JPH08284807A - レシプロ式容積型機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レシプロ式容積型機械における摺動部の機械
摩擦損失を低減し、その摺動条件の苛酷度を緩和する。 【構成】 レシプロ式容積型機械において、ピストンを
運動させるかピストンから動力を受ける従来から用いら
れてきたクランクシャフトに代えて、円錐形状の軌跡を
描くように支持拘束されたてこ部材を用い、大きな摺動
荷重が作用する摺動部は摺動速度の小さな揺動摺動と
し、大きな摺動速度となる回転摺動部ではてこの原理に
より摺動荷重を低減する構成とする。 【効果】 本発明によれば、レシプロ式の容積型機械の
効率と信頼性とを向上出来るという効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレシプロ式の容積型機械
に係り、特に気体の圧縮に用いるレシプロ式圧縮機や、
車両等の原動機に用いるレシプロ式内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のレシプロ式の容積型機械に、例え
ばクランクシャフトの回転によるクランクピン部の公転
運動とピストンの往復運動とを連動させ、ピストン頭部
に形成された作動室の容積が周期的に変化する事を利用
して、作動流体の移送や圧縮あるいは作動流体からの動
力の取り出しを行なう構造のものがあった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術では、
ピストン頭部の作動流体の圧力により、クランクピン部
やクランクシャフト軸受部の様に比較的摺動速度の大き
い回転摺動部に比較的大きな荷重が作用するので、機械
摩擦損失が大きく容積型機械としての効率を低下させる
原因となり、また過酷な運転状態においては摺動条件が
厳しくなり、摩耗・焼き付きが発生して容積型機械とし
ての信頼性も低下させるという問題があった。 本発明
の目的は、レシプロ式の容積型機械において、ピストン
の往復運動と入出力軸の回転運動とを連動させる為の機
構の各摺動部で発生する機械摩擦損失を低減して容積型
機械としての効率を向上させ、更に、その各摺動部の摺
動条件を緩和して容積型機械としての信頼性を向上させ
る事である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記本発明の目的は以下
の様にして達成される。まず、ピストンの往復運動と入
出力軸の回転運動とを連動させる機構の構成要素とし
て、従来のクランクシャフトに代え、固定フレーム部材
により一箇所を球面対偶で支持されたてこ部材を採用す
る。次に、入出力軸に相当する回転部材によりその回転
軸から半径方向に偏位した位置で前記てこ部材を回転支
持し、固定フレーム部材による球面対偶支持部を頂点と
した前記てこ部材の円錐状軌跡の運動と前記回転部材の
回転運動とを連動させる。次に、前記てこ部材上で前記
固定フレーム部材との球面対偶部からの距離が、前記固
定フレーム部材との球面対偶部から前記回転部材による
回転支持部までの距離より十分小さくなる位置で、前記
てこ部と球面対偶連結部材とを球面対偶で連結する。更
に、前記てこ部材の円錐状軌跡の運動の際に前記球面対
偶連結部材が行なう公転運動とピストンの往復運動とを
連動させる。

【０００５】

【作用】上記の課題を解決するための手段においては、
まず、ピストン頭部の作動流体の圧力により、球面対偶
連結部材を介して該球面対偶連結部材とてこ部材との球
面対偶部を荷重点として、てこ部材に荷重が作用する。
一方、てこ部材は固定フレーム部材による球面対偶支持
部と回転部材による回転支持部の２ヵ所で支持されてい
るが、その球面対偶支持部を支点とし回転支持部を力点
とすれば、前述の様に支点から荷重点までの距離に比べ
て支点から力点までの距離が十分大きくなるように構成
されているので、てこの原理により、力点に作用する荷
重は荷重点および支点に作用する荷重に比べて十分小さ
くなる。

【０００６】すなわち、てこ部材と回転部材との回転対
偶部に作用する荷重は、てこ部材と球面対偶連結部材と
の球面対偶部に作用する荷重やてこ部材と固定フレーム
部材との球面対偶部に作用する荷重に比べて十分小さく
なる。なお、てこ部材から回転部材に作用する荷重が十
分小さくなる事により、回転部材の回転を支える軸受部
に作用する荷重も十分小さくなる。ところで、てこ部材
と相対運動を行なう部材の中で、入出力軸に相当する回
転部材は当然自転運動を行ない、摩擦力によって、てこ
部材に自転させようとする回転駆動トルクを作用する
が、その摩擦力を発生させる回転対偶部荷重が小さいの
で、その回転駆動トルクの大きさは小さい。

【０００７】一方、固定フレーム部材や球面対偶連結部
材は連続的な自転運動を行なわず、摩擦力によって、て
こ部材に自転させまいとする回転抵抗トルクを作用する
が、その摩擦力を発生させる球面対偶部荷重が大きい事
等によりその回転抵抗トルクの大きさは大きい。この結
果、てこ部材は自転運動をほとんど行なわない。したが
って、てこ部材は固定フレーム部材と球面対偶連結部材
に対しては、ほぼその円錐運動の頂角を振幅とする揺動
摺動が主体となり、回転部材に対してのみ相対的に連続
な回転摺動を行なう。

【０００８】以上の結果、ピストンの往復運動と入出力
軸の回転運動とを連動させる機構の各摺動部において、
てこ部材と回転部材との間の摺動部及び回転部材の軸受
部では回転摺動であるため摺動速度は大きいが摺動荷重
が低減され、てこ部材と固定フレーム部材との間の摺動
部及びてこ部材と球面対偶連結部材との間の摺動部では
摺動荷重は大きいが揺動摺動となる事により摺動速度が
低減される。したがって、それらの摺動部における機械
摩擦損失の総和が小さくなり摺動条件が特に厳しい摺動
部も無くなる事により、容積型機械としての効率と信頼
性の向上が図れる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図１１に
より説明する。図１は本発明の第１の実施例であるレシ
プロ式圧縮機を示す断面図、図２は図１におけるＩ−Ｉ
断面図、図３は圧縮機駆動軸を90゜ ずつ回転させた場合
の図２における各部品の動きを説明した図、図４および
図５は第１の実施例における各球面支持部材の構成を説
明する斜視図、図６は本発明の第２の実施例である内燃
機関を示す断面図、図７は図６におけるII−II断面図、
図８は本発明の第３の実施例であるレシプロ式圧縮機を
示す断面図、図９は図８における III−III 断面図、図
１０は本発明の第４の実施例である内燃機関を示す断面
図、図１１は本発明の第５の実施例である内燃機関を示
す断面図である。

