JP2004251132A

JP2004251132A - オイルレスリニア圧縮機

Info

Publication number: JP2004251132A
Application number: JP2003039349A
Authority: JP
Inventors: 国新 ▲ゆ▼; Kokushin Yu
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】オイルレスリニア圧縮機に関し、圧縮機構部から密閉容器までの熱伝達抵抗を小さくし、圧縮機構部の温度を低くし、高効率化、且つ高信頼性化を図る。
【解決手段】密閉容器１０１内に固定子１０２ｂおよび可動子１０３からなるリニアモータ１０２と、圧縮室１０８を形成するシリンダー１０４と、可動子１０３と連結され、シリンダー１０４内を往復動するピストン１０４と、可動子１０３の往復動に伴い伸縮するスプリング１０６ａ、ｂとを備え、シリンダー１０４および固定子１０２ｂの少なくとも一方が密閉容器１０１に固定されているので、発熱部の外周面が密閉容器１０１の内周面と密着されることにより、発熱部の熱は熱伝達抵抗が小さい固体熱伝導により密閉容器１０１の内周面へ伝わることで効率よく発熱部の熱を放熱できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷凍冷蔵装置や空調機等に用いられるリニア圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、冷凍機器分野において、高効率、高信頼性の一環として、摺動部に潤滑油の代わりにガスベアリングを設けたオイルレスリニア圧縮機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
以下、図面を参照しながら上記従来のオイルレスリニア圧縮機について説明する。
図５は、従来のオイルレスリニア圧縮機の縦断面図である。図５において圧縮機構１は、巻き線２ａを挿入した固定子２ｂおよびマグネット２ｃを備えた可動子３からなるリニアモータ２と、固定子２ｂに固定されたシリンダー４と、シリンダー４内に往復自在に嵌装されるとともに可動子３に連結されたピストン５と、可動子３と固定子２ｂを連結し可動子３が軸方向に可動可能なように支持するスプリング６とを備え、サスペションスプリング等（図示せず）により、密閉容器７内に弾性支持されている。またシリンダー４はガスベアリング８を構成しており、潤滑油は用いないオイルレスの仕様となっている。
【０００４】
以上のような構成において交流電源から電流が巻き線２ａに通電すると、マグネット２ｃにより発生する磁界との作用により、マグネット２ｃ、可動子３に軸方向の往復運動する力が発生する。その力により、可動子３と連結されたピストン５は、スプリング６を変形させるとともに、そのスプリング６の反発力を利用しながら共振し、効率よく軸方向に往復運動を繰り返す。
【０００５】
冷凍システム（図示せず）からの冷媒ガスは、吸入管（図示せず）を介してシリンダー４とピストン５から形成された圧縮室９に吸入され、圧縮された冷媒ガスは、一旦シリンダヘッド１０内に吐出された後、吐出管（図示せず）を介して冷凍システムに吐出される。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１２２０７１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成はオイルレスがゆえに発熱部の冷却が課題となる。
【０００８】
リニア圧縮機において主な発熱部は圧縮仕事から発熱を生ずるシリンダー４と、モーター損失が発熱として生ずる固定子２ｂの２箇所である。
【０００９】
シリンダー４においてピストン５の往復運動により圧縮室９に冷媒ガスを圧縮する時に、圧縮熱が発生する。その圧縮熱は大部分が吐出ガスとともに冷凍システムに排出されるが一部がシリンダー４に伝わり、シリンダー４の温度は上昇する。
【００１０】
また固定子２ｂに固定された巻き線２ａに通電すると、巻き線２ａはその電気抵抗によりジュール熱が発生し、さらに巻き線２ａによる交番磁界も固定子２ｂ、可動子３に渦電流を誘起しこれによってジュール熱が発生するため固定子２ｂの温度は上昇する。
【００１１】
