JP2017008777A - 空気圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンのシリンダへの組込みに要する時間や手間を増大させることなく、ピストンとシリンダとの接触に起因する打音を低減させると共に組立性を向上させる。【解決手段】レシプロ型のエアコンプレッサであって、シリンダ５１ａと、シリンダ５１ａ内で往復動するピストン５２ａと、ピストン５２ａの外周面に装着され、ピストン５２ａと一体に往復動するライダーリング７０ａと、を有し、ライダーリング７０ａとピストン５２ａとの間に環状弾性体７６，７８を設ける。【選択図】図５

Description

本発明は、空気圧縮機に関するものであり、特に、レシプロ型の空気圧縮機に関するものである。

レシプロ型の空気圧縮機は、動力源と、動力源から出力される駆動力によって往復駆動されるピストンと、ピストンを往復動可能に収容し、ピストンの往復動に伴って容積が変化するシリンダと、を含む。動力源には、回転駆動力を出力する電動モータが用いられることがあり、この場合、電動モータから出力される回転駆動力は、変換機構によって往復駆動力に変換されてピストンに伝達される。

シリンダ内のピストンが上死点から下死点に移動すると、シリンダの容積が拡大してシリンダ内が負圧になり、シリンダ内に空気が導入される。シリンダ内に導入された空気は、シリンダ内を下死点から上死点に移動するピストンによって圧縮され、圧力が高められる。圧縮された空気（高圧空気）は、所定の配管を介して空気タンクに送られ、該空気タンクに貯留される。

上記のようなピストンおよびシリンダを２組以上備える多段式の空気圧縮機もある。かかる空気圧縮機では、一方のシリンダ内で圧縮された空気が配管を介して他方のシリンダに送られてさらに圧縮される（特許文献１）。すなわち、空気が段階的に圧縮される。

特開２０１３−４０５８６号公報

空気圧縮機の運転中には様々な音が発生するが、その１つにピストンとシリンダとの接触によって発生する音（打音）がある。具体的には、シリンダ内を昇降するピストンが左右或いは前後に傾き、ピストン外周面とシリンダ内周面とが接触し、打音が発生する。特に、ピストンが上死点から下死点へ向けて降下を開始する際に打音が発生することが多い。そして、空気圧縮機の運転中に発生する上記打音を含む様々な音は騒音として認識される。

そこで、上記打音を低減すべく、ピストンに“ライダーリング”と呼ばれる摺動部材が装着されることがある。ライダーリングは、ピストン外周面とシリンダ内周面との間に介在し、これらの間の隙間を小さくする（狭くする）。すなわち、ライダーリングは、ピストン外周面とシリンダ内周面との間の隙間に起因するピストンの傾きを抑制し、打音を低減させる。したがって、ピストンに装着されたライダーリングの外周面とシリンダの内周面との間の隙間はなるべく小さい（狭い）ことが望ましい。換言すれば、ライダーリングを含むピストンの外径とシリンダの内径とが略同一であることが望ましい。ここで、“ライダーリングを含むピストンの外径”とは、ピストンに装着されたライダーリングの外径と同義である。

しかし、ライダーリングを含むピストンの外径とシリンダの内径との差が小さいと、シリンダへのピストンの組込みが困難になる。具体的には、ピストンがシリンダに組込まれる際には、ピストンにライダーリングが予め装着されている。すなわち、ライダーリングが装着された状態のピストンをシリンダに挿入する必要がある。したがって、ライダーリングを含むピストンの外径とシリンダの内径との差が小さければ小さいほど、ピストンとシリンダとを高精度で位置合わせしなければならず、シリンダへのピストンの組込みに要する時間や手間が増大する。

