专利名称：容积式机械的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种提高容积式机械和利用容积式机械的制冷空调机械或燃料电池系统等效率的技术。
另外，在特开平9-72275号公报的图7所记载的压缩机中的往复运动部件是在活塞的中央部位里插入杆臂而形成。
在上述以往的技术中，组成往复式容积式机械的可动件数多，存在着生产性和可靠性低的问题。本发明的第1个目的是提供一种零件数量少而且可靠性高的往复式容积式机械。
又，在上述以往的技术中，由于装配性能的限制，难于把活塞的直径缩小或难于实现其直径与杆臂直径比的增大，并且由于工作流体的压力，在作为滑动部的杆臂部所产生的滑动载荷和滑动面上的压力减小是有限的。因此，特别是在工作流体为高压状态时，存在容易产生增加机械摩擦损失和滑动部分可靠性低的问题。本发明的第2个目的是提供一种即使是工作流体为高压状态，也使机械摩擦损失小、滑动部分的可靠性高的往复式容积式机械。
在使用了适用于高压工作流体的容积式机械的系统中，因贮存于高压工作流体中的能量、在节流机构等的管道阻力而损耗，从能量效率的观点看，存在着作无用功的问题。本发明的第3个目的是提供一种在使用容积式机械的系统中，在使高压工作流体进行膨胀减压时，回收能量，而且减小其回收作业时产生的机械摩擦损失的高效率系统。
发明内容
为了实现上述的第1个目的，具有通过往复运动改变密闭工作空间容积的活塞以及垂直于该活塞往复运动方向、向相互反向伸出的两个杆臂的往复运动部件，和作为工作空间的一部分并为上述活塞往复运动导向的导向部件，和轴方向相同且相互反向转动、并在从该转动轴向半径方向偏心的位置上分别支承上述杆臂的两个轴部件；在通过上述构成使活塞一边围绕往复运动方向的轴线进行摆动运动一边作往复运动的容积式机械中，对应于不使用阀门机构的移动件、而利用往复运动部件的上述运动的工作空间容积的增减，构成轮流连通工作流体空间、如吸入室空间或排出室空间与工作空间的连通通路。
为了实现上述第2个目的，具有通过往复运动改变密闭工作空间容积的活塞以及垂直于该活塞往复运动方向、向相互反向伸出的两个杆臂的往复运动部件，和作为工作空间的一部分并为上述活塞往复运动导向的导向部件，和轴方向相同且相互反向转动、并在从该转动轴向半径方向偏心的位置上分别支承上述杆臂的两个轴部件；在通过上述构成使活塞一边围绕往复运动方向的轴线进行摆动运动一边作往复运动的容积式机械中，以在具有两个杆臂的部件的中央部分插入形成为活塞的部件的方式、形成往复运动部件。
为了实现上述第3个目的，具有通过往复运动改变密闭工作空间容积的活塞以及垂直于该活塞往复运动方向、向相互反向伸出的两个杆臂的往复运动部件，和作为工作空间的一部分并为上述活塞往复运动导向的导向部件，和轴方向相同且相互反向转动、并在从该转动轴向半径方向偏心的位置上分别支承上述杆臂的两个轴部件；在作为通过上述构成使活塞一边围绕往复运动方向的轴线进行摆动运动一边作往复运动的容积式机械的构成要素的系统，是具有压缩行程和膨胀行程的系统。例如，把由设在往复运动部件两端的活塞工作的两个工作室中一个作为压缩室，另一个作为膨胀室，将由压缩室提供动力而变为高压的工作流体的至少一部分、导入到膨胀室进行回收动力，同时进行减压，将这样的容积式机械作为构成要素，在制冷空调机械系统中，使其进行制冷循环的压缩行程和膨胀行程。
图2是对
图1的A-A剖视图。
图3是对图1的B-B剖视图。
图4是对图1的C-C剖视图。
图5是对图1的D-D剖视图。
图6是本发明的第2实施例的膨胀机整体侧剖视图。
图7是对图6的E-E剖视图。
图8是对图6的F-F剖视图。
图9是对图6的G-G剖视图。
图10是对图6的H-H剖视图。
图11是本发明的第3实施例的把制冷剂作为工作流体的膨胀·压缩机的整体侧剖视图。
图12是将本发明的第3实施例的膨胀·压缩机中使用于制冷·空调机器时的制冷循环构成图。
图13是本发明的第4实施例的膨胀·压缩机的整体侧剖视图。
图14是对图13的I-I剖视图。
图15是对图13的J-J剖视图。
图16是对图13的K-K剖视图。
图17是将本发明的第4实施例的膨胀·压缩机使用于燃料电池系统中时的系统构成图。
图18是本发明的第5实施例的压缩机的整体侧剖视图。
