JP2002115652A - リニアコンプレッサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リニアコンプレッサ駆動時のピストンとシリ
ンダの隙間から漏れる冷媒ガスの量を低減して圧縮効率
の低下を防止し、さらに、吐出される冷媒ガスの温度を
下げて潤滑油の劣化や冷媒の熱分解を防止し、効率と信
頼性を向上させる。 【解決手段】 低段シリンダと、前記低段シリンダ内で
リニアモータにより駆動される低段ピストンと、前記低
段シリンダと前記低段ピストンにより構成される低段圧
縮室と、高段シリンダと、前記高段シリンダ内で前記リ
ニアモータにより駆動される高段ピストンと、前記高段
シリンダと前記高段ピストンにより構成される高段圧縮
室を、前記低段圧縮室で圧縮した冷媒ガスを前記高段圧
縮室に導く冷媒ガス経路を設けたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は空調機あるいは冷凍
機の冷凍サイクルに用いられるコンプレッサ、特にリニ
アコンプレッサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来のリニアコンプレッサの断面
図であり、密閉容器１の内部には圧縮機構部２が防振バ
ネ３ａ、３ｂにより弾性支持されている。

【０００３】圧縮機構部２の構成を説明する。シリンダ
４にはピストン５がその軸線方向に沿って摺動自在に支
持される。ピストン５はロッド６を介して支持バネ７に
より弾性支持される。ロッド６にはマグネット８が固持
されている。また、マグネット８と相対向する位置には
アウターヨーク９に埋設されるステータコイル１０が配
設される。シリンダ４の端面にはシリンダヘッド１１が
備えられ、シリンダ４、ピストン５およびシリンダヘッ
ド１１に囲まれる空間が圧縮室１２となる。密閉容器１
には吸入管１３が設けられている。シリンダヘッド１１
の圧縮室１２と反対側の面には、吸入室１４および吐出
管１５が連結された吐出室１６を構成するヘッドカバー
１７が備えられる。シリンダヘッド１１には、吸入室１
４と圧縮室１２とを連通する吸入孔１８および圧縮室１
２と吐出室１６とを連通する吐出孔１９とが設けられて
いる。吸入孔１８には吸入弁２０が、吐出孔１９には吐
出弁２１が設けられている。

【０００４】次に、上記構成からなる従来のリニアコン
プレッサの動作について説明する。図３において、マグ
ネット８、アウターヨーク９、ステータコイル１０から
なるリニアモータ２２にモータドライバ（図示せず）を
介して通電を行うことによりピストン５がその軸線方向
に往復運動を行う。図３においてピストン５が左側から
右側へ移動する際、吐出孔１９に設けられた吐出弁２１
と吸入孔１８に設けられた吸入弁２０が閉じており圧縮
室１２内の冷媒が減圧膨張する膨張行程、続いて圧縮室
１２の圧力が吸入圧力以下となり吸入孔１８に設けられ
た吸入弁２０が開き圧縮室１２の容積の増加に伴い吸入
孔から冷媒が吸い込まれる吸入行程を行う。次に、ピス
トン５が右側から左側へ移動する際、吐出孔１９に設け
られた吐出弁２１と吸入孔１８に設けられた吸入弁２０
は閉まり圧縮室１２の容積の減少に伴い冷媒が圧縮され
る圧縮行程、続いて圧縮室１２の圧力が吐出圧力以上と
なり吐出孔１９に備えられた吐出弁２１が開き冷媒が吐
出される吐出行程を行う。

【０００５】次に、支持バネ７の役割について説明す
る。前述の膨張・吸入行程では支持バネ７は圧縮され、
圧縮室１２の膨張行程で回収したエネルギーとリニアモ
ータ２２の仕事の一部は支持バネ７の弾性エネルギーに
変換される。次いで、圧縮・吐出行程では支持バネ７は
伸張し、膨張・吸入行程で支持バネ７に蓄えられた弾性
エネルギーは圧縮・吐出行程の仕事の一部となる。この
ように、支持バネ７を用いることにより、膨張・吸入行
程で回収したエネルギーを圧縮・吐出行程で用いること
ができる。

