球形圧縮機用のヒンジシールギャップ自動補正機構

本発明はヒンジシール構造に関し、特に球形圧縮機におけるピストンとローテーチングディスクとを接続するヒンジ構造に用いられるシールに関する。

特許文献1(特許の名称「圧縮機用の容量可変式機構」)では、吸排気弁無し、動き部材が少なく、振動が小さく、機械的効率が高く、シールが確実であるなどの利点を有する新規の容積式圧縮機が開示されている。

しかし、この特許では、ピストンとローテーチングディスクとを接続するヒンジ構造の設計に実施上の欠陥が存在している。特許文献1による構造の一つとして、ピストンピンシートとローテーチングディスクピンシートとが互いに嵌合され、かつセンターピンで一体に接続されることにより、柱面ヒンジジョイントを構成するものであり、この構造では、ピストンピンシートは両側部が低く中央部が高い凸状構造とされ、その両側部が内側に凹んだ半円柱状の凹溝に、中央部が外側に凸んだ半円柱体にそれぞれ構成される。一方、ローテーチングディスクピンシートは両側部が高く中央部が低い凹状構造とされ、その両側部が外側に凸んだ半円柱体に、中央部が内側に凹んだ半円柱状の凹溝にそれぞれ構成される。また、凸状構造のピストンピンシートと凹状構造のローテーチングディスクピンシートとが互いに嵌合した上で、センターピンで両方の外側に凸んだ半円柱体における対応するピン孔に挿入されることにより、接続され、よって、シリンダの球形チャンバーの直径を貫通しかつシール性を有する柱面ヒンジを構成する(即ち、対向する半円柱状の凹溝と半円柱体との間に完全な半円柱状の接触面が形成されている)。しかし、上述した凹状構造のピンシートでは、その中央部が内側に凹んだ半円柱状の凹溝は特別な構造であるから、対応する半円柱体に密閉嵌合できる完全な半円柱面への加工が困難であり、そのような構造が大規模的な量産化に不適で、かつ精度の確保がしにくいので、シール効率に影響を与えて、更に装置全体の性能に影響を与えてしまう。他方の構造として、センターピンを備えず、ローテーチングディスクに形成された開口が180度未満の「C」型ヒンジブッシュと、ピストンに形成された「Ω」型円柱状のシャフトとにより柱面のヒンジジョイントを構成し、ある程度ではヒンジジョイントの機能を果たすものであり、しかし、この構造は受力性能が悪いから、シリンダ内に高圧エアがある場合に変形を起こし易く、シール作用を失効して他の箇所での機械的摩擦を増えてしまうことになる。

そこで、従来技術の欠陥を解消するために、本発明者は長年の関連する設計・製造経験により、球形圧縮機用のヒンジシールギャップ自動補正機構を提案した。

中国特許第ZL03114505.1号明細書

本発明は、中国特許第ZL03114505.1号明細書の欠陥を解消するように、シールをより的確させると共に大規模的な量産化に適させ、装置全体の性能を向上するために、中国特許第ZL03114505.1号明細書を元にして、球形圧縮機に用いられる新規のヒンジ付けのシール構造を設計する、ことを目的とする。

本発明の目的は下記の手段により達成された。球形圧縮機用のヒンジシールギャップ自動補正機構であって、球形圧縮機のセンターピンとローテーチングディスクピンシートとピストンピンシートとの間に形成された柱面ヒンジは、柱面ヒンジを構成するピンシートの凹溝内にインレイブロックが一つ設けられ、このインレイブロックは、凹溝の底部にあり、中央部が薄く両側部が厚い扇形ブロック構造の形状を有し、凹溝と凹溝に対応する半円柱状の突起の外円柱面の形状に合わせてそれぞれ可動的な密閉嵌合に形成されている。

