JPS60209676A

JPS60209676A - フリ−ピストン形振動式圧縮機のピストンストロ−ク制御装置

Info

Publication number: JPS60209676A
Application number: JP59063306A
Authority: JP
Inventors: Eiji Sato; 英治佐藤; Tamio Fukuda; 福田　民雄; Masaharu Ishii; 石井　雅治; Mitsuru Nakamura; 満中村; Yozo Nakamura; 中村　庸蔵
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-04-02
Filing date: 1984-04-02
Publication date: 1985-10-22
Also published as: DE3566017D1; EP0161429B1; EP0161429A1; US4613285A

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】〔発明の利用分野〕本発明はフリーピストン機関のビストンストローク制御
に係り、特にフリーピストン形振動式圧縮機のフリーピ
ストンの振巾の中心位置制御と振巾制御に好適なビスト
ンストローク制御装置に関する。

〔発明の背景〕

フリーピストン形振動式圧縮機はフリーピストンを振動
モータで直接往復運動させガスを圧縮する容積形機械で
あり、フリーピストンを共振させるためのガススプリン
グ、フリーピストンを支持する軸受、ガスを吐出するた
めの圧縮室から構成されている。このような圧縮機では
、フリーピストンの振巾の中心位置が片側に寄るとビス
トンストロークが小さくなり、効率が著しく低下する。

はた、フリーピストンの振ｌＪは負荷やガススプリング
のばね定数によって変化するので、ビストンストローク
が小さくなったり、逆にピストンがシリンダヘッドに衝
突したりする。このようにフリーピストンの振巾の中心
位置制御と振巾の制御はフリーピストン形振動式圧縮機
において必要不可欠なものである。

従来はフリーピストンに設けられている左右の圧縮用ピ
ストン直径とガススプリング用ピストンの直径を等しく
し、左右の圧縮室の吸入圧力と吐出圧力も等しくなるよ
うにしている。ガススプリングについてもその平均圧力
が左右等しくなるように考慮されている。しかし、実際
はピストンシールの不均一などにより左右の圧縮室とガ
ススプリング室の平均圧力は完全に同一にならない。し
たがってフリーピストンの振巾の中心位置は片側に少し
寄ってしまう。ピストンシールが著しく不均一な場合は
、フリーピストンは極端に寄ってしまい運転できない状
態になる。フリーピストンの振１」は、ピストンの振巾
（交流成分）と振動モータの電流を検出し、ピストンの
振ｒｌと振動モータの電流の位相差によりガススプリン
グの平均圧力を調節してビストンストロークを制御して
いる。

共振点を除くと同一に振巾でもガススプリングのばね定
数は２つあるので、ピストン振巾を制御する場合は、共
振点より大きい領域か又は小さい領域のどちらかで制御
する必要がある。従来は共振点におけるピストン振ｌ口
と振動モータの電流との位相差を基準にしている。しか
し、共振点での位相差はピストンの振巾によって変化す
るので、位相差を基準にとると共振点近傍での圧縮機の
運転ができなくなる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、フリーピストン形振動式圧縮機のピス
トンの振巾の中心位置と振巾を制御し、圧縮機を高効率
で作動させるためのビストンストローク制御装置を提供
することにある。

〔発明の概要〕

従来技術によってピストンの振ｌ】の中心位置を制御す
る方法として、左右のガススプリング室の平均圧力調節
する方法が考えられるが、このような方法では、ピスト
ンの振巾の中心位置を変えようとするとガススプリング
のはね定数も変わるため振巾が変化してしまう。そこで
、ガススプリング室とシールされた圧力空間を新たに設
け、このｄａ　１１１１　／ＦＸｉ−Ｊ啼　す、蛇なｔ
卆　ソ　ψ　１１１−　し　１１−１１′　鴫　−−一
　■　−。

グのばね定数に影響を与えることなくピストンの振巾の
中心位置を制御することができる。

フリーピストンの共振ばね定数は、ガススプリングの平
均圧力と圧縮室の平均圧力によって定まるが、圧縮室の
ばね効果はガススプリングに比べ非常に小さいので、共
振ばね定数ぼガススプリング室の平均圧力によってほぼ
定まる。したがって、ガススプリング室の平均圧力を振
巾制御の基準にとると、ピストンの振巾の影響を受けな
いので、共振点近傍での圧縮機の運転が可能となる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図〜第６図により説明す
る。モータハウジング１に振動モータのステータ２が収
納され、その両側には軸受３、ガススプリング用シリン
ダ４、ガススプリング用フランジ５．圧縮用シリンダ６
．７、シリンダヘッド８，９が取付けられている。フリ
ーピストンは振動モータのプランジャ１０の両側に軸１
１、ガススプリング用ピストン１２．スリーブ１３、圧
縮用ピストン１４．１５が取付けられている。第１図に
おいて往復運動シール部分は、圧縮用ピストン１４．１
５とシリンダ６．７の隙間、ガススプリング用ピストン
１２とシリンダ４の隙間、軸１１と軸受３の隙間、ガス
スプリング用フランジ５とスリーブ１３の隙間である。

