JP2002243293A - 冷凍機における板バネおよびその製作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 板バネ９の曲線状スリット２０などをと
くに厚さ方向に均一な幅を有するように形成し、冷凍機
を長寿命とするために重要な部品である板バネ９の製作
技術を向上させることができるとともに、リード線接続
片など折曲げ部分があっても耐久性および機械的強度が
低下することがないようにした冷凍機における板バネお
よびその製作方法を提供すること。 【解決手段】 板バネ９に形成する曲線状スリット２０
のスリット幅Ｄを板厚Ｔ以上にすること、および材料の
平板の両側からエッチング処理することに着目したもの
で、冷媒の圧縮および膨張を行うことにより冷凍を発生
する冷凍機において、その板厚方向に貫通して外周側か
ら中心方向に複数本の曲線状スリット２０を形成した板
バネ９であって、曲線状スリット２０の幅Ｄを、その板
厚Ｔ以上としたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は冷凍機における板バ
ネおよびその製作方法にかかるもので、とくにガス圧縮
機を備えて冷凍を発生させるスターリング冷凍機その他
の冷凍機における板バネおよびその製作方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】シリンダーおよびピストンの相互作用に
より、ヘリウムガスなどの冷媒ガスを圧縮および膨張さ
せて冷凍を作り出すスターリング冷凍機その他の冷凍機
において、シリンダーおよびピストンを駆動するための
駆動部に板バネを用いたものがある。たとえば、特開平
５−２１５４２３号などがある。図４にもとづき概説す
る。図４は、本出願人により提案されているスターリン
グ冷凍機１の断面図であって、スターリング冷凍機１
は、ガス圧縮機２と、コールドヘッド３と、を有する。

【０００３】ガス圧縮機２は、コールドヘッド３への冷
媒の圧縮供給作用および吸収膨張作用を行ってコールド
ヘッド３において冷凍を発生させるためのもので、圧縮
機ケース４と、中間ヘッド５と、中間ヘッド５に形成し
た左右一対のピストン６と、左右一対のヨーク７と、そ
れぞれのヨーク７に取り付けた左右一対のシリンダー８
と、左右二対の複数枚の円形状の板バネ９と、左右一対
の円環状の永久磁石１０と、左右一対の円環状の電磁コ
イル１１と、を有する。

【０００４】圧縮機ケース４は、その内部に中間ヘッド
５、ピストン６、ヨーク７、シリンダー８、板バネ９、
永久磁石１０および電磁コイル１１をピストン６の軸方
向において対称的に収容している。

【０００５】中間ヘッド５は、図４中、ほぼ十文字に現
れるもので、上下縦方向に支持部１２を有し、そのほぼ
中央横方向に左右一対のピストン６を形成しているとと
もに、ピストン６および支持部１２の中央部にヘリウム
ガスなどの冷媒のガス流路１３を形成している。

【０００６】ピストン６は、左右一対のシリンダーヘッ
ド１４に対向し、その外周面にシール部材１５を設ける
とともに、シリンダー８、およびこのシリンダー８に一
体に取り付けてあるシリンダーヘッド１４との間に圧縮
膨張室１６を形成する。圧縮膨張室１６は、ガス流路１
３に連通する。シリンダー８は、電磁コイル１１と一体
に移動可能である。

【０００７】ヨーク７は、磁路を形成するための、たと
えば鉄製の部材であって、板バネ９の外周部分、および
永久磁石１０を取り付けている。

【０００８】シリンダー８は、その内部にピストン６を
軸方向に相対的に移動可能に挿入し、固定状態のピスト
ン６に対してシリンダー８が軸方向に往復動可能であ
る。なお、ガス圧縮機２の駆動タイプとしては、ピスト
ン６を移動させるピストン駆動型、およびシリンダー８
を移動させるシリンダー駆動型があるが、図示の例は、
シリンダー駆動型である。

【０００９】板バネ９は、導電性および弾性を有する金
属材料からこれを構成し、その外周部分を取付けボルト
１７によりヨーク７に取り付けてあるとともに、その内
周部分を取り付けボルト１７によりシリンダーヘッド１
４に取り付けてあって、圧縮機ケース４内において外側
の複数枚の巻スリット板バネ９Ａおよび内側の一枚のリ
ード線接続用板バネ９Ｂの形態を有する。

