(57)【要約】【課題】径方向にも軸方向にもコンパクトで、設置方向に自由度があり、機器への組込みが容易なリニア圧縮機を提供する。【解決手段】ピストン１０の内部にリニアモータ７０の可動子３０を配置し、シリンダ２０の内周面に沿って固定子４０を配置し、ピストン１０の摺動部１２を通して磁気回路を構成する。ピストン１０と可動子保持部５１とを可撓性のピストン保持棒５０で連結する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮室を有するシリンダと、前記シリンダの内部を摺動自在なピストンと、可動子と固定子とで磁気回路を形成して推力を発生させるリニアモータと、前記可動子を固定子に対し弾性的に支持する弾性体と、前記ピストンと前記可動子とを結合する連結手段とを有し、前記可動子に作用する推力によりピストンが駆動されるリニア圧縮機において、前記リニアモータの可動子を前記ピストンの内部に配置し、前記リニアモータの固定子を前記シリンダの内周面に沿って配置し、ピストンの摺動部を通して磁気回路を構成したことを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項２】
連結手段はピストンと可動子とを互いに心ずれ自在に結合可能であることを特徴とする請求項１記載のリニア圧縮機。
【請求項３】
連結手段は可撓性のロッドで構成されていることを特徴とする請求項２記載のリニア圧縮機。
【請求項４】
連結手段は自在継手で構成されていることを特徴とする請求項２記載のリニア圧縮機。
【請求項５】
複数の弾性体がシリンダおよびピストンの軸心方向に互いに距離を離して配置されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項記載のリニア圧縮機。
【請求項６】
ピストンの摺動部とピストンの内部の可動子との間に、非磁性材料にて形成したスペーサが配置されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項記載のリニア圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストンの往復運動と直交する方向に力がほとんど作用しないリニア圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍サイクルにおいて、Ｒ２２に代表されるＨＣＦＣ系冷媒は、その物性の安定性からオゾン層を破壊すると言われている。また、近年では、ＨＣＦＣ系冷媒の代替冷媒としてＨＦＣ系冷媒が利用されているが、このＨＦＣ系冷媒は温暖化現象を促進する性質を有している。そのため、最近では、オゾン層の破壊や温暖化現象に影響を与えないＨＣ系冷媒が採用され始めている。
【０００３】
しかしながら、このＨＣ系冷媒は可燃性のため、爆発や発火を防止することが安全性確保の面から必要であり、このためには、冷媒の使用量を極力少なくすることが要請される。一方、ＨＣ系冷媒は冷媒自体として潤滑性がなく、また、潤滑剤に溶け込み易い性質を有する。以上のことからＨＣ系冷媒を使用する場合にはオイルレスまたはオイルプアの圧縮機が必要となり、またピストンの軸線と直交する方向に荷重がほとんど作用しないリニア圧縮機が有効となる。
【０００４】
可動磁石タイプのリニアモータを用いたリニア圧縮機としては、論文文献１に記載の構成が従来から知られており、その断面図を図４に示す。
図４において、１０９は円筒状のケースであり、このケース１０９の中央部にはシリンダ１０３が一体に形成されている。シリンダ１０３の内部にはピストン１０２が摺動自在に配置され、これらシリンダ１０３とピストン１０２により圧縮室１０１が形成されている。ケース１０９の内部には、シリンダ１０３およびピストン１０２と同心状のリニアモータ１１０が配置されている。リニアモータ１１０は、コイル１０８を内蔵した外側ヨーク１０７と、シリンダ１０３の外周に配置された内側ヨーク１０４と、これら両ヨーク１０７、１０３どうしの間において軸心方向に移動自在配置された永久磁石１０５とを有する。コイル１０８を内蔵した外側ヨーク１０７と内側ヨーク１０４とで固定子が構成されている。永久磁石１０５は保持部材１１１によって保持され、この保持部材１１１が、ケース１０９に取り付けられた弾性体１０６に連結され、これら永久磁石１０５と弾性体１０６によって可動子が構成されている。この可動子は保持部材１１１によってピストン１０２に連結され、リニアモータ１１０の可動子に生じる推力でピストン１０２の往復動を可能にしている。
