JP2010200522A - Reciprocation driving mechanism, and cold storage type refrigerator using the reciprocation driving mechanism and compressor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリンダに挿設したピストンを自在に往復動させる往復動駆動機構と、その往復動駆動機構を使用したスターリング冷凍機あるいはスターリング型パルス管冷凍機等の蓄冷型冷凍機及び圧縮機に関する。 The present invention relates to a reciprocating drive mechanism for freely reciprocating a piston inserted in a cylinder, a regenerative refrigerator and a compressor such as a Stirling refrigerator or a Stirling pulse tube refrigerator using the reciprocating drive mechanism. .
従来技術の往復動駆動機構及び往復動駆動機構を用いた蓄冷型冷凍機として、アウターヨークと、アウターヨークの内側に対向して配備される軟磁性鉄粉を成型して形成されたインナーヨークと、アウターヨークに設けたコイル部と、アウターヨークとの間に配置され、コイル部が発生する磁束の変化に従い往復動する永久磁石と、永久磁石を支持する可動子とを備えた電磁式アクチュエータ(往復動駆動機構)において、インナーヨークとアウターヨークに渦電流の発生を防止する欠切部を設けたものがある。そして、この電磁式アクチュエータと、可動子に接続したピストンと、ピストンを収容するシリンダと、ピストンと位相差を有して往復動するディスプレーサとを備えたスターリング機関が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。 As a regenerative refrigerator using a conventional reciprocating drive mechanism and a reciprocating drive mechanism, an outer yoke, and an inner yoke formed by molding soft magnetic iron powder disposed facing the inner side of the outer yoke, An electromagnetic actuator having a permanent magnet that is disposed between a coil portion provided on the outer yoke and the outer yoke and reciprocates in accordance with a change in magnetic flux generated by the coil portion, and a mover that supports the permanent magnet ( In some reciprocating drive mechanisms, an inner yoke and an outer yoke are provided with notched portions for preventing the generation of eddy currents. A Stirling engine is disclosed that includes the electromagnetic actuator, a piston connected to the mover, a cylinder that houses the piston, and a displacer that reciprocates with a phase difference from the piston (for example, a patent). Reference 1).
また、円筒形状の保持体の外周面に導磁性を有する材料で形成された可動ヨークを設けると共に可動ヨークの外周面に径方向に磁化された永久磁石を設けた往復動部材と、永久磁石の外周面側に近接して設けられる固定子コアと、この固定子コアを励磁する電磁コイルとにより電磁往復機構(往復動駆動機構)を構成し、往復動部材にピストンを接続して電磁往復機構によりピストンを往復動させるスターリング冷凍機が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。 Further, a reciprocating member provided with a movable yoke formed of a material having magnetic conductivity on the outer peripheral surface of a cylindrical holder and a permanent magnet magnetized in the radial direction on the outer peripheral surface of the movable yoke, and a permanent magnet An electromagnetic reciprocating mechanism (reciprocating drive mechanism) is constituted by a stator core provided close to the outer peripheral surface side and an electromagnetic coil that excites the stator core. Discloses a Stirling refrigerator that reciprocates a piston (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、特許文献1によれば、インナーヨークに欠切部を設けることにより渦電流の発生を抑制できるが、欠切部よる磁束通過断面積の減少を補うため、インナーヨークの外径を増大させている。このため電磁式アクチュエータが大きくなり、スターリング機関(スターリング冷凍機)も大型になる問題がある。また、永久磁石の外径側の間隙(アウターヨークと永久磁石との間隙)と、永久磁石の内径側の間隙(インナーヨーク永久磁石との間隙)との2つの径の間隙がある。これらの間隙(磁気ギャップ)は磁気抵抗となるため、電磁式アクチュエータの効率が低下する問題と、これに伴いスターリング機関の効率も低下する問題がある。
However, according to
また、特許文献2によれば、電磁コイルで発生した交番磁束は、磁石を通過し可動ヨークに流れる。この交番磁束により可動ヨークに渦電流が発生し鉄損が増大して電磁往復機構の効率が低下する問題と、これに伴いスターリング機関の効率も低下する問題がある。
According to
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、シリンダに挿設したピストンを自在に往復動させるリニアモータの鉄損を減少させることで、高効率で小型軽量な往復動駆動機構、及び、その往復動駆動機構を用いた高効率で小型軽量な蓄冷型冷凍機と圧縮機を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and by reducing the iron loss of a linear motor that freely reciprocates a piston inserted in a cylinder, a highly efficient, small and light reciprocating drive mechanism, and An object of the present invention is to provide a high-efficiency, small and light-weight regenerative refrigerator and compressor using the reciprocating drive mechanism.
上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、外周面Nで径方向に磁化した第1永久磁石と、第1永久磁石の軸方向に所定の間隔を持って同軸に配置すると共に第1永久磁石の磁化方向に対し反対方向に磁化した第2永久磁石と、第1永久磁石と第2永久磁石との間隙に配置され第1永久磁石の磁化方向と第2永久磁石の磁化方向とに直交する向きに磁化した第3永久磁石を備えた可動子と、第1永久磁石の外周側に所定の距離を持って配備されると共に軸方向に所定の距離を持って対面する一対の第1磁極片と、第2永久磁石の外周側に所定の距離を持って配備されると共に軸方向に所定の距離を持って対面する一対の第2磁極片とを有するアウターヨークと、アウターヨークに形成されるスロットに配備するコイルとから構成した固定子と、可動子に連結されるピストンと、ピストンを軸方向に往復動可能に挿設したシリンダとを備える。
In order to solve the above problem, the invention described in
また、請求項2に記載の発明は、第1永久磁石と、第2永久磁石とに隣接する第3永久磁石を複数個配備する。
In the invention according to
また、請求項3に記載の発明は、第1永久磁石と、第2永久磁石と、第3永久磁石は、内周面に磁性材からなる保持部材を配備する。 According to a third aspect of the present invention, the first permanent magnet, the second permanent magnet, and the third permanent magnet are provided with a holding member made of a magnetic material on the inner peripheral surface.
また、請求項4に記載の発明は、ピストンとシリンダとで形成され作動ガスを圧縮する圧縮室と、作動ガスの圧縮熱を放熱する放熱器と、作動ガスと熱交換する蓄冷器と、作動ガスが吸熱する吸熱器と、作動ガスが膨張する膨張室とを備える。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a compression chamber formed of a piston and a cylinder for compressing the working gas, a radiator for radiating the compression heat of the working gas, a regenerator for exchanging heat with the working gas, and an operation A heat absorber that absorbs gas and an expansion chamber in which the working gas expands are provided.
また、請求項5に記載の発明は、蓄冷型冷凍機は、膨張側シリンダと膨張側シリンダに往復動可能に挿設される膨張側ピストンとで膨張室を形成したスターリング冷凍機、又は、パルス管とパルス管の高温側に連通する位相調整手段とを備えパルス管の低温側に膨張室を形成したスターリング型パルス管冷凍機のいずれか一方の冷凍機である。 In the invention according to claim 5, the regenerative refrigerator is a Stirling refrigerator in which an expansion chamber is formed by an expansion side cylinder and an expansion side piston inserted into the expansion side cylinder so as to be able to reciprocate, or a pulse One of the Stirling type pulse tube refrigerators having a tube and phase adjusting means communicating with the high temperature side of the pulse tube and having an expansion chamber formed on the low temperature side of the pulse tube.
また、請求項6に記載の発明は、ピストンとシリンダとで形成され作動ガスを圧縮する圧縮室と、圧縮室に接続され作動流体を圧縮室に吸入する吸入弁と、圧縮室に接続され吸入した作動ガスを圧縮して圧縮室から吐出する吐出弁とを備える。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a compression chamber formed of a piston and a cylinder for compressing the working gas, a suction valve connected to the compression chamber and sucking the working fluid into the compression chamber, and a suction chamber connected to the compression chamber. A discharge valve that compresses the discharged working gas and discharges it from the compression chamber.
