WO2020138129A1 - 二段往復動圧縮機 - Google Patents

Abstract

本発明の一態様による往復動圧縮機は、ケースに収容された回転駆動源と、前記回転駆動源からの回転を出力し、前記ケースの端面から一端が突出するように設けられた軸方向に延びる出力軸と、前記出力軸からの回転駆動力を動力源として空気を圧縮する低圧圧縮要素と、前記低圧圧縮要素から吐出された圧縮空気を冷却するインタークーラと、前記モータ出力軸からの回転駆動力を動力源として前記インタークーラにより冷却された圧縮空気をさらに圧縮する高圧圧縮要素と、前記出力軸に接続され、前記軸方向において前記ハウジングの前記端面と前記インタークーラとの間に配置された送風ファンと、を備える。

Description

二段往復動圧縮機

　本発明は、二段往復動圧縮機に関する。

　高圧の圧縮空気を得るために、空気を二段階で圧縮する二段往復動圧縮機が知られている。二段往復動圧縮機は、低圧側シリンダと高圧側シリンダとを有する。２段往復動圧縮機においては、低圧側シリンダで圧縮された空気が高圧側シリンダに送り込まれ、高圧側シリンダにおいて更に圧縮される。高圧側シリンダにおいて圧縮された圧縮空気は、吐出ポートを介して空圧機械に供給される。二段往復動圧縮機が商用車に搭載される場合には、高圧側シリンダヘッドから吐出された圧縮空気は、例えば、ブレーキやエアサスペンションに供給される。従来の二段往復動圧縮機は、特開２０１３－０４０５８６号公報に開示されている。

　空気が圧縮される工程では圧縮熱が発生するため、往復動圧縮機の運転中にはシリンダ及びピストンの温度が上昇する。また、電動モータは印可電流により駆動されるため、この印可電流によりジュール熱が発生する。これにより、電動モータの温度も上昇する。このため、従来の往復動圧縮機には冷却ファンが設けられることが多い。冷却ファンを備えた二段往復動圧縮機が特開平９－２６４２５３号公報及び特開２０１６－０７０２３３号公報に開示されている。

特開２０１３－０４０５８６号公報 特開平９－２６４２５３号公報 特開２０１６－０７０２３３号公報

　冷却ファンを備える二段往復動圧縮機において冷却効果のさらなる向上が求められる。

　本開示の目的の一つは、二段往復動圧縮機における冷却効果を改善することである。本開示の上記以外の目的は、本願明細書の全体の記載を参照することにより理解される。

　本発明の一態様による二段往復動圧縮機は、ケースに収容された回転駆動源と、前記回転駆動源からの回転を出力し、前記ケースの端面から一端が突出するように設けられた軸方向に延びる出力軸と、前記出力軸からの回転駆動力を動力源として空気を圧縮する低圧圧縮要素と、前記低圧圧縮要素から吐出された圧縮空気を冷却するインタークーラと、前記モータ出力軸からの回転駆動力を動力源として前記インタークーラにより冷却された圧縮空気をさらに圧縮する高圧圧縮要素と、前記出力軸に接続され、前記軸方向において前記ハウジングの前記端面と前記インタークーラとの間に配置された送風ファンと、を備える。

　本発明の一態様において、前記ケースは、その外表面に前記軸方向に延びる複数のリブを有する。

　本発明の一態様において、前記ケースは、前記軸方向と垂直な方向に延びる複数の他のリブを有する。

　本発明の一態様による二段往復動圧縮機は、前記低圧圧縮要素に前記空気を供給するサイレンサーをさらに備える。

　本発明の一態様による二段往復動圧縮機は、前記ケース、前記低圧圧縮要素、前記インタークーラ、前記高圧圧縮要素、及び前記送付ファンの少なくとも一部を多くカバーをさらに備える。

　本発明の一態様は、自動車に関する。当該自動車は、上記の二段往復動圧縮機を備える。

　本発明の実施形態によって、二段往復動圧縮機における冷却効果を改善することができる。

一実施形態による二段往復動圧縮機を模式的に示す斜視図である。 図１の二段往復動圧縮機の模式的な側面図である。 図２の二段往復動圧縮機をＡ－Ａ線に沿って切断した断面を模式的に示す断面図である。 別の実施形態による二段往復動圧縮機を模式的に示す斜視図である。 別の実施形態による二段往復動圧縮機の模式的な断面図である。

