JP2000329063A - ガス圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 駆動される部分の固有振動数を容易に調節す
ることが可能なガス圧縮機を提供する。 【解決手段】 シリンダの中にピストンが挿入されてい
る。両者のうち一方の可動側部材が、他方の固定側部材
に対して軸方向に移動可能である。弾性支持体が、可動
側部材を固定側部材に対して、軸方向に移動可能に弾性
的に支持する。駆動手段が、可動側部材を固定側部材に
対して軸方向に往復駆動する。容積調節手段が、可動側
部材が固定側部材に対して軸方向の中立点に位置すると
きの圧縮室の容積を変化させる。

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、特にシリンダとその中に挿入されたピストンとによ
り圧縮室が画定された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
駆動することにより、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周期的に変化させる。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
がコールドヘッドに供給される。

【０００４】ピストンは、例えばリニアモータにより往
復駆動される。リニアモータは、永久磁石、その永久磁
石の磁束と鎖交するコイル、及びコイルに交流電流を流
す電源を含んで構成される。また、ピストンは、コイル
バネ等の弾性部材によりシリンダの軸方向に弾性的に支
持され、ピストンと共に駆動される部分の質量とバネ定
数（ガスバネとコイルバネとの合成バネ定数）とから求
まる固有の振動数で振動する。この振動数と電源の周波
数とをほぼ等しくしておくことにより、コイルに供給す
る電力を低減することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ピストンの固有振動数
が電源周波数からずれている場合、駆動される部分の質
量やバネ定数を調節して固有振動数を調節することは困
難であった。

【０００６】本発明の目的は、駆動される部分の固有振
動数を容易に調節することが可能なガス圧縮機を提供す
ることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、シリンダと、その中に挿入されたピストンであっ
て、両者のうち一方の可動側部材が、他方の固定側部材
に対して軸方向に移動可能な前記シリンダ及びピストン
と、前記可動側部材を固定側部材に対して、軸方向に移
動可能に弾性的に支持する弾性支持体と、前記可動側部
材を固定側部材に対して軸方向に往復駆動する駆動手段
と、前記可動側部材が固定側部材に対して軸方向の中立
点に位置するときの前記圧縮室の容積を変化させる容積
調節手段とを有するガス圧縮機が提供される。

【０００８】可動側部材は、可動部分の質量、及びバネ
定数（弾性支持体によるバネ定数とガスバネによるバネ
定数との合成）とにより求まる固有の振動数で振動す
る。中立状態における圧縮室の容積が変わると、ガスバ
ネ定数が変わる。ガスバネ定数を変えることにより、合
成バネ定数を変え、固有振動数を調節することができ
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１に第１の実施例によるガス圧
縮機の断面図を示す。円筒状のケース１Ａ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１Ａ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。

【００１０】ヨーク５の両側の端面の各々から、ケース
１Ａの中心軸に沿って円柱状の凹部１９が形成されてい
る。各凹部１９の底面とケース１Ａの側面とを連絡する
ガス流路２が形成されている。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に連通し、圧
縮ガスがガス流路２を通って外部に導出される。

【００１１】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る。ヨーク５、永久磁石１７、
及び溝３内の間隙により、閉磁路が形成され、溝３の中
に厚さ方向の磁場が発生する。

【００１２】底１２ｂを有する筒状のコイルボビン１２
の側壁１２ａが溝３内に挿入されている。コイルボビン
１２の側壁１２ａに巻かれたコイル１６が、溝３内に発
生した磁場と鎖交する。

【００１３】ピストン７のシリンダ外の端部が、容積調
節機構３０を介してコイルボビン１２の底１２ｂに取り
付けられている。容積調節機構３０は、円柱状の調節棒
３１、円筒状のスリーブ３２、及び調整ネジ３３を含ん
で構成される。調節棒３１は、ピストン７のシリンダ外
の端面に固定されている。スリーブ３２は、コイルボビ
ン１２の底１２ｂのほぼ中央に固定されている。

