(57)【要約】クランクケース内に配置されたクランク軸を駆動する駆動装置を備えた冷却装置を有し、クランク軸に、対応した圧縮シリンダー内で可動の一対のピストンが取付けられているオイルレスエアーコンプレッサーが開示される。各圧縮シリンダーは、相応したピストンを装着するボアを画定する熱伝導性のシリンダーインサートを備えている。多数の環状冷却フィンを備えた熱伝導性のヒートシンクは、各シリンダーインサートの外径に一体に鍛造され、そして、圧縮シリンダー及びクランクケースが完全に包囲されるようにクランクケースに接続される。各シリンダーインサートは、好ましくは、冷却フィン内に挿入鍛造できそして内側ボアーの表面仕上げを劣化させることなく陽極酸化できるように、シリコン含有量が少なくしかも融点が高いアルミニウム合金から成る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクケース内に配置されたクランク軸を駆動する駆動装置を備え、クランク軸に圧縮シリンダー内で可動のピストンが取付けられているオイルレスエアーコンプレッサー用冷却装置において、
ピストンを装着する圧縮シリンダーのボアを画定する熱伝導性アルミニウム合金シリンダーインサートと、
クランクケースに接続されかつシリンダーインサートの外径に一体に成形された熱伝導性アルミニウム合金ヒートシンクとを有し、
クランクケースが、クランクケース内へ外気を通す外部開口なしに包囲されていることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
シリンダーインサート及びヒートシンクが異なるアルミニウム合金で構成されていることを特徴する請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
シリンダーインサートのシリコン含有量がヒートシンクのシリコン含有量より少ないことを特徴する請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
シリンダーインサートのシリコン含有量が１％以下であることを特徴する請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
シリンダーインサートが押出成形され、内側ボアが陽極酸化されていることを特徴する請求項３に記載の冷却装置。
【請求項６】
ヒートシンクがシリンダーインサートの回りにダイカストされることを特徴する請求項５に記載の冷却装置。
【請求項７】
シリンダーインサートの融点がヒートシンクの融点より高いことを特徴する請求項６に記載の冷却装置。
【請求項８】
シリンダーインサートのシリコン含有量が１％以下であることを特徴する請求項１に記載の冷却装置。
【請求項９】
クランクケースの外部に隣接してクランク軸に同心的に装着されたブロワーホィールをさらに有することを特徴する請求項８に記載の冷却装置。
【請求項１０】
エアーコンプレッサーが多数の圧縮シリンダーを備え、各圧縮シリンダー内で相応したピストンが動くことを特徴する請求項９に記載の冷却装置。
【請求項１１】
ヒートシンクが複数の環状フィンを備えていることを特徴する請求項１０に記載の冷却装置。
【請求項１２】
シリンダーインサートで画定され、内部でピストンが往復道する圧縮室を有し、圧縮室に、複数のフィンを備えたヒートシンクが一体的に装着され、ピストンリングの装着される適当な表面を形成するように十分に平滑な内側ボアを形成するのに内側ボアを再機械加工する必要なしに機械加工仕上げの後シリンダーインサートの内側ボアを仕上げできかつ陽極酸化できるように、シリコン含有量の十分に低いアルミニウム合金によってシリンダーインサートの内側ボアを構成したことを特徴するエアーコンプレッサー。
【請求項１３】
ヒートシンクがシリンダーインサートにダイカストされることを特徴する請求項１２に記載のエアーコンプレッサー。
【請求項１４】
シリンダーインサートは、ヒートシンクよりシリコン含有量が少なくしかもヒートシンクより融点の高いアルミニウム合金で構成されることを特徴する請求項１３に記載のエアーコンプレッサー。
【請求項１５】
圧縮シリンダー内で可動の往復ピストンを備え、圧縮シリンダーが、シリコン含有量の低いアルミニウム合金から成る熱伝導性シリンダインサート及びシリンダーインサートの外径に一体的にダイカストされ、熱伝導性アルミニウム合金ヒートシンクから成っている容積式コンプレッサー装置と；
クランクケース内のクランク軸を駆動して、圧縮シリンダー内でピストンを往復動させる駆動装置と；
クランクケースの外部に設けられ、冷却フィンに空気を通すように駆動装置によって回転されるブロワーホィールとを有し；
