JP7277169B2

JP7277169B2 - 極低温冷凍機用リニア圧縮機

Info

Publication number: JP7277169B2
Application number: JP2019028482A
Authority: JP
Inventors: 健太湯本; 善勝平塚
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2023-05-18
Anticipated expiration: 2039-02-20
Also published as: EP3699426B1; EP3699426A1; JP2020134023A

Description

本発明は、極低温冷凍機用リニア圧縮機に関する。

パルス管冷凍機やスターリング冷凍機、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機などの極低温冷凍機においては冷媒ガス源としてリニア圧縮機が使用されることがある。典型的に、こうした極低温冷凍機用リニア圧縮機は電磁式のリニアアクチュエータで駆動される。

特開２００９－２２２３１２号公報

リニアアクチュエータにおける磁石など部品を固定する簡便な手段として、接着剤がよく用いられている。しかし、接着剤の使用には欠点もある。例えば、接着剤から出るアウトガスが、極低温冷凍機が長期に運転されるなかで次第に冷媒ガスに混入し、コールドヘッド内部を汚染し、冷凍能力を低下させうる。

とりわけ、例えば人工衛星などの宇宙機に極低温冷凍機が搭載される場合、宇宙機の運用中に極低温冷凍機内で一度生じた汚染の除去は実際上困難または不可能であり、汚染による冷凍能力の低下は、冷却されるべき機器の安定的な動作の継続に深刻なリスクとなりうる。接着剤の使用によるこうした不都合は、宇宙機用だけでなく、長期的に安定した動作の継続が望まれる他の用途の極低温冷凍機においても生じうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機の冷凍能力の低下を抑制する技術を提供することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機用リニア圧縮機は、軸方向に延在するピストンと、ピストンを軸方向に駆動するリニアアクチュエータと、ピストンおよびリニアアクチュエータを収容し、ピストンを軸方向に振動可能に支持するハウジングと、を備える。リニアアクチュエータは、ハウジングに固定された外ヨークと、外ヨークの径方向内側に配置され、ハウジングに固定された内ヨークと、径方向において内ヨークと外ヨークの間に位置する磁石受入凹部を有し、ピストンに固定された磁石ホルダと、磁石受入凹部に収納され、接着剤を介することなく磁石ホルダに固定され永久磁石と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、極低温冷凍機の冷凍能力の低下を抑制することができる。

実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す。実施の形態に係り、極低温冷凍機のリニア圧縮機における磁石固定構造の一例を概略的に示す。実施の形態に係り、極低温冷凍機のリニア圧縮機における磁石固定構造の他の一例を概略的に示す。実施の形態に係り、極低温冷凍機のリニア圧縮機における磁石固定構造の他の一例を概略的に示す。実施の形態に係り、極低温冷凍機のリニア圧縮機における磁石固定構造の他の一例を概略的に示す。実施の形態に係り、極低温冷凍機のリニア圧縮機における磁石固定構造の他の一例を概略的に示す。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す。図２は、実施の形態に係り、極低温冷凍機のリニア圧縮機における磁石固定構造の一例を概略的に示す。

極低温冷凍機１０は、スターリング型パルス管冷凍機として構成され、リニア圧縮機１２と、接続管１４と、コールドヘッドとも称される膨張機１６とを備える。膨張機１６は、蓄冷器１８と、冷却ステージ２０と、パルス管２２と、位相制御部２４とを備える。膨張機１６は、蓄冷器１８とパルス管２２が同軸かつ直列に互いに接続された、いわゆるインライン型または直線型の構成を有する。

図においては簡単のために、極低温冷凍機１０は、単段のパルス管冷凍機として示されているが、ある実施形態においては、極低温冷凍機１０は、二段パルス管冷凍機として構成することも可能である。

極低温冷凍機１０の冷媒ガス（作動ガスとも呼ばれる）は、典型的にヘリウムガスが使用される。ただし、これに限られず、適切な他のガスを冷媒ガスとして用いることも可能である。冷媒ガスは、極低温冷凍機１０内に充填され封入されている。

