JP5458439B2

JP5458439B2 - ロータリ式シリンダ装置

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Publication number: JP5458439B2
Application number: JP2010068010A
Authority: JP
Inventors: 洋志小川
Original assignee: Ikiken Co Ltd
Current assignee: Ikiken Co Ltd
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: JP2011202519A

Description

本発明は、シャフトの回転動作とシリンダ内のピストンの往復動作を相互に変換可能なロータリ式シリンダ装置、より具体的には内燃機関、圧縮機、真空ポンプ、流体回転機など様々な装置に適用可能なロータリ式シリンダ装置に関する。

例えば、酸素濃縮装置には圧縮機としてコンプレッサが用いられている。コンプレッサを構成するモータの駆動を制御して原料空気から９０％以上に酸素を濃縮して、鼻カニューレから患者に濃縮酸素を供給することで、慢性気管支炎等の呼吸器疾患の患者の治療に用いられている（特許文献１）。

上記酸素濃縮装置に用いられるコンプレッサは、主にモータ駆動によりピストンを揺動させる揺動タイプのポンプが用いられている。例えば、図１３において揺動ピストンを用いた圧縮機の吸排気構造を示す。シャフト４０１に図示しないクランクアームを介して連繋するクランク軸４０２にピストン組４０３が所定の偏芯量を設けて連繋している。ピストン組４０３の先端側に設けられたピストンヘッド部４０３ａには環状のシールカップ４０４がシールカップ押さえ４０５によって一体に組み付けられている。ピストンヘッド部４０３ａは、シリンダ４０６内に挿入されている。シリンダ４０６の開口端には第１シリンダヘッド４０７及び第２シリンダヘッド４０８が組み付けられている。

第１シリンダヘッド４０７はピストンヘッド部４０３ａとの間で閉止されたシリンダ室４０９が形成され、第１シリンダヘッド４０７と第２シリンダヘッド４０８との間には吸気室４１０ａと排気室４１０ｂが各々形成されている。第１シリンダヘッド４０７には、吸気室４１０ａをシリンダ室４０９に対して開閉する接続する吸気バルブ（吸気弁）４０７ａと排気室４１０ｂをシリンダ室４０９に対して開閉する排気バルブ（排気弁）４０７ｂが設けられている。また第２シリンダヘッド４０８には、吸気室４１０ａに吸気する吸気口４０８ａと排気室４１０ｂより排気する排気口４０８ｂが各々設けられている。上記吸気バルブ４０７ａ，排気バルブ４０７ｂは、第１シリンダヘッド４０７の反対面に各々設けられており、例えば板ばね等により常時第１シリンダヘッド４０７を閉止するように付勢されている。

駆動源を作動させて、シャフト４０１を回転させると、クランク軸４０２が回転し、該クランク軸４０２に連繋するピストン組４０３が揺動しながら往復運動する。図１４（ａ）〜（ｅ）はピストン組４０３が上死点（ａ）から吸気室４１０ａ，シリンダ室４０９へ吸気を行なって下死点へ移動して吸気が終了し、シリンダ室４０９を圧縮して排気室４１０ｂを介して排気口４０８ｂへ排気させ、ピストン組４０３が上死点に到達して排気が終了する工程を示す説明図である。

特開２００２−４５４２４号公報

上述した第１シリンダヘッド４０７と第２シリンダヘッド４０８との間に吸気室４１０ａと排気室４１０ｂが分かれて形成されているため、第１シリンダヘッド４０７には吸気バルブ４０７ａと排気バルブ４０７ｂが設けられている。このため、揺動式のピストン組４０３の往復運動に伴う揺動による振動のほかに、流路が絞られたバルブを通過する際の流体音、バルブ開閉による衝撃音や振動音などが吸気側と排気側とで各々発生する。このため、騒音の発生原因が増えることになり、防振対策や防音対策を強化しなければならず、装置構造が複雑で大がかりになってしまう。
また、ピストン組４０３が往復運動と共に揺動するため、ピストン本体が直線運動をする範囲が短いため、シリンダ径を大きくするか、ピストン本体の長さを長くしないと十分な流体の流量を確保することが難しくなり、装置が大型化し易い。

