特許 7267633 圧縮機兼膨張機

(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】2023-04-24

(45)【発行日】2023-05-02

(54)【発明の名称】圧縮機兼膨張機

(51)【国際特許分類】

   F04B 39/10 20060101AFI20230425BHJP

【ＦＩ】

F04B39/10 A

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2021156729

(22)【出願日】2021-09-27

(65)【公開番号】P2023047677

(43)【公開日】2023-04-06

【審査請求日】2021-11-16

(73)【特許権者】

【識別番号】394009935

【氏名又は名称】株式会社サクション瓦斯機関製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】竹内 誠

【審査官】岸 智章

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－０９５８８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－０７１４７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－０１０８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５７－１３５２８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０９９０８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｂ ３９／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

容積変化する作動空間部と、
前記作動空間部に連設される高圧側外部空間部と、
前記作動空間部に連設される低圧側外部空間部と、
前記作動空間部と前記高圧側外部空間部との間に配設される第一弁と、
前記作動空間部と前記低圧側外部空間部との間に配設される第二弁と、
前記第一弁を開閉する第一弁作動機構と、
前記第二弁を開閉する第二弁作動機構と、を備え、
前記第一弁は、第一弁座と、前記高圧側外部空間部側から前記第一弁座に対して押し付けられて前記第一弁座を閉塞する第一弁体と、前記第一弁体を前記作動空間部側から前記高圧側外部空間部側に向けて付勢する第一付勢部とを有する、常開型弁であり、
前記第一弁作動機構は、前記第一弁体を前記高圧側外部空間部側から前記作動空間部側へと押す動作により前記第一弁を閉にする、
前記第二弁は、第二弁座と、前記作動空間部側から前記第二弁座に対して押し付けられて前記第二弁座を閉塞する第二弁体と、前記第二弁体を前記作動空間部側から前記低圧側外部空間部側に向けて付勢する第二付勢部とを有する、常閉型弁であり、
前記第二弁作動機構は、前記第二弁体を前記低圧側外部空間部側から前記作動空間部側へと押す動作により前記第二弁を開にする、
圧縮機兼膨張機。

【請求項2】

容積変化する作動空間部と、
前記作動空間部に連設される高圧側外部空間部と、
前記作動空間部に連設される低圧側外部空間部と、
前記作動空間部と前記高圧側外部空間部との間に配設される第一弁と、
前記作動空間部と前記低圧側外部空間部との間に配設される第二弁と、
前記第一弁を開閉する第一弁作動機構と、
前記第二弁を開閉する第二弁作動機構と、を備え、
前記第一弁は、第一弁座と、前記高圧側外部空間部側から前記第一弁座に対して押し付けられて前記第一弁座を閉塞する第一弁体と、前記第一弁体を前記高圧側外部空間部側から前記作動空間部側に向けて付勢する第一付勢部とを有する、常閉型弁であり、
前記第一弁作動機構は、前記第一弁体を前記作動空間部側から前記高圧側外部空間部側へと引く動作により前記第一弁を開にする、
前記第二弁は、第二弁座と、前記作動空間部側から前記第二弁座に対して押し付けられて前記第二弁座を閉塞する第二弁体と、前記第二弁体を前記低圧側外部空間部側から前記作動空間部側に向けて付勢する第二付勢部とを有する、常開型弁であり、
前記第二弁作動機構は、前記第二弁体を前記作動空間部側から前記低圧側外部空間部側へと引く動作により前記第二弁を閉にする、
圧縮機兼膨張機。

【請求項3】

前記作動空間部の往復移動部材が最大容積位置又は前記最大容積位置の前後にあり、前記第一弁及び前記第二弁が閉じられた状態において、前記往復移動部材が前記最大容積位置側から最小容積位置側に向けて移動され、
前記往復移動部材が前記最小容積位置に達する前の第一所定位置において、前記第一弁が開かれ、
前記往復移動部材の前記最小容積位置又は前記最小容積位置の前後において、前記第一弁が閉じられ、
前記往復移動部材が前記最小容積位置側から前記最大容積位置側に向けて移動されて前記最大容積位置に達する前の第二所定位置において、前記第二弁が開かれ、
前記往復移動部材の前記最大容積位置又は前記最大容積位置の前後において、前記第二弁が閉じられる、
これらの動作が繰り返されることにより圧縮機として運転される、請求項１又は２に記載の圧縮機兼膨張機。

【請求項4】

前記往復移動部材が前記最小容積位置に達する前の前記第一所定位置又は前記第一所定位置に達する前の位置において、前記作動空間部の圧力と前記高圧側外部空間部の圧力とが一致する、
請求項３に記載の圧縮機兼膨張機。

【請求項5】

前記往復移動部材が前記最大容積位置に達する前の前記第二所定位置又は前記第二所定位置に達する前の位置において、前記作動空間部の圧力と前記低圧側外部空間部の圧力とが一致する、
請求項３又は４に記載の圧縮機兼膨張機。

