(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石、磁気回路部材および電磁コイルを有するリニアモーターと、
このリニアモーターにより、そのいずれか一方を駆動するシリンダーおよびピストンと、
このリニアモーターと共振系を構成する板バネと、を有する駆動部を組み立てて、所定のケース内に収容し、
この駆動部を往復運動させて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の組立て方法であって、
前記ケースを組み付ける中間ヘッダーを設け、
前記シリンダーおよび前記ピストンのいずれか他方をこの中間ヘッダーに組み付けて、ヘッダーユニットとし、
前記リニアモーターと、
前記シリンダーおよび前記ピストンのいずれか一方と、を前記板バネに組み付けて可動部ユニットとするとともに、
前記リニアモーターの端部に取り付け可能な円板部と、
前記シリンダーおよび前記ピストンのいずれか一方と係合可能なロッド部と、を有する治具を準備し、
このロッド部に前記シリンダーおよび前記ピストンのいずれか一方を係合させた状態で前記可動部ユニットを組み立て、
前記シリンダーおよび前記ピストンが相対的に往復摺動運動可能なように、前記可動部ユニットを前記ヘッダーユニットに着脱可能に組み付けるようにすることを特徴とする冷凍機の組立て方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷凍機およびその組立て方法にかかるもので、とくにガス圧縮機を備えてコールドヘッドに冷凍を発生させるスターリング冷凍機やパルス管冷凍機その他の冷凍機およびその組立て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やパルス管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。
【０００３】
こうしたスターリング冷凍機などにおいては、永久磁石、磁気回路部材および電磁コイルから構成したリニアモーターと、このリニアモーターによりいずれか一方を駆動するシリンダーおよびピストンと、リニアモーターと共振系を構成する板バネと、などからなる駆動部を組み付け、所定の圧力容器その他のケース内に収容している。
しかしながら、上記駆動部を組み立てるにあたり、各部材を基盤となる、たとえば中間ヘッダーなどに順次、直列的に組み付けていくと、組立て作業の分散化あるいは並列化が困難となって、作業効率を向上させることができないという問題がある。
【０００４】
さらに冷凍機においては、シリンダーとピストンとの間のシール構造ないしシール部材のメンテナンスが重要であり、とくにシール部材を設けたピストンあるいはシリンダーを交換するメンテナンス時においても、すべての部材を分解する必要があり、作業量も組立て時と同じだけ必要になり、メンテナンス開始時の分解作業も含めれば、初期の組立て時よりも作業量は当然増加するという問題がある。
【０００５】
【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、組立て工程の簡略化を可能として、組立てコストの低減を図った冷凍機およびその組立て方法を提供することを課題とする。
【０００６】
また本発明は、初期組立て時の作業の分散化ないし並列化を可能とした冷凍機およびその組立て方法を提供することを課題とする。
【０００７】
また本発明は、メンテナンス時の不必要な分解作業を回避可能とした冷凍機およびその組立て方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、板バネ、駆動部における可動部（シリンダーあるいはピストン）、およびリニアモーターにおける可動部（電磁コイル）をユニット化して可動部ユニットとすること、すなわち、板バネを介して可動部をリニアモーターに取り付けること、駆動部における固定部（ピストンあるいはシリンダー）を中間ヘッダーに取り付けてヘッダーユニットとすること、および可動部ユニットをヘッダーユニットに組み付けることに着目したもので、第一の発明は、永久磁石、磁気回路部材および電磁コイルを有するリニアモーターと、このリニアモーターにより、そのいずれか一方を駆動するシリンダーおよびピストンと、このリニアモーターと共振系を構成する板バネと、を有する駆動部を組み立てて、所定のケース内に収容し、この駆動部を往復運動させて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であって、上記ケースを組み付ける中間ヘッダーを設け、上記シリンダーおよび上記ピストンのいずれか他方をこの中間ヘッダーに組み付けてヘッダーユニットとし、上記リニアモーターと、上記シリンダーおよび上記ピストンのいずれか一方と、を上記板バネに組み付けて可動部ユニットとするとともに、上記シリンダーおよび上記ピストンが相対的に往復摺動運動可能なように、この可動部ユニットを上記ヘッダーユニットに着脱可能に組み付けたことを特徴とする冷凍機である。
