JP4273737B2 - Linear motor and linear compressor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍サイクル等に用いられるリニアモータを用いたリニアコンプレッサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、冷凍機器の高効率化の必要性はさらに高まっており、リニアモータを使用したコンプレッサは機構構成の単純さ故に、摺動損失の大幅な低減が期待できることから、高効率化のため広く使用されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
以下、図面を参照しながら上記従来のリニアコンプレッサを説明する。
【0004】
図12は、従来のリニアコンプレッサの断面図である。
【0005】
図12において、密閉ケーシング1にはリニアモータ部2を有する本体3が収容されるとともに、潤滑油4が貯留される。
【0006】
リニアモータ部2はフレーム5に保持され、中空円筒状に形成された第1ケイ素鋼板層6と、同じくフレーム5に保持され、コイル7を旋設するとともに、第1ケイ素鋼板層6の外周面側に所定の空隙をおいて形成された中空円筒状の第2ケイ素鋼板層8とからなる固定子9と、第1ケイ素鋼板層6と第2ケイ素鋼板層8との間に遊挿され、非磁性体材料からなるマグネットシェル10の先端部に複数のマグネット11が接着されることにより中空円筒状に構成された可動子12とから構成されている。
【0007】
なお、マグネット11は、一般にネオジなどの強磁界を有する希土類からなるマグネット材料が使用されており、往復方向と垂直な方向に磁化されている。
【0008】
円筒状のボアを有するシリンダ14に往復動自在なように挿入されたピストン15は、シリンダ14との間で軸受け部16を形成するとともに、マグネットシェル10が同軸状に一体に形成されている。また、シリンダ14は中空円筒状に形成された第1ケイ素鋼板層6の内側に配置されるとともに、外周にはフレーム5が一体に形成されている。
【0009】
ピストン15は中空円筒状を成し、内部の空間で吸入通路17を形成している。吸入通路17の圧縮室18側の開口端には吸入バルブ19が取り付けられている。また、圧縮室18の開口端には吐出バルブ20が配置されている。
【0010】
シリンダ14、ピストン15、第1ケイ素鋼板層6および第2ケイ素鋼板層8は各々軸線を共有しており、かつピストン15はシリンダ14との間で形成した軸受け部16によって可動子12を保持することで、マグネット11は第1ケイ素鋼板層6および第2ケイ素鋼板層8の間と所定の空隙を保っている。
【0011】
内側共振ばね21と外側共振ばね22は、共に圧縮コイルばねである。内側共振ばね21は第1ケイ素鋼板層6とマグネットシェル10に接するように配置され、外側共振ばね22はマグネットシェル10とアウタフレーム23に接するように配置されており、ともに圧縮された状態で組み付けられている。また、給油ポンプ24は本体3の底部に形成され、潤滑油4内に位置している。
【0012】
以上のように構成されたリニアコンプレッサについて、以下その動作を説明する。
【0013】
まず、コイル7に電流を通じて励磁すると、第1ケイ素鋼板層6から空隙、マグネット11、空隙、第2ケイ素鋼板層8、空隙、マグネット11、空隙、第1ケイ素鋼板層6へと一連の磁束のループが発生し、磁気回路を形成する。この磁束により第2ケイ素鋼板層8に形成される磁極にマグネット11が吸引される。次にコイル7への電流を交番することで、可動子12は、第1ケイ素鋼板層6と第2ケイ素鋼板層8の間で、図12における水平方向に往復運動し、可動子12に結合されたピストン15もシリンダ14内で往復運動を行う。
【0014】
この結果、密閉ケーシング1内空間の冷媒ガスは、吸入通路17を通って吸入バルブ19から圧縮室18へ吸入され、圧縮室18内部で圧縮され、吐出バルブ20から吐出するという、コンプレッサの一連の動作を行うようになる。
【0015】
このとき、前記シリンダ14と第1ケイ素鋼板層6間に介在されて前記可動子12の内側を弾力支持する内側共振ばね21及び前記可動子12の外側を弾力支持する外側共振ばね22は、前記ピストン15の直線往復運動を弾性エネルギーに変換して貯蔵し、この貯蔵された弾性エネルギーを直線運動に変換させながら共振運動を誘発させる。
【0016】
また、給油ポンプ24は、コンプレッサ本体3の振動により潤滑油を軸受け部16に供給するようになっていた。
【0017】
【特許文献1】
特開2001−73942号公報
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成は、第1ケイ素鋼板層6および第2ケイ素鋼板層8との間で可動子12が揺動するため、可動子12は第1ケイ素鋼板層6および第2ケイ素鋼板層8とに対し空隙を有する。
【0019】
この2層分の空隙は、可動子12が第1ケイ素鋼板層6および第2ケイ素鋼板層8の双方に対し接触することを避けるためにそれぞれに必要な距離を設けているが、空間は磁気抵抗となり、距離に比例して磁束を減少させることから、可動子12を駆動させるに必要な推力を得るために、この2層分の空隙による磁束の減少分だけ余計にコイル7へ供給する電流が増加し、その結果入力が増加してしまうため、効率を上げることが難しかった。
【0020】
同時に、可動子12を駆動させるのに必要な推力を得るために、従来のリニアモータではマグネット11を大きくする必要性があった。しかしながら、マグネット11は高価な希土類を材料に使用しているため、マグネット11が大きくなることで、大幅なコスト増加をきたしていた。
【0021】
