JPH02122164A

JPH02122164A - ガス圧縮機

Info

Publication number: JPH02122164A
Application number: JP63276805A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Kazumoto; 数本　芳男; Kazuo Kashiwamura; 和生柏村; Yoshio Furuishi; 古石　喜郎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-10-31
Filing date: 1988-10-31
Publication date: 1990-05-09
Anticipated expiration: 2011-11-06
Also published as: GB8917938D0; FR2638495B1; GB2224340B; US4969807A; JP2550492B2; FR2638495A1; GB2224340A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コこの発明は、ガス圧縮機、特に、内部に密封された作動
ガスか熱力学的サイクルを繰り返すことによって外部に
冷熱や温熱または動力を発生する熱サイクル機関である
スターリンクサイクル機関などに用いられるガス圧縮機
に関するものである。

［従来の技術］従来のガス圧縮機をスターリングサイクルガス冷却機に
適用した場合を例にとり、以下説明する。

第８図は、例えば特公昭５４−２８９８０号公報に開示
されたものに類似した従来のスターリングサイクルガス
冷却機の概略構成を示す断面側面図である。図に部いて
、（１）はシリンダであり、このシリンダ（１）の内部
でピストン（２）が往復運動を行なう。（３）はコール
ドフィンガてあり、作動ガスの圧力変化によって往復運
動するディスプレーサ（４）を内包するとともに、その
下部は連通管（５）によりシリンダ（１）と連通してい
る。ディスプレーサ（４）の上部の第四作動表面（４ｂ
）は膨張空間（６）の境界をなしており、この膨張空間
（６）はディスプレーサ（４）の下部の第五作動表面（
４ａ）と連通管（５）の間の第一圧縮空間（７）、ピス
トン（２）の上部の第一作動表面（２ａ）と連通管（５
）の間の第二圧縮空間（１１）　、ディスプレーサ（４
）内に備えた蓄熱器（９）及び連通管（５）内の空間等
とともに作動空間を構成している。蓄熱器（９）は中心
孔（１０）を経てその下側の作動ガスに通ずるとともに
、また中心孔（１１）と半径方向流通ダクｈ　（１２）
を経て上側の作動ガスに通ずることができる。また、こ
の冷却機では膨張させられた冷作動ガスと冷却すべき物
体の間の熱交換のための熱交換器としてフリーザ（１３
）を備えている。

ピストン（２）とシリンダ（１）の壁の間にはすきまシ
ール（１４）か配置され、ピストン（２）のもう方の作
動表面である第ニー作動表面（２ｂ）側に存在する第一
バッファ空間（１５）と面記作動空間との間の作動ガス
の流れを防止している。また、ディスプレーサ（４）　
とコールドフィンカー（３）の間にはすきまシール（１
６）を備え、膨張空間（６）と第一圧縮空間（７）の間
の作動ガスの流れが蓄熱器（９）内を流わるよう強制し
ている。

ピストン（２）はその上側の第一バッファ空間（１５）
中にアルミニウム等の非磁性及び非磁性化材料から成る
軽量のスリーブ（１７）を備える。スリーブ（１７）に
は導電体を巻き付けてコイル（１８）を形成し、このコ
イル（１８）はシリンダ（１）の壁を通すリード線（１
９）、　　（２０）に接続され、これらのリード線（１
９）　、　（２０）はシリンダ（１）の外部でそれぞれ
電気端子（２１）　、　（２２）に接続されている。コ
イル（１８）はピストン（２）の軸線方向に環状間隙（
２３）内で往復運動でき、この環状間隙（２３）内には
電機子磁界が存在している。この電機子磁界の力線はコ
イル（１８）の移動方向を横切る半径方向に延びている
。この場合、永久磁界は」−側と下側に磁極を持ｌＡ）つ環状永久磁石（２４）、軟鉄環状ディスク（２５）、
軟鉄シリンダ（２６）及び軟鉄円形ディスク（２７）を
用いて得られる。環状永久磁石（２４）と軟鉄環状ディ
スク（２５）、軟鉄シリンダ（２６）及び軟鉄円形ディ
スク（２７）は一体となって閉磁気回路を構成し、すな
わち閉磁力線回路を構成する。以上述べたスリーブ（１
７）、コイル（１８）、リード線（＋９）、（２０）　
、環状間隙（２３）、環状永久磁石（２４）、軟鉄環状
ディスク（２５）、軟鉄シリンダ（２６）及び軟鉄円形
ディスク（２７）は全体としてピストン駆動用のりニア
モータ（２８）を構成している。

