JPH1163703A - ピストン型圧縮機の差圧制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧縮空間とバッファ空間との平均圧力に差圧
が生じないようにする。 【解決手段】 ピストンリング２９ａの上下側面に圧縮
空間とバッファ空間とを連通する所定の大きさの連通溝
２１ａを形成する。これにより圧縮空間とバッファ空間
とを常時連通状態にして平均圧力に差圧が発生しないよ
うにする。このとき，連通溝２１ａの大きさは，当該連
通溝２１ａを形成したことによる効率の低下量が，差圧
の発生を防止したことによる効率の向上量を越えない大
きさに設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，圧縮空間とバッフ
ァ空間との平均圧力に差圧が発生しないようにしたピス
トン型圧縮機の差圧制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日，圧縮機は種々の技術分野に用いら
れており，代表的なものにピストン型圧縮機がある。図
８は，かかるピストン型圧縮機の概略構成を示す図で，
図示しない駆動部から圧縮シリンダ１２２内に配設され
た圧縮ピストン１２１に駆動力が伝達されて，当該圧縮
ピストン１２１が往復動作することにより圧縮空間１２
３内の作動ガスが圧縮される。

【０００３】このとき圧縮された作動ガスが，圧縮ピス
トン１２１の背後に回り込まないように，隔壁１２５が
設けられて，当該隔壁１２５と圧縮ピストン１２１とに
よりバッファ空間１２６が形成されている。

【０００４】また，圧縮ピストン１２１には，リング溝
が形成され，当該リング溝にピストンリング１２９が嵌
合している。そして，当該ピストンリング１２９がリン
グ溝及び圧縮シリンダ１２２に密接することにより，圧
縮ピストン１２１と圧縮シリンダ１２２との密着性を維
持している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，上記構
成にかかるピストン型圧縮機を使用していると，圧縮空
間１２３の平均圧力とバッファ空間１２６の平均圧力と
に差圧が生じて，当該差圧に依存した力が圧縮ピストン
１２１に加わるようになり効率を低下させる問題があっ
た。かかる効率の低下は，当該圧縮機をスターリング冷
凍機等の冷凍機に用いると成績係数の低下となる。

【０００６】かかる差圧の発生メカニズムを図９〜１１
を参照して説明する。なお，差圧発生メカニズムは，現
在のところ学術的に明確になっておらず，後述するメカ
ニズムは１つのモデルであることを付言する。

【０００７】図９は，圧縮空間１２３の平均圧力が高く
なった場合の圧力変動を示す図である。同図において，
実線は圧縮空間１２３の圧力変動を示し，点線はバッフ
ァ空間１２６の圧力変動を示している。また図１０及び
図１１は，圧縮ピストン１２１の往復運動に伴うピスト
ンリング１２９の動きを模式的に示した図で，図１０
（ａ）及び図１１（ａ）は圧縮ピストン１２１が圧縮空
間１２３側に動いたときを示し，図１０（ｂ）及び図１
１（ｂ）はバッファ空間１２６側に動いたときを示して
いる。

【０００８】ピストンリング１２９が正常に作用してい
るならば，圧縮空間１２３及びバッファ空間１２６の作
動ガスは相互に移動せず，差圧が発生しないはずであ
る。しかし，現実には図９に例示するように圧縮空間１
２３とバッファ空間１２６との平均圧力に差が生じてし
まう。

【０００９】ピストンリング１２９は，圧縮ピストン１
２１の筒面に沿って形成されたリング溝１３０に挿嵌さ
れている（図１０，図１１参照）。このとき，リング溝
１３０の上下側面１３０ａ，１３０ｃとピストンリング
１２９の上下側面１２９ａ，１２９ｃの少なくとの１つ
の相対向する側面は密接しておらず隙間Ｇａ，Ｇｃが形
成されている。また，リング溝１３０の底１３０ｂとピ
ストンリング１２９の底１２９ｂとも密接しておらず，
隙間Ｇｂが形成されている。

