(57)【要約】シリンダボア（７１）及びこのボア内に摺動自在に設けられたピストン（４）から成るシリンダ部（１０）を有するリニア圧縮機が提供される。メインスプリング（１５）が、シリンダ部（１０）をピストン（４）に直接的又は間接的に連結している。連結ロッド（４７）が、メインスプリング（１５）とピストン（４）を互いに連結している。固定子（５）が、連結ロッド（４７）を挿通させる空隙を有している。少なくとも１つのアーマチュア磁極（２）が、連結ロッド（４７）に沿って設けられている。
2004512460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リニア圧縮機であって、
シリンダボアを備えたシリンダ部と、
前記シリンダボア内に摺動自在に設けられたピストンと、
前記シリンダ部を前記ピストンに直接的又は間接的に連結するメインスプリングと、
前記メインスプリングと前記ピストンとを互いに連結すると共に前記メインスプリングを前記ピストンに連結する連結ロッドと、
前記連結ロッドを通過させる空隙を備えた固定子と、
前記連結ロッドに沿って設けられた少なくとも１つのアーマチュア磁極と、
を備えていることを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項２】
前記アーマチュア磁極は、前記ピストンと前記メインスプリングとの間で前記連結ロッドの長さに沿って位置決めされている、
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】
リニア圧縮機であって、
シリンダボアを備えたシリンダ部と、
前記シリンダボア内に摺動自在に設けられたピストンと、
前記シリンダ部を前記ピストンに直接的又は間接的に連結するメインスプリングと、
前記メインスプリングと前記ピストンとを互いに連結すると共に前記メインスプリングを前記ピストンに連結する連結ロッドとを有し、
（ａ）前記ピストンと前記ピストンロッドとの間の連結部、
（ｂ）前記ピストンロッドと前記メインスプリングとの間の応従性の連結部のうち少なくとも一方が形成される、
ことを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項４】
前記連結部は両方とも、応従性の連結部である、
ことを特徴とする請求項３記載のリニア圧縮機。
【請求項５】
前記リニア圧縮機は、空隙を備えた固定子を有し、前記連結ロッドは、前記空隙を貫通し、アーマチュア磁極が前記連結ロッドに沿って配置されている、
ことを特徴とする請求項３又は４記載のリニア圧縮機。
【請求項６】
相対運動がスプリングシステムによって定められる互いに協働するピストンとシリンダ、及び前記ピストンとシリンダの相対運動を前記スプリングシステムの固有振動数で駆動するよう構成された電磁リニアモータを含む共振型リニア圧縮機を有する冷凍システムであって、作動流体としてイソブタンを用いている、
ことを特徴とする冷凍システム。
【請求項７】
相対運動がスプリングシステムによって定められる互いに協働するピストンとシリンダ、及び前記ピストンとシリンダの相対運動を前記スプリングシステムの固有振動数で駆動するよう構成された電磁リニアモータを含むリニア圧縮機であって、
前記ピストンの上方に設けられた圧縮空間と、
前記シリンダを包囲したチャンバと、
冷凍回路の凝縮器の下流側に源を持つ冷媒を前記チャンバ内に流入させることができる前記チャンバへの冷却高圧冷媒入口と、
前記圧縮空間からの圧縮冷媒出口と、
前記圧縮空間から前記チャンバに通じる圧縮冷媒出口経路とを有する、
ことを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項８】
前記スプリングシステムは、前記ピストンの連結ロッドと前記シリンダとヘッドの組立体とを互いに直接的に又は間接的に連結するメインスプリングと、それぞれ前記チャンバの入口及び出口並びに前記圧縮機の周囲密閉ケーシングの入口及び出口に連結された圧縮冷却冷媒入口管及び圧縮冷媒出口管とを有し、前記入口管及び出口管は、前記圧縮機組立体を少なくとも前記圧縮機の往復方向において前記気密ハウジング内に弾性的に支持している、
ことを特徴とする請求項７記載のリニア圧縮機。
【請求項９】
前記冷却冷媒入口管は、前記チャンバへのその入口に隣接して少なくとも実質的に軸方向の部品を有し、前記チャンバの前記入口は、前記冷却冷媒入口管内へのガスの戻り流に対する実質的な絞りとなるよう構成されている、
ことを特徴とする請求項７記載のリニア圧縮機。
【請求項１０】
前記入口及び出口管はそれぞれ、前記往復方向に対して横断方向の１以上のループを有している、
ことを特徴とする請求項８又は９記載のリニア圧縮機。
【請求項１１】
前記チャンバへの前記冷却圧縮ガス入口は、前記ヘッドから前記開放空間内への圧縮ガス入口ポートに隣接して位置し、前記出口ポート及び前記入口ポートの位置は、通常の圧力よりも低いゾーンが前記入口ポートにすぐ隣接したゾーン内の前記ジャケットの前記開放空間内に生じるように定められている、
ことを特徴とする請求項７〜１０のうちいずれか一に記載のリニア圧縮機。
【請求項１２】
リニア圧縮機であって、
シリンダボアを備えたシリンダ部と、
前記シリンダボア内に摺動自在に設けられたピストンと、
前記シリンダヘッド端部と反対側の端部のところで前記シリンダ部に連結されていて、空隙を備えた固定子と、
前記ピストンと前記シリンダ部とを互いに直接的に又は間接的に連結するメインスプリングと、
前記メインスプリングと前記ピストンとを互いに連結すると共に前記メインスプリングを前記ピストンに連結する連結ロッドと、
前記固定子の前記空隙内で動作し、前記ピストンロッドに連結されたアーマチュアとを有する、
ことを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項１３】
前記アーマチュアは、前記ピストンロッドに沿って設けられ、前記ピストンロッドは、前記空隙を貫通し、前記メインスプリングは、前記シリンダから見て遠くに位置する前記固定子の端部のところに設けられ、前記固定子と前記固定子空隙を通って突き出る前記ピストンロッドとを互いに連結している、
ことを特徴とする請求項１２記載のリニア圧縮機。
【請求項１４】
前記固定子は、２つの巻線を支持した固定子部分を有し、前記固定子部分は、前記空隙の互いに反対側の側部に設けられ、前記固定子部分は、前記シリンダ部に当接して別々に設けられている、
ことを特徴とする請求項１２又は１３記載のリニア圧縮機。
【請求項１５】
連結ブリッジは、前記シリンダ部から見て遠くに位置した前記固定子部分の端部相互間を連結し、前記メインスプリングは、前記連結ブリッジに連結されている、
ことを特徴とする請求項１２〜１４のうちいずれか一に記載のリニア圧縮機。
【請求項１６】
連結ブリッジが、前記シリンダ部から見て遠くに位置した前記固定子部分の端部相互間を連結し、１対の脚部が、前記空隙の上下において前記連結ブリッジと前記シリンダ部とを互いに連結するよう前記シリンダ部から延び、前記連結ブリッジは、前記固定子部分を前記シリンダ部に押し付けている、
ことを特徴とする請求項１２〜１５のうちいずれか一に記載のリニア圧縮機。
【請求項１７】
前記固定子部分は各々、前記空隙の上下において、前記固定子部分の分離状態が前記固定部材の幅によって維持されるよう前記固定部材の各々の側部に当接している、
ことを特徴とする請求項１６記載のリニア圧縮機。
【請求項１８】
特にリニア圧縮機のシリンダ部とピストン部とを互いに連結するメインスプリングとして用いられるスプリングであって、
第１の平面内に位置した第１の真っ直ぐな部分及び前記第１の平面に平行な第２の平面内に位置した第２の真っ直ぐな部分を備えると共に曲率が実質的に一定の第１及び第２の螺旋部分を備えた疲れ強さの高い金属ワイヤの閉鎖ループを有し、各螺旋部分は、前記第１の真っ直ぐな部分の端部と前記第２の真っ直ぐな部分の端部とを互いに連結し、前記螺旋部分は、前記第１の部分から前記第２の部分に至るまで同一の曲率方向を有している、
ことを特徴とするスプリング。
【請求項１９】
前記第１及び第２の真っ直ぐな部分と前記第１及び第２の螺旋部分との間の連結部のところに設けられた複数の移行部分を更に有し、前記移行部分は各々、一端部がそれぞれの前記真っ直ぐな部分と整列し、他端部がそれぞれの前記螺旋部分と整列し、曲率が前記螺旋部分に向かって減少した状態で前記端部相互間で湾曲している、
ことを特徴とする請求項１８記載のスプリング。
【請求項２０】
前記第２の平面内の前記第２の部分の向きは、前記第１の平面内の前記第１の部分の向きに対して垂直である、
ことを特徴とする請求項１８記載のスプリング。
【請求項２１】
前記第１の部分に連結されていて、前記第１の平面に平行な第３の平面を備えた取付けブロックを更に有し、１対のラグが、前記第１の真っ直ぐな部分の前記向きの方向に外方に延びている、
ことを特徴とする請求項１８〜２０のうちいずれか一に記載のスプリング。
