JP6456105B2 - リニア圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、流体を圧縮するリニア圧縮機に関する。

従来のリニア圧縮機には、磁性材の外部ヨークにコイルを備える外部固定子と、外部固定子に対し往復動し、磁性材の内部ヨークにピストンを備える可動体と、内部ヨークまたは外部ヨークのいずれかに備えられる永久磁石と、を備えるリニアモータと、可動体が摺動可能に外接するとともに、外部固定子の内周面側に挿嵌される非磁性材のシリンダを備えるシリンダ部と、シリンダ部とピストンとによって形成される圧縮空間と、ピストンに対して反対側の前記可動体とシリンダ部とによって形成されるバッファ空間と、を有して構成されたものがある（特許文献１参照）。

このリニア圧縮機は、ピストンの外周面に樹脂製のピストンリングが設けられ、このピストンリングによってシリンダとの間をシールして圧縮空間の気密を維持している。コイルは、シリンダの軸周りに巻回されて交流電流が通電される。このコイルに交流電流が流れると、ピストンを備える可動体が往復動して、圧縮空間内のガスを圧縮することができる。

特開２００９−４１７９１号公報

しかしながら、ピストンリングは、シリンダ内面に対して摺動するため、摩耗する虞がある。そこで、潤滑油を用いれば摩耗の程度を軽減することができるが、−１００℃以下の極低温のガスを圧縮する場合には、極低温で動作可能な潤滑油は存在しない。このため、ピストンリングは、潤滑油なしのドライ状態となり、摩耗が生じてシリンダ内面が損傷する虞が生じる。

また、圧縮機の大型化の要望に対して、リニア圧縮機のピストン径を大きくすることで、圧縮機の大型化を図ることができる。しかしながら、ピストン径を大きくすると、可動体の重量が増大するので、可動体を往復動させるための大きな磁界を発生させる必要が生じる。この大きな磁界を永久磁石で発生させようとすると、製造上の限界が生じる。また、コイルとして銅製の常電導コイルを用いた場合には、コイルの巻数が増大してコイルが大型化するとともに、コイルの通電損失に起因する発熱量が増大する虞が生じる。

今後、低炭素化社会への移行に伴い、液体水素や液体酸素の需要が大きく増大すると予想される。また、これらの蒸発ガス（ボイルオフガス）を圧縮する需要も高まる。ただし、これらの流体は超低温で高活性であり、圧縮時には外部への漏洩やオイル蒸気の混入などのように主流体と異なった物質によるコンタミが発生しないように、厳しく管理する必要がある。圧縮室でオイルを使用していない場合でも、ピストンを駆動している機構側からピストンリング等のシール材を経由してオイル蒸気が混入する虞がある。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一つの実施形態は、圧縮機を大型化したときに、リニアモータの大型化やコイルの通電損失に起因する発熱量の増大を抑制可能であるとともに、潤滑油なしのドライ状態でもシリンダ内面の損傷を防止可能なリニア圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の少なくとも一つの実施形態に係わるリニア圧縮機は、
磁性材の外部ヨークにコイルを備える外部固定子と、該外部固定子に対し往復動し、磁性材の内部ヨークにピストンを備える可動体と、を有するリニアモータと、
前記外部固定子の内周面側に挿嵌される非磁性材のシリンダを有し、前記可動体が前記シリンダ内を軸方向に往復動するシリンダ部と、を備え、
前記シリンダ部には、該シリンダ部と前記ピストンとによって囲まれる圧縮空間が形成され、
前記外部ヨークは、その一端部が前記内部ヨークの一端側の側面に対向して前記シリンダの外壁面に近接配置され、他端側が前記内部ヨークの他端側の側面に対向して前記シリンダの外壁面に近接配置されて、前記シリンダの軸方向に往復動自在に支持され、
前記外部ヨークを前記シリンダの軸方向に往復動させる駆動装置が設けられ、
前記ピストンは、前記シリンダの外周面に周方向に所定間隔を有して配設されて高圧ガスを前記シリンダの内部に供給可能な複数のポケットを有するガス軸受を介して前記シリンダに対して非接触状態で往復動自在に支持され、
前記外部ヨークの前記コイルは、超電導コイルを有して構成されて直流通電が行われるように構成される。

上記リニア圧縮機によれば、外部ヨークは、その一端部が内部ヨークの一端側の側面に対向してシリンダの外壁面に近接配置され、他端側が内部ヨークの他端側の側面に対向してシリンダの外壁面に近接配置されて、シリンダの軸方向に往復動可能に支持され、外部ヨークをシリンダの軸方向に往復動させる駆動装置が設けられ、ピストンは、ガス軸受を介してシリンダに対して非接触状態で往復動自在に支持され、外部ヨークのコイルは、超電導コイルを有して構成されて直流通電が行われる。

