JP2004353563A - Linear compressor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a linear compressor which is low in vibrations and noise, and small in leakage loss when used as a GM type compressor. <P>SOLUTION: A movable cylinder 4 and a movable piston 5 are disposed facing each other, and reciprocated with the phases opposite to each other. The forces to be applied to an outer wall of a linear compressor as the reaction force are canceled by each other when the movable part is put into motion, and a linear compressor of low vibration and low noise can be obtained. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニア圧縮機の構成に関するもので、特に小型のパルス管冷凍機等に用いると有用な低振動・低騒音のリニア圧縮機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、比較的低温をターゲットとした、冷媒の相変化を用いず作動流体の圧縮・膨張の往復運動により寒冷を得る蓄冷型の冷凍方法としては、スターリング冷凍機とGM冷凍機が用いられている。これらは圧力振動源の違いに特徴があり、GM型は一般に回転型の圧縮機を用いて高圧と低圧の圧力源を構成し、バルブ切り替えにより冷凍機に圧力変動を発生させるものである。一方、スターリング冷凍機はシリンダ内を往復するピストンにより直接冷凍機に圧力振動を発生させている。どちらの方式も圧力振動源とは別に系内の作動流体の移動を制御するディスプレーサと呼ばれるピストンを備えており、蓄冷器の内部で作動流体を往復運動をさせながら圧縮・膨張することで熱流を発生させている。従って、作動流体の圧力と変位の制御が冷凍能力に大きく寄与することになる。
【0003】
近年、この蓄冷型冷凍機においてディスプレーサの替わりに、パルス管と呼ばれる中空管を設けこの中に発生するガスピストンを利用した、パルス管冷凍機の発展が著しい。このパルス管冷凍機では、冷凍部に可動機構であるディスプレーサが不要なため構造が簡単かつ低振動化が図りやすい等の特長をもつ。
【0004】
パルス管冷凍機は1960年代に発見され、当初の第1世代のベーシック型はパルス管の終端を単に閉端としていたため、上で説明した圧力変動と変位の位相差が小さく、スターリング冷凍機やGM冷凍機に比べて冷凍能力が小さく実用に向かないものであった。その後1980年代に、第2世代のオリフィス型としてパルス管の終端にオリフィスとバッファタンクを設けることでより大きな位相差に制御することが可能となり、実用化が進められた。さらにその後、より広範囲に位相を制御できる第三世代と呼ばれる数々の方法が提案され今日に至っている。
【0005】
スターリング型のパルス管冷凍機では、小型化の観点からリニアモータによりシリンダ内のピストンを直接駆動するリニア圧縮機が一般に用いられる。しかしながら単ピストンによるリニア圧縮機では、ピストンの運動に伴って脈動的な振動が発生するので振動を嫌うアプリケーションには使用できないという課題があった。またこの振動により、騒音の発生や機械寿命を低下させるという課題があった。これらの課題を解決する方法として従来から、2つのピストンを対向させて配置し、180°の位相差で駆動する方法が知られている(例えば特許文献1参照)。
【0006】
図6は前記特許文献1に記載された従来のリニア圧縮機の構成を模式的に表わした図である。図6において、ピストン61A及び61Bとその共通するシリンダ62で圧縮空間63を構成し、2つのピストン61A、61Bを互いに逆位相で運転する。64A、64Bはピストン61A、61Bを駆動するための駆動部である。圧縮空間63には作動流体の吸入管65、吐出管66が開口している。これにより、それぞれのピストン61A、61Bの運動により圧縮機ケースに作用する力は相殺し合い、圧縮機の振動・騒音が防止される。
【0007】
また、GM型のパルス管冷凍機では、圧縮機で吸入・吐出される作動流体をバルブの開閉で任意のタイミングで制御できるので、変位と圧力の波形を理想的に制御できるという利点がある。しかしながら圧縮機の他にバルブを設ける必要があるために冷凍機が大型化するという問題を有していた。これを解決する方法として従来から、ピストンとシリンダに連通口を設ける方法が知られている(例えば特許文献2参照)。
【0008】
図7に前記特許文献2に記載された従来のパルス管冷凍機の構成を模式的に表わした図である。図7において、円筒状の外装ケースにリニア圧縮機が内装されており、シリンダ71a、ピストン71b、シャフト71c、ピストン71bを駆動する駆動部71d等で構成されている。シリンダ71aは外装ケースと一体に構成され、一端が封止され内部に作動流体が充填されている。ピストン71bはシリンダ71aに内装され、ピストン71bとシリンダ71a及びその封止端で圧縮室71eを構成している。ピストン71bにはシリンダ71a側壁に対面するピストン71bの外周部と圧縮室71eを連通する連通路71iが設けられ、シリンダ71aの側壁には圧縮機71の外部に延伸する第1の通路72、及び第2の通路73の一端側が連通する開口部がピストン71bの運動方向にずらして設けられている。圧縮機71が運転され、ピストン71bが左方向に変位して圧縮室71eの圧力が最大値近傍になったとき、連通路71i外周部と第一の通路72の開口部の位置が一致し圧縮室71eの内部圧力に応じた圧力の作動流体が送出される。また、ピストン71bが右方向に変位して圧縮室71eの圧力が最小値近傍になったときは連通路71i外周部は第二の通路73と開口部の位置が一致し、内部圧力に応じた圧力の作動流体が吸引される。以上から、GM型の冷凍機における圧縮機ユニットで行うのと同様に、所定のタイミングで吐出・吸入を切り替えることができる。
【0009】
なお、この図7では単一のピストンで説明されているが、低振動化のために図6に示すように対向ピストンで実現することも可能である。
【0010】
【特許文献1】
特開昭61−210276号公報(第3頁、第1図)
【特許文献2】
特開平11−294878号公報(第3−4頁、図1)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記図6の構成では以下のような課題を有する。すなわち、一般にシリンダとピストンの直径とクリアランスが同じ場合、その摺動距離が長いほど漏れ損失は小さくなる。今、全く同じリニア圧縮機を対向させた場合を考えて1つの場合と単純に比較すると、圧縮機の全長は2倍になる一方でピストン・シリンダ間の漏れも2倍となる。もし漏れを同等に抑えようとすれば、それぞれのピストン・シリンダの摺動距離をより長く取る必要があり、圧縮機の全長はさらに長いものとなってしまう。つまりこの構成では、装置の大型化と圧縮機効率の低下という課題があった。
【0012】
また、上記図7の構成でも低振動化のために対向ピストンとした場合には上記と同じ課題を有する。これに加え、以下のような課題を有する。すなわち、ピストン71bに設けた吸入・吐出のための連通路71iは常に圧縮空間と繋がっており、圧縮に寄与しない死容積となっている。つまり、ピストン・シリンダのストロークが同じであっても圧縮比を低下させてしまうという課題があった。
【0013】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、低振動で小型・高効率のリニア圧縮機を提供すると共に、GM型の圧縮機として用いた場合にも圧縮比の低下を招かないリニア圧縮機を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明のリニア圧縮機は、可動シリンダと可動ピストンを対向して配置し、逆位相で往復運動させる構成を有している。
【0015】
この構成によって、可動部が運動する際に反作用として圧縮機の外壁に作用する力が相殺され、低振動で低騒音の装置が得られ、さらに、圧縮室の片側だけにしか摺動部がないので、両側が摺動部である構造と比較して漏れ損失が小さくなるリニア圧縮機が得られる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1に記載の発明は、圧縮機の外壁を形成するケーシングと、ケーシングに内装され摺動自在に支持されるシリンダと、シリンダに内装されシリンダ摺動軸と同一軸心で摺動自在に支持されるピストンと、シリンダ及びピストンを摺動軸心に沿って各々往復運動させるリニア駆動部を備え、各リニア駆動部はそれぞれ、可動子と固定子とで磁気回路を形成して推力を発生させるリニアモータと、シリンダ又はピストンと可動子を結合する連結部、及びケーシングに対し連結部を弾性的に支持する弾性体から構成され、シリンダ及びピストンを逆位相で往復運動させるものである。