本発明の目的は、シャフトを中心に回転する第１クランク軸に偏芯して連繋するピストン複合体に組み付けられて直線往復運動するピストン組の回転にともなう振動を低減すると共に、吸排気する際の騒音を低減して静音化を促進したロータリ式シリンダ装置を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は次の構成を有する。
シリンダ内を往復運動するピストンとシャフトの回転運動を相互に変換可能なロータリ式シリンダ装置であって、前記シャフトの軸芯に対して偏芯して組み付けられ、当該シャフトを中心に半径ｒの第１仮想クランクアームを介して回転可能に組み付けられた第１クランク軸と、前記第１クランク軸に同芯状に嵌め込まれた第１筒体と該第１筒体の軸芯に対して偏芯した複数の第２仮想クランク軸を軸芯とする第２筒体が連続して形成された偏芯筒体を備え、前記第２筒体に複数のピストン組が互いに交差したまま前記第１クランク軸を中心に半径ｒの第２仮想クランクアームを介して回転可能に嵌め込まれたピストン複合体と、前記ピストン複合体が嵌め込まれた前記第１クランク軸の両端部に各々組み付けられ、前記シャフトを中心とする回転部品間の回転バランスをとる第１，第２バランスウェイトと、前記シャフトを回転可能に軸支し、当該シャフトを中心に回転する前記第１クランク軸及び前記第１，第２バランスウェイト、前記第１クランク軸を中心に回転する前記ピストン複合体を回転可能に収容する本体ケースと、前記本体ケースの側面部に複数組み付けられ、ピストンヘッド部が摺動可能に挿入されるシリンダ摺動面に吸気口が形成され、当該吸気口に接続するシリンダ胴部を貫通する貫通孔若しくは前記摺動面に軸方向に沿って溝孔が形成されている前記シリンダと、前記シリンダ内に挿入されたピストンヘッド部に対向してシリンダ開口部を閉止するように組み付けられてシリンダ室を形成する吐出バルブのみが形成されたシリンダヘッドと、を具備し、前記複数のピストン組の前記第２仮想クランク軸を中心とする第１の回転バランス、前記ピストン複合体の第１クランク軸を中心とする第２の回転バランス及び前記第１クランク軸及びピストン複合体の前記シャフトを中心とする第３の回転バランスが、前記第１クランク軸の両端部に挿入組み付けられた第１，第２バランスウェイトのみにより各々の質量バランスが均等にバランス取りされたまま、前記シャフトを中心に前記第１クランク軸が回転し、当該第１クランク軸を中心に前記ピストン複合体が相対的に回転することで、前記複数のピストン組が前記シャフトを中心とする前記第２仮想クランク軸の半径２ｒの転がり円の径方向に沿った直線往復運動を行なう際に、各ピストン組の両端側に形成される一方の前記シリンダ室へ吸気口から吸気動作が行なわれ他方のシリンダ室から吐出バルブを経て排気動作が交互に行なわれることを特徴とする。

ここで、第１仮想クランクアームとは、シャフトと第１クランク軸の軸芯間を連結する部位を言い、部品単体でクランクアームが存在しなくても構造上クランクアームの存在が認められるものを言う。また、第２仮想クランクアームとは、第１クランク軸と第２仮想クランク軸の軸芯間を連結する部位をいい、クランクアームが省略されていても機構上クランクアームの存在が認められるものを言う。また、第２仮想クランク軸とは、機構上のクランク軸が存在しなくとも回転中心となる軸芯の存在が仮想上認められるクランク軸を言う。また、ピストン組とは、ピストン単体のピストンヘッド部にシールカップ及びシールカップ押さえ部材やピストンリングなどのシール材が一体に組み付けられたものを言う。

また、前記貫通孔若しくは溝孔の摺動面に臨むエッジ部には、Ｒ面、面取り部、テーパー面のいずれかを含む逃げ部が形成されていることを特徴とする。

本発明に係るロータリ式シリンダ装置を用いれば、複数のピストン組がシャフトを中心とする第２仮想クランク軸の半径２ｒの転がり円の径方向に沿った直線往復運動を行なう際に各ピストン組の往復運動による振動を抑えて静音化することができるうえに、シリンダヘッドに吸気バルブを省略することで、吸気バルブを通過する際の流体音、バルブ開閉による衝撃音や振動音などが低減するので静音化を促進することができる。また、通常シリンダヘッドに設けられる吸気バルブを省略できるので部品点数が減るうえにシリンダヘッドの形状も簡易に形成することができる。

また、吸気口に接続する貫通孔若しくは溝孔が、シリンダのピストンヘッド部が摺動する摺動面に形成されていると、部品点数が減り、ピストンヘッド部の往復運動により簡易な構造で吸気バルブを形成することができる。
尚、シリンダ胴部に貫通孔や溝孔を設けても、ピストン組のストロークがシャフトに対する第１クランク軸の偏芯量ｒの４倍のストローク（４ｒ）を実現できるので、シリンダ径を必要以上に大きくしなくても十分な吸排気動作を行なうことができる。

また、貫通孔若しくは溝孔のピストンヘッド部が摺動する摺動面に臨むエッジ部にはＲ面、面取り部、テーパー面のいずれかを含む逃げ部が形成されていると、シリンダ胴部の摺動面を摺動するピストンヘッド部に設けられたシールカップの噛み込みや破損を防ぐことができる。

