JP2010071210A - リニア駆動圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】
可動部ユニットのピストンと圧縮部フレームのシリンダとの相対位置が経年変化しない高信頼性のリニア駆動圧縮機を提供する。
【解決手段】
圧縮部本体と可動ユニットとの接合部に位置する部品の材料と同じ材料とし、ピストンとシリンダとの間の微小隙間を調整した後に、可動ユニットと圧縮部本体の接合部をレーザ溶接で接合する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、極低温冷凍機などに用いられるリニア駆動圧縮機に関する。

従来技術のリニア駆動圧縮機の一例として、特許文献１のようなリニア駆動圧縮機が知られている。この従来技術について図を参照しつつ説明する。
図４は、従来のリニア駆動圧縮機の断面図である。図４において、リニア駆動圧縮機は、大きく３つの構成要素である圧縮部本体１１０、可動ユニット１３０、圧力ケース１５０とから構成されている。以下、各部について詳細に説明する。

圧縮部本体１１０は、中心部にシリンダ１１２が一体的に突出形成された非磁性材からなる傘状の圧縮部フレーム１１１と、シリンダ１１２の外側に被嵌された円筒状の内側継鉄１１５と、この内側継鉄１１５の外側に環状空間を介して配置された円筒状の外側継鉄１１６と、から構成されている。さらに、圧縮部本体１１０には、環状空間に磁界を形成する２個の永久磁石１１４が、外側継鉄１１６の内周面に固定される。

可動ユニット１３０は、ピストン１３１と、ピストン１３１とボビン１３２を介して連結され環状空間内に挿入された２組の可動コイル１３３と、この可動コイル１３３及びピストン１３１を往復動可能に支持する前後一対の支持ばね１３４及び１３８と、支持バネ１３４と１３８とを所定長さ離す内側スペーサ１３５および外側スペーサ１３６と、から構成されている。ピストン１３１は、シリンダ１１２に隙間（クリアランスシール）を介して挿入され、作動ガスの圧縮空間を形成している。

圧力ケース１５０は、圧縮空間に通じるガス室を形成するように底付円筒状を有し、ガス室内には作動ガス（一般にヘリウムガス）が封入されている。
シリンダ１１２とピストン１３１との芯出し精度を高くするため、圧縮部本体１１０は、例えばアルミ等の非磁性材からなる圧縮部フレーム１１１に、磁性材からなる外側継鉄１１６を例えば摩擦圧接により一体的に接合した後に、外側継鉄１１６の内周面と圧縮部本体中心部のシリンダ１１２とが同心となるように機械加工している。さらに、永久磁石１１４は、外側継鉄１１６の内周面に装着されたＣ形止め輪により軸方向に固定されている。

可動コイル１３３が巻かれたボビン１３２はピストン１３１の基部に互いの凹凸部の嵌合により結合され、円盤状の板ばねからなる支持ばね１３４，１３８はピストン１３１のロッド部に内側スペーサ１３５を挟んで嵌め込まれ、リングナット１３９により締め付け固定されている。しかして、ピストン１３１、可動コイル１３３、ボビン１３２等からなる可動ユニット１３０は、ピストン１３１を支持した支持ばね１３４，１３８に外側スペーサ１３６を挟んで外側継鉄１１６の端面に固定ボルト１２２により締め付け固定されている。なお、圧力ケース１５０は上記した組み立ての後に、外側継鉄１１６に突き合わされて全周溶接することにより固定されている。

また、圧縮部フレーム１１１の頭部には、圧縮空間に通じる接続口１１３が設けられている。このような振動圧縮機において、可動コイル１３３にリード線を介して交流励磁すると、可動コイル１３３と永久磁石１１４の磁束φとの間に生じる電磁力によりピストン１３１が往復運動し、このピストン１３１により圧縮空間で圧縮された作動ガスは接続口１１３から図示しない膨張部に供給される。

上記した構造において、ピストン１３１とシリンダ１１２とのクリアランスを数十μｍに保ち、非接触のクリアランスシールを形成するため、組み立て時にはシリンダ１１２とピストン１３１との接触を検出する検出器と可動ユニット１３０と圧縮部本体１１０とを相対的に微小移動させる微動機構とを用いて、ピストン位置をシリンダの中心位置に位置決めした後に、固定ボルト１２２にて締め付け固定している。

