JP6403529B2

JP6403529B2 - 可動体支持構造、リニア圧縮機、及び極低温冷凍機

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Publication number: JP6403529B2
Application number: JP2014206157A
Authority: JP
Inventors: 善勝平塚; 中野　恭介; 恭介中野; 健太湯本
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2018-10-10
Anticipated expiration: 2034-10-07
Also published as: JP2016075217A; CN105485229B; CN105485229A; US20160097387A1

Description

本発明は、可動体支持構造、リニア圧縮機、及び極低温冷凍機に関する。

ピストンなどの可動体の軸方向移動によって作動ガスを圧縮するリニア圧縮機が知られている。可動体の移動により圧力室の容積が縮小され、内部の作動ガスが圧縮される。可動体は、板バネやコイルバネなどのバネを用いて弾性的に支持されている。可動体の移動はふつう、軸方向の振動である。

特開２００８−２１５４４０号公報特開２０１３−１９５０４３号公報

リニア圧縮機においては、可動体の軸方向往復運動が圧力室の容積変化のサイクルを与える。往復運動の可動域は所望の圧縮機性能（例えば効率）が満たされるように設計上定められる。ところが、リニア圧縮機の設計または運転条件によっては、可動体に作用する圧力差のために可動体が変位されうる。その結果、可動体は規定の軸方向可動域から軸方向にいくらか異なる範囲を往復運動しうる。そうすると圧力室の容積も変わるので、リニア圧縮機の効率に影響が生じうる。

また、可動体の往復運動の中心は設計上、ある特定の位置、例えば板バネの中立位置に定められる。上述のように可動体の軸方向可動域が規定の範囲からずれると、運動の中心も規定の位置から外れることになる。運動の中心がバネの中立位置から離れるほどバネに作用する負荷が高まり、バネの耐用寿命が短縮されうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、リニア圧縮機において所定の軸方向可動域にて可動体を往復運動させることができる可動体支持構造を提供することにある。

本発明のある態様によると、リニア圧縮機における可動体支持構造であって、圧縮機容器の内部において作動ガスの高圧室と低圧室とを仕切る可動体であって、所定の軸方向可動域にて一方向移動及び逆方向移動を周期的に繰り返す軸方向往復運動における前記一方向移動により前記高圧室の作動ガスを圧縮する可動体と、軸方向に配列される複数の板バネ部であって、各板バネ部が前記可動体の軸方向往復運動を可能とするように前記可動体を前記圧縮機容器に弾性的に支持する複数の板バネ部と、軸方向に配列される複数の第１補助バネ部であって、各第１補助バネ部が第１軸方向剛性を有し、かつ各第１補助バネ部が前記複数の板バネ部のうち対応する板バネ部の一方向側に隣接して配置される複数の第１補助バネ部と、軸方向に配列される複数の第２補助バネ部であって、各第２補助バネ部が第２軸方向剛性を有し、かつ各第２補助バネ部が前記対応する板バネ部の逆方向側に隣接して配置される複数の第２補助バネ部と、を備え、前記第２軸方向剛性は、前記可動体に作用する前記高圧室と前記低圧室との圧力差により生じる前記所定の軸方向可動域からの前記可動体の実際の軸方向可動域のずれを補正するように、前記第１軸方向剛性と異なることを特徴とする可動体支持構造が提供される。

本発明のある態様によると、リニア圧縮機における可動体支持構造であって、圧縮機容器の内部において作動ガスの高圧室と低圧室とを仕切る可動体であって、一方向移動及び逆方向移動を周期的に繰り返す軸方向往復運動における前記一方向移動により前記高圧室の作動ガスを圧縮する可動体と、前記可動体を軸方向に摺動可能に支持し、前記可動体との間に前記高圧室を形成する固定体と、前記高圧室に前記低圧室から作動ガスを供給するために前記可動体に設けられている吸気弁と、前記高圧室から作動ガスを吐出するために前記固定体に設けられている吐出弁と、軸方向に配列される複数の板バネ部であって、各板バネ部が前記可動体の軸方向往復運動を可能とするように前記可動体を前記圧縮機容器に弾性的に支持する複数の板バネ部と、軸方向に配列される複数の第１補助バネ部であって、各第１補助バネ部が第１軸方向剛性を有し、かつ各第１補助バネ部が前記複数の板バネ部のうち対応する板バネ部の一方向側に隣接して配置される複数の第１補助バネ部と、軸方向に配列される複数の第２補助バネ部であって、各第２補助バネ部が前記第１軸方向剛性より大きい第２軸方向剛性を有し、かつ各第２補助バネ部が前記対応する板バネ部の逆方向側に隣接して配置される複数の第２補助バネ部と、を備えることを特徴とする可動体支持構造が提供される。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、リニア圧縮機において所定の軸方向可動域にて可動体を往復運動させることができる可動体支持構造を提供することができる。

