JP3567331B2

JP3567331B2 - 流体機械

Info

Publication number: JP3567331B2
Application number: JP23408893A
Authority: JP
Inventors: 克己藤間; 和弘喜多川; 雅人野口
Original assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Current assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Priority date: 1993-08-26
Filing date: 1993-08-26
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2019-09-22
Also published as: JPH0763159A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は圧縮機、膨張機若しくは圧送機として適用される流体機械に係り、特に容積変化を行わしめるピストンに連設棒や駆動軸を直接連結させる事なく間接的に前記ピストンに駆動力を付与し、圧縮若しくは膨脹を行わしめる流体機械と、該流体機械において吐出圧の最適制御を可能ならしめた装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より往復動圧縮機はクランク軸の回転を連設棒を介してピストンの往復運動に変換してピストンとシリンダ間の容積変化により圧縮を行い、又可変翼やスクリュータイプの回転圧縮機においては、これらの可変翼やスクリューをモータに連結した駆動軸に連結し、該駆動軸の回転により可変翼やスクリューとケーシングとの間に形成される容積を変化させながら圧縮を行うように構成されている。
【０００３】
この種の装置においては、駆動軸や連設棒等の駆動系と圧縮系が直接接続する構成を取るために、両者間にピストンリングやオイルシール等の圧縮漏洩阻止部材を介在させなければならず、その分部品点数や重量負担の増加、若しくはこれらの負荷に比例して消費電力の増大等につながり、結果として投入エネルギ当りの圧縮効率の低下につながる。
【０００４】
かかる欠点を解消するために、ピストンの駆動機構を電磁ソレノイドによる直線的な駆動方式を採用した往復駆動圧縮機が種々提案されている。（特開昭６１−２１０５７６、同６０−１１６８８３等）
又特開平１−８７８７９号においては超伝導体と磁石を利用して直線変位運動を発生させ、ピストンの往復運動を行うようにした圧縮機も提案されている。
これらの技術はいずれもピストン側に電磁的駆動力の反作用力としてコイルバネ等を介在させる構成を取り、圧縮行程においては電磁的駆動力による作用力を、吸入行程ではコイルバネによる反作用力を夫々利用して往復運動を行うように構成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこれらの技術はいずれも直線的な往復運動であるために、而も作用力（往動）から反作用力（復動）への移行をコイルバネによる弾性力により行っている為に基本的に高速駆動が不可能であり、その分重量若しくは容積当りの吐出量の増大を図る事が不可能である。
又前記技術では圧縮行程の上死点に近付くに連れ、コイルバネによる弾性力を受けるために、圧縮比を高める事が困難である。
又ピストン側に電磁的駆動力の反作用力としてコイルバネ等を介在させる構成を取る事は、コイルバネのへたり等があり、必ずしも長期的に安定した圧縮機を得るのが困難である。
【０００６】
本発明者はかかる技術的課題に鑑み、コイルバネを併用する事なく電磁力のみでピストンを間接駆動可能に構成した、圧縮機若しくは膨張機、更にはポンプとして適用し得る流体機械を提供する為に、管壁の適宜箇所に流体吸入部と吐出部を設けた無端状管路内に、複数のフリーピストンを配し、該ピストンを外部よりの電磁力を利用して間接的に管路内を周回させつつ、前記吸入口と吐出口の位置に対応させて先行するピストンとの比速度を変化させて、該先行するピストンとの間に形成される閉鎖空間を変化させ、前記吸入部と吐出部との組合わせによって吸入行程−圧縮若しくは膨脹更には圧送行程−吐出行程が繰り返し行なわれる事を特徴とする流体機械を同時出願の特許願（整理番号Ｐ９３６４ＭＡ）において提案している。
