| 【発明の名称】 |
スターリング冷凍機 |
| 【発明者】 |
【氏名】外島 隆造
|
| 【要約】 |
【課題】圧縮ピストンやディスプレーサを板ばねによって弾性支持するようにしたスターリング冷凍機に対し、板ばねの配設枚数の削減と局部的な応力集中による割れの発生の回避とを両立する。
【解決手段】スターリング冷凍装置の振動型圧縮機(A)におけるピストン(7,7)を、板ばね(35,35)により固定部に弾性支持する。リニアモータ(15)のボビン(17)に駆動コイル(18)と並んで１対の補助コイル(28,28)を巻き付け、この補助コイル(28,28)に直流電源(30)から電流を供給して、この補助コイル(28,28)の電流をリニアモータ(15)の駆動磁石(16)による磁力と作用させて可動部(20)を往復動中立位置に付勢する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 シリンダ(3),(40),(50)と、該シリンダ(3),(40),(50)内に圧縮空間(8)または膨張空間(52)を区画形成するピストン部材(7),(51)とを備え、上記シリンダ(3),(40),(50)またはピストン部材(7),(51)の一方が固定部(6)とされている一方、他方はリニアモータ(15)の駆動部(17)に連結されていて該駆動部(17)と共に上記固定部(6)に対し相対移動可能な可動部(20)を構成しており、上記可動部(20)は、該可動部(20)の移動方向に変形可能であり且つ該移動方向に対して垂直な方向に変形不能な板ばね(35)により固定部(6)に弾性支持されていて、上記リニアモータ(15)の駆動により、板ばね(35)を弾性変形させながら可動部(20)を固定部(6)に対して往復動させて圧縮空間(8)のガスを圧縮しまたは膨張空間(52)のガスを膨張させるようにしたスターリング冷凍機において、上記可動部(20)が往復動の中立位置に付勢されるように電磁力からなる付勢力を可動部(20)に与える中立位置付勢手段(27)を設けたことを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項２】 請求項１記載のスターリング冷凍機において、中立位置付勢手段(27)は、固定部(6)または可動部(20)の一方に設けられた磁石(16)と、固定部(6)または可動部(20)の他方に設けられた１対の補助コイル(28,28)と、該各補助コイル(28,28)に対し、電流が上記磁石(16)による磁界と作用して可動部(20)が所定の往復動中立位置で往復動するように電流を供給する電源手段(30)とを備えていることを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項３】 請求項２記載のスターリング冷凍機において、リニアモータ(15)は、固定部(6)側に設けられた駆動磁石(16)と、可動部(20)側に設けられ、給電による電流を上記駆動磁石(16)による磁界と作用させて可動部(20)を往復駆動させる駆動コイル(18)とを備えており、中立位置付勢手段(27)の磁石は上記リニアモータ(15)の駆動磁石(16)で構成され、補助コイル(28,28)は上記駆動コイル(18)の近傍に設けられていることを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項４】 請求項３記載のスターリング冷凍機において、補助コイル(28,28)は、駆動コイル(18)の両側部に並設されていることを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１つに記載のスターリング冷凍機において、１対の可動部(20,20)が対向した状態で設けられ、リニアモータ(15,15)は、両可動部(20,20)を互いに同期して接離させるように駆動するものとされていることを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１つに記載のスターリング冷凍機において、ピストン部材(7)は、圧縮機(A)においてシリンダ(3),(40)内に圧縮空間(8)を区画形成するものであることを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項７】 請求項１〜５のいずれか１つに記載のスターリング冷凍機において、ピストン部材は、膨張機(B)においてシリンダ(50)内に膨張空間(52)を区画形成するディスプレーサ(51)であることを特徴とするスターリング冷凍機。