外部ヨークのコイルは超電導コイルを有して構成れているので、コイルの電気抵抗を殆どゼロに近い状態にすることができる。このため、コイルに通電する直流電流の大きさを増大することができ、大きな磁気力を発生させることがでる。また、コイルの電気抵抗が殆どないので、通電損失に起因する発熱量を小さくすることができる。さらに、ピストンは、ガス軸受を介してシリンダに対して非接触状態で往復動自在に支持されるので、ピストンやシリンダの摩耗を低減することができる。よって、圧縮機を大型化したときに、リニアモータの大型化やコイルの通電損失に起因する発熱量の増大を抑制可能であるとともに、潤滑油なしのドライ状態でもピストンリングの摩耗の増大を抑制可能なリニア圧縮機を実現できる。

本発明の少なくとも一つの実施形態に係わるリニア圧縮機は、
磁性材の外部ヨークにコイルを備える外部固定子と、該外部固定子に対し往復動し、磁
性材の内部ヨークにピストンを備える可動体と、を有するリニアモータと、
前記外部固定子の内周面側に挿嵌される非磁性材のシリンダを有し、前記可動体が前記シリンダ内を軸方向に往復動するシリンダ部と、を備え、
前記シリンダ部には、該シリンダ部と前記ピストンとによって囲まれる圧縮空間が形成され、
前記外部ヨークは、前記シリンダ部の周方向に間隔を有して複数配設されて前記シリンダに対して固定され、
前記外部ヨークの夫々の一端部は、前記内部ヨークの一端側の側面に対向して前記シリンダの外壁面に近接配置され、前記外部ヨークの夫々の他端部は、前記内部ヨークの他端側の側面に対向して前記シリンダの外壁面に近接配置され、
複数の前記外部ヨークの夫々は、常電導コイルが巻回された電磁石として構成され、
前記ピストンは、ガス軸受を介して前記シリンダに対して非接触状態で往復動自在に支持され、
前記外部ヨークの前記コイルは、超電導コイルを有して構成されて直流通電が行われ、
複数の前記外部ヨークの夫々の前記常電導コイルは、前記外部ヨークと前記内部ヨークとの間に磁気的吸引力が作用して前記ピストンが前記シリンダ部に対して往復動するように、交流通電が行われるように構成される。

上記リニア圧縮機によれば、外部ヨークは、シリンダ部の周方向に間隔を有して複数配設されてシリンダに対して固定され、外部ヨークの夫々の一端部は、内部ヨークの一端側の側面に対向して前記シリンダの外壁面に近接配置され、前記外部ヨークの夫々の他端部は、内部ヨークの他端側の側面に対向してシリンダの外壁面に近接配置され、複数の外部ヨークの夫々は、常電導コイルが巻回された電磁石として構成され、ピストンは、ガス軸受を介してシリンダに対して非接触状態で往復動自在に支持され、外部ヨークのコイルは、超電導コイルを有して構成されて直流通電が行われ、複数の外部ヨークの夫々の常電導コイルは、外部ヨークと内部ヨークとの間に磁気的吸引力が作用してピストンがシリンダ部に対して往復動するように、交流通電が行われる。

外部ヨークのコイルは超電導コイルを有して構成れているので、コイルの電気抵抗を殆どゼロに近い状態にすることができる。このため、コイルに通電する交流電流の大きさを増大することができ、大きな磁気力を発生させることができる。また、超電導コイルは電気抵抗が殆どないので、通電損失に起因する発熱量を小さくすることができる。さらに、ピストンは、ガス軸受を介してシリンダに対して非接触状態で往復動自在に支持されるので、ピストンやシリンダの摩耗を低減することができる。よって、圧縮機を大型化したときに、リニアモータの大型化やコイルの通電損失に起因する発熱量の増大を抑制可能であるとともに、潤滑油なしのドライ状態でもピストンリングの摩耗の増大を抑制可能なリニア圧縮機を実現できる。

また、幾つかの実施形態では、
復数の前記外部ヨークは、前記シリンダ部の軸心方向から見たときに、該シリンダ部の軸心を中央にして対称な位置に複数対に配置され、
前記複数対のうちのいずれかの対の外部ヨークと他の対の外部ヨークは、前記シリンダの軸方向にずれて配置され、
前記複数対のうちのいずれかの対の外部ヨークの常電導コイルと他の対の外部ヨークの常電導コイルは、一方の対の外部ヨークに磁気的吸引力を発生させると、他方の対の外部ヨークに磁気的吸引力を発生させないように、交流通電が行われるように構成される。

