JPS6155382A - 往復動型圧縮装置及びその圧縮方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明はヒートポンプ用等に使用される往復動型圧縮装
置及びその圧縮方法に関し、特に流量、圧縮比が可変の
往復動型圧縮装置及びその圧縮方法に関する。

［背景技術とその問題点コ 例えば空調用に使用されるヒートポンプでは、低温側の
水等の熱源温度は一定範囲にあり、且つ高温側の室内空
気等に供給される熱温度も一定範囲にあるため、往復動
型圧縮装置の圧縮比は略一定に設定される。かかる従来
の往復動型圧縮装置では、シリンダの吸気弁、排気弁は
スプリングによる圧力バランス型弁となっており、シリ
ンダ内外の圧力差が所定値に達したときに作動し、冷奴
を一定圧力に高める。

ここで、高温側の熱需要は必ずしも一定ではなく、その
需要量は変化する。この変化に対処するためには、一定
の圧縮比を維持しつつ往復動型圧縮装置から単位時間当
りに送出される冷奴の流量を変えることが必要となる。

このため従来において、ビストンストロークが一定であ
る往復動型圧縮装置の駆動軸の回転数を可変にすること
、及び往復動型圧！ｌｉｉ装置のシリンダを複数とし使
用するシリンダの数を変えることが行われていた。前者
の従来技術によると駆動軸を低速回転させ得る回転数域
に限界があり、低回転運転をも可ｆ走にするためには装
置が高価になってしまう問題があった。また後者の従来
技術では得られる流量変化は階段状となり、連続性がな
いため熱需要の僅かな変化に対処できず、微調整不能と
いう問題があった。

以上において、往復動型圧縮装置は各種産業プロセス用
として広く使用され、前述のようにＲｌｘの変更が要求
される場合の他、用途によっては圧縮比を変更させるこ
とが要求される場合がある。

［発明の目的コ 本発明の目的は、駆動軸の回転数を一定にしたまま流量
、圧縮比を変化させることができ、しかもこの流量、圧
縮比の変化が連続性を有し、微調整を可能にした往復動
型圧縮装置及びその圧縮方法を提供するところにある。

ｃ問題点を解決するための手段及び作用］このため本発
明の構成は、シリンダ内のピストンが往復動し、このピ
ストンの往復動に伴い吸気弁、排気弁の開閉が行われる
往復動型圧縮装置の圧縮方法であって、前記ピストンの
移動行程中の必要とされる流量と対応する位置にピスト
ンが達したときに前記吸気弁の閉動を行わせ、引続きピ
ストンの圧縮動を行わせるとともに、必要とされる圧縮
比と対応する位置にピストンが達したときに前記排気弁
のびＨ動を行わせ、ピストンの移動行程における吸気弁
、排気弁の開閉タイミングを調整することにより、前記
流量、圧縮比のうちの少なくとも何れか１つを変更させ
ることができるようにしたところに特徴を有する。

また、本発明の構成は、クランク軸にコンロッドを介し
てシリンダ内のピストンを連結し、シリンダに吸気弁、
排気弁を設けた往復動型圧縮装置において、前記シリン
ダ内のピストン位置を検出するための検出手段と、前記
吸気弁、排気弁を強制駆動するための駆動手段と、必要
とされる流量、圧縮比のうちの少なくとも何れか１つを
設定するための設定手段と、この設定手段で設定された
流量、圧縮比に従って前記吸気弁、排気弁の開閉タイミ
ングを定め、前記検出手段からの検出信号により前記駆
動手段を駆動させて吸気弁、排気弁を開閉させるための
制御手段とを備え、前記設定手段によって流量、圧縮比
のうちの少なくとも何れか１つを可変にできるようにし
たところに特徴を有する。

［実施例］ 第１図で本実施例に係る装置の概略が示されている０本
実施例に係る往復動型圧縮装置はヒートポンプ用である
ため、吸気通路１の端部の低温側熱源部と排気通路２の
端部の高温側熱需要部とには熱交換器が配置され、吸気
通路１、排気通路２に冷媒が流通する。吸気通路１、排
気通路２はシリンダ３の頂部に開口形成された吸気口３
Ａ、排気口３Ｂに接続され、これらの吸気口３Ａ、排気
口３Ｂは吸気弁４、排気弁５で開閉される。吸気弁４、
排気弁５．にはソレノイド或いは油圧シリンダ等による
弁駆動部６，７が連結され、これらの弁駆動部６，７に
よって構成される駆動手段で吸気弁４、排気弁５は強制
的に開閉動せしめられる。

