JP6833881B2 - 往復運動機関 - Google Patents

Description

本発明は、スターリングサイクル機関等、シリンダ内で往復動するピストンを内部に有する往復運動機関に関するものである。

従来、この種の往復運動機関としては、シリンダを兼ねるケーシングと、前記シリンダ内を一方向に往復動可能なピストンと、このピストンの動作を電気的に制御する制御回路とを有し、前記ケーシング内の振動センサを設けた、往復運動機関としての往復動式膨張機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このような往復動式膨張機では、シリンダ端部の内壁とピストンとの衝突度合を前記振動センサによって検知し、この検知結果によって流量調整弁を調整して圧縮機を制御することで、衝突音及び振動を小さくすることができる。

特開平１−１３７１６１号公報

しかしながら、このような構造では、前記振動センサは、膨張機の中間圧室の外側端面に取り付けられる。このため、前記膨張機が圧力容器であった場合、前記膨張機における前記振動センサの取付位置において、作動ガスが漏れたり破損したりする虞があった。

本発明は以上の問題点を解決し、信頼性の高い往復運動機関を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の往復運動機関は、ケーシングと、このケーシング内に設けられたシリンダと、このシリンダ内をその中心軸線と平行な一方向に往復動可能なピストンと、このピストンの動作を電気的に制御する制御回路と、前記ケーシングにおける一方向一端側に接続部を介して設けられる制振ユニットとを有する往復運動機関において、前記接続部に、平板状の基板取付部と腕部とを有して構成される取付体の前記腕部が取り付けられ、前記ピストンの往復動による前記一方向の振動を検知して前記制御回路に送る振動検出手段が設けられ、この振動検出手段が前記一方向と平行な前記基板取付部に取り付けられ、前記接続部における前記一方向と直交する方向の寸法が、前記ケーシング又は制振ユニットにおける前記一方向と直交する方向の寸法よりも小さく形成されると共に、前記中心軸線から前記取付体の外端までの距離が、前記中心軸線から前記ケーシングの胴部或いは前記制振ユニットの外端までの距離よりも小さいものである。

また、本発明の請求項２に記載の往復運動機関は、請求項１において、前記振動検出手段が前記基板取付部の内面側に取り付けられるものである。

また、本発明の請求項３に記載の往復運動機関は、請求項１において、前記振動検出手段に加速度センサが用いられるものである。

更に、本発明の請求項４に記載の往復運動機関は、請求項３において、前記加速度センサの素子が、複数の検出軸の方向に異なる寸法を有すると共に、前記加速度センサの素子における最も小さい検出軸方向寸法と一致する検出軸を前記一方向と直交させたものである。

本発明の請求項１に記載の往復運動機関は、以上のように構成することにより、前記振動検出手段の取り付けが前記ケーシングに悪影響を与えることがなく、信頼性の高い往復運動機関とすることができる。また、前記振動検出手段が前記往復運動機関の大きさに与える影響を少なくすることができる。

なお、前記振動検出手段が前記基板取付部の内面側に取り付けられることにより、前記振動検出手段に何かが当たって破損する虞を低減することができる。

また、前記振動検出手段に加速度センサが用いられることにより、検出された加速度の大小に基づいてピストンの振幅を判断し、このピストンの振幅を制御することができる。

更に、前記加速度センサの素子が、複数の検出軸の方向に異なる寸法を有すると共に、前記加速度センサの素子における最も小さい検出軸方向寸法と一致する検出軸を前記一方向と直交させたことで、検出信号が鈍らないようにして、振動検出の反応性の悪化を抑制して、精度良くピストンの動作を制御することができる。

本発明の一実施形態を示す往復運動機関としてのスターリング冷凍機の外観図である。 同、縦断面図である。 同、一部を断面とした要部の拡大図である。 同、振動検出手段に用いられる加速度センサの斜視図である。 同、振動検出手段の斜視図である。 同、電気回路のブロック図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図５に基づいて説明する。１は本発明の往復運動機関としてのスターリング冷凍機である。このスターリング冷凍機１は、金属製のケーシング２を有する。このケーシング２は、小径円筒状に形成された円筒部３と、大径円筒状の胴部４を有して形成される。そして、前記円筒部３は、閉塞された先端部５と基部６とを有する。

