JP2001525530A

JP2001525530A - スターリングサイクル・システム用ディスプレーサ組立て

Info

Publication number: JP2001525530A
Application number: JP2000523504A
Authority: JP
Inventors: ミーシャハイテラー; マーククシュニール
Original assignee: メディスエルリミテッド
Priority date: 1997-12-01
Filing date: 1997-12-01
Publication date: 2001-12-11
Also published as: TW429299B; KR20010032589A; EP1042637A4; KR100516236B1; WO1999028685A1; EP1042637A1; AU3587699A

Abstract

(57)【要約】【課題】磁気スプリングを持った同期リニアモータによって駆動されるディスプレーサを有するスターリングサイクル・システムを提供する。【解決手段】スターリングサイクル・システム用ディスプレーサ組立ては、ディスプレーサ（１０２）と、このディスプレーサ（１０２）を駆動するように連結された同期リニアモータ（１１２）とを含む。このモータ（電動機）（１１２）は、極片間にギャップ（１２０）を画定している第１、第２の軟磁性極片（１１８）を有する少なくとも一つの固定子組立て（１１６）を特徴とする。ギャップ（１２０）の幅は、モータの運動の軸に対して垂直方向に向いており、固定子組立ては、このギャップ（１２０）の幅に基本的に平行に整列した磁界を発生させるように構成されている。本モータ（１１８）はまた、前記ギャップ（１２０）の幅に平行な第１の方向に磁化された第１のセクション（１２６）と前記第１のセクションから軸方向に変位した、前記第１の方向とは反対の方向に磁化された第２のセクション（１２８）とを含む少なくとも一つの複合永久磁石システム（１２４）を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（発明の分野と背景）本発明は、スターリングサイクル装置に関し、また特に磁気スプリングを持っ
た同期リニアモータによって駆動されるディスプレーサを有するスターリングサ
イクル・システムに関する。冷却用にスターリングサイクル・システムを採用することは知られている。ス
ターリングサイクル・システムは、両者とも往復運動をする二つの基本的な可動
部分を含んでいる。通常「ディスプレーサ」として知られているこれらの部分の
一つは、一般的にはシリンダに沿ってクリアランスを持って移動し得るプランジ
ャとして実現される。これは、シリンダの両端の間で交互の方向にガスの塊を移
送するのに役立つ。ディスプレーサは、ガス内に脈動する圧力を発生させるコン
プレッサに接続される。コンプレッサと同じ周波数で、しかしコンプレッサとは
ある一定の位相差を保ってディスプレーサを駆動することによって、このシステ
ムは、ディスプレーサの一端から放出される熱によるヒートポンプとして動作す
る。このようにしてスターリングサイクル・システムは、種々の冷却システムの
基礎として使用できる。スターリングサイクル・システムの効率的な運転を維持するためには、コンプ
レッサとディスプレーサとの間の位相関係を最適化しなくてはならない。この位
相関係は最も一般的には、コンプレッサとディスプレーサとの間の機械的連結に
よって維持される。しかしながら位相関係か振幅のいずれかの調整を可能にする
ようにこのような連結を行うことは、極めて困難である。更に機械的連結は、シ
ステムのこれら二つの部分の間に振動を伝えて、連結それ自身と全体としてのシ
ステムとの両者の信頼性を損なう傾向がある。代替の手法としては、ディスプレーサが自由ピストンとして働く「受動的」デ
ィスプレーサ組立てを採用した分割構造がある。振動の正しい固有振動数を得る
ようにディスプレーサ組立てを設計することによって、ディスプレーサは、コン
プレッサ出力に応答してコンプレッサ自身の運動とは位相的に正しい差異を示す
運動を行う。しかしながら受動ディスプレーサ・システムの較正と調整とを達成
するのは困難である。そのようなシステムの一例として、ディスプレーサ運動の
調整を可能にするために複雑な３本スプリングの減衰機構を提案している、Ｋｕ
ｓｈｎｉｒの米国特許第４，８６２，６９５号がある。

【０００２】機械的連結の欠点をなくして改良された制御を達成しようとする試みとして、
Ｄａｖｅｙの米国特許第４，３９７，１５５号は、ディスプレーサの運動とコン
プレッサの運動との間の関係が、一実施形態ではモータ（電動機）として機能す
る独立した電磁装置によって制御される「能動的」ディスプレーサ組立てを有す
るスターリングサイクル装置を開示している。このモータは、ディスプレーサ・
プランジャによって支持されていて静止磁石の磁界内で動き得るコイルを含んで
いる。このＤａｖｅｙの装置は多くの利点を持っている。しかしながらこのシステム
の効率は、採用されるモータの構造によって厳しく制限される。特にこのモータ
は、永久磁石回路のシリンダ状ギャップ内で軸方向に動く単一のシリンダ状コイ
ルとして示される。ここに述べるモータ構造は、効率が低く、セルフセンタリン
グ（自動調心）性を持たない。このようなシステムはまた、信頼性の低い滑り接
触を必要とする。更に、Ｄａｖｅｙの装置のディスプレーサは他のすべてのスターリング・ディ
スプレーサと同様に、ディスプレーサをその中立位置に戻すために種々のスプリ
ング要素を必要とする。こういった機械的スプリング要素は、調整が困難である
とか、機械的磨耗が激しいとか、音響的雑音が大きいとか、多くの設計的問題を
投げかける。したがって機械的接触を必要としない磁気スプリング効果を持ったモータ駆動
のディスプレーサを有するスターリングサイクル・システムの必要が存在する。
またこのようなディスプレーサを含むスターリングサイクル・システムを持つこ
とは、有益でもあろう。

