CN1585857A - 直线压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的直线压缩机，由缸体(10)、活塞(20)、缸体端面(11)、构成直线电动机部分的可动部分(40)及固定部分(50)、螺旋弹簧(15)和(30)、端盖部分(80)、支承机构部分(90)、密闭容器(100)等构成。缸体(10)内形成有进行气体压缩的压缩室(13)。弹簧机构构件(60)的弹簧构件(61)由具有一定弹簧刚性的螺旋弹簧(15、30)构成。在螺旋弹簧(15)被最大压缩时，通过确保活塞(20)的端面和上述缸体端面(11)之间存在间隙，可以限制直线压缩机的活塞(20)的振幅。

Description

直线压缩机

技术领域

本发明涉及使用直线电动机带动配合在缸体内部的活塞往复运动来压缩气体的直线压缩机。

背景技术

对于冷冻循环，以R22为代表的HCFC系的冷媒，由于其物理性质的稳定性被认为会破坏臭氧层。近年，虽然采用了作为HCFC系冷媒的替代物的HRC系冷媒，但是该冷媒却具有加剧温暖化的性质。因此，最近开始了采用不会对臭氧层和温暖化现象有较大影响的HC系冷媒。但是，由于该HC系冷媒具有可燃性，在确保安全性方面需要防止爆炸或起火，因此就要求冷媒的使用量尽量少。此外，HC系的冷媒自身没有润滑性而且还具有容易溶入润滑材料的性质。因为以上的原因，使用HC系的冷媒时需要无油的或者油少的压缩机。在活塞轴线的垂直方向上载荷较小并且滑动面压力小的直线压缩机，与历来使用较多的往复式压缩机、旋转式压缩机、涡旋式压缩机相比，属于容易实现无油化的类型，它作为活塞可动部分随着外加给电动机的电动机功率和运转压力条件可以自由确定活塞的位置的自由活塞往复推送式压缩机而为人们所知。

但是，该直线压缩机因是自由活塞往复推送式，在机构上不受来自其他构件的约束，故在运转时的压力变化和运输时等的外界各种作用力的作用下，会发生活塞的振幅突然变化、活塞端面冲撞缸体端面的情况，从而可能产生冲撞噪声，损伤活塞等。

另外，直线压缩机在缸体和活塞之间存在滑动面，该滑动面的滑动性的优良与否对直线压缩机的效率和耐久性具有影响。而且为了使直线压缩机无油化，使缸体和活塞间只有在单一方向的轴方向的力的作用、在最低限度内控制例如支承活塞的螺旋弹簧所产生的别紧力的发生是非常重要的。

发明内容

因此本发明以提供例如在运转时或者运输中可以防止活塞和缸体的端面相撞、高可靠性的压缩机为目的。

而且，提供通过将螺旋弹簧紧凑化从而适合小型化的压缩机也是本发明的目的。

基于本发明的第1实施形态，对于这种直线压缩机：在密闭容器内具有压缩气体的压缩机构和驱动该压缩机构的直线电动机，上述压缩机构具有缸体和活塞，上述缸体内具有压缩气体的压缩室，上述直线电动机具有连接于上述缸体的固定部分和连接于上述活塞的可动部分，通过一端与上述活塞或上述可动部分推压相接另一端与压缩室侧的上述缸体或上述固定部分推压相接的压缩室侧螺旋弹簧以及一端与上述活塞或上述可动部分推压相接另一端与反压缩室侧的上述缸体或上述固定部分推压相接的反压缩室侧螺旋弹簧在轴线方向可自由活动地支承上述活塞；当上述压缩室侧螺旋弹簧被最大压缩时在上述活塞端面和上述缸体端面之间确保具有间隙。基于本实施形态，如果在运转中压力变化以及在运输时等所受外界各种力的作用下活塞的动作突然变化，由于在活塞振幅增大时压缩室侧螺旋弹簧的作用，活塞的振幅被限制，所以可以避免活塞前端和缸体的端面冲撞。

