JP6482231B2 - 流体リニア加圧機 - Google Patents

Description

本発明は、流体を圧縮する流体リニア加圧機に関する。

流体リニア加圧機の一例であるリニア圧縮機が知られている。リニア圧縮機は、例えば、特許文献１に記載されているように、両端部に爆発性ガス圧縮用の圧縮室が形成されるシリンダと、シリンダに摺動自在に嵌入されたピストンと、圧縮室へのガス吸入及びガス吐出を制御する吸入弁及び吐出弁と、ピストンを往復動させるリニアモータ機構と、を備えて構成されたものがある。

このリニア圧縮機は、両端が開口したヨーク内の貫通孔の一端側から順に、弁部、磁極コア、樹脂ボビン、磁極コア、弁部を順に嵌入し、ヨークの貫通孔の両端部にシリンダヘッドを螺入して構成されている。２つの磁極コアによってシリンダが構成されている。リニアモータ機構は、ピストンの外周部に嵌着された永久磁石と、２つの磁極コア間に配設された樹脂ボビンに巻回された固定子コイルとを備えて構成されている。

樹脂ボビンは、円筒状に形成された本体部と、本体部の両端部に形成されて径方向外側に突出する環状の鍔部とを有してなる。鍔部の外周面はヨークの内周面に接触し、鍔部の外側面が磁極コアの端面に接触している。樹脂ボビンの内周面は、磁極コアの内周面と同一平面上に配設されてシリンダの一部を構成している。樹脂ボビンの本体部の外周面に固定子コイルが巻回されている。永久磁石は、一端側がＮ極、他端側がＳ極に磁化されている。

このように構成されたリニア圧縮機は、交流電源から固定子コイルに交流電流を印加すると、２つの磁極コアが交互にＮ極及びＳ極に磁化される。ここで、永久磁石の一方側端部がＮ極に磁化された永久磁石は、左側の磁極コアがＳ極に磁化される場合には吸引されて左方向へ、左側の磁極コアがＮ極に磁化される場合には反発されて右方向へ付勢され、これによりピストンは往復運動を行う。

特開平０７−６３１６２号公報

この従来のリニア圧縮機の本体部は、樹脂製であって磁極コアの径方向厚さよりも薄いので、クラックが発生する虞がある。また、従来のリニア圧縮機は、水素ガスを圧縮するものであるが、水素ガス以外の流体、例えば、アンモニアガス等の流体を圧縮する場合には、樹脂ボビンの本体部にクラックが生じると、クラックを介してアンモニアガスがコイル内に侵入して、コイルを浸食させる虞が生じる。

一方、従来のリニア圧縮機は、ピストンに嵌着された永久磁石とシリンダを構成する磁極コアとの間に作用する磁気力によってピストンが移動するが、永久磁石が無くなると、構造が簡素化してコストを低減することができる。このため、永久磁石が存在しなくてもピストンを移動可能なリニア圧縮機の開発が望まれている。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一つの実施形態は、コイルにアンモニアガス等の流体が侵入する虞がなく、永久磁石が存在しなくてもピストンが移動可能な流体リニア加圧機を提供することを目的とする。

本発明の少なくとも一つの実施形態に係わる流体リニア加圧機は、
磁性材で形成され少なくとも一端部に圧縮室が形成されるシリンダと、
非磁性材で形成され前記シリンダに摺動自在に嵌入されたピストンと、
前記圧縮室への流体吸入及び流体排出を制御する吸入弁及び吐出弁と、
前記ピストンを前記シリンダに対して移動させるリニア機構部と、を備え、
前記リニア機構部は、前記シリンダ内に摺動自在に嵌入されて前記ピストンと一体的に連結されて磁性材で形成された可動体と、前記シリンダの外側面に巻回されたコイルと、前記コイルが巻回されたシリンダのコイル巻回部分の外側面に前記シリンダの周方向に環状に形成された切り欠き部とを有し、
前記切り欠き部は、前記可動体の移動範囲内で該可動体の移動方向長さに対して非対称となる位置に設けられ、
前記コイルに通電することで、前記可動部が前記シリンダに対してシリンダ軸方向に移動するとともに、
前記ピストンの下死点又は上死点の一方から他方に向かう動きに伴う前記可動体の移動方向における下流側における前記切り欠き部の端部には、前記シリンダの径方向外側に向かって前記移動方向の下流側にずれる傾斜面が設けられており、
前記ピストンが前記下死点又は前記上死点の前記一方に位置する状態において、前記移動方向において、前記可動体と前記傾斜面とがオーバーラップするように前記傾斜面が配置される。

上記流体リニア加圧機によれば、コイルが巻回されたシリンダのコイル巻回部分の外側面にシリンダの周方向に切り欠き部が環状に形成され、この切り欠き部は、可動体の移動範囲内で該可動体の移動方向長さに対して非対称となる位置に設けられている。このため、可動体の移動時に、切り欠き部の可動体移動方向の前後位置において、磁力線が透過可能なシリンダ及び可動体の相対位置が変化する。従って、切り欠き部の可動体移動方向の前後位置において、シリンダ及び可動体内を透過する磁力線の長さ及び密度が変化する。ここで、磁力線は、あたかも伸ばされたゴムでできた管のように常に元の状態に縮もうとする性質を有する。また、異なる密度の磁力線が互いに連続的に繋がっている場合には、縮もうとする力が互いに異なる２本のゴム管が直列的に接続されていると考えられる。従って、縮もうとする力が大きい方のゴム管側に可動体は引っ張られることになる。このような性質を利用したのが本願発明である。