【０００３】（発明の要約）本発明は、磁気スプリングを有する同期リニアモータによって駆動されるスタ
ーリングサイクル・ディスプレーサと、同ディスプレーサを含むスターリングサ
イクル・システムである。本発明の教えによれば、（ａ）ディスプレーサと、（ｂ）前記ディスプレーサ
を駆動するように動作可能に接続され、運動の軸を有する同期リニアモータであ
って、（ｉ）極片間にギャップ幅が前記軸に垂直に向いているギャップを画定し
ている第１、第２の軟磁性極片を有する固定子組立てであって、前記ギャップの
前記幅に基本的に平行に整列した磁界を発生させるように構成されている少なく
とも一つの前記固定子組立てと、（ｉｉ）前記ギャップ内に位置している複合永
久磁石システムであって、前記ギャップの前記幅に平行な第１の方向に磁化され
た第１のセクションと前記第１のセクションから軸方向に変位した、前記第１の
方向とは反対の方向に磁化された第２のセクションとを含む、少なくとも一つの
前記複合永久磁石システムとを含む前記モータとからなるスターリングサイクル
・システム用ディスプレーサ組立てであって、前記モータは、電源が前記モータ
に供給されないときには前記ディスプレーサを前もって決められた静止位置に戻
す磁気スプリングとして動作することを特徴とするスターリングサイクル・シス
テム用ディスプレーサ組立てが提供される。本発明の更なる特徴によれば、前記固定子組立てはコイルを含んでおり、この
コイルに印加される電圧の変化は、前記固定子組立てと前記複合永久磁石システ
ムとの間に軸方向の力にその変化に対応する変化を起こすという結果をもたらす
。また本発明の教えによれば、（ａ）コンプレッサと、（ｂ）ディスプレーサと
、（ｃ）前記ディスプレーサを駆動するように動作可能に接続された同期リニア
モータとを含むスターリングサイクル・システムであって、前記モータは、電源
が前記モータに供給されないときには前記ディスプレーサが前もって決められた
静止位置に戻るような磁気スプリングを備えるように構成されていることを特徴
とする前記スターリングサイクル・システムが提供される。

【０００４】本発明の更なる特徴によれば、前記モータは運動の軸を持っており、また前記
モータは、（ａ）極片間にギャップ幅が前記軸に垂直に向いているギャップを画
定している第１、第２の軟磁性極片を有する固定子組立てであって、前記ギャッ
プの前記幅に基本的に平行に整列した磁界を発生させるように構成されている少
なくとも一つの前記固定子組立てと、（ｂ）前記ギャップ内に位置している複合
永久磁石システムであって、前記ギャップの前記幅に平行な第１の方向に磁化さ
れた第１のセクションと前記第１のセクションから軸方向に変位した、前記第１
の方向とは反対の方向に磁化された第２のセクションとを含む、少なくとも一つ
の前記複合永久磁石システムとを含んでいる。本発明の更なる特徴によれば、前記コンプレッサは「コンプレッサ・モータ」
と呼ばれる少なくとも一つの同期リニアモータを含んでおり、前記コンプレッサ
・モータは、電源が前記コンプレッサ・モータに供給されないときには前記コン
プレッサが前もって決められた静止位置に戻るような磁気スプリングを備えるよ
うに構成されている。本発明の更なる特徴によれば、前記コンプレッサ・モータは、（ａ）極片間に
ギャップ幅が前記軸に垂直に向いているギャップを画定している第１、第２の軟
磁性極片を有する固定子組立てであって、前記ギャップの前記幅に基本的に平行
に整列した磁界を発生させるように構成されている少なくとも一つの前記固定子
組立てと、（ｂ）前記ギャップ内に位置している複合永久磁石システムであって
、前記ギャップの前記幅に平行な第１の方向に磁化された第１のセクションと前
記第１のセクションから軸方向に変位した、前記第１の方向とは反対の方向に磁
化された第２のセクションとを含む、少なくとも一つの前記複合永久磁石システ
ムとを含んでいる。本発明の更なる特徴によれば、前記コンプレッサは「コンプレッサ・モータ」
と呼ばれる少なくとも一つの同期リニアモータを含んでおり、前記システムは更
に電圧源を含んでおり、前記ディスプレーサ・モータと前記コンプレッサ・モー
タの両者は前記電圧源によって駆動されるように動作可能に接続されている。本発明の更なる特徴によれば、前記コンプレッサと前記ディスプレーサとの間
の相対的位相を調整するために、前記電圧源と、前記ディスプレーサ・モータと
前記コンプレッサ・モータの中の一つとの間に接続された可変インピーダンスを
有する少なくとも一つの要素が設けられている。