これらシリンダー４や固定子２ｂの発熱はそれら外周面から輻射され、また密閉容器内ガス対流による熱伝達によって密閉容器の内周面へと放熱される。この際、オイルを用いる方式であれば熱容量の大きなオイルはミスト状となってガス対流とともに密閉容器内を循環することで熱搬送し、密閉容器７に熱伝達されることで比較的効率よく放熱される。しかしながらオイルレスの場合、ガス対流による熱伝達が主体のため熱伝達抵抗が高くなり、その結果シリンダー４や固定子２ｂの温度が上昇してしまう。
【００１２】
その結果、吸入期と圧縮初期に冷媒ガスが加熱され圧縮効率が低下し、更にシリンダー温度が高くなると、ピストン焼き付きになり、信頼性が低下する。また固定子２ｂの温度が高くなることでモータ効率が低下する、といった欠点があった。
【００１３】
本発明は、従来の課題を解決するもので発熱部の熱を有効に排除し、発熱部の温度を下げることによって、圧縮効率、モータ効率の向上および信頼性の確保を図ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の発明は、密閉容器内に固定子および可動子からなるリニアモータと、圧縮室を形成するシリンダーと、前記可動子と連結され、前記シリンダー内を往復動するピストンと、前記可動子の往復動に伴い伸縮するスプリングとを備え、前記シリンダーおよび前記固定子の少なくとも一方が前記密閉容器に固定されたものであり、発熱部の外周面が密閉容器の内周面と密着されることにより、発熱部の熱は熱伝達抵抗が小さい固体熱伝導により密閉容器の内周面へ伝わることで効率よく発熱部の熱を放熱できるという作用を有する。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明に、さらに、前記シリンダーおよび前記固定子の少なくとも一方が薄厚弾性材を介して前記密閉容器に固定されたものであり、薄厚弾性材が変形し易いので、密閉容器の内周面と発熱部の外周面と確実に密着することができ、有効な熱伝達面積が増え、発熱部の熱は熱伝達抵抗が小さい固体熱伝導により密閉容器の内周面へ伝わることで効率よく発熱部の熱を放熱できるという作用を有する。
【００１６】
また、薄厚弾性材により、密閉容器の内周面と外周面の加工精度が低くしても、密閉容器の内周面と発熱部の外周面と密着することができ、加工容易と低コストを図るという作用を有する。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の発明に、さらに、前記密閉容器に動吸振器を備えたものであり、密閉容器に伝わる圧縮振動を、動吸振器が打ち消すことで振動を減衰するという作用を有する。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明に、さらに、前記シリンダーと前記ピストンはガスベアリングを構成したものであり、ガスベアリングによってシリンダーとピストン間でのオイル潤滑が不要となり、摺動部の非接触化による摺動損失の低減及び摺動部の信頼性確保を図ることができるという作用を有する。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項４記載の発明に、さらに、前記スプリングは板バネであるものであり、板バネは横剛性が高く軸受けとして機能するためオイル潤滑が不要となり、摺動損失が小さく、摺動部が無いことでオイルレスにおける高い信頼性が得られるという作用を有する。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、請求項２記載の発明に、さらに、前記薄厚弾性材はシリコンゴムまたは４弗化エチレンであるものであり、熱伝導性がよく、固体熱伝導により熱伝達抵抗が小さくなり、発熱部の熱を有効に排除することができ、発熱部の温度が低くなり、圧縮効率、モータ効率の向上と信頼性の確保を図るという作用を有する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるオイルレスリニア圧縮機の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、従来と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１によるオイルレスリニア圧縮機の縦断面図、図２は同実施の形態によるオイルレスリニア圧縮機用の板ばねの平面図、図３はスプリングの平面図、図３（ａ）は従来例のオイルレスリニア圧縮機内の、シリンダー内周面から密閉容器内周面までの熱伝達方式の略図、図３（ｂ）は同実施の形態によるオイルレスリニア圧縮機内の、シリンダー内周面から密閉容器内周面までの熱伝達方式の略図である。
