JPH04301188A - 気体軸受をもつ流体圧縮装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は気体軸受をもつ流体圧縮
装置に関する。この流体圧縮装置は極低温冷凍サイクル
、冷凍サイクル、冷房サイクルに用いることができる。

【０００２】

【従来の技術】従来より、流体圧縮装置例えば極低温冷
凍サイクルで使用される流体圧縮装置として、ヘリウム
ガスからなる作動流体を高圧とする高圧発生手段と、高
圧発生手段で高圧とされた作動流体により極低温を発生
する逆スターリング冷凍機とからなるものが知られてい
る。この高圧発生手段は、作動流体が装入される圧縮室
と、圧縮室で駆動して圧縮室内を高圧とするピストンと
、ピストンを駆動させる駆動軸とをもつ。

【０００３】ここで、従来では、静圧型気体軸受で駆動
軸を支持するとともに、静圧型気体軸受に空気などの圧
縮流体を供給する圧縮機をハウジングの外部に設け、軸
受用の空気などの圧縮流体を圧縮機から静圧型気体軸受
に供給し、これにより駆動軸を円滑に駆動する様にして
いる。このように静圧型気体軸受で駆動軸を支持すれば
、低摩擦、非接触のため実質的に磨耗がない、作動油を
使用しないので低温に強い、作動油による汚染がないな
どの長所が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし従来では、静圧
型気体軸受に供給され軸受機能を果たす空気などの圧縮
流体が、極低温を発生する作動流体に混入するなどの問
題が生じる。このように空気などの圧縮流体が逆スター
リング冷凍機の作動流体に混入すると、逆スターリング
冷凍機の所要の冷凍機能を達成できない。また、静圧型
気体軸受に圧縮流体を供給する圧縮機を別途設けねばな
らず、機器の複雑化を招く。

【０００５】本発明はかかる実情に鑑みなされたもので
あり、その目的は、空気などの圧縮流体が作動流体に混
入する問題、機器が複雑化する問題を回避できるという
効果を奏する気体軸受をもつ流体圧縮装置を提供するに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる気体軸受
をもつ流体圧縮装置は、作動流体が装入される圧縮室と
、圧縮室で駆動して圧縮室内を高圧とする駆動子と、駆
動子を駆動させる駆動軸とをもつ高圧発生手段と、高圧
発生手段の駆動軸を駆動可能に支持する気体軸受と、高
圧発生手段の圧縮室で高圧とされた作動流体により作動
する作動手段と、高圧発生手段の圧縮室に接続され圧縮
室で高圧とされた作動流体の一部を貯めるバッハァタン
クと、バッハァタンクと圧縮室との間の介在し圧縮室内
の作動流体をバッハァタンクに送りかつバッハァタンク
内の作動流体を圧縮室へ逃がさない制御弁と、バッハァ
タンクと気体軸受とをつなぎバッハァタンク内の作動流
体を気体軸受に送る流体通路とで構成され、バッハァタ
ンクを経て気体軸受に送られた作動流体で軸受機能を果
たす構成としたことを特徴とするものである。

【０００７】高圧発生手段は、作動流体が装入される圧
縮室と、圧縮室で駆動して圧縮室内を高圧とする駆動子
と、駆動子を駆動させる駆動軸とをもつ。駆動子は往復
移動するピストン式、回転するロータ式を採用できる。 従って高圧発生手段の駆動軸は往復移動する方式でも、
回転する方式でもよい。ロータ式の高圧発生手段として
は、例えばターボ圧縮機、遠心圧縮機、ねじ圧縮機を採
用できる。作動流体は流体圧縮装置の種類に応じて適宜
選択でき、例えば冷凍サイクル、冷房サイクルに用いる
場合にはヘリウム、窒素、フロン系などの冷媒を採用で
きる。

【０００８】気体軸受は気体で軸を支持するものであり
、通常、流体絞り、ポケット、ランドをもち、ポケット
圧で駆動軸をフローティング状態に支持する。気体軸受
の静剛性は適宜選択できる。本発明で用いる気体軸受は
静圧型気体軸受が代表的なものであるが、場合によって
は静圧型と動圧型とを兼ね備えたハイブリツド方式のも
のでもよい。静圧型気体軸受は多孔質絞り方式、多数オ
リフィス絞り方式、スロット絞り方式、表面絞り方式な
どの公知のものを採用できる。このような静圧型気体軸
受では、軸の始動摩擦及び回転摩擦を小さくできる。

