JPH0375455A - スターリング冷凍機用リニアモータ圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ディスプレーサの往復動により寒冷を発生さ
せる膨張機を有するスターリング冷凍機において、膨張
機に供給する冷媒を圧縮するりニアモータ圧縮機の改良
に関する。

（従来の技術） 従来より、このフリーディスプレーサ型スターリング冷
凍機は、極低温レベルの寒冷を発生させる小型冷凍機の
一種として知られている。この冷凍機は、例えば第３図
に示すように、冷媒ガスを圧縮する圧縮機（ａ）と、該
圧縮機（ａ）から吐出された冷媒ガスを膨張させる膨張
機（ｋ）とを組み合わせたものであり、上記圧縮機（ａ
）は、例えば密閉状のハウジング（ｂ）と、該ハウジン
グ（ｂ）内に嵌装固定されたシリンダ（Ｃ）と、該シリ
ンダ（Ｃ）内に往復動自在に嵌装され、シリンダ（ｃ）
内空間に圧縮室（ｄ）を区画形成するピストン（ｅ）と
、該ピストン（ｅ）を往復駆動する駆動源としてのりニ
アモータ（ｆ’）とを備えている。このリニアモータ（
ｒ）はシリンダ（Ｃ）周りに配置された環状の永久磁石
（ｇ）を有し、この磁石（ｇ）により、シリンダ（ｃ）
の中心と同心の円筒状の間隙に磁界を発生させる。上記
間隙には中心部にて上記ピストン（ｅ）に一体固定され
た略カップ状の可動体（ｈ）の円周部が往復動可能に配
設され、該可動体（ｈ）の外周にはドライブコイル（１
）が巻き付けられている。

また、上記可動体（ｈ）の底面外側（ピストン（ｅ）と
反対側）とハウジング（ｂ）内底面との間にはピストン
（ｅ）を往復動可能に弾性支持するためのコイルスプリ
ングからなるピストンスプリング（ｊ）が架設されてお
り、ドライブコイル（１）に所定周波数の交流を通電す
ることで、間隙内を通る磁界との作用によりコイル（１
）及び可動体（ｈ）を駆動してピストン（ｅ）をシリン
ダ（Ｃ）内で往復移動させることにより、圧縮室（ｄ）
で所定周期のガス圧を発生させるようになされている。

一方、上記膨張機（ｋ）は、円筒状シリンダ（ｇ）を有
し、このシリンダ＜ｎ＞内にば、シリンダ（ｇ）内空間
を膨張室（ｎ＋）と作動室（ｎ）とに区画するフリーデ
ィスプレーサ（０）が往復動自在に嵌装されている。こ
のディスプレーサ（０）は、内部に金属製蓄冷材（ｏ＋
）（再生式熱交換器）を充填したもので、該蓄冷材（０
１）を膨張室（Ｉｌｌ）及び作動室（ｎ）にそれぞれ連
通させる連通孔（ｏ２）　、　（０３）が開口されてい
る。また、上記作動室（ｎ）内には、ディスプレーサ（
０）を往復動可能に弾性支持するコイルスプリングから
なるデイスプレーサスプリング（ｐ）が配設されている
。さらに、上記作動室（ｎ）は上記連絡配管（ｑ）を介
して上記圧縮機（ａ）の圧縮室（ｄ）に接続されており
、圧縮機（ａ）からの冷媒ガス圧によりディスプレーサ
（０）を往復動させて冷媒ガスを膨張室（＋１）で膨張
させることにより、シリンダ＜ｎ＞先端のコールドヘッ
ドに寒冷を発生させるようになされている（例えば“Ｒ
ｅｆ’ｒｉｇｅｒａｔｏｒ　ｆ’ｏｒ　Ｃｒｙｏｇｅｎ
ｌｃ　５ｅｎｓｏｒｓ　　、　ＮＡＳＡＣｏｎｆｅｒｅ
ｎｃｅ　Ｐｕｂｌｉｃａ１１ｏｎ　２２８７等参照）。

（発明が解決しようとする課８） ところで、上記のりニアモータ圧縮機（ａ）においては
、シリンダ（ｅ）とピストン（ｅ）の間、ドライブコイ
ル（１）外周面と継鉄との間、及びコイル（ｉ）内周面
と継鉄との間の３箇所に微小間隙部が必要となるが、こ
れら微小間隙部の間隙は原理的に小さいほど圧縮機効率
を上げることができる。

