JP7428510B2 - 極低温冷凍機、フレクシャベアリングおよび極低温冷凍機用リニア圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、極低温冷凍機、フレクシャベアリングおよび極低温冷凍機用リニア圧縮機に関する。

パルス管冷凍機やスターリング冷凍機、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機などの極低温冷凍機においては冷媒ガス源としてリニア圧縮機が使用されることがある。リニア圧縮機には、可動部材を固定部材に対して振動可能に連結するために、フレクシャベアリングとも称される板ばね構造がしばしば用いられる。

特開２０１６－７５２１７号公報

典型的には、上述のフレクシャベアリングは、渦巻き状に延びるばね部をもつスパイラル型の板ばね部材で構成される。これには、ばね長を長くとることができ、可動部材のストロークを長くするとともに繰り返し疲労破壊への耐性を向上できる利点がある。しかしながら、ばね部の長さが長いほど、横方向（すなわち振動方向に垂直な方向）の剛性は低下し、可動部材は横方向に変位したり振動方向に対する傾斜を起こしやすくなる。これにより、固定部材への可動部材の接触または衝突が反復されれば、圧縮機の長期信頼性に影響しうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、リニア圧縮機の信頼性を向上するフレクシャベアリング、およびそうしたフレクシャベアリングを有する極低温冷凍機を提供することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、振動体と、支持体と、支持体に対し振動体を振動方向に振動させる駆動源と、振動方向に垂直な平面に配置され振動体を支持体に連結する少なくとも１つの板バネを備えるフレクシャベアリングと、を備える。板ばねは、振動体と支持体のうち一方に固定される内側固定部と、振動体と支持体のうち他方に固定される外側固定部と、内側固定部と外側固定部を接続するアーム部であって、前記平面内で板ばねの径方向に交差するアーム長手方向に直線的に延び、前記平面内でアーム長手方向に垂直な方向のアーム幅が、アーム部の中間部から内側固定部と外側固定部それぞれに向かって太くなっているアーム部と、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機に搭載されるフレクシャベアリングが提供される。フレクシャベアリングは、振動体の振動方向に垂直な平面に配置され振動体を支持体に連結する少なくとも１つの板ばねを備える。板ばねは、振動体と支持体のうち一方に固定される内側固定部と、振動体と支持体のうち他方に固定される外側固定部と、内側固定部と外側固定部を接続するアーム部であって、前記平面内で板ばねの径方向に交差するアーム長手方向に直線的に延び、前記平面内でアーム長手方向に垂直な方向のアーム幅が、アーム部の中間部から内側固定部と外側固定部それぞれに向かって太くなっているアーム部と、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機に搭載されるフレクシャベアリングが提供される。フレクシャベアリングは、振動体の振動方向に垂直な平面に配置され振動体を支持体に連結する少なくとも１つの板ばねを備える。板ばねは、振動体と支持体のうち一方に固定される内側固定部と、振動体と支持体のうち他方に固定される外側固定部と、内側固定部と外側固定部を接続し、前記平面内で板ばねの径方向に交差するアーム長手方向に直線的に延びるアーム部と、を備える。フレクシャベアリングは、さらに、内側固定部に重ね合わせて配置され、板ばね上にアーム部と内側固定部との第１境界線を定める内スペーサーと、外側固定部に重ね合わせて配置され、板ばね上にアーム部と外側固定部との第２境界線を定める外スペーサーと、を備える。第１境界線と第２境界線は、内から外に向かって互いに近づくテーパ状に延びている。

本発明のある態様によると、上記のいずれかのフレクシャベアリングを備える極低温冷凍機用リニア圧縮機が提供される。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、リニア圧縮機の信頼性を向上するフレクシャベアリング、およびそうしたフレクシャベアリングを有する極低温冷凍機を提供することができる。

実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す。 実施の形態に係り、フレクシャベアリングを構成する板ばねを概略的に示す平面図である。 実施の形態に係り、フレクシャベアリングを構成する内スペーサーを概略的に示す平面図である。 実施の形態に係り、フレクシャベアリングを構成する外スペーサーを概略的に示す平面図である。 実施の形態に係るフレクシャベアリングを概略的に示す平面図である。 図５のＡ－Ａ断面を示す概略断面図である。 従来のフレクシャベアリングに使用されるスパイラル型の板ばねを概略的に示す平面図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、実施の形態に係り、板ばねの振動によりアーム部に働く応力の計算結果を示す。 図９（ａ）および図９（ｂ）は、実施の形態に係る板ばねの変形例を示す。 実施の形態に係るフレクシャベアリングを適用しうるリニア圧縮機の他の例を概略的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０を概略的に示す。極低温冷凍機１０は、スターリング型パルス管冷凍機として構成され、リニア圧縮機１２と、接続管１４と、コールドヘッドとも称される膨張機１６とを備える。膨張機１６は、蓄冷器１８と、冷却ステージ２０と、パルス管２２と、位相制御部２４とを備える。膨張機１６は、蓄冷器１８とパルス管２２が同軸かつ直列に互いに接続された、いわゆるインライン型または直線型の構成を有する。

