JPH0264276A - フリーピストン型圧縮機 - Google Patents

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 この発明はフリーピストン型圧縮機に関する。

従来の技術 従来、この種フリーピストン型圧縮機としては第２図に
示すような構造のものがある。同図に開示の圧縮機は冷
凍機などに用いる冷媒圧縮機及び圧縮機ピストンの駆動
手段として、フリーピストン型スターリングエンジンを
用いた例であり、全体はエンジン部、シール部および圧
縮゛機部からなっている。

先ずエンジン部について説明する。１は容器で、その中
にヘリウム、窒素などのスターリングエンジンの作業流
体（以下「ヘリウム」と略称する）が封入されている。

２は作業流体を加熱する加熱器、３は作業流体を冷却す
る冷却器、４は再生器である。５は容器１の内壁と摺動
しながら上下に運動するディスプレーサ、６は容器１の
内壁と摺動しながら上下に運動する出力ビストン、７は
出力ビストン６に結合されたロッドである。

次に圧縮機部について説明する。８はシリンダ、９はロ
ッド７に結合されシリンダ８内をシリダ８の内壁に摺動
あるいはシリンダ８と隙間を介して運動する圧縮機ピス
トン、１０は低圧の流体が流動する低圧流路、１１は吸
入弁、１２は圧縮室である、１３は吐出弁、１４は高圧
流路、１５は凝縮器、１６は膨張弁、１７は蒸発器であ
る。また１８は運転停止中ヘリウムと冷媒との差圧によ
り圧縮機ピストン９がシリンダ８に衝突するのを防止す
るための圧縮コイルばねである。

次にシール部について説明する。１９はエンジン部のヘ
リウムと圧縮機部の冷媒とが混合しないように設けられ
たシール装置である。

次に、このように構成された従来のフリーピストン型圧
縮機の作用について説明する。ディスプレーサ５が下が
ると圧縮空間２０の体積は減少し膨張空間２１の体積は
増加する。そのため圧縮空間２０の圧力は膨張空間２１
の圧力より高くなり、この差圧によって圧縮空間２０及
び冷却器３の中にある低温のヘリウムは再生器４、加熱
器２を通って膨張空間２１の方へ流れていく。このとき
ヘリウムは再生器４および加熱器２によって加熱され、
再生器４は逆に冷却される。この様にして低温のヘリウ
ムが加熱されるため圧縮空間２０、冷却器３、再生器４
、加熱器２、膨張空間２１を合わせた空間（以下作動空
間と略称する）の圧力が増加し出力ビストン６を引き下
げる。このとき出力ビストン６はロッド７に対して仕事
をする。

方、ディスプレーサ５が下がりつづけるとガスばね空間
２２の圧力が次第に増加し、遂にはディスプレーサ５は
下がるのが止まり、今度は逆に上昇を始める。ディスプ
レーサ５が上昇すると今度は圧縮空間２０の体積が増加
し膨張空間２１の体積が減少する。そのため膨張空間２
１の圧力は圧縮空間２０の圧力より高くなりこの差圧に
よって膨張空間２１および加熱器２の中にある高温のヘ
リウムは、再生器４、冷却器３を通って圧縮空間２０の
方へ流れていく。このときヘリウムは再生器４および冷
却器３によって冷却される。そして再生器４は逆に加熱
される。この様にして高温の作業流体が冷却されるため
作動空間の圧力が低くなり、出力ビストン６を引き上げ
る。このとき出力ビストン６はロッド７に対して仕事を
する。一方デイスプレーサ５が上がりつづけるとガスば
ね空間２２の圧力が次第に減少し、遂にはディスプレー
サ５は上がるのが止まり、今度は逆に下降を始める。

以上述べたような−回りの過程に於て、ヘリウムは加熱
器２によって得た熱の一部をロッド７に対する仕事に変
え、一部を冷却器３に捨てることになる。通常ディスプ
レーサ５の位置の位相角は出力ビストン６の位置の位相
角に対して６０°〜９０”進んでいる。

圧縮機部はフリーピストン型スターリングエンジンで駆
動されるロッド７に結合されており、圧縮機ピストン９
は出力ビストン６と同じ速度で運動している。圧縮機ピ
ストン９の上下運動に伴って、低圧流路１０の低圧低温
の気相冷媒は吸入弁１１を通って圧縮室１２へ流入し圧
縮されて高圧高温となり、吐出弁１３を通って高圧流路
１４へ流出する。更に凝縮器１５に流入して高圧の液相
となり、膨張弁１６を通過して低圧低温の気液二相とな
り、更に蒸発器１７で加熱され、低圧低温の気相となり
低圧流路１０へ流入する。

