JP2005264742A - リニア圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】リニア圧縮機のリニアモータを吸入した冷媒で冷却することにより、モータ損失を低減し、高い効率のリニア圧縮機を提供する。
【解決手段】密閉容器１内に固定子１２と可動子１３からなるリニアモータ２と、リニアモータ２に連設された圧縮要素１０１と、バネ３と、密閉容器１に設けた吸入管１１６と、吸入ガス拡散機構１１７とを備え、吸入管１１６をリニアモータ２側に設け、かつ、吸入バルブ１０６に連通する吸入口１０８を反リニアモータ２側に設けることにより、リニアモータ２を密閉容器１内に吸入した温度の低い冷媒で冷却することで、コイル１４の巻線抵抗を低減しリニアモータ２の損失が低減することができるので、効率の高いリニア圧縮機とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍冷蔵装置や空調機などに用いられるリニア圧縮機に関するものである。

従来、この種のリニア圧縮機は、効率が高く、高い信頼性を確保することを目的として、シール部材によりピストンとシリンダ間の冷媒ガスが漏れることを低減したものがある（例えば、特許文献１参照）。また、流体ベアリングによって、シリンダ内で往復運動するピストンとシリンダとの接触や摩耗を最小限に低減するものがある（例えば、特許文献２参照）。

以下、図面を参照しながら上記従来のリニア圧縮機を説明する。

図２は、特許文献１に記載された従来のリニア圧縮機の断面図である。図２において、リニアモータ２と板バネ３によって駆動される圧縮要素４と、リニアモータ２とを支持機構部５により密閉容器１内に支持している。

圧縮要素４は、シリンダ、シリンダ６内を往復するピストン７、ピストン７に連結された連結機構部８、弁板９を挟んでシリンダ６に固定されるヘッドカバー部１０等で構成され、シリンダ６とピストン７と弁板９により圧縮室１１を形成している。また、連結機構部８は細長なロッド形状しており、ピストン７を板バネ３の中央部に連結固定している。

また、リニアモータ２は固定子１２と可動子１３とからなる。そして、固定子１２の内側の凹部には、銅線のコイル１４が円周方向に巻かれており、外部電源（図示せず）と接続されている。固定子１２はシリンダ６に固定されており、板バネ３の外周部が固定子１２の外周部の内径側に固定されている。

そして、可動子１３は、固定子１２と均等で微小な隙間を設けて、可動子１３の内周部で連結機構部８に固定されるとともに、固定子１２のコイル１４と対向する部分に永久磁石１５が固定されている。

また、ピストン７は、圧縮室１１側の先端部に凹形状溝１７を形成し、シール部材１８を凹形状溝１７に配設している。そして、シール部材１８の外径はピストン７の外径よりごくわずかに大きくなっており、そのためシール部材１８の外径はシリンダ６の内壁面に押圧されている。

以上のように構成されたリニア圧縮機について、以下その動作を説明する。

電流がコイル１４に通電されると、コイル１４は磁界を発生する。コイル１４が発生した磁界と永久磁石１５の磁界の磁極が同じ場合は反発力が発生、異なった場合には吸引力が発生する。そのため、交流電流を通電することによりコイル１４に交番磁界を発生させることで、永久磁石１５が固定された可動子１３は交流電流の周波数と同期した周波数で往復運動する。そして、この可動子１３の往復運動は、連結機構部８を通じてピストン７に伝達され、ピストン７はシリンダ６内を往復運動する。

ピストン７が弁板９から離れる吸入行程時には、圧縮室１１内の冷媒の圧力は低下するため、密閉容器１内の冷媒がヘッドカバー部１０に内蔵された吸入室（図示せず）を介して、弁板９に取り付けられた吸入バルブ（図示せず）が開いて圧縮室１１に流入する。

また、ピストン７が弁板９に近付く圧縮行程時には、吸入バルブは閉じて弁板９に取り付けられた吐出バルブ（図示せず）が開いて、ヘッドカバー部１０に内蔵された吐出室（図示せず）と吐出管（図示せず）を介して密閉容器１の外に排出され、冷媒圧縮を行う。

板バネ３は、この可動子１３の往復運動に伴い、反発力の蓄積と放出を繰り返すため、コイル１４が可動子１３を往復運動させるのに必要な力を少なくすることができ、共振を利用した効率のよい往復運動を行うことができる。

この圧縮行程において、高圧縮室１１内の高圧の冷媒がシリンダ６とピストン７の隙間から可動子１３側に漏れることを、シール部材１８によって防止している。

図３は、特許文献２に記載された従来のリニア圧縮機の断面図である。なお、特許文献１に記載された従来のリニア圧縮機と同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図３において、リニアモータ２２は、内部ループ部材１９と外部ループ部材２０からなる固定子と、電導性の場コイル２８を有する可動子２１とから構成される。内部ループ部材１９はハウジング３０と一体成型されたシリンダ６の外周に固定されており、外部ループ部材２０はハウジング３０に固定されている。