図においては簡単のために、極低温冷凍機１０は、単段のパルス管冷凍機として示されているが、ある実施形態においては、極低温冷凍機１０は、二段パルス管冷凍機として構成することも可能である。

極低温冷凍機１０の冷媒ガス（作動ガスとも呼ばれる）は、典型的にヘリウムガスが使用される。ただし、これに限られず、適切な他のガスを冷媒ガスとして用いることも可能である。冷媒ガスは、極低温冷凍機１０内に充填され封入されている。

極低温冷凍機１０は、リニア圧縮機１２の動作によってパルス管２２内に冷媒ガスの圧力振動が誘起され、位相制御部２４の作用により圧力振動と同期して適切な位相遅れをもって、パルス管２２内で冷媒ガスの変位振動すなわちガスピストンの往復動が生じるように、設計されている。ある圧力を保持しながらパルス管２２内を軸方向に周期的に往復する冷媒ガスの動きは、しばしば「ガスピストン」と称され、パルス管冷凍機の挙動を説明するためによく用いられる。ガスピストンがパルス管２２の高温端またはその近傍にあるときパルス管２２の低温端で冷媒ガスが膨張し、寒冷が発生する。

このような冷凍サイクル（例えば、具体的には、逆スターリングサイクル）を繰り返すことにより、極低温冷凍機１０は、冷却ステージ２０を所望の極低温に冷却することができる。したがって、極低温冷凍機１０は、冷却ステージ２０に設置され、または適宜の伝熱部材を介して冷却ステージ２０に熱的に結合された被冷却物を極低温に冷却することができる。

一例として、被冷却物は、赤外線、サブミリ波、Ｘ線、またはその他の電磁波を検出する検出素子であってもよい。こうした検出素子は、天文観測に使用される観測装置の構成要素であってもよい。このような電磁波検出素子を有する観測装置とともに、極低温冷凍機１０は、例えば人工衛星などの宇宙機に搭載可能とされていてもよい。あるいは、極低温冷凍機１０は、そうした観測装置を備える地上設備に搭載されてもよい。あるいは、極低温冷凍機１０は、極低温環境が望まれる例えば超伝導装置またはその他の装置とともに宇宙機または地上設備に搭載されてもよい。

リニア圧縮機１２は、対向して同軸に配置された２つの圧縮機ユニットを有する、いわゆる対向二気筒型のリニア圧縮機として構成されている。リニア圧縮機１２は、シリンダ可動型であり、振動体としてのシリンダ３０と、シリンダ３０を収容するとともにシリンダ３０を振動可能に支持する支持体としてのハウジング３２と、ハウジング３２に収容されハウジング３２に固定されるピストン３４と、ハウジング３２に対しシリンダ３０を振動方向に振動させる駆動源すなわちリニアアクチュエータ３６と、を備える。

リニア圧縮機１２は、リニアアクチュエータ３６の駆動により圧縮空間２８に冷媒ガスの圧力振動を生成するように構成される。シリンダ３０とピストン３４の間には冷媒ガスの圧縮空間２８が形成され、圧縮空間２８は、ピストン３４内に形成されるガス通路を通じて接続管１４に接続される。シリンダ３０とピストン３４は同軸に配置され、シリンダ３０内にピストン３４が挿入されている。シリンダ３０とピストン３４はともに、軸方向（図１においては左右方向）に細長く延びている。シリンダ３０の振動方向は、シリンダ３０とピストン３４の軸方向に一致する。

また、リニア圧縮機１２は、シリンダ３０の振動方向（すなわち軸方向）に垂直な平面に配置されシリンダ３０をハウジング３２に連結する少なくとも１つの板ばね４０を備えるフレクシャベアリング３８を備える。フレクシャベアリング３８も、シリンダ３０およびピストン３４とともにハウジング３２に収容されている。通例、フレクシャベアリング３８は、複数の板ばね４０を備え、これらは振動方向に積層して配置される。各板ばね４０が振動方向に垂直な平面に平行に配置される。板ばね４０は、振動方向に柔軟であり、振動方向に垂直な方向（例えば、径方向、周方向）に剛である。よって、シリンダ３０は、フレクシャベアリング３８を介して、径方向および周方向の変位は規制されつつ軸方向には変位できるようにハウジング３２に弾性的に支持される。この実施の形態では、シリンダ３０ごとに２つのフレクシャベアリング３８が設けられ、シリンダ３０の両端に取り付けられている。

リニアアクチュエータ３６は、内ヨーク３６ａ、永久磁石３６ｂ、コイル３６ｃ、外ヨーク３６ｄを有する。リニアアクチュエータ３６のこれら構成要素は、ピストン３４を囲むようにしてピストン３４と同軸に配置されている。ピストン３４がリニア圧縮機１２の中心軸上に位置し、そこから径方向に外側に向かって、内ヨーク３６ａ、永久磁石３６ｂ、コイル３６ｃ、外ヨーク３６ｄの順に配置されている。リニアアクチュエータ３６は、ハウジング３２に収容されハウジング３２に固定的に支持される。

