(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の空洞を画定するシリンダ部材と、
前記空洞内に挿入され、該空洞内に圧縮室を画定し、前記シリンダ部材に対して相対的に往復駆動されて前記圧縮室の容積を周期的に変動させるピストンと、
前記圧縮室と前記シリンダ部材の外部空間とを連通させるガス流路と、
前記圧縮室で発生した熱を前記シリンダ部材の外部空間に伝達する熱伝達部材であって、前記シリンダ部材の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料で形成された熱伝達部材と
を有し、
前記ガス流路の少なくとも一部が、前記熱伝達部材の内部を経由しているガス圧縮機。
【請求項２】
筒状の空洞を画定するシリンダ部材と、
前記空洞内に挿入され、該空洞内に圧縮室を画定し、前記シリンダ部材に対して相対的に往復駆動されて前記圧縮室の容積を周期的に変動させるピストンと、
前記圧縮室と前記シリンダ部材の外部空間とを連通させるガス流路と、
前記圧縮室で発生した熱を前記シリンダ部材の外部空間に伝達する熱伝達部材であって、前記シリンダ部材の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料で形成された熱伝達部材と、
前記熱伝達部材とシリンダ部材との界面に配置され、前記熱伝達部材とシリンダ部材とのいずれよりも柔らかい材料で形成された充填材と
を有するガス圧縮機。
【請求項３】
筒状の空洞を画定するシリンダ部材と、
前記空洞内に挿入され、該空洞内に圧縮室を画定し、前記シリンダ部材に対して相対的に往復駆動されて前記圧縮室の容積を周期的に変動させるピストンと、
前記圧縮室と前記シリンダ部材の外部空間とを連通させるガス流路と、
前記圧縮室で発生した熱を前記シリンダ部材の外部空間に伝達する熱伝達部材であって、前記シリンダ部材の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料で形成された熱伝達部材と
を有し、
前記熱伝達部材が、前記空洞の端面において前記圧縮室に露出しているガス圧縮機。
【請求項４】
筒状の空洞を画定するシリンダ部材と、
前記空洞内に挿入され、該空洞内に圧縮室を画定し、前記シリンダ部材に対して相対的に往復駆動されて前記圧縮室の容積を周期的に変動させるピストンと、
前記圧縮室と前記シリンダ部材の外部空間とを連通させるガス流路と、
前記圧縮室で発生した熱を前記シリンダ部材の外部空間に伝達する熱伝達部材であって、前記シリンダ部材の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料で形成された熱伝達部材と
を有し、
前記熱伝達部材が、前記空洞の周囲を取り囲んでいるガス圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス圧縮機に関し、特にシリンダ内をピストンが往復運動するガス圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス圧縮機は、例えばスターリング冷凍機、パルス管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。
【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させることにより、シリンダとピストンとの間で画定された圧縮室の容積を周期的に変動させ、圧力が脈動するガスをコールヘッドに供給する。
【０００４】
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、シリンダ側に設けた磁界発生手段と、ピストン側に設けたコイルとの間に発生する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。
【０００５】
圧縮機を駆動すると、主に圧縮室で発熱が生ずる。冷媒ガスの圧縮時に圧縮室内で発生した熱は、主にシリンダ固定部材を介して外部に放熱される。圧縮室で発生した熱が効率的に放熱されないと冷凍機の運転効率が低下する。従来のこの種の冷凍機においては、シリンダ固定部材の表面に熱伝導率の高い材質でできたヒートシンクあるいは放熱フィンを取り付けて放熱効率を高めていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の圧縮機の大きな部分を占め、圧縮室と近い場所にあるシリンダ固定部材とマグネットヨークとは、１つの材料で一体成型される。このため、シリンダ固定部材は、高透磁率の材料、例えば純鉄で作られる。純鉄の熱伝導率は金属材料としてはそれほど高くなく、圧縮室で発生した熱を効率的に外部に伝導させるためには、必ずしも充分な熱伝導性能であるとは言えなかった。さらに、従来は、放熱性能を高めるために、比較的大きな放熱フィンあるいはヒートシンクを必要としたので、圧縮機全体の寸法が大型になりがちであった。
