JP2005307796A - リニア圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】リニアモータや圧縮要素を冷媒で冷却し、密閉容器の外に設けた冷却器で冷媒を冷却することで、モータ損失を低減するとともに、冷凍能力の低下を防止したリニア圧縮機を提供する。
【解決手段】密閉容器５内にリニアモータ１と、圧縮要素１０１と、密閉容器５のリニアモータ１側に設けた吸入管１１９と、吸入ガス拡散機構１２０と、密閉容器５の外に設けた放熱器１１２と連通し密閉容器５に設けたガス戻り管１１１と反リニアモータ１側に排出管１１３を備えることにより、リニアモータ１や圧縮要素１０１を密閉容器５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１の損失を低減し効率を高めることができるとともに、放熱器１１２で冷却した濃度の濃い冷媒を圧縮室１０５に吸入して圧縮するので、冷凍能力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１と板バネ２によって駆動される圧縮要素３と、リニアモータ１とを支持機構部４により密閉容器５内に支持している。

圧縮要素３は、シリンダ６、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２の中央部に連結固定している。

また、リニアモータ１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２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１６を形成し、シール部材１７を凹形状溝１６に配設している。そして、シール部材１７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１７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５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５の外に排出され、冷媒圧縮を行う。

板バネ２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、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１７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１８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３０と、電導性の場コイル２１を有する可動子２２とから構成される。内部ループ部材１９はハウジング２３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２３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２４を有している。

可動子２２は支持構造２５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２２は、剛性横断部材２６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２３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２７に連通するとともに、一方向バルブ２８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２２の場コイル２１に通電されて発生する磁界と導電性ワイヤ２４の相互作用により、可動子２２が往復運動する。この往復運動は、支持構造２５と剛性横断部材２６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２８を開いてパッセージ２７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２７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の接触およ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１のコイル１４や導電性ワイヤ２４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２４の温度が上昇し、コイル１４や導電性ワイヤ２４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２４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ので、効率が低下するという課題を有していた。

また、密閉容器内に導かれた冷媒が圧縮要素３やリニアモータ１などの発熱により加熱され、希薄になることにより、体積効率が低下し冷凍能力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、効率が高く、冷媒の加熱による冷凍能力の低下が小さ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、密閉容器の外に設けられた放熱器の一端が吸入バルブに連通するガス戻り管と他端がリニアモータ側に設けられた排出管に連結されたもので、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や圧縮要素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て、リニアモータの損失を低減することができるとともに、密閉容器内に導かれた冷媒がリニアモータや圧縮要素を冷却することで自身の温度が上昇しても、放熱器により冷却された後に圧縮室内に吸入されるため、体積効率の低下を防止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、密閉容器の外に設けられた放熱器の一端が吸入バルブに連通するガス戻り管と他端がリニアモータ側に設けられた排出管に連結されたもので、効率が高く、冷媒の加熱による冷凍能力の低下が小さ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、前記密閉容器の外に設けられた放熱器と、一端が前記放熱器に連結され他端が前記吸入バルブに連通するガス戻り管と、一端が前記放熱器に連結され他端が前記密閉容器内に開口する排出管とを備え、前記吸入管を前記密閉容器のリニアモータ側に設けるとともに、前記排出管を前記密閉容器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によってリニアモータや圧縮要素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て、リニアモータの損失を低減することができるとともに、密閉容器内に導かれた冷媒がリニアモータや圧縮要素を冷却することで自身の温度が上昇しても、放熱器により冷却された後に圧縮室内に吸入されるため、体積効率の低下および冷凍能力の低下を防止することができ、効率が高く、冷媒の加熱による冷凍能力の低下が小さ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、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２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、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や圧縮要素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や圧縮要素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３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や圧縮要素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。

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、圧縮する冷媒ガスをＲ６００ａとしたものであり、Ｒ１３４ａ冷媒の時と比較して必要な気筒容積が増大し、圧縮室を形成するシリンダが大きくなっても、密閉容器の外から導かれた温度の低い冷媒で圧縮要素を十分に冷却し温度上昇を抑えることができるため、効率が高く、冷媒の加熱による冷凍能力の低下が小さいリニア圧縮機を提供することができる。さらに、Ｒ６００ａは地球温暖化係数がほぼゼロであり、オイルレスと相まって、地球環境への負荷が極めて小さく、信頼性の高い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１と板バネ２によって駆動される圧縮要素１０１と、リニアモータ１とを支持機構部４により密閉容器５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、吸入室１０９と吐出室１１０を有している。吸入室１０９は吸入バルブ１０６に連通しており、密閉容器５内への開口部には、密閉容器５に設けられピストン７の往復運動による振動を密閉容器５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ガス戻り管１１１が固定されており、ガス戻り管１１１は密閉容器５の外に設けられた銅パイプにアルミ製の薄板を付けた構造の放熱器１１２に連通している。そして、放熱器１１２は密閉容器５の反リニアモータ１側に設けられ密閉容器５内に開口した排出管１１３に連通している。

