JP6170396B2 - 加圧型ブースター圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、クランク室の許容圧以上の昇圧を簡易な構成で防止可能にした加圧型ブースター圧縮機に関する。

ブースター圧縮機は、外部の加圧気体供給装置から予め昇圧された圧縮気体が導入され、この導入された圧縮気体をさらに昇圧して需要先に供給する圧縮機である。シリンダの下部にクランクケースが設けられ、クランクケースの内部にクランク室が形成されたブースター圧縮機においては、加圧気体をシリンダの内部に形成された圧縮室のみに供給すると、圧縮室とクランク室との間で大きな圧力差が生じる。そのため、ピストンを上昇させるとき大きな動力が必要となったり、あるいは、トルク変動が大きくなりクランク軸の回転が不均衡となりやすかった。

そこで、従来、この不具合を解決するため、圧縮室だけでなく、クランク室にも加圧気体を供給する加圧型ブースター圧縮機が提案されている。このように、圧縮室とクランク室間の圧力差を低減することで、クランク軸の駆動トルクを低減すると共に、トルク変動が増大することによってクランク軸の回転が不均一となることなどを防止することができる。特許文献１には、かかる構成の加圧型ブースター圧縮機が開示されている。

しかし、加圧型ブースター圧縮機では、クランク室が過剰な圧力となったとき、クランクケースを構成する構造体が破損するおそれがある。そこで、従来、クランク室が過剰な圧力となっても破損しない強度をクランクケースにもたせたり、あるいはクランクケースに安全弁を設け、クランク室が過剰な圧力となったとき、該安全弁でクランク室の加圧気体を外部に逃すようにしている。
特許文献１に開示された加圧型ブースター圧縮機では、クランクケースに安全弁を設けることで、クランク室の内部圧力が過剰に上昇しないようにしている。

特開２０１０−０５９８８９号公報

しかし、クランク室が過剰な圧力となっても破損しない強度をクランクケースにもたせるという方策は、ブースター圧縮機の重量増加とコスト増を招くという問題がある。
また、クランクケースに安全弁を設けるという方策は、安全弁の作動によりクランク室の圧力が低下すると、安全弁は自動復帰し、安全弁の復帰により再度クランク室の圧力が上昇する。この圧力増減の繰り返しが行われる結果、ブースター圧縮機を構成する構造体の損傷を招くという問題がある。

本発明は、前記の問題点に鑑みなされたものであり、加圧型ブースター圧縮機のクランク室の過剰圧力防止手段として、重量増加やコスト増を招かず、かつ加圧型ブースター圧縮機を構成する構造体の損傷を招かない簡易な手段を提案することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の加圧型ブースター圧縮機は、シリンダヘッドを有するシリンダと、シリンダの内部で往復動し、シリンダヘッド及びシリンダと共に圧縮室を画成するピストンと、コネクティングロッドによってピストンに連結されたクランク軸を回転させる駆動軸と、クランク軸を収容し、外部と隔離されたクランク室を画成するクランクケースとを有する加圧型ブースター圧縮機において、圧縮室及びクランク室に夫々加圧された被圧縮気体を供給する加圧気体供給管を備え、クランクケースの隔壁のうち外方に面した隔壁の一部をクランク室の許容上限圧力で破壊する低強度壁（即ち、他の隔壁より強度を低くした隔壁）で構成したものである。

本発明によれば、クランク室が許容上限圧力に達したとき、低強度壁が破壊するので、クランク室は許容上限圧力以上の圧力とならず低圧に戻る。そして、クランク室が許容上限圧力以上に昇圧した原因を取り除き、元の状態に復帰するまでクランク室の圧力は上昇しない。そのため、安全弁のように自動復帰してクランク室が何度も許容上限圧力に達することがないので、ブースター圧縮機を構成する構造体の損傷を招かない。
また、クランクケースの隔壁に低強度壁を形成するだけであるので高コストにはならない。

本発明の一実施態様として、クランクケースを、外周壁と一方の端面を形成する端壁とからなり、他方の端面が外方に開放された中空筒体と、この中空筒体に固定されて、開放された他方の端面を閉鎖する端板とで構成すると共に、該端板には加圧気体供給管が接続され、該加圧気体供給管と異なる位置に低強度壁を形成するようにすることができる。
このように、中空筒体とは別体で外方に面した端板に低強度壁を形成することで、低強度壁の形成が容易になる。

