JP5976673B2 - 複動式冷媒圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は複動式冷媒圧縮機に関する。

冷却装置、特に空調装置から取り出した冷媒をリサイクルする分野では、空調装置を使用する場所で普及している状況において、冷却装置から冷媒を取り出し、冷媒を対応する輸送コンテナに移すことができる外部圧縮機の用途に対する要求が存在する。

この目的のために、必要とされる圧縮機は、それぞれの雰囲気温度での冷媒の蒸気圧よりも高い瓶中のガス圧力を発生しなければならない。極端な場合、このガス圧力は明らかに３０バールよりも高く、更なる仮定は最大４０バールの作動圧力に基づくべきである。

冷媒を冷却装置からリサイクル容器に移す公知のリサイクル装置では、リサイクル装置には、圧縮ラインと圧縮機を短絡するバイパスラインとが備えられている。圧縮ラインとバイパスラインとにはそれぞれバルブが設けられ、まず加圧された冷媒はバイパスラインを通過してリサイクル容器に流入する。リサイクル容器と冷却装置との間の圧力補償が終了した後、残存した冷媒は、バイパスラインが閉じられている間に、リサイクル装置の圧縮機を介してリサイクル容器に移される。

本発明は、簡単かつ安価な設計で、冷媒の回収に必要な高圧性能を達成する冷媒圧縮機を提供することである。

本発明に係る冷媒圧縮機は請求項１で示された特徴により規定される。これによれば、冷媒圧縮機は、２つの互いに向かい合う２つのシリンダ部に自由に案内されるピストンを備えた複動式冷媒圧縮機である。ピストンはピストンの内部を貫通して延びる流路を備えている。個々のシリンダ部とピストンとには、流路に沿って少なくとも１つの逆流防止バルブが設けられている。前記逆流防止バルブを通過して流れる方向は一方向である。

前記シリンダ部は、１つのシリンダからなる構成要素として、または分離した構成要素として設けることができる。シリンダ部は互いに対して移動できず、ピストンはシリンダ部内を自由に、すなわち例えばピストンロッドなど他の構成部品に連結されることなく、密封された態様で案内される機器である。内部の流路はピストン全体を貫通し、あるピストンの端部から反対側のピストンの端部まで延びている。流路の領域では、ピストンは少なくとも１つの逆流防止バルブを備えている。また個々のシリンダ部は少なくとも１つの逆流防止バルブを備えている。好ましくは流路は、線形の長手方向軸に沿って形成され、この長手方向軸に沿って前記逆流防止バルブが配置されている。逆流防止バルブを通過して流れる方向は一方向であり、つまり、逆流防止バルブが開いているときには冷媒はピストンを通過して第１流れ方向に流れ、逆流防止バルブが閉じているときには冷媒はピストンを通過して第１流れ方向と反対の第２流れ方向に流れる。

この態様では、例えば４０バールの高圧下にある冷却装置の冷媒を、分離したバイパスラインの必要性を伴うことなく低圧のリサイクル容器に移動できることはあり得る。冷却装置とリサイクル容器との間の圧力補正が終了すると、ストローク移動の間、ピストンは冷却装置からリサイクル容器の方向に、冷却装置に向かって面するシリンダ部の逆流防止バルブを介して冷媒を吸引する。続いて、ピストンがリサイクル容器から冷却装置の方向への反対のストローク移動の間、ピストンの逆流防止バルブは開き、前に冷却装置から吸われた冷媒が今回は内部の流路を介してピストンを貫通し、リサイクル容器に向かって面するピストンの反対側に流れる。ストローク移動が新たに反転すると、ピストンの逆流防止バルブは閉じ、ピストンが、リサイクル容器に面するシリンダ部の逆流防止バルブを貫通するように、リサイクル容器の方向に冷媒を押圧する。

本発明に係る冷媒圧縮機の利点は、圧力補正が終わるまでに冷媒を冷却装置から除去し、リサイクル容器に入れる分離したバイパスラインの必要性を除去することにある。内部の流路は、例えば孔など簡単な方式で実現できる。個々のシリンダ部内を自由に案内されるピストンにより、外部の機械をシリンダを介してピストンに連結するためのシールを使用する必要がない。唯一必要とされるシールは逆流防止バルブの部位と、ピストンおよびシリンダ部の間で接触する領域とに設けられるべきである。

回転対称のシリンダ部と、逆流防止バルブおよび中心長手方向軸上に流路を備えたピストンとの場合、本発明の冷却圧縮機は、回転して孔を開けることによる特に簡単な方式で製造される。

シリンダ部の間には、シリンダ部を貫通するシールを適合することなくピストンおよび駆動ユニットにアクセスできるように、ピストンの部位が外側から自由にアクセスできる間隔を設けることが好ましい。

