JP5179586B2 - 一体式流体交換回転ディスクバルブを備えた往復ピストンシリンダヘッドカバー - Google Patents

Description

本発明は一般的に液体圧縮機械に関し、より詳細には、内燃機関やガス圧縮機等の機械における円筒形圧縮チャンバへの流体の流出入の制御に関する。

流体圧縮機械は一般的に、シリンダ内を往復するピストンと、シリンダヘッド又はシリンダヘッドカバー（本明細書ではどちらもシリンダヘッドカバーとする）とを含む。シリンダヘッドカバーは、空気圧縮機、ガス圧縮機、及び内燃機関で用いられることでよく知られている。前記シリンダヘッドカバーは一般的に、時にはバルブを介して、流体（ガス、液体、又はこれらの組合せ）が前記シリンダへ流入したり、前記シリンダから流出したりすることを可能にする。バルブは流体が複数の方向に流れることを可能とし、あるいは、単一方向であり得る（例えば、逆止弁）。

本開示は流体交換回転ディスクバルブを備えた往復ピストンシリンダヘッドカバーについて説明する。該シリンダヘッドカバーは、現状のシリンダヘッドの設計より静かで効率的に、前記シリンダへ流入し、かつ前記シリンダから流出する流体を制御するために、回転ディスクバルブを含んでいる。前記カバーは、望ましくは、表面に第一及び第二の溝を有する第一プレートを備え、前記第一及び第二の溝は、前記第一プレートの底面を貫通する第一の開口において、前記プレート内で共に結合されている。第二プレートが前記第一プレート上に固定されている。前記第二プレートは一対の貫通孔を備え、各々は前記第一プレートの第一及び第二の溝のうち一つと整合している。第四プレートが前記第二プレート上に固定され、前記第二及び第四プレートの間にキャビティを形成している。前記第四プレートは、前記第二プレートを貫通する孔と整合する一対の離間した貫通孔を備えている。回転する第三プレートが前記第二及び第四プレートの間に回転可能な状態で配置されている。前記第三プレートは、前記第二プレートを貫通する前記対の孔のうちの一つと順次整合するための一対の離間した貫通孔を備えている。前記第三プレートが一回転する間に、前記第三プレートを貫通する各孔は前記第二及び第四プレートを貫通する各孔と整合する。

例示的な一例は、ピストンを有するシリンダに用いるためのシリンダヘッドカバーであり、ピストンは前記シリンダを通る軸線に沿って往復する。この例示的カバーは、共に積層され、かつ軸線方向に沿って整合された固定式の第一、第二、及び第四のディスク状プレートと、前記第二及び第四プレートの間に包囲された回転式の第三プレートとを備えている。前記第一プレートは、該プレートを前記シリンダ上に設置する際に前記ピストンの軸線に沿って整合するように配置されることが望ましい一つの貫通孔を備えている。この孔は前記第一プレートの底面から該プレートを通り、前記第一プレートの上面を通ってＶ字形溝内に分岐する。前記固定式の第二プレートは前記第一プレート上に軸線方向に沿って配置されている。前記第二プレートは、平坦な底面と、前記第一プレートに固定された周囲のリム部と、中央の軸線方向の凹部とを備えている。前記中央の軸線方向の凹部は一対の離間した貫通孔を備え、各々は前記第一プレートの上面の前記Ｖ字形溝の異なる端部に整合され、かつ連通する。前記第二プレートの中央の凹部はその上面に、下側の環状ラジアル軸受を収納する貫通していない軸線方向の中央孔を備えている。

前記固定式の第四プレートは前記第二プレートのリム部に固定され、それによって前記シリンダに固定され、かつ前記第四プレート及び前記第二プレートの中央部の間にキャビティを形成し、該キャビティは前記第三プレート、即ち回転バルブプレートを受入れる。前記第四プレートは中央の軸線方向の貫通孔と二つの離間した貫通孔とを備え、前記各貫通孔は前記中央の貫通孔と平行であり、かつ前記中央の貫通孔から離間しており、互いに弓形形状に沿って離間している。前記中央の貫通孔は、上側のラジアル軸受を受入れ、かつ支持する軸受凹部を備えている。

