特許 5723943 往復動圧縮機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5723943

(24)【登録日】2015年4月3日

(45)【発行日】2015年5月27日

(54)【発明の名称】往復動圧縮機

(51)【国際特許分類】

   F04B 39/00 20060101AFI20150507BHJP

【ＦＩ】

   F04B39/00 107B

   F04B39/00 107A

   F04B39/00 107J

   F04B39/00 104D

【請求項の数】16

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-194813(P2013-194813)

(22)【出願日】2013年9月20日

(62)【分割の表示】特願2010-92732(P2010-92732)の分割

【原出願日】2010年4月14日

(65)【公開番号】特開2014-29155(P2014-29155A)

(43)【公開日】2014年2月13日

【審査請求日】2013年9月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】100100310

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 学

(74)【代理人】

【識別番号】100098660

【弁理士】

【氏名又は名称】戸田 裕二

(72)【発明者】

【氏名】小林 永敏

(72)【発明者】

【氏名】大畠 瑛人

(72)【発明者】

【氏名】坂本 晋

(72)【発明者】

【氏名】田代 耕一

【審査官】 所村 陽一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０１２６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１５２９６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０１−０７７１６７（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｂ ３９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

低圧側ピストンと低圧側シリンダとを有し、前記低圧側ピストンが前記低圧側シリンダ内で揺動しつつ往復動することで空気を圧縮する低圧側圧縮部と、
高圧側ピストンと高圧側シリンダとを有し、前記高圧側ピストンが前記高圧側シリンダ内で揺動しつつ往復動することで前記低圧側圧縮部で圧縮された空気をさらに圧縮する高圧側圧縮部と、
前記低圧側圧縮部及び前記高圧側圧縮部を駆動するモータとを備える往復動圧縮機であって、
前記低圧側ピストンの径を前記高圧側ピストンの径の２倍以下にし、前記低圧側圧縮部と前記高圧側圧縮部との圧力比を４倍以上にして、前記低圧側ピストンの揺動時における最大傾斜角よりも前記高圧側ピストンの揺動時における最大傾斜角が大きくならないことを特徴とする往復動圧縮機。

【請求項2】

前記低圧側ピストンの揺動時に前記低圧側ピストンと前記低圧側シリンダとの間に生じる最大隙間よりも前記高圧側ピストンの揺動時に前記高圧側ピストンと前記高圧側シリンダとの間に生じる最大隙間が大きくならないことを特徴とする請求項１に記載の往復動圧縮機。

【請求項3】

前記低圧側ピストン及び前記高圧側ピストンは、それぞれ前記モータの回転軸に連結され、回転運動を行うエキセントリックとシリンダ内において空気を圧縮するピストン本体と前記エキセントリックと前記ピストン本体を接続する連接棒とを備え、前記ピストン本体が前記連接棒に固定されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の往復動圧縮機。

【請求項4】

前記エキセントリックの回転運動に伴い、前記ピストン本体が揺動運動をすることを特徴とする請求項３に記載の往復動圧縮機。

【請求項5】

前記低圧側ピストンのボア径よりも前記高圧側ピストンのボア径を大きくしないことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の往復動圧縮機。

【請求項6】

前記エキセントリックの中心から前記低圧側ピストンの先端までの長さと前記エキセントリックの中心から前記高圧側ピストンの先端までの長さをほぼ等しくすることを特徴とする請求項３に記載の往復動圧縮機。

【請求項7】

前記低圧側ピストンの前記低圧側シリンダ内において空気を圧縮するピストン本体にリップリングを設け、前記高圧側ピストンの前記ピストン本体にピストンリングを設けることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の往復動圧縮機。

【請求項8】

前記低圧側ピストンの前記低圧側シリンダ内において空気を圧縮するピストン本体にピストンリングを設け、前記高圧側ピストンの前記ピストン本体にピストンリングを設けることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の往復動圧縮機。

【請求項9】

回転軸を有するモータと、
低圧側シリンダと低圧側ピストンとを備え、空気を圧縮する低圧側圧縮部と、
高圧側シリンダと高圧側ピストンとを備え、前記低圧側圧縮部で圧縮された空気をさらに圧縮する高圧側圧縮部とを備える往復同圧縮機であって、
前記低圧側ピストン及び前記高圧側ピストンはそれぞれ前記モータの回転軸の回転に伴い偏心運動を行うエキセントリックと、前記エキセントリックから延びた連接棒と、前記連接棒の先端に設けられたピストン本体とを備え、
前記低圧側ピストンの径を前記高圧側ピストンの径の２倍以下にし、前記低圧側圧縮部と前記高圧側圧縮部との圧力比を４倍以上にし、
前記低圧側ピストンの前記エキセントリックの前記モータの回転軸に対する偏心量をｒ１、前記高圧側ピストンの前記エキセントリックの前記モータの回転軸に対する偏心量をｒ２としたときに、ｒ１＞ｒ２となるように前記低圧側ピストン及び前記高圧側ピストンを形成することを特徴とする往復動圧縮機。

