JP5285536B2

JP5285536B2 - 空気圧縮機

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Publication number: JP5285536B2
Application number: JP2009189081A
Authority: JP
Inventors: 周文三
Original assignee: 周文三
Priority date: 2009-08-18
Filing date: 2009-08-18
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-08-18
Also published as: JP2011038490A

Description

本発明は、空気圧縮機に関する。

本発明に係る空気圧縮機は、そのシリンダー底面及びピストンの空気圧縮面がそれぞれシリンダー中心軸及びピストンロッド中心軸に対し同一の傾斜角θ _１をもって傾斜しており、ピストンがシリンダー内を高速度で往復して空気を圧縮するときの空気圧縮効果を高めているものである。

本発明者は長い間、空気圧縮機の研究開発に努めてきており、初期の製造に労力を要し、構造が複雑だった空気圧縮機の構造を簡素化し、組み立てが簡単に素早くできるものへと変え、或いは空気圧縮効果を高めた空気圧縮機へと改良した。
それらの詳細は、本発明者が取得した米国特許、U.S. Patent No. 5,215,447；5,655,887；6,135,725；6,095,758；6,213,725；6,280,163；6,315,534；6,059,542；6,146,112；6,200,110；6,295,693；6,413,056；6,551,077；6,514,058；6,655,928；6,846,162；7,462,018；7,240,642等で知ることができる。

本発明者が発明した数多くの空気圧縮機の構造はそれぞれ異なるものであるが、その作動方式は図１７に示されており、その概要は次のようなものである。

モーター９４の出力軸が互いに噛み合っている小歯車９７と大歯車９５を駆動させ、大歯車９５に連動して動くフライホイール９６上に設けた偏芯軸９６１がピストン９８を駆動し、シリンダー９１内を上下往復運動させる。

その過程において使用されるピストン９８のピストンヘッド９８１はすべてピストンロッド９８３の中心軸と直交するよう設計されており、図１６（図では、空気圧縮面とピストンロッド中心軸に直交する平面との関係を示し、その他の非主要部品は示していない。）および図１７が示すように、ピストンロッド９８３の枢軸孔９３２を原点とするＸ、Ｙ、Ｚ、３軸座標系を以って説明すると、ピストンロッド９８３の枢軸孔９３２の中心軸をＹ軸、ピストンヘッド９８１及びピストンロッド９８３から成るピストン９８の中心軸をＺ軸、Ｙ軸及びＺ軸に直交する軸をＸ軸とした場合、ピストン９８の空気圧縮面９８２はＸＹ平面に平行となるように設計されており、換言すれば、ピストンヘッド９８１の空気圧縮面９８２とＸＹ平面は常にθ_２＝０°の状態を形成している。

同時に、シリンダー９１のピストン作動室９１１の底面９１２もＸＹ平面と平行、即ち、θ_４＝０°の状態に設計されている。このピストンは空気圧縮機において、一定の効果を発揮しているが、本発明者はこの従来のピストン９８の設計方式を超え、更にその使用効果を高めた空気圧縮機を発明した。

米国特許明細書 U.S.P No. 5,215,447

米国特許明細書 U.S.P No. 5,655,887

米国特許明細書 U.S.P No. 6,135,725

米国特許明細書 U.S.P No. 6,095,758

米国特許明細書 U.S.P No. 6,213,725

米国特許明細書 U.S.P No. 6,280,163

米国特許明細書 U.S.P No. 6,315,534

米国特許明細書 U.S.P No. 6,059,542

米国特許明細書 U.S.P No. 6,146,112

米国特許明細書 U.S.P No. 6,200,110

米国特許明細書 U.S.P No. 6,295,693

米国特許明細書 U.S.P No. 6,413,056

米国特許明細書 U.S.P No. 6,551,077

米国特許明細書 U.S.P No. 6,514,058

米国特許明細書 U.S.P No. 6,655,928

米国特許明細書 U.S.P No. 6,846,162

米国特許明細書 U.S.P No. 7,462,018

米国特許明細書 U.S.P No. 7,240,642

本発明品の主要目的は、以下のような空気圧縮機を提供することにある。
即ち、本発明に係る空気圧縮機のピストンにも、そのピストンロッドの一端に動力機関と連結し、その動きを受ける枢軸孔がある。
ピストンロッドの他の一端部は延びてシリンダー内を上下往復運動するピストンヘッドとなっており、このピストンヘッドの空気圧縮面は、ピストンロッド中心軸と直交するＸＹ平面と平行ではなく、傾斜角θ _１で斜交するようになっている。

