JPH029958A - スターリング・エンジン駆動圧縮機 - 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】 産業上の利用分野 この発明はスターリング・エンジン駆動圧縮機に関する
。

従来の技術 従来、この種スターリング・エンジン駆動圧縮機は、例
えばＵ、　　Ｓ、　　Ｐ、　　４．３８７．５６７に示
されているように、第２図の様な構造になっていた。

即ち、全体はエンジン部、シール部、圧縮機部及び起動
装置部からなっており、本図に開示の圧縮機は冷凍機な
どに用いる冷媒圧縮機を用いた例である。

先ずエンジン部について説明する。１は容器でその中に
ヘリウム、窒素などのスターリングエンジンの作業流体
（以下ヘリウムと略称する）が封入されている。２は作
業流体を加熱する加熱器、３は作業流体を冷却する冷却
器、４は再生器である。５は容器１の内壁と摺動しなが
ら上下に運動するディスプレーサ、６は容器１の内壁と
摺動しながら上下に運動する出力ビストン、７は出力ビ
ストン６に結合されたロッドである。

次に圧縮機部について説明する。８はシリンダ、９はロ
ッド７に結合されシリンダ８内をシリダ８の内壁に摺動
あるいはシリンダ８と隙間を介して運動する圧縮機ピス
トン、１０は低圧の流体が流動する低圧流路、１１は吸
入弁、１２は圧縮室である、１３は吐出弁、１４は高圧
流路、１５は凝縮器、１６は膨張弁、１７は蒸発器であ
る。また１８は運転停止中ヘリウムと冷媒との差圧によ
り圧縮機ピストン９がシリンダ８に衝突するのを防止す
るための圧縮コイルばねである。

次にシール部について説明する。１９はヘリウムと冷媒
の混合を防止するための例えばベローズ等を用いた軸封
装置である。

次に始動装置部について説明する。２０は電動機（図示
していない）のエネルギによりクランク軸２１、連接線
２２を介して往復運動するピストンである。

以下作用について説明する。定常運転状態に於て、ディ
スプレーサ５が下がると圧縮空間２３の体積は減少し膨
張空間２４の体積は増加する、そのため圧縮空間２３の
圧力は膨張空間２４の圧力より高くなり、この差圧によ
って圧縮空間２３及び冷却器３の中にある低温のヘリウ
ムは再生器４、加熱器２を通って膨張空間２４の方へ流
れていく、このときヘリウムは再生器４および加熱器２
によって加熱される、そして再生器４は逆に冷却される
。この様にして低温のヘリウムが加熱されるため圧縮空
間２３、冷却器３、再生器４、加熱器２、膨張空間２４
を合わせた空間（以下作動空間と略称する）の圧力が増
加し出力ビストン６を引き下げる。このとき出力ビスト
ン６はロッド７に対して仕事をする。一方デイスプレー
サ５が下がりつづけるとガスばね空間２５の圧力が次第
に増加し、遂にはディスプレーサ５は下がるのが止まり
今度は逆に上昇を始める。ディスプレーサ５が上昇する
と今度は圧縮空間２３の体積は増加し膨張空間２４の体
積は減少する、そのため膨張空間２４の圧力は圧縮空間
２３の圧力より高くなりこの差圧によって膨張空間２４
および加熱器２の中にある高温のヘリウムは再生器４、
冷却器３を通って圧縮空間２３の方へ流れていく、この
ときヘリウムは再生器４および冷却器３によって冷却さ
れる。

そして再生器４は逆に加熱される。この様にして高温の
作業流体が冷却されるため作動空間の圧力が低くなり出
力ビストン６を引き上げる。このとき出力ビストン６は
ロッド７に対して仕事をする。

一方デイスプレーサ５が上がりつづけるとガスばね空間
２５の圧力が次第に減少し、遂にはディスプレーサ５は
上がるのが止まり今度は逆に下降を始める。

以上述べたような−回りの過程に於てヘリウムは加熱器
２によって得た熱の一部をロッド７に対する仕事に変え
、一部を冷却器３に捨てるのである。通常ディスプレー
サ５の位置の位相角は出力ビストン６の位置の位相角に
対して６０°〜９００進んでいる。

