JP2014533789A - Piston and cylinder assembly and linear compressor - Google Patents
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Abstract
本発明は、静圧気体軸受配置を伴うリニア圧縮機の気体に対して発生する効率損失を最小限に抑えることのできるピストン（１）・シリンダ（２）アセンブリに関する。したがって、ピストン（１）・シリンダ（２）アセンブリ間の間隔は、ピストン（１）がヘッド（３）に近い場合すなわち冷却プロセスにおいて利用されないより高い気体密度が存在する場合に、ピストン（１）の上部部分における周囲クリアランス（１２）を低減させるように設計される。ピストン（１）・シリンダ（２）アセンブリは、周囲クリアランス（１２）の寸法が周囲クリアランス（１２）内に存在する気体の密度に反比例して変動するような幾何学的関係を有していなければならない。The present invention relates to a piston (1) / cylinder (2) assembly capable of minimizing the efficiency loss caused to the gas of a linear compressor with a static pressure gas bearing arrangement. Thus, the spacing between the piston (1) and cylinder (2) assembly is such that when the piston (1) is close to the head (3), ie there is a higher gas density not utilized in the cooling process, the piston (1) Designed to reduce the peripheral clearance (12) in the upper part. The piston (1) and cylinder (2) assembly must have a geometric relationship such that the dimensions of the peripheral clearance (12) vary inversely with the density of the gas present in the peripheral clearance (12). Don't be.
Description
本発明は、静圧気体軸受配置を伴う冷却用リニア圧縮機のピストン・シリンダアセンブリ、より詳細には損失を最小限におさえるためのアセンブリの寸法関係に関する。 The present invention relates to a cooling linear compressor piston and cylinder assembly with a hydrostatic gas bearing arrangement, and more particularly to the dimensional relationship of the assembly to minimize losses.
一般に、冷却回路の基本構造には４つの構成要素すなわち圧縮機、凝縮器、膨張装置および蒸発器が含まれる。これらの要素は、内部環境の温度低下を可能にし、媒体から熱を除去し、それを前記要素を通して外部環境へと変位させるために流体が中を循環する冷却回路を特徴とするものである。 In general, the basic structure of the cooling circuit includes four components: a compressor, a condenser, an expansion device and an evaporator. These elements feature a cooling circuit through which fluid circulates to allow the temperature of the internal environment to be reduced, remove heat from the medium and displace it through the element to the external environment.
冷却回路内を循環する流体は、一般に、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器そして再び圧縮機という閉回路を特徴とする通過順序をたどる。循環中、流体は、気体状態または液体状態のいずれかにあってよい流体の状態の改変の原因である圧力および温度の変動を受ける。 The fluid circulating in the cooling circuit generally follows a passage sequence characterized by a closed circuit of compressor, condenser, expansion valve, evaporator and again compressor. During circulation, the fluid undergoes pressure and temperature fluctuations that are responsible for altering the state of the fluid, which can be in either a gaseous or liquid state.
冷却回路内で、圧縮機は冷却システムの心臓のように作用し、システムの構成要素に沿って冷却液流を作り出す。圧縮機は、内部圧を上昇させることで冷却液の温度を上昇させ、回路内のこの流体の循環を強制的に行なう。 Within the cooling circuit, the compressor acts like the heart of the cooling system and creates a coolant flow along the system components. The compressor raises the temperature of the coolant by raising the internal pressure and forces the circulation of this fluid in the circuit.
こうして、冷却回路内の圧縮機の重要性は否定しようのないことである。冷却システムに応用される圧縮機のタイプはさまざまであるが、本発明の分野では、リニア圧縮機のみに焦点をあてることになる。 Thus, the importance of the compressor in the cooling circuit cannot be denied. Although there are various types of compressors applied to the cooling system, the field of the present invention will focus only on linear compressors.
ピストンとシリンダの間の相対運動に起因して、ピストンに軸受配置を具備する必要がある。この軸受配置は、ピストンの外径とシリンダの内径の間のクリアランス内に流体が存在し、これらの間の接触およびその帰結としてのピストンおよび／またはシリンダの早期摩耗を防止することからなる。前記２つの構成要素の間の流体の存在は同様に、それらの間の摩擦を減少させ、こうして圧縮機の機械的損失を低減させることにも役立つ。 Due to the relative movement between the piston and the cylinder, it is necessary to provide the piston with a bearing arrangement. This bearing arrangement consists of the presence of fluid in the clearance between the outer diameter of the piston and the inner diameter of the cylinder, preventing contact between them and the resulting premature wear of the piston and / or cylinder. The presence of fluid between the two components also helps to reduce the friction between them and thus reduce the mechanical loss of the compressor.
ピストンに軸受配置を具備する方法の１つは、静圧気体軸受を用いる方法であり、これは本質的にピストンとシリンダの間に気体軸受配置を作り上げてこれら２つの構成要素の間の摩耗を防止することからなる。このタイプの軸受配置を使用する理由の１つは、他のいかなる油よりも低い粘性摩擦係数を有し、こうして静圧気体軸受システム内で使用されるエネルギーを油潤滑のものよりもはるかに少なくすることに寄与し、こうして圧縮機の出力の改善が達成されるという事実によってその正当性が立証されている。潤滑流体として冷却用気体そのものを使用する結果得られる１つの利点は、油圧送システムの不在にある。 One way to provide a piston bearing arrangement is to use a hydrostatic gas bearing, which essentially creates a gas bearing arrangement between the piston and cylinder to reduce wear between these two components. Consists of preventing. One reason for using this type of bearing arrangement is that it has a lower coefficient of viscous friction than any other oil, thus much less energy is used in hydrostatic gas bearing systems than that of oil lubrication. That is justified by the fact that an improvement in compressor output is achieved. One advantage that results from using the cooling gas itself as the lubricating fluid is the absence of a hydraulic delivery system.
図１および２を見ると、気体圧縮機がシリンダの内部でのピストンの軸方向揺動運動を通して行なわれることがわかる。シリンダの上部には、ピストンおよびシリンダと併せて圧縮チャンバを形成するヘッドがある。ヘッドには、排気および吸気弁が位置づけされており、これらがシリンダ内への気体の出入りを調節する。この場合、ピストンは、圧縮機のリニアモータに接続された状態にとどまるアクチュエータによって起動させられる。 1 and 2, it can be seen that the gas compressor is operated through an axial rocking motion of the piston inside the cylinder. At the top of the cylinder is a head that, together with the piston and cylinder, forms a compression chamber. Exhaust and intake valves are positioned on the head, and these regulate the gas flow into and out of the cylinder. In this case, the piston is actuated by an actuator that remains connected to the linear motor of the compressor.
リニアモータによって起動される圧縮機ピストンは、線形交互運動を発生させ、シリンダ内部のピストン運動によって、排気弁を通して高圧側に排出される位置になるまで、吸気弁により吸入された気体の圧縮作用が及ぼされるようにするという機能を有する。 The compressor piston activated by the linear motor generates linear alternating motion, and the compression action of the gas sucked by the intake valve until the piston is moved to the high pressure side through the exhaust valve by the piston motion inside the cylinder. It has the function of making it reach.
静圧気体軸受配置を適正に機能させるためには、シリンダが外部的に関与する高圧領域とピストンとシリンダ間のクリアランスとの間に流量絞り弁を使用することが必要である。この制限は、軸受配置領域内の圧力を制御し、気体流を制限するのに役立つ。 In order for the hydrostatic gas bearing arrangement to function properly, it is necessary to use a flow restrictor between the high pressure region where the cylinder is externally involved and the clearance between the piston and the cylinder. This restriction helps to control the pressure in the bearing placement area and restrict the gas flow.
