JP2902584B2 - Compressor and method of designing coil spring used in compressor - Google Patents

Compressor and method of designing coil spring used in compressor

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JP2902584B2
JP2902584B2 JP7305761A JP30576195A JP2902584B2 JP 2902584 B2 JP2902584 B2 JP 2902584B2 JP 7305761 A JP7305761 A JP 7305761A JP 30576195 A JP30576195 A JP 30576195A JP 2902584 B2 JP2902584 B2 JP 2902584B2
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coil spring
compressor
spring
reciprocating
stress coefficient
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義貴 生田
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/001Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮機及び圧縮機
用コイルバネの設計方法に関し、特に長寿命のコイルバ
ネを有する圧縮機の技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a compressor and a method of designing a coil spring for the compressor, and more particularly to a technique of a compressor having a long-life coil spring.

【0002】[0002]

【従来の技術】圧縮機は、例えばスターリング冷凍機等
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。
2. Description of the Related Art A compressor is used, for example, incorporated in a Stirling refrigerator or the like. Stirling refrigerators are used, for example, for cooling sensors of infrared cameras. Such infrared sensors are used for inspection of products such as semiconductor circuits, and for confirming safety of facilities such as a pipeline of a complex.

【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冷凍機に供給する。
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。
[0003] A compressor incorporated and used in a Stirling refrigerator reciprocates a piston inserted into a cylinder to supply a pulsating compressed gas to the refrigerator.
The method of reciprocating the piston includes a method of converting the rotational motion of the motor into a reciprocating motion by a cam mechanism, and a method of directly reciprocating the electromagnetic force by supporting the piston at a neutral point in the cylinder with a coil spring. Since the direct reciprocating drive method is more advantageous for downsizing the compressor, a Stirling refrigerator usually incorporates a compressor that drives a piston using this method.

【0004】ピストンをコイルバネで支持する圧縮機に
おいては、ピストンはコイルバネ及びシリンダ内の圧縮
ガスによるガスバネで規定されるバネ定数とピストンの
質量とによって定まる共振周波数を有する。この共振周
波数をピストンの往復駆動の周波数に一致させ、ピスト
ンをより効率的に駆動する。
In a compressor in which a piston is supported by a coil spring, the piston has a resonance frequency determined by a spring constant defined by a gas spring formed by the coil spring and a compressed gas in a cylinder and the mass of the piston. This resonance frequency is matched with the frequency of the reciprocating drive of the piston, and the piston is driven more efficiently.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】圧縮機の寿命は赤外線
カメラの寿命を左右する要因になる。このように圧縮機
が組み込まれた装置の長寿命化のために、圧縮機の長寿
命化が望まれている。
The life of a compressor is a factor that affects the life of an infrared camera. In order to extend the life of the device in which the compressor is incorporated, it is desired to extend the life of the compressor.

【0006】本発明の目的は、コイルバネの寿命を延ば
し、ひいては圧縮機の寿命を延ばすことができる技術を
提供することである。
An object of the present invention is to provide a technique capable of extending the life of a coil spring and, consequently, the life of a compressor.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明の圧縮機は、内部
空洞を有するシリンダと、前記シリンダ内に挿入され、
シリンダ内面との間に外部と連絡する空洞を画定し、所
定のストロークで往復駆動して前記空洞内のガスを圧縮
し、圧縮ガスを外部に供給するピストンと、前記ピスト
ンを前記シリンダ内の中立点に支持するコイルバネとを
有し、前記ストロークの半分をL〔mm〕、前記コイル
バネの有効巻数をn、材料の直径をd〔mm〕、コイル
平均径をD〔mm〕、バネ材料の横弾性係数をG〔kg
f/mm 2 〕、引張強さをσB 〔kgf/mm2 〕、応
力修正係数をκとしたとき、
The compressor of the present invention has an internal
A cylinder having a cavity, inserted into the cylinder,
A cavity communicating with the outside is defined between the inside of the cylinder and the outside.
Reciprocating drive at a fixed stroke to compress the gas in the cavity
A piston for supplying compressed gas to the outside, and the piston
And a coil spring supporting the neutral point in the cylinder.
Having half of the stroke L [mm]
The effective number of turns of the spring is n, the diameter of the material is d [mm], and the coil
The average diameter is D [mm] and the transverse elastic modulus of the spring material is G [kg
f / mm Two], The tensile strength is σB[Kgf / mmTwo]
When the force correction coefficient is κ,

