JP2004116515A - Linear motor drive type compressor and refrigerating machine therewith - Google Patents
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- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/001—Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor
Abstract
Description
本発明は、リニアモータ駆動型圧縮機、及び、これを用いた冷凍機に係り、特に、赤外線センサ等の小型計測素子や高温超伝導素子の冷却に用いられる小型蓄冷式冷凍機に用いるのに好適な、アウトガスによる冷凍能力の低下を防ぐと共に、小型化することが可能な、リニアモータ駆動型圧縮機、及び、これを用いた冷凍機に関する。 The present invention relates to a linear motor-driven compressor and a refrigerator using the same, and particularly to a regenerative refrigerator used for cooling small measuring elements such as infrared sensors and high-temperature superconducting elements. The present invention relates to a suitable linear motor-driven compressor capable of preventing a decrease in refrigeration capacity due to outgas and capable of being downsized, and a refrigerator using the same.
小型蓄冷式冷凍機の主な用途は、赤外線センサ等の小型計測素子の冷却であり、そのような用途では、冷凍機運転時の機械振動の低減が要求される。 主 The main use of small regenerative refrigerators is to cool small measuring elements such as infrared sensors. In such applications, reduction of mechanical vibrations during operation of the refrigerator is required.
そのため従来は、図1に例示する如く、圧縮機(コンプレッサとも称する)10の同軸上に2台のリニアモータ(LM)12、22を対向して設置し、ピストン13、23が同時に近接あるいは離隔するように位相差180°で運転するようにした、いわゆるツイン対向リニアモータ型や、図2に例示する如く、1台のリニアモータ12を用いるシングル・リニアモータ型に、ばね30を介してカウンターバランサ32を設ける方法が採られていた。
Therefore, conventionally, as illustrated in FIG. 1, two linear motors (LM) 12, 22 are installed facing each other coaxially with a compressor (also referred to as a compressor) 10, and the
図において、11は、冷媒ガスを封入する圧力容器(気密容器)、14、24は、ピストン13、23が摺動するシリンダ、15、25は、該シリンダ14、24内で、ピストン13、23を摺動自在に支持する、気密性を有する軸受、16、26は、前記ピストン13、23を駆動するためのコイル、17、27は、該コイル16、26とピストン13、23を連結するボビン、18、28はヨーク、19、29は、該ヨーク18、28に固定された永久磁石、40は、前記圧縮機10からガス流路38を介して冷媒ガスが送り込まれ、低温端41を冷却する熱交換器(例えば金網)42が内蔵されたコールドヘッド(CH)である。
In the figure,
しかしながら、従来の圧縮機用リニアモータに用いられている駆動方式、即ち、図1や図2に示したように、コイル16、26を駆動させるムービングコイル型、あるいは、図3に示すように、コイル16をヨーク18に固定して、代わりにボビン17に取付けた永久磁石19を駆動させるムービングマグネット型のいずれも、推力発生原理はローレンツ力を使用しており、駆動部自体がローレンツ力発生源であるため、駆動部重量及び寸法が大きくなり、圧縮機運転時の振動を市場要求レベルまで小さくすることは困難であった。又、駆動部の重量及び寸法が大きいため、圧縮機寸法や重量の小型化には限界があった。
However, the driving method used in the conventional linear motor for a compressor, that is, as shown in FIGS. 1 and 2, a moving coil type for driving the
このような問題点を解決するべく、出願人は特願2002−81760で、図4(ピストン駆動のシングル・リニアモータ型の場合)に示す如く、電磁石型リニアモータによりピストン13又はシリンダ14(図示しないシリンダ駆動型の場合)を駆動することを提案している。 In order to solve such a problem, as shown in FIG. 4 (in the case of a piston-driven single linear motor type), the applicant has filed a patent application Ser. It is proposed to drive (not cylinder driven type).
図において、50は、圧縮機のピストン13(図4に示したピストン駆動型の場合)又はシリンダ(図示しないシリンダ駆動型の場合)とボビン17により連結される可動子コア、52は、該可動子コア50に近接配置される永久磁石、54はコイル、56は、該コイル54に発生した磁束を、前記可動子コア50及び永久磁石52に流し込むための磁気回路である。
In the drawing, 50 is a mover core connected to the piston 13 (in the case of a piston drive type shown in FIG. 4) or a cylinder (in the case of a cylinder drive type not shown) of the compressor by a
しかしながら、このような電磁石型リニアモータの磁気回路56は、多数の電磁鋼板57をピストンの軸方向に積層して作られており、各々の電磁鋼板の間には絶縁被膜が取付けられている。従って、図4のように、圧縮機の気密容器11の内部に電磁石モータを設置した場合には、電磁鋼板やコイル線の絶縁被膜からアウトガスが発生し、図1に示したコールドヘッド40先端の低温端41(200k以下となる)で液化又は固化して、熱交換器42の運動を妨げ、冷凍能力が低下するという問題がある。このアウトガス放出量を低減させるためには、磁気回路56に対して、予め長時間加熱してアウトガスを放出させるベーキング(アニーリング)等の処置を施さなければならないが、磁気回路56は圧縮機構成部品のうち一番大きい部品であり、大きなベーキング設備(電気炉等)が要るだけでなく、電気代がかかる。更に、ベーキング時間が長く、部品納入から出荷までの時間も長くかかる。
However, the
一方、ベーキングが不十分な場合は、コンタミネーションにより冷凍機が故障するという問題がある。 On the other hand, if the baking is insufficient, there is a problem that the refrigerator breaks down due to contamination.
