JPH10252648A - リニアモータ駆動式圧縮機のフレクシャ・ベアリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】板ばね部材に渦巻状のスリットを形成してなる
フレクシャ・ベアリングにおいて、スリット端部に応力
が加わらないようにする。 【解決手段】板ばね部材１７に中心部側から外周縁側へ
渦巻状に延びるスリット１７ｄの隣接したスリット部間
によって形成される梁部１７ｅの中間部分１７ｅ3を、
そのばね定数が該梁部１７ｅの両側端部１７ｅ1、１７ｅ
2より小さくなるように、該中間部分１７ｅ3の幅を小さ
くしたりあるいは厚みを薄くした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はリニアモータ駆動式
の圧縮機において、可動部を固定部に非接触で支持する
フレクシャ・ベアリングの固定構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】リニアモータ駆動式圧縮機は、リニアモ
ータに交番電流を通電して発生する推力で作動ピストン
を駆動し、圧縮室内のガスを圧縮するもので、その一形
式として、刊行物「三菱電機技報，Ｖｏｌ．６７，Ｎ
ｏ．８，１９９３」に記載されているように、フレクシ
ャ・ベアリングを用いた非接触ピストン支持機構を採用
しているリニアモータ駆動式圧縮機がある。

【０００３】当該形式のリニアモータ駆動式圧縮機は、
非接触ピストン支持機構により、作動ピストンをシリン
ダに対して非接触状態に支持して、作動ピストンとシリ
ンダとの摺接に起因するガスの汚染およびシーリングの
摩耗を阻止して、圧縮機の性能低下を防止すべく意図し
たものである。非接触ピストン支持機構に採用されてい
るフレクシャ・ベアリングは、板ばね部材に中心部側か
ら外周縁側へ渦巻状に延びるスリットを形成して構成さ
れている。

【０００４】フレクシャ・ベアリングは、圧縮機のハウ
ジング内で、板ばね部材からなるばね本体の外周縁部に
て固定されるとともに、その中心部にて作動ピストンを
固定して支持するもので、作動ピストンを支持した状態
では、ばね本体の直交方向には柔軟でかつ平行方向には
剛性が高く、作動ピストンを安定した状態に支持すると
ともに、作動ピストンのばね本体の直交方向への移動
（ストローク）を許容する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、非接触ピス
トン支持機構を採用してなるリニアモータ駆動式圧縮機
において、作動ピストンのストロークを大きくしたり、
またフレクシャ・ベアリングの径を小さくして小型化し
ようとすると、フレクシャ・ベアリングのスリットの端
部に応力が集中し、この応力集中により、ばね本体にお
けるスリットの先端で破壊が生じるおそれがある。この
ため、非接触ピストン支持機構をしたリニアモータ駆動
式圧縮機においては、作動ピストンのストロークを大き
く設定して大出力の圧縮機にしたり、圧縮機を小型化す
るには大きな制約がある。

【０００６】従って、本発明の目的は、リニアモータ駆
動式圧縮機の非接触ピストン支持機構に採用されている
フレクシャ・ベアリングにおいて、スリットの先端への
応力集中を規制して応力集中に起因するばね本体の破損
を防止して、作動ピストンのストロークの増大、および
圧縮機の小型化を可能にすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】リニアモータ駆動式圧縮
機のフレクシャ・ベアリングにおいて、その応力解析を
行い、その破壊の元となる応力集中を調べると、スリッ
ト端部における応力集中が著しい。フレクシャ・ベアリ
ングに変位を与えると、スリット端部には材料が変位す
ることによる応力のほかに中心を一定にしようとするた
めにスリットを引き裂こうとする力が働く。

【０００８】応力集中を緩和させるためには、フレクシ
ャ・ベアリングの可動部分（ばね本体）を大きくすれば
よいが、それでは外径が大きくなり、圧縮機が大型化し
てしまう。そこで、本発明等は、種々検討した結果、隣
接した該スリット間によってばね本体に形成される梁部
の中間部分を変位しやすくすることによって、スリット
を引き裂こうとする力を梁部の中間部分に作用させ、梁
部の端部での応力集中を緩和することができると考え
た。

