(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通の電動モータで作動するピストン・シリンダ機構により吸気を圧縮して吐出する二段の圧縮室を備え、前段の圧縮室の吐出口側と後段の圧縮室の吸気口側とを連結管により接続させて配置するとともに、後段の圧縮室の吐出口を圧縮気体貯蔵タンクに接続させ、圧縮気体貯蔵タンクに接続された空気式釘打機等の端末に圧縮空気を供給する二段圧縮機において、
上記連結管には少なくとも２つの排気口を形成し、各排気口にはそれぞれ電磁弁を設けるとともに、上記電動モータの駆動回路には上記圧縮気体貯蔵タンクの内圧の最高圧力を検出して駆動回路を遮断する第１の圧力スイッチと、上記端末に供給する所定圧力を超えた時に駆動回路を遮断する第２の圧力スイッチと、上記圧力スイッチを選択する選択スイッチと、上記駆動回路を流れる電流から電動モータの負荷を計測する計測手段とを設け、
上記計測手段の計測結果に基づいて電動モータの負荷が大きくなったと判断した時には上記電磁弁を制御して電動モータの負荷を軽減させるとともに、電源事情が悪いと判断した時には上記選択スイッチを制御して第２の圧力スイッチにより最高圧力に到達する前に駆動回路を遮断し電動モータを停止させることを特徴とする二段圧縮機の負荷調整機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共通のモータで気体の圧縮作動を行う二段の圧縮室を備えた二段圧縮機において、運転中に電動モータに生じた過負荷を軽減して運転効率の低下を防ぐ二段圧縮機の負荷調整機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、空気式釘打機等の空気式作業機に圧縮空気を供給する二段圧縮機は、２つの圧縮室を備え、前段の圧縮室の吐出口と後段の圧縮室の吸気口とを接続させて配置し、前段の圧縮室で圧縮した気体を後段の圧縮室でさらに圧縮し、後段の圧縮室の吐出口を圧縮気体貯蔵タンクに接続させたものである。各圧縮室ではピストン・シリンダ機構により吸気を圧縮するが、各ピストンのピストンロッドは共通の電動モータの出力軸に連結されて一体に構成されている。
【０００３】
通常の圧縮機では、上記電動モータは最大圧力での圧縮機構の吐出負荷に見合った出力の電動モータが選定されている。さらに、最大圧力値で作動する圧力スイッチが設けられていて、タンク内圧力が所定値に上昇すると、モータの電源を遮断して停止させたり、アンロード機構を作動させて圧縮機を空転させたりしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
釘打機等の工具で使用する空気圧力に近い中間圧力以下での圧縮機の運転状態は、電動モータにとって充分余裕があるため、圧縮機構を大きくして中間圧力以下での吐出量が大きくなるように設定し、高圧領域では電動モータの負荷状態を検出して電磁弁などを作動させて電動モータの負荷を軽減させる負荷制御を採用し、全体として効率のよい運転をさせることが行われている。
【０００５】
しかしながら、圧縮機に電力を供給するために長いケーブルを使用している場合や、同じ電源で他の電動工具等へ同時に電力を供給している場合等、電源事情がよくない環境で使用される場合は、上記負荷制御が作動した後も電源電流の上昇等の電動モータの過負荷が発生することがある。この場合さらに負荷制御を行って圧縮機の負荷を軽減することも考えられるが、さらに吐出量が低下し充填に時間がかかるため電動モータやピストン・シリンダ機構を長時間作動させることになり、圧縮機の耐久性の面で問題があった。
【０００６】