【請求項２２】
前記第２の真っ直ぐな部分の中央領域に一体成形されたプラスチック複合材から成る取付けボタンを更に有している、
ことを特徴とする請求項１８〜２１のうちいずれか一に記載のスプリング。
【請求項２３】
互いに対し往復動自在なピストン部とシリンダ部、及び前記ピストン部と前記シリンダ部とを互いに連結する請求項１８〜２２のうちいずれか一に記載のメインスプリングを有している、
ことを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項２４】
リニア圧縮機であって、
シリンダ部と、
ピストン部と、
前記シリンダ部と前記ピストン部とを互いに連結し、前記シリンダ部に対する前記ピストン部の往復動方向に働くメインスプリングと、
密閉ハウジングと、
前記シリンダ部と前記ピストン部との間に作動可能に配置されたリニア電気モータと、
前記シリンダ部と前記ハウジング部とを互いに連結し、前記往復動方向に動作するシリンダ部用スプリング手段とを有し、
（ａ）前記シリンダ部用スプリング手段は、シリンダ部と密閉ハウジングとの間に設けられていて、前記シリンダ部から少なくとも前記ハウジングまで延びる排出導管を含む必要な連結部の組合せ効果で構成されると且つ（また）
（ｂ）前記シリンダ部の剛性は低く、前記ピストン部は、質量が前記シリンダ部の１／５未満であり、ピストン部用スプリング手段が存在しない場合、前記ピストン部と前記ハウジングは互いに直接的に連結される、
ことを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項２５】
前記シリンダ部から前記ハウジングへの前記連結部は、弾性変形可能であり、少なくとも組合せ状態において、予測可能な低い剛性を有するよう形成されている、
ことを特徴とする請求項２４記載のリニア圧縮機。
【請求項２６】
前記連結部は、圧縮冷媒を前記圧縮機から前記密閉ハウジングの外へ運ぶ排出導管と、液体冷媒を前記密閉ハウジングの外部から前記シリンダ部に運搬する液体冷媒戻り管と、前記リニア電気モータの固定子への電気的接続部とを有する、
ことを特徴とする請求項２４記載のリニア圧縮機。
【請求項２７】
リニア圧縮機であって、
シリンダボアを備えたシリンダ部と、
前記シリンダボア内に摺動自在に設けられたピストンと、
前記シリンダ部を前記ピストンに連結すると共に前記シリンダ部に連結され、少なくとも１対の取付け脚部を備えたメインスプリングと、
前記メインスプリングの前記ラグの各々に関して前記シリンダ部に設けられた当接面とを有し、前記メインスプリングの前記ラグは各々、前記当接面にそれぞれ当接し、前記当接面は、一方向から遠ざかる前記ラグのそれぞれの実質的な運動を阻止するよう形作られ、
前記リニア圧縮機は、更に、
前記一方向から前記ラグの各々に当接するスプリング保持手段を有し、前記スプリング保持手段は、前記一方向において少なくとも前記メインスプリングに及ぼされる予想動的力を超えた全予備圧縮力を前記ラグに及ぼす、
ことを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項２８】
前記シリンダ部は、シリンダハウジングの互いに反対側の側部から軸方向に延びる少なくとも１対の互いに間隔を置いた取付け脚部を有し、前記当接面は、前記取付け脚部に設けられ、１以上の固定子部分は、前記取付け脚部に隣接して設けられ、前記スプリング保持手段は、一方において、前記メインスプリングの前記取付けラグに当接し、他方において、前記少なくとも１つの固定子部分に当接して前記固定子部分を前記シリンダハウジングに押し付けた状態で位置決めするようになっている、
ことを特徴とする請求項２７記載のリニア圧縮機。
【請求項２９】
前記固定子部分は、内方に向き、ピストンロッドは、前記ピストンと前記メインスプリングとを互いに連結し、前記取付け脚部と整列した状態でこれら相互間に配置され、アーマチュア磁極が、前記ピストンロッドに沿って設けられている、
ことを特徴とする請求項２８記載のリニア圧縮機。
【請求項３０】
前記固定子脚部はその自由端部に隣接して、前記圧縮機の往復動軸線に垂直な内方に延びる表面を有し、前記表面は、前記メインスプリングの前記取付けラグのための前記当接面を構成し、前記スプリング保持手段は、前記取付け脚部に装着された環状本体部分及び前記取付け脚部に圧接するよう前記環状本体から延びる支承フィンガを有する、
ことを特徴とする請求項２７〜２９のうちいずれか一に記載のリニア圧縮機。
【請求項３１】
リニア圧縮機のピストンをリニア圧縮機のスプリングに連結するリニア圧縮機の製造方法であって、
（ａ）ピストンを圧縮機のシリンダのボア内に所定の軸方向位置で配置する工程と、
（ｂ）シリンダ部に既に連結されたスプリングのピストン連結箇所を、スプリングの所定の変位に基づく位置に又はスプリングが所定の反力を及ぼす位置に位置決めする工程と、
（ｃ）前記ピストンと前記スプリングの前記ピストン連結箇所とを、前記工程（ａ）及び前記工程（ｂ）により達成された分離に従って固定された剛性の軸方向分離箇所のところで互いに接合する工程とから成り、
前記工程（ａ）〜（ｃ）は、任意の順序で実施される、
ことを特徴とする方法。
【請求項３２】
前記工程（ｃ）は、前記ピストンからの延長部を前記スプリングに設けられた取付けボタンに融合させる工程を含み、前記ボタンの軸方向寸法部又は前記延長部を融合させる前記工程は、予備組立て寸法から変更される、
ことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
工程（ｂ）は、前記ピストンを、前記ピストンの通常の動作位置を超える変位の位置に位置決めして前記ピストンに連結された要素が前記シリンダ部の要素と係合して前記ピストン部の前記要素を前記シリンダ内の前記ピストンの往復動軸線に垂直な平面内の所定の位置に位置決めするようになっている工程を含む、
ことを特徴とする請求項３１又は３２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔発明の分野〕
本発明は、詳細には、しかし、これには限定されないが冷凍機用のリニア圧縮機に関する。
【０００２】
〔従来技術の概要〕
圧縮機、特に冷凍機用圧縮機は従来、回転電動機によって駆動されている。しかしながら、これら圧縮機の最も効率的な形態においても、回転運動を直線往復運動に変えるクランクシステムに関連した相当大きな損失が存在する。変形例として、クランクを必要としない回転式圧縮機を利用できるが、この場合も又、相当大きな摩擦損失をもたらす高い向心力が存在する。リニアモータ（直線運動電動機）によって駆動されるリニア圧縮機は、このような損失を生じず、かかるリニア圧縮機は、米国特許第５，５２５，８４５号明細書に開示されているような空力気体軸受を用いることができるほど低い軸受荷重で設計でき、この場合、側方に応従性のある連結ロッドを用いることにより低軸受荷重が実現されている。
【０００３】
空力気体軸受についての議論が、Ｊ．Ｗ．パウエル（Ｐｏｗｅｌｌ）著，「デザイン・オブ・アエロスタティック・ベアリングズ（Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇｓ）」，（英国ロンドン），ザ・マシナリー・パブリシング・カンパニイ・リミテッド（Ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ），１９７０年に記載されている。しかしながら、通常の製造許容差及び設備では、効率的な気体軸受の製造は困難である。
【０００４】
従来型圧縮機は、密閉（気密封止）ハウジング内に設置され、この密閉ハウジングは使用中、冷媒ガスのリザーバとして働く。冷媒ガスは、このリザーバから圧縮機内に引き込まれ、そして、圧縮機からハウジングへ通って延びる排気導管を介して排気される。
圧縮機の作動では、可動部品が往復動し、これが原因となって３つの軸線全てにおける圧縮機ユニットの振動が生じる。この振動の外部への騒音効果を減少させるため、圧縮機は、密閉ハウジング内に設けられた防振スプリングに取り付けられる。
【０００５】