有利なことに、ピストンは、両端の圧縮面の間に補助圧縮面を備えている。この補助圧縮面は２つのシリンダ部のうち１つと補助空間を形成する。この補助空間は、駆動力によりもたらされたピストンのストローク移動の間に、駆動力に逆らって作用する復元力を発生する。

特別な利点は、２つのシリンダ部のうち少なくとも１つがピストン内を逆ピストンとして案内されることで、ピストンは個々のシリンダ部の外側に閉じ、例えば駆動部にアクセスするために自由にアクセスできる。特に、両シリンダ部は前記ピストン内を逆ピストンとして案内され、２つのシリンダ部は互いに対して固定され、唯一ピストンだけが移動する。

ピストンは、反対方向に作動する２つのソレノイド、例えば平らな電機子による駆動またはプランジャ型電機子による駆動形式で非接触方式で駆動できる。平らな電極子による駆動の場合、有利なことに電機子プレートは、２つのシリンダ部の間の中間スペースの間中、ソレノイドにより発生された磁束まで延びる。理論上はこの点において、２つのソレノイドのうち１つはばね駆動に置き換えることができる。プランジャ型電機子による駆動の場合、ピストンは、一体となったシリンダの内側にプランジャ型電機子として十分に挿入される。

代案として、クランクシャフトに駆動される偏心案内装置は、２つのシリンダ部の間の中間スペースを貫通してピストンに連結でき、回転駆動部は、突出要素を介してピストンの表面上の８の字形の滑動用軌道と係合できる。

本発明の実施形態は、図面を参照しながらより詳しく以下に説明される。図面には、以下のことが記載されている。

第１動作状態にある第１実施形態を示す。 第２動作状態にある第１実施形態を示す。 第１動作状態にある第２実施形態を示す。 第２動作状態にある第２実施形態を示す。 第１動作状態にある第３実施形態を示す。 第２動作状態にある第３実施形態を示す。 第１動作状態にある第４実施形態を示す。 第２動作状態にある第４実施形態を示す。 第５実施形態を示す。 第６実施形態を示す。 第７実施形態を示す。 第８実施形態を示す。 第９実施形態を示す。

図１および図２に示す第１実施形態に係る冷媒圧縮機において、圧縮システムは、中央オーバフロー流路８を有するピストン７が内部で軸方向に案内される段付きシリンダ１を備えている。シリンダ１は、流入バルブ１０が嵌め込まれた流入バルブプレート２と、流出バルブ１２が嵌め込まれた流出バルブプレート３とで終端している。オーバフロー流路８は、流出口が設けられた側面上の更なるバルブ１１により終端している。

この配置では、段付きシリンダ１の拡径された左側部分が第１シリンダ部４１を形成し、段付きシリンダ１の縮径された右側部分が第２シリンダ部４２を形成している。このように、２つのシリンダ部４１および４２が一体的につながれてシリンダ１を形成している。

複動式の直列自由ピストン圧縮機の基本機能は、以下のように説明される。

ここではまだ説明していないが、駆動部によりピストンは線形振動運動に至らされる。これは、共鳴振動として、または強制振動として実行されてもよい。

機能面を考慮すると、圧縮機は、システムの仕事に影響を与え、力の発生を決定する３つの特徴的な空間を有している。
−低圧作用空間４
−高圧作用空間６
−ピストンの制御を補助する補助空間５（バルブ１０の前の左側へのバイパス、またはバルブ１２から右側へのバイパスを最適に使用することによる）

ピストンが左側に移動すると、低圧作用空間４内の媒体は押しのけられる。圧力の増加によりバルブ１０が閉じるので、媒体はオーバフロー流路８とオーバフローバルブ１１とを介して、拡張している高圧作用空間６に押し出される。これにより媒体の予圧(precompression)は一定の基準に達し、前記予圧はおよそ、低圧作用空間４のシリンダの断面と高圧作用空間６のシリンダの断面との間の比率により決定される。

ピストンが左側の転換点に到達すると同時に、その移動は反転する。すぐに媒体は高圧作用空間６から押しのけられ、流出バルブ１２を介して流出口に入る。同時に低圧作用空間４が大きくなる。低圧作用空間４内の圧力低下と高圧作用空間６内の圧力の増加により、オーバフローバルブ１１は閉じられる。同時に媒体は、流入口から流入バルブ１０を介して吸い込まれる。

ピストンが右側の転換点に到達すると同時に、その移動は再び反転し、一連の過程が繰り返される。

冷媒をリサイクルする動作モードでは、上記構成は、受動圧の補填が流入口と流出口との間で行われるという利点を有している。この用途では、従来必要とされる最新式のバイパスを除外できる。複動式の直列自由ピストン圧縮機の構成により、媒体は流入バルブ１０，オーバフローバルブ１１，および流出バルブ１２を通過して直接、往来できる。これは、液相であっても、および気相であっても生じる。