【００１０】図１ないし図５により本発明の第１の実施
例であるレシプロ式圧縮機を説明する。メインフレーム
１にはシリンダ２が２つ同方向に取り付けられ、シリン
ダ２にはピストンボア部２ａが形成されており、そのそ
れぞれにピストン３が往復動可能に挿入されている。メ
インフレーム１は、更に、２つのシリンダ２の取付け部
の中央から延びる軸支持部１ａを有している。軸支持部
１ａでは、軸状のてこ部材４の球面部４ａが球面支持部
材５を介して球面対偶で支持されている。球面支持部材
５は、図４に示す様に内周球面部５ａと外周円筒面部５
ｂを持ち、２つが軸方向から組み合わされて固定ナット
６により前記軸支持部１ａに固定されている。なお、図
４は球面支持部材５の概略形状を示すものであり、給油
溝等の詳細部は省略して図示されている。また、実際の
組立ての際は、当然、てこ部材の球面部４ａを間に挾ん
で軸方向から組み合わされるものである。てこ部材４に
は、もう２つの球面部４ｂ、４ｃが球面部４ａを挾んで
両側に形成されており、更に、球面部４ｃの外側又はて
こ部材の一端には円筒面部４ｄが形成されている。な
お、てこ部材４において、円筒面部４ｄの球面部４ａか
らの距離は、球面部４ｂ、４ｃの球面部４ａからの距離
に比べて、十分大きくなっている。

【００１１】てこ部材の円筒面部４ｄは、駆動用モータ
７の主軸８に固定されて回転する駆動アーム９により、
モータ回転軸から半径方向に偏位した位置で球面ブッシ
ュ１０を介して相対的な回転が可能に支持されている。
球面ブッシュ１０は外周球面部と内周円筒面部とを持
ち、その外周球面部が球面支持部材１１を介して駆動ア
ーム９により球面対偶で支持され、その内周円筒面部で
てこ部材の円筒面部４ｄを回転可能に支持している。球
面支持部材１１は内周球面部と外周円筒面部を持ち、そ
の外周円筒面部が駆動アーム９の半径方向に偏位した位
置に挿入され、固定ナット１２により固定されている。

【００１２】駆動用モータ７の主軸８は軸受フレーム１
３の軸受部１３ａと軸受サブフレーム１４の軸受部１４
ａとで回転支持され、それらの間の部分にモータロータ
部７ａが固定されている。軸受フレーム１３と軸受サブ
フレーム１４とは、間にモータステータ部７ｂを挾ん
で、ボルト１５、１６によりメインフレーム１に固定さ
れている。その際、軸受部１３ａ、１４ａの中心軸とス
テータ部７ｂの内周中心軸がメインフレームの軸支持部
１ａにおけるてこ部材４との球面対偶中心を通るよう
に、メインフレーム１に固定されている。

【００１３】２つのコンロッド１７には、その両端の大
端部１７ａと小端部１７ｂに内周円筒面部が形成されて
いる。大端部１７ａはてこ部材の球面部４ｂ、４ｃに球
面支持部材１８を介し球面対偶で連結されており、小端
部１７ｂはピストン３にピストンピン１９を介して揺動
可能に連結されている。球面支持部材１８は、図５に示
す様に内周球面部１８ａと外周円筒面部１８ｂを持ち、
２つが半径方向から組み合わさた状態で固定ブッシュ２
０の内周円筒面に焼きばめ等で組み込まれ一体に固定さ
れている。なお、図５は球面支持部材１８の概略形状を
示すものであり、給油溝等の詳細部は省略して図示され
ている。また、実際の組立ての際は、当然、てこ部材の
球面部４ｂ、４ｃを間に挾んで半径方向から組み合わさ
れるものである。固定ブッシュ２０の外周円筒面は、コ
ンロッドの大端部１７ａの内周円筒面部に挿入され、軸
方向に滑動出来る構造としてある。

【００１４】各々のコンロッドの大端部１７ａの軸方向
両端面は、スペーサ２１を挾む事により平行な隙間を形
成する２つのガイドプレート２２の間で滑動し、その面
外への傾斜が規制される構造となっている。前記ガイド
プレート２２とスペーサ２１は、メインフレームの軸支
持部１ａから突出させて設けたガイド座面１ｂに、ボル
ト２３により固定されている。

【００１５】メインフレーム１に取り付けられたシリン
ダ２のピストンボア部２ａの外周側開口部は、シリンダ
ヘッド２４により閉塞され、その外側に更にカバ２５が
取り付けられている。なお、シリンダ２、シリンダヘッ
ド２４、カバ２５は、いずれもボルト２６によりメイン
フレーム１に固定されている。

【００１６】シリンダヘッド２４には吐出ポート２４ａ
が形成されており、吐出弁２７と吐出弁押さえ２８とが
取り付けられている。一方、ピストン３には吸入ポート
３ａが形成されており、これを開閉する吸入弁２９が取
り付けられている。

