JP6437785B2

JP6437785B2 - ピストン駆動装置

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Publication number: JP6437785B2
Application number: JP2014216475A
Authority: JP
Inventors: 一宏上田; 英士岡田
Original assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Current assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2018-12-12
Anticipated expiration: 2034-10-23
Also published as: US20160115949A1; CN105545668A; JP2016084722A; CN105545668B; US9709049B2

Description

本発明は、ピストン駆動装置に関する。

回転軸に複数のピストンを連結させてピストンを往復動させる装置が知られている。特許文献１には、関連した装置が開示されている。

特開２００８−９５７００号公報

例えば、ピストンヘッドの径が異なる複数の圧縮用ピストンと複数の真空用ピストンを回転軸に連結させる場合、圧縮用ピストンと真空用ピストンの並び順によっては、ピストン駆動装置が回転軸の軸心方向に大型化する恐れがある。

そこで本発明は、回転軸の軸心方向への大型化が抑制されたピストン駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的は、クランクケースと、前記クランクケースに固定された第１及び第２圧縮用シリンダと、前記クランクケースに固定された第１及び第２真空用シリンダと、前記クランクケース内で回転可能に支持された回転軸と、前記回転軸に連結されて前記第１及び第２圧縮用シリンダ内でそれぞれ往復動する第１及び第２圧縮用ピストンと、前記回転軸に連結されて前記第１及び第２真空用シリンダ内でそれぞれ往復動する第１及び第２真空用ピストンと、を備え、前記第１及び第２圧縮用ピストンのピストンヘッドの各径は、前記第１及び第２真空用ピストンのピストンヘッドの各径よりも小さく、前記第１及び第２圧縮用ピストンは、前記第１及び第２真空用ピストンを前記回転軸の軸心方向で挟むように前記回転軸に連結されている、ピストン駆動装置によって達成できる。

本発明によれば、回転軸の軸心方向への大型化が抑制されたピストン駆動装置を提供できる。

図１は、真空機の正面図である。図２は、真空機の側面図である。図３は、真空機の背面図である。図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。図５は、図３のＢ−Ｂ断面図である。図６は、真空用のピストンの説明図である。

図１〜３は、それぞれピストン駆動装置Ａの正面図、側面図、背面図である。ピストン駆動装置Ａは、４つのシリンダ１０ａ〜１０ｄ、４つのシリンダ１０ａ〜１０ｄが固定されたクランクケース２０、クランクケース２０の上部に配置されたモータＭ、を含む。シリンダ１０ａ〜１０ｄは、クランクケース２０の周囲に放射状に固定されている。シリンダ１０ａは、クランクケース２０に固定されたシリンダ本体１２ａ、シリンダ本体１２ａに固定されたシリンダヘッド１５ａを含む。シリンダ本体１２ａとシリンダヘッド１５ａとの間には仕切板１４ａが介在している。同様に、シリンダ１０ｂ〜１０ｄもそれぞれシリンダ本体１２ｂ〜１２ｄ、シリンダヘッド１５ｂ〜１５ｄを含む。シリンダ本体１２ｂ〜１２ｄのそれぞれと、シリンダヘッド１５ｂ〜１５ｄのそれぞれとの間には、仕切板１４ｂ〜１４ｄが介在している。シリンダ１０ａ等やクランクケース２０は金属製であり、具体的には放熱性がよいアルミ製である。クランクケース２０にはノズルＮが固定されている。ノズルＮはクランクケース２０内に導入された空気を外部へと排出する。また、シリンダヘッド１５ａには、開口Ｈａ１、Ｈａ２が設けられている。同様に、シリンダヘッド１５ｂ〜１５ｄには、それぞれ、開口Ｈｂ１、Ｈｂ２、Ｈｃ１、Ｈｃ２、Ｈｄ１、Ｈｄ２が設けられている。

