JP2006002597A - リニア圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ハウジング（３）内に固定的に設けられたシリンダ（１０）と、該シリンダ（１０）内に設けられ、圧縮室（２４）を区画形成するピストン（２０）と、該ピストン（２０）を往復可能に支持するコイルバネ（４０）と、該ピストン（２０）を往復動させるリニアモータ（３０）とを備えたリニア圧縮機（１）をトップクリアランスの小さな効率のよいものとする。
【解決手段】リニアモータ（３０）に固定子（３１）と、該固定子（３１）に対して最大可動長さ（Ｌｍ）内で磁気的に往復動可能な可動子（３２）とを設ける。リニア圧縮機（１）の静止時に、圧縮室（２４）のピストン軸（２１）方向の長さ（Ｌｃ）が可動子（３２）の最大可動長さ（Ｌｍ）の半分以下（Ｌｃ≦Ｌｍ／２）となるように、ピストン（２０）をオフセットして配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ピストンを往復動させるリニアモータを備えたリニア圧縮機に関するものである。

従来より、図３に示すように、ハウジング（３）内に固定的に設けられたシリンダ（１０）と、該シリンダ（１０）内に設けられ、圧縮室（２４）を区画形成するピストン（２０）と、該ピストン（２０）を往復可能に支持するバネ部材（４０）と、該ピストン（２０）を往復動させるリニアモータ（３０）とを備えたリニア圧縮機は知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記リニアモータ（３０）は、固定子（３１）と、該固定子（３１）に対して最大可動長さ（Ｌｍ）内で磁気的に往復動可能な可動子（３２）とを備えている。そして、圧縮時にピストン（２０）がシリンダヘッドに衝突しないようにするため、通常、ピストン（２０）が往復動の中立点（Ｏ１）にあるときに、圧縮室（２４）のピストン軸（２１）方向の長さ（Ｌｃ）が上記可動子の最大可動長さよりも大きくなるよう（Ｌｃ＞Ｌｍ／２）ピストン（２０）を配置している。また、可動子（３２）の中立点とピストン（２０）の中立点（Ｏ１）とは一致している。
特開平１１−３０３７３３号公報

ところで、上記従来のリニア圧縮機を空調機などに冷媒の吸入及び吐出を伴う圧縮機として利用した場合、圧縮室の冷媒を圧縮するために、圧縮工程においてリニアモータは多大な推力を発生させる必要がある。一方、吸入工程においては、圧縮工程時のような推力を発生させなくても圧縮室内に冷媒が吸入される。

したがって、ピストンが圧縮室から離れる側に片寄って運転されてしまい、リニア圧縮機のハウジング内のトップクリアランスが過大になるという問題があった。

かかるトップクリアランスを小さくするためには、例えばリニアモータを駆動する交流電流に直流電流を付加してピストンを強制的に圧縮室側へ押しつけるように調整しなければならず、リニア圧縮機の効率が非常に悪くなる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、静止時のピストンの位置設定に工夫を加えることで、トップクリアランスの小さな効率のよいリニア圧縮機を提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、静止時におけるピストン（２０）の位置を通常よりも圧縮室（２４）側にオフセットするようにした。

具体的には、第１の発明では、ハウジング（３）内に固定的に設けられたシリンダ（１０）と、該シリンダ（１０）内に設けられ、圧縮室（２４）を区画形成するピストン（２０）と、該ピストン（２０）を往復可能に支持するバネ部材（４０）と、該ピストン（２０）を往復動させるリニアモータ（３０）とを備えたリニア圧縮機を対象とする。

そして、上記リニアモータ（３０）は、固定子（３１）と、該固定子（３１）に対して最大可動長さ（Ｌｍ）内で磁気的に往復動可能な可動子（３２）とを備え、静止時に、上記圧縮室（２４）のピストン軸（２１）方向の長さ（Ｌｃ）が上記可動子（３２）の最大可動長さ（Ｌｍ）の半分以下（Ｌｃ≦Ｌｍ／２）となるように、上記ピストン（２０）がオフセットして配置されている。

すなわち、従来のリニア圧縮機では、圧縮室（２４）の流体を圧縮するために、圧縮工程においてリニアモータ（３０）は多大な推力を発生させる必要がある。一方、吸入工程においては、圧縮工程時のような推力を発生させなくても圧縮室（２４）内に流体が吸入される。このため、ピストンが圧縮室（２４）から離れる側に片寄って運転される傾向にある。しかしながら、本発明の構成によると、ピストン（２０）が予め圧縮側にオフセットされているので、圧縮工程側のピストン（２０）の移動量は小さくても、圧縮室（２４）内の流体は所定の圧力に到達する。したがって、ピストン（２０）が吸入方向に片寄って運転されても、ピストン（２０）の全ストロークは従来に比べて小さくなる。