極低温冷凍機１０は、リニア圧縮機１２の動作によってパルス管２２内に冷媒ガスの圧力振動が誘起され、位相制御部２４の作用により圧力振動と同期して適切な位相遅れをもって、パルス管２２内で冷媒ガスの変位振動すなわちガスピストンの往復動が生じるように、設計されている。ある圧力を保持しながらパルス管２２内を上下に周期的に往復する冷媒ガスの動きは、しばしば「ガスピストン」と称され、パルス管冷凍機の挙動を説明するためによく用いられる。ガスピストンがパルス管２２の高温端またはその近傍にあるときパルス管２２の低温端で冷媒ガスが膨張し、寒冷が発生する。

このような冷凍サイクル（例えば、具体的には、逆スターリングサイクル）を繰り返すことにより、極低温冷凍機１０は、冷却ステージ２０を所望の極低温に冷却することができる。したがって、極低温冷凍機１０は、冷却ステージ２０に設置され、または適宜の伝熱部材を介して冷却ステージ２０に熱的に結合された被冷却物を極低温に冷却することができる。

一例として、被冷却物は、赤外線、サブミリ波、Ｘ線、またはその他の電磁波を検出する検出素子であってもよい。こうした検出素子は、天文観測に使用される観測装置の構成要素であってもよい。このような電磁波検出素子を有する観測装置とともに、極低温冷凍機１０は、例えば人工衛星などの宇宙機に搭載可能とされていてもよい。あるいは、極低温冷凍機１０は、そうした観測装置を備える地上設備に搭載されてもよい。あるいは、極低温冷凍機１０は、極低温環境が望まれる例えば超伝導装置またはその他の装置とともに宇宙機または地上設備に搭載されてもよい。

リニア圧縮機１２は、対向して同軸に配置された２つの圧縮機ユニットを有する、いわゆる対向二気筒型のリニア圧縮機として構成されている。各圧縮機ユニットは、軸方向に延在するピストン１２ａと、ピストン１２ａを軸方向に駆動するリニアアクチュエータ１２ｂと、ピストン１２ａおよびリニアアクチュエータ１２ｂを収容し、ピストン１２ａを軸方向に振動可能に支持するハウジング１２ｃと、を備える。図において、軸方向は上下方向にあたる。説明の便宜上、ピストン１２ａの中心軸１３を図１および図２に示す。

ピストン１２ａは、フレクシャベアリング１２ｄとも呼ばれる板バネまたは弾性支持部材を介して、径方向および周方向の変位は規制されつつ軸方向には変位できるようにハウジング１２ｃに弾性的に支持されている。またハウジング１２ｃは、リニアアクチュエータ１２ｂを固定的に支持する。ハウジング１２ｃとピストン１２ａとの間に圧縮室１２ｅが形成される。接続管１４の一端が圧縮室１２ｅに接続されている。

リニアアクチュエータ１２ｂの駆動により、ピストン１２ａが軸方向に振動される。それにより圧縮室１２ｅの容積が振動的に増減し、圧縮室１２ｅ内の冷媒ガスの圧力振動が生成される。一例として、圧力振動の平均圧力は例えばメガパスカルのオーダ、例えば約１～３ＭＰａの範囲にあり、圧力振幅は例えば約０．５～１ＭＰａ以内の範囲にあり、周波数は例えば約５０～６０Ｈｚの範囲にあってもよい。

接続管１４は、リニア圧縮機１２を膨張機１６に接続する。すなわち、接続管１４を通じて、リニア圧縮機１２と膨張機１６との間で相互に双方向に冷媒ガスを流すことができるようにリニア圧縮機１２と膨張機１６とが接続される。よって、リニア圧縮機１２により生成される冷媒ガスの圧力振動は、接続管１４を介して膨張機１６に伝達され、それにより膨張機１６内に圧力振動を誘起することができる。なお、接続管１４は、フレキシブル管であってもよいし、剛性管であってもよい。

