JP2005106034A

JP2005106034A - リニア圧縮機

Info

Publication number: JP2005106034A
Application number: JP2003344140A
Authority: JP
Inventors: Teruyuki Akazawa; 輝行赤澤; Noboru Iida; 飯田　　登; Satoshi Ito; 聡伊藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】大容量のリニア圧縮機において、コンパクト性に優れ、大ストローク化に適した高効率低騒音圧縮機を提供する。
【解決手段】リニア圧縮機はシリンダと、ピストンと、シリンダ端面と、リニアモータ部を構成する可動部および固定部と、ばね機構部と、弁体を組み付けた弁板と、ヘッドカバー部と、支持機構部と、密閉容器等から構成される。シリンダ内にはガス圧縮を行う圧縮室が形成される。ばね機構部は、引張りばねを複数、放射状に組み合わせることによって、所定のばね剛性を有している。ピストンの最大変位時にも常に圧縮たわみによる予荷重を発生させるために、予め撓ませる必要がなく、さらに圧縮コイルばねの変位時の倒れや座面の直角度のずれによって、発生するラジアル方向の偏力も引張りばねの組セットにすることキャンセルされるので、軸方向へのピストンのスムーズな駆動が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、リニアモータにより、シリンダ内に嵌合されたピストンを往復運動させて、ガスを圧縮するリニア圧縮機に関する。

冷凍サイクルにおいて、Ｒ２２に代表されるＨＣＦＣ系冷媒は、その物性の安定性からオゾン層を破壊すると言われている。また、近年では、ＨＣＦＣ系冷媒の代替冷媒としてＨＦＣ系冷媒が利用されているが、このＨＦＣ系冷媒は温暖化現象を促進する性質を有している。そのため、最近では、オゾン層の破壊や温暖化現象に大きな影響を与えないＨＣ系冷媒が採用され始めている。しかしながら、このＨＣ系冷媒は可燃性のため爆発や発火を防止することが安全性確保の面から必要であり、このために、冷媒の使用量を極力少なくすることが要請される。一方、ＨＣ系冷媒は、冷媒自体として潤滑性がなく、また潤滑材に溶け込み易い性質を有する。以上のことから、ＨＣ系冷媒を使用する場合にはオイルレスまたはオイルプアの圧縮機が必要となる。ピストンの軸線と直交する方向への荷重が小さく、摺動面圧が小さいリニア圧縮機は、従来から多く利用されてきたレシプロ式圧縮機、ロータリ圧縮機、スクロール圧縮機と比較すると、オイルレス化を図りやすいタイプであり、ピストン可動部はモータに印可されるモータ推力と運転圧力条件によってピストン位置が自由に決まるフリーピストンストロークとなる圧縮機として知られている。

また、リニア圧縮機は前述したようにオイルレスが図りやすい圧縮機であることから、スターリング冷凍機ならびにパルス冷凍機等の極低温分野の圧縮機としても知られている。

また、ばね部材をフレクチャベアリングと呼ばれる板ばねを用いたものもある。ばね部材を板ばねで構成することで、ピストンをはじめとする可動部を軸線中心で保持することが優れ、径方向のぶれが少なくなり、ピストンの軸線と直交する荷重をより小さく抑えることができ、機械効率を高くできるリニア圧縮機を示している（例えば、特許文献１参照）。

また、ばね部材をコイルばねで構成したものもある。コイルバネを用いることで、板ばねに比べ、ピストンの大ストローク化が図りやすいリニア圧縮機を示している（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−１８３２３８号公報特開２００１−２２０５４１号公報

しかし、上記リニア圧縮機は、ばね部材に板ばねを用いることで、板ばねが発生させる径方向の力はほとんどなく、ピストンへ与える径方向力も小さくできるため、摺動ロスの小さい高機械効率となるが、大容量を必要とする圧縮機の場合、大ストローク化すると板ばねに発生する繰り返し主応力が増大するため、大振幅化が困難となり、大容積を確保するためにピストンボア径もしくは駆動周波数を大きくとる必要がある。ピストンボア径を大きくとると、リニアモータの必要推力等が大きくなり、リニアモータの体格が大きくなり、コンパクト化や低コスト化に適しない。また、駆動周波数を大きくする場合は、板ばねの厚みを大きくする必要があるが、板ばねの厚みを大きくとると板ばねの長さが必要となり、大型の板ばねが必要となり、リニア圧縮機のコンパクト化に不利になる。また、厚みの厚いばねを打ち抜くプレスも高コストとなり、低コスト化に適しない。厚みの薄い板
ばねで小径化した場合にも必要枚数が増大するので、同様に圧縮機の小型化や低コストに問題となる。

