JP5227171B2 - カム駆動ピストン圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は圧縮機に関するもので、特に、電気駆動軸流圧縮機に関するものである。

電気駆動圧縮機は、圧縮ガスを生成すべく、一つまたは複数のピストンを起動するために回転運動を線形運動に変換しなければならない。多くの圧縮機は内燃機関と同様に、クランクシャフトおよび連結ロッド組立体によりこの動作を行う。このような機構の利点は、信頼性が高く、動作効率が良いことである。

重大な欠点の一つは、全サイクルを通して、連結ロッドのための空間を必要とすることである。この欠点は、典型的に1000psig以上の高圧力にガスを圧縮するために使用される多段圧縮機には特に顕著である。このような圧縮機の高段で使用されるピストン及びシリンダーはしばしば、連結ロッドおよびこれらロッドが占有し、動くことができる空間を受け入れるのに十分といっていいほど大きくはない。結局、多くの設計では、ピストンは０．５インチ（１．２７ｃｍ）以下の移動に限定され、高圧段では段付きピストンを使用する。これらの動作は圧縮効率を悪くし、組立体に追加の要素を必要とする。

他の設計の圧縮機は、回転運動を線形運動に変換する章動ヘッド（nutating head）を使用する。これら圧縮機では、ピストン移動は回転軸線と平行に行われる。自動車用空気調節圧縮機では、一般的にこのタイプの圧縮機が使用される。このタイプの圧縮機の利点は、圧縮機に必要な容積が少ないことである。さらに、連結ロッドの場合は、クランクシャフトを使用する場合に較べて、形成する関節が少ない。このことは、クランクシャフトでの場合よりも、小径のピストンの移動を可能にする。このタイプの圧縮機の欠点は、ピストンの往復運動の信頼性が回転動作より滑り動作によることである。このことは、システムにおける摩擦を増大させ、全圧縮機の効率を低下させる。

本発明の主要な目的は、クランクシャフト圧縮機からの回転動作と章動ヘッド圧縮機の高ピストン移動とを組み合わせることである。

要約すると、本発明のカム駆動ピストン圧縮機は、モータで駆動される一つ以上のカム（カムは３６０度回転する。）と、一つ以上のカムフォロワー（それぞれはカムのそれぞれと接する。）を含む。圧縮機はまた、一つ以上のピストン（それぞれのピストンはカムフォロワーに取り付けられている。）、一つ以上のシリンダー（それぞれのシリンダーはそれぞれのピストンを内包する。）、およびシリンダーと接触する圧縮機ヘッドを含む。

本発明の上記および他の利点、本発明の実施方法は、添付図面に関連して行った説明を参照することにより容易に理解されよう。

容易かつ簡潔化のために、対応する部分を示すための符号が付けられているが、図面は本発明の特徴を示すためにスケールが正確に示されてはいない。

図１に図示のとおり、本発明に従ったカム駆動ピストン圧縮機１０は、電気モータおよびギアボックス１２、下方ハウジング１４、上方ハウジング１６、三つのシリンダー１８、２０および２２（図２を参照）、圧縮機ヘッド２４ならびに三つのヘッドボルト２６を含む。また、図１に示されているように、上方ハウジング１６には機械削りされたガイドスロット３０が形成され、そのスロットを通して、カムフォロワー３２を見ることができる。カムフォロワー外側ガイドベアリング３４およびショルダーネジ３６がカムフォロワー３２に取り付けられている。

図２はカム駆動ピストン圧縮機１０の一部の分解図である。図２には、下方ハウジング１４、トラストベアリング３８、軸方向カム４０、三つのカムフォロワー３２、４２および４４（カム４０の上方リップ部分にまたがっている）は図示されている。カムフォロワー３２、４２および４４のそれぞれは、ピストンロッド４８、５０および５２にそれぞれを有し、それぞれのピストンロッドはピストン５４、５６および５８にそれぞれ連結され、ピストンのそれぞれはさらにシリンダー１８、２０および２２にそれぞれ内包され、さらにシリンダーのそれぞれはボルト２６により圧縮機ヘッド２４に機密に保持されている。カムフォロワー３２、４２および４４のそれぞれは五つのベアリング（外側ベアリング３４、内側ベアリング６２、二つの上方カムフォロワーカムベアリング６４（カム４０のリップ４６の上面と接触する）、および下方カムフォロワーカムベアリング６６（カム４０のリップの下面に接触する）を保持する。