例えばシリンダ（Ｃ）とピストン（ｅ）の間の間隙を微
小にすると、圧縮室（ｄ）からのガス洩れを防ぐことが
でき、圧縮機効率を高めることができる。

また、ドライブコイル（１）内外周面と継鉄との間の間
隙を小さくすると、ピストン（ｅ）の駆動効率を上げる
ことができ、圧縮機効率の向上に寄与することができる
。

しかしながら、上記ピストン〈ｅ）、シリンダ（Ｃ）、
コイル（１）、継鉄等をいずれも同心状態に配置する必
要があり、現実にはこの同心性を確保した上で上記３箇
所の間隙を小さくするのは製作組立上、限度があり、圧
縮機効率を高めるのは困難であった。

本発明の目的とするところは、微小間隙部の箇所を減す
ることにより、圧縮機効率を簡単な構成で高め得るよう
にすることにある。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成すべく、請求項（１）に係る発明の解
決手段は、圧縮室をプランジャ内に形成し、プランジャ
の外周壁にコイルを一体的に配置する。

具体的には、この発明では、第１図に示すように、圧縮
機のハウジング（２〉の壁部（３〉を継鉄とし、この壁
部（３〉の内面中心部にハウジング（２）内に突出する
円柱部（４）と、該円柱部（４）の周囲に環状の凹部（
５）とを形威し、上記円柱部（４）端部より壁部（３〉
を介して外部に連通される連通孔（４ａ）を設ける。上
記ハウジング（２）の壁部（３）における円柱部（４）
に、円柱部（４）との間に圧縮室（１１）を区画形成す
る有底円筒状のプランジャ（６）を摺動可能に外嵌合す
る。また、上記凹部（５）の少なくとも内周面に、円柱
部（４）外周との間に磁界を発生させる環状の磁石（１
８）を円柱部（４）外周面と所定の間隔をあけて取り付
ける。さらに、上記プランジャ（６）の少なくとも外周
面に、交流の通電によりプランジャ（６〉を往復動させ
るコイル（１９）を上記磁石（１８）と対向して巻回す
る。

請求項（′２Ｊに係る発明では、圧縮機効率をさらに高
くするために、プランジャ〈６〉はその開放端部をハウ
ジング（２〉の凹部（５）底面に、また底部をハウジン
グ（２〉の壁部にそれぞれスプリング（１５）。

（１６）によって往復動可能に弾性支持する。

また、請求項（３）に係る発明では、コイル（１９〉に
通電するための導線がプランジャ（６〉の往復動に伴っ
て損傷するのをなくすために、コイル（１９〉をスプリ
ング（１５）、　　（１Ｂ）によって通電されるように
構成する。

（作用） 上記の構成により、請求項（１）に係る発明では、コイ
ル（１９）はプランジャ（６〉の外周に巻回されて一体
的に取り付けられているため、該コイル（１９）に所定
周波数の交流が通電されると、磁石（１８）による磁界
との作用によりコイル（１９〉及びプランジャ（６）が
往復動じ、このプランジャ（６〉の往復動により圧縮室
（１１）の容積が増減変化して、その内部の冷媒が所定
周期で圧縮される。この構造では、コイル（１９）とプ
ランジャ（６）とが一体化されているので、微小間隙部
は壁部（３）の円柱部（４）外周とプランジャ（８）外
周との間、及びコイル（１９）と磁石（１８〉との間の
２箇所となり、その数が従来よりも減り、この減少によ
り円柱部（４）、プランジャ（６）、コイル（１９〉等
の同心性を確保して組立てを容易化しつつ、上記各微小
間隙部の間隙を小さくすることができ、よって圧縮機効
率を簡単な構成で向上させることができる。

また、請求項（′２Ｊに係る発明では、プランジャ（６
）がハウジング（２）に対しスプリング（１５）、　　
（１Ｂ）によって弾性支持されているので、プランジャ
（６）が圧縮仕事をした後に元に戻るときの仕事をスプ
リング（１５）、　（１８）の弾性エネルギーとして蓄
え、それを次の圧縮仕事に使用することができ、このこ
とによってプランジャ（６）の駆動効率を上げて、圧縮
機効率をさらに向上させることができる。

さらに、請求項（３）に係る発明では、スプリング（１
５）、　（１Ｂ）はコイル（１９）への通電のための導
線を兼ネているので、導線をハウジング（２）内でコイ
ル〈１９〉に掛は渡す場合のように、プランジャ（６）
の往復動に伴って導線が損傷することはなく、導線の耐
久性を向上させることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図は本発明の実施例に係るフリーディスプレーサ型
スターリング冷凍機（Ａ）の全体構成を示し、この冷凍
機（Ａ）は圧縮機（１）と膨張機（２）〉とで構成され
ている。第１図に拡大詳示するように、上記圧縮機（Ｌ
）は密閉円筒状のハウジング（２）を有する。このハウ
ジング（２〉は非導電性の有底円筒体の下端開口部を、
継鉄を構成する底壁（３）により封閉したもので、上記
底壁（３）の内面中心部にはハウジング（２〉内にその
中心線に沿って上下方向に延びる円柱部（４）が突設さ
れ、該円柱部（４）の周囲には円柱部（４）を内側側面
とする環状の四部（５）が形成されている。

