(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、カムと、複数のシリンダおよびピストン組立体とを含み、前記複数のシリンダおよびピストン組立体のそれぞれは、それぞれのシリンダ内に移動可能に配置されたピストンを有するカム駆動式圧縮機において、
略矩形の第１および第２の離間した端部板の間に装着されたローラ取付具に回転可能に連結されたローラ要素と、第１および第２の端部を有する連接棒とをそれぞれが備えた複数のカム従動子組立体であって、前記連接棒のそれぞれの第１の端部はそれぞれの前記ローラ取付具に連結され、前記連接棒のそれぞれの第２の端部はそれぞれの前記ピストンに連結され、前記カム従動子組立体のそれぞれの前記ローラ要素は前記カムと転がり接触するように構成されている前記複数のカム従動子組立体と、
離間した平行な関係で前記筐体に配置され、互いに対向する関係で整列した複数の溝をそれぞれが一体的に含み、各対向した一体溝の対は直線案内経路を画定するように構成されている第１および第２の筐体板と、
を含み、
前記複数のカム従動子組立体のそれぞれの全体は、それぞれの前記直線案内経路内に収容されており、前記複数のカム従動子組立体のそれぞれの前記略矩形の第１および第２の端部板のそれぞれは、それぞれの前記直線案内経路内に密接して受け入れられて摺動可能に係合するように構成されているカム駆動式圧縮機。
【請求項２】
前記複数のシリンダおよびピストン組立体のそれぞれは、前記シリンダ内に気体圧縮室を画定するとともに、それぞれのシリンダに取り付けるシリンダヘッドを有し、各シリンダヘッドは気体吸気口および気体排気口を含み、
前記カム駆動式圧縮機は、前記複数のシリンダおよびピストン組立体のそれぞれの前記気体圧縮室と前記シリンダヘッドの前記気体排気口との間に配置されたフィルタおよびフィルタ保持板をさらに含む請求項１に記載のカム駆動式圧縮機。
【請求項３】
前記複数のシリンダおよびピストン組立体は、中心に配置されたカムのまわりに放射状に離間した態様で配置されている請求項２に記載のカム駆動式圧縮機。
【請求項４】
前記複数のシリンダおよびピストン組立体のそれぞれは、前記シリンダに取り付けるシリンダヘッドを有し、前記シリンダヘッドのそれぞれは気体吸気口および気体排気口を含み、
前記複数のシリンダおよびピストン組立体のそれぞれは、内部に気体圧縮室を画定し、
前記複数のシリンダおよびピストン組立体のそれぞれの前記気体圧縮室と前記シリンダヘッドの前記気体排気口との間に、フィルタおよびフィルタ保持板が配置されており、
前記フィルタ保持板は、前記複数のシリンダおよびピストン組立体のそれぞれの前記シリンダと前記シリンダヘッドとの間に配置され、それによって、前記ピストンと前記シリンダヘッドとの間の死空間を低減している請求項１に記載のカム駆動式圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願データ
本願は、２００７年１２月２１日出願の、先行する米国仮特許出願第６１／０１６，１３１号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、圧縮機に関し、その第１の態様では、より詳細には、中心カムと、１つまたは複数のピストンと、中心に配置されたカムに動作可能に連結されこのカムから半径方向に延在するそれぞれのカム従動子組立体とを有する圧縮機に関する。別の態様では、本発明は、シリンダの圧縮室とシリンダヘッドの排気口との間に配置されたフィルタおよびフィルタ保持板を含む圧縮機に関する。さらに別の態様では、本発明は、カム従動子組立体を含む圧縮機に関する。カム従動子組立体は、ローラ要素と案内取付具とを有する。案内取付具は、圧縮機の筐体板に形成された一対の向かい合った溝によって画定されるそれぞれの案内経路内で往復運動できるように配置されている。
【背景技術】
【０００３】
電気で駆動される圧縮機は、１つのピストンまたは一連のピストンを駆動して圧縮気体を発生させるために、モータで生じた回転運動を直線運動に変換しなければならない。ほとんどの気体圧縮機は、内燃機関に見られるものと同様なクランク軸および連接棒組立体を用いてこの変換作業を行う。この設計の利点の中に、確かな信頼性と高い動作効率がある。１つの主要な欠点は、クランク軸が完全に１回転する間に連接棒が必要とする空間にある。この欠点は、通常では６．８９５ＭＰａ（ゲージ圧）を超える高圧まで気体を圧縮するのに使用する多段圧縮機で特に顕著になる。多くの場合、高圧段のピストンは、連接棒および連接棒が占める動的空間に対応することができない。その結果、多くの設計では、ピストンの行程を１２．７ｍｍ未満に限定し、高圧段で段付きピストンを使用した。これらの方策により、圧縮機の効率が低くなり、組立体に部品が追加される。
