特許 7144016 ピストン圧縮機及びこのようなピストン圧縮機を使用する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-20

(45)【発行日】2022-09-29

(54)【発明の名称】ピストン圧縮機及びこのようなピストン圧縮機を使用する方法

(51)【国際特許分類】

   F04B 35/01 20060101AFI20220921BHJP

【ＦＩ】

F04B35/01 C

【請求項の数】 25

(21)【出願番号】P 2021533288

(86)(22)【出願日】2019-12-03

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-02-03

(86)【国際出願番号】 IB2019060400

(87)【国際公開番号】W WO2020128697

(87)【国際公開日】2020-06-25

【審査請求日】2021-06-23

(31)【優先権主張番号】2018/5896

(32)【優先日】2018-12-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】BE

(73)【特許権者】

【識別番号】593074329

【氏名又は名称】アトラス コプコ エアーパワー，ナームローゼ フェンノートシャップ

【氏名又は名称原語表記】ＡＴＬＡＳ ＣＯＰＣＯ ＡＩＲＰＯＷＥＲ，ｎａａｍｌｏｚｅ ｖｅｎｎｏｏｔｓｃｈａｐ

(73)【特許権者】

【識別番号】521251567

【氏名又は名称】ヴリジェ ユニヴェルシテイ ブリュッセル

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100144451

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 博子

(74)【代理人】

【識別番号】100170634

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 航介

(72)【発明者】

【氏名】フェレルスト ビョルン

(72)【発明者】

【氏名】ベッカーズ ジャール

【審査官】嘉村 泰光

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－０５９４７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表平０８－５０８５５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｂ ２５／００－３７／００

Ｆ０４Ｂ ４１／００－４１／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧縮チャンバー（１３）を有するハウジング（８）を備えた少なくとも１つのピストン圧縮機要素（３）を含むピストン圧縮機であって、ピストン（１０）が、回転モーター（６）によって駆動されるドライブシャフト（５）を用いて上死点と下死点との間で軸方向（Ｘ－Ｘ’）に前後に移動可能に配置され、前記ピストン（１０）の１次ドライブのために前記ドライブシャフト（５）と前記ピストン（１０）との間に運動学的トランスミッション（２０）が提供される、ピストン圧縮機において、
前記ピストン（１０）は、電磁リニアドライブの形での相補的ドライブ（２５）を備えている、ことを特徴とする、ピストン圧縮機。

【請求項2】

前記相補的ドライブ（２５）が、前記圧縮チャンバ（１３）の周り又はこれに沿って配置された１又は複数の電気コイル（２６）を有して、前記ピストン（１０）の直接電磁ドライブを含み、前記電気コイル（２６）が前記ピストン（１０）と誘導的に相互作用することができる、ことを特徴とする請求項１に記載のピストン圧縮機。

【請求項3】

前記ピストン（１０）及び／又はシリンダマントル（９）が、１又は２以上の磁石を備えている、ことを特徴とする、請求項２に記載のピストン圧縮機。

【請求項4】

前記相補的ドライブ（２５）が、リニアガイド又はエンクロージャ（３０）において前後に移動可能に配置された又は前記圧縮チャンバー（１３）の軸方向（Ｘ－Ｘ’）に平行に延びるプランジャー（２９）を備えた前記ピストン（１０）の間接的電磁ドライブと、前記リニアガイド又はエンクロージャ（３０）の周り又はこれに沿って配置され、それぞれの前記プランジャー（２９）と誘導的に相互作用することができる１又は複数のコイル（２６）と、を含む、ことを特徴とする、請求項１～３の何れか１項に記載のピストン圧縮機。

【請求項5】

前記プランジャー（２９）が、１又は２以上の磁石を備えている、ことを特徴とする、請求項２に記載のピストン圧縮機。

【請求項6】

前記プランジャー（２９）の前記リニアガイド又はエンクロージャ（３０）が、前記圧縮チャンバー（１３）の軸方向延長部（Ｘ-Ｘ’）に配置され、前記プランジャー（２９）が、前記ピストン（１０）と機械的に固定接続され且つ前記ピストン（１０）の直線運動と同期して前後に移動するロッド（１８）上に配置されている、ことを特徴とする、請求項４又は５に記載のピストン圧縮機。

