(57)【要約】  本発明は、静圧気体軸受配置を伴うリニア圧縮機の気体に対して発生する効率損失を最小限に抑えることのできるピストン（１）・シリンダ（２）アセンブリに関する。したがって、ピストン（１）・シリンダ（２）アセンブリ間の間隔は、ピストン（１）がヘッド（３）に近い場合すなわち冷却プロセスにおいて利用されないより高い気体密度が存在する場合に、ピストン（１）の上部部分における周囲クリアランス（１２）を低減させるように設計される。ピストン（１）・シリンダ（２）アセンブリは、周囲クリアランス（１２）の寸法が周囲クリアランス（１２）内に存在する気体の密度に反比例して変動するような幾何学的関係を有していなければならない。
2014533789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン・シリンダアセンブリであって、
ピストン（１）が、シリンダ（２）の内部に変位可能な形で位置づけされており、
ピストンが、上死点（ＴＤＣ・ＰＭＳ）と下死点（ＢＤＣ・ＰＭＩ）の間を移動し、
シリンダ（２）の内側壁とピストン（１）の外側壁の間には、静圧気体軸受配置（１）のための周囲クリアランス（１２）が存在する、ピストン・シリンダアセンブリにおいて、
ピストン（１）がその上死点（ＴＤＣ・ＰＭＳ）にある場合、ピストン（１）の上部部分には最小の周囲クリアランスが存在することを特徴とするアセンブリ。
【請求項２】
周囲クリアランス（１２）が下死点（ＢＤＣ・ＰＭＩ）から上死点（ＴＤＣ・ＰＭＳ）まで可変的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。
【請求項３】
ピストン（１）上部の上部部分に近づけば近づくほど、周囲クリアランス（１２）は小さくなることを特徴とする請求項１および２に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項４】
ピストン（１）が可変的横断面を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項５】
シリンダ（１）が可変的横断面を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項６】
ピストン（１）の上部部分がピストン（１）の残りの部分よりも大きい寸法を有することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項７】
シリンダ（２）の上部部分がシリンダ（２）の残りの部分よりも小さい寸法を有することを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項８】
ピストン（１）が円錐形であることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項９】
ピストン（１）が円弧形状を有することを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項１０】
シリンダ（２）が錐台タイプの幾何形状を有することを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項１１】
シリンダ（２）が円弧形状を有することを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリを含むことを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項１３】
リニア圧縮機のためのピストン・シリンダアセンブリであって、
ピストン（１）がシリンダ（２）内に変位可能な形で位置づけされており、
ピストン（１）が高圧部分（Ｐｄ）と低圧部分（Ｐｓ）の間を移動し、
高圧部分（Ｐｄ）が低圧部分（Ｐｓ）よりも高い気体密度を有し、
気体を用いた静圧気体軸受配置（１）のためにシリンダの内側壁とピストン（１）の外側壁の間に周囲クリアランス（１２）が画定されているピストン・シリンダアセンブリにおいて、
周囲クリアランス（１２）の寸法が、周囲クリアランス（１２）内の気体密度に反比例する形で変動することを特徴とするピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項１４】
ピストン（１）が可変的横断面を有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。
【請求項１５】
シリンダ（１）が可変的横断面を有することを特徴とする請求項１３又は１４に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項１６】
ピストン（１）の上部部分がピストン（１）の残りの部分よりも大きい寸法を有することを特徴とする請求項１３〜１５の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項１７】
シリンダ（２）の上部部分がシリンダ（２）の残りの部分よりも小さい寸法を有することを特徴とする請求項１３〜１６の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項１８】
ピストン（１）が円錐形であることを特徴とする請求項１３〜１７の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項１９】
ピストン（１）が円弧形状を有することを特徴とする請求項１３〜１８の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項２０】
