JP5350788B2 - 可変の直径方向のクリアランスを有するピストン・シリンダアセンブリと、可変の直径方向のクリアランスを有するピストン・シリンダアセンブリに使用されるシリンダ - Google Patents

Description

本願は、参照することによって本願に組み込まれている２００５年７月２２日に出願されたブラジル国特許出願第ＰＩ０５０３０１９−６号の優先権を主張する。

本発明は、例えば冷蔵庫、空気調整システム等を含みうる特に冷却システムに使用される交互コンプレッサに適用できる、ピストン・シリンダアセンブリ、及び圧縮シリンダに関する。本発明の教示は、また、一般に、交互シリンダを利用するモータ、例えば、リニアコンプレッサ及び内燃機関に適用される。

図に基づく従来技術の説明
従来技術から公知のように、また図１から理解できるように、冷却に使用される交互ピストンコンプレッサ１では、冷却ガスの圧縮は、駆動機構によって提供されるそれぞれ下死点及び上死点と呼ばれる最小変位限度と最大変位限度との間の（様々な寸法の圧縮チャンバＣを構成する）シリンダ１１内のピストン１０の交互運動によって達成される。圧縮チャンバは、圧縮チャンバの端部の一方で開放しており、前記バルブプレート５によって他方の端部で閉鎖されている。ピストン１０の移動が適切に行われるために、ピストンの直径と圧縮チャンバの直径との間には、差がなければならない。現在知られている圧縮機１では、ピストンの直径及び圧縮チャンバの直径は、一定に維持され、一定又は一定に可変の直径方向クリアランスＦを特徴づける。

コンプレッサの機能中、ピストンと圧縮部との間に存在するクリアランスには、軸受支持をピストン１０に提供するように、潤滑油が充填されたままであり、このように、ピストン１０及び／又は圧縮チャンバの摩耗をもたらすであろう圧縮チャンバ壁部との接触が防止される。これは、オイルによって及び圧縮チャンバに対するピストンの相対運動によって提供される粘性摩擦を克服するための機械的エネルギの散逸のお陰である。

ピストン１０が下死点から上死点に移動するとき、圧縮チャンバの内部に存在するガスが圧縮され、これにより、コンプレッサハウジングに存在するガスの圧力に対する圧縮チャンバの内部に存在するガスの圧力が高められる。これにより、圧縮されるべきガスの一部分をハウジング内に排出する傾向を有する圧力差が生成され、次に、ガスは直径方向クリアランスＦを通して漏れる。この現象は、漏れを通して失われるガスで圧縮仕事が行われているので、コンプレッサの容積損失（又は冷却能力の損失）を特徴づける。この損失は、コンプレッサのエネルギ効率を減少させる。

ピストンと圧縮チャンバとの間に存在するクリアランスを通した機械的エネルギの散逸及びガス漏れの両方は、このクリアランスの値によって大きく影響を受け、この結果、その値がより低いと、それだけ機械的エネルギの散逸がより大きくなり、かつガス漏れがより小さくなる。他方、その値がより高いと、それだけ機械的エネルギの散逸がより小さくなり、かつガス漏れがより大きくなる。この理由で、高効率のコンプレッサは、ガス漏れ及び機械的エネルギの散逸が、コンプレッサのエネルギ効率が最大となるようなものである最適と考えられるクリアランス値を達成することを求める。

ピストンと圧縮チャンバとの間の直径方向クリアランスＦに加えて、次の要因が機械的エネルギの散逸及びガス漏れに対し影響を及ぼす。
ｉ）ピストン１０の直径、
ｉｉ）圧縮チャンバ及びピストン１０の長さ、
ｉｉｉ）ピストン１０の行程距離、
ｉｖ）駆動シャフトの回転速度、
ｖ）駆動機構の形状、
ｖｉ）使用する冷却ガスの種類、
ｖｉｉ）潤滑油の種類、
ｖｉｉｉ）コンプレッサの作動状態（圧力と温度）。

コンプレッサは、容積損失が最大である時点を有する。このことは、下死点（ＬＤＰ）と上死点（ＵＤＰ）との間で移動するピストンの位置を示している図２に観測することができる。

理解できるように、下死点から上死点への変位の間、容積損失はクランク角０°と１２５°との間では無視できる。ピストンが上死点ＵＤＰから下死点ＬＤＰに移動するときに、同一のことが反対方向に起き、この場合、容積損失は２１０°〜３６０°では無視でき、クランクの新しい回転サイクルが始まる。しかし、角度１２５°〜２１０°の間（又は漏れ領域ＬｅａＲ）では、容積損失は相当増加し、したがって、ピストン１０のこの伸長におけるこの低い効率を防止するために、必要な処置がとられるべきである。

