(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の圧縮および膨張を行うことにより冷凍を発生する冷凍機において、
折曲げ部においてその平面内から曲げ加工を行うことにより折曲げ片を形成する板バネの製作方法であって、
前記板バネの材料である平板の圧延方向に対して平行ではない方向に前記折曲げ片の前記折曲げ部を配置することを特徴とする冷凍機における板バネの製作方法。
【請求項２】
前記冷凍機は、ガス圧縮機を有し、
このガス圧縮機は、
シリンダーと、
このシリンダー内に挿入するピストンと、を有するとともに、
前記板バネが、このピストンおよび前記シリンダーのいずれか一方をその軸方向に駆動可能とすることを特徴とする請求項１記載の冷凍機における板バネの製作方法。
【請求項３】
前記冷凍機は、コールドヘッドを有し、
このコールドヘッドは、
シリンダーと、
このシリンダー内に挿入するディスプレーサーと、を有するとともに、
前記板バネが、このディスプレーサーをその軸方向に駆動可能とすることを特徴とする請求項１記載の冷凍機における板バネの製作方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷凍機における板バネの製作方法にかかるもので、とくにガス圧縮機を備えて冷凍を発生させるスターリング冷凍機その他の冷凍機における板バネの製作方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリンダーおよびピストンの相互作用により、ヘリウムガスなどの冷媒ガスを圧縮および膨張させて冷凍を作り出すスターリング冷凍機その他の冷凍機において、シリンダーおよびピストンを駆動するための駆動部に板バネを用いたものがある。たとえば、特開平５−２１５４２３号などがある。
図４にもとづき概説する。
図４は、本出願人により提案されているスターリング冷凍機１の断面図であって、スターリング冷凍機１は、ガス圧縮機２と、コールドヘッド３と、を有する。
【０００３】
ガス圧縮機２は、コールドヘッド３への冷媒の圧縮供給作用および吸収膨張作用を行ってコールドヘッド３において冷凍を発生させるためのもので、圧縮機ケース４と、中間ヘッド５と、中間ヘッド５に形成した左右一対のピストン６と、左右一対のヨーク７と、それぞれのヨーク７に取り付けた左右一対のシリンダー８と、左右二対の複数枚の円形状の板バネ９と、左右一対の円環状の永久磁石１０と、左右一対の円環状の電磁コイル１１と、を有する。
【０００４】
圧縮機ケース４は、その内部に中間ヘッド５、ピストン６、ヨーク７、シリンダー８、板バネ９、永久磁石１０および電磁コイル１１をピストン６の軸方向において対称的に収容している。
【０００５】
中間ヘッド５は、図４中、ほぼ十文字に現れるもので、上下縦方向に支持部１２を有し、そのほぼ中央横方向に左右一対のピストン６を形成しているとともに、ピストン６および支持部１２の中央部にヘリウムガスなどの冷媒のガス流路１３を形成している。
【０００６】
ピストン６は、左右一対のシリンダーヘッド１４に対向し、その外周面にシール部材１５を設けるとともに、シリンダー８、およびこのシリンダー８に一体に取り付けてあるシリンダーヘッド１４との間に圧縮膨張室１６を形成する。圧縮膨張室１６は、ガス流路１３に連通する。シリンダー８は、電磁コイル１１と一体に移動可能である。
【０００７】
ヨーク７は、磁路を形成するための、たとえば鉄製の部材であって、板バネ９の外周部分、および永久磁石１０を取り付けている。
【０００８】
シリンダー８は、その内部にピストン６を軸方向に相対的に移動可能に挿入し、固定状態のピストン６に対してシリンダー８が軸方向に往復動可能である。
なお、ガス圧縮機２の駆動タイプとしては、ピストン６を移動させるピストン駆動型、およびシリンダー８を移動させるシリンダー駆動型があるが、図示の例は、シリンダー駆動型である。
【０００９】
板バネ９は、導電性および弾性を有する金属材料からこれを構成し、その外周部分を取付けボルト１７によりヨーク７に取り付けてあるとともに、その内周部分を取り付けボルト１７によりシリンダーヘッド１４に取り付けてあって、圧縮機ケース４内において外側の複数枚の巻スリット板バネ９Ａおよび内側の一枚のリード線接続用板バネ９Ｂの形態を有する。
【００１０】
図５は、巻スリット板バネ９Ａの平面図であり、図６は、リード線接続用板バネ９Ｂの平面図および側面図である。
巻スリット板バネ９Ａは、図５に示すように、外周側取付け孔１８と、内周側取付け孔１９と、外周側から中心方向に向かう複数本の曲線状スリット２０と、中心孔２１と、を形成してある。
