(57)【要約】【課題】流体ピストンを用いた流体ピストン圧縮機において、圧縮時に発生するスパイク現象を抑制する流体ピストン圧縮機を提供する。【解決手段】流体ピストン圧縮機１は、シリンダ２と、シリンダ２に収容された磁性流体によって形成される流体ピストン４と、流体ピストン４の磁性流体に磁力を作用させるための電磁石５と、励磁電流制御部１０とを備える。電磁石５は、流体ピストン４の往復運動に伴う磁性流体の液面の移動範囲において、流体ピストン４の往復運動の方向と直交する方向に沿う磁束線を形成可能に前記移動範囲にわたって設けられる。励磁電流制御部１０は、流体ピストン４を形成する磁性流体の液面とシリンダ２の内壁面とによって形成される作動室８の容積が変化するように、磁性流体に作用させる磁力を変化させて流体ピストン４を鉛直方向に沿って往復運動させるように、電磁石５の励磁電流を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、
前記シリンダに収容された磁性流体によって形成される流体ピストンと、
前記流体ピストンの前記磁性流体に磁力を作用させるための電磁石と、
前記磁性流体の液面と前記シリンダの内壁面とによって形成される作動室の容積が変化するように、前記磁力を変化させて前記流体ピストンを鉛直方向に沿って往復運動させるように、前記電磁石の励磁電流を制御するための励磁電流制御部と、を備え、
前記電磁石は、前記流体ピストンの往復運動に伴う前記磁性流体の前記液面の移動範囲において、前記流体ピストンの往復運動の方向と直交する方向に沿う磁束線を形成するよう設けられたことを特徴とする流体ピストン圧縮機。
【請求項２】
前記励磁電流制御部は、前記流体ピストンが下死点から上死点に向かうときに前記励磁電流を徐々に増加させ、前記流体ピストンが前記上死点から前記下死点に向かうときに前記励磁電流を徐々に減少させるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の流体ピストン圧縮機。
【請求項３】
前記励磁電流制御部は、前記流体ピストンが前記上死点に到達するときに前記励磁電流を最大励磁電流に制御するように構成され、
前記励磁電流制御部は、前記流体ピストン圧縮機の部分負荷運転時における前記最大励磁電流Ｉｍａｘ＿ｐａｒｔｉａｌを、前記流体ピストン圧縮機の定格負荷運転時における前記最大励磁電流Ｉｍａｘ＿ｒａｔｅｄよりも小さくすることを特徴とする請求項２に記載の流体ピストン圧縮機。
【請求項４】
前記シリンダと連通し、前記シリンダ内の前記磁性流体を貯留するためのバッファタンクと、
前記作動室と前記バッファタンクの気相部とを連通させるための等圧管と、
前記バッファタンクに前記磁性流体を補充するための補充ポートと、をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の流体ピストン圧縮機。
【請求項５】
前記作動室に連通し、作動流体を前記作動室に導くための低圧ラインと、
前記作動室に連通し、前記作動流体を前記作動室から排出するための高圧ラインと、をさらに備え、
前記低圧ラインには前記等圧管が接続され、前記低圧ライン及び前記等圧管を介して前記作動室と前記バッファタンクの前記気相部とが連通されたことを特徴とする請求項４に記載の流体ピストン圧縮機。
【請求項６】
前記シリンダは、前記磁束線の方向に直交する平面に沿って延在する少なくとも一つの平板シリンダを含み、
前記電磁石は、前記平板シリンダの各々の両側に配置される複数の平板磁極を含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の流体ピストン圧縮機。
【請求項７】
前記少なくとも一つの平板シリンダは、第１平板シリンダと、前記第１平板シリンダに対して平行に配置される第２平板シリンダとを含み、
前記複数の平板磁極は、前記第１平板シリンダと前記第２平板シリンダとの間に位置し、前記第１平板シリンダ及び前記第２平板シリンダの両方の前記磁性流体に前記磁力を作用させるための磁極として機能するように構成された共通平板磁極を含むことを特徴とする請求項６に記載の流体ピストン圧縮機。
【請求項８】
前記平板シリンダは、前記平板シリンダの内部に設けられる少なくとも一つのリブを有し、
前記少なくとも一つのリブは、前記磁性流体の前記液面の移動を妨げないように前記鉛直方向に沿って配置されたことを特徴とする請求項６又は７に記載の流体ピストン圧縮機。
【請求項９】
前記シリンダは、前記鉛直方向に沿って延在する少なくとも一つの円筒シリンダを含み、
前記電磁石は、前記少なくとも一つの円筒シリンダの外周の片側を覆う第１曲面磁極と、前記少なくとも一つの円筒シリンダの前記外周の反対側を覆う第２曲面磁極と、を含むことを特徴とする請求項１乃至５に記載の流体ピストン圧縮機。
【請求項１０】
前記円筒シリンダの内周側に設けられる円筒状の中継ヨークをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の流体ピストン圧縮機。
【請求項１１】
前記シリンダは、前記鉛直方向に沿って延在する少なくとも一つの円筒シリンダを含み、
前記電磁石は、前記円筒シリンダの各々の外周を取り囲む包囲磁極と、前記円筒シリンダの内周側に設けられて前記包囲磁極とは異なる極を有する円筒磁極と、を含むことを特徴とする請求項１乃至５に記載の流体ピストン圧縮機。
【請求項１２】
作動流体を圧縮させるための第１圧縮機と、
前記第１圧縮機で圧縮された前記作動流体をさらに圧縮するための第２圧縮機と、を備える圧縮装置であって、
前記第１圧縮機及び前記第２圧縮機は、それぞれ、
シリンダと、
前記シリンダに収容された磁性流体によって形成される流体ピストンと、
前記流体ピストンの前記磁性流体に磁力を作用させるための電磁石と、