【００１０】図５は、巻スリット板バネ９Ａの平面図で
あり、図６は、リード線接続用板バネ９Ｂの平面図およ
び側面図である。巻スリット板バネ９Ａは、図５に示す
ように、外周側取付け孔１８と、内周側取付け孔１９
と、外周側から中心方向に向かう複数本の曲線状スリッ
ト２０と、中心孔２１と、を形成してある。リード線接
続用板バネ９Ｂは、図６に示すように、外周側取付け孔
１８および内周側取付け孔１９と、中心孔２１と、端子
側孔２２と、リード線接続片２３（折曲げ片、リップ）
と、を形成している。巻スリット板バネ９Ａおよびリー
ド線接続用板バネ９Ｂ、とくに複数本の曲線状スリット
２０を形成してある巻スリット板バネ９Ａの弾性力によ
り、シリンダー８および電磁コイル１１を軸方向におい
て往復動可能に支持している。

【００１１】永久磁石１０および電磁コイル１１は、リ
ニアモーターを構成するもので、互いに対向するように
これを配置してあり、リード線接続用板バネ９Ｂのリー
ド線接続片２３にハンダ付けしたリード線２４を介し
て、電磁コイル１１に所定周波数の交流電流を供給可能
としている。永久磁石１０および電磁コイル１１ととも
に、板バネ９、ピストン６およびシリンダー８により駆
動部２５を構成し、ピストン６およびシリンダー８の相
対運動を発生させる。すなわち、電磁コイル１１に所定
周波数の交流電流を流すことにより、および板バネ９の
弾性反発力により、永久磁石１０および電磁コイル１１
を相対的に軸方向に駆動することによってピストン６お
よびシリンダー８の相対運動を発生させ、圧縮膨張室１
６内の冷媒の圧力を上下させ、ガス流路１３からガス供
給管２６を介してコールドヘッド３側に冷媒の圧力変化
を所定のタイミングで供給し、コールドヘッド３に冷凍
を発生させる。

【００１２】すなわち、コールドヘッド３は、シリンダ
ー２７と、蓄冷材２８を収容したディスプレーサー２９
（ピストン）と、バネ材３０と、を有し、それぞれの位
相をずらせた冷媒の供給（圧縮膨張）およびディスプレ
ーサー２９の往復動にともなって逆スターリングサイク
ルを実行し、冷凍を発生する。このバネ材３０として
は、コイルバネはもとより、上述と同様の板バネ９を採
用することができる。さらにコールドヘッド３は、ガス
圧縮機２に設けたと同様のリニアモーターを有してもよ
い。

【００１３】なおまた、図７は、板バネ９（リード線接
続用板バネ９Ｂ）の他のタイプのリード線接続用板バネ
３１を示す平面図であって、リード線接続用板バネ３１
では、その外周側取付け孔１８および中心孔３２を形成
するとともに、円周外部にリード線接続片３３（折曲げ
片、リップ）を形成してある。

【００１４】上述のような板バネ９（巻スリット板バネ
９Ａ、リード線接続用板バネ９Ｂ）あるいはリード線接
続用板バネ３１を製作するにあたって、圧延処理などに
より製造した材料としての平板にエッチング処理により
スリット切りを行って曲線状スリット２０などを形成す
る方法は従来から実施されている（たとえば特許第１１
９４３９７号を参照）。

【００１５】ところで、スターリング冷凍機１のガス圧
縮機２における可動部（ピストン６あるいはシリンダー
８）を支える板バネ９を製作する場合には、その支持機
能だけではなく、駆動力を得るためのバネ定数を大き
く、かつ正確に得られるように製作する必要がある。

【００１６】図８は、こうした板バネ９（巻スリット板
バネ９Ａ、リード線接続用板バネ９Ｂ）（あるいはリー
ド線接続用板バネ３１）を製造する際のエッチング工程
における板厚方向の要部断面図であって、材料の平板の
一方の面にエッチング用マスク３４をかけた上に、エッ
チング液３５をスプレイし、エッチングを行うことによ
り、たとえば曲線状スリット２０を形成する。しかしな
がら、バネ定数を大きくしたい場合には、上記平板を厚
くすることが一般に行われるが、板厚を上げると、エッ
チング処理に時間がかかるために、エッチング用マスク
３４に近い側の面は不必要に多く溶けてしまうととも
に、反対側の面に向かって奥の部分は十分に溶けきらな
いという問題がある。

