(57)【要約】【課題】ピストンを円滑に直線往復運動させることのできるコンパクトなクランク機構を備えた往復動型ポンプを提供すること。【解決手段】往復動型ポンプのクランク機構は、第１クランク軸１１および第２クランク軸１２（１）を備えている。第１クランク軸１１はモータ軸９を中心として第１偏心量Δ１で偏心回転する。第２クランク軸１２（１）は、第１クランク軸１１の第１円形外周面によって第１クランク軸１１の中心軸線回りに回転自在の状態に支持され、第１クランク軸１１の中心軸線に対して第１偏心量Δ１よりも大きな第２偏心量Δ２だけ偏心した位置を中心とする第２円形外周面を備えている。ピストン１５（１）は、第２円形外周面に回転自在の状態で支持されている。【選択図】図４
2016056737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の回転運動をピストンの往復直線運動に変換するクランク機構を有し、当該クランク機構は、
前記回転軸の回転中心線を中心として第１偏心量で偏心回転する第１クランク軸と、
前記第１クランク軸に形成した第１円形外周面によって当該第１クランク軸の中心軸線回りに回転自在の状態に支持され、当該第１クランク軸の中心軸線に対して前記第１偏心量よりも大きな第２偏心量だけ偏心した位置を中心とする第２円形外周面を備えている第２クランク軸と、
を備えており、
前記ピストンは、前記第２円形外周面によって当該第２円形外周面の中心回りに回転自在の状態に支持された円筒部および当該円筒部から半径方向の外方に延びるロッド部を備えており、
前記ピストンの上死点および下死点において、前記回転軸、前記第１クランク軸、および前記第２クランク軸の前記第２円形外周面のそれぞれの中心が、前記ピストンの移動方向に一直線上に並ぶことを特徴とする往復動型ポンプ。
【請求項２】
前記第１クランク軸の前記第１円形外周面に対して、第１軸受けを介して、前記第２クランク軸が回転自在の状態で支持され、
前記第２クランク軸の前記第２円形外周面に対して、第２軸受けを介して、前記ピストンの前記円筒部が回転自在の状態で支持されている請求項１に記載の往復動型ポンプ。
【請求項３】
前記第１偏心量をΔ１、前記第２偏心量をΔ２とすると、これらの偏心量は、
Δ２  ≧  √２×Δ１
である請求項１または２に記載の往復動型ポンプ。
【請求項４】
前記ピストンとして、前記円筒部を共通とし、当該円筒部の直径方向の両側に延びる第１ピストンおよび第２ピストンを備えている請求項１、２または３に記載の往復動型ポンプ。
【請求項５】
前記クランク機構は、前記第２クランク軸として、前記第１クランク軸の中心軸線の方向に隣接配置された２つの第２クランク軸を備え、
前記第２クランク軸のそれぞれに、前記第１ピストンおよび前記第２ピストンがそれぞれ取り付けられている請求項４に記載の往復動型ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンパクトなクランク機構を備えた往復動型ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
容積形ポンプとしては、モータ軸等の回転軸の回転運動をピストンの往復直線運動に変換するクランク機構、スコッチ・ヨーク機構等の変換機構を備えた往復動型ポンプが知られている。特許文献１には、小型でコンパクトに構成された往復動型ポンプのクランク機構が提案されている。
【０００３】
当該特許文献１において提案されているクランク機構では、クランクシャフトのクランクピンに、直線往復運動を行うように規制された偏心スライダを回転自在に連結し、偏心スライダにピストンを取り付けた構成となっている。クランクシャフトの中心とクランクピンの中心との間の腕の長さと、クランクピンと偏心スライダの中心との間の腕の長さとを等しく設定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−２６２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、特許文献１において提案されているクランク機構では、クランクシャフトに対するクランクピンの偏心量と、クランクピンに対する偏心スライダの偏心量とが同一である。ピストンの上死点あるいは下死点位置からクランクピンが９０度回転した時点において、クランクシャフトの中心と偏心スライダの中心とが一致した状態になる。
