JP2007278663A - 振動型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化やコストアップを抑制しつつ、交番磁界に対する磁気遮蔽を効果的に行うとともに、冷凍性能の劣化を防止する。
【解決手段】ケーシング１１全体を覆うように構成された箱状または筒状の磁気シールドケース１ａ、１ｂを圧縮機２に設け、磁気シールドケース１ａ、１ｂは、リニアモータの可動コイル１５の中心軸を通る断面に沿って分割されるように構成し、可動コイル１５から発生される磁束Ｊｃを横切る断面で分割されないように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は振動型圧縮機に関し、特に、スターリング冷凍機などの冷凍機に使用される振動型圧縮機の磁気遮蔽方法に適用して好適なものである。

スターリング冷凍機では、冷媒を圧縮するために振動型圧縮機が用いられている。
図８は、従来の振動型圧縮機の概略構成を示す断面図である。
図８において、振動型圧縮機１には、ピストンロッド１ｃに連結された振動式のピストン１ｂおよびピストン１ｂを軸方向に駆動するリニアモータ４が設けられ、これらのピストン１ｂ、ピストンロッド１ｃおよびリニアモータ４はケーシング１ａに収容されている。そして、ピストンロッド１ｃは、板ばね５を介して軸方向に変位可能に案内支持されている。

ここで、板ばね５には、スパイラル状にスリットが切られた高弾性の薄金属板（例えば、ばね鋼）が使用され、板ばね５の外周は、支持胴６を介してヨーク端面に固定されている。なお、振動型圧縮機１の内部には、数ＭＰａ程度のヘリウムガスが封入され、ケーシング１ａが圧力容器を構成することができる。
また、リニアモータ４には、ケーシング１ａの内部に固定された固定子およびピストンロッド１ｃに固定された可動子が設けられている。そして、固定子には、永久磁石４ａ、永久磁石４ａの磁極の端面に結合して閉磁路を形成するヨーク４ｂ、４ｃ、コイル４ｄが出し入れされる隙間が設けられ、可動子には、ヨーク４ｂ、４ｃの間の隙間に側方から出入りするコイル４ｄが設けられている。

そして、コイル４ｄに所定の周波数の交流電流を流すことで、板ばね５にて支持されたピストン１ｂが往復運動し、流体振動が膨張機に伝えられる。ここで、リニアモータ４からは、２種類の漏洩磁界が発生する。１つは、永久磁石４ａおよびヨーク４ｂ、４ｃから構成される磁気回路から漏洩する静磁界である。もう１つは、交流電流が供給されるコイル４ｄから発生する交番磁界である。

ここで、特許文献１には、リニアモータ４から発生する静磁界を低減するために、板ばね５および支持胴６を高透磁率材料から構成する方法が開示されている。
特開平１１−１４８７３６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、交番磁界に対しては十分な磁気遮蔽効果を得ることできず、特に、電子顕微鏡や蛍光Ｘ線分析などの超高感度分析装置の冷却にスターリング冷凍機を用いる場合、交番磁界の影響によって画像が歪むなどの問題があった。また、特許文献１に開示された方法では、板ばねなどの部品自体の材料が変更されるため、各材料の物性値に合わせたばね定数や支持部の強度の設計や検証試験が必要となるという問題があった。
また、冷却窒素による冷却方法の代替としてスターリング冷凍機を用いる場合、電子顕微鏡や蛍光Ｘ線分析などの超高感度分析装置に磁気シールドの追加や強化を求めるのは、使用者に大きな負担となる。