シリンダ３内を往復動するピストン８はコンロッド９を
介して駆動軸であるクランクｊｊｌｌｌｏに連結され、
クランク軸１０は電動機等の駆動源によって回転せしめ
られる。この駆動源は定速回転用でよい、クランクｆｄ
１１０に角度検出センサ１１が配置され、このセンサ１
１はクランク軸１ｏの回転角を検出するものであり、こ
のクランク軸回転角検出が行われる結果、シリンダ３内
のピストン８の位置が検出される。センサ１１によって
構成されるピストン位置検出手段からの信号は制御ボッ
クス１２に入力される。制御ボックス１２には操作盤１
３が接続され、この操作盤１３は必要とされる冷媒の流
量、圧縮比を人為的に設定するための設定手段を構成し
、操作盤１３で設定された流量、圧縮比は制御ボックス
１２に入力される。制御ボックス１２はセンサ１１、操
作盤１３からの入力に従って前記吸気弁４、排気弁５の
開閉動を制御する制御手段を構成し、前記弁駆動部６．
７が制御ボックス１２に接続される。

尚、本実施例では、排気通路２の途中に形成された圧力
室１４に圧力検出センサ１５が配置され、このセンサ１
５により圧力室１４の冷媒の圧力が検出される。この圧
力検出が行われる結果、排気通路２等から構成される冷
媒流通経路を流通する冷媒の流量換言するとシリンダ３
に流入出する冷奴の流量が測定され、センサ１５からの
検出信号は制御ボックス１２に入力される。

第１図中、ピストン８が右動して上死点に達したとき、
前記吸気弁４は開き、排気弁５は閉じる０次いでピスト
ン８が左動し吸気行程が始まると、吸気通路ｌからシリ
ンダ３内に冷媒が流入する。ピストン８が下死点に達し
た後、ピストン８の右動による圧縮行程が開始するが、
吸気弁４は直ちに閉動せず、必要とされる冷媒の流量と
対応する位置までピストン８が達したときに吸気弁４は
弁駆動部６によって閉動せしめられる。これにより吸気
弁４が閉じたピストン位置から上死点までのシリンダ長
さに比例した冷媒量がシリンダ３の内部に蓄えられる。

尚、蓄え得る冷媒量はピストン８が下死点に達したとき
に吸気弁４を閉じることにより最大とすることができる
。また、ピストン８の圧縮行程時における吸気弁４の閉
動によって得られるシリンダ３内の冷媒量と同じ量は、
ピストン８の吸気行程において、上記圧縮行程時に吸気
弁４を閉動させたときにおけＺ・ピストン位置と同じ位
置にピストン８が達したときに吸気弁４を閉じさせても
得られる。

以上の通り吸気弁４の閉動によってシリンダ３内に所定
の冷媒量が収容された後、引続きピストン８の圧縮行程
が行われ、この間に冷媒は断熱圧縮される。ピストン８
が必要とされる圧縮比と対応する位置に達したときに前
記弁駆動部７の駆動によって前記排気弁５が開く、これ
により吸気弁４が閉動したピストン位置から上死点まで
のシリンダ長さと、排気弁５が開いたピストン位置から
上死点までのシリンダ長さとの比率に等しい圧縮比に冷
媒は圧縮され、このように圧縮され昇温した冷媒はピス
トン８の右動により排気通路２に送出される。ピストン
８が上死点に達すると、上述の通り吸気弁４は開き、排
気弁５は閉し、以後上述と同じサイクルを緑返えす。

