JP3737902B2

JP3737902B2 - ガス圧縮機

Info

Publication number: JP3737902B2
Application number: JP04869099A
Authority: JP
Inventors: 義貴生田; 憲一金尾
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2019-02-25
Also published as: JP2000249054A

Description

【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１６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１６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し、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み、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、本発明の参考例について説明する。図１は，参考例によるガス圧縮機の部分断面図を示す。参考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２０ａ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に示す参考例では，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、参考例の場合には、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、実施例について説明する。
【００３１】
図２は、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に示す参考例によるガス圧縮機の構成と同様である。以下では，参考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２０ｃ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、強磁性材料、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の参考例の場合に比べて、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、実施例のピストン７が参考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】本発明の参考例によるガス圧縮機の断面図である。
【図２】本発明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。

Claims

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
を有し、
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
を含み、
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ガス圧縮機。
前記止め輪は、構造用炭素鋼で形成されている請求項１に記載のガス圧縮機。
前記止め輪の外周面が、前記永久磁石の一部分に対向している請求項１または２に記載のガス圧縮機。