前記磁性流体の液面と前記シリンダの内壁面とによって形成される作動室の容積が変化するように、前記磁力を変化させて前記流体ピストンを鉛直方向に沿って往復運動させるように、前記電磁石の励磁電流を制御するための励磁電流制御部と、
前記作動室に連通し、作動流体を前記作動室に導くための低圧ラインと、
前記作動室に連通し、前記作動流体を前記作動室から排出するための高圧ラインと、を備える流体ピストン圧縮機であって、
前記電磁石は、前記流体ピストンの往復運動に伴う前記磁性流体の前記液面の移動範囲において、前記流体ピストンの往復運動の方向と直交する方向に沿う磁束線を形成可能に前記移動範囲にわたって設けられ、
前記第１圧縮機で圧縮された前記作動流体は、前記第１圧縮機の前記高圧ラインと、前記第２圧縮機の前記低圧ラインをと通って前記第２圧縮機の前記作動室に導かれるように構成されたことを特徴とする圧縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、流体により形成される流体ピストンを用いた流体ピストン圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体ピストンを用いた流体機械として、磁性流体により形成されたピストンを用いた流体機械が知られている。
このような流体ピストンを用いた流体機械として、例えば特許文献１には、シリンダの頂部周辺に電磁コイルが配設された電動圧縮機が記載されている。この電動圧縮機では、シリンダの頂部周辺に配設された電磁コイルを交互に励磁または消磁させることにより、シリンダ内部に収納された磁性流体を交互に誘引することでシリンダ頂部と磁性流体の間に形成される圧縮室に導入された流体を圧縮するようになっている。そして、一実施形態として、磁性流体がシリンダ内で２つのフロートに挟まれており、磁性流体が自重によりシリンダ内の下方部分に溜まってピストンとして円滑に作用しなくなることを防止するようにした電動圧縮機が記載されている（特許文献１の図１参照）。
また、特許文献２には、磁性流体を容れた非励磁性管の両端近傍にそれぞれ電磁石を配設した容積型ポンプが記載されている。この容積型ポンプでは、非励磁性管の両端近傍に配設された電磁石を交互に励磁させて非励磁性管内の磁性流体を往復運動させることにより、非励磁性管内に導入される流体を移送させるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３０３７３５号公報
【特許文献２】特開昭６０−４５７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の圧縮機は、ピストンが水平方向に沿って往復運動するように構成されているため、電磁コイルの非励磁時においても磁性流体がピストン形状を保持できるようにフロートを設ける必要がある。そのため、フロートとシリンダとの摺動により摩耗等が発生するため、従来の機械的機構を用いたピストンと同様、フロートのメンテナンスが必要となる。
【０００５】
一方、特許文献２に記載の容積型ポンプでは、ピストンとして、機械的な要素（固体）は用いられずに磁性流体のみが用いられているため、シリンダとの間のシール構造が不要である。このため、ピストンとシリンダとの間の機械的な摺動がなく、また、摺動によりピストンやシリンダが摩耗することもないため、シール部のメンテナンスは不要である。
しかしながら、特許文献２のピストンでは、非励磁性管の両端近傍に電磁石が配設されており、ピストンとして作用する磁性流体の少なくとも一方の電磁石の側の液面が該電磁石から離れている。このとき、電磁石から離れた磁性流体の液面付近では磁束線の向きが鉛直方向（ピストンの往復運動の方向）となり、この磁束線方向に沿って磁性流体から角が生えたような突起が形成される現象、いわゆるスパイク現象が発生する可能性がある。
【０００６】
作動流体が存在する場所でスパイク現象が起こると、突起が形成された状態で磁性流体が作動流体と接しながら往復運動するため、磁性流体と作動流体とが混合してしまう可能性がある。このようにして生成した磁性流体と作動流体との混合物が、作動流体とともにシリンダ外へ移動すれば、ピストンを形成する磁性流体が次第に流失する可能性もある。
【０００７】
本発明の少なくとも一実施形態の目的は、スパイク現象による磁性流体と作動流体の混合が抑制された流体ピストンを用いた流体ピストン圧縮機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の少なくとも一実施形態に係る流体ピストン圧縮機は、
シリンダと、
前記シリンダに収容された磁性流体によって形成される流体ピストンと、
前記流体ピストンの前記磁性流体に磁力を作用させるための電磁石と、
前記磁性流体の液面と前記シリンダの内壁面とによって形成される作動室の容積が変化するように、前記磁力を変化させて前記流体ピストンを鉛直方向に沿って往復運動させるように、前記電磁石の励磁電流を制御するための励磁電流制御部と、を備え、
前記電磁石は、前記流体ピストンの往復運動に伴う前記磁性流体の前記液面の移動範囲において、前記流体ピストンの往復運動の方向と直交する方向に沿う磁束線を形成するよう設けられる。
【０００９】
上記流体ピストン圧縮機によれば、磁性流体の液面の移動範囲にわたって、流体ピストンの往復運動の方向と直交する方向（以下、直交方向とも称する）に沿う磁束線が電磁石により形成可能である。このため、磁束線が形成されている間、磁性流体の液面は、常に直交方向の磁束線が形成されている範囲内を移動する。したがって、流体ピストンの往復運動の方向に沿う磁性流体の突起の形成（スパイク現象）は抑制され、このような突起が形成された状態で磁性流体が作動室内に存在する作動流体と接しながら往復運動する状態を防止することができるため、磁性流体と作動流体との混合が抑制される。
したがって、磁性流体と作動流体とがスパイク現象により混合するリスクを避けるための混合防止機構や、混合が起きた場合に磁性流体と作動流体とを分離するための分離機構を別途設ける必要性が低減する。
