JP2004332649A

JP2004332649A - リニア圧縮機

Info

Publication number: JP2004332649A
Application number: JP2003131364A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Ota; 年彦太田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】リニア圧縮機に関し、圧縮仕事による圧縮機構部の発熱を効率よく冷却することが難しく、この結果、圧縮機構部の温度が上昇し、効率低下や信頼性の低下を招くといった課題があった。
【解決手段】密閉容器１１３内にリニアモータ１０７と、圧縮室１５５を形成するシリンダ１１６と、可動子１０４と連結され、シリンダ１１６内を往復動するピストン１２２と、可動子１０４の往復動に伴い往復振動する板ばね１１９ａ，１１９ｂとを備えるとともに、シリンダ１１６に空間Ａ１３７と空間Ｂ１４３を連通する連通路１４６を備え、板ばね１０９ａの振動に伴い空間Ａ１３７で発生した圧力脈動を利用し、高温となっているシリンダ１１６の連通路１４６から直接的にシリンダを冷却し、密閉容器１１３へ排熱することで効率よく発熱部の冷却が可能となり、高い圧縮効率および高い信頼性を備えたリニア圧縮機の提供ができる。
【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、板ばねを使った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リニア圧縮機について説明する。
【０００４】
図７は、従来のリニア圧縮機の縦断面図である。
【０００５】
図７において、従来のリニア圧縮機は可動子１と固定子４からなるリニアモータ部と、圧縮要素から形成されている。圧縮要素を構成するシリンダ７内には円盤部１０を介して可動子１と連結されたピストン１３が往復自在に挿入され、ピストン１３、円盤部１０、可動子１で可動部を形成する。
【０００６】
吸入室１６および吐出室１９を形成するシリンダヘッド２２はバルブプレート２５を介してシリンダ７に固定されており、さらに固定子４と連結している。圧縮室２０はピストン１３、シリンダ７、バルブプレート２５から画定される。
【０００７】
シリンダ７近傍に配設され、外周側が固定子４に連結され内周側が円盤部１０に連結された複数の板ばね２８は内周側とシリンダ７との間に隙間を形成する。また円盤部１０には隙間に対応した位置に連通穴３１が穿孔されている。
【０００８】
以上のような構成において、固定子４に交流電源から電流が流れると可動子１と固定子４の発生する磁界の作用により、可動子１には往復方向への推力が発生し、板ばね２８を変形させるとともにその板ばね２８の反発力を利用しながら可動部が共振することで、ピストン１３はシリンダ７内で効率よく往復振動を繰り返す。
【０００９】
その結果、冷凍システム（図示せず）からの冷媒ガスがピストン１３の往復動により吸入室１６を介して圧縮室２０に吸入され、その後圧縮室２０で圧縮された冷媒ガスは、吐出室１９から吐出管（図示せず）を介して冷凍システムに吐出される。
【００１０】
この際、圧縮室２０でガスが圧縮されると圧縮熱が生じるが、この熱は圧縮室２０からシリンダ７に伝わり、その周辺部を加熱し、圧縮機の体積効率や信頼性を低下させる要因となる。
【００１１】
しかしながら、上記従来のリニア圧縮機ではシリンダ７に近接した板ばね２８が往復振動することにより、シリンダ７とその周辺に空気の流れが生じることでこれを冷却することが可能となる旨を主張している。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−３１０５４号公報
【００１３】
【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上記従来の構成では板ばね２８の往復振動ではガスの流れはシリンダ７近傍を往復することになるが、シリンダ７の外壁から奪った熱の排出が考慮されておらず時間とともにガスの温度が高くなり冷却の効果が低下していく。
【００１４】
さらに上記従来例の構成では、比較的温度の低いシリンダ７の外壁近傍のみを冷却することになるが、シリンダ７の外壁近傍は、ガスが圧縮されることで生じる圧縮熱が伝わり最も温度が高くなる圧縮機２０近傍から離れており、既に熱が拡散してしまっている。従ってこの部分の放熱を促しても冷却効果は低く、その結果、圧縮機２０近傍の高温化による圧縮効率や信頼性の低下の可能性があるといった欠点があった。
【００１５】
本発明は、従来の課題を解決するもので、シリンダ周辺の温度を効果的に下げることで高い圧縮効率および信頼性を備えたリニア圧縮機の提供を目的とする。
【００１６】
