JP2007534882A - リニアコンプレッサ - Google Patents

Abstract

本発明は、シリンダ（１５）内部に摺動可能に配置されたピストン（９）を備えるリニアコンプレッサに関する。前記シリンダ（１５）内で前記ピストン（９）が第一低圧圧縮室（２１）と第二高圧圧縮室（２２）を形成し、さらに前記ピストンには、前記第一圧縮室と前記第二圧縮室（２１、２２）間の連通手段（２３）が設けられており、この連通手段が、第一圧縮室と第二圧縮室間の連通を確立するためにバルブ手段（２４）によって制御される。

Description

本発明は、リニアコンプレッサ、特に、家庭用または業務用の冷却装置で使用するためのリニアコンプレッサに関する。

ここ数年、冷却装置の製造業者はより効率を高めたコンプレッサを求めるようになっているため、使用されるコンプレッサのタイプに徐々に変化が生じてきており、製造業者は、回転型電気モーターで駆動する従来の往復コンプレッサから、リニア電気モーターで駆動されるリニア式往復コンプレッサを、徐々に選択するようになってきている。リニアモーターは通常、固定子と、固定子に対して摺動自在に配置され、磁界によって生起される往復直線運動を行う可動子から構成される。そして可動子にはコンプレッサのピストンが搭載される。

リニアコンプレッサが性能、効率、信頼性の点において優れていることは確かなのだが、その好適な特徴を生かして実際に高い効果を得ようとすると、そこには通常いくつかの問題が浮上してくる。そしてこれらの問題によって、リニアコンプレッサの設計や組み立てが非常に複雑になってしまう場合がある。第一に、従来のコンプレッサと違ってリニアコンプレッサでは上死点および下死点を機械的に確定することができないので、ピストンがシリンダヘッドに当たって損傷することを防ぐためには、シリンダ内部におけるピストンの位置を制御するための特別なシステムを設けることが必要となる。しかもこの制御にはかなりの緻密さが要求される。いわゆる隙間容積を最小にするために、ピストンの上死点をシリンダヘッドから極限まで縮減した距離、通常は０．１ｍｍ程度の距離に位置させる必要があるからである。これよりも長い距離になると、たとえほんの１０分の数ｍｍ長いだけでも性能の大きな低下につながる可能性があるため、高価かつ高性能の電気式制御手段をこの目的のために実装する必要が生じる。

また、リニアコンプレッサでは、ピストンの適切な移動ストロークを確保するために、可動子の変位に対応する戻り力を得る必要がある。この戻り力を得るための最もシンプルな方法は、機械バネを設けてこの機械バネをコンプレッサの固定ベースと可動子の両方に適切に連結させ、これにより得られた機械システムが、強制共振の調和振動子として電源周波数で動作できるようにすることである。しかし、このようなシステムを備えたリニアコンプレッサでは一般的に、共振状態から逸脱したときに全体的な性能が著しく低下する。

さらに、現在公知のタイプのリニアコンプレッサでは、出力される冷却能力値つまり冷却効果を、例えば２倍を超えるような広い範囲で調節するには、相当な性能低下が伴う。このように冷却能力を調節することは、例えば、特定用途の需要に関して、あるいはコンプレッサの出力を所定の運転期間に冷蔵庫が実際に必要とする冷却能力に合わせることによってエネルギーを節約するなどの目的で、必要とされる場合がある。ところが実際は、上述したように、シリンダヘッドからの死点の位置やピストンの中間振動点の位置に関わる制約が存在するため、ピストンストロークを変更することは性能の低下を引き起こす。ピストンの中間振動点の位置ですらモーター効率ひいてはコンプレッサの性能を低下させることなしには実際には変更できないのである。また、ピストンの振動周波数を変更することも実行可能な選択肢とは言えない。システムの共振状態をそのままで保つ必要があるという制約によりコンプレッサの性能を低下させずに実行することはできないからである。

このため、本発明の主たる課題は、性能と効率が、構成、設計、運転条件およびこれらの変更に制約されず、実質的に影響を受けないようなリニアコンプレッサを提供して、従来技術の前述した欠点の全てを解消することである。