リニア圧縮機の場合、ピストンは、シリンダに対して一軸方向にのみ振動し、その結果、どちらの部品のいずれであってもこれに加わる反力は一定である。この問題に対して提案された一解決策は、１対の圧縮機の釣合いを取ると共にこれら圧縮機を対向した形態で同期して作動させることである。しかしながら、この構成は、商品、例えば、家庭用電気冷蔵庫として用いるには構造が複雑過ぎ、しかもコストが高過ぎる。別の提案された解決策は、振動を軽減させるために共振釣合いおもり（バランスウエイト）を付加することである。しかしながら、この方法は、圧縮機の作動を制限する。というのは、この釣合いおもりは、負のフィードバック装置であり、基本的な不釣り合いの力に制限されるからである。別の解決策は、ガリ（Ｇｕｌｌｙ ）及びハンス（Ｈａｎｅｓ ）の論文，「バイブレーション・キャラクタリスティックス・オブ・スモール・ロータリ・アンド・リニア・クライオジェニック・クーラーズ・フォア・アイアール・システムズ（Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｒｏｔａｒｙ ａｎｄ ｌｉｎｅａｒ ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｃｏｏｌｅｒｓ ｆｏｒ ＩＲ ｓｙｓｔｅｍｓ）」，米国マサチューセッツ州プリマスで開かれた第６回国際クライオクーラ会議の議事録所収，１９９０年において提案されている。この解決策では、ハウジング内での圧縮機のピストン部とシリンダ部を別々に支持して「固定子が釣合いおもりとして働く」ようにすることが要件とされている。しかしながら、この設計の具体化に当たり、家庭用電気冷蔵庫では、ピストンの質量が小さい場合に問題が生じる。かかる圧縮機では、吐出圧力が増大すると、圧縮ガスの力がばね（「ガススプリング」）として働き、このばね作用は、吐出圧力の増大につれて運転速度を増加させる。これは、「第３」振動モード（この場合、ピストン及びシリンダは、互いに同相で振動するが圧縮機シェルとは異相で振動する）は、望ましい「第２」モード（この場合、シェルは、振動せず、ピストンとシリンダは異相状態にある）よりもほんの僅かしか高くないので問題である。この結果、「ガススプリング」が働いて「第２」モード周波数を「第３」モードまで効果的に高め、最終的にこれよりも高くすると、シェルは許容しがたいレベルで振動し始める。
【０００６】
多くの用途にとっては圧縮機は小さなサイズのものであることが望ましい。これにより、スプリング及びこれらの共振システムを含む全ての部品が小型化される。圧縮機を小型化するには、圧縮機がより高い周波数で作動することが必要である。小型化と高い周波数の組合せにより、スプリング部品の応力が増大する。リニア圧縮機の中には、メインスプリングがばね鋼プレス加工シートで作られているものがある。プレス加工作業で切断された縁部は、ばね鋼シートの元の強度を回復するよう注意深い研磨が必要であり、多くの場合、偶発的な応力集中により破損を生じることが判明している。
【０００７】
圧縮機に関する別の問題は一般に、特に圧縮機シリンダ及びシリンダヘッドの付近で熱が発生することにある。熱の発生は、可動部品相互間の摩擦及び圧縮冷媒から伝わる熱に起因する。熱の発生により、摩耗の増大及び圧縮機の運転期間につれて変化する部品相互間の運転上の条件及び許容誤差について重要な問題が生じる。これらの作用効果は、長期化にわたって作動し、しかも、特に空力気体軸受システムが用いられている場合、厳密なクリアランスが特に重要であるリニア圧縮機について特に著しい場合がある。
【０００８】
もう１つの加熱による効果は、圧縮後に圧縮空間内に残存している冷媒からの再膨張に先立つ不可逆的な熱損失に起因している。リニア圧縮機では、クランク駆動圧縮機の場合の最高５％と比べて、最高１５％の圧縮冷媒が追い出されない場合がある。従来型圧縮機では無視できるほどのこの熱源は、リニア圧縮機では重要な源である。
【０００９】
圧縮機のシリンダ及びシリンダヘッドを冷却する一方法では、その後の冷凍システム内で凝縮器から供給される液体冷媒を用いることである。例えば、米国特許第２，５１０，８８７号明細書では、凝縮器からの液体冷媒は、シリンダを包囲している第１の冷却ジャケットに、そこから圧縮機ヘッドを包囲する第２の冷却ヘッドに供給され、その後、ベンチュリ装置からシリンダヘッドと凝縮器を互いに連結する排出ライン中へ放出される。これは、標準型クランク駆動圧縮機の場合である。また、標準型クランク駆動圧縮機の場合、米国特許第５，６９４，７８０号明細書は、凝縮器からの液体冷媒をポンプにより高圧に昇圧させる回路を示している。この液体冷媒は、圧縮機シリンダを包囲している冷却ジャケット内へ圧送される。液体冷媒は、冷却ジャケットから排出マニホルドへ、そして圧縮機のシリンダヘッド内へ追い出され、このシリンダヘッド内で、圧縮機から出ている圧縮冷媒と混ざり合う。この構成は、液体冷媒をシリンダを包囲している冷却ジャケットを通し、次に、圧縮ガスの圧力に抗して排出マニホルド内へ押し込む追加のポンプが必要であるという不利益を持っている。
【００１０】
多くのリニア圧縮機は、商品である既存の回転式及び往復動式圧縮機の交換の際、ドロップ（ｄｒｏｐ）として予定されていたので、従来型圧縮機シートの内側に形成されている。これを達成するため、固定子、アーマチュア、シリンダ及びピストンが全て同心状に収納されたコンパクトなサイズの圧縮機が製造された。しかしながら、従来型圧縮機の寸法形状は、冷凍機の機械用コンパートメントのサイズを制限し、それにより、圧縮機を包囲するコンパートメントに無駄な空間が生じることになる。
【００１１】
〔発明の概要〕
本発明の目的は、上述の欠点を解決するよう構成されたコンパクトなリニア圧縮機を提供することにある。
第１の特徴によれば、本発明は、リニア圧縮機であって、シリンダボアを備えたシリンダ部と、上記シリンダボア内に摺動自在に設けられたピストンと、上記シリンダ部を上記ピストンに直接的又は間接的に連結するメインスプリングと、上記メインスプリングと上記ピストンとを互いに連結すると共に上記メインスプリングを上記ピストンに連結する連結ロッドと、上記連結ロッドを通過させる空隙を備えた固定子と、上記連結ロッドに沿って設けられた少なくとも１つのアーマチュア磁極とを有していることを特徴とするリニア圧縮機に関する。
【００１２】
別の特徴によれば、本発明は、リニア圧縮機であって、シリンダボアを備えたシリンダ部と、上記シリンダボア内に摺動自在に設けられたピストンと、上記シリンダ部を上記ピストンに直接的又は間接的に連結するメインスプリングと、上記メインスプリングと上記ピストンとを互いに連結すると共に上記メインスプリングを上記ピストンに連結する連結ロッドとを有し、（ａ）上記ピストンと上記ピストンロッドとの間の連結部、（ｂ）上記ピストンロッドと上記メインスプリングとの間の応従性の連結部のうち少なくとも一方が形成されることを特徴とするリニア圧縮機に関する。
【００１３】
別の特徴によれば、本発明は、相対運動がスプリングシステムによって定められる互いに協働するピストンとシリンダ、及び上記ピストンとシリンダの相対運動を上記スプリングシステムの固有振動数で駆動するよう構成された電磁リニアモータを含む共振型リニア圧縮機を有する冷凍システムであって、作動流体としてイソブタンを用いていることを特徴とする冷凍システムに関する。
【００１４】
別の特徴によれば、本発明は、相対運動がスプリングシステムによって定められる互いに協働するピストンとシリンダ、及び上記ピストンとシリンダの相対運動を上記スプリングシステムの固有振動数で駆動するよう構成された電磁リニアモータを含むリニア圧縮機であって、上記ピストンの上方に設けられた圧縮空間と、上記シリンダを包囲したチャンバと、冷凍回路の凝縮器の下流側に源を持つ冷媒を上記チャンバ内に流入させることができる上記チャンバへの冷却高圧冷媒入口と、上記圧縮空間からの圧縮冷媒出口と、上記圧縮空間から上記チャンバに通じる圧縮冷媒出口経路とを有することを特徴とするリニア圧縮機に関する。
【００１５】
別の特徴によれば、本発明は、リニア圧縮機であって、シリンダボアを備えたシリンダ部と、上記シリンダボア内に摺動自在に設けられたピストンと、上記シリンダヘッド端部と反対側の端部のところで上記シリンダ部に連結されていて、空隙を備えた固定子と、上記ピストンと上記シリンダ部とを互いに直接的に又は間接的に連結するメインスプリングと、上記メインスプリングと上記ピストンとを互いに連結すると共に上記メインスプリングを上記ピストンに連結する連結ロッドと、上記固定子の上記空隙内で動作し、上記ピストンロッドに連結されたアーマチュアとを有することを特徴とするリニア圧縮機に関する。
【００１６】
別の特徴によれば、本発明は、特にリニア圧縮機のシリンダ部とピストン部とを互いに連結するメインスプリングとして用いられるスプリングであって、第１の平面内に位置した第１の真っ直ぐな部分及び上記第１の平面に平行な第２の平面内に位置した第２の真っ直ぐな部分を備えると共に曲率が実質的に一定の第１及び第２の螺旋部分を備えた疲れ強さの高い金属ワイヤの閉鎖ループを有し、各螺旋部分は、上記第１の真っ直ぐな部分の端部と上記第２の真っ直ぐな部分の端部とを互いに連結し、上記螺旋部分は、上記第１の部分から上記第２の部分に至るまで同一の曲率方向を有していることを特徴とするスプリングに関する。
【００１７】
別の特徴によれば、本発明は、互いに対し往復動自在なピストン部とシリンダ部、及び上記ピストン部と上記シリンダ部とを互いに連結する請求項１８〜２２のうちいずれか一に記載のメインスプリングを有していることを特徴とするリニア圧縮機に関する。
【００１８】
