| 【発明の名称】 |
冷凍機用ガス圧縮機 |
| 【発明者】 |
【氏名】生田 義貴
【氏名】金尾 憲一
【氏名】田口 芳人
【氏名】内田 年雄
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| 【要約】 |
【課題】ピストンのシリンダへの片当たりを防止することのできる冷凍機用ガス圧縮機を提供すること。
【解決手段】ケース１５３内に、ヨーク１５２を介してシリンダ１５０を収容すると共に、シリンダ内に配置されたピストン１５１及びこれを往復駆動する駆動機構を収容している。ピストンの軸方向の運動をガイドするガイド機構として、ケースには、ピストンに設けられた軸体１５１−２を挿通するための筒状体１５３−２を設ける。一方、ヨークには、軸体１５２−１を設け、ピストンと可動コイル１５５とを連結している連結部材１５６には軸受け１５９を設けた。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 柱面状の内周面を有するシリンダと、前記シリンダとの間に圧縮室を形成するように前記シリンダ内に配置され、前記シリンダの内周面に整合する外周面を有するピストンと、前記ピストンを、前記シリンダ内でその軸方向に往復運動させる往復駆動手段と、前記シリンダを保持部材を介して収容していると共に、前記ピストン、及び前記往復駆動手段を収容しているケースとを有し、前記保持部材、前記ケースの少なくとも一方に、前記ピストンの軸方向の運動をガイドするガイド機構を設けたことを特徴とする冷凍機用ガス圧縮機。
【請求項２】 前記保持部材は磁性材料から成るヨークであり、前記駆動手段は、前記シリンダと同心状になるように前記ヨークに形成された筒状の空間の内壁に固定された筒状の永久磁石と、該永久磁石に対向しつつ前記筒状の空間内を前記軸方向に移動可能なように配置された筒状のコイルと、該コイルと前記ピストンとを連結している連結部材とを含み、前記ガイド機構は、前記ピストンにおける前記圧縮室とは反対側の端部から前記軸方向に延びる軸体と、前記ケースの内部端面に前記軸体に向けて設けられ、前記軸体が挿通された筒状体とから成ることを特徴とする請求項１記載のガス圧縮機。
【請求項３】 前記保持部材は磁性材料から成るヨークであり、前記駆動手段は、前記シリンダと同心状になるように前記ヨークに形成された筒状の空間の内壁に固定された筒状の永久磁石と、該永久磁石に対向しつつ前記筒状の空間内を前記軸方向に移動可能なように配置された筒状のコイルと、該コイルと前記ピストンとを連結している連結部材とを含み、前記ガイド機構は、前記ヨークにおける前記圧縮室側とは反対側の端部から前記軸方向に延びる少なくとも１本の軸体と、前記連結部材における前記軸体に対応する箇所に設けられて、前記軸体を受ける軸受けとから成ることを特徴とする請求項１記載のガス圧縮機。
【請求項４】 前記ピストンにおける前記圧縮室とは反対側の端部と前記ケースの内部端面との間には、ばね部材が設けられていることを特徴とする請求項２あるいは３記載のガス圧縮機。
【請求項５】 前記シリンダの内壁には、ピストンシールが設けられていることを特徴とする請求項２あるいは３記載のガス圧縮機。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍機用ガス圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】冷凍機用ガス圧縮機の一例として、スターリング冷凍機について説明する。図２はスターリング冷凍機の基本構成を示す。スターリング冷凍機は、ガス圧縮機１０１、コールドヘッド１０２、これらを連結する流通ダクト１０３を有する。ガス圧縮機１０１は、シリンダ１０６とシリンダ１０６内で往復運動するピストン１０７を含み、シリンダ１０６とピストン１０７との間に圧縮室１０８を画定する。
【０００３】コールドヘッド１０２は、シリンダ１０９と、その中に往復運動可能に配置されたディスプレーサ１１１を含む。ディスプレーサ１１１は、シリンダ１０９の軸方向に移動可能にばね等で弾性的に支持されている。シリンダ１０９の一端とディスプレーサ１１１との間に膨張空間１１６が画定され、シリンダ１０９の他端とディスプレーサ１１１との間に、流通ダクト１０３に連通する無効空間１１７が画定されている。
