JP4435210B2 - 回転・往復動装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転可能なクランク軸と往復移動可能なピストンとをコネクティングロッドにより連結して構成した回転・往復動装置に関する。

コンプレッサやエンジンなどに広く用いられているクランク軸とコネクティングロッドおよび、シリンダとピストンによる回転・往復動装置は、運動する各部の不釣合い慣性力により振動が発生する。

このため、クランク軸にバランスウエイトを付加したり、バランサシャフトをギア駆動してカウンタバランスウエイトを回転させ、不釣合い力およびモーメントを打ち消すことが一般的に行われている。

これに対して、下記特許文献１には、互いに平行に配置した２本のクランク軸を１対１の回転比率で互いに逆方向に回転させ、かつ各クランク軸にコネクティングロッドを介して連結した各ピストンを、対向ピストンとして同一直線上を完全対称的に往復運動するように構成したものが開示され、これにより、上記したバランスサシャフトを付加する構成などに比較して構造を簡素化して、無振動化を図っている。
特公平３−５７３１０号公報

ところが、上記した従来の回転・往復動装置にあっては、互いに平行に配置した２本のクランク軸の軸心を含む平面上でかつ２本のクランク軸に直交する方向に２つのピストンを対向配置しているので、２本のクランク軸およびこれら両クランク軸を連結するギアならびに互いに対向する２つのピストンが、同一方向に並べて配置されることになり、装置全体がこの並び方向に長大化し、対向する２つのピストンの往復移動方向の大型化を招くものとなる。

そこで、本発明は、対向して配置した２つのピストンの往復移動方向の大型化を回避しつつ、回転・往復動装置として振動低下を達成することを目的としている。

本発明は、回転可能なクランク軸と往復移動可能なピストンとをコネクティングロッドにより連結して構成した回転・往復動装置において、互いに平行に配置した２本のクランク軸を互いに逆方向かつ１対１の回転比率で回転するよう連結し、前記２本のクランク軸に、該２本のクランク軸の軸線をそれぞれ含む各平面上を互いに対向して往復移動するそれぞれ少なくとも１組のピストンを、前記２本のクランク軸の配列方向と直交する方向に向けてコネクティングロッドを介して連結し、前記２本のクランク軸のうち一方のクランク軸に連結した２つのコネクティングロッドをクランク軸の軸方向にずらせて配置するとともに、他方のクランク軸に連結した２つのコネクティングロッドをクランク軸の軸方向にずらせて配置し、前記一方のクランク軸に連結した２つのコネクティングロッドは、一方の小端部が上死点にあるものとして他方の小端部も上死点にあるものとし、この状態で前記他方のクランク軸に連結した２つのコネクティングロッドも、一方の小端部が上死点にあるものとして他方の小端部も上死点にあるものとし、前記２本のクランク軸に連結した各１組２つのピストンは、それぞれクランク軸を間に挟んで一方側と他方側とに配置され、前記２本のクランク軸のうち一方のクランク軸の前記一方側のピストンのコネクティングロッドの運動軌跡面と、他方のクランク軸の前記他方側のピストンのコネクティングロッドの運動軌跡面とを、前記２本のクランク軸と直交する方向の同一平面上に設定し、前記一方のクランク軸の前記他方側のピストンのコネクティングロッドの運動軌跡面と、前記他方のクランク軸の前記一方側のピストンのコネクティングロッドの運動軌跡面とを、前記２本のクランク軸と直交する方向の同一平面上に設定したことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、２本のクランク軸を互いに逆方向に回転させるとともに、２本のクランク軸に連結したそれぞれ２つのコネクティングロッドは、一方の小端部が上死点にあるものとして他方の小端部も上死点にあるものとし、かつコネクティングロッドの運動軌跡面を、２本のクランク軸相互間でクランク軸と直交する方向の同一平面上に設定したので、２本のクランク軸相互間で、クランク軸回りのモーメントが相殺されるとともに、ピストンの往復移動によるクランク軸と直交する垂直軸回りのモーメントが相殺され振動を効率よく低減することができる。この際、少なくとも１組の互いに対向して往復移動するピストンを、２本のクランク軸の配列方向と直交する方向に向けて配置しているので、対向する２つのピストンが往復移動する方向の装置の長大化を防止でき、装置全体の小型化を達成することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の施形態に係わる回転・往復動装置の回転往復機構部における縦断面図、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。ここでの回転・往復動装置は、図２に示すモータ１によって駆動するコンプレッサであり、モータ１によって回転駆動されるクランク軸３と平行にクランク軸５を配置している。

