JP2003172554A - 逆スターリングサイクル冷凍機のリニアモータ型圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の逆スターリングサイクル冷凍機の圧縮機
におけるピストン、シリンダ間の磨耗による作動媒体
（冷媒ガス）の汚染や圧縮性能低下等の問題を回避す
る。 【解決手段】作動媒体の圧縮手段となるべローズ４の本
体中央側端面は円盤状継鉄１ｃに固定され、べローズの
反対側の可動側端面はべローズ端面部材２１に結合さ
れ、端面部材２１はリニア軸受８に嵌合支持されるリニ
アシャフト７に結合されている。また、べローズ端面部
材２１はソレノイドコイル２を支持してコイル２，磁石
３と共にリニアモータを構成するボビン５に結合されて
いる。べローズの内部空間ＳＰ３には作動媒体が封入さ
れ、空間ＳＰ３は連通穴１３，１４，膨張機接続管１１
を経て図外の冷却器と膨張機に連通している。図外の交
流電源からコイル２に通電することでべローズ４はリニ
アモータにより軸方向に所定周波数で伸縮され、作動媒
体を圧縮する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はヘリウムガス等を作
動媒体とし逆スターリングサイクルを利用して膨張機部
分に極低温を発生させる、いわゆる逆スターリングサイ
クル冷凍機の圧縮機に関するもので、特に作動媒体を圧
縮するためにリニアモータでベローズを励振駆動して伸
縮させるようにした逆スターリングサイクル冷凍機のリ
ニアモータ型圧縮機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】逆スターリングサイクル冷凍機は、従来
より極低温を得るための小型冷凍機の一種として知られ
ている。この冷凍機は作動媒体（冷媒ともいう）の気体
を圧縮する圧縮機と、この圧縮された冷媒ガスを冷却さ
せるための冷却器と、この一旦冷却された冷媒ガスを膨
張させて極低温を得るための膨張機とから構成されてい
る。

【０００３】図５は特開平３−２３６５５０号公報に公
開された本出願人の先願になる逆スターリングサイクル
冷凍機の断面図である。先ずこの図５を代表例としてこ
の種の逆スターリングサイクル冷凍機の構成と動作を述
べる。同図において、１０１は往復動式圧縮機、２は非
磁性材料からなる両端開放の圧縮シリンダ、３Ａ，３Ｂ
はこの圧縮シリンダ２に互いに対向するように挿入され
たピストン、２ａはピストン３Ａと３Ｂの間に形成され
る作動媒体の圧縮空間である。

【０００４】ピストン３Ａ，３Ｂは、この両ピストンに
それぞれ対応するように左右対称に設けられている駆動
機構４Ａ，４Ｂによって圧縮シリンダ２内を周期的に左
右対称の（つまり互いに１８０°の位相差で）往復動作
をするよう駆動される。駆動機構４Ａ，４Ｂはソレノイ
ド駆動式のリニアモータで、それぞれピストン３Ａ，３
Ｂの軸に連結支持された可動側のソレノイドコイル７
Ａ，７Ｂと、固定側の磁石装置１１Ａ，１１Ｂとからな
る。

【０００５】ここで、磁石装置１１Ａは、ソレノイドコ
イル７Ａを挟んでその内外周側に対向配置された内側お
よび外側の二重の筒形ヨーク８Ａおよび９Ａ、この二重
筒形ヨークの本図中央側の端部で内側筒形ヨーク８Ａと
外側筒形ヨーク９Ａとの間を結合するように配置された
環状板形ヨーク１０Ａ、内側筒形ヨーク８Ａの中間部に
配置された筒形永久磁石６Ａからなり、同様に、磁石装
置１１Ｂは、内側および外側二重の筒形ヨーク８Ｂおよ
び９Ｂ、環状板形ヨーク１０Ｂ、筒形永久磁石６Ｂから
なる。

【０００６】筒形永久磁石６Ａ，６Ｂは、それぞれ、そ
の両端面に磁極を持ち、前述の磁気回路を通して間隙２
４Ａ，２４Ｂに半径方向の磁界を形成する。シリンダ
２、ピストン３Ａ，３Ｂおよび駆動機構４Ａ，４Ｂの部
分は、外側筒形ヨーク９Ａ，９Ｂが一体構造となった外
装フレーム２３と、フレーム部材２２Ａ，２２Ｂとから
なる容器によって密閉され、この密閉空間に作動媒体が
封入されている。

