WO2022014153A1 - レシプロ機構及びレシプロ機構を備えた機器 - Google Patents

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WO2022014153A1
WO2022014153A1 PCT/JP2021/019051 JP2021019051W WO2022014153A1 WO 2022014153 A1 WO2022014153 A1 WO 2022014153A1 JP 2021019051 W JP2021019051 W JP 2021019051W WO 2022014153 A1 WO2022014153 A1 WO 2022014153A1
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WO
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piston
reciprocating mechanism
compression chamber
cylinder
connecting rod
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/019051
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
修平 永田
伸之 成澤
Original Assignee
株式会社日立産機システム
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Publication date
Application filed by 株式会社日立産機システム filed Critical 株式会社日立産機システム
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00

Definitions

  • the present invention relates to a reciprocating mechanism and a device provided with the reciprocating mechanism.
  • Patent Document 1 in a reciprocating compressor in which a spherical piston reciprocates while sliding in the cylinder, the piston spherical surface at a portion that is in sliding contact with the inner peripheral surface of the cylinder when the piston swings in the suction process is recessed.
  • a reciprocating compressor having a suction port for sucking fluid into the compression chamber from the piston rod side is disclosed.
  • An object of the present invention is to provide a reciprocating mechanism capable of ensuring airtightness of a compression chamber in a compression step and effectively sucking gas into a compression chamber in a suction step, and a device provided with the reciprocating mechanism.
  • the reciprocating mechanism includes a cylinder forming a compression chamber, a piston that reciprocates while swinging in the cylinder, a crankshaft, and a connecting rod that connects the crankshaft and the piston.
  • the piston has a piston ring that seals the compression chamber, the piston is formed with a ring support portion that supports the piston ring from a side opposite to the compression chamber, and the ring support portion is formed with the ring support portion.
  • a recess is formed that guides the gas outside the compression chamber into the compression chamber.
  • the present invention it is possible to provide a reciprocating mechanism capable of ensuring the airtightness of the compression chamber in the compression step and effectively sucking gas into the compression chamber in the suction step, and an apparatus provided with the reciprocating mechanism.
  • FIG. 1 The figure which shows the structure of a compressor.
  • FIG. 1 Schematic diagram of the cross section of the reciprocating mechanism during the inhalation process.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view taken along the line IX-IX of the tip of the piston and connecting rod of FIG.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view taken along line XIII-XIII of the piston body of FIG.
  • the compressor 1 provided with the reciprocating mechanism 100 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 9.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the compressor 1
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the reciprocating mechanism 100.
  • the compressor 1 includes a compressor main body 10 for compressing a gas (for example, air), an electric motor 2 for driving the compressor main body 10, a tank 3 for storing the gas discharged by the compressor main body 10, and a tank 3. To prepare for.
  • a gas for example, air
  • an electric motor 2 for driving the compressor main body 10
  • tank 3 for storing the gas discharged by the compressor main body 10
  • tank 3 for storing the gas discharged by the compressor main body
  • the compressor main body 10 includes a crankcase 109 that houses the crankshaft 160, and a reciprocating mechanism 100 that includes the crankshaft 160.
  • the reciprocating mechanism 100 includes a cylinder 110 projecting vertically (upper in the drawing) from the crankcase 109, a crankshaft 160, and a connecting rod 102 whose base end is rotatably connected to the crankpin 162 of the crankshaft 160. It has a piston 104, which is fixed to the tip of the connecting rod 102.
  • the crankshaft 160 is rotatably supported by the crankcase 109.
  • the compressor main body 10 and the electric motor 2 are installed on the tank 3 so that the crankshaft 160 of the compressor main body 10 and the rotation axis of the electric motor 2 are parallel to each other.
  • a compressor pulley 4 is fixed to the crankshaft 160
  • a motor pulley 5 is fixed to the rotating shaft of the motor 2.
  • a transmission belt 6 for transmitting the power generated by the electric motor 2 to the compressor main body 10 is wound around the compressor pulley 4 and the electric motor pulley 5.
  • the rotational force of the electric motor 2 is transmitted to the crankshaft 160 of the compressor main body 10 via the electric motor pulley 5, the transmission belt 6, and the compressor pulley 4, and the crankshaft 160 rotates.
  • the crankshaft 160 is rotationally driven by the electric motor 2, so that the compressor body 10 compresses the gas.
  • crankshaft 160 is connected to the crank journal 161 rotatably supported by the crank case 109 and the crank pin 162 (eccentricity) connected to the connecting rod 102 at a position eccentric from the rotation center of the crank journal 161.
  • Section a crank arm 164 for connecting the crank journal 161 and the crank pin 162, and a crank weight 163.
  • the crankpin 162 is connected to the base end portion (large end portion) 121 of the connecting rod 102 via the large end portion bearing 128.
  • a rolling bearing, a sliding bearing, or the like can be adopted as the large end bearing 128.
  • the large end bearing 128 may be configured to be separate from the connecting rod 102 and the crankshaft 160, or may be configured to be integrated with the connecting rod 102 or the crankshaft 160.
  • the cylinder 110 includes a cylindrical cylinder body 111, a valve plate 112 provided so as to close the upper opening end of the cylinder body 111, and a cylinder head 113 that sandwiches the valve plate 112 between the cylinder body 111. It is fixed to the crankcase 109.
  • the valve plate 112 is interposed between the cylinder head 113 and the cylinder 110.
  • the valve plate 112 is formed with a suction hole 112a and a discharge hole 112b that communicate the inside of the cylinder head 113 and the inside of the cylinder body 111.
  • a lead valve type suction valve 112c and a discharge valve 112d are attached to the valve plate 112.
  • the suction valve 112c allows the gas in the cylinder head 113 to flow into the cylinder body 111 through the suction hole 112a, and prohibits the gas in the cylinder body 111 from flowing into the cylinder head 113 through the suction hole 112a. ..
  • the discharge valve 112d allows the gas in the cylinder body 111 to flow into the cylinder head 113 through the discharge hole 112b, and prohibits the gas in the cylinder head 113 from flowing into the cylinder body 111 through the discharge hole 112b. ..
  • the compression chamber 119 formed by the piston 104, the cylinder 110 and the valve plate 112 repeats expansion and contraction as the piston 104 reciprocates in the cylinder 110. As the compression chamber 119 expands and contracts, the volume inside the crankcase 109 also repeatedly contracts and expands. Further, the suction valve 112c and the discharge valve 112d open and close according to the expansion and contraction of the compression chamber 119.
  • the crankcase 109 is formed with a breathing hole 109a that communicates inside and outside the crankcase 109.
  • the piston 104 reciprocates in the cylinder 110.
  • the compression chamber 119 expands, the suction valve 112c opens, gas is sucked from the intake chamber in the cylinder head 113 into the compression chamber 119, and the crankcase. Gas is sucked into the compression chamber 119 from inside 109 through the gap between the piston 104 and the cylinder 110 (see FIG. 8).
  • the compression step in which the piston 104 moves from the bottom dead center to the top dead center, the compression chamber 119 contracts, the gas in the compression chamber 119 is compressed, the discharge valve 112d opens, and the exhaust chamber in the cylinder head 113 and the exhaust chamber thereof.
  • the compressed gas is discharged to the tank 3 through the pipe 7 (see FIG. 1) connected to the tank 3.
  • FIG. 3 is a schematic view (exploded view) of the piston 104 and the connecting rod 102.
  • the connecting rod 102 is a member that connects the crankshaft 160 and the piston 104.
  • a piston 104 is fixed to the tip portion 129 of the connecting rod 102.
  • the piston 104 and the connecting rod 102 are made of different materials.
  • the piston 104 according to the present embodiment is integrated with the connecting rod 102 by being fixed to the tip portion 129 of the connecting rod 102 without using a bearing.
  • the method of fixing the piston 104 and the connecting rod 102 is fastening with bolts, welding, press-fitting, or the like. That is, the piston 104 is a swing-type piston (locking piston) that reciprocates while swinging in the cylinder 110 together with the connecting rod 102 when the crankshaft 160 rotates.
  • the connecting rod 102 includes a cylindrical base end portion (large end portion) 121, a hemispherical tip portion (small end portion) 129, and a straight rod portion 120 connecting the base end portion 121 and the tip portion 129.
  • the tip portion 129 is connected to the straight rod portion 120 on the spherical surface side, and the circular flat surface portion comes into surface contact with the lower end surface of the piston 104.
  • the central axis of the straight rod portion 120 coincides with a straight line connecting the center of the hemispherical tip portion 129 and the central axis of the cylindrical base end portion 121 (that is, the central axis Cb of the large end bearing 128). Arranged like this.
  • the central axis of the straight rod portion 120 is also referred to as the central axis Cr of the connecting rod 102.
  • the width of the straight rod portion 120 (dimensions in the direction orthogonal to the central axis Cr of the connecting rod 102 and the central axis of the proximal end portion 121) is smaller than that of the proximal end portion 121 and the distal end portion 129. Further, the straight rod portion 120 has a tapered shape from the base end portion 121 side toward the tip end portion 129 side.
  • FIG. 4 is a perspective view of the piston body 140 and the piston ring 149 constituting the piston 104.
  • the piston 104 includes a piston ring 149 that closes the gap between the piston body 140 and the outer circumference of the piston body 140 and the inner circumference of the cylinder body 111 to seal the compression chamber 119.
  • the piston main body 140 is formed in a substantially disk shape, and an annular groove 141 on which the piston ring 149 is mounted is formed on the outer peripheral surface thereof.
  • the piston ring 149 fits into the annular groove 141 provided on the outer peripheral surface of the piston body 140 with a certain gap.
  • the piston ring 149 is formed so as to smoothly slide in the cylinder 110 in a state of being mounted on the piston main body 140 and to maintain the airtightness of the compression chamber 119 during the compression step.
  • the piston ring 149 has a substantially C shape and has an abutment 149a.
  • the outer diameter of the piston ring 149 is slightly larger than the inner diameter of the cylinder body 111. Therefore, when the piston body 140 to which the piston ring 149 is mounted is inserted into the cylinder body 111, the outer peripheral surface of the piston ring 149 is substantially on the inner peripheral surface of the cylinder 110 due to the reaction force due to the deformation of the piston ring 149. By the close contact, the airtightness of the compression chamber 119 is maintained.
  • the outer peripheral surface of the piston body 140 is formed in a spherical shape in order to smoothly reciprocate in the cylindrical cylinder body 111.
  • the piston body 140 reciprocates in the cylinder axial direction and performs a rotary motion (swing motion) in a state where the movement in the cylinder circumferential direction is restrained by the cylinder body 111.
