JP6177566B2 - 往復動圧縮機 - Google Patents

Description

この発明は、入力軸の回転をシリンダ内のピストンの往復運動に変換するレシプロ式の往復動圧縮機に関する。

圧縮機の駆動方式として、カム軸に連繋されたピストンの往復運動により気体の吸引と吐出とを繰り返すレシプロ駆動方式、固定スクロールに対する旋回スクロールを回転させて気体の吸引と吐出とを繰り返すスクロール型のロータリ駆動方式、一対のローラの回転運動により気体の吸引と吐出とを繰り返すローラ型のロータリ駆動方式等が採用されている。
中速回転以下で使用される小型の圧縮機では、高い気密性が要求されることから、上記各駆動方式において気密性で有利なレシプロ駆動方式を採用したものが主流となっている。レシプロ駆動方式である圧縮機の構造が、例えば特許文献１〜５に提案されている。

特許第４８７２９３８号公報 特許第４４８２３３７号公報 特許第１４８０１９０号公報 特開２０１１−２３１７４４号公報 特許第４５５３９７７号公報

一般的なレシプロ駆動方式は、振動、騒音が高く、また、エネルギー効率が悪いことなどが問題となる。
前記各提案の圧縮機の構造は、それぞれ以下の問題がある。

特許文献１のものは、４つのシリンダに４つのピストンおよびピストンロッドが必要となり、それぞれを配置するためには入力シャフト軸方向の長さが拡張してしまう。また、円筒形であるピストン中心軸高さが隣り合う位相で異なり、重心のバランスを取ることが困難となる。
特許文献２のものは、２ヘッド式の構造であり、第１ピストンおよびその関連アセンブリの質量と、第２ピストンおよびその関連アセンブリの質量とを同じにしても、回転軸に対してバランスを取ることが難しい。

特許文献３のものは、ピストンヘッド部とシリンダ内の摺動面との摩擦により、ピストンヘッド部に取り付けられるシールカップおよびピストンシリンダが損傷、偏摩耗等を生じ、気密性の劣化および摩耗の増大によって、エネルギー損失が増加する恐れがある。
特許文献４には、２気筒の図が示されているが、この構造では回転軸に対してバランスを取るのが難しい。明細書中に２気筒単段以外にも適用可能であると記載されているが、明確な記述はなく、２気筒の考え方で構成されるバランスウェイトをそれぞれ取り付けても、完全に回転バランスを取ることはできない。

特許文献５のものは、シャフト軸を中心に等速回転運動する回転部品が、シャフト軸の回転運動をピストン組の直線往復運動に変換する。このピストン組の往復運動の不釣合いによる振動、騒音を、回転部品の両端部にそれぞれ配置するバランスウェイトで抑えている。この場合、ピストンを支持する外側ベアリング内に、回転部品を支える内側ベアリングを組み付ける構造のために外側ベアリングが大きくなり、コンプレッサ本体の大きさも拡大する課題がある。

この発明の目的は、装置全体のコンパクト化を図り、重量バランスを取ることができる往復動圧縮機を提供することである。

この発明の往復動圧縮機は、ケースの一方端に回転自在に支持され、前記ケースの外部から伝達される駆動力により回転させられる入力軸と、
前記ケースの他方端に回転自在に支持され前記入力軸と同心で回転運動する後方軸と、
それぞれ前記入力軸および前記後方軸の軸心を挟んでこの軸心と垂直な方向に互いに対向して配置された２つのシリンダ室を有する２つのシリンダ対と、
それぞれ前記各シリンダ対の前記各シリンダ室内に摺動自在に嵌合した２つのピストンおよびこれら２つのピストンを互いに一体に動作可能に連結したピストンロッドを有する複数のピストン部と、
前記入力軸と前記後方軸の間にこれら入力軸および後方軸と一体に回転可能に設けられて前記入力軸および前記後方軸の軸心に対して偏心したカム軸と、
このカム軸の外周にこのカム軸の軸心回りに回転自在に設置されて外周面に前記カム軸の軸心に対して偏心したカム面であるピストン受け部が軸方向に並んで複数設けられた偏心カムとを備え、
この偏心カムの前記各ピストン受け部がそれぞれ前記各ピストン部の前記ピストンロッドの中間に設けられたカム受け面に当接して前記ピストンロッドを進退させ、
前記２つのシリンダ対で順次各段の圧縮を行う２段式の往復動圧縮機であって、
前記入力軸および前記後方軸の軸心の回りの前記各シリンダ対の円周方向位置が互いに異なり、かつ前記２つのシリンダ対は前記軸心の軸方向に前記シリンダ室が重なり範囲を有する配置であり、円周方向に隣合う前記各シリンダ対の圧縮段が互いに異なり、
前記各シリンダ対は、各段毎にピストン径が異なっていて、大径側のシリンダ室の、前記軸心の軸方向範囲内に、小径側のシリンダ室が収まる配置とされたことを特徴とする。

