JP6429628B2 - 共振スプリングおよび変形制御装置を有するリニア駆動ユニット - Google Patents

Description

本発明は、リニア駆動ユニット、例えば、冷凍圧縮機のリニアモータの共振スプリングの特定の変形を制御する装置であって、電気的に励起され固定構造体に取り付けられるモータハウジングと、モータハウジングの電気的励起によって往復軸方向運動で変位される磁気アーマチャとを備える装置に関する。冷凍圧縮機に適用する場合、磁気アーマチャは、一方がシリンダの内部で変位されるピストンまたは圧縮室に接続され、他方が螺旋状共振スプリングの一端に接続され、共振スプリングの反対端は前記固定構造体に取り付けられる。

本発明は、共振スプリングの半径方向の弾性変形が冷凍圧縮機のピストンとシリンダとの動作関係において発生する際に、この弾性変形が通常は協働要素の内部で駆動ユニットによって線形に往復運動で変位される要素の動作に悪影響を及ぼすのを防ぐために、リニア圧縮機または電気リニア駆動ユニットと共に動作する共振スプリングを使用する任意の他のタイプの構造に適用することができる。

螺旋状スプリングは、一般に、例えば、冷凍圧縮機のリニアモータのリニア駆動ユニットのように複数の用途で使用されている共振系内のポテンシャルエネルギーを保存するための要素として使用される。

添付図面の図１に例示されるように、通常、冷凍に使用され、リニアタイプの電気モータによって駆動される圧縮機は、ハウジング１を備える。ハウジング１は、通常、密閉式であり、懸架スプリング１１（例えば、螺旋タイプのスプリング）によってハウジング１内に取り付けられ得るクランクケース１０を含む非共振アセンブリを収容する。

クランクケース１０はシリンダ１２を内蔵し、シリンダの内部には、圧縮室１３が形成されており、圧縮室１３の一端１３ａは、通常、弁板とヘッド２５によって閉鎖され、圧縮室１３の開口他端１３ｂに、圧縮室１３の内部で往復運動するピストン２０が取り付けられる。ピストン２０は、連結手段、通常は、ロッド３０の形態の連結手段によって、リニアモータＭの磁石４０を支承する磁気アーマチャＡに連結され、リニアモータＭはさらに、固定構造体に取り付けられるモータハウジングＣで、磁気アーマチャＡを軸方向に往復運動で変位するように電気的に励起されるモータハウジングＣを備える。

冷凍圧縮機のリニア駆動ユニットの構造では、モータハウジングＣは、前記圧縮機のハウジング１に直接取り付けられてもよいし、または前記圧縮機の非共振アセンブリの構成部品のいずれか、例えば、図示されるように、非共振アセンブリのクランクケース１０に取り付けられてもよい。圧縮機のハウジング１は、この場合、モータハウジングＣを固定するための固定構造体となる。

リニアモータＭは、シリンダ１２の圧縮室１３の内部でピストン２０を変位させるのに、ひいては、ガス状の冷媒流体を圧縮するのに必要な駆動力を生成する部分である。

ピストンに、ロッド、および磁気アーマチャよって形成される可動アセンブリには、共振スプリング手段が連結される。共振スプリング手段は、通常、ピストン２０が圧縮室１３の内部で往復運動して軸方向変位する時に、ピストン２０に反対方向の軸方向の力を及ぼすように取り付けられる少なくとも１つの螺旋状共振スプリング５０を備える。共振スプリング５０は、ピストン２０の軸方向変位の案内手段として動作し、さらに圧縮機のリニアモータＭと連動して圧縮可動アセンブリを作動させる。圧縮可動アセンブリ（ピストン−ロッド−磁気アーマチャ）および共振スプリング５０は、圧縮機の共振アセンブリを形成する。

図１に例示された先行技術の構造では、共振スプリング５０は、磁気アーマチャＡの往復軸方向運動と連動して軸方向に弾性変形されるように、固定構造体に連結される一端５０ａと磁気アーマチャＡに連結される反対端５０ｂとを有する螺旋形状のスプリングである。