图中1、21、45、66—往复运动部件，1a、21a、21c、45a、45c、66a—活塞头部，1b、 21d、45d、66b一杆臂，1c、21e、66c—销，1d、21f、45f—连接通路，2、16、22、48、69—缸体单元，2a.、16a、22a、22b、69a—内圆周面，2b、16b、21b、22c、45b、48d、66f—吸入口(吸入port)，2c、16c、22d、23a、48e、74a—排出口，3—球面轴瓦，4、33、50、67—驱动轴，4a、33a、67a—驱动臂，4b、13、19b、33b、55、67b、82—配重，5、42、68—轴承架，5a、68a—轴承部，6、23、54、74—缸盖，7、24、40、41、65—工作室，8、9、17—挡板，10、18、27、47、53、70—吸入管，11、32、49、79—排出管，12、34、80—驱动电机，12a、20a、34a、80a—定子，12b、20b、34b、80b—转子，14、81—电机壳，15、46—椭圆轨迹，19—输出轴，19a—输出杆臂，20—发电机，25、73—吸入阀门板，26、72—铆钉，28、75—排出阀门板，29、76—排出阀门压板，30、77—排出空间，31、78—排出室壳体，35、56—膨胀·压缩机，36—循环管，37—冷凝器，38—蒸发器，39—膨胀装置，43—球轴承部，44—滚针轴承部，45e—螺母，45g、66d—吸入口，45h、52、66e、71—内部空间，48c、48g—吸入通路，48f—排出通路，51—电机，57—空气，58—空气除尘器，59—压缩空气，60—燃料电池堆，60a—负极， 60b—正极，60c—离子透过膜，60d—电力，61—燃料气体，62—排出气体，63—高压排出空气，64—低压排出空气。
(第1实施例)往复运动部件1，其两个活塞头部1a分别由缸体单元2的两个内圆周面2a导向、作往复运动和围绕该往复运动方向轴线的旋转。在往复运动部件1的活塞头部1a上插入了垂直于这个往复运动方向、相互反向凸出来的两个圆筒状的杆臂1b，并用销1c固定。
两个杆臂1b分别转动自如地插入在球面轴瓦3的内圆周面。两个球面轴瓦3的外部球面，在分别由驱动轴4的驱动臂4a从驱动轴4的转动轴向半径方向偏移的位置上、由球面副支撑。
其结果，以往复运动部件的两个杆臂1b与两个驱动轴4之间能够相对转动和可以改变相对倾斜方向的状态，在从驱动轴4的转动轴偏离的位置上连接。在与驱动轴4的驱动臂4a的径向相反一侧，形成有配重4b。另外，两个驱动轴4分别由轴承架5的轴承部5a支承转动。两个轴承架5，以将其轴承部5a的中心轴配置于同轴上的方式用螺栓分别固定在缸体单元2上。
形成在缸体单元2上的两个内圆周面2a的中心轴也是互相同轴，而且，与固定在其缸体单元2上的轴承架5的轴承部中心轴相互垂直。
形成在缸体单元2上的内圆周面2a的两个开口端，由分别利用螺栓固定的缸盖6来封闭，由往复运动部件的活塞头部1a、缸体单元的内圆周面2a和缸盖6围起来，形成两个工作室7。在往复运动部件的活塞头部1a中设有与工作室7相连的连接通路1d，在其连接通路1d的活塞侧面的圆周面上有两个开口部。在缸体单元2上面形成有分别向内圆周面2a开口的吸入口2b和排出口2c，分别把内圆周面2a的相对向的开口部、通过用螺栓等(图中未示)固定在缸体单元2上的挡板8及挡板9来封闭。在用来封闭吸入口2b开口部的挡板8上面连接从泵外部插入的吸入管10，用来封闭排出口2c的开口部的挡板9上面连接从泵外部插入的排出管11。
在两个轴承架5上分别用螺栓固定着驱动电机12的定子12a，在两个驱动轴4上，分别夹着轴承部5a，在驱动臂4a的相反一侧固定有驱动电机12的转子12b。在转子12b上安装着产生向与上述的配重4b相反方向的较小的离心力的配重13。由定子12a和转子12b所构成的两个驱动电机12是相同的电机，但是在上述容积式泵的整体结构中，以相互面对的状态组装，所以将两个驱动轴4向相互反方向转动驱动。本第1实施例中，图1右侧的驱动电机12和左侧的驱动电机12从图的右侧观察，是分别以顺时针和逆时针方向转动驱动的结构。另外，在两个轴承架5上固定有利用往缸体单元2上固定的螺栓共用固定的电机壳体14。
在上述的结构中，如果两个驱动轴4以相互反方向转动驱动的话，则从驱动轴4转动轴向半径位置偏心的两个球面轴瓦3的球中心、在图1的上下方向以同相位往复运动，为了在图1的垂直于纸面方向上是相互反相位往复运动，由球面轴瓦3支承的两个圆筒状杆臂1b的往复运动部件1，如在特开平9-72275号公报(图8)中所示，作往复运动的同时围绕其往复运动方向的轴线反复摆动。这时，形成在往复运动部件1的活塞头部1a上的连接通路1d的活塞侧面开口部，比球面轴瓦3的中心和驱动轴4的转动轴间的偏移量，以2倍行程进行往复运动，但在摆动方向上把活塞外径除以两个球面轴瓦3的中心距离的比、缩小了摆动运动的行程。即，从驱动轴4的转动轴方向观察时，进行椭圆形轨迹15的运动。