【００２３】
図１において密閉容器１０１に収納された圧縮機構１０１ａは、巻き線１０２ａを挿入した固定子１０２ｂおよびマグネット１０２ｃを備えた可動子１０３からなるリニアモータ１０２と、固定子１０２ｂに固定されたシリンダー１０４と、シリンダー１０４内に往復自在に嵌装され、可動子１０３に連結されたピストン１０５と、可動子１０３と固定子１０２ｂを連結し可動子１０３が軸方向に可動可能なように支持する略円盤状のスプリング１０６ａおよび１０６ｂとを備えている。
【００２４】
固定子１０２ｂおよびシリンダー１０４はともに密閉容器１０１に焼き嵌め等により直接、密着固定されている。
【００２５】
密閉容器１０１内には、可動ウエイト１０７ａおよび可動ウエイト１０７ａと密閉容器１０１を連結する支持スプリング１０７ｂとから形成される動吸振器１０７を備えている。
【００２６】
またシリンダー１０４とピストン１０５は圧縮室１０８を形成するとともにガスベアリング１０９を構成している。ガスベアリング１０９は一端が吐出室１１０に連通し、他端が複数の給気孔１０９ａに連通する連通路１０９ｂと、連通路１０９ｂの途中に設けた絞り手段１０９ｃから形成されている。
【００２７】
以上のような構成において交流電源から電流が巻き線１０２ａに通電すると、マグネット１０２ｃにより発生する磁界との作用により、マグネット１０２ｃ、可動子１０３に軸方向の往復運動する力が発生する。その力により、可動子１０３と連結されたピストン１０５は、スプリング１０６ａおよび１０６ｂの反発力を利用しながら共振し、効率よく軸方向に往復運動を繰り返す。
【００２８】
冷凍システム（図示せず）からの冷媒ガスは、吸入管（図示せず）を介してシリンダー１０４とピストン１０５から形成された圧縮室１０８に吸入され、圧縮された冷媒ガスは、一旦シリンダヘッド１１１内の吐出室１１０に吐出された後、吐出管（図示せず）を介して冷凍システムに吐出される。
【００２９】
また圧縮された冷媒ガスは吐出室１１０から連通路１０９ｂを通り、連通路１０９ｂの途中に設けた絞り手段１０６ｃによって減圧し、給気孔１０６ａからピストン１０５とシリンダー１０４との間に噴出させることで噴出した冷媒のガス膜の剛性がピストン１０５を支持しガスベアリング１０９を形成する。このため、ピストン１０５とシリンダー１０４の摺動部は相互に接触することが無く、よってオイルは不要でありまた摺動損失もほとんど発生しない。
【００３０】
一方、スプリング１０６ａおよび１０６ｂは図２に示すとおり、平板状で渦巻き状の切り欠きを設けたもので、法線方向に高い剛性を有するため、ピストン１０５や可動子１０３を軸支することができる。スプリング１０６ａおよび１０６ｂはピストン１０５や可動子１０３との間に摺動部を持たないため、摺動部を潤滑するための手段であるオイルを必要としない。
【００３１】
従ってガスベアリング１０９を形成するピストン１０５、シリンダー１０４とあいまってオイルレスリニア圧縮機を形成するものである。
【００３２】
尚、本実施の形態においては、可動子の二個所にそれぞれ一枚ずつ板ばねを配設した例にて説明したが、どちらか一方の板バネを省いたり、同じ個所に複数の板バネを配設したりすることも同様に実施可能であり、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００３３】
次に、圧縮仕事から生ずるシリンダー１０４の発熱と、モーター損失から生ずる巻き線１０２ａの発熱は固定子１０２ｂおよびシリンダー１０４がともに密閉容器１０１に焼き嵌め等により直接、密着固定されているため熱伝導しやすく、密閉容器１０１から効率よく放熱され、シリンダー１０４および固定子１０２ｂの温度は低く抑えられる。
【００３４】
その結果、圧縮工程における冷媒ガスの温度上昇が低く抑えられ、体積効率が上昇し、また高いモータ効率を維持できることからオイルレスリニア圧縮機の高効率化を図ることができる。
【００３５】
さらにシリンダー１０４および固定子１０２ｂの温度が低く抑えられることでピストンの焼き付きやモーター巻線の劣化等が回避でき、信頼性を向上させることができる。
【００３６】