第１，第２シリンダヘッドを取り外したロータリ式シリンダ装置の斜視図である。図１のロータリ式シリンダ装置の軸方向断面斜視図である。ロータリ式シリンダ装置の分解斜視図である。シャフトを中心とする第１クランク軸、第２仮想クランク軸の回転運動と複数のクランクアームの往復運動の関係を示す模式原理図である。第１，第２シリンダヘッドを組み付けたロータリ式シリンダ装置の分解斜視図である。シリンダに第１シリンダヘッドと第２シリンダヘッドが組み付けられた構造を示す模式図である。図６のシリンダ胴部の形態を示す斜視図、平面図及び矢印Ａ‐Ａ方向断面図である。他例に係る第１，第２シリンダヘッドを組み付けたロータリ式シリンダ装置の分解斜視図である。図８のシリンダ胴部の形態を示す斜視図、平面図及び矢印Ｅ‐Ｅ方向断面図である。図９のシリンダ胴部の他の形態を示す斜視図、平面図及び矢印Ｅ‐Ｅ方向断面図である。第１，第２ピストン組の直線往復運動を示す動作説明図である。第１，第２ピストン組の直線往復運動と吸排気動作を示す説明図である。揺動ピストン組を用いた圧縮機の模式図である。揺動ピストン組の直線往復運動と吸排気動作を示す説明図である。

発明を実施するための一実施形態について添付図面に基づいて詳細に説明する。
ロータリ式シリンダ装置について図１乃至図４を参照して説明する。ロータリ式シリンダ装置は、シャフト（駆動軸）３０４の回転運動が第１，第２ピストン組３０１，３０２の直線往復運動に変換されて出力される。

図１において、第１本体ケース３０５と第２本体ケース３０６とで構成される本体ケース３０７にシャフト３０４（駆動軸）が回転可能に軸支されている。シャフト３０４は、図示しない電動モータの出力軸に連繋して組み付けられる。第１本体ケース３０５と第２本体ケース３０６とは、ボルト３０７ａにより四隅をねじ嵌合させて一体に組み付けられている。

この本体ケース３０７内には、図２に示すように、第１クランク軸３０８を中心に回転可能な偏芯筒体３０３と該偏芯筒体３０３に組み付けられた第１ピストン組３０１及び第２ピストン組３０２（以下、これらを「ピストン複合体Ｐ」という）が回転可能に収容されている。以下、具体的に説明する。

図２において、第１クランク軸３０８は、シャフト３０４の軸芯に対して偏芯して連結される。本実施形態では、シャフト３０４は、第１バランスウェイト３０９と一体に形成されている。尚、第２バランスウェイト３１０側にもシャフトが形成されていてもよい。第１，第２バランスウェイト３０９，３１０は第１クランク軸３０８の両軸端部に各々嵌め込まれて一体に組み付けられている。

図３において、第１クランク軸３０８の両軸端部には軸方向にスリット３０８ａが各々形成されている。各スリット３０８ａの一部には、ピン孔３０８ｂが設けられている。ピン孔３０８ｂの孔径は、スリット３０８ａの幅より大きく形成されている。

図２において、第１，第２バランスウェイト３０９，３１０が第１クランク軸３０８の両端部にボルト３１２ａ，３１２ｂにより一体に組み付けられている。第１バランスウェイト３０９に一体形成されたシャフト３０４は第１軸受３１３ａにより回転可能に軸支されており、第２バランスウェイト３１０に形成された軸部３１０ｃは第２軸受３１３ｂにより回転可能に軸支されている。第１，第２バランスウェイト３０９，３１０は、例えば扇型などのブロック形状をしており、シャフト３０４を中心に回転可能に組み付けられている。第１，第２バランスウェイト３０９，３１０は、第１クランク軸３０８及びピストン複合体Ｐを含むシャフト３０４を中心とした回転運動の質量バランスをとり、特に第１，第２ピストン組３０１，３０２の直線往復運動により発生する偏重心の影響を少なくするために設けられている。

また、図２に示す偏芯筒体３０３は、第１クランク軸３０８の軸芯に対して偏芯した複数の第２仮想クランク軸３１４ａ，３１４ｂ（図４（ａ）参照）を有する。本実施形態では、交差するピストンが２本であるため、第２仮想クランク軸３１４ａ，３１４ｂは第１クランク軸３０８を中心として１８０度位相がずれた位置に設けられている。

