JP2005264739A - オイルレスリニア圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】オイルレスリニア圧縮機に関し、効率及び信頼性を向上し、かつ振動の低減を図ることができる圧縮機を提供する。
【解決手段】シリンダ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、ピストン１０５をアルミ含浸カーボン材料によって形成することにより、ピストン１０５が自己潤滑性を備えることで摩擦係数が低くなり、効率および信頼性を向上することができ、またピストン１０５が軽量なため振動を低減することができるオイルレスリニア圧縮機を提供できる。
【選択図】図１

Description

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。

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）。

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。

図４は、従来のオイルレスリニア圧縮機の縦断面図である。図４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４と、シリンダ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。

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が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４内で軸方向の往復運動を繰り返す。

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。

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。

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（ＭｏＳ２）を塗布したものの記載がある（例えば特許文献２参照）。
特開２００２−１２２０７１号公報 特開２０００−２１８１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の内容では、ピストン５とシリンダ４の摺動部に配設したガスベアリング８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５とシリンダ４の隙間からの冷媒ガスの漏れ損失が多くなり、効率が低下するといった問題があった。

一方、特許文献２に記載の内容では、摺動部の母材に塗布している二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）が母材から剥離を生じた場合、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）の耐摩耗性向上の効果が得られず、母材が異常摩耗を起すといった問題があった。

また、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（ＭｏＳ２）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（ＭｏＳ２）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。

さらに、ピストン５摺動部の母材が鉄系の金属材料であった場合、質量が増えるため圧縮時のアンバランス量が大きくなるので振動が大きいといった問題もあった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、高効率、高信頼性、及び低振動のオイルレスリニア圧縮機を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明のオイルレスリニア圧縮機は、圧縮室を形成するシリンダと、シリンダ内を往復動するピストンとを備え、シリンダとピストンはガスベアリングを構成するとともに、ピストンをアルミ含浸カーボン材料によって形成したものであり、ピストンが自己潤滑性を備えることで耐摩耗性を向上させ、また、ピストンを軽量化することで往復振動によるアンバランス量を低減するという作用を有する。

本発明のオイルレスリニア圧縮機は、効率及び信頼性が向上し、振動の低いオイルレスリニア圧縮機を提供することができる。

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伸縮自在に連結するスプリングとを備え、前記シリンダと前記ピストンはガスベアリングを構成するとともに、前記ピストンをアルミ含浸カーボン材料によって形成したもので、アルミ含浸カーボン材料の基材となるカーボン材料が自己潤滑性を備え、摩擦係数が低いため摺動損失が減少し効率が向上し、また、摺動により摺動面が削れても自己潤滑性を確保できるため信頼性を向上することができる。さらに、鉄系の材料に比べ、比重の小さいアルミ含浸カーボン材料を用いることでピストンが半分以下の質量に軽量化され、ピストンの往復動によるアンバランス量が小さくなるため、振動を低減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に、さらに前記ピストンに固体潤滑剤を混入したもので、固体潤滑作用によって耐摩耗性が向上するため、請求項１の効果に加えてさらに信頼性の高いオイルレスリニア圧縮機を提供することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２の発明に、さらにシリンダは、鉄系の材料によって構成されることで、アルミ含浸カーボン材料と鉄系の鋳物の線膨張係数が近いため、温度の変化が発生してもシリンダとピストン間のクリアランスを一定に保てるので、漏れ損失の極端な増加やこじりを防ぐことができ、請求項１または２の効果に加えてさらに効率および信頼性の高いオイルレスリニア圧縮機を提供することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明に、さらに圧縮する冷媒がＲ６００ａとしたもので、冷媒特性の違いによりＲ１３４ａ冷媒に比べピストンの外径や振幅が大きくなっても、アルミ含浸カーボン材料を用いることで、アルミ含浸カーボン材料の基材となるカーボン材料が自己潤滑性を備え、摩擦係数が低いため摺動損失が減少し、また、摺動により摺動面が削れても自己潤滑性を確保できる。さらに、鉄系の材料に比べ、比重が小さいことからピストンが軽量化され、ピストンの往復動によるアンバランス量が小さくなるため、請求項１から３の発明の効果に加えて、ピストンの外径や振幅が大きく気筒容積が大きくなっても、効率及び信頼性が向上し、振動の低いオイルレスリニア圧縮機を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（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は同実施の形態のピストンの拡大図、図３はオイルレスリニアの振幅の特性図である。

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１０４と、シリンダ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。