【0008】[0008]

【数3】κLGd/(πnD2 σB )≦0.12 を満足する。ΚLGd / (πnD 2 σ B ) ≦ 0.12.

【0009】本発明の圧縮機用コイルバネの設計方法
は、シリンダ内に挿入され、コイルバネで中立点に支持
されたピストンを所定のストロークで往復駆動してシリ
ンダ内のガスを圧縮して、圧縮ガスを外部に供給する圧
縮機の耐用往復駆動回数を決める工程と、前記耐用往復
駆動回数をN、前記ストロークの半分をL〔mm〕、前
記コイルバネの有効巻数をn、材料の直径をd〔m
m〕、コイル平均径をD〔mm〕、バネ材料の横弾性係
数をG〔kgf/mm2 〕、引張強さをσB 〔kgf/
mm2 〕、応力修正係数をκとしたとき、
The method for designing a coil spring for a compressor according to the present invention compresses the gas in the cylinder by reciprocating a piston inserted in the cylinder and supported at a neutral point by the coil spring at a predetermined stroke to compress the gas in the cylinder. Determining the number of durable reciprocating operations of the compressor, supplying N to the outside, the number of durable reciprocating operations N, half of the stroke L [mm], the effective number of turns of the coil spring n, and the diameter of the material d [m
m], the average coil diameter is D [mm], the transverse elastic modulus of the spring material is G [kgf / mm 2 ], and the tensile strength is σ B [kgf /
mm 2 ], and when the stress correction coefficient is κ,

【0010】[0010]

【数4】κLGd/(πnD2 σB )≦−0.0125
×log(N)+0.2375 を満足するように前記コイルバネを設計する工程とを含
む。
## EQU4 ## κLGd / (πnD 2 σ B ) ≦ −0.0125
× log (N) +0.2375 to design the coil spring.

【0011】JIS B2704からコイルバネの耐用
往復駆動回数1×109 回の上限応力係数を求めると約
0.24となる。しかし、上限応力係数が約0.24と
なるように設計したコイルバネを圧縮機に使用して往復
駆動すると、1×109 回の耐用往復駆動回数を得るこ
とはできなかった。
When the upper limit stress coefficient of 1 × 10 9 durable reciprocating drive of the coil spring is obtained from JIS B 2704, it is about 0.24. However, when a coil spring designed to have an upper limit stress coefficient of about 0.24 is used for a compressor to perform reciprocating driving, 1 × 10 9 durable reciprocating driving times cannot be obtained.

【0012】JIS規格では、コイルバネに圧縮もしく
は引張のいずれか一方の応力しか加わらないという条件
で上限応力係数の基準が示されている。圧縮機のコイル
バネには、圧縮及び引張の両応力が加わるため、JIS
規格をそのまま適用できないものと考えられる。上限応
力係数が約0.12となるように設計すると、1×10
9 回以上の往復駆動に耐えることができた。
[0012] The JIS standard specifies the standard of the upper limit stress coefficient under the condition that only one of compression and tension stress is applied to a coil spring. Because both compression and tension stresses are applied to the coil spring of a compressor, JIS
It is considered that the standard cannot be applied as it is. When designed to have an upper limit stress coefficient of about 0.12, 1 × 10
It could withstand more than 9 reciprocating drives.

