(57)【要約】【課題】小型・軽量化された二段圧縮機を提供する。【解決手段】二段圧縮機は、一段側シリンダ２に対し揺動しつつ往復動する揺動型ピストン３と、二段側シリンダ４に対し揺動しつつ往復動する揺動型ピストン５と、ピストン駆動用のアウターロータ型ブラシレス直流モータ７と、そのアウターロータ７４と一体回転するモータシャフト８を有する。一段側と二段側の双方のピストンを揺動型ピストンで構成することで、シリンダ内径を小さくでき、その結果、二段圧縮機の小型・軽量化を達成できる。シリンダ内径を小さくすることに起因する仕事量の低下は、アウターロータ型直流モータを使用することで補完できるので、シリンダ内径を小さくしても、従来装置と同等以上の圧縮性能を確保できる。また、一段側と二段側の双方に揺動型ピストンを採用することでピストンを軽量化でき、その結果、トルク変動が減少してアウターロータによるフライホイール効果が増す。【選択図】図１
2014029140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一段側シリンダ内の空気を圧縮する揺動型の第１のピストンと、
二段側シリンダ内の空気を圧縮する揺動型の第２のピストンと、
前記第１及び第２のピストンを駆動するアウターロータ型直流モータと、
を有することを特徴とする二段圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二段式空気圧縮機の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
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には、一段側に「ロッキングピストン」と称される揺動型ピストンを備え、二段側に通常の非揺動型ピストンを備えた可搬型の二段圧縮機が開示されている。
【０００３】
一段側の揺動型ピストンは、ピストン部分とロッド部分が一体的に構成され、その全体が一体となってシリンダに対して揺動しながら往復動を繰り返す。
二段側の非揺動型ピストンは、コネクティングロッドに対して首振り動作可能に連結され、該ピストンがシリンダに対して揺動することなく往復動を繰り返す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１４４９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
可搬型圧縮機には、優れた可搬性を確保する観点から、より小型・軽量であることが求められており、かかる要求を可能な限り満たすべく、特許文献１に開示されたようなタイプの二段圧縮機にも小型化・軽量化のための様々な改良が検討されてきた。そのような小型化・軽量化の対策の一つとして、ピストンを小型にしてシリンダ径を小さくすることも検討された。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されたようなタイプの二段圧縮機において、二段側の非揺動型ピストンには、図３に示すように、シール性を確保するための部材のみならず、首振り動作可能に（ピストンをコネクティングロッドに対して揺動可能に）連結するための多数の部材が設けられている。すなわち、従来装置の二段側に設けた非揺動型ピストンは構造が複雑であるため、二段側ピストンを小型化しシリンダ径を小さくすることは困難であった。
【０００７】
また、特許文献１に開示の可搬型二段圧縮機の構成では、小型・軽量化は限界に達しつつある一方で、ユーザからは可搬型圧縮機の更なる小型化・軽量化が強く望まれていた。
【０００８】
加えて、従来の二段圧縮機の二段側で使われている非揺動型ピストンには、図３に示すようにピストンリングなどのシール材が設けられているが、かかる非揺動型ピストンのシール材には隙間（シール材の構造上の理由から必然的に生じる隙間）があるため圧縮ロスが大きいといった問題がある。そのため、特許文献１に開示されたようなタイプの二段圧縮機では、二段側の圧縮効率の改善が強く望まれていた。
【０００９】
そこで、上述した小型・軽量化の問題点に鑑み、本発明の目的は、従来装置と同程度又はそれ以上の圧縮性能を有し、従来装置より小型・軽量化された新たな二段圧縮機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、一段側シリンダ内の空気を圧縮する揺動型の第１のピストンと、二段側シリンダ内の空気を圧縮する揺動型の第２のピストンと、圧縮空気が生成されるように前記ピストンを駆動するアウターロータ型直流モータと、を有する二段圧縮機によって達成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の二段圧縮機で用いる揺動型ピストン（いわゆるロッキングピストン）は、シール材としてリップリングを具備している。このリップリングは、非揺動型ピストンのシール材に見られるような隙間（ピストン下方への圧縮空気の漏れを招く隙間）は無く、ピストンが往復動している間シリンダの内周面に対し全周にわたって隙間なく常時摺接する。したがって、一段側・二段側の双方に揺動型ピストンを用いることで、ピストンの圧縮動作時における空気漏れが阻止され、圧縮効率を向上させることができる。