本発明はかかる流体機械を実施するために好適な装置を提供する事を目的とする。
【０００７】
【課題を解決する為の手段】
本発明は、前記管路をリング円状に形成し、該管路内のピストンを外部よりの磁力を利用して周回可能に構成した流体機械に適用されるもので、
前記ピストンに磁気的保持力を維持した状態で回転する磁性回転手段の回転中心を、前記管路中心に対し偏心した位置に設定し、該回転手段の回転により前記ピストンが前記回転中心の半径方向に揺動する自由度を維持した状態で前記管路内を周回可能に構成した事を要旨とするものである。
この場合前記磁性回転手段は、該回転手段の回転中心側より放射状に延びる磁性羽根体を前記ピストンと対応する数だけ配設し、該羽根体の回転に追従して前記ピストンが前記回転中心の半径方向に揺動しながら前記管路内を周回可能に構成するのがよい。
又前記磁性回転手段は前記ピストンの両側に対称に配置し、該ピストンを管路内に実質的に浮き状態で周回可能に構成する事により、ピストンと管路間で不要な摺擦が生じる事なく、又ピストンが管路一方の側に偏在する事もない為に圧力漏洩が生ぜず、特に無給油圧縮機に有利である。
【０００８】
本第２発明は特に前記同時出願の基本発明全てに適用されるもので、前記管路をリング円状に形成しもののみならず無端状管路全てに、又ピストンの駆動力も磁力のみならず、電磁誘導を利用したものにも適用されるもので、特に最適な吐出圧を自動的に調整するＶｉ自動可変装置を組込んだ流体機械を提供する事を目的とし、その特徴とするところは、前記吐出部の吐出開口を可変可能な開口可変手段を設け、該可変手段が吐出圧力と吐出口直前の容積空間圧力との平衡をとりながら移動可能に構成し、特に前記可変手段は、吐出口直前の管路壁の一部を形成するスライド弁であり、該スライド弁に、スライド弁の吐出圧の受圧断面積より大きい断面積を有するピストンを連結し、前記ピストンに吐出口直前の容積空間圧力を受圧可能に構成することにより達成し得る。
これにより圧縮過程による圧縮過多あるいは圧縮不足による動力損失の増加の防止を内圧によって最適な吐出圧を自動的に調整する事が出来る。
【０００９】
尚、本発明に類似する技術として実開昭４ー１１９３７１号が存在する。
かかる考案は円形シリンダ内に複数のピストンを内蔵し、ソレノイドをシリンダ外周に複数配置し、リニアでピストンのみを緩急回転させ、吸入、圧縮する圧縮機等を提案している。
しかしながら前記従来技術においてはソレノイドを用いてピストンをどの様に緩急回転されるか開示されておらず、特にソレノイドのＯＮ／ＯＦＦ駆動ではピストンが断続的に駆動され、先行するピストンとの比速度を変化させながら連続的に周回させる事は不可能である。
これに対し本発明は、前記ピストンに磁気的保持力を維持した状態で回転する磁性回転手段の回転中心を、前記管路中心に対し偏心した位置に設定し、該回転手段の回転により前記ピストンが前記回転中心の半径方向に揺動する自由度を維持した状態で前記管路内を周回可能に構成した為に、先行するピストンとの比速度を変化させながら連続的に周回させる事が可能であり、これにより始めて本発明が円滑に達成される。
【００１０】
【実施例】
以下、図面に基づいて本発明の実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
先ず本発明の基本構成を図１に基づいて説明する。先ずケーシング１１のリング状円形管路１内に、該管路１内形状に酷似しかつ管路１に対し周囲微小クリアランスを有するフリーピストン２を複数個（２個以上）配置する。
そして各フリーピストン２は管路１外部からの力例えば（回転）磁場のような間接的な力によって浮されるとともに管路１内を所定の位置で所定の速度で動くように構成する。
例えば前記フリーピストン２には夫々磁性体若しくは磁石体（Ｓ極）３を内蔵し、外部よりの磁石体（Ｎ極）若しくは磁性体４の回転運動により前記フリーピストン２が回転するように構成する。