基于本发明的第2实施形态是在第1实施形态的直线压缩机中，采用非线性螺旋弹簧作为压缩室侧螺旋弹簧。基于本实施形态，在非线性螺旋弹簧的作用下，随着弹簧挠曲的增大弹簧的载荷能力也增大。因此可以吸收靠近上止点的活塞的速度，具有可缓和冲击力的效果。

基于本发明的第3实施形态是在第2实施形态的直线压缩机中，采用不等螺距螺旋弹簧作为非线性螺旋弹簧。根据本实施形态，随着不等螺距螺旋弹簧的挠曲增大，与等螺距间隔螺旋弹簧相比，可产生更多的线材之间的接合从而减少有效卷数增大弹簧载荷能力，所以可以吸收靠近上止点的活塞的速度，缓和冲击力，得到良好的耐久性。

基于本发明的第4实施形态是在第2实施形态的直线压缩机中，采用圆锥螺旋弹簧作为非线性螺旋弹簧。基于本实施形态，当弹簧的挠曲增大时可以起到比不等螺距螺旋弹簧更加显著的作用，增加弹簧的载荷能力。因而可以作为吸收靠近上止点的活塞的速度的制动装置，缓和活塞的冲击力，降低冲击噪音，并提高可靠性。

基于本发明的第5实施形态，对于这种直线压缩机：在密闭容器内具有压缩气体的压缩机构和驱动该压缩机构的直线电动机，上述压缩机构具有缸体和活塞，上述缸体内具有压缩气体的压缩室，上述直线电动机具有连接于上述缸体的固定部分和连接于上述活塞的可动部分，通过一端与上述活塞或上述可动部分推压相接另一端与压缩室侧的上述缸体或上述固定部分推压相接的压缩室侧螺旋弹簧以及一端与上述活塞或上述可动部分推压相接另一端与反压缩室侧的上述缸体或上述固定部分推压相接的反压缩室侧螺旋弹簧在轴线方向可自由活动地支承上述活塞；上述压缩室侧螺旋弹簧系数小于上述反压缩室侧螺旋弹簧系数。运转中活塞在压缩室中气体作用力的作用下向反压缩室侧偏移。相应该偏移量的部分，反压缩侧的挠曲量需要取大一些。因此，在取压缩室侧和反压缩室侧螺旋弹簧系数相同时，需要采用较大的从弹簧的自由长度到弹簧收紧长度的最大挠曲量。本实施形态，通过采用较小的压缩室侧螺旋弹簧系数，较大的反压缩室侧螺旋弹簧系数，与压缩室侧和反压缩室侧螺旋弹簧系数相同的情形相比，对于由设计所确定的活塞最大往复推送量，可以抑制弹簧的最大挠曲量。故可以实现螺旋弹簧的紧缩化，以及直线压缩机的小型化。

基于本发明的第6实施形态是在第5实施形态的直线压缩机中，记上述活塞的振幅为a，上述活塞在运转中由上述压缩室作用的气体作用力的作用下向反压缩室侧的偏移量为α，上述压缩室侧螺旋弹簧系数为k1，上述反压缩室侧螺旋弹簧系数为k2，通过使关系式k1×(a+α)＝k2×(a-α)大致成立来确定上述螺旋弹簧系数k1、k2。根据本实施形态，运转中发生偏移的活塞振幅中心位置大致处于压缩室侧螺旋弹簧和反压缩室侧螺旋弹簧最大挠曲量的中间，所以可以抑制弹簧的最大挠曲量。故可以实现螺旋弹簧的紧缩化，以及直线压缩机的小型化。

基于本发明的第7实施形态是在基于从第1到第6实施形态的直线压缩机中，采用卵形或者椭圆形作为螺旋弹簧的截面形状。在本实施形态中，通过选用卵形或者椭圆形作为螺旋弹簧线材的截面形状，与圆形截面相比，在弹簧挠曲时可降低在线材上产生的最大应力。因此可以降低螺旋弹簧的高度，故可以使螺旋弹簧紧缩化，并可实现直线压缩机的小型化。