さらに、可動子12と第1ケイ素鋼板層6および第2ケイ素鋼板層8との間に形成される2層の空隙は、いずれの箇所でも同じ距離であることが望ましい。なぜならば、空隙の距離に差違があるとマグネット11と第1ケイ素鋼板層6または第2ケイ素鋼板層8の間で磁気吸着力のアンバランスが生じ、その結果、可動子12の揺動方向に直角のこじりの力が発生し、ピストン15とシリンダ14で構成される軸受け部16において摺動ロスを発生させるばかりでなく、異常な摩耗を発生させ、寿命を低下させる要因にもなるからである。
【0022】
また、摩耗を発生させるほど、ピストン15とシリンダ14の間のこじりの力が大きい場合には、摺動に伴う騒音が発生していた。
【0023】
これを回避するには上記した2層の空隙の距離を大きくして距離の相違の比率を下げる方法があるが、入力が増加してしまう上にマグネット11もさらに大きくする必要が生ずる。そこで通常は、マグネットシェル10を含む駆動系の加工精度を上げることになるが、加工精度を上げるためには可動部であるマグネットシェル10の剛性を上げるため厚くする必要が有り、その結果、駆動系の重量が増加する。そして、可動子12を駆動させるのに必要な推力が増加し、コイル7へ供給する電流が増加し、入力が増加してしまうとともに、軸受が支持する荷重も増加させ、摺動ロスが大きくなる。
【0024】
しかも、マグネットシェル10とピストン15は第1ケイ素鋼板層6および第2ケイ素鋼板層8の外側で連結されている上に、マグネットシェル10と第1ケイ素鋼板層6の間に内側共振ばね21が配置されているため、マグネットシェル10は軸方向に長い形状となっている。このように軸方向に長い円筒形状では、特にマグネット11が取付けられた先端部分の剛性が低くなりやすく、精度の確保のためには板を厚くするなど重量増加を伴う方法で剛性を上げる必要がある。
【0025】
また、加工精度に加え、空隙が均一になるように精度良く組み立てることが磁気吸着力のアンバランスを低減するためには不可欠であるが、空隙が2層存在するためマグネットシェルの内側と外側両方の空隙を管理する必要が有り、製造する際の精度の管理が厳しくなり、コストアップの要因となっていた。
【0026】
さらに、中空円筒形状のマグネットシェル10は通常軽量化のため薄い板で形成されるが、マグネットシェル10やこれを支持する構造の剛性が不足すると、部品精度や組立精度、マグネット11の磁力のバラツキなどによる磁気吸着力のアンバランスを生じ、支持構造が変形しマグネット11が半径方向に吸引される。そして、2層の空隙のそれぞれでマグネット11と第1ケイ素鋼板層6および第2ケイ素鋼板層8が接近し、磁気吸着力がさらに大きくなることで、マグネット11の偏心が更に大きくなる悪循環に陥る。この結果、マグネットシェル10などに大きな力が作用し、変形が生じることにより騒音が発生したり、最悪の場合、第1ケイ素鋼板層6および第2ケイ素鋼板層8とマグネット11が衝突し、破損の原因となるという欠点があった。
【0027】
本発明は、空隙を均一に保ち、磁気吸着力のアンバランスに起因する騒音や破損の発生を防止すると共に、可動子支持のため摺動部で発生する損失を低減し、高効率なリニアモータおよびリニアコンプレッサを提供することを目的とする。
【0028】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に記載の発明は、固定鉄心および前記固定鉄心に係着したマグネットワイヤとからなる固定子と、可動鉄心とマグネットを備える可動子と、前記可動子の揺動方向両側に配置され、一部が前記可動子に取り付けられ、他の一部が前記固定子に取り付けられ、前記固定子に対して前記可動子を前記固定子の磁極と一定の空隙を保ちながら対向させ、軸心方向に揺動自在に支持する板ばねとを備え、前記可動子は略円筒形であり、前記板ばねは前記可動子への締結固定位置より前記固定子への締結固定位置へ伸びる複数の腕部を有し、全ての前記腕部は軸心方向から見て同一方向に旋回しながら伸びているものであり、固定子に対して可動子を板ばねで支持することで可動子を支持するための摺動部を必要とせず、モータの可動子の往復動に伴う損失を低減するという作用を有するとともに、径に比較して相対的に長い腕部を形成するため、弾性範囲内での揺幅を大きくできる上に、2つの板ばねの腕の旋回方向が同じであることから、往復動に伴うばねの微小なねじれによって生じる回転の方向も同じであり、ねじりを拘束した時に生ずるばねの応力増加を伴わず、さらに、可動子が略円筒形であるため、板ばねの変形に伴う可動子の回転があっても固定子との空隙は一定に保たれるため、可動子の回転が可能となるという作用を有する。
【0030】
さらに、前記可動子の両側に配置された前記板ばねは、軸心方向から見て前記腕部の位置が互いに一致しない様に、回転方向にずらして取り付けたものであり、組み立ての際にモータ両側の腕と腕の間から可動子と固定子の間に隙間ゲージを挿入することができ、空隙を確実に確保した組み立てが可能であるという作用を有する。
【0031】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のリニアモータと、前記リニアモータと軸心を共有し、前記固定子と共に固定部を構成するシリンダと、前記シリンダに往復自在に挿入され、前記可動子と共に可動部を構成するピストンとを備え、前記固定部及び前記可動部の質量と、前記板ばねのばね定数とで決まる共振周波数の近傍の周波数で駆動されるリニアコンプレッサとしたものであり、ばねと質量による共振作用を利用することでエネルギーロスが少なく、ピストンの往復運動を効率良く行うとともに、板ばねで可動子を支持することでシリンダとピストンの摺動部において、可動部の自重が荷重として作用することを防止し、摩擦力を低減するという作用を有する。
【0032】
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記ピストンと前記可動子がボールジョイントを介して連結したものであり、モータの揺動方向とシリンダの軸の方向が微小にずれた場合でも、ボールジョイント部が回転することで角度方向のずれを吸収し、こじりを防ぐという作用を有する。