本願発明の切り欠き部は、可動体の移動範囲内で該可動体の移動方向長さに対して非対称となる位置に設けられているので、可動体は切欠き部に対して可動体移動方向において非対称位置に位置する。このため、切り欠き部の前後位置において可動体とシリンダとが隣接する領域と隣接しない領域が生じる。従って、可動体とシリンダとが隣接する領域では複数の磁力線が拡がった状態で延びる一方、可動体とシリンダとが隣接しない領域では複数の磁力線が束のように接近した状態になる。このため、切り欠き部の前後において、密度の異なる磁力線の束が連続的に繋がるように磁力線が延びる。従って、可動体は、磁束密度が高く且つ長さが長い磁力線が元に戻ろうとする力によって移動する。よって、永久磁石が存在しなくてもピストンを移動させることが可能な流体リニア加圧機を実現できる。そして、本発明の上記構成によれば、ピストンが下死点又は上死点の一方に位置する状態において、移動方向において、可動体と傾斜面とがオーバーラップするように傾斜面が配置されるから、移動方向の下流側に向かう推進力を得るための磁力線の磁束密度が高い磁路を形成することができる。また、シリンダは磁性材（金属材料）で形成されるので、樹脂製のシリンダと比較して、強度が高い。このため、シリンダにクラックが生じる虞を抑制することができる。よって、コイルにアンモニアガス等の流体が侵入する虞がない流体リニア加圧機を実現できる。

本発明の少なくとも一つの実施形態に係わる流体リニア加圧機は、
磁性材で形成され少なくとも一端部に圧縮室が形成されるシリンダと、
非磁性材で形成され前記シリンダに摺動自在に嵌入されたピストンと、
前記圧縮室への流体吸入及び流体排出を制御する吸入弁及び吐出弁と、
前記ピストンを前記シリンダに対して移動させるリニア機構部と、を備え、
前記リニア機構部は、前記シリンダ内に摺動自在に嵌入されて前記ピストンと一体的に連結されて磁性材で形成された可動体と、前記シリンダの外側面に巻回されたコイルと、前記コイルが巻回されたシリンダのコイル巻回部分の外側面に前記シリンダの周方向に環状に形成された切り欠き部とを有し、
前記コイルに通電することで、前記可動体が前記シリンダに対してシリンダ軸方向に移動するとともに、
前記ピストン側における前記可動体の端部は、前記ピストンの前記可動体側に位置する第１嵌合部の外周側において該第１嵌合部に嵌合する第２嵌合部を有し、
前記可動体の前記第２嵌合部は、前記シリンダ軸方向に沿った前記シリンダの内壁面に対向する外周面を有し、
前記ピストンが下死点に位置する状態で、前記切り欠き部は、前記可動体の移動方向において前記可動体の前記第２嵌合部にオーバーラップするように配置される。

この構成によれば、ピストン側における可動体の端部は、ピストンの可動体側に位置する第１嵌合部の外周側において該第１嵌合部に嵌合する第２嵌合部を有し、可動体の第２嵌合部は、シリンダ軸方向に沿ったシリンダの内壁面に対向する外周面を有し、ピストンが下死点に位置する状態で、切り欠き部は、可動体の移動方向において該可動体の第２嵌合部にオーバーラップするように配置されるから、移動方向の下流側に向かう推進力を得るための磁力線の磁束密度が高い磁路を形成することができる。よって、永久磁石が存在しなくてもピストンを移動させることが可能な流体リニア加圧機を実現できる。また、シリンダは磁性材（金属材料）で形成されるので、樹脂製のシリンダと比較して、強度が高い。このため、シリンダにクラックが生じる虞を抑制することができる。よって、コイルにアンモニアガス等の流体が侵入する虞がない流体リニア加圧機を実現できる。

また、幾つかの実施形態では、
前記切り欠き部は、前記ピストンが下死点に位置するときに、前記可動体の移動方向において前記可動体のピストン側端部が前記切り欠き部の前側端部に位置するように設けられているように構成される。

このように、ピストンが下死点に位置するときに、可動体の移動方向において該可動体のピストン側端部が切り欠き部の前側端部に位置するようにすれば、移動方向の下流側に向かう推進力を得るための磁力線の磁束密度が高い磁路を形成することができるから、ピストンの駆動を容易にすることができる。

また、幾つかの実施形態では、
前記切り欠き部の可動体移動方向の前側端部には、前記シリンダの径方向外側に進むに従って除々に移動方向前側に傾斜する前側傾斜面部が形成されているように構成される。

