JP2010203363A - 振動型圧縮機およびスターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】
ピストンがシリンダに対して非接触状態で往復動させる状態を確実に確保することができる振動型圧縮機およびこの圧縮機を用いたスターリング冷凍機を提供すること
【解決手段】
シリンダが形成された圧縮機本体と、シリンダに隙間を介して挿入され圧縮空間を形成するピストンと、ピストンを往復動可能に支持する支持ばねと、ピストンを往復動させる駆動源と、ピストンと一体に形成された支持ばね及び前記駆動源と連接されるピストン駆動支持部と、ガス室を形成する底付筒状の圧力ケースと、を備え、ピストンは、圧縮空間側の端部に軸方向内側に向かい半径が大きくなるテーパ部と、該テーパ部の軸方向内側の端部から所定距離を隔てた軸方向内側にバッファ空間を有することを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明はピストンをシリンダ内で往復動させて流体を圧縮するための振動型圧縮機およびこの圧縮機を用いたスターリング冷凍機に関する。

従来から、スターリング冷凍機の圧縮源としてリニアモータを用いた振動型圧縮機が採用されている。この振動型圧縮機において、冷凍機の信頼性を向上させるためにフレクシャーベアリングと称される板ばね式の軸受けが一般的に使用されている。この支持ばねを用いた場合、ピストンとシリンダとを径方向に高精度に保持したままで往復動をさせることができ、その結果、ピストンとシリンダとの接触による摩擦を未然に防止して性能劣化を避けることができる。また、高信頼性のスターリング式冷凍機の膨張機においても同様の軸受けが使用されることもある。

これらの圧縮機等の組立においては、ピストンとシリンダの高精度の保持状態を確保するために、３次元測定機を用いて組立状態を確認、または治具を用いて組立精度を確保するなどの対処が行われている。
しかしながら、運転状態においてピストンとシリンダとが非接触状態を保持していることまでは保証されていない。つまり、停止状態におけるピストンとシリンダとの非接触状態が確保されていたとしても、往復動に伴う支持ばねの変形などに起因する径方向の軸ブレによって、ピストンとシリンダとが接触し、磨耗が発生し性能劣化を招くばかりか、振動を発生する原因ともなる。しかも、動作時にピストンとシリンダが接触しているかどうかの判定は、簡単にすることができない。

この課題の解決方法として、往復動するシリンダの両端を支持ばねで支持し、固定ピストン径が一方向に向かって徐々に変化するテーパ面を形成し、ピストンとシリンダ間にクエット流れを形成して運動時の非接触状態をサポートする事が知られている。（例えば、特許文献１）

特開２００１−１３２６３７号公報

上記の特許文献１に記載の振動型圧縮機においては、動作中の圧力変化により流体の粘性抵抗が大きくなって流れが阻害されるとテーパ面への流れが十分確保できなくなり、運動時の非接触状態をサポートできないという課題がある。さらに、上記の特許文献１に記載の圧縮機はシリンダが運動するタイプであり、ピストンが運動するタイプとでは内部ガスの挙動は異なり、同様の効果が得られるか不明である。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ピストンがシリンダに対して非接触状態で往復動させる状態を確実に確保することができる振動型圧縮機およびこの圧縮機を用いたスターリング冷凍機を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る振動型圧縮機およびこの振動型圧縮機を用いたスターリング冷凍機は、中心部にシリンダが形成された圧縮機本体と、前記シリンダに隙間を介して挿入され作動ガスの圧縮空間を形成するピストンと、前記ピストンを前記シリンダに対して往復動可能に支持する支持ばねと、前記ピストンを前記シリンダに対して往復動させる駆動源と、前記ピストンと一体に形成され、前記支持ばね及び前記駆動源と連接されるピストン駆動支持部と、前記隙間を介して前記圧縮空間に通じるガス室を形成する底付筒状の圧力ケースと、を備え、前記ピストンは、前記圧縮空間側の端部に軸方向内側に向かい半径が大きくなるテーパ部と、該テーパ部の軸方向内側の端部から所定距離を隔てた軸方向内側にバッファ空間を有することを特徴としている。

ピストンに形成されたテーパ部の軸方向内側に適切なバッファ空間を設けることで、動作中におけるテーパ部の作動ガスの流れを確保し、テーパ部の調芯作用によってピストンとシリンダを非接触状態にて動作させるとの効果を奏する。

本発明の実施形態における振動型圧縮機の縦断面図である。 ピストンの拡大図である。 ピストンの各部の寸法を表した図である。 ピストンの軸端部の作動ガスの流れを表した図である。 テーパ角度が小さい場合の作動ガスの流れを表した図である。 テーパ角度が大きい場合の作動ガスの流れを表した図である。