【0033】
請求項4に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記ピストンと前記可動子が弾性体からなる可倒ロッドを介して連結したので、モータの揺動方向とシリンダの軸が微小にずれた場合でも、可倒ロッドが弾性変形することで、ピストンが軸に平行な方向及び回転方向に変位することが許容されるので、こじりを防ぐという作用を有する。
【0034】
請求項5に記載の発明は、請求項2から4のいずれか一項に記載の発明において、前記可動子の揺動方向をほぼ水平としたものであり、板ばねにより可動子などの重量に抗して軸心を保持しながら、径が小さく長さが長いコンプレッサを水平方向に配置することで、揺動方向を垂直にした場合や他の形式のリニアモータを採用した場合に比較して、コンプレッサの全高を低くすることができるという作用を有する。
【0035】
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の発明において、潤滑油を使用しないので、冷却システムの熱交換器の伝熱面に潤滑油が付着して、冷媒ガスの熱伝達を阻害することを防止するという作用を有する。
【0036】
請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の発明において、前記ピストンと前記シリンダの摺動部をガスベアリングで構成したので、潤滑油の粘性抵抗によるピストンとシリンダ間の摺動損失が無くなり、効率が向上するという作用を有する。
【0037】
請求項8に記載の発明は、請求項6に記載の発明において、前記ピストンか前記シリンダの少なくとも一方に、自己潤滑性を有する材料を用いたので、ピストンとシリンダの摺動部における潤滑油の粘性抵抗が無く、かつピストンとシリンダの摺動部の摩耗を防止するという作用を有する。
【0038】
請求項9に記載の発明は、請求項6に記載の発明において、前記ピストンか前記シリンダの少なくとも一方に、セラミック系材料を用いたので、ピストンとシリンダの摺動部における潤滑油の粘性抵抗が無く、かつピストンとシリンダの摺動部の摩耗を防止するという作用を有する。
【0039】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるリニアモータとリニアコンプレッサの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、従来と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【0040】
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1によるリニアモータの側断面図、図2は板ばねの相対位置を示す模式図、図3はリニアモータの組立状態を示す斜視図、図4はリニアモータの動作原理を示す模式図、図5はリニアモータの電流の流れる方向を示す模式図である。
【0041】
図1から図5において、略円筒形の固定子25は、リング状に巻かれた2つのマグネットワイヤ26a,26bと、このマグネットワイヤ26a,26bを収容するとともに、内周に3つの磁極29a,29b,29cを形成する固定鉄心27と、固定鉄心27の外周を支持する枠体28とからなる。
【0042】
固定鉄心27は、磁気的に無方向性でかつ透磁率の高い、例えばJIS C2852の無方向性電磁鋼帯に代表されるケイ素鋼板を、前記円筒の軸心に対して放射状に配列している。この固定鉄心27は内周面に磁極29a,29b,29cを形成し、あらかじめリング状に捲回したマグネットワイヤ26a,26bを挟み込むように組み立てられている。
【0043】
マグネットワイヤ26a,26bの巻線の端部26c,26d,26e,26fは、固定鉄心27の放射状に配置された薄板の一部に隙間を設けて、図5に示すように軸周りに電流が流れる方向が互いに逆向きになるように結線されている。また、端部26g,26hは、電気絶縁した導線を利用して、固定鉄心27の外側に引き出されている。
【0044】
可動子31は、固定子25と軸心を共有する略円筒形をなすとともに、前記軸方向に揺動自在に固定子25の内側に収容され、鉄系材料からなる軸32と、この軸32の外周に軸心を中心として放射状に透磁率の高い、例えばJIS C2852の無方向性電磁鋼帯に代表されるケイ素鋼板を配列した薄板部33とが一体となって形成する可動鉄心34と、固定子25の内周と一定の空隙をもって可動鉄心34の外周に接着剤で固定され、軸方向に2つに分離し、表面にそれぞれ異なる磁極を有するマグネット35a,35bとから形成される。マグネット35は、希土類元素を含み、強磁界を有するマグネットが用いられている。
【0045】
板ばね42a,42bは、可動子31の軸方向両側に配置されている。板ばね42a,42bは弾性を有し、柔軟性に富む板状の金属材料で形成され、具体的にはばね鋼や工具鋼、ステンレスなどの鉄系材料で形成されている。板ばね42a,42bは、中心部42cと渦巻状の2本の腕の先端42d,42eの3ヶ所に貫通穴を備え、中心部42cは可動子31の軸32に、また外径側両端42d,42eは、固定子25の枠体28にそれぞれボルトで連結されている。
【0046】
全ての板ばねは、中心部42cから両端42d,42eに至る腕部42f,42gが、シリンダヘッド側から見て反時計方向に旋回するように取り付けられている。また、腕部42f,42gの位置がモータの両側で一致しない様に、板ばね42aの枠体28への取り付け角度は、板ばね42bの枠体28への取り付け角度に対してほぼ90度回転した方向となっている。
【0047】