【０００５】（好適な実施形態の説明）本発明は、ここでは単に例として下記の付属図面を参照しながら説明される。本発明は、磁気スプリングを有する同期リニアモータによって駆動されるスタ
ーリングサイクル・ディスプレーサと、同ディスプレーサを含むスターリングサ
イクル・システムとである。本発明によるスターリングサイクル装置の原理と動作は、図面と付属の説明と
を参照することにより更によく理解できる。さてこれらの図面を参照すれば、図１はスターリングサイクル・システムで使
用される、本発明の教えにしたがって構成され動作する、一般に１００で示され
るディスプレーサ組立てを示す。ディスプレーサ組立て１００は、スターリング
サイクル・システムを構成する如何なるタイプのコンプレッサにも有利に使用で
きる。しかしながら本発明によるスターリングサイクル・システムの好適な一実
施形態では、同期式ツイン往復ピストン・コンプレッサ装置が使用される。米国
特許第５，６９３，９９１号として１９９７年１２月２日に発行され、また参考
のために本明細書にその全体が組み入れられている、１９９６年２月９日出願の
関連同時係属中の米国特許出願第０８／５９９，２０６号の主題である、このよ
うなコンプレッサを図２〜１１を参照しながら以下に説明する。一般的に言えば、ディスプレーサ組立て１００は、再生熱交換器１０４が走行
する中空シリンダの形をしたディスプレーサ１０２を含んでいる。再生熱交換器
１０４は、例としてシリンダ状マトリックスを形成する多くの金属スクリーン１
０８を含む薄壁シリンダ１０６としてここに示す熱交換器として機能するように
構成される。

【０００６】ディスプレーサ１０２には、同期リニアモータ１１２が駆動ロッド１１０を介
して動作可能に接続されている。その構造は、電源がモータに供給されないとき
にはディスプレーサ１０２が前もって決められた静止位置に戻るような磁気スプ
リングを備えるように設計されているということは、このモータ１１２の固有の
特徴である。本書では、「ディスプレーサ」の位置と言うときはディスプレーサの可動コン
ポーネントの位置、この場合は再生熱交換器１０４の位置を指すと理解されるこ
とに留意すべきである。さて更に詳細にディスプレーサ組立て１００の特徴を見れば、モータ１１２の
好適な構造は、運動軸１１４を参照しながら説明される。代替としては非共線的
な（同一線上にない）機械的連結も採用可能ではあるが、軸１１４はディスプレ
ーサ１０２の軸と共線的（同一線上）であることが好ましい。モータ１１２は、極片間にギャップ１２０を画定する第１、第２の極片１１８
を備えるコアを有する、少なくとも一つの固定子組立て１１６を含むことが好ま
しい。極片１１８は軟磁性材料から作られており、これら二つの極片間の最短距
離の線に対応する、ギャップ１２０の「幅」を指す次元が軸１１４に垂直な方向
に向けられるように配置される。固定子組立て１１６はまた、ギャップ１２０の
幅と本質的に平行に整列した磁界を発生させるように、コアに連結する少なくと
も１個のコイル１２２を含んでいる。ギャップ１２０内には、少なくとも一つの複合永久磁石システム１２４が配置
されている。複合永久磁石システム１２４は、ギャップ１２０の幅に平行な第１
の方向に磁化された第１のセクション１２６と、第１のセクション１２６から軸
方向に変位していて、第１の方向とは反対の方向に磁化された第２のセクション
１２８とを含んでいる。第１、第２のセクション１２６、１２８は、直に隣り合
うことが可能であり、すなわちそれらの間に突合せ接合部を形成することができ
る。その代わりとしてこれらは、軸方向に僅かに間隔を明けて離れていてもよい
。

【０００７】ここに述べるモータ構造は、前述のＤａｖｅｙの構造と比べて多くの利点を備
えている。最も注目すべきは、電流が印加されないときにモータ１１２は、ディ
スプレーサを所望の位置に戻して保持する、非接触の磁気スプリングとして機能
することである。このセルフセンタリング効果は、極片１１８の軟磁性材料によ
って最大磁束閉鎖が発生する複合永久磁石システム１２４の明確な最小エネルギ
ー位置から得られる。その結果、効率と信頼性という、機械要素に付随する問題
を有する機械的スプリング要素を、ディスプレーサ組立ての設計からまとめて削
除することができる。前記のモータ構造の更なる利点は、固定コイル構成が電気接点の滑動という問
題を回避するということである。この複合磁石モータ構成はまた、特に高い効率
をもたらす。ここに示したモータ１１２の説明図は事実上、概略図的であることを認めるべ
きである。単一の軸上に配置された磁石システム１２４を使用することもできる
が、モータ構造はこのような構成に限定されない。他の可能な実施形態は、コン
プレッサ構造に関連して以下に説明するものに類似したシリンダ状で多角形断面
の磁石システムを含むが、これに限定されない。

【０００８】図１の説明を完了させると、モータ１１２は共通のハウジング１３０を介して
ディスプレーサ１０２の外側シリンダに固定された関係で取り付けられることが
好ましい。ハウジング１３０は一般的には、リニアベアリングと駆動ロッド１１
０の周りのダイナミックシールとを特徴としている。スターリングサイクル・シ
ステムを構成する、ディスプレーサ１０２とコンプレッサとの連通は、ガス吸込
み管１３２と連通管１３４とによって達成される。前述のようにディスプレーサ組立て１００は、如何なるコンプレッサ設計にで
も有利に使用できる。種々の機械的減衰効果の同期と振幅制御とエミュレーショ
ンとはすべて、振動電流源の電子的制御とそれ関連の回路とによって達成するこ
とができる。コンプレッサとディスプレーサとの間の同期は、両者に共通の振動
源を使用することによって確保され、位相調整は適当なインピーダンスを有する
追加のコンポーネントの使用によって、あるいは他のディジタルまたはアナログ
方式によって確保されることが好ましい。ディスプレーサ組立て１００は、設計が前記のモータ１１２の特性と類似の特
性を共有するモータによって駆動されるコンプレッサと共に使用されることが好
ましい。以下、このようなコンプレッサの種々の例を説明する。

