(57)【要約】【課題】コイルスプリングからピストンに付加される付勢力のうち，横力を可及的に低減させる。【解決手段】ピストンと連動する台座を挟んで軸方向一方側及び他方側に、それぞれ、第１及び第２コイルスプリングを配設する。該第１及び第２コイルスプリングは、互いに巻き方向が異なるものとされる。【選択図】　図１
2004084614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央孔が形成された筒部を有するシリンダと、
該シリンダの中央孔内に圧縮室を画するように軸方向摺動自在に挿入されるピストンと、
該ピストンと連動する台座と、
該台座を挟んで軸方向一方側及び他方側にそれぞれ同一軸線上に配設され、前記圧縮室を圧縮させる第１方向及び拡張させる第２方向に該台座を付勢する第１及び第２コイルスプリングと、
前記台座を第１方向及び第２方向へ往復動させるリニアモータとを備え、
前記第１及び第２コイルスプリングは、前記リニアモータの非作動時にそれぞれ付勢力を発生し得る状態とされており、
該第１及び第２コイルスプリングは、互いに巻き方向が異なることを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項２】
中央孔が形成された筒部を有するシリンダと、
該シリンダの中央孔内に圧縮室を画するように軸方向摺動自在に挿入されるピストンと、
該ピストンと連動する台座と、
該台座を挟んで軸方向一方側及び他方側にそれぞれ同一軸線上に配設され、前記圧縮室を圧縮させる第１方向及び拡張させる第２方向に該台座を付勢する第１及び第２コイルスプリングと、
前記台座を第１方向及び第２方向へ往復動させるリニアモータとを備え、
前記第１及び第２コイルスプリングは、前記リニアモータの非作動時にそれぞれ付勢力を発生し得る状態とされ、
該第１及び第２コイルスプリングは、互いに巻き方向が同一とされており、
該第１及び第２コイルスプリングは、前記台座を挟んで対向する互いの端末が軸線回り−５８゜〜＋１２５゜の範囲内に配置されていることを特徴とする特徴とするリニア圧縮機。
【請求項３】
前記第１及び第２コイルスプリングの少なくとも一端部は、該少なくとも一端部が支持される部材に設けられたテーパ状凸部に外挿されており、
該テーパ状凸部は、基端径が外挿されるコイルスプリングの内径よりも大きく且つ先端径が該コイルスプリングの内径よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載のリニア圧縮機。
【請求項４】
前記第１及び第２コイルスプリングの少なくとも一端部は、該少なくとも一端部が支持される部材に設けられたテーパ状凹部に内挿されており、
該テーパ状凹部は、基端径が内挿されるコイルスプリングの外径よりも小さく且つ先端径が該コイルスプリングの外径よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載のリニア圧縮機。
【請求項５】
前記第１又は第２コイルスプリングの少なくとも一端部の座巻き面は、該座巻き面が当接される部材に、軸線回りに配設された複数のピンを介して相対回転不能に連結されていることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のリニア圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮室を形成するようにシリンダの中央孔に往復動自在に配置されたピストンをリニアモータによって往復動させることにより、流体の吸入，圧縮，吐出を行うリニア圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、中央孔が形成された筒部を有するシリンダと、該シリンダの中央孔内に圧縮室を画するように軸方向摺動自在に挿入されるピストンと、該ピストンを往復動させるリニアモータとを備え、前記ピストンを往復動させることにより、流体を吸入，圧縮，吐出させるリニア圧縮機は公知である。
従来のリニア圧縮機は、前記ピストンと連動する台座と、該台座を挟んで軸方向一方側及び他方側にそれぞれ同一軸線上に配設された第１及び第２コイルスプリングとを、さらに備えている。
【０００３】