【0017】
上記のように構成することで、運動の反作用として圧縮機のケーシングに作用する力が相殺され、低振動で低騒音の圧縮機が得られる。さらに、圧縮室の片側だけにしか摺動部がないので、両側が摺動部である構造と比較して漏れ損失が小さくなる。
【0018】
また、請求項2及び3に記載の発明は請求項1の構成に加え、シリンダ及びピストンの少なくとも一方は、可動子との連結部を可撓性のロッドもしくは自在継手で構成するものである。
【0019】
上記のように構成することで、可動子とシリンダもしくはピストンの軸心とが互いにずれて配置もしくは駆動された場合にも、可撓性のロッドや自在継手の角度が変化してこれを吸収し、片当たりなどせずスムーズに摺動することができる。
【0020】
また、請求項4に記載の発明は請求項1から3の構成に加え、シリンダとピストンに対し、少なくとも可動部の質量と、弾性体及び作動流体の圧縮作用に起因する等価バネ定数、及びリニア駆動部の推力特性を等しくするものである。
【0021】
上記のように構成することで、両方のリニア駆動部を同一電源で駆動することで、シリンダとピストンの振幅を一致させて往復運動させることができ、圧縮機のケーシングに働く力を相殺することができる。
【0022】
また、請求項5に記載の発明は請求項1から3の構成に加え、シリンダとピストンのケーシングに対する変位量をそれぞれ検出する変位検出手段を備え、変位振幅と可動部の質量の積がシリンダとピストンでそれぞれ等しくなるように運転するものである。
【0023】
上記のように構成することで、両可動部の運動量がトータルでゼロとなるように往復運動させることができ、圧縮機のケーシングに働く力を相殺することができる。
【0024】
また、請求項6及び7に記載の発明は請求項1から5の構成に加え、ケーシングには圧縮対象の流体が移動する吸入流路と吐出流路もしくは吸入吐出流路を備え、シリンダ側面にはケーシング側と圧縮室側を連通する吸入口と吐出口を備え、圧縮室の容積が最大となる近傍で吸入口を介して圧縮室と吸入流路もしくは吸入吐出流路が連通し、圧縮室の容積が最小となる近傍で吐出口を介して圧縮室と吐出流路もしくは吸入吐出流路が連通するように構成したものである。
【0025】
上記のように構成することで、圧縮室の圧力が最小となるタイミングで吸入過程、最大となるタイミングで吐出過程となるように、そのタイミングを明確に設定することができるリニア圧縮機を得ることができる。
【0026】
また、請求項8に記載の発明は請求項1から5の構成に加え、ケーシングには圧縮対象の流体が移動する吸入吐出流路を備え、シリンダ側面にはケーシング側と圧縮室側を連通する吸入吐出口を備え、圧縮室の容積に関わらず常に吸入吐出口を介して圧縮室と吸入吐出流路とが連通するように構成したものである。
【0027】
上記のように構成することで、連続的に吸入・吐出過程を繰り返すことができるリニア圧縮機を得ることができる。
【0028】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0029】
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1におけるリニア圧縮機の断面を示した図である。まず全体構成について説明する。このリニア圧縮機100は大別すると、可動シリンダ4、可動ピストン5、及びこれらを個々に駆動するリニアモータと弾性体10a、10b、作動流体が出入りする吸入吐出経路22、それと個々の部品を保持し外壁を構成するケーシング1から構成される。
【0030】
ケーシング1と連結されたシリンダガイド3に摺動自在に内装される可動シリンダ4は、外形が円柱形状で内部に外形と同一軸心の円柱状空洞部を有し、可動ピストン5の端面と共に圧縮室6を形成する。可動シリンダ4と可動子保持部材11aは可撓性のロッド12aで連結され、可動シリンダ4は可動子もしくはケーシング1に対し多少傾斜することが可能である。可動ピストン5については、可動シリンダ4の内側側面に摺動自在に配置する点を除いて、可動シリンダ4側と同様である。可動シリンダ4とシリンダガイド3、及び可動シリンダ4と可動ピストン5の摺動面のエアギャップは作動流体の漏れ経路となるため、100ミクロン以下となるように構成する。
【0031】
なお、可動シリンダ4及び可動ピストン5は、軽量化の観点からアルミニウム材で形成するのが好ましく、軽量化することにより後述するように弾性体52の剛性を低く抑えることができる。また、十分な強度や耐磨耗性を持った樹脂で形成することも軽量化の点から有利である。さらに、摺動損失を低減するために摺動面にフッ素系樹脂などをコーティングしてもよい。
【0032】
また、可動シリンダ4にはその側面に吸入吐出口20が設けられ、シリンダガイド3に設けられた連通部21を介して、シリンダ4の位置にかかわらず常に圧縮室6と吸入吐出経路22が連通するようにする。
【0033】
可動シリンダ4側のリニアモータは、固定子7aと可動子9aから構成される。固定子7aはケーシング1の内面側に設けられ、薄板状の電磁鋼板又はケイ素鋼板等の磁性材料からなる圧延鋼板を、内周面にコの字型の凹部を形成するように放射状に積層して構成した外ヨークの凹部に、コイル8aを装着することで構成する。一方、可動子9aは、薄板状の電磁鋼板又はケイ素鋼板等の磁性材料からなる圧延鋼板を、軸と平行な放射状もしくは軸方向に垂直に積層して構成した内ヨークの外面側に、永久磁石を装着することで構成される。なお永久磁石32は磁気ベクトルが径方向を向くように着磁されている。この円筒型の可動子9aは、同じく円筒型の可動子保持部11aの外周に固定されている。上記リニアモータの構成については可動ピストン側についても同様の構成である。なお、7bは固定子、8bはコイル、9bは可動子である。
【0034】
可動子保持部11a、11bは可動子9a、9b及び可動シリンダ4もしくは可動ピストン5を軸心に沿って往復運動可能に支持する弾性体10a、10bと連結部材13a、13bで連結され、弾性体10a、10bはその周辺部でケーシング1に固定される。この弾性体として、板状弾性材料に螺旋形状の切欠き部を設けた板バネを使用している。
【0035】
なお可動シリンダ4と可動ピストン5はそれぞれ、各可動部分の質量と弾性体10a、10b及び作動流体の圧縮作用による等価バネ定数で支配される系の固有振動数を持つ。本実施の形態1ではこの固有振動数だけでなく変位幅も一致するように、リニアモータの推力特性と可動部分の質量、及び等価バネ定数を、可動シリンダと可動ピストンで一致するように設定する。
【0036】
次に、上記のように構成されたリニア圧縮機の動作について説明する。可動子9a、9bを構成する永久磁石から生じる磁界とコイル8a、8bに交流電流を流すことで生じる磁界との相互作用により、可動子9a、9bは軸方向に推力を受け、可動シリンダ4、可動ピストン5が駆動される。コイル8a、8bに流す交流電流の向きをそれぞれの可動子9a、9bに作用する推力の向きが常に逆向きとなるようにすることで、可動シリンダ4と可動ピストン5はその周波数と同期して逆位相で往復運動を行う。また、コイル8a、8bに流す交流電流の周波数を前出の固有振動数とほぼ一致させることで共振させながら運転することができる。
【0037】
このようにして可動シリンダ4と可動ピストン5が逆位相で往復運動することで、圧縮室6の容積が増減し、常に連通した吸入吐出口20を通して吸入吐出経路22に圧力脈動が伝えられる。
【0038】
図2はこのリニア圧縮機を用いたパルス管冷凍機の概略図である。リニア圧縮機100の圧縮室6からガス流路102を介して作動流体(ここではヘリウムを使用)が蓄冷器104に導入される。内部に銅メッシュを積層した蓄冷器104と中空円筒に形成したパルス管106は冷却部であるコールドヘッド105で折り返した形で接続している。また、蓄冷器104とパルス管106のコールドヘッドと逆の端部はフランジ103で保持されており、これはコールドヘッド105を真空断熱により低温に維持する際の真空容器のフランジとしての機能と、リニア圧縮機100から流入する高温ガスの熱及びコールドヘッド105側から流れ込む熱の放熱部としての機能を兼ねている。なお、パルス管106のもう一端は細管107を介してバッファタンク108に連通しており、この部分が作動流体の圧力変化と変位の位相制御機構として作用する。
【0039】
以上のように本実施の形態1によれば、質量の等しい可動シリンダ4と可動ピストン5を、同一ストロークで互いに逆位相で往復運動させることができる。これにより常にケーシングに作用する軸方向の力が打ち消され、運転時の騒音や振動の小さいリニア圧縮機、冷凍機が得られる。