請求項1に記載の発明では、可動子は径方向で外周面がN極に磁化した第1永久磁石と、第1永久磁石の磁化方向に対し反対方向に磁化すると共に第1永久磁石と所定の間隔を持って同軸に第2永久磁石を配置し、第1永久磁石の磁化方向と第2永久磁石の磁化方向とに直交する向きに磁化され第1永久磁石と第2永久磁石との間隙に第3永久磁石を配備している。これにより、固定子の各スロットに配備したコイルに交番電流(方向が変わる電流)を通電した場合に、第2永久磁石から第3永久磁石を通過し第1永久磁石へ流れる一定方向の変動磁束(直流成分に交番成分が加わった磁束)が常に存在する。この一定方向の変動磁束の振幅と最大磁束量は、同じ磁気推力の下、従来技術による電磁式アクチュエータ(往復動駆動機構)の交番磁束(磁束の方向が変化する磁束)の振幅及び最大磁束量に比べ減少する。変動磁束の振幅の減少により第1、2、3永久磁石の鉄損が減少する。また、第2永久磁石から第3永久磁石を通過し第1永久磁石を流れる変動磁束の振幅が減少するので、アウターヨークを流れる交番磁束の振幅も減少し、アウターヨークの鉄損も減少する。結果、高い効率の往復動駆動機構を提供できる。 According to the first aspect of the present invention, the mover is magnetized in a direction opposite to the magnetization direction of the first permanent magnet, the first permanent magnet having the radial direction and the outer peripheral surface magnetized to the N pole, and the first permanent magnet and the predetermined direction. The second permanent magnets are arranged coaxially with an interval of, and are magnetized in a direction perpendicular to the magnetization direction of the first permanent magnet and the magnetization direction of the second permanent magnet, and the gap between the first permanent magnet and the second permanent magnet A third permanent magnet is provided. As a result, when alternating current (current changing direction) is applied to the coils arranged in the slots of the stator, the magnetic flux fluctuates in a certain direction flowing from the second permanent magnet to the first permanent magnet through the third permanent magnet. (Magnetic flux with alternating component added to DC component) always exists. The amplitude and the maximum magnetic flux amount of the fluctuation magnetic flux in a certain direction are the same as the amplitude of the alternating magnetic flux (the magnetic flux in which the direction of the magnetic flux changes) of the electromagnetic actuator (reciprocating drive mechanism) according to the conventional technology under the same magnetic thrust. Compared to The iron loss of the first, second and third permanent magnets is reduced by reducing the amplitude of the variable magnetic flux. Moreover, since the amplitude of the variable magnetic flux flowing from the second permanent magnet through the third permanent magnet and flowing through the first permanent magnet is reduced, the amplitude of the alternating magnetic flux flowing through the outer yoke is also reduced, and the iron loss of the outer yoke is also reduced. As a result, a highly efficient reciprocating drive mechanism can be provided.
また、アウターヨークを流れる交番磁束の最大磁束量も減少してアウターヨークの磁束通過断面積を縮小でき、アウターヨークが小型軽量になると共に、往復動駆動機構の効率が高いので、小型軽量な往復動駆動機構が提供できる。 In addition, the maximum magnetic flux amount of the alternating magnetic flux flowing through the outer yoke can be reduced to reduce the magnetic flux passage cross-sectional area of the outer yoke. The outer yoke becomes smaller and lighter and the efficiency of the reciprocating drive mechanism is high. A dynamic drive mechanism can be provided.
また、請求項2に記載の発明では、往復動駆動機構は、例えば、順次第1永久磁石と、第3永久磁石と、第2永久磁石とを配備した第2永久磁石の隣に、更に、第3永久磁石と、第1永久磁石とを順次配備するように、第1永久磁石と、第2永久磁石とに隣接する第3永久磁石を複数個配備する。これにより、第3永久磁石が1個の場合に得られる磁気推力に第3永久磁石の個数を掛けた大きな磁気推力が得られる。
Further, in the invention according to
また、請求項3に記載の発明では、保持部材が磁性材であるので、保持部材はインナーヨークとして作用し、各スロットに配備したコイルに交番電流を通電するにも拘らず、保持部材には一定方向(第3永久磁石の磁化方向)の変動磁束が常に流れる。これにより、保持部材を流れる変動磁束の振幅と最大磁束量は、従来技術による電磁式アクチュエータ(往復動駆動機構)の交番磁束の振幅及び最大磁束量に比べ減少する。変動磁束の振幅の減少により保持部材の鉄損が減少する。また、保持部材を流れる変動磁束の振幅が減少するので、アアウターヨークを流れる交番磁束の振幅も減少し、アウターヨークの鉄損も減少する。結果、高い効率の往復動駆動機構を提供できる。
In the invention according to
また、保持部材の最大磁束量が従来技術の最大磁束量より減少するので、保持部材は従来技術に比べて少ない磁束通過断面積で磁気飽和が回避できる。これにより、可動子の外径が縮小でき、可動子は小型軽量になる。同様に、アウターヨークの最大磁束量も減少するので、アウターヨークは従来技術に比べて少ない磁束通過断面積で磁気飽和が回避できる。固定子の磁束通過断面積の減少と可動子の外径の縮小とにより、固定子が小型軽量になる。以上により、小型軽量なリニアモータが提供できる。 Further, since the maximum magnetic flux amount of the holding member is smaller than the maximum magnetic flux amount of the prior art, the holding member can avoid magnetic saturation with a smaller magnetic flux passage cross-sectional area than the prior art. Thereby, the outer diameter of a needle | mover can be reduced and a needle | mover becomes small and lightweight. Similarly, since the maximum amount of magnetic flux of the outer yoke is also reduced, the outer yoke can avoid magnetic saturation with a smaller magnetic flux passage cross-sectional area than the prior art. The stator becomes smaller and lighter by reducing the magnetic flux passage cross-sectional area of the stator and reducing the outer diameter of the mover. As described above, a small and light linear motor can be provided.
また、請求項4に記載の発明では、蓄冷型冷凍機は、効率が高く小型軽量な往復動駆動機構によって往復駆動されるピストンで作動ガスを圧縮し冷凍を得るので、高効率で小型軽量な蓄冷型冷凍機を提供できる。 In the invention according to claim 4, since the regenerative refrigerator is compressed with a piston that is reciprocally driven by a reciprocating drive mechanism that is highly efficient and small and light, and obtains refrigeration, it is highly efficient and small and light. A regenerative refrigerator can be provided.
また、請求項5に記載の発明では、スターリング冷凍機又はスターリング型パルス管冷凍機は高効率で、しかも効率が高く小型軽量な往復動駆動機構によって往復駆動されるピストンで作動ガスを圧縮し冷凍を得るので、高効率で小型軽量な蓄冷型冷凍機を提供できる。 In the invention according to claim 5, the Stirling refrigerator or the Stirling type pulse tube refrigerator is highly efficient, refrigerated by compressing the working gas with a piston that is reciprocated by a reciprocating drive mechanism that is highly efficient and small and light. Therefore, a highly efficient, small and light cold storage type refrigerator can be provided.
また、請求項6に記載の発明では、圧縮機は、効率が高く小型軽量な往復動駆動機構によって往復駆動されるピストンで作動ガスを圧縮するので、高効率で小型軽量な圧縮機を提供できる。 In the invention according to claim 6, since the compressor compresses the working gas with a piston that is reciprocally driven by a reciprocating drive mechanism that is highly efficient and small and lightweight, a highly efficient small and light compressor can be provided. .
