JPH05332626A - スターリング冷凍機のリニアモータ圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スターリング冷凍機用のリニアモータ圧縮機
（Ｃ）における圧縮空間（６）でのガス圧縮を等温過程
に近い状態で行わせて、圧縮機（Ｃ）の効率を上昇させ
る。 【構成】 リニアモータ圧縮機（Ｃ）におけるシリンダ
（４）周りの空間（１７）の気体の対流を促進する対流
促進手段（１５）を設け、圧縮空間（６）周りでの気体
の対流により、圧縮空間（６）の壁部であるシリンダ
（４）からの熱放出を促進して、圧縮空間（６）でのガ
ス圧縮を断熱過程から等温過程に近付ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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ガスを圧縮する
リニアモータ圧縮機の改良に関する。

【０００２】

【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おり、例えば特公平
２―８１５５号公報に示されるように、冷媒ガスを所定
周期で圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出された冷媒
ガスを膨張させる膨張機とを組み合わせたものである。
上記圧縮機は、例えば密閉状のケーシング内に配置され
たシリンダと、該シリンダ内に往復動可能に嵌挿され、
シリンダ内空間に圧縮空間を区画形成するピストンとを
備え、ピストンはリニアモータにより往復駆動されるよ
うになっている。このリニアモータは上記シリンダ周り
に配置された永久磁石を有し、この磁石により、シリン
ダの中心と同心の円筒状の間隙に磁界を発生させる。上
記間隙には上記ピストンに一体固定されたコイル取付部
材としての円筒状ボビンが往復動可能に配設され、該ボ
ビンの外周にはコイルが巻き付けられている。また、上
記ピストンとケーシングとの間にはピストンを往復動可
能に弾性支持するためのコイルばねが架設されており、
コイル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及びボビンを駆動して移
動部分の質量及びコイルばねのばね定数で決まる共振周
波数でピストンをシリンダ内で往復移動させ、圧縮空間
で所定周期のガス圧を発生させるようになされている。

【０００３】一方、膨張機は円筒状シリンダを有し、こ
のシリンダ内には内部空間を膨張空間と作動空間とに区
画するフリーディスプレーサが往復動可能に嵌挿され、
このディスプレーサは内部に膨張空間及び作動空間にそ
れぞれ連通する再生器を収容している。また、上記作動
空間内には、ディスプレーサを往復動可能に弾性支持す
るコイルばねが配設されている。さらに、上記作動空間
は連絡配管を介して上記圧縮機の圧縮空間に接続されて
おり、圧縮機からの一定周期の冷媒ガス圧によりディス
プレーサを往復動させて冷媒ガスを膨張空間で膨張させ
ることにより、シリンダ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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
リニアモータ圧縮機においては、ピストンが圧縮空間の
ガスを圧縮する圧縮行程で圧縮ガスからの熱の除去が速
やかに行われず、ガスは断熱過程に近い状態で圧縮され
ている。このため、圧縮機の効率を上昇させるのには限
度がある。

【０００５】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、圧縮行程でのガスの圧縮を等温過程
に近い状態で行わせる手段を講じることにより、圧縮機
の効率を上昇させることにある。

【０００６】

【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の発明の解決手段は、膨張空間壁部周りの
空間で気体の対流を促進させ、この気体の対流により膨
張空間壁部からの熱放出を促進するようにした。

【０００７】すなわち、この発明では、図１に示すよう
に、ケーシング（１）内に設けられたシリンダ（４）
と、該シリンダ（４）内に圧縮空間（６）を区画形成す
るピストン（５）と、該ピストン（５）をシリンダ
（４）内で往復動可能にケーシング（１）に対し弾性支
持する弾性支持手段（１４）と、磁石（１１）及びコイ
ル（１３）を有し、コイル（１３）への所定周波数の交
流の供給により上記ピストン（５）を往復駆動するリニ
アモータ（１０）とを備えたスターリング冷凍機用リニ
アモータ圧縮機が前提である。