【請求項10】

前記低圧側ピストンの揺動時に前記低圧側ピストンと前記低圧側シリンダとの間に生じる最大隙間よりも前記高圧側ピストンの揺動時に前記高圧側ピストンと前記高圧側シリンダとの間に生じる最大隙間を小さくすることを特徴とする請求項９に記載の往復動圧縮機。

【請求項11】

前記低圧側ピストン及び前記高圧側ピストンは、それぞれ前記ピストン本体が前記連接棒に固定されていることを特徴とする請求項９または１０のいずれかに記載の往復動圧縮機。

【請求項12】

前記エキセントリックの偏心運動に伴い、前記ピストン本体が前記高圧側シリンダ及び前記低圧側シリンダ内を揺動しながら往復動することを特徴とする請求項９に記載の往復動圧縮機。

【請求項13】

前記低圧側ピストンのボア径よりも前記高圧側ピストンのボア径を小さくすることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれかに記載の往復動圧縮機。

【請求項14】

前記低圧側ピストンの前記エキセントリックの中心から前記低圧側ピストンのピストン本体の先端までの長さをｌ１、前記高圧側ピストンの前記エキセントリックの中心から前記高圧側ピストンのピストン本体の先端までの長さをｌ２としたときにｒ１/ｌ１＞ｒ２/ｌ２となるように前記低圧側ピストン及び前記高圧側ピストンを形成することを特徴とする請求項９に記載の往復動圧縮機。

【請求項15】

前記低圧側ピストンの前記ピストン本体にリップリングを装着し、前記高圧側ピストンの前記ピストン本体にピストンリングを装着することを特徴とする請求項９乃至１４のいずれかに記載の往復動圧縮機。

【請求項16】

前記低圧側ピストンの前記ピストン本体にピストンリングを装着し、前記高圧側ピストンの前記ピストン本体にピストンリングを装着することを特徴とする請求項９乃至１４のいずれかに記載の往復動圧縮機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はピストンがシリンダ内で揺動する往復動圧縮機に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１の揺動型圧縮機は、低圧側圧縮部で圧縮した空気を高圧側圧縮部で圧縮する二段式の往復動圧縮機において、ピストンがシリンダ内を揺動しつつ往復動することにより低圧側圧縮部及び高圧側圧縮部で空気を圧縮していた。

【0003】

また、特許文献２の二段式圧縮機は、低圧側圧縮部で圧縮した空気を高圧側圧縮部で圧縮する二段式の往復動圧縮機において、低圧側圧縮部では、コネクティングロッドに対してピストン本体が固定されたピストンを用いることにより、シリンダ内でピストンが揺動（傾斜）しつつ往復動するように形成し、高圧側圧縮部では、コネクティングロッド先端に対してピストン本体が揺動するピストンを用いることにより、シリンダ内でピストンの先端が傾斜せずに往復動するように形成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７−３２５３２

【特許文献2】特開平１１−６２８２２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の揺動型圧縮機は、低圧側または高圧側のシリンダ内でピストンが傾斜する角度を考慮せずにピストンを形成していたため、ピストンのシール性・寿命の向上を図ることができなかった。

【0006】

また、特許文献２にの二段式圧縮機は、高圧側圧縮部においてコネクティングロッド先端に対してピストン本体が揺動するピストンを用いているため、ピストンの軸方向の長さが大きくなり、ピストンのコンパクト化を図ることが困難であった。

【0007】

本発明は、上記問題に鑑みて、シリンダ内でピストンが傾斜する角度を考慮して低圧側圧縮部及び高圧側圧縮部のピストンを形成することにより、コンパクトかつシール性の高いピストンを備えた往復動圧縮機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上述した課題を解決するために本発明における往復動圧縮機は、低圧側ピストンと低圧側シリンダとを有し、前記低圧側ピストンが前記低圧側シリンダ内で揺動しつつ往復動することで空気を圧縮する低圧側圧縮部と、高圧側ピストンと高圧側シリンダとを有し、前記高圧側ピストンが前記高圧側シリンダ内で揺動しつつ往復動することで前記低圧側圧縮部で圧縮された空気をさらに圧縮する高圧側圧縮部と、前記低圧側圧縮部及び前記低圧側圧縮部を駆動するモータとを備える往復動圧縮機であって、前記低圧側ピストンの径を前記高圧側ピストンの径の２倍以下にし、前記低圧側圧縮部と前記高圧側圧縮部との圧力比を４倍以上にして、前記低圧側ピストンの揺動時における最大傾斜角よりも前記高圧側ピストンの揺動時における最大傾斜角が大きくならないことを特徴とする往復動圧縮機を特徴とするものである。

