WO2022018949A1 - 圧縮機 - Google Patents

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WO2022018949A1
WO2022018949A1 PCT/JP2021/019047 JP2021019047W WO2022018949A1 WO 2022018949 A1 WO2022018949 A1 WO 2022018949A1 JP 2021019047 W JP2021019047 W JP 2021019047W WO 2022018949 A1 WO2022018949 A1 WO 2022018949A1
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WO
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piston
compressor
cylinder
ring
valve plate
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PCT/JP2021/019047
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English (en)
French (fr)
Inventor
伸之 成澤
翔 後藤
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
Publication of WO2022018949A1 publication Critical patent/WO2022018949A1/ja

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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
    • 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
    • F04B39/10—Adaptations or arrangements of distribution members

Definitions

  • the present invention relates to a compressor.
  • the suction valve repeats opening and closing every time the piston reciprocates. Therefore, there is a problem that noise due to the suction valve plate colliding with the valve receiving member for regulating the opening amount (lift amount) cannot be avoided. This problem becomes more serious as the capacity of the compressor increases.
  • wasteful wear of the sliding member can be suppressed by using a spherical head with a diameter similar to the inner diameter of the cylinder rather than using a cylindrical head with the same diameter as the inner diameter of the cylinder.
  • the upper surface has a flat shape along the inner surface of the cylinder and the side surface has a spherical piston head, the upper surface has a circular shape smaller than the cylinder diameter, so that it is before and after the position of the piston at top dead center. Has the characteristic that the left and right ends of the upper surface of the piston protrude upward. Therefore, it is necessary to set a large gap as compared with the normal piston method.
  • Patent Document 1 describes a suction valve using a material having a self-lubricating property having a slanted upper surface on the stepped portion of the cylinder and a low friction coefficient. It is described that a receiving member is provided and the suction valve receiving member and the suction valve are brought into contact with each other.
  • Patent Document 2 states that a spherical piston that reciprocates while sliding in a cylinder swings in a suction stroke and slides with the inner peripheral surface of the cylinder. It is described that a suction port for sucking fluid into the compression chamber from the piston rod side is formed by denting the piston spherical surface at the contact portion.
  • the reciprocating compressor is required to solve the two problems of noise reduction of the suction valve and reduction of the clearance volume of the swing piston method.
  • Patent Document 1 which is one of the former techniques for noise suppression of the suction valve plate and reduction of wear due to valve plate collision, a suction valve receiver having a low friction coefficient between the suction valve plate and the recess on the cylinder side that receives the suction valve plate.
  • a structure is shown in which a member is provided to reduce the wear of the valve plate and to mitigate the noise caused by the collision. Further, it is described that by adopting this structure, the suction valve receiver arranged at the position facing the suction valve plate can be eliminated, and the gap volume can be reduced by that amount.
  • Patent Document 2 in a swing piston type reciprocating compressor, the piston is made spherical and a recess is provided on a part of the side surface thereof without providing a suction valve on the valve plate, and the swing motion of the piston is used. A structure for sucking air from the inside of the crankcase without providing a suction valve plate is described.
  • Patent Document 2 is a fundamental measure against noise caused by opening and closing of the suction valve plate.
  • the recess provided in the spherical piston is a reciprocating motion that works in the direction of pressing the piston against the inner peripheral surface of the cylinder.
  • the pressure receiving area of the inertial force is reduced. This problem causes new problems such as seizure and wear due to poor lubrication when the piston slides.
  • Patent Document 2 when the structure of Patent Document 2 is applied to an oil-lubricated reciprocating compressor that operates by supplying lubricating oil to the contact surface between the piston and the cylinder, oil droplets are obtained when the oil is taken in from the recess on the side surface of the piston. There is a problem that it sucks in together. The oil droplets sucked into the upper surface of the piston are carbonized by the heat of compression and adhere to the periphery of the plate, which causes a problem that the sealing performance of the valve is impaired. Further, since the lubricating oil itself is discharged and lost together with the fluid, there arises a problem that the amount of oil consumed increases.
  • Patent Document 1 in which the suction valve is provided on the valve plate side has an advantage in the arrangement of the suction port.
  • Patent Document 2 since the gap volume remaining between the piston and the valve plate surface when the spherical swing piston reaches the top dead center can be reduced, the ceiling surface can be reduced. It adopts a structure in which the concave shape of the piston is close to the spherical shape of the piston.
  • the present invention provides a reciprocating compressor having a spherical swing piston, which can reduce the opening / closing collision noise of the suction valve and reduce the clearance volume.
  • the present invention includes a plurality of means for solving the above problems.
  • a compressor that compresses a fluid by reciprocating a piston in a cylinder
  • the piston moves in the cylinder.
  • the tip of the piston is a substantially flat surface
  • the side surface of the piston is a spherical surface having a diameter smaller than the inner diameter of the cylinder.
  • a ring-shaped member is fitted to the valve plate side that closes the end of the cylinder.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the structural example of the whole compressor in the Example of this invention. It is a figure which shows the structural example of the compressor main body in an Example. It is a figure which shows the structural example of the piston in an Example. It is a figure which shows the cross-sectional composition example of the piston in an Example. It is an enlarged sectional view of the upper surface of the cylinder in the case where the piston is at the top dead center in the compressor main body in an Example. It is an enlarged sectional view of the compressor main body in an Example, when the piston is at the top dead center, and is seen from the direction of a suction valve. It is a development view of the compressor main body in an Example. FIG.
