JP3552166B2

JP3552166B2 - 足踏み空気圧ポンプ

Info

Publication number: JP3552166B2
Application number: JP2001372711A
Authority: JP
Inventors: 茂男廣瀬; 顕一阿部
Original assignee: Kanagawa Prefecture
Current assignee: Kanagawa Prefecture
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2021-12-06
Also published as: JP2003172259A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は足踏み空気圧ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
災害時には電力等は一時的に使えなくなる場合がほとんどである。また動力付きの救助機器をすべての地域に準備しておくことは著しく難しい。そのため、災害時には人力による災害救助活動に頼らなければならない場合が多く、バールやハンマー等の各家庭で保有する道具を利用して救助活動をせざるを得ない場合がほとんどである。
【０００３】
一方、圧縮空気による空圧ジャッキや空圧モータ等の電力を用いずに災害現場で利用できる各種空圧機器が知られている。このような空圧機器は、空気圧ポンプにより直接圧縮空気を送り、又は空気圧ポンプから一旦アキュムレータに貯蔵された圧縮空気を送って駆動される。
【０００４】
この空気圧ポンプは空圧ピストンからなり、シリンダ内を摺動するピストンを備え、シリンダ内に吸引口及び吐出口を連通させ、吸引口及び吐出口の連通部に逆止弁を設け、ピストンの往復運動によりシリンダ内に空気を吸引しこれを圧縮して吐出する。
【０００５】
前述の空圧機器を駆動できる簡易な空気圧ポンプとして、手押し式ポンプ及び足踏み式ポンプが知られている。手押し式ポンプは手でピストンを往復運動させるものである。足踏み式ポンプは足でペダルを踏込んでピストンを往復運動させるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の手押し式空気圧ポンプでは疲れやすく、また足踏み式ポンプでは足が踏込みペダルから外れやすく、不安定で使用性が悪かった。
【０００７】
本発明は上記従来技術を考慮したものであって、長時間使用しても疲れにくく且つ安定してピストンの往復駆動操作ができ、災害時等に空圧駆動型の各種救助機器を駆動可能な簡易空気圧ポンプの提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明では、踵を乗せて足踏み操作するペダルフレームと、このペダルフレームを回動可能に支持する接地フレームと、前記ペダルフレームに踵を乗せた状態で足の甲の上側に位置して前記接地フレームに支持された空圧ピストンと、前記ペダルフレームの足踏み運動を前記空圧ピストンの往復運動に変換する駆動力伝達機構とを備えたことを特徴とする足踏み空気圧ポンプを提供する。
【０００９】
この構成によれば、使用者の踵の足裏部をペダルフレームに乗せて例えばベルトを用いて固定し、このペダルフレームを接地フレームに枢着して踵で往復足踏み操作し、この足踏み運動を駆動力伝達機構を介して空圧ピストンのピストンを往復運動させる。これにより、長時間使用しても疲れず、安定して使用性が向上し、災害時等に簡易に各種空圧機器に接続してこれを駆動可能な足踏み空気圧ポンプが得られる。
【００１０】
好ましい構成例では、前記駆動力伝達機構は、ピストンのストローク全体にわたってほぼ一定の足踏み力で駆動されることを特徴としている。
【００１１】
空圧ピストンのピストン駆動推力は、一般にピストンを圧縮するにしたがってその駆動推力を増大させることが必要になるが、この本発明の構成によれば、例えばリンク機構を用いて、ピストン内圧が小さいペダルフレームの踏込み始め付近ではピストン移動量を大きくし、ピストン内圧が上昇する踏込み終り付近ではピストン移動量が小さくなるように、踏込み量に応じてピストン移動量が変わるように駆動力を伝達することにより、ピストンストローク全体にわたってほぼ一定の足踏み力でピストンを駆動することができる。
【００１２】
さらに好ましい構成例においては、前記空圧ピストンは、シリンダと、該シリンダ内を摺動するピストンと、前記シリンダ内のピストン上面側に形成されたポンプ室と、該ポンプ室にそれぞれ逆止弁を介して連通する吸引通路及び吐出通路とからなり、前記吐出通路の吐出口側の圧力に応じて前記ポンプ室から吐出通路に吐出される空気圧を自動的に変える吐出圧可変機構を備えたことを特徴としている。