この構成によると、入力軸を駆動源により回転駆動することで、入力軸および後方軸の軸心に対して偏心したカム軸が一体に回転し、カム軸の軸心が旋回する。このため、このカム軸の外周に回転自在に設置された偏心カムは、入力軸および後方軸の軸心を中心として公転しながら、カム軸の軸心回りに自転する。これと共に、偏心カムの各ピストン受け部が、ピストンロッドの中間のカム受け面に当接して前記ピストンロッドを進退させる。したがって、各段の各シリンダ室内でピストンがそれぞれ摺動する。
このように入力軸の回転運動を各段のシリンダ対の往復運動に変換することで、各段のシリンダ対において気体の圧縮および吐出が繰り返し行われる。前段のシリンダ対で圧縮された圧縮気体は、後段のシリンダ対で順次圧縮されて対象機器に送り出される。

前記のように複数のシリンダ対で順次各段の圧縮を行う多段式の往復動圧縮機としたうえで、入力軸および前記後方軸の軸心の回りの各シリンダ対の円周方向位置を互いに異ならせ、さらに円周方向に隣合う前記各シリンダ対の圧縮段を互いに異ならせたため、例えば、２段式の圧縮機等の場合、他の多段式（3段、4段）と比べ、装置全体の重量バランスを取り易くすることができる。装置全体の重量バランスを取ることで、振動の少ない高効率な圧縮機となる。
ところで装置全体のコンパクト化を図るためには、シリンダ室内における圧力上昇によってピストンが受ける荷重を小さくする必要がある。この構成では、複数のシリンダ対で順次各段の圧縮を行う、換言すれば、各段のシリンダ対にわたって圧縮気体を順次送ることで、例えば、単段式の圧縮機等よりも、１つのピストンの圧縮率を小さく設定することができる。これにより、ピストンが受ける荷重を単段式の設計より低減でき、よってピストンを支持する軸受を従来のものより小さくすることができる。さらに複数のシリンダ対は前記軸心の軸方向にシリンダ室が重なり範囲を有する配置としたため、装置全体のコンパクト化を図ることができる。

前記各シリンダ対は、各段毎にピストン径が異なる。この場合、後段側では気圧が高くなっているため、ピストン径を小さくすることで、ピストンに作用する軸方向力を前段側と均等化できる。したがって、複数段にわたる装置全体の重量バランスを容易に取ることができる。

前記往復動圧縮機は２つのシリンダ対を有する２段式とする。
前記対向して配置された２つのシリンダ室を有するシリンダ対を、同じ圧縮段としても良い。この場合、対向する２つのシリンダ室を同一設計にすることができるため、設計が容易になる。

第１段のシリンダ対の圧縮気体出口と、第２段のシリンダ対の圧縮気体入口との間に、中間チャンバを介在させても良い。この場合、第１段のシリンダ対から吐出される圧縮気体を、中間チャンバに吐出する。さらにこの中間チャンバ内の圧縮気体を、第２段のシリンダ対へ吸気することで、冷却効果を高めることができ、効率を向上させることができる。

前記中間チャンバは、第１段の各シリンダ室から圧縮気体がそれぞれ送られる共通のものとしても良い。この場合、第１段の両方のシリンダ室からそれぞれ吐出された圧縮気体を、共通の中間チャンバに入れ、この共通の中間チャンバから第２段の各シリンダ室へそれぞれ吸気する。これにより、第１段の両方のシリンダ室によって生じる圧力差を平準化することができ、よってピストン部を安定して駆動させ得る。したがって、装置全体の重量バランスを保ちつつ、安定した往復運動が可能となる。これらは振動の抑制だけでなく耐久性の向上にも繋がる。

前記中間チャンバをこの往復動圧縮機に一体に設けても良い。この場合、シリンダ室と中間チャンバとを配管接続する手間を省略することができる。
前記各段におけるピストンロッドを互いに仕様が共通の部材としても良い。この場合、部品の兼用性を高め、製造コストの低減を図ることができる。