本発明のある実施形態に係るリニア圧縮機を概略的に示す断面図である。図１に示す一点鎖線Ａから見た断面を示す。本発明のある実施形態に係る板バネユニットの一部を示す模式図である。本発明のある実施形態に係る極低温冷凍機を示す模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本発明のある実施形態に係るリニア圧縮機１０を概略的に示す断面図である。図２は、図１に示す一点鎖線Ａから見た断面を示す。リニア圧縮機１０は、圧縮機筐体１２、圧縮機容器１４、ピストン１６、シリンダ１８、リニアアクチュエータ２０、及び、板バネユニット２２を備える。リニア圧縮機１０には、単一のピストン１６とこれを受け入れる単一のシリンダ１８とが設けられている。リニア圧縮機１０は、可動要素の潤滑にオイルを使用しない無潤滑リニア圧縮機（オイルレスリニア圧縮機ともいう）として構成されている。

圧縮機筐体１２は、圧縮機容器１４を収容する。圧縮機筐体１２と圧縮機容器１４との間には、圧縮機容器１４の振動の外部への伝達を防止または軽減するための動吸振器２４が設けられている。圧縮機筐体１２は、動吸振器２４を覆うカバー部材であってもよい。

圧縮機容器１４は、リニア圧縮機１０の作動ガスを気密に保持するよう構成されている圧力容器である。作動ガスは例えばヘリウムガスである。圧縮機容器１４は、ピストン１６、シリンダ１８、板バネユニット２２、及び、リニアアクチュエータ２０を収容する。

圧縮機容器１４はその内部に作動ガスの高圧室２６及び低圧室２８を有する。高圧室２６には吐出管３０が接続され、低圧室２８には吸入管３２が接続されている。吐出管３０は、圧縮機筐体１２及び圧縮機容器１４を貫通して高圧室２６をリニア圧縮機１０の外部に接続する。吸入管３２は、圧縮機筐体１２及び圧縮機容器１４を貫通して低圧室２８をリニア圧縮機１０の外部に接続する。従って、低圧作動ガス３４がリニア圧縮機１０の外部から吸入管３２を通じて低圧室２８に回収される。また、高圧作動ガス３６が高圧室２６から吐出管３０を通じてリニア圧縮機１０の外部に供給される。

なお、圧縮機容器１４とともに、または圧縮機容器１４に代えて、圧縮機筐体１２がリニア圧縮機１０の作動ガスを気密に保持する圧力容器として構成されていてもよい。

ピストン１６は、圧縮機容器１４の内部において高圧室２６と低圧室２８とを仕切る可動体である。高圧室２６は、加圧室３８及び吐出室４０を含む。加圧室３８は、ピストン１６とシリンダ１８との間に形成される。吐出室４０はシリンダ１８内に形成されている。吐出管３０は吐出室４０に接続されている。

ピストン１６には、低圧室２８から高圧室２６に低圧作動ガス３４を供給するための吸気弁４２が設けられている。吸気弁４２は、高圧室２６と低圧室２８との圧力差によって開閉される。当該圧力差が所定のしきい値を下回るとき吸気弁４２は開かれ、当該しきい値を超えるとき閉まる。シリンダ１８には、吐出室４０から高圧作動ガス３６を吐出するための吐出弁４４が設けられている。吐出弁４４は、高圧室２６と吐出管３０との圧力差によって開閉される。当該圧力差が所定のしきい値を超えるとき吐出弁４４は開かれ、当該しきい値を下回るとき閉まる。このように、リニア圧縮機１０は、弁付きリニア圧縮機として構成されている。