以下に本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例1に係る往復動駆動機構及びその往復動駆動機構を用いたスターリング冷凍機の説明図である。図中、黒塗り矢印は永久磁石の磁化方向を示し、矢印先端側がN極である。図1に示すように、スターリング冷凍機1(蓄冷型冷凍機)は、圧縮部10と冷凍発生部50とを配管11で接続し、作動ガスとして例えばヘリウムが充填される。圧縮部10は、リニアモータ20(往復動駆動機構)と、リニアモータ20の可動子30を備える可動体35と、シリンダ40とから構成される。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a reciprocating drive mechanism and a Stirling refrigerator using the reciprocating drive mechanism according to
リニアモータ20は、固定子21と可動子30とから構成される。固定子21は、円筒形状をなし、軸方向の断面がH型形状の磁性材のアウターヨーク素片23と、アウターヨーク素片23の軸方向の両端に固着する軸方向の断面が凹型形状の磁性材のアウターヨーク素片22、24とから構成したアウターヨーク25と、コイル26、27とを備える。アウターヨーク素片22、23、24の内周側は、それぞれ一対の磁極片22a(第1磁極片)、23a(第1磁極片)と一対の磁極片23b(第2磁極片)、24a(第2磁極片)を有し、磁極片22aと23aは対をなし空隙21a(距離)を介して互いに対面し、磁極片23bと24aも対をなし空隙21b(距離)を介して互いに対面する。コイル26は、被覆導線が磁極片22aと23aに固定子21の軸回りに巻回され、アウターヨーク素片22、23とから形成されるスロット28に挟持される。同様に、コイル27は、被覆導線が磁極片23bと24aに固定子21の軸回りに巻回され、アウターヨーク素片23、24とから形成されるスロット29に挟持される。尚、コイル26と、27は線径、全長、巻数が同じである。
The
可動子30は、円筒形状の保持部材31にそれぞれ円筒形状の永久磁石32(第1永久磁石)と、永久磁石33(第3永久磁石)と、永久磁石34(第2永久磁石)とが順次挿入される。そして、各永久磁石33〜34の内周面には接着材が塗布されており互いに密着固定される。これにより、永久磁石32〜34は、軸Xに同軸に配置される。永久磁石32と34は磁化方向が反対で径方向に磁化される。図1では永久磁石32は、外周面がN極、内周面がS極に磁化され、永久磁石34は外周面がS極、内周面がN極に磁化されるが、この逆でも良い。永久磁石33の磁化方向は、永久磁石32の内周面がS極、永久磁石34の内周面がN極の場合、軸X方向で、永久磁石33の永久磁石34側の端面がS極、永久磁石33の永久磁石32側の端面がN極に磁化される。即ち、永久磁石34から永久磁石32の向きに磁化される(図1)。永久磁石32の内周面がN極、永久磁石34の内周面がS極の場合、永久磁石33は、軸X方向で永久磁石32から永久磁石34の向きに磁化される(図示せず)。尚、軸Xは、保持部材31、永久磁石32〜34、ピストン36、ピストンガイド37、シリンダ40、およびアウターヨーク25の共通の軸である。
The
保持部材31は、磁性材あるいは非磁性材のいずれでも良い。後述するが、リニアモータ20の磁束量が大きい場合、保持部材31は磁性材が好ましく、可動体35が高い周波数で往復動する場合は、保持部材31は非磁性材が好ましい。
The holding
また、図1では、永久磁石32、33、34は各々別の部材であり、永久磁石33の両端にそれぞれ永久磁石32と永久磁石34の3つを固着して可動子30を構成しているが、一つの永久磁石で部分的に磁化方向を変えて成形しても良い。即ち、円筒形状の永久磁石の両側を径方向で互いに反対方向に磁化し、径方向で反対方向に磁化した間を軸方向で前述した向きに磁化しても良い。この場合、保持部材31を設けてもあるいは設けなくても良い。
In FIG. 1, the
また、永久磁石32、33、34は円筒形状で分割していないが、半径方向に分割あるいは軸方向に分割しても良い。
The
また、永久磁石32、33、34は円筒形状であるが、板形状の永久磁石を同一円周上に等分に配置しても良い。
Moreover, although the
可動体35は、可動子30の保持部材31の両端側の外周面に接着材を塗布してそれぞれ非磁性材で無潤滑摺動材からなるカップ形状のピストン36と、円筒形状のピストンガイド37とを挿入し接着固定される。永久磁石32、33、34の外径は等しく、ピストン36及びピストンガイド37の外径は、永久磁石32、33、34の外径より僅かに大きい。そして、シリンダ40は、一端にヘッド41aを有するシリンダ本体41の開口端に鏡板42を気密固定し構成され、シリンダ40の外周面には固定子21が装着される。シリンダ40の内周面には、ピストン36がヘッド41aに対面するように可動体35が軸X方向に往復動可能に挿設される。また、シリンダ40の内周面と、ピストン36及びピストンガイド37の外周面との間の微小間隙は、ヘリウムをシールするクリアランスシール機能を有する。
The
コイル26、27は、交流電流源(図示せず)に接続される。コイル26と27には振幅が同じで位相を180度ずらした電流を通電させる。コイル26、27の無通電時には、可動体35は中立位置にある。即ち、永久磁石32と34は軸方向でシリンダ40の管壁を介し、永久磁石32と磁極片22a、23a、及び、永久磁石34と磁極片24a、23bとがシリンダ40の管壁を介在しそれぞれ重なり代を持って位置する。この状態に於いては、可動子30の軸方向の中立位置と、アウターヨーク25の軸方向の中立位置とがシリンダ40の管壁を介し一致した状態となる。そして、シリンダ40と可動体35とにより、ピストン36のヘッド部分を境に図示左側に圧縮室43が形成され、図示右側にバッファ室44が形成される。圧縮室43は、シリンダ本体41のヘッド41aに設けた流路孔41bと配管11を介し冷凍発生部50に接続される。
The
冷凍発生部50は、圧縮室51に順次、放熱器52、蓄冷器53、吸熱器54、および膨張室55に連通して構成される。膨張室55は、無潤滑摺動材からなるディスプレーサ56(膨張側ピストン)の図示上面側と、ディスプレーサシリンダ57(膨張側シリンダ)と、ケース58のヘッド58cとにより包囲される。そして、圧縮室51と放熱器52は、配管11を介し圧縮部10の圧縮室43へ連通される。圧縮室51は、ディスプレーサ56の図示下面側と、ディスプレーサシリンダ57と、隔壁59と、ディスプレーサ56の下面に連結したロッド63とにより包囲される。放熱器52は、蓄冷器53の図示下端とディスプレーサシリンダ57の図示下端との間のケース58の内周面58aにフィン部材52aを固着して構成される。蓄冷器53は、放熱器52と吸熱器54との間であって、ケース58とディスプレーサシリンダ57とで形成される円筒形状の空間に蓄冷材エレメント53aを充填することにより構成される。放熱器54は、蓄冷器53の図示上端とディスプレーサシリンダ57の図示上端との間のケース58の内周面58bにフィン部材54aを固着して構成される。
The
ディスプレーサ56は、ロッド63を介してバッファ室64に設けた駆動手段60に接続される。駆動手段60は、隔壁59の孔を貫通してバッファ室64に突出するロッド63の端部に固定されたバネ保持部材61と、バネ保持部材61の両端面にそれぞれ一端が当接する圧縮コイルバネ62、62とから構成され、圧縮コイルバネ62、62の他端はそれぞれ隔壁59、ケース58の端面に当接する。
The
バッファ室64は、ケース58と、隔壁59と、ロッド63と、隔壁59に設けたロッドシール65とから包囲して形成される。そして、バッファ室64と圧縮室51内のヘリウムはロッドシール65によりシールされる。また、圧縮室51と膨張室55のヘリウムのシールは、ディスプレーサシリンダ57の内周面とディスプレーサ56の外周面との間の微小間隙によるクリアランスシールで行われる。
The
次に、本発明の実施例1に係るリニアモータ20の作動と効果について説明する。図2〜4は、リニアモータ20の作動の部分断面説明図で、判り易くするためシリンダ40、ピストン36、ピストンガイド37及び断面のハッチングを削除している。図2〜4に於いて、永久磁石32、33、34内の黒塗り矢印は、磁化方向を示し矢印先端側がN極になる。また、図3、4のコイル26、27内の丸に黒塗りの記号と丸にバツの記号は電流の流れる方向を示し、丸に黒塗りの記号は紙面の裏から表へ流れる電流流れを示し、丸にバツの記号は紙面の表から裏へ流れる電流流れを示す。前述したように保持部材31は、磁性材または非磁性材のいずれでも良いが、ここでは保持部材31の材質を磁性材とする。従って、保持部材31は可動子30のインナーヨークとして作用する。また、図2〜4に於いて、永久磁石32の左側とアウターヨーク素片22aとの間隙G1(距離)、永久磁石32の中央側から右側及び永久磁石33の左側とアウターヨーク素片23aとの間隙G2a(距離)、永久磁石34の中央側から左側及び永久磁石33の右側とアウターヨーク素片23bとの間隙G2b(距離)、永久磁石34の右側とアウターヨーク素片24aとの間隙G3(距離)は、磁束が通過する磁気ギャップを形成する。尚、間隙G1、G2a、G2b、G3はシリンダ40の管壁を介在した間隙である。