【０００９】作動手段は、高圧発生手段で高圧とされた
作動流体により何らかの作動をするものであり、例えば
、逆スターリングサイクル冷凍機、パルスチューブ冷凍
機、車両用冷房装置、気体圧で作動する各種アクチュエ
ータを採用できる。バッハァタンクは蓄圧機能をもつも
のである。バッハァタンクの容積は適宜選択できる。 バッハァタンクの数も適宜選択できる。気体軸受につな
がる流体通路およびバッハァタンクの少なくとも一方に
は絞り部を設けることができる。絞り部を設ければ、そ
の絞り効果によりバッハァタンク内を高圧に維持するの
に有利である。

【００１０】制御弁は、バッハァタンクと圧縮室との間
の介在しており、圧縮室内の作動流体をバッハァタンク
に送りかつバッハァタンク内の作動流体を圧縮室へ逃が
さないものである。制御弁は、一般的には、一方向のみ
開放する一方向弁を採用できる。

【００１１】

【作用】高圧発生手段の圧縮室で駆動子が駆動し、圧縮
室内の作動流体が高圧とされる。これに伴い作動手段が
作動する。このとき、高圧発生手段で高圧とされた作動
流体の一部は、制御弁を介してバッハァタンクに供給さ
れる。制御弁により、バッハァタンク内の作動流体は圧
縮室へは戻らない。バッハァタンク内の高圧の作動流体
は気体軸受に送られ、作動流体は軸受機能を果たす。

【００１２】

【実施例】（第１実施例）以下、本発明を第１実施例に
基づき図１、図２を参照しつつ説明する。本実施例にか
かる流体圧縮装置は、高圧発生手段１と、気体軸受３と
、作動手段としての逆スターリング冷凍機４と、バッハ
ァタンク５と、制御弁としての一方向弁６と、流体通路
７とで構成されている。

【００１３】高圧発生手段１は、密閉室１０を形成する
基体８に配設されている。高圧発生手段１は、圧縮室１
１と、駆動子としてのピストン１２と、駆動軸１３と、
ヨーク１４と、コイルホルダー１５と、コイル１６と、
共振スプリング１７とをもつ。圧縮室１１は密閉室１０
の先端部に一体的に形成されている。圧縮室１１にはヘ
リウムからなる作動流体が装入されている。圧縮室１１
と密閉室１０とは戻し用の流体通路１８で連通されてい
る。流体通路１８には第１流量制御弁１９が設けられて
いる。ピストン１２は、圧縮室１１で往復駆動して圧縮
室１１内を高圧とする。ピストン１２の外周部にはリン
グ状のシール１２ａが設けられている。シール１２ａは
圧縮室１１の壁面１１ａとピストン１２との間をシール
している。駆動軸１３は、ＳＵＳ３０４製であり、ピス
トン１２に接続されており、ピストン１２を往復駆動さ
せる。駆動軸１３は、気体軸受３で支持される部分の真
円度は高くなるように形成されている。真円度は気体軸
受３と駆動軸１３の外周面の間のクリアランスに影響し
、ひいては気体軸受３の軸支持能力に影響を与えるから
である。

【００１４】気体軸受３は駆動軸１３の端部１３ａとほ
ぼ中間部１３ｂを支持する様に２か所配置されている。 各気体軸受３は図略の基体８により密閉室１０内に保持
されている。気体軸受３は静圧型気体軸受であり、流体
絞り、ポケット、ランドをもつ。負荷は主としてポケッ
ト圧力で支えられる。ヨーク１４は密閉室１０に固定さ
れており、軟鋼製で円盤状をなし、駆動軸１３が挿通さ
れた軸孔１４ａおよびリング状の空間１４ｂ、リング状
のマグネット１４ｃをもつ。コイルホルダー１５はアル
ミ系製で駆動軸１３に設けられており、円錐部１５ａと
筒部１５ｂとをもつ。コイル１６はコイルホルダー１５
の筒部１５ｂにリング状に多重に巻回されている。共振
スプリング１７は駆動軸１３の端部１３ａと基体８の壁
面８ａとの間に介在している。

【００１５】逆スターリング冷凍機４は、シリンダ室４
０およびコールドヘッド４１をもつシリンダ部４２と、
シリンダ部４２に配置されシリンダ室４０を室４０ａと
室４０ｂとに区画するピストン４３と、ピストン４３の
外周部に装備されたシール４４と、ピストン４３を弾性
支持する共振スプリング４５と、ピストン４３内に設け
られた蓄冷体４６と、ピストン４３内に設けられ作動流
体が通過する通路４７、４８とをもつ。シリンダ室４０
と圧縮室１１とは流体通路４９で接続されている。共振
スプリング４５はピストン１２とピストン４３の位相差
を制御するためのものである。