【００１３】
この構成によれば、空圧ピストンの吐出側に接続された空圧機器あるいはアキュムレータの圧力が上昇してピストン吐出口外部圧力が高くなったときに、例えば外部圧力に対応して移動する部材（スライダ）を設け、この部材の移動により外部圧力とポンプ吐出圧力とがバランスするように逆止弁のバネ強さを自動的に変える。これにより、吐出口外部圧力にかかわらず空圧ピストンからの空気はほぼ一定の圧力で吐出される。
【００１４】
すなわち、空圧ピストンのシリンダ内の吐出側の逆止弁（開放弁）は、バネによりシリンダを気密にしているが、本発明では、吐出側圧力が上昇すると圧力上昇に応じてこのバネが伸びる構造になっており、気密のためのバネ力が低下する。シリンダ内の空気が出力配管側に吐出されるのは、シリンダ内の圧力が、バネ力＋吐出側外部圧力に達したときであり、本発明では、吐出側外部圧力の上昇にしたがってバネ力が低下するため、吐出側外部圧力にかかわらず、シリンダ内の空気はほぼ一定の圧力で出力配管側に吐出される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施形態に係る足踏み空気圧ポンプを示し、（Ａ）は全体外観斜視図、（Ｂ）は一部破断斜視図である。また、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、それぞれ図１の空気圧ポンプの平面図、側面図及び正面図であり、（Ｄ）は使用状態の説明図である。
【００１６】
この足踏み空気圧ポンプ１は、ペダルフレーム２と、ペダル軸３を介してこのペダルフレーム２を回動可能に支持する接地フレーム４と、同じくペダル軸３に枢着されたピストンガイド５とを備える。ペダルフレーム２は、踵を乗せる足踏み部６と踵の後側を保持する踵固定部７とを左右両側の揺動フレーム８に固定連結した構造である。揺動フレーム８はペダル軸３に枢着される。各揺動フレーム８のペダル軸３より前側部分は斜め前方に屈曲して一体部材の前アーム８ａが形成される。
【００１７】
接地フレーム４は、左右の固定フレーム９と、これらを連結する連結シャフト１０とからなる。各固定フレーム９はペダル軸３の部分で上側に屈曲して前アーム９ａが一体形成される。
【００１８】
ペダルフレーム２の前アーム８ａと接地フレーム４の前アーム９ａには、それぞれリンク軸１１，１２を介してリンク１３，１４の一端部が枢着される。各リンク１３，１４の他端部は、ピストンピン１５を介して相互に回動可能に連結される。
【００１９】
ピストンピン１５は、ピストンガイド５に形成されたガイド孔１６内に挿入され、このガイド孔１６に沿ってスライドする。ピストンピン１５は、ピストンビーム１７の左右両端に固定されている。ピストンビーム１７の中央部に固定ナット１８を介してピストンロッド１９が固定される。
【００２０】
ピストンガイド５の上端部にシリンダホルダ２１に固定保持された空圧ピストン２０が備わる。この空圧ピストン２０は、外側のシリンダ２２と、その内部を摺動するピストン２３からなり、シリンダ２２内のピストンヘッド２３ａの上側にポンプ室２４が形成される。ピストン２３の下側にピストンロッド１９が固定される。
【００２１】
この空圧ピストン２０は、ペダルフレーム２に踵を乗せた状態で足の甲の上方に位置するように取付けられる（図２（Ｄ）参照）。使用者の足は踵固定部７のベルト通し７ａに取付けたベルト７ｂによりペダルフレーム２に固定される。これにより空圧ピストン２０が歩行の邪魔にならないように足に取付けられる。踵によるペダルフレーム２の足踏み動作により左右の前アーム８ａ，９ａ及びリンク１３，１４を介してピストンピン１５がガイド孔１６内で往復動作し、ピストンロッド１９及びピストン２３を往復駆動する。このペダルフレーム２と接地フレーム４の前アーム８ａ，９ａ、リンク１３，１４、リンク軸１１，１２及びピストンガイド５等により、請求項でいう駆動力伝達機構２５が構成される。ピストンビーム１７の両端部にスプリング２６が備わり、このスプリング２６によりペダルフレーム２は接地フレーム４から離れて持ち上がる方向に付勢される。
【００２２】
この足踏み空気圧ポンプ１は、地面や床上に置いて片足のみでポンプ駆動してもよいし、両足に装着して歩行することも可能である。
【００２３】
図３はピストン２３を示し、（Ａ）は断面構成図、（Ｂ）は外観図である。
ピストンヘッド２３ａを上下に貫通して吸引通路２７が形成される。吸引通路２７の下端の吸引口２８はピストンヘッド２３ａの下面に開口し、上端のポート２９はピストンヘッド２３ａの上面に開口する。吸引通路２７の途中に、弁体３０及びバネ３１からなる逆止弁３２が装着される。逆止弁３０は、ピストン下降時に開いて空気をポンプ室内に吸引し、ピストン上昇時に閉じて吐出側の通路を開かせる。