Next, the operation and effect of the
図2は、可動子30の中立位置に於けるリニアモータ20の永久磁石32〜34によって生じる磁束の説明図である。図2(a)は永久磁石32〜34の磁化方向を示す。尚、図3、4の永久磁石32〜34の磁化方向は図2(a)と同じである。図2(b)は永久磁石32〜34により生じる磁束(太実線、太破線)を示し、矢印は磁束の流れを示す。
FIG. 2 is an explanatory diagram of magnetic flux generated by the
図2(a)に示すように、永久磁石32は内周面がS極、外周面がN極に磁化され、永久磁石34は内周面がN極、外周面がS極に磁化される。永久磁石33は永久磁石34側の端面がS極、永久磁石32側の端面がN極に磁化される。
As shown in FIG. 2 (a), the
永久磁石32、34は保持力、寸法が同じであるので、アウターヨーク素片23の円板部23cでは、永久磁石32による磁束と永久磁石34による磁束とが反対方向で同じ磁束量であるので、磁束が互いに打消し合って磁束はほとんど発生しない。従って、図2(b)に示すように永久磁石32、34によって、アウターヨーク素片22、23、24と可動子30とには、太実線で示す右回りの閉ループの磁束Φが生る。磁束Φは、磁極片24aから間隙G3と永久磁石34を横切り、インナーヨークである保持部材31(以下、インナーヨーク31)に流入する。インナーヨーク31に流入した磁束Φは、インナーヨーク31内を通ってインナーヨーク31の左側に至り、そこから永久磁石32、間隙G1を横切り磁極片22aに流入し、順次アウターヨーク素片22、アウターヨーク素片23、アウターヨーク素片24を通って再び磁極片24aに戻り一巡する。また、永久磁石32、33、34によりアウターヨーク素片23と可動子30とには、太破線で示す右回りの磁束Ω、Γが生ずる。磁束Ωは、永久磁石32の右側から順次間隙G2a、磁極片23a、23b、間隙G2b、永久磁石34の左側、インナーヨーク31を通過して再び、永久磁石32の右側に戻る閉ループを形成する。磁束Γは、永久磁石33から順次永久磁石32の右端側、間隙G2a、磁極片23a、23b、間隙G2b、永久磁石34の左端側を通過して再び永久磁石33に戻る閉ループを形成する。そして永久磁石32、34による間隙G1と間隙G3の磁力線の疎密は同じで方向が反対である。また、永久磁石32、33、34による間隙G2aと間隙G2bの磁力線の疎密は同じで方向が反対になる。従って、コイル26、27の無通電時では、可動子30に往復動方向の磁気力は発生せず、可動子30は中立位置で留まっている。
Since the
図3は、コイル通電時に於けるリニアモータ20の磁束の部分断面説明図で、永久磁石32〜34の磁化方向は図2と同じである。図3(a)は、コイル26、27の電流によって生じる磁束図を示す。図3(a)に示すように、可動子30が中立位置に位置する状態に於いて、コイル26、27には互いに反対方向で同じ電流値の直流電流を通電する。するとコイル26による太実線で示す右回りの閉ループの磁束Ψ1と、コイル27による太破線で示す左回りの閉ループの磁束Ψ2が生じる。磁束Ψ1は、永久磁石32の左側から順次間隙G1、磁極片22a、アウターヨーク素片22、アウターヨーク素片23の円板部23c、磁極片23b、間隙G2b、永久磁石34の左側、インナーヨーク31を通過して再び、永久磁石32の左側に戻り一巡する。磁束Ψ2は、永久磁石34の中央側から順次インナーヨーク31の右側、インナーヨーク31の右端側と磁極片24aの右端側の間隙G3b、磁極片24aの右端側、アウターヨーク素片24、アウターヨーク素片23の円板部23c、磁極片23b、間隙G2bを通過して再び永久磁石34の中央側に戻り一巡する。そして、磁束Ψ1は間隙G1と間隙G2bを通過し、磁束Ψ2は間隙G2bと間隙G3bを通過する。コイル26と27は線径、全長、巻数が同じで、間隙G3bの磁気抵抗は間隙G1の磁気抵抗より大きいので、磁束Ψ1の磁束量は磁束Ψ2の磁束量より大きい。
FIG. 3 is a partial cross-sectional explanatory diagram of the magnetic flux of the
図3(b)は、コイル通電時に於ける可動子30の移動方向の説明図で、可動子30の中立位置に於ける永久磁石32〜34による磁束Φ、Ω、Γを示す。図3(b)に示すように、コイル26、27に電流が流れると、コイル26は永久磁石32〜34の磁束Φ、Ω、Γとコイル27の磁束Ψ2とにより磁気力を受け、コイル27は永久磁石32〜34の磁束Φ、Ω、Γとコイル26の磁束Ψ1とにより磁気力を受ける。即ち、コイル26、27には互いに反対方向で同じ電流値の直流電流(図3(a))と同じ電流)を通電すると、フレミングの左手の法則に基づき、コイル26は間隙G1の磁束ΦによりJ方向の磁気力を受けるが、間隙G2aと間隙G2bの磁束Ω、Γによる磁気力は打消し合ってコイル26には殆ど作用せず、間隙G2bと間隙G3bの磁束Ψ2(図3(a)による磁気力も打消し合ってコイル26には殆ど作用しない。結果、コイル26は矢印J方向の磁気力を受ける。
FIG. 3B is an explanatory diagram of the moving direction of the
同様に、フレミングの左手の法則に基づき、コイル27は間隙G3の磁束ΦによりJ方向の磁気力を受けるが、間隙G2aと間隙G2bの磁束Ω、Γによる磁気力は打消し合ってコイル27には殆ど作用せず、間隙G2bと間隙G1の磁束Ψ1(図3(a)による磁気力も打消し合ってコイル27には殆ど作用しない。結果、コイル27は矢印J方向の磁気力を受ける。以上により、コイル26、27は、磁束Φにより矢印J方向の磁気力を受けるが、コイル26、27は固定子21に挟持され移動できないので、可動子30が矢印M方向の磁気力を受けて矢印M方向に移動する。
Similarly, based on Fleming's left-hand rule, the
図3(c)は、図3(a)のコイル26、27による磁束Ψ1、Ψ2と図3(b)の永久磁石32〜34による磁束Φ、Ω、Γとを合成した磁束図を示す。図3(c)に示すように、固定子21と可動子30の磁気回路には、太実線で示す右回りの閉ループの合成磁束(Ψ1+Φ)と、図示左回りの閉ループの合成磁束Λ2が生じると共に図示右回りの閉ループの磁束Ω、Γが残存する。磁束Φと磁束Ψ2との流れ方向が反対であるため、磁束(Ψ2−Φ)の磁束量は略0になり、磁束Λ2が合成されるが合成磁束Λ2の磁束量は合成磁束(Ψ1+Φ)に比べ小さい。そして、インナーヨーク31を流れる磁束量の大きい合成磁束(Ψ1+Φ)の方向は永久磁石33の磁化方向と同じである。
FIG. 3 (c) shows a magnetic flux diagram in which the magnetic fluxes Ψ1, Ψ2 by the
図3(d)は、図3(c)の可動子30が矢印M方向に移動して可動子30に作用するN方向の外力FとM方向の磁気力Faが釣合い停止した状態を示す。図3(c)と同様に釣合い停止位置の永久磁石32〜34による磁束Φa(図示せず)と、コイル26、27よる磁束Ψa1、Ψa2(図示せず)とが合成される。この合成により、図3(d)に示すように太実線で示す右回りの閉ループの合成磁束(Ψa1+Φa)と、図示左回りの閉ループの合成磁束Λ2aが生じると共に図示右回りの閉ループの磁束Ωa、Γaが残存する。そして、インナーヨーク31を流れる合成磁束(Ψa1+Φa)の方向は永久磁石33の磁化方向と同じで、合成磁束Λ2aより磁束量が大きい。
FIG. 3D shows a state in which the
図4は、図3に対し反対方向で図3と同じ電流値の直流電流をコイル26、27に通電した場合の磁束の部分断面説明図である。図4(a)は、コイル26、27の電流によって生じる磁束図を示す。図4(a)に示すように、可動子30が中立位置に位置する状態に於いて、コイル26、27には互いに反対方向で同じ電流値の直流電流を通電する。するとコイル26による図示左回りの閉ループの磁束Ψ1と、コイル27による図示右回りの閉ループの磁束Ψ2が生じる。磁束Ψ1は、永久磁石32の中央側から順次間隙G2a、磁極片23a、アウターヨーク素片23の円板部23c、アウターヨーク素片22、磁極片22a、磁極片22a左端側とインナーヨーク31の左端側との間の間隙G1b、インナーヨーク31を通過して再び、永久磁石32の中央側に戻り一巡する。磁束Ψ2は、永久磁石34の右側から順次インナーヨーク31、永久磁石32の右側、間隙G2a、磁極片23a、アウターヨーク素片23の円板部23c、アウターヨーク素片24、アウターヨーク素片24の磁極片24a、間隙G3を通過して再び永久磁石34の右側に戻り一巡する。そして、磁束Ψ1は間隙G1bと間隙G2aを通過し、磁束Ψ2は間隙G2aと間隙G3を通過する。コイル26と、27は線径、全長、巻数が同じで、間隙G1bの磁気抵抗は間隙G3の磁気抵抗より大きいので、磁束Ψ2の磁束量は磁束Ψ1の磁束量より大きい。
FIG. 4 is a partial cross-sectional explanatory view of magnetic flux when a direct current having the same current value as that of FIG. FIG. 4A shows a magnetic flux diagram generated by the currents of the
