(57)【要約】【課題】シリンダとピストンとの間にクリアランスシールを設けた振動圧縮機において、クリアランスシールの精度を向上させる。【解決手段】シリンダ４と、シリンダ４にクリアランスシールを形成する隙間７を介して挿入されシリンダ４内に作動ガスの圧縮空間８を形成するピストン６とを有する振動圧縮機において、継鉄１にシリンダ４を嵌め込み、ピストン６を往復運動可能に片持ち支持する支持ばね１２を継鉄１の端面に締結する。シリンダ４を嵌め込んだ継鉄１にピストン６を支持する支持ばね１２を締結することにより、シリンダ４とピストン６との芯出し精度が得やすく、クリアランスシール７の精度が高くなる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が開放した環状空間を有する二重円筒状の継鉄と、この継鉄に嵌め込まれたシリンダと、このシリンダにクリアランスシールを形成する隙間を介して挿入され、前記シリンダ内に作動ガスの圧縮空間を形成するピストンと、前記継鉄の周囲に配置された筐体と、前記ピストンに連結され前記継鉄の環状空間に軸方向に可動的に挿入された駆動子コイルと、前記継鉄に嵌め込まれ前記駆動子コイルに磁界を作用させる環状の永久磁石と、前記継鉄の端面に締結され前記ピストンを軸方向に往復運動可能に片持ち支持する支持ばねと、前記筐体の端面に接合され、この筐体とともに前記隙間を介して前記圧縮空間に通じるガス室を形成するカバーとを備え、前記駆動子コイルに交番電流が通流されると、前記ピストンを往復運動させて前記ガス室内の作動ガスを前記圧縮空間で圧縮し、この圧縮ガスを前記筐体に形成されたガス流路を介して外部機器に供給することを特徴とする振動圧縮機。
【請求項２】
前記継鉄、ピストン及びシリンダを同一材料又は熱膨張率が互いに近似する材料で構成したことを特徴とする請求項１記載の振動圧縮機。
【請求項３】
一対の前記ピストンを互いに対向させて設け、その間に前記圧縮空間を形成するとともに、前記一対のピストンの前記シリンダを一体に構成したことを特徴とする請求項１記載の振動圧縮機。
【請求項４】
前記作動ガスと接触する前記筐体の内周面に、軸方向の条溝を多数設けたことを特徴とする請求項１記載の振動圧縮機。
【請求項５】
内周面に軸方向の多数の条溝を有する円筒体を前記筐体の内側に嵌め込んだことを特徴とする請求項４記載の振動圧縮機。
【請求項６】
前記筐体とカバーとの間に円筒状の継手を介挿し、この継手と前記筐体とを摩擦圧接又は摩擦攪拌接合により接合し、またこの継手と前記カバーとを溶接により接合したことを特徴とする請求項１記載の振動圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パルスチューブ冷凍機などの極低温冷凍機に作動ガスの振動流を供給するピストン型の振動圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記振動圧縮機として、クリアランスシールを形成する隙間を介してシリンダに挿入されたピストンを支持ばねに軸方向に往復運動可能に片持ち支持させ、このピストンを駆動子コイルと環状の永久磁石とからなるリニア駆動部により往復運動させ、シリンダ内に形成された圧縮空間の作動ガスを圧縮させるものがある。リニア駆動部は、継鉄により形成される環状空間内に配置される。作動ガスの圧縮熱は、クリアランスシールを介して作動ガスの圧縮空間に通じるガス室の作動ガスから筐体に伝達され、熱伝導率の高い材料からなる筐体から外気に放熱される。この種の振動圧縮機については、例えば特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００２−１３４７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
シリンダとピストンとの間にクリアランスシールを設けた上記振動圧縮機は、ピストンがシリンダに接触しないため、磨耗や発熱が生じないという利点がある。しかしながら、この利点を生かすためにはクリアランスシールの寸法精度を厳密に管理する必要があり、シリンダによりピストンを摺動案内させる構造のものに比べて高い芯出し精度が必要である。
【０００４】
その場合、特許文献１の振動圧縮機においては、支持ばねを介してピストンを支持する継鉄がシリンダを兼ねる筐体に締結される構造であるため、ピストンと支持ばね、支持ばねと継鉄、継鉄と筐体との間のそれぞれ組立精度が集積され、ピストンとシリンダとの間の芯出し精度が出しにくい。また、筐体には通常、放熱性の要求からアルミニウムや銅などの熱伝導率の高い材料が用いられるが、これらの材料は熱膨張率が大きく、圧縮熱による筐体の熱膨張によりクリアランスシールが変化しやすいという問題がある。
【０００５】