なお、上記の流体ピストン圧縮機では、磁性流体によって形成される流体ピストンを用いるので、ピストンが常にシリンダ壁面に接触した状態でのピストンの往復運動が可能であり、シリンダとピストンとの間のシール構造が不要である。このため、シリンダとピストンとの間の機械的な摺動によりシール部が損傷することもないので、シール構造を必要とする固体ピストンを用いる場合に比べ、圧縮機のメンテナンス性が向上する。また、流体は様々な形状に変形可能であるので、固体ピストンを用いる場合に比べ、シリンダ及びピストンの形状の自由度が向上する。
【００１０】
幾つかの実施形態では、前記励磁電流制御部は、前記流体ピストンが下死点から上死点に向かうときに前記励磁電流を徐々に増加させ、前記流体ピストンが前記上死点から前記下死点に向かうときに前記励磁電流を徐々に減少させるように構成される。
この場合、励磁電流制御部が電磁石の励磁電流を徐々に増加させると、流体ピストンに作用する磁場が大きくなり、流体ピストンに作用する重力に抗いながら流体ピストンが上死点に向かって上昇する。逆に、励磁電流制御部が電磁石の励磁電流を徐々に減少させると、流体ピストンに作用する重力が磁性流体の液面高さを保持しようとする磁場の働きに勝り、流体ピストンが下死点に向かって下降する。したがって、流体ピストンの鉛直方向に沿った往復運動が可能となる。
【００１１】
幾つかの実施形態では、前記励磁電流制御部は、前記流体ピストンが前記上死点に到達するときに前記励磁電流を最大励磁電流に制御するように構成され、
前記励磁電流制御部は、前記流体ピストン圧縮機の部分負荷運転時における前記最大励磁電流Ｉｍａｘ＿ｐａｒｔｉａｌを、前記流体ピストン圧縮機の定格負荷運転時における前記最大励磁電流Ｉｍａｘ＿ｒａｔｅｄよりも小さくする。
上記流体ピストン圧縮機においては、最大励磁電流が大きいほど、流体ピストンに作用する重力に抗いながら磁性流体の液面高さを保持しようとする磁場の働きが大きくなるため、流体ピストンの上死点の位置は高くなる。すなわち、流体ピストンの上死点の位置は最大励磁電流の大きさに依存する。そのため、上述の実施形態のように部分負荷運転時における最大励磁電流Ｉｍａｘ＿ｐａｒｔｉａｌを定格負荷運転時における最大励磁電流Ｉｍａｘ＿ｒａｔｅｄよりも小さくすれば、部分負荷運転時における上死点は定格負荷運転時よりも低い位置となる。よって、部分負荷運転時において、定格負荷運転時よりも低い圧縮比を実現することができる。
なお、Ｉｍａｘ＿ｐａｒｔｉａｌをＩｍａｘ＿ｒａｔｅｄ未満の範囲内において調節すれば、上死点の位置が可変となり、流体ピストン圧縮機の圧縮比が可変となる。すなわち、上記流体ピストン圧縮機では、最大励磁電流を所望の圧縮比に応じたＩｍａｘ＿ｐａｒｔｉａｌとすれば、圧縮比を適宜変化させることができる。
【００１２】
幾つかの実施形態では、
前記シリンダと連通し、前記シリンダ内の前記磁性流体を貯留するためのバッファタンクと、
前記作動室と前記バッファタンクの気相部とを連通させるための等圧管と、
前記バッファタンクに前記磁性流体を補充するための補充ポートと、をさらに備える。
この場合、バッファタンクはシリンダと連通し、かつ、作動室とバッファタンクの気相部が等圧管により連通するので、シリンダ内の液位とバッファタンク内の液位が等しくなる。したがって、補充ポートから磁性流体をバッファタンクに補充してバッファタンク内の磁性流体の貯留量を調整することにより、シリンダ内の磁性流体の液位を調整することができる。
なお、シリンダ内における磁性流体の液位が適正でないと、磁性流体の円滑な往復運動が難しくなる場合がある。例えば、消磁時（電磁石の形成する磁束線の磁束密度が０）のときに電磁石に挟まれた領域の下端部から磁性流体が離れると、次に電磁石によって磁束線が形成されたときに、磁場が磁性流体を吸引する磁力が極端に小さいため、磁性流体を該領域に移動させる（引き揚げる）ことは難しい。したがって、消磁時の磁性流体の液位が、電磁石に挟まれた領域の下端部よりも下回らないように、バッファタンク内の磁性流体の貯留量を調整することが望ましい。
【００１３】
幾つかの実施形態では、前記作動室に連通し、作動流体を前記作動室に導くための低圧ラインと、
前記作動室に連通し、前記作動流体を前記作動室から排出するための高圧ラインと、をさらに備え、
前記低圧ラインには前記等圧管が接続され、前記低圧ライン及び前記等圧管を介して前記作動室と前記バッファタンクの前記気相部とが連通される。
この場合、バッファタンクの気相部は低圧ライン及び等圧管を介して作動室と連通されるので、バッファタンクは低圧ラインと同じ圧力に維持される。そのため、流体ピストンが上死点から下死点に向かう際、バッファタンク−作動室間の差圧によって流体ピストンの下降が妨げられることがない（即ち、流体ピストンに作用する背圧をなくすことができる）。よって、流体ピストンの下死点を低い位置に設定することが可能になり、流体ピストン圧縮機の高い圧縮比を実現することができる。
【００１４】
幾つかの実施形態では、前記シリンダは、前記磁束線の方向に直交する平面に沿って延在する少なくとも一つの平板シリンダを含み、前記電磁石は、前記平板シリンダの各々の両側に配置される複数の平板磁極を含む。
この場合、平板型のシリンダを用いるので、平板シリンダの両側に配置される複数の平板磁極の間の距離は、平板シリンダの鉛直方向寸法に比べて十分小さくできる。このため、複数の平板磁極の間の領域において鉛直方向の磁束線の形成が抑制されるので、流体ピストンの往復運動の方向に沿う磁性流体の突起の形成（スパイク現象）を効果的に抑制することができる。
また、磁極間に形成される磁束の磁束密度は、磁極間の距離に反比例して大きくなる。上記実施形態では、平板型のシリンダ及び磁極を用いるので、平板磁極に挟まれる平板シリンダの磁束線方向の厚さが小さいため、磁束密度の大きな磁場を形成しやすい。
