JP2009022087A - Linear motor, and stirling freezer equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、出力軸が軸方向に向けて往復動可能に構成されたリニアモータおよび当該リニアモータをピストンの駆動手段として具備したスターリング冷凍機に関する。 The present invention relates to a linear motor configured so that an output shaft can reciprocate in an axial direction, and a Stirling refrigerator including the linear motor as a driving means for a piston.
従来、ケーシング内に封入された作動媒体をピストンを用いて圧縮/膨張させるために、ピストンの駆動手段としてリニアモータが具備されてなるスターリング冷凍機が知られている。たとえば、特開2004−332675号公報(特許文献1)には、ケーシングとしての圧力容器内に配設されたシリンダと、当該シリンダに嵌挿されたピストンおよびディスプレーサと、当該ピストンを駆動するためのリニアモータとを備えたスターリング冷凍機が開示されている。 Conventionally, in order to compress / expand a working medium sealed in a casing by using a piston, a Stirling refrigerator having a linear motor as a driving means for the piston is known. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-332675 (Patent Document 1) discloses a cylinder disposed in a pressure vessel as a casing, a piston and a displacer fitted into the cylinder, and driving the piston. A Stirling refrigerator including a linear motor is disclosed.
リニアモータとしては、種々の構成のものが知られているが、これを分類すると、出力軸が設けられる可動子に永久磁石を配設し、固定子にヨークおよびコイルを具備させてなるいわゆるムービングマグネットタイプのもの(たとえば、上記特許文献1、特開2001−352736号公報(特許文献2)等参照)と、出力軸が設けられる可動子にコイルを配設し、固定子に永久磁石およびヨークを具備させてなるいわゆるムービングコイルタイプのもの(たとえば、特開平9−158827号公報(特許文献3)参照)に大別される。これら構成のリニアモータにおいては、一般に、固定子に設けられるヨークをインナーヨークとアウターヨークにて構成し、インナーヨークを可動子に設けられる永久磁石またはコイルの内周側に配設し、アウターヨークを可動子に設けられる永久磁石またはコイルの外周側に配設している。
しかしながら、このように構成した場合には、ヨークがインナーヨークとアウターヨークにて構成されるため、リニアモータの径方向における大きさが増大し、装置が大型化するといった問題や、永久磁石を環状または弧状に形成する必要があるため、製造コストが増大するといった問題などがあった。特に、前者の問題に関しては、ヨークにおいて磁気飽和が生じることを防止するために、インナーヨークおよびアウターヨークを相当程度分厚く形成することが必要であるため、リニアモータの径方向における大型化をさらに増大させる結果となっていた。 However, in such a configuration, since the yoke is composed of an inner yoke and an outer yoke, the size of the linear motor increases in the radial direction, and the size of the device increases. Or since it had to be formed in an arc shape, there existed a problem that manufacturing cost increased. In particular, with respect to the former problem, it is necessary to form the inner yoke and the outer yoke to be considerably thicker in order to prevent magnetic saturation in the yoke, so that the linear motor is increased in size in the radial direction. The result was
そこで、本発明は、上述の問題点を解決すべくなされたものであり、小型化が可能でかつ安価に製作することが可能なリニアモータおよびこれを備えたスターリング冷凍機を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a linear motor that can be miniaturized and can be manufactured at low cost, and a Stirling refrigerator including the linear motor. And
本発明に基づくリニアモータは、出力軸および永久磁石を含む可動子と、コイルおよびヨークを含む固定子とを備え、上記出力軸を取り囲むように上記固定子が上記出力軸の周方向に沿って設けられてなるものである。上記固定子は、上記出力軸の周方向に沿って離間して設けられた第1ヨーク部および第2ヨーク部を有している。上記第1ヨーク部は、上記第2ヨーク部に対向する部分に逆極性に励磁される一対の磁極を含む第1磁極群を含んでおり、当該第1磁極群に含まれる上記一対の磁極は、上記出力軸の軸方向に沿って対向配置されている。上記第2ヨーク部は、上記第1ヨーク部に対向する部分に逆極性に励磁される一対の磁極を含む第2磁極群を含んでおり、上記第2磁極群に含まれる上記一対の磁極は、上記出力軸の軸方向に沿って対向配置されている。上記永久磁石は、上記第1ヨーク部と上記第2ヨーク部との間でかつ上記第1磁極群と上記第2磁極群との間に配置されている。 The linear motor based on this invention is provided with the needle | mover containing an output shaft and a permanent magnet, and the stator containing a coil and a yoke, and the said stator follows the circumferential direction of the said output shaft so that the said output shaft may be surrounded. It is provided. The stator has a first yoke portion and a second yoke portion that are spaced apart along the circumferential direction of the output shaft. The first yoke part includes a first magnetic pole group including a pair of magnetic poles excited in opposite polarities at a portion facing the second yoke part, and the pair of magnetic poles included in the first magnetic pole group includes Further, they are arranged to face each other along the axial direction of the output shaft. The second yoke portion includes a second magnetic pole group including a pair of magnetic poles excited in opposite polarities at a portion facing the first yoke portion, and the pair of magnetic poles included in the second magnetic pole group includes Further, they are arranged to face each other along the axial direction of the output shaft. The permanent magnet is disposed between the first yoke portion and the second yoke portion and between the first magnetic pole group and the second magnetic pole group.
