JP2002168174A - リニアモータ圧縮機 - Google Patents

リニアモータ圧縮機

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JP2002168174A
JP2002168174A JP2000366827A JP2000366827A JP2002168174A JP 2002168174 A JP2002168174 A JP 2002168174A JP 2000366827 A JP2000366827 A JP 2000366827A JP 2000366827 A JP2000366827 A JP 2000366827A JP 2002168174 A JP2002168174 A JP 2002168174A
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yoke
coil
permanent magnet
linear motor
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JP2000366827A
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Inventor
Takeshi Moriyama
毅 森山
Satoru Muranishi
哲 村西
Osamu Kokubo
修 小久保
Ikuma Nariyoshi
郁馬 成吉
Sukehiro Akama
助広 赤間
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SWCC Corp
Original Assignee
Showa Electric Wire and Cable Co
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/001—Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor

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  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
  • Reciprocating, Oscillating Or Vibrating Motors (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】永久磁石と電機子コイルの形状／配置を工夫し
て、圧縮効率がよく小型軽量化が可能なリニアモータ圧
縮機を提供する。 【解決手段】 それ自身の内周面に円筒形状の中空部を
もつケース部材内に、環状空間をもつヨークを設け、そ
の内側にそれ自身の中央部に圧縮室を有するシリンダを
設けて、その圧縮室を挟んで両側に軸方向に往復移動す
るピストンを設けて、各ピストンを可動コイルに連結し
てヨークの内側に設けた永久磁石との間で磁気回路を形
成して、各ピストンを軸方向に往復移動させてなるリニ
アモータ圧縮機で、各ヨークに設けた永久磁石は軸方向
に所定の空間を空けた環状の３分割構造で、また、可動
コイルの各電機子コイルは、永久磁石に対応して、軸方
向に所定の空間を空けた３分割構造とした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、リニアモータ圧縮
機に係り、特に、シリンダ内のピストンとして機能する
可動コイルを２組設け、これらを対向配置して往復可動
するリニアモータ圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より冷凍機用ガス圧縮機として、ケ
ース内に２組のリニアモータを対向配置して、中央部に
圧縮室を配してその両端にシリンダを設け、各ピストン
をリニアモータの可動コイルに連結して圧縮室内の冷媒
ガスを圧縮するリニアモータ圧縮機が知られている。
【０００３】この種の圧縮機は、主にスターリング冷凍
装置に組み込まれシリンダ内に挿入されたピストンを高
速で往復駆動させることによる圧力の脈動で圧縮ガスを
コールヘッドに供給するようになっている。近年、携帯
端末の普及により、小型でしかも高効率のスターリング
冷凍装置が検討されており、例えば、携帯端末の基地局
に使用される超電導コイルの冷却用に使用すること等が