前記第三プレートは、前記上側及び下側軸受を備えた中央軸シャフトを有し、前記両軸受はその間に前記回転式の第三プレートを挟んでいる。前記回転式の第三プレートは、前記第二及び第四プレートの間に形成されるキャビティ内に配置されている。前記回転式の第三プレートは一対の貫通したポートを備え、それによって、前記シャフトが前記第三プレートを回転させる際に、前記ポートは順次前記固定式の第二及び第四プレートを貫通する孔と整合する。前記シリンダヘッドカバーが適用される特定の圧縮機システムの動作で要求されるタイミングに応じて、これらのポートは円状、楕円状、又は長尺状であることができ、前記軸の両側に直径方向に沿って離間しているか、あるいは弓形形状に沿って離間していることができる。

以下の詳細な説明を読み、関連の図面を見ることによって、これらの特徴及び様々な他の特徴と利点とが明らかになる。さらなる特徴が以下の記載で説明され、かつ記載から明らかになり、あるいは記載された実施形態を実施することによって理解される。このような利点や特徴は明細書、特許請求の範囲、及び添付の図面において特に指摘する構成によって実現され、かつ達成される。

前述の一般的な記載及び以下の詳細な記載の両方は例示的かつ説明的なものであり、特許請求の範囲で定義される発明のさらなる説明を提供するものである。

本出願の一部を形成する図面は以下で説明するシリンダヘッドカバーの実施形態を示すものであり、いかなる形でも本開示の権利範囲を限定するものではない。本開示の権利範囲は特許請求の範囲に基づく。
本願の一実施形態による圧縮機シリンダの上部に連結されたシリンダヘッドカバーを備えた圧縮機の側方から見た斜視図である。 図１に示す圧縮機から分離された第一プレートの上面の斜視図である。 図２に示す第一プレートの下方から見た斜視図である。 第一プレートだけが圧縮機シリンダ上に設置された図１に示す圧縮機の斜視図である。 図１に示す圧縮機から分離されたシリンダヘッドカバーの第二プレートの上方から見た斜視図である。 図５の第二プレートの下方から見た斜視図である。 シリンダヘッドカバーの第一及び第二プレートがシリンダ上に設置された図１に示す圧縮機の斜視図である。 図１に示す圧縮機から分離されたシリンダヘッドカバーの第三プレート、即ちバルブプレートの一実施形態の下方から見た斜視図である。 図８に示すシリンダヘッドカバーのバルブプレート、即ち第三プレートの上方から見た斜視図である。 第一、第二、及び第三プレートが圧縮機シリンダの上部上に設置された図１に示す圧縮機シリンダの上方から見た斜視図である。 図１に示す圧縮機シリンダから分離したシリンダヘッドカバーの第四プレートの上方から見た斜視図である。 図１１に示す第四プレートの下方から見た斜視図である。 本開示のシリンダヘッドカバーの第一、第二、第三、及び第四プレートがシリンダ上に設置された図１に示す圧縮機シリンダの斜視図である。

さて、添付の図面を参照して、本開示の様々な関連する実施形態を詳細に説明する。
図１は圧縮機の上部に連結されたシリンダヘッドカバーの一実施形態を示す。図に示す実施形態において、前記シリンダヘッドカバー（２）は圧縮機シリンダ（１）の上部に配置されている。前記シリンダヘッドカバー（２）は第一プレート（３）と、第二プレート（４）と、第三プレート（５）（図示せず）と、第四プレート（６）とを備えている。前記第三プレート（５）には軸（１１）が連結されている。以下の図面及び記載はこれらの構成部品をさらに詳細に説明する。本明細書で用いられるプレートという用語はディスクと同義語である。