ピストン１６は、軸方向（図１において上下方向）に延在する中空の円筒部材である。ピストン１６は、加圧室３８に面するピストン先端部４６と、軸方向に加圧室３８と反対側に向けてピストン先端部４６から延在するピストン本体部４８と、を備える。ピストン先端部４６には第１ピストン凹部５０が形成され、ピストン本体部４８には第２ピストン凹部５２が形成されている。第１ピストン凹部５０はピストン先端部４６の中空部分であり加圧室３８の一部を形成する。第２ピストン凹部５２はピストン本体部４８の中空部分であり低圧室２８の一部を形成する。

ピストン先端部４６とピストン本体部４８との間にはピストン仕切部５４が設けられている。ピストン仕切部５４は、第１ピストン凹部５０と第２ピストン凹部５２とを仕切る壁である。ピストン仕切部５４の中心にはピストン連通孔５６が形成されている。ピストン連通孔５６は、第１ピストン凹部５０と第２ピストン凹部５２とを連通する。吸気弁４２は、第１ピストン凹部５０に収容されている。吸気弁４２は、第１ピストン凹部５０と第２ピストン凹部５２との圧力差によってピストン連通孔５６を開閉するよう構成されている。

ピストン１６は、板バネユニット２２によって軸方向に往復運動可能（例えば振動可能）に圧縮機容器１４に支持されている。板バネユニット２２の径方向内側部分は、ピストン１６を周方向に囲むようにピストン本体部４８の基端部に取り付けられている。板バネユニット２２の径方向外側部分は、圧縮機容器１４に取り付けられている。

また、ピストン１６は、リニアアクチュエータ２０によって駆動されるピストン駆動部４９を備える。ピストン駆動部４９はピストン本体部４８に取り付けられている。

シリンダ１８は、ピストン１６を受け入れるよう軸方向に延在する中空の円筒部材である。シリンダ１８は、圧縮機容器１４に固定的に支持されている。シリンダ１８は、圧縮機容器１４に固定されるシリンダ固定端部５８と、シリンダ固定端部５８からピストン１６に向けて軸方向に延在するシリンダ本体部６０と、を備える。シリンダ固定端部５８内に吐出室４０が形成されている。シリンダ本体部６０は、ピストン１６を軸方向に摺動可能に支持するシリンダ内面６２を有する。シリンダ固定端部５８とシリンダ本体部６０との間にはシリンダ仕切部６４が設けられている。シリンダ仕切部６４の中心にはシリンダ連通孔６６が形成されている。シリンダ連通孔６６は、吐出室４０と加圧室３８とを連通する。

リニアアクチュエータ２０は、ピストン１６の軸方向往復運動を駆動するよう構成されている。リニアアクチュエータ２０の駆動により、ピストン１６は軸方向の前進及び後退を周期的に繰り返す。ピストン１６の前進は図１において上向きであり、ピストン１６の後退は図１において下向きである。リニアアクチュエータ２０は、例えば、ピストン１６を軸方向に振動させるリニア振動アクチュエータである。

板バネユニット２２は、ピストン１６の軸方向往復運動を許容し、ピストン１６の径方向及び周方向への移動を規制する軸受である。板バネユニット２２は、複数の板バネ部２３を備える。また、詳しくは図２及び図３を参照して後述するが、板バネユニット２２は、複数の板バネ部２３に加えて、複数の第１補助バネ部６８及び複数の第２補助バネ部７０を備える。

複数の板バネ部２３は、軸方向に直列に配列されており、例えば少なくとも１０枚の板バネ部２３を含む。複数の板バネ部２３は、各板バネ部２３がピストン１６の軸方向往復運動を可能とするようにピストン１６を圧縮機容器１４に弾性的に支持する。各板バネ部２３は、軸方向に垂直な平面に沿って延在する。複数の板バネ部２３は各々が例えば１枚の板バネであるが、それに限られない。各板バネ部２３が軸方向に重ねて配置される複数の板バネを備えてもよい。