シリンダ（２）が円錐形であることを特徴とする請求項１３〜１９の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項２１】
シリンダ（２）が円弧形状を有することを特徴とする請求項１１〜２０の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項２２】
請求項１３〜２１の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリを含むことを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項２３】
ピストン・シリンダアセンブリであって、
ピストン（１）がシリンダ（２）内で変位可能な形に位置づけされており、
ピストン（１）が上死点（ＴＤＣ・ＰＭＳ）と下死点（ＢＤＣ・ＰＭＩ）の間を移動し、
シリンダ（２）の内側壁とピストン（１）の外側壁の間には、ピストン（１）の静圧気体軸受配置のための周囲クリアランス（１２）が存在するピストン・シリンダアセンブリにおいて、
ピストン（１）がその上死点（ＴＤＣ・ＰＭＳ）にある場合に周囲クリアランスが最小であり、ピストン（１）の上部部分に近くなればなるほど周囲クリアランス（１２）はより小さくなることを特徴とするピストン・シリンダアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静圧気体軸受配置を伴う冷却用リニア圧縮機のピストン・シリンダアセンブリ、より詳細には損失を最小限におさえるためのアセンブリの寸法関係に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、冷却回路の基本構造には４つの構成要素すなわち圧縮機、凝縮器、膨張装置および蒸発器が含まれる。これらの要素は、内部環境の温度低下を可能にし、媒体から熱を除去し、それを前記要素を通して外部環境へと変位させるために流体が中を循環する冷却回路を特徴とするものである。
【０００３】
冷却回路内を循環する流体は、一般に、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器そして再び圧縮機という閉回路を特徴とする通過順序をたどる。循環中、流体は、気体状態または液体状態のいずれかにあってよい流体の状態の改変の原因である圧力および温度の変動を受ける。
【０００４】
冷却回路内で、圧縮機は冷却システムの心臓のように作用し、システムの構成要素に沿って冷却液流を作り出す。圧縮機は、内部圧を上昇させることで冷却液の温度を上昇させ、回路内のこの流体の循環を強制的に行なう。
【０００５】
こうして、冷却回路内の圧縮機の重要性は否定しようのないことである。冷却システムに応用される圧縮機のタイプはさまざまであるが、本発明の分野では、リニア圧縮機のみに焦点をあてることになる。
【０００６】
ピストンとシリンダの間の相対運動に起因して、ピストンに軸受配置を具備する必要がある。この軸受配置は、ピストンの外径とシリンダの内径の間のクリアランス内に流体が存在し、これらの間の接触およびその帰結としてのピストンおよび／またはシリンダの早期摩耗を防止することからなる。前記２つの構成要素の間の流体の存在は同様に、それらの間の摩擦を減少させ、こうして圧縮機の機械的損失を低減させることにも役立つ。
【０００７】
ピストンに軸受配置を具備する方法の１つは、静圧気体軸受を用いる方法であり、これは本質的にピストンとシリンダの間に気体軸受配置を作り上げてこれら２つの構成要素の間の摩耗を防止することからなる。このタイプの軸受配置を使用する理由の１つは、他のいかなる油よりも低い粘性摩擦係数を有し、こうして静圧気体軸受システム内で使用されるエネルギーを油潤滑のものよりもはるかに少なくすることに寄与し、こうして圧縮機の出力の改善が達成されるという事実によってその正当性が立証されている。潤滑流体として冷却用気体そのものを使用する結果得られる１つの利点は、油圧送システムの不在にある。
【０００８】
図１および２を見ると、気体圧縮機がシリンダの内部でのピストンの軸方向揺動運動を通して行なわれることがわかる。シリンダの上部には、ピストンおよびシリンダと併せて圧縮チャンバを形成するヘッドがある。ヘッドには、排気および吸気弁が位置づけされており、これらがシリンダ内への気体の出入りを調節する。この場合、ピストンは、圧縮機のリニアモータに接続された状態にとどまるアクチュエータによって起動させられる。
【０００９】
リニアモータによって起動される圧縮機ピストンは、線形交互運動を発生させ、シリンダ内部のピストン運動によって、排気弁を通して高圧側に排出される位置になるまで、吸気弁により吸入された気体の圧縮作用が及ぼされるようにするという機能を有する。
【００１０】
静圧気体軸受配置を適正に機能させるためには、シリンダが外部的に関与する高圧領域とピストンとシリンダ間のクリアランスとの間に流量絞り弁を使用することが必要である。この制限は、軸受配置領域内の圧力を制御し、気体流を制限するのに役立つ。
【００１１】
考えられるさまざまな解決法の中でも、ピストンの静圧気体軸受配置を提供するために冷却回路の気体そのものを使用するのが通例である。このようにして、軸受配置内で使用される気体は全て、それが冷却システムの蒸発器内で冷気を生成することというその本来の機能から逸らされることから、圧縮機の効率の損失を表わす。したがって、軸受配置内で使用される気体流量が可能なかぎり低いことが、圧縮機効率を損なわないために望ましい。
【００１２】