【００１５】
幾つかの実施形態では、前記少なくとも一つの平板シリンダは、第１平板シリンダと、前記第１平板シリンダに対して平行に配置される第２平板シリンダとを含み、前記複数の平板磁極は、前記第１平板シリンダと前記第２平板シリンダとの間に位置し、前記第１平板シリンダ及び前記第２平板シリンダの両方の前記磁性流体に前記磁力を作用させるための磁極として機能するように構成された共通平板磁極を含む。
この場合、１対の平板磁極に挟まれた平板シリンダの組を複数並べる構成に比べ、２つの平板シリンダで１つの磁極を共通で用いるため、少ない個数の磁極で複数のシリンダを含む圧縮機を構成することができる。このため、流体ピストン圧縮機の小型化につながる。
【００１６】
幾つかの実施形態では、前記平板シリンダは、前記平板シリンダの内部に設けられる少なくとも一つのリブを有し、前記少なくとも一つのリブは、前記磁性流体の前記液面の移動を妨げないように前記鉛直方向に沿って配置される。
流体ピストンでの圧縮時等、平板シリンダ内部が高圧となると、平板シリンダには、比較的面積の広い平板磁極と向き合う面に面外方向（磁束線方向）の大きな力が加わることとなる。上記実施形態では、平板シリンダの内部にリブを設けたので、平板シリンダの強度を増大させることができる。また、鉛直方向に沿ってリブを配置するため、磁性流体の移動が妨げられることがない。よって、流体ピストンの本来の機能（磁性流体の液面の上下動による圧縮機能）を損なうことなく、平板シリンダの剛性を確保することができる。
【００１７】
幾つかの実施形態では、前記シリンダは、前記鉛直方向に沿って延在する少なくとも一つの円筒シリンダを含み、前記電磁石は、前記少なくとも一つの円筒シリンダの外周の片側を覆う第１曲面磁極と、前記少なくとも一つの円筒シリンダの前記外周の反対側を覆う第２曲面磁極と、を含む。
この場合、円筒形のシリンダを用いるので、平板シリンダに比べて剛性が高く、シリンダ内圧力を高くしても耐えうるので、より高い圧縮比を得ることが可能となる。
【００１８】
幾つかの実施形態では、前記円筒シリンダの内周側に設けられる円筒状の中継ヨークをさらに備える。
この場合、円筒シリンダの内周側に、磁性流体よりも透磁率の高い中継ヨークが設けられるので、円筒シリンダの半径方向の磁束線の偏り（半径方向に対する磁束線のずれ）が小さくなるため、より安定的に磁力（磁気吸引力）を発生させることができる。
【００１９】
幾つかの実施形態では、前記シリンダは、前記鉛直方向に沿って延在する少なくとも一つの円筒シリンダを含み、前記電磁石は、前記円筒シリンダの各々の外周を取り囲む包囲磁極と、前記円筒シリンダの内周側に設けられて前記包囲磁極とは異なる極を有する円筒磁極と、を含む。
この場合、磁束線を形成するための一対の磁極は、円筒シリンダの外周を取り囲む包囲磁極と、円筒シリンダ内周側に設けられた円筒磁極であるので、円筒シリンダの半径方向に沿った対称性のある磁束分布を得ることができる。これにより、安定的に磁力（磁気吸引力）を発生させることができる。
【００２０】
本発明の少なくとも一実施形態に係る圧縮装置は、
作動流体を圧縮させるための第１圧縮機と、
前記第１圧縮機で圧縮された前記作動流体をさらに圧縮するための第２圧縮機と、を備える圧縮装置であって、
前記第１圧縮機及び前記第２圧縮機は、それぞれ、
シリンダと、
前記シリンダに収容された磁性流体によって形成される流体ピストンと、
前記流体ピストンの前記磁性流体に磁力を作用させるための電磁石と、
前記磁性流体の液面と前記シリンダの内壁面とによって形成される作動室の容積が変化するように、前記磁力を変化させて前記流体ピストンを鉛直方向に沿って往復運動させるように、前記電磁石の励磁電流を制御するための励磁電流制御部と、
前記作動室に連通し、作動流体を前記作動室に導くための低圧ラインと、
前記作動室に連通し、前記作動流体を前記作動室から排出するための高圧ラインと、を備える流体ピストン圧縮機であって、
前記電磁石は、前記流体ピストンの往復運動に伴う前記磁性流体の前記液面の移動範囲において、前記流体ピストンの往復運動の方向と直交する方向に沿う磁束線を形成可能に前記移動範囲にわたって設けられ、
前記第１圧縮機で圧縮された前記作動流体は、前記第１圧縮機の前記高圧ラインと、前記第２圧縮機の前記低圧ラインをと通って前記第２圧縮機の前記作動室に導かれるように構成される。
【００２１】
上記圧縮装置によれば、第１圧縮機で圧縮された作動流体を第２圧縮機でさらに圧縮するので、より大きな圧力比を得ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、スパイク現象による磁性流体と作動流体の混合を抑制しうる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一実施形態に係る流体ピストン圧縮機の構成を示す図である。
【図２】一実施形態に係るシリンダと電磁石の構成を示す図である。
【図３】一実施形態に係るシリンダの構成を示す図である。
【図４】一実施形態に係るシリンダの構成を示す図である。
【図５】一実施形態に係るシリンダと電磁石の構成を示す図である。
【図６】一実施形態に係るシリンダと電磁石の構成を示す図である。
【図７】一実施形態に係るシリンダと電磁石の構成を示す図である。
【図８】一実施形態に係るシリンダと電磁石の構成を示す図である。
【図９】一実施形態に係るシリンダと電磁石の構成を示す図である。
【図１０】一実施形態に係るシリンダと電磁石の構成を示す図である。
【図１１】一実施形態に係る圧縮装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２５】
まず、一実施形態に係る流体ピストン圧縮機の全体構成について説明する。
