JP4011671B2

JP4011671B2 - 往復動機械

Info

Publication number: JP4011671B2
Application number: JP6930697A
Authority: JP
Inventors: 光太朗古谷; 勇士中山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2017-03-06
Also published as: JPH10252647A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば往復動型の圧縮機等に好適に用いられる往復動機械に関し、特に、装置全体を小型化するようにした往復動機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、クランク軸を回転可能に支持するクランクケースと、該クランクケースに設けられたシリンダと、該シリンダ内に摺動可能に挿嵌され、前記クランク軸の回転に応じて該シリンダ内を往復動するピストンと、前記クランクケース内に位置して前記クランク軸に一体に設けられ、該クランク軸の回転バランスをとるフライホイールとからなる往復動機械は、例えば特開平８−６１２３５号公報等によって知られている。
【０００３】
そして、この種の従来技術による往復動機械を往復動型の圧縮機として用いる場合には、電動モータ等の駆動源によってクランク軸を回転駆動することにより、シリンダ内でピストンを往復動させ、シリンダ内の圧縮室に吸込んだ空気等の流体を圧縮し、圧縮流体を外部に吐出させる。ここで、ピストンはシリンダ内で往復動する間に吸込行程と吐出行程とを繰返し、吸込行程ではピストンに作用する負荷は小さく、吐出行程では大きくなる。
【０００４】
そこで、従来技術では、クランク軸にフライホイールを一体に設け、このフライホイールをクランクケース内でクランク軸と一体に回転させることにより、前記ピストン側での負荷の変動をフライホイールの慣性モーメントによって吸収し、クランク軸の回転バランスを安定させるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術では、往復動型圧縮機の小型化を図るため、クランクケースに設けられたシリンダの軸方向寸法を短縮すると共に、クランク軸とピストンとの間を連結する連接棒を短かくした場合に、ピストンが下死点側に摺動変位したときに、フライホイールの外周側に衝突または接触する虞れがある。
【０００６】
これに対して、例えばフライホイールの外径寸法等を小さくし、ピストンとの間に間隙を確保しようとすると、フライホイール自体の慣性モーメントが小さくなってしまい、吸込行程から吐出行程に亘るピストン側での負荷変動をフライホイールによって十分には吸収できず、クランク軸の回転を安定させるのが難しいという問題がある。
【０００７】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明はシリンダ等を短縮して全体を小型化した場合でも、ピストンとフライホイールとの間に間隙を確保でき、クランク軸等の回転を十分に安定させることができるようにした往復動機械を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明は、クランク軸を回転可能に支持するクランクケースと、該クランクケースに設けられたシリンダと、該シリンダ内に摺動可能に挿嵌され、前記クランク軸の回転に応じて該シリンダ内を往復動するピストンと、前記クランクケース内に位置して前記クランク軸に一体に設けられ、該クランク軸の回転バランスをとるフライホイールとからなる往復動機械に適用される。
【０００９】
そして、本発明が採用する構成の特徴は、前記フライホイールの外周側には、前記ピストンが下死点側へと摺動変位したときに該ピストンと最接近する部位に当該ピストンとの接触を防ぐ切欠部を設けたことにある。
【００１０】
上記構成によれば、クランク軸の回転に応じてシリンダ内を往復動するピストンが下死点に達したとき、該ピストンはフライホイールに最接近するが、フライホイールの外周側にはピストンの最接近部位に切欠部を設けているから、ピストンとフライホイールとの接触、干渉を防止できる。