図２に示すように、第１，第２ピストン３０１，３０２が互いに交差して第１クランク軸３０８を中心に回転する偏芯筒体３０３に組み付けられている。具体的には、偏芯筒体３０３は、回転中心となる第１クランク軸３０８が挿通する第１筒体３０３ａと、該第１筒体３０３ａに連続して第２筒体３０３ｂが軸芯方向両側に各々連続して形成されている。第１筒体３０３ａには第１クランク軸３０８が同芯状に嵌め込まれており、偏芯筒体３０３の回転中心となっている。また、第２筒体６ｂの軸芯は、第１クランク軸５の軸芯に対して偏芯した第２仮想クランク軸３１４ａ，３１４ｂと一致するようになっている（図４（ａ）参照）。軸方向両側に設けられた第２筒体３０３ｂには、外側軸受３１６ａ，３１６ｂを介して第１，第２ピストン組３０１，３０２が回転可能に嵌め込まれている。

また、図２に示すように、第２筒体３０３ｂの内周側には、内側軸受３１５ａ，３１５ｂが保持されており、外周側には外側軸受３１６ａ，３１６ｂが各々保持されている。内側軸受３１５ａ，３１５ｂは第１クランク軸３０８を回転可能に支持している。また、外側軸受３１６ａ，３１６ｂは、第１，第２ピストン組３０１，３０２が第２筒体３０３ｂに軸直角方向に互いに交差して回転可能に嵌め込まれている。

このように、第１，第２ピストン組３０１，３０２が、偏芯円筒３０３の第２筒体３０３ｂにピストンどうしが交差（直交）して重なり合うように組み付けられているので、第１，第２ピストンヘッド部３０１ｃ，３０２ｃどうしが同一平面上で往復動可能に組み付けられている。よって、ピストン複合体Ｐ（図２参照）を高さ方向及び径方向にコンパクトに組み付けることができ、省スペースで小型軽量化を図ることができる。

また、図３に示すように、第１，第２ピストン組３０１，３０２の長手方向両端部に設けられる第１ピストンヘッド部３０１ｃ、第２ピストンヘッド部３０２ｃには、リング状のシールカップ３１７ａ，３１７ｂ、シールカップ押さえ部材３１８ａ，３１８ｂが各々ボルト３１９により組み付けられる。シールカップ３１７ａ，３１７ｂは、オイルフリーのシール材（例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂材等）が用いられる。シールカップ３１７ａ，３１７ｂの外周縁部にはピストン摺動方向に起立部３１７ｃが起立形成されている。コンプレッサや流体回転機などにおいては、起立部３１７ｃは第１，第２ピストンヘッド部３０１ｃ，３０２ｃの摺動方向外側に向けて組み付けられる。

また、図２において、本体ケース３０７（第１本体ケース３０５及び第２本体ケース３０６）の側面部（４面）に設けられた開口には、シリンダ３２１がボルト３２２により組み付けられている。第１，第２ピストン組３０１，３０２は、シールカップ３１７ａ，３１７ｂ（図３参照）によって、シリンダ３２１の内壁面とのシール性を保ちながら摺動するようになっている。

シリンダ３２１は、本体ケース３０７の開口にシリンダ胴部３２１ｃを挿入してフランジ部３２１ｂを側面部に重ね合わせ、ボルト３２２を、貫通孔及びボルト孔と嵌合することにより本体ケース３０７に一体に組み付けられる（図１参照）。

また、図１においてフランジ部３２１ｂには、複数箇所にボルト孔３２１ｅが設けられている。これは、後述するように、シリンダ３２１に重ね合わせて後述する第１，第２シリンダヘッド３４０，３４１を組み付ける際に、ボルト嵌合用のボルト孔が必要になるためである。

図３において、ロータリ式シリンダ装置の組立構成の一例を示す。
偏芯筒体３０３の第２筒体３０３ｂに内側軸受３１５ａ，３１５ｂを組み付ける。また、偏芯筒体３０３の内側軸受３１５ａ，３１５ｂ、第１円筒体３０３ａの中心孔に第１クランク軸３０８を嵌め込む（図６参照）。また、第１，第２ピストン３０１，３０２の第１、第２ピストンヘッド部３０１ｃ，３０２ｃに、シールカップ３１７ａ，３１７ｂ及びシールカップ押さえ部材３１８ａ，３１８ｂをボルト３１９にて一体に組み付ける。更に、第１，第２ピストン３０１，３０２の軸受保持部，に外側軸受３１６ａ，３１６ｂが嵌まり込むように組み付ける。そして、上記第１，第２ピストン３０１，３０２を第２円筒部３０３ｂに外側軸受３１６ａ，３１６ｂを介して交差するように嵌め込む。