【０００４】
圧縮機の他の設計では、回転運動を直線運動に変換するのに章動ヘッドを利用する。これらの設計では、ピストン行程が回転軸線に対して平行である。自動車の空調用圧縮機は、通常、このタイプの圧縮機を使用する。この方式の圧縮機の利点は、圧縮機が必要とする実装空間が小さいことにある。さらに、連接棒は、クランク軸と併用する連接棒よりも関節式連結が少ない。これにより、クランク軸を用いた設計よりも小直径ピストンの行程を長くすることが可能になる。この方式の圧縮機の１つの欠点は、回転動作よりも摺動動作に大部分を依存するピストンの往復運動にある。これにより、システム内の摩擦量が増大し、圧縮機全体の効率が低下し、圧縮機性能を信頼できるものにするために、絶えず潤滑することが必要になる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、第１の態様において、カムのまわりに放射状に配置されたピストンを駆動する中心カムを有する圧縮機を提供することで、先行技術の欠点に対処する。圧縮機組立体は、環状に離間したシリンダ取付面を有する環状ブロックを含む筐体を有する。カム１６は、筐体の中心またはその近くに配置され、軸線に沿って延在する中心軸を介して、減速機付きモータとつながっている。第１段、第２段、および第３段のシリンダおよびピストン組立体は、カムから半径方向に延在し、それぞれのカム従動子組立体を介してカムに動作可能に連結されている。
【０００６】
一実施形態では、本発明は、半径方向カム駆動式圧縮機を提供し、この圧縮機は、
ａ）中心開口を有する筐体であって、前記筐体のまわりに環状に離間した関係で形成され、前記筐体を半径方向に貫通する複数の開孔を有する筐体と、
ｂ）前記筐体の中心開口を貫通するカム軸に回転可能に取り付けられたカムと、
ｃ）各ピストンがそれぞれのシリンダ内に移動可能に配置された複数のシリンダおよびピストン組立体と、
ｄ）ローラ取付具に回転可能に連結されたローラ要素と、第１および第２の端部を有する連接棒とをそれぞれが備えた複数のカム従動子組立体と、
を含み、前記連接棒のそれぞれは、それぞれの半径方向軸線に沿って前記筐体内のそれぞれの前記開孔を通って延在し、前記連接棒のそれぞれの第１の端部は、前記筐体の中心開口内に配置されたそれぞれの前記ローラ取付具に連結され、前記連接棒のそれぞれの第２の端部は、前記筐体の中心開口の外側に配置されたそれぞれの前記ピストンに連結され、前記カム従動子組立体のそれぞれの前記ローラ要素は、前記カムと転がり接触し、
それによって、前記筐体のまわりに環状に離間した関係で配置されたそれぞれの前記ローラと、それぞれの連接棒と、ピストンおよびシリンダ組立体とを前記カムの回転により順次往復運動させることができる。
【０００７】
半径方向カム駆動式圧縮機は、それぞれ、低、中、高の相対圧縮力で順次空気を圧縮する第１、第２、および第３のシリンダおよびピストン組立体を含む３段圧縮機とすることができる。
【０００８】
半径方向カム駆動式圧縮機は、第１および第２の筐体板をさらに含むことができ、第１および第２の筐体板の間にカムを配置した状態で、第１および第２の筐体板は、離間した平行な関係で筐体の中心開口のまわりに配置されている。筐体板のそれぞれは、中心開口を有し、カム軸は、その一列に並んだ中心開口を貫通して、カム従動子組立体の連接棒の半径方向に延在する各軸線に対してほぼ垂直に延在する軸線に沿って延在している。
【０００９】
第１および第２の筐体板はそれぞれ、環状に離間し、半径方向に延在する複数の溝をさらに含むことができ、第１の板の経路は、第２の板の溝と対向した関係で整列し、対向した溝の対のそれぞれは、案内経路を形成し、カム従動子組立体は、案内経路内で往復摺動運動を行うように案内経路内にそれぞれ一つ配置されている。
【００１０】
カム従動子組立体のそれぞれは、それぞれのローラ取付具の両側に取り付けられた一対の端部板をさらに含み、一対の端部板は、向かい合った一対の溝の案内経路内に密着して受け入れられて、摺動可能に係合する。