基于本发明的第8实施形态是在基于从第1到第7实施形态的直线压缩机中，采用以二氧化碳为主要成分的冷媒。在作为高差压冷媒并且润滑严格的CO₂冷媒作用下，比其他方式的压缩机效率要高很多，并可以得到高可靠性。

附图说明

图1为表示基于本发明的一实施例的直线压缩机全体构成的截面图。

图2为表示本发明的螺旋弹簧装置的重要部分放大图

图3为本发明的不等螺距弹簧的载荷能力特性图。

图4为表示其他螺旋弹簧装置的重要部分放大图。

图5为本发明的圆锥螺旋弹簧的载荷能力特性图。

图6为基于本发明一实施例在运转时螺旋弹簧挠曲量的示意图。

具体实施方式

下面，根据附图说明本发明直线压缩机的一实施例。首先根据图1说明本发明直线压缩机的全体构造。

大体上，该直线压缩机由缸体10、活塞20、构成直线电动机部分的可动部分40和固定部分50、由螺旋弹簧形成的弹簧机构部分、端盖部分80、支撑机构部分90、密闭容器100构成。

缸体10由安装有阀体(未图示)的缸体端面11、凸缘部分14、从该凸缘部分14向一方(图中左方向)突出的突起部分12组成。活塞20具有加工了容纳支柱部分21和螺旋弹簧30的凹部的框体22。在活塞20的框体22的凹部内底面设有突起部分23。在活塞20的一端侧和缸体端面11之间形成了压缩室13。

直线电动机部分由可动部分40和固定部分50组成。可动部分40由永久磁铁41，圆筒保持构件42等构成。固定部分50由内轭51、外轭52以及线圈53等构成。永久磁铁41由圆筒保持构件42支承。圆筒保持构件42与活塞20配置成同心圆状、且由框体22固定支承。内轭51由圆筒件构成，外接并固定在缸体10的突起部分12之上。而且，内轭51的外周和圆筒保持构件42之间留有微小的间隙。线圈53设置于外轭52之上。另一方面，外轭52同样也由圆筒件构成，与圆筒保持构件42的外周留有微小的间隙地成同心圆状配置，而且固定在缸体10的凸缘部分14之上。

如上所述，可动部分40和固定部分50被成同心圆状地以高精度支承，并平滑地进行往复运动。

弹簧机构部分，由具有一定弹簧刚性的压缩室侧螺旋弹簧15和反压缩室侧螺旋弹簧30构成。上述螺旋弹簧15、30使用比通常的自然长度受到压缩的状态下的压缩弹簧。压缩室侧螺旋弹簧15的一端16，结合在活塞20的另一端面上形成的阶梯部分19之上。压缩室侧螺旋弹簧15的另一端17结合于缸体10的突起部分12的外周端面部18。反压缩室侧螺旋弹簧30的一端31，结合于活塞20另一端面上形成的突起部分23。反压缩室侧螺旋弹簧30的另一端32，结合于突起部分63。为了使反压缩室侧螺旋弹簧30通过受压挠曲变形产生预加载荷，利用弹簧固定构件62向活塞20一侧推压螺旋弹簧15、30。弹簧固定构件62以架支的状态配置于作为直线电动机的固定部分50的外轭52之上，并且结合固定于外轭52的端部。

密闭容器100由圆筒体状的容器构成，在内部形成有空间部分101。在该空间部分101内容纳着直线压缩机的各构成要素构件。在密闭容器100，设计有吸入管(未图示)和排出管(未图示)。支承机构部分90是将多个螺旋弹簧91、92配置于直线压缩机的构成要素构件和密闭容器100之间的部分，防止从缸体10向密闭容器100传递振动。

下面，说明本实施例的直线压缩机的作用。

首先，对固定部分50的线圈53通电，则在可动部分40的永久磁铁41之间服从弗来明左手法则产生与电流成比例的推力。由此推力的产生，可动部分40受到沿着轴线方向后退的驱动力的作用。因为可动部分40的圆筒保持构件42连接在活塞20之上，所以活塞20平滑地沿其轴线方向后退。