本発明は上記問題点を解消し、圧縮機が使用する電源の状態を反映して最適な負荷制御を行い、電動モータに生じる過負荷を軽減するとともに、圧縮機の耐久性を格段に向上させることができる二段圧縮機の負荷調整機構を提供することをその課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明に係る二段圧縮機の負荷調整機構は、共通の電動モータで作動するピストン・シリンダ機構により吸気を圧縮して吐出する二段の圧縮室を備え、前段の圧縮室の吐出口側と後段の圧縮室の吸気口側とを連結管により接続させて配置するとともに、後段の圧縮室の吐出口を圧縮気体貯蔵タンクに接続させ、圧縮気体貯蔵タンクに接続された空気式釘打機等の端末に圧縮空気を供給する二段圧縮機において、上記連結管には少なくとも２つの排気口を形成し、各排気口にはそれぞれ電磁弁を設けるとともに、上記電動モータの駆動回路には上記圧縮気体貯蔵タンクの内圧の最高圧力を検出して駆動回路を遮断する第１の圧力スイッチと、上記端末に供給する所定圧力を超えた時に駆動回路を遮断する第２の圧力スイッチと、上記圧力スイッチを選択する選択スイッチと、上記駆動回路を流れる電流から電動モータの負荷を計測する計測手段とを設け、上記計測手段の計測結果に基づいて電動モータの負荷が大きくなったと判断した時には上記電磁弁を制御して電動モータの負荷を軽減させるとともに、電源事情が悪いと判断した時には上記選択スイッチを制御して第２の圧力スイッチにより最高圧力に到達する前に駆動回路を遮断し電動モータを停止させることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は二段圧縮機を示すもので、この二段圧縮機は、共通の電動モータ１で作動するピストン・シリンダ機構により吸気を圧縮して吐出する二段の圧縮室２、３を前段の圧縮室２の吐出口４ｂと後段の圧縮室３の吸気口５ａとを接続させた配置とするとともに、後段の圧縮室３の吐出口５ｂを圧縮気体貯蔵タンク７に接続させたものである。
【０００９】
電動モータ１と圧縮室２、３とは互いに連結された２個の圧縮気体貯蔵タンク７に架設されている。電動モータ１はピストン・シリンダ機構を介して圧縮室２、３に連結されている。電動モータの出力軸８はその両端から突出し、出力軸８の両側の突出部８ａには偏心円板９が固定されている。出力軸８の両端の偏心円板９は互いに位相が１８０度異なるように取りつけられている。各圧縮室２、３とピストン・シリンダ機構とは電動モータ１の両側に配置されている。ピストン・シリンダ機構は上記圧縮室２、３（シリンダ）内に摺動自在に収容されたピストン１０と、一端がピストン１０に連結されたピストンロッド１１とから成るとともに、ピストンロッド１１の他端は上記出力軸８の端部に固定された偏心円板９に連係している。
【００１０】
各圧縮室２、３にはそれぞれ吸気口４ａ、５ａと吐出口４ｂ、５ｂとが形成され、それぞれ圧縮室に開口している。そして、吸気口４ａ、５ａと圧縮室２、３及び吐出口４ｂ、５ｂとの間にはそれぞれ吸気弁１３と吐出弁１４とが開閉自在に取りつけられている。さらに、前段の圧縮室２の吐出口４ｂは連結管６ａを介して後段の圧縮室３に接続している。後段の圧縮室３の吐出口５ｂは連結管６ｂを介して圧縮気体貯蔵タンク（以下、タンクという）７に接続している。
【００１１】
そして、前段の圧縮室２と後段の圧縮室３との間の連結管６ａには排気口１５ａと排気口１５ｂとが形成され、排気口１５ａには第１の電磁弁ＳＶ１が、排気口１５ｂには第２の電磁弁ＳＶ２がそれぞれ設けられている。
【００１２】
また、上記電動モータ１の駆動回路には図３のブロック図に示すように、第１の圧力スイッチＰＳ１と第２の圧力スイッチＰＳ２とが並列に接続されるとともに第１の圧力スイッチＰＳ１には選択スイッチ２２が直列に接続されている。さらに、駆動回路を流れる電流を計測しモータ１の負荷を計測する計測手段２３が設けられ、この計測手段２３が計測した結果に基づいて上記各電磁弁ＳＶ１、ＳＶ２及び選択スイッチ２２を制御する制御回路２５が配置されている。なお、符号２６は電源スイッチ、２７は空気式釘打機等の端末を示す。