【０００７】
本発明の目的は、圧縮室の発熱を効率的に外部へ放出し、運転効率を向上することが可能なガス圧縮機を提供することである。本発明の他の目的は、小型化が可能なガス圧縮機を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、筒状の空洞を画定するシリンダ部材と、前記空洞内に挿入され、該空洞内に圧縮室を画定し、前記シリンダ部材に対して相対的に往復駆動されて前記圧縮室の容積を周期的に変動させるピストンと、前記圧縮室と前記シリンダ部材の外部空間とを連通させるガス流路と、前記圧縮室で発生した熱を前記シリンダ部材の外部空間に伝達する熱伝達部材であって、前記シリンダ部材の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料で形成された熱伝達部材とを有し、前記ガス流路の少なくとも一部が、前記熱伝達部材の内部を経由しているガス圧縮機が提供される。
【０００９】
圧縮室で発生した熱を、熱伝導率の高い熱伝達部材を通して効率的に外部に放出することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、第１の実施例によるガス圧縮機の断面図を示す。円筒状の側壁１０ａ、及びその軸方向のほぼ中央に設けられた仕切り部１０ｂにより、熱伝達部材１０が構成されている。仕切り部１０ｂは、側壁１０ａに囲まれた円柱状の空洞を２つの部分に分離する。熱伝達部材１０の形状は、仕切り部１０ｂに関して面対称である。仕切り部１０ｂと側壁１０ａとにより画定された２つの凹部の各々の中にシリンダ部材５が挿入されている。シリンダ部材５は、側壁１０ａ及び仕切り部１０ｂに密着している。
【００１１】
シリンダ部材５は、後述するようにマグネットヨークを兼ねている。このため、高透磁率の材料、例えば純鉄で形成される。熱伝達部材１０は、シリンダ部材５よりも熱伝導率の高い材料、例えば銅、アルミニウム等で形成される。シリンダ部材１０の側壁１０ａの両端は、蓋１で密閉されている。シリンダ部材５の端面と蓋１との間に、ピストンを往復駆動するための空間が画定されている。
【００１２】
シリンダ部材５の端面の各々から、中心に向かって円柱状の凹部１９が形成されている。各凹部１９の底面にガス流路２が開口している。ガス流路２は、熱伝達部材１０の仕切り板１０ｂの内部を経由して外部の空間に連通する。
【００１３】
シリンダ部材５の端面に、凹部１９の周囲を取り囲む円環状の溝３が形成されている。溝３の外周側の側面上に、円環状の永久磁石１７が取り付けられている。永久磁石１７の内周面と溝３の内周側の側面との間に、円環状の間隙が画定されている。シリンダ部材５、永久磁石１７、及び溝３内の間隙により、閉磁路が形成され、溝３の中に厚さ方向の磁界が発生する。
【００１４】
ピストン７のシリンダ外の端部はフランジ状に形成され、溝３の中に緩挿される可動コイル１６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を介して蓋１の内面に弾性的に保持され、シリンダ内の中立点に支持されている。
【００１５】
蓋１の各々に１対の電流端子６が取り付けられている。１対の電流端子のうち一方の電流端子６は、リード線２５を介して可動コイル１６の一端に接続されている。他方の電流端子６は、他のリード線２５及びコイルバネ８を介して可動コイル１６の他端に接続されている。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は溝３の中に発生した磁場から軸方向（図の横方向）の力を受け、ピストンが往復駆動される。
【００１６】
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１６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。ピストン７を往復駆動することにより、圧縮室４の容積を周期的に変動させ、ガス流路２を通して圧縮ガスの供給と回収を繰り返すことができる。
【００１７】