図２は図１のシリンダヘッドカバー（２）の第一プレート（３）の一実施形態の上方から見た分解斜視図である。前記シリンダヘッドカバー（２）の第一プレート（３）は貫通した一つの軸線方向に沿った孔、即ち開口（１８）を備え、前記第一プレートの上面のＶ字形溝（１９）の頂点と結合している。流体は前記一つの開口（１８）を介して、前記圧縮機シリンダ（１）へ流入し、かつ前記圧縮機シリンダ（１）から流出する。図に示す実施形態において、前記Ｖ字形溝（１９）の角度は９０度より大きい。図３はこの第一プレート（３）の下方から見た斜視図である。一実施形態において、前記開口（１８）は前記第一プレート（３）の中心と軸線方向に沿って整合されている。別の実施形態において、前記開口（１８）は前記第一プレート（３）の中心と軸線方向に沿って整合されていない。別の実施形態において、二つの溝（１９）が前記第一プレート（３）の底面の一つの開口（１８）と結合している。

図４は前記圧縮機シリンダの上部に連結された前記第一プレートを備えた前記圧縮機（１）の斜視図である。図に示す実施形態において、前記第一プレート（３）は前記圧縮機（１）より大きな直径を有している。図に示す実施形態において、望ましくは、前記開口（１８）はピストン（図示せず）及び／又は前記圧縮機（１）の軸線方向に沿って整合する。従って、前記圧縮機（１）へ流入する流体及び前記圧縮機（１）から流出する流体は前記ピストン移動の軸線に沿って整合され、それにより、ピストンにかかるトルクが最小化される。前記開口即ちポート（１８）が前記ピストンに整合されない場合、前記ピストンにかかるトルクによって、前記ピストンが前記圧縮機（１）の内側と擦れ、従って、摩擦力が増加し、圧縮機の寿命が縮み、圧縮機の効率が低下する。さらに、前記圧縮機から流出する流体は前記開口（１８）を通過し、かつ前記溝（１９）を通って二方向に進むことができる。前記開口（１８）を介して前記圧縮機（１）に流入する流体は両側の前記Ｖ字形溝（１９）を介して流入可能である。

図５はシリンダヘッドカバーの第二プレートの一実施形態の上方から見た分解斜視図である。前記第二プレート（４）は、中央部（１４）と、隆起した環状リム部（１５）と、前記中央部（１４）において内部にころ軸受（８）（例えば、ジャーナルころ軸受）を収納する貫通していない中央凹部（９）とを備えた平坦なプレートである。前記ころ軸受（８）の目的は、以下でさらに説明する第三プレートの軸の下端を支持することにある。前記第二プレート（４）は二つの離間した開口（７）を有している。これらの開口は、前記第二プレート（４）を前記第一プレート（３）上に設置する際に、前記Ｖ字形溝（１９）の両端部に整合する空間である。流体は一つの開口（７）を通過し、かつ前記他の開口（７）から流出する。前記第二プレート（４）は、前記第二プレート（４）が前記第三プレート（図８〜１０参照）を支持可能とし、かつ前記第三プレート（５）を前記第二プレート（４）に対して回転可能とするころ軸受（８）、又は他の低摩擦システムを備えることもできる。

図６は図５の前記第二プレートの底面図を示し、底面が平坦であることを示している。
図７は、前記第一プレート（３）及び前記第二プレート（４）が前記圧縮機シリンダ（１）上に設置されている状態を示す図１の斜視図である。

