JP2020504261A - 医療用エアコンプレッサ - Google Patents

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Abstract

ポンプまたはコンプレッサは、回転シャフトと、回転シャフトに対して実質的に垂直であり、その両端に第1のピストン対を接続する少なくとも第1のピストンロッドと、を備える。ピストンロッドは、回転シャフトに対して前後に動く。コンプレッサは、円形偏心体と、該円形偏心体にベアリングを介して接続された円形リングと、をさらに含む。駆動ピンは、円形リング上の固定位置で該円形リングと係合し、かつ少なくとも第1のピストンロッドと係合している。シャフトの回転運動が、第1のピストンロッドおよび第1のピストン対、または円形偏心体のいずれかを回転させると、駆動ピンおよび第1のピストンロッドが回転シャフトに対して前後に動く。【選択図】図1

Description

本発明は、特には、携帯用酸素濃縮器などに用いられる小型の医療用エアコンプレッサの分野に関する。
本発明の実施形態は、2013年7月18日に国際公開第2013/106810(A1)として公開された国際出願PCT/US2013/021394号、および2014年12月19日に米国特許出願公開第2014/0369873(A1)号として公開された米国特許出願第14/370707号に開示されているポンプまたはコンプレッサの代替物であり、その全開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。そのポンプまたはコンプレッサでは、エンドプレートに偏心溝を含む機構によって、シャフトの回転運動がピストンロッドの往復運動に変換される。
流体(空気および気体全般を含む)移動のためのポンプまたはコンプレッサは、例として、医療、自動車および飲料業界で知られている。本発明の実施形態は、携帯用酸素濃縮器などに用いられる小型の医療用エアコンプレッサを特に対象としており、それらに有用である。
ピストンポンプは周知であり、国際公開第2013/106810(A1)号および米国特許出願公開第2013/106810(A1)号に「先行技術」として開示されているように、従来、コネクティングロッドを介して往復ピストンに取り付けられた同心円を有する回転シャフトを含む。
一態様では、コンプレッサが提供される。コンプレッサは、回転シャフトと、該回転シャフトに対して実質的に垂直であり、その両端に第1のピストン対を接続する少なくとも第1のピストンロッドと、を備える。ピストンロッドは、回転シャフトに対して前後に動く。コンプレッサは、円形偏心体と、該円形偏心体にベアリングを介して接続された円形リングと、をさらに含む。駆動ピンは、円形リング上の固定位置で該円形リングと係合し、かつ少なくとも第1のピストンロッドと係合している。シャフトの回転運動が、第1のピストンロッドおよび第1のピストン対、または円形偏心体のいずれかを回転させると、駆動ピンおよび第1のピストンロッドが回転シャフトに対して前後に動く。
別の態様では、コンプレッサが提供される。コンプレッサは、回転シャフトと、該回転シャフトに対して実質的に垂直である一方向にコンプレッサを通って延び、その両端で第1のピストン対を接続する第1のピストンロッドと、回転シャフトに対して実質的に垂直である別の方向にコンプレッサを通って延び、その両端で第2のピストン対を接続する第2のピストンロッドと、を含む。ピストンロッドは、回転シャフトに対して前後に動く。コンプレッサは、円形偏心体と、該円形偏心体にベアリングを介して接続された円形リングと、をさらに含む。第1の駆動ピンは、第1の固定位置で円形リングと係合し、かつ第1のピストンロッドと係合し、第2の駆動ピンは、第2の固定位置で円形リングと係合し、かつ第2のピストンロッドと係合している。シャフトの回転運動がピストンロッドおよびピストンまたは円形偏心体のいずれかを回転させると、駆動ピンおよびピストンロッドは、回転シャフトに対して前後に動く。
本発明を具体化した第1のポンプまたはコンプレッサの正面断面図である。 図1の2−2線に沿った部分上面図である。 図1と同じ向きにおける、図1のコンプレッサの正面図である。 図1と同じ向きにおける、本発明を具体化した第2のポンプまたはコンプレッサの正面断面図である。 図1と同じ向きにおける、本発明を具体化した第3のポンプまたはコンプレッサの正面断面図である。 図5の6−6線に沿った断面図である。 図5の7−7線に沿った断面図である。 本発明を具体化した第4のポンプまたはコンプレッサの正面断面図である。 本発明を具体化した第5のポンプまたはコンプレッサの分解図である。 2つのピストン対を使用する、本発明を具体化した第6のポンプまたはコンプレッサの分解図である。 図10のポンプまたはコンプレッサの組み立てられた状態の立面全体図であり、内部のピストンロッドを示すように、偏心端部片(図11の向きにおける上端部片)が省略されている図である。 図10の第6のポンプまたはコンプレッサの概略上面図であるが、同様に内部のピストンロッドを示すように、偏心端部片(図12の向きにおける上端部片)が省略されている図である。 図10の第6のポンプまたはコンプレッサの側面断面図であり、概して図12の13−13線に沿っているが、偏心端部片が含まれている図である。 図10の第6のポンプまたはコンプレッサの別の側面断面図であり、図12の14−14線に沿っているが、同様に偏心端部片が含まれている図である。
概説すると、本発明の実施形態は、様々な産業環境用のコンプレッサ、特には小型の医療用エアコンプレッサを提供する。本発明の実施形態による利益は、複数のピストンを共通のシャフトで駆動させることができることによる高効率性である。本発明の実施形態は、部品の重複を最小限に抑えることができ、従来のコンプレッサと比較してより軽量なアセンブリを提供することができる。
したがって、本発明を具体化する、一般にポンプ、また特にコンプレッサは、流体を移動または圧縮するのに有用である。本明細書において、「流体」という用語は、その最も広い意味で使用され、気体であれ液体であれ、空気および特定のガスを含む、流動し圧力を受けるあらゆる物質を包含する。その点で、コンプレッサは、流体コンプレッサ、酸素コンプレッサ、またはエアコンプレッサと称され得る。圧縮されている媒体の性質は構造を変化させない。