　図１から図３を参照して、本発明の様々な実施形態による二段往復動圧縮機１を説明する。図１は、本発明の一実施形態による二段往復動圧縮機１を概略的に示す斜視図であり、図２は、図１の二段往復動圧縮機１の模式的な側面図であり、図３は二段往復動圧縮機１を図２のＡ－Ａ線に沿って切断した断面を模式的に示す断面図である。本明細書において上下方向に言及する場合には、文脈上別に介される場合を除き、図１に示されている上下方向を基準とする。本明細書において前後方向に言及する場合には、文脈上別に介される場合を除き、図２に示されている前後方向を基準とする。図２には、後述するクランクシャフトの中心軸に一致する軸線Ｃが示されている。軸線Ｃは、前後方向に伸びている。本明細書においては、軸線Ｃに沿う方向を軸方向と呼び、軸線Ｃから軸線Ｃと垂直に延びる方向を径方向と呼ぶことがある。

　図１に示されているように、二段往復動圧縮機１は、ハウジング１０を備える。ハウジング１０は、モータケース１１と、クランクケース１２と、第１シリンダ１３ａと、第２シリンダ１３ｂと、を有する。第１シリンダ１３ａ及び第２シリンダ１３ｂはそれぞれ、クランクケース１２の上側に設けられている。ハウジング１０の下面には、支持部１９を介して４つ脚部が取り付けられている。二段往復動圧縮機１は、脚部１８を介して所望の設置場所に設置される。

　モータケース１１の外表面には、軸方向に沿って延びる複数の第１リブ１１ａと、上下方向に沿って延びる第２リブ１１ｂと、が設けられている。第２リブ１１ｂの上端は、対応する第１リブ１１ａの後端と接続されている。複数の第１リブ１１ａのうち一部は、モーターケース１１の後端から前端まで延びており、残部は、モーターケース１１の後端から前方に向かって延びており途中で第２リブ１１ｂと接続されている。

　モータケース１１には、軸線Ｃに沿ってその内部を貫通する内部空間が形成されている。モータケース１１は、概ね中空の円筒形状を有する。モータケース１１の内部空間には、モータ２２が配置されている。モータ２２は、モータケース１１の内壁に取り付けられたステータコイル２２ａと、ステータコイル２２ａの径方向内側に組み込まれたロータ２２ｂと、ロータ２２ｂとともに回転するモータ回転軸２２ｃと、を有する。モータ２２は、ロータ２２ｂの回転位置を検出する回転検出センサを備えてもよい。モータケース１１の貫通孔は、後端において後側キャップ２３により閉塞されている。これにより、後側キャップ２３の後面がモータケース１１の後端面１１ｃとなる。後側キャップ２３の径方向中央には、モータケース１１の内部空間と外部空間とを接続する貫通孔が設けられている。モータ回転軸２２ｃは、後側キャップ２３に設けられた貫通孔を通ってハウジング１０の外部まで延伸している。モータ回転軸２２ｃは、軸受を介してモータケース１１に対して回転自在に支持される。

　モータケース１１から後方に向かって突出しているモータ回転軸２２ｃの後端には、送風ファン２４が取り付けられている。送風ファン２４は、モータ回転軸２２ｃとともに中心軸Ｃの周りで回転する。送風ファン２４の回転により、送風ファン２４の軸方向後方からファンに向かって流れる気流ｆｉと、送風ファン２４の前方からハウジング１０の外表面を軸方向に流れる気流ｆｏとが発生する。

　クランクケース１２には、軸線Ｃに沿ってその内部を貫通する内部空間が形成されている。クランクケース１２の内部空間とモータケース１１の内部空間とは、隔壁２０により区画されている。クランクケース１２に設けられた貫通孔は、その前端において前側キャップ２１により閉塞されている。前側キャップ２１は、ほぼ円盤形状のキャップ本体２１ａと、このキャップ本体２１ａの径方向中央において前方に向かって突出するドーム２１ｂと、を有する。

　クランクケース１２の内部空間には、クランク機構が配置されている。このクランク機構は、クランク軸１５を有する。クランク軸１５は、クランクケース１２及びモータケース１１の内部において中心軸Ｃに沿って延びている。クランク軸１５は、その前端において前側キャップ２１に支持されている。クランク軸１５は、隔壁２０に設けられた貫通孔からモータケース１１内に侵入し、モータケース１１内において中空のモータ回転軸２２ｃの内周面に支持されている。クランク軸１５は、モーター回転軸２２ｃとともに中心軸Ｃの周りを回転するように、モータ回転軸２２ｃに取り付けられる。これにより、モータ２２からの回転駆動力は、モータ回転軸２２ｃを介してクランク軸１５に伝達される。