圧縮機部に於て、フリーピストン型スターリング・エン
ジンで駆動されるロッド７に結合されている圧縮機ピス
トン９は出力ビストン６と同じ速度で運動している。圧
縮機ピストン６の上下運動に伴って低圧流路１０の低圧
低温の気相冷媒は吸入弁１１を通って圧縮室１２へ流入
し圧縮されて高圧高温となり吐出弁１３を通って高圧流
路１４へ流出する。更に凝縮器１５に流入して高圧の液
相となり膨張弁１６に流入流出して低圧低温の気液二相
となり更に蒸発器１７で加熱され、低圧低温の気相とな
り低圧流路１０へ流入する。

以上述べたような−回りの過程に於て圧縮機ピストン９
が冷媒にした仕事と冷媒が蒸発器１７で得た熱の和は凝
縮器１５で冷媒から捨てられる、そして蒸発器１７およ
び凝縮器１５で冷熱及び温熱がそれぞれ利用できる。

次に始動方法に付いて説明する。始動前に於てディスプ
レーサ５はその運動のほぼ中心位置にあるようにディス
プレーサ５と容器１とにわたって設けられた圧縮コイル
ばね（図示せず）によって支持されている。同様に出力
ビストン６はその運動のほぼ中心位置にあるように出力
ビストン６と容器１とにわたって設けられた圧縮コイル
ばね１８によって支持されている。また作動空間、ガス
ばね空間２５、バウンス空間２６のヘリウム圧力はほぼ
等しく、背圧室２７と圧縮室１２の冷媒圧力もほぼ等し
くなっている。

この様な圧力条件でまずクランク軸２１を定常運転時と
ほぼ同じ周波数で回転させる、するとバウンス空間２６
に圧力変動が起きそのため出力ビストン６が上下に運動
を始める、そのため作動空間の体積が増減するため作動
空間番こ圧力変動力（発生する。作動空間の圧力変動は
ディスプレーサ５に膨張空間２４とガスばね空間２５と
の差圧ζこディスプレーサロッド２８の断面積を掛番す
たブフを及ぼすためディスプレーサ５が上下ゐこ運動を
々台める。つまりクランク軸２１を駆動する電動機のエ
ネルギによってディスプレーサ５及びピストン６を駆動
するのである。

次に加熱器２を燃焼ガス等で加熱し、冷却器３を冷却水
等で冷却する。すると膨張空間２４と圧縮空間２３との
間に温度差が生ずるため作動空間内に、温度差が無いと
きの圧力変動りこカロえて、ディスプレーサ５が運動す
るこ日こよって定常運転時の所で説明したような新たな
圧力変動力（生じる。其の結果作動空間内には膨張空間
２４と圧縮空間２３との間に温度差が無０ときるこ比べ
てより大きな圧力変動が生じる。そしてこの圧力変ａ〕
の増加によってピストン６の振幅が増加しこれると依っ
てディスプレーサ５の振幅も増加する。

即ち、膨張空間２４と圧縮空間２３との間の温度差の増
加に伴って作動空間の圧力変動の振幅、出力ビストン６
及びディスプレーサ５の振幅これら王者が増加する。

そして出力ビストン６及びディスプレーサ５の振幅が一
定値を越し、しかも膨張空間２４と圧縮空間２３の温度
差が一定値を越すとクランク軸２１及びピストン２０の
運動を止めても出力ビストン６及びディスプレーサ５は
運動し続けるようになる。つまり始動した事になる。

発明が解決しようとする課題 しかし、この様な構造のものでは始動時、出力ビストン
６を始動に必要な振幅で運動するにはクランク軸２１を
駆動する為の大出力の電動機を必要とするとともに、こ
の大出力の電動機を、始動運転時間中運転するために大
量の電力を要するという問題があった。

其の理由はこの方法では始動時にクランク軸２１を定常
運転時とほぼ同じ周波数で回転させるためである。

そこで、本発明は始動に必要な電動機出力を小さくシ、
更に始動に要する電力を低減させるようにするものであ
る。

課題を解決するための手段 そして上記問題点を解決する本発明の技術的な手段は背
圧室と低圧流路とを連通ずる流路Ｃ１と、前記流路Ｃ１
に設けられたポンプと、前記流路Ｃ１にポンプを迂回す
るように設けられた流路Ｃ２と、前記流路Ｃ２に設けら
れた弁である。

作用 この技術的手段による作用は次のようになる。

即ち、始動時にはまず弁を閉止しポンプにより低圧流路
内の流体を背圧室に流入させる。すると背圧室の圧力は
圧縮室の圧力より高くなり、圧縮機ピストンは背圧室の
体積が増加するように移動する。

次にポンプを停止して弁を開成する。すると背圧室の冷
媒は低圧流路に流入するため背圧室と圧縮室との圧力差
が無くなり、背圧室の体積が減少するように圧縮機ピス
トンは急速に加速される。

