JP4241192B2

JP4241192B2 - Linear compressor

Info

Publication number: JP4241192B2
Application number: JP2003152515A
Authority: JP
Inventors: 聡伊藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2023-05-29
Also published as: JP2004353563A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニア圧縮機の構成に関するもので、特に小型のパルス管冷凍機等に用いると有用な低振動・低騒音のリニア圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、比較的低温をターゲットとした、冷媒の相変化を用いず作動流体の圧縮・膨張の往復運動により寒冷を得る蓄冷型の冷凍方法としては、スターリング冷凍機とＧＭ冷凍機が用いられている。これらは圧力振動源の違いに特徴があり、ＧＭ型は一般に回転型の圧縮機を用いて高圧と低圧の圧力源を構成し、バルブ切り替えにより冷凍機に圧力変動を発生させるものである。一方、スターリング冷凍機はシリンダ内を往復するピストンにより直接冷凍機に圧力振動を発生させている。どちらの方式も圧力振動源とは別に系内の作動流体の移動を制御するディスプレーサと呼ばれるピストンを備えており、蓄冷器の内部で作動流体を往復運動をさせながら圧縮・膨張することで熱流を発生させている。従って、作動流体の圧力と変位の制御が冷凍能力に大きく寄与することになる。
【０００３】
近年、この蓄冷型冷凍機においてディスプレーサの替わりに、パルス管と呼ばれる中空管を設けこの中に発生するガスピストンを利用した、パルス管冷凍機の発展が著しい。このパルス管冷凍機では、冷凍部に可動機構であるディスプレーサが不要なため構造が簡単かつ低振動化が図りやすい等の特長をもつ。
【０００４】
パルス管冷凍機は１９６０年代に発見され、当初の第１世代のベーシック型はパルス管の終端を単に閉端としていたため、上で説明した圧力変動と変位の位相差が小さく、スターリング冷凍機やＧＭ冷凍機に比べて冷凍能力が小さく実用に向かないものであった。その後１９８０年代に、第２世代のオリフィス型としてパルス管の終端にオリフィスとバッファタンクを設けることでより大きな位相差に制御することが可能となり、実用化が進められた。さらにその後、より広範囲に位相を制御できる第三世代と呼ばれる数々の方法が提案され今日に至っている。
【０００５】
スターリング型のパルス管冷凍機では、小型化の観点からリニアモータによりシリンダ内のピストンを直接駆動するリニア圧縮機が一般に用いられる。しかしながら単ピストンによるリニア圧縮機では、ピストンの運動に伴って脈動的な振動が発生するので振動を嫌うアプリケーションには使用できないという課題があった。またこの振動により、騒音の発生や機械寿命を低下させるという課題があった。これらの課題を解決する方法として従来から、２つのピストンを対向させて配置し、１８０°の位相差で駆動する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
図６は前記特許文献１に記載された従来のリニア圧縮機の構成を模式的に表わした図である。図６において、ピストン６１Ａ及び６１Ｂとその共通するシリンダ６２で圧縮空間６３を構成し、２つのピストン６１Ａ、６１Ｂを互いに逆位相で運転する。６４Ａ、６４Ｂはピストン６１Ａ、６１Ｂを駆動するための駆動部である。圧縮空間６３には作動流体の吸入管６５、吐出管６６が開口している。これにより、それぞれのピストン６１Ａ、６１Ｂの運動により圧縮機ケースに作用する力は相殺し合い、圧縮機の振動・騒音が防止される。
【０００７】
また、ＧＭ型のパルス管冷凍機では、圧縮機で吸入・吐出される作動流体をバルブの開閉で任意のタイミングで制御できるので、変位と圧力の波形を理想的に制御できるという利点がある。しかしながら圧縮機の他にバルブを設ける必要があるために冷凍機が大型化するという問題を有していた。これを解決する方法として従来から、ピストンとシリンダに連通口を設ける方法が知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００８】
図７に前記特許文献２に記載された従来のパルス管冷凍機の構成を模式的に表わした図である。図７において、円筒状の外装ケースにリニア圧縮機が内装されており、シリンダ７１ａ、ピストン７１ｂ、シャフト７１ｃ、ピストン７１ｂを駆動する駆動部７１ｄ等で構成されている。シリンダ７１ａは外装ケースと一体に構成され、一端が封止され内部に作動流体が充填されている。ピストン７１ｂはシリンダ７１ａに内装され、ピストン７１ｂとシリンダ７１ａ及びその封止端で圧縮室７１ｅを構成している。ピストン７１ｂにはシリンダ７１ａ側壁に対面するピストン７１ｂの外周部と圧縮室７１ｅを連通する連通路７１ｉが設けられ、シリンダ７１ａの側壁には圧縮機７１の外部に延伸する第１の通路７２、及び第２の通路７３の一端側が連通する開口部がピストン７１ｂの運動方向にずらして設けられている。圧縮機７１が運転され、ピストン７１ｂが左方向に変位して圧縮室７１ｅの圧力が最大値近傍になったとき、連通路７１ｉ外周部と第一の通路７２の開口部の位置が一致し圧縮室７１ｅの内部圧力に応じた圧力の作動流体が送出される。また、ピストン７１ｂが右方向に変位して圧縮室７１ｅの圧力が最小値近傍になったときは連通路７１ｉ外周部は第二の通路７３と開口部の位置が一致し、内部圧力に応じた圧力の作動流体が吸引される。以上から、ＧＭ型の冷凍機における圧縮機ユニットで行うのと同様に、所定のタイミングで吐出・吸入を切り替えることができる。
【０００９】
なお、この図７では単一のピストンで説明されているが、低振動化のために図６に示すように対向ピストンで実現することも可能である。
【００１０】
【特許文献１】
特開昭６１−２１０２７６号公報（第３頁、第１図）
【特許文献２】
特開平１１−２９４８７８号公報（第３−４頁、図１）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記図６の構成では以下のような課題を有する。すなわち、一般にシリンダとピストンの直径とクリアランスが同じ場合、その摺動距離が長いほど漏れ損失は小さくなる。今、全く同じリニア圧縮機を対向させた場合を考えて１つの場合と単純に比較すると、圧縮機の全長は２倍になる一方でピストン・シリンダ間の漏れも２倍となる。もし漏れを同等に抑えようとすれば、それぞれのピストン・シリンダの摺動距離をより長く取る必要があり、圧縮機の全長はさらに長いものとなってしまう。つまりこの構成では、装置の大型化と圧縮機効率の低下という課題があった。
【００１２】
また、上記図７の構成でも低振動化のために対向ピストンとした場合には上記と同じ課題を有する。これに加え、以下のような課題を有する。すなわち、ピストン７１ｂに設けた吸入・吐出のための連通路７１ｉは常に圧縮空間と繋がっており、圧縮に寄与しない死容積となっている。つまり、ピストン・シリンダのストロークが同じであっても圧縮比を低下させてしまうという課題があった。
【００１３】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、低振動で小型・高効率のリニア圧縮機を提供すると共に、ＧＭ型の圧縮機として用いた場合にも圧縮比の低下を招かないリニア圧縮機を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明のリニア圧縮機は、可動シリンダと可動ピストンを対向して配置し、逆位相で往復運動させる構成を有している。
【００１５】
この構成によって、可動部が運動する際に反作用として圧縮機の外壁に作用する力が相殺され、低振動で低騒音の装置が得られ、さらに、圧縮室の片側だけにしか摺動部がないので、両側が摺動部である構造と比較して漏れ損失が小さくなるリニア圧縮機が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、圧縮機の外壁を形成するケーシングと、ケーシングに内装され摺動自在に支持されるシリンダと、シリンダに内装されシリンダ摺動軸と同一軸心で摺動自在に支持されるピストンと、シリンダ及びピストンを摺動軸心に沿って各々往復運動させるリニア駆動部を備え、各リニア駆動部はそれぞれ、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、シリンダ又はピストンと可動子を結合する連結部、及びケーシングに対し連結部を弾性的に支持する弾性体から構成され、シリンダ及びピストンを逆位相で往復運動させるリニア圧縮機であって、前記ケーシングには圧縮対象の流体が移動する吸入流路と吐出流路を備え、シリンダ側面にはケーシング側と圧縮室側を連通する吸入口と吐出口を備え、圧縮室の容積が最大となる近傍で前記吸入口を介して圧縮室と前記吸入流路が連通し、圧縮室の容積が最小となる近傍で前記吐出口を介して圧縮室と前記吐出流路が連通するように構成したものである。