【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と、前記可動子と連結され、前記シリンダ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前記可動子の両端で連結する板ばねとを備え、前記板ばねと前記シリンダーによって画定される空間Ａと前記密閉容器内で空間Ａを除く空間Ｂとを連通する連通路を前記シリンダーに穿設したものであり、板ばねの往復振動によって空間Ａの容積変動が生じ、その結果空間Ａの内のガスは、連通路を介して空間Ｂとの間を行き来するため、この際高温の前記シリンダの内壁近傍の連通路から熱を奪い空間Ｂへ排出することでシリンダ近傍を効果的に冷却するという作用を有する。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の作用に加えて、前記シリンダと前記板ばねの間にカバーを設けることで前記空間Ａを画定したものであり、前記シリンダの形状が簡略化できるという作用を有する。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載のいずれか一項に記載の作用に加えて、前記板ばねが渦状のスリットにより形成されたアームを備えるとともに、前記スリットの幅を前記アームの幅より狭くしたものであり、前記空間Ａの密閉性がより高まることから連通路を介して空間Ｂとの間を行き来するガスの量が増加し、シリンダの冷却効果が高くなるという作用を有する。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の作用に加えて、前記板ばねを前記アームが交互に面するように複数枚積層したものであり、板ばねのスリットの隙間が相互に閉塞されることで前記空間Ａの密閉性がさらに高まることから連通路を介して空間Ｂとの間を行き来するガスの量がさらに増加し、シリンダの冷却効果が高くなるという作用を有する。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の作用に加えて、前記連通路の前記空間Ｂ側開口端が前記密閉容器内面と近接対向したものであり、ガスの周期的な流れにより連通路から奪った熱を効率よく密閉容器へと伝達することが可能になるという作用を有する。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の作用に加えて、さらに、前記連通路に逆止弁を有したものであり、板ばねの往復振動によって空間Ａの容積変動が生じ、連通路に設けた逆止弁によって空間Ａの内のガスは、連通路を介して空間Ｂへと１方向へ流れるため、常に温度の低いガスを前記空間Ａに導くことが可能になり前記シリンダ近傍を効率よく冷却するといった作用を有する。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の作用に加えて、前記シリンダにガスベアリングを形成するとともに冷凍機油を用いないものであり、請求項１から請求項６の高いシリンダの冷却効果によって、熱搬送媒体である冷凍機油を用いずにリニア圧縮機を実現できるという作用を有する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による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。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１によるリニア圧縮機の縦断面図、図２は同実施の形態１による板ばねの平面図である。
【００２５】
図１、図２において固定子１０１および可動子１０４からなるリニアモータ１０７と、リニアモータ１０７によって駆動される圧縮機構１１０が密閉容器１１３に収納される。
【００２６】
圧縮要素を構成するピストン１２２はシリンダ１１６内に往復自在に挿入されるとともに可動子１０４と連結されて可動部１２１を形成する。
【００２７】
シリンダヘッド１３１はバルブプレート１３４を介してシリンダ１１６に固定され吸入室１２５と吐出室１２８を形成している。また、シリンダ１１６、ピストン１２２、バルブプレート１３４は圧縮室１５５を形成するとともに、シリンダ１１６には一端がピストン１２２の外周面に複数個開口し他端が吐出室１２８に開口するガスベアリング１５８を有している。
【００２８】
シリンダ１１６の外周から下方へ延長されたスカートを形成するカバー１４０を介してシリンダ１１６には固定子１０１が固定され、固定部１３８を形成する。
【００２９】
リニアモータ１０７の上下に配設される板ばね１１９ａおよび板ばね１１９ｂは、略円盤状の板ばね材に狭小の渦状のスリット１２４を打ち抜くことで形成されたばね性を持つアーム１２３を備え、外周側が固定部１３８に固定され、内周側は可動部１２１に固定されることで可動部１２１を固定部１３８に対し、揺動可能に支持している。
【００３０】
空間Ａ１３７は板ばね１１９ａ、シリンダ１１６、シリンダ１１６および板ばね１１９ａの間に配設されたカバー１４０とで画定される空間であり、空間Ｂ１４３は空間Ａ１３７を除く密閉容器１１３内の残りの空間である。
【００３１】
シリンダ１１６内の圧縮室１５５の近傍には、開口端Ａ１５１が空間Ａ１３７に連通開口し、開口端Ｂ１５２が空間Ｂ１４３に連通開口する連通路１４６が穿孔されており、開口端Ｂ１５２は密閉容器１１３の内面と近接対向している。
【００３２】
また、連通路１４６にはスプリング１４７で押止される逆止弁１４９を設けている。