  • the center of rotational motion of the piston 104 is at a constant position with respect to the connecting rod 102.
  • the outer peripheral surface of the piston body 140 and the inner peripheral surface of the cylinder body 111 are in line contact, but the outer peripheral surface of the piston ring 149 and the inner peripheral surface of the cylinder body 111 are in surface contact. Since it is in a state, high airtightness of the compression chamber 119 can be ensured.
  • the piston main body 140 is formed with a disk-shaped pressure receiving portion 142 and a disk-shaped ring support portion 143 so as to sandwich the annular groove 141.
  • the ring support portion 143 supports the piston ring 149 from the side opposite to the compression chamber 119 (connecting rod 102 side) on the outer peripheral portion thereof.
  • the central portion of the ring support portion 143 is supported by the connecting rod 102.
  • the pressure receiving unit 142 is a portion in the compression chamber 119 that receives gas pressure. Further, the pressure receiving portion 142 restricts the movement of the piston ring 149 at the outer peripheral portion thereof during the suction step, and prevents the piston ring 149 from coming off the piston main body 140.
  • the gas pressure in the compression chamber 119 mainly acts on the upper end surface (tip surface) 142c and the side surface of the pressure receiving portion 142, and the piston ring 149. Since these forces are generally applied in the direction of the central axis of the connecting rod 102, the component force based on the gas pressure acting between the inner peripheral surface of the cylinder body 111 and the piston 104 is extremely small. That is, the force acting on the sliding surface between the inner peripheral surface of the cylinder body 111 and the piston 104 is small.
  • the parts of the piston body 140 that can slide with the inner peripheral surface of the cylinder 110 are the side surface of the pressure receiving portion 142 and the side surface of the ring support portion 143.
  • the piston body 140 is made of a material having excellent solid lubricity, and it is possible to configure the piston body 140 without using lubricating oil. By adopting a configuration that does not use lubricating oil, there is an advantage that the lubricating oil does not get mixed in the gas in the compression chamber 119.
  • a material having excellent solid lubricity there is a material in which a fluororesin such as polytetrafluoroethylene is filled with a filler such as glass fiber in order to improve mechanical properties such as strength.
  • the piston ring 149 is made of the same material as the piston body 140.
  • a compression reaction force based on the gas pressure in the compression chamber 119 is applied to the base end portion 121 of the connecting rod 102. Therefore, the base end portion 121 of the connecting rod 102 is required to have mechanical strength. Therefore, it is desirable that the connecting rod 102 is made of a material having higher mechanical strength than the material of the piston body 140. As an example of a material having high mechanical strength, there are metal materials such as iron-based materials and aluminum-based materials.
  • the connecting rod 102 may be broken due to the compression load acting on the connecting rod 102. Therefore, it can be mounted only on a machine having a small compression load, and its application range may be narrowed.
  • the piston body 140 and the connecting rod 102 are made of different materials, the mechanical strength of the connecting rod 102 and the piston body 140 in an environment where no lubricating oil is used. It is possible to achieve both sliding characteristics. That is, according to the present embodiment, it is possible to prevent the connecting rod 102 from being damaged, and it is also possible to prevent the efficiency from being lowered and the valve body from being damaged due to the lubricating oil entering the compression chamber 119.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining an offset amount ⁇ between the central axis Cc of the cylinder 110 and the rotation central axis Cs of the crankshaft 160 and the swing angle ⁇ of the connecting rod 102.
  • the rotation center axis (rotation center axis of the crank journal 161) Cs of the crankshaft 160 and the center axis Cc of the cylinder 110 do not intersect and are offset. Is taken.
  • the crankshaft 160 rotates counterclockwise in the figure, but the central axis Cc of the cylinder 110 is offset to the side (right side in the figure) where the crankpin 162 is located in the compression stroke with respect to the rotation center axis Cs of the crankshaft 160. ing.
  • the swing angle ⁇ the angle formed by the acute angle side between the central axis Cr of the connecting rod 102 and the central axis Cc of the cylinder 110 (hereinafter referred to as the swing angle ⁇ ).
  • the swing angle ⁇ the angle formed by the acute angle side between the central axis Cr of the connecting rod 102 and the central axis Cc of the cylinder 110.
  • the swing motion is asymmetrical with respect to the central axis Cc of the cylinder 110.
  • the maximum swing angle (that is, the maximum swing angle in the compression process) while the piston 104 moves from the bottom dead center to the top dead center moves the piston 104 from the top dead center to the bottom dead center.
  • the central axis Cc of the cylinder 110 is offset with respect to the rotation central axis Cs of the crankshaft 160 so as to be smaller than the maximum swing angle between them (that is, the maximum swing angle in the suction process).
  • FIG. 6 is a diagram showing the sealing characteristics of the piston ring 149 mounted on the piston main body 140 with respect to the swing angle ⁇ .
  • the horizontal axis represents the swing angle ⁇ , that is, the inclination angle of the piston ring 149 with respect to the cylinder 110
  • the vertical axis represents the mass flow rate (leakage amount) of the gas leaking from the wall surface between the piston ring 149 and the cylinder 110. Represents.
  • the state changes from a surface contact state to a line contact or point contact state.
  • the swing angle ⁇ becomes larger, the sealing characteristics of the piston ring 149 deteriorate, and the amount of gas leaking from the inside of the compression chamber 119 to the outside (inside the crankcase 109) increases.
  • FIG. 7 is a graph showing a change in the swing angle ⁇ with respect to the crank angle ⁇ in the reciprocating mechanism 100 according to the present embodiment.
  • the horizontal axis represents the crank angle ⁇ , which is the rotation angle of the crankshaft 160
  • the vertical axis represents the swing angle ⁇ .
  • the crank angle ⁇ is such that the central axis Cb of the large end bearing 128 is below the rotation central axis Cs of the crankshaft 160, and the central axis Cb of the large end bearing 128 and the rotation central axis of the crankshaft 160.
  • the angle at which the straight line connecting Cs is parallel to the central axis Cc of the cylinder 110 is 0 °, the counterclockwise direction in FIG.
  • the counterclockwise rotation angle is represented by a positive value.
  • the swing angle ⁇ when the central axis Cb of the large end bearing 128 is located on the left side of the central axis Cc of the cylinder 110 in FIG. 5 is represented by a positive value, and is the center of the large end bearing 128.
  • the swing angle ⁇ when the axis Cb is located on the right side of the central axis Cc of the cylinder 110 is represented by a negative value.
  • the rotation center axis Cs of the crankshaft 160 and the center axis Cc of the cylinder 110 are offset. Therefore, as shown in FIG. 7, the time history change of the swing angle ⁇ is vertically asymmetric with respect to the horizontal axis representing the swing angle of 0 °. Further, the maximum swing angle in the compression stroke in which the piston 104 moves from the bottom dead center to the top dead center is smaller than when the offset amount ⁇ is 0 (zero), and the piston 104 dies from the top dead center to the bottom. The maximum swing angle in the suction process of moving to the point is larger than that in the case where the offset amount ⁇ is 0 (zero).
  • the swing angle ⁇ (absolute value of the swing angle ⁇ in FIG. 7) is suppressed to be small in the compression stroke by offsetting the rotation center axis Cs of the crankshaft 160 and the center axis Cc of the cylinder 110. be able to. Therefore, in the compression stroke, the amount of gas leaking from the inside of the compression chamber 119 to the inside of the crankcase 109 through the wall surface between the piston ring 149 and the cylinder 110 can be maintained in a small state. That is, in the compression stroke for increasing the pressure in the compression chamber 119, the airtightness of the compression chamber 119 can be increased, so that the compressor efficiency can be improved.
  • the main contact portion of the piston body 140 in the compression stroke with the cylinder 110 is the illustrated left side surface 142b of the pressure receiving portion 142 and the illustrated right side surface 143a of the ring support portion 143.
  • the annular groove 141 is formed so that the piston ring 149 is located near the contact portion of the piston body 140 in the compression stroke with the cylinder body 111. That is, the annular groove 141 is formed so that the piston ring 149 is located closer to the lower end of the right side surface of the ring support portion 143 than the upper end of the right side surface of the pressure receiving portion 142 of the piston body 140. Therefore, the airtightness in the compression chamber 119 can be improved.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the reciprocating mechanism 100 during the suction stroke.
  • the swing angle ⁇ is larger in the suction stroke than in the compression stroke (see FIG. 7).
  • the swing angle ⁇ is within a predetermined angle range including the maximum swing angle, a part of the outer peripheral surface of the piston ring 149 is separated from the inner peripheral surface of the cylinder body 111 and becomes non-contact.
  • the main contact portions of the piston body 140 in the suction stroke with the cylinder 110 are the illustrated right side surface 142a of the pressure receiving portion 142 and the illustrated left side surface 143b of the ring support portion 143.
  • an arcuate recess 147 is formed on the left side surface 143b of the ring support portion 143 so that the gas in the crankcase 109 is smoothly guided into the compression chamber 119.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view taken along line IX-IX of the tip portion 129 of the piston 104 and the connecting rod 102 of FIG.
  • the axis parallel to the rotation center axis Cs of the crankshaft 160 and passing through the center axis Cr of the connecting rod 102 is the y axis, and is orthogonal to the y axis and the center axis Cr of the connecting rod 102.
  • the connecting rod 102 is divided into the first quadrant, the second quadrant, the third quadrant, and the fourth quadrant in the counterclockwise direction.
  • the first quadrant and the fourth quadrant are the sides where the ring support portion 143 (side surface 143a) contacts the inner peripheral surface of the cylinder body 111 in the compression step, and the second quadrant and the third quadrant are suction.
  • the ring support portion 143 (side surface 143b) is on the side where the ring support portion 143 (side surface 143b) comes into contact with the inner peripheral surface of the cylinder body 111.
  • the piston main body 140 has a circular and flat flat surface portion (hereinafter referred to as a circular flat surface portion) 145a that comes into surface contact with the tip surface of the tip end portion 129 of the connecting rod 102, and a circular flat surface portion 145a.
  • An arc-shaped protruding portion 146 that protrudes outward in the radial direction and an arc-shaped outer peripheral flat portion that is flush with the circular flat surface portion 145a without forming the protruding portion 146 in the radial outward direction of the circular flat surface portion 145a. It has 145b and.
  • the piston main body 140 is provided with an arcuate protruding portion 146 on the outer peripheral portion of the bottom surface (lower surface) thereof, and the portion provided with the protruding portion 146 is thicker than the other portions.
  • the thickness of the ring support portion 143 on one side in the swing direction (left side in the drawing) of the piston 104 is thinner than the thickness on the other side in the swing direction (right side in the drawing).