なお、上記従来技術においては、一のピストンを有するリニア駆動圧縮機を用いて説明したが、２つのピストンを対向配置することで容易に対向型リニア駆動圧縮機を実現できることは周知の事実である。
特開２００５−３０３２８号公報

しかし、環境温度変化、外部からの衝撃、圧縮機の発生する振動によって、外側継鉄と支持バネとの接合面にズレや塑性変形等が生ずると、固定ボルト１２２に緩みが出やすいという問題があった。
リニアモータの磁路となる部品には珪素鋼板や低炭素鋼材、リニアモータの磁路以外の構成部品にはモータ効率低下を防止するために非磁性材料、圧縮機の外部フレームには小型化・軽量化をするためにアルミ等、各部品の目的や用途に合わせて各種の材料が用いられている。一方、異なる材料の溶接は、熱膨張係数の差による歪や応力が発生するため、振動圧縮機の振動による変位が繰り返し加えられると、溶接部の変形や破断にいたる可能性も大となる。また、異なる種類の金属の場合には、強度を有する完全な溶接が難しいという問題もある。

さらに、圧縮部フレーム１１１を軽量化のためアルミニウムで形成し、可動部の支持ばね１３４，１３８をステンレスで構成している。仮に圧縮部フレームと可動部ユニットとの外径が共に７０ｍｍで、両構成部材の温度差を５５℃とし、熱膨張係数の差による伸びの差をΔＬとする。アルミニウムの熱膨張係数が２３．２×１０^−６と、ステンレスの熱膨張係数が１３．６×１０^−６とすれば、ΔＬ＝（２３．２−１３．６）×１０^−６×７０ｍｍ×５５℃＝０．０３７ｍｍが生じることとなる。両構成部材の温度差による伸びの違いによって可動ユニット１３０と圧縮部本体１１０の相対位置がずれてしまい、シリンダ１１２とピストン１３１との数十μｍのクリアランスの維持が困難になるという問題も生じる。

そこで、上記課題に鑑みて本発明では、可動部ユニットのピストンと圧縮部フレームのシリンダとの相対位置が経年変化しない高信頼性のリニア駆動圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載のリニア駆動圧縮機によれば、ピストン、円盤状のバネ部と外側リング部と内側リング部とを備え、前記ピストンを軸方向のみに移動可能とする支持バネ、前記ピストンを軸方向に駆動させるリニア駆動装置の可動子、を有する可動ユニットと、前記ピストンが微小隙間部を形成した状態で挿入されるシリンダを備え、当該微小隙間部によりクリアランスシールを形成することで前記ピストンと前記シリンダとで圧縮空間を形成し、前記圧縮空間に連通する作動ガスの接続口を備える圧縮部フレーム、前記圧縮部フレームに固定される前記リニア駆動装置の固定子、前記可動ユニットの支持バネの外側リング部と同材質で形成され、前記圧縮部フレームに一体的に固定される固定部材、を有する圧縮部本体と、底付円筒状を有する圧力ケースと、から構成され、前記外側リング部と前記固定部材とを溶接により接合し、さらに前記圧縮部本体と前記圧力ケースとを前記圧縮空間に通じるガス室を形成するように全周溶接により接合したことを特徴とする。

また、請求項２に記載のリニア駆動圧縮機によれば、請求項１に記載のリニア駆動圧縮機において、前記可動ユニットを、前記ピストンと前記シリンダとにより微小隙間部を形成した状態で固定ボルトにて前記圧縮部本体に固定した後に、さらに前記外側リング部と前記固定部材とを溶接し、前記可動ユニットと前記圧縮部本体とを接合したことを特徴とする。

また、請求項３に記載のリニア駆動圧縮機によれば、請求項１または２に記載のリニア駆動圧縮機において、前記可動ユニットは、前記ピストンと、前記可動子が固定されたボビンと、前記ピストンのピストンロッドに固定される前記ピストン先端側の前方支持バネと、前記ピストンのピストンロッドに固定される前記ピストン後端側の後方支持バネと、前記前方支持バネおよび前記後方支持バネの外側リング部との間に挟まれる外側スペーサと、を備え、前記可動子と前記前方支持バネと前記後方支持バネとを、前記ピストンロッドに固定し、前記前方支持バネと前記外側スペーサと前記後方支持バネとを、溶接により接合した可動ユニットであることを特徴とする。