【００１２】
また、従来装置の二段側で用いていた複雑構造の非揺動型ピストンに比べて、ピストン構造が大幅に簡素化されるのでピストンの小型化が可能になり、また、それによりシリンダ内径を小さくすることが可能になるので、シリンダ周辺部品の小型化も可能になる。したがって、一段側・二段側のピストン及びシリンダ周辺部品を小型・軽量化できる分、二段圧縮機を小型化・軽量化することができ、併せて簡素化により製造コストを低減できる。
【００１３】
ただし、単にシリンダ内径を小さくするだけでは、圧縮機の小型・軽量化は達成できても、他方で、圧縮性能の低下といったデメリットを招くことになる。そこで本発明の二段圧縮機では、駆動用モータとして高出力の直流モータを使用し、従来よりもモータの回転速度を上げることで、単位時間当たりの圧縮空気の吐出量を増し、これにより装置全体としての圧縮性能の低下を回避している。すなわち本発明では、シリンダ内径を小さくすることに起因する仕事量の低下は、モータの回転速度を上げることで補完できるので、ピストンとシリンダを小型化しても、従来装置と同等又はそれ以上の圧縮性能を確保できる。
【００１４】
なお上述したように、ピストン及びシリンダ周辺部品の小型化に起因する圧縮性能の低下を回避するためには、従来装置以上に高トルクでモータを高速回転させる必要があるが、その方法として、インナーロータ型モータの回転力に慣性おもりの慣性力を加える方法が検討された。
しかしながら、慣性おもりを使用する方法では、慣性おもりで重量が増大するため、軽量化の目的が阻害される。
これに対し本発明では、ピストン駆動用のモータとしてアウターロータ型直流モータを使用するので、高いモータ出力を得るための慣性おもりが不要であり、重量や製造コストの増大を招くことはない。したがって、前述したシリンダ内径を小さくすることによる圧縮機の「小型化」「軽量化」「製造コスト低減」といったメリットを損なうことなく、従来よりもモータの回転速度を上げることが可能である。
【００１５】
また上述したように、一段側と二段側の双方に揺動型ピストンを採用することで、すべてのピストンを軽量化でき、その結果、トルク変動が減少してアウターロータによるフライホイール効果が増すといった効果も得られる。また、シリンダ内径が小さくなることで、ガス圧によるピストン力が小さくなるので、この点でもトルク変動が減少してフライホイール効果が更に増すといった効果が得られる。（クランク軸に作用するトルク変動は、ガス圧によるピストン力、及び往復動慣性力などに起因する。）
【００１６】
したがって、一段側と二段側に揺動型ピストンを配置するとともに、駆動用モータとしてアウターロータ型直流モータを使用する本発明によれば、従来装置と同程度又はそれ以上の圧縮性能を確保しつつ、同時に二段圧縮機の小型・軽量化を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の二段圧縮機を示す図である。
【図２】本発明の二段圧縮機で用いる揺動型ピストン（ロッキングピストン）を示す図である。
【図３】従来の二段圧縮機で用いる非揺動型ピストンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（二段圧縮機の概略構成と作用）
本実施形態で説明する圧縮機は、図１に示すように二段式の空気圧縮機として構成されており、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、ピストン駆動用のアウターロータ型ブラシレス直流モータ７と、そのアウターロータ７４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空気タンク１２と、持ち運び用の一対のハンドル１４を装備している。
【００１９】
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の先端側にある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。
【００２０】