  • One of the swing directions corresponds to the swing direction (left direction in the drawing) of the piston 104 and the connecting rod 102 when shifting from the compression step to the suction step, and the other of the swing directions is from the suction step to the compression step.
  • one side in the swing direction corresponds to the side where the pressure receiving portion 142 contacts the inner peripheral surface of the cylinder 110 in the compression process (that is, the side where the ring support portion 143 contacts the inner peripheral surface of the cylinder 110 in the suction process).
  • the other side in the swing direction corresponds to the side where the ring support portion 143 contacts the inner peripheral surface of the cylinder 110 in the compression process (that is, the side where the pressure receiving portion 142 contacts the inner peripheral surface of the cylinder 110 in the suction process). do.
  • the piston main body 140 is formed with a recess 144 having a circular flat surface portion 145a and an outer peripheral flat surface portion 145b as a bottom surface and a protruding portion 146 as a side wall.
  • a recess 144 having a circular flat surface portion 145a and an outer peripheral flat surface portion 145b as a bottom surface and a protruding portion 146 as a side wall.
  • an arcuate recess 147 is formed.
  • the arc-shaped recess 147 has a concave shape with the outer peripheral flat surface portion 145b as the bottom surface and the both end faces in the circumferential direction of the arc-shaped protrusion 146 and the outer surface of the tip portion 129 of the connecting rod 102 as side surfaces.
  • the arcuate concave portion 147 has a thickness of one side (left side in the drawing) of the piston 104 in the ring support portion 143 in the swing direction of the ring support portion 143, and the thickness of the other side of the piston 104 in the ring support portion 143 in the swing direction (the other side in the swing direction (left side in the drawing)). It is formed because it is thinner than the thickness (on the right side in the figure).
  • the arcuate recess 147 is orthogonal to the rotation center axis Cs of the crankshaft 160, including the width center of the piston 104 (piston body 140) in the rotation center axis direction (y-axis direction) of the crankshaft 160. It is formed on a plane (hereinafter, also referred to as a rocking motion plane 190).
  • the rocking motion plane 190 is also a plane including the central axis Cr of the connecting rod 102.
  • the arcuate recess 147 is formed in the second quadrant and the third quadrant, and is not formed in the first quadrant and the fourth quadrant.
  • the arcuate recess 147 is formed symmetrically with respect to the x-axis and within a predetermined angle range ⁇ (for example, about 120 °) about the origin O (central axis Cr of the connecting rod 102) of the coordinate system. Has been done.
  • the formation range of the arcuate recess 147 is preferably 180 ° or less in the second quadrant and the third quadrant with the origin O of the coordinate system as the center.
  • the arc-shaped recess 147 is provided in the ring support portion 143, when the swing angle ⁇ becomes larger than a predetermined angle in the suction step, the inner peripheral surface of the cylinder body 111 and the ring support portion 143 A part of the left side surface 143b is not in contact with the left side surface. At this time, the inside of the compression chamber 119 and the inside of the crankcase 109 communicate with each other via the arcuate recess 147.
  • the pressure in the compression chamber 119 is lower than the pressure in the crankcase 109, so that the gas in the crankcase 109 is sucked into the compression chamber 119. That is, in the present embodiment, in the suction stroke, the gas is sucked into the compression chamber 119 through the suction valve 112c provided on the valve plate 112, and the gas in the crankcase 109 is sucked into the compression chamber 119 through the arcuate recess 147. To. As described above, in the present embodiment, in the suction step in which the piston 104 moves from the top dead center to the bottom dead center, the gas outside the compression chamber 119 (inside the crankcase 109) is supplied to the ring support portion 143 from the connecting rod 102 side.
  • An arcuate recess 147 leading into the compression chamber 119 is provided.
  • the inflow cross-sectional area of the gas into the compression chamber 119 can be increased as compared with the case where the arcuate recess 147 is not provided, so that the gas is effectively sucked into the compression chamber 119. can do.
  • the temperature of the gas (for example, air) sucked into the compression chamber 119 will be described.
  • the cylinder body 111, the piston 104, the valve plate 112, and the cylinder head 113 constituting the compressor body 10 are heated by the compressed air and become hot.
  • the valve plate 112 and the cylinder head 113 constituting the discharge space have higher temperatures than the cylinder body 111 and the piston 104. Therefore, the air sucked into the compression chamber 119 through the suction valve 112c of the valve plate 112 is heated under the influence of the high temperature members.
  • the reciprocating mechanism 100 has a crank case having a relatively low temperature in addition to the first intake path for sucking air into the compression chamber 119 through a suction valve 112c attached to the valve plate 112 having a high temperature.
  • a second intake path for sucking air into the compression chamber 119 from inside the 109 through the arcuate recess 147 of the piston body 140 is formed. Therefore, the temperature of the air sucked into the compression chamber 119 can be lowered and the amount of discharged air is high, as compared with the configuration in which only the first intake path for sucking air into the compression chamber 119 through the suction valve 112c is formed. It is possible to configure the compressor 1.
  • the thickness of the ring support portion 143 of this portion is the thickness of the portion where the arc-shaped recess 147 is not provided. It becomes thinner than that. Therefore, if the straight rod portion 120 of the connecting rod 102 is directly connected to the piston 104, the pressure applied to the piston ring 149 cannot be sufficiently received by the ring support portion 143 in the compression process, and the ring support portion 143 cannot receive sufficient pressure. The thin part may bend or be damaged.
  • a hemispherical tip portion 129 is formed at the tip of the straight rod portion 120 of the connecting rod 102, and this tip portion 129 functions as a holding portion for holding the ring support portion 143. do.
  • the tip portion (holding portion) 129 of the connecting rod 102 expands as the cross-sectional shape orthogonal to the axial direction of the connecting rod 102 (that is, the direction parallel to the central axis Cr of the connecting rod 102) toward the ring support portion 143. It is formed to have a shape.
  • the outer diameter of the tip portion (holding portion) 129 of the connecting rod 102 may be smaller than the inner diameter of the piston ring 149, but is substantially the same as the inner diameter of the piston ring 149 or larger than the inner diameter of the piston ring 149. It is more preferable to form it so as to be. That is, it is more preferable to form the tip portion 129 so that the outer peripheral portion of the tip portion 129 of the connecting rod 102 is located directly below the piston ring 149.
  • a sufficient contact area between the tip portion (holding portion) 129 of the connecting rod 102 and the piston body 140 can be sufficiently obtained, and the vicinity of the outer periphery of the ring support portion 143 is located near the tip of the connecting rod 102. It can be received at the section (holding section) 129. Therefore, it is possible to suppress bending (deformation) of the outer peripheral portion of the ring support portion 143 (that is, the annular convex portion protruding radially outward from the bottom surface of the annular groove 141) and prevent the ring support portion 143 from being damaged. .. Since the bending of the outer peripheral portion of the ring support portion 143 can be suppressed, the piston ring 149 can be held at an appropriate position. As a result, in the compression step, the compression chamber 119 can be appropriately sealed by the piston ring 149.
  • the reciprocating mechanism 100 includes a cylinder 110 forming a compression chamber 119, a piston 104 that reciprocates while swinging in the cylinder 110, a crankshaft 160, and a connecting rod that connects the crankshaft 160 and the piston 104. 102 and.
  • the piston 104 has a piston ring 149 that seals the compression chamber 119.
  • the piston 104 is formed with a ring support portion 143 that supports the piston ring 149 from the side opposite to the compression chamber 119.
  • the ring support portion 143 has an arcuate recess that guides the gas outside the compression chamber 119 (inside the crankcase 109) from the connecting rod 102 side into the compression chamber 119 when the piston 104 moves from the top dead center to the bottom dead center.
  • a reciprocating mechanism 100 capable of ensuring the airtightness of the compression chamber 119 in the compression step and effectively sucking gas into the compression chamber 119 in the suction step, and a compressor provided with the reciprocating mechanism 100 ( Equipment) 1 can be provided. That is, according to the present embodiment, it is possible to provide a highly reliable and highly efficient reciprocating mechanism 100 and a compressor (equipment) 1 provided with the reciprocating mechanism 100.
  • the arcuate recess (recess) 147 is on a plane (swing motion plane 190) orthogonal to the rotation center axis Cs of the crankshaft 160, including the width center of the piston 104 in the rotation center axis direction of the crankshaft 160. It is formed. As a result, the inflow cross-sectional area of the gas into the compression chamber 119 can be made large, so that the gas can be effectively sucked into the compression chamber 119.
  • a holding portion (tip portion 129) for holding the ring support portion 143 is formed on the connecting rod 102.
  • the holding portion (tip portion 129) is formed so that the cross-sectional shape orthogonal to the axial direction of the connecting rod 102 expands toward the ring support portion 143. This makes it possible to reduce the weight of the connecting rod 102 and secure the strength of the piston 104 at the same time.
  • the holding portion (tip portion 129) has a shape in which the axial cross-sectional area thereof expands toward the joint surface with the piston 104, the holding portion (tip portion 129) and the piston 104 have a large surface. It is possible to prevent the portion below the annular groove 141 of the piston 104 (that is, the outer peripheral portion of the ring support portion 143) from being deformed or damaged by a load.
  • the thickness of the piston 104 on one side in the swing direction (left side in FIG. 2) of the ring support portion 143 is higher than the thickness of the piston 104 on the other side in the swing direction (right side in FIG. 2) of the ring support portion 143. Due to the thinness, the arcuate recess 147 is formed. According to such a configuration, the arcuate recess 147 can be easily formed.
  • a suction hole 112a and a suction valve 112c are provided in the valve plate 112, and intake is performed from the first intake path on the cylinder head 113 side and intake is performed from the second intake path on the crankcase 109 side.
  • the present invention is not limited to this.
  • the first intake path may be omitted, and the gas may be sucked into the compression chamber 119 only through the second intake path including the flow path formed by the arcuate recess 147.
  • the suction hole 112a and the suction valve 112c can be omitted, the number of parts can be reduced and the valve body seating noise due to the operation of the suction valve 112c can be reduced.
  • the risk of compressor failure due to valve body damage can be reduced. That is, according to this modification, it is possible to provide a reciprocating mechanism 100 having higher reliability and quietness.
  • FIG. 10 is a diagram showing a modified example of the outer shape of the piston body. In FIG. 10, in order to clarify the difference from the above embodiment, the undulations of the outer shape are exaggerated.
  • the outer peripheral surface of the pressure receiving portion 242 and the outer peripheral surface of the ring support portion 243, which are the sliding surfaces of the piston body 240, are not spherical.
  • the other configurations are the same as those in the above embodiment.