在图2至图5中，在每个断面内标有吸入口2b或者排出口2c的位置，并利用虚线表示对应于这些位置的活塞头部1a的连接通路1d的上述开口位置，利用点划线表示其椭圆形轨迹15。而且，利用箭头表示各驱动轴4绕上述方向转动时的连接通路1d开口部的运动方向。图2中的连接通路1d的开口部与其椭圆形轨迹15和排出口2c的位置关系，表示了在图1中上部工作室7的容积由减小转变为增大的时刻、切断到此为止的、由连接通路1d使排出口2c与工作室7导通的状态。图3中的连接通路1d的开口部与其椭圆形轨迹15及吸入口2b之间的位置关系，表示了上部工作室7的容积由减小转变为增大时刻、在这以后的由连接通路1d确保吸入口2b与工作室7之间导通的状态。图4中的连接通路1d的开口部与其椭圆形轨迹15及吸入口2b之间的位置关系，表示了图1的下部工作室7的容积在由增大转变为减小的时刻、切断到此为止的由连接通路1d使吸入口2b与工作室7导通的状态。
图5中的连接通路1d的开口部与其椭圆形轨迹15及排出口2c的位置关系，表示了下部工作室7的容积在由增加转变为减小时刻、在这以后由连接通路1d确保排出口2c和工作室7之间的导通状态。本第1实施例中，借助吸入管10提供低压的工作流体(液体)，把吸入口2b作为低压工作流体空间，把排出口2c作为高压工作流体空间，排出由排出管11加压的工作流体(液体)。
根据以上情况，并根据本第1实施例，可以不使用阀门机构的移动件就可实现在工作室空间的容积增大期间，使低压工作流体空间和该工作室之间连通，在工作空间的容积减小期间，使高压工作流体空间和该工作室之间连通。因此，可以提供具有的零件数少而生产性和可靠性高的往复容积式泵。另外，根据特开平9-72275号公报上记载的内容，它既是往复容积式泵，又能使因驱动转矩的变动或往复质量的惯性力而引起的振动力变得非常小。
另外，在第1实施例中，如果进行结构改进，使借助吸入管10向吸入口2b提供高压工作液体，并由排出口2c通过排出管11排出被减压的工作流体，则可以获得把两个驱动轴4作为输出轴的和实施例1具有同样特征·效果的液压马达。此时，如果由这些输出轴驱动替代驱动电机12的两个发电机并互相给予相同的载荷的话，还是根据特刊平9-72275号公报上记载的理由，既是往复容积式液压马达，又能使因驱动转矩的变动或往复质量的惯性力而引起的振动力变得非常小。
(第2实施例)下面，结合图6至图10说明本发明的第2实施例。在图6至图10中，表示了作为本发明的第2实施例的容积式膨胀机。因各部件的结构与图1至图5的第1实施例几乎相同，所以仅说明两者的区别。在缸体单元16中，分别设有向内圆周面16a开口的吸入口16b及排出口16c，吸入口16b比排出口16c小。另外，通过连接在挡板17的吸入管18提供高压工作流体(气体)，把吸入口16b作为高压工作流体空间，把排出口16c作为低压工作流体空间，由排出管11排出被减压的工作流体(气体)。根据以上的结构，工作室7只在其容积增大的吸入行程初期期间，通过活塞头部1a的连接通路1d与吸入口连通，吸入高压工作流体(气体)，而在吸入行程的后期期间，变为与吸入·排出两个口切断的封闭空间，使容积增大而使内部的工作流体(气体)膨胀。排出口16c很大，工作室7在其容积减小的整个排出行程期间，通过活塞头部1a的连接通路1d与排出口16c导通，排出膨胀而变成低压的工作流体(气体)。
往复运动部件1，其杆臂1b通过球面轴瓦3连接在两个输出轴19上，在这些输出轴19上分别固定由定子20a和转子20b所构成的两个发电机20中的转子20b。根据以上的结构，本第2实施例具有作为膨胀机的功能，由输出轴18获得动力来进行发电。
如上述内容，根据本第2实施例，可以不使用阀门机构的移动件实现只在工作室空间的容积增大的初期期间，使工作流体空间与该工作室连通，而在工作空间的容积减小的期间，使低压的工作流体空间与该工作室连通。因此，可以获得提供零件数少、生产性和可靠性高的往复容积式膨胀机的效果。又根据特开平9-72275号公报上记载的理由，它既是往复容积式膨胀机，又能使因驱动转矩的变动或往复质量的惯性力而引起的振动力变得很小。
另外，在第2实施例中，使排出管11和排出口16c分别具有为了吸入低压的工作流体(气体)的吸入管和吸入口的功能，并使吸入口16b及吸入管18分别具有为了排出高压工作流体(气体)的排出口及排出管的功能，再把输出轴19作为驱动轴代替发电机20，利用两个驱动电机与图6的反方向转动驱动的话，则可获得和第2实施例相同的特征·效果的气体压缩机。
(第3实施例)下面，结合图11和图12说明本发明的第3实施例。图11和图12表示了作为本发明第3实施例的膨胀·压缩机。在第3实施例中，将制冷剂作为工作流体，在图11的整体侧剖视图中，下部的工作室7具有和图6相同结构的膨胀机的功能，和图9及图10所示的装置相同，工作室7通过往复运动部件21的连接通路21f轮流与缸体单元22的吸入口22c和排出口22d导通。