この際外部の磁性体４の回転中心Ｄを管路中心Ｃよりずらす事により、後記するように、先行するフリーピストン２と本フリーピストン２との比速度を変化させる事が出来る。
従って本フリーピストン２を先行するフリーピストン２の比速度が１以上になる行程では、本フリーピストン２前面と先行するフリーピストン２の背面及び管路１の壁によって形成される容積（以下、空間容積５）が順次広くなり、又比速度が１以下になる行程では、前記空間容積５が順次狭くなる。
そして前記管路１は無端状である為に、図１に示すように前記空間容積５が最大となる区域（最大容積区域ｄ）と最小となる区域（死容積ｅ）を挟んで比速度が１以下になる行程と、比速度が１以上になる行程とがほぼ半回転単位で交互に表れる事になる。
【００１１】
図４（Ａ）は前記ピストン２の回転角と先行ピストンと後行ピストン夫々の比速度を各ピストンの速度周期として表わしたもの、（Ｂ）は回転角と先行ピストンと後行ピストン間の比速度（先行ピストン速度と後行ピストン速度の比）をピストン間比速度として表わしたもの、（Ｃ）は回転角と空間容積５の変化を空間中心を基準として容積比で表わしたもの、の夫々のグラフである。
従って図１に示すように、比速度が１以上になる行程に吸入部を設けて吸入行程ａとし、比速度が１以下になる行程に吸入部も吐出部も設けない管路１閉鎖空間としての圧縮行程ｂとし、吐出部を設けた吐出行程ｃ部分にわけることにより、前記機構を圧縮機に適用し得る。
尚、図４（Ｄ）はかかる行程を主軸回転角度と圧力比との関係をグラフ化したもので、本図より理解できるように圧縮行程ｂ部分と吐出行程ｃ部分の比を適宜変化させる事により、圧縮比を任意に設定できる。
【００１２】
尚、図２は前記機構を非圧縮性の液ポンプとして適用したもので、基本的には圧縮行程が存在せずに最大容積ｄと死容積ｅを挟んで上流側が吸入行程ａ、下流側が圧送（吐出行程）ｂとなる。
又、図３は前記機構を膨張機として適用したもので、最大容積ｄ部分が膨張行程ｂとして拡大し、死容積ｅの次に、吸入行程ａ、膨張行程ｂ、吐出行程ｃを設ける。
そして本発明を図１に基づいてより具体的に説明すると、吸入行程ａでは（吸入ポートの開口範囲）では図２から明らかなように比速度がピストン２が回転方向に従って１以上に順次大きくなるとともに、これに比例して空間容積５が漸次大きくなり、吸入部より最大容積量のガスを吸入する事が出来る。
そして圧縮行程ではピストン２が回転方向に進行するにつれ比速度が１以下に順次小さくなり、これに比例して空間容積もは漸次小さくなり、吐出部まで所定の空間容積５の縮小を行なう。図４（Ｄ）では該圧縮行程に対応する圧力変化を示しこれにより前記圧縮行程ｂで所定の圧力比まで昇圧する事が理解できる。
そして吐出行程ｃではさらにピストン２の比速度を小さくすることにより、空間容積５が小さくなりはぼ０になることによって圧縮したガスを吐出口より円滑に排出出来る。
従って本発明は前記管路１が無端状、即ちリング状に形成されているために、吸入−圧縮−吐出行程を連続的且つ繰り返し行なう事が出来る。
尚、ピストン２の数は１回転あたりの容量の大小によって任意に設定すればよい。
【００１３】
図５乃至図７は本発明の実施例たる圧縮機を示し、
図５は図６のＡーＡ線断面図、図６は圧縮機本体１０の縦断面図、図７は該本体をモータに組み付けた直結型圧縮機である。
図４において１１は樹脂体若しくは非磁性金属、更にはグラファイト等で形成されたケーシングで、中央位置より僅かに上方に片寄せた位置に円形穴１１１を形成した２枚のケーシング板１１Ａ、１１Ｂを重合させて形成されており、その重ね合わせ部の面上にＣ点を中心にリング円状の管路１、該管路１の吸入行程に対応する位置に吸入ポート１１２、及び吐出行程の死容積に近接する位置に吐出ポート１１３を夫々形成し、そして該ポート１１２、１１３は夫々後記する磁性板２０の回転空間から外れた位置に、夫々吐出穴１１３ａと吸気穴１１２ａを設ける。
そして前記リング状円形管路１内に、該管路１内形状に酷似しかつ管路１に対し周囲微小クリアランスを有する弧状片からなるフリーピストン２を８個配置する。