【0009】

また、本発明の他の観点における往復動圧縮機は、回転軸を有するモータと、低圧側シリンダと低圧側ピストンとを備え、空気を圧縮する低圧側圧縮部と、高圧側シリンダと高圧側ピストンとを備え、前記低圧側圧縮部で圧縮された空気をさらに圧縮する高圧側圧縮部とを備える往復同圧縮機であって、前記低圧側ピストン及び前記高圧側ピストンはそれぞれ前記モータの回転軸の回転に伴い偏心運動を行うエキセントリックと、前記エキセントリックから延びた連接棒と、前記連接棒の先端に設けられたピストン本体とを備え、前記低圧側ピストンの径を前記高圧側ピストンの径の２倍以下にし、前記低圧側圧縮部と前記高圧側圧縮部との圧力比を４倍以上にし、前記低圧側ピストンの前記エキセントリックの前記モータの回転軸に対する偏心量をｒ１、前記高圧側ピストンの前記エキセントリックの前記モータの回転軸に対する偏心量をｒ２としたときに、ｒ１＞ｒ２となるように前記低圧側ピストン及び前記高圧側ピストンを形成することを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、コンパクトかつシール性の高いピストンを備えた二段式の往復動圧縮機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施例における圧縮機の低圧側圧縮部と高圧側圧縮部を示した図である。

【図2】本発明の実施例における高圧側圧縮部を拡大した図である。

【図3】本発明の実施例における往復動圧縮機全体を示した図である。

【図4】本発明に実施例におけるピストンの揺動運動を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の実施例について図１から図４を参照しつつ説明する。

【0013】

本発明の実施例における圧縮機を図１を参照しつつ説明する。本実施例における圧縮機はクランクケース１を有しており、クランクケース１には、シャフト（回転軸）２を有したモータ３が取り付けられている。モータ３のシャフト２には、それぞれ回転運動を往復運動へ変換するエキセントリック７、エキセントリック１３を介して、連接棒４Ａとピストン本体５を備える低圧側のピストン４と、連接棒８Ａとピストン本体１１を備える高圧側のピストン８とが取り付けられている。低圧側のピストン本体５はリテーナ５Ａより構成され、高圧側のピストン本体１１はベース１１Ａとトップ１２Ａより構成される。

【0014】

低圧側のピストン本体５には、リップリング６が設けられている。高圧側のピストン本体１１には、リップリング９およびピストンリング１０が設けられている。

【0015】

リップリング６は、シリンダ１４との接触面積を増やすためにスカート部（リップ部）が設けられており、スカート部が低圧側の圧縮室を向いた方向に装着されている。これによりピストン４とシリンダ１４とのシール性を確保することができる。

【0016】

次に図２に示す高圧側圧縮部の拡大図を参照しつつ説明する。リップリング６、リップリング９およびピストンリング１０は、耐摩耗性および自己潤滑性に優れた樹脂材料によって、ほぼ円環状に形成されている。ピストンリング１０は、断面は、ほぼ矩形状であり、径方向幅がほぼ全周にわたって一定となっている。また、ピストンリング１０には、その周方向に合口部（図示せず）が形成されており、合口部によってシール性を維持しつつ拡縮径可能となっている。加えて、ピストンリング１０は、高圧側のピストン８が上死点位置あるいは下死点位置にあるとき後述する高圧側のシリンダ１７の内周面に接触する状態での内径が、ピストンリング１０を装着する部分の溝であるピストンリング溝の最小径よりも大径になっている。これにより、ピストンリング１０は、高圧側のピストン８に対して、径方向への移動が可能となっている。

【0017】

リップリング９は、リップリング６とは逆向き（スカート部がクランクケース側を向いた方向）に装着されている。この向きに装着することで、リップリング９とピストン本体１１の中心が一致する。また、シリンダ１７をクランクケース１に組み付けた際に、リップリング９がシリンダ１７の内壁面に接触しシリンダ１７の組立位置を決定する。よって、シリンダ１７とピストン本体１１の中心が一致する。これによりピストン本体１１上に装着されるピストンリング１０とシリンダ１７の芯出し（センタリング）をおこなうことが可能になる。また、リップリング９によって、ピストンリング１０が摩耗した際のピストン本体１１とシリンダ１７との接触を防止することができるので、ピストン本体１１とシリンダ１７の寿命を向上させることができる。また、リップリング９をベース１１Ａと連接棒８Ａとの間に挟み込むことで、シリンダ１７内で発生する圧縮熱がピストン本体１１から連接棒８Ａに伝わるのを防ぐことができ大端部の温度を低減することができる。これによりエキセントリック７、１３の外周に設けた軸受の寿命を向上させることが可能である。