クランクケースが、クランクケース内へ外気を通す実質的に外部開口なしに包囲されていることを特徴とするオイルレスエアーコンプレッサー。
【請求項１６】
シリンダーインサートのシリコン含有量が１％以下であり、内側ボアが陽極酸化されていることを特徴する請求項１５に記載のエアーコンプレッサー。
【請求項１７】
ヒートシンクがシリンダーインサートの回りにダイカストされることを特徴する請求項１５に記載のエアーコンプレッサー。
【請求項１８】
シリンダーインサートの融点がシリンダーインサートの融点より高いことを特徴する請求項１７に記載のエアーコンプレッサー。
【請求項１９】
エアーコンプレッサーが多数の圧縮シリンダーを備え、各圧縮シリンダー内で相応したピストンが動くことを特徴する請求項１５に記載のエアーコンプレッサー。
【請求項２０】
ヒートシンクが複数の環状フィンを備えていることを特徴する請求項１５に記載のエアーコンプレッサー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エアーコンプレッサー、特にエアーコンプレッサー用冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
当該技術分野において多くの形式及び構造のエアーコンプレッサーが公知である。幾つかのエアーコンプレッサーでは空気を圧縮するのに回転式インペラーを用いているが、ほとんどの場合容積式コンプレッサーが普通である。容積式コンプレッサーは、ピストン、クランク軸、接続ロッド、シリンダー及び弁ヘッドを備えている。典型的なコンプレッサーは、一つ又は二つのシリンダー及び相応した数のピストンを備えている。二つのシリンダーコンプレッサーは単一シリンダーコンプレッサーと同じように作動するが、クランク軸の各回転毎に、各ピストンについて一つずつ二つの圧縮行程が行われる。
【０００３】
クランク軸は、通常、電動機又はガスエンジンによって駆動される。シリンダーの頂部には弁ヘッドが設けられ、この弁ヘッドは、シリンダーへ流入及び流出する空気の流れを制御する入口弁及び放出弁を備えている。クランク軸が回転される際に、接続ロッドはシリンダー内でピストンを上下に動かす。ピストンが下方へ動く際に、真空が発生され、入口弁を通って外気をシリンダー内に引き込む。ピストンが上方へ動く際には、シリンダー内の空気は圧縮され、入口弁は閉じられ、放出弁は開放される。また、空気の圧縮によりかなりの熱が発生する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
多くの容積式コンプレッサーは、接続ロッド軸受及びシリンダー壁に跳ね掛けるオイルバスを備えて構成されている。そのようなコンプレッサーでは、ピストンにおける一つ以上の圧縮リングはシリンダーの内径に対して密封して潤滑油が被圧縮空気に混合しないようにしている。しかし、しばしば、圧縮リングは、油がエアゾール形態で被圧縮空気オイルに入り込むのを阻止するのに完全には有効でなく、このことはある応用では耐えられない。また、油潤滑型コンプレッサーは、コンプレッサーを一般的には水平面で作動すべきであることと共に油の保守及び交換が必要である。
【０００５】
オイルレスコンプレッサーはこれらの問題点を解決する。典型的には、このようなコンプレッサーでは、密封型接続ロッド軸受及びＰＴＦＥのような自滑性材料（ｓｅｌｆ−ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）から成る圧縮リングが用いられている。しかし、可動部品を油で潤滑しないので、クランクケース及びシリンダー内の温度は比較的高くなる。また殆どの材料と同様に、自滑性材料は高温環境では時間の経過と共に劣化するので、圧縮リングの有効寿命は、コンプレッサーの冷却装置の有効性に直接関連する。
【０００６】
あるコンプレッサーでは、シリンダー及び圧縮リングを冷却するために外気を通すことのできる開放型クランクケースが設けられる。しかし、開放型クランクケースを備えたコンプレッサーはしばしば騒音が高く、そしてクランクケース内に塵埃や屑が入り込み、接続ロッド軸受、圧縮リング及び／又はシリンダー壁を損傷するために付加的に保守点検する必要があり得る。そのために、クランクケースを完全に包囲するのが望ましい。クランクケースを包囲したコンプレッサーは、クランクケース及びシリンダー内部に空気を通すように駆動モータによって作動されるブロワーホィールを使用している。
【０００７】
しかし、しばしば、このような構造はシリンダー及び圧縮リングを適切に冷却できない。その理由は、シリンダーが通常鋳造鉄からなっているからである。鋳造鉄は、圧縮リングに対する低摩擦軸受面を形成する硬くて平滑な内側ボアをもたらし、また鍛造工程はシリンダーのまわりに冷却フィンを形成するのにコスト上有利な手段である。しかし、鍛造鉄は熱伝導率が比較的低く、アルミニウムの熱伝導率の約半分である。
