JP7470956B2

JP7470956B2 - コンプレッサ

Info

Publication number: JP7470956B2
Application number: JP2019176353A
Authority: JP
Inventors: 公平野首
Original assignee: 株式会社中央技研工業
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2024-04-19
Anticipated expiration: 2039-09-27
Also published as: JP2021055552A

Description

本発明は、空気などの気体を圧縮して吐出するコンプレッサに関する。より詳細には、冷媒により冷却可能なコンプレッサに関する。

気体を圧縮して吐出するコンプレッサは例えば特許文献１に開示されている。コンプレッサでは、気体を圧縮する際に発生する圧縮熱により装置の温度が上昇するため、装置を冷却する必要がある。しかしながら、これまでの冷却構造は十分とは言えなかった。

特開２０１１－１７９３４１号公報

本発明は、冷却効率の高いコンプレッサを提供することを目的とする。

本発明は以下に掲げる態様の発明を提供する。
（項目１）
上方及び下方が開口したシリンダと、
前記シリンダ内に配置され、往復動により前記シリンダ内に供給された気体を圧縮するピストンと、
前記シリンダの上方に、且つ前記シリンダ内に一部が露出するように配置され、冷媒が通過する第一冷媒流路を有するシリンダ蓋と、
前記シリンダの下方に、且つ前記シリンダ内に一部が露出するように配置される吸気台であって、気体を取り込む吸気流路と、冷媒が通過する第二冷媒流路と、を有する吸気台と、
を備えるコンプレッサ。

（項目２）
前記第一冷媒流路、及び、前記第二冷媒流路は、前記シリンダの壁部よりも内側を通る流路を有する、
項目１に記載のコンプレッサ。

（項目３）
前記第一冷媒流路と前記第二冷媒流路とを接続する配管をさらに備え、
前記配管を通って前記第一冷媒流路から排出された冷媒が前記第二冷媒流路に流入する、
項目１又は２に記載のコンプレッサ。

本発明のコンプレッサでは、冷媒により冷却可能な吸気台とシリンダ蓋とによって、効果的に圧縮熱を除去することができる。これにより、冷却効率の高いコンプレッサが得られる。

コンプレッサの部分縦断面図である。図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。（ａ）吸気台の平面図、（ｂ）吸気台の正面図、（ｃ）（ａ）のＩＩＩｃ－ＩＩＩｃ線片側断面図である。ピストンの断面図である。（ａ）シリンダ蓋の平面図、（ｂ）シリンダ蓋の正面図、（ｃ）（ａ）のＶｃ－Ｖｃ線片側断面図である。

本発明のコンプレッサについて図面を参照しながら説明する。以下で説明する実施形態は、本発明の好ましい一具体例を示すものである。本発明は、以下の実施形態に限定されず、その主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

＜１コンプレッサの構成＞
図１はコンプレッサ１０の部分縦断面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。

コンプレッサ１０は、ベース１と、コンプレッサ本体２と、駆動部３と、冷却機構４と、を備える。コンプレッサ本体２はベース１上に支持されている。コンプレッサ本体２は駆動部３により駆動され、吸気した気体（例えば空気）を圧縮し、外部に吐出する。冷却機構４は、コンプレッサ本体２に冷媒を供給して、コンプレッサ本体２を冷却する。冷媒は、例えば気体冷媒又は液体冷媒であり、具体的には空気又は水である。

コンプレッサ１０は、例えば、各種ガスの昇圧循環用コンプレッサとして利用できる。また、コンプレッサ１０は、例えば、オイルフリーの圧縮気体を供給できるオイルフリーコンプレッサであり、半導体製造用や医療用機器製造用のコンプレッサとして利用できる。