この課題を達成するために本発明で主たる目的としたことは、コンプレッサの全体的な性能を低下させずに、冷凍出力を広い幅で調節することが可能なリニアコンプレッサを提供することである。

本発明の別の主たる目的は、コンプレッサの全体的な性能を低下させずに、シリンダヘッドに対するピストンの上死点の位置決めがより大きな許容誤差を見込んででき、これにより、ピストンの位置を制御するために使用するシステムを単純化・低価格化できるようになっているリニアコンプレッサを提供することである。

本発明のさらに別の主たる目的は、中間点に関するピストンのストロークつまり振幅、および隙間容積つまり無効容積を変更することによって、エネルギー効率を高レベルに保ちつつコンプレッサの冷凍出力を調節できるようにすることである。

本発明のさらに別の主たる目的は、大幅に単純化された構成を持ちつつも、従来技術のリニアコンプレッサと比較して同程度のまたは向上した効率を確保し、さらに運転時における柔軟性も増しているようなリニアコンプレッサを提供することである。

本発明のさらに別の主たる目的は、低価格でコスト面において競争力があり、かつ容易に入手できる機械や技術を使って製造可能であるリニアコンプレッサを提供することである。

本発明によると、上述した目的や効果が、後述の記載から明らかになるその他の目的、効果と合わせて、添付の請求項１に記載された特徴を備えたリニアコンプレッサにおいて達成される。

本発明のリニアコンプレッサのさらに別の機能や効果は、添付の図面を参照しながら以下に紹介する実施例の説明から容易に理解されるだろう。なお、この実施例は本発明を制限するものではなく、その他の実施形態もあり得る。

図１〜４を参照されたい。リニアコンプレッサは、その全体を符号１で示しているが、固定子本体２を具備している。固定子本体２は、主として外部ヨーク３と内部ヨーク４から構成されている。外部ヨーク３の周囲にはコイル（図示せず）が巻かれている。内部ヨーク４は、外部ヨーク３に面して、空隙５を形成するように外部ヨーク３から間隔を空けて配置されている。

リニアコンプレッサはさらに可動子６を具備している。可動子６は基板７を具備している。基板７からは一対のアーム（図示せず）が当該技術では周知の方法で伸張されており、これらのアームはそれぞれ磁石を備えており、そして空隙５に収容されるようになっている。リニアコンプレッサはさらにシャフト８を具備している。シャフト８の端部にはピストン９が固着されており、一方、基板７はパン１０に固着されており、そしてパン１０は共振バネ１１に連結されている。

当該技術では周知のとおり、交流電源によりコンプレッサに通電すると磁束が発生し、これにより可動子６は固定子本体２に対する往復直進運動を行うようになる。そしてこの運動はシャフト８を介してピストン９に伝えられる。

シャフト８は、円筒状の案内体１２内部に摺動可能に収容されている。案内体１２の終端にはフランジ１３がある。フランジ１３は案内体１２と一体的に形成されるのが好ましい。フランジ１３にはシリンダ１５のライナ１４が当接している。シリンダ１５の内部にはピストン９が摺動可能に配置されている。フランジ１３には少なくとても一つの吸込ポート１６が設けられている。吸込ポート１６は、リードバルブなどの吸込バルブ手段１７によって吸込管との連通が制御される。吸込管は、貯留部１９に連結された導管１８から構成されている。取り込まれたガスは貯留部１９に収集され、そこから導管１８に流入し、そしてその後圧縮処理される。フランジ１３と固定子本体２との間に吸込管を嵌合させて、壁の温度が最も低い側からガスがシリンダ１５へ流入するようにすることが好ましい。これにより吸込工程におけるガスの温度上昇を低減でき、コンプレッサの効率を向上させることができる。

シリンダ１５はヘッド２０で閉鎖されており、これによりシリンダ１５内部におけるピストン９のストロークは、片側ではフランジ１３によって、その反対側ではヘッド２０によって制限されるようになる。ヘッド２０には、少なくとも一つの吐出・送出ポート２５が設けられている。吐出・送出ポート２５には、当該ポートを制御するためにリードバルブなどの吐出・送出バルブ手段３０が設けられている。