検討対象になっている。ここではスターリング冷凍装置
の原理については説明を省略する。
【０００４】図３は、従来より一般的に使用されている
リニアモータ圧縮機の一例である。このリニアモータ圧
縮機１０は、シリンダ２０を形成する磁性体で形成され
た内筒ヨークと、シリンダ２０との間に圧縮室２９を形
成するようにシリンダ２０内に配されたピストン２１
と、シリンダ２０の外側を包みように配された実質内筒
ヨークと一体である磁性体で形成された外筒ヨーク２２
とを備え、当該外筒ヨーク２２はリニアモータ圧縮機の
外側ケースも兼ねている。
【０００５】ピストン２１は図示のように可動コイル２
５に連結されている。ここでピストン２１の可動機構に
ついて説明する。ピストン２１は、シリンダ２０と同心
状に配された外筒ヨーク２２により形成された環状空間
の内壁に設けられた環状の永久磁石２４及び、この永久
磁石２４に対向して設けられ、前記環状空間内を軸方向
に可動するよう配された環状の可動コイル２５と連結さ
れている。各可動コイル２５の外側には外筒ヨーク２２
の内壁と接するコイルバネ２７が設けられている。
【０００６】このように形成された磁気回路内に配され
た可動コイル２５の電機子コイル２６に所定の電流を印
可することにより、磁界とコイルバネ２７と圧縮室内の
ガスとの共振作用により可動コイル２５が図中水平方向
に高速で往復運動し、圧縮室２９内の冷媒ガスを効率よ
く圧縮する。３０はピストンシールを示し、３２はリー
ド線、２８は電源端子を示す。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たリニアモータ圧縮機１０は、磁気回路内において永久
磁石２４とコイル２６が一対一対応であることから、交
番磁束の影響が大きく、ヨーク２０，２２内に鉄損が生
じて発熱量が大きくなり、ここでエネルギー損失が発生
し、このことが圧縮効率の低下を招く主原因となってい
た。また、発熱は永久磁石の熱特性により磁力の低下を
引き起こすため、ピストン２１の可動効率を低下させる
ので、圧縮効率が悪化することから、電機子コイル２６
に常に必要以上に電流を流せず、結果的に高効率化でき
るものは提供できないという不都合があった。
【０００８】本発明は、このような従来の難点を解決す
るためになされたもので、鉄損によるエネルギー損失を
抑え、永久磁石の熱特性の低下を防ぎ、圧縮効率の低下
を防ぐことができるリニアモータ圧縮機を提供すること
を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、 １．それ自身の内周面に円筒形状の中空部をもつ外筒ヨ
ークを設け、その内側にそれ自身の中央部に圧縮室を有
するシリンダとして機能する内筒ヨークを設け、その圧
縮室を挟んで両側に軸方向に往復移動するピストンを設
けて、各ピストンを電機子可動コイルに連結してヨーク
の内側に設けた永久磁石との間で磁気回路を形成して、
各ピストンを軸方向に往復移動させてなるリニアモータ
圧縮機であって、各ヨークに設けた永久磁石は軸方向に
所定の空間を空けた環状の３分割構造で、また、可動コ
イルの電機子コイルは、永久磁石に対応して軸方向に所
定の空間を空けた３分割構造であり、軸方向の磁気回路
幅をＬとすれば、各永久磁石と電機子コイルの中央の部
材の軸方向の寸法はＬ／２、両端の部材の寸法は各々Ｌ
／４とした。
【００１０】２．それ自身の内周面に円筒形状の中空部
をもつ外筒ヨークを設け、その内側にそれ自身の中央部
に圧縮室を有するシリンダを設け、そのシリンダ内にピ
ストンを配し当該ピストンを外筒ヨークの内側設けた可
動コイルに連結して、当該ピストンを軸方向に往復移動
させてなるリニアモータ圧縮機であって、外筒ヨークに
設けた永久磁石は軸方向に所定の空間を空けた環状の３
分割構造で、また、可動コイルに設けた電機子コイル
は、永久磁石に対応して、軸方向に所定の空間を空けた
３分割構造であり、軸方向の電機子コイル幅をＬとすれ
ば、各永久磁石と電機子コイルの中央部材の軸方向寸法
はＬ／２、両端部材の寸法は各々Ｌ／４とした。
【００１１】３．各電機子コイルの巻数は、中央の電機
子コイルの巻数を「Ｎ」とすれば、両側の巻数は「Ｎ／
２」とした。
【００１２】以上のような構成により課題を解決した。
【００１３】
【発明の実施形態】以下、本発明に係る、リニアモータ
圧縮機１を図１に基づいて説明する。ここで、前述した
