JP3889519B2 - リニアコンプレッサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダ内に嵌装されたピストンをリニアモータによって往復運動させることにより、ガスを圧縮して外部に供給するリニアコンプレッサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、冷凍システムに於いて、冷媒ガスを圧縮して供給する機構として、リニアコンプレッサが開発されている。例えば図４に示す如く、有底円筒体のハウジング１０１と、そのハウジング１０１の上端開口部に形成された低炭素鋼からなる磁気枠１０２と、この磁気枠１０２の中心部に形成されたシリンダ１０３と、シリンダ１０３内に往復可能に嵌装され、シリンダ１０３内空間に圧縮室１０４を区画形成するピストン１０５と、ピストン１０５を往復駆動する駆動源としてのリニアモータ１０６を備えている。
【０００３】
そして、リニアモータ１０６には、環状の永久磁石１０７がシリンダ１０３の同心外方に配置され、ハウジング１０１に固着されている。この磁石１０７及び磁気枠１０２からなる磁気回路によって、シリンダ１０３の中心と同心の円筒状の間隙１０８に磁界Ｂを発生させる。間隙１０８には中心部にてピストン１０５に一体固定された樹脂からなる有底円筒状の可動体１０９が配設され、可動体１０９及びピストン１０５を往復可能に弾性支持するためのコイルスプリング１１０がハウジング１０１に固定されている。
【０００４】
この可動体１０９の外周には、磁石１０７と対向する位置に電磁コイル１１１が巻回されており、リード線（図示せず）を介して所定周波数の交流電流を通電することで、間隙１０８を通る磁界との作用によりコイル１１１及び可動体１０９を駆動してピストン１０５をシリンダ１０３内で往復移動させ、圧縮室１０４で所定周期のガス圧を発生させるようになされている。
【０００５】
一方、代表的な冷凍システムとして、図５に示す如く、リニアコンプレッサ１２１（圧縮機）、凝縮器１２２、膨張弁１２３及び蒸発器１２４をガス流路配管１２５にて接続した密閉式の冷凍システムが知られており、リニアコンプレッサ１２１は、蒸発器１２４で気化した冷媒ガスを、ガス流路配管１２５を通じて吸入して高圧に圧縮し、高圧となった冷媒ガスをガス流路配管１２５を経て凝縮器１２２に吐出する装置として使用されている。
【０００６】
このため、図４に示すように、圧縮室１０４には、シリンダ１０３の上端部に設けられた弁機構１１２を介してハウジング１０１外部のガス流路配管１２５が接続されている。弁機構１１２は、ガス流路配管１２５を介して蒸発器１２４からの冷媒ガスの吸入のみを許容する吸入弁１１２ａと、ガス流路配管１２５を介して凝縮器１２２への冷媒ガスの吐出のみを許容する吐出弁１１２ｂとから構成される。吸入弁１１２ａは、低圧側のガス流路配管１２５と圧縮室１０４との冷媒ガスの圧力差によって、圧縮室１０４方向にガスを流入させる弁である。又、吐出弁１１２ｂは、圧縮室１０４内の冷媒ガス圧力が一定圧力以上となると開放するように、圧縮室１０４と高圧側のガス流路配管１２５との冷媒ガスの圧力差によって、高圧側のガス流路配管１２５方向にガスを流出させる弁である。尚、吸入弁１１２ａ及び吐出弁１１２ｂは、ともに板バネによって付勢されている弁である。
【０００７】
以上の構成により、従来装置では吸入弁１１２ａから吸入された冷媒ガスを圧縮室１０４で高圧に圧縮した後、吐出弁１１２ｂを介して凝縮器１２２に供給している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そして、従来のリニアコンプレッサ１２１では、ピストンの最大振幅範囲を設定し、できるだけ圧縮効率が良くなるようにピストン１０５の上死点位置がシリンダ１０３の上壁に近接するように設計されている。しかしながら、リニアコンプレッサ１２１では、何らかの原因で突発的に負荷が軽くなったとき、この急激な変化に制御が追従できず、ピストン１０５が上死点側へ設定最大範囲以上へ移動し、シリンダ１０３の上壁に衝突したり、可動体１０９が磁気枠１０２に衝突する虞れがあった。この結果、衝突により可動体１０９及び弁１１２ａ、１１２ｂが壊れたり、リード線が断線したりすることがあった。
【０００９】