【請求項6】

前記作動空間部の往復移動部材が最大容積位置又は前記最大容積位置の前後にあり、前記第一弁及び前記第二弁が閉じられた状態から前記第二弁が開かれた状態において、前記往復移動部材が前記最大容積位置側から最小容積位置側に向けて移動され、
前記往復移動部材が前記最小容積位置に達する前の第三所定位置において、前記第二弁が閉じられ、
前記往復移動部材の前記最小容積位置又は前記最小容積位置の前後において、前記第一弁が開かれ、
前記往復移動部材が前記最小容積位置側から前記最大容積位置側に向けて移動されて前記最大容積位置に達する前の第四所定位置において、前記第一弁が閉じられる、
これらの動作が繰り返されることにより膨張機として運転される、請求項１から５のいずれか一項に記載の圧縮機兼膨張機。

【請求項7】

前記往復移動部材が前記第三所定位置から前記最小容積位置に達する前の位置において、前記作動空間部の圧力と前記高圧側外部空間部の圧力とが一致する、
請求項６に記載の圧縮機兼膨張機。

【請求項8】

前記往復移動部材が前記第四所定位置から前記最大容積位置に達する前の位置において、前記作動空間部の圧力と前記低圧側外部空間部の圧力とが一致する、
請求項６又は７に記載の圧縮機兼膨張機。

【請求項9】

前記作動空間部が多段に連設される、
請求項１から８のいずれか一項に記載の圧縮機兼膨張機。

【請求項10】

前記高圧側外部空間部には熱交換器が配設される、
請求項１から９のいずれか一項に記載の圧縮機兼膨張機。

【請求項11】

前記作動空間部には、前記作動空間部を駆動し又は前記作動空間部により駆動される原動機が連結され、前記原動機は電動機を含む、
請求項１から１０のいずれか一項に記載の圧縮機兼膨張機。

【請求項12】

前記作動空間部には、前記作動空間部を駆動し又は前記作動空間部により駆動される原動機が連結され、前記原動機は外燃機関を含む、
請求項１から１１のいずれか一項に記載の圧縮機兼膨張機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧縮機兼膨張機に関する。

【背景技術】

【0002】

容積型圧縮機兼容積型膨張機は、容積変化する作動空間部（シリンダ及びピストン等）を少なくとも備えている。この容積型圧縮機兼容積型膨張機は、ピストンの往復運動によるシリンダの容積変化によってガスを圧縮する圧縮機（コンプレッサ）として運転することが可能である。その一方、容積型圧縮機兼容積型膨張機は、高圧のガスによりピストンを往復運動させて動力を発生させる膨張機（例えば、特許文献１）として運転することも可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許第７１８８４７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一般的に、容積型圧縮機兼容積型膨張機の作動空間と高圧側外部空間との間には、差圧及び流体力によって開く常閉型（ノーマルクローズ）のチェックバルブ（逆止弁）が吐出弁として設けられる。作動空間において圧縮されたガスの圧力が高圧側外部空間の圧力を超えると差圧及び流体力によってチェックバルブが開き、作動空間のガスはチェックバルブを通して高圧側外部空間に吐出され、容積型圧縮機兼容積型膨張機が圧縮機の吐出弁としての機能を果たす。しかし、膨張機の吸入弁としての機能を果たすためには、弁体に強制力を働かせて開く必要があるが、差圧及び流体力によって弁体が高圧側外部空間側に開くノーマルクローズの逆止弁は、外部空間側に設置するアクチュエータにより作動するヨークによって弁体を押してバルブを開とするバルブアンローダ機構（通常は圧縮機の吸入弁に使用する）を用いることができない。

【0005】

また、内燃機関の外部空間と作動空間との間には、吸排気弁（ポペットバルブ）のような外部空間側から作動空間側に向けて開き、バネ力、作動空間側からの差圧および流体力で閉となる弁が設けられる。このような弁は、膨張機の高圧側外部空間と作動空間との間の弁として使用すると、高圧側外部空間側から作動空間側に差圧が働き、開き得るため非常に強いバネを用いて閉じる必要がある。このため、強制力を働かせて弁を開く時に大きな動力を必要とし、機械効率の低下を招き得る。

【0006】

さらに、特許文献１に記載の発明は、常閉型の弁を使用して膨張機の入口弁を構成したものであるが、弁に強制力を働かせるために二次流体の圧力を用いてピストンを作動させ、弁を開にするものである。しかし、常閉型の弁を開くための作動機構を配置する場所を確保するため、弁の作動方向を作動空間の法線方向に対し直角に配置している。これにより、作動空間と弁との間に通路が必要でクリアランス容積が大きくなり、容積効率の低下を招き得る。