【００１１】
本発明の第２の態様では、筐体と、カムと、ピストンがそれぞれのシリンダ内に移動可能に配置された複数のシリンダおよびピストン組立体とを含むカム駆動式圧縮機が提供され、
ａ）第１および第２の離間した端部板を有するローラ取付具に回転可能に連結されたローラ要素と、第１および第２の端部を有する連接棒とをそれぞれが備えた複数のカム従動子組立体であって、各連接棒の第１の端部はそれぞれのローラ取付具に連結され、各連接棒の第２の端部はそれぞれのピストンに連結され、ローラ要素はカムと転がり接触する複数のカム従動子組立体と、離間した平行な関係で筐体に配置され、互いに対向する関係で整列した複数の溝をそれぞれが備え、向かい合った溝のそれぞれの対は案内経路を画定する第１および第２の筐体板とを含み、一対の端部板が、それぞれの案内経路内に密着して受け入れられて摺動可能に係合し、それによって、カムの回転により、各カム従動子組立体をそれぞれの前記案内経路内で往復運動させることができることを改良点とする。本発明のこの態様は、本発明の第１の態様で上記に記載の半径方向圧縮機の一部、または同時係属出願中の米国特許出願第１１／９９７，９７０号明細書に記載のようなリニア圧縮機の一部とすることができ、その特許出願の全開示内容は、この参照により本明細書に援用するものとする。
【００１２】
本発明の第３の態様では、複数のシリンダおよびピストン組立体を含むカム駆動式圧縮機は、それぞれのシリンダ内に各ピストンが移動可能に配置されて提供され、ピストンおよびシリンダのそれぞれの対は、それぞれのシリンダ内の気体圧縮室と、各シリンダに取り付けるシリンダヘッドとを画定し、各シリンダヘッドは、気体吸気口および気体排気口を含み、気体圧縮室と気体排気口との間に配置されたフィルタおよびフィルタ保持板を含むことを改良点とする。フィルタ保持板はまた、ピストンとシリンダヘッドの排気口との間の死空間を縮小するように有益に働き、圧縮機の動作効率を高める。本発明の第２の態様と同様に、本発明のこの態様は、本発明の第１の態様で上記に記載の半径方向圧縮機の一部、または同時係属出願中の米国特許出願第１１／９９７，９７０号明細書に記載のリニア圧縮機の一部とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の圧縮機組立体の一実施形態の斜視図である。
【図２】図１の部分分解図である。
【図３】図１のシリンダおよびピストン組立体の分解図である。
【図４】シリンダおよびヘッド組立体の断面図である。
【図５】ピストンの斜視図である。
【図６Ａ】前側の端部板が削除され、シリンダヘッドおよび空気管接続部の代替の実施形態を含む圧縮機組立体の平面図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示すカムおよびカム従動子の１つの拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面を参照すると、参照数字１０により全体を指し示されている本発明の圧縮機組立体の一実施形態が、図１および図２に見られる。圧縮機組立体１０は、減速機付きモータ１２とつながるように構成されている。図２で最もよく分かるように、圧縮機組立体１０は、環状に離間した取付面１４ａ〜１４ｃを有する環状ブロックを備えた筐体１４を有する。カム１６は、筐体１４の中心か、またはその近くに配置され、Ｘ−Ｘ軸線に沿って延在する中心軸１７を介して、減速機付きモータ１２とつながる。下記に、より十分に説明するように、第１段、第２段、および第３段のシリンダおよびピストン組立体１８、２０、２２はそれぞれ１２０°離間し、それぞれのカム従動子組立体１８ａ、２０ａ、２２ａからそれぞれのＹ−Ｙ１軸線、Ｙ−Ｙ２軸線、Ｙ−Ｙ３軸線に沿って半径方向に延在し、これらのカム従動子組立体を介してカム１６に動作可能に連結される。Ｘ−Ｘカム軸線は、それぞれのカム従動子組立体１８ａ、２０ａ、２２ａがそれに沿って延在するＹ−Ｙ１、Ｙ−Ｙ２、Ｙ−Ｙ３軸線に対して実質的に垂直に延在している。
【００１５】