对于通向线圈53的交流电，使之按正弦波变化，则在直线电动机部分可交替产生正反推力。在该交替产生的正反推力的作用下，活塞20进行往复运动。

冷媒从吸入管(未图示)导入到图1的密闭容器100内。导入到该密闭容器100内的冷媒通过从吸入侧空间安装到缸体端面11的端盖部分80的吸入阀(未图示)进入压缩室13。然后，该冷媒由活塞20压缩后通过安装于缸体端面11的排出阀门(未图示)，经由端盖部分80的排出侧空间，从排出管(未图示)向外界排出。而且伴随着活塞20的往复运动而产生的缸体10的振动通过多个螺旋弹簧91、92的作用受到抑制。

对于通过运转压力条件和对直线电动机输电的外加功率等的平衡来确定活塞20位置的自由活塞往复推送式的直线压缩机，活塞20的振幅会发生突然变化的情况。这样一来，活塞20会被驱使超过直线电动机的许可往复推送范围，活塞20具有冲击缸体端面11的可能性。

对于压缩室侧螺旋弹簧15的安装，要使得当其被最大压缩时活塞20的位置位于活塞20的上止点29。这样，活塞20就在压缩室侧螺旋弹簧15的作用下受到机构约束，从而自由往复推送的活塞的振幅就受到限制，不会冲击缸体端面11。因而可以避免在压力变化作用下活塞振幅突然改变时或者在运输时等由外界各种作用力所引发的活塞前端对缸体端面的冲击，提高可靠性。

而且，由于压缩室侧螺旋弹簧15和反压缩室侧螺旋弹簧30是截面形状为卵型或者椭圆型的弹簧，故在弹簧挠曲时线材上产生的最大应力要小于圆形线材截面的最大应力，从而可以控制螺旋弹簧的高度，实现弹簧的紧凑化、直线压缩机的小型化。

图2为压缩室侧螺旋弹簧是非线性螺旋弹簧时的重要部分放大图。其他的构成与图1相同故说明省略。

本实施例中，该非线性螺旋弹簧15由不等螺距弹簧构成。由于不等螺距弹簧各个螺距间隔不一样，随着弹簧挠曲变大，与等螺距弹簧相比可产生更多的线材之间的接合，减少有效卷数。因此，如图3所示，在挠曲较大的状态下，具有非线性载荷能力特性，可增大弹簧载荷能力，吸收活塞的速度，缓和活塞对缸体端面11的冲击力，并降低冲击噪音，得到良好的耐久性。

图4为表示压缩室侧螺旋弹簧为非线性螺旋弹簧时的其他实施例的重要部分放大图。同样本实施例中的其他构成与图1相同故说明省略。

本实施例中，该非线性弹簧15由圆锥螺旋弹簧构成。本实施例中通过这样将圆锥螺旋弹簧用作压缩室侧螺旋弹簧15，当弹簧的挠曲变大时，与上述不等螺距螺旋弹簧同样的作用变得更加显著，如图5所示，在挠曲较大的状态下，弹簧载荷能力大大增加。因而，活塞的运动越是靠近上止点，活塞的速度就越是被吸收，有效起了制动的作用，可以缓和对缸体端面的冲击力，降低冲击噪音，提高可靠性。

这里，图1所示的压缩室侧螺旋弹簧15采用小于反压缩室侧螺旋弹簧30的弹簧系数。特别地，作为压缩室侧螺旋弹簧的螺旋弹簧15的弹簧系数k1，与作为反压缩室侧螺旋弹簧的螺旋弹簧30的弹簧系数k2，当活塞的振幅为a，活塞在运转中由压缩室所施加的气体压力作用下被向反压缩室侧推压的偏移量为α时，基本上可根据k1×(a+α)＝k2×(a-α)的关系式来确定。

