JP2022019099A - レシプロ機構及びレシプロ機構を備えた機器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮工程において圧縮室の気密性を確保し、吸入工程において圧縮室内に気体を効果的に吸い込むことのできるレシプロ機構を提供する。【解決手段】レシプロ機構１００は、圧縮室１１９を形成するシリンダ１１０と、シリンダ１１０内を揺動しながら往復動するピストン１０４と、クランクシャフト１６０と、クランクシャフト１６０とピストン１０４とを連結する連接棒１０２と、を備える。ピストン１０４は、圧縮室１１９をシールするピストンリング１４９を有し、ピストン１０４には、圧縮室１１９とは反対側からピストンリング１４９を支持するリング支持部１４３が形成され、リング支持部１４３には、ピストン１０４が上死点から下死点に移動するときに、圧縮室１１９外の気体を圧縮室１１９内へ導く凹部１４７が形成される。【選択図】図８

Description

本発明は、レシプロ機構及びレシプロ機構を備えた機器に関する。

特許文献１には、球体状のピストンがシリンダ内を摺動しつつ往復する往復動圧縮機において、ピストンが吸入工程で揺動したときのシリンダ内周面と摺接する部位のピストン球面を窪ませて流体をピストンロッド側から圧縮室内に吸い込むための吸込口を形成した往復動圧縮機が開示されている。

特開昭６２－２５３９７１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の往復動圧縮機では、球体状のピストンとシリンダとが線接触する構成であり、圧縮工程において圧縮室内の気密性を確保できないおそれがある。ここで、気密性の確保のために、ピストンにピストンリングを設けることが考えられるが、吸入工程において圧縮室内に気体を吸い込むことができないおそれがある。

本発明は、圧縮工程において圧縮室の気密性を確保し、吸入工程において圧縮室内に気体を効果的に吸い込むことのできるレシプロ機構及びそれを備えた機器を提供することを目的とする。

本発明の一態様によるレシプロ機構は、圧縮室を形成するシリンダと、前記シリンダ内を揺動しながら往復動するピストンと、クランクシャフトと、前記クランクシャフトと前記ピストンとを連結する連接棒と、を備える。前記ピストンは、前記圧縮室をシールするピストンリングを有し、前記ピストンには、前記圧縮室とは反対側から前記ピストンリングを支持するリング支持部が形成され、前記リング支持部には、前記ピストンが上死点から下死点に移動するときに、前記圧縮室外の気体を前記圧縮室内へ導く凹部が形成される。

本発明によれば、圧縮工程において圧縮室の気密性を確保し、吸入工程において圧縮室内に気体を効果的に吸い込むことのできるレシプロ機構及びそれを備えた機器を提供することができる。

圧縮機の構成を示す図。 本実施形態に係るレシプロ機構の構成を示す図。 本実施形態に係るピストン及び連接棒の概略図。 ピストンを構成するピストン本体及びピストンリングの斜視図。 シリンダの中心軸Ｃｃとクランクシャフトの回転中心軸Ｃｓとのオフセット量及び連接棒の揺動角度を説明するための図。 揺動角度に対するピストン本体に装着されたピストンリングのシール特性について示す図。 クランク角度θに対する揺動角度βの変化について示すグラフ。 吸入行程のときのレシプロ機構の断面模式図。 図８のピストン及び連接棒の先端部のＩＸ－ＩＸ線断面模式図。 ピストン本体の外形形状の変形例について示す図。 本実施形態の変形例３に係るレシプロ機構におけるピストン及び連接棒の概略図。 本実施形態の変形例４に係るレシプロ機構の構成を示す図。 図１２のピストン本体のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線断面模式図。

図１～図９を参照して、本発明の実施形態に係るレシプロ機構１００を備えた圧縮機１について説明する。

図１は圧縮機１の構成を示す図であり、図２はレシプロ機構１００の構成を示す図である。図１に示すように、圧縮機１は、気体（例えば、空気）を圧縮する圧縮機本体１０と、それを駆動する電動機２と、圧縮機本体１０が吐出する気体を貯留するタンク３と、を備える。

図２に示すように、圧縮機本体１０は、クランクシャフト１６０を収容するクランクケース１０９と、クランクシャフト１６０を含むレシプロ機構１００とを備える。レシプロ機構１００は、クランクケース１０９から鉛直方向（図示上方）に突出するシリンダ１１０と、クランクシャフト１６０と、基端部がクランクシャフト１６０のクランクピン１６２に回転可能に接続される連接棒１０２と、連接棒１０２の先端部に固定されるピストン１０４と、を有する。クランクシャフト１６０は、クランクケース１０９に回転可能に支持される。

圧縮機本体１０は、クランクシャフト１６０が回転することで、連接棒１０２の基端部（大端部）１２１に回転力を与え、シリンダ１１０内に設置されたピストン１０４が鉛直方向に往復動し、その結果としてシリンダ１１０の外部から気体を吸引し圧縮してタンク３（図１参照）へ吐出する。

図１に示すように、圧縮機本体１０及び電動機２は、圧縮機本体１０のクランクシャフト１６０と電動機２の回転軸とが平行になるように、タンク３上に設置されている。クランクシャフト１６０には圧縮機プーリ４が固定され、電動機２の回転軸には電動機プーリ５が固定されている。圧縮機プーリ４及び電動機プーリ５には、電動機２で発生した動力を圧縮機本体１０に伝達する伝動ベルト６が巻回されている。これにより、電動機２の回転力は、電動機プーリ５、伝動ベルト６及び圧縮機プーリ４を介して圧縮機本体１０のクランクシャフト１６０に伝達され、クランクシャフト１６０が回転する。電動機２によってクランクシャフト１６０が回転駆動されることにより、圧縮機本体１０が気体を圧縮する。

図２に示すように、クランクシャフト１６０は、クランクケース１０９に回転自在に支持されるクランクジャーナル１６１と、クランクジャーナル１６１の回転中心から偏心した位置で連接棒１０２に接続されるクランクピン１６２（偏心部）と、クランクジャーナル１６１とクランクピン１６２とを接続するクランクアーム１６４と、クランクウエイト１６３と、を有する。