【請求項7】

前記ピストン（１０）が、ピストン（１０）の軸方向延長部（Ｘ－Ｘ’）に配置されたリニアピストンロッド（１８）を用いて運動学的トランスミッション（２０）と機械的に接続されており、前記相補的ドライブ（２５）は、前記ピストンロッド（１８）に取り付けられた内部プランジャー（２９）を含む、ことを特徴とする、請求項４～６の何れか１項に記載のピストン圧縮機。

【請求項8】

前記相補的ドライブ（２５）が、圧縮チャンバー（１３）を通って延び且つ前記圧縮チャンバー（１３）の外側に到達する接続ロッド（３２）を用いて前記ピストン（１０）と機械的に接続される外部プランジャー（２９）を備え、前記接続ロッド（３２）には、前記外部プランジャー（２９）が取り付けられる、ことを特徴とする、請求項４又は５に記載のピストン圧縮機。

【請求項9】

前記相補的ドライブ（２５）が、１又は２以上の内部及び／又は外部プランジャー（２９）を備えた直接電磁ドライブ及び／又は間接的電磁ドライブを含む、ことを特徴とする、請求項４～８の何れか１項に記載のピストン圧縮機。

【請求項10】

前記ピストン（１０）及び／又は前記プランジャー（２９）内の磁石が永久磁石である、ことを特徴とする、請求項３及び／又は５に記載のピストン圧縮機。

【請求項11】

前記ピストン圧縮機（１）が、少なくとも前記ピストン（１０）の下死点から上死点までの前記ピストン（１０）の圧縮ストロークの一部の間、前記相補的ドライブ（２５）を作動させるための制御装置（２７）を備えている、ことを特徴とする、上述の請求項の何れか１項に記載のピストン圧縮機。

【請求項12】

前記制御装置（２７）が、少なくとも前記圧縮チャンバー（１３）における圧力が最も高い前記ピストン（１０）の圧縮ストロークの段階中に前記相補的ドライブ（２５）を作動させるようにプログラム又は設定される、ことを特徴とする、請求項１１に記載のピストン圧縮機。

【請求項13】

前記制御装置（２７）は、前記圧縮ストローク又はその一部の間に、必要な前記圧縮出力の少なくとも２０～３０％が前記相補的ドライブ（２５）によって供給され、残りは回転モーター（６）によって供給されるようなものである、ことを特徴とする、請求項１～１２の何れか１項に記載のピストン圧縮機。

【請求項14】

前記制御装置（２７）は、前記圧縮ストローク又はその一部の間に、必要な前記圧縮出力の少なくとも８０～９０％が前記相補的ドライブ（２５）によって供給され、残りは回転モーター（６）によって供給されるようなものである、ことを特徴とする、請求項１～１３の何れか１項に記載のピストン圧縮機。

【請求項15】

前記運動学的トランスミッション（２０）が、クランク及びロッド機構（２１～２２）を含み、前記回転モーター（６）が電気モーターである、ことを特徴とする、請求項１～１４の何れか１項に記載のピストン圧縮機。

【請求項16】

前記クランク及びロッド機構が、閉じたボール軸受（３３）を用いて排他的に支持される、クランクシャフト（５）、クランクピン（２３）、及びピストンピン（２４）を備える、ことを特徴とする、請求項１５に記載のピストン圧縮機。

【請求項17】

前記ピストン圧縮機が、少なくとも２つの別個のピストン圧縮機要素（３）を備えた多段ピストン圧縮機（１）であって、前記ピストン圧縮機要素が各々、圧縮チャンバー（１３）の軸方向（Ｘ－Ｘ’）で前後に移動可能であり且つジョイントドライブシャフト（５）及び回転モーター（６）によって駆動されるピストン（１０）を有し、別個の運動学的トランスミッション（２０）が、前記ドライブシャフト（５）及びピストン（１０）を駆動するための少なくとも２つの別個のピストン圧縮機要素（３）の各々の間に設けられ、前記相補的ドライブ（２５）が、少なくとも２つの前記ピストン圧縮機要素（３）の各々に提供される、ことを特徴とする、請求項１～１６の何れか１項に記載のピストン圧縮機。