この対策として、特開平９−２６４２６２号公報に記載のように、可動体のピストン上死点側への変位がピストンの設定最大範囲以上となったことを、可動体の位置を検出することによって検知し、その検知に基づいて電源装置からの電力供給を停止させるものが提案されています。
【００１０】
しかし、斯かる特開平９−２６４２６２号公報において提案のものは、可動体位置に基づいてピストン位置を判断しているが、一般に可動体はピストンシャフトを介してピストンに連結されているが、組立精度上その取付誤差が発生したり、運転時に可動体の撓みなどが発生するため、これらを考慮しなければならず、ピストンが上死点に達したときのピストンヘッドとシリンダ上壁の間隙（トップクリアランス）をある程度以上は小さくすることが出来なかった。
【００１１】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであって、ピストンの異常変位の発生による装置の破壊や故障発生を防止するとともに、トップクリアランスを小さくして高い体積効率を実現したリニアコンプレッサを提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ハウジング内の両側に設けられた第１及び第２シリンダと、該第１及び第２シリンダ内に往復可能に嵌装され、各シリンダ内に圧縮室をそれぞれ区画形成する第１及び第２ピストンと、両端部が該第１及び第２ピストンに固着されているピストンシャフトと、所定周波数の交流電圧を印加して前記第１及び第２ピストンを往復駆動するリニアモータと、を有し、各圧縮室内でガスを圧縮して外部に供給するリニアコンプレッサにおいて、第１ピストンに一体的に取り付けられた突出部と、第１ピストンが上死点側へ設定最大範囲以上移動したときに、前記突出部と当接して接触を検知し、且つ第２ピストンが上死点側へ設定最大範囲以上移動したときに第１ピストンと当接して接触を検知する異常変位検知手段と、該異常変位検知手段からの検知信号に基づいて、前記交流電圧を制御する制御手段と、を備えていることを特徴としている。そして具体的には、前記第１ピストンは、第１シリンダ内に圧縮室を区画形成するピストン上部と、前記突出部としてのピストン下部と、該ピストン上部及びピストン下部間を一体的に連結する連結部とから構成され、前記異常変位検知手段は、前記第１ピストンが上死点側へ設定最大範囲以上移動したときに前記ピストン下部と当接して接触を検知し、且つ前記第２ピストンが上死点側へ設定最大範囲以上移動したときに前記第１ピストン上部と当接して接触を検知することを特徴としている。
【００１３】
この構成を用いることにより、非常に簡単な構成によってピストン位置を直接検出することが出来、トップクリアランスを小さくすることができる。
【００１４】
この構成を用いることにより、第１ピストン側に異常変位検知手段を１組設けるだけで良く、第２ピストン側に特別な構成を必要とせず、第１ピストン若しくは第２ピストンとシリンダ上壁との衝突を未然に防ぐことが出来る。
【００１５】
そして、前記制御手段は、異常変位検知手段からの検知信号に基づいて、電源装置からの駆動電力の供給を停止させている。この構成を用いることにより、ピストンの異常変位の発生した場合に、即座に電磁コイルへの駆動電流供給が停止される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明のリニアコンプレッサの一実施の形態について説明する。尚、前述の従来装置と同じ構成については同一符号を付して示しており、これらの部分の詳細な説明は省略する。
【００１７】
本発明のリニアコンプレッサは、上記した図５に示す如く、密閉形の冷凍システムの圧縮機として用いられる。そして、そのリニアコンプレッサとしては、図１に示す如く、外周が密閉円筒状のハウジング１によって包囲され、リニアコンプレッサを密閉空間として保持している。このハウジング１は、その上部及び下部に圧縮室２、３を有している。
【００１８】
そして、ハウジング１の上部には低炭素鋼からなる磁気枠（ヨーク）４が形成され、このヨーク４の中心部には上下方向に延びるシリンダ嵌装孔５が貫通形成され、このシリンダ嵌装孔５にはステンレス鋼からなる有底円筒状の第１シリンダ６が嵌合されている。
【００１９】
第１シリンダ６内には、第１ピストン７が摺動可能に嵌装されており、第１シリンダ６と第１ピストン７により冷媒ガスの圧縮空間となる上部圧縮室２が区画形成される。そして、第１シリンダ６には外部のガス流路配管１２５に接続され、蒸発器１２４で気化した冷媒ガスを吸入するための第１吸入弁８ａが設けられている。