【0013】また、上限応力係数が、目標とする耐用往
復駆動回数に対応するJIS規格から求めた上限応力係
数の約1/2となるようにコイルバネを設計することに
より、所望の耐用往復駆動回数を得ることができる。
Further, by designing the coil spring so that the upper limit stress coefficient is about 1/2 of the upper limit stress coefficient obtained from the JIS standard corresponding to the target number of durable reciprocating driving, the desired number of durable reciprocating driving can be obtained. Can be obtained.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】図1を参照して圧縮機の構造を説
明する。図1はピストン対向型圧縮機の断面図を示す。
ヨーク5の図の左右の端面から中心に向かって円形断面
を有する凹部19が形成され、凹部の底面とヨーク5の
側面とを連絡する管路2が形成されている。ヨーク5は
管路2を含む平面に関して左右対称の構造とされてい
る。凹部19の内周面はシリンダとして機能する。ヨー
ク5で構成されたシリンダ内にピストン7が挿入され、
シリンダとピストンにより圧縮室4が画定されている。
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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The structure of a compressor will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a sectional view of a compressor opposed to a piston.
A concave portion 19 having a circular cross section is formed from the left and right end surfaces of the yoke 5 toward the center in the drawing, and a conduit 2 connecting the bottom surface of the concave portion and the side surface of the yoke 5 is formed. The yoke 5 has a symmetrical structure with respect to a plane including the pipe 2. The inner peripheral surface of the concave portion 19 functions as a cylinder. The piston 7 is inserted into the cylinder constituted by the yoke 5,
A compression chamber 4 is defined by the cylinder and the piston.
The compression chamber 4 is continuous with the pipe 2, and the compressed gas is supplied to the outside through the pipe 2.

【0015】ヨーク5の左右の端面には、凹部19の周
囲を取り囲むように円周方向に沿って溝3が画定されて
いる。溝3の外周側の側面は、ヨーク5に取り付けられ
た円環状の永久磁石17の内周面及び永久磁石17に取
り付けられた筒状のケース1の開口端の内周面により画
定されている。ケース1の他端は閉じられている。
On the left and right end surfaces of the yoke 5, grooves 3 are defined along the circumferential direction so as to surround the periphery of the concave portion 19. The outer peripheral side surface of the groove 3 is defined by the inner peripheral surface of the annular permanent magnet 17 attached to the yoke 5 and the inner peripheral surface of the open end of the cylindrical case 1 attached to the permanent magnet 17. . The other end of case 1 is closed.

【0016】ヨーク5、永久磁石17及びケース1の開
口端近傍によりU字状の磁路が形成され、溝3に厚さ方
向の磁界が発生する。ピストン7のシリンダ外側の端部
はフランジ状に形成され、溝3に係合する可動コイル1
6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はコイルバネ8を介してケース1の閉端側の端面に
弾性的に取り付けられ、シリンダ内の中立点に支持され
ている。
A U-shaped magnetic path is formed by the yoke 5, the permanent magnet 17, and the vicinity of the opening end of the case 1, and a magnetic field in the thickness direction is generated in the groove 3. The end of the piston 7 outside the cylinder is formed in a flange shape, and the movable coil 1 engaging with the groove 3 is formed.
6 is attached to this flange-like part. The piston 7 is elastically attached to the end face on the closed end side of the case 1 via a coil spring 8, and is supported at a neutral point in the cylinder.

【0017】ケース1の外側には、一端が閉じた筒状の
保圧容器18が配置されている。保圧容器18の開口端
はヨーク5に接続され、内部を気密に保っている。保圧
容器16を内部から外部に貫通する電流端子6が取り付
けられ、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は永久磁石17の磁場により図の横方向の力を
受け、ピストンを往復駆動する。
On the outside of the case 1, a cylindrical pressure holding container 18 having one end closed is arranged. The open end of the pressure holding container 18 is connected to the yoke 5 to keep the inside airtight. A current terminal 6 that penetrates the pressure holding container 16 from the inside to the outside is attached, and current is supplied to the movable coil 16 through the current terminal 6. When an alternating current is applied to the movable coil 16, the movable coil 16 receives a lateral force in the drawing by the magnetic field of the permanent magnet 17, and reciprocates the piston.