クランクピン１６２は、大端部軸受１２８を介して連接棒１０２の基端部（大端部）１２１に連結されている。大端部軸受１２８には、転がり軸受、滑り軸受などを採用することができる。なお、大端部軸受１２８は、連接棒１０２及びクランクシャフト１６０と別体となるよう構成してもよいし、連接棒１０２またはクランクシャフト１６０と一体となるよう構成してもよい。

シリンダ１１０は、円筒状のシリンダ本体１１１と、シリンダ本体１１１の上部開口端部を塞ぐように設けられるバルブプレート１１２と、シリンダ本体１１１とでバルブプレート１１２を挟持するシリンダヘッド１１３と、を備え、クランクケース１０９に固定される。バルブプレート１１２は、シリンダヘッド１１３とシリンダ１１０との間に介装される。バルブプレート１１２は、シリンダヘッド１１３の内部と、シリンダ本体１１１の内部とを連通する吸入孔１１２ａ及び吐出孔１１２ｂが形成されている。バルブプレート１１２には、リード弁タイプの吸入弁１１２ｃ及び吐出弁１１２ｄが取り付けられている。

吸入弁１１２ｃは、シリンダヘッド１１３内の気体が吸入孔１１２ａを通じてシリンダ本体１１１内へ流入することを許容し、シリンダ本体１１１内の気体が吸入孔１１２ａを通じてシリンダヘッド１１３内へ流入することを禁止する。吐出弁１１２ｄは、シリンダ本体１１１内の気体が吐出孔１１２ｂを通じてシリンダヘッド１１３内へ流入することを許容し、シリンダヘッド１１３内の気体が吐出孔１１２ｂを通じてシリンダ本体１１１内へ流入することを禁止する。

ピストン１０４、シリンダ１１０及びバルブプレート１１２によって形成される圧縮室１１９は、ピストン１０４がシリンダ１１０内を往復することにより、膨張と収縮を繰り返す。圧縮室１１９の膨張及び収縮に伴ってクランクケース１０９内の容積についても収縮及び膨張を繰り返す。また、圧縮室１１９の膨張及び収縮に合わせて吸入弁１１２ｃ及び吐出弁１１２ｄが開閉する。クランクケース１０９には、クランクケース１０９の内外を連通する呼吸孔１０９ａが形成される。

電動機２によってクランクシャフト１６０が回転すると、ピストン１０４がシリンダ１１０内を往復運動する。ピストン１０４が上死点から下死点へ向かう吸入工程では、圧縮室１１９が膨張し、吸入弁１１２ｃが開いてシリンダヘッド１１３内の吸気室から圧縮室１１９内に気体が吸い込まれるとともに、クランクケース１０９内からピストン１０４とシリンダ１１０との間の隙間を通じて圧縮室１１９内に気体が吸い込まれる（図８参照）。ピストン１０４が下死点から上死点へ向かう圧縮工程では、圧縮室１１９が収縮し、圧縮室１１９内の気体が圧縮され、吐出弁１１２ｄが開いてシリンダヘッド１１３内の排気室及びこの排気室に接続される配管７（図１参照）を通じて圧縮気体がタンク３へ吐出される。

図３は、ピストン１０４及び連接棒１０２の概略図（分解図）である。連接棒１０２は、クランクシャフト１６０とピストン１０４とを連結する部材である。連接棒１０２の先端部１２９には、ピストン１０４が固定される。ピストン１０４と連接棒１０２とは異なる材料で形成される。本実施形態に係るピストン１０４は、軸受を介すことなく連接棒１０２の先端部１２９に固定されることにより、連接棒１０２に一体化されている。なお、ピストン１０４と連接棒１０２の固定方法は、ボルトによる締結、または溶接、圧入等である。つまり、ピストン１０４は、クランクシャフト１６０が回転すると、連接棒１０２と一体となってシリンダ１１０内を揺動しながら往復動する揺動型のピストン（ロッキングピストン）である。

連接棒１０２は、円筒状の基端部（大端部）１２１と、半球状の先端部（小端部）１２９と、基端部１２１と先端部１２９とを接続する直棒部１２０と、を有する。先端部１２９は、球面側で直棒部１２０に接続され、円形状の平面部がピストン１０４の下端面に面接触する。直棒部１２０は、その中心軸が、半球状の先端部１２９の中心と円筒状の基端部１２１の中心軸（すなわち、大端部軸受１２８の中心軸Ｃｂ）とを結ぶ直線に一致するように配置される。以下、直棒部１２０の中心軸を連接棒１０２の中心軸Ｃｒとも記す。

連接棒１０２は、揺動運動を行うため、圧縮機１の振動低減の観点からは重量が軽いことが望まれる。このため、直棒部１２０は、幅（連接棒１０２の中心軸Ｃｒ及び基端部１２１の中心軸に直交する方向の寸法）が、基端部１２１及び先端部１２９に比べて小さい。また、直棒部１２０は、基端部１２１側から先端部１２９側に向かって先細り形状となっている。

図４はピストン１０４を構成するピストン本体１４０及びピストンリング１４９の斜視図である。図３及び図４に示すように、ピストン１０４は、ピストン本体１４０と、ピストン本体１４０の外周とシリンダ本体１１１の内周との間の隙間を塞ぎ、圧縮室１１９をシールするピストンリング１４９と、を有する。ピストン本体１４０は、略円板状に形成され、その外周面にはピストンリング１４９が装着される環状溝１４１が形成されている。ピストンリング１４９は、ピストン本体１４０の外周面に設けられた環状溝１４１に対してある隙間をもって嵌合する。ピストンリング１４９は、ピストン本体１４０に装着された状態において、シリンダ１１０内を滑らかに摺動しつつ、圧縮工程のときに、圧縮室１１９の気密性が保たれるように形成される。

