專利名稱：直線壓縮機的制作方法
技術領域：
本發明涉及使用直線電動機帶動配合在缸體內部的活塞往復運動來壓縮氣體的直線壓縮機。
背景技術：
對于冷凍循環，以R22為代表的HCFC系的冷媒，由于其物理性質的穩定性被認為會破壞臭氧層。近年，雖然采用了作為HCFC系冷媒的替代物的HRC系冷媒，但是該冷媒卻具有加劇溫暖化的性質。因此，最近開始了采用不會對臭氧層和溫暖化現象有較大影響的HC系冷媒。但是，由于該HC系冷媒具有可燃性，在確保安全性方面需要防止爆炸或起火，因此就要求冷媒的使用量盡量少。此外，HC系的冷媒自身沒有潤滑性而且還具有容易溶入潤滑材料的性質。因為以上的原因，使用HC系的冷媒時需要無油的或者油少的壓縮機。在活塞軸線的垂直方向上載荷較小并且滑動面壓力小的直線壓縮機，與歷來使用較多的往復式壓縮機、旋轉式壓縮機、渦旋式壓縮機相比，屬于容易實現無油化的類型，它作為活塞可動部分隨著外加給電動機的電動機功率和運轉壓力條件可以自由確定活塞的位置的自由活塞往復推送式壓縮機而為人們所知。
但是，該直線壓縮機因是自由活塞往復推送式，在機構上不受來自其他構件的約束，故在運轉時的壓力變化和運輸時等的外界各種作用力的作用下，會發生活塞的振幅突然變化、活塞端面沖撞缸體端面的情況，從而可能產生沖撞噪聲，損傷活塞等。
另外，直線壓縮機在缸體和活塞之間存在滑動面，該滑動面的滑動性的優良與否對直線壓縮機的效率和耐久性具有影響。而且為了使直線壓縮機無油化，使缸體和活塞間只有在單一方向的軸方向的力的作用、在最低限度內控制例如支承活塞的螺旋彈簧所產生的別緊力的發生是非常重要的。
發明內容
因此本發明以提供例如在運轉時或者運輸中可以防止活塞和缸體的端面相撞、高可靠性的壓縮機為目的。
而且，提供通過將螺旋彈簧緊湊化從而適合小型化的壓縮機也是本發明的目的。
基于本發明的第1實施形態，對于這種直線壓縮機在密閉容器內具有壓縮氣體的壓縮機構和驅動該壓縮機構的直線電動機，上述壓縮機構具有缸體和活塞，上述缸體內具有壓縮氣體的壓縮室，上述直線電動機具有連接于上述缸體的固定部分和連接于上述活塞的可動部分，通過一端與上述活塞或上述可動部分推壓相接另一端與壓縮室側的上述缸體或上述固定部分推壓相接的壓縮室側螺旋彈簧以及一端與上述活塞或上述可動部分推壓相接另一端與反壓縮室側的上述缸體或上述固定部分推壓相接的反壓縮室側螺旋彈簧在軸線方向可自由活動地支承上述活塞；當上述壓縮室側螺旋彈簧被最大壓縮時在上述活塞端面和上述缸體端面之間確保具有間隙。基于本實施形態，如果在運轉中壓力變化以及在運輸時等所受外界各種力的作用下活塞的動作突然變化，由于在活塞振幅增大時壓縮室側螺旋彈簧的作用，活塞的振幅被限制，所以可以避免活塞前端和缸體的端面沖撞。
基于本發明的第2實施形態是在第1實施形態的直線壓縮機中，采用非線性螺旋彈簧作為壓縮室側螺旋彈簧。基于本實施形態，在非線性螺旋彈簧的作用下，隨著彈簧撓曲的增大彈簧的載荷能力也增大。因此可以吸收靠近上止點的活塞的速度，具有可緩和沖擊力的效果。
基于本發明的第3實施形態是在第2實施形態的直線壓縮機中，采用不等螺距螺旋彈簧作為非線性螺旋彈簧。根據本實施形態，隨著不等螺距螺旋彈簧的撓曲增大，與等螺距間隔螺旋彈簧相比，可產生更多的線材之間的接合從而減少有效卷數增大彈簧載荷能力，所以可以吸收靠近上止點的活塞的速度，緩和沖擊力，得到良好的耐久性。