以上のピストン移動行程における吸気弁４、排気弁５の
開閉動は前記操作盤１３で設定された冷媒の流量、圧縮
比が得られるように行われる。操作盤１３で設定された
流量、圧縮比に従って前記制御ボックス１２においてピ
ストン移動　程における吸気弁４．排気弁５の開閉タイ
ミングが定められる。ピストン移動行程中におけるシリ
ンダ３内のピストン８位置の検出は前記センサ１１によ
って行われ、このセンサ１１からのピストン位置信号に
より制御ボックス１２は吸気弁４、排気弁５の前記開閉
タイミングに従って前記弁駆動部６；７を駆動させ、こ
れにより吸気弁４、排気弁５を開閉させる。

尚、前記圧力検出センサ１５からの信号は制御ボックス
１２に常時入力され、これによりシリンダ８に流入出す
る冷媒の流量が操作ｉ１３で設定された流量と一致して
いるか否か検査され、設定流量に対し許容範囲以上の誤
差が生じているときは制御ボックス１２が前記開閉タイ
ミングに修正を加え、流量の補正を行う。

第２図は大きな冷媒流量を必要とするときにおけるピス
トン位置と開閉タイミングとの関係を示す。大きな冷媒
流量が必要とされるときは１図示の通り、下死点Ａに近
い位置Ｃにピストン８が達したときに吸気弁４は閉し、
引続きピストン８の右動により圧縮行程が行われ、ピス
トン８が位置りに達したときに排気弁５が開く、これに
より位置Ｃから上死点Ｂまでのシリンダ長さｆＬ＋に比
例した流量が得られるとともに、このシリンダ長さ文、
と、位ｍＤから上死点Ｂまでのシリンダ長さ文２との比
率に等しい圧縮比が得られる。第３図は冷媒流量が比較
的少なくてよい場合におけるピストン位置と開閉タイミ
ングとの関係を示す０図示の通りピストン８が下死点Ａ
から遠い位置Ｅに達したときに吸気弁４は閉し、ピスト
ン８が位置Ｆに達したときに排気弁５が開く、この結果
、位置Ｅから上死点Ｂまでのシリンダ長さ立３に比例し
た流量が得られ、圧縮比はこのシリンダ長さ見３と、位
ＩｉＦから上死点Ｂまでのシリンダ長さ文４との比率に
等しい値になる。

第２図の流量、圧縮比のピストン往復動運転を行ってい
るとき、冷媒の圧縮比を一定にしたまま流量を減少させ
ることが必要となった場合は、第３図においてこの必要
となった流量に従って吸気弁４を閉じるピストン位置Ｅ
が定めされ、更に１１７文２＝旦３／見４の圧縮比から
排気弁５を開く位置Ｆが定められる。圧縮比を一定にし
たまま流量を増大させることが必要となった場合にも同
様に吸気弁４を閉じるピストン位置、排気弁５を開ける
ピストン位置が定められる。第２図または第３図におい
て、流量を一定にしたまま圧縮比を変更することが必要
となった場合は、吸気弁４を閉じるピストン位ＩｉＣ、
Ｅを変えず、排気弁５を開けるピストン位置り、Ｆが変
更される。また、流量と圧縮比の両方を変えることが必
要となった場合には、流量に従って吸気弁４を閉じるピ
ストン位置が定められ、このピストン位置を元にして圧
縮比に従って排気弁５を開けるピストン位置が定められ
る。

以上のように冷媒の流量を変更することが必要となるは
、例えば高温側の熱需要量が変化した場合であり、また
、圧縮比を変更することが必要となるのは、例えば低温
側の熱源の変更等によって熱源温度が変化した場合であ
る。

本発明に係る装置、方法は流量、圧縮比の何れか１つま
たは両方の変更に対処できるように構成される。

以上の流量、圧縮比の変更設定は前記操作盤１３で行わ
れ、この設定に従ったピストン移動行程における吸気弁
４、排気弁５の開閉タイミングの変更は前記制御ボック
ス１２の演算ｊａ使で自動的になされる。尚、流量、圧
縮比の設定手段としての操作＠１３を人為操作手段とせ
ず、この設定手段を前記高温側の熱需要量や低温側の熱
源温度等の変化を自動的に検出できる機能をもったもの
とし、この変化に従って自動的に流量、圧縮比の設定を
行う設定手段とすることも可能である。