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、ピストン本体の上面側に装着した可撓性リップリング（後述）が常時摺接する。
【００２１】
ピストン３，５は、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。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。
【００２２】
（二段側ピストンの構成）
次に図１及び図２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３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。
【００２３】
二段側に設けられるピストン５は、一段側ピストン３と同様に、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２に示すように、シリンダ４内に摺動自在に収容されたピストン本体５２と、該ピストン本体と一体のピストンロッド５１と、ピストン本体５２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）と、ピストン本体５２に被嵌される略円盤状のリップリング固定部材５４を有している。
【００２４】
ピストン本体５２の上面側（圧縮室を向いた側）には、リップリング固定部材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５２の裏面側には、該ピストン本体と一体のピストンロッド５１が延設されている。ピストンロッド５１の基端側には環部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５１とピストン本体５２は一体的に形成されているため、ピストン本体５２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。
【００２５】
リップリング５３は略カップ状の形態を有し、可撓性のある樹脂材料から形成されている。シール材として機能するリップリング５３は、ピストン本体５２がシリンダ４内で揺動しつつ往復動している間、該シリンダの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、ピストン本体５２とシリンダ４との間が気密にシールされ、ピストン本体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。
【００２６】
ピストン本体５２とリップリング固定部材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５２とリップリング固定部材５４との間で挟持されており、この状態で、ピストン本体５２とリップリング固定部材５４はネジで固定されている。
【００２７】
（モータの構成・作用）
次に図１に基づいて、ピストン３，５を駆動するためのアウターロータ型ブラシレス直流モータ７の構成とその作用について説明する。
【００２８】
モータ７は、内側のステータの周りを外側のロータが回転する、いわゆるアウターロータ型ブラシレス直流モータである。このアウターロータ型モータ７は主として、電機子巻線が巻回されたステータ７２と、該ステータの電機子巻線と対面する複数の磁石７３を具備するアウターロータ７４を有している。
【００２９】
固定子であるステータ７２は、クランクケース１に対して固定されている。このステータ７２には、複数の磁界を発生してそれらの磁界をステータの外周面に沿って移動させる（すなわち回転）ように、電機子巻線が巻回されている。
【００３０】
回転子であるアウターロータ７４は、ステータ７２との間で作用する電磁力によってモータシャフト８を回転させるものであり、ステータの電機子巻線と対面する複数の磁石７３を有している。これらの磁石７３は、ステータ７２の電機子巻線の外側に配置され、該電機子巻線を外側から包囲するようにフレームに固定されている。したがって、ステータ７２の電機子巻線からの回転磁界によって、アウターロータ７４がステータ７２の周りを回転すると同時に、該ロータと一体のモータシャフト８が回転する。
【００３１】
モータシャフト８は、ステータ７２の中心を貫通するように設けられ、アウターロータ７４と一体回転できるように該ロータに対して固設されている。このシャフト８は、軸受を介して回転自在に支持されている。また、回転自在のシャフト８には、ピストン３，５のピストンロッドの一端が軸受とクランク軸を介して連結されている。
【００３２】
