JP7133373B2 - 二段圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、二段式の空気圧縮機（エアーコンプレッサ）に関するものであり、特に、一段側シリンダ内の空気を圧縮する揺動型の第１のピストンに圧縮室内の気密性を保つためのリップリングが設けられ、且つ、二段側シリンダ内の空気を圧縮する揺動型の第２のピストンにも圧縮室内の気密性を保つためのリップリングが設けられた二段式の空気圧縮機の構造に関するものである。

圧縮空気を生成する装置として圧縮機が一般的に知られている。特許文献１（特開2014-029140）では、本願の出願人による先願発明として、「ロッキングピストン」と称される揺動型ピストンを一段側と二段側に備えた可搬型二段圧縮機が提案されている。この先願発明である二段圧縮機を図３に示す。

（二段圧縮機の構成）
二段式の空気圧縮機は、クランクケース１と、クランクケースに設けられた一段側シリンダ２（低圧用のシリンダ）と、この一段側シリンダに対し揺動しつつ往復動する揺動型ピストン３と、クランクケース１に設けられた二段側シリンダ４（高圧用のシリンダ）と、この二段側シリンダに対し揺動しつつ往復動する揺動型ピストン５と、ピストン駆動用のモータ７と、そのロータと一体回転するモータシャフト８を有している。またこの二段圧縮機は、生成した圧縮空気を貯留するための一対の双胴の空気タンク１２の上に常設されている。

シリンダ２，４は円筒状に形成され、該シリンダの先端側にはそれぞれ、従来と同様にシリンダヘッド２１，４１が搭載されている。シリンダヘッド２１，４１内にはそれぞれ、空気を吸い込む吸込室と、圧縮空気を吐出する吐出室とが画成されている。また、シリンダ２，４内にはそれぞれ、揺動型ピストン３，５のピストン本体が収容され、各シリンダ内に圧縮室を画成している。

モータ７が駆動すると、モータシャフト８に連結されたピストン３，５が往復動する。この往復運動の間、ピストン３，５の全体がそれぞれシリンダ２，４に対して揺動を繰り返し、そのときシリンダ２，４の内周面には、ピストン３，５に装着した可撓性リップリング（後述）が常時摺接する。

ピストン３，５はそれぞれ、吸込室から圧縮室内に空気を吸い込む吸込行程と、圧縮室内の空気を圧縮して吐出室に吐出する圧縮行程とを繰り返し、圧縮空気を生成する。吸込行程のときだけ吸気バルブが開いて、圧縮室に吸気が吸い込まれる。

一段側シリンダ２で圧縮された空気は、シリンダヘッド２１の吐出室を介して二段側へ送出され、二段側シリンダ４において更に圧縮される。二段側シリンダ４で生成された高圧の圧縮空気は、シリンダヘッド４１の吐出室を介して吐出され、外部の空気タンク１２に貯留される。空気タンク１２に貯留された圧縮空気は、釘打ち機などの用途に供される。

（揺動型ピストンの構成）
次に図４に基づいて、二段側シリンダ４（高圧用のシリンダ）に設けられるピストン５の構成について詳細に説明する。なお一段側のピストンについては、二段側のピストンとサイズ上の違いがある点を除いてほぼ同様の構成であるため、その説明を省略する。

ピストン５は、一般的に「ロッキングピストン」と称される揺動型ピストンである。このピストン５は、図４に示すように、シリンダ４内に収容されるピストン本体５１と、該ピストン本体と一体のピストンロッド５２で構成されている。ピストン本体５１には、該ピストン本体とシリンダ４との間をシールするリップリング５３（シール部材）が装着され、略円盤状の固定部材５４によって固定されている。

ピストン本体５１の上面側（圧縮室を向いた側）には、固定部材５４と凹凸嵌合する円形の凹部が形成されている。ピストン本体５１の裏面側には、該ピストン本体と一体のピストンロッド５２が延設されている。ピストンロッド５２の基端側には環状部５５が設けられ、軸受５６とクランク軸５７を介してモータシャフト８に連結されている。このピストンロッド５２とピストン本体５１は一体的に形成されているため、ピストン本体５１がシリンダ４内に収容された状態で、ピストン５の全体が一体となってシリンダ４に対して揺動しつつ往復動する。