【０００８】
一つの解決法は特許文献１に開示されている。すなわちエアーコンプレッサーは防音ボックス内に駆動装置、クランクケース及びシリンダーを備えている。コンプレッサーはファンを備え、そして防音ボックスは空気入口及び出口開口を備えている。またクランクケースは、接続ロッド軸受及びピストンリングを冷却する空気を通す通路を画定する多数の孔を備えている。この構造は上記問題点の幾つかを解決できるが、全体的に包囲されない防音ボックスが必要であり、このことは可動部品間に屑が入り込み可動部品間の摩擦を増大させ得る。
【０００９】
従って、当該技術分野においては、完全に包囲したクランクケースを備えたオイルレスエアーコンプレッサーの改良型の冷却装置が要求される。
【００１０】
【特許文献１】
ツゲ（Ｔｓｕｇｅ）の米国特許第４，４９２，５３３号明細書１９８５年１月８日発行
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、クランクケース内に配置されたクランク軸を駆動する駆動装置を備えた冷却装置を有し、クランク軸に圧縮シリンダー内で可動のピストンが取付けられているオイルレスエアーコンプレッサーを提供する。圧縮シリンダーは、相応したピストンを装着するボアを画定する熱伝導性アルミニウム合金シリンダーインサートを備えている。熱伝導性アルミニウム合金ヒートシンク構造体は、各シリンダーインサートの外径に一体に鍛造され、またシリンダーは、圧縮シリンダー及びクランクケースが完全に包囲されるようにクランクケースに接続される。
【００１２】
シリンダーインサートは、好ましくはシリコン含有量が１％以下でしかも融点が６００℃以上である低シリコン、高融点アルミニウム合金から成る。
【００１３】
一つの好ましい形態では、本発明は、Ｖ字形状の一対のオフセット圧縮シリンダー内を動き得る一対の往復ピストンを備えた容積式コンプレッサー装置を有するオイルレスエアーコンプレッサーを包含する。各圧縮シリンダーは、熱伝導性の低シリコンアルミニウム合金シリンダーインサート及びシリンダーインサートの外径に一体的に鍛造された熱伝導性のアルミニウム合金ヒートシンク構造体を備えている。ヒートシンクは多数の環状冷却フィンを備えている。駆動装置は、圧縮シリンダー内でピストンを往復動させるために完全に包囲したクランクケース内におけるクランク軸を駆動する。クランクケースの外側のブロワーホィールは、コンプレッサーの内部構成要素を冷却するために、ヒートシンクに空気を流すように駆動装置によって回転される。
【００１４】
従って、本発明は、冷却空気をクランクケースに流す必要なしにクランクケースを完全に包囲できるエアーコンプレッサーを提供する。これにより、エアーコンプレッサーは、開放型クランクケースをもつコンプレッサーの場合より静かに作動でき、そしてピストンシール、シリンダー及びクランク軸軸受の早期磨耗が防止される。クランクケースは完全に包囲されているとはいえ、熱伝導性の高いアルミニウム合金から成るシリンダーインサートとヒートシンクとを備えた独特に構成した圧縮シリンダーの外側に外気を吹き付けることによって十分に冷却される。さらに、アルミニウム合金は、鍛造工程中に構造上の一体性を損なうことなしにヒートシンクをシリンダーインサートのまわりに鍛造できるように高い融点をもつ。さらにまた、アルミニウム合金は、表面仕上げを劣化させずに鍛造工程後にシリンダーインサートの内径を平滑な仕上げに機械加工できしかも適当な硬度に陽極酸化できるようにシリコン含有量が低い。それにより、ただ一回の機械加工作業で十分であり、このことはコストを低減することになる。
【００１５】
本発明の上記の及びその他の目的及び利点は以下の説明から明らかとなろう。以下の説明において、その一部を成し、本発明の好ましい実施の形態を例示する添付図面が参照される。しかし、かかる実施の形態は必ずしも本発明の全範囲を表すものではなく、従って発明の範囲を明らかにするためには特許請求の範囲が参照されなければならない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１〜図３を参照すると、本発明のエアーコンプレッサーは符号１０で示す。エアーコンプレッサー１０は、主構成要素として、駆動装置１２、コンプレッサー装置１４、ブロワーホィール１６及び保護覆い体１８を備えている。駆動装置１２は電動機２０及び偏心クランク軸２２から成っている。コンプレッサー装置１４は、一対の接続ロッド２４を、軸受２６を介してクランク軸２２に回動自在に装着した容積式のものである。