【００１６】一方向弁６はバッハァタンク５と圧縮室１
１との間の流体通路７ｃに介在している。一方向弁６は
、一方向のみ開放するものであり、即ち、圧縮室１１内
の作動流体をバッハァタンク５に送り、かつ、バッハァ
タンク５内の作動流体を圧縮室１１へは逃がさないもの
である。流体通路７は、バッハァタンク５の給気孔５ａ
と各気体軸受３とをつなぎ、バッハァタンク５内の作動
流体を各気体軸受３に送るものであり、通路７ａ、７ｂ
をもつ。流体通路７には第２流量制御弁７０が設けられ
ている。

【００１７】さて本実施例装置の作用についてその使用
方法とともに説明する。まず、コイル１６に交流を通電
すると磁極が発生し、マグネット１４ｃの磁極と吸引・
反発を交互に繰り返し、駆動軸１３が矢印Ａ１の方向と
矢印Ａ２との方向に移動し、圧縮室１１の作動流体の高
圧となった圧力を介して駆動軸１３が矢印Ａ２方向に戻
される。従ってコイル１６に交流を通電すると、圧縮室
１１でピストン１２が往復駆動する。

【００１８】ここで、前述した様に圧縮室１１でピスト
ン１２が矢印Ａ１方向に移動すると、圧縮室１１内の作
動流体が高圧とされる。またピストン１２が矢印Ａ２方
向に移動すると、圧縮室１１内の作動流体は低圧となる
。このように圧縮室１１内の作動流体は圧力変動を繰り
返す。この圧力変動は流体通路４９を介して逆スターリ
ング冷凍機４のシリンダ室４０の室４０ａに伝達される
。これにより逆スターリング冷凍機４のピストン４３が
矢印Ｂ１、Ｂ２方向に往復移動を繰り返すとともに、シ
リンダ室４０の作動流体が通路４７、４８、蓄冷体４６
が通過することを繰り返す。即ち、ピストン１２が前進
して圧縮室１１が高圧工程になる際には、作動流体が流
体通路４９を介して室４０ｂに流入し、このとき作動流
体の熱はシリンダ部４２、蓄冷体４６等に放熱される。 一方、ピストン１２が後退して圧縮室１１が低圧工程に
なる際には、ピストン４３は矢印Ｂ２方向へ移動し、室
４０ｂの容積が増し、室４０ｂの作動流体が断熱膨張す
る。このように逆スターリング冷凍機４では室４０ｂに
おいて作動流体が断熱膨張を繰り返し、これによりコー
ルドヘッド４１から６０〜８０Ｋ（例えば、作動流体と
してヘリウムガスを用い、蓄冷体４６として銅メッシュ
を用いた場合）程度の極低温が取り出される。

【００１９】本実施例では、極低温を発生するために圧
縮室１１で高圧とされた作動流体の一部は、一方向弁６
を介してバッハァタンク５に供給される。バッハァタン
ク５内の作動流体は一方向弁６により圧縮室１１へは戻
らない。従ってバッハァタンク５内の圧力は本装置の最
高圧力とされる。そして、バッハァタンク５内の高圧の
作動流体は流体通路７を通り、即ち、第２流量制御弁７
０、通路７ａ、７ｂをを通り気体軸受３に送られ、そし
て、気体軸受３に送られた作動流体は駆動軸１３を円滑
に支持する軸受機能を果たす。

【００２０】本実施例装置の圧力特性を模式的に図２に
示す。図２において縦軸は圧力値、横軸は時間を示す。 図２の特性線Ｒは圧縮室１１の圧力変化、つまり冷凍機
４の室４０ａの圧力変化を示し、特性線Ｔはバッハァタ
ンク５内の圧力を示し、特性線Ｋ１は密閉室１０の圧力
を示す。本実施例ではバッハァタンク５は大容積であり
、また気体軸受３は絞り効果を発揮するため、特性線Ｔ
に示す様に、バッハァタンク５内の圧力はほぼ一定に維
持される。また本実施例では基本的には、バッハァタン
ク５内の圧力と密閉室１０の圧力との差圧Ｐ１が（図２
参照）気体軸受３への給気圧力として作用する。