【0007】

そこで、本発明は、容積効率の低下を抑制しつつ、作動空間部においてガスを圧縮することにより圧縮機としての機能を果たし、且つ、作動空間部においてガスを膨張させることにより膨張機としての機能を果たすことができる圧縮機兼膨張機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様に係る圧縮機兼膨張機は、容積変化する作動空間部と、作動空間部に連設される高圧側外部空間部と、作動空間部に連設される低圧側外部空間部とを備える。圧縮機兼膨張機は、作動空間部と高圧側外部空間部との間に配設される第一弁と、作動空間部と低圧側外部空間部との間に配設される第二弁と、第一弁を開閉する第一弁作動機構と、第二弁を開閉する第二弁作動機構とを備える。第一弁は、第一弁座と、高圧側外部空間部側から第一弁座に対して押し付けられて第一弁座を閉塞する第一弁体と、第一弁体を作動空間部側から高圧側外部空間部側に向けて付勢する第一付勢部とを有する、常開型弁である。第一弁作動機構は、第一弁体を高圧側外部空間部側から作動空間部側へと押す動作により第一弁を閉にする。第二弁は、第二弁座と、作動空間部側から第二弁座に対して押し付けられて第二弁座を閉塞する第二弁体と、第二弁体を作動空間部側から低圧側外部空間部側に向けて付勢する第二付勢部とを有する、常閉型弁である。第二弁作動機構は、第二弁体を低圧側外部空間部側から作動空間部側へと押す動作により第二弁を開にする。

【0009】

また、本発明の一態様に係る圧縮機兼膨張機は、容積変化する作動空間部と、作動空間部に連設される高圧側外部空間部と、作動空間部に連設される低圧側外部空間部とを備える。圧縮機兼膨張機は、作動空間部と高圧側外部空間部との間に配設される第一弁と、作動空間部と低圧側外部空間部との間に配設される第二弁と、第一弁を開閉する第一弁作動機構と、第二弁を開閉する第二弁作動機構とを備える。第一弁は、第一弁座と、高圧側外部空間部側から第一弁座に対して押し付けられて第一弁座を閉塞する第一弁体と、第一弁体を高圧側外部空間部側から作動空間部側に向けて付勢する第一付勢部とを有する、常閉型弁である。第一弁作動機構は、第一弁体を作動空間部側から高圧側外部空間部側へと引く動作により第一弁を開にする。第二弁は、第二弁座と、作動空間部側から第二弁座に対して押し付けられて第二弁座を閉塞する第二弁体と、第二弁体を低圧側外部空間部側から作動空間部側に向けて付勢する第二付勢部とを有する、常開型弁である。第二弁作動機構は、第二弁体を作動空間部側から低圧側外部空間部側へと引く動作により第二弁を閉にする。

【発明の効果】

【0010】

本発明の一態様によれば、容積効率の低下を抑制しつつ、作動空間部においてガスを圧縮することにより圧縮機としての機能を果たし、且つ、作動空間部においてガスを膨張させることにより膨張機としての機能を果たすことができる圧縮機兼膨張機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態に係る圧縮機兼膨張機を示す概略的な断面図である。

【図2】本発明の一実施例に係る圧縮機兼膨張機の構成を示す図である。

【図3】本発明の一実施例に係る圧縮機兼膨張機の構成を示す図である。

【図4】本発明の一実施例に係る圧縮機兼膨張機の構成を示す図である。

【図5】本発明の一実施例に係る圧縮機兼膨張機の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。

【0013】

［圧縮機兼膨張機の構成］
図１に示すように、圧縮機兼膨張機（容積型圧縮機兼容積型膨張機）１は、容積変化する作動空間部２と、作動空間部２に連設される高圧側外部空間部３と、作動空間部２に連設される低圧側外部空間部４とを備える。

【0014】

また、圧縮機兼膨張機１は、作動空間部２と高圧側外部空間部３との間に配設される第一弁５と、作動空間部２と低圧側外部空間部４との間に配設される第二弁６とを備える。

【0015】

さらに、圧縮機兼膨張機１は、第一弁５を開閉する第一弁作動機構７と、第二弁６を開閉する第二弁作動機構８と、第一弁作動機構７及び第二弁作動機構８を制御する制御部（コントローラ）９とを備える。

【0016】

作動空間部２は、シリンダ２０と、シリンダ２０の内部に摺動可能に配置される往復移動部材としてのピストン２１とを有している。シリンダ２０の天井面及び内周面と、ピストン２１の頂面との間には、容積変化する作動空間２２が区画形成されている。

【0017】

シリンダ２０の天井面には、後述する高圧側配管３０が接続される高圧側ポート２０ａと、後述する低圧側配管４０が接続される低圧側ポート２０ｂとが設けられている。

【0018】

ピストン２１の外周面にはリング溝が形成され、このリング溝にピストンリング２５が配置されている。また、ピストン２１には、コネクティングロッド１１を介してクランク軸１２が連結されている。

【0019】

高圧側外部空間部３は、シリンダ２０の高圧側ポート２０ａに接続される高圧側配管３０と、高圧側配管３０の途中に配置される熱交換器３１とを有している。高圧側配管３０の内部には、作動空間部２の作動空間２２と連通する高圧側外部空間３２が形成されている。動力を発生させる膨張機として圧縮機兼膨張機１を運転する際には、第一弁５から作動空間２２に流入するガスを熱交換器３１において加熱し、膨張後のガスの温度が低くなりすぎないようにする。

