JP2005188368A - リニア圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 リニア圧縮機（1）の駆動構造を簡素化してコスト低減を図るとともに、運転時の振動や騒音も抑える。
【解決手段】 リニア圧縮機（1）の駆動源として、高分子アクチュエータ（40）など、外部入力によって形状が変化する変形部材（40）を用いる。特に、変形部材（40）の一端をシリンダ（10）に、他端をピストン（20）に連結し、変形部材（40）がシリンダ（10）の軸線方向に伸縮する構造とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリンダ内でピストンが往復動作をすることによりガスの吸入、圧縮、吐出を行うリニア圧縮機に関するものである。

従来より、リニア圧縮機は、ケーシング内に、シリンダと、シリンダ内で往復動作をするピストンと、ピストンを駆動する駆動機構とを備えている。この駆動機構として、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されたリニア圧縮機では、ピストン側に固定された可動子（永久磁石）と、ケーシング側に設けられた固定子（コイル）とからなるリニアモータを備えている。
特開２０００−２２７０６９号公報 特開２００１−２２１１５９号公報

しかし、リニアモータを駆動源とするリニア圧縮機では、固定子や可動子の構造が複雑であるため、生産コストが高いという問題があった。また、圧縮機の運転中に、コイルへの通電によって固定子が一定周期で微細な変形を繰り返し、この変形に起因して振動（以下、電磁振動という）が生じてしまう。そして、この電磁振動がケーシングに伝達されることで該ケーシングが振動し、それに伴って騒音が生じることもあった。

本発明は、このような問題点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、リニア圧縮機の駆動構造を簡素化してコスト低減を図るとともに、運転時の振動や騒音も抑えることである。

本発明は、リニア圧縮機（1）の駆動源として、高分子アクチュエータ（40）など、外部入力によって形状が変化する変形部材（40）を用いるようにしたものである。

第１の発明は、シリンダ（10）と、シリンダ（10）内で往復動作をするピストン（20）と、ピストン（20）を駆動する駆動機構（30）とを備えたリニア圧縮機（1）を前提としている。そして、このリニア圧縮機（1）は、上記駆動機構（30）が、外部入力によって形状が変化する変形部材（40）を備えていることを特徴としている。

この第１の発明では、ピストン（20）は、変形部材（40）に外部入力を与え、その形状が変化をすることによってシリンダ（10）内で往復動作をする。そして、ピストン（20）の往復動作に伴ってシリンダ（10）内の容積が変動し、ガスの吸入、圧縮、及び吐出が行われる。

第２の発明は、第１の発明のリニア圧縮機（1）において、変形部材（40）の一端がシリンダ（10）に固定されるとともにその他端がピストン（20）に固定され、該変形部材（40）が、外部入力によってシリンダ（10）の軸線方向へ伸縮するように構成されていることを特徴としている。

この第２の発明では、変形部材（40）が伸縮することにより、ピストン（20）がシリンダ（10）内で変位し、シリンダ（10）内の容積が変動する。これにより、ガスの吸入、圧縮、及び吐出が行われる。

第３の発明は、第１または第２の発明のリニア圧縮機（1）において、変形部材（40）が高分子アクチュエータ（40）で構成されていることを特徴としている。

この第３の発明では、変形部材（40）としての高分子アクチュエータ（40）への電圧の印加状態を制御することにより、シリンダ（10）内でのピストン（20）の往復動作を簡単且つ確実に行える。

第４の発明は、第１から第３のいずれか１の発明のリニア圧縮機において、変形部材（40）の変形量を外部入力で制御することにより、運転容量を可変にするように構成されていることを特徴としている。

この第４の発明では、例えば高分子アクチュエータ（40）の伸縮量を電気信号で制御することにより、単位時間あたりの吸込容積を変化させることができるので、リニア圧縮機（1）の運転容量を可変にすることができる。

第５の発明は、第１から第４のいずれか１の発明のリニア圧縮機において、変形部材（40）が変形する振動数を外部入力で制御することにより、運転容量を可変にするように構成されていることを特徴としている。