＜１－１コンプレッサ本体＞
コンプレッサ本体２は、第一コンプレッサ本体２Ａと、第二コンプレッサ本体２Ｂと、から構成されている。第一コンプレッサ本体２Ａの構成要素と第二コンプレッサ本体２Ｂの構成要素とは同一である。したがって、本明細書では、特に区別する必要がある場合を除いて、第一コンプレッサ本体２Ａ、２Ｂの各構成要素を区別することなく、まとめて説明する。また、明細書において必要がある場合、及び図１において、第一コンプレッサ本体２Ａの構成要素は、構成要素を示す符号（数字）の後に「ａ」を付して表し、第二コンプレッサ本体２Ｂの構成要素は、構成要素を示す符号（数字）の後に「ｂ」を付して表すものとする。また、以下で、「軸方向」とは「中心軸に沿った方向」を意味する。

コンプレッサ本体２は、吸気台２１と、シリンダ２２と、ピストン２３と、シリンダ蓋２４と、シリンダヘッド２５と、ピストンシャフト２６と、を備える。ベース１上には、下方から、吸気台２１、シリンダ２２、シリンダ蓋２４、シリンダヘッド２５の順で配置されている。

シリンダ２２は、上方及び下方が開口した筒状の壁部から構成されている。シリンダ２２の下側の開口は吸気台２１によって塞がれており、シリンダ２２の上側の開口はシリンダ蓋２４によって塞がれている。ピストン２３はシリンダ２２内に配置されており、ピストンシャフト２６によって駆動部３と接続されている。駆動部３によってピストンシャフト２６が上下に往復動することにより、ピストン２３もシリンダ２２内で上下に往復動する。そして、ピストン２３は、シリンダ２２内に供給された気体を圧縮する。

図３（ａ）は吸気台２１の平面図、図３（ｂ）は吸気台２１の正面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＩＩＩｃ－ＩＩＩｃ線片側断面図である。

図１に示すように、吸気台２１はベース１とシリンダ２２との間に配置され、シリンダ２２の下方の開口を閉じている。

図２及び図３に示すように、吸気台２１は、挿通穴２１１と、吸気流路２１２と、冷媒流路２１３と、を備える。

挿通穴２１１はピストンシャフト２６を挿通させるための貫通穴である。挿通穴２１１は吸気台２１の中心に形成されており、吸気台２１を軸方向に貫通している。

吸気流路２１２は気体を取り込み、取り込んだ気体をシリンダ２２内へ流通させるための流路であり、入口と出口とを有する。入口は吸気台２１の側面に設けられている。出口は吸気台２１の上面で、且つ中心から偏心した位置に設けられており、シリンダ２２内に向けて開口している。入口から取り込まれた気体は出口からシリンダ２２内に供給される。吸気台２１上には、吸気流路２１２の出口を開閉する弁２７（図３（ｃ）参照）が配置されている。弁２７は、例えばリード弁である。

冷媒流路２１３には、冷媒が流通する。冷媒流路２１３は、中心軸と直交する方向に吸気台２１を直線的に貫通している。図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、冷媒流路２１３の大部分は、シリンダ２２の壁部よりも内側（すなわち、中心軸に近い位置）を通っている。これにより、吸気台２１のうち、シリンダ２２の内部空間に露出する部分が、より冷えるようになっている。本実施形態では、冷媒流路２１３は二つ設けられており、二つの冷媒流路２１３は中心軸に対して対称に設けられている。

図４はピストン２３の断面図である。ピストン２３はシリンダ２２内に配置されている。図２及び図４に示すように、ピストン２３は、ピストンシャフト２６用の取付穴２３１と、気体が流通する複数の気体流路２３２と、を備える。

取付穴２３１はピストン２３の中心に形成されている。取付穴２３１にはピストンシャフト２６が取り付けられ、これによりピストン２３とピストンシャフト２６とが接続される。

複数の気体流路２３２は、軸方向にピストン２３を貫通する貫通穴であり、中心から偏心した位置に、周方向に所定間隔あけて形成されている。ピストン２３上には、気体流路２３２の出口を開閉する弁２８が配置されている。弁２８は、例えばリード弁である。吸気台２１の吸気流路２１２からシリンダ２２内に供給された気体は、この気体流路２３２を通って、シリンダ２２上部の圧縮空間Ｓに供給される。

