JP2016507026A - フローリストリクタ及びガス圧縮機 - Google Patents

Abstract

本発明は、ガス圧縮機のピストンとシリンダとの間の軸受装置に使用するためのフローリストリクタに関する。ガス圧縮機は、少なくとも、シリンダを外方から包含する、１つの保護ブロック、シリンダ内部のピストンによる圧縮運動から生じた吐出流によって流体を供給される、保護ブロックとシリンダとの間に配置された内部空洞、ピストンの外壁とシリンダの内壁とを分離する軸受装置クリアランス、内部空洞を軸受装置と流体的に連携させるハウジングを備えたフローリストリクタを備える。フローリストリクタは、ハウジング内部の少なくとも部分的な塑性変形の過程によってハウジングと連携させられ、フローリストリクタが外側及び内側の流体通過チャネルを備えており、内部空洞を通って軸受装置クリアランスへ流れるガス流量を制限するように塑性変形の規模が設定されている。本発明は、フローリストリクタを備えたガス圧縮機に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、ピストンとガス圧縮機シリンダとの間の軸受装置に使用される、ガス流量を制限及び／又は制御するのを可能にするように変形可能に形成された制限エレメントに関する。

本発明は、また、上述の少なくとも１つの制限エレメントを含むガス圧縮機に関する。

現在、冷却設備、例えば家庭用／商用／工業用冷蔵庫、ジェネレータ、及びエアコンディショナのガス圧縮機において採用するために、電動モータによって駆動されるピストン−シリンダ集成体を使用することが極めて一般的である。

上記のタイプの圧縮機の場合、電動モータはピストンを駆動する。ピストンはシリンダ内部で軸方向に交互に運動することによって、ガスを圧縮する。通常、シリンダヘッドにはガス吸込弁及びガス吐出弁が位置決めされている。ガス吸込弁及びガス吐出弁はそれぞれシリンダに対する低圧ガスの流入及び高圧ガスの流出を調整する。このように、圧縮機シリンダ内部でのピストンの軸方向運動は、吸込弁によって進入したガスの圧縮をもたらし、ガスの圧力を高くすることによって、ガス流を吐出弁を通して高圧領域に導く。

このタイプのガス圧縮機に観察される技術的課題の１つは、ピストンとシリンダとの直接的な接触を防止することである。このように、ピストンとシリンダとが相対運動するため、これら２つの部分間のクリアランス内に位置する流体によって軸受装置を形成し、これらの部分の時期尚早の摩耗を防止することが必要である。ピストンとシリンダとの間の流体の存在は、これらの部分間の摩擦を減少させることもでき、これにより、圧縮機の機械的損失を低減するのを可能にする。

リニア圧縮機はしばしば、空気静圧軸受装置として知られるタイプの軸受装置を使用する。この空気静圧軸受装置は、ピストンとシリンダとの間のガスマットレスという着想から成っており、これらの間のいかなる接触をも防止する。空気静圧軸受装置の使用は、他のタイプの軸受装置よりも有利である。なぜならばガスの粘性摩擦は油よりも極めて低いので、軸受装置のために散逸するエネルギーが低いからである。このことは圧縮機のより良好な出力に貢献する。ガスそれ自体を潤滑流体として使用することの別の利点は、油ポンピング・システムを使用する必要がないことである。

なお、軸受装置のために使用されるガスは、圧縮機によってポンピングされ冷却システム内で使用されるガスそれ自体の一部から成っていてよい。ガスはその圧縮後に、ピストンとシリンダとの間に存在するクリアランスに向かって迂回させられ、これらの間の接触を防止するガスマットレスを形成する。これに関しては、軸受装置に使用されるガス全体が圧縮機効率の損失となることが認められる。それというのも、圧縮ガスの主な機能は、低温を発生させるための冷却システムにおいて直接に使用することだからである。従って、軸受装置のために迂回させられるガス量部分は、圧縮機の効率を大幅に損なうことのないように、できる限り小さくなければならない。