そして以上のような圧縮機ピストンの往復運動を繰り返
すとついにはスターリング・エンジン駆動圧縮機が始動
する。

実施例 以下本発明の一実施例について、添付図面に基づいて説
明する。

第１図に於て圧縮機は冷凍機などに用いる冷媒圧縮機、
圧縮機ピストンの駆動手段はフリービス）・ン型スター
リング・エンジンを用いた例であり全体はエンジン部、
シール部、圧縮機部および始動装置部からなっている。

先スエンジン部について説明する。２９は容器でその中
にヘリウム、窒素などのスターリングエンジンの作業流
体（以下ヘリウムと　略称する。）が封入されている。

３０は作業流体を加熱する加熱器、３１は作業流体を冷
却する冷却器、３２は再生器である。３３は容器２９の
内壁と摺動しながら上下に運動するディスプレーサ、３
４は容器２９の内壁と摺動しながら上下に運動する出力
ビストン、３５は出力ビストン３２に結合されたロッド
である。

次に圧縮機部について説明する。３６はシリンダ、３７
はロッド３５に結合されシリンダ３６内をシリンダ３６
内壁に摺動あるいはシリンダ３６と隙間を介して運動す
る圧縮機ピストン、３８は低圧の流体が流動する低圧流
路、３９は吸入弁、４０は圧縮室である、４１は吐出弁
、４２　は高圧流路、４３は凝縮器、４４は膨張弁、４
５は蒸発器である。また４６は運転停止中ヘリウムと冷
媒との差圧により圧縮機ピストン３７がシリンダ３６に
衝突するのを防止するための圧縮コイルばねである。更
に４７は背圧室４８と低圧流路３８とを連通ずる流路で
その途中にポンプ４９が設けられている、また５０はポ
ンプ４９を迂回する流路でその途中に弁５１が設けられ
ている。

また５２は出力ビストン３４の位置を検出するための渦
電流式等の位置検出器、５３は制御装置で位置検出器５
２の出力ビストン３４の位置の信号を受信し、弁５１．
５４に制御信号を送って弁の開度を調節している。

次にシール部について説明する。５５はヘリウムと冷媒
の混合を防止するための例えばベローズ等を用いた軸封
装置である。

以下作用について説明する。ディスプレーサ３３が下が
ると圧縮空間５６の体積は減少し膨張空間５７の体積は
増加する、そのため圧縮空間５６の圧力は膨張空間５７
の圧力より高くなり、この差圧によって圧縮空間５６及
び冷却器３１の中にある低温のヘリウムは再生器３２、
加熱器３０を通って膨張空間５７の方へ流れていく、こ
のときヘリウムは再生器３２および加熱器３０によって
加熱される、そして再生器３２は逆に冷却される。

この様にして低温のヘリウムが加熱されるため圧縮空間
５６、冷却器３１、再生器３２、加熱器３０、膨張空間
５７を合わせた空間（以下作動空間と略称する）の圧力
が増加し出力ビストン３４を引き下げる。このとき出力
ビストン３４はロッド３５に対して仕事をする。一方デ
イスプレーサ３３が下がりつづけるとガスばね空間５８
の圧力が次第に増加し、遂にはディスプレーサ３３は下
がるのが止まり今度は逆に上昇を始める。ディスプレー
サ３３が上昇すると今度は圧縮空間５６の体積は増加し
膨張空間５７の体積は減少する、そのため膨張空間５７
の圧力は圧縮空間５６の圧力より高くなりこの差圧によ
って膨張空間５７および加熱器３０の中にある高温のヘ
リウムは再生器３２、冷却器３１を通って圧縮空間５６
の方へ流れていく、このときヘリウムは再生器３２およ
び冷却器３１によって冷却される。そして再生器３２は
逆に加熱される。この様にして高温の作業流体が冷却さ
れるため作動空間の圧力が低くなり出力ビストン３４を
引き上げる。このとき出力ビストン３４はロッド３５に
対して仕事をする。

一方デイスプレーサ３３が上がりつづけるとガスばね空
間５８の圧力が次第に減少し、遂にはディスプレーサ３
３は上がるのが止まり今度は逆に下降を始める。以上述
べたような−回りの過程に於てヘリウムは加熱器３０に
よって得た熱の一部をロッド３５に対する仕事に変え、
一部を冷却器３１に捨てるのである。通常ディスプレー
サ３３の位置の位相角は出力ビストン３４の位置の位相
角に対して６０６〜９０”進んでいる。