【0018】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。
When the piston 7 is displaced in the axial direction, it receives a restoring force from the coil spring 8, but also receives a restoring force due to the compression and expansion of the gas sealed in the compression chamber 4. That is, the piston 7 includes a gas spring and a coil spring 8.
And a unique resonance frequency determined from the mass of the movable part. This resonance frequency is
By designing so as to synchronize with the frequency of the current flowing through 6, the piston can be efficiently driven.

【0019】次に、コイルバネ8の設計方法について説
明する。合成バネ定数をkc 、可動部分の質量をmとす
ると、共振周波数fr は、
Next, a method of designing the coil spring 8 will be described. Assuming that the composite spring constant is kc and the mass of the movable part is m, the resonance frequency fr is

【0020】[0020]

【数5】 fr =(1/2π)(kc /m)1/2 …(1) となる。式(1)から、駆動周波数(通常は、商用電源
の周波数)と可動部分の質量が決まると、適正な合成バ
ネ定数kc が求まる。ガスバネ定数は、圧縮室4に封入
されたガス量で決まる。適正なコイルバネ定数は、合成
バネ定数からガスバネ定数を引いた値とすればよい。
[Mathematical formula-see original document] fr = ( 1/2 [pi]) (kc / m) 1/2 (1) From the equation (1), when the drive frequency (usually the frequency of the commercial power supply) and the mass of the movable part are determined, an appropriate composite spring constant kc is determined. The gas spring constant is determined by the amount of gas sealed in the compression chamber 4. The appropriate coil spring constant may be a value obtained by subtracting the gas spring constant from the composite spring constant.

【0021】コイルバネの材料の直径をd〔mm〕、横
弾性定数をG〔kgf/mm2 〕、有効巻数をn、コイ
ル平均径をD〔mm〕とすると、コイルバネのバネ定数
kは、
Assuming that the diameter of the coil spring material is d [mm], the transverse elastic constant is G [kgf / mm 2 ], the effective number of turns is n, and the average coil diameter is D [mm], the spring constant k of the coil spring is

【0022】[0022]

【数6】 k=G×d4 /(8×n×D3 ) …(2) となる。従って、コイルバネのバネ定数が決まれば、式
(2)を満足するようにコイルバネを設計すればよい。
K = G × d 4 / (8 × n × D 3 ) (2) Therefore, once the spring constant of the coil spring is determined, the coil spring may be designed so as to satisfy Expression (2).

【0023】次に、図2を参照してコイルバネの耐用往
復駆動回数について説明する。図2(A)は、JIS
B2704に参考図として示されている上限応力係数、
下限応力係数と耐用往復駆動回数との関係を示すグラフ
である。横軸は下限応力係数τmin /σB 、縦軸は上限
応力係数τmax /σB を表す。ここで、τmin、τmax
は、それぞれねじり修正応力τ〔kgf/mm2 〕の最
小値、最大値を表し、σB は材料固有の引張強さを表
す。
Next, with reference to FIG. 2, the number of serviceable reciprocating drive of the coil spring will be described. FIG. 2A shows the JIS
The upper limit stress coefficient shown as a reference diagram in B2704,
6 is a graph showing a relationship between a lower limit stress coefficient and the number of serviceable reciprocating drives. The horizontal axis represents the lower limit stress coefficient τ min / σ B , and the vertical axis represents the upper limit stress coefficient τ max / σ B. Where τ min , τ max
Represents the minimum value and the maximum value of the torsional correction stress τ [kgf / mm 2 ], respectively, and σ B represents the tensile strength inherent to the material.