【００１３】
第１の圧力スイッチＰＳ１及び第２の圧力スイッチＰＳ２はタンク７に配置され、第１の圧力スイッチＰＳ１はタンク７の内圧が最高圧力に到達した時に作動してモータの駆動回路を遮断し、第２の圧力スイッチＰＳ２はタンク７の内圧が圧縮空気を使用する空気式釘打機等の端末２７が充分作動できる圧力を超えた時に作動してモータの駆動回路を遮断し、それぞれ電動モータ１を停止するようにその計測圧力が設定されている。
なお、上記第１の圧力スイッチＰＳ１に直列に接続された選択スイッチ２２は、電源事情の良否（供給電圧の変動）に対応してＯＮ／ＯＦＦさせるスイッチで、ＯＮした状態では第２の圧力スイッチＰＳ２が先にＯＦＦしても最高圧力に到達するまで第１の圧力スイッチＰＳ１がＯＮ状態を持続して電動電動モータ１の運転を継続し、ＯＦＦした状態では最高圧力に到達しなくても端末２７が作動する圧力を充分に超えた時には第２の圧力スイッチＰＳ２によりモータ駆動回路を遮断し、電動モータ１を停止させるように構成されている。
【００１４】
計測手段２３は、ＣＴ型電流センサ等の電流センサで構成され、モータ駆動回路を流れる電流を計測し、計測結果は上記制御回路２５に入力されるように構成されている。
【００１５】
制御回路２５はマイクロプロセッサで構成すればよく、内蔵したメモリに予め記憶させた制御プログラムに従って、上記計測手段２３の計測した電流値から電動モータ１の負荷の状態及び電動モータ１の作動状態を判断し、電磁弁ＳＶ１、ＳＶ２及び選択スイッチ２２を制御して電動モータ１の負荷及び作動を制御するように構成されている。
【００１６】
次に、二段圧縮機の負荷調整機構の作動態様について図４の電流・圧力特性曲線図及び図５のフローチャート図により説明する。
【００１７】
電源スイッチ２６をＯＮし、電動モータ１を作動させて出力軸８を回転させることにより、両側の偏心円板９の回転に応じてピストンロッド１１が往復作動し、ピストン１０も圧縮室２、３の内部を往復運動する。前段の圧縮室２においてピストン１０が下動すると圧縮室２内の容積が膨張するから、吸気口４ａと圧縮室２内部のとの間の差圧により吸気弁が開き、圧縮室２内に期待が供給される。この時吐出弁１４は閉じたままである。同時に、後段の圧縮室３ではピストン１０が上動し、圧縮室３内の容積が縮小するから圧縮室内部と吐出口５ｂとの間の差圧により吐出弁１４が開いて圧縮室３内の気体は吐出口５ｂから吐出される。この時吸気弁１３は閉じたままである。前後段の圧縮室でピストンが逆方向に移動する場合は、吸気弁１３と吐出弁１４とは逆に作動する。したがって、各圧縮室２、３でピストン１０が往復作動すると、各圧縮室内に吸気後に圧縮されて吐出される。そして、前段の圧縮室２の吐出口４ｂから吐出された圧縮気体は連結管６ａを介して後段の圧縮室３の吸気口５ａに送られ、さらにこの圧縮室で圧縮されて吐出口５ｂから吐出されて連結管６ｂを経てタンク７に貯蔵される。
【００１８】
ところで、電動モータ１が作動しタンク内の圧力が高くなると電動モータ１の負荷が大きくなり、負荷の増大（圧力の上昇）に伴って電動モータ１の駆動電流が大きくなっていく。この電動モータ１の駆動電流は電流センサ２３により計測され、計測した結果は制御回路２５で常に監視されている。この駆動電流（図４の実線）が負荷の増大に伴って大きくなっていくが、制御回路２５は駆動電流が負荷制御電流値Ａ１を超えたかどうか判断し（ステップＳＴ１）、負荷制御電流値Ａ１を超えた場合は制御レベルを１段階上げる（ステップＳＴ２）。この制御レベルは電磁弁の開放状態を示し、制御レベルが０の場合は電磁弁ＳＶ１、ＳＶ２がＯＦＦ（閉じた）状態、１の場合は電磁弁ＳＶ１がＯＮ（開放）状態で電磁弁ＳＶ２がＯＦＦ状態、２の場合は電磁弁ＳＶ１、ＳＶ２がＯＮ状態になるように制御回路２５が出力する制御信号ｃ１、ｃ２により電磁弁ＳＶ１、ＳＶ２が制御されている。