また、第１クランク軸３０８の両端部に第１，第２バランスウェイト３０９，３１０を嵌め込んで、ピン３１１ａ，３１１ｂをピン孔３０８ｂに嵌め込み、ボルト３１２ａ，３１２ｂを締付けて第１，第２バランスウェイト３０９，３１０を第１クランク軸３０８の端部に一体に組み付ける。また、第１本体ケース３０５の軸受保持部３０５ａに第１軸受３１３ａ、第２本体ケース３０２の軸受保持部３０２ａに第２軸受３１３ｂを嵌め込む。そして、第１軸受３１３ａにシャフト３０４を嵌め込み、第２軸受３１３ｂに第２バランスウェイト３１０の軸部３１０ｃを嵌め込むようにして、第１本体ケース３０５と第２本体ケース３０６を組み合わせる。これにより、偏芯筒体３０３とこれに交差して組み付けられた第１，第２ピストン３０１，３０２（ピストン複合体Ｐ）を本体ケース３０７（図１参照）内に収容する。そして、ボルト孔３０５ｃとボルト孔３０６ｃを位置合わせして重ね合わせた状態で、ボルト３０７ａを嵌め込んで本体ケース３０７が組み立てられる。最後に、本体ケース３０７の側面（４面）に形成される開口にシリンダ３２１を嵌め込んで、第１ピストンヘッド部３０１ｃ，第２ピストンヘッド部３０２ｃがシリンダ３２１の開口部３２１ａ内に各々摺動可能に嵌め込まれる（図１参照）。

図５において、４面に設けられたシリンダ３２１の端面（フランジ部３２１ｂ）には、第１シリンダヘッド３４０と第２シリンダヘッド３４１とがシリンダ開口部を閉止するように重ねて組み付けられ、ロータリ式シリンダ装置が組み立てられる。第１ピストン組３０１の一方の第１ピストンヘッド部３０１ｃが挿入されるシリンダ３２１と、該シリンダ３２１の端面（フランジ部３２１ｂ）に第１シリンダヘッド３４０と第２シリンダヘッド３４１が組み付けられた構造を図６に模式的に示す。

図６において、第１シリンダヘッド３４０と第１ピストンヘッド部３０１ｃとの間にはシリンダ室３４２が各々形成されている。また、第１シリンダヘッド３４０には吐出バルブ３４０ａのみが形成されている。第１シリンダヘッド３４０と第２シリンダヘッド３４１との間には排気室３４３が各々形成される。また、第２シリンダヘッド３４１には、吐出口３４１ａが形成されている。また、第１ピストンヘッド部３０１ｃが摺動可能に挿入されるシリンダ胴部３２１ｃには摺動面３２１ｈの一部に吸気口３２１ｆが複数個所に各々形成されている。吸気口３２１ｆは、第１ピストン組３０１が上死点と下死点との間を往復動する範囲内に形成され、第１ピストン組３０１が下死点にあるときシリンダ室３４２と連通するようになっている。

シリンダ３２１の形態について具体的に説明すると、図７（ａ）〜（ｃ）において、吸気口３２１ｆは、シリンダ胴部３２１ｃに形成された貫通孔３２１ｇに連通している。貫通孔３２１ｇは周方向に等間隔で複数箇所（例えば４か所）に設けられている。貫通孔３２１ｇの摺動面３２１ｈに臨むエッジ部には、Ｒ面，テーパー面，面取り部のうちいずれかを含む逃げ部が形成されているのが好ましい（図７（ｃ）参照）。尚、貫通孔３２１ｇに連通している吸気口３２１ｆは、シリンダ胴部３２１ｃに１箇所だけ形成されていてもよい。

また、図８にはロータリ式シリンダ装置の他例を示す。シリンダ装置の概略構成は図５と同様であるが、図８に示すシリンダ装置はシリンダ３２１には、摺動面３２１ｈに貫通孔３２１ｇに替えて溝孔３２１ｉが軸方向に沿って形成されている。

シリンダ３２１の形態について具体的に説明すると、図９（ａ）〜（ｃ）において、吸気口３２１ｆは、シリンダ胴部３２１ｃに形成された溝孔（角孔）３２１ｉに連通している。溝孔３２１ｉは周方向に等間隔で複数箇所（例えば４か所）に設けられている。溝孔３２１ｉの摺動面３２１ｈに臨むエッジ部には、Ｒ面，テーパー面，面取り部のうちいずれかを含む逃げ部が形成されているのが好ましい（図９（ｃ）参照）。尚、溝孔３２１ｉに連通している吸気口３２１ｆは、シリンダ胴部３２１ｃに１箇所だけ形成されていてもよい。

また、溝孔の他の形態として図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、摺動面３２１ｈよりシリンダ端部に向かって溝深さが漸進深くなるようにテーパー溝３２１ｊが形成されていても良い。
このようにシリンダヘッド３２１の摺動面３２１ｈに臨むエッジ部の形状がなだらかであると、第１，第２ピストンヘッド部３０１ｃ，３０２ｃに設けられるシールカップ３１７ａ，３１７ｂ（図３参照）の噛み込みや破損を防ぐことができる。