複数の板バネ部２３は、軸方向に間隔を空けて互いに隣接して配置されている。各板バネ部２３は、互いに接触しない程度に軸方向に間隔を空けて配列されている。例えば、軸方向に隣接する２つの板バネ部２３の間隔は、ピストン１６の往復移動による弾性変形によってそれら２つの板バネ部２３が互いに接触しないように定められている。適正な間隔を保持するために、２つの板バネ部２３の間にスペーサまたは押さえ部材が設けられていてもよい。

図２に示されるように、板バネ部２３は、板バネ内周部７２と、板バネ内周部７２を囲む板バネ外周部７４と、板バネ内周部７２と板バネ外周部７４とを連結する複数（図２において３本）の弾性アーム７６と、を備える。板バネ内周部７２は、ピストン１６（例えばピストン本体部４８）に固定される。板バネ外周部７４は、圧縮機容器１４に固定される。弾性アーム７６の弾性変形によって、板バネ内周部７２と板バネ外周部７４との軸方向相対変位、すなわち圧縮機容器１４に対するピストン１６の軸方向相対変位が許容される。

こうした板バネ部２３はフレクシャバネとも呼ばれ、ピストン１６の往復移動方向に柔軟であり、往復移動方向に垂直な方向に剛である。このような板バネは、例えば特開２００８−２１５４４０号公報及び特開２０１３−１９５０４３号公報に開示されている。これらの文献を参照によりその全体を本願明細書に援用する。

このようにして、質量要素としてピストン１６を有し、弾性要素として板バネユニット２２を有する軸方向の振動系が構築されている。この振動系は、例えば板バネユニット２２の各板バネ部２３の軸方向剛性を適切に設定することによって、所望の共振周波数が与えられるよう設計される。振動系は、リニアアクチュエータ２０によって駆動される。

ピストン１６の設計上の軸方向可動域は、高圧室２６（例えば加圧室３８）に所望の容積変化のサイクルを与えるよう定められる。ピストン１６の軸方向可動域は、例えば、ピストン１６が前進するとき上死点においてピストン１６（例えばピストン先端部４６）がシリンダ１８の対向部分（例えばシリンダ仕切部６４）に当接し又は接触し、ピストン１６が後退するとき下死点においてピストン１６の先端面がシリンダ１８の対向部分との間に所定の距離だけ隔てられるよう定められてもよい。あるいは、軸方向可動域は、ピストン１６の先端面が上死点においてシリンダ１８の対向部分に接触せずにある距離離れるよう定められてもよい。

また、ピストン１６の軸方向可動域は、ピストン１６の往復運動による板バネ部２３の周期的な軸方向弾性変形の中心位置が板バネ部２３の中立位置に一致するよう定められてもよい。

ここで、リニア圧縮機１０の基本的な動作を説明する。上述のように低圧作動ガス３４がリニア圧縮機１０の外部から吸入管３２を通じて低圧室２８に回収される。ピストン１６が下死点またはその近傍を移動しているとき、吸気弁４２は開放され吐出弁４４は閉鎖されている。低圧作動ガス３４は第２ピストン凹部５２からピストン連通孔５６を通じて加圧室３８に供給される。ピストン１６が下死点から上死点へと前進するとき吸気弁４２は閉鎖され、加圧室３８及び吐出室４０の作動ガスは圧縮され昇圧される。

ピストン１６が上死点またはその近傍を移動しているとき吐出弁４４が開放され、高圧作動ガス３６が吐出室４０から吐出管３０を通じてリニア圧縮機１０の外部に供給される。ピストン１６が上死点から下死点へと後退するとき吐出弁４４は閉鎖され、加圧室３８及び吐出室４０の作動ガスは膨張され減圧される。ピストン１６が下死点またはその近傍まで戻ったとき吸気弁４２は開放され、低圧作動ガス３４が再び加圧室３８に供給される。こうしてリニア圧縮機１０における圧縮サイクルが繰り返される。