【０００９】すなわち、本発明は、板ばね部材からなる
ばね本体の中心部側から外周縁側へ渦巻状に延びるスリ
ットを備え、圧縮機のハウジング内で該ばね本体の外周
縁部にて固定されるとともに、該ばね本体の中心部にて
リニアモータにより駆動される作動ピストンを固定して
支持するフレクシャ・ベアリングであり、隣接した該ス
リット間によって該ばね本体に形成される梁部は、その
長さ方向の中間部分が両端側部分よりばね定数を小さく
したことを特徴とするものである。 前記梁部の中間部
分のばね定数は、前記中間部分の幅を狭くすることによ
り、あるいは中間部分の厚みを薄くすることにより、あ
るいは中間部分に多数の小孔を開けることにより、両端
側部分のばね定数より小さくすることができる。

【００１０】

【発明の作用・効果】リニアモータ駆動式圧縮機の非接
触ピストン支持機構に採用されているフレクシャ・ベア
リングにおいては、板ばね部材の変位によりスリットの
端部に生じる応力集中と板ばね部材の変位を是正する力
が、スリットの端部にて板ばね部材を引き裂く力として
作用する。

【００１１】しかしながら、本発明に係るフレクシャ・
ベアリングにおいては、隣接したスリット間によってば
ね本体に形成される梁部が、その長さ方向の両端側部分
より中間部分の方がばね定数を小さくされているので、
作動ピストンのストローク動作によって板ばね部材が変
位したとき、その変位を是正しようとする応力は、梁部
の中間部分に大きくかかり、梁部の両端側部分、すなわ
ちスリットの端部に集中する応力は低減される。

【００１２】従って、リニアモータ駆動式圧縮機の非接
触ピストン支持機構のフレクシャ・ベアリングとして、
本発明に係るフレクシャ・ベアリングを採用すれば、ば
ね本体の変位量を増大できるため、作動ピストンのスト
ロークを増大させて大出力の圧縮機を構成し得、かつフ
レクシャ・ベアリングの径を小さくして圧縮機の小型化
を図ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下本発明を図面に基づいて説明
すると、図１には、本発明に係るフレクシャ・ベアリン
グを採用した非接触ピストン支持機構を用いて作動ピス
トンを支持して構成したリニアモータ駆動式圧縮機が示
されている。当該圧縮機１０は、膨張機２０と連結管で
連結されていて、膨張機２０と共にスプリット型スター
リング冷凍機を構成している。

【００１４】当該圧縮機１０は２気筒対向式のもので、
圧縮機１０を構成するハウジング１０ａは、左右一対の
収容室１１ａ，１１ｂと、両収容室１１ａ，１１ｂの中
間部に位置して両収容室１１ａ，１１ｂに連通するシリ
ンダ部１１ｃを備え、各収容室１１ａ，１１ｂにはリニ
アモータ１０ｂが収容されており、リニアモータ１０ｂ
を構成するヨークに多数のフレクシャ・ベアリングを介
して作動ピストンが支持されている。

【００１５】リニアモータ１０ｂは、ヨーク１２、マグ
ネット１３、ボビン１４、およびコイル１５を備えてい
るもので、ヨーク１２は収容室１１ａ，１１ｂ内に嵌着
されて固定されている。マグネット１３は、ヨーク１２
の外側筒部１２ａの内周側に固着されている。ボビン１
４は、後述する作動ピストン１６に一体的に設けられて
いるもので、ボビン１４の外周にコイル１５が巻回され
ている。