本発明の目的は、シリンダへのピストンの組込みに要する時間や手間を増大させることなく、ピストンとシリンダとの接触に起因する打音を低減させることである。

本発明の空気圧縮機は、 レシプロ型の空気圧縮機であって、シリンダと、前記シリンダ内で往復動するピストンと、回転運動を往復動に変換するコネクティングロッドと
ピストンとコネクティングロッドを連結するピストンピンと、ピストンの外周面に装着され、ピストンと一体に往復動するライダーリングとを有し、ピストンとライダーリングとの間に環状弾性体を設け、環状弾性体は前記ピストンの外側に向かって力が発生している。
本発明の一態様では、環状弾性体はライダーリングをシリンダ内壁に押しけている。
本発明の他の態様では、環状弾性体はピストンに設けられた保持手段によって着脱可能に設けられている。
本発明の一態様では、保持手段はピストンに設けられた溝からなる。
本発明の一態様では、溝は前記ピストンに複数設けられている。
本発明の一態様では、複数の溝に設けられる、前記環状弾性体は各々異なる弾性定数である。
本発明の一態様では、複数環状弾性体はピストンピン上方に設けられている環状弾性体より下方に設けられている環状弾性体の方が弾性定数が大きい。
本発明の一態様では、環状弾性体はピストンピンより下方のみに取り付けられている。
本発明の一態様では、環状弾性体は複数の突起部を有している。
本発明の一態様では、環状弾性体は、金属又は樹脂からなる。

本発明によれば、ピストンのシリンダへの組込みに要する時間や手間を増大させることなく、ピストンとシリンダとの接触に起因する打音を低減させることができる。

エアコンプレッサの斜視図である。 エアコンプレッサの断面図である。 エアコンプレッサの部分拡大断面図である。 第１ピストンの拡大斜視図である。 第１ピストンの部分拡大の模式図である。 図５に示されるＡ−Ａ断面図の模式図である。

以下、本発明の空気圧縮機の実施形態の一例について説明する。本実施形態に係る空気圧縮機は、モータを動力源とする圧縮空気生成部を備えるレシプロ型のエアコンプレッサである。本実施形態に係るエアコンプレッサの用途は特に限定されないが、圧縮空気の圧力によって釘やネジを木材などに打ち込む空気工具に圧縮空気を供給する供給源としての利用に適している。以下、本実施形態に係るエアコンプレッサについて図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示されるように、エアコンプレッサ１は、フレーム等の骨格部と、該骨格部に連結された互いに平行な２つの空気タンク１０ａ，１０ｂと、を有する。それぞれの空気タンク１０ａ，１０ｂの両端部下面には、脚部１２が取り付けられており、エアコンプレッサ１は、４つの脚部１２によって所望の設置場所に置かれる。また、エアコンプレッサ１の上部にはハンドル１３が設けられており、作業者は、ハンドル１３を把持してエアコンプレッサ１を持ち運ぶことができる。

基台１１には、図２に示されるモータ２０と、モータ２０を動力源とする圧縮空気生成部３０と、が搭載されている。通常、モータ２０および圧縮空気生成部３０は、図１に示されるカバー１４によって覆われている。再び図２を参照すると、圧縮空気生成部３０は、クランクケース４０と、２つのシリンダ（第１シリンダ５１ａ，第２シリンダ５１ｂ）と、を含む。

モータ２０は、固定子（ステータコイル）２１と、固定子２１の内側に組み込まれた回転子（ロータ）２２と、回転子に固定された回転軸（モータ回転軸）２３と、回転子２２の回転位置を検出するホール素子などを有するＤＣブラシレスモータであって、クランクケース４０の外に配置されている。もっとも、モータ２０は、クランクケース４０の側面に固定されており、クランクケース４０と一体化されている。尚、本実施形態におけるモータ２０はインナーロータ型の電動モータであるが、他の形式のモータ、例えば、アウターロータ型の電動モータに置き換えることもできるし、アキシャルギャップモータに置き換えることもできる。

モータ回転軸２３の一端側は、回転子２２から突出し、クランクケース４０を貫通している。クランクケース４０を貫通しているモータ回転軸２３の一端側は、クランクケース４０に設けられている軸受によって回転自在に支持されている。