【０００６】次に、冷媒ガスの流れについて説明する。
冷凍サイクル（図示せず）からの冷媒ガスは、吸入管１
３より一旦密閉容器１の内部空間へ開放された後、ヘッ
ドカバー１７内の吸入室１４に導かれ、シリンダヘッド
１１に配設された吸入孔１８を介して圧縮室１２に至
る。圧縮室１２に至った冷媒ガスは、上述したピストン
５の往復運動により圧縮される。圧縮された冷媒ガス
は、シリンダヘッド１１に配設された吐出孔１９を介し
て一旦ヘッドカバー１７内の吐出室１６に吐出された
後、吐出管１５より冷凍サイクルに吐出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のリニアコンプレ
ッサを差圧の大きな冷凍サイクル装置で用いる場合、圧
縮室と密閉容器内の差圧が大きくなるため、圧縮室の冷
媒ガスをシールしているシリンダとピストンの隙間から
漏れる冷媒ガスの量が多くなり、圧縮効率が低下してい
た。また、圧縮比の大きな冷凍サイクル装置、あるい
は、吐出圧力の高い冷凍サイクル装置で用いる場合、圧
縮室から吐出される冷媒ガスの温度が著しく上昇して潤
滑油の劣化を促進したり、極端な場合には冷媒の熱分解
が起こるという弊害があった。特に、冷媒として高差圧
であり、吐出圧力が高くなる二酸化炭素を用いた場合に
は、圧縮効率の低下は深刻な課題であった。

【０００８】本発明は、上記課題に鑑み、二段圧縮式と
し、各圧縮室と密閉容器内部の圧力差を低減し、かつ、
吐出温度を低減することにより、効率と信頼性を両立さ
せたリニアコンプレッサを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】以上のような課題を解決
するため、本発明は、低段シリンダと、前記低段シリン
ダ内でリニアモータにより駆動される低段ピストンと、
前記低段シリンダと前記低段ピストンにより構成される
低段圧縮室と、高段シリンダと、前記高段シリンダ内で
前記リニアモータにより駆動される高段ピストンと、前
記高段シリンダと前記高段ピストンにより構成される高
段圧縮室を設けたものである。

【００１０】また、本発明は、前記低段圧縮室で圧縮し
た冷媒ガスを前記高段圧縮室に導く冷媒ガス経路を設け
たものである。

【００１１】また、本発明は、前記低段圧縮室と前記高
段圧縮室を対向して設けたものである。

【００１２】また、本発明は、前記低段ピストンと前記
高段ピストンをロッドにより連結したものである。

【００１３】また、本発明は、前記低段ピストンの径を
前記高段ピストンの径よりも大きくしたものである。

【００１４】また、本発明は、前記低段圧縮室で圧縮し
た冷媒ガスを冷却する中間冷却器を設けたものである。

【００１５】また、本発明は、密閉容器の内部に前記圧
縮機構部を備えたものである。

【００１６】また、本発明は、前記密閉容器内部の圧力
を中間圧力としたものである。

【００１７】また、本発明は、密閉容器外部に、前記低
段圧縮室で圧縮した冷媒ガスを前記高段圧縮室に導く経
路を備えたものである。

【００１８】また、本発明は、二酸化炭素を主成分とす
る冷媒を用いて運転することを特徴とするものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００２０】（実施の形態１）図１は、実施の形態１に
おけるリニアコンプレッサの断面図であり、密閉容器３
１の内部には圧縮機構部３２が防振バネ３３ａ、３３ｂ
により弾性支持されている。

