JPWO2015072547A1 - 非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型圧縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸入口及び吐出口への流体の出入りを非接触に高速で行えうる高効率で恒久的な往復動容積型圧縮装置を提供する。【解決手段】圧縮室の圧縮端部の外側のシリンダーの内面に位置する一対の吸入口及び吐出口が対向して設けられ、ピストンの圧縮室側の端部にピストンの往復方向に所定の幅を有する外周部の円周方向に等幅に所定の深さを有する溝部と溝のない無溝部が交互に設けられ、原動手段によりピストンが回転しながら往復動すると流体の吸入工程と圧縮・吐出工程とが繰り返され、間隙による流体抵抗により流体の吸引を遮蔽することを特徴とする非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型圧縮装置。【選択図】図５

Description

本発明は、気体あるいは液体などの流体を圧縮させるための往復動容積型圧縮装置において、往復動容積型圧縮装置に必要な流体の吸入と吐出を交互に遮蔽する弁機構を往復動動作に回転動作を加えることによって、機械的な接触無しに、回転するピストンとシリンダーとの間隙の差で流体の遮蔽・開放を行う往復動容積型圧縮装置に関するものである。

液体窒素や液体ヘリウムなどは極低温機器や超電導送電線の冷却のための極低温冷媒として利用されている。さらに、液体水素は、衛星打ち上げロケットの推進剤や半導体、液晶などの製造業における還元剤として利用されている。また、液体水素は、地球環境に負荷をかけない次世代のクリーンエネルギーとして注目されている。すでに、ドイツでは、水素燃料車用に液体水素ステーションが建設され稼動しているなど水素の需要が拡大している。

我が国でも水素を利用した燃料電池自動車が開発中であり、その市販化が計画されている。また、燃料電池自動車に水素を補充するインフラとして４大都市圏を中心に水素供給ステーションの整備も進行中である。

現在、燃料電池自動車に搭載される燃料タンクには、高圧圧縮ガスを充電可能な水素容器が開発されている。大気圧下での液体水素の密度は、高圧圧縮ガスの密度よりもかなり高く、水素の貯蔵あるいは輸送において、液体水素の方が有利である。従って、将来の水素エネルギー社会において、より密度の大きい液体の状態で水素を利用する方が輸送や貯蔵では、特に効率的である。

また、液体水素温度２０Ｋでは、我が国で発見され、線材化が容易で扱い易い金属系超電導体二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_２）が使用可能で、研究開発も活発化している。

このような将来のエネルギー社会において、極低温度沸点の液体水素や液体窒素などの貯蔵や輸送が増加するものと考えられる。したがって、それが液体の貯蔵や輸送装置の必要性も増してきている。現在、ＬＰＧやＬＮＧ輸送用大型極低温遠心ポンプが稼働しており、やや問題点もあるが液体窒素の輸送用に置き換えることが出来る。

従来の極低温流体の輸送用ポンプの小型のものでは、図１に示す液体窒素輸送ポンプ（非特許文献１）が販売されているが、輸送方式が、遠心型のため効率が低く、さらに高価格である。

従来、圧縮室への流体の吸入および圧縮された流体の吐出に往復動動作と同期させた機械式弁の開閉によって行っていた。しかし、機械式弁は、固体接触するため弁の耐久性の問題、弁の開閉による振動や騒音の問題、また、極低温領域では、油潤滑剤が使用できないため、弁の耐久性の低下や高速な弁開閉には問題があった。その他、特許文献１の低温流体を効果的に輸送圧縮するポンプ装置も公開されている。

特開２０１０−１９１６４号公報

http://www.ipros.jp/product/detail/2000037626/

そこで、本発明は、気体や液体などの極低温流体の圧縮にピストンとシリンダーから構成される往復動容積型圧縮装置おいて、圧縮に高効率が得られる往復動容積型を用い、圧縮室への流体の吸入と圧縮室からの圧縮された流体の吐出は、回転するピストンとシリンダーとの間隙の差によって吸入および吐出口への流体の出入りを非接触に高速で行えうる高効率で恒久的な流体圧縮を可能にした往復動容積型圧縮装置を提供することを目的とするものである。