吐出室１１０は吐出バルブ１０７に連通しており、密閉容器５内への開口部には、密閉容器５に設けられピストン７の往復運動による振動を密閉容器５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１１４が固定されている。

吐出室１１０は、高圧ガス連通管１１５が枝分かれしてシリンダ１０２に設けられた高圧ガス室１１６に連通する。その高圧ガス室１１６はパッセージ１１７を介してシリンダ１０２とピストン７の隙間に開口する。パッセージ１１７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１１６と高圧ガス連通管１１５とパッセージ１１７により流体ベアリング１１８は構成されている。

密閉容器５は、冷媒を密閉容器５の外から吸入する吸入管１１９を備えており、吸入管１１９は圧縮要素１０１側のリニアモータ１側に設けられている。そして、吸入管１１９の密閉容器５内の開口部には、吸入ガス拡散機能１２０が固着されており、吸入ガス拡散機能１２０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。

そして、圧縮する冷媒に、Ｒ６００ａを使用している。

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１１９を通り吸入ガス拡散機能１２０に明けられた複数の孔から密閉容器５内に流入するため、密閉容器５内に複数の方向に拡散される。拡散された冷媒は、密閉容器５の反リニアモータ１側に設けられた排出管１１３から放熱器１１２に流入するため、冷媒の流れが密閉容器５で偏ることなく、リニアモータ１とシリンダ１０２と弁板１０３の回りを通って均一に冷却しながら排出管１１３へと向かう。

リニアモータ１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、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１１９の密閉容器５内の開口部には、吸入ガス拡散機能１２０が固着されているため、吸入ガス拡散機能１２０がない場合と比べて、より一層密閉容器５内に拡散され、より均一にリニアモータ１を冷却することができる。

密閉容器５内に拡散された冷媒は、リニアモータ１とともに圧縮要素３を冷却し、自身が加熱された後、放熱器１１２に流入する。放熱器１１２に流入した加熱された冷媒は、放熱器１１２のアルミ製の薄板から外気へと放熱することで冷却され、その後、ガス戻り管１１１から吸入室１０９を通じて圧縮室１０５に吸入される。

そのため、圧縮室１０５に吸入される冷媒は外気温まで低下しているために、冷媒が加熱されて希薄なガスとなることで体積効率が低下し、冷凍能力が低下することを防止することができる。

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、排出管１１３へ流入する冷媒が密閉容器５内で偏ることなく流れ、リニアモータ１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１１６に送られた冷媒は、パッセージ１１７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１１８を構成している。そして、潤滑油があるとパッセージ１１７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１１８について説明する。なお、流体ベアリング１１８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２の往復運動にて生じるこじりやリニアモータ１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１１７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１１７の圧力が反対側のパッセージ１１７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１などの冷却効果がなくなるものの、それに代わって排出管１１３へ流入する冷媒が密閉容器５内で偏ることなく流れ、リニアモータ１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、Ｒ１３４ａ冷媒の時と比較して必要な気筒容積が増大し、圧縮室１０５を形成するシリンダ１０２が大きくなっても、密閉容器５の外から導かれた温度の低い冷媒で圧縮要素１０１を十分に冷却し温度上昇を抑えることができるため、圧縮率１０５の温度上昇を抑制でき、効率が高く、冷媒の加熱による冷凍能力の低下が小さいリニア圧縮機を提供することができる。さらに、Ｒ６００ａは地球温暖化係数がほぼゼロであり、オイルレスと相まって、地球環境への負荷が極めて小さく、信頼性の高い圧縮機を提供することができる。

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 リニアモータ
２ バネ
５ 密閉容器
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
１０９ 吸入室
１１０ 吐出室
１１１ ガス戻り管
１１２ 放熱器
１１３ 排出管
１１８ 流体ベアリング
１１９ 吸入管
１２０ 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、前記密閉容器の外に設けられた放熱器と、一端が前記放熱器に連結され他端が前記吸入バルブに連通するガス戻り管と、一端が前記放熱器に連結され他端が前記密閉容器内に開口する排出管とを備え、前記吸入管を前記密閉容器のリニアモータ側に設けるとともに、前記排出管を前記密閉容器の反リニアモータ側に設けたリニア圧縮機。
2. 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に記載のリニア圧縮機。
3. 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２のいずれか一項に記載のリニア圧縮機。
4. 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３のいずれか一項に記載のリニア圧縮機。
5. 圧縮する冷媒ガスがＲ６００ａ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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