リード線接続用板バネ９Ｂは、図６に示すように、外周側取付け孔１８および内周側取付け孔１９と、中心孔２１と、端子側孔２２と、リード線接続片２３（折曲げ片、リップ）と、を形成している。
巻スリット板バネ９Ａおよびリード線接続用板バネ９Ｂ、とくに複数本の曲線状スリット２０を形成してある巻スリット板バネ９Ａの弾性力により、シリンダー８および電磁コイル１１を軸方向において往復動可能に支持している。
【００１１】
永久磁石１０および電磁コイル１１は、リニアモーターを構成するもので、互いに対向するようにこれを配置してあり、リード線接続用板バネ９Ｂのリード線接続片２３にハンダ付けしたリード線２４を介して、電磁コイル１１に所定周波数の交流電流を供給可能としている。
永久磁石１０および電磁コイル１１とともに、板バネ９、ピストン６およびシリンダー８により駆動部２５を構成し、ピストン６およびシリンダー８の相対運動を発生させる。
すなわち、電磁コイル１１に所定周波数の交流電流を流すことにより、および板バネ９の弾性反発力により、永久磁石１０および電磁コイル１１を相対的に軸方向に駆動することによってピストン６およびシリンダー８の相対運動を発生させ、圧縮膨張室１６内の冷媒の圧力を上下させ、ガス流路１３からガス供給管２６を介してコールドヘッド３側に冷媒の圧力変化を所定のタイミングで供給し、コールドヘッド３に冷凍を発生させる。
【００１２】
すなわち、コールドヘッド３は、シリンダー２７と、蓄冷材２８を収容したディスプレーサー２９（ピストン）と、バネ材３０と、を有し、それぞれの位相をずらせた冷媒の供給（圧縮膨張）およびディスプレーサー２９の往復動にともなって逆スターリングサイクルを実行し、冷凍を発生する。
このバネ材３０としては、コイルバネはもとより、上述と同様の板バネ９を採用することができる。
さらにコールドヘッド３は、ガス圧縮機２に設けたと同様のリニアモーターを有してもよい。
【００１３】
なおまた、図７は、板バネ９（リード線接続用板バネ９Ｂ）の他のタイプのリード線接続用板バネ３１を示す平面図であって、リード線接続用板バネ３１では、その外周側取付け孔１８および中心孔３２を形成するとともに、円周外部にリード線接続片３３（折曲げ片、リップ）を形成してある。
【００１４】
上述のような板バネ９（巻スリット板バネ９Ａ、リード線接続用板バネ９Ｂ）あるいはリード線接続用板バネ３１を製作するにあたって、圧延処理などにより製造した材料としての平板にエッチング処理によりスリット切りを行って曲線状スリット２０などを形成する方法は従来から実施されている（たとえば特許第１１９４３９７号を参照）。
【００１５】
ところで、スターリング冷凍機１のガス圧縮機２における可動部（ピストン６あるいはシリンダー８）を支える板バネ９を製作する場合には、その支持機能だけではなく、駆動力を得るためのバネ定数を大きく、かつ正確に得られるように製作する必要がある。
【００１６】
図８は、こうした板バネ９（巻スリット板バネ９Ａ、リード線接続用板バネ９Ｂ）（あるいはリード線接続用板バネ３１）を製造する際のエッチング工程における板厚方向の要部断面図であって、材料の平板の一方の面にエッチング用マスク３４をかけた上に、エッチング液３５をスプレイし、エッチングを行うことにより、たとえば曲線状スリット２０を形成する。
しかしながら、バネ定数を大きくしたい場合には、上記平板を厚くすることが一般に行われるが、板厚を上げると、エッチング処理に時間がかかるために、エッチング用マスク３４に近い側の面は不必要に多く溶けてしまうとともに、反対側の面に向かって奥の部分は十分に溶けきらないという問題がある。
【００１７】
したがって、エッチング用マスク３４をかけた側の部分が大きくえぐられ、この平板から形成する板バネ９（巻スリット板バネ９Ａ）の曲線状スリット２０の断面形状が、図８に示すように、その厚さ方向で不均一な幅を有する歪んだ断面形状の曲線状スリット２０Ａとなって、設計どおりの板バネ９を得ることができないという問題がある。
とくに、曲線状スリット２０（２０Ａ）の側面端部、すなわちマスク側端部２０Ｂおよび反対側端部２０Ｃが鋭くなってそこに応力集中が起こりやすく、駆動部２５（シリンダー８）の往復運動にともなって反復振動運動を行う板バネ９の破損を招きやすいという問題がある。
こうした諸問題は、リード線接続用板バネ９Ｂ（図６）あるいはリード線接続用板バネ３１（図７）を製作する場合にも発生する問題であるが、とくに板バネ９としての弾性反発力を得るための巻スリット板バネ９Ａにおいて曲線状スリット２０を製作する際のバネ定数の設計上問題となるものである。
【００１８】