理想的にはピストン１６は圧縮サイクルにおいて設計上の軸方向可動域を振動する。振動中心は板バネ部２３の中立位置に一致する。ところが、本発明者らは、こうした弁付きリニア圧縮機においてピストン１６は、圧縮サイクルの間にピストン１６に作用する圧力差によって、高圧室２６からいくらか押された状態で振動しうることを見出した。そのため、ピストン１６の実際の軸方向可動域が設計上の軸方向可動域から低圧室２８側にいくらかずれうる。そうすると、圧縮サイクル全体を通じて加圧室３８の容積が大きくなり、とりわけピストン１６が上死点に位置するときの加圧室３８の容積が大きくなるので、リニア圧縮機１０の効率が低下しうる。また、振動中心が板バネ部２３の中立位置から離れるほど、上死点または下死点において板バネ部２３に作用する負荷が高まりうる。高い負荷が継続的に作用すると、板バネ部２３の耐用寿命が短縮されうる。そこで、このような課題に対処する手法について以下に詳述する。

典型的な板バネ式支持においては軸方向剛性が往復の両方向で等しいよう対称的に構成される。これに対し、本実施形態に係る板バネユニット２２は、その軸方向剛性が非対称的に構成される。すなわち、板バネユニット２２は、軸方向剛性が往復運動の一方向と逆方向とで異なるよう設計される。そのために、例えば、板バネユニット２２の第２補助バネ部７０は、第１補助バネ部６８と異なる軸方向剛性を有する。それにより、ピストン１６に作用する高圧室２６と低圧室２８との圧力差により生じる設計上の軸方向可動域からのピストン１６の実際の軸方向可動域のずれが補正される。

具体的には、板バネユニット２２は、高圧室２６への前進方向における軸方向剛性に比べて、低圧室２８への後退方向における軸方向剛性が大きくなるよう構成される。そのために、例えば、板バネユニット２２の第２補助バネ部７０の軸方向剛性は、第１補助バネ部６８の軸方向剛性より大きい。したがって、板バネユニット２２は、中立位置から低圧室２８側に変位しにくくなる。ピストン１６の振動中心が板バネユニット２２の中立位置に接近または一致するように、板バネユニット２２の中立位置に対するピストン１６の振動中心の軸方向位置ずれが補正される。こうして、ピストン１６の可動域の低圧室２８側へのずれが抑制される。

図３は、本発明のある実施形態に係る板バネユニット２２の一部を示す模式図である。図２及び図３に示されるように、複数の第１補助バネ部６８の各々は、複数の板バネ部２３のうち対応する板バネ部２３の一方向側（加圧室３８側、図において上方）に隣接して配置される。複数の第２補助バネ部７０の各々は、複数の板バネ部２３のうち対応する板バネ部２３の逆方向側（加圧室３８と反対側、図において下方）に隣接して配置される。なお図３には、圧縮機容器１４に固定される第１補助バネ部６８及び第２補助バネ部７０の外側部分を例示する。

板バネユニット２２においては、第１補助バネ部６８、板バネ部２３、及び第２補助バネ部７０がこの記載の順に軸方向に配列され、これが一単位となって軸方向に繰り返し配列されている。すなわち、軸方向に隣接する２つの板バネ部２３の間には、第１補助バネ部６８及び第２補助バネ部７０が互いに隣接して設けられている。

第１補助バネ部６８は中立位置において、隣接する板バネ部２３と接触して配置されていてもよいし、隣接する板バネ部２３との間に隙間を空けて配置されていてもよい。第２補助バネ部７０についても同様である。第１補助バネ部６８（または第２補助バネ部７０）と隣接する板バネ部２３との間にスペーサまたは押さえ部材が設けられていてもよい。

各第１補助バネ部６８は、対応する板バネ部２３の一方向側への弾性変形に伴う当該板バネ部２３との接触により当該弾性変形に追従するよう当該板バネ部２３の一方向側に隣接する。各第２補助バネ部７０は、対応する板バネ部２３の逆方向側への弾性変形に伴う当該板バネ部２３との接触により当該弾性変形に追従するよう当該板バネ部２３の逆方向側に隣接する。これら補助バネ部は、板バネ部２３の弾性変形に追従することにより、板バネ部２３の弾性変形時の応力集中を緩和する。

各第１補助バネ部６８の軸方向剛性は、隣接する板バネ部２３に所望の応力集中緩和効果をもたらすよう設定される。各第２補助バネ部７０の軸方向剛性も同様に、隣接する板バネ部２３に所望の応力集中緩和効果をもたらすよう設定される。ただし、前述のように、第２補助バネ部７０の軸方向剛性は、第１補助バネ部６８の軸方向剛性と異なる。