通常、空気静圧軸受の効果的な機能を得るために、圧縮機の高圧領域からの圧縮ガス流量を制限し得るフローリストリクタを使用することが必要であり、これにより、ピストンとシリンダとの間のクリアランスに存在するガスの圧力は低くなり、この用途に適することになる。換言すれば、このような制限の目的は、圧縮機の高圧領域からの圧縮ガス流量を制限することによって、軸受装置領域内の圧力を低減又は制御できるようにすることである。

軸受装置領域内の圧力を低減するためのリストリクタという着想を可能にするように、種々の構造形態が既に開発されている。

例えば、ある特許文献に記載されたリストリクタは多孔質手段を含み、圧縮リングと一緒に多孔質テープが使用される（例えば、特許文献１参照。）。この形態の欠点は、圧縮リングを製造するのに精密さが必要となることにある。このことは寸法制御の難しさに加えて、生産プロセスを高価にしてしまう。

ある特許文献に開示されたリストリクタは、マイクロチャネルによって形成されており、これらのマイクロチャネルは外側シリンダ壁に近接して配置されており、外側シリンダ壁は、前記シリンダがその内部に挿入されたスリーブと一緒に、閉じられて分離されたチャネルを形成し、複数のリストリクタをもたらす（例えば、特許文献２参照。）。前述の特許の事例と同様に、このタイプの形態の欠点は、スリーブを製造する際に精密さが必要となることにあり、このことは製造コストを高くする。

ある特許文献に記載されたリストリクタは、レーザービームを当てることによって形成された、シリンダ壁に配置されたマイクロボアから成っている（例えば、特許文献３参照。）。ここでもやはり、マイクロボアの製造は高い精度を必要とし、このことは市場の競争価格での圧縮機の生産を実現不可能にする。

このように、ピストンとガス圧縮機シリンダとの間の軸受装置に使用される、ガス流量の制限を可能にする解決手段であって、良好な信頼性と申し分のない性能を示し、しかも低廉であり製造及び使用が容易である、申し分のない効率的な解決手段はまだ生み出されていない。

米国特許第６，９０１，８４５号明細書 米国特許第６，２９３，６８４号明細書 国際公開第２００８／０５５８０９号

本発明の第１の目的は、工業的な製造形態において容易に再現且つ制御し得る機械的圧縮過程によって金属ブシュを塑性変形することを介して達成される低コストのフローリストリクタを提供することである。ピストンとガス圧縮機との間の軸受装置に使用されるガスの流量及び圧力を結果的且つ比例的に制限するのを可能にするように、このリストリクタを、ブシュが受ける変形に基づいて形成して、前記ガス圧縮機の効率損失を低減又は防止することによって最適な性能を達成するべきである。

本発明の第２の目的は、ガス圧縮機によって圧縮されたガスの流量の少なくとも一部を、前記ガス圧縮機の構造的完全性又は効率を大きく損なうことなしに、フローリストリクタとして使用されるブッシュの長さに沿って存在する流体通過チャネル、例えば穴、クラック、空洞、又は孔などを通して、ピストンとシリンダとの間の軸受装置へ迂回させることができるフローリストリクタを提供することである。

本発明の第３の目的は、上述の目的の任意の組み合わせに基づくフローリストリクタを含むガス圧縮機を提供することである。

本発明の第１及び第２の目的は、ガス圧縮機のピストンとシリンダとの間の軸受装置に使用するためのフローリストリクタを提供することによって達成される。上記のガス圧縮機は、シリンダを外方から包含する少なくとも１つの保護ブロックを含んでいる。さらにガス圧縮機はまた、シリンダ内部のピストンによる圧縮運動から生じた吐出流によって流体を供給される、保護ブロックとシリンダとの間に配置された少なくとも１つの内部空洞を含んでいる。加えて、ガス圧縮機はさらに、ピストン外壁とシリンダ内壁とを分離する少なくとも１つの軸受装置を含んでいる。さらに、ガス圧縮機はまた、内部空洞を軸受装置クリアランスと連携させるハウジングを備えた少なくとも１つのフローリストリクタを含んでいる。上記のフローリストリクタはブシュを含み、ブシュは、このハウジング内部のブシュの少なくとも１つの塑性変形過程によって圧縮機ハウジングと連携させられ、このブシュは流体通過チャネルを備えており、塑性変形は、軸受装置内の空洞からのガス流量を制限するように規模設定されている。

