JP3567332B2 - 流体機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は圧縮機、膨張機若しくは圧送機として適用される流体機械に係り、特に容積変化を行わしめるピストンに連設棒や駆動軸を直接連結させる事なく間接的に前記ピストンに駆動力を付与し、圧縮若しくは膨脹を行わしめる流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より往復動圧縮機はクランク軸の回転を連設棒を介してピストンの往復運動に変換してピストンとシリンダ間の容積変化により圧縮を行い、又可変翼やスクリュータイプの回転圧縮機においては、これらの可変翼やスクリューをモータに連結した駆動軸に連結し、該駆動軸の回転により可変翼やスクリューとケーシングとの間に形成される容積を変化させながら圧縮を行うように構成されている。
【０００３】
この種の装置においては、駆動軸や連設棒等の駆動系と圧縮系が直接接続する構成を取るために、両者間にピストンリングやオイルシール等の圧縮漏洩阻止部材を介在させなければならず、その分部品点数や重量負担の増加、若しくはこれらの負荷に比例して消費電力の増大等につながり、結果として投入エネルギ当りの圧縮効率の低下につながる。
【０００４】
かかる欠点を解消するために、ピストンの駆動機構を電磁ソレノイドによる直線的な駆動方式を採用した往復駆動圧縮機が種々提案されている。（特開昭６１−２１０５７６、同６０−１１６８８３等）
又特開平１−８７８７９号においては超伝導体と磁石を利用して直線変位運動を発生させ、ピストンの往復運動を行うようにした圧縮機も提案されている。
これらの技術はいずれもピストン側に電磁的駆動力の反作用力としてコイルバネ等を介在させる構成を取り、圧縮行程においては電磁的駆動力による作用力を、吸入行程ではコイルバネによる反作用力を夫々利用して往復運動を行うように構成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこれらの技術はいずれも直線的な往復運動であるために、而も作用力（往動）から反作用力（復動）への移行をコイルバネによる弾性力により行っている為に基本的に高速駆動が不可能であり、その分重量若しくは容積当りの吐出量の増大を図る事が不可能である。
又前記技術では圧縮行程の上死点に近付くに連れ、コイルバネによる弾性力を受けるために、圧縮比を高める事が困難である。
又ピストン側に電磁的駆動力の反作用力としてコイルバネ等を介在させる構成を取る事は、コイルバネのへたり等があり、必ずしも長期的に安定した圧縮機を得るのが困難である。
【０００６】
本発明はかかる技術的課題に鑑み、コイルバネを併用する事なく磁力若しくは電磁誘導のみでピストンを間接駆動可能に構成した、圧縮機若しくは膨張機、更にはポンプとして適用し得る流体機械を提供する事を目的とする。
【０００７】
【課題を解決する為の手段】
本発明は、流体機械が圧縮流体を用いて圧縮機として機能する場合において、管壁の適宜箇所に圧縮流体吸入部と吐出部を設けた無端状管路内に複数のフリーピストンを配し、該管路外部に配され、前記ピストンに磁力若しくは電磁誘導を生じせしめる回転体の回転運動による磁力若しくは電磁誘導による作用力を利用して該ピストンを管路内を周回させつつ、前記吸入部と吐出部の位置に対応させて一のピストン（以下後行ピストンという）速度とこれに先行する先行ピストン速度との速度比（後行ピストンの速度／先行ピストンの速度）を変化させながら連続的に周回させると共に、
一周回路上に前記後行ピストンと先行ピストンとの速度比が１以下になる行程と、速度比が１以上になる行程を設け、
前記１以下になる行程上に吸入行程、１以上になる行程に圧縮及び吐出行程とを振分けて形成した事を特徴とする。