図５（ａ）はシリンダ蓋２４の平面図、図５（ｂ）はシリンダ蓋２４の正面図、図５（ｃ）はシリンダ蓋２４のＶｃ－Ｖｃ線片側断面図である。

図１及び図２に示すように、シリンダ蓋２４は、シリンダ２２上に配置され、シリンダ２２の上方の開口を閉じている。

図２及び図５に示すように、シリンダ蓋２４は、気体流路２４１と、冷媒流路２４２と、を備える。気体流路２４１は、シリンダ蓋２４を軸方向に貫通する貫通穴であり、シリンダ２４の圧縮空間Ｓに開口する入口と、シリンダヘッド２５に開口する出口とを有する。シリンダ蓋２４上には、気体流路２４１の出口を開閉する弁２９（図５（ｃ）参照）が配置されている。弁２９は、例えばリード弁である。気体流路２４１内には、シリンダ２２の圧縮空間Ｓで圧縮された気体が流通する。

冷媒流路２４２には、冷媒が流通する。冷媒流路２４２は、中心軸と直交する方向にシリンダ蓋２４を直線的に貫通している。図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、冷媒流路２４２の大部分は、シリンダ２２の壁部よりも内側（すなわち、中心軸に近い位置）を通っている。これにより、シリンダ蓋２４のうち、シリンダ２２の内部空間（圧縮空間Ｓ）に露出する部分が、より冷えるようになっている。本実施形態では、冷媒流路２４２は二つ設けられており、二つの冷媒流路２４２は中心軸に対して対称に設けられている。

図２に示すように、シリンダヘッド２５はシリンダ蓋２４上に配置される。シリンダヘッド２５は、気体が流入する流入空間２５１と、気体を外部に吐出する吐出口２５２とを有する。流入空間２５１は、シリンダ蓋２４の気体流路２４１と連通し、気体流路２４１を通過した圧縮気体が流入する。吐出口２５２は流入空間２５１と連通しており、流入空間２５１に流入した圧縮気体を外部に吐出する。

＜１－２駆動部＞
図１に示すように、駆動部３は、モータ３１と、カップリング３２と、クランクシャフト３３と、コンロッド３４と、を備える。モータ３１とクランクシャフト３３とは、カップリング３２によって接続されている。コンロッド３４は、クランクシャフト３３に接続されると共に、ピストンシャフト２６と接続されている。

モータ３１を駆動させることにより、クランクシャフト３３が回転する。クランクシャフト３３の回転に伴い、コンロッド３４が上下動する。コンロッド３４の上下動に伴い、ピストンシャフト２６に接続されたピストン２３が上下動する。

本実施形態において、コンロッド３４は、コンプレッサ本体２Ａのピストンシャフト２６ａに接続されるコンロッド３４ａと、コンプレッサ本体２Ｂのピストンシャフト２６ｂに接続されるコンロッド３４ｂとを備える。コンロッド３４ａとコンロッド３４ｂとは、クランクシャフト３３の回転軸に対して、互いに上下に偏心して取り付けられている。これにより、二つのピストン２３ａ、２３ｂのうち、一方のピストン２３ａが上昇しているとき、他方のピストン２３ｂは下降する。

＜１－３冷却機構＞
図１及び図２に示すように、冷却機構４は、冷媒を供給する冷媒供給装置（不図示）と、第一配管４１と、第二配管４２と、第三配管４３と、を備える。第一配管４１は、シリンダ蓋２４の冷媒流路２４２の入口に接続されている。第二配管４２は、シリンダ蓋２４の冷媒流路２４２の出口と吸気台２１の冷媒流路２１３の入口とを接続している。第三配管４３は、吸気台２１の冷媒流路２１３の出口に接続されている。冷媒供給装置は、例えば第一配管４１に接続され、第一配管４１に冷媒を供給する。冷媒は、第一配管４１に供給され、シリンダ蓋２４の冷媒流路２４２、第二配管４２、吸気台２１の冷媒流路２１３を順に通った後、第三配管４３から排出される。