本発明の一実施態様として、低強度壁はクランクケースの外方に面した隔壁又は前記端板に形成された薄肉部で構成することができる。これによって、クランクケース又は端板の加工時に同時に薄肉部を形成できるので、低強度壁を容易に形成できる。

本発明の一実施態様として、クランクケースの外方に面した隔壁又は前記端板に貫通孔を形成すると共に、低強度壁は、クランク室の許容上限圧力で破壊する強度を有し、前記貫通孔周辺の隔壁又は端板の外表面に当接し前記貫通孔を遮蔽する低強度板と、前記貫通孔周辺の隔壁又は端板の外表面に固定され、低強度板を前記貫通孔を遮蔽した位置に固定する固定具とで構成することができる。
これによって、クランク室が許容上限圧力以上に昇圧し、低強度板が破壊したときは、破壊した低強度板を別部品と交換するだけで、運転の再開が可能となる。また、低コストな低強度板を別部品と交換しても高コストとならない。

前記実施態様の構成に加えて、固定具を前記開口周辺の隔壁又は端板の外表面に着脱可能に固定することができる。これによって、破壊した低強度壁の交換が容易になる。

あるいは前記実施形態に加えて、前記貫通孔周辺の隔壁又は端板の外表面と固定具との間に隙間を形成し、低強度板の断面をクサビ状に形成して、前記隙間の圧入し前記貫通孔を遮蔽する位置に固定するようにしてもよい。これによって、低強度板及び固定具の形状を簡素化かつ低コスト化できると共に、低強度壁の取付けが容易になる。

本発明によれば、クランクケースの隔壁の一部を低強度壁で構成するという簡単かつ低コストな構成で、重量増やコスト増を招かず、ブースター圧縮機を構成する構造体の損傷を有効に防止できる。

本発明の第１実施形態に係る加圧型ブースター圧縮機の縦断面図である。 図１中のＡ部拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る低強度壁形成部の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る低強度壁形成部の断面図である。 前記第３実施形態に係る低強度壁形成部の正面図である。 前記第３実施形態に係る低強度板の側面図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
次に、本発明の第１実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る加圧型ブースター圧縮機１０の構成を示している。図１において、シリンダ１２の上部にバルブスペーサ３９を介してシリンダヘッド１４が設けられ、シリンダ１２の内部にピストン１６が往復動自在に収容されている。シリンダ１２の下部にクランクケース１８が連結されている。シリンダ１２、バルブスペーサ３９、シリンダヘッド１４及びピストン１６で圧縮室ｐを形成している。

クランクケース１８は、円筒形状の外周壁２０ａと、外周壁２０ａと一体に一方の端面を形成する平坦で円形の端壁２０ｂとからなり、他方の端面が開放された中空円筒体２０と、外周壁２０ａにボルトなどの結合手段で着脱可能に結合され、中空円筒体２０の開放された端面を閉鎖する平坦な円形の端板２２とで構成されている。端板２２は、図示のとおり外部に面した位置に配置され、ボルト２３などの結合具によって中空円筒体２０に着脱可能に固定されている。クランクケース１８の内部には、外部と隔離されるように画成されたクランク室ｃが形成されている。中空円筒体２０及び端板２２は、クランク室ｃが形成する圧力に応じてその圧力に耐えられる強度を有する金属又は樹脂で構成される。

外周壁２０ａの一部に円形の開口が形成されると共に、該開口の周囲に円形のフランジ２０ｃが形成され、該開口にシリンダ１２の下部が嵌入されている。ピストン１６の上面は圧縮室ｐに面し、ピストン１６の下面はクランク室ｃに面している。コネクティングロッド１７はクランク室ｃに延設され、クランク室ｃでコネクティングロッド１７と直交する方向へ配置されたクランク軸２４と連結されている。外周壁２０ａの下部には脚部２０ｄが形成されている。