考えられるさまざまな解決法の中でも、ピストンの静圧気体軸受配置を提供するために冷却回路の気体そのものを使用するのが通例である。このようにして、軸受配置内で使用される気体は全て、それが冷却システムの蒸発器内で冷気を生成することというその本来の機能から逸らされることから、圧縮機の効率の損失を表わす。したがって、軸受配置内で使用される気体流量が可能なかぎり低いことが、圧縮機効率を損なわないために望ましい。 Among the various possible solutions, it is customary to use the cooling circuit gas itself to provide a piston hydrostatic gas bearing arrangement. In this way, all the gas used in the bearing arrangement represents a loss of compressor efficiency since it is diverted from its original function of generating cold air in the evaporator of the cooling system. Therefore, it is desirable for the gas flow used in the bearing arrangement to be as low as possible in order not to compromise the compressor efficiency.
冷却用圧縮機の作動効率を高くするためには、このタイプの機器の全ての特徴的損失、例えば機械的損失（構成要素間の摩擦）、電気的損失（寄生電流の出現、モータ電流の通過に対する抵抗）または熱力学的損失（漏損、望ましくない熱の流れ）などを可能なかぎり低く保たなければならない。気体圧縮に関しては、圧縮機の効率を高くするためには、気体に対して実施される全ての仕事が冷却システム内で使用される必要がある。このため、気体の圧縮後の損失をひき起こすあらゆるタイプの漏損または現象が望ましくない。 In order to increase the operating efficiency of the cooling compressor, all the characteristic losses of this type of equipment, such as mechanical losses (friction between components), electrical losses (appearance of parasitic current, passage of motor current) Resistance) or thermodynamic losses (leakage, undesirable heat flow) etc. should be kept as low as possible. With respect to gas compression, all work performed on the gas needs to be used in the cooling system in order to increase the efficiency of the compressor. For this reason, any type of leakage or phenomenon that causes loss after gas compression is undesirable.
いずれにせよ、軸受配置を提供するためには、シリンダ壁とピストン壁の間には気体が存在しなければならないことから、漏損はつねに存在する。ただし、効率上の論理によれば、圧縮機の効率に著しく影響を及ぼさないように気体漏損を可能なかぎり低く保つことが求められる。 In any case, leakage is always present because gas must be present between the cylinder wall and the piston wall to provide a bearing arrangement. However, efficiency logic requires that the gas leakage be kept as low as possible without significantly affecting the efficiency of the compressor.
圧縮機内の主たる漏損源は、排気弁および吸気弁ならびにピストンとシリンダの間のクリアランスである。ピストンとシリンダの間のクリアランスを以下周囲クリアランスと呼ぶ。 The main sources of leakage in the compressor are the exhaust and intake valves and the clearance between the piston and cylinder. The clearance between the piston and the cylinder is hereinafter referred to as ambient clearance.
圧縮機効率の低下をひき起こす現象をより良く理解するために、ピストン上部とシリンダヘッドの間の領域は圧縮チャンバと呼ばれ、そこに気体上の高い圧力が発生する場所が存在する。ピストン底部とヘッドの反対側のシリンダ部分との間にある領域は低圧領域と呼ばれる。 In order to better understand the phenomenon that causes a reduction in compressor efficiency, the area between the piston top and the cylinder head is called the compression chamber, where there is a place where high pressure on the gas is generated. The area between the piston bottom and the cylinder part opposite the head is called the low pressure area.
静圧気体軸受配置を使用するリニア圧縮機においては、気体の損失に関係する２つの現象が発生し、これらの現象が、本技術を理解するための観察対象となる。 In a linear compressor using a hydrostatic gas bearing arrangement, two phenomena related to gas loss occur, and these phenomena are the observation targets for understanding the present technology.
（漏損）
漏損という現象は、周囲クリアランスを通って高圧領域（ピストン上部より上）と低圧領域（ピストン底部より下）の間で循環する気体の量によって定義される。この漏損現象は、ピストンが圧縮段階にある時、すなわちヘッドに向かって移動しているときにつねに発生する。このピストン運動が起こった場合、気体は、周囲クリアランスを通り、クリアランスの長さ（Ｃｆ）全体にわたり排気圧力（Ｐｄ）まで圧縮され、圧縮チャンバの反対側にある吸気圧力領域（Ｐｓ）に到達する。この気体は、冷気を生成するという主要な役目を果たすために圧縮機から冷却システム内に出て行くことはないという点を指摘しておかなければならない。
(Leakage)
The phenomenon of leakage is defined by the amount of gas circulating through the ambient clearance between the high pressure area (above the top of the piston) and the low pressure area (below the bottom of the piston). This leakage phenomenon always occurs when the piston is in the compression stage, i.e. moving towards the head. When this piston motion occurs, the gas passes through the ambient clearance, is compressed to the exhaust pressure (Pd) over the entire clearance length (Cf), and reaches the intake pressure region (Ps) on the opposite side of the compression chamber. . It should be pointed out that this gas does not exit the compressor into the cooling system in order to play the main role of generating cold air.
（不可逆性）
熱力学にとって不可逆性とは、あらゆる現実のプロセスにおける特性であり、それらの源は散逸プロセスである。静圧気体軸受配置が具備されたシステムは、シリンダとピストンの間のクリアランス内に気体のごく一部が存在することによってひき起こされる圧縮における不可逆性現象の影響を受ける。不可逆性は、気体のごく一部が周囲クリアランスに流入したまたはそこから流出した結果としてのエネルギーの損失であるものとして理解することができる。
(Irreversible)
Irreversibility for thermodynamics is a property in any real process and their source is a dissipative process. Systems equipped with hydrostatic gas bearing arrangements are subject to irreversible phenomena in compression caused by the presence of a fraction of the gas in the clearance between the cylinder and the piston. Irreversibility can be understood as a loss of energy as a result of a small portion of the gas flowing into or out of the ambient clearance.
軸受配置が具備されたリニア圧縮機の技術を考慮すると、負荷損失につねに、不可避的にエネルギーを消費する気体の流れに結びつけられ、圧縮機はこの不可逆性現象によるマイナスの影響を受ける。 Considering the technology of linear compressors with bearing arrangements, the load loss is inevitably linked to the flow of gas that consumes energy, and the compressor is negatively affected by this irreversible phenomenon.
（問題点）
漏損および不可逆性現象の反動をより良く理解するため、図５は、ピストンとシリンダ間のクリアランスの関数としての前記２つの効果によって消費される出力に関する実験結果を示している。不可逆性および漏損に起因する損失が同時に発生するという点を指摘しておかなければならない。
(problem)
To better understand the leakage and reaction of the irreversible phenomenon, FIG. 5 shows experimental results on the power consumed by the two effects as a function of the clearance between the piston and cylinder. It should be pointed out that losses due to irreversibility and leakage occur simultaneously.
およそ５μｍというピストンとシリンダ間の寸法変動がおよそ２Ｗ〜１０Ｗの出力損失をもたらすこと、すなわちピストン・シリンダアセンブリ内のクリアランスが大きくなればなるほど付随する動力損失は大きくなることから、図５中のグラフは効力損失の重大さについていかなる疑いも残さない。 Since the dimensional variation between the piston and the cylinder of about 5 μm results in an output loss of about 2 W to 10 W, that is, as the clearance in the piston / cylinder assembly increases, the accompanying power loss increases. Leaves no doubt about the severity of the loss of efficacy.
