JP6637679B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機の圧縮機本体構造に関するものである。

特許文献１には、一つのレンセツボウに一つの圧縮部を持つ往復動型圧縮機においてリップリングを用いた圧縮部の構造が記載されている。

特許文献２には、リップリングのベース部下面は、ベース部とリップ部の両内側面が接する内側コーナー部の曲面の少なくとも内側エンド部と垂直に交わる部位からシリンダ側にかけてピストン本体の上面と接面している記載がある。

特許文献３には、低圧側と高圧側の圧縮部が一体に成型されたピストンについて記載がある。

特開2008-297924号公報 特開2013-253699号公報 米国特許出願公開第2005/0238513号明細書

これまで圧縮機において作業性改善や作業負荷軽減のため、高圧化、小型・軽量化が推進されてきた。最高圧力においては市場ニーズを満足してきたが、今後は更なる小型、軽量化による作業性改善が求められている。更なる小型、軽量化のニーズに応えるべく、従来では二本のレンセツボウを配置し二段圧縮を行っていた構造に対し、一本のレンセツボウに二つの圧縮部を持たせ二段圧縮を行う構造を検討した。本来、ピストンとシリンダの接触を防ぐため圧縮を行うリングは限界摩耗に達すると圧縮を行わなくなり、圧力が上がらなくなることが理想である。しかし、一本のレンセツボウに二つの圧縮部を持たせる本構造においては、片側の圧縮部に備えられたリングが限界摩耗に達し圧縮を行わなくなったとしても、他方のリングは圧縮運動を続けるため、限界摩耗に達したリングも継続して圧縮荷重の影響を受ける。そのため、限界摩耗に達したリングが更にシリンダと摩擦運動を行いピストン等の圧縮部とシリンダが接触するといった課題があった。

本発明では、低圧側のシリンダ内を往復動する低圧側ピストンと高圧側のシリンダ内を往復動する高圧側ピストンとが一体に形成された一体ピストンと、小端部を介し前記一体ピストンを往復動させる連接棒と、を備え、一体ピストンにおける低圧側ピストン及び高圧側ピストンのいずれにもシリンダに対しシールを行うリップリングを備えることを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機の小型化、軽量化が図れるとともに、一方のリングが限界摩耗に達した場合でも信頼性を確保することができる。

本発明に係る実施例１の圧縮機本体の断面図 本発明に係る実施例１の圧縮機本体の上面図 本発明に係る実施例１のタンク一体式空気圧縮機の上面図 従来のピストン式圧縮部 従来のピストン式圧縮部 本発明に係る実施例１の一体型ピストン正面図と断面図 本発明に係る実施例１のリップリング固定部 本発明に係る実施例１のリップリング 本発明に係る実施例１におけるリップリングの破損を示す図 本発明に係る実施例２の一体型ピストン正面図と断面図

以下、本発明の各実施例に係る圧縮機の圧縮機本体構造を、図面を参照しつつ詳細に説明する。

まず、本発明に係る実施例１の圧縮機本体構造及び圧縮機の動作を、図１〜３を参照しつつ説明する。

図１において、１は空気等を圧縮する圧縮機本体である。圧縮機本体１はクランクケース２とクランクケース２に取り付けられたシリンダ３、４を備えている。クランクケース２内にはモータ５の運転により回転するクランクジク６が貫通している。クランクケース２の一端側にはステータ７およびメインベアリング８が直接固定されている。また、ステータ７の取り付け側と反対側には、メインベアリング８が装着されたジクウケバコ９が勘合される構造となっている。

クランクケース２を貫通するクランクジク６は鋳物にて成形され、圧縮機本体１の運転により発生する振動を低減するためのバランスが一体となっている。また、クランクジク６にはベアリング１０を装着したレンセツボウ（連接棒）１１が挿入され、クランクジク６はクランクケース２およびジクウケバコ９に装着された２個のメインベアリング８によって両端から支持されている。尚、ベアリング１０装着部のクランクジク６の回転軸中心はメインベアリング８の回転軸中心と異なるように設計され、モータ５の運転によるクランクジク６の回転によってレンセツボウ１１が偏心運動を行う。レンセツボウの偏心運動においては、本実施例に示しているクランクジク６を用いた構造でもよいし、別部材のエキセントリック部品を使用した構造でもよい。