端壁２０ｂの中心には円形の開口が形成され、該開口を囲むように円筒形のハウジング２６が端壁２０ｂと一体に形成されている。該開口に電動モータ２８の出力軸２８ａが挿入され、出力軸２８ａはハウジング２６の内部に設けられた転がり軸受２９によって回転自在に支持されている。
クランク軸２４は出力軸２８ａに対して平行にかつ出力軸２８ａの回転軸に対して偏心した位置に配置され、出力軸２８ａと連結部材３０を介して連結されている。クランク軸２４は出力軸２８ａの回転によって公転し、ピストン１６はクランク軸２４の公転運動によって往復動する。クランク軸２４には、出力軸２８ａに対するクランク軸２４の偏心位置と１８０°位相が異なる位置にカウンタウェイト３１が一体に形成されている。

次に、シリンダヘッド１４の構成を説明する。シリンダヘッド１４は、中央の隔壁１４ａによって吸入部３２と吐出部３４とに区画されている。吸入部３２には被圧縮気体の吸入口３２ａが形成され、吸入部３２の内部には吸入口３２ａに連通した被圧縮気体の吸入路３３が形成されている。吸入路３３と圧縮室ｐとを区画するバルブスペーサ３９に吸入孔が形成され、バルブスペーサ３９に該吸入孔を開閉する板状の吸入弁３５が設けられている。吸入弁３５は、シリンダ１２の内部でピストン１６が下降した時、吸入路３３と圧縮室ｐとの差圧で動作し、吸入路３３と圧縮室ｐとを連通するので、被圧縮気体は圧縮室ｐに供給される。

吸入口３２ａには加圧された被圧縮気体を供給する加圧気体供給管３８が接続されている。加圧気体供給装置（図示省略）から加圧気体供給管３８を介して吸入口３２ａに加圧された被圧縮気体が供給される。加圧気体供給管３８から分岐管３８ａが分岐し、分岐管３８ａは端壁２２の中央部位に接続されている。加圧型ブースター圧縮機１０の運転時には、加圧された被圧縮気体が吸入弁３５を介して被圧縮気体が圧縮室に供給されると同時に、分岐管３８ａを介してクランク室ｃにも供給される。

吐出部３４には圧縮室ｐで圧縮された被圧縮気体が吐出される吐出路３６が形成され、吐出路３６の出口に吐出口３４ａが形成されている。圧縮室ｐと吐出路３６とを区画するバルブスペーサ３９に吐出孔が形成され、バルブスペーサ３９に該吐出孔を開閉する板状の吐出弁３７が設けられている。この吐出弁３７は、ピストン１６が上昇して圧縮室ｐが昇圧したとき、圧縮室ｐと吐出路３６との差圧で動作し、圧縮室ｐと吐出路３６とを連通する。

クランクケース１８には横方向にモータケース４０が連結されている。モータケース４０の内部には、出力軸２８ａを回転させる電動モータ２８が収納されている。モータケース４０の端面４０ａには、転がり軸受４４を収納する凹部を形成する支持部４２が形成されている。支持部４２に収納された転がり軸受４４によって、出力軸２８ａの他端が回転自在に支持されている。また、モータケース４０の内部には、電動モータ２８に電流を供給する給電ケーブル４６が配設されている。給電ケーブル４６に接続された端子４８が端面４０ａの外表面に配置されている。外部商用電源（図示省略）から端子４８を介して電動モータ２８に給電される。

かかる構成において、運転時には電動モータ２８が駆動され、その出力軸２８ａが回転する。出力軸２８ａの回転はクランク軸２４に伝達され、クランク軸２４を公転させると共に、ピストン１６を往復動させる。
また、加圧気体供給管３８から加圧された被圧縮気体が吸入部３２に供給される。被圧縮気体は吸入弁３５を介して圧縮室ｐに供給され、圧縮室ｐで昇圧される。昇圧した被圧縮気体は吐出弁３７を介して吐出口３４ａから需要先に送られる。同時に、被圧縮気体は分岐管３８ａを介してクランク室ｃにも供給される。これによって、圧縮室ｐとクランク室ｃとの圧力差が減じられるので、クランク軸２４の駆動トルクを減じ省エネを達成できると共に、クランク軸の回転が不均一になることによって発生するトルク変動の増大、振動などを防止できる。