【００１７】したがって、エッチング用マスク３４をか
けた側の部分が大きくえぐられ、この平板から形成する
板バネ９（巻スリット板バネ９Ａ）の曲線状スリット２
０の断面形状が、図８に示すように、その厚さ方向で不
均一な幅を有する歪んだ断面形状の曲線状スリット２０
Ａとなって、設計どおりの板バネ９を得ることができな
いという問題がある。とくに、曲線状スリット２０（２
０Ａ）の側面端部、すなわちマスク側端部２０Ｂおよび
反対側端部２０Ｃが鋭くなってそこに応力集中が起こり
やすく、駆動部２５（シリンダー８）の往復運動にとも
なって反復振動運動を行う板バネ９の破損を招きやすい
という問題がある。こうした諸問題は、リード線接続用
板バネ９Ｂ（図６）あるいはリード線接続用板バネ３１
（図７）を製作する場合にも発生する問題であるが、と
くに板バネ９としての弾性反発力を得るための巻スリッ
ト板バネ９Ａにおいて曲線状スリット２０を製作する際
のバネ定数の設計上問題となるものである。

【００１８】さらにまた、エッチング処理のあとに、リ
ード線接続片２３（図６）およびリード線接続片３３
（図７）など、折曲げ加工を必要とするような部品（リ
ード線接続用板バネ９Ｂ、リード線接続用板バネ３１）
では、その折曲げ部２３Ａおよび折曲げ部３３Ａに割れ
が生じて、使用には耐えられないものがあるという問題
がある。このような割れの問題について検討した結果、
板バネ９（リード線接続用板バネ９Ｂ、リード線接続用
板バネ３１）の材料である平板の圧延方向と、リード線
接続片２３（折曲げ部２３Ａ）およびリード線接続片３
３（折曲げ部３３Ａ）の形成方向とに関連のあることが
判明した。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
諸問題にかんがみなされたもので、とくに板バネの耐久
性および機械的強度を設計どおりとし、長寿命で信頼性
のある冷凍機における板バネおよびその製作方法を提供
することを課題とする。

【００２０】また本発明は、冷凍機を長寿命とするため
に重要な部品である板バネの製作技術を向上させた冷凍
機における板バネおよびその製作方法を提供することを
課題とする。

【００２１】また本発明は、板バネの曲線状スリットな
どをとくに厚さ方向に均一な幅を有するように形成する
ことができる冷凍機における板バネおよびその製作方法
を提供することを課題とする。

【００２２】また本発明は、リード線接続片など折曲げ
部分があっても機械的強度が低下することがないように
した冷凍機における板バネおよびその製作方法を提供す
ることを課題とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、板バ
ネに形成する曲線状スリットのスリット幅を板厚以上に
すること、および材料の平板の両側からエッチング処理
することに着目したもので、第一の発明は、冷媒の圧縮
および膨張を行うことにより冷凍を発生する冷凍機にお
いて、その板厚方向に貫通して外周側から中心方向に複
数本の曲線状スリットを形成した板バネであって、上記
曲線状スリットの幅を、その板厚以上としたことを特徴
とする冷凍機における板バネである。

【００２４】第二の発明は、冷媒の圧縮および膨張を行
うことにより冷凍を発生する冷凍機において、その板厚
方向に貫通してエッチングにより外周側から中心方向に
複数本の曲線状スリットを形成する板バネの製作方法で
あって、上記板バネの板厚方向におけるその両側にそれ
ぞれエッチング用マスクを配置して、その両側からエッ
チングを行うようにするとともに、上記曲線状スリット
の幅を、その板厚以上とすることを特徴とする冷凍機に
おける板バネの製作方法である。

【００２５】第三の発明は、冷媒の圧縮および膨張を行
うことにより冷凍を発生する冷凍機において、折曲げ部
においてその平面内から曲げ加工を行うことにより折曲
げ片を形成する板バネの製作方法であって、上記板バネ
の材料である平板の圧延方向に対して平行ではない方向
に上記折曲げ片の上記折曲げ部を配置することを特徴と
する冷凍機における板バネの製作方法である。

【００２６】上記冷凍機は、ガス圧縮機を有し、このガ
ス圧縮機は、シリンダーと、このシリンダー内に挿入す
るピストンと、を有するとともに、上記板バネが、この
ピストンおよび上記シリンダーのいずれか一方をその軸
方向に駆動可能とすることができる。

【００２７】上記冷凍機は、コールドヘッドを有し、こ
のコールドヘッドは、シリンダーと、このシリンダー内
に挿入するディスプレーサーと、を有するとともに、上
記板バネが、このディスプレーサーをその軸方向に駆動
可能とすることができる。

【００２８】本発明（第一の発明、第二の発明）による
冷凍機における板バネおよびその製作方法においては、
曲線状スリットのスリット幅を板バネの板厚以上にする
こと、および平板の両側からエッチング処理することに
したので、エッチング処理に時間がかかっても、エッチ
ング液が板バネの厚さ方向に、より多く作用し、曲線状
スリットの幅方向にはほぼ均一に作用することになるの
で、板バネの厚さ方向においてほぼ均一な幅の曲線状ス
リットを形成することが可能となる。したがって、スタ
ーリング冷凍機などのガス圧縮機においてとくに使用枚
数が多い板バネの耐久性および機械的強度を設計どおり
に製作して、長寿命を実現可能である。