圧力が補填された後、この場合には４０barであると仮定できる冷媒の蒸気圧は、低圧作用空間４の中および高圧作用空間６の中に存する。今や補助空間５内の圧力は、システムの力／経路の動きに多大な影響を与える。
変形例１：空間は雰囲気に通気される。これにより、圧力はいつも１barという標準圧である。
変形例２：空間は気密性があり、ガスに加圧された弾力のように一定の先行圧力(pre-pressure)Ｐｏにより実現される。
変形例３：空間は、先行圧力が冷媒システム内の作動圧力に等しくなるように、流入口ラインに接続されている。
変形例４：空間は、補助空間内の先行圧力がリサイクル容器内の作動圧力に等しくなるように、流出口ラインに接続されている。

第１実施形態の変形例は、シリンダを真ん中で開口することにより得られる。これにより、第２実施形態として図３および図４で示される、第１シリンダ部４１が第２シリンダ部４２から間隔を隔てた設計が実現される。シリンダを２つの互いに間隔を隔てたシリンダ部４１，４２に分割することで、ピストンへの直接的で力学的なアクセスを可能にし、これにより、形を固定する係合（form-locking engagement）を用いることによる駆動を可能にする。

更なる変形例は、逆加圧室を備えた図５および図６に係る第３実施形態になる。逆加圧室を備えた圧縮機は、オーバフロー流路８を有するピストン２５と、中間のバルブ１１と、逆加圧室６とから構成されている。ピストン２５は流入バルブプレート２で終端するシリンダ２４内を案内される。流入バルブプレート２には、流入バルブ１０が設けられている。流入バルブプレート２とシリンダ２４とピストン２５とが低圧作用空間４を形成している。

流出流路と流出バルブ１２とを有する固定逆ピストン２３は、逆加圧室６内に挿入されている。シリンダ２４と逆ピストン２３とは図示しない支持枠により緊密に連結されており、圧縮機の定置装置(stationary system)を形成する。

この配置の利点は、媒体の直列流れを維持しながらピストンに直接、力学的にアクセスすることである。これにより、一方でピストンの駆動はまた、例えばクランクの駆動による強制的な誘導を伴って達成され、他方で媒体は流入口から全てのバルブを通過して流出口まで直接流れることができる。

図７および図８に係る第４実施形態では、両シリンダ部４１と４２とが逆ピストンとしてピストン２５内を案内される。

図９に係る第５実施形態は、ピストンを駆動する平らな電機子の駆動部を備えている。それ自体を前記駆動部と関連しない材料から構成できるピストンが、磁気的な軟鉄からなる電機子プレート５２に機械的に連結されている。両側にはそれぞれ、鉄心５０または５４と電気コイル５１または５３から構成されたポット型の磁石がそれぞれ配置されている。両側から交互にコイルを励起することで、ポット型の磁石および電機子プレートとの間に、電機子を対応して移動させる磁場がそれぞれ発生する。励起を制御するために、ポジションセンサがピストンに必要とされる。最も簡単な場合には、そのようなセンサは滑動型スイッチとして設けることができ、この滑動型スイッチは、予め決められた端の位置に到達すると他方のコイルにエネルギーの供給を切り替えるように作動する。

他の概念は追加の電気的要素の利用を提供できる。この電気的要素は、ピストンに依存するだけではなく、例えば制御プロセスの速度および負荷をも含んだ切替えを実現する。この駆動の利点は電機子が、圧縮機の力／通路の変化に有益な態様で適応するように力／通路を変化させることにある。電機子と磁石との間の空隙が低下するに従って、力は不釣り合いに大きな態様で強くなり、これにより強い力をピストンの端の位置に適用できる。

図１０に係る第６実施形態では、磁気ばねによる駆動部がピストンに使用されている。この作動原理はばねと一体となった発振器に存し、一体となったピストンは励磁され揺動運動を行う。この機構により実現される仕事は減衰効果を有し、磁石による同期励起として機能しなければならない。この原理は、より小さな作業能力にとって非常に効果的である。振動が本当に発生するように、スプリングと一体的なシステムに貯められた動的エネルギーまたは位置エネルギーは、実現される仕事よりも大きくされるべきである。

図１１に係る第７実施形態では、プランジャ型電機子がピストンの駆動部として使用される。コイルは、両側の間で交互に行う態様で、プランジャ型電機子の左側の領域および右側の領域内で磁束を発生する。そして電機子は、毎回、対応する端部に引き寄せられる。ここではまた、電機子がブレーキがかからずに激突するのを避けるために、コイルを最適に制御することは必須である。コイルの制御は、平らな電極子の駆動と同じ態様で行われる。