まず、図1〜3を参照すると、本発明を具体化した第1のポンプまたはコンプレッサ20が、表現として幾分概略的に示されている。ポンプまたはコンプレッサ20は、概して22で示される本体を有し、ピストン26および28からなる1つのピストン対24を含み、ピストンの断面は、好ましくは長方形であるが円形であってもよい。ピストン26および28は、ピストンロッド30の両端に取り付けられている。ピストン26および28は、それぞれの代表的なピストンヘッド32および34を有し、これらはシール32および34と呼ばれる場合もある。ピストンヘッド32および34は、シーリングおよびセンタリングを提供し、図示の実施形態では、テフロン(登録商標)またはルーロン(登録商標)などのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)プラスチック材料で作られている。一例として、ピストンヘッド32および34は、機械ねじ36および38によって固定されている。図示の構造は代表的なものにすぎず、様々な形態のシールおよびシール取付け具を使用できることが理解されよう。例えば、平丸ワッシャ(図示せず)およびねじを使用することができる。重要なことは、シールがピストン26および28を半径方向に越えて延びていることである。
ピストンロッド30は、一体型である。換言すれば、ピストンロッド30は、ピストン26とピストン28との間でその長さに沿って連続する単体の部品である。さらに、ピストンロッド30は、ピストン26および28による(より具体的には、ピストンヘッドまたはシール32および34による)もの以外に、ベアリングまたは他の支持体を有していない。
ピストン26および28は、それぞれ個別のピストンチャンバ40および42内で往復運動する。ピストンチャンバ40および42は、必ずしも横断面が円形ではなく、したがって必ずしも円筒形ではないが、従来の用語によれば、シリンダ40および42と呼ばれる。(したがって、本明細書では「シリンダ」という用語を使用するが、ピストンチャンバ40および42は、横断面が長方形であってもよい。)ピストンチャンバ40および42は、ピストン26および28が往復運動するための適切な空間を提供するように寸法設定されている。ピストン26および28に関連するシールは、ピストンチャンバ40および42を基準にして、ピストンロッド30とピストン26および28とのセンタリングを維持する。したがって、「ぐらつき」はなく、よってピストンストロークに特別な制限はない。
ピストンチャンバ40は、本体22内に入口ポート44および出口ポート46を有し、それぞれの逆止弁48および50がこれらのポート44および46に関連している。同様に、ピストンチャンバ42は、本体22内に入口ポート52および出口ポート54を有し、それぞれの逆止弁56および58がこれらのポート52および54に関連している。外部的に、2つの入口ポート44および52は、「Y」接合部(図示せず)で互いに接続されていてもいなくてもよく、また、2つの出口ポート46および54は、「Y」接合部(図示せず)で互いに接続されていてもいなくてもよい。作動中に、ピストン26および28が往復運動するとき、ポンプまたはコンプレッサ20の2つの入口ポート44および52からピストンチャンバ40および42を通って2つの出口ポート46および54への流体の流れは、本質的に連続的であり、最小限の脈動を有する。
コンプレッサ20は、図10〜14を参照して以下に説明するように、ピストン26および28からなる1つのピストン対24と、1つのピストンロッド30と、を含むが、本発明を具体化するコンプレッサは、複数のピストン対および対応する複数のピストンロッドを有していてもよい。したがって、ピストンロッド30は、第1のピストンロッド30とも称される。
図1〜3のポンプまたはコンプレッサ20において、ピストンチャンバ40および42は静止している。ピストンロッド30、ピストン26および28、ならびにピストンチャンバ40および42は回転しない。ピストンロッド30、ならびにピストン26および28は往復運動する。
ポンプまたはコンプレッサ20に使用される材料には、自己進入して浮遊し、ピストン24および26の整列を維持する、テフロン(登録商標)またはルーロン(登録商標)PTFEプラスチック製のピストンヘッドまたはシール32および34や、他の滑りやすい低摩擦のピストンシールが含まれ得る。シールはどちらの方向に向いていてもよい。コンプレッサ20の本体22、ピストンロッド30、ピストン26および28、ならびにピストンチャンバ40および42は、低炭素鋼、アルミニウム、さらにはポリマー材料などの、耐久性のある材料で作られていてもよい。使用中の構成部品の熱膨張を最小限に抑えるか、あるいは少なくとも抑制するための適切な材料が、コンプレッサおよび関連するシールの両方に対して選択される。
従動回転シャフト66は、従来の方法で、回転エネルギーを供給するための動力源に接続されている。図1および図3の向きにおいて、従動回転シャフト66は、コンプレッサ20を垂直方向に通って延びている。典型的には、モータ(図示せず)が回転シャフト66を駆動する。
回転シャフト66は、回転シャフト66に対して中心を外れている円形偏心体70に接続されてそれを駆動する。換言すれば、偏心体70の中心は、回転シャフトの軸線上にはない。(具体的には図示していないが、振動を最小にするために、偏心体70は、その質量が回転シャフト66を基準にしてバランスが取られるように重みづけされていてもよい。)「偏心」または「中心を外れている」という用語は、単に、偏心体70の中心が回転シャフト66の軸線上にないことを意味する。
接続および駆動は、様々な方法で達成することができる。図示の実施形態では、シャフト66はキー止めされており、したがってスロット72を含んでいる。対応するスロット74が円形偏心体70に設けられており、キー76がスロット72および74に挿入されている。したがって、偏心体70は、回転自在にシャフト66に固定されている。
外側円形リング82は、ベアリング84を介して円形偏心体70を取り囲み、これに接続されている。したがって、特定の実施形態に応じて、外側円形リング82は回転しないが、偏心体70は回転することができ、またその逆も同様である。図示の実施形態において、ベアリング84は、ニードルローラベアリング84である。ボールベアリングも同様に使用することができる。
駆動ピン86は、外側円形リング82上の固定位置で該円形リング82と係合し、また、ピストンロッド30とも係合している。ある程度の相対回転があるので、駆動ピン86の一端にベアリングがある。図示の実施形態において、ベアリング87は、駆動ピン86がピストンロッド30と係合する位置に設けられている。代替的に、ベアリングは、駆動ピン86が外側円形リング82と係合する位置に設けられていてもよい。ピストンロッド30は、スロット開口88を有し、そこを通って回転シャフト66が延びている。
その結果、シャフト66の回転運動が円形偏心体70を回転させると、駆動ピン86およびピストンロッド30が回転シャフト66に対して前後に動く。換言すれば、コンプレッサ20は、ピストンロッド30の横方向の滑り運動に適応している。ピストン26および28は、回転シャフト66に対して交互に接近および離間する。従動シャフト66の回転運動は、ピストンロッド30ならびにピストン26および28の、ピストンチャンバ40および42に対する往復運動に変換される。