この発明の往復動圧縮機は、入力軸と、後方軸と、２つのシリンダ対と、複数のピストン部と、カム軸と、偏心カムとを備え、この偏心カムの各ピストン受け部がそれぞれ前記各ピストン部のピストンロッドの中間に設けられたカム受け面に当接して前記ピストンロッドを進退させ、前記２つのシリンダ対で順次各段の圧縮を行う２段式の往復動圧縮機であって、前記入力軸および前記後方軸の軸心の回りの前記各シリンダ対の円周方向位置が互いに異なり、かつ前記２つのシリンダ対は前記軸心の軸方向に前記シリンダ室が重なり範囲を有する配置であり、円周方向に隣合う前記各シリンダ対の圧縮段が互いに異なり、前記各シリンダ対は、各段毎にピストン径が異なっていて、大径側のシリンダ室の、前記軸心の軸方向範囲内に、小径側のシリンダ室が収まる配置とされたため、装置全体のコンパクト化を図り、重量バランスを取ることができる。

この発明の第１の実施形態に係る往復動圧縮機の要部の断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 （Ａ）は、同往復動圧縮機における第１段の圧縮機構部のピストン部の断面図、（Ｂ）は、同ピストン部の平面図である。 （Ａ）は、同往復動圧縮機における第２段の圧縮機構部のピストン部の断面図、（Ｂ）は、同ピストン部の平面図である。 同往復動圧縮機の偏心カム等の断面図である。 同往復動圧縮機のシリンダ対の動作を説明する図である。 この発明の他の実施形態に係る往復動圧縮機の要部の断面図である。

この発明の第１の実施形態に係る往復動圧縮機を図１ないし図６と共に説明する。図１は、実施形態に係る往復動圧縮機の要部の断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。この往復動圧縮機は、カム軸付き回転軸１の回転運動をピストンの往復運動に変換する往復動形の圧縮機である。
図１に示すように、この往復動圧縮機は、主に、ケース２と、カム軸付き回転軸１と、各段が往復動形の複数段形の圧縮機構３と、偏心カム１３と、前記ケース２内に形成されたチャンバ４（図２）とを有する。ケース２は例えば概略立方体形状に形成され、このケース２に、カム軸付き回転軸１および圧縮機構３がそれぞれ支持される。

図２に示すように、ケース２の一方端および他方端に、それぞれ軸受５を介して、カム軸付き回転軸１が回転自在に支持されている。このカム軸付き回転軸１は、モータまたはエンジン等の駆動源からの駆動力により、直接またはカップリングを介して間接に回転駆動される。なお前記モータのモータ軸と、カム軸付き回転軸１とにわたってベルトまたはチェーン等の動力伝達手段を設け、前記モータからの駆動力を動力伝達手段を介してカム軸付き回転軸１に伝達しても良い。

カム軸付き回転軸１は、入力軸６と、この入力軸６の軸心Ｌ１に対して径方向に距離Ａだけ偏心したカム軸（換言すればクランク軸）７と、前記入力軸６と同心の後方軸８とを有する。入力軸６にカム軸７を介して後方軸８が固定される。入力軸６の軸方向一端部がケース２の一方端から突出し、このケース２内において、入力軸６の軸方向他端部に、カム軸７の軸方向一端部および第１のバランスウェイト９が固定される。同ケース２内にて、カム軸７の軸方向他端部に、後方軸８の軸方向一端部および第２のバランスウェイト１０が固定される。後方軸８の軸方向他端部がケース２の他方端から突出する。第１，第２のバランスウェイト９，１０は、カム軸７の回転バランスを取るために設けられる。

これら入力軸６、カム軸７、第１，第２のバランスウェイト９，１０、および後方軸８は、この例ではそれぞれ別体として部品間で固定する構造にしているが、この構造に限定されるものではない。例えば、これら入力軸６、カム軸７、第１，第２のバランスウェイト９，１０、および後方軸８のうち、少なくともいずれか複数のものを互いに一体に削り出し等で形成しても良い。

圧縮機構３について説明する。
圧縮機構３は、第１段の圧縮機構部３ａと、第２段の圧縮機構部３ｂとを有し、これら圧縮機構部３ａ，３ｂは前記軸心に沿って並べて設けられる。各圧縮機構部３ａ，３ｂは、互いに対向して配置される２つのシリンダ室１２ａを有するシリンダ対１２と、ピストン部２６とを有する。圧縮機構３は、順次、第１段の圧縮機構部３ａのシリンダ対１２および第２段の圧縮機構部３ｂのシリンダ対１２で各段の圧縮を行う。前記対向して配置される２つのシリンダ室１２ａは、それぞれ入力軸６および後方軸８の軸心Ｌ１を挟んで、この軸心Ｌ１と垂直な方向に互いに対向する。各段の圧縮機構部３ａ，３ｂは、前記カム軸付き回転軸１でそれぞれピストン１１が駆動されかつ圧縮気体出口が後段の圧縮気体入口に順次連通している。