蓄冷器１８は、蓄冷器高温端１８ａと、蓄冷器低温端１８ｂとを有し、蓄冷器高温端１８ａから蓄冷器低温端１８ｂへと軸方向（図１において左右方向）に延びている。蓄冷器高温端１８ａは、接続管１４の他端に接続され、接続管１４を介してリニア圧縮機１２の圧縮室１２ｅに接続されている。蓄冷器高温端１８ａには、アフタークーラとも呼ばれる熱交換器またはその他の放熱部材が設けられていてもよい。

蓄冷器１８には、蓄冷材１９が充填されている。蓄冷材１９は、一例として、複数のメッシュ（例えば、銅などの高熱伝導金属材料、またはそのほかの金属製のメッシュ）または網状部材の積層物である。あるいは、蓄冷材１９は、焼結体または多孔質体であってもよい。蓄冷材１９は、粒状の蓄冷材であってもよい。一例として、蓄冷器１８は、円柱状の形状を有する。あるいは、蓄冷器１８は、ドーナツ状またはそのほか筒状の形状を有してもよい。

パルス管２２は、例えば円筒または他の適切な形状を有する管状の部材であり、冷媒ガスを収容できる内部空間を有する。蓄冷器１８と位相制御部２４はパルス管２２を介して流体的に接続されている。なお、図示される極低温冷凍機１０においては、蓄冷器１８およびパルス管２２を迂回する冷媒ガスの流路は設けられていない。よって、リニア圧縮機１２と位相制御部２４との間のガス流通はすべて、蓄冷器１８およびパルス管２２を経由する。

パルス管２２は、パルス管高温端２２ａと、パルス管低温端２２ｂとを有する。パルス管低温端２２ｂは、蓄冷器低温端１８ｂに接続されている。パルス管低温端２２ｂと蓄冷器低温端１８ｂは相互に連通しており、それにより、パルス管２２と蓄冷器１８は流体的に接続されている。また、パルス管低温端２２ｂは、蓄冷器低温端１８ｂと構造的に固く結合されている。

パルス管低温端２２ｂと蓄冷器低温端１８ｂの結合部には、この結合部を包囲するようにして、冷却ステージ２０が設置されている。冷却ステージ２０は、例えば銅などの高熱伝導金属材料で形成されている。冷却ステージ２０は、パルス管低温端２２ｂおよび蓄冷器低温端１８ｂに熱的に結合されている。上述のように、冷却ステージ２０には、極低温冷凍機１０により冷却すべき所望の被冷却物を設置することができる。

パルス管高温端２２ａには、位相制御部２４が設けられている。位相制御部２４は、パルス管高温端２２ａに接続されたイナータンス管２４ａと、イナータンス管２４ａを介してパルス管高温端２２ａに流体的に接続されたバッファタンク２４ｂとを有する。イナータンス管２４ａは、フレキシブル管であってもよいし、剛性管であってもよい。イナータンス管２４ａは、例えば蓄冷器１８及び／またはパルス管２２の軸長に比べて顕著に長い（例えば少なくとも約１ｍ、または数ｍに及びうる）ので、コイル状、蛇行状またはその他の湾曲形状に成形されていてもよい。

図２には、ピストン１２ａの中心軸１３を含む平面によるピストン１２ａ、リニアアクチュエータ１２ｂ、ハウジング１２ｃの断面の一部が示されている。ピストン１２ａとリニアアクチュエータ１２ｂは、ピストン１２ａの中心軸１３に関して軸対称に構成されるので、図２では便宜上、リニアアクチュエータ１２ｂは、ピストン１２ａに対して片側のみを示し、同一構成となる反対側の図示は省略している。

図２に示されるように、リニアアクチュエータ１２ｂは、外ヨーク２６、内ヨーク２８、磁石ホルダ３０、永久磁石３２、コイル３４を有する。リニアアクチュエータ１２ｂのこれら構成要素は、ピストン１２ａを囲むようにしてピストン１２ａと同軸に配置されている。ピストン１２ａが中心軸１３上に位置し、そこから径方向に外側に向かって、内ヨーク２８、磁石ホルダ３０、永久磁石３２、コイル３４、外ヨーク２６の順に配置されている。