本発明の好適な一実施形態では、一方のピンシートは両側部が低く中央部が高い凸状ピンシートに構成され、他方のピンシートは両側部が高く中央部が低い凹状ピンシートに構成され、凸状ピンシートの両側部は、内側に凹んだ半円柱状の凹溝で、凸状ピンシートの中央部は、外側に突出する半円柱体であり、凹状ピンシートの両側部は、外側に凸んだ半円柱体で、凹状ピンシートの中央部は、底面を滑らかとする沈降溝であり、凸状ピンシートと凹状ピンシートは、互いに嵌合した上で、前記センターピンで凸状ピンシート及び凹状ピンシートの外側に凸んだ半円柱体における対応するピン孔に挿入されることにより、接続され、前記インレイブロックは凹状ピンシートの中央部にある沈降溝の底部と凸状ピンシートの中央部にある半円柱体の頂部との間に設置され、該インレイブロックは頂面が沈降溝の底面の形状に合わせ、底面が沈降溝内に対応して嵌合された凸状ピンシートの半円柱体の外円柱面の形状に合わせるように形成されることにより、該インレイブロックと凹状ピンシート及び凸状ピンシートとが可動的な密閉嵌合に形成され、それによってシール性を有する柱面ヒンジを構成している。

本発明の好適な一実施形態では、前記凸状ピンシートの両側部の半円柱状の凹溝と凹状ピンシートの両側部の半円柱体との間に、可動に密閉嵌合する半円柱状の接触面が形成されている。

本発明の好適な一実施形態では、インレイブロックの両端面は、平面であり沈降溝の両側壁と可動的な密閉嵌合に形成され、インレイブロックの両側面は、平面であり、インレイブロックを沈降溝に装着した後、沈降溝の両端側の頂面に面一となり、柱面ヒンジの両側に形成された交互に圧縮する動作室の一方が高圧状態となると、該動作室にあるインレイブロックの側面が圧力を受けて、インレイブロックを低圧側へわずかに相対移動させることにより、インレイブロックと沈降溝の底面及び半円柱体の円柱面との高圧側の隙間を狭くし、かつ圧力が大きいほど隙間が狭くなる。

本発明の好適な一実施形態では、前記インレイブロックの頂面は突起する円弧面で、それに合わせる沈降溝の底面も円弧面である。

本発明の好適な一実施形態では、前記インレイブロックの頂面は平面で、それに合わせる沈降溝の底面も平面である。

本発明の好適な一実施形態では、前記ピストンピンシートは凹状ピンシートで、ローテーチングディスクピンシートは凸状ピンシートである。

本発明の好適な一実施形態では、前記ピストンピンシートは凸状ピンシートで、ローテーチングディスクピンシートは凹状ピンシートである。

本発明によれば、下記の利点を有する。

(1)交互に変化するシリンダ内の圧力をエネルギーソースとして利用し、インレイブロックの変位により柱面ヒンジの高圧側の径方向の隙間が自動に狭くなり、かつ圧力差が大きいほどシールが的確となるので、ギャップ自動補正機構と言える。

(2)構造上の設計により大規模的な量産化の可能性を確保でき、例えば、図9の二点鎖線がローテーチングカッターの位置を示す。

(3)ギャップ自動補正機構を設計することにより、ヒンジ構造の中央部分の径方向嵌合の製造精度を大幅に低下させ、製造の難しさ及び製造コストを低下できる。

(4)実際の運転中では、ローテーチングディスクに対するピストンの揺動速度は一般ではスピンドルの回転速度の20%を超えることがなく、かつ形成された2つの動作キャビティが交互に圧縮され、各箇所にオイルフィルムがあることを潤滑条件で保証できるから、インレイブロックでは表面摩擦による高いエネルギー消費及び破損が起きることがない。