図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。モータＭは、コイル３０、ロータ４０、ステータ５０、プリント基板ＰＢ等を含む。ステータ５０は、クランクケース２０に固定されている。ステータ５０には、複数のコイル３０が巻回されている。コイル３０は、プリント基板ＰＢと電気的に接続されている。尚、プリント基板ＰＢには、図１、２、３に示すように、ケーブルを介してコネクタＣ１、Ｃ２が接続されている。コイル３０が通電されることにより、ステータ５０が励磁される。ロータ４０は、回転軸４２、ヨーク４４、１つまたは複数の永久磁石４６、を有している。回転軸４２は、クランクケース２０内に配置された複数の軸受に回転可能に支持されている。回転軸４２には、ハブ４３を介してヨーク４４が固定されており、ヨーク４４は回転軸４２と共に回転する。ヨーク４４は、略円筒状であり金属製である。ヨーク４４の内周側面には、１つまたは複数の永久磁石４６が固定されている。永久磁石４６は、ステータ５０の外周面と対向している。コイル３０が通電されることにより、ステータ５０が励磁される。従って、永久磁石４６とステータ５０との間に磁気的吸引力、反発力が作用する。この磁力の作用により、ロータ４０は回転する。このように、モータＭはロータ４０が回転するアウターロータ型のモータである。

ファンＦは、ロータ４０のヨーク４４に固定されており、ロータ４０と共に回転する。これにより、クランクケース２０、シリンダ１０ａ〜１０ｄが冷却される。また、可動部分での摩擦による温度上昇なども抑制できる。

図４に示すように、モータＭの軸心を含む断面から見た場合、ファンＦとモータＭとは、ファンＦの径方向に並ぶ。具体的には、ファンＦと、コイル３０と、ロータ４０と、ステータ５０とが、ファンＦの径方向に並ぶ。従って、例えば、ファンＦをモータＭよりも軸方向端部（図４での右側）に配置して回転軸先端に固定した場合と比較して、本実施例のピストン駆動装置Ａは回転軸４２の軸心方向での厚みが低減されている。更に、ファンＦとシリンダ１０ａ〜１０ｄとの距離が近づくため冷却効果が高まる。

また、ファンＦをモータＭよりも軸方向端部に配置して回転軸先端に固定する場合、長い回転軸が必要となる。回転軸が長いと、その回転軸の回転を支持するために大きな軸受け又は複数の軸受けが必要になる。本実施例のピストン駆動装置Ａでは短い回転軸４２を採用できるため、小さな軸受け又は少ない数の軸受けで支持することができる。このため、ピストン駆動装置Ａ全体の重量も低減されている。

図５は、図３のＢ−Ｂ断面図である。尚、図５においては、モータＭについては断面を示していない。図５に示すように、シリンダ本体１２ａは、クランクケース２０の外周壁に形成された孔と連通するようにクランクケース２０の外周壁に固定されている。また、シリンダ本体１２ａの先端には、仕切板１４ａを介してシリンダヘッド１５ａが固定されている。シリンダ本体１２ａ内にはチャンバ１３ａが形成されている。チャンバ１３ａは、シリンダ本体１２ａ、ピストンＰａのピストンヘッド２５ａ、仕切板１４ａによって画定される。モータＭの回転に伴ってピストンＰａが往復動することにより、チャンバ１３ａの容積が増減する。ピストンＰａの根元部はクランクケース２０内に位置しており、モータＭから回転動力を受ける回転軸４２に軸受を介して連結されている。詳細には、回転軸４２の中心位置に対して偏心した位置でピストンＰａの根元部が連結されており、回転軸４２の一方向の回転に伴ってピストンＰａは往復動する。他のシリンダ１０ｂ〜１０ｄ内にも、シリンダ１０ｂ〜１０ｄ内をそれぞれ往復動するピストンＰｂ〜Ｐｄが設けられている。これらピストンは、それぞれ位置位相が９０度毎にずれている。また、ピストンＰａ〜Ｐｄは、回転軸４２周りに９０度の等間隔を空けて配置されている。ピストンＰａは、回転軸４２に連結された根元部を有するピストンロッド２１ａ、ピストンロッド２１ａの先端に不図示のネジにより固定されたピストンヘッド２５ａ、を含む。同様に、ピストンＰｂ〜Ｐｄは、それぞれ、ピストンロッド２１ｂ〜２１ｄ、ピストンヘッド２５ｂ〜２５ｄを含む。尚、回転軸４２には、ピストンＰａ〜Ｐｄを挟むようにバランサＢ１、Ｂ２が回転軸４２に対して回転不能に固定されている。

