(57)【要約】【課題】コイルばねの素線間で発生する叩き音、或いは、コイルばねとコンプレッサ本体の間で発生する叩き音を発生させない低騒音なリニア圧縮機を提供すること。【解決手段】ピストン２の往復可動時のいかなる位置においても、コイルばね１の素線同士が接触しない、或いは、コイルばね端部１ａで接触している場合でもコイルばねの伸縮において接触領域が拡大しないコイルばねを用いることで素線同士の叩き音の発生を抑える。【選択図】　図２
2004011582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器内に、圧縮機構部とリニアモータとを備え、前記圧縮機構部はシリンダと前記シリンダ内を往復可動するピストンとを有し、前記リニアモータは前記ピストンに往復駆動力を与える可動部と前記シリンダに固定され前記可動部の往復経路を形成する固定部とを有し、前記可動部もしくは前記固定部のいずれか一方がコイルばねで弾性支持されるリニア圧縮機であって、
前記コイルばねの素線同士が前記ピストンが往復可動するいかなる位置においても接触しない、もしくは、前記コイルばねの巻き始めのみ素線同士が接触しその接触範囲が前記ピストンの往復可動するいかなる位置においても広がらないコイルばねを有することを
特徴とするリニア圧縮機。
【請求項２】
前記コイルばねの中心軸に対する素線中心軸の角度が端部に至るまで一定に保たれているコイルばねを有すること
を特徴とする請求項１記載のリニア圧縮機。
【請求項３】
前記前記コイルばねにおいて隣り合うピッチ間で異なる直径であるコイルばねを有すること
を特徴とする請求項１に記載のリニア圧縮機。
【請求項４】
密閉容器内に、圧縮機構部とリニアモータとを備え、前記圧縮機構部はシリンダと前記シリンダ内を往復可動するピストンとを有し、前記リニアモータは前記ピストンに往復駆動力を与える可動部と前記シリンダに固定され前記可動部の往復経路を形成する固定部とを有し、前記可動部もしくは前記固定部のいずれか一方がコイルばねで弾性支持されているリニア圧縮機であって、前記コイルばねの素線間に緩衝材を設けることを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項５】
素線を緩衝材でモールドしたコイルばねを用いることを特徴とする請求項４記載のリニア圧縮機。
【請求項６】
密閉容器内に、圧縮機構部とリニアモータとを備え、前記圧縮機構部はシリンダと前記シリンダ内を往復可動するピストンとを有し、前記リニアモータは前記ピストンに往復駆動力を与える可動部と前記シリンダに固定され前記可動部の往復経路を形成する固定部とを有し、前記可動部もしくは前記固定部のいずれか一方がコイルばねで弾性支持されているリニア圧縮機であって、前記コイルばねの片端もしくは両端がばね台座に固定されていることを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項７】
前記コイルばねの端部とばね台座を少なくとも１つのピンで固定することを特徴とする請求項６に記載のリニア圧縮機。
【請求項８】
二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いて運転することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に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、シリンダ内のピストンをリニアモータにより往復運動させてガスを吸入／圧縮／吐出するリニア圧縮機に関するものである。
【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大きな影響を与えないＨＣ系冷媒など、自然冷媒が採用され始めている。たとえば、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、冷媒の使用量を極力少なくすることが要請される。また、冷媒自体として潤滑性がなく、また潤滑材に溶け込み易い性質を有する。これらのことから、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有効となる。一方、リニア圧縮機はピストンの軸線と直交する方向への荷重が小さく摺動面圧が小さいので、従来から多く利用されてきたレシプロ式圧縮機、ロータリ圧縮機、スクロール圧縮機と比較するとオイルレス化が図りやすいタイプの圧縮機として知られている。