この問題を克服するための従来技術から公知の形態の１つが、可変の直径方向クリアランスを有するピストン・シリンダアセンブリの使用を記載している独国特許第２３６１４８号に記載されている。この文献の教示によれば、一定の直径方向クリアランスを有するピストンの行程の半分を有するシリンダが考えられ、他方の半部は、ＬＤＰに向かって下方に一定に減少する直径方向クリアランスを有する。漏れ領域ＬｅａＲのガス漏れの問題を改善するにもかかわらず、上死点ＵＤＰの近くで直径方向クリアランスが過度に減少しないように、ピストンの上方部分が特別に構成されるべきことが必要であり、直径方向クリアランスの過度の減少は、コンプレッサの高い摩擦及びその結果としての効率損失、ならびにピストンの疲労をもたらすであろう。このようにして、上記文献に記載された解決方法が漏れ領域ＬｅａＲにおけるガス損失を低減する事実にもかかわらず、異なる特性でピストンを製造することが必要になり、このことはピストン・シリンダアセンブリの製造コストを引き上げる。

他の従来技術の解決方法が国際公開公報第９４／２４４３６号から公知である。この文献の教示によれば、切頭円錐として形成されるシリンダ外形が考えられ、上死点ＵＤＰにおけるシリンダ直径は、直径方向クリアランスが圧縮チャンバの内部の圧力上昇に従うように、下死点ＬＤＰにおけるシリンダ１１の直径よりも小さくなければならない。この解決方法は、シリンダのより精密なシールの期待にかなうにもかかわらず、高い効率を示さないが、この理由は、ＵＤＰにより近い領域でのみ圧縮チャンバ内の圧力が相当上昇するからである。
さらなる従来技術文献である、国際公開公報第００／６５２２３５号には、ピストンが第一位置と、移動方向に直角な平面におけるチャンバ断面が第一位置より第二位置で大きい、第二位置との間で互いに相対的に移動可能であり、チャンバの断面積の変化は、第一位置と第二位置との間で本質的に連続的である、チャンバとピストンの組み合わせが開示されている。しかしながら、この解決策は、漏れ領域ＬＲにおけるガスの損失を減らすという要求を満たさない。

本発明の要旨及び目的
コンプレッサ（又は同様の装置）の容積損失（又は冷却能力の損失）の問題を解決するために、本発明によれば、圧縮されるガスがピストン頂部に著しい力をなお及ぼさない段階で摩擦が可能な限り低くなり、また容積損失がコンプレッサの効率を損なう時点において、圧縮されるガスがピストンに対しより大きな力を及ぼす段階中に、当該摩擦が相当の効果のみを有するように圧縮チャンバのシリンダを構成することが考えられる。

このように、本発明は、ピストンと圧縮チャンバとの間に存在するクリアランスを通したガス漏れが、圧縮チャンバ及びハウジング（図示せず）の内部のガスの圧力差の関数であるという事実に基づいている。圧縮チャンバの内部の大きな圧力増加は、ピストンが上死点にごく近いときにのみ行われるので、ガス漏れは最後の圧縮時点にのみ生じる。このように、ピストンと圧縮チャンバとの間に存在する直径方向クリアランスは、ピストンが上死点の近くにくるときにのみ小さくなければならないと結論される。このようにして、ピストンと圧縮チャンバとの間に存在するクリアランスを通したガス漏れは、圧縮チャンバ及びハウジングの内部の圧力間の差が大きい領域で、直径方向クリアランスが低減されるという事実によって小さく維持され、また圧縮チャンバの長さの大部分で、ピストンと圧縮チャンバとの間に存在する直径方向クリアランスが大きくなり、したがって摩擦が低くなるので、機械的エネルギの散逸が小さくなる。

本発明の目的は、ピストン・シリンダアセンブリであって、ピストンがシリンダ内に変位可能に位置決めされ、シリンダが圧縮チャンバを有し、ピストンが上死点と下死点との間を移動し、直径方向クリアランスがピストンの摺動面とシリンダの案内面とを分離し、直径方向クリアランスが下死点から上死点へのピストンの変位に沿って可変であるように、シリンダの案内面が形成される、ピストン・シリンダアセンブリによって達成される。前記目的はまた、ピストンの変位に沿った直径方向クリアランスの変化が非線形であり、シリンダの摺動面が、実施形態の１つにおいて、円筒状外形の第１の変位範囲と、切頭円錐外形の第２の変位範囲とを有し、第１の変位範囲が上死点の近くに位置決めされ、また他の実施形態において、シリンダが切頭円錐外形の第１の変位範囲と、切頭円錐外形の第２の変位範囲とを有し、第１の変位範囲が上死点のより近くに位置決めされ、上死点側のシリンダ直径が下死点側のシリンダ直径よりも小さく、第１の変位範囲の上死点側面のシリンダ直径と下死点側のシリンダ直径との比が、第２の変位範囲の上死点側のシリンダ直径と下死点側のシリンダ直径との比と異なるという事実によって達成される。