この場合、複数対のうちのいずれかの対の外部ヨークと他の対の外部ヨークは、シリンダの軸方向にずれて配置されている。このため、複数対のうちのいずれかの対の外部ヨークと内部ヨークのシリンダ軸方向の位置をずらすことができる。よって、外部ヨークと内部ヨークの間に生じる磁気的吸引力を効果的に発揮させて、可動体をシリンダ軸方向に確実に移動させることができる。また、複数対のうちのいずれかの対の外部ヨークの常電導コイルと他の対の外部ヨークの常電導コイルは、一方の対の外部ヨークに磁気的吸引力を発生させると、他方の対の外部ヨークに磁気的吸引力を発生させないように、交流通電が行われる。このため、磁気的吸引力が内部ヨークに作用する場合、対となった外部ヨークの夫々から磁気的吸引力が内部ヨークに対して作用する。よって、１つの外部ヨークから磁気的吸引力が内部ヨークに対して作用する場合と比較して、より大きな磁気的吸引力を内部ヨークに作用させることができるとともに、内部ヨークを有する可動体の往復動を安定化することができる。

また、幾つかの実施形態では、
前記圧縮空間は、該圧縮空間を前記シリンダ部の軸方向に対して直交する方向から見たときの断面積が前記可動体のピストンの断面積よりも小さくなるように形成されている。

この場合、圧縮空間の断面積は可動体のピストンの断面積よりも小さいので、圧縮空間の断面積が可動体のピストンの断面積と同じ場合と比較して、圧縮空間内のガスをより高い圧力で圧縮することができる。

また、幾つかの実施形態では、
前記シリンダ部は、断熱部材によって覆われているように構成される。

この場合、シリンダ部は断熱部材によって覆われているので、外部からの熱がシリンダ部内に侵入するのを抑制することができる。このため、シリンダ部の圧縮空間内のガス（冷媒）が温度上昇する事態を防止することができる。よって、本願のリニア圧縮機を備えた冷却システムを構成した場合に、冷却システムの効率の低下を抑制することができる。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、圧縮機を大型化したときに、リニアモータの大型化やコイルの通電損失に起因する発熱量の増大を抑制可能であるとともに、潤滑油なしのドライ状態でもピストンリングの摩耗の増大を抑制可能なリニア圧縮機を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るリニア圧縮機の概略構成図である。 圧縮空間の断面積を小径としたリニア圧縮機の概略構成図である。 シリンダ部を断熱部材で覆ったリニア圧縮機の概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係るリニア圧縮機の概略構成図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

[第１実施形態]
図１は、リニア圧縮機の概略構成図を示す。リニア圧縮機１は、図１に示すように、往復運動可能な磁性材の外部ヨーク１２、コイル１５、往復動可能な磁性材の内部ヨーク２１にピストン２５を備える可動体２０と、を備えるリニアモータと、外部固定子１１の内周面側に挿嵌される非磁性材のシリンダ３１を備え、可動体２０がシリンダ３１内を軸方向に往復動するシリンダ部３０と、シリンダ部３０とピストン２５とによって形成される圧縮空間４０と、を有してなる。

リニアモータ１０の外部固定子１１は、強磁性材で形成された外部ヨーク１２とコイル１５を備える。外部ヨーク１２は、筒状に形成されたヨーク本体部１２ａと、ヨーク本体部１２ａの軸方向一端側及び他端側から内側方向へ突出して側面視円板状に形成された一対のヨーク端部１２ｂとを有してなる。ヨーク本体部１２ａは、シリンダ３１の外周面の外側を囲むようにして配置されている。一対のヨーク端部１２ｂの一方は、シリンダ部３０の内部ヨーク２１の一端側の側面に対向してシリンダ３１の外周面に近接配置され、一対のヨーク端部１２ｂの他方は内部ヨーク２１の他端側の側面に対向してシリンダ３１の外壁面に近接配置されている。

外部ヨーク１２は、リンク機構や駆動源を備える駆動装置１３によってシリンダの軸方向に往復動可能に接続されている。駆動装置１３は、リンク機構や駆動源を備える機械的駆動装置や、磁気回路の切り替えにより往復動させる磁気的駆動装置でもよい。