【０００３】
従来のリニア圧縮機は、弾性部材による軸方向への構造共振を利用し、小さい入力で大きな出力を得る特徴を有する。前記弾性部材のひとつにコイルばねが利用されている。コイルばねは板バネなどに比べ軸方向への伸縮性がよく大きなストロークを必要とする圧縮機には最適である。また、ばね剛性もストロークによって線形性を保つためスムーズなピストン駆動を得ることができる。
【０００４】
以下、コイルばねを用いたリニア圧縮機の一例として、特願２００１−２２０５４１を挙げ、図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００５】
図７は、従来技術におけるリニア圧縮機の全体構造を示す。
【０００６】
このリニア圧縮機は、密閉容器１００内に、圧縮機構部とリニアモータ１４０とを備えている。図７に示すリニア圧縮機は一例であり、本発明の範囲を限定するものではない。
【０００７】
圧縮機構部は、シリンダ１１０と、このシリンダ１１０にその軸線方向に沿って往復動自在に支持されたピストン１２０とを有している。シリンダ１１０は、平坦な鍔部１１１と、この鍔部１１１の中心から一端側に向かって突出する円筒部１１２とを一体的に形成したものからなる。なお、円筒部１１２の内周面にはピストン１２０の当接する摺動面が形成される。ピストン１２０は、シリンダ１１０の摺動面に往復動自在に支持され、圧縮室１５１とは反対の端部に円筒部１２１を形成し、円筒部１２１の端面に鍔部１２３を形成したものからなる。
【０００８】
リニアモータ１４０は、可動部１４１と固定部１４２とからなる。リニアモータ１４０の固定部１４２は、インナーヨーク１４５とアウターヨーク１４６とからなる。インナーヨーク１４５は円筒体からなり、シリンダ１１０の円筒部１１２の外周部に配置され、シリンダ鍔部１１１に固定される。一方、アウターヨーク１４６はインナーヨーク１４５を覆う円筒体からなり、シリンダ１１０の鍔部１１１に固定される。なお、アウターヨーク１４６とインナーヨーク１４５の外周面との間には小空間の往復経路１４８が形成される。また、アウターヨーク１４６の内部にはコイル１４７が収納され図略の電源部に連結される。
【０００９】
リニアモータ１４０の可動部１４１は、永久磁石１４３とこれを保持する円筒保持部材１４４からなる。この円筒保持部材１４４は、往復経路１４８内に往復動可能に収納され、ピストン１２０の鍔部１２３に連結される。なお、永久磁石１４３はコイル１４７と対峙する位置に配置され、その間には一定の微少隙間が形成される。この微小隙間を円周の全域にわたり均一に保持するためにインナーヨーク１４５とアウターヨーク１４６は同心円状に配置される。
【００１０】
ヘッドカバー部１５３は、圧縮室１５１に冷媒を入出させる吸入弁や吐出弁等を有し、弁板１５２を介してシリンダ１１０の鍔部１１１の端面側に固定される。弁板１５２には圧縮室１５１に連通可能な吸入弁（図略）及び吐出弁（図略）などが組み付けられ、これ等はヘッドカバー部１５３の内部に設けられた吸入側空間１５６及び吐出側空間１５７にそれぞれ連結される。
【００１１】
密閉容器１００は、この内部には吸入管１５４から冷媒が供給され、ヘッドカバー部１５３の吸入側に導入される。また、圧縮された冷媒はヘッドカバー部１５３側から密閉容器１００側に連結される吐出管１５５から外方に吐出される。
【００１２】
密閉容器１００内に備えられる、圧縮機構部やリニアモータ１４０は、ピストン側機構部材とシリンダ側機構部材とに区分される。ピストン側機構部材は、ピストン１２０と可動部１４１であり、その他可動部１４１とピストン１２０とを連結するボルトなどの機構部材を含んだものである。シリンダ側機構部材は、シリンダ１１０、固定部１４２、弁板１５２、ヘッドカバー部１５３、及びシリンダ１１０まわりの機構部材１５０を含んだものである。
【００１３】
第１の弾性部材である板ばね１６０及び１６１は、密閉容器１００の両端側に配置され、シリンダ側機構部材を密閉容器１００に弾性支持する。第２の弾性部材である駆動ばねは、コイルばね１３０ａ及びコイルばね１３０ｂからなり、コイルばね１３０ａ及びコイルばね１３０ｂは、ピストン１２０に軸線方向の力を寄与する。コイルばね１３０ａは、その一端を密閉容器１００に、他端をピストン１２０の円筒部１２１の底面部１２２に支持している。また、コイルばね１３０ｂは、その一端をシリンダ１１０の鍔部１１１に、他端をピストン１２０の円筒部１２１の底面部１２２に支持させている。このように、コイルばね１３０ａとコイルばね１３０ｂとによってピストン１２０を挟み込んでいる。このとき、コイルばね１３０ａ及び１３０ｂは、運転時に圧縮状態で振幅するようにそれぞれある一定量の初期たわみが与えられる。