【０００５】
この構成によれば、リニアモータとピストンとが軸心に沿って直列に配置される場合と比較して軸方向の長さを小さくすることができ、コンパクトな圧縮機が得られるという利点を有している。
【非特許文献１】
Ｒｅｕｖｅｎ．Ｚ．Ｕｎｇｅｒ，Ｎｉｃｈｏｌａｓ  Ｒ．ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａｌｔ：  ＬＩＮＥＡＲ  ＣＯＭＰＲＥＳＳＯＲ  ＦＯＲ  ＮＯＮ＿ＣＦＣＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ、Ｆｉｇｕｒｅ１  （Ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ａｐｐｌｉａｎｃｅ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  Ｍａｙ  １３−１５，１９９６，Ｐｕｒｄｕｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、中心部にピストン１０２が設置され、このピストン１０２から径方向の外側に向かって、シリンダ１０３、内側ヨーク１０４、永久磁石１０５、コイル１０８、外側ヨーク１０７が順に配置される。このために径方向の小型化が難しく、特に圧縮容積を大きくとりたい場合にはサイズが大きくなってしまうという課題を有している。
【０００７】
また、永久磁石１０５や保持部材１１１がシリンダ１０３から軸心方向の外向きに張り出しているために、サイズが大きく、重くなる。このため、これらに働く重力や慣性力がそのままピストン１０２の摺動面に作用し、したがって、効率や信頼性の面で、横配置される機器や動きを伴う機器への適用が難しいという課題を有している。
【０００８】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、径方向にも軸方向にもコンパクトで、また設置方向に自由度があり、このため機器への組込みが容易なリニア圧縮機を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、圧縮室を有するシリンダと、前記シリンダの内部を摺動自在なピストンと、可動子と固定子とで磁気回路を形成して推力を発生させるリニアモータと、前記可動子を固定子に対し弾性的に支持する弾性体と、前記ピストンと前記可動子とを結合する連結手段とを有し、前記可動子に作用する推力によりピストンが駆動されるリニア圧縮機において、前記リニアモータの可動子を前記ピストンの内部に配置し、前記リニアモータの固定子を前記シリンダの内周面に沿って配置し、ピストンの摺動部を通して磁気回路を構成したものである。
【００１０】
上記構成によって、シリンダ空間の外側に可動子を設けるスペースが必要なくなり、コンパクトなリニア圧縮機を構成することができる。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１の構成に加え、連結手段がピストンと可動子とを互いに心ずれ自在に結合可能としたものである。
【００１１】
上記構成によって、可動子とピストンとの軸心が互いにずれて配置もしくは駆動された場合にも連結手段がこれを吸収し、ピストンは片当たりなどせずスムーズに摺動することができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２の構成において、連結手段を可撓性のロッドで構成したものである。
上記構成によって、可動子とピストンとの軸心が互いにずれて配置もしくは駆動された場合にも、可撓性のロッドが撓んでこれを吸収し、ピストンは片当たりなどせずスムーズに摺動することができる。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項２の構成において、連結手段を自在継手で構成したものである。