【０００７】ピストン３Ａ，３Ｂはそれぞれ、フレーム
部材２２Ａ，２２Ｂの端板に支持スプリング１２Ａ，１
２Ｂを介して支持されている。気密貫通端子７Ａａ，７
Ｂａを介してそれぞれソレノイドコイル７Ａ，７Ｂに所
定周波数の交流電源を接続することにより、ソレノイド
コイル７Ａを流れる電流と間隙２４Ａ中の半径方向の磁
界との間の電磁力、同じくソレノイドコイル７Ｂを流れ
る電流と間隙２４Ｂ中の半径方向の磁界との間の電磁力
により、ピストン３Ａ，３Ｂはこの所定周波数で且つ前
記した１８０°の位相差で往復動を行う。

【０００８】次に３０は上述の圧縮機１０１と共に冷凍
機を構成する膨張機、３１は膨張機３０の中に設けられ
た膨張シリンダ、３６は膨張シリンダ３１内に収められ
たディスプレーサである。また、３２は同じく冷凍機を
構成する冷却器で、上述の圧縮機１０１の作動媒体の圧
縮空間２ａはこの冷却器３２を介し膨張機３０に連通し
て配管接続されている。なお、冷却器３２は圧縮により
温度の上昇した作動媒体の放熱冷却を行う。

【０００９】ディスプレーサ３６は作動媒体の圧縮空間
２ａの圧力によって、圧縮機１０１のピストン３Ａ，３
Ｂと所定の位相差をもって膨張シリンダ３１内を往復動
し、作動媒体は膨張機３０内の膨張空間３７で膨張して
低温となり、膨張機３０上のコールドヘッド３９で図外
の被冷却体を冷凍する。ところで、上述したように図５
の逆スターリングサイクル冷凍機の圧縮機１０１は筒形
永久磁石６Ａとソレノイドコイル７Ａ、同じく筒形永久
磁石６Ｂとソレノイドコイル７Ｂからなる左右対のリニ
アモータを用い、ピストン３Ａ，３Ｂと、シリンダ２に
より冷媒の圧縮を行っている。

【００１０】また、図６は、従来の同様なリニアモータ
を用いた圧縮機の構成の別の例を示すが、本例において
は左右対称の２つのピストン１５３ａと１５３ｂのそれ
ぞれ全体を板バネ１５７ａと１５７ｂで支持する構成に
なっている。一方、図７，図８のようにベローズの伸縮
によってベローズの内部空間に封入された冷媒気体を圧
縮する逆スターリングサイクル冷凍機の圧縮機も多数、
提案されている。

【００１１】ここで図７の圧縮機はべローズ１２１を用
いているが、その駆動方法としてはモータ１１７の回転
運動をクランクシャフト１０７とロッド１０５によりべ
ローズ１２１の非固定側の端面部材の往復運動に変えて
いる。同様に図８（特開平９−２９１８８６号公報参
照）の圧縮機もべローズ８を用い、駆動方法としてはモ
ータ７の回転運動をクランクシャフト５とロッド４によ
りべローズ８の非固定側の端面部材３の往復運動に変え
るものである。図７，図８共に、リニアモータによる共
振特性を用いた機構にはなっていない。

【００１２】また、図９（特開平５−１４１７９４号公
報参照）では左右対のリニアモータ１２でベローズ２６
を伸縮しているが、封入された冷媒ガスの圧縮にはシリ
ンダ３とピストン８を使用している。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５に
示したリニアモータ駆動のピストン式の圧縮機では、ピ
ストン３Ａ，３Ｂとシリンダ２の磨耗により、冷媒ガス
の汚染が発生し、冷凍能力を低下させる原因となること
や、この磨耗により、ピストンとシリンダ間のギャップ
が広くなることで、圧縮性能が低下するなどの欠点があ
った。

【００１４】また、図６のリニアモータ駆動のピストン
式の圧縮機では、ピストン１５３ａ，１５３ｂをそれぞ
れ板バネ１５７ａ，１５７ｂで宙づりにすることで、ピ
ストン１５３ａ，１５３ｂとシリンダ１５１の磨耗を低
減する構造が提案されているが、この構造の場合、ピス
トンとシリンダ間のギャップを精度よく管理して組立て
る必要があるために、組立時間がかかることや、個々の
部品の寸法精度を高める必要があるなどの製造上の欠点
があった。