前述の目的を達成する種々の別の形態を指摘することができる。これらの形態は、後で提示する本発明の別の実施態様を示す副次的な補完的変更形を含む。

このように、リストリクタはブッシュを平坦化することによって製造することができる。この場合、この平坦化がブシュの部分変形をもたらすか、又は全変形をもたらすことをも考慮する。この変形は１つの工具又は相互の運動を対向させる２つの工具によって形成することができる。

このリストリクタは金属材料、例えばアルミニウム、錫、銅、青銅又は黄銅から形成することもでき、この金属材料は顕著な多孔性を呈してよい。しかしながら、このブシュを製造するために、多孔性を正確に制御する必要はない。それというのも、ブシュを通るガス流量が所望の値に達する程度まで、ブシュ変形自体が孔を減少させるからである。

加えて、空洞から流体を軸受装置クリアランスに通す機能を有する前記チャネルは、複数の構造、例えば直線状溝、螺旋状溝、鋸歯、雌ねじ山から、又は単にスロット、穴、又は筒状又は円錐形の空洞によって得ることができる。

本発明の第３の目的は、シリンダと、シリンダ内で往復運動するピストンと、上記第１又は第２の形式に基づくフローリストリクタとを含むガス圧縮機を提供することによって達成される。

添付の図面を参照しながら本発明を以下に詳しく説明する。

図１は、本発明の対象でもあるフローリストリクタの第１の好ましい実施態様を含む本発明によるガス圧縮機を、吸込弁が開放状態にあるときで示す側断面図である。 図２は、図１に示されたガス圧縮機を、吸込弁が閉鎖状態にあるときで示す側断面図である。 図３は図２の第１の詳細図である。 図４は図２の第２の詳細図である 図５Ａは、本発明のフローリストリクタの第１の好ましい実施態様を示す斜視図である。 図５Ｂは、本発明のフローリストリクタの第２の好ましい実施態様を示す斜視図である。 図５Ｃは、本発明のフローリストリクタの第３の好ましい実施態様を示す斜視図である。 図５Ｄは、本発明のフローリストリクタの第４の好ましい実施態様を示す斜視図である。 図６は、本発明のフローリストリクタに施される変形の第１の好ましい実施態様を示す前断面図である。 図７は、本発明のフローリストリクタに施される変形の第２の好ましい実施態様を示す前断面図である。 図８Ａは、本発明のフローリストリクタの第５の好ましい実施態様を示す斜視図及び側断面図である。 図８Ｂは、本発明のフローリストリクタの第６の好ましい実施態様を示す斜視図及び側断面図である。

図１は、本発明の好ましい実施態様に基づくリニア・タイプのガス圧縮機を示している。

上記のガス圧縮機は少なくとも１つのピストン１と、少なくとも１つのシリンダ２と、ピストン１及びシリンダ２と一緒に圧縮室４を形成する、頂部又は底部に位置決めされた少なくとも１つのヘッド３とを含んでいる。シリンダ２内部のピストン１の軸方向振動運動は圧縮室４内部のガス圧縮を可能にする。

図１から判るように、ガス圧縮機はまた、ヘッド３に位置決めされた少なくとも１つの吸込弁６と吐出弁５とを備えている。これらの弁は圧縮室４に対するガスの流入及び流出を調整する。ガス圧縮機はまたリニアモータに連携するアクチュエータ７を備えている。アクチュエータはピストン１を作動させることができる。換言すれば、前記リニアモータによって作動させられたピストン１は、線状交互運動を発生させる機能を有している。線状交互運動は、シリンダ２内部でのピストン１の運動を可能にすることによって、吸込弁６を通して進入したガスを、これが吐出弁５を通って高圧側へ吐出され得るようになるまで、圧縮する作用をもたらす。

ガス圧縮機はまた、カバー９に位置決めされた吐出通路（discharge passer）１０と吸込通路（suction passer）１１とを備えている。これらの吐出通路１０及び吸込通路１１はガス圧縮機を冷却システムの他の部分、部材、及び構成部分と接続する。