上記のように構成することで、運動の反作用として圧縮機のケーシングに作用する力が相殺され、低振動で低騒音の圧縮機が得られる。さらに、圧縮室の片側だけにしか摺動部がないので、両側が摺動部である構造と比較して漏れ損失が小さくなると共に、圧縮室の圧力が最小となるタイミングで吸入過程、最大となるタイミングで吐出過程となるように、そのタイミングを明確に設定することができるリニア圧縮機を得ることができる。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、圧縮機の外壁を形成するケーシングと、前記ケーシングに内装され摺動自在に支持されるシリンダと、前記シリンダに内装されシリンダ摺動軸と同一軸心で摺動自在に支持されるピストンと、前記シリンダ及びピストンを摺動軸心に沿って各々往復運動させるリニア駆動部を備え、前記各リニア駆動部はそれぞれ、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、前記シリンダ又はピストンと前記可動子を結合する連結部、及び前記ケーシングに対し前記連結部を弾性的に支持する弾性体から構成され、前記シリンダ及びピストンを逆位相で往復運動させるリニア圧縮機であって、前記ケーシングには圧縮対象の流体が移動する吸入吐出流路を備え、シリンダ側面にはケーシング側と圧縮室側を連通する吸入吐出口を備え、圧縮室の容積に関わらず常に前記吸入吐出口を介して圧縮室と前記吸入吐出流路が連通するように構成したものである。
上記のように構成することで、運動の反作用として圧縮機のケーシングに作用する力が相殺され、低振動で低騒音の圧縮機が得られる。さらに、圧縮室の片側だけにしか摺動部がないので、両側が摺動部である構造と比較して漏れ損失が小さくなると共に、連続的に吸入・吐出過程を繰り返すことができるリニア圧縮機を得ることができる。
【００１８】
また、請求項３及び４に記載の発明は請求項１の構成に加え、シリンダ及びピストンの少なくとも一方は、可動子との連結部を可撓性のロッドもしくは自在継手で構成するものである。
【００１９】
上記のように構成することで、可動子とシリンダもしくはピストン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、可撓性のロッドや自在継手の角度が変化してこれを吸収し、片当たりなどせずスムーズに摺動することができる。
【００２０】
また、請求項５に記載の発明は請求項１から４の構成に加え、シリンダとピストンに対し、少なくとも可動部の質量と、弾性体及び作動流体の圧縮作用に起因する等価バネ定数、及びリニア駆動部の推力特性を等しくするものである。
【００２１】
上記のように構成することで、両方のリニア駆動部を同一電源で駆動することで、シリンダとピストンの振幅を一致させて往復運動させることができ、圧縮機のケーシングに働く力を相殺することができる。
【００２２】
また、請求項６に記載の発明は請求項１から４の構成に加え、シリンダとピストンのケーシングに対する変位量をそれぞれ検出する変位検出手段を備え、変位振幅と可動部の質量の積がシリンダとピストンでそれぞれ等しくなるように運転するものである。
【００２３】
上記のように構成することで、両可動部の運動量がトータルでゼロとなるように往復運動させることができ、圧縮機のケーシングに働く力を相殺することができる。
【００２８】
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。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるリニア圧縮機の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１００は大別すると、可動シリンダ４、可動ピストン５、及びこれらを個々に駆動するリニアモータと弾性体１０ａ、１０ｂ、作動流体が出入りする吸入吐出経路２２、それと個々の部品を保持し外壁を構成するケーシング１から構成される。
【００３０】
ケーシング１と連結されたシリンダガイド３に摺動自在に内装される可動シリンダ４は、外形が円柱形状で内部に外形と同一軸心の円柱状空洞部を有し、可動ピストン５の端面と共に圧縮室６を形成する。可動シリンダ４と可動子保持部材１１ａは可撓性のロッド１２ａで連結され、可動シリンダ４は可動子もしくはケーシング１に対し多少傾斜することが可能である。可動ピストン５については、可動シリンダ４の内側側面に摺動自在に配置する点を除いて、可動シリンダ４側と同様である。可動シリンダ４とシリンダガイド３、及び可動シリンダ４と可動ピストン５の摺動面のエアギャップは作動流体の漏れ経路となるため、１００ミクロン以下となるように構成する。
【００３１】
なお、可動シリンダ４及び可動ピストン５は、軽量化の観点からアルミニウム材で形成するのが好ましく、軽量化することにより後述するように弾性体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。さらに、摺動損失を低減するために摺動面にフッ素系樹脂などをコーティングしてもよい。
【００３２】
また、可動シリンダ４にはその側面に吸入吐出口２０が設けられ、シリンダガイド３に設けられた連通部２１を介して、シリンダ４の位置にかかわらず常に圧縮室６と吸入吐出経路２２が連通するようにする。
【００３３】
可動シリンダ４側のリニアモータは、固定子７ａと可動子９ａから構成される。固定子７ａはケーシング１の内面側に設けられ、薄板状の電磁鋼板又はケイ素鋼板等の磁性材料からなる圧延鋼板を、内周面にコの字型の凹部を形成するように放射状に積層して構成した外ヨークの凹部に、コイル８ａを装着することで構成する。一方、可動子９ａは、薄板状の電磁鋼板又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の外面側に、永久磁石を装着することで構成される。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。この円筒型の可動子９ａは、同じく円筒型の可動子保持部１１ａの外周に固定されている。上記リニアモータの構成については可動ピストン側についても同様の構成である。なお、７ｂは固定子、８ｂはコイル、９ｂは可動子である。
【００３４】
可動子保持部１１ａ、１１ｂは可動子９ａ、９ｂ及び可動シリンダ４もしくは可動ピストン５を軸心に沿って往復運動可能に支持する弾性体１０ａ、１０ｂと連結部材１３ａ、１３ｂで連結され、弾性体１０ａ、１０ｂはその周辺部でケーシング１に固定される。この弾性体として、板状弾性材料に螺旋形状の切欠き部を設けた板バネを使用している。
【００３５】
なお可動シリンダ４と可動ピストン５はそれぞれ、各可動部分の質量と弾性体１０ａ、１０ｂ及び作動流体の圧縮作用による等価バネ定数で支配される系の固有振動数を持つ。本実施の形態１ではこの固有振動数だけでなく変位幅も一致するように、リニアモータの推力特性と可動部分の質量、及び等価バネ定数を、可動シリンダと可動ピストンで一致するように設定する。
【００３６】
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。可動子９ａ、９ｂを構成する永久磁石から生じる磁界とコイル８ａ、８ｂ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、可動子９ａ、９ｂは軸方向に推力を受け、可動シリンダ４、可動ピストン５が駆動される。コイル８ａ、８ｂに流す交流電流の向きをそれぞれの可動子９ａ、９ｂに作用する推力の向きが常に逆向きとなるようにすることで、可動シリンダ４と可動ピストン５はその周波数と同期して逆位相で往復運動を行う。また、コイル８ａ、８ｂに流す交流電流の周波数を前出の固有振動数とほぼ一致させることで共振させながら運転することができる。
【００３７】
このようにして可動シリンダ４と可動ピストン５が逆位相で往復運動することで、圧縮室６の容積が増減し、常に連通した吸入吐出口２０を通して吸入吐出経路２２に圧力脈動が伝えられる。
【００３８】
図２はこのリニア圧縮機を用いたパルス管冷凍機の概略図である。リニア圧縮機１００の圧縮室６からガス流路１０２を介して作動流体（ここではヘリウムを使用）が蓄冷器１０４に導入される。内部に銅メッシュを積層した蓄冷器１０４と中空円筒に形成したパルス管１０６は冷却部であるコールドヘッド１０５で折り返した形で接続している。また、蓄冷器１０４とパルス管１０６のコールドヘッドと逆の端部はフランジ１０３で保持されており、これはコールドヘッド１０５を真空断熱により低温に維持する際の真空容器のフランジとしての機能と、リニア圧縮機１００から流入する高温ガスの熱及びコールドヘッド１０５側から流れ込む熱の放熱部としての機能を兼ねている。なお、パルス管１０６のもう一端は細管１０７を介してバッファタンク１０８に連通しており、この部分が作動流体の圧力変化と変位の位相制御機構として作用する。
【００３９】
以上のように本実施の形態１によれば、質量の等しい可動シリンダ４と可動ピストン５を、同一ストロークで互いに逆位相で往復運動させることができる。これにより常にケーシングに作用する軸方向の力が打ち消され、運転時の騒音や振動の小さいリニア圧縮機、冷凍機が得られる。
【００４０】
また、可動ピストン４と可動シリンダ５の摺動部が１個所しかないため、圧縮室６からの漏れが少なく効率の高いリニア圧縮機が得られる。さらに、可動ピストン４と可動シリンダ５の摺動部分を径方向に重ねることになるため、摺動軸方向に短い小型の圧縮機を構成することができる。
【００４１】
なお、本実施の形態１においては、可動シリンダ４、可動ピストン５を弾性体１０ａ、１０ｂで片側から保持する構造としたがこれに限定されるものではなく、例えば可動子の両側から弾性体で保持し、その外側にシリンダもしくはピストンを配置する構造とした場合にも同様の効果が得られる。