また、ピストン（２）及びディスプレーサ（４）はそれ
ぞれピストン用弾性部材（２９）とディスプレーサ用弾
性部材（３０）を介してシリンダ（１）及びコールドフ
ィンガー（３）内に往復動可能に係合され、ピストン（
２）及びディスプレーサ（４）の静止時の固定位置及び
運転時の中立位置を定めている。

以上、シリンダ（１）とピストン（２）、リニアモータ
（２８）及びピストン用弾性部材（２９）は、冷熱を発
生するのに必要な圧力変動を第二圧縮空間（８）内に作
り出１−ためのガス圧縮機（３１）を構成している。

次に、上記した従来のスターリングサイクルガス冷却機
の動作について説明する。電気端子（２１）、（２２）
に系の共振周波数に等しい交流電源（図ツバしない）を
接続すると、コイル（１８）には円周方向の交番電流が
流れ、この交番電流と環状永久磁石（２４）の作る半径
方向の磁場との相互作用によってコイル（１８）には軸
方向に周期的なローレンツ力が（動く。その結果、ピス
トン（２）、スリーブ（１７）及びコイル（１８）から
構成される組立体とピストン用弾性部材（２９）から成
る系は共振状態となり、上記組立体は軸方向に振動する
。ピストン（２）の振動は、膨張空間（６）、第一圧縮
空間（７）、第二圧縮空間（８）、連通管（５）、蓄熱
器（９）、中心孔（１０）、中心孔（１１）、半径方向
流通ダクト（１２）及びフリーザ（１３）から成る作動
空間内に封入された作動ガスに周期的な圧力変化をもた
らすとともに、蓄熱器（９）を通過するガスの流量変化
によりディスプレーサ（４）に周期的な軸方向の交番振
動力を生じせしめる。このようにして蓄熱器（９）を含
むディスプレーサ（４）はピストン（２）と同し周波数
で、かつ異なった位相でコールドフィン力（３）内を軸
方向に往復運動することになる。

ピストン（２）及びディスプレーサ（４）が適当な位相
差を保って運動するとき、」二記作動空間に封入された
作動ガスは、“逆スターリングサイクル°°として既知
の熱力学的サイクルを構成し、主として膨張空間（６）
及びフリーザ（１３）に冷熱を発生する。上記゛°逆ス
ターリングサイクルパとその冷熱発生の原理については
、文献”　にｒｙｏｃｔ＞ｏ　１ｅｒｓ　　　　（Ｇ、
Ｗａｌｋｅｒ、Ｐｌｅｎｕｍ　　Ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ　
　Ｙｏｒｋ、１９８３゜ｐｐ、１７７〜１２３）に詳細
に説明されている。以下に、その原理について簡単に説
明する。

ピストン（２）により圧縮された第二圧縮空間（８）内
のガスは連通管（５）を経て流れる間に圧縮熱が冷却さ
れ、第一圧縮空間（７）、中心孔（１０）、蓄熱器（９
）に流れこむ。蓄熱器（９）で半サイクル前に蓄えられ
た冷熱により予冷され、作動ガスは、さらに中心孔（１
１）、半径方向流通ダクト（１２）及びフリーザ（１３
）を通って膨張空間（６）内に入る。そして、大部分の
作動ガスが膨張空間（６）内に入ると膨張が始まり、膨
張空間（６）内に冷熱を発生ずる。作動ガスは、次に逆
の順序で蓄熱器（９）に冷熱を放出しなから流路を戻り
第二圧縮空間（８）内に入る。この時、フリーザ（１３
）内で外部から熱を奪いその外部を冷却する。しかして
、大部分作動ガスが第二圧縮空間（８）内に戻ると再び
圧縮か始まり、次のサイクルに移行する。

