JP3752573B2 - 冷凍機における駆動バネ部連結構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷凍機における駆動バネ部連結構造にかかるもので、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駆動バネ部連結構造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２にもとづき概説する。
図２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。ただしガス圧縮機２は、左右対象の構成を有しており、その一部（右半分）についてのみ図示し、以下説明する。
【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、中間ヘッダー５と、中間ヘッダー５に形成したピストン６と、ヨーク７と、ヨーク７に取り付けたシリンダー８と、駆動バネ部９と、円環状の永久磁石１０と、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ダー５、ピストン６、ヨーク７、シリンダー８、駆動バネ部９、永久磁石１０および電磁コイル１１を収容している。
【０００５】
中間ヘッダー５は、図２中、上下縦方向に支持部１２を有し、そのほぼ中央横方向にピストン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、シリンダーヘッド１４に対向しており、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１３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、駆動バネ部９（板バネ１７、後述）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】
駆動バネ部９は、二対の複数枚の円形状の板バネ１７と、外側（図２中右側）に位置する板バネ１７にバネ連結部１８において連結したコイルバネ１９と、を有する。
従来は必要な駆動力ないしバネ定数を確保するために、板バネ１７のみ用いて、これを複数枚積層していたが、コイルバネ１９をさらに設けることにより、バネ定数を得ようとしている。すなわち、スターリング冷凍機１の冷凍能力などによって異なる駆動バネ部９ないし後述の駆動部２８の重量に応じて必要なバネ定数を得るために板バネ１７のみではその積層枚数を変える必要があり、スターリング冷凍機１の組み立てに多くの時間を費やしていたが、コイルバネ１９を併用することにより、バネ定数を補うとともに組み立て性を向上させようとするものである。
【００１０】
板バネ１７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２０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２０によりシリンダーヘッド１４に取り付けてあって、板バネの積層部において内側の複数枚の巻スリット板バネ１７Ａおよび外側の一枚のリード線接続用板バネ１７Ｂの形態を有する。
【００１１】
コイルバネ１９は、第１のバネシート２１と第２のバネシート２２との間にこれを配置している。
バネ連結部１８は、シリンダーヘッド１４と、第１のバネシート２１と、連結ボルト２３と、からこれを構成する。第１のバネシート２１に連結ボルト２３を締め付けることにより、シリンダーヘッド１４およびヨーク７すなわち板バネ１７の内周部分と、コイルバネ１９と、を一体化している。
なお、第２のバネシート２２は、固定ボルト２４により円錐状のカバー部材２５にこれを固定してあり、カバー部材２５は、板バネ１７の外周部においてヨーク７に取付けボルト２０によりこれを固定している。
【００１２】
巻スリット板バネ１７Ａおよびリード線接続用板バネ１７Ｂ、とくに、外周側から中心方向に向かう複数本の複数本の曲線状スリット（図示せず）を形成してある巻スリット板バネ１７Ａの弾性力、ならびに板バネ１７にバネ連結部１８に連結しているコイルバネ１９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。
【００１３】
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１７Ｂのリード線接続片２６にハンダ付けしたリード線２７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、駆動バネ部９、ピストン６およびシリンダー８により駆動部２８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、ならびに板バネ１７およびコイルバネ１９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１６内の冷媒の圧力を上下させ、ガス流路１３からガス供給管２９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。
【００１４】
