(57)【要約】  本発明は、ピストンがリニアモータにより駆動されて、シリンダ内部で往復直線運動しながら冷媒を吸入、圧縮、吐出させるリニア圧縮機に関し、ピストンを運動方向に弾性支持する機械スプリング及びガススプリングの弾性力が負荷によって変化することを考慮してピストンの固有周波数にリニアモータの運転周波数を同期させるために、負荷が変化しても共振状態で運転が行われるようにして効率を極大化させることができ、負荷によって実際のピストンのストロークを変更することにより、負荷に能動的に対応して解消できるだけでなく、消費電力を低減させることができる。
2008511789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に圧縮空間を含む固定部材と、
前記固定部材内部から軸方向に往復直線運動しながら冷媒を圧縮空間に吸入して圧縮させる可動部材と、
前記可動部材を可動部材の運動方向に弾性支持するように設置され、負荷に依存してスプリング定数Ｋｔが変化する少なくとも一つのスプリングと、
前記可動部材と連結されるように設置されて前記可動部材を軸方向に往復直線運動させて、その運転周波数をスプリング定数に依存する可動部材の固有周波数に同期させるリニアモータとを含んで構成されることを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項２】
前記スプリングは、負荷に比例してスプリング定数が変化するように構成され、前記リニアモータは負荷に比例して運転周波数が変化するように作動されることを特徴とする請求項１に記載のリニア圧縮機。
【請求項３】
前記リニア圧縮機は、冷凍／空調用サイクル内に設置され、 前記負荷は前記冷凍／空調用サイクルで冷媒が凝縮される圧力（凝縮圧）と冷媒が蒸発される圧力（蒸発圧）の差に比例して算出されることを特徴とする請求項２に記載のリニア圧縮機。
【請求項４】
前記負荷は、さらに凝縮圧と蒸発圧の平均圧力（平均圧）に比例して算出されることを特徴とする請求項３に記載のリニア圧縮機。
【請求項５】
前記スプリングは、前記可動部材の運動方向の両方に前記可動部材を支持するように設置されて一定の機械スプリング定数を有する機械スプリングと、
前記圧縮空間に吸入される冷媒の負荷に依存して変化するガススプリング定数を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のリニア圧縮機。
【請求項６】
前記機械スプリング及びガススプリングは、機械スプリング定数とガススプリング定数の和である全体スプリング定数に対する機械スプリング定数の比率が、９０％以下になるように構成されることを特徴とする請求項５に記載のリニア圧縮機。
【請求項７】
前記機械スプリング及びガススプリングは、前記可動部材の固有周波数が３０〜５５Ｈｚの低周波数領域で設定されるようにする機械スプリング定数及びガススプリング定数を有することを特徴とする請求項５又は６に記載のリニア圧縮機。
【請求項８】
前記リニアモータは、負荷に依存して前記可動部材の往復直線運動の距離であるストロークを変更するように作動されることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載 リニア圧縮機。
【請求項９】
前記リニアモータは、前記可動部材のストロークが変化しても可動部材が上死点まで往復直線運動することを特徴とする請求項８に記載のリニア圧縮機。
【請求項１０】
前記可動部材は、機械スプリング定数が小さくなるほど初期位置が前記上死点に近づくように設置されることを特徴とする請求項９に記載のリニア圧縮機。
【請求項１１】
内部に圧縮空間を含む固定部材と、
前記固定部材内部で軸方向へ往復直線運動しながら圧縮空間に吸入される冷媒を圧縮させる可動部材と、
前記可動部材の運動方向の両方に可動部材を弾性支持するように設置されて一定の機械スプリング定数を有する機械スプリングと、
前記圧縮空間に吸入される冷媒の負荷に依存して変化するガススプリング定数を有するガススプリングと、
前記可動部材と連結されるように設置されて可動部材を軸方向に往復直線運動させるリニアモータからなり、
前記機械スプリング及びガススプリングは負荷に依存して可動部材の往復直線運動の距離であるストロークが変化するように、機械スプリング定数及びガススプリング定数が設定されることを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項１２】
前記リニア圧縮機は冷凍／空調用サイクル内に設置され、前記負荷は冷凍／空調用サイクルで冷媒が凝縮される圧力（凝縮圧）と冷媒が蒸発される圧力（蒸発圧）の差に比例して算出されることを特徴とする請求項１１に記載のリニア圧縮機。