このように構成することにより、従来のリニアモータにおいて必要であった出力軸の径方向に配置されたインナーヨークおよびアウターヨークの2つのヨークが、出力軸の径方向において配置された1つのヨークで済むことになる。したがって、装置の径方向における大きさを大幅に小型化することができるとともに、従来に比して部品点数を削減することが可能になるため、製造コストを抑えることも可能になる。また、磁気飽和を防止するためにヨークの厚みを増す必要がある場合にも、当該厚みを増すべき方向が出力軸の周方向と合致することとなるため、装置の径方向における大きさが大型化することもない。 With this configuration, the two yokes, the inner yoke and the outer yoke arranged in the radial direction of the output shaft, which are necessary in the conventional linear motor, are formed by one yoke arranged in the radial direction of the output shaft. It will be over. Accordingly, the size of the apparatus in the radial direction can be greatly reduced, and the number of parts can be reduced as compared with the conventional case, and thus the manufacturing cost can be suppressed. Also, when it is necessary to increase the thickness of the yoke to prevent magnetic saturation, the direction in which the thickness should be increased coincides with the circumferential direction of the output shaft. It does not become.
上記本発明に基づくリニアモータにあっては、上記永久磁石が、上記出力軸の周方向に沿ってN極とS極とが並ぶように配置されていることが好ましく、その場合に、上記第1磁極群に含まれる上記一対の磁極の一方と、当該一方の磁極と対向配置された上記第2磁極群に含まれる上記一対の磁極の一方とが、逆極性に励磁されるように構成されていることが望ましい。 In the linear motor according to the present invention, the permanent magnet is preferably arranged so that the N pole and the S pole are aligned along the circumferential direction of the output shaft. One of the pair of magnetic poles included in one magnetic pole group and one of the pair of magnetic poles included in the second magnetic pole group disposed opposite to the one magnetic pole group are excited to have opposite polarities. It is desirable that
また、上記本発明に基づくリニアモータにあっては、上記固定子が、コイルおよびヨークを含む複数の分割固定子にて構成されていることが好ましく、その場合に、上記第1ヨーク部および上記第2ヨーク部が、隣り合う一組の分割固定子のそれぞれに含まれるヨークによって構成されていることが望ましい。 In the linear motor according to the present invention, the stator is preferably composed of a plurality of divided stators including a coil and a yoke. In that case, the first yoke portion and the above It is desirable that the second yoke portion is constituted by a yoke included in each of a pair of adjacent divided stators.
また、上記本発明に基づくリニアモータにあっては、上記可動子が、上記永久磁石を上記出力軸に固定するための取り付け部を有していることが好ましく、その場合に、上記取り付け部が上記永久磁石を上記出力軸の軸方向において挟持することにより、上記永久磁石の上記出力軸の周方向における表面が露出していることが望ましい。 Moreover, in the linear motor based on the said invention, it is preferable that the said needle | mover has an attachment part for fixing the said permanent magnet to the said output shaft, In that case, the said attachment part is It is desirable that the surface of the permanent magnet in the circumferential direction of the output shaft is exposed by sandwiching the permanent magnet in the axial direction of the output shaft.
また、上記本発明に基づくリニアモータにおいては、上記永久磁石が、平板状であることが好ましい。 Moreover, in the linear motor based on the said invention, it is preferable that the said permanent magnet is flat form.
