JP5075791B2 - 揺動型圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、揺動型圧縮機に関する。

ピストンがシリンダ内で揺動しつつ往復動する揺動ピストン式の圧縮機において、断面略矩形状のピストンリングを用いたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１５２９６０号公報

上記のような圧縮機においては、高圧・耐久性確保の要求があるが、ピストン自重により、ピストンの揺動方向における一側に偏った力が発生する。そのため、ピストンとシリンダとの隙間が大きくなり、圧縮工程において、この隙間から圧縮流体の漏れを発生するおそれがあった。

したがって、本発明は、さらなる高性能化に対応可能な揺動型圧縮機の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、取付状態におけるピストンリングのリング溝からのはみ出し寸法が、クランクケース側からみて、ピストンの揺動方向の一方側に対して、他方側が大きくなるように構成されている。

また、本発明は、取付状態におけるピストンリングのリング溝からのはみ出し寸法が、クランクケース側からみて、ピストンの揺動方向で略同寸法となり、且つ、圧縮工程で前記ピストンが揺動した状態において、前記ピストンリングの前記リング溝からのはみ出し寸法が、前記クランクケース側からみて、前記揺動方向で略同寸法となるように構成されている。

本発明によれば、さらなる高性能化が可能となる。

以下、本発明の各実施形態に係る揺動型圧縮機を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

「第１実施形態」
まず、本発明の第１実施形態に係る揺動型圧縮機を図１および図２を参照しつつ以下に説明する。

図１において、符号１は、内部にクランク室２が画成されたクランクケースで、このクランクケース１には、電動モータ３の出力軸４の一端側が回転可能に支持されている。そして、電動モータ３の出力軸４のクランク室２内に配置される部分には、この出力軸４とでクランク軸５を構成するクランク部材６が偏心状態で固定されている。

符号１０は、クランクケース１の側部に基端側が取り付けられた円筒状のシリンダで、このシリンダ１０は、水平に配置されて基端側がクランク室２内に開口しており、その内周面１０Ａが後述するピストンリング３０の摺動面となる。また、シリンダ１０の先端側には弁座板１４を介してシリンダヘッド本体１１が搭載され、このシリンダヘッド本体１１内には、図示略の吸込口を介して外部に連通する吸込室１２と、図示略の吐出口を介して外部に連通する吐出室１３とが画成されている。

符号１４は、シリンダ１０とシリンダヘッド本体１１との間に挟持された上記の弁座板で、この弁座板１４には、吸込室１２を後述の圧縮室２５に連通させる吸込穴１４Ａと、吐出室１３を後述する圧縮室２５に連通させる吐出穴１４Ｂとが形成されている。また、弁座板１４にはリード弁としての吸込弁１５および吐出弁１６が取り付けられ、これら吸込弁１５および吐出弁１６は、基端側がネジ等を介して弁座板１４に固定された固定端となり、先端側は自由端となって、吸込穴１４Ａ、吐出穴１４Ｂをそれぞれ開閉する。なお、シリンダヘッド本体１１と弁座板１４とでシリンダヘッド１７が構成されている。

符号２１は、シリンダ１０内に摺動可能に挿嵌された揺動式のピストンで、このピストン２１は、その一端側にあってクランク室２内に位置して偏心回転するクランク部材６に対して軸受２２を介して回転可能に連結された円環状の連結部２３と、この連結部２３にその半径方向に延出するように一体形成されてシリンダ１０内へと伸長した棒状のピストンロッド部２４と、ピストン２１の他端側にあってピストンロッド部２４に一体形成され、シリンダ１０内を揺動しつつ往復動してシリンダヘッド１７との間に圧縮室２５を画成する円盤部２６とを有している。

円盤部２６には外周側に円環状のリング溝２７が形成されており、これにより、円盤部２６には、リング溝２７を間に形成するように、ピストンロッド部２４とは反対側にフランジ部２８が、ピストンロッド部２４側にフランジ部２９がそれぞれ形成されている。そして、両フランジ部２８，２９の間のリング溝２７に、ピストン２１とシリンダ１０との間をシールするピストンリング３０が装着されている。なお、リング溝２７には、そのクランク軸方向の一端側に、ピストンリング３０を位置決めし回り止めする位置決め凸部３１が形成されている。

