(57)【要約】【課題】電動機一体型ブースター圧縮機において、電動機の１回転当りの回転トルクの変動を抑えて、ブースター圧縮機の高出力化と省エネとを可能にする。【解決手段】シリンダヘッド２８ａ、２８ｂ、シリンダ１２ａ、１２ｂ及びクランクケーシング１４ａ、１４ｂが一体に連結された一対の圧縮機ユニット１１ａ、１１ｂが電動機ケーシング１６の両側に連結されている。電動機ケーシング１６内に収容された電動機２０の出力軸３６の両端が両圧縮機ユニットのクランク軸１８ａ、１８ｂに連結され、両圧縮機ユニットのクランクアーム１８ａ及び１８ｂは、互いに１８０°の角度差をもって出力軸３６に連結されている。夫々、両圧縮機ユニットのピストン３８ａ、３８ｂのストローク位置は正反対となる。【選択図】図１
2011247099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空間を形成するシリンダと、クランク室を形成するクランクケーシングと、該クランク室に設けられたクランク軸を駆動する電動機を収容した電動機ケーシングとが一体に連結されてなる電動機一体型ブースター圧縮機において、
前記シリンダとクランクケーシングとが連結されてなる一対の圧縮機ユニットを前記電動機ケーシングの両側に配置すると共に、両圧縮機ユニットのクランクケーシングを該電動機ケーシングに連結し、
両圧縮機ユニットのクランク軸を夫々電動機の出力軸の両端に連結し、該出力軸に対する両圧縮機ユニットのクランクアームの連結角度に角度差をもたせて両圧縮機ユニットのピストンのストローク工程に時間差をもたせたことを特徴とする電動機一体型ブースター圧縮機。
【請求項２】
前記連結角度の角度差が１５０〜２１０°の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の電動機一体型ブースター圧縮機。
【請求項３】
前記連結角度の角度差が１８０°であることを特徴とする請求項２に記載の電動機一体型ブースター圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機ケーシングが一体に設けられた電動機一体型ブースター圧縮機に関し、詳しくは、電動機ケーシングを挟んでその両側に圧縮機ユニットを連結し、これによって、電動機に加わる回転トルクの変動を低減するようにしたブースター圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、従来の電動機一体型ブースター圧縮機の一例が開示されている。以下、このブースター圧縮機の構成を図３により説明する。図３において、このブースター圧縮機１００は、圧縮空間ｃを形成するシリンダ１０２と、クランク室ｒを形成するクランクケーシング１０４と、該クランク室に設けられたクランク軸１０７を駆動する電動機１１０を収容した電動機ケーシング１０６とが一体に構成されている。
【０００３】
クランク軸１０７は、一対のクランクアーム１０８、及び該一対のクランクアーム１０８間に、クランク軸１０７とは偏心した位置で装架された連結軸１０９を介して連結されている。シリンダ１０２の頂壁１１２には、吐出口１１４が設けられ、該吐出口１１４には逆止吐出弁１１６が設けられている。頂壁１１２の上面にはシリンダヘッド１１８が装着され、圧縮空間ｃで圧縮された被圧縮気体ｇは、吐出口１１４を通ってシリンダヘッド１１８内に吐出され、さらにシリンダヘッド１１８に穿設された吐出孔１２０から吐出される。
【０００４】
シリンダ１０２の下端は、密閉状のクランクケーシング１０４の上面開口部に連結され、クランクケーシング１０４の側壁面には、導気孔１２２を有する密閉状の電動機ケーシング１０６が連結されている。クランク軸１０７は、ベアリング１２４，１２４により回転可能に支持され、電動機１１０の出力軸１２６は、クランク軸１０７と軸方向に連結されている。