モータ２０を挟んでクランクケース４０と反対側にはファン２４が配置されている。すなわち、モータ２０は、クランクケース４０とファン２４との間に配置されている。このファン２４は、回転子２２から突出しているモータ回転軸２３の他端側に固定されており、モータ回転軸２３と一体に回転して冷却風を生成する。ファン２４によって生成される風冷却風によって、モータ２０，圧縮空気生成部３０，制御基板，圧縮空気の流路を形成している配管などが冷却される。

クランクケース４０の両側には第１シリンダ５１ａおよび第２シリンダ５１ｂが取り付けられている。第１シリンダ５１ａと第２シリンダ５１ｂとは、モータ回転軸２３の回転方向に関して１８０度異なる位置に配置されており、第１シリンダ５１ａには第１ピストン５２ａが往復動可能に収容され、第２シリンダ５１ｂには第２ピストン５２ｂが往復動可能に収容されている。

モータ回転軸２３の回転運動を第１ピストン５２ａの往復運動に変換するために、第１ピストン５２ａには、第１コネクティングロッド５３ａの一端がピン結合されており、第１コネクティングロッド５３ａの他端は、モータ回転軸２３に装着されている偏心カムに回転自在に結合されている。すなわち、第１コネクティングロッド５３ａは、クランクケース４０と第１シリンダ５１ａとに跨り、モータ回転軸２３と第１ピストン５２ａとを連結している。また、モータ回転軸２３の回転運動を第２ピストン５２ｂの往復運動に変換するために、第２ピストン５２ｂには、第２コネクティングロッド５３ｂの一端がピン結合されており、第２コネクティングロッド５３ｂの他端は、モータ回転軸２３に装着されている他の偏心カムに回転自在に結合されている。すなわち、第２コネクティングロッド５３ｂは、クランクケース４０と第２シリンダ５１ｂとに跨り、モータ回転軸２３と第２ピストン５２ｂとを連結している。そこで、以下の説明では、モータ回転軸２３を“クランクシャフト２３”と呼ぶ場合がある。モータ２０から出力される回転駆動力は、クランクシャフト２３，偏心カムおよびコネクティングロッド（第１コネクティングロッド５３ａ，第２コネクティングロッド５３ｂ）からなる変換機構によって往復駆動力に変換されてピストン（第１ピストン５２ａ，第２ピストン５２ｂ）に伝達される。

ここで、それぞれの偏心カムは、ピストン５２ａ，５２ｂの駆動方向に関して互いに逆向きに偏心している。したがって、第１ピストン５２ａが第１シリンダ５１ａの上室を圧縮する方向に駆動されるとき、第２ピストン５２ｂは第２シリンダ５１ｂの上室を膨張させる方向に駆動される。一方、第２ピストン５２ｂが第２シリンダ５１ｂの上室を圧縮する方向に駆動されるとき、第１ピストン５２ａは第１シリンダ５１ａの上室を膨張させる方向に駆動される。尚、シリンダ５１ａ，５１ｂの上室とは、それぞれのシリンダ５１ａ，５１ｂ内におけるピストン５２ａ，５２ｂよりも上方の空間である。

それぞれのシリンダ５１ａ，５１ｂに設けられているシリンダヘッド５４ａ，５４ｂの内側には、バッファ室が設けられており、各シリンダ５１ａ，５１ｂの上室と各バッファ室との間にはそれぞれ逆止弁が設けられている。第１ピストン５２ａが第１シリンダ５１ａの上室を圧縮する方向に駆動され、上室内の空気の圧力が所定圧力よりも高くなると、第１シリンダ５１ａの上室とバッファ室との間にある逆止弁が開かれる。すると、第１ピストン５２ａによって圧縮された空気は、第１シリンダ５１ａと第２シリンダ５１ｂとを連通させている第１配管を介して第２シリンダ５１ｂの上室に送られる。