冷媒が空気などの気体冷媒の場合、冷媒供給装置は、例えば圧縮気体を供給する（コンプレッサ１０とは別の）コンプレッサである。この場合、冷媒供給装置は第一配管４１に接続され、圧縮気体が第一配管４１に供給される。あるいは、冷媒供給装置は、気体を吸引するブロワなどの吸引装置であってもよい。この場合、冷媒供給装置は第三配管４３に接続され、冷媒供給装置を駆動することで、第一配管４１から冷媒である気体が吸い込まれる。冷媒供給装置は、気体冷媒を冷却する冷却装置を備えていてもよい。

冷媒が水などの液体冷媒の場合、冷媒供給装置は、例えば水道設備である。すなわち、第一配管４１と水道の蛇口とが接続され、水が冷媒として第一配管４１に供給されてもよい。あるいは、冷媒供給装置は、冷媒を貯蔵するタンクと、冷媒を送り出すポンプと、冷媒を冷却する冷却装置と、を備え、冷却装置によって冷却した冷媒をポンプによって第一配管４１に供給する構造であってもよい。

また、冷媒供給装置は、第三配管４３から排出された冷媒を冷却装置で冷却して、再度第一配管４１に供給する、循環式であってもよい。この循環式構造は、冷媒が気体冷媒及び液体冷媒のいずれの場合にも適用できる。

＜２コンプレッサの動作及び特徴＞
以下では、図１及び図２を参照して、コンプレッサ１０の動作及び特徴について説明する。

ピストン２３の上昇時、弁２７が開き、気体が、吸気台２１の吸気流路２１２からシリンダ２２内に流入する。シリンダ２２内に流入した気体は、ピストン２３の気体流路２３２を通って、シリンダ２２の上部の圧縮空間Ｓに流入する。そして、気体は、上昇するピストン２３によって、圧縮空間Ｓで圧縮される。このとき、弁２８が閉じると共に弁２９が開き、圧縮気体がシリンダ蓋２４の気体流路２４１を通って圧縮空間Ｓから排出される。圧縮気体は気体流路２４１からシリンダヘッド２５の流入空間２５１に流入した後、吐出口２５２から外部に吐出される。

ピストン２３が下降を開始すると、弁２９が閉じると共に、弁２８が開き、吸気流路２１２から圧縮空間Ｓに新たな気体が導入される。その後、ピストン２３が再度上昇するに伴い、上記で説明したように、気体が圧縮される。コンプレッサ１０では、このようなピストン２３の往復動により、圧縮気体を生成することができる。

コンプレッサ１０の稼働中、冷媒は、まず、第一配管４１を通ってシリンダ蓋２４の冷媒流路２４２に供給される。その後、シリンダ蓋２４の冷媒流路２４２を通過して、第二配管４２から吸気台２１の冷媒流路２１３に入る。そして、吸気台２１の冷媒流路２１３を通って、第三配管４３から排出される。

本発明のコンプレッサ１０では、シリンダ蓋２４に冷媒が流通する冷媒流路２４２が設けられている。そして、そのシリンダ蓋２４はシリンダ２２の上側の開口を塞ぐように配置されている。つまり、冷媒によって冷却されたシリンダ蓋２４の一部がシリンダ２２内（圧縮空間Ｓ内）に露出している。これにより、シリンダ２２内の気体が、冷却されたシリンダ蓋２４に直接接触するため、圧縮熱を効果的に除去することができる。

特に、冷媒流路２４２の一部がシリンダ２２の壁部よりも内側を通っていることにより、シリンダ蓋２４のうち、シリンダ２２内の空間に露出する部分をより冷やすことができるため、より効果的に圧縮熱を除去することができる。