  • a circle representing a spherical surface for comparison is shown by a broken line, and this circle is represented by the following equations (1) and (2) in the parametric display in which the angle t is the parametric variable in the illustrated XY coordinate system. ).
  • X Rcos (t) ...
  • Y Rsin (t)... (2)
  • R is the radius of the circle indicated by the broken line.
  • the outer shape (see the two-dot chain line in the figure) is determined so as to match the curves represented by the following equations (3) and (4).
  • X Rcos (t)... (3)
  • Y Rsin (t) + A (t) ...
  • a (t) is a function of an angle t that can be arbitrarily set.
  • the curvature of the outer peripheral surface (sliding surface) of the piston body 240 can be arbitrarily designed according to the sliding characteristics and the sealing characteristics between the piston 104 and the cylinder 110. Therefore, according to this modification, the reliability and efficiency of the reciprocating mechanism 100 can be improved.
  • the holding portion 348 for holding the ring support portion 143 may be formed on the piston body 340. That is, the pressure receiving portion 142, the ring supporting portion 143, and the holding portion 348 may be integrally molded of the same material.
  • the holding portion 348 is formed so that the cross-sectional shape orthogonal to the axial direction of the connecting rod 102 expands toward the ring supporting portion 143.
  • the deformation and breakage due to the load acting on the lower portion of the annular groove 141 (that is, the outer peripheral portion of the ring support portion 143) is integrally molded with the portion corresponding to the piston body 140 of the above embodiment. It can be suppressed by the hemispherical holding portion 348.
  • the connecting rod 302 and the piston 304 are separate bodies and are connected by bolts or the like, the mechanical strength of the base end portion 121 and the environment in which lubricating oil is not used are the same as in the above embodiment.
  • the sliding characteristics of the piston 304 can be compatible with each other. Therefore, according to this modification, it is possible to provide a highly reliable and highly efficient reciprocating mechanism as in the above embodiment.
  • the recess (arc-shaped recess 147) forming the intake path includes the width center of the piston 104 (piston body 140) in the direction of the rotation center axis of the crankshaft 160 (that is, the center axis Cr of the connecting rod 102).
  • the present invention has been described with respect to an example formed on a plane (swing motion plane 190) orthogonal to the rotation center axis Cs of the crankshaft 160, but the present invention is not limited thereto.
  • a recess 447 forming an intake path may be formed at a position away from a plane (swing motion plane 190) orthogonal to the central axis Cs.
  • a pair of recesses 447 are formed in the ring support portion 443.
  • the pair of recesses 447 are formed in each of the second quadrant and the third quadrant in FIG. 13 so as to have a symmetrical shape with respect to the rocking motion plane 190.
  • the recess 447 is formed so that the lower end surface and the side surface (sliding surface) are openings.
  • the ring support portion 443 is formed so that the thickness gradually decreases from the left end (one end in the swing direction) shown in the figure to the right end (the other end in the swing direction) shown in the figure. That is, the thickness of the end portion on the opposite side is larger than the thickness of the end portion on the offset direction side of the central axis Cc of the cylinder 110 with respect to the rotation center axis Cs of the crankshaft 160.
  • the load surface 443b1 in contact with the inner peripheral surface of the cylinder body 111 includes a position where it intersects the swing motion plane 190.
  • the inertial force generated by the swinging motion of the connecting rod 102 is in the x-axis direction, and the load surface 443b1 receiving this inertial force is substantially perpendicular to the load direction (direction of inertial force). Therefore, the load surface 443b1 can support the load in a state where the surface pressure is low. Therefore, according to this modification, it is possible to provide a highly reliable and highly efficient reciprocating mechanism.
  • the thickness of the ring support portion 443 on one side in the swing direction (left side in the drawing) of the piston 404 is higher than the thickness of the ring support portion 443 on the other side in the swing direction (right side in the drawing).
  • a thick recess 447 is formed on one side (left side in the drawing) of the piston 404 in the ring support portion 443 in the swing direction.
  • a recess formed on the rocking motion plane 190 and a recess formed at a position away from the rocking motion plane 190 may be formed in the ring support portion 143. That is, the recess for forming the intake path is not limited to the case of forming one as described in the above embodiment, and is not limited to the case of forming two recesses as described in the above-described modification 4.
  • the ring support portion 143 may be provided with four or more recesses for forming an intake path.
  • the piston body 140 and the piston ring 149 are formed of a fluororesin such as polytetrafluoroethylene and a material containing a filler such as glass fiber in order to improve mechanical properties such as strength.
  • the present invention is not limited to this.
