JP4973857B2

JP4973857B2 - 空気圧縮機

Info

Publication number: JP4973857B2
Application number: JP2007123080A
Authority: JP
Inventors: 和宏瀬川; 光広砂押
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-05-08
Also published as: JP2008280853A

Description

本発明は、釘打機等の空気工具を駆動するために必要な圧縮空気を生成する空気圧縮機に関する。

一般に、空気工具を駆動する空気圧縮機は、モータ等の駆動部における回転出力軸の回転運動を、圧縮空気生成部におけるクランク軸を介してシリンダ内のピストンの往復運動として変換し、ピストンの往復運動によって、シリンダの吸込弁から空気を吸入し、圧縮するように構成され、シリンダ内で圧縮された圧縮空気はシリンダの吐出弁からパイプを通して空気タンクに吐出され、このタンク内に貯留される。釘打機等の空気工具は、このタンク内に貯留された圧縮空気を利用して動作させるものである。このような空気圧縮機は、例えば、下記特許文献１に開示されている。

空気圧縮機では、圧縮空気を貯留するタンク内の圧力が上限である所定値（許容最高圧力）に達するとモータを停止させると共に、空気工具等の使用によりタンク内の圧力が下限である所定値よりも下がったときモータを再起動させるような機能をもっている。この機能は、空気タンク内の圧力を圧力センサで検出し、そのセンサからの信号に対応して駆動部のモータの電源をオン・オフ制御し、これによって圧縮空気生成部のピストンの往復運動をオン・オフ制御することにより実現している。

特開２００６−１２５２３７号公報

上述したような従来の空気圧縮機において、圧縮空気生成部を構成するピストンは、そのピストンヘッド外周に取り付けられたピストンリングによってピストンとシリンダの間を気密にシーリングした状態で、シリンダ内を往復動することにより圧縮空気を生成する。しかし、このピストンリングの外周部は、シリンダ内の往復運動によりシリンダ内周部を摺動するように接触するので、磨耗してしまうという問題がある。このため、空気圧縮機のメンテナンスは、圧縮空気生成部または駆動部の運転総時間を目安にオーバホールを行い、ピストンおよびシリンダを交換することが行われていた。

しかし、本願発明者は、ピストンリングの磨耗量が増大するにつれて、圧縮空気を基準圧力（例えば、標準大気圧）より許容最高圧力（例えば、３０ＭＰａ）までに上昇させる駆動部の運転時間（充填時間）が長くなり、この運転時間が所定の時間を超えると、ピストンリングの使用限界磨耗量を超えて、ピストン（ピストンヘッド）がピストンリングを介することなく、シリンダに直接的に接触し、ピストンおよびシリンダが損傷に至るという現象を見出した。

このためピストンとシリンダが損傷する前にピストンリングを交換する必要があるが、従来の圧縮空気生成部の運転総時間を目安にしたオーバホール法では、ピストンリングのみを交換するための交換時期を明確に把握することが困難であり、しばしばピストンとシリンダを損傷するまで使用し続けてしまうという問題を招いていた。その結果、ピストンリングのみの交換にとどまらず、ピストンとシリンダも含めて圧縮空気生成部全体の部品を交換する事態となり、空気圧縮機の維持費が高額になってしまうという問題があった。

従って、本発明の目的は、ピストンリングが使用限界磨耗量に達した場合、ピストンリングの交換が必要であることを使用者に報知することができる警告回路部を備えた空気圧縮機を提供することにある。

本発明の他の目的は、メンテナンス時にピストンリングのみを交換することによって、圧縮空気生成部全体の部品交換を防止して維持費用の低減を図った空気圧縮機を提供することにある。

上記課題を解決するために、本願では、ピストンリングが使用限界磨耗量に達した後にピストンおよびシリンダが損傷するという事実に着目して発明を完成した。その代表的なものの特徴を説明すれば、次のとおりである。

