JPH1163704A - 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２３とバッファ空間２６との平均圧
力に差圧が生じないようにする。 【解決手段】 圧縮ピストン２１に圧縮空間２３とバッ
ファ空間２６とを連通する所定径の連通孔２１ａを形成
する。これにより圧縮空間２３とバッファ空間２６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，連通孔２１ａの大きさは，当該連通孔
２１ａを形成したことによる成績係数の低下量が，差圧
の発生を防止したことによる成績係数の向上量を越えな
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
４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５〜７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５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６及び図
７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６（ａ）及
び図７（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６（ｂ）及び図７（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５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６，図７参照）。このとき，リング溝１３
０の上下側面１３０ａ，１３０ｃとピストンリング１２
９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６，図７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６，図７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１２９
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７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７（ａ）参照），圧縮空間１２３
は縮小しバッファ空間１２６は拡張して，圧縮空間１２
３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７（ｂ）参照），圧縮空間１２３
は拡張しバッファ空間１２６は縮小して，圧縮空間１２
３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７（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の平均圧より高くなって，図５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
挟んで圧縮空間とバッファ空間とが形成されて，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
ンに圧縮空間とバッファ空間とを連通する連通孔を形成
して，当該連通孔により圧縮空間とバッファ空間とを常
時連通状態にすることにより差圧の発生を防止する。こ
のとき連通孔の大きさは，当該連通孔を形成したことに
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】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して説明する。図１は本発明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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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２９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。

【００３４】また，圧縮ピストン２１には，圧縮空間２
３とバッファ空間２６とを連通する所定径の連通孔２１
ａが形成されている。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】かかるサイクル中に，ピストンリング２９
とリング溝２７との間に，異物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係数が低下す
るようになるが，連通孔２１ａにより圧縮空間２３とバ
ッファ空間２６とが常時連通しているので当該差圧の発
生は押えられる。

【００４８】図３は，連通孔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。

【００４９】なお，連通孔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係数が低下
するが，当該成績係数の低下量は差圧発生を防止したこ
とによる成績係数の向上量より小さくなるように連通孔
２１ａの大きさ（寸法）が設定されている。従って，こ
れらの差分だけ成績係数が向上する。

【００５０】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２９の材質
等種々の条件により異なる。従って，連通孔２１ａの大
きさ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
とによる成績係数の低下と，差圧発生防止による成績係
数の向上との関係から決定しなければならない。

【００５１】なお，ピストンリング２９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，原理的には連通孔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。

【００５２】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２９等の
加工精度，熱膨張等から当該ピストンリング２９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。

【００５３】

【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径の連通孔を圧
縮ピストンに形成したので，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，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
いた場合に成績係数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】連通孔の効果を示す図である。

【図４】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５】差圧の発生を示す図である。

【図６】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７】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 連通孔 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 ２９ ピストンリング ３０ ディスプレーサ部 ４０ 駆動部

Claims (1)

【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，
   前記圧縮ピストンに，前記圧縮空間と前記バッファ空間
   とを連通する所定径の連通孔が形成されて，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。