図８は、本開示によるシリンダヘッドカバー（２）の前記第三プレート、即ち回転バルブ又は回転プレート（５）の下方から見た分解斜視図である。図に示す実施形態において、前記第三プレート（５）は前記プレート（５）の中心を通って延びる下部（１２）を備えた軸シャフト（１１）を含んでいる。前記軸（１１）は前記プレート（５）に固定されている。前記軸（１１）の下部（１２）は前記ころ軸受（８）内に配置され、前記プレート（５）は、以下で説明するように、前記リム部（１５）の内側と離間し、かつ前記第二プレート（４）と前記第四プレート（６）との間に挟まれる。図に示す実施形態において、前記第三プレート（５）は、望ましくは直径方向に離間した二つの楕円状開口（１０）を備えている。

図９は、図８の前記軸シャフト（１１）上の前記第三（即ち回転）プレート（５）の上方から見た斜視図である。前記第三プレート（５）は、図７に示すように前記第二プレート（４）の中央部（１４）内に配置された前記下側ころ軸受（８）と同様の上側ころ軸受（８）も含んでいる。

図１０は、前記圧縮機シリンダ（１）上に設置された本開示によるシリンダヘッドカバー（２）の前記第一、第二、及び第三プレートを示す。この図において、前記第三プレート（５）は、前記ころ軸受（８）を介して、前記第二プレート（４）と回転可能な状態で連結されている。前記第三プレート（５）の直径は前記第二プレート（４）のリム部（１５）の内径より小さい。従って、前記第三プレート（５）は前記第二プレート（４）のリム部（１５）内に適合する。図に示す実施形態において、前記楕円状開口（１０）は、前記第二プレート（４）の開口（７）に整合するような、前記第三プレートの中心からの半径を有している。

一実施形態において、前記第三プレート（５）は前記ピストンと同期した状態で前記軸（１１）と共にスピン、又は回転する。前記ピストンのサイクルの途中で、前記第三プレート（５）の一つの開口（１０）は前記第二プレート（４）の一つの開口（７）と整合する。従って、流体は前記圧縮機（１）に流入、又は前記圧縮機（１）から流出することができる。前記第三プレート（５）の他の開口（１０）は前記第二プレート（４）の他の開口（７）と整合せず、流体が前記他の開口（７）を通過することはない。従って、一組の開口（７）及び（１０）が流出入する流体に対して開いている時は常に、他の組の開口（７）及び（１０）は閉じている。前記第三プレート（５）がスピンする際に、前記開口（１０）の各々は、望ましくは回転中に一度、前記第二プレート（４）の開口（７）の各々を横切り、かつ整合する。

図１１は本開示に従うシリンダヘッドカバー（２）の第四プレートの一実施形態の上方から見た分解斜視図である。前記第四プレート（６）は中央の軸線方向の貫通孔（１７）及び一対の離間した貫通流入／流出開口、即ちポート（１６）を備えた平坦なディスク状のプレートである。図１２は図１１の前記第四プレートの下方から見た斜視図である。また、前記第四プレート（６）の底面は、上面と同様に、平坦である。前記中央の軸線方向の貫通孔（１７）は、前記第四プレート（６）が前記第二プレート（４）上に設置される際に前記軸（１１）上の上側ころ軸受（８）を受入れ、かつ支持するように寸法決めされた円状凹部を有している。

図１３は、シリンダヘッドカバーの第一、第二、第三、及び第四プレートが設置された前記圧縮機（１）の組立て斜視図であり、前記第一プレートは前記圧縮機の上部に連結されている。図に示す実施形態において、前記第三プレート（５）は前記第二プレート（４）及び前記第四プレート（６）の間に形成されたチャンバ内に配置されているため、見えない。前記第三プレート（５）に取付けられた軸（１１）だけが前記第四プレート（６）から突出して見える。前記軸（１１）は、例えば、図１に示すように、プーリーを設置するか、あるいはギア歯を備えても良い。前記歯に加えられた力は前記軸（１１）を回転させ、それによって前記第三プレート（５）を回転させる。前記圧縮機の各動作又はサイクルは、前記第三プレート（５）の半回転と相互に関連する。