【0024】ねじり修正応力τは、The torsional correction stress τ is

【0025】[0025]

【数7】 τ=8κDP/(πd3 ) …(3) と表される。ここで、κは修正応力係数であり、c=D
/dとして
Τ = 8κDP / (πd 3 ) (3) Here, κ is a corrected stress coefficient, and c = D
As / d

【0026】[0026]

【数8】 κ=(4c−1)/(4c−4)+0.615/c …(4) で表される。P〔kgf〕はバネにかかる荷重であり、
バネの自然長からの変位をx〔mm〕として、
Κ = (4c−1) / (4c−4) + 0.615 / c (4) P [kgf] is the load applied to the spring,
The displacement from the natural length of the spring is x [mm],

【0027】[0027]

【数9】 P=kx …(5) と表される。P = kx (5)

【0028】図2(A)の原点から右上方に延びる直線
は、上限応力係数と下限応力係数との比γが一定の線を
示している。また、右上端から左下方に延びる直線は耐
用往復駆動回数が一定の線を示している。
The straight line extending to the upper right from the origin in FIG. 2A shows a line in which the ratio γ between the upper limit stress coefficient and the lower limit stress coefficient is constant. A straight line extending from the upper right end to the lower left indicates a line in which the number of durable reciprocating drives is constant.

【0029】圧縮機に使用されるコイルバネは、バネの
自然長を中心にして圧縮及び伸長の両方向に変位するた
め、バネにかかる荷重Pの最小値はバネが自然長の時で
あり、その大きさは0である。このときのねじり修正応
力係数τは、式(3)から0になるため、下限応力係数
τmin /σB も0である。
Since the coil spring used in the compressor is displaced in both the compression and extension directions around the natural length of the spring, the minimum value of the load P applied to the spring is when the spring has the natural length. The value is 0. Since the torsional correction stress coefficient τ at this time becomes 0 from the equation (3), the lower limit stress coefficient τ min / σ B is also 0.

【0030】従って、耐用往復駆動回数は、図2(A)
のγ=0の直線(図の左端の縦線)に着目すればよい。
γ=0の直線と耐用往復駆動回数を示す直線との交点か
ら上限応力係数が求まる。このようにして、下限応力係
数が0の場合の耐用往復駆動回数と上限応力係数との関
係を求めることができる。
Therefore, the number of durable reciprocating drivings is shown in FIG.
It is sufficient to pay attention to the straight line of γ = 0 (the vertical line at the left end of the figure).
The upper limit stress coefficient is determined from the intersection of the straight line of γ = 0 and the straight line indicating the number of times of durable reciprocation. In this way, the relationship between the number of serviceable reciprocating drives and the upper limit stress coefficient when the lower limit stress coefficient is 0 can be obtained.

【0031】図2(B)は、下限応力係数が0の場合の
耐用往復駆動回数と上限応力係数との関係を示す。横軸
は耐用往復駆動回数、縦軸は上限応力係数を表す。所望
の耐用往復駆動回数を得るためには、上限応力係数が図
の曲線で示す上限応力係数よりも小さくなるように設計
する必要がある。
FIG. 2B shows the relationship between the number of durable reciprocating drives and the upper limit stress coefficient when the lower limit stress coefficient is 0. The horizontal axis represents the number of serviceable reciprocating drives, and the vertical axis represents the upper limit stress coefficient. In order to obtain the desired number of serviceable reciprocating drives, it is necessary to design the upper limit stress coefficient to be smaller than the upper limit stress coefficient shown by the curve in the figure.

【0032】バネの自然長を中心にして圧縮及び伸長の
両方向にほぼ同量だけ変位する場合、バネの最大変位を
L(ストロークは2×L)とすると、バネに加わる最大
荷重Pmax は、式(5)から、
When the spring is displaced by the same amount in both the compression and extension directions about the natural length of the spring, the maximum load Pmax applied to the spring is given by the maximum displacement of the spring being L (the stroke is 2 × L). From equation (5),

【0033】[0033]

【数10】 Pmax =k×L …(6) となる。従って上限応力係数τmax /σB は、式
(2)、(3)、(6)から、
P max = k × L (6) Therefore, the upper limit stress coefficient τ max / σ B is given by the following equations (2), (3), and (6).