【０００８】そして、上記シリンダ（４）周りの空間
（１７）で少なくとも上記圧縮空間（６）に対応する部
分の気体の対流を促進する対流促進手段（１５）を設け
る。

【０００９】請求項２の発明では、上記対流促進手段
（１５）を、ピストン（５）ないしリニアモータ（１
０）の移動部（１２）に一体的に連結された部材とす
る。

【００１０】

【作用】上記の構成により、請求項１の発明では、リニ
アモータ（１０）への所定周波数の交流の通電によりピ
ストン（５）がシリンダ（４）内で往復動して圧縮空間
（６）の容積が増減変化し、その内部の冷媒ガスが所定
周期で圧縮されると、このガスの圧縮に伴い、対流促進
手段（１５）の作動により、上記シリンダ（４）周りの
空間（１７）で少なくとも圧縮空間（６）に対応する部
分の気体の対流が促進される。この対流により空間（１
７）の気体境界層の剥離が生じて、圧縮空間（６）の壁
部であるシリンダ（４）からの熱放出が促進され、圧縮
空間（６）でのガス圧縮を断熱過程から等温過程に近付
けることができ、圧縮機入力を低下させてその効率を上
昇させることができる。

【００１１】請求項２の発明では、上記対流促進手段
（１５）がピストン（５）ないしリニアモータ（１０）
の移動部（１２）に連結された部材であるので、リニア
モータ（１０）によるピストン（５）の運動を利用し
て、他に駆動源を要することなく気体の対流を促進で
き、気体の対流促進を容易かつ安価に行うことができ
る。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１３】（実施例１）図１は本発明の実施例１に係
るフリーディスプレーサ型スターリング冷凍機用の圧縮
機（Ｃ）の全体構成を示し、この圧縮機（Ｃ）は図外の
膨張機とで冷凍機を構成しており、この冷凍機で赤外線
感知素子や各種電磁部品を極低温レベルに冷却するよう
にしている。圧縮機（Ｃ）は密閉円筒状のケーシング
（１）を有する。このケーシング（１）は大小２段構造
の有底円筒状のケーシング本体（２）の上方開口端を蓋
部材（３）で閉塞したもので、ケーシング本体（２）の
底壁中心部には、底壁をケーシング本体（２）の底壁の
一部で構成したシリンダ（４）が蓋部材（３）に向かっ
て同心に延びるように突設されている。このシリンダ
（４）の内部にはピストン（５）が往復動可能に嵌挿さ
れており、このピストン（５）によりシリンダ（４）内
に区画された部分が圧縮空間（６）とされている。ま
た、この圧縮空間（６）はシリンダ（４）の底壁（ケー
シング本体（２）の底壁）の中心部に貫通形成した連通
孔（７）、及び該連通孔（７）に結合された連絡配管
（３１）を介して膨張機に接続されている。

【００１４】上記ピストン（５）はピストン（５）を往
復駆動する駆動源としてのリニアモータ（１０）に駆動
連結されている。すなわち、上記ケーシング本体（２）
上側の大径部（２ａ）内には環状の永久磁石（１１）が
内周面をケーシング本体（２）の小径部（２ｂ）内周面
と面一になるように取り付けられており、この磁石（１
１）によりケーシング本体（２）ないしシリンダ（４）
を継鉄として磁石（１１）内周面とシリンダ（４）との
間に所定強度の磁界を発生させるようにしている。

【００１５】そして、上記ピストン（５）の上端にはピ
ストン（５）よりも大径のコイル取付部材（１２）が一
体的に連結され、このコイル取付部材（１２）の外周に
はコイル（１３）が上記磁石（１１）と対向して巻き付
けられており、このコイル（１３）に所定周波数の交流
を通電することにより、移動部分の質量及び後述のコイ
ルばね（１４）のばね定数で決まる共振周波数でピスト
ン（５）をシリンダ（４）内で往復動させて、圧縮空間
（６）で所定周期のガス圧を発生させるように構成され
ている。