ピストンリング３０は、耐摩耗性および自己潤滑性に優れた樹脂材料によって略円環状に形成されている。ピストンリング３０は、断面略矩形状で、径方向幅が全周にわたって一定となっている。また、ピストンリング３０には、その周方向の途中部位に合口部３３が形成されており、合口部３３によってシール性を維持しつつ拡縮径可能となっている。また、ピストンリング３０には、合口部３３とは１８０°異なる位置に内周側から半径方向に凹む位置決め凹部３４が形成されており、位置決め凹部３４に上記した位置決め凸部３１が嵌合することでピストンリング３０がピストン２１に対して回転方向に位置決めされて回り止めされる。つまり、位置決め凸部３１および位置決め凹部３４がピストン２１に対してピストンリング３０が回転しようないようにする回り止め機構３５を構成している。

ピストン２１は、クランク部材６の回転によって連結部２３が偏心回転することと、円盤部２６に保持されたピストンリング３０がシリンダ１０の内周面１０Ａで摺動案内されることとによって、円盤部２６がクランク軸直交方向に揺動しつつシリンダ１０内を往復動する。

そして、第１実施形態において、円盤部２６は、連結部２３およびピストンロッド部２４の中心軸線、つまりピストン２１の中心軸線に対して、先端側のフランジ部２８が同心で一定外径の円環状をなしており、リング溝２７の内径も同心で一定径となっている。他方、他側のフランジ部２９は、クランク軸直交方向の一端部となる下端部（自重方向の端部）がフランジ部２８と径方向の位置を合わせており、クランク軸直交方向の他端部となる上端部（自重方向とは反対の端部）がフランジ部２８よりも径方向外側まで突出する形状をなしている。具体的に、他側のフランジ部２９は、ピストン２１の中心軸線に対して下側の半分がフランジ部２８と同外径で一定径の半円状となっており、ピストン２１の中心軸線に対して上側の半分が上側ほど大径となる半楕円状となっている。これにより、フランジ部２９は、自重方向の外径よりも自重方向とは反対側の外径が大きくなっている。

このような形状の円盤部２６に対して、ピストンリング３０は、上記したように径方向幅が全周にわたって一定となっている。その結果、ピストンリング３０が円盤部２６に取り付けられた取付状態にあり、しかも、図１に示すピストン２１の中心軸線がシリンダ１０の中心軸線に一致する状態にあるとき、ピストンリング３０のリング溝２７からのはみ出し寸法、つまりフランジ部２９からのはみ出し寸法は、クランクケース１側からみて、ピストン２１の揺動方向の一方側である上側の寸法Ｂに対して、他方側である下側の寸法Ｄの方が大きくなるように構成されている（つまりＢ＜Ｄ）。ここで、この状態で、ピストンリング３０のリング溝２７との隙間寸法は、クランクケース１側からみて、ピストン２１の揺動方向の一方側である上側の寸法Ａと、他方である下側の寸法Ｃとが等しくなるように構成されている（つまり、Ａ＝Ｃ）。さらに、Ａ＜Ｂとなり、Ｃ＜Ｄとなるように構成されている。また、ピストンリング３０の内径中心とリング溝２７の内径の中心とが一致した状態でも、寸法Ｂに対して寸法Ｄの方が大きくなる。

第１実施形態に係る揺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。

電動モータ３が回転駆動されると、その出力軸４に固定されたクランク部材６が偏心回転運動を行う。すると、このクランク部材６に軸受２２を介して回転可能に連結されたピストン２１が、その円盤部２６およびピストンリング３０をシリンダ１０内で水平方向に往復動させる。そして、吸入行程では、円盤部２６およびピストンリング３０のシリンダヘッド１７とは反対方向への移動で圧縮室２５が拡大し吐出弁１６は閉状態のまま吸込弁１５を開いて気体（流体）を圧縮室２５に導入する。続く圧縮行程では、円盤部２６およびピストンリング３０のシリンダヘッド１７の方向への移動で圧縮室２５が縮小し吸込弁１５は閉状態のまま吐出弁１６を開いて圧縮室２５から圧縮気体をシリンダヘッド１７内の吐出室１３に吐出する。