【００１７】上記の構造全体は、上チャンバ３０、下チ
ャンバ３１で形成される密閉容器内に防振バネ３２を介
して支持されている。

【００１８】以上の構成で、駆動用モータ７により駆動
アーム９が回転すると、てこ部材４の中心軸は、球面部
４ａの中心がメインフレームの軸支持部１ａとの球面対
偶中心すなわち定点に拘束され、円筒面部４ｄが駆動ア
ーム９により公転運動を行なうので、球面部４ａの中心
を頂点とする２つの円錐面を軌跡として描く運動を行な
う。その際、てこ部材４の球面部４ｂ、４ｃのそれぞれ
の中心は、上記円錐面とその中心軸に直角な面との交差
線である円を軌跡として描く運動を行なう。すなわち、
従来のクランクシャフトの回転によりそのクランクピン
部に公転運動が与えられるのと同様に、上記の機構によ
り、てこ部材の球面部４ｂ、４ｃにも公転運動を与える
事が出来る。

【００１９】したがって、大端部１７ａを球面部４ｂ、
４ｃに球面対偶で連結された２つのコンロッド１７は、
それぞれ、従来のクランクシャフトを用いた機構におけ
るコンロッドと同様な運動を行ない、ピストンピン１９
を介してピストン３に往復運動を与える事になる。

【００２０】この結果、ピストン３とシリンダのピスト
ンボア部２ａとシリンダヘッド２４とによって囲まれて
形成される作動室３３は、上記ピストン３の往復運動に
より周期的に容積の変化を繰り返す事になり、本実施例
の上記機構が容積型圧縮機のための機構として機能出来
ることがわかる。なお、ピストン３には、作動室３３の
気密のためピストンリング３４が組み込まれている。

【００２１】作動ガスは、まず、低圧配管３５の上チャ
ンバ３０への取り付け部である吸入口３６より密閉容器
内の低圧空間３７に流入し、作動室３３の容積の増大時
にピストン３の背面部から吸入ポート３ａ、吸入弁２９
を通過して、作動室３３の中に吸入される。次に、作動
室３３の容積の減少時に圧縮されて吐出圧力に達した
後、シリンダヘッドの吐出ポート２４ａ、吐出弁２７を
通過して、シリンダヘッド２４とカバ２５とで囲まれた
高圧空間３８に吐出され、高圧配管３９を通ってその下
チャンバ３１への取り付け部である吐出口４０より圧縮
機外に流出する。

【００２２】各摺動部の給油経路は、以下の通りであ
る。下チャンバ３１底部に溜められた潤滑油４１は駆動
用モータの前記主軸８の下端部で駆動される例えばトロ
コイドポンプ等の給油ポンプ４２により、前記主軸８の
内部に形成した給油通路８ａを経由して、まず、軸受サ
ブフレームの軸受部１４ａと軸受フレームの軸受部１３
ａに給油される。残りの潤滑油４１は、更に、軸受フレ
ーム１３の内部に形成した給油通路１３ｂとメインフレ
ーム１の内部に形成した給油通路１ｃと球面支持部材５
の内外周を連絡する給油通路と内周に形成された給油溝
を経由して、てこ部材の球面部４ａと球面支持部材５と
の揺動摺動部に給油される。次にその一部が球面部４
ａ、４ｂ、４ｃの表面に開口し内部で互いに連通する様
にてこ部材４に形成した給油通路４ｅを経由して、前記
球面部４ｂ、４ｃと球面支持部材１８との揺動摺動部に
給油され、更にその一部が球面支持部材１８の内周に形
成された給油溝と内外周を連絡する給油通路、固定ブッ
シュ２０の内外周を連絡する給油通路、および前記コン
ロッド１７の大端部１７ａ内周に形成された給油溝と内
部に形成した給油通路１７c を経由して、コンロッドの
小端部１７ｂとピストンピン１９との揺動摺動部に給油
される。シリンダのピストンボア部２ａとピストン３と
の前記往復摺動部には、上記の各摺動部を潤滑したあと
の潤滑油がミスト状となって作動ガスの流れにのり、前
記ピストンボア部２ａの内周面に付着する事によって給
油される。てこ部材の球面部４ａから給油通路４ｅに供
給された前記潤滑油の一部は、最後にてこ部材の円筒面
部４ｄと球面ブッシュ１０の内周円筒面部との相対回転
摺動部に給油され、主要摺動部への給油が確保される。

【００２３】ここで、本実施例におけるてこ部材４の摺
動部である球面部４ａ、４ｂ、４ｃと円筒面部４ｄのそ
れぞれに作用する摺動荷重の大小関係を考えると以下の
ようになる。まず、２つのピストン３のどちらか一方に
着目すると、その頭部の面積に作動室３３の圧力と低圧
空間３７の圧力との差圧が作用し、作動室３３が圧縮行
程や吐出行程の時にはコンロッド１７を介して球面部４
ｂあるいは４ｃに比較的大きな荷重が作用する。その荷
重は球面部４ａと円筒面部４ｄの支持部により支えられ
るが、前記した様に球面部４ｂあるいは４ｃと球面部４
ａとの距離に比べて円筒面部４ｄと球面部４ａとの距離
は十分大きくなっている。すなわち、球面部４ｂあるい
は４ｃを荷重点、球面部４ａを支点、円筒面部４ｄを力
点とするてこが構成されているので、てこの原理によ
り、円筒面部４ｄに作用する摺動荷重は球面部４ａ、４
ｂあるいは４ｃに作用する摺動荷重に比べて十分小さく
なる。もう一方のピストン３からの荷重を考えた場合も
同様である。また、軸受フレームの軸受部１３ａや軸受
サブフレームの軸受部１４ａにおける駆動用モータ７の
主軸８の回転摺動荷重は、てこ部材の円筒面部４ｄに作
用する摺動荷重の反作用力が駆動アーム９に作用する事
により発生するものであるので、やはり十分小さくな
る。