以上述べたような−回りの過程に於て、圧縮機ピストン
８が冷媒にした仕事と冷媒が蒸発器１７で得た熱の和は
、凝縮器１５で冷媒から捨てられる。その結果、蒸発器
１７および凝縮器１５で冷熱及び温熱がそれぞれ利用で
きる。

上記構造において、圧縮機ピストン９のストロークは、
例えば加熱器２の加熱量を制御することによって一定に
することができる。一方、ばね室２３と圧縮室１２との
間で、冷媒が圧縮機ピストン９とシリンダ８との隙間を
通って往復している。

しかしながらこの移動する冷媒質量は往路と復路で異な
り、そのためばね室２３と圧縮室１２との間に平均圧力
の差が生じる。このため圧縮機ピストン９が次第に下降
したり上昇したりする。この現象はフリーピストン型ス
ターリングエンジンのバウンス空間２４と作動空間との
間を出力ビストン６と容器１との間を通って往復移動す
るヘリウムについても同様であり、移動する質量の往路
と復路における差が圧縮機ピストン９を次第に下降させ
たり上昇させたりする。

発明が解決しようとする課題 したがって、この様な構造のものでは圧縮機ピストン９
の下死点を制御する手段がないため、圧縮機ピストン９
が下がって吸入弁１１やシリンダ８に衝突したり、逆に
上がってしまって死体積が増加したりして体積効率や断
熱効率が低下すると言う問題があった。

上記問題点に鑑み本発明は、運転中に圧縮機ピストンが
下がって吸入弁やシリンダに衝突したり、逆に上がって
しまい死体積が増加して体積効率や断熱効率が低下する
事を防ぎ、圧縮機の信頼性と効率を向上させることを目
的とするものである。

課題を解決するための手段 本発明のフリーピストン型圧縮機は、ばね室と低圧流路
あるいは高圧流路とを連通ずる連通流路と、前記連通流
路に設けられたポンプと、ピストンの位置゛を検出する
位置検出器と、ピストンの位置に応じてポンプの吐出流
量を制御する制御装置を備えたものである。

作用 本発明のフリーピストン型圧縮機の作用は次のようにな
る。まず位置検出器がピストンの位置を検出し、次に制
御装置がピストンの位置に応じてポンプの吐出流量を制
御している。その制御方法は以下に示す通りである。

たとえば、圧縮機ピストンの死体積（以下「死体積」と
略称する）が目標値より大きい（即ち圧縮機ピストンの
トップクリアランスが大きい）ときは、ばね室から高／
低圧流路へのポンプの吐出流１を減少させる。その吐出
流量が０になっても目標値より大・きいときは、ポンプ
で高／低圧流路からばね室へ吐出させ、目標値に一致す
るまでその吐出流量を増加させる。

逆に、死体積が目標値より小さいときは高／低圧流路か
らばね室へのポンプの吐出流１を減少させる、その吐出
流量が０になっても目標値より小さいときはポンプでば
ね室から高／低圧流路へ吐出させ、目標値に一致するま
でその吐出流量を増加させる。

このようにポンプの吐出流量を制御することにより、死
体積を目標値に保つことができる。

実施例 以下本発明の一実施例について、′第１図に基づいて説
明する。

第１図の実施例に於て、圧縮機部は、圧縮機として冷凍
機などに用いる冷媒圧縮機を用い、圧縮機ピストンの駆
動手段はフリーピストン型スターリングエンジンを用い
たものであり、全体はエンジン部、シール部および圧縮
機部からなっている。

先ず同実施例のエンジン部について説明する。

２５は容器で、その中にヘリウム、窒素などのスターリ
ングエンジンの作業流体（以下ヘリウムと略称する。）
が封入されている。２６は作業流体を加熱する加熱器、
２７は作業流体を冷却する冷却器、２８は再生器である
。２θは容器２５の内壁と摺動しながら上下に運動する
ディスプレーサ、３０は容器２５の内壁と摺動しながら
上下に運動する出力ビストン、３１は出力ビストン３０
に結合されたロッドである。

次に圧縮機部について説明する。３２はシリンダ、３３
はロッド３１に結合されシリンダ３２内をシリンダ３２
内壁に摺動あるいはシリンダ３２と隙間を介して運動す
る圧縮機ピストン（以下出力ビストン３０．　　ロッド
３１、圧縮機ピストン３３全体を「ピストン」と称する
）、３７は吐出弁、３８は高圧流路、３９は凝縮器、４
０は膨張弁、４１は蒸発器である。また４２は、運転停
止中ヘリウムと冷媒との差圧により圧縮機ピストン３３
がシリンダ３２に衝突するのを防止するための圧縮コイ
ルばねである。更に４３はばね室４４と高圧流路３８と
の連通流路、４５はばね室４４と圧縮室３６との間を冷
媒を移動させるためのポンプ、４６は流路の方向を切り
替えるための四方弁、４７は容器である。