各接続ロッド２４は円筒状ピストン２８に回動自在に接続されている。電動機２０の端面にはクランクケース３０が装着され、クランク軸２２及び接続ロッド２４を包囲している。クランクケース３０は、駆動装置１２の反対側に開放端を備え、この開放端は、適当なガスケット及び適当な緊締部材（図示していない）によりクランクケースにシールしたキャッププレート２５で覆われている。キャッププレート２５は中心孔を備え、この中心孔を通ってクランク軸２２の真直ぐな端部がのび、ブロワーホィール１６を支持している。クランク軸２２のまわりに中心孔をシールするために適当なリングシール（図示していない）が用いられ得る。ブロワーホィール１６は、当該技術分野において公知のリスかご型のような任意適当な形態のものであることができ、多数の軸方向にのびたカップ型ブレード３４を備えている。クランクケース３０はまた、頂部に一対の角度付きシリンダー開口３６を備え、これらのシリンダー開口３６を通してピストン２８がのびている。シリンダー開口３６には圧縮シリンダー３８（以下に詳細に説明する）が標準のＶ字形状に互いにオフセットして装着されている。各圧縮シリンダー３８は弁ヘッド４０でキャップされ、弁ヘッド４０は、上流エアーフィルター／サイレンサー装置４２と連通した周囲空気入口弁及び空気駆動型装置（図示していない）からの配管を取付ける下流取付け部材４４と連通した圧縮空気出口弁を備えている。覆い体１８は、ブロワーホィール１６、クランクケース３０及び圧縮シリンダー３８を覆い、そしてブロワーホィール１６によって空気を取り込むことのできるグリル３２を備えている。
【００１７】
図４を参照すると、本発明によれば、各圧縮シリンダー３８はシリンダーインサート４６、取付けプレート４８及びヒートシンク５０を備えている。シリンダーインサート４６は別個の構成要素として形成され、取付けプレート４８及びヒートシンク５０は互いに一体的に鍛造される。シリンダーインサート４６は、ピストン２８の周囲のまわりに嵌合する圧縮リング５２の外径に従って内径を寸法決めした中空の開放端部付きシリンダーである（図３参照）。圧縮リング５２は好ましくは自滑性のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）材料から成る。
【００１８】
好ましくは、取付けプレート４８及びヒートシンク５０はダイカスト法で互いに一体に形成され、シリンダーインサート４６は鍛造型内に収容される。このようにして、シリンダーインサート４６のまわりに多数の環状フィン５４が一体に鍛造され得る。シリンダーインサート４６と環状フィン５４との間の一体接続は、熱伝導性の連続した通路を形成する。シリンダーインサート４６のヒートシンク５０への融合はないが、二つの構成要素間の閉じた表面接触及び二つの材料の高熱伝導度により複合構造体は高熱伝導度となる。シリンダーインサート４６の内側表面の構造上の一体性を保ちながら材料を選択しそしてシリンダーインサート４６の外側とヒートシンク５０との間のある程度の融合を伴ってヒートシンク鍛造工程を実行することも可能であることが認められるべきである。
【００１９】
環状フィン５４をシリンダーインサート４６にダイカストした後、シリンダーインサート４６の内径は、仕上げ寸法の高表面仕上げに機械加工されて、圧縮リング５２が摺動する平滑な軸受面を形成する。好ましくは、内径の表面平滑度は５〜１５ｒｍｓである。そしてシリンダーインサート４６の内径は陽極酸化されて適当な硬さの磨耗面が得られる。内径の表面仕上げは、元の機械加工操作から実質的に維持され、好ましくは元の仕上げの１０〜３０ｒｍｓ内であり、それにより、二次的にボア仕上げを行なう必要をなくし、コストを低減する。
【００２０】
各取付けプレート４８及びヒートシンク５０は好ましくは、３８０ダイカストアルミニウムのような鍛造に適した標準のアルミニウム合金から成っている。３８０ダイカストアルミニウムの好ましい化合組成限界は銅３．５％、シリコン８．５％、鉄１．３％、マンガン０．５％、ニッケル０．５％、マグネシウム０．１％、亜鉛３．０％、スズ０．３５％、微量元素０．５％、残りはアルミニウムである。これに対して、各シリンダーインサート４６は好ましくは、取付けプレート４８及びヒートシンク５０の融点より高い、好ましくは６００℃以上の融点をもちかつシリコン含有量の低い６０６３−Ｔ６アルミニウムのようなアルミニウム合金から成っている。６０６３−Ｔ６アルミニウムの化合組成限界はシリコン０．２〜０．６％、鉄０．３５％、銅０．１％、マンガン０．１％、マグネシウム０．４５〜０．９％、クロム０．１％、亜鉛０．１％、チタン０．１％、微量元素０．１５％、残りはアルミニウムである。
【００２１】