５は圧縮機本体１を駆動するモータである。モータ５はステータ７及びロータ１２を有し、ロータ１２はキー１３を介しクランクジク６に装着されている。また、ロータ１２は冷却ファン１３を固定するためのファンシャフト１４とワッシャ１５によって軸方向に固定されている。

１３はステータ７、シリンダ３、４、シリンダヘッド１６、１７など空気圧縮機の構成要素を冷却するための冷却ファンである。冷却ファン１３はモータ５の駆動によって回転し各部を冷却する。

３はクランクケース２に取り付けられた高圧側のシリンダ、４はクランクケース２に取り付けられた低圧側のシリンダである。本実施例では圧縮機本体１に高圧、低圧の２つのシリンダ３、４を設け、一対のシリンダ３、４がクランクケース２を挟んで互いに対向するように取り付けた。クランクケース２にはフランジ１８、１９が設けられ、フランジ１８、１９に積み上げるようにシリンダ３、４、シリンダパッキン２０、２１、クウキベン２２、２３、ヘッドパッキン２４、２５、シリンダヘッド１６，１７を配置し、図２に示す通しボルト２８、２９によって固定することで、圧縮室３０、３１を形成する。

３２は空気等を圧縮するためのリップリング３３、３４を備えたピストンである。ピストン３２はベアリング３５、ピストンピン３６を介しレンセツボウ１１に固定される。ピストン３２の両端にはリテーナ３７、３８がトメネジ３９、４０によりリップリング３３、３４を挟み込みように固定されている。低圧側圧縮部と高圧側圧縮部が一体となったピストン３２を用いた本構造においては、圧縮工程時の工程（ストローク）が低圧、高圧とも同一となるため、前記リップリング３３、３４は、外径が異なる寸法にて成型されることで、低圧と高圧の工程容積差を生じさせ二段圧縮を行う。

次に本実施例における圧縮機本体１の動作について説明する。本実施例における圧縮機本体１は前記ロータ１２の駆動によりクランクジク６が回転すると、レンセツボウの偏心運動によりリップリング３３、３４を備えたピストン３２が圧縮室３０、３１内を往復動運動する。

１段目の圧縮を行うリップリング３４が上死点から下死点へ向かう吸い込み工程ではクランクケース２、シリンダ４を通じて大気を圧縮室３１内へ吸い込み、逆にリップリング３４が上死点へ向かう吐き出し工程では吸い込んだ空気を０．７ＭＰa程度まで圧縮しつつ、クウキベン２３、シリンダヘッド１７を通じて吐き出される。吐き出された圧縮空気は図３に示す配管４３を通して高圧側のシリンダヘッド１６へ送られる。そして２段目の圧縮においては１段目の圧縮時と同様に、シリンダヘッド１６へ送られた圧縮空気が、リップリング３３が上死点から下死点へ向かう吸い込み工程でクウキベン２２を通し圧縮室３０へ吸い込まれ、下死点から上死点へ向かう吐き出し工程で４．０ＭＰa以上に圧縮される。ここで４．０ＭＰa以上まで圧縮された圧縮空気はクウキベン２２、シリンダヘッド１６、図３に示す配管４４を通し空気タンク４５に送られ貯留される。貯留された圧縮空気は減圧弁４６、空気取り出し口４７を介し取り出され、用途に応じて使用される。以上までが、圧縮機の動作についての詳細である。

