JP4296400B2

JP4296400B2 - 往復動型圧縮機

Info

Publication number: JP4296400B2
Application number: JP2003313297A
Authority: JP
Inventors: 正則杉本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2023-09-04
Also published as: CN100362235C; CN1590762A; JP2005083211A

Description

本発明は、空気等の気体を圧縮する往復動型圧縮機に関する。

一般に、クランクケースと、該クランクケースに回転可能に設けられ、駆動源によって回転駆動される軸と、前記クランクケース上に設けられ、シリンダヘッドが搭載されたシリンダと、該シリンダ内に摺動可能に挿嵌されたピストンと、該ピストンをシリンダ内で往復動させるべく、小端部が前記ピストンに連結され、大端部が前記軸に軸受を介して回転可能に連結され、前記小端部と大端部とを繋ぐアーム部とで構成される連接棒を有する往復動型圧縮機は知られている。そして、従来の連接棒は、シリンダ径を小さくしたい等の観点より、小端部側から大端部側に向けてアーム部の揺動方向（軸方向と直交する向き）幅が広がるよう構成されていた。また、アーム部の軸方向幅は小端部から大端部に向けて一定に構成していたため、連接棒の上下方向の断面積は、小端部近傍で最小となり、大端部側に向けて除々に大きくなる構成であった。

この種の従来技術による往復動型圧縮機は、駆動源によって軸を回転駆動すると、この回転が連接棒を介してピストンに伝達され、該ピストンはシリンダ内を往復動し、空気等の流体を圧縮する。このように、往復動型圧縮機では、長期間使用により軸受の潤滑不足等で連接棒の折損が起こった場合には、アーム部のうち断面積が最小となる小端部近傍で連接棒が折損していた。そして、その大端部側の折損部がシリンダやクランクケースに触れることによりシリンダ、クランクケースが破損するといった二次的な損害を引き起こす可能性があった。それを防止する策として、例えば特許文献１に示すように、連接棒の揺動方向寸法とクランクケースの上部開口の寸法とを規定することによりシリンダの破損を防止する策がとられていた。

また、特許文献２においては、連接棒に凹部や凸部を形成して応力を集中させ、その応力集中部で折損を生じさせる部分をコントロールするものが開示されている。

実開昭６４−１５７８４号公報

特開２０００−４５９４１号公報

しかし、特許文献１に示す構成では、小端部側から大端部側に向けてアーム部の揺動方向幅を広げていく構成であるため、連接棒が折損した場合にはアーム部のうち断面積が最小である小端部近傍（ピストン近傍）が折損部となり、クランクケースの上部開口の寸法を規定したとしても、折損部がシリンダ以外の部材と接触して損傷することを避けられず、二次的な損害を引き起こす可能性が高いという問題があった。

また、特許文献２においても、アーム部の断面積最小部が小端部近傍（ピストン近傍）にあるため、ここが折損しやすいので、応力集中部をよほど脆弱にする必要があり、これにより、連接棒の耐久性を若干犠牲にしなければならないという問題がある。

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、連接棒が折損したときには、その他端側の折損部によりシリンダおよびクランクケースが損傷する等の二次的な損害を回避することができる往復動型圧縮機を提供することにある。

上述した課題を解決するために本発明は、クランクケースと、該クランクケースに回転可能に設けられ、駆動源によって回転駆動される軸と、前記クランクケース上に設けられ、シリンダヘッドが搭載されたシリンダと、該シリンダ内に摺動可能に挿嵌されたピストンと、該ピストンをシリンダ内で往復動させるべく、一端が前記ピストンに連結され、他端が前記軸に軸受を介して回転可能に連結され、前記一端と他端とを繋ぐアーム部とで構成される連接棒とからなる往復動型圧縮機において、前記連接棒が折損するときには、該連接棒が所定位置にて折損されるよう前記アーム部に断面積が最小となる折損部を設け、前記折損部は、前記連接棒が折損した状態で、前記折損部のうちの他端側の折損部が前記シリンダおよびクランクケースに触れない位置に設けられ、前記アーム部の非揺動方向幅を異ならせることにより形成されたことを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の連接棒の他端には放熱手段を設けるよう構成したことを特徴とする。

請求項１に記載の発明にあっては、連接棒の耐久性を損なうことがなく、折損が発生した場合においても、その他端側の折損部がクランクケース等に衝突することがなくなるので、二次的な損害の発生を防止することができる。
また、連接棒の往復動動作のみの非揺動方向の幅を異ならせることにより最小断面積を形成したので、連接棒の一端側の断面積を大きくする際にもシリンダ径を変更することなく対応できる。

