JPH0749082A - 往復ピストンおよび機械加工された二重螺旋型ピストンスプリングを含んだ線形コンプレッサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、一体化されて組立てが簡単であ
り、横方向の反作用力が発生しないコンプレッサ等に使
用するための二重螺旋型スプリングを提供することを目
的とする。 【構成】 第１および第２の端部部材66, 72と、縦軸82
に沿ってこれらの端部部材66, 72の間に延在する第１お
よび第２の弾性螺旋型部材78, 80とによって一体構造に
構成され、第１および第２の螺旋型部材78, 80は横方向
の反作用力が相互に消去されるように構成されているこ
とを特徴とする。反作用力が相互に消去されるように構
成するためには同じ巻回方向の螺旋を端部部材66, 72の
円周の180度離れた位置から開始させるか巻回方向が反
対の２個の直列の螺旋で螺旋型部材を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は往復ピストン構造の技
術、特に往復ピストンとピストンに横方向の力を作用し
ない一体化して機械加工された二重螺旋型ピストンスプ
リングを含んだ線形コンプレッサに関する。

【０００２】

【従来の技術】二重の反対のピストン構造を含む線形コ
ンプレッサ自体は技術で知られており、文献（“ADVANC
ED IN CRYOGENIC ENGINEERING 、Vol. 19 、ペーパーＦ
−３”、216 〜220 頁）に記載されているようにスター
リングサイクル冷却装置の変位装置ピストンを往復する
ために供給されているパルス圧力を生成するのに使用さ
れる。

【０００３】線形コンプレッサは図１に10で示されてい
る。可変の圧縮チャンバ12は内部端部で接合されている
シリンダ16，18によりハウジング14内で形成されてい
る。ピストン20,22 は圧縮チャンバ12の中心方向へ、お
よび圧縮チャンバ12の中心から離れる方向へ運動するた
めにシリンダ16,18 内で滑動できる。

【０００４】ピストン20,22 は同期してそれぞれ線形の
可動コイルモータ26,28 により往復運動される。特にモ
ータ26,28 は対称的な往復運動で圧縮チャンバ12の中心
から離れる方向および圧縮チャンバ12の中心方向へそれ
ぞれピストン20,22 を移動させる。圧縮チャンバ12の中
心方向へのピストン20,22 の運動は圧力を増加させ、そ
の逆の方向では減少させる。

【０００５】圧縮チャンバ12は出口24により低温冷却装
置（図示せず）の再生器のような負荷に接続される。圧
縮チャンバ12、出口24、再生器、相互接続導管はピスト
ン20,22 の往復運動がパルス状の運動ガス圧力を生じ、
その結果再生器中のピストンを往復させ、熱力学スタ−
リングサイクルを生成させるようにヘリウムのような動
作ガスで満たされ、この熱力学スタ−リングサイクルは
冷却端部から熱を吸収し再生器の他方の端部から熱の排
出させる。

【０００６】モータ26は一体運動のためのピストン20に
固定されるカップ型の電機子30を含む。コイル32は電機
子30の周辺に巻きつけられ、導線34により電子駆動ユニ
ット（図示せず）に接続される。環状の永久磁石36はコ
イル32の半径方向外側のハウジング14の内部表面に固定
されている。螺旋型スプリング38は左端がハウジング14
の左端部に固定され、右端が電機子30に固定されてい
る。

【０００７】ピストン20、電機子30、スプリング36は中
心位置で示されており、スプリング38は自由状態にあ
る。交流駆動信号が導線34によりコイル32に供給され、
コイルに電磁効果によって磁界を生成させる。

【０００８】駆動信号が第１の極性を有するとき、コイ
ル32と磁石36の磁界は圧力を増加するためコイル32、電
機子30、ピストン20が圧縮チャンバ12の中心へ右方向に
移動するように相対的な極性を有する。これはスプリン
グ38が伸ばされて中心の示された位置に帰還させるよう
な力を電機子30、ピストン20、コイル32に加える。駆動
信号の極性の反転は圧縮チャンバ12の中心から左方向に
中心位置の左側である位置に電機子30、ピストン20、コ
イル32を移動させ、従って圧縮チャンバ12中の圧力を減
少させる。これはスプリング38を圧縮させ電機子30、ピ
ストン20、コイル32に中心の示された位置に帰還させる
ような力を加える。圧縮チャンバ12と相互接続素子中の
パルス圧力を生成するためサイクルは周期的に反復され
る。