【００４２】
また、本実施の形態１においては、板状の弾性体を用いたがこれに限定されるものではなく、コイルバネやガスバネを用いてもよい。
【００４３】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２におけるリニア圧縮機の断面を示した図である。本実施の形態２は、ＧＭ型のパルス管冷凍機に用いるためのリニア圧縮機を実現するものであるが、リニア圧縮機以外の構成については基本的にスターリング型と同じであり、図２と同様に構成する。また、リニア圧縮機の全体構成及び各部分の基本的な構造、動作については実施の形態１と同様であるため、異なる点についてのみ説明する。
【００４４】
可動シリンダ４にはその側面に吸入口３０、吐出口３３が設けられ、シリンダガイド３に設けられた吸入連通部３１、吐出連通部３４を介して、それぞれ吸入経路３２、吐出経路３５と連通させる。ただし、吸入口３０と吸入連通部３１、及び吐出口３３と吐出連通部３４はそれぞれ、可動シリンダ４が図３中、左側及び右側に最も変位した位置付近で連通するように設ける。
【００４５】
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。可動シリンダ４と可動ピストン５は同一周波数で互いに逆位相で往復運動させるため、圧縮室６の容積が最大（圧力最小）となる近傍で圧縮室６と吸入経路３２が連通し、吸入過程が行われる。このとき吐出経路３５は閉じている。逆に、圧縮室６の容積最小（圧力最大）となる近傍で圧縮室６と吐出経路３５が連通し、吐出過程が行われる。このとき吸入経路３２は閉じている。
【００４６】
以上のように本実施の形態２によれば、質量の等しい可動シリンダ４と可動ピストン５を、同一ストロークで互いに逆位相で往復運動させることができる。これにより常にケーシングに作用する軸方向の力が打ち消され、運転時の騒音や振動の小さいリニア圧縮機、冷凍機が得られる。
【００４７】
また、可動ピストン５と可動シリンダ４の摺動部が１個所しかないため、圧縮室６からの漏れが少なく効率の高い圧縮機が得られる。さらに、可動ピストン５と可動シリンダ４の摺動部分を径方向に重ねることになるため、摺動軸方向に短い小型の圧縮機を構成することができる。
【００４８】
さらに、吸入過程と圧縮過程を独立したタイミングで行うことができるため、ＧＭ型の冷凍機を高低圧切替バルブやその制御装置を用いることなく、シンプルでコンパクトに実現することができる。
【００４９】
（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３におけるリニア圧縮機の断面を示した図である。本実施の形態３は、ＧＭ型のパルス管冷凍機に用いるためのリニア圧縮機を実現するものであるが、リニア圧縮機以外の構成については基本的にスターリング型と同じであり、図２と同様に構成する。また、リニア圧縮機の全体構成及び各部分の基本的な構造、動作については実施の形態１と同様であるため、異なる点についてのみ説明する。
【００５０】
可動シリンダ４にはその側面に吸入口４０、吐出口４１が設けられ、シリンダガイド３に設けられた吸入吐出連通部４２を介して吸入吐出経路４３と連通させる。ただし、吸入口４０と吐出口４１はそれぞれ、可動シリンダ４が図４中、左側及び右側に最も変位した位置付近で連通するように軸方向に離して設ける。
【００５１】
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。可動シリンダ４と可動ピストン５は同一周波数で互いに逆位相で往復運動させるため、圧縮室６の容積が最大（圧力最小）となる近傍で圧縮室６と吸入吐出経路４３が吸入口４０と吸入吐出連通部４２を介して連通し、吸入過程が行われる。逆に、圧縮室６の容積最小（圧力最大）となる近傍で圧縮室６と吸入吐出経路４３が吐出口４１と吸入吐出連通部４２を介して連通し、吐出過程が行われる。
【００５２】
以上のように本実施の形態３によれば、質量の等しい可動シリンダ４と可動ピストン５を、同一ストロークで互いに逆位相で往復運動させることができる。これにより常にケーシングに作用する軸方向の力が打ち消され、運転時の騒音や振動の小さくなる。
【００５３】
また、可動ピストン５と可動シリンダ４の摺動部が１個所しかないため、圧縮室６からの漏れが少なく効率の高い圧縮機が得られる。さらに、軸方向に短い小型の圧縮機を構成することができる。
【００５４】
さらに、吸入過程と圧縮過程を独立したタイミングで行うことができるため、ＧＭ型の冷凍機を高低圧切替バルブやその制御装置を用いることなく、シンプルでコンパクトに実現することができる。
【００５５】
（実施の形態４）
図５は本発明の実施の形態４におけるリニア圧縮機の断面を示した図である。全体構成及び各部分の基本的な構造、動作については実施の形態１と同様であるため、異なる点についてのみ説明する。
【００５６】
本実施の形態４においては、可動シリンダ４と可動ピストン５で、可動部分の質量と弾性体１０ａ、１０ｂ及び作動流体の圧縮作用による等価バネ定数を個々に一致させるのではなく、これらに支配される系の固有振動数を一致させる。具体的には、可動シリンダ４と可動ピストン５の可動部分の形状と実際に作用させる作動流体の圧力条件から、可動部分の質量と圧縮作用による等価バネ定数を決定し、それぞれの固有振動数がリニアモータを駆動する電源周波数と一致するように各弾性体のバネ定数を設定する。
【００５７】
また、ケーシング１を可動シリンダ４側から密閉するシリンダ側シェル２ａ内面の可動部軸心延長部分に、変位センサ５０ａを配置する。ここでは渦電流型の変位センサを用い、変位センサ５０ａ対面の弾性体１０ａ背面側にセンサターゲットとなるアルミ板５１ａを取り付ける。可動ピストン側についても同様である。これらにより、可動シリンダ４と可動ピストン５の変位幅を検知する。
【００５８】
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。図５には示していないが、シリンダ側とピストン側の各リニアモータは電圧制御が可能な個別の交流電源で駆動する。コイル８ａ、８ｂに流す交流電流は、それぞれの可動子９ａ、９ｂに作用する推力が常に逆向きとなる方向とし、その周波数と位相は一致させる。さらに両変位センサ５０ａ、５０ｂの出力からリニアモータへの入力電圧をコントロールする制御部（図示せず）を設ける。この制御部では、可動シリンダ４の可動部質量とストロークの積が、可動ピストン可動部の質量とストロークの積に等しくなるように入力電圧を制御する。
【００５９】
以上のように本実施の形態４によれば、可動シリンダ４と可動ピストン５の可動部の運動量が常に一致し、その方向は逆向きとなる。従ってリニア圧縮機全体としての運動量の時間変化がなくなり、振動・騒音の少ないリニア圧縮機が得られる。
【００６０】
また、可動ピストン５と可動シリンダ４の摺動部が１個所しかないため、圧縮室６からの漏れが少なく効率の高いリニア圧縮機が得られる。さらに、軸方向に短い小型の圧縮機を構成することができる。
【００６１】
さらに、形状の異なるシリンダとピストンの可動部分の質量を意図的に一致させる必要がなく、設計の自由度が広がる。
【００６２】
なお、本実施の形態４においては渦電流型の変位センサ５０ａ、５０ｂを用いたがこれに限定されるものではなく、光学式センサなど他方式センサを用いても良い。
【００６３】
【発明の効果】
上記から明らかなように、本発明は、可動シリンダと可動ピストンを対向させて逆位相で往復運動させるものである。
【００６４】
この構成によれば、可動部が運動する際に反作用として圧縮機の外壁に作用する力が相殺され、低振動で低騒音の圧縮機が得られるという効果を奏する。さらに、振動による機械寿命の低下を抑えられ、高い信頼性のパルス管冷凍機を実現できる。
【００６５】
さらに、圧縮室の片側だけにしか摺動部がないので、両側が摺動部である構造と比較して漏れ損失が小さく、効率の高い圧縮機が得られる。
【００６６】
さらに、ピストンとシリンダの摺動部分を径方向に重ねることになるため、摺動軸方向に短いコンパクトな圧縮機を構成することができる。
【００６７】
また、本発明は、シリンダ及びピストンの少なくとも一方は、可動子との連結部が可撓性のロッドもしくは自在継手で構成するものである、
この構成によれば、可動子とシリンダもしくはピストン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対する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。
【００６８】
また、本発明は、可動部の質量と、弾性体及び作動流体の圧縮作用に起因する等価バネ定数と、リニア駆動部の推力特性とを、シリンダ側とピストン側で等しく構成し、シリンダとピストンを対向させて逆位相で往復運動させるものである。
【００６９】
この構成によれば、可動シリンダと可動ピストンを同一ストロークで往復運動させることができる。これにより常に圧縮機の外壁に作用する作用する軸方向の力が打ち消され、運転時の騒音や振動の小さい圧縮機、冷凍機が得られる。
【００７０】
さらに、電流の向きにだけ注意すれば、両リニアモータを単独の交流電源で駆動することができ、安価でシンプルなシステムを構成できる。
【００７１】
また、本発明は、シリンダとピストンの変位振幅をそれぞれ検出しながらこれを対向させて逆位相で往復運動させるものであり、変位振幅と可動部の質量の積がシリンダとピストンでそれぞれ等しくなるように各リニア駆動部の駆動電源を制御して運転するものである。
