JP4760421B2 - 振動型圧縮機 - Google Patents

Description

この発明は、スターリング冷凍機など、特にパルスチューブ冷凍機に使用される振動型圧縮機に関する。

まず、振動型圧縮機を用いた前記スターリング冷凍機の構成を図４に示す。図４は、特許文献１において図３として開示されたスターリング冷凍機の構成図であり、（ａ）は冷凍機全体の構成断面図、（ｂ）は冷凍機に組み込まれたサスペンションばねの平面図である。図において、１はハウジング１ａのシリンダ部に往復動式のピストン１ｂを内蔵した振動型圧縮機、２はハウジング２ａのシリンダ部に蓄冷器２ｂを備えた往復動式のディスプレーサ２ｃを内蔵した膨張機、３は圧縮機１の圧縮空間と膨張機２との間に配管した冷媒（ヘリウムガス）の接続管である（詳細は特許文献１参照）。

図４に示す振動型圧縮機について、後述する本発明の説明の便宜上、前記特許文献１に記載の部番名称の一部を変更して以下に説明する。

圧縮機１のピストン１ｂは内部に組み込んだリニアモータ４で軸方向に往復駆動するようになっている。ここで、リニアモータ４は永久磁石４ａと該永久磁石４ａの磁極端面に結合して閉磁路を形成するヨーク４ｂと４ｃとからなる固定子と、前記ヨーク４ｂと４ｃの間の隙間（磁路開口部）に側方から出入りするコイル４ｄを備えた可動子により構成されている。固定子は、圧縮機１のケーシング１ａの内部に、また可動子は圧縮機１のピストン１ｂに連結したピストンロッド１ｃに固定されている。

また、前記ピストンロッド１ｃは板ばね５を介して軸方向へ変位可能に案内支持されている。この板ばね５には、一般的にはスパイラル形状にスリットを切った高弾性の薄金属板（例えば、ばね鋼）が使用されており、該板ばね５の外周は支持胴６を介してヨーク端面に固定されている。

かかるリニアモータ駆動による振動型圧縮機は、コイル４ｄに所定の周波数の交流電流を流すことで板ばね５によって支持されたピストン１ｂが往復運動して、膨張機へ流体振動を伝える役割をする。圧縮機内部には、一般的に数MPａ程度のヘリウムガスが封入されており、ケーシング１ａが圧力容器になっている。

ところで、リニアモータからは、２種類の漏洩磁界が発生することが知られている。１つは、永久磁石４ａ、ヨーク４ｂおよび４ｃから構成される磁気回路から漏洩する静磁界である。もう1つは、交流電流が供給される可動子であるコイル４ｄから発生する交番磁界である。

特許文献１の発明の課題は前者の漏洩静磁界の低減にあり、その解決手段として特許文献１は、「板ばね５や支持胴体６を高透磁率材料で製作して外部へ漏洩する磁束を低減させること」を開示している。しかしながら、スターリング冷凍機を、電子顕微鏡や蛍光X線分析等の超高感度分析装置の冷却に用いる場合、外部からの交番磁界の影響により電子顕微鏡の画像が歪む等の問題が生じる。前記特許文献１に記載のものは、交番磁界に対しては未考慮であり、十分な磁気遮蔽効果が得られない。また、板ばね等の部品自体の材料を変えるため、各材料の物性値に合わせたばね定数や支持部の強度の設計および検証試験が必要になる。

一方、交番磁界を含むリニアモータ全体からの漏れ磁束に起因する磁気擾乱の防止対策として、圧縮機全体をパーマロイ等の高透磁率材料による磁気シールドケースにより包囲する方法やケーシング自体を高透磁率材料で製作する方法が考えられ、これ等の方法の問題点が、特許文献１の段落番号［0007］の項に記載されている。

即ち、圧縮機全体をパーマロイ等の高透磁率材料による磁気シールドケースにより包囲する方法の場合には、冷凍機全体が大型化し又重量も増大する問題がある。また、ケーシング自体を高透磁率材料で製作する方法の場合には、ケーシングが圧力容器としての機能も同時に担うためケーシングの肉厚が必要以上に厚くなり、全体の重量が増大する問題がある。

上記の問題は、特許文献１に記載されたものとは異なるタイプの振動型圧縮機であってパルスチューブ冷凍機に使用されるものにおいても同様に発生する（パルスチューブ冷凍機については、例えば特許文献２参照）。

図３は、１対の対向ピストン型の振動型圧縮機をパルスチューブ冷凍機に使用した構成図を示す。パルスチューブ冷凍機は、圧縮機１０、熱交換器１１を介して圧縮機１０に連結された蓄冷器１３、蓄冷器１３に対して折り返して連結されたパルス管１４、パルス管１４に熱交換器１１の高温側を介して連結された位相制御部１６等からなり、位相制御部１６はイナータンスチューブ１７とバッファタンク１８とからなっている。