さらに、ガス圧縮機はまた少なくとも１つの保護ブロック８を含んでいる。保護ブロック８はシリンダ２を外方から包含している。

加えて、ガス圧縮機は、保護ブロック８とシリンダ２との間に配置された少なくとも１つの内部空洞１５を含んでいる。内部空洞は、シリンダ２内部のピストン１による圧縮運動から生じた吐出流によって流体を供給される。内部空洞１５は、シリンダ２の外径と、保護ブロック８の内径とによって形成されている。

さらに、ガス圧縮機は少なくとも１つの軸受装置クリアランス１２を含む。軸受装置クリアランス１２は図１に示されているように、ピストン１の外壁とシリンダ２の内壁とを分離する。軸受装置のために使用されるガスは、ガス圧縮機によってポンピングされ冷却システム内で使用されるガス自体から成ることが好ましい。この圧縮ガスは、吐出チャンバ１３から接続チャネル１４を通って内部空洞１５へ迂回させられる。

ガス圧縮機は、やはり本発明の対象となる少なくとも１つのフローリストリクタ(restrictor)１６，１７を含んでいる。フローリストリクタ１６，１７は内部空洞１５を軸受装置１２と流体的に連携させるハウジングを備えている。ハウジングの形状はほぼ筒状又はほぼ円錐形であってよい。前述のように、フローリストリクタ１６，１７の機能は、ガス圧縮機のピストン１とシリンダ２との間に軸受装置を提供することである。換言すれば、内部空洞１５（高圧領域）と軸受装置１２との間に配置されたフローリストリクタ１６，１７は、軸受装置領域内の圧力を制御し、ガス流量を制限することができる。図２，３及び４から、本発明の空気静圧材料の機能が理解できる。接続チャネル１４によって吐出チャンバ１３に接続された内部空洞１５には、吐出圧力Ｐｄを有するガスが形成される。このガスはフローリストリクタ１６，１７に供給される。このガスはフローリストリクタ１６，１７を通過すると圧力を損失し、軸受装置クリアランス１２内で中間圧力Ｐｉのガスマットレスを形成する。これはピストン１を支持し且つピストンがシリンダ２の内壁に当接するのを防止する圧力である。最後に、ガスは軸受装置クリアランス１２から流出し、ガス圧縮機の吸込圧力Ｐｓに相当する低圧に達する。

シリンダ２の壁、そして結果としては例えばフローリストリクタ１６に接近するようにピストン１に何らかの軸方向の作用が加えられると、領域内の軸受装置クリアランス１２が減少する（図３、詳細Ａ）。軸受装置クリアランス１２の減少は、ガスがピストン１とシリンダ２との間にガスが流れる領域内で、ガス流装入量の損失を増大させる。装入量損失の増大は、フローリストリクタ１６と、フローリストリクタ１６に隣接する領域内の軸受装置クリアランスとを通るガス流量を減少させる。流量の減少はガス流の速度の低下を示唆する。このことはフローリストリクタ１６内の装入量の損失を低減する。フローリストリクタ１６を通るガス流装入量の損失が低減すると、フローリストリクタ１６の領域内の軸受装置クリアランス１２に達するガスが、中間圧力Ｐｉよりも高い圧力Ｐｉ’に達するのが可能になる。このような圧力増大は、フローリストリクタ１６の領域内のシリンダ２の壁にピストン１が接近するのを防止し、ピストン１とシリンダ２との接触を防止するのに役立つ。

他方において、軸受装置クリアランス１２の反対側の領域（図４、詳細Ｂ）では、ピストン１はシリンダ２の壁及びフローリストリクタ１７から離れる方向に動く。軸受装置クリアランス１２の増大は、クリアランス領域のガス流装入量の損失を減少させ、クリアランスとフローリストリクタ１７とを通るガス流量を増大させる。ガス流の速度が高くなることによって、フローリストリクタ１７内のガス流装入量の損失が増大する。これにより、ガスは中間圧力Ｐｉよりも低い圧力Ｐｉ’’で、フローリストリクタ１７の領域内の軸受装置クリアランス１２に達することになる。フローリストリクタの領域内の中間圧力が低下することは、軸受の力平衡を再確立し、ピストン１とシリンダ２の対向領域内の壁との接触を防止するのに役立つ。