【００１９】
初期状態では制御レベル０で電動モータ１の運転が開始されるので、最初に駆動電流が負荷制御電流値Ａ１を超えた時には（ａ点）、レベル１になりステップＳＴ７、ＳＴ８で電磁弁ＳＶ１のみをＯＮして排気口１５ａを開放する。排気口１５ａが開くと、前段の圧縮室２で圧縮されて連結管６ａを通ってきた１次圧の気体が開放されるから、吸気口５ａから後段の圧縮室３に導入される吸気側の圧力は低減し、後段の圧縮室３内でピストン１０を駆動させる駆動力も小さくて済むので電動モータ１の負荷が軽減される。この時、タンク７の内圧が最高圧力に達していなければ（ステップＳＴ１２）、ステップＳＴ１に戻って駆動電流が負荷制御電流値Ａ１に到達しているかどうか判断する。負荷制御電流値Ａ１に到達していれば（ｂ点）再びステップＳＴ２に進んで制御レベルを１段上げる。この時は、レベルは２になるのでステップＳＴ９、ＳＴ１０で電磁弁ＳＶ１、ＳＶ２の両方を開放する。以下であればステップＳＴ３で駆動電流が負荷解除電流値Ａ２以下かどうか判断する。
【００２０】
この負荷解除電流は負荷制御で電磁弁を開放した結果、吐出量が減少し、複数の端末が連続稼働しているような場合はタンク７内の圧力が急激に下がり電動モータ１の負荷が大幅に減少することになるので、電動モータ１は楽な運転状態になり回転数が上昇する結果、大幅に低下した駆動電流である。
【００２１】
駆動電流が負荷解除電流値Ａ２以下であれば、その状態で圧縮運転を行うには無駄があるのでステップＳＴ４で制御レベルを１段下げ、開放している電磁弁を１つ閉じて吐出圧力を上昇させる。レベル１で圧縮運転している場合はレベルが０になるのでステップＳＴ５、ＳＴ６で電磁弁ＳＶ１を閉じて圧縮運転を行う。もしレベル２で圧縮運転を行っている場合はレベルが１になるのでステップＳＴ７、ＳＴ８で電磁弁ＳＶ２を閉じて圧縮運転を行う。
【００２２】
駆動電流が負荷解除電流値Ａ２以上であれば制御変更することなくステップＳＴ１２でタンク７の内圧が最高圧力に達しているかどうか判断し、到達していなければステップＳＴ１に再び戻り、駆動電流を監視する。タンク７の内圧が最高圧力（Ｐ１）に達している時は第１の圧力スイッチＰＳ１がＯＦＦになり駆動回路を遮断して電動モータ１は停止する（ステップＳＴ１４）。この時、制御回路２５は制御レベルを０に変更する。タンク７内の圧力が低下して第１の圧力スイッチＰＳ１が復帰（ＯＮ）すると電動モータ１７が再び回転を始め、圧縮運転を再開する。
【００２３】
このようにして、タンク７の内圧が最高圧力Ｐ１に到達するまで駆動電流を監視しながら電磁弁ＳＶ１、ＳＶ２の開閉を繰り返して電動モータ１の負荷を制御し、電動モータ１を作動させてタンク７に圧縮空気を吐出する。
【００２４】
ところで、圧縮機に電力を供給する電源が作業現場から離れているために長い電源ケーブルを使用している場合や、電源容量があまり大きくない電源から他の電動工具等に同時に電力を供給している場合等電源事情がよくない（電圧が低い）環境で圧縮機を使用している場合は、電動モータ１の駆動電流は図４の点線のようになり、正常電圧で使用する場合に比べて低い圧力で負荷制御電流値Ａ１（ａ１点）に到達してしまう。負荷制御電流値Ａ１に到達した時は制御レベルを変更して電動モータ１を作動させるが、制御レベル２（ｂ１点）の状態で圧縮運転をさせて、再び負荷制御電流値Ａ１に到達（ｃ点）してもすでにすべての電磁弁は開放しているので負荷は軽減されることはない。