JP5636032B2 - コンプレッサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンプレッサ装置が接続される被空気充填物への圧縮空気の供給圧力を、リーフバルブを設けることなく規定圧力以下に規制したコンプレッサ装置に関する。

例えばタイヤである被空気充填物に圧縮空気を充填するコンプレッサ装置として、図７（Ａ）に示すものが提案されている（例えば特許文献１参照）。この装置ａは、圧縮空気を発生させるコンプレッサ本体ｂと、発生する圧縮空気をタイヤ側に送る空気送給手段ｋとを具えるとともに、前記コンプレッサ本体ｂには、圧縮空気の供給圧力が規定圧力を超えたときその過圧を逃がすリリーフバルブｃが設けられる。タイヤ用のコンプレッサ装置の場合、前記規定圧力は、通常タイヤの許容最高圧に設定されており、この規定圧力を超える圧力が充填されることによるタイヤの損傷を防止する。

他方、前記リリーフバルブｃは、図７（Ｂ）に示すように、シリンダｄのサージ室ｄ１に前端部が取り付く筒状のバルブケースｅを具えるとともに、前記バルブケースｅには、前端が空気流入口ｈ１をなす中心孔ｈが形成される（例えば特許文献２参照）。前記中心孔ｈ内には、前記空気流入口ｈ１を開閉させる弁体ｆと、この弁体ｆを空気流入口ｈ１側に付勢するコイルバネｇとが配されるとともに、前記中心孔ｈの後端には、排気孔ｊ１を有しかつ前後に螺進退自在に螺着される調整キャップｊが取り付けられる。そしてリリーフバルブｃを組み立てる際には、前記規定圧力（リリーフ圧）にてリリーフバルブｃが作動するように、前記調整キャップｊを螺進退させてコイルバネｇの付勢力を調節することが行われる。

このようにリリーフバルブｃは、その部品数が多く、しかも組み立て時、全数に対して前記調節作業が必要となる。そのため、生産に際して多くの時間と労力が必要となるなど、コンプレッサ装置における生産性の低下やコストアップの原因の一つとなっている。

特開２００５−３４４５７０号公報書 特開２０１２−１０１４５０号公報

そこで本発明は、リリーフバルブを排除しながらも、被空気充填物への圧縮空気の供給圧力を、規定圧力以下に規制することができ、被空気充填物の過圧による損傷を抑制し安全性を確保しながら、生産性の向上及びコストダウンを図りうるコンプレッサ装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本願請求項１の発明は、リリーフバルブを設けることなく圧縮空気の供給圧力を規定圧力Ｐ_Ｐ以下に規制したコンプレッサ装置であって、
モータ、
該モータにクランク機構を介して駆動されるピストン、
前記ピストンを下死点から上死点まで往復移動可能に収容するとともに前記ピストンとの間で空気を圧縮させるポンプ室を形成するシリンダ本体と、前記ポンプ室で圧縮された圧縮空気を排気弁を介して受け取るサージ室を形成するシリンダ副部とを有するシリンダ、
前記ピストンを貫通し外気を前記ポンプ室内に吸気する吸気孔と、この吸気孔をポンプ室側から弾性的に閉じる板バネからなる弁体とを有する吸気弁、
及び前記サージ室からの圧縮空気を外部に送給する空気送給流路を具え、
しかも、前記ピストンが下死点から上死点まで移動する間のシリンダ容積であるストローク容積をＶ１、前記ピストンが上死点に到達したときのシリンダ容積である圧縮容積をＶ２、大気圧をＰ_０としたとき、前記圧縮容積Ｖ２は次式（１）を充足するとともに、
前記吸気孔の直径Ｄを３〜１５ｍｍとしたことを特徴としている。
０．８×｛Ｖ１×Ｐ_０／（Ｐ_Ｐ−Ｐ_０）｝≦Ｖ２＜１．０×｛Ｖ１×Ｐ_０／（Ｐ_Ｐ−Ｐ_０）｝ −−−（１）