シリンダ１５内部には、ピストン９によって低圧圧縮室である第一圧縮室２１と、高圧圧縮室である第二圧縮室２２とが形成されている。圧縮室２１、２２の詳細については後述する。圧縮室２１、２２はどちらも容積可変であり、シリンダ１５内でのピストン９の位置に応じて容積が変化する。圧縮室２１、２２は、ピストン９に設けられた少なくとも一つの連通開口２３を介して相互に連通するようになっている。連通開口２３はリードバルブなどの連通バルブ手段２４によって制御される。

このような構成では、ピストン９はシリンダ１５内部でガスを双方向に交互に圧縮できるので、これにより２つの圧縮段階を生成できる。この２つの圧縮段階においては、第一低圧圧縮室２１での吐出・送出工程が、ピストン９に設けられた連通開口２３と連通バルブ手段２４によって、第二高圧圧縮室２２での吸込工程と同時に起こる。つまり、圧縮サイクルは、位相が１８０°ずれて互いに逆位相になっている２つの段階に分けられる。

上述したリニアコンプレッサは次のように作用する。特に図２および圧縮サイクルの線図を示す図３を参照されたい。図３のＸ軸はシリンダ１５におけるピストン９の位置を示しており、Ｙ軸はガスの圧力の値を示している。ピストン９がフランジ１３に隣接して位置している下死点Ｘ_１から始まって、ピストン９の行程の中でピストン９がフランジ１３から離れていくにつれて、第一低圧圧縮室２１における隙間容積にあるガスは圧力Ｐ_１から圧力Ｐ_２に低下するまで膨張していく（図３の線図の曲線Ａ−Ｂ）。圧力Ｐ_２は吸込圧力（Ｂ点）に該当し、この圧力Ｐ_２に達すると吸込バルブ手段１７の開放が引き起こされ、これによりガスが、吸込管の貯留部１９から事前圧縮を行う第一低圧圧縮室２１へと、導管１８と吸込ポート１６を通って吸い込まれる（吸込工程、直線Ｂ−Ｃ）。吸込工程の終端では、ピストン９は、ヘッド２０から最短距離にありそれゆえ第一低圧圧縮室２１の容積を最大にする上死点Ｘ_２に位置する。

第一低圧圧縮室２１の吸込工程Ａ−Ｂ−Ｃと同時に、下死点Ｘ_１に該当するピストン９の位置から始まって、第二高圧圧縮室２２にあるガスはまず、圧力Ｐ_１から吐出・送出圧力Ｐ_３に到達するまで圧縮されていく（曲線Ａ−Ｅ）。吐出・送出圧力Ｐ_３に達すると、吐出・送出バルブ手段３０の開放が引き起こされ、ヘッド２０の吐出・送出ポート２５を介してガスが吐出・送出される（送出工程、直線Ｅ−Ｆ）。この吐出・送出工程の終端（Ｆ点）では、ピストン９は、吐出・送出ポート２５があるヘッド２０から最短の距離にある上死点Ｘ_２に該当する位置に到達している。この位置からピストン９が逆方向に移動し始め、これにより第二高圧圧縮室２２における隙間容積にあるガスの膨張が引き起こされる（曲線Ｆ−Ｄ）。これと同時に、第一低圧圧縮室２１にある吸込ガスは、圧力Ｐ_１に到達して第一圧縮室２１と第二圧縮室２２とのバランスが確立されるまで(Ｄ点)圧縮されていく(曲線Ｃ−Ｄ)。圧力Ｐ_１に到達するとピストン９に設けられた連通バルブ手段２４の開放が引き起こされる。これにより、ピストンが最終的に移動ストロークにおける下死点Ｘ_１に到達するまで、予備圧縮されたガスが第一圧縮室２１から第二圧縮室２２へとピストン９の連通開口２３を通って流入できるようになる（直線Ｄ−Ａ）。このように本発明のリニアコンプレッサは、図３において、第一圧縮室２１で行われる低圧圧縮段階を表す頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで区画される領域と、第二圧縮室２２で行われる高圧圧縮段階を表す頂点Ａ、Ｅ、Ｆ、Ｄで区画される領域が示すように、互いに逆位相となっている２つの圧縮段階から成る圧縮サイクルを実行する。