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、スターリング冷凍機に関し、特に、ガスを圧縮するための圧縮ピストンやガスを膨張させるためのディスプレーサを板ばねによって弾性支持するようにしたものの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、この種の冷凍機は、ディスプレーサの往復動により極低温レベルの寒冷を発生させる膨張機と、この膨張機に供給する冷媒を圧縮する圧縮機とを備えて成る。また、膨張機のシリンダ内に膨張室を区画形成するディスプレーサや圧縮機のシリンダ内に圧縮室を区画形成するピストンがその各シリンダ内で往復動するように構成されている。
【０００３】また、この冷凍機では、ディスプレーサやピストンの摩耗を減らして冷凍機の長寿命化を図るために、ディスプレーサやピストンの往復動方向に対して垂直な方向のぶれをできる限り小さくすることが要求されている。
【０００４】そこで、従来、例えば特開平４−２６３７５１号公報に示されているように、圧縮機においてピストン軸方向に往復動可能に且つその往復動方向に対して垂直な方向（ピストン径方向）に移動不能に該ピストンを弾性支持する板ばねを使用し、これによって、ピストン径方向のぶれを低減させるようにすることが知られている。この板ばねは、一般にフレクチャースプリングと呼ばれており、外周縁が圧縮機のハウジング内面に、中心部がピストンにそれぞれ接続された円形の板状体で成る。また、このスプリングは、複数の渦巻き状のスリット孔が形成されていて、ピストン往復動方向の変形は容易である一方、径方向には変形し難い構成とされ、これによって上記ぶれを低減している。また、このフレクチャースプリングを膨張機に適用することも行われており、この際には、ディスプレーサを弾性支持しながら往復動方向に対して垂直な方向のぶれを低減することが可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記板ばねは、スターリング冷凍機のピストンやディスプレーサの共振運動の維持や、適切な中立位置の設定のために軸方向の剛性もある程度必要である。
【０００６】ところが、軸方向の剛性が高い板ばねを用いた場合には、板ばねに局部的に応力が集中する。特に、上述したフレクチャースプリングではスリット孔の長手方向の端部に応力が集中することになる。この応力集中のために板ばねに割れが生じることがあり、このような割れが発生すると、板ばね本来の機能が損なわれてしまい、圧縮機や膨張機の駆動に支障を来すことになる。
【０００７】また、この板ばねの割れを回避するために、軸方向の剛性の低い板ばねを複数枚重ね合わせて配設することで、個々の板ばねにおける局部的な応力集中を防止すると共に、全体としての軸方向の剛性を高く確保することも考えられる。ところが、これでは、板ばねの配設枚数の増加によるコストの上昇や組み付け作業の煩雑化を招くため実用的ではない。
【０００８】本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧縮ピストンやディスプレーサを板ばねによって弾性支持するようにしたスターリング冷凍機に対し、板ばねの配設枚数の削減と局部的な応力集中による割れの発生の回避とを両立することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明は、圧縮ピストンやディスプレーサを板ばねによって弾性支持するようにしたスターリング冷凍機に対し、可動部を固定部に対し、従来の如き弾性部材のみにより弾性支持するのではなく、電磁力によって中立位置を基準に往復動させるようにした。