第２ピストン５２ｂが第２シリンダ５１ｂの上室を圧縮する方向に駆動され、上室内の空気の圧力が所定圧力よりも高くなると、第２シリンダ５１ｂの上室とバッファ室との間にある逆止弁が開かれる。すると、第２ピストン５２ｂによって圧縮された空気は、第２シリンダ５１ｂと空気タンク１０ａとを連通させている第２配管を介して空気タンク１０ａに送られ、貯留される。尚、空気タンク１０ａ，１０ｂは、第３配管を介して互いに連通している。よって、空気タンク１０ａ，１０ｂ内の圧力は均一に保たれる。尚、本実施形態における第１配管，第２配管および第３配管は、いずれも金属製のパイプである。

ここで、図２に示される第１シリンダ５１ａの上室には外気が導入される。すなわち、第１ピストン５２ａは外気を圧縮し、第２ピストン５２ｂは、第１ピストン５２ａによって圧縮された外気（空気）をさらに圧縮する。換言すれば、第１ピストン５２ａは１段目の低圧用のピストンであり、第２ピストン５２ｂは２段目の高圧用のピストンである。また、第１シリンダ５１ａは１段目の低圧用（低圧側圧縮機部）のシリンダであり、第２シリンダ５１ｂは２段目の高圧用（高圧側圧縮機部）のシリンダである。このように、本実施形態に係るエアコンプレッサ１は、空気を２段階で圧縮する。具体的には、第１ピストン５２ａによって１．０[ＭＰａ]前後の圧縮空気を生成し、第２ピストン５２ｂによって４．０〜４．５[ＭＰａ]程度の圧縮空気を生成する。

図１に示されるように、空気タンク１０ａの端部上方には、圧縮空気の取り出し口であるカプラ１５ａ，１５ｂが設けられている。さらに、空気タンク１０ａ，１０ｂとカプラ１５ａ，１５ｂとの間には、圧縮空気の圧力を調節する減圧弁１６ａ，１６ｂがそれぞれ設けられている。減圧弁１６ａ，１６ｂによって調節された圧縮空気の圧力は、それぞれの減圧弁１６ａ，１６ｂの近傍に設置されている圧力計１７ａ，１７ｂによって計測され、表示される。

また、図２に示されるように、空気タンク１０ａには、空気タンク１０ａ，１０ｂ内の圧力が所定圧力よりも高くなると自動的に開く開放弁１８が設けられている。空気タンク１０ａ，１０ｂの一方にドレン装置が設けられることもある。この場合、ドレン装置が操作されると、空気タンク１０ａ，１０ｂ内の圧縮空気および水分が排出される。図１に示されるように、カバー１４の上面には操作パネル１９が設けられており、この操作パネル１９に設けられている不図示の入力部を介して、モータ２０（図２）の起動指令や回転数が入力される。

次に、図２に示されている第１ピストン５２ａおよび第２ピストン５２ｂについてより詳細に説明する。もっとも、第１ピストン５２ａおよび第２ピストン５２ｂは、互いに寸法は異なるが、基本構造は同一である。そこで、第１ピストン５２ａについて詳細に説明し、第２ピストン５２ｂの詳細については必要に応じて適宜言及する。

図３に示されるように、第１ピストン５２ａには、第１ピストン５２ａと一体に往復動するピストンリング６０およびライダーリング７０ａが装着されている。ピストンリング６０はライダーリング７０ａよりもピストン上面に近い位置に、ライダーリング７０ａはピストンリング６０よりもピストン下面に近い位置に、それぞれ装着されている。

ピストンリング６０およびライダーリング７０ａは、第１ピストン５２ａの外周面と第１シリンダ５１ａの内周面との間に介在する摺動部材である点で共通する。一方、ピストンリング６０は主に気密性を保持する機能（シール機能）を果たし、ライダーリング７０ａは主に第１ピストン５２ａを支持する機能（サポート機能）を果たす点で相違する。