また、請求項４に記載のリニア駆動圧縮機によれば、請求項３に記載のリニア駆動圧縮機において、前記可動ユニットと前記圧縮部本体の接合に際し、前記前方支持バネの外側リング部と前記圧縮部本体の固定部材とを溶接することを特徴とする。
また、請求項５に記載のリニア駆動圧縮機によれば、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリニア駆動圧縮機において、前記圧縮部フレームが、リニア駆動装置の継鉄として機能する材料で形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、圧縮部本体と可動ユニットとの接合部に位置する両部品の材料を同じ材料とし、ピストンとシリンダとの間の微小隙間を調整した後に、可動ユニットと圧縮部本体の接合部を溶接で接合したことにより、環境温度の変化や経年変化によるクリアランスの変化を無くすことができるので信頼性の高いリニア駆動圧縮機を提供することができる。

さらに、レーザ溶接の溶接代を衝撃などの外力に対抗する分だけの最小限に小さくすることができ、熱変形による影響を最小限にすることができるので、さらに信頼性の高いリニア駆動圧縮機を提供することができる。

以下に本発明の実施の形態を図１乃至３に基づいて説明する。
図１は、本発明におけるリニア駆動圧縮機の断面図である。図２は、本発明におけるリニア駆動圧縮機の可動部ユニット３０の断面図である。図３は、本発明におけるリニア駆動圧縮機の圧縮部本体１０と可動部ユニット３０とを組み立てた状態の断面図である。
本発明のリニア駆動圧縮機は、図１に示すように、圧縮部本体１０と一対の可動ユニット３０と一対の圧力ケース５０とから構成されている。また、圧縮部本体１０と可動ユニット３０とを組み立てることでリニア駆動装置２０が構成される。なお、リニア駆動圧縮機は、例えば図示しない極低温発生装置と接続して使用される。以下、各部について詳細に説明する。

図３に示すように、圧縮部本体１０は、圧縮部フレーム１１と固定部材１７と永久磁石１４とにより構成されている。圧縮部フレーム１１は、貫通孔からなるシリンダ１２と、シリンダ１２の軸の中心に垂直な面に対称であって前記シリンダ１２の軸と一致するように形成された一対の環状空間と、前記一対の環状空間に挟まれた圧縮部フレームの中央部に圧縮部フレームの外周面とシリンダの内周面とを貫通する作動ガスの接続口１３と、を有している。なお、圧縮部フレーム１１は、磁性材料で形成されている。これは、後述するが、圧縮部本体１０と可動ユニット３０を組み立てた時に、圧縮部フレーム１１をリニア駆動装置２０における内側継鉄および外側継鉄として機能させるためである。

圧縮部フレーム１１の軸方向両端面の外周部に、後述する前方支持バネ３４の外側リング部３４ｃと同材料で形成した一対の固定部材１７が、圧縮部フレーム１１に一体的に固定されている。例えば前方支持バネ３４の外周リング部３４ｃに非磁性のステンレスを用いる場合には、固定部材１７も同様に非磁性のステンレスを用いることとなる。固定方法としては、異材質であっても摩擦圧接によれば一体的に固定できる。また、同系統の材料であれば通常の溶接により一体的に固定することもできる。なお、圧縮部フレーム１１と一対の固定部材１７とを一体として固定した後に、シリンダ１２と環状空間とは同心となるように機械加工する。こうすることで、後述する圧縮部本体１０と可動ユニット３０との芯だし調整を容易に行うことができる。

永久磁石１４は、円筒形状を有し、外径は環状空間の外周面と等しく、内径は環状空間の内周面より小さく形成されている。これは、永久磁石１４の内周面と環状空間の内周面とで形成される空隙に、後述する可動コイル３３を配置し、圧縮部本体１１を固定子としてリニア駆動装置２０を構成するためである。なお、永久磁石１４の軸方向の固定は、従来技術と同様にＣ形止め輪により軸方向に固定することができる。