ここで、ピストン駆動装置Ａは、外部から空気を吸引して圧縮して外部へ排出する圧縮機としての機能と、外部から空気を吸引して排気する真空機としての機能とを有する。具体的には、クランクケース２０を介して互いに反対側に固定されたシリンダ１０ａ、１０ｃは、それぞれ第１及び第２圧縮用シリンダの一例であり、ピストンＰａ、Ｐｃは、それぞれ第１及び第２圧縮用ピストンの一例である。具体的には、ピストンＰａが往復動することにより、開口Ｈａ２から空気がチャンバ１３ａ内に導入されてピストンＰａによりチャンバ１３ａ内で圧縮されてチャンバ１３ａ外へ排出されて、開口Ｈａ１からピストン駆動装置Ａの外部へと排出される。同様に、ピストンＰｃが往復動することにより、開口Ｈｃ２から空気がチャンバ１３ｃ内に導入されてピストンＰｃによりチャンバ１３ｃ内で圧縮されてチャンバ１３ｃ外へ排出されて、開口Ｈｃ１からピストン駆動装置Ａの外部へと排出される。図３には、ピストンＰａ、Ｐｃの往復動による空気の流れる方向を矢印で示している。チャンバ１３ａ、１３ｃは、それぞれ第１及び第２圧縮用チャンバの一例である。

また、クランクケース２０を介して互いに反対側に固定されたシリンダ１０ｂ、１０ｄは、それぞれ第１及び第２真空用シリンダの一例であり、ピストンＰｂ、Ｐｄは、それぞれ第１及び第２真空用ピストンの一例である。具体的には、ピストンＰｂが往復動することにより、開口Ｈｂ２から空気がチャンバ１３ｂ内に吸引されて、ピストンＰｂのピストンヘッド２５ｂを介してチャンバ１３ｂ外であるクランクケース２０内に空気が排出されてノズルＮから外部に排出される。同様に、ピストンＰｄが往復動することにより、開口Ｈｄ１から空気がチャンバ１３ｄ内に吸引されて、ピストンＰｄのピストンヘッド２５ｄを介してチャンバ１３ｄ外であるクランクケース２０内に空気が排出されてノズルＮから外部に排出される。図３には、ピストンＰｂ、Ｐｄの往復動によって外部からクランクケース２０内に吸引される空気の方向を矢印で示している。チャンバ１３ｂ、１３ｄは、それぞれ第１及び第２真空用チャンバの一例である。ピストンＰｂ、Ｐｄについては詳しくは後述する。

以上のように、ピストンＰａ、Ｐｃにより圧縮された空気と、ピストンＰｂ、Ｐｄにより吸引された空気とは、ピストン駆動装置Ａ内では合流せずに外部へと排出される。これにより、ピストン駆動装置Ａは、単体で圧縮機としての機能と真空機としての機能を有している。

ここで図４、５に示すように、圧縮用ピストンであるピストンＰａ、Ｐｃのピストンヘッド２５ａ、２５ｃのそれぞれの径Ｄａ、Ｄｃは、真空用ピストンであるピストンＰｂ、Ｐｄのピストンヘッド２５ｂ、２５ｄのそれぞれの径Ｄｂ、Ｄｄよりも小さい。この理由は次による。圧縮用ピストンであるピストンＰａ、Ｐｃのほうが空気を圧縮して外部へ排出するため、ピストンヘッドが受ける単位面積当たりの圧力が比較的大きい。これに対して、真空用ピストンであるピストンＰｂ、Ｐｄは、空気を圧縮しないため、ピストンヘッド２５ｂ、２５ｄが受ける単位面積当たりの圧力は比較的小さい。ここで、ピストンＰａ、Ｐｃが受ける力と、ピストンＰｂ、Ｐｄが受ける力との差が大きいと、回転軸４２に対して悪影響を与える恐れがある。そのため、このような力の差を小さくするために、ピストンＰａ、Ｐｃのピストンヘッド２５ａ、２５ｃの径Ｄａ、Ｄｃは、ピストンＰｂ、Ｐｄのピストンヘッド２５ｂ、２５ｄのそれぞれの径Ｄｂ、Ｄｄよりも小さく設定されている。尚、径Ｄａ、Ｄｃは同じ大きさであり、径Ｄｂ、Ｄｃも同じ大きさである。また、シリンダ１０ａ〜１０ｄの大きさも、それぞれ、ピストンヘッド２５ａ〜２５ｄの径Ｄａ〜Ｄｄに対応して設定されている。具体的には、ピストンヘッド２５ａ〜２５ｄがそれぞれ摺動するシリンダ本体１２ａ〜１２ｄの内面の内径は、それぞれ径Ｄａ〜Ｄｄと略同じである。

