JP2004278475A

JP2004278475A - オイルレスリニア圧縮機

Info

Publication number: JP2004278475A
Application number: JP2003073869A
Authority: JP
Inventors: 国新 ▲ゆ▼; Kokushin Yu; Junta Kawabata; 淳太川端
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】オイルレスリニア圧縮機に関し、ピストンとシリンダー間の摺動損失、漏れ損失を低減し、かつ耐摩耗性の向上を図る。
【解決手段】密閉容器１０１内にリニアモータ１０２と、シリンダー１０４と、ピストン１０５と、スプリング１０６ａ、１０６ｂとを備え、シリンダー１０４とピストン１０５はガスベアリング１０９を構成するとともに、シリンダー１０４およびピストン１０５の摺動面少なくとも一方に二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）を固着させた混合層１０５ａを形成したものであり、固体接触が生じても二硫化モリブデンが低い摩擦係数でへき開することで固体潤滑作用を発揮し、摺動部の摩擦係数が低くなると共に、前記作用によってシリンダー１０４とピストン１０５との多少の接触が許容されるため、ガスベアリング１０９に供給する高圧冷媒ガスの圧力を低くすることができ、その結果、漏れ損失を低下させることができる。
【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、摺動部に潤滑油を用いる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。
【０００４】
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。
【０００５】
以上のような構成において交流電源から巻き線２ａに電流が通電されると、固定子２ｂが発生する磁界がマグネット２ｃ作る磁界に作用することで、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、可動子３と連結されたピストン５はシリンダー４内で軸方向の往復運動を繰り返す。
【０００６】
その結果、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、一旦シリンダーヘッド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。
【０００７】
また、圧縮されたガスをガスベアリング８のガス流路８ａを介してピストン５とシリンダー４の摺動部に導き、複数の給気孔８ｂから高い圧力の冷媒ガスを噴出させることで、噴出した冷媒のガス膜の剛性が、ピストン５とシリンダ−４間に生じる荷重に対抗してピストン５を支持するため、摺動部の非接触化を図るものとなっている。
【０００８】
また、別の従来の技術としては、圧縮機用の摺動材料として摺動部表面に固体潤滑剤である二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）を塗布したものの記載がある（例えば特許文献２参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１２２０７１号公報
【特許文献２】
特開２０００−２１８１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の内容では、ピストンとシリンダーの摺動部にガスベアリングにより摺動部の非接触化を図っていることから、摺動部における冷媒ガスの膜の剛性を高くする為に、十分な高圧冷媒ガスを供給しなければならないので、ピストンとシリンダーの隙間からの冷媒ガスの漏れ損失が多くなり、効率が低くなることがあった。
【００１１】
一方、特許文献２に記載の内容では、使用される二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）は摺動面に塗布するためにバインダーを含んでいるが、一般的に二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）のバインダーとしてはポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）が用いられる。しかしながらポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）は、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）単体と比較して摩擦係数が高く、その結果、摺動損失が増加するといった問題があった。
【００１２】
また、摺動部の母材が鉄やアルミニウム等の金属材料であった場合、バインダーとして用いるポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）との結合力が通常の金属結合に比較して弱いことから、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）を塗布した摺動部において母材とバインダーとの界面ではく離が生じ、その結果二硫化モリブデンの耐摩耗性向上の効果が得られず、特にガスベアリングを用いた場合には、ガスベアリングの絞り部に詰まり、摩耗量が増加することがあった。
【００１３】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、摺動損失の低下が図れるとともに、漏れ損失が小さく、耐摩耗性の高いオイルレスリニア圧縮機を提供することを目的としている。
【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、前記可動子と前記固定子とを伸縮自在に連結するスプリングとを備え、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するとともに、前記シリンダーおよび前記ピストンの摺動面少なくとも一方に二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）を固着させた混合層を形成したものであり、固体接触が生じても二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）が低い摩擦係数でへき開することで固体潤滑作用を発揮し、摺動部の摩擦係数が低くなるという作用と、前記作用によってシリンダーとピストンとの多少の接触が許容されるため、ガスベアリングに供給する高圧冷媒ガスの圧力を低くすることができ、その結果、漏れ損失を低下させることができるという作用を有する。