図４に示されるように、第１ピストン５２ａの外周面には、その全周に亘って第１環状溝５５および第２環状溝５６が形成されており、ピストンリング６０は第１環状溝５５に、ライダーリング７０ａは第２環状溝５６に、それぞれ装着されている。より具体的には、ピストンリング６０は環状であって、第１環状溝５５に嵌められている。一方、ライダーリング７０ａは帯状であって、第２環状溝５６に巻き付けられている。この結果、ピストンリング６０の外周面が図３に示される第１シリンダ５１ａの内周面に押し付けられ、上室の気密性が保持される。

図３，図４に示されるライダーリング７０ａは、一例としてフッ素樹脂、より具体的にはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）によって形成されている。

尚、図２に示されている第２ピストン５２ｂに装着されているライダーリング７０ｂもフッ素樹脂によって形成されている。また、ライダーリング７０ａとライダーリング７０ｂとは、寸法は異なるが形状は同一である。また、第２ピストン５２ｂにも、図３，図４に示されるピストンリング６０と同様のピストンリングが装着されている。

図４に示されるように、ライダーリング７０ａの長手方向一端（先端）には平面視において三角形の凸部７１が形成されており、長手方向他端（後端）には平面視において三角形の凹部７２が形成されている。図４に示されるように、ライダーリング７０ａが第１ピストン５２ａ（第２環状溝５６）に巻き付けられる際には、凸部７１が凹部７２の内側に配置され、凸部７１と凹部７２とが面一、すなわち凸部７１と凹部７２の間に概ね段差が無い状態になる。

第１ピストン５２ａに装着されたライダーリング７０ａの外径（Ｄ２）は、第１ピストン５２ａの外径（Ｄ１）よりも僅かに大きい。また、第１ピストン５２ａに装着されたピストンリング６０の外径（Ｄ３）は、ライダーリング７０ａの外径（Ｄ２）よりも僅かに大きい（Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３）。
図５に示されるように低圧側圧縮機部の第１ピストン５２ａ、には、第３環状溝７５、第４環状溝７７が設けられており、その第３及び第４環状溝７５，７７には、ライダーリング７０ａを第１シリンダ５１ａの内周面に押し付けるための着脱可能な環状弾性体７６、７８が設けられている。この環状弾性体７６，７８は、弾性を有する樹脂材や、金属製部材（ピアノ線等）からなり、図６に示すように、その外周に突起７６ａが約１２０°毎に３か所配置されており、ライダーリング７０ａをシリンダ５１ａの内周面に押し付けている。同様に環状弾性体７７にも同様に突起が設けられている。

なお、環状弾性体７６，７８はそれぞれ異なるバネ定数に設定されていて、第１コネクティングロッド５３ａ側の環状弾性体７７のバネ定数（弾性定数）を環状弾性体７６のバネ定数より大きくなるように設定されている。なお、図６に示す、環状弾性体７６，７８の形状は、一例を示すものであって、ライダーリング７０ａをシリンダ５１ａの内周面に押し付けるような機能があれば、どんな形状であっても良い。

環状弾性体７６，７８を第３及び第４環状溝７５，７７に取り付ける場合は、環状弾性体７６，７８を工具等を使用し外径方向に広げて、取り付ける。
このように構成することで、ライダーリング７０ａの板厚の寸法を厳しく管理しなくても、シリンダ５１とライダーリング７０ａは、環状弾性体７６，７８によって、常時密着しているため、第１ピストン５２ａの往復動時にシリンダ５１とライダーリング７０ａとの隙間により発生する振動を抑制し、圧縮機の騒音を低減することができる。