【００１６】作動ピストン１６は、軸部１６ａと、軸部
１６ａの先端から突出するピストン部１６ｂと、軸部１
６ａの中間部から外周側およびピストン部１６ｂ側に延
びる筒状のフランジ部１６ｃからなり、フランジ部１６
ｃの先端に、リニアモータ１０ｂを構成するボビン１４
が一体的に形成されている。作動ピストン１６は、ヨー
ク１２の内側筒部１２ｂの内孔１２ｃ内に挿通されてい
て、軸部１６ａの各端部が内側筒部１２ｂから突出し、
フランジ部１６ｃが内側筒部１２ｂの外周に嵌合し、か
つピストン部１６ｂがシリンダ部１１ｃ内に所定長さ嵌
合している。作動ピストン１６は、この状態で軸部１６
ａの一端側と他端側にて、多数のフレクシャ・ベアリン
グ１７を介してヨーク１２の外側筒部１２ａに支持され
ている。

【００１７】フレクシャ・ベアリング１７は、外周縁部
にてヨーク１２に固定されているとともに、中心部にて
作動ピストン１６の軸部１６ａに固定されていて、この
状態においては、後述するように中心部側が直交方向に
変位可能であり、作動ピストン１６をヨーク１２に対し
て軸方向へ移動可能に支持している。これにより、フレ
クシャ・ベアリング１７は、コイル１５をヨーク１２の
内側筒部１２ｂの外周側にてマグネット１３に対向して
位置させているとともに、コイル１５と内側筒部１２ｂ
の外周およびマグネット１３の内周との間に所定の隙間
を確保している。 作動ピストン１６のピストン部１６
ｂは、互いに対向するピストン部１６ｂとによりシリン
ダ部１１ｃ内に圧縮室Ｒ1を形成しており、また、各ピ
ストン部１６ｂとシリンダ部１１ｃとは非接触状態とし
て非接触隙間シールを採用し、ピストン部１６ｂおよび
シリンダ部１１ｃの摩耗を防止している。

【００１８】リニアモータ１０ｂにおいては、ヨーク１
２とマグネット１３にて形成される磁気回路中のコイル
１５に交番電流を通電させることにより推力を発生さ
せ、この推力により作動ピストン１６を駆動し、各フレ
クシャ・ベアリング１７を変位させて軸方向に進退させ
る。これにより、リニアモータ１０ｂの駆動時には、シ
リンダ部１１ｃ内の圧縮室Ｒ1内のガスが圧縮されて、
圧縮されたガスは連結管１８を通って膨張機２０へ送出
される。

【００１９】膨張機２０は、ハウジング２０ａに駆動装
置であるリニアモータ２０ｂを一体化してなるもので、
ハウジング２０ａは収容室２１ａとシリンダ部２１ｂを
備え、収容室２１ａには作動ピストン２２が圧縮スプリ
ング２１ｃを介して収容されている。作動ピストン２２
は、軸部２２ａと、軸部２２ａの先端から突出するピス
トン部２２ｂと、軸部２２ａの後端部にて外周側および
先端側へ延びるフランジ部２２ｃとからなり、ピストン
部２２ｂの先端部には再生器２３が内包されている。作
動ピストン２２においては、フランジ部２２ｃが収容室
２１ａ内に収容された状態で、ピストン部２２ａがシリ
ンダ部２１ｂに挿通されていて、再生器２３がハウジン
グ２０ａの先端から突出している。

【００２０】リニアモータ２０ｂは、ヨーク２４、マグ
ネット２５、ボビン２６、およびコイル２７を備えてい
る。ヨーク２４は、ハウジング２０ａに一体的に形成さ
れているもので、外側筒部２４ａとこれと同心的に位置
する内側筒部２４ｂを備え、内側筒部２４ｂの外周側に
マグネット２５が固着されている。ボビン２６は、作動
ピストン２２におけるフランジ部２２ｃの先端に一体的
に設けられているもので、ボビン２６の外周にコイル２
７が巻回されている。コイル２７は、作動ピストン２２
が収容室２１ａに収容された状態でヨーク２４の外側筒
部２４ａとマグネット２５間に位置してこれら両者２４
ａ，２５間にわずかな隙間を保持し、かつマグネット２
５に対向している。