【００２９】第三の発明においては、リード線接続片の
折曲げ部の方向を平板の圧延方向と平行にはしないよう
にしたので、その耐久性および機械的強度を向上させ、
冷凍機のガス圧縮機ないしコールドヘッドに使用しても
その破損を回避し、信頼性を向上させることができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】つぎに本発明の実施の形態による
冷凍機における板バネおよびその製作方法を図１ないし
図３にもとづき説明する。ただし、図４ないし図８と同
様の部分には同一符号を付し、その詳述はこれを省略す
る。図１は、板バネ９（巻スリット板バネ９Ａ）におい
て曲線状スリット２０を形成する際のエッチング処理の
断面図であって、板バネ９の材料である平板の両側に同
一形状のパターンを形成したエッチング用マスク３４を
それぞれ配置し、両側からエッチング液３５をスプレイ
して両側から同時に同一形状のパターンを形成するよう
にエッチングを行う。さらに、板バネ９の厚さをＴ、曲
線状スリット２０の幅をＤとしたときに、Ｔ≦Ｄとす
る。すなわち、スリット幅Ｔを板厚Ｄ以上にするもの
で、好ましくは、Ｄ／Ｔ＝１．０〜１．５程度とする。

【００３１】こうしたエッチング処理により、設計どお
りの特性を持った板バネ９を製作することができる。す
なわち、スリット幅Ｔを板厚Ｄ以上にするとともに、板
バネ９の両側からエッチング処理をするので、曲線状ス
リット２０は板バネ９の厚さ中心線に対して対象に形成
されることになるとともに、曲線状スリット２０の幅方
向においても比較的均一なエッチング作用を行うことが
でき、図８に示したような、応力集中の発生しやすい歪
んだ断面形状の曲線状スリット２０Ａとなることはな
い。

【００３２】図２は、曲げ加工を行う必要があるリード
線接続用板バネ９Ｂ（図６）あるいはリード線接続用板
バネ３１（図７）などを製作するための平面図であっ
て、材料の平板３６の圧延方向に沿ってリード線接続片
２３あるいはリード線接続片３３を突出形成する。すな
わち、リード線接続片２３の折曲げ部２３Ａおよびリー
ド線接続片３３の折曲げ部３３Ａは圧延方向とは平行に
せず、好ましくは垂直方向とする。

【００３３】こうした折曲げ加工により、リード線接続
片２３およびリード線接続片３３の機械的強度を所定レ
ベルに維持したリード線接続用板バネ９Ｂおよびリード
線接続用板バネ３１を製作することができる。すなわ
ち、圧延方向と圧延方向に垂直な方向とでは、それぞれ
の機械的強度が異なることに注意してリード線接続片２
３およびリード線接続片３３を折曲げ加工することによ
り機械的強度を所定レベルに維持することができる。

【００３４】図３は、厚さＴ＝０．７ｍｍ、幅Ｄ＝１．
２ｍｍとして板バネ９を形成した場合の、変位量に対す
る荷重の関係を示すグラフであって、荷重解析による値
と、実際の製作品の測定平均値とがほぼ同じカーブを描
き、設計どおりの板バネ９を製作することができたこと
がわかる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、スリット
幅を板厚以上にするとともに、平板の両側からエッチン
グするようにしたので、設計どおりの機械的強度を有す
る板バネを製作することができる。また、板バネの材料
である平板の圧延方向と平行な折曲げ部ではリード線接
続片を折曲げ加工しないようにすることにより、機械的
強度を所定レベルに維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による板バネ９（巻スリッ
ト板バネ９Ａ）において曲線状スリット２０を形成する
際のエッチング処理の断面図である。

【図２】同、曲げ加工を行う必要があるリード線接続用
板バネ９Ｂ（図６）あるいはリード線接続用板バネ３１
（図７）などを製作するための平面図である。

【図３】同、厚さＴ＝０．７ｍｍ、幅Ｄ＝１．２ｍｍと
して板バネ９を形成した場合の、変位量に対する荷重の
関係を示すグラフである。

【図４】本出願人により提案されているスターリング冷
凍機１の断面図である。

【図５】同、巻スリット板バネ９Ａの平面図である。

【図６】同、リード線接続用板バネ９Ｂの平面図および
側面図である。

【図７】同、板バネ９（リード線接続用板バネ９Ｂ）の
他のタイプのリード線接続用板バネ３１を示す平面図で
ある。

【図８】同、板バネ９（巻スリット板バネ９Ａ、リード
線接続用板バネ９Ｂ）（あるいはリード線接続用板バネ
３１）を製造する際のエッチング工程における板厚方向
の要部断面図である。

