JP2000249054A - ガス圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型化に適したガス圧縮機を提供する。 【解決手段】 シリンダが、シリンダ面を画定する。ピ
ストンがシリンダ内に挿入され、その一端がシリンダの
外まで延在する。コイルバネが、シリンダとピストンと
を弾性的に連結する。コイルバネは、シリンダ面の一部
及びピストンの一部を取り巻くように配置されている。
駆動手段が、ピストンをシリンダ面の軸方向に往復駆動
する。

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、特にシリンダ内をピストン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
駆動して圧力が脈動する圧縮ガスをコールヘッドに供給
する。ピストンを往復駆動する方法には、モータの回転
運動をカム機構で往復運動に変換する方法、あるいはピ
ストンをコイルバネでシリンダ内の中立点に支持し、電
磁力で直接往復駆動する方法等がある。直接往復駆動す
る方法の方が、圧縮機の小型化等に有利であるため、ス
ターリング冷凍機には通常この方法を用いてピストンを
駆動する圧縮機が組み込まれる。

【０００４】図４は従来のピストン対向型圧縮機の断面
図を示す。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。

【０００５】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。管路２
が、各凹部１９の底面とケース１の側面とを連絡する。

【０００６】凹部１９内に、シリンダ内周面を画定する
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、ヨーク５よりも硬い材料、例えば
ステンレス、焼き入れ鋼等で形成され、シリンダの内周
面の磨耗を抑制する。シリンダスリーブ２０は、例えば
凹部１９内に圧入することにより固定される。

【０００７】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
る。圧縮室４は管路２に連続し、圧縮ガスは管路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
状の構造とされている。このフランジ状部分にコイルボ
ビンが取り付けられ、このコイルボビンに可動コイル１
６が巻き付けられている。可動コイル１６は溝３の中に
緩挿される。ピストン７はコイルバネ８を介してケース
１の両端の内面に弾性的に保持され、シリンダ内の中立
点に支持されている。

【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に接続されている。他
方の電流端子６は、りード線２５及びコイルバネ８を介
して可動コイル１６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１
６に交流電流を流すと、可動コイル１６は溝３の中に発
生した磁場により、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
バネ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、膨張によるガスバネによっても復元力を受け
る。すなわち、ピストン７を含む振動系は、ガスバネと
コイルバネ８の合成バネ定数、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１６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。

【００１２】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動させ、管路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。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ガス圧縮機を小型化す
ると、ピストン７の直径が小さくなる。ピストン７の細
径化に伴い、コイルバネ８の平均径（内径と外径との平
均）が小さくなる。コイルバネ８の平均径が小さくなる
とバネ定数が大きくなり、振動系の共振周波数が上昇し
てしまう。なお、小型化のためにピストン７の質量も減
少しているため、振動系の共振周波数はますます上昇す
る傾向にある。

【００１４】所望の共振周波数を得るためには、コイル
バネ８のバネ定数を小さくする必要がある。バネ定数を
小さくするためには、その有効巻数を多くすることが有
効である。ところが、有効巻数を多くすると、コイルバ
ネ８が長くなり、小型化の要請に反することになる。

【００１５】本発明の目的は、小型化に適したガス圧縮
機を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、シリンダ面を画定するシリンダと、前記シリンダ内
に挿入され、一端がシリンダの外まで延在するピストン
と、前記シリンダと前記ピストンとを弾性的に連結し、
前記シリンダ面の一部及びピストンの一部を取り巻くよ
うに配置されたコイルバネと、前記ピストンをシリンダ
面の軸方向に往復駆動する駆動手段とを有するガス圧縮
機が提供される。

【００１７】コイルバネがシリンダ面及びピストンを取
り巻くように配置されているため、コイルバネをピスト
ン内に配置する場合に比べて、コイルバネの平均径を大
きくすることができる。このため、コイルバネの全長を
長くすることなく、バネ定数を小さくすることが可能に
なる。従って、小型のガス圧縮機を実現することが容易
になる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１を参照して、本発明の第１の
実施例について説明する。図１は，第１の実施例による
ガス圧縮機の部分断面図を示す。第１の実施例によるガ
ス圧縮機は、中心の仮想平面５０に関して面対称の構造
を有する。図１では、ガス圧縮機のうち、仮想平面５０
に関して片側の部分（図１において右側の部分）のみを
示す。

【００１９】構造用炭素鋼（Ｓ１５Ｃ）からなるヨーク
５に、仮想平面５０に対して直交する中心軸を有する円
筒状の貫通孔１９が形成されている。貫通孔１９内に、
その両端から、それぞれ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、強磁性を
有するステンレスもしくは構造用炭素鋼（Ｓ１５Ｃ）で
形成される。

【００２０】シリンダスリーブ２０の外周面に、鍔部２
０ａが設けられている。鍔部２０ａが貫通孔１９の開口
部周辺の端面に接触することにより、シリンダスリーブ
２０ａの位置が固定される。シリンダスリーブ２０は、
例えばボルト等によってヨーク５に取り付けられる。鍔
部２０ａと貫通孔１９の開口部周辺の端面との間には、
Ｏリングが挟み込まれている。

