JPH0763160A - 流体機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 電磁力のみでピストンを間接的に無端状周回
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。 【構成】 無端状管路１内のピストン２を外部よりの電
磁誘導を利用して周回可能に構成した流体機械に適用さ
れるもので、前記ピストン２に磁気力を内蔵させると共
に、該ピストンが周回する管路上に沿って電磁誘導作用
手段を配置し、該作用手段の作用力を管路１周方向に異
ならせる事により、前記管路内を周回するピストン２間
の比速度を変化させて、該ピストン間に形成される容積
空間５を変化可能に構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、膨脹若しくは圧送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】本発明者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電磁力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為に、管壁の適
宜箇所に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、該ピストンを外部よりの
電磁力を利用して間接的に管路内を周回させつつ、前記
吸入口と吐出口の位置に対応させて先行するピストンと
の比速度を変化させて、該先行するピストンとの間に形
成される閉鎖空間を変化させ、前記吸入部と吐出部との
組合わせによって吸入行程−圧縮若しくは膨脹更には圧
送行程−吐出行程が繰り返し行なわれる事を特徴とする
流体機械を同時出願の特許願（整理番号Ｐ９３６４Ｍ
Ａ）において提案している。本発明はかかる流体機械を
実施するために好適な装置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、前記管路内のピ
ストンを外部よりの電磁誘導を利用して周回可能に構成
した流体機械に適用されるもので、前記ピストンに磁気
力を内蔵させると共に、該ピストンが周回する管路上に
沿って電磁誘導作用手段を配置し、該作用手段の作用力
を管路周方向に異ならせる事により、前記管路内を周回
するピストン間の比速度を変化させて、該ピストン間に
形成される容積空間を変化可能に構成した事を特徴とす
るものである。この場合、前記電磁誘導作用手段には、
前記管路上を巻回し、交番電圧が印加されるコイルであ
り、該コイルの巻ピッチ若しくは周波数を管路周方向に
連続的若しくは間欠的に異ならしてもよく、又前記管路
上にパルス波発生手段を配置し、該発生手段に印加され
るパルス周波数を管路周方向に連続的若しくは間欠的に
異ならしてもよい。尚、前記交番電圧とは交流電圧のみ
ならず、正負若しくは定電圧と設置電位間に振れる全て
の電圧を含む。

【０００８】尚、このような電磁誘導作用手段を用いる
構成では、前記ピストンを前記コイル等と対応させて所
定位置に整列させた状態で周回させるのがよく、この
為、ピストンと対峙して配置した位置決めコイル等を用
いて初期位置設定手段を設けるのがよい。

【０００９】尚、本発明に類似する技術として実開昭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比速度を変化させなが
ら連続的に周回させる事は不可能である。特に本発明に
おいては、一周回路上に該先行するピストンとの間で比
速度が１以上になる行程と、比速度が１以下になる行程
を設ける事が必要であり、且つ連続的周回を可能にする
ために電磁誘導作用手段を用いるが必須であるがかかる
点は何等開示されていない。

【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。先ず
本発明の基本構成を図１に基づいて説明する。先ず非磁
性金属からなるシリンダ１１のリング状円形管路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フリーピストン２を複数個（２個
以上）配置する。そして各フリーピストン２は管路１外
部からの力例えば後記するような電磁誘導作用手段のよ
うな間接的な力によって管路１内を所定の周速度で周回
するように構成する。例えば前記フリーピストン２には
夫々磁石体３を内蔵させ、外部よりの交番電圧コイルの
作用力により前記フリーピストン２が回転するように構
成する。この際外部のコイル４の巻ピッチ若しくは周波
数を管路周方向に連続的若しくは間欠的に異ならせた状
態で交流電圧を印加する事により、先行するフリーピス
トン２と本フリーピストン２との間の比速度を変化させ
る事が出来る。従って本フリーピストン２を先行するフ
リーピストン２との比速度が１以上になる行程では、本
フリーピストン２前面と先行するフリーピストン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、又比速度が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）を挟んで比速度が１以下になる行程と、
比速度が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。

【００１１】図２及び図３は前記フリーピストン２の回
転角と比速度と及び回転角と空間容積５の変化をグラフ
に表したものである。従って比速度が１以上になる行程
にがづ吸入部を設けて吸入行程ａとし、比速度が１以下
になる行程に吸入部も吐出部も設けない管路１閉鎖空間
としての圧縮行程部分ｂと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。尚、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。即ち具
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比速度がフリーピス
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、図３に示すよう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フリーピストン２が回
転方向に進行するにつれ比速度が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ではさらにフリーピストン２の比速度を小
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。そし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、フリーピス
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。

【００１２】図５乃至図６は本発明の実施例たる圧縮機
を示し、図５は前記フリーピストンと電磁誘導手段とコ
イルの関係を示す説明図である。 図５において、１は
非磁性金属からなるリングシリンダ１１に形成したリン
グ円状の管路で、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１
１２、１１３は夫々吐出穴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、図６に示
すように、リング状のシリンダ１１内に形成した管路１
の内形断面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フリーピストン２を８
個配置する。該フリーピストン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、内部に円筒状の磁石
体２ａを、例えば図７に示すように上側にＮ極、下側が
Ｓ極になるように）を埋設する。尚該磁石体２ａはいず
れも同極性に設定する。そして前記管路１を形成するリ
ング状シリンダ１１の周囲に駆動コイル４０を適宜間隔
毎に巻回配置する。