図２に示されるように、第１補助バネ部６８は、補助バネ内側部分７８と、補助バネ外側部分８０と、を含む。図２においては説明の便宜上、第１補助バネ部６８（または第２補助バネ部７０）を破線で例示する。補助バネ内側部分７８は、補助バネ内周部８２と、複数（図２において３本）の内側片持ちアーム８４と、を備える。補助バネ内周部８２は、ピストン１６（例えばピストン本体部４８）に固定される。各内側片持ちアーム８４は、板バネ内周部７２と弾性アーム７６との接続部と軸方向一方側に隣接して配置される。補助バネ外側部分８０は、補助バネ外周部８６と、複数（図２において３本）の外側片持ちアーム８８と、を備える。補助バネ外周部８６は、圧縮機容器１４に固定される。各外側片持ちアーム８８は、板バネ外周部７４と弾性アーム７６との接続部と軸方向他方側に隣接して配置される。第２補助バネ部７０も同様に構成されている。

内側片持ちアーム８４の先端と外側片持ちアーム８８の先端とは離れており、つながっていない。そのため、補助バネ内側部分７８と補助バネ外側部分８０とは互いに分離された別の部材である。したがって、第１補助バネ部６８及び第２補助バネ部７０は、板バネ部２３とは異なり、ピストン１６を圧縮機容器１４に支持してはいない。

圧縮サイクルにおいて弾性アーム７６が軸方向に弾性変形するとき、弾性アーム７６が内側片持ちアーム８４及び外側片持ちアーム８８それぞれに接触し、弾性アーム７６とともに軸方向に弾性変形する。こうして、弾性アーム７６の接続部における応力集中を緩和することができる。

図３に示されるように、複数の第１補助バネ部６８の各々が、軸方向に重ねて配置される１以上の第１補助バネ６９を備えてもよい。複数の第２補助バネ部７０の各々が、軸方向に重ねて配置される１以上の第２補助バネ７１を備えてもよい。

第１補助バネ６９は、第２補助バネ７１と同一の寸法を有しかつ同一の材料で形成されている。そのため、第１補助バネ６９単体の軸方向剛性は第２補助バネ７１単体の軸方向剛性に等しい。しかし、本実施形態においては、軸方向に重ねて配置される第１補助バネ６９の数が、軸方向に重ねて配置される第２補助バネ７１の数と異なる。よって、第１補助バネ部６８の軸方向剛性は、第２補助バネ部７０の軸方向剛性と異なる。このように第１補助バネ６９と第２補助バネ７１とが共通化されているので、第１補助バネ部６８と第２補助バネ部７０とにそれぞれ専用の部材を用意する必要がない。

例えば、図３に示されるように、板バネ部２３ごとに１枚の第１補助バネ６９と２枚の第２補助バネ７１が設けられている。したがって、第２補助バネ部７０の軸方向剛性は、第１補助バネ部６８の軸方向剛性より大きい。よって、圧縮サイクルにおける板バネユニット２２の軸方向変形量は、前進方向よりも後退方向において小さくなる。

以上説明したように、本実施形態においては、ピストン１６に作用する高圧室２６と低圧室２８との圧力差により生じるピストン１６の設計上の軸方向可動域に対する実際の軸方向可動域のずれを補正するように、第２補助バネ部７０の軸方向剛性が第１補助バネ部６８の軸方向剛性より大きい。そのため、ピストン１６は設計上の軸方向可動域またはその付近で往復運動をすることができる。それに伴って、高圧室２６に所望の容積変化サイクルを生じさせ、リニア圧縮機１０を所望の性能で運転することができる。

また、第２補助バネ部７０の軸方向剛性が第１補助バネ部６８の軸方向剛性より大きいことにより、ピストン１６の往復運動が板バネユニット２２の中立位置またはその近傍で行われるよう往復運動の中心位置が補正される。そのため、板バネ部２３に過剰な負荷が作用するのを妨げることができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