さらに、本発明の目的は、ピストン・シリンダアセンブリで使用するためのシリンダであって、可変の直径を有しかつ行程の終わりの近くでより小さい外形を有し、直径の変化が非線形であるシリンダによって達成される。シリンダは、円筒状外形の第１の変位範囲と、切頭円錐外形の第２の変位範囲とを有し、又はなお、切頭円錐外形の第１の変位範囲と、切頭円錐外形の第２の変位範囲とを有することが可能であり、第２の変位範囲の角度は第１の変位範囲の角度よりも開いている。

圧縮されるべきガスがピストンに及ぼす力に比例するこの直径方向の変化を有する可能性の範囲で、切頭円錐外形の伸長（ガスがピストンに対しより低い圧力を及ぼす段階中）と、ピストンが上死点において最小に近く、したがって容積損失を防止する段階の円筒状外形との組み合わせ、２つの円錐外形の組み合わせであって、直径方向クリアランスを減少させ、したがって容積損失を防止するように、上死点に最も近い円錐がより閉じた角部分を有する当該組み合わせ、又はシリンダ外形が非線形であり、かつガスによってピストンに及ぼされる圧力に反比例して直径方向クリアランスを減少させるように構成される解決方法が考えられる。

図面に示した実施形態を参照して、本発明について以下により詳細に説明する。

図３と図４に示したように、ピストン・シリンダアセンブリは、ピストン１０がシリンダ１１の内部に変位可能に位置決めされるように配置される。シリンダ１１は圧縮チャンバＣを有する。圧縮チャンバＣは、ピストン１０が上死点ＵＤＰに変位させられるときの最小容積と、ピストンが下死点ＬＤＰにあるときの最大容積との間で変化する。直径方向クリアランスＦは、ピストン摺動面９（ピストン１０の外面）と、シリンダ案内面１２（シリンダ１１の内面）とを分離する。

本発明の目的を達成するために、シリンダ１１の摺動面９は、直径方向クリアランスＦが上死点ＵＤＰと下死点ＬＤＰとの間のピストン１０の変位に沿って変化するように形成され、この変化は線形又は非線形でもよい。

本発明の実施形態の１つは、直径方向クリアランスＦを図２に示した容積損失の挙動に近似させることを目的とする図４に見ることができる。この実施形態によれば、圧縮チャンバは、シリンダ１０の摺動面９が円筒状外形の第１の変位範囲ＬＲと、切頭円錐外形の第２の変位範囲ＬＣとを有するように構成され、第１の変位範囲ＬＲは上死点ＵＤＰの近くに位置決めされる。図４から理解できるように、切頭円錐外形の直径は、上死点ＵＤＰの近くで、より詳しくは、円筒状外形の変位範囲ＬＲの始まりにおいて最小であり、下死点ＬＤＰで最大である。

このように、ピストンと圧縮チャンバとの間の直径方向クリアランスＦが最小かつ一定である上死点ＵＤＰに近い領域、及びクリアランスがピストン１０の各々の位置で可変であり、下死点ＬＤＰにおいて最大である領域がある。

図３に示した本発明の他の実施形態によれば、シリンダ１１は、切頭円錐外形の第１の変位範囲ＬＲと、切頭円錐外形の第２の変位範囲ＬＣとを有するように構成可能であり、第１の変位範囲ＬＲは上死点ＵＤＰの近くに位置決めされる。本実施形態において、上死点ＵＤＰのシリンダ１１の直径は、下死点ＬＤＰのシリンダ１１の直径よりも大きい。好ましくは、第２の変位範囲ＬＣの切頭円錐の角度は、第１の変位範囲ＬＲの角度よりも開いており、この結果、第１の変位範囲ＬＲの上死点ＵＤＰ側のシリンダ１１の直径と下死点ＬＤＰ側のシリンダ１１の直径との比は、第２の変位範囲ＬＣの上死点ＵＤＰ側のシリンダ１１の直径と下死点ＬＤＰ側のシリンダ１１の直径との比とは異なる。

言い換えれば、第１の変位範囲ＬＲの上死点ＵＤＰ側のシリンダ直径と下死点ＬＤＰ側のシリンダ直径との比は、第２の変位範囲ＬＣの上死点ＵＤＰ側のシリンダ直径と下死点ＬＤＰ側のシリンダ直径との比よりも高い。

