JPH086685B2 - スターリング冷凍機用リニアモータ圧縮機 - Google Patents

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ガスを加圧するリニアモータ圧縮機
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２
図に示すように、冷媒ガスを加圧する圧縮機（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）とを汲み合わせたものである。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）内に形成されたシリンダ（ｃ）と、該シリ
ンダ（ｃ）内に往復動可能に嵌装され、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リ
ニアモータ（ｆ）とを備えている。このリニアモータ
（ｆ）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（g₁）に磁界を発生
させる。上記間隙（g₁）には中心部にて上記ピストン
（ｅ）に一体固定された略逆カップ状のボビン（ｈ）が
往復動可能に配設され、該ボビン（ｈ）の外周にはドラ
イブコイル（ｉ）が巻き付けられている。また、上記ボ
ビン（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（ｉ）にリード線（i₁），（i₁）を介して所定
周波数の交流を通電することで、間隙（g₁）内を通る磁
界との作用によりコイル（ｉ）及びボビン（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、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（ｌ）を
有し、このシリンダ（ｌ）内にはシリンダ（ｌ）内空間
を膨張室（ｍ）と作動室（ｎ）とに区画するフリーディ
スプレーサ（ｏ）が往復動可能に嵌装されている。この
ディスプレーサ（ｏ）は、内部に金属製メッシュ等から
なるリジェネレータ（o₁）（再生式熱交換器）を充填し
たもので、該リジェネレータ（o₁）を膨張室（ｍ）及び
作動室（ｎ）にそれぞれ連通させる連通孔（o₂），
（o₃）を有する。また、上記作動室（ｎ）内には、ディ
スプレーサ（ｏ）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ィ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）は結合配管
（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（ｏ）を往復動させて冷媒ガスを膨張室
（ｍ）で膨張させることにより、シリンダ（ｌ）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“Refrigerator for Cryogenic Sensors",NASA
Conference Publication2287等参照）。

（発明が解決しようとする課題） 上記のリニアモータ圧縮機（ａ）においては、その効
率を高めるために、リニアモータ（ｆ）のボビン（ｈ）
が配置される磁気間隙（g₁）を可能な限り埋めつくすこ
とが望ましい。これは、例えばコイル（ｉ）の巻き段数
を多くしたり、或いはコイル（ｉ）とそれに対向する間
隙（ｇ）の側面との間隔を小さくしたりすることで達成
できる。

ところが、このように磁気間隙（g₁）をコイル（ｉ）
により埋める等の構造では、コイル（ｉ）と磁石（ｇ）
の磁気回路とで囲まれた空間（g₂）がいわば密閉構造に
なるため、ボビン（ｈ）及びコイル（ｉ）の往復動に伴
い、その空間（g₂）のガスがコイル（ｉ）の側方を通っ
て出入りするようになり、そのガスの流動損失が大き
く、却って圧縮機の効率が低下するという問題が生じ
る。

本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもので、その目
的は、膨張機のリニアモータ構造に改良を加えることに
より、コイル及び磁気回路で囲まれた空間内のガスがコ
イルの移動に伴って出入りする際の流動抵抗を小さく
し、よって圧縮機の効率を有効に向上させることにあ
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、コイル及び磁気回路で囲まれた空間を圧縮
室背後の空間と連通して開放構造とする。

すなわち、この発明では、第１図に示すように、ハウ
ジング（２）内に設けられたシリンダ（４）と、該シリ
ンダ（４）内に往復動可能に嵌装され、シリンダ（４）
内空間に圧縮室（６）を区画形成するピストン（５）
と、磁石（９）及び継鉄（３）からなる磁気回路（10）
の一部に形成した間隙（S₁）に配設されかつ上記ピスト
ン（５）に連結されたコイル（12）を有し、コイル（1
2）への所定周波数の交流の供給によりピストン（５）
を往復駆動するリニアモータ（７）と、ピストン（５）
をシリンダ（４）内で往復動可能にハウジング（２）に
対し弾性支持するピストンスプリング（17）とを備えた
スターリング冷凍機用リニアモータ圧縮機に対し、上記
磁気回路（10）に、コイル（12）及び磁気回路（10）に
より囲まれた空間（S₂）をシリンダ（４）背後の空間
（S₃）と連通する連通路（18）を設ける。

（作用） 上記の構成により、請求項（１）に係る発明では、リ
ニアモータ（７）に所定周波数の交流が通電されると、
そのコイル（12）が磁気回路（10）との間に作用する電
磁力により往復動し、該コイル（12）に連結されたピス
トン（５）が駆動されてシリンダ（４）内で往復動し、
このピストン（５）の往復動により圧縮室（６）の容積
が増減変化して、その内部の冷媒ガスが所定周期で圧縮
される。