リニアモータ１０のコイル１５は、超電導コイル１６が用いられる。超電導コイル１６は、シリンダ３１の軸方向中間部において、シリンダ３１の外周面に沿って巻回されている。超電導コイル１６は低温状態に維持する必要があるため、低温容器１７内に格納されている。低温容器１７は、循環路１８を介して冷却装置（図示せず）に連通し、冷却装置は液体窒素等の冷媒を低温容器１７に供給して戻し、再び冷媒を冷却して低温容器１７に供給するように構成されている。

シリンダ部３０は、円筒状のシリンダ３１と、シリンダ３１の軸方向両端部に夫々気密に固着された一対のヘッド３３とを有してなる。シリンダ３１は非磁性材（例えば、ステンレス鋼）で形成されている。ヘッド３３には高圧ガスが流出する高圧配管３４と、低圧ガスが流入する低圧配管３５が接続されている。高圧配管３４及び低圧配管３５には、夫々の上流側から下流側へのみガスの流れを許容する逆止弁３６、３７が設けられている。一対のヘッド３３の夫々に設けられた高圧配管３４は、高圧側サージタンク３８に連通し、高圧側サージタンク３８に高圧ガスが一旦貯留されてから供給先に供給される。

また、一対のヘッド３３に夫々設けられた低圧配管３５は、低圧側サージタンク３９に連通している。低圧ガスは、低圧側サージタンク３９に一旦貯留されてから、低圧配管３５を通ってシリンダ３１の圧縮空間４０内に供給される。

リニアモータ１０の可動体２０は、磁性材で形成されて円柱状の内部ヨーク２１と、内部ヨーク２１の軸方向両端部に接続された一対のピストン２５とを有してなる。内部ヨーク２１は、強磁性体で形成され、軸方向中央部側に位置する小径軸部２１ａと、小径軸部２１ａの両端部に小径軸部２１ａと同軸上に繋がって小径軸部よりも大径の大径軸部２１ｂとを有してなる。内部ヨーク２１の軸方向長さＬｉは、外部ヨーク１２の軸方向長さＬｇと略同一長さを有している。また、小径軸部２１ａの軸方向長さＬｓは、外部ヨーク１２のヨーク端部１２ｂの厚さｂと略同一長さを有している。大径軸部２１ｂの外径φｂは、後述するピストン２５の外径φｐと略同一径を有している。

内部ヨーク２１の軸方向両端部に設けられた一対のピストン２５は、同一形状を有している。ピストン２５は非磁性材で円筒状に形成されている。ピストン２５の外径φｐは、シリンダ３１の内径よりも僅かに小さい径を有している。例えば、ピストン２５は、ピストン２５の外周面とシリンダ３１の内周面との間の隙間が約１０μｍとなるような外径を有している。このため、ピストン２５はシリンダ３１の軸方向に移動可能であるとともに、圧縮空間４０内のガスが小径軸部２１ａ側へ漏れ出す虞を防止している。なお、ピストン２５とシリンダ３１との間の隙間を一定に保つために、後述するガス軸受５０がシリンダ３１に設けられている。

圧縮空間４０は、ピストン２５とシリンダ３１の内周面とヘッド３３によって囲まれた空間である。このため、圧縮空間はピストンの往復動に応じて体積が変化する。

ガス軸受５０は、シリンダ３１の軸方向両側のシリンダ外周面に周方向に所定間隔を有して配設されて高圧ガスを噴出する複数のポケット５１を有している。ポケット５１はシリンダ外周面に沿うように円弧状に湾曲している。複数のポケット５１のうちの一部は、高圧側連通管５２を介して高圧側サージタンク３８に連通している。また、複数のポケット５１のうちの残りは、低圧側連通管５３を介して低圧側サージタンク３９に連通している。高圧側連通管５２には、リニア圧縮機１の負荷変動に耐える剛性を確保するために、ガス圧を減圧するための絞り５４が配設されている。

高圧側サージタンク３８に貯留された高圧ガスは、高圧側連通管５２の流通時に絞り５４によって減圧されてポケット５１からシリンダ３１内に供給される。シリンダ３１内に供給された高圧ガスは、ピストン２５の周りを囲むようにして拡がって、シリンダ３１の内周面に対してピストン２５を浮かせた非接触状態にする。余った高圧ガスは低圧側連通管５３に接続されたポケット５１から低圧側連通管５３に排出される。