板ばね42a,42bにより、可動子31は固定子25の磁極29a,29bと一定の空隙を保ちながら対向し、軸心方向に揺動自在に支持されることで、可動子31と固定子25等からなるリニアモータ43を構成している。
【0048】
以上のように構成されたリニアモータについて、以下その動作を説明する。
【0049】
リング状のマグネットワイヤ26a,26bに電流を通じると、まず、矢印で示すように固定鉄心、空隙、マグネット、可動鉄心、マグネット、空隙、固定鉄心へとループする磁束Φが発生する。この磁束Φにより、固定鉄心への各磁極29a,29b,29cはそれぞれN極、S極、N極に磁化される。可動子31のマグネット35a,35bの外表面はそれぞれS極、N極に磁化されているので、各磁極と各マグネットとの間には白抜き矢印で示す吸引、反発の力が発生し、可動子31は矢印イで示す方向に駆動される。
【0050】
次にマグネットワイヤ26a,26bに逆向きの電流が流れると、前述と逆の動作が生じ、可動子31は矢印イと逆向きに駆動される。電流の方向と大きさを交互に切り換えるよう制御することで可動子31の往復動作が行われる。
【0051】
ここでマグネット35a,35bは可動鉄心34外周に固定してあるため、従来の可動マグネット型のリニアモータに比べ、マグネット35a,35bと可動鉄心34の間に空隙が存在しない分、磁束ループ中の空隙が少ない。その結果、磁気抵抗が小さくなるため、磁束は可動マグネット型に比べ流れやすく、必要推力を得るため一定の磁束を発生させるマグネットワイヤ26a,26bへの電流を少なくすることができ、効率の向上やマグネット量の低減を図ることができる。
【0052】
可動子31において、マグネット35a,35bは可動鉄心34に接着されているため構造が強固であり、外径寸法の精度向上が容易である。さらに、可動子31は固定子25に対して板ばね42a,42bにより支持されているが、板ばね42a,42bは、軸方向のばね定数に比べ半径方向の剛性が高いため、可動子31と固定子25の間に、可動子31の自重による荷重や磁気吸着力のアンバランス等が作用しても、可動子31と固定子25の間の空隙の変化が極めて小さい。従って、可動子31が変形して騒音を発生したり、可動子31と固定子25が衝突することを防止できる。
【0053】
板ばね42a,42bは、同一方向に旋回しながら伸びる複数の腕部42f,42gを持つので、径に比較して相対的に長い腕部を形成するため、弾性範囲内での揺幅を大きくできるため、ばねの応力増加を緩和できる。
【0054】
また、板ばね42a,42bの腕部42f,42gの旋回方向は同じであるため、2つのばねの往復動に伴うばねの微小なねじれによって生ずる回転の方向も同じとなり、円筒形の可動子31がわずかに回転することで、ねじりを拘束した時に生ずる応力増加を防止し信頼性を向上することができる。
【0055】
また、可動子31を固定子25に対して固定する際、幅の小さい薄板状の隙間ゲージを複数枚、可動子31と固定子25の間に挿入して均一な空隙を確保する事が必要であるが、モータの両端面に板ばね42a,42bを配置することで、可動子31と固定子25の間の空隙部が板ばね42a,42bの影に隠れてしまい、露出している空隙部は図2に示すように少なくなっている。ところが、板ばね42a,42bの取り付け角度を可動子31の両側で互いに90度程度ずらして配置し、モータの両側から隙間ゲージを挿入することで、ほぼ全周に隙間ゲージを挿入することができる。従って、隙間ゲージを挿入後、可動子31と固定子25を板ばねで連結することで、均一な空隙を確保することができる。その結果、磁気吸着力のアンバランスにより、こじりの力が発生することを防止できるので、摺動ロスの発生を低減し、摩耗を防止することができる。
【0056】
(実施の形態2)
図6は本発明の実施の形態2によるリニアコンプレッサの側断面図、図7は図6の水平断面図である。
【0057】
図6および図7において、リニアモータ43を備えたコンプレッサ本体53が、密閉ケーシング1内に収納されている。
【0058】
リニアモータの固定子25に連結されたシリンダ51に、リニアモータ43の可動子31に連結されたピストン52が往復動自在に挿入されている。シリンダ51の端面には、シリンダヘッド54、吸入マフラ55が取り付けられ、シリンダ51および固定子25などとともに固定部57を形成している。
【0059】
また、ピストン52、可動子31などから可動部58は構成され、可動子31の軸32の先端には、ピストン52が取り付けられ、軸32とピストン52はボールジョイント61を介して、回転自在な状態で連結されている。
【0060】
板ばね42a,42bはそれぞれ、中心部が可動部58に、両端部が固定部57に取付けられており、共振ばね59を構成されている。
【0061】
シリンダ51はリニアモータ43の固定子25の枠体28に取り付けられ、円筒状の内面51aにピストン52が揺動自在な状態で挿入されている。
【0062】
コンプレッサ本体53は、密閉ケーシング1内で、リニアモータ43の往復方向がほぼ水平になるように、サスペンションスプリング64により弾性支持されている。
【0063】
さらに、毛細管66の一端は、密閉ケーシング1の底部に貯溜された潤滑油4に浸漬し、他端は吸入マフラ55の管部55a内に開口している。
【0064】
以上のように構成されたリニアコンプレッサについて、以下その動作を説明する。
【0065】
リニアモータ43に電流を通じると、可動子31の往復動作により、これに取り付けられたピストン52がシリンダ51内で往復し、コンプレッサとしての動作を行う。この際、電流の周波数を、固定部57および可動部58の質量と共振ばね59のばね定数で決まる共振周波数の近傍とすることで、共振作用によりリニアモータ43は効率良く往復運動することが可能となる。
【0066】
冷媒ガスは吸入マフラ55より、圧縮室18へ吸入されるが、その際、毛細管66から潤滑油が供給され、ピストン52とシリンダ51の摺動部などの潤滑を行う。