ピストンリング１４９は、略Ｃ字形状であり、合口１４９ａを有する。ピストンリング１４９は、自然状態ではその外径がシリンダ本体１１１の内径よりも若干大きい。このため、ピストンリング１４９が装着されたピストン本体１４０が、シリンダ本体１１１内に挿入された状態では、ピストンリング１４９の変形による反力によってピストンリング１４９の外周面がシリンダ１１０の内周面に略密着することにより、圧縮室１１９の気密性が保たれる。

ピストン本体１４０は、円筒形のシリンダ本体１１１内を滑らかに往復運動するために、その外周面が球面状に形成される。クランクシャフト１６０が回転すると、ピストン本体１４０は、シリンダ本体１１１によってシリンダ周方向の移動が拘束された状態で、シリンダ軸方向に往復運動を行うとともに、回転運動（揺動運動）を行う。本実施形態では、ピストン本体１４０の外周面が球面状に形成されているため、ピストン１０４の回転運動中心が連接棒１０２に対して一定の位置となる。

本実施形態では、圧縮工程において、ピストン本体１４０の外周面とシリンダ本体１１１の内周面とが線接触状態となるが、ピストンリング１４９の外周面とシリンダ本体１１１の内周面とが面接触状態となるため、圧縮室１１９の高い気密性を確保することができる。

環状溝１４１が形成されることにより、ピストン本体１４０は、環状溝１４１を挟むように、円板状の受圧部１４２と、円板状のリング支持部１４３とが形成される。リング支持部１４３は、その外周部において、圧縮室１１９とは反対側（連接棒１０２側）からピストンリング１４９を支持する。リング支持部１４３の中央部は、連接棒１０２によって支持される。受圧部１４２は、圧縮室１１９内の気体圧力を受ける部位である。また、受圧部１４２は、吸入工程のときに、その外周部においてピストンリング１４９の移動を規制し、ピストンリング１４９がピストン本体１４０から外れることを防止する。

圧縮工程において、圧縮室１１９内の気体圧力は、主に受圧部１４２の上端面（先端面）１４２ｃ及び側面、並びにピストンリング１４９に作用する。これらの力は概ね連接棒１０２の中心軸方向に加わるため、シリンダ本体１１１の内周面とピストン１０４の間に働く気体圧力に基づく分力は極めて小さい。すなわち、シリンダ本体１１１の内周面とピストン１０４の間の摺動面に働く力は小さい。

ピストン本体１４０においてシリンダ１１０の内周面と摺動しうる部位は、受圧部１４２の側面とリング支持部１４３の側面である。本実施形態では、ピストン本体１４０が固体潤滑性の優れた材料で形成され、潤滑油を用いない構成とすることが可能である。潤滑油を用いない構成とすることで、圧縮室１１９内の気体に潤滑油が混入することがなくなるという利点を有する。固体潤滑性の優れた材料の一例としては、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂に、強度などの機械的特性を改善するためにグラスファイバーなどの充填剤を入れた材料がある。なお、本実施形態では、ピストンリング１４９は、ピストン本体１４０と同じ材料で形成される。

連接棒１０２の基端部１２１には、圧縮室１１９内の気体圧力に基づく圧縮反力が加わる。このため、連接棒１０２の基端部１２１には、機械的強度が求められる。したがって、連接棒１０２は、ピストン本体１４０の材料よりも機械的強度の高い材料で構成することが望ましい。機械的強度の高い材料の一例としては、鉄系材料、アルミ系材料などの金属材料がある。

ここで、ピストン本体１４０と連接棒１０２を同じ材料で一体成形する場合、以下のような懸念が生じる場合がある。ピストン本体１４０と連接棒１０２を固体潤滑性の優れた材料で一体成形する場合、連接棒１０２に作用する圧縮負荷により、連接棒１０２が折損するおそれがある。このため、圧縮負荷が小さい機械にしか実装できず、その適用範囲が狭くなるおそれがある。

ピストン１０４と連接棒１０２を機械的強度の高い材料で一体成形する場合、ピストン１０４とシリンダ１１０との間の接触部の潤滑特性及びシール特性を満足させるために、潤滑油を用いることが考えられる。しかしながら、吸入工程でクランクシャフト１６０側から圧縮室１１９内に吸気を行う構造の場合、潤滑油が圧縮室１１９に入り込むことにより吸気量が低下し、圧縮機効率が低下したり、液圧縮によって弁体（吸入弁１１２ｃ及び吐出弁１１２ｄ）が破損したりするおそれがある。

これに対して、本実施形態では、ピストン本体１４０と連接棒１０２とを異なる材料で形成しているため、連接棒１０２の機械的強度と、潤滑油を用いない環境下でのピストン本体１４０の摺動特性とを両立させることができる。つまり、本実施形態によれば、連接棒１０２の破損を防止することができるとともに、潤滑油が圧縮室１１９に入り込むことに起因する効率の低下及び弁体の破損を防止することができる。

次に図５を参照して、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃとクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとの位置関係及び連接棒１０２の揺動角度βについて説明する。図５は、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃとクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとのオフセット量δ及び連接棒１０２の揺動角度βを説明するための図である。

図５に示すように、本実施形態に係るレシプロ機構１００では、クランクシャフト１６０の回転中心軸（クランクジャーナル１６１の回転中心軸）Ｃｓとシリンダ１１０の中心軸Ｃｃとは交差せず、オフセットした構造をとっている。クランクシャフト１６０は、図示反時計回りに回転するが、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃはクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓに対して、圧縮行程においてクランクピン１６２が位置する側（図示右側）にオフセットしている。

ここで、連接棒１０２の中心軸Ｃｒとシリンダ１１０の中心軸Ｃｃとの鋭角側のなす角度（以下、揺動角度βと記す）に着目する。シリンダ１１０の中心軸Ｃｃとクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとが交差する場合（すなわち、オフセット量δが０の場合）、揺動運動がシリンダ１１０の中心軸Ｃｃに対して左右対称となり、圧縮行程での揺動角度βの最大値と、吸入行程での揺動角度βの最大値とは等しくなる。一方、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃとクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとをオフセットさせた構成では、揺動運動がシリンダ１１０の中心軸Ｃｃに対して左右非対称となる。