【０００９】モータ28はモータ26の対応する素子と同一
の電機子40、コイル42、導線44、永久磁石46、スプリン
グ48を含む。示された構造はコイル32,42 が固定した磁
石36,46 に関して移動するので“可動コイル”構造とし
て技術的に知られている。しかしながら同じ結果が“可
動磁石”設計を提供するために永久磁石を電機子30,40
に固定し、ハウジング14上に固定したコイルに設置する
ことによっても得られる。

【００１０】スプリング38,48 は典型的に図２、３で示
されているように単一の螺旋型装置の丸いスプリングワ
イヤを巻いて形成される。コンプレッサ10のような往復
ピストン構造のスプリング38,48 に関する問題は、スプ
リング38,48 がピストン20,22 に横方向の反作用力を与
えることであり、これはピストンを本来の整った円筒型
の形態からバレル型に磨耗させる。これはピストン20,2
2 とシリンダ16,18 との間の密封をそれぞれ劣化させコ
ンプレッサ10の圧力比を減少させ、コンプレッサ10の動
作寿命を実質上減少させる。

【００１１】さらに説明すると、スプリング38は図２で
示されているようにそれぞれ左端部38ａおよび右端部38
ｂを有する。スプリング38が伸ばされるとき図３の矢印
50により示されているように端部38ａから導かれる横方
向の反作用力を生成する。スプリング38が圧縮されると
き端部38ａまたは矢印50の方向とを反対方向を向いた横
方向の反作用力を生成する。

【００１２】スプリング38の端部38ｂにおける横方向の
反作用力と端部38ａでの横方向の反作用力と大きさが等
しく方向が反対である。これらの交互の力はピストン20
を前述したようにバレル形態に磨耗させる。スプリング
48はピストン22の磨耗を起こす実質上類似した反作用力
を生成する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】図１から認められるよ
うに、スプリング38の左端部は環状フランジ52によりハ
ウジング14の左端部に固定され、スプリング38の右端部
位置は環状保持装置54により電機子30に固定されてい
る。詳細には示されていないがフランジ52は捩子等によ
りハウジング14の左端部に取付けられ、フランジ52の反
対方向内側表面は捩子溝を設けられている。スプリング
38の左端部はフランジ52の内側の捩子溝に螺合され固定
して取付けられている。

【００１４】保持装置54は捩子等により電機子30に固定
され、保持装置54の半径方向外側表面は捩子溝が設けら
れている。スプリング38の右端部は保持装置54の外部捩
子溝に螺合され、固定して取付けられる。スプリング48
はフランジ56と保持装置58によりそれぞれハウジング14
とピストン22に同様に固定される。

【００１５】従来技術の装置の欠点は各スプリング構造
が３つの部品すなわち、スプリング38,48 、フランジ5
2,56 、保持装置54,58 からなる点である。部品は分離
して製造され組立てられなければならず、これは高価で
手間がかかる。さらにスプリング38,48 が伸ばされ、圧
縮されてコンプレッサ10の動作期間中、雑音と振動を生
成し、スプリングの腐食と磨耗を生じさせるので、スプ
リング38と48はフランジ52,56 の結合表面および保持装
置54,58 と摩擦を生じる。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明を実施した線形コ
ンプレッサは圧縮チャンバの容積を変化するための往復
ピストン構造を含む。可動コイルモータはスプリングが
自由状態にある位置を中心について一体化して機械加工
された二重螺旋型スプリングの力に抗してピストンを往
復させる。スプリングはピストンに付着される第１の端
部部材と固定された第２の端部部材と縦軸に沿ってこれ
らの端部部材間を延在する２つの弾性的な螺旋型部材を
含む。螺旋型部材は同一のねじれ方向を有し、縦軸に沿
って互いに分離され縦軸を中心にして相互に約180 °の
角度に変位される。代りに螺旋型部材は反対のねじれ方
向を有し、縦軸に沿って互いに間隔が隔てられ中心部材
により内側端部で相互接続されてもよい。螺旋型部材は
横方向の反作用力が相互に消去されるように構成され
る。スプリングがピストンに横方向の力を加えないので
ピストンはバレル型に磨耗されず、コンプレッサの圧縮
比を減少することはない。ピストンの重量は磨耗率に重
きく影響する要素である。本発明のスプリングは実質上
従来技術のスプリングよりも大きな横方向の堅さを有し
ておりピストン重量の一部分を支持する。これはシリン
ダ上にピストンにより加えられる負荷を減少させ、さら
に磨耗を減少させる。従って本発明のコンプレッサの動
作寿命は実質上従来技術のものよりも増加する。