図示されている構造では、共振スプリング５０の端部５０ａ、５０ｂはそれぞれ、非共振アセンブリ、例えば、クランクケース１０もしくはその支持構造体と、圧縮可動アセンブリとに取り付けられる。

共振スプリングが作動することにより、主振動モードの大きな変形（軸方向弾性変形）が生じる。主振動モードは、圧縮機の動作時においてシリンダ１０内部でのピストン２０の正確な同軸位置決めを行うモードである。主振動モードでの共振スプリング５０の変形は、ピストン２０を動かすためのエネルギーを保存して回復する共振スプリング２０の能力に比例する。

所定の振動モードで共振スプリング５０が大きく変形できることが望ましいが、他の振動モードは、原則として、望ましくない。ねじれ半径方向モードは、望ましくない非軸方向のピストン２０の大きな張力および変位を引き起こす場合があり、このことが圧縮機の壊滅的な破損の原因である。

現在では、共振スプリング５０の作動によって生じる望ましくない振動モードの存在を制御するのは、プロジェクトの中で、該モード、すなわち、圧縮機動作の高調波周波数に近いモードが存在するのを防ぐことによって、また、圧縮機の動作時に、そのような共振スプリング５０の望ましくない振動モードが電気モータＭの磁気アーマチャＡの運動によって引き起こされるのを防ぐことで達成される。

しかし、可変容量（または可変動作周波数）で動作する圧縮機では、前記制御を行うのは難しい。このような圧縮機は、一定の基本周波数で動作せず、望ましくないモードを励起する可能性を助長する周波数の範囲内で動作するためである。

上記に鑑み、本発明の一般的な目的は、リニア駆動ユニット内の共振スプリング用の変形制御装置であって、単純な構造を使用して、主振動モードのエネルギーを保存するリニア駆動ユニットの有用寿命全体にわたって、共振スプリングの構造的特徴の変更を必要とせずに、共振スプリングの変形を制御して、前記変形を所定の主振動モードに限定し、望ましくない他の振動モードを最小限に抑える、さらには除去することができる変形制御装置を提供することである。

さらに、本発明の目的は、上述したような制御装置であって、前記望ましくない振動モードにより生じる共振スプリングの側方ねじれ変位を制御して最小限に抑えることができる制御装置を提供することである。

さらに、本発明の目的は、上述したような制御装置であって、冷凍圧縮機の場合に、圧縮機の有用寿命にわたって、スプリング／ピストン／シリンダのアライメントを保証して、スプリングワイヤにかかる張力を低減することができる制御装置を提供することである。

上述の目的を達成するために、本発明は、リニア駆動ユニット内の共振スプリング用の変形制御装置であって、電気的に励起され固定構造体に取り付けられるモータハウジングおよびモータハウジングの電気的励起により往復軸方向運動で変位される磁気アーマチャによって形成されるリニア電気モータと、一端が固定構造体に連結され、反対端が磁気アーマチャに連結されることで、磁気アーマチャによって往復軸方向運動で変位され弾性変形される螺旋状共振スプリングとを備えるタイプの変形制御装置を提案する。

本発明によれば、リニア駆動ユニット内の共振スプリング用の変形制御装置は、前記共振スプリングの往復軸方向運動の際に半径方向に弾性変形される共振スプリングの表面伸長部との接触を維持するように、また共振スプリングの前記表面伸長部との摩擦状態および前記変形制御装置の弾性変形状態のうちの少なくとも１つの状態を発生させて、共振スプリングの前記半径方向弾性変形を少なくとも最小限に抑えるのに十分な値のエネルギーを吸収するように、共振スプリングに取り付けられる。

本発明の特定の態様によれば、変形制御装置は、共振スプリングのワイヤ伸長部の周囲にワイヤ伸長部に沿って配設される。

本発明の構造形態によれば、変形制御装置は、共振スプリングの前記ワイヤ伸長部の周囲に直接かつ堅く取り付けられる円筒螺旋状スプリングの形態の減衰スプリングによって形成される。