  • the piston body 140 and the piston ring 149 may be formed of a resin material such as a polyether sulfone, polyphenylene sulfide, a phenol resin, a polyimide resin, or a copna resin.
  • Ring support part 143b1,443b1 ... Load surface, 143b1 ... Load surface, 147 ... Arc-shaped recess (recess), 149 ... Piston Ring, 160 ... Crankshaft, 190 ... Swinging motion plane, 348 ... Holding part, 447 ... Recessed part, Cb ... Large end bearing center axis, Cs ... Crankshaft rotation center axis, Cc ... Cylinder center axis, Cr ... Central axis of connecting rod, ⁇ ... swing angle, ⁇ ... offset amount, ⁇ ... crank angle

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Abstract

レシプロ機構（１００）は、圧縮室（１１９）を形成するシリンダ（１１０）と、シリンダ（１１０）内を揺動しながら往復動するピストン（１０４）と、クランクシャフト（１６０）と、クランクシャフト（１６０）とピストン（１０４）とを連結する連接棒（１０２）と、を備える。ピストン（１０４）は、圧縮室（１１９）をシールするピストンリング（１４９）を有し、ピストン（１０４）には、圧縮室（１１９）とは反対側からピストンリング（１４９）を支持するリング支持部（１４３）が形成され、リング支持部（１４３）には、ピストン（１０４）が上死点から下死点に移動するときに、圧縮室（１１９）外の気体を圧縮室（１１９）内へ導く凹部（１４７）が形成される。

Description

レシプロ機構及びレシプロ機構を備えた機器
　本発明は、レシプロ機構及びレシプロ機構を備えた機器に関する。
　特許文献１には、球体状のピストンがシリンダ内を摺動しつつ往復する往復動圧縮機において、ピストンが吸入工程で揺動したときのシリンダ内周面と摺接する部位のピストン球面を窪ませて流体をピストンロッド側から圧縮室内に吸い込むための吸込口を形成した往復動圧縮機が開示されている。
特開昭６２－２５３９７１号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の往復動圧縮機では、球体状のピストンとシリンダとが線接触する構成であり、圧縮工程において圧縮室内の気密性を確保できないおそれがある。ここで、気密性の確保のために、ピストンにピストンリングを設けることが考えられるが、吸入工程において圧縮室内に気体を吸い込むことができないおそれがある。
　本発明は、圧縮工程において圧縮室の気密性を確保し、吸入工程において圧縮室内に気体を効果的に吸い込むことのできるレシプロ機構及びそれを備えた機器を提供することを目的とする。
　本発明の一態様によるレシプロ機構は、圧縮室を形成するシリンダと、前記シリンダ内を揺動しながら往復動するピストンと、クランクシャフトと、前記クランクシャフトと前記ピストンとを連結する連接棒と、を備える。前記ピストンは、前記圧縮室をシールするピストンリングを有し、前記ピストンには、前記圧縮室とは反対側から前記ピストンリングを支持するリング支持部が形成され、前記リング支持部には、前記ピストンが上死点から下死点に移動するときに、前記圧縮室外の気体を前記圧縮室内へ導く凹部が形成される。
　本発明によれば、圧縮工程において圧縮室の気密性を確保し、吸入工程において圧縮室内に気体を効果的に吸い込むことのできるレシプロ機構及びそれを備えた機器を提供することができる。
圧縮機の構成を示す図。 本実施形態に係るレシプロ機構の構成を示す図。 本実施形態に係るピストン及び連接棒の概略図。 ピストンを構成するピストン本体及びピストンリングの斜視図。 シリンダの中心軸Ｃｃとクランクシャフトの回転中心軸Ｃｓとのオフセット量及び連接棒の揺動角度を説明するための図。 揺動角度に対するピストン本体に装着されたピストンリングのシール特性について示す図。 クランク角度θに対する揺動角度βの変化について示すグラフ。 吸入行程のときのレシプロ機構の断面模式図。 図８のピストン及び連接棒の先端部のＩＸ－ＩＸ線断面模式図。 ピストン本体の外形形状の変形例について示す図。 本実施形態の変形例３に係るレシプロ機構におけるピストン及び連接棒の概略図。 本実施形態の変形例４に係るレシプロ機構の構成を示す図。 図１２のピストン本体のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線断面模式図。
　図１～図９を参照して、本発明の実施形態に係るレシプロ機構１００を備えた圧縮機１について説明する。
　図１は圧縮機１の構成を示す図であり、図２はレシプロ機構１００の構成を示す図である。図１に示すように、圧縮機１は、気体（例えば、空気）を圧縮する圧縮機本体１０と、それを駆動する電動機２と、圧縮機本体１０が吐出する気体を貯留するタンク３と、を備える。
　図２に示すように、圧縮機本体１０は、クランクシャフト１６０を収容するクランクケース１０９と、クランクシャフト１６０を含むレシプロ機構１００とを備える。レシプロ機構１００は、クランクケース１０９から鉛直方向（図示上方）に突出するシリンダ１１０と、クランクシャフト１６０と、基端部がクランクシャフト１６０のクランクピン１６２に回転可能に接続される連接棒１０２と、連接棒１０２の先端部に固定されるピストン１０４と、を有する。クランクシャフト１６０は、クランクケース１０９に回転可能に支持される。
　圧縮機本体１０は、クランクシャフト１６０が回転することで、連接棒１０２の基端部（大端部）１２１に回転力を与え、シリンダ１１０内に設置されたピストン１０４が鉛直方向に往復動し、その結果としてシリンダ１１０の外部から気体を吸引し圧縮してタンク３（図１参照）へ吐出する。
　図１に示すように、圧縮機本体１０及び電動機２は、圧縮機本体１０のクランクシャフト１６０と電動機２の回転軸とが平行になるように、タンク３上に設置されている。クランクシャフト１６０には圧縮機プーリ４が固定され、電動機２の回転軸には電動機プーリ５が固定されている。圧縮機プーリ４及び電動機プーリ５には、電動機２で発生した動力を圧縮機本体１０に伝達する伝動ベルト６が巻回されている。これにより、電動機２の回転力は、電動機プーリ５、伝動ベルト６及び圧縮機プーリ４を介して圧縮機本体１０のクランクシャフト１６０に伝達され、クランクシャフト１６０が回転する。電動機２によってクランクシャフト１６０が回転駆動されることにより、圧縮機本体１０が気体を圧縮する。
　図２に示すように、クランクシャフト１６０は、クランクケース１０９に回転自在に支持されるクランクジャーナル１６１と、クランクジャーナル１６１の回転中心から偏心した位置で連接棒１０２に接続されるクランクピン１６２（偏心部）と、クランクジャーナル１６１とクランクピン１６２とを接続するクランクアーム１６４と、クランクウエイト１６３と、を有する。
　クランクピン１６２は、大端部軸受１２８を介して連接棒１０２の基端部（大端部）１２１に連結されている。大端部軸受１２８には、転がり軸受、滑り軸受などを採用することができる。なお、大端部軸受１２８は、連接棒１０２及びクランクシャフト１６０と別体となるよう構成してもよいし、連接棒１０２またはクランクシャフト１６０と一体となるよう構成してもよい。
　シリンダ１１０は、円筒状のシリンダ本体１１１と、シリンダ本体１１１の上部開口端部を塞ぐように設けられるバルブプレート１１２と、シリンダ本体１１１とでバルブプレート１１２を挟持するシリンダヘッド１１３と、を備え、クランクケース１０９に固定される。バルブプレート１１２は、シリンダヘッド１１３とシリンダ１１０との間に介装される。バルブプレート１１２は、シリンダヘッド１１３の内部と、シリンダ本体１１１の内部とを連通する吸入孔１１２ａ及び吐出孔１１２ｂが形成されている。バルブプレート１１２には、リード弁タイプの吸入弁１１２ｃ及び吐出弁１１２ｄが取り付けられている。
　吸入弁１１２ｃは、シリンダヘッド１１３内の気体が吸入孔１１２ａを通じてシリンダ本体１１１内へ流入することを許容し、シリンダ本体１１１内の気体が吸入孔１１２ａを通じてシリンダヘッド１１３内へ流入することを禁止する。吐出弁１１２ｄは、シリンダ本体１１１内の気体が吐出孔１１２ｂを通じてシリンダヘッド１１３内へ流入することを許容し、シリンダヘッド１１３内の気体が吐出孔１１２ｂを通じてシリンダ本体１１１内へ流入することを禁止する。
　ピストン１０４、シリンダ１１０及びバルブプレート１１２によって形成される圧縮室１１９は、ピストン１０４がシリンダ１１０内を往復することにより、膨張と収縮を繰り返す。圧縮室１１９の膨張及び収縮に伴ってクランクケース１０９内の容積についても収縮及び膨張を繰り返す。また、圧縮室１１９の膨張及び収縮に合わせて吸入弁１１２ｃ及び吐出弁１１２ｄが開閉する。クランクケース１０９には、クランクケース１０９の内外を連通する呼吸孔１０９ａが形成される。
　電動機２によってクランクシャフト１６０が回転すると、ピストン１０４がシリンダ１１０内を往復運動する。ピストン１０４が上死点から下死点へ向かう吸入工程では、圧縮室１１９が膨張し、吸入弁１１２ｃが開いてシリンダヘッド１１３内の吸気室から圧縮室１１９内に気体が吸い込まれるとともに、クランクケース１０９内からピストン１０４とシリンダ１１０との間の隙間を通じて圧縮室１１９内に気体が吸い込まれる（図８参照）。ピストン１０４が下死点から上死点へ向かう圧縮工程では、圧縮室１１９が収縮し、圧縮室１１９内の気体が圧縮され、吐出弁１１２ｄが開いてシリンダヘッド１１３内の排気室及びこの排気室に接続される配管７（図１参照）を通じて圧縮気体がタンク３へ吐出される。
　図３は、ピストン１０４及び連接棒１０２の概略図（分解図）である。連接棒１０２は、クランクシャフト１６０とピストン１０４とを連結する部材である。連接棒１０２の先端部１２９には、ピストン１０４が固定される。ピストン１０４と連接棒１０２とは異なる材料で形成される。本実施形態に係るピストン１０４は、軸受を介すことなく連接棒１０２の先端部１２９に固定されることにより、連接棒１０２に一体化されている。なお、ピストン１０４と連接棒１０２の固定方法は、ボルトによる締結、または溶接、圧入等である。つまり、ピストン１０４は、クランクシャフト１６０が回転すると、連接棒１０２と一体となってシリンダ１１０内を揺動しながら往復動する揺動型のピストン（ロッキングピストン）である。
　連接棒１０２は、円筒状の基端部（大端部）１２１と、半球状の先端部（小端部）１２９と、基端部１２１と先端部１２９とを接続する直棒部１２０と、を有する。先端部１２９は、球面側で直棒部１２０に接続され、円形状の平面部がピストン１０４の下端面に面接触する。直棒部１２０は、その中心軸が、半球状の先端部１２９の中心と円筒状の基端部１２１の中心軸（すなわち、大端部軸受１２８の中心軸Ｃｂ）とを結ぶ直線に一致するように配置される。以下、直棒部１２０の中心軸を連接棒１０２の中心軸Ｃｒとも記す。
　連接棒１０２は、揺動運動を行うため、圧縮機１の振動低減の観点からは重量が軽いことが望まれる。このため、直棒部１２０は、幅（連接棒１０２の中心軸Ｃｒ及び基端部１２１の中心軸に直交する方向の寸法）が、基端部１２１及び先端部１２９に比べて小さい。また、直棒部１２０は、基端部１２１側から先端部１２９側に向かって先細り形状となっている。
　図４はピストン１０４を構成するピストン本体１４０及びピストンリング１４９の斜視図である。図３及び図４に示すように、ピストン１０４は、ピストン本体１４０と、ピストン本体１４０の外周とシリンダ本体１１１の内周との間の隙間を塞ぎ、圧縮室１１９をシールするピストンリング１４９と、を有する。ピストン本体１４０は、略円板状に形成され、その外周面にはピストンリング１４９が装着される環状溝１４１が形成されている。ピストンリング１４９は、ピストン本体１４０の外周面に設けられた環状溝１４１に対してある隙間をもって嵌合する。ピストンリング１４９は、ピストン本体１４０に装着された状態において、シリンダ１１０内を滑らかに摺動しつつ、圧縮工程のときに、圧縮室１１９の気密性が保たれるように形成される。