【０００９】さて好適なコンプレッサ構造を参照すれば、図２は本発明の教えにしたがって
構成され動作する、一般に１０で表されるコンプレッサを示す。一般的に言って
コンプレッサ１０は、シリンダ１２と、領域１６内に集中する半径方向の交番磁
界を生成するための、シリンダ１２に固定された二つの同等の固定子組立て１４
と、一対のピストン・磁石組立て１８とを含んでいる。各ピストン・磁石組立て
１８は、シリンダ１２の一部の中で滑動可能なピストン２０と、領域１６内に配
置された、多数の複合永久磁石システム２２とを含んでいる。固定子組立て１４
が交流によって励磁されると、複合永久磁石システム２２には交番軸力が作用し
、それによってシリンダ１２内にピストン２０の同期往復運動が発生する。シリ
ンダ１２内のピストン２０の往復運動は、シリンダ１２の中心に振動圧力を発生
させる。明確にするために、本明細書と請求項との中で使われる用語「軸方向の（ａｘ
ｉａｌ）」はシリンダ１２の中心軸に平行な方向または次元を指すことを理解す
べきである。同様に用語「半径方向の（ｒａｄｉａｌ）」は、シリンダ１２の中
心軸に垂直な方向または次元を指すために、本明細書と請求項との中で使われる
。本発明は、ここでは単一シリンダ構造として説明されているが、複数シリンダ
・システムにも容易に適応可能である。これらのシリンダ・システムの出口には
、並行して動作する多数の同期システムを接続することができる。その代替とし
て各々の内腔が一対の相対するピストン・磁石組立てを受け入れる、複数の角度
的に間隔をあけた、相互連通する内腔を有する単一装置内に、多数のシリンダを
組み入れることも可能である。さて更に詳細にコンプレッサ１０の特徴を見ると、シリンダ１２は、ピストン
２０を受け入れるために高精度に研削された内腔を持っている。出口管２４は、
その中心付近でシリンダ１２の内部ボリュームに連通している。有効流量が必要
とされるポンプ運転の用途では、追加の吸込み管と適当に配置された弁（図示せ
ず）とを追加してもよい。

【００１０】シリンダ１２と固定子組立て１４とピストン・磁石組立て１８とが精密に同軸
的に配列されていることは、本発明のコンプレッサの重要な特徴である。シリン
ダ１２に対して固定子組立て１４を精確に整列することを容易にするために、コ
ンプレッサ１０は、シリンダ１２の長さ方向の中心部分にシリンダ１２と一体的
に形成された、半径方向に広がるフランジ１３を特徴としている。さて固定子組立て１４を考えると、各固定子組立ては、少なくとも１個のコイ
ル２６と、シリンダ１２の軸を中心として対称に配置された少なくとも一対の固
定子パック２８から作られたコアとを含んでいる。各ピストン・磁石組立て１８
を駆動するために、独立の固定子組立て１４が設けられていることが好ましい。
各固定子組立て１４は、フランジ１３に取り付けられている。その代替として固
定子組立て１４は、図９を参照して以下に説明するようにシリンダ１２の両端の
周りに領域１６を設けるために、シリンダ１２の長さの主要部分に沿って延びて
いてもよい。固定子組立て１４が領域１６内に集中する、実質的に半径方向の磁界パターン
を生成することは、本発明の固有の特徴である。この結果を達成するために固定
子パック２８は一般に、コイル２６を貫通する実質的に閉じた磁気回路として形
成される。領域１６は、ギャップ面３０、３１の間に形成された固定子パック２
８の比較的狭い裂け目によって画定されている。図２の図に対応する磁束パター
ンを図３に示す。

【００１１】好適な実施形態では、三対の固定子パック２８が、図４Ａ、４Ｂ、４Ｃに示す
ようにシリンダ１２の軸を中心として六方対称に配置されている。固定子パック
２８は、磁束方向に平行な複数のラミネーションから構成されることが好ましく
、それによって磁気損失を最小にしている。ギャップ面３０、３１は、複合永久磁石システム２２の形状に適合するように
形成されている。このようにしてこれらのギャップ面は一般には、図６Ａを参照
しながら以下に説明するシリンダ状磁石設計に適合するように湾曲している。そ
の代替として図６Ｂを参照して以下に説明するように、多角形構造の複合永久磁
石システムに適合するように平行平面のギャップ面３０、３１を使用してもよい
。コイル２６と固定子パック２８とは、各領域１６内で所定の許容誤差にまで、
等しい大きさの磁界を発生させるように構成される。こうして別々のコイル２６
がシリンダ１２の両端に磁界を発生させるために使用される場合には、等しい数
のアンペアターンの同様のコイルが使用される。同様に、固定子パック２８は、
シリンダ１２の軸を中心とした回転とその軸に垂直な平面内での反射との両方に
関して対称となるように設計され、配置されている。実際には生成される磁界の
対称性は、使用されるコンポーネントの許容誤差によって制限される。磁界の歪
みを補償する機構については、以下に論ずる。