本実施形態では、ピストン１０４が下死点から上死点に移動する間の最大揺動角度（すなわち圧縮工程での最大揺動角度）が、ピストン１０４が上死点から下死点に移動する間の最大揺動角度（すなわち吸入工程での最大揺動角度）よりも小さくなるように、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃが、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓに対してオフセットしている。

このように、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃとクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとをオフセットさせた構成とすると、圧縮工程において圧縮室１１９の気密性を高めることができる。以下、詳しく説明する。図６は、揺動角度βに対するピストン本体１４０に装着されたピストンリング１４９のシール特性について示す図である。図６では、横軸が揺動角度β、すなわち、シリンダ１１０に対するピストンリング１４９の傾斜角度を表し、縦軸がピストンリング１４９とシリンダ１１０との壁面間から漏洩する気体の質量流量（漏洩量）を表している。なお、図６では、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃと連接棒１０２の中心軸Ｃｒとが一致するとき（平行のとき）には揺動角度βは０（ゼロ）°であり、また、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃに対して連接棒１０２の中心軸Ｃｒが傾斜しているときには、その傾き角の絶対値を揺動角度βとして表している。

図６に示すように、揺動角度βが小さい場合、すなわちピストンリング１４９とシリンダ１１０との間の傾き角が小さい場合、ピストンリング１４９とシリンダ１１０との接触状態は面接触である。したがって、ピストンリング１４９によってピストン本体１４０とシリンダ本体１１１の内周面との隙間が適切にシールされるので、圧縮室１１９の内部から外部（クランクケース１０９内）への気体の漏洩量は極めて少ない。揺動角度βが大きくなり、シリンダ１１０に対するピストンリング１４９の傾き角が大きくなると、シリンダ１１０の内周面に対してピストンリング１４９が片当たり接触する状態となり、ピストンリング１４９とシリンダ１１０との接触状態が面接触状態から線接触または点接触状態に変化する。その結果、揺動角度βが大きくなるほど、ピストンリング１４９のシール特性が悪化し、圧縮室１１９の内部から外部（クランクケース１０９内）への気体の漏洩量が増加する。

図７は、本実施形態に係るレシプロ機構１００におけるクランク角度θに対する揺動角度βの変化について示すグラフである。図７では、横軸がクランクシャフト１６０の回転角度であるクランク角度θを表し、縦軸が揺動角度βを表している。図７において、クランク角度θは、大端部軸受１２８の中心軸Ｃｂがクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓの下方であって、大端部軸受１２８の中心軸Ｃｂとクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとを結ぶ直線がシリンダ１１０の中心軸Ｃｃと平行になるときの角度を０°とし、図５における反時計回りを正方向とし、反時計回りの回転角度を正の値で表している。また、図７では、図５において大端部軸受１２８の中心軸Ｃｂがシリンダ１１０の中心軸Ｃｃの左側に位置するときの揺動角度βを正の値で表し、大端部軸受１２８の中心軸Ｃｂがシリンダ１１０の中心軸Ｃｃの右側に位置するときの揺動角度βを負の値で表している。

上述したように、本実施形態では、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとシリンダ１１０の中心軸Ｃｃとがオフセットしている。このため、図７に示すように、揺動角度βの時刻歴変化は、揺動角度０°を表す横軸に対して上下非対称となる。また、ピストン１０４が下死点から上死点に移動する圧縮行程での最大揺動角度は、オフセット量δが０（ゼロ）の場合に比べて小さくなり、ピストン１０４が上死点から下死点に移動する吸入工程での最大揺動角度は、オフセット量δが０（ゼロ）の場合に比べて大きくなる。

本実施形態では、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとシリンダ１１０の中心軸Ｃｃとをオフセットさせることにより、圧縮行程において揺動角度β（図７において、揺動角度βの絶対値）を小さく抑えることができる。このため、圧縮行程において、ピストンリング１４９とシリンダ１１０との壁面間を通じた圧縮室１１９内からクランクケース１０９内への気体の漏洩量を少ない状態に維持することができる。つまり、圧縮室１１９内の圧力を高める圧縮行程において、圧縮室１１９の気密性を高めることができるため、圧縮機効率を高めることができる。

なお、図５に示すように、圧縮行程でのピストン本体１４０におけるシリンダ１１０との主な接触部分は、受圧部１４２の図示左側側面１４２ｂとリング支持部１４３の図示右側側面１４３ａである。

本実施形態では、圧縮行程でのピストン本体１４０におけるシリンダ本体１１１との接触部近傍にピストンリング１４９が位置するように、環状溝１４１が形成されている。つまり、ピストン本体１４０の受圧部１４２の図示右側面上端よりもリング支持部１４３の図示右側面下端に近い位置にピストンリング１４９が位置するように、環状溝１４１が形成されている。このため、圧縮室１１９内の気密性を高めることができる。

次に、図４、図８及び図９を参照して、吸入行程において、効率よく気体を圧縮室１１９に吸い込むための構成について説明する。図８は、吸入行程のときのレシプロ機構１００の断面模式図である。図８に示すように、吸入行程では圧縮行程に比べて揺動角度βが大きくなる（図７参照）。揺動角度βが、最大揺動角度を含む所定角度範囲内のときには、ピストンリング１４９の外周面の一部がシリンダ本体１１１の内周面から離れ非接触となる。

吸入行程でのピストン本体１４０におけるシリンダ１１０との主な接触部分は、受圧部１４２の図示右側側面１４２ａとリング支持部１４３の図示左側側面１４３ｂである。ここで、本実施形態では、吸入工程において、クランクケース１０９内の気体が圧縮室１１９内にスムーズに導かれるように、リング支持部１４３の左側側面１４３ｂに円弧状凹部１４７が形成されている。