本発明の一つの特徴によれば、圧縮空気を貯留するタンク部と、シリンダに内装したピストンの往復運動により吸込弁を介して吸入した空気を圧縮して圧縮空気を生成し、前記タンク部に圧縮空気を供給するための圧縮空気生成部と、該圧縮空気生成部を駆動するためのモータを有する駆動部と、該駆動部を制御するための制御回路部と、前記タンク部内の圧縮空気の圧力を検出するための圧力センサとを具備し、前記ピストンのヘッド外周壁には該ピストンと前記シリンダとの間をシーリングするためのピストンリングが装着された空気圧縮機において、前記制御回路部は、前記ピストンリングが磨耗による使用限界に達した場合における、前記タンク部内圧縮空気を第１の基準圧力から第２の基準圧力まで圧力上昇させるために必要な前記圧縮空気生成部の運転時間を表すデータ又は該運転時間に関連するデータを基準データとして予め記憶しておき、且つ、前記制御回路部は、前記圧力センサにより測定された前記タンク部内の圧力が前記第１の基準圧力から前記第２の基準圧力に上昇するまでに要した運転時間を表すデータ又は該運転時間に関連するデータを実測データとして検出して前記基準データと比較することによって、前記実測データの値が前記基準データの値に達した場合に、視覚的或いは聴覚的にピストンリング交換時期であることを報知する警告回路部を制御する。

本発明の他の特徴によれば、前記基準データ及び前記実測データは、前記第１の基準圧力から前記第２の基準圧力に達するまでの運転総時間で表される。

本発明の他の特徴によれば、前記第１の基準圧力から前記第２の基準圧力まで上昇させるのに要する運転時間に関連する基準データ及び実測データは、前記第１の基準圧力から前記第２の基準圧力に達するまでの単位時間当たりの圧力変化率で表される。

本発明の他の特徴によれば、前記第１の基準圧力から前記第２の基準圧力まで上昇させるのに要する運転時間に関連する基準データ及び実測データは、前記第１の基準圧力時より所定時間運転した時の前記タンク部内圧縮空気の圧力の値で表される。

本発明の空気圧縮機によれば、ピストンリングが使用限界磨耗量に達した場合、ピストンリングの交換が必要であることを視覚または聴覚的に使用者に報知することができる。その結果、比較的安価なピストンリングのみの交換によって、高価な圧縮空気生成部全体の部品交換を防止できる。

本発明の上記および他の目的、ならびに上記および他の特徴は、以下の本明細書の記述および添付図面よりさらに明らかにされる。

以下、本発明の実施形態について図１乃至図４を参照して詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。

図１は本発明の空気圧縮機の外観を示す正面図、図２は本発明の空気圧縮機に従う電気的系統及び機械的系統を示すブロック図である。

図１および図２に示すように、本発明にかかる空気圧縮機１は、圧縮空気を貯留するタンク部５と、該タンク部５内の圧縮空気の圧力を検出するための圧力センサ１１と、圧縮空気を生成する圧縮空気生成部（以下、単に「圧縮部」と称する場合がある）４と、該圧縮空気生成部４を駆動するためのモータ（図示なし）を有する駆動部３と、主電源スイッチ１０と、駆動部３を構成するモータの起動・停止（オン・オフ）を制御する制御回路部９とを具備している。

主電源スイッチ１０は、空気圧縮機１に供給される商用交流電源をオン、オフするために設けられる。主電源スイッチ１０を介して供給される交流電源は、直流電源に変換され、制御回路部９および駆動部３等の駆動電源として使用される。

駆動部３を構成するモータは、例えば、直流モータから成り、その駆動回路（図示なし）は制御回路部９によって制御される。すなわち、制御回路部９によって駆動部３のモータがオン、オフ制御される。

制御回路部９は、図示されていないが、マイクロコンピュータから構成され、演算、制御プログラムを実行する中央処理装置（ＣＰＵ）、ＣＰＵの制御プログラム等を格納するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵの作業領域やデータの一時記憶領域などとして利用されるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等の回路機能ブロックを含んでいる。

図２に示されるように、制御回路部９のＣＰＵは、タンク部５に取り付けられた圧力センサ１１より圧縮空気の圧力検出信号を受け、モータを含む駆動部３を制御して、駆動部３の起動（オン）または停止（オフ）を実行する。また、後述するように、制御回路部９は本発明に従って設けられた警告回路９ａを制御して、後述するピストンリング４５ａ、４５ｂ（図３参照）の交換の必要性を報知する機能を有する。

タンク部５は、例えば、紙面を横切る方向において並行に配置された一対の円筒状タンクより構成され、圧縮空気を貯留する。圧縮空気は圧縮空気生成部（圧縮部）４で生成され、その吐出口よりパイプ（空気流通路）６を通してタンク部５内に供給される。供給された圧縮空気は、タンク部５内で、例えば３．０〜４．２ＭＰａの圧力を有する。