【0034】[0034]

【数11】 τmax /σB =κLGd/(πnD2 σB ) …(7) となる。なお、κは式(4)からコイルの平均径Dと材
料の直径dが決まれば一意に定まる。
Τ max / σ B = κLGd / (πnD 2 σ B ) (7) Note that κ is uniquely determined if the average diameter D of the coil and the diameter d of the material are determined from Equation (4).

【0035】各種条件を変えて作製したコイルバネの耐
用往復駆動回数を実験により測定した。バネ材料とし
て、横弾性係数Gが8000kgf/mm2 のピアノ線
をを使用した。
The durable number of reciprocal driving of a coil spring manufactured under various conditions was measured by experiments. As a spring material, a piano wire having a lateral elastic modulus G of 8000 kgf / mm 2 was used.

【0036】材料の直径dが1.0mm、有効巻数nが
10回、コイル平均径Dが5.5mmのコイルバネのバ
ネ定数kは、式(2)から、0.601kgf/mmで
ある。直径dが1.0mmのピアノ線の引張強さσB
約225kgf/mm2 である。このコイルバネを自然
長を中心にして半ストロークLが5mmとなるように圧
縮伸長を繰り返す場合、上限応力係数τmax /σB は、
式(7)から、約0.239となる。
The spring constant k of a coil spring having a material diameter d of 1.0 mm, an effective number of turns n of 10, and an average coil diameter D of 5.5 mm is 0.601 kgf / mm from equation (2). The tensile strength σ B of a piano wire having a diameter d of 1.0 mm is about 225 kgf / mm 2 . When the coil spring is repeatedly compressed and extended so that the half stroke L is 5 mm around the natural length, the upper limit stress coefficient τ max / σ B is
From equation (7), it is about 0.239.

【0037】上限応力係数が0.239のとき、図2
(B)から耐用往復駆動回数は1×109 回と求まる。
実際にこのコイルバネを半ストローク5mmで往復駆動
したところ、1.8×107 回の駆動で破断した。図2
(B)から期待される往復駆動回数よりもほぼ2桁小さ
い値であった。
When the upper limit stress coefficient is 0.239, FIG.
From (B), the number of durable reciprocating drives is obtained as 1 × 10 9 times.
When this coil spring was actually driven back and forth with a half stroke of 5 mm, the coil spring was broken by driving 1.8 × 10 7 times. FIG.
The value was almost two orders of magnitude smaller than the number of reciprocating drives expected from (B).

【0038】次に、材料の直径dが0.8mm、有効巻
数nが12回、コイル平均径Dが5.5mmのコイルバ
ネを作製した。このバネのバネ定数kは、約0.205
kgf/mmである。直径dが0.8mmのピアノ線の
引張強さσB は約235kgf/mm2 である。このコ
イルバネを上記と同様の条件で往復駆動したところ、
1.4×109 回往復駆動しても破断しなかった。この
ときの、上限応力係数τ max /σB は、約0.120で
あり、図2(B)の曲線で示す上限応力係数の約1/2
である。
Next, the diameter d of the material is 0.8 mm,
A coil bar having a number n of 12 times and an average coil diameter D of 5.5 mm
Ne was produced. The spring constant k of this spring is about 0.205
kgf / mm. For a piano wire with a diameter d of 0.8 mm
Tensile strength σBIs about 235kgf / mmTwoIt is. This
When the Ilspring was driven back and forth under the same conditions as above,
1.4 × 109It did not break even when driven back and forth twice. this
Upper limit stress coefficient τ max/ ΣBIs about 0.120
Yes, about 1/2 of the upper limit stress coefficient shown by the curve in FIG.
It is.