上記した各クランク軸３，５はクランクケース７内に収容され、クランクケース７は、図２に示すように、クランク軸３，５の軸方向に沿って、モータ１側のクランク室９とモータ１と反対側のギア室１１とを密閉状態で隔てる隔壁１３を備えている。

クランク軸３は、モータ１側の端部が、クランクケース７のモータ１側の一方の端壁７ａに形成した開口７ｂを塞ぐ端板１５に、ベアリング１７およびシール材１８を介して回転可能に支持されるとともに、モータ１と反対側の端部が、クランクケース７の他方の端壁７ｃにベアリング１９を介して回転可能に支持されている。また、このクランク軸３は、前記した隔壁１３の貫通孔１３ａを貫通しており、この貫通孔１３ａとクランク軸３との間は、シール材２１により密封された状態としてクランク軸３が回転可能となっている。

一方、クランク軸５は、モータ１側の端部が、クランクケース７のモータ１側の一方の端壁７ａにベアリング２３を介して回転可能に支持されるとともに、モータ１と反対側の端部が、クランクケース７の他方の端壁７ｃにベアリング２５を介して回転可能に支持されている。また、このクランク軸５は、前記した隔壁１３の貫通孔１３ｂを貫通しており、この貫通孔１３ｂとクランク軸３との間は、シール材２７により密封された状態としてクランク軸５が回転可能となっている。

そして、ギア室１１における各クランク軸３，５には、連結機構部となる互いに噛み合うギア２９，３１を装着し、クランク軸５のギア３１と端壁７ｃとの間には、フライホイール３３を取り付けている。したがって、各クランク軸３，５は、モータ１の駆動によって互いに逆方向に回転し、またこれら各クランク軸３，５は１対１の回転比率で回転するものとする。

上記したギア室１１の下部には、ギア２９，３１相互の噛み合い部を潤滑するための潤滑油３２を収納している。

また、クランク室９におけるクランク軸３には、互いに対向して往復移動する１組のピストン３５，３７を、２本のクランク軸３，５の配列方向（図１中で上下方向）と直交する方向（図１中で左右方向）に向けて、コネクティングロッド３９，４１を介して連結している。すなわち、コネクティングロッド３９，４１の各大端部３９ａ，４１ａを、クランクピン４３，４５によってクランク軸３に回転可能に連結する一方、コネクティングロッド３９，４１の各小端部３９ｂ，４１ｂを、ピストンピン４７，４９によってピストン３５，３７に回転可能に連結する。

同様にして、クランク室９におけるクランク軸５には、互いに対向して往復移動する１組のピストン５１，５３を、２本のクランク軸３，５の配列方向（図１中で上下方向）と直交する方向（図１中で左右方向）に向けて、コネクティングロッド５５，５７を介して連結している。すなわち、コネクティングロッド５５，５７の各大端部５５ａ，５７ａを、クランクピン５９，６１によってクランク軸５に回転可能に連結する一方、コネクティングロッド５５，５７の各小端部５５ｂ，５７ｂを、ピストンピン６３，６５によってピストン５１，５３に回転可能に連結する。

そして、上記した各ピストン３５，３７および５１，５３は、シリンダ６７，６９および７１，７３にそれぞれ移動可能に収容され、これら各シリンダ６７，６９および７１，７３は、前記したクランクケース７に装着されるシリンダブロック７５および７７にそれぞれ形成されている。