ここで、ピストンＰａ、Ｐｃは、ピストンＰｂ、Ｐｄを挟むようにして回転軸４２に連結されている。換言すれば、４つのピストンのうち、ピストンＰａ、Ｐｃが最も外側に配置されている。この理由は、比較的大きい径Ｄｂ、Ｄｄを有したピストンＰｂ、Ｐｄの少なくとも一方が４つのピストンの内最も外側に配置されると、回転軸４２の軸心方向に装置が大形化するためである。本実施例では、比較的小さい径Ｄａ、Ｄｃを有したピストンＰａ、Ｐｃが、比較的大きい径Ｄｂ、Ｄｄを有したピストンＰｂ、Ｐｄを挟むように配置することにより、回転軸４２の軸心方向でのピストン駆動装置Ａの大型化を抑制している。

尚、図４、５では、回転軸４２に直交する仮想平面ＶＰを示している。仮想平面ＶＰは、全てのピストンＰａ〜Ｐｄのピストンヘッド２５ａ〜２５ｄに交差する。換言すれば、ピストンＰａ〜Ｐｄのピストンヘッド２５ａ〜２５ｄが仮想平面ＶＰに交差する程度に、ピストンＰａ〜Ｐｄは互いに接近して配置されている。このように接近して配置されるピストンＰａ〜Ｐｄにおいて、ピストンＰａ、ＰｃがピストンＰｂ、Ｐｄを挟むように配置することにより、回転軸４２の軸心方向でのピストン駆動装置Ａの大型化を抑制している。

次に、ピストンＰｂの構造について説明する。尚、ピストンＰｄは、ピストンＰｂと同じ構造を有しているため説明を省略する。図６は、真空用のピストンＰｂの説明図である。尚、図６は、ピストン駆動装置Ａを底面から見た場合のシリンダ１０ｂの断面図である。シリンダヘッド１５ｂは、互いに仕切られた室１８ｂ、１９ｂが設けられ、室１８ｂ、１９ｂにそれぞれ連通した開口Ｈｂ２、Ｈｂ１が設けられている。仕切板１４ｂには、室１８ｂとチャンバ１３ｂとを連通する孔部１６ｂが形成されている。尚、仕切板１４ｂには、室１９ｂとチャンバ１３ｂとを連通する貫通孔は形成されていないが、室１９ｂとチャンバ１３ｂとを連通する貫通孔が形成されこの貫通孔が塞がれていてもよい。

仕切板１４ｂには、室１８ｂから孔部１６ｂを介してチャンバ１３ｂへの空気の流れを許容するが逆方向の流れは規制する逆止弁Ｖ１が固定されている。逆止弁Ｖ１は、ピストンヘッド２５ｂと対向する仕切板１４ｂの内面にネジＳ１により固定されている。逆止弁Ｖ１の基端がネジＳ１により仕切板１４ｂに固定されており、逆止弁Ｖ１の先端が自由端であって孔部１６ｂを開閉するように弾性変形する。逆止弁Ｖ１は、チャンバ１３ｂと室１８ｂとの圧力差により弾性変形して孔部１６ｂを開閉する。逆止弁Ｖ１は、チャンバ１３ｂ内に設けられている。逆止弁Ｖ１は、例えばステンレス等の金属製であるがこれに限定されない。

