JPS594557B2 - アツシユクキ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は増圧機、特に熱を駆動源とする流体の増圧装置
に関する。

従来、圧縮機といえば、往復動型（回転型も含む）とタ
ービン型とに大別できるが、いずれの場合でも、駆動源
として機械仕事（又は軸馬力）を必要としている。

その最も基本的な性質としては、流体の圧縮仕事量すな
わち圧縮比、及び吐出流量の増大に、はマ比例して駆動
源としての機械仕事量が増大するということである。

すなわち、大容量の圧縮機には、大きなモーターが必要
となり、それに比例して、重量、寸法等も増大する。

したがって、一般に圧縮機は、常にこれらの基本的な動
作原理の上に立って、その応用範囲が定められている。

本発明の目的は、上述したような、従来の圧縮機とは全
く異る新規な動作原理を用い、従来の圧縮機では応用が
著しく困難であったような分野にまで安易に応用し得る
如き増圧機を提供することにある。

以下図面によって本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の基本動作を説明する説明図であって
ピストン１は面積のはゾ等しい両端面２及び３を有して
おり、両端面８及び９を有するシリンダー４によって該
ピストンの面２の側に空間５、面３の側に空間６が形成
されている。

図から明らかな如くピストン１がシリンダー４内を移動
して空間５が最大となった時、空間６は最小、空間６が
最大の時は空間５が最小となる。

ピストン１とシリンダー４との間には隙間１０が有り、
ピストン１が往復動をする時、空間５及び６内の流体は
隙間１０をへて、相互に抵抗なく流通し得る如くなされ
ている。

シリンダー４の一端面８の附近には、チェック弁として
動作する吸入弁機構１１及び吐出弁機構１２が設けられ
る。

今シリンダー４の内側面及びピストン１の側面を蓄熱器
とみなしシリンダー４の両端面８，９をそれぞれ熱交換
器とみなし、面９の附近の温度Ｔ２を面８の附近の温度
Ｔ１よりも高い温度に保たせ（Ｔ２ ＞ Ｔ １） 、
その条件下においてピストン１を往復動せしめる。

始めにピストン１が図において上死点にある時空間６は
最大であり内部に圧力Ｐ１、温度Ｔ１の流体があるもの
とする。

次にピストン１を下降せしめると、空間６内の流体は隙
間１０をへて空間５へ移動を開始する。

一方空間５を形成する壁面の一部、すなわち、シリンダ
ー４の一端面９の附近は、温度Ｔ２に保たれており、Ｔ
２〉Ｔ１の条件によって空間５に移動してきた流体は加
熱される。

その結果シリンダー内部の流体は膨張しようとするがシ
リンダ−４内部の容積は一定であるため内部の圧力が上
昇することになる。

この時空間６にあって、加圧された流体は、圧縮熱を発
生するが、その一部は隙間１０の側面に蓄熱される。

このようにして、内部圧力は、ピストン１の下降と共に
増大する。

今この増圧機の応用範囲において必要とする圧力が吸入
圧力Ｐ１、吐出圧力Ｐ２ （Ｐ２＞ＰＩ ）とすれば、
ピストン１の下降中系内の圧力がＰ２に等しくなった時
点で、弁１２が開き、以後ピストン１の下降と共に圧力
Ｐ２の流体が弁１２より吐出される。

即ちこの場合シリンダー容積を■、封入流体量をｍとす
ると 理想気体の状態方程式 において、ｍ、Ｖ、Ｒ（Ｒは気体定数）が一定であるか
ら が成立する。

したがって（Ｐ２／Ｐｉ）＝ （Ｔ２／ＴＩ ）より、
両端の温度比に応じた圧縮比が得られる。

例えばＴ１＝３００Ｋ（＝２７℃）、Ｔ２＝６００Ｋ（
＝３２７°Ｃ）に保てば、圧縮比２が得られる。

ただし、以上の説明は動作の基本原理であって、本願の
発明においては圧縮ガスを系外に取り出すため１段の圧
縮比は上記の値よりわずかに低い値を用いている。

ピストン１が下死点に達した時に、吐出は完了し、系内
のほとんどの流体は温度Ｔ２、圧力Ｐ２で空間５内に存
在する。

次にピストン１を上昇させると空間５の流体は空間６に
移動を開始し、その結果流体の温度が抵下し流体は減圧
される。

この時流体は隙間１０を通過する際にその側面から、あ
る程度の熱を受ける。

この様にして、ピストン１の上昇中、系内の圧力がＰｌ
になった時弁１１が開き系内に流体が吸入される。

したがって、ピストン１を外力によって周期的に往復動
せしめれば連続した流体の圧縮効果が得られ、本発明の
装置が増圧機として動作することが知られる。

ここで、特に重要なことはピストン１に加えるべき外力
であるが、図から明らかな如く、基本的にはシリンダー
内の全ての部分における圧力はピストン１の位置の何部
にか＼わらず任意の瞬時において、常に等しい。