【００１５】また図７，図８のようにモータ１１７，７
などの回転駆動をクランクシャフトで往復運動に変えて
べローズ１２１，８に伝達する方式の圧縮機では、装置
全体が大きくなり、小型化が困難であった。また、図９
のようなべローズ２６とピストン８を併用するリニアモ
ータ駆動の圧縮機では、リニアモータ１２の効率を高め
るべく、ピストン８，コイルばね２１等を含む可動系の
固有振動数をソレノイドコイル１６の電源周波数に一致
させるために、べローズ２６が可動系に対する空気バネ
の定数を可変する手段として用いられているが、シリン
ダ３，ピストン８の磨耗や冷媒気体の汚染の欠点がある
ことには変わりがない。

【００１６】本発明は上述した従来の問題を解消してベ
ローズをリニアモータで駆動する、逆スターリングサイ
クル冷凍機のリニアモータ型圧縮機を提供することを課
題とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、請求項１の逆スターリングサイクル冷凍機のリニ
アモータ型圧縮機は、圧縮機により圧縮される作動媒体
の圧縮空間（ＳＰ３）が、作動媒体の膨張機（図５の３
０など）に冷却器（図５の３２など）を介し連通して構
成される逆スターリングサイクル冷凍機の圧縮機（０
１，０１Ａ，０２，０３など）であって、前記圧縮空間
となる内部の空間に作動媒体が封入され、少なくともそ
の一方の端面を可動側の端面とする円筒状のベローズ
（４）と、該ベローズの外部の空間にあって外部の電源
から給電され、前記ベローズの可動側の端面に、所定周
波数で前記ベローズの軸（ＸＸ’の）方向に交番する力
を加えて、該ベローズを含む可動系を励振することによ
り該ベローズをその軸方向に伸縮させ、該ベローズの内
部空間に封入された作動媒体に対する逆スターリングサ
イクルのための膨張・圧縮を行わせる励振駆動手段とし
てのリニアモータと、同じく前記ベローズの外部空間に
あって、前記ベローズの軸をほぼ同一直線上に保ちつ
つ、前記ベローズの可動側の端面の前記軸方向の往復変
位が可能なように前記可動系を支持する軸受手段（リニ
アシャフト７，リニア軸受８など）とを備えたものとす
る。

【００１８】また請求項２の逆スターリングサイクル冷
凍機のリニアモータ型圧縮機は、請求項１に記載のリニ
アモータ型圧縮機において、前記ベローズの内部に死容
積を排除するためのインナーボリューム（６）を備えた
ものとする。また請求項３の逆スターリングサイクル冷
凍機のリニアモータ型圧縮機は、請求項２に記載のリニ
アモータ型圧縮機において、前記インナーボリュームが
前記ベローズの可動側の端面に結合されて前記可動系に
属し、該可動系の共振周波数を前記所定周波数に一致さ
せるための質量の調整に利用されるようにする。

【００１９】また請求項４の逆スターリングサイクル冷
凍機のリニアモータ型圧縮機は、請求項１ないし３のい
ずれかに記載のリニアモータ型圧縮機において、前記ベ
ローズの外部空間の圧力を、該ベローズの伸縮動作時の
最大長が該ベローズの自由長以下となる所定の静止圧力
に保持するようにする。また請求項５の逆スターリング
サイクル冷凍機のリニアモータ型圧縮機は、請求項１な
いし４のいずれかに記載のリニアモータ型圧縮機におい
て、前記リニアモータが前記ベローズの軸に直交する方
向の磁界を生成する磁石（３など）と、この磁界内にあ
って前記可動系に属し、前記ベローズと同軸の筒状に形
成されて前記電源から給電されるソレノイドコイル（２
など）と、同じく前記可動系に属し、該ソレノイドコイ
ルと前記ベローズの可動側の端面とを結合するコイル支
持手段（ボビン５など）とを備えたものとする。