この発明の課題は、シリンダとピストンとの間にクリアランスシールを設けた振動圧縮機において、クリアランスシールの精度の向上を容易にし、併せて放熱性を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、この発明の振動圧縮機は、一端が開放した環状空間を有する二重円筒状の継鉄と、この継鉄に嵌め込まれたシリンダと、このシリンダにクリアランスシールを形成する隙間を介して挿入され、前記シリンダ内に作動ガスの圧縮空間を形成するピストンと、前記継鉄の周囲に配置された筐体と、前記ピストンに連結され前記継鉄の環状空間に軸方向に可動的に挿入された駆動子コイルと、前記継鉄に嵌め込まれ前記駆動子コイルに磁界を作用させる環状の永久磁石と、前記継鉄の端面に締結され前記ピストンを軸方向に往復運動可能に片持ち支持する支持ばねと、前記筐体の端面に接合され、この筐体とともに前記隙間を介して前記圧縮空間に通じるガス室を形成するカバーとを備え、前記駆動子コイルに交番電流が通流されると、前記ピストンを往復運動させて前記ガス室内の作動ガスを前記圧縮空間で圧縮し、この圧縮ガスを前記筐体に形成されたガス流路を介して外部機器に供給するものとする（請求項１）。
【０００７】
請求項１の発明によれば、継鉄にシリンダが嵌め込まれるとともに、この継鉄にピストンを支持する支持ばねが締結されるため、シリンダとピストンの芯出し精度が得やすく、クリアランスシールの精度が高くなる。
【０００８】
請求項１の発明において、前記継鉄、ピストン及びシリンダを同一材料又は熱膨張率が互いに近似する材料で構成するのがよい（請求項２）。これにより、作動ガスの圧縮熱によるピストンとシリンダの熱膨張が略同じになり、クリアランスシールの変化が小さくなる。
【０００９】
請求項１の発明において、一対の前記ピストンを互いに対向させて設け、その間に前記圧縮空間を形成することができるが、その場合には一対のピストンの前記シリンダを一体に構成するのがよい（請求項３）。これにより、対向するピストン間でのクリアランスシールのばらつきが小さくなるとともに、高精度を必要とする部品の点数が少なくなり組立精度が高くなる。
【００１０】
請求項１の発明において、前記作動ガスと接触する前記筐体の内周面に、軸方向の条溝を多数設けるとよい（請求項４）。これにより、筐体とガス室内の作動ガスとの接触面積を増やし、放熱性を高めることができる。その場合、内周面に軸方向の多数の条溝を有する円筒体を前記筐体の内側に嵌め込むようにしてもよい（請求項５）。
【００１１】
請求項１の発明において、前記筐体とカバーとの間に円筒状の継手を介挿し、この継手と前記筐体とを摩擦圧接又は摩擦攪拌接合により接合し、またこの継手と前記カバーとを溶接により接合するとよい（請求項６）。筐体には熱伝導率の高いアルミニウムや銅を用い、カバーには加工性のよいステンレスを用いるのがよいが、アルミニウムや銅とステンレスとを直接溶接することは困難である。そこで、筐体とカバーとの間にカバーとの間の溶接性の良好なステンレス等の円筒状の継手を介挿して、この継手を摩擦圧接又は摩擦攪拌接合により筐体に接合し、筐体への内蔵部品の組み付け後に、継手にカバーを溶接により接合するのがよい。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、シリンダとピストンとの間に高精度のクリアランスシールが得られ、ピストンのシリンダとの接触による磨耗や発熱が確実に回避されるとともに、高い圧縮効率が得られる。また、筐体と作動ガスとの接触面積の増大により作動ガスの圧縮熱や駆動子コイルの銅損による発生熱の放熱性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図１〜図４に基づいて、この発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、この発明の実施例１を示す振動圧縮機の縦断面図である。なお、図示振動圧縮機は対向する一対のピストンが互いに反対方向に往復運動をする復動式圧縮機なので、左右対称部分については、その一方について説明する。さて、図１において、１は左右一対の継鉄で、中空の円筒体内に一端が開放した環状空間２を有する二重円筒状に形成されている。継鉄１には、渦電流の発生を抑えるための溝が、放射状に多数切り込み形成されている。３は継鉄１の周囲に配置された左右一体の筐体で、中空円筒体の左右中心に隔壁３ａを有する縦断面エ字状に形成され、左右空間内に継鉄１が同心的に収められている。継鉄１と筐体３の中心穴には、左右一体のシリンダ４が環状パッキン（Ｏリング）５を介して嵌め込まれ、これにより継鉄１と筐体３の同心性が保たれている。
【００１５】
シリンダ４には、左右一対のピストン６がクリアランスシールを形成する隙間７を介して互いに対向するように挿入され、ピストン６,６間に作動ガスの圧縮空間８が形成されている。圧縮空間８は、シリンダ４の穴４ａを介して、筐体３の隔壁３ａに半径方向にあけられたガス流路３ｂに通じている。継鉄１の環状空間２内には、駆動子コイル９が軸方向に可動的に挿入され、この駆動子コイル９はピストン６に固定されたボビン１０に巻回されている。継鉄１内の環状空間２の内側には、駆動子コイル９を隙間を介して囲むように、環状の永久磁石１１が嵌め込まれている。この永久磁石１１と駆動子コイル９とは、後述するようにピストン６を往復駆動するリニア駆動部を構成する。
【００１６】