【符号の説明】

１ スターリング冷凍機（図４） ２ ガス圧縮機 ３ コールドヘッド ４ 圧縮機ケース ５ 中間ヘッド ６ ピストン ７ ヨーク ８ シリンダー ９ 板バネ ９Ａ 巻スリット板バネ（板バネ） ９Ｂ リード線接続用板バネ（板バネ） １０ 円環状の永久磁石 １１ 電磁コイル １２ 支持部 １３ ガス流路 １４ シリンダーヘッド １５ シール部材 １６ 圧縮膨張室 １７ 取付けボルト １８ 外周側取付け孔（図５、図６、図７） １９ 内周側取付け孔（図５、図６、図７） ２０ 曲線状スリット（図５） ２０Ａ 歪んだ断面形状の曲線状スリット（図８） ２０Ｂ 曲線状スリット２０（２０Ａ）のマスク側端部
（図８） ２０Ｃ 曲線状スリット２０（２０Ａ）の反対側端部
（図８） ２１ 中心孔 ２２ 端子側孔 ２３ リード線接続片（折曲げ片、リップ、図３） ２３Ａ リード線接続片２３の折曲げ部 ２４ リード線 ２５ 駆動部（ピストン６、シリンダー８、板バネ９、
永久磁石１０、電磁コイル１１） ２６ ガス供給管 ２７ シリンダー ２８ 蓄冷材 ２９ ディスプレーサー（ピストン） ３０ バネ材（コイルバネ、板バネ） ３１ リード線接続用板バネ（板バネ、図７） ３２ 中心孔 ３３ リード線接続片（折曲げ片、リップ） ３３Ａ リード線接続片３３の折曲げ部 ３４ エッチング用マスク（図８） ３５ エッチング液 ３６ 材料の平板（図２） Ｔ 板バネ９の厚さ（図１） Ｄ 曲線状スリット２０の幅（Ｔ≦Ｄ、図１）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 雄一郎 神奈川県平塚市夕陽ケ丘63番30号 住友重 機械工業株式会社平塚事業所内 Ｆターム(参考） 3H076 AA02 BB01 BB26 CC06 CC39

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒の圧縮および膨張を行うことによ
   り冷凍を発生する冷凍機において、 その板厚方向に貫通して外周側から中心方向に複数本の
   曲線状スリットを形成した板バネであって、 前記曲線状スリットの幅を、その板厚以上としたことを
   特徴とする冷凍機における板バネ。
2. 【請求項２】 冷媒の圧縮および膨張を行うことによ
   り冷凍を発生する冷凍機において、 その板厚方向に貫通してエッチングにより外周側から中
   心方向に複数本の曲線状スリットを形成する板バネの製
   作方法であって、 前記板バネの板厚方向におけるその両側にそれぞれエッ
   チング用マスクを配置して、その両側からエッチングを
   行うようにするとともに、 前記曲線状スリットの幅を、その板厚以上とすることを
   特徴とする冷凍機における板バネの製作方法。
3. 【請求項３】 冷媒の圧縮および膨張を行うことによ
   り冷凍を発生する冷凍機において、 折曲げ部においてその平面内から曲げ加工を行うことに
   より折曲げ片を形成する板バネの製作方法であって、 前記板バネの材料である平板の圧延方向に対して平行で
   はない方向に前記折曲げ片の前記折曲げ部を配置するこ
   とを特徴とする冷凍機における板バネの製作方法。
4. 【請求項４】 前記冷凍機は、ガス圧縮機を有し、 このガス圧縮機は、 シリンダーと、 このシリンダー内に挿入するピストンと、を有するとと
   もに、 前記板バネが、このピストンおよび前記シリンダーのい
   ずれか一方をその軸方向に駆動可能とすることを特徴と
   する請求項２あるいは３記載の冷凍機における板バネの
   製作方法。
5. 【請求項５】 前記冷凍機は、コールドヘッドを有
   し、 このコールドヘッドは、 シリンダーと、 このシリンダー内に挿入するディスプレーサーと、を有
   するとともに、 前記板バネが、このディスプレーサーをその軸方向に駆
   動可能とすることを特徴とする請求項２あるいは３記載
   の冷凍機における板バネの製作方法。