上述のように組み立てられたロータリ式シリンダ装置は、第１，第２ピストン組３０１，３０２の外側軸受３１６ａ，３１６ｂ（第２仮想クランク軸３１４ａ，３１４ｂ）周りの回転バランス（第１のバランス）、ピストン複合体Ｐの第１クランク軸３０８周りの回転バランス（第２のバランス）、シャフト３０４周りの構成部品の回転バランス（第３のバランス）が、バランスウェイト３０９，３１０により調整されて組み立てられている。
これにより、シャフト３０４を中心として第１クランク軸３０８、第１クランク軸３０８を中心として偏芯筒体３０３が回転し、第１，第２ピストン組３０１，３０２の直線往復運動によるピストン複合体Ｐに偏重心が発生しても、回転による振動を抑えて静音化を図ることができ、しかも機械的損失を低減してエネルギー変換効率を高めることができる。

ここで、シャフト３０４を中心とする第１クランク軸３０８、第２仮想クランク軸３１４ａ，３１４ｂの回転運動と複数のピストン組の往復運動の関係を図４（ａ）〜（ｌ）に示す模式構造原理図を参照して説明する。図４（ａ）〜（ｌ）において、転がり円３２３の中心Ｏはシャフト３０４の軸芯と一致する。また、中心Ｏより偏芯した位置に第１クランク軸３０８が存在し、第１クランク軸３０８の回転に伴い第２仮想クランク軸３１４ａ，３１４ｂが滑らずに回転するものとする。第２仮想クランク軸３１４ａ，３１４ｂの数は、ピストンの数に対応している。

シャフト３０４（中心Ｏ）と第１クランク軸３０８との軸芯間距離ｒを第１仮想クランクアーム及び第２仮想クランクアームのアーム長（回転半径）とする。また、シャフト３０４の軸芯（中心Ｏ）周りに第１仮想クランクアームのアーム長ｒを回転半径とする回転軌道３３０上を第１クランク軸３０８が回転する。更には、第１クランク軸３０８を中心とする第２仮想クランクアームのアーム長ｒを回転半径とする回転軌道（仮想円３２４）上を第２仮想クランク軸３１４ａ，３１４ｂが見かけ上滑らずに回転する。これにより、中心Ｏの周りに仮想円３２４の直径Ｒ（２ｒ）を半径とする転がり円３２３の径方向（内サイクロイド）に沿って第１，第２ピストン組３０１，３０２が各々直線往復運動するようになっている。

本実施例では、互いに直交する第１、第２ピストン組３０１，３０２が連繋する第２筒体３０３ｂの第２仮想クランク軸を３１４ａ，３１４ｂとして例示するものとする。図４（ａ）において、第２仮想クランク軸３１４ａは転がり円３２３と直径Ｒ１の交点（下端位置）にあり、第２仮想クランク軸３１４ｂは、転がり円３２３の中心Ｏ（シャフト４の軸芯位置）にある。第１クランク軸３０８は転がり円３２３の中心Ｏから半径ｒの位置にあるものとする。

第１クランク軸３０８が転がり円３２３の中心Ｏの周りに反時計回り方向に１回転する場合について説明する。仮想円３２４は時計回り方向に転がり円３２３の内周に沿って滑らずに回転するものとする。図４（ａ）〜（ｌ）は第１クランク軸３０８が３０度ずつ変位した状態を示している。

第１クランク軸３０８が図４（ａ）の位置から反時計回り方向に９０度回転すると図４（ｄ）の位置となる。このとき、第２仮想クランク軸３１４ａは転がり円３２３の直径Ｒ１上を中心Ｏへ移動し、第２仮想クランク軸３１４ｂは直径Ｒ１と直交する直径Ｒ２と転がり円３２３との交点（右端位置）まで移動する。

第１クランク軸３０８が図４（ｄ）の位置から反時計回り方向にさらに９０度回転すると図４（ｇ）の位置となる。このとき、第２仮想クランク軸３１４ａは転がり円３２３と直径Ｒ１との交点（上端位置）へ移動し、第２仮想クランク軸３１４ｂは転がり円３２３の中心Ｏへ移動する。

第１クランク軸３０８が図４（ｇ）の位置から反時計回り方向にさらに９０度回転すると図４（ｊ）の位置となる。このとき、第２仮想クランク軸３１４ａは転がり円３２３の中心Ｏへ移動し、第２仮想クランク軸３１４ｂは転がり円３２３と直径Ｒ２との交点（左端位置）へ移動する。