以上の作動中、円盤部２６およびピストンリング３０は、シリンダ１０内で揺動しながら往復動する。

つまり、図１に示すように、最も圧縮室２５を拡大した下死点ではピストン２１とシリンダ１０とが同軸となっており（このとき、Ｂ＜Ｄ，Ａ＜Ｂ，Ｃ＜Ｄ，Ａ＝Ｃ）、この状態から圧縮行程を行うべくクランク部材６が図２（ａ）のように反時計回りに回転し、圧縮室２５を縮小させる方向に円盤部２６およびピストンリング３０を移動させると、上死点と下死点との中間まで連結部２３が上側に移動しながら偏心回転し、上死点と下死点との中間で連結部２３が最も上側に位置する。このとき、円盤部２６はシリンダ１０の中心軸線に対し最も傾斜することになる。

続いて、上死点に向かう最中に、図２に示すように、円盤部２６には、自重による力と揺動による遠心力とで下向きの最大力Ｆが発生することになり、その結果、円盤部２６が、リング溝２７の下端部をピストンリング３０の内周面に当接させる最も下側位置（シリンダ１０の中心からの距離を最大とする位置）に位置することになる。この状態で、ピストンリング３０のリング溝２７からのはみ出し寸法、つまりフランジ部２９からのはみ出し寸法は、クランクケース１側からみて、ピストンの揺動方向の一方側である上側の寸法がＡ＋Ｂとなり、他方である下側の寸法がＤ−Ｃとなり、Ａ＋Ｂ＝Ｄ−Ｃとなる。その後、最も圧縮室２５を縮小した上死点では、ピストン２１とシリンダ１０とが同軸となって圧縮行程が終了する。

円盤部２６が上死点にある状態からクランク部材６が吸入行程を行うべく回転するとピストン２１は圧縮室２５を拡大させる方向に円盤部２６およびピストンリング３０を移動させることになり、上死点と下死点との中間まで、連結部２３が下側に移動しながら偏心回転し、上死点と下死点との中間で最も連結部２３が最も下側に位置する。このとき、円盤部２６はシリンダ１０の中心軸線に対し最も傾斜することになる。

続いて、下死点に向かうにしたがって連結部２３は中央に戻ることになり、最も圧縮室２５を拡大した下死点では、ピストン２１とシリンダ１０とが同軸となって吸入行程が終了する（このとき、Ｂ＜Ｄ，Ａ＜Ｂ，Ｃ＜Ｄ，Ａ＝Ｃ）。

以上に述べた第１実施形態の揺動型圧縮機によれば、ピストン２１とシリンダ１０とが同軸となる状態で、ピストンリング３０のリング溝２７からのはみ出し寸法は、クランクケース１側からみて、ピストン２１の揺動方向の一方側の寸法Ｂに対して、他方の寸法Ｄが大きくなるように構成されているため、上記のように、自重および揺動方向の力によって円盤部２６がピストン２１の揺動方向の他方側に偏ってピストンリング３０の一方側の突出量が増えることがあっても、この突出量つまりピストン２１とシリンダ１０との隙間が大きくなり過ぎることがなく、ピストンリング３０を圧縮室２５とは反対側からフランジ部２９で確実に押さえることができる。したがって、容量アップに伴うピストン径の拡大でピストン２１の重量が増加したり、更なる高圧化により圧縮室２５の内部の圧力が上昇した場合、圧縮工程時に、ピストン２１の揺動による遠心力およびピストン２１の自重により、揺動方向における他方側に偏った力が比較的大きく発生することがあっても、一方側のピストン２１とシリンダ１０との隙間が大きくなることがなく、この隙間から圧縮流体の漏れが発生することを防止できる。したがって、さらなる高性能化に対応可能となる。

なお、以上の第１実施形態において、フランジ部２８をフランジ部２９と同形状としても良い。

「第２実施形態」
次に、本発明の第２実施形態に係る揺動型圧縮機を主に図３および図４を参照しつつ以下に説明する。なお、第１実施形態と同様の部分は同一称呼、同一符号としてその説明は略す。