第２の発明では、上記リニアモータ（３０）は、固定子（３１）と、該固定子（３１）に対して最大可動長さ（Ｌｍ）内で磁気的に往復動可能な可動子（３２）とを備え、上記リニアモータ（３０）の可動子（３２）は、静止時における往復動の中立点（Ｏ１）が上記最大可動長さ（Ｌｍ）の中心点（Ｏ２）よりも上記圧縮室（２４）側となるように、オフセットして配置されている。

上記の構成によると、リニアモータ（３０）の可動子（３２）を予め圧縮側にオフセットすることで、ピストン（２０）を圧縮側にオフセットしている。このため、圧縮工程側のピストン（２０）の移動量が小さくなっても、可動子は最大可動長さ（Ｌｍ）内を最大限に移動可能となる。いいかえると、片寄って運転しがちな吸入方向の可動子（ピストン）の移動量が確保される。

第３の発明では、上記バネ部材（４０）は、上記リニアモータ（３０）の可動子（３２）が、その往復動の中立点（Ｏ１）よりも上記圧縮室（２４）側に移動したときには、上記ピストン（２０）を引き寄せる力を発生させる一方、反対側に移動したときには、ピストン（２０）を圧縮室（２４）に押しつける力を発生させる構成とする。

上記の構成によると、可動子（３２）が往復動の中立点（Ｏ１）にあるときには、バネ部材（４０）がピストン（２０）に対して付勢力を働かせることはない。一方、可動子（３２）が吸入方向に片寄って運転されたときには、可動子（３２）は、圧縮方向へ移動する場合よりも往復動の中立点（Ｏ１）から遠い位置まで移動するので、バネ部材（４０）に蓄えられるエネルギーは圧縮方向よりも吸入方向で大きくなる。

以上説明したように、上記第１の発明のリニア圧縮機は、ピストン（２０）を予め圧縮側にオフセットし、ピストン（２０）の圧縮工程側の移動量が小さくても圧縮室（２４）内の流体を所定の圧力に到達するようにしている。このため、従来のように、リニアモータ（３０）に直流成分を付加して調整をしなくても、ピストン（２０）の全ストロークが小さくなり、トップクリアランスを小さく保つことができる。したがって、効率のよいリニア圧縮機が得られる。

上記第２の発明のリニア圧縮機は、リニアモータ（３０）の可動子（３２）を予め圧縮側にオフセットすることでピストン（２０）を圧縮側にオフセットしている。このため、リニアモータ（３０）の最大可動長さ（Ｌｍ）を有効に利用しながら、本願発明の作用効果が顕著に得られる効率のよいリニア圧縮機が得られる。

上記第３の発明によれば、バネ部材（４０）を、可動子（３２）が往復動の中立点（Ｏ１）にあるときにピストン（２０）に対して付勢力を働かせないように配置し、バネ部材（４０）に蓄えられるエネルギーを圧縮方向と吸入方向とで等しくなるようにしている。このため、ピストン（２０）が吸入方向に片寄って運転されるのをバネ部材（４０）によって防ぐことができ、さらに効率のよいリニア圧縮機が得られる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るリニア圧縮機（１）を示し、このリニア圧縮機（１）は、例えば、空調機などに冷媒の吸入及び吐出を伴う圧縮機として利用される。

上記リニア圧縮機（１）は、略円筒密閉状のハウジング（３）を有している。このハウジング（３）は、中空密閉状に形成され、高圧冷媒を吐出する吐出管路（３ａ）と、低圧冷媒を吸入する吸入管路（３ｂ）とが接続されている。また、このハウジング（３）内には、円筒状のシリンダ（１０）が固定的に設置されている。

上記シリンダ（１０）内には、圧縮室（２４）を区画形成するピストン（２０）が設けられている。この圧縮室（２４）内で、ピストン（２０）によって冷媒が圧縮される。また、シリンダ（１０）には、ピストン（２０）を往復動させるリニアモータ（３０）の固定子（３１）が設けられている。この固定子（３１）は、磁石よりなる。