また、本発明が採用する構成の第２の特徴は、前記ピストンが下死点側に摺動変位したときに、該ピストンの下端側が前記クランクケース内に突出するように構成したことにある。
上記構成によれば、シリンダの軸方向寸法が短縮され、連接棒の長さ寸法を短縮することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００１２】
まず、図１ないし図５は本発明による第１の実施例として往復動型空気圧縮機を例に挙げて示している。
【００１３】
図において、１は駆動源としての電動モータを示し、該電動モータ１は後述するモータハウジング２、ステータ３、回転軸５およびロータ８等によって大略構成されている。
【００１４】
２は電動モータ１のモータハウジングを示し、該モータハウジング２は、固定子コイル等から円筒状に形成されたステータ３と、該ステータ３の基端側に設けられた蓋体４と、ステータ３の先端側に設けられた後述するクランクケース９の筒部９Ｄ等とからなっている。そして、これらステータ３、蓋体４、クランクケース９の筒部９Ｄ等はクランクケース９の後述する隔壁部９Ｂに通しボルト（図示せず）等を介して一体的に固着されている。
【００１５】
５は電動モータ１の回転軸を示し、該回転軸５はその基端側が蓋体４の中央に設けた軸受６に軸支され、先端側はクランクケース９の隔壁部９Ｂ中央に設けた軸受７に軸支されている。そして、該回転軸５の先端側はクランクケース９内へと突出する出力軸部５Ａとなり、該出力軸部５Ａは後述するクランク軸１７の一部を構成している。
【００１６】
８はモータハウジング２内で回転軸５に一体的に設けられたロータを示し、該ロータ８は永久磁石等からなり、ステータ３と径方向で対向している。そして、該ロータ８はステータ３との間で電磁力が作用することにより回転軸５を回転駆動する。
【００１７】
９は箱形状に形成されたクランクケースを示し、該クランクケース９は、先端側が開口端９Ａとなり、基端側が隔壁部９Ｂによって閉塞された胴部９Ｃと、該胴部９Ｃの基端側からステータ３に向けて突出し、該ステータ３等と共にモータハウジング２を構成した筒部９Ｄとからなっている。
【００１８】
１０はクランクケース９の開口端９Ａに取付けられたカバーを示し、該カバー１０は有蓋筒状に形成され、クランクケース９内にクランク室Ａを画成している。また、該カバー１０には複数の通気穴１０Ａ、１０Ａ，…が穿設され、該各通気穴１０Ａは吸込フィルタ１１を介してクランク室Ａ内に外気を導入するものである。
【００１９】
１２はクランクケース９に設けられたシリンダを示し、該シリンダ１２は円筒状に形成され、下側がクランク室Ａに開口している。１３はシリンダ１２の上側を閉塞するように設けられたシリンダヘッドで、該シリンダヘッド１３とシリンダ１２との間には、弁板１４が気密に設けられている。そして、シリンダヘッド１３には、クランク室Ａ内に導入された外気をシリンダ１２内に吸込む吸込パイプ１５、該吸込パイプ１５から吸込んだ外気を圧縮して外部に吐出する吐出パイプ１５Ａ等が設けられ、弁板１４には吸込弁、吐出弁（いずれも図示せず）等が設けられている。
【００２０】
１６はシリンダ１２内に摺動可能に挿嵌されたピストンで、該ピストン１６は、後述する連接棒１８を介してクランク軸１７に連結され、該クランク軸１７の回転に応じてシリンダ１２内を上下方向に往復動する。
【００２１】
１７はクランクケース９内に回転可能に設けられたクランク軸を示し、該クランク軸１７は、クランクケース９内に突出した回転軸５の出力軸部５Ａと、該出力軸部５Ａの外周側に固着された後述するフライホイール２０のクランク部２０Ｅとから構成されている。
【００２２】
１８は基端側が大端部１８Ａとなり、先端側が小端部１８Ｂとなった連接棒を示し、該連接棒１８は大端部１８Ａがフライホイール２０のクランク部２０Ｅに回動可能に連結され、小端部１８Ｂがピストン１６にピストンピン１９を介して回動可能に連結されている。そして、該連接棒１８はクランク軸１７の回転に応じてピストン１６をシリンダ１２内で往復動させる。
【００２３】
