WO2016084137A1 - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

　本発明は、運転時の振動を抑制しつつ、小型化・軽量化を実現した圧縮機を提供することを目的とする。　本発明は、モータの回転軸に接続され、前記モータの回転運動に伴い往復運動する連接棒と、前記連接棒と共に往復運動するピストンと、前記ピストンの両端に前記ピストンと一体に形成された２つのピストン本体とを備え、前記モータの回転軸は前記モータに対して前記ピストンがある側に軸受を有する片持ち構造であることを特徴とする圧縮機を提供する。

Description

圧縮機

　本発明は、圧縮機の圧縮機に関するものである。

　特許文献１には、第１のクランクピン９ａの旋回運動に伴って往復運動する第１のピストン１１ａと、第２のクランクピン９ｂの旋回運動に伴って往復運動する第２のピストン１１ｂとを有する可搬型エアコンプレッサが記載されている。

　特許文献２には両端にピストンを有するピストン体がモータに接続された圧縮機が記載されている。

特開２００５－１２０９２８号公報 米国特許公開公報２００５／０２３８５３

　特許文献１の可搬型エアコンプレッサは、第１のピストン１１ａと第２のピストン１１ｂとがそれぞれ別体である。そのため、駆動軸に２つのピストンを取り付ける必要があるため、駆動軸方向の寸法を低減できなかった。

　特許文献２の圧縮機は２つのピストン体が一体に形成されているものの、圧縮機本体とモータに対する軸受構造については記載がない。圧縮機全体の小型化・軽量化が必要な一方で、圧縮機全体を小型化・軽量化すると、運転時の振動が大きくなるという問題が生じていた。

　上記問題点に鑑み、本発明は、運転時の振動を抑制しつつ、小型化・軽量化を実現した圧縮機を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するため、本発明は、モータの回転軸に接続され、前記モータの回転運動に伴い往復運動する連接棒と、前記連接棒と共に往復運動するピストンと、前記ピストンの両端に前記ピストンと一体に形成された２つのピストン本体とを備え、前記モータの回転軸は前記モータに対して前記ピストンがある側に軸受を有する片持ち構造であることを特徴とする圧縮機を提供する。

　本発明によれば、運転時の振動を抑制しつつ、小型化・軽量化を実現した圧縮機を提供することができる。

本発明の実施例１に係る圧縮機本体の断面図 本発明の実施例１に係る圧縮機本体の上面図 本発明の実施例１に係るタンク一体式空気圧縮機の上面図 本発明の実施例１に係る圧縮機本体の斜視図 本発明の実施例１に係るピストンリングを示す図 本発明の実施例１に係るピストンリングを示す図 本発明の実施例２に係る圧縮機本体の断面図

　以下、本発明の各実施例に係る圧縮機の構造を、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の圧縮機の構造を、図１～６を参照しつつ説明する。

　空気等を圧縮する圧縮機本体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回転軸の先端に設けられたクランク軸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（軸受）が直接固定され、モータ５の回転軸を支持している。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が装着された軸受箱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軸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、クランク軸６にはベアリング１０を装着した連接棒１１が接続され、２個のメインベアリング８の間に配置されている。クランク軸６はクランクケース２および軸受箱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装着部のクランク軸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軸６の回転によって連接棒１１が偏心運動を行い、モータ５の回転軸の回転運動を往復運動に変換する。連接棒１１の偏心運動においては、前述したとおりのクランク軸６を用いた構造でもよいし、エキセントリックを使用した構造でもよい。

　圧縮機本体１を駆動するモータ５はステータ７及びロータ１２を有し、ロータ１２はキー４９を介しクランク軸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。

　冷却ファン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。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。

　高圧側のシリンダ３はクランクケース２に取り付けられ、低圧側のシリンダ４はクランクケース２に取り付けられている。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、空気弁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。

　ピストン３２は両端にピストン本体を備え、空気等を圧縮し、リップリング３３、３４を備えている。ピストン３２はベアリング３５、ピストンピン３６を介し連接棒１１に固定され、連接棒１１とともに往復運動する。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。また、ピストン３２の両端にはリップリング３３、３４よりクランク軸６側にガイドリング４１、４２が備えられており、圧縮運動によってピストン３２とシリンダ３、４が接触するのを防止する。