また請求項２では、前記弁体は、その厚さｔを０．０５〜０．２ｍｍとしたことを特徴としている。

なお前記圧力Ｐ_Ｐ、Ｐ_０は、絶対圧力である。

本発明は叙上の如く、シリンダの圧縮容積Ｖ２を、前記式（１）を充足するように設定されている。

ここでボイルの法則から、下死点においてシリンダ内に空気を吸入した状態におけるシリンダ内の空気の圧力と体積の積｛Ｐ_０×（Ｖ１＋Ｖ２）｝は、上死点において最高圧力Ｐmax に圧縮された状態におけるシリンダ内の空気の圧力と体積の積（Ｐmax ×Ｖ２）と一致する。即ち、次式（ア）の関係が得られる。又前記式（ア）から、圧縮容積Ｖ２が式（イ）の如く得られる。
Ｐmax ×Ｖ２＝Ｐ_０×（Ｖ１＋Ｖ２） −−−（ア）
Ｖ２＝（Ｐ_０×Ｖ１）／（Ｐmax −Ｐ_０） −−−（イ）

他方、サージ室側の空気圧がしだいに上昇して前記最高圧力Ｐmax と等しくなった時には、排気弁の内外における圧力が均衡する。そのため、シリンダ内の圧縮空気はサージ室側に排出されなくなり、シリンダ内にとどまる。即ち、ピストンが作動するにもかかわらず、シリンダ内への吸気も排気も行われなくなり、コンプレッサ装置からの供給圧力は、前記シリンダ内の最高圧力Ｐmax よりも上昇することがなくなる。

従って、前記最高圧力Ｐmax としてコンプレッサ装置の規定圧力Ｐ_Ｐを設定することで、リリーフバルブを用いることなく、コンプレッサ装置からの供給圧力を前記規定圧力Ｐ_Ｐ以下に規制でき、そのための圧縮容積Ｖ２を、次式（ウ）として求めることができる。
Ｖ２＝（Ｐ_０×Ｖ１）／（Ｐ_Ｐ −Ｐ_０） −−−（ウ）

しかし実際には、吸気弁による影響により、下死点における空気の吸入量に不足が生じる傾向があり、従って、実際の圧縮容積Ｖ２は、（Ｐ_０×Ｖ１）／（Ｐ_Ｐ−Ｐ_０）よりも小さく設定する必要がある。しかし圧縮容積Ｖ２が小さすぎると、吸気弁の開閉に時間的遅れが生じて排気効率が低下するという新たな問題が発生する。そのため、本発明では、吸気孔の直径を規制して、吸気弁における吸気抵抗をできるだけ少なくすることで、前記圧縮容積Ｖ２を（Ｐ_０×Ｖ１）／（Ｐ_Ｐ−Ｐ_０）の０．８倍以上に確保するとともに、これにより排気効率の低下を抑制している。

本発明のコンプレッサ装置の使用状態の一例を示す斜視図である。 コンプレッサ装置の一実施例を示す斜視図である。 コンプレッサー本体の主要部を示す斜視図である。 コンプレッサー本体の主要部を示す断面図である。 吸気弁を示す分解斜視図である。 ストローク容積Ｖ１、及び圧縮容積Ｖ２を説明する略断面図である。 （Ａ）は従来のコンプレッサ装置を示す斜視図、（Ｂ）はそのリリーフバルブを示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
本実施形態のコンプレッサ装置１は、リリーフバルブを設けることなく圧縮空気の供給圧力を規定圧力Ｐ_Ｐ以下に規制したコンプレッサ装置であって、図１に示すように、本例では、タイヤのパンク修理用、或いはタイヤのポンプアップ用のコンプレッサ装置である場合が示される。

なお図１中の符号４０は、パンク修理液を収容したボトル容器４１の口部にキャップ４２を取り付けたボトルユニットである。前記キャップ４２には、前記コンプレッサ装置１から供給される圧縮空気をボトル容器４１内へ送り込む空気取入れ口部４２ａ、及びこの圧縮空気の送り込みにより前記ボトル容器４１からパンク修理液と圧縮空気とを順次取り出す取出し口部４２ｂが設けられる。本例では、前記コンプレッサ装置１と空気取入れ口部４２ａとの間、及び取出し口部４２ｂとタイヤＴとの間がそれぞれホース４３ａ、４３ｂにて接続される場合が例示される。しかし、前記コンプレッサ装置１と空気取入れ口部４２ａとの間をホース４３ａを介することなく直接接続可能に構成することもできる。

又前記コンプレッサ装置１は、図２に示すように、収納ケース２内に、圧縮空気を発生させるコンプレッサ本体３を一体可搬に収納している。前記コンプレッサ本体３は、モータＭと、該モータＭにクランク機構１１を介して連結されるピストン５と、このピストン５を往復移動可能に収容するシリンダ７と、前記ピストン５に取り付く吸気弁１２と、発生する圧縮空気を外部に送給する空気送給流路８とを少なくとも具える。