図２に示すように、端板２２には低強度壁５０Ａが形成されている。この低強度壁５０Ａは、図示のように、端板２２の一部に円形で長方形の断面を有する切欠部２２ａを形成し、円形で同一厚さを有する薄肉部５２を形成してなるものである。薄肉部５２の破壊強度は、クランク室ｃの許容上限圧力と一致している。なお、薄肉部５２の形状は必ずしも円形とする必要はなく、角形、楕円形など目的に応じて適宜形状に選定できる。
なお、薄肉部５２は、必ずしも同一厚さとする必要はなく、壊れやすくするためかつ破壊部を特定させるため、一部に溝を形成させ、この溝形成部の強度を許容上限圧力と一致させるようにしてもよい。

これによって、クランク室ｃが許容上限圧力に達した時、薄肉部５２が破壊するので、クランク室ｃは許容上限圧力以上の圧力とならず低圧に戻る。そして、クランク室ｃが許容上限圧力以上に昇圧した原因を取り除き、元の状態に復帰するまでクランク室ｃの圧力は上昇しない。
そのため、安全弁を設けた場合のように自動復帰してクランク室ｃが何度も許容上限圧力に達することがないため、加圧型ブースター圧縮機１０を構成する構造体の損傷を招かない。また、端板２２に薄肉部５２を形成するだけで低強度壁５０Ａを形成できるので、高コストにはならない。

また、端板２２を外方に面して位置させたので、分岐管３４ａの取付けが容易になると共に、端板２２を中空円筒体２０に対して着脱可能に設けたことで、低強度壁５０Ａの形成も容易になる。
さらに、低強度壁５０Ａを薄肉部５２で構成したので、端板２２の加工時に同時に薄肉部５２を形成できる。これによって、低強度壁５０Ａの加工工数を低減でき低コスト化できる。

（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図３に基づいて説明する。図３において、本実施形態の低強度壁５０Ｂは、端板２２に円形の貫通孔２２ｂを形成する。そして、貫通孔２２ｂに端板２２の外側から、円形を有し、貫通孔２２ｂより大径で薄板の低強度板５４を当て、貫通孔２２ｂを遮蔽する。低強度板５４の外側に低強度板５４を固定する固定具５６を配置する。固定具５６は低強度板５４より大径で円形形状を有している。固定具５６の中心部には、低強度板５４を収容可能な大きさ及び深さを有する円形の凹部５６ａが形成されている。

固定具５６はボルト５８などの結合具によって端板２２の外表面に着脱可能に固定される。低強度板５４は、クランク室ｃの許容上限圧力で破壊するようにその強度が決められている。なお、低強度壁５０Ｂの設置位置は、第１実施形態の低強度壁５０Ａと同様の位置でもよく、あるいは端板２２の別な位置でもよい。また、貫通孔２２ｂ、低強度板５４及び固定具５６は円形でなくてもよく、角形又は台形等、他の形状としてもよい。

かかる構成の低強度壁５０Ｂを形成することで、クランク室ｃが許容上限圧力を超えると、低強度壁５０Ｂが破壊され、クランク室ｃが許容上限圧力以上に昇圧するのを防止できる。そして、固定具５６を端板２２から取り外し、破壊した低強度板５４を別部品と交換するだけで、運転の再開が可能となるので、低コスト化できる。また、低強度板５４はもともと低コストであるので、別部品と交換しても高コストとならない。
また、固定具５６は端板２２に着脱可能に固定されるので、低強度板５４の交換が容易になる。

（実施形態３）
次に、本発明の第３実施形態に係る低強度壁５０Ｃの構成を図４〜図６に基づいて説明する。図４〜図６において、端板２２に四角形状の貫通孔２２ｃが形成されている。端板２２の外表面に貫通孔２２ｃの開口面積より十分大きい面積を有する四角形状の固定具６２が、貫通孔２２ｃを覆うように配置されている。固定具６２は、端板２２の外表面に溶着などの方法で固着されている。固定具６２の内面には、低強度板６０が圧入可能な深さを有する凹部６２ａが凹設されている。図５に示すように、凹部６２ａは、固定具６２の横方向辺６２ｂの全長に亘り形成されている。

低強度板６０は長方形状を有し、図６に示すように、断面はクサビ形状を有している。また、低強度板６０の長辺６０ａの長さｈ１は、固定具６２の横方向辺６２ｂの長さｈ２より大きく形成されている。低強度板６０は先細先端６０ｂから凹部６２ａに圧入され、貫通孔２２ｂを覆った位置で固定される。即ち、低強度板６０の先細先端６０ｂ及び厚肉端６０ｃは、固定具６２の外側に出た状態で固定される。