図３はカム４０、カムフォロワー４４およびピストン５６の斜視図である。

図４は所定の位置にあるカムフォロワー３２、４２または４４の一つのある上方ハウジング１６の斜視図である。上方ハウジング１６は、中に形成された三つの機械削りされた溝またはガイドスロット７０を有する、中央に位置した内側パイプ部分６８を含む。カムフォロワー３２、４２および４４の内側ガイドベアリング６２は溝７０内で移動する。

動作において、軸方向カム４０は電気モータおよびギアボックス１２から回転運動を三つのピストン５４、５６および５８を駆動するために使用される線形運動に変換する。カム４０が回転すると、カムフォロワー３２、４２および４４は、ベアリング６４および６６により往復運動へと駆動され、これらベアリングはカム４０のリップ４６の上面および下面に乗るようにカムフォロワーに取り付けられる。カムフォロワー３２、４２および４４は、上方ハウジング１６に機械削りによりそれぞれ形成されたスロット７０および３０に位置する内側および外側ガイドベアリング６２および３４により線形にのみ移動できるようになっている。カムフォロワーの動きは純線形であるから、小さな径をもつピストンでさえ、シリンダーの壁にカムフォロワーが接するという危険性なしに、長い距離にわたって駆動されうる。シリンダーから押し出されない少量のガスの圧力が、ピストンの引き込みを開始させるように使用されるが、それは引き込んだ圧力で、主要な引き込み圧である。第一ステージ（ピストン５４およびシリンダー１８）では、これは圧縮機に入ってくるガス圧であるが、最後の方のステージでは、その前のステージからの加圧されたガスである（たとえば、ステージ１が圧縮サイクルを実施した後、ステージ１から流出するガスはステージ２のピストンが完全に引き込むようにする）。この効果には、効率よく働くようにするためには適正なカムのタイミングが必要となる。ステージ１に効率の悪い圧力が入ると、図１および８に図示の圧縮機１０よび１００はそれぞれ、第一ステージのピストン引き込みを助ける手段を含む。圧縮機１０に関して、カムフォロワー３２、４２および４４は、ピストンが適切に引き込むことを確実にするために、カム４０のリップの下側に下方カムフォロワーカムベアリング６６を有する。

図５はカム４０の斜視図であり、図６はカム４０のベース７６の周囲７６に関し、リップ４２の上面７２の高さ変化をグラフにしたものである。グラフは、最初に上方に傾斜して領域７８を有し、続いてなだらかな傾斜領域８０、続いて下降傾斜領域８２を有する。シリンダー内のガスの圧縮が始まると、モータにより与えられる必要なトルクは最小で、ピストンがシリンダー内で移動するとき増加する。したがって、最初の領域７８の傾斜は、領域７８および８０が同じ傾斜の場合にモータに必要なトルクよりも一定となるように、領域８０の傾斜よりも大きい。

図７は下方ハウジング１４、上方ハウジング１６、シリンダー１８および圧縮機ヘッド２４の断面を示す。カム４０、カムフォロワー３２、モータおよびギアボックス１２からの駆動シャフト８４の断面が示されている。

図８は、本発明の第二の実施例にしたがったカム駆動ピストン圧縮機１００の斜視図であり、図９は図８に図示のカム駆動ピストン圧縮機１００の分解図である。カム駆動ピストン圧縮機は、三つのシリンダー（一番小さな直径のシリンダー１０４、中ぐらいの直径のシリンダー１０６、および大きな直径のシリンダー１０８）が挿入される圧縮機ヘッド組立体１０２を含む。三つのシリンダー１０４、１０６および１０８はそれぞれピストン１１０、１１２および１１４を保持する。ピストン１１０、１１２および１１４はそれぞれ三つの連結ロッド１１６、１１８および１２０に取り付けられ、三つのロッドはそれぞれ三つのカムフォロワー１２２、１２４および１２６の一部分である。カムフォロワー１２２−１２６は圧縮機１２８の三つの穴内に位置する。圧縮機１００の動作中、カムフォロワー１２２、１２４および１２６は三つのカム１３０、１３２および１３４（カムシャフト１３６（二つのベアリングブロック１３８および１４０により支持されている）の一部である）により押し上げられる。カムシャフト１３６はモータおよびベルト減縮組立体１４２により駆動される。連結ロッド１２０の周りに位置するコイルスプリング１４４は、カムフォロワー１２６およびピストン１１４がカムの形状フォロファイルを辿ることができるように、カムフォロワー１２６をカム１３４に押し付ける。他のカムフォロワー１２２および１２４は、上述のように、ピストン１１０および１１２に対するガス圧によりカム１３０および１３２に対して押し付けられる。図９に図示の実施例では、ガス圧がピストン１１０−１１４のそれぞれにより徐々に増加するように、圧縮機ヘッドの組立体へのガス圧は、調整される。他の実施例では、三つのシリンダー１０８−１１２のそれぞれを通過するガス流は互いに離れ、スプリング１４４のようなスプリングが三つカムフォロワー１２２−１２６に対して使用されている。