図１は、一実施形態に係る流体ピストン圧縮機の構成を示す図である。同図に示すように、流体ピストン圧縮機１は、シリンダ２と、シリンダ２に収容された磁性流体によって形成される流体ピストン４と、流体ピストン４の磁性流体に磁力を作用させるための電磁石５と、励磁電流制御部１０とを備える。
電磁石５は、流体ピストン４の往復運動に伴う磁性流体の液面の移動範囲において、流体ピストン４の往復運動の方向と直交する方向に沿う磁束線を形成できるよう前記移動範囲にわたって設けられる。すなわち、図１に示す流体ピストン圧縮機では、電磁石５に挟まれた領域の上端部１１０と下端部１２０との間が磁性流体の液面の移動範囲であり、この範囲において流体ピストン４の往復運動の方向と直交する方向に沿う磁束線を電磁石５が形成可能である。
励磁電流制御部１０は、流体ピストン４を形成する磁性流体の液面とシリンダ２の内壁面とによって形成される作動室８の容積が変化するように、磁性流体に作用させる磁力を変化させて流体ピストン４を鉛直方向に沿って往復運動させるように、電磁石５の励磁電流を制御する。
【００２６】
流体ピストン圧縮機１によれば、磁性流体の液面の移動範囲にわたって、流体ピストン４の往復運動の方向と直交する方向（以下、直交方向とも称する。図１中の磁極６ａと６ｂとの間の領域に描かれた矢印で示される方向である。）に沿う磁束線が電磁石５により形成可能である。このため、磁束線が形成されている間、磁性流体の液面は、常に直交方向の磁束線が形成されている範囲内を移動する。したがって、流体ピストン４の往復運動の方向に沿う磁性流体の突起の形成（スパイク現象）は抑制され、このような突起が形成された状態で磁性流体が作動室８内に存在する作動流体と接しながら往復運動する状態を防止することができるため、磁性流体と作動流体との混合が抑制される。したがって、流体ピストン圧縮機１では、磁性流体と作動流体とが混合した際に両者を分離するための気液分離手段を設ける必要性が低減する。また、流体は様々な形状に変形可能であるので、固体ピストンを用いる場合に比べ、シリンダ２及びピストン４の形状の自由度が向上する。
【００２７】
流体ピストン４を形成する磁性流体は、磁性を帯びた流体であれば、種類を特に制限されない。このような磁性流体として、強磁性微粒子（例えばマグネタイト、マンガン亜鉛フェライト等）と、強磁性微粒子の表面を覆う界面活性剤と、基材（例えば水、有機溶媒等）とを含む磁性コロイド溶液を用いることができる。また、磁性流体として磁性イオン流体を使用することもできる。磁性イオン流体は磁性コロイド溶液に比べ、極めて安定で蒸気圧が非常に小さいため、これを流体ピストンに使用することで圧縮機としての性能が大幅に向上する。
【００２８】
図１に示す電磁石５は、ヨーク７と、ヨーク７の両端部に互いに対向するように取り付けられた一対の磁極６（６ａ，６ｂ）と、ヨーク７に巻きつけられた励磁コイル１１と、励磁電源９を含む。この場合、励磁電流制御部１０は、ヨーク７に巻きつけた励磁コイル１１に流す電流を制御して（即ち励磁電源９の電圧を制御して）ヨーク７の励磁を行うことで、磁性流体に作用させる磁力を変化させて流体ピストン４を鉛直方向に沿って往復運動させる。
なお、励磁電流制御部１０は、流体ピストン圧縮機１を制御するためのコントローラ９０に含まれていてもよい。
【００２９】
電磁石５の磁極６ａと６ｂとの間の距離δは、シリンダ２の鉛直方向寸法Ｌに比べて十分小さいこと（例えば、鉛直方向寸法に比べて１０％以下）が好ましい。この場合、電磁石５の磁極６ａと６ｂとの間の領域において鉛直方向の磁束線の形成が抑制されるので、流体ピストン４の往復運動の方向に沿う磁性流体の突起の形成（スパイク現象）を効果的に抑制することができる。
【００３０】
一実施形態において、励磁電流制御部１０は、流体ピストン４が下死点１４０から上死点１３０に向かうときに電磁石５の励磁電流を徐々に増加させ、流体ピストン４が上死点１３０から下死点１４０に向かうときに電磁石５の励磁電流を徐々に減少させるように構成される。
【００３１】
励磁電流制御部１０は、流体ピストン４が下死点１４０に位置する際の励磁電流値ＩＢ及び流体ピストン４が上死点１３０に位置する際の励磁電流値ＩＴをメモリに予め記憶しておき、電磁石５の励磁電流ＩがＩＢ≦Ｉ≦ＩＴとなる範囲で増減させるように構成されてもよい。
【００３２】
この場合、励磁電流制御部１０が電磁石５の励磁電流を徐々に増加させると、流体ピストン４に作用する磁場が大きくなり、流体ピストン４に作用する重力に抗いながら流体ピストン４が上死点に向かって上昇する。逆に、励磁電流制御部１０が電磁石５の励磁電流を徐々に減少させると、流体ピストン４に作用する重力が磁性流体の液面高さを保持しようとする磁場の働きに勝り、流体ピストン４が下死点に向かって下降する。したがって、
流体ピストン４の鉛直方向に沿った往復運動が可能となる。
【００３３】
一実施形態において、励磁電流制御部１０は、流体ピストン４が上死点に到達するときに励磁電流を最大励磁電流に制御するように構成され、励磁電流制御部１０は、流体ピストン圧縮機１の部分負荷運転時における前記最大励磁電流Ｉｍａｘ＿ｐａｒｔｉａｌを、流体ピストン圧縮機１の定格負荷運転時における前記最大励磁電流Ｉｍａｘ＿ｒａｔｅｄよりも小さくする。
【００３４】
この場合、励磁電流制御部１０は、流体ピストン圧縮機１の部分負荷運転時における最大励磁電流Ｉｍａｘ＿ｐａｒｔｉａｌ、流体ピストン圧縮機１の定格負荷運転時における最大励磁電流Ｉｍａｘ＿ｒａｔｅｄをメモリに予め記憶しておくように構成されてもよい。そして、流体ピストン圧縮機１を定格負荷運転と部分負荷運転との間で切り替えるときは、励磁電流制御部１０は、電磁石５の励磁電流の最大値（即ち流体ピストン４が上死点１３０に位置する際の励磁電流値）を、メモリに記憶されたＩｍａｘ＿ｐａｒｔｉａｌとＩｍａｘ＿ｒａｔｅｄとの間で切り替えるようにしてもよい。