以上のようなプロセスにより、上記°゛逆スターリング
サイクル°′が完成して冷熱が発生する。

以上、動作の説明から明らかなように、このように構成
された従来の冷却機においては、一般に、冷却能力の制
御はコイル（１８）に流す電流を変えることによってお
こなわれる。すなわち、コイル（１８）に流す電流によ
りピストン（２）のストロークを増減させ、作動空間内
の圧力変動の振幅を変えることによって能力が制御され
るのである。

［発明が解決しようとする課題］従来の圧縮機は以上のように構成されているので、ピス
トンの往復運動の中立点がピストン用弾性部材の中立点
によって固定されているため、例えば、能力制御のため
にピストンのストロークを変化させた場合、ストローク
が大きいときにはピストンがシリンダに衝突したりする
。また、逆に、大きな制御幅を得るために最大ストロー
クに対応するだけのクリアランスを確保しておくと、小
出力時には死容積、すなわち、圧縮空間内でピストンが
往復運動しない空間が増大するため、圧縮比が減少しス
トローク当りの圧力変動幅が低下する。従って、冷却機
の効率が低下するという問題点がありだ。

この発明は、かかる課題を解決するためになされたもの
で、広い出力制御範囲において高効率な運転かできるガ
ス圧縮機を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段」この発明に係るガス圧縮機は、シリンダ内にあり、ピス
トンが往復動するとき、該ピストンに設けられた第１の
作動表面の位置が移動することによりその体積が変化し
内部に封入された作動ガスの圧力が変わる圧縮空間と、
前記ピストンとシリンダとの間の′１″きまシール部を
介して前記圧縮空間と連通され、該ピストンに設けられ
て前記第１の作動表面と逆方向に作用する第２及び第３
の作動表面の位置が移動することによりそれらの体積が
変化する二つのバッファ空間と、及び前記圧縮空間から
見たそれぞれの流れの方向が逆になるように接続された
逆止弁を介して餌記両バッファ空間と圧縮空間とを連結
する二つの連結回路を備え、前記ピストンの往復動のス
トロークを長くするときには該ピストン往復動の中立位
置が圧縮空間側に近づかないように、また往復動ストロ
ークを短かくｊ−るときには前記中立位置が遠ざからな
いように、前記両バッファ空間のピストン作動表面に作
用する力を設定するものである。

［作用］この発明においては、ピストンの往復動時、そのストロ
ークが変化するときには往復動の中立位置が移動する。

［実施例］第１図は、この発明に係る一実施例のガス圧縮機を適用
したガス冷却機の断面側面図であり、図において従来例
の第８図と同一部分、または、相当部分は同一符号を付
して、その説明を省略する。第１図において、（３２）
は前記ピストン（２）上に構成された第三作動表面であ
り、前記ピストン（２）の往復動によって、前記シリン
ダ（１）と前記ピストン（２）に囲まれた第二バッファ
空間（３３）の体積を変えるよう構成されている。そし
て、前記第二圧縮空間（８）と前記第一バッファ空間（
１５）とは中間に第一逆止弁（３４）を設けた第一連結
回路（３５）によって、前記第一バッファ空間（１５）
から前記第二圧縮空間（８）への作動ガスの流れのみを
許容するよう連結され、さらに、前記第二圧縮空間（８
）と前記第二バッファ空間（３３）は第一逆止弁（３６
）を設けた第二連結回路（３７）によって、首記第二圧
縮空間（８）から前記第二バッファ空間（３３）への作
動ガスの流れのみを許容するよう連結されている。