また４８は出力ビストン３０の位置を検出するための例
えば渦電流式の位置検出器、４９は制御装置で、位置検
出器４８、ポンプ４５及び四方弁４６とはそれぞれ信号
線５０．５１．５２で接続されている。

次にシール部について説明する。５３はエンジン部のヘ
リウムと圧縮機部の冷媒とが混合しないように設けられ
たシール装置である。

以下本実施例の作用について説明する。ディスプレーサ
２９が下がると圧縮空間５４の体積は減少し膨張空間５
５の体積は増加する。そのため圧縮空間５４の圧力は膨
張空間５５の圧力より高くなり、この差圧によって圧縮
空間５４及び冷却器２７の中にある低温のヘリウムは、
再生器２８、加熱器２６を通って膨張空間５５の方へ流
れていく。このとき、ヘリウムは再生器２８および加熱
器２６によって加熱され、再生器２８は逆に冷却される
。

この様にして低温のヘリウムが加熱されるため、圧縮空
間５４、冷却器２７、再生器２８、加熱器２８１　膨張
空間５５を合わせた空間（以下「作動空間」と略称する
）の圧力が増加し出力ビストン３０を引き下げる。この
とき、出力ビストン３０はロッド３１に対して仕事をす
る。

一方デイスプレーサ２９が下がりつづけるとガスばね空
間５６の圧力が次第に増加し、遂にはディスプレーサ２
９は下がるのが止まり、今度は逆に上昇を始める。ディ
スプレーサ２９が上昇すると、今度は圧縮空間５４の体
積は増加し、膨張空間５５の体積は減少する。そのため
膨張空間５５の圧力は圧縮空間５４の圧力より高くなり
、この差圧によって膨張空間５５および加熱器２θの中
にある高温のヘリウムは再生器２８、冷却器２７を通っ
て圧縮空間５４の方へ流れていく。このとき、ヘリウム
は再生器２８および冷却器２７によって冷却され、再生
器２８は逆に加熱される。この様にして高温の作業流体
が冷却されるために作動空間の圧力が低くなり、出力ビ
ストン３０が上昇する。このとき、出力ビストン３０は
ロッド３１に対して仕事をする。

一部デイスプレーサ２９が上がりつづけるとガスばね空
間５６の圧力が次第に減少し、遂にはディスプレーサ２
９の上昇が止まり、今度は逆に下降を始める。以上述べ
たような−回りの過程に於て、ヘリウムは加熱器２６に
よって得た熱の一部をロッド３１に対する仕事に変え、
一部を冷却器２７に捨てることになる。通常ディスプレ
ーサ２９の位置の位相角は、出力ビストン３０の位置の
位相角に対して６０＠〜９０″進んでいる。

圧縮機部においては、フリーピストン型スターリングエ
ンジンで駆動されるロッド３１に結合されている圧縮機
ピストン３３が出力ビストン３０と同じ速度で運動して
いる。この圧縮機ピストン３３の上下運動に伴って、低
圧流路３４の低圧低温の気相冷媒は、吸入弁３５を通っ
て圧縮室３６へ流入し、圧縮されて高圧高温となり、吐
出弁３７を通って高圧流路３８へ流出する。更にこの気
相冷媒は、凝縮器３９に流入して高圧の液相となり、膨
張弁４０を通過して低圧低温の気液二相となり更に蒸発
器４１で加熱され、低圧低温の気相となって低圧流路３
４へ流入する。

以上述べたような−回りの過程に於て、圧縮機ピストン
３３が冷媒にした仕事と冷媒が蒸発器４１で得た熱の和
は凝縮器３９で冷媒から捨てられる。その結果、蒸発器
４１および凝縮器３９で冷熱及び温熱がそれぞれ利用で
きる。

ところで、本実施例においては、圧縮機の死体積（即ち
トップクリアランス）の制御は次のように行なっている
。まず、位置検出器４８がピストンの位置を検出し、信
号線５０を介して制御装置４９に位置の信号を送る。次
に制御装置４８がこの信号より死体積を計算して目標値
と比較し、信号線５１．５２を介してそれぞれポンプ４
５及び四方弁４６に制御信号を送って、ポンプ４Ｓの吐
出流量の制御と、ばね室４４と、高圧流路３８の間の流
動方向の切り替えの制御を行っている。

その結果ばね室４４と圧縮室３６の平均圧力の差が調節
されピストンの下死点の位置が調節される。たとえば、
死体積が目標値より大きいときは、ポンプ４５のばね室
４４から高圧流路３８への吐出流量を減少させる。そし
て吐出流量がＯになっても目標値より大きいときは四方
弁４６を切り替えて、ポンプ４５で高圧流路３８からば
ね室４４へ吐出させ、目標値に一致するまで吐出量を増
加させる。逆に、死体積が目標値より小さいときは、ポ
ンプ４５の高圧流路３８からばね室４４への吐出流量を
減少させる。そして吐出流量が０になっても目標値より
小さいときは、四方弁４６を切り替えてポンプ４５でば
ね室４４から高圧流路３８へ吐出させ目標値に一致する
まで吐出量を増加させる。このようにポンプ４５の吐出
流量を制御することにより、死体積を目標値に保つこと
ができる。