【0067】
可動子31と固定子25の間に働く荷重は板ばね42a,42bで支持されているため、ピストン52とシリンダ51の摺動部には側方向の力はほとんど作用しない。さらに、ピストン52と可動子31はボールジョイント61を介して連結されていることから、部品の寸法や組立の精度の影響で、リニアモータ43の揺動方向とシリンダ51の軸が微小にずれた場合でもボールジョイント61が回転するので、ピストン52とシリンダ51のこじりを防止できる。従って、摺動損失の増加による効率の低下や、摩擦による信頼性低下を防止できる。
【0068】
また、本発明のリニアコンプレッサでは、シリンダ51、板ばね42b、モータ43、板ばね42aの順で軸方向に直列配置されているため、従来のモータ内にシリンダが配置されるリニアコンプレッサに比べ、直径は小さいものの、軸方向の長さが長くなってしまう。しかし、軸が水平方向に向くように配置することで、従来のコンプレッサに比べ全高を低くすることができる。この結果、冷蔵庫に搭載される際、コンプレッサを収納する機械室の容積を小さくすることができ、冷蔵庫の庫内容積を大きくすることができる。
【0069】
しかも、可動部58は板ばね42a,42bにより確実に支持されているため、コンプレッサを横置きしても可動部58の重量がピストン52とシリンダ51の接触荷重として作用することが無いため、摺動損失の増加による効率の低下や摩擦による信頼性低下を防止できる。
【0070】
(実施の形態3)
図8は本発明の実施の形態3によるリニアコンプレッサの断面図である。
【0071】
図8において、ピストン71と可動子31は、可倒ロッド72を介して連結されている。
【0072】
可倒ロッド72は、軸方向に荷重を支持できるだけの剛性を与えながら、横方向への柔軟性と弾性を有するように径の細い棒状の弾性体で構成され、具体的にはステンレスやばね鋼などの弾力性と剛性を有する金属材料で構成されている。
【0073】
なお、可倒ロッド72以外の構成は図6とまったく同様であるため、同一箇所は同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【0074】
以上のように構成されたリニアコンプレッサにおいて、以下その動作を説明する。
【0075】
ピストン71と可動子31が横方向に柔軟な可倒ロッド72で連結されているため、可動子31の往復軸32とシリンダ51の軸がわずかにずれても、可倒ロッド72がピストン71の軸と平行な方向への移動、および回転方向の変形が可能であるため、ピストン71とシリンダ51のこじりを防止し、摩擦や摩耗を防止することができる。
【0076】
(実施の形態4)
図9は本発明の実施の形態4によるリニアコンプレッサの断面図である。
【0077】
図9において、シリンダ81には、シリンダヘッド54の高圧室54aから、内面81aのピストン52に対向する位置まで連通するガス通路81bが設けられ、ガスベアリング82が形成されている。また、本実施例のリニアコンプレッサにおいて、潤滑油を必要としないため、図6に示す潤滑油4及び毛細管66を備えていない。
【0078】
なお、これ以外の構成は図6、7とまったく同様であるため、同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【0079】
以上のように構成されたリニアコンプレッサにおいて、以下その動作を説明する。
【0080】
ガスベアリング82において、シリンダヘッド55の高圧室55aから供給された高圧の冷媒ガスにより、ピストン52はシリンダ81に対して浮上した状態になる。
【0081】
通常ガスベアリング82は、固体同士の接触を防止するため、非常に摩擦が少ないが、大きな荷重を支持するためには大量のガスを流す必要が有り、コンプレッサのピストン52とシリンダ81間に用いる際には、ガスの漏れが損失の要因となっていた。ところが、本発明においては、可動子が板ばねで支持されているため、ガスベアリング82には小さな荷重しか作用しない。しかも、ボールジョイント61によりピストン52がシリンダ81に対して傾斜することを防止できるため、摺動損失と漏れ損失の両方を小さくすることが可能となり、コンプレッサの効率を向上すると共に、摩擦による信頼性の低下を防止することができる。
【0082】
さらに、潤滑油を使用しないことで、冷却システムの熱交換器の伝熱面に潤滑油が付着しないので冷媒との熱伝達を改善し、冷却システムの効率を改善することができる。
【0083】
(実施の形態5)
図10は本発明の実施の形態5によるリニアコンプレッサの断面図である。
【0084】
図10において、シリンダ91は自己潤滑性を有する材料で構成されている。具体的には摺動面にダイヤモンドライクカーボン皮膜を施したものである。また、本実施例のリニアコンプレッサにおいて、潤滑油を必要としないため、図6に示す潤滑油4及び毛細管66を備えていない。
【0085】
なお、これ以外の構成は図6とまったく同様であるため、同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【0086】
以上のように構成されたリニアコンプレッサにおいて、以下その動作を説明する。
【0087】
ピストン52とシリンダ91の摺動部は荷重が小さいため、シリンダ91表面の自己潤滑性により、潤滑油を用いなくとも摩耗を防止し、摺動部の信頼性を確保することができる。
【0088】
また、潤滑油を用いていないため、ピストン52とシリンダ91の間に粘性摩擦が作用しないため、効率を向上することができる。
【0089】
なお、本実施の形態では、ダイヤモンドライクカーボン皮膜を用いたが、これ以外にカーボン等の自己潤滑性を有する材料を添加した材料や、PTFEなどの材料を用いても同様の効果が得られる。
【0090】
また、本実施の形態では、自己潤滑性を有する材料をシリンダ91に用いたが、ピストン52に用いても同様の効果が得ることができる。
