JP5242137B2 - 往復動型圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば空気圧縮機として好適に用いられる往復動型圧縮機に関し、特に、負荷運転と無負荷運転の制御を行うアンロード機構を有した往復動型圧縮機に関する。

一般に、往復動型圧縮機は、シリンダと、該シリンダ内に往復動可能に設けられたピストンと、前記シリンダ上に搭載され、内部に吸込室と吐出室とが形成されたシリンダヘッドと、該シリンダヘッドの下面側に取付けられ、該シリンダヘッドの吸込室を前記シリンダ内に対して連通，遮断する弁体を有する吸込弁と、前記シリンダヘッドに設けられ、無負荷運転時に該吸込弁を強制的に開弁するアンロード機構とを備えている。

また、前記アンロード機構は、底部側に前記吸込室と連通する挿通孔が形成された有底筒状のアンロードシリンダと、基端側が該アンロードシリンダ内に摺動可能に挿嵌され、先端側が該アンロードシリンダの挿通孔から前記吸込室内に突出したアンロードピストンとから構成している。

そして、圧縮機の起動と同時に負荷運転を行って、吸込行程で吸込弁を開弁し、圧縮行程で吐出弁を開弁させることは電動モータ等の駆動源に大きな負荷がかかる。このため、アンロード機構は、吸込弁を強制的に開弁し、往復動型圧縮機の無負荷運転を行うものである。

そこで、従来技術による往復動型圧縮機として、空気圧縮機を例に挙げ、図４ないし図６に基づいて説明する。

１は例えば鉄、アルミニウム等の金属材料によって略円筒状に形成されたシリンダを示し、該シリンダ１の上端部１Ａには後述の弁座板３およびシリンダヘッド７がボルト等（図示せず）により固着されている。また、シリンダ１の上端部１Ａには後述する吸込弁１３の弁開度を規制する段部２が形成されている。

３はシリンダ１の上端部１Ａ上に設けられた弁座板で、該弁座板３は略矩形状の平板として形成され、後述するピストン１１との間でシリンダ１内に圧縮室４を画成している。また、弁座板３には、圧縮室４に連通するように吸込孔５と吐出孔６とが形成されている。

７はシリンダ１上に弁座板３を挟んで搭載されたシリンダヘッドを示し、該シリンダヘッド７は、例えば鉄、アルミニウム等の金属材料によって形成されている。また、シリンダヘッド７には弁座板３との間でシリンダヘッド７内に吸込室８と吐出室９とを画成する隔壁７Ａが形成されている。また、シリンダヘッド７には吸込ポート７Ｂと吐出ポート（図示せず）とが形成され、吸込ポート７Ｂは吸込室８を経由して吸込孔５と連通し、吐出ポートは吐出室９を経由して吐出孔６と連通している。

１０はシリンダヘッド７の吸込室８に位置して後述のアンロード機構１９が取付けられる取付筒部で、該取付筒部１０は有底筒状に、かつ一体的に形成され、該取付筒部１０の底部側には、吸込孔５の上方に位置して吸込室８と連通した挿通孔１０Ａが穿設されている。なお、取付筒部１０は、シリンダヘッド７と別部材によって形成し、該シリンダヘッド７にねじ止め、溶接等の手段で固着する構成としてもよい。

１１はシリンダ１内に摺動可能に挿嵌されたピストンで、該ピストン１１は連接棒１２を用いてクランク軸（図示せず）に連結され、このクランク軸を電動モータ等の駆動源で回転させることによってシリンダ１内を往復動する。

１３は吸込孔５を開，閉すべく弁座板３の下面側（圧縮室４側）に取付けられた吸込弁を示し、該吸込弁１３は基端側がボルト１４等で弁座板３の下面に固着され先端側が自由端となった弁板１５からなり、該弁板１５はばね性を有する薄板によって形成されている。

１６は吐出孔６を開，閉すべく弁座板３の上面側（吐出室９側）に取付けられた吐出弁で、該吐出弁１６は基端側がボルト１７等で弁座板３に固着された長尺な弁板１８からなり、該弁板１８の先端側は自由端となって吐出孔６の周囲まで延びている。