【0018】

低圧側のピストン４にはリップリング６を装着することにより、製造コストを抑えることができる。また、高圧側のピストン８にはリップリング９を装着し、ピストンリング１０を装着することにより、組み立て性、シール性、耐摩耗性を向上させることができる。

【0019】

クランクケース１には低圧側のシリンダ１４、空気弁１５、シリンダヘッド１６と高圧側のシリンダ１７、空気弁１８、シリンダヘッド１９が取り付けられており、低圧側の連接棒４Ａを備えた低圧側のピストン４、および高圧側の連接棒８Ａを備えた高圧側のピストン８によってシリンダ内に各々圧縮室が形成されている。

【0020】

本発明の実施形態における圧縮機は、モータ３の駆動によりシャフト２が回転すると、エキセントリック７、１３によって低圧側および高圧側のピストン４、８がシリンダ１４、１７内で往復運動することで、低圧側のピストン４、シリンダ１４を備える低圧側圧縮部と高圧側のピストン８、シリンダ１７を備える高圧側圧縮部が駆動される。低圧側圧縮部は大気圧からシリンダヘッド１６、空気弁１５を通じてシリンダ１４内へ空気を吸い込み、圧縮して、配管（図示せず）を経由して高圧側圧縮部へと吐き出し、高圧側圧縮部は、低圧側圧縮部が吐き出した圧縮空気を吸い込み、更に圧縮して貯留タンクへと吐き出す二段圧縮構造である。このとき、シャフト２と同軸に取り付けられているファン２０の回転により、低圧側および高圧側圧縮部および配管を空冷する構造としている。

【0021】

一般的に、一段圧縮の空気圧縮機の場合、大気圧から空気を吸い込み、ピストンにて空気を最高圧まで圧縮して吐き出すが、圧縮時には圧縮熱が発生して吐出し効率の低下や、モータのトルク変動による騒音・振動等が発生し、モータの性能は大出力が必要で大型化する。高圧化において、圧力比（吐出し絶対圧力/吸込み絶対圧力）の増加により吐出温度が上昇し、吸込み効率が低下するため吐出空気量の確保が困難になる。さらに、吐出温度の上昇は空気弁の変形や漏れを増やす恐れもある。また、簡欠（断続）運転を行う圧縮においては、吸込み空気中の湿分が、凝縮しドレンの発生を増加させ故障の原因になる可能性もある。

【0022】

そこで、例えば、特許文献２における圧縮機では、一例として約１ＭＰａ以上に昇圧させる場合は、低圧側は大気圧から空気を吸い込み昇圧し、一旦中間冷却して、高圧側は低圧側が昇圧し中間冷却した空気を吸い込み、更に空気を昇圧して吐出す二段圧縮構造を採用することにより上記問題が生じるのを防止している。特に、携搬型小型圧縮機では、低振動・低騒音・小型化の観点（モータサイズ小、圧縮部の軽量化）の点からも二段圧縮構造を採用している。

【0023】

二段圧縮は、一段圧縮の場合よりも低圧側、高圧側の圧力比が各々小さくなるため、効率が良くなり発生する熱が少なく、前述の発熱による性能低下を低減させることができ、更にはモータのトルクの変動も低減させることができるため低振動・低騒音を実現できる。

【0024】

次に、一般的な二段圧縮機の設計について説明する。

【0025】

ここで、特許文献２の二段式圧縮機では、高圧側において、連接棒をニードルベアリングを介してピストンに接続した往復動ピストン構造を採用していたが、本発明における本実施形態ではニードルベアリングを廃止し、連接棒とピストン本体とを一体的に形成するロッキングピストン機構とすることにより、可動部の削減による耐久性の向上、軽量化と低騒音化、および部品点数削減によるコストダウンを実現した。

【0026】

また、特許文献１の揺動型圧縮機は、低圧側と高圧側のシリンダ内でピストンが傾斜する角度を相対的に考慮せずにピストンを形成していた。従って、低圧側圧縮部においてはピストンの傾斜する角度を高圧側のよりも大きく形成してもシール性、磨耗性に影響が小さいにもかかわらず、ピストンの傾斜する角度を極力小さくするように形成し、ピストンの小型化・軽量化を十分に図ることができていなかった。また、高圧側圧縮部においてはピストンの傾斜する角度を大きく形成しすぎるとシール性・磨耗性への影響が大きくなるにもかかわらず、ピストンの傾斜する角度を十分に小さくせずに設計していたため、ピストンのシール性・寿命の向上を図ることができなかった。