【0020】

低圧側外部空間部４は、シリンダ２０の低圧側ポート２０ｂに接続される低圧側配管４０を有している。低圧側配管４０の内部には、作動空間部２の作動空間２２と連通する低圧側外部空間４１が形成されている。

【0021】

第一弁５は、作動空間２２と高圧側外部空間３２との間に配置される第一弁座５０と、高圧側外部空間３２側から第一弁座５０に対して押し付けられて第一弁座５０を閉塞する第一弁体５１とを有している。第一弁体５１は、高圧側外部空間３２側に配置されている。第一弁５は、流体力が作動空間２２から第一弁体５１に作用すると開となり、流体力が高圧側外部空間３２から第一弁体５１に作用すると第一弁体５１が第一弁座５０に押し付けられて閉となる。

【0022】

第一弁５では、低圧側（作動空間２２側）から高圧側（高圧側外部空間３２側）に向かって第一弁体５１が開き、高圧側のガス圧が第一弁体５１を閉じる方向に働くようにして、差圧が高まったときにシール性が高まるようにしている。第一弁５の開となる方向が逆方向の場合、ガス圧をシールし、また開閉するために大きな作動力が必要になり、機械損失が増加し得る。

【0023】

また、第一弁５では、第一弁体５１の作動方向を作動空間２２の法線方向に対し平行に配置している。これにより、作動空間２２と第一弁体５１との間に通路が不要でクリアランス容積の増加を抑制することができ、容積効率の低下を抑制することが可能になる。

【0024】

第一弁５は、第一弁体５１を作動空間部２側（作動空間２２側）から高圧側外部空間部３側（高圧側外部空間３２側）に向けて付勢する第一付勢部（図示せず）を有する、常開型（ノーマルオープン）の弁である。この第一付勢部は、例えば、バネ等を有して構成される。

【0025】

第一弁５は、第一弁体５１を高圧側外部空間部３側（高圧側外部空間３２側）から作動空間部２側（作動空間２２側）に向けて付勢する第一付勢部（図示せず）を有する、常閉型（ノーマルクローズ）の弁であってもよい。この第一付勢部は、例えば、バネ等を有して構成される。

【0026】

第二弁６は、作動空間２２と低圧側外部空間４１との間に配置される第二弁座６０と、作動空間２２側から第二弁座６０に対して押し付けられて第二弁座６０を閉塞する第二弁体６１とを有している。第二弁体６１は、作動空間２２側に配置されている。第二弁６は、流体力が低圧側外部空間４１から第二弁体６１に作用すると開となり、流体力が作動空間２２から第二弁体６１に作用すると第二弁体６１が第二弁座６０に押し付けられて閉となる。

【0027】

第二弁６では、低圧側（低圧側外部空間４１側）から高圧側（作動空間２２側）に向かって第二弁体６１が開き、高圧側のガス圧が第二弁体６１を閉じる方向に働くようにして、差圧が高まったときにシール性が高まるようにしている。第二弁６の開となる方向が逆方向の場合、ガス圧をシールし、また開閉するために大きな作動力が必要になり、機械損失が増加し得る。

【0028】

また、第二弁６では、第二弁体６１の作動方向を作動空間２２の法線方向に対し平行に配置している。これにより、作動空間２２と第二弁体６１との間に通路が不要でクリアランス容積の増加を抑制することができ、容積効率の低下を抑制することが可能になる。

【0029】

第二弁６は、第二弁体６１を低圧側外部空間部４側（低圧側外部空間４１側）から作動空間部２側（作動空間２２側）に向けて付勢する第二付勢部（図示せず）を有する、常開型（ノーマルオープン）の弁である。この第二付勢部は、例えば、バネ等を有して構成される。

【0030】

第二弁６は、第二弁体６１を作動空間部２側（作動空間２２側）から低圧側外部空間部４側（低圧側外部空間４１側）に向けて付勢する第二付勢部（図示せず）を有する、常閉型（ノーマルクローズ）の弁であってもよい。この第二付勢部は、例えば、バネ等を有して構成される。

【0031】

第一弁作動機構７は、命令信号を物理運動に変換する第一アクチュエータ７０を有している。第一弁５の第一弁体５１には、第一ステム７１を介して第一ヨーク７２が接続されており、第一弁作動機構７は、第一アクチュエータ７０により第一ヨーク７２を移動させることによって第一弁体５１を移動させる。

【0032】

第一弁作動機構７は、第一アクチュエータ７０により第一弁体５１を作動方向（閉塞位置）へ押す動作によって第一弁５を強制的に作動させて閉にする。すなわち、第一弁作動機構７は、第一弁体５１を高圧側外部空間部３側から作動空間部２側へと押す動作により第一弁５を強制的に作動させて閉にする。

【0033】

その一方、第一弁作動機構７は、第一アクチュエータ７０により第一弁体５１を作動方向（閉塞位置）から引く動作によって第一弁５を強制的に作動させて開にする。すなわち、第一弁作動機構７は、第一弁体５１を作動空間部２側から高圧側外部空間部３側へと引く動作により第一弁５を強制的に作動させて開にする。