前記第１及び第２コイルスプリングは、ピストン及び台座等からなる可動部を共振運動させる為に、前記圧縮室を圧縮させる第１方向及び拡張させる第２方向に該台座を付勢するように構成されている。即ち、圧縮室を圧縮させる第１方向に前記ピストンが往動された際には、リニアモータによる第２方向への押動力に加えて、圧縮されている第２コイルスプリングの付勢力によって該ピストンが第２方向へ復動される。そして、圧縮室を拡張させる第２方向に前記ピストンが往動された際には、リニアモータによる第１方向への押動力に加えて、圧縮されている第１コイルスプリングの付勢力によって該ピストンが第１方向へ復動される。
【０００４】
このように、前記第１及び第２コイルスプリングはピストンを軸方向に往復動させる際の軸方向押動力を提供する為に備えられるものである。
即ち、第１及び第２コイルスプリングからピストンに付加される押動力は可及的に軸方向に沿っているのが好ましいが、従来のリニア圧縮機においては斯かる点について十分考慮されていなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記従来技術に鑑みなされたものであり、第１及び第２コイルスプリングからピストンに付加される付勢力を可及的に軸方向に沿わせることができるリニア圧縮機の提供を、一の目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成する為に、中央孔が形成された筒部を有するシリンダと、該シリンダの中央孔内に圧縮室を画するように軸方向摺動自在に挿入されるピストンと、該ピストンと連動する台座と、該台座を挟んで軸方向一方側及び他方側にそれぞれ同一軸線上に配設され、前記圧縮室を圧縮させる第１方向及び拡張させる第２方向に該台座を付勢する第１及び第２コイルスプリングと、前記台座を第１方向及び第２方向へ往復動させるリニアモータとを備え、前記第１及び第２コイルスプリングは、前記リニアモータの非作動時にそれぞれ付勢力を発生し得る状態とされており、該第１及び第２コイルスプリングは、互いに巻き方向が異なるリニア圧縮機を提供する。
【０００７】
又、本発明は、前記目的を達成する為に、中央孔が形成された筒部を有するシリンダと、該シリンダの中央孔内に圧縮室を画するように軸方向摺動自在に挿入されるピストンと、該ピストンと連動する台座と、該台座を挟んで軸方向一方側及び他方側にそれぞれ同一軸線上に配設され、前記圧縮室を圧縮させる第１方向及び拡張させる第２方向に該台座を付勢する第１及び第２コイルスプリングと、前記台座を第１方向及び第２方向へ往復動させるリニアモータとを備え、前記第１及び第２コイルスプリングは、前記リニアモータの非作動時にそれぞれ付勢力を発生し得る状態とされ、該第１及び第２コイルスプリングは、互いに巻き方向が同一とされており、該第１及び第２コイルスプリングは、前記台座を挟んで対向する互いの端末が軸線回り−５８゜〜＋１２５゜の範囲内に配置されているリニア圧縮機を提供する。
【０００８】
好ましくは、前記第１及び第２コイルスプリングの少なくとも一端部は、該少なくとも一端部が支持される部材に設けられたテーパ状凸部に外挿される。該テーパ状凸部は、基端径が外挿されるコイルスプリングの内径よりも大きく且つ先端径が該コイルスプリングの内径よりも小さいものとされる。
好ましくは、前記第１及び第２コイルスプリングの少なくとも一端部は、該少なくとも一端部が支持される部材に設けられたテーパ状凹部に内挿される。該テーパ状凹部は、基端径が内挿されるコイルスプリングの外径よりも小さく且つ先端径が該コイルスプリングの外径よりも大きいものとされる。
【０００９】
より好ましくは、前記第１又は第２コイルスプリングの少なくとも一端部の座巻き面は、該座巻き面が当接される部材に、軸線回りに配設された複数のピンを介して相対回転不能に連結され得る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係るリニア圧縮機について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施の形態に係るリニア圧縮機１の模式断面図である。
【００１１】
図１に示すように、本実施の形態に係るリニア圧縮機１は、中央孔１１ａが形成された筒部１１を有するシリンダ１０と、該シリンダ１０の中央孔１１ａ内に圧縮室Ｐを画するように軸方向摺動自在に挿入されるピストン２０と、該ピストン２０と連動する台座３０と、該台座３０を挟んで軸方向一方側及び他方側にそれぞれ同一軸線上に配設された第１及び第２コイルスプリング４０，５０と、前記台座３０を復動させるリニアモータ６０とを備えている。
【００１２】
前記シリンダ１０は、前記筒部１１に加えて、該筒部１１から径方向外方へ延在されたフランジ部１２を備えている。