図９は、図８のピストン１０４及び連接棒１０２の先端部１２９のＩＸ－ＩＸ線断面模式図である。図９において、説明の便宜上、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓに平行であり、かつ、連接棒１０２の中心軸Ｃｒを通る軸をｙ軸とし、ｙ軸及び連接棒１０２の中心軸Ｃｒに直交し、かつ、連接棒１０２の中心軸Ｃｒを通る軸をｘ軸とした座標系において、反時計方向に第１象限、第２象限、第３象限及び第４象限に区分する。図示するように、第１象限及び第４象限は、圧縮工程においてリング支持部１４３（側面１４３ａ）がシリンダ本体１１１の内周面に接触する側であり、第２象限及び第３象限は、吸入工程においてリング支持部１４３（側面１４３ｂ）がシリンダ本体１１１の内周面に接触する側である。

図９に示すように、ピストン本体１４０は、連接棒１０２の先端部１２９の先端面に面接触する円形状かつ平坦な平面部（以下、円形平面部と記す）１４５ａと、円形平面部１４５ａの径方向外方において突出する円弧状の突出部１４６と、円形平面部１４５ａの径方向外方において突出部１４６が形成されず、円形平面部１４５ａと面一となっている円弧状の外周平面部１４５ｂと、を有する。ピストン本体１４０は、その底面（下面）の外周部に円弧状の突出部１４６が設けられており、突出部１４６が設けられている部分では、その他の部分に比べて厚みが厚くなっている。換言すれば、リング支持部１４３は、図８に示すように、ピストン１０４の揺動方向一方側（図示左側）の厚みが、揺動方向他方側（図示右側）の厚みに比べて薄い。

なお、揺動方向一方とは、圧縮工程から吸入工程に移行するときのピストン１０４及び連接棒１０２の揺動方向（図示左方向）に相当し、揺動方向他方とは、吸入工程から圧縮工程に移行するときのピストン１０４及び連接棒１０２の揺動方向（図示右方向）に相当する。また、揺動方向一方側とは、圧縮工程において受圧部１４２がシリンダ１１０の内周面に接触する側（すなわち吸入工程においてリング支持部１４３がシリンダ１１０の内周面に接触する側）に相当し、揺動方向他方側とは、圧縮工程においてリング支持部１４３がシリンダ１１０の内周面に接触する側（すなわち吸入工程において受圧部１４２がシリンダ１１０の内周面に接触する側）に相当する。

このように、ピストン本体１４０には、円形平面部１４５ａ及び外周平面部１４５ｂを底面とし、突出部１４６を側壁とする凹部１４４が形成される。凹部１４４の円形平面部１４５ａに、連接棒１０２の先端部１２９が接合されると、円弧状凹部１４７が形成される。円弧状凹部１４７は、外周平面部１４５ｂを底面とし、円弧状の突出部１４６の周方向両端面及び連接棒１０２の先端部１２９の外表面を側面とする凹形状を呈する。このように、本実施形態では、円弧状凹部１４７は、リング支持部１４３におけるピストン１０４の揺動方向一方側（図示左側）の厚みが、リング支持部１４３におけるピストン１０４の揺動方向他方側（図示右側）の厚みに比べて薄いことにより形成される。

図９に示すように、円弧状凹部１４７は、クランクシャフト１６０の回転中心軸方向（ｙ軸方向）のピストン１０４（ピストン本体１４０）の幅中心を含む、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓに直交する平面（以下、揺動運動平面１９０とも記す）上に形成される。なお、揺動運動平面１９０は、連接棒１０２の中心軸Ｃｒを含む平面でもある。また、円弧状凹部１４７は、第２象限及び第３象限に形成され、第１象限及び第４象限には形成されない。本実施形態では、円弧状凹部１４７は、ｘ軸に対して対称、かつ、座標系の原点Ｏ（連接棒１０２の中心軸Ｃｒ）を中心として所定の角度範囲φ（例えば１２０°程度）で形成されている。

仮に、円弧状凹部１４７の形成範囲が１８０°よりも大きい場合、すなわち円弧状凹部１４７が第１象限及び第４象限にまで形成されると、吸入工程において、リング支持部１４３におけるシリンダ本体１１１の内周面と接触する面（以下、負荷面とも記す）を十分に確保することができず、信頼性の観点から好ましくない。このため、円弧状凹部１４７の形成範囲は、座標系の原点Ｏを中心として、第２象限及び第３象限において１８０°以下とすることが好ましい。これにより、吸入工程において揺動角度βが最大揺動角度を含む所定角度範囲内であるときに、シリンダ本体１１１の内周面と接触する負荷面１４３ｂ１を確保することができる。

本実施形態では、リング支持部１４３に円弧状凹部１４７が設けられているため、吸入工程において揺動角度βが所定の角度よりも大きくなると、シリンダ本体１１１の内周面とリング支持部１４３における左側側面１４３ｂの一部とが非接触となる。このとき、圧縮室１１９内とクランクケース１０９内とが円弧状凹部１４７を介して連通する。

吸入行程では、圧縮室１１９内の圧力はクランクケース１０９内の圧力に比べて低い状態となっているため、クランクケース１０９内の気体が圧縮室１１９内へと吸入される。すなわち本実施形態では吸入行程において、バルブプレート１１２に設けた吸入弁１１２ｃを通じて気体が圧縮室１１９内に吸入されるとともに、円弧状凹部１４７を通じてクランクケース１０９内の気体が圧縮室１１９内に吸入される。このように、本実施形態では、リング支持部１４３に、ピストン１０４が上死点から下死点に移動する吸入工程において、圧縮室１１９外（クランクケース１０９内）の気体を連接棒１０２側から圧縮室１１９内に導く円弧状凹部１４７を設けている。これにより、本実施形態では、円弧状凹部１４７を設けない場合に比べて、圧縮室１１９内への気体の流入断面積を増加させることができるので、効果的に気体を圧縮室１１９内に吸入することができる。