第２実施形態においては、図３に示すように、円盤部２６が、連結部２３およびピストンロッド部２４の中心軸線、つまりピストン２１の中心軸線に対して、先端側のフランジ部２８が同心で一定外径の円環状をなしており、他側のフランジ部２９も同心でフランジ部２８と同じ一定外径の円環状をなしている。他方、リング溝２７の内径の中心軸線が、ピストン２１の中心軸線つまりフランジ部２８，２９を主体とする円盤部２６の中心軸線（リング溝２７の外径中心）に対して、揺動方向他方側である下側（自重方向）にオフセット、つまり偏心している。

このような形状の円盤部２６に対して、ピストンリング３０は、上記したように径方向幅が全周にわたって一定となっている。その結果、ピストンリング３０が円盤部２６に取り付けられた取付状態にあり、しかも、図３に示すピストン２１の中心軸線がシリンダ１０の中心軸線に一致する状態にあるとき、ピストンリング３０のリング溝２７からのはみ出し寸法は、クランクケース１側からみて、ピストン２１の揺動方向の一方側である上側の寸法Ｂと他方側である下側の寸法Ｄとが略同寸法、つまり揺動方向で略同寸法となるように構成されている（つまりＢ＝Ｄ）。ここで、この状態で、ピストンリング３０のピストン２１の揺動方向の一方側である上側のリング溝２７との隙間寸法Ａが、ピストン２１の揺動方向の一方側である上側の寸法Ｂより小さくなるように構成されている（つまり、Ａ＜Ｂ）。さらに、この状態で、ピストンリング３０のピストン２１の揺動方向の他方側である下側のリング溝２７との隙間寸法は寸法Ａよりも小さく実質的に０となるように構成されている。

そして、第２実施形態においても、上死点に向かう圧縮行程の最中に、図４に示すように、円盤部２６には、自重による力と揺動による遠心力とで下向きの最大力Ｆが発生することになるが、上記したように、ピストンリング３０のピストン２１の揺動方向の他方側である下側のリング溝２７との隙間寸法は実質的に０となるように構成されていることから、円盤部２６は、下方向に移動することはない。つまり、この状態でも、ピストンリング３０のリング溝２７からのはみ出し寸法、つまりフランジ部２９からのはみ出し寸法は、クランクケース１側からみて、ピストンの揺動方向の一方側である上側の寸法がＢで変化せず、他方である下側の寸法がＤで変化せず、Ｂ＝Ｄの関係、つまり揺動方向で略同寸法の状態が維持されるように構成されている。

以上に述べた第２実施形態の揺動型圧縮機によれば、ピストン２１とシリンダ１０とが同軸となる状態で、ピストンリング３０のリング溝２７からのはみ出し寸法は、クランクケース１側からみて、ピストン２１の揺動方向の一方側の寸法Ｂと他方側の寸法Ｄとが略同寸法となり、且つ、圧縮工程でピストン２１が揺動した状態においても、ピストンリング３０のリング溝２７からのはみ出し寸法は、クランクケース１側からみて、ピストン２１の揺動方向の一方側の寸法Ｂと他方側の寸法Ｄとが略同寸法となるため、上記のように、自重および揺動方向の力によって円盤部２６にピストン２１の揺動方向の他方側に偏る力が増大しても、ピストン２１とシリンダ１０との隙間が大きくなり過ぎることがなく、ピストンリング３０を圧縮室２５とは反対側からフランジ部２９で確実に押さえることができる。したがって、容量アップに伴うピストン径の拡大でピストン２１の重量が増加したり、更なる高圧化により圧縮室２５の内部の圧力が上昇した場合、圧縮工程時に、ピストン２１の揺動による遠心力およびピストン２１の自重により、揺動方向における他方側に偏った力が比較的大きく発生することがあっても、一方側のピストン２１とシリンダ１０との隙間が大きくなることがなく、この隙間から圧縮流体の漏れが発生することを防止できる。したがって、さらなる高性能化に対応可能となる。

