JP2014202166A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイポサイクロイド機構を有しており、低コストで部品点数を削減可能な圧縮機を提供すること。
【解決手段】クランク軸（１０）と、軸受（１２）と、ケース（２０）と、クランク軸（１０）を取り囲むように配置された外輪歯車（３０）と、そのピッチ円の半径が外輪歯車（３０）のピッチ円の半径の２分の１に設定されており、クランク軸（１０）に対して相対回転するように当該クランク軸（１０）を挿通する遊星歯車（４２）と、遊星歯車（４２）に対して相対回転するように当該遊星歯車（４２）に接続されており、遊星歯車（４２）が外輪歯車（３０）と噛み合いながら当該外輪歯車（３０）内を回転することによりケース（２０）内を外輪歯車（３０）の半径方向と平行な方向に沿って往復運動するピストン（５０）と、軸受（１２）に潤滑油を供給するためのポンプ（６０）とを備え、ポンプ（６０）は、ケース（２０）内に収容されている圧縮機。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機に関するものである。

従来、外輪歯車及び遊星歯車を有するいわゆるハイポサイクロイド機構を備えた圧縮機が知られている。例えば、特許文献１には、モータにより回転駆動されるクランクシャフトと、クランクシャフトを収容するケースと、クランクシャフトを取り囲むように配置された外輪歯車と、外輪歯車の内歯と噛み合いながら外輪歯車内を回転する遊星歯車と、遊星歯車に対して相対回転するように当該遊星歯車に接続されたピストンと、を備えた圧縮機が開示されている。遊星歯車は、クランクシャフトに対して相対回転するように当該クランクシャフトを挿通する。また、遊星歯車のピッチ円の半径は、外輪歯車のピッチ円の半径の２分の１に設定されている。ケースは、外輪歯車の半径方向と平行な方向に沿って直線状に延びる形状のシリンダを含んでおり、このシリンダ内にピストンが収容されている。また、ピストンがシリンダ内の上死点に位置する状態での外輪歯車と遊星歯車との噛合点は、外輪歯車のピッチ円とシリンダの長手方向との交点のうちピストンに近い側の点に一致するように設定される。このため、クランクシャフトの回転に伴って遊星歯車が外輪歯車と噛み合いながら外輪歯車内を回転（外輪歯車の中心回りに公転）したとき、ピストンは、シリンダ内を当該シリンダの長手方向に沿って直線状に往復運動する。ここで、シリンダは、ピストンの上死点での姿勢を維持したまま当該ピストンをその長手方向に案内する形状、つまり、ピストンが当該シリンダの長手方向に対して傾斜することなくその長手方向に沿って往復運動するように当該ピストンを案内する形状を有するので、遊星歯車が自転しながら外輪歯車内を公転すると、ピストンは、シリンダ内を同じ姿勢を維持したまま往復運動する。つまり、この圧縮機では、クランクシャフトにより外輪歯車内を公転するように駆動される遊星歯車の回転運動が、ピストンの直線状の往復運動に変換される。

特開昭６０−１４４５９４号公報

通常、上記特許文献１に記載されるような圧縮機は、クランクシャフトを受ける軸受を有しており、この軸受に対してポンプにより潤滑油が供給される。そして、軸受に対してポンプで潤滑油を供給する際、ポンプから潤滑油が漏れる場合がある。この場合、ポンプから漏れた潤滑油を受ける油受けが必要となるので、コストがかかる上に部品点数が増加する。この油受けを省略するには、潤滑油のシール性に優れた高性能のポンプが必要となり、この場合もコストがかかる。

本発明の目的は、ハイポサイクロイド機構を有しており、低コストで部品点数を削減可能な圧縮機を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明は、原動機により回転駆動されるクランク軸と、前記クランク軸を受ける軸受と、前記クランク軸及び前記軸受を収容するケースと、前記ケース内において前記クランク軸を取り囲むように配置された外輪歯車と、そのピッチ円の半径が前記外輪歯車のピッチ円の半径の２分の１に設定されており、前記クランク軸に対して相対回転するように当該クランク軸を挿通する遊星歯車と、前記遊星歯車に対して相対回転するように当該遊星歯車に接続されており、前記遊星歯車が前記外輪歯車と噛み合いながら当該外輪歯車内を回転することにより前記ケース内を前記外輪歯車の半径方向と平行な方向に沿って往復運動するピストンと、前記軸受に潤滑油を供給するためのポンプと、を備え、前記ポンプは、前記ケース内に収容されている圧縮機を提供する。