前記収納ケース２は、小高さの偏平略直方体状の箱体をなし、上下のケース部２Ｕ、２Ｌに分解可能に形成されている。前記モータＭとしては、自動車の１２Ｖ直流電源で作動する市販の種々のＤＣモータが採用できる。このモータＭには、自動車のシガーライターソケットに接続可能な電源プラグ１０を先端に設けた電源コードが、前記収納ケース２の上板部に取り付く電源スイッチＳＷを介して接続される。又前記クランク機構１１としては周知の種々の構造のものが採用しうる。

又前記シリンダ７は、図３、４に示すように、シリンダ本体７Ａとシリンダ副部７Ｂとを具える。前記シリンダ本体７Ａは、前記ピストン５を下死点ＰＬ（図６に示す。）から上死点ＰＵまで往復移動可能に収容するとともに、前記ピストン５との間で空気を圧縮させるポンプ室６Ａを形成する。又シリンダ副部７Ｂは、前記シリンダ本体７Ａに連設され、前記ポンプ室６Ａで圧縮された圧縮空気を、排気弁１３を介して受け取るサージ室６Ｂを形成する。このサージ室６Ｂは、ポンプ室６Ａからの圧縮空気の脈動を抑え圧力を安定させる。そして前記シリンダ副部７Ｂには、例えばニップル状の連結部１５、１６が形成され、一方の連結部１５には、前記サージ室６Ｂ内の圧力を測定する圧力計１７が連結される。又他方の連結部１６は、前記空気送給流路８をなし、本例では前記ホース４３ａが接続される。

前記排気弁１３は、前記ポンプ室６Ａとサージ室６Ｂとを導通する導通孔１３Ａ、前記の導通孔１３Ａをサージ室６Ｂ側から閉じる例えばゴム部材などからなる弁体１３Ｂ、及び前記弁体１３Ｂとシリンダ副部７Ｂの蓋部７Ｂ１との間に配され前記弁体１３Ｂを導通孔１３Ａ側に付勢するコイルバネ状のバネ手段１３Ｃとから形成される。この排気弁１３は、ポンプ室６Ａの加圧によって作動し、導通孔１３Ａを開口させる。この時の作動力は、弁体１３Ｂへの圧力に換算したとき８０ｋＰａ以下、さらには５０ｋＰａ以下とできるだけ小さいのが好ましい。

又前記吸気弁１２は、前記ピストン５を貫通して外気を前記ポンプ室６Ａ内に吸気する吸気孔１２Ａと、この吸気孔１２Ａをポンプ室６Ａ側から弾性的に閉じる弁体１２Ｂとを具える。具体的には、図５に示すように、前記弁体１２Ｂは、金属製の板バネからなり、本例では、前記ピストン５の上面に例えばネジ金具１４などを用いて固定される固定部分１２Ｂ１と、前記吸気孔１２Ａを覆う略円板状の被覆部分１２Ｂ２と、その間に配されるくびれ部分１２Ｂ３とからなる略瓢箪状に形成される。そして前記くびれ部分１２Ｂ３によって弾性変形容易とし、上死点ＰＵからの下降に際してはポンプ室６Ａ内の負圧によって吸気孔１２Ａを開口し、外気を前記ポンプ室６Ａ内に吸気する。又下死点ＰＬからの上昇に際しては、弁体１２Ｂの弾性及びポンプ室６Ａ内の加圧によって吸気孔１２Ａを閉止しうる。

そして本発明では、リリーフバルブを設けることなくコンプレッサ装置１からの圧縮空気の供給圧力を、規定圧力Ｐ_Ｐ以下に規制するために、シリンダ７の圧縮容積Ｖ２を、従来よりも大、しかも次式（１）に示す範囲に設定している。

詳しくは、図６に示すように、前記ピストン５が下死点ＰＬから上死点ＰＵまで移動する間のシリンダ容積であるストローク容積をＶ１、前記ピストン５が上死点ＰＵに到達したときのシリンダ容積である圧縮容積をＶ２、大気圧をＰ_０としたとき、前記圧縮容積Ｖ２を、次式（１）を充足する範囲に設定している。
０．８×｛Ｖ１×Ｐ_０／（Ｐ_Ｐ−Ｐ_０）｝≦Ｖ２＜１．０×｛Ｖ１×Ｐ_０／（Ｐ_Ｐ−Ｐ_０）｝ −−−（１）