また、リング溝２７の中心が、円盤部２６の中心に対して、揺動方向にオフセットされていることで、上記寸法関係を実現するため、特殊なピストンリング３０が不要となる。

「第３実施形態」
次に、本発明の第２実施形態に係る揺動型圧縮機を主に図５および図６を参照しつつ以下に説明する。なお、第２実施形態と同様の部分は同一称呼、同一符号としてその説明は略す。

第３実施形態においては、図５に示すように、円盤部２６は、連結部２３およびピストンロッド部２４の中心軸線、つまりピストン２１の中心軸線に対して、リング溝２７の内径の中心軸線が同心で一定外径となっている。

このような形状の円盤部２６に対して、第３実施形態のピストンリング３０は、径方向幅が全周にわたって一定しておらず、揺動方向の一方側である上側に対して、他方側である下側が大きくなるように構成されている。つまり、ピストンリング３０の径方向幅は、揺動方向の一方側端部である上端部が最も薄く、揺動方向の他方側端部である下端部が最も厚くなるように円周方向に沿って徐々に拡大するようになっている。これにより、ピストンリング３０は外径の中心に対して内径の中心が自重方向とは反対にオフセット、つまり偏心している。

その結果、ピストンリング３０が円盤部２６に取り付けられた取付状態にあり、しかも、図５に示すピストン２１の中心軸線がシリンダ１０の中心軸線に一致する状態にあるとき、ピストンリング３０のリング溝２７からのはみ出し寸法は、クランクケース１側からみて、ピストン２１の揺動方向の一方側である上側の寸法Ｂと他方側である下側の寸法Ｄとが略同寸法、つまり揺動方向で略同寸法となるように構成されている（つまりＢ＝Ｄ）。ここで、この状態で、ピストンリング３０のピストン２１の揺動方向の一方側である上側のリング溝２７との隙間寸法Ａが、ピストン２１の揺動方向の一方側である上側の寸法Ｂより小さくなるように構成されている（つまり、Ａ＜Ｂ）。さらに、この状態で、ピストンリング３０のピストン２１の揺動方向の他方側である下側のリング溝２７との隙間寸法は寸法Ａよりも小さく実質的に０となるように構成されている。

そして、第３実施形態においても、上死点に向かう圧縮行程の最中に、図６に示すように、円盤部２６には、自重による力と揺動による遠心力とで下向きの最大力Ｆが発生することになるが、上記したように、ピストンリング３０のピストン２１の揺動方向の他方側である下側のリング溝２７との隙間寸法は実質的に０となるように構成されていることから、円盤部２６は、下方向に移動することはない。つまり、この状態でも、ピストンリング３０のリング溝２７からのはみ出し寸法、つまりフランジ部２９からのはみ出し寸法は、クランクケース１側からみて、ピストン２１の揺動方向の一方側である上側の寸法がＢで変化せず、他方である下側の寸法がＤで変化せず、Ｂ＝Ｄの関係、つまり揺動方向で略同寸法の状態が維持されるように構成されている。

以上に述べた第３実施形態の揺動型圧縮機によれば、ピストン２１とシリンダ１０とが同軸となる状態で、ピストンリング３０のリング溝２７からのはみ出し寸法は、クランクケース１側からみて、ピストン２１の揺動方向の一方側の寸法Ｂと他方側の寸法Ｄとが略同寸法となり、且つ、圧縮工程でピストン２１が揺動した状態においても、ピストンリング３０のリング溝２７からのはみ出し寸法は、クランクケース１側からみて、ピストン２１の揺動方向の一方側の寸法Ｂと他方側の寸法Ｄとが略同寸法となるため、上記のように、自重および揺動方向の力によって円盤部２６にピストン２１の揺動方向の他方側に偏る力が増大しても、ピストン２１とシリンダ１０との隙間が大きくなり過ぎることがなく、ピストンリング３０を圧縮室２５とは反対側からフランジ部２９で確実に押さえることができる。したがって、容量アップに伴うピストン径の拡大でピストン２１の重量が増加したり、更なる高圧化により圧縮室２５の内部の圧力が上昇した場合、圧縮工程時に、ピストン２１の揺動による遠心力およびピストン２１の自重により、揺動方向における他方側に偏った力が比較的大きく発生することがあっても、一方側のピストン２１とシリンダ１０との隙間が大きくなることがなく、この隙間から圧縮流体の漏れが発生することを防止できる。したがって、さらなる高性能化に対応可能となる。