【００１０】具体的に請求項１記載の発明は、図１〜図４に示すように、シリンダ(3),(40),(50)と、該シリンダ(3),(40),(50)内に圧縮空間(8)または膨張空間(52)を区画形成するピストン部材(7),(51)とを備え、上記シリンダ(3),(40),(50)またはピストン部材(7),(51)の一方が固定部(6)とされている一方、他方はリニアモータ(15)の駆動部(17)に連結されていて該駆動部(17)と共に上記固定部(6)に対し相対移動可能な可動部(20)を構成しており、上記可動部(20)は、該可動部(20)の移動方向に変形可能であり且つ該移動方向に対して垂直な方向に変形不能な板ばね(35)により固定部(6)に弾性支持されており、上記リニアモータ(15)の駆動により、板ばね(35)を弾性変形させながら可動部(20)を固定部(6)に対して往復動させて圧縮空間(8)のガスを圧縮しまたは膨張空間(52)のガスを膨張させるようにしたスターリング冷凍機を前提としている。この冷凍機に対し、上記可動部(20)が往復動の中立位置に付勢されるように電磁力からなる付勢力を可動部(20)に与える中立位置付勢手段(27)を設けた構成としている。
【００１１】この特定事項により、リニアモータ(15)が駆動すると、可動部(20)が固定部(6)に対し所定の周期で往復動し、板ばね(35)が弾性変形しながら圧縮空間(8)のガスを圧縮しまたは膨張空間(52)のガスを膨張させる。そして、中立位置付勢手段(27)により可動部(20)に、該可動部(20)が中立位置を基準に往復動するように電磁力からなる付勢力が与えられ、この中立位置付勢手段(27)による付勢力によって可動部(20)は、この中立位置が往復動中心位置となるように往復動可能に固定部(6)に保持される。このように可動部(20)を電磁力によって往復動可能に保持することで、板ばね(35)は往復動方向の剛性は必要なくなり、局部的に応力が集中して割れが発生するといった状況が回避される。
【００１２】請求項２記載の発明は、中立位置付勢手段(27)の構成要素を具体化したものである。つまり、上記請求項１記載のスターリング冷凍機において、中立位置付勢手段(27)に、固定部(6)または可動部(20)の一方に設けられた磁石(16)と、固定部(6)または可動部(20)の他方に設けられた１対の補助コイル(28,28)と、該各補助コイル(28,28)に対し、電流が上記磁石(16)による磁界と作用して可動部(20)が所定の往復動中立位置で往復動するように電流を供給する電源手段(30)とを備えさせた構成としている。
【００１３】この特定事項により、中立位置付勢手段(27)の各補助コイル(28,28)に電源手段(30)から電流が供給されると、この補助コイル(28,28)に流れる電流が磁石(16)による磁界と作用し、この双方の作用により可動部(20)がこの中立位置を往復動中心位置として駆動される。これにより、中立位置付勢手段(27)の構成を容易に具体化することができる。
【００１４】請求項３記載の発明は、上記請求項２記載のスターリング冷凍機において、リニアモータ(15)に、固定部(6)側に設けられた駆動磁石(16)と、可動部(20)側に設けられ、給電による電流を上記駆動磁石(16)による磁界と作用させて可動部(20)を往復駆動させる駆動コイル(18)とを備えさせる。また、中立位置付勢手段(27)の磁石を上記リニアモータ(15)の駆動磁石(16)で構成する。更に、補助コイル(28,28)を上記駆動コイル(18)の近傍に設けた構成としている。
【００１５】請求項４記載の発明は、上記請求項３記載のスターリング冷凍機において、補助コイル(28,28)を、駆動コイル(18)の両側部に並設させた構成としている。
【００１６】これら特定事項により、中立位置付勢手段(27)の磁石をリニアモータ(15)の駆動磁石(16)で兼用させることができ、既存のリニアモータ(15)の一部を利用して中立位置付勢手段(27)を構成でき、冷凍機のコストダウンを図ることができる。
【００１７】請求項５記載の発明は、上記請求項１〜４のいずれか１つに記載のスターリング冷凍機において、１対の可動部(20,20)を対向した状態で設け、リニアモータ(15,15)が、両可動部(20,20)を互いに同期して接離させるように駆動する構成としている。
【００１８】この特定事項により、両可動部(20,20)が互いに同期して接離するので、一方の可動部(20)の往復動に伴う振動は、それとは逆方向に同期して移動する他方の可動部(20)の往復動によって相殺され振動を低減することができる。