すなわち、コールドヘッド３は、シリンダー３０と、蓄冷材３１を収容したディスプレーサー３２（ピストン）と、バネ材３３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３２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３３としては、板バネ１７あるいはコイルバネ１９はもとより、上述と同様の駆動バネ部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。
【００１５】
こうした構成のスターリング冷凍機１において、駆動部２８すなわち駆動バネ部９の駆動力によりシリンダー８を往復動させ、冷媒ガスの圧縮および膨張を行う。
なおスターリング冷凍機１の寿命を伸ばす方策のひとつして、駆動部２８を板バネ１７で支持することがある。この板バネ１７の機能としては、既述のように駆動部２８の支持およびその同期用のバネ定数の確保がある。
しかしながら、板バネ１７のみで駆動部２８の同期を満足するまでのバネ定数を確保するためには、板バネ１７の枚数が非常に多くなるため（たとえばガス圧縮機２一台分で４０〜６０枚）、板バネ１７およびコイルバネ１９を併用しているが、この併用には以下のような諸問題がある。
【００１６】
すなわち、バネ連結部１８における板バネ１７とコイルバネ１９との間の運動特性が考慮されていないために、板バネ１７にコイルバネ１９の捻れ力が作用してしまうという問題がある。
具体的には、板バネ１７はその伸縮軸（ピストン６ないしシリンダー８の軸方向）を中心に回転の自由が必要であるにもかかわらず、バネ連結部１８においてコイルバネ１９と一体的に連結されているため、その回転方向に実際には自由度がなく、板バネ１７にかかる最大集中応力は約３倍にも上昇し、板バネ１７の寿命を短縮し、スターリング冷凍機１の長寿命化を図ることができないという問題がある。
【００１７】
【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、信頼性、耐久性および組み立て性を向上させるとともに、駆動部における必要なバネ定数を確保可能な冷凍機における駆動バネ部連結構造を提供することを課題とする。
【００１８】
また本発明は、駆動バネ部における板バネの寿命を伸ばすことができる冷凍機における駆動バネ部連結構造を提供することを課題とする。
【００１９】
また本発明は、コイルバネから板バネへの作用力を打ち消して板バネへの応力集中を抑制可能とした冷凍機における駆動バネ部連結構造を提供することを課題とする。
【００２０】
また本発明は、駆動部における板バネおよびコイルバネを併用した構造の実用化を可能とした冷凍機における駆動バネ部連結構造を提供することを課題とする。
【００２１】
また本発明は、駆動部において板バネとともにコイルバネを採用することにより、コストの低減とともに、組み立て性の向上を図った冷凍機における駆動バネ部連結構造を提供することを課題とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、コイルバネから板バネへの捻れ作用力を断ち切ること、そのためにはバネ連結部に回転機構を有するスラストベアリングなどの軸受けを設けることに着目したもので、板バネおよびコイルバネから構成した駆動バネ部を有し、この駆動バネ部の弾性力を用いて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、上記板バネの外周部を固定するヨークと、上記板バネの内周部に設けるとともに、該板バネと上記コイルバネとを連結するバネ連結部と、を有する冷凍機における駆動バネ部連結構造であって、上記バネ連結部における上記板バネと上記コイルバネとの間に軸受けを設けたことを特徴とする冷凍機における駆動バネ部連結構造である。
【００２３】
上記軸受けは、上記板バネと上記コイルバネとの間の駆動方向の動きを一体化可能であるとともに、この駆動方向とは直角方向の面内においてはこれらを互いに独立に可動可能とすることができる。
【００２４】
上記軸受けは、回転構造を有するスラストベアリングであることができる。
【００２５】
本発明は、ガス圧縮機においてピストンを移動させるピストン駆動型、およびシリンダーを移動させるシリンダー駆動型のいずれにも採用可能であるとともに、コールドヘッドにも採用することができる。
【００２６】
本発明による冷凍機における駆動バネ部連結構造においては、板バネとコイルバネとのバネ連結部に回転機構を有するスラストベアリングなどの軸受けを設けることにより、コイルバネから板バネへの捻れ作用力を断ち切ることができるようにしたので、駆動部における駆動方向には板バネおよびコイルバネが互いに協動可能であるとともに、板バネの回転方向にはコイルバネによる捻れ力が作用しないため、板バネに応力の集中が発生することなくその寿命を伸ばすことができ、したがって、スターリング冷凍機としても長寿命化が可能である。
しかも板バネおよびコイルバネを併用する実用的な構造を実現したので、必要がバネ定数を確保することはもちろん、組み立て性およびコストの面でも有利である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