上記構成によって、可動子とピストンとの軸心が互いにずれて配置もしくは駆動された場合にも、自在継手がこれを吸収し、ピストンは片当たりなどせずスムーズに摺動することができる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４いずれかの構成に加え、複数の弾性体をシリンダおよびピストンの軸心方向に互いに距離を離して配置したものである。
【００１５】
上記構成によって、可動子はピストンの軸心方向に沿って互いに離れた場所で弾性体によって支持されるため、可動子に径方向の力が働いても軸心が傾きにくいようにすることができる。
【００１６】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１から５いずれかの構成に加え、ピストンの摺動部とピストンの内部の可動子との間に、非磁性材料にて形成したスペーサを配置したものである。
【００１７】
上記構成によって、スペーサがピストン摺動部と可動子との距離を所定の値以上に保つため、弾性体の支持に逆らって可動子がピストン内面もしくは固定子に極端に接近することを防止できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１のリニア圧縮機の縦断面を示した図である。まず全体構成について説明する。このリニア圧縮機は、大別すると、ピストン１０、シリンダ２０、可動子３０と固定子４０とからなるリニアモータ７０、弾性体５２、冷媒ガスが出入りするシリンダヘッド８から構成される。
【００１９】
シリンダ２０は円柱形状の空洞部２１を有し、ピストン１０は上端の円盤状の圧縮部１１と裾側の円筒状の摺動部１２とを有する。シリンダ２０は、ピストン１０の圧縮部１１と共に圧縮室１を形成する。シリンダ２０の内周面に、リニアモータ７０の固定子４０が設けられている。固定子４０は、薄板状の電磁鋼板またはケイ素鋼板等の磁性材料からなる圧延鋼板を、内周面に横断面矩形状の凹部を形成するように放射状に積層して横断面コ字状に構成した外ヨーク４２の前期凹部に、コイル４１を装着することで構成されている。固定子４０におけるピストン１０に対向する面は、シリンダ２０の内面よりもわずかに径方向外側に入っているように配置されている。なお、固定子３１が配置されている部分を含むシリンダ２０の内周に高透磁率材料の円筒管を圧入または焼きばめして、ピストン摺動面を一体形成してもよい。ピストン１０の摺動部１２とシリンダ２０の内周面との間のエアギャップ６１は、作動流体の漏れ経路となるおそれがあるため、数１０ミクロン以下の寸法となるように構成されている。
【００２０】
ピストン１０は、前述のように、作動流体を圧縮する円盤状の圧縮部１１と、シリンダ２０に対し摺動する円筒状の摺動部１２とから構成され、軽量化の観点からアルミニウム材で形成されている。軽量化することにより、後述する弾性体５２の剛性を低く抑えることができる。また、十分な強度や耐磨耗性を持った樹脂で形成することも、軽量化の点から有利である。摺動部１２は、図に示すように、可動子３０の内ヨーク３１と固定子４０の外ヨーク４２との間のエアギャップに配置できるように、薄肉に形成されている。
【００２１】
可動子３０は、薄板状の電磁鋼板またはケイ素鋼板等の磁性材料からなる圧延鋼板を、軸と平行な放射状もしくは軸方向に垂直に積層して構成した内ヨーク３１の外面側に、永久磁石３２を装着することで、円筒形に構成されている。なお永久磁石３２は磁気ベクトルが径方向を向くように着磁されている。この円筒形の可動子３０は、有底円筒形の可動子保持部５１の外周に固定されている。シリンダ２０におけるシリンダヘッド８とは反対側の開口端部には弾性体５２が設けられており、可動子保持部５１が弾性体５２に連結されることで、可動子３０はシリンダ２０に弾性的に保持されている。５３は、弾性体５２を覆うカバーである。
【００２２】
ピストン１０は、圧縮部１１の軸心位置で、可撓性を持ったピストン保持棒５０を介して、可動子保持部５１の軸心位置に連結されている。よって、可動子３０およびピストン１０は、可動子保持部５１を介して弾性体５２に支持されることによって、往復運動可能なようにシリンダ２０に連結されている。６０は、ピストン１０の摺動部１２と可動子３０との間のエアギャップである。
【００２３】