この第５の発明では、例えば高分子アクチュエータ（40）が伸縮する振動数を電気信号で制御することにより、単位時間あたりの吸込容積を変化させることができるので、リニア圧縮機（1）の運転容量を可変にすることができる。

上記第１の発明によれば、外部入力によって形状が変化する変形部材（40）を用いてピストン（20）を駆動するようにしているので、リニア圧縮機（1）の駆動機構（30）の構成を簡単にすることができる。したがって、生産コストを低減することができる。また、可動子に永久磁石を用い、固定子にコイルを用いたリニアモータを駆動源にしたものとは違って振動が少ないため、騒音も抑えられる。そのうえ、モータを使わないので発熱量が少ないため、吸入ガスの過熱を防止でき、圧縮機（1）の効率も向上する。

上記第２の発明によれば、変形部材（40）の伸縮を利用してピストン（20）をシリンダ（10）内で往復動作させており、シリンダ（10）内の容積の変動によりガスの吸入、圧縮、及び吐出を行うようにしている。このことにより、変形部材（40）の極めて単純な動作でリニア圧縮機（1）の機能を実現できる。

上記第３の発明によれば、変形部材（40）として高分子アクチュエータ（40）を用いているので、該高分子アクチュエータ（40）への電圧印加を制御することにより、シリンダ（10）内でのピストン（20）の往復動作を簡単且つ確実に行える。また、駆動機構（30）の構成も簡単にすることができる。

上記第４の発明によれば、変形部材（40）の変形量を外部入力で制御するだけで、簡単に可変運転容量を実現できる。

また、上記第５の発明によれば、変形部材（40）が変形する振動数を外部入力で制御するだけで、簡単に可変運転容量を実現できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２は、この実施形態に係るリニア圧縮機（1）の断面構造図であり、図１は吸入行程を、図２は圧縮／吐出行程を示している。

このリニア圧縮機（1）は、図示しないケーシング内に、円筒形のシリンダ（10）と、シリンダ（10）内で往復動作をするピストン（20）と、ピストン（20）を駆動する駆動機構（30）とを備えている。シリンダ（10）は、円筒状の周壁（11）と、該周壁（11）の上縁部に連接した上壁板（12）と、該周壁（11）の下縁に固定された底壁板（13）とから構成されている。上壁板（12）には、冷媒などの低圧ガスを吸入する吸入孔（14）と、圧縮した高圧ガスを吐出する吐出孔（15）とが形成されている。また、吸入孔（14）には吸入弁（16）が設けられ、吐出孔（15）には吐出弁（17）が設けられている。

上記ピストン（20）は、シリンダ（10）の内径よりも僅かに小径の円筒型ブロック部材であり、その外周面には、シリンダ（10）の内周面と摺接する２本のピストンリング（21）が装着されている。

上記駆動機構（30）は、外部入力（電圧）によって形状が変化する変形部材（40）としての高分子アクチュエータ（40）を備えている。この高分子アクチュエータ（40）は、図の下端部（一端）がシリンダ（10）の底壁板（13）に連結され、上端部（他端）がピストン（20）に連結されている。

上記高分子アクチュエータ（40）は、導電性高分子素子からなる導電性高分子アクチュエータ（40）である。上記高分子アクチュエータ（40）は、電圧印加によって伸縮変形する性状を有している。上記高分子アクチュエータ（40）は、図３において、例えば、「ポリアニリン」等の高分子材（41）と電解液（42）とが接触して配置されるとともに、上記高分子材（41）の外側に電極（43）が設けられ、上記電解液（42）の外側に電極（44）が設けられたものである。なお、上記電極（43，44）の外側は、樹脂膜等によって保護被覆が施されている。上記各電極（43，44）は、切換スイッチ（45）を介して直流電源（46）が接続されている。