【0040】
また、可動ピストン4と可動シリンダ5の摺動部が1個所しかないため、圧縮室6からの漏れが少なく効率の高いリニア圧縮機が得られる。さらに、可動ピストン4と可動シリンダ5の摺動部分を径方向に重ねることになるため、摺動軸方向に短い小型の圧縮機を構成することができる。
【0041】
なお、本実施の形態1においては、可動シリンダ4、可動ピストン5を弾性体10a、10bで片側から保持する構造としたがこれに限定されるものではなく、例えば可動子の両側から弾性体で保持し、その外側にシリンダもしくはピストンを配置する構造とした場合にも同様の効果が得られる。
【0042】
また、本実施の形態1においては、板状の弾性体を用いたがこれに限定されるものではなく、コイルバネやガスバネを用いてもよい。
【0043】
(実施の形態2)
図3は本発明の実施の形態2におけるリニア圧縮機の断面を示した図である。本実施の形態2は、GM型のパルス管冷凍機に用いるためのリニア圧縮機を実現するものであるが、リニア圧縮機以外の構成については基本的にスターリング型と同じであり、図2と同様に構成する。また、リニア圧縮機の全体構成及び各部分の基本的な構造、動作については実施の形態1と同様であるため、異なる点についてのみ説明する。
【0044】
可動シリンダ4にはその側面に吸入口30、吐出口33が設けられ、シリンダガイド3に設けられた吸入連通部31、吐出連通部34を介して、それぞれ吸入経路32、吐出経路35と連通させる。ただし、吸入口30と吸入連通部31、及び吐出口33と吐出連通部34はそれぞれ、可動シリンダ4が図3中、左側及び右側に最も変位した位置付近で連通するように設ける。
【0045】
次に、上記のように構成されたリニア圧縮機の動作について説明する。可動シリンダ4と可動ピストン5は同一周波数で互いに逆位相で往復運動させるため、圧縮室6の容積が最大(圧力最小)となる近傍で圧縮室6と吸入経路32が連通し、吸入過程が行われる。このとき吐出経路35は閉じている。逆に、圧縮室6の容積最小(圧力最大)となる近傍で圧縮室6と吐出経路35が連通し、吐出過程が行われる。このとき吸入経路32は閉じている。
【0046】
以上のように本実施の形態2によれば、質量の等しい可動シリンダ4と可動ピストン5を、同一ストロークで互いに逆位相で往復運動させることができる。これにより常にケーシングに作用する軸方向の力が打ち消され、運転時の騒音や振動の小さいリニア圧縮機、冷凍機が得られる。
【0047】
また、可動ピストン5と可動シリンダ4の摺動部が1個所しかないため、圧縮室6からの漏れが少なく効率の高い圧縮機が得られる。さらに、可動ピストン5と可動シリンダ4の摺動部分を径方向に重ねることになるため、摺動軸方向に短い小型の圧縮機を構成することができる。
【0048】
さらに、吸入過程と圧縮過程を独立したタイミングで行うことができるため、GM型の冷凍機を高低圧切替バルブやその制御装置を用いることなく、シンプルでコンパクトに実現することができる。
【0049】
(実施の形態3)
図4は本発明の実施の形態3におけるリニア圧縮機の断面を示した図である。本実施の形態3は、GM型のパルス管冷凍機に用いるためのリニア圧縮機を実現するものであるが、リニア圧縮機以外の構成については基本的にスターリング型と同じであり、図2と同様に構成する。また、リニア圧縮機の全体構成及び各部分の基本的な構造、動作については実施の形態1と同様であるため、異なる点についてのみ説明する。
【0050】
可動シリンダ4にはその側面に吸入口40、吐出口41が設けられ、シリンダガイド3に設けられた吸入吐出連通部42を介して吸入吐出経路43と連通させる。ただし、吸入口40と吐出口41はそれぞれ、可動シリンダ4が図4中、左側及び右側に最も変位した位置付近で連通するように軸方向に離して設ける。
【0051】
次に、上記のように構成されたリニア圧縮機の動作について説明する。可動シリンダ4と可動ピストン5は同一周波数で互いに逆位相で往復運動させるため、圧縮室6の容積が最大(圧力最小)となる近傍で圧縮室6と吸入吐出経路43が吸入口40と吸入吐出連通部42を介して連通し、吸入過程が行われる。逆に、圧縮室6の容積最小(圧力最大)となる近傍で圧縮室6と吸入吐出経路43が吐出口41と吸入吐出連通部42を介して連通し、吐出過程が行われる。
【0052】
以上のように本実施の形態3によれば、質量の等しい可動シリンダ4と可動ピストン5を、同一ストロークで互いに逆位相で往復運動させることができる。これにより常にケーシングに作用する軸方向の力が打ち消され、運転時の騒音や振動の小さくなる。
【0053】
また、可動ピストン5と可動シリンダ4の摺動部が1個所しかないため、圧縮室6からの漏れが少なく効率の高い圧縮機が得られる。さらに、軸方向に短い小型の圧縮機を構成することができる。
【0054】
さらに、吸入過程と圧縮過程を独立したタイミングで行うことができるため、GM型の冷凍機を高低圧切替バルブやその制御装置を用いることなく、シンプルでコンパクトに実現することができる。
【0055】
(実施の形態4)
図5は本発明の実施の形態4におけるリニア圧縮機の断面を示した図である。全体構成及び各部分の基本的な構造、動作については実施の形態1と同様であるため、異なる点についてのみ説明する。
【0056】
本実施の形態4においては、可動シリンダ4と可動ピストン5で、可動部分の質量と弾性体10a、10b及び作動流体の圧縮作用による等価バネ定数を個々に一致させるのではなく、これらに支配される系の固有振動数を一致させる。具体的には、可動シリンダ4と可動ピストン5の可動部分の形状と実際に作用させる作動流体の圧力条件から、可動部分の質量と圧縮作用による等価バネ定数を決定し、それぞれの固有振動数がリニアモータを駆動する電源周波数と一致するように各弾性体のバネ定数を設定する。
【0057】
また、ケーシング1を可動シリンダ4側から密閉するシリンダ側シェル2a内面の可動部軸心延長部分に、変位センサ50aを配置する。ここでは渦電流型の変位センサを用い、変位センサ50a対面の弾性体10a背面側にセンサターゲットとなるアルミ板51aを取り付ける。可動ピストン側についても同様である。これらにより、可動シリンダ4と可動ピストン5の変位幅を検知する。
【0058】
次に、上記のように構成されたリニア圧縮機の動作について説明する。図5には示していないが、シリンダ側とピストン側の各リニアモータは電圧制御が可能な個別の交流電源で駆動する。コイル8a、8bに流す交流電流は、それぞれの可動子9a、9bに作用する推力が常に逆向きとなる方向とし、その周波数と位相は一致させる。さらに両変位センサ50a、50bの出力からリニアモータへの入力電圧をコントロールする制御部(図示せず)を設ける。この制御部では、可動シリンダ4の可動部質量とストロークの積が、可動ピストン可動部の質量とストロークの積に等しくなるように入力電圧を制御する。
【0059】
以上のように本実施の形態4によれば、可動シリンダ4と可動ピストン5の可動部の運動量が常に一致し、その方向は逆向きとなる。従ってリニア圧縮機全体としての運動量の時間変化がなくなり、振動・騒音の少ないリニア圧縮機が得られる。
【0060】
また、可動ピストン5と可動シリンダ4の摺動部が1個所しかないため、圧縮室6からの漏れが少なく効率の高いリニア圧縮機が得られる。さらに、軸方向に短い小型の圧縮機を構成することができる。
【0061】
さらに、形状の異なるシリンダとピストンの可動部分の質量を意図的に一致させる必要がなく、設計の自由度が広がる。
【0062】
なお、本実施の形態4においては渦電流型の変位センサ50a、50bを用いたがこれに限定されるものではなく、光学式センサなど他方式センサを用いても良い。
【0063】
【発明の効果】
上記から明らかなように、本発明は、可動シリンダと可動ピストンを対向させて逆位相で往復運動させるものである。
【0064】
この構成によれば、可動部が運動する際に反作用として圧縮機の外壁に作用する力が相殺され、低振動で低騒音の圧縮機が得られるという効果を奏する。さらに、振動による機械寿命の低下を抑えられ、高い信頼性のパルス管冷凍機を実現できる。
【0065】
さらに、圧縮室の片側だけにしか摺動部がないので、両側が摺動部である構造と比較して漏れ損失が小さく、効率の高い圧縮機が得られる。
【0066】
さらに、ピストンとシリンダの摺動部分を径方向に重ねることになるため、摺動軸方向に短いコンパクトな圧縮機を構成することができる。
【0067】
また、本発明は、シリンダ及びピストンの少なくとも一方は、可動子との連結部が可撓性のロッドもしくは自在継手で構成するものである、
この構成によれば、可動子とシリンダもしくはピストンの軸心とが互いにずれて配置もしくは駆動された場合にも連結手段がこれを吸収し、ピストンが片当たりなどせずスムーズに摺動することができる。このため、摺動部の損失を低減し効率を向上できる。また、組立て時の軸心合わせの精度に余裕ができ、組立て性の優れた圧縮機が得られる。また、重力の影響による軸心のずれに対する影響も受けにくくなるので、圧縮機の配置方向に対する自由度が増え、コンパクト化と合わせて機器への組込みが行いやすくなるという効果を奏する。
