JPS6138177A - 振動式圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、振動式圧縮機に係り、特に振動式電動機に駆
動される圧縮機における振動系の共振特性を向上させる
のに好適なガスばね機構を備えた振動式圧縮機に関する
ものである。

〔発明の背景〕

まず、従来の振動式圧縮機を第４図を参照して説明する
。

第４図は、従来の振動式圧縮機の断面図である。

図に示すように、振動式電動機は固定子１と振動子２か
らなり、その電気エネルギは図中矢印に示す往復動の機
械エネルギに変換される。

振動式電動機の両側には、−討のガスばね要素が連結さ
れ、その一対のガスばね要素の面外側に一対の圧縮要素
が連結されている。

一対のガスばね要素は、振動子２の両側にロッド３ａ、
３ｂを介してそれぞれ設けられたガスばね用のピストン
４ａ、４ｂと、そのピストン４ａ。

４ｂを囲むシリンダ５ａ、５ｂと、前記ピストン４ａ、
４ｂでそれぞれ２つの空間に分けられたシリンダ空間６
ａ、７ａおよび６ｂ、７ｂとがら成り、振動式圧縮機の
振動系におけるガスばね部を構成するものである。

一対の圧縮要素は、前記一対のガスばね要素の両側にロ
ッド３ａ、３ｂを介してそれぞれ設けられた気体圧縮用
のピストン８ａ、８ｂと、これらを囲むシリンダ９ａ、
９ｂとから構成されている。

シリンダ９ａ、９ｂの外側には、それぞれシリンダヘッ
ド１０ａ、１０ｂが装着され、シリンダヘッド１０ａに
は、吸入管１１ａ、吐出管１２ａが設けられ、シリンダ
ヘッド１０ｂには、吸入管１１ｂ、吐出管１２ｂが設け
られている。

いま、振動子２が図の右方向に動くとき、ピストン４ａ
、４ｂも右方向に動くから、第４図に示すシリンダ空間
７ａ、７ｂは圧縮、シリンダ空間６ａ、６ｂは膨張し１
．ピストン４ａ、４ｂには左方向の力が働く。同様にし
て、振動子２が左方向に動くときは、ピストン４ａ、４
ｂに右方向の力が働く。振動子２の移動長さが長くなれ
ば、シリンダ空間６ａ、７ａおよび６ｂ、７ｂの差圧は
大きくなるから、より大きな力がピストン４ａ。

４ｂに作用することになる。

すなわち、振動子２の動きは、一対のガスばね要素でピ
ストン４ａ、４ｂに作用するばね力に大きく支配される
振動系に従うことになり１作動周波数で望みの振幅を得
るためには、このガスばね要素の特性、すなわち移動長
さと作用力との関係で決まるガスばね定数の最適設定が
必要となる。

しかし、振動系は、振動子２、ガスばね要素のピストン
４ａ、４ｂ、圧縮要素のピストン８ａ。

８ｂにより構成される振動部分の質量にも大きく影響を
受ける。

さらに、一対のガスばね要素のピストン４ａ。

４ｂを通してシリンダ空間６ａ、７ａ間、または６ｂ、
７ｂ間で気体の漏れがあると、ガスばね要素の特性が大
きく変わり、振動系を一義的に決定することは困難とな
る。

また、運転条件が変わり、シリンダ空間６ａ。

７ａ、またはシリンダ空間６ｂ、７ｂのバランス圧力が
変わると、ガスばね要素の特性が変わり。

振動系に大きな影響を及ぼすなどの問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は、前述の従来技術の問題を解決するためになさ
れたもので、振動式圧縮機の振動系における振動部分の
質量、あるいはシリンダ空間のバランス圧力を変える場
合においても、ガスはね部の特性すなわちガスばね定数
を設定値に調整できる機能を備え、共振特性を最適状態
に維持することの可能な振動式圧縮機の提供を、その目
的としている。

〔発明の概要〕

本発明に係る振動式圧縮機の構成は、振動子および固定
子からなる振動式電動機と、この振動式電動機の両側に
連結され、それぞれピストンおよびシリンダと当該ピス
トンで２つの空間に分割されたシリンダ空間とからなる
一対のガスばね要素と、これら一対のガスはね要素の外
側に連結されそれぞれ気体圧縮用のピストンおよびシリ
ンダからなる一対の圧縮要素とを備えて振動系を構成す
る振動式圧縮機において、前記一対のガスばね要素のシ
リンダ空間の容積をｍ整する容積調整部材を設け、この
容積調整部材を選定して前記シリンダ空間の容積を調整
することによって、上記振動系のガスばね定数を適正に
設定するようにしたものである。