内側の円形矢印90は、シャフト66の回転を表し、外側の円形矢印92は、シャフト66によって駆動される偏心体70の回転を表している。逆止弁が採用されているため、回転方向は関係ない。したがって、円形矢印90および92の各々は、1つの矢頭を有する。ポンプまたはコンプレッサ20は、いずれの回転方向にも同じように作動する。「入力」および「出力」は、入口逆止弁48および56によって、ならびに出口逆止弁50および58によって決定される。
上述したように、図1〜3のコンプレッサ20の実施形態では、ピストンチャンバ40および42は静止している。ピストンロッド30、ならびにピストン26および28からなる1つのピストン対24は、ピストンチャンバ40および42に対して往復運動するが、それ以外は動かない。加えて、偏心体70が回転する。
つぎに、図4を参照すると、本発明を具体化した第2のポンプまたはコンプレッサ120が、表現として幾分概略的に示されている。図4の第2のポンプまたはコンプレッサ120は、図1〜3の第1のポンプまたはコンプレッサ20と同様であるが、偏心体の位置と、関連する駆動ピンと、が異なっている。また、逆止弁はフラッパー弁として示されている。
より具体的には、ポンプまたはコンプレッサ120は、全体として122で示される本体を有し、ピストン126および128からなる1つのピストン対124を含み、ピストンの断面は、好ましくは長方形であるが円形であってもよい。ピストン126および128は、ピストンロッド130の両端に取り付けられている。ピストン126および128は、それぞれの代表的なピストンヘッドまたはシール132および134を有する。ピストンヘッドまたはシール132および134は、シーリングおよびセンタリングを提供し、図示の実施形態では、テフロン(登録商標)またはルーロン(登録商標)などのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)プラスチック材料で作られている。ピストンヘッド132および134は、機械ねじ136および138によって固定されている。ここでも同様に、図示の構造は代表的なものにすぎず、様々な形態のシールおよびシール取付け具を使用できることが理解されよう。重要なことは、シールがピストン126および128を半径方向に越えて延びていることである。
ピストンロッド130もまた一体型である。換言すれば、ピストンロッド130は、ピストン126とピストン128との間でその長さに沿って連続している。さらに、ピストンロッド130は、ピストン126および128による(より具体的には、ピストンヘッドまたはシール132および134による)もの以外に、ベアリングまたは他の支持体を有していない。しかしならが、図4の実施形態では、ピストンロッド130は、2つの部分130aおよび130bに分割されている。図4の配置では、これらは、上側ピストンロッド部分130aと下側ピストンロッド部分130bである。ピストンロッド部分130aおよび130bは、単一の部品とすることができ、あるいはねじ接続によってピストンヘッド132および134に取り付けられた2つの部品とすることができる。
ピストン126および128は、それぞれ個別のピストンチャンバ140および142内で往復運動する。ピストンチャンバ140および142は、ピストン126および128が往復運動するための適切な空間を提供するように寸法設定されている。
ピストンチャンバ140は、入口ポートチャンバ145と連通する入口ポート144と、出口ポートチャンバ147と連通する出口ポート146と、を有する。フラッパー弁148および150の形態であるそれぞれの逆止弁148および150は、ピストンチャンバ140と2つのポートチャンバ145および147との間のガス流を制御する。
同様に、ピストンチャンバ142は、入口ポートチャンバ153と連通する入口ポート152と、出口ポートチャンバ155と連通する出口ポート154と、を有する。フラッパー弁156および158の形態であるそれぞれの逆止弁156および158は、ピストンチャンバ142と2つのポートチャンバ153および155との間のガス流を制御する。
外部的に、2つの入口ポート144および152は、「Y」接合部(図示せず)で互いに接続されていてもいなくてもよく、また、2つの出口ポート146および154は、「Y」接合部(図示せず)で互いに接続されていてもいなくてもよい。作動中、ピストン126および128が往復運動するとき、ポンプまたはコンプレッサ120の2つの入口ポート144および152からピストンチャンバ140および142を通って2つの出口ポート146および154への流体の流れは、本質的に連続的であり、最小限の脈動を有する。
従動回転シャフト166は、従来の方法で、回転エネルギーを供給するための動力源に接続されている。図4の向きにおいて、従動回転シャフト166は、コンプレッサ120を垂直方向に通って延びている。典型的には、モータ(図示せず)が回転シャフト166を駆動する。
回転シャフト166は、回転シャフト166に対して中心を外れている円形偏心体170に接続されてそれを駆動する。換言すれば、偏心体170の中心は、回転シャフトの軸線上にはない。(具体的には図示していないが、振動を最小にするために、偏心体170は、その質量が回転シャフト166を基準にしてバランスが取られるように重みづけされていてもよい。)
図4の実施形態において、円形偏心体170は、ピストンロッド130の2つの部分130aと130bとの間にある。
接続および駆動は、様々な方法で達成することができる。図示の実施形態では、シャフト166はキー止めされており、したがってスロット172を含んでいる。対応するスロット174が円形偏心体170に設けられており、キー176がスロット172および174に挿入されている。したがって、偏心体170は、回転自在にシャフト166に固定されている。
外側円形リング182は、ベアリング184を介して円形偏心体170を取り囲み、これに接続されている。したがって、外側円形リング182は回転しないが、偏心体170は回転することができる。図示の実施形態において、ベアリング184もまたニードルローラベアリング184である。ボールベアリングも同様に使用することができる。
駆動ピン186は、外側円形リング182上の固定位置で該円形リング182と係合し、また、ピストンロッド部分130aおよび130b内のベアリング187を介して該ピストンロッド130の両方の部分130aおよびb130bと係合している。ピストンロッド部分130aおよび130bは、それぞれのスロット開口188aおよび188bを有し、そこを通って回転シャフト166が延びている。
その結果、シャフト166の回転運動が円形偏心体170を回転させると、駆動ピン186およびピストンロッド130が回転シャフト166に対して前後に動く。従動シャフト166の回転運動は、ピストンロッド130の2つの部分130aおよび130bならびにピストン26および28の、ピストンチャンバ140および142に対する往復運動に変換される。