各カム従動子組立体は、それぞれのローラ取付具１８ｂ’、２０ｂ’、２２ｂ’と、それらに対応する端部板１８ｂ”、１８ｂ”’、２０ｂ”、２０ｂ”’、２２ｂ”、２２ｂ”’とに回転可能に連結されたそれぞれのローラ要素１８ｂ、２０ｂ、２２ｂを含む。好ましい実施形態では、ローラ要素１８ｂ、２０ｂ、２２ｂは、先端高分子からなる。これらの材料は、表面の摩耗を防止するために絶えず潤滑する必要なく、高負荷を担持する能力を発揮する。先行技術の設計では、固定した支持ピンと、ローラ要素としてのカム従動子軸受とを使用したが、本発明では、従動子本体内の側部軸受（図２の部品２１を参照のこと）を使用して、それぞれのローラ要素を配置するのに使用する回転ピン２３を支持するのが好ましい。
【００１６】
各カム従動子組立体はさらに、連接棒１８ｃ、２０ｃ、２２ｃを含み、それぞれの連接棒１８ｃ、２０ｃ、２２ｃは、第１の端部でそれぞれのローラ取付具を介してそれぞれのローラ要素１８ｂ、２０ｂ、２２ｂに連結され、第２の端部でそれぞれのピストン１８ｄ、２０ｄ、２２ｄに連結されている。各連接棒は、それぞれの直動軸受１８ｇ、２０ｇ、２２ｇ内に入り込む。各ピストン１８ｄ、２０ｄ、２２ｄは、それぞれのシリンダ１８ｅ、２０ｅ、２２ｅ内に往復運動可能に配置される。圧縮機ヘッド１８ｆ、２０ｆ、２２ｆは、それぞれのシリンダの、それぞれの連接棒がそこから延在する端部とは反対側の端部に取り付けられる。個々に表記していないが、完成した組立品には、適切な従属部品（例えば、シール、ブッシュ、軸受、およびワッシャなど）が設けられる。
【００１７】
筐体板２４、２６が設けられ、これらの筐体板は、筐体１４の両側に取り付けられ、カム軸１７が貫通する、一列に並んだ中心配置の穴２４’、２６’を含む。板２４、２６は、複数の溝２４ａ〜２４ｃ、２６ａ〜２６ｃをさらに含み、これらの溝は、組み立てた状態において、離間した関係で互いに対向して整列して案内経路を形成し、その案内経路の中でそれぞれのカム従動子および連接棒／直動軸受が往復運動する。
【００１８】
なお、先行技術の軸線方向カムの設計では、従動子本体の外に取り付けられた玉軸受を使用した。これらの軸受は、圧縮機筐体に機械加工された直線溝穴によって案内された。リニアカム設計では、圧縮機本体に機械加工された大きな穴によって案内される従動子本体に取り付けられた案内リングを使用した。これらの各手法のために、接触応力が高くなり、従動子本体の支持が最適でないものとなった。
【００１９】
本発明は、筐体板２４、２６にそれぞれ機械加工された、対になった大きな溝２４ａ〜２４ｃ、２６ａ〜２６ｃによってそれぞれ支持されるローラ取付具１８ｂ’、２０ｂ’、２２ｂ’および付属する端部板１８ｂ”、１８ｂ”’、２０ｂ”、２０ｂ”’、２２ｂ’、２２ｂ”’を利用する。これらの取付具は、カムの側部負荷を大きな面積一面に分散させる。さらに、案内取付具は、カムローラの中心線上に中心を置かれる。より大きな接触面積と中心配置の複合効果によって、接触応力が小さくなり、従動子の支持が良好になる。また、従動子を支持するのに、ローラ取付具および製造公差の影響を受けにくい。さらに、当然のことながら、本発明のカム従動子組立体の低摩擦設計により、潤滑剤の必要性が低まり、その結果、コストおよび微粒子汚染物が発生する可能性が下がる。
【００２０】
図２の実施形態では、各連接棒およびそれぞれのピストンは、互いに強固に連結されることはない（すなわち、単に一方が他方に当接する）。したがって、圧縮機筐体に取り付けられたリニアブッシュ１８ｇ、２０ｇ、２２ｇによって従動子を補助的に支持してもよい。これらのブッシュは、それらのそれぞれの連接棒の外側面と接触し、連接棒が確実にそれぞれのシリンダの中心に置かれたままになるようにする。これは、連接棒とシリンダとの間のすき間量が小さい第３段のピストン組立体２２にとって特に重要である。直動軸受を使用する利点には、ピストン側部負荷の低減、設計オプションの増加、製造公差の影響度の低下が挙げられ、ピストン側部負荷の低減により、シール寿命を延ばすことができる。
【００２１】
直動軸受は、上記に説明したような多数の利点をもたらすが、コスト面からは望ましくないこともある。図３に見られる代替の実施形態では、直動軸受は使用されない。この実施形態では、連接棒とそれぞれのピストンとの間が（例えば、ねじで）堅固に連結され、それによって、ピストンは、それぞれの従動子組立体を支持し、案内する助けとなる。したがって、直動軸受はこの実施形態では必要ない。
【００２２】