又流体機械が非圧縮流体を用いて圧送機として機能する場合においては、管壁の適宜箇所に圧縮流体吸入部と吐出部を設けた無端状管路内に複数のフリーピストンを配し、該管路外部に配され、前記ピストンに磁力若しくは電磁誘導を生じせしめる回転体の回転運動による磁力若しくは電磁誘導による作用力を利用して該ピストンを管路内を周回させつつ、前記吸入部と吐出部の位置に対応させて一のピストン（以下後行ピストンという）速度 とこれに先行する先行ピストン速度との速度比（後行ピストンの速度／先行ピストンの速度）を変化させながら連続的に周回させると共に、
一周回路上に前記後行ピストンと先行ピストンとの速度比が１以下になる行程と、速度比が１以上になる行程を設け、
前記１以下になる行程上に吸入行程、１以上になる行程に圧送及び吐出行程とを振分けて形成した事を特徴とする。
更に流体機械が圧縮流体を用いて膨張機として機能する流体機械において、管壁の適宜箇所に圧縮流体吸入部と吐出部を設けた無端状管路内に複数のフリーピストンを配し、該管路外部に配され、前記ピストンに磁力若しくは電磁誘導を生じせしめる回転体の回転運動による磁力若しくは電磁誘導による作用力を利用して該ピストンを管路内を周回させつつ、前記吸入部と吐出部の位置に対応させて一のピストン（以下後行ピストンという）速度とこれに先行する先行ピストン速度との速度比（後行ピストンの速度／先行ピストンの速度）を変化させながら連続的に周回させると共に、
一周回路上に前記後行ピストンと先行ピストンとの速度比が１以下になる行程と、速度比が１以上になる行程を設け、
前記１以下になる行程上に吸入及び膨脹行程、１以上になる行程に吐出行程とを振分けて形成した事を特徴とするものである。
尚、磁力若しくは電磁誘導とは後記実施例に示す磁力による駆動力のみならず電磁誘導の作用力を用いる場合をさす。
又前記フリーピストンは、無端状管路に対し周囲クリアランスを有する弧状片からなるフリーピストンであるのがよい。
【０００８】
【効果】
かかる技術手段によれば、無端状管路内を複数のフリーピストンが周回する事により圧縮若しくは膨脹が行われるために、言い換えればピストンを磁力若しくは電磁誘導による作用力により駆動させるも無端状周回の為に、コイルバネ等の反作用力が不要になり、この為磁力若しくは電磁誘導の作用力のみで圧縮若しくは膨脹又は圧送が行われる。
この為コイルバネを用いた事による不具合が全て解消され、高速回転による圧縮、圧縮比の増大が図られ、而も長期間使用による経時劣化等が解消される。
又前記ピストンの駆動が外部より間接的に行う事が出来るために、圧縮空間若しくは膨脹空間等を完全に外部に対し遮蔽する事が出来、これにより、フレオンガスの様な環境的に問題となるガス、若しくはアンモニアその他の有臭性若しくは毒性ガスの使用が容易である。
等の種々の著効を有す。
【０００９】
尚、本発明に類似する技術として実開平４ー１１９３７１号が存在する。
かかる考案は円形シリンダ内に複数のピストンを内蔵し、ソレノイドをシリンダ外周に複数配置し、リニアでピストンのみを緩急回転させ、吸入、圧縮する圧縮機等を提案している。
しかしながら前記従来技術においてはソレノイドを用いてピストンをどの様に緩急回転されるか開示されておらず、特にソレノイドのＯＮ／ＯＦＦ駆動ではピストンが断続的に駆動され、先行するピストンとの速度比を変化させながら連続的に周回させる事は不可能である。
又前記従来技術においては一周回路上に後行ピストンに対しこれに先行する先行ピストンとの間で速度比が１以上になる行程と、速度比が１以下になる行程を設ける点が開示されておらず、吸入−圧縮−吐出の３つの行程を円滑に行なうことが不可能である。
【００１０】
【実施例】
以下、図面に基づいて本発明の実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１１】