【0027】

以上を考慮して本発明の実施形態では、低圧側のピストン４と高圧側のピストン８を連接棒４Ａ、８Ａとピストン本体５（１１）とを一体的に形成し、連接棒４Ａ、８Ａが傾斜した場合に連接棒４Ａ、８Ａと共にピストン本体５（１１）が傾斜し、ピストン本体５（１１）がシリンダ１４、１７内を揺動しつつ往復動するロッキングピストン機構とし、低圧側ピストン４と高圧側ピストン８がそれぞれ、シリンダ１４、１７内で傾斜する角度を考慮して設計を行った。

【0028】

ここで、本実施形態における二段圧縮機の設計について詳細説明する。

【0029】

低圧側、高圧側におけるモータ動力、すなわち軸動力（仕事量W）は、それぞれ吸込圧力と吐出圧力の圧力比の増加に伴い大きくなる。また、二段圧縮機における軸動力は、低圧側と高圧側における軸動力の和に依存し、低圧側における圧力比と高圧側における圧力比が小さくなるほど、軸動力は小さくなる。即ち、低圧側の圧力比と高圧側の圧力比とが等しくなった場合に軸動力は最小となる。以上を考慮して、本実施形態では、低圧側、高圧側におけるピストン４、８の各種寸法（ボア径、ストローク等）は、圧縮機の最高圧力を考慮した軸動力にて設計した。

【0030】

ここで、低圧側、高圧側におけるモータの軸動力について計算する。所要軸動力Lsおよび理論断熱空気動力Ladは、以下の式（１）および（２）で表される。

【数1】

Ls：所要軸動力
ηａｄ：全断熱効率

【数2】

Lad：理論断熱空気動力
Qs：吸込み状態での実風量
Ps：吸込み絶対圧力
Pd：吐出し絶対圧力
κ：比熱比

【0031】

ここで、式（２）内の実風量Qsは以下の式（３）のように圧縮機を構成する部材のパラメータと圧縮機の効率から決まる。

【数3】

D：ボア径
S：ストローク
N：回転速度
ηｖ：体積効率

【0032】

ここで、前述の通り、２段圧縮の低圧側と高圧側の圧力比、および軸動力の差を小さくした場合にモータ動力（全軸動力）は小さくなるため、以下式（４）、（５）のように、本実施形態では、モータの動力を最小とするために、２段圧縮の低圧側と高圧側の圧力比が等しいと仮定して、低圧側、高圧側におけるピストン４、８の各種寸法を計算する。
L＝Ls1＋Ls2 ・・・（４）
L：全軸動力
Ls1：低圧側の所要軸動力
Ls2：高圧側の所要軸動力
Ｐm/Ｐ1=Ｐ2/Ｐm・・・・（５）
Ｐm：中間絶対圧力
Ｐ1：低圧側の吸込み絶対圧力
Ｐ2：高圧側の吐出絶対圧力

【0033】

ここで、式（１）（２）より、Ls1、Ls2は、

【数4】

Qs１：低圧側における吸込み状態での実風量

【数5】

Qs２：高圧側における吸込み状態での実風量

【0034】

ここで、式（５）を考慮して定数Ｋを用いて式（６）（７）を変形すると、
Ls1＝Ｐ1・Qs１×Ｋ・・・（８）
Ls2＝Ｐm・Qs２×Ｋ・・・（９）

【0035】

式（３）を式（８）（９）に代入すると、

【数6】

【数7】

D１：低圧側のボア径
D２：高圧側のボア径
S１：低圧側のストローク
S２：高圧側のストローク

【0036】

モータの軸動力が最小となるのは、低圧側と高圧側の圧力比、軸動力が等しいときであるから、式（１０）および（１１）より以下の式が求められる。

【数8】

【数9】

【0037】

以上より、本実施例では、式（１２）、式（１３）より、低圧側ピストン４、高圧側ピストン８のボア径と各々のストロークを決定する。

【0038】

ここで、式（１２）、式（１３）において、高圧な圧縮空気を得るためには、Ｐ１に対してＰ２を十分に大きくする必要がある。即ち式（１２）において、Ｐ１に対してＰｍを十分に大きくする必要がある。この場合において、式（１２）を満たす（少なくとも左辺と右辺の値を近づける）ためには、Ｄ１をＤ２に対して十分に大きくするか、Ｓ１をＳ２に対して十分に大きくする必要がある。

【0039】

ここで、低圧側のボア径Ｄｌと高圧側のボア径Ｄ２の関係について説明する。

【0040】

まず、低圧側のボア径Ｄｌと高圧側のボア径Ｄ２は、Ｄ１＞Ｄ２とするのが好ましい。これは二段圧縮の場合は低圧側よりも高圧側のほうの圧縮室内の圧力が高くなるため、高圧側のピストン８の面積を小さくし、受ける荷重を小さくすることで、ピストン８の上面から連接棒８Ａ長手方向へ作用するピストン８の荷重Ｆを低減し、連接棒８Ａの中心側のエキセントリック１３の外周に設けた軸受のサイズを抑えるためである。

