JP2003185282A

JP2003185282A - 圧縮機

Info

Publication number: JP2003185282A
Application number: JP2001382407A
Authority: JP
Inventors: Keiji Oshima; 恵司大嶋; Kentaro Toyama; 健太郎外山; Yoshinori Mizoguchi; 義則溝口
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-12-17
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2003-07-03

Abstract

(57)【要約】【課題】ピストンのリニア駆動に用いられる駆動子コイ
ルの発熱が効果的に除去されて効率よく運転できるもの
を得る。【解決手段】駆動子コイル１２を装着したコイルボビン
１３に連通孔４０を設け、さらにこの連通孔４０にチェ
ック弁５０を組み込んで、ピストン６のリニア駆動に伴
って生じるポンプ作用により、外側空間（Ｂ空間５２）
からチェック弁５０を通して内側空間（Ａ空間５１）に
入り、内側空間から駆動子コイル１２の両面を冷却して
外側空間へと至る一方向に流れる循環ガス流を形成して
駆動子コイル１２の発熱を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、極低温冷凍機な
どに用いられる圧縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７に、この種の圧縮機の従来例とし
て、特許２７８５７７９号に記載されている圧縮機の断
面図を示す。本構成の圧縮機においては、外側継鉄４
ａ、内側継鉄４ｂ、これらを連結する継鉄４ｃからなる
継鉄４の内部円筒空間に、両端よりピストン６が挿入さ
れ、二つのピストン６が相対する中央部に作動ガスの圧
縮空間７が形成されている。ピストン６の一端は、スプ
リング１４の一端に固定されており、スプリング１４の
他の一端は、圧力容器端板３ｂの取り付け部に固定され
ている。ピストン６の往復駆動に用いられる駆動子コイ
ル１２は、ピストン取り付け部２１に一体化された円筒
状のボビン本体２０に巻回、装着され、外側継鉄４ａ、
継鉄４ｃ、内側継鉄４ｂ、および永久磁石１１によって
構成される磁気回路中に挿入されている。駆動子コイル
１２に交流の励磁電流を通電することによって、磁気回
路と駆動子コイル１２との間に力が作用し、ピストン６
の往復運動が引き起こされ、圧縮空間７中の作動ガスが
圧縮される。

【０００３】図８に、この種の圧縮機の他の従来例とし
て、特願２００１−２５４１１６号公報に記載されてい
る圧縮機の断面を示す。この従来例の構成においては、
継鉄４の内部円筒空間に両端から挿入されている２個の
ピストン６が、いずれも、その一端（反圧縮空間側端
部）を板ばねからなる支持ばね７０によって往復運動自
在に片持ち支持されている。ピストン６に軸方向の往復
運動を作用させる駆動子コイル１２は、コイルボビン１
３に巻回、装着され、ピストン６に固定されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のごとき圧縮機に
おいては、稼動の際に、作動ガスの圧縮仕事による発
熱、駆動子コイルのジュール損失による発熱、および継
鉄内の渦電流による発熱が生じる。このうち、作動ガス
の圧縮仕事により生じた発熱は、圧縮室７内の作動ガス
と継鉄を介しての熱伝導とにより圧縮機の外部に排出さ
れる。また、継鉄内の渦電流により生じた発熱も、継鉄
を介しての熱伝導により圧縮機の外部に排出される。

【０００５】これに対して、駆動子コイルのジュール損
失による発熱は、作動ガスのヘリウムガスを介して外側
継鉄へと伝達され、外側継鉄から外部へ排出されること
となるが、駆動子コイルは停滞したヘリウムガス中で往
復動しているので、発熱はこのように停滞したヘリウム
ガスへの熱伝達により伝熱されることとなる。このた
め、熱伝導による伝熱に比べて伝熱量が小さく、放出熱
量が不十分となって、駆動子コイルの温度が上昇する可
能性がある。このように駆動子コイルの温度が上昇する
とコイルの抵抗が上昇するので、ジュール損失が更に増
大して駆動子コイルの温度が一層上昇する危険性があ
る。この難点を解消する一方策として、駆動子コイルを
装着するボビンをアルミニウム等の熱の良導体で形成し
て放熱を促進する方策も考えられるが、この方策を用い
ても、放熱が促進される部分は駆動子コイルのボビン側
の一面に限られるので、放熱量の大幅な増大は困難であ
り、逆に、渦電流対策が不十分な構成となれば、渦電流
損が増大して、逆に温度上昇が大きくなるという問題点
があった。