別の特徴によれば、本発明は、リニア圧縮機であって、シリンダ部と、ピストン部と、上記シリンダ部と上記ピストン部とを互いに連結し、上記シリンダ部に対する上記ピストン部の往復動方向に働くメインスプリングと、密閉ハウジングと、上記シリンダ部と上記ピストン部との間に作動可能に配置されたリニア電気モータと、上記シリンダ部と上記ハウジング部とを互いに連結し、上記往復動方向に動作するシリンダ部用スプリング手段とを有し、（ａ）上記シリンダ部用スプリング手段は、シリンダ部と密閉ハウジングとの間に設けられていて、上記シリンダ部から少なくとも上記ハウジングまで延びる排出導管を含む必要な連結部の組合せ効果で構成されると共に（或いは）（ｂ）上記シリンダ部の剛性は低く、上記ピストン部は、質量が上記シリンダ部の１／５未満であり、ピストン部用スプリング手段が存在しない場合、上記ピストン部と上記ハウジングは互いに直接的に連結されることを特徴とするリニア圧縮機に関する。
【００１９】
別の特徴によれば、本発明は、リニア圧縮機であって、シリンダボアを備えたシリンダ部と、上記シリンダボア内に摺動自在に設けられたピストンと、上記シリンダ部を上記ピストンに連結すると共に上記シリンダ部に連結されていて、少なくとも１対の取付け脚部を備えたメインスプリングと、上記メインスプリングの上記ラグの各々に関して上記シリンダ部に設けられた当接面とを有し、上記メインスプリングの上記ラグは各々、上記当接面にそれぞれ当接し、上記当接面は、一方向から遠ざかる上記ラグのそれぞれの実質的な運動を阻止するよう形作られ、上記リニア圧縮機は、上記一方向から上記ラグの各々に当接するスプリング保持手段を更に有し、上記スプリング保持手段は、上記一方向において少なくとも上記メインスプリングに及ぼされる予想動的力を超えた全予備圧縮力を上記ラグに及ぼすことを特徴とするリニア圧縮機に関する。
【００２０】
別の特徴によれば、本発明は、リニア圧縮機のピストンをリニア圧縮機のスプリングに連結するリニア圧縮機の製造方法であって、（ａ）ピストンを圧縮機のシリンダのボア内に所定の軸方向位置で配置する工程と、（ｂ）シリンダ部に既に連結されたスプリングのピストン連結箇所を、スプリングの所定の変位に基づく位置に又はスプリングが所定の反力を及ぼす位置に位置決めする工程と、（ｃ）上記ピストンと上記スプリングの上記ピストン連結箇所とを、上記工程（ａ）及び上記工程（ｂ）により達成された分離に従って固定された剛性の軸方向分離箇所のところで互いに接合する工程とから成り、上記工程（ａ）〜（ｃ）は、任意の順序で実施されることを特徴とする方法に関する。
【００２１】
当業者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の種々の実施形態及び用途の多くの変形例を想到できよう。本明細書における開示は、例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。
【００２２】
〔詳細な説明〕
全体構成
図示の本発明の実用的な実施形態は、密閉ケーシング内で作動する共振作用で往復動する圧縮機を駆動する永久磁石リニアモータを含む。圧縮機は、シリンダボア７１内で往復動し、シリンダのヘッド側端部のところに設けられた圧縮空間内に引き込まれ、そして、これから追い出される作動流体で作動するピストン３，４を有している。シリンダに連結されたシリンダヘッダ２７が、シリンダボア７１の開口端部を密閉して圧縮空間を形成し、このシリンダヘッドは、入口弁１１８、出口弁１１９及び関連のマニホルドを有している。圧縮状態の作動ガスは、出口弁１１９を通って圧縮空間から出て排出マニホルドに流入する。排出マニホルドは、圧縮作動流体を、シリンダ７１を包囲している冷却ジャケット２９内へ導く。排出管１８が、冷却ジャケット２９から密閉ケーシングを通って外へ延びている。
【００２３】
シリンダ７１及びジャケット２９は、単一部品３３（例えば、鋳物）として一体形成されている。ジャケット２９は、シリンダ７１の往復動軸線と実質的に整列していて、シリンダ７１を包囲した１または２以上の開口チャンバ３２を有している。開口チャンバ３２は、ジャケット内空間を（シリンダヘッド組立体２７によって）形成するよう実質的に密閉されている。
リニアモータは、シリンダ鋳物３３にしっかりと連結された１対の互いに反対側に位置した固定子部分５，６を有している。
【００２４】
シリンダ７１内で往復動するピストン３，４は、スプリングシステムを介してシリンダ組立体２７に連結されている。スプリングシステムは、その固有の共振振動数で又はこれに近い振動数で動作する。スプリングシステムの主要なスプリング要素は、メインスプリング１５である。ピストン３，４は、ピストンロッド４７を介してメインスプリング１５に連結されている。メインスプリング１５は、シリンダ鋳物３３から延びる１対の脚部４１に連結されている。１対の脚部４１、固定子部分５，６、シリンダ成形品３３及びシリンダヘッド組立体２７は一緒になって、スプリングシステムの説明の際にシリンダ部１と称されるものを構成する。
【００２５】
ピストンロッド４７は、ピストン３，４をメインスプリング１５に連結している。ピストンロッド４７は、好ましくは、剛性ピストンロッドである。ピストンロッドは、これに沿って互いに間隔を置いて設けられた複数の永久磁石２を有し、リニアモータのアーマチュアを形成している。
【００２６】
ピストン３，４とシリンダ７１との間に働く摩擦力を小さくするため、特に、側方荷重を減少させるため、ピストンロッド４７は、メインスプリング１５とピストン３，４の両方に弾性的且つ可動的に連結されている。特に、可撓性連結部が、メインスプリング１５に設けられた一体成形ボタン４９とピストンロッド４７との間の融合プラスチック連結部の形態でメインスプリングとピストンロッド４７のメインスプリング側端部４８との間に形成されている。ピストンロッド４７は、その他端部のところに、１対の互いに間隔を置いて位置した円形フランジ３，３６を有し、これらフランジは、ピストンスリーブ４内に嵌まり込んでピストンを形成している。フランジ３，３６は、ピストンロッド４７の１対のヒンジ止め領域３５，３７と連続した状態でこれらと交互に配置されている。１対のヒンジ止め領域３５，３７は、互いに直角をなした主曲げ軸線を有するよう形成されている。
【００２７】
ピストンロッド４７のメインスプリング側端部４８は、メインスプリング１５へのその連結部によって効果的に半径方向に支持されている。メインスプリング１５は、往復運動を可能にするが、側方運動又はシリンダ内でのピストンの往復方向に対し横断方向の運動に実質的に抵抗するように構成されている。本発明の好ましい実施形態では、横方向剛性は、軸方向剛性の約３倍である。
【００２８】
シリンダ部を構成する組立体は、密閉ケーシング内にしっかりとは取付けられていない。この組立体は、ケーシングへの支持連結部、即ち、排出管１８、液体冷媒注入ライン３４及びリヤ支持スプリング３９から離れてピストンの往復方向に自由に動くことができる。排出管１８、液体冷媒注入ライン３４及びリヤ支持スプリング３９は各々、シリンダ内でのピストンの往復方向に既知の特性のばねであるように形成されている。例えば、管１８，３４を、密閉ケーシング３０を貫通して延びるこれらの端部に隣接して渦巻き又は螺旋スプリングの状態に形成するのがよい。
往復運動全体は、ピストン３，４とシリンダ部の運動の合計である。
【００２９】
気体軸受
ピストン３，４は、空力気体軸受によってシリンダ内に半径方向に支持されている。圧縮機のシリンダ部は、ボア７１が貫通して設けられたシリンダ鋳物３３及びボア３１内に設けられたシリンダライナ１０を有している。シリンダライナ１０は、ピストンの摩耗を減少させる適当な摩耗材料で作るのがよい。例えば、このシリンダライナを、繊維強化プラスチック複合材、例えば、１５％ＰＴＦＥ入りの炭素繊維強化ナイロン（これを又、ピストンロッド及びスリーブに付いても好ましい）から作るのがよく、或いは、黒鉛フレークの自己潤滑性効果を備えた鋳鉄であってもよい。シリンダライナ１０を貫通して開口部３１が設けられ、この開口部３１は、シリンダライナの外側円筒形表面７０からその内部ボア７１まで延びている。ピストン３，４は、内部ボア７１内で移動し、これら開口部３１は、気体軸受を形成する。圧縮ガスが一連の気体軸受通路によって開口部３１に供給される。気体軸受通路は、これらの他端部が気体軸受供給マニホルドに開口し、この供給マニホルドは、シリンダライナ１０の周りでそのヘッド側端部のところにおいてライナ１０とシリンダボア７１との間に環状チャンバとして形成されている。気体軸受供給マニホルドは、細い供給通路７３により圧縮機ヘッドの圧縮ガスマニホルドによってガスが供給される。供給通路７３のサイズが小さいので、軸受供給マニホルド内の圧力が制御され、この結果、気体軸受のガス消費量が制限される。
【００３０】
気体軸受通路は、シリンダライナ１０の外壁７０に設けられた溝８０として形成されている。これら溝８０は、他のシリンダボア７１の壁と組み合わさって開口部３１に通じる密閉通路を形成している。変形例として溝をシリンダボア７１の内壁に設けてもよいが、これら溝はシリンダ鋳物３３よりもライナ１０側に、しかも、その内面よりも外面のほうに一層容易に形成されることは理解されよう。通路を穿孔又は中ぐりする必要無く、溝を一方又は他方の部品の表面に機械加工できることは、製造上の顕著な改良点である。