本発明品のもう一つの主要目的は、以下のような空気圧縮機を提供することにある。
即ち、本発明に係る空気圧縮機はシリンダーを持ち、シリンダーのピストン作動室の頂端にはシリンダー底面がある。このシリンダー底面は、上死点におけるピストンのピストンヘッドの空気圧縮面と同様の傾斜面となっている。

空気圧縮効率の高い空気圧縮機を提供する。

上記の課題を解決するため本発明に係る空気圧縮機は、
シリンダー（３）と、シリンダー（３）の内部で一体となって往復運動するピストンロッド（５１）及びピストンヘッド（５２）から成るピストン（５）と、ピストン（５）をシリンダー（３）内部で往復運動させる駆動装置とを具備し、
ピストン（５）の空気圧縮面（５４）がピストンロッド（５１）の中心軸に直交する平面に対し、傾斜角θ _１をもって傾斜する傾斜面として構成され、
その空気圧縮面（５４）と対向するシリンダー底面（３１１）が、シリンダー中心軸に直交する平面に対して傾いており、その傾斜角θ _３が上記傾斜角θ _１と同一で、上記ピストン（５）の上死点における空気圧縮面と同一方向に傾斜する傾斜面として形成されて成る。

この傾斜角θ _１は、ピストンロッドの長さにもよるが、０°以上、45°以下の範囲とすることができる。然しながら、この傾斜角θ _１は、望ましくは、2°以上１０°以下の範囲から適宜に選定することが推奨される。
尚、望ましいθ _１の数値範囲は、ピストンロッドの長さによっても変化する。
即ちピストンロッドが比較的短い場合には、大き目の数値、例えば
６°≦θ _１≦１０°
が採用され、長めのピストンロッドに対しては、小さめの数値、例えば、
２°≦θ _１≦６°
が採用される。

標準的なピストンロッドに対しては6°前後、即ち、
４°≦θ _１≦８°
の傾斜角が採用される。
上記の各下限値より小さい傾斜角を採用すると、殆ど本発明の効果が見られなくなり、上記の各上限値より大きい傾斜角を採用するとピストンヘッドの設計が困難となる。

本発明に依れば、圧縮効率の高い空気圧縮機が提供される。

：本発明に係る空気圧縮機の第一実施例を示す立体分解図である。：図１に示した空気圧縮機の一部分解斜視図である。：本発明に係る空気圧縮機の第二実施例を示す立体分解図である。：図3に示した空気圧縮機の一部分解斜視図である。：空気圧縮機筐体の取り付け要領図である。：ピストンの側面図である。：空気圧縮機筐体の正面図である。：空気圧縮機筐体の側面図である。：本発明に係る空気圧縮機の作動状態説明図である。：本発明に係る空気圧縮機の図９に続く作動状態説明図である。：本発明に係る空気圧縮機の図１０に続く作動状態説明図である。：本発明に係る空気圧縮機の図１１に続く作動状態説明図である。：本発明に係る空気圧縮機の図１２に続く作動状態説明図である。：本発明に係る空気圧縮機の図１３に続く作動状態説明図である。：本発明に係る空気圧縮機の図１４に続く作動状態説明図である。：公知の空気圧縮機のピストンを示す側面図である。：公知の空気圧縮機の構成を示す説明図である。

以下図面により、本発明に係る空気圧縮機の実施例について説明する。
尚、これらの図面及び説明は、本発明の一実施例を示すものであり、本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。