　クランク軸１５は、第１偏心部１５ａと、第１偏心部１５ａよりも軸方向後側に設けられた第２偏心部１５ｂと、を有する。第１偏心部１５ａ及び第２偏心部１５ｂは、軸線Ｃに垂直な断面で見た断面視において円形形状を有する。偏心部１５ａの中心は、軸線Ｃから偏心している。第１偏心部１５ａには、第１コンロッド１４ａを介して第１ピストン１６ａが接続されている。同様に、第２偏心部１５ｂには、第２コンロッド１４ｂを介して第２ピストン１６ｂが接続されている。クランク軸１５の回転運動は、第１コンロッド１４ａによって第１ピストン１６ａの往復動に変換され、第２コンロッド１４ｂによって第２ピストン１６ｂの往復動に変換される。このようにして、第１ピストン１６ａは、第１シリンダ１３ａの内部で往復動し、第２ピストン１６ｂは、第２シリンダ１３ａの内部で往復動する。

　第１偏心部１５ａ及び第２偏心部１５ｂとは、互いと異なる位相を有する。例えば、第１偏心部１５ａの位相と第２偏心部１５ｂの位相とは互いに１８０°ずれている。この位相のずれにより、第１ピストン１６ａが第１シリンダ１３ａのシリンダ室を圧縮する方向に駆動されるとき、第２ピストン１６ｂは第２シリンダ１３ｂのシリンダ室を膨張させる方向に駆動される。一方、第２ピストン１６ｂが第２シリンダ１３ｂのシリンダ室を圧縮する方向に駆動されるとき、第１ピストン１６ａは第１シリンダ１３ａのシリンダ室を膨張させる方向に駆動される。

　第１シリンダ１３ａの先端には第１シリンダヘッド１７ａが設けられ、第２シリンダ１３ｂの先端には第２シリンダヘッド１７ｂが設けられている。第１シリンダヘッド１７ａは、その内部空間に空気を吸い込むための吸気ポート２７ａと、圧縮された空気を吐出するための排気ポート２７ｂとを有する。第１シリンダヘッド１７ａの内部空間は、隔壁により吸入室と吐出室とに区画されている。第１シリンダヘッド１７ａの外部から吸気ポート２７ａを介して吸入室に流入した空気は第１シリンダ１３ａ内に吸引され、シリンダ１３ａ内で往復動する第１ピストン１６ａによって圧縮された後に吐出室に排出される。この圧縮空気は、第１シリンダヘッド１７ａの排気ポート２７ｂから配管２６ａを通ってインタークーラ２５に導入され、インタークーラ２５で冷却された後に配管２６ｂを通って第２シリンダヘッド１７ｂに導入される。第２シリンダヘッド１７ｂは、配管２６ｂから圧縮空気を吸入するための吸気ポート２８ａと、第２シリンダ１３ｂで第二段目の圧縮がなされた圧縮空気を排出する排気ポート（不図示）とを有する。吸気ポート２８ａを介して第２シリンダヘッド１７ｂに流入した空気は第２シリンダ１３ｂ内に吸引され、シリンダ１３ｂ内で往復動する第１ピストン１６ｂによって第二段目の圧縮をされた後に、排気ポートを介して第２シリンダヘッド１７ｂの外部に吐出される。第２シリンダ１３ｂにより２段目の圧縮がなされた圧縮空気は、不図示の様々な空圧機械に供給され得る。空圧機械は、圧縮空気により作動する様々な装置を含む。二段往復動圧縮機１が商用車に搭載される場合には、第２シリンダ１３ｂからの圧縮空気は、例えば、空気ブレーキ、エアサスペンション、及びこれら以外の商用車に搭載される各種空圧機械に供給され得る。

　このように、二段往復動圧縮機１において、外部から導入された空気は、第１シリンダ１３ａにおいて第一段目の圧縮がなされ、第２シリンダ１３ｂにおいて第二段目の圧縮がなされる。このように、第１シリンダ１３ａは低圧用のシリンダであり、第２シリンダ１３ｂは、高圧用のシリンダである。本明細書において、第１シリンダ１３ａを低圧圧縮要素ということがあり、第２シリンダ１３ｂを高圧圧縮要素ということがある。低圧圧縮要素には、第１ピストン１６ａ及び第１シリンダヘッド１７ａが含まれてもよい。高圧圧縮要素には、第２ピストン１６ｂ及び第２シリンダヘッド１７ｂが含まれてもよい。

