JP5119168B2 - 無接触式のギャップシールを備えた復動ピストン圧縮機 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は請求項１の上位概念に記載の、１シリンダ軸線に沿って相前後して配置された少なくとも２つの作業シリンダを備えた復動ピストン圧縮機であって、前記作業シリンダ内で各１つのピストンが軸方向で可動にガイドされており、これらのピストンが、軸方向で作動する共通のピストンロッドを有しており、該ピストンロッドが、前記作業シリンダ間の隔壁に設けられた貫通開口を通って延びている形式のものから出発する。

従来技術から公知の復動ピストン圧縮機の場合、一般に貫通開口とピストンロッドとの間にシールリングの形の接触シールが設けられており、これにより、相前後して列状に配置された作業シリンダが相互にシールされる。とりわけ、商用車の圧縮空気ブレーキ装置に復動ピストン圧縮機を使用する場合は、高度な圧縮空気要求に基づき高い圧縮性能が求められるので、復動ピストン圧縮機は多数の圧縮行程を進まねばならない。但し、従来使用された接触シールは摩擦を発生させるので、多数の圧縮行程を考慮すると比較的大きな摩擦損失が生じ、この摩擦損失は最高３００℃の高温においても前記シール領域に生じる。前記理由から、シール用には摩擦が少ないと同時に耐熱性の材料が不可欠であるが、この材料は相応に高価である。

これに対して本発明の課題は、冒頭で述べた形式の復動ピストン圧縮機を改良して、より好適に製作できるようにすることにある。

この課題は、本発明に基づき請求項１の特徴部に記載の構成、即ち、作業シリンダがピストンロッドの領域において、専らピストンロッドの半径方向外側の周面と前記貫通開口の半径方向内側の周面との間に形成された軸方向のギャップシールの形の無接触式のシールによって相互にシールされていることにより解決される。

発明の利点
本発明は、作業シリンダのピストンロッドの領域を、専らピストンロッドの半径方向外側の周面と貫通孔の半径方向内側の周面との間に形成された軸方向のギャップシールの形の無接触式のシールによって相互にシールするという思想に基づいている。換言すると、ピストンロッドは別個の接触シールの介在無しで、貫通開口を通って延びていることが望ましい。この場合、作業シリンダ間にはある程度の漏れが発生するが、この漏れは相前後して配置された少なくとも２つの作業シリンダを備えた本発明による復動ピストン圧縮機の構成形式では妨げとはならない。それというのも、各作業シリンダはいずれにしろ圧縮空気で負荷されているからである。この場合、作業シリンダ間の隔壁に設けられる、冒頭で述べた欠点を伴う従来慣例の接触シールは省くことができる。

本発明は、空気の粘性特性を利用するものであり、この粘性特性に基づき、圧縮空気は急速な圧力上昇下では、狭いギャップを通過する傾向が、比較的低速の圧力上昇時に比べて弱い。商用車の圧縮空気ブレーキ装置に設けられた復動ピストン圧縮機では慣例の、作業シリンダにおける時間当たりの多数の圧縮行程延いては急速な圧力上昇を背景として、結果的に少量の漏れを考慮せねばならない。

ピストンロッドの半径方向外側の周面と、貫通孔の半径方向内側の周面との間の軸方向に延びるリングギャップは絞りを形成しており、この絞りにおいてギャップ流は圧力エネルギを失う。結果的に、当該ギャップは前記絞り作用に基づき、ギャップ幅に関連して高い圧力レベルを著しく低いレベルに低下させる。

従属請求項に記載の構成手段によって、独立請求項に記載した本発明の有利な改良が可能である。

特に有利には、ラビリンスギャップシールを形成するために、貫通孔の半径方向内側の周面に、軸方向で互いに間隔をおいて配置された複数の半径方向溝が設けられている。このようなラビリンスギャップシール内を、流体は比較的高い圧力の一方の作業シリンダの室から、他方の作業シリンダの比較的低い圧力の室へと、複数の狭められた絞り箇所を通って流入し、これらの絞り箇所は前記溝間に配置された、貫通開口の複数の狭窄部によって形成される。絞り箇所の後の拡張された空間において、即ち溝内で、流体流の運動エネルギがほぼ完全に摩擦熱に、即ち損失エネルギに変換される。