【００２０】また請求項６の逆スターリングサイクル冷
凍機のリニアモータ型圧縮機は、請求項５に記載のリニ
アモータ型圧縮機において、前記磁石の磁路を構成する
継鉄（ケーシング兼継鉄１）が前記ベローズの外部空間
の圧力を維持するための容器の少なくとも一部を構成す
るようにする。また請求項７の逆スターリングサイクル
冷凍機のリニアモータ型圧縮機は、請求項６に記載のリ
ニアモータ型圧縮機において、前記ベローズが前記継鉄
の内部に配置されてなるようにする。

【００２１】また請求項８の逆スターリングサイクル冷
凍機のリニアモータ型圧縮機は、請求項１ないし７のい
ずれかに記載のリニアモータ型圧縮機において、前記軸
受手段の少なくとも一部が（ベローズ端面部材２１Ａな
どを介し）前記ベローズの内側に、前記作動媒体の圧縮
空間から隔離されて挿入配置されてなるようにする。

【００２２】即ち本発明の主な作用は、逆スターリング
サイクル冷凍機の圧縮機における従来のピストン，シリ
ンダ間の磨耗による冷媒ガス（作動媒体）の汚染や圧縮
性能の低下等の問題を回避するため、圧縮機における作
動媒体の圧縮手段として従来のピストン，シリンダに代
わりべローズを使用し、べローズの可動側端面を作動媒
体の圧縮空間（つまり作動媒体が封入され圧縮される空
間）外に設けたリニア軸受でべローズの軸方向における
往復移動が可能なように支持すると共に、同じく作動媒
体の圧縮空間外に設けたリニアモータによりべローズの
可動側端面にべローズの軸方向に所定周波数で交番する
力を加えてべローズを含む可動系を励振し、この際のべ
ローズの伸縮により作動媒体の膨張・圧縮を行わせると
いうものである。

【００２３】そして、べローズ内部に生ずる死空間を埋
めるためにインナーボリュームを設けて、インナーボリ
ュームが可動系の共振周波数を可動系に対する励振周波
数（この場合、電源周波数）に一致させるための質量調
整を兼ねるようにしたり、前記死空間に作動媒体の圧縮
空間とは隔離した状態でリニア軸受の一部を挿入して装
置を小型化したりするものである。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下図１ないし図４を用いて本発
明の実施例を説明する。なお、この図１〜図４におい
て、同一の符号は同一もしくは相当部分を示す。 （実施例１）図１は本発明の第１の実施例としての逆ス
ターリングサイクル冷凍機のリニアモータ駆動型の圧縮
機（リニアモータ型圧縮機と略す）０１の構成を示す軸
断面図である。この場合、逆スターリングサイクル冷凍
機はこの圧縮機０１と、この圧縮機の膨張機接続管１１
に配管接続された、図５の冷却器３２および膨張機３０
と同様な構成の図外の冷却器および膨張機とからなる。

【００２５】このリニアモータ圧縮機０１においては、
図５に対しピストンとシリンダが左右対のベローズ４に
置き換わり、各ベローズ４の可動側端面が左右対の磁石
３，ソレノイドコイル２，コイル２を保持するボビン５
等からなるリニアモータでそれぞれ駆動され、且つソレ
ノイドコイル２，ボビン５，ベローズ４の可動側の端面
部材２１等からなる可動系を、この可動系に属し作動媒
体の圧縮空間外に含まれる左右対のリニアシャフト７を
介しリニア軸受８によりそれぞれ支持するようにしてい
る。

【００２６】なお、本例では圧縮機０１は、軸ＸＸ’上
の点Ｏを通り紙面に垂直な平面（便宜上、対称基準面と
いう）に対して左右対称に構成されている。そして、冷
媒ガス（本例ではヘリウムガス）を充填するための入口
としての冷媒ガス充填部１０、常時は作動冷媒の出入口
となる膨張機接続管１１、左右対のベローズ４をそれぞ
れ収容する空間ＳＰ２の圧力を均等化するための左右圧
力均等用穴１２等が存在する、本図の中央部分を除き、
基本的に軸ＸＸ’に対して回転対称（軸対称）に構成さ
れている。

【００２７】同図において１は磁石３の磁路としての継
鉄を兼ねるケーシングで、このケーシング兼継鉄１は、
ＸＸ’を軸とする内外二重の円筒状の継鉄としての外側
円筒継鉄１ａおよび内側円筒継鉄１ｂと、ＸＸ’を軸と
し本図中央部においてこの円筒継鉄１ａおよび１ｂを一
体に連結する円盤状継鉄１ｃとからなる。円筒状の磁石
３は、円筒継鉄１ａと１ｂとの間の空間ＳＰ１内の内側
円筒継鉄１ｂの開放端側に、この円筒継鉄１ｂに接して
保持され、半径方向に着磁されて、空間ＳＰ１内の磁石
３の外周の外方に放射状の磁界を生成する。