另一方面，在上部形成了由往复运动部件21的活塞头部21a、缸体单元22的内圆周面22a和缸盖23所围成的工作室24。在该活塞头部21a上面形成有吸入口21b，而且，通过铆钉26安装了阀门板25。铆钉26约束着阀门板25，以便使其从活塞头部21a的上端面向上浮起，在吸入行程中使制冷气体能够从吸入口21b向工作室24流入。在缸体单元22上连接吸入管27，本第3实施例的膨胀·压缩机内部，是直到活塞头部21a到达背面之前为吸入压力状态，连接着上述的吸入口21b和吸入管27。在缸盖23上面形成有排出口23a，排出阀门板28和排出阀压板29用螺栓(未图示)固定。缸盖23和围成排出空间30的排出室壳体31一起、用螺栓固定在缸体单元22上。在排出室壳体31上连接着排出管32。其结果，往复运动部件21进行往复运动，则工作室24起压缩机的作用。
图11的容积式机械，虽然具有作为产生轴动力发动机的容积式膨胀机械部分和作为消耗从驱动轴提供动力的机器的容积式压缩机械部分两方，但在本第3实施例中，压缩机部分的活塞头部21a的直径比膨胀机械部分的活塞头部21b的直径大，总体来说是具有消耗动力的机器的功能。因此，驱动轴33由定子34a和转子34b所组成的电机来驱动转动，其理论上的必需动力，比起只驱动上部的容积式压缩机部分的情况，只少了下部的容积式膨胀机部分产生的动力量。
图12表示了把作为本第3实施例的膨胀·压缩机连接到制冷·空调机械的制冷循环中时的循环构成图。中央的膨胀·压缩机35是图11中的本第3实施例的膨胀·压缩机。图中的粗线为循环管36，粗线上的箭头表示内部的制冷剂的流向。在一般的制冷剂和运转条件下，在膨胀·压缩机35的压缩机部分被加压变为高温高压的制冷气体，由排出管32排出，经过循环管36到达冷凝器37放热、凝缩，变为高压的液体制冷剂。高压的液体制冷剂的一部分，通过经循环管36的吸入管18流入膨胀·压缩机35的膨胀机部分，在那里被减压的同时一部分被气化，使整体容积增大，以低压的气液两相状态通过排出管11流出。然后，经过循环管36到达蒸发器38。从冷凝器37出来的高压液体制冷剂的另一部分，经过与经由上述膨胀机的通路并列设置的循环管通路，由设在这个通路上的其它膨胀装置39减压，仍有一部分被气化并以低压气液两相状态经过循环管36到达蒸发器38。另外，膨胀装置39可以是与以往制冷循环中的膨胀阀或毛细管等同样的利用缩颈的方式，其结构并不象膨胀机那样在膨胀过程中向外部作机械功来回收动力。在蒸发器38中，经过上述两个通路流入的气液两相制冷剂的液体部分吸热并蒸发，全部变为低压气体，经过循环管36由吸入管27流入膨胀·压缩机35的内部。流入到膨胀·压缩机35内部的制冷气体，在压缩机部分被加压变为高温高压，再次由排出管32排出，构成制冷剂的循环的封闭回路。另外，在图12中，没有经过作为从冷凝器37到达蒸发器38的两个系统的制冷剂通路中的一方的膨胀·压缩机35的膨胀机部分的通路，全部制冷剂通过缩颈的膨胀装置39，这就是以往技术中的制冷循环结构。
在以往技术中，从冷凝器出来的全部高压液体制冷剂，在通过如膨胀装置39那样的缩颈时，由于压力损失而失去能量，并且所损失的能量变为热量而被制冷剂吸收，所以在蒸发器38中的吸热能力、即制冷能力下降。与此相反，在组装了本第3实施例的膨胀·压缩机的、进行制冷循环的制冷·空调机械中，把以往的作为缩颈部压力损失而变为热量的高压液体制冷剂的上述能量的一部分，在和压缩机成为一体的膨胀机部分，能够以机械能回收动力，可以获得减小必须向压缩机部分提供动力的效果。特别是在本第3实施例中，因为压缩机部分的工作室24的压力和膨胀机部分的工作室7的压力成为一体作用于往复运动部件21的活塞头部21a和活塞头部21b，所以由这些压力引起的作用于往复运动部件21的作用力的一部分在加载阶段相互抵消，可减小往复运动部件21的杆臂21b和球面轴瓦3之间滑动载荷、驱动轴33和轴承部5a之间的滑动载荷，具有能够减小机械摩擦损失的效果。且如上所述，具有在膨胀部分只有回收的动力量部分、在制冷循环中可以获得恢复下降了的制冷能力的效果(比以往技术提高制冷能力)。以上结果是在组装本第3实施例的膨胀·压缩机的制冷循环的制冷·空调机械中，以较小的动力获得较大制冷能力，因此，可以获得提高制冷空调机械效率的效果。另外，在把组装了本第3实施例的膨胀·压缩机的制冷·空调机械作为热泵发挥取暖设备功能时，取暖能力等于通常上述的制冷能力和膨胀·压缩机35的消耗动力之和，虽然上述制冷能力的增大部分与消耗动力减少部分相互抵消，但作为取暖设备的效率，只提高了由膨胀·压缩机35所消耗动力减少量。