【請求項18】

前記ピストン圧縮機は、ジョイントドライブグループ（２）及びそこに取り付けられた２又は３以上の別個のピストン圧縮機要素（３）からモジュール式に構成され、前記ジョイントドライブグループ（２）は、ハウジング（４）前記ジョイントドライブシャフト（５）が支持され且つ前記２又は３以上のピストン圧縮機要素（３）の別個の運動学的トランスミッション（２０）と、を備えるハウジング（４）を含む、請求項１７に記載のピストン圧縮機。

【請求項19】

前記ジョイントドライブシャフト（５）が、ボール軸受（３３）を用いて前記ジョイントドライブグループ（２）のハウジング内で支持される、ことを特徴とする、請求項１８に記載のピストン圧縮機。

【請求項20】

ベルトドライブ（７）が、前記ジョイントドライブシャフト（５）と前記回転モーター（６）との間に設けられる、ことを特徴とする、請求項１～１９の何れか１項に記載のピストン圧縮機。

【請求項21】

前記ピストン圧縮機が、３０ｋＷを超える最大圧縮出力を有するピストン圧縮機（１）である、ことを特徴とする、請求項１～２０の何れか１項に記載のピストン圧縮機。

【請求項22】

作動時には、回転モーター（６）によって駆動される運動学的トランスミッション（２０）を用いて上死点と下死点との間で圧縮チャンバー（１３）内で軸方向（Ｘ-Ｘ’）に前後に周期的に移動するピストン（１０）を備えたピストン圧縮機要素（３）を用いてガスを圧縮する方法であって、
前記ピストン（１０）は更に、前記ピストン（１０）の前後移動の期間の少なくとも一部の間、相補的ドライブ（２５）を用いて駆動される、
ことを特徴とする、方法。

【請求項23】

前記ピストン（１０）が、少なくとも、前記圧縮チャンバー（１３）内の圧力が最も高い前記ピストン（１０）の圧縮ストロークの段階中に電磁的に駆動される、ことを特徴とする、請求項２２に記載の方法。

【請求項24】

前記圧縮ストローク又はその一部の間に、所要の圧縮出力の少なくとも２０～３０％が、前記相補的ドライブ（２５）によって供給され、残りが前記回転モーター（６）によって供給される、ことを特徴とする、請求項２２又は２３に記載の方法。

【請求項25】

前記圧縮ストローク又はその一部の間に、前記所要の圧縮出力の少なくとも８０～９０％が、前記相補的ドライブ（２５）によって供給され、残りが前記回転モーター（６）によって供給される、ことを特徴とする、請求項２２～２４の何れか１項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ピストン圧縮機に関する。

【0002】

より具体的には、限定ではないが、本発明は、高出力、例えば、３０ｋＷを超えて６００ｋＷ以上の出力のピストン圧縮機に関する。

【背景技術】

【0003】

このようなピストン圧縮機は、例えば、極めて高い動作圧力、例えば、２０００ｋＰａ以上でのガスの圧縮に使用される。

【0004】

一般的に知られているように、ピストン圧縮機は、圧縮チャンバーを有するハウジングを備えたピストン圧縮機要素を含み、ここでピストンは、回転モーターによって駆動されるドライブシャフトを用いて上死点と下死点との間で軸方向に前後に移動可能に配置され、クランク及びロッド機構の形で、及び場合によってはピストンと共に直線移動しピストンとクランク及びロッド機構との間に接続を形成する追加のピストンロッドの形で、このドライブシャフトとピストンとの間に運動学的トランスミッションが提供される。

【0005】

このような高いガス圧を実現するために、通常、多段ピストン圧縮機は、ガス入口及びガス出口を介して互いに直列に接続される前述のピストン圧縮機要素の２つ以上と共に使用され、ここでピストン圧縮機要素は、ジョイントドライブシャフトが支持されるハウジングの形態で接合部ドライブグループ上に取り付けられ、各ピストン圧縮機要素に接続されたクランク及びロッド機構、並びに場合によってはピストンとクランク及びロッド機構との間の接続のためのピストンロッドを備える。