【００１５】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）の純度を９８％以上としたものであり、通常、二硫化モリブデンより高い摩擦係数を持つ不純物が極めて微量となることで、摺動損失を低く抑えるという作用を有する。
【００１６】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明にさらに二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）を固着させた混合層の摺摺動部表面に微細くぼみをほぼ均一に形成したものであり、摺動時に摺動部間の隙間が微小に変化することにより摺動部表面のくぼみで摺動部間に動圧が発生して、ラビリンスシール効果を発揮し、漏れ損失を低減させる共に、金属接触の頻度も少なくし耐摩耗性を向上させる作用を有する。
【００１７】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、微細くぼみの表面形状を球形で、かつ直径を２μｍ〜２０μｍ、深さを０．２μｍ〜１．０μｍの大きさにしたものであり、表面が適切な大きさの球形であることから、摺動時に発生する動圧が均一化され、摺動部間の隙間が一定になり、さらに漏れ損失を低減させると共に、金属接触の頻度も少なくし耐摩耗性を向上させる作用を有する。
【００１８】
【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。
【００１９】
（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、図１のＡ部拡大図である。図３は、同実施の形態における摺動時のくぼみまわりのガス流れを示した図である。図４は、鉄（Ｆｅ）系材料に二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）を固着させて形成した混合層の有り無しでの摩擦係数を示した特性図である。
【００２０】
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。
【００２１】
圧縮機構１０１ａは密閉容器１０１内にサスペンションスプリング１０７を介して支持されている。
【００２２】
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。
【００２３】
そしてピストン１０５の摺動部表面は、母材である鉄系材料の表面に二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）を固着させた混合層１０５ａを形成している。より好ましくは、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）の純度を９８％以上とし、表面に微細くぼみ１０５ｂをほぼ均一に形成し、さらに微細くぼみ１０５ｂは表面形状が球形で、かつ直径を２μｍ〜２０μｍ、深さを０．２μｍ〜１．０μｍの大きさとすることである。
【００２４】
一般に、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）を摺動部表面に形成する方法としてはイミド基等の熱硬化性の機能をもつ樹脂をバインダーとして用い、ジメチルアセトアミド等の溶剤に上記バインダー溶け込ませた溶液に二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）の粒子いれた溶液を摺動部表面に塗布した後、数百度で焼き付ける方法等がある。本実施の形態においては、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）を固着させた混合層を表面に形成する方法として、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）の粒をある速度以上で摺動部品の母材である鉄（Ｆｅ）系ならびにアルミニウム系（Ａｌ）等の金属の摺動面に衝突させる方法を用い、衝突の際に生じる熱エネルギーにより二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）の一部が母材に溶け込み金属結合することにより固着させた混合層ならびに衝突の際に衝撃力により微細くぼみを同時に形成している。
【００２５】
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、固定子１０２ｂが発生する磁界がマグネット１０２ｃ作る磁界に作用することで、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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１０９ｃによって減圧し、給気孔１０９ａ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。
【００２８】
一方、吐出室１１０内にガスベアリング１０９へ圧縮ガスを供給できない場合に、例えば、起動初期など、ガスベアリングの機能を発揮できず、ピストン１０５とシリンダー１０４の摺動部は相互に接触しても、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）が低い摩擦係数でへき開することで固体潤滑作用を発揮し、摺動部の摩擦係数が低くなる。
【００２９】
さらに、ガスベアリング１０９のピストン１０５を支持する機能を発揮する際に、吐出室１１０からピストン１０５とシリンダー１０４との間に噴出された冷媒のガスの一部はピストン１０５とシリンダー１０４の隙間を経て密閉容器内に漏出し、他の一部は吸入期などに圧縮室１０８内の圧力がピストン１０５とシリンダー１０４の隙間内より低い時に、圧縮室１０８内に漏出し、体積効率を下げることになる。しかしながら、摩擦係数が低い二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）の固体潤滑作用によってシリンダー１０４とピストン１０５との多少の接触が許容されるため、ガスベアリング１０９に供給する高圧冷媒ガスの圧力を低くすることができ、その結果、漏れ損失を低下させることができる。
【００３０】
なお、ガスベアリング１０９に供給する高圧冷媒ガスの圧力を低くする手段としては、絞り手段１０９ｃがオリフィスの場合に絞り口径を小さくし、絞り溝とキャピラーリチュブの場合に溝の長さを長くするが有効である。例えば、絞り手段１０９ｃをオリフィスにする場合に、絞り口径を半分にすると、ピストン１０５がシリンダー１０４の中にある時に供給する高圧冷媒ガスの圧力は５０ｋＰａ低減し、その結果、漏れ損失を３０％以上低減することができる。
【００３１】