  • FIG 3 is an enlarged cross-sectional view of the upper surface of the cylinder when the piston is at top dead center among the compressor main bodies in the other configurations of the embodiment. It is a figure which shows the other form of the ring-shaped member provided in the compressor main body in an Example.
  • the compressor of the present invention can be applied to various compressors that can adopt the swing piston method among compressors that compress various fluids such as air and refrigerant, and the types, models, and uses thereof are particularly limited. Not done.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a compressor in an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing the internal structure of the compressor main body 1 in FIG. 1.
  • the compressor 10 shown in FIG. 1 includes a compressor main body 1, an electric motor 2 for driving the compressor main body 1, and a tank 3 for storing the fluid discharged by the compressor main body 1.
  • the compressor body 1 compresses fluid, and its internal structure is as shown in FIG. 2, a crankcase 21, a cylinder 22 protruding vertically from the crankcase 21, and an end portion of the cylinder 22. It has a valve plate 26 that closes (upper end), a cylinder head 23, and a crankcase 21 that rotatably supports the crankshaft 24 in the center.
  • the crankshaft 24 in the crankcase 21 rotates to give a rotational force to one end side of the connecting rod 32, and the piston 33 installed in the cylinder 22 reciprocates in the vertical direction, resulting in the result.
  • the fluid is sucked and compressed from the outside of the cylinder 22 and discharged to the tank 3.
  • the compressor shape is a one-cylinder one-stage compressor having only one pair of pistons and cylinders, but a plurality of pistons in series or radially with respect to the crankshaft.
  • -It may be a compressor having a cylinder.
  • the crankshaft 24 is arranged and fixed on the tank 3 in a state of being arranged parallel to the rotation axis of the electric motor 2. Further, a compressor pulley 4 is fixed to the crankshaft 24, and a motor pulley 5 is fixed to the rotating shaft of the motor 2.
  • the compressor pulley 4 attached to the compressor main body 1 has blades, and the cooling air is generated toward the compressor main body 1 as the compressor rotates, thereby promoting heat dissipation of the compressor main body 1.
  • a transmission belt 6 for transmitting power between the compressor pulley 4 and the motor pulley 5 is wound around the compressor pulley 4 and the motor pulley 5.
  • the crankshaft 24 of the compressor main body 1 is rotationally driven via the electric motor pulley 5, the transmission belt 6, and the compressor pulley 4, and the compressor main body 1 compresses the fluid.
  • the compressor main body 1 is connected to the electric motor 2 via the transmission belt 6, but the crankshaft 24 of the compressor main body 1 and the rotation shaft of the electric motor 2 are cupped. By directly joining them using a coupling means such as a ring, the two may be integrated.
  • the piston 33 shown in FIG. 2 is a swing piston system in which the piston 33 is integrally configured with the connecting rod 32. In this method, as the crankshaft 24 rotates, the piston 33 reciprocates while swinging in the cylinder 22.
  • the piston 33 is provided at a position where the horizontal position of the center 33d of the tip thereof is shifted to the left and right with respect to the center of the rotating shaft 24a for rotating the piston 33.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of the piston
  • FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional configuration example of the piston.
  • the piston 33 shown in FIGS. 3 and 4 is a separate part from the connecting rod 32 that supports the piston 33, and has at least an outer peripheral surface 33a that contacts the inner peripheral side of the cylinder 22 and an upper surface 33c on the valve plate 26 side. It is made of a wear-resistant resin. In this embodiment, the piston 33 is made of a resin having excellent wear resistance except for the piston insert 41 described later.
  • the resin material having excellent wear resistance examples include those using polytetrafluoroethylene (Poly Terra Fluoro Ethylene, PTFE) as the main body of the piston 33. Further, when the coefficient of thermal expansion is taken into consideration, the resin material of the piston 33 includes polyphenylene sulfide (PPS) and the like.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • the outer peripheral surface 33a of the piston 33 is a spherical surface having a diameter smaller than the inner diameter of the cylinder 22. In particular, a slightly smaller diameter is desirable.
  • the upper surface 33c at the tip of the piston 33 is inclined with respect to the central axis 33f of the piston 33, and has a substantially flat shape excluding the portion of the recess 33e.
  • the substantially planar upper surface 33c is substantially parallel to the lower surface of the valve plate 26 when the piston 33 is located at top dead center. It should be noted that the term "abbreviation" here may be any level as long as it can be regarded as substantially flat or parallel from a macroscopic point of view, and does not have to be completely flat or parallel.
  • the piston ring 34 is used as a seal ring for sealing the compressed gas.
  • the piston ring 34 is fitted with a certain gap with respect to the ring (annular) groove 33b provided on the outer peripheral surface 33a of the piston 33. It can be configured without using the piston ring 34 and the ring groove 33b.
  • the piston 33 is molded with a piston insert 41 made of a metal such as an aluminum alloy embedded therein.
  • the piston insert 41 has a shape in which the edge portion 41a bites into the circumferential direction of the piston 33 so that the piston 33 does not come out even when the piston 33 is pulled up to the cylinder head 23 side by a reciprocating inertial force or a frictional force. It has become.
  • the piston insert 41 is fastened (fixed) to the connecting rod 32 from the crankcase 21 side in the direction orthogonal to the crankshaft 24 with screws 35.
  • the piston insert 41 as described above has a dish shape with the cylinder head 23 side at the bottom, and the seating surface of the connecting rod 32 also has a concave portion in the center of the dish shape of the piston insert 41.
  • a recess 32b is formed at the corresponding position.