【０００６】本発明の目的は、ピストンのリニア駆動に
用いられる駆動子コイルのジュール損失に伴う発熱が効
果的に放熱され、駆動子コイルの温度上昇が抑制され
て、効率よく運転できる圧縮機を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、円筒空間を有するシリンダー
と、このシリンダーにクリアランスシールを形成する隙
間を介して挿入され、上記の円筒空間内に作動ガスの圧
縮空間を形成するピストンと、このピストンを反圧縮空
間側の端部において軸方向に往復運動可能に片持ち支持
する支持ばねと、ピストンの圧縮空間側端部の半径方向
外側に配置された、ピストンを軸方向に往復駆動するリ
ニア駆動部と、上記の隙間を介して上記の圧縮空間に通
じるガス室を形成する圧力容器とを備える圧縮機で、リ
ニア駆動部が、継鉄および永久磁石からなる磁気回路
と、ピストンに連結されたコイルボビンに巻回された駆
動子コイルとからなり、駆動子コイルを磁気回路の空隙
の内側継鉄の半径方向外側に反圧縮空間側より軸方向に
挿入して構成されるものにおいて、（１）上記のコイルボビンとピストンと内側継鉄とによ
って形成される内側空間に外側空間からガスを流入させ
るチェック弁を、少なくとも１個備えることとする。

【０００８】（２）あるいは、上記のコイルボビンとピ
ストンと内側継鉄とによって形成される内側空間から外
側空間へとガスを流出させるチェック弁を、少なくとも
１個備えることとする。（３）さらに、上記（１）または（２）において、コイ
ルボビンに内側空間と外側空間とを連通する連通孔を備
え、この連通孔に上記のチェック弁を組み込むこととす
る。

【０００９】（４）あるいは、上記（１）または（２）
において、反圧縮空間側端部に開口する内部空間を有す
るピストンにこの内部空間と上記の内側空間とを連通す
る連通孔を備え、この連通孔に上記のチェック弁を組み
込むこととする。（５）さらに、上記の（４）において、このチェック弁
とピストンの内部空間の圧縮空間側端部との間に放熱部
材を配することとする。

【００１０】上記の（１）あるいは（２）のごとく構成
することとし、例えば、上記の（３）あるいは（４）の
ごとくとすれば、ピストンの往復運動に伴って、コイル
ボビンとピストンと内側継鉄とによって形成される内側
空間に一方向に流れるガスの流れが形成され、コイルボ
ビンに巻回された駆動子コイルの表面は、温度の低い外
側空間との間を一方向に流れるガスと常に接触すること
となるので、熱伝達が促進されて温度上昇が低く抑えら
れる。特に上記の（４）のごとくとすれば、ガスはピス
トンの内部空間の反圧縮空間側端部を経由する長い循環
回路を流れることとなるので、ガスが効果的に冷却さ
れ、駆動子コイルの冷却性能が向上することとなる。ま
た、上記の（５）のごとく放熱部材を組み込めば、圧縮
仕事による発熱の一部がピストンを介して放熱部材へと
伝えられ、さらに、放熱部材より上記の一定方向に流れ
るガスへと伝熱されて除熱されることとなる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、実施例を用いて
詳しく説明する。＜第１の実施例＞本実施例は、本発明の圧縮機の請求項
１および請求項３に係る実施例で、図１は、本実施例の
構成を示す断面図である。

【００１２】図示したごとく、本実施例の構成の圧縮機
においては、内側に所定の厚みのリブ３１を有する筐体
３の内部に、継鉄４とこの継鉄４の溝部に挿入された円
筒状の永久磁石１１とからなる二組の磁気回路を、圧縮
空間７に対して対象に挿入し、継鉄４の内側継鉄４ｂと
リブ３１の内面とによってシリンダー５を形成してい
る。反圧縮空間側端部に開口する内部空間を備えた２個
のピストン６は、支持ばね７０により片持ち支持されて
シリンダー５の内部に挿入され、ピストン６とシリンダ
ー５の間隙にクリアランスシール３０が形成されてい
る。磁気回路に挿入することによってピストン６のリニ
ア駆動部を構成する駆動子コイル１２は、ピストン６に
連結されたコイルボビン１３に巻回されており、シリン
ダー５へピストン６を挿入する際に同時に磁気回路に挿
入される。このように固定部に可動部を挿入したのち、
筐体３に両端より端部圧力容器３ａを連結して圧力容器
が構成され、圧縮機本体が形成される。なお、本実施例
の圧縮機においては、コイルボビン１３とピストン６の
外面と内側継鉄４ｂによって形成される内側空間（Ａ空
間５１）と外側空間（Ｂ空間５２）とを連通する複数の
連通孔４０がコイルボビン１３に備えられており、さら
に、これらの連通孔４０には、外側空間（Ｂ空間５２）
から内側空間（Ａ空間５１）へとガスを流入させ、内側
空間（Ａ空間５１）から外側空間（Ｂ空間５２）へのガ
スの流出を遮断するチェック弁５０が組み込まれてい
る。