前記対向して配置された２つのシリンダ室１２ａを有するシリンダ対１２は、同じ圧縮段としている。各シリンダ室１２ａの外側の端面には、蓋部材１４が取り付けられ、シリンダ室１２ａ内における蓋部材１４とピストン１１との間の空間が圧縮室１５とされている。各圧縮機構部３ａ，３ｂにおいて、１つのシリンダ室１２ａと、この１つのシリンダ室１２ａ内で摺動自在に設けられるピストン１１と、このピストン１１に連結されたピストンロッド１６とでシリンダ装置を構成する。なお、蓋部材１４の外面には、多数のフィン１４ａが形成されている。

図３（Ａ）は、往復動圧縮機における第１段の圧縮機構部３ａのピストン部２６の断面図であり、（Ｂ）は、同ピストン部２６の平面図である。図３（Ａ）に示すように、前記ピストン部２６は、２つのピストン１１と、ピストンロッド１６とを有する。
図２に示すように、前記２つのピストン１１は、各シリンダ対１２の各シリンダ室１２ａ内に設けられて、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、前記軸心Ｌ１（図２）と垂直な方向にそれぞれ摺動自在で互いに対向する。ピストンロッド１６は、これら２つのピストン１１を互いに一体に動作可能に連結している。

図１，図２に示すように、入力軸６および後方軸８の軸心Ｌ１の回りの各シリンダ対１２の円周方向位置は、第１，第２段で互いに異なる。さらに第１，第２段のシリンダ対１２は、軸心Ｌ１の軸方向にシリンダ室１２ａが重なり範囲を有する。また円周方向に隣合う各シリンダ対１２の圧縮段が互いに異なる。各段の圧縮機構部３ａ，３ｂは、前記軸心Ｌ１で隣合う段の各ピストン１１の摺動する方向が互いに直交するように配置される。換言すれば、対向する２つのシリンダ室１２ａの並び方向が、隣合う段で直交するように、複数段の圧縮機構部３ａ，３ｂが配置される。

図３（Ｂ）、図４（Ｂ）に示すように、各ピストン１１は、フランジ部１１ａと、シールカップ１１ｂと、ピストンヘッド１１ｃと、ねじ部材１１ｄとを有する。１つの段の圧縮機構部３ａ，３ｂでは、対向するピストン１１のピストン径は同一に構成され、各段毎にピストン径が異なる構成となっている。またこの例では、図２に示すように、第１段の圧縮段におけるピストン１１のピストン径は、第２段の圧縮段におけるピストン１１のピストン径よりも大径に形成されている。これにより、各段のシリンダ室１２ａの径が互いに異なっていて、大径側である第１段のシリンダ室１２ａの、前記軸心Ｌ１の軸方向範囲内に小径側である第２段のシリンダ室１２ａが収まる配置とされている。

図３、図４において、フランジ部１１ａは、ピストンロッド１６の軸方向両端部にそれぞれ設けられ、ピストンヘッド１１ｃおよびシールカップ１１ｂは、ねじ部材１１ｄによりフランジ部１１ａに固定される。略円板状のピストンヘッド１１ｃの外周面および一側面に、シールカップ１１ｂが設けられる。このシールカップ１１ｂは、ピストンヘッド１１ｃの外周面に密着する円筒部１１ｂａと、この円筒部１１ｂａの一方端から内径側に延びるつば状部１１ｂｂとを有し、このつば状部１１ｂｂを、ピストンヘッド１１ｃとフランジ部１１ａとの間に挟み込ませることで固定される。なお前記シールカップ１１ｂの代わりに、Ｃ形またはそれに類似した形状のピストンリングを用いても良い。

ピストンロッド１６の軸方向中間部分には、段付き貫通状の円形孔の小径側内径面からなるカム受け面１６ａが形成され、このピストンロッド１６のカム受け面１６ａに、ピストン受軸受１８（図２）が嵌合されている。なお、ピストンロッド１６の軸方向両端部分には、それぞれ軽量化のための孔１６ｂが形成されている。
図２に示すように、隣合う段で直交する位置に配置される各ピストンロッド１６にそれぞれ嵌合されるピストン受軸受１８，１８に、偏心カム１３が嵌合されている。軸方向に隣り合うピストン受軸受１８として、例えば、同一サイズの深溝玉軸受が適用される。