リニアアクチュエータ３６は、磁石可動式のリニア振動アクチュエータである。よって、リニアアクチュエータ３６の可動部は、永久磁石３６ｂにより構成され、リニアアクチュエータ３６の静止部は、内ヨーク３６ａ、コイル３６ｃ、外ヨーク３６ｄにより構成される。永久磁石３６ｂはシリンダ３０に固定されており、シリンダ３０は永久磁石３６ｂと一体に移動可能である。内ヨーク３６ａは、ピストン３４に固定され、コイル３６ｃと外ヨーク３６ｄはハウジング３２に固定される。

接続管１４は、リニア圧縮機１２を膨張機１６に接続する。すなわち、接続管１４を通じて、リニア圧縮機１２と膨張機１６との間で相互に双方向に冷媒ガスを流すことができるようにリニア圧縮機１２と膨張機１６とが接続される。よって、リニア圧縮機１２により生成される冷媒ガスの圧力振動は、接続管１４を介して膨張機１６に伝達され、それにより膨張機１６内に圧力振動を誘起することができる。なお、接続管１４は、フレキシブル管であってもよいし、剛性管であってもよい。

蓄冷器１８は、蓄冷器高温端１８ａと、蓄冷器低温端１８ｂとを有し、蓄冷器高温端１８ａから蓄冷器低温端１８ｂへと軸方向（図１において左右方向）に延びている。蓄冷器高温端１８ａは、接続管１４の他端に接続され、接続管１４を介してリニア圧縮機１２の圧縮空間２８に接続されている。蓄冷器高温端１８ａには、アフタークーラとも呼ばれる熱交換器またはその他の放熱部材が設けられていてもよい。

蓄冷器１８には、蓄冷材１９が充填されている。蓄冷材１９は、一例として、複数のメッシュ（例えば、銅などの高熱伝導金属材料、またはそのほかの金属製のメッシュ）または網状部材の積層物である。あるいは、蓄冷材１９は、焼結体または多孔質体であってもよい。蓄冷材１９は、粒状の蓄冷材であってもよい。一例として、蓄冷器１８は、円柱状の形状を有する。あるいは、蓄冷器１８は、ドーナツ状またはそのほか筒状の形状を有してもよい。

パルス管２２は、例えば円筒または他の適切な形状を有する管状の部材であり、冷媒ガスを収容できる内部空間を有する。蓄冷器１８と位相制御部２４はパルス管２２を介して流体的に接続されている。なお、図示される極低温冷凍機１０においては、蓄冷器１８およびパルス管２２を迂回する冷媒ガスの流路は設けられていない。よって、リニア圧縮機１２と位相制御部２４との間のガス流通はすべて、蓄冷器１８およびパルス管２２を経由する。

パルス管２２は、パルス管高温端２２ａと、パルス管低温端２２ｂとを有する。パルス管低温端２２ｂは、蓄冷器低温端１８ｂに接続されている。パルス管低温端２２ｂと蓄冷器低温端１８ｂは相互に連通しており、それにより、パルス管２２と蓄冷器１８は流体的に接続されている。また、パルス管低温端２２ｂは、蓄冷器低温端１８ｂと構造的に固く結合されている。

パルス管低温端２２ｂと蓄冷器低温端１８ｂの結合部には、この結合部を包囲するようにして、冷却ステージ２０が設置されている。冷却ステージ２０は、例えば銅などの高熱伝導金属材料で形成されている。冷却ステージ２０は、パルス管低温端２２ｂおよび蓄冷器低温端１８ｂに熱的に結合されている。上述のように、冷却ステージ２０には、極低温冷凍機１０により冷却すべき所望の被冷却物を設置することができる。

パルス管高温端２２ａには、位相制御部２４が設けられている。位相制御部２４は、パルス管高温端２２ａに接続されたイナータンス管２４ａと、イナータンス管２４ａを介してパルス管高温端２２ａに流体的に接続されたバッファタンク２４ｂとを有する。イナータンス管２４ａは、フレキシブル管であってもよいし、剛性管であってもよい。イナータンス管２４ａは、例えば蓄冷器１８及び／またはパルス管２２の軸長に比べて顕著に長い（例えば少なくとも約１ｍ、または数ｍに及びうる）ので、コイル状、蛇行状またはその他の湾曲形状に成形されていてもよい。

このような構成により、リニア圧縮機１２においてリニアアクチュエータ３６のコイル３６ｃに電流が供給されるとコイル３６ｃの周りに磁場が発生し、この磁場と永久磁石３６ｂとの磁気的な相互作用によって、永久磁石３６ｂとともにシリンダ３０が駆動される。すなわち、リニアアクチュエータ３６は、シリンダ３０を長手方向に振動させる。それにより圧縮空間２８の容積が振動的に増減し、圧縮空間２８内の冷媒ガスの圧力振動が生成される。一例として、圧力振動の平均圧力は例えばメガパスカルのオーダ、例えば約１～３ＭＰａの範囲にあり、圧力振幅は例えば約０．５～１ＭＰａ以内の範囲にあり、周波数は例えば約５０～６０Ｈｚの範囲にあってもよい。圧縮空間２８での冷媒ガスの圧力振動は、接続管１４を介して膨張機１６に伝達される。上述のように、リニア圧縮機１２と膨張機１６との間に冷凍サイクルが構成され、極低温冷凍機１０は、冷却ステージ２０を所望の極低温に冷却することができる。