冷却用圧縮機の作動効率を高くするためには、このタイプの機器の全ての特徴的損失、例えば機械的損失（構成要素間の摩擦）、電気的損失（寄生電流の出現、モータ電流の通過に対する抵抗）または熱力学的損失（漏損、望ましくない熱の流れ）などを可能なかぎり低く保たなければならない。気体圧縮に関しては、圧縮機の効率を高くするためには、気体に対して実施される全ての仕事が冷却システム内で使用される必要がある。このため、気体の圧縮後の損失をひき起こすあらゆるタイプの漏損または現象が望ましくない。
【００１３】
いずれにせよ、軸受配置を提供するためには、シリンダ壁とピストン壁の間には気体が存在しなければならないことから、漏損はつねに存在する。ただし、効率上の論理によれば、圧縮機の効率に著しく影響を及ぼさないように気体漏損を可能なかぎり低く保つことが求められる。
【００１４】
圧縮機内の主たる漏損源は、排気弁および吸気弁ならびにピストンとシリンダの間のクリアランスである。ピストンとシリンダの間のクリアランスを以下周囲クリアランスと呼ぶ。
【００１５】
圧縮機効率の低下をひき起こす現象をより良く理解するために、ピストン上部とシリンダヘッドの間の領域は圧縮チャンバと呼ばれ、そこに気体上の高い圧力が発生する場所が存在する。ピストン底部とヘッドの反対側のシリンダ部分との間にある領域は低圧領域と呼ばれる。
【００１６】
静圧気体軸受配置を使用するリニア圧縮機においては、気体の損失に関係する２つの現象が発生し、これらの現象が、本技術を理解するための観察対象となる。
【００１７】
（漏損）
漏損という現象は、周囲クリアランスを通って高圧領域（ピストン上部より上）と低圧領域（ピストン底部より下）の間で循環する気体の量によって定義される。この漏損現象は、ピストンが圧縮段階にある時、すなわちヘッドに向かって移動しているときにつねに発生する。このピストン運動が起こった場合、気体は、周囲クリアランスを通り、クリアランスの長さ（Ｃｆ）全体にわたり排気圧力（Ｐｄ）まで圧縮され、圧縮チャンバの反対側にある吸気圧力領域（Ｐｓ）に到達する。この気体は、冷気を生成するという主要な役目を果たすために圧縮機から冷却システム内に出て行くことはないという点を指摘しておかなければならない。
【００１８】
（不可逆性）
熱力学にとって不可逆性とは、あらゆる現実のプロセスにおける特性であり、それらの源は散逸プロセスである。静圧気体軸受配置が具備されたシステムは、シリンダとピストンの間のクリアランス内に気体のごく一部が存在することによってひき起こされる圧縮における不可逆性現象の影響を受ける。不可逆性は、気体のごく一部が周囲クリアランスに流入したまたはそこから流出した結果としてのエネルギーの損失であるものとして理解することができる。
【００１９】
軸受配置が具備されたリニア圧縮機の技術を考慮すると、負荷損失につねに、不可避的にエネルギーを消費する気体の流れに結びつけられ、圧縮機はこの不可逆性現象によるマイナスの影響を受ける。
【００２０】
（問題点）
漏損および不可逆性現象の反動をより良く理解するため、図５は、ピストンとシリンダ間のクリアランスの関数としての前記２つの効果によって消費される出力に関する実験結果を示している。不可逆性および漏損に起因する損失が同時に発生するという点を指摘しておかなければならない。
【００２１】
およそ５μｍというピストンとシリンダ間の寸法変動がおよそ２Ｗ〜１０Ｗの出力損失をもたらすこと、すなわちピストン・シリンダアセンブリ内のクリアランスが大きくなればなるほど付随する動力損失は大きくなることから、図５中のグラフは効力損失の重大さについていかなる疑いも残さない。
【００２２】
したがって、静圧気体軸受配置が具備されたリニア圧縮機の技術に、周囲クリアランスに起因するエネルギー効率損失の増大を抑制する解決法が必要とされていることは、疑いのない事実である。
【００２３】
こうして、現在のところ、軸受配置をピストンに具備するために冷却気体が使用されていることに起因して、効率損失を有効に削減することのできる静圧気体軸受配置が具備されたリニア圧縮機は全く存在しない。換言すると、本発明は、特定の周囲クリアランスを削減することならびに、エンドユーザーにとってのそしてより優れたエネルギー効率の結果により環境にとってのメリットも保証する生産的な実施が容易である解決法を提供することによって、軸受配置を提供する上での効率損失を抑制するように設計された幾何学的および寸法上の関係を達成しようとするものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
したがって、本発明の目的は、静圧気体軸受配置が具備されたリニア圧縮機の気体に起因する効率損失を最小限に抑えることにある。
【００２５】
本発明の目的は、ピストン・シリンダアセンブリ間に間隔を提供して、冷却プロセス内で使用されないより高い気体密度が存在するクリアランスを削減させることにもある。
【００２６】
本発明のさらなる目的は、静圧気体軸受配置が具備されたリニア圧縮機の最大効率を保証するためのピストン・シリンダアセンブリ内の寸法関係および形状の関係を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明の目的は、ピストン・シリンダアセンブリにおいて、ピストンが、シリンダ内で変位可能な形で位置づけされており、ピストンが、上死点と下死点の間を移動し、シリンダの内側壁とピストンの外側壁の間には、ピストンに静圧気体軸受配置を具備するための周囲クリアランスが存在する、アセンブリであって、
ピストンがその上死点にある場合ピストンの上部部分内で最小の周囲クリアランスが発生するピストン・シリンダアセンブリならびに、上述のピストン・シリンダアセンブリを含むリニア圧縮機を用いて達成される。