　図３に示されているように、インタークーラ２５は、軸方向において、送風ファン２４よりも後方に設けられている。言い換えると、インタークーラ２５とモータケース１１の後端面との間に送風ファン２４が設けられている。インタークーラ２５は、例えば不図示のボルトによりモーターケース１１に取り付けられる。

　インタークーラ２５は、第１シリンダヘッド１７ａの排気ポート２７ｂと配管２６ａを介して接続され、第２シリンダヘッド１７ｂの吸気ポート２８ａと配管２６ｂを介して接続されている。インタークーラ２５は、配管２６ａと配管２６ｂとを接続する蛇行した配管と、この配管に設けられた多数のフィンと、を有している。インタークーラ２５の配管には、配管２６ａから、第１シリンダ１３ａにおいて圧縮された高温の圧縮空気が供給される。上記のように、送風ファン２４の回転に伴って気流ｆｉが流れ、この気流がインタークーラ２５を通過する。この気流ｆｉは、インタークーラ２５の配管及びフィンの外表面に沿って流れるため、インタークーラ２５の内部を通過する圧縮空気が冷却される。

　続いて、二段往復動圧縮機１の動作について説明する。ステータコイル２２ａに電流が印加されると、ロータ２２ｂがステータコイル２２ａに対して回転する。このとき、ロータ２２ｂの回転がモータ回転軸２２ｃを介してクランク軸１５及び送風ファン２４に伝達される。クランク軸１５の回転運動は、第１コンロッド１４ａによって第１ピストン１６ａの往復動に変換され、第２コンロッド１４ｂによって第２ピストン１６ｂの往復動に変換される。この第１ピストン１６ａ及び第２ピストン１６ｂの往復動により、外部から導入された空気は第１シリンダ１３ａにおいて一段階目の圧縮がなされ、第２シリンダ１３ｂにおいて第二段階目の圧縮がなされる。第１シリンダ１３ａにおいて圧縮された空気は、インタークーラ２５により冷却された後、第２シリンダ１３ｂに導入される。インタークーラ２５に対しては、モータ２２からの回転駆動力により回転する送風ファン２４から冷却風が供給される。

　図４は、本発明の他の実施形態による二段往復動圧縮機１を示す斜視図である。図４の二段往復動圧縮機１は、カバー４０を備える点で図１に示された二段往復動圧縮機１と相違している。カバー４０は、防音カバーである。カバー４０は、二段往復動圧縮機１の全周を覆ってもよい。図示の実施形態においては、車体への取付けの便宜のために、二段往復動圧縮機１のうち脚部１８がカバー４０から露出している。カバー４０は、その一部に、カバー４０の内部と外部とを接続する貫通孔が設けられていてもよい。カバー４０は、防音機能を有する材料からなる。カバー４０の材料としては、例えば、フェルト、ポリ塩化ビニル、又はこれら以外の防音性を有する材料から成る。このカバー４０により、二段往復動圧縮機１から発生する音の外部への漏れを抑制できる。

　図５は、本発明の他の実施形態による二段往復動圧縮機１を示す斜視図である。図５の二段往復動圧縮機１は、サイレンサー５０を備える点で図１に示された二段往復動圧縮機１と相違している。サイレンサー５０は、前側カバー２１のドーム２１ｂに取り付けられる。サイレンサー５０は、例えば中空の円筒形状を有する。サイレンサー５０の内部空間は、吸気口５０ａから外気を取り入れる第１室と、この第１室に接続されており当該第１室から空気を取り入れる消音室と、に画定されている。吸気口５０ａは、サイレンサー５０の任意の位置に設けられ得る。サイレンサー５０の内部空間、第１室及び消音室以外の区画された空間を有していてもよい。消音室は、第１シリンダヘッド１７ａの吸気ポート２７ａに接続されている。モータ２２が駆動されると、第１シリンダヘッド１７ａの吸入室が負圧となるため、サイレンサー５０の外部から第１室に空気が取り込まれる。この空気は、第１室から消音室に侵入する。空気は、消音室において膨張するため消音される。これにより、外気を吸入する際に発生する吸気騒音を低減することができる。