従来のリニアモータ圧縮機１０と同一の部材には同一の
符号を付すものとする。
【００１４】このリニアモータ圧縮機１は、シリンダ２
０を形成する磁性体からなる内筒ヨークと、シリンダ２
０との間に圧縮室２９を形成するようにシリンダ２０内
に配されたピストン２１と、シリンダ２０の外側を包み
ように配された内筒ヨークと実質一体化された磁性体で
形成された外筒ヨーク１２とを備え、当該外筒ヨーク１
２とを備えている。
【００１５】２１はピストンを示し、図示のように可動
コイル３に連結されている。
【００１６】ここでピストン２１の可動機構について説
明する。ピストン２１は、シリンダ２０と同心状に配さ
れた外筒ヨーク１２により形成された環状空間の内壁に
設けられた所定の間隔Ｓ，Ｓを空けて３組の環状の永久
磁石１４，１５，１５及び、各永久磁石１４，１５，１
５に対向して設けられた電機子コイル３４，３５，３５
を備え、前記環状空間内を軸方向に可動するよう配され
た環状の可動コイル３と連結されている。
【００１７】各可動コイル３の外側にはヨーク１２の内
壁と接するコイルバネ２７が設けられている。
【００１８】このように形成された磁気回路内に配され
た可動コイル３の電機子コイル３４，３５，３５に所定
の電流を印可することにより、磁界とコイルバネ２７の
相互作用により可動コイル３が図中水平方向に往復運動
し、圧縮室内の冷媒ガスを効率よく圧縮する。
【００１９】３０はピストンシールを示し、３２はリー
ド線、２８は電源端子を示す。今、リニアモータ圧縮機
１の右半分の動作を端的に説明する。すなわち、コイル
バネ２７は、ピストン２１を中立位置に保つ機能があ
り、電機子コイル３４，３５，３５に交流電流を印可す
ると、正方向サイクルでは、図中右側（外側）に移動
し、最高点に到達するコイルバネ２７によりピストン２
１は図中左方向（内側）に中立位置に押し戻され、負方
向サイクルでは図中左方向（内側）に最高点まで移動
し、次にバネコイル２７により右方向（外側）に中立位
置に引き戻される。
【００２０】この動作の繰り返しによりスターリングサ
イクル、つまり冷媒ガスの等温圧縮、等容移送、等温膨
張、等容移送の４行程に対応している。本実施例では永
久磁石１４，１５，１５は３組の構成であり、従来例の
永久磁石２４の軸方向の寸法をＬとすれば、永久磁石１
４はＬ／２，永久磁石１５，１５は各々Ｌ／４となって
いる。そして磁極の方向は永久磁石１４と、永久磁石１
５，１５とは逆磁性となるようにヨーク１２内に貼り付
けられている。
【００２１】また、同様に従来例の電機子コイル２６の
軸線方向の寸法をＬとすれば、電機子コイル３４がＬ／
２，電機子コイル３５，３５がＬ／４となっている。こ
の永久磁石１４，１５，１５と電機子コイル３４，３
５，３５は中立位置では各々対向する位置に来るように
コイルバネ２７のバネ定数を選択することにより調整さ
れている。
【００２２】永久磁石１４，１５及びこれに対応する電
機子コイル３４，３５の間隔Ｓは、ピストン２１の軸線
方向のストロークによりその距離は適宜決められる。
【００２３】電機子コイル３４と３５の巻数Ｎの関係
は、電機子コイル３４の巻数をＮとすれば電機子コイル
３５の巻数は略Ｎ／２となるようになっており、電機子
コイル３４と、３５は電流印加時に、逆磁性となるよう
になっている。
【００２４】このように、配置された磁気回路では、磁
束永久磁石１４からの磁束Ｂ１は、両サイドの永久磁石
３５，３５側に分岐する。
【００２５】これにより、ヨーク１２内を通過する磁束
を従来例の１／４にできるので、ヨークの断面積、図中
Ｄを小さくできる。これによりヨーク１２を薄くできる
ので軽量ができる。
【００２６】また、各電機子コイル３４，３５，３５か
らの交番磁束は、 Ｂ０＝Ｂ１−（Ｂ２／２＋Ｂ２／２）＝０ となるのでヨーク１２内の鉄損を略０にすることができ
る。
【００２７】これにより、圧縮効率低下の主原因である
鉄損によるエネルギー損失を防げ、しかも、ヨーク１２
の発熱を抑えることができるので、永久磁石の１４，１
５，１５の熱特性による磁束の変化がなくなり、安定し
たリニアモータ駆動が維持でき、従来例のリニアモータ
圧縮機１０と略同一の能力を得る場合には、消費電力を
少なくでき、しかもヨークを薄くできるので小型軽量化
でき、加えて、圧縮効率のよいリニアモータ圧縮機を提
供できる。
【００２８】尚、本発明はこれに限るものではなく、リ
ニアモータ機構を可動鉄心型として同様の構成を実現し