リニアアクチュエータ１２ｂは、磁石可動式のリニア振動アクチュエータである。リニアアクチュエータ１２ｂの静止部は、外ヨーク２６、内ヨーク２８、コイル３４によって構成されている。リニアアクチュエータ１２ｂの可動部は、磁石ホルダ３０および永久磁石３２により構成されている。磁石ホルダ３０がピストン１２ａに固定され、永久磁石３２が磁石ホルダ３０に保持されているから、ピストン１２ａは、磁石ホルダ３０および永久磁石３２と一体に移動可能である。

静止部に対して可動部が軸方向に移動可能となるように、リニアアクチュエータ１２ｂの構成要素間には径方向に隙間がある。第１径方向隙間３６ａがピストン１２ａと内ヨーク２８との間に形成され、第２径方向隙間３６ｂが内ヨーク２８と磁石ホルダ３０との間に形成され、第３径方向隙間３６ｃが磁石ホルダ３０と外ヨーク２６との間に形成されている。第３径方向隙間３６ｃは永久磁石３２とコイル３４との間に形成されているとも言える。第１径方向隙間３６ａ、第２径方向隙間３６ｂ、第３径方向隙間３６ｃは、等しい大きさでもよい。

外ヨーク２６は、ハウジング１２ｃに固定されている。内ヨーク２８は、外ヨーク２６の径方向内側に配置され、ハウジング１２ｃに固定されている。内ヨーク２８は、ヨーク連結部材（図示せず）によって外ヨーク２６に連結されている。ヨーク連結部材は、磁石ホルダ３０よりも軸方向に下側に配置され、外ヨーク２６と内ヨーク２８を連結してもよい。外ヨーク２６および内ヨーク２８は、例えば鉄系の磁性材料、またはそのほかヨークとして適する材料で形成されている。

外ヨーク２６は、例えば、円環状または円筒状の形状を有する。外ヨーク２６の外周面がハウジング１２ｃに取り付けられている。外ヨーク２６の内周面には、全周にわたってコイル受け溝が形成され、このコイル受け溝にコイル３４が収められ固定されている。コイル３４の内周面と外ヨーク２６の内周面は、ピストン１２ａの中心軸１３を中心とする同一の円筒面を形成している。内ヨーク２８は、内ヨーク２８の外周面が外ヨーク２６の内周面と向かい合うように配置されている。ただし、上述のように、内ヨーク２８の外周面と外ヨーク２６（およびコイル３４）の内周面の間には、磁石ホルダ３０および永久磁石３２が挿入されている。

なお、コイル３４を外ヨーク２６に設置することは、コイル３４を内ヨーク２８に設ける場合に比べて、コイル３４の放熱と巻き数増加の点で有利である。しかし、要求される性能が満たされる場合には、コイル３４は、内ヨーク２８に固定されてもよい。

磁石ホルダ３０は、径方向において内ヨーク２８と外ヨーク２６の間に位置する磁石受入凹部３０ａを有する。磁石受入凹部３０ａは、全周にわたって磁石ホルダ３０に形成され、コイル３４に向かって開口している。磁石ホルダ３０は、例えばステンレス鋼またはその他の非磁性材料で形成され、例えば、円環状または円筒状の形状を有する。

また、磁石ホルダ３０は、ホルダ上端３０ｂ、ホルダ下端３０ｃ、ホルダ壁部３０ｄ、ピストン接続部３０ｅを有する。磁石受入凹部３０ａは、ホルダ上端３０ｂ、ホルダ下端３０ｃ、ホルダ壁部３０ｄによって定められている。ホルダ上端３０ｂ、ホルダ下端３０ｃ、ホルダ壁部３０ｄは、内ヨーク２８と外ヨーク２６の間に配置され、ホルダ壁部３０ｄは、いわば、磁石受入凹部３０ａの底部にあたり、ホルダ上端３０ｂとホルダ下端３０ｃは、磁石受入凹部３０ａの側壁にあたる。ホルダ壁部３０ｄは、ホルダ上端３０ｂとホルダ下端３０ｃを軸方向に接続する。磁石ホルダ３０は、ピストン接続部３０ｅによってピストン１２ａに接続されている。