【0091】
(実施の形態6)
図11は本発明の実施の形態6によるリニアコンプレッサの断面図である。
【0092】
図11においてピストン96は、セラミック系の材料、具体的には表面にタングステンカーバイトの皮膜を施したものである。また、本実施例のリニアコンプレッサにおいて、潤滑油を必要としないため、図6に示す潤滑油4及び毛細管66を備えていない。
【0093】
なお、これ以外の構成は図6とまったく同様であるため、同一箇所は同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【0094】
以上のように構成されたリニアコンプレッサにおいて、以下その動作を説明する。
【0095】
ピストン96表面には耐摩耗性の高いタングステンカーバイト皮膜を設けているため、潤滑油を用いなくても摩耗を防止し、摺動部の信頼性を確保することができる。
【0096】
また、本実施例では潤滑油を用いていないことにより、粘性摩擦を低減することができる。
【0097】
なお、本実施の形態ではセラミック系の材料として、タングステンカーバイトを用いたが、他のジルコニアなどのセラミック系材料を用いても信頼性を向上することができる。
【0098】
【発明の効果】
以上の説明したように請求項1に記載の発明は、摺動部をなくすことで損失を低減できるとともに、板ばねの応力を小さくすることで信頼性を向上することができる。
【0100】
さらに、空隙を確実に確保した状態で組み立てが可能となる。
【0101】
また、請求項2に記載の発明は、ピストンとシリンダの間にかかる荷重を低減することで損失を低減することができる。
【0102】
また、請求項3に記載の発明は、ピストンとシリンダのこじりを防止し、摺動損失を低減すると共に信頼性を向上することができる。
【0103】
また、請求項4に記載の発明は、ピストンとシリンダのこじりを防止し、摺動損失を低減すると共に信頼性を向上することができる。
【0104】
また、請求項5に記載の発明は、冷蔵庫の庫内容積を拡大することができる。
【0105】
また、請求項6に記載の発明は、冷却システムの効率を改善できる。
【0106】
また、請求項7に記載の発明は、摩擦を低減することで効率を向上するとともに信頼性を確保することができる。
【0107】
また、請求項8に記載の発明は、摩擦を低減することで効率を向上するとともに信頼性を確保することができる。
【0108】
また、請求項9に記載の発明は、摩擦を低減することで効率を向上するとともに信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるリニアモータの実施の形態1の側断面図
【図2】同実施の形態の板ばねの相対位置を示す模式図
【図3】同実施の形態のリニアモータの斜視図
【図4】同実施の形態のリニアモータの動作原理を示す模式図
【図5】同実施の形態のリニアモータの電流の流れを示す模式図
【図6】本発明によるリニアコンプレッサの実施の形態2の側断面図
【図7】図6の水平断面図
【図8】本発明によるリニアコンプレッサの実施の形態2の側断面図
【図9】本発明によるリニアコンプレッサの実施の形態3の側断面図
【図10】本発明によるリニアコンプレッサの実施の形態4の側断面図
【図11】本発明によるリニアコンプレッサの実施の形態5の側断面図
【図12】従来のリニアコンプレッサの断面図
【符号の説明】
25 固定子
26a,26b マグネットワイヤ
27 固定鉄心
29a,29b,29c 磁極
31 可動子
34 可動鉄心
35a,35b マグネット
42a,42b 板ばね
42f,42g 腕部
51 シリンダ
52 ピストン
57 固定部
58 可動部
61 ボールジョイント
71 ピストン
72 可倒ロッド
81 シリンダ
82 ガスベアリング
91 シリンダ
96 ピストン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a linear compressor using a linear motor used in a refrigeration cycle or the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the need for higher efficiency in refrigeration equipment has further increased, and compressors using linear motors are widely used for higher efficiency because they can be expected to significantly reduce sliding loss due to the simple mechanical structure. (For example, refer to Patent Document 1).
[0003]
The conventional linear compressor will be described below with reference to the drawings.
[0004]
FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional linear compressor.
[0005]
In FIG. 12, the
[0006]
The
[0007]
The
[0008]
The
[0009]
The
[0010]
The
[0011]
Both the
[0012]
About the linear compressor comprised as mentioned above, the operation | movement is demonstrated below.