シリンダヘッド８において、７は吸入口、５は吸入チャンバ、３は吸入用逆止弁、２は吐出用逆止弁、４は吐出チャンバ、６は吐出口である。
次に、上記のように構成されたリニア圧縮機の動作について説明する。永久磁石３２から生じる磁界により、内ヨーク３１、永久磁石３２、ピストン１０の摺動部１２、外ヨーク４２を通る磁気回路が形成される。永久磁石３２から生じる磁界とコイル４１に交流電流を流すことで生じる磁界との相互作用により、永久磁石３２は軸方向に推力を受け、ピストン１０が駆動される。コイル４１には交流電流が流されるため、ピストン１０はその周波数に同期して往復運動を行う。リニアモータ７０は、可動部となる可動子３０、可動子保持部５１、ピストン保持棒５０、ピストン１０の質量と、弾性体５２および圧縮室１で発生する流体圧縮作用によるバネ定数で支配される系の固有振動数をもち、コイル４１に流す交流電流の周波数をこれにほぼ一致させることで、共振しながら運転する。このようにしてピストン１０が往復運動することで、作動流体が吸入、圧縮、吐出されることになる。
【００２４】
以上のように本実施の形態１によれば、ピストン１０の摺動部１２の内部に可動子３０を配置したので、シリンダ空間の外側に可動子３０を設けるためのスペースが必要なくなり、コンパクトなリニア圧縮機を構成することができる。また、ピストン１０の摺動部１２の軸方向の長さを長くとれるため、漏れ損失の少ない圧縮機をコンパクトに構成できる。
【００２５】
また、本実施の形態１によれば、可動子３０とピストン１０が可撓性のあるピストン保持棒５０で連結されるので、可動子３０とピストン１０との軸心が互いにずれて配置もしくは駆動された場合にも、ピストン保持棒５０が撓んでこれを吸収し、ピストン１２は片当たりなどせずスムーズに往復運動することができる。
【００２６】
また、本実施の形態１によれば、可動子３０を構成する永久磁石３２と内ヨーク３１とが一体に連結されて往復運動を行うため、永久磁石３２だけが往復運動する構成と比較して内ヨーク３１の内部の磁束密度の変化が小さい。このため、内ヨーク３１に渦電流が発生しにくく、鉄損が小さく効率の高い圧縮機が得られるという効果を奏する。
【００２７】
なお、本実施の形態１においては可動子３０に永久磁石３２を装着した構成としたが、これに限定されるわけではなく、可動子３０にコイルを装着する構成としても同様の効果が得られる。
【００２８】
また、本実施の形態１においては、可撓性のピストン保持棒５０を用いて可動子保持部５１とピストン１０とを連結したが、これに限定されるわけではなく、自在継手により連結しても同様の効果が得られる。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２のリニア圧縮機の縦断面を示した図である。全体構成およびリニア圧縮機の動作について、実施の形態１と同じ点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００２９】
図２において、可動子３０が装着された可動子保持部５１は、二つの弾性体５２ａと弾性体５２ｂによりシリンダ２０の軸心と同一の軸心の位置に保持される。また、この２つの弾性体５２ａ、５２ｂは、スペーサ５４を間に設けることで、互いに軸心の方向に一定の間隔をあけた状態で、シリンダ２０に連結されている。
【００３０】
この実施の形態２によれば、可動子３０、ピストン１０、可動子保持部５１などの可動部が、所定の距離を離した２つの弾性体５２ａ、５２ｂにより保持されるので、径方向の力を受けた場合にも可動部がシリンダ２０に対して軸ずれを起こしにくく、安定して運転することができる。したがって、横置き時に径方向に作用する重力や装置の移動に伴う慣性力の影響を受けにくくなり、コンパクトな圧縮機を構成できることと合わせて、装置への組込みの自由度が広がる。
【００３１】
また、弾性体５２ａ、５２ｂを２つに分けて配置することで、系の固有振動数を決める個々の弾性体５２ａ、５２ｂの剛性を低く抑えることができ、弾性体の設計がやりやすくなる。
【００３２】