【００１４】
シリンダ側機構部材を密閉容器１００内に弾性支持する板ばね１６０及び１６１は、図７に示すように、それぞれ略Ｃ形状とした一対の板ばね１６０ａ及び板ばね１６０ｂを組み合わせて構成しており、中央空間部を利用してコイルばね１３０ａが並列に配置している。
【００１５】
次に、上記構造のリニア圧縮機の動作仕様を説明する。
【００１６】
まず、アウターヨーク１４６のコイル１４７に通電すると、可動部１４１の永久磁石１４３との間にフレミングの左手の法則に従って電流に比例した磁力が推力として発生する。この推力の発生により可動部１４１に軸線方向に沿って移動する駆動力が作用する。可動部１４１の円筒保持部材１４４は、ピストン１２０の鍔部１２３に連結しているのでピストン１２０が移動する。ここで、コイル１４７への通電は、正弦波で与えられ、リニアモータ部には正逆の推力が交互に発生する。そしてこの交互に発生する正逆の推力によってピストン１２０は往復運動を行なうことになる。
【００１７】
冷媒は、吸入管１５４から密閉容器１００内に導入される。この密閉容器１００内に導入された冷媒は、ヘッドカバー部１５３の吸入側空間１５６から弁板１５２に組み付けられた吸入弁を通って圧縮室１５１に入る。そしてこの冷媒は、ピストン１２０により圧縮され、弁板１５２に組み付けられた吐出バルブから、ヘッドカバー部１５３の吐出側空間１５７を経て、吐出管１５５から外方に吐出される。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
前述するように、コイルばねの共振を利用したリニア圧縮機においては、ピストンの往復運動時にコイルばねが大きく伸縮する。従来用いられているコイルばねは、圧縮時にばね端部において素線同士が接触する構造がとられていた。そのため、コイルばねの高速な伸縮によって圧縮時に接触する部分において素線同士の叩き音が発生し大きな騒音となる問題を有していた。
【００１９】
また、振動が大きくなるとコイルばね端部が座面から浮き上がる現象が発生し、コイルばね端面と座面との間で叩き音が発生し騒音となる問題を有していた。冷凍空調の圧縮機は５０Ｈｚから１００Ｈｚ以上に至るまで幅広い周波数で運転する可能性があり、特に１００Ｈｚ程度の高速運転時においては騒音が大きな課題になってくる。上記課題は、こう言った圧縮機にコイルばねを用いた場合の特有の課題と捉えることができ、特にリニア圧縮機は駆動メカニズムが他方式にくらべ簡素であるため、コイルばねの騒音を抑えることができれば、騒音面において他方式に対し非常に大きな特長を有することができる。
【００２０】
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、素線同士の叩き音の発生が少ないコイルばねを有するリニア圧縮機、或いは、コイルばね端面とコンプレッサ本体との間の叩き音が発生しないリニア圧縮機を実現し、騒音の小さいリニア圧縮機を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明のリニア圧縮機は、弾性部材としてコイルばねを有するリニア圧縮機において、コイルばねの素線同士がピストンが往復可動するいかなる位置においても接触しない、もしくは、前記コイルばねの巻き始めのみ素線同士が接触しその接触範囲がピストンの往復可動したいかなる位置においても広がらないコイルばねを有することを特徴とする。
【００２２】
請求項２記載の本発明のリニア圧縮機は、請求項１に記載のリニア圧縮機において、前記コイルばねの中心軸に対する素線中心軸の角度が端部に至るまで一定に保たれているコイルばねを有することを特徴とする。
【００２３】
請求項３記載の本発明のリニア圧縮機は、請求項１に記載のリニア圧縮機において、前記コイルばねにおいて隣り合うピッチ間で異なる直径であるコイルばねを有することを特徴とする。
【００２４】
請求項４記載の本発明のリニア圧縮機は、弾性部材としてコイルばねを有するリニア圧縮機において、前記コイルばねの素線間に緩衝材を設けることを特徴とする。