【0068】
また、本発明は、可動部の質量と、弾性体及び作動流体の圧縮作用に起因する等価バネ定数と、リニア駆動部の推力特性とを、シリンダ側とピストン側で等しく構成し、シリンダとピストンを対向させて逆位相で往復運動させるものである。
【0069】
この構成によれば、可動シリンダと可動ピストンを同一ストロークで往復運動させることができる。これにより常に圧縮機の外壁に作用する作用する軸方向の力が打ち消され、運転時の騒音や振動の小さい圧縮機、冷凍機が得られる。
【0070】
さらに、電流の向きにだけ注意すれば、両リニアモータを単独の交流電源で駆動することができ、安価でシンプルなシステムを構成できる。
【0071】
また、本発明は、シリンダとピストンの変位振幅をそれぞれ検出しながらこれを対向させて逆位相で往復運動させるものであり、変位振幅と可動部の質量の積がシリンダとピストンでそれぞれ等しくなるように各リニア駆動部の駆動電源を制御して運転するものである。
【0072】
この構成によれば、両可動部分の運動量の和の絶対値をゼロもしくは非常に小さくすることができる。これにより振動・騒音の少ない圧縮機が得られる。
【0073】
さらに、形状の異なるシリンダとピストンの可動部分の質量を無理に一致させる必要がなく、設計の自由度が広がる。
【0074】
また、本発明は、シリンダ側面に吸入口と吐出口を備え、圧縮室の容積が最大となる近傍で吸入口を介して圧縮室と吸入流路もしくは吸入吐出流路が連通し、圧縮室の容積が最小となる近傍で吐出口を介して圧縮室と吐出流路もしくは吸入吐出流路が連通するように構成したので、吸入過程と圧縮過程を独立したタイミングで行うことができる。この圧縮機を用いることで、高低圧切替バルブやその制御装置を用いることなくコンパクトで低振動のGM型冷凍機を実現することができる。
【0075】
また、本発明は、シリンダ側面に吸入吐出口を備え、圧縮室の容積に関わらず常に吸入吐出口を介して圧縮室と吸入吐出流路を連通するように構成したので、連続的に吸入・吐出過程を繰り返すことができる低振動のリニア圧縮機を得ることができる。この圧縮機を用いることで、小型で低振動のスターリング型パルス管冷凍機を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1を示すリニア圧縮機の断面図
【図2】本発明の実施の形態1を示すパルス管冷凍機の概略図
【図3】本発明の実施の形態2を示すリニア圧縮機の断面図
【図4】本発明の実施の形態3を示すリニア圧縮機の断面図
【図5】本発明の実施の形態4を示すリニア圧縮機の断面図
【図6】従来のリニア圧縮機の構成を示す模式図
【図7】従来のリニア圧縮機の構成を示す模式図
【符号の説明】
1 ケーシング
3 シリンダガイド
4 可動シリンダ
5 可動ピストン
6 圧縮室
7 固定子
8 コイル
9 可動子
10 弾性体
11 可動子保持具
12 可撓性ロッド
20 吸入吐出口
21 連通部
22 吸入吐出経路
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a configuration of a linear compressor, and particularly to a low-vibration / low-noise linear compressor useful for a small-sized pulse tube refrigerator or the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a Stirling refrigerator and a GM refrigerator have been used as refrigerating methods of refrigerating to obtain cold by reciprocating motion of compression and expansion of a working fluid without using a phase change of a refrigerant, targeting a relatively low temperature. I have. These are characterized by the difference in pressure vibration source. The GM type generally uses a rotary compressor to constitute high and low pressure sources, and generates pressure fluctuations in the refrigerator by switching valves. On the other hand, in a Stirling refrigerator, pressure oscillation is directly generated in the refrigerator by a piston reciprocating in a cylinder. Both types have a piston called a displacer that controls the movement of the working fluid in the system separately from the pressure vibration source.The heat flow is generated by compressing and expanding the working fluid while reciprocating inside the regenerator. Is occurring. Therefore, control of the pressure and displacement of the working fluid greatly contributes to the refrigeration capacity.
[0003]
In recent years, in this regenerative refrigerator, a pulse tube refrigerator has been remarkably developed in which a hollow tube called a pulse tube is provided instead of a displacer and a gas piston generated therein is used. This pulse tube refrigerator does not require a displacer, which is a movable mechanism, in the refrigeration unit, and thus has features such as a simple structure and low vibration.
[0004]
The pulse tube refrigerator was discovered in the 1960's, and the first generation of the basic type was simply a closed end at the end of the pulse tube, so the phase difference between the pressure fluctuation and the displacement described above was small. The refrigeration capacity was smaller than that of the GM refrigerator and was not suitable for practical use. Subsequently, in the 1980s, a second-generation orifice type was provided with an orifice and a buffer tank at the end of the pulse tube, so that a larger phase difference could be controlled, and practical application was promoted. Furthermore, since then, a number of methods called third generations that can control the phase over a wider range have been proposed and reached today.