本発明のコンプレッサ１０では、吸気台２１に冷媒が流通する冷媒流路２１３が設けられている。そして、その吸気台２１はシリンダ２２の下側の開口を塞ぐように配置されている。つまり、冷媒によって冷却された吸気台２１の一部がシリンダ２２内に露出している。これにより、シリンダ２２内の気体が、冷却された吸気台２１に直接接触するため、圧縮熱を効果的に除去することができる。

特に、冷媒流路２１３の一部がシリンダ２２の壁部よりも内側を通っていることにより、吸気台２１のうち、シリンダ２２内の空間に露出する部分をより冷やすことができるため、より効果的に圧縮熱を除去することができる。

本発明のコンプレッサ１０では、シリンダ蓋２４の冷媒流路２４２にまず冷媒を流入させ、その後、シリンダ蓋２４の冷媒流路２４２から流出した冷媒を吸気台２１の冷媒流路２１３に流入させるようにしている。これにより、１つの冷却機構４でシリンダ蓋２４と吸気台２１との両方に冷媒を送ることができる。また、圧縮空間Ｓに近く、吸気台２１よりも高温になるシリンダ蓋２４に、より冷えた冷媒を供給することで効果的に圧縮熱を除去できる。

本発明のコンプレッサ１０は、複数のコンプレッサ本体２Ａ、２Ｂを含み、これらのコンプレッサ本体２Ａ、２Ｂのピストン２２ａ、２２ｂが交互に上下動する。これにより、連続的に圧縮気体を生成することができる。

＜３変形例＞
コンプレッサ１０の変形例について説明する。上記実施形態との相違点を中心に説明し、上記で既に説明した構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。なお、以下で説明する変形例は本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜組み合わせ可能である。

（１）コンプレッサ本体２は、複数に限らず、１つであってもよい。

（２）吸気台２１用の冷却機構４と、シリンダ蓋２４用の冷却機構４とを別々に設け、それぞれ別々に冷媒を供給するようにしてもよい。この場合、第二配管４２は必要ない。

１０コンプレッサ
２コンプレッサ本体
２Ａ、２Ｂコンプレッサ本体
２１吸気台
２１２吸気流路
２１３冷媒流路（第二冷媒流路）
２２シリンダ
２３ピストン
２４シリンダ蓋
２４２冷媒流路（第一冷媒流路）
４２第二配管（配管）

Claims

２つのコンプレッサ本体と、
前記２つのコンプレッサ本体を駆動する駆動部と、
前記２つのコンプレッサ本体を冷却する冷却機構と、
を備え、
前記２つのコンプレッサ本体はそれぞれ、
上方及び下方が開口したシリンダと、
前記シリンダ内に配置され、往復動により前記シリンダ内に供給された気体を圧縮するピストンと、
前記シリンダの上方に、且つ前記シリンダ内に一部が露出するように配置され、冷媒が通過する第一冷媒流路を有するシリンダ蓋と、
前記シリンダの下方に、且つ前記シリンダ内に一部が露出するように配置される吸気台であって、気体を取り込む吸気流路と、冷媒が通過する第二冷媒流路と、を有する吸気台と、
を備え、
前記駆動部は、一方の前記コンプレッサ本体の前記ピストンが上昇しているときに、他方の前記コンプレッサ本体の前記ピストンが下降するように、前記２つのコンプレッサ本体を駆動し、
前記冷却機構は、前記第一冷媒流路から排出された冷媒を前記第二冷媒流路に流入させるための配管であって、一方の前記コンプレッサ本体の前記第一冷媒流路と前記第二冷媒流路とを接続する配管および他方の前記コンプレッサ本体の前記第一冷媒流路と前記第二冷媒流路とを接続する配管を備える、
コンプレッサ。
前記第一冷媒流路、及び、前記第二冷媒流路は、前記シリンダの壁部よりも内側を通る流路を有する、
請求項１に記載のコンプレッサ。