【００２０】
一方、第１シリンダ６と反対側のハウジング１の下部には、上下方向に延びる第２シリンダ９が設けられており、その第２シリンダ９内には第２ピストン１０が摺動可能に嵌装されており、第２シリンダ９と第２ピストン１０により冷媒ガスの圧縮空間となる下部圧縮室３が区画形成される。そして、上部圧縮室２と同様に、第２シリンダ９には外部のガス流路配管１２５と接続し、蒸発器１２４で気化した冷媒ガスを吸入するための第２吸入弁１１ａが設けられている。
【００２１】
そして、第１ピストン７及び第２ピストン１０は、ピストンシャフト１２で連結されており、第１ピストン７側が開放された有底円筒状の可動体（ボビン）１３がピストンシャフト１２に一体固定されている。
【００２２】
また、ヨーク４にはシリンダ嵌装孔５と同心状に配置された環状の凹部１５が形成され、この凹部１５の外側側面１５ａには環状の永久磁石１６が内側側面との間に所定の間隙をあけて取り付けられており、この磁石１６及びヨーク４によってリニアモータ１７の磁気回路１８が構成され、この磁気回路１８によって磁石１６と凹部１５内側側面との間の間隙に所定強度の磁界を発生させるようにしている。そして、ボビン１３が磁石１６及びヨーク４からなる磁気回路１８の一部に形成した間隙に配設され、ボビン１３の外周に巻回された電磁コイル１９に所定周波数の交流電流を電源装置（図示せず）から供給することによって第１ピストン７及び第２ピストン１０をそれぞれ第１シリンダ６及び第２シリンダ９内で往復移動させ、上部圧縮室２及び下部圧縮室３において所定周期のガス圧を発生させるようになされている。そして、この電源装置は、その駆動電力を制御する制御手段（図示せず）からの制御指令に基づいて所定の駆動電流を電磁コイル１９へ供給している。
【００２３】
上記第１ピストン７は、第１シリンダ６内に圧縮室２を区画形成するピストン上部７１と、ピストン上部７１の可動体１３側に配設されたピストン下部７２と、ピストン上部７１及びピストン下部７２間を一体的に連結固定する連結部７３とから構成され、ピストン上部７１には図示していないがその周面にガスシール部材が設けられており、圧縮室２内の圧縮ガスがピストン上部７１の背面空間側に漏出しないようにしている。連結部７３は、ピストン上部７１及びピストン下部７２よりも直径が小さな円柱形状となっており、これらピストン上部７１、連結部７３、ピストン下部７２によって第１ピストン７は、所謂ダンベル形状に構成されている。
【００２４】
そして、連結部７３の周面に対向するように異常変位検知手段としての導電電極部材２１が配置され、第１ピストン７がその上死点側へ設定最大範囲以上移動したときに、ピストン下部７２（突出部）に当接し、且つ第２ピストン１０がその上死点側へ設定最大範囲以上移動したときにピストン上部７１と当接する。具体的には、第１ピストン７及び第２ピストン１０がストローク中心位置に位置している場合に、導電電極部材２１とピストン下部７２との距離をＡ、ピストン上部７１とシリンダ上壁との距離をＢ、導電電極部材２１とピストン上部７１との距離をａ、第２ピストン１０上部とシリンダ上壁との距離をｂとすると、Ａ＜Ｂ，ａ＜ｂが満足する関係に導電電極部材２１が配置されている。
【００２５】
この導電電極部材２１は、ピストン上部７１又はピストン下部７２に当接した場合に電気的な閉回路が形成されるように構成されており、この構成により第１ピストン７又は第２ピストン１０が上死点側へ設定最大範囲以上移動したことを検知している。そして、非常停止装置２２（制御手段）では、導電電極部材２１による第１ピストン７又は第２ピストン１０の異常変位検知に基づいて、電磁コイル１９への駆動電流供給を即座に停止させている。そして、導電電極部材２１はシリンダ６を貫通させて、ハウジング１外部の非常停止装置２２に接続されているが、ハウジング１への漏電を防止するために導電電極部材２１の貫通部には絶縁体２３を両者間に介装させている。
【００２６】
従って、第１ピストン７が上死点側へ設定最大範囲以上移動した場合には、図２に示すように、ピストン下部７２に導電電極部材２１が当接して、第１ピストン７の異常変位を検知することになる。一方、第２ピストン１０がその上死点側へ設定最大範囲以上移動した場合には、図３に示すように、ピストン上部７１に導電電極部材２１が当接して、第２ピストン１０の異常変位を検知することになる。このため、上記のように２ピストン構成の場合には、異常変位検知手段を１組設けるだけで良く、第２ピストン１０側に特別な構成を必要としない。