偏心カム１３について説明する。
図５に示すように、偏心カム１３は、カム軸７の外周に、このカム軸７の軸心Ｌ２回りにカム軸用軸受１９を介して回転自在に支持されている。各カム軸用軸受１９は、例えば、２個の深溝玉軸受を軸方向に並べて設けられる。カム軸７の外周に、これら深溝玉軸受から成る各カム軸用軸受１９が軸方向に定められた距離離隔して配置される。またこの例では、合計４個の深溝玉軸受として同一サイズのものが適用されているが、ニードルベアリングなどを用いることで小型化設計が可能となる。

偏心カム１３は、カム軸７の軸心Ｌ２に対して径方向に距離Ｂだけ偏心され、かつ、互いに１８０度位相に配置されるカム面である２つのピストン受け部１３ａを有する。なおカム軸７の軸心Ｌ２に対する偏心カム１３の偏心距離Ｂと、入力軸６の軸心Ｌ１に対するカム軸７の偏心距離Ａとは同一の距離である。前記２つのピストン受け部１３ａに、それぞれ前記ピストン受軸受１８を介して、複数のピストン部２６（図２）の各カム受け面１６ａ（図３，図４）が配置されている。前記２個の深溝玉軸受から成る各カム軸用軸受１９の半径方向外方に、順次、ピストン受け部１３ａおよびピストン受軸受１８が設けられる。図２に示すように、偏心カム１３の外周の軸方向の２箇所が、対向する２つのピストン１１を受ける環状のピストン受け部１３ａとなり、これらピストン受け部１３ａは、各ピストンロッド１６の中間に設けられたカム受け面１６ａに当接して両ピストンロッド１６を進退させる。

チャンバ４等について説明する。
図２に示すように、チャンバ４は、外部に開口する吸入口２０に連通する入口チャンバ４ａと、第１段の圧縮段の圧縮機構部３ａの圧縮気体出口と第２段の圧縮段の圧縮機構部３ｂの圧縮気体入口との間に介在する中間チャンバ４ｂとを有する。ケース２の一方端における、入力軸６の半径方向外方側部分に、環状の入口チャンバ４ａが設けられる。ケース２の他方端における、後方軸８の半径方向外方側部分に、環状の中間チャンバ４ｂが設けられる。このように、入口チャンバ４ａおよび中間チャンバ４ｂをケース２内に設けている。

各シリンダ室１２ａと蓋部材１４との間にはバルブ台２１が介在され、このバルブ台２１に、吸入バルブ２２および吐出バルブ２３が設けられる。
図２では各シリンダ室１２ａにつき、吸入バルブ２２と吐出バルブ２３のいずれか片方しか表れていないが、第１段の圧縮段における各シリンダ室１２ａの圧縮室１５に、それぞれ連通する吸入バルブ２２および吐出バルブ２３がバルブ台２１設置され、第２段の圧縮段における各シリンダ室１２ａの圧縮室１５に、それぞれ連通する吸入バルブ２２および吐出バルブ２３がバルブ台２１が設置される。合計４個の吸入バルブ２２と４個の吐出バルブ２３が設けられる。
第１段の圧縮機構部３ａの各シリンダ室１２ａの圧縮室１５は、吸入バルブ２２および環状の通路２４を介して、前記各シリンダ室１２ａで共通の入口チャンバ４ａと繋がっている。前記各シリンダ室１２ａの圧縮室１５は、それぞれ吐出バルブ２３および環状の通路２５を介して、前記各シリンダ室１２ａで共通の中間チャンバ４ｂと連通している。

外部に開口する吸入口２０に連通する入口チャンバ４ａは、第１段における各圧縮室１５にそれぞれ連通する吸入バルブ２２に連通し、前記第１段における各圧縮室１５にそれぞれ連通する吐出バルブ２３は、中間チャンバ４ｂの入口に連通する。この中間チャンバ４ｂの出口は、第２段における各圧縮室１５にそれぞれ連通する吸入バルブ２２に連通し、前記第２段における各圧縮室１５にそれぞれ連通する吐出バルブ２３が図示外の吐出チャンバ等を介して対象機器に接続される。