  • the hollow portion 41b is formed between the lower surface of the piston insert 41 and the upper surface of the connecting rod 32, thereby reducing the weight.
  • FIG. 5 shows an enlarged view of the peripheral portion of the piston 33 when the piston 33 reaches the top dead center in the compressor 10 of FIG.
  • FIG. 6 shows a cross-sectional view of the compressor 10 in the same state in the crank axis direction.
  • annular groove 22b on the end surface of the cylinder 22 on the valve plate 26 side, and the ring-shaped member 51 is fitted in the annular groove 22b.
  • the ring-shaped member 51 is required to have dimensional accuracy to maintain a minute gap with the outer peripheral surface 33a of the piston while being constantly exposed to the heat of compression during the compression operation. Further, it is necessary to have strength and cushioning property to withstand repeated collisions with the suction valve plate 26a provided on the valve plate 26.
  • a material having heat resistance and a low coefficient of thermal expansion for example, a resin
  • a material such as engineering plastic having an excellent coefficient of thermal expansion and high temperature strength is particularly suitable.
  • phenol resin, polyphenylene sulfide (PPS) and the like are suitable. Since these resin materials can be injection molded, they are convenient for forming a ring-shaped member 51 having a complicated shape and difficult to machine.
  • the diameter of the inner peripheral 51a portion of the ring-shaped member 51 is smaller than the inner diameter of the cylinder 22 in part or in whole, and it is desirable that the diameter protrudes inward from the inner wall surface 22a of the cylinder.
  • the inner circumference 51a of the ring-shaped member 51 has a slight gap between the piston 33 and the outer peripheral surface 33a of the piston even when the piston 33 reaches the top dead center, so that problems such as wear due to contact do not occur. It is desirable that it is. Further, when the spherical piston 33 reaches the top dead center, the gap volume surrounded by the cylinder inner wall surface 22a, the valve plate 26, the piston outer peripheral surface 33a, and the upper surface 33c can be narrowed.
  • FIG. 7 is a developed view of the compressor main body.
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of the upper surface of the cylinder when the piston is at top dead center among the compressor main bodies in the other configurations of the embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing a short form of the ring-shaped member.
  • the ring-shaped member 51 has a concave portion 51b whose thickness in the expansion / contraction direction of the cylinder 22 is partially reduced on its circumference, and a convex portion 51c provided in the portion of the concave portion 51b.
  • the recess 51b is inclined toward the center side of the cylinder 22 so as to be interposed between the tip of the suction valve plate 26a and the cylinder 22.
  • the recess 51b of the ring-shaped member 51 is effective in alleviating noise generated by collision with the suction valve plate 26a provided on the valve plate 26, and its depth dimension h and its shape are important.
  • the depth of the recess 51b is such that the suction valve contacts the recess 51b only when the suction valve plate 26a is opened. All you have to do is determine the dimensions. Further, when the recess 51b is tilted toward the center side of the cylinder 22 as shown in FIG. 6, the impact when the suction valve plate 26a collides can be softened.
  • the convex portion 51c projects outward from the concave portion 51b in the radial direction, and has a role of increasing the area for receiving the suction valve plate 26a of the valve plate 26.
  • the shape is not particularly limited, and it is desirable that the depth dimension and shape are such that the suction valve plate 26a comes into contact with the convex portion 51c only when the suction valve plate 26a is opened.
  • the suction valve plate 26a needs to have an end thereof arranged outside the inner diameter of the cylinder 22 in the radial direction and having a length in contact with the ring-shaped member 51. As a result, it is possible to prevent the suction valve plate 26a from being supported only by the bolt on one side in FIG. 7 and having a cantilever structure that constantly vibrates, and vibration can be suppressed.
  • the suction valve plate 26a has only one valve plate, but as shown in FIG. 8, the suction valve plate 26a has a suction valve receiver 26b on the cylinder 22 side. can do.
  • the recess 51b of the ring-shaped member 51 is provided so as to be interposed between the suction valve receiver 26b provided on the valve plate 26 and the cylinder 22.
  • the recess 51b of the ring-shaped member may be in constant contact with the suction valve receiver 26b, or the suction valve may be in constant contact with the suction valve receiver 26b.
  • the plate 26a may be brought into contact only when it is opened.
  • the former configuration has an advantage that wear when the suction valve receiver 26b collides with the recess 51b of the ring-shaped member 51 can be prevented.
  • the shape of the ring-shaped member is not limited to the shape shown in FIGS. 5 to 8.
  • the ring-shaped member 51A shown in FIG. 9 is provided with only a concave portion 51b at a position where the suction valve plate 26a comes into contact with the valve plate 26a, and is not provided with a convex portion 51c. Even in such a shape, it is desirable that the recess 51b has a size and a shape that contacts the recess 51b only when the suction valve plate 26a is opened.
  • the shape may be such that only the convex portion 51c is provided, the concave portion 51b is not provided, and the suction valve plate 26a is in contact with the upper surface side of the ring-shaped member when the suction valve plate 26a is opened. can.
  • the piston 33 is a swing type that reciprocates while swinging in the cylinder 22.
  • the tip of 33 is a substantially flat surface
  • the outer peripheral surface 33a of the piston 33 is a spherical surface having a diameter smaller than the inner diameter of the cylinder 22.
  • the valve plate 26 side that closes the end of the cylinder 22.
  • the ring-shaped member 51 has a part of the inner diameter thereof and the entire inner diameter thereof smaller than the inner diameter of the cylinder 22, the gap volume can be reduced more effectively, and the compression efficiency is further improved. Can be planned.