上記高分子アクチュエータ（40）は、切換スイッチ（45）の操作によって各電極（43，44）の極性を適宜変更することで伸縮変形する。具体的には、上記電極（43）を「陽極」に、上記電極（44）を「陰極」に設定すると、上記電解液（42）内の「陰イオン」が上記高分子材（41）に取り込まれ、該高分子材（41）が膨潤となり、結果的に伸長変形する。逆に、上記電極（43）を「陰極」に、上記電極（44）を「陽極」に設定すると、上記高分子材（41）に取り込まれていた「陰イオン」が上記電解液（42）内へ放出され、上記高分子材（41）が収縮する。このように電圧印加の極性を変更することによって、上記高分子アクチュエータ（40）は伸長または収縮する。そして、上記高分子アクチュエータ（40）の伸縮方向は、ピストン（20）の往復動作方向（シリンダ（10）の軸線方向）に一致している。

−運転動作−
次に、このリニア圧縮機（1）の運転動作について説明する。

このリニア圧縮機（1）において、高分子アクチュエータ（40）に電圧を印加し、各電極（43，44）の極性を適宜変更すると、高分子アクチュエータ（40）がシリンダ（10）の軸線方向に伸縮し、ピストン（20）がシリンダ（10）内で往復動作をする。

したがって、高分子アクチュエータ（40）が収縮していく吸入行程（図１）では、シリンダ（10）内の容積が拡大するのに伴って吸入弁（16）が開き、冷媒などのガスがシリンダ（10）内に吸入される。一方、高分子アクチュエータ（40）の収縮動作が終わると、該高分子アクチュエータ（40）の変形方向が反転して伸長動作が始まり、圧縮／吐出行程が行われる（図２）。そして、圧縮／吐出行程においてガスが圧縮されて、シリンダ（10）の内部空間と外部空間との圧力差が所定値以上に大きくなると、吐出弁（17）が開き、圧縮された高圧のガスがシリンダ（10）から吐出される。

以上のようにして高分子アクチュエータ（40）は収縮と伸長を繰り返す。このことにより、このリニア圧縮機（1）では、吸入行程、圧縮行程、及び吐出行程が繰り返し実行される。

その際、例えば高分子アクチュエータ（40）の伸縮量を電気信号で制御したり、高分子アクチュエータ（40）が伸縮する振動数を電気信号で制御したりすると、リニア圧縮機（1）の運転容量を制御することができる。つまり、以上のような制御を行う容量可変制御手段を設けることで、単位時間あたりの吸込容積を変化させ、リニア圧縮機（1）を可変容量型の圧縮機として用いることが容易に可能となる。

−実施形態の効果−
この実施形態によれば、外部入力によって形状が変化する変形部材（40）を用いてピストン（20）を駆動するようにしているので、リニア圧縮機（1）の駆動機構（30）の構成を簡単にすることができ、生産コストを低減することができる。また、可動子に永久磁石を用い、可動子にコイルを用いたリニアモータを駆動源にしたものとは違って電磁振動が起こらず、騒音も抑えられる。そのうえ、モータを使わないので発熱量が少ないため、吸入ガスの過熱を防止でき、圧縮機（1）の効率も向上する。

さらに、変形部材（40）の伸縮を利用してピストン（20）をシリンダ（10）内で往復動作させ、シリンダ（10）内の容積の変動によりガスの吸入、圧縮、及び吐出を行うようにしているので、変形部材（40）の極めて単純な動作でリニア圧縮機（1）の機能を実現できる。

また、高分子アクチュエータ（40）への電圧印加を制御することにより、シリンダ（10）内でのピストン（20）の往復動作を簡単且つ確実に行えるうえ、駆動機構（30）の構成も極めて簡単にすることができる。

さらに、高分子アクチュエータ（40）の伸縮量を電気信号で制御したり、高分子アクチュエータ（40）が伸縮する振動数を電気信号で制御したりすることにより、リニア圧縮機（1）の運転容量を制御することも容易に可能となる。