また、流体ピストン圧縮機１の部分負荷運転時における最大励磁電流Ｉｍａｘ＿ｐａｒｔｉａｌは、必ずしも１値に固定しなくてもよく、段階的に複数定義してもよい。それらを励磁電流制御部１０のメモリに記憶させ、流体ピストン圧縮機１の用途に応じて適切な最大励磁電流Ｉｍａｘ＿ｐａｒｔｉａｌを励磁電流制御部１０が選択して電磁石５の励磁電流の最大値となるように励磁電流の制御を行うように構成されてもよい。
【００３５】
上記流体ピストン圧縮機１においては、最大励磁電流が大きいほど、流体ピストン４に作用する重力に抗いながら磁性流体の液面高さを保持しようとする磁場の働きが大きくなるため、流体ピストン４の上死点の位置は高くなる。すなわち、流体ピストン４の上死点の位置は最大励磁電流の大きさに依存する。そのため、上述の実施形態のように部分負荷運転時における最大励磁電流Ｉｍａｘ＿ｐａｒｔｉａｌを定格負荷運転時における最大励磁電流Ｉｍａｘ＿ｒａｔｅｄよりも小さくすれば、部分負荷運転時における上死点は定格負荷運転時よりも低い位置となる。よって、部分負荷運転時において、定格負荷運転時よりも低い圧縮比を実現することができる。
なお、Ｉｍａｘ＿ｐａｒｔｉａｌをＩｍａｘ＿ｒａｔｅｄ未満の範囲内において調節すれば、上死点の位置が可変となり、流体ピストン圧縮機の圧縮比が可変となる。すなわち、上記流体ピストン圧縮機１では、最大励磁電流を所望の圧縮比に応じたＩｍａｘ＿ｐａｒｔｉａｌとすれば、圧縮比を適宜変化させることができる。
【００３６】
このような圧縮比の変化は、励磁電流制御部１０によって励磁電流を制御することによって、圧縮機の任意のサイクルで行うこともできる。圧縮比をサイクル毎に可変とすることで、より複雑なサイクルを実施することも可能である。
【００３７】
流体ピストン圧縮機１は、図１に示すように、シリンダ２と連通し、シリンダ２内の磁性流体を貯留するためのバッファタンク１２と、作動室８とバッファタンク１２の気相部１３とを連通させるための等圧管１４と、バッファタンク１２に磁性流体を補充するための補充ポート１６と、をさらに備える。
この場合、バッファタンク１２はシリンダ２と連通し、かつ、作動室８とバッファタンク１２の気相部１３が等圧管１４により連通するので、シリンダ２内の液位ｈＣとバッファタンク１２内の液位ｈＴが等しくなる。したがって、補充ポート１６から磁性流体をバッファタンク１２に補充してバッファタンク１２内の磁性流体の貯留量を調整することにより、シリンダ２内の磁性流体の液位を調整することができる。
【００３８】
バッファタンク１２の鉛直方向に直交する面での断面積は、流体ピストン４を形成するシリンダ２の同断面積よりも十分大きい（例えば２倍以上）ことが好ましい。この場合、シリンダ２内の液位の調整が容易となる。
【００３９】
補充ポート１６には、補充ポート１６からバッファタンク１２に補充する磁性流体の量を調整するための弁１８を設けてもよい。
【００４０】
なお、シリンダ２内における磁性流体の液位が適正でないと、磁性流体の円滑な往復運動が難しくなる。例えば、消磁時（電磁石の形成する磁束線の磁束密度が０）のときに電磁石５の磁極６（６ａ，６ｂ）に挟まれた領域の下端部１２０から磁性流体が離れると、次に電磁石５によって磁束線が形成されたときに、磁場が磁性流体を吸引する磁力（磁気吸引力）が極端に小さいため、磁性流体を該領域に移動させる（引き揚げる）ことは難しい。したがって、消磁時の磁性流体の液位が、電磁石５に挟まれた領域の下端部１２０よりも下回らないように、バッファタンク１２内の磁性流体の貯留量を調整することが望ましい。
【００４１】
なお、消磁時の磁性流体の液位を流体ピストン４の下死点としてもよい。この場合、消磁時にバッファタンク内の磁性流体の液位を調整することで、下死点を所望の位置に調整することができる。
【００４２】
流体ピストン圧縮機１は、図１に示すように、作動室８に連通し、作動流体を作動室８に導くための低圧ライン２２と、作動室８に連通し、作動流体を作動室から排出するための高圧ライン２４と、をさらに備える。そして、低圧ライン２２には等圧管１４が接続され、低圧ライン２２及び等圧管１４を介して作動室８とバッファタンク１２の気相部１３とが連通される。
この場合、バッファタンク１２の気相部１３は低圧ライン２２及び等圧管１４を介して作動室８と連通されるので、バッファタンク１２は低圧ライン２２と同じ圧力に維持される。そのため、流体ピストン４が上死点から下死点に向かう際、バッファタンク１２−作動室８間の差圧によって流体ピストン４の下降が妨げられることがない（即ち、流体ピストン４に作用する背圧をなくすことができる）。よって、流体ピストン４の下死点を低い位置に設定することが可能になり、流体ピストン圧縮機１の高い圧縮比を実現することができる。
【００４３】
低圧ライン２２には、低圧ライン２２と作動室８との連通状態を切り替えるための低圧バルブ２６を設け、高圧ライン２４には、高圧ライン２４と作動室８との連通状態を切り替えるための高圧バルブ２８を設ける。
【００４４】
ここで、流体ピストン圧縮機１の運転サイクルの一例について説明する。
（吸入行程）
電磁石５の励磁電流が最大の時に、シリンダ２内の磁性流体の液位が最も高く、この液位が流体ピストン４の上死点となる。このとき、低圧バルブ２６を開いて低圧ライン２２と作動室８を連通させ、かつ、高圧バルブ２８は閉じた状態で、電磁石５の励磁電流を０となるまで徐々に減少させてシリンダ２内の磁性流体の液位を下降させて、流体ピストン４が下死点に到達するまで、低圧ライン２２から作動流体をシリンダ２内に導く。
（圧縮行程）
続いて、低圧バルブ２６及び高圧バルブ２８を閉じた状態で、電磁石５の励磁電流を徐々に増加させてシリンダ２内の磁性流体の液位を上昇させて、流体ピストン４を上死点まで上昇させる。このように流体ピストン４が下死点から上死点まで上昇する過程でシリンダ２内の作動流体は圧縮される。その後高圧バルブ２８を開いて、シリンダ２内の高圧となった作動流体を高圧ライン２４に排出する。
流体ピストン圧縮機１では、上述のような吸入行程及び圧縮行程を含むサイクルを繰り返すことにより作動流体の圧縮を行う。