一方、静磁界および交番磁界の双方に対して十分な磁気遮蔽効果が得られるようにするため、パーマロイなどの高透磁率材料で構成された磁気シールドケースにて圧縮機全体を覆う方法が考えられるが、放熱器などの突起部があるために、磁気シールドケースを完全に密閉構造とすることはできない。このため、磁気シールドケースをいくつかのパーツに分割すると、その分割方法や製作方法によっては、十分な磁気遮蔽効果が得られないばかりか、必要以上の大型化やコストアップを招くことがあった。
そこで、本発明の目的は、大型化やコストアップを抑制しつつ、交番磁界に対する磁気遮蔽を効果的に行うとともに、冷凍性能の劣化を防止することが可能な振動型圧縮機を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の振動型圧縮機によれば、振動式のピストンと、前記ピストンを軸方向に駆動するリニアモータと、前記ピストンおよびリニアモータが収容され、冷媒が封入された圧力容器を構成するケーシングと、前記リニアモータのコイルの中心軸を通る断面に沿って分割され、前記ケーシング全体を覆うようにして磁気遮蔽材料にて構成された磁気シールドケースとを備えることを特徴とする。

これにより、ケーシング全体を覆う磁気シールドケースを分割した場合においても、リニアモータのコイルの端面から発生した磁束がもう一方の端面に到達するまでの磁路の途中に空隙が発生するのを防止することが可能となるとともに、コイルの中心軸に対して分割面を対称に配置することができ、磁気シールドケースの分割端面の磁位を同一にして、空隙間に渡る磁束を発生させないようにすることができる。このため、磁気シールドケースの分割面に磁位差が発生しないようにして、そこから外部の空間に磁束が漏れ出すのを防止することができ、磁気遮蔽を効果的に行うことが可能となる。

また、請求項２記載の振動型圧縮機によれば、前記磁気シールドケースの分割された１または複数のパーツにおいて、前記パーツの合わせ面の全周に渡って配置された途中に切断面のない気遮蔽材料にて構成された板状部材をさらに備えることを特徴とする。
これにより、ケーシング全体を覆う磁気シールドケースを分割した場合においても、分割面の隙間を塞ぐことが可能となり、漏洩磁束を低減することができる。

また、請求項３記載の振動型圧縮機によれば、前記板状部材は全周溶接にて前記パーツに接合されていることを特徴とする。
これにより、ケーシング全体を覆う磁気シールドケースを分割した場合においても、分割面の完全に隙間を塞ぐことが可能となるとともに、磁気シールドケースに開口部が設けられているために、板状部材が磁束方向に切断される場合においても、板状部材から磁気シールドケースに磁束を効率よく逃がすことが可能となり、漏洩磁束を低減することができる。

また、請求項４記載の振動型圧縮機によれば、前記板状部材はスポット溶接にて前記パーツに接合されていることを特徴とする。
これにより、コストアップを抑制しつつ、分割面の隙間を塞ぐことが可能となり、漏洩磁束を低減することができる。
また、請求項５記載の振動型圧縮機によれば、前記パーツの開口部端面の周辺ではそれ以外の場所よりもスポット溶接の間隔が密になっていることを特徴とする。
これにより、スポット溶接にて板状部材をパーツに接合した場合においても、磁気抵抗を小さくすることを可能としつつ、分割面の隙間を塞ぐことが可能となる。

また、請求項６記載の振動型圧縮機によれば、前記パーツの開口部端面の周辺では肉盛り溶接にて前記パーツに接合されていることを特徴とする。
これにより、スポット溶接にて板状部材をパーツに接合した場合においても、磁気抵抗を小さくすることを可能としつつ、分割面の隙間を塞ぐことが可能となる。
また、請求項７記載の振動型圧縮機によれば、前記磁気シールドケースは、異なる材料が積層された多層容器にて構成されていることを特徴とする。
これにより、複数層の磁気遮蔽材料にてケーシングを覆うことが可能となり、磁気遮蔽効果をより一層向上させることができる。

また、請求項８記載の振動型圧縮機によれば、前記多層容器の第１層には高透磁率材料、第２層には非磁性材料、第３層には高透磁率材料が交互に積層されていることを特徴とする。
これにより、磁気シールドケースに用いられる磁気遮蔽材料を多層構造化することができ、磁気シールドケースの形状を変更することなく、磁気遮蔽効果をより一層向上させることができる。
また、請求項９記載の振動型圧縮機によれば、前記磁気遮蔽材料は、ＰＣパーマロイ（７８％Ｎｉ）であることを特徴とする。
これにより、磁気シールドケースの重量の増加を抑制しつつ、磁気遮蔽材料として高透磁率材料を用いることができる。