【００１９】請求項６記載の発明は、上記請求項１〜５のいずれか１つに記載のスターリング冷凍機において、ピストン部材(7)を、圧縮機(A)においてシリンダ(3),(40)内に圧縮空間(8)を区画形成するものとしている。
【００２０】請求項７記載の発明は、上記請求項１〜５のいずれか１つに記載のスターリング冷凍機において、ピストン部材を、膨張機(B)においてシリンダ(50)内に膨張空間(52)を区画形成するディスプレーサ(51)とした構成としている。
【００２１】これら特定事項により、本発明を適用する機器が特定され、本発明の実用化が図れる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】（実施形態１）先ず、本発明をスターリング冷凍機用の振動型圧縮機に適用した実施形態１について説明する。図１は本形態に係るスターリング冷凍機用の振動型圧縮機(A)を示し、この圧縮機(A)は図示しない従来公知のフリーディスプレーサ型膨張機と組み合わされて冷凍機を構成する。
【００２４】−圧縮機全体構成の説明−上記圧縮機(A)は水平左右方向に延びる密閉円筒状のハウジング(1)を有する。このハウジング(1)は、左右方向の中心線を有する円筒壁部(1a)と、この円筒壁部(1a)の両端開口部を気密状に閉塞する円板壁部(1b,1b)とからなる。ハウジング(1)内には、両端が開放された左右方向に延びる１つの円筒状のシリンダ(3)がハウジング(1)の円筒壁部(1a)と同心状に配置されて収容されている。このシリンダ(3)の長さ方向中央の外周にはシリンダ(3)の中心線と直交する方向に延びる円板状のフランジ(4)が一体に形成され、このフランジ(4)の外周端には、シリンダ(3)と同心に左右方向に延びる円筒状の嵌合部(5)が一体に形成されており、このシリンダ(3)、フランジ(4)及び嵌合部(5)は純鉄等の磁性材料からなっていてヨーク（継鉄）を構成している。上記嵌合部(5)はハウジング(1)の円筒壁部(1a)内周に移動不能に嵌合されて固定されており、よってシリンダ(3)、フランジ(4)及び嵌合部(5)はハウジング(1)に一体的に固定された固定部(6)とされている。
【００２５】上記シリンダ(3)内には円柱状の左右１対のピストン(7,7)がそれぞれ先端側を対向させた状態で摺動可能に嵌装され、この両ピストン(7,7)間のシリンダ(3)により囲まれた部分が圧縮空間(8)とされている。上記シリンダ(3)、フランジ(4)及び嵌合部(5)にはシリンダ(3)内周面から嵌合部(5)外周面まで半径方向に貫通するガス通路(9)が形成されている。このガス通路(9)の内端は圧縮空間(8)に常時連通されている一方、外端はハウジング(1)の円筒壁部(1a)に開口した貫通孔(10)、及び該貫通孔(10)から挿通された連結管(11)を介して図外の膨張機に接続されている。
【００２６】また、各ピストン(7,7)は板ばね(35,35)により弾性支持されている。以下、この弾性支持構造について説明する。ピストン(7)の背面の中心部には円板壁部(1b)に向かって延びる支持軸(7b)が突設されている。一方、上記嵌合部(5)の背面には円筒状のばね支持部材(5a)が設けられている。板ばね(35)は、図２に示すような円板状で成り、その外周縁がばね支持部材(5a)に、中心部が支持軸(7b)にそれぞれ固定されている。つまり、ピストン(7)は、支持軸(7b)、板ばね(35)、ばね支持部材(5a)を介して嵌合部(5)に弾性支持されている。
【００２７】また、この板ばね(35)は、３つの略渦巻状のスリット孔(35a,35a,35a)が円周方向に略等間隔に形成されている。このことで、この板ばね(35)は、径方向の剛性が高くて、該径方向の変形が殆どない一方、中心部における中心軸方向（図２の紙面鉛直方向）の変形が大きくなるようになされており、ピストン(7)を略水平方向に往復動可能に且つこの往復動方向とは垂直な方向に移動不能に弾性支持するようになっている。尚、板ばね(35)の各スリット孔(35a,35a,35a)の両端部は、応力集中を緩和させるためにそれぞれ円形に切り欠かれた切欠き部(35b,35b,…)を備えている。また、図２中の(35c)は上記支持軸(7b)を挿入固定するための貫通孔である。