[0013]
First, when the coil 7 is excited through current, a series of magnetic fluxes are transferred from the first silicon steel plate layer 6 to the air gap, the
[0014]
As a result, the refrigerant gas in the space in the sealed
[0015]
At this time, the
[0016]
Further, the
[0017]
[Patent Document 1]
JP 2001-73942 A
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the
[0019]
The gaps for the two layers are provided with a distance necessary to prevent the
[0020]
At the same time, in order to obtain the thrust required to drive the
[0021]
Furthermore, it is desirable that the two layers of gaps formed between the
[0022]
Further, when the twisting force between the
[0023]
In order to avoid this, there is a method of increasing the distance between the gaps of the two layers and reducing the ratio of the distance difference. However, the input increases and the
[0024]
Moreover, the
[0025]
In addition to machining accuracy, it is indispensable to assemble with high precision so that the air gap is uniform, in order to reduce the unbalance of magnetic attraction force, but since there are two air gaps, both inside and outside of the magnet shell It is necessary to manage the air gaps in the manufacturing process, and the control of the accuracy during manufacturing becomes strict, resulting in a cost increase.
[0026]
Further, the hollow
[0027]
The present invention maintains a uniform air gap, prevents noise and breakage due to imbalance in magnetic attraction force, and reduces loss generated in the sliding portion for supporting the mover, and is a highly efficient linear motor And it aims at providing a linear compressor.
[0028]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a stator composed of a fixed iron core and a magnet wire engaged with the fixed iron core, a mover including a movable iron core and a magnet, and both sides of the movable element in a swinging direction. Disposed, a part is attached to the mover, the other part is attached to the stator, the mover is opposed to the stator while maintaining a constant gap with the magnetic pole of the stator, A leaf spring that is pivotably supported in the axial direction;The movable element has a substantially cylindrical shape, and the leaf spring has a plurality of arm parts extending from a fastening and fixing position to the movable element to a fastening and fixing position to the stator, and all the arm parts are Extending while turning in the same direction as seen from the axial directionBy supporting the mover with a leaf spring with respect to the stator, there is no need for a sliding portion for supporting the mover, and the effect of reducing the loss associated with the reciprocation of the mover of the motor is achieved. HaveIn addition, since the arm portion that is relatively long compared to the diameter is formed, the swing range within the elastic range can be increased, and the pivoting directions of the arms of the two leaf springs are the same. The direction of rotation caused by the minute torsion of the accompanying spring is the same, it does not increase the stress of the spring that occurs when the torsion is constrained, and the mover is substantially cylindrical, so the mover accompanying the deformation of the leaf spring Since the gap with the stator is kept constant even when there is rotation, the mover can be rotated.
[0030]
further,The leaf springs arranged on both sides of the mover are attached while being shifted in the rotational direction so that the positions of the arm portions do not coincide with each other when viewed from the axial direction. A gap gauge can be inserted between the armature and the arm between the arm and the stator, so that the assembly can be performed while ensuring the space.
[0031]
Claim 2The invention described inClaim 1The linear motor described in the above, a cylinder that shares an axis with the linear motor and forms a fixed portion together with the stator, and a piston that is reciprocally inserted into the cylinder and forms a movable portion together with the mover. A linear compressor driven at a frequency in the vicinity of the resonance frequency determined by the mass of the fixed part and the movable part and the spring constant of the leaf spring, and utilizing the resonance action of the spring and the mass With low energy loss, the piston reciprocates efficiently, and the mover is supported by a leaf spring to prevent the moving part's own weight from acting as a load in the sliding part of the cylinder and piston. Has the effect of reducing the force.
[0032]
Claim 3The invention described inClaim 2In the described invention, the piston and the mover are connected via a ball joint. Even when the swinging direction of the motor and the direction of the cylinder axis are slightly shifted, the ball joint portion rotates. It has the effect of absorbing angular misalignment and preventing twisting.
[0033]
Claim 4The invention described inClaim 2In the described invention, since the piston and the mover are connected via a retractable rod made of an elastic body, the retractable rod is elastically deformed even when the swinging direction of the motor and the axis of the cylinder are slightly displaced. As a result, the piston is allowed to be displaced in the direction parallel to the axis and in the rotational direction, and thus has an effect of preventing twisting.
[0034]
Claim 5The invention described
[0035]
Claim 6The invention described inClaim 5Since the lubricating oil is not used, the lubricating oil adheres to the heat transfer surface of the heat exchanger of the cooling system, thereby preventing the heat transfer of the refrigerant gas from being inhibited.
[0036]
Claim 7The invention described inClaim 6In the invention described in (1), the sliding portion between the piston and the cylinder is constituted by a gas bearing, so that the sliding loss between the piston and the cylinder due to the viscous resistance of the lubricating oil is eliminated, and the efficiency is improved.
[0037]
Claim 8The invention described inClaim 6In the invention described in
[0038]
Claim 9The invention described inClaim 6In the invention described in
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a linear motor and a linear compressor according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, about the same structure as the past, the same code | symbol is attached | subjected and detailed description is abbreviate | omitted.
[0040]
(Embodiment 1)
1 is a side sectional view of a linear motor according to
[0041]
1 to 5, a substantially
[0042]
The fixed
[0043]
The ends 26c, 26d, 26e, and 26f of the windings of the
[0044]
The
[0045]
The
[0046]
All the leaf springs are attached such that arm portions 42f and 42g extending from the
[0047]
By the
[0048]
The operation of the linear motor configured as described above will be described below.
