JP2000130324A - ガス圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピストンとシリンダとの軸ずれが生じにくい
ガス圧縮機を提供する。 【解決手段】 円筒状のシリンダの一端が開口し、他端
が閉塞されている。ピストンの第１の端部側の一部分が
シリンダの開口端からシリンダ内に挿入され、反対側の
第２の端部側の一部分はシリンダの開口端の外側に配置
されている。第１の端部とシリンダの閉塞端との間に圧
縮室が画定されている。ガス流路がピストン内に設けら
れ、圧縮室と外部の空間とを連通させる。固定部材が、
ピストンの第２の端部側においてピストンに固定され、
シリンダの開口端側の一部の外周を取り囲んでいる。第
１の弾性部材が、シリンダの開口端とピストンの第２の
端部とを接続し、シリンダをピストンに対して軸方向に
弾性的に支持している。第２の弾性部材が、シリンダの
閉塞端と固定部材とを接続し、シリンダを固定部材に対
して軸方向に弾性的に支持している。駆動手段が、シリ
ンダをピストンに対して軸方向に往復運動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス圧縮機に関
し、特にピストンが固定され、シリンダが往復運動する
ガス圧縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガス圧縮機は、例えばスターリング冷凍
機、パルス管冷凍機等に組み込まれて使用される。スタ
ーリング冷凍機は例えば赤外線カメラのセンサの冷却に
使用される。このような赤外線センサは半導体回路等の
製品の検査、コンビナートのパイプライン等の設備の安
全確認等に用いられている。

【０００３】スターリング冷凍機に組み込まれて使用さ
れる圧縮機は、シリンダ内に挿入されたピストンを往復
駆動させることにより、シリンダとピストンとの間に画
定された圧縮室内の容積を変化させる。圧縮室内の容積
が変化することにより、圧力が脈動する圧縮ガスがコー
ルヘッドに供給される。

【０００４】従来のガス圧縮機は、シリンダ部分が固定
され、ピストンがシリンダに対して往復運動するいわゆ
るムービングピストン型であった。図３にムービングピ
ストン型のピストン対向型圧縮機の一例の断面図を示
す。

【０００５】両端が閉塞された円筒状のケース１の内部
空洞のほぼ中央に、その内周面にほぼ密着するようにヨ
ーク５が配置されている。ヨーク５は、例えば純鉄で形
成される。この圧縮機は、ケース１の中心軸に直交し、
かつその中央を通過する仮想平面に関してほぼ面対称の
構造とされている。ヨーク５の両端面の各々とケース１
との間には、ピストンを往復駆動するための空間が画定
されている。

【０００６】ヨーク５の両側の端面から、それぞれ中心
に向かって円柱状の凹部１９が形成されている。各凹部
１９の底面とケース１の側面とを連絡するガス流路２が
形成されている。

【０００７】凹部１９内に、円筒状のシリンダスリーブ
２０が挿入されている。シリンダスリーブ２０は、圧入
あるいはその他の固定手段によりヨーク５に固定されて
いる。シリンダスリーブ２０は、シリンダの内周面を画
定する。シリンダスリーブ２０内にピストン７が挿入さ
れ、凹部１９の底面、シリンダスリーブ２０の内周面、
及びピストン７の先端により圧縮室４が画定されてい
る。圧縮室４はガス流路２に連続し、圧縮ガスがガス流
路２を通って外部に供給される。

【０００８】ヨーク５の端面に、凹部１９の周囲を取り
囲む円環状の溝３が形成されている。溝３の外周側の側
面上に、円環状の永久磁石１７が取り付けられている。
永久磁石１７の内周面と溝３の内周側の側面との間に、
円環状の間隙が画定されている。ヨーク５、永久磁石１
７、及び溝３内の間隙により、閉磁路が形成され、溝３
の中に厚さ方向の磁界が発生する。

【０００９】ピストン７のシリンダ外の端部はフランジ
状に形成され、溝３の中に緩挿される可動コイル１６が
このフランジ状部分に取り付けられている。ピストン７
はコイルばね８を介してケース１の内面に取り付けら
れ、シリンダ内の軸方向の中立点に弾性的に支持されて
いる。