【請求項１３】
前記負荷は、さらに凝縮圧と蒸発圧の平均圧力（平均圧）に比例して算出されることを特徴とする請求項１２に記載のリニア圧縮機。
【請求項１４】
機械スプリング及びガススプリングは、前記可動部材のストロークが変化しても可動部材が上死点まで往復直線運動するように機械スプリング定数及びガススプリング定数が設定されることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載のリニア圧縮機。
【請求項１５】
前記可動部材は、機械スプリング定数が小さくなるほど初期位置が上死点近づくように設置されることを特徴とする請求項１４に記載のリニア圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷に依存して変化する可動部材の固有周波数に運転周波数を同期させることにより、負荷に能動的に対処できるだけでなく、効率的な運転が行えるリニア圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧縮機は、電気モータやタービン等の動力発生装置から動力の伝達を受けて空気や冷媒、又はその他の多様な作動ガスを圧縮させて圧力を高める機械装置であって、冷蔵庫とエアコン等このような家電機器又は産業全般に亘って広く使われている。
【０００３】
このような圧縮機を大別すると、ピストンとシリンダ間に作動ガスが吸入、吐出される圧縮空間を形成し、ピストンがシリンダ内部で直線往復運動しながら冷媒を圧縮させる往復動式圧縮機と、偏心ローラとシリンダ間に作動ガスが吸入、吐出される圧縮空間を形成し、ローラがシリンダの内壁に沿って偏心回転しながら冷媒を圧縮させる回転式圧縮機と、旋回スクロールと固定スクロール間に作動ガスが吸入、吐出される圧縮空間を形成し、旋回スクロールが固定スクロールに沿って回転しながら冷媒を圧縮させるスクロール式圧縮機に分けられる。
【０００４】
最近では、往復動式圧縮機のうち、特にピストンが往復直線運動する駆動モータに直接連結されるようにして、運動転換による機械的な損失なく圧縮効率を向上させるだけでなく、 簡単な構造となっているリニア圧縮機が多く開発されている。
【０００５】
一般に、リニア圧縮機はモータの直線駆動力を利用して冷媒を吸入、圧縮、吐出させるが、冷媒ガスを圧縮させる及びピストン等が含まれた圧縮部と、圧縮部に駆動力を供給するリニアモータが含まれた駆動部とに大きく分けられる。
【０００６】
具体的には、リニア圧縮機は、密閉容器内部にシリンダが固定設置され、シリンダ内部にピストンが往復直線運動可能に設置され、ピストンがシリンダ内部で往復直線運動することによってシリンダ内部の圧縮空間に冷媒を吸入して圧縮した後、吐出するように構成され、圧縮空間には吸入弁アセンブリ及び吐出弁アセンブリが設置されて圧縮空間の内部圧力によって冷媒の吸入及び吐出を調節する。
【０００７】
また、ピストンに直線運動力を発生させるリニアモータが相互連結されるように設置されるが、リニアモータは、シリンダの周囲に複数個のラミネーションを円周方向に積層されるように構成したインナステータ及びアウタステータが所定の間隙をおいて設置され、インナステータ又はアウタステータ内側にはコイルが巻かれるように設置され、インナステータとアウタステータ間の間隙には永久磁石がピストンと連結されるように設置される。
【０００８】
ここで、永久磁石は、ピストンの運動方向に移動可能に設置され、コイルに電流が流れることによって発生する電磁気力によりピストンの運動方向に往復直線運動するが、通常、リニアモータは一定の運転周波数ｆｃで作動され、ピストンが所定のストロークＳで往復直線運動する。
【０００９】
一方、ピストンは、リニアモータにより往復直線運動する一方、運動方向に弾性支持されるように各種スプリングが設置されるが、具体的には、機械スプリングの一種であるコイルスプリングがピストンの運動方向に密閉容器及びシリンダに弾性支持されるように設置され、圧縮空間に吸入された冷媒もガススプリングとして作用する。
【００１０】
コイルスプリングは一定の機械スプリング定数Ｋｍを有し、ガススプリングは負荷により変更されるガススプリング定数Ｋｇを有し、機械スプリング定数Ｋｍ及びガススプリング定数Ｋｇを考慮してピストン（又は、リニア圧縮機）の固有周波数ｆｎが算出される。
【００１１】
このように算出されたピストンの固有周波数ｆｎは、リニアモータの運転周波数ｆｃを決定するが、リニアモータは運転周波数ｆｃをピストンの固有周波数ｆｎと一致させて、すなわち、共振状態で運転させることにより効率を上げることができる。
【００１２】