【００３３】
以上のような構成において次に動作を説明する。
【００３４】
交流電源から電流が固定子１０１に流れると、可動子１０４と固定子１０１の発生する磁界の作用により可動子１０４の軸方向への推力が発生し、この推力は板ばね１１９ａ、１１９ｂを変形させるとともにその板ばね１１９ａ、１１９ｂの反発力を利用しながら共振することで可動部１２１は効率よくシャフト方向に往復振動を繰り返す。
【００３５】
冷凍システム（図示せず）からの冷媒ガスは、一旦吸入室１２５に入りその後、シリンダ１１６とピストン１２２から形成された圧縮室１５５に吸入され、圧縮された冷媒ガスは、一旦吐出室１２８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。
【００３６】
また圧縮された冷媒ガスの一部は吐出室１２８からガスベアリング１５８を介してシリンダ１１６の内壁から噴出されるが、この噴出した冷媒のガス膜の剛性がピストン１２２を支持し、ピストン１２２とシリンダ１１６の摺動部は相互に接触することがなく、可動部１２１を、摺動部を持たずに支持する板ばね１１９ａ、１１９ｂと相まってオイルの潤滑を必要とせず、また摺動損失もほとんど発生しない。
【００３７】
一方、可動部１２１の往復振動によって空間Ａ１３７および空間Ｂ１４３は相対的に容積変化を生じ、双方の空間の間には連通路１４６を通して冷媒ガスの行き来が生ずる。さらに本実施の形態においては連通路１４６の内部に逆止弁１４９を設けているため、冷媒ガスは開口端Ａ１５１から開口端Ｂ１５２へと一方向に断続的に流れ、さらには開口端Ｂ１５２が密閉容器１１３内周面に近接対向していることで、最も温度が高い圧縮室近傍の熱を奪った高温ガスは密閉容器１１３に直接伝達され低温の外気へと効率よく放熱される。このことにより通常高温となるシリンダ１１６の温度は圧縮機を長時間運転しても低く抑えられることとなる。
【００３８】
また、板ばね１１９ａのスリット１２４の幅がアーム１２３に比べて極端に狭いことからシリンダ１１６とカバー１４０と板ばね１１９ａとで画定される空間Ａ１３７の密閉度を上げることができ、従って、空間Ａ１３７内から空間Ｂ１４３への冷媒ガスの搬送量を多くすることができるため、空間Ａ１３７の冷媒ガスを効率よく空間Ｂ１４３へ排出することができ、高い放熱効果が得られる。
【００３９】
その結果、吸入および圧縮工程における冷媒ガスの温度上昇が低く抑えられことにより、体積効率が上昇し、リニア圧縮機の高効率化を図ることができる。
【００４０】
また、シリンダ１１６およびピストン１２２の温度が低く抑えられることでピストン１２２の焼き付きが回避でき、信頼性を向上させることができる。
【００４１】
なお、本実施の形態においてはオイルレスのリニア圧縮機にて説明したため、シリンダ１１６の冷却に冷凍機油を用いることはできないが、オイルインのリニア圧縮機であれば冷凍機油をシリンダ１１６の冷却手段として用いることが可能なため、更に高いシリンダの冷却効果が得られ、過酷な条件化での信頼性を確保することができることはいうまでもない。
【００４２】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２によるリニア圧縮機の縦断面図、図４は同実施の形態２の板ばねの平面図、図５は同実施の形態２の板ばねの平面図、図６は同実施の形態２の図４におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００４３】
なお、実施の形態１と同一構成部には同一符号を付し、詳細な説明を省く。
【００４４】
図３から図６においてリニアモータ１０７と、リニアモータ１０７によって駆動される圧縮機構１１０が密閉容器１１３に収納される。シリンダ１１６の外周から下方へ延長されたスカートを形成するカバー１４０を介してシリンダ１１６には固定子１０１が固定され、固定部１３８を形成する。リニアモータ１０７のシリンダ側に配設される板ばね２００と反シリンダ側の板ばね１１９ｂは、外周側が固定部１３８に固定され、内周側は可動部１２１に固定されることで可動部１２１を固定部１３８に対し、揺動可能に支持している。板ばね２００は、ピストン側に面する板ばね２００ａと板ばね２００ａに当接する反ピストン側の板ばね２００ｂとから構成される。板ばね２００ａと２００ｂは、略円盤状の板ばね材に渦状のスリット２０３を打ち抜くことで形成され、スリットよりわずかに幅の狭いばね性を持つアーム２０６を備えている。板ばね２００ａと２００ｂのそれぞれのスリット２０３は他方の板ばねのアーム２０６と対向することでアーム２０６同士が互いに接触しないだけでなく、アーム２０６がスリット２０３を塞ぐよう形成されている。
【００４５】
空間Ａ１３７は板ばね２００、シリンダ１１６、シリンダ１１６および板ばね２００の間に配設されたカバー１４０とで画定される。
【００４６】
以上のような構成において、板ばね２００ａのスリット２０３の隙間は板ばね２００ｂのアーム２０６で塞がれることから板ばね２００の気密性が上がるため、空間Ａ１３７内から空間Ｂ１４３への冷媒ガスの搬送量を更に多くすることができることとなり、空間Ａ１３７の冷媒ガスを効率よく空間Ｂ１４３へ排出することができ、その結果、実施の形態１と同等以上の高い放熱効果が得られる。
