JPH07111172B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は圧縮機に関する。

従来の技術 従来、この種圧縮機としては第３図に示すような構造の
ものがある。本図に開示の圧縮機は冷凍機などに用いる
冷媒圧縮機、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He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ピストン、７は出力ピストン
６に結合されたロッドである。

さらに、８は圧縮空間９と出力ピストン６のシリンダ10
との摺動面に設けられた環状溝11とを連通する流路、12
はその一端はシリンダ10側から出力ピストン６のシリン
ダ10との隙間に開口し他端はバウンス空間13に開口して
いる流路である。

次に圧縮機部について説明する。14はシリンダ、15はロ
ッド７に結合されシリンダ14内をシリダ14の内壁に摺動
あるいはシリンダ14と隙間を介して運動する圧縮機ピス
トン、26は低圧の流体が流動する低圧流路、16は円盤の
周囲の一部を切り欠いてなる吸入弁、17は圧縮室であ
る、18は吐出弁、19は高圧流路、20は凝縮器、21は膨張
弁、22は蒸発器である。

次にシール部について説明する。23、24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、25はシール装置23、24から洩れたHeあ
るいは冷媒を大気に放出するための流路である。

以下作用について説明する。

容器１内のHeは、加熱器２では加熱され冷却器３では冷
却されるため、この両者の間に温度差ができる。その結
果、ディスプレーサ５および出力ピストン６は上下に摺
動する。この場合通常、ディスプレーサ５の位置の位相
角は出力ピストン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に結合されている圧縮機ピストン15
は出力ピストン６と同じ速度で運動している。圧縮機ピ
ストン15の上下運動に伴って低圧流路26の低圧低温の気
相冷媒は吸入弁16を通って圧縮室17へ流入し圧縮されて
高圧高温となり吐出弁18を通って高圧流路19へ流出す
る。さらに凝縮器20に流入して高圧の液相となり膨張弁
21に流入流出して低圧低温の気液二相となりさらに蒸発
器22で加熱され、低圧低温の気相となり低圧流路26へ流
入する。

以上述べたような一回りの過程において圧縮機ピストン
15が冷媒にした仕事と冷媒が蒸発器22で得た熱の和は凝
縮器20で冷媒から捨られる、そして蒸発器22および凝縮
器20で冷熱および温熱がそれぞれ利用できる。

上記構造において、流路８と流路12とが摺動部で連通す
ると、圧縮圧間９とバウンス空間13とが均圧する、しか
もロッド16の断面積はたいへん小さくしてあるので、流
路８、12の作用で出力ピストン６はほぼ第３図に示す位
置を中心にして振動する。

ところで、必要とされる冷媒流量（流量は質量流量）は
変化するため、加熱器２の加熱量等を増減させ、圧縮機
ピストン15のストロークを変化させて対応する。

例えば、今仮に圧縮機ピストン15がその最大運動範囲い
っぱいに振動しているとする、この時、圧縮機ピストン
15の押し退け体積は最大であり、しかもトップクリアラ
ンス（運動中の圧縮機ピストン15下面とシリンダ底面と
の最短距離）は最小であるため、体積効率、断熱効率共
に最大となり冷媒流量も最大となる。

ここからさらにストロークを減少させると、圧縮機ピス
トン15の押し退け体積は減少し、しかもトップクリアラ
ンスは増加するため体積効率、断熱効率共に減少し、そ
の結果冷媒流量は減少する。

発明が解決しようとする課題 しかし、この様な構造のものでは、圧縮機ピストン15の
ストロークの減少につれてトップクリアランスが増加
し、それにともなって体積効率、断熱効率共に減少する
ため、トップクリアランスが変化しない場合にくらべて
エネルギ損室が増加するという欠点があった。

そこで、本発明は圧縮機ピストン15のストロークが減少
しても、トップクリアランスを小さく保ち、体積効率、
断熱効率の減少を小さくし、エネルギ損失を減少させて
エネルギの有効利用を図るものである。

課題を解決するための手段 そして上記課題を解決する本発明の技術的な手段は、シ
リンダと、前記シリンダ内をシリンダ内壁に摺動可能な
ように配設されたピストンと、前記ピストンの駆動手段
と、シリンダおよびピストンと共に流体がその中に流入
流出する圧縮室を形成するようにシリンダ内に配設され
た可動壁と、前記ピストンと前記可動壁との最短距離を
調節する手段とを備えたことを特徴とする。