【００７２】
この構成によれば、両可動部分の運動量の和の絶対値をゼロもしくは非常に小さくすることができる。これにより振動・騒音の少ない圧縮機が得られる。
【００７３】
さらに、形状の異なるシリンダとピストンの可動部分の質量を無理に一致させる必要がなく、設計の自由度が広がる。
【００７４】
また、本発明は、シリンダ側面に吸入口と吐出口を備え、圧縮室の容積が最大となる近傍で吸入口を介して圧縮室と吸入流路もしくは吸入吐出流路が連通し、圧縮室の容積が最小となる近傍で吐出口を介して圧縮室と吐出流路もしくは吸入吐出流路が連通するように構成したので、吸入過程と圧縮過程を独立したタイミングで行うことができる。この圧縮機を用いることで、高低圧切替バルブやその制御装置を用いることなくコンパクトで低振動のＧＭ型冷凍機を実現することができる。
【００７５】
また、本発明は、シリンダ側面に吸入吐出口を備え、圧縮室の容積に関わらず常に吸入吐出口を介して圧縮室と吸入吐出流路を連通するように構成したので、連続的に吸入・吐出過程を繰り返すことができる低振動のリニア圧縮機を得ることができる。この圧縮機を用いることで、小型で低振動のスターリング型パルス管冷凍機を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を示すリニア圧縮機の断面図
【図２】本発明の実施の形態１を示すパルス管冷凍機の概略図
【図３】本発明の実施の形態２を示すリニア圧縮機の断面図
【図４】本発明の実施の形態３を示すリニア圧縮機の断面図
【図５】本発明の実施の形態４を示すリニア圧縮機の断面図
【図６】従来のリニア圧縮機の構成を示す模式図
【図７】従来のリニア圧縮機の構成を示す模式図
【符号の説明】
１ケーシング
３シリンダガイド
４可動シリンダ
５可動ピストン
６圧縮室
７固定子
８コイル
９可動子
１０弾性体
１１可動子保持具
１２可撓性ロッド
２０吸入吐出口
２１連通部
２２吸入吐出経路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a configuration of a linear compressor, and particularly to a low-vibration and low-noise linear compressor that is useful when used in a small-sized pulse tube refrigerator or the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, Stirling refrigerators and GM refrigerators have been used as cold storage type refrigeration methods that target relatively low temperatures and obtain cold by reciprocating compression / expansion of working fluid without using phase change of refrigerant. Yes. These are characterized by the difference in the pressure vibration source, and the GM type generally uses a rotary compressor to constitute a high pressure and a low pressure source, and generates pressure fluctuations in the refrigerator by switching valves. On the other hand, in a Stirling refrigerator, pressure vibration is directly generated in the refrigerator by a piston that reciprocates in the cylinder. Both systems have a piston called a displacer that controls the movement of the working fluid in the system separately from the pressure vibration source, and compresses and expands the working fluid while reciprocating it inside the regenerator to generate heat flow. Is generated. Therefore, the control of the pressure and displacement of the working fluid greatly contributes to the refrigerating capacity.
[0003]
In recent years, in this regenerative refrigerator, a pulse tube refrigerator that uses a gas piston that is provided with a hollow tube called a pulse tube instead of a displacer and that is generated in the hollow tube has been remarkably developed. This pulse tube refrigerator has features such as a simple structure and easy vibration reduction because a displacer, which is a movable mechanism, is not required in the refrigeration unit.
[0004]
The pulse tube refrigerator was discovered in the 1960s, and the first generation basic type of the first generation had the end of the pulse tube simply closed, so the phase difference between the pressure fluctuation and the displacement described above was small, and the Stirling refrigerator Compared with GM refrigerator, the refrigerating capacity was small and not suitable for practical use. Later, in the 1980s, it was possible to control the phase difference to be larger by providing an orifice and a buffer tank at the end of the pulse tube as a second generation orifice type, and the practical application was advanced. Since then, a number of methods called third generation, which can control the phase in a wider range, have been proposed and have reached today.
[0005]
In a Stirling type pulse tube refrigerator, a linear compressor that directly drives a piston in a cylinder by a linear motor is generally used from the viewpoint of miniaturization. However, the linear compressor using a single piston has a problem that it cannot be used for an application that dislikes vibration because pulsating vibration is generated as the piston moves. In addition, this vibration has a problem of generating noise and reducing machine life. As a method for solving these problems, there is conventionally known a method in which two pistons are arranged facing each other and driven with a phase difference of 180 ° (see, for example, Patent Document 1).