【００２８】円筒状のソレノイドコイル２はこの空間Ｓ
Ｐ１の磁界内に、軸方向の変位が可能なように磁石３と
同心に配置され、中心部がリニアシャフト７に結合され
たコの字状断面の円盤状のボビン５により支持されてい
る。このソレノイドコイル２には、後述のケーシング９
上に、図５の気密貫通端子７Ａａ，７Ｂａと同様に設け
られた図外の気密貫通端子を介して外部の所定周波数の
交流電源から給電が行われる。

【００２９】ＸＸ’を軸とする円筒状のベローズ４は、
内側円筒継鉄１ｂの内側の空間ＳＰ２内にその大部分が
納まる形で、その固定側端面が円盤状継鉄１ｃに固定さ
れ、その可動側端面がＸＸ’を軸としリニアシャフト７
によって一体に支持される円盤状の端面部材２１に結合
されて収容されている。ベローズ４の内部空間ＳＰ３に
は作動媒体（冷媒ガス）が充填され、内部空間ＳＰ３
は、円盤状継鉄１ｃに穿たれた連通孔１３，１４を介し
て膨張機接続管１１に連通し、さらに膨張機接続管１１
に配管接続された図外の冷却器および膨張機に連通して
いる。

【００３０】なお、６はベローズ端面部材２１と一体且
つ同心に、ベローズ４の内部空間ＳＰ３の大半を埋める
ように設けられた円柱状のインナーボリュームである。
このインナーボリューム６は圧縮機の圧縮性能（圧縮
率）を低下させる原因となるベローズ４の内部空間ＳＰ
３のデッドスペース（死容積）を排除する役割を持つて
いる。

【００３１】９は対称基準面に対し左右対となって、そ
れぞれケーシング１の左右の開口部を覆うように円筒蓋
状に設けられ、且つその端面部がリニア軸受８のハウジ
ングを兼ねているケーシング兼軸受ハウジングである。
リニア軸受８はリニアシャフト７を支持し、リニアシャ
フト７と一体のソレノイドコイル２，ボビン５，ベロー
ズ端面部材２１，インナーボリューム６，ベローズ４の
等価的な可動部分等からなる可動系の軸ＸＸ’方向の往
復運動、従ってベローズ４の伸縮動作を可能にする。

【００３２】ところで、一般的な逆スターリングサイク
ル冷凍機では、圧縮機側の冷媒が直接圧縮される分の容
積（圧縮容積）に対して膨張機側の容積を含めた全容積
が大きく、圧縮率（圧縮容積／全容積）は０．３前後に
なってしまう。このため、封入ガスの圧力を高くするこ
とで、圧縮時の変動圧力の値を大きくしている。べロー
ズ４の内部空間ＳＰ３側（つまり膨張機につながる空間
側）だけに、圧力を加えた冷媒ガスを封入した場合、ベ
ローズ４に大きな圧力が作用することになる。これを回
避するために、ベローズ４の静止平衡位置でべローズの
内、外、同じ圧力、例えば約３０気圧になるように気体
を封入する。これにより、べローズ自体には圧縮時の変
動分に相当する圧力、例えば数気圧だけが作用すること
になり、封入時の圧力をキャンセルすることができる。

【００３３】但し、ベローズの伸縮疲労を軽減するた
め、ベローズの静止平衡位置でのべローズの外側圧力を
内側圧力より高く設定し、ベローズを圧縮状態としたま
まの（つまり、ベローズの伸縮動作時の最大長がベロー
ズの自由長以下となるようにしたままの）伸縮動作を行
わせる場合もある。円盤状継鉄１ｃに穿たれた穴として
の冷媒ガス充填部１０は、この理由でベローズ４の外部
空間に冷媒ガスを充填するために設けられおり、同時に
ベローズ４の内部空間ＳＰ３に冷媒ガスを充填するため
に円盤状継鉄１ｃに穿たれた図外の穴も存在する。な
お、１２は左右対の可動系を収容する空間の圧力を均等
にするために円盤状継鉄１ｃに穿たれた左右圧力均等用
穴である。