タンク部５の一部には安全弁（逃し弁）５ａ（図１参照）が取り付けられており、タンク部５内の圧力が異常に高くなったときに、その圧縮空気の一部を外部に吐出させて、万が一の異常な圧力上昇を防止している。また、タンク部５には、一対の圧縮空気取出口（カプラ）８ａおよび８ｂが設けられており、それらカプラ８ａおよび８ｂの各々には、ホースを介して釘打機等の空気工具１５ａおよび１５ｂ（図２参照）が接続される。

タンク部５のカプラ８ａおよび８ｂ側には、減圧弁１２ａおよび１２ｂがそれぞれ設けられており、タンク部５への圧縮空気の入口側（パイプ６側）の圧力の大きさにかかわらず、タンク部５のカプラ８ａ、８ｂ側圧力を最高圧力以下に一定に抑える機能を持つ。従って、カプラ８ａおよび８ｂには、タンク部５内の圧力にかかわらず、上記の最高圧力以下の圧力を持つ圧縮空気が得られる。

カプラ８ａおよび８ｂの近傍には圧力計７ａおよび７ｂが取り付けられており、カプラ８ａおよび８ｂの近傍の圧力をモニタできるように構成されている。

圧縮部４は、図３に示されるように、シリンダ部４１とピストン部４２から構成される。駆動部３のモータ（図示なし）の回転運動は、クランクケース４１ａによって区画されたクランク軸４３へ伝達され、クランク軸４３の回転運動が連接棒４４によってシリンダ４１内に接触するピストン４２の往復運動に変換される。

ピストン４２（ピストンヘッド）の外周部には一対のピストンリング４５ａ、４５ｂが嵌着され、ピストンリング４５ａ、４５ｂの外周部４６ａ、４６ｂがシリンダ部４１の内周部４１ｄを摺動するように接触し、結果的に、ピストンリング４５ａ、４５ｂは、圧縮室４１ｂの圧縮中の空気がクランク室４１ｃまたは外気へ抜けることを防止するように、圧縮室４１ｂを気密にシーリングする。また、ピストンリング４５ａ、４５ｂは、ピストン４２とシリンダ４１が直接接触して互いに損傷することを防止する機能を有する。

圧縮室４１ｂの上壁部には、空気の吸込弁４７と、圧縮空気の吐出弁４８とが設けられている。これらの吸込弁４７および吐出弁４８は一方向のみに空気を流す逆止弁としての機能を有する。

警告回路部９ａ（図２参照）は、本発明に従って設けられた報知回路で、ピストンリング４５ａ、４５ｂがシリンダ４１内で長時間往復運動を行った結果、ピストンリング４５ａ、４５ｂの外周部４６ａ、４６ｂ（シリンダ４１の内周部４１ｄとの接触部）が磨耗して使用限界磨耗量に達した時に発光ダイオード（ＬＥＤ）等の警告灯を点灯させ、またはブザー等による警告音を発生する回路であり、上記制御回路部９によって制御される。この警告回路部９ａについては後述する。

ピストン４２の往復運動による圧縮空気の生成工程について概略的に説明するならば、まず、ピストン４２がシリンダ４１内の上死点から下死点へ下降運動する吸込工程において、外部空気（大気圧）が吸込弁４７を介して圧縮室４１ｂ内に吸込みられる。

次に、ピストン４２がシリンダ４１内の下死点から上死点へ上昇運動する圧縮工程において、ピストン４２が圧縮室４１ｂ内の吸込み空気を圧縮し、圧縮空気を生成する。

さらに、ピストン４２が圧縮室４１ｂの上死点へ達する吐出工程において、生成された圧縮空気は、吐出弁４８からタンク部５に流通するパイプ６へ吐出される。

以上の吸込工程、圧縮工程および吐出工程をピストンの往復運動により繰り返すことによって、圧縮空気生成部４よりタンク部５に、第１の基準圧力から、許容最高圧力以下である第２の基準圧力までの圧力範囲を持つ圧縮空気を供給することができる。タンク部５内の圧力が予め設定された許容最高圧力（第２の基準圧力）に到達すると、圧力センサ１１の検出信号に基づいて制御回路部９から駆動部３へ停止信号が送信され、駆動部３のモータの運転が停止され、その結果、圧縮部４のピストン４２の往復運動が停止されて圧縮空気の生成が停止される。