したがって、このように構成されたリニア圧縮機は、リニアモータに電流が印加されると、コイルに電流が流れることによるアウタステータ、及びインナステータとの相互作用により電磁気力が発生し、このような電磁気力により永久磁石及びこれと連結されたピストンが往復直線運動する。
【００１３】
ここで、リニアモータは一定の運転周波数ｆｃで運転され、リニアモータの運転周波数ｆｃは、ピストンの固有周波数ｆｎと一致させられて共振状態で運転されることにより効率を最大にすることができる。
【００１４】
上述したように、ピストンがシリンダ内部で往復直線運動することによって圧縮空間の内部圧力が変化し、このような圧縮空間の圧力変化により冷媒を圧縮空間に吸入した後、圧縮して吐出する。
【００１５】
このように構成されたリニア圧縮機は、リニアモータが設計上考慮した負荷下でコイルスプリングの機械スプリング定数Ｋｍ、及びガススプリングのガススプリング定数Ｋｇにより算出されるピストンの固有周波数ｆｎに一致する運転周波数ｆｃで運転されるように構成される。このため、効率を上げるために、リニアモータは、設計上考慮した負荷下でのみ共振状態で運転される。
【００１６】
ところが、このようなリニア圧縮機では、実際、負荷が変化するので、ガススプリングのガススプリング定数Ｋｇ及びこれを考慮して算出されたピストンの固有周波数ｆｎが変更される。
【００１７】
具体的には、リニアモータは図１Ａに示すように設計時に中負荷領域においては、ピストンの固有周波数ｆｎと一致するように運転周波数ｆｃが決定され、負荷が変化してもこのように決定された一定の運転周波数ｆｃで運転されるが、ピストンの固有周波数ｆｎは負荷が大きくなるにつれて大きくなる。
【００１８】
【数１】
2008511789.tif 000003
【００１９】
ここで、ｆｎはピストンの固有周波数で、Ｋｍ及びＫｇは、機械スプリング定数及びガススプリング定数であり、Ｍはピストンの質量である。
【００２０】
通常、設計時に全体スプリング定数Ｋｔのうち、ガススプリング定数Ｋｇが占める比率が小さいために、ガススプリング定数Ｋｇを考慮しないか、又はガススプリング定数Ｋｇを一定の値に設定して適用し、ピストンの質量Ｍ及び機械スプリング定数Ｋｍも一定の値を有するため、ピストンの固有周波数ｆｎも式（１）に依存して一定の値として算出される。
【００２１】
しかし、実際に負荷が増加するほど制限された空間における冷媒の圧力及び温度が高くなる。これによってガススプリングそれ自体の弾性力が大きくなってガススプリング定数Ｋｇが大きくなり、このようなガススプリング定数Ｋｇに比例するように算出されるピストンの固有周波数ｆｎも大きくなる。
【００２２】
したがって、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、中負荷領域においては、リニアモータの運転周波数ｆｃと上記ピストンの固有周波数ｆｎが一致するため、ピストンが上死点（ＴＤＣ）に達するように運転されて安定的に圧縮作用がなされる。これに加えて、リニアモータは共振状態で運転が行われることにより、圧縮機の効率が最大となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかし、低負荷領域においては、リニアモータの運転周波数ｆｃよりピストンの固有周波数ｆｎが小さくなるため、ピストンが上死点以上に過度に運動して過度な圧縮力が作用されるだけでなく、ピストン及びシリンダの摩擦及び摩耗が発生して、共振状態で運転できなくなるので圧縮機の効率が低下してしまう。
【００２４】
一方、高負荷領域においては、リニアモータの運転周波数ｆｃよりピストンの固有周波数ｆｎが大きくなるため、ピストンが上死点に達しない状態で運転することによって圧縮力が低減され、共振状態で運転できなくなるので圧縮機の効率が低下してしまう。
【００２５】
結果的に、従来のリニア圧縮機は負荷が変化することにより、ピストンの固有周波数ｆｎが変化する反面、リニアモータの運転周波数ｆｃは一定である。このため、リニアモータが共振状態で運転できなくなるので、その効率が低下する。更に、リニア圧縮機は、能動的に負荷に対応できなくなり、負荷を解消できないという問題点があった。
【００２６】
一方、従来のリニア圧縮機は、能動的に負荷に対応して迅速に解消するために、負荷に比例して入力電流を調節してリニアモータの運転周波数ｆｃを変化させるが、特に低負荷でリニアモータの運転周波数ｆｃが低くなるように制御する。このため、実際共振状態で圧縮作用がなされず、圧縮機の効率は大きく低下する反面、全体冷凍サイクルの効率は増加するため、実際、全体効率がそれほど増加しなくなる。
【００２７】