【００２８】
本発明の目的は、リニア圧縮機のためのピストン・シリンダアセンブリにおいて、ピストンがシリンダ内に変位可能な形で位置づけされており、ピストンが高圧部分と低圧部分の間を移動し、高圧部分が低圧部分よりも高い気体密度を有し、気体を用いた静圧気体軸受配置を伴うピストンを提供するためにシリンダの内側壁とピストンの外側壁の間に周囲クリアランスが画定されているアセンブリであって、周囲クリアランスの寸法が、周囲クリアランス内の気体密度に反比例する形で変動するピストン・シリンダアセンブリを用いて達成される。
【００２９】
本発明についてここで、図面に表わされた実施例を参照しながらさらに詳細に記述する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】先行技術の静圧気体軸受配置が具備されたリニア圧縮機の断面図である。
【図２】気体の圧力を示す先行技術の静圧気体軸受配置が具備されたリニア圧縮機の断面図である。
【図３】瞬間ｉ）における気体圧力を示す先行技術の静圧気体軸受配置が具備されたリニア圧縮機の断面図である。
【図４】瞬間ｉｉ）における気体圧力を示す先行技術の静圧気体軸受配置が具備されたリニア圧縮機の断面図である。
【図５】シリンダとピストンの間のクリアランスに起因する出力損失のグラフである。
【図６】圧力、位置および時間の関数としてのピストン・シリンダのクリアランス内の圧力プロファイルのグラフである。
【図７】ピストンの上部および下部領域におけるピストン・シリンダのクリアランス内の気体−質量流量のグラフである。
【図８】ピストンの上部領域におけるピストン・シリンダのクリアランス内の気体−質量流量のグラフである。
【図９】ピストンの底部領域におけるピストン・シリンダのクリアランス内の気体−質量流量のグラフである。
【図１０】効率の良い解決法を表わすピストン・シリンダアセンブリの断面図である。
【図１１】本発明のピストン・シリンダアセンブリの考えられる実施形態の断面図である。
【図１２】本発明のピストン・シリンダアセンブリの考えられる実施形態の断面図である。
【図１３】本発明のピストン・シリンダアセンブリの考えられる実施形態の断面図である。
【図１４】本発明のピストン・シリンダアセンブリの考えられる実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明は、静圧気体軸受配置を伴うリニア圧縮機のピストン・シリンダアセンブリのエネルギー効率および生産プロセスの両方における技術的進歩を提案するものである。
【００３２】
冷却回路の機能原理によると、図１に示されているように、好ましくは気体圧縮機は、シリンダ２内部でのピストン１の軸方向および揺動運動によって起こる。ヘッド３には、シリンダ２の内外への気体の出入りを調節する排気弁５および吸気弁６が位置づけされている。さらに、ピストン１は、リニア圧縮機モータに接続されたアクチュエータ７によって起動させられるが、これについては、本明細書でさらに説明しない。
【００３３】
圧縮機のピストン１は、リニアモータにより起動させられた時点で、線形交互運動を起こし、吸気弁６が取込む気体を排気弁５を通して高圧側に排気できる程度まで圧縮させるピストン１の運動をシリンダ２の内部で提供するという機能を有する。
【００３４】
シリンダ２はブロック８および、圧縮機をシステムの残りの部分に連結する排気パッサー（passer）１０および吸気パッサー１１を伴うカバー９の内部に取付けられている。
【００３５】
前述の通り、ピストン１とシリンダ２の間の相対運動には、運動中これらを分離する目的でピストン１の軸受配置が必要とされ、これは、２つの壁の間の周囲クリアランス１２内に流体が存在することで構成される。潤滑流体として気体そのものを使用することの利点は、油圧送システムが無くなることにある。
【００３６】
好ましくは、軸受配置のために使用される気体は、圧縮機により圧送され冷却システム内で求められる気体そのものであってよい。この場合、気体は、圧縮後に排気チャンバ１３から、溝路１４を通ってカバー９からシリンダ２のまわりの加圧領域１５に至るまで迂回させられ、ここで加圧領域１５は、シリンダ２の外径とブロック８の内径によって形成される。
【００３７】
加圧領域１５から、気体は、シリンダ壁２内に挿入された絞り弁１６、１７、１８、１９を通って、ピストン１とシリンダ２の間に存在する周囲クリアランス１２に向かって移行し、ピストン１とシリンダ２の間の接触を防止する気体クッションを形成する。
【００３８】
加圧領域１５と周囲クリアランス１２の間の気体流を制限するためには、絞り弁１６、１７、１８、１９を使用する必要がある。気体の主たる機能が冷却システムに送られ冷気を生成することにあるため、軸受配置内で使用される気体全体は圧縮機の効率損失に相当することから、この制限は軸受配置領域内の圧力を制御し気体流を制限するのに役立つ。したがって、軸受配置に迂回された気体は、圧縮機の効率を損わないように可能なかぎり少量でなければならないという点を指摘しておくべきである。
【００３９】
シリンダ２内部のピストン１の平衡を維持するために、シリンダ２の所与の区分内に好ましくは少なくとも３つの絞り弁１６、１７、１８、１９が必要であり、シリンダ２上には、絞り弁１６、１７、１８、１９の少なくとも２つの領域が必要である。絞り弁は、ピストン１が揺動運動にある場合でも、絞り弁１６、１７、１８、１９の網羅域を外れることが決してない、すなわちピストンが絞り弁１６、１７、１８、１９の活動部域から外に出ることがないような位置になければならない。
【００４０】