【００１３】該駆動コイル４０は例えば前記図５に示す
シリンダの所定角度毎に駆動コイル４０を前記シリンダ
１１を囲繞するごとく巻回する。尚、本実施例において
はＵＶＷの三相交流を用いているために、３種類のコイ
ル巻線を用いているが、これのみに限定する事なく、直
流パルスが印加されるコイルを用いてもよい。そして本
実施例においては図１に示すピストン２間の容積空間２
Ａに対応させて最大容積区域ｄでは図５に示すようにコ
イルの間隔を粗にし、又死容積区域ｅでは最もコイル４
０の間隔が狭くなるように設置するコイル４０の間隔を
シリンダ１１の位置によって変えている。

【００１４】この結果前記駆動コイル４０に三相交流を
印加させた場合、電磁誘導によりピストン２の周回速度
をコイル４０の設置間隔に比例させて変化させる事が出
来、図１に示す吸入行程／圧縮行程／及び吐出行程を繰
り返し円滑に達成させる事が出来る。又圧縮比に比例し
て前記ピストンにかかる負荷が増大するために、前記コ
イルの巻数を前記巻ピッチとほぼ反比例させて変えてい
る。又前記駆動コイル４０とは別に始動時にピストンが
図１に示す配列間隔に整列するように位置決め用の８個
の電磁石５０を設けて、始動時には、ピストンが駆動用
コイル４０の作る磁界に同期する位置に整列させて置
く。

【００１５】この位置決め電磁石５０は図７のように、
前記フリーピストンを上下に挟むごとく断面コの字状に
形成し、その先端部に（Ｂ）に示すように中央部を突起
させ、該中央部の磁界が強くなる構造とした磁極５１を
配置し、ピストン２の磁石体２ａとの合致が精度よく取
れるように構成する。そして前記電磁石は磁極５１とピ
ストン２の磁石体２ａとが逆極性になるように、直流コ
イル５２を巻回する。

【００１６】かかる実施例によれば、先ず位置決め電磁
コイル５２に電流を流し、磁極５１及び磁石体２ａとを
介して各ピストン２を図１の状態に整列させておいてか
ら、駆動用コイル４０に不図示のインバータを接続し
て、インバータの周波数、電圧を徐々に小さくして、ピ
ストン２がシリンダの管路内をインバータと駆動用コイ
ル４０の作る回転磁界に同期して周回する。

【００１７】そして前記各駆動用コイル４０はコイルの
ピッチ間隔を図５に示すピストン整列間隔に対応させて
変化させているために、吸入行程ａでは比速度が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では比速度が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
比速度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。

【００１８】

【効果】以上記載のごとく、本発明によれば、電磁誘導
手段を効果的に利用して無端状管路内を複数のフリーピ
ストンがその比速度を変化させながら周回させる事が出
来るために、吸入行程−圧縮若しくは膨脹更には圧送行
程−吐出行程が繰り返し行なわれる、圧縮若しくは膨脹
が行われる流体機械の最も好適な装置が簡単な構成で提
供でき、特に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
るとともに、高速回転による圧縮、圧縮比の増大、長期
間使用による経時劣化等が生じる事がない。等の種々の
著効を有す。又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】前記フリーピストンと電磁誘導手段とコイルの
関係を示す説明図である。

【図６】図５のピストンとシリンダの関係を示す要部斜
視図である。

【図７】位置決め電磁石とピストンとの関係を示す説明
図で、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）はその左視図である。

【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 ４０ 駆動コイル ５０ 位置決め電磁コイル

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管壁の適宜箇所に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、
   該ピストンを外部よりの電磁力を利用して管路内を周回
   可能に構成した流体機械よりなり、 前記ピストンに磁気力を内蔵させると共に、該ピストン
   が周回する管路上に沿って電磁誘導作用手段を配置し、
   該作用手段の作用力を管路周方向に異ならせる事によ
   り、前記管路内を周回するピストン間の比速度を変化さ
   せて、該ピストン間に形成される容積空間を変化可能に
   構成した事を特徴とする流体機械
2. 【請求項２】 前記電磁誘導作用手段が、前記管路上を
   巻回し、交番電圧が印加されるコイルであり、該コイル
   の巻ピッチ若しくは周波数を管路周方向に連続的若しく
   は間欠的に異ならした事を特徴とする請求項１記載の流
   体機械
3. 【請求項３】 前記電磁誘導作用手段が、前記管路上に
   配置したパルス波発生手段であり、該発生手段に印加さ
   れるパルス周波数を管路周方向に連続的若しくは間欠的
   に異ならした事を特徴とする請求項１記載の流体機械
4. 【請求項４】 前記ピストンを前記電磁誘導作用手段と
   対応させて所定位置に整列させる為に、前記ピストンの
   初期位置設定手段を設けた請求項１記載の流体機械
5. 【請求項５】 前記初期位置設定手段が、ピストンと対
   峙して配置した位置決めコイルである請求項４記載の流
   体機械