したがって、低負荷でも共振状態で圧縮作用がなされるようにするために、リニアモータの運転周波数ｆｃをピストンの固有周波数ｆｎと一致させるために低周波数領域で運転するように制御する必要がある。ところが、実際、機械スプリング定数Ｋｍが大きく設定されたリニア圧縮機において入力電流を調節してリニアモータの運転周波数ｆｃを低周波数で運転するように制御するのは難しく、かつ効率的に圧縮容量を変化させるのは困難であるという問題点があった。
【００２８】
ここで、本発明は、ピストンの固有周波数が負荷に依存して変化してもリニアモータの運転周波数をピストンの固有周波数に同期させることにより、負荷が変化しても共振状態で運転できるリニア圧縮機を提供することを目的とする。
【００２９】
また、本発明は、リニアモータが負荷によって運転周波数を変化させると同時に、又はそれとは別にピストンのストロークを調節できるように動作するため、効率的に圧縮容量を変化させることができるリニア圧縮機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
目的を達成するために、本発明の一実施の形態では内部に圧縮空間を有する固定部材と、固定部材内部から軸方向に往復直線運動しながら冷媒を圧縮空間に吸入して圧縮させる可動部材と、可動部材を可動部材の運動方向に弾性支持するように設置されて、負荷に依存してスプリング定数が変化する少なくとも一つのスプリングと、可動部材と連結されるように設置されて、可動部材を軸方向に往復直線運動させ、その運転周波数をピストンの固有周波数に同期させるリニアモータを含んで構成されることを特徴とするリニア圧縮機を提供する。
【００３１】
ここで、スプリングは、負荷に比例してスプリング定数が変化するように構成され、リニアモータは負荷に比例して運転周波数が変化するように作動されることが好ましい。
【００３２】
ここで、リニア圧縮機は、冷凍／空調用サイクル内に設置され、負荷は冷凍／空調用サイクルで冷媒が凝縮される圧力（凝縮圧）と冷媒が蒸発される圧力（蒸発圧）の差に比例して算出されることが好ましいが、負荷はさらに凝縮圧と蒸発圧の平均圧力（平均圧）に比例して算出されることが好ましい。
【００３３】
また、スプリングは、可動部材の運動方向の両方に可動部材支持するように設置されて一定の機械スプリング定数を有する機械スプリングと、圧縮空間に吸入される冷媒の負荷に依存して変化するガススプリング定数を有するガススプリングからなることが好ましい。
【００３４】
ここで、上記機械スプリング及びガススプリングは、機械スプリング定数とガススプリング定数の和である全体スプリング定数に対する機械スプリング定数の比率が９０％以下になるように構成され、ピストンの固有周波数が３０-５５Ｈｚの低周波数領域で設定されるように機械スプリング定数及びガススプリング定数が決定されることが好ましい。
【００３５】
さらに、上記機械スプリングおよびガススプリングは負荷に依存して可動部材の往復直線運動距離であるストロークを変更するように機械スプリング定数及びガススプリング定数が設定されることが好ましいが、機械スプリングとガススプリングは、可動部材のストロークが変化しても前期可動部材が上死点まで往復直線運動するように機械スプリング定数及びガススプリング定数が設定されることがより好ましい。
【００３６】
また、可動部材は機械スプリング定数が小さくなるほど初期位置が上死点に近づくように設置され、機械スプリング及びガススプリングにより安定的に弾性支持されるようにすることが好ましい。
【００３７】
一方、本発明で他の一実施形態では内部に圧縮空間を有する固定部材と、上記固定部材内部から軸方向に往復直線運動しながら上記圧縮空間に吸入される冷媒を圧縮させる可動部材と、可動部材の運動方向両側で可動部材を弾性支持するように設置されて一定の機械スプリング定数を有する機械スプリングと、圧縮空間に吸入される冷媒の負荷に依存して変化するガススプリング定数を有するガススプリングと、可動部材と連結されるように設置されて可動部材を軸方向に往復直線運動させるリニアモータからなり、機械スプリング及びガススプリングは負荷に依存して可動部材の往復直線運動の距離であるストロークが変更されるように機械スプリング定数及びガススプリング定数が設定されることを特徴とするリニア圧縮機を提供する。
【００３８】
ここで、リニア圧縮機は冷凍／空調用サイクル内に設置され、負荷は、冷凍／空調用サイクルで冷媒が凝縮される圧力（凝縮圧）と冷媒が蒸発される圧力（蒸発圧）の差に比例して算出されることが好ましいが、負荷は、さらに凝縮圧と蒸発圧の平均である圧力（平均圧）に比例して算出されることがより好ましい。
【００３９】
また、機械スプリングとガススプリングは、可動部材のストロークが変化しても可動部材が上死点まで往復直線運動するように機械スプリング定数及びガススプリング定数が設定されることが好ましい。
【００４０】