図２は、シリンダ・ピストン１のアセンブリの内部に存在する表現に関する情報を提示している。図２の瞬間は、ピストン１がもたらす気体圧縮運動に対応している。この瞬間には、ピストン１の反対側の領域に存在する圧力よりもはるかに高い気体排気圧力が存在している。
【００４１】
圧縮機の効率低下をひき起こす現象をより良く理解するため、ピストン１の上部とシリンダヘッド３の間の領域を、高圧領域と呼ぶ。ピストンシリンダヘッド３は、低圧領域と呼ばれる。
【００４２】
同様に、ピストン１の上部がシリンダヘッド３に最も近い点にある場合、これを上死点（ＴＤＥ・ＰＭＳ）と呼び、ピストン１の上部がシリンダヘッド３から最も遠い点にある場合、これを（ＬＤＥ・ＰＭＩ）と呼ぶ。したがって、ピストン１は、上死点（ＴＤＥ・ＰＭＳ）と下死点（ＬＤＥ・ＰＭＩ）の間で線形運動を行う。
【００４３】
当然のことながら、圧縮時の気体圧力は高圧領域においてより高いものである。この気体は、ピストンの直径（Ｐｄ・Ｄｐ）とシリンダの直径（Ｃｄ・Ｄｃ）の間の差によって画定される周囲クリアランス１２まで流れ、この場合ピストン１の長さに対応するクリアランス（Ｃｆ）の全長を進む。本発明をより長く定義するために、周囲クリアランス１２内に存在する表現に関しては、周囲クリアランス１２の上部および周囲クリアランス１２の底部がクリアランス（Ｃｆ）全体を通して変動することを理解すべきである。
【００４４】
すでに実証した通り、ピストン１とシリンダ２の間のクリアランスのサイズは、極めて高い関係性で圧縮機の効率損失をひき起こす。より優れた解決法を入手するためには、漏損および不可逆性という要因のいずれが効率損失に対しより大きい影響力をもつかを検出しなければならない。そのためには、理論モデルを使用する。
【００４５】
いずれにせよ、シミュレーションの結果について説明する前に、気体の挙動についてのいくつかの特性についてコメントする必要がある。したがって、冷却器の熱交換は、気体質量中で、体積および圧力がその絶対温度に正比例し、かつ、互いに反比例することを実証する「完全気体の一般方程式」に基づいている。
【００４６】
さらに、周囲クリアランス１２によって確立される気体流に関するいくつかの特性を総合することが必要である。すなわち、
・あらゆる流体についてあてはまるように、クリアランス内の気体流は負荷損失を示す。
・気体は圧縮性流体であり、したがって、負荷損失により気体圧力はクリアランス全体で変動させられることになり、その結果、その密度も変動する。
・ピストンの長さ全体にわたる周囲クリアランス１２内の圧力プロファイル、ひいては気体密度は、圧縮サイクルの瞬間に応じて異なる形態をとる。
【００４７】
記述された特性に応じて、理論モデルを算定するために２つの異なる瞬間が考慮された。瞬間１は図３に対応し、ピストンがその上死点にある場合に発生する。同様に、瞬間２は図４に対応し、ピストン１がその吸気運動の始めにある場合に発生する。
【００４８】
図６は、シリンダ２との関係におけるピストン１の圧力、位置および時間の一関数としての周囲クリアランス内の圧力プロファイルを示す。このグラフは、ピストン１の揺動運動サイクルがＸ軸に対応することを示しており、１５０ｍｓ前後に瞬間１および２、点線（標示ｉ１およびｉ２を参照）を識別することができる。Ｙ軸における変動の増加は、ピストン１とシリンダ２とのクリアランスに沿った位置に対応する。最後に、圧力上昇は、Ｚ軸における増加に対応する。このグラフから、以下のことを考慮することができる。
ｉ）瞬間１（ｉ１）において、ピストン１全体にわたる圧力プロファイルおよびピストン１の基部領域における最小値。換言すると、底部における圧力は、ピストン１の上部における圧力の如何に関わらず、つねに最小である。
ｉｉ）瞬間２（ｉ２）において、周囲クリアランス１２全体にわたる圧力プロファイル（点線）は、周囲クリアランス１２の中央領域でその最大値を有し、底部に最小圧力があり、周囲クリアランス１２の上部に中間圧力がある。
【００４９】
ピストン１とシリンダ２の間の周囲クリアランス１２を通る気体質量流量は、各々の時点で、図６に示された圧力プロファイルおよびクリアランス１２全体を通した気体密度にしたがって挙動する。図７の図表は、ピストン１の揺動と等価の時間全体にわたるピストン１の底部および上部領域内の質量流量を示し、図６のグラフ中ですでに言及した瞬間１および２（ｉ１およびｉ２）も同様に示している。
【００５０】
図７のグラフは、圧縮チャンバ４から外に出る流量が、負の質量流量すなわちピストン１の上部領域（ＴＰ）または底部領域（ＢＰ）内の負の質量流量に対応することを示している。正の流量は、圧縮チャンバ４に戻る気体を表わしている。
【００５１】
さらに大部分の時間中、ピストン１の上部における質量流量が底部における質量流量と異なっているということを指摘することができる。さらに、周囲クリアランス１２の底部領域から恒常的な気体の漏損が存在すること（負の値の点線）、さらにはその質量流量がピストン１の揺動全体を通してわずかに変動することも指摘することができる。
【００５２】
ピストン１の上部領域における周囲クリアランス１２内の質量流量に対応する実線は、気体が圧縮チャンバ４から出て、一定の時間、周囲クリアランス１２の中に進むことを示している（負の質量流量−横座標軸の下の実線）。
【００５３】
さらに、吸気動作の始めにおいて、周囲クリアランス１２内に残留していた気体は、圧縮チャンバ４に戻される。吸気弁６を通って圧縮チャンバ４内に進む吸気圧力（Ｐｓ）とは反対方向のこのような圧力は、圧縮チャンバ４内への気体の進入を損ない、こうして圧縮機の出力と干渉する。
【００５４】