以上説明したように、本発明によれば、ケーシング全体を覆う磁気シールドケースをリニアモータのコイルの中心軸を通る断面に沿って分割することにより、材料が持つ性能を最大限に引き出すことを可能として、必要最小限の使用材料にて外部への漏洩磁束を低減することができ、部品の設計変更や強度の低下を引き起こしたり、圧縮機全体の過剰な大型化を招いたりすることなく、外部機器に対する磁気の影響を低減することが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係る振動型圧縮機について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る振動型圧縮機の概略構成を分解して示す斜視図、図２は、本発明の一実施形態に係る振動型圧縮機の概略構成を示す断面図である。
図１および図２において、圧縮機２には、１対の対向可動振動式のピストン１２、ピストン１２を軸方向に駆動する１対のリニアモータが設けられ、これらのピストン１２およびリニアモータはケーシング１１に収容されている。そして、ピストン１２は、板ばね１３を介して軸方向に変位可能に案内支持され、板ばね１３の外周は、支持胴体１４を介してヨーク１７端面に固定されている。なお、圧縮機２の内部には、数ＭＰａ程度のヘリウムガスが封入され、ケーシング１１が圧力容器を構成することができる。

また、リニアモータには、ケーシング１１の内部に固定された固定子およびピストン１２に固定された可動子が設けられている。そして、固定子には、永久磁石１６、永久磁石１６の磁極の端面に結合して閉磁路を形成するヨーク１７および可動コイル１５が出し入れされる隙間が設けられ、可動子には、ヨーク１７の間の隙間に側方から出入りする可動コイル１５が設けられている。
なお、固定子に設けられた永久磁石１６は、左右で径方向の磁極が異なるように設置され（例えば、図２の例では、左側の永久磁石１６はＮ極が外向き、右側の永久磁石１６はＳ極が外向き）、左右の永久磁石１６を合わせて一方向の閉磁路Ｊｍを構成することができる。

そして、圧縮機２には、ケーシング１１全体を覆うように構成された箱状または筒状の磁気シールドケース１ａ、１ｂが設けられている。ここで、磁気シールドケース１ａ、１ｂは、リニアモータの可動コイル１５の中心軸を通る断面に沿って分割されるように構成し、可動コイル１５から発生される磁束Ｊｃを横切る断面で分割されないように構成することができる。そして、磁気シールドケース１ａ、１ｂは、分割面以外の接合面（例えば、角部）は、隙間などがないように全周溶接などにより一体化して構成することができる。

また、磁気シールドケース１ａ、１ｂには、放熱器３を圧縮機２に設置するための開口部４ａ、４ｂがそれぞれ設けられ、放熱器３は、磁気シールドケース１ａ、１ｂを通して外部に突出するように圧縮機２に設置されている。なお、磁気シールドケース１ａ、１ｂの材料としては、例えば、ＰＣパーマロイ（７８％Ｎｉ）などの高透磁率材料を用いることができる。

そして、可動コイル１５に同相で同一方向の交流電流を流すことで、可動コイル１５から交番磁界Ｊｍが発生し、板ばね１３にて支持されたピストン１２が往復運動することで、流体振動を膨張機に伝えることができる。したがって、２つの可動コイル１５の磁束は同じ方向に発生し、あたかも１個のコアを持つソレノイドコイルに交流電流が流れているように振舞うことができる。なお、スターリング冷凍機では、４０〜７０Ｈｚの比較的低周波でピストン１２が駆動される。