本発明に係る実施形態について、図１および図２を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態における振動型圧縮機の縦断面図である。図２は、ピストンの拡大図である。
この振動型圧縮機は、中心部にシリンダ１１が形成された圧縮機本体１０と、シリンダ１１に隙間を介して挿入され作動ガスの圧縮空間１４を形成するピストン２１と、ピストン２１をシリンダ１１に対して往復動可能に支持する支持ばね３０と、ピストン２１を前記シリンダに対して往復動させる駆動源４０と、ピストン２１と一体に形成され、支持ばね３０及び駆動源４０と連接されるピストン駆動支持部２２と、圧縮空間１４に通じるガス室を形成する底付筒状の圧力ケース５０と、から構成されている。

なお、本実施形態においては単ピストン型圧縮機を用いて説明するが、シリンダおよびピストンの往復動方向が同軸上に配置される対向ピストン型圧縮機にも適用可能である。
圧縮機本体１０は、円筒形状の内側ヨーク１２と外側ヨーク１３との中心軸を一致させ、円筒形状の軸方向一端に底面を設けて一体として形成されている。さらに、内側ヨークの底面には作動ガスの吐出口１５が設けられている。なお、圧縮機本体１０はヨークとしての機能を有するため、軟磁性材料を用いている。

シリンダ１１は、内側ヨークの内周面に密接挿入され、溶接等により圧縮機本体１０に固定されている。シリンダ１１はピストン２１と線膨張率が同等である材料を用いることが、非接触状態を確保するのには望ましい。ただし、振動型圧縮機の運転が定常状態に達すると各部品の温度が安定するため、内側ヨーク１３の内面をシリンダ面として使用することも可能である。

ピストン２１は、シリンダ１１に微小な隙間を介して挿入され、圧縮空間１４が形成される。ピストン２１の軸方向両端には、軸方向外側の外径が小さくなるようなテーパ部２３ａ，２３ｂが形成されている。さらに、テーパ部の軸方向内側端部から所定の隙間を介して、ドーナツ状のバッファ空間２４ａ,２４ｂが形成されている。なお、テーパ部２３およびバッファ空間２４の間に形成された円柱部２５ａ，２５ｂの外径は、ピストン２１の本体部の外径以下となっている。ピストン２１の本体部とシリンダ１１とのクリアランスにより、シール面が形成される。このクリアランスは数十μm程度で構成されている。

なお、本実施形態においては、テーパ部２３およびバッファ空間２４がピストン２１の軸方向両端部に形成されているが、後述するガス室５１側のバッファ空間２４ｂは設けなくても良い。ガス室５１はピストン２１の動作によって圧力が大きく変化しないため、テーパ部２３ｂのガスの流れが大きく滞ることはないからである。
ピストン駆動支持部２２は、ピストン２１の圧縮空間１４の反対の端面に、円柱形状であってピストン２１と中心軸が一致するように一体として形成されている。円柱の直径は、テーパ部２３の小さい直径以下となっている。ピストン駆動支持部２２のピストン２１側には、後述する駆動源４０のコイル４３が設置されたコイル巻枠４２が取り付けられている。さらに、ピストン駆動支持部２２のピストン２１の反対側には一対の支持ばね３０ａ，３０ｂが取り付けられ、支持ばね３０ａと３０ｂの間にはコイル４３に電気を供給する給電部４４が取り付けられている。なお、支持ばね３０ａ，３０ｂおよび給電部４４は、各々の外周側で支持部材３１を介して圧縮機本体１０に固定されている
コイル巻枠４２は、一端のみ底面を有する円筒形状であって、底面の軸中心にはピストン駆動支持部２２への取り付け穴が開いている。コイル４３は、円筒形状の底面の他端側の外周面に設置されている。

支持ばね３０ａ，３０ｂは、円板形状を有する軸方向のみに移動可能な公知のフレクシャーベアリングなどで構成されている。ピストン２１とシリンダ１１との間は、この支持ばね３０ａ，３０ｂにより軸方向の移動のみ可能となるように支持されている。支持ばね３０ａ，３０ｂはステンレスやベリリウム銅といったばね材が使用される。
給電部４４は、ばね性を持たせた給電部材によりコイル４２に交流電源が供給される構成となっている。