図２に示すように、可動ユニット３０は、ピストンヘッド部とピストンロッド部とを有するピストン３１、可動コイル３３が巻かれたボビン３２、前方支持バネ３４、内側スペーサ３５、外側スペーサ３６、後方支持バネ３８、リングナット３９、により構成されている。なお、前方支持バネ３４と後方支持バネ３８とは、フレクシャベアリングとして機能し、ピストン３１を径方向には移動できないが軸方向に移動可能なように支持している。

前方支持バネ３４と後方支持バネ３８とは、円盤状のバネ部３４ａまたは３８ａ、ピストンロッド部に挿入する孔を有するドーナツ状の内側リング部３４ｂまたは３８ｂ、後述する固定ボルト２２を通すための孔を有するドーナツ状の外側リング部３４ｃまたは３８ｃ、を有している。なお、バネ部３４ａおよび３８ａはステンレスのバネ鋼板が用いられ、各リング部３４ｂ、３４ｃ、３８ｂ、３８ｃ、は非磁性のステンレス材料が用いられることが多い。

内側スペーサ３５は、ピストンロッド部に挿入する孔を有している。外側スペーサ３６は、後述する固定ボルト２２を通すための孔を有している。内側スペーサ３５と外側スペーサ３６とは、前記各リング部と同じ材料が用いられる。後述するように各支持バネ３４，３８と外側スペーサ３６とを溶接するためである。
可動ユニット３０は、まず、ピストン３１のロッド部に、ボビン３２、前方支持バネ３４、内側スペーサ３５、後方支持バネ３８が順次挿入されると、各部品は所定の寸法精度による嵌め合いにより前記ロッド部を基準に芯出しされ、リングナット３９により締め付け固定される。次に、各支持バネの外側リング部３４ｃと３８ｃとの間に外側スペーサ３６を挟み込み、固定ボルト２２を通すための孔を略一致させる。さらに、図２に記載の基準面４０とピストン３１の軸の直角度を出し、外側スペーサ３６と前方支持バネ３４の外側リング部３４ｃと後方支持バネ３８の内側リング部３８ｃとの境界面４１を熱歪の少ない溶接、例えばレーザ溶接により接合する。これにより、可動ユニット３０は、基準面４０とピストン３１の軸の直角度を保持した状態で一体に固定される。よって、可動ユニット３０において基準面４０とピストン３１の軸の直角度がずれることがなくなる。

上記のように組み立てられた圧縮部本体１０と可動ユニット３０とを、ピストン３１とシリンダ１２とのクリアランスを数十μｍに保つように組み立て、非接触のクリアランスシールを形成する。さらに、圧縮部本体１０の環状空間の内周面と永久磁石１４の内周面との空隙に、可動コイル３３が永久磁石１４に対向するように配置され、圧縮部フレーム１１が内側継鉄および外側継鉄として機能し、リニア駆動装置２０が構成される。

具体的な組み立て手順は、シリンダ１２とピストン３１との接触を検出する検出器と、圧縮部本体１０と可動ユニット３０とを相対的に微小移動させる微動機構と有する組み立て補助装置を用い、ピストン位置をシリンダの中心位置に位置決めする。次に、固定ボルト２２にて圧縮部本体１０に可動ユニット３０を締め付け固定する。さらに、圧縮部本体１０の固定部材１７と可動ユニット３０の前方支持バネ３５の外側リング部３５ｃとの境界面２３を熱歪の少ない溶接、例えばレーザ溶接により接合する。

このように圧縮部本体１０と可動ユニット３０とを溶接により接合することで、環境温度の変化や外部振動などの外力が作用しても、ピストン３１とシリンダ１２とのクリアランスに変化が生じない。さらに、前記したように、圧縮部本体１０の固定部材１７と可動ユニット３０の前方支持バネ３５の外側リング部３５ｃとを同じ材料で構成することで熱膨張係数の差がなくなり、レーザ溶接の溶接代を衝撃などの外力に対抗する分だけの最小限に小さくすることができるため、熱変形による影響を最小限にすることができる。

圧力ケース５０は、圧縮空間に通じるガス室を形成するように底付円筒形状を有し、ガス室内には作動ガス（一般にヘリウムガス）が封入されている。なお、圧力ケース５０はリニア振動圧縮機の軽量化のために、アルミが用いられることが望ましい。そのため、圧力ケース５０は、圧縮部本体１０と可動部ユニット３０との組み立てが完了した後に、圧縮部本体１０の固定部材１７に位置決めし、境界面全周を電子ビーム溶接により密封固定される。