【００２１】ピストン７がシリンダスリーブ２０内に挿
入されている。貫通孔１９のほぼ中央部に、２本のピス
トン７に挟まれた圧縮室４が画定される。圧縮室４は、
ガス流路２を介して外部に連通している。

【００２２】ヨーク５の両端面に、貫通孔１９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
に、円環状の永久磁石１７が取り付けられている。鍔部
２０ａの外周面は、溝３の内周側の側面を延長した円筒
面にほぼ一致する。永久磁石１７の内周面と、溝３の側
面及び鍔部２０ａの外周面との間に、円環状の間隙が画
定される。鍔部２０ａの図の右側端面と、永久磁石１７
の図の右端とは、シリンダの軸方向に関してほぼ同じ位
置に配置される。この間隙の内周側の側面は、ヨーク５
及び鍔部２０ａにより画定される。両者は共に強磁性体
であるため、この間隙内にその厚さ方向のほぼ一様な磁
場が発生する。

【００２３】この間隙内には、可動コイル１６を巻かれ
たコイルボビン３０が挿入されている。可動コイル１６
は、間隙内に発生している磁場と鎖交する。

【００２４】コイルボビン３０は、シリンダの外側でピ
ストン７に固定されている。ピストン７の、シリンダ外
の端部に、シリンダ径よりもやや大きな径を有する大径
部７ａが設けられている。シリンダスリーブ２０の外周
面のうち、貫通孔１９の外側の部分に、大径部７ａとほ
ぼ等しい外径を有する肉厚部２０ｂが形成されている。

【００２５】肉厚部２０ｂと大径部７ａとを、コイルバ
ネ８が連結する。コイルバネ８は、肉厚部２０ｂ及び大
径部７ａの外周面に形成されたらせん溝にねじ込むこと
によって、これらに取り付けられる。すなわち、コイル
バネ８が、シリンダの内周面の一部を取り巻くように配
置され、シリンダとピストン７とを弾性的に連結する。
コイルバネ８は、コイルボビン３０とヨーク５とにより
囲まれた空間内に配置されている。このため、小型化に
適した構造となっている。

【００２６】ヨーク５と蓋１とにより、ピストン７及び
コイルボビン３０を収容する閉じた空間が画定される。
蓋１に、一対の電流端子６が取り付けられている。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。コイルボビン３０は、ピストン７が往
復運動するときに電流端子６に接触しないような形状と
されている。

【００２７】図１に示す第１の実施例では，コイルバネ
８がピストン７及びシリンダを取り巻くように配置され
ている。このため、図４に示す従来のガス圧縮機の場合
に比べて、コイルバネ８の平均径を大きくすることがで
きる。バネ定数を一定に保つという条件の下でコイルバ
ネ８の平均径を大きくすると、その全長が短くなる。こ
れにより、ガス圧縮機を、より小型化することが可能に
なる。

【００２８】また、図４に示す従来例の場合には、コイ
ルバネ８の一端がケース１に取り付けられているため、
分解時にピストン７とシリンダとが分離する。これに対
し、第１の実施例の場合には、蓋１を取り外しても、ピ
ストン７とシリンダとは分離しない。このため、分解後
の再組み立てを容易に行うことができる。

【００２９】さらに、コイルバネ８の平均径が大きくな
り、かつ全長が短くなるため、ねじり力に対する剛性が
高くなる。このため、ピストン８の、軸回りの回転運動
を抑制することができる。

【００３０】次に、図２を参照して、第２の実施例につ
いて説明する。

【００３１】図２は，第２の実施例によるガス圧縮機の
部分断面図を示す。基本的な構成は，図１に示す第１の
実施例によるガス圧縮機の構成を同様である。以下で
は，第１の実施例によるガス圧縮機の構成と異なる部分
についてのみ説明する。なお、図２では，各構成部分
に、図１のガス圧縮機の対応する構成部分に付された符
号と同一の符号が付されている。

【００３２】シリンダスリーブ２０の外周面に鍔部２０
ｃが形成されている。鍔部２０ｃは、図１のシリンダス
リーブ２０の鍔部２０ａが形成されている位置よりも圧
縮室４側に位置する。鍔部２０ｃの外径は、溝３の内径
よりも小さい。溝３の内周側の、ヨーク５の端面は、永
久磁石１７の図の右端よりも圧縮室４側に位置する。円
環状の止め輪３１が、その外周面が溝３の内周側の側面
を延長した円筒面にほぼ一致するように配置されてい
る。止め輪３１は、例えば構造用炭素鋼（Ｓ１５Ｃ）で
形成される。

【００３３】シリンダスリーブ２０に肉厚部２０ｄが形
成されている。肉厚部２０ｄは、図１の肉厚部２０ｂの
位置より圧縮室４側に位置する。例えば、シリンダ軸方
向に関して、肉厚部２０ｄの右端と永久磁石１７の右端
とがほぼ同じ位置に配置される。