[0006]
FIG. 6 is a diagram schematically showing a configuration of a conventional linear compressor described in Patent Document 1. In FIG. In FIG. 6, a compression space 63 is constituted by pistons 61A and 61B and a common cylinder 62, and the two pistons 61A and 61B are operated in mutually opposite phases. Reference numerals 64A and 64B denote drive units for driving the pistons 61A and 61B. A working fluid suction pipe 65 and a discharge pipe 66 are opened in the compression space 63. As a result, the forces acting on the compressor case due to the movements of the pistons 61A and 61B cancel each other, and vibration and noise of the compressor are prevented.
[0007]
In addition, the GM type pulse tube refrigerator has an advantage that the displacement and pressure waveforms can be ideally controlled because the working fluid sucked and discharged by the compressor can be controlled at any timing by opening and closing the valve. However, since it was necessary to provide a valve in addition to the compressor, there was a problem that the refrigerator was enlarged. As a method for solving this problem, a method of providing communication ports in the piston and the cylinder has been known (for example, see Patent Document 2).
[0008]
FIG. 7 is a diagram schematically showing the configuration of the conventional pulse tube refrigerator described in Patent Document 2 in FIG. In FIG. 7, a linear compressor is housed in a cylindrical outer case, and includes a cylinder 71a, a piston 71b, a shaft 71c, a drive unit 71d that drives the piston 71b, and the like. The cylinder 71a is configured integrally with the exterior case, and is sealed at one end and filled with a working fluid. The piston 71b is built in the cylinder 71a, and the compression chamber 71e is constituted by the piston 71b, the cylinder 71a, and a sealing end thereof. The piston 71b is provided with a communication passage 71i that communicates the outer peripheral portion of the piston 71b facing the side wall of the cylinder 71a and the compression chamber 71e. A first passage 72 extending outside the compressor 71 is provided on the side wall of the cylinder 71a, and The opening part which the one end side of the 2nd channel | path 73 connects is shifted and provided in the moving direction of piston 71b. When the compressor 71 is operated and the piston 71b is displaced in the left direction and the pressure in the compression chamber 71e becomes near the maximum value, the positions of the outer peripheral portion of the communication passage 71i and the opening portion of the first passage 72 are matched and compressed. A working fluid having a pressure corresponding to the internal pressure of the chamber 71e is delivered. Further, when the piston 71b is displaced rightward and the pressure in the compression chamber 71e becomes near the minimum value, the outer peripheral portion of the communication passage 71i coincides with the position of the second passage 73 and the opening portion, and according to the internal pressure. Pressure working fluid is aspirated. From the above, it is possible to switch between discharge and suction at a predetermined timing, as in the case of the compressor unit in the GM type refrigerator.
[0009]
Although FIG. 7 illustrates a single piston, it can also be realized with an opposed piston as shown in FIG. 6 in order to reduce vibration.
[0010]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 61-210276 (page 3, FIG. 1)
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-294878 (page 3-4, FIG. 1)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, the configuration of FIG. 6 has the following problems. That is, in general, when the cylinder and piston have the same diameter and clearance, the longer the sliding distance, the smaller the leakage loss. Now, considering the case where exactly the same linear compressors are opposed to each other, simply comparing with one case, the total length of the compressor is doubled, and the leakage between the piston and the cylinder is also doubled. If leakage is to be suppressed equally, the sliding distance of each piston / cylinder needs to be longer, and the overall length of the compressor becomes even longer. That is, with this configuration, there are problems of increasing the size of the apparatus and reducing the compressor efficiency.
[0012]
Further, the configuration shown in FIG. 7 has the same problem as described above when the opposed piston is used to reduce the vibration. In addition to this, it has the following problems. That is, the communication passage 71i for suction and discharge provided in the piston 71b is always connected to the compression space, and has a dead volume that does not contribute to compression. That is, there is a problem that the compression ratio is lowered even if the strokes of the piston and the cylinder are the same.
[0013]
The present invention solves such a conventional problem, and provides a low-vibration, compact and high-efficiency linear compressor, and does not cause a decrease in compression ratio when used as a GM type compressor. An object is to provide a linear compressor.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the linear compressor of the present invention has a configuration in which a movable cylinder and a movable piston are arranged to face each other and reciprocate in opposite phases.
[0015]
This configuration cancels out the force acting on the outer wall of the compressor as a reaction when the movable part moves, resulting in a low-vibration and low-noise device, and there is a sliding part only on one side of the compression chamber. Therefore, a linear compressor can be obtained in which leakage loss is reduced as compared with a structure in which both sides are sliding portions.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  The invention according to claim 1 of the present invention includes a casing that forms the outer wall of the compressor, a cylinder that is housed in the casing and is slidably supported, and that is slid on the same axis as the cylinder sliding shaft. A piston that is movably supported, and a linear drive unit that reciprocates the cylinder and the piston along a sliding axis, and each linear drive unit forms a magnetic circuit with a mover and a stator. It consists of a linear motor that generates thrust, a connecting part that connects the cylinder or piston and the mover, and an elastic body that elastically supports the connecting part with respect to the casing, and the cylinder and piston are reciprocated in opposite phases.The casing includes a suction passage and a discharge passage through which a fluid to be compressed moves, and a cylinder side surface includes a suction port and a discharge port that communicate the casing side and the compression chamber side, The compression chamber communicates with the suction flow path through the suction port in the vicinity where the volume of the compression chamber becomes maximum, and the compression chamber and the discharge flow path through the discharge port in the vicinity of where the volume of the compression chamber becomes minimum. Are configured to communicate with each other.
  By configuring as described above, the force acting on the casing of the compressor as a reaction of motion is canceled out, and a low vibration and low noise compressor is obtained. Furthermore, since there is a sliding part only on one side of the compression chamber, the leakage loss is reduced as compared with a structure in which both sides are sliding parts, and the suction process is maximized at the timing when the pressure in the compression chamber is minimized. It is possible to obtain a linear compressor in which the timing can be clearly set so that the discharge process is performed at a certain timing.
[0017]
  The invention according to claim 2 is a casing that forms the outer wall of the compressor, a cylinder that is housed in the casing and is slidably supported, and is slid on the same axis as the cylinder sliding shaft that is housed in the cylinder. A piston that is freely supported, and a linear drive unit that reciprocally moves the cylinder and the piston along a sliding axis, and each linear drive unit forms a magnetic circuit with a mover and a stator. A linear motor that generates thrust, a connecting portion that couples the cylinder or piston and the mover, and an elastic body that elastically supports the connecting portion with respect to the casing. A reciprocating linear compressor, wherein the casing has a suction / discharge passage through which a fluid to be compressed moves, and the cylinder side is compressed with the casing side. Comprising a suction and discharge port communicating side, the suction and discharge passage and the compression chamber always irrespective of the volume of the compression chamber through the suction and discharge port are those configured so as to communicate.
  By configuring as described above, the force acting on the casing of the compressor as a reaction of motion is canceled out, and a low vibration and low noise compressor is obtained. Furthermore, since there is a sliding part only on one side of the compression chamber, a linear compressor that can reduce the leakage loss and repeat the suction / discharge process continuously as compared with a structure in which both sides are sliding parts. Can be obtained.
[0018]
  Claims3 and 4According to the invention described above, in addition to the structure of the first aspect, at least one of the cylinder and the piston comprises a flexible rod or a universal joint as a connecting portion with the mover.
[0019]
By configuring as described above, even when the mover and the axis of the cylinder or piston are displaced or driven from each other, the angle of the flexible rod or universal joint changes to absorb this. , Can slide smoothly without hitting one piece.
[0020]
  ClaimsTo 5The invention described is from claim 1FourIn addition to the configuration, at least the mass of the movable part, the equivalent spring constant resulting from the compression action of the elastic body and the working fluid, and the thrust characteristic of the linear drive part are made equal for the cylinder and the piston.
[0021]
By configuring as described above, by driving both linear drive units with the same power source, the cylinder and piston amplitudes can be made to reciprocate and cancel the force acting on the compressor casing. Can do.