第１クランク軸３０８が図４（ｊ）の位置から反時計回り方向にさらに９０度回転すると図４（ａ）の位置となる。このとき、第２仮想クランク軸３１４ａは転がり円３２３と直径Ｒ１との交点（下端位置）へ移動し、第２仮想クランク軸３１４ｂは転がり円３２３の中心Ｏへ移動する。

以上のように、第１クランク軸３０８が中心Ｏ（シャフト３０４）の周りに回転すると、第２仮想クランク軸３１４ａは仮想円３２４の転がり軌跡（内サイクロイド）である転がり円３２３の直径Ｒ１上を往復移動し、第２仮想クランク軸３１４ｂは転がり円３２３の直径Ｒ２上を往復移動する。

即ち、シャフト３０４の軸芯（中心Ｏ）を中心とした半径ｒの回転軌道３３０に沿った第１クランク軸３０８及びピストン複合体Ｐ（図２参照）の回転移動に伴い、第２仮想クランク軸３１４ａ，３１４ｂを軸芯に有する第２円筒部３０３ｂにおいて偏芯筒体３０３と連繋する第１ピストン３０１が半径２ｒの転がり円３２３（シャフト３０４の軸芯を中心とする同心円）の直径Ｒ１上で往復動を繰り返し、第２ピストン３０２が半径２ｒの転がり円３２３（シャフト３０４の軸芯を中心とする同心円）の直径Ｒ２上で往復動を繰り返すことになる。

図１１（ａ）〜（ｅ）は、ロータリ式シリンダ装置におけるシャフト４の回転角度変化に伴う吸気及び排気動作を例示する動作説明図である。シャフト４の回転角度は、一体形成された第１バランスウェイト３０９の反時計回りの回転位置により識別して説明するものとする。また、２ピストン組により４か所に形成されるシリンダ室３４２のうち第１ピストン組３０１の左端部形成されるシリンダ室３４２の状態を中心に説明する。

図１１（ａ）は第１ピストン組３０１が上死点位置（原点位置；第１バランスウェイト３０９の回転角０°）、図１１（ｂ）は第１ピストン組３０１が上死点位置から移動し始めた状態（第１バランスウェイト３０９の回転角４５°）、図１１（ｃ）は第１ピストン組３０１が下死点に向けて移動途中（シリンダ室３４２内が真空）を示しており（第１バランスウェイト３０９の回転角９０°）、図１１（ｄ）は第１ピストン組３０１がシリンダ３２１の吸気口３２１ｆ付近を通過する際に、シリンダ室３４２の内外の圧力差によって外気が吸気口３２１ｆを通じて瞬時に吸入される状態を示しており（第１バランスウェイト３０９の回転角１３５°）、図１１（ｅ）は第１ピストン組３０１が下死点に到達してシリンダ室３４２が外気で満たされた状態を示す（第１バランスウェイト３０９の回転角１７０°）。シャフト３０４が更に同方向に回転すると、第１ピストン組３０１は下死点から上死点に向けて移動するため、シリンダ室３４２に吸引した外気を圧縮して排気する工程に移行する。

図１２（ａ）〜（ｅ）は第１ピストン組３０１が上死点から下死点を経て再度上死点に戻るまでの吸気及び排気動作を例示する模式図である。
第１ピストン組３０１が上死点（図１２（ａ））から吸気動作（図１２（ｂ））を行なって下死点へ移動して吸気を終了する（図１２（ｃ））。

次に、第１ピストン組３０１が下死点から上死点に向けて移動することにより、シリンダ室３４２内の空気を圧縮して吐出バルブ３４０ａを開放し、排気室３４３を経て吐出口３４１ａより圧縮空気を排気する状態を示す（図１２（ｄ））。そして、第１ピストン組３０１が再度上死点に到達すると（図１２（ｅ））排気動作が終了する。シリンダ室３４２へ吸気を行なって下死点へ移動して吸気が終了し、シリンダ室３４２を圧縮して排気室３４３を介して吐出口３４１ａへ排気させ、第１ピストン組３０４が上死点に到達して排気が終了する。以降は、同様の動作の繰り返しであり、第２ピストン組３０２についても移動状態は異なるが吸気及び排気動作は同様である。

以上説明したように、シャフト３０４を中心としたピストン複合体Ｐの回転に際して各ピストン組の往復運動による振動を抑えて静音化することができるうえに、シリンダヘッドに吸気バルブを省略することで、吸気バルブを通過する際の流体音、バルブ開閉による衝撃音や振動音などが低減するので静音化を促進することができる。
また、通常シリンダヘッドに設けられる吸気バルブを省略できるので、部品点数が減りうえにシリンダヘッドの形状も簡易に形成することができる。

上述したロータリ式シリンダ装置は、例えば酸素濃縮装置のコンプレッサ（圧縮機）に用いることが可能であり、その他にも内燃機関、圧縮機、真空ポンプ、流体回転機など様々な装置に適用が見込まれる。