１９は吸込孔５の上方に位置してシリンダヘッド７の取付筒部１０に取付けられたアンロード機構を示し、該アンロード機構１９は、後述のアンロードブッシュ２０、アンロードピストン２１および保持ばね２５等から構成され、その作動時にはアンロードピストン２１の押圧部２１Ｂが吸込弁１３の弁板１５を押動し、該吸込弁１３を強制的に開弁状態に保持することによって圧縮機を無負荷運転させる。

２０は取付筒部１０の上側開口部を施蓋するアンロードブッシュで、該アンロードブッシュ２０は、取付筒部１０と共にアンロードシリンダを形成する筒部２０Ａと、該筒部２０Ａの上側に形成された蓋部２０Ｂとから構成されている。また、蓋部２０Ｂの中央部には、後述のエア室２３に連通した接続ポート２０Ｃが形成され、該接続ポート２０Ｃには例えばエア導管（図示せず）等が接続される。

また、このエア導管は外部のエアタンク等に電磁弁（いずれも図示せず）等を介在させて接続されている。そして、エアタンク内が規定圧力に達したとき、アンロード機構１９はこの電磁弁を開弁し、エアタンク内のエア圧（圧縮空気）がエア導管を通してエア室２３内に供給することにより、無負荷運転を行う。

２１は吸込弁１３の弁板１５を押動するアンロードピストンを示し、該アンロードピストン２１は、図６に示すように、例えば、真鍮、鉄、ステンレス等の金属材料によって軸方向に伸長した棒状体として形成されている。ここで、アンロードピストン２１は、取付筒部１０の挿通孔１０Ａを挿通して吸込室８内へ突出するピストン本体２１Ａと、該ピストン本体２１Ａの先端側に位置して軸方向に延びる小径な押圧部２１Ｂと、ピストン本体２１Ａの基端側に位置しアンロードブッシュ２０の筒部２０Ａ内に摺動可能に挿嵌された受圧部２１Ｃと、該受圧部２１Ｃの外周側に形成されたＯリング取付溝２１Ｄとから構成されている。

また、前記アンロードピストン２１の外周には、自己潤滑性の樹脂材料、例えば、カーボンを混練したフェノール樹脂、四弗化樹脂等からなる潤滑膜２２が被覆されている。

ここで、前記アンロードピストン２１の受圧部２１Ｃは、筒部２０Ａ内で蓋部２０Ｂとの間にエア室２３を画成している。また、受圧部２１Ｃの外周側に形成されたＯリング取付溝２１Ｄ内にはＯリング２４が装着されている。さらに、該Ｏリング２４にはモリブデン系の耐熱グリースが添着され、このグリースにより、受圧部２１Ｃと筒部２０Ａとの間をシールしている。

２５はアンロード機構１９の停止時にアンロードピストン２１を停止側位置に保持するための保持ばねで、該保持ばね２５はピストン本体２１Ａの周囲に配設され、上端側が受圧部２１Ｃの下面に当接し、下端側が取付筒部１０内の底部側に当接している。

このように構成される従来技術の空気圧縮機では、電動モータ等の駆動源（図示せず）によってクランク軸が回転駆動されると、ピストン１１がシリンダ１内で往復動し、圧縮室４を拡縮させる。

そして、圧縮機の負荷運転時には、ピストン１１がシリンダ１内で下向きに摺動する吸込行程で圧縮室４が吸込室８および吐出室９よりも低圧となるから、吸込弁１３が開弁し吐出弁１６が閉弁することにより、外部の空気が吸込ポート７Ｂから吸込室８を経由して圧縮室４内に吸込まれる。

また、ピストン１１がシリンダ１内で上向きに摺動する吐出行程では、圧縮室４が吸込室８および吐出室９よりも高圧となるから、吸込弁１３が閉弁し吐出弁１６が開弁することにより、圧縮室４内で圧縮された空気が吐出室９を経由して吐出ポートから圧縮空気として吐出され、外部のエアタンク等に貯留される。