表示该螺旋弹簧相关关系的情况以图6表示。因为安装时两个螺旋弹簧15、30作为压缩弹簧来使用，故为了压缩螺旋弹簧，要施加预加载荷F0。运转中活塞振幅中心位置在压缩室气体压力Fg的作用下相对活塞安装位置具有向反压缩室侧的活塞偏移量α。各个螺旋弹簧15、30的挠曲量×1、×2之中，弹簧系数较小的压缩室侧螺旋弹簧15的挠曲量×1较大。基于直线压缩机的驱动频率的一定的螺旋弹簧系数由k1+k2的和决定；所需的活塞往复推送范围2a和偏移量α可以根据运转的压力条件和活塞20运行的孔径来确定。基于这种尺寸选用使上述关系式成立的各个弹簧系数，则运转中活塞振幅中心位置O大致处于压缩室侧螺旋弹簧15和反压缩室侧螺旋弹簧30的最大挠曲量的中间。因此，对于根据设计所确定的活塞最大往复推送量，与压缩室侧和反压缩室侧螺旋弹簧系数相同的情形相比，弹簧的最大挠曲量受到抑制。这样，可以实现螺旋弹簧的紧凑化，直线压缩机的小型化。

根据以上说明，当活塞以较大活塞往复推送范围运转时，或者在运输时等受到外界冲击力的作用时，在压缩室侧螺旋弹簧15产生的机构约束的作用下，被最大压缩时活塞20的振幅受到限制。因此，可以防止活塞前端冲撞缸体端面，得到高可靠性的压缩机。

通过用不等螺距弹簧或圆锥螺旋弹簧作压缩室侧螺旋弹簧15，与压缩螺旋弹簧相比，可在活塞靠近上止点附近时增大弹簧载荷，起到吸收活塞速度的制动装置的作用，并可缓和活塞对于缸体端面的冲击力，降低冲击噪音，得到良好的耐久性。

而且，各个螺旋弹簧系数大致满足关系式k1×(a+α)＝k2×(a-α)，并且压缩室侧螺旋弹簧系数小于反压缩室侧螺旋弹簧系数，因而不需要多余的弹簧挠曲量，这样可以使螺旋弹簧紧凑化，并可实现直线压缩机的小型化。

而且，螺旋弹簧的截面形状为卵形或者椭圆形，故与圆形截面相比在弹簧挠曲时可降低在线材上产生的最大应力，并可同时降低螺旋弹簧的高度。这样可以使螺旋弹簧紧凑化，并可实现直线压缩机的小型化。

此外，上述实施例中说明了具有使用气体的压缩机构的直线压缩机，但使用气体以外的液体的压送机构也可以。

还有，上述实施例中，虽未对所用冷媒作特别说明，但最好使用以二氧化碳作为主要成分的冷媒。在作为高差压冷媒并且润滑严格的CO₂冷媒作用下，比其他方式压缩机效率要高很多，并可以得到高可靠性。

根据发明，压缩室侧弹簧被最大压缩时活塞端面和缸体端面之间可确保具有余隙，所以即使在运转中的压力变化以及在运输时所受外界各种力的作用下活塞的动作突然变化时，由于当活塞振幅增大时受压缩室侧螺旋弹簧的作用，活塞的振幅被限制，所以可以避免活塞前端和缸体的端面冲击，并实现可靠性的提高。

根据发明，由于压缩室侧螺旋弹簧采用非线性螺旋弹簧，随着弹簧挠曲的增大，弹簧的载荷能力也增大。因此可以吸收靠近上止点的活塞的速度，具有可实现缓和冲击力的效果。

根据发明，通过采用不等螺距螺旋弹簧作为非线性螺旋弹簧，随着不等螺距螺旋弹簧的挠曲增大，与等螺距间隔螺旋弹簧相比，可产生更多的线材之间的接合，减少有效卷数增大弹簧载荷，所以可以吸收靠近上止点的活塞的速度，缓和冲击力，得到良好的耐久性。

根据发明，通过采用圆锥螺旋弹簧作为非线性螺旋弹簧，当弹簧的挠曲增大时，可以起到比不等螺距螺旋弹簧更加显著的作用，并可增加弹簧的载荷能力。这样，可以作为吸收靠近上止点的活塞的速度的制动装置，缓和活塞的冲击力，降低冲击噪音，提高可靠性。