ブシュとも呼ばれるフローリストリクタ１６，１７は、軸受装置の流体を通過させるための少なくとも１つのチャネルを備えたハウジングと連携させられる。このチャネルは、内部空洞１５から軸受装置クリアランス１２へ流れるガス流を正確に制限するために、チャネルを変形させることによって寸法設定された横断面を備えた制限部分を形成する。このようにして、ガスは、これらのチャネルの少なくとも１つを通って軸受装置クリアランス１２に向かう。軸受装置クリアランス１２は、ピストン１とシリンダ２との接触を防止するガスマットレスを形成する。

このように、ガス流を固定して制限することの原理は、力Ｆ（矢印で示す）を加える工具を用いてフローリストリクタ１６，１７に塑性変形を施し、段付き穴の底部にフローリストリクタ１６，１７を押し付けることにある。変形力Ｆは、フローリストリクタ１６，１７の長さを小さくするように加えられる。フローリストリクタは半径方向に変形させられる。その結果、そのチャネル又は溝の断面積、又は穴のうちの１つ又は２つの直径が漸減される。チャネル、溝、又は穴の断面積の減少は、それを通るガス流装入量の損失を大きくし、前記ガス流の圧力の降下を増大させる。所望の流量／圧力に達するためには、予め確立された変形を施すか、又は変形過程中の流量を測定し、所期流量に達したらこれを中断することができる。

考えられるいくつかの好ましい実施態様が、図５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄに示されている。これらの図面に示された実施態様では、変形可能なフローリストリクタ１６，１７はその構造の外面に表面仕上げを施されている。この表面仕上げは、ガスの通過のための空洞１９を備えた螺旋状溝１８（図５Ａ）、スロット２１（図５Ｂ）又は鋸歯（図５Ｃ）を備えた直線状溝２０、又はブシュの全長にわたる単純な穴２３（図５Ｄ）の形態で形成されている。

なお、本発明は上述の図面に示された実施態様に限定されることはない。従って、本発明の概念は、ハウジング壁に当て付けられたフローリストリクタ１６，１７、及びそのチャネルの、軸受装置流体の流量制御を保証する塑性変形能力にある。同時に、塑性変形によって得られたこのような制御は、フローリストリクタ１６，１７とハウジングとの連携を保証する。このように工業プロセスに関して多大な利点が得られる。それというのも、１つの単純なプロセス工程で優れた制限特性が得られるからである。

図６及び７に示された実施態様の場合、圧縮機のハウジングそれ自体の中で、仕上げによりブシュに塑性変形を施すことが可能である。図６に示された第１の実施例では、単一の工具２４が空洞１５と接触したままのブシュ面に力（矢印によって示す）を直接に加え、ブシュを永久変形させ、ガスの通過のために利用可能な断面積を調節することによってガス流量を制御する。この場合、ツール２４は、ハウジングによって支援される。このハウジングでは、一方の端部が段付き穴によって得られる。

フローリストリクタ１６，１７を変形させるこのような形態の変更形が図７に示されている。ここでは、第１工具２４によって加えられる変形力に抗する力を加える別の工具２４があり、この工具はフローリストリクタ１６，１７を変形させるステップ中に圧縮機構造が受ける応力を活性化する。

ブシュの変形を容易にするために、ブシュの幾何学的形状に変更を加え、結果として必要な塑性変形を達成するのに必要な力を低減することができる。従って図８に示されているように、ブシュ内に空洞２６，２７及び２８を形成して、変形することになる材料量を少なくし、圧縮荷重が大きくなるのを防止する。これらの空洞は、筒状又は円錐形を含むいかなる形状を有していてもよい。

好ましい実施態様を記載してきたが、言うまでもなく、本発明の範囲は、考えられる他の変更形をも含み、考えられる同等のものを含む添付の特許請求の範囲の内容によってのみ限定される。