永久磁石３２は、磁石受入凹部３０ａに収納され、接着剤を介することなく磁石ホルダ３０に固定されている。永久磁石３２は、例えば、磁石受入凹部３０ａに嵌合または係合されるように寸法が定められ、それにより、接着剤を介することなく磁石ホルダ３０に固定されている。ホルダ上端３０ｂが永久磁石３２の上部に接触し、ホルダ下端３０ｃが永久磁石３２の下部に接触し、ホルダ壁部３０ｄが永久磁石３２の内周面と接触する。上述のように、磁石受入凹部３０ａがコイル３４に向かって開口しているから、永久磁石３２は、永久磁石３２の外周面がコイル３４の内周面に向かい合うようにして、磁石ホルダ３０に保持されている。永久磁石３２の外周面は、磁石ホルダ３０で覆われていない。

永久磁石３２は、磁石ホルダ３０と同様に、円環状または円筒状の形状を有する。ただし、永久磁石３２は、各々が円弧状の形状を有する複数の分割された磁石部材を円環状または円筒状に配列することによって形成されてもよい。永久磁石３２は、内周面に一方の磁極（Ｎ極またはＳ極）を有し、外周面に他方の磁極（Ｓ極またはＮ極）を有してもよい。

このような構成により、コイル３４に電流が供給されるとコイル３４の周りに磁場が発生し、この磁場と永久磁石３２との磁気的な相互作用によって、リニアアクチュエータ１２ｂが駆動される。すなわち、リニアアクチュエータ１２ｂは、ピストン１２ａを軸方向に振動させる。それにより、ピストン１２ａは、圧縮室１２ｅ内に冷媒ガスの圧力振動を発生させる。圧縮室１２ｅでの冷媒ガスの圧力振動は、接続管１４を介して膨張機１６に伝達される。上述のように、リニア圧縮機１２と膨張機１６との間に冷凍サイクルが構成され、極低温冷凍機１０は、冷却ステージ２０を所望の極低温に冷却することができる。

リニアアクチュエータ１２ｂにおいては、接着剤が使用されていない。永久磁石３２は、磁石受入凹部３０ａに収納され、接着剤を介することなく磁石ホルダ３０に固定されている。接着剤が不使用であるため、接着剤に由来するアウトガスがリニアアクチュエータ１２ｂ内で発生することがない。したがって、そうしたアウトガスに起因する不都合が生じない。

例えば、極低温冷凍機１０がメンテナンス無しで長期的に運転されたとしても、アウトガスがリニア圧縮機１２内で冷媒ガスに混入せず、膨張機１６の内部を汚染することもない。よって、アウトガスに起因する冷凍能力の低下は生じない。

接着剤が使われている場合には、オーバーストロークなど何らかの原因で磁石ホルダまたはリニアアクチュエータの可動部に衝撃が加わったとき、接着剤が剥離しうる。剥離により永久磁石の固定が不十分となれば、永久磁石が脱落し、リニアアクチュエータ１２ｂは故障しうる。しかし、本実施の形態によれば、接着剤を使用せずに永久磁石３２が磁石ホルダ３０に固定されているので、接着剤の剥離による永久磁石３２の脱落も起こらない。

また、永久磁石が接着されていたとすると、永久磁石を取り外すことは困難である。しかし、本実施の形態によれば、永久磁石３２は接着剤無しで固定されているので、リニアアクチュエータ１２ｂは、永久磁石３２を磁石ホルダ３０から取り外し可能とするように設計されてもよい。必要に応じて（例えば減磁など何らかの理由で）、永久磁石３２を交換することが容易となる。

接着剤が使用される場合、アウトガス用の吸着剤を設置するという対策がありうる。しかし、宇宙機のように、種々の搭載機器をごく限られたスペースに配置しなければならないという物理的制約がある場合、吸着剤の設置場所を確保するのは設計上容易でない。発生しうるアウトガスの全量を吸着できるほど多量の吸着剤を設置できるとも限らない。また、宇宙空間では、放射線の影響で吸着剤の劣化が進みやすく、吸着剤が早期に使用不能となるおそれもある。しかし、本実施の形態によれば、接着剤が使用されていないので、このような問題も起こらない。