また、大容量を必要とする圧縮機の場合、ばね部材に圧縮コイルばねを用いることで、大ストローク化は容易であるが、コイルばねの最大たわみ量はピストンストローク以上のコイルばねが必要であり、さらに常にコイルばねを圧縮状態で用いる必要があるため、軸方向に２つのコイルばねで構成する必要があり、軸方向長さが大きくなる。さらにコイルばね単体の径方向力が大きく、２つのコイルばねの組合せで、ピストンに働く径方向力が増大しやすくなるため、摺動損失が大きくなる。

そこで本発明は、例えば大容量のリニア圧縮機において、コンパクト性に優れ、大ストローク化に適した高効率低騒音圧縮機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明のリニア圧縮機は、密閉容器内に支持機構部によって支持されるシリンダと、シリンダと同一の軸心でその軸線方向に沿って可動自在に支持されるピストンと、ピストンに軸線方向の力を付与するばね部材と、可動部および可動部の往復経路を固定部とで形成したリニアモータ部とを備えたリニア圧縮機において、ばね部材に引張コイルばねを複数径方向に配置したことを特徴とする。

請求項２に記載の本発明のリニア圧縮機は、請求項１記載のリニア圧縮機において、複数の引張コイルばね組みをリニアモータの両端部に配置し、可動部を両端部に配置した引張コイルばね組みに連結することで可動部を往復可動に支持したことを特徴とする。

請求項３に記載の本発明のリニア圧縮機は、請求項１または２に記載のリニア圧縮機において、複数の引張コイルばねを径方向に放射状に配置し、複数の引張コイルばねの釣合い中心をリニアモータ及びピストンの中心位置とほぼ一致させ、ピストンとリニアモータの可動部とを引張コイルばね組みに連結することでピストン並びに可動部を往復可動に支持したことを特徴とする。

本発明によれば、従来使用されている板ばねや圧縮コイルばねに対し、引張コイルばねを径方向に配置することで、常に引張り状態での使用が可能であり、ピストンの圧縮膨張行程におけるピストン振幅量に対し、引張コイルばねのたわみ量を大幅に小さくできるので、大ストローク化に適している。また、引張コイルばね組の軸方向の構成スペースもほぼ引張コイルばねの外径とピストン振幅幅のスペースにて構成できるので、コンパクトに配置することができる。

本発明によれば、リニアモータ固定部と可動部との軸中心ずれ時において発生するモータ径方向力を両端に配置した引張ばね組みで支持し、吸収することができるので、モータ径方向力によって発生するピストンの径方向力を低減でき、さらにピストンに働くモーメントも両端に構成した引張ばね組によって緩和することができるので、摺動損失の小さい高効率なリニア圧縮機を構成することができる。

本発明によれば、複数の引張コイルばねの釣合い中心をリニアモータ及びピストンの中心位置とほぼ一致させて、連結固定することで、ピストン往復駆動時にピストンへ掛る径方向力を小さくすることができるので、シリンダ及びピストン間で発生する摺動ロスをさらに小さくすることができ、高効率なリニア圧縮機が実現できる。

本発明による第１の実施の形態は、従来使用されている板ばねや圧縮コイルばねに対し、引張コイルばねを径方向に配置することで、常に引張り状態での使用が可能であり、ピストンの圧縮膨張行程におけるピストン振幅量に対し、引張コイルばねのたわみ量を大幅に小さくできるので、大ストローク化に適している。また、引張コイルばね組の軸方向の構成スペースもほぼ引張コイルばねの外径とピストン振幅幅のスペースにて構成できるので、コンパクトに配置することができる。