【００１２】コイル２６を電源（図示せず）に接続するためには、独立した可逆の接続手段
を設けることが一般に有利である。これにより各使用磁石の極性を一意的に決定
することを必要とせずにピストン・磁石組立て１８を構成することが可能となる
。それから使用される磁石の配列が、必要な反対方向のピストン運動を発生させ
るかどうかを決定するために極性チェック手順が実行され、必要であれば複数の
コイル２６の中の一つのコイルの極性が反転される。極性チェック手順を下記に
説明する。またコイル２６の接続は、直列／並列切替え可能とすることが望まし
い。前述の積層固定子構造の代替として固定子組立て１４のコアを本技術で既知の
仕方でフェライトから構成してもよい。固定子組立て１４にフェライトを使用す
ることは、追加の固定子構造を可能にする。例えば固定子組立て１４は、開示さ
れた任意の固定子断面の回転体として構成でき、それによって領域１６内に円形
対称性を有する磁界を発生させることができる。固定子組立て１４の組立てを容
易にするために、フェライトコアは一般に、一緒に固定される２個以上のセクシ
ョンから作られる。図５Ａは、スリーピース構造が使われている例を示す。図５
Ｂは、単純化されたツーピース構造を示す。さてピストン・磁石組立て１８の特徴を見ると、これは図６Ａ、７Ａに最も明
瞭に示されている。ピストン・磁石組立て１８は、ピストン２０と、キャップ３
２を介して接合された複合永久磁石システム２２とを含んでいる。

【００１３】ピストン２０は、少なくとも数ミクロン（一般的には約８〜３０ミクロン）の
クリアランスを持って、シリンダ１２の内腔に嵌合するように機械加工されるこ
とが好ましい。ピストン２０の磁気特性は重要でないので、ピストン２０の材料
は機械的考慮にのみ基づいて選択される。したがって一般的にピストン２０は、
硬化された低摩擦材料から作られる。その代替としてピストン２０は、本技術で
知られているように例えば、アルミニウムといった柔らかくて軽い材料から構成
して、それから適当な被覆材を被覆加工してもよい。複合永久磁石システム２２は、シリンダ１２の軸に対して半径方向の（放射状
の）磁化方向に磁化された第１のセクション３４と、第１のセクション３４に隣
接し、そのセクションから軸方向に変位した、第１のセクション３４の磁化方向
とは反対の磁化方向に磁化された第２のセクション３６とから構成されている。
第１、第２のセクション３４、３６は一般に、別々に作成され、それから任意の
適当なタイプの接合剤によって接合される。好適な実施形態では第１、第２のセクション３４、３６は、図６Ａに示すよう
に、半径方向に磁化されたシリンダ状の磁石である。その代替として各セクショ
ンは、図６Ｂに示すように、正多角形を形成するように一緒に取り付けられた多
数の平面磁石で構成してもよい。これら両ケースとも、第１、第２のセクション
３４、３６は、それらの軸を中心として対称の閉構造であり、それによって精確
な位置合せに必要とされる構造的剛性を与えている。固定子パック２８のギャッ
プ面３０、３１は、複合永久磁石システム２２と各ギャップ面３０、３１との間
に約０．１〜１ｍｍのクリアランスを持って複合永久磁石システム２２の形状に
適合するように形成されることは言うまでもない。

【００１４】図７Ｂは、図６Ａ、６Ｂのピストン・磁石組立てに関する代替構造を示す。こ
の構造ではキャップ３２と一体に形成された磁気伝導性材料の層３８は、複合永
久磁石システム２２が形成されるコアを形成している。層３８は、ピストン２０
と一体に形成することもできる。それから第１のセクション３４及び第２のセク
ション３６は各々、適当に磁化された永久磁石を層３８の内面と外面とに接合す
ることによって形成してもよい。キャップ３２と一体に形成された層３８を使用することは、構造的剛性を強化
して、磁石とピストン２０との正しい位置合せを確保する助けとなる。層３８は、複合永久磁石システム２２の必要な形状に適合する断面形状の中空
管として形成される。図６Ａに示す形状の場合、断面は円形であり、図６Ｂに示
す形状の場合、断面はそれに対応する多角形である。コンプレッサ１０が組み立てられるとき固定子組立て１４は、複数の領域１６
がシリンダ１２の各端部付近に対称に配置されるように、シリンダ１２を中心と
して一定の関係に取り付けられる。ピストン・磁石組立て１８は、シリンダ１２
の内腔内に挿入されたピストン２０によってシリンダ１２の両端に配置され、複
合永久磁石システム２２は、領域１６内に挿入される。固定子パック２８に取り
付けられた内側ストッパー４２はピストン・磁石組立て１８の滑り運動の範囲を
制限しており、それによってピストン２０の衝突を防止している。コンプレッサ
１０は一般に、構造全体に支えと剛性とを与えるケーシング４４をも特徴として
いる。ケーシング４４に取り付けられた外側ストッパー４５は、ピストン・磁石
組立て１８がそれらの正常な動作位置範囲から外へ行き過ぎるのを防止している
。ストッパー４２、４５は、例えば天然ゴムまたは合成ゴムといった弾力のある
材料で作られることが好ましい。

【００１５】ギャップ面３０、３１と複合永久磁石システム２２との間のクリアランス・ギ
ャップが、ピストン２０とシリンダ１２の内腔との間のクリアランス・ギャップ
よりもかなり大きく、一般的には１、２桁ほど大きいということは本発明の好適
な特徴である。この特徴は、コンプレッサ１０の機械的に柔らかい磁性コンポー
ネントが不必要に磨耗するのを防止しながら、効果的なポンプ動作を確保してい
る。ギャップ面３０、３１と複合永久磁石システム２２との間のクリアランス・
ギャップは、磨耗を防止するために必要な範囲を超えるほど増やすべきではない
が、これは領域１６が広げられることにより磁界が弱められるという結果を招く
からである。さてコンプレッサ１０の動作に移ると、コイル２６が交流電流によって励磁さ
れると、交番の実質的に半径方向の磁界が領域１６内に生成される。磁界が第１
の方向に増加すると、この磁界に整列して磁化された複合永久磁石システム２２
のセクション３４は、磁界内で中心に整列しようとし、また反対方向に磁化され
ているセクション３６は反発する。これらの力の合力は、キャップ３２を介して
ピストン２０に伝達される、各複合永久磁石システム２２に掛かる純粋に軸方向
の力である。磁界が反転すると、これらの力も反転し、それによってピストン２
０を反対方向に押しやる。こうして交流電流源は複合永久磁石システム２２、し
たがってピストン２０を軸方向に往復運動させることになる。