本発明に基づくスターリング冷凍機は、上述のいずれかのリニアモータをピストンの駆動手段として備えている。 A Stirling refrigerator according to the present invention includes any one of the above-described linear motors as piston driving means.
このように構成することにより、小型でかつ安価に製作が可能なスターリング冷凍機とすることができる。 By comprising in this way, it can be set as the Stirling refrigerator which is small and can be manufactured cheaply.
本発明によれば、小型化が可能で安価に製作が可能なリニアモータおよびこれを備えたスターリング冷凍機とすることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can be set as the linear motor which can be reduced in size and can be manufactured cheaply, and a Stirling refrigerator provided with the same.
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。以下に示す実施の形態においては、図中同一または相当する部分に同一の符号を付し、その説明は繰り返さないこととする。なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the embodiments described below, the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated. Note that in the embodiments described below, when referring to the number, amount, and the like, the scope of the present invention is not necessarily limited to the number, amount, and the like unless otherwise specified. In the following embodiments, each component is not necessarily essential for the present invention unless otherwise specified. In addition, when there are a plurality of embodiments below, it is planned from the beginning to appropriately combine the configurations of the embodiments unless otherwise specified.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるリニアモータの外観構造を示す斜視図である。また、図2は、本実施の形態におけるリニアモータを軸方向の中心位置において当該軸方向と直交する平面に沿って切断した場合の断面図である。まず、これらの図を参照して、本実施の形態におけるリニアモータ1Aの構造について詳説する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view showing an external structure of a linear motor according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of the linear motor according to the present embodiment cut along a plane perpendicular to the axial direction at the axial center position. First, the structure of the
図1および図2に示すように、本実施の形態におけるリニアモータ1Aは、可動子10と、固定子20とを備えている。可動子10は、出力軸12と、永久磁石16とを主として備えている。固定子20は、出力軸12を取り囲むように出力軸12の周方向に沿って略円筒状に設けられており、複数の分割固定子にて構成されている。本実施の形態におけるリニアモータ1Aにおいては、固定子20が、4つの分割固定子にて構成されており、個々の分割固定子が、それぞれヨーク22およびコイル24をそれぞれ1つずつ含んでいる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the linear motor 1 </ b> A in the present embodiment includes a
出力軸12は、可動子10の中央に配設され、図1中に示す矢印A1,A2方向に延在している。永久磁石16は、出力軸12の外周に4箇所設けられており、出力軸12と永久磁石16との間の空間を満たすように形成された平面視略十字形状の取り付け部14を介して出力軸12に固定されている。永久磁石16は、平板状の形状を有するいわゆる板磁石であり、その主面が出力軸12の周方向を向くように配置されている。永久磁石16のN極16aおよびS極16bは、これら磁極が出力軸12の周方向に並ぶように配置されている。なお、出力軸12の周方向において隣り合うこととなる永久磁石16の上記磁極は、当該周方向において同じ磁極同士が対向するように配置される。
The