本発明による第２の実施の形態は、リニア圧縮機において、複数の引張コイルばね組みをリニアモータの両端部に配置し、可動部を両端部に配置した引張コイルばね組みの他端もしくは両端に連結することで、リニアモータ固定部と可動部との軸中心ずれ時において発生するモータ径方向力を両端に配置した引張ばね組みで支持し、吸収することができるので、モータ径方向力によって発生するピストンの径方向力を低減でき、さらにピストンに働くモーメントも両端に構成した引張ばね組によって緩和することができるので、摺動損失の小さい高効率なリニア圧縮機を構成することができる。

本発明による第３の実施の形態は、第１の実施形態におけるリニア圧縮機において、複数の引張コイルばねを径方向に放射状に配置する。複数の引張コイルばねの釣合い中心をリニアモータ及びピストンの中心位置とほぼ一致させて、連結固定することで、ピストン往復駆動時にピストンへ掛る径方向力を小さくすることができるので、シリンダ及びピストン間で発生する摺動ロスをさらに小さくすることができる。

以下、本発明のリニア圧縮機の一実施例を図面に基づいて説明する。まず、図１により、本発明のリニア圧縮機の全体構造を説明する。

このリニア圧縮機は、大別して、シリンダ１０と、ピストン２０と、リニアモータ部を構成する可動部４０および固定部５０と、コイルばね組からなるばね機構部と、ヘッドカバー部８０と、支持機構部９０と、密閉容器１００から構成される。

シリンダ１０は、弁体（図示せず）を組み付けたシリンダ端面１１と、鍔部１４と、この鍔部１４から一方（図の上方向）に向かって突出するボス部１２からなる。ピストン２０は、シリンダ１０のボス部１２内に挿入される。ピストン２０の上部端部は、ばね機構部８５と連結するための突起部２３を設けている。ピストン２０の一端側とシリンダ端面１１との間に圧縮室１３を形成している。

リニアモータ部は、可動部４０と固定部５０とからなる。可動部４０は、永久磁石４１と、円筒保持部材４２等から構成される。また、固定部５０は、インナーヨーク５１、アウターヨーク５２、コイル５３等から構成される。永久磁石４１は、円筒保持部材４２により保持される。円筒保持部材４２はピストン２０と同心円状に配設され枠体２２により固持される。インナーヨーク５１は円筒体からなり、シリンダ１０のボス部１２に外接固定される。なお、インナーヨーク５１の外周と円筒保持部材４２との間には微小隙間が形成される。また、コイル５３はアウターヨーク５２に設けられている。一方、アウターヨーク５２は、同じく円筒体からなり、円筒保持部材４２の外周に微小隙間を形成するように、同心円状に配置され、シリンダ１０の鍔部１４に固定される。

以上のように、可動部４０と固定部５０とは同心円状に高精度に保持され、往復運動を円滑に行なうことができる。

ばね機構部８５は、引張りばね１５を複数、放射状に組み合わせることによって、所定のばね剛性を有している。このばね機構部８５の中央部の一端部１６はピストン２０の他
端面に形成した面に結合される。また、引張りばね１５の他端部１７は、リニアモータのアウターヨーク５２の外周端面部１８に結合される。この引張りばね１５は、ばね組時に最も圧縮された状態で組付けられる。圧縮コイルばねと異なり、ピストンの最大変位時にも常に圧縮たわみによる予荷重を発生させるために、予め撓ませる必要がなく、さらに圧縮コイルばねの変位時の倒れや座面の直角度のずれによって、発生するラジアル方向の偏力も引張りばね１５の組セットにすることで小さくできるので、軸方向の大幅なコンパクト化が可能となる。図２に示すように引張りばねのセットにすることで径方向の力をキャンセルすることができるのでピストンのスムーズな軸方向への往復駆動が実現できる。また、引張コイルばねはピストンの圧縮膨張行程におけるピストン振幅量に対し、引張コイルばねのたわみ量を大幅に小さくできるので、板ばねでは実現が困難な大ストローク化に適している。

引張コイルばねセット８５の釣合い中心をリニアモータ４０、５０及びピストン２０の径方向中心位置とほぼ一致させて、連結固定することで、リニア圧縮機の往復駆動時にピストン２０がシリンダ１０へ掛る径方向力を小さくすることができるので、シリンダ１０及びピストン２０間で発生する摺動ロスをさらに小さくすることができ、高効率なリニア圧縮機が実現できる。