本発明によれば、ポンプがケース内に収容されているので、軸受に潤滑油を供給する際にポンプから潤滑油が漏れた場合であっても、その潤滑油はケース内に留まり、ケース外に漏れることがない。よって、ポンプから漏れた潤滑油を受ける油受け等の部品を追加する必要がなく、しかも、ポンプからの潤滑油の漏れが許容されるので、潤滑油のシール性に優れた高性能なポンプを用いる必要もない。また、本発明の圧縮機は、外輪歯車及び遊星歯車を有するいわゆるハイポサイクロイド機構を備えているため、クロスヘッドを有するピストンクランク機構を用いた圧縮機のような厳しい潤滑条件がなく、しかも、クランク軸の回転運動が直接ピストンの往復運動へ変換されるため、ピストンクランク機構を用いた圧縮機に比べて動力の伝達効率に優れる。

この場合において、前記クランク軸の回転により前記ポンプが駆動されるように前記クランク軸と前記ポンプとが接続されていることが好ましい。

このようにすれば、クランク軸を回転させる動力源である原動機がポンプの動力源としても利用されるので、ポンプを駆動するための専用の動力源が不要となり、構造が簡素化される。

また、本発明において、前記ポンプが取り付けられる取付壁と、前記クランク軸との間にオイルバッファが形成されていることが好ましい。

このようにすれば、潤滑油を軸受等に十分に供給することができる。

以上のように、本発明によれば、ハイポサイクロイド機構を有しており、低コストで部品点数を削減可能な圧縮機を提供することができる。

本発明の第一実施形態の圧縮機の構造の概略を示す断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線での断面図である。 図１の圧縮機を異なる角度から見た状態の断面図である。 本発明の第二実施形態の圧縮機の取付壁の近傍を示す断面図である。

（第一実施形態）
本発明の第一実施形態の圧縮機について、図１から図３を参照しながら説明する。

図１から図３に示されるように、本実施形態の圧縮機は、原動機により回転駆動されるクランク軸１０と、クランク軸１０を受ける軸受１２と、ケース２０と、ケース２０内に配置された外輪歯車３０と、外輪歯車３０の内歯３２と噛み合う遊星歯車４２を有する遊星部材（遊星キャリア）４０と、遊星部材４０に対して相対回転しながらケース２０内を特定の往復方向に沿って往復運動するピストン５０と、軸受１２や各歯車に潤滑油を供給するためのポンプ６０とを備えている。なお、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線での断面図であるが、この図２では、仮想的に遊星歯車４２が示されている。また、図２では、一点鎖線により遊星歯車４２のピッチ円Ｐが示されている。

図１および図３に示されるように、クランク軸１０は、原動機に接続される主軸１０ａと、この主軸１０ａの中心軸Ｏ１から偏倚した位置に中心軸Ｏ１と平行な方向に延びる中心軸Ｏ２を有するクランクピン１０ｂと、主軸１０ａとクランクピン１０ｂとを接続するクランクアーム１０ｃとを有する。

図１および図２に示されるように、ケース２０は、主にクランク軸１０を収容するクランクケース２１と、ピストン５０を収容するシリンダ２８とを有する。なお、シリンダ２８内に水素ガス等のガスを吸い込む吸込ラインの図示、及びシリンダ２８内で圧縮されたガスをシリンダ２８外へ吐出する吐出ラインの図示は、それぞれ省略されている。