また、可動部材は、機械スプリング定数が小さくなるほど初期位置が上死点に近づくように設置され、機械スプリング及びガススプリングにより安定的に弾性支持されるようにすることが好ましい。
【発明の効果】
【００４１】
このように、本発明で機械スプリング定数が従来の機械スプリング定数より低減されると、本発明におけるガススプリングの影響が従来のガススプリングの影響より大きくなり、負荷が大きくなるほどピストンの固有周波数も自動的に大きくなる。
【００４２】
したがって、本発明では、負荷によって比較的ピストンの固有周波数が大きく変化し、このように変化するピストンの固有周波数にリニアモータの運転周波数を容易に同期させることができるので、共振状態で運転されるようにして効率を極大化させるだけでなく、負荷を解消し、かつ低周波数領域で運転を行うことができて消費電力を減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
また、本発明でリニアモータに入力される外部電流を調節してピストンのストロークを調節できるので、負荷に能動的に対応して解消するだけでなく、消費電力を低減させることができる。
【００４４】
以下、上記目的が具体的に実現できる本発明の実施形態を添付された図面を参照して説明する。本発明の特徴及び長所らは後述する本発明の詳細な説明と添付図面を参考にしてよりよく理解されるだろう。
【００４５】
本発明によるリニア圧縮機は図２に示すように密閉容器２の一側に冷媒が吸入，吐出される流入管２ａ及び流出管２ｂが設置され、密閉容器２の内側にシリンダ４が固定されるように設置され、シリンダ４の内部の圧縮空間Ｐに吸入された冷媒を圧縮させるように、シリンダ４の内部にピストン６が往復直線運動可能に設置され、ピストン６の運動方向に弾性支持されるように各種スプリングが設置され、ピストン６は直線往復駆動力を発生させるリニアモータ１０と連結されるように設置されるが、ピストンの固有周波数ｆｎが負荷に依存して変化してもリニアモータ１０は図３Ａ及び図３Ｂに示したように、ピストンの固有周波数ｆｎと同期するようにその運転周波数ｆｃを制御して全ての負荷領域において共振運転が行われるようにして圧縮効率を高めることができる。
【００４６】
さらに、圧縮空間Ｐと接しているピストン６の一端に吸入弁２２が設置され、圧縮空間Ｐと接しているシリンダ４の一端に吐出弁アセンブリ２４が設置され、吸入弁２２及び吐出弁アセンブリ２４は各々圧縮空間Ｐの内部圧力によって開閉されるように自動的に調節される。
【００４７】
ここで、密閉容器２は内部が密閉されるように、上部シェルと下部シェルが相互結合するように設置され、一側に冷媒が流入する流入管２ａ及び冷媒が吐出される流出管２ｂが設置され、シリンダ４の内側にピストン６が往復直線運動可能に運動方向に弾性支持されるように設置されるとともに、シリンダ４の外側にリニアモータ１０がフレーム１８により組み立てられて組立体を構成し、このような組立体は密閉容器２の内側の底面に支持スプリング２９により弾性支持されるように設置される。
【００４８】
さらに、密閉容器２の内部の底面には所定のオイルが充填され、組立体の下端にはオイルをポンピングするオイル供給装置３０が設置されるとともに、組立体の下側フレーム１８の内部には、オイルをピストン６とシリンダ４の間に供給するオイル供給管１８ａが形成され、これによりオイル供給装置３０はピストン６の往復直線運動による振動により動作してオイルをポンピングし、このオイルはオイル供給管１８ａを通じてピストン６とシリンダ４の間の間隙に供給されて冷却及び潤滑作用をする。
【００４９】
次に、シリンダ４は、ピストン６が往復直線運動するように中空形状に形成されるとともに、一側に圧縮空間Ｐが形成され、流入管２ａの内側に一端が近接するように位置された状態で流入管２ａと同一直線上に設置されることが好ましい。
【００５０】
もちろん、シリンダ４は、流入管２ａと近接した一端の内部にピストン６が往復直線運動可能に設置され、流入管２ａと反対側の一端に吐出弁アセンブリ２４が設置される。
【００５１】
この時、吐出弁アセンブリ２４は、シリンダ４の一端側に所定の吐出空間を形成するように設置される吐出カバー２４ａと、シリンダの圧縮空間Ｐ側の一端を開閉するように設置される吐出弁２４ｂと、吐出カバー２４ａと吐出弁２４ｂの間に軸方向に弾性力を与える一種のコイルスプリングである弁スプリング２４ｃからなるが、シリンダ４の一端の内周にＯリングＲが嵌合するように設置されて吐出弁２４ａがシリンダ４一端を密着させる。
【００５２】
さらに、吐出カバー２４ａの一側と流出管２ｂの間には屈曲形成されたループパイプ２８が連設されるが、ループパイプ２８は圧縮された冷媒が外部に吐出されるように案内するだけでなく、シリンダ４、ピストン６、リニアモータ１０の相互作用による振動が密閉容器２全体に伝えられることを緩衝させる。