上記ピストン（２０）は、棒状のピストン軸（２１）の先端に設けられ、該ピストン軸（２１）の基端部には、大径円板状のフランジ（２２）が設けられている。このフランジ（２２）からピストン（２０）の圧縮側に延びる円筒状のボビン（２３）が設けられている。ボビン（２３）の先端部には、コイルを備えたリニアモータ（３０）の可動子（３２）が設けられている。

上記リニアモータ（３０）は、何ら制約のないときに、可動子（３２）が固定子（３１）に対して最大可動長さ（Ｌｍ）内で磁気的に往復動可能に構成されている。いいかえると、可動子（３２）は、この最大可動長さ（Ｌｍ）の範囲よりも外側に移動すると、磁気力が発生せず、自らの磁気力では往復動が行えないようになっている。

上記フランジ（２２）には、ピストン（２０）を往復可能に支持するバネ部材としてのコイルバネ（４０）が設けられている。

上記吐出管路（３ａ）の基端部は、その他の部分よりも外径が大きくなっていて、内部に吐出側付勢バネ（５）を収容するバネ用空間（６）が形成されている。このバネ用空間（６）が上記圧縮室（２４）に連通している一方、吐出側付勢バネ（５）に設けた吐出弁（７）が該付勢バネ（５）に付勢されて両者の連通が遮断されるようになっている。

また、上記ピストン（２０）内部には、圧縮室（２４）及び吸入管路（３ｂ）側のハウジング（３）内の内部空間（２６）と連通するピストン内流路（２５）が形成されている。さらに、ピストン（２０）内部には、ピストン内流路（２５）と圧縮室（２４）とを遮断するための吸入弁（８）が設けられている。この吸入弁（８）は、ピストン内流路（２５）と圧縮室（２４）とを遮断する方向に付勢するように、ピストン内流路（２５）に設けた吸入側付勢バネ（９）によって支持されている。

そして、図１（Ａ）に示すように、本発明の特徴として、リニアモータ（３０）に電力を流さないリニア圧縮機（１）の静止時に、上記圧縮室（２４）のピストン軸（２１）方向の長さ（Ｌｃ）が上記可動子（３２）の最大可動長さ（Ｌｍ）の半分以下（Ｌｃ≦Ｌｍ／２）となるように、上記ピストン（２０）がオフセットして配置されている。具体的には、図３に示す従来のリニア圧縮機（１）と同様の構成を有しているが、ピストン軸（２１）の長さが従来のものよりも長くなっている。

また、上記コイルバネ（４０）は、上記リニアモータ（３０）の可動子（３２）が、その往復動の中立点（Ｏ１）よりも上記圧縮室（２４）側に移動したときには、上記ピストン（２０）を引き寄せる力を発生させる一方、反対側に移動したときには、ピストン（２０）を圧縮室（２４）に押しつける力を発生させるように配置されている。すなわち、コイルバネ（４０）が静止時にピストン（２０）、可動子（３２）などの可動部を支えているだけで、他に何ら力を加えずにピストン（２０）が中立点（Ｏ１）に保持されている。

−運転動作−
次に実施形態１に係るリニア圧縮機（１）の運転動作について説明する。

まず、リニアモータ（３０）の可動子（３２）に通電するように制御することで、可動子（３２）が固定子（３１）に対して往復動する。このことで、コイルバネ（４０）の付勢力を受けながら、ピストン（２０）がシリンダ（１０）内を往復動する。

上記ピストン（２０）の動きにあわせ、吐出弁（７）、吸入弁（８）が開閉されることにより、冷媒を吸入管路（３ｂ）、ハウジング（３）内の内部空間（２６）及びピストン内流路（２５）を通して圧縮室（２４）内に吸入する吸入工程（図１（Ｂ）に示す）と、吸入された冷媒を圧縮室（２４）内で圧縮する圧縮工程と、圧縮されて高圧となった冷媒を吐出弁（７）を通して吐出する吐出工程（図１（Ｃ）に示す）とを反復的に行う。

上記圧縮工程においては、ピストン（２０）が予め圧縮側にオフセットされているので、圧縮工程側のピストン（２０）の移動量は従来のものに比べて小さくても、圧縮室（２４）内の冷媒は所定の圧力に到達する。つまり、ピストン（２０）が中立点（Ｏ１）からの最も離れた距離は、吸入側Ｌ１＞圧縮側Ｌ２となっている。

図３に示す従来のリニア圧縮機（１）と比較すると、ピストン（２０）の吸入側の可動範囲Ｌ１は、従来のピストン（２０）の吸入側の可動範囲ｌ１と等しく（Ｌ１＝ｌ１）、ピストン（２０）の圧縮側の可動範囲Ｌ２は従来のピストン（２０）の吸入側の可動範囲ｌ２よりも短くなっている（Ｌ２＜ｌ２）。