ある特許文献に記載されたリストリクタは、レーザービームを当てることによって形成された、シリンダ壁に配置されたマイクロボアから成っている（例えば、特許文献３参照。）。ここでもやはり、マイクロボアの製造は高い精度を必要とし、このことは市場の競争価格での圧縮機の生産を実現不可能にする。
また別の従来技術がある特許文献に開示されている（例えば、特許文献４参照。）。この特許文献には、ピストンハウジングとその中で前後に移動可能な圧縮ピストとを備えたリニア圧縮機又は冷蔵装置であって、圧縮ピストンが、開口と、開口を通して流れるガス状流体とを有するハウジング壁によってピストンハウジング内に取り付けられている、リニア圧縮機又は冷蔵装置が開示されている。開口は凝縮流体を開口から出す孔又は溝を備えている。また、この解決策は、静的空力ベアリングのガス流の制御及び制限のための効率的な方法が明らかでなく、孔が非常に高い精度を必要とするので費用効率が高くないという問題点があった。

米国特許第６，９０１，８４５号明細書 米国特許第６，２９３，６８４号明細書 国際公開第２００８／０５５８０９号 米国特許出願公開第２０１０／２１８５４８号明細書

Claims (12)

1. ガス圧縮機のピストン（１）とシリンダ（２）との間の軸受装置に使用するためのフローリストリクタ（１６，１７）であって、該ガス圧縮機が、少なくとも、
   該シリンダ（２）を外方から包含する、１つの保護ブロック（８）と、
   該シリンダ（２）内部の該ピストン（１）による圧縮運動から生じた吐出流によって流体を供給される、該保護ブロック（１８）と該シリンダ（２）との間に配置された内部空洞（１５）と、
   該ピストン（１）の外壁と該シリンダ（２）の内壁とを分離する軸受装置（１２）と、
   該内部空洞（６）を該軸受装置（７）と流体的に連携させるハウジングを備えたフローリストリクタ（１６，１７）とを含み、
   該フローリストリクタ（１６，１７）は、該ハウジング内部の少なくとも部分的な塑性変形の過程によって該ハウジングと連携させられ、該フローリストリクタ（１６，１７）が外側及び内側の流体通過チャネルを備えており、該内部空洞（１５）を通って該軸受装置クリアランスへ流れるガス流量を制限するように該塑性変形の規模が設定されていることを特徴とする、フローリストリクタ（１６，１７）。
2. 前記変形が平坦化によるものであることを特徴とする、請求項１に記載のリニア圧縮機の空気静圧軸受のためのリストリクタ（１６，１７）。
3. 前記変形が部分的又は全体的であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のリニア圧縮機の空気静圧軸受のためのリストリクタ（１６，１７）。
4. 前記変形が単一の工具によって形成されるか、又は相互の運動を対向させる２つ又は３つ以上の工具によって形成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のリニア圧縮機の空気静圧軸受のためのリストリクタ（１６，１７）。
5. 前記リストリクタ（１６，１７）が、元素アルミニウム又は錫又は銅又は青銅又は黄銅のうちの少なくとも１種を含む金属材料から形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のリニア圧縮機の空気静圧軸受のためのリストリクタ（１６，１７）。
6. 多孔質材料から形成されている、リニア圧縮機の空気静圧軸受のためのリストリクタ（１６，１７）。
7. 前記リストリクタ（１６，１７）が全長にわたって直線状又は螺旋状溝を呈していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のリニア圧縮機の空気静圧軸受のためのリストリクタ（１６，１７）。
8. 前記リストリクタ（１６，１７）が全長にわたって鋸歯を呈していることを特徴とする、請求項１に記載のリニア圧縮機の空気静圧軸受のためのリストリクタ（１６，１７）。
9. 前記リストリクタ（１６，１７）が全長にわたって雌ねじ山を呈していることを特徴とする、請求項１に記載のリニア圧縮機の空気静圧軸受のためのリストリクタ（１６，１７）。
10. 前記リストリクタ（１６，１７）が全長にわたってスロット、空洞、又は穴を呈していることを特徴とする、請求項１に記載のリニア圧縮機の空気静圧軸受のための流体流量リストリクタ（１６，１７）。
11. 前記リストリクタ（１６，１７）が筒状又は円錐形状の少なくとも１つの空洞を呈していることを特徴とする、請求項１に記載のリニア圧縮機の空気静圧軸受のためのリストリクタ（１６，１７）。
12. 請求項１〜１１のリニア圧縮機の空気静圧軸受のためのリストリクタ（１６，１７）。

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