また、本実施の形態におけるリニアモータ1Aにおいては、これら永久磁石16が出力軸12の軸方向において取り付け部14によって挟持されている。したがって、永久磁石16の出力軸12の周方向における一対の表面は、いずれも露出した状態にある。なお、このような構成の可動子10を製作するに際しては、樹脂材料を用いて取り付け部14を射出成形する際に、出力軸12と永久磁石16とを一体化すべくインサート成形することにより、非常に簡便に製作が可能である。
Further, in the linear motor 1 </ b> A according to the present embodiment, these
固定子20を構成する4つの分割固定子のそれぞれは、出力軸12を取り囲むように円弧状に反らせて形成された枠状のヨーク22と、このヨーク22の中央位置に設けられた柱状部22a(図2参照)に巻き付けられたコイル24とによって構成されている。上記柱状部22aは、出力軸12の軸方向に沿って延びており、この柱状部22aの周囲にリード線を巻き付けることにより、コイル24が形成されている。ヨーク22としては、好適には積層された電磁鋼板等が利用される。
Each of the four divided stators constituting the
個々の分割固定子に含まれるヨーク22のそれぞれは、隣り合うヨークに対向する部分に一対の磁極23a,23bを含む磁極群23A,23Bを有している。より具体的には、枠状に形成されたヨーク22の出力軸12の周方向に沿った一方端と他方端のそれぞれの所定位置に間隙部を設け、この間隙部を設けることによって形成されることとなる枠状のヨーク22の出力軸12の軸方向に沿った一対の縁部を磁極23a,23bとすることにより、各々のヨーク22が出力軸12の周方向において一対の磁極群23A,23Bを有するように構成されている。このように構成することにより、磁極群23A,23Bのそれぞれに含まれる一対の磁極23a,23bは、出力軸12の軸方向に沿って対向配置されることになる。なお、上記一対の磁極23a,23bを構成するヨーク22の縁部は、それぞれ縦断面が楔形状となるように構成されており、当該縁部の鋭角部分がヨーク22の出力軸12の周方向に沿った端部側に位置するように構成されている。
Each of the
上述した可動子10に設けられた永久磁石16は、出力軸12の周方向に沿って出力軸12を取り囲むように配置された分割固定子の間に挿入配置されている。より具体的には、永久磁石16は、出力軸12の周方向に沿って離間配置された分割固定子のそれぞれの間に配置されており、当該永久磁石16の主面のそれぞれが、隣り合う分割固定子の端部に設けられた磁極群23A,23Bに対向配置されている。なお、永久磁石16と磁極群23A,23Bとは、これらの間に所定のクリアランスが形成されることにより、非接触となるように構成されている。
The
図3および図4は、本実施の形態におけるリニアモータの動作を説明するための模式図である。次に、これら図3および図4を参照して、本実施の形態におけるリニアモータ1Aの動作について詳説する。なお、図3および図4は、出力軸12の周方向に沿って配置される2つの分割固定子と、これら2つの分割固定子に隣り合うように配置される3つの永久磁石とのみを抜き出して模式的に平面上に展開して示した図である。以下においては、図中左側に位置する分割固定子を「第1分割固定子」と称し、図中右側に位置する分割固定子を「第2分割固定子」と称する。
3 and 4 are schematic diagrams for explaining the operation of the linear motor in the present embodiment. Next, with reference to these FIG. 3 and FIG. 4, it demonstrates in detail about operation | movement of 1 A of linear motors in this Embodiment. 3 and 4 show only two divided stators arranged along the circumferential direction of the
本実施の形態におけるリニアモータ1Aを動作させるためには、図示しない交流電流印加手段を用いて分割固定子のそれぞれに設けられたコイル24に交流電流を印加する。ここで、隣り合う分割固定子に含まれるコイル24に通電される交流電流は、隣り合う分割固定子に含まれるコイル24に異なる方向に向けて磁束が発生するように通電される。これにより、隣り合う分割固定子に含まれるヨークには、それぞれ異なる向きに磁気回路が形成されることになる。より詳細には、図3および図4に示す状態が交流電流の印加中において繰り返されることになる。
In order to operate the
具体的には、図3に示す状態においては、第1分割固定子に含まれるコイル24に所定の方向に電流が印加されることにより、第1分割固定子に含まれる第1ヨーク部としてのヨーク22の柱状部22aに図中矢印B1方向に向けて磁束が発生し、これに伴って当該ヨーク22の出力軸12の周方向の両端に形成された一対の縁部のそれぞれに図示する如くの極性が発生して第1磁極群23Aおよび第2磁極群23Bが発生することになる。一方、第2分割固定子に含まれるコイル24に所定の方向の電流が印加されることにより、第2分割固定子に含まれる第2ヨーク部としてのヨーク22の柱状部22aに図中矢印C1方向(当該C1方向は上述した矢印B1方向とは逆向き)に向けて磁束が発生し、これに伴って当該ヨーク22の出力軸12の周方向の両端に形成された一対の縁部のそれぞれに図示する如くの極性が発生して第1磁極群23Aおよび第2磁極群23Bが発生することになる。
Specifically, in the state shown in FIG. 3, a current is applied in a predetermined direction to the