クランクケース２１は、クランク軸１０、軸受１２、外輪歯車３０、遊星部材４０、ピストン５０の一部及びポンプ６０を収容する。より具体的には、クランクケース２１は、クランク軸１０、軸受１２、外輪歯車３０、遊星部材４０及びピストン５０の一部を収容する本体部２２と、ポンプ６０を収容するポンプ収容部２５とを有する。図１及び図３に示されるように、ポンプ収容部２５は、主軸１０ａの中心軸Ｏ１方向について本体部２２に隣接している。クランクケース２１内における本体部２２とポンプ収容部２５との境界には、ポンプ６０を取り付けるための取付壁２６が設けられている。取付壁２６、本体部２２及びクランク軸１０により囲まれる空間にはポンプ６０からくみ上げられた潤滑油を保持するオイルバッファ２７が形成されている。本実施形態では、クランクケース２１は、気密性を有するとともに、耐圧性、より具体的には、吸込ラインから吸い込まれたガスの圧力と同程度の圧力に耐え得る耐圧性を有している。

図１および図３に示されるように、本体部２２は、主軸１０ａに近い側のクランクアーム１０ｃを保持する第一壁２３と、主軸１０ａから遠い側のクランクアーム１０ｃを保持する第二壁２４とを有する。第一壁２３は、中心軸Ｏ１方向に貫通する第一開口を有し、この第一開口内に主軸１０ａ、主軸１０ａから近い側の軸受１２及びクランクアーム１０ｃが保持されている。第二壁２４は、中心軸Ｏ１方向に貫通する第二開口を有し、この第二開口内に主軸１０ａから遠い側の軸受１２及びクランクアーム１０ｃが保持されている。第一壁２３及び第二壁２４は、それぞれが中心軸Ｏ１に対して直交する姿勢で互いに対向するように配置されている。取付壁２６は、第二壁２４の第二開口を塞ぐように第二壁２４の外側面に取り付けられている。図３に示されるように、第二壁２４の下端２４ａは、クランクケース２１の底壁から離間しており、これにより、本体部２２内がポンプ収容部２５内とつながっている。そのため、各軸受や各歯車に供給されたあと本体部２２の下部に落下した潤滑油は、ポンプ収容部２５に導かれる。すなわち、本体部２２の下部及びポンプ収容部２５の下部が油溜まりとして機能する。ポンプ収容部２５は、取付壁２６とともにポンプ６０を取り囲む形状を有する。なお、ポンプ収容部２５の底壁の内面は、本体部２２の底壁の内面よりも低い位置に設定されている。

図１に示されるように、シリンダ２８は、水平面内において外輪歯車３０の中心軸Ｏ１を中心とする円の半径方向に平行な方向に沿って直線状に延びる。シリンダ２８は、当該平行な方向（往復方向）に沿ってピストン５０の往復運動を案内する。

図１および図３に示されるように、軸受１２は、クランク軸１０とクランクケース２１との間、より具体的には、クランクアーム１０ｃと本体部２２との間に設けられる。また、クランク軸１０と遊星部材４０との間には、遊星部材４０のクランクピン１０ｂに対する相対回転を許容するための第一軸受１４が設けられ、遊星部材４０とピストン５０との間には、ピストン５０の遊星部材４０に対する相対回転を許容するための第二軸受１６が設けられる。

外輪歯車３０は、内歯３２を有する内歯車である。図３に示されるように、外輪歯車３０は、クランクピン１０ｂの回転半径よりも大きな半径を有し、クランク軸１０を取り囲むようにクランクケース２１の本体部２２内に配置されている。より具体的には、外輪歯車３０は、その中心がクランク軸１０の主軸１０ａの中心軸Ｏ１と一致する姿勢で本体部２２の第二壁２４の内側面に取り付けられている。

遊星部材４０は、外輪歯車３０と噛み合う遊星歯車４２と、遊星歯車４２に接続された偏心シャフト４４と、偏心シャフト４４に接続された釣合い錘４６とを有する。図１及び図３に示されるように、遊星歯車４２、偏心シャフト４４及び釣合い錘４６は、一体的に回転運動するように主軸１０ａの中心軸Ｏ１方向についてこの順に互いに接続されている。遊星部材４０は、クランク軸１０に対して相対回転するように当該クランク軸１０のクランクピン１０ｂを挿通している。