【００２１】リニアモータ２０ｂは、作動ピストン２２
を駆動して進退させるもので、圧縮機１０と膨張機２０
のそれぞれの作動ピストンの位置をセンサにて検出し、
この検出信号に基づいて駆動して各作動ピストンの進退
を制御して、スターリング冷凍機の最適な運転状態を確
保し得るようになっている。再生器２３は、膨張室Ｒ2
の低温ガスが圧縮室Ｒ1側へ流出する過程で一時的に冷
熱を蓄え、逆に圧縮室Ｒ1から高温ガスが流入する過程
でこの高温ガスを予冷するものであり、膨張機２０の先
端に取り付けられた赤外線素子等を膨張室Ｒ2内の低温
ガスで冷却する。

【００２２】しかして、圧縮機１０の作動ピストン１６
を支持するフレクシャ・ベアリング１７は、図２に示す
ように、円板状の板ばね部材にて構成されているもの
で、中心部には円形には円形状の取付軸穴１７ｂが形成
されているとともに、外周縁部には円周方向に所定の間
隔を保持して多数の取付穴１７ｃが形成され、かつその
中央部から外周縁部へのリング状のばね本体１７ａには
渦巻状に並列して延びる３本のスリット１７ｄが形成さ
れている。これらスリット１７ｄによって、ばね本体１
７ａには、隣接スリット間に外周縁部側を外側端部１７
ｅ1、中央縁側を内側端部１７ｅ2とする各梁部１７ｅが
形成されることになる。

【００２３】上記フレクシャ・ベアリング１７におい
て、隣接するスリット間によってばね本体１７ａに形成
される梁部１７ｅは、その中間部分１７ｅ3のばね定数
（フックの法則に従う比例係数）が外側端部１７ｅ1お
よび内側端部１７ｅ2より小さくなるように、各スリッ
ト１７ｄが径方向に隣接した部分におけるスリット同士
のうちの一方の幅を大きくすることによって、中間部分
１７ｅ3の幅を外側端部１７ｅ1および内側端部１７ｅ2
の幅より小さくされている。詳しくは、各梁部１７ｅ
は、外側端部１７ｅ1および内側端部１７ｅ2から中間部
分１７ｅ3にかけて漸次に細くなっている。

【００２４】そして、フレクシャ・ベアリング１７は、
外側縁部側の各取付穴１７ｃをヨーク１２の外側筒部１
２ａの各端部に設けた各突出部１２ｄに嵌合され、かつ
中央部側の取付軸穴１７ｂを作動ピストン１６の軸部１
６ａに嵌合されることにより、作動ピストン１６を軸方
向へ移動可能に支持している。フレクシャ・ベアリング
１７は、かかる固定状態においては、ばね本体１７ａの
外側縁部の斜線で示す部位がヨーク１２に対する外周縁
部側の固定部位１７ａ1になっており、かつ中央部の斜
線で示す部位が作動ピストン１６を固定する中央部側の
固定部位１７ａ2になっている。

【００２５】図３には、従来のフレクシャ・ベアリング
１９の例が示されており、このフレクシャ・ベアリング
１９においては、各スリット１９ｄの幅は内側から外側
まで均一であり、隣接したスリット間の梁部１９ｅも内
側端部から外側端部まで一定の幅で、ばね定数が均一に
なっている。このため、作動ピストン１６が駆動された
時のばね本体１９ａの変位により、ばね本体１９ａの変
位を是正する力が梁部１９ｅの内側端部および外側端部
に応力として集中し、各スリット１９ｄの端部にてばね
本体１９ａを引き裂く力として作用する。