それぞれ瞬間１（ｉ１）および２（ｉ２）に対応する図３および４を図６および７のグラフに照らして注意深く検討すると、瞬間１（ｉ１）においてピストンが上死点（ＰＭＳ）にあり、ここで圧縮チャンバ４から出てピストン１の上部領域内で周囲クリアランス１２内に進む最大の質量流量（２．８Ｅ−１０（２．８×１０−１０）ｋｇ／ｓ）が存在し、ピストン１の底部領域を通る漏損が０．０４Ｅ−１０（０．０４×１０−１０）ｋｇ／ｓであることがわかる。
【００５５】
瞬間２について、約１．２Ｅ−１０（１．２×１０−１０）ｋｇ／ｓの最大流量は、周囲クリアランス１２の上部領域内での圧縮チャンバ４への気体の戻りの中で発生する。同じ瞬間において、底部を通る漏損はおよそ０．０９４Ｅ−１０（０．０９４×１０−１０）ｋｇ／ｓである。
【００５６】
換言すると、両方の瞬間１および２について、高密度を有する気体質量流量（ＧＡＤ）は、周囲クリアランス１２の上部領域内で発生し、低密度の気体流量（ＧＢＤ）は、周囲クリアランス１２の底部領域内で発生する。
【００５７】
図８および９の図表は、図７の図表が表わすものと同じ曲線を別個に示している。ピストンの上部領域内の質量流量を表わす図８を観察することにより、周囲クリアランス１２内に進む圧縮機サイクル一回あたりの気体質量が、質量流量曲線の負の部分と横座標軸（ＸＸ軸）の間の面積と等価であることが結論づけられる。同様に、さらに図８については、直径クリアランス１２の上部を通って圧縮チャンバ４に戻る気体質量は、横座標軸の上に表わされたグラフの部分と等価である。
【００５８】
質量のこれら２つの量の差、またはグラフ上図８の横座標軸の上下の面積間の差は、ピストン１の底部を通る気体の漏損と等価の気体質量に対応し、後者は、それ自体図９内でグラフの黒くなった面積によって表わされている。
【００５９】
したがって、ピストン１とシリンダ２の間の周囲クリアランス１２内に進む全ての気体のうち、漏損の形で底部領域を通って漏出するのはわずかでしかないと結論づけることができる。気体の最大の部分は、周囲クリアランス１２と圧縮チャンバ４の間で変位する。
【００６０】
したがって図５に示されているピストン１とシリンダ２の間に存在する周囲クリアランス１２のために失なわれる出力の最大部分は、漏損効果に由来するものではなく、不可逆性効果に由来する。
【００６１】
最大の気体密度は、ピストンがヘッド３に最も近いところにある場合に、この領域内の高い圧力が気体をさらに小さい体積へと圧縮できるという事実に起因して、ピストン１の上部領域内で発生する。
【００６２】
圧縮の最大の効率損失の原因であるピストン１・シリンダ２のアセンブリの領域を識別することに基づき、本発明の焦点である高エネルギー効率の解決法を達成することが可能である。
【００６３】
ピストン１とシリンダ２の間のクリアランスによってひき起こされる不可逆性効果を削減する方法は、クリアランスを可能なかぎり小さく保って、圧縮段階中に周囲クリアランス１２内で高圧気体の蓄積に活用される体積をさらに小さくすることによるものである。このようにして、圧縮チャンバ４と周囲クリアランス１２の間により小さい気体流量を確立することができる。
【００６４】
しかしながら、ピストン１とシリンダ２の間の周囲クリアランス１２の削減の限界は、ピストン１とシリンダ２を製造するのに使用される製造プロセス（機械加工プロセス）の圧力限界にある。
【００６５】
概して、ピストン１とシリンダ２の間の周囲クリアランスは、以下の通りであってよい。すなわち、ピストン１の外側表面およびシリンダ２の内側表面上の円筒度誤差が低くなればなるほど、クリアランスは小さくなる。現在のところ、冷却用圧縮機におけるこのクリアランスは、約数μｍである。
【００６６】
さらに、ピストン１およびシリンダ２などの部品について得られる円筒度誤差は、円筒形表面の長さすなわちピストン１とシリンダ２の長さによって左右されるということを指摘しておかなければならない。部品の長さが長くなればなるほど、それが示す円筒度誤差が大きくなるような関係がその間に確立される。こうして、周囲クリアランス１２を削減できるように円筒度誤差を減少させる１つの選択肢は、単にピストン１および／またはシリンダ２の長さを短縮することであるかもしれない。
【００６７】
図１０は、シリンダの円筒度誤差が大きいことに起因してピストン１の上部領域内に大きなクリアランスを有するピストン・シリンダアセンブリを示す。
【００６８】
しかしながら、ピストン１とシリンダ２の長さの減少は、潤滑油の代りに静圧気体軸受を使用する圧縮機には好適ではない。それは、静圧気体軸受がピストン１のために必要な支持を提供してピストン１・シリンダ２のアセンブリの間の接触を防ぐために、これらの圧縮機がより長いピストン１とシリンダ２を必要とするからである。そうでなければ、アセンブリは、早期摩耗そしてその結果としての効率損失を起こすと考えられる。
【００６９】
本発明が解決すべき問題点は、専ら静圧気体軸受を使用する圧縮機に向けたものである。一方では、先の段落で言及した問題が存在し、他方では、冷却用気体が中を流れる周囲クリアランス１２を有するのは静圧気体軸受を伴う圧縮機のみである。
【００７０】
シリンダ２内のピストン１の軸受配置および安定性の問題に起因して、円筒度誤差の削減を達成するためにピストン１とシリンダ２の長さを短縮することは不可能であったことから、より短かいピストン１またはシリンダ２の効果を達成できるようにする解決法が発見された。このような解決法は、ピストン・シリンダアセンブリの部品の１つの長さを削減する必要なくピストン１とシリンダ２の間の周囲クリアランス１２を削減させるという結果をもたらす。
【００７１】