密閉容器１００は、筒体状の容器からなり、内部に空間部１０１を形成する。この空間部１０１に、リニア圧縮機の構成要素が収納される。また、密閉容器１００には、吸入管１０２、吐出管１０３を設けている。支持機構部９０は、複数のコイルばね９１を、リニア圧縮機の構成要素と密閉容器１００との間に配設させたものであり、シリンダ１０からの密閉容器１００への伝達振動を防止する。

次に、本実施例のリニア圧縮機の作用を説明する。

まず、固定部５０のコイル５３に通電すると、可動部４０の永久磁石４１との間にフレミングの左手の法則に従って電流に比例した推力が発生する。この推力の発生により可動部４０に軸線方向に沿って後退する駆動力が作用する。可動部４０の円筒保持部材４２は、ピストン２０に連結されているため、ピストン２０がスムーズにその軸線方向に沿って後退する。

コイル５３への通電における交流電流は、正弦波で与えられ、リニアモータ部には正逆の推力が交互に発生する。そしてこの交互に発生する正逆の推力によってピストン２０は往復運動を行なうことになる。

冷媒は、吸入管１２から図１の密閉容器１００内に導入される。この密閉容器１００内に導入された冷媒は、ヘッドカバー部８０の吸入側空間からシリンダ端面１１に組み付けられた吸入弁（図示せず）を通って圧縮室１３に入る。そしてこの冷媒は、ピストン２０により圧縮され、シリンダ端面１１に組み付けられた吐出バルブ（図示せず）から、ヘッドカバー部８０の吐出側空間を経て、吐出管（図示せず）から外方に吐出される。

また、図３に、引張コイルばね組み８５、８６によるピストン、リニアモータの両持ち支持構成のリニア圧縮機の実施例を示す。図１と同様の説明は省略する。引張コイルばね組み８５、８６をリニアモータの両端部に配置し、可動部４０を両端部に配置した引張コイルばね組み８５、８６の両端に連結することで、リニアモータ固定部５０と可動部４０との軸中心ずれ時において発生するモータ径方向力を両端に配置した引張ばね組みで支持し、吸収することができるので、モータ径方向力によって発生するピストン２０の径方向力を低減でき、さらにピストン２０に働くモーメントも両端に構成した引張ばね組によって緩和することができるので、摺動損失の小さい高効率なリニア圧縮機を構成することが
できる。

本発明の一実施例によるリニア圧縮機の全体構成を示す断面図本発明のコイルばね手段を示す要部拡大断面図本発明の他の実施例によるリニア圧縮機の全体構成を示す断面図本発明の他のコイルばね手段を示す要部拡大断面図

符号の説明

１０シリンダ
１３圧縮室
２０ピストン
４０可動部
４１永久磁石
４２円筒保持部材
５０固定部
５１インナーヨーク
５２アウターヨーク
５３コイル
８０ヘッドカバー部
８５、８６引張コイルばね組み
９０支持機構部
１００密閉容器

Claims

密閉容器内に支持機構部によって支持されるシリンダと、前記シリンダと同一の軸心でその軸線方向に沿って可動自在に支持されるピストンと、前記ピストンに軸線方向の力を付与するばね部材と、可動部および前記可動部の往復経路を固定部とで形成したリニアモータ部とを備えたリニア圧縮機において、前記ばね部材に引張コイルばねを径方向に複数配置したことを特徴とするリニア圧縮機。
前記複数の引張コイルばね組みを前記リニアモータの両端部に配置し、前記可動部を前記両端部に配置した前記引張コイルばね組みに連結し、前記リニアモータの前記可動部を両端の引張コイルばねで支持したことを特徴とする請求項１記載のリニア圧縮機。
前記複数の引張コイルばねを径方向に放射状に配置し、前記複数の引張コイルばねの釣合い中心を前記リニアモータ及び前記ピストンの中心位置とほぼ一致させ、前記ピストンと前記リニアモータの前記可動部とを前記引張コイルばね組みに連結することで前記ピストン並びに前記可動部を往復可動に支持したことを特徴とする請求項１または２記載のリニア圧縮機。