該フリーピストン２は例えばグラファイト等の摺動性のよい材料で形成され、内部に円筒状の磁性体若しくは磁石体２ａ（Ｓ極）を埋設する。
そして前記ケーシング１１の両側には、管路１中心の前記Ｃ点より垂直下方に所定距離ずらした位置に回転中心Ｄを有する回転軸１２に回転可能に支承された一対の磁性板２０Ａ、２０Ｂが配設されている。
磁性板２０Ａ、２０Ｂは前記回転軸１２中心より放射状に伸びる複数の羽根体２１を有し、該羽根体２１は前記フリーピストン２と対応する数だけ、等角度（４５°）間隔に８本で延在させ、前記フリーピストン２と逆極性（Ｎ極）の磁石で形成するか若しくは前記フリーピストン２の内蔵磁性体が磁石体２ａの場合は鉄その他の磁性材で形成する。
そして前記磁性板２０Ａ、２０Ｂは回転軸１２に設けたスペーサ部１２ａを利用して前記ケーシング１１壁面に対し、微少クリアランスを保ちつつ、該ケーシング１１を挟み込むように組立てる。尚、図６に示すようにピストン２が半径方向に移動する領域のみを磁石体で形成しても良い。
回転軸１２は軸受１４を介して支持枠１５に両端支持され、そして図６に示すように、前記回転軸１２の一端をカップリング１６を介してモータ１７に直結させている。
尚、図６中の１８はモータ支持枠１９と圧縮機本体１０を固定する取付けネジで、圧縮機本体１０側の軸受支持枠１５とケーシング１１間をもスペーサ１９を介して一体的に連結させている。
【００１４】
かかる実施例によれば、円筒状の内蔵磁石体２ａを埋設したフリーピストン２はその両側に位置する磁性板２０Ａ、２０Ｂの羽根体２１により、磁性的に挟持されている為に、フリーピストン２は内蔵磁石体２ａと磁性板２０の羽根体２１との間での発生する磁力によって羽根体２１の延在方向と対応する所定の位置にて管路１内で管路１壁とのクリアランスを持って浮いてる状態になる。
そして前記両者間で発生した磁力は羽根体２１に沿った半径方向には自由度があり又図４に示すように回転軸１２中心と管路１中心が変位しているために、前記回転軸１２を回転させると、フリーピストン２が管路に周方向規制されながら羽根体２１に沿って半径方向に移動しつつ、フリーピストン２の管路１内での回転曲率がみかけ上変化させる事が出来る。
それによって前記したように吸入行程ａでは比速度が１以上に漸次大きくなり効率良く吸入する事が出来る。
又吸入行程ａ通過後圧縮行程ｂでは比速度が１以下で漸次空間容積５が小さくなり、所定の圧縮が行われつつ所定の容積比の圧縮比を得る事が出来る。
そして吐出行程ｃでは比速度が更に小さくなりはぼ空間容積５が０になった状態で吐出ポート１１３よりの吐出を完了する。
【００１５】
図８は、Ｖｉ自動可変装置を組込んだ他の実施例で、同図に基づいてその詳細を説明する。
３１は吐出口直前の管路壁の一部を形成するスライド弁で、該スライド弁３１のスライド位置によって吐出ポート１１３の吐出開始点、言い換えれば吐出開口容積が可変する。
そして前記スライド弁３１は、連結棒３２を介してピストン３３に連結されている。
ピストン３３は、吐出開口１１３直前のフリーピストン２間に形成される容積空間５Ａ圧力Ｐｏ’を受圧可能に、該容積空間５Ａと連通管３４で連絡されたシリンダ３５内に収納されており、そして該ピストン３３の受圧断面積をピストン３３及びスライド弁３１のフリクション及びスライド弁３１前後の差圧による抵抗力に十分打ち勝つ断面積に設定している。
かかる実施例によれば、例えば吐出圧Ｐｏが高くなったときには容積空間圧力Ｐｏ’との差圧（Ｐｏ−Ｐｏ′）が大きくなりピストン３３はシリンダ３４の背圧空間側に摺動する。一方スライド弁３１は前記ピストン３３の移動に追従して吐出側に動く事によって吐出開始点遅れが生じこの結果前記フリーピストン２ー２間の空間容積が小さくなって、言い換えれば空間容積５Ａ内圧が上昇し、Ｐｏ′＝Ｐｏになるところまでスライド弁３１が移動する。
一方吐出圧Ｐｏが低い場合は前記と逆の動作をする。
この結果図９に示すように本流体機械の圧縮過程による圧縮過多あるいは圧縮不足による動力損失の増加の防止を内圧によって最適な吐出圧を自動的に調整する事が出来る。