ここで、リニアモータの可動コイル１５の中心軸を通る断面に沿って磁気シールドケース１ａ、１ｂが分割されるように構成することで、可動コイル１５から発生する交番磁界Ｊｍを横切る断面で磁気シールドケース１ａ、１ｂが分割されないようにすることができる。このため、ケーシング１１全体を覆う磁気シールドケース１ａ、１ｂを分割した場合においても、可動コイル１５の端面から発生した磁束がもう一方の端面に到達するまでの磁路の途中に空隙が発生するのを防止することが可能となるとともに、可動コイル１５の中心軸に対して分割面を対称に配置することができ、磁気シールドケース１ａ、１ｂの分割端面の磁位を同一にして、空隙間に渡る磁束を発生させないようにすることができる。

したがって、磁気シールドケース１ａ、１ｂの分割面に磁位差が発生しないようにして、そこから外部の空間に磁束が漏れ出すのを防止することができ、磁気遮蔽を効果的に行うことが可能となる。この結果、材料が持つ性能を最大限に引き出すことを可能として、必要最小限の使用材料にて外部への漏洩磁束を低減することができ、部品の設計変更や強度の低下を引き起こしたり、圧縮機２全体の過剰な大型化を招いたりすることなく、外部機器に対する磁気の影響を低減することが可能となる。

図３は、本発明の一実施形態に係る振動型圧縮機の磁気遮蔽方法を示す断面図である。
図３（ａ）において、磁気シールドケース１ａ、１ｂの分割面が可動コイル１５の中心軸を通る断面に沿って配置されている場合、可動コイル１５の端面から発生した磁束Ｊｃがもう一方の端面に到達するまでの磁路の途中に空隙がなく、磁気遮蔽を効果的に行うことが可能となる。また、分割面が可動コイル１５の中心軸に対して対称に存在するため、磁気シールドケース１ａ、１ｂの分割端面の磁位は同一となり、空隙間に渡る磁束が発生しないようにすることができる。

一方、図３（ｂ）において、磁気シールドケース１ａ´、１ｂ´、１ｃ´の分割面が可動コイル１５の中心軸を通る断面に垂直に配置されている場合、可動コイル１５の端面から発生した磁束Ｊｃがもう一方の端面に到達するまでの磁路の途中に空隙が存在し、磁気シールドケース１ａ´、１ｂ´、１ｃ´の分割面に磁位差が発生して、そこから外部の空間に漏れ出す漏洩磁束Ｊｃ´が発生する。
このため、圧縮機２のように発生磁束の方向が予め判っている場合、発生磁束を遮断しないように磁気シールドケース１ａ、１ｂを分割することで、少ない材料で効果的に内部磁束を遮蔽することができる。

図４は、本発明の一実施形態に係る磁気シールドの漏洩磁束について水平分割と垂直分割とを比較して示す図である。なお、図４の例では、汎用解析ソフトウェアを用いて解析した結果（一部に実測値を含む）を示す。
図４において、磁気シールドケース１ａ、１ｂの分割面を可動コイル１５の中心軸を通る断面に沿って配置した場合には、圧縮機２の中心から径方向への距離Ｘが増えるのに伴って、磁束密度は１．Ｅ−０５から１．Ｅ−０８［Ｔ_rms］付近に減少し、磁気シールドケース１ａ´、１ｂ´、１ｃ´の分割面を可動コイル１５の中心軸を通る断面に垂直に配置した場合には、圧縮機２の中心から径方向への距離Ｘが増えるのに伴って、磁束密度は１．Ｅ−０６から１．Ｅ−０９［Ｔ_rms］付近に減少した。この結果、磁気シールドケース１ａ、１ｂの分割面を可動コイル１５の中心軸を通る断面に沿って配置した場合には、磁気シールドケース１ａ´、１ｂ´、１ｃ´の分割面を可動コイル１５の中心軸を通る断面に垂直に配置した場合に比べて、漏洩磁束を１／１０以下に低減することができた。