在图12的循环构成图中，构成从冷凝器37到达蒸发器38的两个系统的制冷剂通路。如果把它形成只通过膨胀·压缩机35的膨胀机械部分的通路，则在膨胀·压缩机35中的压缩机工作室24的容积(最大容积)和膨胀机工作室7的吸入容积(阻断与吸入口22b导通时的容积)之间的比固定在一定值时，在制冷循环的回路中的质量流量的连续性限制了吸入压力和排出压力的关系，在上述的容积比不合适或周围温度等的运行条件发生很大变化时，有可能产生制冷循环的运行压力条件成为异常值的悬念。在图12的循环构成图中，对于从冷凝器37到蒸发器38的其他系统的制冷剂通路中，通过调整膨胀装置39的节流量可以控制制冷循环的运行压力条件。但是，在上述的各工作室间的吸入容积比和周围温度等的运行条件匹配时，或膨胀·压缩机35的各工作室的至少一侧的吸入容积可变而可以控制容量时，并非必需经过上述膨胀·压缩机35膨胀机部分的通路以外的通路，能够从制冷循环的全部循环制冷剂中回收膨胀过程中的动力，所以可组成效率较高的制冷循环。另外，根据制冷剂的种类、运行压力，在冷凝器37的放热过程中也可能发生不伴随从气体变为液体的相变，此时，使冷凝器37起放热器的作用即可。
(第4实施例)下面，结合图13至图17说明本发明的第4实施例。图13至图16表示了本发明的第4实施例的膨胀·压缩机。本第4实施例在图13整体侧剖视图中，在下部的工作室41起膨胀机的作用、上部的工作室40起压缩机的作用方面，和图11的第3实施例相同，但因为把空气作为工作流体，所以存在着没有必要把膨胀·压缩机整体密闭在容器内、不具有如图11的电机壳体14那样的外部壳体部件等区别。
其他不同点之一是轴承架42的轴承部使用了润滑脂等润滑方式的球轴承43或滚针轴承44。与在图11的第3实施例中的轴承部溶出润滑脂的制冷剂环境中使用相比，在本第4实施例中，变为在空气环境中使用，用润滑脂密封的润滑成为可能。
下一个不同点是作为膨胀机功能的下部工作室41的活塞头部45c的直径近似等于作为压缩机功能的上部工作室40的活塞头部45a的直径。在图11的第3实施例中的膨胀·压缩机中，因组装在制冷循环中使用，所以从膨胀机部排出的制冷剂仍含有大量的液体制冷剂，具容积与全部蒸发气化后被吸入压缩机时的容积相比非常小。因此，膨胀机部的活塞头部21c的直径比压缩机部的活塞头部21a的直径非常小。与此相反，在以空气为工作流体的本实施例中，想出了使用将与在压缩机部中从大气压开始加压的压缩空气几乎同量的气体、在膨胀机部中膨胀到大气压的方法(图17)，设定膨胀机部的活塞头部45c的直径近似等于压缩机部位活塞头部45a的直径。
与此相关，图14和图15表示了往复运动部件45的连接通路45f在外围圆筒面的开口部的椭圆轨迹46，但因开口的外围圆筒面的半径大，和第1～第3实施例中的椭圆轨迹15相比，短轴的长度变大而成为较膨胀的椭圆。另外，在膨胀机部分中，高压气体从吸入管47通过设在缸体单元48上的吸入通路48c、吸入口48d和连接通路45f向工作室41流入，然后，在密闭空间内膨胀而变成低压气体，从连接通路45f通过设在缸体单元48上的排出口48e和排出通路48f，从排出管49流出。
又因设定膨胀机部的活塞头部45c的直径几乎等于压缩机部的活塞头部45a的直径，且由于膨胀机部中的回收动力的大小接近压缩机部的消耗动力的大小，所以向膨胀·压缩机的全体必须供应的动力小，使对驱动轴50驱动的电机51变为小容量。
下一个不同点是在本第4实施例中，压缩机部的吸入通路和上述第3实施例的不同，从外部的吸入管到工作室40的通路不经过装入膨胀·压缩机驱动机构进行运动的的内部空间52。图16是图13中的K-K剖面，表示了压缩机部的吸入通路。从图16的左右两个吸入管53流入到缸体单元48的吸入通路48g的吸入空气，又经过形成在往复运动部件45的活塞头部45a上的吸入口45g，到达活塞头部45a的内部空间45h，从吸入口45b通过由铆钉26装配的吸入阀门板25，吸入到工作室40中。缸体单元48的吸入通路48g和活塞头部45a的吸入口45g之间，在整个吸入行程中处于导通状态。因吸入空气不经过膨胀·压缩机的内部空间52，因此可以防止混入为润滑各滑动部位而在内部空间52内注入的润滑油等、可获得清洁的压缩空气。
而且，在本第4实施例中，往复运动部件45的活塞头部45a、45c和杆臂45d之间的连接结构不同于上述第3实施例。如本实施例，在工作流体的工作压力比较低时，即使杆臂45d与球面轴瓦3的内圆周面之间滑动部的直径远小于活塞头部45a、45c的直径，也能够设计为把滑动面压力控制在实用范围内。这时，如本实施例，由贯通活塞头部45a、45c而插入杆臂45d，并通过螺母45e等组装成一体的往复运动部件45的方法有效。如第1至第3实施例，在使两处的活塞头部直径的至少一个接近往复运动部件杆臂的滑动部直径的尺寸时，相反地可采用使杆臂的中央部位粗，贯通此处插入活塞头部而固定成一体的方法。