Ｐピストン複合体
３０１第１ピストン組
３０１ｃ第１ピストンヘッド部
３０２第２ピストン組
３０２ｃ第２ピストンヘッド部
３０３偏芯筒体
３０３ａ第１筒体
３０３ｂ第２筒体
３０４シャフト
３０５第１本体ケース
３０５ａ，３０６ａ軸受保持部
３０５ｃ，３０６ｃ，３０９ａ，３１０ａ，３１８ｃ，３２１ｅボルト孔
３０６第２本体ケース
３０７本体ケース
３０７ａ，３１２ａ，３１２ｂ，３１９，３２２ボルト
３０４シャフト
３０８第１クランク軸
３０８ａスリット
３０８ｂピン孔
３０９第１バランスウェイト
３１０第２バランスウェイト
３１０ｃ軸部
３１１ａ，３１１ｂピン
３１３ａ第１軸受
３１３ｂ第２軸受
３１４ａ，３１４ｂ第２仮想クランク軸
３１５ａ，３１５ｂ内側軸受
３１６ａ，３１６ｂ外側軸受
３１７ａ，３１７ｂシールカップ
３１７ｃ起立部
３１８ａ，３１８ｂシールカップ押さえ部材
３２１シリンダ
３２１ａ開口部
３２１ｂフランジ部
３２１ｃシリンダ胴部
３２１ｆ吸気口
３２１ｇ貫通孔
３２１ｈ摺動面
３２３転がり円
３２４仮想円
３４２シリンダ室
３３０回転軌道
３３１出力軸
３４０第１シリンダヘッド
３４０ａ吐出バルブ
３４１第２シリンダヘッド
３４１ａ吐出口
３４３排気室

Claims

シリンダ内を往復運動するピストンとシャフトの回転運動を相互に変換可能なロータリ式シリンダ装置であって、
前記シャフトの軸芯に対して偏芯して組み付けられ、当該シャフトを中心に半径ｒの第１仮想クランクアームを介して回転可能に組み付けられた第１クランク軸と、
前記第１クランク軸に同芯状に嵌め込まれた第１筒体と該第１筒体の軸芯に対して偏芯した複数の第２仮想クランク軸を軸芯とする第２筒体が連続して形成された偏芯筒体を備え、
前記第２筒体に複数のピストン組が互いに交差したまま前記第１クランク軸を中心に半径ｒの第２仮想クランクアームを介して回転可能に嵌め込まれたピストン複合体と、
前記ピストン複合体が嵌め込まれた前記第１クランク軸の両端部に各々組み付けられ、前記シャフトを中心とする回転部品間の回転バランスをとる第１，第２バランスウェイトと、
前記シャフトを回転可能に軸支し、当該シャフトを中心に回転する前記第１クランク軸及び前記第１，第２バランスウェイト、前記第１クランク軸を中心に回転する前記ピストン複合体を回転可能に収容する本体ケースと、
前記本体ケースの側面部に複数組み付けられ、ピストンヘッド部が摺動可能に挿入されるシリンダ摺動面に吸気口が形成され、当該吸気口に接続するシリンダ胴部を貫通する貫通孔若しくは前記摺動面に軸方向に沿って溝孔が形成されている前記シリンダと、
前記シリンダ内に挿入されたピストンヘッド部に対向してシリンダ開口部を閉止するように組み付けられてシリンダ室を形成する吐出バルブのみが形成されたシリンダヘッドと、を具備し、
前記複数のピストン組の前記第２仮想クランク軸を中心とする第１の回転バランス、前記ピストン複合体の第１クランク軸を中心とする第２の回転バランス及び前記第１クランク軸及びピストン複合体の前記シャフトを中心とする第３の回転バランスが、前記第１クランク軸の両端部に挿入組み付けられた第１，第２バランスウェイトのみにより各々の質量バランスが均等にバランス取りされたまま、前記シャフトを中心に前記第１クランク軸が回転し、当該第１クランク軸を中心に前記ピストン複合体が相対的に回転することで、前記複数のピストン組が前記シャフトを中心とする前記第２仮想クランク軸の半径２ｒの転がり円の径方向に沿った直線往復運動を行なう際に、各ピストン組の両端側に形成される一方の前記シリンダ室へ吸気口から吸気動作が行なわれ他方のシリンダ室から吐出バルブを経て排気動作が交互に行なわれることを特徴とするロータリ式シリンダ装置。
前記貫通孔若しくは溝孔の摺動面に臨むエッジ部には、Ｒ面、面取り部、テーパー面のいずれかを含む逃げ部が形成されている請求項１記載のロータリ式シリンダ装置。