ここで、本実施例では、空気圧縮機全体を小型化するため、シリンダ１２の軸方向寸法が短縮され、これに伴って、ピストン１６とクランク軸１７との間を連結する連接棒１８の長さ寸法も短縮されている。
【００２４】
２０はクランク軸１７の回転を安定させるための円形のフライホイールを示し、該フライホイール２０は、図２ないし図５に示すように、円板状の回転板部２０Ａと、該回転板部２０Ａの外周側から軸方向一側に向けて円弧状に突出した重量調整部２０Ｂと、回転板部２０Ａの中心部に軸方向に突出するように設けられ、回転軸５の出力軸部５Ａが挿通される軸挿通穴２０Ｃを有する円筒状のボス部２０Ｄと、回転板部２０Ａの端面から軸方向他側に向けて突出した短尺円筒状のクランク部２０Ｅとから大略構成され、クランク部２０Ｅの軸中心Ｏはボス部２０Ｄの軸中心Ｏ１に対して偏心している。
【００２５】
そして、該フライホイール２０は、ボス部２０Ｄが軸挿通穴２０Ｃを介して回転軸５の出力軸部５Ａに嵌合固着され、クランク部２０Ｅには連接棒１８の大端部１８Ａが回動可能に連結されている。従って、回転軸５がフライホイール２０を伴って回転すると、該回転軸５の出力軸部５Ａおよびフライホイール２０のクランク部２０Ｅからなるクランク軸１７が回転し、該クランク軸１７の回転が連接棒１８を介してピストン１６に伝えられる。これにより、ピストン１６が、クランク部２０Ｅの軸中心Ｏとボス部２０Ｄの軸中心Ｏ₁ との間の偏心量に応じたストロークをもってシリンダ１２内を往復動し、該ピストン１６は、下死点側に摺動変位したときにフライホイール２０に最接近するようになる。
【００２６】
２１はフライホイール２０の外周側に形成された切欠部としての平坦面部を示し、該平坦面部２１は、ピストン１６が下死点側に摺動変位したときにフライホイール２０の外周側と接触するのを防止するものである。ここで、平坦面部２１は、ピストン１６が下死点に達したときに該ピストン１６に最接近する部位に形成されている。
【００２７】
即ち、平坦面部２１は、図２ないし図５に示すように、回転板部２０Ａおよび重量調整部２０Ｂのうちクランク部２０Ｅの軸中心Ｏから最も離間した部位から、図２中に二点鎖線で示す円弧状部２２を切削することにより形成されている。この場合、平坦面部２１を形成した分だけフライホイール２０の重量バランスが崩れるのを防止するため、平坦面部２１とは径方向で反対側に位置する重量調整部２０Ｂの両端部２３，２３は、図２中に二点鎖線で示すように切削されている。
【００２８】
なお、２４は前記カバー１０の外側に位置して出力軸部５Ａの突出端側に固着されたファンを示し、該ファン２４は電動モータ１の回転軸５により回転駆動され、シリンダ１２および電動モータ１等に冷却風を供給するものである。
【００２９】
本実施例による往復動空気圧縮機は上述の如き構成を有するもので、電動モータ１により回転軸５を回転駆動すると、該回転軸５の出力軸部５Ａおよびフライホイール２０のクランク部２０Ｅからなるクランク軸１７の回転が連接棒１８を介してピストン１６に伝えられ、該ピストン１６はシリンダ１２内で上下方向に往復動する。そして、該ピストン１６の往復動により、カバー１０の各通気穴１０Ａ、吸込フィルタ１１を介してクランク室Ａ内に外気が導入され、このクランク室Ａ内に導入された外気が吸込パイプ１５を介してシリンダ１２内に吸い込まれ、これをシリンダ１２内で圧縮することにより、吐出パイプ１５Ａから圧縮空気を吐出させる。
【００３０】
このとき、回転軸５の出力軸部５Ａに固着されたフライホイール２０は、大きな慣性モーメントをもって回転することにより、吸込行程から吐出行程に亘るピストン１６側での負荷変動を吸収し、クランク軸１７の回転を安定させる。
【００３１】
この場合、シリンダ１２の軸方向寸法が短縮され、連接棒１８の長さ寸法が短縮されることにより、ピストン１６が下死点側に摺動変位したときに、該ピストン１６の下端側がクランク室Ａ内に突出するようになるが、フライホイール２０の外周側には、ピストン１６が下死点に達したときに該ピストン１６の下端側に最接近する部位に平坦面部２１を形成したから、ピストン１６が下死点側に摺動変位したときにフライホイール２０と接触、干渉するのを確実に防止することができる。
【００３２】