基于本發明的第4實施形態是在第2實施形態的直線壓縮機中，采用圓錐螺旋彈簧作為非線性螺旋彈簧。基于本實施形態，當彈簧的撓曲增大時可以起到比不等螺距螺旋彈簧更加顯著的作用，增加彈簧的載荷能力。因而可以作為吸收靠近上止點的活塞的速度的制動裝置，緩和活塞的沖擊力，降低沖擊噪音，并提高可靠性。
基于本發明的第5實施形態，對于這種直線壓縮機在密閉容器內具有壓縮氣體的壓縮機構和驅動該壓縮機構的直線電動機，上述壓縮機構具有缸體和活塞，上述缸體內具有壓縮氣體的壓縮室，上述直線電動機具有連接于上述缸體的固定部分和連接于上述活塞的可動部分，通過一端與上述活塞或上述可動部分推壓相接另一端與壓縮室側的上述缸體或上述固定部分推壓相接的壓縮室側螺旋彈簧以及一端與上述活塞或上述可動部分推壓相接另一端與反壓縮室側的上述缸體或上述固定部分推壓相接的反壓縮室側螺旋彈簧在軸線方向可自由活動地支承上述活塞；上述壓縮室側螺旋彈簧系數小于上述反壓縮室側螺旋彈簧系數。運轉中活塞在壓縮室中氣體作用力的作用下向反壓縮室側偏移。相應該偏移量的部分，反壓縮側的撓曲量需要取大一些。因此，在取壓縮室側和反壓縮室側螺旋彈簧系數相同時，需要采用較大的從彈簧的自由長度到彈簧收緊長度的最大撓曲量。本實施形態，通過采用較小的壓縮室側螺旋彈簧系數，較大的反壓縮室側螺旋彈簧系數，與壓縮室側和反壓縮室側螺旋彈簧系數相同的情形相比，對于由設計所確定的活塞最大往復推送量，可以抑制彈簧的最大撓曲量。故可以實現螺旋彈簧的緊縮化，以及直線壓縮機的小型化。
基于本發明的第6實施形態是在第5實施形態的直線壓縮機中，記上述活塞的振幅為a，上述活塞在運轉中由上述壓縮室作用的氣體作用力的作用下向反壓縮室側的偏移量為α，上述壓縮室側螺旋彈簧系數為k1，上述反壓縮室側螺旋彈簧系數為k2，通過使關系式k1×(a+α)＝k2×(a-α)大致成立來確定上述螺旋彈簧系數k1、k2。根據本實施形態，運轉中發生偏移的活塞振幅中心位置大致處于壓縮室側螺旋彈簧和反壓縮室側螺旋彈簧最大撓曲量的中間，所以可以抑制彈簧的最大撓曲量。故可以實現螺旋彈簧的緊縮化，以及直線壓縮機的小型化。
基于本發明的第7實施形態是在基于從第1到第6實施形態的直線壓縮機中，采用卵形或者橢圓形作為螺旋彈簧的截面形狀。在本實施形態中，通過選用卵形或者橢圓形作為螺旋彈簧線材的截面形狀，與圓形截面相比，在彈簧撓曲時可降低在線材上產生的最大應力。因此可以降低螺旋彈簧的高度，故可以使螺旋彈簧緊縮化，并可實現直線壓縮機的小型化。
基于本發明的第8實施形態是在基于從第1到第7實施形態的直線壓縮機中，采用以二氧化碳為主要成分的冷媒。在作為高差壓冷媒并且潤滑嚴格的CO2冷媒作用下，比其他方式的壓縮機效率要高很多，并可以得到高可靠性。
圖1為表示基于本發明的一實施例的直線壓縮機全體構成的截面圖。
圖2為表示本發明的螺旋彈簧裝置的重要部分放大3為本發明的不等螺距彈簧的載荷能力特性圖。
圖4為表示其他螺旋彈簧裝置的重要部分放大圖。
圖5為本發明的圓錐螺旋彈簧的載荷能力特性圖。
圖6為基于本發明一實施例在運轉時螺旋彈簧撓曲量的示意圖。
具體實施例方式
下面，根據
本發明直線壓縮機的一實施例。首先根據圖1說明本發明直線壓縮機的全體構造。