【００２４】
ピストンヘッド２３ａの中央部にポート３３が開口する。このポート３３はピストンヘッド２３ａ内に形成された吐出通路３４を介してピストンヘッド２３ａの下面に開口する吐出口３５に連通する。穿孔工作時に形成された吐出通路３４の孔のピストンヘッド上面側及び側面側の開放端部は栓３６で塞がれる。
【００２５】
中央部のポート３３に、弁体３７及びバネ３８からなる逆止弁３９が装着される。この逆止弁３９は、後述のように、一定圧力で開放する定圧開放弁を構成する。バネ３８の下側に、ピストンロッド１９の軸方向に摺動可能なスライダ４０が装着される。スライダ４０はバネ３８を調整された所定の位置で受け、直列に配置されるバネ４１と３８のバネ力により弁体３７を押圧してポート３３を塞ぐ。したがって、ピストンヘッド３２ａの上側のポンプ室２４（図１（Ｂ）参照）内の圧力が、このバネ３８による弁体３７への押圧力より大きくなると、弁体３７が開いてポンプ室２４から吐出通路３４に圧縮空気が吐出される。
【００２６】
スライダ４０の下面側にバネ４１を介してアジャスタ４２が備わる。アジャスタ４２は、ピストンロッド１９の軸方向に貫通する孔１９ａ内に装着される。このアジャスタ４２の外面には、ピストンロッド１９の孔１９ａの内面に形成されたメネジ（不図示）に螺合するオネジ（不図示）が形成される。アジャスタ４２をネジ回転させて螺入位置を変えることにより、バネ４１によるスライダ４０の押圧力を調整して変えることができる。
【００２７】
吐出口３５に、エアホース等の吐出配管（不図示）が接続され、この吐出配管を介して不図示の空圧ジャッキ等の空圧機器又はアキュムレータに圧縮空気を送り込む。
【００２８】
圧縮空気を送り込むにしたがって、空圧ジャッキやアキュムレータ内の圧力が上昇すると、これに伴い吐出口３５の外部圧力が高くなり吐出通路３４内の圧力が上昇する。これにより、スライダ４０がその下面側のバネ４１に抗して押し下げられる。したがって、弁体３７のバネ３８が伸びてそのバネ力が低下する。すなわち、外部圧力が上昇するとその上昇圧力に対応する分だけ逆にバネ３８が弱まり、弁体３７に作用する外部圧力による力とバネ３８のバネ力の合力は一定に維持される。このため、圧縮空気の吐出圧となる弁体３７の塞ぎ圧力は常に一定に維持され、外部圧力が上昇しても常に一定の吐出圧力（開放圧力）で逆止弁３９が開き、吐出口３５から圧縮空気を送り出すことができる。この定圧開放弁となる逆止弁３９の原理については、後述の図５でさらに説明する。
【００２９】
図４は、本発明に係る空気圧ポンプのピストンの推力変化を示す駆動力伝達機構２５の作用説明図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれペダルフレーム２の踏込み開始状態及び踏込み終了状態を示す。図中、黒矢印は力を表わし、白矢印は速度を表わす。
【００３０】
（Ａ）の踏み始めの状態では、ピストン２３の力は小さく、速度は大きい。すなわち、ポンプ室２４内が圧縮されていないため圧力が小さく、したがってピストン２３に作用する力が小さいため、小さい押上げ力で速い速度でピストン２３が駆動される。
【００３１】
ペダルフレーム２を踏込むにしたがって、ポンプ室２４が圧縮され、圧力が上昇してピストン２３に作用する力が徐々に大きくなる。（Ｂ）の踏み終わりの状態では、最大の押上げ力で速度が最小になる。このとき、踵によるペダルフレーム２の踏込み力及び踏込み速度は、（Ａ）（Ｂ）に図示したように、踏み始め及び踏み終りともに同じであり、ストロークの途中段階も一定に維持される。これは、リンク１３，１４及び前アーム８ａ，９ａ等のリンク構造からなる駆動力伝達機構２５の作用に基づき、リンク構造が開いた（Ａ）の状態では弱い力で速度が速く、リンク構造が閉じた（Ｂ）の状態では強い力で速度が遅くなる原理から得られるものである。
【００３２】
図５は、前述の弁体３７の定圧開放機構の原理説明図である。図中、前述の図３に対応した符号を付してある。１９ｂはアジャスタ４２が螺合するピストンロッド１９の内ネジである。２４はシリンダ内のポンプ室であり、４３は吐出通路３４に連通するアキュムレータを示す。
【００３３】
以下の数１の（１）式は定圧開放弁の力の釣り合いの式であり、（２）及び（３）式を満たす設定値を用いることで任意の開放圧力を設定できる。
【００３４】
ここで、Ｐ_ＡＣはアキュムレータ４３内の圧力、Ｐは開放圧力（吐出圧力）、Ａはスライダ４０に圧力が作用する面積、ａはポート３３の通路面積、ｄはアジャスタ４２の調整ネジ送り量、Ｋａはバネ３８のバネ定数、Ｋｂはバネ４１のバネ定数である。
【００３５】
【数１】