ところで容器４７は、四方弁４６を切り替えたときの急
激な圧力変化やポンプ４５の圧力脈動が直接ばね室４４
へ伝わってピストンの位置が急に変動しないように設け
られたものである。

また四方弁４６°を切り替えるときなに、ばね室４４の
圧力が急に増加して、圧縮機ピストン３３が吸入弁３５
やシリンダ３２に衝突するおそれがあるときは、死体積
を大きくして運転する。

通常運転時に於て、死体積を制御するために高圧流路３
８とばね室４６との間を移動する冷媒の質量流量は、膨
張弁４０を通過する質量流量に比べてたいへん少なく、
従ってポンプ４５の消費エネルギも圧縮機の消費エネル
ギに比べてはるかに小さい。また四方弁４６の消費エネ
ルギも圧縮機の消費エネルギに比べてはるかに小さい。

このため本実施例によれば、　トップクリアランスを小
さく保ちながら運転できるので、体積効率が従来例に比
べて増加するばかりでなく、断熱効率の増加による損失
の減少分よりポンプ４５、四方弁４６の消費エネルギの
増加分の方が小さい。

此の様に本実施例は、圧縮機ピストン３３の死体積が目
標値からずれないように、圧縮機ピストン３３の位置を
検出する位置検出器４８の出力信号に基づいて、制御装
置４９がポンプ４５の吐出流量と四方弁４６の流動方向
の切り替えを制御している。そのため、圧縮機ピストン
３３の死体積が目標値以下に減少して吸入弁３５やシリ
ンダ３２に衝突したり、逆に目標値以上に増加して体積
効率や断熱効率が低下すると言う問題がなくなり、その
結果信願性と効率が増加する。

なお本実施例では、ばね室４４、高圧流路３８間の流動
方向の切り替えを制御するために四方弁４６を設けてい
るが、圧縮コイルばね４２を柔らかいものにし、四方弁
４６を省略して、ばね室４４から高圧流路３８へ流動す
るようにポンプ４５を設け、ポンプ４５の流量調節のみ
で制御することも可能であるし、その逆に、圧縮コイル
ばね４２を硬いものにし四方弁４６を省略し高圧流路３
８からばね室４４へ流動するようにポンプ４５を設ける
ことも可能である。

また本実施例では、ばね室４４は高圧流路３８と連通し
ているが、これに依らず低圧流路３４と連通しても同様
の効果がある。

さらに本実施例では、圧縮機として冷凍機などに用いる
冷媒圧縮機を用いているが、圧縮される流体は冷媒に限
らず例えば空気等でもよい。又圧縮機ピストンの駆動手
段はフリーピストン型スターリングエンジンを用いてい
るがこれに限らずフリーピストン型オツトーエンジン、
リニアモータ等を用いてもよい。

発明の効果 本発明のフリーピストン型圧縮機によれば、圧縮機の死
体積を一定に保ち死体積を小さく保つように制御できる
ので、死体積が小さくなり過ぎて圧縮機ピストンが吸入
弁やシリンダに衝突したり、逆に死体積が大きくなり過
ぎると言う問題がなくなる。その結果体積効率や断熱効
率の低下が防止されるため、信頓性と効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のフリーピストン型図 圧縮機の縦断面、第２図は従来例の圧縮機の縦断面図で
ある。 ３２・・・・・・シリンダ、３３・・・・・・圧縮機ピ
ストン、３４・・・・・・低圧流路、３６・・・・・・
圧縮室、３８・・・・・・高圧流路、４３、・・・・・
・連通流路、４５・・・・・・ポンプ、４８・・・・・
・位置検出器、４９・・・・・・制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シリンダと、前記シリンダ内を運動する圧縮機ピストン
   と、前記圧縮機ピストンと前記シリンダとで囲まれた圧
   縮室と、前記圧縮室に連通し低圧の流体が流れる低圧流
   路と、前記圧縮室に連通し高圧の流体が流れる高圧流路
   と、前記シリンダ内の圧縮室以外の空間であって、前記
   圧縮機ピストンの運動に伴ってその体積が変わるばね室
   と、前記ばね室と低圧流路あるいは高圧流路とを連通す
   る連通流路と、前記連通流路に設けられたポンプと、ピ
   ストンの位置を検出する位置検出器と、ピストンの位置
   に応じてポンプの吐出流量を制御する制御装置とを有す
   るフリーピストン型圧縮機。