作用 この技術的手段による作用は次のようになる。

即ち、圧縮機のシリンダ内をピストンが駆動手段によっ
て往復運動し、これにともない圧縮室の体積が変化し、
流体がその中に流入流出する。

一方、ピストンと前記可動壁との最短距離を調節する手
段は、トップクリアランスを小さく保つように可動壁の
位置を調節する。その結果、前記調節する手段が無い場
合にくらべて体積効率、断熱効率が増加する。

実施例 以下本発明の一実施例について、第１図および第２図に
基づいて説明する。第３図に示した従来例と構成が同一
のものは、同一番号をつけ説明を省略する。

第１図および第２図において圧縮機は冷凍機などに用い
る冷媒圧縮機、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・エンジンを用いた例である。

27はシリンダ14の内壁に摺動可能なように設けられた可
動壁は28高圧流路内の流体から冷媒と冷凍機油（以下油
と略称する）を分離し冷凍機油をその下部に貯留させる
油分離器、29は油分離器28下部と空間30とを連通する流
路、31は流路29に取り付けられた流量制御弁、32は逆止
弁である。また33は高圧流路26と空間30とを連通する流
路、34は流路33に設けられたリリーフ弁、35は逆止弁で
ある。さらに36は空間30内の圧力を検出する圧力セン
サ、37は圧力センサ36の信号を受けて流量制御弁31の開
度を制御する制御装置である。

また吸入室41と吐出室39は円筒の曲面をえぐるような形
で可動壁27に設けられており、吐出室39から吸入室41へ
の冷媒の漏れはほとんど無いように構成されている。さ
らに、可動壁27には回りどめが設けられており、低圧流
路26と吸入室41、および高圧流路19と吐出室39とが常に
連通するように構成されている。

以下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９の体積は減少し膨張空間38の体積は増加す
る、そのため圧縮空間９の圧力は膨張空間38の圧力より
高くなり、この差圧によって圧縮空間９および冷却器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38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によって加熱される、そして再生
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
９、冷却器３、再生器４、加熱器２、膨張空間９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
力ピストン６を引き下げる。このとき出力ピストン６は
ロッド７に対して仕事をする。

ディスプレーサ５が下がりつづけるとガスばね空間39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９の体積は増加し膨張空間
38の体積は減少する、そのため膨張空間38の圧力は圧縮
空間９の圧力より高くなりこの差圧によって膨張空間38
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９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
り出力ピストン６を引き上げる。

ディスプレーサ５が上がりつづけるとガスばね空間39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
一回りの過程におい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に捨てるのである。通常ディスプレーサ５の位置の位
相角は出力ピストン６の位置の位相角に対して60゜〜90
゜進んでいる。

ところで圧縮機部につ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７に結合されている
圧縮機ピストン15は出力ピストン６と同じ速度で運動し
ている。圧縮機ピストン15の上下運動に伴って低圧流路
26の低圧低温の気相冷媒は吸入弁16を通って圧縮室17へ
流入し圧縮されて高圧高温となり吐出弁16を通って高圧
流路19へ流出する。さらに凝縮器20に流入して高圧の液
相となり膨張弁21に流入、流出して低圧低温の気液二相
となり、さらに蒸発器22で加熱され、低圧低温の気相と
なり低圧流路26へ流入する。

以上述べたような一回りの過程において圧縮機ピストン
15が冷媒にした仕事と冷媒が蒸発器22で得た熱の和は凝
縮器20で冷媒から捨てられる、そして蒸発器22および凝
縮器20で冷熱および温熱がそれぞれ利用できる。

ところで圧縮機のトップクリアランスの制御は次によう
に行なっている。即ち、圧縮機ピストン15のストローク
は通常冷温熱の利用側から発信される信号に基ずいて制
御される。例えば蒸発器22の冷熱を利用して部屋の冷房
を行なっている場合は室温の目標値と現在値の信号に基
づき、加熱器２の加熱量等を増減させて圧縮機ピストン
15のストロークを変化させ室温の現在値を目標値に近ず
けるように制御する。

圧縮機ピストン15のストローク変化によってトップクリ
アランスが変化する。そこで空間30の油の量を調節して
をトップクリアランスを制御している。

圧縮機ピストン15が運動している時、吐出室39から高圧
流路19に排出された冷媒と油は油分離器28で冷媒と油に
分離され冷媒は凝縮器20へ向かい、油は流量制御弁31を
通って空間30へ流入する、空間30内の油は可動壁27に設
けられた穴40から吸入室41へ流入する。圧力センサ36は
空間30の圧力信号を制御装置37に送信している。

