JPH09144650A - 圧縮機及び圧縮機に使用されるコイルバネの設計方法 - Google Patents
圧縮機及び圧縮機に使用されるコイルバネの設計方法Info
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- JPH09144650A JPH09144650A JP30576195A JP30576195A JPH09144650A JP H09144650 A JPH09144650 A JP H09144650A JP 30576195 A JP30576195 A JP 30576195A JP 30576195 A JP30576195 A JP 30576195A JP H09144650 A JPH09144650 A JP H09144650A
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- piston
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/001—Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor
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- Electromagnetic Pumps, Or The Like (AREA)
- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
- Springs (AREA)
- Wire Processing (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 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。 【解決手段】 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〔ｋｇｆ／ｍｍ2 〕、引張強さをσ
B 〔ｋｇｆ／ｍｍ2 〕、応力修正係数をκとしたとき、 κＬＧｄ／（πｎＤ2 σB ）≦０．１２ を満足する。
の寿命を延ばすことができる技術を提供する。 【解決手段】 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〔ｋｇｆ／ｍｍ2 〕、引張強さをσ
B 〔ｋｇｆ／ｍｍ2 〕、応力修正係数をκとしたとき、 κＬＧｄ／（πｎＤ2 σB ）≦０．１２ を満足する。
Description
【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。
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。
【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。
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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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、
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、
【０００８】
【数３】κＬＧｄ／（πｎＤ2 σB ）≦０．１２ を満足する。
【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、
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、
【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。
×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。
【００１１】ＪＩＳ Ｂ２７０４からコイルバネの耐用
往復駆動回数１×１０19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、１×１０19回の耐用往復駆動回数を得るこ
とはできなかった。
往復駆動回数１×１０19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、１×１０19回の耐用往復駆動回数を得るこ
とはできなかった。
【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
19回以上の往復駆動に耐えることができた。
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
19回以上の往復駆動に耐えることができた。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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、
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、
【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。
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。
【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、
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、
【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。
（２）を満足するようにコイルバネを設計すればよい。
【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。
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。
【００２４】ねじり修正応力τは、
【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
／ｄとして
【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、
バネの自然長からの変位をｘ〔ｍｍ〕として、
【００２７】
【数９】 Ｐ＝ｋｘ …（５） と表される。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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、
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、
【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、
（２）、（３）、（６）から、
【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。
料の直径ｄが決まれば一意に定まる。
【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。
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。
【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 は
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。
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 は
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。
【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。
（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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【００４１】すなわち、
【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、
（７）を用いて、
【００４３】
【数１３】 κＬＧｄ／（πｎＤ2 σB ）≦−０．０１２５×ｌｏｇ（Ｎ）＋０．２３７５ …（９） と変形できる。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【図１】ピストン対向型圧縮機の断面図である。
【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。
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。
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
Claims (2)
- 【請求項１】 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〔ｋｇｆ／ｍ
ｍ2 〕、引張強さをσB 〔ｋｇｆ／ｍｍ2 〕、応力修正
係数をκとしたとき、 【数１】κＬＧｄ／（πｎＤ2 σB ）≦０．１２ を満足する圧縮機。 - 【請求項２】 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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7305761A JP2902584B2 (ja) | 1995-11-24 | 1995-11-24 | 圧縮機及び圧縮機に使用されるコイルバネの設計方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7305761A JP2902584B2 (ja) | 1995-11-24 | 1995-11-24 | 圧縮機及び圧縮機に使用されるコイルバネの設計方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09144650A true JPH09144650A (ja) | 1997-06-03 |
| JP2902584B2 JP2902584B2 (ja) | 1999-06-07 |
Family
ID=17949036
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7305761A Expired - Fee Related JP2902584B2 (ja) | 1995-11-24 | 1995-11-24 | 圧縮機及び圧縮機に使用されるコイルバネの設計方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2902584B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003016140A (ja) * | 2001-07-03 | 2003-01-17 | Advanex Inc | ばね設計システム |
| JP2003016139A (ja) * | 2001-07-03 | 2003-01-17 | Advanex Inc | ばね設計システム |
| KR100456867B1 (ko) * | 2001-08-30 | 2004-11-10 | 현대자동차주식회사 | 차량 현가장치용 스프링의 설계방법 |
| JP2006097626A (ja) * | 2004-09-30 | 2006-04-13 | Hitachi Housetec Co Ltd | 電磁振動式ダイアフラムポンプ |
| JP2006258313A (ja) * | 2005-03-15 | 2006-09-28 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | パルス管冷凍機およびパルス管冷凍機搭載装置 |
| JP2008511789A (ja) * | 2004-08-30 | 2008-04-17 | エルジー エレクトロニクス インコーポレイティド | リニア圧縮機 |
-
1995
- 1995-11-24 JP JP7305761A patent/JP2902584B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003016140A (ja) * | 2001-07-03 | 2003-01-17 | Advanex Inc | ばね設計システム |
| JP2003016139A (ja) * | 2001-07-03 | 2003-01-17 | Advanex Inc | ばね設計システム |
| KR100456867B1 (ko) * | 2001-08-30 | 2004-11-10 | 현대자동차주식회사 | 차량 현가장치용 스프링의 설계방법 |
| JP2008511789A (ja) * | 2004-08-30 | 2008-04-17 | エルジー エレクトロニクス インコーポレイティド | リニア圧縮機 |
| JP2006097626A (ja) * | 2004-09-30 | 2006-04-13 | Hitachi Housetec Co Ltd | 電磁振動式ダイアフラムポンプ |
| JP2006258313A (ja) * | 2005-03-15 | 2006-09-28 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | パルス管冷凍機およびパルス管冷凍機搭載装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2902584B2 (ja) | 1999-06-07 |
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