図２、図３、図４はそれぞれ、実施の形態に係り、フレクシャベアリング３８を構成する板ばね４０、内スペーサー５０、外スペーサー６０を概略的に示す平面図である。図５は、実施の形態に係るフレクシャベアリング３８を概略的に示す平面図である。図６は、図５のＡ－Ａ断面を示す概略断面図である。上述のように、板ばね４０はシリンダ３０の振動方向に垂直な平面に配置されるから、図２～図５において当該平面は紙面にあたり、シリンダ３０の振動方向は紙面に垂直な方向となる。

図２に示されるように、板ばね４０は、振動体と支持体のうち一方に固定される内側固定部４２と、振動体と支持体のうち他方に固定される外側固定部４４と、内側固定部４２と外側固定部４４を接続する複数のアーム部４６と、を備える。各アーム部４６は、振動体の振動方向に垂直な平面内で板ばね４０の径方向に交差する方向（以下、アーム長手方向ともいう）に直線的に延びている。

外側固定部４４は、内側固定部４２を囲むようにして、内側固定部４２と同心に配置される。この実施の形態では、内側固定部４２は、正三角形状の形状を有し、外側固定部４４は、円環状の形状を有する。内側固定部４２の正三角形の頂点にあたる部分が外側固定部４４の円環の内周上におおむね位置する。外側固定部４４と内側固定部４２はアーム部４６により接続されるが、直接つながってはいない。

また、この実施の形態では、内側固定部４２は振動体（例えば、図１に示されるシリンダ３０）に固定され、外側固定部４４は支持体（例えば、ハウジング３２）に固定される。外側固定部４４には周方向に締結用の円形の小孔が多数設けられ、これらにボルトなどの締結部材が貫挿され、外側固定部４４が支持体に固定される。内側固定部４２の中心部には円形開口部４２ａが形成され、この円形開口部４２ａの周に沿って締結用の円形の小孔が多数設けられ、これらにボルトなどの締結部材が貫挿され、内側固定部４２が振動体に固定される。

１枚の板ばね４０には３本のアーム部４６が設けられ、これらアーム部４６は正三角形状に配置される。アーム部４６の弾性変形によって、内側固定部４２と外側固定部４４との軸方向相対変位すなわち振動体の軸方向振動が許容される。板ばね４０は、アーム部４６の正三角形状の配置を有するので、従来のスパイラル型の板ばね（図７参照）に比べて、板ばね４０の横方向の剛性を大きくすることができる。支持体に対する振動体の横方向変位や軸方向に対する傾斜を抑制することができ、運転中の振動体と支持体の接触や衝突も抑制される。板ばね４０は、リニア圧縮機１２および極低温冷凍機１０の長期信頼性の向上に寄与する。

各アーム部４６は、内側固定部４２の正三角形の各辺に沿って延び、アーム部４６のアーム長手方向は、対応する辺に平行である。各アーム部４６の内端４６ａは内側固定部４２の対応する頂点に接続され、当該アーム部４６の外端４６ｂは、内端４６ａが接続された内側固定部４２の頂点の隣の頂点の近傍で外側固定部４４に接続されている。アーム部４６の内端４６ａと外端４６ｂは、板ばね４０の中心４１からおおむね等距離にある（径方向位置が同じである）。

振動体の振動方向に垂直な平面内でアーム長手方向に垂直な方向のアーム幅４９が、アーム部４６の中間部４６ｃから内側固定部４２と外側固定部４４それぞれに向かって太くなっている。すなわち、アーム幅４９は、内側固定部４２からアーム部４６の中間部４６ｃに向かって小さくなり、アーム部４６の中間部４６ｃから外側固定部４４に向かって大きくなっている。このように、アーム幅４９をアーム部４６の内端４６ａおよび外端４６ｂで比較的大きくすることにより、振動体の振動により板ばね４０が弾性変形するときアーム部４６の両端に生じうるねじりによる応力集中を緩和することができる。

アーム部４６は、中間部４６ｃに対して対称な形状をもち、アーム幅４９は、アーム部４６の内端４６ａと外端４６ｂで等しくなっている。アーム部４６の中間部４６ｃでアーム幅４９が過剰に小さい場合、アーム部４６の強度が弱くなりうる。そこで、アーム部４６の強度を確保するために、アーム部４６の中間部４６ｃでのアーム幅４９は、アーム部４６の内端４６ａ（または外端４６ｂ）でのアーム幅４９の例えば半分より大きくてもよい。

アーム部４６は、内側固定部４２から外側固定部４４へと延びアーム幅４９を定める内側アームライン４７および外側アームライン４８を有する。内側アームライン４７および外側アームライン４８は、アーム部４６の輪郭を形成し、内側アームライン４７は、内側固定部４２側に位置し、外側アームライン４８は、外側固定部４４側に位置する。