図4(b)は、コイル通電時に於ける可動子30の移動方向の説明図で、可動子30の中立位置に於ける永久磁石32〜34による磁束Φ、Ω、Γを示す。図4(b)に示すように、コイル26、27に電流が流れると、コイル26は永久磁石32〜34の磁束Φ、Ω、Γとコイル27の磁束Ψ2(図4(a))とにより磁気力を受け、コイル27は永久磁石32〜34の磁束Φ、Ω、Γとコイル26の磁束Ψ1(図4(a))とにより磁気力を受ける。即ち、コイル26、27には互いに反対方向で同じ電流値の直流電流(図4(a)と同じ電流)を通電すると、フレミングの左手の法則に基づき、コイル27は間隙G3の磁束ΦによりK方向の磁気力を受けるが、間隙G2aと間隙G2bの磁束Ω、Γによる磁気力は打消し合ってコイル27には殆ど作用せず、間隙G2aと間隙G1bの磁束Ψ1(図4(a))による磁気力も打消し合ってコイル27には殆ど作用しない。結果、コイル27は矢印K方向の磁気力を受ける。
FIG. 4B is an explanatory diagram of the moving direction of the
同様に、フレミングの左手の法則に基づき、コイル26は間隙G1の磁束ΦによりK方向の磁気力を受けるが、間隙G2aと間隙G2bの磁束Ω、Γによる磁気力は打消し合ってコイル27には殆ど作用せず、間隙G2aと間隙G3の磁束Ψ2(図4(a))による磁気力も打消し合ってコイル26には殆ど作用しない。結果、コイル26は矢印K方向の磁気力を受ける。以上により、コイル26、27は、磁束Φにより矢印K方向の磁気力を受けるが、コイル26、27は固定子21に挟持され移動できないので、可動子30が矢印N方向の磁気力を受けて矢印N方向に移動する。
Similarly, based on Fleming's left-hand rule, the
図4(c)は、図4(a)のコイル26、27による磁束Ψ1、Ψ2と図4(b)の永久磁石32〜34による磁束Φ、Ω、Γとを合成した磁束図を示す。図4(c)に示すように、固定子21と可動子30の磁気回路には、図示右回りの閉ループの合成磁束(Ψ2+Φ)と、図示左回りの閉ループの合成磁束Λ1が生じ、図示右回りの閉ループの磁束Ω、Γは残存する。磁束Φと磁束Ψ1との流れ方向が反対であるため、磁束(Ψ1−Φ)の磁束量は略0になり、磁束Λ1が合成されするが合成磁束Λ1の磁束量は合成磁束(Ψ2+Φ)に比べ小さい。そして、インナーヨーク31を流れる磁束量の大きい合成磁束(Ψ2+Φ)の方向は、永久磁石33の磁化方向と同じであり、又、インナーヨーク31を流れる図3(c)の合成磁束(Ψ1+Φ)の方向と同じである。
FIG. 4C shows a magnetic flux diagram in which the magnetic fluxes Ψ1, Ψ2 by the
図4(d)は、図4(c)の可動子30が矢印N方向に移動し、可動子30に作用するM方向の外力FとN方向の磁気力Fbが釣合い停止した状態を示す。図4(c)と同様に釣合い停止位置の永久磁石32〜34による磁束Φb(図示せず)と、コイル26、27よる磁束Ψb1、Ψb2(図示せず)とが合成される。この合成により、図4(d)に示すように図示右回りの閉ループの合成磁束(Ψb2+Φb)と、図示左回りの閉ループの合成磁束Λ1bが生じると共に図示右回りの閉ループの磁束Ωb、Γbが残存する。インナーヨーク31を流れる合成磁束(Ψb2+Φb)の方向は永久磁石33の磁化方向と同じで、図3(d)のインナーヨーク31を流れる合成磁束(Ψa1+Φa)の向きと同じである。また、合成磁束(Ψb2+Φb)は合成磁束Λ1bの磁束量より大きい。そして、磁気力Fa(図3(d))と磁気力Fb(図4(d))は、大きさは同じで方向が反対で、通電時に於けるリニアモータ20が発生する磁気推力である。
FIG. 4D shows a state in which the
前述の図3、4の作動により、コイル26、27に位相が180度ずれた交流電流を通電すると、可動子30は往復動する。
3 and 4, when an alternating current whose phase is shifted by 180 degrees is applied to the
以上により、次の効果が生じる。即ち、保持部材31が磁性材の場合、コイル26、27に対し互いに位相が180度ずれた交流電流を通電するにより、アウターヨーク25に互いに反対方向の磁束が生じる。この磁束は、電流が交番(電流が±変化)しているにも拘らず、インナーヨーク31には永久磁石33の磁化方向と同じ一方向で磁束量の大きな変動磁束(直流成分に交流成分が加わった磁束)が常に発生する。これに対し、従来技術のリニアモータ(電磁式アクチュエータ)では、インナーヨークに交番磁束(方向が代わる磁束)が発生する。従って、同じ磁気推力の下で、本発明のリニアモータ20のインナーヨーク31を流れる一定方向の磁束の振幅及び最大磁束量は、従来技術の交番磁束の振幅及び最大磁束量より減少する。この変動磁束の振幅及び最大磁束量の減少により、アウターヨーク25の変動磁束の振幅及び最大磁束量も減少する。結果、変動磁束によって発生するインナーヨーク31と、アウターヨーク25の各々の鉄損は減少するので、高い効率のリニアモータ20を提供できる。
As described above, the following effects are produced. That is, when the holding
また、インナーヨーク31の最大磁束量が従来技術の最大磁束量より減少するので、インナーヨーク31は従来技術に比べ少ない磁束通過断面積で済み、磁気飽和を回避できる。これにより、可動子30の外径が縮小する。同様に、アウターヨーク25の最大磁束量も減少するので、アウターヨーク25は従来技術に比べ少ない磁束通過断面積で磁気飽和が回避できると共に可動子30の外径の縮小とにより、固定子21が小型軽量になる。以上とリニアモータ20が高効率であることにより、小型軽量なリニアモータ20が提供できる。
In addition, since the maximum magnetic flux amount of the
また、従来技術のリニアモータでは、可動子の内周面側の磁気ギャップ(可動子の内周面とインナーヨークとの間の磁気ギャップ)と、可動子の外周面側の磁気ギャップ(可動子の外周面とアウターヨークとの間の磁気ギャップ)があるため、磁気回路の磁気抵抗が増大して所定の磁気推力を得るにはリニアモータが大型になる。しかし、本実施例のリニアモータ20は可動子30の外周面側の磁気ギャップ(可動子30の永久磁石32〜34の外周面と固定子21の内周面との一つの径の磁気ギャップ)だけあるので、磁気抵抗が減少しリニアモータ20は小型軽量になる。
In the linear motor of the prior art, the magnetic gap on the inner peripheral surface side of the mover (magnetic gap between the inner peripheral surface of the mover and the inner yoke) and the magnetic gap on the outer peripheral surface side of the mover (mover) Therefore, the linear motor becomes large in order to increase the magnetic resistance of the magnetic circuit and obtain a predetermined magnetic thrust. However, the
尚、前述までの作動、効果は保持部材31が磁性材の場合であるが、保持部材31が非磁性材の場合でも、前述の説明のインナーヨーク31(磁性材の保持部材31)を流れていたコイル26、27の交流電流によって生じる磁束と、永久磁石32〜34によって生じる磁束は、順次永久磁石34、33、32に流れるので、リニアモータ20は、保持部材31が磁性材の場合と同様な作用、効果を生じる。即ち、コイル26、27に位相が180度ずれた交流電流を通電するにより、コイル26、27に互いに反対方向の磁束が生じる。この磁束は、電流が交番しているにも拘らず、永久磁石34、33、34には永久磁石33の磁化方向と同じ一方向の変動磁束が常に発生する。この変動磁束の振幅、最大磁束量は従来技術の交番磁束の振幅、最大磁束量より減少するので、保持部材31が磁性材の場合と同じ効果を生じる。
The operations and effects described above are for the case where the holding
また、可動子30を備えた可動体35は、リニアモータ20の磁気バネと、可動体35の前面及び背面に作用するヘリウムのガスバネを合成したバネと、可動子30を含む可動体35の合計質量とで固有周波数を有する振動系を形成する。この固有周波数近傍で運転することにより、可動体35の往復動の振幅が増大してリニアモータ20の効率は向上する。さらには、保持部材31を樹脂等の軽量材を使用することで可動子30が軽量になり可動体35の固有周波数が高くなり、この高くなった固有周波数近傍で可動体35を往復駆動させる。結果、膨張室55で発生される冷凍量が増大する。