圧縮用ピストン１４．１５とシリンダ６．７の隙間はピ
ストンリング１６．１７を設けてシールしているが、他
の隙間にもシール材を設けてもよい。フリーピストンの
振巾の中心位置制御用圧力空間１８．１９は圧縮室とガ
ススプリング室の間に設けであるが、この圧力空間はガ
ススプリング室と軸受の間又は軸受と振動モータの間に
設けても本発明の効果は同じである。圧縮用ピストン１
４．１５のフランジ面にはそれぞれ穴２０，２１が設け
てあり、フリーピストン内の空間２２．２３と圧力空間
１８゜１９がそれぞれ連通しているので、フリーピスト
ンが振動しても圧力空間１８．１９の圧力はほとんど変
化しない。したがって、圧力空間１８゜１９の圧力を調
節することによりガススプリングのばね定数により影響
を与えることなくフリーピストンの振巾の中心位置を制
御することができる。

このような構造のフリーピストン形振動式圧縮機は、圧
縮用シリンダ６．７の直径を等しくシ。

両側の圧縮室の吸入ポート吐出ボートをパイプで連結す
ることにより従来の単段圧縮機として使用できる。圧縮
室２５を低圧段とし、ここで圧縮されたガスを圧縮室２
４に送ることにより一般の２段圧縮機として使用できる
。圧縮室２４を低圧段とし、圧縮室２５を高圧段重；す
ることにより極低温冷凍機用圧縮機として使用できる。

従来の単段圧縮機では、両側の圧縮室とガススプリング
室の平均圧力の不均衡は小さいが、極低温冷凍機用など
の特殊用途において非常に大きくなる。ここでは不釣合
力が大きい場合に使用されるフリーピストン形振動式圧
縮機について第１図により説明する。

振動モータに通電すると、プランジャ１０は電源周波数
で左右に加振される。フリーピストンとガススプリング
から成る機械振動系の固有振数がほぼ等しいときにフリ
ーピストンは共振状態となり、同じ加振力でもフリーピ
ストンの振巾は最大になる。このような状態でフリーピ
ストンが往復運動すると、ガスは吸入管２６を通り低圧
段圧縮室２４で吸入吐出されインタークーラ２７で冷却
され、管２８からのガスと合流し、振動モータハウジン
グ内２９を通すモータを冷却し、管３０からのガスと合
流し吸入管３１を通り高圧段圧縮室２５で吸入吐出され
アフタークーラ３２で冷却され極低温冷凍サイクルに流
れる。

圧縮室２４は２５に比べ直径が小さく、平均圧力も小さ
いのでフリーピストンは左側に寄ってしまう。ここで、
圧力空間１９には高圧段圧縮室の吸入圧力を管３３によ
って導いている。そして、圧力空間１８には高圧ガスを
流量調節弁３４を介して導いたり、逆に流量調節弁３５
を介して低圧源に放出することにより圧力空間１８の圧
力を高圧段圧縮室の吸入圧力と吐出圧力の範囲内で調節
することができる。したがって、圧力空間１８の直径は
上述したように圧力調節範囲を考慮し、フリーピストン
を左側に押すガス力を十分に打ち消すことができる大き
さでなければならない。ガススプリング用フランジ５と
スリーブ１３の隙間は十分にシール性を持つように製作
することができるので、ガススプリングのばね定数に影
響を与えることなく圧力空間１８の圧力は流量調節弁３
４゜３５によって調節できる。

ガススプリング室の平均圧力は、流量調節弁３６を介し
て高圧ガスをガススプリング室に導いたり、流量調節弁
３７を介してガススプリング室のガスを低圧源に放出す
ることにより調節することができる。ガススプリング室
の平均圧力を高くするとばね定数は大きくなり、低くす
ると小さくなる。