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。

またシリンダ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。

そして、ピストン１０５は、アルミ含浸カーボン材料で形成され、前記ピストン１０５を形成するアルミ含浸カーボン材料は炭素質の基材１０５ａにアルミニウム系の材料１０５ｂを含浸させたものである。本実施の形態においては、炭素質の基材１０５ａにはグラフト化したコークスを用いてあり、予め金型に基材１０５ａを充填し、真空加圧成形によってアルミニウム系の材料１０５ｂであるアルミニウム−ケイ素合金を基材１０５ａに含浸させることでピストン１０５の素材を形成している。素材はピストン１０５の所定の形状寸法に機械加工され、ピストン１０５が完成する。

また線膨張係数を１．０×１０−５／Ｋ程度と、鉄系の材料とほぼ同じ値に調節してあるが、これは基材１０５ａとアルミ系の材料１０５ｂとの比率を変えることで細かい調節が可能である。また、基材１０５ａには予め二硫化モリブデンからなる固体潤滑剤を数パーセント混入している。

また、このオイルレスリニア圧縮機は温暖化係数の低い炭化水素系冷媒の代表的な冷媒であるＲ６００ａを使用する。Ｒ６００ａはＲ１３４ａに比べ密度が低く、Ｒ１３４ａと同等の冷凍能力をＲ６００ａで得るためには、ガスの状態で約２倍の体積の冷媒を循環させる必要がある。従って気筒容積を大きくする必要があり、その結果、ピストン１０５の外径や振幅は大きくなっている。

以上のように構成されたオイルレスリニア圧縮機において以下その動作を説明する。

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が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。

また、この時の運転周波数は、スプリング１０６ａおよび１０６ｂのばね定数と可動子１０３、マグネット１０２ｃ、及びピストン１０５の総質量によって決めることができる。例えば、スプリング１０６ａおよび１０６ｂのばね定数を一定にして、可動子１０３、マグネット１０２ｃ、及びピストン１０５の総質量を軽くすると運転周波数を上げることができ、逆に総重量を重くすると運転周波数を下げることができる。また、可動子１０３、マグネット１０２ｃ、及びピストン１０５の総質量を一定にして、スプリング１０６ａおよび１０６ｂのばね定数を大きくすると運転周波数を上げることができ、逆にばね定数を小さくすると運転周波数を下げることができる。

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。

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。

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１０４の摺動部は相互に接触しても、アルミ含侵カーボン材料の基材１０５ａであるグラフト化したコークスによって、自己潤滑性を備えており、また、数パーセント混入している二硫化モリブデンの固体潤滑作用よって、摺動部の摩擦係数が低くなり、摺動損失は低減され、耐摩耗性は飛躍的に向上する。

また、万が一摺動により摺動部の表面が削られるようなことがあっても、アルミ含侵カーボン材料の基材１０５ａであるグラフト化したコークスによって、自己潤滑性を確保することができるため、異常摩耗を起すことがなく、信頼性を向上することができる。

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１０４の隙間を経て密閉容器１０１内に漏出し、体積効率を下げることになる。また、他の一部は吸入期などの圧縮室１０８内圧力がピストン１０５とシリンダ１０４の隙間内圧力より低い時に、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、アルミ含侵カーボン材の基材１０５ａであるグラフト化したコークスによって、自己潤滑性を備えており、また、数パーセント混入している二硫化モリブデンの固体潤滑作用によってシリンダ１０４とピストン１０５との多少の接触が許容されるため、設計上のクリアランスを小さく設定できるために、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。

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では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は溝の長さを長くすることが有効である。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。

また、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。前記ピストン１０５の往復運動の反作用として、不平衡の振動エネルギーが発生し、アンバランス量として圧縮機構１０１ａとリニアモータ１０２に加わり、サスペンションスプリング１０７を介して密閉容器１０１の振動を引き起こす。このアンバランス量の大きさは、可動子１０３、マグネット１０２ｃ、及びピストン１０５の総質量と加速度の積に等しい。

ところが、本実施の形態のピストン１０５はアルミ含浸カーボン材料で形成されており、鉄の比重７．９に比べ２．２前後と、１／３以下であり、ピストン１０５の軽量化が可能である。

この結果、ピストンに鉄系の材料を用いた場合に比べてピストン１０５の質量を１／３以下に軽量化することができ、往復運動によるアンバランス量も１／３以下に低下する。

図３は、運転周波数を変化させたときの振動特性の測定値で、横軸は運転周波数、縦軸は密閉容器１０１のピストン往復方向の振幅を示している。また、三角印で示す従来のオイルレスリニア圧縮機は鉄製のピストンを用いており、丸印で示す本発明によるオイルレスリニア圧縮機のピストン１０５はアルミ含浸カーボン材料を用いており、ともにＲ６００ａ用の同一諸元であるが、ピストン質量を変化させているために同一運転周波数で測定を行うために、スプリング１０６ａおよび１０６ｂのばね定数の調整をしている。