【0006】

ドライブグループは、ほとんどの場合はベルトドライブを介して、ジョイントドライブシャフトを駆動するための単一の回転モーター、通常は電気モーターを備えている。このようなベルトドライブは、比較的安価であるという利点があるが、モーターの供給電力の最大で３～５％の比較的大きな電力損失の原因となるという欠点もある。

【0007】

言うまでもなく、ドライブグループは、モーターの全出力、従ってその全圧縮出力を処理するように設計する必要があるため、高出力のピストン圧縮機の場合には比較的重量があり嵩高となる。

【0008】

所要出力の関数として、このようなピストン圧縮機のコンストラクターは、それぞれが異なる出力を有する別個の一連のドライブグループを提供し、ここに圧縮ガスの供給可能な流量及び圧力の点でユーザの要求を満たすために、複数の標準化されたピストン圧縮機要素が取り付けられる。

【0009】

ドライブグループの選択肢が限定されることを考えると、中出力の場合、常にドライブグループがより高い出力の系統から選択する必要があるという欠点があり、これは明らかにより高価となり、また、例えば軸受の位置でより多くの損失をもたらすことになる。

【0010】

高い機械的力を考慮して、通常は、油膜軸受が使用され、これは、５～１０％の電力損失の原因となる可能性がある。

【0011】

ドライブグループとピストン圧縮機要素の適切な組み合わせを選択する際の最も重要な制限要因は、クランク及びロッド機構の間の接続の機械的負荷、より具体的にはピストンロッドとクランク及びロッド機構との間、或いは、ピストンロッドがない場合は、ピストンとクランク及びロッド機構との間の連接部の臨界負荷であり、これは、ガス力及び慣性力の影響の結果である。

【0012】

この制限要因は、より高価な過大寸法のドライブグループ、又は流量及び圧力要件を満たすために、より高いコストで複数のドライブグループを適用するための選択をもたらす可能性がある。

【0013】

また、従来知られているのは、圧縮チャンバー内のガスを圧縮するために、電磁リニア作動によってピストンが前後に移動する用途である。しかしながら、この用途は低出力に限定されている。高出力の学術研究により、例えば、３０ｋＷの出力に対して４００ｋｇのピストンを備えた極めて重量があり嵩高の圧縮機につながった。

【0014】

更に、この用途では、圧縮ストロークの終了時にピストンのヘッドと圧縮チャンバーの端壁との衝突を防ぐために、広い安全マージンを備えた複雑な運動学的制御が必要である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

本発明の目的は、上述及び／又は他の欠点のうちの１又は２以上についての解決策を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0016】

この目的のために、本発明は、圧縮チャンバーを有するハウジングを備えた少なくとも１つのピストン圧縮器要素を含むピストン圧縮機であって、ピストンが、回転モーターによって駆動されるドライブシャフトを用いて上死点と下死点との間で軸方向に前後に移動可能に配置され、ピストンの１次ドライブにおいてこのドライブシャフトとピストンとの間に運動学的トランスミッションが提供され、ピストンは、電磁リニアドライブの形で相補的駆動部を備える、ピストン圧縮機に関する。

【0017】

クランク及びロッド機構による従来のドライブに加えて、ピストンはまた、回転モーターと組み合わせて第２の独立した方法で相補的に駆動されるので、従来のクランク及びロッド機構又は別の運動学的トランスミッションは、圧縮段階の適切なタイミングで、上死点の方向でピストンに相補的な電磁力を加えることにより、一時的に解放することができる。

【0018】

従って、運動学的トランスミッションとピストン、場合によってはそのピストンロッドとの間の機械的トランスミッションの臨界負荷は、回転モーターの１次ドライブ及びベルトドライブに対する相補的ドライブの分担率に応じて部分的となる可能性があり、従って、それほど重要ではなくなる。