又、気密容器11の内側に設置したコイル54への電流供給は、気密性の高い大型のハーメチックコネクタ60又はハーメチック端子を圧縮器容器に溶接して行なう必要があり、圧縮機の外径及び全長が大きくなる。特に冷凍機駆動電流10A以上の高電流駆動では、ハーメチックコネクタのピン径及びピン間隔が大きくなり、圧縮機寸法に及ぼす影響が大きくなる。又、ハーメチック端子やコネクタは値段が高く、冷凍機のコストアップも生ずるという問題点を有していた。
The current supply to the
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、アウトガスによる冷凍能力の低下を防ぐと共に、小型化を可能とし、コンタミネーションによる冷凍機の故障を防止することを課題とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and has as its object to prevent a decrease in refrigeration capacity due to outgas, to enable downsizing, and to prevent a failure of a refrigerator due to contamination.
本発明は、コイルと、圧縮機に連結される可動子と、該可動子に近接配置される永久磁石と、前記コイルに発生した磁束を流し込むための磁気回路と、を含むリニアモータ駆動型圧縮機であって、前記コイルを含む磁気回路部分を、冷媒ガスを封入する気密容器の一部とすることにより、前記課題を解決したものである。 The present invention provides a linear motor-driven compression system including a coil, a mover connected to a compressor, a permanent magnet disposed close to the mover, and a magnetic circuit for flowing a magnetic flux generated in the coil. This object is achieved by providing a magnetic circuit part including the coil as a part of an airtight container for enclosing a refrigerant gas.
又、前記磁気回路の内側に気密性を確保するための板材を配設したものである。 板 In addition, a plate for ensuring airtightness is provided inside the magnetic circuit.
あるいは、前記磁気回路が磁性体ブロックを有するようにしたものである。 Alternatively, the magnetic circuit has a magnetic block.
本発明は、又、前記のリニアモータ駆動型圧縮機を備えたことを特徴とする冷凍機を提供するものである。 The present invention also provides a refrigerator comprising the above-mentioned linear motor driven compressor.
本発明によれば、圧縮機構成部品からのアウトガス量が低減し、冷凍機・コールドヘッド先端でアウトガスが液化又は固化して熱交換器の運動を妨げ、冷凍能力が低下する問題や、コンタミネーションにより冷凍機が故障する問題を解決できる。又、ハーメチックコネクタや端子が不要となり、圧縮機外径及び全長を小さくできる。更に、発熱体であるコイルを大気側に設置して、放熱効率を向上し、冷凍能力を向上することができる。 According to the present invention, the amount of outgas from compressor components is reduced, the outgas is liquefied or solidified at the tip of the refrigerator / cold head, hinders the movement of the heat exchanger, and the problem of reduced refrigeration capacity and contamination. Thus, the problem that the refrigerator is broken can be solved. Further, the need for a hermetic connector or terminal is eliminated, and the outer diameter and the overall length of the compressor can be reduced. Furthermore, the coil as a heating element is installed on the atmosphere side, so that the heat radiation efficiency can be improved and the refrigerating capacity can be improved.
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明の第1実施形態は、本発明を、図4に示した従来例と同様のピストン駆動のシングル・リニアモータ型圧縮機に適用したもので、図5に示す如く、磁気回路56が従来例と同様の積層電磁鋼板57又は焼結金属を有するものとし、その内側に気密性を確保するための電気抵抗の大きい金属又は非鉄金属又は非磁性体製の板70を筒状に配設し、該板70を圧縮機容器11と溶接又はシール部材を用いて接合して、耐圧気密性能を持たせたものである。
In the first embodiment of the present invention, the present invention is applied to a piston driven single linear motor type compressor similar to the conventional example shown in FIG. 4, and as shown in FIG. A laminated
図において、72は、2枚の平行板ばね等の自由運動方向に特異性を持つ弾性支持体であり、圧縮機駆動部(図5ではピストン13)を保持して、圧縮機のシール寿命を長くしている。
In the figure,
該圧縮機駆動部(ピストン13)と可動子コア50とは、電気抵抗の大きい部材(ステンレスやセラミック等)で製作されたボビン17を用いて、ボルトや溶接により締結される。
The compressor drive unit (piston 13) and the
前記ピストン13とシリンダ14間は、例えば10μm〜50μmの完全非接触クリアランスシール(ギャップシール)構造とされている。なお、ガスベアリングシールや接触シールを用いても良い。
間 A completely non-contact clearance seal (gap seal) structure of, for example, 10 μm to 50 μm is provided between the
前記駆動部(ピストン13)のストロークとピストン径の関係は、1:0.5〜3.0、駆動周波数は30Hz〜70Hz、駆動電圧はAC230V以下とすることが望ましい。 ス ト ロ ー ク It is desirable that the relationship between the stroke of the driving section (piston 13) and the piston diameter is 1: 0.5 to 3.0, the driving frequency is 30 Hz to 70 Hz, and the driving voltage is 230 V or less.