大體上，該直線壓縮機由缸體10、活塞20、構成直線電動機部分的可動部分40和固定部分50、由螺旋彈簧形成的彈簧機構部分、端蓋部分80、支撐機構部分90、密閉容器100構成。
缸體10由安裝有閥體(未圖示)的缸體端面11、凸緣部分14、從該凸緣部分14向一方(圖中左方向)突出的突起部分12組成。活塞20具有加工了容納支柱部分21和螺旋彈簧30的凹部的框體22。在活塞20的框體22的凹部內底面設有突起部分23。在活塞20的一端側和缸體端面11之間形成了壓縮室13。
直線電動機部分由可動部分40和固定部分50組成。可動部分40由永久磁鐵41，圓筒保持構件42等構成。固定部分50由內軛51、外軛52以及線圈53等構成。永久磁鐵41由圓筒保持構件42支承。圓筒保持構件42與活塞20配置成同心圓狀、且由框體22固定支承。內軛51由圓筒件構成，外接并固定在缸體10的突起部分12之上。而且，內軛51的外周和圓筒保持構件42之間留有微小的間隙。線圈53設置于外軛52之上。另一方面，外軛52同樣也由圓筒件構成，與圓筒保持構件42的外周留有微小的間隙地成同心圓狀配置，而且固定在缸體10的凸緣部分14之上。
如上所述，可動部分40和固定部分50被成同心圓狀地以高精度支承，并平滑地進行往復運動。
彈簧機構部分，由具有一定彈簧剛性的壓縮室側螺旋彈簧15和反壓縮室側螺旋彈簧30構成。上述螺旋彈簧15、30使用比通常的自然長度受到壓縮的狀態下的壓縮彈簧。壓縮室側螺旋彈簧15的一端16，結合在活塞20的另一端面上形成的階梯部分19之上。壓縮室側螺旋彈簧15的另一端17結合于缸體10的突起部分12的外周端面部18。反壓縮室側螺旋彈簧30的一端31，結合于活塞20另一端面上形成的突起部分23。反壓縮室側螺旋彈簧30的另一端32，結合于突起部分63。為了使反壓縮室側螺旋彈簧30通過受壓撓曲變形產生預加載荷，利用彈簧固定構件62向活塞20一側推壓螺旋彈簧15、30。彈簧固定構件62以架支的狀態配置于作為直線電動機的固定部分50的外軛52之上，并且結合固定于外軛52的端部。
密閉容器100由圓筒體狀的容器構成，在內部形成有空間部分101。在該空間部分101內容納著直線壓縮機的各構成要素構件。在密閉容器100，設計有吸入管(未圖示)和排出管(未圖示)。支承機構部分90是將多個螺旋彈簧91、92配置于直線壓縮機的構成要素構件和密閉容器100之間的部分，防止從缸體10向密閉容器100傳遞振動。
下面，說明本實施例的直線壓縮機的作用。
首先，對固定部分50的線圈53通電，則在可動部分40的永久磁鐵41之間服從弗來明左手法則產生與電流成比例的推力。由此推力的產生，可動部分40受到沿著軸線方向后退的驅動力的作用。因為可動部分40的圓筒保持構件42連接在活塞20之上，所以活塞20平滑地沿其軸線方向后退。
對于通向線圈53的交流電，使之按正弦波變化，則在直線電動機部分可交替產生正反推力。在該交替產生的正反推力的作用下，活塞20進行往復運動。
冷媒從吸入管(未圖示)導入到圖1的密閉容器100內。導入到該密閉容器100內的冷媒通過從吸入側空間安裝到缸體端面11的端蓋部分80的吸入閥(未圖示)進入壓縮室13。然后，該冷媒由活塞20壓縮后通過安裝于缸體端面11的排出閥門(未圖示)，經由端蓋部分80的排出側空間，從排出管(未圖示)向外界排出。而且伴隨著活塞20的往復運動而產生的缸體10的振動通過多個螺旋彈簧91、92的作用受到抑制。