前記円筒部３の内部には、前記胴部４の内部まで延びるシリンダ７が、前記円筒部３に対して同軸的に挿入されて設けられる。即ち、前記シリンダ７の中心軸線Ａは、前記円筒部３の中心軸線Ａと一致する。そして、前記シリンダ７の先端側の内側には、ディスプレイサー８が、前記中心軸線Ａと平行な一方向である往復動方向Ｒに摺動可能に収容される。更に、前記胴部４内において、前記シリンダ７の基部側の内側には、ピストン９が中心軸線Ａ方向と平行な一方向である往復動方向Ｒに摺動可能に収容される。そして、このピストン９の基端部は、駆動機構１０に対して同軸的に連結される。なお、この駆動機構１０は、前記ピストン９の基端に接続されて前記シリンダ７の基端側の外周に同軸状に延設された短筒状の枠１１と、この枠１１の一端に固定された円筒状の永久磁石１２と、この永久磁石１２の外周に近接して設けられた環状の電磁コイル１３と、この電磁コイル１３が巻かれるように設けられたコア１４と、前記永久磁石１２の内周に近接して設けられた導磁部１５とで構成される。

なお、図１における２０は、前記ケーシング２の胴部４の端部に設けられた制振ユニットである。この制振ユニット２０は、前記シリンダ７の中心軸線Ａと同軸となるように、前記胴部４の端部に固定された第一接続部２１及びこの第一接続部２１に接続された第二接続部２２を介して取り付けられる。即ち、これら第一接続部２１と第二接続部２２によって、前記制振ユニット２０を前記ケーシング２に固定するための接続部が構成される。また、前記制振ユニット２０は、前記中心軸線Ａと同軸状に、板バネ２５とバランスウエイト２６が重なるように配置される。

前記第一接続部２１は、短円筒状に形成される。また、前記第二接続部２２は、短円筒状部位２３と円錐状部位２４を有する。そして、前記制振ユニット２０は、前記第二接続部２２の円錐状部位２４の頂点部分に、ビス等を用いて接続される。なお、前記第二接続部２２は、前記第一接続部２１に対し、ビス等を用いて固定される。そして、前記第二接続部２２の直径Ｄ１は、前記胴部４の直径Ｄ２及び前記制振ユニット２０の直径Ｄ３よりも小さい。

前記第二接続部２２の短円筒状部位２３には、取付体３０が固定される。この取付体３０は、金属により形成されると共に、平板状の基板取付部３１と、一対の腕部３２とを有する。この一対の腕部３２を前記第二接続部２２に固定することで、前記取付体３０が前記第二接続部２２に取り付けられる。なお、図示しないが、前記腕部３２は前記第二接続部２２に対し、ビス等で固定される。そして、前記基板取付部３１の内面側には、振動検出手段としての振動検出基板３３が固定される。このように、この振動検出基板３３が前記基板取付部３１の内面側に固定されることで、前記振動検出基板３３に何かが当たって破損する虞を低減することができる。更に、前記振動検出基板３３には、加速度センサ３４が実装される。この加速度センサ３４は、検出軸Ｘ，Ｙ，Ｚを有する三軸型である。

この加速度センサ３４について詳述する。この加速度センサ３４は、素子３６とパッケージ３７とを有して構成される。なお、前記素子３６は、前記パッケージ３７内に設けられる。そして、図４に示すように、前記素子３６は、検出軸Ｘ，Ｙ方向の寸法に比べて、検出軸Ｚ方向の寸法が小さく構成される。このため、前記素子３６は、検出軸Ｘ，Ｙ方向に比べて、検出軸Ｚ方向に撓み易い。また、前記パッケージ３７は、図４に示すように、検出軸Ｘ，Ｙ方向の寸法に比べて、検出軸Ｚ方向の寸法が小さい直方体状に形成される。即ち、前記素子３６の短寸方向と前記パッケージ３７の短寸方向は一致する。そして、図５に示すように、前記振動検出基板３３は、前記加速度センサ３４の短寸方向である検出軸Ｚ方向が、一軸方向である前記ディスプレイサー８及びピストン９の往復動方向Ｒと直交するように、前記取付体３０に取り付けられる。なお、前記ディスプレイサー８及びピストン９の往復動方向Ｒが振動の方向であり、前記中心軸線Ａと平行である。そして、本例では、検出軸Ｙが前記往復動方向Ｒと平行になるようにされる。なお、検出軸Ｘが前記往復動方向Ｒと平行になるようにしても良い。