また、本実施例では、前記シリンダ（１）と前記ピスト
ン（２）との間にすきまシール（３８）が備えられ、前
記第一バッファ空間（１５）と前記第二バッファ空間（
３３）内の作動ガスが各々異なった平均圧力を維持客゛
きるように構成されている。

以下、本実施例の動作について説明する。従来例におい
てその動作を説明したように、ピストン（２）及びディ
スプレーサ（４）が適当な位相差を保って運動するとき
、上記作動空間に封入された作動ガスは従来例において
既述した゛°逆スターリングサイクル°°を構成し、主
として膨張空間（６）及びフリーザ（１３）に冷熱を発
生する。

以トのサイクルにおいて、本実施例による冷却機は、以
下の点で従来例と異なっている。すなわち、本実施例に
おいては、前記ピストン上に第一作動表面（２ａ）、第
二作動表面（２ｂ）及び第三作動表面（＋＋２）の３つ
の作動表面か形成され、前記ピストン（２）の往復動に
よりそれぞれ第二圧縮空間（８）、第一バッファ空間（
１５）及び第二バッファ空間（３３）の体積を変えるよ
う構成されている。また、前記第二圧縮空間（８）と前
記第一・バ・ソファ空間（１５）とは中間に第一逆止弁
（３４）を設けた第一連結回路（３５）によって連結さ
れ、さらに、前記第一圧縮空間（８）と前記第二バッフ
ァ空間（３３）は第逆止弁（３６）と設けた第二連結回
路（３７）によって連結されているため、結局、第二圧
縮空間（８）第一バッファ空間（１５）及び第二バッフ
ァ空間（３３）内の作動ガスの圧力は、運転中、第２図
に示したように変化することになる。なお本図ては、第
一バッファ空間（１５）及び第二バッファ空間（３３）
の体積はピストンの掃気容積に比べ」−分大きく、圧力
は運転中はぼ一定値をとるものとしている。

今、前記第一作動表面（２ａ）、第二作動表面（２ｂ）
ＥＬび第三作動表面（３２）の面積を、それぞれ、Ｓｔ
、Ｓ２．Ｓ３とし、第二圧縮空間（８）、第一バッファ
空間（１５）及び第二バッファ空間（３３）内の作動ガ
スの平均圧力を第１図に示すように、Ｐｍ、Ｐｂｌ、Ｐ
ｂ２とおくと、ピストン（２）に対して平均的に作用す
る力Ｆ（下方向を正とする）は、Ｆ＝Ｓｌ　　＊Ｐｍ　　−３２＊ｐｂｌ−３３＊Ｐｂ２
　　（１）となる。ここで、理想的な逆止弁の場合につ
いて考えると、Ｐ　ｂｌ＝　Ｐ　ｍｉｎ　　　　　　　　（２）Ｐ　ｂ
２＝　Ｐ　ｍａｘ　　　　　　　　（３）であり、またＳｔ　＝３２　＋３３　　　　　　（４）であるから、
結局、なる力Ｆが、運転中、ピストン（２）に作用し、以上よ
り、ピストン用弾性部材（２９）のばね定数をＫとおく
と、この力Ｆによってピストン（２）の往復運動の中立
点はたけｆ方に移動することになる。

方、圧力変動の振幅はストローク（Ｓ）比例関係にあり
、Ｐｍａｘ　−Ｐｍ１ｎ　＝　Ｃ＊　Ｓと概略Ｃ：　比例定数と書けるため、（［ｉ）　（７）式から明らかなように
、中立点の移動量△Ｘはストロークにほぼ比例すること
になる。こうして、Ｓ２，３３及びＫの値さらには連結
回路に流路抵抗を設けてバッファ空間の圧力の値を変え
るなどして、一つのバッファ空間のピストン作動表面に
作用する力を適当に設定すれば、移動量△Ｘがピストン
（２）のストロークの増減に伴う中立点の移動を補償す
ることが可能となり、従って、ピストンかシリンダに衝
突することかなく、広い能力範囲で死容積を小さくする
ことができる。すなわち中立点の移動量へＸを正にすれ
ば、ストロークが長くなったどきに中立点の位置（中立
位置）が第二圧縮空間（８）側に近づかないようにまた
ストロークが短かくなったときには遠ざからないように
移動することになり、死容積を極小にできる。例えば、
第１図の構成例では、△Ｘを正にするには、第１及び第
２のバッファ空間の作動表面積が３２＞３３の関係にな
るときであり、逆止弁（３４）　、　（３６）を各々逆
に接続した場合には作動表面積の大小関係も逆になる。