前記板70の材質は、ステンレス鋼、アルミニウム等の非磁性且つ溶接が可能な材質とすることが望ましい。
板 The material of the
前記可動子コア50とコイル54間の隙間tと可動子コア50の外半径rの比t/rと、次式で定義されるCOPの関係は、例えば図6に示す如くであり、COP>2%を確保するために、製作上の問題と性能上の問題から前記比t/r=6.7〜11.5%の範囲内とすることが望ましい。
The relationship between the gap t between the
COP={冷凍能力(W)/消費電力(W)}×100% {COP = {Refrigeration capacity (W) / Power consumption (W)} × 100%
ここで、6.7%という下限は、板70が隙間tに入る限界であり、11.5%という上限は、隙間tが大きくなって効率が低下する限界である。
Here, the lower limit of 6.7% is a limit at which the
一方、駆動部重量と弾性支持体ばね定数から算出される固有振動数ωoと最大効率運転周波数ωeの比と、前記COPの関係は、例えば図7に示す如くであり、COP>2%を確保するために、前記比ωe/ωo=0.77〜1.02の範囲内とすることが望ましい。 On the other hand, the relation between the COP and the ratio between the natural frequency ωo and the maximum efficiency operating frequency ωe calculated from the weight of the drive unit and the spring constant of the elastic support member is as shown in FIG. 7, for example, and COP> 2% is ensured. Therefore, it is desirable that the ratio ωe / ωo = 0.77 to 1.02.
本実施形態では、磁気回路56の積層鋼板57又は焼結金属は、冷凍機に封入されている冷媒ガスを保持する機能を有していないため、板70によって、磁気回路56に耐圧・気密性能を持たせている。
In the present embodiment, since the laminated
本実施形態においては、従来例と同様の磁気回路56の内側に板70を加えることで、本発明を実現でき、構成が簡略である。
In this embodiment, by adding the
次に、ピストン13を固定し、シリンダ14側を駆動するようにしたシリンダ駆動のシングル・リニアモータ型圧縮機に適用した本発明の第2実施形態を図8に示す。
Next, FIG. 8 shows a second embodiment of the present invention applied to a cylinder driven single linear motor type compressor in which the
本実施形態においては、ピストン13が固定され、シリンダ14が可動とされ、該シリンダ14と可動子コア50がボビン17により連結されている。
In the present embodiment, the
又、2枚の弾性支持体72がシリンダ14の両端を支持するようにされている。
{Circle around (2)} The two elastic supports 72 support both ends of the
磁気回路56の構成を含む他の点に関しては、第1実施形態と同様であるので、説明は省略する。
他 The other points including the configuration of the
次に、シリンダ駆動のツイン対向リニアモータ型圧縮機に適用した本発明の第3実施形態を図9に示す。 FIG. 9 shows a third embodiment of the present invention applied to a cylinder-driven twin opposed linear motor type compressor.
本実施形態は、第2実施形態と同様のシリンダ駆動機構がガス流路38の両側に対向配置されている点を除き、第2実施形態と同じであるので、説明は省略する。
This embodiment is the same as the second embodiment, except that the same cylinder drive mechanism as the second embodiment is disposed on both sides of the
次に、図10を参照して、本発明の第4実施形態を説明する。 Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態は、ピストン駆動のツイン対向リニアモータ型圧縮機に本発明を適用したもので、磁気回路80が、図11(縦断面図)及び図12(側面図)に示す如く、無垢の磁性体(例えば鉄)ブロック82を有するものとし、該磁性体ブロック82に、渦電流の発生を防止するためのスリット83を形成したものである。
In the present embodiment, the present invention is applied to a piston-driven twin-facing linear motor type compressor, and a
なお、コイル54の内側部分は、第1実施形態と同様に、例えばステンレスの板70を溶接する、又、永久磁石52の側面にも、円心円状の板71を溶接をする。一方、コイル54の外側部分は気密性を要求されないので、従来と同様の積層鋼板57や焼結金属を用いたり、あるいは他の部分と同様のスリット入り磁性体を用いることができる。
The inner portion of the
次に、図13を参照して、本発明の第5実施形態を詳細に説明する。 Next, a fifth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
本実施形態は、第3実施形態と同様のシリンダ駆動のツイン対向リニアモータ型圧縮機に、第4実施形態と同様の磁気回路80を用いたものである。
In the present embodiment, a
他の点に関しては、第3、第4実施形態と同様であるので、説明は省略する。 Other points are the same as those of the third and fourth embodiments, and the description is omitted.