【００２１】圧縮機構部３２の構成を説明する。低段シ
リンダ３４には低段ピストン３５がその軸線方向に沿っ
て摺動自在に支持される。また、高段シリンダ３６には
高段ピストン３７がその軸線方向に沿って摺動自在に支
持される。高段シリンダ３６の内径および高段ピストン
３７の外径は低段シリンダ３４の内径および低段ピスト
ン３５の外径よりも小さく設計されている。低段ピスト
ン３５と高段ピストン３７はロッド３８により連結され
ている。ロッド３８にはマグネット３９が固持されてい
る。また、マグネット３９と相対向する位置にはアウタ
ーヨーク４０に埋設されるステータコイル４１が配設さ
れる。

【００２２】低段シリンダ３４の端面には低段シリンダ
ヘッド４２が備えられ、低段シリンダ３４、低段ピスト
ン３５および低段シリンダヘッド４２に囲まれる空間が
低段圧縮室４３となる。また、高段シリンダ３６の端面
には高段シリンダヘッド４４が備えられ、高段シリンダ
３６、高段ピストン３７および高段シリンダヘッド４４
に囲まれる空間が高段圧縮室４５となる。

【００２３】低段シリンダヘッド４２の低段圧縮室４３
と反対側の面には、吸入管４６が連結された低段吸入室
４７および低段吐出室４８を構成する低段ヘッドカバー
４９が備えられる。また、高段シリンダヘッド４４の高
段圧縮室４５と反対側の面には、高段吸入室５０および
吐出管５１が連結された高段吐出室５２を構成する高段
ヘッドカバー５３が備えられる。

【００２４】低段シリンダヘッド４２には、低段吸入室
４７と低段圧縮室４３とを連通する低段吸入孔５４およ
び低段圧縮室４３と低段吐出室４８とを連通する低段吐
出孔５５とが設けられており、低段吸入孔５４には低段
吸入弁５６が、低段吐出孔５５には低段吐出弁５７が設
けられている。また、高段シリンダヘッド４４には、高
段吸入室５０と高段圧縮室４５とを連通する高段吸入孔
５８および高段圧縮室４５と高段吐出室５２とを連通す
る高段吐出孔５９とが設けられており、高段吸入孔５８
には高段吸入弁６０が、高段吐出孔５９には高段吐出弁
６１が設けられている。

【００２５】なお、低段吐出室４８と高段吸入室５０を
密閉容器３１の内部空間に連通させることによって、密
閉容器３１の内部空間を前記低段圧縮室４３で圧縮した
冷媒ガスを前記高段圧縮室４５に導く冷媒ガス経路とし
て利用している。

【００２６】以下、本発明のリニアコンプレッサの動作
について説明する。図１において、マグネット３９、ア
ウターヨーク４０、ステータコイル４１からなるリニア
モータ６２にモータドライバ（図示せず）を介して通電
を行うことにより低段ピストン３５および高段ピストン
３７がその軸線方向に往復運動を行う。

【００２７】低段ピストン３５および高段ピストン３７
が右側に移動する際、低段圧縮室４３では膨張・吸入行
程、高段圧縮室４５では圧縮・吐出行程が行われる。ま
た、低段ピストン３５および高段ピストン３７が左側に
移動する際、低段圧縮室４３では圧縮・吐出行程、高段
圧縮室４５では膨張・吸入行程が行われる。

【００２８】次に、冷媒ガスの流れについて説明する。
冷凍サイクル（図示せず）からの冷媒ガスは、吸入管４
６より低段ヘッドカバー４９内の低段吸入室４７に導か
れ、低段シリンダヘッド４２に配設された低段吸入孔５
４を介して低段圧縮室４３に至る。低段圧縮室４３に至
った冷媒ガスは、低段ピストン３５の往復運動により圧
縮される。圧縮された冷媒ガスは、低段シリンダヘッド
４２に配設された低段吐出孔５５を介して一旦低段ヘッ
ドカバー４９内の低段吐出室４８に吐出された後、密閉
容器３１の内部空間へ開放される。