【０００６】
この状態が維持されると、クランクシャフトを中心としてクランクピンのみが回転し、偏心スライダが偏心回転せず、したがって、偏心スライダに取り付けたピストンが直線往復運動を行わずに静止した状態になってしまう。したがって、特許文献１においては、ピストンの上死点あるいは下死点の位置からクランクピンが９０度回転した時に、偏心スライダの中心がクランクシャフトの回転中心を横切って、上死点あるいは下死点の方向に移動する力を与える手段を配置してある。これにより、クランクシャフトは回転するが、ピストンが動作しないという不具合の発生を回避している。
【０００７】
本発明の課題は、ピストンの直線往復運動が停止することのないコンパクトなクランク機構を備えた往復動型ポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の往復動型ポンプのクランク機構は、第１クランク軸および第２クランク軸を備えている。第１クランク軸は、当該第１クランク軸を回転させるための回転軸の回転中心線を中心として第１偏心量で偏心回転する。第２クランク軸は、第１クランク軸に形成した第１円形外周面によって当該第１クランク軸の中心軸線回りに回転自在の状態に支持されている。また、第２クランク軸は、当該第１クランク軸の中心軸線に対して第１偏心量よりも大きな第２偏心量だけ偏心した位置を中心とする第２円形外周面を備えている。そして、ピストンは、第２円形外周面によって当該第２円形外周面の中心回りに回転自在の状態に支持された円筒部、および、当該円筒部から半径方向の外方に延びるロッド部を備え、ピストンの上死点および下死点において、回転軸、第
１クランク軸、および第２クランク軸の第２円形外周面のそれぞれの中心が、ピストンの移動方向に一直線上に並ぶように設定されている。
【０００９】
本発明のクランク機構では、第１偏心量と第２偏心量とが相違するので、回転軸の中心に第２クランク軸の中心（第２円形外周面の中心）が一致することがない。また、第２偏心量の方が大きいので、第１クランク軸の偏心回転に伴って、第２クランク軸をピストンの移動方向にスライドさせることができる。よって、回転軸が回転しているにも拘わらず、第２クランク軸がスライドせずに停止したままとなり、ピストンの直線往復運動が行われないという不具合が発生しない。
【００１０】
ここで、一般的には、第１クランク軸の第１円形外周面に対して、第１軸受けを介して、第２クランク軸を回転自在の状態で支持しておけばよい。同様に、第２クランク軸の第２円形外周面に対して、第２軸受けを介して、ピストンの円筒部を回転自在の状態で支持しておけばよい。
【００１１】
また、円滑な回転を保証するためには、第１偏心量をΔ１、第２偏心量をΔ２とした場合に、これらの偏心量を、Δ２  ≧  √２×Δ１となるように設定しておくことが望ましい。
【００１２】
次に、多気筒型の往復動型ポンプの場合、例えば、２気筒型の場合には、ピストンとして、円筒部を共通とし、当該円筒部の直径方向の両側に延びる第１ピストンおよび第２ピストンを備えた構成とすればよい。
【００１３】
また、４気筒型の場合には、第２クランク軸として、第１クランク軸の中心軸線の方向に隣接配置された２つの第２クランク軸を備えたものとし、第２クランク軸のそれぞれに、第１ピストンおよび第２ピストンを配置すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る往復動型ポンプを示す斜視図である。
【図２】図１の往復動型ポンプの縦断面図である。
【図３】図１の往復動型ポンプの主要部分の分解斜視図である。
【図４】図１の往復動型ポンプのクランク機構の動作を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した往復動型ポンプの実施の形態を説明する。
【００１６】