【０００９】
上記リニアモーターを上記ケースの外周側に位置させるとともに、上記シリンダーおよび上記ピストンを上記ケースの内周側に位置させることができる。
【００１０】
上記板バネは、互いに対向する一対の板バネとするとともに、上記リニアモーター、上記シリンダーおよび上記ピストンをこの一対の板バネの間に位置させることができる。
【００１１】
第二の発明は、永久磁石、磁気回路部材および電磁コイルを有するリニアモーターと、このリニアモーターにより、そのいずれか一方を駆動するシリンダーおよびピストンと、このリニアモーターと共振系を構成する板バネと、を有する駆動部を組み立てて、所定のケース内に収容し、この駆動部を往復運動させて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の組立て方法であって、上記ケースを組み付ける中間ヘッダーを設け、上記シリンダーおよび上記ピストンのいずれか他方をこの中間ヘッダーに組み付けて、ヘッダーユニットとし、上記リニアモーターと、上記シリンダーおよび上記ピストンのいずれか一方と、を上記板バネに組み付けて可動部ユニットとするとともに、上記シリンダーおよび上記ピストンが相対的に往復摺動運動可能なように、この可動部ユニットを上記ヘッダーユニットに着脱可能に組み付けるようにすることを特徴とする冷凍機の組立て方法である。
【００１２】
上記リニアモーターの端部に取り付け可能な円板部と、上記シリンダーおよび上記ピストンのいずれか一方と係合可能なロッド部と、を有する治具を準備し、このロッド部に上記シリンダーおよび上記ピストンのいずれか一方を係合させた状態で上記可動部ユニットを組み立てることができる。
【００１３】
本発明による冷凍機およびその組立て方法においては、たとえばピストンを中間ヘッダーに組み付けてヘッダーユニットとし、リニアモーターと、たとえばシリンダーとを板バネに組み付けて可動部ユニットとするとともに、シリンダーおよびピストンが相対的に往復摺動運動可能なように、この可動部ユニットをヘッダーユニットに着脱可能に組み付けたので、冷凍機の駆動部をヘッダーユニットおよび可動部ユニットに二分割して、互いに独立に組み立て可能とすることができ、組立て作業の分散化および並列化が可能で、組立て作業の簡略化および低コスト化を実現することができる。
【００１４】
さらに、冷凍機のメンテナンスにおいて頻度の高いシリンダーおよびピストン間のシール部分の交換時などに、全体の部品をすべて分解する必要なく、必要な部分（可動部ユニットおよびヘッダーユニット）のみの分解を行えばよいもので、シリンダーあるいはピストンの交換やシール部材の処理も簡単であるとともに、その組立て時においても固定部品（ヘッダーユニット）と可動部品（可動部ユニット）との位置決め作業を行う必要はないとともに、メンテナンスの作業性も良好である。
【００１５】
【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およびその組立て方法をスターリング冷凍機を例に取って図１ないし図４にもとづき説明する。
図１は、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。
【００１６】
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、圧力容器からなる圧縮機ケース４（ケース）と、図１中ほぼ十文字状に現れる固定部分としての中央のヘッダーユニット５と、このヘッダーユニット５に組み付けている可動部分としての左右一対の可動部ユニット６と、を有する。
【００１７】
図２は、ヘッダーユニット５の断面図、図３は、図１の右側に位置する可動部ユニット６の断面図である。
ヘッダーユニット５は、図２中縦方向に現れる中間ヘッダー７と、中間ヘッダー７に取り付けた横方向の左右一対のピストン８と、を有する。
左右一対の可動部ユニット６はそれぞれ、ヨーク９および磁性部材１０からなる磁気回路部材１１と、左右一対の複数枚の円形状の板バネ１２と、磁気回路部材１１、円環状の永久磁石１３および円環状の電磁コイル１４からなるリニアモーター１５と、電磁コイル１４のボビン部材１６と、ボビン部材１６に取り付けたシリンダー１７と、シリンダーヘッド１８と、を有する。