図３の結果から、本発明によるオイルレスリニア圧縮機の振動は従来に比べ低減していることがわかる。

また、このように本実施の形態のオイルレスリニア圧縮機を、鉄製のピストンを用いた従来のオイルレスリニア圧縮機と同一運転周波数で運転させる場合は、ピストン１０５の質量が鉄製のものに比べて１／３以下に軽量化されているため、前記スプリング１０６ａおよび１０６ｂのばね定数を小さくすることができる。ばね定数を小さくすると、ばね応力が低下するためばね損失が低減され、効率を向上させることができる。

一方、オイルレス仕様の冷媒圧縮機のピストンやシリンダは、使用環境によって１００Ｋ近い温度変化が生ずることがある。この際、ピストンとシリンダの相互の材料の線膨張係数が異なると、ピストンとシリンダの間のクリアランスが変化する。通常、ピストンとシリンダの間のクリアランスは漏れ損失を最小限に抑えるため、室温下での組立時に１０μｍ前後に設定されている。

ここで、ピストンに用いられる軽量材料として、例えばアルミニウム系材料を用いた場合、その線膨張係数は２．４×１０−５／Ｋ程度であるのに対して、鉄系材料の線膨張係数は１．２×１０−５／Ｋ程度と、大きく乖離している。このため、上記したような軽量材料を用いる場合、通常、ピストンとシリンダの間のクリアランスは高温時にクリアランスが詰まってゼロに近づかない程度の寸法を確保した上で、低温時のシール性を維持するためにピストンリング等のシール機能を別途付加する必要があるが、ピストンリングは一般に高価である。また、ピストンリングはシール幅が狭いので、漏れ損失は増加してしまう。

しかしながら本実施の形態のアルミ含浸カーボン材料の線膨張係数は、鉄系材料の線膨張係数に近い０．７から１．０×１０−５／Ｋ程度であり、その結果冷媒圧縮機の使用環境によって温度変化が生じてもピストン１０５とシリンダ１０４の間のクリアランスはあまり変化しないので、ピストンリング等のシール機能は不要である。更に本実施の形態ではピストン１０５の線膨張係数をシリンダ１０４に近い１．０×１０−５／Ｋ程度に調整したものを用いているため、ピストン１０５、シリンダ１０４が例えば８０℃といった温度になっても、室温で設定したクリアランスに近い値を維持することができるため、極めて低い漏れ損失を実現できる。

さらにアルミ含浸カーボン材料の基材１０５ａであるグラフト化したコークスによって、自己潤滑性を備えているため、摺動性が良く、ねずみ鋳鉄製のシリンダ１０４との相性は非常に良好である。

その結果、安定したクリアランスの維持とも相まって、信頼性を向上することができる。

なお、既に説明したように冷媒にＲ６００ａを用いた場合、Ｒ１３４ａに比べて、ピストン１０５の外径や振幅が大きくなるので、ピストン１０５の摺動面積が大きくなる。また、ピストン１０５の質量が大きくなり、ピストン１０５の往復運動の反作用として作用するアンバランス量も大きくなり、振動が大きくなりやすい。

しかしながら、アルミ含浸カーボン材料のピストン１０５を用いることで、アルミ含浸カーボン材料の基材１０５ａであるグラフト化したコークスによって、自己潤滑性を備えているので、摩擦係数が低いため摺動損失が減少し、また、摺動により摺動面が削れても自己潤滑性を確保できる。さらに、鉄系の材料に比べ、比重の小さいことからピストン１０５が軽量化され、ピストン１０５の往復動によるアンバランス量が小さくなるため、冷媒にＲ６００ａを用いた場合でも、効率及び信頼性が向上し、振動を低減することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、自己潤滑性を備え、かつ軽量なピストン１０５を用いることで、高効率、高信頼性、及び低振動のオイルレスリニア圧縮機を実現することができる。

以上のように、本発明にかかるオイルレスリニア圧縮機は、効率及び信頼性が向上し、振動を低減することが可能となるので、冷凍ショーケース、除湿機エアーコンディショナーや自動販売機などに用いられる密閉型圧縮機等の用途にも適用できる。

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 同実施の形態のピストンの拡大図 同実施の形態のオイルレスリニア圧縮機の振幅の特性図 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
１０５ ピストン
１０６ａ，１０６ｂ スプリング
１０８ 圧縮室
１０９ ガスベアリング

Claims (4)

1. 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伸縮自在に連結するスプリングとを備え、前記シリンダと前記ピストンはガスベアリングを構成するとともに、前記ピストンをアルミ含浸カーボン材料によって形成したオイルレスリニア圧縮機。
2. 前記ピストンに固体潤滑材を混入した請求項１記載のオイルレスリニア圧縮機。
3. シリンダは、鉄系の材料によって構成される請求項１または２に記載のオイルレスリニア圧縮機。
4. 圧縮する冷媒がＲ６００ａである請求項１から３のいずれか１項に記載のオイルレスリニア圧縮機。

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