【００２５】
請求項５記載の本発明のリニア圧縮機は、請求項４に記載のリニア圧縮機において、素線を緩衝材でモールドしたコイルばねを用いることを特徴とする。
【００２６】
請求項６記載の本発明のリニア圧縮機は、弾性部材としてコイルばねを有するリニア圧縮機において、前記コイルばねの片端もしくは両端をばね台座に固定していることを特徴とする。
【００２７】
請求項７記載の本発明のリニア圧縮機は、請求項６に記載のリニア圧縮機において、前記コイルばねの端部とばね台座を少なくとも１つのピンで固定することを特徴とする。
【００２８】
請求項８記載の本発明のリニア圧縮機は、請求項１から７に記載のリニア圧縮機において、二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いて運転することを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の幾つかの実施形態に係わるリニア圧縮機のコイルばねとこれを用いたリニア圧縮機について、図面を参照しながら詳細に説明し、本発明の理解に供する。なお、以下に示す実施の形態は本発明の具体例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００３０】
（第１の実施形態）
本願発明の第１の実施形態に係るリニア圧縮機のコイルばねを図１及び図２を用いて説明する。
【００３１】
図１（ａ）は本発明に係るコイルばねの断面図を示し、図１（ｂ）は従来の技術におけるコイルばねの断面図を示している。図１（ａ）において、コイルばねの中心軸Ｘとコイルばねを構成する素線の中心線Ｙのなす角度αを図１（ｂ）におけるそれと比べて小さくし巻き線のピッチを大きくしている。そうすることで圧縮時におけるコイルばね端部での素線同士の接触がなくなり、コイルばねが伸縮運動する際の素線同士の叩き音が解消される。
【００３２】
図２は実際に組み込まれた状態の様子を示し、以下にその効果を説明する。
【００３３】
図２（ａ）は第１の実施形態に係るコイルばねを用いたリニア圧縮機の構成断面図であり、図２（ｂ）は従来の技術のコイルばねを用いたリニア圧縮機の構成断面図である。
【００３４】
図２において、ピストン３とシリンダ４の間にコイルばね１、ピストン３と一部のみを示している圧縮機の密閉容器７の間にコイルばね２を配置し、図示しないリニアモータによってピストン２が図の水平方向に往復運動する。ピストン２の往復運動によって吸入穴６から冷媒ガスが吸引され、吐出穴７から圧縮されたガスが吐出される。図２はピストン２が図の一番左側に寄っている状態で冷媒ガスを吸引している下死点位置にある場合を示している。この状態においてコイルばね１は圧縮され、コイルばね２は伸びた状態にある。ただし、全体に余荷重をかけているためコイルばね２は自然長よりも圧縮された状態である。
【００３５】
このとき、図２（ｂ）のコイルばね１の端部１ａでは素線同士が接触しているのに対し、図２（ａ）のコイルばね１の端部１ａは素線同士の接触がなく、ピストン２が往復運動中において素線同士の接触は起こらない。このため、素線同士の叩き音は発生せず、高周波数駆動においても低騒音な圧縮機を実現できる。
【００３６】
（第２の実施形態）
本願発明の第２の実施形態に係るリニア圧縮機のコイルばねを図３を参照しながら説明する。
【００３７】
同図においてコイルばねの素線はコイルばねの両端において円筒形の台座８に固定されている。また、コイルばね端部の素線の中心軸とコイルばねの中心軸のなす角度βはコイルばね中央部の素線の中心軸とコイルばねの中心軸のなす角度αと一致するように設定され、コイルばね全長において素線の中心軸とコイルばねの中心軸のなす角度は一定に保たれている。
【００３８】
こうすることで、コイルばねが圧縮されたときコイルばね端部と中央部において素線間の感覚が一様に変化し、コイルばね端部での接触は起こらない。このため、素線同士の叩き音は発生せず、高周波数駆動においても低騒音な圧縮機を実現できる。
【００３９】
（第３の実施形態）
本願発明の第３の実施形態に係るリニア圧縮機のコイルばねを図４を参照しながら説明する。
【００４０】
同図は第３の実施形態に係るリニア圧縮機のコイルばねの断面図である。図４において、コイルばね端部のコイルばねの直径がＤ１、１巻き後のコイルばねの直径がＤ２、その次の１巻き後のコイルばねの直径がＤ３、更にその次の１巻き後のコイルばねの直径がＤ４である。
