JP2001221522A - 蓄冷式冷凍機システム用のガス圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピストンを機械的ニュートラル位置を間にし
て往復動作させることのできる蓄冷式冷凍機システム用
のガス圧縮機を提供すること。 【解決手段】 シリンダ１５０内に配置されるピストン
１５１と、このピストンをシリンダ内で往復運動させる
リニアモータとを有する。リニアモータは、保持部材１
５２に固定された環状の永久磁石１５４と、この永久磁
石に対向しつつ往復動作可能に保持部材に組み込まれた
環状の可動コイル１５５と、この可動コイルとピストン
とを連結している連結部材１５６とを含み、しかもピス
トンとケース１５３の内壁との間にはピストンを一方向
に付勢するコイルバネ１５７が設けられている。コイル
バネの機械バネ定数をあらかじめ定められた式により得
られる値より大きくなるように設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スターリング冷凍
機やパルスチューブ冷凍機のような蓄冷式冷凍機システ
ム用のガス圧縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】蓄冷式冷凍機システムの一例として、ス
ターリング冷凍機について説明する。図１は、本出願人
によりすでに出願済み（特願平１１−１９７２８号）の
スターリング冷凍機の構造を示している。このスターリ
ング冷凍機は、ガス圧縮機本体１００が、左右一対のま
ったく同じ構造のガス圧縮機で構成されている。ここで
は、左側のガス圧縮機について説明する。

【０００３】ガス圧縮機は、シリンダ１５０と、シリン
ダ１５０との間に圧縮室を形成するようにシリンダ１５
０内に配置されたピストン１５１と、シリンダ１５０を
保持している磁性材料から成る略円柱状の保持部材１５
２と、この保持部材１５２の外周に溶接により接続固定
されるケース１５３とを有する。保持部材１５２は、右
側のガス圧縮機用の保持部材と一体に作られている。シ
リンダ１５０は、その一端側のフランジの複数箇所にお
いてボルト１６０により保持部材１５２に固定されてい
る。ケース１５３は、保持部材１５２への溶接箇所とは
反対側の端部に開口を持つ円筒状部材１５３−１と、こ
の円筒状部材１５３−１の開口を塞ぐように溶接により
固定される蓋部材１５３−２とから成る。保持部材１５
２は鉄系の材料でつくられ、ケース１５３と共にガス圧
縮機のケースの一部を兼ねる他、磁気回路形成用のヨー
クとしても作用する。

【０００４】ピストン１５１を、シリンダ１５０内でそ
の軸方向に往復運動させる往復駆動機構は、シリンダ１
５０と同心状になるように保持部材１５２に形成された
筒状空間、特に環状空間の内壁に固定された環状の永久
磁石１５４と、永久磁石１５４に対向しつつ環状の空間
内を軸方向に移動可能なように配置された環状の可動コ
イル１５５と、可動コイル１５５とピストン１５１とを
連結している連結部材１５６とを含む。連結部材１５６
は、ピストン１５１と連結されている小径の筒状部に設
けたフランジ部と、可動コイル１５５と連結されている
大径の筒状部のフランジ部とをボルト１６１で連結して
構成される。なお、このような往復駆動機構はリニアモ
ータとも呼ばれ、機械的振動の低減に有効である。

【０００５】ピストン１５１における圧縮室とは反対側
の端部に設けられた台座１５１−１と蓋部材１５３−２
の内壁に設けられた台座１５３−２ａとの間には、ピス
トン１５１を圧縮室側に付勢するコイルバネ１５７が設
けられている。蓋部材１５３−２には、絶縁部材１６２
を介して端子１６３が挿通されている。この端子１６３
は、可動コイル部材１５５に電源を供給するためのもの
である。このために、ケース１５３内では、リード線１
６４により端子１６３と可動コイル部材１５５とが接続
されている。シリンダ１５０の内壁には、テフロン系の
樹脂材料によるピストンシール１５８が設けられてい
る。また、シリンダ１５０におけるフランジ部のコーナ
部にはＯ−リングによるシール部材１６５が設けられて
いる。