【００１６】コンプレッサ１０が、従来のリニア・コンプレッサで常に特徴とされるスプリ
ングを必要としないことに留意すべきである。複合永久磁石システム２２の反対
極性構造のために、ピストン・磁石組立て１８は、コイル２６に電流が流れない
ときには自然に中心の静止位置に行こうとする。前述のように、コイル２６は切替え可能な極性を有する独立の電気的接続手段
を備えていることが好ましい。この特徴は、使用する各磁石の極性を一意に決定
することを必要とせずにピストン・磁石組立て１８を構成することを可能にする
。それからコンプレッサ１０を使用する前に極性チェック手順が実行される。こ
の極性チェック手順は、コイルに非交流（ＤＣ）電圧を印加して、両ピストン・
磁石組立ての変位の方向を観測することを必要とする。もし両者ともシリンダ１
２に向かって内向きに引かれるか、あるいは両者ともシリンダから離れて外向き
に動くならば、磁石の極性に関してコイルの接続が正しいことは明らかである。
もしこれに反して一方のピストン・磁石組立てが内向きに動き、他方のピストン
・磁石組立てが外向きに動くならば、コイル２６の中の一つのコイルの極性は反
転される。

【００１７】さて図８を参照しながら、磁界の歪みを補正するためのコンプレッサ１０の更
なる好適な特徴を説明する。前述のようにコンプレッサ１０のコンポーネントが
作られる材料に固有のバラツキとそれらの製造許容誤差は、領域１６に生成され
る磁界の対称性を歪ませる原因となる。その結果これらの歪みは、僅かな補正さ
れない半径方向の力を発生させ、これが余分な摩擦のエネルギー損失を発生させ
、またピストン２０の磨耗を増加させる。したがってコンプレッサ１０が動作中のコンプレッサ１０内の摩擦によるエネ
ルギー損失と振動とを最小にするように磁界を修正する磁気補正機構を特徴とす
ることは、本発明の好適な特徴である。図８は、領域１６内の磁界を修正するための、一般に４６で示される磁気補正
機構の一例を示す。機構１６は、固定子組立て１４の部品（図４Ａに見られるよ
うな）と係合するための凹部５０と半径方向ねじ付き内腔５２とが形成されたカ
ラー４８を含んでいる。軟磁性材料で作られた多数のインサート５４は、半径方
向ねじ付き内腔５２に嵌合するねじ付きピンとして形成されている。インサート
の製作に適した材料の一例としては、商標名「カーペンター（Ｃａｒｐｅｎｔｅ
ｒ）４９」で商業的に入手可能な材料がある。

【００１８】カラー４８が固定子パック２８上に位置決めされ、インサート５４が半径方向
ねじ付き内腔５２に位置決めされると、各インサート５４の両端は、二つの複合
永久磁石システム２２の近傍に保持される。この位置で半径方向ねじ付き内腔５
２のねじに関してインサートを回転させると、インサート５４の半径方向の位置
、したがって領域１６からの距離の調整が行われる。それからコンプレッサ１０
内の摩擦損失と振動とが最小になるまで、コンプレッサ１０が動作している間に
、インサート５４の軟磁性材料と複合永久磁石システム２２との近接距離が可変
であることを利用して領域１６内の磁界パターンを修正することができる。実際には磁気補正機構４６を使ってコンプレッサ１０の性能を最適化する効果
的な方法は、エネルギー消費を最小にするようにインサート５６を調整すること
によっている。これは、所定の交流電圧でコンプレッサ１０を起動して、流れる
電流を監視することによって行われる。それからインサート５６は電流が全体的
に最小になるまで同時に、あるいは交互に調整される。図８を参照しながら前述した磁気補正機構の代替手段として個々の固定子パッ
ク２８の周りに追加の捲線（図示せず）を配置して選択的に直流電流を供給して
もよい。一つ以上の固定子パック２８の追加の捲線を流れる電流を変化させるた
めに、加減抵抗器またはその他の電流制御装置が使われる。これは、磁気補正機
構４６におけるインサート５６の調整と類似の効果を持っており、また上述の方
法と同様の仕方で半径方向の力の平衡を保持するために使われる。