図５は、本発明の一実施形態に係る振動型圧縮機の磁気シールドの接合方法を示す断面図である。
図５（ａ）において、分割された磁気シールドケース２１ａ、２１ｂを接合する場合、磁気シールドケース２１ａ、２１ｂの分割面を互いに突き合わせることで、接合部２１ｃを形成することできる。
また、図５（ｂ）において、磁気シールドケース２２ａの端部に段差を設け、磁気シールドケース２２ａの段差に磁気シールドケース２２ｂを突き合わせることで、接合部２２ｃを形成するようにしてもよい。あるいは、磁気シールドケース２２ａ、２２ｂの分割面を互いに突き合わせながら、帯状の合わせ板を全周に渡るように配置することで接合部２２ｃを形成するようにしてもよい。

また、図５（ｃ）において、磁気シールドケース２３ａの端部に段差を設け、磁気シールドケース２３ａの段差に磁気シールドケース２３ｂを突き合わせることで、接合部２３ｃを形成するようにしてもよい。あるいは、磁気シールドケース２３ａ、２３ｂの分割面を互いに突き合わせながら、帯状の合わせ板を全周に渡るように配置することで接合部２３ｃを形成するようにしてもよい。

また、図５（ｄ）において、磁気シールドケース２４ａ、２４ｂの端部に段差を設け、磁気シールドケース２４ａ、２４ｂの段差を互いに突き合わせることで、接合部２４ｃを形成するようにしてもよい。あるいは、磁気シールドケース２４ａ、２４ｂの分割面を互いに突き合わせながら、帯状の合わせ板を全周に渡るようにして両側から分割面を挟み込むように配置することで接合部２４ｃを形成するようにしてもよい。
ここで、磁気シールドケース１ａ、１ｂの分割面に合わせ板を配置する場合、磁気シールドケース１ａ、１ｂと合わせ板とは隙間なく密着した状態、すなわち、磁気シールドケース１ａ、１ｂは互いに磁気的に繋がっていることが好ましい。

図６は、本発明の一実施形態に係る振動型圧縮機の磁気シールドと合わせ板の接合方法を示す断面図である。
図６（ａ）において、磁気シールドケース１ａ、１ｂには、その分割面に沿って合わせ板３１が配置され、合わせ板３１は、全周溶接３２にて磁気シールドケース１ａ、１ｂに接合されている。
これにより、磁気シールドケース１ａ、１ｂに開口部４ａ、４ｂがそれぞれ設けられているために、合わせ板３１が磁束方向に切断される場合においても、合わせ板３１から磁気シールドケース１ａ、１ｂに磁束Ｊａを効率よく逃がすことが可能となり、漏洩磁束を低減することができる。

また、図６（ｂ）において、磁気シールドケース１ａ、１ｂには、その分割面に沿って合わせ板３１が配置され、合わせ板３１は、磁気シールドケース１ａ、１ｂの開口部４ａ、４ｂ端面の周辺では肉盛り溶接３３にて接合されるとともに、それ以外の場所ではスポット溶接３４にて磁気シールドケース１ａ、１ｂに接合されている。
これにより、磁気シールドケース１ａ、１ｂに開口部４ａ、４ｂがそれぞれ設けられているために、合わせ板３１が磁束方向に切断される場合においても、コストアップを抑制しつつ、合わせ板３１から磁気シールドケース１ａ、１ｂに磁束Ｊａを局所的に逃がすことが可能となり、漏洩磁束を低減することができる。

また、図６（ｃ）において、磁気シールドケース１ａ、１ｂには、その分割面に沿って合わせ板３１が配置され、合わせ板３１は、スポット溶接３５にて磁気シールドケース１ａ、１ｂに接合されている。ここで、磁気シールドケース１ａ、１ｂの開口部４ａ、４ｂ端面の周辺ではそれ以外の場所よりもスポット溶接３５の間隔を密にすることができる。
これにより、磁気シールドケース１ａ、１ｂに開口部４ａ、４ｂがそれぞれ設けられているために、合わせ板３１が磁束方向に切断される場合においても、コストアップを抑制しつつ、合わせ板３１から磁気シールドケース１ａ、１ｂに磁束Ｊａを局所的に逃がすことが可能となり、漏洩磁束を低減することができる。