従ってかかる実施例によればいずれも前記した本発明の作用が円滑に達成し得る。
【００１６】
【効果】
以上記載のごとく、本発明によれば、無端状管路内を複数のフリーピストンが周回する事により圧縮若しくは膨脹が行われる流体機械の最も好適な装置が提供できると共に、特に請求項４記載の発明においては、圧縮過程による圧縮過多あるいは圧縮不足による動力損失の増加阻止を有効に図れる。
等の種々の著効を有す。
又本実施例は圧縮機を例示して説明したが、前記説明より容易に理解されるごとく膨張機としても又液体圧送ポンプとしても適用可能である事は当業者ならば容易に理解できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成図で圧縮機に適用した場合を示す。
【図２】本発明の基本構成図で液ポンプ機に適用した場合を示す。
【図３】本発明の基本構成図で膨張機に適用した場合を示す。
【図４】図４（Ａ）は図１のピストンの回転角と先行ピストンと後行ピストン夫々の比速度を各ピストンの速度周期として表わしたもの、（Ｂ）は回転角と先行ピストンと後行ピストン間の比速度をピストン間比速度として表わしたもの、（Ｃ）は回転角と空間容積５の変化を空間中心を基準として容積比で表わしたもの、図４（Ｄ）は主軸回転角度と圧力比との関係をグラフ化したものである。
【図５】図５乃至図７は本発明を実施するための具体例で、図５は図６のＡーＡ線断面図である。
【図６】本発明の実施例にかかる圧縮機本体の縦断面図である。
【図７】図６の本体をモータに組み付けた直結型圧縮機である。
【図８】圧縮過程による圧縮過多あるいは圧縮不足による動力損失の増加の防止を内圧によって最適な吐出圧を自動的に調整する事が出来るＶｉ自動可変装置を組込んだ他の実施例を示す。
【図９】図８の動力損失を示すグラフ図。
【符号の説明】
１１２吸入部
１１３吐出部
１無端状管路
２フリーピストン
５、５Ａ空間容積
３１スライド弁
３２連結棒
３３ピストン

Claims

管壁の適宜箇所に流体吸入部と吐出部を設けたリング円状管路内に、複数のフリーピストンを配し、該ピストンを外部よりの磁力を利用して管路内を周回可能に構成した流体機械よりなり、
前記ピストンに磁気的保持力を維持した状態で回転する磁性回転手段の回転中心を、前記管路中心に対し偏心した位置に設定し、該回転手段の回転により前記ピストンが前記回転中心の半径方向に揺動する自由度を維持した状態で前記管路内を周回可能に構成するとともに、前記磁性回転手段を前記ピストンの両側に対称に配置し、該ピストンを管路内に実質的に浮き状態で周回可能に構成した事を特徴とする流体機械。
管壁の適宜箇所に流体吸入部と吐出部を設けたリング円状管路内に、複数のフリーピストンを配し、該ピストンを外部よりの磁力を利用して管路内を周回可能に構成した流体機械よりなり、
前記ピストンに磁気的保持力を維持した状態で回転する磁性回転手段の回転中心を、前記管路中心に対し偏心した位置に設定し、該回転手段の回転により前記ピストンが前記回転中心の半径方向に揺動する自由度を維持した状態で前記管路内を周回可能に構成するとともに、前記磁性回転手段の回転中心側より放射状に延びる磁性羽根体を前記ピストンと対応する数だけ配設し、該羽根体の回転に追従して前記ピストンが前記回転中心の半径方向に揺動しながら前記管路内を周回可能に構成した事を特徴とする流体機械。
管壁の適宜箇所に流体吸入部と吐出部を設けた無端状管路内に、複数のフリーピストンを配し、該ピストンを外部よりの電磁力を利用して管路内を周回させつつ、前記吸入口と吐出口の位置に対応させて先行するピストンとの比速度を変化させて、該先行するピストンとの間に形成される容積空間を変化可能に構成した流体機械よりなり、
前記吐出部の吐出開口を可変可能な開口可変手段を設け、該可変手段が吐出圧力と吐出開口直前の容積空間圧力との平衡をとりながら移動可能に構成するとともに、前記可変手段が、吐出口直前の管路壁の一部を形成するスライド弁であり、該スライド弁に、スライド弁の吐出圧の受圧断面積より大きい断面積を有するピストンを連結し、前記ピストンに吐出口直前の容積空間圧力を受圧可能に構成した事を特徴とする流体機械。