したがって、静圧気体軸受配置が具備されたリニア圧縮機の技術に、周囲クリアランスに起因するエネルギー効率損失の増大を抑制する解決法が必要とされていることは、疑いのない事実である。 Therefore, there is no doubt that the technology of linear compressors equipped with hydrostatic gas bearing arrangements needs a solution that suppresses the increase in energy efficiency loss due to ambient clearance.
こうして、現在のところ、軸受配置をピストンに具備するために冷却気体が使用されていることに起因して、効率損失を有効に削減することのできる静圧気体軸受配置が具備されたリニア圧縮機は全く存在しない。換言すると、本発明は、特定の周囲クリアランスを削減することならびに、エンドユーザーにとってのそしてより優れたエネルギー効率の結果により環境にとってのメリットも保証する生産的な実施が容易である解決法を提供することによって、軸受配置を提供する上での効率損失を抑制するように設計された幾何学的および寸法上の関係を達成しようとするものである。 Thus, at present, a linear compressor with a hydrostatic gas bearing arrangement that can effectively reduce efficiency losses due to the use of cooling gas to provide the bearing arrangement on the piston. Does not exist at all. In other words, the present invention provides a solution that is easy to implement in a productive manner that reduces specific ambient clearances as well as guarantees environmental benefits for the end user and better energy efficiency results. This is intended to achieve a geometric and dimensional relationship designed to reduce the efficiency loss in providing the bearing arrangement.
したがって、本発明の目的は、静圧気体軸受配置が具備されたリニア圧縮機の気体に起因する効率損失を最小限に抑えることにある。 Accordingly, it is an object of the present invention to minimize efficiency losses due to the gas in a linear compressor equipped with a static pressure gas bearing arrangement.
本発明の目的は、ピストン・シリンダアセンブリ間に間隔を提供して、冷却プロセス内で使用されないより高い気体密度が存在するクリアランスを削減させることにもある。 It is also an object of the present invention to provide a clearance between the piston and cylinder assembly to reduce clearance in the presence of higher gas densities that are not used in the cooling process.
本発明のさらなる目的は、静圧気体軸受配置が具備されたリニア圧縮機の最大効率を保証するためのピストン・シリンダアセンブリ内の寸法関係および形状の関係を提供することにある。 It is a further object of the present invention to provide a dimensional and shape relationship within the piston and cylinder assembly to ensure maximum efficiency of a linear compressor with a hydrostatic gas bearing arrangement.
本発明の目的は、ピストン・シリンダアセンブリにおいて、ピストンが、シリンダ内で変位可能な形で位置づけされており、ピストンが、上死点と下死点の間を移動し、シリンダの内側壁とピストンの外側壁の間には、ピストンに静圧気体軸受配置を具備するための周囲クリアランスが存在する、アセンブリであって、
ピストンがその上死点にある場合ピストンの上部部分内で最小の周囲クリアランスが発生するピストン・シリンダアセンブリならびに、上述のピストン・シリンダアセンブリを含むリニア圧縮機を用いて達成される。
It is an object of the present invention to position a piston in a piston / cylinder assembly so that the piston is displaceable in the cylinder, the piston moves between top dead center and bottom dead center, and the inner wall of the cylinder and the piston There is a peripheral clearance between the outer walls of the piston to provide a hydrostatic gas bearing arrangement on the piston,
This is accomplished using a piston / cylinder assembly in which minimal circumferential clearance occurs in the upper portion of the piston when the piston is at its top dead center, as well as a linear compressor including the piston / cylinder assembly described above.
本発明の目的は、リニア圧縮機のためのピストン・シリンダアセンブリにおいて、ピストンがシリンダ内に変位可能な形で位置づけされており、ピストンが高圧部分と低圧部分の間を移動し、高圧部分が低圧部分よりも高い気体密度を有し、気体を用いた静圧気体軸受配置を伴うピストンを提供するためにシリンダの内側壁とピストンの外側壁の間に周囲クリアランスが画定されているアセンブリであって、周囲クリアランスの寸法が、周囲クリアランス内の気体密度に反比例する形で変動するピストン・シリンダアセンブリを用いて達成される。 An object of the present invention is to provide a piston / cylinder assembly for a linear compressor, in which the piston is positioned so as to be displaceable in the cylinder, the piston moves between a high pressure portion and a low pressure portion, and the high pressure portion is a low pressure portion. An assembly having a higher gas density than the part and having a peripheral clearance defined between an inner wall of the cylinder and an outer wall of the piston to provide a piston with a hydrostatic gas bearing arrangement using gas. The dimensions of the ambient clearance are achieved using a piston and cylinder assembly that varies in a manner that is inversely proportional to the gas density within the ambient clearance.
本発明についてここで、図面に表わされた実施例を参照しながらさらに詳細に記述する。 The invention will now be described in more detail with reference to the embodiments represented in the drawings.
本発明は、静圧気体軸受配置を伴うリニア圧縮機のピストン・シリンダアセンブリのエネルギー効率および生産プロセスの両方における技術的進歩を提案するものである。 The present invention proposes a technological advance in both energy efficiency and production process of a linear compressor piston and cylinder assembly with a hydrostatic gas bearing arrangement.
冷却回路の機能原理によると、図１に示されているように、好ましくは気体圧縮機は、シリンダ２内部でのピストン１の軸方向および揺動運動によって起こる。ヘッド３には、シリンダ２の内外への気体の出入りを調節する排気弁５および吸気弁６が位置づけされている。さらに、ピストン１は、リニア圧縮機モータに接続されたアクチュエータ７によって起動させられるが、これについては、本明細書でさらに説明しない。 According to the functional principle of the cooling circuit, as shown in FIG. 1, the gas compressor is preferably caused by the axial and oscillating movement of the piston 1 within the cylinder 2. The head 3 is provided with an exhaust valve 5 and an intake valve 6 that adjust the flow of gas into and out of the cylinder 2. Furthermore, the piston 1 is activated by an actuator 7 connected to a linear compressor motor, which is not further described herein.
圧縮機のピストン１は、リニアモータにより起動させられた時点で、線形交互運動を起こし、吸気弁６が取込む気体を排気弁５を通して高圧側に排気できる程度まで圧縮させるピストン１の運動をシリンダ２の内部で提供するという機能を有する。 When the piston 1 of the compressor is actuated by a linear motor, it causes linear alternating motion, and the movement of the piston 1 is compressed to the extent that the gas taken in by the intake valve 6 can be exhausted to the high pressure side through the exhaust valve 5. 2 is provided inside.
シリンダ２はブロック８および、圧縮機をシステムの残りの部分に連結する排気パッサー（passer）１０および吸気パッサー１１を伴うカバー９の内部に取付けられている。 The cylinder 2 is mounted inside a block 8 and a cover 9 with an exhaust passer 10 and an intake passer 11 connecting the compressor to the rest of the system.
前述の通り、ピストン１とシリンダ２の間の相対運動には、運動中これらを分離する目的でピストン１の軸受配置が必要とされ、これは、２つの壁の間の周囲クリアランス１２内に流体が存在することで構成される。潤滑流体として気体そのものを使用することの利点は、油圧送システムが無くなることにある。 As mentioned above, the relative movement between the piston 1 and the cylinder 2 requires a bearing arrangement of the piston 1 for the purpose of separating them during movement, which is a fluid in the peripheral clearance 12 between the two walls. Is composed of The advantage of using the gas itself as the lubricating fluid is that there is no hydraulic feed system.