遊星歯車４２は、クランク軸１０のクランクピン１０ｂが中心軸Ｏ１回りに回転するのに伴い、外輪歯車３０と噛み合いながら外輪歯車３０内を回転（中心軸Ｏ１回りに公転）する。遊星歯車４２のピッチ円Ｐ（図２を参照）の半径は、外輪歯車３０のピッチ円の半径の２分の１に設定されている。ここで、ピストン５０がシリンダ２８内の上死点にある状態での外輪歯車３０と遊星歯車４２との噛合点（以下、「上死点噛合点Ｐ１」という）は、外輪歯車３０のピッチ円とシリンダ２８の長手方向との交点のうちピストン５０に近い側の点に一致するように設定される。そして、遊星歯車４２のピッチ円Ｐの半径は外輪歯車３０のそれの２分の１であることから、上死点噛合点Ｐ１は、遊星歯車４２の回転に伴ってシリンダ２８の長手方向、すなわち、前記往復方向に沿って直線状に往復移動を繰り返す。

図１および図３に示されるように、偏心シャフト４４は、その中心が遊星歯車４２の中心軸（クランクピン１０ｂの中心軸Ｏ２）から偏倚した位置となるように中心軸Ｏ１方向について遊星歯車４２に隣接して接続されている。具体的に、偏心シャフト４４の中心軸は、前記上死点噛合点Ｐ１を通るように設定されている。そのため、偏心シャフト４４は、遊星歯車４２の公転に伴い、クランクピン１０ｂに対して相対回転しつつ当該偏心シャフト４４の中心軸回りに回転（自転）し、かつ、前記往復方向に沿って直線的に往復運動する。本実施形態では、偏心シャフト４４は、円板状に形成されている。

図１および図２に示されるように、釣合い錘４６は、遊星歯車４２の中心軸を基準として、偏心シャフト４４の重心と反対側にその重心が位置するように中心軸Ｏ１方向について偏心シャフト４４に隣接して接続されている。

図１および図２に示されるように、ピストン５０は、第二軸受１６を介して偏心シャフト４４の周囲を取り囲む円環状の円環部５２と、円環部５２からシリンダ２８の長手方向に延びるピストンロッド５４と、ピストンロッド５４の先端に接続されたピストン本体５６とを有する。

円環部５２は、偏心シャフト４４に対して相対回転可能となっている。そのため、円環部５２は、偏心シャフト４４の前記往復方向に沿った直線運動に追随するように往復方向に直線運動する。つまり、偏心シャフト４４と円環部５２との間に第二軸受１６が介在するため偏心シャフト４４の回転運動は円環部５２に伝達されず、偏心シャフト４４の直線運動のみが円環部５２に伝達される。

ピストンロッド５４は、偏心シャフト４４が往復方向に沿って往復運動するときの偏心シャフト４４の中心の軌跡（遊星歯車４２が中心軸Ｏ１回りに公転するときの上死点噛合点Ｐ１の軌跡）の延長線に沿って延びる形状を有する。ピストンロッド５４は、円環部５２の前記往復方向についての直線運動とともにシリンダ２８内を直線運動する。

ここで、シリンダ２８は、ピストン５０の上死点での姿勢を維持したまま当該ピストン５０をその長手方向に案内する形状、より具体的には、ピストン本体５６が当該シリンダ２８の長手方向に対して傾斜することなくその長手方向に沿って往復運動するように当該ピストン本体５６を案内する形状を有する。このため、遊星歯車４２が自転しながら中心軸Ｏ１回りに公転すると、ピストン本体５６は、上死点での姿勢と同じ姿勢を維持したままシリンダ２８内を直線状に往復運動する。これにより、ピストン本体５６が、吸込ラインから吸い込まれたガスを圧縮する。

図１および図３に示されるように、ポンプ６０は、各軸受（軸受１２、第一軸受１４、第二軸受１６）及び各歯車に潤滑油を供給するポンプ本体６２と、クランクケース２１内の油溜まりからポンプ本体６２に潤滑油を吸い上げる吸上部６６とを有する。ポンプ本体６２は、クランクケース２１内に設けられた取付壁２６に取り付けられている。このポンプ本体６２は、取付壁２６に形成された穴内に配置された軸継手６４を介してクランク軸１０に接続されている。具体的には、軸継手６４は、主軸１０ａから遠い側のクランクアーム１０ｃのうちの中心軸Ｏ１を通る部位と、ポンプ本体６２に内蔵された図示略のロータとを接続している。そのため、クランク軸１０の駆動力は、軸継手６４を介してポンプ本体６２に伝達される。ポンプ本体６２は、吸上部６６によりクランクケース２１内の油溜まりから吸い上げられた潤滑油を供給路６８（図１を参照）を介して所定の供給圧で各軸受や各歯車に供給する。