【０００５】
シリンダ１０２の内側で摺動するピストン１２８は、ピストンロッド１３０で連結軸１０９と連結されている。連結軸１０９とピストンロッド１３０とは、互いの相対回転が可能なように、ベアリング１３２を介して連結されている。シリンダ１０２の内面には、軸方向に送気溝１３６が刻設されている。
【０００６】
加圧状態の被圧縮気体ｇ、例えば窒素ガスが導気孔１２２から電動機ケーシング１０６内に流入し、電動機１１０を横切って流れる。被圧縮気体ｇは、さらにクランクケーシング１０４の側壁に穿設された通気孔１３４からクランク室ｒに流入する。出力軸１２６を駆動してピストン１２８を往復動させると、ピストン１２８が下降して送気溝１３６の上端開口が圧縮空間ｃと連通する。
【０００７】
そこでクランク室ｒの被圧縮気体ｇは、送気溝１３４を通って圧縮空間ｃに流入する。ピストン１２８が上昇ストロークに入ると、直ちに送気溝１３６が閉鎖され、圧縮空間ｃの被圧縮気体ｇは、さらに加圧され、逆止吐出弁１１６を押し開け、シリンダヘッド１１８から吐出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−５１６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図２は、圧縮機の電動機の出力軸に１回転当りに発生するトルク変動を模式的に示す線図である。図２において、曲線Ａは一般の圧縮機のトルク変動であり、曲線Ｂ１と曲線Ｂ２で囲まれる領域Ｂ、及び曲線Ｂ３はブースター圧縮機のトルク変動を示す。一般の圧縮機の圧縮工程では、圧縮空間の被圧縮気体の加圧力が、ピストンに対してクランク軸の回転方向と逆方向に作用するのでトルクが増大し、クランクアームが下死点から１３０°付近の角度差となった所で最大となる。その後、トルクは徐々に減少し、上死点で零となる。吸入工程では、被圧縮気体の加圧力がピストンに作用しないので、トルクは零を維持する。
【００１０】
ブースター圧縮機では、圧縮空間に加圧気体を導入するので、圧縮工程で被圧縮気体からピストンが受ける加圧力は、一般の圧縮機より増大する。そのため、圧縮工程では、一般の圧縮機よりトルクは増大する。吸入工程では、圧縮空間の被圧縮気体の加圧力がクランク軸の回転を助勢する方向に作用するので、曲線Ｂ３として示すように、発生トルクはマイナスとなる。
【００１１】
なお、シリンダヘッドに吸入口と吐出口とを備え、該吸入口から圧縮空間に被圧縮気体を吸入する構造のブースター圧縮機も存在する。特許文献１に開示されたブースター圧縮機は、圧縮工程でクランク室に導入された加圧状態の被圧縮気体の圧力が、ピストン下方からピストンに加わり、クランク軸の回転を助勢する。そのため、前記構造のブースター圧縮機と比べて、圧縮工程で電動機の出力軸に発生する回転トルクを軽減できる長所をもつ。
【００１２】
しかし、特許文献１に開示されたブースター圧縮機においても、依然として、電動機の出力軸に付加される回転トルクの１回転当りの変動が解消されていない。そのため、１回転当りで電動機の電流値が変動し、電動機の回転速度が安定しないという問題が生じる。従って、クランク軸にフライホィールやバランスウェイト等の回転変動抑制部材を装着する必要が生じ、高コストになると共に、電動機を用いたブースター圧縮機の高出力化及び省エネが困難になるという問題がある。
【００１３】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、電動機一体型ブースター圧縮機において、電動機の１回転当りの回転トルクの変動を抑えて、ブースター圧縮機の高出力化と省エネとを可能にすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
かかる課題を解決するため、本発明の電動機一体型ブースター圧縮機は、
