JP2015151931A - 圧縮機又は真空機 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで軸受及び回転軸の軸方向でのガタを抑制できる圧縮機又は真空機を提供することを課題とする。
【解決手段】シリンダ及びクランクケースと、前記シリンダ及びクランクケース内に配置されたピストンと、前記ピストンに連結された回転軸と、前記クランクケースに固定され前記回転軸を支持する軸受と、前記回転軸を回転させるモータと、を備え、前記モータは、ステータ、前記回転軸に固定されたロータ、を含み、前記ステータと前記ロータとの磁気中心は前記回転軸の軸方向にずれている、圧縮機又は真空機。
【選択図】図５

Description

本発明は、圧縮機又は真空機に関する。

圧縮機の回転軸にはピストンが連結され、回転軸の回転に伴いピストンが往復動する。このため、回転軸には周期的に変動する大きな負荷が加わる。このような回転軸は、圧縮機のクランクケース等に固定された軸受によって支持されている。特許文献１には、このような圧縮機又は真空機が開示されている。

特許５３７３１５５号公報

このような軸受は、軸受の外輪がクランクケース等に設けられた軸受を保持するための保持部に嵌合し、軸受の内輪が回転軸に嵌合している。これにより、軸受及び回転軸の径方向でのガタが抑制されている。しかしながら、これら部品はスラスト方向にガタが発生して圧縮機の駆動中に異音が発生する恐れがある。軸方向でのガタを抑制するために、クランクケース等に設けられた保持部や、軸受、回転軸の寸法精度を高精度に管理することが考えられる。しかしながら、寸法精度を高精度に管理すると製造コストが増大する恐れがある。また、軸方向でのガタにより、これら部品の寿命にも影響を与える恐れがある。

そこで本発明は、低コストで軸受及び回転軸の軸方向でのガタを抑制できる圧縮機又は真空機を提供することを目的とする。

上記目的は、シリンダ及びクランクケースと、前記シリンダ及びクランクケース内に配置されたピストンと、前記ピストンに連結された回転軸と、前記クランクケースに固定され前記回転軸を支持する軸受と、前記回転軸を回転させるモータと、を備え、前記モータは、ステータ、前記回転軸に固定されたロータ、を含み、前記ステータと前記ロータとの磁気中心は前記回転軸の軸方向にずれている、圧縮機又は真空機によって達成できる。

本発明によれば、低コストで軸受及び回転軸の軸方向でのガタを抑制できる圧縮機又は真空機を提供できる。

図１は、圧縮機の外観図である。 図２は、圧縮機の外観図である。 図３は、圧縮機の外観図である。 図４は、圧縮機の断面図である。 図５は、図４の部分断面図である。

図１〜３は、実施例１の圧縮機Ａの外観図である。圧縮機Ａは、４つのシリンダ１０ａ〜１０ｄ、４つのシリンダ１０ａ〜１０ｄが接続されたクランクケース２０、クランクケース２０の上部に配置されたモータＭ、を含む。ファンＦは、ロータ４０の径方向の外側に位置し、モータＭの回転に伴って回転する。シリンダ１０ａ〜１０ｄは、クランクケース２０の周囲に固定されている。図１に示すように、シリンダ１０ａ〜１０ｄは、回転軸４２周りに放射状に等間隔に配置されている。回転軸４２は、モータＭに固定されている。シリンダ１０ａは、クランクケース２０に固定されたシリンダ本体１２ａ、シリンダ本体１２ａに固定されたシリンダヘッド１５ａを含む。同様に、シリンダ１０ｂ〜１０ｄもそれぞれシリンダ本体１２ｂ〜１２ｄ、シリンダヘッド１５ｂ〜１５ｄを含む。シリンダ１０ａ等やクランクケース２０は金属製であり、具体的には放熱性がよいアルミ製である。

図４は、図１のＡ―Ａ断面図である。まず、モータＭについて説明する。モータＭは、コイル３０、ロータ４０、ステータ５０、プリント基板ＰＢ等を有している。ステータ５０は金属製である。ステータ５０は、クランクケース２０に固定されている。ステータ５０には、複数のコイル３０が巻回されている。コイル３０は、プリント基板ＰＢと電気的に接続されている。プリント基板ＰＢは、剛性を有した絶縁性の基板上に導電パターンが形成されたものである。プリント基板ＰＢには、コイル３０に電力を供給するための電源コネクタＣ１や信号コネクタクＣ２が接続され、その他の電子部品が実装されている。例えば、電子部品は、コイル３０の通電状態を制御するためのＦＥＴ等の出力トランジスタ（スイッチング素子）やコンデンサ等である。コイル３０が通電されることにより、ステータ５０が励磁される。