【0019】

このことはまた、所望の流量及び所望の圧力を得るためのドライブグループ及びピストン圧縮機要素の最適且つ最も費用効果の高い組み合わせを決定するための設計の自由度を付加する。

【0020】

通常、これには、ピストンロッドを十分に解放するために、総出力要件の２０～３０％の相補的電磁出力注入を必要とする。

【0021】

本発明により、例えば、運動学的トランスミッションを断念することなく、相補的電磁ドライブの分担を、例えば総出力要件の８０～９０％にまで更に増加させることによって、更に一歩前進させることが今や可能である。

【0022】

相補的電磁ドライブの分担がより大きくなることに起因して、所与の所望の流量及び所与の所望の圧力に対して、より小さな、従ってより安価なドライブグループ及びモーターを選択することができ、その結果、軸受の損失を低減することができると共に、より安価で損失の少ない従来のボール軸受を選択することができる。

【0023】

モーターが小さいことに起因して、より軽量のベルトトランスミッションを使用でき、損失もより少なくなる。

【0024】

運動学的トランスミッションを維持することで、圧縮ストロークの終わりにピストンが上死点で圧縮チャンバーの端壁と衝突できなくなるリスクがなくなり、ピストンがこの端壁に極めて接近するまで移動でき、２つの間に最小限のヘッドルームが存在することが確保される。これは、ヘッドルームが小さいほど、圧縮チャンバー内のガスの有益な生成圧力が大きくなり、圧縮機の体積効率がより高くなるので、有用である。

【0025】

更に、最小限のヘッドルームを維持するために複雑な制御は必要ではなく、大きな安全マージンを考慮に入れる必要はない。

【0026】

相補的電磁ドライブは、圧縮チャンバーの周り又はこれに沿って１又は複数の電気コイルを介してピストンに直接電磁的影響を与える直接電磁ドライブを備えることができる。

【0027】

更に又は代替的に、相補的電磁ドライブは、ピストンの間接的電磁ドライブを備えることができ、ピストンに接続されて圧縮チャンバーの軸方向に平行に延びる、リニアガイド内でピストンと同期して前後に移動するプランジャーを有し、また、それぞれのプランジャーと誘導的に相互作用することができる、リニアガイドの周り又はこれに沿って配置された１つ又は複数のコイルを有する。

【0028】

ピストン圧縮機は、少なくとも２つの別個のピストン圧縮機要素を備えた多段圧縮機とすることができ、各要素は、圧縮チャンバー内で軸方向に前後に移動可能であり、ジョイントドライブシャフト及び回転モーターを用いて駆動されるピストンを有し、及びピストンを駆動するための別個の運動学的トランスミッションが、このドライブシャフトと少なくとも２つの別個のピストン圧縮機要素の各々との間に設けられ、ピストンの上記相補的なリニア電磁ドライブが、少なくとも２つのピストン圧縮機要素の各々に設けられている。

【0029】

本発明はまた、上記のようなピストン圧縮機が使用される方法に関する。

【0030】

本発明は、ピストンを備えたピストン圧縮機要素を用いてガスを圧縮する方法に関し、ピストンは、動作時には、回転モーターによって駆動される運動学的トランスミッションを用いて上死点と下死点との間で圧縮チャンバー内で軸方向に周期的に前後に移動し、ピストンは、ピストンの前後の移動期間の少なくとも一部の間に相補的な電磁リニアドライブを用いて更に駆動される。

【0031】

本発明の利点は、上述の通りである。

【0032】

好ましくは、ピストンは、少なくともピストンの圧縮ストローク段階の間、電磁的に駆動され、この間、圧縮チャンバー内の圧力が最も高くなる。

【0033】

好ましくは、圧縮ストロークの間又はその一部の間、所要の圧縮出力の少なくとも２０～３０％及び最大で８０～９０％が、相補的なリニア電磁ドライブによって供給され、残りは回転モーター（６）によって供給される。本発明の特徴をより良好に示すために、ピストン圧縮機及び本発明による方法の幾つかの実施例について、限定的な特徴なしに例示的な方法で添付図を参照して以下で説明する。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】本発明によるピストン圧縮機の概略図である。