なお、本発明を開発した考え方を付記すると、次のとお
りである。

振動系の特性を決定する大きな因子となるものに、振動
部の質量、ガスばね部の特性が挙げられる。ガスばね部
の特性は、ガスばね定数として代表させることができ、
振動部の質量が変わってもガスばね定数を任意にｍ１１
することができれば、振動特性を一定に保つことができ
る。すなわち、ガスばね定数を調整する手段として、シ
リンダ空間の容積に着目した。シリンダ空間のバランス
時の圧力によってもガスばね定数を１１整することは可
能であるが、これは圧縮機の運転条件により決まるもの
であるから、運転条件を無視して機械的振動の面からの
み圧力を変えることは一既に良好とは言えない。したが
って、運転条件、言い換えるなら、圧縮機の仕様条件に
影響を及ぼさないガスばね部のシリンダ空間の容積を調
整して振動系を調整することは妥当な考え方である。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第３図を参照し
て説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る振動式圧縮機の断面
図、第２図は、一般的なガスばね要素の拡大断面図、第
３図は、ガスばね要素のシリンダ空間容積とガスばね定
数の関係を示す特性線図である。

第１図、第２図において、先に説明した第４図と同一符
号のものは従来技術と同等部分であるから、その説明を
省略する。

第１図において、２０ａ、２０ｂはガスの連通径路で、
一対のガスばね要素のそれぞれのピストン４ａ、４ｂで
２つの空間に分けられた各シリンダ空間６ａ＊７ａおよ
び６ｂ、７ｂのうち、ピストン４ａ、４ｂの作動にとも
ない圧縮，膨脹が同期するシリンダ空間同±６ａ、６ｂ
と７ａ、７ｂとを連通ずるものである。すなわち、連通
径路２０ａは、シリンダ空間６ａ、６ｂを連通し、連通
径路２０ｂは、シリンダ空間７ａ、７ｂを連通するよう
に配設されている。

２１ａ、２１ｂは、それ−ぞれシリンダ空間６ａ。

７ｂ内に設けられた容積ａｍ部材に係る調整部で、一対
のガスばね要素のシリンダ空間の容積を調整するもので
ある。

これら連通径路２０ａ、２０ｂ、調整部２１ａ。

２１ｂＧ−設けたほかは、本振動式圧縮機の構成は、先
の第４図に示したものと同様である。

振動式電動機の振動子２の往復運動−により、ロッド３
ａ、３ｂの往復動を介して一対のガスばね要素のピスト
ン４ａ、４ｂが往復動し、シリンダ空間６ａｗ７ａおよ
びＢｂ、７ｂの圧縮，膨脹にともなう差圧でピストン４
ａ、４ｂにはカが作用して、本振動式圧縮機の振動系の
ガスばね部として必要な共振機能を果たす。

これによって、一対のガスばね要素の外側に連結されて
いる一対の圧縮要素における気体圧縮作用が効果的に行
われる。

一対の圧縮要素は２段圧縮機能をもつもので、シリンダ
ヘッド１０ａにおける吸入管１１ａがら吸込まれた気体
は、気体圧縮用のピストン８ａおよびシリンダ９ａの働
きで圧縮されたのち吐出管１２ａから吐き出され、さら
にシリンダヘッド１０ｂにおける吸入管１１ｂから吸込
まれて、気体圧縮用のピストン８ｂおよびシリンダ９ｂ
の働きで圧着されたのち吐出管１２ｂから吐き出される
ようになっている。

いま、このような振動式圧縮機の振動系におけるガスば
ね部の挙動を、気体漏れのないポリトロープ変化である
と仮定して試算してみる。試算のためのガスばね要素の
構成を第２図に示す。