本発明では、有利には復動ピストン圧縮機が反転式で可逆的に使用され、この場合、一方の作業シリンダから他方のシリンダへ、ギャップシールを通って流れる漏れ流が、引き続くピストンロッドの反転運動に際して圧縮されるべき空気体積を有利に拡大する。

有利な構成では、本発明は、吸い込まれた空気の多段圧縮を実施し且つ各作業シリンダが１圧縮段に対応配置された、多段式の復動ピストン圧縮機において実施することもできる。

特に有利には、本発明は上で既に述べた理由から、商用車の圧縮空気ブレーキ装置の復動ピストン圧縮機において使用される。

実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１に示した復動ピストン圧縮機１は、複数の、有利には２つのシリンダ２，４が相前後して接続されているタイプであり、この場合、シリンダ２，４内を軸方向でガイドされたピストン６，８は、１つの共通のピストンロッド１０に結合されており、このピストンロッド１０は、商用車の内燃機関（縮尺的な理由から図示せず）により、圧縮空気ブレーキ装置用の圧縮空気を生ぜしめるために、可逆的に駆動される。この場合、各シリンダ２，４ではそれぞれ、最初に一方のシリンダ２により形成された圧縮空気が他方のシリンダ４に供給されること無しに、又は反対に一方のシリンダ４により形成された圧縮空気が他方のシリンダ２に供給されること無しに、入力空気の独立した圧縮過程が行われる。

両シリンダ２，４はそれぞれカバーケーシング１２，１４から成っており、これらのカバーケーシング１２，１４の端部側は、それぞれ複数の貫通開口１６を備えた底板１８，２０，２２，２４により閉じられている。更に、軸方向で見てシリンダ２，４間には隔壁２６が介在しており、この隔壁２６にはそれぞれシリンダ２，４の底板１８，２０，２２，２４に設けられた、対応する貫通開口１６と整合する、少なくとも１つの連続的な入口通路２８及び出口通路３０、並びにピストンロッド１０のための貫通開口３２が形成されている。出口通路３０は、この出口通路３０に直交して延びる出口接続部３４を介して圧縮空気リザーバに接続されており、入口通路２８もやはり、この入口通路２８に直交して延びる入口接続部３６を介して周辺環境に接続されている。

カバーケーシング１２，１４の、隔壁２６に面していない側の端部に配置された底板２０，２２の貫通開口１６もやはり、それぞれ底板２０，２２に軸方向で被せ嵌められた端部部材４６，４８に形成された入口接続部３８，４２若しくは出口接続部４０，４４と整合している。

更に、一方のシリンダ２の底板２０と端部部材４８には、ピストンロッド１０のための中心貫通開口５０が設けられており、ピストンロッド１０は、端部部材４８の半径方向内側の溝５２に保持されたリングシール５４により接触される。ピストン６，８は、シリンダ２，４をそれぞれ第１のシリンダ室５６，５８と、第２のシリンダ室６０，６２とに分割しており、これらのシリンダ室５６，５８；６０，６２の大きさは、ピストン６，８のそのときどきの位置に関連している。この場合、前記リングシール５４は、第１のシリンダ２の第１のシリンダ室５６を周辺環境に対してシールするために役立つ。

更に、ピストン６，８も、その半径方向外側の周面にそれぞれシール６４を支持しており、これらのシール６４は、それぞれ第１のシリンダ室５６，５８及び第２のシリンダ室６０，６２を相互にシールする。今まで説明したシール５４，６４は全て接触シールである。即ち、これらのシール５４，６４は、これらのシール５４，６４に対応配置された摺動面に接触している。

但し、一方のシリンダ２の第２のシリンダ室６０を他方のシリンダ４の第１のシリンダ室５８に対してシールするためには、接触シールではなく、軸方向のギャップシール６６が設けられており、本実施例では、このギャップシール６６は有利にはラビリンスギャップシールとして形成されている。択一的に、平滑円筒形のギャップシール又は段付けされたギャップシールも可能である。このためには、ピストンロッド１０の半径方向外側の周面と、隔壁２６の貫通開口３２の半径方向内側の周面との間に、狭い軸方向のギャップ６６が形成されており、この軸方向のギャップ６６は更に、両底板１８，２４とピストンロッド１０との間にも設けられている。更に、ラビリンスギャップシール６６を形成するためには、少なくとも隔壁２６の貫通開口３２の半径方向内側の周面に、互いに軸方向で間隔をおいて配置された、複数の半径方向溝６８が設けられている。