　ピストンリング１４９は、略Ｃ字形状であり、合口１４９ａを有する。ピストンリング１４９は、自然状態ではその外径がシリンダ本体１１１の内径よりも若干大きい。このため、ピストンリング１４９が装着されたピストン本体１４０が、シリンダ本体１１１内に挿入された状態では、ピストンリング１４９の変形による反力によってピストンリング１４９の外周面がシリンダ１１０の内周面に略密着することにより、圧縮室１１９の気密性が保たれる。
　ピストン本体１４０は、円筒形のシリンダ本体１１１内を滑らかに往復運動するために、その外周面が球面状に形成される。クランクシャフト１６０が回転すると、ピストン本体１４０は、シリンダ本体１１１によってシリンダ周方向の移動が拘束された状態で、シリンダ軸方向に往復運動を行うとともに、回転運動（揺動運動）を行う。本実施形態では、ピストン本体１４０の外周面が球面状に形成されているため、ピストン１０４の回転運動中心が連接棒１０２に対して一定の位置となる。
　本実施形態では、圧縮工程において、ピストン本体１４０の外周面とシリンダ本体１１１の内周面とが線接触状態となるが、ピストンリング１４９の外周面とシリンダ本体１１１の内周面とが面接触状態となるため、圧縮室１１９の高い気密性を確保することができる。
　環状溝１４１が形成されることにより、ピストン本体１４０は、環状溝１４１を挟むように、円板状の受圧部１４２と、円板状のリング支持部１４３とが形成される。リング支持部１４３は、その外周部において、圧縮室１１９とは反対側（連接棒１０２側）からピストンリング１４９を支持する。リング支持部１４３の中央部は、連接棒１０２によって支持される。受圧部１４２は、圧縮室１１９内の気体圧力を受ける部位である。また、受圧部１４２は、吸入工程のときに、その外周部においてピストンリング１４９の移動を規制し、ピストンリング１４９がピストン本体１４０から外れることを防止する。
　圧縮工程において、圧縮室１１９内の気体圧力は、主に受圧部１４２の上端面（先端面）１４２ｃ及び側面、並びにピストンリング１４９に作用する。これらの力は概ね連接棒１０２の中心軸方向に加わるため、シリンダ本体１１１の内周面とピストン１０４の間に働く気体圧力に基づく分力は極めて小さい。すなわち、シリンダ本体１１１の内周面とピストン１０４の間の摺動面に働く力は小さい。
　ピストン本体１４０においてシリンダ１１０の内周面と摺動しうる部位は、受圧部１４２の側面とリング支持部１４３の側面である。本実施形態では、ピストン本体１４０が固体潤滑性の優れた材料で形成され、潤滑油を用いない構成とすることが可能である。潤滑油を用いない構成とすることで、圧縮室１１９内の気体に潤滑油が混入することがなくなるという利点を有する。固体潤滑性の優れた材料の一例としては、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂に、強度などの機械的特性を改善するためにグラスファイバーなどの充填剤を入れた材料がある。なお、本実施形態では、ピストンリング１４９は、ピストン本体１４０と同じ材料で形成される。
　連接棒１０２の基端部１２１には、圧縮室１１９内の気体圧力に基づく圧縮反力が加わる。このため、連接棒１０２の基端部１２１には、機械的強度が求められる。したがって、連接棒１０２は、ピストン本体１４０の材料よりも機械的強度の高い材料で構成することが望ましい。機械的強度の高い材料の一例としては、鉄系材料、アルミ系材料などの金属材料がある。
　ここで、ピストン本体１４０と連接棒１０２を同じ材料で一体成形する場合、以下のような懸念が生じる場合がある。ピストン本体１４０と連接棒１０２を固体潤滑性の優れた材料で一体成形する場合、連接棒１０２に作用する圧縮負荷により、連接棒１０２が折損するおそれがある。このため、圧縮負荷が小さい機械にしか実装できず、その適用範囲が狭くなるおそれがある。
　ピストン１０４と連接棒１０２を機械的強度の高い材料で一体成形する場合、ピストン１０４とシリンダ１１０との間の接触部の潤滑特性及びシール特性を満足させるために、潤滑油を用いることが考えられる。しかしながら、吸入工程でクランクシャフト１６０側から圧縮室１１９内に吸気を行う構造の場合、潤滑油が圧縮室１１９に入り込むことにより吸気量が低下し、圧縮機効率が低下したり、液圧縮によって弁体（吸入弁１１２ｃ及び吐出弁１１２ｄ）が破損したりするおそれがある。
　これに対して、本実施形態では、ピストン本体１４０と連接棒１０２とを異なる材料で形成しているため、連接棒１０２の機械的強度と、潤滑油を用いない環境下でのピストン本体１４０の摺動特性とを両立させることができる。つまり、本実施形態によれば、連接棒１０２の破損を防止することができるとともに、潤滑油が圧縮室１１９に入り込むことに起因する効率の低下及び弁体の破損を防止することができる。
　次に図５を参照して、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃとクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとの位置関係及び連接棒１０２の揺動角度βについて説明する。図５は、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃとクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとのオフセット量δ及び連接棒１０２の揺動角度βを説明するための図である。
　図５に示すように、本実施形態に係るレシプロ機構１００では、クランクシャフト１６０の回転中心軸（クランクジャーナル１６１の回転中心軸）Ｃｓとシリンダ１１０の中心軸Ｃｃとは交差せず、オフセットした構造をとっている。クランクシャフト１６０は、図示反時計回りに回転するが、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃはクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓに対して、圧縮行程においてクランクピン１６２が位置する側（図示右側）にオフセットしている。
　ここで、連接棒１０２の中心軸Ｃｒとシリンダ１１０の中心軸Ｃｃとの鋭角側のなす角度（以下、揺動角度βと記す）に着目する。シリンダ１１０の中心軸Ｃｃとクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとが交差する場合（すなわち、オフセット量δが０の場合）、揺動運動がシリンダ１１０の中心軸Ｃｃに対して左右対称となり、圧縮行程での揺動角度βの最大値と、吸入行程での揺動角度βの最大値とは等しくなる。一方、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃとクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとをオフセットさせた構成では、揺動運動がシリンダ１１０の中心軸Ｃｃに対して左右非対称となる。
　本実施形態では、ピストン１０４が下死点から上死点に移動する間の最大揺動角度（すなわち圧縮工程での最大揺動角度）が、ピストン１０４が上死点から下死点に移動する間の最大揺動角度（すなわち吸入工程での最大揺動角度）よりも小さくなるように、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃが、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓに対してオフセットしている。
　このように、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃとクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとをオフセットさせた構成とすると、圧縮工程において圧縮室１１９の気密性を高めることができる。以下、詳しく説明する。図６は、揺動角度βに対するピストン本体１４０に装着されたピストンリング１４９のシール特性について示す図である。図６では、横軸が揺動角度β、すなわち、シリンダ１１０に対するピストンリング１４９の傾斜角度を表し、縦軸がピストンリング１４９とシリンダ１１０との壁面間から漏洩する気体の質量流量（漏洩量）を表している。なお、図６では、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃと連接棒１０２の中心軸Ｃｒとが一致するとき（平行のとき）には揺動角度βは０（ゼロ）°であり、また、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃに対して連接棒１０２の中心軸Ｃｒが傾斜しているときには、その傾き角の絶対値を揺動角度βとして表している。
　図６に示すように、揺動角度βが小さい場合、すなわちピストンリング１４９とシリンダ１１０との間の傾き角が小さい場合、ピストンリング１４９とシリンダ１１０との接触状態は面接触である。したがって、ピストンリング１４９によってピストン本体１４０とシリンダ本体１１１の内周面との隙間が適切にシールされるので、圧縮室１１９の内部から外部（クランクケース１０９内）への気体の漏洩量は極めて少ない。揺動角度βが大きくなり、シリンダ１１０に対するピストンリング１４９の傾き角が大きくなると、シリンダ１１０の内周面に対してピストンリング１４９が片当たり接触する状態となり、ピストンリング１４９とシリンダ１１０との接触状態が面接触状態から線接触または点接触状態に変化する。その結果、揺動角度βが大きくなるほど、ピストンリング１４９のシール特性が悪化し、圧縮室１１９の内部から外部（クランクケース１０９内）への気体の漏洩量が増加する。
　図７は、本実施形態に係るレシプロ機構１００におけるクランク角度θに対する揺動角度βの変化について示すグラフである。図７では、横軸がクランクシャフト１６０の回転角度であるクランク角度θを表し、縦軸が揺動角度βを表している。図７において、クランク角度θは、大端部軸受１２８の中心軸Ｃｂがクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓの下方であって、大端部軸受１２８の中心軸Ｃｂとクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとを結ぶ直線がシリンダ１１０の中心軸Ｃｃと平行になるときの角度を０°とし、図５における反時計回りを正方向とし、反時計回りの回転角度を正の値で表している。また、図７では、図５において大端部軸受１２８の中心軸Ｃｂがシリンダ１１０の中心軸Ｃｃの左側に位置するときの揺動角度βを正の値で表し、大端部軸受１２８の中心軸Ｃｂがシリンダ１１０の中心軸Ｃｃの右側に位置するときの揺動角度βを負の値で表している。
　上述したように、本実施形態では、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとシリンダ１１０の中心軸Ｃｃとがオフセットしている。このため、図７に示すように、揺動角度βの時刻歴変化は、揺動角度０°を表す横軸に対して上下非対称となる。また、ピストン１０４が下死点から上死点に移動する圧縮行程での最大揺動角度は、オフセット量δが０（ゼロ）の場合に比べて小さくなり、ピストン１０４が上死点から下死点に移動する吸入工程での最大揺動角度は、オフセット量δが０（ゼロ）の場合に比べて大きくなる。
　本実施形態では、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとシリンダ１１０の中心軸Ｃｃとをオフセットさせることにより、圧縮行程において揺動角度β（図７において、揺動角度βの絶対値）を小さく抑えることができる。このため、圧縮行程において、ピストンリング１４９とシリンダ１１０との壁面間を通じた圧縮室１１９内からクランクケース１０９内への気体の漏洩量を少ない状態に維持することができる。つまり、圧縮室１１９内の圧力を高める圧縮行程において、圧縮室１１９の気密性を高めることができるため、圧縮機効率を高めることができる。
　なお、図５に示すように、圧縮行程でのピストン本体１４０におけるシリンダ１１０との主な接触部分は、受圧部１４２の図示左側側面１４２ｂとリング支持部１４３の図示右側側面１４３ａである。
　本実施形態では、圧縮行程でのピストン本体１４０におけるシリンダ本体１１１との接触部近傍にピストンリング１４９が位置するように、環状溝１４１が形成されている。つまり、ピストン本体１４０の受圧部１４２の図示右側面上端よりもリング支持部１４３の図示右側面下端に近い位置にピストンリング１４９が位置するように、環状溝１４１が形成されている。このため、圧縮室１１９内の気密性を高めることができる。