  • the ring-shaped member 51 has a recess 51b in which the thickness of the cylinder 22 in the expansion / contraction direction is partially reduced, so that the gap between the valve plate 26 and the ring-shaped member 51 can be minimized, and the gap volume can be minimized. Can be reduced to the maximum, and the suction valve plate 26a can be received more effectively, so that noise can be reduced more effectively.
  • the suction valve plate 26a can be more effectively received when the suction valve plate 26a is opened and closed.
  • the ring-shaped member 51 has a convex portion 51c protruding outward in the radial direction, the area for receiving the suction valve plate 26a can be increased, so that the impact of the suction valve plate 26a can be further softened and noise can be reduced. Can be done. Further, by projecting outward in the radial direction, it is possible to avoid interfering with the piston 33.
  • the horizontal position of the center 33d of the tip of the piston 33 is provided at a position deviated from the rotation shaft 24a that rotates the piston 33, the inclination of the piston ring 34 in the compression process is suppressed, and the sealing performance is improved. It is possible to prevent deterioration.
  • the upper surface 33c is tilted with respect to the central axis 33f of the piston 33, and the upper surface 33c is substantially parallel to the valve plate 26 when the piston 33 is located at the top dead center, thereby minimizing the gap volume. It becomes possible to further improve the theoretical volumetric efficiency of the compressor main body 1.
  • the ring-shaped member 51 is made of a resin, particularly a phenol resin or polyphenylene sulfide, it is made of a material having excellent thermal expansion coefficient and high-temperature strength, and the ring-shaped member 51 is worn. The problem can be reduced.

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Abstract

圧縮機１０は、ピストン３３は、シリンダ２２内を揺動しながら往復動する揺動式であって、ピストン３３の先端は略平面であり、ピストン３３の外周面３３ａは、シリンダ２２の内径より小さい直径の球面となっており、シリンダ２２の端面のうち、シリンダ２２の端部を閉鎖するバルブプレート２６側にリング状部材５１が勘合されている。これにより、球形の揺動ピストンを有する往復動圧縮機において、吸込み弁の開閉衝突騒音を緩和し、かつ隙間容積を低減することが可能な圧縮機を提供する。

Description

圧縮機
　本発明は、圧縮機に関する。
　従来、流体を圧縮する往復動圧縮機においては、シリンダの片側端面に吸込み弁を有するバルブプレートを取付けた構造が知られている。この構造では、ピストンの下降中にシリンダ内圧が吸込み流体の圧力以下に低下すると、その圧力差で吸込み弁が開き、吸込み流体をシリンダ内部に取り込む動作を行う。
　つまり、ピストンの往復動一回ごとに吸込み弁が開閉を繰り返す。このため、吸込み弁板がその開き量（リフト量）を規制するための弁受部材に衝突することによる騒音が避けられない、との問題がある。この問題は、圧縮機が大容量化すればするほど深刻になる。
　また、往復動圧縮機では、一般にピストンが上死点に到達した状態において、ピストン上面とシリンダ端部のバルブプレート面との間に残る隙間の容積が小さいほど効率向上が期待できる。しかしながら、隙間が小さすぎると構成部品の熱膨張や加工ばらつきによって接触の危険性が生じるため、ある程度の隙間を設けざるを得ない、との問題がある。