以下、太線で示された矢印７０は圧縮された空気の流路を示し、黒で縁取りした矢印７２は吸い込まれた空気の流路を示し、黒で縁取りし且つ縞線を付した矢印７４は一方のシリンダ２，４から他方のシリンダ２４へ流入する空気の流路を示し、細線で示した矢印７６は漏れ流の流路を示すものである。このことを背景として、以下、復動ピストン圧縮機１の機能形式を説明する。

図１に示したピストンロッド１０が左側に運動すると、２つの第１のシリンダ室５６，５８の体積が縮小すると同時に、２つの第２のシリンダ室６０，６２が拡大するので、圧力ｐ_１が上昇すると、第１のシリンダ室５６，５８内の空気が圧縮され且つ収集導管（図示せず）の接続された出口接続部３４，４４を介して押し出され、これにより、圧縮された圧縮空気が圧縮空気リザーバに供給される。この流れ運動は、図１では太線で示した黒矢印７０によって示されている。

同時に、第２のシリンダ室６０，６２の体積が拡大されると、その場所の圧力ｐ_２は低下し且つ黒で縁取られた矢印７２が示すように、入口接続部３６，３８を介して空気が吸い込まれる。この圧力勾配ｄｐ＝他方のシリンダ４の第１のシリンダ室５８と、一方のシリンダ２の第２のシリンダ室６０との間の圧力ｐ_１−ｐ_２に基づき、細い矢印７６により象徴化された、ギャップ６６を通る少量の漏れ流が生ぜしめられるが、但しこの漏れ流は不都合なものではなく、一方のシリンダ２の第２のシリンダ室６０に空気を充填するために寄与するものであり、この空気は引き続くピストンロッド１０の可逆運動中に圧縮される。

図２に示したこのピストンロッド１０の可逆運動に際して、予め第２のシリンダ室６０，６２に吸い込まれた空気は、ギャップ６６を通って一方のシリンダ２の第２のシリンダ室６０に流入した漏れ空気７６と同様に圧縮され且つ出口接続部３４，４０を介して圧縮空気リザーバに供給される。同時に、入口接続部３６，４２を介して新たな空気が第１のシリンダ室５６，５８に吸い込まれる。これによりやはり、逆方向に向けられた、ギャップを通る漏れ流７６が生じ、この漏れ流７６は他方のシリンダ４の第１のシリンダ室５８に更なる空気を供給する。

従って、ピストンロッド１０の可逆運動により、各シリンダ室５６，５８，６０，６２にはまず最初に空気が体積増大に基づき吸い込まれ、圧縮され且つ押し出され、この場合、各ピストン６，８の両ピストン面は、２方向で作用する作用面を成している。但し、この場合に発生する漏れ流７６は、その都度周辺環境に吹き出されるのではなく、引き続くピストンロッド１０の可逆運動に際して圧縮されるべき空気体積を拡大するために寄与する。

図３及び図４に示した本発明の第２実施例では、先行実施例と対比して同一且つ同一作用の構成部材は、付加的にアポストロフィを付した同一符号で示されている。先行実施例とは異なり、復動ピストン圧縮機１′は多段式で構成されている。即ち、１行程の間に一方のシリンダ２′により第１のシリンダ室５６′内で圧縮された空気は、他方のシリンダ４′の第２のシリンダ室６２′に導入され、そこでこの圧縮空気が出口接続部４０′を介して圧縮空気リザーバに供給される前に、ピストンロッド１０′の可逆行程中に更に圧縮される。従って、一方のシリンダ２′の第１のシリンダ室５６′は出口接続部を有しておらず、圧縮空気通路７８′の形の圧縮空気接続部を介して、他方のシリンダ４′の第２のシリンダ室６２′と流体接続している。更に、一方のシリンダ２′の第２のシリンダ室６０′は、他方のシリンダ４′の第１のシリンダ室５８′と、溢流通路８０′を介して接続されている。