【００２４】ところで、てこ部材４にはその円筒面部４
ｄに対し、連続的に自転運動を行なう駆動アーム９に装
着された球面ブッシュ１０との摩擦力により、てこ部材
４をその中心軸まわりに自転させようとする自転駆動ト
ルクが作用するが、一方で球面部４ａ、４ｂ、４ｃに対
し、静止部材であるメインフレーム１に装着された球面
支持部材５との摩擦力と、微小角度の揺動のみを行なう
コンロッド１７に装着された球面支持部材１８との摩擦
力とにより、てこ部材４をその中心軸まわりに連続的な
自転をさせまいとする自転抵抗トルクが作用する。前述
の摺動荷重の大小関係より、自転抵抗トルクが自転駆動
トルクに比べて十分大きくなる事は明白であり、てこ部
材４はその中心軸まわりにほとんど自転しない。この結
果、てこ部材４は円筒面部４ｄにおいてのみ連続的な相
対回転摺動を行なって比較的大きな摺動速度となり、球
面部４ａ、４ｂ、４ｃにおいては、ほぼ、てこ部材４の
中心軸の運動軌跡である前記円錐面の頂角を振幅角度と
する揺動摺動を行なうため十分小さな摺動速度となる。

【００２５】したがって、本発明の第一の実施例によれ
ば、レシプロ式圧縮機の主要摺動部のいずれにおいて
も、必ず、摺動荷重と摺動速度の一方が十分小さくなる
ので、まず、各摺動部の機械摩擦損失がいずれも小さく
なり、その事により全体の機械摩擦損失も小さくなって
効率の高いレシプロ式圧縮機を提供出来るという効果が
ある。

【００２６】また、本発明の第一の実施例によれば、主
要摺動部のいずれにおいても、必ず、摺動荷重を受圧面
積で除した面圧と摺動速度の一方が十分小さくなるの
で、各摺動部の摺動状態の苛酷度がいずれも緩和され、
信頼性の高いレシプロ式圧縮機を提供出来るという効果
がある。

【００２７】図６および図７に本発明の第２の実施例で
ある内燃機関を示す。メインフレーム４３には、２個の
シリンダ４４がそれぞれのシリンダボア部４４ａを水平
方向にして互いに逆方向に向けて取り付けられている。
そのシリンダボア部４４ａのそれぞれにピストン４５が
互いに逆方向を向いて往復動可能に挿入されている。メ
インフレーム４３は、更に、２つのシリンダ４４の取付
け部の中央に軸支持部４３ａを有している。軸支持部４
３ａで、軸状のてこ部材４６の球面部４６ａが球面支持
部材４７を介して球面対偶で支持されている。球面支持
部材４７は、内周球面部と外周円筒面部を持ち、２つが
軸方向から組み合わされて固定ナット４８により前記軸
支持部４３ａに固定されている。てこ部材４６には、も
う２つの球面部４６ｂ、４６ｃが球面部４６ａを挾んで
両側に形成されており、更に、球面部４６ｃの外側には
円筒面部４６ｄが形成されている。なお、てこ部材４６
において、円筒面部４６ｄの球面部４６ａからの距離
は、球面部４６ｂ、４６ｃの球面部４６ａからの距離に
比べて、十分大きくなっている。

【００２８】てこ部材の円筒面部４６ｄは、出力軸４９
に固定されて回転する従動アーム５０により、出力軸４
９の回転軸から半径方向に偏位した位置で球面ブッシュ
５１を介して相対的な回転が可能に支持されている。球
面ブッシュ５１は外周球面部と内周円筒面部とを持ち、
その外周球面部が球面支持部材５２を介して従動アーム
５０により球面対偶で支持され、その内周円筒面部でて
こ部材の円筒面部４６ｄを回転可能に支持している。球
面支持部材５２は内周球面部と外周円筒面部を持ち、そ
の外周円筒面部が従動アーム５０の半径方向に偏位した
位置に挿入され、固定ナット５３により固定されてい
る。

【００２９】出力軸４９は軸受フレーム５４の軸受部５
４ａで回転支持されており、該軸受部５４ａを貫通し
て、前記従動アーム５０が固定されている側の反対側ま
で延びており、負荷（図示せず）に接続出来る様になっ
ている。軸受フレーム５４は、その軸受部５４ａの中心
軸がメインフレームの軸支持部４３ａにおけるてこ部材
４６との球面対偶中心を通るように、メインフレーム４
３に固定されている。

【００３０】コンロッド５５には、その両端の大端部５
５ａと小端部５５ｂに内周円筒面部が形成されている。
大端部５５ａはてこ部材の球面部４６ｂ、４６ｃに球面
支持部材５６を介し球面対偶で連結されており、小端部
５５ｂはピストン４５にピストンピン５７を介して揺動
可能に連結されている。球面支持部材５６は、内周球面
部と外周円筒面部を持ち、２つが半径方向から組み合わ
さた状態で固定ブッシュ５８の内周円筒面に焼きばめ等
で組み込まれ一体に固定されている。固定ブッシュ５８
の外周円筒面は、コンロッドの大端部５５ａの内周円筒
面部に挿入され、軸方向に滑動出来る構造としてある。

【００３１】各々のコンロッドの大端部５５ａの軸方向
両端面は、スペーサ５９を挾む事により平行な隙間を形
成する２つのガイドプレート６０の間で滑動し、その面
外への傾斜が規制される構造となっている。前記ガイド
プレート６０とスペーサ５９は、メインフレームの軸支
持部４３ａから突出させて設けたガイド座面４３ｂに、
ボルト６１により固定されている。