上記コイル（12）の移動に伴い、コイル（12）及び磁
気回路（10）により囲まれた空間（S₂）の容積が増減変
化するが、この空間（S₂）は上記磁気回路（10）の連通
路（18）を通してシリンダ（４）背後の空間（S₃）に連
通されているため、空間（S₂）内部のガスはシリンダ
（４）背後の空間（S₃）に抵抗なく往来して、そのガス
の流動抵抗は小さくなり、コイル（12）及びピストン
（５）はスムーズに往復動することとなる。従って、磁
気間隙（S₁）を埋めつくした構造であっても圧縮機の効
率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１図は本発明の一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の圧縮機（１）を示し、この圧
縮機（１）は膨張機（31）と組み合わされて冷凍機を構
成する。圧縮機（１）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としての純鉄からなる底壁（３）
により封閉したもので、底壁（３）の中心部には上下方
向に延びるシリンダ嵌装孔（3a）が貫通形成されてい
る。このシリンダ嵌装孔（3a）には非磁性材料としての
ステンレス鋼からなる有底円筒状のシリンダ（４）が密
嵌合され、このシリンダ（４）内には上方に開放された
略有底円筒状のピストン（５）が摺動可能に嵌装されて
おり、このピストン（５）下側でシリンダ（４）により
囲まれた部分が圧縮室（６）とされている。シリンダ
（４）の底部には連通孔（4a）が貫通形成され、この連
通孔（4a）には上記圧縮室（６）と連通する結合配管
（30）の一端が嵌合固定され、この結合配管（30）の他
端は膨張機（31）に接続されている。

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（７）に駆動連結されてい
る。すなわち、上記ハウジング（２）の底壁（３）上面
（内面）にはシリンダ嵌装孔（3a）と同心状に配置され
た環状の凹部（８）が形成され、この凹部（８）の内側
側面には環状の永久磁石（９）が外側側面との間に所定
の間隙（S₁）をあけて取り付けられており、この磁石
（９）及び継鉄としての上記底壁（３）によりリニアモ
ータ（７）の磁気回路（10）が構成され、この磁気回路
（10）で磁石（９）と凹部（８）外側側面との間の間隙
（S₁）に所定強度の磁界を発生させるようにしている。

そして、上記ピストン（５）のシリンダ（４）内と反
対側の端部（上端）は、非磁性材料としての例えば0.15
mm程度の薄肉ステンレス鋼（例えば鋼種SUS）からなる
有底円筒状のボビン（11）に連結されている。このボビ
ン（11）の外周部は、ピストン（５）と同心状にシリン
ダ（４）の奥部側に延び、その先端部は上記磁石（９）
の外周面（磁極面）とそれに対向する凹部（８）の外側
側面（磁極面）との間の間隙（S₁）に往復動可能に配置
されている。そして、ボビン（11）の下半部外周には上
記磁石（９）と対向した位置にコイル（12）が所定の巻
き段数だけ巻き付けられており、このコイル（12）に所
定周波数の交流を通電することにより、コイル（12）及
びそれに連結されたピストン（５）を往復動させて、圧
縮室（６）で所定周期のガス圧を発生させる。

ハウジング（２）の内部には水平円板からなる支持部
材（13）が配設され、該支持部材（13）はハウジング
（２）の底壁（３）上面に立設した複数本の取付ロッド
（14），（14），…（図では１本のみ示す）により底壁
（３）から所定高さ位置に位置するように固定されてい
る。上記支持部材（13）の中心部下面にはスプリングホ
ルダアッパ（15）が嵌合固定され、このスプリングホル
ダアッパ（15）の外周には螺旋状のスプリング取付溝
（15a）が形成されている。一方、上記ピストン（５）
の内底面中心にはスプリングホルダロア（16）が形成さ
れ、このスプリングホルダロア（16）の外周には螺旋状
のスプリング取付溝（16a）が形成されている。そし
て、上記スプリングホルダアッパ（15）のスプリング取
付溝（16a）にはコイルばねからなるピストンスプリン
グ（17）の上端が螺合により移動不能に取り付けられ、
このスプリング（17）の下端はスプリングホルダロア
（16）のスプリング取付溝（16a）に移動不能に取り付
けられている。従って、ハウジング（２）に一体的に固
定された支持部材（13）とピストン（５）との間にピス
トンスプリング（17）が掛け渡されており、このスプリ
ング（17）により、ピストン（５）はハウジング（２）
に往復動可能に弾性支持されている。

さらに、上記磁気回路（10）を形成する底壁（３）
（継鉄）には、上記コイル（12）及び磁気回路（10）に
より囲まれた凹部（８）内奥底部の空間（S₂）を外部に
連通するための複数の連通路（18），（18），…（図で
は１つのみ示している）が円周方向に等角度間隔をあけ
て形成されている。この各連通路（18）は凹部（８）外
側の底壁（３）を上下方向に延び、その上端は底壁
（３）の上面に開口している。一方、下端は内周側に彎
曲した後、上記コイル（12）及び磁気回路（10）により
囲まれた凹部（８）内奥底部の空間（S₂）に開口してお
り、この各連通路（18）により凹部（８）内奥底部の空
間（S₂）とシリンダ（４）背後でボビン（11）外側の空
間（S₃）とが連通されている。