なお、該シリンダ１０の軸方向他方面（図１においては右側面）には、中央孔１１ａと前記ピストン２０とによって画される前記圧縮室Ｐを覆うヘッドカバー部（図示略）が固着される。該ヘッドカバー部には、前記圧縮室Ｐに流体を入出させる吸入弁及び吐出弁等が備えられる。
【００１３】
前記リニアモータ６０は、前記シリンダ１０に相対移動不能に固定された固定部６１と、前記ピストン２０を前記シリンダ１０に対して往復動させるべく、該ピストン２０に連結された可動部６５とを備えている。
より詳しくは、前記固定部６１は、前記シリンダ１０のフランジ部１２から軸方向一方側（図１においては左側）に延びるように該フランジ部１２に連結された周壁部材６１ａと、該周壁部６１ａに支持されたコイル部材６１ｂとを備えている。
【００１４】
前記可動部６５は、前記台座に連結された永久磁石６５ａを備えている。
本実施の形態においては、前記可動部６５は、前記台座３０から軸方向一方側に延びる小筒部６６ａと、該小筒部６６ａから径方向外方に延びるフランジ部６６ｂと、該フランジ部６６ｂの径方向外端部から軸方向他方側に延びる大筒部６６ｃとを有する支持部材６６を備えており、前記永久磁石６５ａは該支持部材６６の大筒部６６ｃに装着される。
【００１５】
本実施の形態において、リニア圧縮機１は、さらに、前記シリンダ１０及び前記リニアモータ６０の固定部６１における周壁部材６１ａとの共働下に、前記ピストン２０，台座３０，第１及び第２コイルスプリング４０，５０の収容空間を画するように、前記周壁部材６１ａに連結された蓋部材７０を備えている。
詳しくは、前記蓋部材７０は、前記周壁部材６１ａの軸方向一端部に連結された周壁部７１と、該周壁部７１の軸方向他端部を囲繞する端壁部７２とを有している。
【００１６】
前記第１コイルスプリング４０は、前記蓋部材７０の端壁部７２と前記台座３０とによって狭持されている。
他方、前記第２コイルスプリング５０は、前記シリンダ１０のフランジ部１２と前記台座３０とによって狭持されている。
より詳しくは、前記第１及び第２コイルスプリング４０，５０は、前記リニアモータ６０の非作動時において（即ち、台座３０が中立位置に位置する場合において）、所定の付勢力を発生し得る状態とされている。
【００１７】
より好ましくは、前記端壁部７２及び台座３０の対向面（第１コイルスプリング４０の支持面）には、前記第１コイルスプリング４０が外挿される凸部８０を設けることができる。
同様に、前記台座３０の前記シリンダ１０との対向面（第２コイルスプリング５０の支持面）には、前記第２コイルスプリング５０が外挿される凸部８１を設けることができる。なお、本実施の形態においては、第２コイルスプリング５０の軸方向他端部は、前記シリンダ１０の筒部１１に外挿されている。
斯かる構成を備えることにより、前記第１及び第２コイルスプリング４０，５０を効率的に同心上に配置させることができる。
【００１８】
ここで、本発明者は、斯かる構成のリニア圧縮機１において、前記第１及び第２コイルスプリング４０，５０の巻方向を異ならせることにより、前記台座３０に付加される横力を低減させ得るのではないかという仮説を立てた。
【００１９】
そこで、本発明者は、図２に示す実験装置を用いて実験を行った。
実験条件は下記の通りである。
即ち、第１コイルスプリング４０として、材質バネ鋼，線径７．１ｍｍ，コイル内径２０．２ｍｍ，有効巻数６．１，座巻数各１，巻き角度９゜，自然長７２．４ｍｍの右巻きコイルスプリングを用いた。
第２コイルスプリング５０としては、材質バネ鋼，線径６ｍｍ，コイル内径２５ｍｍ，有効巻数４．１，座巻数各１，巻き角度９゜，自然長６６ｍｍの右巻きコイルスプリングを用いた。
そして、該第１及び第２コイルスプリング４０，５０によって厚さ７．５ｍｍの台座３０を狭持させた。なお、前記第１及び第２コイルスプリング４０，５０は、中立状態（図２における変位ゼロの状態）において、それぞれ、所定圧縮状態（第１コイルスプリング４０の圧縮量１０．６５ｍｍ，第２コイルスプリング５０の圧縮量１０．６５ｍｍ）で前記台座３０を狭持するように設定した。
【００２０】
斯かる条件下において、前記第１及び第２コイルスプリング４０，５０の端末位置を０゜，９０゜，１８０゜，２７０゜と変位させて、各状態の台座傾きをダイヤルゲージで測定した。該測定結果を図３に示す。