内側の円形矢印190は、シャフト166の回転を表し、外側の円形矢印192は、シャフト166によって駆動される偏心体170の回転を表している。逆止弁が採用されているため、回転方向は関係ない。
やはり、図4のコンプレッサ120の実施形態でも、ピストンチャンバ140および142は静止している。ピストンロッド130の2つの部分130aおよび130b、ならびにピストン126および128からなる1つのピストン対124は、ピストンチャンバ140および142に対して往復運動するが、それ以外は動かない。加えて、偏心体170が回転する。
しかしながら、図5〜7の実施形態では、後述するように、円形偏心体は静止したままであるが、ピストンチャンバ、ピストン、およびピストンロッドがすべて回転する。ピストンは、ピストンチャンバに対して、該ピストンチャンバ内で往復運動する。
具体的には、図5〜7を参照すると、本発明を具体化した第3のポンプまたはコンプレッサ220が、表現として幾分概略的に示されている。図1〜3を参照して上述した第1のポンプまたはコンプレッサ20、および図4を参照して上述した第2のポンプまたはコンプレッサ120のように、図5〜7の第3のポンプまたはコンプレッサ220は、概して222で示される本体を有し、ピストン226および228からなる1つのピストン対224を含む。ピストン226および228は、ピストンロッド230の両端に取り付けられている。ピストン226および228は、それぞれのピストンヘッドまたはシール232および234を有する。ピストンヘッド232および234は、シーリングおよびセンタリングを提供し、図示の実施形態では、テフロン(登録商標)またはルーロン(登録商標)などのPTFEプラスチックで作られている。図示の実施形態において、ピストンヘッド232および234は、機械ねじ236および238によって固定されている。他の形態の取付け具を使用することができ、例えば、平丸ワッシャ(図示せず)およびねじを使用することができる。
ピストンロッド230もまた一体型である。換言すれば、ピストンロッド230は、ピストン226とピストン228との間でその長さに沿って連続する単体の部品である。さらに、ピストンロッド230は、ピストン226および228による(より具体的には、ピストンヘッド232および234による)もの以外に、ベアリングまたは他の支持体を有していない。
ピストン226および228は、それぞれ個別のピストンチャンバ240および242内で往復運動する。
図5〜7の第3のコンプレッサの実施形態220は、図1〜3の第1のコンプレッサ20の逆止弁48,56および50,58、あるいは図4の第2のコンプレッサ120の逆止弁148,156および150,158ではなく、本体222内に、それぞれピストンチャンバ240および242と連通する、一対のポート244および246ならびに対応する通路248および250を有する。通路248および250は、最終的には、第1の対256のポート252および254(下側のポート)に交互に接続され、かつ第2の対262(上側の対)のポート258および260に交互に接続される。第1の対および第2の対は、以下に説明される回転弁アセンブリ264の一部である。
コンプレッサ20および120の場合と同様に、図5〜7の第3のコンプレッサ220でも、従動回転シャフト266は、従来の方法で回転エネルギーを供給する動力源に接続されている。図4の向きにおいて、従動回転シャフト266は、コンプレッサ220を垂直方向に通って延びている。典型的には、モータ(図示せず)が回転シャフト266を駆動する。コンプレッサ220は、回転シャフト266が貫通する代表的な基端板268を含んでいる。
図5〜7のコンプレッサ220において、回転シャフト266は、円形偏心体270を静止させたまま、コンプレッサ220の本体222、したがってピストンチャンバ240および242、ピストン226および228、ならびにピストンロッド230に接続されてそれらを駆動する。(図5〜7の描写においては、偏心体270の静止状態を支持および維持するための機械的構造は図示していない。)図1〜3のコンプレッサ20および図4のコンプレッサ120の場合のように、図5〜7のコンプレッサ220では、偏心体270は、回転シャフト266に対して中心を外れている。駆動および接続は、様々な方法で達成することができる。図示の実施形態では、シャフト266はキー止めされており、したがってスロット272を含んでいる。コンプレッサ220の本体222には対応するスロット274があり、キー276がスロット272および274に挿入されている。シャフト266用のニードルローラベアリング278が偏心体270に設けられており、偏心体270を静止させたままシャフト266が回転できるようになっている。シャフト266用の別のニードルローラベアリング280が、静止している基端板268に設けられている。
一例として、外側円形リング282は、ニードルローラベアリング284を介して円形偏心体270を取り囲み、これに接続されている。したがって、外側円形リング282は、偏心体270を回転させずに、ピストンチャンバ240および242、ピストン226および228、ならびにピストンロッド230と共に回転することができる。
駆動ピン286は、外側円形リング282上の固定位置で該円形リング282と係合し、またピストンロッド230とも係合している。駆動ピン286がピストンロッド230と係合する位置にベアリング287がある。ピストンロッド230は、スロット開口282を有し、そこを通って回転シャフト266が延びている。
その結果、シャフト266の回転運動がピストンチャンバ240および242、ピストン226および228、ならびに駆動ピン286が取り付けられたピストンロッド230を回転させると、駆動ピン286およびピストンロッド230が回転シャフト166に対して前後に動く。ピストン226および228は、回転シャフト266に対して交互に近接および離間する。従動シャフト260の回転運動は、ピストンロッド230ならびにピストン226および228の、ピストンチャンバ240および242に対する往復運動に変換される。
図5〜7の第3のコンプレッサ220において、内側の円形矢印290は、シャフト266の回転を表し、外側の円形矢印292は、ピストンチャンバ240および242、ピストン226および228、ならびに駆動ピン286が取り付けられたピストンロッド230の回転を表し、これらはすべてシャフト266によって駆動される。回転弁アセンブリ264の文脈で以下に説明されるように、回転方向によって「入力」および「出力」が決定する。したがって、円形矢印290および292の各々は、2つの矢頭を有している。
回転弁アセンブリ264は、弁体294と、ポート体295と、を含む。弁体294は、中実円筒の一般的な形態である。弁体294は、コンプレッサ220の本体222に固定され、それと共に(ピストンチャンバ240および242、ピストン226および228、ならびにピストンロッド230の回転とともに)回転する。ポート体295は、弁体294の周りに嵌合する中空円筒の一般的な形態である。ポート体295は、静止している。図示の実施形態において、ポート体295は、基端板268に固定されている。
