JP5374524B2 - コンプレッサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、特にタイヤのパンク時に、シーリング剤とともに圧縮空気を充填しタイヤの応急走行を可能とするタイヤのパンク応急修理キット用として好適に用いうるコンプレッサ装置に関する。

タイヤのパンク応急修理キット用のコンプレッサ装置として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。このコンプレッサ装置は、図１０（Ａ）に概念的に示すように、クランクピンａに一端が枢支されるピストン軸ｂ１の他端に、ピストンヘッドｂ２を一体に設けたピストンｂを具えるとともに、前記ピストンヘッドｂ２の外周には、シリンダーｃの内周面との間をシールするリングシールｄが配される。そして、クランクｅの回転に伴い、ピストンｂは、ピストン軸心ｊとシリンダ軸心ｉとがなすピストン角度Φを変化させながら下死点ＰＬと上死点ＰＵとの間を往復動する。

このとき、ピストン軸ｂ１とピストンヘッドｂ２とが一体に形成されているため、前記リングシールｄもシリンダ軸心ｉと直角な平面Ｙに対する角度θを変化させながら往復動する。即ち、図１０（Ｂ）に示すように、リングシールｄの外径Ｄ１を平面Ｙに射影した時の射影外径Ｄ１ａは、下記式に従って変化する。
Ｄ１ａ＝Ｄ１×ｃｏｓθ

ここで、従来においては、前記リングシールｄがピストン軸心ｊに対して直角に取り付けられているため、前記角度θはピストン角度Φと等しく、又下死点ＰＬ及び上死点ＰＵにおいて前記角度θ（＝Φ）は０度、その中間点ＰＭで最大値θmax（＝Φmax ）をなす。従って、前記射影外径Ｄ１ａは、下死点ＰＬ及び上死点ＰＵで最大（＝Ｄ１）となり、前記中間点ＰＭで最小（＝Ｄ１×ｃｏｓθmax )となる。即ち、射影外径Ｄ１ａの最大変化量ΔＤ_０は、ΔＤ_０＝Ｄ１×（１−ｃｏｓθmax）となる。

他方、コンプレッサ装置では、ピストンｂが往復動する際、リングシールｄとシリンダーｃの内周面とを気密に接触することが必要であり、そのため、リングシールｄでは、気密接触のための弾性変形以外に、前記最大変化量ΔＤを吸収させるためにさらに弾性変形させる必要がある。

しかしながら、総弾性変形量が大きくなると、リングシールｄの変形抵抗も大きくなる。そのため駆動モータ（直流モータ）の電流値が増加し、出力効率を低下させる、即ちコンプレッサ性能を低下させるという問題が生じる。

特開２００５−３４４５７０号公報

そこで本発明は、リングシールをピストン軸心と直角な基準線Ｘに対して所定角度αで傾斜させることを基本として、駆動モータの負荷が大となる圧縮行程において、リングシールの射影外径の最大変化量を減じてリングシールの弾性変形量を低く抑えることができ、
駆動モータに流れる電流値の増加を抑え、出力効率を向上させうるコンプレッサ装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本願請求項１の発明は、モータにより回転駆動されかつその回転中心ｈ廻りを周回するクランクピンを有するクランクと、
前記クランクピンに一端が枢支されるピストン軸の他端に、ピストンヘッドを一体に設けたピストンと、
前記回転中心ｈを通るシリンダ軸心ｉを有し、かつ前記ピストンヘッドを、前記シリンダ軸心ｉ上で下死点から上死点まで往復動可能に収容するとともに前記ピストンヘッドとの間で空気を圧縮するポンプ室を形成する円筒状のシリンダーと、
前記ピストンヘッドの外周に取り付き前記シリンダーの内周面との間をシールするリングシールとを具えたコンプレッサ装置であって、
前記シリンダ軸心ｉを通って前記回転中心ｈと直角な基準断面において、前記リングシールは、ピストン軸心ｊと直角な基準線Ｘから前記クランクの前記回転中心ｈ廻りの回転方向とは逆方向に角度αで傾斜して取り付くとともに、
前記角度αは、前記ピストンヘッドが往復動する際に前記ピストン軸心ｊとシリンダ軸心ｉとがなすピストン角度Φの最大値Φmax の０．３〜０．７倍としたことを特徴としている。