上記したパルスチューブ冷凍機においても、封入されたヘリウムガスなどからなる作動ガスは、圧縮機１０のピストン２０が往復動することにより圧縮・膨張を繰り返し、この作動ガスは蓄冷器１３、コールドヘッド１９、パルス管１４を通り、位相制御部１６に達する一連の系の中を往復動流として流れる。その際、イナータンスチューブ１７とバッファタンク１８とからなる位相制御部１６は、圧縮機１０からほぼ正弦波的な圧力振幅を伴って送り出された流体の圧力変化と流量変化との間に位相差を発生させる（詳細は、特許文献２参照）。

図３にける圧縮機１０は、作動ガスの圧縮空間２２を形成する一対の対向するピストン２０と、可動コイル２７と永久磁石２６とを有し前記ピストン２０を往復駆動するリニア駆動部と、前記ピストン２０の周囲に配置され前記リニア駆動部の磁気回路を形成するとともに筐体を兼ねるヨーク２３と、このヨークの端部に結合され、ヨークとともに前記ピストン２０とリニア駆動部とを包囲するケーシング２１とを備える。なお、図３において、２４はピストンの支持胴体、２５は板ばねである。上記図３に示す対向ピストン型の振動型圧縮機においても、リニア駆動部からの漏れ磁束に起因する磁気擾乱の防止対策が必要となる。
特開平１１−１４８７３６号公報 特開２００４−２０１３９号公報

この発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、リニア駆動部からの漏れ磁束、特に、交番磁界の漏洩の影響を防止して他機器に影響を与えない小型軽量の振動型圧縮機を提供することにある。

上記課題は、以下により達成される。

即ち、作動ガスの圧縮空間を形成する一対の対向するピストンと、可動コイルと永久磁石とを有し前記ピストンを往復駆動するリニア駆動部と、前記ピストンの周囲に配置され前記リニア駆動部の磁気回路を形成するとともに筐体を兼ねるヨークと、このヨークの端部に結合され、ヨークとともに前記ピストンとリニア駆動部とを包囲するケーシングとを備えた振動型圧縮機において、前記ケーシングの内面部に、前記リニア駆動部からの漏れ磁束を遮蔽する磁気遮蔽手段を備えたことを特徴とする（請求項１）。

さらに、前記請求項１に記載の振動型圧縮機において、前記磁気遮蔽手段は、前記ケーシングの内面部に設けた高透磁率材料からなる板もしくは塗布膜からなることを特徴とする（請求項２）。

また、前記請求項１または２に記載の振動型圧縮機において、前記筐体を兼ねるヨークの外周部に、高透磁率材料からなる板もしくは塗布膜からなる磁気遮蔽手段を備えたことを特徴とする（請求項３）。さらに、前記請求項３に記載の振動型圧縮機において、前記ケーシングは中継部材を介してヨークの端部に結合され、前記ケーシング内面部に設けた磁気遮蔽手段と前記ヨークの外周部に設けた磁気遮蔽手段は、互いに重なり部を形成するように、それぞれ中継部材の内外周部に張り出して設けたことを特徴とする（請求項４）。

また、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の振動型圧縮機において、前記高透磁率材料はＰＣパーマロイとしたことを特徴とする（請求項５）。

本発明によれば、リニア駆動部からの漏れ磁束、特に、交番磁界の漏洩の影響を防止して他機器に影響を与えない小型軽量の振動型圧縮機を提供することができる。

次に、この発明の実施形態に関して、対向ピストン型の振動型圧縮機を対象とした図１および図２示す実施例に基いて説明する。図１は本発明の実施形態に関わる振動型圧縮機の一例の構成断面図であり、図２は図１の磁気シールド部の部分拡大断面図である。図１および図２において、図３に示した部材と同一部材には同一番号を付してある。

図１に示すように、圧縮機は大きくヨーク２３部とケーシング２１部とに分けられ、組立手順としては、まずヨーク２３部にピストン２０等の可動部ユニットが支持胴体２４を介して取り付けられ、次に圧力容器となるステンレス製のケーシング２１が取り付けられて密封される。このヨーク部とケーシング部の接続は、図１に示すように溶接によるが、フランジを設けてボルトにより締結する構造としても良い。

１対のリニア駆動部の静磁気回路は、左右の永久磁石２６の径方向磁極が異なり（例えば、左がN極外向き、右がS極外向き）、左右合わせて一方向の閉磁路を構成している。１対のピストン２０は、可動部に取り付けた可動コイル２７に同一方向の電流を流すことで電磁力により逆向きに往復動する原理となっている。

前記ステンレス製のケーシング２１の内面部に、リニア駆動部からの漏れ磁束を遮蔽する磁気遮蔽手段として、ケーシング形状に沿う様な形状に加工した高透磁率材料の板からなる磁気シールドＡ３１をスポット溶接等で設けて、その後熱処理により磁気焼鈍させる。前記高透磁率材料としては、PCパーマロイなどのFe-Ni合金が好ましく、特にNi７８％のPCパーマロイ（比透磁率200,000程度）が好ましい。