图17表示了把第4实施例的膨胀·压缩机应用于燃料电池系统时的系统构成图。右侧中央部的膨胀·压缩机56是图13的本第4实施例的膨胀·压缩机。大气中的空气57通过右上角的空气除尘器58后，从膨胀·压缩机56的吸入管53流入，在压缩机部压缩后由排出管32流出，作为压缩空气59供应到燃料电池堆60的负极60a。供应压缩空气59的目的是向负极60a供应高密度氧气，以求燃料电池堆60的高效率化、小型化。另一方面，向燃料电池堆60的正极60b供应氢气或是含有氢气的燃料气体61。在负极60a和正极60b之间布置离子透过膜60c，供应给正极60b的氢气或含有氢气的气体产生的氢离子(+离子)透过该离子透过膜60c，在与从供应给负极60a的氧气中产生的氧离子(-离子)结合生成水分的过程中，可以从燃料电池堆60取出把负极60a和正极60b作为电极的电力60d。供应给正极60b的燃料气体61在消耗了氢气后作为排出气体62从燃料电池堆60排出，利用于改性器(图中未示)的热源等。虽然供应给负极60a的压缩空气56消耗氧气的一部分，但增加了新生成的水分，作为高压排出空气63从燃料电池堆60排出。然后，从吸入管47再次流入到膨胀·压缩机56中，在膨胀机部膨胀后，由排出管49流出，作为低压排出空气64最终向大气放出。
另外，在膨胀机部分，高压气体经过设在缸体单元48上的吸入通路48c、吸入口48d和连接通路45f流入工作室41，然后，在密闭空间内膨胀，变成低压气体，从连接通路45f经过设在缸体单元48上的排出口48e和排出通路48f，由排出管49流出。
在组装了本第4实施例的膨胀·压缩机56的燃料电池系统中，用于供应压缩空气59所必要的动力的一部分可以利用由动力回收机构回收的动力，因此可以减少由外部必须重新提供的有效动力。另外，在压缩机部分和膨胀机部分相互独立的一般的动力回收机构中，分别在压缩机部分和膨胀机部分产生的机械摩擦损失的合计机械摩擦损失变大，与此相反，在本第4实施例中，和第3实施例相同，在作用于共用零件的往复运动部件45的载荷阶段以抵消来减少各滑动部分的滑动载荷，减少机械摩擦损失。由此，提高了膨胀·压缩机56的效率，具有进一步提高使用这一燃料电池系统的整体的载荷效率的效果。
(第5实施例)下面，结合图18说明本发明的第5实施例。图18表示了本发明第5实施例的压缩机。第5实施例在图18的整体侧剖视图中，形成在中央的上部和下部的两个工作室65，都具有压缩机工作室的功能。即，本第5实施例是双缸压缩机。工作流体为二氧化碳，工作室内的压力是以往的氟立昂类的制冷剂的4～5倍的很高的压力。另一方面，制冷剂的每单位体积的制冷能力也成为4～5倍，产生相同制冷能力的压缩机行程容积小，很理想。在图18的压缩机中，只通过减小往复运动部件66中的两个活塞头部66a的直径来缩小工作容积，并没有缩小通过安装在驱动杆臂67a的球面轴瓦3的球心从驱动轴67转动轴的偏移量所决定的往复运动部件66的往复运动行程。另外，和以往的氟立昂类制冷剂具有相同制冷能力的双缸压缩机比较，保证了往复运动部件66的杆臂66b与球面轴瓦3之间的滑动部的直径或轴向的长度、以及驱动轴67与轴承架68之间的滑动部的直径或轴向的长度相同，滑动部的受压面积与以往的相等。这样的设计，在本发明中采用的容积式机械的机构中，因工作室的压力直接作用的往复运动部件66的内部不具有滑动部，所以活塞的直径部和滑动部的大小等的尺寸参数无相互约束，可以各自独立设定。另外，在以往的曲柄滑块机构的往复式机构中，因在连杆小端部上的活塞销位于工作室的压力直接作用的活塞内部，所以当把活塞直径设定得小时，与连杆之间滑动部的受压面积很难维持和以往的相同。另外，在旋转活塞方式等的转动式压缩机中，如果为减少工作室的压力直接作用的面积而缩小圆筒状转动部(活塞)的宽度或直径的话，则很难将转动部内部的轴的偏心销轴部与转动部内圆周面之间的滑动部的受压面积维持与以往的相同。
作为工作流体的二氧化碳，通过安装在缸体单元69上的吸入管70流入压缩机的内部空间71，从设在往复运动部件66上的吸入口66d到达活塞头部66a的内部空间66e，从吸入口66f经过用铆钉72安装在活塞头部66a的吸入阀门板73吸入到工作室65中。在工作室65被压缩后，从形成在缸盖74上的排出口74a、通过排出阀门板75和排出阀门压板76向排出空间77排出。排出阀门板75和排出阀门压板76利用螺栓(图中未示)固定在缸盖74上。缸盖74是和围成排出空间77的排出室壳体78一起，利用螺栓固定在缸体单元69上。在排出室壳体78上连接排出管79，高压的工作流体最终由此向压缩室外部流出。