本発明は叙上の如く、シリンダ軸心ｉを通って回転中心ｈと直角な基準断面において、リングシールを、ピストン軸心ｊと直角な基準線Ｘに対して角度αで傾斜して取り付けている。しかも前記角度αを、ピストンヘッドが往復動する際のピストン角度Φの最大値Φmax の０．３〜０．７倍に設定している。これにより、以下の「発明を実施するための形態」の欄で記載する理由により、駆動モータの負荷が大となる圧縮行程において、リングシールの射影外径の最大変化量を減じることができる。その結果、圧縮行程におけるリングシールの変形抵抗を低く抑えうるなど、駆動モータに流れる電流値の増加を抑制でき出力効率を向上させうる。

本発明のコンプレッサ装置の一実施例を示す斜視図である。 その主要部を示す分解斜視図である。 その主要部を示す断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、リングシールの断面図、及びその部分拡大図である。 リングシールの取り付き角度αを示す断面図である。 ピストンの１サイクルの動きを示す概念図である。 リングシールの動きを説明する概念図である。 リングシールの射影外径の変化を、リングシールの取り付き角度αをパラメータとして示すグラフである。 （Ａ）は実施例品における、常温時と低温時とにおけるリングシールの射影外径の変化を示すグラフ、（Ｂ）は隙間形成状態を示すグラフである。 （Ａ）、（Ｂ）は従来のコンプレッサ装置の動作を説明する概念図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１において、本実施形態のコンプレッサ装置１は、収納ケース２内に、駆動モータＭと、この駆動モータＭにより駆動されるコンプレッサ本体３とを具える。

前記モータＭとしては、自動車の１２Ｖ直流電源で作動する市販の種々の直流モータが採用できる。この駆動モータＭには、自動車のシガーライターソケットに接続可能な電源プラグ４Ａを先端に設けた電源コード４が、前記収納ケース２の上面に取り付く電源スイッチＳＷを介して接続されている。

次に、前記コンプレッサ本体３は、図２に示すように、駆動モータＭにより回転駆動されるクランク５と、このクランク５のクランクピン５Ｐに一端が枢支されるピストン軸６の他端にピストンヘッド７を一体に設けたピストン８と、前記ピストンヘッド７を、下死点ＰＬから上死点ＰＵまで往復動可能に収容する円筒状のシリンダー１０と、前記ピストンヘッド７の外周に取り付くリングシール１１とを具える。

前記クランク５は、例えばギヤー、プーリなどを用いた周知の減速機構１２を介して連結される駆動モータＭにより、回転中心ｈ廻りで回転駆動される。なおクランク５には、周知の如く、前記回転中心ｈから隔たる位置にクランクピン５Ｐを具え、従ってクランクピン５Ｐは、回転中心ｈの廻りを周回移動する。

前記ピストン８は、前記クランクピン５Ｐに一端が枢支されるピストン軸６を具えるとともに、このピストン軸６の他端には円柱状のピストンヘッド７が一体形成される。本例では、前記ピストン８が、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）からなる一体成形品として形成される場合が示される。又前記ピストンヘッド７には、図２、３に示すように、該ピストンヘッド７をピストン軸心方向に貫通してのびる吸気孔１３Ａと、この吸気孔１３Ａをピストン上面側からバネ性を有して閉じる、例えばゴム、合成樹脂、金属等の弾性体などの弁体１３Ｂとを用いた吸気弁１３が形成される。

前記シリンダー１０は、前記回転中心ｈを通るシリンダ軸心ｉを有する円筒状体であって、前記ピストンヘッド７を、前記シリンダ軸心ｉ上で下死点ＰＬから上死点ＰＵまで往復動可能に収容するとともに、前記ピストンヘッド７との間で空気を圧縮するポンプ室１４を形成する。