次に、図14を参照して、本発明の第6実施形態を詳細に説明する。 Next, a sixth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
本実施形態は、コールドヘッド(CH)40が直結されたシリンダ駆動のシングル・リニアモータ型圧縮機10に本発明を適用したものである。
In this embodiment, the present invention is applied to a cylinder driven single linear
図において、74は、ピストン13を熱交換器42と共に移動自在に支持するための弾性支持体である。
In the drawing,
他の点に関しては、前記第5実施形態と同様であるので、説明は省略する。 Other points are the same as those in the fifth embodiment, and thus description thereof is omitted.
本発明は、スターリング式冷凍機の他、スターリング式パルス管冷凍機、更には、給排気弁を付加して高圧と低圧を出せるようにして、G−M(ギフォード・マクマホン)冷凍機を含む蓄冷式極低温冷凍機一般に適用できる。又、ピストン/シリンダ駆動、シングル/ツイン対向/コールドヘッド直結の組合せも実施形態に限定されない。 The present invention relates to a Stirling type refrigerator, a Stirling type pulse tube refrigerator, and a regenerator including a GM (Gifford McMahon) refrigerator by adding a supply / exhaust valve so that high pressure and low pressure can be output. Applicable to general cryogenic refrigerators in general. Also, the combination of piston / cylinder drive, single / twin facing / cold head direct connection is not limited to the embodiment.
本発明の適用対象は、赤外線センサや高温超伝導素子の冷却に限定されず、高温超伝導フィルタ冷却や水トラップ、生体細胞冷凍保存、高温超伝導出力デバイス冷却等にも同様に適用できる。 The application of the present invention is not limited to the cooling of the infrared sensor and the high-temperature superconducting element, but can be similarly applied to the cooling of the high-temperature superconducting filter, the water trap, the cryopreservation of living cells, and the cooling of the high-temperature superconducting output device.
本発明は、赤外線センサ等の小型計測素子や高温超伝導素子の冷却に用いられる小型蓄冷式冷凍機に用いるのに好適である。 The present invention is suitable for use in small regenerative refrigerators used for cooling small measuring elements such as infrared sensors and high-temperature superconducting elements.
10…圧縮機
11…気密容器
13…ピストン
14…シリンダ
17…ボビン
38…ガス流路
50…可動子コア
52…永久磁石
54…コイル
56、80…磁気回路
57…積層(電磁)鋼板
70、71…板
82…磁性体ブロック
83…スリット
DESCRIPTION OF
Claims (4)
圧縮機に連結される可動子と、
該可動子に近接配置される永久磁石と、
前記コイルに発生した磁束を流し込むための磁気回路と、
を含むリニアモータ駆動型圧縮機であって、
前記コイルを含む磁気回路部分を、冷媒ガスを封入する気密容器の一部としたことを特徴とするリニアモータ駆動型圧縮機。 Coils and
A mover connected to the compressor;
A permanent magnet disposed in proximity to the mover,
A magnetic circuit for flowing a magnetic flux generated in the coil,
A linear motor driven compressor including
A linear motor-driven compressor, wherein the magnetic circuit portion including the coil is a part of an airtight container for enclosing a refrigerant gas.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003303312A JP2004116515A (en) | 2002-09-02 | 2003-08-27 | Linear motor drive type compressor and refrigerating machine therewith |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002256907 | 2002-09-02 | ||
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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Family
ID=32301413
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004116515A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009030461A (en) * | 2007-07-25 | 2009-02-12 | Fuji Electric Systems Co Ltd | Movable magnet type linear compressor |
JP2012037112A (en) * | 2010-08-05 | 2012-02-23 | Toshiba Corp | Magnetic refrigerating device, and magnetic refrigerating system |
CN108213675A (en) * | 2018-03-11 | 2018-06-29 | 宁夏吴忠市好运电焊机有限公司 | There is the gas shielded precision cold welding system of intermittent demagnetization cooling device |
-
2003
- 2003-08-27 JP JP2003303312A patent/JP2004116515A/en not_active Withdrawn
Cited By (4)
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CN108213675B (en) * | 2018-03-11 | 2023-09-12 | 宁夏吴忠市好运电焊机有限公司 | Air protection precision cold welding system with intermittent demagnetizing and cooling device |
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