前述のようにクランク軸１０の電動機等の駆動源は定速
回転用でよく、クランク軸１０を定回転数駆動させなが
ら流量、圧縮比の変更を行える。

従って駆動装置を低コスト化できるとともに、回転数変
更のための時間は不要であり、その分往復動型圧縮装鐙
の運転濠率の向上を図ることができる。また、吸気弁４
、排気弁５の開閉動を行わせる駆動手段としての弁駆動
部６，７はソレノイド等の強制駆動方式によるものが採
用されているため、スプリングの弾性力を利用しシリン
ダ内外の差圧で弁が開閉する圧力バランス型弁に比べ開
閉作動の応答性が向上し、吸気弁４、排気弁５は迅速に
開閉動を行うため、ピストン８の往復動速度を高速化で
きる。従ってクランク軸１０の高速回転により、クラン
ク軸１０の回転数と比例している冷媒の流量を増やすこ
とができ、この結果、小型の往復動型圧縮装置であって
も大流量化でき、同じ大流量を得られる装置との比較で
は装置の小型化、低コスト化を実現できる。

以上の本実施例では、吸気弁４、排気弁５の開閉を行わ
せるピストン位置の検出をクランクｆ！［１１０に設け
た角度検出センサ１１によって行う構成としたが、シリ
ンダ３にピストン位置を検出できる機能を有するセンサ
を取付ける構成としてもよく、要すればシリンダ内のピ
ストン位置を検出する検出手段を備えていればよい、ま
た、本実施例では流量検査用の圧力センサ１５を採用し
たが、このセンサの採用、不採用は任意である。しかし
採用すれば既述の通り設定流量との誤差を検出し、これ
を補正できる利点を有する。更に、本実施例はヒートポ
ンプ用の往復動型圧縮装置の場合であったが１本発明に
係る装置、方法はヒートポンプ用以外にも適用でき、要
すれば流量、圧縮比のうちの少なくとも何れか１つの変
更が必要となる装置、方法に適用できる。

［発明の効果］ 本発明によれば、駆動軸の回転数を一定にしたまま流量
、圧縮比の変更が可能であり、しかもこの変更を連続性
を有するものとして行え、従って流量、圧縮比の微調整
が可１走となり、各種産業プロセス用として広く使用で
きる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すもので、第１図は装置の
概略を示す系統線図、第２図、第３図は大流量と小流量
の場合におけるピストン位置と吸気弁、排気弁の開閉タ
イミングとの関係を示す図である。 ３・・・シリンダ、４・・・吸気弁、５・・・排気弁、
６゜７・・・駆動手段である弁駆動部、８・・・ピスト
ン、９・・・コンロッド、１０・・・クランク軸、１１
・・・ピストン位置検出手段であるクランク軸回転角検
出センサ、１２・・・制御手段である制御ボックス、１
３・・・設定手段である操作盤。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　シリンダ内のピストンが往復動し、このピスト
   ンの往復動に伴い吸気弁、排気弁が開閉する往復動型圧
   縮装置の圧縮方法であって、前記ピストンの移動行程に
   おいて必要とされる流量と対応する位置に前記ピストン
   が達したときに前記吸気弁が閉じ、引続き前記ピストン
   が圧縮動を行うとともに、必要とされる圧縮比と対応す
   る位置に前記ピストンが達したときに前記排気弁が開き
   、前記ピストンの移動工程における前記吸気弁、排気弁
   の開閉タイミングを調整して前記流量、圧縮比のうちの
   少なくとも何れか１つを変更することを特徴とする往復
   動型圧縮装置の圧縮方法。
2. （２）　クランク軸にコンロッドを介してシリンダ内の
   ピストンを連結し、このシリンダに吸気弁、排気弁を設
   けた往復動型圧縮装置において、前記シリンダ内のピス
   トン位置を検出する検出手段と、前記吸気弁、排気弁を
   強制駆動する駆動手段と、必要とされる流量、圧縮比の
   うちの少なくとも何れか１つを設定する設定手段と、こ
   の設定手段で設定された流量、圧縮比に従って前記吸気
   弁、排気弁の開閉タイミングを定め、前記検出手段から
   の検出信号により前記駆動手段を駆動させて前記吸気弁
   、排気弁を開閉させる制御手段とを備えたことを特徴と
   する往復動型圧縮装置。