また、ピストンリング３０の径方向幅が、揺動方向の一方側に対して、他方側が大きくなるようにして、上記寸法関係を実現するため、特殊なピストン２１が不要となる。

しかも、ピストンリング３０がピストン２１に対して回り止め機構３５で回り止めされるため、ピストンリング３０の回転方向位置をピストン２１の揺動方向に対して規定できる。

本発明の第１実施形態に係る揺動型圧縮機を示すもので、（ａ）は全体断面図、（ｂ）は円盤部およびピストンリングを示す（ａ）におけるＸ１−Ｘ１線に沿う断面図である。 本発明の第１実施形態に係る揺動型圧縮機を示すもので、（ａ）は全体断面図、（ｂ）は円盤部およびピストンリングを示す（ａ）におけるＸ２−Ｘ２線に沿う断面図である。 本発明の第２実施形態に係る揺動型圧縮機を示すもので、（ａ）は全体断面図、（ｂ）は円盤部およびピストンリングを示す（ａ）におけるＸ３−Ｘ３線に沿う断面図である。 本発明の第２実施形態に係る揺動型圧縮機を示すもので、（ａ）は全体断面図、（ｂ）は円盤部およびピストンリングを示す（ａ）におけるＸ４−Ｘ４線に沿う断面図である。 本発明の第３実施形態に係る揺動型圧縮機を示すもので、（ａ）は全体断面図、（ｂ）は円盤部およびピストンリングを示す（ａ）におけるＸ５−Ｘ５線に沿う断面図である。 本発明の第３実施形態に係る揺動型圧縮機を示すもので、（ａ）は全体断面図、（ｂ）は円盤部およびピストンリングを示す（ａ）におけるＸ６−Ｘ６線に沿う断面図である。

符号の説明

１ クランクケース
５ クランク軸
１０ シリンダ
１７ シリンダヘッド
２１ ピストン
２３ 連結部
２５ 圧縮室
２６ 円盤部
２７ リング溝
３０ ピストンリング
３５ 回り止め機構

Claims (5)

1. 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シリンダヘッドが搭載されるシリンダと、
   一端側が前記クランク軸に回転可能に連結される連結部となり他端側が前記シリンダ内を揺動しつつ往復動し前記シリンダヘッドとの間に圧縮室を画成する円盤部となったピストンと、
   前記円盤部の外周側のリング溝に装着されて前記ピストンと前記シリンダとの間をシールするピストンリングとからなる揺動型圧縮機において、
   取付状態における前記ピストンリングの前記リング溝からのはみ出し寸法は、前記クランクケース側からみて、前記ピストンの揺動方向の一方側に対して、他方側が大きくなるように構成されていることを特徴とする揺動型圧縮機。
2. 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シリンダヘッドが搭載されるシリンダと、
   一端側が前記クランク軸に回転可能に連結される連結部となり他端側が前記シリンダ内を揺動しつつ往復動し前記シリンダヘッドとの間に圧縮室を画成する円盤部となったピストンと、
   前記円盤部の外周側のリング溝に装着されて前記ピストンと前記シリンダとの間をシールするピストンリングとからなる揺動型圧縮機において、
   取付状態における前記ピストンリングの前記リング溝からのはみ出し寸法は、前記クランクケース側からみて、前記ピストンの揺動方向で略同寸法となり、且つ、圧縮工程で前記ピストンが揺動した状態において、前記ピストンリングの前記リング溝からのはみ出し寸法が、前記クランクケース側からみて、前記揺動方向で略同寸法となるように構成されていることを特徴とする揺動型圧縮機。
3. 前記リング溝の中心が、前記円盤部の中心に対して、前記揺動方向にオフセットされていることを特徴とする請求項２に記載の揺動型圧縮機。
4. 前記ピストンリングの径方向幅が、前記揺動方向の一方側に対して、他方側が大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の揺動型圧縮機。
5. 前記ピストンに対して前記ピストンリングが回転しようないように回り止め機構が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の揺動型圧縮機。

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