【００３２】２つのシリンダのシリンダボア部４４ａの
外周側開口部は、それぞれシリンダヘッド６２により閉
塞されており、シリンダボア部４４ａとピストン４５と
シリンダヘッド６２とにより囲まれた作動室６３が形成
されている。なお、ピストン４５には、作動室６３の気
密のためピストンリング６４が組み込まれている。シリ
ンダヘッド６２の各々には吸気ポート６２ａと排気ポー
ト６２ｂが形成されており、それらはそれぞれ吸気弁６
５と排気弁６６によって、開閉される構造になってい
る。吸気弁６５と排気弁６６とを適切なタイミングで駆
動して吸気ポート６２ａと排気ポート６２ｂを開閉する
ための動弁機構は図示していないが、従来の４サイクル
内燃機関の動弁機構と全く同様に、カムシャフト等を用
い出力軸４９の２回転を１周期としてその間に吸気弁６
５と排気弁６６に１往復動を与えるものである。シリン
ダヘッド６２の各々には、また、点火プラグ６７が装着
されており、図示しない点火時期制御装置により、やは
り出力軸４９の２回転を１周期として、適当なタイミン
グに作動室６３の内部でスパークを発生させる構造であ
る。

【００３３】図示していない動弁機構は、まず、ピスト
ン４５の往復運動により作動室６３の容積が増大する吸
気行程の間、吸気弁６５を開いて燃料と空気との混合気
を作動室６３内部に導き、これに続き作動室６３の容積
が減少・増大する圧縮・膨張行程で混合気が圧縮され点
火プラグ６７によって点火され膨張する間、吸気弁６５
と排気弁６６とを閉じて作動室６３を外界と隔離された
空間とし、次に作動室６３の容積が減少する排気行程で
排気弁６６を開いて燃焼終了ガスが作動室６３の外への
排出されるのを可能にする。

【００３４】ピストン４５に往復運動させるには、図示
しない駆動手段によって始動時のみ出力軸４９を外部か
ら回転駆動する必要があるが、作動室６３内で混合気の
燃焼が開始されると、それが膨張する際にピストン４５
を押して行なう仕事により、自力で往復運動をする様に
なる。まず、膨張行程において作動室６３内の燃焼ガス
がピストン４５を押す力は、ピストンピン５７、コンロ
ッド５５、球面支持部材５６等を介して、まず、てこ部
材の球面部４６ｂ、４６ｃに作用する。

【００３５】一方、てこ部材４６は、球面部４６ａの中
心がメインフレームの軸支持部４３ａとの球面対偶中心
すなわち定点に拘束され、円筒面部４６ｄが従動アーム
５０により公転運動を行なう様に拘束されているので、
球面部４６ｂ、４６ｃに作用する上記の力により、球面
部４６ａの中心を頂点とする２つの円錐面を軌跡として
描く運動を行なう。従動アームはフライホイル及びバラ
ンスウェイト機能を兼ねる。前記てこ部材４６の円錐状
の運動により、出力軸４９が内部から回転駆動され、膨
張行程以外の間も慣性により連続的な回転を継続する。
一般的には燃焼ガスが膨張行程の間にピストン４５に対
して行なう仕事は、膨張行程以外の間も含めて各摺動部
で消費される摩擦仕事より大きくできるので、動力を出
力軸４９より外部に取り出す事が可能になる。

【００３６】各摺動部の給油経路は、以下の通りであ
る。メインフレーム４３底部に溜められた潤滑油６８
は、まず給油ポンプ６９により、軸受フレーム５４の内
部に形成した給油通路５４ｂを経由して軸受フレームの
軸受部５４ａと出力軸４９との回転摺動部に給油され、
同時に、メインフレームの軸支持部４３ａの内部に形成
した給油通路４３ｃと球面支持部材４７に形成した給油
通路、給油溝とを経由しててこ部材の球面部４６ａと球
面支持部材４７との揺動摺動部に給油される。その他の
摺動部への給油は、第１の実施例の場合と同様に、てこ
部材４６に形成した給油通路４６ｅ、球面支持部材５６
に形成した給油溝、給油通路、コンロッド５５に形成し
た給油溝、給油通路５５ｃ等を経由して行なわれる。な
お、本実施例では、軸受部５４ａから外側に向かって流
出した潤滑油６８は、軸受フレーム５４の外側のシール
フレーム７０に装着されたオイルシール７１により外部
に漏洩するのを防止され、軸受フレーム５４に設けた油
還流孔５４ｃよりメインフレーム４３底部に戻る。

【００３７】ところで、本実施例における各摺動部の摺
動荷重と摺動速度の大小関係は、第１の実施例の場合と
全く同様なてこの原理により、てこ部材の円筒面部４６
ｄと球面ブッシュ５１の内周円筒面部との回転摺動部や
出力軸４９と軸受フレームの軸受部５４ａとの回転摺動
部の様に比較的摺動速度の大きい摺動部では、摺動荷重
が十分小さくなり、てこ部材の球面部４６ａと球面支持
部材４７との揺動摺動部や球面部４６ｂあるいは４６ｃ
と球面支持部材５６との揺動摺動部の様に比較的摺動荷
重の大きい摺動部では、摺動速度が十分小さくなる。

【００３８】一方、本実施例における２つの作動室６３
の容積変化の位相関係は、第一の実施例の場合の２つの
作動室３３の容積変化が互いに逆位相であったのと全く
異なり、互いに同位相である。これは、ピストンに連結
されたてこ部材の２つの球面部がてこ部材の傾斜により
必ず互いに逆方向に偏位する点では共通であるものの、
第１の実施例の場合のシリンダの２つのシリンダボア部
２ａが互いに同方向に向けて形成されいるのに対し、本
実施例の場合のシリンダの２つのシリンダボア部４４ａ
は互いに逆方向に向けて形成されている点で、構造が異
なるためである。本実施例の４サイクル内燃機関の様
に、作動室の容積変化を利用した吸気行程、圧縮行程、
膨張行程、排気行程の４つの行程がピストンの往復運動
の片道毎に切り替わり２往復で１周期となる場合、２つ
の作動室での行程のずれを交互に等間隔にするには、そ
れらの作動室の容積変化の位相を１往復分だけずらせば
良い。ところが、容積変化の周期は１往復が１周期であ
るので、結局、２つの作動室での行程のずれを交互に等
間隔にするには、容積変化を同位相とする事が必要であ
る。