[0022]
  Claims6The invention described is from claim 1FourIn addition to the configuration, displacement detection means for detecting displacement amounts of the cylinder and the piston with respect to the casing is provided, and the product of the displacement amplitude and the mass of the movable portion is operated to be equal between the cylinder and the piston.
[0023]
By comprising as mentioned above, it can be made to reciprocate so that the momentum of both movable parts may become zero in total, and the force which acts on the casing of a compressor can be offset.
[0028]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0029]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a view showing a cross section of a linear compressor according to Embodiment 1 of the present invention. First, the overall configuration will be described. The linear compressor 100 is roughly classified to hold the movable cylinder 4, the movable piston 5, the linear motor and the elastic bodies 10a and 10b for individually driving these, the suction / discharge path 22 through which the working fluid enters and exits, and the individual components. It is comprised from the casing 1 which comprises an outer wall.
[0030]
A movable cylinder 4 slidably mounted on a cylinder guide 3 connected to the casing 1 has a cylindrical outer shape and a cylindrical hollow portion having the same axial center as the outer shape, and is compressed together with an end surface of the movable piston 5. A chamber 6 is formed. The movable cylinder 4 and the movable element holding member 11 a are connected by a flexible rod 12 a, and the movable cylinder 4 can be slightly inclined with respect to the movable element or the casing 1. The movable piston 5 is the same as the movable cylinder 4 side except that it is slidably disposed on the inner side surface of the movable cylinder 4. Since the air gaps on the sliding surfaces of the movable cylinder 4 and the cylinder guide 3 and between the movable cylinder 4 and the movable piston 5 are leakage paths for the working fluid, they are configured to be 100 microns or less.
[0031]
The movable cylinder 4 and the movable piston 5 are preferably formed of an aluminum material from the viewpoint of weight reduction. By reducing the weight, the rigidity of the elastic body 52 can be kept low as described later. In addition, it is advantageous from the viewpoint of weight reduction to form the resin with sufficient strength and wear resistance. Furthermore, in order to reduce the sliding loss, the sliding surface may be coated with a fluorine resin or the like.
[0032]
The movable cylinder 4 is provided with a suction / discharge port 20 on its side surface, and the compression chamber 6 and the suction / discharge path 22 are always in communication with each other regardless of the position of the cylinder 4 via a communication portion 21 provided in the cylinder guide 3. To do.
[0033]
The linear motor on the movable cylinder 4 side includes a stator 7a and a movable element 9a. The stator 7a is provided on the inner surface side of the casing 1, and is formed by laminating rolled steel plates made of a magnetic material such as a thin electromagnetic steel plate or a silicon steel plate in a radial manner so as to form a U-shaped concave portion on the inner peripheral surface. The coil 8a is mounted in the concave portion of the outer yoke configured as described above. On the other hand, the mover 9a has a permanent magnet on the outer surface side of an inner yoke formed by laminating a rolled steel plate made of a magnetic material such as a thin electromagnetic steel plate or a silicon steel plate in a radial direction or perpendicular to the axial direction. It is constituted by wearing. The permanent magnet 32 is magnetized so that the magnetic vector faces in the radial direction. The cylindrical movable element 9a is fixed to the outer periphery of the cylindrical movable element holding portion 11a. The configuration of the linear motor is the same on the movable piston side. 7b is a stator, 8b is a coil, and 9b is a mover.
[0034]
The mover holding portions 11a and 11b are connected by elastic members 10a and 10b, which support the movers 9a and 9b and the movable cylinder 4 or the movable piston 5 so as to reciprocate along the axis, with connecting members 13a and 13b. 10a and 10b are fixed to the casing 1 at their peripheral portions. As this elastic body, a plate spring in which a spiral cutout is provided in a plate-like elastic material is used.
[0035]
The movable cylinder 4 and the movable piston 5 each have a natural frequency of the system governed by the mass of each movable part and the equivalent spring constant due to the compression action of the elastic bodies 10a and 10b and the working fluid. In the first embodiment, the thrust characteristics of the linear motor, the mass of the movable part, and the equivalent spring constant are set so as to coincide between the movable cylinder and the movable piston so that not only the natural frequency but also the displacement width coincide. .
[0036]
Next, the operation of the linear compressor configured as described above will be described. Due to the interaction between the magnetic field generated from the permanent magnets constituting the movers 9a and 9b and the magnetic field generated by passing an alternating current through the coils 8a and 8b, the movers 9a and 9b receive thrust in the axial direction, The movable piston 5 is driven. By making the direction of the alternating current flowing through the coils 8a and 8b be always opposite to the direction of the thrust acting on the respective movers 9a and 9b, the movable cylinder 4 and the movable piston 5 are synchronized with the frequency thereof. Performs reciprocating motion in opposite phase. Moreover, it is possible to operate while resonating by making the frequency of the alternating current flowing through the coils 8a and 8b substantially coincide with the natural frequency.
[0037]
As the movable cylinder 4 and the movable piston 5 reciprocate in opposite phases in this manner, the volume of the compression chamber 6 increases and decreases, and pressure pulsation is transmitted to the suction / discharge path 22 through the suction / discharge port 20 that is always in communication.
[0038]
FIG. 2 is a schematic view of a pulse tube refrigerator using this linear compressor. A working fluid (here, helium is used) is introduced into the regenerator 104 from the compression chamber 6 of the linear compressor 100 through the gas flow path 102. A regenerator 104 having a copper mesh laminated inside and a pulse tube 106 formed in a hollow cylinder are connected in a folded state by a cold head 105 as a cooling unit. Further, the opposite ends of the regenerator 104 and the cold head of the pulse tube 106 are held by a flange 103, which functions as a flange of a vacuum vessel when maintaining the cold head 105 at a low temperature by vacuum insulation, It also functions as a heat radiating part for the heat of the hot gas flowing in from the linear compressor 100 and the heat flowing from the cold head 105 side. The other end of the pulse tube 106 communicates with the buffer tank 108 via a thin tube 107, and this portion functions as a phase control mechanism for pressure change and displacement of the working fluid.
[0039]
As described above, according to the first embodiment, the movable cylinder 4 and the movable piston 5 having the same mass can be reciprocated in opposite phases with the same stroke. As a result, the axial force acting on the casing is always canceled out, and a linear compressor and refrigerator with low noise and vibration during operation can be obtained.
[0040]
Further, since there is only one sliding portion between the movable piston 4 and the movable cylinder 5, a highly efficient linear compressor with little leakage from the compression chamber 6 can be obtained. Furthermore, since the sliding portions of the movable piston 4 and the movable cylinder 5 are overlapped in the radial direction, a small compressor that is short in the sliding axis direction can be configured.
[0041]
In the first embodiment, the movable cylinder 4 and the movable piston 5 are held from one side by the elastic bodies 10a and 10b. However, the present invention is not limited to this. The same effect can be obtained when the cylinder is held and the cylinder or the piston is arranged outside thereof.
[0042]
In the first embodiment, a plate-like elastic body is used. However, the present invention is not limited to this, and a coil spring or a gas spring may be used.
[0043]
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a view showing a cross section of the linear compressor according to Embodiment 2 of the present invention. The present embodiment 2 realizes a linear compressor for use in a GM type pulse tube refrigerator, but the configuration other than the linear compressor is basically the same as the Stirling type, and FIG. The configuration is the same. Further, since the overall configuration of the linear compressor and the basic structure and operation of each part are the same as those in the first embodiment, only different points will be described.
[0044]
The movable cylinder 4 is provided with a suction port 30 and a discharge port 33 on its side surfaces, and communicates with a suction path 32 and a discharge path 35 via a suction communication part 31 and a discharge communication part 34 provided in the cylinder guide 3, respectively. . However, the suction port 30 and the suction communication portion 31, and the discharge port 33 and the discharge communication portion 34 are provided so that the movable cylinder 4 is communicated in the vicinity of the position where the movable cylinder 4 is most displaced to the left and right in FIG.