好ましくは、軸受配置のために使用される気体は、圧縮機により圧送され冷却システム内で求められる気体そのものであってよい。この場合、気体は、圧縮後に排気チャンバ１３から、溝路１４を通ってカバー９からシリンダ２のまわりの加圧領域１５に至るまで迂回させられ、ここで加圧領域１５は、シリンダ２の外径とブロック８の内径によって形成される。 Preferably, the gas used for the bearing arrangement may be the gas itself pumped by the compressor and required in the cooling system. In this case, after compression, the gas is diverted from the exhaust chamber 13 through the groove 14 to the pressure region 15 around the cylinder 2 from the cover 9, where the pressure region 15 is outside the cylinder 2. It is formed by the diameter and the inner diameter of the block 8.
加圧領域１５から、気体は、シリンダ壁２内に挿入された絞り弁１６、１７、１８、１９を通って、ピストン１とシリンダ２の間に存在する周囲クリアランス１２に向かって移行し、ピストン１とシリンダ２の間の接触を防止する気体クッションを形成する。 From the pressurizing region 15, the gas passes through the throttle valves 16, 17, 18, 19 inserted in the cylinder wall 2 toward the peripheral clearance 12 existing between the piston 1 and the cylinder 2. A gas cushion is formed to prevent contact between 1 and cylinder 2.
加圧領域１５と周囲クリアランス１２の間の気体流を制限するためには、絞り弁１６、１７、１８、１９を使用する必要がある。気体の主たる機能が冷却システムに送られ冷気を生成することにあるため、軸受配置内で使用される気体全体は圧縮機の効率損失に相当することから、この制限は軸受配置領域内の圧力を制御し気体流を制限するのに役立つ。したがって、軸受配置に迂回された気体は、圧縮機の効率を損わないように可能なかぎり少量でなければならないという点を指摘しておくべきである。 In order to restrict the gas flow between the pressurization zone 15 and the surrounding clearance 12, it is necessary to use the throttle valves 16, 17, 18, 19. Because the main function of the gas is to send it to the cooling system to generate cool air, the total gas used in the bearing arrangement corresponds to a loss of compressor efficiency, so this limitation reduces the pressure in the bearing arrangement area. Helps to control and restrict gas flow. Therefore, it should be pointed out that the gas diverted to the bearing arrangement should be as small as possible so as not to impair the efficiency of the compressor.
シリンダ２内部のピストン１の平衡を維持するために、シリンダ２の所与の区分内に好ましくは少なくとも３つの絞り弁１６、１７、１８、１９が必要であり、シリンダ２上には、絞り弁１６、１７、１８、１９の少なくとも２つの領域が必要である。絞り弁は、ピストン１が揺動運動にある場合でも、絞り弁１６、１７、１８、１９の網羅域を外れることが決してない、すなわちピストンが絞り弁１６、１７、１８、１９の活動部域から外に出ることがないような位置になければならない。 In order to maintain the balance of the piston 1 inside the cylinder 2, preferably at least three throttle valves 16, 17, 18, 19 are required in a given section of the cylinder 2. At least two regions 16, 17, 18, 19 are required. The throttle valve never goes out of the coverage area of the throttle valves 16, 17, 18, 19 even when the piston 1 is in a swinging motion, i.e. the piston is in the active area of the throttle valves 16, 17, 18, 19 It must be in a position where it cannot go out of the room.
図２は、シリンダ・ピストン１のアセンブリの内部に存在する表現に関する情報を提示している。図２の瞬間は、ピストン１がもたらす気体圧縮運動に対応している。この瞬間には、ピストン１の反対側の領域に存在する圧力よりもはるかに高い気体排気圧力が存在している。 FIG. 2 presents information on the representations present inside the cylinder / piston 1 assembly. The moment in FIG. 2 corresponds to the gas compression movement brought about by the piston 1. At this moment, there is a gas exhaust pressure that is much higher than the pressure present in the region opposite the piston 1.
圧縮機の効率低下をひき起こす現象をより良く理解するため、ピストン１の上部とシリンダヘッド３の間の領域を、高圧領域と呼ぶ。ピストンシリンダヘッド３は、低圧領域と呼ばれる。 In order to better understand the phenomenon that causes a reduction in the efficiency of the compressor, the region between the upper portion of the piston 1 and the cylinder head 3 is referred to as a high pressure region. The piston cylinder head 3 is called a low pressure region.
同様に、ピストン１の上部がシリンダヘッド３に最も近い点にある場合、これを上死点（ＴＤＥ・ＰＭＳ）と呼び、ピストン１の上部がシリンダヘッド３から最も遠い点にある場合、これを（ＬＤＥ・ＰＭＩ）と呼ぶ。したがって、ピストン１は、上死点（ＴＤＥ・ＰＭＳ）と下死点（ＬＤＥ・ＰＭＩ）の間で線形運動を行う。 Similarly, when the upper part of the piston 1 is at the point closest to the cylinder head 3, this is called top dead center (TDE · PMS), and when the upper part of the piston 1 is at the point farthest from the cylinder head 3, (LDE / PMI). Therefore, the piston 1 performs linear motion between the top dead center (TDE · PMS) and the bottom dead center (LDE · PMI).
当然のことながら、圧縮時の気体圧力は高圧領域においてより高いものである。この気体は、ピストンの直径（Ｐｄ・Ｄｐ）とシリンダの直径（Ｃｄ・Ｄｃ）の間の差によって画定される周囲クリアランス１２まで流れ、この場合ピストン１の長さに対応するクリアランス（Ｃｆ）の全長を進む。本発明をより長く定義するために、周囲クリアランス１２内に存在する表現に関しては、周囲クリアランス１２の上部および周囲クリアランス１２の底部がクリアランス（Ｃｆ）全体を通して変動することを理解すべきである。 Naturally, the gas pressure during compression is higher in the high pressure region. This gas flows to a peripheral clearance 12 defined by the difference between the piston diameter (Pd · Dp) and the cylinder diameter (Cd · Dc), in this case the clearance (Cf) corresponding to the length of the piston 1 Go the full length. In order to define the present invention longer, it should be understood that with respect to the expressions present in the peripheral clearance 12, the top of the peripheral clearance 12 and the bottom of the peripheral clearance 12 vary throughout the clearance (Cf).
すでに実証した通り、ピストン１とシリンダ２の間のクリアランスのサイズは、極めて高い関係性で圧縮機の効率損失をひき起こす。より優れた解決法を入手するためには、漏損および不可逆性という要因のいずれが効率損失に対しより大きい影響力をもつかを検出しなければならない。そのためには、理論モデルを使用する。 As already demonstrated, the size of the clearance between the piston 1 and the cylinder 2 causes a compressor efficiency loss in a very high relationship. In order to obtain a better solution, one must detect which of the factors of leakage and irreversibility has a greater impact on efficiency loss. For this purpose, a theoretical model is used.
いずれにせよ、シミュレーションの結果について説明する前に、気体の挙動についてのいくつかの特性についてコメントする必要がある。したがって、冷却器の熱交換は、気体質量中で、体積および圧力がその絶対温度に正比例し、かつ、互いに反比例することを実証する「完全気体の一般方程式」に基づいている。 In any case, it is necessary to comment on some characteristics of the gas behavior before describing the simulation results. Thus, the heat exchange of the cooler is based on a “general equation for a complete gas” that demonstrates that in gas mass, volume and pressure are directly proportional to their absolute temperature and inversely proportional to each other.