図９、１０および１１に図示されているとおり、カムフォロワー１２２−１２６のそれぞれは、圧縮機ハウジング１２８の内側穴内を押し付ける二つのカムフォロワーガイドリング１４６および１４８により横方向において安定している。

図１０および１１によく図示されているように、カムフォロワー１２２−１２６は、カム１３０−１３４と接するカムフォロワーベアリング１５０を有する。カムフォロワーベアリング１５０はピン１５２により所定の位置に保持されている。

図１２はピストン１１４の拡大図である。ピストン１１４ならびに他の二つのピストン１１０および１１２は、シリンダー内でピストンが横方向に移動することを妨げるために、ピストンガイドリング１５４を有する。ピストン１１０−１１４はまた、ピストンシール１５６を有している。

図８に図示された実施例では、三つのカム１３０−１３４は同じ大きさおよび形状で、図１３に図示されているようにカムシャフトの軸上に１２０度ずつオフセットし位置している。

カム１３０−１３４の個々の形状およびオフセット量、ならびにシリンダー１０４および１０８の相対的な直径は、モータおよびベルト減縮組立体１４２におけるモータのトルク変化の大きさを決定する。トルクの変化を最小化できるならば、トルクの変化が大きい場合よりも、より小さなトルクモータを圧縮機に使用することができることは当業者には分かるであろう。

これらの設計は従来技術を越えた利点を有する。第一に、カムは、回転運動をピストンの引き込みよりもピストンの繰り出しに寄与させる方法で、形状付けすることができる。両実施例では、入力回転の約２４０度がピストンの繰り出しに使用され、約１２０度がピストンの引き込みに使用される。ピストンの繰り出しにはより強い力を要することから、回転運動の大半にわたって力がかかるようにすることで、駆動モータに必要なトルクを減少させることができる。この態様はクランクシャフト駆動または章動ヘッド圧縮機では不可能である。

この設計の第二の利点は、第一の実施例におけるハウジングガイド溝およびカムフォロワーベアリング、および第二の実施例のガイドリング（カムフォロワーを単純な線形運動に限定するように組み合わされる）である。第一実施例に関して、内側および外側ガイド溝は、カムフォロワーに作用する力が均衡するようにする。カムフォロワーの軸線方向でない方向の全力がベアリングの回転を通じて伝達されることから、摩擦による損失が最小となる。さらに、回転しながらの接触は、熱の形成を減少させ、要素の摩耗率を減少させ、注油の必要性を減少させる。

この設計の第三の利点は、ピストンの長いストロークが、カムの形状プロファイルとカムフォロワーの線形運動との組み合わせにより可能となることである。好適実施例では、ピストンのストロークは、約１．５インチで、比較対象のクラフトシャフト駆動圧縮機よりも三倍である。長いピストンストロークはシリンダー内のデッド空間の効果を最小化することにより、圧縮機の効率を改善する。また、この圧縮機はより低速動作を可能にし、圧縮機の動作温度を減少させること（このことは密封寿命を長くする）に寄与する。