【００２９】密閉容器３１の冷媒ガスは高段吸入室５０
に取り込まれ、高段シリンダヘッド４４に配設された高
段吸入孔５８を介して高段圧縮室４５に至る。高段圧縮
室４５に至った冷媒ガスは、高段ピストン３７の往復運
動により圧縮される。圧縮された冷媒ガスは、高段シリ
ンダヘッド４４に配設された高段吐出孔５９を介して高
段ヘッドカバー５３内の高段吐出室５２に導かれた後、
吐出管より冷凍サイクルに吐出される。

【００３０】本実施の形態では、低段圧縮室４３と高段
圧縮室４５を設けて二段圧縮式とし、また密閉容器３１
の内部の圧力を低段圧縮室４３の吐出圧力（以下中間圧
力とする）と等しくしたことにより、従来のリニアコン
プレッサと比べて、各圧縮室４３、４５と密閉容器３１
の内部の圧力差を小さくすることができ、その圧力差を
シールする低段シリンダ３４と低段ピストン３５あるい
は高段シリンダ３６と高段ピストン３７の隙間からの冷
媒ガスの漏れ量を低減し、効率を向上させることができ
る。特に、冷媒として高圧力差となる二酸化炭素を用い
た場合により有効となる。

【００３１】また、低段圧縮室４３と高段圧縮室４５を
対向して設けたことにより、低段圧縮室４３が膨張行程
を行う際に対向する高段圧縮室４５では圧縮行程が行わ
れ、低段圧縮室４３の膨張行程で回収したエネルギーを
高段圧縮室４５の圧縮行程での仕事に利用することがで
きる。同様の理由から、高段圧縮室４５の膨張行程で回
収したエネルギーを低段圧縮室４３の圧縮行程での仕事
に利用できる。従って、エネルギーの無駄が無く、効率
を向上させることができる。また、図３の従来のリニア
コンプレッサでは、圧縮室１２の膨張行程で回収したエ
ネルギーを一旦弾性エネルギーとして蓄えて圧縮行程で
それを利用するために支持バネ７を用いていたが、これ
を用いなくても効率よく圧縮することが可能となるた
め、支持バネ７の疲労破壊を心配する必要が無く、信頼
性を向上させることができる。

【００３２】また、低段ピストン３５と高段ピストン３
７をロッド３８により連結したことにより、低段シリン
ダ３４の軸心Ｌ１と高段シリンダ３６の軸心Ｌ２が完全
には一致していない場合でも、ロッド３８が弾性変形す
ることにより、低段ピストン３５の軸心は低段シリンダ
３４の軸心Ｌ１と一致し、高段ピストン３７の軸心は高
段シリンダ３６の軸心Ｌ２と一致する。従って、軸心が
完全には一致していない場合に発生する低段シリンダ３
４と低段ピストン３５の間の摺動面、および、高段シリ
ンダ３６と高段ピストン３７の間の摺動面での摩擦力を
低減することが可能となるため、効率を向上させること
ができる。また、これらの摺動面の摩耗を防止すること
が可能となるため、信頼性を向上させることができる。

【００３３】また、低段圧縮室４３と高段圧縮室４５で
圧縮される冷媒ガス質量は等しく、かつ、低段圧縮室４
３の吸入冷媒ガスの比容積は高段圧縮室４５のそれより
も大きいため、それに合わせて低段圧縮室４３の行程容
積を高段圧縮室４５のそれよりも大きくする必要がある
が、低段ピストン３５の外径を高段ピストン３７の外径
よりも大きくすることにより、容易な構成で低段圧縮室
４３の行程容積を高段圧縮室４５の行程容積よりも大き
くすることができる。

【００３４】また、密閉容器３１の内部の中間圧力は、
低段圧縮室４３と高段圧縮室４５の行程容積の比で決ま
るが、低段ピストン３５と高段ピストン３７の外径の比
で低段圧縮室４３と高段圧縮室４５の行程容積の比を決
めることにより、任意の中間圧力が設定可能となり、特
に、冷媒として高圧力差となる二酸化炭素等を用いた場
合に、密閉容器３１の強度を考慮した中間圧力の設定を
行うことにより、信頼性を向上させることができる。