さらに、周囲クリアランス１２によって確立される気体流に関するいくつかの特性を総合することが必要である。すなわち、
・あらゆる流体についてあてはまるように、クリアランス内の気体流は負荷損失を示す。
・気体は圧縮性流体であり、したがって、負荷損失により気体圧力はクリアランス全体で変動させられることになり、その結果、その密度も変動する。
・ピストンの長さ全体にわたる周囲クリアランス１２内の圧力プロファイル、ひいては気体密度は、圧縮サイクルの瞬間に応じて異なる形態をとる。
Furthermore, it is necessary to combine several characteristics relating to the gas flow established by the ambient clearance 12. That is,
• The gas flow in the clearance shows load loss, as is true for any fluid.
• Gas is a compressible fluid, so gas loss will cause the gas pressure to fluctuate throughout the clearance due to load loss and consequently its density.
The pressure profile in the ambient clearance 12 over the entire length of the piston, and thus the gas density, takes different forms depending on the moment of the compression cycle.
記述された特性に応じて、理論モデルを算定するために２つの異なる瞬間が考慮された。瞬間１は図３に対応し、ピストンがその上死点にある場合に発生する。同様に、瞬間２は図４に対応し、ピストン１がその吸気運動の始めにある場合に発生する。 Depending on the properties described, two different moments were taken into account for calculating the theoretical model. Instant 1 corresponds to FIG. 3 and occurs when the piston is at its top dead center. Similarly, moment 2 corresponds to FIG. 4 and occurs when piston 1 is at the beginning of its inspiratory motion.
図６は、シリンダ２との関係におけるピストン１の圧力、位置および時間の一関数としての周囲クリアランス内の圧力プロファイルを示す。このグラフは、ピストン１の揺動運動サイクルがＸ軸に対応することを示しており、１５０ｍｓ前後に瞬間１および２、点線（標示ｉ１およびｉ２を参照）を識別することができる。Ｙ軸における変動の増加は、ピストン１とシリンダ２とのクリアランスに沿った位置に対応する。最後に、圧力上昇は、Ｚ軸における増加に対応する。このグラフから、以下のことを考慮することができる。
ｉ）瞬間１（ｉ１）において、ピストン１全体にわたる圧力プロファイルおよびピストン１の基部領域における最小値。換言すると、底部における圧力は、ピストン１の上部における圧力の如何に関わらず、つねに最小である。
ｉｉ）瞬間２（ｉ２）において、周囲クリアランス１２全体にわたる圧力プロファイル（点線）は、周囲クリアランス１２の中央領域でその最大値を有し、底部に最小圧力があり、周囲クリアランス１２の上部に中間圧力がある。
FIG. 6 shows the pressure profile in the ambient clearance as a function of the pressure, position and time of the piston 1 in relation to the cylinder 2. This graph shows that the oscillating motion cycle of the piston 1 corresponds to the X axis, and the instants 1 and 2 and the dotted lines (see the signs i1 and i2) can be identified around 150 ms. The increase in fluctuation in the Y axis corresponds to the position along the clearance between the piston 1 and the cylinder 2. Finally, the pressure increase corresponds to an increase in the Z axis. From this graph, the following can be considered.
i) At moment 1 (i1), the pressure profile over the entire piston 1 and the minimum value in the base region of the piston 1. In other words, the pressure at the bottom is always minimal, regardless of the pressure at the top of the piston 1.
ii) At instant 2 (i2), the pressure profile (dotted line) over the entire ambient clearance 12 has its maximum value in the central region of the ambient clearance 12, with a minimum pressure at the bottom and an intermediate pressure at the top of the ambient clearance 12 There is.
ピストン１とシリンダ２の間の周囲クリアランス１２を通る気体質量流量は、各々の時点で、図６に示された圧力プロファイルおよびクリアランス１２全体を通した気体密度にしたがって挙動する。図７の図表は、ピストン１の揺動と等価の時間全体にわたるピストン１の底部および上部領域内の質量流量を示し、図６のグラフ中ですでに言及した瞬間１および２（ｉ１およびｉ２）も同様に示している。 The gas mass flow through the ambient clearance 12 between the piston 1 and the cylinder 2 behaves according to the pressure profile shown in FIG. 6 and the gas density throughout the clearance 12 at each point in time. The diagram of FIG. 7 shows the mass flow in the bottom and top regions of the piston 1 over the time equivalent to the swing of the piston 1, and instants 1 and 2 (i1 and i2) already mentioned in the graph of FIG. Shows the same.
図７のグラフは、圧縮チャンバ４から外に出る流量が、負の質量流量すなわちピストン１の上部領域（ＴＰ）または底部領域（ＢＰ）内の負の質量流量に対応することを示している。正の流量は、圧縮チャンバ４に戻る気体を表わしている。 The graph of FIG. 7 shows that the flow out of the compression chamber 4 corresponds to a negative mass flow, ie a negative mass flow in the top region (TP) or bottom region (BP) of the piston 1. The positive flow rate represents the gas returning to the compression chamber 4.
さらに大部分の時間中、ピストン１の上部における質量流量が底部における質量流量と異なっているということを指摘することができる。さらに、周囲クリアランス１２の底部領域から恒常的な気体の漏損が存在すること（負の値の点線）、さらにはその質量流量がピストン１の揺動全体を通してわずかに変動することも指摘することができる。 Furthermore, it can be pointed out that during most of the time, the mass flow rate at the top of the piston 1 is different from the mass flow rate at the bottom. Furthermore, it should be pointed out that there is a constant gas leakage from the bottom region of the peripheral clearance 12 (negative dotted line) and that its mass flow rate varies slightly throughout the oscillation of the piston 1. Can do.
ピストン１の上部領域における周囲クリアランス１２内の質量流量に対応する実線は、気体が圧縮チャンバ４から出て、一定の時間、周囲クリアランス１２の中に進むことを示している（負の質量流量−横座標軸の下の実線）。 The solid line corresponding to the mass flow rate in the peripheral clearance 12 in the upper region of the piston 1 indicates that the gas exits the compression chamber 4 and proceeds into the peripheral clearance 12 for a certain time (negative mass flow − Solid line below the abscissa axis).
さらに、吸気動作の始めにおいて、周囲クリアランス１２内に残留していた気体は、圧縮チャンバ４に戻される。吸気弁６を通って圧縮チャンバ４内に進む吸気圧力（Ｐｓ）とは反対方向のこのような圧力は、圧縮チャンバ４内への気体の進入を損ない、こうして圧縮機の出力と干渉する。 Further, the gas remaining in the ambient clearance 12 at the beginning of the intake operation is returned to the compression chamber 4. Such pressure in the opposite direction to the intake pressure (Ps) traveling through the intake valve 6 and into the compression chamber 4 impairs the ingress of gas into the compression chamber 4 and thus interferes with the compressor output.