【０００４】ディスプレーサ１１１の内部に、無効空間１１７と膨張空間１１６とを連通させるガス流路１１２が設けられている。ガス流路１１２内には蓄冷材が充填されており、ガス流路１１２内を流れる冷媒ガスがこの蓄冷材と熱交換を行う。ピストン１０７とディスプレーサ１１１とが位相をずらして往復運動し、逆スターリングサイクルを実行する。
【０００５】逆スターリングサイクルは、冷媒ガスの等温圧縮、等容移送、等温膨張、等容移送の４工程から成り立っている。以下、逆スターリングサイクルについて簡単に説明する。
【０００６】最初、ディスプレーサ１１１は、ばねによって中立位置にあるとする。ピストン１０７が図中右側に移動すると、冷媒ガスが圧縮室１０８で等温圧縮しつつ、流通ダクト１０３を通ってコールドヘッド１０２の無効空間１１７に流入する。この時、蓄冷材が充填されたガス流路１１２の流体抵抗力によりディスプレーサ１１１が膨張空間１１６側に移動する。つまり、膨張空間１１６の空間容積が減少するとともに全系統の動作圧力が最大に達する。この状態に至るまでの工程が等温圧縮である。
【０００７】ピストン１０７が右端に達した状態では、ガスの流動がないため、圧縮室１０８と膨張空間１１６との間の圧力がバランスする。流体抵抗力が働かないため、ディスプレーサ１１１がばねの復元力によって元の中立位置に戻る。この時、圧縮されたガスが圧縮室１０８に移行する。この工程が等容移送である。
【０００８】ピストン１０７の移動方向が反転し、左側方向に移動すると、ディスプレーサ１１１に作用する流体抵抗力によって、ディスプレーサ１１１もほぼ同時に左側方向に移動する。この時、膨張空間１１６の空間容積が増大し、冷媒ガスの膨張が起きる。この工程が等温膨張である。等温で膨張するためには、外部から熱を吸収する必要があるため、寒冷が発生する。
【０００９】ピストン１０７が左端の最大点に達した時点では、流体抵抗力が働かないので、ディスプレーサ１１１がばねによって中立位置に戻る。膨張空間１１６のガスは等容移送となる。つまり、膨張空間１１６の冷却されたガスは、ガス流路１１２を通って無効空間１１７へ戻る。なお、実際の冷凍機の各工程は、ここで述べたような完全な等温状態で動作することはない。
【００１０】このようなスターリング冷凍機においては、膨張空間１１６が寒冷源となるので、被冷却物が膨張空間１１６に熱的に結合されて配置される。例えば、赤外線センサがコールドヘッド１０２の右端に配置される。
【００１１】図３は従来のガス圧縮機の断面図を示す。シリンダ１２０内にピストン１０７ａ、１０７ｂが対向して配置されている。ケース１２６ａ、１２６ｂ内にはヨーク１２２ａ、１２２ｂが固定されている。ヨーク１２２ａ、１２２ｂには、円筒状の空間が形成され、この空間には環状の永久磁石１２１ａ、１２１ｂが固定されている。この空間にはまた、円筒状の可動コイル１２４ａ、１２４ｂが軸方向に移動可能に配置されている。可動コイル１２４ａ、１２４ｂは、永久磁石１２１ａ、１２１ｂ及びヨーク１２２ａ、１２２ｂが形成する磁気回路のギャップに挿入されている。可動コイル１２４ａ、１２４ｂには、連結部材を介してシャフト１３１ａ、１３１ｂが結合されている。ピストン１０７ａ、１０７ｂは、シャフト１３１ａ、１３１ｂを介して往復駆動される。
【００１２】シャフト１３１ａ、１３１ｂは、円盤状の薄い弾性金属製ダイヤフラムで形成された板ばね１３２ａ、１３３ａ及び１３２ｂ、１３３ｂによってケース１２６ａ、１２６ｂに支持されている。これらの板ばねは、シャフト１３１ａ、１３１ｂの運動軸方向変位を弾性的に許容する。可動コイル１２４ａ、１２４ｂに供給する電流は、リード線１２５ａ、１２５ｂを介して供給される。
【００１３】図３に示されたガス圧縮機は、基本構成であり、具体的な構成例を図４を参照して説明する。本図では、図３に示された一対のガス圧縮部のうち右側に対応する部分のみを示している。このガス圧縮機は、シリンダ１５０と、シリンダ１５０との間に圧縮室を形成するようにシリンダ１５０内に配置されたピストン１５１と、シリンダ１５０を磁性材料から成るヨーク１５２を介して収容しているケース１５３とを有する。ヨーク１５２は、シリンダ１５０の保持部材としても作用する。