また、請求項２の発明にあっては、請求項１の連接棒の他端には放熱手段を設けるよう構成したので、往復動型圧縮機で最も温度の低い他端部側に、一端部側の熱を移動させて放熱させることができ、信頼性や耐久性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態の無給油式の往復動型圧縮機を図１及至図３、及び図８乃至図１０に示し説明する。

図１、２は本発明の第１の実施の形態を示している。図において、１は鋳鉄等の金属材料により箱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１内には軸受２、３を介してクランク軸４が回転可能に配設されている。本発明の軸としてのクランク軸４は軸受２を介してクランクケース１外に突出した一端側の突出軸部４Ａと、他端側に位置しクランクケース１に軸受３を介して回転可能に支持された支持軸部４Ｂと、バランスウエイト部４Ｃと、大端部１３が連結される円柱状のピン部４Ｄとから構成されている。

５はクランクケース１上に設けられたシリンダを示し、該シリンダ５の外周側には複数の冷却フィン５Ａ、５Ａ、・・・が一体的に形成され、シリンダ５上にはシリンダヘッド６が搭載されている。そして、シリンダ５内には摺動可能にピストン７が挿嵌され、該ピストン７の上面側とシリンダヘッド６との間には、シリンダ５内に位置して圧縮室Ａが画成されている。また、ピストン７には後述のピストンピン９挿入用のピン穴８が穿設されている。

９はピストン７のピン穴８に嵌着されたピストンピンを示し、該ピストンピン９は金属材料により形成され、その両端側には断熱性を有する筒状の樹脂環２５が嵌合されている。ここで、ピストンピン９は各樹脂環２５を介してピストン７のピン穴８内に嵌着されているので、前記ピストン７からの熱がピストンピン９に伝わるのを制限し、後述の軸受１６を断熱状態に保持している。そして、前記ピストンピン９は後述の連接棒１２を介してクランク軸４と連結されている。また、前記ピストン７の外周面にはピストンリング１０、ライダリング１１が装着され、前記ピストン７とシリンダ５との間の気密性、摺動性を高めるようになっている。

１２は連接棒を示し、該連接棒１２の大端部１３（他端）は軸受１４を介してクランク軸４に連結され、小端部１５（一端）はピストンピン９に挿嵌され、該ピストンピン９と小端部１５との間にはグリース封入型の軸受１６が介装されている。そして、連接棒１２は大端部１３と小端部１５と、それらの間に設けられクランク軸の動力をピストン７に伝えるアーム部１７とで構成され、アーム部１７の揺動方向には、軽量化のための抜き１８が設けられている。

また、連接棒１２の大端部１３側はクランク軸４のピン部４Ｄに止め輪２６を介して軸方向に位置決めされている。ここで、連接棒１２はクランク軸４の回転を直動運動に変換してピストン７に伝達し、該ピストン７をシリンダ５内で往復動させる。

また、大端部１３は、その外周に放熱手段としての放熱フィン１３Ａ、１３Ａ、・・・を有する構成としている。

さらに、図２、３に示すように、連接棒１２の形状は、小端部１５の非揺動方向Ｃの幅Ｌ１のほうが大端部１３の非揺動方向幅Ｌ２よりも大となるようになっており、このアーム部１７の断面積が最小となる折損部１２Ａは、大端部１３側に形成されている。本実施の形態に示す折損部１２Ａは、アーム部１７を図２中のＡ−Ａ線に垂直な面で切断した断面積が最小となったものであるが、これに限らず、任意の平面で切った断面が最小であれば、その面の部分が本発明の折損部となる。１９はクランク軸４の突出軸部４Ａ先端に固着された大径のプーリを示し、該プーリ１９は外部の駆動源となるモータ等にベルト（いずれも図示せず）を介して連結され、クランク軸４を回転駆動するようになっている。また、該プーリ１９は羽根１９Ａが一体的に形成され、該羽根１９Ａはプーリ１９の回転時にクランクケース１やシリンダ５に向けて矢示Ｂ方向の冷却風を発生させるようになっている。

本発明の実施の形態による往復動型圧縮機は上述の如き構成を有するもので、次にその作動について説明する。

まず、モータ等の駆動源によって外部からプーリ１９に固着されたクランク軸４を回転駆動すると、連接棒１２がピストンピン９を中心にして揺動運動を繰返しつつ、クランク軸４の回転をピストン７の往復動に変換する。そして、該ピストン７がシリンダ５内で往復動を繰返すことにより、圧縮室Ａから圧縮空気を吐出させるようになっている。