【００１９】さて図９を参照しながら、本発明の教えにしたがって構成され動作する、一般
に５６で示されるコンプレッサの変形体を説明する。コンプレッサ５６は、コン
プレッサ１０に類似しており同等の要素は、同様に記号付けされている。この場
合、固定子組立て１４は、シリンダ１２の両端の領域１６内に必要な磁界を与え
るように引き延ばされている。図１０Ａ、１０Ｂは、この実施形態における固定
子パック２８に関して可能な二つの形状を示している。図１１Ａ、１１Ｂはそれ
ぞれ、図１０Ａ、１０Ｂの形状に対応する磁束パターンを示している。コンプレッサ５６とコンプレッサ１０との間の更なる相違は、コンプレッサ５
６にはスプリング５８を備えたことである。前述のようにピストン・磁石組立て
１８はスプリングを必要としないセルフセンタリングである。しかしながら、あ
る幾つかの状況では図示のように、スプリング５８を含むことが好ましい。スプ
リング５８は、ピストン・磁石組立て１８にそれらの中心位置に向かう追加のバ
イアスを与え、副共振条件におけるシステムの安定性を増進させる。コンプレッサ１０には存在しないリニアベアリング４０がコンプレッサ５６に
は含まれていることにも留意すべきである。リニアベアリング４０は、ピストン
・磁石組立て１８とシリンダ１２との間に必要とされる非常に精密な位置合せを
維持する助けとなる。リニアベアリング４０は、シリンダ１２に直接取り付けて
もよく、あるいは固定子パック２８へのアタッチメントを介してシリンダと整列
させて固定してもよく、あるいはシリンダ１２に対して固定されたコンプレッサ
１０の他の部品に固定してもよい。

【００２０】最後に図１２を参照すれば、本発明の教えにしたがって構成され動作するスタ
ーリングサイクル・システムの概略図が示されている。本システムは、コンプレ
ッサ１０と共にディスプレーサ組立て１００を採用している。例としてこれら二
つの要素の同期を確保するために制御システム６０が備えられている。最も単純
な実施形態では制御システム６０は、ＡＣ電圧源６２と位相修正装置６４とを含
んでいる。一方の要素、この場合、コンプレッサ１０は、電圧源６２に直接接続
され、他方の要素、この場合、ディスプレーサ組立て１００は、位相修正装置６
４を介して接続されている。制御システム６０によって供給される二つの出力は
、同期しているが位相は異なっているので、コンプレッサ・モータとディスプレ
ーサ・モータとの必要な同期は確保される。前に述べたように位相修正装置６４は、適当なインピーダンスを有する追加の
コンポーネントを使用するか、他のディジタルあるいはアナログ的方法によるか
いずれかによって位相調整を行うこともできる。更に粘性摩擦減速その他の機械
的効果と等価なものを備えるために種々の要素を含めてもよい。電圧源６２と位
相修正装置６４は、まとめて制御システムと呼ばれる別々の装置として実現する
こともでき、あるいは単一の制御装置に結合させてることもできることは明らか
である。上記の説明は、単に例として役立つことを意図したものであり、本発明の精神
と範囲の内で多くの実施形態が可能であることは認められるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】スターリングサイクル・システム用の、本発明の教えにしたがって構成され動
作するディスプレーサ組立ての断面図。

【図２】スターリングサイクル・システムを形成するために図１のディスプレーサ組立
てと共に使用される、本発明の教えにしたがって構成され動作する同期式ツイン
往復ピストン・コンプレッサ装置の側断面図。

【図３】図２の装置の動作中の磁束パターンを示す概略側断面図。

【図４】Ａは、図２の装置で使用される固定子組立てのコアの概略斜視図、Ｂは、Ａの
固定子コアの概略側断面図、Ｃは、Ａの固定子コアの端面図。

【図５】Ａは、フェライト製の第１の代替固定子コアの切断斜視図、Ｂは、フェライト
製の第２の代替固定子コアの切断斜視図。

【図６】Ａは、複合永久磁石システムを含む、図２の装置に使用されるピストン・磁石
組立ての概略斜視図、Ｂは、図２の装置に使用される代替のピストン・磁石組立
ての概略斜視図。