図３に示したピストンロッド１０′が左側に運動すると、一方のシリンダ２′の第１のシリンダ室５６′内の空気は縮小する体積に基づき加圧され且つ圧縮空気通路７８′を介して他方のシリンダ４′の第２のシリンダ室６２′に導入され、そこでこのシリンダ４′に対応配置されたピストン８′のピストン運動を支援する。ピストン８′は、第１のシリンダ室５８′内に存在する空気を圧縮し且つ出口接続部３４′を介して圧縮空気リザーバに供給する。他方のシリンダ４′の第１のシリンダ室５８′内の比較的高い圧力ｐ_１′と、これに比べて比較的低い、一方のシリンダ２′の第２のシリンダ室６０′内の圧力ｐ_２′との間の圧力勾配に基づき、圧縮空気の少量の部分が漏れ流７６′として、一方のシリンダ２′の第２のシリンダ室６０′に流入し、そこでピストン運動を支援する。同時に一方のシリンダ２′は、入口接続部３６′を介して周辺環境から第２のシリンダ室６０′へ空気を吸い込む。

図４に示したピストンロッド１０′の右側に向かう可逆運動の枠内で、一方のシリンダ２′の第２のシリンダ室６０′に吸い込まれた空気は圧縮され且つ大部分が溢流通路８０′を介して他方のシリンダ４′の第１のシリンダ室５８′内へ押し退けられ、そこで右側に向かうピストン運動を支援する。同時に、他方のシリンダ４′のピストン８′は、第２のシリンダ室６２′内に滞留している、一方のシリンダ２′により既に予め圧縮された圧縮空気を圧縮し且つこの圧縮空気を出口接続部４０′を介して圧縮空気リザーバ内へ押し出す。この場合、一方のシリンダ２′のピストン６′もやはり、少量の漏れ流７６′を第２のシリンダ室６０′から他方のシリンダ４′の第１のシリンダ室５８′へ押し退け、これにより、他方のシリンダ４′のピストン８′のピストン運動を支援し且つ次の圧縮過程のための空気を供給する。

第１の位置における、本発明の有利な１実施例による復動ピストン圧縮機の横断面図である。 第２の位置における、図１に示した復動ピストン圧縮機である。 第１の位置における、本発明の別の実施例による復動ピストン圧縮機の横断面図である。 第２の位置における、図２に示した復動ピストン圧縮機である。

Claims (4)

1. １シリンダ軸線に沿って相前後して配置された少なくとも２つの作業シリンダ（２，４；２′，４′）を備えた反転式の復動ピストン圧縮機（１；１′）であって、前記作業シリンダ内で各１つのピストン（６，８；６′，８′）が軸方向で可動にガイドされており、これらのピストン（６，８；６′，８′）が、軸方向で作動する共通のピストンロッド（１０；１０′）を有しており、該ピストンロッドが、前記作業シリンダ（２，４；２′，４′）間の隔壁（２６，２６′）に設けられた貫通開口（３２；３２′）を通って延びている形式のものにおいて、
   前記作業シリンダ（２，４；２′，４′）がピストンロッド（１０；１０′）の領域において、専らピストンロッド（１０；１０′）の半径方向外側の周面と前記貫通開口（３２；３２′）の半径方向内側の周面との間に形成された軸方向のギャップシール（６６；６６′）の形の無接触式のシールによって相互にシールされており、
   該無接触式のシールは、一方の作業シリンダ（２，４；２′，４′）から他方の作業シリンダ（２，４；２′，４′）へギャップシール（６６；６６′）を通って流入する漏れ流（７６；７６′）が、引き続くピストンロッド（１０；１０′）の反転運動に際して圧縮されるべき空気体積を拡大するよう形成されている、ことを特徴とする、無接触式のギャップシールを備えた復動ピストン圧縮機。
2. ラビリンスギャップシールを形成するために、少なくとも前記貫通開口（３２；３２′）の半径方向内側の周面に、軸方向で互いに間隔をおいて配置された複数の半径方向溝（６８；６８′）が設けられている、請求項１記載の復動ピストン圧縮機。
3. 各作業シリンダ（２′，４′）がそれぞれ１つの圧縮段に対応する、多段圧縮用の多段式の復動ピストン圧縮機（１′）として構成されている、請求項１または２記載の復動ピストン圧縮機。
4. 請求項１から３までのいずれか１項記載の復動ピストン圧縮機（１；１′）を有する、圧縮空気作動式の車両用ブレーキ装置。

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