図１及び図２において、１は空気圧縮機であり、ピストン５が運動するシリンダー３およびモーター１２を固定するベースプレート２が一体となって１つの独立したアセンブリとして構成されている。
ベースプレート２には空気圧縮機１の動力機関が取り付けられる。動力機関はモーター１２、動力を伝送する小歯車１３、大歯車１４およびフライホイール１５を含んでいる。前述したベースプレート２は円孔２１および２２を有し、円孔２２はモーター１２の軸心１２０上にある小歯車１３が貫通するようになっており、モーター１２は取付ネジ（図示せず。）でベースプレート２上に固定される。
前述した円孔２１には大歯車１４の中心軸１４０が嵌って回動自在に保持されるようになっており、大歯車１４は小歯車１３と噛み合うようになっている。
中心軸１４０にはフライホイール１５が大歯車１４とともに取り付けられ、フライホイール１５に取り付けられた偏心軸１５１はピストン５と枢軸接続されている。モーター１２が動くと、ピストン５はシリンダー３のピストン作動室３１内を往復運動し、空気を圧縮して吐出部筐体３２内の分配室３２０に送る。

図１および図２に示すように、本発明品は空気圧縮機であり、本発明品の吐出部筐体３２には複数の送気管３２１、３２２、３２３、３２４があり、そのうちの送気管３２１はその一端にエアバルブ４２を持つ管４１とつながるようになっており、もう一つの送気管３２２はその一端に圧力計４４を持つ管４３とつながるようになっている。

送気管３２３、３２４にはそれぞれ安全弁３３、送気弁３４（図５参照）などの機能部品をネジ止めする。場合によってはこれらの送気管を盲栓（図示せず。）で塞ぐことができる。
尚、図には省略されているが、必要に応じて、シリンダー内に外気を吸入するための吸気弁及び圧縮空気の逆流入を阻止するための逆止弁が設けられる。

前述したモーター１２の軸心１２０にある小歯車１３を大歯車１４と噛み合わせた伝動方式において、モーター１２の軸心１２０は円孔２２を貫通する。
さらに図３および図４を合わせて参照すると分かるように、このモーター１０は大・小歯車の組み合わせによる動力伝送を持っていないので、その軸心１０１は直接円孔２１を貫通してベースプレート２に固定されている。
このモーター１０の軸心１０１はさらにフライホイール１９の軸孔１９０と結合し、ネジ１９２で固く締めることでフライホイール１９は軸心１０１上に完全に固定される。
フライホイール１９の偏心軸１９１はピストン５をシリンダー３内で上下往復運動させる働きをしている。

一体成型された空気圧縮機１は異なる動力伝送方式を持つ２種のモーターを持ち、本発明に係る空気圧縮機１のベースプレート２とシリンダー３は取付位置調整機構を採ることができる。
図５に示すように、ベースプレート２にある位置決孔２９とシリンダー３にある位置決ピン３９はネジ２８を使って固定することができる。この技術については本発明者が取得したUS P No. 6,655,928を参考にすることができる。

空気圧縮機のフライホイール１５/１９の偏心軸１５１/１９１は円周回転運動をし、ピストンの５ピストンロッド５１の枢軸孔５１０はそれに連動して円周回転運動をする。そして、ピストンロッド５１のピストンヘッド５２がシリンダー３内を上下往復運動することによって空気を圧縮して吐出部筐体３２内の分配室３２０に空気を送り込み、さらに、送気管３２１およびエアバルブ４２によって充気効果を高めている。

図６に示すように、ピストン５では、そのピストンロッド５１の一端が枢軸孔５１０を形成し、ピストンロッド５１のもう一方の端部は延びてピストンヘッド５２を形成しており、ピストンヘッド５２の頂端面は空気圧縮面５４を形成している。
図６の正投影図の方向に基づいて三次元座標で示すと、前述した枢軸孔５１０の中央点P₀はＸＹ平面上にあり、空気圧縮面５４の中心点F₀と前述した枢軸孔５１０の中央点P₀を結ぶ線?_pfはＺ軸線と平行となっており、ＸＹ水平面とは垂直になっている。
空気圧縮面５４の中心点F₀を通って空気圧縮面５４と垂直になっているのが垂線?_ｖで、この垂線?_vは点P₁でＸＹ平面と交わっており、この点P₁と中央点P₀の距離は?となっている。