ある実施形態においては、第１補助バネ部と第２補助バネ部とで軸方向剛性を異ならせるために、第１補助バネ部と第２補助バネ部とにそれぞれ専用の部材が用意されてもよい。

例えば、第１補助バネ部は第２補助バネ部と異なる寸法を有してもよい。例えば、第１補助バネ部は第２補助バネ部と異なる軸方向厚さを有してもよい。この場合、１つの板バネ部について第１補助バネ及び第２補助バネが１つずつ設けられ、その第１補助バネと第２補助バネとが異なる厚さを有してもよい。第２補助バネ部が第１補助バネ部より大きい軸方向剛性を有するために、第２補助バネ部が第１補助バネ部より軸方向に厚くてもよい。

あるいは、第１補助バネ部は、軸方向に垂直な面内において第２補助バネ部と異なる長さを有してもよい。例えば、第１補助バネ部の内側（または外側）片持ちアームが第２補助バネ部の内側（または外側）片持ちアームと異なる長さを有してもよい。第２補助バネ部が第１補助バネ部より大きい軸方向剛性を有するために、第２補助バネ部が第１補助バネ部より長くてもよい。

ある実施形態においては、第１補助バネ部と第２補助バネ部とで軸方向剛性を異ならせるために、第１補助バネ部は第２補助バネ部と異なる材料で形成されていてもよい。第２補助バネ部が第１補助バネ部より大きい軸方向剛性を有するために、第２補助バネ部が第１補助バネ部より高剛性の材料で形成されていてもよい。例えば、第１補助バネ部がステンレス鋼で形成され、第２補助バネ部がチタンマグネシウム合金で形成されていてもよい。この場合、板バネ部も第１補助バネ部と同様にステンレス鋼で形成されていてもよい。

上述の例示的な実施形態においてはリニア圧縮機１０の運転中にピストン１６が低圧室２８側に変位するため、第２補助バネ部７０が第１補助バネ部６８より大きい軸方向剛性を有する。しかし、リニア圧縮機の設計または運転条件によっては、運転中にピストンが高圧室側に変位することもありうる。したがって、ある実施形態においては、第２補助バネ部７０の軸方向剛性が第１補助バネ部６８の軸方向剛性より小さくてもよい。

ある実施形態においては、リニア圧縮機は、圧縮機容器に固定されるピストンと、ピストンに対し軸方向に移動するシリンダと、を備えてもよい。この場合、板バネユニットは、シリンダの軸方向往復運動を可能とするようにシリンダを圧縮機容器に弾性的に支持してもよい。

ある実施形態においては、板バネユニットとは別に、リニア圧縮機の可動体を弾性的に支持する追加の弾性部材が設けられていてもよい。この弾性部材は、軸方向に低圧室側（または高圧室側）に可動体を付勢するよう可動体と圧縮機容器との間に設けられていてもよい。

図４は、本発明のある実施形態に係る極低温冷凍機１００を示す模式図である。極低温冷凍機１００は、リニア圧縮機１０及び膨張機１０２を備える。リニア圧縮機１０の吐出管３０が高圧配管１０４を通じて膨張機１０２に接続されている。また、リニア圧縮機１０の吸入管３２が低圧配管１０６を通じて膨張機１０２に接続されている。膨張機１０２は、例えば、ギフォードマクマホン式の膨張機である。膨張機１０２には、内部の膨張室をリニア圧縮機１０の吐出管３０及び吸入管３２の一方に選択的に接続するためのバルブ部が内蔵されていてもよい。高圧作動ガス３６はリニア圧縮機１０から高圧配管１０４を通じて膨張機１０２に供給される。低圧作動ガス３４は膨張機１０２から低圧配管１０６を通じてリニア圧縮機１０に回収される。

リニア圧縮機１０から吐出された高圧作動ガス３６を（例えば室温に）冷却するための熱交換器１０８が膨張機１０２の外部に設けられていてもよい。熱交換器１０８は例えば高圧配管１０４の途中に設けられていてもよい。こうして、適正に温調された作動ガスが膨張機１０２に供給されてもよい。

１０リニア圧縮機、１４圧縮機容器、２２板バネユニット、２３板バネ部、２６高圧室、２８低圧室、４２吸気弁、４４吐出弁、６８第１補助バネ部、６９第１補助バネ、７０第２補助バネ部、７１第２補助バネ、１００極低温冷凍機。