《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

例えば、高分子アクチュエータ（40）として、伸縮するものではなく湾曲するものを用い、これをシリンダ（10）内に配設してピストン（20）の往復動作を行うようにしてもよい。この場合、高分子アクチュエータ（40）の湾曲方向をピストン（20）の往復方向と一致させるとよい。

この場合の高分子アクチュエータ（40）は、イオン伝導アクチュエータで構成される。この高分子アクチュエータ（40）は、電圧印加によって撓曲変形する性状を備えている。図４（Ａ）に示すように、上記高分子アクチュエータ（40）は、含水高分子電解質（48）の両面にそれぞれ電極（43，44）を取り付けて構成される。なお、上記電極（43，44）は、外側を樹脂膜等によって保護被覆が施されている。上記両電極（43，44）は、切換スイッチ（45）を介して直流電源（46）が接続されている。上記高分子アクチュエータ（40）は、切換スイッチ（45）の操作によって電極（43，44）の極性を適宜変更することにより、撓曲変形する。

具体的には、図４（Ｂ）に示すように、上記電極（43）を「陽極」に、上記電極（44）を「陰極」に設定すると、含水高分子電解質（48）内の「陽イオン」が水を伴って「陰極」側へ移動し、含水量が「陰極」側に偏在し、「陰極」側と「陽極」側との間に膨潤差が生じて上記高分子アクチュエータ（40）が「陰極」側、即ち、上記電極（44）側へ凸に撓曲変形する。逆に、図４（Ｃ）に示すように、上記電極（43）を「陰極」に、上記電極（44）を「陽極」に設定すると、含水高分子電解質（48）内の「陽イオン」が水を伴って「陰極」側へ移動し、上記高分子アクチュエータ（40）が「陰極」側、即ち、上記電極（43）側へ凸に撓曲変形する。このように電圧印加の極性を変更することで上記高分子アクチュエータ（40）が撓曲変形する。

このように電圧印加によって湾曲する高分子アクチュエータ（40）を用いた場合のリニア圧縮機（1）の具体構造については図示していないが、この場合でもピストン（20）をシリンダ（10）内で往復動作させることで上記各実施形態と同様の作用、効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明は、シリンダ（10）内でピストン（20）が往復動作をするリニア圧縮機（1）について有用である。

本発明の実施形態に係るリニア圧縮機の吸入行程の断面構造図である。 本発明の実施形態に係るリニア圧縮機の圧縮／吐出行程の断面構造図である。 高分子アクチュエータの断面構造図である。 高分子アクチュエータの変形例を示す断面構造図である。

符号の説明

（1） リニア圧縮機
（10） シリンダ
（20） ピストン
（30） 駆動機構
（40） 高分子アクチュエータ（変形部材）

Claims (5)

1. シリンダ（10）と、シリンダ（10）内で往復動作をするピストン（20）と、ピストン（20）を駆動する駆動機構（30）とを備えたリニア圧縮機であって、
   上記駆動機構（30）は、外部入力によって形状が変化する変形部材（40）を備えていることを特徴とするリニア圧縮機。
2. 請求項１に記載のリニア圧縮機において、
   変形部材（40）の一端がシリンダ（10）に固定されるとともにその他端がピストン（20）に固定され、
   該変形部材（40）は外部入力によってシリンダ（10）の軸線方向へ伸縮するように構成されていることを特徴とするリニア圧縮機。
3. 請求項１または２に記載のリニア圧縮機において、
   変形部材（40）が高分子アクチュエータ（40）で構成されていることを特徴とするリニア圧縮機。
4. 請求項１から３のいずれか１に記載のリニア圧縮機において、
   変形部材（40）の変形量を外部入力で制御することにより、運転容量を可変にするように構成されていることを特徴とするリニア圧縮機。
5. 請求項１から３のいずれか１に記載のリニア圧縮機において、
   変形部材（40）が変形する振動数を外部入力で制御することにより、運転容量を可変にするように構成されていることを特徴とするリニア圧縮機。
   

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