なお前記シリンダー１０には、ポンプ室１４からの圧縮空気を、装置外に送給する空気送給流路１５Ａを有す空気送給手段１５が連設される。この空気送給手段１５は、前記ポンプ室１４に流入口１６を介して連なるサージタンク室１７Ａを有するサージタンク部１７を含む。このサージタンク室１７Ａは、ポンプ室１４からの圧縮空気を貯留しピストンによる圧力の脈動を抑える。なお前記流入口１６に逆止弁を設けることができる。又前記サージタンク部１７には、圧縮空気送給用のホース１８を着脱自在に連結する例えばニップル状の接続部１９を突設しており、前記空気送給手段１５は、前記サージタンク部１７とホース１８とを含んで構成される。

又前記リングシール１１は、例えばニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、シリコンゴム（Ｑ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）などのゴム弾性材からなり、前記ピストンヘッド７の外周に設ける周溝７Ａに嵌着される。このリングシール１１は、具体的には、本例では、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、断面略矩形の基部２０の上部にＶ字状溝２１を形成することにより、このＶ字状溝の両側に、上方に向かって半径方向外方に傾斜する外のリップ片２０ａと、半径方向内方に傾斜する内のリップ片２０ｂとを設けた断面Ｖ字状に形成される。このようなリングシール１１は、前記外のリップ片２０ａが半径方向内側に容易に弾性変形しうるため、本実施形態のコンプレッサ装置１に好適に採用しうる。なお便宜上、図３、５、６、７では、リングシール１１を断面円形状に描いている。

そして本発明では、図５に示すように、前記シリンダ軸心ｉを通って前記回転中心ｈと直角な基準断面において、前記リングシール１１は、ピストン軸心ｊと直角な基準線Ｘに対して角度αで傾斜して取り付いている。本例では、前記ピストンヘッド７自体が、前記基準線Ｘに対して角度αで傾斜し、前記リングシール１１が、この傾斜するピストンヘッド７と同心に取り付く場合が示されている。なおリングシール１１は、前記クランク５の前記回転中心ｈ廻りの回転方向とは逆方向に前記基準線Ｘから傾斜する。具体的には、本例では、前記クランク５は回転中心ｈを中心として右廻りに回転し、リングシール１１は、前記基準線Ｘから左廻りに角度α傾斜している。そしてこの角度αは、前記ピストンヘッドが往復動する際に前記ピストン軸心ｊとシリンダ軸心ｉとがなすピストン角度Φの最大値Φmax の０．３〜０．７倍の範囲に設定される。

図６に、ピストン８の１サイクルの動きを概念的に示すように、クランク５が回転する際、ピストン８は、ピストン軸心ｊとシリンダ軸心ｉとがなすピストン角度Φを変化させながら往復動する。このとき、下死点ＰＬにおけるクランク回転角度ωを０°（下死点ＰＬを基準）とした座標系において、前記ピストン角度Φは、従来と同様、クランク回転角度ωが０°及び１８０°の位置（下死点ＰＬ及び上死点ＰＵの位置）では０°（Φ＝０°）であり、又クランク回転角度ωが９０°（圧縮側中間位置ＰＭ１）及び２７０°の位置（吸気側中間位置ＰＭ２）でピストン角度Φはそれぞれ最大値Φmax、最小値Φmin、をなす。なおピストン角度Φは、圧縮行程側をプラス、吸気行程側をマイナスとしている。

他方、リングシール１１も、図７に拡大して示すように、シリンダ軸心ｉと直角な平面Ｙに対する角度θを変化させながら往復動する。しかし本発明の場合には、前記リングシール１１が、前記基準線Ｘから、クランク５の回転方向とは逆方向に角度αで傾斜している。従って、前記角度θは下記式（１）で表されるとともに、リングシール１１の外径Ｄ１を平面Ｙに射影した時の射影外径Ｄ１ａは、下記式（２）で表される。
θ＝Φ−α −−−（１）
Ｄ１ａ＝Ｄ１×ｃｏｓ（Φ−α）−−−（２）