駆動源４０は、内側ヨーク１２、外側ヨーク１３、外側ヨーク１３の内周面と密接挿入される内側ヨーク１２の外径より内径が大きい円筒形状を有する永久磁石４１、永久磁石４１と内側ヨーク１２で形成される空隙部に配置されたコイル４３、によって構成された可動コイル型リニアモータである。なお、本実施形態では、可動コイル型リニアモータを用いているが、可動磁石型リニアモータであっても良い。係る場合には、給電部４４は不要となり、振動型圧縮機の長手方向を短くできる。また、永久磁石４１は、ネオジウムやサマリウム・コバルトといった希土類系の材料で作られており、リング形状あるいは円弧状の磁石を複数個配置してリング状に構成されている。永久磁石４１は、図示しない環状の磁石押え等で固定されている。

シリンダ１１とピストン２１との隙間を介して圧縮空間１４に通じるガス室を形成するように底付筒状の圧力ケース５０が圧縮機本体１０につき合わされて、全周溶接により固定されている。ガス室５１内には作動ガス（一般にヘリウムガス）が封入されている。
この振動型圧縮機は、コイル４３に給電部４４を介して交流電源が供給されることにより、コイル４３と永久磁石４１の磁束φとの間に生じる電磁力によりピストン２１が往復動作を行い、ピストン２１により圧縮空間１４で圧縮された作動ガスは吐出口１５から図示しない膨張部に供給される。

次に、上記ピストン２１のテーパ部２３およびバッファ空間２４の作用について、図３乃至図６を用いて以下に説明する。
図３は、ピストンの各部の寸法を表した模式図である。図４は、ピストンの軸端部の作動ガスの流れを表した図である。
図３において、Dcilはシリンダ外径、Dpisは円柱部２５の外径、Dtpはテーパ部の小径、bはバッファ空間の幅、dはバッファ空間の円柱外径、w1は円柱部２５とシリンダ１１とのクリアランス、w2はシリンダ２１とシリンダ１１とのクリアランスである。

図４に示すように、例えばピストン２１が右から左に向かって運動する場合、周囲の作動ガス（流体）はピストン２１に対して相対的に右方向の速度成分を持つことになる。つまり、ピストン２１が固定されており作動ガス（流体）が動いているのと等価と仮定できる。したがって、以降はピストン２１が固定されており作動ガスが動いている場合について検討する。

ピストン２１の前方にある流体は速度V1で左から右に運動しており、テーパ部２３により徐々に流路が狭くなり円柱部２５で流速V2となって右方向へ流れていく。ここでは、テーパ部２３の近傍の流れのみを考慮し、現象を噴流的に扱うものとする。
図５に示すように、テーパ部２３に向かってくる流速V1の流体がシリンダ１１と円柱部２５との隙間w1の断面積の流路にテーパ角θ、流速V2で流出すると仮定する。運動量保存則により、流体と力の関係は、一般的な流体力学のテキスト等で以下のように定義されている。

ここで、ρは流体の密度、Aは流体が通過する断面積、Vは流体の流速である。第１項は単位時間当たりに流出する流体の運動量、第２項は単位時間当たりに流入する運動量である。単位時間当たりに質量ρAVの流体が流速Ｖで流れるため、その流体要素の持つ単位時間当たりの流体の運動量はρAV²で示されることになる。

テーパ部２３の径方向に働く力は、径方向の運動量のみを考慮すれば良いから、数式１より簡単に次式となる。

数式２によれば、断面積A2および流速V2が一定であれば、力F_rはsinθの二乗に比例する。これだけでは、θ=90[deg]の場合に最大の力を得ることになるが、実際にはそうならない。例えば、図６に示すように大きなテーパ角θ'の場合を考えてみる。テーパ角がある程度大きくなってくると、テーパ部の下方向にも流体が流出するようになる。その結果、径方向下向きに働く力は、90度以下のテーパ角で最大となる。実際には、円柱部２５とシリンダ１１とのクリアランスw1にも関係するため、明確に決定することはできないが、流れ方向を考慮して最大でも45度以下にすることが好ましい。

また、数式２で定義した断面積A2および流速V2は、円柱部２５とシリンダ１１のクリアランスにより決定される。すなわち、単位時間当たりの流量をQとした場合、以下となる。

数式3および数式4を数式2に代入して、整理すると次式が導出される。

数式５から、径方向の力F_rは円柱部２５とシリンダ１１のクリアランスw1に反比例することがわかる。なお、数式６は、位相1deg当たりの径方向の力を示したものである。したがって、ピストン２１がシリンダ１１の中心軸からずれている場合、壁に遠い側（w1が大）に比べて、壁に近い側（w1が小）の径方向の力が相対的に大きくなり、シリンダ１１とピストン２１が同軸になるように自動調心の作用を得ることができる。