【００３４】但し、本圧縮機の動作時にはベローズ４の
内外空間は遮断されている。従って、本圧縮機の動作に
よってリニア軸受８部分に磨耗が生じてもこの磨耗はベ
ローズ４内部の冷媒ガスの汚染には結びつかない。な
お、ケーシング兼継鉄１およびケーシング兼軸受ハウジ
ング９は、このように内部に冷媒ガスを閉じ込めるよう
に全体として気密に構成されている。

【００３５】ソレノイドコイル２に商用電源などの外部
の電源から所定周波数の交流電流が通電されると、コイ
ル２は磁石３によって作られる磁界によって軸方向に交
番する駆動力を受け、ボビン５を介しリニアモータとし
てボビン５と一体に結合されたベローズ端面部材２１，
インナーボリューム６，ベローズ４の等価的な可動部
分，リニアシャフト７等からなる可動系を全体としてリ
ニア軸受８に支持させながら軸方向に往復駆動する。

【００３６】これにより、ベローズ４は軸方向に伸縮駆
動され、内部の冷媒ガスを連通穴１３，１４および膨張
機接続管１１を介して外部の膨張機側へ押出したり、膨
張機側から吸引したりする。図１のようなリニアモータ
型圧縮機の場合、圧縮機の効率を上げるために、可動系
の固有振動数を往復駆動の周波数、つまりソレノイドコ
イル２を付勢する電源周波数と共振させることが必要と
なる。可動系の固有振動数（この場合共振周波数ともい
う）とは、ソレノイドコイル２，ボビン５，ベローズ４
の等価的な可動部分，インナーボリューム６，ベローズ
端面部材２１，リニアシャフト７等の往復運勤する部分
の全質量と、封入ガスを圧縮することで発生するガスの
反発力（バネ特性）やベローズ４が持っているバネ特性
などとによって決まる固有振動数である。

【００３７】バネ特性は封入ガスの圧縮率やべローズの
寸法で決定してしまうため、最終的な調整は質量の附加
で行う必要がある。図１の構造では、インナーボリュー
ム６をべローズ４の駆動側（可動系）に配置しているの
で、この付加質量をインナーボリューム６で兼用して装
置の小型化を図ることができる。この付加質量の調整
は、インナーボリューム６の材料の変更や内部をくりぬ
くことなどにより行うことができる。

【００３８】なお、バネ特性を調整する方法としてはさ
らに、例えば図５の支持スプリング１２Ａ，１２Ｂと同
様に、ケーシング９ないしはリニア軸受８とボビン５と
の間にリニアシャフト７と同軸のコイルパネを挿入する
方法も考えられる。また図１の構造では、磁石２の磁路
となる継鉄をケーシングに併用することで、余分な圧力
容器をなくすことができる。

【００３９】（実施例２）図２は本発明の第２の実施例
としての逆スターリングサイクル冷凍機のリニアモータ
型圧縮機０２の構成を示す軸断面図である。本実施例で
は図１のケーシング兼軸受ハウジング９に代わり、軸受
ハウジングを兼ねずにリニアシャフト７を支持するケー
シング兼シャフト支持体９Ａと、リニア軸受８が組込ま
れたベローズ端面部材２１Ａを用い圧縮機の全長を短く
したものである。

【００４０】（実施例３）図３は本発明の第３の実施例
としての逆スターリングサイクル冷凍機のリニアモータ
型圧縮機０３の構成を示す軸断面図である。本実施例で
は図２の構成において、円盤状継鉄１ｃ上の連通穴１３
の径をインナーボリューム６の径より大とし、さらに左
右両側のインナーボリューム６を接近させることで、作
動媒体の圧縮空間内の死容積を少なくしたものである。

【００４１】なお、この構造からさらに進んで左右対の
ベローズ４の間隔をなくし、ベローズ４の固定側の端面
を互いに結合させ、対をなす２つのベローズを、あたか
もベローズ２つ分の全長を持つ１つのベローズのように
して、２つのベローズの結合部分に設けた管等からベロ
ーズ内部の圧縮された冷媒ガスを膨張機側へ導く方法も
考えられる。