理論モデルの結果によって実証されたものによれば、ピストン１の上部の近くすなわちピストン１の領域の近くで周囲クリアランス１の削減が実施されればされるほど、（周囲クリアランス１２に出入りする最大の気体−質量流量が発生するのがこの領域内であるために）、不可逆性の低減効果が大きくなり、なおさら、可能なかぎり最小の周囲クリアランス１２が必要かつ有益となる。
【００７２】
クリアランスの長さ（Ｃｆ）全体、あるいはピストン１の揺動運動の全サイクルに、周囲クリアランス１２を削減する必要はないが、むしろ、排気圧力に近い圧力が圧縮チャンバ４内で発生した時点、すなわちピストン１がヘッド３に近くなった時点でそれが必要となる。
【００７３】
この点において、周囲クリアランス１２の問題は、ピストン１の底部領域内よりもピストン１の上部領域内でより小さいクリアランスを使用することによって、解決することができる。
【００７４】
好ましくは（ただし義務的にではなく）、不可逆性についての本発明の解決法は、クリアランスが有効に削減されることになる特定の部分を作り出すために、変動する横断面を有する構成要素（ピストンおよび／またはシリンダ）を使用することによるものである。これらの領域は、構成要素そのものの長さよりもかなり短かく、このため、内部構成要素の円筒度誤差よりも低い円筒度誤差を示す。
【００７５】
したがって、専らこれらの領域において、ピストン１とシリンダ２の間のクリアランスを削減することが可能である。
【００７６】
図１１〜１４は、より優れた圧縮機効率を保証するピストン・シリンダアセンブリのいくつかの考えられる実施形態を示す。ピストン１は、底部の直径が比較的小さいことに起因して、ピストン・シリンダアセンブリの底部におけるクリアランスの増大そしてその帰結としてピストン１の上部クリアランスの削減を可能にする。
【００７７】
解決法の如何に関わらず、ピストン１の上部部分内のクリアランスはつねに、ピストン・シリンダアセンブリの他のいずれの領域内よりも小さい。さらに、ピストン１がヘッド３に最も近くなると、周囲クリアランスはより小さいものとなる。
【００７８】
図１１〜１４は、ピストン１の底部直径がその本体の残りの部分に比べて削減されている解決法を見い出すことが可能であることを示している（図１１）。ピストン・シリンダアセンブリの上部領域内で削減された周囲クリアランス１２を達成しながら、ピストン１とシリンダ２のより可変的な断面の１つを通して、同じ結果を達成することが可能である。
【００７９】
図１２および１３は、ピストン１がシリンダ２上部に近づくにつれて周囲クリアランス１２を削減することを目的として、要素ピストン１またはシリンダ２のうちの１つの上で２つの異なる断面を使用するピストン１・シリンダ２のアセンブリの考えられる幾何学的実施形態を示している。
【００８０】
図１２では、ピストン１は２つの異なる断面を示し、ピストン１の上部領域に隣接する断面は、ピストン１の下部部分に隣接する領域よりも大きい直径を有する。すなわち、ピストンの上部部分はピストン１の残りの部分よりも大きい寸法を有する。したがって、ピストン１は、その長手方向にわずかに弓なりに曲がっているシリンダ２の上部まで移動することから、直径クリアランス１２は、ピストン１がシリンダ２の上部に近くなった時点で最小限まで減少する。この長手方向にわずかに弓形になったシリンダ２の形状は、円弧上部形状と定義づけされてよい。
【００８１】
図１３は、図１２に類似した状況を示すが、今度は、異なる直径が備わった２つの断面を有するのはシリンダ２である。当然のことながら、より小さい直径クリアランス１２を保証するために、シリンダ２はシリンダ上部により近いところに位置設定された部分において断面が狭窄され（シリンダ２の上部部分は、シリンダ２の残りの部分よりも小さい寸法を有する）、これが最小限必要な直径クリアランス１２を提供する。
【００８２】
図１４は、これらの考えられる実施形態のうちの別の実施形態を示しており、これは錐台タイプの幾何形状を有するシリンダ２を用いて達成可能であり、ここで、より小さい直径の部分は、シリンダ２の上部領域内にあると考えられる。したがって、ピストン１の上部がシリンダ２の上部に近くなるにつれて、周囲クリアランス１２は削減される。
【００８３】
したがって、本発明の解決法は、周囲クリアランス１２内に存在する気体の密度に反比例して周囲クリアランス１２の寸法が変動する１つの関係が確保された場合に達成される。
【００８４】
好ましい実施例について記述してきたが、本発明の範囲は、他の考えられる変形形態を包含し、考えられる等価物を含む添付のクレームの内容によってのみ限定されるということを理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年11月7日(2013.11.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン・シリンダアセンブリであって、
ピストン（１）が、シリンダ（２）の内部に変位可能な形で位置づけされており、
ピストンが、上死点（ＴＤＣ・ＰＭＳ）と下死点（ＢＤＣ・ＰＭＩ）の間を移動し、
シリンダ（２）の内側壁とピストン（１）の外側壁の間には、静圧気体軸受配置（１）のための周囲クリアランス（１２）が存在する、ピストン・シリンダアセンブリにおいて、
ピストン（１）がその上死点（ＴＤＣ・ＰＭＳ）にある場合、ピストン（１）の上部部分には最小の周囲クリアランスが存在し、
クリアランス（１２）が、常に、ピストン（１）の上部部分において、ピストン・シリンダアセンブリの他のどの領域よりも小さいことを特徴とするアセンブリ。
【請求項２】