更に図２と図３に示すように、ピストン１０５の摺動部表面の混合層１０５ａにほぼ均一に形成した微細くぼみ１０５ｂを設けることにより、ピストン１０５とシリンダー１０４の隙間の前記漏出ガスが微細くぼみ１０５ｂに達すると、微細くぼみ１０５ｂにおいてピストン１０５とシリンダー１０４の隙間の体積が増加することからラビリンスシールと同様の効果が生じ、漏出した冷媒ガスの流速は急速に低下する。従って、冷媒ガスの漏れ量が減少する。その結果、冷媒圧縮機の体積効率が向上するため、冷媒圧縮機の圧縮効率は向上する。
【００３２】
さらに、図２と図３に示すように、くぼみ１０５ｂの形状が球面であれば、摺動部が摺動する際に生じるガス膜を発生させるガスの流れがくぼみの中でうず流を形成し易くなり、その結果ガス圧が発生することで金属接触を防止し、耐摩耗性が向上する。
【００３３】
また、くぼみ１０５ｂの形状が球面であることから、摺動方向に関わらず、摺動にともなう摺動部間の隙間の変化量が一定となり、摺動部全体に均一なガス膜が形成され、ピストン１０５とシリンダー１０４の隙間の偏りが小さくなり、ピストン１０５の側面から冷媒ガスの漏れる量が少なくなると考える。
【００３４】
次に、図４を用いて鉄（Ｆｅ）系材料に二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）を固着させた混合層の有り無しならびに微細くぼみ有り無しでの摩擦係数を測定した結果について説明する。この測定は、ＨＣ６００ａ冷媒の雰囲気圧力０．４ＭＰａのもと、摺動速度を１．０ｍ／ｓ、面圧：０．５ＭＰａにおいて試験した結果である。
【００３５】
この結果からは鉄（Ｆｅ）系材料に二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）を固着させた混合層はバインダーとしてはポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）を用いた二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）表面処理に比べ摩擦係数が低下していることがわかる。これは、混合層を形成している二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）の分子の大きさが約６×１０^−４μｍであることから、鉄（Ｆｅ）系材料、アルミニウム（Ａｌ）等の相手材に接触した場合、低い摩擦係数でへき開することにより、金属接触が生じている摺動部の摩擦係数が低下するものであると考えられる。また、バインダーとして用いられるポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）等の不純物の摩擦係数が二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）に比較して高いことにより、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）の純度を９８％以上にすることが望ましい。
【００３６】
さらに鉄（Ｆｅ）系材料に二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）を固着させた混合層に球形でかつ直径を２μｍ〜２０μｍ、深さを０．２μｍ〜１．０μｍの大きさの微細くぼみを設けることにより摩擦係数は低下することがわかる。これは微細くぼみにより、形成されるくさび形ガス膜のガス圧が増加することで、金属接触部にかかる荷重が低減され摩擦係数が低下したことによると考えられる。
【００３７】
尚、本実施の形態においては、ピストン表面に二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）を固着させた混合層を配設した例にて説明したが、シリンダー内面にか、ピストン表面とシリンダー内面の両方かに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。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の発明は、固体接触が生じても二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）が低い摩擦係数でへき開することで固体潤滑作用を発揮し、摺動部の摩擦係数が低くなると共に、固体潤滑作用によってシリンダーとピストンとの多少の接触が許容されるため、ガスベアリングに供給する高圧冷媒ガスの圧力を低くすることができ、その結果、漏れ損失を低下させることができる。
【００３９】
また、請求項２に記載の発明は、通常、二硫化モリブデンより高い摩擦係数を持つ不純物が極めて微量となることで、摺動損失を低く抑えられる。
【００４０】
また、請求項３に記載の発明は、摺動時に摺動部間の隙間が微小に変化することにより摺動部表面のくぼみで摺動部間に動圧が発生して、ラビリンスシール効果を発揮し、漏れ損失を低減させる共に、金属接触の頻度も少なくし耐摩耗性を向上させられる。
【００４１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３記載の発明の作用に加え、摺動時に発生する動圧が均一化され、摺動部間の隙間が一定になり、さらに漏れ損失を低減させると共に、金属接触の頻度も少なくし耐摩耗性を向上させられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施の形態１のオイルレスリニア圧縮機の縦断面図
【図２】図１におけるＡ部拡大図
【図３】本発明による実施の形態１におけるガスの流れを示す拡大図
【図４】本発明による実施の形態１における摩擦係数を示す特性図
【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
１０５ａ混合層
１０５ｂくぼみ
１０６ａ，１０６ｂスプリング
１０８圧縮室
１０９ガスベアリング

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、前記可動子と前記固定子とを伸縮自在に連結するスプリングとを備え、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するとともに、前記シリンダーおよび前記ピストンの摺動面の少なくとも一方に二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）を固着させた混合層を形成したオイルレスリニア圧縮機。
混合層の二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）の純度が９８％以上である請求項１に記載のオイルレスリニア圧縮機。
混合層の摺動部表面に微細くぼみをほぼ均一に形成した請求項１または請求項２に記載のオイルレスリニア圧縮機。
微細くぼみは表面形状が球形で、かつ直径を２μｍ〜２０μｍ、深さを０．２μｍ〜１．０μｍの大きさにした請求項３に記載のオイルレスリニア圧縮機。