ここで、隣り合う第1分割固定子の第1磁極群23Aと第2分割固定子の第2磁極群23Bおよびこれらの間に位置する永久磁石16について着目すると、第1磁極群23Aに含まれる磁極23a,23bの一方と、当該一方の磁極と対向配置された第2磁極群23Bに含まれる磁極23a,23bの一方とは、逆極性に励磁されることになり、これらの間に配置された永久磁石16のN極16a,S極16bとの関係において、当該永久磁石16には、図中矢印A1方向に示す方向に向けての推力が発生することになる。この推力の方向は、図3に示す状態において、隣り合う永久磁石16において同方向となり、結果として可動子10が図中矢印A1方向に移動することになる。
Here, when attention is paid to the first
一方、コイル24に通電される電流の向きが反転した図4に示す状態においては、第1分割固定子に含まれるコイル24に所定の方向に電流が印加されることにより、第1分割固定子に含まれる第1ヨーク部としてのヨーク22の柱状部22aに図中矢印B2方向に向けて磁束が発生し、これに伴って当該ヨーク22の出力軸12の周方向の両端に形成された一対の縁部のそれぞれに図示する如くの極性が発生して第1磁極群23Aおよび第2磁極群23Bが発生することになる。一方、第2分割固定子に含まれるコイル24に所定の方向の電流が印加されることにより、第2分割固定子に含まれる第2ヨーク部としてのヨーク22の柱状部22aに図中矢印C2方向(当該C2方向は上述した矢印B2方向とは逆向き)に向けて磁束が発生し、これに伴って当該ヨーク22の出力軸12の周方向の両端に形成された一対の縁部のそれぞれに図示する如くの極性が発生して第1磁極群23Aおよび第2磁極群23Bが発生することになる。
On the other hand, in the state shown in FIG. 4 in which the direction of the current supplied to the
ここで、隣り合う第1分割固定子の第1磁極群23Aと第2分割固定子の第2磁極群23Bおよびこれらの間に位置する永久磁石16について着目すると、第1磁極群23Aに含まれる磁極23a,23bの一方と、当該一方の磁極と対向配置された第2磁極群23Bに含まれる磁極23a,23bの一方とは、逆極性に励磁されることになり、これらの間に配置された永久磁石16のN極16a,S極16bとの関係において、当該永久磁石16には、図中矢印A2方向に示す方向に向けての推力が発生することになる。この推力の方向は、図4に示す状態において、隣り合う永久磁石16において同方向となり、結果として可動子10が図中矢印A2方向に移動することになる。
Here, when attention is paid to the first
以上において説明した図3および図4に示す状態が繰り返し交互に再現されることにより、可動子10は、図1に示す矢印A1,A2方向に向けて往復動することになる。
The state shown in FIGS. 3 and 4 described above is repeatedly and alternately reproduced, so that the
以上において説明した本実施の形態におけるリニアモータ1Aとすることにより、従来のリニアモータにおいて必要であった出力軸の径方向に配置されたインナーヨークおよびアウターヨークの2つのヨークが、出力軸12の径方向において配置された1つのヨーク22で済むことになるため、装置の径方向における大きさを大幅に小型化することができる。また、本実施の形態におけるリニアモータ1Aとすることにより、磁気飽和を防止するためにヨーク22の厚みを増す必要がある場合にも、当該厚みを増すべき方向が出力軸12の周方向と合致することとなるため、装置の径方向における大きさが大型化することもない。
By using the
また、本実施の形態におけるリニアモータ1Aとすることにより、分割固定子のそれぞれを同じ形状の部品にて共通化することが可能になるため、従来のリニアモータの如くインナーヨークとアウターヨークの2つのヨークが必要であった構成に比べて、必要となる部品点数も減少し、製造コストを低く抑えることもできる。
In addition, by using the
また、本実施の形態におけるリニアモータ1Aとすることにより、永久磁石16として平板状のいわゆる板磁石を利用することが可能になるため、従来の如く永久磁石を環状または円弧状に加工する必要がなく、製造コストを抑制することができる。
In addition, since the
さらには、本実施の形態におけるリニアモータ1Aとすることにより、ヨーク22に設けられた磁極群23A,23Bに面することとなる永久磁石16の主表面が露出した状態で支持されることとなるため、磁気抵抗を低く抑えることが可能になり、高性能のリニアモータとすることができる。
Furthermore, by using the
図5は、本実施の形態の変形例に係るリニアモータの構成を示す断面図である。なお、図5に示す断面は、既に説明した図3に示す断面と同様の部分における断面図である。次に、この図5を参照して、本実施の形態の変形例に係るリニアモータ1Bの構成について説明する。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a linear motor according to a modification of the present embodiment. The cross section shown in FIG. 5 is a cross sectional view of the same portion as the cross section shown in FIG. Next, a configuration of a