　本実施例においては、ピストン３２の両端に空気等を圧縮するためのボア径の異なる２つのピストン本体とピストン本体に接続されるリップリング３３、３４を備えており、ピストン３２とともに一体となり往復運動する。２つのピストン本体の一方を低圧側ピストン本体、他方を高圧側ピストン本体とし、低圧側ピストン本体で圧縮した流体をさらに高圧側ピストン本体で圧縮している。これにより、１つのピストン３２で２段圧縮を行う構成とすることで、小型・軽量化を実現しつつより高圧な圧縮流体を得ることができる。尚、本実施例においては圧縮用のリングにリップリング３３、３４を挙げたが、その他の構成としては図５、図６に示すような、リークカットピストンリング６０、ステップカットピストンリング６１を用いてもよい。

　ロータ１２に固定されている図４に示すカウンターバランス４８は連接棒１１が偏心運動する場合に重心バランスを維持する。本実施例において、カウンターバランス４８はロータ１２に固定する構成としたが、圧縮機本体の何れの位置に配置してもよい。カウンターバランス４８は連接棒１１やクランク軸６のバランスなどの固定位置のずれにより生じる回転モーメントを抑制し圧縮機本体１の振動を低減させる。

　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軸６が回転すると、連接棒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内を往復運動する。

　本実施例における二段圧縮について図３を用いて説明する。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、空気弁２３、シリンダヘッド２７を通じて吐き出される。吐き出された圧縮空気は配管４３を通して高圧側のシリンダヘッド２６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２６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空気弁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空気弁２２、シリンダヘッド１６、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。

　図３に示すような圧縮機本体１とモータ５と空気タンク４５を一体にした可搬型圧縮機では、小型化・軽量化が要求されていた。これまでは、各部品に比重の小さい材料を使用した材質変更や効率よく補強を行うことで薄肉化を図るなど小型化・軽量化を進めてきた。一方で小型化においては、ＤＣＢＬモータの採用や圧縮機の高速回転化などを行ってきた。また、本実施例における往復動圧縮機は、低圧高圧の２段圧縮を行うため、低圧側と高圧側で連接棒１１、クランク軸６にかかる応力やモーメントのバランスを取るのが難しく、運転時の振動が問題となっていた。そのため、小型化・軽量化と振動の低減の両立が課題となっていた。今後更なる小型・軽量化を図るためには、従来実施してきた内容を更に推進するだけではなく、既存の考えから脱却した構造変更が必要となる。

　本実施例における圧縮機の小型化・軽量化について説明する。

　可搬式空気圧縮機の２段圧縮では従来低圧、高圧２本の連接棒が用いられていたのに対し、本実施例においては、低圧、高圧のピストン本体を一体にし、連接棒を１本にて構成した。また、圧縮機本体１を駆動するためのモータ５の構成部品であるロータ１２はクランクケース２に固定されているメインベアリング８のみで支持する構造とした。つまり、モータ５に対して、ピストン３２がある側と反対側にはメインベアリング８を有さず、モータ５に対して、片側からメインベアリング８にて回転軸を支持する片持ち構造とした。

　本実施例によれば、１つの連接棒１１に２つのピストン体が一体に形成されたピストン３２を接続した。これにより、連接棒の本数の減らすことで、ベアリングをはじめとする各種部品を削減することができ、圧縮機本体の重量を低減することができる。

　また、連接棒を１本にて構成することで、モータ５の回転軸の軸方向寸法を短くできモーメントが大きくならないため、モータの両側にメインベアリング８を配置せず片側支持としても振動を抑制することができる。これにより、圧縮機本体１を軸方向に短縮することができ小型化を行うことができる。

　また、従来２本使用していた連接棒を２段圧縮が可能な１本の連接棒１１にすることで、クランク軸を支持するメインベアリング８間の距離を縮めることができる。これにより、空気圧縮機の運転時にメインベアリング８によって効率よく振動を吸収することができる。これにより、クランク軸６の軸径を従来よりも細く設計することができ、さらにクランク軸６を中空に設計することもできるため運転時の振動を抑制しつつさらに軽量化を図ることができる。

　また、圧縮機本体１を軸方向に小型化したことで、運動物である連接棒１１やクランク軸６に形成されるバランスなどの部品間距離を縮めることができるため、発生する慣性モーメント量を抑えることができるため、カウンターバランス４８の質量低減もしくは部品を廃止することができ、さらに小型化・軽量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１、７を参照しつつ以下に説明する。実施例１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

　図７に本実施例の圧縮機本体の断面図を示す。

　本実施例は、実施例１に対し、クランク軸６に固定されたロータ５７がクランクケース２に固定されたステータ５０よりも外周側に配置されたモータ５を有することを特徴とする。
尚、クランク軸６とロータ５７は実施例１と同様にキー４９を介し固定されており、ステータ５０の巻き線に流れた電流が作る磁界の変化によって、磁力を帯びているロータ５７が回転することでクランク軸６も回転運動する。