ここで、図３はガス圧縮による圧縮熱をシリンダー１０４の内周面から密閉容器１０１の内周面までの本実施の形態と従来例の熱伝達抵抗を比較したものである。
【００３７】
図３の（ａ）は従来例の熱伝達抵抗を示したもので、シリンダー４の外周面から密閉容器７の内周面への輻射、シリンダー４の外周面と密閉容器７の内周面との冷媒ガスの対流のふたつの放熱形態が形成されている。このうち、冷媒ガスの対流による相当対流熱伝達率（対流、輻射両方による）は１００Ｗ／ｍ^２／Ｋとなる。
【００３８】
一方、図３の（ｂ）は本実施の形態の熱伝達抵抗を示したもので、ガス圧縮による圧縮熱がシリンダー１０４外周面から固体熱伝導の方式で密閉容器１０１の内周面へ伝わる。
【００３９】
一般にシリンダー１０４は金属材料で構成されるが、その熱伝導率は低くても２０Ｗ／ｍ／Ｋを超え、もし圧縮室１０８から密閉容器１０１の内周面までの距離をδ１０ｍｍと仮定すると、本実施形態の熱伝達抵抗は０．０００５ｍ^２Ｋ／Ｗになり、理論的には従来例に対し２０倍以上の熱伝達抵抗の差が生ずることとなり、本願発明の放熱効果がいかに高いかが分かる。
【００４０】
固定子１０２ｂについてもまったく同様の差が生じるものであり、詳細な説明を省く。
【００４１】
尚、本実施の形態においては、シリンダー１０４外周面、固定子１０２ｂの外周面と密閉容器１０１の内周面に密着した例にて説明したが、シリンダー１０４外周面、固定子１０２ｂ外周面のいずれの一方と密閉容器１０１の内周面に密着しても、もしくは、シリンダー１０４、固定子１０２ｂのいずれの一方、両方と密閉容器１０１と一体に構成しても同様に実施可能であり、それぞれの効果が得られることは言うまでもない。
【００４２】
一方、圧縮機構１０１ａを形成する可動子１０３、スプリング１０６、ピストン１０５等が圧縮時に発生する往復運動方向の振動エネルギは固定子１０２ｂおよびシリンダー１０４が直接、密閉容器１０１に密着固定されているため、ほとんど減衰されずに密閉容器１０１に伝達され、オイルレスリニア圧縮機は往復運動方向に大きく振動することとなる。
【００４３】
しかしながら密閉容器１０１の内周面に設置された複数の動吸振器１０７が振れることで上記振動エネルギを打ち消し、その結果、オイルレスリニア圧縮機の振動は大幅に減衰される。
【００４４】
従って振動の低いオイルレスリニア圧縮機を実現することができる。
【００４５】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施形態２によるオイルレスリニア圧縮機の縦断面図である。
【００４６】
図４において、本実施の形態は、実施の形態１によるオイルレスリニア圧縮機に、さらに、シリンダー１０４、固定子１０２ｂの外周面と密閉容器１０１の内周面の間にシリコンゴムからなる薄厚弾性材１１２を備えており、この薄厚弾性材１１２はシリンダー１０４、固定子１０２ｂの外周面と、密閉容器１０１の内周面と密着している。
【００４７】
なお、上記薄厚弾性材１１２以外の構成は実施の形態１と同様であり、詳細な説明を省く。
【００４８】
以上のように構成されたオイルレスリニア圧縮機において、薄厚弾性材１１２はシリコンゴムからなるため弾性変形し易いので、発熱部の外周面と密閉容器１０１の内周面との間の密着性を良くすることができ、有効な伝熱面積が増えることで固体熱伝導により熱伝達抵抗が小さくなり、発熱部の熱を有効に排除することができる。また、薄厚弾性材により、密閉容器と発熱部の分離加工が可能になり、且つ密閉容器の内周面と発熱部の外周面の加工精度を低くしても、密閉容器の内周面と発熱部の外周面を密着することができ、加工容易と低コストを図るものとなっている。
【００４９】
一方薄厚弾性材１１２がシリンダー１０４、固定子１０２ｂの外周面と密閉容器１０１の内周面の間に介在することで圧縮機構１０１ａから密閉容器１０１の内周面までの熱伝達抵抗は大きくなるが、シリコンゴムを薄厚弾性材として採用した場合に、熱伝導率が０．２Ｗ／ｍＫより高く、厚みを１ｍｍより薄くすることで、熱伝達抵抗の増加分はわずか０．００５ｍ^２Ｋ／Ｗであり、この熱伝達抵抗は従来例の半分に満たない。従って上記効果ともあいまって、従来例に比べはるかに効率よくシリンダー１０４や固定子１０２ｂの熱を排除できる。
【００５０】
その結果、発熱部の温度が低くなり、圧縮効率、モータ効率向上と信頼性の確保を図ることができるものである。