さらに、図１および図４は、本発明のリニアコンプレッサで使用するのが好適な潤滑および冷却システムを示している。ポンプ３１の働きによって、潤滑油は貯留部３２に収集され、第一チャネル３３と、円筒状の案内体１２の周囲に設けられた少なくとも一つの第一ポート３４を通過し、そしてシャフト８の動きを円滑にする役割を果たす。ここから潤滑油は、第二チャネル３５と、フランジ１３に設けられた第二ポート３６と、シリンダ１５のライナ１４にある第三チャネル３７を通過し、ライナ１４に設けられた空洞つまりジャケット３８に流入し、そしてシリンダ１５の壁を冷却する役割を果たす。これは、熱効率の向上とコンプレッサの全体的なエネルギー効率の向上を目的として、シリンダ１５の壁を低温に保つことに配慮した構成である。

ピストン９の動きを円滑にしてその移動中の摩擦を軽減するために、シャフト８の第一低圧圧縮室に入っていく部分の外面によって、相当量の潤滑油が引き込まれる。

以上の説明から、本発明のリニアコンプレッサによって前述した目的および効果の全てを実際に達成できるということが容易に理解できるだろう。事実、本発明のリニアコンプレッサを使用すると、上死点と下死点に該当するピストン９の振動の限界点が、シリンダの各ヘッド部分であるヘッド２０やフランジ１３からある程度離れた距離に位置する場合でも、高い冷却出力を得ることが可能となる。それゆえ、従来技術の一段式コンプレッサで要求されていた、隙間容積をいかなる場合においても０．１ｍｍ程度の最小値に抑えるという必要性はもはやなくなる。これにより、ピストン９の位置を制御するために、高度・精密ではない、ゆえに低コストのシステムでも使用できるようになる。

さらに、圧縮工程を上述のように２段階に分割することによって、同量の隙間容積について一段式コンプレッサと比較して、かなり高い容積効率を確保できるようになる。また、上死点と下死点との中間点に関するピストン９の移動ストロークを変更し、または隙間容積を変更することによって、エネルギー効率を高レベルのままで維持しつつ、コンプレッサの全体的な性能を大きく低下させることなく、コンプレッサの冷却能力の出力を２倍まで調節できるようになる。

このように本発明のコンプレッサの性能や効率は、構成、設計、運転条件およびこれらの変更に制約されず、実質的に影響を受けない。

本発明によるリニアコンプレッサのさらに別の効果は、最大限に構成を単純化させると同時に、ピストン、シリンダヘッド、バルブなどのコンプレッサの構成部分を重複して備えずに高い性能を確保するようにして実施できることにある。

なお、本発明は、本発明の範囲から逸脱することなく各種の修正や改良が可能であり、また、様々な用途に合わせるようにして使用できる。

また、本発明の実施に際して使用される材料や各構成部分の形状・寸法は、毎回、本発明の範囲を逸脱することなく、適宜必要に合わせて選択可能であり、またはその用途に関連した要件を満たすように選択可能である。

本発明に係るリニアコンプレッサの縦断面図である。 図１の断面図の詳細図である。 本発明に係るリニアコンプレッサの運転サイクルの概略を示す線図である。 本発明に係るリニアコンプレッサについて、図１を９０°回転した方向から見た平断面を示す図である。

符号の説明

１ リニアコンプレッサ ２ 固定子本体
３ 外部ヨーク ４ 内部ヨーク
５ 空隙 ６ 可動子
７ 基板 ８ シャフト
９ ピストン １０ パン
１１ 共振バネ １２ 案内体
１３ フランジ １４ ライナ
１５ シリンダ １６ 吸込ポート
１７ 吸込バルブ手段 １８ 導管
１９ 貯留部 ２０ ヘッド
２１ 第一低圧圧縮室 ２２ 第二高圧圧縮室
２３ 連通開口 ２４ 連通バルブ手段
２５ 吐出・送出ポート ３０ 吐出・送出バルブ手段
３１ 循環ポンプ ３２ 貯留部
３３ 第一チャネル ３４ 第一ポート
３５ 第二チャネル ３６ 第二ポート
３７ 第三チャネル ３８ ジャケット

