JP2006161735A - 振動型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【目的】ピストンの推力および作動ストロークの両方の増大に対応できる、高信頼性で低振動の振動型圧縮機を提供する。
【構成】ピストン３の軸を、ピストン３の運動方向に垂直な方向の剛性が高くピストン３の運動方向の剛性が低い第1の支持ばね71と、前記の両剛性が逆傾向である第２の支持ばね72とで支持する。第1の支持ばね71は、ピストン３およびコイル23、ボビン24の質量による先端の下方向への傾きを抑制するためにピストン３の中央部に位置決め用リング81で位置決めされてヨーク21に固定され、第２の支持ばね72は、ピストン３の終端近くに位置決め用リング82で位置決めされて固定されている。第1の支持ばね71を複数にすることも、第２の支持ばね72をコイルばねに置き換えることも有効である。
【選択図】 図１

Description

この発明は、極低温冷凍機等に用いられる振動型圧縮機に関する。

極低温冷凍機の振動型圧縮機の従来例としては、特許文献１において「リニアモータ駆動式圧縮機」として、図1にしたがって段落「００１２」から段落「００１７」に開示されているものがある。
振動型圧縮機は、振動型モータ（リニアモータ）が発生する推力でピストンを駆動して作動ガスを圧縮するものである。その一形式として、ピストン軸を板ばね（フレクシャ・ベアリング）によって支持し、シリンダとピストンとの間にクリアランスシールと呼ばれる微小間隙を保持して、シリンダとピストンを非接触状態において運転するタイプの振動型圧縮機がある。
ピストンの支持機構である板ばねとしては、一般的に、特許文献１にも示されているようなスパイラル状のスリットを有する同一形状の板ばねが複数枚積層されて使用されている。このスパイラル形の板ばねは、ピストン軸の径方向（ピストンの運動方向に垂直な方向）の剛性が高く、軸方向（ピストンの運動方向）には柔軟であるので、ピストンを安定して支持するとともに、ピストンを軸方向へは容易に移動させる。また、両方向の剛性を決定するスリット形状は多種多様に形成できるので、この板ばねは、汎用性が高く、多く利用されている。
特開平10−184544号公報

ところが、上記のような特長を有する板ばねを振動型圧縮機に使用する場合には、以下のような問題点が発生する。
ピストンの推力および作動ストロークを大きくするためには、必然的にピストンを含む可動部の質量が増加し、板ばねへの負荷が増大するので、ピストンの径方向の剛性を高めることが必要となる。ばね径一定の条件において検討すると、ピストンの径方向の剛性を高めるためには、板厚を厚くしたり、スリットの長さを短くしたりすることが必要となるが、これらの状況は作動ストロークを小さくさせるものである。このように、同一形状のスパイラル形の板ばねを積層してピストンの支持部材として用いる場合には、ピストンの推力の増大と作動ストロークの増大とを両立させることは困難である。
また、スパイラル形の板ばねは、ピストン軸方向への変位を与えられると、捻れ力を発生し、これが振動発生の要因となるという問題ももっている。

この発明の課題は、上記の問題点を解消して、ピストンの推力および作動ストロークの両方の増大に対応できる、高信頼性で低振動の振動型圧縮機を提供することである。

請求項１の発明は、シリンダと、可動部であるピストンと、ピストンの駆動部と、ピストンをシリンダ内にクリアランスシールの状態で保持し且つ往復運動を可能にする支持機構と、を備えた振動型圧縮機であって、前記支持機構として、剛性の異なる2種類以上のばねを備えている。
支持機構として剛性の異なる2種類以上のばねを備えることによって、主にピストンの推力を増大させるためのばねと、主に作動ストロークを増大させるためのばねとを備えることが可能になる。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記の剛性の異なる2種類以上のばねの内の一部のばねを、前記ピストンの運動方向に垂直な方向の剛性を残りのばねの同方向の剛性より高くし且つピストンの運動方向の剛性を残りのばねの同方向の剛性より低くした支持用ばねとし、残りのばねを、ピストンの運動方向の剛性を残りのばねの同方向の剛性より高くし且つピストンの運動方向に垂直な方向の剛性を残りのばねの同方向の剛性より低くした共振用ばねとしている。