圧力空間１８の圧力とガススプリング室の平均圧力のｖ
Ａ節は、フリーピストンの変位計３８の出力信号とガス
スプリング室に取付けられた圧力計３９の出力信号をも
とに、制御回路４０によって行なわれる。圧力計３９に
は絞りを介してガススプリング室の圧力を作用させるこ
とにより、ガススプリング室の平均圧力を測定すること
ができる。

シリンダに対するフリーピストンの位置は第２図に示し
た方法で検出することができる。変位計３８はシールリ
ング４１とナツト４２によって固定されている。変位計
３８は一般に市販されているものであり、Ｙ軸方向の変
位を測定するものである。フリーピストン１４は軸受で
支持されているのでＹ軸方向にはほとんど動かないが、
フリーピストン１４にテーパ部分子Ｐを設けると、フリ
ーピストンがＸ方向に動くにつれてＹ軸方向の長さが変
わるのでフリーピストンの位置を検出することができる
。フリーピストンのＸ軸方向変位とＹ軸方向の長さは比
例するので、ピストンのＸ軸方向変位に対する変位計の
出力信号は第３図のようになる。第３図かられかるよう
にに、テーパ部分についてはＸ軸方向変位と出力信号は
比例関係にあるが、テーパ部と平行部の境堺近傍ではＸ
軸方向変位と出力信号には比例関係が成立しなくなる。

したがって、テーパ部の長さをフリーピストンのストロ
ークにほぼ等しくなるように設定すれば、出力信号はフ
リーピストンの変位に比例するのでビストンストローク
の制御精度を向上させることができる。

ビストンストロークの制御回路を説明する前にフリーピ
ストンの振動特性について述べる。第４図は横軸にガス
スプリング室のばね定数をとり、縦軸にフリーピストン
の振巾と振動モータの電流を示したものである。第４図
において、実線は、ピストンの振巾、一点鎖線のモータ
電流を示す。

フリーピストンはばね定数がＫＲのとき振［１」が最大
となる（共振点）。共振点以外では、同−振１Ｊでもば
ね定数がＫ１２よりも大きい方がモータ電流は小さくて
済む。したがって効率よく圧縮機を作動させるためには
、ガススプリングのばね定数はＫ１２よりも必ず大きく
なるようにしなければならない。ＫＲはガススプリング
の平均圧力によってほぼ定まるので、ビストンストロー
ク制御は、フリーピストンの位置検出とガススプリング
の平均圧力の検出によって可能となる。

第５図は制御回路の構成を示したものである。

ここでは、流量調節弁として０Ｎ−ＯＦＦ電磁弁を採用
し、これをマイクロコンピュータによって０Ｎ−ＯＦＦ
制御する場合について説明する。制御ループをＲＯＭ４
３に書き込み、ＲＯＭ４１：したがってＣＰＵ４４はイ
ンターフェイス４５を介し、変位計の出力信号Ｓ（フリ
ーピストンの位置）と圧力計の出力信号（ガススプリン
グの平均圧力）をＡ／Ｄ変換器４６から入力し、また、
ソレノイド駆動回路４７を通して電磁弁Ｖｔ＃Ｖ２＋Ｖ
３．Ｖ４を０Ｎ−ＯＦＦするようになっている。

制御ループを実行する際に必要なデータはＲＡＭ４８に
書き込んでいる。

第６図に制御ループを示す。ここで電磁弁Ｖ。

は第１図における流量調節弁３４に対応している。

同様に■２は３５に、ｖ３は３６に、ｖ４は３７に対応
している。まず、共振点のガススプリングの平均圧力Ｐ
８、フリーピストンの振巾の中心位置Ｕ＊、振＋ｌＪＷ
′Ｒ１中心位置の制御誤差ΔＵ、振巾の制御誤差ΔＷを
設定する。次にピストン速度の方向が変化するときのピ
ストン位置Ｘを読み込み、僅かの時間をおいてまたピス
トン速度の方向が変化するときのピストン位置Ｙを読み
込む。これはフリーピストンの上死点（又は下死点）と
下死点（又は上死点）を入力するということである。

Ｕ＝　（Ｘ＋Ｙ）／２は作動中のフリービス１ヘンの振
１１の中心位置を表わす。ここで左側方室をピストン変
位の正の方向とする。ＵがＵ京より大きくしかも制御誤
差ΔＵ以上であるときは電磁弁Ｖ。