図１は本発明の基本構成図で、リング状円形管路１内に、該管路１内形状に酷似しかつ管路１に対し周囲微小クリアランスを有するピストン２を複数個（２個以上）配置する。
そして各ピストン２は管路１外部からの力例えば（回転）磁場のような間接的な力によって浮されるとともに管路１内を所定の位置で所定の速度で動くように構成する。
例えば前記ピストン２には夫々磁性体若しくは磁石体（Ｓ極）３を内蔵し、外部よりの磁石体（Ｎ極）若しくは磁性体４の回転運動により前記ピストン２が回転するように構成する。
この際外部の磁性体４の回転中心Ｄを管路中心Ｃよりずらす事により、後記するように、先行するピストン２と本ピストン２との速度比を変化させる事が出来る。
従って本ピストン（後行ピストン）２を先行するピストン２の速度比が１以上になる行程では、本ピストン２（後行ピストン）前面と先行するピストン２の背面及び管路１の壁によって形成される容積（以下、空間容積５）が順次広くなり、又速度比が１以下になる行程では、前記空間容積５が順次狭くなる。
そして前記管路１は無端状である為に、図１に示すように前記空間容積５が最大となる区域（最大容積区域ｄ）と最小となる区域（死容積ｅ）を挟んで速度比が１以下になる行程と、速度比が１以上になる行程とがほぼ半回転単位で交互に表れる事になる。
【００１２】
図４（Ａ）は前記ピストン２の回転角と先行ピストンと後行ピストン夫々の速度の比率を各ピストンの速度周期として表わしたもの、（Ｂ）は回転角と先行ピストンと後行ピストン間の速度比をピストン間速度比として表わしたもの、（Ｃ）は回転角と空間容積５の変化を空間中心を基準として容積比で表わしたもの、の夫々のグラフである。
従って図１に示すように、速度比が１以上になる行程（先行ピストンと後行ピストン間の空間容積が順次広がる区域）に吸入部を設けて吸入行程ａとし、速度比が１以下になる行程（前記空間容積５が順次狭くなる）に吸入部も吐出部も設けない管路１閉鎖空間としての圧縮行程ｂとし、吐出部を設けた吐出行程ｃ部分にわけることにより、前記機構を圧縮機に適用し得る。
【００１３】
尚、図４（Ｄ）はかかる行程を主軸回転角度と圧力比との関係をグラフ化したもので、本図より理解できるように圧縮行程ｂ部分と吐出行程ｃ部分の比を適宜変化させる事により、圧縮比を任意に設定できる。
【００１４】
尚、図２は前記機構を非圧縮性の液ポンプとして適用したもので、基本的には圧縮行程が存在せずに最大容積ｄと死容積ｅを挟んで上流側が吸入行程ａ、下流側が圧送（吐出行程）ｂとなる。
又、図３は前記機構を膨張機として適用したもので、最大容積ｄ部分が膨張行程ｂとして拡大し、死容積ｅの次に、吸入行程ａ、膨張行程ｂ、吐出行程ｃを設ける。
【００１５】
そして本発明を図１に基づいてより具体的に説明すると、吸入行程ａでは（吸入ポートの開口範囲）では図２から明らかなように速度比がピストン２が回転方向に従って１以上に順次大きくなるとともに、これに比例して空間容積５が漸次大きくなり、吸入部より最大容積量のガスを吸入する事が出来る。
そして圧縮行程ではピストン２が回転方向に進行するにつれ速度比が１以下に順次小さくなり、これに比例して空間容積もは漸次小さくなり、吐出部まで所定の空間容積５の縮小を行なう。図４（Ｄ）では該圧縮行程に対応する圧力変化を示しこれにより前記圧縮行程ｂで所定の圧力比まで昇圧する事が理解できる。
そして吐出行程ｃではさらにピストン２の速度比を小さくすることにより、空間容積５が小さくなりはぼ０になることによって圧縮したガスを吐出口より円滑に排出出来る。
【００１６】
従って本発明は前記管路１が無端状、即ちリング状に形成されているために、吸入−圧縮−吐出行程を連続的且つ繰り返し行なう事が出来る。
尚、ピストン２の数は１回転あたりの容量の大小によって任意に設定すればよい。
【００１７】
図５乃至図７は本発明を実施するための具体例で、