ところで、長期間に亘る圧縮運転を行うと、各部分の磨耗などからピストンがスムーズに動かなくなり、連接棒１２が折損することがある。この折損に至るまでの一例を次に示す。圧縮熱等によってピストン７やピストンピン９が高温状態となり、小端部１５内の軸受１６は内部に封入したグリースが溶解した状態で、図示せぬオイルシールから漏出することがある。この結果、連接棒１２の小端部１５とピストンピン９との間で軸受１６が焼付いて固着するような場合があり、その場合ピストンピン９がピストン７に対して強制的に回転される。

そして、この状態でさらに圧縮運転を続けると、ピストンピン９の両端側に嵌合された各樹脂環２５が、ピストンピン９を固定している各ボルトにより削り落され、ピストンピン９がピストン７のピン穴８内でガタ付くようになる。さらに、ピン穴８はピストンピン９とピストン７との金属磨耗によって穴径が拡大し、ピストンピン９がピン穴８内でガタ付きをもって回転するようになると、連接棒１２の小端部１５はピストンピン９を中心として回転して不規則な偏心動を繰返すようになる。そして、不規則な偏心動により過大な負荷が連接棒１２に作用した場合、連接棒１２はアーム部１７のうちで最も断面積の小さい折損部１２Ａで折損する。

本実施の形態に示す連接棒１２は、折損部１２Ａを大端部１３近傍に設けているので、上述したような不規則な偏心動により過大な負荷が連接棒１２に作用した場合、折損を大端部１３近傍で生じさせることができる。よって、クランク軸４に接近した大端部１３の付け根部分から折損させることができるので、折損が生じた後にクランク軸４が回転駆動されても、その他端側の折損部がクランクケース１の上端部やシリンダ５の内壁、またはクランクケース１の下端部に触れ、損傷することを防止できる。

このように、本実施の形態では、アーム部１７の断面形状は略同形状で、徐々に断面積を小さくし、折損部１２Ａで断面積を最小としたので、連接棒１２の強度を最小面積の折損部１２Ａで確保しておけば、連接棒１２の耐久性を保つことができる。また万一折損する場合は、この折損部１２Ａで折損するので、連接棒１２が折損しても周囲の部材に影響を与えないため、修理作業は連接棒１２およびその周辺のピストンピン９や軸受１６等の交換作業で済み、その分修理時間が短縮されると共に、修理費用も安価で済む。

また、本実施の形態に示す連接棒１２は、大端部１３側から小端部１５側に向けて断面積が大きくなるアーム形状とした。このように構成すると、連接棒１２で最も温度が高くなる小端部１５近傍の断面積を増やすことができるので、小端部１５近傍の熱伝達率を高めることができ、結果として小端部１５の温度を従来と比して下げることができる。これにより、小端部１５が高温状態となることを軽減することができ、連接棒１２の折損を回避することができる。

また、本実施の形態では、連接棒１２の揺動方向Ｂではなく、非揺動方向Ｃの長さを小端部側と大端部側で異ならせるよう構成した。連接棒１２は往復運動する際、軸方向とは直交する向きに揺動しながら上下に移動する。そのため、シリンダ５径は、アーム部１７の揺動方向幅に揺動する分を加えた大きさとする必要がある。それに対し、連接棒１２は非揺動方向に対しては動かない。よって、アーム部１７の断面積を増やす際には、アーム部１７の揺動方向幅Ｂではなく、非揺動向Ｃの幅を増やすことにより対応したほうが、シリンダ径を大きくすることなく断面積を増やすことができ、往復動型圧縮機が大型化することを防止できる。

さらに、本実施の形態の大端部１３には、放熱手段としての放熱フィン１３Ａ、１３Ａ、・・・を設けたので、小端部１５からアーム部１７を介して大端部１３に伝わった熱は、往復動型圧縮機内部で最も温度が低いクランクケース１内で効率良く放熱することができる。クランクケース１には図示せぬ呼吸栓が設けられているため、外気とほぼ同等の温度を保つことができる。

次に、図４、５を用いて第１の参考技術を示し、説明する。なお、本参考技術では、前記第１の実施の形態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ものとする。

本第１の参考技術の連接棒２０はアーム部２１の揺動方向幅を大端部１３側と比して小端部１５側が大となるよう構成し、かつ小端部１５のボス部１５Ａ外周一周の熱伝達率を高めるため、第１の実施の形態と比して肉厚にしたことにある。

また、本参考技術の折損部２０Ａは大端部１３寄りとなっている。このように構成した場合においても、第１の実施の形態の効果とほぼ同様の効果を得ることができる。特に、第１の参考技術では、第１の実施の形態の連接棒１２と比してさらに小端部１５近傍の断面積を大としたので、小端部１５の温度をさらに下げることができる。