上記課題は次のような手段により解決される。
第１に、ピストンに所定の間隙を空けて外接するシリンダー内で往復運動するピストンを回転させ、回転するピストンの圧縮側の端部に所定の幅で外周円周方向に等間隔に溝を設け、シリンダー側には、等間隔に設けた溝と同期する吸入・吐出に繋がる口を設けて、往復動の圧縮過程では、溝部とシリンダー側の口が連通する側を吐出側、無溝部で所定の間隙で連通する口側を吸入側、吸入過程では、その逆の構成で、所定の間隙で流体を遮蔽し、ピストンの回転と溝部および無溝部の位置を同期させることにより非接触に恒久的に圧縮室への流体の吸入・吐出を切り替える機構を持つ往復動容積型圧縮装置の構成とした。
第２に、回転するピストンの外周面の円周上に溝部と無溝部を複数設けてピストンが一回転する間に往復動動作を複数回行うことにより小型で圧縮容量を増加させた往復動容積型圧縮装置の構成とした。

本発明は、より詳しくは、
（１）
原動手段と、前記原動手段に軸を介して連結されたピストンおよびそのピストンを回転しながら往復動させる回転往復動機構と、前記ピストンに所定の間隙を空けて外装されるシリンダーと、および前記シリンダー内に圧縮室を備えた往復動容積型圧縮装置において、
前記圧縮室の圧縮端部の外側のシリンダーの内面に位置して流体の吸入および圧縮された流体の吐出に繋がる一対の吸入口及び吐出口が対向して設けられ、前記ピストンの前記圧縮室側の端部に前記ピストンの往復方向に所定の幅を有する外周部の円周方向に等幅に所定の深さを有する溝部と溝のない無溝部が交互に設けられ、前記原動手段により前記ピストンが回転しながら往復動すると流体の吸入工程と圧縮・吐出工程とが繰り返され、
前記ピストンが圧縮室を拡張する方向に移動する一の吸入工程では、
前記ピストンが回転し、前記ピストンの溝部が前記吸入口に位置し、他方前記吐出口は前記ピストンの無溝部に機械的に非接触で位置することで、前記吸入口から流体が前記圧縮室に吸入され、他方前記吐出口では前記間隙による流体抵抗により前記流体の吸引を遮蔽し、
前記ピストンが圧縮室を縮小する方向に移動する一の圧縮・吐出工程では、
前記ピストンの溝部が前記吐出口に位置し、他方前記吸入口は前記ピストンの無溝部に機械的に非接触で位置することで、
前記吐出口から流体が前記圧縮室から吐出され、他方吸入口では前記間隙による流体抵抗により前記吸入口から前記流体の吐出を遮蔽することを特徴とする非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型圧縮装置の構成とした。
（２）
前記溝と無溝部および前記吸入口と吐出口を各交互に複数対設けて、かつ、前記ピストンが一回転する間に往復動動作を当該複数回行うことを特徴とする（１）に記載の非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型圧縮装置の構成とした。
（３）
前記複数は３であることを特徴とする（２）に記載の非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型圧縮装置の構成とした。
（４）
前記原動手段を常温状態に設置し、前記ピストンおよびピストン回転往復動機構、前記シリンダーを極低温状態に設置したことを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載された非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型装置の構成とした。
（５）
前記原動手段、前記ピストン（圧縮端を除く）および前記ピストン回転往復動機構を常温状態に設置し、前記ピストン（圧縮端）、前記シリンダーを極低温状態に設置したことを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載された非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型装置の構成とした。
（６）
前記原動手段、前記ピストンおよび前記ピストン回転往復動機構、前記シリンダーのすべてを常温状態に設置したことを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載された非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型装置の構成とした。
（７）
前記流体は、水素ガス、窒素ガス、ヘリウムガス、空気、ネオン、液体水素、液体窒素、液体ヘリウム、液体空気、液体ネオンの内から選択されるいずれか１種又はそれら２種以上の混合物であることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載された非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型装置の構成とした。
（８）
前記ピストンとシリンダーとの間隙が、数十μｍであることを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載された非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型装置の構成とした。

本発明によれば、往復動容積型圧縮装置の圧縮部の流体の吸入・吐出をピストンの外周面と固定側のシリンダーの内周面との間隙の差による流体抵抗の差で遮蔽効果を非接触で可能なため、常温から極低温まで、さらに常温以上においても、幅広い温度範囲で、しかも、高速で流体の吸入・吐出の切り替えができ、小型で恒久的動作が可能な吸入・吐出機構を持つ回転往復動容積型圧縮装置を提供することができることとなった。