ロータ４０は、回転軸４２、ヨーク４４、１つまたは複数の永久磁石４６、を有している。回転軸４２は、クランクケース２０内に配置された複数の軸受に回転可能に支持されている。回転軸４２には、ヨーク４４がハブ４３を介して固定されており、ヨーク４４は回転軸４２と共に回転する。ヨーク４４は、略円筒状であり金属製である。ヨーク４４の内周側面には、１つまたは複数の永久磁石４６が固定されている。永久磁石４６は、ステータ５０の外周面と対向している。コイル３０が通電されることにより、ステータ５０が励磁される。従って、永久磁石４６とステータ５０との間に磁気的吸引力、反発力が作用する。この磁力の作用により、ロータ４０はステータ５０に対して回転する。このように、モータＭはロータ４０が回転するアウターロータ型のモータである。

次にシリンダ１０ａの内部構造について説明する。シリンダ本体１２ａ内にはチャンバ１３ａが形成されている。チャンバ１３ａは、シリンダ本体１２ａ内に形成された空間とこの空間内を往復動するピストン２５ａの先端部とによって画定される。モータＭの回転に伴ってピストン２５ａが往復動することにより、チャンバ１３ａの容積が増減する。ピストン２５ａの根元部はクランクケース２０内に位置しており、モータＭの回転軸４２に軸受を介して連結されている。詳細には、回転軸４２の中心位置に対して偏心した位置でピストン２５ａの根元部が連結されており、回転軸４２の一方向の回転に伴ってピストン２５ａは往復動する。他のシリンダ１０ｂ〜１０ｄ、シリンダ１０ｂ〜１０ｄ内をそれぞれ移動する他のピストン２５ｂ〜２５ｄも、同様の構造である。ピストン２５ａ〜２５ｄは、それぞれ位置位相が９０度毎にずれている。クランクケース２０には、モータＭと逆側に蓋部２１ｆが設けられている。ピストン２５ａ〜２５ｄが接続された回転軸４２は、モータＭの出力軸と兼用されている。

クランクケース２０の底部には、複数の通気口２２が形成されている。ピストン２５ａが往復動することにより、通気口２２を介してクランクケース２０内に空気が導入される。ピストン２５ａの先端部には連通孔２６ａが設けられている。ピストン２５ａの先端部の先端面には、連通孔２６ａを開閉する弁部材２６ａＶが設けられている。シリンダヘッド１５ａにおいて、チャンバ１３ａと排気室１８ａとを区分けする壁部に連通孔１６ａが設けられている。この壁部の連通孔１６ａには、連通孔１６ａを開閉する弁部材１６ａＶが設けられている。

ピストン２５ａの往復動によりチャンバ１３ａの容積が変化する。これに伴い、通気口２２、連通孔２６ａを介してチャンバ１３ａ内に空気が導入されてチャンバ１３ａ内の空気が圧縮される。圧縮空気は連通孔１６ａを介して排気室１８ａへ排出される。排気室１８ａには、通気孔１９ａが設けられている。例えば通気孔１９ａにチューブなどが接続される。ピストン２５ｃ、連通孔２６ｃ、弁部材２６ｃＶ、チャンバ１３ｃ、排気室１８ｃ、連通孔１６ｃ、弁部材１６ｃＶ、連通孔１９ｂ〜１９ｄについても同様である。

また、他のシリンダについても同様である。従って、クランクケース２０に形成された通気口を介して、クランクケース２０内に導入された空気は、ピストン２５ａ〜２５ｄの往復動により圧縮される。

図４に示すように、クランクケース２０内にはバランサＢ１、Ｂ２が配置されている。バランサＢ１、Ｂ２は、回転軸４２に連結されており、回転軸４２と一体に回転する。バランサＢ１、Ｂ２は、ピストン２５ａ〜２５ｄを挟むように回転軸４２に連結されている。バランサＢ１は、モータＭ側に配置されており、バランサＢ２は、モータＭから離れた側に配置されている。バランサＢ２は、モータＭとの間にピストン２５ａ〜２５ｄが位置する。バランサＢ１は、バランサＢ２との間にピストン２５ａ〜２５ｄが位置する。