上記構成のアウターロータ型モータによれば、アウターロータ７４は、単なる回転子としてだけでなくピストン駆動の際の慣性おもりとしても機能する。すなわち、アウターロータ７４が回転すると、モータには大きな慣性力が加わり、その結果、モータ７の回転力とアウターロータ７４の慣性力とで、より大きなトルク（回転力）を得ることができる。
【００３３】
また、ロータ径がステータに拘束されないので、アウターロータ７４の径を大きく設計することもできる。これにより、慣性力を大きくすることができ、更に大きな回転トルクを得ることもできる。
【００３４】
（本発明の二段圧縮機の効果）
上述した二段圧縮機で用いる揺動型ピストン３，５は、シール材としてリップリングを具備している。このリップリングは、図３に示すような非揺動型ピストンのシール材に見られるような隙間（ピストン下方への圧縮空気の漏れを招く隙間）は無く、ピストンが往復動している間シリンダの内周面に対し全周にわたって隙間なく常時摺接する。したがって、一段側・二段側の双方に揺動型ピストンを用いることで、ピストン３，５の圧縮動作時における空気漏れが阻止され、ピストンの圧縮効率を向上させることができる。
【００３５】
また、上述した構成の二段圧縮機によれば、一段側のピストン３のみならず二段側のピストン５も揺動型ピストンで構成されている。これにより、従来装置の二段側で用いていた複雑構造の非揺動型ピストン（図３参照）に比べて、ピストン構造が大幅に簡素化されるのでピストンの小型化が可能になり、また、それによりシリンダ内径を小さくすることが可能になるので、シリンダ周辺部品の小型化も可能になる。たとえば、図３に示す非揺動型ピストン（ストローク:10mm，シリンダ内径:φ41）は、その構造の複雑さ故にシリンダ内径を小さくすることは困難であったが、これを図２に示す揺動型ピストンで構成することで、シリンダ内径:φ26 となるように小型化できる。したがって、一段側・二段側のピストン及びシリンダ周辺部品を小型化できる分、二段圧縮機を小型化・軽量化することができ、併せて簡素化により製造コストを低減できる。
【００３６】
ただし、単にシリンダ内径を小さくするだけでは、圧縮機の小型・軽量化は達成できても、他方で、圧縮性能の低下といったデメリットを招くことになる。そこで本発明の二段圧縮機では、駆動用モータとして高出力の直流モータを使用し、従来よりもモータの回転速度を上げることで、単位時間当たりの圧縮空気の吐出量を増し、これにより装置全体としての圧縮性能の低下を回避している。すなわち本発明では、シリンダ内径を小さくすることに起因する仕事量の低下は、モータの回転速度を上げることで補完できるので、ピストンとシリンダを小型化しても、従来装置と同等又はそれ以上の圧縮性能を確保できる。
【００３７】
また本発明では、ピストン駆動用のモータとしてアウターロータ型直流モータを使用するので、高いモータ出力を得るための慣性おもりやインバータが不要であり、重量や製造コストの増大を招くことはない。したがって、前述したシリンダ内径を小さくすることによる圧縮機の「小型化」「軽量化」「製造コスト低減」といったメリットを損なうことなく、従来よりもモータの回転速度を上げることが可能である。
【００３８】
また上述したように、一段側と二段側の双方に揺動型ピストンを採用することで、すべてのピストンを軽量化でき、その結果、トルク変動が減少してアウターロータによるフライホイール効果が増すといった効果も得られる。また、シリンダ内径が小さくなることで、ガス圧によるピストン力が小さくなるので、この点でもトルク変動が減少してフライホイール効果が更に増すといった効果が得られる。（クランク軸に作用するトルク変動は、ガス圧によるピストン力、及び往復動慣性力などに起因する。）
【００３９】
よって、一段側と二段側に揺動型ピストンを配置するとともに、駆動用モータとしてアウターロータ型直流モータを使用する本発明によれば、従来装置と同程度又はそれ以上の圧縮性能を確保しつつ、同時に二段圧縮機の小型・軽量化を達成できる。
【符号の説明】
【００４０】
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      アウターロータ型ブラシレス直流モータ
８      モータシャフト
１２    空気タンク
１４    ハンドル
２１    シリンダヘッド
４１    シリンダヘッド
５１    ピストンロッド
５２    ピストン本体
５３    リップリング（シール部材）
５４    リップリング固定部材
５５    環部
５６    軸受
５７    クランク軸
７２    ステータ（固定子）
７３    磁石
７４    アウターロータ（回転子）
【図１】
2014029140.tif 000003
【図２】
2014029140.tif 000004
【図３】
2014029140.tif 000005