上記底壁（３）の円柱部（４）には下方に開放された有
底円筒状のプランジャ（６〉が摺動可能に外嵌合され、
このプランジャ（６）と円柱部（４）とにより囲まれた
部分が圧縮室（１１）とされている。円柱部（４）の中
心部には上端が圧縮室（１１）に開口する連通孔（４ａ
）が貫通形成され、この連通孔（４ａ）の下端開口には
連絡配管（１２）の一端が嵌合固定されている。

上記プランジャ（６）は、薄肉円筒部（７〉と、該円筒
部（７〉の上下端にそれぞれ気密状に外嵌合されたリン
グ状の上側及び下側スプリング受は部（８）、（９）と
、円筒部（７）の上端開口部に気密状に嵌合された閉塞
部（１０）とからなり、上記上側及び下側スプリング受
は部（８）　、　（９）の外周にはそれぞれスプリング
嵌合ｉ’＋１（８ａ）、　　（９ａ）が形成されている
。ハウジング（２）の上壁内面には導電材料からなるス
プリング受け〈１３〉が取り付けられ、このスプリング
受け（１３〉の上端にはハウジング（２）土壁を貫通し
てその外部に臨む電極（ｉ４）が一体に形成されている
。そして、上記プランジャ〈６〉の上側スプリング受は
部（８〉とハウジング（２〉土壁のスプリング受け（１
３）との間にはコイルばねからなる上側スプリング（１
５）が、下側スプリング受は部（９〉と凹部（５）底面
との間には同様の下側スプリング〈１６）がそれぞれ掛
は渡されており、この２つのスプリング（１５）、　（
１６）により、プランジャ〈６〉は開放端部が凹部（５
）底面に、上底部がハウジング〈２〉の土壁にそれぞれ
往復動可能に弾性支持されている。

さらに、上記プランジャ（６）を往復動させるためのり
ニアモータ（１７〉が設けられている。このリニアモー
タ（１７〉は上記ハウジング（２）の底壁（３）におけ
る凹部（５）の外側内周面に円柱部（４）の外周面と所
定の間隔をあけて取り付けられた環状の永久磁石０８）
を有し、この磁石０８）により磁石（１８〉と■柱部（
４）外周との間の間隙に所定強度の磁界を発生させるよ
うにしている。

また、上記プランジャ（６〉の円筒部（７〉外周には上
記磁石（１８）と対向した位置にコイル（１９〉が巻回
されている。このコイル（ｉ９〉は図示しないが、その
一端が上記上側スプリング（１５）に、他端が下側スプ
リング（Ｉ６）にそれぞれ導通されており、この両スプ
リング（１５）、　　（１Ｂ）によってコイル（１９）
に所定周波数の交流を通電してプランジャ（６〉を往復
動させることにより、圧縮室（１１）で所定周期のガス
圧を発生させるようになされている。尚、（２０）はハ
ウジング（２）の底壁（３〉下面に取り付けられた他方
の電極としてのアースである。

一方、上記膨張機（２）〉は、円筒状空洞部（２３〉が
開口されたハウジング（２２）を有する。このハウジン
グ（２２〉の空洞部（２３）開口には円筒状シリンダ（
２４）が空洞部（２３）と同心状に基端部にて気密状に
嵌合固定され、該シリンダ（２４）の先端は閉塞されて
コールドヘッド（２５）とされている。このシリンダ（
２４）内にはフリーディスプレーサ（２６）が往復動自
在に嵌装され、ディスプレーサ（２Ｂ）によりシリンダ
（２４）及びハウジング（２２）内の空洞部（２３）が
シリンダ（２４）先端側の膨張室（２９）とハウジング
（２２）側（シリンダ（２４）基端側）の作動室〈３０
〉とに区画形成されている。このディスプレーサ（２６
）は、円筒体（２７）内に金属製蓄冷材（２８）　（再
生式熱交換器）を充填したもので、上記円筒体（２７）
にはその内部の空間を膨張室（２９）及び作動室（３０
）にそれぞれ連通させる連通孔（２７ａ）　、　（２７
ｂ）が開口されており、膨張室（２９〉で膨張した低温
の冷媒ガスが作動室（３０〉に向かうときには、該冷媒
ガスにより蓄冷材（２８）を冷却して蓄冷材（２８）に
冷熱を蓄え、逆に常温の冷媒ガスが作動室（３０）から
膨張室（２９）に向かうときには、蓄冷材（２８）によ
りガスを冷却するようになされている。また、上記作動
室（３０）内には、ディスプレーサ（２６）を往復動可
能に弾性支持するコイルスプリングからなるデイスプレ
ーサスプリング（３１）が配設されている。さらに、上
記作動室（３０〉は上記連絡配管（１２〉を介して上記
圧縮機（１）の圧縮室（１１〉に接続されており、圧縮
機（１）からの冷媒ガス圧によりディスプレーサ（２６
〉を往復動させて冷媒ガスを膨張室（２９〉で膨張させ
ることにより、シリンダ（２４）先端のコールドヘッド
（２５）に寒冷を発生させるようになされている。