かくして、本実施例によれば、フライホイール２０の外周側に平坦面部２１を設けることにより、ピストン１６が下死点側に摺動変位したときにフライホイール２０と接触または干渉するのを確実に防止できる。この結果、ピストン１６とクランク軸１７との間を連結する連接棒１８を短くすることができ、この分だけシリンダ１２の軸方向寸法を短縮し、空気圧縮機全体をコンパクトに構成することができる。
【００３３】
しかも、平坦面部２１をフライホイール２０の外周側に部分的に設けることにより、フライホイール２０全体を小型化することなくピストン１６との接触を防止する構成としたから、フライホイール２０が、吸込行程から吐出行程に亘るピストン１６側での負荷変動を十分に吸収できるだけの慣性モーメントを保つことができ、クランク軸１７の回転を安定させることができる。
【００３４】
次に、図６および図７は本発明に適用されるフライホイールの第２の実施変形例を示している。なお、本実施例では、前記第１の実施例と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３５】
図において、３１は本実施例によるフライホイールを示し、該フライホイール３１は第１の実施例によるフライホイール２０とほぼ同様に、回転板部２０Ａ、重量調整部２０Ｂ、軸挿通穴２０Ｃを有する円筒状のボス部２０Ｄ、およびクランク部２０Ｅ等から構成されている。しかし、該フライホイール３１の外周側には、後述する湾曲面部３２が形成されている。
【００３６】
３２は第１の実施例による平坦面部２１に代えてフライホイール３１の外周側に設けられた切欠部としての湾曲面部を示し、該湾曲面部３２は、回転板部２０Ａおよび重量調整部２０Ｂのうち、クランク部２０Ｅの軸中心Ｏから最も離間した部位から、二点鎖線で示す三日月状部３３を切削することにより形成されている。この場合、湾曲面部３２を形成した分だけフライホイール３１の重量バランスが崩れるのを防止するため、湾曲面部３２とは径方向で反対側に位置する重量調整部２０Ｂの両端部２３，２３は、二点鎖線で示すように、前記第１の実施例よりも若干大きく切削されている。
【００３７】
ここで、湾曲面部３２は、例えばクランク部２０Ｅの軸中心Ｏを中心とした半径Ｒの円弧面として形成され（図７参照）、これにより、フライホイール３１に対する加工の大部分を旋盤加工によって行うことができ、その作業性を向上させることができる。
【００３８】
次に、図８および図９は本発明に適用されるフライホイールの第３の実施例を示している。なお、本実施例では、前記各実施例と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３９】
図において、４１は本実施例によるフライホイールを示し、該フライホイール４１は第１の実施例によるフライホイール２０とほぼ同様に、回転板部２０Ａ、重量調整部２０Ｂ、軸挿通穴２０Ｃを有する円筒状のボス部２０Ｄ、およびクランク部２０Ｅ等から構成されている。しかし、該フライホイール４１の外周側には、後述する凹陥部４２が形成されている。
【００４０】
４２はフライホイール４１の外周側に設けられた切欠部としての凹陥部を示し、該凹陥部４２は、回転板部２０Ａおよび重量調整部２０Ｂのうち、クランク部２０Ｅの軸中心Ｏから最も離間した部位から、二点鎖線で示す扇状部４３を切削することにより形成されている。この場合、凹陥部４２を形成した分だけフライホイール４１の重量バランスが崩れるのを防止するため、該凹陥部４２とは径方向で反対側に位置する重量調整部２０Ｂの両端部２３，２３は、二点鎖線で示すように、前記第１の実施例よりも若干小さく切削されている。
【００４１】
ここで、凹陥部４２は、ピストン１６に最接近する部位の凹み量が最大となり、その周囲の凹み量が漸次小さくなるように形成されている。従って、切削される扇状部４３の体積を可及的に小さくすることができると共に、これに対応して切削される重量調整部２０Ｂの両端部２３，２３の体積を小さくできる分、フライホイール４１全体の重量が減少するのを抑えることができる。この結果、回転時におけるフライホイール４１の慣性モーメントを大きく保つことができ、クランク軸１７の回転を一層安定化することができる。
【００４２】