この場合、切り欠き部の可動体移動方向の前側端部には、シリンダの径方向外側に進むに従って除々に移動方向前側に傾斜する前側傾斜面部が形成されているので、切り欠き部の底面のシリンダの内面との間のシリンダ巻回部分を透過する磁力線が切り欠き部の可動体移動方向前側端部から延出する際に、磁力線の一部が別の方向を向いて他の磁力線の束から離脱する虞を抑制することができる。このため、切り欠き部の可動体移動方向前側端部から延出する磁力線の密度の低下を抑制することができる。

また、幾つかの実施形態では、
前記切り欠き部の可動体移動方向の後側端部には、前記シリンダの径方向外側に進むに従って除々に移動方向後側に傾斜する後側傾斜面部が形成されている
ように構成される。

この場合、切り欠き部の可動体移動方向の後側端部には、シリンダの径方向外側に進むに従って除々に移動方向後側に傾斜する後側傾斜面部が形成されているので、磁力線の束が切り欠き部の底面部とシリンダの内周面との間のコイル巻回部分に入り込む際に、磁力線の一部が別の方向を向いて他の磁力線の束から離脱する虞を抑制することができる。このため、切り欠き部の可動体移動方向後側端部からコイル巻回部分に入り込もうとする磁力線の密度の低下を抑制することができる。

また、幾つかの実施形態では、
前記切り欠き部の底面部と前記シリンダの内周面との間の肉厚は、前記シリンダの径方向厚さよりも小さいように構成される。

この場合、切り欠き部の底面部とシリンダの内周面との間の肉厚は、シリンダの径方向厚さよりも小さいので、磁力線が切り欠き部に対して接近する方向に進むと、磁力線は切り欠き部の底面部側へ向きを変えることができる。このため、切り欠き部に対する可動体の相対位置が変化することで、切り欠き部の可動体移動方向前側と後側を透過する磁力線の束の密度を容易に変えることができる。

また、幾つかの実施形態では、
前記切り欠き部は、前記可動体の動移動範囲内で前記可動体の移動方向に対して所定間隔を有して前記シリンダの外周面に複数個形成されているように構成される。

この場合、切り欠き部は、可動体の動移動範囲内で可動体の移動方向に対して所定間隔を有してシリンダの外周面に複数個形成されているので、シリンダが駆動する駆動特性（移動速度、圧力等）を変えることができる。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、コイルにアンモニアガス等の流体が侵入する虞がなく、永久磁石が存在しなくてもピストンが移動可能な流体リニア加圧機を提供することができる。

本発明に係るピストンが上死点に位置するときのリニア圧縮機の断面図である。 本発明に係るピストンが下死点に位置するときのリニア圧縮機の断面図である。 スタート時点でピストンが下死点の位置にあるタイプで、コイルに定電流（例えば１Ａ）を流して駆動した場合において、同図（ａ）は、ピストンが上死点に位置するときのシリンダ及び可動体に透過する磁力線の分布を図示したリニア圧縮機の部分断面図であり、同図（ｂ）は、ピストンが下死点に位置するときのシリンダ及び可動体の透過する磁力線の分布を図示したリニア圧縮機の部分断面図である。 シリンダに切り欠き部が存在しない比較対象のリニア圧縮機の部分断面図であり、コイルに定電流（例えば１Ａ）を流して駆動した場合において、同図（ａ）は、ピストンが上死点に位置するときのシリンダ及び可動体に透過する磁力線の分布を示し、同図（ｂ）は、ピストンが下死点に位置するときのシリンダ及び可動体に透過する磁力線の分布を示している。これらの分布は、ＪＭＡＧシミュレーションにより求めたものである。 ピストンの移動量に対する磁気力の大きさの関係を示すグラフである。このグラフは、ＪＭＡＧシミュレーションおよび実験結果により確認したものである。 シリンダに形成された切り欠き部の他の実施形態を図示したリニア圧縮機の部分断面図である。 シリンダに２つの切り欠き部を設けた他の実施形態のリニア圧縮機の部分断面図例である。 コイルに供給される印加電圧の整流回路図である。 本発明の他の実施形態に係わるリニア圧縮機であり、スタート時点でピストンが上死点の位置にあるタイプのリニア圧縮機の断面図である。 本発明の他の実施形態に係わるリニア圧縮機であり、ピストンが下死点に移動したときのリニア圧縮機の断面図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。本実施形態では、流体リニア加圧機の一例としてリニア圧縮機を例にして以下説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

図１は、リニア圧縮機の断面図を示す。リニア圧縮機１は、図１に示すように、円筒状に形成されたシリンダ５と、シリンダ５の両端部に装着された後側シリンダヘッド１０及び前側シリンダヘッド１５と、シリンダ５の外周面に設けられたコイル２０と、コイル２０の外周面を覆うようにして後側シリンダヘッド１０及び前側シリンダヘッド１５間に装着されたカバー体２５と、シリンダ５内に摺動自在に嵌合する可動体３０及びピストン４０とを備えてなる。

シリンダ５は、磁性材（例えば、鉄）で形成され、内部に貫通孔５ａを有して両端が開口している。貫通孔５ａの内径は、可動体３０及びピストン４０が摺動可能な寸法を有している。シリンダ５の外径は、シリンダ５に設けられる切り欠き部７やピストン４０の形状等に応じて設定される。