本発明の別の構造形態によれば、変形制御装置は、共振スプリングの前記ワイヤ伸長部と一体的にその周囲を囲撓して、前記ワイヤ伸長部と直接接触した状態を維持する、または減衰スプリングがある場合には、減衰スプリングの周囲に配設される管状被覆材によって形成される。

本発明の実施形態の例として示した添付図面を参照しながら、本発明について後述する。

本発明の制御装置を備えない先行技術の構造の圧縮機で、リニアモータによって駆動され、圧縮可動アセンブリおよび非共振アセンブリの部品に取り付けられる共振スプリングを有する圧縮機の簡略化した長手方向概略断面図である。 図１に示されているようなリニア駆動ユニットの共振スプリングであるが、エラストマー製の管状被覆材によって形成された変形制御装置を有する共振スプリングの一部を概略的に示した拡大斜視図である。 図１に示されているようなリニア駆動ユニットの共振スプリングであるが、ストリップで形成された減衰スプリングによって形成された変形制御装置を有する共振スプリングの一部を概略的に示した拡大斜視図である。 図１に示されているようなリニア駆動ユニットの共振スプリングであるが、円筒状ワイヤで形成された減衰スプリングによって形成された変形制御装置を有する共振スプリングの一部を概略的に示した拡大斜視図である。 図４に示されている共振スプリングのコイルで、円筒状ワイヤで形成された減衰スプリングを有し、熱収縮可能な管状被覆材で囲撓されたコイルの概略断面図である。 図４に示されている共振スプリングで、熱収縮可能な管状被覆材で囲撓された円筒状ワイヤで形成された減衰スプリングを有する共振スプリングの概略長手方向部分断面図である。 共振スプリングの表面伸長部に適用される変形制御装置の可能な構造形態の斜視図である。 図７の変形制御装置および共振スプリングの断面図であり、共振スプリングに対して変形制御装置を取り付ける前の状態を示した断面図である。 図７の変形制御装置および共振スプリングの断面図であり、共振スプリングに対して変形制御装置を最終的に取り付けた状態を示した断面図である。 本解決策の制御装置を使用して得られた振動減衰を周波数単位で概略的に示したグラフである。

本発明は、任意のリニア駆動ユニットに適用できる共振スプリング用変形制御装置であって、電気的に励起され固定構造体１に取り付けられるモータハウジングＣおよびモータハウジングＣの電気的励起により往復軸方向運動で変位される磁気アーマチャＡによって形成されるリニア電気モータＭと、スプリングワイヤの一端５０ａが固定構造体１に連結され、反対端５０ｂが磁気アーマチャＡに連結されることで、圧縮機の動作時に、磁気アーマチャＡによって軸方向に往復運動して変位される螺旋状共振スプリング５０とを備えるタイプの変形制御装置を備える。

リニアモータＭによって駆動されるタイプの冷凍圧縮機のような特定の形態のリニア駆動ユニットを考えて、本発明を説明する。当然、図１に示し、本明細書の序文で説明したリニア駆動ユニットは冷凍圧縮機を例として挙げているが、本明細書で示される概念は、本明細書で定義される基本的特徴を有する任意のリニア駆動ユニットに適用できる。冷凍圧縮機に適用するには、固定構造体１は、前記圧縮機のハウジング１ａで形成される。

本発明は、上述のタイプの共振スプリング５０の変形を制限するための変形制御装置６０を提案する。

図１の圧縮機の構造は、すでに説明した先行技術を示しており、共振スプリング５０の動作により生じる望ましくない振動モードを減衰できるものではない。

本発明の変形制御装置６０は、磁気アーマチャＡの往復軸方向運動時に半径方向弾性変形を受ける共振スプリング５０のワイヤの表面伸長部と接触するように、共振スプリング５０に取り付けられる。