内側アームライン４７は、外に向かって凹状に湾曲し、外側アームライン４８は、内に向かって凹状に湾曲している。アーム幅４９は、内側固定部４２からアーム部４６の中間部４６ｃに向かって徐々に小さくなり、アーム部４６の中間部４６ｃから外側固定部４４に向かって徐々に大きくなっている。このように、アーム幅４９をアーム長手方向に緩やかに変化させることも、アーム部４６の両端における応力集中の緩和につながる。

内側アームライン４７および外側アームライン４８は、例えば、円弧状の曲線である。内側アームライン４７を描く円の直径と外側アームライン４８を描く円の直径はともに、アーム部４６の長さより長く、そのため、内側アームライン４７と外側アームライン４８は比較的緩やかな円弧を描く。上述のようにアーム部４６は左右対称の形状をもつから、内側アームライン４７を描く円の中心と、外側アームライン４８を描く円の中心と、板ばね４０の中心４１は、一直線上にある。

この実施の形態では、外側アームライン４８が、内側アームライン４７に比べて、強く湾曲している。外側アームライン４８を描く円の半径は、内側アームライン４７を描く円の半径より小さい。後述するが、このように外側アームライン４８をより強く湾曲させることにより、そうではない場合に比べて、アーム部４６の両端における応力集中を緩和することができる。

外側固定部４４には、内側固定部４２に接続されるアーム部４６の端部（すなわち内端４６ａ）を受け入れるノッチ部４４ａが形成されている。ノッチ部４４ａは内側固定部４２の頂点の近くに位置する。外側固定部４４の外周は円形である一方、外側固定部４４の内周はノッチ部４４ａにより外周に向かって凹んでいる（つまり、外側固定部４４は、ノッチ部４４ａで他の部位に比べて径方向の幅が細くなっている）。ノッチ部４４ａにアーム部４６の内端４６ａを受け入れることにより、外側固定部４４にノッチ部４４ａが無く外側固定部４４の内周が外周と同心円である場合に比べて、アーム部４６の長さ（アーム長手方向の寸法）を長くすることができる。アーム部４６が長いほど、内側固定部４２と外側固定部４４との相対変位量を大きくすることができ、それにより、図１に示されるシリンダ３０のストロークを大きくすることができる。

また、外側固定部４４とアーム部４６の外端４６ｂとの間には、スリット４４ｂが形成されている。スリット４４ｂは、ノッチ部４４ａと同様に、外側固定部４４の内周から外周に向かって凹み、外側固定部４４は、スリット４４ｂで他の部位に比べて径方向の幅が細くなっている。アーム部４６の外端４６ｂに対して、スリット４４ｂが板ばね４０の周方向に一方側にあり、隣のアーム部４６の内端４６ａを受け入れるノッチ部４４ａが他方側にある。スリット４４ｂを設けることにより、スリット４４ｂが無い場合に比べて、アーム部４６の長さを長くすることができる。

図３に示される内スペーサー５０は、板ばね４０の内側固定部４２に重ね合わせて配置される。内スペーサー５０は、板ばね４０の内側固定部４２と同じ形状を有する。よって、内スペーサー５０も正三角形状の形状を有し、正三角形の頂点には、アーム部４６の内端４６ａに重なる内側アーム支持部５０ａを有する。内スペーサー５０は、アーム部４６の他の部位には重ならない。内スペーサー５０は、板ばね４０の外側固定部４４にも重ならない。内スペーサー５０の中心部には円形開口部５１が形成され、この円形開口部５１の周に沿って締結用の円形の小孔が多数設けられ、これらにボルトなどの締結部材が貫挿され、内スペーサー５０が内側固定部４２と共締めされ振動体に固定される。

図４に示される外スペーサー６０は、板ばね４０の外側固定部４４に重ね合わせて配置される。外スペーサー６０は、板ばね４０の外側固定部４４と同じ形状を有する。よって、外スペーサー６０も円環状の形状を有し、外側アーム支持部６０ａとノッチ部６０ｂが設けられている。外側アーム支持部６０ａとノッチ部６０ｂは周方向に隣接し、外側アーム支持部６０ａがアーム部４６の外端４６ｂと重なり、外スペーサー６０のノッチ部６０ｂが外側固定部４４のノッチ部４４ａと重なる。外スペーサー６０は、アーム部４６の他の部位には重ならず、板ばね４０の内側固定部４２にも重ならない。外スペーサー６０には周方向に締結用の円形の小孔が多数設けられ、これらにボルトなどの締結部材が貫挿され、外スペーサー６０が外側固定部４４と共締めされ支持体に固定される。