切り欠き部７は、シリンダ５の軸心方向の略中央部であってシリンダ５の外周面５ｂに周方向に環状に形成されている。切り欠き部７は、断面視において、シリンダ５の内周面５ｃに沿って延びる底面部７ａと、底面部７ａの可動体進行方向前側端部に繋がって径方向外側へ進むに従って前側に傾斜する前側傾斜面部７ｂと、底面部７ａの可動体進行方向後側端部に繋がって径方向外側へ延びる後側面部７ｃとを有してなる。ここでは、後側面部７ｃは底面部７ａに対して直交する方向に延びる。

切り欠き部７の底面部７ａとシリンダ５の内周面５ｃとの間の距離ｗは、シリンダ５の肉厚ｓよりも小さい。また、切り欠き部７は、可動体３０の往復移動範囲内で可動体３０の移動方向長さＬに対して非対称となる位置に設けられている。切り欠き部７の役割及び効果については後述する。

後側シリンダヘッド１０及び前側シリンダヘッド１５は、非磁性材（例えば、アルミニウム）で形成され、筒状に形成されたヘッド本体部１１、１６と、ヘッド本体部１１、１６の一方側端部に繋がって径方向外側へ環状に突出するフランジ部１２，１７とを有してなる。後側シリンダヘッド１０には、その軸心方向に延びる貫通孔１０ａが設けられている。この貫通孔１０ａは、ヘッド本体部１１内に形成された小径孔部１０ａ１と、小径孔部１０ａ１に繋がってフランジ部１２内に形成されて小径孔部１０ａ１よりも大径の大径孔部１０ａ２とを有してなる。ヘッド本体部１１の軸方向一端部には、小径孔部１０ａ１に連通する吸入孔１０ｂが設けられている。この吸入孔１０ｂを介して流体（例えば、アンモニアガス）が小径孔部１０ａ１に流入する。大径孔部１０ａ２の内径は、前述したシリンダ５の外径と略同じ大きさを有して、大径孔部１０ａ２にシリンダ５が嵌合されている。ヘッド本体部１１の一端部には、小径孔部１０ａ１を気密に覆う蓋部１３が取り付けられている。

フランジ部１２には、周方向に所定間隔を有して後側シリンダヘッド１０の軸心方向に沿って貫通する貫通孔１２ａが複数設けられている。この貫通孔１２ａにボルト１４が挿通されてコイル２０の端部に装着された後側固定リング２１にボルト１４を介して後側シリンダヘッド１０が固定されている。後側固定リング２１は、磁性材（例えば、鉄）で形成されている。

前側シリンダヘッド１５は、そのヘッド本体部１６内に軸心方向に延びる排出孔１５ａが設けられている。この排出孔１５ａのシリンダ５側には吐出弁１８が挿着されている。前側シリンダヘッド１５のフランジ部１７内には排出孔１５ａに連通して排出孔１５ａよりも大径の大径孔部１５ｂが形成されている。この大径孔部１５ｂにシリンダ５が嵌合されている。

フランジ部１７には、周方向に所定間隔を有して前側シリンダヘッド１５の軸心方向に沿って延びる貫通孔１７ａが複数設けられている。この貫通孔１７ａにボルト１９が挿通されてコイル２０の他端部に装着された前側固定リング２２にボルト１９を介して前側シリンダヘッド１５が固定されている。ヘッド本体部１６の他端部には、排出孔１５ａを気密に覆う蓋部２３が取り付けられている。蓋部２３には、排出孔１５ａに連通する連通孔２３ａが設けられている。

吐出弁１８は、圧縮時にはばね圧によって排出孔１５ａを弁体（図示せず）で閉じ、吸入時には流入する流体の圧力が所定値を超えるとばねの附勢に抗して弁体が開いて排出孔１５ａを開口するように構成されている。

コイル２０は、シリンダ５の軸心方向中間部の外周面５ｂに巻回されている。コイル２０が巻回されたコイル巻回部分５ｄに前述した切り欠き部７が形成されている。コイル２０には、図８（整流回路図）をさらに追加して説明すると、ダイオード３２によって交流電源３３から供給される交流の半サイクルのみが印加される。コイル２０はこの両側が磁性材の前述した後側固定リング２１及び前側固定リング２２によって固定されるとともに、磁路となるための磁性材（例えば鉄）のカバー体２５によって覆われている。カバー体２５は、円筒状に形成され、後側シリンダヘッド１０及び前側シリンダヘッド１５間に装着されている。カバー体２５の外径は、後側シリンダヘッド１０及び前側シリンダヘッド１５のフランジ部１２、１７の外径と略同じ寸法を有している。

可動体３０は、筒状に形成されてシリンダ５の貫通孔５ａに摺動自在に嵌入されている。可動体３０は、磁性材（例えば、鉄）で形成され、その外径はシリンダ５の貫通孔５ａとの間に僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ〜０.０５ｍｍ）を有するような寸法を有している。この隙間は、コイル２０から発生する磁力線が可動体３０側に透過可能であるとともに、可動体３０がシリンダ５内を摺動可能な大きさを有している。可動体３０の内側には、流体を流すための孔部３０ａが形成されている。孔部３０ａは、軸方向中間部が小径の小径孔部３０ａ１と、軸方向両端部に形成されて小径孔部３０ａ１に繋がり小径孔部３０ａ１よりも大径の大径孔部３０ａ２とを有してなる。ピストン側の大径孔部３０ａ２にピストン４０の一方側端部が嵌合して、可動体３０とピストン４０とが一体的に連結されている。