勿論、隙間１０の流体抵抗が比較的大きく、しかもピス
トン１の往復運動数が速い場合にはある程度の圧力差が
系内に生ずるが、これは本発明の基本的動作に関与する
ものではなくむしろ損失として考慮すべき性格のもので
ある。

したがって基本的にはピストン１の両端面の圧力は常に
等しいということがいえる。

この事実はピストン１を駆動せしめるのに外力を必要と
しないことを意味する。

しかし実際には、上述の如く損失としての微少圧力差が
生ずる為にその圧力差による力に相当する外力のみはピ
ストン１に加える必要がある。

いいかえればピストン１に加えるべき外力は損失エネル
ギー分のみであり一般の圧縮機が全エネルギー分に対し
てピストンに外力を加えることを考えれば全く異る動作
原理であることが知れる。

本発明によるこの動作原理の最も大きな特徴は上述のこ
とから明らかな様に処理能力の大きな増圧機であったと
してもピストン１の駆動力は非常に小さいものであり、
増圧機の処理能力は面９の附近に加えるべき熱量にのみ
比例するということができる。

すなわち本発明による増圧機は補助的に微少電気エネル
ギー等を用いるのみで主として熱エネルギーを直接流体
の圧縮処理に変換せしめる装置ということができる。

この補助的電気エネルギー等は例えば、乾電池（バッテ
リー）等で充分な場合もありこのことは本発明による増
圧機が大容量の電気エネルギーが供給され得ないような
場所例えば車、船、飛行機等の輸送機関上、或いは海、
山、高原等において化学燃料又は太陽エネルギー等を直
接熱エネルギーとして用いることによって大容量の増圧
流体を供給することができるという大きな利点をもって
いる。

更に本発明のもう一つの大きな特徴は、振動、騒音等を
著しく小さくすることができるということである。

従来の往復動圧縮機においては、ピストンのなす仕事に
よって流体が圧縮されるのであるから、クランク機構等
には仕事量に応じた力が作用し軸受けの摩耗や側応力の
為振動、騒音等が大きく、しかも耐久力もこれらの機構
部分によって限定されていた。

これに対し本発明による増圧機においては、これらの力
が著しく少くてすむ為に振動、騒音等はほとんど発生せ
ずしかも耐久力が著しく太きいという利点をもつ。

更に駆動用モーター等大きなものを必要としない為に著
しく軽量、小型化することができる。

第２図は、本発明の増圧機におけるピストン１の駆動方
法の１例を示したものでありピストン１の下端部にロッ
ド１６を設はシリンダー４の下端面８の孔１５を設け、
孔１５を貫通させたロッド１６の下端にスコッチョーク
１１を設け、このヨーク１７に内接する偏心円板１８の
軸１９を小型モータで駆動することによりピストン１を
往復動させる。

前述の通りこ＼で用いられるモータは増圧機の処理能力
に関係なく著しく小さなものであり従来の圧縮機とは本
質的に異るものである。

第３図は本発明の増圧機の他の実施例を示し、この例は
電動振動方式によってピストン１を駆動した場合である
。

永久磁石２０によって磁極２１゜２２が作られ、励磁コ
イル２４に交番電流を流すことにより２次誘導コイル２
３に誘導電流を生ぜしめ磁極２１．２２によって与えら
れる直流磁場との相互関係により該２次誘導コイル２３
が上下動し得る如くにされている。

２次誘導コイル２３は多重巻線を短絡したものを用いて
も良く又銅等の一重リングでも良い。

２次誘導コイル２３はピストン１に接続されておりピス
トン１の内部には、蓄熱器２７が内蔵されている。

ピストン１とシリンダー４とは、スプリング２６，２８
を介して接続されており、シリンダー４の下端部は、磁
極２１、励磁コイル２４、磁石２０、及び非磁性体で作
られたリング２５等によって閉じられている。