図５に示されるように、内スペーサー５０は、板ばね４０上にアーム部４６と内側固定部４２との第１境界線７０を定める。内側アーム支持部５０ａがアーム部４６上に第１境界線７０を定める。外スペーサー６０は、板ばね４０上にアーム部４６と外側固定部４４との第２境界線７２を定める。外側アーム支持部６０ａがアーム部４６上に第２境界線７２を定める。第１境界線７０と第２境界線７２は、内から外に向かって（すなわち、内側アームライン４７から外側アームライン４８に向かって）互いに近づくテーパ状に延びている。この構成も、これらの境界線が互いに平行の場合や内から外に向かって互いに離れる逆テーパ状の場合に比べて、アーム部４６の両端における応力集中の緩和に役立つ。

図６に示されるように、フレクシャベアリング３８は、複数（例えば５～１０枚）の板ばね４０を有し、これらは、振動方向である軸方向に積層して配置される。２枚の板ばね４０の間には内スペーサー５０と外スペーサー６０が挟み込まれているので、隣接する２枚の板ばね４０は、互いに接触しない程度に軸方向に間隔を空けて配列されている。振動体が軸方向に振動するとき、振動体とともに内側固定部４２が外側固定部４４に対し、破線の矢印７４で示すように動き、アーム部４６が弾性変形することになる。すなわち、アーム部４６の弾性変形によって、支持体に対する振動体の軸方向振動が許容される。

図７は、従来のフレクシャベアリングに使用されるスパイラル型の板ばね８０を概略的に示す平面図である。このスパイラル型の板ばね８０は、渦巻き状に延びる複数のばね部８２を有する。このような板ばね構造には、上述のように、ばね長を長くとることができ、可動部材のストロークを長くするとともに繰り返し疲労破壊への耐性を向上できる利点がある。しかしながら、ばね部８２の長さが長いほど、横方向（すなわち振動方向に垂直な方向）の剛性は低下し、可動部材は横方向に変位したり振動方向に対する傾斜を起こしやすくなる。これにより、固定部材への可動部材の接触または衝突が反復されれば、圧縮機の長期信頼性に影響しうる。

とりわけ、例えば人工衛星などの宇宙機に極低温冷凍機が搭載される場合、宇宙機の運用中に極低温冷凍機内でフレクシャベアリングが破損したとすると、それを修理または交換して機能を回復することは、実際上困難または不可能である。よって、長期信頼性の確保は、宇宙機用の極低温冷凍機において重要である。また、その他の用途の極低温冷凍機においても、長期的に安定した動作の継続が望まれる。

図８（ａ）および図８（ｂ）は、実施の形態に係り、板ばね４０の振動によりアーム部４６に働く応力の計算結果を示す。図８（ａ）は、図２から図６を参照して説明した板ばね４０のアーム部４６についてのミーゼス応力の計算結果を示し、この板ばね４０のアーム部４６は、アーム部４６の中間部４６ｃで互いに近づくように湾曲している内側アームライン４７と外側アームライン４８を有し、外側アームライン４８が内側アームライン４７に比べて強く湾曲している。図８（ｂ）は、比較のために、内側と外側のアームラインがともに直線であるアーム部４６を有する板ばね４０についてのミーゼス応力の計算結果を示す。

図８（ａ）および図８（ｂ）では、灰色の濃さでミーゼス応力の大きさを示す。薄い灰色は応力が小さいことを示し、濃い灰色は応力が大きいことを示す。

図８（ｂ）の直線アームライン型のアーム部４６におけるミーゼス応力の最大値は、約５９６ＭＰａと計算されるのに対し、図８（ａ）の両側湾曲アームライン型のアーム部４６におけるミーゼス応力の最大値は、約３９４ＭＰａと計算される。図８（ｂ）のアーム部に比べて、図８（ａ）のアーム部４６では、最大応力が低減される。

図８（ｂ）を参照すると、アーム部４６は、比較的濃色の領域（すなわち応力の大きい領域）７６が、内側固定部４２の近傍で内側アームライン側と、外側固定部４４の近傍で外側アームライン側に見られる。これに対して、図８（ａ）を参照すると、アーム部４６は、全体的に一様な灰色となっている。このように、図８（ｂ）のアーム部４６に比べて、図８（ａ）のアーム部４６では、応力集中が緩和される。

また、図８（ｂ）の板ばね４０は、径方向のばね定数が０．９７６×１０^６Ｎ／ｍｍと計算されるのに対し、図８（ａ）の板ばね４０は、径方向のばね定数が１．２２×１０^６Ｎ／ｍｍと計算される。このように、図８（ａ）の板ばね４０は、両側湾曲アームライン型のアーム部４６を有することによってアーム部４６の両端が太くなっており、図８（ｂ）の直線アームライン型のアーム部４６をもつ板ばねに比べて、横方向剛性が強化される。軸方向のばね定数については、図８（ｂ）の板ばねでは１２５９Ｎ／ｍｍと計算され、図８（ａ）の板ばねでは１１２８Ｎ／ｍｍと計算される。このように、軸方向のばね定数は、アームライン形状によって大きく変わらず、図８（ａ）と図８（ｂ）の板ばね４０はともに、ほぼ等しい軸方向の振動特性を提供することができる。