上記圧縮部４におけるピストン４２は、そのピストンヘッド外周に取り付けられたピストンリング４５ａ、４５ｂによってピストン４２とシリンダ４１の間を気密にシーリングした状態で、シリンダ４１内を往復動することにより圧縮室４１ｂに圧縮空気を生成する。しかし、このピストンリング４５ａ、４５ｂの外周部４６ａ、４６ｂは、シリンダ４１内の往復運動によりシリンダ内周部４１ｄを摺動するように接触するので、磨耗してしまうという問題がある。

本願発明者は実験検討した結果、図４に示すように、ピストンリング４５ａ、４５ｂの磨耗量が増大するにつれて、タンク部５内の圧縮空気の圧力（タンク内圧力）Ｐを、第１の基準圧力Ｐｒから第２の基準圧力Ｐｍまで上昇させるために必要な駆動部３（または圧縮部４）の運転時間（充填時間）ｔが長くなることを見出した。

すなわち、図４に示す運転時間ｔ対タンク内圧力Ｐ特性において、特性Ａはピストンリングが新品である稼動初期時の特性（ピストンリング初期時）を示し、特性Ｂはピストンリングが長時間稼動により磨耗した限界磨耗時の特性（ピストンリング限界磨耗時）を示す。本願発明者は実験検討した結果、ピストンリング４５ａ、４５ｂの磨耗量が、特性Ａ（ピストンリング初期時）から特性Ｂ（ピストンリング限界磨耗時）へと増大するにつれて、タンク部５内の圧縮空気を第１の基準圧力Ｐｒ（例えば、標準大気圧）より第２の基準圧力（許容最高圧力）Ｐｍ（例えば、３０ＭＰａ）までに上昇させる駆動部３の運転時間（充填時間）ｔは、ＴｆからＴｍ（Ｔｍ＞Ｔｆ）と長くなり、この運転時間ｔが所定の時間Ｔｍを超えると、ピストンリング４５ａ、４５ｂの使用限界磨耗量を超えて、ピストンリング４５ａ、４５ｂの外周部４６ａ、４６ｂが磨耗し、ピストン（ピストンヘッド）４２が、ピストンリング４５ａ、４５ｂを介することなく、シリンダ４１の内周部４１ｄに直接接触してピストン４２とシリンダ４１が互いに損傷に至るという現象を見出した。

このためピストン４２とシリンダ４１が損傷する前にピストンリング４５ａ、４５ｂを交換する必要があるが、従来、ピストンリング４５ａ、４５ｂの適切な交換時期が明確に分からず、ピストン４２とシリンダ４１を損傷するまで使用し続けてしまうという問題を招いていた。

そこで、本発明は、ピストンリング４５ａ、４５ｂが使用限界磨耗量に達した場合、ピストンリング４５ａ、４５ｂの交換が必要であることを報知する警告回路部９ａを設け、制御回路部９によって制御するように構成した。

本発明によれば、制御回路部９は、ピストンリング４５ａ、４５ｂが磨耗による使用限界に達した場合における、タンク部５内圧縮空気を上記第１の基準圧力Ｐｒ（図４参照）から上記第２の基準圧力（許容最高圧力）Ｐｍまで圧力上昇させるために必要な圧縮部４（または駆動部３）の運転時間Ｔｍを表す基準データを、制御回路部９のメモリ部（図示なし）に予め記憶しておく。この基準データは、ピストンリング４５ａ、４５ｂの使用限界磨耗量とタンク内圧力との関係を実験的に求めたものである。

運転監視時において、制御回路部９は、図４の特性Ｃ（実測データ）に示すように、圧力センサ１１によりタンク部５内の圧力Ｐが前記第１の基準圧力Ｐｒから前記第２の基準圧力（許容最高圧力）Ｐｍに上昇するまでの運転時間Ｔａを表す実測データ（時間Ｔａまたは時間Ｔａの関数）を検出する。そして、実測データ（時間Ｔａまたは時間Ｔａの関数）を上記基準データと比較することによって、実測データの運転時間Ｔａが基準データの運転時間Ｔｍに達した場合に、警告回路部９ａ（図２参照）を制御し、視覚的あるいは聴覚的にピストンリング交換時期であること報知する。警告回路部９ａは、実測運転時間Ｔａが基準運転時間Ｔｍに対してＴａ≧Ｔｍの時に、ブザー等を駆動し警告音で報知するか、または発光ダイオード等の警告灯を点灯または点滅させて報知する。