【００２１】以上説明したように本実施例では、逆スタ
ーリング冷凍機４で極低温を発生させるために使用され
る作動流体を気体軸受３に送り、駆動軸１３の軸受とし
て用いるものである。そのため圧縮機を別途必要とする
従来装置とは異なり、気体軸受３に送られる圧縮気体が
逆スターリング冷凍機４用の作動流体（ヘリウム）に混
入する問題を解決できる。また別の圧縮機を設けずとも
よく、構造の複雑化を回避するのに有利である。 （試験例）上記した第１実施例にかかる装置において実
機試験をした。この場合、圧縮室１１における最高圧が
約２０ｋｇ／ｃｍ　２、最低圧が約１０ｋｇ／ｃｍ　２
とし、駆動軸１３の重量が５００ｇとし、駆動軸１３の
真円度を０．００１に円筒度を０．００１とし、更に、
気体軸受３として球形粒子の圧粉体を用い、気体軸受３
と駆動軸１３とのクリアランスを半径で２５μｍとし、
気体軸受３の給気圧（ＭＡＸ）を約２０ｋｇ／ｃｍ　２
、気体軸受３への設計流量を例えば３．３８ｍ３　／ｈ
ｒ程度として試験した。その結果、良好な軸受特性が得
られた。 （第２実施例）本発明の第２実施例の要部を図３に示す
。図３は示す実施例の構成は基本的には前記実施例と同
様であり、基本的に同じ作用効果を奏する。ただし、戻
し用の流体通路１８には流量制御弁に代えて、一方向弁
２０が設けられている。一方向弁２０は、密閉室１０内
の作動流体を圧縮室１１に戻し、かつ、圧縮室１１の作
動流体を密閉室１０に逃がさないものである。第２実施
例では戻し用の流体通路１８に一方向弁２０が設けられ
ているので、ピストン１２により圧縮室１１内で高圧と
された作動流体は流体通路１８を介して密閉室１０に直
接流入しない。従って密閉室１０の圧力は図２の特性線
Ｋ２で模式的に示される様に低圧とされる。この第２実
施例では、基本的には、バッハァタンク５内の圧力と密
閉室１０の圧力との差圧Ｐ２（Ｐ２＞Ｐ１）が気体軸受
３への給気圧力として作用する。このように第２実施例
では差圧Ｐ２が大きいため（Ｐ２＞Ｐ１）、第１実施例
に比較して大きな給気圧力が気体軸受３に作用し、駆動
軸１３を支持する負荷能力を高め得る。

【００２２】

【発明の効果】本発明にかかる気体軸受をもつ流体圧縮
装置によれば、作動装置を作動させるために使用される
作動流体を気体軸受に送り、作動装置を作動させるため
の作動流体で駆動軸の軸受機能を果たすものである。そ
のため圧縮機を別途必要とする従来装置とは異なり、気
体軸受に送られる圧縮気体が作動装置の作動流体（ヘリ
ウム）に混入する問題を解決できる。

【００２３】また本発明にかかる流体圧縮装置によれば
、別の圧縮機を設けずともよく、構造の複雑化を回避す
るのに有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の流体圧縮装置を模式的に示す構成
図である。

【図２】圧力特性を模式的に示すグラフである。

【図３】第２実施例の流体圧縮装置を模式的に示す構成
図である。

【符号の説明】

１は高圧発生手段、１１は圧縮室、１２はピストン（駆
動子）、３は気体軸受、４は逆スターリング冷凍機（作
動手段）、６は一方向弁（制御弁）、７は流体通路を示
す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　作動流体が装入される圧縮室と、該圧
   縮室で駆動して該圧縮室内を高圧とする駆動子と、該駆
   動子を駆動させる駆動軸とをもつ高圧発生手段と、該高
   圧発生手段の該駆動軸を駆動可能に支持する気体軸受と
   、該高圧発生手段で高圧とされた作動流体により作動す
   る作動手段と、該高圧発生手段の該圧縮室に接続され該
   圧縮室で高圧とされた作動流体の一部を貯めるバッハァ
   タンクと、該バッハァタンクと該圧縮室との間の介在し
   該圧縮室内の作動流体を該バッハァタンクに送りかつ該
   バッハァタンク内の作動流体を該圧縮室へ逃がさない制
   御弁と、該バッハァタンクと該気体軸受とをつなぎ該バ
   ッハァタンク内の作動流体を該気体軸受に送る流体通路
   とで構成され、該バッハァタンクを経て該気体軸受に送
   られた作動流体で軸受機能を果たす構成としたことを特
   徴とする流体圧縮装置。