ピストン本体５１と固定部材５４は、両者の間にリップリング５３が介在するように組み合わされている。リップリング５３は、ピストン本体５１と固定部材５４との間で挟持されており、この状態で、固定部材５４はピストン本体５１に対してネジ固定されている。

（リップリングの機能）
シール材として機能するリップリング５３は、可撓性の樹脂材料から形成されている。リップリング５３は、ピストン本体５１がシリンダ内で往復動しつつ左右に揺動変位している間、その外縁部が弾性変形しながらシリンダ内周面に対し全周にわたって隙間なく常時摺接する。これにより、ピストンとシリンダとの間が気密にシールされ、ピストン上方の圧縮室内の圧縮空気がピストン本体外周とシリンダの間の隙間から漏出するのが阻止される。

特開２０１４－０２９１４０号公報

上述した二段圧縮機では、ピストンが停止するとシリンダ内の圧縮室に圧縮エアが残留し、特に、二段側シリンダの圧縮室には高圧の圧縮エアが残留する。このようにピストン停止後に二段側シリンダに残留したエア圧は、高圧であるが故にシリンダ内でピストンが往復動を再開するときの障害となり、圧縮機の再起動を妨げる、といった問題がある。

上述した問題点に鑑み、本発明の目的は、高圧エアを生成する二段式の空気圧縮機であって、迅速かつ確実な再起動を可能にする構造を具備する二段圧縮機を提供することにある。
また本発明の他の目的は、二段側シリンダの圧縮室に残留する高圧エアに起因する問題を解決することを可能にする構造を備えた二段圧縮機を提供することにある。

上記目的は、たとえば、
一段側シリンダ内の空気を圧縮する揺動型の第１のピストンには当該圧縮室内の気密性を保つ為のリップリングが付設され、且つ二段側シリンダ内の空気を圧縮する揺動型の第２のピストンにも当該リップリングが付設された二段圧縮機が一対のエアタンクの上に常設され、二段側の吸気弁が当該シリンダの上部端面に設けた切欠き部をストッパーとする当該シリンダの圧縮室内に、（第１のピストンが停止したときに）大気開放する為のエア圧抜き穴を具備した二段圧縮機構造によって達成される。

上記二段圧縮機構造では、二段側の吸気弁が当該シリンダの上部端面に設けた切欠き部のストッパーと面接触し得る範囲内にエア圧抜き穴を具備してもよい。

また上記二段圧縮機構造では、当該エア圧抜き穴通路の最小直径が当該シリンダ直径の百分の一以下であるように設計してもよい。

また上記二段圧縮機構造では、当該エア圧抜き穴通路の最小直径をｄ、当該シリンダ直径をＤとしたとき、ｄ／Ｄ≦１／１００ を満たすように設計してもよい。

本発明の二段圧縮機では、二段側シリンダの圧縮室内に、大気開放するためのエア圧抜き穴を設けているので、圧縮機の停止後であってその再起動前に、二段側シリンダの圧縮室を速やかに大気開放することができる。したがって、ピストンが往復動を再開するときの障害（ピストン停止後にシリンダ内に残留するエアー圧による妨げ）を無くすことが可能となり、圧縮機を速やかに再起動させることができる。

また本発明の二段圧縮機では、二段側シリンダ内を大気開放するためのエア抜き穴が、ピストンのリップリングに対し直接触れない位置に（すなわちこの位置でシリンダに）設けられているので、リップリングの摩耗粉がエア抜き穴に詰まりにくい。

また本発明では、エア圧抜き穴は、所定の範囲内（吸気バルブがシリンダの上部端面に設けた切欠き部のストッパーと面接触し得る範囲内）に形成されている。このような構造を採用することにより、ピストンが往復動している間、これに連動して弾性変形する吸気バルブが常にエア圧抜き穴を叩く（繰返し叩く）ことになるので、エア圧抜き穴に対する「清掃効果」が期待できる。つまり、気密性を保つ為のリップリングから発生する摩耗粉を二段側の吸気バルブが接触し叩き落とす清掃効果に依り、（摩耗粉が）エア圧抜き穴付近に滞留し穴詰りを起こすことを防止できる。