次に、図６、７を用いて第２の参考技術を示し、説明する。なお、本参考技術では、前記第１の実施の形態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ものとする。

本第２の参考技術の連接棒３０はアーム部３１の揺動方向中心部に設けられる軽量化のための抜き３２を、小端部１５側で細く、大端部１３側で太くなるような三角形状に空けて設けるよう構成したことにある。この抜き３２の形状により、断面積が最小となる折損部３０Ａを大端部１３側に形成している。

このように構成した場合においても、第１の実施の形態の効果とほぼ同様の効果を得ることができる。

次に図８、９を用いて第２の実施の形態を示し、説明する。なお、本実施の形態では、前記第１の実施の形態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ものとする。

本第２の実施の形態の連接棒４０はアーム部４１の抜き４２の深さを大端部１３側から小端部１５側に向けて小となるよう構成し、折損部４０Ａを大端部１３近傍としたことにある。

なお、本発明の実施の形態では、往復動型圧縮機として、アーム部の一端に小端部１５を形成し、小端部１５がピストンピン９に回転可能に連結され、クランク軸４を回転駆動したときには、連接棒１２がピストンピン９を中心にして揺動運動を繰返しつつ、クランク軸４の回転をピストン７の往復動に変換し、ピストン７をシリンダ５内で往復動させる通常ピストンタイプを例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、アーム部の一端にピストンが一体的に形成され、クランク軸の回転によりピストンがシリンダ内を揺動しながら上下動して圧縮空気を生成するタイプの往復動型圧縮機に用いても良い。

また、本発明の実施の形態では、軸の回転運動を直動運動に変換するために、クランク軸を用いた例を挙げて説明したが、これに限らず、例えば大端部内部に偏心リングを装着し、該偏心リング内にストレートの軸を設けて連接棒を往復運動させるタイプの往復動型圧縮機に用いても良い。

また、大端部１３の外周側に設けられる放熱手段としての放熱フィン１３Ａはその周面から外側に向けて大端部１３の軸方向に延びる放熱フィンを示したが、これに限らず、例えば図１０に示すように、大端部１３の周まわりに沿うようにフィン１３Ｂを設けるよう形成しても良い。また、放熱手段として本発明の実施の形態では放熱フィンを用いて説明したが、これに限らず、例えばヒートパイプ等の放熱手段を大端部に取り付けて冷却する構成としてもよい。

また、本発明の実施の形態では、小端部１５から大端部１３に向けてアーム部１７の断面積が除々に小さくなるよう構成したものを示したが、これに限らず、他端側の折損部がシリンダおよびクランクケースに触れない位置であればアーム部１７の中央部よりに最小断面積となる折損部を設けるよう構成してもよい。

さらに、本発明の実施の形態では無給油の往復動型圧縮機を例に挙げて説明したが、これに限らず例えば、給油式の往復動型圧縮機に適用してもよい。

本発明の第１の実施の形態による往復動型圧縮機を示す縦断面図である。図１中の連接棒の断面図である。図２中の連接棒のＡ−Ａ断面図である。第１の参考技術による連接棒の断面図である。図４中の連接棒のＡ−Ａ断面図である。第２の参考技術による連接棒の断面図である。図６中の連接棒のＡ−Ａ断面図である。本発明の第２の実施の形態による連接棒の断面図である。図８中の連接棒のＡ−Ａ断面図である。本発明の大端部の放熱手段としての別の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１クランクケース
４クランク軸（軸）
５シリンダ
６シリンダヘッド
７ピストン
１２、２０、３０、４０連接棒
１３大端部（他端）
１５小端部（一端）
１７、２１、３１、４１アーム部

Claims

クランクケースと、該クランクケースに回転可能に設けられ、駆動源によって回転駆動される軸と、前記クランクケース上に設けられ、シリンダヘッドが搭載されたシリンダと、該シリンダ内に摺動可能に挿嵌されたピストンと、該ピストンをシリンダ内で往復動させるべく、一端が前記ピストンに連結され、他端が前記軸に軸受を介して回転可能に連結され、前記一端と他端とを繋ぐアーム部とで構成される連接棒とからなる往復動型圧縮機において、
前記連接棒が折損するときには、該連接棒が所定位置にて折損されるよう前記アーム部に断面積が最小となる折損部を設け、
前記折損部は、前記連接棒が折損した状態で、前記折損部のうちの他端側の折損部が前記シリンダおよびクランクケースに触れない位置に設けられ、前記アーム部の非揺動方向幅を異ならせることにより形成されたことを特徴とする往復動型圧縮機。
前記連接棒の前記他端には放熱手段を設けることを特徴とする請求項１に記載の往復動型圧縮機。