【００４２】（実施例４）以上の実施例１〜３ではベロ
ーズ、リニアモータ等を左右対にした構造を示した。こ
の構造は圧縮機の振動や騒音を低減できる利点がある反
面、部品点数が多くなりコスト高になるという問題があ
る。そこで、左右対の構造の圧縮機０１，０２，０３の
片側、例えば左側の構造部をケーシング兼継鉄１の円盤
状継鉄１ｃまでを含めて残し、右側のその他の構造部を
取り除いた片側構造とする方法が考えられ、これも本発
明に含まれる。

【００４３】この場合、圧縮機の振動は別の防振手段
（例えばダイナミックダンパー等）によって吸収すると
いった方法が考えられる。図４はこのように構成した代
表例として、図１に対応する片側構造のリニアモータ型
圧縮機０１Ａの軸断面図を、本発明の第４の実施例とし
て示す。なお、図４においては当然ながら、図１の左右
圧力均等用穴１２や、取り除いた右側のベローズの内部
から連通穴１４に通ずる連通穴１３の部分が埋められた
構造になる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、逆スターリングサイク
ル冷凍機の圧縮機における作動媒体を圧縮する手段とし
て従来のピストン、シリンダに代わりべローズを使用す
るようにしたので、従来のようなピストン、シリンダ間
の磨耗による冷媒ガス（作動媒体）の汚染や圧縮性能の
低下の問題を回避することができる。

【００４５】さらにピストン式の圧縮機では、通常、ピ
ストンとシリンダ間のギャップを５０μｍ以下になるよ
うに精密な部品の加工をしたり、図６のように可動側を
板バネで支持する方式の場合、精密な組立ての調整を実
施する必要がある。しかし本発明の構成の場合、リニア
モータの磁石３とソレノイドコイル２間のギャップを管
理する必要があるものの、この部分は０．２〜０．４ｍ
ｍ程度と比較的大きなギャップでよく、ベローズ４自体
も半径方向の隙間はコイルのギャップ並みにすることが
でき、ピストン式と比較すると個々の部品のの寸法精
度、組立て精度を粗くすることができ、製造上のコスト
を低減することができる。

【００４６】またさらに、ピストン、シリンダ方式の圧
縮機では、被圧縮側とその外側の空間に気体の出入りが
あるためにモータ部（例えば、コイル，ボビン，スプリ
ングなど）から発生するガスの汚染が問題になる場合が
ある。しかし本発明のベローズ方式の圧縮機では、べロ
ーズ４により膨張機へつながる被圧縮側の空間とその外
側の空間を完全に隔離できるために、この外側の空間に
あるコイル，ボビン，リニア軸受などの発生ガスの問題
を考慮する必要がなく、いろいろな材料の使用が可能と
なり、設計、製造上のコストメリットが見込まれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例としての構成を示す断面
図

【図２】本発明の第２の実施例としての構成を示す断面
図

【図３】本発明の第３の実施例としての構成を示す断面
図

【図４】本発明の第４の実施例としての構成を示す断面
図

【図５】従来の逆スターリングサイクル冷凍機の構成例
を示す断面図

【図６】従来の逆スターリングサイクル冷凍機の圧縮機
の別の構成例を示す断面図

【図７】従来の逆スターリングサイクル冷凍機の圧縮機
のさらに別の構成例を示す断面図

【図８】従来の逆スターリングサイクル冷凍機の圧縮機
のさらに別の構成例を示す断面図

【図９】従来の逆スターリングサイクル冷凍機の圧縮機
のさらに別の構成例を示す断面図

【符号の説明】

０１，０１Ａ，０２，０３ リニアモータ型圧縮機 １ ケーシング兼継鉄 １ａ 外側円筒継鉄 １ｂ 内側円筒継鉄 １ｃ 円盤状継鉄 ２ ソレノイドコイル ３ 磁石 ４ ベローズ ５ ボビン ６ インナーボリュ─ム ７ リニアシャフト ８ リニア軸受 ９ ケーシング兼軸受ハウジング ９Ａ ケーシング兼シャフト支持体 １０ 冷媒ガス充填部 １１ 膨張機接続管 １２ 左右圧力均等用穴 １３，１４ 連通穴 ２１，２１Ａ ベローズ端面部材 ＳＰ１ 円筒継鉄１ａと１ｂとの間の空間 ＳＰ２ 内側円筒継鉄１ｂの内側の空間 ＳＰ３ ベローズの内部空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3H076 AA03 AA14 BB10 BB21 BB26 BB28 CC06 CC35 CC91 3H077 AA11 BB10 CC03 CC07 CC17 DD05 DD17 EE23 EE26 EE31 FF02 FF03 FF07 FF09 FF14 FF23 FF32