前記スターリング冷凍機１を作動させるための電気回路について説明する。このスターリング冷凍機１は、直流電源４０から供給される直流電流を、駆動回路４１で所定の交番電流に変換して前記駆動機構１０の電磁コイル１３に供給することで作動する。なお、前記直流電源４０から供給される直流電流の一部は、電源回路４２によって電圧変換された後、制御回路４３に供給される。この電流により、前記制御回路４３が作動する。そして、この制御回路４３は、前記加速度センサ３４等からの入力を受けて、前記駆動回路４１の動作を制御する。

そして、前記構成により、前記電磁コイル１３に交番電流を流すと、この電磁コイル１３から交番磁界が発生し、この交番磁界によって、前記永久磁石１２を中心軸線Ａ方向と平行な往復動方向Ｒに往復動させる力が生じる。この力によって、前記永久磁石１２が固定された枠１１に接続されたピストン９が、前記シリンダ７内を往復動方向Ｒに往復動する。このため、前記ピストン９が前記ディスプレイサー８に近づく方向に移動すると、前記ディスプレイサー８が前記ピストン９に対して所定の位相差をもって押し下げられる。一方、前記ピストン９が前記ディスプレイサー８から遠ざかる方向に移動すると、前記ディスプレイサー８が前記ピストン９に対して所定の位相差をもって押し上げられる。このように動作することによって、前記円筒部３の先端部５は低温となり、一方、前記円筒部３の基部６は高温となる。

なお、前記ピストン９及びディスプレイサー８の振幅は固定値ではない。従って、駆動条件によっては、前記ピストン９とディスプレイサー８の振幅が大きくなり、両者が衝突する虞がある。このため、前記ピストン９とディスプレイサー８が衝突しないように、前記駆動機構１０を制御する必要がある。本発明では、前記ピストン９とディスプレイサー８の振幅が大きくなったことを、前記振動検出基板３３の加速度センサ３４からの信号により検出する。この加速度センサ３４は、前記ピストン９とディスプレイサー８の往復動に由来する振動の加速度を検出する。そして、前記制御回路４３は、前記加速度センサ３４によって検出された加速度の大きさを、前記ピストン９とディスプレイサー８の振幅の大きさとして処理する。

上述したように、前記加速度センサ３４の検出軸Ｙが前記ディスプレイサー８及びピストン９の往復動方向Ｒと平行になるように、前記振動検出基板３３が前記取付体３０の基板取付部３１の内面側に固定される。このため、前記加速度センサ３４の素子３６は、検出軸Ｙ方向に撓む。そして、上述したように、前記素子３６は、検出軸Ｚ方向に比べて、検出軸Ｙ方向に撓み難い。このように、前記素子３６の撓み難い方向である検出軸Ｙと往復動方向Ｒを一致させることで、前記素子３６の撓み易い方向である検出軸Ｚと往復動方向Ｒを一致させた場合に比べ、前記加速度センサ３４の検出信号が鈍らないようにして、振動検出の反応性の悪化を抑制することができる。これによって、前記加速度センサ３４は、前記ピストン９及びディスプレイサー８の振幅が増大したこと（オーバーストローク）を精度良く検出することができる。そして、これによって、前記制御回路４３は、前記ピストン９及びディスプレイサー８のオーバーストロークによる両者の衝突が起こらないよう、前記駆動回路４１を制御することができる。

また、前述したように、振動検出手段としての前記振動検出基板３３は、接続部を構成する前記第二接続部２２に、前記取付体３０を介して取り付けられる。このため、前記振動検出基板３３を取り付けるために前記取付体３０を取り付けることが、前記ケーシング２に悪影響を与えることがない。