(5)インレイブロックの移動量が非常に小さく、かつ交互にずらして移動し、更に各隙間にオイルフィルムが介入しているから、衝撃による騒音及び破損が起きることがない。

下記の図面は本発明を概念的に説明・解釈するものであり、本発明の範囲を限定しない。

構造の断面図である。

ケースの断面図である。

図2のA−A断面図である。

ローテーチングディスクの正面図である。

図4に示すローテーチングディスクの左側面図である。

図4に示すローテーチングディスクの平面図である。

ピストンとインレイブロックとの組立体の正面図である。

図7に示すピストンとインレイブロックとの組立体の左側面図である。

ピストンの正面図である。

図9に示すピストンの左側面図である。

インレイブロックの正面図である。

図11に示すインレイブロックの平面図である。

柱面ヒンジシール構造の拡大図である。

別の実施形態のピストンとインレイブロックとの組立体の構造概念図である。

本発明の構成要件、目的及び効果をより明瞭的に理解できるために、添付の図面を参照しながら本発明の具体的な実施形態を説明する。

図1は本発明の球形圧縮機の実施例の構造の断面図である。該球形圧縮機は、シリンダ9、シリンダヘッド2、ピストン1、インレイブロック14、ローテーチングディスク8、スピンドル6、スピンドルホルダ7、及びセンターピン10を備える。シリンダ9とシリンダヘッド2とが接続ネジ5で接続されて一つの球形チャンパーを構成する(図2を参照)。図9、図10に示すように、ピストン1は、球形頂面と、球形頂面の中央部から張り出された一つのピストンシャフトと、一定の角度をなす2つの側面15と、エアパス3と、ピストン1の両側面の下部に形成されたピストンピンシート16とを有し、ピストンピンシートは半円柱構造で、半円柱体の中央部に凹溝が設けられ、該凹溝は底面を滑らかとする沈降溝161であり、それにより、両側部が高く中央部が低い凹状ピンシートを構成し、ピストンピンシート16の軸線方向に貫通するピン孔162が形成される。シリンダヘッド2にはピストンシャフトに合わせる軸孔が設けられ、ピストン1は軸孔をピストンシャフト回りで自由回動することができ、ピストンの球形頂面は球形チャンバーと同一の球心を有して可動的な密閉嵌合に形成される。

ローテーチングディスク8の構造は、図4、図5、図6に示すように、ローテーチングディスク8の下端面の中央部から一つのローテーチングディスクシャフトが張り出され、ローテーチングディスク8の上部と下端面との間の外周面がローテーチングディスクの球面に形成され、ローテーチングディスクの球面は球形チャンバーと同一の球心を有し、かつ球形チャンバーに密着して可動的な密閉嵌合に形成される。ローテーチングディスク8の上部には、ピストンピンシート16に応じてローテーチングディスクピンシート81が一つ設けられる。ローテーチングディスクピンシート81は、両端部が半円柱状の凹溝812に、中央部が突起する半円柱体811に構成されることにより、両側部が低く中央部が高い凸状ピンシートを構成する。ローテーチングディスクピンシート81の軸線方向に貫通するピン孔813が形成される。

センターピン10がピストンピンシート16及びローテーチングディスクピンシート81に挿入され、スピンドルホルダ7とシリンダ9とが接続ネジ5で接続されることにより、スピンドル6の回転に支持を供するようになる。スピンドル6は、一端がシリンダーブロック9内に位置してローテーチングディスクシャフトに接続される偏心斜め孔であり、他端が動力機構に接続され、圧縮機の容量の変更に動力を供するようになる。上述したピストンシャフトもローテーチングディスクシャフトもスピンドル6もその軸線が共に球形チャンバーの球心を通し、且つピストンシャフト及びローテーチングディスクシャフトの軸線とスピンドル6の軸線とが同一の夾角αをなす。

ピストンピンシート16とローテーチングディスクピンシート81とが互いに嵌合した上で、センターピン10を凸状ピンシート及び凹状ピンシートの外側に凸んだ半円柱体における対応するピン孔に挿入して柱面ヒンジ接続を構成し、前記凸状ピンシートの両側部の半円柱状の凹溝812と凹状ピンシートの両側部の半円柱体との間に、完全に可動に密閉嵌合する半円柱状の接触面が形成されている。前記ピストンピンシート16の中央部にある沈降溝161の底部とローテーチングディスクピンシート81の中央部にある半円柱体811の頂部との間に収容空間が形成され、該収容空間内に前記インレイブロック14が設けられ、該インレイブロック14は沈降溝161の底部にあり、その中央部が薄く両側部が厚い扇形状のブロック構造に形成されて(図11、図12を参照)、該インレイブロック14は、頂面141が沈降溝161の底面の形状に合わせ、底面142が沈降溝161内に対応して嵌合されたローテーチングディスクピンシート81の半円柱体811の外円柱面の形状に合わせるように形成されることにより、該インレイブロック14とピストンピンシート16及びローテーチングディスクピンシート81は、可動的な密閉嵌合に形成される。それによって、ピストン1とローテーチングディスク8とが柱面ヒンジにより可動に密閉接続されるように形成され、ローテーチングディスク8の上端面と球形チャンバーからなる半球状の中空チャンバーがV1動作室4とV2動作室11に分割されている。