在本第5实施例中，因工作流体为二氧化碳而使往复运动部件66的两个活塞头部66a的直径都小，从而使插入了这些件的缸体单元69的两个内圆周面69a的直径也小。如果在往复运动部件66的活塞头部66a上形成比内圆周面69a的直径粗的部分，则在组装时就不能插入缸体单元69的内圆周面69a内。另一方面，内圆周面69a的直径与杆臂66b的直径的比，与以往的制冷剂情况相比较相对地变大，在组装往复运动部件66时，如图13所示，在形成在活塞头部66a上的孔中插入杆臂66b的结构不能保证强度。因此，在本第5实施例中，采用了在杆臂66b的中央部位形成粗的部分，在这个位置形成的孔里插入活塞头部66a并用销66c固定的结构。
在本第5实施例中，工作流体为二氧化碳和利用两个工作室65进行压缩工作的双缸结构，因此，与各工作室65的工作容积小相比消耗动力大，所以驱动电机80很大，把它围起来形成密闭空间的电机壳体81也大。
根据本第5实施例，首先，即使是在使用二氧化碳等高压工作气体时，由于没有缩小承受其压力部件的往复运动部件66的活塞头部66a的直径的约束条件，所以可不增大滑动部的载荷而使设计变得容易，并且不增大机械摩擦损失的设计成为可能。另外，这时，由于没必要缩小轴承部等滑动部分的面积，所以可不增加滑动部的滑动面压力而使设计变得容易，并使不降低可靠性的设计成为可能。另外，在作为主要零件的往复运动部件66中，即使缩小活塞头部66a，也能充分确保与杆臂66b结合部分的强度。即，如二氧化碳那样虽压力非常高，但在自然界到处存在，所以容易实现以对环境的负荷小的工作气体作为制冷剂的制冷空调系统的实用化。
(发明效果)根据本发明，能够在往复容积式机械中不用阀门机构的移动零件，具有提高其生产性和可靠性的效果。
又根据本发明，在容积式压缩机中，具有以下的效果因无需减小轴承等滑动部的尺寸大小或受压面积，可减少工作室的受压面积，所以即使把二氧化碳等超高压制冷剂作为工作流体，也可以不增大滑动部的载荷或滑动面的压力，可以防止可靠性、机械效率的大幅度下降。
进而根据本发明，还具有以下效果由于可以减少作用于压缩机和膨胀机一体化的容积式机械的各滑动部的载荷，所以能提高机械效率，并能够进行通过膨胀机的有效率的动力回收，大大提高组装了动力回收机构的制冷循环等的整个系统的效率。
权利要求
1.一种容积式机械，具有通过往复运动改变密闭工作空间容积的活塞以及垂直于该活塞往复运动方向、向相互反向伸出的两个杆臂的往复运动部件，和作为工作空间的一部分并为上述活塞往复运动导向的导向部件，和轴方向相同且相互反向转动、并在从该转动轴向半径方向偏心的位置上分别支承上述杆臂的两个轴部件；在通过上述构成使上述活塞一边围绕往复运动方向的轴线进行摆动运动一边作往复运动的容积式机械中，其特征在于在上述工作空间容积增大的期间，使低压工作流体空间与其工作室连通，而在工作空间的容积减小期间的至少有一段期间，使高压工作流体空间与该工作室连通。
2.一种容积式机械，具有通过往复运动改变密闭工作空间容积的活塞以及垂直于该活塞往复运动方向、向相互反向伸出的两个杆臂的往复运动部件，和作为工作空间的一部分并为上述活塞往复运动导向的导向部件，和轴方向相同且相互反向转动、并在从该转动轴向半径方向偏心的位置上分别支承上述杆臂的两个轴部件；在通过上述构成使上述活塞一边围绕往复运动方向的轴线进行摆动运动一边作往复运动的容积式机械中，其特征在于在上述工作空间容积增大期间的至少有一段期间，使高压工作流体空间与该工作室连通，而在工作空间容积减小的期间，使低压工作流体空间与该工作室连通。
3.一种容积式机械，其特征在于由被其它部件导向而进行往复运动和围绕该往复运动方向的轴线进行摆动运动的两个活塞以及在垂直于该往复运动方向的方向上相互反向凸出的两个杆臂构成的往复运动部件，和为上述往复运动部件的活塞导向的作为其他部件的导向部件，和一边进行绕同轴的相互反向转动一边在从其转动轴的半径方向的偏心位置上、以使上述往复运动部件的一个杆臂可以作相对转动和改变其转动轴方向的方式分别进行支承的两个轴部件，和支承上述两个轴部件的转动的轴承部件；把上述部件作为构成要素，分别与上述往复运动的两个活塞邻接而形成密闭空间并作为两个工作空间，一个工作空间是利用上述两个轴部件的相互反向转动来改变容积，起着进行工作流体的输送或压缩的容积式机械的作用，另一个工作空间是利用工作流体的压力来改变容积，起着将上述两个轴部件向相互反方向驱动转动的容积式发动机的作用。