ところで圧縮機部についてはフリーピストン型スターリ
ング・エンジンで駆動されるロッド３５に結合されてい
る圧縮機ピストン３７は出力ビストン３４と同じ速度で
運動している。圧縮機ピストン３７の上下運動に伴って
低圧流路３８の低圧低温の気相冷媒は吸入弁３９を通っ
て圧縮室４０へ流入し圧縮されて高圧高温となり吐出弁
４１を通って高圧流路４２へ流出する。更に凝縮器４３
に流入して高圧の液相となり膨張弁４４に流入、流出し
て低圧低温の気液二相となり更に蒸発器４５で加熱され
、低圧低温の気相となり低圧流路３８へ流入する。

以上述べたような−回りの過程に於て圧縮機ピストン３
７が冷媒にした仕事と冷媒が蒸発器４５で得た熱の和は
凝縮器４３で冷媒から捨てられる、そして蒸発器４５お
よび凝縮器４３で冷熱及び温熱がそれぞれ利用できる。

次に始動方法に付いて説明する。始動前に於てディスプ
レーサ３３はその運動のほぼ中心位置にあるようにディ
スプレーサ３３と容器２９とにわたって設けられた圧縮
コイルばね（図示せず）によって支持されている、同様
に出力ビストン３４はその運動のほぼ中心位置にあるよ
うに出力ビストン３４と容器２９とにわたって設けられ
た圧縮コイルばね４６によって支持されている。

また作動空間、ガスばね空間５８、バウンス空間５９の
ヘリウム圧力はほぼ等しく、背圧室４８と圧縮室４０の
冷媒圧力はほぼ等し、くなっている。

この様な圧力条件で先ず加熱器３０を燃焼ガス等で加熱
し、冷却器３１を冷却水等で冷却する。

すると膨張空間５７と圧縮空間５６との間に温度差が生
ずる様になる。

次に制御装置５３はまず弁５１を閉止し、弁５４を開成
し、低圧流路３８、高圧流路４２そして圧縮室４０の圧
力を等しくする。次にポンプ４９により低圧流路３８内
の流体を背圧室４８に流入させる。すると背圧室４８の
圧力は圧縮室４０の圧力より高くなり圧縮機ピストン３
７を引き下げる、と同時にバウンス空間５９の圧力は高
くなり作動空間の圧力は低くなる。

位置検出器５２により出力ビストン３４が目標位置まで
下がった事を検出すると制御装置５３はポンプ４９を停
止した抜弁５１を開成する。すると背圧室４８の冷媒は
低圧流路３８に流入するため背圧室４８と圧縮室４０と
の圧力差が無くなり、圧縮機ピストン３７は作動空間よ
りバウンス空間５９の方が圧力が高いため上方に急速に
運動する。

そして作動空間の体積は減少するので圧力が上昇する。

さらに従来例で述べたと同じ原理でディスプレーサ３３
は下降し、そのため今度は作動空間の圧力は上昇し、出
力ビストン３４は下降する。

一方デイスプレーサ３３が下降するとガスばね空間５８
の圧力は上昇するのでディスプレーサ３３は下がるのが
止まり今度は逆に上昇を始める。

ディスプレーサ３３が上昇すると今度は圧縮空間５６の
体積は増加し膨張空間５７の体積は減少する、そのため
膨張空間５７の圧力は圧縮空間５６の圧力より高くなり
この差圧によって膨張空間５７および加熱器３０の中に
ある高温のヘリウムは再生器３２、冷却器３１を通って
圧縮空間５Ｂの方へ流れていく、このときヘリウムは再
生器３２よび冷却器３１によって冷却される。

そして再生器３２は逆に加熱される。この様にして高温
の作業流体が冷却されるため作動空間の圧力が低くなり
出力ビストン３４を引き上げる。

この様にして始動が始まるのである。始動が始まると弁
５４を閉止して冷媒が弁５４を通らないようにする。

以上は圧縮機ピストン３７を一往復させるたけで始動さ
せる場合であるが、膨張空間５７と圧縮空間５６との間
の温度差の増加速度が遅い場合は一往復だけでは始動し
ないので始動するまで何度かポンプ４９を動かして圧縮
機ピストン３７を往復させる。

此の様に本実施例は弁５１を閉止し、弁５４を開成し、
ポンプ４９により低圧流路３８内の冷媒を背圧室４８に
流入させる事により圧縮機ピストン３７を下降させ、次
にポンプ４９を停止後、弁５工を開成する事により始動
させるものである。