図７に示されるスパイラル型の板ばね８０に比べて、図８（ａ）および図８（ｂ）に示される直線状に延びるアーム部４６が正三角形状に配置される板ばね４０は、顕著に大きい横方向の剛性を提供することができる。これにより、板ばね４０に取り付けられる振動体が振動中に横方向に変位したり振動方向に対し傾斜することを抑制することができる。振動体は、支持体に対し軸方向に直線的に振動し、支持体との接触や衝突は回避される。また、図８（ａ）および図８（ｂ）の板ばね４０のアーム部４６は、とりわけ図８（ａ）の板ばね４０において、振動体の振動により板ばね４０が弾性変形するときアーム部４６の両端に生じうるねじりによる応力集中を緩和することができる。このように、横方向の剛性を維持しつつ、ねじりによる応力集中を緩和することにより、フレクシャベアリング３８の長期信頼性が向上される。

なお、図８（ｂ）に示されるように、アーム部４６のアームラインが直線である場合にも、第１境界線７０と第２境界線７２は、内から外に向かって互いに近づくテーパ状に延びている。上述のように、この構成も、これらの境界線が互いに平行の場合や内から外に向かって互いに離れる逆テーパ状の場合に比べて、アーム部４６の両端における応力集中の緩和に役立つ。

図９（ａ）および図９（ｂ）は、実施の形態に係る板ばね４０の変形例を示す。これらの変形例では、上述の実施の形態とは、アームライン形状に関して異なる。図９（ａ）に示される板ばね４０においては、アーム部４６の外側アームライン４８は、内に向かって凹状に湾曲しているのに対し、内側アームライン４７は、直線である。反対に、図９（ｂ）に示される板ばね４０においては、内側アームライン４７は、外に向かって凹状に湾曲しているのに対し、外側アームライン４８は、直線である。

このようにしても、上述の実施の形態と同様に、横方向の剛性を維持しつつ、ねじりによる応力集中を緩和することができ、フレクシャベアリング３８の長期信頼性が向上される。

なお、アーム部４６におけるミーゼス応力の最大値を比較すると、図８（ｂ）、図９（ｂ）、図９（ａ）、図８（ａ）の順に小さくなる。したがって、応力を低減するためには、外側アームライン４８を内に向かって凹状に湾曲させることが有効であり、また、内側アームライン４７と外側アームライン４８を両方湾曲させる場合には外側アームライン４８をより強く湾曲させることが有効であると言える。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態では、リニア圧縮機１２がシリンダ可動型である場合を例として説明したが、リニア圧縮機１２は、ピストン可動型であってもよい。図１０は、実施の形態に係るフレクシャベアリング３８を適用しうるリニア圧縮機１２の他の例を概略的に示す図である。

図１０に示されるように、リニア圧縮機１２は、対向して同軸に配置された２つの圧縮機ユニットを有する、いわゆる対向二気筒型のリニア圧縮機として構成されている。各圧縮機ユニットは、軸方向に延在するピストン１２ａと、ピストン１２ａを軸方向に駆動するリニアアクチュエータ３６と、ピストン１２ａおよびリニアアクチュエータ３６を収容し、ピストン１２ａを軸方向に振動可能に支持するハウジング３２と、を備える。図において、軸方向は上下方向にあたる。ピストン１２ａの中心軸１３が図示されている。

ピストン１２ａは、フレクシャベアリング３８を介して、径方向および周方向の変位は規制されつつ軸方向には変位できるようにハウジング３２に弾性的に支持されている。またハウジング３２は、リニアアクチュエータ３６を固定的に支持する。ハウジング３２とピストン１２ａとの間に圧縮空間２８が形成される。接続管１４の一端が圧縮空間２８に接続されている。リニアアクチュエータ３６の駆動により、ピストン１２ａが軸方向に振動される。それにより圧縮空間２８の容積が振動的に増減し、圧縮空間２８内の冷媒ガスの圧力振動が生成される。

上述の実施の形態では、板ばね４０の内側固定部４２が振動体に固定され、板ばね４０の外側固定部４４が支持体に固定される場合を例として説明したが、これと反対に、板ばね４０の内側固定部４２が支持体に固定され、板ばね４０の外側固定部４４が振動体に固定される構成も可能である。

上述の実施の形態では、１枚の板ばね４０にアーム部４６が３本設けられる場合を説明したが、１枚の板ばねが４本またはそれより多数のアーム部を有してもよい。上述の実施の形態と同様に、板ばねの内側固定部は正多角形状の形状を有し、アーム部は内側固定部を囲むようにして正多角形状に配置されてもよい。すなわち、各アーム部の一端が内側固定部の対応する頂点に接続され、当該アーム部が内側固定部の対応する辺に沿って隣の頂点に向けて延びてもよい。

実施の形態に係るフレクシャベアリングは、スターリング型パルス管冷凍機だけでなく、ＧＭ型パルス管冷凍機などそのほかのパルス管冷凍機、またはスターリング冷凍機、ＧＭ冷凍機などそのほかの極低温冷凍機にも適用することができる。