對于通過運轉壓力條件和對直線電動機輸電的外加功率等的平衡來確定活塞20位置的自由活塞往復推送式的直線壓縮機，活塞20的振幅會發生突然變化的情況。這樣一來，活塞20會被驅使超過直線電動機的許可往復推送范圍，活塞20具有沖擊缸體端面11的可能性。
對于壓縮室側螺旋彈簧15的安裝，要使得當其被最大壓縮時活塞20的位置位于活塞20的上止點29。這樣，活塞20就在壓縮室側螺旋彈簧15的作用下受到機構約束，從而自由往復推送的活塞的振幅就受到限制，不會沖擊缸體端面11。因而可以避免在壓力變化作用下活塞振幅突然改變時或者在運輸時等由外界各種作用力所引發的活塞前端對缸體端面的沖擊，提高可靠性。
而且，由于壓縮室側螺旋彈簧15和反壓縮室側螺旋彈簧30是截面形狀為卵型或者橢圓型的彈簧，故在彈簧撓曲時線材上產生的最大應力要小于圓形線材截面的最大應力，從而可以控制螺旋彈簧的高度，實現彈簧的緊湊化、直線壓縮機的小型化。
圖2為壓縮室側螺旋彈簧是非線性螺旋彈簧時的重要部分放大圖。其他的構成與圖1相同故說明省略。
本實施例中，該非線性螺旋彈簧15由不等螺距彈簧構成。由于不等螺距彈簧各個螺距間隔不一樣，隨著彈簧撓曲變大，與等螺距彈簧相比可產生更多的線材之間的接合，減少有效卷數。因此，如圖3所示，在撓曲較大的狀態下，具有非線性載荷能力特性，可增大彈簧載荷能力，吸收活塞的速度，緩和活塞對缸體端面11的沖擊力，并降低沖擊噪音，得到良好的耐久性。
圖4為表示壓縮室側螺旋彈簧為非線性螺旋彈簧時的其他實施例的重要部分放大圖。同樣本實施例中的其他構成與圖1相同故說明省略。
本實施例中，該非線性彈簧15由圓錐螺旋彈簧構成。本實施例中通過這樣將圓錐螺旋彈簧用作壓縮室側螺旋彈簧15，當彈簧的撓曲變大時，與上述不等螺距螺旋彈簧同樣的作用變得更加顯著，如圖5所示，在撓曲較大的狀態下，彈簧載荷能力大大增加。因而，活塞的運動越是靠近上止點，活塞的速度就越是被吸收，有效起了制動的作用，可以緩和對缸體端面的沖擊力，降低沖擊噪音，提高可靠性。
這里，圖1所示的壓縮室側螺旋彈簧15采用小于反壓縮室側螺旋彈簧30的彈簧系數。特別地，作為壓縮室側螺旋彈簧的螺旋彈簧15的彈簧系數k1，與作為反壓縮室側螺旋彈簧的螺旋彈簧30的彈簧系數k2，當活塞的振幅為a，活塞在運轉中由壓縮室所施加的氣體壓力作用下被向反壓縮室側推壓的偏移量為α時，基本上可根據k1×(a+α)＝k2×(a-α)的關系式來確定。
表示該螺旋彈簧相關關系的情況以圖6表示。因為安裝時兩個螺旋彈簧15、30作為壓縮彈簧來使用，故為了壓縮螺旋彈簧，要施加預加載荷F0。運轉中活塞振幅中心位置在壓縮室氣體壓力Fg的作用下相對活塞安裝位置具有向反壓縮室側的活塞偏移量α。各個螺旋彈簧15、30的撓曲量×1、×2之中，彈簧系數較小的壓縮室側螺旋彈簧15的撓曲量×1較大。基于直線壓縮機的驅動頻率的一定的螺旋彈簧系數由k1+k2的和決定；所需的活塞往復推送范圍2a和偏移量α可以根據運轉的壓力條件和活塞20運行的孔徑來確定。基于這種尺寸選用使上述關系式成立的各個彈簧系數，則運轉中活塞振幅中心位置O大致處于壓縮室側螺旋彈簧15和反壓縮室側螺旋彈簧30的最大撓曲量的中間。因此，對于根據設計所確定的活塞最大往復推送量，與壓縮室側和反壓縮室側螺旋彈簧系數相同的情形相比，彈簧的最大撓曲量受到抑制。這樣，可以實現螺旋彈簧的緊湊化，直線壓縮機的小型化。