可動体３０は、ピストン４０の前側端部が前側シリンダヘッド１５の内面１５ｃに接触する位置（以下、「上死点Ｐｕ」と記す。）に移動すると、切り欠き部７が可動体３０の軸方向長さＬの中央よりも前側に位置するように形成されるとともに、可動体３０のピストン４０側と反対側の端部（以下、「後端部」と記す）がシリンダ５の後端部と略同一平面上となる位置（以下、「下死点Ｐｄ」と記す。図２参照）に移動すると、切り欠き部７の底面部７ａの前側端部が可動体３０の前側端部と略同一平面上に位置するようなに形成されている。つまり、切り欠き部７は、ピストン４０が上死点Ｐｕと下死点Ｐｄとの間を移動する範囲内で可動体３０の移動方向長さＬに対して非対称となる位置に設けられている。さらに、切り欠き部７は、ピストン４０が下死点Ｐｄの位置に移動すると、可動体３０のピストン側端部が切り欠き部７の前側端部の位置に移動して、可動体３０のピストン側端が可動体３０の移動範囲内で可動体３０の移動方向長さに対して最大の非対称位置に位置するように設けられている。

ピストン４０は、非磁性材（例えば、アルミニウム）で形成され、可動体３０と同様に円筒状に形成されている。ピストン４０は、シリンダ５の貫通孔５ａに対してピストン４０が摺動するように貫通孔５ａに対して僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ〜０．０５ｍｍ）が形成されるような外径を有している。ピストン４０の内側には、流体を流すための孔部４０ａが形成されている。この孔部４０ａは、可動体３０の孔部３０ａと略同じ内径を有して孔部３０ａと連続的に連通している。孔部４０ａの前側には、吸入弁４１が装着されている。吸入弁４１は、吸入時にはばね（図示せず）の附勢に抗して弁体（図示せず）がピストン４０から離反する方向へ移動して孔部４０ａを開口して流体を圧縮室４５（図２参照）に供給し、圧縮時にはばねの附勢によって弁体で孔部４０ａを閉じるように構成されている。

ピストン４０の後側の外周面４０ｂには、可動体３０と連結するための嵌合段部４０ｃが形成されている。また、ピストン４０の前側の外周面４０ｂには、ピストンリングを装着するための複数の装着溝部４０ｄが環状に形成されている。

後側シリンダヘッド１０の貫通孔１０ａには、可動体３０及びピストンを上死点Ｐｕ側から下死点Ｐｄ側へ移動させるためのリニア機構部５０が設けられている。リニア機構部５０は、一端部が後側シリンダヘッド１０の貫通孔１０ａに係止され、他端部が可動体３０の孔部３０ａに係止された引っ張りばね５１を有してなる。引っ張りばね５１は、常に可動体３０を後側シリンダヘッド１０側へ移動させる引っ張り力が発生している。

次に、本実施形態に係わるリニア圧縮機１の作動について説明する。なお、説明の都合上、ピストン４０が上死点Ｐｕに位置する時のピストン先端部の位置を原点とし、原点からピストン４０が下死点Ｐｄ側へ移動する方向をｙ軸として設定する。さて、コイル２０に電圧が印加されていない状態では、図２（断面図）に示すように、引っ張りばね５１によって可動体３０が後側シリンダヘッド１０側に引っ張れてピストン４０は下死点Ｐｄの位置に移動している。この状態で、コイル２０に電圧を印加すると、図３（ｂ）に示すように、コイル２０の後端から発生する磁力線Ｊは、磁気抵抗の小さいシリンダ５及び可動体３０を透過して切り欠き部７側に延びる。そして、磁力線Ｊが切り欠き部７の近くに延びると、磁力線Ｊは磁気抵抗の小さい方へ進もうとして切り欠き部７の底面部７ａとシリンダ５の内周面５ｃとの間のコイル巻回部分５ｄ及びこれに隣接する可動体３０内を透過する。そして、磁力線Ｊがさらに前側（ｙ軸負方向）に延びようとすると、可動体３０の前方（ｙ軸負方向）には、非磁性材のピストン４０が存在するので、磁力線Ｊはシリンダ５側に向きを変えて切り欠き部７の前側傾斜面部７ｂ側に進んでシリンダ５内を透過してコイル２０の前側端部に流入する。