　この隙間容積の問題は、コンロッドの小端部に軸受けを持たない、ピストン自体が揺動する揺動ピストン方式の往復動圧縮機において特にシビアになる。
　揺動ピストン方式では、ピストンヘッドをシリンダ内径と同程度の円柱とするよりは、直径がシリンダ内径と同程度の球形のヘッドとした方が摺動部材の無駄な摩耗が抑えられる。
　しかしながら、上面をシリンダ内面に沿って平坦な形状とし、側面を球形のピストンヘッドとしてしまうと、上面はシリンダ直径よりも小さい円状となっているため、上死点におけるピストンの位置よりもその前後においてピストン上面の左右端部が上側に飛び出す特徴を持つ。このため、通常ピストン方式と比べて大きな隙間設定が必要になる。
　吸込み弁の磨耗低減による吸込み弁の寿命延長を図る圧縮機の一例として、特許文献１には、シリンダの段部に上面が傾斜し、摩擦係数の低い自己潤滑性を有する材料を用いた吸込み弁受け部材を設け、吸込み弁受け部材と吸込み弁とを当接させることが記載されている。
　また、安価でしかも信頼性の高い往復動圧縮機の一例として、特許文献２には、シリンダ内を摺動しつつ往復する球体状のピストンが吸込行程において揺動して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ピストンロッド側から圧縮室内に流体を吸い込むための吸込口を形成したことが記載されている。
特開２００５－２９１０２１号公報 特開昭６２－２５３９７１号公報
　上述のように、往復動圧縮機では、吸込み弁の騒音緩和と、揺動ピストン方式の隙間容積低減という２つの課題を解決することが求められている。
　前者の吸込み弁板の騒音対策や弁板衝突にともなう摩耗を低減する技術の一つである特許文献１では、吸込み弁板とそれを受けるシリンダ側の凹部の間に摩擦係数の低い吸込み弁受部材を設け、弁板の摩耗を低減するとともに、衝突にともなう騒音を和らげる構造が示されている。また、この構造を採用することで従来の吸込み弁板と対向する位置に配していた吸込み弁受を廃止できるため、その分だけ隙間容積を低減することが可能と記載されている。
　しかしながら、このような構造を揺動ピストンに適用しようとすると、低減できる隙間容積は吸込み弁受によって占有されていた空間分に限定されるため、その低減効果は十分でない、との課題が残る。
　次に特許文献２では、揺動ピストン方式の往復動圧縮機において、バルブプレートに吸込み弁を設けずに、ピストンを球形として、その側面の一部に窪みを設け、ピストンの揺動運動を利用して吸込み弁板を設けずにクランクケース内部から吸気を行う構造について記載されている。
　この特許文献２の構造は、吸込み弁板の開閉にともなう騒音に対する根本的な対策となるが、この構造において球形のピストンに設けた窪みは、ピストンをシリンダ内周面に押し付ける方向に働く往復動慣性力の受圧面積を減らしてしまう、との問題がある。この問題によって、ピストン摺動時の潤滑不良による焼き付きや、摩耗等の問題が新たに生じる。
　また、ピストンとシリンダの接触面に潤滑油を供給し運転を行う油潤滑式の往復動圧縮機に特許文献２の構造を適用しようとすると、ピストン側面の窪みから吸気を行う際に、油滴を一緒に吸い込んでしまう、との問題がある。ピストン上面に吸い込まれた油滴は、圧縮熱によって炭化し、板周辺に付着することで弁のシール性能を損なうという問題を生じる。さらに、潤滑油自体が吐出して流体と共に失われるため、油の消費量が増加してしまう、という問題を生じる。
　こういった観点において考えると、吸込み口の配置としては、バルブプレート側に吸込み弁を設けた特許文献１の構造にメリットがあると言える。
　しかし前述の隙間容積低減に関して考えると、特許文献２では、球形の揺動ピストンが上死点に到達した状態においてピストンとバルブプレート面との間に残ってしまう隙間容積を低減できるため、天井面の凹形状をピストンの球形状に近付けた構造を採用している。
　上記２つの技術から、揺動ピストン方式の往復動圧縮機では、特許文献２のバルブプレート形状に対して、特許文献１の吸込み弁構造を適用することができれば、騒音緩和と効率改善を両立可能であると考えられる。
　しかし、特許文献２のようにバルブプレート側を凹形状とした場合、特許文献１のようにバルブプレートのピストン側の面に吸込み弁を設けることは困難である。これは、一般的に吸込み弁板が閉弁時に接触するバルブプレートの表面にはシール性を目的として研磨加工が施されるが、バルブプレート外周面を突出させると、一般的な平面ラップ盤などでは内周側の研磨が不可能であるためである。
　これらの事情から、異なる手法で上記２つの課題を解決する必要がある。
　本発明は、球形の揺動ピストンを有する往復動圧縮機において、吸込み弁の開閉衝突騒音を緩和し、かつ隙間容積を低減することが可能な圧縮機を提供する。
　本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、シリンダ内をピストンが往復動することで流体を圧縮する圧縮機において、前記ピストンは、前記シリンダ内を揺動しながら往復動する揺動式であって、前記ピストンの先端は略平面であり、前記ピストンの側面は、前記シリンダの内径より小さい直径の球面となっており、前記シリンダの端面のうち、前記シリンダの端部を閉鎖するバルブプレート側にリング状部材が勘合されていることを特徴とする。
　本発明によれば、吸込み弁の開閉衝突騒音を緩和し、かつ隙間容積を低減することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
本発明の実施例における圧縮機全体の構成例を示す図である。 実施例における圧縮機本体の構成例を示す図である。 実施例におけるピストンの構成例を示す図である。 実施例におけるピストンの断面構成例を示す図である。 実施例における圧縮機本体のうち、ピストンが上死点にある場合のシリンダ上面の拡大断面図である。 実施例における圧縮機本体のうち、ピストンが上死点にある場合に吸込み弁方向から見たときの拡大断面図である。 実施例における圧縮機本体の展開図である。 実施例の他の構成における圧縮機本体のうち、ピストンが上死点にある場合のシリンダ上面の拡大断面図である。 実施例における圧縮機本体に設けられているリング状部材の他の形態を示す図である。