次に、リニア圧縮機１の作動について説明する。図１に示すように、コイル１５に直流電流を流すと、図示に示す磁束Ｍは内部ヨーク２１と外部ヨーク１２との間を繋ぐ閉回路を構成する。ここで、内部ヨーク２１の一方側の大径軸部２１ｂの軸方向端部がＮ極に励磁され、内部ヨーク２１の他方側の大径軸部２１ｂの軸方向端部がＳ極に励磁されると、内部ヨーク２１のＮ極から出る磁束Ｍの一部は、この磁束に隣接する外部ヨーク１２側（図１の紙面上側の外部ヨーク１２側）へ向きを変えて外部ヨーク１２内を透過して内部ヨーク２１の他方側の大径軸部２１ｂ内に戻る。また、内部ヨーク２１のＮ極から出る磁束Ｍの他の一部は、この磁束に隣接する外部ヨーク１２側（図１の紙面下側の外部ヨーク１２側）へ向きを変えてこの外部ヨーク１２内を透過して内部ヨーク２１の他方側の大径軸部２１ｂ内に戻る。このため、外部ヨーク１２は磁気的吸引力によって内部ヨーク２１に引き付けられた状態になる。

ここで、駆動装置１３によって外部ヨーク１２をシリンダ３１の軸方向（矢印Ａ方向）に移動させると、移動する外部ヨーク１２の移動方向前側のヨーク端部１２ｂは、内部ヨーク２１の大径軸部２１ｂの極性（Ｎ極）と反対の極性（Ｓ極）に励磁され、また移動する外部ヨーク１２の移動方向後側のヨーク端部１２ｂは、内部ヨーク２１の大径軸部２１ｂの極性（Ｓ極）と反対の極性（Ｎ極）に励磁されている。このため、内部ヨーク２１の一対の大径軸部２１ｂは、磁気的吸引力によって外部ヨーク１２の対応するヨーク端部１２ｂ側へ吸引されて、内部ヨーク２１を備えるシリンダ部３０は外部ヨーク１２の移動方向と同一方向（矢印Ａ方向）に移動する。

一方、駆動装置１３によって外部ヨーク１２をシリンダ３１の軸方向（矢印Ｂ方向）に移動させると、移動する外部ヨーク１２の移動方向前側のヨーク端部１２ｂは、内部ヨーク２１の大径軸部２１ｂの極性（Ｓ極）と反対の極性（Ｎ極）に励磁され、また移動する外部ヨーク１２の移動方向後側のヨーク端部１２ｂは、内部ヨーク２１の大径軸部２１ｂの極性（Ｎ極）と反対の極性（Ｓ極）に励磁されている。このため、内部ヨーク２１の一対の大径軸部２１ｂは、磁気的吸引力によって外部ヨーク１２の対応するヨーク端部１２ｂ側へ吸引されて、内部ヨーク２１を備えるシリンダ部３０は外部ヨーク１２の移動方向と同一方向（矢印Ｂ方向）に移動する。

このため、外部ヨーク１２をシリンダ３１の軸方向に沿って往復動させることで、可動体２０をシリンダ３１内において往復動させることができる。従って、可動体２０の軸方向両端部に設けられた一対のピストン２５は、可動体２０の往復動に伴い、対応する圧縮空間４０を圧縮及び膨張させることができる。また、コイル１５は超電導コイル１６であるので、超電導コイル１６に大きな電流を流すことができ、大きな磁気力を発生させることができる。よって、ピストン２５の大型化が可能になり、大型のリニア圧縮機１を実現できる。

また、超電導コイル１６は電気抵抗を殆どゼロにすることができるので、通電損失に起因する発熱量の増大を抑えることができる。

また、ピストン２５の往復動時には、ガス軸受５０から高圧ガスがシリンダ３１内に供給されるので、ピストン２５はシリンダ３１の内周面に対して浮いた非接触状態となる。このため、ピストン２５はスムーズにシリンダ３１に対して往復動することができるとともに、シリンダ内面の損傷を防止することができる。

なお、前述した実施形態では、圧縮空間４０をシリンダ部３０の軸方向から見たときの圧縮空間４０の断面積が可動体２０のシリンダ３１の断面積と同じ場合を示したが、図２に示すように、後述する小径の圧縮空間４０'の断面積をシリンダ３１の断面積よりも小さくしてもよい。