【００１６】上記コイル取付部材（１２）の上面中心部
にはピストン（５）と同心状に配置したコイルばね（１
４）の下端部が抜止めされて連結され、このばね（１
４）の上端は上記蓋部材（３）の下面に抜止め状態に連
結されている。従って、ケーシング（１）の蓋部材
（３）とピストン（５）と一体のコイル取付部材（１
２）との間にコイルばね（１４）が掛け渡されており、
このコイルばね（１４）は、ピストン（５）はケーシン
グ（１）に往復動可能に弾性支持する弾性支持手段を構
成している。

【００１７】さらに、上記リニアモータ（１０）の移動
部としてのコイル取付部材（１２）の下面外周部には円
筒状の対流促進部材（１５）の上端部がねじ（１６），
（１６），…により一体的に取り付けられ、対流促進部
材（１５）はシリンダ（４）の外周に若干の間隙をあけ
て同心状に延びており、この対流促進部材（１５）によ
り、シリンダ（４）周りの空間（１７）において上記圧
縮空間（６）に対応する部分のガスの対流を促進するよ
うにしている。

【００１８】尚、上記膨張機は図示しないが公知のもの
で、先端がコールドヘッドとされた有底円筒状のシリン
ダと、このシリンダ内に往復動可能に嵌挿され、シリン
ダ内空間を先端側の膨張空間及び基端側の作動空間に区
画形成するフリーディスプレーサと、該ディスプレーサ
内に収容された再生器と、ディスプレーサを往復動可能
に弾性支持するコイルばねとを備えている。そして、作
動空間に上記圧縮機（Ｃ）の圧縮空間（６）が連絡配管
（３１）を介して接続されており、圧縮機（Ｃ）からの
冷媒ガス圧によりディスプレーサをシリンダ内で往復動
させて冷媒ガスを膨張空間で膨張させることにより、シ
リンダ先端のコールドヘッドに寒冷を発生させる。

【００１９】次に、上記実施例の作動について説明す
る。冷凍機の運転に伴い、圧縮機（Ｃ）におけるリニア
モータ（１０）のコイル（１３）に所定周波数の交流電
源が通電される。この通電に伴い、磁石（１１）からの
磁界との作用によりコイル（１３）、コイル取付部材
（１２）及びピストン（５）がコイルばね（１４）を伸
縮させながらシリンダ（４）内で往復動し、このピスト
ン（５）の往復動により圧縮空間（６）の容積が増減変
化し、ピストン（５）が下降移動した際に圧縮空間
（６）内部の冷媒が所定周期で圧縮されて圧縮空間
（６）内に所定周期の圧力波が生じる。この圧縮空間
（６）は連絡配管（３１）を介して図外の膨張機におけ
るシリンダ内作動空間に連通しているため、圧縮空間
（６）でのガス圧の変動により、膨張機のシリンダ内デ
ィスプレーサが作動空間及び膨張空間の差圧によりコイ
ルばねを伸縮させながら往復動して、膨張空間でのガス
の断熱膨張により寒冷が発生し、同様のサイクルを繰り
返すことで、シリンダ先端のコールドヘッドが徐々に極
低温レベルまで冷却される。

【００２０】この実施例では、上記圧縮機（Ｃ）におけ
るシリンダ（４）周りに対流促進部材（１５）が配置さ
れ、この対流促進部材（１５）はリニアモータ（１０）
のコイル取付部材（１２）に一体的に取り付けられてい
るので、上記ピストン（５）がシリンダ（４）内で往復
動するのに伴い、対流促進部材（１５）がシリンダ
（４）周りで圧縮空間（６）に対応する部分の空間（１
７）のガスを攪拌して、その対流が促進される。このガ
スの対流により境界層の剥離が生じて、圧縮空間（６）
の壁部であるシリンダ（４）から空間（１７）への熱放
出が促進されることとなり、圧縮空間（６）でのガス圧
縮を断熱過程から等温過程に近付け、圧縮機入力を低下
させてその効率を上昇させることができる。

【００２１】また、その場合、上記対流促進部材（１
５）がリニアモータ（１０）の移動部としてのコイル取
付部材（１２）に連結されているので、その駆動のため
に他に別途駆動源を設ける必要がなく、リニアモータ
（１０）によるピストン（５）の運動を利用してガスの
対流を促進することができ、ガスの対流促進を容易かつ
安価に行うことができる。