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機により圧縮される作動媒体の圧縮空
   間が、作動媒体の膨張機に冷却器を介し連通して構成さ
   れる逆スターリングサイクル冷凍機の圧縮機であって、 前記圧縮空間となる内部の空間に作動媒体が封入され、
   少なくともその一方の端面を可動側の端面とする円筒状
   のベローズと、 該ベローズの外部の空間にあって外部の電源から給電さ
   れ、前記ベローズの可動側の端面に、所定周波数で前記
   ベローズの軸方向に交番する力を加えて、該ベローズを
   含む可動系を励振することにより該ベローズをその軸方
   向に伸縮させ、該ベローズの内部空間に封入された作動
   媒体に対する逆スターリングサイクルのための膨張・圧
   縮を行わせる励振駆動手段としてのリニアモータと、 同じく前記ベローズの外部空間にあって、前記ベローズ
   の軸をほぼ同一直線上に保ちつつ、前記ベローズの可動
   側の端面の前記軸方向の往復変位が可能なように前記可
   動系を支持する軸受手段とを備えたことを特徴とする逆
   スターリングサイクル冷凍機のリニアモータ型圧縮機。
2. 【請求項２】請求項１に記載の逆スターリングサイクル
   冷凍機のリニアモータ型圧縮機において、 前記ベローズの内部に死容積を排除するためのインナー
   ボリュームを備えたことを特徴とする逆スターリングサ
   イクル冷凍機のリニアモータ型圧縮機。
3. 【請求項３】請求項２に記載の逆スターリングサイクル
   冷凍機のリニアモータ型圧縮機において、 前記インナーボリュームが前記ベローズの可動側の端面
   に結合されて前記可動系に属し、該可動系の共振周波数
   を前記所定周波数に一致させるための質量の調整に利用
   されるようにしたことを特徴とする逆スターリングサイ
   クル冷凍機のリニアモータ型圧縮機。
4. 【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の逆ス
   ターリングサイクル冷凍機のリニアモータ型圧縮機にお
   いて、 前記ベローズの外部空間の圧力を、該ベローズの伸縮動
   作時の最大長が該ベローズの自由長以下となる所定の静
   止圧力に保持するようにしたことを特徴とする逆スター
   リングサイクル冷凍機のリニアモータ型圧縮機。
5. 【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の逆ス
   ターリングサイクル冷凍機のリニアモータ型圧縮機にお
   いて、 前記リニアモータが前記ベローズの軸に直交する方向の
   磁界を生成する磁石と、 この磁界内にあって前記可動系に属し、前記ベローズと
   同軸の筒状に形成されて前記電源から給電されるソレノ
   イドコイルと、 同じく前記可動系に属し、該ソレノイドコイルと前記ベ
   ローズの可動側の端面とを結合するコイル支持手段とを
   備えたことを特徴とする逆スターリングサイクル冷凍機
   のリニアモータ型圧縮機。
6. 【請求項６】請求項５に記載の逆スターリングサイクル
   冷凍機のリニアモータ型圧縮機において、 前記磁石の磁路を構成する継鉄が前記ベローズの外部空
   間の圧力を維持するための容器の少なくとも一部を構成
   するようにしたことを特徴とする逆スターリングサイク
   ル冷凍機のリニアモータ型圧縮機。
7. 【請求項７】請求項６に記載の逆スターリングサイクル
   冷凍機のリニアモータ型圧縮機において、 前記ベローズが前記継鉄の内部に配置されてなることを
   特徴とする逆スターリングサイクル冷凍機のリニアモー
   タ型圧縮機。
8. 【請求項８】請求項１ないし７のいずれかに記載の逆ス
   ターリングサイクル冷凍機のリニアモータ型圧縮機にお
   いて、 前記軸受手段の少なくとも一部が前記ベローズの内側
   に、前記作動媒体の圧縮空間から隔離されて挿入配置さ
   れてなるようにしたことを特徴とする逆スターリングサ
   イクル冷凍機のリニアモータ型圧縮機。