【００３５】また、密閉容器３１の内部に圧縮機構部３
２を備え、密閉容器３１の内部を中間圧力としたことに
より、特別な冷媒ガス経路無しでも低段圧縮室４３から
吐出された冷媒ガスを高段圧縮室４５に吸入させること
ができ、構成が容易になる。また、密閉容器３１から外
部へ放熱させることにより、密閉容器３１が中間冷却器
の役割を果たす。従って、高段圧縮室４５に吸入される
冷媒ガスの温度を低くできるため、高段圧縮室４５での
仕事が減り、効率を向上させることができるとともに、
高段圧縮室４５から吐出される冷媒ガスの温度も低減で
き、潤滑油の劣化や冷媒の熱分解を防止して信頼性を向
上させることができる。

【００３６】特に、冷媒として吐出圧力が高いために吐
出される冷媒ガスの温度が高くなる二酸化炭素を用いた
場合により有効となる。

【００３７】（実施の形態２）図２は、実施の形態２に
おけるリニアコンプレッサの断面図であり、図１で説明
した実施の形態１のリニアコンプレッサと概略同様な構
成で、その相違点を中心に説明する。なお、実施の形態
１と同様な部分については同一符号を付している。

【００３８】実施の形態２では、実施の形態１に加え
て、低段ヘッドカバー４９の内側の低段吐出室４８に連
通する低段吐出管６３と、高段ヘッドカバー５３の内側
の高段吸入室５０に連通する高段吸入管６４と、低段吐
出管６３と高段吸入管６４を結ぶ冷媒ガス経路６５と、
冷媒ガス経路６５に設けた中間冷却器６６を備えてい
る。

【００３９】本実施の形態では、密閉容器３１の外部に
低段圧縮室４３で圧縮した冷媒ガスを高段圧縮室４５に
導く冷媒ガス経路６５を設け、その途中に中間冷却器６
６を備えたことにより、低段圧縮室４３で圧縮された冷
媒ガスを中間冷却器６６で冷却し、高段圧縮室４５に吸
入される冷媒ガスの温度を低くできるため、高段圧縮室
での仕事が減り、効率を向上させることができるととも
に、高段圧縮室４５から吐出される冷媒ガスの温度も低
減でき、潤滑油の劣化や冷媒の熱分解を防止して信頼性
を向上させることができる。

【００４０】また、実施の形態１のように密閉容器３１
からの放熱により中間冷却器の役割を果たさせるより
も、中間冷却器６６を用いた方が冷却能力を大きくとる
ことが可能であり、効率と信頼性がさらに向上している
ことは言うまでもない。

【００４１】特に、冷媒として吐出圧力が高いために吐
出される冷媒ガスの温度が高くなる二酸化炭素を用いた
場合により有効となる。

【００４２】なお、中間冷却器６６は必要に応じて設け
ればよいことは言うまでもない。

【００４３】また、低段吐出管６３および高段吸入管６
４を設けたことにより、二段圧縮用の圧縮機構部３２
を、冷凍サイクルからの冷媒ガスを吸入管４６から吸入
し、低段圧縮室４３で圧縮し、低段吐出管６３から冷凍
サイクルに吐出する第１圧縮経路と、冷凍サイクルから
の冷媒ガスを高段吸入管６４から吸入し、高段圧縮室４
５で圧縮し、吐出管５１から冷凍サイクルに吐出する第
２圧縮経路を備えた二気筒の圧縮機構部として用いるこ
とが可能となる。これにより、冷凍サイクルの圧力差が
大きい場合には二段圧縮式として用い、冷凍サイクルの
圧力差は大きくないが冷媒ガスの循環量が多い場合には
二気筒単段圧縮式として用いることが可能になり、冷凍
サイクルの状態に合わせた圧縮方式を採用することによ
り、さらに効率を向上させることができる。