なお、本実施の形態２においては弾性体５２ａ、５２ｂの数を２つとしたが、これに限定されるわけではなく、数を増やすことでより一層の効果が期待できる。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３のリニア圧縮機の縦断面を示した図である。全体構成およびリニア圧縮機の動作について、実施の形態１と同じ点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００３３】
図３において、有底円筒状の可動子保持部５１における可動子３０を挟んだ上下２箇所の位置の外周には、横断面矩形状のスペーサ設置溝３３が設けられ、この設置溝３３に、非磁性材料を用いたリング状のスペーサ３４が装着されている。このスペーサ３４により、可動子３０の内ヨーク３１とピストン摺動部１２の間のエアギャップ６０が、所定の値以上に保たれる。
【００３４】
以上のように本実施の形態３によれば、エアギャップ６０が常に所定の値以上に保たれるので、径方向の力を受けた場合にも可動子３０が極端にピストン１０の摺動部１２や固定子３１に接近することがなく、安定して運転することができる。したがって、横置き時に径方向に作用する重力や装置の移動に伴う慣性力の影響を受けにくくなり、コンパクトな圧縮機を構成できることと合わせて、装置への組込みの自由度が広がる。
【００３５】
また、組み立てる際にも極端な軸ずれを起こすことがなく、エアギャップの調整が容易な圧縮機が得られる。
【００３６】
【発明の効果】
上記から明らかなように、本発明のリニア圧縮機によれば、シリンダ空間の外側に可動子を設けるスペースが必要なくなり、ピストンとシリンダの摺動部と、リニアモータの磁気回路の空間とを共有できるため、コンパクトなリニア圧縮機を構成することができる。このため、冷蔵庫などの機器に配置しやすい圧縮機が得られるという効果を奏する。
【００３７】
また本発明は、ピストンの内部において、ピストンと可動子とを、互いに心ずれ自在に結合する連結手段、例えば可撓性のロッドや自在継手によって連結するので、可動子とピストンとの軸心とが互いにずれて配置もしくは駆動された場合にも連結手段がこれを吸収し、ピストンが片当たりなどせずスムーズに摺動することができる。このため、摺動部の損失を低減し効率を向上できる。また、組立て時の軸心合わせの精度に余裕ができ、組立て性の優れた圧縮機が得られる。また、重力の影響による軸心のずれにもとづく影響も受けにくくなるので、圧縮機の配置方向に対する自由度が増え、コンパクト化と合わせて機器への組込みが行いやすくなるという効果を奏する。
【００３８】
また本発明は、可動部をシリンダに対し支持する弾性体が、軸方向に互いに距離を離して複数配置されるので、可動子は同一軸心の離れた場所で支持されることになり、したがって可動子に径方向の力が働いても軸心が傾きにくい構成となる。このため、常に径方向に重力が作用する横置きに適し、また装置の移動に伴う慣性力の影響を受けにくくなり、コンパクトに構成できることと合わせて機器への組込みが行いやすくなるという効果を奏する。
【００３９】
また本発明は、ピストンの摺動部と可動子との間に、これらピストンの摺動部と可動子との距離を所定の値以上に保つためのスペーサを設けるので、可動子に力が作用しても、この可動子が弾性体の支持に逆らってピストン内面もしくは固定子に極端に接近することがない。このため、常に径方向に重力が作用する横置きに適し、また装置の移動に伴う慣性力の影響を受けにくくなり、コンパクトに構成できることと合わせて機器への組込みが行いやすくなるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１のリニア圧縮機の縦断面図
【図２】本発明の実施の形態２のリニア圧縮機の縦断面図
【図３】本発明の実施の形態３のリニア圧縮機の縦断面図
【図４】従来のリニア圧縮機の縦断面図
【符号の説明】
１０  ピストン
１１  圧縮部
１２  摺動部
２０  シリンダ
３０  可動子
３１  内ヨーク
３２  永久磁石
３４  スペーサ
４０  固定子
４１  外ヨーク
４２  コイル
５０  ピストン保持棒
５１  可動子保持部
５２、５２ａ、５２ｂ  弾性体
７０  リニアモータ
【図１】
2004190527.tif 000003
【図２】
2004190527.tif 000004
【図３】
2004190527.tif 000005
【図４】
2004190527.tif 000006