【００１８】
圧縮機ケース４は、その内部にヘッダーユニット５および可動部ユニット６をピストン８の軸方向において対称的に収容している。
【００１９】
ヘッダーユニット５は、図２に示すように、ほぼ十文字に現れるもので、中間ヘッダー７が上下縦方向に支持部１９を有し、そのほぼ中央横方向に左右一対のピストン８を取付けボルト２０により取り付けているとともに、ピストン８および支持部１９の中央部にヘリウムガスなどの冷媒のガス流路２１を形成している。
【００２０】
ピストン８は、シリンダーヘッド１８に対向しており、その外周面にシール部材２２を設けるとともに、シリンダー１７、およびこのシリンダー１７に一体に取り付けてあるシリンダーヘッド１８との間に圧縮膨張室２３を形成する。圧縮膨張室２３は、ガス流路２１に連通する。シリンダー１７は、ボビン部材１６とともに電磁コイル１４と一体に移動可能である。
【００２１】
ヨーク９および磁性部材１０は、リニアモーター１５における磁路を形成するための、たとえば鉄製の部材であって、ヨーク９が板バネ１２の外周部分および永久磁石１３を取り付けているとともに、磁性部材１０は永久磁石１３との間に電磁コイル１４を位置させている。
【００２２】
シリンダー１７は、その内部にピストン８を軸方向に相対的に移動可能（往復摺動運動可能）に挿入し、固定状態のピストン８に対してシリンダー１７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８を移動させるピストン駆動型、およびシリンダー１７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。
【００２３】
板バネ１２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２４によりヨーク９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２４によりシリンダーヘッド１８に取り付けてあって、板バネの積層部において内側の複数枚の巻スリット板バネ１２Ａおよび外側の一枚のリード線接続用板バネ１２Ｂの形態を有する。
巻スリット板バネ１２Ａおよびリード線接続用板バネ１２Ｂ、とくに、外周側から中心方向に向かう複数本の複数本の曲線状スリット（図示せず）を形成してある巻スリット板バネ１２Ａの弾性力により、シリンダー１７および電磁コイル１４を軸方向において往復動可能に支持している。
【００２４】
リニアモーター１５は、磁気回路部材１１、永久磁石１３および電磁コイル１４からこれを構成するもので、互いに対向するように永久磁石１３および電磁コイル１４を配置してあり、リード線接続用板バネ１２Ｂのリード線接続片２５にハンダ付けしたリード線２６を介して、電磁コイル１４に所定周波数の交流電流を供給可能としている。
リニアモーター１５とともに、板バネ１２、ピストン８、およびシリンダー１７により駆動部２７を構成し、ピストン８およびシリンダー１７の相対運動を発生させる。
すなわち、電磁コイル１４に所定周波数の交流電流を流すことにより、およびリニアモーター１５と共振系を形成している板バネ１２の弾性反発力により、永久磁石１３および電磁コイル１４を相対的に軸方向に駆動することによってピストン８およびシリンダー１７の相対運動を発生させ、圧縮膨張室２３内の冷媒の圧力を上下させ、ガス流路２１からガス供給管２８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。
【００２５】
すなわち、コールドヘッド３は、シリンダー２９と、蓄冷材３０を収容したディスプレーサー３１（ピストン）と、バネ材３２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３１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３２としては、コイルバネはもとより、上述と同様の板バネ１２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１５を有してもよい。
【００２６】
図４は、上述のような可動部ユニット６を組み付けるための治具３３、および可動部ユニット６を示す断面図であって、治具３３は、可動部ユニット６とくにヨーク９の直径と同等の直径を有する円板部３４と、円板部３４の中心軸部に垂直に溶接したピストン用ロッド部３５（ロッド部）と、を有する。
