JPH06257871A - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 リニア駆動式圧縮機を有するスターリング冷
凍機に関し、漏洩磁束の少ないリニア型圧縮機を備えた
スターリング冷凍機を提供することを目的とする。 【構成】 円筒状の形を有し、円筒の軸に対して半径方
向に着磁された永久磁石（２）と、前記永久磁石の内側
周面にはめ込まれた円筒状の鉄スリーブ（３）と、前記
永久磁石の外側周面を覆って、永久磁石に結合された磁
気ヨーク（１）とを有するリニア式圧縮機を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スターリング冷凍機に
関し、特にリニア駆動式圧縮機を有するスターリング冷
凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】スターリング冷凍機は、変動する作動ガ
ス圧力を作成する圧縮機と蓄冷器を備えたディスプレー
サを含むコールドヘッド（膨張機）とを有する。

【０００３】圧縮機で形成された変動ガス圧がコールド
ヘッドに伝えられ、ディスプレーサがガス圧変化と位相
のずれた往復動を行なうことによって逆スターリングサ
イクルが実行される。

【０００４】逆スターリングサイクルは、等温圧縮、等
容移送、等温膨張、等容移送の４工程で冷凍を発生させ
る。等温圧縮後の等容移送工程で室温の作動ガスは蓄冷
器によって冷却されて膨張空間に移送される。その後の
等温膨張で断熱膨張が行なわれ、対象物からの吸熱（冷
凍）が行なわれる。冷却された作動ガスは、次の等容移
送で蓄冷器を冷却する。これらの工程が繰り返され、対
象物が冷却される。

【０００５】図３に、従来の技術によるスターリング冷
凍機の構成例を示す。圧縮機５０は、シリンダ５２とシ
リンダ内に配置されたピストン５３を含み、モータの回
転軸５４に結合されたクランク機構５５によってピスト
ン５３を駆動する。

【０００６】シリンダ５２とピストン５３によって画定
される圧縮空間では、ヘリウム等の作動ガスの変動ガス
圧が形成される。作動ガスの変動ガス圧は、フレキシブ
ル配管５９を介してコールドヘッド６０に伝達される。

【０００７】コールドヘッド６０は、シリンダ６１内に
配置されたディスプレーサ６２を有する。ディスプレー
サ６２は、ばね６３によって中立位置に付勢され、フレ
キシブル配管５９から供給される変動ガス圧によって中
立位置の左右に駆動される。なお、ディスプレーサ６２
内には、金網や鉛粒等で形成された蓄冷材を充填した蓄
冷器が備えられている。

【０００８】シリンダ６１とディスプレーサ６２の先端
間に膨張空間が形成され、膨張空間において断熱膨張が
行なわれる時、シリンダ５１先端部に冷凍が発生する。
冷凍発生部には、赤外線検出器等の冷却対象物６４が結
合されている。ディスプレーサ６２の運動は、圧縮機５
０内のピストン５３の運動と約９０度の位相ずれを有す
る。なお、この条件を満足するように、ディスプレーサ
６２をモータ駆動してもよい。

【０００９】発生した冷凍によって冷却対象物６４は低
温に冷却される。なお、コールドヘッド６０の低温部分
を取り囲んで真空容器６５が配置され、低温部分に霜が
付着することを防止している。

【００１０】図３に示したスターリング冷凍機において
は、モータの回転運動をクランク機構によってレシプロ
運動に変換している。近年、圧縮機シリンダのレシプロ
運動をリニアモータによって駆動する方式が開発されて
いる。

【００１１】図４は、従来の技術によるリニア駆動型圧
縮機の構成例を示す。図中、右側部分にリニアモータ部
分が示され、左側部分にリニアモータによって駆動され
る圧縮機ピストンが示されている。

【００１２】リニアモータ部分においては、中空円盤状
の永久磁石７４が配置され、その左右に磁気ヨーク７１
が結合されている。磁気ヨーク７１の断面は概略コ字型
形状を有し、右側に磁気ギャップを形成している。この
磁気ギャップ内に可動コイル７２が配置される。

【００１３】永久磁石７４の磁化方向は、軸方向と同一
であり、この形式を一般にアキシャル形と呼ぶ。なお、
可動コイル７２に対する電流供給は、電流リード７３お
よび板ばね７８を介して行なわれる。

【００１４】リニアモータの軸７９には、その一端に圧
縮ピストン７６が結合されている。圧縮ピストン７６
は、ハウジング７７の一部が形成するシリンダ内に配置
され、その一端に圧縮室７５を画定する。圧縮室７５
は、フレキシブル配管５９を介してコールドヘッドに結
合される。