従来のバーバーニコルス社製遠心型液体窒素輸送ポンプの分解写真である。 極低温流体を圧縮するために極低温で動作可能な軸受構成を施した本発明の吸入・吐出機構を用いた回転往復動圧縮装置の部分断面模式図である。 発熱の大きい駆動モータを常温部に設置し、モータの回転を磁気カップリングで連結した本発明の吸入・吐出機構を用いた回転往復動圧縮装置の部分断面模式図模式図である。 圧縮部のみを極低温に設置し、細長い断熱材で常温と極低温とを連結した本発明の吸入・吐出機構を用いた回転往復動圧縮装置の部分断面模式図模式図である。 本発明の非接触吸入・吐出機構を用いた往復動容積型圧縮装置の圧縮過程での吸入・吐出機構の動作原理を示した部分断面図である。（ａ）ピストン軸左端（圧縮始め）、（ｂ）ピストン軸中央、（ｃ）ピストン軸右端（圧縮終了）を示す。 ピストン外周面に溝部と無溝部とを交互に複数個製作し、ピストンの１回転動作の間に複数回の往復動動作を行うことで圧縮・輸送容量を増大できる回転往復動圧縮装置の圧縮部の構造を示す図である。

以下、本願発明について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の往復動作に回転動作を加えて、流体の吸入・吐出の切り替えを非接触に行う往復動容積型圧縮装置の一例を図２に示す。

図２に示す構成は、ピストンの重量を支持して回転往復動動作を実現するために、ラジアル軸受には非接触の流体ラジアル軸受を、回転・往復動の変換および軸方向負荷支持には磁気を利用した回転往復動機構を採用することでピストンは全て非接触にシリンダー内に支持される。しかも、ピストン（後述の無溝部）とシリンダーとの間隙は数十μｍのオーダーで保たれるので恒久的に、また、高温から極低温までの広い温度範囲で動作可能になる。回転往復動機構は、ピストンと、ピストンを非接触で支持するシリンダーと、ピストンを回転させる駆動モータと、ピストンを往復動させるピストン往復機構と、からなる。

ピストン往復機構は、原動手段である駆動モータにより回転する磁性材料から成るピストンと、シリンダーと、シリンダー内部中央部に固定された永久磁石と、からなり、磁性体と永久磁石の作用によって、ピストンの回転と同期したピストンの往復動運動が磁気力で生じる。ピストンの往復運動の圧縮過程と吸入過程にピストンの回転と同期してピストンとシリンダーとの間隙の差によって吸入・吐出する流体の遮蔽・開放が行われる。

すなわち、図５（ａ）（ｂ）に示したように流体の圧縮工程では、流体が圧縮室から吐出口に向かって流れる。このとき、吐出口はピストンの外周部の溝部と連通しているためほぼ流体抵抗を生じることなく流体は吐出口からシリンダー外に吐出される。

一方、このとき吸入口は、ピストンの無溝部に位置している。即ち、吸入口に位置するピストンとシリンダーとの間隙が非常に狭いため、圧縮された流体が吸入口に向かって流れるには大きな流体抵抗を生じることになり、吸入口に向かう流体は、その流体抵抗によって遮られる。このような動作により吸入・吐出する流体の遮蔽・開放が行われる。

図３は、駆動モータの極低温での発熱を避けるため駆動モータのみを常温に設置し、回転は熱伝導の低い材料（低熱伝導材）で細く長くして磁気カップリング連結した往復動容積型圧縮装置を示したものである。

図４は、シリンダー内の往復動圧縮部のみを延設軸の先端部に位置させ、極低温領域に設置し、その他の機構は常温部に設置した往復動容積型圧縮装置を示したものである。この構造は、極低温部での熱の発生を極力抑えるために駆動モータ、軸受部を常温に設置したものである。

図５は、往復動容積型圧縮装置の圧縮過程におけるピストンとシリンダーとの間隙の差で流体の遮蔽・開放を行う動作原理の詳細を示したものである。この場合、ピストンが一回転するとピストンが一往復する構成である。

図５（ａ）は、回転するピストンが圧縮室の左端（ピストン圧縮始動位置）に位置している状態で、吐出口通路とピストンの往復動方向に所定の幅で外周面上半分に刻んだ凹んだ溝部に連通している。ここで、往復動方向の所定の幅とは、図５に図示したように、ピストンの往路あるいは復路の移動距離に、吸入口あるいは吐出口の直径を加え、さらに吸入口と吐出口が圧縮室に連通しないために設ける数ｍｍの距離を足し合わせたものである。一方、吸入口通路は溝の刻んでいないピストン外周面の無溝部の部分に連通され、ピストンとシリンダーとの狭い間隙で通路が遮蔽されていることが分かる。