さらにまた、エッチング処理のあとに、リード線接続片２３（図６）およびリード線接続片３３（図７）など、折曲げ加工を必要とするような部品（リード線接続用板バネ９Ｂ、リード線接続用板バネ３１）では、その折曲げ部２３Ａおよび折曲げ部３３Ａに割れが生じて、使用には耐えられないものがあるという問題がある。
このような割れの問題について検討した結果、板バネ９（リード線接続用板バネ９Ｂ、リード線接続用板バネ３１）の材料である平板の圧延方向と、リード線接続片２３（折曲げ部２３Ａ）およびリード線接続片３３（折曲げ部３３Ａ）の形成方向とに関連のあることが判明した。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような諸問題にかんがみなされたもので、とくに板バネの耐久性および機械的強度を設計どおりとし、長寿命で信頼性のある冷凍機における板バネの製作方法を提供することを課題とする。
【００２０】
また本発明は、冷凍機を長寿命とするために重要な部品である板バネの製作技術を向上させた冷凍機における板バネの製作方法を提供することを課題とする。
【００２１】
また本発明は、板バネの製作にあたりその機械的強度を所定レベルに維持可能な冷凍機における板バネの製作方法を提供することを課題とする。
【００２２】
また本発明は、リード線接続片など折曲げ部分があっても機械的強度が低下することがないようにした冷凍機における板バネの製作方法を提供することを課題とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明による冷凍機における板バネの制作方法に関連して、板バネの曲線状スリットなどをとくに厚さ方向に均一な幅を有するように形成するためには、板バネに形成する曲線状スリットのスリット幅を板厚以上にすること、および材料の平板の両側からエッチング処理することに着目し、冷媒の圧縮および膨張を行うことにより冷凍を発生する冷凍機において、その板厚方向に貫通して外周側から中心方向に複数本の曲線状スリットを形成した板バネであって、上記曲線状スリットの幅を、その板厚以上としたことを特徴とする冷凍機における板バネとすることが望ましい。
【００２４】
また同じく、板バネの曲線状スリットなどをとくに厚さ方向に均一な幅を有するように形成するためには、冷媒の圧縮および膨張を行うことにより冷凍を発生する冷凍機において、その板厚方向に貫通してエッチングにより外周側から中心方向に複数本の曲線状スリットを形成する板バネの製作方法であって、上記板バネの板厚方向におけるその両側にそれぞれエッチング用マスクを配置して、その両側からエッチングを行うようにするとともに、上記曲線状スリットの幅を、その板厚以上とすることを特徴とする冷凍機における板バネの製作方法とすることが望ましい。
【００２５】
本発明は、板バネにリード線接続片など折曲げ部分があっても機械的強度が低下することがないようにするために、板バネの材料である平板の圧延方向および上記折曲げ部分の方向に着目したもので、冷媒の圧縮および膨張を行うことにより冷凍を発生する冷凍機において、折曲げ部においてその平面内から曲げ加工を行うことにより折曲げ片を形成する板バネの製作方法であって、上記板バネの材料である平板の圧延方向に対して平行ではない方向に上記折曲げ片の上記折曲げ部を配置することを特徴とする冷凍機における板バネの製作方法である。
【００２６】
上記冷凍機は、ガス圧縮機を有し、このガス圧縮機は、シリンダーと、このシリンダー内に挿入するピストンと、を有するとともに、上記板バネが、このピストンおよび上記シリンダーのいずれか一方をその軸方向に駆動可能とすることができる。
【００２７】
上記冷凍機は、コールドヘッドを有し、このコールドヘッドは、シリンダーと、このシリンダー内に挿入するディスプレーサーと、を有するとともに、上記板バネが、このディスプレーサーをその軸方向に駆動可能とすることができる。
【００２８】
本発明による冷凍機における板バネの製作方法に関連して、曲線状スリットのスリット幅を板バネの板厚以上にするとともに、平板の両側からエッチング処理することとすれば、エッチング処理に時間がかかっても、エッチング液が板バネの厚さ方向に、より多く作用し、曲線状スリットの幅方向にはほぼ均一に作用することになるので、板バネの厚さ方向においてほぼ均一な幅の曲線状スリットを形成することが可能となる。
したがって、スターリング冷凍機などのガス圧縮機においてとくに使用枚数が多い板バネの耐久性および機械的強度を設計どおりに製作して、長寿命を実現可能である。
【００２９】
本発明による冷凍機における板バネの製作方法においては、リード線接続片の折曲げ部の方向を平板の圧延方向と平行にはしないようにしたので、その耐久性および機械的強度を向上させ、冷凍機のガス圧縮機ないしコールドヘッドに使用してもその破損を回避し、信頼性を向上させることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