実施の形態に係る磁石固定構造は、上述の例に限られず、様々な構造をとりうる。いくつかの例を図３から図６を参照して以下に説明する。図３から図６はそれぞれ、実施の形態に係り、極低温冷凍機１０のリニア圧縮機１２における磁石固定構造の他の一例を概略的に示す。

図３から図６においては、上述の実施の形態と同様に、リニアアクチュエータ１２ｂは、磁石可動式のリニア振動アクチュエータであり、外ヨーク２６、内ヨーク２８、磁石ホルダ３０、永久磁石３２、コイル３４を有する。第１径方向隙間３６ａがピストン１２ａと内ヨーク２８との間に形成され、第２径方向隙間３６ｂが内ヨーク２８と磁石ホルダ３０との間に形成され、第３径方向隙間３６ｃが磁石ホルダ３０と外ヨーク２６との間に形成されている。

磁石ホルダ３０は、径方向において内ヨーク２８と外ヨーク２６の間に位置する磁石受入凹部３０ａを有し、ピストン１２ａに固定されている。磁石ホルダ３０は、ホルダ上端３０ｂ、ホルダ下端３０ｃ、ホルダ壁部３０ｄ、ピストン接続部３０ｅを有する。

永久磁石３２は、磁石受入凹部３０ａに収納され、接着剤を介することなく磁石ホルダ３０に固定されている。永久磁石３２は、永久磁石３２の表面と磁石ホルダ３０の表面との間に働く摩擦力によって磁石ホルダ３０に保持される。いくつかの例においては、磁石ホルダ３０のホルダ上端３０ｂとホルダ下端３０ｃの少なくとも一方が、永久磁石３２を磁石受入凹部３０ａに保持するように永久磁石３２と係合する。

図３に示される第１の例においては、磁石ホルダ３０は、永久磁石３２を磁石受入凹部３０ａに押し付ける押付機構３８を有する。押付機構３８は、ホルダ上端３０ｂに取り付けられたバネ部材３８ａを有する。バネ部材３８ａは、永久磁石３２の上端面３２ａに作用し、永久磁石３２をホルダ下端３０ｃへと軸方向に押し付ける。バネ部材３８ａは、永久磁石３２とともに磁石受入凹部３０ａに収容されている。バネ部材３８ａは、例えば、ＣＷＳ（コイルドウェーブスプリング）であってもよい。永久磁石３２の上端面３２ａは、中心軸１３に垂直な平面となっている。

ホルダ下端３０ｃは、磁石受入凹部３０ａの内部に向かって傾斜した傾斜面４０を有し、永久磁石３２の下端面３２ｂが傾斜面４０と係合するように傾斜している。傾斜面４０は、傾斜面４０の法線が中心軸１３と交差するように傾斜している。傾斜面４０は、永久磁石３２の下端面３２ｂと同じ角度で傾斜し、永久磁石３２の下端面３２ｂに接触している。押付機構３８が永久磁石３２をホルダ下端３０ｃへと軸方向に押し付けるとき、永久磁石３２は傾斜面４０によって径方向に内向きにホルダ壁部３０ｄにも押し付けられる。

このようにして、永久磁石３２は、磁石受入凹部３０ａに収納され、接着剤を介することなく磁石ホルダ３０に機械的に固定されることができる。磁石ホルダ３０は、永久磁石３２を軸方向だけでなく径方向にも固定することができる。

なお、押付機構３８と傾斜面４０の配置は逆でもよい。つまり、バネ部材３８ａがホルダ下端３０ｃに取り付けられ、ホルダ上端３０ｂが傾斜面４０を有してもよい。

また、磁石ホルダ３０に傾斜面４０を設けることは必須ではなく、ホルダ下端３０ｃと永久磁石３２の下端面３２ｂはともに中心軸１３に垂直な平面を有し、互いに接触してもよい。押付機構３８による押付力が十分に大きければ、永久磁石３２は、接着剤無しで磁石ホルダ３０に固定されることができる。