ここで、圧縮室１１９内に吸入される気体（例えば、空気）の温度について説明する。圧縮機１の運転が継続して行われると、圧縮機本体１０を構成するシリンダ本体１１１、ピストン１０４、バルブプレート１１２、及びシリンダヘッド１１３が、圧縮空気により加熱され高温となる。特に、吐出空間を構成しているバルブプレート１１２及びシリンダヘッド１１３は、シリンダ本体１１１及びピストン１０４に比べて高い温度となっている。このため、バルブプレート１１２の吸入弁１１２ｃを通じて圧縮室１１９内に吸入される空気は、それら高温となった部材の影響を受けて加熱されることになる。圧縮室１１９内に吸入される空気の温度は、低温であるほど空気密度が高くなり、結果として吐出される空気の質量流量が大きくなる。そのため、吐き出し空気量の高い圧縮機１を構成するためには、圧縮室１１９内に吸入される空気温度は低いほどよい。

本実施形態に係るレシプロ機構１００は、高温となっているバルブプレート１１２に取り付けられた吸入弁１１２ｃを通じて空気を圧縮室１１９内に吸入する第１吸気経路の他に、比較的低温であるクランクケース１０９内からピストン本体１４０の円弧状凹部１４７を通じて空気を圧縮室１１９内に吸入する第２吸気経路が形成される構成である。そのため、吸入弁１１２ｃを通じて空気を圧縮室１１９内に吸入する第１吸気経路のみが形成される構成に比べて、圧縮室１１９内に吸入する空気温度を低くすることができ、吐き出し空気量の高い圧縮機１を構成することが可能である。

本実施形態では、リング支持部１４３に吸気経路を形成する円弧状凹部１４７が設けられているため、この部分のリング支持部１４３の厚みが、円弧状凹部１４７が設けられていない部分の厚みに比べて薄くなる。このため、連接棒１０２の直棒部１２０を直接ピストン１０４に接続する構成とすると、圧縮工程においてピストンリング１４９にかかる圧力をリング支持部１４３で十分に受けることができず、リング支持部１４３の薄肉部が撓んだり、破損したりするおそれがある。

これに対して、本実施形態では、連接棒１０２の直棒部１２０の先端に、半球状の先端部１２９が形成されており、この先端部１２９がリング支持部１４３を保持する保持部として機能する。連接棒１０２の先端部（保持部）１２９は、連接棒１０２の軸方向（すなわち、連接棒１０２の中心軸Ｃｒに平行な方向）に直交する断面形状が、リング支持部１４３に向かうにつれて拡大する形状となるように形成される。なお、連接棒１０２の先端部（保持部）１２９は、その外径がピストンリング１４９の内径よりも小さくてもよいが、ピストンリング１４９の内径と略同じか、ピストンリング１４９の内径よりも大きくなるように形成することがより好ましい。つまり、ピストンリング１４９の直下に、連接棒１０２の先端部１２９の外周部が位置するように、先端部１２９を形成することがより好ましい。

このような構成によれば、連接棒１０２の先端部（保持部）１２９とピストン本体１４０との接触面積を十分にとることができるとともに、リング支持部１４３の外周近傍を、連接棒１０２の先端部（保持部）１２９で受けることができる。したがって、リング支持部１４３の外周部（すなわち環状溝１４１の底面から径方向外方に突出する環状の凸部）の撓み（変形）を抑制し、リング支持部１４３の破損を防止することができる。リング支持部１４３の外周部の撓みを抑制することができるので、ピストンリング１４９を適切な位置に保持することができる。その結果、圧縮工程において、ピストンリング１４９により圧縮室１１９を適切にシールすることができる。

上述した実施形態によれば、次の作用効果を奏する。

（１）レシプロ機構１００は、圧縮室１１９を形成するシリンダ１１０と、シリンダ１１０内を揺動しながら往復動するピストン１０４と、クランクシャフト１６０と、クランクシャフト１６０とピストン１０４とを連結する連接棒１０２と、を備える。ピストン１０４は、圧縮室１１９をシールするピストンリング１４９を有する。ピストン１０４には、圧縮室１１９とは反対側からピストンリング１４９を支持するリング支持部１４３が形成される。リング支持部１４３には、ピストン１０４が上死点から下死点に移動するときに、圧縮室１１９外（クランクケース１０９内）の気体を連接棒１０２側から圧縮室１１９内へ導く円弧状凹部（凹部）１４７が形成される。したがって、本実施形態によれば、圧縮工程において圧縮室１１９の気密性を確保し、吸入工程において圧縮室１１９内に気体を効果的に吸い込むことのできるレシプロ機構１００及びそれを備えた圧縮機（機器）１を提供することができる。つまり、本実施形態によれば、信頼性が高く高効率なレシプロ機構１００及びそれを備えた圧縮機（機器）１を提供することができる。

（２）円弧状凹部（凹部）１４７は、クランクシャフト１６０の回転中心軸方向のピストン１０４の幅中心を含む、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓに直交する平面（揺動運動平面１９０）上に形成される。これにより、圧縮室１１９内への気体の流入断面積を大きくとることができるので、効果的に気体を圧縮室１１９内に吸入することができる。

（３）連接棒１０２には、リング支持部１４３を保持する保持部（先端部１２９）が形成される。保持部（先端部１２９）は、連接棒１０２の軸方向に直交する断面形状が、リング支持部１４３に向かうにつれて拡大する形状となるように形成される。これにより、連接棒１０２の軽量化及びピストン１０４の強度確保を両立させることができる。また、保持部（先端部１２９）は、ピストン１０４との接合面にむけて、その軸方向断面積が拡大する形状となっているため、保持部（先端部１２９）とピストン１０４とが大きな面で強固に接合することとなり、ピストン１０４の環状溝１４１の下方の部位（すなわち、リング支持部１４３の外周部）が、負荷荷重により変形、破損することを防止することができる。

（４）リング支持部１４３におけるピストン１０４の揺動方向一方側（図２において左側）の厚みが、リング支持部１４３におけるピストン１０４の揺動方向他方側（図２において右側）の厚みに比べて薄いことにより、円弧状凹部１４７が形成される。このような構成によれば、容易に円弧状凹部１４７を形成することができる。

次のような変形例も本発明の範囲内であり、変形例に示す構成と上述の実施形態で説明した構成を組み合わせたり、以下の異なる変形例で説明する構成同士を組み合わせたりすることも可能である。