【００４７】
従って吸入および圧縮工程における冷媒ガスの温度上昇が低く抑えられことにより、体積効率が上昇し、リニア圧縮機の高効率化を図ることができるとともに、シリンダ１１６およびピストン１２２の温度が低く抑えられることでピストン１２２の焼き付きが回避でき、信頼性を更に向上させることができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の発明は、空間Ａで発生した圧力脈動を利用し、高温となっているシリンダの連通路から直接的にシリンダの冷却が可能となることで効率よく発熱部の熱を放熱でき、高い圧縮効率および信頼性を備えたリニア圧縮機の提供ができる。
【００４９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１の発明の作用に加えて、シリンダとカバーを別ピースで構成できることからシリンダの形状を簡略化することができ、安価で効率よくシリンダの発熱部の熱を放熱でき、高い圧縮効率および信頼性を備えたリニア圧縮機の提供ができる。
【００５０】
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、板ばねのスリットが狭小であるため空間Ａ内の圧力脈動を増大させることにより、さらに発熱部の熱を効率よく放熱でき、高い圧縮効率および信頼性を備えたリニア圧縮機の提供ができる。
【００５１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２の発明の作用に加えて、複数枚の板ばねのそれぞれのアームにより空間Ａ内の圧力脈動を最大化させることができ、さらに発熱部の熱を効率よく放熱できる、高い圧縮効率および信頼性を備えたリニア圧縮機の提供ができる。
【００５２】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１記載から４記載のいずれかの発明の作用に加えて、連通路の一端が密閉容器に近接対向していることから発熱部の熱の密閉容器外への排出が促進されることから長時間の圧縮機運転においても効率よく発熱部の冷却が可能となり、高い圧縮効率および信頼性を備えたリニア圧縮機の提供ができる。
【００５３】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１から５記載のいずれかの発明の作用に加えて、さらに、連通路に設けた逆支弁により冷媒ガスの流れを整流することから、効率よく発熱部の熱を密閉容器へ伝達できる、高い圧縮効率および信頼性を備えたリニア圧縮機の提供ができる。
【００５４】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１から６に記載のいずれかの発明の作用に加えて冷凍機油なしに、高い圧縮効率および信頼性を備えたリニア圧縮機の提供ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるリニア圧縮機の実施の形態１の縦断面図
【図２】同実施の形態１の板ばねの平面図
【図３】本発明によるリニア圧縮機の実施の形態２の縦断面図
【図４】同実施の形態２の板ばねの平面図
【図５】同実施の形態２の板ばねの平面図
【図６】同実施の形態２における図４のＡ−Ａ線断面図
【図７】従来のリニア圧縮機の縦断面図
【符号の説明】
１０１固定子
１０４可動子
１０７リニアモータ
１１３密閉容器
１１６シリンダ
１１９ａ，１１９ｂ，２００，２００ａ，２００ｂ板ばね
１２２ピストン
１２３，２０６アーム
１２４，２０３スリット
１３７空間Ａ
１４０カバー
１４３空間Ｂ
１４６連通路
１４９逆止弁
１５２開口端Ｂ
１５５圧縮室
１５８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と、前記可動子と連結され、前記シリンダ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連結する板ばねとを備え、前記板ばねと前記シリンダによって画定される空間Ａと前記密閉容器内で空間Ａを除く空間Ｂとを連通する連通路を前記シリンダに穿設したリニア圧縮機。
前記シリンダと前記板ばねの間にカバーを設けることで前記空間Ａを画定した請求項１に記載のリニア圧縮機。
前記板ばねは、渦状のスリットにより形成されたアームを備えるとともに前記スリットの幅を前記アームの幅より狭くした請求項１または２に記載のリニア圧縮機。
前記板ばねを前記アームが交互に面するように複数枚積層した請求項１または２のいずれか１項に記載のリニア圧縮機。
前記連通路の前記空間Ｂ側開口端Ｂが前記密閉容器内面と近接対向した請求項１から４のいずれか１項に記載のリニア圧縮機。
前記連通路に逆止弁を有した請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のリニア圧縮機。
前記シリンダにガスベアリングを形成するとともに冷凍機油を用いない請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のリニア圧縮機。