【0034】

第二弁作動機構８は、命令信号を物理運動に変換する第二アクチュエータ８０を有している。第二弁６の第二弁体６１には、第二ステム８１を介して第二ヨーク８２が接続されており、第二弁作動機構８は、第二アクチュエータ８０により第二ヨーク８２を移動させることによって第二弁体６１を移動させる。

【0035】

第二弁作動機構８は、第二アクチュエータ８０により第二弁体６１を作動方向（開放位置）から引く動作によって第二弁６を強制的に作動させて閉にする。すなわち、第二弁作動機構８は、第二弁体６１を作動空間部２側から低圧側外部空間部４側へと引く動作により第二弁６を強制的に作動させて閉にする。

【0036】

その一方、第二弁作動機構８は、第二アクチュエータ８０により第二弁体６１を作動方向（開放位置）へ押す動作によって第二弁６を強制的に作動させて開にする。すなわち、第二弁作動機構８は、第二弁体６１を低圧側外部空間部４側から作動空間部２側へと押す動作により第二弁６を強制的に作動させて開にする。

【0037】

制御部９は、圧縮機運転及び膨張機運転のそれぞれに関して、例えば、クランク軸１２の回転角度に応じて第一弁作動機構７及び第二弁作動機構８の駆動を制御する。

【0038】

［圧縮機兼膨張機の動作（圧縮機運転）］
以下、圧縮機兼膨張機１の動作のうち、圧縮機運転について説明する。

【0039】

作動空間部２のピストン２１が最大容積位置Ｐｍａｘ付近にあり、第一弁５及び第二弁６が閉じられた状態において、ピストン２１が最大容積位置Ｐｍａｘ側から最小容積位置Ｐｍｉｎ側に向けて移動される。ピストン２１の移動により作動空間２２の容積が減少して作動空間２２の圧力が上昇し、ピストン２１が最小容積位置Ｐｍｉｎに達する前の第一所定位置付近において、第一弁５を開く。作動空間２２のガスは第一弁５を通じて高圧側外部空間３２に吐出され、ピストン２１の最小容積位置Ｐｍｉｎ付近において、第一弁５を閉じる。ピストン２１が最小容積位置Ｐｍｉｎ側から最大容積位置Ｐｍａｘ側に向けて移動されて、作動空間２２の容積が増加して作動空間２２の圧力が減少し、ピストン２１が最大容積位置Ｐｍａｘに達する前の第二所定位置付近において第二弁６を開く。ガスが第二弁６を通じて低圧側外部空間４１から作動空間２２に吸入され、ピストン２１の最大容積位置Ｐｍａｘ付近において、第二弁６を閉じる。これらの動作を繰り返すことにより、圧縮機兼膨張機１を圧縮機として運転することが可能である。

【0040】

圧縮機兼膨張機１を圧縮機として使用する場合には、常に低圧側から高圧側にガスが流れる。すなわち、圧縮機運転中のガスは、低圧側外部空間４１から、作動空間２２を経て、高圧側外部空間３２に流れる。また、前述の第一所定位置においては、作動空間部２の圧力と高圧側外部空間部３の圧力とが略一致する。さらに、前述の第二所定位置においては、作動空間部２の圧力と低圧側外部空間部４の圧力とが略一致する。

【0041】

また、圧縮機兼膨張機１を圧縮機として使用する場合には、例えば、高圧側配管３０の先端（下流側端）にタンク（図示せず）が配置され、そのタンクに圧縮ガスが貯蔵される。

【0042】

［圧縮機兼膨張機の動作（膨張機運転）］
以下、圧縮機兼膨張機１の動作のうち、膨張機運転（動力発生運転）について説明する。

【0043】

作動空間部２のピストン２１が最大容積位置Ｐｍａｘ付近にあり、第一弁５及び第二弁６が閉じられた状態から第二弁６を開く。ピストン２１が最大容積位置Ｐｍａｘ側から最小容積位置Ｐｍｉｎ側に向けて移動される。ピストン２１の移動により作動空間２２の容積が減少し、作動空間２２のガスは第二弁６を通じて低圧側外部空間４１に吐出される。ピストン２１が最小容積位置Ｐｍｉｎに達する前の第三所定位置において、第二弁６が閉じられ、さらにピストン２１が最小容積位置Ｐｍｉｎに達するまで作動空間２２の容積が減少し圧力が上昇する。ピストン２１の最小容積位置Ｐｍｉｎ付近において、第一弁５を開く。ガスが第一弁５を通じて高圧側外部空間３２から作動空間２２に流入し、高圧側外部空間３２からのガスの圧力によりピストン２１が押され、ピストン２１が最小容積位置Ｐｍｉｎ側から最大容積位置Ｐｍａｘ側に向けて移動される。そして、最大容積位置Ｐｍａｘに達する前の第四所定位置において、第一弁５を閉じる。さらにピストン２１が最大容積位置Ｐｍａｘ付近に達するまで作動空間２２の容積が増加し圧力は低下する。これらの動作を繰り返すことにより、動力を発生させる膨張機として圧縮機兼膨張機１を運転することが可能である。