【００３１】
気体軸受通路内での圧力降下は、ピストン３，４とシリンダライナ１０のボア７１と間の出口流の圧力降下に類似している必要があることが判明した。ピストン３，４とシリンダライナボア７１との間の隙間（効果的なコンパクトな圧縮機を得るため）は１０〜１５ミクロンに過ぎないので、通路の断面寸法も又、非常に小さいことが必要である（深さ約４０ミクロン、幅１５０ミクロン）、寸法がこのように小さいので、製造が困難になる。
【００３２】
しかしながら、本発明の好ましい実施形態では、通路の長さを増大させて断面積も又、例えば７０ミクロン×２００ミクロンまで増大させることによりこのマッチングが容易になる。これは、ライナ部１０の表面に任意適当な形状の溝８０を形成できることを利用している。任意の経路を持つ溝８０を形成することができ、もし曲がりくねった経路を選択すれば、溝８０の長さは、気体軸受供給マニホルド及びそれぞれの気体軸受形成開口部３１からの直接的な経路よりも著しく長い場合がある。好ましい実施形態は、螺旋経路を辿る気体軸受溝８０を有している。それぞれの経路の長さは、通路の好ましい断面積に従って形成され、かかる好ましい断面積は、製造（機械加工又は場合によっては或る他の形態、例えば、精密成形による製造）を容易にするために選択できる。
【００３３】
シリンダ部
固定子の各部分５，６は、巻線を備えている。固定子の各部分５，６は、巻線が中央極の周りに施された「Ｅ」字形の積層スタックを備えている。巻線は、プラスチックボビンによって積層スタックから絶縁されている。各固定子部分の特定の形態は、本発明の要部をなさず、当業者には多くの形態を想到できよう。
上述したように、シリンダ部１は、関連の冷却ジャケット２９、シリンダヘッド２７及びリニアモータ固定子部分５，６を備えたシリンダ７１を有し、これらは全て互いにしっかりと連結された状態にある。更に、シリンダ部１は、メインスプリング１５、排出管１８及び液体注入管３４の取付け箇所を有している。シリンダ部１は又、メインスプリング１５へのシリンダ部の連結のための取付け部を更に備えている。
【００３４】
シリンダ及びジャケット鋳物３３は、シリンダヘッドから遠ざかってその端部から延びる上及び下取付け脚部４１を有している。スプリング１５（その好ましい形態については後述する）は、一端部のところに設けられて、シリンダ鋳物３３に連結可能な剛性取付けバー４３を有している。１対の側方に延びるラグ又は突出部４２が、シリンダ鋳物３３に向かう方向に取付けバー４３から間隔を置いた状態で取付けバー４３から延びている。ラグ４２は、取付けバー４３へのスプリング端部の入口にすぐ隣接してスプリングの部分６７，６８と軸方向に整列するよう配置されている。シリンダ鋳物３３の上及び下取付け脚部４１は、それぞれ、ラグ４２をそれぞれ受け入れる取付けスロットを有している。取付けスロットは、シリンダジャケット２９に向かって脚部４１の自由端部７７から延びる取付け脚部４１の内面７６に設けられた切込み又はさねはぎ溝７５の形態をしている。少なくとも１つのテーパした突起７８が、各さねはぎ溝７５の内方に向いた表面８２に形成されている。かかる各突起７８は、シリンダ鋳物３３に向いた垂直の表面７９を有し、組立て中、突起７８がスナップ嵌めによる連結のための突刺又はとげ部を形成するようになっている。特に、実質的にさねはぎ溝の対向した表面８２相互間の間隔にマッチしたラグ４２の側方間隔は、ラグ４２、又は取付け脚部４１或いはこれら両方の変形によりとげ部７８だけを通過するようなものである。突起又はとげ部７８をいったん通過すると、ラグ４２は、とげ部７８の垂直面７９とさねはぎ溝７５の端面を形成する垂直面８３との間に捕捉される。追加のさねはぎ溝又は凹み８４が、取付け脚部４１の各々の外面８５に形成されている。このさねはぎ溝８４は、外面８５に沿って軸方向に延び、それぞれの取付け脚部４１の自由端部７７から、さねはぎ溝８４の各々が少なくともその取付け脚部４１の内面７６に設けられたそれぞれ対応関係にあるさねはぎ溝７５と出会うような距離を置いて位置している。さねはぎ溝７５，８４は、これらが合致し又はオーバーラップした場合、少なくとも軸方向開口部８６はこれらの間に構成されるのに十分な深さのものである。
【００３５】
好ましくは打抜き加工されて折り曲げられた非磁性板金で作られたクランプスプリング８７には、１対の取付け脚部４１と嵌合できるよう中央開口部８８が設けられている。クランプスプリング８７は、各取付け脚部４１と関連した後方に延びる脚部８９を有している。これら脚部８９の自由端部９０は、取付け脚部４１の外面のさねはぎ溝８４内で摺動し、外側さねはぎ溝８４と内側さねはぎ溝７５との間で軸方向開口部８６を通過するほど十分小さい。メインスプリングの取付けバー４３の脚部４２が取付け脚部４１の内側さねはぎ溝７５内の定位置に位置した状態で、これら自由端部９０は、ラグ４２に圧接し、これらをそれぞれとげ部７８の垂直面７９に当接状態に保持する。加重状態でのクラフトばね８７の保持により、所定の予備荷重がラグ４２に供給される。
【００３６】
クランプスプリングは、固定子部分５，６を取り付ける作業を並行して行うことが望ましい。クランプスプリング８７に設けられた中央穴８８は、取付け脚部４１に対し少なくとも横方向において取付け脚部４１に対し厳密に寸法決めされている。クランプばね８７は、シリンダ鋳物３３の取付け脚部４１相互間を跨ぐその側部領域９２の各々に固定子部分クランプ表面９１を有している。
シリンダ鋳物３３は、取付け脚部４１の部分相互間の位置でジャケット２９のばねの方に向いた面５８から延びる１対の突出した固定子支持ブロック５５を有している。
【００３７】
固定子部分５，６の「Ｅ」字形積層スタックの各々は、これらの外面５６に設けられた垂直方向に差し向けられている垂直段部６９を有している。各場合、これは、モータ空隙から遠ざかる方向に向けられた外方段部である。空隙に近く位置した面５６の各々の一部は、シリンダ鋳物３３の支持ブロック又はクランプスプリング８７の固定子係合面９１に適宜当接する。定位置にあるとき、モータ部相互間の固有の引き付け力は、固定子部分５，６を互いに引き寄せる。空隙の幅は、垂直段部５７を取付けブロック５５の外縁部４０及びクランプスプリング８７の外縁部７２に当接して設けることにより維持される。固定子部分５，６を垂直方向に更に位置決めするため、各取付けブロック５５の固定子係合面の外縁部には、切欠き５７が設けられ、この切欠き５７は、垂直方向において「Ｅ」字形積層スタックの寸法とマッチしている。
【００３８】
モータのこの部分は、一連の作業で組み立てられる。ピストン組立体をシリンダ鋳物３３に取り付ける。まず最初に、一体フランジ３，３６、ピストンスリーブ４及びアーマチュア磁石２を備えたピストンロッド４７を含むピストン組立体を組み立てる。ピストンスリーブ４及びピストンフェースを形成する先導フランジ３によって形成されたピストンを、シリンダ鋳物３３の脚部４１相互間に位置するシリンダ開口部７を通って導入されているシリンダのボア７１に押し込む。したがって、ピストン連結ロッド４７は、脚部４１相互間に位置する。脚部４１の内方に向いた表面７６は、中心線に沿ってさねはぎ溝７５から延びる軸方向スロット２８を有している。ピストン連結ロッド４７に設けられた外方に延びるラグ１３０が、作動中、これらスロット２８内で往復動する。組立て精度は、一般に（ノッキング又は外部運動が存在しない場合）、ラグ１３０がスロットの表面に接触しないようなものである。しかしながら、スロット２８は、シリンダ鋳物３３に最も近く位置するこれらの端部のところに、狭くて浅い部分１３１を有し、この部分１３１は、連結ロッド４７のラグ１３０と締り嵌め関係をなす。ピストン組立体を、ラグ１３０がこれら狭くなった部分１３１内に嵌まり込むと共にピストンのフェースがシリンダ鋳物３３の機械加工されたシリンダヘッド受け入れフェース１３３に対し所定の位置を取るまでシリンダボア７１に押し込む。
【００３９】
クランプスプリング８７を取付け脚部４１に嵌着し、ラグ４２を内方に向いた切欠き７５に嵌めてとげ部又は突起７８を通過させることによりメインスプリング１５を脚部４１に取り付ける。クランプスプリング８７をシリンダ鋳物３３から遠ざかる方向に押して、クランプスプリング８７の固定子部分係合表面９１とシリンダ鋳物３３の取付けブロック５５との間に固定子部分５，６を導入するのに十分な空間が得られるまで取付けラグ４２に圧接させる。次に、固定子部分５，６をこれらの定位置に導入し、クランプスプリング８７を解放する。固定子部分５，６の幅は、クランプスプリング８７に所定の圧縮状態を維持する。
【００４０】