Claims

リニア圧縮機における可動体支持構造であって、
圧縮機容器の内部において作動ガスの高圧室と低圧室とを仕切る可動体であって、所定の軸方向可動域にて一方向移動及び逆方向移動を周期的に繰り返す軸方向往復運動における前記一方向移動により前記高圧室の作動ガスを圧縮する可動体と、
軸方向に配列される複数の板バネ部であって、各板バネ部が前記可動体の軸方向往復運動を可能とするように前記可動体を前記圧縮機容器に弾性的に支持する複数の板バネ部と、
軸方向に配列される複数の第１補助バネ部であって、各第１補助バネ部が第１軸方向剛性を有し、かつ各第１補助バネ部が前記複数の板バネ部のうち対応する板バネ部の一方向側に隣接して配置される複数の第１補助バネ部と、
軸方向に配列される複数の第２補助バネ部であって、各第２補助バネ部が第２軸方向剛性を有し、かつ各第２補助バネ部が前記対応する板バネ部の逆方向側に隣接して配置される複数の第２補助バネ部と、を備え、
前記第２軸方向剛性は、前記可動体に作用する前記高圧室と前記低圧室との圧力差により生じる前記所定の軸方向可動域からの前記可動体の実際の軸方向可動域のずれを補正するように、前記第１軸方向剛性と異なることを特徴とする可動体支持構造。
前記所定の軸方向可動域は、前記可動体の軸方向往復運動における板バネ部の周期的な軸方向弾性変形の中心位置を、板バネ部の中立位置に一致させるよう定められており、
前記第２軸方向剛性は、板バネ部の中立位置からの前記中心位置の軸方向位置ずれを補正するように、前記第１軸方向剛性と異なることを特徴とする請求項１に記載の可動体支持構造。
各第１補助バネ部は、前記対応する板バネ部の一方向側への弾性変形に伴う当該板バネ部との接触により当該弾性変形に追従するよう当該板バネ部の一方向側に隣接し、
各第２補助バネ部は、前記対応する板バネ部の逆方向側への弾性変形に伴う当該板バネ部との接触により当該弾性変形に追従するよう当該板バネ部の逆方向側に隣接することを特徴とする請求項１または２に記載の可動体支持構造。
各第１補助バネ部は、軸方向に隣接する２つの板バネ部の間において軸方向に重ねて配置される１以上の第１補助バネを備え、
各第２補助バネ部は、軸方向に隣接する２つの板バネ部の間において軸方向に重ねて配置される１以上の第２補助バネを備え、
前記第１補助バネの数が前記第２補助バネの数と異なることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の可動体支持構造。
前記第１補助バネは、前記第２補助バネと同一の寸法を有しかつ同一の材料で形成されていることを特徴とする請求項４に記載の可動体支持構造。
前記第１補助バネ部は前記第２補助バネ部と異なる寸法を有し、及び／または、前記第１補助バネ部は前記第２補助バネ部と異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の可動体支持構造。
前記第２軸方向剛性は、前記第１軸方向剛性より大きいことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の可動体支持構造。
リニア圧縮機における可動体支持構造であって、
圧縮機容器の内部において作動ガスの高圧室と低圧室とを仕切る可動体であって、一方向移動及び逆方向移動を周期的に繰り返す軸方向往復運動における前記一方向移動により前記高圧室の作動ガスを圧縮する可動体と、
軸方向に配列される複数の板バネ部であって、各板バネ部が前記可動体の軸方向往復運動を可能とするように前記可動体を前記圧縮機容器に弾性的に支持する複数の板バネ部と、
軸方向に配列される複数の第１補助バネ部であって、各第１補助バネ部が第１軸方向剛性を有し、かつ各第１補助バネ部が前記複数の板バネ部のうち対応する板バネ部の一方向側に隣接して配置される複数の第１補助バネ部と、
軸方向に配列される複数の第２補助バネ部であって、各第２補助バネ部が前記第１軸方向剛性より大きい第２軸方向剛性を有し、かつ各第２補助バネ部が前記対応する板バネ部の逆方向側に隣接して配置される複数の第２補助バネ部と、を備えることを特徴とする可動体支持構造。
請求項１から８のいずれかに記載の可動体支持構造を備えることを特徴とするリニア圧縮機。
請求項９に記載のリニア圧縮機を備えることを特徴とする極低温冷凍機。