【0039】上記1番目の実験例のように、図2(B)
の実線から求まる耐用往復駆動回数が得られなかった理
由は、以下のように考察される。JIS B2704で
規定されている耐用往復駆動回数は、コイルバネに圧縮
歪または引張歪のいずれか一方の歪が加わっている場合
の値である。一方、圧縮機で使用されるコイルバネは、
自然長を中心として、圧縮及び引張の両方に変位する。
このため、圧縮歪と引張歪の両方が周期的に加わる。こ
のように、圧縮歪と引張歪の両方が加わるため、図2
(B)の実線から予測される耐用往復駆動回数よりも少
ない寿命しか得られないと考えられる。従って、上記2
番目の実験例のように圧縮機用のコイルバネを設計する
場合には、安全係数として2倍程度の余裕を持たせるこ
とが好ましい。
As shown in the first experimental example, FIG.
The reason why the durable reciprocating drive count determined from the solid line in (1) was not obtained is considered as follows. The number of durable reciprocating drivings specified in JIS B2704 is a value in a case where any one of compression strain and tensile strain is applied to the coil spring. On the other hand, the coil spring used in the compressor is
It is displaced both in compression and in tension around its natural length.
Therefore, both compressive strain and tensile strain are periodically applied. As described above, since both the compressive strain and the tensile strain are applied, FIG.
It is considered that the life is shorter than the service reciprocating drive count predicted from the solid line (B). Therefore, the above 2
When designing a coil spring for a compressor as in the second experimental example, it is preferable to allow a safety factor of about twice as much.

【0040】この考察から、上限応力係数が図2(B)
の曲線で示す上限応力係数のほぼ1/2になるように設
計すると、所望の耐用往復駆動回数を得ることできると
考えられる。すなわち、所望の耐用往復駆動回数Nが決
まっている場合、上限応力係数が図2(B)の破線より
も下になるようにバネを設計すればよい。
From this consideration, it can be seen that the upper limit stress coefficient is as shown in FIG.
It is considered that if the design is made to be approximately 1/2 of the upper limit stress coefficient indicated by the curve, the desired number of durable reciprocating driving can be obtained. That is, when the desired number N of serviceable reciprocating drives is determined, the spring may be designed so that the upper limit stress coefficient is lower than the broken line in FIG.

【0041】すなわち、That is,

【0042】[0042]

【数12】 τmax /σB ≦−0.0125×log(N)+0.2375 …(8) を満足するように設計すればよい。式(8)は、式
(7)を用いて、
The design may be made so as to satisfy τ max / σ B ≦ −0.0125 × log (N) +0.2375 (8) Equation (8) is obtained by using equation (7).

【0043】[0043]

【数13】 κLGd/(πnD2 σB )≦−0.0125×log(N)+0.2375 …(9) と変形できる。ΚLGd / (πnD 2 σ B ) ≦ −0.0125 × log (N) +0.2375 (9)

【0044】圧縮機を商用電源(50/60Hz)で駆
動する場合、通常1×109 回程度の耐用駆動回数のコ
イルバネが要望される。1×109 回程度の耐用駆動回
数を得るためには、図2(B)の破線から、上限応力係
数が0.12以下になるように設計することが望ましい
ことがわかる。
When the compressor is driven by a commercial power supply (50/60 Hz), a coil spring having a durable driving frequency of about 1 × 10 9 times is usually required. From the broken line in FIG. 2B, it is understood that it is desirable to design the upper limit stress coefficient to be equal to or less than 0.12 in order to obtain about 1 × 10 9 durable driving times.

【0045】なお、実際にコイルバネを設計する場合に
は、ピストンが駆動周波数と同一の周波数で共振するよ
うにバネ定数と可動部分の質量とを決める。バネ定数が
きまると、式(2)を満たすようにコイルバネを設計す
る。このとき、同時に式(9)をも満たすように設計す
る。また、適当な条件が見い出せない場合は、バネ定数
と可動部分の質量とを見直してもよい。
When an actual coil spring is designed, the spring constant and the mass of the movable part are determined so that the piston resonates at the same frequency as the drive frequency. When the spring constant is determined, the coil spring is designed so as to satisfy Expression (2). At this time, design is made so as to simultaneously satisfy Expression (9). If an appropriate condition cannot be found, the spring constant and the mass of the movable portion may be reviewed.