この場合、アンロード機構１９は、圧縮機を負荷運転させるために電磁弁は閉弁しているから、アンロードピストン２１が保持ばね２５によりエア室２３側へと上向きに押動され、ピストン本体２１Ａの押圧部２１Ｂは吸込弁１３の弁板１５から離間した状態に保持される。これにより、吸込弁１３の弁板１５はピストン１１が吸込行程と吐出行程とを繰返すのに応じて弁座板３に対して離，着座を行う。

これに対し、圧縮機を無負荷運転させるときには、電磁弁等を開弁させることにより、アンロード機構１９のエア室２３内に前記エアタンク等からエア圧が供給される。これにより、アンロードピストン２１は、図５のように、保持ばね２５に抗して下向きに摺動し、先端の押圧部２１Ｂが吸込弁１３の弁板１５を下向きに押動し、該吸込弁１３を強制的に開弁状態に保持する。

ところで、上述した従来技術による往復動型圧縮機では、アンロード機構１９のアンロードピストン２１全体が金属材料によって形成されているため、次のような問題があった。

第１に、アンロードピストン２１全体が金属材料により形成されていると、その質量が大きくなるため、アンロード機構１９が無負荷運転を開始するときには、アンロードピストン２１の押圧部２１Ｂが吸込弁１３の弁板１５に勢いよく衝突する。この結果、両者が衝突するときの衝撃力が大きくなり、アンロードピストン２１の押圧部２１Ｂ、弁板１５等を破損してしまう虞れがあった。

第２に、無負荷運転の開始時には、アンロードピストン２１の押圧部２１Ｂが大きな慣性力をもって吸込弁１３の弁板１５に衝突すると、両者の衝突音が発生し易くなり、特に重量の金属材料からなるアンロードピストン２１が金属製の弁板１５に勢いよく衝突したときには、騒音レベルが大きくなり易い。

第３に、アンロードピストン２１は金属材料によって形成されているため、予め熱膨張を考えた太さに形成され、ピストン本体２１Ａと挿通孔１０Ａとの間のクリアランスも大きく設定されている。このため、アンロードピストン２１の取付ガタが大きくなり、この取付ガタによって、ピストン本体２１Ａと挿通孔１０Ａは早期摩耗していまい、アンロード機構１９の寿命が短くなってしまう。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、アンロードピストンが吸込弁に衝突するときの衝撃を緩和し、これらの耐久性を高めると共に、アンロードピストンが摺動する部分の偏摩耗を低減できるようにした往復動型圧縮機を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明が採用する往復動型圧縮機は、シリンダと、該シリンダ内に往復動可能に設けられたピストンと、前記シリンダ上に搭載され、内部に吸込室と吐出室とが形成されたシリンダヘッドと、該シリンダヘッドの下面側に取付けられ、該シリンダヘッドの吸込室を前記シリンダ内に対して連通，遮断する金属製の弁体を有する吸込弁と、前記シリンダヘッドに設けられ、無負荷運転時に該吸込弁を強制的に開弁するアンロード機構とを備え、該アンロード機構を、底部側に前記吸込室と連通する挿通孔が形成された有底筒状のアンロードシリンダと、基端側が該アンロードシリンダ内に摺動可能に挿嵌され、先端側が該アンロードシリンダの挿通孔から前記吸込室内に突出したアンロードピストンとから構成している。

そして、請求項１に記載の発明が採用する構成の特徴は、前記アンロードピストンは、軸方向に伸長した棒状体からなり、前記挿通孔内を挿通して吸込室内に突出したピストン本体と、該ピストン本体の先端側に位置して無負荷運転時に前記吸込弁に衝突して当該吸込弁を押圧する押圧部と、前記ピストン本体の基端側に位置して前記アンロードシリンダ内に摺動可能に挿嵌された受圧部とから構成し、前記アンロードピストンを構成し、無負荷運転時に前記挿通孔内を摺動する前記ピストン本体、無負荷運転時に前記吸込弁を押圧する前記押圧部および無負荷運転時に前記アンロードシリンダ内を摺動する前記受圧部を樹脂材料により形成し、無負荷運転時に前記ピストン本体および前記受圧部が摩耗し、前記アンロードシリンダの摩耗を低減する構成としたことにある。