【００４４】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、リニアコンプレッサを二段圧縮式にすることにより
シリンダとピストンの隙間から漏れる冷媒ガスの量を低
減して圧縮効率の低下を防止できるため、効率を向上さ
せることができる。特に、冷媒として高圧力差である二
酸化炭素を用いた場合により有効となる。

【００４５】また、低段ピストンと高段ピストンの外径
の比で低段圧縮室と高段圧縮室の行程容積の比を決める
ことにより、任意の中間圧力が設定可能となり、特に、
冷媒として高圧力差となる二酸化炭素等を用いた場合
に、密閉容器の強度を考慮した中間圧力の設定を行うこ
とにより、信頼性を向上させることができる。

【００４６】また、低段圧縮室と高段圧縮室を結ぶ冷媒
ガスの経路上に中間冷却器を備えたことにより、高段圧
縮室に吸入される冷媒ガスの温度を低くできるため、高
段圧縮室での仕事が減り、効率を向上させることができ
るとともに、高段圧縮室から吐出される冷媒ガスの温度
も低減でき、潤滑油の劣化や冷媒の熱分解を防止して信
頼性を向上させることができる。特に、冷媒として吐出
圧力が高く吐出される冷媒ガスの温度が高くなる二酸化
炭素を用いた場合により有効となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１におけるリニアコンプレ
ッサの断面図

【図２】本発明の実施の形態２におけるリニアコンプレ
ッサの断面図

【図３】従来のリニアコンプレッサの断面図

【符号の説明】

３１ 密閉容器 ３２ 圧縮機構部 ３４ 低段シリンダ ３５ 低段ピストン ３６ 高段シリンダ ３７ 高段ピストン ４３ 低段圧縮室 ４５ 高段圧縮室 ６２ リニアモータ ６５ 冷媒ガス経路 ６６ 中間冷却器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新宅 秀信 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 植田 光男 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 3H076 AA03 AA12 BB04 BB21 BB26 CC05

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 低段シリンダと、前記低段シリンダ内で
   リニアモータにより駆動される低段ピストンと、前記低
   段シリンダと前記低段ピストンにより構成される低段圧
   縮室と、高段シリンダと、前記高段シリンダ内で前記リ
   ニアモータにより駆動される高段ピストンと、前記高段
   シリンダと前記高段ピストンにより構成される高段圧縮
   室を設けたことを特徴とするリニアコンプレッサ。
2. 【請求項２】 前記低段圧縮室で圧縮した冷媒ガスを前
   記高段圧縮室に導く冷媒ガス経路を設けたことを特徴と
   する請求項１記載のリニアコンプレッサ。
3. 【請求項３】 前記低段圧縮室と前記高段圧縮室を対向
   して設けたことを特徴とする請求項１および２記載のリ
   ニアコンプレッサ。
4. 【請求項４】 前記低段ピストンと前記高段ピストンを
   ロッドにより連結したことを特徴とする請求項１および
   ３記載のリニアコンプレッサ。
5. 【請求項５】 前記低段ピストンの径を前記高段ピスト
   ンの径よりも大きくしたことを特徴とする請求項１〜４
   記載のリニアコンプレッサ。
6. 【請求項６】 前記低段圧縮室で圧縮した冷媒ガスを冷
   却する中間冷却器を設けたことを特徴とする請求項１〜
   ５記載のリニアコンプレッサ。
7. 【請求項７】 密閉容器の内部に前記圧縮機構部を備え
   たことを特徴とする請求項１〜６記載のリニアコンプレ
   ッサ。
8. 【請求項８】 前記密閉容器の内部の圧力を中間圧力と
   したことを特徴とする請求項７記載のリニアコンプレッ
   サ。
9. 【請求項９】 前記密閉容器の外部に、前記低段圧縮室
   で圧縮した冷媒ガスを前記高段圧縮室に導く経路を備え
   たことを特徴とする請求項７および８記載のリニアコン
   プレッサ。
10. 【請求項１０】 二酸化炭素を主成分とする冷媒を用い
    て運転することを特徴とする請求項１〜９記載のリニア
    コンプレッサ。