本実施形態では、図11、図7に示すように、前記インレイブロック14の頂面141は突起する円弧面を呈し、それに合わせる沈降溝161の底面も円弧面を呈している。インレイブロック14は底面142が内円柱面の形状を有し、かつローテーチングディスク8の突起する半円柱体811の外面の形状に合わせて可動的な密閉嵌合に形成される。図7、図11、図12に示すように、インレイブロック14は、両側面143をピストンの楔状の面15に面一にし、両端面144とピストンピンシート16の中央部にある沈降溝161の両側壁1611とが可動的な密閉嵌合に形成されている(図8を参照)。ピストン1とインレイブロック14を組合わせて球形圧縮機全体の組立ピストンを構成し、ピストン1とインレイブロック14からなる組立体の構成は図7、図8に示されている。

図13は柱面ヒンジのシール構造の拡大図である。球形圧縮機のセンターピン10とローテーチングディスク8とピストン1との間に形成された柱面ヒンジは、柱面ヒンジを構成するピストンピンシート16の中央部にある沈降溝161内にインレイブロック14が一つ設けられ、このインレイブロック14はピストン1のピストンピンシート16の沈降溝161の底部にあり、その中央部が薄く両側部が厚い扇形状のブロック構造に形成されて、また沈降溝161と沈降溝161に対応する半円柱体の外円柱面の形状とにそれぞれ合わせて可動に密閉嵌合するように形成されている。インレイブロック14は、底面がローテーチングディスクピンシート81の半円柱体811の半円柱面に合わせて可動的な密閉嵌合に形成された内円柱面であり、両端面が平面であり、ピストンピンシートの沈降溝161の両側壁と可動的な密閉嵌合に形成され、頂面141の形状がピストンピンシート16の沈降溝161の底面の形状に合わせて可動的な密閉嵌合に形成されている。本実施例では、インレイブロック14の頂面141は円弧面を呈し、それに合わせるピストンピンシート16の沈降溝161の底面も円弧面を呈しているから、ローテーチングカッターによる切削に寄与し、大規模的な量産化にも寄与でき、例えば、図9の二点鎖線がローテーチングカッターの位置を示す。インレイブロック14は、両側面143がインレイブロック14をピストンピンシート16の沈降溝161に装着した後、沈降溝161の両端側15の頂面(即ちピストン1の楔状の平面)に面一となる平面に形成され、柱面ヒンジの両側に形成された交互に圧縮する動作室の一方が高圧状態となると、例えば図ではV1動作室4が圧力の高い状態、V2動作室11が圧力の低い状態となると、V1動作室4内の媒体は様々な隙間を通して低圧のV2動作室11に漏れてしまうが、この場合、V1動作室4にあるインレイブロック14の側面が圧力を受けて、インレイブロック14を低圧側へわずかに相対移動させる。インレイブロック14は両側部が厚く中央部が薄い構造であるから、インレイブロック14の移動が図のピストン1のA箇所及びローテーチングディスク8のB箇所で阻止され、わずかな移動によりこの二箇所間の隙間が最小となる。一方、V2動作室11が高圧状態となると、対応する同様な効果を果たすことができる。V1動作室4とV2動作室11との圧力が交互に変化するに伴って、インレイブロック14も高圧室から低圧室へ交互にわずかに移動することにより、高圧側のヒンジの中央部での径方向隙間が自動的に狭くなる機能をし、かつ圧力が大きいほど隙間が狭くなり、高圧室から低圧室への媒体の漏れを阻止する機能をすることができる。