【００１５】図４に示したリニア型圧縮機においては、
永久磁石７４の外側周面は、ハウジング７７によって直
接囲まれている。ハウジング７７は、非磁性ステンレス
鋼等によって形成される。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】アキシャル型永久磁石
を用いたスターリング冷凍機のリニア型圧縮機において
は、永久磁石の発生する磁場がハウジングを通って外部
に漏洩する。赤外線検出器やその他の磁場によって影響
を受けやすい機器類が近傍に配置されていると、永久磁
石から漏洩する磁場によってこれらの機器が影響を受け
る。しかしながら、たとえばハウジングを磁性体によっ
て形成し、漏洩磁場を遮蔽しようとすると、磁気ギャッ
プに所望の磁場強度が得られなくなってしまう。

【００１７】本発明の目的は、漏洩磁束の少ないリニア
型圧縮機を備えたスターリング冷凍機を提供することで
ある。本発明の他の目的は、漏洩磁束が少なく、小型化
の容易なリニア型圧縮機を備えたスターリング冷凍機を
提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明のスターリング冷
凍機は、円筒状の形を有し、円筒の軸に対して半径方向
に着磁された永久磁石と、前記永久磁石の内側周面には
め込まれた円筒状の鉄スリーブと、前記永久磁石の外側
周面を覆って、永久磁石に結合された磁気ヨークとを有
するリニア式圧縮機を含む。

【００１９】

【作用】スターリング冷凍機のリニア式圧縮機を、半径
方向に着磁された永久磁石と、永久磁石の外側周面を覆
って、永久磁石に結合された磁気ヨークとを用いて形成
することにより、永久磁石から外部に発生する磁束は効
率的に磁気ヨークに吸収される。このため、漏洩磁束は
減少する。

【００２０】さらに、永久磁石の内側周面に鉄スリーブ
がはめ込まれているため、永久磁石から内側に向かって
発生する磁束も鉄スリーブに吸収され、磁束密度分布が
狭い領域に集中し、磁束密度が高くなる。このため、強
力なリニアモータが構成される。

【００２１】

【実施例】図１は、本発明の実施例によるスターリング
冷凍機の圧縮機部分を示す。図１（Ａ）は圧縮機の構成
を断面で示し、図１（Ｂ）はその永久磁石組立体の構成
を斜視図で示す。なお、コールドヘッドの構成は、従来
の技術で説明したものと同等である。

【００２２】図１（Ａ）において、磁気ヨーク１は圧縮
機の外殻容器も兼用し、圧縮機全体の磁気シールドとし
ても機能する。磁気ヨーク１は、さらに内部に連結され
た円筒状部分８を有し、二重円筒構造を構成している。

【００２３】二重円筒構造の外側円筒の内周部分に、円
筒形状の永久磁石２と永久磁石２の内周面にはめ込まれ
た鉄スリーブ３が配置され、内側円筒部材８との間に磁
気ギャップを形成している。この磁気ギャップ内には可
動コイル４が配置され、軸方向に移動可能にされてい
る。

【００２４】このようなリニアモータ構造が左右に対称
的に形成され、それらの軸には圧縮ピストン５が結合さ
れている。磁気ヨーク１の内側円筒部材８内周面には、
シリンダ部材９が形成され、圧縮ピストン５との間に摺
動結合を形成する。２つの圧縮ピストン５の間に圧縮室
６が形成され、この圧縮室６はコールドヘッドに配管を
介して接続される。

【００２５】永久磁石２の外周面は、磁性材で形成され
た磁気ヨーク１と密接に係合して配置される。また、永
久磁石２内周面には鉄スリーブ３がはめ込まれている。
図１（Ｂ）は、永久磁石２とその内周面にはめ込まれた
鉄スリーブ３が形成する永久磁石組立体の構成を概略的
に示す。永久磁石２は、たとえばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ−Ｃｏ
を主成分とするネオジウム磁石で構成される。このよう
なネオジウム磁石は、たとえば大同特殊鋼株式会社より
入手できる型番ＮＤ−３１ＨＲによって形成することが
できる。

【００２６】鉄スリーブ３は、磁性体で形成される。た
とえば、一般構造用圧延鋼材として知られるＪＩＳ−Ｇ
３１０１を用いることができる。たとえば、最大透磁率
μ_m＝６０００〜８０００のＳＳ４００を用いることが
できる。磁気ヨーク１も同様の材料を用いて構成するこ
とができる。なお、磁気ヨーク１を他の磁性体で形成し
てもよい。