第１段の圧縮機構部３ａのシリンダ室１２ａ内においてピストン１１が上死点に移動することで、前記シリンダ室１２ａ内の圧縮室１５の圧力が増加する。この圧縮室１５の圧力が中間チャンバ４ｂの圧力以上となると、吐出バルブ２３が開き圧縮された圧縮気体が前記吐出バルブ２３から吐出される。ピストン１１が上死点から下死点に移動することで、圧縮室１５の圧力が低くなって吸入バルブ２２が開くことで、前記シリンダ室１２ａ内に気体が送り込まれる。

第１段の圧縮段におけるシリンダ室１２ａ内において、ピストン１１が上死点から下死点に移動することで、圧縮室１５の圧力が減少し、吸入バルブ２２が開いて入口チャンバ４ａ内の気体が前記シリンダ室１２ａ内に送られる。その後、同ピストン１１が上死点に移動することで、シリンダ室１２ａ内の気体が圧縮され、吐出バルブ２３が開いて中間チャンバ４ｂに送られる。
前記第１段の各シリンダ室１２ａと９０度位相遅れで往復運動する第２段の各シリンダ室１２ａは、後段の圧縮段用として使用され、第１段の圧縮段で圧縮された気体を中間チャンバ４ｂから吸入して、さらに圧縮して吐出する。これによって、第１段で圧縮された気体の温度を放熱することができ、効率の向上に繋がる。

このとき、第１段の圧縮段の各シリンダ室１２ａから圧縮気体が送られる中間チャンバ４ｂを、共通とし、それぞれの第２段の圧縮段の各シリンダ室１２ａにおける圧縮気体の吸入を同中間チャンバ４ｂから行うように配管する。これにより、圧力変動を抑えることができ、安定した運転が可能となる。

図６は、この往復動圧縮機のシリンダ対１２の動作を説明する図である。
入力軸が回転すると、その回転力が、入力軸の軸心Ｌ１から距離ｂだけオフセットされた位置で偏心カム１３に伝達される。それにより、偏心カム１３が入力軸および後方軸の軸心Ｌ１を中心として旋回するが、偏心カム１３のピストン受け部１３ａがピストンロッド１６のカム受け面１６ａにピストン受軸受１８を介して嵌合しているため、偏心カム１３が軸心Ｌ３回りの角度規制を受ける。それにより、ピストン対１２は図６のように動作する。

同図（Ａ）は、偏心カム１３の軸心Ｌ３が、入力軸および後方軸の軸心Ｌ１の真左に位置する状態を示す。このとき、ピストン受け部１３ａの中心Ｏ１は、入力軸および後方軸の軸心Ｌ１から真左に距離（ａ＋ｂ）だけ離れて位置する。
同図（Ａ）の状態から偏心カム１３が右回りに９０度旋回すると、同図（Ｂ）に示す状態となる。すなわち、偏心カム全体が入力軸および後方軸の軸心Ｌ１回りに９０度公転すると共に、偏心カム１３は、この軸心Ｌ３回りに公転とは逆方向に９０度自転する。このときのピストン受け部１３ａの中心Ｏ１は、入力軸および後方軸の軸心Ｌ１と左右同じ位置となる。

同図（Ｂ）の状態から偏心カム１３が右回りに９０度旋回すると、同図（Ｃ）に示す状態となる。前記と同様に偏心カム１３が公転および自転することにより、ピストン受け部１３ａの中心Ｏ１が、入力軸および後方軸の軸心Ｌ１から真右に距離（ａ＋ｂ）だけ離れた位置に到達する。つまり、ピストン受け部１３ａの中心Ｏ１が、同図（Ａ）の初期位置から距離（２ａ＋２ｂ）だけ移動したことになる。

その後、同図（Ｃ）の状態から偏心カム１３が右回りに９０度旋回すると、同図（Ｄ）に示す状態となる。このとき、ピストン受け部１３ａの中心Ｏ１は、入力軸および後方軸の軸心Ｌ１と左右同じ位置となる。さらに同図（Ｄ）の状態から偏心カム１３が右回りに９０度旋回することで、同図（Ａ）の状態に戻る。

前記シリンダ対１２の動作において、ピストン受け部１３ａの中心Ｏ１は、ピストンロッド１６のカム受け面１６ａの中心に維持されるから、偏心カム１３が３６０度旋回する間に、ピストンロッド１６が（２ａ＋２ｂ）のストロークで１往復の進退運動をする。ここで、偏心カム１３の軸心Ｌ３に対するピストン受け部１３ａの中心Ｏ１の偏心距離ａと、入力軸および後方軸の軸心Ｌ１に対する偏心カム１３の軸心Ｌ３の偏心距離ｂとは等しいので、ピストンロッド１６のストロークは偏心距離ａ，ｂの４倍である。