根據以上說明，當活塞以較大活塞往復推送范圍運轉時，或者在運輸時等受到外界沖擊力的作用時，在壓縮室側螺旋彈簧15產生的機構約束的作用下，被最大壓縮時活塞20的振幅受到限制。因此，可以防止活塞前端沖撞缸體端面，得到高可靠性的壓縮機。
通過用不等螺距彈簧或圓錐螺旋彈簧作壓縮室側螺旋彈簧15，與壓縮螺旋彈簧相比，可在活塞靠近上止點附近時增大彈簧載荷，起到吸收活塞速度的制動裝置的作用，并可緩和活塞對于缸體端面的沖擊力，降低沖擊噪音，得到良好的耐久性。
而且，各個螺旋彈簧系數大致滿足關系式k1×(a+α)＝k2×(a-α)，并且壓縮室側螺旋彈簧系數小于反壓縮室側螺旋彈簧系數，因而不需要多余的彈簧撓曲量，這樣可以使螺旋彈簧緊湊化，并可實現直線壓縮機的小型化。
而且，螺旋彈簧的截面形狀為卵形或者橢圓形，故與圓形截面相比在彈簧撓曲時可降低在線材上產生的最大應力，并可同時降低螺旋彈簧的高度。這樣可以使螺旋彈簧緊湊化，并可實現直線壓縮機的小型化。
此外，上述實施例中說明了具有使用氣體的壓縮機構的直線壓縮機，但使用氣體以外的液體的壓送機構也可以。
還有，上述實施例中，雖未對所用冷媒作特別說明，但最好使用以二氧化碳作為主要成分的冷媒。在作為高差壓冷媒并且潤滑嚴格的CO2冷媒作用下，比其他方式壓縮機效率要高很多，并可以得到高可靠性。
根據發明，壓縮室側彈簧被最大壓縮時活塞端面和缸體端面之間可確保具有余隙，所以即使在運轉中的壓力變化以及在運輸時所受外界各種力的作用下活塞的動作突然變化時，由于當活塞振幅增大時受壓縮室側螺旋彈簧的作用，活塞的振幅被限制，所以可以避免活塞前端和缸體的端面沖擊，并實現可靠性的提高。
根據發明，由于壓縮室側螺旋彈簧采用非線性螺旋彈簧，隨著彈簧撓曲的增大，彈簧的載荷能力也增大。因此可以吸收靠近上止點的活塞的速度，具有可實現緩和沖擊力的效果。
根據發明，通過采用不等螺距螺旋彈簧作為非線性螺旋彈簧，隨著不等螺距螺旋彈簧的撓曲增大，與等螺距間隔螺旋彈簧相比，可產生更多的線材之間的接合，減少有效卷數增大彈簧載荷，所以可以吸收靠近上止點的活塞的速度，緩和沖擊力，得到良好的耐久性。
根據發明，通過采用圓錐螺旋彈簧作為非線性螺旋彈簧，當彈簧的撓曲增大時，可以起到比不等螺距螺旋彈簧更加顯著的作用，并可增加彈簧的載荷能力。這樣，可以作為吸收靠近上止點的活塞的速度的制動裝置，緩和活塞的沖擊力，降低沖擊噪音，提高可靠性。
根據發明，通過采用較小的壓縮室側螺旋彈簧系數，較大的反壓縮室側螺旋彈簧系數，與壓縮室側和反壓縮室側螺旋彈簧系數相同的情形相比，對于根據壓縮機設計所確定的最大活塞振幅，可以抑制彈簧的最大撓曲量。因此，可以實現螺旋彈簧的緊縮化，以及直線壓縮機的小型化。
根據發明，通過使關系式k1×(a+α)＝k2×(a-α)大致成立來確定上述螺旋彈簧系數k1、k2，就可以正確調整運轉中發生偏移的活塞振幅中心位置到大致處于壓縮室側螺旋彈簧和反壓縮室側螺旋彈簧最大撓曲量的中間處，從而可以抑制彈簧的最大撓曲量，可以實現螺旋彈簧的緊縮化，以及直線壓縮機的小型化。
根據發明，通過采用卵形或者橢圓形作為螺旋彈簧的截面形狀，與圓形截面相比在彈簧撓曲時可降低在線材上產生的最大應力，降低螺旋彈簧的高度，所以可以使螺旋彈簧緊縮化，并可實現直線壓縮機的小型化。
