JPH04121464A - 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（ＩＯとを組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、該シリング
（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）周引こ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
一体固定された略述カップ状のボビン（ｈ）か往復動可
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
（１）にリード線（ｉ＋）、　　（ｉ＋）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（１）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（ｃ１）で所定周期のガス圧を発生させるよ
うになされている。

方、上記膨張！　（ｋ）は、円筒状シリンダ（１）を有
し、このシリンダ（ｇ）内にはシＩＩンダ（ρ）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（０）か往復動可能に嵌装されている。この
ディスプレーサ（ｏ）は、内部に金属製メツシュ等から
なるリシエ７ｐレタ（０＋）（再生式熱交換器）を充填
したもので、該リジェネレータ（０］）を膨張室（ｍ）
及び作動室（ｎ）にそれぞれ連通させる連通孔（０２）
、　　（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イスプレーサスプリング（
ｐ）か配設されている。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）からの冷媒カス圧によ
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ＣＤ　）先
端のコールドヘットに寒冷を発生させるようになされて
いる（例えば“Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ　ｆｏｒ　Ｃ
ｒｙｏｇｅｎｉｃ　５ｅｎｓｏｒｓ　　、　ＮＡＳＡ　
Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ　２２
ｇ７等参照）。

（発明か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。

ところか、このように磁気間隙（ｇ１）をコイルＣｉ）
により埋める等の構造では、コイル（１）と磁石（ｇ）
の磁気回路とで囲まれた空間（ｇ２）かいわば密閉構造
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）のガスかコイル（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か大
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かコイ
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（
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、ピストン（５
）をシリンダ（４）内で往復動可能にノ＼ウシング（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）と連通ずる連通路（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か通電されると、そ
のコイル（１２）か磁気回路（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）か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
容積か増減変化して、その内部の冷媒ガスか所定周期で
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）の容積か
増減変化するか、この空間（Ｓ：）は上記磁気回路（１
０）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（Ｓ：　）内部
のカスはシリンダ（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かできる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基ついて説明する。

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）か貫通形成されてい
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）か
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）か摺動可能に嵌装さ
れており、二のピストン（５）下側でシリンダ（４）に
より囲まれた部分か圧縮室（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）と連通ずる結合
配管（３０）の一端か嵌合固定され、この結合配管（３
０）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）か形成され、この凹部（８）の内側
側面には環状の永久磁石（９）か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＠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）か構成され、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０．１
５ｍｍ程度の薄肉ステンレス＃Ａ＜例えば鋼種５ＵＳ）
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）とそれに対向する四部
（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）か所定の巻き段数た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）か配設され、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）か嵌合固定され、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ｎ（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）か形成され、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）
か形成されている。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（ユ６．　ａ　）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）か掛は渡されており、このスプリング（１
７）により、ピストン（５）はハウジンク（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）（
ＷＥ鉄）には、上記コイル（］２）及び磁気回路（１０
）により囲まれた四部（８）内奥底部の空間（Ｓ：）を
外部に連通ずるための複数の連通路（１８）、　　（１
８）、・・・（図では１つのみ示している）か円周方向
に等角度間隔をあけて形成されている。この各連通路（
１８）は四部（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）により囲まれた四部（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
り四部（８）内奥底部の空間（Ｓ：）とシリンダ（４）
背後でボビン（１１）外側の空間（Ｓ３）とか連通され
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か通電さ
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）か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
力波か生じる。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）の圧力変化に応して膨張機（３１）のディスプレ
ーサかスプリングを伸縮させなから往復動し、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）のフィル（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＜Ｓ−、）の
容積か増減変化するか、上記磁気回路（１０）の継鉄つ
まり底壁（３）には連通路（１８）、　　（１８）、・
・・か形成され、この各連通路（１８）により上記空間
（Ｓ２）かハウジング（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か小さい
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四部（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
かでき、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）の内側部分か磁気飽和
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二とが
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 （Ｓｌ　） （Ｓ２　） （Ｓ３　） ・・・連通路 ・・膨張機 ・・磁気回路の間隙 ２．コイル及び磁気回路で囲まれた空間・・・シリンダ
背後の空間 特許出願人　ダイキン工業株式会社 代　理　人　弁理士　前　１）　弘（ほか１−名）第２
図 （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 （１８）・・・連通路 （Ｓ３） ・・・シリンダ背後の三間 第１ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （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（Ｓ＿１）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（Ｓ＿２）をシリンダ（４）背後の空間（Ｓ＿３）
   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。