　本発明の圧縮機の実施例について図１乃至図９を用いて説明する。
　まず、本発明の圧縮機は空気や冷媒などの各種流体を圧縮する圧縮機のうち、揺動ピストン方式を採用しうる様々な圧縮機に適用可能であり、その種類や型式、用途は特に限定されない。
　なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一、または類似の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。
　以下、本実施例の圧縮機の全体構成について図１および図２を用いて説明する。図１は、実施例における圧縮機の概略図である。また、図２は、図１における圧縮機本体１の内部構造を示す図である。
　図１に示す圧縮機１０は、圧縮機本体１と、その圧縮機本体１を駆動する電動機２と、圧縮機本体１が吐出す流体を貯留するためのタンク３と、を備えている。
　圧縮機本体１は流体を圧縮するものであり、その内部構造は図２に示すように、クランクケース２１と、クランクケース２１から鉛直方向に突出するひとつのシリンダ２２と、このシリンダ２２の端部（上部の端部）を閉鎖するバルブプレート２６と、シリンダヘッド２３と、クランクシャフト２４を回転可能に、中央において支持するクランクケース２１と、を有している。
　圧縮機本体１では、クランクケース２１内のクランクシャフト２４が回転することでコンロッド３２の一端部側に回転力を与え、シリンダ２２内に設置されたピストン３３が鉛直方向に往復動し、その結果としてシリンダ２２外部から流体を吸引，圧縮してタンク３へ吐出する。
　なお、図１および図２では説明の簡略化のため、圧縮機形状はピストン・シリンダを１対しか持たない１気筒１段圧縮機としているが、クランクシャフトに対して直列あるいは放射状に複数のピストン・シリンダを有する圧縮機であってもよい。
　圧縮機本体１では、クランクシャフト２４が電動機２の回転軸と平行に配置された状態でタンク３上に配置して固定されている。また、クランクシャフト２４には圧縮機プーリ４が固定されており、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。圧縮機本体１に付設された圧縮機プーリ４は羽根を有しており、その回転に伴い冷却風を圧縮機本体１に向けて発生させることで、圧縮機本体１の放熱を促す。
　圧縮機プーリ４および電動機プーリ５には、圧縮機プーリ４および電動機プーリ５の間で動力伝達するための伝動ベルト６が巻回されている。これにより、電動機２の回転に従って、電動機プーリ５、伝動ベルト６および圧縮機プーリ４を介して圧縮機本体１のクランクシャフト２４が回転駆動され、圧縮機本体１が流体を圧縮する。
　なお、図１では説明の簡略化のため、圧縮機本体１は電動機２と伝動ベルト６を介して接続された構成としているが、圧縮機本体１のクランクシャフト２４と電動機２の回転軸をカップリングなどの結合手段を用いて直接に接合することで、両者を一体化した構成であってもよい。
　次に、ピストンの周辺構造について図２を用いて説明する。図２に示すピストン３３は、ピストン３３がコンロッド３２と一体で構成された揺動ピストン方式である。この方式では、クランクシャフト２４の回転に伴い、ピストン３３がシリンダ２２内を揺動しながら往復動する。
　また、ピストン３３は、その先端の中心３３ｄの水平方向位置が、ピストン３３を回転させる回転軸２４ａの中心に対して左右にずれた位置に設けられている。
　次いで、ピストン３３とコンロッド３２との詳細構造について図３および図４を用いて説明する。図３はピストンの構成例を示す図、図４はピストンの断面構成例を示す図である。
　図３および図４に示しているピストン３３は、ピストン３３を支持するコンロッド３２と別部品であり、少なくとも、シリンダ２２の内周側に接触する外周面３３ａ、およびバルブプレート２６側の上面３３ｃが耐摩耗性を有する樹脂によって構成されている。本実施例では、ピストン３３は、後述するピストンインサート４１を除いて耐摩耗性に優れる樹脂により構成されている。
　耐摩耗性に優れる樹脂材料としては、例えばピストン３３の主体にポリテトラフルオロエチレン（Ｐｏｌｙ　Ｔｅｔｒａ　Ｆｌｕｏｒｏ　Ｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＴＦＥ）を使用したものが挙げられる。更に、熱膨張率を考慮した場合は、ピストン３３の樹脂材としては、ポリフェニレンサルファイド（Ｐｏｌｙ　Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　Ｓｕｌｆｉｄｅ、ＰＰＳ）等が挙げられる。
　また、ピストン３３の外周面３３ａは、シリンダ２２の内径より小さい直径を持つ球面となっている。特には、わずかに小さい直径であることが望ましい。
　更に、ピストン３３の先端の上面３３ｃは、ピストン３３の中心軸３３ｆに対して傾いており、凹部３３ｅの部分を除いて平面となっている略平面状をしている。略平面状の上面３３ｃは、ピストン３３が上死点に位置するときにバルブプレート２６の下面に対して略平行になる。なお、ここでいう「略」とは、巨視的に見て実質的に平板状、あるいは平行であるとみなせる水準であればよく、完全に平板状、あるいは平行である必要はない。
　このようなピストン３３では、圧縮ガスをシールするシールリングとしてピストンリング３４が用いられている。この、ピストンリング３４は、ピストン３３の外周面３３ａに設けられたリング（環状）溝３３ｂに対してある隙間をもって嵌合されている。なお、ピストンリング３４およびリング溝３３ｂを用いずに構成することができる。