【0041】

一方で、以下で説明するとおり、製品の重心バランスを考慮して本発明の本実施例では低圧側のボア径Ｄｌに対して高圧側のボア径Ｄ２が極端に小さくならないようにする必要がある。

【0042】

ここで、特に持ち運びされる可搬型空気圧縮機の場合は製品の重心バランスが重要であり、可搬型空気圧縮機は図３に示すように、例えば一対の空気タンク２２上（のほぼ中心）に、図１にて説明した低圧側圧縮部および高圧側圧縮部を備える圧縮機本体２１とモータ３を搭載し、各補器部品、特に質量の大きい減圧弁２３（２６）や圧力計２４（２７）、空気取出し用のカプラ２５（２８）を圧縮機本体２１に対して対称になるように搭載することで、製品の重心バランスを考慮したレイアウトとしている。

【0043】

その中でも最も質量の大きい圧縮機本体２１については、それ自体の重心バランスも重要となる。

【0044】

前述のとおり低圧側、高圧側のボア径Ｄ１、Ｄ２、およびストロークＳ１、Ｓ２は、軸動力、圧力比を等しくするように、各々決定することとなる。図１に示した今回の実施形態である二段圧縮構造は対向二気筒であり、圧縮機本体２１の重心バランスはクランクケース１から突出している低圧側と高圧側のシリンダ１４（１７）、空気弁１５（１８）、シリンダヘッド１６（１９）の長さや大きさに大きく影響を受ける。ここで、前述の通り、高圧側のピストン荷重Ｆを低減する為にボア径Ｄ２を低圧側のボア径Ｄ１よりも小さくするのが一般的であるが、ボア径Ｄ１とＤ２に極端に差を設けた場合、連接棒４Ａ（８Ａ）だけでなく、圧縮室を形成しているシリンダ１４（１７）、空気弁１５（１８）、シリンダヘッド１６（１９）の大きさにも差が出る為、圧縮機本体２１の左右の重心バランスが偏ることとなり、結果として製品全体の重心バランスが悪化する。これは低圧側と高圧側の連接棒４Ａ（８Ａ）の長さ（エキセントリック７（１３）の中心からピストン本体５（１１）の先端（上面）までの長さ）ｌに差がある場合も同様であり、この場合重心バランスが悪化するだけでなく更には、圧縮機本体２１からシリンダヘッド１６（１９）までの距離が長い方には圧縮機本体２１に搭載されている冷却ファン２０による冷却風が届きにくく、温度上昇を招き、性能低下や寿命低下を引き起こす可能性もある。また、空気タンク２２の上に圧縮機本体２１を搭載したとき、距離が長い方のシリンダヘッドが空気タンク２２から突出し、結果として製品外形が大きくなるというデメリットも発生する可能性もある。

【0045】

したがって、製品バランスの観点からは低圧側と高圧側のボア径Ｄと、連接棒長さｌに極端に差を設けることは避けるのが望ましい。

【0046】

なお、図３では、シャフト２の軸方向と空気タンク２２の長手方向が直交するように圧縮機本体２１を搭載することでコンパクト化と重量バランスを両立させていたが、これに限らず、シャフト２の軸方向と空気タンク２２の長手方向が同方向を向くように圧縮機本体２１を搭載してもよい。この場合は、二つの空気タンク２２の中間に、シャフト２が位置するように構成することで重心バランスを確保できる。さらに、空気タンク２２からシリンダヘッドの突出しないように寸法を決定することでコンパクト化が実現できる。

【0047】

以上より、高圧側のピストン荷重を低減させるために高圧側のボア径Ｄ２を低圧側のボア径Ｄ１よりも小さくする必要がある一方で、重心バランスを保つためにはＤ１をＤ２に対して極端に大きくしすぎないことが必要である。本実施例では以上を考慮して、Ｄ１、Ｄ２、Ｓ１、Ｓ２を決定した。

【0048】

ここで、式（１２）で、Ｄ１とＤ２に大きな差を設けず、Ｓ１＜Ｓ２とした場合、Ｐ１に対してＰｍが十分に大きくならず、式（１３）より、Ｐ１に対してＰ２が十分に大きくならない。即ち、高圧な圧縮空気を得ることができなくなる。従って、本発明の本実施例では、Ｓ１＞Ｓ２とすることで、低圧側と高圧側の軸動力をほぼ等しくした上で、高圧側と低圧側の重心バランスを大きく崩さないようにし、高圧の圧縮空気を得ることができるようにした。