【００１３】図２は、用いられているチェック弁５０の
基本構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は弁が閉止時の
縦断面図、（ｃ）は弁が開放時の縦断面図である。図に
見られるように、本チェック弁は、ばね性を有するステ
ンレス鋼、りん青銅等の金属材料の薄板を図２（ａ）の
ごとき形状に切り出して構成されており、可とう性を有
する内側の舌状部分５０ａによって対向する連通孔を塞
ぐように配置して、外周部分５０ｂを連通孔を備えた基
材に取り付けて用いられる。連通孔４０の上部にこのチ
ェック弁５０を取り付けた場合には、上部空間の圧力が
下部空間の圧力より高ければ、図２（ｂ）のごとく内側
の舌状部分５０ａで連通孔４０が塞がれて閉止状態とな
り、上部空間の圧力が下部空間の圧力より低ければ、図
２（ｃ）のごとく内側の舌状部分５０ａが差圧により押
し上げられて開放状態となる。したがって、ガスは一方
向にのみ流通する。なお、舌状部分の剛性を適切に選定
することによって、小さい差圧で動作するチェック弁を
形成することができる。

【００１４】本実施例の構成の圧縮機は、駆動子コイル
１２に交流励磁電流を通電することによって運転され
る。すなわち、磁気回路の永久磁石１１のＮ極から出た
磁束は、継鉄４を通り、駆動子コイル１２が挿入される
空隙を経てＳ極へと戻るが、駆動子コイル１２に交流励
磁電流を通電すると、永久磁石１１による磁界と励磁電
流との間に電磁力が働き、駆動子コイル１２、したがっ
て駆動子コイル１２にコイルボビン１３を介して連結さ
れたピストン６が軸方向に往復運動することとなる。し
たがって、圧縮空間７に対して対象に配された二つのリ
ニア駆動部の駆動子コイル１２に１８０度の位相差を持
つ交流電流を通電することによって、二つのピストン６
が互いに逆方向に往復運動を行い、圧縮空間７の作動ガ
スを圧縮することとなる。

【００１５】また、コイルボビン１３の往復運動に伴っ
て上記の内側空間（Ａ空間５１）と外側空間（Ｂ空間５
２）の容積が変化し、二つの空間の間に圧力差が生じる
こととなるが、本圧縮機においては、コイルボビン１３
に二つの空間を連通する複数の連通孔４０が設けられ、
かつ、これらの連通孔４０に外側空間（Ｂ空間５２）か
ら内側空間（Ａ空間５１）へとガスを流入させるチェッ
ク弁５０が組み込まれているので、内部のガスにはポン
プ作用が働き、図中に矢印で示したごとく、内側空間か
ら、駆動子コイル１２が挿入されている空隙を経て外側
空間に至り、外側空間から連通孔４０を経て内側空間に
至る一方向の流れが生じることとなる。したがって、駆
動子コイル１２は、その内面、外面に流れる循環流によ
って効果的に冷却され、温度上昇が抑制されることとな
る。

【００１６】＜第２の実施例＞本実施例は、本発明の圧
縮機の請求項２および請求項３に係る実施例で、図３
は、本実施例の構成を示す断面図である。本実施例の構
成と前出の第１の実施例の構成との相違点は、連通孔４
０に対応して組み込まれたチェック弁５０の動作にあ
る。すなわち、第１の実施例の構成においては、外側空
間（Ｂ空間５２）から内側空間（Ａ空間５１）へとガス
を流入させ、内側空間から外側空間へのガスの流れを遮
断するチェック弁５０が組み込まれていたのに対して、
本実施例の構成では、内側空間（Ａ空間５１）から外側
空間（Ｂ空間５２）へとガスを流入させ、外側空間から
内側空間へのガスの流れを遮断するチェック弁５０が組
み込まれている。このため、本実施例の構成では、コイ
ルボビン１３の往復運動とともに、図３中に矢印で示し
たように、外側空間（Ｂ空間５２）から、駆動子コイル
１２が挿入されている空隙を経て内側空間（Ａ空間５
１）へと至り、内側空間から連通孔４０を経て外側空間
へと至る一方向のガス循環流が形成される。したがっ
て、駆動子コイル１２は外側空間（Ｂ空間５２）からの
温度の低いガスにより冷却されるので、第１の実施例の
構成に比較して、熱伝達がより促進され、温度上昇がよ
り効果的に抑制されることとなる。