【００２６】しかしながら、本実施例に係るフレクシャ
・ベアリング１７においては、各梁部１７ｅの中間部分
１７ｅ3の幅が小さくされているため、該中間部分１７
ｅ3のばね定数が小さく、ばね本体１９ａの変位を是正
する力は中間部分１７ｅ3を変位させ、外側端部１７ｅ1
および内側端部１７ｅ2にほとんど作用しない。従っ
て、ばね本体１９ａが変位しても、スリット端部にかか
る応力は該スリット端部を引き裂くまでの力には至ら
ず、スリット端部が保護されこととなって、引き裂きが
起こりにくい。

【００２７】従って、リニアモータ駆動式圧縮機１０の
非接触ピストン支持機構のフレクシャ・ベアリングとし
て、本発明に係るフレクシャ・ベアリング１７を採用す
れば、フレクシャ・ベアリング１７のばね本体１７ａを
破損させることなく、作動ピストン１６のストロークを
増大させて大出力の圧縮機を構成し、かつフレクシャ・
ベアリング１７の径を小さくして圧縮機１０の小型化を
図ることができる。

【００２８】上記実施例において、中間部分１７ｅ3の
ばね定数を小さくする手段は、幅の狭小化で達成してい
るが、該中間部分１７ｅ3の厚みを薄くしたり、スリッ
ト間隔を狭めたり、小孔を開けたりしても中間部分１７
ｅ3のばね定数を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例に係るフレクシャ・ベアリングを
採用したリニアモータ駆動式圧縮機と膨張機とにより構
成されたスプリット型スターリング冷凍機の切断面図で
ある。

【図２】同フレクシャ・ベアリングの拡大正面図であ
る。

【図３】従来のフレクシャ・ベアリングの図２に対応す
る正面図である。

【符号の説明】

１０…圧縮機、１０ａ…ハウジング、１０ｂ…リニアモ
ータ、１１ａ，１１ｂ…収容室、１１ｃ…シリンダ部、
１２…ヨーク、１２ａ…外側筒部、１２ｂ…内側筒部、
１２ｃ…内孔、１２ｄ…突出部、１３…マグネット、１
４…ボビン、１５…コイル、１６…作動ピストン、１６
ａ…軸部、１６ｂ…ピストン部、１６ｃ…フランジ部、
１７，１９…フレクシャ・ベアリング、１７ａ，１９ａ
…ばね本体、１７ｅ…梁部、１７ｅ3…中間部分、１７
ｅ1…外側端部、１７ｅ1…内側端部、１８…連結管、２
０…膨張機、２０ａ…ハウジング、２０ｂ…リニアモー
タ、２１ａ…収容室、２１ｂ…シリンダ部、２１ｃ…圧
縮スプリング、２２…作動ピストン、２２ａ…軸部、２
２ｂ…ピストン部、２２ｃ…フランジ部、２３…再生
器、２４…ヨーク、２４ａ…外側筒部、２４ｂ…内側筒
部、２５…マグネット、２６…ボビン、２７…コイル、
Ｒ1…圧縮室、Ｒ2…膨張室。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】板ばね部材からなるばね本体の中心部側か
   ら外周縁側へ渦巻状に延びるスリットを備え、圧縮機の
   ハウジング内で該ばね本体の外周縁部にて固定されると
   ともに、該ばね本体の中心部にてリニアモータにより駆
   動される作動ピストンを固定して支持するフレクシャ・
   ベアリングであり、 隣接した該スリット間によって該ばね本体に形成される
   梁部は、その長さ方向の中間部分が両端側部分よりばね
   定数が小さくされていることを特徴とするリニアモータ
   駆動式圧縮機のフレクシャ・ベアリング。
2. 【請求項２】前記隣接したスリットの一方の幅を広くす
   ることにより、前記梁部の中間部分のばね定数が両端側
   部分より小さくされている請求項１記載のリニアモータ
   駆動式圧縮機のフレクシャ・ベアリング。
3. 【請求項３】前記中間部分の厚みを薄くすることによ
   り、前記梁部の中間部分のばね定数が両端側部分より小
   さくされている請求項１記載のリニアモータ駆動式圧縮
   機のフレクシャ・ベアリング。