弁体294は、内側の構造用鋼部分296と、機械加工されたカーボン製の外側層297と、を有する。ポート体295は、鋼製とすることができ、同様に、少なくともその内面が機械加工されている。弁体294およびポート体295は、弁体294がポート体295内で回転することができると同時に、最小のガス漏れがあるように、精密な交差をもって機械加工されている。
ポート252および254からなる第1の対256(下側の対)は、ポート体295の一部である。ポート252および254からなる第1の対256は、適切な取付け具(図示せず)を備えた、好ましくは少なくとも部分的にねじが切られた単純な穿孔とすることができる。外部的には、ポート252および254は、「Y」接合部(図示せず)において互いに接続されていてもいなくてもよい。ポート258および260からなる第2の対262(上側の対)も同様に、ポート体196の一部であり、適切な取付け具(図示せず)を備えた、好ましくは少なくとも部分的にねじが切られた単純な穿孔とすることができる。ポート258および262は、「Y」接合部(図示せず)において互いに接続されていてもいなくてもよい。図5〜7の第3のコンプレッサ220の実施形態において、第1の対256および第2の対262のポートは、入力および出力が回転方向に依存するため、「入力」および「出力」がラベル付けされていない。
弁体294内には、ピストンチャンバ240に接続された本体222内の通路248と直接連通する、第1の通路298がある。第2の通路300は、ピストンチャンバ242に接続された本体222内の通路250と直接連通している。
周方向タイミング溝が設けられており、これは、回転する弁体294または静止しているポート体295のいずれにあってもよい。図示の実施形態では、下側の周方向溝302および304が、それぞれ下側のポート252および254と連通するようにポート体295に形成されており、上側の周方向溝306および308が、それぞれポート258および260と連通するようにポート体295に形成されている。下側の周方向溝302および304は、回転位置に応じて、通路298と(それによって通路248と)流体連通するように配置されている。上側の周方向溝306および308は、同様に回転位置に応じて、通路300と(それによって通路250と)流体連通するように配置されている。
周方向溝302,304,306および308は、回転弁アセンブリ264のタイミングとみなすことができるもの、すなわち、ピストンチャンバ240がポート252またはポート254と連通する回転位置、ならびにピストンチャンバ242がポート258またはポート260と連通する回転位置を確立する。周方向溝302,304,306および308は、それぞれ円周方向に180°未満である。上述したように、図示の実施形態では、周方向溝302,304,306および308がポート体295内にあるが、周方向溝302,304,306および308は、弁体294内にあってもよい。
作動中、回転シャフト266は、順方向または逆方向のいずれかに回転し、該回転方向により、ポート対256および262のどちらが流体「入力」で、どちらが流体「出力」であるのかが決まる。
図1〜3の第1のコンプレッサ20の実施形態、図4の第2のコンプレッサの実施形態120、および図5〜7の第3のコンプレッサの実施形態220において、シャフト66,166または266が回転している作動中に、ピストン26および28、あるいは126および128、あるいは255および228は、交互に回転シャフト66,166,または266と接近および離間する。シャフト66,166または266の回転運動は、円形偏心体70,170または270、外側円形リング82,182または282、ならびに駆動ピン86,186または286を含む開示の機構によって、ピストンロッド30,130または230、ならびにピストン26および28,126および128,または226および288の、ピストンチャンバ40および42,140および142,または240および242に対する往復運動に変換される。
ピストン26,126または226がピストンチャンバ40,140または240内に移動すると、流体は、ピストンチャンバ40,140または240から排出される。逆に、ピストン26,126または226がピストンチャンバ40,140または240から出ると、液体は、ピストンチャンバ40,140または240内に引き込まれる。ピストンチャンバ42,142または242に関しても、同様の流体ポンピングが生じる。
図1〜3の第1のコンプレッサ20の実施形態におけるピストンチャンバ40,140または240を考察すると、ピストン26がピストンチャンバ40内に移動すると、流体は、逆止弁50および出口ポート46を通って出てくる。同様に、図4の第2のコンプレッサ120の実施形態では、ピストン126がピストンチャンバ140内に移動すると、流体は、逆止弁150および出口ポート146を通って出てくる。図5〜7の第3のコンプレッサの実施形態220では、流体は、回転弁アセンブリ264のポート252またはポート254のいずれかを通って出てくる。逆に、ピストン26,126または226がピストンチャンバ40,140または240から出ると、流体は、ピストンチャンバ40,140または240内に引き込まれる。図1〜3の第1のコンプレッサ20の実施形態では、流体は、逆止弁48および入口ポート44を通って入る。図4の第2のコンプレッサ120の実施形態では、流体は、逆止弁148および入口ポート144を通って入る。図5〜8の第3のコンプレッサの実施形態220では、流体は、回転弁アセンブリ264のポート252またはポート254のいずれかを通って入る。
図1〜3の第1のコンプレッサ20の実施形態におけるピストンチャンバ42,142または242について考察すると、ピストン28がピストンチャンバ42内に移動すると、流体は、逆止弁58および出口ポート56を通って出てくる。図4の第2のコンプレッサ120の実施形態では、ピストン128がピストンチャンバ142内に移動すると、流体は、逆止弁158および出口ポート156を通って出てくる。図5〜7の第3のコンプレッサの実施形態220では、流体は、回転弁アセンブリ254のポート256またはポート260のいずれかを通って出てくる。逆に、ピストン28,128または228がピストンチャンバ42,142または242から出ると、流体は、ピストンチャンバ42,142または252内に引き込まれる。図1〜3の第1のコンプレッサ20の実施形態では、流体は、逆止弁56および入口ポート54を通って入る。図4の第2のコンプレッサ120の実施形態では、流体は、逆止弁156および入口ポート152を通って入る。図5〜8の第3のコンプレッサの実施形態220では、流体は、回転弁アセンブリ254のポート256またはポート260のいずれかを通って入る。