図１は本実施の形態に係る往復動型ポンプを示す斜視図であり、図２はその縦断面図であり、図３はその主要部分の分解斜視図である。これらの図を参照して説明すると、往復動型ポンプ１は、ポンプ本体部２と、このポンプ本体部２に同軸に連結されているモータ部３とを備えている。本例のポンプ本体部２は４気筒型のポンプであり、ポンプ中心線１ａを中心として９０度の等角度間隔で放射状に第１〜第４気筒部４（１）〜４（４）が配置されている。
【００１７】
ポンプ本体部２は矩形筒状のポンプケース５を備え、このポンプケース５の外周４面にそれぞれ第１〜第４気筒部４（１）〜４（４）が配置されている。各気筒部４（１）〜４（４）は、ポンプケース５に形成した円形開口部に取り付けた円筒状のシリンダ６（１）〜６（４）を備え、シリンダ６（１）〜（４）の先端開口がバルブユニット７（１）〜７（４）によって封鎖され、圧縮室が形成されている。バルブユニット７（１）〜７（４）の内部には、図示を省略するが、圧縮対象の流体を吸入ポートを介して圧縮室に導入する吸入通路および吸入ポートを封鎖している吸入バルブが配置されている。また、圧縮後の
圧縮流体を吐出ポートから排出する吐出通路および吐出ポートを封鎖している吐出バルブが配置されている。
【００１８】
ポンプケース５の四隅には、それぞれ連通路ユニット８（１）〜８（４）が取り付けられている。例えば、第１気筒部４（１）と第２気筒部４（２）の間の連通路ユニット８（１）および第３気筒部４（３）と第４気筒部４（４）の間の連通路ユニット８（３）は、圧縮対象の流体を外部から取り込む吸入ポート８ａを備え、これらを介して圧縮対象の流体が各気筒部４（１）〜４（４）に導入される。残りの２つの連通路ユニット８（２）、８（４）は圧縮された後の圧縮流体を供給先に向けて吐出する吐出ポート８ｂを備え、各気筒部４（１）〜４（４）から吐出する圧縮後の圧縮流体が、これらの連通路ユニットを介して吐出される。なお、本例では、一段圧縮型のポンプとして説明しているが、例えば、二段圧縮型のポンプであってもよいことは勿論である。
【００１９】
次に、図２および図３を参照してポンプ本体部２の内部構造を、そこに組み込まれているクランク機構を中心に説明する。なお、図３においては連通路ユニット８（１）〜８（４）を省略してある。また、以下の説明はクランク機構の部分を中心に説明し、それ以外の部位（第１クランクの軸受け部分、フライホイール等の部位）については一般的な構成であるので、説明を省略する。
【００２０】
まず、モータ部３からはポンプ本体部２に向けてモータ軸９が延びている。ポンプ本体部２のクランク機構１０は、第１クランク軸１１および一対の第２クランク軸１２（１）、１２（２）を備えている。第１クランク軸１１は、モータ軸９の先端部に、モータ軸９の回転中心線９ａを中心として第１偏心量Δ１で偏心回転するように、連結固定されている。
【００２１】
第１クランク軸１１には、その中心軸線１１ａを中心として、一対の第１円形外周面１１ｂ（１）、１１ｂ（２）が形成されている。これら第１円形外周面１１ｂ（１）、１１ｂ（２）は、中心軸線１１ａの方向において対称な状態に形成されている。第１円形外周面１１ｂ（１）、１１ｂ（２）には、それぞれ、第１ローラーベアリング１３（１）、１３（２）を介して、第２クランク軸１２（１）、１２（２）が回転自在の状態でそれぞれ支持されている。
【００２２】
第２クランク軸１２（１）、１２（２）のそれぞれは、一定長さの円柱体に、それらの中心軸線１２ａに対して第２偏心量Δ２だけ偏心した位置を中心とする円形貫通穴が形成されている。円形貫通穴の円形内周面１２ｂ（１）、１２ｂ（２）と、これよりも一回り小さな第１クランク軸１１の第１円形外周面１１ｂ（１）、１１ｂ（２）との間に、第１ローラーベアリング１３（１）、１３（２）がそれぞれ装着されている。
【００２３】
第２クランク軸１２（１）、１２（２）の外周面はそれぞれ円形外周面となっている。これらの円形外周面は、第１クランク軸１１の中心軸線１１ａに対して第２偏心量Δ２だけ偏心した位置を中心とする第２円形外周面１２ｃ（１）、１２ｃ（２）である。これらの円形外周面１２ｃ（１）、１２ｃ（２）に、第２ローラーベアリング１４（１）、１４（２）を介して、各気筒部４（１）〜４（４）のピストン１５（１）〜１５（４）が回転自在の状態で支持されている。
【００２４】