【００１０】ケース１の両側の端面にそれぞれ１対の電
流端子６が取り付けられている。１対の電流端子のうち
一方の電流端子６は、ケース１の内部に配置されたリー
ド線２５を介して可動コイル１６の一端に接続されてい
る。他方の電流端子６は、リード線２５及びコイルばね
８を介して可動コイル１６の他端に接続されている。電
流端子６を通して可動コイル１６に電流が供給される。
可動コイル１６に交流電流を流すと、可動コイル１６は
溝３の中に発生している磁場により、軸方向（図の横方
向）の力を受け、ピストンが往復駆動される。

【００１１】ピストン７が軸方向に変位すると、コイル
ばね８から復元力を受けるが、圧縮室４に封入されたガ
スの圧縮、膨張によるガスばねによっても復元力を受け
る。すなわち、ピストン７は、ガスばねとコイルばね８
の合成ばね定数、及び可動部分の質量から求まる固有の
共振周波数を有する。この共振周波数が、可動コイル１
６に流す電流の周波数に同期するように設計することに
より、効率よくピストンを駆動することができる。ピス
トン７を往復駆動することにより、圧縮室４の容積を周
期的に変化させ、ガス流路２を通して圧縮ガスの供給と
回収を繰り返すことができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】この従来のムービング
ピストン型のガス圧縮機では、可動ピストン７が一本の
コイルばね８によって、軸方向に弾性的に支持されると
ともに、その径方向の位置が拘束されている。コイルば
ね８は、その軸に直交する方向にたわみやすい。コイル
ばね８がたわむと、ピストン７とシリンダスリーブ２０
との中心軸がずれる。両者の中心軸のずれは、シリンダ
スリーブ２０及びピストン７の磨耗の原因になる。

【００１３】コイルばねのばね定数ｋとコイル寸法との
間には下記の式のような関係がある。

【００１４】

【数１】ｋ∝１０００×ｄ⁴ ／（ｎ×Ｄ³ ） ここで、ｄはコイルの線径、ｎはコイルの巻数、Ｄはコ
イルの中心径である。

【００１５】ある程度の大きさのばね定数ｋを得るため
には、中心径Ｄを小さくする必要がある。しかし、Ｄを
小さくすると径方向の剛性が不足してばねがたわみ易く
なる。所望のばね定数ｋを保ちつつ、中心径Ｄと線径ｄ
の両方を大きくしてたわみにくくすることが望ましい。

【００１６】しかし、従来のムービングピストン型の構
造では、コイルばね８がピストン７の内部に入っている
ために中心径Ｄを拡大する余地は少ない。無理にコイル
ばね８の中心径Ｄと線径ｄとを拡大しようとするとピス
トン７が大型になり消費電力の増加及び圧縮機全体の大
型化を招き好ましくない。

【００１７】本発明の目的は、ピストンとシリンダとの
軸ずれが生じにくいガス圧縮機を提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、一端が開口し、他端が閉塞された円筒状のシリンダ
と、第１の端部側の一部分が前記シリンダの開口端から
該シリンダ内に挿入され、第１の端部とは反対側の第２
の端部側の一部分は該シリンダの開口端の外側に配置さ
れ、該第１の端部と前記シリンダの閉塞端との間に圧縮
室を画定するピストンと、前記ピストン内に設けられ、
前記圧縮室と外部の空間とを連通させるガス流路と、前
記ピストンの第２の端部側において該ピストンに固定さ
れ、前記シリンダの開口端側の一部の外周を取り囲む固
定部材と、前記シリンダの開口端と前記ピストンの第２
の端部とを接続し、前記シリンダを前記ピストンに対し
て軸方向に弾性的に支持する第１の弾性部材と、前記シ
リンダの閉塞端と前記固定部材とを接続し、前記シリン
ダを前記固定部材に対して軸方向に弾性的に支持する第
２の弾性部材と、前記シリンダを前記ピストンに対して
軸方向に往復運動させる駆動手段とを有するガス圧縮機
が提供される。

【００１９】シリンダの開口端と閉塞端が、それぞれ第
１及び第２の弾性部材で支持されている。このため、ピ
ストンとシリンダとの軸ずれを生じにくくし、両者の磨
耗を少なくすることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施例によるガス圧縮機
は、従来のムービングピストン型ではなく、ピストンを
固定し、シリンダを往復運動させるムービングシリンダ
型である。本発明の実施例を説明する前に、ムービング
シリンダ型のガス圧縮機の参考例について説明する。