すなわち、ピストン（２０）が最もシリンダヘッド側に近付いたとき（最大圧縮時）には、可動子（３２）は磁気的にはさらにシリンダヘッド側に移動可能となっている。しかし、ピストン（２０）は、圧縮工程においては、圧縮された冷媒の反力とコイルバネ（４０）の引っ張り力とによって中立点（Ｏ１）に押し戻され、又はリニアモータ（３０）の制御により反転するので、ピストン（２０）がシリンダヘッドに衝突することはない。

また、可動子（３２）が往復動の中立点（Ｏ１）にあるときには、コイルバネ（４０）がピストン（２０）に対して付勢力を働かせることはない。一方、可動子（３２）が吸入方向に片寄って運転されたときには、Ｌ１＞Ｌ２となることから、コイルバネ（４０）に蓄えられるエネルギーは圧縮方向よりも吸入方向で大きくなる。

−実施形態１の効果−
したがって、本実施形態に係るリニア圧縮機（１）によると、ピストン（２０）を予め圧縮側にオフセットし、ピストン（２０）の圧縮工程側の移動量が小さくても圧縮室（２４）内の冷媒を所定の圧力に到達するようにしている。このため、従来のように、リニアモータ（３０）に直流成分を付加して調整をしなくても、ピストン（２０）の全ストロークが小さくなり、トップクリアランスを小さく保つことができる。

また、コイルバネ（４０）を、可動子（３２）が往復動の中立点（Ｏ１）にあるときにピストン（２０）に対して付勢力を働かせないように配置し、コイルバネ（４０）に蓄えられるエネルギーを圧縮方向と吸入方向とで等しくなるようにしている。このため、ピストン（２０）が吸入方向に片寄って運転されるのをコイルバネ（４０）によって防ぐことができる。

したがって、トップクリアランスの小さな効率のよいリニア圧縮機（１）が得られる。

（実施形態２）
図２は本発明の実施形態２を示し、静止時のリニアモータ（３０）の可動子（３２）の位置設定が異なる点で上記実施形態１と異なる。なお、本実施形態では、図１と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

すなわち、本実施形態に係るリニア圧縮機（１）では、リニアモータ（３０）の可動子（３２）は、静止時における往復動の中立点（Ｏ１）がリニアモータ（３０）の最大可動長さ（Ｌｍ）の中心点（Ｏ２）よりも上記圧縮室（２４）側となるように、予めオフセットして配置されている。具体的には、図３に示す従来のリニア圧縮機（１）と同様の構成を有しているが、静止時に可動子（３２）が、ピストン（２０）の往復動の中立点（Ｏ１）にはなく、圧縮室（２４）側に片寄るように、コイルバネ（４０）などによって位置調整されている。

その結果として、上記実施形態１のように従来よりもピストン軸（２１）を長くすることなく、静止時に、上記圧縮室（２４）のピストン軸（２１）方向の長さ（Ｌｃ）が上記可動子（３２）の最大可動長さ（Ｌｍ）の半分以下（Ｌｃ≦Ｌｍ／２）となっている。

−運転動作−
次に実施形態２に係るリニア圧縮機（１）の運転動作について説明する。

本実施形態においても、図２に示すように、上記実施形態１と同様に、吸入工程と圧縮工程と吐出工程とが反復的に行われる。

圧縮工程において、可動子（３２）及びピストン（２０）を含む可動部全体が予め圧縮側にオフセットされているので、圧縮工程側のピストン（２０）の移動量は従来のものに比べて小さくても、圧縮室（２４）内の冷媒は所定の圧力に到達する。ピストン（２０）の中立点（Ｏ１）からの最大距離は吸入側Ｌ１＞圧縮側Ｌ２となっている。

可動子（３２）がピストン（２０）の中立点（Ｏ１）において予め圧縮側にオフセットされているので、図３に示す従来のリニア圧縮機（１）と比較すると、ピストン（２０）の吸入側の可動範囲Ｌ１は、従来のピストン（２０）の吸入側の可動範囲ｌ１よりも長く（Ｌ１＞ｌ１）、ピストン（２０）の圧縮側の可動範囲Ｌ２は従来のピストン（２０）の吸入側の可動範囲ｌ２よりも短くなっている（Ｌ２＜ｌ２）。