Claims (10)

1. シリンダ（１５）内部に摺動可能に配置されたピストン（９）を備えるリニアコンプレッサであって、
   前記シリンダ（１５）内で前記ピストン（９）が第一低圧圧縮室（２１）と第二高圧圧縮室（２２）とを形成し、
   さらに前記ピストンには、前記第一圧縮室と前記第二圧縮室（２１、２２）との間の連通手段（２３）が設けられており、
   この連通手段が、前記第一圧縮室と前記第二圧縮室との間の連通を確立するためにバルブ手段（２４）によって制御される
   ことを特徴とするリニアコンプレッサ。
2. 前記第一圧縮室および前記第二圧縮室（２１、２２）の容積が、前記シリンダ（１５）内における前記ピストン（９）の位置に応じて変化する
   ことを特徴とする請求項１に記載のリニアコンプレッサ。
3. 前記連通手段は、前記ピストン（９）に設けられた少なくとも一つの連通開口（２３）を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のリニアコンプレッサ。
4. 前記ピストン（９）が基板（７）を備える可動子（６）の一部となっており、
   この基板からシャフト（８）が伸張しており、このシャフトはその端部で前記ピストン（９）を支持している
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のリニアコンプレッサ。
5. 前記シャフト（８）が、フランジ（１３）で終端している案内体（１２）内部に摺動可能に収容されており、
   このフランジには、吸込バルブ手段（１７）によって制御される少なくとも一つの吸込ポート（１６）が設けられている
   ことを特徴とする請求項４に記載のリニアコンプレッサ。
6. 前記フランジ（１３）が前記案内体（１２）に一体的に設けられている
   ことを特徴とする請求項５に記載のリニアコンプレッサ。
7. 前記シリンダ（１５）内部で前記ピストン（９）が流体をどちらの方向にも圧縮するので、これにより２つの圧縮段階が生成され、
   この２つの圧縮段階においては、前記第一低圧圧縮室（２１）での吐出・送出工程が、前記連通開口（２３）と前記連通バルブ手段（２４）によって、前記第二高圧圧縮室（２２）での吸込工程と同時に起こる
   ことを特徴とする請求項３に記載のリニアコンプレッサ。
8. 前記フランジ（１３）から離れていく前記ピストン（９）の移動ストロークが、第一低圧圧縮室（２１）においては、膨張工程（ＡＢ）と、前記吸込バルブ手段（１７）によって制御されるとおりの吸込工程（ＢＣ）を生成し、第二高圧圧縮室（２２）においては、圧縮工程（ＡＥ）と、前記吐出バルブ手段（３０）によって制御されるとおりの吐出工程（ＥＦ）を生成し、第一低圧圧縮室（２１）での前記吸込工程と第二高圧圧縮室（２２）での前記圧縮工程の期間は前記連通開口（２３）が前記連通バルブ手段によって閉鎖される
   ことを特徴とする請求項３および請求項５に記載のリニアコンプレッサ。
9. さらに潤滑および冷却システムを備え、
   この潤滑および冷却システムは、
   貯留部（３２）と、円筒状の案内体（１２）の周囲に設けられた少なくとも一つの第一ポート（３４）との間の連通を確立する第一チャネル（３３）と、
   前記貯留部（３２）から、前記第一チャネル（３３）と前記第一ポート（３４）とを介して、前記シャフト（８）と前記案内体（１２）との間に潤滑油を供給できるようになっている循環ポンプ（３１）とを備える
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか、またはこれら請求項のいずれかに記載のものを組み合わせたリニアコンプレッサ。
10. 前記潤滑油はさらに、前記案内体（１２）から、第二チャネル（３５）と、前記フランジ（１３）に設けられた第二ポート（３６）と、前記シリンダ（１５）に設けられた第三チャネル（３７）とを通って、前記シリンダ（１５）の壁に設けられた空洞ないしジャケット（３８）に流入する
    ことを特徴とする請求項９に記載のリニアコンプレッサ。

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