変形制御装置６０は、共振スプリングの軸方向弾性変形時に、変形制御装置６０と共振スプリング５０との間に摩擦力が発生する動作状態および／または変形制御装置６０の弾性変形力が発生する動作状態のうちの少なくとも１つを発生させるように、構成され、共振スプリング５０に取り付けられる。前記動作状態は、共振スプリング５０の望ましくない半径方向弾性変形を最小限に抑える、さらには除去するのに十分な値のエネルギーを吸収する。

本発明により、構造的減衰を追加することによって共振スプリング５０の所定点の変形を制御することができる。適用する点は、望ましくない（弊害をもたらす）と考えられる構造モードを観察して、また基本モード（弾性軸方向変形）の変形エネルギーを保存することで選択されなければならない。

本解決策の変形制御装置６０は、共振スプリング５０の側方ねじれ変位を制御して、スプリング／ピストン／シリンダのアライメントを保証して、前記共振スプリング５０を形成するワイヤにかかる張力を低減する。

本発明を実施する方法では、変形制御装置６０は、共振スプリング５０のワイヤ伸長部の周囲にワイヤ伸長部に沿って配設されるタイプの装置であり、前記変形制御装置６０は、例えば、共振スプリング５０の所定のワイヤ伸長部と一体的にその周囲を囲撓する管状被覆材である。この解決策の主な利点は、スプリングワイヤの周囲に管状被覆材を取り付けやすいという点である。

この解決策の概念によれば、共振スプリング６０の制御装置は、例えば、望ましくない半径方向変形またはねじれ変形を受ける共振スプリング５０の１つまたは複数のワイヤ伸長部上で直接加硫処理されるゴムのようなエラストマーで形成された管状被覆材６１としてもよい（図２）。

別の構造の選択肢としては、図示されていないが、管状被覆材６１は、プラスチック材料製、例えば、熱収縮性プラスチック材料製とすることができる。この場合も、取り付けは容易であり、被覆材がスプリングの所望の部分に取り付けられ、その後、加熱され、加熱された材料の直径が縮小されて、ワイヤにしっかりと取り付けられた状態で維持される。

本発明を実施する別の方法によれば、図３、図４、図５、および図６に示されるように、変形制御装置６０は、共振スプリング５０の１つまたは複数のワイヤ伸長部に沿って螺旋状に伸びるように配設されて、共振スプリング５０と直接接触した状態を維持する。

この構造の特定の形態では、変形制御装置６０は、共振スプリング５０の所定のワイヤ伸長部に沿って螺旋状に伸びるように配設される減衰スプリング６２によって形成される。この解決策を使用した場合の利点は、低コストであるという点である。

この構造の概念によれば、変形制御装置６０は、図３および図４にそれぞれ示されるように、金属材料または合成材料製のストリップ６２ａまたは円筒状ロッド６２ｂで形成された螺旋状スプリングの形態を取ることができ、共振スプリング５０の前記ワイヤ伸長部の周囲に直接かつ堅く螺旋状に取り付けられる。このタイプの螺旋ストリップも同様に、得やすく、低コストであり、さらに、共振スプリングのワイヤ部分と接触する面積がより大きくなる。

図５および図６に示されるように、変形制御装置６０は、共振スプリング５０のワイヤの周囲に直接かつ堅く螺旋状に取り付けられる減衰スプリング６２と、減衰スプリング６２に取り付けられる管状被覆材６１であって、上述したように加硫処理ゴムまたは熱収縮性プラスチックのような異なる材料で作られる管状被覆材６１を同時に備えて、変形制御装置の効果を高めるようにしてもよい。

管状被覆材６１は、共振スプリング５０のワイヤだけでなく減衰スプリング６２全体も囲撓して、さらに減衰スプリング６２と共振スプリング５０のワイヤとを接触させることにより、共振スプリング５０の任意の望ましくない半径方向変形またはねじれ変形が変形制御装置６０に伝達され、変形制御装置６０が共振スプリング５０の前記望ましくない変形を発生させるエネルギーを少なくとも部分的に吸収するのに必要な前記摩擦状態または変形状態のうちの少なくとも１つの状態を発生させる。