【図2】本発明を使用していない、図１のピストン圧縮機が使用されたときに作用する力のグラフを表す。

【図3】本発明を使用した、図１のピストン圧縮機が使用されたときに作用する力のグラフを表す。

【図4】本発明によるピストン圧縮機の変形例を表す図である。

【図5】図４のピストン圧縮機の場合の図３と同様のグラフを表す。

【図6】本発明によるピストン圧縮機の異なる変形例を表す図である。

【図7】図６のピストン圧縮機の場合の図５と同様のグラフを表す。

【図8】本発明によるピストン圧縮機の他の実施形態を示す図である。

【図9】本発明によるピストン圧縮機の他の実施形態を示す図である。

【図10】本発明によるピストン圧縮機の他の実施形態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0035】

図１に示されるピストン圧縮機１は、ドライブグループ２と、これに取り付けられたピストン圧縮機要素３とを備える。

【0036】

ドライブグループ２は、ハウジング４を備え、ここでドライブシャフト５は、回転可能に支持され、ベルトトランスミッション７を介して電気回転モーター６を用いて駆動される。

【0037】

ピストン圧縮機要素３は、ドライブグループ２のハウジング４に取り付けられたハウジング８を備え、ピストン１０が軸方向Ｘ－Ｘ’に前後に移動可能に配置されたシリンダマントル９を備え、マントルは一方の側が端壁１１によって閉鎖されている。

【0038】

ピストンクラウン１２、上述の端壁１１、及びピストン圧縮機要素３のシリンダマントル９との間には、圧縮チャンバー１３が、入口弁１５とシール可能な入口１４を介して、及び矢印Ｉで示されるように圧縮されるガスを吸引するため、及び矢印Ｏの方向に圧縮ストロークの終わりにガスを排出するための周囲を有する出口弁１７とシール可能な出口１６を介して一般に知られた方法で接続されて密閉される。

【0039】

圧縮ストローク中、ピストン１０は、端壁１１から端壁１１の方向で最も離れたいわゆる下死点から、端壁１１に最も近接したいわゆる上死点まで移動し、閉じた入口及び出口バルブ１５及び１７を用いて行う。

【0040】

上死点では、圧縮チャンバー１３の容積、いわゆるデッドボリュームが最小であり、この時点での圧縮チャンバー１３内のガスの圧力が最高である。

【0041】

ピストン１０に接続されているのは、軸方向Ｘ－Ｘ’に延在し、ピストン圧縮機要素３のハウジング８とドライブグループ２のハウジング４との間にガスシールを形成するハウジングのシールガイド１９内でピストン１０と同期して前後に移動することができるピストンロッド１８である。

【0042】

ピストンロッド１８とドライブシャフト５との間には、ドライブシャフト５の回転運動をピストン１０の前後移動に変換するため、運動学的トランスミッション２０が設けられている。

【0043】

図１の場合、これは、ドライブシャフト５と共に回転する半径方向に配向されたクランク２１と、クランクピン２３を用いて一端がクランク２１に枢動可能に取り付けられ、他端がピストンピン２４を用いてピストン１０又はピストンロッド１８に枢動可能に取り付けられた取り付けドライブロッド２２と、を備えたクランク及びロッド機構である。

【0044】

モーター６及び運動学的トランスミッション２０を用いたピストンの１次ドライブに加えて、シリンダチャンバ１３の周り又はこれに沿って配置された１又は複数の電気コイル２６によって形成される電磁リニアドライブの形態のピストン１０の相補的ドライブ２５も存在し、コイルが、制御装置２７によって励起された場合に、適切な磁気伝導材料において当該目的のために設計されたピストン１０と誘導的に直接相互作用することができ、又は例えば１又は複数の永久磁石を備えていることは、本発明に特有のことである。