第２図には、第１図に示した振動式電動機の両側に連結
されている一対のガスばね要素の左半分を示している。

いま、２つのシリンダ空間６ａ。

７ａの容積が等しいピストン４ａの位置をＸ＝０とし、
そのときのシリンダ空間６ａ、７ａの容積を■、とする
。

ピストン４ａの断面積をＡ、とし、ピストン４ａが角速
度ωで正弦運動をする場合、ピストン４ａの時間ｔに対
する位置Ｘは式（１）で示される。

ｘ　＝　Ｂｓ１ｎωｔ　　　　　　　　　　＝（１）こ
こで　Ｘ：ピストン位置 Ｂ：最大片振幅 ω：角速度 ｔ：時　間 また、シリンダ空間６ａ、７ａのピストン変位に対する
容積を各々Ｖ、、Ｖ、とすれば、Ｖ、＝Ｖ、−Ｘ−Ａ、
ｓｉｎωｔ＝：Ｖ、−Ａ、　・ｘ−（２）ｖｌ　＝　Ｖ
、＋　Ｘ−Ａｔ５ｉｎωｔ＝　Ｖ、−Ａｙ　・ｘ−（３
）ここで、ｖ１ニジリンダ空間６ａの容積■２ニジリン
ダ空間７ａの容積 Ｖ、：ｘ＝Ｏのときの容積 Ａ、：ピストン断面積 が成り立つ。

各シリンダ空間の圧力と容積の関係は、ポリトロープ変
化を仮定したため１式（４）が成り立つ。

Ｐ１ｖ１″＝Ｐ２ｖ２″＝ＰＯｖＩ、″　　　　　・・
・（４）ここで、Ｐ、ニジリンダ空間６ａの圧力Ｐ２ニ
ジリンダ空間７ａの圧力 Ｐ、ニジリンダ空間容積ｖ６のとき の圧力 ｎ　；ポリトロープ指数 いまピストン４ａに作用する力Ｆを図中矢印方向の力を
正とすれば式（５）（６）が成り立つ。

Ｆ”　（Ｐｘ　　Ｐ２）　Ａｐ　　　　　　　　　・・
・（５）ここで、ｋ：ガスばね定数 式（６）に式（２）〜（５）を代入すれば式（７）とな
り、これを整理すれば式（８）となる６Ｖ””Ｖ−／Ａ
ｐ　・ｘ 第３図に式（８）をグラフ化したものを示す。

横軸ｖ１はガスばね要素のシリンダ空間容積を無次元化
したもの、縦軸はガスばね定数ｋを無次元化したもので
ある。

対象気体としてはヘリウムを例にとってあり、シリンダ
空間が断熱変化する場合の条件として、ポリトロープ指
数ｎを断熱指数としである。

第３図から明らかなように、任意のピストンの位置Ｘに
対し、ガスばね要素のシリンダ空間容積ｖ８を大きくと
るに従い、ガスばね定数には小さくなる。

そこで、第１図に示すように、一対のガスばね要素のシ
リンダ空間６ａ、７ｂに調整座２１ａ。

２Ｉｂを取り付けることにより、シリンダ空間容積を調
整することができる。

本実施例では、一対のガスばね要素の、それぞれにピス
トン４ａ、４ｂで２つの空間６　ａ　ｇ　７　ａ　＊６
ｂ、７ｂに分けられた各シリンダ空間のうち、圧縮，膨
脹が同期するシリンダ空間間±６ａ。

６ｂとりａ、７ｂは連通径路２０ａ、２０ｂで連通され
ているため、どちらか一方の空間容積を調整すればよい
ことになる。

また、圧縮，膨脹が同期するシリンダ空間同士６ａ、６
ｂの容積の和と、７ａ、７ｂの容積の和とが、ピストン
変位ｘ　＝　Ｏの位置で、すなわち振動系の振動中心時
に等しくなるように調整座２１ａ。

２１ｂを選定すれば質量−ばねの振動系がくずれること
はない。

先に第２図で示したピストン４ａの変位Ｘ＝０でのシリ
ンｉ空間６ａ、７ａの平均圧力に係るバランス圧力Ｐ、
を変える場合、式（７）から明らかなように、ガスばね
定数にも変わる。したがって。

ガスばね定数ｋを適正に設定するには、調整座２１ａ、
２１ｂを選定調整することにより実施できる。

次に、上記の内容を振動式圧縮機の振動系にあてはめて
考えてみる。

いま、振動部分の質量をｍ、一対のガスばね部のガスは
ね定数をｋとする。そのとき、振動系の固有円振動数ω
。は式（９）で示される。

ω、＝５７丁　　　　　　　・・・（９）また、式（７
）で示されるガスばね定数ｋを近似的に式（１０）で表
わし、式（９）に代入すれば、式（１１）が得られる。

ｋ　＊　２　ｎ　Ａ　Ｆ”　Ｐ　−／　Ｖ　−・・・（
１０）ω、■７７π］貧　　　・・・（１１）このω、
を、駆動固有円振動数に設定すれば、振動系は共振する
ことになり振動式圧縮機としての作用を効果的にする。