なお、前記第１及び第２コイルスプリング４０，５０の端末位置とは、各コイルスプリングの対向端部における端末の周方向離間角度のことである。即ち、端末位置０゜は、第１及び第２コイルスプリングの各端末が周方向同一位置に位置していることを意味し、端末位置９０゜，１８０゜，２７０゜は、それぞれ、第１及び第２コイルスプリングの各端末がコイルスプリングの巻き上げ方向に９０゜，１８０゜，２７０゜離間していることを意味している。
【００２１】
比較実験として、第１及び第２コイルスプリングの双方に右巻きコイルスプリングを用いた実験を行った。その他の条件は、前記実験と同一とした。斯かる比較実験の結果を図３に併せて示す。
なお、巻き方向が同一のコイルスプリングにおける端末位置も、各コイルスプリングにおける端末の巻き上げ方向への離間角度を意味している。
【００２２】
図３に示すように、第１及び第２コイルスプリング４０，５０の巻き方向を異ならせた場合には、同一巻き方向とした場合に比して、該第１及び第２コイルスプリング４０，５０の全ての端末位置において、台座傾き角度が小さかった。
前記台座傾き角度は、第１及び第２コイルスプリングによって台座に付加される横力に比例すると考えられるから、前記仮説が正しいことが判明した。
【００２３】
このように、本実施の形態に係るリニア圧縮機１においては、第１及び第２コイルスプリング４０，５０の巻き方向を異ならたことにより、台座３０に付加される横力を低減させることができる。従って、ピストン２０を安定して軸方向に往復動させることができ、リニア圧縮機の機械効率を向上させることができる。
【００２４】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２に係るリニア圧縮機について、説明する。
本実施の形態に係るリニア圧縮機は、第１及び第２コイルスプリング４０，５０の巻方向を同一とした点、及び、該第１及び第２コイルスプリング４０，５０の対向端部における端末位置を特定した点、を除き、前記実施の形態１に係るリニア圧縮機と同一である。
従って、本実施の形態においては、前記実施の形態１との相異点を除き、詳細な説明を省略する。
【００２５】
前述の通り、本実施の形態に係るリニア圧縮機においては、第１及び第２コイルスプリング４０，５０は同一巻き方向とされている。
前記実施の形態１において説明した通り、第１及び第２コイルスプリング４０，５０が同一巻き方向の場合には、該第１及び第２コイルスプリングの巻き方向が異なる場合と比べると、前記台座３０に付加される横力が大きくなるが、端末位置を特定範囲に設定することにより、該台座３０に付加される横力を低減させ得るのではないかという仮説を立てた。
【００２６】
そこで、本発明者は、図１に示す形態のリニア圧縮機をモデルとして、有限要素法による「端末位置−ピストン側部荷重（横力）」の解析を行った。
図４に、該解析のモデルを示す。
なお、第１及び第２コイルスプリング４０，５０については、図２に示す実験装置を用いた実験と同一とした。
又、台座３０と第１及び第２コイルスプリング４０，５０との間の接続部は、外力によるたわみが生じない剛体はりとしている。該接続部を弾性体とすると、該接続部によって横力が吸収されてしまうからである。
又、第１及び第２コイルスプリング４０，５０、ピストン２０及び台座３０については、３次元空間での特定が必要となる為、細かい６面体のブロック集合体であるｓｏｌｉｄ体で作成した。
該解析結果を図５に示す。
【００２７】
図５に示す通り、端末位置が３０２゜（−５８゜）〜１２５゜の範囲においては、ピストンとシリンダとの摺接面への潤滑油の供給が不要となるピストン側部荷重５０Ｎ以下であった。
さらに、図５から、端末位置が０゜〜９０゜の範囲においては、端末位置に対するピストン側部荷重の増加割合が極めて低いことが分かった。
【００２８】
斯かる結果から、第１及び第２コイルスプリングが同一巻き方向の場合には、対向端部の端末位置を−５８゜〜１２５゜に設定するのが好ましく、さらには、０゜〜９０゜に設定するのがより好ましい。
なお、端末位置における「−（マイナス）」とは、各コイルスプリングの端末の巻き上げ方向とは反対方向に離間されていること（即ち、端末がオーバラップしていること）を表している。従って、端末位置３０２゜と端末位置−５８゜とは同義である。
【００２９】
さらに、第１及び第２コイルスプリング４０，５０を同一巻き方向とし、且つ、端末位置を０゜，９０゜，１８０゜，２７０゜とした場合における「たわみ量−ピストン側部荷重」の関係について、有限要素法による解析を行った。
該解析結果を図６に示す。