【００１０】このような隙間Ｇａ〜Ｇｃは，リング溝１
３０を形成した後にピストンリング１２９を挿嵌して組
立てるため，これらを密接させることが困難であるため
であり，また以下の効果を得るために積極的に非密接状
態としている。

【００１１】即ち，圧縮ピストン１２１が圧縮シリンダ
１２２と密接することは，圧縮を高効率に行うために必
要であるが，圧縮ピストン１２１等の加工誤差，熱膨張
の違い等が存在するため上記要求を常に満たすことがで
きず，隙間Ｇ１，Ｇ２が発生してしまう。

【００１２】かかる隙間Ｇ１，Ｇ２を塞ぐために，ピス
トンリング１２９が用いられる。しかし，ピストンリン
グ１２９においても加工誤差，熱膨張等があり，また上
述したようにリング溝１３０を形成した後にピストンリ
ング１２９を挿嵌して組立てるため，ピストンリング１
２９と圧縮シリンダ１２２との密着性を確保することが
容易でない。

【００１３】そこで，隙間Ｇａ〜Ｇｃを形成して，圧縮
空間１２３又はバッファ空間１２６の作動ガスが，隙間
Ｇａ，Ｇｃを介して隙間Ｇｂに侵入するようにしてい
る。

【００１４】そして，当該侵入した作動ガスは，ピスト
ンリング１２９の底１２９ｂを圧縮シリンダ１２２方向
に付勢し（図１０，図１１において実線矢印），これに
よりピストンリング１２９と圧縮シリンダ１２２とが常
時密着するようにしている。

【００１５】また，ピストンリング１２９とリング溝１
３０との上下側面は，常時密接していないので，圧縮ピ
ストン１２１の運動に伴いピストンリング１２９はリン
グ溝１３０内で動くことになる。

【００１６】しかし，圧縮空間１２３又はバッファ空間
１２６のうち圧力の高い方の空間の圧力により，低圧側
の空間方向にピストンリング１２９が付勢されるので
（図１０，図１１において点線矢印），リング溝１３０
の上又は下側面１３０ａ，１３０ｃとピストンリング１
２９の上又は下側面１２９ａ，１２９ｃとの密着性が確
保されて，圧縮空間１２３とバッファ空間１２６との作
動ガスの移動が規制されるようになっている。

【００１７】ところが，圧縮ピストン１２１の運動に伴
い，種々の異物（例えば，圧縮シリンダ１２２と摺動し
て磨耗したピストンリング１２９の粉等）がリング溝１
３０の上下側面１３０ａ，１３０ｃに付着して，当該部
分でピストンリング１２９とリング溝１３０とが密着し
なくなる場合が生じる。

【００１８】異物の付着には，リング溝１３０の上下側
面１３０ａ，１３０ｃの両方に付着する場合と，いずれ
か一方の側面１３０ａ，１３０ｃに付着する場合があ
る。

【００１９】リング溝１３０の上下側面１３０ａ，１３
０ｃの両方に異物が付着する場合は，圧縮空間１２３と
バッファ空間１２６とが連通してしまうので，ピストン
リング１２９は機能を失うか又は大幅に機能低下する。

【００２０】一方，上下側面１３０ａ，１３０ｃの片方
にのみ異物が付着した場合には，ピストンリング１２９
の機能は略保持されるもの，上述した差圧が生じてしま
う。

【００２１】図１１は，異物Ｂがリング溝１３０の上側
面１３０ａに付着した場合における圧縮ピストン１２１
の動きに伴うピストンリング１２９の動きを示したもの
である。

【００２２】この場合，圧縮ピストン１２１が圧縮空間
１２３側に動くと（図１１（ａ）参照），圧縮空間１２
３は縮小しバッファ空間１２６は拡張して，圧縮空間１
２３の圧力はバッファ空間１２６の圧力がより大きくな
る。