　次に、図４、図８及び図９を参照して、吸入行程において、効率よく気体を圧縮室１１９に吸い込むための構成について説明する。図８は、吸入行程のときのレシプロ機構１００の断面模式図である。図８に示すように、吸入行程では圧縮行程に比べて揺動角度βが大きくなる（図７参照）。揺動角度βが、最大揺動角度を含む所定角度範囲内のときには、ピストンリング１４９の外周面の一部がシリンダ本体１１１の内周面から離れ非接触となる。
　吸入行程でのピストン本体１４０におけるシリンダ１１０との主な接触部分は、受圧部１４２の図示右側側面１４２ａとリング支持部１４３の図示左側側面１４３ｂである。ここで、本実施形態では、吸入工程において、クランクケース１０９内の気体が圧縮室１１９内にスムーズに導かれるように、リング支持部１４３の左側側面１４３ｂに円弧状凹部１４７が形成されている。
　図９は、図８のピストン１０４及び連接棒１０２の先端部１２９のＩＸ－ＩＸ線断面模式図である。図９において、説明の便宜上、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓに平行であり、かつ、連接棒１０２の中心軸Ｃｒを通る軸をｙ軸とし、ｙ軸及び連接棒１０２の中心軸Ｃｒに直交し、かつ、連接棒１０２の中心軸Ｃｒを通る軸をｘ軸とした座標系において、反時計方向に第１象限、第２象限、第３象限及び第４象限に区分する。図示するように、第１象限及び第４象限は、圧縮工程においてリング支持部１４３（側面１４３ａ）がシリンダ本体１１１の内周面に接触する側であり、第２象限及び第３象限は、吸入工程においてリング支持部１４３（側面１４３ｂ）がシリンダ本体１１１の内周面に接触する側である。
　図９に示すように、ピストン本体１４０は、連接棒１０２の先端部１２９の先端面に面接触する円形状かつ平坦な平面部（以下、円形平面部と記す）１４５ａと、円形平面部１４５ａの径方向外方において突出する円弧状の突出部１４６と、円形平面部１４５ａの径方向外方において突出部１４６が形成されず、円形平面部１４５ａと面一となっている円弧状の外周平面部１４５ｂと、を有する。ピストン本体１４０は、その底面（下面）の外周部に円弧状の突出部１４６が設けられており、突出部１４６が設けられている部分では、その他の部分に比べて厚みが厚くなっている。換言すれば、リング支持部１４３は、図８に示すように、ピストン１０４の揺動方向一方側（図示左側）の厚みが、揺動方向他方側（図示右側）の厚みに比べて薄い。
　なお、揺動方向一方とは、圧縮工程から吸入工程に移行するときのピストン１０４及び連接棒１０２の揺動方向（図示左方向）に相当し、揺動方向他方とは、吸入工程から圧縮工程に移行するときのピストン１０４及び連接棒１０２の揺動方向（図示右方向）に相当する。また、揺動方向一方側とは、圧縮工程において受圧部１４２がシリンダ１１０の内周面に接触する側（すなわち吸入工程においてリング支持部１４３がシリンダ１１０の内周面に接触する側）に相当し、揺動方向他方側とは、圧縮工程においてリング支持部１４３がシリンダ１１０の内周面に接触する側（すなわち吸入工程において受圧部１４２がシリンダ１１０の内周面に接触する側）に相当する。
　このように、ピストン本体１４０には、円形平面部１４５ａ及び外周平面部１４５ｂを底面とし、突出部１４６を側壁とする凹部１４４が形成される。凹部１４４の円形平面部１４５ａに、連接棒１０２の先端部１２９が接合されると、円弧状凹部１４７が形成される。円弧状凹部１４７は、外周平面部１４５ｂを底面とし、円弧状の突出部１４６の周方向両端面及び連接棒１０２の先端部１２９の外表面を側面とする凹形状を呈する。このように、本実施形態では、円弧状凹部１４７は、リング支持部１４３におけるピストン１０４の揺動方向一方側（図示左側）の厚みが、リング支持部１４３におけるピストン１０４の揺動方向他方側（図示右側）の厚みに比べて薄いことにより形成される。
　図９に示すように、円弧状凹部１４７は、クランクシャフト１６０の回転中心軸方向（ｙ軸方向）のピストン１０４（ピストン本体１４０）の幅中心を含む、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓに直交する平面（以下、揺動運動平面１９０とも記す）上に形成される。なお、揺動運動平面１９０は、連接棒１０２の中心軸Ｃｒを含む平面でもある。また、円弧状凹部１４７は、第２象限及び第３象限に形成され、第１象限及び第４象限には形成されない。本実施形態では、円弧状凹部１４７は、ｘ軸に対して対称、かつ、座標系の原点Ｏ（連接棒１０２の中心軸Ｃｒ）を中心として所定の角度範囲φ（例えば１２０°程度）で形成されている。
　仮に、円弧状凹部１４７の形成範囲が１８０°よりも大きい場合、すなわち円弧状凹部１４７が第１象限及び第４象限にまで形成されると、吸入工程において、リング支持部１４３におけるシリンダ本体１１１の内周面と接触する面（以下、負荷面とも記す）を十分に確保することができず、信頼性の観点から好ましくない。このため、円弧状凹部１４７の形成範囲は、座標系の原点Ｏを中心として、第２象限及び第３象限において１８０°以下とすることが好ましい。これにより、吸入工程において揺動角度βが最大揺動角度を含む所定角度範囲内であるときに、シリンダ本体１１１の内周面と接触する負荷面１４３ｂ１を確保することができる。
　本実施形態では、リング支持部１４３に円弧状凹部１４７が設けられているため、吸入工程において揺動角度βが所定の角度よりも大きくなると、シリンダ本体１１１の内周面とリング支持部１４３における左側側面１４３ｂの一部とが非接触となる。このとき、圧縮室１１９内とクランクケース１０９内とが円弧状凹部１４７を介して連通する。
　吸入行程では、圧縮室１１９内の圧力はクランクケース１０９内の圧力に比べて低い状態となっているため、クランクケース１０９内の気体が圧縮室１１９内へと吸入される。すなわち本実施形態では吸入行程において、バルブプレート１１２に設けた吸入弁１１２ｃを通じて気体が圧縮室１１９内に吸入されるとともに、円弧状凹部１４７を通じてクランクケース１０９内の気体が圧縮室１１９内に吸入される。このように、本実施形態では、リング支持部１４３に、ピストン１０４が上死点から下死点に移動する吸入工程において、圧縮室１１９外（クランクケース１０９内）の気体を連接棒１０２側から圧縮室１１９内に導く円弧状凹部１４７を設けている。これにより、本実施形態では、円弧状凹部１４７を設けない場合に比べて、圧縮室１１９内への気体の流入断面積を増加させることができるので、効果的に気体を圧縮室１１９内に吸入することができる。
　ここで、圧縮室１１９内に吸入される気体（例えば、空気）の温度について説明する。圧縮機１の運転が継続して行われると、圧縮機本体１０を構成するシリンダ本体１１１、ピストン１０４、バルブプレート１１２、及びシリンダヘッド１１３が、圧縮空気により加熱され高温となる。特に、吐出空間を構成しているバルブプレート１１２及びシリンダヘッド１１３は、シリンダ本体１１１及びピストン１０４に比べて高い温度となっている。このため、バルブプレート１１２の吸入弁１１２ｃを通じて圧縮室１１９内に吸入される空気は、それら高温となった部材の影響を受けて加熱されることになる。圧縮室１１９内に吸入される空気の温度は、低温であるほど空気密度が高くなり、結果として吐出される空気の質量流量が大きくなる。そのため、吐き出し空気量の高い圧縮機１を構成するためには、圧縮室１１９内に吸入される空気温度は低いほどよい。
　本実施形態に係るレシプロ機構１００は、高温となっているバルブプレート１１２に取り付けられた吸入弁１１２ｃを通じて空気を圧縮室１１９内に吸入する第１吸気経路の他に、比較的低温であるクランクケース１０９内からピストン本体１４０の円弧状凹部１４７を通じて空気を圧縮室１１９内に吸入する第２吸気経路が形成される構成である。そのため、吸入弁１１２ｃを通じて空気を圧縮室１１９内に吸入する第１吸気経路のみが形成される構成に比べて、圧縮室１１９内に吸入する空気温度を低くすることができ、吐き出し空気量の高い圧縮機１を構成することが可能である。
　本実施形態では、リング支持部１４３に吸気経路を形成する円弧状凹部１４７が設けられているため、この部分のリング支持部１４３の厚みが、円弧状凹部１４７が設けられていない部分の厚みに比べて薄くなる。このため、連接棒１０２の直棒部１２０を直接ピストン１０４に接続する構成とすると、圧縮工程においてピストンリング１４９にかかる圧力をリング支持部１４３で十分に受けることができず、リング支持部１４３の薄肉部が撓んだり、破損したりするおそれがある。
　これに対して、本実施形態では、連接棒１０２の直棒部１２０の先端に、半球状の先端部１２９が形成されており、この先端部１２９がリング支持部１４３を保持する保持部として機能する。連接棒１０２の先端部（保持部）１２９は、連接棒１０２の軸方向（すなわち、連接棒１０２の中心軸Ｃｒに平行な方向）に直交する断面形状が、リング支持部１４３に向かうにつれて拡大する形状となるように形成される。なお、連接棒１０２の先端部（保持部）１２９は、その外径がピストンリング１４９の内径よりも小さくてもよいが、ピストンリング１４９の内径と略同じか、ピストンリング１４９の内径よりも大きくなるように形成することがより好ましい。つまり、ピストンリング１４９の直下に、連接棒１０２の先端部１２９の外周部が位置するように、先端部１２９を形成することがより好ましい。
　このような構成によれば、連接棒１０２の先端部（保持部）１２９とピストン本体１４０との接触面積を十分にとることができるとともに、リング支持部１４３の外周近傍を、連接棒１０２の先端部（保持部）１２９で受けることができる。したがって、リング支持部１４３の外周部（すなわち環状溝１４１の底面から径方向外方に突出する環状の凸部）の撓み（変形）を抑制し、リング支持部１４３の破損を防止することができる。リング支持部１４３の外周部の撓みを抑制することができるので、ピストンリング１４９を適切な位置に保持することができる。その結果、圧縮工程において、ピストンリング１４９により圧縮室１１９を適切にシールすることができる。
　上述した実施形態によれば、次の作用効果を奏する。
　（１）レシプロ機構１００は、圧縮室１１９を形成するシリンダ１１０と、シリンダ１１０内を揺動しながら往復動するピストン１０４と、クランクシャフト１６０と、クランクシャフト１６０とピストン１０４とを連結する連接棒１０２と、を備える。ピストン１０４は、圧縮室１１９をシールするピストンリング１４９を有する。ピストン１０４には、圧縮室１１９とは反対側からピストンリング１４９を支持するリング支持部１４３が形成される。リング支持部１４３には、ピストン１０４が上死点から下死点に移動するときに、圧縮室１１９外（クランクケース１０９内）の気体を連接棒１０２側から圧縮室１１９内へ導く円弧状凹部（凹部）１４７が形成される。したがって、本実施形態によれば、圧縮工程において圧縮室１１９の気密性を確保し、吸入工程において圧縮室１１９内に気体を効果的に吸い込むことのできるレシプロ機構１００及びそれを備えた圧縮機（機器）１を提供することができる。つまり、本実施形態によれば、信頼性が高く高効率なレシプロ機構１００及びそれを備えた圧縮機（機器）１を提供することができる。
　（２）円弧状凹部（凹部）１４７は、クランクシャフト１６０の回転中心軸方向のピストン１０４の幅中心を含む、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓに直交する平面（揺動運動平面１９０）上に形成される。これにより、圧縮室１１９内への気体の流入断面積を大きくとることができるので、効果的に気体を圧縮室１１９内に吸入することができる。
　（３）連接棒１０２には、リング支持部１４３を保持する保持部（先端部１２９）が形成される。保持部（先端部１２９）は、連接棒１０２の軸方向に直交する断面形状が、リング支持部１４３に向かうにつれて拡大する形状となるように形成される。これにより、連接棒１０２の軽量化及びピストン１０４の強度確保を両立させることができる。また、保持部（先端部１２９）は、ピストン１０４との接合面にむけて、その軸方向断面積が拡大する形状となっているため、保持部（先端部１２９）とピストン１０４とが大きな面で強固に接合することとなり、ピストン１０４の環状溝１４１の下方の部位（すなわち、リング支持部１４３の外周部）が、負荷荷重により変形、破損することを防止することができる。
　（４）リング支持部１４３におけるピストン１０４の揺動方向一方側（図２において左側）の厚みが、リング支持部１４３におけるピストン１０４の揺動方向他方側（図２において右側）の厚みに比べて薄いことにより、円弧状凹部１４７が形成される。このような構成によれば、容易に円弧状凹部１４７を形成することができる。
　次のような変形例も本発明の範囲内であり、変形例に示す構成と上述の実施形態で説明した構成を組み合わせたり、以下の異なる変形例で説明する構成同士を組み合わせたりすることも可能である。
　＜変形例１＞