実施形態に応じて、回転シャフト66,166または266は、偏心体70または170、あるいはコンプレッサ本体222(それによってピストンチャンバ240および242、ピストン226および228、ならびにピストンロッド230)のいずれかを回転駆動するように接続され得る。
ここで、図8を参照すると、第4のポンプまたはコンプレッサ320の実施形態が開示されており、該実施形態は、よりコンパクトであることを除いて図5〜7のコンプレッサ220の実施形態と同様である。図8の実施形態では、同様に、円形偏心体は静止したままであるが、ピストンチャンバ、ピストン、およびピストンロッドがすべて回転する。ピストンは、ピストンチャンバに対して、その中で往復運動する。
簡単に説明すると、図8を参照して、本発明を具体化する第4のポンプまたはコンプレッサ320は、概して322で示される本体を有し、ピストン326および326からなる1つのピストン対324を含む。ピストン326および328は、ピストン326および328によるもの以外に、ベアリングまたは他の支持体を有しない、一体型のピストンロッド330の両端に取り付けられている。ピストン326および328は、シーリングおよびセンタリングを提供する、それぞれのピストンヘッド332および334を有する。図示の実施形態において、ピストンヘッド332および334は、機械ねじ336および338によって固定されている。ピストン326および328は、それぞれ個別のピストンチャンバ340および342内で往復運動する。
一対のポート344および346、ならびに対応する通路348および350が、それぞれのピストンチャンバ340および342と連通するように本体322内に形成されている。通路348および350は、最終的には、第1の対256のポート353および354(下側のポート)に交互に接続され、かつ第2の対262(上側の対)のポート358および360に交互に接続される。第1の対および第2の対は、回転弁アセンブリ364の一部である。
従動回転シャフト366は、回転エネルギーを供給する動力源に接続されている。典型的には、モータ(図示せず)が、基端板368を通って延びる回転シャフト366を駆動する。
回転シャフト366は、円形偏心体370を静止させたまま、コンプレッサ320本体、したがって、ピストンチャンバ340および342、ピストン326および328、ならびにピストンロッド330に接続されてそれらを駆動する。偏心体370は、回転シャフト366に対して中心を外れている。シャフト366は、キー止めされており、したがってスロット372を含む。対応するスロット374がコンプレッサ320の本体322に設けられており、キー376がスロット372および374に挿入されている。シャフト366用のニードルローラベアリング378が偏心体370に設けられており、偏心体370を静止させたままシャフト366が回転できるようになっている。シャフト366用の別のニードルローラベアリング380が、静止している基端板368に設けられている。
外側円形リング382は、ニードルローラベアリング384を介して円形偏心体370を取り囲み、それに接続されている。したがって、外側円形リング382は、偏心体270を回転させずに、ピストンチャンバ340および342、ピストン326および328、ならびにピストンロッド330と共に回転することができる。
駆動ピン386は、外側円形リング382上の固定位置で該円形リング382と係合し、またピストンロッド330とも係合している。駆動ピン386がピストンロッド330と係合する位置にベアリング387が設けられている。ピストンロッド330は、開口382を有し、そこを通って回転シャフト366が延びている。
回転弁アセンブリ364は、弁体394と、ポート体395と、を含む。弁体394は、中実円筒の一般的な形態である。図8のコンプレッサ320の実施形態では、弁体394は、コンプレッサ320の本体322と共に(ピストンチャンバ340および342、ピストン326および328、ならびにピストンロッド330の回転とともに)回転する。ポート体395は、弁体394の周りに嵌合する中空円筒の一般的な形態である。ポート体395は、静止している。図示の実施形態において、ポート体395は、基端板368に固定されている。弁体394は、内側の構造用鋼部分396と、機械加工されたカーボン製の外側層397と、を有する。
さらに図8を参照すると、ポート352および354の第1の対356(下側の対)は、ポート体395の一部であり、適切な取付け具(図示せず)を備えた、少なくとも部分的にねじが切られた単純な穿孔とすることができる。外部的には、ポート352および354は、「Y」接合部(図示せず)において互いに接続されていてもいなくてもよい。ポート358および360の第2の対362(上側の対)も同様に、ポート体395の一部であり、適切な取付け具(図示せず)を備えた、好ましくは少なくとも部分的にねじが切られた単純な穿孔とすることができる。ポート358および360は、「Y」接合部(図示せず)において互いに接続されていてもいなくてもよい。
弁体394内には、ピストンチャンバ340に接続された本体322内の通路348と直接連通する、第1の通路398がある。第2の通路400は、ピストンチャンバ342に接続された本体322内の通路350と直接連通している。周方向タイミング溝が設けられており、これは先の実施形態と同様に、回転する弁体394または静止しているポート体395のいずれにあってもよい。図示の実施形態では、下側の周方向溝402および404が、それぞれ下側のポート352および354と連通するようにポート体395に形成されており、上側の周方向溝406および408が、それぞれポート358および360と連通するようにポート体395に形成されている。下側の周方向溝402および404は、回転位置に応じて、通路398と(それによって通路348と)流体連通するように配置されている。上側の周方向溝406および408は、同様に回転位置に応じて、通路400と(それによって通路350と)流体連通するように配置されている。
ここで、図9を参照すると、図5〜7の第3のコンプレッサ220の実施形態を元にした、第5のポンプまたはコンプレッサ420の実施形態の分解図が示されている。図9の実施形態でも同様に、円形偏心体を静止させたまま、ピストンチャンバ、ピストン、およびピストンロッドがすべて回転する。ピストンは、ピストンチャンバに対して往復運動する。
簡単に説明すると、本発明を具体化した第5のポンプまたはコンプレッサ420は、一対の固定端部片422および423を有し、平板の形態をとるピストン426および426からなる1つのピストン対424を含む。ピストン426および428は、該ピストン426および428によるもの以外にベアリングまたは他の支持体を有しない、一体型のピストンロッド430の両端に取り付けられている。ピストン426および428は、機械ねじ437によって回転板436に固定されたそれぞれ個別のピストンチャンバ432および434内で往復運動する。ピストン426および428はまた、それぞれのピストンヘッドまたはシールを有しているが、説明を明確にするために図9からは省略している。回転板436は、固定端部片422(図9の向きでは右側)のキャビティ438内に収容されており、回転板436と固定端部片422との間には、非回転の円形カーボンガスケット439がある。回転板436をカーボンガスケット439および端部片422に対して押圧するために、ばね(図示せず)を使用することができる。