[0005]
In a Stirling type pulse tube refrigerator, a linear compressor in which a piston in a cylinder is directly driven by a linear motor is generally used from the viewpoint of miniaturization. However, a linear compressor using a single piston has a problem that pulsating vibration is generated with the movement of the piston, so that it cannot be used for applications that dislike vibration. In addition, there has been a problem that noises are generated and mechanical life is shortened due to the vibration. As a method for solving these problems, a method has conventionally been known in which two pistons are arranged to face each other and driven with a phase difference of 180 ° (for example, see Patent Document 1).
[0006]
FIG. 6 is a diagram schematically showing a configuration of a conventional linear compressor described in Patent Document 1. As shown in FIG. In FIG. 6, a compression space 63 is formed by pistons 61A and 61B and a common cylinder 62, and the two pistons 61A and 61B are operated in opposite phases. 64A and 64B are drive units for driving the pistons 61A and 61B. A suction pipe 65 and a discharge pipe 66 for the working fluid are opened in the compression space 63. As a result, the forces acting on the compressor case due to the movements of the respective pistons 61A and 61B cancel each other, and vibration and noise of the compressor are prevented.
[0007]
Further, in the GM type pulse tube refrigerator, the working fluid sucked / discharged by the compressor can be controlled at an arbitrary timing by opening and closing the valve, so that there is an advantage that the displacement and pressure waveforms can be ideally controlled. However, there is a problem that the refrigerator becomes large because it is necessary to provide a valve in addition to the compressor. As a method for solving this, a method of providing a communication port between a piston and a cylinder has been conventionally known (for example, see Patent Document 2).
[0008]
FIG. 7 is a diagram schematically showing a configuration of a conventional pulse tube refrigerator described in Patent Document 2. In FIG. 7, a linear compressor is housed in a cylindrical outer case, and includes a driving unit 71d for driving a cylinder 71a, a piston 71b, a shaft 71c, a piston 71b, and the like. The cylinder 71a is formed integrally with the outer case, has one end sealed, and is filled with a working fluid. The piston 71b is housed in the cylinder 71a, and the piston 71b, the cylinder 71a, and a sealed end thereof constitute a compression chamber 71e. The piston 71b is provided with a communication passage 71i that communicates the outer periphery of the piston 71b facing the side wall of the cylinder 71a with the compression chamber 71e, and a first passage 72 extending to the outside of the compressor 71 on the side wall of the cylinder 71a; An opening communicating with one end of the second passage 73 is provided so as to be shifted in the movement direction of the piston 71b. When the compressor 71 is operated and the piston 71b is displaced leftward and the pressure in the compression chamber 71e becomes close to the maximum value, the outer peripheral portion of the communication passage 71i and the position of the opening of the first passage 72 coincide with each other, and the compression is performed. A working fluid having a pressure corresponding to the internal pressure of the chamber 71e is delivered. Also, when the piston 71b is displaced rightward and the pressure in the compression chamber 71e becomes close to the minimum value, the outer peripheral portion of the communication passage 71i has the same position as the opening of the second passage 73, and the outer peripheral portion corresponds to the internal pressure. Working fluid at pressure is aspirated. As described above, the discharge and the suction can be switched at a predetermined timing in the same manner as in the compressor unit of the GM type refrigerator.
[0009]
Although FIG. 7 illustrates a single piston, it may be realized by an opposed piston as shown in FIG. 6 to reduce vibration.
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-61-210276 (page 3, FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP-A-11-294878 (page 3-4, FIG. 1)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, the configuration of FIG. 6 has the following problems. That is, when the diameter and clearance of the cylinder and piston are the same, the longer the sliding distance, the smaller the leakage loss. Considering the case where the same linear compressors are opposed to each other, the length of the compressor is doubled and the leakage between the piston and the cylinder is doubled. If the leakage is to be suppressed equally, the sliding distance of each piston / cylinder needs to be longer, and the overall length of the compressor is longer. That is, this configuration has a problem that the size of the apparatus is increased and the compressor efficiency is reduced.
[0012]
Also, the configuration shown in FIG. 7 has the same problem as described above when an opposing piston is used to reduce vibration. In addition, there are the following problems. That is, the communication passage 71i provided in the piston 71b for suction and discharge is always connected to the compression space, and has a dead volume that does not contribute to compression. That is, there is a problem that the compression ratio is reduced even if the strokes of the piston and the cylinder are the same.
[0013]
The present invention is to solve such a conventional problem, and provides a small-sized, high-efficiency linear compressor with low vibration, and does not cause a reduction in compression ratio when used as a GM type compressor. It is an object to provide a linear compressor.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the linear compressor of the present invention has a configuration in which a movable cylinder and a movable piston are arranged to face each other and reciprocate in opposite phases.
[0015]
With this configuration, the force acting on the outer wall of the compressor as a reaction when the movable portion moves is canceled out, so that a device with low vibration and low noise is obtained, and further, only one side of the compression chamber has a sliding portion. Therefore, a linear compressor having a smaller leakage loss than a structure in which sliding portions are provided on both sides can be obtained.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
According to a first aspect of the present invention, there is provided a casing forming an outer wall of a compressor, a cylinder provided in the casing and slidably supported, and a cylinder provided in the cylinder and having the same axis as a cylinder sliding shaft. A movably supported piston, and a linear drive unit that reciprocates the cylinder and the piston along the sliding axis respectively, each linear drive unit forms a magnetic circuit with the mover and the stator, respectively. It consists of a linear motor that generates thrust, a connecting part that connects the cylinder or piston and the mover, and an elastic body that elastically supports the connecting part with respect to the casing, and reciprocates the cylinder and piston in opposite phases. is there.
[0017]
With the above configuration, the force acting on the casing of the compressor as a reaction of the motion is canceled, and a compressor with low vibration and low noise can be obtained. Furthermore, since only one side of the compression chamber has a sliding portion, leakage loss is reduced as compared with a structure in which both sides are sliding portions.
[0018]
Further, in the inventions according to claims 2 and 3, in addition to the structure of claim 1, at least one of the cylinder and the piston is configured such that a connecting portion with the mover is formed of a flexible rod or a universal joint.
[0019]
With the above configuration, even when the mover and the axis of the cylinder or the piston are arranged or driven with a deviation from each other, the angle of the flexible rod or the universal joint changes to absorb the change. , And can slide smoothly without any contact.
[0020]
According to a fourth aspect of the present invention, in addition to the configurations of the first to third aspects, at least the mass of the movable portion, the equivalent spring constant caused by the compressing action of the elastic body and the working fluid, and the linear force are applied to the cylinder and the piston. This is to make the thrust characteristics of the drive units equal.
[0021]
With the configuration described above, by driving both linear drive units with the same power supply, the amplitude of the cylinder and the piston can be reciprocated with the same amplitude, and the force acting on the casing of the compressor is offset. Can be.
[0022]
According to a fifth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first to third aspects, there is provided a displacement detecting means for detecting a displacement amount of the cylinder and the piston with respect to the casing, respectively. The pistons are operated so as to be equal to each other.
[0023]
With the configuration described above, the reciprocating motion can be performed so that the momentums of the two movable portions become zero in total, and the force acting on the casing of the compressor can be offset.
[0024]
The invention according to Claims 6 and 7 has, in addition to the structure of Claims 1 to 5, a casing provided with a suction flow path and a discharge flow path or a suction discharge flow path through which a fluid to be compressed moves, and provided on a side surface of the cylinder. Is provided with a suction port and a discharge port communicating between the casing side and the compression chamber side, and the compression chamber and the suction flow path or the suction / discharge flow path communicate with each other through the suction port in the vicinity where the volume of the compression chamber becomes maximum. The compression chamber and the discharge flow path or the suction / discharge flow path are configured to communicate with each other via the discharge port in the vicinity where the volume becomes minimum.