ここで、回転軸４２が回転してピストン２５ａ〜２５ｄが駆動している際には、回転軸４２及びピストン２５ａ〜２５ｄの駆動に起因してアンバランスが発生する。これは、回転軸４２の慣性力やピストン２５ａ〜２５ｄの往復動による反力などの負荷によって発生するものと考えられる。

バランサＢ１、Ｂ２は、回転中心と重心位置とが異なっている。このため、バランサＢ１、Ｂ２が回転したときにアンバランスが発生する。このバランサＢ１、Ｂ２の回転に起因して発生するアンバランスと、回転軸４２及びピストン２５ａ〜２５ｄが駆動したことに起因して発生するアンバランスとが相殺される。

クランクケース２０には２つの軸受ＢＲ１、ＢＲ２が固定されている。具体的には、軸受ＢＲ１は、クランクケース２０のモータＭ側に固定されている。軸受ＢＲ２は蓋部２１ｆに固定されている。軸受ＢＲ１、ＢＲ２は回転軸４２を回転可能に支持している。軸受ＢＲ１、ＢＲ２は転がり軸受である。

図５は、図４の部分拡大図である。ステータ５０の磁気中心ＭＣ１とロータ４０の磁気中心ＭＣ２とは回転軸４２の軸方向にずれている。具体的には、磁気中心ＭＣ２は磁気中心ＭＣ１よりもクランクケース２０から離れた側にずれている。このため、モータＭが駆動中においては磁気中心ＭＣ１、ＭＣ２が一致するように、ロータ４０とステータ５０との間には磁力的吸引力が発生する。ここでステータ５０はクランクケース２０に固定されているため、ロータ４０がクランクケース２０側に移動するように磁気的吸引力が作用する。上述したようにロータ４０のヨーク４４には回転軸４２が連結されており、回転軸４２は軸受ＢＲ１、ＢＲ２により回転可能に支持されている。このためこの磁気的吸引力により、軸受ＢＲ１、ＢＲ２に対して軸方向での予圧を与えることができ、ガタ、異音の発生を抑制できる。

また、ハウジング、軸受、軸の寸法精度に関わりなく、簡単な構造で軸受ＢＲ１、ＢＲ２に予圧を与えてガタ抑えることができるため、圧縮機Ａの複雑化、大型化、高コスト化が抑制されている。また、回転軸４２や軸受ＢＲ１、ＢＲ２のガタも防止できるため、駆動音も抑制される。また、回転軸４２、軸受ＢＲ１、ＢＲ２、軸受ＢＲ１、ＢＲ２を保持しているクランクケース２０の部分の寿命への悪影響も抑制できる。尚、本実施例では磁気中心ＭＣ２は磁気中心ＭＣ１よりもクランクケース２０から離れる方向にずれているがこれに限定されない。磁気中心ＭＣ２が磁気中心ＭＣ１よりもクランクケース２０に近い側にずれていてもよい。この場合、ロータ４０がクランクケース２０から離れる側に移動するように磁気的吸引力が作用する。

本実施例では、回転軸４２に対するヨーク４４の軸方向での取付け位置をずらすことにより磁気中心ＭＣ１、ＭＣ２を軸方向にずらしているが、これ以外の方法により磁気中心ＭＣ１、ＭＣ２をずらしてもよい。例えば、ヨーク４４に対する永久磁石４６の軸方向での取付け位置をずらしてもよい。ロータ４０に対するステータ５０の軸方向での取付け位置をずらしてもよい。永久磁石４６を軸方向で大きさや形状が異なる永久磁石に変更してもよい。

尚、ヨーク４４や永久磁石４６の位置をクランクケース２０から大きく離すと、ロータ４０の回転力に悪影響を与える恐れがある。また、プリント基板ＰＢにロータ４０の回転位置を検出するホールセンサ等が設けられている場合、ホールセンサの検出精度が低下する恐れがある。本実施例では、このような悪影響が生じない程度にヨーク４４の軸方向での取付け位置がずらされている。尚、回転軸４２に対するヨーク４４の取付け作業性を考慮すると、ヨーク４４はクランクケース２０から離れるように位置をずらすことが望ましい。