入力軸６（図２）が連続回転することにより、２組のシリンダ対１２の各ピストンロッド１６がそれぞれ往復運動を繰り返す。シリンダ対１２のピストンロッド１６がストロークの左端へ移動したときに、左のピストンヘッド１１ｃが上死点に位置し、右のピストンヘッド１１ｃが下死点に位置する。逆に、ピストンロッド１６がストロークの右端へ移動したときに、左のピストンヘッド１１ｃが下死点に位置し、右のピストンヘッド１１ｃが上死点に位置する。

作用効果について説明する。
入力軸６を駆動源により回転駆動することで、入力軸６および後方軸８の軸心Ｌ１に対して偏心したカム軸７が一体に回転し、カム軸７の軸心Ｌ３が旋回する。このため、このカム軸７の外周に回転自在に設置された偏心カム１３は、入力軸６および後方軸８の軸心Ｌ１を中心として公転しながら、カム軸７の軸心回りに自転する。これと共に、偏心カム１３の各ピストン受け部１３ａが、ピストンロッド１６の中間のカム受け面１６ａに当接してピストンロッド１６を進退させる。したがって、各段の各シリンダ室１２ａ内でピストン１１がそれぞれ摺動する。
このように入力軸６の回転運動を、各段の圧縮機構部３におけるシリンダ対１２の往復運動に変換することで、各段のシリンダ対１２において気体の圧縮および吐出が繰り返し行われる。前段の圧縮機構部３で圧縮された圧縮気体は、後段の圧縮機構部３で順次圧縮されて対象機器に送り出される。

往復動圧縮機において、前記のように複数のシリンダ対１２で順次各段の圧縮を行う多段式の往復動圧縮機としたうえで、入力軸６および後方軸８の軸心Ｌ１の回りの各シリンダ対１２の円周方向位置を互いに異ならせたため、例えば、２段式の圧縮機等の場合、他の多段式（3段、4段）と比べ、装置全体の重量バランスを取り易くすることができる。装置全体の重量バランスを取ることで、振動の少ない高効率な圧縮機となる。
ところで装置全体のコンパクト化を図るためには、シリンダ室内における圧力上昇によってピストンが受ける荷重を小さくする必要がある。この構成では、複数のシリンダ対１２で順次各段の圧縮を行う、換言すれば、各段のシリンダ対１２にわたって圧縮気体を順次送ることで、例えば、単段式の圧縮機等よりも、１つのピストン１１の圧縮率を小さく設定することができる。これにより、ピストン１１が受ける荷重を従来のものより低減でき、よってピストン１１を支持する軸受１８を従来のものより小さくすることができる。さらに複数のシリンダ対１２は軸心Ｌ１の軸方向にシリンダ室１２ａが重なり範囲を有する配置としたため、装置全体のコンパクト化を図ることができる。

各シリンダ対１２は、各段毎にピストン径が異なるものとし、後段側では気圧が高くなっているため、ピストン径を小さくすることで、ピストン１１に作用する軸方向力を前段側と均等化できる。したがって、複数段にわたる装置全体の重量バランスを容易に取ることができる。
１つの段の圧縮機構部３では、対向する２つのピストン１１のピストン径は同一である。各圧縮機構部３ａ，３ｂにおいて、対向する２つのピストン１１はピストンロッド１６で一体に連結されていることから、各段において対向する２つのピストン１１の重量バランスを容易に取ることができる。したがって、装置全体として重量バランスを取ることができる。
対向して配置された２つのシリンダ室１２ａを有するシリンダ対１２を、同じ圧縮段としてこれらシリンダ室１２ａを同一設計にすることができるため、設計が容易になり、コスト低減を図ることができる。
隣合う段の各ピストン１１の摺動する方向が互いに直交するように配置されるため、カム軸付き回転軸１に対して、複数段にわたる装置全体の重量バランスをさらに容易に取ることができる。

第１段の圧縮機構部３ａにおけるシリンダ対１２の圧縮気体出口と、第２段の圧縮機構部３ｂにおけるシリンダ対１２の圧縮気体入口との間に、中間チャンバ４ｂを介在させている。第１段の圧縮機構部３ａのシリンダ室１２ａから吐出される圧縮気体を、中間チャンバ４ｂに吐出する。さらにこの中間チャンバ４ｂ内の圧縮気体を、第２段の圧縮機構部３ｂのシリンダ室１２ａへ吸気することで、冷却効果を高めることができ、効率を向上させることができる。