第１、第３気筒部４（１）、４（３）のピストン１５（１）、１５（３）は、第２ローラーベアリング１４（１）を介して、第２円形外周面１２ｃ（１）によって、第２クランク軸１２（１）の中心軸線１２ａを中心として、回転自在の状態に支持された共通の円筒部１５ａ（１）と、この円筒部１５ａから直径方向の両側に直線状に延びるロッド部１５ｂ（１）、１５ｂ（３）と、ロッド部１５ｂ（１）、１５ｂ（３）の先端部に取り付けた
ピストンヘッド１５ｃ（１）、１５ｃ（３）とを備えている。
【００２５】
第２、第４気筒部４（２）、４（４）のピストン１５（２）、１５（４）も同一構成であり、第２ローラーベアリング１４（２）を介して、第２円形外周面１２ｃ（２）によって、第２クランク軸１２（２）の中心軸線１２ａを中心として、回転自在の状態に支持された共通の円筒部１５ａ（２）と、この円筒部１５ａから直径方向の両側に直線状に延びるロッド部１５ｂ（２）、１５ｂ（４）と、ロッド部１５ｂ（２）、１５ｂ（４）の先端部に取り付けたピストンヘッド１５ｃ（２）、１５ｃ（４）とを備えている。
【００２６】
各ピストン１５（１）〜１５（４）のピストンヘッド１５ｃ（１）〜１５ｃ（４）は、シリンダ６（１）〜６（４）に対して、それらの内周面に沿って摺動可能な状態に挿入されており、これにより、各ピストン１５（１）〜１５（４）の移動方向が規制されている。
【００２７】
ポンプ中心線１ａを通る直径方向の両側に延びる第１、第３気筒部４（１）、４（３）のピストン１５（１）、１５（３）は、それらの上死点および下死点において、モータ軸９、第１クランク軸１１、および第２クランク軸１２（１）の第２円形外周面１２ｃ（１）のそれぞれの中心が、ピストン１５（１）、１５（３）の移動方向に一直線上に並ぶように配置されている。同様に、ポンプ中心線１ａを通る直径方向の両側に延びる第２、第４気筒部４（２）、４（４）のピストン１５（２）、１５（４）は、それらの上死点および下死点において、モータ軸９、第１クランク軸１１、および第２クランク軸１２（２）の第２円形外周面１２ｃ（２）のそれぞれの中心が、ピストン１５（２）、１５（４）の移動方向に一直線上に並ぶように配置されている。
【００２８】
また、第１偏心量Δ１に比べて第２偏心量Δ２が大きい。これらの大小関係は、次式によって規定されるように、第２偏心量Δ２は第１偏心量Δ１の少なくとも√２倍の大きさに設定されている。
Δ２  ≧  √２×Δ１
【００２９】
次に、図４は往復動型ポンプ１の動作を示す説明図である。図４においては、第２、第４気筒部４（２）、４（４）のピストン１５（２）、１５（４）の移動方向をＸ軸とし、ポンプ中心線１ａを中心とするＸ軸からの反時計回りの第１クランク軸１１の中心の回転角度を示してある。すなわち、図４（ａ１）、（ａ２）は、０度の回転位置の状態を示し、図４（ｂ１）、（ｂ２）は４５度、図４（ｃ１）、（ｃ２）は９０度、図４（ｄ１）、（ｄ２）は１８０度、図４（ｅ１）、（ｅ２）は２７０度の回転位置をそれぞれ示してある。
【００３０】
これらの図において、ａ点は、ポンプ中心線１ａ（モータ軸９の回転中心）を示し、ｂ点はａ点から第１偏心量Δ１だけ偏心した位置にある第１クランク軸１１の偏心回転中心を示し、ｃ点はｂ点から第２偏心量Δ２だけ偏心位置にある第２クランク軸１２（１）の中心を示す。また、図４においては、Δ２  ＝  √２×Δ１として示してある。
【００３１】
第１気筒部４（１）の動きを説明すると、まず、その上死点にある状態は、図４（ｃ１）、（ｃ２）に示すように、点ａ、ｂ、ｃがピストン１５（１）の移動方向であるＹ軸上に並び、第２クランク軸１２（１）が最もＹ軸のプラス側に突出したスライド位置にある。すなわち、ｃ点がａ点に対して最も接近した位置にある。この状態から反時計回りにモータ軸９が回転すると、第１偏心量Δ１だけモータ軸９の回転中心（ａ点）から偏心している第１クランク軸１１の偏心回転中心（ｂ点）は、ａ点を中心とする半径Δ１の円に沿った軌跡に沿って回転する。
【００３２】
第２クランク軸１２（１）は、第１クランク軸１１の第１円形外周面１１ｂ（１）と、ピストン１５（１）の円筒部１５ａ（１）の円形内周面との間に、第２ローラーベアリング１４（１）を介して、回転自在の状態で支持されている。また、第２クランク軸１２（１）の移動方向は、ピストン１５（１）の移動方向であるＹ軸方向に規制されている。したがって、モータ軸９の回転に伴って、第２クランク軸１２（１）は、その中心（ｃ点）が、ピストン１５（１）の移動方向にスライドしながら、第１クランク軸１１を中心として偏心回転する。