ヨーク２３部の鉄材（比透磁率2000〜3000）には、摩擦圧接等の手法によりあらかじめステンレス製の中継部材３０を取り付けておく。両者を組み合わせて外周を溶接することで、外部との気密を保つことができる。上記により、圧縮機側面から漏洩していたコイルの交番磁界による磁束は、磁気シールドＡ３１の高透磁率材料に沿って流れ、ヨーク部まで導かれるようになり、漏洩磁束が低減する。

上記構成の圧縮機が電子顕微鏡や蛍光X線分析等の超高感度分析装置の冷却に使用される場合、ヨーク２３部の鉄材（比透磁率2000〜3000）だけでは磁気遮蔽が不十分な場合がある。その場合、ヨーク部の外周に沿うように高透磁率材料であるPCパーマロイ（比透磁率200,000程度）などの板からなる磁気シールドＢ３２を巻きつけて、ボルト等で固定する。または、ステンレス製の接続部材に溶接接合して熱処理しても良い。本施工により圧縮機全体が高透磁率材料により覆われることになり、コイルにより発生する交番磁界が高透磁率材料に沿って流れる磁気回路が構成されて、周囲への漏洩磁界がより低減する。

また、部分拡大図（図２）で示すように、外部への漏洩磁束をさらに低減させるため、ヨーク２３部に設置する中継部材３０をL字形状にし、２種類の磁気シールドＡおよびＢ（３１および３２）が互いに重なり部を形成するように、それぞれ中継部材３０の内外周部に張り出して設ける。全体の磁気抵抗をより低減するためには、磁気シールドが重なり合う部分に相応する中継部材３０の肉厚を薄くする方がより好ましい。

なお、上記実施例において、磁気シールドＡおよびＢ（３１および３２）は、高透磁率材料の板を用いる例について述べてきたが、磁性粉等を塗布する方法によっても、簡便に磁気遮蔽効果を得ることができる。また、上記実施例においては１対の対向ピストン型について説明したが、ケーシングの内面部に、リニア駆動部からの漏れ磁束を遮蔽する磁気遮蔽手段を備える構成は、図４に示した単ピストン型にも同様に適用できる。

以上の実施例によれば、圧縮機のケーシング内部に高透磁率材料からなる磁気シールドを施工して圧縮機を構成しているため、主要部品である支持胴体や板ばねの設計変更や強度低下を起こしたり、圧縮機全体の大型化をもたらしたりすることなく、コイルが外部へ発生する交番磁界を遮蔽して外部機器に影響を与えない圧縮機を提供することができる。また、本発明における磁気シールドは、ケーシングが必要とする圧力容器としての機能を持たないため、必要最低限の材料で施工することができ、過剰なコストアップや重量アップをまねくことがない。

本発明の実施形態に関わる振動型圧縮機の一例の構成断面図 図１の磁気シールド部の部分拡大断面図 従来の対向ピストン型の振動型圧縮機をパルスチューブ冷凍機に使用した場合の構成図 特許文献１において開示された従来のスターリング冷凍機の構成図

符号の説明

１０：圧縮機、２０：ピストン、２１：ケーシング、２２：圧縮空間、２３：ヨーク、２６：永久磁石、２７：可動コイル、３０：中継部材、３１：磁気シールドＡ、３２：磁気シールドＢ。

Claims (5)

1. 作動ガスの圧縮空間を形成する一対の対向するピストンと、可動コイルと永久磁石とを有し前記ピストンを往復駆動するリニア駆動部と、前記ピストンの周囲に配置され前記リニア駆動部の磁気回路を形成するとともに筐体を兼ねるヨークと、このヨークの端部に結合され、ヨークとともに前記ピストンとリニア駆動部とを包囲するケーシングとを備えた振動型圧縮機において、
   前記ケーシングの内面部に、前記リニア駆動部からの漏れ磁束を遮蔽する磁気遮蔽手段を備えたことを特徴とする振動型圧縮機。
2. 請求項１に記載の振動型圧縮機において、前記磁気遮蔽手段は、前記ケーシングの内面部に設けた高透磁率材料からなる板もしくは塗布膜からなることを特徴とする振動型圧縮機。
3. 請求項１または２に記載の振動型圧縮機において、前記筐体を兼ねるヨークの外周部に、高透磁率材料からなる板もしくは塗布膜からなる磁気遮蔽手段を備えたことを特徴とする振動型圧縮機。
4. 請求項３に記載の振動型圧縮機において、前記ケーシングは中継部材を介してヨークの端部に結合され、前記ケーシング内面部に設けた磁気遮蔽手段と前記ヨークの外周部に設けた磁気遮蔽手段は、互いに重なり部を形成するように、それぞれ中継部材の内外周部に張り出して設けたことを特徴とする振動型圧縮機。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の振動型圧縮機において、前記高透磁率材料はＰＣパーマロイとしたことを特徴とする振動型圧縮機。