中間チャンバ４ｂは、第１段の各シリンダ室１２ａから圧縮気体がそれぞれ送られる共通のものとしたため、第１段の両方のシリンダ室１２ａからそれぞれ吐出された圧縮気体を、共通の中間チャンバ４ｂに入れ、この共通の中間チャンバ４ｂから第２段の各シリンダ室１２ａへそれぞれ吸気する。これにより、第１段の両方のシリンダ室１２ａによって生じる圧力差を平準化することができ、よってシリンダ室１２ａを安定して稼動させ得る。したがって、装置全体の重量バランスを保ちつつ、安定した往復運動が可能となる。これらは振動の抑制だけでなく耐久性の向上にも繋がる。また中間チャンバ４ｂをこの往復動圧縮機に一体に設けたため、シリンダ室１２ａと中間チャンバ４ｂとを配管接続する手間を省略することができる。

他の実施形態として、図７に示すように、各段におけるピストンロッド１６を寸法が同一でかつ同一材料からなる、仕様が共通の部材として、各段でピストンヘッド１１ｃおよびその取付部を変更することで多段式の圧縮機構部３を実現することが可能である。この場合、部品の兼用性、互換性を高め、製造コストの低減を図ることができる。またこの形態では、それぞれのシリンダ対１２は、互いに対向する２つのピストン１１の重量を同じにする必要があるため、ピストン１１のみの重量を管理することで重量バランスを取ることが容易となる。その他第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。

２…ケース
４ｂ…中間チャンバ
６…入力軸
７…カム軸
８…後方軸
１１…ピストン
１２…シリンダ対
１２ａ…シリンダ室
１３…偏心カム
１３ａ…ピストン受け部
１６…ピストンロッド
１６ａ…カム受け面
２６…ピストン部

Claims (6)

1. ケースの一方端に回転自在に支持され、前記ケースの外部から伝達される駆動力により回転させられる入力軸と、
   前記ケースの他方端に回転自在に支持され前記入力軸と同心で回転運動する後方軸と、
   それぞれ前記入力軸および前記後方軸の軸心を挟んでこの軸心と垂直な方向に互いに対向して配置された２つのシリンダ室を有する２つのシリンダ対と、
   それぞれ前記各シリンダ対の前記各シリンダ室内に摺動自在に嵌合した２つのピストンおよびこれら２つのピストンを互いに一体に動作可能に連結したピストンロッドを有する複数のピストン部と、
   前記入力軸と前記後方軸の間にこれら入力軸および後方軸と一体に回転可能に設けられて前記入力軸および前記後方軸の軸心に対して偏心したカム軸と、
   このカム軸の外周にこのカム軸の軸心回りに回転自在に設置されて外周面に前記カム軸の軸心に対して偏心したカム面であるピストン受け部が軸方向に並んで複数設けられた偏心カムとを備え、
   この偏心カムの前記各ピストン受け部がそれぞれ前記各ピストン部の前記ピストンロッドの中間に設けられたカム受け面に当接して前記ピストンロッドを進退させ、
   前記２つのシリンダ対で順次各段の圧縮を行う２段式の往復動圧縮機であって、
   前記入力軸および前記後方軸の軸心の回りの前記各シリンダ対の円周方向位置が互いに異なり、かつ前記２つのシリンダ対は前記軸心の軸方向に前記シリンダ室が重なり範囲を有する配置であり、円周方向に隣合う前記各シリンダ対の圧縮段が互いに異なり、
   前記各シリンダ対は、各段毎にピストン径が異なっていて、大径側のシリンダ室の、前記軸心の軸方向範囲内に、小径側のシリンダ室が収まる配置とされたことを特徴とする往復動圧縮機。
2. 請求項１に記載の往復動圧縮機において、前記対向して配置された２つのシリンダ室を有するシリンダ対を、同じ圧縮段とする往復動圧縮機。
3. 請求項１または請求項２に記載の往復動圧縮機において、第１段のシリンダ対の圧縮気体出口と、第２段のシリンダ対の圧縮気体入口との間に、中間チャンバを介在させた往復動圧縮機。
4. 請求項３記載の往復動圧縮機において、前記中間チャンバは、第１段の各シリンダ室から圧縮気体がそれぞれ送られる共通のものとした往復動圧縮機。
5. 請求項３または請求項４に記載の往復動圧縮機において、前記中間チャンバをこの往復動圧縮機に一体に設けた往復動圧縮機。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の往復動圧縮機において、前記各段におけるピストンロッドを互いに仕様が共通の部材とした往復動圧縮機。

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