本実施例を実現するにあたり、従来のレンセツボウ一本に対し一つの圧縮部を持たせる構造では発生しなかった課題について述べる。図４に示すレンセツボウ一本に対し一つの圧縮部を持つ従来の構造においては、一般的に小端部ベアリングを持つピストン式圧縮部が知られている。ピストン式圧縮部はピストンリング４９、ライダーリング５０を保持するピストン５１がピストンピン５２、小端部ベアリング５３を介しレンセツボウ５４に固定され、レンセツボウ５４の大端部ベアリング５５には前述したクランクシャフトやエキセントリック部材５６などの偏心機構を用いることによりシリンダ内を往復動運動する。圧縮運動の際は、図５に示すように、圧縮時のピストン荷重５７がピストン上面に加わるが、小端部ベアリング５３の仕様や工程量(ストローク)等により決定する揺動角に応じ、ピストン荷重５７の分力として側圧５８が発生すること周知の事実である。

一方で本実施例のレンセツボウ一本に対し、二つの圧縮部を持たせる本構造においては、片方の圧縮用リングが限界摩耗に達しても、もう一方のリングが圧縮を続けるため、ピストン荷重の分力である側圧は限界摩耗に達した側のリングも受け続けることになり、最悪の場合金属で成型されたピストンとシリンダが接触するといった問題があった。ピストンとシリンダが接触すると、復旧の際に大幅な部品変更が必要になるだけでなく、他部品の破損につながる可能性がある。

次に本実施例の形態について次に説明する。図６に示すように、本実施例においては、低圧、高圧のピストンを一体化し、レンセツボウ７３一本にて二段圧縮を行う構造において、前記ピストン６１の両端には各々リップリング５９、６０が固定されている。図７に示すように、リップリング５９、６０のベース部６３とリップ部６４の両外側面が接する外側コーナーのエンド部６５は、リップリングのベース部６３が接触しているピストン６１のリップリング支持面４２の外径よりもシリンダ６６側に位置する構成とした。

図８に示すのはリップリングである。リップリングはピストンに固定されるベース部６３とリップ部６４により構成される。 このような一体型ピストンの搭載により、従来二本使用していたレンセツボウを一本に削減できるため、レンセツボウ、大端部ベアリング等の部品を削減し軽量化を図ることができる。加えてレンセツボウが一本になった分だけ圧縮機の軸方向寸法を短縮でき、圧縮機本体の小型化を実現することができる。また、圧縮機の軸方向寸法を短縮することは、メインベアリング間の距離を縮めることにつながるため、空気圧縮機の運転時にクランクジクがレンセツボウから受ける力でクランクジクに発生する応力を低減することができる。これにより、クランクジクの軸径を従来よりも細く設計することができるため圧縮機本体の軽量化を図ることができる。

また別の観点の効果として、前記一体型ピストン６１の両端にリップリング５９、６０を備え且つリップリングのベース部６３とリップ部６４の両外側面が接する外側コーナー部のエンド部６５をリップリングのベース部６３が接触しているピストン６１のリップリング支持面４２の最外径よりもシリンダ６６側に位置する構成とすることで、片方の圧縮用リング（例えば５９）が限界摩耗に達しても、もう一方のリング（例えば６０）が圧縮を続けることにより、限界摩耗に達した側のリング（例えば５９）が側圧を受け続けた際に、ピストン６１とシリンダ６６が接触することを防止することができる。これはリップリングの破損モードがリップ部６４破損、ベース部６３破損の順に起こるため、図９に示すようにリップ部６４が完全に脱落しても、ベース部６３により側圧を受け続けることができるためである。尚、片側のリップリング（例えば５９）のリップ部６４が破損しても更に運転を続けた場合は、ベース部６３の摩耗が促進し最終的には、ピストン６１とシリンダ６６の接触が発生するが、片方のリップリング（例えば５９）のリップ部６４が脱落するほど圧縮を続ければ、極端に空気タンクへのエア充填時間が遅くなるため、使用者は異常に気づくことがきる。これにより、従来シリンダとピストンの接触防止及び側圧を受けるために設置していたライダーリングを省くことができ、組立性の向上、原価の低減を図ることができる。