ピストンチャンバ432および434は、単純な開口の形態であるそれぞれのポート440および442を有し、これらのポートは、回転板436のそれぞれ対応するポートまたは開口444および446と整列している。シールを提供するために、ゴム製の「O」リング448および450を使用することができる。回転板436のポートまたは開口444および446は、カーボンガスケット439の周方向チャネル452および454と連通して回転弁456を形成する。ポート458および460(破線で示す)は、それぞれの周方向チャネル452および454と流体連通するように固定端部片422に形成されている。
遠位端467を有する従動回転シャフト466は、回転エネルギーを供給する動力源に接続されている。典型的には、モータ(図示せず)が回転シャフト466を駆動する。回転シャフト466は、固定端部板422を貫通し、ベアリング468によって支持されており、回転板436を回転駆動する。ベアリング468は、端部片422内の凹部(図示せず)内に嵌合するローラベアリングとすることができる。シャフト466の遠位端467は、別のローラベアリング470を有する固定端部片423の開口469を貫通する。シャフト466はキー止めされており、したがってスロット471を含む。回転板436に対応するスロット472が設けられており、キー474がスロット471および472に挿入されている。回転シャフト466は、コンプレッサ420の中心線476を確立するものとして見ることができ、この中心線476は、図9の分解図において軸線476で表されている。
回転シャフト466は、回転板436を駆動することによって、ピストンチャンバ440および442、ピストン426および428、ならびにピストンロッド430も回転駆動する。
固定端部片423(図9の向きで左側)に取り付けられているのは、軸線476に対して中心を外れた固定円形偏心体480である。円形偏心体480は、開口台座481を有し、作動中は静止している。
外側円形リング482は、ニードルローラベアリング484を介して円形偏心体480を取り囲み、これに接続されている。したがって、偏心体480は回転しないが、外側円形リング482は、ピストンチャンバ440および442、ピストン426および428、ならびにピストンロッド430と共に回転することができる。
駆動ピン486は、外側円形リング482上の固定位置488で該外側円形リング482と係合し、また、ピストンロッド430とも係合している。駆動ピン486がピストンロッドと係合する位置に、ベアリング486aが設けられている。ピストンロッド430の往復運動に適応するために、ピストンロッド430は、回転シャフト466が貫通するスロット開口492を有する。
最後に、図10〜14を参照すると、第6のポンプまたはコンプレッサ520の実施形態が開示されている。ポンプまたはコンプレッサ520は、1つのピストン対の代わりに、2つのピストン対がある点で、上述のポンプまたはコンプレッサとは異なっている。図10〜14の実施形態では、円形偏心体は静止したままであるが、ピストンチャンバ、ピストン、およびピストンロッドがすべて回転する。しかしながら、本発明は、ピストンチャンバ、2つのピストン対、および2つのピストンロッドがすべて回転しないポンプまたはコンプレッサにおいても実施することができる。さらに、3つ以上のピストン対を設けることもできる。図9には1つのピストン対しかないが図10には2つのピストン対がある点を除いては、図10は図9と同様である。
簡単に言えば、本発明を具体化する図10〜14の第6のポンプまたはコンプレッサは、一対の固定端部片522および423を有し、ピストン525および526からなる第1のピストン対524、ならびにピストン528および529からなる第2のピストン対527を含む。ピストン525,526,528および529は、平板の形態をとっている。第1の対524のピストン525および526は、該ピストン525および526によるもののほかには、ベアリングまたは他の支持体を有しない、一体型の第1のピストンロッド530の両端に取り付けられている。第2の対527のピストン528および529は、同様にピストン528および529によるもののほかにはベアリングまたは他の支持体を有しない、一体型の第2のピストンロッド531の両端に取り付けられている。ピストン525および526は、それぞれ個別のピストンチャンバ532および533内で往復運動し、ピストン528および529は、それぞれ個別のピストンチャンバ534および535内で往復運動する。ピストンロッド530および531は、(幅が)細長い「U」字形であり、ピストン525,526,528および529が同一平面内にあり、かつピストンチャンバ532,533,534および535もまた同一平面内にあるように、やや入れ子状に互いに向き合っており、全体構造がコンパクトになっている。ピストンチャンバ532,533,534および535は、機械ねじ537によって回転板536に固定されている。ピストン525,526,528および529は、それぞれのピストンヘッドまたはシール(図を明確にするために、図11〜15からは省略されている)を有する。回転板536は、固定端部片522(図10の向きで右側)のキャビティ538内に収容されており、回転板536と固定端部片522との間に、非回転の円形カーボンガスケット538がある。回転板536をカーボンガスケット539および端部片522に対して押圧するために、ばね(図示せず)を使用することができる。
ピストンチャンバ532および534は、単純な開口の形態であるそれぞれのポート540および541を有し、これらのポートは、回転板536のそれぞれ対応するポートまたは開口544および545と整列している。同様に、ピストンチャンバ534および535は、単純な開口の形態であるそれぞれのポート540および541を有し、これらのポートは、回転板536のそれぞれ対応するポートまたは開口546および547と整列している。シールを提供するために、ゴム製の「O」リング548,549および550,551を使用することができる。回転板536のポートまたは開口544,545,546および547は、カーボンガスケット539の周方向チャネル552および554と連通して回転弁556を形成する。ポート558および560(破線で示す)は、それぞれの周方向チャネル552および554と流体連通するように固定端部片522に形成されている。