なお、解析条件は図５における解析と同一とした。
又、たわみ量とは、中立状態から第１コイルスプリングを圧縮させた量を意味している。
【００３０】
図６に示す通り、第１及び第２コイルスプリング４０，５０の撓み量を変化させた場合であっても、端末位置が０゜及び９０゜の場合には、１８０゜及び２７０゜の場合に比して、明らかにピストン側部荷重が小さかった。
【００３１】
なお、前記実施の形態１及び実施の形態２においては、前述の通り、第１及び第２コイルスプリング４０，５０を、単に、対応する凸部８０，８１及びシリンダ１０の筒部１１に外挿させるように構成したが、これに加えて、図７に示す構成を備えることができる。
即ち、第１及び／又は第２コイルスプリング４０，５０の座巻き面と、該座巻き面が当接する部材とを、コイルスプリングの軸線回りに配設された複数のピン９０を介して、相対回転不能に連結させることができる。
斯かる構成を備えることにより、第１及び／又は第２コイルスプリング４０，５０の軸線回りの回転を防止することができ、コイルスプリングの端末位置を設定位置に有効に保持できる。
【００３２】
さらに、コイルスプリング４０，５０が外挿される前記凸部８０，８１を、基端径が外挿されるコイルスプリングの内径よりも大きく且つ先端径が該コイルスプリングの内径よりも小さいテーパ状凸部８０’とすることができる（図７（ｂ））。
斯かるテーパ状凸部８０’を備えることにより、コイルスプリングの軸線位置のズレを有効に防止できる。
【００３３】
又、前記凸部８０，８０’に代えて、対応するコイルスプリングが内挿される凹部８１’’を備えることもできる。
より好ましくは、該凹部８１’’は、基端径が内挿されるコイルスプリングの外径よりも小さく且つ先端径が該コイルスプリングの外径よりも大きいテーパ状凹部とすることができ（図７（ｂ））、これにより、コイルスプリングの軸線位置のズレを有効に防止できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の一態様に係るリニア圧縮機によれば、台座を挟んで軸方向一方側及び他方側に配設されるコイルスプリングの巻方向を異ならせたので、該台座に付加される横力を有効に低減させることができる。
従って、ピストンを軸方向に効率的に往復動させることができ、リニア圧縮機の機械効率を向上させることができる。
【００３５】
又、本発明の他態様に係るリニア圧縮機によれば、台座を挟んで軸方向一方側及び他方側に配設されるコイルスプリングの巻方向が同一の場合には、該コイルスプリングの端末を−５８゜〜＋１２５゜の範囲内に配置させたので、該台座に付加される横力を有効に低減させ得る。
従って、ピストンを軸方向に効率的に往復動させることができ、リニア圧縮機の機械効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に係るリニア圧縮機の模式断面図である。
【図２】図２は、図１に示すリニア圧縮機を模した実験装置の模式断面図である。
【図３】図３は、図２に示す実験装置を用いて行った実験結果を示すグラフであり、端末位置と台座傾き角度との関係を示している。
【図４】図４は、図１に示すリニア圧縮機をモデルとした有限要素法の解析モデル図である。
【図５】図５は、図１に示すリニア圧縮機をモデルとした有限要素法による解析結果を示すグラフであり、端末位置とピストン側部荷重（横力）との関係を示している。
【図６】図６は、図１に示すリニア圧縮機であって、第１及び第２コイルスプリングが同一巻き方向とされたリニア圧縮機をモデルとした有限要素法による解析結果を示すグラフであり、各端末位置におけるたわみとピストン側部荷重（横力）との関係を示している。
【図７】図７（ａ）及び（ｂ）は、本発明の他の形態に係るリニア圧縮機の模式断面図である。
【符号の説明】
１　　　　　　リニア圧縮機
１０　　　　　シリンダ
１１　　　　　筒部
１１ａ　　　　中央孔
２０　　　　　ピストン
３０　　　　　台座
４０　　　　　第１コイルスプリング
５０　　　　　第２コイルスプリング
６０　　　　　リニアモータ
【図１】
2004084614.tif 000003
【図２】
2004084614.tif 000004
【図３】
2004084614.tif 000005
【図４】
2004084614.tif 000006
【図５】
2004084614.tif 000007
【図６】
2004084614.tif 000008
【図７】
2004084614.tif 000009