【００４１】
ここで直径Ｄ２は直径Ｄ１より大きくなっており、コイルばねが圧縮され素線間が縮まってきた場合、それぞれの直径がずれているため素線同士が接触しにくくなる。また、直径Ｄ１と直径Ｄ２が素線直径の２倍以上異なる場合完全に接触しない。直径Ｄ２と直径Ｄ３、直径Ｄ３と直径Ｄ４も同様に直径が異なりコイルばね圧縮時に素線同士が接触しにくくなっている。つまり、全ての位置においてコイルばね直径が１巻きずつ前後の直径と異なっており、コイルばね圧縮時にいかなる場所においても接触が起こらいないため、素線同士の叩き音は発生せず、高周波数駆動においても低騒音な圧縮機を実現できる。
【００４２】
（第４の実施形態）
本願発明の第４の実施形態に係るリニア圧縮機のコイルばねを図５を参照しながら説明する。
【００４３】
同図において、全ての素線が緩衝材８で覆われている。そうすることで、素線同士が接触しても緩衝材によって音が発生せず、高周波数駆動においても低騒音な圧縮機を実現できる。
【００４４】
（第５の実施形態）
本願発明の第５の実施形態に係るリニア圧縮機のコイルばねを図６を参照しながら説明する。
【００４５】
図６（ａ）はコイルばねの端面で端面から軸方向に見た図である。
【００４６】
図６（ａ）において、リニア圧縮機の圧縮機構部やモータ固定部もしくは密閉容器の台座に接するコイルばね端面１０の１ヶ所もしくは複数箇所に貫通穴１１が開いている。図６（ｂ）はコイルばねがリニア圧縮機の圧縮機構部やモータ固定部もしくは密閉容器の台座に設置された状態の図６（ａ）におけるＡ−Ａ断面を示した図で、ピン１３がコイルばね素線１２に設けた貫通穴１１を通りコイルばねがリニア圧縮機の圧縮機構部やモータ固定部もしくは密閉容器の台座１４に固定されている。
【００４７】
こうすることで、ピストンが高周波数で往復可動した場合でもコイルばねは台座に対してピンで固定されているため浮き上がる現象は起こらず、コイルばね端面と台座間における叩き音は発生せず高周波数駆動においても低騒音な圧縮機を実現できる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明のリニア圧縮機によれば、ピストンの往復可動時のいかなる位置においてもコイルばねの素線同士の接触がなく、或いは、端部において接触があった場合でも、コイルばねの伸縮によって接触領域が広がらないため、素線同士が叩き合う現象は発生せず、叩き音が起こらないため低騒音なリニア圧縮機が実現できる。
【００４９】
また、本発明のリニア圧縮機によれば、コイルばねの素線間に緩衝材を設けることで、たとえピストン往復可動時に素線同士が接触しても叩き音は発生せず、低騒音なリニア圧縮機が実現できる。
【００５０】
また、本発明のリニア圧縮機によれば、コイルばね端部をコンプレッサ本体側の台座に固定することで、コイルばねと台座間の叩き、或いは、ずれが発生しないため、コイルばね端部と台座の間で発生する音を抑えることができ、低騒音なリニア圧縮機が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本願発明の第１実施形態におけるリニア圧縮機のコイルばねの断面図
（ｂ）従来の技術におけるリニア圧縮機のコイルばねの断面図
【図２】（ａ）本願発明の第１実施形態におけるコイルばねを用いたリニア圧縮機の断面図
（ｂ）従来の技術におけるコイルばねを用いたリニア圧縮機の断面図
【図３】本願発明の第２実施形態のリニア圧縮機のコイルばねの断面図
【図４】本願発明の第３実施形態のリニア圧縮機のコイルばねの断面図
【図５】本願発明の第４実施形態のリニア圧縮機のコイルばねの断面図
【図６】本願発明の第４実施形態のリニア圧縮機のコイルばね固定部の断面図
【図７】従来の技術におけるリニア圧縮機の断面図
【符号の説明】
１　コイルばね
８　台座
９　緩衝材
１１　ピン穴
１３　ピン
【図１】
2004011582.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004011582.tif 000007
【図６】
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【図７】
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