【０００６】保持部材１５２には、一対のガス圧縮機に
あけるガス圧縮室に共通の冷媒連通路１７０が設けられ
ている。この冷媒連通路１７０は、接続部１８０を介し
てキャピラリチューブのような冷媒配管１９０に接続さ
れている。

【０００７】ガス圧縮機としての動作原理は、本出願人
によりすでに出願済みの特願平１０−２３６１１１号に
開示されているので説明は省略する。

【０００８】次に、コールドヘッド２００について説明
する。コールドヘッド２００は、シリンダ２０１、ディ
スプレーサ２０２、コイルバネ２０３、及びシリンダホ
ルダ２０４を含んで構成される。シリンダ２０１は、柱
面状、例えば円柱面状の内周面を有する。シリンダ２０
１の一端は閉塞され、他端はシリンダホルダ２０４で塞
がれている。シリンダ２０１の内部空洞内にシリンダに
収容されたディスプレーサ２０２が挿入されている。

【０００９】シリンダ２０１の一端とディスプレーサ２
０２との間に、膨張空間２０５が画定され、ディスプレ
ーサ２０２とシリンダホルダ２０４との間に、無効空間
２０６が画定される。ディスプレーサ２０２内には、膨
張空間２０５と無効空間２０６とを連通させる冷媒流路
が設けられ、冷媒流路内には、銅金網、鉛球等の蓄冷材
が充填されている。

【００１０】ディスプレーサ２０２は、無効空間２０６
内に配置されたコイルバネ２０３により、軸方向に関し
て弾性的に支持されている。無効空間２０６は、冷媒配
管１９０を介してガス圧縮機本体１００のガス圧縮室に
連通している。

【００１１】シリンダホルダ２０４は、ディスプレーサ
２０２とは反対側の端部が開口にされ、この開口を蓋部
材２０４−１で塞ぐように構成される。蓋部材２０４−
１は、複数のボルト２０７によりシリンダホルダ２０４
の開口端面に固定される。

【００１２】コールドヘッド２００において、シールの
必要な箇所には複数のシール部材が設けられる。すなわ
ち、蓋部材２０４−１はシリンダホルダ２０４の開口部
に入り込む嵌合部を有し、蓋部材２０４−１とシリンダ
２０４の開口部の端面との接合面の一方（ここでは蓋部
材２０４−１側）にはＯ−リングによるシール部材２０
９を設け、蓋部材２０４−１と前記嵌合部との間のコー
ナ部とシリンダホルダ２０４の開口の縁部との間にはシ
ール部材２１０を介在させている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の往復
駆動機構、すなわちリニアモータにおいては、可動コイ
ル１５５に交流電流を流すことで往復運動を得ることが
できる。また、可動コイル１５５に供給する電力を低減
するために、ピストン１５１、可動コイル１５５、連結
部材１５６等を含む被駆動部の重量とバネ定数の関係が
駆動周波数に共振するように設計される。この種のガス
圧縮機の消費電力は、通常、３０（Ｗ）〜１００（Ｗ）
である。なお、ここでいうバネ定数とは、コイルバネ１
５７のみならず、シリンダ１５０内の圧縮室において仮
想的に構成されるガスバネをも含んでいる。

【００１４】図２を参照して、ガス圧縮機においては、
理想的には、図２（ａ）に示すように、ピストン１５１
は設計値により与えられる機械的ニュートラル位置を間
にして往復運動することが望ましい。これは、圧縮機運
転中の被駆動部ニュートラル点と停止中の被駆動部ニュ
ートラル点とが一致していることを意味する。しかしな
がら、実際には、図２（ｂ）に示すように、ピストン１
５１は、機械的ニュートラル位置より前方（圧縮室側）
で往復運動したり、図２（ｃ）に示すように、機械的ニ
ュートラル位置より後方（コイルバネ１５７側）で往復
運動してしまう現象が起こる。以降の説明では、図２
（ｂ）のずれを−側、図２（ｃ）のずれを＋側として説
明するが、いずれにしてもこの現象は、消費電力が大き
くなるにつれて顕著となる。そして、機械的ニュートラ
ル位置より前方で往復運動すると、ピストン１５１のス
トロークが小さくなってしまい、機械的ニュートラル位
置より後方で往復運動すると、無効空間容積が大きくな
り過ぎる。その結果、いずれの場合も、ガス圧縮機の性
能低下、すなわち冷凍能力が減少することになる。