【００２１】図２は、参考例によるムービングシリンダ
型のガス圧縮機の一例を示す。図２に示すガス圧縮機
は、図３に示すガス圧縮機のヨーク５にピストンを固定
し、可動コイル１６にシリンダを取り付けている。以
下、図３に示すガス圧縮機の構成と異なる点についての
み説明する。図２のガス圧縮機の各構成部分には、図３
のガス圧縮機の対応する構成部分と同一の参照符号が付
されている。

【００２２】図３のヨーク５の凹部１９に対応する位置
に、凹部１０が形成されている。凹部１０の底面から、
その凹部１０の開口部に向かってピストン９が設けられ
ている。ピストン９の内部にはガス流路２が形成され、
ガス流路２は、ピストン９の先端部に開口している。

【００２３】一端が閉塞された円筒状のシリンダ１３
が、ピストン９の先端側の一部分を包み込んでいる。ピ
ストン９の先端とシリンダ１３の閉塞端との間に圧縮室
４が画定されている。シリンダ１３は、その閉塞端にお
いてシリンダ保持部材１２に取り付けられている。シリ
ンダ保持部材１２には、さらに可動コイル１６が取り付
けられている。可動コイル１６が往復駆動されることに
より、シリンダ１３が往復運動する。

【００２４】シリンダ保持部材１２は、コイルばね１４
を介してケース１の内面に取り付けられ、軸方向の中立
点に弾性的に支持されている。

【００２５】図２に示すムービングシリンダ型のガス圧
縮機においては、一本のコイルばね１４がシリンダ保持
部材１２を支持している。図２の構造では、シリンダ保
持部材１２を支持するのはコイルばね１４のみである。
シリンダ１３とピストン９との径方向の相対位置の不安
定性の点で、図３に示すムービングピストン型のものと
変わるところがない。

【００２６】次に、図１を参照して、本発明の実施例に
よるガス圧縮機について説明する。図１は、実施例によ
るガス圧縮機の断面図を示す。円板状の中央隔壁３０の
両面の各々の中央部に、円柱状のピストン９が取り付け
られている。ガス圧縮機は、中央隔壁３０に関してほぼ
面対称の構造を有する。ピストン９の中心軸は、中央隔
壁３０の法線方向に平行である。ピストン９及び中央隔
壁３０の内部にガス流路２が形成されている。ガス流路
２の一端はピストン９の各々の先端に開口し、他端は中
央隔壁３０の端面に開口している。

【００２７】中央隔壁３０の両面の各々に、ヨーク５が
取り付けられている。ヨーク５には、ピストン９を取り
囲む貫通孔１０が形成されている。ピストン９の先端側
の一部分を包み込むように、円筒状のシリンダ１３がピ
ストン９と同軸状に配置されている。シリンダ１３の内
周面とピストン９の外周面との間には、理想的には５〜
１０μｍ程度の間隙が形成されている。シリンダ１３の
中央隔壁３０側の端部は開口し、他端は閉塞されてい
る。ピストン９の先端とシリンダ１３の閉塞端との間に
圧縮室４が画定されている。圧縮室４は、ガス流路２を
介して外部の空間に連通している。

【００２８】シリンダ１３は、その閉塞端においてシリ
ンダ保持部材１２に固定されている。シリンダ保持部材
１２には、さらに可動コイル１６が取り付けられてい
る。ヨーク５に設けられた溝３、永久磁石１７、及び可
動コイル１６の構成は、図３に示す構成と同様である。

【００２９】シリンダ１３の開口端とピストン９の中央
隔壁３０側の端部とが、コイルばね１５で接続されてい
る。コイルばね１５は、ピストン９の周囲を取り巻いて
いる。シリンダ１３の閉塞端とヨーク５とが、コイルば
ね１８で接続されている。コイルばね１８は、シリンダ
１３の周囲を取り巻いている。コイルばね１５及び１８
は、シリンダ１３をピストン９に対して、軸方向に弾性
的に支持する。また、ピストン９に対してシリンダ１３
の径方向の位置を拘束する。