今、仮に圧縮機ピストン15の振幅が増加し、圧縮機ピス
トン15下面と可動壁27上面とが衝突すると空間30内の圧
力が大きくなるので制御37は流量制御弁31の開度を減ら
し可動壁27を下げる。そして衝突がなくなり空間30の圧
力が下がると再び流量制御弁31の開度を増やし可動壁28
を上げる。

以上のようにして圧縮機ピストン15の振幅が変化しても
トップクリアランスを小さく保つように可動壁27の位置
を制御する。

その結果、従来例に比べ圧縮機ピストン15のストローク
を減少させたとき、体積効率、断熱効率の減少量が少な
くなり、その結果、エネルギの有効利用が図れる。

また、穴40は空間30の気相冷媒を、空間30内の圧力（通
常圧縮室17の圧力に等しい）と吸入室41の圧力との差圧
で吸入室41に排出すると共に、空間30内の油を吸入室41
を通して圧縮室17へ送り込み、もって圧縮機ピストン15
と可動壁27との衝突時の衝撃を油で緩和し、破壊を防い
でいる。

また、圧縮機ピストン15の運動によって圧縮室17の圧力
が変動し、可動壁27に上下方向の変動力が働くが、穴40
および流量制御弁31の抵抗により、可動壁27の圧縮機ピ
ストン15の運動と同振動数の変位は、非常に小さい。

加えて、リリーフ弁34は制御装置37の故障等により、圧
縮機ピストン15と可動壁27とが激しく衝突し、空間30内
の圧力が異常に上昇したときに開き空間30内の油を高圧
流路19に放出し破壊を防いでいる。

また、運転中、低圧流路26あるいは高圧流路19の圧力が
変動すると、圧縮機ピストン15の振動の中心位置が僅か
に変動することがあるが、制御装置37はこの場合にもト
ップクリアランスを小さく保つように可動壁27の位置を
制御する事が可能である。

なお、本実施例では、可動壁27の位置制御は空間30内の
油の質量を調節して行なっているが、この方法によらず
可動壁27を、直接ねじ機構やカム機構で駆動してもよ
い。この場合、これらの機構は圧力センサ36の圧力信号
を受けて制御装置37が発信する信号によって、トップク
ラアランスを小さく保つように制御される。

また、本実施例では、圧縮機は冷凍機などに用いる冷媒
圧縮機であ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、また圧縮機ピストン15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内燃機関、リニアモータ等
でもよい。

発明の効果 本発明によれば、ピストンのストロークが変化しても可
動壁と圧縮機ピストンとの最短距離を小さく保つことが
できるため、体積効率、断熱効率の減少量が少なくな
り、その結果、エネルギの有効利用が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の圧縮機の縦断面、第２図は
第１図の要部拡大図、第３図は従来例の圧縮機の縦断面
図である。 １……容器、２……加熱器、３……冷却器、４……再生
器、５……ディスプレーサ、６……出力ピストン、７…
…ロッド、10,14……シリンダ、15……圧縮機ピスト
ン、26……低圧流路、16……吸入弁、17……圧縮室、30
……空間、18……吐出弁、19……高圧流路、20……凝縮
器、21……膨張弁、22……蒸発器、28……油分離器、31
……流量制御弁、32、35……逆止弁、34……リリーフ
弁、37……制御装置、36……圧力センサ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダと、前記シリンダ内をシリンダ内
   壁に摺動可能なように配設されたピストンと、前記ピス
   トンの駆動手段と、シリンダおよびピストンと共に流体
   がその中に流入流出する圧縮室を形成するようにシリン
   ダ内に配設された可動壁と、前記ピストンと前記可動壁
   との最短距離を調節する手段とを有する圧縮機。
2. 【請求項２】ピストンと可動壁との最短距離を調節する
   手段を、可動壁によって圧縮室と隔てられた空間Ａ内の
   流体の質量を調節する手段を以て構成した請求項１記載
   の圧縮機。
3. 【請求項３】ピストンの駆動手段をフリーピストン型ス
   ターリング・エンジンンを以て構成した請求項１記載の
   圧縮機。