さらに、第３図に示すように、第二連結回路（３７）中
に第二連結回路（３７）の流路抵抗を変化させる流路抵
抗変化手段（３９）を設けてもよく、この場合、流路抵
抗変化手段（３９）を用いて第二連結回路（３７）の流
路抵抗を変化させることにより、第バッファ空間（：Ｉ
：ｌ）の串、均圧力（１１ｂ２）をＰｂ　１　＜　Ｐｂ
　２＜　Ｐｍａｘ　　　　　　　　　（３）の間の任意
の圧力に設定することができるため、この））ｂ２の圧
力を制御することによりピストン（２）の運動の中立点
を運転中に変化させることも可能である。

第４図（ａ）　、　（ｂ）は、この発明に係る一実施例
のガス圧縮機に用いられる静圧軸受の一例である表面絞
り型静圧軸受の動作原理を示す図である。

第４図（ａ）に示すように、ピストン（２）の中心とシ
リンダ（１）の中心が一致している場合には、対向する
位置のピストン側圧は矢印で示すように左右対称で互い
に同し大きさの分布となる。また、第４図（ｂ）に示す
ように、ピストン（２）とシリンり（１＞が偏心した場
合には、偏心ａによって間隙が小さくなりだ側の圧力が
対向する側の圧力よりも高くなり、ピストン（２）を押
戻してピストン（２）とシリンダ（１）の中心を一致さ
せようとする反力Ａが生ずる。そして、この作用は、ピ
ストン（２）がシリンダ（１）に対し、浮上したままで
ピストン側荷重Ｂを支持できることを、０、味しており
、ピストン（２）は非接触で往復動することか可能とな
るのである。このように、静圧軸受の作用によりシリン
ダ（１）及びピストン（２）との隙間を一定に保つよう
な力が働き、かくして、ピストン（２）は、シリンダ（
１）に対し・て常に非接触で往復運動することになる。

第５図は、ピストン（２）とシリンダ（１）間のすきま
シール（３８）上に、例えば、第二バッファ空間（３３
）と第一バッファ空間（１５）の間の圧力差（Ｐｂ２−
Ｐｂ１）を利用して働く静圧軸受け（４０）を設けた一
実施例であり１、この場合、ピストン（２）かシリンダ
（１）に対して非接触で往復動するため、ピストン（２
）及びシリンダ（１）の摩耗がなくなり長（Ｉ７）寿命にできる。

また、第５図に示す構成の冷却機において、第二作動表
面（２ｂ）の面積（Ｓ２）と第三作動表面（３２）の面
積（Ｓ３）をほぼ等しくすれば、ピストン（２）及びシ
リンダ（１）の摩耗がなく長寿命で、しかも（６）式か
ら明かなように、従来の冷却機と同様の特性を有する冷
却機を得ることも可能である。

いし、またオリフィス絞り等、他の形状の静圧軸受でも
よい。

尚、上記各実施例では、コールドフィンガ（３）とシリ
ンダ（１）が機械的に強く結合された体型の冷却機の場
合について説明したが、第６図に示すこの発明の他の実
施例におけるように、コールドフィンガ（３）とシリン
ダ（１）が連通管（５ａ）を介して互いに分離された分
離型の冷却機であっても良く、上記実施例と同様の効果
を奏する。