次に、メインスプリング１５とピストンロッド４７との間に連結部を形成する。ピストンは、圧縮機の作動中の場合よりもシリンダヘッドにより近い所定の位置にあることは注目されるべきである。メインスプリング１５の一体成形ボタン２５のプラスチックとピストン連結ロッド４７の後方端部４８のプラスチックを融合させることにより連結部を形成する。融合は、熱板溶接によって行われる。熱板溶接時、スプリング１５を好ましくは所定の位置に又はスプリング１５が所定の力を及ぼすまで伸長させる。ピストンフェースがその所定の位置にあり、しかもそのスプリング１５がその所定の変位状態で２つのプラスチック部品相互の熱板溶接及び融着により、スプリング１５をその中立位置にいったん解放すると、シリンダ鋳物３３に対するピストンの正確な配置場所が得られる。これは、スプリング１５の形態をした偏心度又は一続きの組立体中の部品の公差に起因した累積誤差とは無関係にそのようになる。
【００４１】
シリンダヘッド
シリンダ鋳物３３の開口端部は、圧縮機２７によって密閉されている。圧縮機ヘッドはそれにより、シリンダ７１、そして、シリンダ７１を包囲している冷却ジャケットチャンバ３２の開口端部を密閉する。全体的形態として、シリンダヘッド２７は、吸引マフラー／吸気マニホルド１０４と共に、積み重ね状態の４枚のプレート１００〜１０３から成っている。
シリンダ鋳物３３の開口端部は、ヘッド固定フランジ１３５を有している。ヘッド固定フランジ１３５は、その周囲にぐるりと間隔を置いて設けられた多数のねじ穴１３６を有し、固定ボルトが、これらねじ穴の中に締め付けられて積み重ね状態のプレート１００，１０３を互いに引き寄せ、これらをシリンダ成形品３３のフェースに固定するようになっている。
【００４２】
環状さねはぎ溝１３３が、フランジ１３５のフェースに設けられている。さねはぎ溝１３３は、フランジ１３５の互いに反対側の側部に、外方に延びるローブ１３７，１３８を有し、これらローブ１３７，１３８はそれぞれ、排出管１８及び戻り管３４のポートとして働く。
シリンダ鋳物３３の３つのチャンバ相互間には開口部が設けられている。
【００４３】
第１のヘッドプレート１００は、環状さねはぎ溝１３３内のシリンダ成形品３３の開口端部と嵌合している。これは、比較的可撓性であって、ガスケットとして働く。この第１のヘッドプレートは、シリンダジャケットの開口部を密閉するが、主中央開口部を有し、シリンダ７１の開口端部を覆っていない。圧縮ガス戻りポート１１０が、液体冷媒戻り管３４と関連したローブ１３８に隣接してプレート１００を貫通している。冷却ジャケット２９の外壁に最も近いこの開口部１１０の縁部は、少なくともローブ１３８の付近でその壁から僅かに離れて位置している。この効果は、ガスが開口部１１０を通って冷却ジャケットチャンバ内に流れている状態で、狭い減圧領域がプレート１００の直ぐ後ろであってさねはぎ溝１３５のローブ１３８に隣接して作られることにある。
別の開口部１１５が、排出管１８の近くの位置でプレート１００を貫通して設けられている。
【００４４】
第２のヘッドプレート１０１が、第１のプレート１００に被さった状態で位置している。第２のプレート１０１は、プレート１００よりも直径が大きく、しかも剛性である。この第２のプレートは、鋼、鋳鉄又は焼結鋼で作られたものであるのがよい。プレート１０１は、プレート１００が嵌まっているさねはぎ溝よりも広がりが大きい。プレート１０１は、フランジのフェースに当接して位置し、第１のプレート１００をさねはぎ溝に押し付けている。プレート１０１は、その周囲にぐるりと間隔を置いて設けられた開口部１３９を有し、これら開口部は、ボルトのねじ付き部分が自由に通過するように寸法決めされている。
第２のヘッドプレート１０１は、開口部１１０と位置が合った状態の圧縮ガス排出開口部１１１を有している。第２のヘッドプレートは、第１のプレート１００の開口部１１５と位置が合った別の開口部１１７を更に有している。
【００４５】
プレート１０１の一部が、プレート１００のシリンダ開口部１１６を密閉している。ただし、プレート１０１のその部分は、取入れポート１１３及び排出ポート１１４を通過している。ばね鋼入口弁１１８が、プレート１０１のシリンダに向いたフェースに固定されていて、そのヘッド部分が取入れポート１１３を覆うようになっている。入口弁１１８のベースは、プレート１００とプレート１０１との間にクランプされ、その位置は、合せピン１４０によって固定される。ばね鋼排出弁１１９が、シリンダから離れたところでプレート１０１のフェースに取り付けられている。そのヘッド部分は、排出開口部１１４を覆っている。弁１１９のベースは、第２のプレート１０１と第３のプレート１０２との間にクランプされ、合せピン１４１によって位置決めされている。排出弁１１９は、第３のプレート１０２の排出マニホルド開口部１１２及び第４のプレート１０３に形成された排出マニホルド１４２内に嵌まった状態でこれらの中で動作する。入口弁１１８は、シリンダ圧縮空間内に嵌まっていて（そのベースから離れた状態で）、この中で動作する。
【００４６】
ばね鋼入口及び排出弁１１８，１１９は、発生している圧力の影響下で問題なく動作する。ピストンがシリンダ７１内で引っ込んでいる状態で、低圧が、入口弁１１８の入口マニホルド側よりもそのシリンダ側に働いた状態で存在する。したがって、入口弁１１８は、冷媒が圧縮チャンバに入ることができるように開く。ピストンがシリンダ７１内を前進している状態では、高い圧力が、入口マニホルド内よりも圧縮空間内に存在し、入口弁１１８は、この圧力差によってその閉じ位置に維持される。入口弁１１８は、それ自体の弾性によってこの閉じ位置に向かって付勢される。
これと同様に、排出弁は常態では、この弁がシリンダ７１内でのピストンの引っ込み中に発生する圧力によって維持される閉じ位置に付勢される。排出弁は、シリンダ７１内でのピストンの前進中に排出マニホルド内よりも圧縮空間内の高い空間内に開き位置に押圧される。
【００４７】
第３のヘッドプレート１０２が、第４のプレート１０３のシリンダに向いたフェース１４４に設けられた円形さねはぎ溝１４３に嵌まっている。プレート１０２は、比較的可撓性であって、ガスケットとして働き、第４のプレート１０３と第２のプレート１０１との間に圧縮状態で位置している。第３のプレート１０２は、第４のプレート１０３のフェース１４４に設けられた大きなさねはぎ溝１４２と位置が合った大きな開口部１１２を有している。開口部１１２とさねはぎ溝１４２は一緒になって排出マニホルドを形成し、圧縮冷媒が排出ポート１１４からこの排出マニホルド内へ流れる。
【００４８】
第３のプレート１０２を貫通して設けられた別の開口部１２１が、第４のプレート１０３のフェース１４４に設けられたさねはぎ溝１４５と位置合せ状態にある。開口部１２１も又、第２のプレート１０１の開口部１１７及び第１のプレート１００の開口部１１５と位置合せ状態にある。ガスフィルタ１２０が、さねはぎ溝１４５からの圧縮冷媒を受け入れ、これを第１及び第２のプレートの穴１４６，１４７を通って気体軸受供給通路７３に送る。
【００４９】
第３のプレート１０２を貫通して設けられた取入れ開口部９５が、第２のプレート１０１に設けられた取入れポート１１３と位置合せ状態にある。開口部９５も又、第４のプレート１０３を貫通した取入れポート９６と位置合せ状態にある。第４のプレート１０３のフェース９８に設けられたテーパした又は切頭円錐形の取入れ口９７が取入れポート９６に通じている。取入れポート９６は、吸引マフラー１０４によって密閉されている。吸引マフラー１０４は、例えば、シリンダ鋳物に向いた側部に設けられた相当広い開放空間を備えた一体成形品から成る。この空間は、第４のプレート１０３を吸引マフラーに連結すると第４のプレート１０３によって密閉される。吸引マフラー１０４を多くの考えられる手段、例えば、マフラーの周囲リップを第４のプレート１０３に設けられたチャネルに嵌め込むことにより、或いは、ヘッドプレートをマフラーのフランジを介してシリンダ鋳物にボルト止めし、それによりマフラーをプレート１００〜１０３の積み重ね体の一部として第４のプレート１０３に固定することにより、プレート１００〜１０３の積み重ね体に連結するのがよい。吸引マフラー１０４は、シリンダ成形品３３から遠ざかる方向に開口するよう密閉取入れマニホルド空間から延びる通路９３を有している。この通路は、冷媒取入れ通路である。圧縮機がその密閉ハウジング内に配置された状態で、密閉ハウジングを貫通して延びる取入れ管１２の内部突出部１０９が、広いクリアランスを持って取入れ通路９３内へ延びている。
【００５０】
冷却ジャケット
上述したように、互いに連結された冷却ジャケットチャンバ３２が、圧縮シリンダ７１の周りに設けられている。冷媒ガスを圧縮すると、ガスは、これを圧縮空間に入ったときの温度よりも著しく高い温度の状態に達する。これにより、シリンダヘッド２７及びシリンダ壁ライナ１０が加熱される。
【００５１】