【００１７】スプリングは一体のユニットとして疲労強
度の高い円筒型または管状体から機械加工され、端部部
材はスプリングが両端部でピストンおよび固定した部材
に取り付けられることを可能にする。これは従来技術の
ような分離した部品としてスプリング、フランジ、保持
装置を製造し、それらを組立てる必要性をなくす。製造
価格と組立て労力は従って減少される。

【００１８】さらに従来技術のコンプレッサで生じるス
プリング、フランジ、保持装置の間の摩擦はこれらの部
材が本発明では一体化しているので除去される。従って
摩擦による雑音、振動も減少される。

【００１９】

【実施例】本発明のこれらまたは他の特徴と利点は添付
図面を伴った後述の詳細な説明から当業者に明白であ
る。図４は60で示されている本発明を実施した二重の対
抗線形コンプレッサを示しており、同じ符号で示されて
いる従来技術のコンプレッサ10の素子を含んでいる。コ
ンプレッサ60は、スプリング38,48 、フランジ52,56と
保持装置54,58 が本発明によりそれぞれ一体化して機械
加工された二重螺旋型スプリング62,64 により置換され
る点でコンプレッサ10と異なっている。スプリング62は
図５、６で示されている。スプリング64はスプリング62
と同一であり詳細には説明しない。

【００２０】スプリング62は環状フランジ66として形成
されている端部を含み、フランジ66が捩子70によりコン
プレッサ60のハウジング14の左端部に固定されることを
可能にする縦方向に延在する穴68を形成されている。ス
プリング62はさらに環状保持装置72として形成されてい
る端部を含み、保持装置72が捩子76によりコンプレッサ
60の電機子30の左端部に固定されることを可能にする半
径方向に延在する穴74を形成されている。

【００２１】第１および第２の弾性的な螺旋型部材78,8
0 はスプリング62の縦軸82に沿ってフランジ66と保持装
置72との間に延在する。螺旋型部材78,80 は同一のねじ
れ方向を有し実質的に同一であり縦軸82に沿って互いに
分布されている。しかしながら部材78,80 は縦軸82を中
心に実質上180 °相互に回転的に変位されている。

【００２２】螺旋型部材78の左端部はこの螺旋型部材の
左端部が螺旋型部材80の左端部のフランジ66から始まる
位置（から180 °回転的に変位されて）に直径的に反対
の位置でフランジ66に結合またはフランジ66“から始ま
る”。同様に螺旋型部材78の右端部は螺旋型部材80の右
端部が保持装置72から始まる位置に直径的に反対の位置
で保持装置72から始まる。

【００２３】螺旋型部材78,80 はそれぞれ図３を参照し
て示されているような横方向の反作用力を生成する。し
かしながら螺旋型部材78,80 は同一のねじれ方向を有
し、直径的に正反対の位置のフランジ66と保持装置72か
ら始まるから、螺旋型部材78,80 の横方向の反作用力は
相互に消去される。

【００２４】図６で示されているようにスプリング62が
伸ばされるとき、螺旋型部材80は矢印84方向で横方向の
反作用力を生成し、一方螺旋型部材78は矢印86方向の横
方向の反作用力を生成する。矢印84,86 は互いに平行で
あり反対方向に延在する。従って矢印84,86 に実質的な
平行な横方向の力はゼロである。

【００２５】スプリング62,64 がそれぞれピストン20,2
2 に横方向の力を加えないのでピストン20,22 はバレル
型に磨耗してコンプレッサ60の圧力比を徐々に減少する
ことはない。