【００４５】
ここで、コントローラ９０は、低圧バルブ２６及び高圧バルブ２８の開閉状態を制御するためのバルブ開閉制御部９２を含んでいてもよい。
バルブ開閉制御部９２は、例えば、励磁電流制御部１０によって制御される電磁石５の励磁電流の値に基づいて、低圧バルブ２６及び高圧バルブ２８の開閉状態を制御してもよい。
例えば、流体ピストン圧縮機１の定格運転時において、電磁石５の励磁電流が最大（Ｉｍａｘ＿ｒａｔｅｄ）である時に（言い換えれば、流体ピストン圧縮機１の上記吸入行程の開始時）、高圧バルブ２８を閉じて低圧バルブ２６を開くように、バルブ開閉制御部９２を構成してもよい。
【００４６】
次に、シリンダ及び電磁石の構成について説明する。
図２及び図５〜１０は、それぞれ、一実施形態に係るシリンダと電磁石の構成を示す図であり、図３及び４は、それぞれ、一実施形態に係るシリンダの構成を示す図である。また、図６（ａ）、図７（ａ）及び図８（ａ）は、それぞれ、一実施形態に係るシリンダと電磁石の構成の概要を示す図であり、図６（ａ）、図７（ａ）及び図８（ａ）は、それぞれ、一実施形態に係るシリンダと電磁石の鉛直方向に直交する断面を示した図である。
【００４７】
図２に示すシリンダ２は、磁束線の方向に直交する平面に沿って延在する少なくとも一つの平板シリンダ３０を含み、電磁石５は、平板シリンダ３０の各々の両側に配置される複数の平板磁極３４（３４ａ，３４ｂ）を含む。
この場合、平板磁極３４ａと３４ｂとの間の距離δは、平板シリンダ３０の鉛直方向寸法Ｌに比べて十分小さくでき、平板磁極３４ａと３４ｂとの間の領域において鉛直方向の磁束線の形成が抑制されるので、流体ピストン４の往復運動の方向に沿う磁性流体の突起の形成（スパイク現象）を効果的に抑制することができる。
また、磁極間に形成される磁束の磁束密度は、磁極間の距離に反比例して大きくなる。図２に示すシリンダ２では、平板型のシリンダ及び磁極を用いるので、平板磁極３４（３４ａ，３４ｂ）に挟まれる平板シリンダ３０の磁束線方向の厚さが小さいため、磁束密度の大きな磁場を形成しやすい。
【００４８】
上述の平板シリンダ３０として、図３及び図４にそれぞれ示す平板シリンダ３０を用いることもできる。
図３及び図４にそれぞれ示す平板シリンダ３０は、平板シリンダ３０の内部に設けられる少なくとも一つのリブ３８を有し、少なくとも一つのリブ３８は、磁性流体の液面の移動を妨げないように前記鉛直方向に沿って配置される。
この場合、平板シリンダ３０の内部に、鉛直方向に沿って配置されたリブ３８が設けられるので、磁性流体の移動が妨げられることなく、平板シリンダ３０の強度を増大させることができる。
【００４９】
リブ３８の形状及び枚数は特に限定されず、任意の形状及び枚数のリブ３８を用いることができる。
図３に示す平板シリンダ３０は、平板シリンダ３０の厚さ方向に延在しかつ鉛直方向に沿って配置されるリブ３８ａ〜３８ｅを有する。また、図４に示す平板シリンダ３０は、屏風状の凹凸を有するリブ３８を有する。他の実施形態では、平板シリンダ３０は、波型の凹凸を有するリブ３８を有してもよい。屏風状や波型の凹凸を有するリブ３８を用いることで、平板シリンダ３０の製作コストを抑制することができる場合がある。
【００５０】
図５に示す平板シリンダ３０は、第１平板シリンダ３１と、第１平板シリンダ３１に対して平行に配置される第２平板シリンダ３２とを含む。そして、複数の平板磁極３４は、第１平板シリンダ３１と第２平板シリンダ３２との間に位置し、第１平板シリンダ３１及び第２平板シリンダ３２の両方の磁性流体に磁力を作用させるための磁極として機能するように構成された共通平板磁極３５を含む。第１平板シリンダ３１及び第２平板シリンダ３２は、それぞれ、低圧バルブ２６ａ、２６ｂを介して低圧ライン２２に連通し、第１平板シリンダ３１及び第２平板シリンダ３２は、それぞれ、高圧バルブ２８ａ、２８ｂを介して高圧ライン２４に連通する。
この場合、１対の平板磁極に挟まれた平板シリンダの組を複数並べる構成に比べ、２つの平板シリンダ（３１，３２）で１つの共通平板磁極３５を共通で用いるため、少ない個数の磁極で複数のシリンダを含む圧縮機を構成することができる。このため、流体ピストン圧縮機１の小型化につながる。
なお、第１平板シリンダ３１と第２平板シリンダ３２とは、共通のバッファタンク１２に連通し、第１平板シリンダ３１の作動室８ａと第２平板シリンダ３２の作動室８ｂとは、共通のバッファタンク１２の気相部１３と連通される。このため、バッファタンク１２内の磁性流体の貯留量を調整することにより、第１平板シリンダ３１及び第２平板シリンダ３２内の磁性流体の液位を調整することができる。
【００５１】
なお、第１平板シリンダ３１により形成される作動室８ａと、第２平板シリンダ３２により形成される作動室８ｂは、それぞれ、低圧バルブ２６ａ及び２６ｂを介して同一の低圧ライン２２と連通可能に構成されてもよく、高圧バルブ２８ａ及び２８ｂを介して同一の高圧ライン２４と連通可能に構成されていてもよい。
【００５２】
図６に示すシリンダ２は、鉛直方向に沿って延在する円筒シリンダ４０を含み、電磁石５は、円筒シリンダ４０の外周の片側を覆う第１曲面磁極４２と、少なくとも一つの円筒シリンダ４０の外周の反対側を覆う第２曲面磁極４４と、を含む。
この場合、円筒形のシリンダを用いるので、平板シリンダに比べて強度が高く、シリンダ内圧力を高くしても耐えうるので、より高い圧縮比を得ることが可能となる。
【００５３】
なお、第１曲面磁極４２と第２曲面磁極４４とが接触しないように、第１曲面磁極４２と第２曲面磁極４４との間には、非磁性体材料により構成される分離壁５２が形成されてもよい。
【００５４】
幾つかの実施形態では、図７に示すように、円筒シリンダ４０の内周側に設けられる円筒状の中継ヨーク４６をさらに備える。