図４に示される第２の例においては、磁石ホルダ３０のホルダ上端３０ｂとホルダ下端３０ｃの両方が、永久磁石３２を磁石受入凹部３０ａに保持するように永久磁石３２と係合する。ホルダ上端３０ｂは、磁石受入凹部３０ａの内部に向かって傾斜した傾斜面４０ａを有し、永久磁石３２の上端面３２ａが傾斜面４０ａと係合するように傾斜している。ホルダ下端３０ｃは、磁石受入凹部３０ａの内部に向かって傾斜した傾斜面４０ｂを有し、永久磁石３２の下端面３２ｂが傾斜面４０ｂと係合するように傾斜している。各傾斜面４０ａ、４０ｂは、それぞれの法線が中心軸１３と交差するように傾斜している。傾斜面４０ａは、永久磁石３２の上端面３２ａと同じ角度で傾斜し、永久磁石３２の上端面３２ａに接触し、傾斜面４０ｂは、永久磁石３２の下端面３２ｂと同じ角度で傾斜し、永久磁石３２の下端面３２ｂに接触している。

ホルダ上端３０ｂは、磁石ホルダ３０に取り外し可能に固定されている。このようにすれば、永久磁石３２を磁石ホルダ３０に装着しまたは磁石ホルダ３０から取り外す作業において、便利である。

例えば、ホルダ上端３０ｂの内周面にねじ部４１が形成され、磁石ホルダ３０は対応するねじ部を有する。ねじ部４１を締めることにより、ホルダ上端３０ｂが磁石ホルダ３０に固定される。それとともに、ホルダ上端３０ｂは、永久磁石３２をホルダ下端３０ｃへと軸方向に押し付ける。永久磁石３２は傾斜面４０ａ、４０ｂによって径方向に内向きにホルダ壁部３０ｄにも押し付けられる。磁石ホルダ３０は、ねじによる押付機構を有するともいえる。逆に、ねじ部４１を緩めることにより、ホルダ上端３０ｂは磁石ホルダ３０から取り外される。

このようにしても、永久磁石３２は、磁石受入凹部３０ａに収納され、接着剤を介することなく磁石ホルダ３０に機械的に固定されることができる。磁石ホルダ３０は、永久磁石３２を軸方向だけでなく径方向にも固定することができる。

ホルダ上端３０ｂは、ボルトなど締結部材による締結など、そのほか適宜の固定手段によって、磁石ホルダ３０に取り外し可能に固定されてもよい。ホルダ上端３０ｂと同様にして、ホルダ下端３０ｃが磁石ホルダ３０に取り外し可能に固定されてもよい。

また、傾斜面４０ａ、４０ｂは、ホルダ上端３０ｂとホルダ下端３０ｃの両方に設けられなくてもよい。ホルダ上端３０ｂとホルダ下端３０ｃのうち一方に傾斜面が設けられ、他方は中心軸１３に垂直な平面とされてもよい。

なお、第３径方向隙間３６ｃは、第２径方向隙間３６ｂよりも狭くてもよい。永久磁石３２が外ヨーク２６へと径方向に磁力で吸引されやすくなるので、磁石ホルダ３０への永久磁石３２の固定がより確実になる。

図５に示される第３の例においては、永久磁石３２は、固定ピン４２で磁石ホルダ３０に固定されている。一例として、ホルダ上端３０ｂから永久磁石３２の上端面３２ａへと貫通したピン穴が形成され、このピン穴に固定ピン４２が圧入され、それにより、永久磁石３２が磁石ホルダ３０に固定されてもよい。このようにしても、永久磁石３２は、磁石受入凹部３０ａに収納され、接着剤を介することなく磁石ホルダ３０に機械的に固定されることができる。