　上記実施形態では、バルブプレート１１２に吸入孔１１２ａ及び吸入弁１１２ｃが設けられ、シリンダヘッド１１３側の第１吸気経路から吸気を行うとともにクランクケース１０９側の第２吸気経路から吸気を行う例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１吸気経路を省略し、円弧状凹部１４７により形成される流路を含む第２吸気経路のみを通じて、圧縮室１１９内に気体を吸入する構成としてもよい。本変形例では、吸入孔１１２ａ及び吸入弁１１２ｃを省略することができるため、部品点数削減の他、吸入弁１１２ｃの動作に伴う弁体着座音を低減することができる。また、弁体損傷による圧縮機故障のリスクを低減することができる。つまり、本変形例によれば、より信頼性が高く静粛性の高いレシプロ機構１００を提供することができる。
　＜変形例２＞
　上記実施形態では、ピストン本体１４０の外周面（摺動面）が球面状に形成される例について説明したが、本発明はこれに限定されない。クランクシャフト１６０の回転角度（クランク角度θ）に応じて、ピストン１０４の回転運動中心が移動するように設計することも可能である。つまり、ピストン本体１４０の外周面（摺動面）は、種々の曲面形状に形成することができる。図１０は、ピストン本体の外形形状の変形例について示す図である。なお、図１０では上記実施形態との違いを明確にするために、外形形状の起伏を誇張して描いている。
　本変形例では、ピストン本体２４０の摺動面となる受圧部２４２の外周面及びリング支持部２４３の外周面は、球面形状ではない。なお、その他の構成については、上記実施形態と同様である。図１０では、比較のための球面を表す円形を破線で示しており、この円形は、図示するＸＹ座標系において、角度ｔを媒介変数とする媒介変数表示では、次式（１），（２）のように表される。 
　Ｘ　＝　Ｒｃｏｓ（ｔ）　…（１） 
　Ｙ　＝　Ｒｓｉｎ（ｔ）　…（２） 
　Ｒは、破線で示す円の半径である。
　これに対して、本変形例では、次式（３），（４）で表される曲線に一致するように外形形状（図示二点鎖線参照）が定められる。 
　Ｘ　＝　Ｒｃｏｓ（ｔ）　　　　　　…（３） 
　Ｙ　＝　Ｒｓｉｎ（ｔ）＋Ａ（ｔ）　…（４） 
　Ａ（ｔ）は、任意に設定可能な角度ｔの関数である。
　本変形例では、ピストン１０４とシリンダ１１０間の摺動特性及びシール特性に応じて、ピストン本体２４０の外周面（摺動面）の曲率を任意に設計することができる。したがって、本変形例によれば、レシプロ機構１００の信頼性及び効率の向上を図ることができる。
　＜変形例３＞
　上記実施形態では、連接棒１０２の半球状の先端部１２９が、リング支持部１４３を保持する保持部として機能し、リング支持部１４３の外周部の撓みを防止する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。図１１に示すように、連接棒１０２に半球状の先端部１２９を設けずに、ピストン本体３４０にリング支持部１４３を保持する保持部３４８を形成してもよい。つまり、受圧部１４２、リング支持部１４３及び保持部３４８は、同じ材料で一体成形してもよい。保持部３４８は、連接棒１０２の軸方向に直交する断面形状が、リング支持部１４３に向かうにつれて拡大する形状となるように形成される。
　本変形例では、環状溝１４１の下方の部位（すなわち、リング支持部１４３の外周部）に対して作用する負荷荷重による変形、破損を、上記実施形態のピストン本体１４０に相当する部位と一体成形された半球状の保持部３４８により、抑止することができる。また、連接棒３０２とピストン３０４とは別体であり、ボルト等により結合される構成であるため、上記実施形態と同様、基端部１２１の機械的強度及び潤滑油を用いない環境下でのピストン３０４の摺動特性を両立させることができる。よって本変形例によれば、上記実施形態と同様、信頼性が高く高効率なレシプロ機構を提供することができる。
　＜変形例４＞
　上記実施形態では、吸気経路を形成する凹部（円弧状凹部１４７）が、クランクシャフト１６０の回転中心軸方向のピストン１０４（ピストン本体１４０）の幅中心を含む（すなわち、連接棒１０２の中心軸Ｃｒを含む）、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓに直交する平面（揺動運動平面１９０）上に形成される例について説明したが、本発明はこれに限定されない。
　図１２及び図１３に示すように、クランクシャフト１６０の回転中心軸方向のピストン４０４（ピストン本体４４０）の幅中心を含む（すなわち、連接棒１０２の中心軸Ｃｒを含む）、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓに直交する平面（揺動運動平面１９０）から離れた位置に、吸気経路を形成する凹部４４７を形成してもよい。本変形例では、リング支持部４４３に一対の凹部４４７が形成されている。一対の凹部４４７は、揺動運動平面１９０に対して対称形状となるように、図１３における第２象限及び第３象限のそれぞれに形成される。凹部４４７は、下端面及び側面（摺動面）が開口となるように形成されている。
　図１２に示すように、リング支持部４４３は、図示左端（揺動方向一方端）から図示右端（揺動方向他方端）に向かって徐々に厚みが薄くなるように形成される。つまり、クランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓに対するシリンダ１１０の中心軸Ｃｃのオフセット方向側の端部の厚みよりも、反対側の端部の厚みの方が大きい。凹部４４７が形成される側のリング支持部４４３の厚みを大きくすることにより、材料コストの増加を抑えつつ、リング支持部４４３の変形を効果的に抑制することができる。
　本変形例では、シリンダ本体１１１の内周面と接触する負荷面４４３ｂ１が、揺動運動平面１９０と交差する位置を含むことになる。連接棒１０２の揺動運動に伴って発生する慣性力は、ｘ軸方向であり、この慣性力を受ける負荷面４４３ｂ１は負荷方向（慣性力の方向）に対して略直角である。このため、負荷面４４３ｂ１は、面圧が低い状態で荷重を支持することが可能である。したがって、本変形例によれば、信頼性が高く高効率なレシプロ機構を提供することが可能である。
　また、本変形例では、リング支持部４４３におけるピストン４０４の揺動方向一方側（図示左側）の厚みが、リング支持部４４３におけるピストン４０４の揺動方向他方側（図示右側）の厚みに比べて厚く、凹部４４７が、リング支持部４４３におけるピストン４０４の揺動方向一方側（図示左側）に形成される。これにより、材料コストの増加を抑えつつ、変形を効果的に抑制することができる。
　＜変形例５＞
　上記実施形態では、リング支持部１４３を保持する保持部（先端部１２９）が半球状に形成される例について説明したが、本発明はこれに限定されない。四角錐台形状など、連接棒１０２の軸方向に直交する断面形状が、直棒部１２０からリング支持部１４３に向かって拡大する種々の形状を採用することができる。なお、上記実施形態で説明したように、ピストン本体１４０に接合する面を円形状にすることで、ピストンリング１４９の下方の部位に作用する荷重を均等に受けることができるので好ましい。
　＜変形例６＞
　上記実施形態では、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃとクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓとをオフセットさせる例について説明したが、本発明はこれに限定されない。レシプロ機構１００は、シリンダ１１０の中心軸Ｃｃ上にクランクシャフト１６０の回転中心軸Ｃｓが位置するように構成してもよい。
　＜変形例７＞
　上記実施形態では、円弧状凹部１４７を一つ設ける例について説明したが本発明はこれに限定されない。揺動運動平面１９０上に形成される凹部と、揺動運動平面１９０から離れた位置に形成される凹部と、をリング支持部１４３に形成してもよい。つまり、吸気経路を形成するための凹部は、上記実施形態で説明したように１つ形成する場合に限らず、また、上記変形例４で説明したように２つ形成する場合に限らない。吸気経路を形成するための凹部をリング支持部１４３に４つ以上設けてもよい。
　＜変形例８＞
　上記実施形態では、ピストン本体１４０及びピストンリング１４９が、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂に、強度などの機械的特性を改善するためにグラスファイバーなどの充填剤を入れた材料で形成される例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルファイド、フェノール樹脂、ポリイミド系樹脂、コプナ樹脂等の樹脂材料によってピストン本体１４０及びピストンリング１４９を形成してもよい。
　＜変形例９＞
　上記実施形態では、レシプロ機構を空気等の気体を圧縮する圧縮機に適用する例について説明したが、その他の機器に適用してもよい。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
１…圧縮機、２…電動機、１０…圧縮機本体、１００…レシプロ機構、１０２，３０２…連接棒、１０４，３０４…ピストン、１０９…クランクケース、１０９ａ…呼吸孔、１１０…シリンダ、１１１…シリンダ本体、１１２…バルブプレート、１１３…シリンダヘッド、１１９…圧縮室、１２０…直棒部、１２１…基端部、１２８…大端部軸受、１２９…先端部（保持部）、１４０，２４０，３４０…ピストン本体、１４１…環状溝、１４２，２４２…受圧部、１４３，２４３，４４３…リング支持部、１４３ｂ１，４４３ｂ１…負荷面、１４３ｂ１…負荷面、１４７…円弧状凹部（凹部）、１４９…ピストンリング、１６０…クランクシャフト、１９０…揺動運動平面、３４８…保持部、４４７…凹部、Ｃｂ…大端部軸受の中心軸、Ｃｓ…クランクシャフトの回転中心軸、Ｃｃ…シリンダの中心軸、Ｃｒ…連接棒の中心軸、β…揺動角度、δ…オフセット量、θ…クランク角度

Claims (9)

  1. 　圧縮室を形成するシリンダと、
    　前記シリンダ内を揺動しながら往復動するピストンと、
    　クランクシャフトと、
    　前記クランクシャフトと前記ピストンとを連結する連接棒と、を備え、
    　前記ピストンは、前記圧縮室をシールするピストンリングを有し、
    　前記ピストンには、前記圧縮室とは反対側から前記ピストンリングを支持するリング支持部が形成され、
    　前記リング支持部には、前記ピストンが上死点から下死点に移動するときに、前記圧縮室外の気体を前記圧縮室内へ導く凹部が形成される、
    　レシプロ機構。
  2. 　請求項１に記載のレシプロ機構において、
    　前記凹部は、前記クランクシャフトの回転中心軸方向の前記ピストンの幅中心を含む、前記クランクシャフトの回転中心軸に直交する平面上に形成される、
    　レシプロ機構。
  3. 　請求項１に記載のレシプロ機構において、
    　前記凹部は、前記クランクシャフトの回転中心軸方向の前記ピストンの幅中心を含む、前記クランクシャフトの回転中心軸に直交する平面から離れた位置に形成される、
    　レシプロ機構。
  4. 　請求項２に記載のレシプロ機構において、
    　前記リング支持部における前記ピストンの揺動方向一方側の厚みが、前記リング支持部における前記ピストンの揺動方向他方側の厚みに比べて薄いことにより、前記凹部が形成される、
    　レシプロ機構。
  5. 　請求項３に記載のレシプロ機構において、
    　前記リング支持部における前記ピストンの揺動方向一方側の厚みは、前記リング支持部における前記ピストンの揺動方向他方側の厚みに比べて厚く、前記凹部は、前記リング支持部における前記ピストンの揺動方向一方側に形成される、
    　レシプロ機構。
  6. 　請求項１に記載のレシプロ機構において、
    　前記ピストンと前記連接棒とは異なる材料で形成される、
    　レシプロ機構。
  7. 　請求項１に記載のレシプロ機構において、
    　前記ピストンまたは前記連接棒には、前記リング支持部を保持する保持部が形成され、
    　前記保持部は、前記連接棒の軸方向に直交する断面形状が、前記リング支持部に向かうにつれて拡大する形状となるように形成される、
    　レシプロ機構。
  8. 　請求項１に記載のレシプロ機構において、
    　前記ピストンが下死点から上死点に移動する間の最大揺動角度が、前記ピストンが上死点から下死点に移動する間の最大揺動角度よりも小さくなるように、前記シリンダの中心軸が、前記クランクシャフトの回転中心軸に対してオフセットしている、
    　レシプロ機構。
  9. 　請求項１に記載のレシプロ機構を備えた機器。
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