このように構成することにより、アンロードピストン全体を軽量化でき、無負荷運転を開始したときには、アンロードシリンダ内を摺動するアンロードピストンの慣性力を低減できる。これにより、アンロードピストンの押圧部で吸込弁の弁体を下側に押動するときでも、この押圧部が吸込弁と衝突するときの衝撃力を緩和することができ、両者が当接するときの衝突音も低減できる。

さらに、ピストン本体を樹脂材料により形成したから、該ピストン本体とアンロードシリンダの挿通孔との間のクリアンランスは、熱膨張を考慮した大きさに予め設定する必要はなく、摺動時においてもピストン本体のみが摩耗することにより、シリンダヘッドの挿通孔の摩耗を低減できる。

また、請求項２の発明のように、前記アンロードピストンを、自己潤滑性の樹脂材料によって形成することにより、アンロードピストンのピストン本体と挿通孔との間の摺動性を高めることができ、偏摩耗を低減できる。

上述した通り、請求項１に記載の発明によれば、無負荷運転時にアンロードシリンダの挿通孔内を摺動するピストン本体、無負荷運転時に吸込弁に衝突して当該吸込弁を押圧する押圧部および無負荷運転時に前記アンロードシリンダ内を摺動する受圧部からなるアンロードピストンを樹脂材料で形成したから、アンロードピストン全体の軽量化を図ることができ、その摺動時に生じる慣性力を確実に低減させることができる。これにより、無負荷運転を開始したときには、アンロードピストンの押圧部が吸込弁の弁体に強く衝突するときでも、このときの衝撃力を緩和することができ、衝突するときの衝突音も小さく抑えることができる。

さらに、ピストン本体を樹脂材料により形成したから、該ピストン本体とアンロードシリンダの挿通孔との間のクリアランスは、熱膨張を考慮した大きさに予め設定する必要はなく、無負荷運転による摺動時においても前記ピストン本体および前記受圧部を摩耗させ、前記アンロードシリンダの摩耗を低減することにより、シリンダヘッドの挿通孔の摩耗を防止することができる。これにより、吸込弁が破損するのを確実に防止でき、往復動型圧縮機の耐久性と寿命を高めることができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、アンロードピストンを自己潤滑性の樹脂材料によって形成したから、アンロードピストンがアンロードシリンダ内で摺動するときの潤滑性を高めることができ、アンロードピストンを円滑に動作させることができると共に、これらの摺動部の偏摩耗を低減できる。

以下、本発明の実施の形態を、図１および図２の添付図面に基づいて、詳細に説明する。

ここで、図１と図２は本発明による実施の形態を示している。なお、実施の形態では従来技術と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

３１は本発明の実施の形態によるアンロード機構を示し、該アンロード機構３１は、吸込孔５の上方に位置してシリンダヘッド７の取付筒部１０に取付けられ、該アンロード機構３１は、アンロードブッシュ２０、後述するアンロードピストン３２および保持ばね３５等から構成され、その作動時にはアンロードピストン３２の押圧部３２Ｂが吸込弁１３の弁板１５を下側に押動し、該吸込弁１３を強制的に開弁状態に保持することによって圧縮機を無負荷運転させる。

３２は本発明の実施の形態に適用されるアンロードピストンを示し、該アンロードピストン３２は、図２に示すように、その全体が自己潤滑性の樹脂材料、例えば、カーボンを混練した熱硬化性のフェノール樹脂、四弗化樹脂等によって形成されている。

ここで、前記アンロードピストン３２は、取付筒部１０の挿通孔１０Ａを挿通して吸込室８内へ突出するピストン本体３２Ａと、該ピストン本体３２Ａの先端側に位置して軸方向に延びる小径な押圧部３２Ｂと、前記ピストン本体３２Ａの基端側に位置しアンロードブッシュ２０の筒部２０Ａ内に摺動可能に挿嵌された受圧部３２Ｃと、該受圧部３２Ｃの外周側に形成されたＯリング取付溝３２Ｄとから構成されている。

また、前記アンロードピストン３２の受圧部３２Ｃは、筒部２０Ａ内で蓋部２０Ｂとの間にエア室３３を画成している。また、受圧部３２Ｃの外周側に形成されたＯリング取付溝３２Ｄ内にはＯリング３４が装着されている。さらに、該Ｏリング３４にはモリブデン系の耐熱グリースが添着され、このグリースにより、受圧部３２Ｃと筒部２０Ａとの間をシールしている。