それぞれ瞬間１（ｉ１）および２（ｉ２）に対応する図３および４を図６および７のグラフに照らして注意深く検討すると、瞬間１（ｉ１）においてピストンが上死点（ＰＭＳ）にあり、ここで圧縮チャンバ４から出てピストン１の上部領域内で周囲クリアランス１２内に進む最大の質量流量（２．８Ｅ−１０（２．８×１０−１０）ｋｇ／ｓ）が存在し、ピストン１の底部領域を通る漏損が０．０４Ｅ−１０（０．０４×１０−１０）ｋｇ／ｓであることがわかる。 3 and 4 corresponding to moments 1 (i1) and 2 (i2), respectively, in light of the graphs of FIGS. 6 and 7, the piston is at top dead center (PMS) at moment 1 (i1), where There is a maximum mass flow rate (2.8E-10 (2.8 × 10 −10 ) kg / s) exiting the compression chamber 4 and proceeding into the surrounding clearance 12 in the upper region of the piston 1, It can be seen that the leakage through the bottom region is 0.04E-10 (0.04 × 10 −10 ) kg / s.
瞬間２について、約１．２Ｅ−１０（１．２×１０−１０）ｋｇ／ｓの最大流量は、周囲クリアランス１２の上部領域内での圧縮チャンバ４への気体の戻りの中で発生する。同じ瞬間において、底部を通る漏損はおよそ０．０９４Ｅ−１０（０．０９４×１０−１０）ｋｇ／ｓである。 For instant 2, a maximum flow rate of about 1.2E-10 (1.2 × 10 −10 ) kg / s occurs in the return of gas to the compression chamber 4 in the upper region of the ambient clearance 12. At the same moment, the leakage through the bottom is approximately 0.094E-10 (0.094 × 10 −10 ) kg / s.
換言すると、両方の瞬間１および２について、高密度を有する気体質量流量（ＧＡＤ）は、周囲クリアランス１２の上部領域内で発生し、低密度の気体流量（ＧＢＤ）は、周囲クリアランス１２の底部領域内で発生する。 In other words, for both instants 1 and 2, a gas mass flow rate (GAD) having a high density occurs in the upper region of the ambient clearance 12 and a low density gas flow rate (GBD) is generated in the bottom region of the ambient clearance 12. Occurs within.
図８および９の図表は、図７の図表が表わすものと同じ曲線を別個に示している。ピストンの上部領域内の質量流量を表わす図８を観察することにより、周囲クリアランス１２内に進む圧縮機サイクル一回あたりの気体質量が、質量流量曲線の負の部分と横座標軸（ＸＸ軸）の間の面積と等価であることが結論づけられる。同様に、さらに図８については、直径クリアランス１２の上部を通って圧縮チャンバ４に戻る気体質量は、横座標軸の上に表わされたグラフの部分と等価である。 The diagrams of FIGS. 8 and 9 separately show the same curves that the diagram of FIG. 7 represents. By observing FIG. 8 which represents the mass flow rate in the upper region of the piston, the gas mass per compressor cycle going into the ambient clearance 12 is shown in the negative part of the mass flow curve and the abscissa axis (XX axis). It is concluded that it is equivalent to the area between. Similarly, with further reference to FIG. 8, the gas mass returning to the compression chamber 4 through the top of the diameter clearance 12 is equivalent to the portion of the graph represented on the abscissa axis.
質量のこれら２つの量の差、またはグラフ上図８の横座標軸の上下の面積間の差は、ピストン１の底部を通る気体の漏損と等価の気体質量に対応し、後者は、それ自体図９内でグラフの黒くなった面積によって表わされている。 The difference between these two quantities of mass, or the difference between the areas above and below the abscissa axis of FIG. 8 on the graph, corresponds to a gas mass equivalent to a gas leak through the bottom of the piston 1, the latter being In FIG. 9, it is represented by the blackened area of the graph.
したがって、ピストン１とシリンダ２の間の周囲クリアランス１２内に進む全ての気体のうち、漏損の形で底部領域を通って漏出するのはわずかでしかないと結論づけることができる。気体の最大の部分は、周囲クリアランス１２と圧縮チャンバ４の間で変位する。 Therefore, it can be concluded that of all the gas traveling into the peripheral clearance 12 between the piston 1 and the cylinder 2, only a small amount leaks through the bottom region in the form of leakage. The largest part of the gas is displaced between the ambient clearance 12 and the compression chamber 4.
したがって図５に示されているピストン１とシリンダ２の間に存在する周囲クリアランス１２のために失なわれる出力の最大部分は、漏損効果に由来するものではなく、不可逆性効果に由来する。 Therefore, the maximum part of the power lost due to the ambient clearance 12 present between the piston 1 and the cylinder 2 shown in FIG. 5 is not due to the leakage effect but to the irreversible effect.
最大の気体密度は、ピストンがヘッド３に最も近いところにある場合に、この領域内の高い圧力が気体をさらに小さい体積へと圧縮できるという事実に起因して、ピストン１の上部領域内で発生する。 The maximum gas density occurs in the upper region of the piston 1 due to the fact that when the piston is closest to the head 3, the high pressure in this region can compress the gas to a smaller volume. To do.
圧縮の最大の効率損失の原因であるピストン１・シリンダ２のアセンブリの領域を識別することに基づき、本発明の焦点である高エネルギー効率の解決法を達成することが可能である。 Based on identifying the area of the piston / cylinder 2 assembly that is responsible for the greatest efficiency loss of compression, it is possible to achieve the high energy efficiency solution that is the focus of the present invention.
ピストン１とシリンダ２の間のクリアランスによってひき起こされる不可逆性効果を削減する方法は、クリアランスを可能なかぎり小さく保って、圧縮段階中に周囲クリアランス１２内で高圧気体の蓄積に活用される体積をさらに小さくすることによるものである。このようにして、圧縮チャンバ４と周囲クリアランス１２の間により小さい気体流量を確立することができる。 A way to reduce the irreversible effect caused by the clearance between the piston 1 and the cylinder 2 is to keep the clearance as small as possible so that the volume utilized for the accumulation of high pressure gas in the ambient clearance 12 during the compression phase. This is because it is further reduced. In this way, a smaller gas flow rate can be established between the compression chamber 4 and the ambient clearance 12.
しかしながら、ピストン１とシリンダ２の間の周囲クリアランス１２の削減の限界は、ピストン１とシリンダ２を製造するのに使用される製造プロセス（機械加工プロセス）の圧力限界にある。 However, the limit of the reduction of the peripheral clearance 12 between the piston 1 and the cylinder 2 is the pressure limit of the manufacturing process (machining process) used to manufacture the piston 1 and the cylinder 2.
概して、ピストン１とシリンダ２の間の周囲クリアランスは、以下の通りであってよい。すなわち、ピストン１の外側表面およびシリンダ２の内側表面上の円筒度誤差が低くなればなるほど、クリアランスは小さくなる。現在のところ、冷却用圧縮機におけるこのクリアランスは、約数μｍである。 In general, the peripheral clearance between the piston 1 and the cylinder 2 may be as follows: That is, the lower the cylindricity error on the outer surface of the piston 1 and the inner surface of the cylinder 2, the smaller the clearance. At present, this clearance in cooling compressors is about a few μm.
さらに、ピストン１およびシリンダ２などの部品について得られる円筒度誤差は、円筒形表面の長さすなわちピストン１とシリンダ２の長さによって左右されるということを指摘しておかなければならない。部品の長さが長くなればなるほど、それが示す円筒度誤差が大きくなるような関係がその間に確立される。こうして、周囲クリアランス１２を削減できるように円筒度誤差を減少させる１つの選択肢は、単にピストン１および／またはシリンダ２の長さを短縮することであるかもしれない。 Furthermore, it should be pointed out that the cylindricity error obtained for parts such as piston 1 and cylinder 2 depends on the length of the cylindrical surface, ie the length of piston 1 and cylinder 2. A relationship is established during which the longer the length of the part, the greater the cylindricity error it exhibits. Thus, one option to reduce the cylindricity error so that the peripheral clearance 12 can be reduced may simply be to shorten the length of the piston 1 and / or the cylinder 2.