ピストン６は前後一対の円形の支持ばね１２により軸方向に往復運動可能に支持され、支持ばね１２は継鉄１の端面にボルト１３により固定されている。前後の支持ばね１２は間隔管１４により互いの間隔が規定され、リングナット１５によりピストン６に締め付けられている。一方、筐体３の端面には円筒状の継手１６を介してカバー１７が接合され、カバー１７は筐体３及び継手１６とともに、隙間７を介して圧縮空間８に通じる密閉されたガス室１８を形成している。駆動子コイル９には、端子１９からリード線２０を介して交番電流が通流される。
【００１７】
ここで、継鉄１、シリンダ４及びピストン６には、同一材料又は熱膨張率が互いに近似する材料、例えば電磁ステンレス鋼（SUS403,430等）が用いられる。シリンダ４及びピストン６は、非磁性のステンレス鋼（SUS304,316等）あるいはチタンを用いてもよい。一方、筐体３には熱伝導率の高いアルミニウムあるいは銅が用いられる。また、継手１６、カバー１７には、加工性のよいステンレス鋼が適している。その場合、異種金属である筐体３（アルミニウムや銅）と継手１６あるいはカバー１７（ステンレス鋼）とを直接溶接することは一般に困難である。そこで、筐体３と継手１６とは振動圧縮機の組立の前に、端面同士が摩擦圧接又は摩擦攪拌接合（FSW）により接合される。そして、カバー１７は、振動圧縮機の組立の最後に、ビーム溶接などにより継手１６に接合される。なお、継鉄１、シリンダ４、ピストン６の他の材料として、すべて軟鋼を用いてもよい。
【００１８】
このような振動圧縮機において、永久磁石１１のＮ極（外周側）から出た磁束は継鉄１を通り、駆動子コイル９が挿入された環状空間２を経てＳ極（内周側）に戻る。この磁気回路内に配置された左右の駆動子コイル９に互いに１８０度の位相差を持つ交流励磁電流を通流すると、永久磁石１１が発生する磁界とコイル電流との間に働く電磁力により、各ピストン６は軸方向に互いに逆向きに往復運動をし、圧縮空間８の作動ガスを圧縮する。この圧縮ガスは、穴４ａ及びガス流路３ｂを通して、図示しないパルスチューブ冷凍機などの外部機器に供給される。なお、作動ガスの圧縮、駆動子コイル９の銅損等により生じる熱は、作動ガスを介して筐体３に熱伝達され、筐体３の外表面から大気に放熱される。
【００１９】
図示実施例１によれば、継鉄１にシリンダ４が嵌め込まれるとともに、この継鉄１にピストン６を支持する支持ばね１２が直に締結される簡素な構造のため、組立誤差の集積が少ない。従って、シリンダ４とピストン６との同心性が得やすく、隙間（クリアランスシール）７の精度が高くなる。また、継鉄１、シリンダ４及びピストン６には同一材料が用いられているため、各々の熱膨張が等しく、作動ガスの圧縮熱や駆動子コイル９の銅損により継鉄１、シリンダ４、ピストン６が加熱されることによるクリアランスシール７の変化も小さく抑えられる。更に、シリンダ４は一対のピストン６,６に共通に一体構成されているため、対向するピストン間でのクリアランスシール７のばらつきが小さくなり、加えて高精度を必要とする部品点数が少なくなり組立精度が高くなる。
【００２０】
一方、筐体３とカバー１７との間には、円筒状の継手１６が介挿され、この継手１６と筐体３とは摩擦圧接又は摩擦攪拌接合により接合され、継手１６とカバー１７とは溶接により接合されているため、筐体３と異種材料のカバー１７も接合が容易、確実となり、ガス漏れのない強固な圧力容器が形成される。
【実施例２】
【００２１】
図２は実施例２を示す振動圧縮機の縦断面図、図３は図２における筐体の横断面図である。実施例２において、実施例１と相違するのは、作動ガスと接触する筐体３の内周面に、軸方向の条溝２１が多数設けられている点である。作動ガスの圧縮や駆動子コイル９の銅損などにより発生する熱は、ガス室１８の作動ガスを介して筐体３に伝達され、筐体３内を熱伝導した後、その外表面から大気に放熱される。そこで、図３に示すように、筐体３の内周面に軸方向の条溝２１を多数設ければ、作動ガスとの接触面積が増え放熱性が向上する。条溝２１は図３に示すように、筐体３に直接形成するのが熱伝導性の点で有利であるが、図４に示すように条溝２１を有する市販の円管２２を筐体３の内周面に嵌め込むようにすれば製作が容易になる。
【００２２】
なお、図示実施の形態では対向する一対のピストンが１８０度の位相差で往復運動する複動型の振動圧縮機の例を示したが、この発明は単一のピストンを有する振動圧縮機に対しても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明の実施例１を示す振動圧縮機の縦断面図である。
【図２】この発明の実施例２を示す振動圧縮機の縦断面図である。
【図３】図２における筐体の横断面図である。
【図４】図２における筐体の異なる実施態様を示す横断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    継鉄
２    環状空間
３    筐体
４    シリンダ
６    ピストン
７    隙間（クリアランスシール）
８    圧縮空間
９    駆動子コイル
１１    永久磁石
１２    支持ばね
１６    継手
１７    カバー
２１    条溝
２２    円管
【図１】
2006029255.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006029255.tif 000006