この場合、円筒シリンダ４０の内周側に、磁性流体よりも透磁率の高い中継ヨーク４６が設けられるので、円筒シリンダ４０の半径方向の磁束線の偏り（半径方向に対する磁束線のずれ）が小さくなるため、より安定的に磁力（磁気吸引力）を発生させることができる。
【００５５】
なお、本実施形態では、円筒シリンダ４０は、第１曲面磁極４２と、第２曲面磁極４４と、円筒状の中継ヨーク４６とで囲まれた領域に存在するチューブ状のシリンダである。
【００５６】
幾つかの実施形態では、図９に示すように、シリンダ２は、複数の円筒シリンダ４０（４０ａ〜４０ｅ）を含み、電磁石５は、複数の円筒シリンダ４０（４０ａ〜４０ｅ）の外周の片側を覆う第１曲面磁極４２と、複数の円筒シリンダ４０（４０ａ〜４０ｅ）の外周の反対側を覆う第２曲面磁極４４と、を含む。また、複数の円筒シリンダ４０（４０ａ〜４０ｅ）の内周側には、それぞれ中継ヨーク４６（４６ａ〜４６ｅ）が設けられる。
この場合、シリンダ２は複数の円筒シリンダ４０（４０ａ〜４０ｅ）を含むので、流体ピストン圧縮機１全体としてシリンダ容量を増加できる。
【００５７】
幾つかの実施形態では、図８に示すように、シリンダ２は、鉛直方向に沿って延在する円筒シリンダ４０を含み、電磁石５は、円筒シリンダ４０の各々の外周を取り囲む包囲磁極４８と、円筒シリンダ４０の内周側に設けられて包囲磁極４８とは異なる極を有する円筒磁極５０と、を含む。
この場合、磁束線を形成するための一対の磁極は、円筒シリンダ４０の外周を取り囲む包囲磁極と、円筒シリンダ４０の内周側に設けられた円筒磁極５０であるので、円筒シリンダ４０の半径方向に沿った対称性のある磁束分布を得ることができる。これにより、安定的に磁力（磁気吸引力）を発生させることができる。
【００５８】
なお、本実施形態では、円筒シリンダ４０は、包囲磁極４８と円筒磁極５０とで囲まれた領域に存在するチューブ状のシリンダである。
【００５９】
幾つかの実施形態では、図１０に示すように、シリンダ２は、鉛直方向に沿って延在する複数の円筒シリンダ４０（４０ａ〜４０ｅ）を含み、電磁石５は、複数の円筒シリンダ４０（４０ａ〜４０ｅ）の各々の外周を取り囲む包囲磁極４８と、複数の円筒シリンダ４０（４０ａ〜４０ｅ）の内周側に設けられて包囲磁極４８とは異なる極を有する円筒磁極５０（５０ａ〜５０ｅ）と、を含む。
この場合、シリンダ２は複数の円筒シリンダ４０（４０ａ〜４０ｅ）を含むので、流体ピストン圧縮機１全体としてシリンダ容量を増加できる。
【００６０】
図１１は、一実施形態に係る圧縮装置を示す図である。
図１１に示す圧縮装置１００は、作動流体を圧縮させるための第１圧縮機１０１と、第１圧縮機１０１で圧縮された作動流体をさらに圧縮するための第２圧縮機２０１と、を備える。第１圧縮機１０１及び前記第２圧縮機２０１は、それぞれ、上述した流体ピストン圧縮機１であって、第１圧縮機１０１は低圧ライン１２２及び高圧ライン１２４を備え、第２圧縮機２０１は、低圧ライン２２２及び高圧ライン２２４を備える。
そして、第１圧縮機１０１で圧縮された作動流体は、第１圧縮機１０１の高圧ライン１２４と、第２圧縮機２０１の低圧ライン２２２をと通って第２圧縮機２０１の作動室２０８に導かれるように構成される。
【００６１】
上記圧縮装置１００によれば、第１圧縮機１０１で圧縮された作動流体を第２圧縮機２０１でさらに圧縮するので、より大きな圧力比を得ることができる。
この場合、バッファタンク１１２，２１２は、第１圧縮機１０１及び第２圧縮機２０１の低圧ライン１２２，２２２とそれぞれ等圧に維持されるようにするため、各圧縮機ごとに設けられる。
なお、第１圧縮機１０１及び第２圧縮機２０１の他の構成要素については、上述した実施形態と同様であるので説明を省略する。
【符号の説明】
【００６２】
１            流体ピストン圧縮機
２            シリンダ
４            流体ピストン
５            電磁石
６            磁極
７            ヨーク
８            作動室
１０            励磁電流制御部
１１            励磁コイル
１２            バッファタンク
１３            気相部
１４            等圧管
１６            補充ポート
１８            弁
２２            低圧ライン
２４            高圧ライン
２６            低圧バルブ
２８            高圧バルブ
３０            平板シリンダ
３１            第１平板シリンダ
３２            第２平板シリンダ
３４            平板磁極
３５            共通平板磁極
３８            リブ
４０            円筒シリンダ
４２            第１曲面磁極
４４            第２曲面磁極
４６            中継ヨーク
４８            包囲磁極
５０            円筒磁極
５２            分離壁
１００          圧縮装置
１１０          上端部
１２０          下端部
【図１】
2015145653.tif 000003
【図２】
2015145653.tif 000004
【図３】
2015145653.tif 000005
【図４】
2015145653.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2015145653.tif 000009
【図８】
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【図９】
2015145653.tif 000011
【図１０】
2015145653.tif 000012
【図１１】
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