図５は図６のＡーＡ線断面図、図６は圧縮機本体１０の縦断面図、図７は該本体をモータに組み付けた直結型圧縮機である。
図５において１１は樹脂体若しくは非磁性金属、更にはグラファイト等で形成されたケーシングで、中央位置より僅かに上方に片寄せた位置に円形穴１１１を形成した２枚のケーシング板１１Ａ、１１Ｂを重合させて形成されており、その重ね合わせ部の面上にＣ点を中心にリング円状の管路１、該管路１の吸入行程に対応する位置に吸入ポート１１２、及び吐出行程の死容積に近接する位置に吐出ポート１１３を夫々形成し、そして該ポート１１２、１１３は夫々後記する磁性板２０の回転空間から外れた位置に、夫々吐出穴１１３ａと吸気穴１１２ａを設ける。
そして前記リング状円形管路１内に、該管路１内形状に酷似しかつ管路１に対し周囲微小クリアランスを有する弧状片からなるピストン２を８個配置する。
該ピストン２は例えばグラファイト等の摺動性のよい材料で形成され、内部に円筒状の磁性体若しくは磁石体２ａ（Ｓ極）を埋設する。
【００１８】
そして前記ケーシング１１の両側には、管路１中心の前記Ｃ点より垂直下方に所定距離ずらした位置に回転中心Ｄを有する回転軸１２に回転可能に支承された一対の磁性板２０Ａ、２０Ｂが配設されている。
磁性板２０Ａ、２０Ｂは前記回転軸１２中心より放射状に伸びる複数の羽根体２１を有し、該羽根体２１は前記ピストン２と対応する数だけ、等角度（４５°）間隔に８本で延在させ、前記ピストン２と逆極性（Ｎ極）の磁石で形成するか若しくは前記ピストン２の内蔵磁性体が磁石体２ａの場合は鉄その他の磁性材で形成する。尚、図６に示すようにピストン２が半径方向に移動する領域のみを磁石体２１ａで形成しても良い。
【００１９】
そして前記磁性板２０Ａ、２０Ｂは回転軸１２に設けたスペーサ部１２ａを利用して前記ケーシング１１壁面に対し、微少クリアランスを保ちつつ、該ケーシング１１を挟み込むように組立る。
回転軸１２は軸受１４を介して支持枠１５に両端支持され、そして図６に示すように、前記回転軸１２の一端をカップリング１６を介してモータ１７に直結させている。
尚、図６中の１８はモータ支持枠１９と圧縮機本体１０を固定する取付けネジで、圧縮機本体１０側の軸受支持枠１５とケーシング１１間をもスペーサ３９を介して一体的に連結させている。
【００２０】
かかる実施例によれば、円筒状の内蔵磁石体２ａを埋設したピストン２はその両側に位置する磁性板２０Ａ、２０Ｂの羽根体２１により、磁性的に挟持されている為に、ピストン２は内蔵磁石体２ａと磁性板２０の羽根体２１との間での発生する磁力によって羽根体２１の延在方向と対応する所定の位置にて管路１内で管路１壁とのクリアランスを持って浮いてる状態になる。
そして前記両者間で発生した磁力は羽根体２１に沿った半径方向には自由度があり又図５に示すように回転軸１２中心と管路１中心が変位しているために、前記回転軸１２を回転させると、ピストン２が管路に周方向規制されながら羽根体２１に沿って半径方向に移動しつつ、ピストン２の管路１内での回転曲率がみかけ上変化させる事が出来る。
それによって前記したように吸入行程ａでは速度比が１以上に漸次大きくなり効率良く吸入する事が出来る。
又吸入行程ａ通過後圧縮行程ｂでは速度比が１以下で漸次空間容積５が小さくなり、所定の圧縮が行われつつ所定の容積比の圧縮比を得る事が出来る。
そして吐出行程ｃでは速度比が更に小さくなりはぼ空間容積５が０になった状態で吐出ポート１１３よりの吐出を完了する。
従ってかかる実施例によれば前記した本発明の作用が円滑に達成し得る。
尚本実施例は圧縮機を例示して説明したが、前記説明より容易に理解されるごとく膨張機としても又液体圧送ポンプとしても適用可能である事は当業者ならば容易に理解できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成図で圧縮機に適用した場合を示す。