３５はアンロード機構３１の停止時にアンロードピストン３２を停止側位置に保持するための保持ばねで、該保持ばね３５はピストン本体３２Ａの周囲に配設され、上端側が受圧部３２Ｃに当接し、下端側が取付筒部１０の底部側に当接している。そして、保持ばね３５はこの状態でアンロードピストン３２をエア室３３側に向けて常時付勢している。

本実施の形態による空気圧縮機は上述の如き構成をするもので、その基本的動作については従来技術によるものと格別差異はない。

然るに、本発明の実施の形態によれば、アンロードピストン３２を自己潤滑性の樹脂材料によって形成したから、該アンロードピストン３２の重量を例えば従来技術のアンロードピストン２１の１／３程度に軽量化でき、アンロードピストン３２が変位するときに生じる慣性力を確実に低減させることができる。

これにより、アンロード機構３１が無負荷運転を開始するときには、アンロードピストン３２の押圧部３２Ｂが、下側に位置した吸込弁１３の弁板１５に勢いよく衝突したとしても、樹脂材料によって形成された重量の軽いアンロードピストン３２が衝突することになり、衝突時の衝撃力を低減し、弁板１５の破損を防止することができる。

また、アンロードピストン３２の押圧部３２Ｂも樹脂材料により形成しているから、無負荷運転を開始してアンロードピストン３２の押圧部３２Ｂが吸込弁１３の弁板１５に衝突するとき、発生する衝突音を低減できる。

さらに、アンロードピストン３２は、自己潤滑性の樹脂材料によって形成されているから、ピストン本体３２Ａと挿通孔１０Ａとのクリアランス、ピストン本体３２Ａと筒部２０Ａとの間のクリアランスを、予め狭く設定して取付ガタを小さくしたとしても、アンロードピストン３２の材料は自己潤滑性を備えているから、該アンロードピストン３２はアンロードシリンダに対して円滑に摺動させ、摺動部分の偏摩耗を低減できる。

しかも、アンロードピストン３２が熱膨張してピストン本体３２Ａと挿通孔１０Ａとの間のクリアランスが狭くなり、ピストン本体３２Ａが挿通孔１０Ａに接触したとしても、アンロードピストン３２の摺動時には、樹脂材料で形成されたピストン本体３２Ａが摩耗するだけですむ。これにより、アンロードピストン３２は、挿通孔１０Ａが摩耗するのを防止することができる。

一方、アンロードピストン３２の受圧部３２Ｃとアンロードブッシュ２０の筒部２０Ａとの間のクリアランスに関し、アンロードピストン３２が熱膨張し、このクリアランスが狭くなったとしても、樹脂で形成された受圧部３２Ｃが摩耗するだけですむ。これにより、アンロードピストン３２は、アンロードブッシュ２０の筒部２０Ａが摩耗するのを防止することができる。

さらに、前述したように、アンロードピストン３２が挿通孔１０Ａ、筒部２０Ａに対して片寄った偏摩耗を起こしたとしても、アンロードピストン３２は低廉安価な樹脂材料で製造することが可能であるから、交換して使用することもでき、アンロード機構３１の寿命を延ばし、空気圧縮機の信頼性を高めることができる。

また、アンロードピストン３２を樹脂材料によって形成することにより、その表面に防錆処理等を施す必要がなくなり、従来技術の潤滑膜２２等も省略できると共に、アンロードピストン３２を形成するときの工数、コスト等を低減させることができる。

かくして、アンロードピストン３２は、全体を自己潤滑性の樹脂材料によって形成したから、アンロード機構３１の作動時にアンロードピストン３２の押圧部３２Ｂが吸込弁１３の弁板１５に強く衝突するときの衝撃力を低減でき、吸込弁１３が破損するのを確実に抑えると共に、押圧部３２Ｂが弁板１５に衝突するときの衝突音を低減することができる。これにより、これらアンロードピストン３２と吸込弁１３の耐久性と寿命を大幅に向上し、空気圧縮機の圧縮性能等を長期間に亘って良好に保持することができる。