【００３４】ピストン７の大径部７ａと肉厚部２０ｄと
を、コイルバネ８が連結する。すなわち、コイルバネ８
の図の左端が、永久磁石１７の右端よりも圧縮室４側に
位置する。図１の第１の実施例の場合に比べて、コイル
バネ８の左端が圧縮室４側に位置するため、コイルバネ
８の全長が等しい場合には、第２の実施例のピストン７
が第１の実施例のそれよりも短くなる。このため、ガス
圧縮機を、より小型化することが可能になる。さらに、
シリンダ軸が水平になるように配置した場合、ピストン
７が短いため、その自重によってピストン７が傾くこと
を抑制できる。これにより、シリンダ面等の偏磨耗を抑
制することができる。

【００３５】図２に示すガス圧縮機では、コイルバネ８
が永久磁石１７の図の右端よりも圧縮室４側まで深く挿
入されている。このため、シリンダ軸方向に関して、永
久磁石１７とコイルバネ８とが重なる領域において、磁
路の断面積が小さくなる。より具体的には、図２の止め
輪３１の部分の磁路の断面積が、図１の鍔部２０ａの部
分の磁路の断面積よりも小さくなる。磁路の断面積の減
少は磁気抵抗の増加をもたらし、溝３内の磁場の乱れの
要因になり得る。本願発明者らの評価によると、この磁
路の断面積の減少による磁場の乱れは、ほとんど生じな
いことがわかった。

【００３６】図３に、評価に用いたガス圧縮機の磁路部
分の断面図を示す。溝３の深さＬ₃は２２ｃｍ、永久磁
石１７の、シリンダ軸方向の幅Ｌ₂は１５ｃｍ、磁路幅
の狭くなっている部分の長さＬ₁は７．５ｃｍである。
また、シリンダスリーブ２０の内周面と溝３の内周側の
側面との間の肉厚Ｔ₁は７ｃｍ、止め輪３１の肉厚Ｔ₂は
４ｃｍである。永久磁石１７の内周面と溝３の内周側の
側面との間の間隙幅Ｇは３．５ｃｍである。

【００３７】このように構成した圧縮機の、溝３内の磁
場分布を測定したところ、磁場の乱れは観測されなかっ
た。この評価結果から、少なくともＴ₂／Ｌ₁を０．５３
以上とすれば、磁場の乱れを防止し、運転効率を低下さ
せることなく小型化を図ることができると考えられる。

【００３８】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。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
コイルバネがシリンダ面を取り巻くような構成を採用す
ることにより、小型のガス圧縮機を得ることが可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例によるガス圧縮機の断面
図である。

【図２】本発明の第２の実施例によるガス圧縮機の断面
図である。

【図３】本発明の第２の実施例によるガス圧縮機の磁路
部分の断面図である。

【図４】従来例によるガス圧縮機の断面図である。

【符号の説明】 １ 蓋（ケース） ３ 溝 ４ 圧縮室 ５ ヨーク ６ 電流端子 ７ ピストン ７ａ 大径部 ８ コイルバネ １６ 可動コイル １７ 永久磁石 １９ 凹部 ２０ シリンダスリーブ ２０ａ、２０ｃ 鍔部 ２０ｂ、２０ｄ 肉厚部 ２５ リード線 ３０ コイルボビン ３１ 止め輪 ５０ 対称平面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金尾 憲一 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 Ｆターム(参考） 3H076 AA02 BB38 CC06 CC28 CC31 CC83

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ面を画定するシリンダと、 前記シリンダ内に挿入され、一端がシリンダの外まで延
   在するピストンと、 前記シリンダと前記ピストンとを弾性的に連結し、前記
   シリンダ面の一部及びピストンの一部を取り巻くように
   配置されたコイルバネと、 前記ピストンをシリンダ面の軸方向に往復駆動する駆動
   手段とを有するガス圧縮機。
2. 【請求項２】 前記駆動手段が、 前記シリンダ面を取り巻くように配置された間隙を画定
   するヨークと、 前記ヨークにより画定された前記間隙内に、その厚さ方
   向の磁場を発生させる永久磁石であって、該永久磁石が
   前記シリンダ面を取り巻き、前記シリンダ面の軸方向に
   関して、前記コイルバネが前記永久磁石と部分的に重な
   るように配置された前記永久磁石と、 前記間隙内に挿入され、該間隙内に発生する磁場と鎖交
   し、前記ピストンに固定されたコイルとを含む請求項１
   に記載のガス圧縮機。
3. 【請求項３】 前記ヨークにより画定された間隙の外周
   側の側面に、前記永久磁石が取り付けられ、前記間隙の
   内周側の側面の一部が前記ヨークにより画定されてお
   り、 さらに、前記間隙の内周側の側面のうち、前記シリンダ
   軸方向に関して前記コイルバネの一部と重なる部分を画
   定し、強磁性材料で形成された止め輪を有する請求項２
   に記載のガス圧縮機。