【００１４】ピストン１５１を、シリンダ１５０内でその軸方向に往復運動させる往復駆動機構は、シリンダ１５０と同心状になるようにヨーク１５２に形成された環状の空間の内壁に固定された環状の永久磁石１５４と、永久磁石１５４に対向しつつ環状の空間内を軸方向に移動可能なように配置された環状の可動コイル１５５と、可動コイル１５５とピストン１５１とを連結している連結部材１５６とを含む。ピストン１５１における圧縮室とは反対側の端部とケース１５３の内部端面との間にはコイルばね１５７が設けられている。シリンダ１５０の内壁には、ピストンシール１５８が設けられている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】図４から明らかなように、従来のスターリング冷凍機におけるガス圧縮機では、ピストン１５１はシリンダ１５２のみをガイドとして往復運動を行っている。この場合、ピストン１５１はシリンダ１５２に片当たり接触を起こす可能性が高い。特に、ピストン１５１は圧縮容積が最大の時、すなわち最も後退した時に傾きを生じ易く、片当たりを起こし易い。片当たりするとピストンシール１５８には摩耗が生じる。これは、ガス圧縮機の寿命が短くなることを意味する。
【００１６】そこで、本発明の課題は、ピストンのシリンダへの片当たりを防止することのできる冷凍機用ガス圧縮機を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、柱面状の内周面を有するシリンダと、前記シリンダとの間に圧縮室を形成するように前記シリンダ内に配置され、前記シリンダの内周面に整合する外周面を有するピストンと、前記ピストンを、前記シリンダ内でその軸方向に往復運動させる往復駆動手段と、前記シリンダを保持部材を介して収容していると共に、前記ピストン、及び前記往復駆動手段を収容しているケースとを有し、前記保持部材、前記ケースの少なくとも一方に、前記ピストンの軸方向の運動をガイドするガイド機構を設けたことを特徴とする冷凍機用ガス圧縮機が提供される。
【００１８】具体的には、前記保持部材は磁性材料から成るヨークであり、前記駆動手段は、前記シリンダと同心状になるように前記ヨークに形成された筒状の空間の内壁に固定された筒状の永久磁石と、該永久磁石に対向しつつ前記筒状の空間内を前記軸方向に移動可能なように配置された筒状のコイルと、該コイルと前記ピストンとを連結している連結部材とを含み、前記ガイド機構は、前記ピストンにおける前記圧縮室とは反対側の端部から前記軸方向に延びる軸体と、前記ケースの内部端面に前記軸体に向けて設けられ、前記軸体が挿通された筒状体とから成ることを特徴とする。
【００１９】別の具体例としては、前記保持部材が磁性材料から成るヨークであり、前記駆動手段は、前記シリンダと同心状になるように前記ヨークに形成された筒状の空間の内壁に固定された筒状の永久磁石と、該永久磁石に対向しつつ前記筒状の空間内を前記軸方向に移動可能なように配置された筒状のコイルと、該コイルと前記ピストンとを連結している連結部材とを含み、前記ガイド機構は、前記ヨークにおける前記圧縮室側とは反対側の端部から前記軸方向に延びる少なくとも１本の軸体と、前記連結部材における前記軸体に対応する箇所に設けられて、前記軸体を受ける軸受けとから成ることを特徴とする。
【００２０】なお、前記ピストンにおける前記圧縮室とは反対側の端部と前記ケースの内部端面との間には、ばね部材が設けられている。
【００２１】また、前記シリンダの内壁には、ピストンシールが設けられている。
【００２２】
【発明の実施の形態】図１を参照して、本発明の実施の形態について説明する。本図でも、図３に示された一対のガス圧縮部のうち右側に対応する部分のみを示しており、左側についても同様に構成される。ガス圧縮機は、シリンダ１５０と、シリンダ１５０との間に圧縮室を形成するようにシリンダ１５０内に配置されたピストン１５１と、シリンダ１５０を磁性材料から成るヨーク１５２を介して収容しているケース１５３とを有する。ヨーク１５２は、シリンダ１５０の保持部材としても作用する。