【００２８】上記左右のピストン(7,7)はそれぞれ各ピストン(7,7)を往復駆動する駆動源としてのリニアモータ(15,15)に駆動連結されている。この各リニアモータ(15)は、シリンダ(3)の外周に嵌合部(5)内周面と円環状の空間をあけた状態で嵌合固定された環状の永久磁石からなる駆動磁石(16)を有し、この駆動磁石(16)により、シリンダ(3)、フランジ(4)及び嵌合部(5)をヨークとして駆動磁石(16)外周面と嵌合部(5)内周面との間の空間からなる磁気ギャップに所定強度の磁界（静止磁場）を発生させる。
【００２９】上記各ピストン(7)はその背面側つまりシリンダ(3)中央と反対側端部から半径方向外側に延びるフランジ部(7a)を有する。このフランジ部(7a)の外周には、リニアモータ(15)の駆動部としての円筒状ボビン(17)が移動一体に設けられている。このボビン(17)は、ピストン(7)と同心状にシリンダ(3)中央側に延び且つ先端部が上記駆動磁石(16)外周面と嵌合部(5)内周面との間の磁気ギャップに左右方向に往復動可能に配置されている。ボビン(17)の先端寄り外周には上記駆動磁石(16)と対応した位置に電磁コイルからなる駆動コイル(18)が巻回されている。そして、上記ボビン(17)及びピストン(7)（詳細には駆動コイル(18)や後述の補助コイル(28)等の可動部分全体を含む）で可動部(20)が構成され、この可動部(20)はシリンダ(3)に対し相対移動可能とされている。また、各駆動コイル(18)はそれぞれハウジング(1)の各円板壁部(1b)に絶縁状態で貫通支持した１対の駆動電流導入端子(22)を介して駆動電源(23)に接続されており、この駆動電源(23)から両リニアモータ(15,15)の駆動コイル(18,18)に同期して所定周波数の交流電流を各々の駆動電流導入端子(22,22)を経て供給することにより、両ピストン(7,7)を共振周波数で互いに接離するように逆方向に往復動させて、圧縮空間(8)で所定周期のガス圧を発生させるように構成されている（駆動コイル(18,18)に接続するリード線は図示省略している）。
【００３０】また、上記各可動部(20)がシリンダ(3)に対し所定の中立位置を基準に往復動するように電磁力からなる付勢力を可動部(20)に与える中立位置付勢手段としての中立位置付勢機構(27)が設けられている。この各中立位置付勢機構(27)は、上記各リニアモータ(15)におけるボビン(17)外周の所定位置に上記駆動コイル（１８）と左右に隣接して巻き付けられた電磁コイルからなる１対の補助コイル（２８，２８）を有する。左側の各補助コイル(28,28)はハウジング(1)の左側円板壁部(1b)に絶縁状態で貫通支持した１対の付勢電流導入端子(29,29)を介して、また右側の各補助コイル(28,28)は右側円板壁部(1b)に同様に貫通支持した付勢電流導入端子(29,29)を介してそれぞれ電源手段としての直流電源(30)に接続されている。そして、直流電源(30)から各リニアモータ(15)のボビン(17)上における補助コイル(28,28)に直流電流を供給し（補助コイル(28,28)に接続するリード線は図示省略している）、その各補助コイル(28)による電流とリニアモータ(15)の駆動磁石(16)による磁界との間で作用する電磁力からなる付勢力を可動部(20)に与え、この付勢力によって各可動部(20)をシリンダ(3)に対し所定の中立位置を基準に往復動させるようにしている。
【００３１】−運転動作の説明−次に、上記実施形態の作動について説明する。冷凍機の運転開始に伴い、圧縮機(A)における両リニアモータ(15,15)の駆動コイル(18,18)に駆動電源(23)から所定周波数の交流電流が同期して通電される。この通電に伴い、駆動コイル(18)及び駆動磁石(16)による磁界間の作用により、ボビン(17)及びピストン(7)からなる両可動部(20,20)が、板ばね(35)を弾性変形させながら、各々の中立位置から互いに接離するように逆向きに往復動し、両ピストン(7,7)の接離により圧縮空間(8)の容積が増減変化し、この圧縮空間(8)内に所定周期の圧力波が生じる。この圧縮空間(8)は連結管(11)を介して膨張機に連通しているため、膨張機ではディスプレーサが上記圧縮空間(8)の圧力波と同じ周期で往復動してその膨張空間でのガスの膨張により寒冷が生じ、このディスプレーサの往復動の繰返しによりシリンダ先端のコールドヘッドが極低温レベルに冷却される。