根據發明，采用以二氧化碳為主要成分的冷媒，在作為高差壓冷媒并且潤滑嚴格的CO2冷媒作用下，比其他方式的壓縮機效率要高很多，并可以得到高可靠性。
權利要求
1.一種直線壓縮機，在密閉容器內具有壓縮氣體的壓縮機構和驅動該壓縮機構的直線電動機，上述壓縮機構具有缸體和活塞，上述缸體內具有壓縮氣體的壓縮室，上述直線電動機具有連接于上述缸體的固定部分和連接于上述活塞的可動部分，通過一端與上述活塞或上述可動部分壓接、另一端與壓縮室側的上述缸體或上述固定部分壓接的壓縮室側螺旋彈簧以及一端與上述活塞或上述可動部分壓接、另一端與反壓縮室側的上述缸體或上述固定部分壓接的反壓縮室側螺旋彈簧在軸線方向可自由活動地支承上述活塞；其特征在于，在上述壓縮室側螺旋彈簧被最大壓縮時，在上述活塞端面與上述缸體端面之間確保具有間隙。
2.如權利要求1所述的直線壓縮機，其特征在于，以非線性螺旋彈簧作為上述壓縮室側螺旋彈簧。
3.如權利要求2所述的直線壓縮機，其特征在于，以不等螺距螺旋彈簧作為上述非線性螺旋彈簧。
4.如權利要求2所述的直線壓縮機，其特征在于，以圓錐螺旋彈簧作為上述非線性螺旋彈簧。
5.一種直線壓縮機，在密閉容器內具有壓縮氣體的壓縮機構和驅動該壓縮機構的直線電動機，上述壓縮機構具有缸體和活塞，上述缸體內具有壓縮氣體的壓縮室，上述直線電動機具有連接于上述缸體的固定部分和連接于上述活塞的可動部分，通過一端與上述活塞或上述可動部分壓接、另一端與壓縮室側的上述缸體或上述固定部分壓接的壓縮室側螺旋彈簧以及一端與上述活塞或上述可動部分壓接、另一端與反壓縮室側的上述缸體或上述固定部分壓接的反壓縮室側螺旋彈簧在軸線方向可自由活動地支承上述活塞；其特征在于，上述壓縮室側螺旋彈簧系數小于上述反壓縮室側螺旋彈簧系數。
6.如權利要求5所述的直線壓縮機，其特征在于，若記上述活塞的振幅為a，上述活塞在運轉中由上述壓縮室作用的氣體作用力的作用下向反壓縮室側的偏移量為α，上述壓縮室側螺旋彈簧系數為k1，上述反壓縮室側螺旋彈簧系數為k2，則確定上述螺旋彈簧系數k1、k2以使關系式k1×(a+α)＝k2×(a-α)大致成立。
7.如權利要求1至6任一所述的直線壓縮機，其特征在于，上述壓縮室側螺旋彈簧或者上述反壓縮室側螺旋彈簧的截面形狀采用卵形或者橢圓形。
8.如權利要求1至7任一所述的直線壓縮機，其特征在于，使用以二氧化碳為主要成分的冷媒來運轉。
全文摘要
本發明涉及的直線壓縮機，由缸體(10)、活塞(20)、缸體端面(11)、構成直線電動機部分的可動部分(40)及固定部分(50)、螺旋彈簧(15)和(30)、端蓋部分(80)、支承機構部分(90)、密閉容器(100)等構成。缸體(10)內形成有進行氣體壓縮的壓縮室(13)。彈簧機構構件(60)的彈簧構件(61)由具有一定彈簧剛性的螺旋彈簧(15、30)構成。在螺旋彈簧(15)被最大壓縮時，通過確保活塞(20)的端面和上述缸體端面(11)之間存在間隙，可以限制直線壓縮機的活塞(20)的振幅。
文檔編號F04B35/04GK1585857SQ0282268
公開日2005年2月23日 申請日期2002年11月15日 優先權日2001年11月15日
發明者赤澤輝行, 河原定夫, 小川信明, 長谷川寬 申請人:松下電器產業株式會社