【００３３】
上死点位置からモータ軸９が９０度回転すると、図４（ｄ１）、（ｄ２）に示すように、第１クランク軸１１の偏心回転中心（ｂ点）が、モータ軸９の回転中心（ａ点）を通りピストン１５（１）の移動方向に延びるＹ軸に直交するＸ軸上のマイナス側に位置する。ここで、ｂ点とｃ点の間の距離は第２偏心量Δ２であり、ａ点とｂ点の間の距離である第１偏心量Δ１の√２倍である。したがって、ａ点とｂ点を結ぶ直線と、ｂ点とｃ点を結ぶ直線との間の角度は４５度になる。
【００３４】
ｂ点とｃ点の間の距離が、第１偏心量Δ１の√２倍未満の場合には、この角度が４５度未満となり、第１クランク軸１１の回転に伴って、第２クランク軸１２（１）に対して、ｂ点とｃ点を結ぶ直線の方向に作用する力によって、第２クランク軸１２（１）には、中心（ａ点）に向かうＸ軸方向に作用する分力に比べて、第２クランク軸１２（１）をスライド方向であるＹ軸方向に作用する分力が小さくなる。このために、第２クランク軸１２（１）の円滑なスライドが阻害される可能性がある。
【００３５】
第２偏心量Δ２を第１偏心量Δ１の√２倍以上に設定することで、第２クランク軸１２（１）には、中心（ａ点）に向かうＸ軸方向の分力よりも、スライド方向であるＹ軸方向に向かう分力が常に大きくなる。よって、第２クランク軸１２（１）の円滑なスライド運動を確保でき、したがって、ピストン１５（１）を円滑に直線往復移動させることができる。
【００３６】
上死点位置から１８０度回転した下死点位置は、図４（ｅ１）、（ｅ２）に示すように、再び、ａ点、ｂ点、ｃ点がＹ軸上に並ぶ。この場合には、下死点から上死点側に向かって、ｃ点、ｂ点、ａ点の順に並び、モータ軸９の回転中心（ａ点）に対して、第２クランク軸１２（１）の中心（ｃ点）がＹ軸のマイナス側に最も離れたスライド位置となる。
【００３７】
下死点からモータ軸９が９０度回転すると、図４（ａ１）、（ａ２）に示すように、第１クランク軸１１の偏心回転中心（ｂ点）が、Ｘ軸上のプラス側に位置する。ｂ点とｃ点の間の距離は第２偏心量Δ２であり、ａ点とｂ点の間の距離である第１偏心量Δ１の√２倍に設定されている。このため、ｂ点とｃ点を結ぶ直線と、ａ点とｂ点を結ぶ直線とのなす角度が４５度となっている。
【００３８】
なお、第２クランク軸１２（１）（ｃ点）は、ポンプ中心線１ａ（モータ軸９の回転中心）（ａ点）に対してＹ軸方向のマイナス側の領域において直線往復移動する。したがって、ポンプ中心線１ａに対して対称に配置される第１気筒部４（１）と第３気筒部４（３）の間においては、第１気筒部４（１）のピストン１５（１）のロッド部の長さが、第３気筒部４（３）のピストン１５（３）のロッド部の長さよりも長い寸法に設定されている。第２気筒部４（２）と第４気筒部４（４）の間においても同様な関係となっている。
【符号の説明】
【００３９】
１  往復動型ポンプ
１ａ  ポンプ中心線
２  ポンプ本体部
３  モータ部
４（１）〜４（４）  第１〜第４気筒部
５  ポンプケース
６（１）〜６（４）  シリンダ
７（１）〜７（４）  バルブユニット
８（１）〜８（４）  連通路ユニット
９  モータ軸
９ａ  回転中心線
１０  クランク機構
１１  第１クランク軸
１１ａ  中心軸線
１１ｂ（１）、１１ｂ（２）  第１円形外周面
１２（１）、１２（２）  第２クランク軸
１２ａ  中心軸線
１２ｂ（１）、１２ｂ（２）  円形内周面
１３（１）、１３（２）  第１ローラーベアリング
１４（１）、１４（２）  第２ローラーベアリング
１５（１）〜１５（４）  ピストン
１５ａ（１）、１５ａ（２）  円筒部
１５ｂ（１）〜１５ｂ（４）  ロッド部
１５ｃ（１）〜１５ｃ（４）  ピストンヘッド
Δ１  第１偏心量
Δ２  第２偏心量
【図４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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