図１２に係る実施形態ではピストン７が、従来のクランク型駆動部により、軸６０を備えた偏心案内装置６１を介して駆動される。回転駆動部に対称的に配置された軸６０の動作は、本質的に公知の方法によって強制振動に変換される。この方法は、通常の構造的な設計および逆加圧室を想定した設計の両方に用いることができる。ここでは、通常の回転駆動の用途および経路の強制的な制御が有利である。

代案として、仮に従来の駆動部が設けられるのであれば、ピストン７の中心長手方向軸に対応する回転軸を備えた図１３の回転駆動部７１はまた、内側の突出部７２により、ピストン７の外側円周面上に配置された８の字形の滑動用軌道７３に係合でき、回転駆動部７１の回転によりピストン７は振動往復運動をする。

４ 低圧圧縮作用空間
５ 補助空間
７ ピストン
８ 流路
１０，１１，１２ 逆流防止バルブ
２３ 逆ピストン
４１，４２ シリンダ部
６１ 偏心案内装置
７１ 回転駆動部
７２ 突出部
７３ 滑動用軌道

Claims (11)

1. 互いに向かい合って配置され、互いに対して固定された第１のシリンダ部（４１）と第２のシリンダ部（４２）に自由に案内されるピストン（７）を備えた複動式冷媒圧縮機において、
   前記ピストン（７）は、内部に延びて前記ピストン（７）を貫通する流路（８）を有し、
   個々の前記シリンダ部（４１，４２）と前記ピストン（７）とはそれぞれ、前記流路（８）に沿って少なくとも１つの逆流防止バルブ（１０，１１，１２）を有し、
   前記第１のシリンダ部（４１）、前記第２のシリンダ部（４２）、及び前記ピストン（７）は、第１の逆流防止バルブ（１０）、第２の逆流防止バルブ（１１）、及び第３の逆流防止バルブ（１２）をそれぞれ備え、
   前記第１から第３の逆流防止バルブ（１０，１１，１２）は、流れる方向が一方向となるように配置され、
   前記第１の逆流防止バルブ（１０）は、前記ピストン（７）が前記第２のシリンダ部（４２）に向けて移動したときに、媒体の前記第１のシリンダ部（４１）への流入を許容するように構成されると共に、前記ピストン（７）が前記第１のシリンダ部（４１）へ向けて移動したときに、前記媒体の前記第１のシリンダ部（４１）への流入を許容しないように構成されている、複動式冷媒圧縮機。
2. 前記ピストン（７）と前記第１及び第２のシリンダ部（４１，４２）とは回転対称に形成され、
   前記第１から第３の逆流防止バルブ（１０，１１，１２）と前記流路（８）とは、前記ピストン（７）と前記第１及び第２のシリンダ部（４１，４２）との中心長手方向軸上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の複動式冷媒圧縮機。
3. 前記第１及び第２のシリンダ部（４１，４２）は、前記ピストン（７）の一領域に前記第１及び第２のシリンダ部（４１，４２）の外側から自由にアクセスされるように、互いに間隔を隔てていることを特徴とする請求項１または２に記載の複動式冷媒圧縮機。
4. 前記ピストン（７）と前記第１及び第２のシリンダ部（４１，４２）の個々との間には、それぞれ圧縮可能な作用空間が、前記第１及び第２のシリンダ部（４１，４２）の個々の前記第１及び第２の逆流防止バルブ（１０，１１）、および前記ピストン（７）の前記第３の逆流防止バルブ（１０，１１，１２）に近接して設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の複動式冷媒圧縮機。
5. 前記ピストン（７）は、一方の端面に低圧圧縮面を有し、反対側の端面に前記低圧圧縮面よりも小さな高圧圧縮面を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の複動式冷媒圧縮機。
6. 前記ピストン（７）の前記第３の逆流防止バルブは、前記高圧圧縮面に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の複動式冷媒圧縮機。
7. 前記ピストン（７）は、前記低圧圧縮面と前記高圧圧縮面との間に、低圧圧縮作用空間（４）を形成する前記第１及び第２のシリンダ部（４１，４２）と共に補助空間（５）を形成する補助圧縮面を備えたことを特徴とする請求項５又は６に記載の複動式冷媒圧縮機。
8. 前記第１及び第２のシリンダ部（４１，４２）の少なくとも１つが、前記ピストン（７）内を逆ピストン（２３）として案内されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の複動式冷媒圧縮機。
9. 前記ピストン（７）は、反対方向に作用する２つのソレノイドにより非接触方式で駆動されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の複動式冷媒圧縮機。
10. 前記ピストン（７）は、クランクの駆動により偏心案内装置（６１）を介して案内されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の複動式冷媒圧縮機。
11. 前記ピストン（７）には、前記ピストン（７）を駆動する回転駆動部（７１）の突出部（７２）に係合する８の字形の滑動用軌道（７３）が設けられたことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の複動式冷媒圧縮機。

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