シリンダ１１の外形が非線形であり、かつガスによってピストンに及ぼされる圧力に反比例して直径方向クリアランスを減少させるように構成される変形例は、図示していないが、図２に示したように、ガス圧／ガス漏れの挙動に従って調整される摺動面を有するべきである。本発明の教示が適用されるピストン・シリンダアセンブリの各々の特定の解決方法について、必要な構成がなされるべきである。

説明した実施形態のすべてにおいて、本発明の目的を達成することができ、すなわち、最小の変位抵抗を提供し、同時に圧縮チャンバＣ内のガスの挙動を伴うように直径方向クリアランスを調節することにより、圧縮ガスの漏れを防止し、このように従来技術の不都合を克服することができる。

好ましい実施形態について説明してきたが、本発明の範囲は、可能な等価物を含む添付請求項の内容によってのみ限定される他の可能な変形例を包含することを理解すべきである。

従来技術の教示に従って形成された代わりのコンプレッサの圧縮チャンバの図面である。 クランク角に応じて、ピストンの位置と、ピストンと圧縮チャンバとの間に存在するクリアランスを通したガス漏れとの間の関係を示したグラフである。 本発明の教示に従って２つの切頭円錐として成形された圧縮チャンバの図面である。 本発明の教示による切頭円錐形状の他の実施形態の円筒部分を有する圧縮チャンバの図面であり、上死点（ＵＤＰ）に近い伸長は円筒状である。

Claims (5)

1. ピストン（１０）がシリンダ（１１）の内部に変位可能に位置決めされ、
   かつ、前記シリンダ（１１）が圧縮チャンバ（Ｃ）を有し、
   かつ、前記ピストン（１０）が上死点（ＵＤＰ）と下死点（ＬＤＰ）との間を移動し、
   かつ、直径方向クリアランス（Ｆ）が前記ピストン（１０）の摺動面（９）と前記シリンダ（１１）の案内面（１２）とを分離し、
   前記直径方向クリアランス（Ｆ）が前記ピストン（１０）の変位に沿って可変であるように、前記シリンダ（１１）の案内面（１２）が形成されている、ピストン・シリンダアセンブリにおいて、
   前記ピストン（１０）の変位に沿った前記直径方向クリアランス（Ｆ）が、前記下死点（ＬＤＰ）から前記上死点（ＵＤＰ）へ非線形であり、前記シリンダ（１１）の摺動面（９）は、前記上死点（ＵＤＰ）に近くに位置する第１の変位範囲（ＬＲ）と、切頭円錐外形の第２の変位範囲（ＬＣ）とを有し、前記切頭円錐外形の直径は、前記上死点（ＵＤＰ）近くよりも前記下死点（ＬＤＰ）により近い位置にある時に大きいことを特徴とするピストン・シリンダアセンブリ。
2. 前記切頭円錐外形の直径が、前記上死点（ＵＤＰ）の近くで最小であり、前記下死点（ＬＤＰ）で最大であることを特徴とする、請求項１に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
3. 前記シリンダ（１１）が、切頭円錐外形の第１の変位範囲（ＬＲ）と、切頭円錐外形の第２の変位範囲（ＬＣ）とを有し、前記第１の変位範囲（ＬＲ）が前記上死点（ＵＤＰ）のより近くに位置決めされ、
   前記上死点（ＵＤＰ）の前記シリンダ（１１）の直径が、前記下死点（ＬＤＰ）の前記シリンダ（１１）の直径よりも小さく、
   前記第１の変位範囲（ＬＲ）の前記上死点（ＵＤＰ）側の前記シリンダ（１１）の直径と前記下死点（ＬＤＰ）側の前記シリンダ（１１）の直径との比が、前記第２の変位範囲（ＬＣ）の前記上死点（ＵＤＰ）側の前記シリンダ（１１）の直径と前記下死点（ＬＤＰ）側の前記シリンダ（１１）の直径との比と異なることを特徴とする、請求項１に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
4. 前記第１の変位範囲（ＬＲ）の前記上死点（ＵＤＰ）側の前記シリンダ（１１）の直径と前記下死点（ＬＤＰ）側の前記シリンダ（１１）の直径との比が、前記第２の変位範囲（ＬＣ）の前記上死点（ＵＤＰ）側の前記シリンダ（１１）の直径と前記下死点（ＬＤＰ）側の前記シリンダ（１１）の直径との比よりも大きいことを特徴とする、請求項３に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
5. 前記直径方向クリアランス（Ｆ）が、前記圧縮チャンバ（Ｃ）で圧縮されるべきガスが前記ピストン（１０）に及ぼす力に反比例することを特徴とする、請求項１に記載のピストン・シリンダアセンブリ。

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