【００３６】
この場合、開放圧力Ｐと調整ネジ送り量ｄとの関係は以下の数２の（４）式で表わされる。
【００３７】
【数２】

【００３８】
このような理論式に基づきアキュムレータ等の外部圧力の変化にかかわらず常に一定の吐出圧力で空圧ピストンから圧縮空気を送り出すことができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、使用者の踵の足裏部をペダルフレームに乗せて例えばベルトを用いて固定し、このペダルフレームを接地フレームに枢着して接地フレームに対し踵で往復足踏み操作し、この足踏み運動を駆動力伝達機構を介して空圧ピストンのピストンを往復運動させる。これにより、長時間使用しても疲れず、安定して使用性がよく、災害時等に簡易に各種空圧機器を駆動可能な足踏み空気圧ポンプが得られる。
【００４０】
また、例えばリンク機構を用いて、シリンダ内圧が小さいペダルフレームの踏込み始め付近ではピストン移動量を大きくし、シリンダ内圧が上昇する踏込み終り付近ではピストン移動量が小さくなるように、踏込み量に応じてピストン移動量が変わるように駆動力を伝達することにより、ピストンストローク全体にわたってほぼ一定の足踏み力でピストンを駆動することができ、長時間にわたって疲労することなく安定して空気を送り出すことができる。
【００４１】
さらに、空圧ピストンの吐出側に接続された空圧機器あるいはアキュムレータの圧力が上昇してピストン吐出口外部圧力が高くなったときに、例えば外部圧力に対応して移動する部材（スライダ）を設け、この部材の移動により外部圧力とポンプ吐出圧力とがバランスするように逆止弁のバネ強さを自動的に変えることにより、吐出口外部圧力の上昇にかかわらず空圧ピストンからの圧縮空気の吐出圧力をほぼ一定に維持することができ、足踏み操作が楽になり操作性がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る足踏み空気圧ポンプの斜視図。
【図２】図１の空気圧ポンプの構成及び使用説明図。
【図３】図１の空気圧ポンプのピストン部分の構成説明図。
【図４】図１の空気圧ポンプのピストン推力変化の説明図。
【図５】図１の空気圧ポンプの定圧開放弁の原理説明図。
【符号の説明】
１：足踏み空気圧ポンプ、２：ペダルフレーム、３：ペダル軸、
４：接地フレーム、５：ピストンガイド、６：足踏み部、７：踵固定部、
７ａ：ベルト通し、８：揺動フレーム、８ａ：前アーム、９：固定フレーム、
９ａ：前アーム、１０：連結シャフト、１１：リンク軸、１２：リンク軸、
１３：リンク、１４：リンク、１５：ピストンピン、１６：ガイド孔、
１７：；ピストンビーム、１８：固定ナット、１９：ピストンロッド、
１９ａ：孔、１９ｂ：内ネジ、２０：空圧ピストン、２１：シリンダホルダ、
２２：シリンダ、２３：ピストン、２３ａ：ピストンヘッド、２４：ポンプ室、
２５：駆動力伝達機構、２６：スプリング、２７：吸引通路、２８：吸引口、
２９：ポート、３０：弁体、３１：バネ、３２：逆止弁、３３：ポート、
３４：吐出通路、３５：吐出口、３６：栓、３７：弁体、３８：バネ、
３９：逆止弁（定圧開放弁）、４０：スライダ、４１：バネ、
４２：アジャスタ、４３：アキュムレータ。

Claims

踵を乗せて足踏み操作するペダルフレームと、
このペダルフレームを回動可能に支持する接地フレームと、
前記ペダルフレームに踵を乗せた状態で足の甲の上側に位置して前記接地フレームに支持された空圧ピストンと、
前記ペダルフレームの足踏み運動を前記空圧ピストンの往復運動に変換する駆動力伝達機構とを備えたことを特徴とする足踏み空気圧ポンプ。
前記駆動力伝達機構は、ピストンのストローク全体にわたってほぼ一定の足踏み力で駆動されることを特徴とする請求項１に記載の足踏み空気圧ポンプ。
前記空圧ピストンは、シリンダと、該シリンダ内を摺動するピストンと、前記シリンダ内のピストン上面側に形成されたポンプ室と、該ポンプ室にそれぞれ逆止弁を介して連通する吸引通路及び吐出通路とからなり、
前記吐出通路の吐出口側の圧力に応じて前記ポンプ室から吐出通路に吐出される空気圧を自動的に変える吐出圧可変機構を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の足踏み空気圧ポンプ。