ピストンＰｂは、回転軸４２に連結された根元部を有するピストンロッド２１ｂ、ピストンロッド２１ｂの先端に不図示のネジにより固定されたピストンヘッド２５ｂ、を含む。ピストンロッド２１ｂとピストンヘッド２５ｂとの間には、シールリングＣが挟まれている。シールリングＣは、ピストンＰｂとシリンダ本体１２ｂの内側面との間をシールするものであり、たとえばフッ素樹脂などの自己潤滑性に優れた材料により形成されている。

ピストンロッド２１ｂの先端とピストンヘッド２５ｂとの間には空間ＳＰが形成されている。具体的には、ピストンロッド２１ｂの先端に凹部２３ｂが形成されており、凹部２３ｂの周囲に段部２４ｂが形成されている。ピストンヘッド２５ｂは段部２４ｂに嵌合して固定されている。ピストンヘッド２５ｂには、空間ＳＰに連通した貫通孔２６ｂが形成されている。ピストンロッド２１ｂには、空間ＳＰに連通した貫通孔２２ｂが形成されている。

ピストンロッド２１ｂの凹部２３ｂと対向するピストンヘッド２５ｂの内面には、ネジＳ２により逆止弁Ｖ２が固定されている。ネジＳ２は、固定部材の一例である。逆止弁Ｖ２の基端がネジＳ２によりピストンヘッド２５ｂに固定され、逆止弁Ｖ２の先端が自由端であって貫通孔２６ｂを開閉するように弾性変形する。逆止弁Ｖ２は、チャンバ１３ｂとクランクケース２０内との圧力差により弾性変形して貫通孔２６ｂを開閉する。逆止弁Ｖ２は、空間ＳＰ内に設けられ、空間ＳＰ内で弾性変形可能である。逆止弁Ｖ２は、チャンバ１３ｂから貫通孔２６ｂ、空間ＳＰ、貫通孔２２ｂを介してクランクケース２０内への空気の流れは許容するが逆方向の流れは規制する。逆止弁Ｖ２は、例えばステンレス等の金属製であるがこれに限定されない。逆止弁Ｖ２は、弾性変形可能な程度の厚みを有した板状の部材である。

ピストンＰｂの往復動によってチャンバ１３ｂの容積が最小値から増大すると、外部の空気が開口Ｈｂ２を介して室１８ｂ内に導入され、逆止弁Ｖ１の先端が孔部１６ｂから離れるように反って弾性変形して孔部１６ｂを開いて空気がチャンバ１３ｂ内に導入される。チャンバ１３ｂの容積が最大値から低下すると、逆止弁Ｖ２の先端が貫通孔２６ｂから離れるように反って弾性変形して貫通孔２６ｂを開き、チャンバ１３ｂ内の空気が貫通孔２６ｂ、空間ＳＰ、貫通孔２２ｂを介してクランクケース２０内に導入される。尚、この際には、チャンバ１３ｂの内圧により逆止弁Ｖ１は孔部１６ｂを閉じたままに維持される。このように、ピストンＰｂの往復動により外部からチャンバ１３ｂを介してクランクケース２０内に空気が導入される。尚、シリンダ１０ｄ内に配置されたピストンＰｄについても同様の構造を有している。従って、クランクケース２０内にはこれらピストンの往復動によって外部から空気が導入される。

図６に示すように、逆止弁Ｖ２は、ピストンロッド２１ｂの先端とピストンヘッド２５ｂとの間に配置されている。このため、逆止弁Ｖ２の先端が貫通孔２６ｂから離れるように反って弾性変形する際に、逆止弁Ｖ２の先端が凹部２３ｂの底面に当接することにより、逆止弁Ｖ２のそれ以上の弾性変形は制限される。従って、逆止弁Ｖ２の最大の弾性変形量が一定に制限されている。例えば、このような逆止弁が変形量の大きい弾性変形を繰り返すと、逆止弁の耐久性が低下するおそれがある。また、逆止弁の変形量が大きいと弾性限界を超えて塑性変形し、適切に貫通孔を閉じることができなくなるおそれもある。このように逆止弁の性能が低下するおそれがある。本実施例では、逆止弁Ｖ２はピストンロッド２１ｂとピストンヘッド２５ｂとの間に配置されピストンロッド２１ｂによって弾性変形量が制限されている。このため、弾性変形量が大きすぎることに伴う逆止弁Ｖ２の性能の低下を抑制できる。