図5に示すように、本実施の形態の変形例に係るリニアモータ1Bは、上述の本実施の形態におけるリニアモータ1Aと同様に、可動子10と固定子20とを備えている。本変形例に係るリニアモータ1Bにおいては、可動子10が、出力軸12と、この出力軸12の外周に配置された8つの永久磁石16とを主として備えており、固定子20が、出力軸12を取り囲むように出力軸12の周方向に沿って配置された8つの分割固定子によって構成されている。8つの分割固定子のそれぞれは、ヨーク22およびコイル24を1つずつ備えている。個々の分割固定子の構成は、上述の本実施の形態におけるリニアモータ1Aの構成とほぼ同様である。
As shown in FIG. 5, a
本変形例に係るリニアモータ1Bにおいても、隣り合う分割固定子に含まれるヨーク22間に永久磁石16が配置されており、その配置方向は、上述の本実施の形態におけるリニアモータ1Aと同様に、そのN極16aとS極16bとが出力軸12の周方向に並ぶように配置されている。
Also in the
以上において説明した如くの本変形例に係るリニアモータ1Bの如くの構成を採用した場合にも、上述の本実施の形態におけるリニアモータ1Aの場合と同様に、隣り合う分割固定子に含まれるコイル24に通電される交流電流が隣り合う分割固定子に含まれるコイル24に異なる方向に向けて磁束が発生するように通電されることにより、可動子10が出力軸12の軸方向に向けて往復動するようになる。
Even when the configuration as in the
このように構成した場合にも、上述の本実施の形態におけるリニアモータ1Aと同様の効果を得ることが可能になる。このように、分割固定子および永久磁石の数は限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更可能である。
Even in such a configuration, it is possible to obtain the same effect as that of the
また、上述の本実施の形態におけるリニアモータ1Aおよび本実施の形態の変形例に係るリニアモータ1Bは、隣り合う分割固定子に含まれるコイル24に通電される交流電流が隣り合う分割固定子に含まれるコイル24に異なる方向に向けて磁束が発生するように通電されることが前提とされたものである。しかしながら、隣り合う分割固定子に含まれるコイル24に通電される交流電流が隣り合う分割固定子に含まれるコイル24に同じ方向に向けて磁束が発生するように通電されるように構成されたリニアモータにおいても、本発明を適用することが可能である。その場合には、永久磁石16の配列方向が上述の本実施の形態におけるリニアモータ1Aおよび本実施の形態の変形例に係るリニアモータ1Bとは異なり、そのN極16aおよびS極16bが出力軸12の軸方向に並ぶように配置されることが必要である。
Further, in the
(実施の形態2)
図6は、本発明の実施の形態2におけるスターリング冷凍機の構造を示す模式断面図である。本実施の形態におけるスターリング冷凍機100は、上述の実施の形態1におけるリニアモータ1Aをピストンの駆動手段として備えるものである。そのため、以下においては、リニアモータ1Aの構成についての説明は繰り返さず、主としてスターリング冷凍機100の構造について説明する。
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the Stirling refrigerator in the second embodiment of the present invention. The
図6に示すように、本実施の形態のスターリング冷凍機100は、フリーピストン型のスターリング機関であって、放熱部102および吸熱部103を含むケーシング124と、ケーシング124に組付けられたシリンダ113A,113Bと、シリンダ113A,113B内でそれぞれ往復動するピストン114およびディスプレーサ115と、ディスプレーサロッド115Aと、再生器116と、圧縮空間117Aと膨張空間117Bとを含む作動空間117と、ピストン駆動手段としてのリニアモータ1Aと、ピストンスプリング121と、ディスプレーサスプリング122と、背圧空間123とを含んで構成される。
As shown in FIG. 6, the
ケーシング124は、背圧空間123を規定する。ケーシング124には、シリンダ113A,113B、リニアモータ1A、ピストンスプリング121およびディスプレーサスプリング122をはじめとする種々の部品が組付けられる。ケーシング124の内部には、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動媒体が充填される。
The
シリンダ113A,113Bは、略円筒状の形状を有し、内部にピストン114およびフリーピストンとしてのディスプレーサ115をそれぞれ往復動可能に受け入れる。シリンダ113A,113B内において、ピストン114とディスプレーサ115とは同軸上に間隔をあけて配置され、このピストン114およびディスプレーサ115によって作動空間117が圧縮空間117Aと膨張空間117Bとに区画される。より詳しくは、作動空間117は、ピストン114におけるディスプレーサ115側の端面よりもディスプレーサ115側に位置する空間であり、ピストン114とディスプレーサ115との間に圧縮空間117Aが形成され、ディスプレーサ115と吸熱部103との間に膨張空間117Bが形成される。圧縮空間117Aは主に放熱部102によって囲まれ、膨張空間117Bは主に吸熱部103によって囲まれている。
The
圧縮空間117Aと膨張空間117Bとの間には、所定の隙間を有しながらフィルムが巻回されてなる再生器116が配設されており、この再生器116を介して圧縮空間117Aと膨張空間117Bとが連通する。それにより、スターリング冷凍機100内に閉回路が構成される。この閉回路内に封入された作動媒体が、ピストン114およびディスプレーサ115の動作に合わせて流動することにより、逆スターリングサイクルが実現される。
A