第四の利点は、種々の応用例の条件に適合するようにすることができることである。同じモータおよび駆動部分は、多数ピストン圧縮機の駆動に利用することができる。好適な実施例では、第一のステージは約２インチの直径で、第二のステージは、約１インチの直径で、第三のステージは約二分の一インチの直径である。しかし、圧縮機は、駆動部分に修正を加えることなく、同じ直径をもつ三つのピストンを並列にして動作させることに利用することができる。異なる大きさの二つから六つのピストンを直列または並列に動作させることもできる。当業者には、圧縮機の性能を最適にするために、実施例の少なくともいくつかが図６に図示のものとは異なるカム形状プロファイルをもつカムをも使用することができることはわかるであろう。

説明された実施例は、種々の実施例に本発明を使用することや、特定の実施例に適するように修正された例に本発明を使用することができるように、本発明の原理やその実施例を図示するために選択されたものである。したがって、上記説明は限定を意図するものではなく例示であり、本発明の範囲は特許請求の範囲により定められる。

図１は本発明の実施例に従ったカム駆動ピストン圧縮機の斜視図である。 図２は図１の一部の分解図である。 図３は図２に図示の軸方向カムおよびカムフォロワーの一つの斜視図である。 図４は図２に図示のカムフォロワーの一つの一部および上方ハウジングの内部を示す斜視図である。 図５は図２に図示のカムの斜視図である。 図６は図２に図示のカムの上方表面の高さ曲線を示すグラフである。 図７は図１の一部断面図である。 図８は本発明の第二の実施例に従ったカム駆動ピストン圧縮機の斜視図である。 図９は図８に図示のカム駆動ピストン圧縮機の分解図である。 図１０は図９に図示のカムおよびカムフォロワーの斜視図である。 図１１は図９に図示の圧縮機ハウジングおよびカムフォロワーの一つの部分拡大図である。 図１２は図９に図示のピストンの一つの斜視図である。 図１３は図９に図示のカムシャフトの断面図である。

Claims (6)

1. カム駆動ピストン圧縮機であって、
   a) モータのシャフトに連結され、前記モータの駆動により３６０度回転することができる少なくとも一つのカムであって、前記カムが前記カムのベースの周囲に関して高さが変化する上面を含む形状付けられた上方リップを含み、前記ベースは前記シャフトに関して垂直な面上にあり、前記ベースの前記周囲に関して前記形状付けられた上方リップの前記上面の前記変化する高さは実質的に異なる三つのレートでの前記ベースの回転の間、変化する、ところの少なくとも一つのカムと、
   b) 該少なくとも一つのカムと接触する少なくとも一つのカムフォロワーと、
   c) 前記少なくとも一つのカムフォロワーに、対応して取り付けられる少なくとも一つのピストンと、
   d) 少なくとも一つのピストンの一つを、対応して内包する少なくとも一つのシリンダーと、
   e) 前記少なくとも一つのシリンダーのそれぞれに接触する圧縮機ヘッドと、
   を含み、
   前記形状付けられた上方リップの前記上面の変化する高さが、上方に傾斜する第一の領域、それに続いて前記第一の領域よりも緩やかな傾斜をもつ上方に傾斜する第二の領域、これに続いて下方に傾斜する第三の領域を含む、
   カム駆動ピストン圧縮機。
2. 前記少なくとも一つのカムフォロワーが複数のカムフォロワーであり、
   前記複数のカムフォロワーのそれぞれは、
   a) 前記形状付けられたリップの下面と接する位置にある下方リップベアリングと、
   b) 前記形状付けられたリップの上面と接する位置にある少なくとも一つの上方リップベアリングと、
   c) 前記圧縮機のハウジング内にある第一のスロット内に位置する外側ベアリングと、
   d) 前記ハウジング内にある第二のスロット内に位置する内側ベアリングと、
   を含む、請求項１に記載のカム駆動ピストン圧縮機。
3. 前記少なくとも一つのピストンが複数のピストンであり、前記少なくとも一つのシリンダーが複数のシリンダーであり、
   前記複数のピストンおよびシリンダーの数が同じである、請求項１に記載のカム駆動ピストン圧縮機。
4. 前記シリンダーの少なくとも二つが異なる直径をもつ、請求項３に記載のカム駆動ピストン圧縮機。
5. 前記数が三つである、請求項３に記載のカム駆動ピストン圧縮機。
6. 一度にガスを圧縮するシリンダーの数は、ガスを圧縮しないシリンダーの数に等しいか、それよりも大きい、請求項３に記載のカム駆動ピストン圧縮機。

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