この状態で電動モータ１が連続運転していくと第１の圧力スイッチＰＳ１が作動する前に電動モータ過負荷電流値Ａ３を超えてしまい、電動モータ１が焼損する等のトラブルや、長時間の非効率運転を続けることになるので、選択スイッチ２２の状態をチェックして（ステップＳＴ１１）、この選択スイッチ２２がＯＦＦになっていればステップＳＴ１３に進んで、タンク７の内圧が端末が利用する圧力を充分に超えた圧力（Ｐ２）に到達していれば、最高圧力（Ｐ１）に到達していなくても第２の圧力スイッチＰＳ２がＯＦＦになり駆動回路を遮断して電動モータ１に対する電力供給を停止し（ステップＳＴ１４）、電動モータ１を過負荷電流で作動させることを防止する。この時、制御回路２５は制御レベルを０に変更する。タンク７内の圧力が低下して第２の圧力スイッチＰＳ２が復帰（ＯＮ）すると電動モータ１が再び回転を始め、圧縮運転を再開する。
【００２５】
選択スイッチ２２は初期状態ではＯＮ状態にセットされるが、電源事情が悪い場合は電動モータ１の駆動電流は図４の点線のように変化し、制御レベル２の状態で負荷制御電流値Ａ１（ｃ点）を超えても負荷は軽減されないので、制御回路２５は制御レベル２の状態で負荷制御電流値Ａ１を計測した場合は電源状態がよくないと判断して選択スイッチ２２をＯＦＦする。この場合の選択スイッチ２２はリレー（図示せず）の接点で構成すればよく、制御回路２５はリレーを作動させて第２の圧力スイッチＰＳ２によりモータの駆動回路を遮断するようにすればよい。
【００２６】
上述のように、電源事情がよくない場合は選択スイッチ２２をＯＦＦして圧力スイッチ第２の圧力スイッチＰＳ２を作動させることにより、電動モータ１に長時間非効率な運転をさせることを回避できるとともに、電動モータ１を過負荷状態で運転させることがなくなり電動モータ１の焼損等のトラブルを回避することができる。
【００２７】
なお、上記選択スイッチのＯＮ／ＯＦＦは手動で操作してもよい。手動操作の場合は、圧縮機に電力を供給する電源が作業現場から離れているために長い電源ケーブルを使用している場合や、電源容量があまり大きくない電源から複数の圧縮機に電源を供給している等、予め電源事情がよくないと予測される場合は選択スイッチ２２をＯＦＦ操作すればよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の二段圧縮機の負荷調整機構によれば、最適な負荷制御と電動モータの制御とを行うことができ、空気式釘打機等の端末が使用する圧力を充分に確保できるとともに、電源電圧の低い状態での圧縮機の安定した運転が可能になり、電動モータに過負荷運転をさせることがなくなり、失速したり焼損したりするトラブルを防止できるとともに、長時間非効率な運転をさせることがなくなるので電動モータのみならずピストン・シリンダ機構の寿命を延ばすことができ、二段圧縮機の耐久性の向上を図ることができ、運転効率に加え経済効率も格段に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る二段圧縮機の斜視図
【図２】上記二段圧縮機の縦断面図
【図３】上記二段圧縮機の制御を示すブロック図
【図４】圧力対モータ駆動電流の特性曲線図
【図５】負荷制御の行程を示すフローチャート図
【符号の説明】
１  電動モータ
２  圧縮室
３  圧縮室
６ａ  連結管
７  圧縮気体貯蔵タンク
２２  選択スイッチ
２３  計測手段（電流センサ）
ＰＳ１  第１の圧力スイッチ
ＰＳ２  第２の圧力スイッチ
ＳＶ１、ＳＶ２  電磁弁
【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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