【００２３】これにより，ピストンリング１２９は異物
Ｂが付着していないシール溝１３０の下側面１３０ｃ側
に動き，ピストンリング１２９の下側面１２９ｃとシー
ル溝１３０の下側面１３０ｃとが密接する。従って，圧
縮空間１２３からバッファ空間１２６に作動ガスが移動
することはない。

【００２４】一方，圧縮ピストン１２１がバッファ空間
１２６側に動くと（図１１（ｂ）参照），圧縮空間１２
３は拡張しバッファ空間１２６は縮小して，圧縮空間１
２３の圧力はバッファ空間１２６の圧力より小さくな
る。

【００２５】この時，ピストンリング１２９は異物Ｂが
付着しているシール溝１３０の上側面１３０ａ側に動く
が，当該異物Ｂのためにシール溝１３０の上側面１３０
ａと密接することができず，バッファ空間１２６から圧
縮空間１２３側に作動ガスの移動が起る（図１１（ｂ）
において２点矢印）。

【００２６】従って，圧縮空間１２３の平均圧力は，バ
ッファ空間１２６の平均圧力より高くなって，図９に示
したような差圧が発生してしまう。

【００２７】なお，上記説明では異物Ｂは，シール溝１
３０の上側面１３０ａに付着した場合につて説明した
が，下側面１３０ｃについても同様であり，またピスト
ンリング１２９の上下側面１２９ａ，１２９ｃのいずれ
かに付着しても同様の現象が生じると推察される。

【００２８】そこで，本発明は，上記差圧の発生を押え
ることができるようにしたピストン型圧縮機を提供する
ことを目的とする。

【００２９】

【課題を解決するための手段】本発明は，上記課題を解
決するため，圧縮シリンダ内に配設された圧縮ピストン
を挟んで当該圧縮シリンダ内に圧縮空間とバッファ空間
とが形成され，圧縮ピストンが往復運動することにより
圧縮空間内の作動ガスを圧縮してなるピストン型圧縮機
において，圧縮ピストンの筒面に形成されたリング溝
と，該リング溝に挿嵌されて，圧縮ピストンと圧縮シリ
ンダとの密着性を保つワッシャー形状のピストンリング
とを設ける。そして，ピストンリング，リング溝，圧縮
シリンダの少なくとも１つに，圧縮空間とバッファ空間
とを連通させる連通溝を形成する。これにより連通溝を
介して圧縮空間とバッファ空間とを常時連通状態にし
て，これら圧縮空間とバッファ空間との平均圧力に差圧
が生じないようにする。このとき連通溝の大きさは，当
該連通溝を形成したことによる効率の低下量が，差圧発
生を防止したことによる効率の向上量を越えない大きさ
としたことを特徴とする。

【００３０】また，連通溝をピストンリング又はリング
溝のうち少なくとも一方の圧縮空間側の側面とバッファ
空間側の側面とに形成したことを特徴とする。

【００３１】さらに，連通溝をピストンリング又は圧縮
シリンダのうち少なくとも一方の摺動面に形成したこと
を特徴とする。

【００３２】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は本実施の形態にかかるピス
トン型圧縮機の差圧制御装置をディスプレーサ型のスタ
ーリング冷凍機に適用した場合の構成図である。無論，
本発明にかかる差圧制御装置は，スターリングエンジン
等にも用いることが可能である。

【００３３】スターリング冷凍機１０は，圧縮ピストン
２１を備えたピストン型圧縮機である圧縮部２０，ディ
スプレーサ３１を備えたディスプレーサ部３０，クラン
ク機構４１を備えた駆動部４０等を有し，圧縮部２０と
ディスプレーサ部３０とは，ガス流路６０で連通されて
いる。