【００２７】図２は、鉄スリーブ３の機能を説明するた
めの磁束密度分布を示す概念図である。図２（Ａ）は、
鉄スリーブを用いない場合の磁束密度分布を示す。磁気
ヨーク１は、内側円筒部材と外側円筒部材を有し、その
一端で結合され、他端で磁気ギャップを形成している。

【００２８】磁気ギャップにおいて、永久磁石２が外側
円筒部材内周面に密着して結合している。永久磁石２か
ら発する磁束は、図中矢印で示すように広い範囲に分布
する。

【００２９】図２（Ｂ）は、鉄スリーブ３を用いた時の
磁束密度分布を示す。磁気ヨーク１は、連結した外側円
筒部材と内側円筒部材を含んで構成される。外側円筒部
材内周面に密接して永久磁石２が配置されており、さら
にその内周面に鉄スリーブ３がはめ込まれている。

【００３０】このような構成によれば、永久磁石２は着
磁方向に関してその両側で磁気ヨーク１と鉄スリーブ３
に挟まれている。したがって、永久磁石２の発生する磁
束は、下側部分においても効率的に鉄スリーブ３に吸収
され、鉄スリーブ３によって画定される領域内に集中す
る。

【００３１】したがって、鉄スリーブ３と内側円筒部材
の形成する磁気ギャップにおいても、磁束密度は狭い部
分に集中する。このように、磁束の発散が防止されるた
め、磁気ギャップにおいて高い磁束密度を得ることがで
きる。

【００３２】図２（Ｃ）は、鉄スリーブのある場合と、
鉄スリーブのない場合の磁束密度分布を比較して示す。
実線で示した曲線ｂは、鉄スリーブがある場合の磁束密
度分布を示し、破線で示した曲線ａは、鉄スリーブがな
い場合の磁束密度分布を示す。

【００３３】鉄スリーブがない場合の曲線ａと較べ、鉄
スリーブを設けた場合の曲線ｂの磁束密度分布は分布幅
が狭く、その最大値が高くなっている。したがって、漏
洩磁束が減少し、磁気ギャップにおいてより高い磁束密
度分布が得られる。より高い磁束密度分布は、リニアモ
ータの駆動力の向上を有する。したがって、圧縮機の小
型化がより容易になる。

【００３４】鉄スリーブ３は、永久磁石の発生する磁束
を有効に集中させるため、なるべく高い透磁率を有する
ことが好ましいが、上述の材料はこの条件を十分満足す
るものである。

【００３５】磁気ヨーク１は、鉄スリーブ３と同一材料
で形成してもよいが、ハウジングとして機能することを
考慮し、他の磁性体を用いてもよい。ただし、磁気ヨー
ク１は、永久磁石２と結合する部分において十分な飽和
磁束密度を有することが望ましい。

【００３６】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
スターリング冷凍機の圧縮機から漏洩する磁束が減少す
る。

【００３８】また、より強力な、またはより小型のリニ
アモータを備えた圧縮機を有するスターリング冷凍機が
提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるスターリング冷凍機の圧
縮機を示す。図１（Ａ）は圧縮機の断面図、図１（Ｂ）
は永久磁石組立体の斜視図である。

【図２】図１の圧縮機の磁気回路における磁束密度分布
を示す概念図である。

【図３】従来の技術によるスターリング冷凍機の構成を
示す概略断面図である。

【図４】従来の技術によるリニア型圧縮機の構成を示す
断面図である。

【符号の説明】

１ 磁気ヨーク ２ 永久磁石 ３ 鉄スリーブ ４ 可動コイル ５ 圧縮ピストン ６ 圧縮室 ７ 電流リード ８ 内側円筒部材 ９ シリンダ部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒状の形を有し、円筒の軸に対して半
   径方向に着磁された永久磁石と、 前記永久磁石の内側周面にはめ込まれた円筒状の鉄スリ
   ーブと、 前記永久磁石の外側周面を覆って、永久磁石に結合され
   た磁気ヨークとを有するリニア式圧縮機を含むスターリ
   ング冷凍機。
2. 【請求項２】 前記磁気ヨークが連結された二重円筒構
   造を有し、内側円筒が圧縮ピストンを収容する空間を画
   定し、内側円筒と外側円筒間に可動コイルを収容するギ
   ャップを形成する請求項１記載のスターリング冷凍機。