同様にして、永久磁石３２は、磁石ホルダ３０のホルダ下端３０ｃに固定ピン４２で固定されてもよい。

図６に示される第４の例においては、磁石ホルダ３０は、磁性体４４を有し、磁性体４４は、永久磁石３２と磁性体４４の間に磁石ホルダ３０を挟むように磁石ホルダ３０に装着されている。永久磁石３２は、磁性体４４との間に働く磁気力で磁石ホルダ３０に固定されている。磁性体４４は、例えば鉄系の磁性材料、または、永久磁石３２に磁気的に吸引されるそのほか適宜の材料で形成されている。磁性体４４は、例えば、ホルダ壁部３０ｄに取り付けられ、ホルダ壁部３０ｄが永久磁石３２と磁性体４４に挟まれている。磁性体４４は、ホルダ壁部３０ｄに形成された凹部に収められていてもよいし、あるいは、磁石ホルダ３０に埋め込まれていてもよい。

このようにしても、永久磁石３２は、磁石受入凹部３０ａに収納され、接着剤を介することなく磁石ホルダ３０に磁気的に固定されることができる。

磁性体４４は、ホルダ上端３０ｂまたはホルダ下端３０ｃに取り付けられてもよい。例えば、ホルダ壁部３０ｄに第１の磁性体４４が取り付けられ、ホルダ上端３０ｂまたはホルダ下端３０ｃのいずれかに第２の磁性体が取り付けられてもよい。このようにすれば、磁石ホルダ３０は、永久磁石３２を軸方向だけでなく径方向にも磁気的に固定することができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

実施の形態に係る磁石固定構造は、スターリング型パルス管冷凍機だけでなく、ＧＭ型パルス管冷凍機などそのほかのパルス管冷凍機、またはスターリング冷凍機、ＧＭ冷凍機などそのほかの極低温冷凍機にも適用することができる。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０極低温冷凍機、１２リニア圧縮機、１２ａピストン、１２ｂリニアアクチュエータ、１２ｃハウジング、２６外ヨーク、２８内ヨーク、３０磁石ホルダ、３０ａ磁石受入凹部、３０ｂホルダ上端、３０ｃホルダ下端、３２永久磁石、３２ａ上端面、３２ｂ下端面、３８押付機構、４０，４０ａ，４０ｂ傾斜面、４２固定ピン、４４磁性体。

Claims

極低温冷凍機用リニア圧縮機であって、
軸方向に延在するピストンと、
前記ピストンを軸方向に駆動するリニアアクチュエータと、
前記ピストンおよび前記リニアアクチュエータを収容し、前記ピストンを軸方向に振動可能に支持するハウジングと、を備え、
前記リニアアクチュエータは、
前記ハウジングに固定された外ヨークと、
前記外ヨークの径方向内側に配置され、前記ハウジングに固定された内ヨークと、
前記外ヨークまたは前記内ヨークに設けられたコイルと、
径方向において前記内ヨークと前記外ヨークの間に位置し、前記コイルに向かって開口する磁石受入凹部を有し、前記ピストンに固定された磁石ホルダと、
前記磁石受入凹部に収納され、接着剤を介することなく前記磁石ホルダに固定された永久磁石と、
前記軸方向に前記永久磁石を前記磁石受入凹部に押し付ける押付機構と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機用リニア圧縮機。
前記磁石ホルダは、ホルダ上端およびホルダ下端を有し、前記ホルダ上端と前記ホルダ下端の少なくとも一方が、前記永久磁石を前記磁石受入凹部に保持するように前記永久磁石と係合することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機用リニア圧縮機。
前記ホルダ上端と前記ホルダ下端の少なくとも一方は、前記磁石受入凹部の内部に向かって傾斜した傾斜面を有し、
前記永久磁石は、上端面および下端面を有し、前記上端面と前記下端面の少なくとも一方が、前記傾斜面と係合するように傾斜していることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機用リニア圧縮機。
前記押付機構は、前記軸方向に前記永久磁石を前記傾斜面へと押し付けることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機用リニア圧縮機。
前記ホルダ上端と前記ホルダ下端の少なくとも一方は、前記磁石ホルダに取り外し可能に固定されていることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の極低温冷凍機用リニア圧縮機。
前記永久磁石は、固定ピンで前記磁石ホルダに固定さ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極低温冷凍機用リニア圧縮機。