さらに、第７図に示すように、第一連結回路（３５）あ
るいは第二連結回路（３７）中の作動ガス中に含まれる
摩耗粉や作動ガス以外のガスを捕獲または吸着する吸着
室（４１）を設けても良く、この場合、循環する作動ガ
スが吸着室（４１）により常に浄化されるため、さらに
長寿命な冷却機が得られる。

なお、以」−の説明においては、本発明によるガス圧縮
機の適用例として、スターリングサイクルガス冷却機に
適用した場合について示してきたか、その他の熱力学的
サイクル例えば、ギフオード・マクマホンサイクルやラ
ンキンサイクル等に基づく熱機関のガス圧縮機としても
用いることができることは、これまでの説明から明かで
ある。

［発明の効果］この発明は以上説明したとおり、シリンダ内にあり、ピ
ストンが往復動するとき、該ピストンに設けられた第１
の作動表面の位置が移動することによりその体積が変化
し内部に封入された作動ガスのＳ−力が変わる圧縮空間
と、前記ピストンとシリンクとの間のすきまシール部を
介して前記圧縮空間と連通され、該ピストンに設けられ
て前記第１の作動表面と逆方向に作用する第２及び第３
の作動表面の位置か移動することによりそれらの体積が
変化する二つのバッファ空間と、及び萌記圧縮空間から
見たそれぞれの流れの方向が逆になるように接続された
逆止弁を介して前記両バッファ空間と圧縮空間とを連結
する二つの連結回路を備え、前記ピストンの往復動のス
トロークを長くするときには該ピストン往復動の中立位
置が圧縮空間側に近づかないように、また往復動ストロ
ークを短かくするときには前記中立位置が遠ざからない
ように、前記両バッファ空間のピストン作動表面に作用
する力を設定する構成にしたので、圧縮空間の死容積が
極小になり、広い出力制御範囲において高効率な運転が
できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る一実施例のガス圧縮機を適用し
たガス冷却機の断面側面図、第２図は第１図に示すガス
冷却機の動作説明図、第３図はこの発明に係る他の実施
例のガス圧縮機を適用したガス冷却機の断面側面図、第
４図（ａ）　、　（ｂ）はこの発明に係る一実施例のガ
ス圧縮機に用いられる静圧軸受の一例である表面絞り型
静圧軸受の動作原理を示す図、第５図は第４図に示した
静圧軸受を用いたガス冷却機の断面側面図、第６図及び
第７図はこの発明に係るさらに他の実施例のガス圧縮機
を適用したガス冷却機の断面側面図、第８図は従来のガ
ス冷却機の一例の断面側面図である。図において、（１）はシリンダ、（２）はピストン、（
８）は圧縮空間、（１５）　、　（３３）はバッファ空
間、（３４）　、　（３６）は逆止弁、（３５）　、　
（：Ｉ７）は連結回路、（２ａ）　、　（２ｂ）　、　
（３２）は作動表面、（４０）は静圧軸受である。なお、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

シリンダ内にあり、ピストンが往復動するとき、該ピス
トンに設けられた第１の作動表面の位置が移動すること
によりその体積が変化し内部に封入された作動ガスの圧
力が変わる圧縮空間、前記ピストンとシリンダとの間の
すきまシール部を介して前記圧縮空間と連通され、該ピ
ストンに設けられて前記第１の作動表面と逆方向に作用
する第２及び第３の作動表面の位置が移動することによ
りそれらの体積が変化する二つのバッファ空間、及び前
記圧縮空間から見たそれぞれの流れの方向が逆になるよ
うに接続された逆止弁を介して前記両バッファ空間と圧
縮空間とを連結する二つの連結回路を備え、前記ピスト
ンの往復動のストロークを長くするときには該ピストン
往復動の中立位置が圧縮空間側に近づかないように、ま
た往復動ストロークを短かくするときには前記中立位置
が遠ざからないように、前記両バッファ空間のピストン
作動表面に作用する力を設定することを特徴とするガス
圧縮機。