本実施形態では、上記実施形態１と異なり、ピストン（２０）が最もシリンダヘッド側に近付いたときには、可動子（３２）は磁気的にも限界位置にある。つまり、リニアモータ（３０）は本来有する最大可動長さ（Ｌｍ）内を往復動している。

したがって、従来よりもトップクリアランスを大きくしなくても、Ｌ１がＬ２に比べて十分に大きくなっている。

また、本実施形態においても、可動子（３２）が往復動の中立点（Ｏ１）にあるときには、コイルバネ（４０）がピストン（２０）に対して付勢力を働かせることはない。一方、可動子（３２）が吸入方向に片寄って運転されたときには、Ｌ１＞Ｌ２となることから、コイルバネ（４０）に蓄えられるエネルギーは圧縮方向よりも吸入方向で大きくなる。

−実施形態２の効果−
したがって、本実施形態に係るリニア圧縮機（１）によると、リニアモータ（３０）の可動子（３２）を予め圧縮側にオフセットすることでピストン（２０）を圧縮側にオフセットしている。このため、リニアモータ（３０）の最大可動長さ（Ｌｍ）を有効に利用しながら、本願発明の作用効果が顕著に得られる効率のよいリニア圧縮機（１）が得られる。

また、中立点（Ｏ１）からの最大距離は吸入側Ｌ１が上記実施形態１に比しても大きくなっているため、ピストン（２０）が吸入方向に片寄って運転されるのを防ぐ効果も顕著に発揮される。

（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。

すなわち、上記実施形態１の発明に実施形態２の発明を適用してもよい。つまり、従来に比べピストン軸（２１）を延長すると共に、可動子（３２）を圧縮側へオフセットすることでトップクリアランスを小さく保つようにしてもよい。

また、上記各実施形態では、１つのシリンダ（１０）を有するリニア圧縮機（１）について述べたが、２つのシリンダ（１０）を有するリニア圧縮機（１）（図示省略）についても適用できる。

以上説明したように、本発明は、空調機に用いる冷媒などの流体の吸入及び吐出を伴うリニア圧縮機ついて有用である。

本発明の実施形態１に係るリニア圧縮機の作動図であり、（Ａ）が静止時、（Ｂ）が吸入工程、（Ｃ）が吐出工程を示す。 本発明の実施形態２に係るリニア圧縮機を示す図１相当図である。 従来のリニア圧縮機を示す図１相当図である。

符号の説明

１ リニア圧縮機
３ ハウジング
１０ シリンダ
２０ ピストン
２１ ピストン軸
２４ 圧縮室
３０ リニアモータ
３１ 固定子
３２ 可動子
４０ コイルバネ（バネ部材）
Ｌｍ 最大可動長さ
Ｌｃ 圧縮室のピストン軸方向の長さ
Ｏ１ 往復動の中立点
Ｏ２ 最大可動長さの中心点

Claims (3)

1. ハウジング（３）内に固定的に設けられたシリンダ（１０）と、
   該シリンダ（１０）内に設けられ、圧縮室（２４）を区画形成するピストン（２０）と、
   該ピストン（２０）を往復可能に支持するバネ部材（４０）と、
   該ピストン（２０）を往復動させるリニアモータ（３０）とを備えたリニア圧縮機であって、
   上記リニアモータ（３０）は、固定子（３１）と、該固定子（３１）に対して最大可動長さ（Ｌｍ）内で磁気的に往復動可能な可動子（３２）とを備え、
   静止時に、上記圧縮室（２４）のピストン軸（２１）方向の長さ（Ｌｃ）が上記可動子（３２）の最大可動長さ（Ｌｍ）の半分以下（Ｌｃ≦Ｌｍ／２）となるように、上記ピストン（２０）がオフセットして配置され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、
   上記リニアモータ（３０）の可動子（３２）は、静止時における往復動の中立点（Ｏ１）が上記最大可動長さ（Ｌｍ）の中心点（Ｏ２）よりも上記圧縮室（２４）側となるように、オフセットして配置されていることを特徴とするリニア圧縮機。
3. 請求項１又は２に記載のリニア圧縮機において、
   上記バネ部材（４０）は、上記リニアモータ（３０）の可動子（３２）が、その往復動の中立点（Ｏ１）よりも上記圧縮室（２４）側に移動したときには、上記ピストン（２０）を引き寄せる力を発生させる一方、反対側に移動したときには、ピストン（２０）を圧縮室（２４）に押しつける力を発生させることを特徴とするリニア圧縮機。
   

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