全平衡式氣壓缸裝置
(專利第4553977號, PCT申請中)
全平衡式氣壓缸裝置 目錄
1. 序
往復式蒸汽引擎的發明被公認為西元1770年代英國工業革命的開端。
其後經過不斷的研究改進，又發明了往復式石油引擎及柴油引擎，廣泛的使用至今。
在這240年當中，技術者雖已得知往復式的活塞往復運動會造成機械損失，但一直無法找到有效的解決對策。
只有株式會社MAZDA過去曾研發出轉子引擎，但由於構造上的問題，氣壓缸內的氣密性技術始終無法達到商用化水準，因此現今的一般車用引擎仍以往復式引擎為主流。
力行節能減碳，減輕地球負擔已成為時代趨勢，因此使用高効率氣體、液體的旋轉機器之研發變得益發重要。
為因應此一趨勢與需求，本公司持續致力於標題所述之氣壓缸裝置之研發，茲就本公司研發成果詳述如下:
2. 壓縮機用各類幫浦考察
除了表1所記載的方式之外，市面上亦存在著多種幫浦類型，在此僅針對較具代表性的6種幫浦類型進行定性評估。
若將業界對於無水・無油的需求日益增加這一點納入考量，往復式幫浦在各項評比項目都有不錯的表現。
3. 理想的氣壓缸裝置
如前述考察結果所示，往復式相較於其他類型，具備下列優異特性。
(1) 即便是低轉速仍可達到高壓輸出效果
(2) 無水・無油設計，可簡化設備配置
(3) 可確保零件之高精度。
因此，往復式可說是最接近理想型的氣壓缸裝置型態。
而唯一的缺點就是活塞往復運動會造成大幅的機械損失以及容易產生不平衡之振動噪音。
為了進一步了解活塞往復運動所造成的機械損失程度以及振動的大小，將透過定性分析，針對往復式活塞往復運動所引發的機械損失進行考察。
因本考察的目的並不是為了精準地計算往復式之活塞往復運動所造成的機械損失，故僅透過圖1、圖2之單純計算針對機械損失的程度進行簡略判定。
圖 1. 往復式活塞驅動概念圖
圖 2. 解析模式
計算公式之各符號定義如下：
Ｓ:行程距離
ｔ:行程移動時間
ｍ:活塞質量
Ｆ:驅動活塞的力量
α:加速
於圖２中，
利用公式①、公式②，再代入S, t, m，即可求出驅動活塞的力量F。
以上述方法求得之F即為活塞進行往復運動時所造成之機械損失。
活塞移動時間t與往復式旋轉機之轉速呈反比例關係，結果顯示往復式活塞之往復運動方式所產生之機械損失
● 與活塞質量呈等比例增加
● 與往復式旋轉機之轉速平方成正比增加
4. 全平衡式氣壓缸裝置
可有效解決往復式之活塞往復運動所造成之機械損失的全平衡式氣壓缸裝置照片及零件分解斜視圖如圖3所示。
 裝置外觀 |
 裝置內部 |
 曲柄活塞  曲柄軸 |
(1) 直線往復運動原理
當動圓沿著定圓的內側，作無滑動的滾動時，動圓圓周上的定點軌跡稱為圓內旋輪線（hypocycloid）。如圖4所示，定圓直徑φD與動圓直徑Φd之比為2:1時，動圓圓周上的定點軌跡將成為直線。
根據上述原理，將輸入輸出軸與第1曲柄距離設定為L1(L1=0.5Φd)，第1曲柄軸與第2曲柄軸A,B的距離設定為L2(L2=L1=0.5Φd)，第2曲柄軸A,B設定為直線運動，即可省略定圓及動圓。
利用此機構，即可任意切換第1曲柄軸之旋轉運動及第2曲柄軸A,B之直線往復運動。
(2) 運轉機件之等速旋轉性
圖4中，第2曲柄軸A,B作往復直線運動，針對直線活塞組裝於第2曲柄軸A,B上之狀態進行考察。
旋轉方向分為順時針(+)或逆時針(-)，旋轉角皆採用絕對座標系統之旋轉角。
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如表2所示，組成氣壓缸裝置的可動機件皆可對各個旋轉軸心進行等速旋轉運動。
(3) 偏心改善原理
根據前項4-(2)所述之等速旋轉性，藉由調整下列之平衡以解決偏心問題。
① 第一平衡: 活塞A及活塞B於第2曲柄軸周邊進行質量平衡調整。
② 第二平衡: 活塞A,B及第2曲柄軸A,B於第1曲柄軸周邊進行質量平衡調整。
③ 第三平衡: 設置平衡錘，以確保輸入輸出軸周邊之可動機件達到質量平衡。
將上述4-(1)~4-(3)項加入氣壓缸裝置的設計中、可有效解決往復式之活塞往復運動帶來的機械損失，打造出理想的氣壓缸裝置。
(4) 具體效果
全平衡式氣壓缸裝置不僅不會產生往復式特有的活塞往復運動機械損失，且具備以下優點:
① 高効率。(圖5)
② 低振動、低噪音。(活塞往復動作時幾乎不會產生振動及噪音)
③ 易於實現小型輕量化的結構。
從構造及原理來看，全平衡式氣壓缸裝置對於高速旋轉領域的效果更為顯著。
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(5) 應用領域
可廣泛應用在迴轉式壓縮機、渦卷式壓縮機、螺旋式壓縮機、往復式壓縮機等各種領域。
具體應用領域包括:
① 各種內燃機
② 空壓機(冷氣、冰箱等)
③ 真空幫浦
④ 氣體‧液體等流體幫浦
⑤ 氣壓、液壓馬達
⑥ 渦輪分子幫浦及渦輪機之應用
等等，應用範圍相當廣泛。
此外，因具備安靜、省電等特點，在醫療領域亦具有極高之應用潛力。
5. 氣壓缸裝置今後的發展與研發方向
本公司研發團隊歷經20年，終於成功研發出此氣壓缸裝置。
基本結構及原理在各應用領域並無不同，在此基礎上注入新的開發元素，是進一步延伸擴大各領域之應用範圍的一大關鍵。