【００１５】そこで、本発明の課題は、ピストンを機械
的ニュートラル位置を間にして往復動作させることので
きる蓄冷式冷凍機システム用のガス圧縮機を提供するこ
とにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、シリン
ダと、前記シリンダとの間に圧縮室を形成するように前
記シリンダ内に配置されるピストンと、前記ピストン
を、前記シリンダ内でその軸方向に往復運動させるリニ
アモータと、前記シリンダをヨークとして作用する保持
部材を介して収容していると共に、前記ピストン及び前
記リニアモータを収容しているケースとを有し、前記リ
ニアモータは、前記保持部材に固定された筒状の永久磁
石と、該永久磁石に対向しつつ往復動作可能に前記保持
部材に組み込まれた筒状の可動コイルと、該可動コイル
と前記ピストンとを連結している連結部材とを含み、し
かも前記ピストンと前記ケースの内壁との間には前記ピ
ストンを一方向に付勢するバネ手段が設けられており、
前記バネ手段のバネ定数をあらかじめ定められた式によ
り得られる値より大きくなるように設定したことを特徴
とする蓄冷式冷凍機システム用のガス圧縮機が提供され
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を説明する前
に、本発明がなされるに至った経過を説明する。はじめ
に、前に述べた不具合の発生する要因について検討し
た。不具合の発生する要因として考えられるのは、以下
の点である。

【００１８】Ａ．渦電流の発生 可動コイルを装着しているボビンにアルミニウムを使用
していることにより、渦電流が発生する。

【００１９】Ｂ．吸引力の発生 可動コイルに電流を流すことによりその磁束でヨークが
電磁石となる。その結果、可動コイルがヨークの環状空
間内にあってしかも内側に入ろうとする時にはヨークの
環状空間の底部に吸引され、可動コイルの一部がヨーク
の環状空間の外にあってしかも外側に出ようとする時に
はヨークの環状空間の開口部に吸引されて可動コイルの
可動中心がオフセットを持って往復動作する。

【００２０】Ｃ．磁束密度分布 可動コイル、永久磁石、ヨークを含む磁気回路から発生
する磁束が磁気回路の出口（環状空間の開口側）で漏洩
していて、その影響を受けて被駆動部の駆動中心がオフ
セットを持って往復動作する。

【００２１】Ｄ．可動コイルの設定精度 可動コイルの設定中心がずれていると、可動コイル設定
中心より推力が変動するために被駆動部の駆動中心がオ
フセットを持つ。

【００２２】Ｅ．電流極性 可動コイルに通電する電流がオフセットを持つことによ
り、極性によって推力に差が生じ、被駆動部の駆動中心
がオフセットを持つ。

【００２３】上記の要因Ａ〜Ｅについて各種の実験を行
った結果、要因Ｂと要因Ｅの影響が大きいと思われるに
至った。

【００２４】図３は、ガス圧縮機動作時に発生する複数
種類の力の方向を示した図である。すなわち、動作時に
発生する力は、永久磁石からの磁束で可動コイルを移動
させようとする力Ｆ１と、ヨークが鉄系の材料であるこ
とから可動コイルからの磁束で電磁石となることにより
可動コイルに吸引力として作用する力Ｆ２と、可動コイ
ルに誘導起電力が発生することにより可動コイルにその
移動方向とは逆方向に作用する力Ｆ３とがある。上記の
力Ｆ３については問題無いが、力Ｆ２は、常時可動コイ
ルに吸引力として作用するために問題があると思われ
る。

【００２５】図４は、上記の吸引力Ｆ２について測定し
た結果を示す。この測定は、可動コイルにロードセルを
設けて吸引力を計測できるようにし、しかも可動コイル
の設定位置を初期設計値による位置から−５ｍｍ〜＋４
ｍｍの範囲でずらして行われている。図４の測定結果に
よれば、当然のことではあるが、可動コイルに流す電流
が大きくなるほど吸引力Ｆ２も大きくなっている。