ここで、クランクケース２１内は、吸込ラインから吸い込まれたガスの圧力と同程度の圧力になっており、ポンプ６０が潤滑油を供給するときの供給圧は、純粋に各軸受や各歯車に潤滑油を供給するのに必要な圧力（以下、「純粋供給圧」という）となる。そのため、ポンプ本体６２内からポンプ本体６２外への潤滑油の漏れをシールするシール圧は、純粋供給圧程度でよい。これに対し、クランクケース２１が気密性及び耐圧性を有しており、ポンプ６０がケース２０外に配置されている場合、ポンプ６０が潤滑油を供給するときの供給圧は、クランクケース２１の内圧と各軸受や各歯車に潤滑油を供給するための圧力との和になる。そのため、ポンプ本体６２内からポンプ本体６２外への潤滑油の漏れをシールするシール圧が純粋供給圧よりも高くなる。つまり、本実施形態では、クランクケース２１が気密性及び耐圧性を有しており、さらに、ポンプ６０がケース２０内に収容されていることから、ポンプ６０のシール圧を小さくすることが可能となる。これにより、シール性に優れた高性能のポンプを用いることなくポンプのシール性を確保することが可能となる。

次に、本実施形態の圧縮機の運転時の動作について説明する。

原動機が駆動されると、クランク軸１０が回転駆動される。これに伴い、遊星歯車４２は、クランク軸１０のクランクピン１０ｂに対して相対回転しながら当該クランクピン１０ｂの中心軸Ｏ２回りに自転するとともに、外輪歯車３０と噛み合いながら、当該外輪歯車３０内を主軸１０ａの中心軸Ｏ１回りに公転する。ここで、上死点噛合点Ｐ１は、外輪歯車３０のピッチ円とシリンダ２８の長手方向との交点のうちピストン５０に近い側の点と一致するように設定されており、かつ、遊星歯車４２のピッチ円Ｐの半径は外輪歯車３０のそれの２分の１であることから、両歯車の噛合点が上死点噛合点Ｐ１に維持された状態で遊星歯車４２が外輪歯車３０内を公転すると、偏心シャフト４４は、その中心軸回りに回転（自転）しながら遊星歯車４２とともに前記往復方向に沿って直線状に往復運動する。この偏心シャフト４４の往復運動に追随するように、ピストン５０は、偏心シャフト４４に対して相対回転しながら往復方向に直線状に往復運動する。これにより、吸込ラインから吸い込まれたガスが圧縮される。また、ポンプ６０は、クランクケース２１内の油溜まりから吸い上げた潤滑油を各軸受や各歯車に随時供給する。

以上説明したように、本実施形態の圧縮機では、ポンプ６０がケース２０内に収容されているので、軸受１２や各歯車に潤滑油を供給する際にポンプ６０から潤滑油が漏れた場合であっても、その潤滑油はケース２０内に留まり、ケース２０外に漏れることがない。よって、ポンプ６０から漏れた潤滑油を受ける油受け等の部品を追加する必要がなく、しかも、ポンプ６０からの潤滑油の漏れが許容されるので、潤滑油のシール性に優れた高性能なポンプを用いる必要もない。また、本実施形態の圧縮機は、外輪歯車３０及び遊星歯車４２を有するいわゆるハイポサイクロイド機構を備えているため、クロスヘッドを有するピストンクランク機構を用いた圧縮機のような厳しい潤滑条件がなく、しかも、クランク軸１０の回転運動が直接ピストン５０の往復運動へ変換されるため、ピストンクランク機構を用いた圧縮機に比べて動力の伝達効率に優れる。

また、本実施形態では、クランク軸１０の回転によりポンプ６０が駆動されるようにクランク軸１０とポンプ６０とが接続されているので、クランク軸１０を回転させる動力源である原動機がポンプ６０の動力源としても利用される。よって、ポンプ６０を駆動するための専用の動力源が不要となり、構造が簡素化される。