また、外部ループ部材２０は導電性ワイヤ２３を有している。

可動子２１は支持構造２４に連結されており、内部ループ部材１９と外部ループ部材２０に隙間を設けて固定されている。さらに可動子２１は、剛性横断部材２５を介して、軸方向に剛性で径方向に撓性の連結機構部８に固定されている。

圧縮室１１は、ハウジング３０とシリンダ６とピストン７により形成されている。そして、シリンダ６の内部には、一端が圧縮室１１と連通し、他端がシリンダ６とピストン７の隙間に開口するパッセージ２６に連通するとともに、一方向バルブ２７を備える空間２９が設けてある。

以上のように構成されたリニア圧縮機について、以下その動作を説明する。

電流が可動子２１の場コイル２８に通電されて発生する磁界と導電性ワイヤ２３の相互作用により、可動子２１が往復運動する。この往復運動は、支持構造２４と剛性横断部材２５と連結機構部８を通じてピストン７に伝達されることにより、ピストン７がシリンダ６の軸方向に往復運動して冷媒を圧縮する。

そして、圧縮行程時において、高圧となった冷媒は一方向バルブ２７を開いてパッセージ２６の開口部からシリンダ６とピストン７の隙間に流入する。連結機構部８がピストン７に作用する径方向の力を低減し、パッセージ２６の開口部からシリンダ６とピストン７の隙間に流入する冷媒がピストン７の往復動軸をシリンダ６の往復動軸に戻すように働くため、シリンダ６とピストン７の接触及び摩耗を最小限に低減している。
特開２００３−９７４２６号公報 特表平９−５１０５３４号公報

しかしながら、上記従来の構成では、リニアモータ２のコイル１４や導電性ワイヤ２３に電流が流れることでジュール熱が発生し、コイル１４や導電性ワイヤ２３の温度が上昇し、コイル１４や導電性ワイヤ２３の抵抗値が増加する。そして、抵抗値が増加することでさらにジュール熱が増えてコイル１４や導電性ワイヤ２３の抵抗値が増加するという悪循環により、モータ損失が増加する。そのモータ損失の増加によりリニア圧縮機の入力が増大し、効率が低下するという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、効率の高い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、本発明のリニア圧縮機は、密閉容器内に開口した吸入管を密閉容器のリニアモータ側に設けたもので、密閉容器の外から導かれた温度の低い冷媒によってリニアモータを冷却することでリニアモータのコイルや導電性ワイヤの巻線抵抗が減少し、リニアモータの損失を低減することができるという作用を有する。

本発明のリニア圧縮機は、密閉容器内に開口した吸入管を密閉容器のリニアモータ側に設けることで、モータ損失を低減し、効率の高い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、前記リニアモータに連設された圧縮要素とを備え、前記圧縮要素は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バネと、前記シリンダの開口端に配設された吸入バルブおよび吐出バルブと、前記吸入バルブに連通するとともに前記密閉容器内に開口する吸入口を設けた吸入室とを備え、前記密閉容器内に開口する吸入管を前記密閉容器のリニアモータ側に設けたもので、密閉容器の外から導かれた温度の低い冷媒によってリニアモータを冷却することでリニアモータのコイルや導電性ワイヤの巻線抵抗が減少し、リニアモータの損失を低減することができ、効率の高いリニア圧縮機を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、吸入口を圧縮要素の反リニアモータ側に設けたもので、密閉容器の外から導かれた温度の低い冷媒が、密閉容器内で加熱されないうちにリニアモータ冷却するためリニアモータの冷却効果が高いため、請求項１に記載の発明の効果に加えて、さらに、モータ損失を低減し、効率の高い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から２に記載の発明において、吸入管の密閉容器内の開口近傍に吸入ガス拡散機能を設けたもので、密閉容器の外から導かれた温度の低い冷媒が吸入ガス拡散機能によって密閉容器内に拡散されることで、リニアモータをより均等に冷却できるため、請求項１および２に記載の発明の効果に加えて、さらに、モータ損失を低減し、効率の高い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に記載の発明において、ピストンのストローク変化により冷凍能力を変化させるもので、ストロークが大きく冷凍能力が大きい運転に際に、電流が増加してジュール熱が増加し、そのジュール熱によりリニアモータの発熱量が増加した場合においても、リニアモータを冷却することができるため、請求項１から３に記載の発明の効果に加えて、冷凍能力を変化させた運転を行ってもリニアモータの温度上昇を抑えることができ、モータ損失を低減することで、効率の高いリニア圧縮機を提供することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４に記載の発明において、シリンダとピストンの間に高圧サイドと連通する流体ベアリングを形成するとともに潤滑油を用いないオイルレスとしたもので、潤滑油によるリニアモータの冷却効果がないにもかかわらず、密閉容器の外から導かれた温度の低い冷媒でリニアモータを冷却し温度上昇を抑えることができるため、請求項１から４に記載の発明の効果に加えて、潤滑油によるリニアモータの冷却効果がないオイルレスにおいても、モータ損失を低減することで、効率の高い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。また従来と同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