ここで、磁力線Ｊが前側傾斜面部７ｂ側へ向きを変える場所は、磁力線Ｊが透過するシリンダ５の幅が狭いので、磁力線Ｊの束の磁束密度は最大となる。また、切り欠き部７よりも前側（ｙ軸負方向）には、磁力線Ｊが透過可能な部材がシリンダ５しか存在しないので、前側のシリンダ５内を透過する磁力線の束の磁束密度は後側のシリンダ５及び可動体３０内の磁力線Ｊの束の磁束密度よりも大きくなる。このため、前側傾斜面部７ｂの周辺を境にして、異なる大きさの磁束密度を有した磁力線の束が互いに連続的に繋がった状態になる。また、切り欠き部７は、ピストン４０が上死点Ｐｕの位置に移動すると、可動体３０の移動範囲内で可動体３０の移動方向長さに対して最大の非対称位置に位置するので、切り欠き部７よりもｙ軸負方向に延びる磁力線の長さは、切り欠き部７よりもｙ軸正方向に延びる磁力線の長さよりも長くなる。従って、磁力線の長さが長い磁力線による力が磁力線の長さが短い磁力線による力よりも大きくなって、可動体３０は、前側（ｙ軸負方向）に移動し、ピストン４０も前側に移動する。

ピストン４０の前側（ｙ軸負方向）への移動時には、切り欠き部７に対する可動体３０の相対位置は可動体３０の移動方向前側から後側へずれる。このため、ピストン４０が上死点Ｐｕの位置に移動すると、図３（ａ）に示すように、切り欠き部７よりも前側（ｙ軸負方向側）に可動体３０の前側端部が延在するので、切り欠き部７よりも前側では磁力線Ｊが透過する領域が増大して切り欠き部７よりも前側の磁力線Ｊの束の磁束密度が小さくなるとともに、切り欠き部７よりもｙ軸負方向に延びる磁力線Ｊの長さが短くなる。従って、可動体３０を上死点Ｐｕ側へ移動させようとする力が小さくなる。

一方、ピストン４０の前側への移動時には、図１に示すように、ピストン４０によって圧縮室４５内の流体が圧縮され、流体の圧力が所定値を超えると、吐出弁１８が開弁して、流体が前側シリンダヘッド１５から吐出される。

ここで、ピストン４０の位置と可動体３０に作用する磁気力の大きさとの関係について図５を参照しながら説明する。図５は、縦軸が磁気力の大きさ（方向も含む）を示し、横軸がピストン４０の位置を示している。縦軸は、上下方向下側（ｙ軸負方向）に向かう程、磁気力が大きくなることを示し、横軸は左右方向右側へ向かう程、ピストン位置は下死点に近くなり、左右方向左側へ向かう程、ピストン位置は上死点に近くなることを示している。図５において、□印は本実施形態における結果を示している。また、本実施形態と比較する比較対象として、シリンダ５に切り欠き部７が存在しない場合の結果を◇印で示している。

図５から分るように、本実施形態では、始めピストン位置が下死点Ｐｄの位置から左側に上死点Ｐｕに向かって行く。ピストン移動量が下死点Ｐｄの周辺で急激に増大していることが分かる。これは、前述したように切り欠き部７よりも前側（ｙ軸負方向）の磁束密度が大きく、且つ磁力線の長さが長くなるからである。一方、比較対象の場合では、ピストン位置に拘わらずに、磁気力は殆ど発生していないことが分かる。これは、図４（ｂ）に示すように、ピストン４０が下死点の位置に移動したときの可動体３０を透過する磁力線Ｊは殆どなく、磁力線Ｊの殆どがシリンダ５内を透過しているため、また磁束密度の歪力がほとんど発生せず、可動体３０には、磁力線Ｊに伴う磁気力が作用していないと考えられるかれである。

また、ピストン４０が上死点Ｐｕに位置するときの可動体３０を透過する磁力線Ｊも殆どなく、磁力線Ｊの殆どはシリンダ５内を透過している。このため、可動体３０には、磁力線Ｊに伴う磁気力が作用していないので、可動体３０が上死点Ｐｕに位置しても可動体３０には磁気力は作用しない。従って、図５に示すように、比較対象の場合には、ピストン位置に拘わらずに、磁気力は可動体３０に作用しない。

さて、ピストン４０が上死点Ｐｕに位置すると、図１に示すように、電源からコイル２０への電力供給が遮断されて、可動体３０を移動させる磁気力が無くなる。一方、ピストン４０の上死点Ｐｕへの移動時には、引っ張りばね５１は更に伸長しているので、磁気力が無くなると、引っ張りばね５１の縮もうとする力によって、可動体３０は下死点Ｐｄ側へ移動してピストン４０は下死点Ｐｄの位置に移動する。ピストン４０の下死点Ｐｄ側への移動時には、吸入弁４１が開弁して流体が吸入弁４１を介して圧縮室４５内に供給される。

このように、本願の実施形態では、シリンダ５に切り欠き部７を設け、この切り欠き部７は、可動体３０の移動範囲内で可動体３０の移動方向長さに対して非対称となる位置に設けられている。このため、前述したように、切り欠き部７の前後において、密度の異なる磁力線Ｊの束が連続的に繋がるように延びる。従って、可動体３０は、磁束密度が高い磁力線側に引っ張られて移動する。よって、永久磁石が存在しなくてもピストン４０を移動させることが可能なリニア圧縮機１を実現できる。また、シリンダ５は磁性材（金属材料）で形成されるので、樹脂製のシリンダと比較して、強度が高い。このため、シリンダ５にクラックが生じる虞を抑制することができる。よって、コイル２０にアンモニアガス等の流体が侵入する虞がないリニア圧縮機１を実現できる。