【0044】

圧縮機兼膨張機１を膨張機として使用する場合には、常に高圧側から低圧側にガスが流れる。すなわち、膨張機運転中のガスは、高圧側外部空間３２から、作動空間２２を経て、低圧側外部空間４１に流れる。また、前述の第三所定位置においては、作動空間部２の圧力と高圧側外部空間部３の圧力とが略一致する。さらに、前述の第四所定位置においては、作動空間部２の圧力と低圧側外部空間部４の圧力とが略一致する。最小容積位置Ｐｍｉｎ付近および最大容積位置Ｐｍａｘ付近における弁の開閉は、弁体やガスの慣性力等の運転条件を勘案して適宜ずらすことがある。

【0045】

［圧縮機兼膨張機の実施例］
図２から図５には、圧縮機兼膨張機１の実施例が示される。

【0046】

図２に示す圧縮機兼膨張機１Ａにおいては、圧縮機兼膨張機１Ａを圧縮機として駆動し又は膨張機運転される圧縮機兼膨張機１Ａにより駆動される原動機に交流電動機等の電動機９１を用いている。この電動機９１は、例えば、駆動軸９２を介して圧縮機兼膨張機１Ａのクランク軸１２に接続される。また、電動機９１には、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器等の変換器９３が接続されている。圧縮機兼膨張機１Ａを膨張機として使用した場合には、発生動力により電動機９１が発電機として働き、変換器９３を通して電力を取り出すことができる。

【0047】

図３に示す圧縮機兼膨張機１Ｂにおいては、圧縮機兼膨張機１Ｂを圧縮機として駆動し又は膨張機運転される圧縮機兼膨張機１Ｂにより駆動される原動機にスターリングエンジン等の外燃機関９４を用いている。この外燃機関９４は、例えば、駆動軸９２を介して圧縮機兼膨張機１Ｂのクランク軸１２に接続される。圧縮機兼膨張機１Ａを膨張機として使用した場合には、発生動力により外燃機関９４が逆サイクルでヒートポンプとして駆動し、温熱又は冷熱を得ることができる。

【0048】

図４に示す圧縮機兼膨張機１Ｃにおいては、作動空間部２（シリンダ２０）が多段（図示例では、三段）に連設されている。隣接する作動空間部２（クランク軸１２）同士は、例えば、連結軸９５を介して接続される。

【0049】

また、図４に示す圧縮機兼膨張機１Ｃにおいては、圧縮機兼膨張機１Ｃを圧縮機として駆動し又は膨張機運転される圧縮機兼膨張機１Ｃにより駆動される原動機に交流電動機等の電動機９１を用いている。この電動機９１は、例えば、駆動軸９２を介して圧縮機兼膨張機１Ｃのクランク軸１２に接続される。さらに、電動機９１には、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器等の変換器９３が接続されている。

【0050】

図５に示す圧縮機兼膨張機１Ｄにおいても、作動空間部２（シリンダ２０）が多段（図示例では、三段）に連設されている。隣接する作動空間部２（クランク軸１２）同士は、例えば、連結軸９５を介して接続される。

【0051】

図５に示す圧縮機兼膨張機１Ｄにおいては、前述の原動機に、交流電動機等の電動機９１及びスターリングエンジン等の外燃機関９４の両方を用いている。これらの電動機９１及び外燃機関９４は、例えば、駆動軸９２を介して圧縮機兼膨張機１Ｄのクランク軸１２に接続される。さらに、電動機９１には、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器等の変換器９３が接続されている。

【0052】

［作用効果等］
以下に、本実施形態による作用効果を説明する。

【0053】

（１）圧縮機兼膨張機１は、容積変化する作動空間部２と、作動空間部２に連設される高圧側外部空間部３と、作動空間部２に連設される低圧側外部空間部４とを備える。圧縮機兼膨張機１は、作動空間部２と高圧側外部空間部３との間に配設される第一弁５と、作動空間部２と低圧側外部空間部４との間に配設される第二弁６と、第一弁５を開閉する第一弁作動機構７とを備える。第一弁５は、第一弁座５０と、高圧側外部空間部３側から第一弁座５０に対して押し付けられて第一弁座５０を閉塞する第一弁体５１と、第一弁体５１を作動空間部２側から高圧側外部空間部３側に向けて付勢する第一付勢部（図示せず）とを有する、常開型弁である。第一弁作動機構７は、第一弁体５１を高圧側外部空間部３側から作動空間部２側へと押す動作により第一弁５を閉にする。

【0054】

作動空間２２のガスを第一弁体５１に強制力を働かせて第一弁５を閉とした状態で作動空間２２の容積を減少させて圧縮し、作動空間２２が高圧側外部空間３２と略同圧となった位置において、第一弁体５１への強制力を解除して第一弁５を開とし、ガスを高圧側外部空間３２に吐出することにより、圧縮機兼膨張機１は圧縮機としての機能を果たす。また、高圧側外部空間３２のガスを第一弁体５１への強制力を解除して第一弁５を開とした状態で作動空間２２の容積を増加させて作動空間２２に吸入し、一定容積のガスを吸入した後に第一弁体５１に強制力を働かせて第一弁５を閉とし、作動空間２２のガスを膨張させることにより、圧縮機兼膨張機１は膨張機としての機能を果たす。