【００２２】尚、上記実施例では、対流促進部材（１
５）をリニアモータ（１０）のコイル取付部材（１２）
に連結しているが、その他、例えばピストン（５）に連
結してもよい。

【００２３】（実施例２）図２は本発明の実施例２を示
し（尚、図１と同じ部分については同じ符号を付してそ
の詳細な説明は省略する）、圧縮機（Ｃ）を対向型ピス
トンを有するものとし、かつリニアモータ（１０）の磁
石（１１）を外部に対し磁気シールドするようにしたも
のである。

【００２４】すなわち、この実施例では、ケーシング
（１）は円筒状のケーシング本体（２）の両側開放端を
それぞれ蓋部材（３），（３）で閉塞してなる密閉状の
ものとされ、このケーシング（１）内に両端が開放され
た円筒状のシリンダ（４）が同心状に配設されている。
このシリンダ（４）には両側から１対のピストン
（５），（５）が往復動可能に嵌挿され、シリンダ
（４）内で両ピストン（５），（５）間に囲まれる部分
に圧縮空間（６）が区画形成され、この圧縮空間（６）
は、シリンダ（４）及び後述の継鉄部材（２１）の各中
央部を貫通する連通孔（７），（８）並びに連絡配管
（３１）を介して膨張機に接続されている。

【００２５】上記各ピストン（５）の背面にはリニアモ
ータ（１０）がそれぞれ連結されている。つまり、シリ
ンダ（４）の周りにはシリンダ（４）と同心状の継鉄部
材（２１）が配置され、この継鉄部材（２１）内周側を
その両端面から中央部近くまで切り欠くことで、継鉄部
材（２１）とシリンダ（４）との間にはシリンダ（４）
両端側に開放された２つの環状の空間（１７），（１
７）が形成され、この各空間（１７）の外側周面（継鉄
部材（２１））に環状の磁石（１１）が固定されてお
り、磁石（１１）によりシリンダ（４）外周面と磁石
（１１）内周面との間の空間（１７）に磁界を発生させ
るようにしている。各ピストン（５）の背面には有底円
筒状のコイル取付部材（１２）が一体的に取り付けら
れ、このコイル取付部材（１２）の先端部は上記シリン
ダ（４）周りの環状空間（１７）に配置され、このコイ
ル取付部材（１２）には上記磁石（１１）と対応する範
囲にコイル（１３）が巻き付けられている。そして、上
記コイル取付部材（１２）の先端部は環状空間（１７）
の内奥側に延長され、この先端部により空間（１７）内
のガスの対流を促進させる対流促進部材（１５）が構成
されている。

【００２６】また、上記コイル取付部材（１２）の背面
とそれに対向する蓋部材（３）内面との間にコイルばね
（１４）が架設されている。

【００２７】さらに、上記ケーシング本体（２）の外周
はパーマロイやフェライト系ステンレス鋼等からなる薄
肉円筒状の磁気シールド部材（２２）で覆われており、
この磁気シールド部材（２２）により各リニアモータ
（１０）の磁石（１１）からの磁気を外部に対しシール
ドしている。尚、この磁気シールド部材（２２）は、ケ
ーシング本体（２）の外周に１層又は多層に巻き付けれ
ばよい。

【００２８】したがって、この実施例では、圧縮機
（Ｃ）の運転時、両リニアモータ（１０），（１０）に
同じ周波数の交流が供給され、この両リニアモータ（１
０），（１０）の駆動により各コイル（１３）及びコイ
ル取付部材（１２）と一体のピストン（５）がシリンダ
（４）内で相対するピストン（５）と接離するように同
期して往復動し、このことで圧縮空間（６）内のガスが
所定周期で圧縮される。

【００２９】そして、上記各リニアモータ（１０）のコ
イル取付部材（１２）の先端部には対流促進部材（１
５）が設けられているので、この対流促進部材（１５）
の環状空間（１７）での往復動により該空間（１７）の
ガスの対流が促進され、圧縮空間（６）周りのシリンダ
（４）からの放熱が促進されて、ガスの圧縮行程を等温
過程に近付けることができる。よって、上記実施例１と
同様の作用効果が得られる。