The
また、保持部材31が磁性材でコイル26、27による磁束Ψ1、Ψ2の磁束量が大きい場合、磁束Ψ1、Ψ2が保持部材31に流れるので、保持部材31の磁束通過断面積を適正に確保することにより、コストアップすることなく磁気飽和が回避できる。従って、コイル26、27による磁束Ψ1、Ψ2の磁束量が大きい場合に好適である。
Further, when the holding
また、図1では、永久磁石33の両端に永久磁石32と永久磁石34とを固着し3つの永久磁石を備えた可動子30を、一つの永久磁石内に前述した3方向に磁化して可動子を構成しても良い。そして、永久磁石の内径面に保持部材31を配備し、保持部材31が磁性材である場合、作用及び効果は前述の保持部材31が磁性材の場合と同じである。また、保持部材31が非磁性材である場合、作用及び効果は前述の保持部材31が非磁性材の場合と同じである。保持部材31を配備しない場合の作用は、前述の保持部材31が非磁性材の場合と同じで、非磁性材と同じ効果に加え、可動子の構成が簡素になる。
Further, in FIG. 1, a
図5は、図1のリニアモータ20の主要寸法を示す部分断面図で、保持部材31は磁性材のインナーヨークである。図5に於いて、Dは永久磁石32〜34の直径、t1はインナーヨーク(保持部材31が磁性材の場合)の厚さ、t2は永久磁石32〜34の厚さ、Cは永久磁石33の長さである。可動子30の中立位置に於いて、Aは永久磁石32と磁極片22aとの重なり代及び永久磁石34と磁極片24aの重なり代、Bは永久磁石32と磁極片23aとの重なり代及び永久磁石34と磁極片23bとの重なり代である。
FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing the main dimensions of the
図6は、リニアモータ20の(インナーヨーク厚さ/永久磁石外径)と、推力係数及び(推力係数/インナーヨーク質量)の関係を示す図である。図7は、リニアモータ20の(永久磁石厚さ/永久磁石外径)と、推力係数及び(推力係数/インナーヨーク質量)の関係を示す図である。図6及び7に於いて、太実線は(推力係数/インナーヨーク質量)、実線は推力係数を示す。推力係数は、1AT(ATはアンペアターンで、電流はAの単位、Tはターンでコイルの巻数)当りの磁気推力、即ち電流1A(コイル26、27の電流の絶対値の1A)、コイル1巻当りの磁気推力である。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between (inner yoke thickness / permanent magnet outer diameter), thrust coefficient, and (thrust coefficient / inner yoke mass) of the
図6に示すように、(インナーヨーク厚さt1/永久磁石外径D)が20%以下であると、推力係数は急増加し、(推力係数/インナーヨーク質量)は高い値を維持する。そして、(インナーヨーク厚さt1/永久磁石外径D)が20%を超えると、推力係数は頭打ちになり、また、(推力係数/インナーヨーク質量)は低下する。従って、インナーヨーク31を小型軽量にするには、インナーヨーク厚さt1は永久磁石32〜34の外径Dの20%以下が好適である。
As shown in FIG. 6, when (inner yoke thickness t1 / permanent magnet outer diameter D) is 20% or less, the thrust coefficient increases rapidly, and (thrust coefficient / inner yoke mass) maintains a high value. When (inner yoke thickness t1 / permanent magnet outer diameter D) exceeds 20%, the thrust coefficient reaches a peak and (thrust coefficient / inner yoke mass) decreases. Therefore, in order to make the
図7に示すように、(永久磁石厚さt2/永久磁石外径D)が3%〜20%の範囲であると、推力係数は増加し、(推力係数/インナーヨーク質量)も高い。そして、(永久磁石厚さt2/永久磁石外径D)が20%を超えると、推力係数は頭打ちなり、また(推力係数/インナーヨーク質量)は低くなる。従って、磁気推力を確保しつつインナーヨークを小型軽量にするには、永久磁石32〜34の厚さt2は永久磁石32〜34の外径Dの3%から20%の範囲が好適である。
As shown in FIG. 7, when (permanent magnet thickness t2 / permanent magnet outer diameter D) is in the range of 3% to 20%, the thrust coefficient increases and (thrust coefficient / inner yoke mass) is also high. When (permanent magnet thickness t2 / permanent magnet outer diameter D) exceeds 20%, the thrust coefficient reaches a peak and (thrust coefficient / inner yoke mass) decreases. Therefore, in order to make the inner yoke small and light while securing the magnetic thrust, the thickness t2 of the
また、永久磁石33の長さCが永久磁石32、34の長さの3%から130%のときに、高い効率のリニアモータ20が得られる。
Further, when the length C of the
磁極片22a、23aと永久磁石32との重なり代A、B、及び、磁極片24a、23bと永久磁石34との重なり代A、Bは、可動子30の最大ストロークの60%から180%の範囲が高い効率のリニアモータ20が得られる。また、重なり代Aと重なり代Bとは、B≧Aがリニアモータ20の効率を高くする。
The overlap margins A and B between the
次に、本発明の実施例1に係わるスターリング冷凍機1の作動と効果について説明する。スターリング冷凍機1は、ディスプレーサ56の固有振動数を可動体35の固有振動数に略合わせ、可動体35の固有振動数近傍で運転する。この固有振動数近傍の周波数で、同一振幅、位相が180度ずれる交流電流をコイル26、27に通電する。すると、可動体35は往復動し、ディスプレーサ56も往復動する。可動体35とディスプレーサ56は、膨張室55の掃気容積が圧縮室43と圧縮室51とを足合わせた掃気容積に対して略90度位相が進む位相関係にある。圧縮室43と圧縮室51とで圧縮されたヘリウムは、放熱器52で冷却され、蓄冷器53で蓄冷材エレメント53aと熱交換し膨張室55の温度に略等しい温度にまで冷却される。蓄冷器53で冷却されたヘリウムは、吸熱器54を通過し膨張室55に流入し、そこでディスプレーサ56の図1に於ける下方向の移動により膨張して、所定の低い温度の冷凍を発生する。吸熱器54では膨張室55で発生した冷凍で被冷却物(図示せず)を冷却する。そして、ディスプレーサ56の図1に於ける上方向の移動により、膨張室55のヘリウムは吸熱器54を通過して蓄冷器53の蓄冷材エレメント53aで加温され放熱器52から圧縮室43と圧縮室51へ流入し1サイクルを終了する。
Next, the operation and effect of the
以上より、スターリング冷凍機1は、リニアモータ20を備える可動体35の往復動でヘリウムを圧縮して所定の低い温度の冷凍を発生する。本実施例のリニアモータ20は効率が高いので、高効率のスターリング冷凍機1を提供できる。
As described above, the
また、リニアモータ20は小型軽量であり、又、スターリング冷凍機1は高効率であるので、スターリング冷凍機1は小型軽量になる。
Further, since the
また、コイル26、27に交流電流を通電するにも拘らず、インナーヨーク31あるいは永久磁石32〜34には一定方向(永久磁石33の磁化方向)の磁束が流れるので、インナーヨーク31あるいは永久磁石32〜34に発生する鉄損が減少し、可動子30のピストン36、ピストンガイド37の温度上昇は減少する。結果、無潤滑摺動材のピストン36、ピストンガイド37の摩耗量が減少しスターリング冷凍機1の耐久性が向上する。
In addition, a magnetic flux in a certain direction (magnetization direction of the permanent magnet 33) flows through the