つぎに本発明の実施の形態による駆動バネ部連結構造を採用したスターリング冷凍機４０を図１にもとづき説明する。ただし、図２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、スターリング冷凍機４０の、図２と同様の断面図であって、スターリング冷凍機４０においては、そのガス圧縮機４１の駆動バネ部連結構造４２の部分がスターリング冷凍機１（図２）と異なっている。
【００２８】
すなわち、駆動バネ部連結構造４２では、板バネ１７とコイルバネ１９とを連結するバネ連結部４３に軸受け４４を設けることにより駆動バネ部４５を構成している。
【００２９】
この軸受け４４は、任意のものを採用することができるが、板バネ１７とコイルバネ１９との間の駆動方向の動きを一体化可能であるとともに、この駆動方向とは直角方向の面内においてはこれらを互いに独立に可動可能とするものであって、たとえばこれを回転構造を有するスラストベアリングとする。
【００３０】
前記第１のバネシート２１と押さえプレート４６との間に当該軸受け４４を配置し、連結ボルト２３により軸受け４４および押さえプレート４６を第１のバネシート２１に固定する。
なお、シリンダーヘッド１４と押さえプレート４６との間の直径クリアランスは、これを１０μｍ〜６０μｍとし、クリアランスシール作用を利用して気密性を保持する。
【００３１】
こうした構成のガス圧縮機４１ないし駆動バネ部連結構造４２において、板バネ１７およびコイルバネ１９はシリンダー８の駆動軸方向には互いの弾性力を作用可能で、それぞれのバネ定数を合成して必要なバネ定数による駆動力を確保可能である。
さらに、バネ連結部４３において、板バネ１７とコイルバネ１９との間に軸受け４４があるので、コイルバネ１９の捻り力が板バネ１７には作用することがないため、バネ連結部４３における板バネ１７に対して応力の集中が最小限に抑えられる。
【００３２】
したがって、コイルバネ１９から板バネ１７への作用力を断ち切って、板バネ１７にかかる最大集中応力を低下させ、板バネ１７の寿命を伸ばすことができる。
かくして、スターリング冷凍機４０自体の寿命を伸ばすことができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、板バネとコイルバネとの間のバネ連結部に軸受けを設けたので、板バネとコイルバネとの回転方向の独立性を確保し、板バネとコイルバネとの併用を実現可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による駆動バネ部連結構造４２を採用したスターリング冷凍機４０の断面図である。
【図２】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。
【符号の説明】
１ スターリング冷凍機（図２）
２ ガス圧縮機
３ コールドヘッド
４ 圧縮機ケース
５ 中間ヘッダー
６ ピストン
７ ヨーク
８ シリンダー
９ 駆動バネ部
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 駆動バネ部９の板バネ
１７Ａ 巻スリット板バネ（板バネ）
１７Ｂ リード線接続用板バネ（板バネ）
１８ 駆動バネ部９のバネ連結部
１９ 駆動バネ部９のコイルバネ
２０ 取付けボルト
２１ 第１のバネシート
２２ 第２のバネシート
２３ 連結ボルト
２４ 固定ボルト
２５ 円錐状のカバー部材
２６ リード線接続用板バネ１７Ｂのリード接続片
２７ リード線
２８ 駆動部（ピストン６、シリンダー８、駆動バネ部９、永久磁石１０、電磁コイル１１）
２９ ガス供給管
３０ シリンダー
３１ 蓄冷材
３２ ディスプレーサー（ピストン）
３３ バネ材
４０ スターリング冷凍機（図１）
４１ ガス圧縮機
４２ 冷凍機における駆動バネ部連結構造（実施の形態、図１）
４３ バネ連結部
４４ 軸受け（回転構造を有するスラストベアリング）
４５ 駆動バネ部
４６ 押さえプレート

Claims (3)

1. 板バネおよびコイルバネから構成した駆動バネ部を有し、この駆動バネ部の弾性力を用いて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、
   前記板バネの外周部を固定するヨークと、
   前記板バネの内周部に設けるとともに、該板バネと前記コイルバネとを連結するバネ連結部と、を有する冷凍機における駆動バネ部連結構造であって、
   前記バネ連結部における前記板バネと前記コイルバネとの間に軸受けを設けたことを特徴とする冷凍機における駆動バネ部連結構造。
2. 前記軸受けは、前記板バネと前記コイルバネとの間の駆動方向の動きを一体化可能であるとともに、この駆動方向とは直角方向の面内においてはこれらを互いに独立に可動可能とすることを特徴とする請求項１記載の冷凍機における駆動バネ部連結構造。
3. 前記軸受けは、回転構造を有するスラストベアリングであることを特徴とする請求項１記載の冷凍機における駆動バネ部連結構造。

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