【００３４】また，圧縮部２０は，圧縮ピストン２１を
収納する圧縮シリンダ２２，該圧縮シリンダ２２の頭部
側（図１において左側）に設けられた圧縮空間２３，圧
縮シリンダ２２の外側面に設けられて圧縮により発生し
た熱を外部に放熱する放熱フィン２４，圧縮シリンダ２
２の駆動部４０側に配設された隔壁２５，圧縮ピストン
２１と圧縮シリンダ２２とにより形成されるバッファ空
間２６，該バッファ空間２６と連通したバッファ室２６
ａ，隔壁２５を挿通して圧縮ピストン２１に駆動力を伝
達するロッド２８等を有している。

【００３５】図２は圧縮ピストン２１の断面斜視図であ
る。圧縮ピストン２１には，リング溝２７が形成され，
当該リング溝２７にピストンリング２９ａが嵌合して設
けられて圧縮シリンダ２２との密接を高めている。

【００３６】また，図３はピストンリング２９ａの斜視
図で，当該ピストンリング２９ａの上下側面には連通溝
２１ａが略直行するように形成されている。

【００３７】ディスプレーサ部３０は，ディスプレーサ
３１を収納する膨張シリンダ３２，該膨張シリンダ３２
の頭部側（図１において上側）に設けられた膨張空間３
４，ディスプレーサ３１に駆動力を伝達するロッド３
５，ディスプレーサ３１内に設けられた蓄冷材３３等を
有して，膨張シリンダ３２の頭部に負荷１２が取付けら
れる。

【００３８】駆動部４０は，クランク機構４１等を潤滑
するためのオイルを貯留する貯留槽４２，クランク機構
４１及びロッド２８と連結されたコネクティングロッド
４３，クランク機構４１及びロッド３５と連結されたコ
ネクティングロッド４４等を有している。

【００３９】なお，圧縮ピストン２１及びディスプレー
サ３１が往復運動するときに，作動ガスが圧縮ピストン
２１の後ろ側（バッファ空間２６側）に回り込まないよ
うにしなければならないので，隔壁２５がこの役割を果
している。即ち，当該隔壁２５と圧縮ピストン２１とに
よりバッファ空間２６が形成されている。

【００４０】このためバッファ空間２６は密閉空間とな
り，圧縮ピストン２１を往復運動させる際の抵抗として
働くようになるので，当該抵抗を小さくするためバッフ
ァ空間２６を圧縮空間２３より大きくしている。

【００４１】しかし，装置の小型化を図るとバッファ空
間２６を十分に大きくすることができないので，バッフ
ァ空間２６に連通したバッファ室２６ａを設けて実効的
にバッファ空間２６の容積を大きくしている。従って，
バッファ空間２６の容積を十分に大きくすることができ
る場合には，バッファ室２６ａを特に設ける必要がない
ことを付言しておく。

【００４２】なお，本実施の形態においては，圧縮空間
２３は圧縮シリンダ２２の頭部側に設けられている場合
について説明するが，本発明はこれに限定されず駆動部
４０側であっても良い。この場合，バッファ空間２６と
圧縮空間２３との配設位置が逆になる。

【００４３】このような構成で，クランク機構４１が回
動することにより，回動力がコネクティングロッド４
３，４４等を介して圧縮ピストン２１及びディスプレー
サ３１に伝達される。

【００４４】このとき，２つのコネクティングロッド４
３，４４は，同一の作用点でクランク機構４１から駆動
力を受けているので，圧縮ピストン２１及びディスプレ
ーサ３１は略９０度位相がずれて往復運動するようにな
っている。

【００４５】そして，圧縮ピストン２１が右端死点から
左端死点に移動すると，圧縮空間２３内の作動ガスは等
温圧縮される。

【００４６】この間，ディスプレーサ３１は下動し，下
死点に達した後，上動するようになる。ディスプレーサ
３１の上動に伴い圧縮された作動ガスは，ガス流路６０
を介してディスプレーサ部３０側に送られ，ディスプレ
ーサ３１が下動すると作動ガスは蓄冷材３３を通過し当
該蓄冷材３３と熱交換して膨張空間３２に送られる。