周囲クリアランス（１２）が下死点（ＢＤＣ・ＰＭＩ）から上死点（ＴＤＣ・ＰＭＳ）まで可変的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。
【請求項３】
ピストン（１）上部の上部部分に近づけば近づくほど、周囲クリアランス（１２）は小さくなることを特徴とする請求項１および２に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項４】
ピストン（１）が可変的横断面を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項５】
シリンダ（１）が可変的横断面を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項６】
ピストン（１）の上部部分がピストン（１）の残りの部分よりも大きい寸法を有することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項７】
シリンダ（２）の上部部分がシリンダ（２）の残りの部分よりも小さい寸法を有することを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項８】
ピストン（１）が円錐形であることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項９】
ピストン（１）が円弧形状を有することを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項１０】
シリンダ（２）が錐台タイプの幾何形状を有することを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項１１】
シリンダ（２）が円弧形状を有することを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリを含むことを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項１３】
リニア圧縮機のためのピストン・シリンダアセンブリであって、
ピストン（１）がシリンダ（２）内に変位可能な形で位置づけされており、
ピストン（１）が高圧部分（Ｐｄ）と低圧部分（Ｐｓ）の間を移動し、
高圧部分（Ｐｄ）が低圧部分（Ｐｓ）よりも高い気体密度を有し、
気体を用いた静圧気体軸受配置（１）のためにシリンダの内側壁とピストン（１）の外側壁の間に周囲クリアランス（１２）が画定されているピストン・シリンダアセンブリにおいて、
周囲クリアランス（１２）の寸法が、周囲クリアランス（１２）内の気体密度に反比例する形で変動することを特徴とするピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項１４】
ピストン（１）が可変的横断面を有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。
【請求項１５】
シリンダ（１）が可変的横断面を有することを特徴とする請求項１３又は１４に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項１６】
ピストン（１）の上部部分がピストン（１）の残りの部分よりも大きい寸法を有することを特徴とする請求項１３〜１５の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項１７】
シリンダ（２）の上部部分がシリンダ（２）の残りの部分よりも小さい寸法を有することを特徴とする請求項１３〜１６の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項１８】
ピストン（１）が円弧形状を有することを特徴とする請求項１３〜１８の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項１９】
シリンダ（２）が円錐形であることを特徴とする請求項１３〜１９の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項２０】
シリンダ（２）が円弧形状を有することを特徴とする請求項１１〜２０の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリ。
【請求項２１】
請求項１３〜２１の何れか一項に記載のピストン・シリンダアセンブリを含むことを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項２２】
ピストン・シリンダアセンブリであって、
ピストン（１）がシリンダ（２）内で変位可能な形に位置づけされており、
ピストン（１）が上死点（ＴＤＣ・ＰＭＳ）と下死点（ＢＤＣ・ＰＭＩ）の間を移動し、
シリンダ（２）の内側壁とピストン（１）の外側壁の間には、ピストン（１）の静圧気体軸受配置のための周囲クリアランス（１２）が存在するピストン・シリンダアセンブリにおいて、
ピストン（１）がその上死点（ＴＤＣ・ＰＭＳ）にある場合に最少である周囲クリアランス（１２）を画定し、変動する横断面をピストン・シリンダアセンブリが有しており、
ピストン（１）がヘッド（３）に最も近づいた場合、周囲クリアランス（１２）はより小さくなることを特徴とするピストン・シリンダアセンブリ。
【国際調査報告】
2014533789.tif 000017
2014533789.tif 000018
2014533789.tif 000019
2014533789.tif 000020
2014533789.tif 000021
2014533789.tif 000022