【図７】Ａは、図６Ａのピストン・磁石組立ての概略側断面図、Ｂは、代替の複合永久
磁石システム構造を示すＡに類似の図。

【図８】図２の装置に使用される磁気補正機構の概略斜視図。

【図９】図２の装置の変形体の側断面図。

【図１０】Ａは、図９の装置に使用される固定子コアの形状の側断面図、Ｂは、図９の装
置に使用される固定子コアの代替形状の側断面図。

【図１１】Ａ及びＢは、図１０Ａ、１０Ｂに示す固定子の形状によって生成される磁束パ
ターンを示す側断面図。

【図１２】図１のディスプレーサ組立てと図２のコンプレッサ装置とを含むスターリング
サイクル・システムの概略図。

【符号の説明】

１０コンプレッサ、１２シリンダ、１３フランジ、１４固定子組立て、
１６領域（機構）、１８ピストン・磁石組立て、２０ピストン、２２複
合永久磁石システム、２４出口管、２６、１２２コイル、２８固定子パッ
ク、３０、３１ギャップ面、３２キャップ、３４第１のセクション（セク
ション）、３６第２のセクション（セクション）、３８層、４０リニアベ
アリング、４２内側ストッパー（ストッパー）、４４ケーシング、４５外
側ストッパー（ストッパー）、４６磁気補正機構、４８カラー、５０凹部
、５２半径方向ねじ付き内腔、５４インサート、５６コンプレッサ（イン
サート）、５８スプリング、６０制御システム、６２ＡＣ電圧源（電圧源
）、６４位相修正装置、１００ディスプレーサ組立て、１０２ディスプレ
ーサ、１０４再生熱交換器、１０６薄壁シリンダ、１０８金属スクリーン
、１１０駆動ロッド、１１２同期リニアモータ（モータ）、１１４運動軸
（軸）、１１６固定子組立て、１１８極片、１２０ギャップ、１２４複
合永久磁石システム（磁石システム）、１２６第１のセクション、１２８第
２のセクション、１３０ハウジング、１３２ガス吹込み管、１３４連通管
。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷＦターム(参考） 5H633 BB08 BB10 BB20 GG02 GG09 GG13 HH07 HH13 JA05 JA10 JB05 【要約の続き】４）を含む。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）ディスプレーサと、（ｂ）前記ディスプレーサを駆動するように動作可能に接続され、運動の軸を
有する同期リニアモータであって、（ｉ）極片間にギャップ幅が前記軸に垂直に向いているギャップを画定
している第１、第２の軟磁性極片を有する固定子組立てであって、前記ギャップ
の前記幅に基本的に平行に整列した磁界を発生させるように構成されている少な
くとも一つの前記固定子組立てと、（ｉｉ）前記ギャップ内に位置している複合永久磁石システムであって
、前記ギャップの前記幅に平行な第１の方向に磁化された第１のセクションと、
前記第１のセクションから軸方向に変位した、前記第１の方向とは反対の方向に
磁化された第２のセクションとを含む、少なくとも一つの前記複合永久磁石シス
テムとを含む前記モータ（電動機）とからなるスターリングサイクル・システム
用ディスプレーサ組立てであって、前記モータは、電源が前記モータに供給されないときには前記ディスプレーサ
を前もって決められた静止位置に戻す磁気スプリングとして動作することを特徴
とするスターリングサイクル・システム用ディスプレーサ組立て。
【請求項２】前記固定子組立てはコイルを含んでおり、前記コイルに印加
される電圧の変化は、前記固定子組立てと前記複合永久磁石システムとの間の軸
方向の力にその変化に対応する変化を起こすという結果をもたらすことを特徴と
する、請求項１に記載のディスプレーサ組立て。
【請求項３】（ａ）請求項１の前記ディスプレーサ組立てと、（ｂ）コンプレッサ（圧縮機）と、（ｃ）電圧源とを含むスターリングサイクル・システムであって、前記モータは「ディスプレーサ・モータ」と呼ばれており、また前記コンプレ
ッサ（圧縮機）は「コンプレッサ・モータ」と呼ばれる少なくとも一つの同期電
動機を含んでおり、前記ディスプレーサ・モータと前記コンプレッサ・モータの
両者は前記電圧源によって駆動されるように動作可能に接続されていることを特
徴とするスターリングサイクル・システム。
【請求項４】（ａ）コンプレッサと、（ｂ）ディスプレーサと、（ｃ）前記ディスプレーサを駆動するように動作可能に接続された同期リニア
モータとを含むスターリングサイクル・システムであって、前記電動機は、電源が前記モータに供給されないときには前記ディスプレーサ
が前もって決められた静止位置に戻るような磁気スプリングを備えるように構成
されていることを特徴とするスターリングサイクル・システム。
【請求項５】前記モータは運動の軸を持っており、また前記モータは、（ａ）極片間にギャップ幅が前記軸に垂直に向いているギャップを画定してい
る第１、第２の軟磁性極片を有する固定子組立てであって、前記ギャップの前記
幅に基本的に平行に整列した磁界を発生させるように構成されている少なくとも
一つの前記固定子組立てと、（ｂ）前記ギャップ内に位置している複合永久磁石システムであって、前記ギ
ャップの前記幅に平行な第１の方向に磁化された第１のセクションと、前記第１
のセクションから軸方向に変位した、前記第１の方向とは反対の方向に磁化され
た第２のセクションとを含む、少なくとも一つの前記複合永久磁石システムとを
含むことを特徴とする、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】前記モータは「ディスプレーサ・モータ」と呼ばれており、
また前記コンプレッサは「コンプレッサ・モータ」と呼ばれる少なくとも一つの
同期リニアモータを含んでおり、前記コンプレッサは、電源が前記コンプレッサ
・モータに供給されないときには前記コンプレッサが前もって決められた静止位
置に戻るような磁気スプリングを備えるように構成されていることを特徴とする
、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】前記コンプレッサ・モータは運動の軸を持っており、また前
記コンプレッサ・モータは、（ａ）極片間にギャップ幅が前記軸に垂直に向いているギャップを画定してい
る第１、第２の軟磁性極片を有する固定子組立てであって、前記ギャップの前記
幅に基本的に平行に整列した磁界を発生させるように構成されている少なくとも
一つの前記固定子組立てと、（ｂ）前記ギャップ内に位置している複合永久磁石システムであって、前記ギ
ャップの前記幅に平行な第１の方向に磁化された第１のセクションと、前記第１
のセクションから軸方向に変位した、前記第１の方向とは反対の方向に磁化され
た第２のセクションとを含む、少なくとも一つの前記複合永久磁石システムとを
含むことを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】前記モータは「ディスプレーサ・モータ」と呼ばれており、
また前記コンプレッサは「コンプレッサ・モータ」と呼ばれる少なくとも一つの
同期リニアモータを含んでおり、前記システムは更に電圧源を含んでおり、前記
ディスプレーサ・モータと前記コンプレッサ・モータの両者は前記電圧源によっ
て駆動されるように動作可能に接続されていることを特徴とする、請求項４に記
載のシステム。
【請求項９】前記コンプレッサと前記ディスプレーサとの間の相対的位相
を調整するために、前記電圧源と、前記ディスプレーサ・モータと前記コンプレ
ッサ・モータの中の一つとの間に接続された可変インピーダンスを有する少なく
とも一つの要素を更に含んでいることを特徴とする、請求項８に記載のシステム
。