【0045】

代替的に、又は相補的に、ピストン１０はまた、電磁材料で作られ又は永久磁石を備えたシリンダマントルと誘導的に相互作用することができるコイルを備えることができる。

【0046】

ピストン圧縮機の動作は、以下の通り簡単である。

【0047】

相補ドライブ２５を励起することなく、ピストン圧縮機１の動作は、モーター６を用いてのみ主に駆動される従来のピストン圧縮機の動作と完全に類似している。

【0048】

この場合、ドライブシャフト５は、モーター６によって一方向に駆動されて、クランク２１が回転運動状態になり、ピストン１０が前後に移動するようになる。

【0049】

上死点から下死点への何れかの吸引ストロークでは、ガスは、入口１４を介して圧縮チャンバー１３内に吸引される、下死点から上死点への反対方向への何れかの移動では、入口バルブ１５及び出口バルブ１７が閉じられると、吸引されたガスが圧縮される。

【0050】

動作中、ピストンロッド１８及びピストンピン２４は、図１に示すように、ガス力Ｆｇと正弦波慣性力Ｆｉ及び実施可能な高調波の影響を受け、その瞬間的な値は、クランク２１の枢動角Ａの関数として図２のグラフに示されている。言うまでもなく、ガス力Ｆｇは、ピストン圧縮機１の所要の動作圧力に比例する。

【0051】

このグラフには、力ＦｇとＦｉの合計である、ピストンロッド１８及びピストンピン２４に加わる合力Ｆｒも示されている。ピストン１０の圧縮ストローク中、この合力は、ピストンロッド１８が圧縮される圧縮力である。

【0052】

構成上、この合力は、ピストンロッド１８の圧縮強度及び／又はピストンピン２４及びその軸受の強度によって主に決定される特定の最大値Ｆｒｍａｘより高くないものとすることができる。

【0053】

図２の場合、相補ドライブがない場合、ピストン圧縮機１の特定の動作圧力に対応する強いガス力Ｆｇが値Ｆｒｍａｘを超えることが確立されている。

【0054】

従って、相補的ドライブ２５の励起がなければ、ピストン圧縮機１は、このようなガス圧力及び対応する動作圧力には好適ではなく、従って、ピストン圧縮機１は、より大きな型式及びより大きな出力を有するよう選択されるべきである。

【0055】

これを回避するために、本発明によれば、コイル２６は、ピストン１０の圧縮ストローク中に励起されて、ピストン１０に反対の電気機械的牽引力Ｆｅを誘導することができ、これもまた、ピストンロッド１８及びピストンピン２４上に転置され、これにより、ピストンロッド１８及びピストンピン２２に対する圧力除去が確実に行われる。

【0056】

この牽引力Ｆｅは、図２の合力Ｆｇ＋Ｆｉに加えられ、図３のグラフに示すように、より低い合力Ｆｇ＋Ｆｉ＋Ｆｅとなり、ここではまた、相補的な誘導電気機械力Ｆｅに加えて図２の力Ｆｇ＋Ｆｉも示されている。

【0057】

この場合、合力Ｆｇ＋Ｆｉ＋Ｆｅは、限界Ｆｒｍａｘ未満のままである。

【0058】

従って、相補的な電磁ドライブ２５に起因して、動作圧力を制限することなく、より重量のあるピストン圧縮機１への切り替えを回避することができ、それぞれのピストン圧縮機１をより広い動作分野で使用することができるようになる。

【0059】

通常、これに対しては、所要の相補的な電磁電力の２０％から３０％の分担が推奨されることになる。

【0060】

コイルを励起するために、好ましくは圧縮ストローク又はその一部の間のみ、制御装置２７は、クランク２１の瞬間位置を決定するための手段、例えば角度Ａを測定するためのプローブを備えている。

【0061】

図４は、本発明によるピストン圧縮機１の変形形態を示し、この場合、ピストン１０は、シリンダマントル９の周りにコイル２６のない従来のピストンであるが、ピストンの相補的ドライブ２５は、ピストンロッド１８に取り付けられた内部プランジャー２９を用いて実現され、リニアガイド３０又はエンクロージャ内で前後に移動可能に配置され、その周囲又はこれに沿って１又は複数のコイル２６を有し、励起されたときに、それぞれのプランジャー２９と誘導的に相互作用して、圧縮ストローク中にピストン１０を間接的に電磁的に駆動することができる。