本発明では、シリンダ壁／ライナ、シリンダヘッド及び圧縮冷媒を冷却するのに液体冷媒が用いられる。液体冷媒は、冷凍システムの凝縮器の出口から供給される。液体冷媒は、シリンダを包囲している冷却ジャケットチャンバ３２内に直接供給される。新たに圧縮した状態で吐出された冷媒は、排出管１８を経て圧縮機から出る前に冷却ジャケットチャンバ３２に流入する。チャンバ３２内では、液体冷媒は、圧縮ガス、シリンダ鋳物３３の周囲の壁及びシリンダヘッド２７からの多量の熱を吸収して蒸発する。
【００５２】
凝縮器から出た液体冷媒は、圧縮直後の冷媒よりも僅かに低い圧力状態にあり、これはポンプの吐出側への液体の流れに対してバリヤとなる。しかしながら、液体冷媒を冷却ジャケット内に流入させるために受動式構造を用いることが好ましい。本発明では、これは、圧縮機の構造の幾つかの特徴によって達成される。第１に、圧力の下がった狭い領域が、ジャケット空間内への液体戻りライン３４からの出口に直ぐ隣接して設けられる。この低圧領域をどのようにして形成するかについては上述した。これは、圧縮ガスがヘッドプレート１００の圧縮ガス開口部１１０を通ってジャケット内に流入することによって生じる。第２の特徴は、液体冷媒戻り管３４のその長さ方向における往復運動によって得られる僅かな慣性的圧送効果である。この往復動は、圧縮機の作動及びシリンダ部全体の関連の往復運動の結果であり、シリンダの振動は、戻り管３４の軸方向に整列した長さ部分１４８の変動する加速状態を生じさせ、この加速状態の変動は、液体戻り管３４が入口３３と交わるその端部のところに変動する圧力状態を生じさせる。液体は高圧変動中に冷却ジャケットに流入すると直ぐに蒸発するので、低圧変動中の逆流は、ガスの流れである。ガスは液体と比べて密度が非常に小さいので、非常に僅かな質量流量が、液体戻りライン３４を冷却ジャケットに接合している小さな切欠きを通って戻る。その結果、冷却ジャケット内への冷媒の正味の流れが存在する。第３の特徴は、家庭用電気冷蔵庫又はフリッジ／フリーザではその所期の目的上、圧縮機を凝縮器の下に設置できるということである。凝縮器からの液体冷媒が十分の流量で冷却ジャケットに流入しない場合、液体冷媒のヘッドが圧縮機まで延びるライン中で増大し、それにより、液体冷媒の圧力を圧縮冷媒の圧力に近い状態にすることが判明した。この効果は、もしそのように構成しなければシステム中の相対圧力が冷却ジャケット空間内に流入している液体冷媒に対して定める時点で自己補償の尺度をもたらすことが判明した。
【００５３】
冷媒
圧縮機によって生じる熱を減少させる別の方法は、冷媒と関連している。イソブタン（Ｒ６００ａ）をリニア圧縮機で冷媒として用いると、他の冷媒を用いた場合と比べて相乗的な利点が得られることが判明した。
リニア圧縮機と従来型圧縮機の１つの基本的な差異は、「上死点」でのピストン上方の容積又は空間の量にある。従来型圧縮機では、この容積は、圧縮機の幾何学的配置によって押退け量のほんの一部に固定される。自由ピストンリニア圧縮機では、この「死」空間は、電力又は動力の入力及び吐出圧力で変わる。中程度の動力では、死空間は、動作中の押退け量の２５％という高い割合になる場合がある。
【００５４】
死空間は、圧縮及び再膨張中のエネルギを吸収したり放出してガススプリングとして働く。しかしながら、これは、シリンダ壁との不可逆的熱交換に起因して不十分なばね作用である。この熱交換は、圧縮中の冷媒の温度上昇（又は、膨張中の温度低下）にほぼ比例する。この温度上昇は、ガスの比熱比で左右される。一般に用いられる冷媒であるＲ１３４ａの場合、この比は１．１２７である。これは、他の一般に用いられている冷媒、例えば、ＣＦＣ１２とほぼ同じである。しかしながら、イソブタン（Ｒ６００ａ）の場合、比熱比は１．１０８である。以下の表は冷凍機（０℃蒸発温度）及びフリーザ又はフリッジ／フリーザ（−１８℃蒸発温度）について凝縮温度にマッチした飽和圧力まで圧縮されたガスの断熱温度を記載している。これらは共に、圧縮機に入った３２℃の過熱状態のガス及び４２℃の凝縮温度を有している（これらは、代表的な値である）。
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このように、比熱比が低いイソブタン及び他の冷媒の特性は、リニア圧縮機の物理的特性と特にマッチしていることがわかる。この改良は、実験によって立証された。
【００５５】
一連の試験を４５０リットル冷凍機で行った。この冷凍機は、圧縮機の手前で吸引ラインに設けられた質量流量計を有していた。冷凍機を、標準のＡＳ／ＮＺＳ４４７４．１−１９９７に従って環境チャンバ内で試験した。まず最初に、試験を冷媒Ｒ１３４ａを用いて行った。次に、この試験を冷媒Ｒ６００ａ（イソブタン）を用いて２つの場合について行った。試験結果は以下の通りであった。
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この試験結果の示すところによれば、イソブタンを用いて作動するリニア圧縮機の性能ケースは、Ｒ１３４ａを用いて作動する場合と比較して著しく改善された。
【００５６】
スプリングシステム
シリンダ９は、排出管１８及び液体冷媒注入管３４によって支持され、これら管は、軸方向に総合剛性Ｋｃｙｌｉｎｄｅｒ’を有している。支持スプリング３９は、軸方向における剛性が非常に小さく、その効果は無視できるほどである。ピストンスリーブ４は、シリンダボア及びシリンダライナ１０の境界部に設けられたキャビティ及び通路により形成されている気体軸受によって半径方向に支持されている。ピストン及びシリンダの共振が得られるよう、メインスプリングは、剛性Ｋｍａｉｎ’を有していて、共振振動数ｆｎ’を次の関係式から推定できるようになっている。
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ｍｐｉｓｔｏｎ’及びｍｃｙｌｉｎｄｅｒ’がピストン及びシリンダスプリングに加わるばね質量である場合、固有振動数ｆｎは通常、所望の動作周波数よりも１０〜２０Ｈｚ低く、それにより、圧縮ガスに起因する剛性の増大による周波数の増加に対応するようになっている。
【００５７】
上述したように、圧縮機モータは、２つの部分５，６から成る固定子及びアーマチュア２２に設けられた磁石を有している。固定子（５，６）とアーマチュア２２の磁気的相互作用により、ピストンに加わる往復力が生じる。
固定子コイル中の交流（これは、必ずしも正弦波である必要はない）は、シリンダ組立体鋳物３３に対するピストンの相当大きな運動を生じさせることになる。ただし、交番振動数が機械系の固有共振振動数に近いことを条件とする。この振動力は、固定子部分に加わる反力を生じさせる。このように、固定子部分５，６は、クランプスプリング８７によってシリンダ組立体にしっかりと取り付けられている。
【００５８】
本発明では、メインスプリング１５が効果的なシリンダスプリングの剛性よりも非常に大きな剛性を有することが提案される。メインスプリングは、「第３」モード振動数よりも「第２」モード振動数を高くして「ガススプリング」がモード振動数を一段と互いに引き離すに過ぎないようにする。
【００５９】
実際の動作振動数（「第２」モード振動数）は、ピストンとシリンダの質量の複雑な関係及びシリンダスプリング及びメインスプリング１５の剛性によって定まる。また、吐出圧力が高いと、圧縮ガスの剛性をメインスプリングの剛性に加えなければならない。しかしながら、シリンダスプリングが極めてソフトな場合（例えば、メインスプリングの剛性の１／１０である場合）、動作振動数は、次式によってかなり正確に求まる。
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【００６０】
ピストン／シリンダ運動に起因する基本振動数以外の源に起因する外部振動は、振動質量を減少させると共にシリンダスプリングが比較的ソフトであるようにすることによってほぼ無くすことができる。特定のシリンダばねを全く用いず、排出管１８の固有の剛性（通常、約１，０００Ｎ／ｍ）を用いることによりシリンダスプリングの剛性を最小値に減少させことができる（又は冷却管を用いる場合、排出管と冷却管の両方の剛性が組み合わされる。即ち、２，０００Ｎ／ｍとなる）。
圧縮機が、約７５Ｈｚで約１００ｇのピストン質量及び１０：１のシリンダとピストンの質量比で共振するようにするためには、メインスプリング（Ｋｍａｉｎ）は、約４０，０００Ｎ／ｍである必要がある。代表的には，ガススプリングの値は、メインスプリングの値よりも低いが、それほど低くはない。上述の場合、動作振動数は、ガススプリング（Ｋｇａｓ）が約１５，０００Ｎ／ｍで動作する場合、９９Ｈｚであると推定される。
【００６１】
メインスプリング
動作振動数を高くすれば、モータの大きさは、小さくなるが、高いスプリング剛性が必要となり、その結果、スプリングに生じる応力が高くなる。したがって、最も高い品質のスプリング材料を用いることが圧縮機の寿命にとって重要である。従来、プレス加工ばね鋼シートから作られたメインスプリングが使用される場合が多い。しかしながら、プレス加工中に切断された縁部は、ばね鋼シートの元の疲れ強さを回復するために注意深い研磨を必要とする。