シリンダ113Aの外側に位置する背圧空間123には、リニアモータ1Aが配設される。リニアモータ1Aは、上述した可動子10と固定子20とを備えており、可動子10の出力軸12がピストン114に固定され(あるいは、ピストン114自体が出力軸を兼ね)、固定子20がシリンダ113Aを介してケーシング124に固定されている。このリニアモータ1Aによって、シリンダ113Aの軸方向(矢印A1,A2方向)にピストン114が駆動される。
A
ピストン114の一端は、板バネなどで構成されるピストンスプリング121と接続される。該ピストンスプリング121は、ピストン114に弾性力を付与する「弾性力付与手段」として機能する。該ピストンスプリング121による弾性力を付加することにより、シリンダ113A内でピストン114をより安定して周期的に往復動させることが可能となる。ディスプレーサ115の一端は、ディスプレーサロッド115Aを介してディスプレーサスプリング122と接続される。ディスプレーサロッド115Aはピストン114を貫通して配設され、ディスプレーサスプリング122は板バネなどで構成される。
One end of the
ピストン114に対しディスプレーサ115と反対側には、ケーシング124によって囲まれた背圧空間123が配設されている。この背圧空間123内にも、作動媒体が存在する。
A
放熱部102、吸熱部103の内周面上には、それぞれ熱交換器118と熱交換器119とが設けられる。熱交換器118,119は、それぞれ、圧縮空間117A,膨張空間117Bと放熱部102,吸熱部103との間の熱交換を行なう。
A
次に、図6を参照して、このスターリング冷凍機100の動作について詳細に説明する。
Next, the operation of the
スターリング冷凍機100は、いわゆる逆スターリングサイクルを利用して冷凍効果を得るものである。ピストン114はリニアモータ1Aにより駆動されて正弦運動する。ピストン114の動きにより圧縮空間117A内の作動媒体は正弦波状の圧力変化を示す。圧縮された作動媒体は放熱部102で圧縮熱を放出し、シリンダ113B外に設けられた再生器116を通過する際に予冷され、膨張空間117Bへと流入する。
The
ディスプレーサ115は、定常運転時にはピストン114と同周期で一定の位相差をもって正弦運動し、その位相差や振幅は、ディスプレーサスプリング122のバネ定数や、時々刻々と変化する圧縮空間117Aと膨張空間117Bとの圧力差、ディスプレーサ115の質量、動作周波数等によって決まる。この位相差については、一般的には90度程度が最適条件であるといわれている。
The
膨張空間117Bへと流入した作動媒体は、このディスプレーサ115の正弦運動により膨張し、これによって膨張空間117B内の温度は著しく低下する。このとき発生した極低温(たとえば−50℃程度)を吸熱部103を介して冷却庫内へ伝達することにより、所望の冷却効果が得られる。
The working medium that has flowed into the expansion space 117B expands due to the sinusoidal movement of the
以上において説明したスターリング冷凍機100の如く、上述の実施の形態1において説明した構成のリニアモータ1Aをピストン114の駆動手段として利用することにより、小型でかつ安価に製作が可能な高性能のスターリング冷凍機とすることができる。
Like the
なお、今回開示した上記各実施の形態およびその変形例はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。 It should be noted that the above-described embodiments and modifications thereof disclosed herein are illustrative in all respects and are not restrictive. The technical scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1A,1B リニアモータ、10 可動子、12 出力軸、14 取り付け部、16 永久磁石、16a N極、16b S極、20 固定子、22 ヨーク、22a 柱状部、23A,23B 磁極群、23a,23b 磁極、24 コイル、100 スターリング冷凍機、102 放熱部、103 吸熱部、113A,113B シリンダ、113A1 フランジ部、114 ピストン、115 ディスプレーサ、115A ディスプレーサロッド、116 再生器、117 作動空間、117A 圧縮空間、117B 膨張空間、118,119 熱交換器、121 ピストンスプリング、122 ディスプレーサスプリング、123 背圧空間、124 ケーシング。 1A, 1B linear motor, 10 mover, 12 output shaft, 14 mounting part, 16 permanent magnet, 16a N pole, 16b S pole, 20 stator, 22 yoke, 22a columnar part, 23A, 23B magnetic pole group, 23a, 23b Magnetic pole, 24 coils, 100 Stirling refrigerator, 102 heat radiating section, 103 heat absorbing section, 113A, 113B cylinder, 113A1 flange section, 114 piston, 115 displacer, 115A displacer rod, 116 regenerator, 117 working space, 117A compression space, 117B Expansion space, 118,119 heat exchanger, 121 piston spring, 122 displacer spring, 123 back pressure space, 124 casing.