なお、前述した実施形態では、切り欠き部７後側面部７ｃが底面部７ａに対して直交する方向に延びる場合を示したが、図６に示すように、切り欠き部７の後側に、径方向外側に進むにしたがって後側に傾斜する後側傾斜面部７ｄを環状に設けてもよい。このようにすると、磁力線Ｊの束が切り欠き部７の底面部７ａとシリンダ５の内周面５ｃとの間のコイル巻回部分５ｄに入り込む際に、磁力線Ｊの一部が別の方向を向いて他の磁力線の束から離脱する虞を抑制することができる。このため、切り欠き部７の後側端部周辺からシリンダ５及び可動体３０に入り込もうとする磁力線Ｊの密度の低下を抑制することができる。

また、前述した実施形態では、シリンダ５に１つの切り欠き部７を設けたが（図１参照）、シリンダ５に複数個の切り欠き部７、７'を設けてもよい。図７には、シリンダ５に２つの切り欠き部７、７'を設けた場合を示している。２つの切り欠き部の一方は、前述した切り欠き部７（図１参照）であり、他方の切り欠き部７'は、切り欠き部７に対してシリンダ前方側に間隔を有して設けられている。この切り欠き部７'は、前述した切り欠き部７と同様の形状を有しているので、その説明は対応する符号を附して省略する。

このように、シリンダ５に２つの切り欠き部７、７'を設ける場合には、ピストン４０が下死点Ｐｄから上死点Ｐｕへの移動時に可動体３０を上死点Ｐｕ側へ附勢する磁気力が２回作用する。よって、ピストンの移動特性（移動速度、圧力等）を容易に変更することができる。

また、前述した実施形態では、流体を圧縮するときに磁気力で可動体３０を移動させ、流体を吸入するときには、引っ張りばね５１で可動体３０を移動させる場合を示したが、スタート時点に上死点Ｐｕの位置にあるタイプで、流体を圧縮するときにばね力で可動体３０を移動させ、流体を吸入するときに磁気力で可動体３０を移動させてもよい。

この場合のリニア圧縮機６０について図９及び図１０を参照しながら説明する。図９は、スタート時点でピストン４０が上死点Ｐｕの位置にあるタイプのリニア圧縮機６０の断面図であり、図１０は、図９に示すリニア圧縮機６０のピストン４０が下死点Ｐｄに移動したときのリニア圧縮機６０の断面図である。このリニア圧縮機６０については、前述したリニア圧縮機１と同一態様部分については同一符号を附して説明を省略する。

図９及び図１０に示すように、リニア圧縮機６０は、後側シリンダヘッド１０の貫通孔１０ａ及びシリンダ５内に挿入された圧縮ばね６１を有している。この圧縮ばね６１は、圧縮された状態で、一端部が貫通孔１０ａに取り付けられた蓋部１３に接触し、他端部が可動体３０の端部に接触した状態で設けられている。このため、ピストン４０は、常に上死点Ｐｕ側に附勢されている。

ピストン４０が上死点Ｐｕの位置にある状態でコイル２０に電流が流れると、コイル２０から発生した磁力線Ｊは、図９に示すように、切り欠き部７よりも前側方向（ｙ軸負方向）へ延びるシリンダ５と可動体３０内を透過するので、磁束密度は小さくなる（図９参照）。一方、ピストン４０が下死点Ｐｄの位置にある状態では、可動体３０の切り欠き部７よりも前側方向（ｙ軸負方向）へ延びる長さが短くなるので、切り欠き部７よりも前側方向（ｙ軸負方向）での磁力線Ｊが透過できる領域が狭くなる。このため、切り欠き部７よりも前側方向（ｙ軸負方向）へ延びるシリンダ５と可動体３０内を透過する磁束密度は大きくなる。

従って、ピストン４０の動作について図５を参照しながら説明すると、リニア圧縮機６０は、始めピストン位置が上死点Ｐｕの位置から右側に下死点Ｐｄに向かって行くと、ピストン移動量が下死点Ｐｄの周辺で急激に増大する。これは、前述したように切り欠き部７よりも前側（ｙ軸負方向）の磁束密度が大きくなるからである（図１０参照）。

ピストン４０が下死点Ｐｄに位置すると、図１０に示すように、交流電源３３からコイル２０への電力供給が遮断されて、可動体３０を移動させる磁気力が無くなる。一方、ピストン４０の下死点Ｐｄへの移動時には、圧縮ばね６１は更に圧縮されているので、磁気力が無くなると、圧縮ばね６１は伸長しようとする力によって、可動体３０は上死点Ｐｕ側へ移動してピストン４０は上死点Ｐｕの位置に移動する。ピストン４０の上死点Ｐｕ側への移動時には、吸入弁４１が閉弁して流体が吐出弁１８を介して排出される。よって、永久磁石が存在しなくてもピストン４０を移動させることが可能なリニア圧縮機６０を実現できる。