[0045]
Next, the operation of the linear compressor configured as described above will be described. Since the movable cylinder 4 and the movable piston 5 are reciprocated at the same frequency and in opposite phases, the compression chamber 6 and the suction path 32 communicate with each other in the vicinity where the volume of the compression chamber 6 is maximized (minimum pressure). Is called. At this time, the discharge path 35 is closed. Conversely, the compression chamber 6 and the discharge path 35 communicate with each other in the vicinity of the minimum volume (maximum pressure) of the compression chamber 6 to perform the discharge process. At this time, the suction path 32 is closed.
[0046]
As described above, according to the second embodiment, the movable cylinder 4 and the movable piston 5 having the same mass can be reciprocated in opposite phases with the same stroke. As a result, the axial force acting on the casing is always canceled out, and a linear compressor and refrigerator with low noise and vibration during operation can be obtained.
[0047]
Further, since there is only one sliding portion between the movable piston 5 and the movable cylinder 4, a highly efficient compressor with less leakage from the compression chamber 6 can be obtained. Furthermore, since the sliding portions of the movable piston 5 and the movable cylinder 4 are overlapped in the radial direction, a small compressor having a short length in the sliding axis direction can be configured.
[0048]
Furthermore, since the suction process and the compression process can be performed at independent timings, a GM type refrigerator can be realized simply and compactly without using a high / low pressure switching valve or its control device.
[0049]
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a view showing a cross section of the linear compressor according to Embodiment 3 of the present invention. The third embodiment realizes a linear compressor for use in a GM type pulse tube refrigerator, but the configuration other than the linear compressor is basically the same as the Stirling type, and FIG. The configuration is the same. Further, since the overall configuration of the linear compressor and the basic structure and operation of each part are the same as those in the first embodiment, only different points will be described.
[0050]
The movable cylinder 4 is provided with a suction port 40 and a discharge port 41 on its side surface, and is communicated with a suction / discharge path 43 via a suction / discharge communication portion 42 provided in the cylinder guide 3. However, the suction port 40 and the discharge port 41 are provided apart from each other in the axial direction so that the movable cylinder 4 communicates in the vicinity of the position where the movable cylinder 4 is most displaced to the left and right in FIG.
[0051]
Next, the operation of the linear compressor configured as described above will be described. Since the movable cylinder 4 and the movable piston 5 are reciprocated at the same frequency and in opposite phases with each other, the compression chamber 6 and the suction / discharge passage 43 are connected to the suction port 40 and the suction / discharge in the vicinity of the maximum volume (minimum pressure) of the compression chamber 6. The inhalation process is performed through the communication unit 42. On the contrary, the compression chamber 6 and the suction / discharge path 43 communicate with each other via the discharge port 41 and the suction / discharge communication portion 42 in the vicinity of the minimum volume (maximum pressure) of the compression chamber 6, and the discharge process is performed.
[0052]
As described above, according to the third embodiment, the movable cylinder 4 and the movable piston 5 having the same mass can be reciprocated in opposite phases with the same stroke. As a result, the axial force acting on the casing is always canceled out, and noise and vibration during operation are reduced.
[0053]
Further, since there is only one sliding portion between the movable piston 5 and the movable cylinder 4, a highly efficient compressor with less leakage from the compression chamber 6 can be obtained. Furthermore, a small compressor that is short in the axial direction can be configured.
[0054]
Furthermore, since the suction process and the compression process can be performed at independent timings, a GM type refrigerator can be realized simply and compactly without using a high / low pressure switching valve or its control device.
[0055]
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a view showing a cross section of the linear compressor according to Embodiment 4 of the present invention. Since the overall configuration and the basic structure and operation of each part are the same as those in the first embodiment, only different points will be described.
[0056]
In the fourth embodiment, with the movable cylinder 4 and the movable piston 5, the mass of the movable part and the equivalent spring constants due to the compression action of the elastic bodies 10a and 10b and the working fluid are not matched individually but are governed by these. Match the natural frequency of the system. Specifically, the mass of the movable part and the equivalent spring constant due to the compression action are determined from the shape of the movable part of the movable cylinder 4 and the movable piston 5 and the pressure condition of the working fluid that actually acts. The spring constant of each elastic body is set to coincide with the power supply frequency for driving the linear motor.
[0057]
Further, a displacement sensor 50a is disposed on the extending portion of the movable portion axial center on the inner surface of the cylinder side shell 2a that seals the casing 1 from the movable cylinder 4 side. Here, an eddy current type displacement sensor is used, and an aluminum plate 51a serving as a sensor target is attached to the back side of the elastic body 10a facing the displacement sensor 50a. The same applies to the movable piston side. By these, the displacement width of the movable cylinder 4 and the movable piston 5 is detected.
[0058]
Next, the operation of the linear compressor configured as described above will be described. Although not shown in FIG. 5, the linear motors on the cylinder side and the piston side are driven by individual AC power sources capable of voltage control. The alternating currents flowing through the coils 8a and 8b are set in directions in which thrusts acting on the respective movers 9a and 9b are always in opposite directions, and their frequencies and phases are matched. Further, a control unit (not shown) for controlling the input voltage to the linear motor from the outputs of both displacement sensors 50a, 50b is provided. In this control unit, the input voltage is controlled so that the product of the movable part mass and the stroke of the movable cylinder 4 is equal to the product of the mass and the stroke of the movable piston movable part.
[0059]
As described above, according to the fourth embodiment, the momentums of the movable portions of the movable cylinder 4 and the movable piston 5 always coincide with each other, and the directions are opposite. Accordingly, there is no time change in the momentum of the entire linear compressor, and a linear compressor with less vibration and noise can be obtained.
[0060]
In addition, since there is only one sliding portion between the movable piston 5 and the movable cylinder 4, a highly efficient linear compressor with little leakage from the compression chamber 6 can be obtained. Furthermore, a small compressor that is short in the axial direction can be configured.
[0061]
Further, it is not necessary to intentionally match the masses of the movable parts of the cylinder and the piston having different shapes, and the degree of freedom in design is increased.
[0062]
Although the eddy current type displacement sensors 50a and 50b are used in the fourth embodiment, the present invention is not limited to this, and other types of sensors such as an optical sensor may be used.
[0063]
【The invention's effect】
As is apparent from the above, the present invention reciprocates the movable cylinder and the movable piston in opposite phases with the movable cylinder and the movable piston facing each other.
[0064]
According to this configuration, when the movable part moves, the force acting on the outer wall of the compressor as a reaction is canceled, and an effect is obtained that a low-vibration and low-noise compressor is obtained. Furthermore, a reduction in the mechanical life due to vibration can be suppressed, and a highly reliable pulse tube refrigerator can be realized.
[0065]
Furthermore, since there is a sliding portion only on one side of the compression chamber, a leakage loss is small and a highly efficient compressor can be obtained as compared with a structure in which both sides are sliding portions.
[0066]
Furthermore, since the sliding portions of the piston and the cylinder are overlapped in the radial direction, a compact compressor that is short in the sliding axis direction can be configured.
[0067]
Further, in the present invention, at least one of the cylinder and the piston is configured such that the connecting portion with the mover is formed of a flexible rod or a universal joint.
According to this configuration, even when the mover and the axis of the cylinder or the piston are displaced or driven from each other, the connecting means absorbs this, and the piston can slide smoothly without being hit by one piece. it can. For this reason, the loss of a sliding part can be reduced and efficiency can be improved. In addition, it is possible to provide a compressor having excellent assembling performance by providing a sufficient margin for the accuracy of shaft alignment during assembly. In addition, since it becomes difficult to be affected by the shift of the shaft center due to the influence of gravity, the degree of freedom with respect to the arrangement direction of the compressor is increased, and it is easy to incorporate into a device together with downsizing.
[0068]
Further, the present invention is configured such that the mass of the movable part, the equivalent spring constant resulting from the compression action of the elastic body and the working fluid, and the thrust characteristic of the linear drive part are configured equally on the cylinder side and the piston side. Are opposed to each other and reciprocated in opposite phases.