上述の実施の形態においては、フレクシャベアリング３８がリニア圧縮機１２に搭載される場合を例として説明したが、実施の形態に係るフレクシャベアリングは、極低温冷凍機の膨張機に搭載されてもよい。例えば、フレクシャベアリングは、スターリング冷凍機において、振動体としてのディスプレーサを支持体に連結するために使用されてもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０ 極低温冷凍機、 １２ リニア圧縮機、 ２８ 圧縮空間、 ３０ シリンダ、 ３２ ハウジング、 ３４ ピストン、 ３８ フレクシャベアリング、 ４０ 板ばね、 ４２ 内側固定部、 ４４ 外側固定部、 ４４ａ ノッチ部、 ４６ アーム部、 ４６ｃ 中間部、 ４７ 内側アームライン、 ４８ 外側アームライン、 ５０ 内スペーサー、 ６０ 外スペーサー、 ７０ 第１境界線、 ７２ 第２境界線。

Claims (8)

1. 振動体と、
   支持体と、
   前記支持体に対し前記振動体を振動方向に振動させる駆動源と、
   前記振動方向に垂直な平面に配置され前記振動体を前記支持体に連結する少なくとも１つの板ばねを備えるフレクシャベアリングと、を備え、
   前記板ばねは、
   前記振動体と前記支持体のうち一方に固定される内側固定部と、
   前記振動体と前記支持体のうち他方に固定される外側固定部と、
   前記内側固定部と前記外側固定部を接続するアーム部であって、前記平面内で前記板ばねの径方向に交差するアーム長手方向に直線的に延び、前記平面内で前記アーム長手方向に垂直な方向のアーム幅が、アーム部の中間部から前記内側固定部と前記外側固定部それぞれに向かって太くなっているアーム部と、を備え、
   前記アーム部は、前記内側固定部から前記外側固定部へと延び前記アーム幅を定める内側アームラインおよび外側アームラインを有し、
   前記内側アームラインは、外に向かって凹状に湾曲し、及び／または、前記外側アームラインは、内に向かって凹状に湾曲し、
   前記外側アームラインが、前記内側アームラインに比べて、強く湾曲していることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記フレクシャベアリングは、
   前記内側固定部に重ね合わせて配置され、前記板ばね上に前記アーム部と前記内側固定部との第１境界線を定める内スペーサーと、
   前記外側固定部に重ね合わせて配置され、前記板ばね上に前記アーム部と前記外側固定部との第２境界線を定める外スペーサーと、を備え、
   前記第１境界線と前記第２境界線は、内から外に向かって互いに近づくテーパ状に延びていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記外側固定部には、前記内側固定部に接続される前記アーム部の端部を受け入れるノッチ部が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機。
4. 前記板ばねは、正三角形状に配置される３本のアーム部を備え、
   前記３本のアーム部のそれぞれの前記アーム幅が、当該アーム部の中間部から前記内側固定部と前記外側固定部それぞれに向かって太くなっていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機。
5. 前記振動体は、ピストンとシリンダのうち一方を備え、
   前記支持体は、前記ピストンと前記シリンダのうち他方を備え、
   前記ピストンと前記シリンダの間に冷媒ガスの圧縮空間が形成され、
   前記極低温冷凍機は、前記駆動源の駆動により前記圧縮空間に前記冷媒ガスの圧力振動を生成するように構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温冷凍機。
6. 極低温冷凍機に搭載されるフレクシャベアリングであって、
   振動体の振動方向に垂直な平面に配置され前記振動体を支持体に連結する少なくとも１つの板ばねを備え、
   前記板ばねは、
   前記振動体と前記支持体のうち一方に固定される内側固定部と、
   前記振動体と前記支持体のうち他方に固定される外側固定部と、
   前記内側固定部と前記外側固定部を接続するアーム部であって、前記平面内で前記板ばねの径方向に交差するアーム長手方向に直線的に延び、前記平面内で前記アーム長手方向に垂直な方向のアーム幅が、アーム部の中間部から前記内側固定部と前記外側固定部それぞれに向かって太くなっているアーム部と、を備え、
   前記アーム部は、前記内側固定部から前記外側固定部へと延び前記アーム幅を定める内側アームラインおよび外側アームラインを有し、
   前記内側アームラインは、外に向かって凹状に湾曲し、及び／または、前記外側アームラインは、内に向かって凹状に湾曲し、
   前記外側アームラインが、前記内側アームラインに比べて、強く湾曲していることを特徴とするフレクシャベアリング。
7. 前記フレクシャベアリングは、さらに、
   前記内側固定部に重ね合わせて配置され、前記板ばね上に前記アーム部と前記内側固定部との第１境界線を定める内スペーサーと、
   前記外側固定部に重ね合わせて配置され、前記板ばね上に前記アーム部と前記外側固定部との第２境界線を定める外スペーサーと、を備え、
   前記第１境界線と前記第２境界線は、内から外に向かって互いに近づくテーパ状に延びていることを特徴とする請求項６に記載のフレクシャベアリング。
8. 請求項６または７に記載のフレクシャベアリングを備えることを特徴とする極低温冷凍機用リニア圧縮機。

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