[0025]
With the above configuration, it is possible to obtain a linear compressor whose timing can be clearly set so that the suction process is performed at the timing when the pressure in the compression chamber is minimized and the discharge process is performed at the timing when the pressure is maximized. Can be.
[0026]
In addition, the invention according to claim 8 is the same as the constitutions of claims 1 to 5, in addition, the casing is provided with a suction / discharge flow path through which the fluid to be compressed moves, and the side of the cylinder communicates between the casing and the compression chamber. A suction port is provided, and the compression chamber and the suction discharge path are always communicated via the suction port regardless of the volume of the compression chamber.
[0027]
With the above configuration, it is possible to obtain a linear compressor capable of continuously repeating the suction / discharge process.
[0028]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0029]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a cross section of a linear compressor according to Embodiment 1 of the present invention. First, the overall configuration will be described. The linear compressor 100 is roughly divided into a movable cylinder 4, a movable piston 5, linear motors and elastic bodies 10a and 10b for individually driving the movable cylinder 4, the movable piston 4, a suction / discharge path 22 through which a working fluid flows in and out, and holds the individual parts. And a casing 1 constituting an outer wall.
[0030]
The movable cylinder 4 slidably housed in the cylinder guide 3 connected to the casing 1 has a cylindrical outer shape, has a cylindrical hollow portion having the same axial center as the outer shape, and is compressed together with the end surface of the movable piston 5. A chamber 6 is formed. The movable cylinder 4 and the mover holding member 11a are connected by a flexible rod 12a, and the movable cylinder 4 can be slightly inclined with respect to the mover or the casing 1. The movable piston 5 is the same as the movable cylinder 4 except that the movable piston 5 is slidably disposed on the inner side surface of the movable cylinder 4. The air gap between the sliding surfaces of the movable cylinder 4 and the cylinder guide 3 and the sliding surface of the movable cylinder 4 and the movable piston 5 is a leakage path of the working fluid, and is configured to be 100 microns or less.
[0031]
Note that the movable cylinder 4 and the movable piston 5 are preferably formed of an aluminum material from the viewpoint of weight reduction. By reducing the weight, the rigidity of the elastic body 52 can be reduced as described later. It is also advantageous from the viewpoint of weight reduction to form a resin having sufficient strength and abrasion resistance. Further, the sliding surface may be coated with a fluorine-based resin or the like to reduce sliding loss.
[0032]
Further, the movable cylinder 4 is provided with a suction / discharge port 20 on a side surface thereof, and the compression chamber 6 and the suction / discharge path 22 are always in communication with each other via the communication portion 21 provided on the cylinder guide 3 regardless of the position of the cylinder 4. To do.
[0033]
The linear motor on the movable cylinder 4 side includes a stator 7a and a movable element 9a. The stator 7a is provided on the inner surface side of the casing 1, and is formed by radially laminating a rolled steel plate made of a magnetic material such as a thin electromagnetic steel plate or a silicon steel plate so as to form a U-shaped concave portion on the inner peripheral surface. The coil 8a is mounted in the concave portion of the outer yoke configured as described above. On the other hand, the mover 9a has a permanent magnet on the outer surface side of an inner yoke formed by laminating a rolled steel sheet made of a magnetic material such as a thin electromagnetic steel sheet or a silicon steel sheet in a radial direction parallel to the axis or perpendicular to the axis direction. It is constituted by attaching. The permanent magnet 32 is magnetized so that the magnetic vector is directed in the radial direction. The cylindrical mover 9a is fixed to the outer periphery of the cylindrical mover holding portion 11a. The configuration of the linear motor is the same for the movable piston. Note that 7b is a stator, 8b is a coil, and 9b is a mover.
[0034]
The mover holders 11a and 11b are connected by elastic members 10a and 10b, which support the movers 9a and 9b and the movable cylinder 4 or the movable piston 5 to be able to reciprocate along the axis, by connecting members 13a and 13b. 10a and 10b are fixed to the casing 1 at their peripheral portions. As the elastic body, a leaf spring in which a spiral cutout is provided in a plate-like elastic material is used.
[0035]
Each of the movable cylinder 4 and the movable piston 5 has a natural frequency of a system governed by the mass of each movable portion, the elastic bodies 10a and 10b, and the equivalent spring constant due to the compressive action of the working fluid. In the first embodiment, the thrust characteristics of the linear motor, the mass of the movable portion, and the equivalent spring constant are set to match between the movable cylinder and the movable piston so that the displacement width as well as the natural frequency match. .
[0036]
Next, the operation of the linear compressor configured as described above will be described. Due to the interaction between the magnetic field generated from the permanent magnets constituting the movers 9a and 9b and the magnetic field generated by applying an alternating current to the coils 8a and 8b, the movers 9a and 9b receive a thrust in the axial direction, and The movable piston 5 is driven. By setting the direction of the alternating current flowing through the coils 8a and 8b such that the direction of the thrust acting on the respective movers 9a and 9b is always opposite, the movable cylinder 4 and the movable piston 5 are synchronized with the frequency. Reciprocate in opposite phase. Further, by making the frequency of the alternating current flowing through the coils 8a and 8b substantially coincide with the above-described natural frequency, the operation can be performed while causing resonance.
[0037]
As the movable cylinder 4 and the movable piston 5 reciprocate in the opposite phase in this manner, the volume of the compression chamber 6 increases and decreases, and pressure pulsation is transmitted to the suction / discharge path 22 through the suction / discharge port 20 which is always in communication.
[0038]
FIG. 2 is a schematic diagram of a pulse tube refrigerator using this linear compressor. A working fluid (here, helium is used) is introduced into the regenerator 104 from the compression chamber 6 of the linear compressor 100 via the gas passage 102. A regenerator 104 in which a copper mesh is laminated and a pulse tube 106 formed in a hollow cylinder are connected by being folded back by a cold head 105 as a cooling unit. The cold storage 104 and the end opposite to the cold head of the pulse tube 106 are held by a flange 103, which functions as a flange of a vacuum vessel when the cold head 105 is maintained at a low temperature by vacuum insulation. It also functions as a radiator for heat of the high-temperature gas flowing from the linear compressor 100 and heat flowing from the cold head 105 side. The other end of the pulse tube 106 communicates with the buffer tank 108 via the thin tube 107, and this portion functions as a phase control mechanism for the pressure change and displacement of the working fluid.
[0039]
As described above, according to the first embodiment, the movable cylinder 4 and the movable piston 5 having the same mass can reciprocate in the same stroke and in opposite phases. As a result, the axial force acting on the casing is always cancelled, and a linear compressor and a refrigerator with low noise and vibration during operation can be obtained.
[0040]
Further, since there is only one sliding portion between the movable piston 4 and the movable cylinder 5, a highly efficient linear compressor with less leakage from the compression chamber 6 can be obtained. Furthermore, since the sliding portions of the movable piston 4 and the movable cylinder 5 are overlapped in the radial direction, a small compressor that is short in the sliding axis direction can be configured.
[0041]
In the first embodiment, the movable cylinder 4 and the movable piston 5 are held from one side by the elastic members 10a and 10b. However, the present invention is not limited to this. The same effect can be obtained also in the case where a structure is adopted in which the cylinder or the piston is arranged outside the holding unit.
[0042]
In the first embodiment, a plate-like elastic body is used, but the present invention is not limited to this, and a coil spring or a gas spring may be used.
[0043]
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a diagram showing a cross section of a linear compressor according to Embodiment 2 of the present invention. The second embodiment is to realize a linear compressor for use in a GM type pulse tube refrigerator. However, the configuration other than the linear compressor is basically the same as that of the Stirling type. The configuration is the same. Also, the overall configuration of the linear compressor and the basic structure and operation of each part are the same as those in the first embodiment, and therefore only different points will be described.