図５（ｂ）は、ピストンが回転しながら圧縮室の中央（ピストン中央位置）まで移動した場合で、図５（ｂ）のように吐出側は凹んだ溝部に吐出口が連通したままであり、吸入側は間隙によって遮蔽状態のままであり、流体が吐出口から外部に押し出され続ける。

図５（ｃ）は、回転するピストンが圧縮室の右端（ピストン圧縮終了位置）に位置した状態で、圧縮室の流体は吐き出され、吐出側は、間隙によって遮蔽され、吸入側は、吸入口に凹んだ溝部に連通された状態になっていることが分かる。この後、ピストンは左方矢印方向に向かって移動し、圧縮室には吸入口を通して流体が吸入される。

図６は、ピストン外周面に往復動方向の所定の幅で凹んだ溝部と無溝部とを交互に複数個作成し、シリンダー部には複数個の溝部と無溝部に見合った数の吸入・吐出口を設けることによりピストンが一回転する間に往復動作を複数回行うことによって、吐出量を増加させるように構成した往復動容積型圧縮装置を示したものである。

なお、各図においては、一回転で３往復の動作をさせることにより３倍の圧縮容量・輸送量を得ることが出来る。なお、この往復動圧縮装置は、逆回転することにより膨張機の役目をさせることもできる。また、極低温領域のみならず常温での作動も可能である。

さらに、上記の例は、あくまでも本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に基づく変形、他の態様は、当然本発明に包含されるものである。

Claims (8)

1. 原動手段と、前記原動手段に軸を介して連結されたピストンおよびそのピストンを回転しながら往復動させる回転往復動機構と、前記ピストンに所定の間隙を空けて外装されるシリンダーと、および前記シリンダー内に圧縮室を備えた往復動容積型圧縮装置において、
   前記圧縮室の圧縮端部の外側のシリンダーの内面に位置して流体の吸入および圧縮された流体の吐出に繋がる一対の吸入口及び吐出口が対向して設けられ、前記ピストンの前記圧縮室側の端部に前記ピストンの往復方向に所定の幅を有する外周部の円周方向に等幅に所定の深さを有する溝部と溝のない無溝部が交互に設けられ、前記原動手段により前記ピストンが回転しながら往復動すると流体の吸入工程と圧縮・吐出工程とが繰り返され、
   前記ピストンが圧縮室を拡張する方向に移動する一の吸入工程では、
   前記ピストンが回転し、前記ピストンの溝部が前記吸入口に位置し、他方前記吐出口は前記ピストンの無溝部に機械的に非接触で位置することで、前記吸入口から流体が前記圧縮室に吸入され、他方前記吐出口では前記間隙による流体抵抗により前記流体の吸引を遮蔽し、
   前記ピストンが圧縮室を縮小する方向に移動する一の圧縮・吐出工程では、
   前記ピストンの溝部が前記吐出口に位置し、他方前記吸入口は前記ピストンの無溝部に機械的に非接触で位置することで、
   前記吐出口から流体が前記圧縮室から吐出され、他方吸入口では前記間隙による流体抵抗により前記吸入口から前記流体の吐出を遮蔽することを特徴とする非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型圧縮装置。
2. 前記溝と無溝部および前記吸入口と吐出口を各交互に複数対設けて、かつ、前記ピストンが一回転する間に往復動動作を当該複数回行うことを特徴とする請求項１に記載の非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型圧縮装置。
3. 前記複数は３であることを特徴とする請求項２に記載の非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型圧縮装置。
4. 前記原動手段を常温状態に設置し、前記ピストンおよびピストン回転往復動機構、前記シリンダーを極低温状態に設置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載された非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型装置。
5. 前記原動手段、前記ピストン（圧縮端を除く）および前記ピストン回転往復動機構を常温状態に設置し、前記ピストン（圧縮端）、前記シリンダーを極低温状態に設置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載された非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型装置。
6. 前記原動手段、前記ピストンおよび前記ピストン回転往復動機構、前記シリンダーのすべてを常温状態に設置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載された非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型装置。
7. 前記流体は、水素ガス、窒素ガス、ヘリウムガス、空気、ネオン、液体水素、液体窒素、液体ヘリウム、液体空気、液体ネオンの内から選択されるいずれか１種又はそれら２種以上の混合物であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載された非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型装置。
8. 前記ピストンとシリンダーとの間隙が、数十μｍであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載された非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型装置。