【0049】

例えば、重心バランスを大きく崩さないためには、Ｄ１をＤ２の２倍以下にすることが好ましい。この場合において、Ｓ１＜Ｓ２とした場合、ＰｍがＰ１の４倍以下となり、十分に高圧な圧縮空気を得ることができない。従って、十分に高圧の圧縮空気を得るためには、Ｓ１をＳ２に対して大きく設計する必要があり、Ｓ１＞Ｓ２とする必要がある。

【0050】

次にロッキングピストン機構における、ピストン４（８）および連接棒４Ａ（８Ａ）の揺動運動について図４を参照しつつ説明する。

【0051】

図４に示すように、ピストン４（８）および連接棒４Ａ（８Ａ）は、吸込みおよび吐出し工程において連接棒４Ａ（８Ａ）が上死点および下死点へ向かう途中、連接棒４Ａ（８Ａ）はエキセントリック７（１３）の偏心によりシリンダ１４（１７）の中心軸に対して斜めになる。

【0052】

ピストン４（８）のシリンダ１４（１７）に対する揺動時における最大傾斜角について説明する。ここで、シリンダ１４（１７）内でピストン４（８）が揺動時において、シリンダ中心軸に対して連接棒４Ａ（８Ａ）の長手方向軸が傾く最大の角度、または、シリンダ中心軸に対して直角な仮想平面と連接棒の上部側に取り付けたピストン上面が傾く最大の角度を傾斜角θとしたとき、傾斜角θは以下の式（１０）のように連接棒４Ａ（８Ａ）の長さ（エキセントリック７（１３）の中心からピストン本体５（１１）の先端（上面）までの長さ）lとモータ３のシャフト２に対するエキセントリック７（１３）の偏心量ｒによって決まる。

【数10】

l：連接棒長さ
ｒ：偏心量（＝ストロークＳ／２）

【0053】

ここで、前述の通り、Ｓ１＞Ｓ２であるため、低圧側の偏心量をｒ１、高圧側の偏心量をｒ２としたとき、ｒ１＞ｒ２であり、低圧側圧縮部と高圧側圧縮部とを備える圧縮機の重心を安定させるために低圧側の連接棒長さｌ１と高圧側の連接棒長さｌ２はほぼ等しいことから、ｒ１/ｌ１＞ｒ２/ｌ２の関係が成立する。従って、式（１４）より、低圧側の最大傾斜角をθ1、高圧側の最大傾斜角をθ2としたときに、θ1＞θ2の関係が成立する。

【0054】

以上より、前述の圧縮機本体の重心バランスについて、低圧側と高圧側とのボア径Ｄの差および連接棒長さｌの差を考慮しつつ、傾斜角θを極力小さくし、かつ低圧側の最大傾斜角θ1が、高圧側の最大傾斜角θ2よりも小さくならないように、前述した式によって低圧側と高圧側のボア径ＤおよびストロークＳ（＝２×偏心量ｒ）と、連接棒長さｌを決定することで、圧縮空気の漏洩による性能低下が発生しないようにし、特に高圧側での性能低下を防止することが可能となる。更には圧縮機本体の重心バランスを均等にすることで、製品の重心バランスの悪化や冷却の偏りも防止した上で高圧の圧縮空気を得ることが可能となる。

【0055】

ここで、低圧側のピストン４の低圧側シリンダ１４に対する最大傾斜角θ1よりも高圧側ピストン８の高圧側シリンダ１７に対する最大傾斜角θ2が大きくならないように設計することによりさらに得られる効果について説明する。

【0056】

本実施例では、低圧側のピストン４におけるピストン本体５には、シリンダ１４との隙間変化に対して柔軟で追従性の高いリップリング６が装着されており、ピストン４の揺動方向に生じる隙間からの圧縮空気の漏洩による性能低下を発生しにくくしている。一方、高圧側のピストン８におけるピストン本体１１には、圧力と温度が高いため剛性が必要なピストンリング１０が装着されている。ピストンリング１０はリップリング６と比較すると隙間変化に対する追従性が劣るため、圧縮空気の漏洩による性能低下が発生しやすいため、高圧側はピストン８がシリンダ１７に対して傾く角度を考慮して圧縮空気の漏洩による影響を防ぐ必要があった。

【0057】

吸込みおよび吐出し工程において連接棒４Ａ（８Ａ）が上死点および下死点へ向かう途中、連接棒４Ａ（８Ａ）はエキセントリック７（１３）の偏心によりシリンダ１４（１７）の中心軸に対して斜めになる。この時、リップリング６（ピストンリング１０）とシリンダ１４（１７）との接触面形状は揺動方向（図４の左右方向）が長軸となる楕円形状（シリンダの中心軸上方から見て）となるため、リップリング６（ピストンリング１０）の揺動方向側６Ａ（９Ａ）とシリンダ１４（１７）との間に隙間ができやすく、特に上死点へ向かう圧縮工程中では圧縮空気がその隙間から漏れることで性能低下を引き起こす可能性があった。