　また、図４に示すように、ピストン３３はその内部に、アルミニウム合金などの金属からなるピストンインサート４１が埋め込まれた状態で成型されている。このピストンインサート４１は、ピストン３３が往復動慣性力や摩擦力によってシリンダヘッド２３側に引き上げ荷重を受けた場合でも抜け出すことがないよう、その縁部４１ａがピストン３３の周方向に食い込んだ形状となっている。
　このピストンインサート４１は、コンロッド３２に対してクランクケース２１側からクランクシャフト２４と直交する方向にネジ３５で締結（固定）されている。
　上述のようなピストンインサート４１は、図４に示すように、シリンダヘッド２３側を底にした皿型をしているとともに、コンロッド３２の座面も、ピストンインサート４１の皿型の中央の凹部に対応する位置に凹部３２ｂが形成されている。この構造により、ピストンインサート４１の下面とコンロッド３２の上面との間に、中空部４１ｂが形成されることにより軽量化が図られている。
　次いで、シリンダ２２の端面構造について図５および図６を用いて説明する。図５は図２の圧縮機１０においてピストン３３が上死点に到達したときのピストン３３の周辺部の拡大図を示している。図６は同じ状態の圧縮機１０のクランク軸方向の断面図を示している。
　図５に示すように、シリンダ２２のバルブプレート２６側の端面には環状溝２２ｂがあり、その環状溝２２ｂにリング状部材５１がはめ込まれている。
　このリング状部材５１は、圧縮運転中に常に圧縮熱にさらされながら、ピストン外周面３３ａとの微小な隙間を維持する寸法精度が求められる。また、バルブプレート２６に設けられた吸込み弁板２６ａとの繰り返し衝突に耐える強度とクッション性も必要となる。
　このため、耐熱性を有し、かつ熱膨張率の小さい材料、例えば樹脂で構成されることが望ましく、特には熱膨張率および高温強度に優れたエンジニアリングプラスチックなどの材質が適する。一例をあげると、フェノール樹脂やポリフェニレンサルファイド（Ｐｏｌｙ　Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　Ｓｕｌｆｉｄｅ；ＰＰＳ）などが適する。これらの樹脂材料は射出成型が可能であるために、形状が複雑であり機械加工が困難なリング状部材５１を構成するうえでも都合がよい。
　リング状部材５１の内周５１ａ部分の径は、その一部、あるいは全体がシリンダ２２の内径よりも小さいことが望ましく、シリンダ内壁面２２ａより内側に突出していることが望ましい。
　さらにこのリング状部材５１の内周５１ａは、ピストン３３が上死点に到達した状態でも、ピストン外周面３３ａとの間に若干の隙間を有し、接触による摩耗等の不具合を生じないようになっていることが望ましい。かつ、球形のピストン３３が上死点に到達した際に、シリンダ内壁面２２ａ、バルブプレート２６、ピストン外周面３３ａ、および上面３３ｃによって囲まれる隙間容積を狭められるようになっている。
　次いでこのリング状部材５１の詳細形状について、図６乃至図９の展開図を用いて説明する。図７は圧縮機本体の展開図である。図８は実施例の他の構成における圧縮機本体のうち、ピストンが上死点にある場合のシリンダ上面の拡大断面図である。図９は、リング状部材の短形態を示す図である。
　図６に示すように、リング状部材５１はその周上にシリンダ２２の伸縮する方向の厚さが一部薄くなる凹部５１ｂと、その凹部５１ｂの部分に設けられている凸部５１ｃと、を有している。
　このうち、凹部５１ｂは、シリンダ２２の中心側に向けて傾斜しており、吸込み弁板２６ａの先端と、シリンダ２２との間に介在するようになっている。リング状部材５１の凹部５１ｂは、バルブプレート２６に設けられた吸込み弁板２６ａとの衝突によって生じる騒音を緩和することに有効であり、その深さ寸法ｈ、およびその形状が重要である。
　例えば、図６に示すように吸込み弁がバルブプレート２６に設けられた吸込み弁板２６ａのみで構成される場合は、吸込み弁板２６ａが開いた時のみ凹部５１ｂに接触するよう凹部５１ｂの深さ寸法を決定すればよい。更に、図６に示すように凹部５１ｂをシリンダ２２の中心側に向けて傾斜させると、吸込み弁板２６ａが衝突する際の衝撃を和らげることができる。
　凸部５１ｃは、凹部５１ｂからリング状部材５１の径方向の外側へ突出しており、バルブプレート２６の吸込み弁板２６ａを受ける面積を大きくする役割を有している。その形状については特に限定されず、吸込み弁板２６ａが開いた時のみ凸部５１ｃに接触するような深さ寸法や形状とすることが望ましい。
　ここで、吸込み弁板２６ａは、その端がシリンダ２２の内径よりもシリンダ２２の径方向の外側に配置され、リング状部材５１に接触する長さである必要がある。これにより、吸込み弁板２６ａが図７における一方側のボルトだけで支えられ、常に振動するような片持ち構造となることを防止することができ、振動を抑制することができる。
　なお、図６などで示した形態では吸込み弁板２６ａを弁板が一枚のみの構成としているが、図８に示すように吸込み弁板２６ａのシリンダ２２側に吸込み弁受２６ｂを有する構成とすることができる。
　図８に示す形態の場合、リング状部材５１の凹部５１ｂは、バルブプレート２６に設けられた吸込み弁受２６ｂとシリンダ２２との間に介在するように設ける。
　また、図８に示すように吸込み弁が吸込み弁板２６ａと吸込み弁受２６ｂで構成される場合、リング状部材の凹部５１ｂは、吸込み弁受２６ｂと常時接触していてもよいし、吸込み弁板２６ａが開いたときのみ接触するようにしてもよい。ただし、前者の構成の方が吸込み弁受２６ｂがリング状部材５１の凹部５１ｂに衝突する際の摩耗を防止できるというメリットがある。
　なお、リング状部材の形状は、図５乃至図８に示した形状に限られない。例えば、図９に示すリング状部材５１Ａは、吸込み弁板２６ａが開いたときに接触する位置に凹部５１ｂのみが設けられており、凸部５１ｃが設けられていないものである。このような形状においても、凹部５１ｂは、吸込み弁板２６ａが開いたときのみ凹部５１ｂに接触する寸法、形状とすることが望ましい。