なお、本発明を採用しない場合には、穴詰まりの危惧からエア圧抜き穴通路の最小直径がシリンダ直径の百分の一以上（0.0122=0.5/41mm）が限界である。例えば、0.3mmエア圧抜き穴にするにはシリンダ径を30mm以下にしなければならない。しかしながら、本発明による上述した「清掃効果」によって百分の一以下（0.007=0.3/41）が可能になった。つまり本発明は、エア圧抜き穴に因る圧縮時の充填性能低下を最小限に抑える効果を齎す技術である。

本発明に係る二段式の空気圧縮機（二段圧縮機）の第１実施形態を示す図である。 本発明に係る二段式の空気圧縮機（二段圧縮機）の第２実施形態を示す図である。 二段式の空気圧縮機（二段圧縮機）の概略構成を示す図である。 二段式の空気圧縮機（二段圧縮機）が具備する二段側空気圧縮部の概略構成を示す拡大図である。

本発明は、二段式の空気圧縮機（二段圧縮機）において、二段側シリンダの圧縮室内のエア圧を大気開放するための構造に関するものである。
本発明の二段圧縮機は、図３に示す従来技術と基本構造において共通するので、共通する点については従来技術の説明を援用するとともに、添付図面において同一の符号を表示する。したがって、リップリングを具備する揺動型ピストンなどの構成や、圧縮運転時の動作などについても、従来技術の説明を援用する。
以下、従来技術と相違する点を中止に、本発明の具体的実施形態について説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を主として図１に基づいて説明する。
従来技術と共通する構成については図３及び図４を参照する。

第１実施形態の二段圧縮機は、図３や図４に示す従来技術と同様に、
一段側シリンダ２内の空気を圧縮する揺動型のピストン３に圧縮室内の気密性を保つためのリップリングが設けられ、且つ、二段側シリンダ４内の空気を圧縮する揺動型のピストン５にも圧縮室内の気密性を保つためのリップリングが設けられている。

また、第１実施形態の二段圧縮機は、二段側シリンダ４内を大気開放するためのエア圧抜き穴４３を有している。このエア圧抜き穴４３は、二段側シリンダ４の圧縮室内に形成されている。つまり、圧縮室内に通ずるようにエア圧抜き穴４３が二段側シリンダ４に形成されている。また、エア圧抜き穴４３は、エア圧抜け流路４５を介して大気に通じており、圧縮機の停止後であって再起動前にシリンダ４の圧縮室のエア圧を抜いてシリンダ内を大気開放する役割を担う。

このように、本実施形態の二段圧縮機では、二段側シリンダ４の圧縮室内に、大気開放するためのエア圧抜き穴４３を設けているので、二段側シリンダ４の圧縮室に残留し得る圧縮エアを、このシリンダ内から速やかに排出し大気開放することができる。したがって、ピストン５が往復動を再開するときの障害（エアー圧による妨げ）が無くなり、圧縮機を速やかに再起動させることができる。

また、本実施形態で採用しているエア圧抜き穴４３は、図１に示すように、ピストンの上死点より下方であってリップリング５３が触れる位置（シリンダ４の内周面）に、エア抜き穴４３が形成されている。このような特徴を採用することで、エア抜き穴４３より上部での圧縮効率が良いという効果が期待できる。

ただし、シリンダ４の内壁に対し、往復するピストン５のリップリング５３が直接触れるようになっているため、往復動に伴って発生するリップリング５３の摩耗粉がエア抜き穴４３に詰まり易く、穴詰まりによってエア抜き穴４３が機能しなくなる可能性がある。

また、往復動するピストン５のリップリング５３が、エア抜き穴４３よりも上の位置（エア抜き穴４３よりも更に上死点に近い位置）で停止すると、エア抜き穴４３が圧縮室の外（すなわち圧縮室の下）に位置することになる。このようにエア抜き穴４３が圧縮室から外れた位置でピストン５が停止すると、エア抜き穴４３は実質的に機能することができず、圧縮室に残留しているエア圧によって圧縮機が再起動しにくくなる可能性もある。

そこで、上述したエア抜き穴の穴詰まりや、圧縮機の再起動の妨げなどが懸念される場合には、次に述べる第２実施形態を採用することも可能である。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を主として図２に基づいて説明する。
従来技術と共通する構成については図３及び図４を参照する。