このような振動圧縮機において、可動コイル３３にリード線３７を介して交流励磁すると、可動コイル３３と永久磁石１４とによる電磁力によりピストン３１が往復運動し、シリンダ１２で作動ガスを圧縮し、接続口１３から図示しない膨張部に供給される。
なお、上記説明においては、一対のピストンを有する対向型リニア駆動圧縮機を用いて説明したが、一のピストンを有するリニア駆動圧縮機にも適用できることは周知の事実である。さらに、リニア駆動装置を可動コイルタイプにて説明したが、これに限定されず、可動コイル３３と永久磁石１４を置換して可動磁石タイプとしても同様の効果が得られる。

本発明の実施形態におけるリニア駆動圧縮機の断面図である。 本発明の実施形態におけるリニア駆動圧縮機の可動部ユニット３０の断面図である。 本発明の実施形態におけるリニア駆動圧縮機の圧縮部本体１０と可動部ユニット３０とを組み立てた状態の断面図である。 従来のリニア駆動圧縮機の断面図である。

符号の説明

１０ 圧縮部本体
１１ 圧縮部フレーム
１２ シリンダ
１３ 接続口
１７ 固定部材
２０ リニア駆動装置
２２ 固定ボルト
３０ 可動ユニット
３１ ピストン
３２ ボビン
３３ 可動コイル
３４ 前方支持バネ
３５ 内側スペーサ
３６ 外側スペーサ
３８ 後方支持バネ
３９ リングナット
５０ 圧力ケース

Claims (5)

1. ピストン、円盤状のバネ部と外側リング部と内側リング部とを備え、前記ピストンを軸方向のみに移動可能とする支持バネ、前記ピストンを軸方向に駆動させるリニア駆動装置の可動子、を有する可動ユニットと、
   前記ピストンが微小隙間部を形成した状態で挿入されるシリンダを備え、当該微小隙間部によりクリアランスシールを形成することで前記ピストンと前記シリンダとで圧縮空間を形成し、前記圧縮空間に連通する作動ガスの接続口を備える圧縮部フレーム、前記圧縮部フレームに固定される前記リニア駆動装置の固定子、前記可動ユニットの支持バネの外側リング部と同材質で形成され、前記圧縮部フレームに一体的に固定される固定部材、を有する圧縮部本体と、
   底付円筒状を有する圧力ケースと、
   から構成され、
   前記外側リング部と前記固定部材とを溶接により接合し、さらに前記圧縮部本体と前記圧力ケースとを前記圧縮空間に通じるガス室を形成するように全周溶接により接合したことを特徴とするリニア駆動圧縮機。
2. 前記可動ユニットを、前記ピストンと前記シリンダとにより微小隙間部を形成した状態で固定ボルトにて前記圧縮部本体に固定した後に、さらに前記外側リング部と前記固定部材とを溶接し、前記可動ユニットと前記圧縮部本体とを接合したことを特徴とする請求項１に記載のリニア駆動圧縮機。
3. 前記可動ユニットは、
   前記ピストンと、
   前記可動子が固定されたボビンと、
   前記ピストンのピストンロッドに固定される前記ピストン先端側の前方支持バネと、
   前記ピストンのピストンロッドに固定される前記ピストン後端側の後方支持バネと、
   前記前方支持バネおよび前記後方支持バネの外側リング部との間に挟まれる外側スペーサと、を備え、
   前記可動子と前記前方支持バネと前記後方支持バネとを、前記ピストンロッドに固定し、
   前記前方支持バネと前記外側スペーサと前記後方支持バネとを、溶接により接合した可動ユニットであることを特徴とする請求項１または２に記載のリニア駆動圧縮機。
4. 前記可動ユニットと前記圧縮部本体の接合に際し、
   前記前方支持バネの外側リング部と前記圧縮部本体の固定部材とを溶接することを特徴とする請求項３に記載のリニア駆動圧縮機。
5. 前記圧縮部フレームが、リニア駆動装置の継鉄として機能する材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のリニア駆動圧縮機。

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