図１０は、シリンダの円筒度誤差が大きいことに起因してピストン１の上部領域内に大きなクリアランスを有するピストン・シリンダアセンブリを示す。 FIG. 10 shows a piston and cylinder assembly having a large clearance in the upper region of the piston 1 due to the large cylinder cylindricity error.
しかしながら、ピストン１とシリンダ２の長さの減少は、潤滑油の代りに静圧気体軸受を使用する圧縮機には好適ではない。それは、静圧気体軸受がピストン１のために必要な支持を提供してピストン１・シリンダ２のアセンブリの間の接触を防ぐために、これらの圧縮機がより長いピストン１とシリンダ２を必要とするからである。そうでなければ、アセンブリは、早期摩耗そしてその結果としての効率損失を起こすと考えられる。 However, the reduction of the length of the piston 1 and the cylinder 2 is not suitable for a compressor that uses a static pressure gas bearing instead of the lubricating oil. It is necessary that these compressors require longer pistons 1 and cylinders 2 so that hydrostatic gas bearings provide the necessary support for piston 1 and prevent contact between the piston 1 and cylinder 2 assembly. Because. Otherwise, the assembly is believed to cause premature wear and consequent loss of efficiency.
本発明が解決すべき問題点は、専ら静圧気体軸受を使用する圧縮機に向けたものである。一方では、先の段落で言及した問題が存在し、他方では、冷却用気体が中を流れる周囲クリアランス１２を有するのは静圧気体軸受を伴う圧縮機のみである。 The problem to be solved by the present invention is exclusively directed to a compressor using a static pressure gas bearing. On the one hand, the problems mentioned in the previous paragraphs exist, and on the other hand, only compressors with hydrostatic gas bearings have an ambient clearance 12 through which the cooling gas flows.
シリンダ２内のピストン１の軸受配置および安定性の問題に起因して、円筒度誤差の削減を達成するためにピストン１とシリンダ２の長さを短縮することは不可能であったことから、より短かいピストン１またはシリンダ２の効果を達成できるようにする解決法が発見された。このような解決法は、ピストン・シリンダアセンブリの部品の１つの長さを削減する必要なくピストン１とシリンダ２の間の周囲クリアランス１２を削減させるという結果をもたらす。 Because of the bearing arrangement and stability issues of the piston 1 in the cylinder 2, it was impossible to reduce the length of the piston 1 and cylinder 2 to achieve a reduction in cylindricity error, A solution has been discovered that allows the effect of the shorter piston 1 or cylinder 2 to be achieved. Such a solution results in a reduction in the peripheral clearance 12 between the piston 1 and the cylinder 2 without having to reduce the length of one of the parts of the piston and cylinder assembly.
理論モデルの結果によって実証されたものによれば、ピストン１の上部の近くすなわちピストン１の領域の近くで周囲クリアランス１の削減が実施されればされるほど、（周囲クリアランス１２に出入りする最大の気体−質量流量が発生するのがこの領域内であるために）、不可逆性の低減効果が大きくなり、なおさら、可能なかぎり最小の周囲クリアランス１２が必要かつ有益となる。 According to the results of the theoretical model, the more the reduction of the ambient clearance 1 is performed near the top of the piston 1, that is, the region of the piston 1, Because the gas-mass flow rate is generated in this region), the irreversibility reduction effect is increased, and moreover, the smallest possible peripheral clearance 12 is necessary and beneficial.
クリアランスの長さ（Ｃｆ）全体、あるいはピストン１の揺動運動の全サイクルに、周囲クリアランス１２を削減する必要はないが、むしろ、排気圧力に近い圧力が圧縮チャンバ４内で発生した時点、すなわちピストン１がヘッド３に近くなった時点でそれが必要となる。 It is not necessary to reduce the ambient clearance 12 for the entire clearance length (Cf) or for the entire cycle of the oscillating movement of the piston 1, but rather when the pressure close to the exhaust pressure is generated in the compression chamber 4, i.e. It is necessary when the piston 1 is close to the head 3.
この点において、周囲クリアランス１２の問題は、ピストン１の底部領域内よりもピストン１の上部領域内でより小さいクリアランスを使用することによって、解決することができる。 In this regard, the problem of ambient clearance 12 can be solved by using a smaller clearance in the upper region of the piston 1 than in the bottom region of the piston 1.
好ましくは（ただし義務的にではなく）、不可逆性についての本発明の解決法は、クリアランスが有効に削減されることになる特定の部分を作り出すために、変動する横断面を有する構成要素（ピストンおよび／またはシリンダ）を使用することによるものである。これらの領域は、構成要素そのものの長さよりもかなり短かく、このため、内部構成要素の円筒度誤差よりも低い円筒度誤差を示す。 Preferably (but not mandatory), the solution of the present invention for irreversibility is a component (piston) with a varying cross-section in order to create a specific part where the clearance will be effectively reduced. And / or cylinder). These regions are much shorter than the length of the component itself, and thus exhibit a cylindricity error that is lower than the cylindricity error of the internal component.
したがって、専らこれらの領域において、ピストン１とシリンダ２の間のクリアランスを削減することが可能である。 Therefore, it is possible to reduce the clearance between the piston 1 and the cylinder 2 exclusively in these regions.
図１１〜１４は、より優れた圧縮機効率を保証するピストン・シリンダアセンブリのいくつかの考えられる実施形態を示す。ピストン１は、底部の直径が比較的小さいことに起因して、ピストン・シリンダアセンブリの底部におけるクリアランスの増大そしてその帰結としてピストン１の上部クリアランスの削減を可能にする。 FIGS. 11-14 illustrate several possible embodiments of piston and cylinder assemblies that ensure better compressor efficiency. The piston 1 allows an increase in clearance at the bottom of the piston and cylinder assembly and consequently a reduction in the top clearance of the piston 1 due to the relatively small diameter of the bottom.
解決法の如何に関わらず、ピストン１の上部部分内のクリアランスはつねに、ピストン・シリンダアセンブリの他のいずれの領域内よりも小さい。さらに、ピストン１がヘッド３に最も近くなると、周囲クリアランスはより小さいものとなる。 Regardless of the solution, the clearance in the upper portion of the piston 1 is always less than in any other area of the piston and cylinder assembly. Furthermore, the peripheral clearance is smaller when the piston 1 is closest to the head 3.
図１１〜１４は、ピストン１の底部直径がその本体の残りの部分に比べて削減されている解決法を見い出すことが可能であることを示している（図１１）。ピストン・シリンダアセンブリの上部領域内で削減された周囲クリアランス１２を達成しながら、ピストン１とシリンダ２のより可変的な断面の１つを通して、同じ結果を達成することが可能である。 FIGS. 11-14 show that it is possible to find a solution in which the bottom diameter of the piston 1 is reduced compared to the rest of its body (FIG. 11). It is possible to achieve the same result through one of the more variable cross sections of the piston 1 and cylinder 2 while achieving a reduced peripheral clearance 12 in the upper region of the piston and cylinder assembly.