＜変形例１＞
上記実施形態では、バルブプレート１１２に吸入孔１１２ａ及び吸入弁１１２ｃが設けられ、シリンダヘッド１１３側の第１吸気経路から吸気を行うとともにクランクケース１０９側の第２吸気経路から吸気を行う例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１吸気経路を省略し、円弧状凹部１４７により形成される流路を含む第２吸気経路のみを通じて、圧縮室１１９内に気体を吸入する構成としてもよい。本変形例では、吸入孔１１２ａ及び吸入弁１１２ｃを省略することができるため、部品点数削減の他、吸入弁１１２ｃの動作に伴う弁体着座音を低減することができる。また、弁体損傷による圧縮機故障のリスクを低減することができる。つまり、本変形例によれば、より信頼性が高く静粛性の高いレシプロ機構１００を提供することができる。

＜変形例２＞
上記実施形態では、ピストン本体１４０の外周面（摺動面）が球面状に形成される例について説明したが、本発明はこれに限定されない。クランクシャフト１６０の回転角度（クランク角度θ）に応じて、ピストン１０４の回転運動中心が移動するように設計することも可能である。つまり、ピストン本体１４０の外周面（摺動面）は、種々の曲面形状に形成することができる。図１０は、ピストン本体の外形形状の変形例について示す図である。なお、図１０では上記実施形態との違いを明確にするために、外形形状の起伏を誇張して描いている。

本変形例では、ピストン本体２４０の摺動面となる受圧部２４２の外周面及びリング支持部２４３の外周面は、球面形状ではない。なお、その他の構成については、上記実施形態と同様である。図１０では、比較のための球面を表す円形を破線で示しており、この円形は、図示するＸＹ座標系において、角度ｔを媒介変数とする媒介変数表示では、次式（１），（２）のように表される。
Ｘ ＝ Ｒｃｏｓ（ｔ） …（１）
Ｙ ＝ Ｒｓｉｎ（ｔ） …（２）
Ｒは、破線で示す円の半径である。

これに対して、本変形例では、次式（３），（４）で表される曲線に一致するように外形形状（図示二点鎖線参照）が定められる。
Ｘ ＝ Ｒｃｏｓ（ｔ） …（３）
Ｙ ＝ Ｒｓｉｎ（ｔ）＋Ａ（ｔ） …（４）
Ａ（ｔ）は、任意に設定可能な角度ｔの関数である。

本変形例では、ピストン１０４とシリンダ１１０間の摺動特性及びシール特性に応じて、ピストン本体２４０の外周面（摺動面）の曲率を任意に設計することができる。したがって、本変形例によれば、レシプロ機構１００の信頼性及び効率の向上を図ることができる。

＜変形例３＞
上記実施形態では、連接棒１０２の半球状の先端部１２９が、リング支持部１４３を保持する保持部として機能し、リング支持部１４３の外周部の撓みを防止する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。図１１に示すように、連接棒１０２に半球状の先端部１２９を設けずに、ピストン本体３４０にリング支持部１４３を保持する保持部３４８を形成してもよい。つまり、受圧部１４２、リング支持部１４３及び保持部３４８は、同じ材料で一体成形してもよい。保持部３４８は、連接棒１０２の軸方向に直交する断面形状が、リング支持部１４３に向かうにつれて拡大する形状となるように形成される。

本変形例では、環状溝１４１の下方の部位（すなわち、リング支持部１４３の外周部）に対して作用する負荷荷重による変形、破損を、上記実施形態のピストン本体１４０に相当する部位と一体成形された半球状の保持部３４８により、抑止することができる。また、連接棒３０２とピストン３０４とは別体であり、ボルト等により結合される構成であるため、上記実施形態と同様、基端部１２１の機械的強度及び潤滑油を用いない環境下でのピストン３０４の摺動特性を両立させることができる。よって本変形例によれば、上記実施形態と同様、信頼性が高く高効率なレシプロ機構を提供することができる。

＜変形例４＞
上記実施形態では、吸気経路を形成する凹部（円弧状凹部１４７）が、クランクシャフト１６０の回転中心軸方向のピストン１０４（ピストン本体１４０）の幅中心を含む（すなわち、連接棒１０２の中心軸Ｃｒを含む）、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓに直交する平面（揺動運動平面１９０）上に形成される例について説明したが、本発明はこれに限定されない。

図１２及び図１３に示すように、クランクシャフト１６０の回転中心軸方向のピストン４０４（ピストン本体４４０）の幅中心を含む（すなわち、連接棒１０２の中心軸Ｃｒを含む）、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓに直交する平面（揺動運動平面１９０）から離れた位置に、吸気経路を形成する凹部４４７を形成してもよい。本変形例では、リング支持部４４３に一対の凹部４４７が形成されている。一対の凹部４４７は、揺動運動平面１９０に対して対称形状となるように、図１３における第２象限及び第３象限のそれぞれに形成される。凹部４４７は、下端面及び側面（摺動面）が開口となるように形成されている。

図１２に示すように、リング支持部４４３は、図示左端（揺動方向一方端）から図示右端（揺動方向他方端）に向かって徐々に厚みが薄くなるように形成される。つまり、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓに対するシリンダ１１０の中心軸Ｃｃのオフセット方向側の端部の厚みよりも、反対側の端部の厚みの方が大きい。凹部４４７が形成される側のリング支持部４４３の厚みを大きくすることにより、材料コストの増加を抑えつつ、リング支持部４４３の変形を効果的に抑制することができる。

本変形例では、シリンダ本体１１１の内周面と接触する負荷面４４３ｂ１が、揺動運動平面１９０と交差する位置を含むことになる。連接棒１０２の揺動運動に伴って発生する慣性力は、ｘ軸方向であり、この慣性力を受ける負荷面４４３ｂ１は負荷方向（慣性力の方向）に対して略直角である。このため、負荷面４４３ｂ１は、面圧が低い状態で荷重を支持することが可能である。したがって、本変形例によれば、信頼性が高く高効率なレシプロ機構を提供することが可能である。