【0055】

本実施形態に係る圧縮機兼膨張機１においては、第一弁５として常開型（ノーマルオープン）の弁を用い、第一弁体５１を高圧側外部空間部３側から作動空間部２側へと押す動作により第一弁５を閉にすることにより、第一弁作動機構７を第一弁体５１側（すなわち、高圧側外部空間３２側）に配置することができる。第一弁体５１を作動空間２２に対面で配置することができるため、クリアランス容積を最小限とすることができ、容積効率の低下を抑制することが可能になる。

【0056】

（２）圧縮機兼膨張機１は、容積変化する作動空間部２と、作動空間部２に連設される高圧側外部空間部３と、作動空間部２に連設される低圧側外部空間部４とを備える。圧縮機兼膨張機１は、作動空間部２と高圧側外部空間部３との間に配設される第一弁５と、作動空間部２と低圧側外部空間部４との間に配設される第二弁６と、第一弁５を開閉する第一弁作動機構７とを備える。第一弁５は、第一弁座５０と、高圧側外部空間部３側から第一弁座５０に対して押し付けられて第一弁座５０を閉塞する第一弁体５１と、第一弁体５１を高圧側外部空間部３側から作動空間部２側に向けて付勢する第一付勢部（図示せず）とを有する、常閉型弁である。第一弁作動機構７は、第一弁体５１を作動空間部２側から高圧側外部空間部３側へと引く動作により第一弁５を開にする。

【0057】

作動空間２２のガスを第一弁５がノーマルクローズの状態で作動空間２２の容積を減少させて圧縮し、作動空間２２が高圧側外部空間３２と略同圧となった位置において、第一弁体５１に強制力を働かせて第一弁５を開とし、さらに作動空間２２の容積を減少させてガスを高圧側外部空間３２に吐出することにより、圧縮機兼膨張機１は圧縮機としての機能を果たす。なおこの場合、強制力を使用せず差圧および流体力で第一弁５を開くこともできる。また、高圧側外部空間３２のガスを第一弁体５１に強制力を働かせて第一弁５を開とした状態で作動空間２２の容積を増加させて作動空間２２に吸入し、一定容積のガスを吸入した後に第一弁体５１への強制力を解除して第一弁５を閉とし、作動空間２２の容積をさらに増加させて作動空間２２のガスを膨張させることにより、圧縮機兼膨張機１は膨張機としての機能を果たす。

【0058】

本実施形態に係る圧縮機兼膨張機１においては、第一弁５として常閉型（ノーマルクローズ）の弁を用い、第一弁体５１を高圧側外部空間部３側から作動空間部２側へと引く動作により第一弁５を開にすることにより、第一弁作動機構７を第一弁体５１側（すなわち、高圧側外部空間３２側）に配置することができる。第一弁体５１を作動空間２２に対面で配置することができるため、クリアランス容積を最小限とすることができ、容積効率の低下を抑制することが可能になる。

【0059】

（３）圧縮機兼膨張機１は、第二弁６を開閉する第二弁作動機構８をさらに備える。第二弁６は、第二弁座６０と、作動空間部２側から第二弁座６０に対して押し付けられて第二弁座６０を閉塞する第二弁体６１と、第二弁体６１を低圧側外部空間部４側から作動空間部２側に向けて付勢する第二付勢部（図示せず）とを有する、常開型弁である。第二弁作動機構８は、第二弁体６１を作動空間部２側から低圧側外部空間部４側へと引く動作により第二弁６を閉にする。

【0060】

本実施形態に係る圧縮機兼膨張機１においては、第二弁６として常開型（ノーマルオープン）の弁を用い、第二弁体６１を作動空間部２側から低圧側外部空間部４側へと引く動作により第二弁６を閉にすることにより、第二弁作動機構８を第二弁座６０側（すなわち、低圧側外部空間４１側）に配置することができる。第二弁体６１を作動空間２２側に配置することができるため、クリアランス容積を最小限とすることができ、容積効率の低下を抑制することが可能になる。

【0061】

（４）圧縮機兼膨張機１は、第二弁６を開閉する第二弁作動機構８をさらに備える。第二弁６は、第二弁座６０と、作動空間部２側から第二弁座６０に対して押し付けられて第二弁座６０を閉塞する第二弁体６１と、第二弁体６１を作動空間部２側から低圧側外部空間部４側に向けて付勢する第二付勢部（図示せず）とを有する、常閉型弁である。第二弁作動機構８は、第二弁体６１を低圧側外部空間部４側から作動空間部２側へと押す動作により第二弁６を開にする。

【0062】

本実施形態に係る圧縮機兼膨張機１においては、第二弁６として常閉型（ノーマルクローズ）の弁を用い、低圧側外部空間部４側から作動空間部２側へと第二弁体６１を押す動作により第二弁６を開にすることにより、第二弁作動機構８を第二弁体６１側（すなわち、低圧側外部空間４１側）に配置することができる。第二弁体６１を作動空間２２側に配置することができるため、クリアランス容積を最小限とすることができ、容積効率の低下を抑制することが可能になる。