【００１７】＜第３の実施例＞本実施例は、本発明の圧
縮機の請求項１および請求項４に係る実施例で、図４
は、本実施例の構成を示す断面図である。本実施例の構
成の特徴は、反圧縮空間側端部に開口する内部空間を有
するピストン６Ａにその内部空間を区画する隔壁６１が
備えられ、その内部空間の圧縮空間側の空間（Ｃ空間５
３）と、コイルボビン１３とピストン６Ａの外面と内側
継鉄４ｂとによって形成される内側空間（Ａ空間５１）
とを連通する連通孔４０がピストン６Ａに備えられてい
ること。さらに、上記の隔壁６１に、ピストン６Ａの内
部空間の圧縮空間側の空間（Ｃ空間５３）と前出の外側
空間（Ｂ空間５２）とを連通する連通孔４０、およびこ
の連通孔４０を流れるガスの流れをＢ空間５２からＣ空
間５３への一方向に制限するチェック弁５０が備えられ
ていることにある。したがって、本実施例の構成の圧縮
機においては、ピストン６Ａの往復駆動に伴ってポンプ
作用が生じ、図中に矢印で示したごとく、内側空間（Ａ
空間５１）から、駆動子コイル１２が挿入されている空
隙を経て外側空間（Ｂ空間５２）へと至り、外側空間
（Ｂ空間５２）から、ピストン６Ａの反圧縮空間側端部
の開口部から内部空間に入り、連通孔４０、チェック弁
５０、連通孔４０を経て内側空間（Ａ空間５１）へと至
る一方向のガス循環流が形成されることとなる。このよ
うに循環流を形成すれば、ガスは長い循環路を流れて冷
却されるばかりでなく、温度の低い端部圧力容器３ａと
熱交換して冷却されるので、駆動子コイル１２の発熱
は、これらの低温のガスにより効果的に除去されること
となり、駆動子コイル１２の温度上昇が効果的に抑えら
れる。

【００１８】＜第４の実施例＞本実施例は、本発明の圧
縮機の請求項２および請求項４に係る実施例で、図５
は、本実施例の構成を示す断面図である。本実施例の構
成と前出の第３の実施例の構成との相違点は、ピストン
６Ａの内部空間を区画する隔壁６１に備えられたチェッ
ク弁５０の動作にある。すなわち、第３の実施例の構成
のチェック弁５０は連通孔４０を流れるガスの流れをB
空間５２からＣ空間５３への一方向に制限していたが、
本実施例においては、連通孔４０を流れるガスの流れを
Ｃ空間５３からＢ空間５２への一方向に制限するチェッ
ク弁５０が組み込まれている。したがって、本実施例の
構成では、温度の低い端部圧力容器３ａとの熱交換によ
り冷却された低温のガスが駆動子コイル１２に接触して
熱交換することとなるので、第３の実施例の構成に比べ
て駆動子コイル１２の発熱は、さらにより効果的に除熱
され、温度上昇が抑えられることとなる。

【００１９】＜第５の実施例＞本実施例は、本発明の圧
縮機の請求項２、請求項４および請求項５に係る実施例
で、図５は、本実施例の構成を示す断面図である。本実
施例の構成の特徴は、前出の第４の実施例の構成のピス
トン６の内部空間の圧縮空間側の空間（Ｃ空間５３）
に、金属メッシュよりなる放熱部材５４がピストン６Ａ
に一体化して装着されていることにある。したがって、
本構成においては、圧縮空間７における作動ガスの圧縮
仕事に伴って生じた発熱の一部がピストン６Ａを介して
放熱部材５４へと伝熱され、ピストン６Ａの往復駆動に
伴うポンプ作用によってＡ空間５１からＣ空間５３へと
流入した循環ガスとの熱交換によって、循環ガスへと伝
達され、さらに、循環ガスより端部圧力容器へと伝熱さ
れて圧縮機の外部へと取り出される。したがって、本構
成とすれば、駆動子コイル１２の発熱が効果的に除去さ
れるばかりでなく、圧縮空間７の温度上昇も抑制される
こととなる。