また、前述した実施形態では、流体リニア加圧機の一例としてリニア圧縮機を例にしたが、これに限るものではなく、流体を押し出すポンプでもよい。

１、６０ リニア圧縮機（流体リニア加圧機）
５ シリンダ
５ａ、１０ａ、１２ａ、１７ａ 貫通孔
５ｂ、４０ｂ 外周面
５ｃ 内周面
５ｄ コイル巻回部分
７ 切欠き部
７ａ 底面部
７ｂ 前側傾斜面部
７ｃ 後側面部
７ｄ 後側傾斜面部
１０ 後側シリンダヘッド
１０ａ１、３０ａ１ 小径孔部
１０ａ２、１５ｂ、３０ａ２ 大径孔部
１０ｂ 吸入孔
１１、１６ ヘッド本体部
１２、１７ フランジ部
１３、２３ 蓋部
１４、１９ ボルト
１５ 前側シリンダヘッド
１５ａ 排出孔
１５ｃ 内面
１８ 吐出弁
２０ コイル
２１ 後側固定リング
２２ 前側固定リング
２３ａ 連通孔
２５ カバー体
３０ 可動体
３０ａ、４０ａ 孔部
３２ ダイオード
３３ 交流電源
４０ ピストン
４０ｃ 嵌合段部
４０ｄ 装着溝部
４１ 吸入弁
４５ 圧縮室
５０ リニア機構部
５１ 引っ張りばね
Ｐｄ 下死点
Ｐｕ 上死点

Claims (7)

1. 磁性材で形成され少なくとも一端部に圧縮室が形成されるシリンダと、
   非磁性材で形成され前記シリンダに摺動自在に嵌入されたピストンと、
   前記圧縮室への流体吸入及び流体排出を制御する吸入弁及び吐出弁と、
   前記ピストンを前記シリンダに対して移動させるリニア機構部と、を備え、
   前記リニア機構部は、前記シリンダ内に摺動自在に嵌入されて前記ピストンと一体的に連結されて磁性材で形成された可動体と、前記シリンダの外側面に巻回されたコイルと、前記コイルが巻回されたシリンダのコイル巻回部分の外側面に前記シリンダの周方向に環状に形成された切り欠き部とを有し、
   前記コイルに通電することで、前記可動体が前記シリンダに対してシリンダ軸方向に移動するとともに、
   前記ピストンの下死点又は上死点の一方から他方に向かう動きに伴う前記可動体の移動方向における下流側における前記切り欠き部の端部には、前記シリンダの径方向外側に向かって前記移動方向の下流側にずれる傾斜面が設けられており、
   前記ピストンが前記下死点又は前記上死点の前記一方に位置する状態において、前記移動方向において、前記可動体と前記傾斜面とがオーバーラップするように前記傾斜面が配置された
   ことを特徴とする流体リニア加圧機。
2. 磁性材で形成され少なくとも一端部に圧縮室が形成されるシリンダと、
   非磁性材で形成され前記シリンダに摺動自在に嵌入されたピストンと、
   前記圧縮室への流体吸入及び流体排出を制御する吸入弁及び吐出弁と、
   前記ピストンを前記シリンダに対して移動させるリニア機構部と、を備え、
   前記リニア機構部は、前記シリンダ内に摺動自在に嵌入されて前記ピストンと一体的に連結されて磁性材で形成された可動体と、前記シリンダの外側面に巻回されたコイルと、前記コイルが巻回されたシリンダのコイル巻回部分の外側面に前記シリンダの周方向に環状に形成された切り欠き部とを有し、
   前記コイルに通電することで、前記可動体が前記シリンダに対してシリンダ軸方向に移動するとともに、
   前記ピストン側における前記可動体の端部は、前記ピストンの前記可動体側に位置する第１嵌合部の外周側において該第１嵌合部に嵌合する第２嵌合部を有し、
   前記可動体の前記第２嵌合部は、前記シリンダ軸方向に沿った前記シリンダの内壁面に対向する外周面を有し、
   前記ピストンが下死点に位置する状態で、前記切り欠き部は、前記可動体の移動方向において前記可動体の前記第２嵌合部にオーバーラップするように配置された
   ことを特徴とする流体リニア加圧機。
3. 前記切り欠き部は、前記ピストンが下死点に位置するときに、前記可動体の移動方向において前記可動体のピストン側端部が前記切り欠き部の前側端部に位置するように設けられている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の流体リニア加圧機。
4. 前記切り欠き部の可動体移動方向の前側端部には、前記シリンダの径方向外側に進むに従って除々に移動方向前側に傾斜する前側傾斜面部が形成されている
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の流体リニア加圧機。
5. 前記切り欠き部の可動体移動方向の後側端部には、前記シリンダの径方向外側に進むに従って除々に移動方向後側に傾斜する後側傾斜面部が形成されている
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の流体リニア加圧機。
6. 前記切り欠き部の底面部と前記シリンダの内周面との間の肉厚は、前記シリンダの径方向厚さよりも小さい
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の流体リニア加圧機。
7. 前記切り欠き部は、前記可動体の移動範囲内で前記可動体の移動方向に対して所定間隔を有して前記シリンダの外周面に複数個形成されている
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の流体リニア加圧機。

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