【００３９】以上は４サイクルの例で説明したが、本発
明は２サイクル内燃機関としても実施することができ
る。その場合、作動室の各行程の変化はピストンの１往
復で１周期となるので、２つの作動室での行程のずれを
交互に等間隔にするには、第１の実施例の場合と同じ
く、それらの作動室の容積変化の位相を半往復分だけず
らして逆位相とすれば良く、２つのシリンダは図１の如
く同方向に配列することが好ましい。２サイクルの実施
例は、機械的には図１，２と同様に図示することができ
るので、その図示は省略する。

【００４０】したがって、まず、本発明の第２の実施例
によれば、レシプロ式内燃機関の主要摺動部のいずれに
おいても、必ず、摺動荷重と摺動速度の一方が十分小さ
くなるので、まず、各摺動部の機械摩擦損失がいずれも
小さくなり、その事により全体の機械摩擦損失も小さく
なって効率の高いレシプロ式内燃機関を提供出来るとい
う効果がある。

【００４１】また、本発明の第２の実施例によれば、主
要摺動部のいずれにおいても、必ず、摺動荷重を受圧面
積で除した面圧と摺動速度の一方が十分小さくなるの
で、各摺動部の摺動状態の苛酷度がいずれも緩和され、
信頼性の高いレシプロ式内燃機関を提供出来るという効
果がある。

【００４２】更に、本発明の第２の実施例によれば、２
気筒４サイクルの内燃機関で、２つの作動室での行程の
ずれを交互に等間隔に出来るので、スムースな運転を行
なう低振動のレシプロ式内燃機関を提供出来るという効
果がある。

【００４３】図８および図９に本発明の第３の実施例で
あるレシプロ式圧縮機を示す。本実施例は第１の実施例
と共通部分が多いので、全体の説明は省略し本実施例特
有の構造を中心に説明する。本実施例のてこ部材７２に
は、第一の実施例におけるてこ部材４の球面部４ｂ、４
ｃに対応する球面部が無く、円筒面部７２ｂ、７２ｃが
形成されている。そして、それらの円筒面部に外周球面
部と内周円筒面部とを持つ球面ブッシュ７３がそれぞれ
滑動可能に挿入されている。２つの球面ブッシュ７３の
それぞれには、内周球面部を持つコンロッド７４の大端
部７４ａが球面対偶で連結されているが、その大端部７
４ａはほぼ半周の内周球面を持つ他の大端部部材７５と
ボルト７６で結合されて一周のリング形状を形成されて
いる。

【００４４】第１の実施例のてこ部材４は、球面部４
ｂ、４ｃに装着された球面支持部材１８の外周部の固定
ブッシュ２０がコンロッドの大端部１７ａの内周円筒面
部に対して滑動できるため、メインフレームの軸支持部
１ａによってのみ主軸８の回転軸方向に拘束され、過剰
に拘束される事はない。本実施例のてこ部材７２も、円
筒面部７２ｂ、７２ｃが球面ブッシュ７３に対して滑動
できるので、主軸８の回転軸方向に拘束するのは、やは
りメインフレームの軸支持部１ａのみになり、過剰に拘
束される事は無い。本実施例によれば、形状の大きな部
材であるコンロッドを２分割してその内周球面部により
球面ブッシュ７３を包囲するので、ボルト７６による２
分割球面の固定ができ、真球度を出し易い。

【００４５】上記第１、第３実施例では、気体圧縮機の
例で説明したが、本発明は液体の移送に実施することが
でき、その場合吸入弁をシリンダヘッドに設けることが
好ましい。

【００４６】図１０に本発明の第４の実施例である内燃
機関を示す。本実施例は第２の実施例と共通部分が多い
ので、全体の説明は省略し本実施例特有の構造を中心に
説明する。本実施例のてこ部材７７には、第２の実施例
におけるてこ部材４６の球面部４６ｂに対応する球面部
が無く、メインフレーム７８の軸支持部７８ａによって
球面対偶支持される球面部７７ａの片側にのみ球面部７
７ｂが形成されている。てこ部材の球面部７７ａは、球
面支持部材７９を介してメインフレーム７８の軸支持部
７８ａにより球面対偶で支持されているが、その際、球
面支持部材７９は２つが半径方向から組み合わされて状
態で固定ブッシュ８０の内周円筒面に焼きばめ等で組み
込まれ一体に固定されている。固定ブッシュ８０の外周
円筒面は、メインフレーム７８の軸支持部７８ａに設け
た内周円筒面に挿入され、軸方向に滑動出来る構造にな
っている。球面部７７ｂには、第３の実施例と同様に、
コンロッド８１の大端部８１ａと他の大端部部材８２と
がボルトで結合されて一周のリング形状となり、球面対
偶で連結されている。

【００４７】本実施例のてこ部材７７は、球面対偶で直
接連結されたコンロッド８１と大端部部材８２がガイド
プレート６０により挾まれて軸方向の移動を規制されて
いるので、球面部７７ｂにおいて軸方向の動きを拘束さ
れるが、固定ブッシュ８０がメインフレーム７８の軸支
持部７８ａに対して軸方向に滑動出来る構造であるた
め、球面部７７ａでは軸方向の動きを拘束されず、過剰
に拘束される事は無い。

【００４８】図１１に本発明の第５の実施例である内燃
機関を示す。本実施例も第２の実施例と共通部分が多い
ので、全体の説明は省略し本実施例特有の構造を中心に
説明する。本実施例のてこ部材８３には、第２の実施例
におけるてこ部材の球面部４６ｃに対応する球面部が無
く、第２の実施例における球面部４６ａの代わりに円筒
面部８３ａが形成されている。その円筒面部８３ａに
は、外周球面部と内周円筒面部とを持つ球面ブッシュ８
４が滑動可能に挿入されており、その球面ブッシュ８４
は球面支持部材８５を介してメインフレーム８６の軸支
持部８６ａにより球面対偶で支持されている。その際、
球面支持部材８５は２つが軸方向から組み合わされて固
定ナット８７で前記メインフレームの軸支持部８６ａに
固定されている。球面部８３ｂには第３の実施例と同様
に、コンロッド８１の大端部８１ａと他の大端部部材８
２とがボルトで結合されて一周のリング形状となり、球
面対偶で連結されている。