図8は、図1のリニアモータ20の可動子30の変形例の部分断面図である。図8に示すように、リニアモータ120の可動子121は、磁性材からなる保持部材122の形状が図1の磁性材の保持部材31と異なる。即ち、保持部材122の外径は保持部材31の外径と同一寸法で、保持部材122の中央部122bの内径も保持部材31の内径と同一寸法であるが、保持部材122の両側部122a、122cの内径は保持部材31の内径より大きい。いいかえると、保持部材31は、永久磁石33の軸方向中央から図示左側に磁極片23aの軸方向長さに略等しい範囲と、永久磁石33の軸方向中央から図示右側に磁極片23bの略軸方向長さに略等しい範囲との円筒部分の厚さが、その両端側の円筒部分の厚さより厚い。これは、磁束量の多い中央部122bの磁気飽和を回避するように保持部材31の断面積と同じにし、中央部122bより磁束量の少ない両側部122a、122cは、内径を保持部材31より大きくして磁気飽和が回避できる最小断面積にする。従って、可動子121の質量が減少でき、可動子121が高い周波数で往復動できる。
FIG. 8 is a partial cross-sectional view of a modification of the
尚、スターリング冷凍機1はディスプレーサ56の前面(図示上面)と背面(図示下面)に作動ガス圧が作用するディスプレーサ型のスターリング冷凍機であるが、ディスプレーサ56に代わって前面に作動ガス圧が作用し背面には略一定の作動ガス圧が作用する膨張ピストン(膨張側ピストン)を設けた膨張ピストン型のスターリング冷凍機でも良い。この場合、圧縮室51が省略でき、圧縮室は圧縮室43のみとなる。また、膨張ピストンはリニアモータなどの駆動手段が接続される。
The
また、リニアモータ20の可動子30として永久磁石33が1個配備されている。しかし、順次第1永久磁石と、第3永久磁石と、第2永久磁石とを配備した第2永久磁石の隣に、例えば、順次第3永久磁石と、第1永久磁石とを配備するように、第3永久磁石を複数個配備する。これにより、永久磁石32と永久磁石34とに隣接する永久磁石33を複数個配備しても良い。この場合、永久磁石33が奇数個であると、永久磁石32と永久磁石34の個数は同数で永久磁石33の数個より1個少ない。永久磁石33が偶数個であると、永久磁石33と永久磁石34のうち一方の永久磁石の個数が永久磁石33の数個に等しく、他方の永久磁石の個数は永久磁石33の数個より1個多い。そして、永久磁石33を複数個配備したリニアモータは、永久磁石33を1個配備したリニアモータ20の磁気推力に永久磁石33の個数を掛けた値に略等しい磁気推力を得られる。従って、大きな磁気推力を得るには、永久磁石33を複数個設けたリニアモータが好適である。
Further, one
図9は、スターリング型パルス管冷凍機の冷凍発生部の説明図である。図1の冷凍発生部50のディスプレーサシリンダ57と、ディスプレーサ56と、駆動手段60をそれぞれパルス管156と、パルス管156内に形成されるガスピストン157と、パルス管156の高温端156bに配備される位相調整手段160とに代えたスターリング型パルス管冷凍機5の冷凍発生部150にしても良い。この場合、スターリング型パルス管冷凍機5(蓄冷型冷凍機)は、冷凍発生部150と、図1と同じ圧縮部10とを配管151を介して連通される。
FIG. 9 is an explanatory diagram of a refrigeration generator of a Stirling pulse tube refrigerator. The
冷凍発生部150は、放熱器152が、順次、蓄冷器153、吸熱器154、パルス管156の低温端156aに連通され、そしてパルス管156の高温端156bを位相調整手段160に接続して構成される。パルス管156内には、一点鎖線で示されるガスピストン157が形成され、ガスピストン157は質量が一定で体積がヘリウムの圧力により変化する弾性ピストンとしてパルス管157内を可動体35と同じ周波数で往復動する。パルス管156とガスピストン157に包囲され低温端156a側に膨張室155が形成され、膨張室155は配管158を介して吸熱器154に連通される。位相調整手段160は、バッファタンク161と細長い管のイナータンスチューブ162から構成され、ガスピストン157が可動体35に対し略90度位相が進むようにバッファタンク161の容積とイナータンスチューブ162の流路抵抗が調整される。これにより、膨張室155は、図1の膨張室55と同じように作用し所定温度の冷凍を発生する。従って、スターリング型パルス管冷凍機5は、スターリング冷凍機1と同じ理由により高効率で小型軽量になる。
The
図10は、図1の往復動駆動機構を用いた実施例2に係るスターリング冷凍機の説明図である。図1のスターリング冷凍機1と同じ部位、同じ部品は同じ符号を付す。図10に示すように、スターリング冷凍機2(蓄冷型冷凍機)は、圧縮部80と、図1に示す冷凍発生部50とを配管11で接続して構成される。圧縮部80は、一対のリニアモータ20、20(往復動駆動機構)の固定子21と、一対の可動体35、35と、シリンダ70とから構成される。可動体35は、可動子30の保持部材31の両端にピストン36と、ピストンガイド37を備える。一対の可動体35、35は、各々のピストン36、36が対面するようにシリンダ70に往復動可能に挿設される。そしてシリンダ70には、シリンダ本体71の両端に鏡板72を気密固定される。そして、シリンダ70と、一対の可動体35、35とで包囲して圧縮室81が形成され、圧縮室81は、シリンダ本体71に連通した配管11を介して冷凍発生部50の圧縮室51と放熱器52に連通する。他の構成は、図1のスターリング冷凍機1と同じである。また、スターリング冷凍機2の作動は、スターリング冷凍機1と同じである。
FIG. 10 is an explanatory diagram of a Stirling refrigerator according to a second embodiment using the reciprocating drive mechanism of FIG. The same parts and the same parts as those of the
実施例2のスターリング冷凍機2は、一対の可動体35、35を対向配置することにより、可動体35の往復動に起因する振動が互いに相殺される。また、圧縮室81は、実施例1のスターリング冷凍機1の圧縮室43(図1)に比べ掃気容積が増大するので、膨張室55で発生する冷凍量が増大する。その他の効果はスターリング冷凍機1と同じである。
In the
図11は、本発明の実施例3に係る往復動駆動機構を用いたスターリング冷凍機の説明図である。図1のスターリング冷凍機1と同じ部位、同じ部品は同じ符号を付す。図11に示すように、スターリング冷凍機3(蓄冷型冷凍機)は、圧縮部110と図1に示す冷凍発生部50を配管11で接続して構成される。圧縮部110は、一対のケース101、101と、各ケース101、101の内周面に固定される一対のリニアモータ20、20(往復動駆動機構)の一対の固定子21、21と、一対の可動体135、135と、一対のシリンダ140、140とから構成される。
FIG. 11 is an explanatory diagram of a Stirling refrigerator using a reciprocating drive mechanism according to
可動体135は、可動子30の保持部材31の内周面にピストン136を固定される。そして、一対の可動体135、135が対向して一対のシリンダ140、140に往復動可能に挿設される。保持部材31の両端には支持具131、132が固定され、支持具131、132は支持機能と弾性機能を有する弾性支持手段、例えばスリッドとを有する円板形状の板バネ133、134の内周側が固定され、板バネ133、134の外周側はケース101の内周側に固定される。これにより、一対の可動体135、135は一対のシリンダ140、140の内周面に対し微小間隙を持って往復動可能に支持される。
The
シリンダ140は、両端が開口され軸方向中央にフランジ140aを備え、フランジ140aの外周側に一対のケース101、101が気密固着される。そして、一対の可動体135、135とシリンダ140とで包囲され圧縮室143が形成され、圧縮室143はフランジ140aに設けた孔140bと、配管11を介し冷凍発生部50の圧縮室51、放熱器52に連通される。固定子21のコイル26、27の導線は気密端子(図示せず)に接続される。他の構成は、図1のスターリング冷凍機1と同じである。
The
前述のピストン136の外周面とシリンダ140内周面との微小間隙は、圧縮室143のヘリウムをシールするクリアランスシール機能を有する。そして、可動子30を備えた可動体135は、板バネ133、134のバネと、リニアモータ20の磁気バネと、可動体135の前面及び背面に作用するヘリウムのガスバネを合成したバネと、可動子30を含む可動体135の質量とで固有周波数を有する振動系を形成し、この固有周波数近傍でスターリング冷凍機3は運転される。
The minute gap between the outer peripheral surface of the
板バネ133、134により可動体135は、シリンダ140の内周面に対し微小間隙を持って往復動可能に支持されるので、ピストン136の摩耗が阻止され、スターリング冷凍機3の耐久性が向上する。また、一対の可動体135、135を対向配置することにより、運転時に発生する振動が低減される。さらに、板バネ133、134により合成バネのバネ定数が高くなるので、スターリング冷凍機3は高い周波数で運転でき、冷凍能力が増大する。他の効果は、図1のスターリング冷凍機3と同じである。