【0046】上記条件を満たすように設計されたコイル
バネを用いた圧縮機は、スターリング冷凍機、パルス管
冷凍機等の冷却用ガスの圧縮機として使用することがで
きる。これにより、冷凍機の寿命の延長が期待できる。
A compressor using a coil spring designed to satisfy the above conditions can be used as a compressor for cooling gas such as a Stirling refrigerator or a pulse tube refrigerator. As a result, the life of the refrigerator can be extended.

【0047】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。
The present invention has been described in connection with the preferred embodiments.
The present invention is not limited to these. For example, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

【0048】[0048]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
圧縮機に使用されるコイルバネの寿命を延ばすことが可
能になる。圧縮機の寿命が延びれば、この圧縮機を使用
した装置において、圧縮機の交換周期が長くなり維持管
理の省力化につながる。
As described above, according to the present invention,
It is possible to extend the life of the coil spring used in the compressor. If the life of the compressor is prolonged, the replacement cycle of the compressor in an apparatus using the compressor is prolonged, leading to labor saving in maintenance.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】ピストン対向型圧縮機の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a compressor opposed to a piston.

【図2】コイルバネの上限応力係数、下限応力係数と耐
用往復駆動回数との関係、及び下限応力係数が0の場合
の上限応力係数と耐用往復駆動回数との関係を示すグラ
フである。
FIG. 2 is a graph showing a relationship between an upper limit stress coefficient and a lower limit stress coefficient of a coil spring and the number of times of durable reciprocating drive, and a relationship between the upper limit stress coefficient and the number of times of durable reciprocation when the lower limit stress coefficient is 0.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ケース 2 管路 3 溝 4 圧縮室 5 ヨーク 6 電流端子 7 ピストン 8 コイルバネ 16 可動コイル 17 永久磁石 18 保圧容器 19 凹部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Case 2 Pipeline 3 Groove 4 Compression chamber 5 Yoke 6 Current terminal 7 Piston 8 Coil spring 16 Moving coil 17 Permanent magnet 18 Pressure holding container 19 Depression

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F04B 17/04 F04B 19/22 F16F 1/04 F25B 9/14 520 B21F 35/00 Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) F04B 17/04 F04B 19/22 F16F 1/04 F25B 9/14 520 B21F 35/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 シリンダ内に挿入され、コイルバネで中
立点に支持されたピストンを所定のストロークで往復駆
動してシリンダ内のガスを圧縮して、圧縮ガスを外部に
供給する圧縮機の耐用往復駆動回数を決める工程と、 前記耐用往復駆動回数をN、前記ストロークの半分をL
〔mm〕、前記コイルバネの有効巻数をn、材料の直径
をd〔mm〕、コイル平均径をD〔mm〕、バネ材料の
横弾性係数をG〔kgf/mm2 〕、引張強さをσ
B 〔kgf/mm2〕、応力修正係数をκとしたとき、 【数2】κLGd/(πnD2 σB )≦−0.0125
×log(N)+0.2375を満足するように前記コ
イルバネを設計する工程とを含む圧縮機用コイルバネの
設計方法。
1. A durable reciprocating compressor for supplying a compressed gas to the outside by compressing a gas in the cylinder by reciprocating a predetermined stroke of a piston inserted into the cylinder and supported at a neutral point by a coil spring. A step of determining the number of times of drive;
[Mm], the effective number of turns of the coil spring is n, the material diameter is d [mm], the average coil diameter is D [mm], the transverse elastic coefficient of the spring material is G [kgf / mm 2 ], and the tensile strength is σ.
B [kgf / mm 2 ] and the stress correction coefficient is κ, κLGd / (πnD 2 σ B ) ≦ −0.0125
And a step of designing the coil spring so as to satisfy × log (N) +0.2375.
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