また、本変形例では、リング支持部４４３におけるピストン４０４の揺動方向一方側（図示左側）の厚みが、リング支持部４４３におけるピストン４０４の揺動方向他方側（図示右側）の厚みに比べて厚く、凹部４４７が、リング支持部４４３におけるピストン４０４の揺動方向一方側（図示左側）に形成される。これにより、材料コストの増加を抑えつつ、変形を効果的に抑制することができる。

＜変形例５＞
上記実施形態では、リング支持部１４３を保持する保持部（先端部１２９）が半球状に形成される例について説明したが、本発明はこれに限定されない。四角錐台形状など、連接棒１０２の軸方向に直交する断面形状が、直棒部１２０からリング支持部１４３に向かって拡大する種々の形状を採用することができる。なお、上記実施形態で説明したように、ピストン本体１４０に接合する面を円形状にすることで、ピストンリング１４９の下方の部位に作用する荷重を均等に受けることができるので好ましい。

＜変形例６＞
上記実施形態では、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃとクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとをオフセットさせる例について説明したが、本発明はこれに限定されない。レシプロ機構１００は、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃ上にクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓが位置するように構成してもよい。

＜変形例７＞
上記実施形態では、円弧状凹部１４７を一つ設ける例について説明したが本発明はこれに限定されない。揺動運動平面１９０上に形成される凹部と、揺動運動平面１９０から離れた位置に形成される凹部と、をリング支持部１４３に形成してもよい。つまり、吸気経路を形成するための凹部は、上記実施形態で説明したように１つ形成する場合に限らず、また、上記変形例４で説明したように２つ形成する場合に限らない。吸気経路を形成するための凹部をリング支持部１４３に４つ以上設けてもよい。

＜変形例８＞
上記実施形態では、ピストン本体１４０及びピストンリング１４９が、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂に、強度などの機械的特性を改善するためにグラスファイバーなどの充填剤を入れた材料で形成される例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルファイド、フェノール樹脂、ポリイミド系樹脂、コプナ樹脂等の樹脂材料によってピストン本体１４０及びピストンリング１４９を形成してもよい。

＜変形例９＞
上記実施形態では、レシプロ機構を空気等の気体を圧縮する圧縮機に適用する例について説明したが、その他の機器に適用してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１…圧縮機、２…電動機、１０…圧縮機本体、１００…レシプロ機構、１０２，３０２…連接棒、１０４，３０４…ピストン、１０９…クランクケース、１０９ａ…呼吸孔、１１０…シリンダ、１１１…シリンダ本体、１１２…バルブプレート、１１３…シリンダヘッド、１１９…圧縮室、１２０…直棒部、１２１…基端部、１２８…大端部軸受、１２９…先端部（保持部）、１４０，２４０，３４０…ピストン本体、１４１…環状溝、１４２，２４２…受圧部、１４３，２４３，４４３…リング支持部、１４３ｂ１，４４３ｂ１…負荷面、１４３ｂ１…負荷面、１４７…円弧状凹部（凹部）、１４９…ピストンリング、１６０…クランクシャフト、１９０…揺動運動平面、３４８…保持部、４４７…凹部、Ｃｂ…大端部軸受の中心軸、Ｃｓ…クランクシャフトの回転中心軸、Ｃｃ…シリンダの中心軸、Ｃｒ…連接棒の中心軸、β…揺動角度、δ…オフセット量、θ…クランク角度

Claims (9)

1. 圧縮室を形成するシリンダと、
   前記シリンダ内を揺動しながら往復動するピストンと、
   クランクシャフトと、
   前記クランクシャフトと前記ピストンとを連結する連接棒と、を備え、
   前記ピストンは、前記圧縮室をシールするピストンリングを有し、
   前記ピストンには、前記圧縮室とは反対側から前記ピストンリングを支持するリング支持部が形成され、
   前記リング支持部には、前記ピストンが上死点から下死点に移動するときに、前記圧縮室外の気体を前記圧縮室内へ導く凹部が形成される、
   レシプロ機構。
2. 請求項１に記載のレシプロ機構において、
   前記凹部は、前記クランクシャフトの回転中心軸方向の前記ピストンの幅中心を含む、前記クランクシャフトの回転中心軸に直交する平面上に形成される、
   レシプロ機構。
3. 請求項１に記載のレシプロ機構において、
   前記凹部は、前記クランクシャフトの回転中心軸方向の前記ピストンの幅中心を含む、前記クランクシャフトの回転中心軸に直交する平面から離れた位置に形成される、
   レシプロ機構。
4. 請求項２に記載のレシプロ機構において、
   前記リング支持部における前記ピストンの揺動方向一方側の厚みが、前記リング支持部における前記ピストンの揺動方向他方側の厚みに比べて薄いことにより、前記凹部が形成される、
   レシプロ機構。
5. 請求項３に記載のレシプロ機構において、
   前記リング支持部における前記ピストンの揺動方向一方側の厚みは、前記リング支持部における前記ピストンの揺動方向他方側の厚みに比べて厚く、前記凹部は、前記リング支持部における前記ピストンの揺動方向一方側に形成される、
   レシプロ機構。
6. 請求項１に記載のレシプロ機構において、
   前記ピストンと前記連接棒とは異なる材料で形成される、
   レシプロ機構。
7. 請求項１に記載のレシプロ機構において、
   前記ピストンまたは前記連接棒には、前記リング支持部を保持する保持部が形成され、
   前記保持部は、前記連接棒の軸方向に直交する断面形状が、前記リング支持部に向かうにつれて拡大する形状となるように形成される、
   レシプロ機構。
8. 請求項１に記載のレシプロ機構において、
   前記ピストンが下死点から上死点に移動する間の最大揺動角度が、前記ピストンが上死点から下死点に移動する間の最大揺動角度よりも小さくなるように、前記シリンダの中心軸が、前記クランクシャフトの回転中心軸に対してオフセットしている、
   レシプロ機構。
9. 請求項１に記載のレシプロ機構を備えた機器。

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