また、上記したシリンダブロック７５および７７のクランクケース７と反対側の端部には、シリンダヘッド７９，８１をそれぞれ装着している。

なお、本実施形態のコンプレッサでは、図１中で左側のピストン３５，５１の断面積を大きくして１段目の圧縮動作を行い、同右側のピストン３７，５３の断面積を小さくして２段目の圧縮動作を行っている。これら圧縮動作によって作動する吸入弁や吐出弁ならびに吸入通路や吐出通路などは省略している。

上記した２本のクランク軸３，５相互間では、クランク軸３側における図１中で左側の一方側のコネクティングロッド３９の運動軌跡面と、クランク軸５側における図１中で右側の他方側のコネクティングロッド５７の運動軌跡面とが、クランク軸３，５に直交する図１中で紙面に平行な同一平面Ｐ上となるよう設定している。

同様にして、２本のクランク軸３，５相互間では、クランク軸３側における図１中で右側の他方側のコネクティングロッド４１の運動軌跡面と、クランク軸５側における図１中で左側の一方側のコネクティングロッド５５の運動軌跡面とが、クランク軸３，５に直交する図１中で紙面に平行な同一平面Ｑ上となるよう設定している。

なお、図１では、コネクティングロッド３９，５７がコネクティングロッド４１，５５に対して紙面表側に位置している。したがって、上記コネクティングロッド３９，５７に連結されるピストン３５，５３は、コネクティングロッド４１，５５に連結されるピストン３７，５１に対し、図１中で紙面表側となるようずれた位置となる。

このように構成した回転・往復動装置では、互いに同一平面Ｐ上に運動軌跡面が位置する各コネクティングロッド３９，５７の大端部３９ａ，５７ａが、ピストン３５，５３の上死点に対し共に９０度もしくは２７０度の位置にあるときに、小端部３９ｂ，５７ｂが互いに対称的に同一方向に移動するよう設定している。

すなわち、図１の状態から矢印Ａ，Ｂで示すように各クランク軸３，５が互いに逆方向に回転すると、ピストン３５とピストン５３は、いずれも下死点に向かって互いに接近する方向に対称的に移動する。

同様にして、互いに同一平面Ｑ上に運動軌跡面が位置する各コネクティングロッド４１，５５の大端部４１ａ，５５ａが、ピストン３７，５１の上死点に対し９０度もしくは２７０度の位置にあるときに、小端部４１ｂ，５５ｂが互いに対称的に同一方向に移動するよう設定している。

すなわち、図１の状態から矢印Ａ，Ｂで示すように各クランク軸３，５が互いに逆方向に回転すると、ピストン３７とピストン５１は、いずれも下死点に向かって互いに接近する方向に対称的に移動する。

つまり、本実施形態では、クランク軸３に設けたピストン３５，３７と、クランク軸５に設けたピストン５１，５３とは、互いに対称的に往復移動を行う。

なお、図１では、一例として、コネクティングロッド３９，５７の大端部３９ａ，５７ａが、ピストン３５，５３の上死点に対し共に９０度の位置にある状態を示し、コネクティングロッド４１，５５の大端部４１ａ，５５ａが、ピストン３７，５１の上死点に対し９０度の位置にある状態を示している。

ところで、ピストンを対向配置したクランク機構の残留不釣合い力は、クランク軸方向に一定距離ずれたコネクティングロッドの小端部とピストンの往復動による垂直軸（クランク軸に直交する図１中で上下方向の軸）回りのモーメントと、ピストンに掛かる圧力変化に起因するクランク軸回りのモーメントであるが、本実施形態では、２本のクランク軸３，５を互いに逆方向に回転させているので、２本のクランク軸３，５のクランク軸回りのモーメントを相殺し、振動を抑えることができる。