次に、上記実施例の作動について説明する。

冷凍機（Ａ）の運転開始に伴い、圧縮機（１）における
ハウジング（２）上端の電極（１４）と底壁（３〉のア
ース（２０）との間に所定周波数の交流電源が印加され
て、リニアモータ（１７）のコイル（１９）に交流が通
電される。この通電に伴い、磁石（１８）により発生す
る磁界との作用によりコイル（１９）及びプランジャ（
６）が上側及び下側の両スプリング（１５）、　（１６
）を交互に伸縮させながら往復動し、このプランジャ（
６）の往復動により膨張室（２９）の容積が増減変化し
、プランジャ（６）が下降移動した際に圧縮室＜１１）
内部の冷媒が所定周期で圧縮されて圧縮室（１１）内に
所定周期の圧力波が生じる。この圧縮室（Ｕ）は連絡配
管（１２〉を介して膨張機（２））の作動室（３０〉に
連通しているため、プランジャ（６）が下降して圧縮室
（１１）の圧力が高くなったときには、加圧された冷媒
ガスが作動室（３０〉に供給されて該作動室（３０）内
の圧力が高くなる。この圧力の上昇により作動室（３０
〉と膨張室（２９）との間に差が生じ、この圧力差によ
ってディスプレーサ（２６）がデイスプレーサスプリン
グ（３１）を伸長させながらシリンダ（２４）先端側に
移動する。この作動室（３０）はディスプレーサ（２６
）内の空間を介して膨張室（２９）に連通しているため
、次の段階では作動室（３０）のガスがディスプレーサ
（２Ｂ）内を通って蓄冷材（２８）により冷却されなが
ら膨張室（２９）に流れ、両室（２９）。

（３０）の差圧がなくなり、ディスプレーサ（２６）は
スプリング（３１）の収縮力によりシリンダ（２４）　
Ｗ端側に移動して元の位置に戻る。この後、直ちに、圧
縮機（１〉のプランジャ（６）が上昇して圧縮室（１１
）の圧力が低下する。このため、作動室（３０）内の冷
媒ガスが連絡配管（１２）を介して圧縮室りｌ【）に戻
り、作動室（３０）内の圧力が膨張室（２９）よりも低
下する。

この作動室（３０）と膨張室（２９）との圧力差によっ
てディスプレーサ（２Ｂ）が今度はデイスプレーサスプ
リング（３１）を収縮させながらシリンダ（２４）基端
側に移動し、膨張室（２９）内の冷媒ガスが断熱膨張し
て寒冷が発生する。次の段階では上記膨張後のガスが膨
張室〈２９）からディスプレーサ（２Ｂ）内を通って蓄
冷材（２８〉に冷熱を与えながら作動室（３０）に流れ
、両室（２９）、　（３０）の差圧がなくなり、ディス
プレーサ（２６）はスプリング（３１〉の伸長力により
シリンダ（２４）先端側に移動して元の位置に戻る。以
上により１サイクルが終了し、以後、同様のサイクルを
繰り返すことで、シリンダ（２４）先端のコールドヘッ
ド（２５）が徐々に極低温レベルまで冷却される。

この場合、上記圧縮機（１）におけるリニアモータ（１
７）のコイル（１９）はプランジャ〈６〉の円筒部（７
）外周に巻回されて一体的に取り付けられているため、
微小間隙部はハウジング（２〉の底壁（３）の円柱部（
４）外周とプランジャ（６）の円筒部（７）内周との間
、及びコイル（１９）外周と永久磁石（１８）との間の
２ｔｌ所となり、微小間隙部の数が従来よりも減ること
となる。この微小間隙部の減少により円柱部（４）、プ
ランジャ（６〉、コイル（１９）等の同心性を確保しそ
の組立てを容易化しつつ、各微小間隙部の間隙を小さく
保つことができる。よって圧縮機効率を簡単な構成で向
上させることができる。