スピンドル6が回動すると、ローテーチングディスク8が駆動され、ローテーチングディスク8がピストン1を動かすように駆動する(図ではスピンドル6の回動方向はシリンダヘッド2から見るとスピンドル6が時計方向に回動する方向である)。ピストン1の動きは唯一でそれ自体の軸線回りの回転であるのに対して、ローテーチングディスク8の動きは2種類の動きを組合わせたものであり、一つはそれ自体の軸線回りの回転であり、もう一つは、その軸線が常に球形シリンダの球心を通し、球形シリンダの球心を頂点とし、テーパー角を2αとすると、軸線とスピンドル6の軸線と重ね合わせる仮想錐体の表面での周方向に沿う移動(即ち、ローテーチングディスク8の軸線は前記錐体の錐面を走査する)であり、かつ該移動の周期がスピンドル6の回転周期に同期される。上述した空間機構の動きは共に回転的な動きであるから、振動の強い動き部材がない。このような空間動きを組合わせた結果、ピストン1及びローテーチングディスク8は周期をもって相対揺動をし、該揺動は周期がスピンドルの回転周期の一倍であり、揺れ幅が4αである。このような相対揺動を容積の変化する基本動き要素として利用し、圧力を交互に変化させるV1動作室4及びV2動作室11を構成する。ピストン1にエアパス3が設けられ、シリンダヘッド2の内球面に吸気通路12及び排気通路13が設けられ、その構造は、図2、図3に示すように、ピストン1の回転及びピストン1の球形表面とシリンダヘッド2の球形シリンダの内面との嵌合を、全ての吸排気口を開く及び閉じる基本動き要素として利用し、エアパス3と吸気通路12及び排気通路13との接続・遮断により吸気・排気制御を図れる。

本実施例では、前記ピストンピンシート16は凹状ピンシートで、ローテーチングディスクピンシート81は凸状ピンシートである。インレイブロック14はピストン1のインレイブロックとして、ピストンピンシート16の中央部にある沈降溝161の底部に設置されている。

本実施形態のもう一つの実施例として、前記ピストンピンシート16は凸状ピンシートでも、ローテーチングディスクピンシート81は凹状ピンシートでもよい。即ち、実際のピストン1及びローテーチングディスク8のピンシートの構造に従い、ローテーチングディスクピンシート81の中央部に沈降溝を設け、この沈降溝に一つのインレイブロックを設けてもよい。つまり、センターピンとピストンピンシートとローテーチングディスクピンシートとで構成された柱面ヒンジの具体的な構造に基づき、前記インレイブロックがピストンピンシートの沈降溝にあってもよく、ローテーチングディスクピンシートの沈降溝にあってもよい。

実際には、別の構造であるインレイブロックも設計できる。図14に示すように、インレイブロックの頂面を平面に設計し、それに合わせるピストンピンシートの沈降溝の底面をも平面にし、可動的な密閉嵌合に形成される。このような構造によれば、加工方法の選択をよりしやすく、製造の難しさを低下できる。

ある場合によって、インレイブロックを沈降溝に固定しても良く、インレイブロック及びインレイブロックに接触する嵌合面の精度上の合わせによりシール効果を達成できる。

上述したことはただ本発明の概念的で具体的な実施形態だけであり、本発明の範囲を限定するものではない。当業者が本発明の構想及び原則を逸脱しない前提でできあげた同等の変更及び修正は、いずれも本発明にて保護される範囲とされること。

1 ピストン 2 シリンダヘッド 3 エアパス 4 V1動作室 5 接続ネジ 6 スピンドル 7 スピンドルホルダ 8 ローテーチングディスク 9 シリンダ 10 センターピン 11 V2動作室 12 排気通路 13 吸気通路 14 インレイブロック 15 ピストンの側面 16 ピストンピンシート 161 沈降溝 1611 沈降溝の両側壁 162 ピン孔 81 ローテーチングディスクピンシート 811 半円柱体 812 半円柱状の凹溝 813 ピン孔 141 インレイブロックの頂面 142 インレイブロックの底面 143 インレイブロックの両側面 144 インレイブロックの両端面