【００４７】ディスプレーサ３１が下死点に達するに従
い，圧縮ピストン２１は左端死点から右端死点に移動
し，作動ガスは膨張して降温する。この時の膨張過程は
等温膨張過程であるため，膨張により降温しただけ外部
の熱を吸熱する。即ち，負荷から熱を奪うようになる。

【００４８】圧縮ピストン２１が右端死点に近づくに従
い，ディスプレーサ３１は上動を始め，作動ガスはディ
スプレーサ３１を通過し，蓄冷材３３から吸熱して１サ
イクルが終了する。

【００４９】かかるサイクル中に，ピストンリング２９
ａとリング溝２７との間に，異物Ｂが付着すると先に説
明した理由によりバッファ空間２６と圧縮空間２３との
平均圧力に差圧が生じて，当該差圧による成績効率が低
下するようになるが，連通溝２１ａにより図４に示すよ
うな圧縮空間２３とバッファ空間２６との作動ガスが流
動できるパスが形成されるので当該差圧の発生は押えら
れる。

【００５０】図５は，連通溝２１ａの効果を示す図で，
実線は圧縮空間２３の圧力変動を示し，点線はバッファ
空間２６の圧力変動を示している。これら各空間２３，
２６の平均圧力に差圧が生じていないのが理解できる。

【００５１】なお，連通溝２１ａにより圧縮空間２３と
バッファ空間２６とが連通しているので成績効率が低下
するが，当該成績効率の低下量は差圧発生を防止したこ
とによる成績効率の向上量より小さくなるように連通溝
２１ａの大きさ（寸法）や数が設定されている。従っ
て，これらの差分だけ成績効率が向上する。

【００５２】差圧量及び差圧発生頻度等は，圧縮ピスト
ン２１の大きさや往復周期，ピストンリング２９ａの材
質等種々の条件により異なる。従って，連通溝２１ａの
大きさや数を一義的に規定することができず，上記条件
を勘案して圧縮空間２３とバッファ空間２６とが連通さ
れることによる成績効率の低下と，差圧発生防止による
成績効率の向上との関係から決定しなければならない。

【００５３】なお，ピストンリング２９ａと圧縮シリン
ダ２２との密着性を犠牲にすることにより圧縮空間２３
とバッファ空間２６との作動ガスの移動を可能にするな
らば，原理的には連通溝２１ａを形成した本発明と同様
の効果を得ることが可能である。

【００５４】しかし，先に説明したように（発明が解決
しようとする課題の欄参照），ピストンリング２９ａ等
の加工精度，熱膨張等から当該ピストンリング２９ａと
圧縮シリンダ２２との間隔を所定間隔にすることができ
ないため実質上不可能である。

【００５５】また，上記説明においては，ピストンリン
グ２９ａに連通溝２１ａを形成する場合について説明し
たが，本発明はこれに限定されるものではなく，リング
溝２７に当該連通溝２１ａを形成してもよく，またピス
トンリング２９ａとリング溝２７との双方に連通溝２１
ａを形成してもよい。

【００５６】次ぎに，本発明の第２の実施の形態につい
て説明する。なお，第１の実施の形態と同一構成に関し
ては同一符号を付して説明を適宜省略する。

【００５７】第１の実施の形態においては，連通溝をピ
ストンリングの上下側面に形成した場合について説明し
た。これに対し，本実施の形態においてはピストンリン
グが圧縮シリンダと摺動する摺動面に形成したもので，
かかる構成にしても同様の作用効果を得ることが可能で
ある。

【００５８】図６はこの様な構成のピストンリング２９
ｂの斜視図であり，図７は同構成により形成される作動
ガスの流動パスを示す部分断面図である。

【００５９】このように，圧縮空間２３とバッファ空間
２６とが，ピストンリング２９ｂの摺動面に形成された
連通溝２１ｂを介して常時連通するので，これら圧縮空
間２３とバッファ空間２６との平均圧力に差圧が発生す
るのを防止することが可能になる。