【００４９】本実施例のてこ部材８３は、球面対偶で直
接連結されたコンロッド８１と大端部部材８２がガイド
プレート６０により挾まれて軸方向の移動を規制されて
いるので、球面部８３ｂにおいて軸方向の動きを拘束さ
れるが、円筒面部８３ａでは球面ブッシュ８４の内周円
筒面部に対して滑動出来る構造であるため軸方向の動き
を拘束されず、やはり過剰に拘束される事は無い。

【００５０】上記第３、第４、第５の実施例では、いず
れもコンロッドの大端部を２分割にしてボルトにより締
結し、それらに直接内周球面部を形成して分解組立てが
可能な構造としているので、前記内周球面部を一体化し
た状態で機械加工する事により全体の真球度を精度良く
加工し、その後、一度分解して内部に相手部材の球面部
を組込む事が可能であり、コンロッドとてこ部材との球
面対偶部の確実で高精度な製作が可能となる。もちろん
第１の実施例や第２の実施例と同様に、てこ部材の効果
によって、機械摩擦損失を低減し、各摺動部における摺
動条件の苛酷度を緩和する事も出来る。

【００５１】第２、第４、第５実施例では、ピストンの
駆動力は燃焼ガス膨張により付与されるようにしたが、
圧油等の圧力流体により付与するようにしてもよい。ま
た第４、第５実施例は、第１実施例のような流体の圧縮
や移送に適用することができるが、その図示は省略す
る。また本発明における球面対偶は、上記のような球面
とこれと補完関係の球面凹部による各実施例に限られる
ことなく、これと同様の機能を有する例えばユニバーサ
ルジョイント、カルダン継ぎ手等の手段を包含するもの
である。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、レシプロ式容積型機械
における摺動部の機械摩擦損失を低減し、その摺動条件
の苛酷度を緩和する事が可能であり、レシプロ式容積型
機械の効率と信頼性とを向上出来るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例であるレシプロ式圧縮機
を示す断面図