【００１４】調整棒３１及びスリーブ３２の中心軸は、
共にシリンダスリーブ２０の中心軸にほぼ一致する。調
整棒３１は、スリーブ３２内に挿入されている。挿入の
深さを調節することにより、ピストン７とコイルボビン
１２の底１２ｂとの距離を変化させることができる。ス
リーブ３２の側壁を調整ネジ３３が貫通し、その先端が
調整棒３１の側面に接触する。調整ネジ３３を緩めるこ
とにより調整棒３１のスリーブ３２内への挿入の深さを
変えることができる。調整ネジ３３を締めることによ
り、調整棒３１をスリーブ３２に対して固定することが
できる。

【００１５】コイルボビン１２の各々よりも外側に、板
バネ８が配置されている。板バネ８は、径方向に放射状
に延在する複数のスリットが設けられた円盤状の形状を
有する。板バネ８の外周部が、ケース１Ａの両側の開口
端に固定されている。板バネ８の中心部とコイルボビン
１２の底１２ｂの中心部とが、連結部材９により相互に
連結されている。板バネ９は、コイルボビン１２及びピ
ストン７を、シリンダの軸方向の中立点に支持する。ピ
ストン７及びコイルボビン１２が中立点から軸方向に変
位すると、板バネ９の弾性力により中立点に戻る向きの
復元力が発生する。ケース１Ａの両側の開口部は、蓋１
Ｂにより塞がれている。

【００１６】コイル１６に交流電流を流すと、コイル１
６は溝３の中に発生している磁場により、軸方向の力を
受け、ピストン７が往復駆動される。ピストン７が軸方
向に変位すると、板バネ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は、ガス
バネと板バネ８の合成バネ定数、及び可動部分の質量か
ら求まる固有の振動数で振動する。この固有振動数が、
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７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。

【００１７】ガスバネ定数は、ピストン７が中立点に位
置する時の圧縮室４の容積に依存する。スリーブ３２へ
の調整棒３１の挿入の深さを変化させることにより、ピ
ストン７が中立点に位置する時の圧縮室４の容積を変え
ることができる。これにより、ピストン７の固有振動数
を、所望の振動数（例えば、コイル１６に流す交流電流
の周波数）と一致するするように調節することが可能に
なる。

【００１８】冷凍機のコールドヘッドに供給される圧縮
ガスの圧力の脈動周期の最適値は、冷凍機の冷凍能力ご
とに異なる。上記第１の実施例によるガス圧縮機におい
ては、圧縮ガスの脈動する周期を調節することができる
ため、異なる冷凍能力を有する冷凍機ごとにガス圧縮機
の設計変更を行う必要がない。このため、量産効果によ
るコスト低減を図ることが可能になる。

【００１９】図２は、本発明の第２の実施例によるガス
圧縮機の部分断面図を示す。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３７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３７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３７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３７の各々の先端に開口し、他
端は中央隔壁３０の外周面に開口している。

【００２０】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３７を収
容する貫通孔３８が形成されている。ピストン３７の先
端側の一部分を包み込むように、円筒状のシリンダ３９
がピストン３７と同軸状に配置されている。シリンダ３
９の内周面とピストン３７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３９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３７の先端とシリンダ３９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。

【００２１】シリンダ３９は、その閉塞端においてコイ
ルボビン１２の底１２ｂのほぼ中央部に固定されてい
る。コイルボビン１２の構成は、図１に示す第１の実施
例のコイルボビン１２と同様である。また、図２に示す
溝３、永久磁石１６、及びコイル１６は、図１の対応す
る部分と同様の構成を有する。

【００２２】シリンダ３９内の閉塞端側の端部近傍に、
シリンダヘッド４１が配置されている。シリンダヘッド
４１とシリンダ３９の内側の端面との間にスペーサ４０
が挿入されている。シリダヘッド４１は、シリンダ３９
の内径よりもやや小さな径を有する円柱状の部材であ
る。スペーサ４０は、シリンダ３９の内径よりもやや小
さな径を有する円盤である。シリンダヘッド４１及びス
ペーサ４０は、アルミニウム、スレンレス、樹脂等で形
成される。