圧縮空間を形成するシリンダと、クランク室を形成するクランクケーシングと、該クランク室に設けられたクランク軸を駆動する電動機を収容した電動機ケーシングとが一体に連結されてなる電動機一体型ブースター圧縮機において、
前記シリンダとクランクケーシングとが連結されてなる一対の圧縮機ユニットを前記電動機ケーシングの両側に配置すると共に、両圧縮機ユニットのクランクケーシングを該電動機ケーシングに連結し、
両圧縮機ユニットのクランク軸を夫々電動機の出力軸の両端に連結し、該出力軸に対する両圧縮機ユニットのクランクアームの連結角度に角度差をもたせて両圧縮機ユニットのピストンのストローク工程に時間差をもたせたものである。
【００１５】
本発明装置では、電動機の出力軸の両端に連結される圧縮機ユニットのクランクアームの連結角度に差をもたせたことにより、両圧縮機ユニットから出力軸に加わる被圧縮気体の加圧力が互いに減殺し合う。その結果、１回転当りで出力軸に発生するトルクを低い値に平準化できる。これによって、電動機の回転速度が安定するため、電動機の高出力化と省エネが可能になる。
また、１回転当りの出力軸の発生トルクを平準化できるので、フライホィール等のトルク変動抑制部材をクランク軸に装着する必要がなくなり、ブースター圧縮機の小型化と低コスト化が可能となる。
【００１６】
本発明装置において、両圧縮機ユニットの出力軸に対するクランクアームの連結角度の角度差が１５０〜２１０°の範囲内であるとよい。該連結角度の角度差をこの範囲にすることによって、電動機出力軸に加わる被圧縮気体の加圧力の減殺効果が大きく向上するため、該出力軸の発生トルクを大幅に低減できる。
【００１７】
本発明装置において、前記連結角度の角度差が１８０°であると、前記減殺効果が最も大きくなる。これによって、電動機の出力軸の１回転当りトルク変動を最も低い値に平準化でき、これによって、電動機を最も安定して駆動できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の電動機一体型ブースター圧縮機によれば、圧縮空間を形成するシリンダと、クランク室を形成するクランクケーシングと、該クランク室に設けられたクランク軸を駆動する電動機を収容した電動機ケーシングとが一体に連結されてなる電動機一体型ブースター圧縮機において、前記シリンダとクランクケーシングとが連結されてなる一対の圧縮機ユニットを前記電動機ケーシングの両側に配置すると共に、両圧縮機ユニットのクランクケーシングを該電動機ケーシングに連結し、両圧縮機ユニットのクランク軸を夫々電動機の出力軸の両端に連結し、該出力軸に対する両圧縮機ユニットのクランクアームの連結角度に角度差をもたせて両圧縮機ユニットのピストンのストローク工程に時間差をもたせるようにしたので、電動機の出力軸に発生する１回転当りのトルクを低い値に平準化でき、これによって、電動機の回転が安定するため、電動機の高出力化と省エネが可能になる。
また、１回転当りの発生トルクを平準化できるので、フライホィール、バランスウェイト等のトルク変動抑制部材をクランク軸に装着する必要がなくなり、低コストとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のブースター圧縮機の一実施形態に係る正面視断面図である。
【図２】圧縮機の電動機に１回転当りに発生するトルク変動を模式的に示す線図である。
【図３】従来の電動機一体型ブースター圧縮機の正面視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２１】
本発明の電動機一体型ブースター圧縮機の一実施形態を図１に基づいて説明する。図１において、本実施形態の電動機一体型ブースター圧縮機１０は、電動機ケーシング１６の両側に一対の圧縮機ユニット１１ａ及び１１ｂが立設されている。電動機ケーシング１６の内部には電動機２０が収容され、電動機２０の出力軸３６は、電動機２０の本体ケースの両側から圧縮機ユニット１１ａ、１１ｂに向かって突出している。電動機ケーシング１６には、すでに加圧された被圧縮気体ｇ、例えば窒素ガス等を図示省略のガス供給装置から電動機ケーシング１６内に吸入する導気管３２が設けられている。