4.根据权利要求3所述的容积式机械，其特征在于两个轴部件分别由电动机驱动转动，容积式机械部分是把气体为工作流体的压缩机，容积式发动机部分是把在上述压缩机中压缩的气体的至少一部分作为工作流体的膨胀机。
5.一种制冷循环和制冷·空调机械，压缩低压制冷气体的压缩装置，和放被出压缩后变为高温高压的制冷气体热量的冷却装置，和用于减压被冷却的高压制冷剂的膨胀装置，和用于蒸发被减压后的液体制冷剂部分的加热装置，和连接这些装置而形成封闭循环的管子；在将上述装置和管子作为构成要素的制冷循环中，其特征在于利用权利要求4所述的容积式机械的容积式机械部分作为上述压缩装置，利用权利要求4所述的容积式机械的容积式发动机部分作为上述膨胀装置。
6.一种制冷循环和制冷·空调机械，压缩低压制冷气体的压缩装置，和放被出压缩后变为高温高压的制冷气体热量的冷却装置，和用于减压被冷却的高压制冷剂的膨胀装置，和用于蒸发被减压后的液体制冷剂部分的加热装置，和连接这些装置而形成封闭循环的管子；在将上述装置和管子作为构成要素的制冷循环中，其特征在于利用权利要求4所述的容积式机械的容积式机械部分作为上述压缩装置，并用权利要求4所述的容积式机械的容积式发动机部分和其它节流等膨胀装置作为上述膨胀装置。
7.一种燃料电池系统，在向燃料电池堆供应压缩空气的燃料电池系统中，其特征在于在权利要求4所述的容积式机械的容积式机械部分制造上述压缩空气，把通过燃料电池堆而消耗了氧气后的上述压缩空气的至少一部分、导入到权利要求4所述的容积式机械的容积式发动机部分并使其膨胀后向大气排放。
8.一种容积式压缩机，其特征在于由被其它部件导向而进行往复运动和围绕该往复运动方向的轴线进行摆动运动的活塞以及在垂直于该往复运动方向的方向上相互反向凸出的两个杆臂构成的往复运动部件，和为上述往复运动部件的活塞导向的作为其他部件的导向部件，和一边进行绕同轴的相互反向转动一边在其转动轴的半径方向的偏心位置上、以使上述往复运动部件的一个杆臂可以作相对转动和改变其转动轴方向的方式分别进行支承的两个轴部件，和支承上述两个轴部件的转动的轴承部件；把上述部件作为构成要素，与上述往复运动部件邻接而形成密闭空间并作为工作空间，由上述两个轴部件向相互反方向的转动使上述往复运动部件进行往复运动来改变上述工作空间的容积、进行工作流体的输送和压缩，在这样的容积式压缩机械中，使用二氧化碳作为上述工作流体，并对其进行压缩。
9.一种制冷空调机械，其特征在于使用权利要求8所述的容积式压缩机并用二氧化碳作为制冷剂。
10.一种容积式压缩机，其特征在于由被其它部件导向而进行往复运动和围绕该往复运动方向的轴线进行摆动运动的活塞以及在垂直于该往复运动方向的方向上相互反向凸出的两个杆臂构成的往复运动部件，和为上述往复运动部件的活塞导向的作为其他部件的导向部件，和一边进行绕同轴的相互反向转动一边在其转动轴的半径方向的偏心位置上、以使上述往复运动部件的一个杆臂可以作相对转动和改变其转动轴方向的方式分别进行支承的两个轴部件，和支承上述两个轴部件的转动的轴承部件；把上述部件作为构成要素，与上述往复运动部件邻接而形成密闭空间并作为工作空间，由上述两个轴部件向相互反方向的转动使上述往复运动部件进行往复运动来改变上述工作空间的容积、进行工作流体的输送和压缩，在这样的容积式压缩机械中，通过在具有两个杆臂的部件的中央部插入形成为活塞的部件而形成往复运动部件。
11.一种容积式机械，具有通过往复运动改变密闭工作空间容积的活塞以及垂直于该活塞往复运动方向、向相互反向伸出的两个杆臂的往复运动部件，和作为工作空间的一部分并为上述活塞的往复运动导向的导向部件，和轴方向相同且相互反向转动、并在从该转动轴向半径方向偏心的位置上分别支承上述杆臂的两个轴部件；在通过上述构成使上述活塞一边围绕往复运动方向的轴线进行摆动运动一边作往复运动的容积式机械中，其特征在于上述导向部件，具有与工作流体移动的工作流体空间连通的连通部，该连通部与通过设在上述活塞的上述工作空间的连通路连通。
全文摘要
一种容积式机械，在具有伴随着往复运动进行摆动运动的往复运动部件(1)的容积式机械中，利用上述摆动运动交替导通工作室与吸入压力空间或排出压力空间。另外，在上述容积式机械中，对于各滑动部的尺寸，只相对减小活塞的直径。其目的在于简化容积式机械的阀门机构和提高对高压工作流体的可靠性以及减少机械摩擦损失。这种容积式机械，以提高容积式机械的生产性和可靠性，可以使耐用于二氧化碳等超高压制冷剂的压缩机实用化，并且也可提高制冷循环等系统整体的效率。
文档编号F04B27/02GK1435568SQ0310152
公开日2003年8月13日 申请日期2003年1月16日 优先权日2002年1月28日
发明者早濑功, 香曾我部弘胜, 近野雅嗣, 东條健司, 大岛健一 申请人:株式会社日立制作所