The
図12は、図1の往復動駆動機構を用いた実施例4に係る圧縮機の説明図である。図1のスターリング冷凍機1と同じ部位、同じ部品は同じ符号を付す。図12に示すように、圧縮機4は、図1に示すリニアモータ20(往復動駆動機構)の固定子21と、可動子30を備える可動体35と、可動体35を往復動可能に挿設すると共に吸入弁94と吐出弁95を備えるシリンダ90と、シリンダヘッド96から構成される。そして、作動ガスとして例えばヘリウムが充填される。
FIG. 12 is an explanatory diagram of a compressor according to Example 4 using the reciprocating drive mechanism of FIG. The same parts and the same parts as those of the
シリンダ90は、シリンダ本体91の両端にそれぞれ隔壁92と、鏡板93が気密固定され、隔壁92の孔92a、92bに設けた吸入弁94、吐出弁95とから構成される。そして、隔壁92にはシリンダヘッド96が気密に取付けられ、シリンダヘッド96の隔壁96aにより吸入室96bと吐出室96cが形成される。シリンダ90と可動体35の前面(図示左端面)とで包囲して圧縮室97が形成され、圧縮室97は吸入弁94、吐出弁95を介しそれぞれ吸入室96bと吐出室96cに連通される。
The
リニアモータ20のコイル26、27に振幅が同じで位相が180度ずれる交流電流を通電すると、可動体35が往復動する。可動体35が下死点方向に移動すると、吸入弁94が吸入室96bと圧縮室97との差圧により自動的に開かれ、吸入室96bからヘリウムが圧縮室97に吸引される。吸引されたヘリウムは、可動体35の上死点方向への移動により圧縮され、圧縮室97と吐出室96cとの差圧により自動的に開かれた吐出弁95を通過して吐出室96cに流入し、そこから外部へ供給される。
When an alternating current having the same amplitude and a phase of 180 degrees is applied to the
圧縮機4は、効率が高く小型軽量なリニアモータ20で可動体35を往復駆動してヘリウムを圧縮するので、高効率で小型軽量な圧縮機4が得られる。
Since the compressor 4 compresses helium by reciprocating the
1、2、3 スターリング冷凍機(蓄冷器型冷凍機)
4 圧縮機
5 スターリング型パルス管冷凍機(蓄冷器型冷凍機)
20、120 往復動駆動機構
21 固定子
21a、21b 空隙(距離)
22a、23a 磁極片(第1磁極片)
23b、24a 磁極片(第2磁極片)
25 アウターヨーク
26、27 コイル
28、29 スロット
30、120 可動子
31、122 保持部材(インナーヨーク)
32 永久磁石(第1永久磁石)
33 永久磁石(第3永久磁石)
33a 間隔
34 永久磁石(第2永久磁石)
36、136 ピストン
40、70、90、140 シリンダ
43、51、81、97、143 圧縮室
52、152 放熱器
53、153 蓄冷器
54、154 吸熱器
55、155 膨張室
56 ディスプレーサ(膨張側ピストン)
57 ディスプレーサシリンダ(膨張側シリンダ)
94 吸入弁
95 吐出弁
156 パルス管
160 位相調整手段
G1、G2a、G2b、G3 間隙(距離)
X 軸
1, 2, 3 Stirling refrigerator (regenerator type refrigerator)
4 Compressor 5 Stirling type pulse tube refrigerator (regenerator type refrigerator)
20, 120
22a, 23a Pole piece (first pole piece)
23b, 24a Pole piece (second pole piece)
25
32 Permanent magnet (first permanent magnet)
33 Permanent magnet (third permanent magnet)
36, 136
57 Displacer cylinder (expansion side cylinder)
94
X axis
Claims (6)
前記第1永久磁石の外周側に所定の距離を持って配備されると共に前記軸方向に所定の距離を持って対面する一対の第1磁極片と、前記第2永久磁石の外周側に所定の距離を持って配備されると共に前記軸方向に所定の距離を持って対面する一対の第2磁極片とを有するアウターヨークと、前記アウターヨークに形成されるスロットに配備するコイルとから構成した固定子と、
前記可動子に連結されるピストンと、
前記ピストンを前記軸方向に往復動可能に挿設したシリンダとを備える、ことを特徴とする往復動駆動機構。 The first permanent magnet magnetized in the radial direction on the outer peripheral surface N and the first permanent magnet are arranged coaxially with a predetermined interval in the axial direction of the first permanent magnet and magnetized in the opposite direction to the magnetization direction of the first permanent magnet. A mover comprising a second permanent magnet, and a third permanent magnet arranged in the interval from the second permanent magnet in the axial direction and magnetized in the direction of the first permanent magnet;
A pair of first magnetic pole pieces disposed at a predetermined distance on the outer peripheral side of the first permanent magnet and facing each other with a predetermined distance in the axial direction, and a predetermined distance on the outer peripheral side of the second permanent magnet A fixed structure composed of an outer yoke having a pair of second magnetic pole pieces arranged with a distance and facing each other with a predetermined distance in the axial direction, and a coil arranged in a slot formed in the outer yoke. With the child,
A piston coupled to the mover;
A reciprocating drive mechanism comprising: a cylinder in which the piston is inserted so as to be capable of reciprocating in the axial direction.
前記圧縮室に接続され作動流体を前記圧縮室に吸入する吸入弁と、
前記圧縮室に接続され吸入した作動ガスを圧縮して前記圧縮室から吐出する吐出弁とを備える、ことを特徴とする請求項1乃至3の少なくともいずれか一項に記載の圧縮機。 A compression chamber formed by the piston and the cylinder and compressing the working gas;
A suction valve connected to the compression chamber and sucking a working fluid into the compression chamber;
4. The compressor according to claim 1, further comprising a discharge valve connected to the compression chamber and configured to compress the suctioned working gas and discharge the compressed working gas from the compression chamber. 5.
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