図１２および１３は、ピストン１がシリンダ２上部に近づくにつれて周囲クリアランス１２を削減することを目的として、要素ピストン１またはシリンダ２のうちの１つの上で２つの異なる断面を使用するピストン１・シリンダ２のアセンブリの考えられる幾何学的実施形態を示している。 FIGS. 12 and 13 show that the piston 1 cylinder uses two different cross sections on one of the element piston 1 or the cylinder 2 with the aim of reducing the peripheral clearance 12 as the piston 1 approaches the top of the cylinder 2. 2 shows a possible geometric embodiment of the two assemblies.
図１２では、ピストン１は２つの異なる断面を示し、ピストン１の上部領域に隣接する断面は、ピストン１の下部部分に隣接する領域よりも大きい直径を有する。すなわち、ピストンの上部部分はピストン１の残りの部分よりも大きい寸法を有する。したがって、ピストン１は、その長手方向にわずかに弓なりに曲がっているシリンダ２の上部まで移動することから、直径クリアランス１２は、ピストン１がシリンダ２の上部に近くなった時点で最小限まで減少する。この長手方向にわずかに弓形になったシリンダ２の形状は、円弧上部形状と定義づけされてよい。 In FIG. 12, the piston 1 shows two different cross sections, and the cross section adjacent to the upper region of the piston 1 has a larger diameter than the region adjacent to the lower portion of the piston 1. That is, the upper part of the piston has a larger dimension than the rest of the piston 1. Thus, since the piston 1 moves to the top of the cylinder 2 that is slightly bowed in its longitudinal direction, the diameter clearance 12 decreases to a minimum when the piston 1 approaches the top of the cylinder 2. . The shape of the cylinder 2 that is slightly arcuate in the longitudinal direction may be defined as an arc upper shape.
図１３は、図１２に類似した状況を示すが、今度は、異なる直径が備わった２つの断面を有するのはシリンダ２である。当然のことながら、より小さい直径クリアランス１２を保証するために、シリンダ２はシリンダ上部により近いところに位置設定された部分において断面が狭窄され（シリンダ２の上部部分は、シリンダ２の残りの部分よりも小さい寸法を有する）、これが最小限必要な直径クリアランス１２を提供する。 FIG. 13 shows a situation similar to FIG. 12, but now it is the cylinder 2 that has two cross sections with different diameters. Of course, to ensure a smaller diameter clearance 12, the cylinder 2 is narrowed in cross-section at the portion located closer to the top of the cylinder (the upper portion of the cylinder 2 is more than the rest of the cylinder 2). This also provides the minimum necessary diameter clearance 12.
図１４は、これらの考えられる実施形態のうちの別の実施形態を示しており、これは錐台タイプの幾何形状を有するシリンダ２を用いて達成可能であり、ここで、より小さい直径の部分は、シリンダ２の上部領域内にあると考えられる。したがって、ピストン１の上部がシリンダ２の上部に近くなるにつれて、周囲クリアランス１２は削減される。 FIG. 14 shows another of these possible embodiments, which can be achieved with a cylinder 2 having a frustum-type geometry, where a smaller diameter part. Is considered to be in the upper region of the cylinder 2. Therefore, as the top of the piston 1 approaches the top of the cylinder 2, the peripheral clearance 12 is reduced.
したがって、本発明の解決法は、周囲クリアランス１２内に存在する気体の密度に反比例して周囲クリアランス１２の寸法が変動する１つの関係が確保された場合に達成される。 Thus, the solution of the present invention is achieved when a relationship is secured in which the dimensions of the ambient clearance 12 vary inversely proportional to the density of the gas present in the ambient clearance 12.
好ましい実施例について記述してきたが、本発明の範囲は、他の考えられる変形形態を包含し、考えられる等価物を含む添付のクレームの内容によってのみ限定されるということを理解すべきである。 Although preferred embodiments have been described, it should be understood that the scope of the present invention is limited only by the content of the appended claims including other possible variations and including possible equivalents.
Claims (23)
ピストン（１）が、シリンダ（２）の内部に変位可能な形で位置づけされており、
ピストンが、上死点（ＴＤＣ・ＰＭＳ）と下死点（ＢＤＣ・ＰＭＩ）の間を移動し、
シリンダ（２）の内側壁とピストン（１）の外側壁の間には、静圧気体軸受配置（１）のための周囲クリアランス（１２）が存在する、ピストン・シリンダアセンブリにおいて、
ピストン（１）がその上死点（ＴＤＣ・ＰＭＳ）にある場合、ピストン（１）の上部部分には最小の周囲クリアランスが存在することを特徴とするアセンブリ。 A piston and cylinder assembly,
The piston (1) is positioned in a displaceable manner inside the cylinder (2);
The piston moves between top dead center (TDC / PMS) and bottom dead center (BDC / PMI),
In the piston and cylinder assembly, there is a peripheral clearance (12) for the hydrostatic gas bearing arrangement (1) between the inner wall of the cylinder (2) and the outer wall of the piston (1).
Assembly characterized in that there is a minimum peripheral clearance in the upper part of the piston (1) when the piston (1) is at its top dead center (TDC · PMS).
ピストン（１）がシリンダ（２）内に変位可能な形で位置づけされており、
ピストン（１）が高圧部分（Ｐｄ）と低圧部分（Ｐｓ）の間を移動し、
高圧部分（Ｐｄ）が低圧部分（Ｐｓ）よりも高い気体密度を有し、
気体を用いた静圧気体軸受配置（１）のためにシリンダの内側壁とピストン（１）の外側壁の間に周囲クリアランス（１２）が画定されているピストン・シリンダアセンブリにおいて、
周囲クリアランス（１２）の寸法が、周囲クリアランス（１２）内の気体密度に反比例する形で変動することを特徴とするピストン・シリンダアセンブリ。 A piston and cylinder assembly for a linear compressor,
The piston (1) is positioned in a displaceable manner in the cylinder (2);
The piston (1) moves between the high pressure part (Pd) and the low pressure part (Ps);
The high pressure portion (Pd) has a higher gas density than the low pressure portion (Ps);
In a piston and cylinder assembly in which a peripheral clearance (12) is defined between the inner wall of the cylinder and the outer wall of the piston (1) for a hydrostatic gas bearing arrangement (1) using gas,
Piston and cylinder assembly characterized in that the dimensions of the peripheral clearance (12) vary in a manner that is inversely proportional to the gas density in the peripheral clearance (12).
ピストン（１）がシリンダ（２）内で変位可能な形に位置づけされており、
ピストン（１）が上死点（ＴＤＣ・ＰＭＳ）と下死点（ＢＤＣ・ＰＭＩ）の間を移動し、
シリンダ（２）の内側壁とピストン（１）の外側壁の間には、ピストン（１）の静圧気体軸受配置のための周囲クリアランス（１２）が存在するピストン・シリンダアセンブリにおいて、
ピストン（１）がその上死点（ＴＤＣ・ＰＭＳ）にある場合に周囲クリアランスが最小であり、ピストン（１）の上部部分に近くなればなるほど周囲クリアランス（１２）はより小さくなることを特徴とするピストン・シリンダアセンブリ。 A piston and cylinder assembly,
The piston (1) is positioned in a displaceable manner in the cylinder (2);
The piston (1) moves between top dead center (TDC / PMS) and bottom dead center (BDC / PMI),
In the piston and cylinder assembly, there is a peripheral clearance (12) for the static pressure gas bearing arrangement of the piston (1) between the inner wall of the cylinder (2) and the outer wall of the piston (1).
When the piston (1) is at its top dead center (TDC · PMS), the peripheral clearance is minimum, and the closer to the upper part of the piston (1), the smaller the peripheral clearance (12) is. Piston and cylinder assembly.
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