従って、圧縮行程（ω＝０°〜１８０°）においては、射影外径Ｄ１ａは、｛Ｄ１×ｃｏｓ（−α）｝→｛Ｄ１×ｃｏｓ（０）｝→｛Ｄ１×ｃｏｓ（θmax−α）｝→｛Ｄ１×ｃｏｓ（０）｝→｛Ｄ１×ｃｏｓ（α）｝と変化する。そして、α≦θmax／２の時、射影外径の最大変化量は、ΔＤ＝Ｄ１×｛１−ｃｏｓ（θmax−α）｝となり、α≧θmax／２の時、射影外径の最大変化量は、ΔＤ＝Ｄ１×（１−ｃｏｓα）となる。何れの場合にも、射影外径の最大変化量ΔＤは、従来の最大変化量ΔＤ_０＝Ｄ１×（１−ｃｏｓθmax）よりも小となる。

特に、角度αが最大値Φmax の０．５倍（α＝θmax／２）の時、射影外径の最大変化量ΔＤは最小となるため、最も好ましいが、前記最大値Φmax の０．３〜０．７倍の範囲においても、前記最大変化量ΔＤの減少効果を充分に発揮しうるため採用が可能である。

図８は、ピストン１サイクル当たりの、リングシール１１の射影外径Ｄ１ａの変化を、前記角度αをパラメータとして示している。本例において、ピストン角度Φの最大値Φmax は１１．２°である。同図８に示すように、圧縮行程（ω＝０°〜１８０°）においては、前記角度αを３．３６°〜７．８４°（ピストン角度Φの最大値Φmaxの０．３〜０．７倍に相当）としたとき、射影外径の最大変化量ΔＤを、従来品（α＝０°）における最大変化量ΔＤ_０に比して大幅に低減しうるのが確認できる。

従って、駆動モータＭの負荷が大となる圧縮行程において、リングシール１１をシリンダー１０の内周面に気密に接触させながら、リングシール１１の弾性変形量を最小限に抑えることが可能となり、駆動モータへの負荷を減じて使用電力を小さくし、駆動モータの出力効率を向上させることができる。

なお、本実施形態のコンプレッサ装置１では、前記図８に示す如く、吸気行程（ω＝１８０°〜３６０°）においては、射影外径の最大変化量ΔＤは、逆に従来品の射影外径の変化量ΔＤ_０に比して増加する。即ち、吸気行程では、射影外径Ｄ１ａが小となって、リングシール１１とシリンダー１０の内周面との間に隙間が発生することとなる。しかし吸気行程では、ポンプ室１４内に空気を供給するものであるため何ら問題とはならない。

次に、リングシール１１の射影外径Ｄ１ａと、シリンダー１０の内径Ｄ０との関係を説明する。図９（Ａ）に示すように、少なくとも常温度（２０℃）においては、圧縮行程におけるリングシール１１の射影外径Ｄ１ａは、シリンダー１０の内径Ｄ０よりも大であることが必要であり、これによってリングシール１１をシリンダー１０に気密接触させることができ、ポンプ室１４内で空気を圧縮させうる。

しかしこのとき、常温度（２０℃）における前記射影外径Ｄ１ａと内径Ｄ０との差（Ｄ１ａ−Ｄ０）、即ちリングシール１１の弾性変形量であるオーバラップ量δが大きすぎると、前述の駆動モータの出力効率を向上させる効果が充分達成されなくなり、さらには低温度状態（例えば−４０℃）で使用する場合に、起動時の駆動モータＭへの負荷が大となって、ヒューズ切れなどを生じる恐れを招く。

即ち、前記低温度状態で使用する場合、金属材料からなるシリンダー１０の内径Ｄ０はほとんど変化しないが、ゴム弾性材からなるリングシール１１は、収縮してその射影外径Ｄ１ａを減少させる。そのため、図９（Ａ）に示すように、低温度状態ではオーバラップ量δ自体は小となるものの、低温度により、リングシール１１自体が硬化するため、起動時の駆動モータＭへの負荷が逆に大きくなって、ヒューズ切れを招く場合がありうる。なお図９（Ａ）には、リングシール１１の前記角度αが５．６°（α＝θmax／２）の場合における、常温度（２０℃）でのリングシール１１の射影外径Ｄ１ａとシリンダー１０の内径Ｄ０、及び−４０℃におけるリングシール１１の射影外径Ｄ１ａとシリンダー１０の内径Ｄ０とがそれぞれ示されている。同図の場合、常温度でのシリンダー１０の内径Ｄ０は１７．７ｍｍであり、約３°の抜け勾配によって上死点ＰＵ側に向かって内径が減少しており、又常温度でのリングシール１１の外径Ｄ１は１８．３ｍｍである。