円板部３４は、可動部ユニット６（磁気回路部材１１）におけるヨーク９の円周部を治具ボルト３６により固定可能である。
ピストン用ロッド部３５は、ヘッダーユニット５（図２）におけるピストン８の代わりにシリンダー１７内に挿通し、シリンダー１７の位置決めを行う。
【００２７】
可動部ユニット６を組み立てるには、図４に示すように、まずヨーク９に磁性部材１０、永久磁石１３、図４中左側（円板部３４に近い側）の板バネ１２の外周側を組み付けるとともに、電磁コイル１４を取り付けたボビン部材１６を板バネ１２の内周側に組み付けた状態で、ヨーク９を円板部３４に治具ボルト３６を用いて仮止めする。
【００２８】
つぎに、ピストン用ロッド部３５にシリンダー１７を挿通させ、これを位置決めし、ボビン部材１６を介して板バネ１２の内周側に固定し、さらに、シリンダーヘッド１８および図４中右側の板バネ１２内周側を取付けボルト２４を用いて固定するとともに、当該板バネ１２の外周側を他の取付けボルト２４を用いてヨーク９に固定する。
最後に、治具ボルト３６を外して治具３３を取り除けば、図３に示したような可動部ユニット６を製作可能である。
【００２９】
こうした構成のスターリング冷凍機１において、図２に示したように、ヘッダーユニット５を組み立てるとともに、一方図４に示したように、可動部ユニット６を別途組み立てておき、ヘッダーユニット５の両側のピストン８に可動部ユニット６のシリンダー１７を挿通するようにヘッダーユニット５および可動部ユニット６を一体に組み合わせるとともに、治具ボルト３６の代わりに固定ボルト３７（図１）を締め付けて組み立てればよい。
かくして、磁気回路部分を可動部ユニット６としてユニット化し、ヘッダーユニット５および可動部ユニット６を同時並行で独立に組み立てることができ、冷凍機１におけるガス圧縮機２の組立て作業性を向上させることができる。
【００３０】
さらに、メンテナンス時において、ピストン８などを交換する際には、ヘッダーユニット５および可動部ユニット６を分解するだけで、ピストン８を外部に露出することができ、ヘッダーユニット５の支持部１９からピストン８を分離し、交換作業を行うことができるので、可動部ユニット６自体は、これをヘッダーユニット５から分離するだけで、分解する必要はなく、必要最小限の分解および再組立て作業ですむものである。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、たとえばガス圧縮機などにおいて、その構成部品をヘッダーユニットおよび可動部ユニットというようにユニット化することにより、スターリング冷凍機その他冷凍機の全体の組立て作業を簡略化し、コストの低減にも寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるスターリング冷凍機１の断面図である。
【図２】同、ヘッダーユニット５の断面図である。
【図３】同、図１の右側に位置する可動部ユニット６の断面図である。
【図４】同、可動部ユニット６を組み付けるための治具３３、および可動部ユニット６を示す断面図である。
【符号の説明】
１  スターリング冷凍機（冷凍機、図１）
２  ガス圧縮機
３  コールドヘッド
４  圧縮機ケース（圧力容器、ケース）
５  ヘッダーユニット（図２）
６  可動部ユニット（図３）
７  中間ヘッダー
８  ピストン
９  ヨーク
１０  磁性部材
１１  磁気回路部材（ヨーク９、磁性部材１０）
１２  板バネ
１２Ａ  巻スリット板バネ（板バネ）
１２Ｂ  リード線接続用板バネ（板バネ）
１３  円環状の永久磁石
１４  電磁コイル
１５  リニアモーター（磁気回路部材１１、永久磁石１３、電磁コイル１４）
１６  ボビン部材
１７  シリンダー
１８  シリンダーヘッド
１９  支持部（図２）
２０  取付けボルト
２１  冷媒のガス流路
２２  シール部材
２３  圧縮膨張室
２４  取付けボルト
２５  リード線接続片
２６  リード線
２７  駆動部（ピストン８、板バネ１２、リニアモーター１５、シリンダー１７）
２８  ガス供給管
２９  シリンダー
３０  蓄冷材
３１  ディスプレーサー（ピストン）
３２  バネ材
３３  可動部ユニット６を組み付けるための治具（図４）
３４  治具３３の円板部
３５  治具３３のピストン用ロッド部（ロッド部）
３６  治具ボルト（図４）
３７  固定ボルト（図１）
【図１】
0003735771.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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