　本実施例では、ロータ５７をステータ５０よりも外側に配置したため、実施例１のようにロータ１２がステータ７の内側に配置した場合に比べ、回転物であるロータ５７の直径を大きく構成できる。これにより、同じ厚みのモータでも高トルクを生み出しやすいため、軸方向の寸法を小さくできる。

　本実施例では、実施例１の構成に加えてモータ５はロータ５７をステータ５０よりも外側に配置した。これにより本実施例では、実施例１と比較して、モータ５を扁平化できる。つまり、モータ５の回転軸方向の寸法をピストン３２が往復動する方向の寸法より小さくでき、軸方向に更に小型化を図ることができる。これにより、圧縮機本体レイアウト時の自由度を増すことができるだけでなく、圧縮機全体の軸方向のバランスを確保しやすくなり、振動を抑制しやすくできる。

　尚、本実施例の圧縮機を可搬型圧縮機として利用する場合、仮設電源等で使用され電圧が安定しないことも多い。そのため、据付型の圧縮機よりもフライホイール量を多くとるよう設計することが一般的である。この場合、元来バランスやカウンターバランス４８にもフライホイール機能を持たせ、バランス調整に最低限必要な質量より大きくなるようバランスやカウンターバランス４８を設計する必要があった。一方、本実施例によれば、ロータ５７をステータ５０よりも外周側に配置したことを特徴とするモータ５８は、ロータ５７がステータ５０の外側を回転するため、ロータ１２がステータ７の内側を回転するモータ５に比べフライホイール効果を得やすいため、バランスやカウンターバランス４８をより軽量に設計することが可能となる。

　これまで説明してきた実施例は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されない。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。また、本発明は複数の実施例を組み合わせることによって実施してもよい。

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　　　　　クランク軸
７　　　　　ステータ
８　　　　　メインベアリング（軸受）
９　　　　　軸受箱
１０　　　　ベアリング
１１　　　　連接棒
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　空気弁
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
４１、４２　ガイドリング
４５　　　　空気タンク
４６　　　　減圧弁
４８　　　　カウンターバランス

Claims (14)

1. 　モータの回転軸に接続され、前記モータの回転運動に伴い往復運動する連接棒と、
   　前記連接棒と共に往復運動するピストンと、
   　前記ピストンの両端に前記ピストンと一体に形成された２つのピストン本体とを備え、
   　前記モータの回転軸は前記モータに対して前記ピストンがある側に軸受を有する片持ち構造であることを特徴とする圧縮機。
2. 　前記２つのピストン本体は一体となり往復運動することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 　前記モータの前記回転軸方向の寸法を前記モータの前記ピストン本体が往復動する方向の寸法よりも小さくすることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
4. 　前記モータのロータをステータよりも外側に配置することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
5. 　前記連接棒を２つの軸受の間に配置することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
6. 　前記２つのピストン本体の一方を低圧側ピストン本体、他方を高圧側ピストン本体とし、低圧側ピストン本体で圧縮した流体を高圧側ピストン本体でさらに圧縮することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
7. 　前記回転軸を中空にすることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
8. 　モータの回転軸に接続され、前記モータの回転運動を往復運動に変換する連接棒と、
   　前記連接棒に接続されたピストンと、
   　前記ピストンの両端に前記ピストンと一体に形成された２つのピストン本体とを備え、
   　前記モータの回転軸は前記モータに対して前記ピストンがある側と反対側の位置に軸受を有さないことを特徴とする圧縮機。
9. 　前記２つのピストン本体は一体となり往復運動することを特徴とする請求項８に記載の圧縮機。
10. 　前記モータの前記回転軸方向の寸法を前記モータの前記ピストン本体が往復動する方向の寸法よりも小さくすることを特徴とする請求項８に記載の圧縮機。
11. 　前記モータのロータをステータよりも外側に配置することを特徴とする請求項８に記載の圧縮機。
12. 　前記連接棒を２つの軸受の間に配置することを特徴とする請求項８に記載の圧縮機。
13. 　前記２つのピストン本体の一方を低圧側ピストン本体、他方を高圧側ピストン本体とし、低圧側ピストン本体で圧縮した流体を高圧側ピストン本体でさらに圧縮することを特徴とする請求項８に記載の圧縮機。
14. 　前記回転軸を中空にすることを特徴とする請求項８に記載の圧縮機。

Images