剛性の異なる2種類以上のばねを支持用ばねおよび共振用ばねとしてそれぞれに機能を分担させることで、ピストンの推力および作動ストロークの両方を増大させることが可能になる。
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記支持用ばねを複数のばねで構成し、これらを前記ピストンの軸の少なくとも2箇所に配置している。
複数の支持用ばねがピストン軸を少なくとも2箇所で支持するので、重心が偏っている可動部や質量の大きな可動部に対しても、ピストン先端の倒れを抑制することができ、クリアランスシールを確保することが容易になる。
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記の剛性の異なる2種類以上のばねの内の一部または全部を一体化した部材としている。

一体化した部材とすることで装置の組立を容易にすることができる。

請求項１の発明においては、支持機構として剛性の異なる2種類以上のばねを備えることによって、主にピストンの推力を増大させるためのばねと主に作動ストロークを増大させるためのばねとを備えることが可能になる。したがって、この発明によれば、ピストンの推力および作動ストロークの両方の増大に対応できる振動型圧縮機を提供することができる。
請求項２の発明においては、剛性の異なる2種類以上のばねを支持用ばねおよび共振用ばねとしてそれぞれに機能を分担させることで、ピストンの推力および作動ストロークの両方を増大させることが可能になる。したがって、この発明によれば、ピストンの推力および作動ストロークの両方の増大に対応できる振動型圧縮機を確実に提供することができる。

請求項３の発明においては、ピストン軸を少なくとも2箇所で支持するので、重心が偏っている可動部や質量の大きな可動部に対しても、ピストン先端の倒れを抑制することができ、クリアランスシールを確保することが容易になる。したがって、この発明によれば、ピストンの推力および作動ストロークの両方の増大に対応できる、高信頼性で低振動の振動型圧縮機を確実に提供することができる。
請求項４の発明においては、剛性の異なる2種類以上のばねの内の一部または全部を一体化した部材としているので、装置の組立が容易になる。

この発明による振動型圧縮機の実施の形態について、実施例を用いて説明する。

図１は、この発明の実施例1の構成を示す断面図である。
この実施例１の振動型圧縮機10は、ケース１とリニアモータ２とピストン３と2つの支持ばね71および72等とで構成されている。リニアモータ２は、可動部であるピストン３の駆動部であって、ヨーク21とこれに固定された磁石22とコイル23とこれを保持しピストン３に結合されているボビン24とで構成されており、ピストン３は、中間部を第1の支持ばね71によって支持され、端部を第２の支持ばね72によって支持されている。第1の支持ばね71は位置決め用リング81に位置決めされ、第２の支持ばね72は位置決め用リング82に位置決めされてヨーク21に固定されている。ヨーク21の中心位置には、ピストン３が挿入されるシリンダ４が形成されている。2つの支持ばね71および72によって支持されているピストン３とシリンダ４との間には微小な間隙が保たれて、非接触のクリアランスシールが構成されている。ヨーク21の両サイドはケース１で覆われており、膨張部への開口部を除く外周部は密閉構造になっている。

図1においては区別が付けられないが、第1の支持ばね71および第２の支持ばね72は、異なる剛性をもつように製作されている。第1の支持ばね71は、ピストン３の運動方向に垂直な方向の剛性を高くしてあって、ピストン３とコイル23とボビン24の質量によるピストン３の先端の下方への傾きや全体の沈み込みを抑制し、且つピストン３の運動方向の剛性を小さくしてあって、十分な作動ストロークを確保できる。第２の支持ばね72は、ピストンの往復運動が共振運動になるように、ピストン３の運動方向の剛性を調整されている。すなわち、第２の支持ばね72のピストン軸方向の剛性は、可動部の質量と運転周波数と作動ガスの圧力振幅とピストン３の作動ストロークと両者の位相差とによって算出される共振点から決定される。
第1の支持ばね71の例としては、図5の（ｂ）に示したストレート形を上げることができ、第２の支持ばね72の例としては、同図（ａ）のスパイラル形や同図（ｃ）のアーム形を上げることができる。

なお、振動型圧縮機においては、共振運転させることで電力（電気エネルギー）から圧縮仕事（力学的エネルギー）へのエネルギーの変換効率が最も高くなること、がよく知られている。
以上のように、この実施例においては、ピストン３の支持機構として、クリアランスシールを確保するための支持用ばねとしての第1の支持ばね71と、共振運転を可能とさせるための共振用ばねとしての第２の支持ばね72とを併用し、ばねの役割を分担させることによって設計を容易にし、信頼性の高い振動型圧縮機を実現することができた。
この実施例は、振動を抑えるために一対のピストン３を対向して配置した対向型であり、コイル23を移動させる可動コイル型であり、且つリニアモータ２の片側に支持ばねを配置した片支持型であるが、この発明は、ピストンが1つの場合にも、可動磁石型や可動鉄片型の場合にも、モータ部の両側に支持ばねを配置した場合にも有効である。