[0044]
The movable cylinder 4 is provided with a suction port 30 and a discharge port 33 on its side surface, and communicates with a suction path 32 and a discharge path 35 via a suction communication section 31 and a discharge communication section 34 provided on the cylinder guide 3, respectively. . However, the suction port 30 and the suction communication part 31, and the discharge port 33 and the discharge communication part 34 are provided so that the movable cylinder 4 can communicate with the left and right sides in FIG.
[0045]
Next, the operation of the linear compressor configured as described above will be described. Since the movable cylinder 4 and the movable piston 5 reciprocate at the same frequency and in opposite phases to each other, the compression chamber 6 and the suction passage 32 communicate with each other in the vicinity where the volume of the compression chamber 6 is maximum (minimum pressure), and the suction process is performed. Is At this time, the discharge path 35 is closed. Conversely, the compression chamber 6 communicates with the discharge path 35 in the vicinity where the volume of the compression chamber 6 becomes minimum (pressure maximum), and the discharge process is performed. At this time, the suction path 32 is closed.
[0046]
As described above, according to the second embodiment, the movable cylinder 4 and the movable piston 5 having the same mass can reciprocate in the same stroke and in opposite phases. As a result, the axial force acting on the casing is always cancelled, and a linear compressor and a refrigerator with low noise and vibration during operation can be obtained.
[0047]
Further, since there is only one sliding portion between the movable piston 5 and the movable cylinder 4, a compressor with less leakage from the compression chamber 6 and high efficiency can be obtained. Further, since the sliding portion of the movable piston 5 and the sliding portion of the movable cylinder 4 are overlapped in the radial direction, a small compressor that is short in the sliding axis direction can be configured.
[0048]
Further, since the suction process and the compression process can be performed at independent timings, a GM type refrigerator can be realized simply and compactly without using a high / low pressure switching valve or its control device.
[0049]
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a diagram showing a cross section of a linear compressor according to Embodiment 3 of the present invention. The third embodiment is to realize a linear compressor for use in a GM type pulse tube refrigerator. The configuration other than the linear compressor is basically the same as that of the Stirling type. The configuration is the same. Also, the overall configuration of the linear compressor and the basic structure and operation of each part are the same as those in the first embodiment, and therefore only different points will be described.
[0050]
The movable cylinder 4 is provided with a suction port 40 and a discharge port 41 on a side surface thereof, and communicates with a suction / discharge path 43 via a suction / discharge communication section 42 provided on the cylinder guide 3. However, the suction port 40 and the discharge port 41 are provided apart from each other in the axial direction such that the movable cylinder 4 communicates near the leftmost and rightmost positions in FIG.
[0051]
Next, the operation of the linear compressor configured as described above will be described. Since the movable cylinder 4 and the movable piston 5 reciprocate at the same frequency and in opposite phases to each other, the compression chamber 6 and the suction / discharge path 43 are connected to the suction port 40 and the suction / discharge path in the vicinity where the volume of the compression chamber 6 is maximum (minimum pressure). The inhalation process is performed by communicating through the communication portion 42. Conversely, the compression chamber 6 and the suction / discharge path 43 communicate with each other through the discharge port 41 and the suction / discharge communication part 42 in the vicinity where the volume of the compression chamber 6 becomes minimum (pressure maximum), and the discharge process is performed.
[0052]
As described above, according to the third embodiment, the movable cylinder 4 and the movable piston 5 having the same mass can reciprocate in the same stroke and in opposite phases. As a result, the axial force acting on the casing is always canceled, and noise and vibration during operation are reduced.
[0053]
Further, since there is only one sliding portion between the movable piston 5 and the movable cylinder 4, a compressor with less leakage from the compression chamber 6 and high efficiency can be obtained. Furthermore, a small compressor that is short in the axial direction can be configured.
[0054]
Further, since the suction process and the compression process can be performed at independent timings, a GM type refrigerator can be realized simply and compactly without using a high / low pressure switching valve or its control device.
[0055]
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a diagram showing a cross section of a linear compressor according to Embodiment 4 of the present invention. Since the overall configuration and the basic structure and operation of each part are the same as those in the first embodiment, only different points will be described.
[0056]
In the fourth embodiment, the movable cylinder 4 and the movable piston 5 do not make the mass of the movable portion and the equivalent spring constant by the compressive action of the elastic bodies 10a and 10b and the working fluid individually, but are controlled by these. The natural frequencies of the system. Specifically, based on the shapes of the movable parts of the movable cylinder 4 and the movable piston 5 and the pressure conditions of the working fluid actually applied, the mass of the movable part and the equivalent spring constant due to the compression action are determined. The spring constant of each elastic body is set to match the power supply frequency for driving the linear motor.
[0057]
In addition, a displacement sensor 50a is disposed on the inner surface of the cylinder side shell 2a that extends from the movable cylinder 4 side to seal the casing 1 from the movable cylinder axis. Here, an eddy current type displacement sensor is used, and an aluminum plate 51a serving as a sensor target is attached to the back surface of the elastic body 10a facing the displacement sensor 50a. The same applies to the movable piston side. Thus, the displacement width of the movable cylinder 4 and the movable piston 5 is detected.
[0058]
Next, the operation of the linear compressor configured as described above will be described. Although not shown in FIG. 5, each linear motor on the cylinder side and the piston side is driven by a separate AC power supply capable of voltage control. The alternating current flowing through the coils 8a and 8b has a direction in which the thrusts acting on the respective movers 9a and 9b are always in opposite directions, and their frequencies and phases are made to coincide. Further, a control unit (not shown) for controlling the input voltage to the linear motor from the outputs of the displacement sensors 50a and 50b is provided. The control unit controls the input voltage so that the product of the mass of the movable portion of the movable cylinder 4 and the stroke is equal to the product of the mass of the movable piston movable portion and the stroke.
[0059]
As described above, according to the fourth embodiment, the momentums of the movable portions of the movable cylinder 4 and the movable piston 5 always coincide, and the direction is opposite. Therefore, the momentum of the linear compressor as a whole does not change over time, and a linear compressor with less vibration and noise can be obtained.
[0060]
Further, since there is only one sliding portion between the movable piston 5 and the movable cylinder 4, a highly efficient linear compressor with less leakage from the compression chamber 6 can be obtained. Furthermore, a small compressor that is short in the axial direction can be configured.
[0061]
Further, it is not necessary to intentionally make the masses of the movable portions of the cylinder and the piston having different shapes coincide with each other, so that the degree of freedom in design is increased.
[0062]
In the fourth embodiment, the eddy current type displacement sensors 50a and 50b are used. However, the present invention is not limited to this, and another type of sensor such as an optical sensor may be used.
[0063]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the present invention reciprocates the movable cylinder and the movable piston in opposite phases with the movable cylinder and the movable piston facing each other.
[0064]
According to this configuration, the force acting on the outer wall of the compressor as a reaction when the movable portion moves is offset, and an effect is obtained that a compressor with low vibration and low noise can be obtained. Further, a reduction in mechanical life due to vibration can be suppressed, and a highly reliable pulse tube refrigerator can be realized.
[0065]
Further, since there is a sliding portion only on one side of the compression chamber, a leakage loss is small and a highly efficient compressor can be obtained as compared with a structure having sliding portions on both sides.
[0066]
Furthermore, since the sliding portions of the piston and the cylinder overlap in the radial direction, a compact compressor that is short in the sliding axis direction can be configured.
[0067]
Further, according to the present invention, at least one of the cylinder and the piston is configured such that a connection portion with the mover is formed of a flexible rod or a universal joint.