また、クランク軸３側における一方側のコネクティングロッド３９の運動軌跡面と、クランク軸５側における他方側のコネクティングロッド５７の運動軌跡面とが、クランク軸３，５に直交する同一平面Ｐ上に位置して、これら各コネクティングロッド３９，５７に連結するピストン３５，５３が互いに同一方向（図１中での移動方向としては互いに逆方向）、つまりピストン３５が上死点に向かうときにはピストン５３も上死点に向かうように互いに対称的に移動するので、ピストン３５，５３の移動による前記した垂直軸回りのモーメントは相殺され、振動を抑えることができる。

同様にして、クランク軸３側における他方側のコネクティングロッド４１の運動軌跡面と、クランク軸５側における一方側のコネクティングロッド５５の運動軌跡面とが、クランク軸３，５に直交する同一平面Ｑ上に位置して、これら各コネクティングロッド４１，５５に連結するピストン３７，５１が互いに同一方向（図１中での移動方向としては互いに逆方向）、つまりピストン３７が上死点に向かうときにはピストン５１も上死点に向かうように移動するので、ピストン３５，５３の移動による前記した垂直軸回りのモーメントは相殺され、振動を抑えることができる。

このように、本実施形態では、クランク機構における残留不釣合い力を解消して振動を効果的に抑制することができる。

また、下部のクランク軸３にモータ１を連結しているが、一方上部のクランク軸５にはフライホイール３３を設けて上下のクランク軸３，５で慣性モーメントのバランスをとっているので、振動抑制効果がさらに向上する。

図３，図４は、本発明の第２の実施形態を示す、前記図１，図２に対応する断面図である。第２の実施形態は、２本のクランク軸３，５相互間では、クランク軸３側における図３中で左側の一方側のコネクティングロッド３９の運動軌跡面と、クランク軸５側における図３中で左側の一方側のコネクティングロッド５５の運動軌跡面とが、クランク軸３，５に直交する図３中で紙面に平行な同一平面Ｒ上となるよう設定している。

同様にして、２本のクランク軸３，５相互間では、クランク軸３側における図３中で右側の他方側のコネクティングロッド４１の運動軌跡面と、クランク軸５側における図３中で右側の他方側のコネクティングロッド５７の運動軌跡面とが、クランク軸３，５に直交する図３中で紙面に平行な同一平面Ｓ上となるよう設定している。

なお、図３では、コネクティングロッド３９，５５がコネクティングロッド４１，５７に対して紙面裏側に位置している。したがって、上記コネクティングロッド３９，５５に連結されるピストン３５，５１は、コネクティングロッド４１，５７に連結されるピストン３７，５３に対し、図３中で紙面裏側となるようずれた位置となる。

このように構成した回転・往復動装置では、互いに同一平面Ｒ上に運動軌跡面が位置する各コネクティングロッド３９，５５の大端部３９ａ，５５ａが、ピストン３５，５１の上死点に対し共に９０度もしくは２７０度の位置にあるときに、小端部３９ｂ，５５ｂが互いに逆方向に移動するよう設定している。

すなわち、図３の状態から矢印Ａ，Ｂで示すように各クランク軸３，５が互いに逆方向に回転すると、ピストン３５は上死点に向かう一方、ピストン５１は下死点に向かって移動する。

同様にして、互いに同一平面Ｓ上に運動軌跡面が位置する各コネクティングロッド４１，５７の大端部４１ａ，５７ａが、ピストン３７，５３の上死点に対し９０度もしくは２７０度の位置にあるときに、小端部４１ｂ，５７ｂが互いに逆方向に移動するよう設定している。

すなわち、図３の状態から矢印Ａ，Ｂで示すように各クランク軸３，５が互いに逆方向に回転すると、ピストン３７は上死点に向かう一方、ピストン５３は下死点に向かって移動する。

つまり、本実施形態では、クランク軸３に設けたピストン３５，３７と、クランク軸５に設けたピストン５１，５３とは、一方が上死点に向かうときに他方が下死点に向かうように、互いに逆方向の運動を行うことになる。