次に、図３は本発明の参考例を示し、本参考例による往復動型圧縮機の特徴は、アンロードピストン４１のピストン本体４１Ａ、押圧部４１Ｂおよび受圧部４１Ｃを繊維強化樹脂材料によって形成したことにある。

ここで、この繊維強化樹脂材料は、例えばカーボンを混練したフェノール樹脂、四弗化樹脂等の自己潤滑性を有する樹脂材料に対して、ガラス繊維等の短繊維を混入することにより形成した高強度の樹脂材料（ＦＲＰ）等によって構成されている。

かくして、このように構成される本参考例でも、前記実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができ、アンロードピストン４１の重量を従来技術の１／３程度に軽量化できると共に、その押圧部４１Ｂが弁板１５に衝突するときの衝撃力、衝突音を確実に低減させることができる。

そして、特に本参考例では、繊維強化樹脂材料を用いることにより、軽量なアンロードピストン４１に対して高い強度と耐摩耗性とを与えることができ、例えばアンロードピストン４１と取付筒部１０等との摺動面に潤滑油等を塗布することなく、これらの耐久性、寿命を向上させることができる。

なお、前記実施の形態では、往復動型圧縮機として空気圧縮機を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えば空気以外の気体を圧縮する圧縮機等にも広く適用できる。

本発明の実施の形態による空気圧縮機のアンロード機構等を示す縦断面図である。 図１に示すアンロードピストンの縦断面図である。 本発明の参考例による空気圧縮機のアンロードピストンを示す縦断面図である。 従来技術による空気圧縮機を示す縦断面図である。 従来技術による空気圧縮機のアンロード機構等を示す縦断面図である。 図５に示すアンロードピストンの縦断面図である。

符号の説明

１ シリンダ
７ シリンダヘッド
８ 吸込室
１０ 取付筒部
１０Ａ 挿通孔
１１ ピストン
１３ 吸込弁
１５ 弁板
２０ アンロードブッシュ
３１ アンロード機構
３２，４１ アンロードピストン
３２Ａ，４１Ａ ピストン本体
３２Ｂ，４１Ｂ 押圧部
３２Ｃ，４１Ｃ 受圧部
３２Ｄ Ｏリング取付溝

Claims (2)

1. シリンダと、該シリンダ内に往復動可能に設けられたピストンと、前記シリンダ上に搭載され、内部に吸込室と吐出室とが形成されたシリンダヘッドと、該シリンダヘッドの下面側に取付けられ、該シリンダヘッドの吸込室を前記シリンダ内に対して連通，遮断する金属製の弁体を有する吸込弁と、前記シリンダヘッドに設けられ、無負荷運転時に該吸込弁を強制的に開弁するアンロード機構とを備え、該アンロード機構を、底部側に前記吸込室と連通する挿通孔が形成された有底筒状のアンロードシリンダと、基端側が該アンロードシリンダ内に摺動可能に挿嵌され、先端側が該アンロードシリンダの挿通孔から前記吸込室内に突出したアンロードピストンとから構成してなる往復動型圧縮機において、
   前記アンロードピストンは、軸方向に伸長した棒状体からなり、前記挿通孔内を挿通して吸込室内に突出したピストン本体と、該ピストン本体の先端側に位置して無負荷運転時に前記吸込弁に衝突して当該吸込弁を押圧する押圧部と、前記ピストン本体の基端側に位置して前記アンロードシリンダ内に摺動可能に挿嵌された受圧部とから構成し、
   前記アンロードピストンを構成し、無負荷運転時に前記挿通孔内を摺動する前記ピストン本体、無負荷運転時に前記吸込弁を押圧する前記押圧部および無負荷運転時に前記アンロードシリンダ内を摺動する前記受圧部を樹脂材料により形成し、無負荷運転時に前記ピストン本体および前記受圧部が摩耗し、前記アンロードシリンダの摩耗を低減することを特徴とする往復動型圧縮機。
2. 前記アンロードピストンは、自己潤滑性の樹脂材料によって形成してなる請求項１に記載の往復動型圧縮機。

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