（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図である。

図１において、リニアモータ２と板バネ３によって駆動される圧縮要素１０１と、リニアモータ２とを支持機構部５により密閉容器１内に支持している。

圧縮要素１０１は、シリンダ１０２、シリンダ１０２内を往復するピストン７、ピストン７に連結された連結機構部８、弁板１０３を挟んでシリンダ１０２に固定されるヘッドカバー部１０４などで構成され、シリンダ１０２とピストン７と弁板１０３で圧縮室１０５を形成している。

弁板１０３には、圧縮室１０５内に薄く細長く曲げ性のある吸入バルブ１０６と、ヘッドカバー部１０４側に薄く細長く曲げ性のある吐出バルブ１０７が、それぞれ一端をリベットピンでかしめにより支持されている。

ヘッドカバー部１０４は、弁板１０３にまたがって形成され、吸入室１０９と吐出室１１０を有している。吸入室１０９は、密閉容器１内の反リニアモータ２側に吸入口１０８にて開口し、吸入バルブ１０６に連通する。また、高圧サイドの一つである吐出室１１０は、密閉容器１側に開口し吐出バルブ１０７に連通する。

吐出室１１０の密閉容器１内への開口部には、ピストン７の往復運動による振動を密閉容器１にできるだけ伝達させないために蛇腹を中央付近に形成した吐出管１１１が固定される。

吐出室１１０は、高圧ガス連通管１１３が枝分かれしてシリンダ１０２に設けられた高圧ガス室１１２に連通する。その高圧ガス室１１２はパッセージ１１４を介してシリンダ１０２とピストン７の隙間に開口し、パッセージ１１４はピストン７の往復方向に２列に、かつ、円周方向に均等に各列４つ配置されている。そして、高圧ガス室１１２と高圧ガス連通管１１３とパッセージ１１４により流体ベアリング１１５は構成されている。

密閉容器１は、冷媒を密閉容器１の外から吸入する吸入管１１６を備えており、吸入管１１６は反圧縮要素１０１側のリニアモータ２側に設けられている。そして、吸入管１１６の密閉容器１内の開口部には、吸入ガス拡散機能１１７が固着されており、吸入ガス拡散機能１１７は薄板をドーム形状にして均等に複数の孔を明けた形状をしている。

以上のように構成されたリニア圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。

ピストン７がヘッドカバー部１０４から離れる吸入行程において、冷媒は吸入管１１６を通り吸入ガス拡散機能１１７に明けられた複数の孔から密閉容器１内に流入するため、密閉容器１内に複数の方向に拡散される。拡散された冷媒は、圧縮要素１０１の反リニアモータ２側に設けられている吸入口１０８から吸入室１０９を介して圧縮室１０５へ吸入されるため、冷媒の流れが密閉容器１内で偏ることなく、リニアモータ２の回りを通って均一に冷却しながら吸入口１０８へと向かう。

リニアモータ２のコイル１４の発熱は、固定子１２の内側に位置する略円筒形状部分から円盤形状部分を介して、冷却された固定子１２の外側に位置する略円筒形状部分に熱伝導することで冷却されるため、コイル１４の温度上昇を低減でき、巻線抵抗が下がり、モータ損失を低減することができる。従って、モ効率が高いリニア圧縮機を提供することができる。

なお、吸入管１１６の密閉容器１内の開口部には、吸入ガス拡散機能１１７が固着されているため、吸入ガス拡散機能１１７がない場合と比べて、より一層密閉容器１内に拡散され、より均一にリニアモータ２を冷却することができる。

また、コイル１４と永久磁石１５の間に発生する吸引力と反発力はコイル１４に流れる電流の大きさに比例するため、可動子１３に加えられる力も電流の大きさに比例する。そのため、電源（図示せず）の電流の大きさを変化させることでピストン７が往復運動のストロークを変化させることができる。そして、ピストン７のストロークを小さくすると、トップクリアランスが大きくなり、圧縮室１０５に吸入することができる冷媒量が減るため、冷凍能力が低下する。