【００３０】また、この実施例では、ケーシング（１）
におけるケーシング本体（２）の外周が円筒状の磁気シ
ールド部材（２２）で覆われているので、この磁気シー
ルド部材（２２）により各リニアモータ（１０）の磁石
（１１）からの磁気が外部に漏れるのを抑制することが
できる。このため、冷凍機で冷却しようとする冷却対象
が赤外線感知素子や電磁部品等、磁場を嫌うものであっ
ても、それらに対する圧縮機（Ｃ）からの磁気的なノイ
ズの影響や性能の低下を良好に防ぐことができる。

【００３１】（実施例３）図３は実施例３を示し（図２
と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明
は省略する）、上記実施例２では磁気シールド部材（２
２）をケーシング本体（２）の外周全体に亘り配置した
のに対し、ケーシング（１）内側で継鉄部材（２１）の
外周に配置したものである。

【００３２】したがって、この実施例では、上記実施例
２と同様の作用効果を奏することができることに加え、
継鉄部材（２１）の外周に磁気シールド部材（２２）を
配置して、磁石（１１）からの磁場が強く出る部分に磁
気シールド部材（２２）を限定しているので、少ない面
積のシールド部材（２２）で効果的に磁気シールドする
ことができる。

【００３３】（実施例４）図４は実施例４を示し、磁気
シールド部材（２２）を、磁石（１１）やコイル（１
３）のみを覆うように継鉄部材（２１）の外周に配置し
たものである。従って、この実施例では、実施例２に比
べ、さらに少ない面積のシールド部材（２２）で効果的
に磁気シールドすることができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よると、スターリング冷凍機用のリニアモータ圧縮機に
おけるシリンダ周りの空間の気体の対流を促進する対流
促進手段を設けたことにより、圧縮空間に対応する部分
の気体の対流により、圧縮空間の壁部であるシリンダか
らの熱放出を促進して、圧縮空間でのガス圧縮を断熱過
程から等温過程に近付けることができ、圧縮機効率の向
上を図ることができる。

【００３５】請求項２の発明では、上記対流促進手段を
ピストンないしリニアモータの移動部に連結された部材
としたことにより、リニアモータによるピストンの運動
を利用して気体の対流を促進でき、気体の対流促進を容
易かつ安価に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１におけるスターリング冷凍機
用圧縮機の断面図である。

【図２】実施例２を示す図１相当図である。

【図３】実施例３を示す図１相当図である。

【図４】実施例４を示す図１相当図である。

【符号の説明】

（Ｃ） 圧縮機 （１） ケーシング （４） シリンダ （５） ピストン （６） 圧縮空間 （１０） リニアモータ （１１） 磁石 （１２） コイル取付部材（移動部） （１３） コイル （１４） コイルばね（弾性支持手段） （１５） 対流促進部材 （１７） 空間 （２９） 磁気シールド部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシング（１）内に設けられたシリン
   ダ（４）と、該シリンダ（４）内に圧縮空間（６）を区
   画形成するピストン（５）と、該ピストン（５）をシリ
   ンダ（４）内で往復動可能にケーシング（１）に対し弾
   性支持する弾性支持手段（１４）と、磁石（１１）及び
   コイル（１３）を有し、コイル（１３）への所定周波数
   の交流の供給により上記ピストン（５）を往復駆動する
   リニアモータ（１０）とを備えたスターリング冷凍機の
   リニアモータ圧縮機において、 上記シリンダ（４）周りの空間（１７）で少なくとも上
   記圧縮空間（６）に対応する部分の気体の対流を促進す
   る対流促進手段（１５）を設けたことを特徴とするスタ
   ーリング冷凍機のリニアモータ圧縮機。
2. 【請求項２】 請求項１のスターリング冷凍機のリニア
   モータ圧縮機において、 対流促進手段（１５）は、ピストン（５）ないしリニア
   モータ（１０）の移動部（１２）に一体的に連結された
   部材であることを特徴とするスターリング冷凍機のリニ
   アモータ圧縮機。