【００２３】固定ネジ４２が、コイルボビン１２の底１
２ｂ、シリンダ３９の端面、及びスペーサ４０を貫通
し、シリンダヘッド４１まで達する。固定ネジ４２をシ
リンダヘッド４１に締め付けることにより、シリンダヘ
ット４１がシリンダ３９内に固定される。シリンダヘッ
ド４１の外周面とシリンダ３９の内周面との間の隙間
は、Ｏリング４３によってシールされている。

【００２４】シリンダ３９の開口端とピストン３７の中
央隔壁３０側の端部とが、コイルバネ４５で接続されて
いる。コイルバネ４５は、ピストン３７の周囲を取り巻
いている。シリンダ３９の閉塞端とヨーク５とが、コイ
ルバネ４６で接続されている。コイルバネ４６は、シリ
ンダ３７の周囲を取り巻いている。コイルバネ４５及び
４６は、シリンダ３９をピストン３７に対して、軸方向
に弾性的に支持する。また、ピストン３７に対してシリ
ンダ３９の径方向の位置を拘束する。コイルボビン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。

【００２５】第２の実施例においては、スペーサ４０の
厚さを変えることにより、圧縮室４の容積を調節するこ
とができる。図２では、固定ネジ４２でシリンダヘッド
４１を固定する場合を説明したが、シリンダヘッド４１
の外周面とシリンダ３９の内周面とにネジ山を形成し、
シリンダヘッド４１をねじ込むことによって固定しても
よい。この場合には、スペーサ４０を用いることなく、
シリンダヘッド４１の位置を所望の位置に固定すること
ができる。

【００２６】また、第２の実施例においては、シリンダ
３９の両端が、コイルバネ４５及び４６によりピストン
３６若しくはヨーク５に支持されている。このため、ピ
ストン３７とシリンダ３９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３７とシリ
ンダ３９との軸ずれが生じにくいため、両者の摺動によ
る磨耗を少なくすることができる。

【００２７】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。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
ピストンとシリンダの一方が他方に対して中立点にある
時の圧縮室の容積を変えることにより、ピストンもしく
はシリンダの固有振動数を調節することができる。この
固有振動数と駆動電流の周波数とをほぼ等しくすること
により、運転効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例によるガス圧縮機の断面図であ
る。

【図２】第２の実施例によるガス圧縮機の断面図であ
る。

【符号の説明】

１ ケース ２ ガス流路 ３ 溝 ４ 圧縮室 ５ ヨーク ８ 板バネ ９ 連結部材 １２ コイルボビン １６ コイル １７ 永久磁石 １９ 凹部 ２０ シリンダスリーブ ３０ 隔壁 ３７ ピストン ３８ 貫通穴 ３９ シリンダ ４０ スペーサ ４１ シリンダヘッド ４２ 固定ネジ ４３ Ｏリング ４５、４６ コイルバネ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダと、その中に挿入されたピスト
   ンであって、両者のうち一方の可動側部材が、他方の固
   定側部材に対して軸方向に移動可能な前記シリンダ及び
   ピストンと、 前記可動側部材を固定側部材に対して、軸方向に移動可
   能に弾性的に支持する弾性支持体と、 前記可動側部材を固定側部材に対して軸方向に往復駆動
   する駆動手段と、 前記可動側部材が固定側部材に対して軸方向の中立点に
   位置するときの前記圧縮室の容積を変化させる容積調節
   手段とを有するガス圧縮機。
2. 【請求項２】 前記可動側部材がピストンであり、固定
   側部材がシリンダであり、 前記容積調節手段が、前記ピストンと弾性支持体とを連
   結して固定し、前記ピストンが中立点に位置する時のそ
   の軸方向の位置を調節する請求項１に記載のガス圧縮
   機。
3. 【請求項３】 前記可動側部材がシリンダであり、前記
   固定側部材がピストンであり、 前記容積調節手段が、前記シリンダとピストンとによっ
   て画定された空間内に配置され、前記シリンダに対する
   軸方向の位置を固定されることによって、前記ピストン
   の先端及びシリンダの側面とともに圧縮室を画定し、該
   シリンダ内でその軸方向の位置を変えることができるシ
   リンダ埋込部材を含む請求項１に記載のガス圧縮機。