【００２３】ピストン１５１を、シリンダ１５０内でその軸方向に往復運動させる往復駆動機構は、シリンダ１５０と同心状になるようにヨーク１５２に形成された筒状空間、特に環状空間の内壁に固定された環状の永久磁石１５４と、永久磁石１５４に対向しつつ環状の空間内を軸方向に移動可能なように配置された環状の可動コイル１５５と、可動コイル１５５とピストン１５１とを連結している連結部材１５６とを含む。連結部材１５６は、ピストン１５１と連結されている小径の筒状部と、可動コイル１５５と連結されている大径の筒状部と、これらの筒状部を連結している円板状部とが一体に形成されて成る。
【００２４】ピストン１５１における圧縮室とは反対側の端部に設けられた台座１５１−１とケース１５３の内部端面に設けられた台座１５３−１との間にはコイルばね１５７が設けられている。シリンダ１５０の内壁には、テフロン（登録商標）系の樹脂材料によるピストンシール１５８が設けられている。
【００２５】本形態においては、ヨーク１５２、ケース１５３に、ピストン１５１の軸方向の運動をガイドするガイド機構を設けた点に特徴を有する。ケース１５３に構成されるガイド機構について言えば、ピストン１５１における圧縮室とは反対側の台座１５１−１から軸方向に延びる軸体１５１−２を設け、ケース１５３の内部端面の台座１５３−１には軸体１５１−２に向けて、軸体１５１−２を挿通するための筒状体１５３−２を設けて構成される。軸体１５１−２は、ピストン１５１の往復動作に伴って筒状体１５３−２内を摺動する。筒状体１５３−２内には潤滑剤が塗付されるのが好ましい。これにより、ピストン１５１の運動が案内される。
【００２６】ヨーク１５２に構成されるガイド機構について言えば、ヨーク１５２における圧縮室側とは反対側の端部から軸方向に延びる複数本の軸体１５２−１を設け、連結部材１５６における円板状部の軸体１５２−１に対応する箇所には、軸体１５２−１を受ける軸受け１５９を設けて構成される。
【００２７】軸体１５１−２と筒状体１５３−２の長さ、及び軸体１５２−１の長さは、前に述べたように、ピストン１５１の片当たりがピストン１５１の最大後退位置において顕著になることを考慮して、ピストン１５１の最大後退位置においてもピストン１５１の傾きを防止し得るように設定される。そして、軸体１５１−２が筒状体１５３−２に嵌入している部分と、軸体１５２−１が軸受け１５９で支持されている部分とは、同一面上に近い関係にあることが望ましい。勿論、ガイド機構は、ケース１５３、ヨーク１５２の少なくとも一方に構成されるだけでも良い。
【００２８】なお、本発明はスターリング冷凍機用のガス圧縮機に限らず、同様なガス圧縮機を持つパルス管冷凍機（例えば、特許第２７８０９３４号に開示）にも適用可能である。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、ピストンの往復動作を案内するガイド機構を設けたことにより、ピストンのシリンダへの片当たりを防止することができ、これによってシリンダ内壁に設けられているピストンシールの摩耗を防止することができるので、冷凍機の長寿命化を実現ことができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２１０７
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年１２月２２日（１９９８．１２．２２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７１２７２
【弁理士】
【氏名又は名称】後藤 洋介 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−１９３３３６（Ｐ２０００−１９３３３６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年７月１４日（２０００．７．１４） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−３６４７５７ |
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