根据发明，通过采用较小的压缩室侧螺旋弹簧系数，较大的反压缩室侧螺旋弹簧系数，与压缩室侧和反压缩室侧螺旋弹簧系数相同的情形相比，对于根据压缩机设计所确定的最大活塞振幅，可以抑制弹簧的最大挠曲量。因此，可以实现螺旋弹簧的紧缩化，以及直线压缩机的小型化。

根据发明，通过使关系式k1×(a+α)＝k2×(a-α)大致成立来确定上述螺旋弹簧系数k1、k2，就可以正确调整运转中发生偏移的活塞振幅中心位置到大致处于压缩室侧螺旋弹簧和反压缩室侧螺旋弹簧最大挠曲量的中间处，从而可以抑制弹簧的最大挠曲量，可以实现螺旋弹簧的紧缩化，以及直线压缩机的小型化。

根据发明，通过采用卵形或者椭圆形作为螺旋弹簧的截面形状，与圆形截面相比在弹簧挠曲时可降低在线材上产生的最大应力，降低螺旋弹簧的高度，所以可以使螺旋弹簧紧缩化，并可实现直线压缩机的小型化。

根据发明，采用以二氧化碳为主要成分的冷媒，在作为高差压冷媒并且润滑严格的CO₂冷媒作用下，比其他方式的压缩机效率要高很多，并可以得到高可靠性。

Claims (8)

1.一种直线压缩机，在密闭容器内具有压缩气体的压缩机构和驱动该压缩机构的直线电动机，上述压缩机构具有缸体和活塞，上述缸体内具有压缩气体的压缩室，上述直线电动机具有连接于上述缸体的固定部分和连接于上述活塞的可动部分，通过一端与上述活塞或上述可动部分压接、另一端与压缩室侧的上述缸体或上述固定部分压接的压缩室侧螺旋弹簧以及一端与上述活塞或上述可动部分压接、另一端与反压缩室侧的上述缸体或上述固定部分压接的反压缩室侧螺旋弹簧在轴线方向可自由活动地支承上述活塞；其特征在于，在上述压缩室侧螺旋弹簧被最大压缩时，在上述活塞端面与上述缸体端面之间确保具有间隙。

2.如权利要求1所述的直线压缩机，其特征在于，以非线性螺旋弹簧作为上述压缩室侧螺旋弹簧。

3.如权利要求2所述的直线压缩机，其特征在于，以不等螺距螺旋弹簧作为上述非线性螺旋弹簧。

4.如权利要求2所述的直线压缩机，其特征在于，以圆锥螺旋弹簧作为上述非线性螺旋弹簧。

5.一种直线压缩机，在密闭容器内具有压缩气体的压缩机构和驱动该压缩机构的直线电动机，上述压缩机构具有缸体和活塞，上述缸体内具有压缩气体的压缩室，上述直线电动机具有连接于上述缸体的固定部分和连接于上述活塞的可动部分，通过一端与上述活塞或上述可动部分压接、另一端与压缩室侧的上述缸体或上述固定部分压接的压缩室侧螺旋弹簧以及一端与上述活塞或上述可动部分压接、另一端与反压缩室侧的上述缸体或上述固定部分压接的反压缩室侧螺旋弹簧在轴线方向可自由活动地支承上述活塞；其特征在于，上述压缩室侧螺旋弹簧系数小于上述反压缩室侧螺旋弹簧系数。

6.如权利要求5所述的直线压缩机，其特征在于，若记上述活塞的振幅为a，上述活塞在运转中由上述压缩室作用的气体作用力的作用下向反压缩室侧的偏移量为α，上述压缩室侧螺旋弹簧系数为k1，上述反压缩室侧螺旋弹簧系数为k2，则确定上述螺旋弹簧系数k1、k2以使关系式k1×(a+α)＝k2×(a-α)大致成立。

7.如权利要求1至6任一所述的直线压缩机，其特征在于，上述压缩室侧螺旋弹簧或者上述反压缩室侧螺旋弹簧的截面形状采用卵形或者椭圆形。

8.如权利要求1至7任一所述的直线压缩机，其特征在于，使用以二氧化碳为主要成分的冷媒来运转。

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