第２実施形態の二段圧縮機も、図３や図４に示す従来技術と同様に、
一段側シリンダ２内の空気を圧縮する揺動型のピストン３に圧縮室内の気密性を保つためのリップリングが設けられ、且つ、二段側シリンダ４内の空気を圧縮する揺動型のピストン５にも圧縮室内の気密性を保つためのリップリングが設けられている。

また、第２実施形態の二段圧縮機は、
・二段側シリンダ４内に通ずる吸気口を開閉するための吸気バルブ４７と、
・吸気バルブ４７のストッパーとして機能する切欠き部４９と、
・大気開放するためのエア圧抜き穴４４と、
を有している。

吸気バルブ４７は、弾性変形可能な板状部材で構成されている。この吸気バルブ４７は、二段側ピストン５が往復動を繰り返すたびに、（ピストンの動きに連動して弾性変形と原形への復帰を繰返し）二段側シリンダ４内に通ずる吸気口を開閉する。吸気バルブ４７が弾性変形していない状態（すなわち原形状態）では吸気口を塞いでいる。そして、吸気バルブ４７がピストン５（ピストンの吸込行程）に追従するように弾性変形することで、吸気口が開いて、一段側で圧縮された空気が二段側シリンダ４内に吸い込まれる。
なお、この吸気バルブは、前述した第１実施形態の二段圧縮機も具備するものであるが、第１実施形態ではその説明を省略している。

切欠き部４９は、二段側シリンダ４の上部端面に形成されている。二段側シリンダ４の上部端面を切り欠く様に形成された凹部であることから、「切欠き部」と称している。この切欠き部４９は、ピストン５に連動する吸気バルブ４７のストッパーとして機能する。具体的には、切欠き部４９の底部（底面）が、ストッパーとして機能する。ピストン５の吸込行程で吸気バルブ４７が弾性変形して開弁し、ストッパーである切欠き部４９の底部に当たって停止する。
なお、この切欠き部は、前述した第１実施形態の二段圧縮機が具備していてもよい。

エア圧抜き穴４４は、エア圧抜け流路４６を介して大気に通じており、圧縮機の停止後であって再起動前にシリンダ４の圧縮室のエア圧を抜いて大気開放する役割を担う。ただし、本実施形態で採用するエア圧抜き穴４４は、次に述べる点において、前述した第１実施形態が具備するエア圧抜き穴４３と大きく異なる。

第２実施形態では、大気開放するためのエア抜き穴４４が、ピストン５が具備するリップリング５３が接触しない位置において、二段側シリンダ４に形成されている。つまり、ピストン５の往復動の過程において、リップリング５３はエア抜き穴４４に触れることは無い。
このように、エア抜き穴４４を、ピストン５のリップリング５３に対し直接触れない位置に設けることで、リップリング５３の摩耗粉がエア抜き穴４４に詰まりにくくなる。

また第２実施形態では、エア圧抜き穴４４は、切欠き部４９の所定位置（吸気バルブ４７がシリンダ４の上部端面に設けた切欠き部４９のストッパーと面接触し得る範囲内）に形成されている。つまり、エア圧抜き穴４４は、切欠き部４９の底部（ストッパー部）であって、ピストン５の吸込行程に追従して弾性変形した吸気バルブ４７が当たる位置に形成されている。
このような構造を採用することにより、ピストン５が往復動している間、これに連動して弾性変形を繰り返す吸気バルブ４７が常にエア圧抜き穴４４を叩く(繰返し叩く)ことになるので、エア圧抜き穴４４に対する清掃効果が期待できる。つまり、気密性を保つ為のリップリング５３から発生する摩耗粉を二段側の吸気バルブ４７が接触し叩き落とす清掃効果に依り、エア圧抜き穴付近に滞留し穴詰りを起こすことを防止する。
また、ピストン５が往復動している間は、それに連動して吸気バルブ４７は弾性変形するが、ピストン５が停止すると同時に、吸気バルブ４７は原形（弾性変形していない形状）に復帰し、切欠き部４９の底面（エア圧抜き穴４４）との間に隙間を空ける。つまり、ピストン５がその往復動を停止した状態において、弾性変形していない原形の吸気バルブ４７は隙間（圧縮エアが流通可能な隙間）を隔ててエア圧抜き穴４４と向かい合うので、原形の吸気バルブ４７がエア圧抜き穴４４を塞ぐことは無い。したがって、ピストン５が停止すると、吸気バルブ４７に邪魔されることなく、エア圧抜き穴４４を通じてシリンダ４内が確実に大気開放される。つまり、ピストン５が往復動している間は、吸気バルブ４７はエア圧抜き穴４４を繰返し叩くのであるが、ピストン５がひとたび停止すれば、吸気バルブ４７は弾性変形から解放されて原形に復帰し、切欠き部４９の底部のエア圧抜き穴４４との間に隙間を空けるので、シリンダ内が確実に大気開放される。