　上記の二段往復動圧縮機１は、例えば、商用自動車に搭載され得る。本発明の一態様は、二段往復動圧縮機１を備えた自動車である。

　上記の実施形態が奏する作用効果について以下で説明する。本発明の一実施形態においては、軸方向において、送風ファン２４がモータケース１１の後端面１１ｃとインタークーラ２５との間に設けられている。これにより、送風ファン２４により発生する冷却風がインタークーラ２５を通過しやすくなるため、インタークーラ２５における圧縮空気の冷却効果が向上する。従来の二段往復動圧縮機においては、軸方向においてモータケースの後端面と送風ファンとの間にインタークーラが設けられている。この従来の二段往復動圧縮機における配置では、送風ファンからインタークーラに送られた冷却風がモータケースの後端面の後端面に衝突して気流が乱れてしまい、送風ファンからの冷却風がインタークーラの冷却に十分に寄与していなかった。本発明の実施形態においては、送風ファンとインタークーラの軸方向における配置を変更することにより、冷却効果が改善されている。

　上記の一実施形態においては、モータケース１１の外表面に軸方向に延びる複数の第１リブ１１ａ及び上下方向に延びる複数の第２リブ１１ｂが設けられている。二段往復動圧縮機１の運転時には、ステータコイル２２ａに印加される印加電流によりジュール熱が発生し、このステータコイル２２ａで発生した熱がモータケース１１に伝達される。第１リブ１１ａ及び第２リブ１１ｂによりモータケース１１の外表面の表面積が大きくなっているため、ステータコイル２２ａで発生した熱を効率よく大気中に放熱することができる。
また、第１リブ１１ａは、送風ファン２４からの冷却風をモータケース１１の外表面に沿って軸方向に案内する。よって、隣接する第１リブ１１ａの間を送風ファン２４からの冷却風が流れるため、この冷却風によってさらに放熱効率を改善することができる。

　本明細書で説明された各構成要素の寸法、材料、及び配置は、実施形態中で明示的に説明されたものに限定されず、この各構成要素は、本発明の範囲に含まれうる任意の寸法、材料、及び配置を有するように変形することができる。また、本明細書において明示的に説明していない構成要素を、説明した実施形態に付加することもできるし、各実施形態において説明した構成要素の一部を省略することもできる。

　変形例の一部について以下で例示する。モータケース１１とクランクケース１２とは、一体のワンピース構造を有していてもよい。モータケース１１とクランクケース１２とは、別部材として構成されてもよい。二段往復動圧縮機１は、モータ２２を制御するための制御回路が設けられてもよい。

　　１　二段往復動圧縮機
　　１０　ハウジング
　　１１　モータケース
　　１２　クランクケース
　　１３ａ　第１シリンダ（低圧側シリンダ）
　　１３ｂ　第２シリンダ（高圧側シリンダ）
　　１４ａ　第１コンロッド
　　１４ｂ　第２コンロッド
　　１５　クランクシャフト
　　１５ａ　第１偏心部
　　１５ｂ　第２偏心部
　　１６ａ　第１ピストン
　　１６ｂ　第２ピストン
　　１７ａ　第１シリンダヘッド
　　１７ｂ　第２シリンダヘッド
　　１８　脚部
　　１９　支持部
　　２１　前側キャップ
　　２２　モータ
　　２２ａ　ステータコイル
　　２２ｂ　ロータ
　　２２ｃ　モータ回転軸
　　２３　後側キャップ
　　２４　送風ファン
　　２５　インタークーラ
　

Claims (6)

1. 　ケースに収容された回転駆動源と、
   　前記回転駆動源からの回転を出力し、前記ケースの端面から一端が突出するように設けられた軸方向に延びる出力軸と、
   　前記出力軸からの回転駆動力を動力源として空気を圧縮する低圧圧縮要素と、
   　前記低圧圧縮要素から吐出された圧縮空気を冷却するインタークーラと、
   　前記モータ出力軸からの回転駆動力を動力源として前記インタークーラにより冷却された圧縮空気をさらに圧縮する高圧圧縮要素と、
   　前記出力軸に接続され、前記軸方向において前記ハウジングの前記端面と前記インタークーラとの間に配置された送風ファンと、
   　を備える二段往復動圧縮機。
2. 　前記ケースは、その外表面に前記軸方向に延びる複数のリブを有する、
   　請求項1に記載の二段往復動圧縮機。
3. 　前記ケースは、前記軸方向と垂直な方向に延びる複数の他のリブを有する、
   　請求項２に記載の二段往復動圧縮機。
4. 　前記低圧圧縮要素に前記空気を供給するサイレンサーをさらに備える、
   　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の二段往復動圧縮機。
5. 　前記ケース、前記低圧圧縮要素、前記インタークーラ、前記高圧圧縮要素、及び前記送付ファンの少なくとも一部を多くカバーをさらに備える、
   　請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の二段往復動圧縮機。
6. 　請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の二段往復動圧縮機を備える自動車。

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