【００２２】
以下、圧縮機ユニット１１ａは、上方から順にシリンダヘッド２８ａ、シリンダ１２ａ及びクランクケーシング１４ａによって構成され、これらが互いに一体に連結されている。圧縮機ユニット１１ａと圧縮機ユニット１１ｂとは同一構成を有しており、このうち圧縮機ユニット１１ａを例に取ってその構成を説明する。
【００２３】
シリンダ１２ａの頂壁２２ａには、吐出口２４ａが穿設され、該吐出口２４ａには逆止吐出弁２６ａが設けられている。頂壁２２ａの上面には中空のシリンダヘッド２８ａが装着されている。被圧縮気体ｇは、シリンダ１２ａ内でピストン４０ａの上方に形成された圧縮空間ｃ１で圧縮され、その後、被圧縮気体ｇは、吐出口２４ａを通ってシリンダヘッド２８ａ内に吐出され、さらにシリンダヘッド２８ａに穿設された吐出孔３０ａからガス供給先へ吐出される。
【００２４】
シリンダ１２ａの下端は、密閉状のクランクケーシング１４ａの上面開口部に連結され、クランクケーシング１４ａの側面には、電動機ケーシング１６が一体に連設されている。電動機ケーシング１６が連結されたクランクケーシング１４ａの側面には、通気孔４４ａが穿設されている。クランク軸１７ａは、ベアリング３４ａ，３４ａにより回転可能に支持され、電動機２０の出力軸３６は、クランク軸１７ａと同軸に連結されている。クランクケーシング１４ａの内部にクランク室ｒ１が形成されている。
【００２５】
クランク軸１７ａは、中央部で、並列に配置された一対のクランクアーム１８ａ、及び該クランクアーム間に、クランク軸１７ａとは偏心した位置で装架された連結軸１９ａを介して連結されている。シリンダ１２ａの内部で摺動するピストン３８ａは、ピストンロッド４０ａで連結軸１９ａと連結されている。ピストンロッド４０ａと連結軸１９ａとは、互いの相対回転が可能なようにベアリング４２ａを介して連結されている。シリンダ１２ａの内面には、軸方向に送気溝４６ａが刻設されている。
【００２６】
本実施形態では、圧縮機ユニット１１ａのクランクアーム１９ａと圧縮機ユニット１１ｂのクランクアーム１９ｂとは、これらが出力軸３６に対して角度差が１８０°ずれて連結されている。従って、例えば、ピストン３８ａが上死点に位置した時、ピストン３８ｂは下死点に位置していることになる。
【００２７】
かかる構成において、加圧状態の被圧縮気体ｇ、例えば窒素ガスが導気管３２から電動機ケーシング１６の内部に流入する。流入した被圧縮気体ｇは、電動機２０を横切って、電動機２０を冷却する。その後、被圧縮気体ｇは、通気孔４４ａ及び４４ｂを通ってクランク室ｒ１又はｒ２に流入する。クランクケーシング１４ａ、１４ｂに流入した被圧縮気体ｇは、ベアリング３４ａ、３４ｂ、４２ａ及び４２ｂ等を冷却する。その後、被圧縮気体ｇは、送気溝４６ａ及び４６ｂに流入する。
【００２８】
電動機２０を作動させ、出力軸３６を回転させると、ピストン３８ａ、３８ｂが往復動する。吸入工程でピストン３８ａ、３８ｂが下降すると、送気溝４６ａ、４６ｂの上端部分で圧縮空間ｃと連通する。そこで、被圧縮気体ｇは、送気溝４４ａ又は４４ｂを通って圧縮空間ｃ１又はｃ２に流入する。圧縮工程でピストン３８ａ、３８ｂが上昇ストロークに入ると、直ちに送気溝４４ａ、４４ｂが閉鎖され、圧縮空間ｃ１、ｃ２の被圧縮気体ｇは、さらに加圧され、逆止吐出弁２６ａ、２６ｂを押し開け、シリンダヘッド２８ａ、２８ｂの内部に吐出される。その後、被圧縮気体ｇは、吐出孔３０ａ、３０ｂから吐出される。
【００２９】
本実施形態によれば、ピストン３８ａとピストン３８ｂとの動きが１８０°ずれているので、圧縮機ユニット１１ａ及び１１ｂのうち、一方の圧縮機ユニットだけが出力軸３６に連結した場合を仮定すると、電動機２０の出力軸３６に発生するトルクは、夫々領域Ｂ又は曲線Ｂ３のようになる。