ここでボイルの法則から、下死点ＰＬにおいてシリンダ７内に空気を吸入した状態におけるシリンダ７内の空気の圧力と体積の積｛Ｐ_０×（Ｖ１＋Ｖ２）｝は、上死点ＰＵにおいて最高圧力Ｐmax に圧縮された状態におけるシリンダ７内の空気の圧力と体積の積（Ｐmax ×Ｖ２）と一致する。即ち、次式（ア）の関係が得られる。又前記式（ア）から、圧縮容積Ｖ２は、式（イ）で得られる。
Ｐmax ×Ｖ２＝Ｐ_０×（Ｖ１＋Ｖ２） −−−（ア）
Ｖ２＝（Ｐ_０×Ｖ１）／（Ｐmax −Ｐ_０） −−−（イ）

他方、サージ室６Ｂ側の空気圧がしだいに上昇して前記最高圧力Ｐmax と等しくなった時には、排気弁１３の内外における圧力が均衡する。そのため、シリンダ７内の圧縮空気はサージ室６Ｂ側に排出されなくなり、シリンダ７内にとどまる。即ち、ピストン５が作動するにもかかわらず、シリンダ７内への吸気も排気も行われなくなり、コンプレッサ装置１からの供給圧力は、前記最高圧力Ｐmax よりも上昇することがなくなる。

従って、前記最高圧力Ｐmax としてコンプレッサ装置１の規定圧力Ｐ_Ｐを設定することで、リリーフバルブを用いることなく、コンプレッサ装置１からの供給圧力を前記規定圧力Ｐ_Ｐ以下に規制でき、そのための圧縮容積Ｖ２は、理論上は、次式（ウ）で求められる。
Ｖ２＝（Ｐ_０×Ｖ１）／（Ｐ_Ｐ −Ｐ_０） −−−（ウ）

なおタイヤのパンク修理用、或いはタイヤのポンプアップ用のコンプレッサ装置の場合、前記規定圧力Ｐ_Ｐとして、タイヤの許容最高圧を採用するのが好ましく、例えば乗用車用タイヤの場合、４５１．３ｋＰａ（ゲージ圧に換算すると３５０ｋＰａ）、小型トラック用タイヤの場合、７０１．３ｋＰａ（ゲージ圧に換算すると６００ｋＰａ）、重荷重用タイヤの場合、９０１．３ｋＰａ（ゲージ圧に換算すると８００ｋＰａ）とするのが好ましい。

しかし実際には、吸気弁１２による影響により、下死点ＰＬにおける空気の吸入量に不足が生じる傾向がある。従って、実際の圧縮容積Ｖ２は、前記値（Ｐ_０×Ｖ１）／（Ｐ_Ｐ−Ｐ_０）よりも小さく設定する必要がある。しかし圧縮容積Ｖ２が小さすぎると、吸気弁１２の開閉に時間的遅れが生じてコンプレッサの排気効率が著しく低下するという新たな問題が発生する。

そのため本発明では、吸気孔１２Ａの直径Ｄ（図５に示す。）を規制し、吸気弁１２における吸気抵抗を抑えることで、前記圧縮容積Ｖ２を、前記値（Ｐ_０×Ｖ１）／（Ｐ_Ｐ−Ｐ_０）の０．８倍以上に確保するとともに、これにより排気効率の低下を抑制している。

詳しくは、前記吸気孔１２Ａの直径Ｄを３〜１５ｍｍの範囲に規制している。前記直径Ｄが３ｍｍを下回ると吸気量が不足し、コンプレッサの排気効率の低下を招く。又前記直径Ｄが１５ｍｍを超える場合、前記弁体１２Ｂが薄い板バネからなるため、吸気孔１２Ａへの密閉性が不十分となり、排気効率を低下させる。そのため前記直径Ｄの下限は５ｍｍ以上が好ましく、又上限は１０ｍｍ以下が好ましい。

又この時、前記弁体１２Ｂの厚さｔ（図５に示す。）が０．０５〜０．２ｍｍであるのが好ましく、０．２ｍｍを超えると、ピストン作動中の慣性抵抗は大きくなるものの、弁体１２Ｂの曲げ剛性が過大となって吸気孔１２Ａが充分開かなくなり吸気量不足を招く。また前記厚さｔが０．０５ｍｍを下回る場合には、弁体１２Ｂの剛性が不足して吸気孔１２Ａへの密閉性が不十分となり、排気効率の低下を招く。このような観点から、前記厚さｔの下限は０．０７ｍｍ以上がより好ましく、又上限は０．１５ｍｍ以下がより好ましい。同じ観点から、前記くびれ部分１２Ｂ３の幅Ｗ（図５に示す。）は、吸気量不足を抑制するために１０ｍｍ以下にするのが好ましい。