図６および図１６を比較すると（空気圧縮面の平面状態を明確にするため、ピストンヘッド上の他の非主要部品は図示していない。）、従来のピストン９８ではその空気圧縮面９８２の中心を通る線?_fpと、空気圧縮面９８２の平面中心点F₉からＺ軸方向に延びて空気圧縮面９８２と垂直になっている垂線?_vは重なっている。

しかし、本発明に係るピストン５では、線?_fpと垂線?_vは重ならず、距離?を形成している。
更に解説すると、ピストンヘッド５２の空気圧縮面５４とＸＹ平面は平行ではなく、傾斜角度がゼロではないθ₁となっている。即ち、ピストンヘッド５２の空気圧縮面５４とピストンロッド５１の中心軸は直交しておらず、傾斜した状態となっている。

図７および図８に示すように、空気圧縮機１のベースプレート２上にある円孔２２および円孔２１はそれぞれ中心軸点P₄、P₃を持ち、中心軸点P₄、P₃に延びる線Y₂、Y₁は共にＸＹ水平面と平行になっている。シリンダー３の中心軸ＶはＺ軸と平行であり、中心軸Ｖは、線Y₂、線Y₁とそれぞれ点P₆、P₅で交わっている。

図９に示すように、シリンダー３ピストン作動室３１の内頂壁は、前述したピストンヘッド５２の空気圧縮面５４の傾斜角度θ ₁と呼応した角度θ₃を持つシリンダー底面３１１を形成している。
よって、駆動機関であるフライホイール１５の中心軸１４０を円孔２１に収め、偏心軸１５１は前述したピストンロッド５１の枢軸孔５１０に枢軸接続すると、モーター１２の駆動後、ピストンロッド５１の枢軸孔５１０は円孔２１を中心として円周回転運動をし、ピストンロッド５１のもう１つの端のピストンヘッド５２はシリンダー３内を揺動しつつ上下往復直線運動する。
そしてこの際、ピストンヘッド５２のシリンダー軸直角断面とのなす傾斜角が、上記傾斜角θ _１より、ピストンの上昇する圧縮工程（図１０〜１３に示す工程）では小さくなり、ピストンの下降する吸入工程（図１３〜図１５から図１０に戻る工程）では大きくなる方向に、駆動装置を作動させるものである。

図１０から図１５に示すように、図１０においてピストンロッド５１の枢軸孔５１０は下死点に位置しており、モーター１２の駆動後、ピストンヘッド５２の空気圧縮面５４は図１１、図１２に示す位置に向かって上昇運動を開始する。

前記上昇運動による空気圧縮過程においては、ピストンヘッド５２の空気圧縮面５４とシリンダー３の側壁面とのなす角度は、前述の公知のものに比し、直角に近くなっており、このため、ピストンヘッド５２とシリンダー３とはより高い気密性を保つことができ、空気圧縮効果を高めることができる。
図１３に示した状態に達するときは、ピストンヘッド５２は瞬間的に上死点に達し、同時に、傾斜した空気圧縮面５４はシリンダー底面３１１にぴったりと全面的に接触する。

ピストンヘッド５２が上死点から下方に向かって動き吸入運動をするとき（図１４、図１５を経て図１０に戻る工程。）、ピストンヘッド５２の空気圧縮面５４はシリンダー３のＺ軸直角断面に対し大きな傾斜角度を形成し、ピストンヘッド５２とシリンダー３の内壁面３１２間の隙間３１３を大きくし（図１４参照)、空気吸入を助け、ピストンヘッド５２が図１０に示す下死点の位置に到るまでの下降運動を助ける。

上記のようにして、ピストンヘッド５２がシリンダー３内を揺動しつつ上下直線運動することを可能にしている。ピストンヘッド５２は上昇圧縮運動の過程においては高い気密性を保って空気を圧縮し、下降吸入運動の過程においては気密性が低下し外気吸入が容易となるため、運転速度を高めることが出来、これらによって、空気圧縮機の空気圧縮効果を大幅に高めることが出来る。