【００５３】
したがって、ピストン６がシリンダ４の内部で往復直線運動することにより、圧縮空間Ｐの圧力が所定の吐出圧力以上になると、弁スプリング２４ｃが圧縮されて吐出弁２４ｂを開放させ、冷媒が圧縮空間Ｐから吐出された後、ループパイプ２８及び流出管２ｂに沿って外部に完全に吐出される。
【００５４】
次に、ピストン６は流入管２ａから流入した冷媒が流動するように冷媒流路６ａが中央に形成され、流入管２ａと近接した一端が連結部材１７によりリニアモータ１０が直接連結されるように設置されるとともに、流入管２ａと反対側の一端に吸入弁２２が設置され、ピストン６の運動方向に各種スプリングにより弾性支持されるように設置される。
【００５５】
ここで、吸入弁２２は薄板形状で、ピストンの冷媒流路６ａを開閉させるように、その中央部が一部切開されるように形成され、一側がピストン６の一端にスクリューにより固定設置される。
【００５６】
したがって、ピストン６がシリンダ４の内部で往復直線運動することによって、圧縮空間Ｐの圧力が吐出圧力より低い所定の吸入圧力以下になると、吸入弁２２が開放されて冷媒が圧縮空間Ｐに吸入され、圧縮空間Ｐの圧力が所定の吸入圧力以上になると、吸入弁２２が閉状態で圧縮空間Ｐの冷媒が圧縮される。
【００５７】
特に、ピストン６は運動方向に弾性支持されるように設置されるが、具体的には、流入管２ａと近接したピストン６の一端に、半径方向に突出されたピストンフランジ６ｂがコイルスプリング等のような機械スプリング８ａ、８ｂによりピストン６の運動方向に弾性支持され、流入管２ａと反対側の圧縮空間Ｐに含まれた冷媒がそれ自体の弾性力によりガススプリングとして作用し、ピストン６を弾性支持する。
【００５８】
ここで、機械スプリング８ａ、８ｂは負荷と関係なく、一定の機械スプリング定数Ｋｍを有するが、機械スプリング８ａ、８ｂはピストンフランジ６ｂを基準に、リニアモータ１０に固定される所定の支持フレーム２６とシリンダ４に、各々軸方向に平行するように設置されることが好ましく、支持フレーム２６に支持される機械スプリング８ａとシリンダ４に設置される機械スプリング８ａが同一の機械スプリング定数Ｋｍを有するように構成されることが好ましい。
【００５９】
しかし、ガススプリングは負荷に依存して変化するガススプリング定数Ｋｇを有するが、圧縮空間Ｐに含まれたガスは、周囲の温度が高くなるほど冷媒の圧力が大きくなることによってそれ自体の弾性力が大きくなるため、ガススプリングの負荷が大きくなるほどガススプリング定数Ｋｇが大きくなる。
【００６０】
ここで、機械スプリング定数Ｋｍは一定である反面、ガススプリング定数Ｋｇは負荷に依存して変化するために、全体スプリング定数も負荷に依存して変化し、式（１）に依存してピストンの固有周波数ｆｎもガススプリング定数Ｋｇに依存して変化する。
【００６１】
したがって、負荷が変化しても機械スプリング定数Ｋｍ及びピストンの質量Ｍは一定である反面、ガススプリング定数Ｋｇが変化するために、ピストンの固有周波数ｆｎは負荷に依存するガススプリング定数Ｋｇにより大きく影響を受けることになるが、このようなピストンの固有周波数ｆｎが負荷によって変化するアルゴリズムを把握して、これによりリニアモータの運転周波数ｆｃがピストンの固有周波数ｆｎと同期するように制御することによって、圧縮機の効率をより高めることができるだけでなく、負荷を解消できる。
【００６２】
もちろん、負荷は多様な方法で測定することができるが、このようなリニア圧縮機は、冷媒が圧縮、凝縮、蒸発、膨脹される冷凍／空調用サイクルに含まれるように構成されるため、負荷は冷媒が凝縮される圧力である凝縮圧と、冷媒が蒸発される圧力である蒸発圧の差で定義され、さらに精度を高めるために、凝縮圧と蒸発圧を平均した平均圧を考慮して決定される。
【００６３】
すなわち、負荷は、凝縮圧と蒸発圧の差、及び平均圧に比例するように算出され、負荷が大きくなるほどガススプリング定数Ｋｇが大きくなるが、例えば、凝縮圧と蒸発圧の差が大きくなるほど負荷が大きくなり、凝縮圧と蒸発圧の差が同一であっても平均圧が大きくなるほど負荷が大きくなるように算出され、このような負荷に対応してガススプリング定数Ｋｇが大きくなるように算出される。
【００６４】
ここで、負荷は、実際、図４に示すように、凝縮圧に比例する凝縮温度及び蒸発圧に比例する蒸発温度を測定して、凝縮温度と蒸発温度の差及び平均温度に比例するように算出される。
【００６５】