また、第１ピストン５２ａは往復動に伴い、ピストンピン８０を中心に第１ピストン５２ａとシリンダ５１と隙間によって、左右に傾きながら振動しようとするが、ライダーリング７０ａは環状弾性体７６，７８により、上下２か所で付勢されているので、第１ピストン５２ａの傾きに対しても追従可能である。
更に、第１ピストン５２ａの傾き幅は、第１ピストン５２ａの傾き幅は、ピストンピン８０の位置により、本実施形態では上方に比べ下方が大きくなるので、下方に位置する環状弾性体７８のバネ定数を上方の環状弾性体７６より大きくしたので、第１ピストン５２ａを傾きを均一にすることができるので、ライダーリング７０ａの編摩耗を抑制することができ、寿命の向上が図れ、更に、騒音の低減も図れる。
更に、環状弾性体を２本設ける場合について説明したが、環状弾性体は１本でも良く、その場合は、ピストンピン８０より下側に設けることにより、ピストン５２ａの上部はピストンリング６０と、下側に設けた環状弾性体によって、シリンダ５１に保持される。
上記説明は、低圧側の圧縮機部についてしたが、高圧側の圧縮機部についても同様である。

上記実施形態に係るエアコンプレッサは、２組のシリンダおよびピストンを備えた多段式の空気圧縮機であったが、シリンダおよびピストンは１組でも３組以上でもよい。

１ エアコンプレッサ
１０ａ，１０ｂ 空気タンク
１２ 脚部
１３ ハンドル
１４ カバー
１５ａ，１５ｂ カプラ
１６ａ，１６ｂ 減圧弁
１７ａ，１７ｂ 圧力計
１８ 開放弁
１９ 操作パネル
２０ モータ
２１ 固定子
２２ 回転子
２３ モータ回転軸（クランクシャフト）
２４ ファン
３０ 圧縮空気生成部
４０ クランクケース
５１ａ 第１シリンダ
５１ｂ 第２シリンダ
５２ａ 第１ピストン
５２ｂ 第２ピストン
５３ａ 第１コネクティングロッド
５３ｂ 第２コネクティングロッド
５４ａ，５４ｂ シリンダヘッド
５５ 第１環状溝
５６ 第２環状溝
６０ ピストンリング
７０Ａ 母材
７０ａ，７０ｂ ライダーリング
７１ 凸部
７２ 凹部
７３ 溝
７６，７８ 環状弾性体
１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ ローラ

Claims (10)

1. レシプロ型の空気圧縮機であって、
   シリンダと、
   前記シリンダ内で往復動するピストンと、
   回転運動を往復動に変換するコネクティングロッドと
   前記ピストンと前記コネクティングロッドを連結するピストンピンと、
   前記ピストンの外周面に装着され、前記ピストンと一体に往復動するライダーリングと、を有し、
   前記ピストンと前記ライダーリングとの間に環状弾性体を設け、
   前記環状弾性体は前記ピストンの外側に向かって力が発生してことを特徴する空気圧縮機
2. 前記環状弾性体は前記ライダーリングを前記シリンダ内壁に押しけることを特徴とする請求項１記載の空気圧縮機。
3. 前記環状弾性体は前記ピストンに設けられた保持手段によって着脱可能に設けられていることを特徴とする請求項１記載の空気圧縮機。
4. 前記保持手段は前記ピストンに設けられた溝からなることを特徴とする請求項３記載の空気圧縮機。
5. 前記溝は前記ピストンに複数設けられていることを特徴とする請求項４記載の空気圧縮機。
6. 前記複数の溝に設けられる、前記環状弾性体は各々異なる弾性定数であることを特徴とする請求項５記載の空気圧縮機。
7. 前記複数環状弾性体は前記ピストンピン上方に設けられている前記環状弾性体より下方に設けられている前記環状弾性体の方が弾性定数が大きいことを特徴とする請求項６記載の空気圧縮機
8. 前記環状弾性体は前記ピストンピンより下方のみに取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の空気圧縮機。
9. 前記環状弾性体は複数の突起部を有していることを特徴とする請求項１記載の空気圧縮機。
10. 前記環状弾性体は、金属又は樹脂からなることを特徴とする請求項１記載の空気圧縮機。