なお、図３では、図１と同様に一例として、コネクティングロッド３９，４１の大端部３９ａ，４１ａが、ピストン３５，３７の上死点に対し２７０度の位置にある状態を示し、コネクティングロッド５５，５７の大端部５５ａ，５７ａが、ピストン５１，５３の上死点に対し９０度の位置にある状態を示している。

この実施形態においても、第１の実施形態と同様に、２本のクランク軸３，５を互いに逆方向に回転させているので、２本のクランク軸３，５のクランク軸回りのモーメントを相殺し、振動を抑えることができる。

また、クランク軸３側における一方側のコネクティングロッド３９の運動軌跡面と、クランク軸５側における一方側のコネクティングロッド５５の運動軌跡面とが、クランク軸３，５に直交する同一平面Ｒ上に位置して、これら各コネクティングロッド３９，５５に連結するピストン３５，５１が互いに逆方向、つまりピストン３５が上死点に向かうときにはピストン５１が下死点に向かうように移動するので、コネクティングロッド３９，５５の移動によるモーメントは相殺され、振動を抑えることができる。

同様にして、クランク軸３側における他方側のコネクティングロッド４１の運動軌跡面と、クランク軸５側における他方側のコネクティングロッド５７の運動軌跡面とが、クランク軸３，５に直交する同一平面Ｓ上に位置して、これら各コネクティングロッド４１，５７に連結するピストン３７，５３が互いに逆方向、つまりピストン３７が上死点に向かうときにはピストン５１が下死点に向かうように移動するので、コネクティングロッド４１，５７の移動によるモーメントは相殺され、振動を抑えることができる。

このように、本実施形態においても、クランク機構における残留不釣合い力を解消して振動を効果的に抑制することができる。

また、前記した各実施形態では、２本のクランク軸３，５相互を連結機構であるギア２９，３１で互いに連結し、この連結機構を備えた動力伝達機構部と、コネクティングロッド３９，４１および５５，５７を備える回転往復機構部とを、隔壁１３を隔てて互いに密閉状態としてクランクケース７内に収容している。

このため、ギア室１１内に潤滑油を収納してギア２９，３１を潤滑しつつ、この潤滑油のクランク室９への浸入を防止でき、したがって、例えば汚れを嫌うクリーンなガスを圧縮するコンプレッサに好適に利用できる。

なお、上記した各実施形態では、連結機構としてギア２９，３１を使用したが、チェーンによってクランク軸３，５相互を連結してもよい。ただしこの場合には、クランク軸３，５を互いに逆方向に回転させるための機構が別途必要となる。

また、上記したチェーンに代えてタイミングベルトを使用してもよい。この場合には、潤滑油は不要となる。

さらに、上記各実施形態では、各クランク軸３および５に１組ずつのピストン３５，３７および５１，５３を設けたが、２組ずつ以上設けてもよい。

また、上記各実施形態では、回転・往復動装置として、モータ１の駆動によりピストン３５，３７および５１，５３を往復動させるコンプレッサを例示したが、クランク軸３，５を出力側として回転させるエンジンにも適用することができる。

本発明の第１の施形態に係わる回転・往復動装置のクランク機構部における縦断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第２の施形態に係わる、図１に対応する縦断面図である。 本発明の第２の施形態に係わる、図２に対応する断面図である。

符号の説明

３ 一方のクランク軸
５ 他方のクランク軸
７ クランクケース（ケース）
２９，３１ ギア（連結機構）
３５，３７ 一方のクランク軸に設けた１組のピストン
３５ 一方のクランク軸の一方側のピストン
３７ 一方のクランク軸の他方側のピストン
３９ 一方のクランク軸に設けた一方側のコネクティングロッド
３９ｂ，４１ｂ，５５ｂ，５７ｂ コネクティングロッドの小端部
４１ 一方のクランク軸に設けた他方側のコネクティングロッド
５１，５３ 他方のクランク軸に設けた１組のピストン
５１ 他方のクランク軸の一方側のピストン
５３ 他方のクランク軸の他方側のピストン
５５ 他方のクランク軸に設けた一方側のコネクティングロッド
５７ 他方のクランク軸に設けた他方側のコネクティングロッド
Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓ 同一平面