モータに固定されたファンＦは、径が異なるリング部ＦＲ１、ＦＲ２、リング部ＦＲ１、ＦＲ２間に設けられた複数の羽根ＦＢ、を含む。リング部ＦＲ１は、リング部ＦＲ２よりも内側に形成されてヨーク４４の外周に嵌合してネジにより固定されている。ヨーク４４が回転することによりファンＦも回転する。ファンＦは、樹脂製である。

図４に示すように、モータＭの軸心を含む断面から見た場合、ファンＦとモータＭとは、ファンＦの径方向に並ぶ。具体的には、ファンＦと、コイル３０と、ロータ４０と、ステータ５０とが、ファンＦの径方向に並ぶ。従って、例えば、ファンＦをモータＭよりも軸方向端部（図４での上側）に配置して回転軸先端に固定した場合と比較して、本実施例の圧縮機Ａは軸方向での厚みが低減されている。更に、ファンＦと、クランクケース２０、シリンダ１０ａ〜１０ｄとの距離が近づくため冷却効果が高まる。

また、例えばファンＦをモータＭよりも軸方向端部に配置して回転軸先端に固定する場合、長い回転軸が必要となる。回転軸が長いと、その回転軸の回転を支持するために大きな軸受又は複数の軸受が必要になる。本実施例の圧縮機Ａでは短い回転軸４２を採用できるため、小さな軸受又は少ない数の軸受で支持することができる。このため、圧縮機Ａ全体の重量も低減されている。

また、ステータ５０はクランクケース２０の上面に固定されており、モータＭはクランクケース２０、シリンダ１０ａ〜１０ｄに接近して配置されている。このようなモータＭのロータ４０にファンＦが固定されているので、ファンＦもクランクケース２０、シリンダ１０ａ〜１０ｄに接近した位置にあり、これらの冷却効果が向上している。

また、ファンＦはヨーク４４の上面を露出するようにして固定されているので、モータＭの放熱性が向上している。また、ファンＦも軽量化されている。

尚、ファンＦの振動の減衰率は、ロータ４０の振動の減衰率よりも大きい。これにより、圧縮機Ａの駆動音が低減されている。また、複数の羽根ＦＢの外側にはリング部ＦＲ２が設けられているため、作業者が羽根ＦＢの先端に触れて怪我をすることが防止される。

尚、モータＭはアウターロータ型であるため、同じ大きさのインナーロータ型モータと比べて、大きいトルクを発生させることができる。これにより、ピストン２５ａ〜２５ｄを十分に駆動させることができる。

尚、圧縮機Ａは対象装置を排気側に接続していたところを吸気側に接続するか、逆止弁を圧縮機Ａの取り付け方と反対にすることにより、真空機として機能する。

また、圧縮機Ａを真空機として使用する他の場合としては、対象機器を吸気口２２側に接続することで真空機として機能する。この場合、シリンダ１０ａ内に設けられた弁部材は、圧縮機Ａの場合とは同じ構成で良い。

アウターロータ型モータであるモータＭの代わりにインナーロータ型モータを用いてもよい。この場合、回転軸４２にインナーロータが固定される。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、変形・変更が可能である。

Ａ 圧縮機
Ｍ モータ
ＢＲ１、ＢＲ２ 軸受
１０ａ〜１０ｄ シリンダ
１２ａ〜１２ｄ シリンダ本体
１５ａ〜１５ｄ シリンダヘッド
２０ クランクケース
２５ａ〜２５ｄ ピストン
３０ コイル
４０ ロータ
４２ 回転軸
４４ ヨーク
４６ 永久磁石
５０ ステータ

Claims (4)

1. シリンダ及びクランクケースと、
   前記シリンダ及びクランクケース内に配置されたピストンと、
   前記ピストンに連結された回転軸と、
   前記クランクケースに固定され前記回転軸を支持する軸受と、
   前記回転軸を回転させるモータと、を備え、
   前記モータは、ステータ、前記回転軸に固定されたロータ、を含み、
   前記ステータと前記ロータとの磁気中心は前記回転軸の軸方向にずれている、圧縮機又は真空機。
2. 前記回転軸は、前記モータの出力軸と兼用されている、請求項１の圧縮機又は真空機。
3. 前記ロータの磁気中心は、前記ステータの磁気中心よりも前記クランクケースから離れる側にずれている、請求項１又は２の圧縮機又は真空機。
4. 前記モータは、アウターロータ型モータであり、
   前記ロータは、アウターロータである、請求項１乃至３の何れかの圧縮機又は真空機。

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