この場合、ピストン２５を多段にし、ピストン２５の先端部にピストン２５よりも小径であってピストン２５と同軸上に延びる小径ピストン２６を設ける。また、シリンダ３１の軸方向両端に、小径ピストン２６が往復動する小径シリンダ３２を設け、小径シリンダ３２の端部にヘッド４２を設ける。小径シリンダ３２はシリンダ３１の中心軸線と同軸上に配置されている。また、小径シリンダ３２には、ガス軸受５０が配設されている。このガス軸受５０は、前述したシリンダ３１に設けられたガス軸受５０と同様に構成されている。小径シリンダ３２の外周面に複数のポケット５１'が設けられ、ポケット５１'の一部は高圧側連通管５２から分岐する高圧側分岐管５７に接続されている。また、ポケット５１'の残りは低圧側連通管５３から分岐する低圧側分岐管５８に接続さている。小径シリンダ３２とヘッド４２と小径ピストン２６とで囲まれる領域に小径の圧縮空間４０'が形成される。小径シリンダ３２に接続されたヘッド４２に高圧側分岐管５７及び低圧側分岐管５８が接続されて、小径の圧縮空間４０'を小径ピストン２６が往復動することで、小径の圧縮空間４０'内のガスを圧縮し、及び低圧ガスを小径の圧縮空間４０'内に導入することができる。

このように、小径の圧縮空間４０'の断面積を可動体２０のピストン２５の断面積よりも小さくすることで、小径の圧縮空間４０'の断面積がピストン２５の断面積と同じ場合と比較して、小径の圧縮空間４０'内のガスをより高い圧力で圧縮することができる。

また、図３に示すように、シリンダ部３０に対して熱の侵入を遮断可能な断熱容器６０で覆ってもよい。この場合、コイル１５は低温容器１７内に格納されているので、低温容器１７からシリンダ部３０に熱が侵入する虞はない。このため、コイル１５が配設された部分を除いたシリンダ部３０を断熱容器６０で覆う。断熱容器６０は、例えば、ステンレス製の二重容器の隙間を真空にした真空容器である。なお、隙間内には、放射熱を反射可能な反射膜を設けてもよい。このため、外部からの熱がシリンダ部３０内に侵入するのを抑制することができ、シリンダ部３０の圧縮空間内のガス（冷媒）が温度上昇する事態を防止することができる。よって、本願のリニア圧縮機１を備えた冷却システムを構成する場合に、冷却システムの効率の低下を抑制することができる。

[第２実施形態]
次に、リニア圧縮機１'の第２実施形態を、図４を参照しながら説明する。第２実施形態では、前述した第１実施形態と相違する点について説明し、第１実施形態と同一態様部分については同一符号を附してその説明を省略する。

リニア圧縮機１'の外部ヨーク６３は、図４に示すように、シリンダ３１に対して固定されている。外部ヨーク６３は、シリンダ３１の軸方向に延びる棒状に形成されて、シリンダの周方向に所定間隔を有して４つ配設されている。外部ヨーク６３の軸方向一端側のヨーク端部６３ｂは、内部ヨーク２１の一端側の大径軸部２１ｂの側面に対向してシリンダ３１の外壁面に近接配置され、外部ヨーク６３の軸方向他端側のヨーク端部６３ｂは、内部ヨーク２１の他端側の大径軸部２１ｂの側面に対向してシリンダ３１の外壁面に近接配置されている。

４つの外部ヨーク６３は、シリンダ３１の軸心方向から見たときに、シリンダ３１の軸心を中央にして上下と左右のそれぞれに対して対称な位置に対として配置されている。即ち、上下に一対、左右に一対の合計２対の外部ヨーク６３がシリンダ３１の周りに配設されている。また、複数対のうちの上下一対の外部ヨーク６３と左右一対の外部ヨーク６３は、シリンダ３１の軸方向にずれて配置されている。なお、図４では、左右一対のうちの一方の外部ヨーク６３を破線で示している。このため、外部ヨーク６３と内部ヨーク２１の間に生じる磁気的吸引力を効果的に発揮させて、可動体２０をシリンダ軸方向に確実に移動させることができる。

４つの外部ヨーク６３の夫々には常電導コイル６５、６５'が巻回されて、外部ヨーク６３は電磁石を構成されている。上下一対の外部ヨーク６３に巻回される常電導コイル６５は、外部ヨーク６３の軸方向一端側に配設され、左右一対の外部ヨーク６３に巻回された常電導コイル６５'は、外部ヨーク６３の軸方向他端側に配設されている。なお、常電導コイル６５、６５'の外部ヨーク６３への設置場所は、前述した場所に限るものではなく、周方向に隣接する常電導コイル６５、６５'同士が接触しない位置であれば外部ヨーク６３のいずれの位置でもよい。