【図２】本発明の基本構成図で液ポンプ機に適用した場合を示す。
【図３】本発明の基本構成図で膨張機に適用した場合を示す。
【図４】図４（Ａ）は図１のピストンの回転角と先行ピストンと後行ピストン夫々の速度比を各ピストンの速度周期として表わしたもの、（Ｂ）は回転角と先行ピストンと後行ピストン間の速度比をピストン間速度比として表わしたもの、（Ｃ）は回転角と空間容積５の変化を空間中心を基準として容積比で表わしたもの、図４（Ｄ）は主軸回転角度と圧力比との関係をグラフ化したものである。
【図５】図５乃至図７は本発明を実施するための具体例で、図５は図６のＡーＡ線断面図である。
【図６】本発明の実施例にかかる圧縮機本体の縦断面図である。
【図７】図６の本体をモータに組み付けた直結型圧縮機である。
【符号の説明】
１１２ 吸入部
１１３ 吐出部
１ 無端状管路
２ フリーピストン
５ 空間容積

Claims (4)

1. 圧縮流体を用いて圧縮機として機能する流体機械において、
   管壁の適宜箇所に圧縮流体吸入部と吐出部を設けた無端状管路内に複数のフリーピストンを配し、該管路外部に配され、前記ピストンに磁力若しくは電磁誘導を生じせしめる回転体の回転運動による磁力若しくは電磁誘導による作用力を利用して該ピストンを管路内を周回させつつ、前記吸入部と吐出部の位置に対応させて一のピストン（以下後行ピストンという）速度とこれに先行する先行ピストン速度との速度比（後行ピストンの速度／先行ピストンの速度）を変化させながら連続的に周回させると共に、
   一周回路上に前記後行ピストンと先行ピストンとの速度比が１以下になる行程と、速度比が１以上になる行程を設け、
   前記１以下になる行程上に吸入行程、１以上になる行程に圧縮及び吐出行程とを振分けて形成した事を特徴とする流体機械。
2. 非圧縮流体を用いて圧送機として機能する流体機械において、
   管壁の適宜箇所に圧縮流体吸入部と吐出部を設けた無端状管路内に複数のフリーピストンを配し、該管路外部に配され、前記ピストンに磁力若しくは電磁誘導を生じせしめる回転体の回転運動による磁力若しくは電磁誘導による作用力を利用して該ピストンを管路内を周回させつつ、前記吸入部と吐出部の位置に対応させて一のピストン（以下後行ピストンという）速度とこれに先行する先行ピストン速度との速度比（後行ピストンの速度／先行ピストンの速度）を変化させながら連続的に周回させると共に、
   一周回路上に前記後行ピストンと先行ピストンとの速度比が１以下になる行程と、速度比が１以上になる行程を設け、
   前記１以下になる行程上に吸入行程、１以上になる行程に圧送及び吐出行程とを振分けて形成した事を特徴とする流体機械。
3. 流体機械が圧縮流体を用いて膨張機として機能する流体機械において、
   管壁の適宜箇所に圧縮流体吸入部と吐出部を設けた無端状管路内に複数のフリーピストンを配し、該管路外部に配され、前記ピストンに磁力若しくは電磁誘導を生じせしめる回転体の回転運動による磁力若しくは電磁誘導による作用力を利用して該ピストンを管路内を周回させつつ、前記吸入部と吐出部の位置に対応させて一のピストン（以下後行ピストンという）速度とこれに先行する先行ピストン速度との速度比（後行ピストンの速度／先行ピストンの速度）を変化させながら連続的に周回させると共に、
   一周回路上に前記後行ピストンと先行ピストンとの速度比が１以下になる行程と、速度比が１以上になる行程を設け、
   前記１以下になる行程上に吸入及び膨脹行程、１以上になる行程に吐出行程とを振分けて形成した事を特徴とする流体機械。
4. 前記フリーピストンが、無端状管路に対し周囲クリアランスを有する弧状片からなるフリーピストンであることを特徴とする請求項１、２若しくは３記載の流体機械。

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