【００３０】シリンダ保持部材１２が配置される空間
が、ヨーク５とケース１により密閉されている。ケース
１に電流端子６が取り付けられており、電流端子６から
リード線２５を介して可動コイル１６に電流が供給され
る。可動コイル１６に交流電流が供給されると、シリン
ダ１３が軸方向に往復運動する。圧縮室４の容積が変化
し、ガス流路２を通って外部に圧縮ガスが供給される。

【００３１】図１の実施例においては、シリンダ１３の
両端が、コイルばね１５及び１８によりピストン９若し
くはヨーク５に接続されている。このため、ピストン９
とシリンダ１３との径方向の相対位置を、より安定して
拘束することができる。ピストン９とシリンダ１３との
軸ずれが生じにくいため、ピストン９及びシリンダ１３
の摺動による磨耗を少なくすることができる。

【００３２】また、コイルばね１８は、貫通孔１０の中
に挿入されないため、そのコイルの中心径Ｄを大きくす
ることが可能である。上述のばね定数に関する式からわ
かるように、一定のばね定数ｋを維持するという条件の
下で、中心径Ｄを大きくすると、コイルの線径ｄを太く
することができる。このため、コイルばね１８として、
たわみにくいものを使用することができる。

【００３３】さらに、シリンダ保持部材１２とケース１
との間にばねを配置する必要がないため、ガス圧縮機の
小型化を図ることが可能になる。

【００３４】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ムービングシリンダを、弾性部材によりその両端で支持
する。このため、ピストンとシリンダとの径方向の相対
位置を、安定に拘束することができる。両者の軸ずれが
生じにくくなり、軸ずれによる磨耗を少なくすることが
可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるガス圧縮機の断面図であ
る。

【図２】ムービングシリンダ型のガス圧縮機の一例の断
面図である。

【図３】従来の技術によるムービングピストン型のガス
圧縮機の断面図である。

【符号の説明】

１ ケース ２ ガス通路 ３ 溝 ４ 圧縮室 ５ ヨーク ６ 電流端子 ７ ピストン ８、１５、１８ コイルばね ９ ピストン １０ 貫通孔 １２ シリンダ保持部材 １３ シリンダ １６ 可動コイル １７ 永久磁石 ２０ スリーブ ２５ リード線 ３０ 中央隔壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 紀久 神奈川県平塚市夕陽ケ丘63番30号 住友重 機械工業株式会社総合技術研究所内 (72)発明者 田口 芳人 東京都田無市谷戸町２丁目１番１号 住友 重機械工業株式会社田無製造所内 (72)発明者 内田 年雄 東京都田無市谷戸町２丁目１番１号 住友 重機械工業株式会社田無製造所内 Ｆターム(参考） 3H076 AA03 AA13 BB26 BB50 CC06 CC29

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端が開口し、他端が閉塞された円筒状
   のシリンダと、 第１の端部側の一部分が前記シリンダの開口端から該シ
   リンダ内に挿入され、第１の端部とは反対側の第２の端
   部側の一部分は該シリンダの開口端の外側に配置され、
   該第１の端部と前記シリンダの閉塞端との間に圧縮室を
   画定するピストンと、 前記ピストン内に設けられ、前記圧縮室と外部の空間と
   を連通させるガス流路と、 前記ピストンの第２の端部側において該ピストンに固定
   され、前記シリンダの開口端側の外周を取り囲む固定部
   材と、 前記シリンダの開口端と前記ピストンの第２の端部とを
   接続し、前記シリンダを前記ピストンに対して軸方向に
   弾性的に支持する第１の弾性部材と、 前記シリンダの閉塞端と前記固定部材とを接続し、前記
   シリンダを前記固定部材に対して軸方向に弾性的に支持
   する第２の弾性部材と、 前記シリンダを前記ピストンに対して軸方向に往復運動
   させる駆動手段とを有するガス圧縮機。
2. 【請求項２】 前記第１の弾性部材が、前記ピストンを
   取り巻くように配置された第１のコイルばねであり、 前記第２の弾性部材が、前記シリンダを取り巻くように
   配置された第２のコイルばねである請求項１に記載のガ
   ス圧縮機。