逆に、ピストン７のストロークを大きくすると、トップクリアランスが小さく、圧縮室１０５に吸入することができる冷媒量が増え、冷凍能力が増大する。

以上のように、冷凍サイクル（図示せず）で必要とする冷凍能力に応じてリニア圧縮機の冷凍能力を可変することで、省エネ運転を行うことができる。

しかしながら、リニアモータに流れる電流を多くして、ピストン７のストロークを大きくして冷凍能力を大きくした際には、電流を多く流すためにより多くのジュール熱を発生する。このジュール熱も、吸入口１０８から吸入された冷媒が密閉容器１内で偏ることなく流れ、リニアモータ２の回りを通って均一に冷却するため、コイル１４の温度上昇を低減でき、巻線抵抗が下がり、モータ損失を低減することができる。

また、圧縮行程にて圧縮室１０５で圧縮され高圧ガス室１１２に送られた冷媒は、パッセージ１１４からシリンダ１０２とピストン７の隙間に放出され、流体ベアリング１１５を構成している。そして、潤滑油があるとパッセージ１１４が詰まり冷媒を放出することができなくなるため、潤滑油を用いないオイルレスとなっている。

この流体ベアリング１１５について説明する。なお、流体ベアリング１１５の効果については、背景技術で説明済みであるので省略する。

ピストン７には板バネ３の往復運動にて生じるこじりやリニアモータ２のコイル１４と永久磁石１５の隙間の不均一さなどから生じるピストン７の径方向の力が働く。その力によってピストン７の外周面がシリンダ１０２内壁面に近付いた時には、パッセージ１１４からの冷媒の流量に変化が起こり、近付いた側のパッセージ１１４の圧力が反対側のパッセージ１１４の圧力より高くなり、ピストン７をシリンダ１０２の中心に戻す力がピストン７に働く。そのため、ピストン７とシリンダ１０２が接触することを防止することができる。

このオイルレスの運転において、潤滑油の一つの役割であったリニアモータ２などの冷却効果がなくなるものの、それに代わって吸入口１０８から吸入された冷媒が密閉容器１内で偏ることなく流れ、リニアモータ２の回りを通って均一に冷却するため、コイル１４の温度上昇を低減でき、巻線抵抗が下がり、モータ損失を低減することができる。

なお、本実施の形態において、バネは板バネとしたが、コイルバネとしてもよい。バネをコイルバネとすると、ピストン７の往復方向と直角方向に撓性が得られることなり、ピストン７の径方向の力をより小さくできるため、ピストン７とシリンダ１０２の接触を低減し摩耗をさらに低減できるという効果が得られる。

また、高圧サイドとして吐出室１１０を示したが、圧縮された高圧の冷媒が存在する密閉容器内の他の部位、または冷凍サイクルの高圧の部位であれば、流体ガスベアリングを同様に形成することが可能であり、上述した通りの効果が得られることは言うまでもない。

また、連結機構部８を撓性としても、同様に接触を低減し摩耗を低減できる効果が得られる。

以上のように、本発明にかかるリニア圧縮機は、冷凍冷蔵装置や空調機などの冷凍サイクルの用途に適用できるとともに、空気圧縮機等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるリニア圧縮機の断面図 従来のリニア圧縮機の断面図 従来のリニア圧縮機の断面図

符号の説明

１ 密閉容器
２ リニアモータ
３ バネ
７ ピストン
１２ 固定子
１３ 可動子
１０１ 圧縮要素
１０２ シリンダ
１０５ 圧縮室
１０６ 吸入バルブ
１０７ 吐出バルブ
１０８ 吸入口
１０９ 吸入室
１１０ 吐出室
１１５ 流体ベアリング
１１６ 吸入管
１１７ 吸入ガス拡散機能

Claims (5)

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、前記リニアモータに連設された圧縮要素とを備え、前記圧縮要素は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バネと、前記シリンダの開口端に配設された吸入バルブおよび吐出バルブと、前記吸入バルブに連通するとともに前記密閉容器内に開口する吸入口を設けた吸入室とを備え、前記密閉容器内に開口する吸入管を前記密閉容器のリニアモータ側に設けたリニア圧縮機。
2. 吸入口を圧縮要素の反リニアモータ側に設けた請求項１に記載のリニア圧縮機。
3. 吸入管の密閉容器内の開口近傍に吸入ガス拡散機能を設けた請求項１または２に記載のリニア圧縮機。
4. ピストンのストローク変化により冷凍能力を変化させる請求項１から３のいずれか一項に記載のリニア圧縮機。
5. シリンダとピストンの間に高圧サイドと連通する流体ベアリングを形成するとともに潤滑油を用いないオイルレスである請求項１から４のいずれか一項に記載のリニア圧縮機。

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