減衰スプリング６２とプラスチック材料（熱収縮性）製の管状被覆材６１とを備える前記構造の選択肢の変形制御装置６０では、さらに、管状被覆材６１により減衰スプリング６２を共振スプリング５０の周囲により堅く取り付けることができるので、相互摩擦によって、または変形制御装置６０の変形によって、変形制御装置６０で共振スプリング５０の変形エネルギーをより吸収することができる。

本発明によれば、変形制御装置の好適な構造形態は、加硫プロセスによりスプリングに取り付けられるエラストマー材料製の管状被覆材で形成されるタイプの形態である。それは、このタイプの構造が最も実用的であり、この構造の場合、エラストマー材料の供給業者によってエラストマー材料が共振スプリング５０にすでに取り付けられて加硫処理された状態で共振スプリング５０を供給することができるためである。

変形制御装置６０は、共振スプリング５０からエネルギーを吸収し、前記エネルギーを変形制御装置６０が取り付けられている環境に散逸される熱に変換する。吸収されるエネルギーは、基本モード以外の特定の振動モードによって生じるエネルギーであり、この特定のモードは、ピストン２０のシリンダ１０内部での所望の同軸上の動作に不利に作用するモードである。

変形制御装置６０は共振スプリング５０の望ましくない変位がより起こりやすい特定の領域に取り付けられてもよいが、共振スプリング５０の伸長部全体に取り付けるのは、前記共振スプリング５０の主変位に悪影響を及ぼすことに留意されたい。

変形制御装置６０が減衰スプリング６２である場合、共振スプリング５０に沿って長手方向変位に逆らって取り付けられなければならない。この場合、可撓性材料の基部に接着剤を塗布することで固定することができる。

例えば、鋼製（ワイヤまたはストリップの形態）の減衰スプリング６２の場合、共振スプリング５０の変形時に、共振スプリング５０の回転に減衰スプリング６２の材料が追随せず、一方の要素と他方の要素との間のこの回転差により、前記要素の対向する隣接面間で相対運動が生じて、この相対運動が前記隣接面間の摩擦および熱を発生させることにより、システムからエネルギーを取り出して、共振スプリング５０の望ましくない変形を妨げる。

変形制御装置６０が管状被覆材６１の形態を取る場合、この追加の要素が自身の構造を変形させることで共振スプリング５０からエネルギーを吸収する。

本発明の別の構造形態によれば、図７に示されるように、変形制御装置６０は、共振スプリング５０の前記表面伸長部の周囲輪郭の一部を囲撓して前記表面伸長部と直接接触した状態を維持する半管状被覆材６３によって形成される。半管状被覆材６３は、互いに離間して接続される複数の半環状セグメント６３ａにより、一体部品として形成される。

図７に示されている構造では、半環状セグメント６３ａは、互いに平行に離間して配置され、さらに両端で、小さい長手方向セグメント６３ｂによって、連続して交互に相互接続される。当然、半環状セグメント６３ａは、中央長手方向セグメントによって相互接続されてもよい。添付図面には示されていないが、半環状セグメント６３ａは、互いに平行でなくてもよいことは理解されたい。前記半環状セグメント６３ａは、交互に端部で長手方向セグメントを使用して相互接続されてもよいし、または中央長手方向セグメントを使用して相互接続されてもよいし、または交互に端部で直接相互接続されてもよい。

図７Ａおよび図７Ｂに示され得るように、半環状セグメント６３ａの周囲伸長部は、共振スプリング５０のワイヤの周囲輪郭より若干上にあり、そのことにより半管状被覆材６３を共振スプリング５０のワイヤに容易に取り付けることができると同時に、共振スプリング５０上で半管状被覆材６３を確実に保持することができる。

上述の解決策のいずれも、半管状被覆材６３は、共振スプリング５０の表面伸長部に直接取り付けられる場合には、プラスチック材料または熱可塑性材料で形成されるのが好ましく、前記プラスチック材料は熱収縮性のタイプの材料とすることができる。