具体的には、機械スプリング定数Ｋｍ及びガススプリング定数Ｋｇは多様な実験により決定されるが、図５を参照すると、機械スプリング定数Ｋｍが小さくなるほど機械スプリング定数Ｋｍ、及びガススプリング定数Ｋｇの和である全体スプリング定数Ｋｔに対するガススプリング定数Ｋｇの比率が大きくなり、周囲温度が高くなるほど、すなわち負荷が大きくなるほど全体スプリング定数Ｋｔに対するガススプリング定数Ｋｇの比率が大きくなり、さらに全体スプリング定数Ｋｔに対するガススプリング定数Ｋｇの比率が大きくなるほど固有周波数ｆｎの変動が大きくなる。
【００６６】
全体スプリング定数Ｋｔに対する機械スプリング定数Ｋｇの比率が９０％以下になるように設定されることが好ましい。
【００６７】
例えば、機械スプリング定数Ｋｍを３５.５ｋＮ/ｍ以下に下げて、全体スプリング定数Ｋｔに対するガススプリング定数Ｋｇの比率が１０％以上になると、周囲温度の変化によって固有周波数ｆｎが比較的大きく変化するため、リニアモータの運転周波数ｆｃを制御しやすくなり、共振状態で運転が行われるだけでなく、負荷を解消して消費電力を低減することができる。
【００６８】
しかし、機械スプリング定数Ｋｍを３５.５ｋＮ/ｍより大きくして、全体スプリング定数Ｋｔに対するガススプリング定数Ｋｇの比率が１０％未満になると、周囲温度の変化によって固有周波数ｆｎが比較的小さく変化するため、それにしたがってリニアモータの運転周波数ｆｃを制御することが困難であり、共振状態で運転が行われるようにすることは難しい。
【００６９】
上述したように、全体スプリング定数Ｋｔに対するガススプリング定数Ｋｇの比率が大きくなるように構成されると、負荷が変化してピストン６の固有周波数ｆｎが大きく変化し、ピストン６の固有周波数ｆｎにリニアモータの運転周波数ｆｃを容易に同期させるように制御することができ、これによって共振状態で運転が行われるため、効率を極大化するだけでなく、リニアモータの運転周波数ｆｃを低周波数領域で作動させても最大の効率で運転することによって負荷を迅速に解消し、消費電力を低減することができる。
【００７０】
したがって、ピストンの固有周波数ｆｎは、設計時の初期に機械スプリング定数Ｋｍ及びガススプリング定数Ｋｇとピストンの質量Ｍにより決定されるが、既存のピストンの固有周波数ｆｎより低い３０〜５５Ｈｚの低周波数領域で設定されても十分に効率的な運転が可能であるだけでなく、負荷を迅速に解消することができる。
【００７１】
特に、機械スプリング定数Ｋｍが比較的小さく設定されると、同時に全体スプリング定数Ｋｔに対するガススプリング定数Ｋｇの比率を大きく設定するようにリニア圧縮機が設計されるため、低負荷下でもリニアモータの運転周波数ｆｃをピストンの固有周波数ｆｎに一致させて共振状態で運転が行われるようにし、圧縮機の効率も上げることができ、さらにリニアモータ１０が低周波数領域で運転されることによって全体冷凍サイクルの効率を上げることができる。
【００７２】
次に、リニアモータ１０は複数個のラミネーション１２ａが円周方向に積層されるように構成され、フレーム１８によりシリンダ４の外側に固定されるように設置されるインナステータ１２と、コイルが巻かれるように構成されたコイル捲線体１４ａの周囲にラミネーション１４ｂが円周方向に積層されるように構成され、フレーム１８によりシリンダ４の外側にインナステータ１２と所定の間隙をおいて設置されるアウタステータ１４と、インナステータ１２とアウタステータ１４の間の間隙に位置されてピストン６と連結部材１７により連結されるように設置される永久磁石１６からなるが、コイル捲線体１４ａは、インナステータ１２の外側に固定されるように設置する。
【００７３】
このようなリニアモータ１０においてコイル捲線体１４ａに電流が印加されることによって電磁気力が発生し、この電磁気力と永久磁石１６の相互作用により永久磁石１６が往復直線運動して、永久磁石１６と連結されたピストン６がシリンダ４の内部で往復直線運動する。
【００７４】
ここで、リニアモータ１０は、電流が印加されることによって運転周波数ｆｃが変化して圧縮容量を変化させることができるが、外部から入力される電流を調節して、ピストン６の往復直線距離であるストロークＳを、図６に示すように、負荷によって第１ストロークＳ１及び第２ストロークＳ２に変更して圧縮容量を変化させることができる。
【００７５】
もちろん、ピストン６がシリンダ４の内部で往復直線運動して圧縮空間Ｐを形成することになるが、ピストンのストロークＳが変化してもピストン６がシリンダ４の内部で完全に圧縮されて圧縮空間Ｐが形成されないようにする地点である上死点（ＴＤＣ）まで往復直線運動するようにし、ピストンのストロークＳが短くなっても圧縮効率が低下しないようにすることが好ましい。
【００７６】
ここで、リニアモータ１０は負荷が大きくなるほど運転周波数ｆｃとピストンのストロークＳのいずれも大きくなるように制御することができるが、負荷が大きくなるほどピストンのストロークＳのみが大きくなるように制御することもできる。