【００２６】ピストンの重量は磨耗率に大きく影響す
る。本発明のスプリングは実質上従来技術のスプリング
よりも横方向の堅さが大きく、ピストンの重量の一部分
を支持する。これはシリンダ上にピストンにより加えら
れる負荷を減少し、磨耗を減少する。従ってコンプレッ
サ60の動作寿命は実質上従来技術よりも高い。

【００２７】スプリング62,64 は一体ユニットとして製
造され、フランジと保持装置はスプリング62,64 がピス
トン20,22 とハウジング14の両端部に固定されることを
可能にする。これは従来技術のように別々の部品として
のスプリング、フランジ、保持装置を製造し、これらを
組立てる必要性をなくす。製造価格と組立て労力は従っ
て減少される。

【００２８】さらに、これらの部材が本発明では一体化
しているので従来技術のコンプレッサで生じるスプリン
グ、フランジ、保持装置の摩擦が減少される。また摩擦
により生じるスプリングの雑音、振動、腐食も減少され
る。

【００２９】スプリング62,64 は疲労強度が高い円筒型
または管状体から一体化して機械加工される。好ましい
材料はカーペンターテクノロジー社により製造されるCa
rpenter Costom 455ステンレス鋼、ナイルのＲＭＩによ
り製造されるＰＡ ＲＭＩ38-6-44 チタニウムベータ合
金、カリフォルニア州モンテベロのバスコパシフィック
により製造されるＯＨとバスコマックスニッケルマルエ
ージング鋼Ｃ−300 を含む。

【００３０】スプリング62,64 はフライスを使用して有
効に機械加工されることができ、これは長方形または正
方形断面部の螺旋型部材78,80 を生成する。特にフライ
ス盤カッター（図示せず）はスプリング62または64が製
造される被加工体の縦軸と垂直な回転軸を有して位置さ
れる。

【００３１】各螺旋型部材を切断するためカッターは適
切な深さまで被加工体に穴を形成し、被加工体は縦軸に
沿って同時的に移動され、螺旋型部材78,80 のピッチに
対応する相対的な速度で縦軸を中心に回転される。

【００３２】被加工体が管状であるならばカッターは螺
旋型部材78,82 を切断するため被加工体壁を完全に貫通
する。被加工体が最初に円筒型であるならば中心孔を穿
孔することにより好ましくは螺旋型部材78,80 をフライ
ス加工する前に管に変換されることが好ましい。フレン
ジ66と保持装置72は螺旋型部材78,80 のフライス加工前
または加工後に機械加工されることができる。

【００３３】スプリング62,64 の螺旋型部材78,80 は同
一のねじれを有し、機械的に並列に接続されている。図
７は長いスプリングが受けられる場合にスプリング62,6
4 の代りに使用されることができる二重螺旋型スプリン
グ90を示している。

【００３４】スプリング90はスプリング62のフランジ66
と保持装置72と根本的に類似したフランジ92と保持装置
94を含んでいる。フランジ92は捩子穴96を形成され、フ
ランジ94は捩子穴98を形成されている。スプリング90は
さらに縦軸104 に沿って相互から間隔を隔てられている
弾性的な螺旋型部材100,102 を含み、それ故機械的に直
列接続されている。螺旋型部材100,104 の螺旋型部材の
内側端部は環状の中心部材106 により結合されている。

【００３５】螺旋型部材100,102 は対称的であり、反対
のねじれ方向を有し、その結果、スプリング62,64 に類
似した方法で横方向の反作用力の相互消去が生じる。螺
旋型部材100 の各端部における横方向の反作用力は螺旋
型部材102 の対応する端部での等しく反対の横方向の反
作用力により消去される。

【００３６】本発明の幾つかの実施例が示され説明され
るが種々の変形および代りの実施例が本発明の技術的範
囲を逸脱することなく当業者により行われる。

【００３７】コンプレッサ60は平衡装置を必要とするこ
となく低い振動を与えるので、２つのピストンとスプリ
ング構造を含む二重対抗構造を有するものとして説明さ
れ図示されている。しかしながら、本発明のコンプレッ
サは単一のピストンとスプリング構造のみを含む構造と
して実施されることもでき、これは特定の応用に好まし
いものである。