【００３２】そのとき、上記各可動部(20)は中立位置付勢機構(27)によって中立位置を基準に往復動可能に保持される。すなわち、各リニアモータ(15)のボビン(17)に１対の補助コイル(28,28)が巻き付けられ、この各補助コイル(28,28)に直流電源(30)から直流電流が供給されることで、各補助コイル(28)に流れた電流とリニアモータ(15)の駆動磁石(16)の磁界との相互作用により、各補助コイル(28,28)が駆動磁石(16)から磁気ギャップから押し出される方向の力を受ける。つまり、各リニアモータ(15)の駆動により各可動部(20)が中立位置から往復動して、その往動により一方の補助コイル(28)が磁気ギャップ中に移動すると、この補助コイル(28)が受ける力により可動部(20)が復動方向に付勢され、逆に各可動部(20)が復動方向に移動して他方の補助コイル(28)が磁気ギャップ中に移動すると、その補助コイル(28)の受ける力により可動部(20)が往動方向に付勢される。このように各補助コイル(28)の受ける力により可動部(20)が補助コイル(28)と共に磁気ギャップから押し出される方向に付勢されるので、その可動部(20)は所定の往復動中立位置に駆動される。従って、この各補助コイル(28)が受ける力により可動部(20)は固定部(6)に対し中立位置を基準に往復動可能に保持されることとなる。
【００３３】このように、各可動部(20)は中立位置付勢機構(27)によって中立位置を基準に往復動可能に保持されるため、上記板ばね(35)には軸方向の剛性は殆ど必要なくなる。つまり、従来では、可動部を所定の往復動中立位置に駆動させるために、板ばねには軸方向の剛性がある程度必要とされていたが、本形態では、可動部(20)は中立位置付勢機構(27)によって中立位置を基準に往復動可能に保持されているため、板ばね(35)に可動部(20)の往復動中立位置を設定するための機能は必要なくなる。その結果、従来のように、軸方向の剛性がある程度高い板ばねでは、スリット孔の長手方向の端部に応力が集中して割れが生じ易かったが、この剛性を低く設定することが可能となることで、板ばね(35)の割れが回避でき圧縮機(A)の駆動に支障を来すことはなくなる。また、軸方向の剛性の低い板ばねを複数枚組み合わせることで可動部の往復動中立位置を設定するといったことも必要ないため、板ばね(35)の配設枚数を削減でき、コストの上昇や組み付け作業性の悪化を解消することもできる。
【００３４】また、上記各補助コイル(28,28)はリニアモータ(15)のボビン(17)に巻き付けられ、このリニアモータ(15)の駆動磁石(16)による磁界との相互作用により電磁力を受けるので、中立位置付勢機構(27)を構成する磁石はリニアモータ(15)の駆動磁石(16)で兼用された構造となり、既存のリニアモータ(15)の一部を利用して中立位置付勢機構(27)を構成でき、圧縮機(A)のコストダウンを図ることができる。
【００３５】また、１対の可動部(20,20)が各々に連結したリニアモータ(15,15)により互いに同期して接離するので、各可動部(20)の往復動に伴う振動は、それとは逆方向に同期して移動する他方の可動部(20)の往復動によって相殺され、圧縮機(A)の振動の発生を低減することができる。
【００３６】（実施形態２）本形態は、図３に示すように、可動部(20)が水平方向に移動するシングルピストン式の振動型圧縮機(A)に本発明を適用したものである。
【００３７】すなわち、本形態では、ハウジング(1)の一方の側壁外面（図３における左側壁）に円筒状のシリンダ(40)が同心円上に固定されている。ハウジング(1)内には、上述した実施形態１と同様のリニアモータ(15)が収容されている。つまり、駆動磁石(16)を支持した固定部(6)と、この固定部(6)の磁気ギャップに配置される駆動コイル(18)及び補助コイル(28,28)を備えたボビン(17)とが収容されている。また、ボビン(17)の中央部には、先端側が上記シリンダ(40)に向かって延びる一方、基端側が一方の円板壁部(1b)（図３における右側の円板壁部）に向かって延びる連結ロッド(41)が配設されている。この連結ロッド(41)の先端側でシリンダ(40)内に位置する部分にはピストン(7)が取り付けられており、該ピストン(7)とシリンダ(40)との間で圧縮空間(8)が形成されている。シリンダ(40)の先端部にはガス通路(9)が形成されており、図示しない連結管を介して圧縮空間(8)を膨張機に連通させている。