図１に示す第１の実施例のガス圧縮機においては、主要な発熱部である圧縮室４の近傍に熱伝達部材１０が配置されている。圧縮室４で発生した熱は、熱伝達部材１０を経由して効率的に外部に放出される。
【００１８】
図２は、第２の実施例によるガス圧縮機の断面図を示す。なお、図２においては、ガス圧縮機のほぼ右半分の領域のみを示している。左半分は、右半分と対称の構造である。
【００１９】
図１に示した第１の実施例では、凹部１９がシリンダ部材５に形成されている。第２の実施例では、第１の実施例の熱伝達部材１０の形状を工夫して、凹部１９を熱伝達部材に形成している。第２の実施例によるガス圧縮機の熱伝達部材１１は、円筒状の側壁１１ａ、その軸方向のほぼ中央に配置された仕切り部１１ｂ、及びシリンダ部１１ｃを含んで構成される。
【００２０】
シリンダ部１１ｃは、仕切り部１１ｂの両面の各々の中央から、中心軸に沿って両側に突出している。このシリンダ部１１ｃに凹部１９が形成されている。シリンダ部１１ｃの外周面と側壁１１ａの内周面との間の空間に、ヨーク１５が挿入されている。ヨーク１５には、図１の溝３と同様の溝３が形成されている。その他の構成は、図１に示す第１の実施例の構成と同様である。
【００２１】
第２の実施例の場合には、凹部１９の底面において、熱伝達部材１１が圧縮室４に露出している。また、熱伝達部材１１が凹部１９の周囲を取り囲み、シリンダスリーブ２０の外周面に接している。このため、圧縮室４内に発生した熱を、より効率的に外部に放出することができる。
【００２２】
図３は、第３の実施例によるガス圧縮機の断面図を示す。図３においてもガス圧縮機の右半分の領域のみを示している。
【００２３】
第３の実施例においては、図１のシリンダ部材５と熱伝達部材１０とが１つのシリンダ部材３０に置き換えられている。シリンダ部材３０は、例えば純鉄で形成される。このシリンダ部材３０に、その外周面から圧縮室４の近傍まで至る穴３１が形成されている。穴３１内に、棒状の熱伝達部材１２が挿入されている。熱伝達部材１２は、シリンダ部材３０の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する材料で形成される。その他の構成は、図１に示す第１の実施例の場合と同様である。
【００２４】
圧縮室４内で発生した熱は、熱伝達部材１２を通って外部に放出される。第３の実施例は、放熱効率の点では第１の実施例に劣るが、第１の実施例の場合よりもシリンダ部材３０を加工し易いという長所を有する。
【００２５】
図４は、第４の実施例によるガス圧縮機の断面図を示す。図４においてもガス圧縮機の右半分の領域のみを示している。
【００２６】
第４の実施例では、図１に示す第１の実施例のシリンダ部材５と熱伝達部材１０との界面に充填材１３が挿入されている。充填材１３は、シリンダ部材５と熱伝達部材１０とのいずれの材料よりも柔らかい材料、例えば鉛やインジウム等で形成されている。熱伝達部材１０内にシリンダ部材５を挿入する時の圧力により充填材１３が容易に変形する。このため、熱伝達部材１０とシリンダ部材５との界面に隙間が生じにくくなり、両者の間の熱伝導効率を高めることができる。
【００２７】
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。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ガス圧縮機の動作時に発生する熱が、熱伝導率の大きな熱伝達部材を通って外部に効率的に放出される。放熱効率が向上するので、ガス圧縮機に取り付けるヒートシンクや放熱フィンの形状を小さくしたり、あるいはそれらをなくすことが可能となり、圧縮機を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるガス圧縮機の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例によるガス圧縮機の断面図である。
【図３】本発明の第３の実施例によるガス圧縮機の断面図である。
【図４】本発明の第４の実施例によるガス圧縮機の断面図である。
【符号の説明】
１  蓋
３  溝
４  圧縮室
５、３０  シリンダ部材
６  電流端子
７  ピストン
８  コイルバネ
１０、１１、１２  熱伝達部材
１３  充填材
１５  ヨーク
１６  可動コイル
１７  永久磁石
１９  凹部
２０  シリンダスリーブ
２５  リード線
３１  穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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