【００２６】図５は、可動コイルを装着しているボビン
を変えて、可動コイルの機械的ニュートラル位置を変化
させ、機械的ニュートラル位置と駆動中心のずれの関係
を測定した結果を示す。この測定結果によれば、駆動中
心と設定中心とが同じ、すなわちずれが０となる設定中
心は、可動コイルの初期設計値に対し、磁気回路から入
る側に２〜３ｍｍの範囲であることが推測される。

【００２７】一方、図６は、要因Ｅを検証するためのガ
ス圧縮機動作の１サイクルにおいて可動コイルに作用す
る力の差を計算した結果を示す。図６において、正側の
推力は可動コイルがヨークの環状空間から出る時（磁気
回路から出る方向）に作用する力であり、負側の推力は
可動コイルがヨークの環状空間内に入ろうとする時（磁
気回路内に入る方向）に作用する力である。そして、図
６の正側の波形内の面積と負側の波形内の面積との差
を、ガス圧縮機の消費電力３０Ｗ、６０Ｗ、１５０Ｗに
ついて計算した結果を下記の表１に示す。また、下記の
表２は、表１からガス圧縮機動作の１サイクル当たりの
平均推力差とそれに伴う運動時の中心位置変位量を示し
ている。表１、表２のいずれにおいても、消費電力が大
きくなるにつれて面積差、中心位置変位量が大きくなっ
ている。図６、表１、表２の結果は、要因Ｅの事実を裏
付けていることが理解できよう。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】上記の結果に基づいて検討を行った結果、
上記のようなずれが生じる原因は、可動コイルを付勢し
ているコイルバネのバネ定数が小さいことにあるという
結論に至った。

【００３１】本発明の特徴は、被駆動部の重量とバネ定
数（図１におけるコイルバネ１５７と圧縮空間において
仮想的に構成されるガスバネを含む）との関係を成立さ
せ、且つ下記の式（１）が成立するような機械バネ定数
Ｋ（Ｎ／ｍｍ）を持つバネ（単極コイルの場合）を使用
することにある。なお、バネは、図１に示されるような
コイルバネ１５７に限らず、円形状の板バネであっても
同じである。

【００３２】 Ｋ≧（Ｍｅ＋Ｍｎ×Ｉｏ＋｜Ｉ｜×（Ｍ_n+−Ｍ_n-）×０．５）／δ （１） 但し、Ｍｅはヨーク底面と可動コイル間に作用する吸引
力（Ｎ）、Ｍｎは推力定数（Ｎ／Ａ）で電流１Ａ当たり
どの程度の力が発生されるかを示す値、Ｉｏは可動コイ
ルに流される電流のオフセット値、Ｉは最大使用電流で
ある。また、Ｍ_n+は可動コイルが磁気回路内に入る方向
に電流を流した場合（図６の負側）の推力定数（Ｎ／
Ａ）、Ｍ_n-は可動コイルが磁気回路外に出る方向に電流
を流した場合（図６の正側）の推力定数（Ｎ／Ａ）であ
り、図６を利用して算出される。δは許容変位量（ｍ
ｍ）で冷凍能力の設計数値から算出される値である。Ｉ
ｏの極性は、可動コイルが磁気回路に入る方向を＋、可
動コイルが磁気回路から出る方向を−とする。

【００３３】なお、吸引力Ｍｅは、実験により、 Ｍｅ＝βＩ² で算出される。但し、βは係数であり、リニアモータの
形状で決まる。

【００３４】次に、可動コイルが双極コイルの場合は、
次式（２）で与えられる。

【００３５】 Ｋ≧（Ｍｅ＋Ｍｎ×Ｉｏ）／δ （２） なお、上記（１）、（２）式には、コイル中心と磁石中
心がずれて取り付けられた際の総磁束差による推力差が
付け加えられる。機械バネ定数Ｋの上限値は、上記の計
算により得られる値の１．２倍程度である。また、従来
は、機械バネ定数は、被駆動部の重量に基づいて決定さ
れているが、本発明でははじめに機械バネ定数を決め、
その値に応じて被駆動部の重量を決めるという設計過程
を経る。