【図２】図１におけるI −I 断面図

【図３】圧縮機駆動軸を90゜ ずつ回転させた場合の図２
における各部品の動きを説明した図

【図４】第１の実施例における各球面支持部材の構成を
説明する斜視図

【図５】第１の実施例における各球面支持部材の構成を
説明する斜視図

【図６】本発明の第２の実施例である内燃機関を示す断
面図

【図７】図６におけるII−II断面図

【図８】本発明の第３の実施例であるレシプロ式圧縮機
を示す断面図

【図９】図８におけるIII −III 断面図

【図１０】本発明の第４の実施例である内燃機関を示す
断面図

【図１１】本発明の第５の実施例である内燃機関を示す
断面図である。

【符号の説明】

１…メインフレーム、１ａ…軸支持部、１ｂ…ガイド座
面、１ｃ…給油通路、２…シリンダ、２ａ…ピストンボ
ア部、３…ピストン、３ａ…吸入ポート、４…てこ部
材、４ａ…球面部、４ｂ…球面部、４ｃ…球面部、４ｄ
…円筒面部、４ｅ…給油通路、５…球面支持部材、５ａ
…内周球面部、５ｂ…外周円筒面部、６…固定ナット、
７…駆動用モータ、７ａ…ロータ部、７ｂ…ステータ
部、８…主軸、８ａ…給油通路、９…駆動アーム、１０
…球面ブッシュ、１１…球面支持部材、１２…固定ナッ
ト、１３…軸受フレーム、１３ａ…軸受部、１３ｂ…給
油通路、１４…軸受サブフレーム、１４ａ…軸受部、１
５…ボルト、１６…ボルト、１７…コンロッド、１７ａ
…大端部、１７ｂ…小端部、１７ｃ…給油通路、１８…
球面支持部材、１８ａ…内周球面部、１８ｂ…外周円筒
面部、１９…ピストンピン、２０…固定ブッシュ、２１
…スペーサ、２２…ガイドプレート、２３…ボルト、２
４…シリンダヘッド、２４ａ…吐出ポート、２５…カ
バ、２６…ボルト、２７…吐出弁、２８…吐出弁押さ
え、２９…吸入弁、３０…上チャンバ、３１…下チャン
バ、３２…防振バネ、３３…作動室、３４…ピストンリ
ング、３５…低圧配管、３６…吸入口、３７…低圧空
間、３８…高圧空間、３９…高圧配管、４０…吐出口、
４１…潤滑油、４２…給油ポンプ、４３…メインフレー
ム、４３ａ…軸支持部、４３ｂ…ガイド座面、４３ｃ…
給油通路、４４…シリンダ、４４ａ…シリンダボア部、
４５…ピストン、４６…てこ部材、４６ａ…球面部、４
６ｂ…球面部、４６ｃ…球面部、４６ｄ…円筒面部、４
６ｅ…給油通路、４７…球面支持部材、４８…固定ナッ
ト、４９…出力軸、５０…従動アーム、５１…球面ブッ
シュ、５２…球面支持部材、５３…固定ナット、５４…
軸受フレーム、５４ａ…軸受部、５４ｂ…給油通路、５
４ｃ…油還流孔、５５…コンロッド、５５ａ…大端部、
５５ｂ…小端部、５５ｃ…給油通路、５６…球面支持部
材、５７…ピストンピン、５８…固定ブッシュ、５９…
スペーサ、６０…ガイドプレート、６１…ボルト、６２
…シリンダヘッド、６２ａ…吸気ポート、６２ｂ…排気
ポート、６３…作動室、６４…ピストンリング、６５…
吸気弁、６６…排気弁、６７…点火プラグ、６８…潤滑
油、６９…給油ポンプ、７０…シールフレーム、７１…
オイルシール、７２…てこ部材、７２ａ…球面部、７２
ｂ…円筒面部、７２ｃ…円筒面部、７２ｄ…円筒面部、
７２ｅ…給油通路、７３…球面ブッシュ、７４…コンロ
ッド、７４ａ…大端部、７４ｂ…小端部、７５…大端部
部材、７６…ボルト、７７…てこ部材、７７ａ…球面
部、７７ｂ…球面部、７８…メインフレーム、７８ａ…
軸支持部、７９…球面支持部材、８０…固定ブッシュ、
８１…コンロッド、８１ａ…大端部、８１ｂ…小端部、
８２…大端部部材、８３…てこ部材、８３ａ…円筒面
部、８３ｂ…球面部、８４…球面ブッシュ、８５…球面
支持部材、８６…メインフレーム、８６ａ…軸支持部、
８７…固定ナット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 富田好勝 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 椎林正夫 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 蝿田芳夫 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定フレーム部材と、前記固定フレーム
   部材により１ヶ所を球面対偶で支持される軸状のてこ部
   材と、それ自身が回転しながらその回転軸から半径方向
   に偏位した位置で前記てこ部材を相対回転が可能に支持
   して前記てこ部材に円錐状の運動軌跡を与える回転駆動
   部材と、前記てこ部材の前記固定フレーム部材との球面
   対偶部からの距離が該球面対偶部から前記回転駆動部材
   による相対回転支持部までの距離に比べて十分小さい位
   置で前記てこ部材と一部が球面対偶で連結される球面対
   偶連結部材と、前記球面対偶連結部材と他の部分で連結
   されて往復運動を行なうピストンと、前記ピストンの往
   復運動の案内となるピストンボア部を有し前記固定フレ
   ーム部材と別体または一体に成形されたシリンダブロッ
   クと、前記シリンダブロックのピストンボア部の一方の
   開口部を閉塞するシリンダヘッドとを構成要素に持ち、
   前記回転駆動部材の回転により前記ピストンを往復運動
   させ、前記シリンダブロックと前記ピストンと前記シリ
   ンダヘッドとに囲まれた作動空間の容積を周期的に変化
   させる事により、流体の移送や圧縮を行なうレシプロ式
   容積型機械。
2. 【請求項２】 固定フレーム部材と、前記固定フレーム
   部材により１ヶ所を球面対偶で支持される軸状のてこ部
   材と、それ自身が回転可能でありその回転軸から半径方
   向に偏位した位置で前記てこ部材と回転対偶で連結され
   前記てこ部材の円錐状軌跡を描く運動により回転させら
   れる回転従動部材と、前記固定フレーム部材と別体また
   は一体に形成されピストンボア部を有するシリンダブロ
   ックと、前記シリンダブロックのピストンボア部の一方
   の開口部を閉塞するシリンダヘッドと、前記シリンダブ
   ロックのピストンボア部の中で往復運動を行なうピスト
   ンと、前記てこ部材の前記固定フレーム部材との球面対
   偶部からの距離が該球面対偶部から前記回転従動部材と
   の回転対偶部までの距離に比べて十分小さい位置で前記
   てこ部材と一部が球面対偶で連結され他の部分が前記ピ
   ストンと連結された球面対偶連結部材とを構成要素に持
   ち、作動流体の力により前記シリンダブロックと前記ピ
   ストンと前記シリンダヘッドとに囲まれた作動空間の容
   積を変化させて前記ピストンに往復運動を発生させ、前
   記回転従動部材を出力軸として回転駆動し、作動流体か
   ら動力を取り出すレシプロ式容積型機械。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載のレシプロ
   式容積型機械において、てこ部材と球面対偶連結部材と
   の球面対偶による連結部は、てこ部材の固定フレーム部
   材による球面対偶支持部の両側に形成されている事を特
   徴とするレシプロ式容積型機械。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３の何れかに記載
   のレシプロ式容積型機械において、てこ部材と固定フレ
   ーム部材との球面対偶およびてこ部材と球面対偶連結部
   材との球面対偶の少なくとも一つは、球状外周面と球状
   内周面とを滑動可能に当接させて構成した球面対偶であ
   る事を特徴とするレシプロ式容積型機械。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項４の何れかに記載
   のレシプロ式容積型機械において、てこ部材と固定フレ
   ーム部材との球面対偶の中心は固定フレーム部材または
   てこ部材に対して移動出来る構造である事を特徴とする
   レシプロ式容積型機械。
6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項４の何れかに記載
   のレシプロ式容積型機械において、てこ部材と球面対偶
   連結部材との球面対偶の中心は球面対偶連結部材または
   てこ部材に対して移動出来る構造である事を特徴とする
   レシプロ式容積型機械。
7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項４の何れかに記載
   のレシプロ式容積型機械において、球面対偶連結部材は
   回転駆動部材あるいは回転従動部材の回転軸に直角な面
   に対する傾斜を規制された構造である事を特徴とするレ
   シプロ式容積型機械。
8. 【請求項８】 請求項１ないし請求項４の何れかに記載
   のレシプロ式容積型機械において、球面対偶連結部材は
   一端をてこ部材と球面対偶により連結され、他の一端を
   ピストンと回転対偶により連結されたコンロッドである
   事を特徴とするレシプロ式容積型機械。
9. 【請求項９】 請求項８に記載のレシプロ式容積型機械
   において、コンロッドはてこ部材と球面対偶で連結され
   る一端部が、内周を球面に形成されたリング形状であ
   り、そのリング形状部分はほぼ半周ずつの内周球面を持
   つ２つの部材を結合してリング形状とした事を特徴とす
   るレシプロ式容積型機械。