ピストンヘッド５２の空気圧縮面５４上に固定された金属バネ（図示されていない。）の一端の位置決ピン５５および衝撃を受け止める働きをする金属バネのもう一方の端のストッパー５６とシリンダー３のシリンダー底面３１１の凹穴３１４、３１５は相応しており、空気圧縮面５４とシリンダー底面３１１は更に効率的に互いに密着する。

上記の説明から、ピストンの空気圧縮面及びシリンダー底面の傾斜角θを如何にして定めれば良いかということが知られるであろう。
即ち、図１１に示された状態から図１２に示された状態に至る間の何れかにおいて、ピストンの空気圧縮面が、シリンダー中心軸に直角若しくはそれに近い傾斜角度と成るように定めれば良いものである。そしてそのようになるピストン位置は圧縮工程の中間点付近であることが望ましい。
従って、この傾斜角θの値は、ピストンロッド駆動用の偏芯軸１５１の旋回半径とピストンロッドの長さの比によって定められるものであり、概ね２°以上１０°の範囲となる。

前述したことを総括すると、従来のピストンのピストンヘッドの空気圧縮面はＸＹ平面と平行になっているが、本発明品のピストンヘッドの空気圧縮面はＸＹ平面と平行でなく傾斜角度を持っている。
この特徴構造により、ピストンは前進圧縮運動の過程において更に効率的な気密効果を保つことが出来、後退吸気運動の過程においてピストンの後退速度を速めることができる。

即ち、前進、後退の全過程において空気圧縮機の空気圧縮効果を大幅に高めることができる。本発明品はその構造においてイノベーション性があり、それは従来の構造のイノベーション設計とは異なるもので、空気圧縮機の使用効果と利益を高めており、従来に比べ明らかに進歩したものとなっている。

尚、本発明に係る空気圧縮機の構成は上記の実施例に限定されるものでなく、ピストン及びシリンダーの構成、分配室の形状などは自由に設計変更し得るものであり、例えばシリンダーの筒部と、分配室を一体として説明したがこれらは別部品として製作し結合して使用することなども推奨され、本発明はそれらの変更例の全てを包摂するものである。

１空気圧縮機
１０モーター
１０１軸心
１２モーター
１２０軸心
１３小歯車
１４大歯車
１４０中心軸
１５フライホイール
１５１偏心軸
１９フライホイール
１９０軸孔
１９１偏心軸
１９２ネジ
２ベースプレート
２１円孔
２２円孔
２８ネジ
２９位置決孔
３シリンダー
３１ピストン作動室
３１１シリンダー底面
３１２内壁周面
３１３隙間
３１４凹穴
３１５凹穴
３２吐出部筐体
３２０分配室
３２１送気管
３２２送気管
３２３送気管
３２４送気管
３３安全弁
３４送気弁
３９位置決ピン
４１管
４２エアバルブ
４３管
４４圧力計
５ピストン
５１ピストンロッド
５１０枢軸孔
５２ピストンヘッド
５４空気圧縮面
５５位置決ピン
５６ストッパー

Claims

シリンダー（３）と、シリンダー（３）の内部で一体となって往復運動するピストンロッド（５１）及びピストンヘッド（５２）から成るピストン（５）と、ピストン（５）をシリンダー（３）内部で往復運動させる駆動装置とを具備する空気圧縮機において、
ピストン（５）の空気圧縮面（５４）がピストンロッド（５１）の中心軸に直交する平面に対し、傾斜角θ _１をもって傾斜する傾斜面として構成され、
その空気圧縮面（５４）と対向するシリンダー底面（３１１）が、シリンダー中心軸に直交する平面に対して傾いており、その傾斜角θ _３が上記傾斜角θ _１と同一で、上記ピストン（５）の上死点における空気圧縮面と同一方向に傾斜する傾斜面として形成されていることを特徴とする上記の空気圧縮機（１）。
傾斜角θ _１が、２°以上、１０°以下である、請求項１に記載の空気圧縮機（１）。