また、プランジャ（６）がハウジング（２）に対し上側
及び下側のスプリング（１５）、　（１１３）によって
弾性支持されているので、プランジャ（８）が下降移動
により圧縮仕事をした後、上昇して元に戻るときの仕事
を両スプリング（１５）、　（１Ｂ）の弾性エネルギー
として蓄え、それを次の圧縮仕事に使用することができ
、このことによってプランジャ（６）の駆動効率を上げ
て、圧縮機効率をさらに向上させることができる。

さらに、上記両スプリング（１５）、　（１Ｂ）はコイ
ル通電用の導線を兼ねているので、導線をハウジング（
２）内でコイル（１９）に掛は渡した場合のように、プ
ランジャ（６）の往復動に伴って導線が損傷することは
なく、導線の耐久性を向上させることができる。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）に係る発明によると
、スターリング冷凍機用のりニアモータ圧縮機における
圧縮室をプランジャ内に形成し、コイルをプランジャの
外周に巻回して一体的に取り付けたことにより、微小間
隙部の数を２箇所に減らして、各部分の同心性を確保し
て組立てを容易化しつつ、各微小間隙部の間隙を小さく
することができ、よって圧縮機効率を簡単な構成で向上
させることができる。

また、請求項（２）に係る発明によると、プランジャを
その往復方向に沿って圧縮機ハウジングにスプリングに
よって弾性支持したことにより、プランジャの圧縮以外
の仕事をスプリングの弾性エネルギーとして蓄えて次の
圧縮仕事に使用することができ、プランジャの駆動効率
を上げて、圧縮機効率をさらに向上させることができる
。

さらに、請求項（３）に係る発明によれば、上記コイル
をスプリングによって通電されるようにしたことにより
、導線延いては圧縮機の耐久性を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図は圧縮機の拡大断
面図、第２図はスターリング冷凍機の全体構成を示す断
面図である。第３図は従来例を示す第２図相当図である
。 （Ａ）・・・冷凍機 （１）・・・圧縮機 （２）・・・ハウジング （３）・・・底壁（壁部） （４）・・・円柱部 （４ａ）・・・連通孔 （５）・・・凹部 （６）・・・プランジャ （１１）・・・圧縮室 （１５）、　（１８）・・・スプリング（１７〉・・・
リニアモータ （１８〉・・・磁石 （１９）・・・コイル 〈２））・・・膨張機 （２Ｂ〉・・・ディスプレーサ （２９〉・・・膨張室 （Ａ） （１） （２） （３） （４） （５） （６） （１１） （１５） （１７） （１８） 〈１９〉 （２）） （２６） （２９） 冷凍機 圧縮機 ハウジング 底壁（壁部） 円柱部 凹部 プランジャ 圧縮室 （１６）・・・スプリング ・・リニアモータ ・・磁石 ・・コイル ・・膨張機 ・・ディスプレーサ ・・膨張室

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）継鉄を構成する壁部（３）を有し、該壁部（３）
   の内面中心部に円柱部（４）及び該円柱部（４）の周囲
   に環状の凹部（５）が形成され、該円柱部（４）端部よ
   り壁部（３）を介して外部に連通される連通孔（４ａ）
   を有するハウジング（２）と、該ハウジング（２）の円
   柱部（４）に摺動可能に外嵌合され、円柱部（４）との
   間に圧縮室（１１）を区画形成する有底円筒状のプラン
   ジャ（６）と、上記凹部（５）の少なくとも内周面に円
   柱部（４）の外周面と所定の間隔をあけて取り付けられ
   、円柱部（４）外周との間に磁界を発生させる環状の磁
   石（１８）と、上記プランジャ（６）の少なくとも外周
   面に上記磁石（１８）と対向して巻回され、交流の通電
   によりプランジャ（６）を往復動させるコイル（１９）
   とを備えたことを特徴とするスターリング冷凍機用リニ
   アモータ圧縮機。
2. （２）プランジャ（６）は、開放端部が凹部（５）底面
   に、底部がハウジング（２）の壁部にそれぞれスプリン
   グ（１５）、（１６）によって往復動可能に弾性支持さ
   れていることを特徴とする請求項（１）記載のスターリ
   ング冷凍機用リニアモータ圧縮機。
3. （３）コイル（１９）はスプリング（１５）、（１６）
   によって通電されるように構成されていることを特徴と
   する請求項（２）記載のスターリング冷凍機用リニアモ
   ータ圧縮機。