尚、上記膨張機（31）は、「従来の技術」の項で説明
したものと同じ構成であり、ここでは詳細な説明は省略
する（第２図参照）。

次に、上記実施例の作動について説明する。

冷凍機の運転時、圧縮機（１）におけるリニアモータ
（７）のコイル（12）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（９）により発生する磁界
との作用によりコイル（12）及びそれと一体のピストン
（５）がピストンスプリング（17）を伸縮させながら往
復動し、このピストン（５）のシリンダ（４）内での往
復動により圧縮室（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室（６）内部の冷媒が所
定周期で圧縮されて圧縮室（６）内に所定周期の圧力波
が生じる。この圧縮室（６）は結合配管（30）を介して
膨張機（31）に連通しているため、上記圧縮室（６）の
圧力変化に応じて膨張機（31）のディスプレーサがスプ
リングを伸縮させながら往復動し、膨張室でのガスの膨
張により寒冷が発生する。

その場合、上記圧縮機（１）においては、リニアモー
タ（７）のコイル（12）の移動に伴い、コイル（12）及
び磁気回路（10）により囲まれた空間（S₂）の容積が増
減変化するが、上記磁気回路（10）の継鉄つまり底壁
（３）には連通路（18），（18），…が形成され、この
各連通路（18）により上記空間（S₂）がハウジング
（２）内のシリンダ（４）背後の空間（S₃）に連通され
ているため、空間（S₂）内部のガスはシリンダ（４）背
後の空間（S₃）に対し抵抗なく往来し、そのガスの流動
抵抗は小さくなり、コイル（12）及びピストン（５）は
スムーズに往復動することとなる。従って、このように
ガスの流動抵抗が小さいので、例えばコイル（12）の巻
き段数を増やす等して、磁石（９）外周とそれに対向す
る凹部（８）の外側側面との間の磁気間隙（S₁）を支承
なく埋めつくすことができ、よって圧縮機（１）の効率
を向上させることができる。

尚、上記連通孔（18）は、継鉄（３）において空間
（８）の外側部分，すなわち磁気飽和のない部分に形成
されているので、磁場に悪影響を与えることはない。

また、磁石（９）を空間（８）の外側に配設すること
も可能で、この場合には空間（８）の内側部分が磁気飽
和のない状態にあるため、上記連通路（18）を継鉄
（３）（底壁）において空間（８）の内側部分に形成す
ることにより、上記と同様に磁場への悪影響を避けるこ
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リニアモータ圧縮機におい
て、リニアモータの磁気回路に連通路を形成して、この
連通路により磁気回路及びコイルで囲まれた空間をシリ
ンダ背後の空間に連通して開放するようにしたことによ
り、コイルの移動に伴って上記空間に対し出入りするガ
スの流動損失を確実に下げることができ、よってコイル
等により磁気間隙を埋めつくした構造であっても圧縮機
の効率の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る圧縮機の拡大断面図で
ある。第２図は従来例を示す冷凍機の断面図である。 （１）……圧縮機 （２）……ハウジング （４）……シリンダ （５）……ピストン （６）……圧縮室 （７）……リニアモータ （９）……磁石 （10）……磁気回路 （12）……コイル （17）……ピストンスプリング （18）……連通路 （31）……膨張機 （S₁）……磁気回路の間隙 （S₂）……コイル及び磁気回路で囲まれた空間 （S₃）……シリンダ背後の空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 勝彦 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 (56)参考文献 特開 昭59−194657（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−173575（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−41470（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−35406（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ハウジング（２）内に設けられたシリンダ
   （４）と、 上記シリンダ（４）内に往復動可能に嵌装され、シリン
   ダ（４）内に圧縮室（６）を区画形成するピストン
   （５）と、 磁石（９）及び継鉄（３）からなる磁気回路（10）の一
   部に形成した間隙（S₁）に配設されかつ上記ピストン
   （５）に連結されたコイル（12）を有し、コイル（12）
   への所定周波数の交流の供給によりピストン（５）を往
   復駆動するリニアモータ（７）と、 上記ピストン（５）をシリンダ（４）内で往復動可能に
   ハウジング（２）に対し弾性支持するピストンスプリン
   グ（17）とを備えてなり、 上記磁気回路（10）には、コイル（12）及び磁気回路
   （10）により囲まれた空間（S₂）をシリンダ（４）背後
   の空間（S₃）と連通する連通路（18）が形成されている
   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。