本開示によるシリンダヘッドカバーの一つの利点は従来のシリンダヘッドカバーでは不可能であった流体の流量、流体の圧力、及び装置の回転が得られることにある。上述した本開示による前記シリンダヘッドカバーは、内燃機関、空気及びガス圧縮機、及び他の流体圧縮機の応用例等の多種の往復ピストン／シリンダの構成で利用することができる。これらの利点を可能とする他の実施形態も当業者にとって明らかになるであろう。

本開示の様々な実施形態を詳細に説明したが、当業者がこれらの実施形態の修正や適応を想到することは明らかである。しかし、そのような修正や適応は本開示の精神及び権利範囲を逸脱しない。

Claims (17)

1. 表面に第一及び第二の溝を備える第一プレートであって、前記第一及び第二の溝は前記第一プレートの底面を貫通する第一の開口において前記プレート内で共に結合されている第一プレートと、
   前記第一プレート上の第二プレートであって、該第二プレートは一対の貫通孔を備え、前記各貫通孔は前記第一プレートの第一及び第二の溝のうち一つと整合している第二プレートと、
   前記第二プレート上の第四プレートであって、前記第二及び第四プレートの間にキャビティを形成する第四プレートと、
   前記第二及び第四プレートの間に回転可能な状態で配置されている第三プレートであって、前記第二プレートを貫通する前記対の孔のうちの一つと順次整合するための一対の離間した貫通孔を備えている第三プレートとを備えるシリンダヘッドカバーであって、
   前記第四プレートは前記第二プレートを貫通する孔と整合する一対の離間した貫通孔を備え、前記第三プレートが一回転する間に、前記第三プレートを貫通する各孔は前記第二及び第四プレートを貫通する各孔と整合する、シリンダヘッドカバー。
2. 前記第三プレートを支持する軸をさらに備えるシリンダヘッドカバーであって、該軸は上側軸受及び下側軸受を備え、前記上側軸受は前記第四プレートの凹部内で支持され、前記下側軸受は前記第二プレートの凹部内で支持されている、請求項１に記載のシリンダヘッドカバー。
3. 前記第三プレートを貫通する離間した孔のうち少なくとも一つは楕円状である、請求項１に記載のシリンダヘッドカバー。
4. 前記第二プレートは、隆起したリム部と、平坦な中央部とを備え、前記中央部は前記第三プレートを支持するための下側軸受を受入れる貫通していない中央凹部を内部に備えている、請求項１に記載のシリンダヘッドカバー。
5. 前記第四プレートは前記第三プレートを回転可能な状態で支持するための上側軸受を受入れる中央凹部を備えている、請求項４に記載のシリンダヘッドカバー。
6. 前記第二及び第四プレートを貫通する孔は９０度より大きな角度で離間している、請求項１に記載のシリンダヘッドカバー。
7. 前記第一プレートをシリンダ上に固定する際に、前記第一プレートの底面を貫通する第一の開口は前記シリンダのピストン上に軸線方向に沿って配置される、請求項１に記載のシリンダヘッドカバー。
8. 前記シリンダヘッドカバーを設置する際に、前記軸は前記ピストンと軸線方向に沿って整合される、請求項７に記載のシリンダヘッドカバー。
9. シリンダを通る軸線に沿って往復するピストンを含むシリンダに用いるシリンダヘッドカバーであって、
   前記カバーは、固定式の軸線方向に沿って整合された第一、第二、及び第四プレートと、前記第二及び第四プレートの間に包囲された回転式の第三プレートとを備え、
   前記第一プレートは一つの貫通孔を備え、該孔は前記ピストンの軸線方向に沿って整合され、前記孔は前記第一プレートの底面から連通し、かつ前記第一プレートの上面を通ってＶ字形溝内に分岐し、