を閉とし、電磁弁ｖＩ２を開とする。そうすると圧力空
間の圧力は低下するのでフリーピストンの振巾の中心位
置は左側に移動する。ＵがＵ８より小さくしかも制御誤
差ΔＵよりも小さいときは電磁弁ｖ１を開とし、電磁弁
■２を閉とする。そうすると圧力空間の圧力は上昇し、
フリーピストンは右側に移動する。フリービス１ヘンの
振巾の中心位置が制御誤差範囲内であれば電磁弁Ｖ、、
Ｖ、の両方とも閉とする。このようにしてフリーピスト
ンの振巾の中心位置は制御誤差範囲の近傍に維持できる
。

次に、ガススプリングの平均圧力Ｐを読み込む。

ＰがＰ＊よりも小さい場合は電磁弁ｖ３を開とし、ｖ４
を閉とする。これによってガススプリングのばね定数は
共振点のばね定数よりも常に大きくなるように維持でき
る。Ｗ＝ＩＸ−Ｙｌ／２を計算し、ＷがＷ８よりも大き
く、シかも制御誤差ΔＷ以上のときは電磁弁ｖ３を開と
し、■４を閉とする。そうするど、ガススプリング室の
平均圧力が上昇しくばね定数が大きくなる）、第４図か
られかるようにフリーピストンの振ｒｉは小さくなる。

ＷがＷ＊より小さくしかも制御誤差ΔＷよりも小さいと
きは電磁弁ｖ３を閉とし、■４を開とすることによりフ
リーピストンの振巾を小さくすることができる。ｗ−ｗ
”が制御誤差ＡＷの範囲内のときは電磁弁ＶＢ−Ｖ４の
両方を閉とすることにより、フリーピストンの振巾は制
御誤差範囲の近傍に維持できる。タイマーは電磁弁の０
Ｎ−ＯＦＦ時間を意味し、電磁弁の動作特性や耐久性を
定慮して定めればよい。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、フリービス１ヘンの振
ｌ】の中心位置と振巾をある誤差範囲内で強制的に制御
できるので、各種のフリーピストン形振動式圧縮機を効
率よく作動させることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はフリービスＩ・ン形振動式圧縮機の断面図であ
る。第２図はフリーピストンの位置検出部の断面図であ
る。第３図はフリーピストンの位置と変位計出力信号の
関係を示す図である。第４図はフリーピストンの振動特
性を示す図である。第５図は制御回路構成図である。第
６図は制御ループを示す図である。１８．１９・・・圧力調節空間、３４，３５，３６゜３
７・・・流量調節弁、３８・・・変位計、３９・・・圧
力計、ｆＪ　Ｚ　図第３図ｒ　４　口 η゛ススフ０リンフＩ；ｔ’　ＳＩ２釘牧第　乙Ｕ

Claims

【特許請求の範囲】１、振動モータの加振力によって往復運動するフリーピ
ストン、フリーピストンを支持する軸受、フリーピスト
ンを共振させるガススプリング、圧縮室から成るフリー
ピストン形振動式圧縮機において、圧縮室とガススプリ
ング室又はガススプリング室と軸受又は軸受と振動モー
タの間に気密性のある圧力空間を設け、この空間の圧力
を調節してフリーピストンの振巾の中心位置が片側に寄
らないように制御することを特徴とするフリーピストン
形振動式圧縮機のビストンストローク制御装置。２、特許請求の範囲第１項記載において、シリンダに対
するフリーピストンの位置を検出し、検出した位置から
フリーピストンの振巾の中心位置を演算し、その結果と
目標値（振巾の中心位置の設定値）と比較し、気密性の
ある圧力空間に流量調節弁を介して高圧源からガスを導
いたり、逆に気密性のある圧力空間のガスを低圧源に放
出することにより気密性のある空間の圧力を調節してフ
リーピストンの振巾の中心位置を制御することを特徴と
するフリーピストン形振動式圧縮機のビストンストロー
ク制御装置。３、特許請求の範囲第２項において、ガススプリング室
の平均圧力を検出し、これが設定圧力よりも低い場合は
流量調節弁を介してガススプリング室に高圧源からガス
を導き、検出した平均圧力よりも設定圧力が高い場合は
フリーピストンの振＋１３を演算し、その結果が目標値
（設定振巾）より小さいときはガススプリング室のガス
を低圧源に放出し、目標値より大きいときはガススプリ
ング室に高圧源からガスを導入し、フリーピストンの振
巾を制御することを特徴とするフリーピストン形振動式
圧縮機のビストンストローク制御装置。