【００５１】
尚、本実施の形態においては、シリンダー１０４外周面、固定子１０２ｂの外周面と密閉容器１０１の内周面に薄厚弾性材１１２を介して密着した例にて説明したが、シリンダー１０４外周面、固定子１０２ｂ外周面のいずれの一方と密閉容器１０１の内周面に密着しても、もしくは、シリンダー１０４、固定子１０２ｂのいずれの一方が薄厚弾性材１１２を介して密閉容器１０１と密着し、一方が密閉容器１０１と一体に構成しても同様に実施可能であり、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５２】
尚、本実施の形態においては、薄厚弾性材１１２の材料としてシリコンゴムで構成した例にて説明したが、熱伝導性もよく弾性を有する４弗化エチレンゴムにて構成しても同様に実施可能であり、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の発明は、熱伝達抵抗が小さい固体熱伝導により発熱部の熱は密閉容器の内周面へ効率よく伝わることで発熱部の熱を放熱できる。
【００５４】
また、請求項２に記載の発明は、薄厚弾性材が変形し易いので、密閉容器の内周面と発熱部の外周面と確実に密着することができ、有効な熱伝達面積が増え、発熱部の熱は熱伝達抵抗が小さい固体熱伝導により密閉容器の内周面へ伝わることで効率よく発熱部の熱を放熱できる。
【００５５】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の発明の作用に加えて、密閉容器に伝わる圧縮振動を、動吸振器が打ち消すことで振動を減衰することができる。
【００５６】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明の作用に加え、ガスベアリングによってシリンダーとピストン間でのオイル潤滑が不要となり、摺動部の非接触化による摺動損失の低減及びオイルレスにおける摺動部の信頼性確保を図ることができる。
【００５７】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４記載の発明の作用に加えて、板バネは横剛性が高く軸受けとして機能するためオイル潤滑が不要となり、摺動損失が小さく、摺動部が無いことでオイルレスにおける高い信頼性が得られる。
【００５８】
また、請求項６に記載の発明は、請求項２記載の発明に、さらに、前記薄厚弾性材はシリコンゴムまたは４弗化エチレンであるものであり、熱伝導性がよく、固体熱伝導により熱伝達抵抗が小さくなり、発熱部の熱を有効に排除することができ、発熱部の温度が低くなり、圧縮効率、モータ効率の向上と信頼性の確保を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるオイルレスリニア圧縮機の実施の形態１の縦断面図
【図２】本発明によるオイルレスリニア圧縮機の実施の形態１用の板ばね平面図
【図３】オイルレスリニア圧縮機の熱伝達方式の略図
【図４】本発明によるオイルレスリニア圧縮機の実施の形態２の縦断面図
【図５】従来のオイルレスリニア圧縮機の縦断面図
【符号の説明】
１０１密閉容器
１０２リニアモータ
１０２ｂ固定子
１０３可動子
１０４シリンダー
１０５ピストン
１０６スプリング
１０７動吸振器
１０８圧縮室
１０９ガスベアリング
１１２薄厚弾性材

Claims

密閉容器内に固定子および可動子からなるリニアモータと、圧縮室を形成するシリンダーと、前記可動子と連結され、前記シリンダー内を往復動するピストンと、前記可動子の往復動に伴い伸縮するスプリングとを備え、前記シリンダーおよび前記固定子の少なくとも一方が前記密閉容器に固定されたオイルレスリニア圧縮機。
前記シリンダーおよび前記固定子の少なくとも一方が薄厚弾性材を介して前記密閉容器に固定された請求項１に記載のオイルレスリニア圧縮機。
前記密閉容器に動吸振器を備えた請求項１または２に記載のオイルレスリニア圧縮機。
前記シリンダーと前記ピストンはガスベアリングを構成した請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のオイルレスリニア圧縮機。
前記スプリングは板バネである請求項４に記載のオイルレスリニア圧縮機。
前記薄厚弾性材はシリコンゴムまたは４弗化エチレンである請求項２に記載のオイルレスリニア圧縮機。