【００３８】スプリング62,90 は一方の端部にフラン
ジ、他方の端部に保持装置を含むものとして図示されて
いる。しかしながら本発明はこのように限定されずスプ
リングは固定するために好ましい構造に形成された端
部、例えば両端部におけるフランジを有することができ
る。

【００３９】コンプレッサとピストン構造以外の他の応
用で利用される一体化して機械加工された二重螺旋型ス
プリングも本発明の技術的範囲内である。

【００４０】従って本発明は特別に説明され図示された
実施例に限定されるものではない。種々の変形が実行さ
れ、請求の範囲により限定される本発明の技術的範囲を
逸脱することなく行われることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術の二重の反対のピストン線形コンプレ
ッサの縦断面図。

【図２】図１のコンプレッサの螺旋型スプリングの側面
図。

【図３】図２のスプリングの左端部の正面図。

【図４】本発明を実施した往復ピストン構造と一体化し
て機械加工された二重螺旋型スプリングを含んだ二重の
反対のピストンにおける線形コンプレッサの縦断面図。

【図５】図４のコンプレッサの螺旋型スプリングの側面
図。

【図６】図５のラインＶＩ−ＶＩにおける断面図。

【図７】本発明による二重螺旋型スプリングの別の実施
例の側面図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェラルド・アール・プルイット アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90732、サン・ペドロ、ビア・コードバ 1002

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１および第２の端部部材と、 縦軸に沿って第１および第２の端部部材の間に延在する
   第１および第２の弾性螺旋型部材とを具備し、 前記第１および第２の螺旋型部材は横方向の反作用力が
   相互に消去されるように構成されていることを特徴とす
   る一体化した二重螺旋型スプリング。
2. 【請求項２】 第１および第２の螺旋型部材が同一のね
   じれ方向を有し前記縦軸に沿って相互に分離され前記縦
   軸を中心にして互に実質上180 °角度的に変位されてい
   る請求項１記載のスプリング。
3. 【請求項３】 第１および第２の螺旋型部材が実質上同
   一である請求項２記載のスプリング。
4. 【請求項４】 第１および第２の螺旋型部材が反対のね
   じれ方向を有し、直列に接続され前記縦軸に沿って相互
   から間隔を隔てられている請求項１記載のスプリング。
5. 【請求項５】 第１および第２の螺旋型部材が実質上対
   称的である請求項４記載のスプリング。
6. 【請求項６】 少なくとも１つの第１および第２の端部
   部材がフランジを具備する請求項１記載のスプリング。
7. 【請求項７】 第１および第２の螺旋型部材が実質上方
   形の断面を有する請求項１記載のスプリング。
8. 【請求項８】 ピストンと一体化した二重螺旋型スプリ
   ングを具備し、前記二重螺旋型スプリングが、 ピストンに取付けられている第１の端部部材と、 固定された第２の端部部材と、 縦軸に沿って第１および第２の端部部材の間に延在し、
   横方向の反作用力が互に消去されるように構成された第
   １および第２の弾性螺旋型部材とを具備し、 さらにピストン構造が、スプリングの力に抗してピスト
   ンを移動させる駆動装置を具備していることを特徴とす
   るピストン構造。
9. 【請求項９】 駆動装置がスプリングが自由状態にある
   位置を中心にピストンを往復駆動する請求項８記載の構
   造。
10. 【請求項１０】 可変の容積を有する圧縮チャンバを構
    成しているハウジングと、 圧縮チャンバの前記容積を変化するためのピストンと、 一体化した二重螺旋型スプリングを具備し、この一体化
    した二重螺旋型スプリングは、 ピストンに固定された第１の端部部材と、 固定された第２の端部部材と、 縦軸に沿って第１および第２の端部部材の間に延在し、
    横方向の反作用力が相互に消去されるように構成されて
    いる第１および第２の弾性螺旋型部材とを具備し、 さらに、ピストンをスプリングの力に抗して往復させる
    ためのモータを具備していることを特徴とする線形コン
    プレッサ。