【００３６】上記のような機械バネ定数Ｋを持つコイル
バネ１５７を使用することにより、消費電力が大きくな
っても、ピストンを機械的ニュートラル位置を間にして
往復動作させることができ、ガス圧縮機の性能低下を防
ぐことができる。

【００３７】図７は、本発明が適用されるガス圧縮機の
他の例を示し、永久磁石を１５４Ａ、１５４Ｂの２つ備
え、これに対応して可動コイルも１５７Ａ，１５７Ｂの
２つ備えたツインタイプと呼ばれるガス圧縮機である。
また、図１のコイルバネ１５７に代えて、板ばね１９０
を用いている。

【００３８】また、本発明は、図１に示されるようなス
ターリング冷凍機に限らず、パルスチューブ冷凍機のよ
うな蓄冷式冷凍機システム全般のガス圧縮機に適用でき
ることは言うまでもない。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、ピストンの往復運動
を、設計による機械的ニュートラル位置を間にした理想
的な状態にて行わせることができ、特に消費電力の大き
なタイプの蓄冷式冷凍機システムにおけるガス圧縮機の
性能向上に寄与せしめることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されるスターリング冷凍機の内部
構造を示した断面図である。

【図２】図１に示されたガス圧縮機におけるピストンの
運動を説明するための図であり、図（ａ）は理想的な運
動をしている場合、図（ｂ）はガス圧縮機の内側に偏っ
て運動をしている場合、図（ｃ）はガス圧縮機の外側に
偏って運動をしている場合をそれぞれ示す。

【図３】図１のガス圧縮機における可動コイル部分にお
いて発生する力を説明するための図である。

【図４】図１のヨークに起因して可動コイルに作用する
吸引力を測定した結果を示した図である。

【図５】可動コイルを装着しているボビンを変えて、可
動コイルの設定中心のずれと駆動中心と設定中心との間
のずれの関係を測定した結果を示した図である。

【図６】ガス圧縮機動作の１サイクルにおいて可動コイ
ルに作用する力の差を計算した結果を示した図である。

【図７】本発明が適用されるガス圧縮機の他の例を示し
た断面図である。

【符号の説明】

１００ ガス圧縮機本体 １５０ シリンダ １５１ ピストン １５１−１、１５３−２ａ 台座 １５２ 保持部材 １５３ ケース １５３−１ 筒状体 １５３−２ 蓋部材 １５４ 永久磁石 １５５ 可動コイル １５６ 連結部材 １５７、２０３ コイルバネ １５８ ピストンシール １８０、２１０ 接続部 １９０ 冷媒配管 ２００ コールドヘッド ２０１ シリンダ ２０２ ディスプレーサ ２０４ シリンダホルダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金尾 憲一 神奈川県平塚市夕陽ヶ丘63番30号 住友重 機械工業株式会社平塚事業所内 (72)発明者 森山 毅 神奈川県川崎市川崎区小田栄２丁目１番１ 号 昭和電線電纜株式会社内 (72)発明者 村西 哲 神奈川県川崎市川崎区小田栄２丁目１番１ 号 昭和電線電纜株式会社内 (72)発明者 赤間 助広 神奈川県川崎市川崎区小田栄２丁目１番１ 号 昭和電線電纜株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダと、 前記シリンダとの間に圧縮室を形成するように前記シリ
   ンダ内に配置されるピストンと、 前記ピストンを、前記シリンダ内でその軸方向に往復運
   動させるリニアモータと、 前記シリンダをヨークとして作用する保持部材を介して
   収容していると共に、前記ピストン及び前記リニアモー
   タを収容しているケースとを有し、 前記リニアモータは、前記保持部材に固定された筒状の
   永久磁石と、該永久磁石に対向しつつ往復動作可能に前
   記保持部材に組み込まれた筒状の可動コイルと、該可動
   コイルと前記ピストンとを連結している連結部材とを含
   み、しかも前記ピストンと前記ケースの内壁との間には
   前記ピストンを一方向に付勢するバネ手段が設けられて
   おり、 前記バネ手段のバネ定数を、あらかじめ定められた式に
   より得られる値より大きくなるように設定したことを特
   徴とする蓄冷式冷凍機システム用のガス圧縮機。