また別の観点の効果として、低圧と高圧が一体に成型されたピストン６１の両端にリップリングを備え、リップリングはリテーナ７２に固定されることで、ピストン６１とシリンダの芯出し作業を容易に行うことが出来る。圧縮用リングにピストンリングを用いた構造だとピストンリングは背圧でシリンダとシール面を形成する必要があるため、ピストンリングはピストンに対しガタとなり、シリンダとピストンの芯出しを行うには冶具を用いるか、ライダーリングなどのガイドリングを用いる必要がある。一方でリップリングはピストン６１にリテーナ７２で固定されるため、シリンダを組付ける際にはシリンダはリップリングの外径に倣って組み付けを行うことができるため、組立の簡素化を図ることができる。

次に本発明に係る実施例２の圧縮機本体構造を、図１０を参照しつつ以下に説明する。
本実施例は実施例１に対し、低圧と高圧が一体で構成されたピストン６７にシリンダに対するガイドとなるガイドリング６８、６９を、リップリングの下方に備えたことを特徴とする。ガイドリングは低圧側、高圧側片側だけに備えても良いし、両方に備えても良い。尚、ガイドリングの本数も一本でも良いし複数本でも良い。

実施例１ではピストン荷重による側圧をリップリングのみで受けていたが、実施例２においてはガイドリング６８、６９でも受けることが出来るため、低圧側、高圧側何れかの圧縮用リング７０，７１が限界摩耗に達して尚圧縮運動を続けられた際、ピストンとシリンダが接触する可能性を更に低減することができる。

１ 圧縮機本体
２ クランクケース
３、４ シリンダ
５ モータ
６ クランクジク
７ ステータ
８ メインベアリング
９ ジクウケバコ
１０ ベアリング
１１ レンセツボウ
１２ ロータ
１３ 冷却ファン
１６、１７ シリンダヘッド
１８、１９ フランジ
２２、２３ クウキベン
２８、２９ 通しボルト
３０、３１ 圧縮室
３２ ピストン
３３、３４ リップリング
３５ ベアリング
３６ ピストンピン
３７、３８ リテーナ
４５ 空気タンク
４６ 減圧弁
５１ ピストン
５７ ピストン荷重
５８ 側圧
５９、６０ リップリング
６３ ベース部
６４ リップ部
６８、６９ ガイドリング
７３ レンセツボウ

Claims (6)

1. 低圧側シリンダと、
   高圧側シリンダと、
   前記低圧側シリンダ内を往復動可能な低圧側ピストンと前記高圧側シリンダ内を往復動
   可能な高圧側ピストンとが一体に形成された一体ピストンと、
   前記低圧側ピストンと前記低圧側シリンダとの間をシールする低圧側リップリングと、
   前記高圧側ピストンと前記高圧側シリンダとの間をシールする高圧側リップリングと、
   を備え、
   前記低圧側リップリングは、第１の部分が前記低圧側ピストンの圧縮室側の部材で支持
   され、第２の部分が前記低圧側ピストンのクランク室側の部材で支持されることにより、
   前記低圧側ピストンに挟持されており、
   前記高圧側リップリングは、第３の部分が前記高圧側ピストンの圧縮室側の部材で支持
   され、第４の部分が前記高圧側ピストンのクランク室側の部材で支持されることにより、
   前記高圧側ピストンに挟持されており、
   前記第２の部分の最外径は、前記第１の部分の最外径より小さく、
   前記第４の部分の最外径は、前記第３の部分の最外径より小さく、
   前記高圧側シリンダの内径は、前記低圧側シリンダの内径よりも小さいものである圧縮機。
2. 前記一体ピストンは、ライダーリングは使用せずに、前記低圧側リップリング及び高圧側リップリングのみでシリンダからの側圧を受けることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記一体ピストンは、前記低圧側リップリング及び高圧側リップリングに加え、低圧側ガイドリング及び高圧側ガイドリングを備えることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
4. 前記低圧側リップリング又は高圧側リップリングが限界摩耗に達した場合でもさらに当該低圧側リップリング又は高圧側リップリングにて側圧を受けることが可能であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
5. 前記一体ピストンは、小端部を介し前記一体ピストンを往復動させる連接棒に使用される偏心機構により、往復動運動において揺動することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
6. 前記連接棒にはクランクジクが挿入され、前記クランクジクがモータの運転により回転することを特徴とする請求項５に記載の圧縮機。

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