また第２実施形態では、エア圧抜き穴４４に通ずる通路４６は、その最小直径が二段側シリンダ直径の百分の一以下である。すなわち、エア圧抜き穴４４に通ずる通路４６の最小直径をｄ、二段側シリンダ直径をＤとしたとき、 ｄ／Ｄ≦１／１００ である。

なお、本発明を採用しない場合には、穴詰まりの危惧からエア圧抜き穴通路の最小直径がシリンダ直径の百分の一以上（0.0122=0.5/41mm）が限界である。例えば、0.3mmエア圧抜き穴にするにはシリンダ径を30mm以下にしなければならない。しかしながら、本発明による上述した「清掃効果」で百分の一以下（0.007=0.3/41）を可能にした。つまり本発明は、エア圧抜き穴に因る圧縮時の充填性能低下を最小限に抑える効果を齎す技術である。

１ クランクケース
２ 一段側のシリンダ（低圧側のシリンダ）
３ 一段側の揺動型ピストン（揺動型の第１のピストン）
４ 二段側のシリンダ（高圧側のシリンダ）
５ 二段側の揺動型ピストン（揺動型の第２のピストン）
７ モータ
８ モータシャフト
１２ 空気タンク
２１ シリンダヘッド
４１ シリンダヘッド
４３ エア圧抜き穴
４４ エア圧抜き穴
４５ エア圧抜け流路（通路）
４６ エア圧抜け流路（通路）
４７ 吸気バルブ（吸気弁）
４９ 切欠き部（ストッパー／外観が切り欠いた様な形状の凹部）
５１ ピストン本体
５２ ピストンロッド
５３ リップリング（シール部材）
５４ 固定部材
５５ 環状部
５６ 軸受
５７ クランク軸

Claims (4)

1. 一段側シリンダ内の空気を圧縮する揺動型の第１のピストンに圧縮室内の気密性を保つためのリップリングが設けられ、且つ、二段側シリンダ内の空気を圧縮する揺動型の第２のピストンにも圧縮室内の気密性を保つためのリップリングが設けられた二段圧縮機において、
   二段側シリンダの圧縮室内に、大気開放するためのエア圧抜き穴を具備し、
   前記エア圧抜き穴は、前記リップリングが接触しない位置において二段側シリンダに設けられている、ことを特徴とする二段圧縮機。
2. 一段側シリンダ内の空気を圧縮する揺動型の第１のピストンに圧縮室内の気密性を保つためのリップリングが設けられ、且つ、二段側シリンダ内の空気を圧縮する揺動型の第２のピストンにも圧縮室内の気密性を保つためのリップリングが設けられた二段圧縮機において、
   前記二段側シリンダ内に通ずる吸気口を開閉するための吸気バルブと、
   前記二段側シリンダの上部端面に設けられ、前記吸気バルブのストッパーとして機能する切欠き部と、
   前記第２のピストンが具備するリップリングが接触しない位置において二段側シリンダに設けられた、大気開放するためのエア圧抜き穴と、
   を具備することを特徴とする二段圧縮機。
3. 請求項２に記載の二段圧縮機において、
   前記エア圧抜き穴は、前記吸気バルブが二段側シリンダの上部端面に設けた切欠き部のストッパーと面接触し得る範囲内に設けられている、ことを特徴とする二段圧縮機。
4. 請求項３に記載の二段圧縮機において、
   前記エア圧抜き穴に通ずる通路は、その最小直径が二段側シリンダ直径の百分の一以下であることを特徴とする二段圧縮機。

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