Claims (6)
コイルおよびヨークを含む固定子とを備え、
前記出力軸を取り囲むように前記固定子が前記出力軸の周方向に沿って設けられてなるリニアモータであって、
前記固定子は、前記出力軸の周方向に沿って離間して設けられた第1ヨーク部および第2ヨーク部を有し、
前記第1ヨーク部は、前記第2ヨーク部に対向する部分に逆極性に励磁される一対の磁極を含む第1磁極群を含み、
前記第1磁極群に含まれる前記一対の磁極は、前記出力軸の軸方向に沿って対向配置され、
前記第2ヨーク部は、前記第1ヨーク部に対向する部分に逆極性に励磁される一対の磁極を含む第2磁極群を含み、
前記第2磁極群に含まれる前記一対の磁極は、前記出力軸の軸方向に沿って対向配置され、
前記永久磁石は、前記第1ヨーク部と前記第2ヨーク部との間でかつ前記第1磁極群と前記第2磁極群との間に配置されている、リニアモータ。 A mover including an output shaft and a permanent magnet;
A stator including a coil and a yoke,
A linear motor in which the stator is provided along the circumferential direction of the output shaft so as to surround the output shaft;
The stator has a first yoke part and a second yoke part that are spaced apart along the circumferential direction of the output shaft,
The first yoke portion includes a first magnetic pole group including a pair of magnetic poles excited in opposite polarities at a portion facing the second yoke portion,
The pair of magnetic poles included in the first magnetic pole group are arranged to face each other along the axial direction of the output shaft,
The second yoke part includes a second magnetic pole group including a pair of magnetic poles excited in the opposite polarity at a portion facing the first yoke part,
The pair of magnetic poles included in the second magnetic pole group are disposed to face each other along the axial direction of the output shaft,
The permanent magnet is a linear motor disposed between the first yoke portion and the second yoke portion and between the first magnetic pole group and the second magnetic pole group.
前記第1磁極群に含まれる前記一対の磁極の一方と、当該一方の磁極と対向配置された前記第2磁極群に含まれる前記一対の磁極の一方とが、逆極性に励磁されるように構成されている、請求項1に記載のリニアモータ。 The permanent magnet is arranged so that the N pole and the S pole are aligned along the circumferential direction of the output shaft,
One of the pair of magnetic poles included in the first magnetic pole group and one of the pair of magnetic poles included in the second magnetic pole group disposed opposite to the one magnetic pole group are excited to have opposite polarities. The linear motor according to claim 1, wherein the linear motor is configured.
前記第1ヨーク部および前記第2ヨーク部が、隣り合う一組の分割固定子のそれぞれに含まれるヨークによって構成されている、請求項1または2に記載のリニアモータ。 The stator is composed of a plurality of divided stators each including a coil and a yoke,
The linear motor according to claim 1, wherein the first yoke portion and the second yoke portion are configured by yokes included in each of a pair of adjacent divided stators.
前記取り付け部が前記永久磁石を前記出力軸の軸方向において挟持することにより、前記永久磁石の前記出力軸の周方向における表面が露出している、請求項1から3のいずれかに記載のリニアモータ。 The mover has an attachment portion for fixing the permanent magnet to the output shaft,
The linear in any one of Claim 1 to 3 by which the surface in the circumferential direction of the said output shaft of the said permanent magnet is exposed because the said attaching part clamps the said permanent magnet in the axial direction of the said output shaft. motor.
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