Claims (2)

1. 回転可能なクランク軸と往復移動可能なピストンとをコネクティングロッドにより連結して構成した回転・往復動装置において、互いに平行に配置した２本のクランク軸を互いに逆方向かつ１対１の回転比率で回転するよう連結し、前記２本のクランク軸に、該２本のクランク軸の軸線をそれぞれ含む各平面上を互いに対向して往復移動するそれぞれ少なくとも１組のピストンを、前記２本のクランク軸の配列方向と直交する方向に向けてコネクティングロッドを介して連結し、
   前記２本のクランク軸のうち一方のクランク軸に連結した２つのコネクティングロッドをクランク軸の軸方向にずらせて配置するとともに、他方のクランク軸に連結した２つのコネクティングロッドをクランク軸の軸方向にずらせて配置し、前記一方のクランク軸に連結した２つのコネクティングロッドは、一方の小端部が上死点にあるものとして他方の小端部も上死点にあるものとし、この状態で前記他方のクランク軸に連結した２つのコネクティングロッドも、一方の小端部が上死点にあるものとして他方の小端部も上死点にあるものとし、
   前記２本のクランク軸に連結した各１組２つのピストンを、それぞれクランク軸を間に挟んで一方側と他方側とに配置し、
   前記２本のクランク軸のうち一方のクランク軸の前記一方側のピストンのコネクティングロッドの運動軌跡面と、他方のクランク軸の前記他方側のピストンのコネクティングロッドの運動軌跡面とを、前記２本のクランク軸と直交する方向の同一平面上に設定し、
   前記一方のクランク軸の前記他方側のピストンのコネクティングロッドの運動軌跡面と、前記他方のクランク軸の前記一方側のピストンのコネクティングロッドの運動軌跡面とを、前記２本のクランク軸と直交する方向の同一平面上に設定したことを特徴とする回転・往復動装置。
2. 回転可能なクランク軸と往復移動可能なピストンとをコネクティングロッドにより連結して構成した回転・往復動装置において、互いに平行に配置した２本のクランク軸を互いに逆方向かつ１対１の回転比率で回転するよう連結し、前記２本のクランク軸に、該２本のクランク軸の軸線をそれぞれ含む各平面上を互いに対向して往復移動するそれぞれ少なくとも１組のピストンを、前記２本のクランク軸の配列方向と直交する方向に向けてコネクティングロッドを介して連結し、
   前記２本のクランク軸のうち一方のクランク軸に連結した２つのコネクティングロッドをクランク軸の軸方向にずらせて配置するとともに、他方のクランク軸に連結した２つのコネクティングロッドをクランク軸の軸方向にずらせて配置し、前記一方のクランク軸に連結した２つのコネクティングロッドは、一方の小端部が上死点にあるものとして他方の小端部も上死点にあるものとし、この状態で前記他方のクランク軸に連結した２つのコネクティングロッドは、一方の小端部が下死点にあるものとして他方の小端部も下死点にあるものとし、
   前記２本のクランク軸に連結した各１組２つのピストンを、それぞれクランク軸を間に挟んで一方側と他方側とに配置し、
   前記２本のクランク軸のうち一方のクランク軸の前記一方側のピストンのコネクティングロッドの運動軌跡面と、他方のクランク軸の前記一方側のピストンのコネクティングロッドの運動軌跡面とを、前記２本のクランク軸と直交する方向の同一平面上に設定し、
   前記一方のクランク軸の前記他方側のピストンのコネクティングロッドの運動軌跡面と、前記他方のクランク軸の前記他方側のピストンのコネクティングロッドの運動軌跡面とを、前記２本のクランク軸と直交する方向の同一平面上に設定したことを特徴とする回転・往復動装置。

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