【００２０】なお、本実施例では放熱部材５４として金
属メッシュを用いているが、放熱部材５４はこれに限定
されるものではなく、フィン構造や多数の子孔を設けた
バンドル等、熱交換を行うための多くの放射経路を有す
るものであればよい。

【００２１】

【発明の効果】上記のごとく、この発明によれば、圧縮
機を請求項１あるいは２に記載のごとく構成することと
し、たとえば請求項３あるいは４に記載のごとく構成す
ることとしたので、駆動子コイルが流速の速い循環ガス
流によって効率的に冷却されることとなり、駆動子コイ
ルのジュール発熱による温度上昇が抑制され、効率よく
運転できる圧縮機が得られることとなった。

【００２２】また、圧縮機をさらに請求項５に記載のご
とく構成することとすれば、ピストンの放熱経路が増大
して圧縮ガスの温度上昇が抑制されるので、効率の高い
圧縮機として好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧縮機の第１の実施例の構成を示す断
面図

【図２】第１の実施例の圧縮機に用いられているチェッ
ク弁の基本構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は弁が閉
止時の縦断面図、（ｃ）は弁が開放時の縦断面図

【図３】本発明の圧縮機の第２の実施例の構成を示す断
面図

【図４】本発明の圧縮機の第３の実施例の構成を示す断
面図

【図５】本発明の圧縮機の第４の実施例の構成を示す断
面図

【図６】本発明の圧縮機の第５の実施例の構成を示す断
面図

【図７】この種の圧縮機の従来例の構成を示す断面図

【図８】この種の圧縮機の他の従来例の構成を示す断面
図

【符号の説明】

３筐体（圧力容器）３ａ端部圧力容器４継鉄４ｂ内側継鉄５シリンダー６，６Ａピストン７圧縮空間１１永久磁石１２駆動子コイル１３コイルボビン３０クリアランスシール３１リブ４０連通孔５０チェックバルブ５１Ａ空間５２Ｂ空間５３Ｃ空間５４放熱部材６１隔壁７０支持ばね

フロントページの続き (72)発明者溝口義則神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内Ｆターム(参考） 3H003 AA02 AB05 AC03 BE09 3H076 AA03 BB05 CC06 CC43

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒空間を有するシリンダーと、前記円筒
空間内に作動ガスの圧縮空間を形成するピストンと、前
記ピストンを軸方向に往復駆動するリニア駆動部とを有
し、前記リニア駆動部が、継鉄および永久磁石からなる
磁気回路と、前記ピストンに連結されたコイルボビンに
巻回された駆動子コイルとからなるものにおいて、前記コイルボビンと前記ピストンと前期内側継鉄とによ
って形成される内側空間に外側空間からガスを流入させ
るチェック弁が少なくとも１個備えられていることを特
徴とする圧縮機。
【請求項２】円筒空間を有するシリンダーと、前記円筒
空間内に作動ガスの圧縮空間を形成するピストンと、前
記ピストンを軸方向に往復駆動するリニア駆動部とを有
し、前記リニア駆動部が、継鉄および永久磁石からなる
磁気回路と、前記ピストンに連結されたコイルボビンに
巻回された駆動子コイルとからなるものにおいて、前記コイルボビンと前記ピストンと前記内側継鉄とによ
って形成される内側空間から外側空間へとガスを流出さ
せるチェック弁が少なくとも１個備えられていることを
特徴とする圧縮機。
【請求項３】請求項１または２に記載の圧縮機におい
て、コイルボビンが前記内側空間と外側空間とを連通す
る連通孔を有し、前記チェック弁がこの連通孔に対応し
て組み込まれていることを特徴とする圧縮機。
【請求項４】請求項１または２に記載の圧縮機におい
て、ピストンが、反圧縮空間側端部に開口する内部空間
とこの内部空間と前記内側空間とを連通する連通孔を有
し、前記チェック弁がこの連通孔に対応して組み込まれ
ていることを特徴とする圧縮機。
【請求項５】請求項４に記載の圧縮機において、前記チ
ェック弁とピストンの内部空間の圧縮空間側端部との間
に放熱部材が配されていることを特徴とする圧縮機。