これに対し、本実施形態のように、圧縮機ユニット１１ａ及び１１ｂが出力軸３６に連結されている場合、両圧縮機ユニットから出力軸３６に加わる被圧縮気体ｇの加圧力が互いに減殺し合うため、出力軸３６の発生トルクは、曲線Ｃのようになる。
【００３０】
こうして、１回転当りに出力軸３６に発生するトルクは、低減されて平準化される。そのため、電動機２０の回転速度が安定するので、電動機２０の高出力化と省エネが可能になる。また、１回転当りの発生トルクを平準化できるので、フライホィール、バランスウェイト等のトルク変動抑制部材をクランク軸１７ａに装着する必要がなくなり、ブースター圧縮機の小型化と低コスト化が可能となる。
【００３１】
また、本実施形態のブースター圧縮機１０では、加圧された被圧縮気体ｇが一旦クランク室ｒ１、ｒ２に導入されるので、圧縮空間ｃ１、ｃ２の被圧縮気体ｇからピストン３８ａ、３８ｂに加わる圧力がクランク室の被圧縮気体ｇにより減殺される。そのため、出力軸３６に発生するトルクを低減できるという長所をもつ。
また、クランク室が加圧状態となるので、クランク室に大気中の空気が侵入して被圧縮気体ｇの濃度を低下させるおそれがない。
【００３２】
また、被圧縮気体ｇを電動機ケーシング１６及びクランクケーシング１４ａ、１４ｂを通すようにしているので、電動機ケーシング内の電動機２０や、クランクケーシング内のベアリング等の機器類の冷却を効果的に行なうことができる。
【００３３】
なお、本発明者等の実験によれば、両圧縮機ユニットのクランクアームの角度差が１５０〜２１０°のときに、１回転当りに電動機出力軸で発生する回転トルクの低減及び平準化が著しいことがわかった。特に、角度差が１８０°のときに、回転トルクの低減及び平準化が最も著しいことがわかった。
【００３４】
なお、前記実施形態は、被圧縮気体を一旦クランク室に導入し、その後圧縮空間に導入する方式のブースター圧縮機に適用した場合であるが、本発明装置は、かかる方式以外のブースター圧縮機、例えば、前述のように、シリンダヘッドに吸入口と吐出口とを備え、該吸入口から圧縮空間に被圧縮気体を吸入する構造のブースター圧縮機にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、電動機一体型ブースター圧縮機において、電動機に発生する回転トルクを低い値に平準化して、電動機の回転を安定化させ、電動機の高出力化と省エネを可能にする。
【符号の説明】
【００３６】
１０，１００        電動機一体型ブースター圧縮機
１２ａ、１２ａ、１０２    シリンダ
１４ａ、１４ｂ、１０４    クランクケーシング
１６、１０６        電動機ケーシング
１７ａ、１７ｂ、１０７    クランク軸
１８ａ、１８ｂ、１０８    クランクアーム
１９ａ、１９ｂ、１０９    連結軸
２０，１１０        電動機
２２ａ、２２ｂ、１１２    頂壁
２４ａ、２４ｂ、１１４    吐出口
２６ａ、２６ｂ、１１６    逆止吐出弁
２８ａ、２８ｂ、１１８    シリンダヘッド
３０ａ、３０ｂ、１２０    吐出孔
３２，１２２        導気孔
３４ａ、３４ｂ、４２ａ、４２ｂ、１２４，１３２    ベアリング
３６，１２６        出力軸
３８ａ、３８ｂ、１２８    ピストン
４０ａ、４０ｂ、１３０    ピストンロッド
４４ａ、４４ｂ、１３４    送気溝
ｃ、ｃ１、ｃ２      圧縮空間
ｇ                  被圧縮気体
ｒ、ｒ１、ｒ２      クランク室
【図１】
2011247099.tif 000003
【図２】
2011247099.tif 000004
【図３】
2011247099.tif 000005