【0063】

（５）作動空間部２のピストン２１が最大容積位置Ｐｍａｘ付近にあり、第一弁５及び第二弁６が閉じられた状態において、ピストン２１が最大容積位置Ｐｍａｘ側から最小容積位置Ｐｍｉｎ側に向けて移動され、作動空間２２内のガスは圧縮される。ピストン２１が最小容積位置Ｐｍｉｎに達する前の第一所定位置付近において、第一弁５が開かれ、最小容積位置Ｐｍｉｎ付近において、第一弁５が閉じられる。ピストン２１が最小容積位置Ｐｍｉｎ側から最大容積位置Ｐｍａｘ側に向けて移動され最大容積位置Ｐｍａｘに達する前の第二所定位置付近において、第二弁６が開かれ、最大容積位置Ｐｍａｘ付近において、第二弁６が閉じられる。これらの動作が繰り返されることにより圧縮機兼膨張機１が圧縮機として運転される。

【0064】

（６）ピストン２１が最小容積位置Ｐｍｉｎに達する前の第一所定位置において、作動空間部２の圧力と高圧側外部空間部３の圧力とが略一致する。

【0065】

これにより、第一所定位置における第一弁体５１の作動力を低減することができる。

【0066】

（７）ピストン２１が最大容積位置Ｐｍａｘに達する前の第二所定位置において、作動空間部２の圧力と低圧側外部空間部４の圧力とが略一致する。

【0067】

これにより、第二所定位置における第二弁体６１の作動力を低減することができる。

【0068】

（８）作動空間部２のピストン２１が最大容積位置Ｐｍａｘ付近にあり、第一弁５及び第二弁６が閉じられた状態から第二弁６を開き、ピストン２１が最大容積位置Ｐｍａｘ側から最小容積位置Ｐｍｉｎ側に向けて移動される。ピストン２１が最小容積位置Ｐｍｉｎに達する前の第三所定位置において、第二弁６が閉じられ、最小容積位置Ｐｍｉｎ付近において、第一弁５が開かれる。ピストン２１が最小容積位置Ｐｍｉｎ側から最大容積位置Ｐｍａｘ側に向けて移動されて最大容積位置Ｐｍａｘに達する前の第四所定位置において、第一弁５が閉じられ、ピストン２１が最大容積位置Ｐｍａｘ付近に達するまで作動空間２２内のガスは膨張される。これらの動作が繰り返されることにより圧縮機兼膨張機１が膨張機として運転される。

【0069】

（９）ピストン２１が第三所定位置から移動し、最小容積位置Ｐｍｉｎに達する付近において、作動空間部２の圧力と高圧側外部空間部３の圧力とが略一致する。

【0070】

これにより、最小容積位置Ｐｍｉｎに達する付近における第一弁体５１の作動力を低減することができる。

【0071】

（１０）ピストン２１が第四所定位置から移動し、最大容積位置Ｐｍａｘに達する付近において、作動空間部２の圧力と低圧側外部空間部４の圧力とが略一致する。

【0072】

これにより、最大容積位置Ｐｍａｘに達する付近における第二弁体６１の作動力を低減することができる。

【0073】

（１１）作動空間部２が多段に連設される。

【0074】

（１２）高圧側外部空間部３には熱交換器３１が配設される。

【0075】

（１３）作動空間部２には、作動空間部２を駆動し又は作動空間部２により駆動される原動機が連結され、原動機は電動機９１を含む。

【0076】

（１４）作動空間部２には、作動空間部２を駆動し又は作動空間部２により駆動される原動機が連結され、原動機は外燃機関９４を含む。

【0077】

ところで、本発明の圧縮機兼膨張機は前述の実施形態に例をとって説明したが、この実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の実施形態を各種採用することができる。

【符号の説明】

【0078】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 圧縮機兼膨張機（容積型圧縮機兼容積型膨張機）
２ 作動空間部
３ 高圧側外部空間部
４ 低圧側外部空間部
５ 第一弁
６ 第二弁
７ 第一弁作動機構
８ 第二弁作動機構
９ 制御部（コントローラ）
１１ コネクティングロッド
１２ クランク軸
２０ シリンダ
２０ａ 高圧側ポート
２０ｂ 低圧側ポート
２１ ピストン（往復移動部材）
２２ 作動空間
２５ ピストンリング
３０ 高圧側配管
３１ 熱交換器
３２ 高圧側外部空間
４０ 低圧側配管
４１ 低圧側外部空間
５０ 第一弁座
５１ 第一弁体
６０ 第二弁座
６１ 第二弁体
７０ 第一アクチュエータ
７１ 第一ステム
７２ 第一ヨーク
８０ 第二アクチュエータ
８１ 第二ステム
８２ 第二ヨーク
９１ 電動機
９２ 駆動軸
９３ 変換器
９４ 外燃機関
９５ 連結軸
Ｐｍａｘ 最大容積位置
Ｐｍｉｎ 最小容積位置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】