詳述すると、前記振動検出基板３３等の回路基板、或いはこれを取り付けるための取付体３０等を何かに固定する場合、交換可能となるように、通常はビス等で固定する。この場合、取付対象物には、ビス孔を穿設するか、又は取付座を固定する。仮に、取付対象物が金属製の前記ケーシング２であった場合、このケーシング２にビス孔を穿設するか、又は取付座を熔接等で固定することになる。一方、前記ケーシング２の精度や強度を確保するために、ビス孔の穿設や取付座の熔接等による固定は、最小限にするのが望ましい。特に、本実施形態のようなスターリング冷凍機１の場合、前記ケーシング２内が高圧であるため、強度や精度が低下する虞のある加工は必要最小限にしておかなければならない。これに対し、本実施形態では、前記第二接続部２２に前記振動検出基板３３を取り付けることで、穿設や熔接等、強度や精度に悪影響を与える虞のある、必要以上の加工を前記ケーシング２に施さないので、このケーシング２の精度や強度を高く保つことができる。即ち、前記第二接続部２２にビス孔を穿設しても取付座を熔接等で固定しても、ビス孔や取付座が前記ケーシング２の強度や精度に影響を与えない。これによって、前記スターリング冷凍機１の信頼性を高くすることができる。

また、前述したように、前記第二接続部２２の直径Ｄ１は、前記胴部４の直径Ｄ２及び前記制振ユニット２０の直径Ｄ３よりも小さい。そして、前述したように、この径小となる第二接続部２２の短円筒状部位２３に、前記取付体３０が取り付けられ、この取付体３０の基板取付部３１の内面側に、振動検出手段としての振動検出基板３３が固定される。即ち、前記スターリング冷凍機１における外観が括れた部位に、前記振動検出基板３３が取り付けられる。なお、前記中心軸線Ａから前記取付体３０の外端までの距離は、前記中心軸線Ａから前記胴部４或いは前記制振ユニット２０の外端までの距離よりも小さいことが望ましい。このようにすることで、前記取付体３０の外端が、前記胴部４、或いは前記制振ユニット２０の外端よりも外側に突出しないか、又は突出したとしても大きく突出しないようにすることができる。従って、前記振動検出基板３３が前記スターリング冷凍機１の大きさに与える影響を少なくすることができる。

また、前記振動検出基板３３を、前記第二接続部２２に前記取付体３０を介して固定することで、熱的な信頼性も向上する。即ち、前記胴部４は、その内部に収容された前記駆動機構１０からの熱、及び逆スターリングサイクルで発生した熱によって比較的高温になる。このため、前記振動検出基板３３を前記胴部４に固定した場合、これらの熱の影響を受ける。しかしながら、前記振動検出基板３３を、前記胴部４から離れた前記第二接続部２２に固定すれば、これらの熱の影響を軽減することができる。

以上のように本発明は、ケーシング２と、このケーシング２内に設けられたシリンダ７と、このシリンダ７内をその中心軸線Ａと平行な一方向である往復動方向Ｒに往復動可能なピストン９と、このピストン９の動作を電気的に制御する制御回路４３と、前記ケーシング２における往復動方向Ｒの一端側に接続部としての第一接続部２１及び第二接続部２２を介して設けられる制振ユニット２０とを有する往復運動機関としてのスターリング冷凍機１において、前記第二接続部２２に、平板状の基板取付部３１と腕部３２とを有して構成される取付体３０の前記腕部３２が取り付けられ、前記ピストン９の往復動による前記往復動方向Ｒの振動を検知して前記制御回路４３に送る振動検出手段としての振動検出基板３３が設けられ、この振動検出基板３３が前記往復動方向Ｒと平行な前記基板取付部３１に取り付けられ、前記接続部を構成する第二接続部２２における、前記往復動方向Ｒと平行な中心軸線Ａと直交する方向の寸法（直径Ｄ１）が、前記ケーシング２における前記中心軸線Ａと直交する方向の寸法（直径Ｄ２）よりも小さく形成されることで、前記振動検出基板３３の取り付けが前記ケーシング２に強度や精度で悪影響を与えることがなく、信頼性の高いスターリング冷凍機１とすることができるばかりでなく、前記振動検出基板３３が前記スターリング冷凍機１の大きさに与える影響を少なくすることができるものである。