上述したように、半管状被覆材６３は、共振スプリング５０の開口端から共振スプリング５０のワイヤに沿って取り付けなくても、弾性変形させることによって共振スプリング５０に容易に取り付けることができる。半管状被覆材６３の場合、半環状セグメント６３ａの弾性変形によって、スプリングの表面に取り付けることができる。

半管状被覆材６３は、金属材料、プラスチック材料、または熱可塑性材料のワイヤまたはストリップで形成することができることに留意されたい。

当然、本明細書で説明した本発明の異なる構造の変形形態を特定の構造として、または部分的にあるいは全体的に互いに組み合わせて示すことも可能である。

本明細書では、本装置のいくつかの構造の変形形態を示したが、本開示と共に提出される請求項で定義されている本発明の概念から逸脱せずに、提案した技術的解決策の構成要素の形態および配置の変更が加えられてもよいことは理解されたい。

Claims (10)

1. リニア駆動ユニット内の共振スプリング用変形制御装置にして、
   電気的に励起され固定構造体（１）に取り付けられるモータハウジング（Ｃ）およびモータハウジングの電気的励起により往復軸方向運動で変位される磁気アーマチャ（Ａ）によって形成されるリニア電気モータ（Ｍ）と、
   一端が固定構造体（１）に連結され、反対端が磁気アーマチャ（Ａ）に連結されることで、磁気アーマチャ（Ａ）によって往復軸方向運動して変位されて弾性変形される螺旋状共振スプリング（５０）と
   を備えるタイプの変形制御装置であって、
   前記変形制御装置（６０）は、前記共振スプリング（５０）の往復軸方向運動時に半径方向に弾性変形される共振スプリング（５０）の表面伸長部と接触した状態を維持するように、また、共振スプリング（５０）の前記表面伸長部との摩擦状態および前記変形制御装置（６０）の弾性変形状態の少なくとも１つの状態を発生するように、共振スプリング（５０）に取り付けられ、共振スプリングの前記半径方向弾性変形を妨げるようにエネルギーを吸収し、
   前記変形制御装置（６０）が共振スプリング（５０）の前記表面伸長部の周囲輪郭の一部を囲撓して前記表面伸長部と直接接触した状態を維持する半管状被覆材（６３）であって、互いに離間して接続される複数の半環状セグメント６３ａにより一体部品として形成される半管状被覆材（６３）により形成されることを特徴とする、変形制御装置。
2. 半管状被覆材（６３）により形成された前記変形制御装置（６０）が共振スプリング（５０）のワイヤ伸長部の周囲にワイヤ伸長部に沿って配設されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 半管状被覆材（６３）により形成された前記変形制御装置（６０）が共振スプリング（５０）の前記ワイヤ伸長部と一体的にその周囲を囲撓して、前記ワイヤ伸長部と直接接触した状態を維持する管状被覆材（６１）をさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 管状被覆材（６１）が、共振スプリング（５０）の前記ワイヤ伸長部上で直接加硫処理されるゴムで形成されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 管状被覆材（６１）が、共振スプリング（５０）の前記ワイヤ伸長部上に直接取り付けられるプラスチック材料で形成されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
6. 管状被覆材（６１）が、熱収縮性プラスチック材料で形成されることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 半管状被覆材（６３）により形成された前記変形制御装置（６０）が共振スプリング（５０）と直接接触した状態を維持することを特徴とする、請求項２に記載の装置。
8. 半環状セグメント（６３ａ）が、両端で連続して交互に相互接続されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
9. 半環状セグメント（６３ａ）が、互いに平行に、小さい長手方向セグメント（６３ｂ）によって相互接続されることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 半管状被覆材（６３）が、共振スプリング（５０）の前記表面伸長部に直接取り付けられる金属製ストリップ、金属ワイヤ、プラスチック材料、熱可塑性材料、および熱収縮性プラスチック材料で形成される材料のうちの１つで形成されることを特徴とする、請求項１、請求項８、または請求項９のうちのいずれか一項に記載の装置。

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