本発明の好ましい実施形態では、メインスプリングは、円形断面のピアノ線から作られ、このピアノ線は、後で研磨を行う必要無く非常に高い疲れ強さを有している。
【００６２】
メインスプリングの好ましい実施形態が、図１及び図２に示されている。このスプリングは、２重螺旋の状態にねじられた連続ループの形状をしている。スプリング１５を形成する１本のワイヤは、圧縮機部品のうちの一方に取付け可能なラグ４２を備えた取付けバー４３内に固定された自由端部を有している。図３の記載及び上記説明から理解されるように、これらラグ４２は、シリンダ部１に取り付けられ、特に、脚部４１のスロット内に嵌め込まれている。スプリング１５は、図３の記載及び上記説明から明らかなように他の圧縮機部品に取付け可能な別の取付け箇所６２を有している。好ましい形態では、この連結は、成形プラスチックボタン２５を介してピストンロッド４７に対して行われる。スプリング１５は、実質的に一定の曲率半径の１対の湾曲した部分６３，６４を有し、これら湾曲部分はそれぞれ、シリンダ取付けバーの周りに延びている。これら湾曲部分は各々、約３６０°の長さにわたって延びている。各部分は、その端部の両方が滑らかに湾曲している。取付けバー移行部６５，６６のところで、これら部分は、シリンダ取付けバーのところのこれらの長さ部分６７，６８が半径方向に整列するように湾曲をしている。このシャープな湾曲部６５，６６は、移行部に沿って実質的に一様な応力分布を維持するよう選択されている。シリンダ取付け端部６７，６８を整列させると、これらはシリンダ取付けバーと整列する。スプリング１５の曲率が一定の部分６３，６４を任意の長さのものにしてよい。図示の例では、これら部分の各々の長さは約３６０°のものである。
【００６３】
図１及び図２に示すように、スプリング１５の取付けバー４３は、その別の側部に位置している。中央取付け箇所６２は、その近い方の側部に存在する。曲率が一定の部分６３，６４は、それぞれ取付け箇所６２のところのスプリングの全体的な円の直径を横切って互いに半径方向に整列した状態で連続するようこれらの下端部が滑らかに湾曲している。この直径の整列状態は、シリンダ部取付けバー４３のところの端部６７，６８の整列状態に対し実質的に垂直である。
【００６４】
曲率半径が一定の湾曲部６３，６４は、取付けバー４３に対するピストン取付け箇所６２の変位により捩れの状態に置かれている。半径が一定であるので、部分６３，６４の各々に沿う捩り応力も又実質的に一定である。シリンダ取付け部分６７，６８及びピストン取付け箇所６２のところの半径方向又は実質的に半径方向は、捩り応力を減少させ、この場合、スプリングの端部は、ピストン取付け箇所６２のところで取付けバー４３に嵌め込まれ、しかも上述のように半径方向又は実質的に半径方向であることにより、シリンダ部とピストン部の両方に対するスプリング１５の取付け具合が向上する。
【００６５】
リニア圧縮機の産業上の利用分野
本発明の好ましい実施形態のリニア圧縮機は主として、家庭用冷凍システム、例えば、フリーザ、電気冷蔵庫又は冷蔵庫／フリーザの組合せに採用されることを目的としている。かかるリニア圧縮機は、他形式の圧縮機、例えば、回転クランク圧縮機に直接取って代わることができる。リニア圧縮機は、吸引管１２を通って低圧の蒸発冷媒を受け入れ、排出スタブ１３を通って圧縮状態の冷媒を高圧で送り出す。冷凍システムでは、排出スタブ１３は一般に、凝縮器に連結される。吸引管１２は、１以上の蒸発器から蒸発状態の冷媒を受け入れるよう連結されている。液体冷媒送出しスタブ１４は、既に説明したように圧縮機を冷却するのに用いるため凝縮器から（又は、凝縮器の下流側に位置するアキュムレータ又は冷媒ラインから）凝縮冷媒を受け入れる。密閉ケーシングを貫通して延びるプロセス管１６も又、冷凍システムを排気し、選択した冷媒を充填する際に用いるために設けられている。
本発明の圧縮機を組み込んだ冷凍システムの構成全体は、本発明の要部をなさない。多くの有用な冷凍システムが知られており、更に多くの形態が想到できる。本発明の圧縮機は、かかるシステムのいずれにも有用である。
【００６６】
本発明の好ましい実施形態の圧縮機の有用性は、家庭用電気冷蔵庫及びフリーザ用の冷凍システムには限定されず、空気調和機用の冷凍システムにも利用できる。また、かかる圧縮機は、冷却のための液体冷媒の送出しを省くことができる冷媒を用いない用途のガス圧縮機として使用することも可能である。
【００６７】
リニア圧縮機の作用及び制御は、固定子部分５，６を適当に付勢することにより行われる。動力又は電力供給コネクタ１７が、開口部１９に取り付けられた状態で密閉ケーシング３０を通って設けられている。巻線の付勢のための適当な制御システムは、本発明の要部をなさず、ブラシレスＤＣモータ用の多くの別の駆動システムが周知であり、これらを利用できる。適当な駆動システムが、本出願人の同時係属国際出願ＰＣＴ／ＮＺ００／００１０５号明細書に詳細に記載されている。
【００６８】
利点
本発明の好ましい実施形態のリニア圧縮機の多くの利点の概要は、上述の説明中に述べられている。概要を述べなかった別の利点の幾つかは次のとおりである。
（ａ）ピストン連結ロッドとピストン、更に、メインスプリングを介してシリンダ鋳物３３の取付け脚部４１との弾性可撓性連結とピストンが軽量であること及びピストンスリーブ及びシリンダライナの構成材料の適切な選択とが相まって圧縮機内の追加の潤滑剤が不要になる。したがって、冷凍システム全体を通じて冷媒中の油潤滑剤の好ましくない存在又は油潤滑剤のアキュムレータ又はセパレータが不要になる。
（ｂ）軽量のピストンと連結ロッドの組立体は、２つの主要な圧縮機構造部材の振動運動量の大きさを減少させ、その結果、密閉ケーシングに伝わる振動を減少させる。
（ｃ）メインスプリングは、長い疲れ寿命を持つ材料で作られているので、このメインスプリングは、成形後の追加の研磨作業を必要とせず、又、メインスプリングの寸法形状は、所用のスプリング強度を得るための材料の使用量、スプリング重量及びスプリングサイズを最小限に抑える。
（ｄ）ピストン連結ロッドが固定子空隙内で直接動作する状態でアーマチュア磁石をピストン連結ロッドに取り付けることにより、固定子の２つの部分相互間におけるアーマチュアの作動の正確且つ有効な整合性をもつ側方にコンパクトなリニアモータが得られる。
（ｅ）ピストンとピストン連結ロッドとの間及び連結ロッドとシリンダ部との間の応従性継手は、ピストンスリーブが不正確で比軸方向の向きに起因してシリンダボア内に局所的圧力を及ぼさないようにする。
（ｆ）リニア圧縮機中にイソブチレンの冷媒を用いることは、比熱比の高い冷媒の使用と比較すると、相乗的な利点が得られることが判明した。
（ｇ）シリンダを包囲している冷却ジャケット内への液体送込みにより、シリンダとシリンダヘッダ組立体及び圧縮機を出た合流状態の圧縮ガス流への蒸発による冷却作用が提供される。ジャケット内の高圧ガス中への送り込みは、能動的な圧送装置を必要としないで達成される。
（ｈ）圧縮機の全体構成は、家庭用電気機器への利用に好適である。冷蔵庫又はフリーザ用の機械用空間の寸法形状は、密閉ケーシングの全体的な高さが低いので小さくすることができる。内部空間に関する検討のため、機械用コンパートメントは全体として、収容することが必要なコンポーネントとは無関係に、電気機器の幅全体に延びる。しかしながら、その高さ及び深さは一般に、圧縮機に適する最大高さ及び深さの要件によって定められる。本発明のリニア圧縮機が低プロフィール（薄型）である理由は、圧縮機が同心形態ではなく、端から端に配置されていることにある。
（ｉ）圧縮機のメインスプリング及びモータ部は、これら部品の幾何学的配置、寸法形状によって定まる度合いの弾性予備荷重を受ける。組立てが不完全であること、製造許容差が通常であること又はモータ動作の効果に起因して圧縮機の作動中、部品が弛み、その結果、コツコツと音を立てたり、ガタついたり、或いは故障したりするようになる恐れが減少し又は無くなる。
（ｊ）上述した方法で熱板溶接法によりピストンロッドをメインスプリングに融合させることにより、ピストンフェースがメインスプリングの中立位置に対して正確に位置決めされる。その結果、ピストンがその移動の前方端部のところでシリンダヘッドに当たらないという信頼を持ってシリンダヘッドクリアランスを小さくした状態で圧縮機を作動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の好ましい実施形態のリニア圧縮機の上から見た部分分解図である。
【図２】
図１とは別の方向から見た圧縮機組立体のモータ側端部の分解図である。
【図３】
一方向から見た圧縮機組立体のヘッド側端部の分解図である。
【図４】
別の方向から見た圧縮機組立体のヘッド側端部の分解図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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