【００６０】そして，当該連通溝２１ｂの寸法及び数は
第１の実施の形態において説明したと同一条件の下で設
定される。

【００６１】なお，上記説明においては，ピストンリン
グ２９ｂの摺動面に連通溝２１ｂを形成する場合につい
て説明したが，本発明はこれに限定されるものではな
く，圧縮シリンダ２２の摺動面に当該連通溝２１ｂを形
成してもよく，またピストンリング２９ｂと圧縮シリン
ダ２２との摺動面の双方に連通溝２１ｂを形成してもよ
い。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によると，圧
縮空間とバッファ空間とを連通する所定の大きさの連通
溝を少なくともピストンリング，リング溝，圧縮シリン
ダのいずれか一方に形成したので，圧縮空間とバッファ
空間とを常時連通させることができ，これにより圧縮空
間とバッファ空間との平均圧力に差圧が生じないように
することができる。従って，本発明にかかる差圧制御装
置をスターリング冷凍機等に用いた場合の成績効率を向
上させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる差圧制御装置をディスプレーサ
型のスターリング冷凍機に適用した場合の構成図であ
る。

【図２】圧縮ピストンの構成図である。

【図３】第１の実施の形態の説明に適用されるピストン
リングの斜視図である。

【図４】図３に示す連通溝による圧縮空間とバッファ空
間との作動ガスの流動パスを示す図である。

【図５】連通溝の効果を示す図である。

【図６】第２の実施の形態の説明に適用されるピストン
リングの斜視図である。

【図７】図６に示す連通溝による圧縮空間とバッファ空
間との作動ガスの流動パスを示す図である。

【図８】従来の技術の説明に適用されるピストン型圧縮
機の構成図である。

【図９】差圧の発生を示す図である。

【図１０】異物がない場合のピストンリングの動き等を
示す図である。

【図１１】異物が付着した場合のピストンリングの動き
等を示す図である。

【符号の説明】

２０ 圧縮部 ２１ 圧縮ピストン ２１ａ，２１ｂ 連通溝 ２２ 圧縮シリンダ ２３ 圧縮空間 ２４ 放熱フィン ２５ 隔壁 ２６ バッファ空間 ２６ａ バッファ室 ２７ リング溝 ２８ ロッド ２９ａ，２９ｂ ピストンリング ３０ ディスプレーサ部 ４０ 駆動部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮シリンダ内に配設された圧縮ピスト
   ンを挟んで，当該圧縮シリンダ内に圧縮空間とバッファ
   空間とが形成され，前記圧縮ピストンが往復運動するこ
   とにより前記圧縮空間内の作動ガスを圧縮してなるピス
   トン型圧縮機において，前記圧縮ピストンの筒面に形成
   されたリング溝と，該リング溝に挿嵌されて前記圧縮シ
   リンダと摺動することにより前記圧縮ピストンと前記圧
   縮シリンダとの密着性を保つワッシャー形状のピストン
   リングとを有し，かつ，当該ピストンリング，前記リン
   グ溝，前記圧縮シリンダの少なくとも１つに，前記圧縮
   空間と前記バッファ空間とを連通させる連通溝が形成さ
   れて，前記圧縮空間と前記バッファ空間との平均圧力に
   差圧が生じないようにしたことを特徴とするピストン型
   圧縮機の差圧制御装置。
2. 【請求項２】 前記連通溝が，前記ピストンリング又は
   前記リング溝の少なくとも一方の前記圧縮空間側の側面
   と前記バッファ空間側の側面とに形成されてなることを
   特徴とする請求項１記載のピストン型圧縮機の差圧制御
   装置。
3. 【請求項３】 前記連通溝が，前記ピストンリング又は
   前記圧縮シリンダの少なくとも一方の摺動面に形成され
   なることを特徴とする請求項１記載のピストン型圧縮機
   の差圧制御装置。