【0058】

ここで、本実施例では、上述の通り、低圧側の最大傾斜角θ1よりも高圧側の最大傾斜角θ2が大きくならないよう設計したため、低圧側のピストン４とシリンダ１４との間に生じる最大隙間Ｔ1よりも高圧側のピストン８とシリンダ１７との間に生じる最大隙間Ｔ2が大きくならないようにすることができた。これにより、特に高圧側圧縮部において圧縮空気の漏洩による性能低下の発生を防止できる。

【0059】

なお、本実施例では、リップリングより剛性の高いピストンリング１０を高圧側のピストン本体１１に装着したため、磨耗による性能低下も発生しにくくした。

【0060】

また、本実施例では低圧側ピストン本体５にリップリング６を設けた場合について説明したが、リップリングに代えて高圧側と同様にピストンリングを設けてもよい。この場合は、低圧側圧縮部では隙間に対する追従性が低下するが、高圧側圧縮部に比べて圧縮室内の圧力が低いのでピストンリングの厚さを薄くして追従性をあげる等の対策により採用が可能となる。低圧側のピストン本体５にピストンリングを設けた場合は、低圧側圧縮部についてもピストン４の摩耗による性能低下を防止することができる。

【0061】

さらに、高圧側のピストン本体１１にリップリング９とピストンリング１０とを採用した実施の形態について説明したが、摩耗による性能低下が問題とならない場合は、低圧側のピストン本体５と同様にピストンリング１０に代えてリップリングのみを高圧側の圧縮室を向いた方向に設けてもよい。また、リップリング９と併用する構成としてもよい。この場合、高圧側のピストン８のさらなる軽量化・コスト低減を実現することができる。

【0062】

さらに、圧縮室の圧力は、（ピストン本体５（１１）を上、連接棒４Ａ（８Ａ）を下としたときの）ピストン上面から連接棒中心軸方向に作用するガス加重Ｆとその横方向成分ｆが発生し、リップリング６（９）がシリンダ１４（１７）へ押し付けられることで、リップリング６（９）もしくはシリンダ１４（１７）表面の磨耗が進むと、性能低下を引き起こす可能性もある。特に高圧側圧縮部ではガス加重Ｆが大きいため、高圧側圧縮部においてリップリング９、ピストンリング１０、シリンダ１７の表面の摩耗を少なくし、性能低下を防止する必要がある。

【0063】

ガス加重Ｆの横方向成分ｆは、シリンダ１４（１７）に対してピストン４（８）が傾く角度である傾斜角θが大きくなるほど大きくなる。本実施例では、上述の通り、低圧側の最大傾斜角θ1よりも高圧側の最大傾斜角θ2が大きくならないよう設計したため、特にリップリング９、ピストンリング１０、シリンダ１７の表面の摩耗が問題となる高圧側圧縮部においてこれらの摩耗を少なくし、性能低下の発生を防止することができる。

【0064】

以上より、本実施例では上述した寸法関係で低圧側のピストン４と高圧側のピストン８を構成することにより、傾斜角θを極力小さくし、かつ低圧側の最大傾斜角θ1よりも高圧側の最大傾斜角θ2が大きくならないように、前述した式（１）乃至（１４）により決定される低圧側と高圧側のボア径ＤおよびストロークＳ（＝２×偏心量ｒ）と、連接棒長さｌを決定することで、圧縮空気の漏洩による性能低下が発生しないようにし、特に高圧側での性能低下を防止することが可能となる。

【0065】

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

【符号の説明】

【0066】

１・・・クランクケース
２・・・シャフト（回転軸）
３・・・モータ
４・・・ピストン（低圧側）
４Ａ・・・連接棒（低圧側）
５・・・ピストン本体（低圧側）
５Ａ・・・リテーナ
６・・・リップリング（低圧側）
７・・・エキセントリック（低圧側）
８・・・ピストン（高圧側）
８Ａ・・・連接棒（高圧側）
９・・・リップリング（高圧側）
１０・・・ピストンリング
１１・・・ピストン本体（高圧側）
１１Ａ・・・ベース
１２・・・トップ
１３・・・エキセントリック（高圧側）
１４・・・シリンダ（低圧側）
１５・・・空気弁（低圧側）
１６・・・シリンダヘッド（低圧側）
１７・・・シリンダ（高圧側）
１８・・・空気弁（高圧側）
１９・・・シリンダヘッド（高圧側）
２０・・・冷却ファン
２１・・・空気タンク
２２・・・圧縮機本体
２３・・・減圧弁（低圧側）
２４・・・圧力計（低圧側）
２５・・・カプラ（低圧側）
２６・・・減圧弁（高圧側）
２７・・・圧力計（高圧側）
２８・・・カプラ（高圧側）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】