【００３８】また、上記連結ロッド(41)の先端部近傍位置及び基端部近傍位置は、上述した実施形態１のものと同様の板ばね(35,35)によって弾性支持されている。つまり、固定部(6)の嵌合部(5)の各端面には円筒状のばね支持部材(5a,5a)がそれぞれ設けられており、一方のばね支持部材(5a)と連結ロッド(41)の先端部近傍位置との間、他方のばね支持部材(5a)と連結ロッド(41)の基端部近傍位置との間に板ばね(35,35)がそれぞれ掛け渡されている。これにより、ピストン(7)は、連結ロッド(41)、板ばね(35,35)及びばね支持部材(5a,5a)を介して嵌合部(5)に弾性支持されている。
【００３９】このような構成により、駆動コイル(18)に交流電流を供給すると、リニアモータ(15)の駆動により、連結ロッド(41)が軸心方向に往復移動し、これに伴ってピストン(7)がシリンダ(40)内で往復移動して圧縮空間(8)内のガスを圧縮する構成となっている。
【００４０】また、ボビン(17)には補助コイル(28,28)が設けられているので、上述した実施形態１の場合と同様に、この補助コイル(28,28)に直流電流を供給することにより、可動部(20)は所定の往復動中立位置に駆動されることになる。
【００４１】したがって、本実施形態にあっても、可動部(20)は補助コイル(28,28)により構成される中立位置付勢機構(27)によって中立位置を基準に往復動可能に保持されるため、板ばね(35,35)に可動部(20)の往復動中立位置を設定するための機能は必要なくなる。その結果、軸方向の剛性が低い板ばね(35,35)を採用することが可能になって板ばね(35,35)に応力が集中して割れが発生するといった状況を回避することができる。
【００４２】（実施形態３）次に、本発明をスターリング冷凍機用の膨張機に適用した実施形態３について説明する。図４は本形態に係るスターリング冷凍機用の膨張機(B)を示し、この膨張機(B)は上述した各実施形態のような振動型圧縮機(A)と組み合わされて冷凍機を構成する。
【００４３】本形態に係る膨張機(B)は、ハウジング(1)の一方の側壁外面（図４における左側壁面）に円筒状のシリンダ(50)が同心円上に固定されている。このシリンダ(50)の内部には、ピストン部材としてのディスプレーサ(51)が往復移動可能に配設され、このディスプレーサ(51)によりシリンダ(50)内を膨張空間(52)と作動空間(53)とに区画している。ディスプレーサ(51)は、内部に金属製蓄冷材（再生式熱交換器）を充填したものであり、この蓄冷材が充填された空間は、上記膨張空間(52)及び作動空間(53)にそれぞれ連通している。そして、膨張空間(52)で膨張した低温の冷媒ガスが作動空間(53)に向かうときには、該冷媒ガスにより上記蓄冷材を冷却してその蓄冷材に冷熱を与え、逆に冷媒ガスが作動空間(53)から膨張空間(52)に向かうときには、その蓄冷材により冷媒ガスを冷却するようになっている。
【００４４】シリンダ(50)内の作動空間(53)は、図示しない連絡管により圧縮機の圧縮空間に接続され、圧縮機からの冷媒ガス圧により上記ディスプレーサ(51)を往復移動させて冷媒ガスを膨張空間(52)で膨張させることにより、シリンダ(50)先端のコールドヘッド(54)に寒冷を発生させるようになされている。
【００４５】尚、上記ディスプレーサ(51)を作動させる機構は、上述した実施形態２の圧縮機の場合と同じく、リニアモータ(15)及び板ばね(35,35)等によって構成されている。このため図４では、上記実施形態２と同一の構成部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４６】本形態によれば、膨張機(B)に対しても圧縮機(A)に適用した上記各実施形態の場合と同様の効果を奏することができる。つまり、可動部(20)は補助コイル(28,28)により構成される中立位置付勢機構(27)によって中立位置を基準に往復動可能に保持されるため、板ばね(35,35)に可動部(20)の往復動中立位置を設定するための機能は必要なくなる。その結果、軸方向の剛性が低い板ばね(35,35)を採用することが可能になって板ばね(35,35)に応力が集中して割れが発生するといった状況を回避することができる。