本実施形態の低強度壁５０Ｃによれば、低強度壁５０Ｃを構成する低強度板６０及び固定具６２の形状を簡素化かつ低コスト化できると共に、低強度板６０の取付けが容易になる。また、低強度板６０を固定具６２に圧入させることで、低強度板６０を強固に固定できる利点がある。

本発明によれば、加圧型ブースター圧縮機のクランク室の過剰圧力防止手段として、重量増加やコスト増を招かず、かつ加圧型ブースター圧縮機を構成する構造体の損傷を招かない簡易な防止手段を実現できる。

１０ 加圧型ブースター圧縮機
１２ シリンダ
１４ シリンダヘッド
１４ａ 隔壁
１６ ピストン
１７ コネクティングロッド
１８ クランクケース
２０ 中空円筒体
２０ａ 外周壁
２０ｂ 端壁
２０ｃ フランジ
２０ｄ 脚部
２２ 端板
２２ａ 切欠部
２２ｂ、２２ｃ 貫通孔
２３ ボルト
２４ クランク軸
２６ ハウジング
２８ 電動モータ
２８ａ 出力軸
２９、４４ 転がり軸受
３０ 連結部材
３１ カウンタウェイト
３２ 吸入部
３２ａ 吸入口
３３ 吸入路
３４ 吐出部
３４ａ 吐出口
３６ 吐出路
３５ 吸入弁
３７ 吐出弁
３８ 加圧気体供給管
３８ａ 分岐管
３９ バルブスペーサ
４０ モータケース
４０ａ 端面
４２ 支持部
４６ 給電ケーブル
４８ 端子
５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ 低強度壁
５２ 薄肉部
５４、６０ 低強度板
６０ａ 長辺
６０ｂ 先細先端
６０ｃ 厚肉端
５６、６２ 固定具
５６ａ、６２ａ 凹部
６２ｂ 横方向辺
ｃ クランク室
ｐ 圧縮室

Claims (6)

1. シリンダヘッドを有するシリンダと、
   前記シリンダの内部で往復動し、前記シリンダヘッド及び前記シリンダと共に圧縮室を画成するピストンと、
   前記ピストンに連結されたクランク軸及び該クランク軸を回転運動させる駆動軸と、
   前記クランク軸を収容し、外部と隔離されたクランク室を画成するクランクケースとを有する加圧型ブースター圧縮機において、
   前記圧縮室及び前記クランク室に夫々加圧された被圧縮気体を供給する加圧気体供給管を備え、
   前記クランクケースの隔壁のうち外方に面した隔壁の一部を、前記クランク室の許容上限圧力で破壊する低強度壁で構成したことを特徴とする加圧型ブースター圧縮機。
2. 前記クランクケースは、
   外周壁と一方の端面を形成する端壁とからなり、他方の端面が外方に開放された中空筒体と、
   前記中空筒体に固定されて前記他方の端面を閉鎖する端板とで構成され、
   前記端板に前記加圧気体供給管が接続されると共に、該加圧気体供給管と異なる位置に前記低強度壁が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の加圧型ブースター圧縮機。
3. 前記低強度壁は、前記クランクケースの外方に面した隔壁又は前記端板に薄肉部を形成してなるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の加圧型ブースター圧縮機。
4. 前記クランクケースの外方に面した隔壁又は前記端板に貫通孔が形成され、
   前記低強度壁は、
   前記クランク室の許容上限圧力で破壊する強度を有し、前記貫通孔周辺の前記隔壁又は前記端板の外表面に当接され前記貫通孔を遮蔽する低強度板と、
   前記貫通孔周辺の前記隔壁又は前記端板の外表面に固定され、前記低強度板を前記貫通孔を遮蔽した位置に固定する固定具とで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の加圧型ブースター圧縮機。
5. 前記固定具が前記貫通孔周辺の前記隔壁又は前記端板の外表面に着脱可能に固定されていることを特徴とする請求項４に記載の加圧型ブースター圧縮機。
6. 前記貫通孔周辺の前記隔壁又は前記端板の外表面と前記固定具との間に隙間が形成されており、
   前記低強度板は断面がクサビ状に形成され、前記隙間に圧入されて前記貫通孔を遮蔽する位置に固定されていることを特徴とする請求項４に記載の加圧型ブースター圧縮機。

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