[0049]
When a current is passed through the ring-shaped
[0050]
Next, when a reverse current flows through the
[0051]
Here, since the
[0052]
In the
[0053]
Since the
[0054]
Further, since the turning directions of the arm portions 42f and 42g of the
[0055]
Further, when the
[0056]
(Embodiment 2)
6 is a side sectional view of a linear compressor according to
[0057]
6 and 7, the compressor
[0058]
A
[0059]
Further, the
[0060]
Each of the
[0061]
The
[0062]
The
[0063]
Furthermore, one end of the
[0064]
About the linear compressor comprised as mentioned above, the operation | movement is demonstrated below.
[0065]
When an electric current is passed through the
[0066]
The refrigerant gas is sucked into the
[0067]
Since the load acting between the
[0068]
Moreover, in the linear compressor of the present invention, the
[0069]
Moreover, since the
[0070]
(Embodiment 3)
FIG. 8 is a sectional view of a linear compressor according to Embodiment 3 of the present invention.
[0071]
In FIG. 8, the
[0072]
The
[0073]
In addition, since structures other than the
[0074]
The operation of the linear compressor configured as described above will be described below.
[0075]
Since the
[0076]
(Embodiment 4)
FIG. 9 is a cross-sectional view of a linear compressor according to Embodiment 4 of the present invention.
[0077]
In FIG. 9, the
[0078]
In addition, since the structure of those other than this is completely the same as FIG. 6, 7, the same code | symbol is attached | subjected about the same structure and detailed description is abbreviate | omitted.
[0079]
The operation of the linear compressor configured as described above will be described below.
[0080]
In the
[0081]
Normally, the
[0082]
Furthermore, by not using the lubricating oil, since the lubricating oil does not adhere to the heat transfer surface of the heat exchanger of the cooling system, the heat transfer with the refrigerant can be improved, and the efficiency of the cooling system can be improved.
[0083]
(Embodiment 5)
FIG. 10 is a cross-sectional view of a linear compressor according to
[0084]
In FIG. 10, the
[0085]
Since the other configuration is exactly the same as that in FIG. 6, the same components are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.
[0086]
The operation of the linear compressor configured as described above will be described below.
[0087]
Since the sliding portion of the
[0088]
Further, since no lubricating oil is used, no viscous friction acts between the
[0089]
In the present embodiment, a diamond-like carbon film is used, but the same effect can be obtained by using a material added with a self-lubricating material such as carbon or a material such as PTFE.
[0090]
In the present embodiment, the self-lubricating material is used for the
[0091]
(Embodiment 6)
FIG. 11 is a cross-sectional view of a linear compressor according to Embodiment 6 of the present invention.
[0092]
In FIG. 11, the
[0093]
In addition, since the structure of those other than this is completely the same as FIG. 6, the same code | symbol is attached | subjected to the same location and detailed description is abbreviate | omitted.
[0094]
The operation of the linear compressor configured as described above will be described below.
[0095]
Since the tungsten carbide film having high wear resistance is provided on the surface of the
[0096]
Further, in this embodiment, since no lubricating oil is used, viscous friction can be reduced.
[0097]
In this embodiment, tungsten carbide is used as the ceramic material, but the reliability can be improved by using other ceramic materials such as zirconia.
[0098]
【The invention's effect】
As described above, the invention according to
[0100]
further,Assembling is possible in a state in which the air gap is securely secured.
[0101]
Also,Claim 2The invention described in 1 can reduce the loss by reducing the load applied between the piston and the cylinder.
[0102]
Also,Claim 3The invention described in 1 can prevent the piston and the cylinder from being twisted, reduce the sliding loss, and improve the reliability.
[0103]
Also,Claim 4The invention described in 1 can prevent the piston and the cylinder from being twisted, reduce the sliding loss, and improve the reliability.
[0104]
Also,Claim 5The described invention can expand the internal volume of the refrigerator.
[0105]
Also,Claim 6The invention described in 1 can improve the efficiency of the cooling system.
[0106]
Also,Claim 7The invention described in 1 can improve efficiency and reduce reliability by reducing friction.
[0107]
Also,Claim 8The invention described in 1 can improve efficiency and reduce reliability by reducing friction.
[0108]
Also,Claim 9The invention described in 1 can improve efficiency and reduce reliability by reducing friction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view of a linear motor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a relative position of a leaf spring according to the embodiment;
FIG. 3 is a perspective view of the linear motor according to the embodiment.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the operation principle of the linear motor according to the embodiment;
FIG. 5 is a schematic diagram showing a current flow of the linear motor according to the embodiment;
FIG. 6 is a side sectional view of a linear compressor according to a second embodiment of the present invention.
7 is a horizontal sectional view of FIG.
FIG. 8 is a side sectional view of a linear compressor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a side sectional view of a linear compressor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a side sectional view of a linear compressor according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a side sectional view of a linear compressor according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional linear compressor
[Explanation of symbols]
25 Stator
26a, 26b Magnet wire
27 Fixed iron core
29a, 29b, 29c Magnetic pole
31 Mover
34 Movable iron core
35a, 35b Magnet
42a, 42b leaf spring
42f, 42g arm
51 cylinders
52 piston
57 Fixed part
58 Moving parts
61 Ball joint
71 piston
72 retractable rod
81 cylinders
82 Gas bearing
91 cylinders
96 piston
Claims (9)
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