【0062】

ガイド３０又はエンクロージャは、シリンダマントル９の軸方向延長部に配置されている。

【0063】

図４の場合、プランジャー２９と電磁的に相互作用することができる２つのコイル２６があり、これらのコイル２６が励起されたときに、２つの独立した電磁力Ｆｅ１及びＦｅ２が、図５のグラフに示される進行に応じて生成することができる。

【0064】

図６は、図４の実施形態に相当する本発明によるピストン圧縮機１の更に別の実施形態を示しているが、この場合、プランジャー２９は、圧縮チャンバー１３及び上述の端壁１１を通って外部に延びる接続ロッド３２を介してプランジャー２９に電磁力を誘導するためのコイル２６によって囲まれる外部リニアガイド３１において外部に配置されているという差異があり、従って、その力は、ピストン１０にも間接的に加えられる。

【0065】

更に、この場合、図７のグラフに示されるように、圧縮段階中に加えられた電磁力のより良好な変調を可能にするために、３つのコイル２６が設けられる。

【0066】

ピストン１０の直接励起と、内部又は外部プランジャー２９を介した間接励起との組み合わせも可能であることは明らかである。

【0067】

更に、ピストン１０及び１又は２以上のプランジャー２９をリニアモーターとして、より具体的にはリニアステップモーターとして実行することが可能である。

【0068】

本発明はまた、図８の場合のように、ピストン１０と運動学的トランスミッション２０との間にピストンロッド１８がないピストン圧縮機１にも適用可能であり、ここでピストン１０は、ピストンピン２４を用いてドライブロッド２２に直接接続されており、電磁ドライブ２５がピストン１０の位置に配置されている。

【0069】

この場合、電磁ドライブ２５を使用して、電磁出力の２０～３０％の分担でピストンピン２４を解放することができる。

【0070】

例えば、８０～９０％の電磁力のより大きな分担は、このより大きな出力分担が、遙かに小さな出力のドライブグループ２及びモーター６を選択できるようにするという意味で、ピストンロッド１８及び／又はピストンピン２４の解放を引き起こし、追加の利点の実現につながる可能性があり、これによりスペース及びコスト節減をもたらし、更にベルトドライブ及び軸受３３の損失の大幅な削減をもたらすことができ、例えば、高出力ピストン圧縮機で従来使用されていた油膜軸受の代わりにボール軸受に置き換えることができる。

【0071】

この場合、ピストンロッド１８及びピストンピン２４における力の制限のための支持と比較して、出力の最大分担が電磁ドライブ２５によって供給される出力サポートについて述べることができ、このためより小さな分担、例えば電磁ドライブ２５の２０～３０％で十分である。

【0072】

図９及び１０は、ジョイントモーター６及びドライブシャフト５を備えたジョイントドライブグループ２にモジュール式に取り付けられた、２つ、それぞれ４つの別個のピストン圧縮機要素３を備えた本発明による多段圧縮機１である。

【0073】

個々のピストン圧縮機要素３ごとに、ピストン１０を駆動するための個々の運動学的トランスミッション２０が提供され、各ピストン圧縮機要素３について、上述の相補的リニア電磁ドライブ２５が提供される。

【0074】

このような多段ピストン圧縮機を取得する場合、ユーザは、異なる出力の一連のドライブグループから選択されている。選択は、ユーザにより必要とされる動作圧力に大きく依存し、これにより、ピストンロッド１８とピストンピン２４が受けることになる負荷が最終的に決定される。

【0075】

ピストンロッド１８及びピストンピン２４を解放するために相補的な電磁支持体を使用することにより、最終的に、この電磁支持体なしで必要とされるものよりも小さい電力でこの系統からドライブグループの有利な選択が可能になる。

【0076】

本発明は、上記に記載され、図示されている実施形態に限定されない。むしろ、本発明によるピストン圧縮機は、本発明の範囲を超えることなく、異なる変形例で実現することができる。

【符号の説明】

【0077】

３ ピストン圧縮機要素
５ ドライブシャフト
６ 回転モーター
８ ハウジング
１０ ピストン
１３ 圧縮チャンバー
２５ 相補的ドライブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】