つぎに本発明の実施の形態による冷凍機における板バネの製作方法を図２にもとづき説明するとともに、関連した板バネおよびその制作方法を図１および図３にもとづき参考的に説明する。ただし、図４ないし図８と同様の部分には同一符号を付し、その詳述はこれを省略する。
図１は、板バネ９（巻スリット板バネ９Ａ）において曲線状スリット２０を形成する際のエッチング処理の断面図であって、板バネ９の材料である平板の両側に同一形状のパターンを形成したエッチング用マスク３４をそれぞれ配置し、両側からエッチング液３５をスプレイして両側から同時に同一形状のパターンを形成するようにエッチングを行う。
さらに、板バネ９の厚さをＴ、曲線状スリット２０の幅をＤとしたときに、Ｔ≦Ｄとする。すなわち、スリット幅Ｔを板厚Ｄ以上にするもので、好ましくは、Ｄ／Ｔ＝１．０〜１．５程度とする。
【００３１】
こうしたエッチング処理により、設計どおりの特性を持った板バネ９を製作することができる。
すなわち、スリット幅Ｔを板厚Ｄ以上にするとともに、板バネ９の両側からエッチング処理をするので、曲線状スリット２０は板バネ９の厚さ中心線に対して対象に形成されることになるとともに、曲線状スリット２０の幅方向においても比較的均一なエッチング作用を行うことができ、図８に示したような、応力集中の発生しやすい歪んだ断面形状の曲線状スリット２０Ａとなることはない。
【００３２】
図２は、本発明による冷凍機における板バネの制作方法を説明するもので、曲げ加工を行う必要があるリード線接続用板バネ９Ｂ（図６）あるいはリード線接続用板バネ３１（図７）などを製作するための平面図であって、材料の平板３６の圧延方向に沿ってリード線接続片２３あるいはリード線接続片３３を突出形成する。
すなわち、リード線接続片２３の折曲げ部２３Ａおよびリード線接続片３３の折曲げ部３３Ａは圧延方向とは平行にせず、好ましくは垂直方向とする。
【００３３】
こうした折曲げ加工により、リード線接続片２３およびリード線接続片３３の機械的強度を所定レベルに維持したリード線接続用板バネ９Ｂおよびリード線接続用板バネ３１を製作することができる。
すなわち、圧延方向と圧延方向に垂直な方向とでは、それぞれの機械的強度が異なることに注意してリード線接続片２３およびリード線接続片３３を折曲げ加工することにより機械的強度を所定レベルに維持することができる。
【００３４】
図３は、厚さＴ＝０．７ｍｍ、幅Ｄ＝１．２ｍｍとして板バネ９を形成した場合の、変位量に対する荷重の関係を示すグラフであって、荷重解析による値と、実際の製作品の測定平均値とがほぼ同じカーブを描き、設計どおりの板バネ９を製作することができたことがわかる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、板バネの材料である平板の圧延方向と平行な折曲げ部ではリード線接続片を折曲げ加工しないようにすることにより、機械的強度を所定レベルに維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】    本発明による冷凍機における板バネの制作方法に関連した板バネ９（巻スリット板バネ９Ａ）において曲線状スリット２０を形成する際のエッチング処理の断面図である。
【図２】    本発明の実施の形態による冷凍機における板バネの製作方法を説明するもので、曲げ加工を行う必要があるリード線接続用板バネ９Ｂ（図６）あるいはリード線接続用板バネ３１（図７）などを製作するための平面図である。
【図３】    本発明に関連して、厚さＴ＝０．７ｍｍ、幅Ｄ＝１．２ｍｍとして板バネ９を形成した場合の、変位量に対する荷重の関係を示すグラフである。
【図４】    本出願人により提案されているスターリング冷凍機１の断面図である。
【図５】    同、巻スリット板バネ９Ａの平面図である。
【図６】    同、リード線接続用板バネ９Ｂの平面図および側面図である。
【図７】    同、板バネ９（リード線接続用板バネ９Ｂ）の他のタイプのリード線接続用板バネ３１を示す平面図である。
【図８】    同、板バネ９（巻スリット板バネ９Ａ、リード線接続用板バネ９Ｂ）（あるいはリード線接続用板バネ３１）を製造する際のエッチング工程における板厚方向の要部断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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