そのため、図９（Ｂ）に示すように、少なくとも常温度（２０℃）において、圧縮行程における射影外径Ｄ１ａをシリンダー１０の内径Ｄ０よりも大としながら、そのオーバラップ量δをより低く設定することにより、前記低温度状態においては、圧縮行程における射影外径Ｄ１ａをシリンダー１０の内径Ｄ０以下として、リングシール１１とシリンダー１０との間に微少隙間Ｇ（Ｇ＝０ｍｍの場合を含む。）を形成することが好ましい。同図９（Ｂ）には、圧縮行程全体にわたって微少隙間Ｇが形成される場合が示されているが、圧縮行程の少なくとも一部で微少隙間Ｇが形成されていても良い。言い換えると、常温度（２０℃）において、圧縮行程における射影外径Ｄ１ａをシリンダー１０の内径Ｄ０よりも大としながら、低温度状態において、圧縮行程の少なくとも一部で、リングシール１１とシリンダー１０との間に微少隙間Ｇが形成される程度に、常温度（２０℃）におけるオーバラップ量δを低く設定することが好ましい。

このように微少隙間Ｇを形成した場合には、起動時にリングシール１１の変形抵抗が低く抑えられるため、駆動モータＭへの負荷を減じて、低温起動時の電流値を小さくすることができる。なお前記低温度状態の温度として−３０〜−４０℃の範囲から選択するのが好ましい。

ここで、前記隙間Ｇの最大値Ｇmax は、０ｍｍより大かつ１．０ｍｍ以下であることが好ましい。なお最大値Ｇmax が１．０ｍｍ以下の場合には、同図９（Ｂ）に示すように、常温度状態においてはリングシール１１が熱膨張し、圧縮行程全体に亘って前記隙間Ｇを塞ぐ、即ちリングシール１１をシリンダー１０の内周面に気密接触させることが可能となる。しかし前記最大値Ｇmax が１．０ｍｍを越えると、常温度状態においても前記隙間Ｇが塞がれず、コンプレッサ性能を低下させる恐れが生じる。そのため前記最大値Ｇmax の下限値は０．３ｍｍ以上が好ましく、又上限値は０．５ｍｍ以下が好ましい。

以上、本発明の特に好ましい実施形態について詳述したが、本発明は図示の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施しうる。

１ コンプレッサ装置
５ クランク
５Ｐ クランクピン
６ ピストン軸
７ ピストンヘッド
８ ピストン
１０ シリンダー
１１ リングシール
１４ ポンプ室
Ｇ 隙間
Ｍ モータ
ＰＬ 下死点
ＰＵ 上死点

Claims (1)

1. モータにより回転駆動されかつその回転中心ｈ廻りを周回するクランクピンを有するクランクと、
   前記クランクピンに一端が枢支されるピストン軸の他端に、ピストンヘッドを一体に設けたピストンと、
   前記回転中心ｈを通るシリンダ軸心ｉを有し、かつ前記ピストンヘッドを、前記シリンダ軸心ｉ上で下死点から上死点まで往復動可能に収容するとともに前記ピストンヘッドとの間で空気を圧縮するポンプ室を形成する円筒状のシリンダーと、
   前記ピストンヘッドの外周に取り付き、前記シリンダーの内周面との間をシールするリングシールとを具えたコンプレッサ装置であって、
   前記シリンダ軸心ｉを通って前記回転中心ｈと直角な基準断面において、前記リングシールは、ピストン軸心ｊと直角な基準線Ｘから前記クランクの前記回転中心ｈ廻りの回転方向とは逆方向に角度αで傾斜して取り付くとともに、
   前記角度αは、前記ピストンヘッドが往復動する際に前記ピストン軸心ｊとシリンダ軸心ｉとがなすピストン角度Φの最大値Φmax の０．３〜０．７倍としたことを特徴とするコンプレッサ装置。

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