かかる本発明によれば、空気圧縮機のメンテナンスは、ピストンリングのみの交換に留めることが可能となり、ピストンとシリンダも含めて圧縮部全体の部品を交換するという事態を防止し、維持費の低減化を可能とする。

なお、上記実施形態において、第１の基準圧力Ｐｒ（図４参照）から第２の基準圧力Ｐｍまで圧力上昇させるために必要な圧縮部４（または駆動部３）の運転時間Ｔｍを表す基準データは、図４に示すように、運転総時間である時間（Ｔｍ）自体であってもよく、運転時間に対する圧力上昇率（ΔＰｍ／ΔＴｍ）または一定運転時間Ｔｃにおけるタンク内圧力（Ｐｃｍ）であってもよい。また、監視するピストンリングの運転時間Ｔａを表す実測データ（時間Ｔａまたは時間Ｔａの関数）も前記基準データと同様なものであってよい。また、第２の基準圧力は、許容最高圧力に特定する必要がなく、第１の基準圧力より高く許容最高圧力より低い基準圧力に設定してもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

本発明に係る空気圧縮機の実施形態の外観を示す正面図。図１に示した空気圧縮機の機能ブロック図。図１に示した空気圧縮機の圧縮部を構成するピストン構造を示す断面図。図１に示した空気圧縮機の動作を説明するためのタンク部内圧力変化図。

符号の説明

１：空気圧縮機２：電源コード３：駆動部
４：圧縮部（圧縮空気生成部）５：タンク部５ａ：安全弁（逃し弁）
６：パイプ７ａ、７ｂ：圧力計８ａ、８ｂ：圧縮空気取出口（カプラ）
９：制御回路部９ａ：警告回路部１０：主電源スイッチ
１１：圧力センサ１２ａ、１２ｂ：減圧弁
１５ａ、１５ｂ：空気工具（釘打機）４１：シリンダ
４１ａ：クランクケース４１ｂ：圧縮室４１ｃ：クランク室
４１ｄ：シリンダ内周部４２：ピストン４３：クランク軸
４４：連接棒４５ａ、４５ｂ：ピストンリング
４６ａ、４６ｂ：ピストンリング外周部４７：吸込弁４８：吐出弁

Claims

圧縮空気を貯留するタンク部と、シリンダに内装したピストンの往復運動により吸込弁を介して吸入した空気を圧縮して圧縮空気を生成し、前記タンク部に圧縮空気を供給するための圧縮空気生成部と、該圧縮空気生成部を駆動するためのモータを有する駆動部と、該駆動部を制御するための制御回路部と、前記タンク部内の圧縮空気の圧力を検出するための圧力センサとを具備し、前記ピストンのヘッド外周壁には該ピストンと前記シリンダとの間をシーリングするためのピストンリングが装着された空気圧縮機において、
前記制御回路部は、前記ピストンリングが磨耗による使用限界に達した場合における、前記タンク部内圧縮空気を第１の基準圧力から第２の基準圧力まで圧力上昇させるために必要な前記圧縮空気生成部の運転時間を表すデータ又は該運転時間に関連するデータを基準データとして予め記憶しておき、且つ、
前記制御回路部は、前記圧力センサにより測定された前記タンク部内の圧力が前記第１の基準圧力から前記第２の基準圧力に上昇するまでに要した運転時間を表すデータ又は該運転時間に関連するデータを実測データとして検出して前記基準データと比較することによって、前記実測データの値が前記基準データの値に達した場合に、視覚的或いは聴覚的にピストンリング交換時期であることを報知する警告回路部を制御することを特徴とする空気圧縮機。
前記基準データ及び前記実測データは、前記第１の基準圧力から前記第２の基準圧力に達するまでの運転総時間で表されることを特徴とする請求項１に記載された空気圧縮機。
前記第１の基準圧力から前記第２の基準圧力まで上昇させるのに要する運転時間に関連する基準データ及び実測データは、前記第１の基準圧力から前記第２の基準圧力に達するまでの単位時間当たりの圧力変化率で表されることを特徴とする請求項１に記載された空気圧縮機。
前記第１の基準圧力から前記第２の基準圧力まで上昇させるのに要する運転時間に関連する基準データ及び実測データは、前記第１の基準圧力時より所定時間運転した時の前記タンク部内圧縮空気の圧力の値で表されることを特徴とする請求項１に記載された空気圧縮機。