遠位端467を有する従動回転シャフト566は、回転エネルギーを供給する動力源に接続されている。回転シャフト566は、固定端部板522を貫通し、ベアリング568によって支持されており、回転板536を回転駆動する。ベアリング568は、端部片522内の凹部(図示せず)内に嵌合するローラベアリングとすることができる。シャフト566の遠位端567は、別のローラベアリング570を有する固定端部片523の開口569を貫通する。シャフト566はキー止めされており、したがってスロット571を含む。対応するスロット572が回転板536に設けられており、キー574がスロット571および572に挿入されている。回転シャフト566は、コンプレッサ520の中心線576を確立するものとして見ることができ、この中心線576は、図11の分解図において軸線576で表されている。
回転シャフト566は、回転板536を駆動することによって、ピストンチャンバ540,542および534,535、ピストン526,526および528,529、ならびにピストンロッド530および531も回転駆動する。
固定端部片523に取り付けられているのは、軸線578に対して中心を外れた固定円形偏心体580である。円形偏心体580は、開口台座581を有し、動作中は静止している。
外側円形リング582は、ニードルローラベアリング584を介して円形偏心体580を取り囲み、これに接続されている。したがって、外側円形リング582は、偏心体580を回転させずに、ピストンチャンバ532,533および534,535、ピストン525,526および528,529、ならびにピストンロッド530および531と共に回転することができる。
第1の駆動ピン586は、外側円形リング582上の固定位置588で該外側円形リング582と係合し、またピストンロッド530とも係合している。第1の駆動ピン586がピストンロッド530と係合する位置に、ベアリング586aが設けられている。同様に、第2の駆動ピン587は、外側円形リング582上の別の固定位置590で該外側円形リング582と係合し、また第2のピストンロッド531とも係合している。第2の駆動ピン587がピストンロッド531と係合する位置に、ベアリング587aが設けられている。第1および第2のピストンロッド531および532の往復運動に適応するために、第1のピストンロッド530は、回転シャフト566が貫通するスロット開口592を有し、第2のピストンロッド531は、回転シャフト566が貫通するスロット開口594を有する。
[産業上の利用可能性]
本発明を利用することができる方法、およびそれを製造し使用することができる方法は、上記から明らかであろう。

Claims (18)

  1. コンプレッサであって、
    回転シャフトと、
    前記回転シャフトに対して実質的に垂直である少なくとも第1のピストンロッドであって、当該ピストンロッドの両端で第1のピストン対を接続し、前記回転シャフトに対して前後に動く少なくとも第1のピストンロッドと、
    円形偏心体と、
    前記円形偏心体にベアリングを介して接続された円形リングと、
    前記円形リング上の固定位置で当該円形リングと係合し、かつ前記少なくとも第1のピストンロッドと係合する駆動ピンであって、前記シャフトの回転運動が前記第1のピストンロッドおよび第1のピストン対、または前記円形偏心体のいずれかを回転させると、前記駆動ピンおよび前記第1のピストンロッドが前記回転シャフトに対して前後に動くようになっている駆動ピンと、を備える、コンプレッサ。
  2. 前記少なくとも第1のピストンロッドは、前記回転シャフトが貫通する開口を画定している、請求項1に記載のコンプレッサ。
  3. 前記回転シャフトは、前記円形偏心体に接続されて当該偏心体に回転運動を加える、請求項1に記載のコンプレッサ。
  4. 前記回転シャフトは、前記少なくとも第1のピストンロッドに回転運動を加える、請求項1に記載のコンプレッサ。
  5. 前記少なくとも第1のピストンロッドが一体型である、請求項1に記載のコンプレッサ。
  6. 前記少なくとも第1のピストンロッドが一体型である、請求項2に記載のコンプレッサ。
  7. 前記少なくとも第1のピストンロッドは、第1のピストン対によってのみ支持されている、請求項1に記載のコンプレッサ。
  8. 前記少なくとも第1のピストンロッドは、前記第1のピストン対によってのみ支持されている、請求項1に記載のコンプレッサ。
  9. 前記少なくとも第1のピストンロッドは、前記第1のピストン対によってのみ支持されている、請求項6に記載のコンプレッサ。
  10. 前記少なくとも第1のピストンロッドは、前記第1のピストン対によってのみ支持されている、請求項7に記載のコンプレッサ。
  11. コンプレッサであって:
    回転シャフトと、
    前記回転シャフトに対して実質的に垂直である一方向に前記コンプレッサを通って延びる第1のピストンロッドであって、当該第1のピストンロッドの両端で第1のピストン対を接続し、前記回転シャフトに対して前後に動く第1のピストンロッドと、
    前記回転シャフトに対して実質的に垂直である別の方向に前記コンプレッサを通って延びる第2のピストンロッドであって、当該第2のピストンロッドの両端で第2のピストン対を接続し、前記回転シャフトに対して前後に動く第2のピストンロッドと、
    円形偏心体と、
    前記円形偏心体にベアリングを介して接続された円形リングと、
    前記円形リングと第1の固定位置で係合し、かつ前記第1のピストンロッドと係合する第1の駆動ピンと、
    前記円形リングと第2の固定位置で係合し、かつ前記第2のピストンロッドと係合する第2の駆動ピンと、を備え、
    前記シャフトの回転運動が前記ピストンロッドおよびピストン、または前記円形偏心体のいずれかを回転させると、前記駆動ピンおよび前記ピストンロッドが前記回転シャフトに対して前後に動くようになっている、コンプレッサ。
  12. 前記第2のピストンロッドが前記第1のピストンロッドに隣接して配置されている、請求項11に記載のコンプレッサ。
  13. 前記ピストンロッドは、前記回転シャフトが貫通するそれぞれの開口を画定している、請求項11に記載のコンプレッサ。
  14. 前記回転シャフトは、前記円形偏心体に接続されて当該円形偏心体に回転運動を加える、請求項11に記載のコンプレッサ。
  15. 前記回転シャフトは、前記ピストンロッドに回転運動を加える、請求項11に記載のコンプレッサ。
  16. 前記ピストンロッドがそれぞれ一体型である、請求項11に記載のコンプレッサ。
  17. 前記ピストンロッドがそれぞれ一体型である、請求項13に記載のコンプレッサ。
  18. 前記ピストンロッドの各々は、それが接続されているピストン対によってのみ支持されている、請求項11に記載のコンプレッサ。
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