いま、振動部分の質量ｍを１７２にすれば、式（１１）
より振動系の固有円振動数ω、は５倍となる。また、シ
リンダ空間の平均圧力Ｐ、を１／２とすれば系の固有円
振動数ω、は１／ｆ丁となる。

したがって、振動子２、一対のガスばね要素のピストン
４ａ、４ｂ、一対の圧縮要素のピストン８ａ、８ｂから
なる振動部分の質量ｍを増加させる場合には、一対のガ
スばね要素のシリンダ空間６ａ、７ｂの両方または一方
の容積を減らすように、また、前記振動部分の質量ｍを
減少させる場合には、前記シリンダ空間６ａ、７ｂの両
方または一方の容積を増やすように調整座２１ａ、２１
ｂを選定する。

また、シリンダ空間の平均圧力Ｐ、を高くする場合には
、前記シリンダ空間６ａ、７ｂの両方または一方の容積
を増やすように、また、前記平均圧力Ｐ、を低くする場
合には、前記シリンダ空間６ａ、７ｂの両方または一方
の容積を減らすように調整座２１ａ、２１ｂを選定する
。

このようにすれば振動系の固有円振動数は一定に保たれ
ることになり、振動系の共振発生を必要な状態に安定さ
せることが可能となる。

〔発明の効果〕

以上述べたように１本発明によれば、振動式圧縮機の振
動系における振動部分の質量、あるいはシリンダ空間の
バランス圧力を変える場合においても、ガスばね部の特
性すなわちガスばね定数を設定値に調整できる機能を備
え、共振特性を最適状態に維持することの可能な振動式
圧縮機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る振動式圧縮機の断面
図、第２図は、一般的なガスばね要素の拡大断面図、第
３図は、ガスばね要素のシリンダ空間容積とガスばね定
数の関係を示す特性線図、第４図は、従来の振動式圧縮
機の断面図である。 １・・・固定子、２・・・振動子、３ａ、３ｂ・・・ロ
ッド、４ａ、４ｂ・・・ピストン、５ａ、５ｂ・・・シ
リンダ、６　ａ　、　６　ｂ　、　７　ａ　、　７　ｂ
　・＝シリンダ空間、８ａ。 ８ｂ・・・気体圧縮用のピストン、９ａ、９ｂ・・・シ
リンダ、２０ａ、２０ｂ一連通径路、２１ａ、２１ｂ答
　２凶 尤＝Ｏ 多　３目

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．振動子および固定子からなる振動式電動機と、この
   振動式電動機の両側に連結され、それぞれピストンおよ
   びシリンダと当該ピストンで２つの空間に分けられたシ
   リンダ空間とからなる一対のガスばね要素と、これら一
   対のガスばね要素の外側に連結され、それぞれ気体圧縮
   用のピストンおよびシリンダからなる一対の圧縮要素と
   を備えて振動系を構成する振動式圧縮機において、前記
   一対のガスばね要素のシリンダ空間の容積を調整する容
   積調整部材を設け、この容積調整部材を選定して前記シ
   リンダ空間の容積を調整することによつて、上記振動系
   のガスばね定数を適正に設定するように構成したことを
   特徴とする振動式圧縮機。
2. ２．特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、振動子
   とガスばね要素のピストンと圧縮要素のピストンとから
   なる振動部分の質量の増，減を、一対のガスばね要素の
   少なくとも一方のシリンダ空間の容積を減，増させうる
   容積調整部材の選定によつて調整するように構成したも
   のである振動式圧縮機。
3. ３．特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、一対の
   ガスばね要秦のシリンダ空間の平均圧力の高，低を、少
   なくとも一方のシリンダ空間の容積を増，減させうる容
   積調整部材の選定によつて調整するように構成したもの
   である振動式圧縮機。
4. ４．特許請求の範囲第１項ないし第３項記載のもののい
   ずれかにおいて、一対のガスばね要素の、それぞれにピ
   ストンで２つの空間に分けられたシリンダ空間のうち、
   圧縮，膨脹が同期するシリンダ空間同士を連通させる連
   通径路を設けたものである振動式圧縮機。
5. ５．特許請求の範囲第１項ないし第４項記載のもののい
   ずれかにおいて、一対のガスばね要素の、それぞれピス
   トンで分けられた２つのシリンダ空間について、それぞ
   れ圧縮，膨脹が同期する一方のシリンダ空間同士の容積
   の和と他方のシリンダ空間同士の容積の和とが、振動系
   の振動中心時に等しくなるように容積調整部材を選定す
   るように構成したものである振動式圧縮機。