また、本実施形態では、取付壁２６、本体部２２及びクランク軸１０により囲まれる空間にオイルバッファ２７が形成されているので、軸受１２等に潤滑油を十分に供給することができる。

さらに、本実施形態の圧縮機は、ポンプ６０がクランクケース２１内に収容されていることに加え、クランクケース２１が気密性及び耐圧性を有するので、ポンプ６０内からポンプ６０外への潤滑油の漏れをシールするシール圧を前記純粋供給圧程度にまで小さくすることが可能となる。これにより、シール性に優れた高性能のポンプを用いることなくポンプのシール性を確保することが可能となる。

（第二実施形態）
図４は、本発明の第二実施形態の圧縮機の取付壁２６の近傍を示す断面図である。なお、第二実施形態では、第一実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第一実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は省略する。

本実施形態では、取付壁２６のポンプ６０が取り付けられる面とは反対側の面に筒状部材２９が取り付けられている。筒状部材２９にはクランク軸１０の端部が挿入される。筒状部材２９とクランク軸１０の端部との間にはオイルシール２９ａが取り付けられる。これにより、筒状部材２９、クランク軸１０および取付壁２６により囲まれる空間が形成される。つまり、本実施形態では、この空間がオイルバッファ２７として機能する。そのため、本実施形態では、筒状部材２９の内径を調整することにより、オイルバッファ２７の容積を柔軟に調整することが可能となる。なお、筒状部材２９は取付壁２６と１つの部材にて形成されてもよい。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、上記実施形態では、クランク軸１０とポンプ本体６２とが軸継手６４を介して接続された例が示されたが、ポンプ６０がクランク軸１０と独立して駆動されることが可能な構造、つまり、クランク軸１０を回転させる原動機とは別に、ポンプ６０を駆動するための動力源が設けられてもよい。このようにすれば、クランク軸１０の駆動とポンプ６０の駆動とをそれぞれ個別に管理することが可能となる。

また、軸受１２を保持する保持部は、第一壁２３や第二壁２４とは別部材であってもよい。ピストン５０は外輪歯車３０の半径方向に平行な方向に往復運動するのであれば、重力方向など任意の方向に駆動されてもよい。

１０ クランク軸
１２ 軸受
２０ ケース
２１ クランクケース
２２ 本体部
２５ ポンプ収容部
２６ 取付壁
２７ オイルバッファ
２８ シリンダ
３０ 外輪歯車
４０ 遊星部材
４２ 遊星歯車
４４ 偏心シャフト
４６ 釣合い錘
５０ ピストン
５２ 円環部
５４ ピストンロッド
５６ ピストン本体
６０ ポンプ
Ｏ１ 主軸の中心軸
Ｏ２ クランクピンの中心軸
Ｐ 遊星歯車のピッチ円
Ｐ１ 上死点噛合点

Claims (3)

1. 原動機により回転駆動されるクランク軸と、
   前記クランク軸を受ける軸受と、
   前記クランク軸及び前記軸受を収容するケースと、
   前記ケース内において前記クランク軸を取り囲むように配置された外輪歯車と、
   そのピッチ円の半径が前記外輪歯車のピッチ円の半径の２分の１に設定されており、前記クランク軸に対して相対回転するように当該クランク軸を挿通する遊星歯車と、
   前記遊星歯車に対して相対回転するように当該遊星歯車に接続されており、前記遊星歯車が前記外輪歯車と噛み合いながら当該外輪歯車内を回転することにより前記ケース内を前記外輪歯車の半径方向と平行な方向に沿って往復運動するピストンと、
   前記軸受に潤滑油を供給するためのポンプと、を備え、
   前記ポンプは、前記ケース内に収容されている圧縮機。
2. 請求項１に記載の圧縮機において、
   前記クランク軸の回転により前記ポンプが駆動されるように前記クランク軸と前記ポンプとが接続されている圧縮機。
3. 請求項１または２に記載の圧縮機において、
   前記ポンプが取り付けられる取付壁と、前記クランク軸との間にオイルバッファが形成されている圧縮機。

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