図１および図２のシリンダヘッド１８ｆ、２０ｆ、２２ｆは、圧縮タイプの取付具を使用する、（図１および図２には示されていない）空気管取り付け用のそれぞれの取付具１８ｅ、２０ｅ、２２ｅを含む。図３は、それぞれのフランジ３４、３６およびボルト３４’、３６’によって空気管３０、３２が連結された吸気口３８および排気口４０を有するシリンダヘッド４２の代替の実施形態を示している。当然のことながら、図３のシリンダヘッド４２および空気管の実施形態は、他の２つのシリンダおよびピストン組立体１８、２２に組み込むこともできる。
【００２３】
引き続き図３を参照すると、逆止弁４４、４６と付属するＯリング４４’、４６’とが吸気口３８および排気口４０内に取り付けられて、空気流が正しい方向に、すなわち、空気管３０から空気管３２にシリンダおよびピストン組立体を経由して流れるのを保証する。フィルタ要素４８は、フィルタ保持板５０およびＯリング５２を用いてヘッド４２内に取り付けられて、シール摩耗粒子が逆止弁４４、４６に到達し、それにより、漏れが生じるのを防止することができる（図４も参照のこと）。なお、フィルタ保持板５０はまた、ピストン行程の最上部でのピストンとシリンダヘッドとの間の死空間を小さくする。ピストン／シリンダ死空間を小さくすることは、それが圧縮機の効率を改善し、圧縮機内の内部負荷を小さくするという点で有益である。
【００２４】
ピストン２０ｄに取り付けるために、案内リング５４およびシール５６も用意され得る（図５も参照のこと）。ピストンとシリンダヘッドとの間のすき間を、例えば、約０．２５４ｍｍ〜約０．６３５ｍｍに調整するために、シムワッシャ５８も用意され得る。
【００２５】
図６Ａおよび図６Ｂを参照すると、圧縮機１０の実施形態が組み立てた状態で示されていて、前側の端部板２６は取り除かれている。低圧気体は、空気管６０を経由して吸気口１９ａから第１段のシリンダおよびピストン組立体１８に流入し、シリンダ１８ｅに入る。カム１６の最も高い突出点１６ａが組立体１８に至ると、ローラ１８ｂが突出点１６ａとともに動いて、その結果、ピストンが（ヘッド１８ｆに向かって）上昇行程をし、シリンダ１８ｅ内の気体が第１段の圧縮を受ける。上昇行程時に、端部板１８”、１８”’は、対向溝２４ｃ、２６ｃによって画定される案内経路内をこれに沿って動く（図６Ａでは板２６を示していない）。圧縮された気体は排気口１９ｂからヘッド１８を出て、空気管３０を通って送られ、ヘッド２０ｆに到達し、第１段で圧縮された気体は、吸気口２１ａを通ってシリンダ２０ｅに流入する。このとき、気体がそのそれぞれの圧縮室に流入すると、ピストン２０ｄが下降行程状態になり始める。カム１６が反時計方向に回転し続けると、カム１６の中間点がカム従動子組立体２０に近づき、次いで、カム従動子組立体２０はその上昇行程を開始する。次に、高い突出点１６ａが組立体２０に近づき、シリンダ２０ｅ内での気体の第２段圧縮が完了する。上昇行程時に、端部板２０”、２０”’は、対向溝２４ａ、２６ａによって画定される案内経路内をこれに沿って動く。圧縮された気体は排気口２１ｂから出て、ヘッド２２ｆに到達するまで空気管３２を通って送られ、第２段で圧縮された空気は、吸気口２５ａを通ってシリンダ２２ｅに流入する。カム１６が反時計方向に回転し続けると、カム１６の中間突出点がローラ組立体２２に近づき、ローラ組立体２２はその上昇行程を開始する。次いで、ローラ２２ｂが高い突出点１６ａとともに動き、その結果、ピストンが上昇行程の最高点に達し、シリンダ２２ｅ内の気体が第３段の圧縮を受ける。上昇行程時に、端部板２２ｂ”、２２ｂ”’は、対向溝２４ｂ、２６ｂによって画定される案内経路内をこれに沿って動く。圧縮空気は、（例えば、最大で６．８９５ＭＰａ以上の）高圧空気として排気口２５ｂから出て、適切な高圧気体収集器（例えば空気シリンダ、図示せず）に連結できる空気管６２を通る。カム１６の回転が続くにつれて、このサイクルは繰り返されて、排気口２５ｂでの高圧気体流を連続させる。
【００２６】
このように、本発明が半径方向カム駆動式圧縮機を提供することが分かる。３段の圧縮を示したが、本発明の教示に従い１つを含む任意の数量の圧縮段を使用することができることが理解される。さらに、当業者ならば分かるように、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲全体から逸脱することなく、本発明を変更することができることがさらに理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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