シリコンは陽極酸化処理において劣化し、機械加工した表面の仕上げを壊し粗くするので、シリコン含有量は少ない（標準のダイカストアルミニウムにおける８％以上と比較して１％以下）のが望ましい。シリンダーインサート４６のシリコン含有量は少ないので、内径の表面仕上げは、標準のダイカストアルミニウムの場合のように劣化しない。従って、上述のように、シリンダーインサート４６の内径における高い表面仕上げを再構築するために陽極酸化後に機械加工する必要がない。
【００２２】
取付けプレート４８は、適当な緊締部材でクランクケース３０のシリンダー開口上に圧縮シリンダー３８を取付けるための孔を備えている。使用において、クランク軸２２が電動機２０によって回転されると、ピストン２８が圧縮シリンダー３８内を往復動する際に圧縮熱及びピストンの圧縮リング５２とシリンダーインサート４６の内径との間の摺動摩擦によって発熱される。この熱は、熱伝導によりシリンダーインサート４６を通って各圧縮シリンダー３８のヒートシンク５０に伝導される。ブロワーホィール１６は、ヒートシンク５０を収容している圧縮シリンダー３８及びクランクケース３０の外部へ（図２に矢印で示すように）空気を通し、対流熱伝導の原理に従って熱を放散してエアーコンプレッサー１０を効率的に冷却する。従って、クランクケース３０の内部へ空気を流す開口をクランクケース３０に設ける必要がない。むしろ、騒音を低減ししかも軸受２６、圧縮リング５２及びシリンダーの内壁のような内部可動部品が塵埃や屑で損傷するのを防ぐようにクランクケース３０は包囲され得る。
【００２３】
実際の動作構造を開示して本発明が有利に実施され得るように本発明の例示的実施の形態について詳細に説明してきた。しかし、本発明の新規の特徴は、本発明の範囲から逸脱せずに他の構造形態に結合され得る。例えば、上記の実施の形態におけるヒートシンク及び取付けプレートはコストを低減しかつより適切に鍛造材料を得るためにシリンダーインサートより高いシリコン含有量を有しているが、これらを低シリコンアルミニウム合金で構成してもよい。さらに、シリンダーインサートが鍛造工程中に適切に冷却されるようにすれば、シリンダーインサートの融点をヒートシンク及び取付けプレートより高くする必要はない。従って、本発明の全範囲を公にするためには、特許請求の範囲が参照されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の封入型クランクケース及び冷却装置を備えたエアーコンプレッサーを示す斜視図である。
【図２】
一部覆いを破断して示す図１と同様な斜視図であり、矢印はクランクケース及びヒートシンクを流れる冷却空気の流路を示す。
【図３】
コンプレッサーの封入型クランクケース内の一つのシリンダーを示す図１の線３−３に沿った断面図である。
【図４】
フィン付きヒートシンクをスリーブ状シリンダーインサートに鍛造した一つのシリンダーを示す斜視図である。
【符号の説明】
１０    エアーコンプレッサー
１２    駆動装置
１４    コンプレッサー装置
１６    ブロワーホイール
１８    覆い体
２０    電動機
２２    クランク軸
２４    接続ロッド
２５    キャッププレート
２６    軸受
２８    ピストン
３０    クランクケース
３２    グリル
３４    カップ型ブレード
３６    シリンダー開口
３８    圧縮シリンダー
４０    弁ヘッド
４２    上流エアーフィルター／サイレンサー装置
４４    下流取付け部材
４６    シリンダーインサート
４８    取付けプレート
５０    ヒートシンク
５２    圧縮リング
５４    環状フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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2004516399.tif 000010
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2004516399.tif 000013
2004516399.tif 000014
2004516399.tif 000015
2004516399.tif 000016
2004516399.tif 000017
2004516399.tif 000018
2004516399.tif 000019
2004516399.tif 000020
2004516399.tif 000021
【国際調査報告】
2004516399.tif 000022
2004516399.tif 000023
2004516399.tif 000024