[0069]
According to this configuration, the movable cylinder and the movable piston can be reciprocated with the same stroke. As a result, the axial force acting on the outer wall of the compressor is always canceled out, and a compressor and refrigerator having low noise and vibration during operation can be obtained.
[0070]
Furthermore, if attention is paid only to the direction of current, both linear motors can be driven by a single AC power source, and an inexpensive and simple system can be configured.
[0071]
In the present invention, the displacement amplitudes of the cylinder and the piston are detected to face each other and are reciprocated in the opposite phase so that the product of the displacement amplitude and the mass of the movable part becomes equal between the cylinder and the piston. In addition, the driving power source of each linear driving unit is controlled to operate.
[0072]
According to this configuration, the absolute value of the sum of the momentums of both movable parts can be made zero or very small. As a result, a compressor with less vibration and noise can be obtained.
[0073]
Furthermore, it is not necessary to force the masses of the cylinders and pistons having different shapes to coincide with each other, thereby increasing the degree of freedom in design.
[0074]
Further, the present invention is provided with a suction port and a discharge port on the side surface of the cylinder, and the compression chamber communicates with the suction flow path or the suction discharge flow path through the suction port in the vicinity where the volume of the compression chamber is maximized. Since the compression chamber and the discharge channel or the suction / discharge channel are communicated with each other through the discharge port in the vicinity of the minimum volume, the suction process and the compression process can be performed at independent timings. By using this compressor, a compact and low-vibration GM refrigerator can be realized without using a high-low pressure switching valve or its control device.
[0075]
Further, the present invention is provided with a suction / discharge port on the side surface of the cylinder, and is configured to always communicate the compression chamber and the suction / discharge channel via the suction / discharge port regardless of the volume of the compression chamber. A low-vibration linear compressor capable of repeating the discharge process can be obtained. By using this compressor, a small and low vibration Stirling type pulse tube refrigerator can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a linear compressor showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view of a pulse tube refrigerator showing Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of a linear compressor showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view of a linear compressor showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view of a linear compressor showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of a conventional linear compressor.
FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of a conventional linear compressor.
[Explanation of symbols]
1 casing
3 Cylinder guide
4 Movable cylinder
5 Movable piston
6 Compression chamber
7 Stator
8 coils
9 Mover
10 Elastic body
11 Mover holder
12 Flexible rod
20 Inlet / outlet
21 Communication Department
22 Inhalation / discharge route

Claims

圧縮機の外壁を形成するケーシングと、前記ケーシングに内装され摺動自在に支持されるシリンダと、前記シリンダに内装されシリンダ摺動軸と同一軸心で摺動自在に支持されるピストンと、前記シリンダ及びピストンを摺動軸心に沿って各々往復運動させるリニア駆動部を備え、前記各リニア駆動部はそれぞれ、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、前記シリンダ又はピストンと前記可動子を結合する連結部、及び前記ケーシングに対し前記連結部を弾性的に支持する弾性体から構成され、前記シリンダ及びピストンを逆位相で往復運動させるリニア圧縮機であって、前記ケーシングには圧縮対象の流体が移動する吸入流路と吐出流路を備え、シリンダ側面にはケーシング側と圧縮室側を連通する吸入口と吐出口を備え、圧縮室の容積が最大となる近傍で前記吸入口を介して圧縮室と前記吸入流路が連通し、圧縮室の容積が最小となる近傍で前記吐出口を介して圧縮室と前記吐出流路が連通することを特徴とするリニア圧縮機。A casing that forms an outer wall of the compressor, a cylinder that is housed in the casing and is slidably supported, a piston that is housed in the cylinder and is slidably supported on the same axis as the cylinder sliding shaft, and A linear drive unit that reciprocates each of the cylinder and the piston along the sliding axis, and each linear drive unit forms a magnetic circuit with a mover and a stator to generate thrust, and The linear compressor includes a connecting portion that couples the cylinder or piston and the mover, and an elastic body that elastically supports the connecting portion with respect to the casing, and reciprocates the cylinder and piston in opposite phases. The casing is provided with a suction flow path and a discharge flow path through which a fluid to be compressed moves, and a suction side communicating with the casing side and the compression chamber side on the side of the cylinder. The compression chamber and the suction flow path through the suction port in the vicinity where the volume of the compression chamber is maximized, and compression is performed through the discharge port in the vicinity of the volume of the compression chamber being minimized. A linear compressor characterized in that a chamber and the discharge flow path communicate with each other .

圧縮機の外壁を形成するケーシングと、前記ケーシングに内装され摺動自在に支持されるシリンダと、前記シリンダに内装されシリンダ摺動軸と同一軸心で摺動自在に支持されるピストンと、前記シリンダ及びピストンを摺動軸心に沿って各々往復運動させるリニア駆動部を備え、前記各リニア駆動部はそれぞれ、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、前記シリンダ又はピストンと前記可動子を結合する連結部、及び前記ケーシングに対し前記連結部を弾性的に支持する弾性体から構成され、前記シリンダ及びピストンを逆位相で往復運動させるリニア圧縮機であって、前記ケーシングには圧縮対象の流体が移動する吸入吐出流路を備え、シリンダ側面にはケーシング側と圧縮室側を連通する吸入吐出口を備え、圧縮室の容積に関わらず常に前記吸入吐出口を介して圧縮室と前記吸入吐出流路が連通することを特徴とするリニア圧縮機。 A casing that forms an outer wall of the compressor, a cylinder that is housed in the casing and is slidably supported, a piston that is housed in the cylinder and is slidably supported on the same axis as the cylinder sliding shaft, and A linear drive unit that reciprocates each of the cylinder and the piston along the sliding axis, and each linear drive unit forms a magnetic circuit with a mover and a stator to generate thrust, and The linear compressor includes a connecting portion that couples the cylinder or piston and the mover, and an elastic body that elastically supports the connecting portion with respect to the casing, and reciprocates the cylinder and piston in opposite phases. The casing includes a suction / discharge passage through which a fluid to be compressed moves, and a suction / discharge port that communicates the casing side and the compression chamber side on the side of the cylinder. Provided, the linear compressor in which the suction and discharge flow passage and the compression chamber always irrespective of the volume of the compression chamber through the suction and discharge port and wherein the communicating.

シリンダ及びピストンの少なくとも一方は、可動子との連結部が可撓性のロッドで構成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。 2. The linear compressor according to claim 1, wherein at least one of the cylinder and the piston is configured by a flexible rod at a connecting portion with the mover.

シリンダ及びピストンの少なくとも一方は、可動子との連結部が自在継手で構成されたことを特徴とする請求項１記載のリニア圧縮機。 The linear compressor according to claim 1, wherein at least one of the cylinder and the piston is constituted by a universal joint at a connecting portion with the movable element.

少なくとも可動部の質量と、弾性体及び作動流体の圧縮作用に起因する等価バネ定数と、リニア駆動部の推力特性とを、シリンダ側とピストン側で等しくすることを特徴とする請求項１から４に記載のリニア圧縮機。And mass of at least the movable portion, the equivalent spring constant due to the compressive action of the elastic body and the working fluid, and a thrust force characteristic of the linear drive unit from claim 1, characterized in that the equally cylinder side and piston side 4 linear compressor according to.

シリンダとピストンのケーシングに対する変位量をそれぞれ検出する変位検出手段を備え、変位振幅と可動部の質量の積がシリンダとピストンでそれぞれ等しくなるように運転することを特徴とする請求項１から４に記載のリニア圧縮機。Comprising a displacement detector for detecting a displacement amount with respect to the cylinder and the piston of the casing, respectively, claims 1, mass of product of displacement amplitude and the movable portion, characterized in that the driving to be equal respectively cylinder and piston 4 The linear compressor described.

吸入流路と吐出流路が共通であることを特徴とする請求項１に記載のリニア圧縮機。The linear compressor according to claim 1, wherein the suction flow path and the discharge flow path are common.