【００４７】尚、上述した各実施形態では、ピストン(7,7)またはディスプレーサが水平方向に往復移動する水平型のものに本発明を適用した場合について説明したが、鉛直方向に往復移動する垂直型のものに適用することも可能である。
【００４８】また、ピストン(7)を可動部(20)とし、シリンダ(3)を固定部(6)としたが、逆に、ピストン(7)をハウジング(1)に固定して固定部(6)を成し、シリンダ(3)にボビン(17)を接続することで可動部(20)を成す構成としてもよい。
【００４９】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、以下のような効果が発揮される。請求項１記載の発明は、シリンダ(3,40,50)とピストン部材(7),(51)とを板ばね(35)によって軸方向に相対移動可能に弾性連結したスターリング冷凍機に対し、可動部(20)を固定部(6)に対し、電磁力によって中立位置を基準に往復動させるようにした。このため、可動部(20)はこの中立位置を基準に往復動可能に保持され、その結果、板ばね(35)には軸方向の剛性は殆ど必要なくなる。つまり、従来では、可動部を所定の往復動中立位置に駆動させるために、板ばねには軸方向の剛性がある程度必要とされていたが、本発明では、板ばね(35)に可動部(20)の往復動中立位置を設定するための機能は必要なくなる。従って、従来のように軸方向の剛性がある程度高い板ばねでは、局部的に応力が集中して割れが生じ易かったが、本発明では、この剛性を低く設定することが可能となることで、板ばね(35)の割れが回避でき、冷凍機の駆動に支障を来すことはなくなり、該冷凍機の信頼性の向上及び長寿命化を図ることができる。また、軸方向の剛性の低い板ばねを複数枚組み合わせることで可動部の往復動中立位置を設定するといったことも必要ないため、板ばね(35)の配設枚数を削減でき、コストの上昇や組み付け作業性の悪化を解消することもできる。
【００５０】請求項２記載の発明では、中立位置付勢手段(27)を、固定部(6)または可動部(20)の一方に設けられた磁石(16)と、他方に設けられた１対の補助コイル（２８，２８）と、該各補助コイル（２８，２８）に電流を供給する電源手段(30)とにより構成した。このため、中立位置付勢手段(27)の構成を容易に具体化することができ、冷凍機の実用性の向上を図ることができる。
【００５１】請求項３及び４記載の発明では、中立位置付勢手段(27)の磁石をリニアモータ(15)の駆動磁石(16)で兼用させるようにした。このため、既存のリニアモータ(15)の一部を利用して中立位置付勢手段(27)を構成でき、冷凍機のコストダウンを図ることができる。
【００５２】請求項５記載の発明では、１対の可動部(20,20)同士を対向した状態で配置し、リニアモータ(15,15)は、両可動部(20,20)を互いに同期して接離させるように駆動するものとしたことにより、冷凍機の振動の低減を図ることができる。
【００５３】請求項６記載の発明ではスターリング冷凍機の圧縮機に対して上記発明を適用し、請求項７記載の発明ではスターリング冷凍機の膨張機に対して上記発明を適用している。このため、本発明を適用する機器が特定され、本発明の実用化が図ることができる。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２８５３
【氏名又は名称】ダイキン工業株式会社
|
| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１２月５日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】前田 弘 （外２名）
|
| 【公開番号】 |
特開平１１−１７３６９４ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）７月２日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−３３５３０６ |
|