なお、前記各実施例では、ここで、バランス調整部Ｅは、必ずしも重量調整部２０Ｂの両端部に設定する必要はなく、例えば図６に示すように、回転板部２０Ａのうち平坦面部２１とは径方向反対側に位置する部位に設定してもよく、さらに、平坦面部２１とは径方向反対側に位置して重量調整部２０Ｂおよび回転板部２０Ａの両者に設定する構成としてもよい。
【００４３】
なお、前記各実施例では、フライホイール２０（３１，４１）の重量バランスを保つため、重量調整部２０Ｂの両端部２３，２３を切削した場合を例に挙げたが、本発明はこれに限るものではなく、例えば図１０に示す変形例のように、回転板部２０Ａのうち切欠部とは径方向で反対側に位置する部位から、二点鎖線で示す円弧状部４４を切削してもよく、また、重量調整部２０Ｂの両端部２３，２３を切削すると共に、回転板部２０Ａから円弧状部４４を切削するようにしてもよい。さらに、フライホイール２０（３１，４１）に適宜に肉盛り部を設けることにより、重量バランスを確保する構成としてもよい。
【００４４】
また、前記各実施例では、単一のシリンダ１２を備えた往復動型空気圧縮機を例に挙げたが、本発明はこれに限るものではなく、例えば２つのシリンダを備え、それぞれのシリンダ内に挿嵌されたピストンが共通のクランク軸によって駆動される対向ピストン型の往復動型機械等にも適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、フライホイールの外周側に、ピストンが下死点側へと摺動変位したときに該ピストンと最接近する部位に当該ピストンとの接触を防ぐ切欠部を設ける構成としたから、ピストンとフライホイールとの間に間隙を確保することにより、シリンダ等を短縮でき、往復動機械全体を小型化することができる。
【００４６】
しかも、フライホイールの外周側に部分的に切欠部を設けることにより、フライホイール全体を小型化することなくピストンとの接触を防止できるから、フライホイールが、吸込行程から吐出行程に亘るピストン側での負荷変動を十分に吸収できるだけの慣性モーメントを保つことができる。この結果、クランク軸の回転を安定させることができ、往復動機械の耐久性や信頼性を向上させることができる。
また、ピストンが下死点側に摺動変位したときに、該ピストンの下端側が前記クランクケース内に突出するように構成したことにより、シリンダの軸方向寸法が短縮され、連接棒の長さ寸法を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による往復動空気圧縮機を示す縦断面図である。
【図２】図１中のフライホイールを重量調整部側からみた斜視図である。
【図３】フライホイールをクランク部側からみた斜視図である。
【図４】フライホイールを重量調整部側からみた正面図である。
【図５】図４中の矢示Ｖ−Ｖ方向からみた縦断面図である。
【図６】第２の実施例によるフライホイールを示す図３と同様の斜視図である。
【図７】図６に示すフライホイールを重量調整部側からみた図４と同様の正面図である。
【図８】第３の実施例によるフライホイールを示す図３と同様の斜視図である。
【図９】図８に示すフライホイールを重量調整部側からみた図４と同様の正面図である。
【図１０】回転板部から円弧状部を切削した状態を示す図４と同様の正面図である。
【符号の説明】
５回転軸
９クランクケース
１２シリンダ
１６ピストン
１７クランク軸
２０，３１，４１フライホイール
２１平坦面部（切欠部）
３２湾曲面部（切欠部）
４２凹陥部（切欠部）

Claims

クランク軸を回転可能に支持するクランクケースと、該クランクケースに設けられたシリンダと、該シリンダ内に摺動可能に挿嵌され、前記クランク軸の回転に応じて該シリンダ内を往復動するピストンと、前記クランクケース内に位置して前記クランク軸に一体に設けられ、該クランク軸の回転バランスをとる円形のフライホイールとからなる往復動機械において、
前記フライホイールの外周側には、前記ピストンが下死点側へと摺動変位したときに該ピストンと最接近する部位に当該ピストンとの接触を防ぐ切欠部を設けたことを特徴とする往復動機械。
前記ピストンが下死点側に摺動変位したときに、該ピストンの下端側が前記クランクケース内に突出するように該ピストンを構成することを特徴とする請求項１に記載の往復動機械。