　また、図示は省略するが、凸部５１ｃのみが設けられており、凹部５１ｂが設けられておらず、吸込み弁板２６ａが開いたときにリング状部材の上面側で接触する形状とすることができる。このような形状では、吸込み弁板２６ａが開いたときのみリング状部材の上面側に接触するように、リング状部材の形状、寸法を決定することが望ましい。
　次に、本実施例の効果について説明する。
　上述した本実施例のシリンダ２２内をピストン３３が往復動することで流体を圧縮する圧縮機１０は、ピストン３３は、シリンダ２２内を揺動しながら往復動する揺動式であって、ピストン３３の先端は略平面であり、ピストン３３の外周面３３ａは、シリンダ２２の内径より小さい直径の球面となっており、シリンダ２２の端面のうち、シリンダ２２の端部を閉鎖するバルブプレート２６側にリング状部材５１が勘合されていることにより、上死点における球状のピストン３３とシリンダ２２との隙間を埋めて体積効率を向上させることができる。また、リング状部材５１の一部で吸込み弁板２６ａの弁受を兼ねることができるため、吸込み弁板２６ａの開閉にともなう衝突騒音を緩和することができる。
　また、リング状部材５１は、その内径の一部、更にはその内径の全体がシリンダ２２の内径よりも小さいため、より効果的に隙間容積を低減することができ、圧縮効率の更なる向上を図ることができる。
　更に、リング状部材５１は、シリンダ２２の伸縮する方向の厚さが一部薄くなる凹部５１ｂを有することで、バルブプレート２６とリング状部材５１との間の隙間を最小限にでき、隙間容積を最大限に減らせるとともに、吸込み弁板２６ａをより効果的に受け止めることができ、騒音の低減をより効果的に図ることができる。
　また、凹部５１ｂは、シリンダ２２の中心側に向けて傾斜していることにより、吸込み弁板２６ａの開閉の際に吸込み弁板２６ａを更に効果的に受け止めることができる。
　更に、リング状部材５１は、径方向の外側に突出している凸部５１ｃを有することで、吸込み弁板２６ａを受ける面積が大きくできるので更に吸込み弁板２６ａの衝撃を和らげ、騒音を軽減することができる。また、径方向の外側に突出していることで、ピストン３３と干渉することを避けることができる。
　また、ピストン３３の先端の中心３３ｄの水平方向位置が、ピストン３３を回転させる回転軸２４ａからずれた位置に設けられていることで、圧縮工程におけるピストンリング３４の傾きを抑制し、シール性能の悪化を防止することが可能となる。
　更に、上面３３ｃは、ピストン３３の中心軸３３ｆに対して傾いており、ピストン３３が上死点に位置するときに上面３３ｃがバルブプレート２６に対して略平行になることで、隙間容積を最小化することが可能となり、圧縮機本体１の理論体積効率を更に向上させることが可能となる。
　また、リング状部材５１は、樹脂、特にはフェノール樹脂あるいはポリフェニレンサルファイドで構成されていることにより、熱膨張率および高温強度に優れた材料により構成されることになり、リング状部材５１の摩耗などの問題を低減することができる。
　＜その他＞　
　なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。
１…圧縮機本体
２…電動機
３…タンク
４…圧縮機プーリ
５…電動機プーリ
６…伝動ベルト
１０…圧縮機
２１…クランクケース
２２…シリンダ
２２ａ…シリンダ内壁面
２２ｂ…環状溝
２３…シリンダヘッド
２４…クランクシャフト
２４ａ…回転軸
２６…バルブプレート
２６ａ…吸込み弁板
２６ｂ…吸込み弁受
３２…コンロッド
３２ｂ…凹部
３３…ピストン
３３ａ…ピストン外周面（側面）
３３ｂ…リング溝
３３ｃ…上面
３３ｄ…中心
３３ｅ…凹部
３３ｆ…中心軸
３４…ピストンリング
３５…ネジ
４１…ピストンインサート
４１ａ…縁部
４１ｂ…中空部
５１，５１Ａ…リング状部材
５１ａ…内周
５１ｂ…凹部
５１ｃ…凸部

Claims (10)

  1. 　シリンダ内をピストンが往復動することで流体を圧縮する圧縮機において、
    　前記ピストンは、前記シリンダ内を揺動しながら往復動する揺動式であって、
    　前記ピストンの先端は略平面であり、
    　前記ピストンの側面は、前記シリンダの内径より小さい直径の球面となっており、
    　前記シリンダの端面のうち、前記シリンダの端部を閉鎖するバルブプレート側にリング状部材が勘合されている
    　圧縮機。
  2. 　請求項１に記載の圧縮機において、
    　前記リング状部材は、その内径の一部が前記シリンダの内径よりも小さい
    　圧縮機。
  3. 　請求項２に記載の圧縮機において、
    　前記リング状部材は、その内径の全体が前記シリンダの内径よりも小さい
    　圧縮機。
  4. 　請求項１に記載の圧縮機において、
    　前記リング状部材は、前記シリンダの伸縮する方向の厚さが一部薄くなる凹部を有する
    　圧縮機。
  5. 　請求項４に記載の圧縮機において、
    　前記凹部は、前記シリンダの中心側に向けて傾斜している
    　圧縮機。
  6. 　請求項１に記載の圧縮機において、
    　前記リング状部材は、径方向の外側に突出している凸部を有する
    　圧縮機。
  7. 　請求項１に記載の圧縮機において、
    　前記ピストンの先端の中心の水平方向位置が、前記ピストンを回転させる回転軸からずれた位置に設けられている
    　圧縮機。
  8. 　請求項１に記載の圧縮機において、
    　前記ピストンの先端の平面は、前記ピストンの中心軸に対して傾いており、
    　前記ピストンが上死点に位置するときに前記平面が前記バルブプレートに対して略平行になる
    　圧縮機。
  9. 　請求項１に記載の圧縮機において、
    　前記リング状部材は、樹脂で構成されている
    　圧縮機。
  10. 　請求項９に記載の圧縮機において、
    　前記リング状部材は、フェノール樹脂あるいはポリフェニレンサルファイドで構成されている
    　圧縮機。
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