なお前記弁体１２Ｂとしては、特に耐食性に優れるステンレス材が好適に採用しうる。
又前記被覆部分１２Ｂ２は、前記吸気孔１２Ａの直径Ｄよりも１〜5mm大きい直径にて形成するのが好ましい。

以上、本発明の特に好ましい実施形態について詳述したが、本発明は図示の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施しうる。

本発明の効果を確認するため、図４に示す構造なしリリーフバルブが装着されていないコンプレッサー装置を表１の仕様で試作した。そして各コンプレッサー装置をタイヤに接続し、コンプレッサー装置を作動状態で放置したときの最大圧力Ｐを、シリンダ副部７Ｂに取り付く圧力計１７を用いて測定した。又比較のために、リリーフ圧を４５１．３ｋＰａ（ゲージ圧に換算すると３５０ｋＰａ）に設定したリリーフバルブを具える従来のコンプレッサー装置に対しても同様のテストを行い、コンプレッサー装置の最大圧力Ｐを測定した。

表に記載以外は実質的に同仕様であり、各コンプレッサー装置とも、吸気弁１２の弁体１２Ｂとして略瓢箪形状（くびれ部の幅７mm）をなす金属製（ステンレス）の板バネを使用している。又排気弁１３の作動力（弁体への圧力に換算）は３０ｋＰａである。

排気効率：
電圧１２V、タイヤ空気圧を２５０ｋPa（ゲージ圧）まで昇圧する場合の従来例の時間をＴo、実施例の時間をTとしたときの比Tｏ／Ｔ×１００（％）として、排気効率を比較した。値が大きい程、排気効率に優れる。

表の如く、実施例のコンプレッサ装置は、リーフバルブを設けることなく、しかも排気効率を高く維持しながら、タイヤ（被空気充填物）への圧縮空気の供給圧力をほぼ規定圧力にて規制しうるのが確認できる。

１ コンプレッサ装置
１１ クランク機構
５ ピストン
６Ａ ポンプ室
６Ｂ サージ室
７ シリンダ
７Ａ シリンダ本体
７Ｂ シリンダ副部
８ 空気送給流路
１２ 吸気弁
１２Ａ 吸気孔
１２Ｂ 弁体
１３ 排気弁
Ｍ モータ
ＰＬ 下死点
ＰＵ 上死点

Claims (2)

1. リリーフバルブを設けることなく圧縮空気の供給圧力を規定圧力Ｐ_Ｐ以下に規制したコンプレッサ装置であって、
   モータ、
   該モータにクランク機構を介して駆動されるピストン、
   前記ピストンを下死点から上死点まで往復移動可能に収容するとともに前記ピストンとの間で空気を圧縮させるポンプ室を形成するシリンダ本体と、前記ポンプ室で圧縮された圧縮空気を排気弁を介して受け取るサージ室を形成するシリンダ副部とを有するシリンダ、
   前記ピストンを貫通し外気を前記ポンプ室内に吸気する吸気孔と、この吸気孔をポンプ室側から弾性的に閉じる板バネからなる弁体とを有する吸気弁、
   及び前記サージ室からの圧縮空気を外部に送給する空気送給流路を具え、
   しかも、前記ピストンが下死点から上死点まで移動する間のシリンダ容積であるストローク容積をＶ１、前記ピストンが上死点に到達したときのシリンダ容積である圧縮容積をＶ２、大気圧をＰ_０としたとき、前記圧縮容積Ｖ２は次式（１）を充足するとともに、
   前記吸気孔の直径Ｄを３〜１５ｍｍとしたことを特徴とするコンプレッサ装置。
   ０．８×｛Ｖ１×Ｐ_０／（Ｐ_Ｐ−Ｐ_０）｝≦Ｖ２＜１．０×｛Ｖ１×Ｐ_０／（Ｐ_Ｐ−Ｐ_０）｝ −−−（１）
2. 前記弁体は、その厚さｔを０．０５〜０．２ｍｍとしたことを特徴とする請求項１記載のコンプレッサ装置。
   

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