外部ヨーク６３の常電導コイル６５、６５'には図示しない電源装置から直流通電が行われる。また、４つの外部ヨーク６３の夫々の常電導コイル６５、６５'は、外部ヨーク６３と内部ヨーク２１との間に磁気的吸引力が作用してピストン２５がシリンダ部３０に対して往復動するように、交流通電が行われる。更に詳細には、２対のうちのいずれかの対の外部ヨーク６３の常電導コイル６５、６５'と他の対の外部ヨーク６３の常電導コイル６５、６５'は、一方の対の外部ヨーク６３に磁気的吸引力を発生させると、他方の対の外部ヨーク６３に磁気的吸引力を発生させないように、交流通電が行われる。即ち、他方の対の外部ヨーク６３には、逆起磁力が発生するように交流通電が行われる。このため、内部ヨーク２１をシリンダ部３０の軸方向に往復動させることができ、内部ヨーク２１の往復動に伴ってピストン２５をシリンダ３１の軸方向に往復動させることができる。

[第３実施形態]
第３の実施形態では、ピストン２５の両端に超電導コイル（図示せず）を巻き、この超電導コイルに給電することで強磁場を両端コイル近傍に発生させ、外部固定子１１の発生させる磁場と相互作用させることでピストン２５の駆動力を得る。ピストン２５の駆動力は磁場の二乗に比例する。鉄心を使用した場合の飽和磁束は２テスラ程度で、ピストン２５で圧縮できる圧力はせいぜい数気圧程度である。鉄心を利用せず、発生磁場強度が将来的に１０テスラ程度に到達可能と見込まれる超電導コイルとの磁気力で駆動することで、圧縮時の到達圧力を大きく向上できる。なお、コイル１５への給電は、フラックスポンプを用いる。

１、１' リニア圧縮機
１０ リニアモータ
１１ 外部固定子
１２、６３ 外部ヨーク
１２ａ、６３ａ ヨーク本体部
１２ｂ、６３ｂ ヨーク端部
１３ 駆動装置
１５ コイル
１６ 超電導コイル
１７ 低温容器
１８ 循環路
２０ 可動体
２１ 内部ヨーク
２１ａ 小径軸部
２１ｂ 大径軸部
２５ ピストン
２６ 小径ピストン
３０ シリンダ部
３１ シリンダ
３２ 小径シリンダ
３３、４２ ヘッド
３４ 高圧配管
３５ 低圧配管
３６、３７ 逆止弁
３８ 高圧サージタンク
３９ 低圧サージタンク
４０ 圧縮空間
５０ ガス軸受
５１ ポケット
５２ 高圧側連通管
５３ 低圧側連通管
５４ 絞り
５７ 高圧側分岐管
５８ 低圧側分岐管
６０ 断熱容器
６５ 常電導コイル
Ｍ 磁束

Claims (7)