【００２７】
以上のように、上記構成によればトップクリアランスを小さくして高い体積効率を実現した状態で、ピストンの異常変位を簡単な構成で確実に検知することが出来る。
【００２８】
尚、上記実施の形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。
【００２９】
例えば、上記実施形態例では、２ピストン構成について説明したが、１ピストン構成のリニアコンプレッサについても適用可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べた通り本発明によれば、非常に簡単な構成によってピストンの異常変位を確実に検知することが出来、ピストンとシリンダ上壁との衝突を未然に防ぐことが出来る。従って、トップクリアランスを小さくして高い体積効率を実現したリニアコンプレッサを提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態を示すリニアコンプレッサの断面図である。
【図２】 図１装置での第１ピストン７の上死点側への移動時の動作内容を説明するための断面図である。
【図３】 図１装置での第２ピストン１０の上死点側への移動時の動作内容を説明するための断面図である。
【図４】 従来のリニアコンプレッサの断面図である。
【図５】 密閉型の冷凍システムの構成を示す概念図である。
【符号の説明】
１ ハウジング
２ 上部圧縮室
３ 下部圧縮室
６ 第１シリンダ
７ 第１ピストン
８ 第１弁機構
９ 第２シリンダ
１０ 第２ピストン
１１ 第２弁機構
１２ ピストンシャフト
１３ 可動体（ボビン）
２１ 導電電極部材（異常変位検知手段）
２２ 非常停止装置（制御手段）
２３ 絶縁体
７１ ピストン上部
７２ ピストン下部（突出部）
７３ 連結部

Claims (3)

1. ハウジング内の両側に設けられた第１及び第２シリンダと、
   該第１及び第２シリンダ内に往復可能に嵌装され、各シリンダ内に圧縮室をそれぞれ区画形成する第１及び第２ピストンと、両端部が該第１及び第２ピストンに固着されているピストンシャフトと、所定周波数の交流電圧を印加して前記第１及び第２ピストンを往復駆動するリニアモータと、を有し、各圧縮室内でガスを圧縮して外部に供給するリニアコンプレッサにおいて、
   前記第１ピストンに一体的に取り付けられた突出部と、
   前記第１ピストンが上死点側へ設定最大範囲以上移動したときに、前記突出部と当接して接触を検知し、且つ前記第２ピストンが上死点側へ設定最大範囲以上移動したときに、前記第１ピストンと当接して接触を検知する異常変位検知手段と、
   該異常変位検知手段からの検知信号に基づいて、前記交流電圧を制御する制御手段と、を備えていることを特徴とするリニアコンプレッサ。
2. ハウジング内の両側に設けられた第１及び第２シリンダと、
   該第１及び第２シリンダ内に往復可能に嵌装され、各シリンダ内に圧縮室をそれぞれ区画形成する第１及び第２ピストンと、両端部が該第１及び第２ピストンに固着されているピストンシャフトと、所定周波数の交流電圧を印加して前記第１及び第２ピストンを往復駆動するリニアモータと、を有し、各圧縮室内でガスを圧縮して外部に供給するリニアコンプレッサにおいて、
   前記第１ピストンは、第１シリンダ内に圧縮室を区画形成するピストン上部と、ピストン下部と、該ピストン上部及びピストン下部間を一体的に連結する連結部とから構成され、
   前記第１ピストンが上死点側へ設定最大範囲以上移動したときに、前記ピストン下部と当接して接触を検知し、且つ前記第２ピストンが上死点側へ設定最大範囲以上移動したときに、前記ピストン上部と当接して接触を検知する異常変位検知手段と、
   該異常変位検知手段からの検知信号に基づいて、前記交流電圧を制御する制御手段と、を備えていることを特徴とするリニアコンプレッサ。
3. 前記制御手段は、前記異常変位検知手段からの検知信号に基づいて、前記交流電圧の供給を停止させることを特徴とする、請求項１又は２のいずれかに記載のリニアコンプレッサ。

Images