   前記第一プレート上に軸線方向に沿って配置され、前記第二プレートは、平坦な底面と、前記第一プレートに固定された周囲のリム部と、中央の軸線方向の凹部とを備え、前記中央の軸線方向の凹部は一対の離間した貫通孔を備え、前記各貫通孔は前記第一プレートの上面の前記Ｖ字形溝の異なる端部に整合され、かつ連通し、前記中央の凹部は下側の環状ラジアル軸受を中に収納する貫通していない軸線方向の中央孔を備え、
   前記固定式の第四プレートは前記第二プレートのリム部に固定され、前記第四プレート及び前記第二プレートの中央部の間にキャビティを形成し、前記第四プレートは中央の軸線方向の貫通孔と二つの軸線方向に沿った貫通孔とを備え、前記各貫通孔は前記中央の貫通孔から離間しており、かつ互いに弓形形状に沿って離間しており、前記中央の貫通孔は上側のラジアル軸受を受入れ、かつ支持する軸受凹部を備え、
   軸シャフトが前記上側及び下側の軸受を備え、その間に前記回転式の第三プレートを挟み、前記回転式の第三プレートは前記第二及び第四プレートの間のキャビティ内に配置され、前記回転式の第三プレートは一対の貫通したポートを備え、それによって、前記シャフトが前記第三プレートを回転させる際に、前記ポートは順次前記固定式の第二及び第四プレートを貫通する孔と整合する、シリンダヘッドカバー。
10. 中心軸線を有するシリンダと、
    前記シリンダ内に収納された軸線方向に沿った往復ピストンと、
    前記シリンダ上のシリンダヘッドカバーとを備えた流体圧縮機であって、
    前記シリンダヘッドカバーは、
    表面に第一及び第二の溝を備える第一プレートであって、前記第一及び第二の溝は前記第一プレートの底面を貫通する第一の開口において前記プレート内で共に結合されている第一プレートと、
    前記第一プレート上の第二プレートであって、該第二プレートは一対の貫通孔を備え、前記各貫通孔は前記第一プレートの第一及び第二の溝のうち一つと整合している第二プレートと、
    前記第二プレート上の第四プレートであって、前記第二及び第四プレートの間にキャビティを形成する第四プレートと、
    前記第二及び第四プレートの間に回転可能な状態で配置されている第三プレートであって、前記第二プレートを貫通する前記対の孔のうちの一つと順次整合するための一対の離間した貫通孔を備えている第三プレートとを備え、
    前記第四プレートは前記第二プレートを貫通する孔と整合する一対の離間した貫通孔を備え、前記第三プレートが一回転する間に、前記第三プレートを貫通する各孔は前記第二及び第四プレートを貫通する各孔と整合する、流体圧縮機。
11. 前記第三プレートを支持する軸をさらに備え、該軸は上側軸受及び下側軸受を備え、前記上側軸受は前記第四プレートの凹部内で支持され、前記下側軸受は前記第二プレートの凹部内で支持されている、請求項１０に記載の圧縮機。
12. 前記第三プレートを貫通する離間した孔のうち少なくとも一つは楕円状である、請求項１０に記載の圧縮機。
13. 前記第二プレートは、隆起したリム部と、平坦な中央部とを備え、前記中央部は前記第三プレートを支持するための下側軸受を受入れる貫通していない中央凹部を内部に備えている、請求項１０に記載の圧縮機。
14. 前記第四プレートは前記第三プレートを回転可能な状態で支持するための上側軸受を受入れる中央凹部を備えている、請求項１３に記載の圧縮機。
15. 前記第二及び第四プレートを貫通する孔は９０度より大きな角度で離間している、請求項１０に記載の圧縮機。
16. 前記第一プレートをシリンダ上に固定する際に、前記第一プレートの底面を貫通する第一の開口は前記シリンダのピストン上に軸線方向に沿って配置される、請求項１０に記載の圧縮機。
17. 前記シリンダヘッドカバーを設置する際に、前記軸は前記ピストンと軸線方向に沿って整合される、請求項１６に記載の圧縮機。

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