図７は、本発明の一実施形態に係る振動型圧縮機の磁気シールドの概略構成を示す断面図である。
図７において、磁気シールドケース１ａ、１ｂは、異なる材料が積層された箱状または筒状の多層容器にて構成され、この多層容器の第１層４１には高透磁率材料、第２層４２には非磁性材料、第３層４３には高透磁率材料を交互に積層して構成することができる。なお、第１層４１、４３の材料としては、例えば、ＰＣパーマロイ（７８％Ｎｉ）などを用いることができ、第２層４２の材料としては、例えば、樹脂、ステンレス、アルミニウム、銅あるいは空気を用いることができる。ここで、第２層４２の材料として空気を用いる場合、局所的なスペーサとして非磁性材料を用いることが好ましい。

これにより、磁気シールドケース１ａ、１ｂに用いられる磁気遮蔽材料を多層構造化することができ、磁気シールドケース１ａ、１ｂの形状を変更することなく、磁気遮蔽効果をより一層向上させることができる。
なお、上述した実施形態では、１対の対向可動コイル駆動ピストン型の振動型圧縮機について説明したが、単ピストン型の振動型圧縮機や可動磁石などの異なる形態や駆動方式の異なる振動型圧縮機に適用するようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る振動型圧縮機の概略構成を分解して示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る振動型圧縮機の概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る振動型圧縮機の磁気遮蔽方法を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る磁気シールドの漏洩磁束について水平分割と垂直分割とを比較して示す図である。 本発明の一実施形態に係る振動型圧縮機の磁気シールドの接合方法を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る振動型圧縮機の磁気シールドと合わせ板の接合方法を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る振動型圧縮機の磁気シールドの概略構成を示す断面図である。 従来の振動型圧縮機の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ 磁気シールドケース
２ 圧縮機
３ 放熱器
４ａ、４ｂ 開口部
１１ ケーシング
１２ ピストン
１３ 板ばね
１４ 支持胴体
１５ 可動コイル
１６ 永久磁石
１７ ヨーク
２１ｃ、２２ｃ、２３ｃ、２４ｃ 接合部
３１ 合わせ板
３２ 全周溶接部
３３ 肉盛り溶接部
３４、３５ スポット溶接部
４１、４２、４３ シールド層

Claims (9)

1. 振動式のピストンと、
   前記ピストンを軸方向に駆動するリニアモータと、
   前記ピストンおよびリニアモータが収容され、冷媒が封入された圧力容器を構成するケーシングと、
   前記リニアモータのコイルの中心軸を通る断面に沿って分割され、前記ケーシング全体を覆うようにして磁気遮蔽材料にて構成された磁気シールドケースとを備えることを特徴とする振動型圧縮機。
2. 前記磁気シールドケースの分割された１または複数のパーツにおいて、前記パーツの合わせ面の全周に渡って配置された途中に切断面のない気遮蔽材料にて構成された板状部材をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の振動型圧縮機。
3. 前記板状部材は全周溶接にて前記パーツに接合されていることを特徴とする請求項２記載の振動型圧縮機。
4. 前記板状部材はスポット溶接にて前記パーツに接合されていることを特徴とする請求項２記載の振動型圧縮機。
5. 前記パーツの開口部端面の周辺ではそれ以外の場所よりもスポット溶接の間隔が密になっていることを特徴とする請求項４記載の振動型圧縮機。
6. 前記パーツの開口部端面の周辺では肉盛り溶接にて前記パーツに接合されていることを特徴とする請求項４記載の振動型圧縮機。
7. 前記磁気シールドケースは、異なる材料が積層された多層容器にて構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の振動型圧縮機。
8. 前記多層容器の第１層には高透磁率材料、第２層には非磁性材料、第３層には高透磁率材料が交互に積層されていることを特徴とする請求項７記載の振動型圧縮機。
9. 前記磁気遮蔽材料は、ＰＣパーマロイ（７８％Ｎｉ）であることを特徴とする請求項８記載の振動型圧縮機。

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