また、板ばねの形状としては、図5に示した3つの種類に加えて、これらを組み合わせたもの、例えばスパイラル形とストレート形の併用、を採用することも有効である。スパイラル形にストレート形を併用すると、「発明が解決しようとする課題」の項で言及したスパイラル形の捻れ力に伴う振動発生を抑制することができる。

図２は、この発明の実施例２の構成を示す断面図である。
この実施例の振動型圧縮機10aは、共振用ばねとして、実施例１における板ばねをコイルばね72aに置き換えたものである。
板ばねは動作ストローク量に対してばね定数が非線形になり易いので、実施例１における板ばねをより線形性の高いコイルばねに置き換えることによって、動作ストローク量に対するばね定数の直線性を改善したものである。これにより、より良い共振状態を実現することができた。

図３は、この発明の実施例３の構成を示す断面図である。
この実施例の振動型圧縮機10bは、実施例１では1つであった支持用ばね（第1の支持ばね71）を2つの板ばね71aに分割し、それらを離して配置したものである。
このようにすることによってピストン３の運動方向に垂直方向の変位の抑制力を強化することができるので、可動部質量の大きなものや片支持型のような重心の偏ったものでも安定して支持することができ、高い信頼性を確保することができる。
共振用の第２の支持ばね72は、2つの板ばね71aの中間に配置されているが、このようにすることよって装置を小型化できる。

図４は、この発明の実施例４の支持ばねの構成を示す断面図である。
この実施例は、複数の板ばねを予め一体化させておくことによって、組立工程を容易にするものである。
この実施例では、実施例３の2つの第１の支持ばね71aとその間の第２の支持ばね72とが、それぞれの間隔を確保された状態で外周部を固定する複数の固定用リング91と中央部を固定する複数の固定用リング92とで一体化されている。これらの結合方法としては、溶接やカシメ等がある。このように複数の板ばねを予め一体化しておくことによって、振動型圧縮機としての最終組立が容易になり、組立工数を減らすことができる。

この発明による振動型圧縮機の実施例1の構成を示す断面図 この発明による振動型圧縮機の実施例２の構成を示す断面図 この発明による振動型圧縮機の実施例３の構成を示す断面図 この発明による振動型圧縮機の実施例４の支持ばねの構成を示す断面図 支持ばねのパターン例を示し、（ａ）はスパイラル形の平面図、（ｂ）はストレート形の平面図、（ｃ）はアーム形の平面図

符号の説明

１ ケース
２ リニアモータ
21 ヨーク 22 磁石
23 コイル 24 ボビン
３、3a ピストン
４ シリンダ
５ 作動ガス流路
６ クリアランスシール
71、71a 第1の支持ばね 72、72a 第1の支持ばね
81、82、83 位置決め用リング
91、92 固定用リング
10、10a、10b 振動型圧縮機

Claims (4)

1. シリンダと、可動部であるピストンと、ピストンの駆動部と、ピストンをシリンダ内にクリアランスシールの状態で保持し且つピストンの往復運動を可能にする支持機構と、を備えた振動型圧縮機であって、
   前記支持機構として、剛性の異なる2種類以上のばねを備えている、
   ことを特徴とする振動型圧縮機。
2. 前記の剛性の異なる2種類以上のばねの内の一部のばねを、前記ピストンの運動方向に垂直な方向の剛性を残りのばねの同方向の剛性より高くし且つピストンの運動方向の剛性を残りのばねの同方向の剛性より低くした支持用ばねとし、
   残りのばねを、ピストンの運動方向の剛性を前記一部のばねの同方向の剛性より高くし且つピストンの運動方向に垂直な方向の剛性を残りのばねの同方向の剛性より低くした共振用ばねとしている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動型圧縮機。
3. 前記支持用ばねを複数のばねで構成し、これらを前記ピストンの軸の少なくとも2箇所に配置している、
   ことを特徴とする請求項２に記載の振動型圧縮機。
4. 前記の剛性の異なる2種類以上のばねのうちの一部または全部を一体化した部材としている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動型圧縮機。

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