【００７７】
ところが、前述のリニア圧縮機においては負荷が大きくなるほどガススプリング定数Ｋｇが大きくなり、ガススプリングの弾性力が大きくなり、負荷が小さい時よりピストンのストロークＳが小さくなるが、このような現状を反映する機械スプリング定数Ｋｍ及びガススプリング定数Ｋｇを考慮してリニアモータ１０の作動を制御しなければならない。
【００７８】
さらに、ピストン６は、初期には上死点ＴＤＣから所定間隔離れるように設置するが、機械スプリング定数Ｋｍが小さくなることによって、全体スプリング定数Ｋｔに対するガススプリング定数Ｋｇの比率がより大きくなるように設計する場合、ピストン６が上死点まで完全に到達されるようにするために、機械スプリング定数Ｋｍが小さくなるほどピストン６の初期位置が上死点ＴＤＣに近づくように設置されることが好ましい。
【００７９】
このように構成された本発明のリニア圧縮機の動作を説明する。
まず、コイル捲線体１４ａに電流が印加されると、コイル捲線体１４ａの周囲に発生する電磁気力と永久磁石１６とが相互作用して永久磁石１６が往復直線運動し、永久磁石１６と連結部材１７により連結されたピストン６が共に往復直線運動することになるが、ピストン６がシリンダ４の内部で往復直線運動することによってシリンダ４の内部の圧縮空間Ｐが変化し、冷媒を圧縮空間Ｐに吸入した後、圧縮して吐出する。
【００８０】
具体的には、ピストン６がシリンダ４の内部で圧縮空間Ｐを膨脹させる方向に移動すると、図７Ａに示すようには、圧縮空間Ｐの内部圧力が所定の吸入圧力より低下して吸入弁２２が開放され、流入管２ａを介して吸入された冷媒はピストンの冷媒流路６ａを通過して圧縮空間Ｐに吸入される。
【００８１】
次に、ピストン６がシリンダ４の内部で圧縮空間Ｐを圧縮させる方向に移動すると、図７Ｂに示すように吸入弁２２及び吐出弁２４ｂが閉じた状態で圧縮空間Ｐの内部圧力が高まることにより、冷媒が高温高圧の気体冷媒に圧縮される。
【００８２】
次に、ピストン６がシリンダ４の内部で圧縮空間Ｐを圧縮させる方向に移動されて上死点ＴＤＣに到達すると、図７Ｃに示すように、圧縮空間Ｐの内部圧力が所定の吐出圧力より高くなることによって弁スプリング２４ｃが圧縮されて吐出弁２４ｂが開放され、圧縮空間Ｐで圧縮された冷媒は吐出空間を経てループパイプ２８及び流出管２ｂを通して外部に吐出される。
【００８３】
このような過程を繰り返しながらリニア圧縮機は冷媒を圧縮するが、負荷に依存するガススプリング定数Ｋｇを考慮して算出されたスプリングの固有周波数ｆｎにリニアモータの運転周波数ｆｃを同期させることにより、共振状態で運転が行われるようにすることで効率を上げることができ、負荷が大きくなると、リニアモータ１０に入力される電流を調節してピストンのストロークＳを調節して圧縮容量を変更し、負荷に対応できるだけでなく、消費電力を低減させることができる。
【００８４】
以上、本発明の実施形態及び添付図面に基づいてムービングマグネット型のリニアモータが作動して、これと連結されたピストンがシリンダ内部で往復直線移動しながら冷媒を吸入、圧縮、吐出させるリニア圧縮機を例に上げて詳細に説明した。しかし、本発明は、以上の実施形態、及び図面によってその範囲が制限されるものではなく、本発明の範囲は後述する特許請求の範囲に記載された内容によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１Ａ】従来技術にともなうリニア圧縮機における負荷によるストロークを示すグラフである。
【図１Ｂ】従来技術によるリニア圧縮機における負荷による効率を示すグラフである。
【図２】本発明によるリニア圧縮機を示す断面図である。
【図３Ａ】本発明によるリニア圧縮機で負荷によるストロークを示すグラフである。
【図３Ｂ】本発明によるリニア圧縮機で負荷による効率を示すグラフである。
【図４】本発明によるリニア圧縮機で負荷によるガススプリング定数の変化を示すグラフである。
【図５】本発明によるリニア圧縮機で周囲温度、ピストンの質量、機械スプリング定数、固有周波数の変化によるガススプリング定数の変化を示すグラフである。
【図６】本発明によるリニア圧縮機の一部に負荷によるストロークを示す構成図である。
【図７Ａ】本発明によるリニア圧縮機の作動状態を示す側断面図である。
【図７Ｂ】本発明によるリニア圧縮機を示す側断面図である。
【図７Ｃ】本発明によるリニア圧縮機を示す側断面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【国際調査報告】
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