また本発明は、前記振動検出基板３３が前記基板取付部３１の内面側に取り付けられることにより、前記振動検出基板３３に何かが当たって破損する虞を低減することができるものである。

また本発明は、前記振動検出基板３３に加速度センサ３４が実装されて用いられることにより、検出された加速度の大小に基づいて前記ピストン９の振幅を判断し、このピストン９の振幅を制御することができるものである。

更に本発明は、前記加速度センサ３４の素子３６が、検出軸Ｘ，Ｙ方向の寸法よりも検出軸Ｚ方向の寸法が小さいと共に、前記加速度センサ３４の素子３６における最も寸法が小さい検出軸Ｚ方向を前記往復動方向Ｒと平行な中心軸線Ａと直交させたことで、検出信号が鈍らないようにして、振動検出の反応性の悪化を抑制して、精度良く前記ピストン９の動作を制御することができるものである。

なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施形態では、前記取付体３０を介して前記振動検出基板３３を第二接続部２２に固定したが、前記振動検出基板３３を第一接続部２１に固定しても良い。また、上記実施形態では、前記取付体３０を介して前記振動検出基板３３を第二接続部２２の外側に固定したが、前記振動検出基板３３を前記接続部の内側の空間に収容しても良い。また、前記加速度センサ３４は、その素子３６の検出軸Ｘ，Ｙ，Ｚのうち、最も寸法が大きくなる検出軸の方向が往復動方向Ｒと平行になればよい。従って、本実施形態で用いた前記加速度センサ３４の場合、検出軸Ｘが往復動方向Ｒと平行になるようにしても良い。更に、本実施形態の往復運動機関は、スターリング冷凍機１であるが、これ以外の往復運動機関、例えばスターリングエンジン等であっても良い。

１ スターリング冷凍機（往復運動機関）
２ ケーシング
４ 第二ケーシング体
７ シリンダ
９ ピストン
２０ 制振ユニット
２１ 第一接続部（接続部）
２２ 第二接続部（接続部）
３３ 振動検出基板（振動検出手段）
３４ 加速度センサ
３６ 素子
４３ 制御回路
Ａ 中心軸線
Ｒ 往復動方向（一方向）
Ｘ，Ｙ，Ｚ 検出軸

Claims (4)

1. ケーシングと、このケーシング内に設けられたシリンダと、このシリンダ内をその中心軸線と平行な一方向に往復動可能なピストンと、このピストンの動作を電気的に制御する制御回路と、前記ケーシングにおける一方向一端側に接続部を介して設けられる制振ユニットとを有する往復運動機関において、
   前記接続部に、平板状の基板取付部と腕部とを有して構成される取付体の前記腕部が取り付けられ、
   前記ピストンの往復動による前記一方向の振動を検知して前記制御回路に送る振動検出手段が設けられ、この振動検出手段が前記一方向と平行な前記基板取付部に取り付けられ、
   前記接続部における前記一方向と直交する方向の寸法が、前記ケーシング又は制振ユニットにおける前記一方向と直交する方向の寸法よりも小さく形成されると共に、前記中心軸線から前記取付体の外端までの距離が、前記中心軸線から前記ケーシングの胴部或いは前記制振ユニットの外端までの距離よりも小さいことを特徴とする往復運動機関。
2. 前記振動検出手段が前記基板取付部の内面側に取り付けられることを特徴とする請求項１記載の往復運動機関。
3. 前記振動検出手段に加速度センサが用いられることを特徴とする請求項１記載の往復運動機関。
4. 前記加速度センサの素子が、複数の検出軸の方向に異なる寸法を有すると共に、前記加速度センサの素子における最も小さい検出軸方向寸法と一致する検出軸を前記一方向と直交させたことを特徴とする請求項３記載の往復運動機関。
   

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