以上の装置においてピストン１，２次誘導コイル２３、
蓄熱器２７からなる可動部分の重量と、スプリング２６
．２８とによって得られる固有振動数が、励磁コイル２
４に通ずる交番電流の周波数とはシ一致する如くに重さ
、及びバネ定数を決定することにより、効率よくピスト
ン１を往復動させることができる。

第３図に示す実施例では、クランク機構を全く必要とし
ない為に、摩耗部分が全く無いという大きな特徴をもっ
ており、増圧機の耐久性向上に著しく効果を上げ得る。

このような摩耗部分の全く存在しない増圧機は従来の方
法では決して得られなかったものである。

更にもう一つの本発明の増圧機の特徴は、前述した隙間
１０の流体抵抗（第３図においてもピストン１と、シリ
ンダー４との間には隙間が存在して良いが、別に蓄熱器
２７が設けられているので、流体は主として該蓄熱器を
通過する）又は第３図における蓄熱器２７の流体抵抗が
ある程度存在してもこれが欠点とはならず一つの利点き
なることである。

この事実を、第１図において説明すれば次の如くとなる
。

隙間１０の流体抵抗の存在によってピストン１が下降中
空間６の圧力は空間５の圧力よりも高くなろうとする傾
向にある。

一方、本発明においては空間５の温度は空間６の温度よ
りも高くされている為ピストン１の下降に従って流体が
空間６から空間５へ移動しようとするとき、空間５に入
り込む流体が加熱されることによって、圧力が上昇しよ
うとする傾向にある。

すなわち、ピストン１の下降行程においては、流体抵抗
が空間６の流体の圧縮効果を示し、同時に、空間５の加
熱効果がピストン１の両端面２゜３における圧力差を零
に近ずける方向に作用し、全系の圧縮効果を示す。

この事実は流体抵抗が圧縮機の効率を低下せしめないば
かりでなく、むしろ流体抵抗に相当して加えられた外力
は、系に加えられた熱と同様に流体の圧縮仕事の一部と
して有効に作用しているのである。

第４図は、本発明による多段増圧機の実施例を示す。

第４図は４段の例を示したが必要に応じて何段にでも作
り得る。

今、１段目のピストン、シリンダーを１，４とし、２段
目を同じ＜２９，３０３段目を３Ｌ３２．４段目を３３
．３４とする。

各段のストローク又はボアーは増圧比に応じて減少させ
る。

各段のシリンダーの高温端は一定温度Ｔ２で良く、低温
端はＴ１（Ｔ２＞Ｔｔ）で一定温度で良い。

又、各段間には前段の吐出弁と後段の吸入弁との間に圧
縮熱除去用熱交換器３５，３６゜３７を設け、最終段の
吐出弁の後に圧縮熱除去用熱交換器３８を設ける。

本発明による増圧機はこのように多段にすることによっ
て更に大きな効果をもたらす。

すなわち圧縮機の主たる駆動源としての熱源の温度を比
較的低くする必要がある場合、又は低い温度の熱源しか
得られない場合で、圧縮比の大きな圧縮機を必要とする
場合でも第４図の如き多段増圧機としてこの要求に答え
ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明増圧機の原理説明図、第２図〜第４図は
夫々その実施例説明図である。 １・・・・・・ピストン、４・・・・・・シリンダー、
５，６・・・・・・空間、１０・・・・・・隙間、１１
，１２・・・・・・弁機構。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 夫々ピストンを内蔵するピストンシリンダの複数と
   、前記ピストンの両端面とこのピストンを内蔵する前記
   シリンダ間に夫々形成した室と、このシリンダ内におい
   てこの夫々の室間を連通ずる熱交換表面を有する通路と
   、前記室の一方を加熱する機構と、前記室の他方を冷却
   する機構と、前記室に連通される流体吸入弁及び吐出弁
   と、前記夫々の室の容積を相対的に増減せしめるよう前
   記ピストンを往復動せしめる機構とより成り、前記複数
   のシリンダの第１段のものの前記流体吐出弁が第２段の
   もの５前記流体吸入弁に圧縮熱除去用熱交換器を介して
   接続される態様で前記複数のシリンダが多段に連通され
   、前記ピストンを往復動せしめることにより、前記第１
   段のシリンダの吸入弁より低圧流体を吸入せしめ、前記
   最終段のシリンダの吐出弁より高圧流体を吐出せしめる
   ことを特徴とする増圧機。