに記載の空気圧縮機。

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