このとき圧縮機ピストン３７の下降速度は、圧縮機ピス
トン３７の定常運転状態での下降速度に比べて小さくて
よいのでポンプ４９を駆動する電動機の所要出力は従来
例のクランク軸２１を駆動する電動機の所要出力に比べ
て小さくて済む。

また圧縮機ピストン３７の上昇時はポンプ４９は停止し
ており、始動に要する電動機の消費電力は従来例のクラ
ンク軸２１を駆動する電動機の消費電力に比べて小さく
て済む。

この為従来例に比べて電動機が小型化でき、電力も節約
できる。

なお本実施例では圧縮機は冷凍機などに用いる冷媒圧縮
機であるが圧縮される流体は冷媒に限らず例えば空気等
でもよい、またポンプ４９の流動方向は逆でもよい、こ
の場合圧縮機ピストン３７はポンプ４９の働きで一旦上
昇し、弁５１の開成に依って下降することに依って始動
する。また弁５４は吸入間３８と高圧流路４２とを均圧
するために設けられているが始動時に膨張弁４４の流通
抵抗が小さいものにあっては不用である。またポンプ４
９と低圧流路３８を連通する流路４７はポンプ４９と高
圧流路４２を連通する流路であっても同様の効果がある
。

発明の効果 本発明は、背圧室と低圧流路とを連通する流路Ｃ１と、
前記流路Ｃ１に設けられたポンプと、前記流路Ｃ１にポ
ンプを迂回するように設けられた流路Ｃ２と、前記流路
Ｃ２に設けられた弁とを有するものであるので、始動時
はポンプにより低圧流路の流体を背圧室に移動させる事
により圧縮機ピストンを下降させ、次にポンプを停止後
弁を開成する事により始動させるものである。

この為、始動用電動機の出力および体積を小さくできる
と共に始動に要するエネルギも少なくできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のスターリング・エンジン駆
動圧縮機の縦断面図、第２図は従来例のスターリング・
エンジン駆動圧縮機の縦断面図である。 ２９・・容器、３０・・加熱器、３１・・冷却器、３２
・・再生器、３３・・ディスプレーサ、３４・・出方ピ
ストン、３５・・ロッド、３７・・圧縮機ピストン、３
６・・ンリンダ、　３９・・吸入弁、　４０・・圧縮室
、４１・・吐出弁、４２・・高圧流路、４３・・凝縮器
、４４・・膨張弁、４５・・蒸発器、３８・・低圧流路
、５Ｌ５４・・弁、４９・・ポンプ、５２・・位置検出
器、５３・・制御装置、５５・・軸封装置。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はが１名第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリンダと、前記シリンダ内をスターリング・エ
   ンジンから仕事をされてシリンダ内壁に対して運動する
   圧縮機ピストンと、前記圧縮機ピストンとシリンダとで
   囲まれ其の中へ低圧の流体が流入し圧縮される圧縮室と
   、前記圧縮室に連通し低圧の流体が流れる低圧流路と、
   前記圧縮室に連通し高圧の流体が流れる高圧流路と、前
   記圧縮機ピストンの運動に伴ってその体積が変わる前記
   シリンダ内の圧縮室以外の空間であるところの背圧室と
   、前記背圧室と低圧流路とを連通する流路Ｃ１と、前記
   流路Ｃ１に設けられたポンプと、前記流路Ｃ１にポンプ
   を迂回するように設けられた流路Ｃ２と、前記流路Ｃ２
   に設けられた弁とを有するスターリング・エンジン駆動
   圧縮機。
2. （２）シリンダと、前記シリンダ内をスターリング・エ
   ンジンから仕事をされてシリンダ内壁に対して運動する
   圧縮機ピストンと、前記圧縮機ピストンとシリンダとで
   囲まれ其の中へ低圧の流体が流入し圧縮される圧縮室と
   、前記圧縮室に連通し低圧の流体が流れる低圧流路と、
   前記圧縮室に連通し高圧の流体が流れる高圧流路と、前
   記圧縮機ピストンの運動に伴ってその体積が変わる前記
   シリンダ内の圧縮室以外の空間であるところの背圧室と
   、前記背圧室と高圧流路とを連通する流路Ｄ１と、前記
   流路Ｄ１に設けられたポンプと、前記流路Ｄ１にポンプ
   を迂回するように設けられた流路Ｄ２と、前記流路Ｄ２
   に設けられた弁とを有するスターリング・エンジン駆動
   圧縮機。