次にバッファ空間２４の作用について検討する。バッファ空間２４は、テーパ部２３の調心作用をより効果的に行うために施すものである。すなわち、テーパ部２３から円柱部２５への流れが十分に確保されなければ、テーパ部２３の調心作用は十分な効果が得られない。例えば動作中の圧力変化により流体の粘性抵抗が大きくなって流れが阻害されるとテーパ面への流れが十分確保できなくなるような場合がある。また、ピストン１１を掃気（図２で左に移動）した場合、ピストン１１の前面は圧力が上昇する。それと同時に、作動ガスはテーパ部２３を通り、円柱部２５を通り、バッファ部２４に流れる。しかし、ピストン１１の前面とバッファ部２４の圧力が同一圧力になった時点で、流体は流れなくなる。すなわち、調心作用が得られないことになる。

つまり、動作条件に合わせた体積を有するバッファ部２４を設けることで、流体がテーパ部２３を流れなくなることを回避することができる。スターリング式冷凍機に使用される圧縮機の圧力振幅（0-Peak）は、封入圧力P0に対しておよそ0.1倍程度である。したがって、テーパ面入口の圧力が0.1×P0以下を保持できれば、流体はテーパ部２３から円柱部２５を流れることができる。

ここで、圧力振幅比が0.1、モータ駆動周波数fが50Hz、円柱部２５の外径Dpisが20mm、テーパ部の小径Dtpが18mm、テーパ角θが45deg、ピストンストロークStrが3mm、バッファ空間の円柱外径dが10mm、バッファ空間の幅bが8m、円柱部２５とシリンダ１１とのクリアランスw1が0.02mm、の場合について検討する。
まず、テーパ部２３の通過流量は、以下の式で計算される。

次に、バッファ部２４の体積は、以下の式で計算される。

上記の数式８および数式９に基づいて流量とバッファ空間の体積比を求めると、以下の式で計算される。

つまり、圧縮振幅比0.1以下を満たすため、上記の条件においては流れを阻害することはない。
次に、テーパ部に働く力について考えてみる。数式６より、1deg当たりのピストン径方向への力は以下の式で計算される。

ここで流量Qは、ピストンストロークの平均速度を流速v1として次式算出している。

したがって、この例の構成の場合、ピストンの質量が1.8kgでも運動時には支えることができる。
また、組立時にピストンとシリンダの軸がずれて構成されている場合、クリアランスw1が変化する。例えば、w1=0.05[mm]の場合、径方向力は同様に7.546[N/deg]のように0.02[mm]に比べて、10.29[N/deg]小さくなる。すなわち、調心作用が働きピストン軸は、シリンダ軸の中心方向に向かって力が働くことになる。

さらには、同条件（w1=0.02、0.05[mm]）において、テーパ角θ=30[deg]の場合、軸方向力Fr#1degは、それぞれ8.918[N/deg]および3.822[N/deg]となり、調心作用として5.096[N/deg]を得ることができる。
以上より、本例の圧縮機構成において、ピストン質量を200〜300[g]程度を想定した場合、テーパ角30〜45[deg]程度が適正な値と言える。その他の条件においても、同様の計算により諸パラメータを決定できる。

１０ 圧縮機本体
１１ シリンダ
１５ 吐出口
２１ ピストン
２２ ピストン駆動支持部
２３ テーパ部
２４ バッファ空間
２５ 円柱部
３０ 支持ばね
４１ 永久磁石
４３ コイル
５０ 圧力ケース

Claims (5)

1. 中心部にシリンダが形成された圧縮機本体と、
   前記シリンダに隙間を介して挿入され作動ガスの圧縮空間を形成するピストンと、
   前記ピストンを前記シリンダに対して往復動可能に支持する支持ばねと、
   前記ピストンを前記シリンダに対して往復動させる駆動源と、
   前記ピストンと一体に形成され、前記支持ばね及び前記駆動源と連接されるピストン駆動支持部と、
   前記隙間を介して前記圧縮空間に通じるガス室を形成する底付筒状の圧力ケースと、を備え、
   前記ピストンは、前記圧縮空間側の端部に軸方向内側に向かい半径が大きくなるテーパ部と、該テーパ部の軸方向内側の端部から所定距離を隔てた軸方向内側にバッファ空間を有することを特徴とする振動型圧縮機。
2. 前記ピストンの軸方向両端部に、前記テーパ部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動型圧縮機。
3. 前記ピストンの軸方向両端部に、前記テーパ部と前記バッファ空間とが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動型圧縮機。
4. 前記テーパ部と前記バッファ空間との間に形成される円柱部の直径は、前記ピストンの直径以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動型圧縮機。
5. スターリング式冷凍機の作動流体の圧縮機として請求項１乃至４の何れか１項に記載の振動型圧縮機を用いたことを特徴とするスターリング式冷凍機。