1. 磁性材の外部ヨークにコイルを備える外部固定子と、該外部固定子に対し往復動し、磁
   性材の内部ヨークにピストンを備える可動体と、を有するリニアモータと、
   前記外部固定子の内周面側に挿嵌される非磁性材のシリンダを有し、前記可動体が前記シリンダ内を軸方向に往復動するシリンダ部と、を備え、
   前記シリンダ部には、該シリンダ部と前記ピストンとによって囲まれる圧縮空間が形成され、
   前記外部ヨークは、その一端部が前記内部ヨークの一端側の側面に対向して前記シリンダの外壁面に近接配置され、他端側が前記内部ヨークの他端側の側面に対向して前記シリンダの外壁面に近接配置されて、前記シリンダの軸方向に往復動自在に支持され、
   前記外部ヨークを前記シリンダの軸方向に往復動させる駆動装置が設けられ、
   前記ピストンは、前記シリンダの外周面に周方向に所定間隔を有して配設されて高圧ガスを前記シリンダの内部に供給可能な複数のポケットを有するガス軸受を介して前記シリンダに対して非接触状態で往復動自在に支持され、
   前記外部ヨークの前記コイルは、超電導コイルを有して構成されて直流通電が行われる
   ことを特徴とするリニア圧縮機。
2. 磁性材の外部ヨークにコイルを備える外部固定子と、該外部固定子に対し往復動し、磁
   性材の内部ヨークにピストンを備える可動体と、を有するリニアモータと、
   前記外部固定子の内周面側に挿嵌される非磁性材のシリンダを有し、前記可動体が前記シリンダ内を軸方向に往復動するシリンダ部と、を備え、
   前記シリンダ部には、該シリンダ部と前記ピストンとによって囲まれる圧縮空間が形成され、
   前記外部ヨークは、前記シリンダ部の周方向に間隔を有して複数配設されて前記シリンダに対して固定され、
   前記外部ヨークの夫々の一端部は、前記内部ヨークの一端側の側面に対向して前記シリンダの外壁面に近接配置され、前記外部ヨークの夫々の他端部は、前記内部ヨークの他端側の側面に対向して前記シリンダの外壁面に近接配置され、
   複数の前記外部ヨークの夫々は、常電導コイルが巻回された電磁石として構成され、
   前記ピストンは、前記シリンダの外周面に周方向に所定間隔を有して配設されて高圧ガスを前記シリンダの内部に供給可能な複数のポケットを有するガス軸受を介して前記シリンダに対して非接触状態で往復動自在に支持され、
   前記外部ヨークの前記コイルは、超電導コイルを有して構成されて直流通電が行われ、
   複数の前記外部ヨークの夫々の前記常電導コイルは、前記外部ヨークと前記内部ヨークとの間に磁気的吸引力が作用して前記ピストンが前記シリンダ部に対して往復動するように、交流通電が行われる
   ことを特徴とするリニア圧縮機。
3. 複数の前記外部ヨークは、前記シリンダ部の軸心方向から見たときに、該シリンダ部の軸心を中央にして対称な位置に複数対に配置され、
   前記複数対のうちのいずれかの対の外部ヨークと他の対の外部ヨークは、前記シリンダの軸方向にずれて配置され、
   前記複数対のうちのいずれかの対の外部ヨークの常電導コイルと他の対の外部ヨークの常電導コイルは、一方の対の外部ヨークに磁気的吸引力を発生させると、他方の対の外部ヨークに磁気的吸引力を発生させないように、交流通電が行われる
   ことを特徴とする請求項２に記載のリニア圧縮機。
4. 磁性材の外部ヨークにコイルを備える外部固定子と、該外部固定子に対し往復動し、磁
   性材の内部ヨークにピストンを備える可動体と、を有するリニアモータと、
   前記外部固定子の内周面側に挿嵌される非磁性材のシリンダを有し、前記可動体が前記シリンダ内を軸方向に往復動するシリンダ部と、を備え、
   前記シリンダ部には、該シリンダ部と前記ピストンとによって囲まれる圧縮空間が形成され、
   前記外部ヨークは、前記シリンダ部の周方向に間隔を有して複数配設されて前記シリンダに対して固定され、
   前記外部ヨークの夫々の一端部は、前記内部ヨークの一端側の側面に対向して前記シリンダの外壁面に近接配置され、前記外部ヨークの夫々の他端部は、前記内部ヨークの他端側の側面に対向して前記シリンダの外壁面に近接配置され、
   複数の前記外部ヨークの夫々は、常電導コイルが巻回された電磁石として構成され、
   前記ピストンは、ガス軸受を介して前記シリンダに対して非接触状態で往復動自在に支持され、
   前記外部ヨークの前記コイルは、超電導コイルを有して構成されて直流通電が行われ、
   複数の前記外部ヨークの夫々の前記常電導コイルは、前記外部ヨークと前記内部ヨークとの間に磁気的吸引力が作用して前記ピストンが前記シリンダ部に対して往復動するように、交流通電が行われ、
   複数の前記外部ヨークは、前記シリンダ部の軸心方向から見たときに、該シリンダ部の軸心を中央にして対称な位置に複数対に配置され、
   前記複数対のうちのいずれかの対の外部ヨークと他の対の外部ヨークは、前記シリンダの軸方向にずれて配置され、
   前記複数対のうちのいずれかの対の外部ヨークの常電導コイルと他の対の外部ヨークの常電導コイルは、一方の対の外部ヨークに磁気的吸引力を発生させると、他方の対の外部ヨークに磁気的吸引力を発生させないように、交流通電が行われる
   ことを特徴とするリニア圧縮機。
5. 前記シリンダの端部には、該シリンダと同軸上に配置されて前記シリンダよりも小径の小径シリンダ部が設けられ、
   前記ピストンの先端部には、該ピストンよりも小径であって前記ピストンと同軸上に延びて前記小径シリンダ部内を往復動する小径ピストンが設けられ、
   前記小径シリンダ部と前記小径ピストンとによって囲まれる小径圧縮空間が形成されている
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のリニア圧縮機。
6. 前記シリンダ部は、断熱部材によって覆われている
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のリニア圧縮機。
7. 前記内部ヨークは、軸方向中央部側に位置する小径軸部と、前記小径軸部の両端部に前記小径軸部と同軸上に繋がって前記小径軸部よりも大径の大径軸部と、を有し、
   前記小径軸部の軸方向長さは、前記外部ヨークのヨーク端部の厚さと同一長さを有し、
   前記大径軸部の外径は前記ピストンの外径と同一径を有する
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のリニア圧縮機。

Images