また、貫通孔２２ｂは、逆止弁Ｖ２をピストンヘッド２５ｂに固定しているネジＳ２を逃がしている。具体的には、空間ＳＰ内に突出したネジＳ２の頭部との干渉を回避するように、ネジＳ２と略同軸上に貫通孔２２ｂが形成されている。従って、ネジＳ２の突出量を考慮せずに、空間ＳＰの厚みを設定できる。これにより、例えば空間ＳＰの厚みをネジＳ２の頭部よりも薄く設定することもでき、ピストンロッド２１ｂの先端とピストンヘッド２５ｂとの合計の厚みを薄くすることもできる。

また、貫通孔２６ｂは、チャンバ１３ｂに突出したネジＳ１の頭部を逃がす位置に形成されている。このため、ネジＳ１とピストンヘッド２５ｂとの干渉が回避される。これにより、ネジＳ１の頭部がチャンバ１３ｂに突出しているような場合であっても、貫通孔２６ｂがネジＳ１の頭部を逃がすことにより、チャンバ１３ｂの容積の最小値をできる限り小さくすることができ、チャンバ１３ｂの容積の最小値に対する最大値の比率を確保できる。これにより、多くの空気をクランクケース２０内に導入することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、変形・変更が可能である。

Ａピストン駆動装置
Ｍモータ
１０ａ、１０ｃシリンダ（第１及び第２圧縮用シリンダ）
１０ｂ、１０ｄシリンダ（第１及び第２真空用シリンダ）
１２ａ〜１２ｄシリンダ本体
１３ａ、１３ｃチャンバ（第１及び第２圧縮用チャンバ）
１３ｂ、１３ｄチャンバ（第１及び第２真空用チャンバ）
１５ａ〜１５ｄシリンダヘッド
２０クランクケース
Ｐａ、Ｐｃピストン（第１及び第２圧縮用ピストン）
Ｐｂ、Ｐｄピストン（第１及び第２真空用ピストン）
２５ａ〜２５ｄピストンヘッド
ＶＰ仮想平面

Claims

クランクケースと、
前記クランクケースに固定された第１及び第２圧縮用シリンダと、
前記クランクケースに固定された第１及び第２真空用シリンダと、
前記クランクケース内で回転可能に支持された回転軸と、
前記回転軸に連結されて前記第１及び第２圧縮用シリンダ内でそれぞれ往復動する第１及び第２圧縮用ピストンと、
前記回転軸に連結されて前記第１及び第２真空用シリンダ内でそれぞれ往復動する第１及び第２真空用ピストンと、を備え、
前記第１及び第２圧縮用ピストンのピストンヘッドの各径は、前記第１及び第２真空用ピストンのピストンヘッドの各径よりも小さく、
前記第１及び第２圧縮用ピストンは、前記第１及び第２真空用ピストンを前記回転軸の軸心方向で挟むように前記回転軸に連結され、
前記第１及び第２圧縮用シリンダ内のそれぞれには、前記第１及び第２圧縮用シリンダの往復動によりそれぞれ容積が増減する第１及び第２圧縮用チャンバが形成され、
前記第１及び第２真空用シリンダ内のそれぞれには、前記第１及び第２真空用シリンダの往復動によりそれぞれ容積が増減する第１及び第２真空用チャンバが形成され、
前記第１及び第２圧縮用ピストンは、それぞれ、前記第１及び第２圧縮用チャンバ内に導入された空気を前記第１及び第２圧縮用チャンバ内で圧縮して前記第１及び第２圧縮用チャンバ外へ排出し、
前記第１及び第２真空用ピストンは、それぞれ、前記第１及び第２真空用チャンバ内に吸引した空気を前記第１及び第２真空用チャンバ外へ排出する、ピストン駆動装置。
前記回転軸に直交し、前記第１及び第２圧縮用ピストン及び第１及び第２真空用ピストンのピストンヘッドと交差する仮想平面が存在する、請求項１のピストン駆動装置。
前記回転軸を駆動するアウターロータ型モータを備えている、請求項１又は２のピストン駆動装置。