てもよく、シリンダさらに永久磁石を設けて可動コイル
３を挟むような磁気回路としてもよい。
【００２９】図２は、本発明に係る他の実施例を示すも
のである。ここで、上述したリニアモータ圧縮機１と同
一の部材には同一の符号を付すものとする。
【００３０】図２に示す、リニアモータ圧縮機１１は、
ピストン２１の駆動をリニアモータ１台で行う構成で、
その駆動原理は図１に示すリニアモータ圧縮機１と同様
であるのでここでは説明を省略する。
【００３１】尚、ピストンとシリンダの関係はこれに限
らず、ピストンを可動コイルで駆動する構造であればよ
い。
【００３２】
【発明の効果】本発明は、以上のように構成されている
ので、ヨークに発生する鉄損を抑える留ことができ、圧
縮効率がよく、しかも小型軽量化することができるリニ
アモータ圧縮機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のリニアモータ圧縮機の概要を示す説明
図。
【図２】本発明の他の実施例に係るリニアモータ圧縮機
の概要を示す説明図。
【図３】従来のリニアモータ圧縮機の概要を示す説明
図。 １、１１（１０）・・・・ リニアモータ圧縮機 ３ ・・・・・・・ 可動コイル １２ ・・・・・・・ 外筒ヨーク １４，１５・・・・・・・ 永久磁石 ２０ ・・・・・・・ シリンダ（内筒ヨーク） ２１ ・・・・・・・ ピストン ２７ ・・・・・・・ コイルバネ ２９ ・・・・・・・ 圧縮室 ３４，３５・・・・・・・ 電機子コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 成吉 郁馬 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 Ｆターム(参考） 3H076 AA03 AA40 BB21 BB38 CC06 CC28 CC31 5H633 BB09 BB10 GG03 GG05 GG07 GG17 HH02 HH07 HH08 HH10 HH13 HH16 HH17 JA02 JA04 JA05 JA10 JB06 JB07 JB09

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】それ自身の内周面に円筒形状の中空部をも
    つ外筒ヨークを設け、その内側にそれ自身の中央部に圧
    縮室を有するシリンダとして機能する内筒ヨークを設
    け、その圧縮室を挟んで両側に軸方向に往復移動するピ
    ストンを設けて、各ピストンを可動コイルに連結して外
    筒ヨークの内側に設けた永久磁石との間で磁気回路を形
    成して、各ピストンを軸方向に往復移動させてなるリニ
    アモータ圧縮機であって、 外筒ヨークに設けた永久磁石は軸方向に所定の空間を空
    けた環状の３分割構造で、また、可動コイルに設けた電
    機子コイルは、永久磁石に対応して、軸方向に所定の空
    間を空けた３分割構造であり、軸方向の電機子コイル幅
    をＬとすれば、各永久磁石と電機子コイルの中央部材の
    軸方向寸法はＬ／２、両端部材の寸法は各々Ｌ／４であ
    ることを特徴とするリニアモータ圧縮機。
  2. 【請求項２】それ自身の内周面に円筒形状の中空部をも
    つ外筒ヨークを設け、その内側にそれ自身の中央部に圧
    縮室を有するシリンダを設け、そのシリンダ内にピスト
    ンを配し当該ピストンを外筒ヨークの内側設けた可動コ
    イルに連結して、当該ピストンを軸方向に往復移動させ
    てなるリニアモータ圧縮機であって、 外筒ヨークに設けた永久磁石は軸方向に所定の空間を空
    けた環状の３分割構造で、また、可動コイルに設けた電
    機子コイルは、永久磁石に対応して、軸方向に所定の空
    間を空けた３分割構造であり、軸方向の電機子コイル幅
    をＬとすれば、各永久磁石と電機子コイルの中央部材の
    軸方向寸法はＬ／２、両端部材の寸法は各々Ｌ／４であ
    ることを特徴とするリニアモータ圧縮機。
  3. 【請求項３】前記各電機子コイルの巻数は、中央の電機
    子コイルの巻数を「Ｎ」とすれば、両側の巻数は「Ｎ／
    ２」とすることを特徴とする請求項１乃至２記載のリニ
    アモータ圧縮機。
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