According to this configuration, even when the movable element and the axis of the cylinder or the piston are displaced from each other or driven, the connecting means absorbs this, and the piston slides smoothly without any one-side contact. it can. For this reason, the loss of a sliding part can be reduced and efficiency can be improved. In addition, there is a margin in the accuracy of shaft center alignment at the time of assembly, and a compressor excellent in assemblability can be obtained. In addition, since it is less likely to be affected by the displacement of the axis center due to the influence of gravity, the degree of freedom in the arrangement direction of the compressor is increased, and together with the downsizing, it is easy to assemble the apparatus.
[0068]
Further, the present invention is configured such that the mass of the movable portion, the equivalent spring constant resulting from the compression action of the elastic body and the working fluid, and the thrust characteristics of the linear drive portion are equal on the cylinder side and the piston side, and the cylinder and the piston Are made to reciprocate in opposite phase with each other facing each other.
[0069]
According to this configuration, the movable cylinder and the movable piston can reciprocate in the same stroke. As a result, the axial force acting on the outer wall of the compressor is always negated, and a compressor and a refrigerator with low noise and vibration during operation can be obtained.
[0070]
Furthermore, by paying attention only to the direction of the current, both linear motors can be driven by a single AC power supply, and an inexpensive and simple system can be configured.
[0071]
Further, the present invention is to reciprocate in opposite phases by detecting the displacement amplitudes of the cylinder and the piston while opposing each other, so that the product of the displacement amplitude and the mass of the movable part is equal in the cylinder and the piston, respectively. The operation is performed by controlling the drive power supply of each linear drive unit.
[0072]
According to this configuration, the absolute value of the sum of the momentums of the two movable parts can be made zero or extremely small. Thereby, a compressor with less vibration and noise can be obtained.
[0073]
Further, it is not necessary to force the masses of the movable parts of the cylinder and the piston having different shapes to coincide with each other.
[0074]
The present invention also provides a suction port and a discharge port on the side of the cylinder, and the compression chamber communicates with the suction flow path or the suction discharge flow path via the suction port in the vicinity where the volume of the compression chamber is maximized. Since the compression chamber and the discharge channel or the suction / discharge channel are configured to communicate with each other via the discharge port in the vicinity where the volume is minimized, the suction process and the compression process can be performed at independent timing. By using this compressor, a compact and low-vibration GM type refrigerator can be realized without using a high / low pressure switching valve or its control device.
[0075]
Further, the present invention is provided with a suction / discharge port on the side of the cylinder, and is configured to always communicate the compression chamber and the suction / discharge flow path via the suction / discharge port regardless of the volume of the compression chamber. A low-vibration linear compressor capable of repeating the discharging process can be obtained. By using this compressor, a small and low-vibration Stirling type pulse tube refrigerator can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a linear compressor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of a pulse tube refrigerator showing the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of a linear compressor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view of a linear compressor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view of a linear compressor according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional linear compressor.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional linear compressor.
[Explanation of symbols]
1 casing
3 Cylinder guide
4 Movable cylinder
5 movable piston
6 compression chamber
7 Stator
8 coils
9 mover
10 Elastic body
11 mover holder
12 Flexible rod
20 Inlet and outlet
21 Communication section
22 Suction and discharge path

Claims (8)

圧縮機の外壁を形成するケーシングと、前記ケーシングに内装され摺動自在に支持されるシリンダと、前記シリンダに内装されシリンダ摺動軸と同一軸心で摺動自在に支持されるピストンと、前記シリンダ及びピストンを摺動軸心に沿って各々往復運動させるリニア駆動部を備え、前記各リニア駆動部はそれぞれ、可動子と固定子とで磁気回路を形成して推力を発生させるリニアモータと、前記シリンダ又はピストンと前記可動子を結合する連結部、及び前記ケーシングに対し前記連結部を弾性的に支持する弾性体から構成され、前記シリンダ及びピストンを逆位相で往復運動させることを特徴とするリニア圧縮機。A casing forming an outer wall of the compressor, a cylinder housed in the casing and slidably supported, a piston housed in the cylinder and slidably supported on the same axis as the cylinder sliding shaft; A linear motor that reciprocates a cylinder and a piston along a sliding axis, and each linear drive unit forms a magnetic circuit with a mover and a stator to generate a thrust, A connecting portion for connecting the mover with the cylinder or the piston, and an elastic body for elastically supporting the connecting portion with respect to the casing, wherein the cylinder and the piston are reciprocated in opposite phases. Linear compressor. シリンダ及びピストンの少なくとも一方は、可動子との連結部が可撓性のロッドで構成されることを特徴とする請求項1に記載のリニア圧縮機。2. The linear compressor according to claim 1, wherein at least one of the cylinder and the piston has a connection part with the mover formed of a flexible rod. 3. シリンダ及びピストンの少なくとも一方は、可動子との連結部が自在継手で構成されたことを特徴とする請求項1記載のリニア圧縮機。2. The linear compressor according to claim 1, wherein at least one of the cylinder and the piston has a joint with a mover formed of a universal joint. 少なくとも可動部の質量と、弾性体及び作動流体の圧縮作用に起因する等価バネ定数と、リニア駆動部の推力特性とを、シリンダ側とピストン側で等しくすることを特徴とする請求項1から3に記載のリニア圧縮機。4. The apparatus according to claim 1, wherein at least the mass of the movable part, the equivalent spring constant resulting from the compression action of the elastic body and the working fluid, and the thrust characteristic of the linear drive part are equalized on the cylinder side and the piston side. A linear compressor according to item 1. シリンダとピストンのケーシングに対する変位量をそれぞれ検出する変位検出手段を備え、変位振幅と可動部の質量の積がシリンダとピストンでそれぞれ等しくなるように運転することを特徴とする請求項1から3に記載のリニア圧縮機。4. The apparatus according to claim 1, further comprising: a displacement detecting unit configured to detect a displacement amount of the cylinder and the piston with respect to the casing, wherein the cylinder and the piston are operated such that a product of a displacement amplitude and a mass of the movable unit is equal in the cylinder and the piston. The described linear compressor. ケーシングには圧縮対象の流体が移動する吸入流路と吐出流路を備え、シリンダ側面にはケーシング側と圧縮室側を連通する吸入口と吐出口を備え、圧縮室の容積が最大となる近傍で前記吸入口を介して圧縮室と前記吸入流路が連通し、圧縮室の容積が最小となる近傍で前記吐出口を介して圧縮室と前記吐出流路が連通することを特徴とする請求項1から5に記載のリニア圧縮機。The casing has a suction flow path and a discharge flow path through which the fluid to be compressed moves.The side of the cylinder has a suction port and a discharge port communicating the casing side and the compression chamber side, and the vicinity where the volume of the compression chamber is maximized. Wherein the compression chamber and the suction flow path communicate with each other through the suction port, and the compression chamber and the discharge flow path communicate with each other through the discharge port in the vicinity where the volume of the compression chamber is minimized. Item 6. The linear compressor according to any one of Items 1 to 5. 吸入流路と吐出流路が共通であることを特徴とする請求項6に記載のリニア圧縮機。7. The linear compressor according to claim 6, wherein the suction passage and the discharge passage are common. ケーシングには圧縮対象の流体が移動する吸入吐出流路を備え、シリンダ側面にはケーシング側と圧縮室側を連通する吸入吐出口を備え、圧縮室の容積に関わらず常に前記吸入吐出口を介して圧縮室と前記吸入吐出流路が連通することを特徴とする請求項1から5に記載のリニア圧縮機。The casing is provided with a suction / discharge flow path through which the fluid to be compressed moves, and the side of the cylinder is provided with a suction / discharge port communicating between the casing side and the compression chamber side. 6. The linear compressor according to claim 1, wherein the compression chamber communicates with the suction / discharge flow path.
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