JPH03236550A - 逆スターリングサイクル冷凍機の往復動式圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔竜粟上のｆｌｌ用分野］ 本発明は一般に極低温の発生Ｚ用いられる逆スターリン
グサイクル冷凍機における作動媒体の圧縮機のＩＩＩ造
に関し、特に往復動式のものに関する。

１従来の技術］ 第３図は従来の逆スターリングサイクル冷凍機のＩｌＩ
造の一例を示すちので、１ａ：：作動媒体の往復動式圧
縮機１００の圧縮シリンダ、１ｂ１よ作動媒体の膨ｌｌ
Ｉ器３５の膨張ノリンダて圧縮シリンダｌａ内で″、よ
どスＦン２が、膨張ン゛ｌンダ１ｂ内で：よディスプレ
ーサ３が柑工に異なった位相で往復動するよう操作され
る。″ストノニの作動表面２ａとディスプレーサ３の在
勤表面３ａの１にある圧縮空間４には冷却器３２が備え
られる。ディスプレーサ３の上部作動表面３ｂ、ま膨張
空間６の境界をなしており、この膨張空間６は圧縮空間
４と共に作動空間をｍ威する。ディスプレーサ３内に備
えられた蓄熱器７は中、６孔９と半径方向流通ダクト１
０を経てその上側の作動媒体に遣しる。膨張して低温と
なった作動媒体と冷却すべき物体の間の熱交換部として
コールドへフド１１　ｉ＜備えられる。ピストン２と圧
縮シリンダ１ａとの間にはソール１２．１３を備え、デ
ィスプレーサ３と膨脂シリンダ１ｂとの間にはシール１
４１５を備える。ピストン２とディスプレーサ３が相互
に異なった位相をもって肋くとき、作動媒体、例えば、
ヘリウムまたはアルゴンは前記の作動空間内で交互に圧
縮と１１脹とを繰り返し、これによって低温を発生する
。これら一連の冷〉家作用については論文１フリーデイ
スプレーサ冷凍」　（低温二学の発展、１４巻、二９６
３羊、３６１〜３６９ス）中に見出すことがてきるが、
その王な作濁シ：次の遣っである。ま丁、作ｖＪ楳体；
よ主として圧縮空ｖＩ４内にあるとき圧縮される。この
圧縮熱によっ：温度上昇した作動媒体：：冷却器３２を
経て流れその闇に圧縮熱を放出し、更に、几８．蓄熱器
７を通りその間にも勢を放出し二孔９、半径方向流通ダ
クトｌＯを経て膨張空間６へ行く０作動環体は主≧して
膨張空間６内にあるときに膨張し低温となる０作動環体
：：次に逆の°順序で上記順路に沿って再び戻り、熱が
コールドヘッド１１テ図示しない被冷却体から奪われ、
一方蓄隼器７内ては前辺て蓄えられた勢が再プ取り上げ
られる。

次にピストンの駆動機構について説明する。ピストン２
はその下ＩｊＩ！Ｉに合成樹脂などの非磁性の材料から
なるＵ量のス°ノーブ１６を備える。スリーブ１６に：
よ、例えば、銅などの導電体からなる絶縁導線を塾き付
シナてソレノイドコイル１７を形成し、このニイルにシ
リンダｌに気密に結合されたハウジン、７゛２Ｑを気密
ｉ遣するり−ドｖＡ１８と１９に接続される。これらの
リード娠シ：瑞子２１．２２て電源に接続される。３Ｏ
Ｓ＝支持：ｆねで一端が固定され他端てピストンを支持
している。ソレノイドコイル１７：よ環状間隙２３内で
ピストン２の軸方向に往復運動できる。この環状間隙内
にシよソレノイドコイルの移動方向を横切る半径方向の
磁界が存在する。この磁界は、上面と下面に磁極をもつ
環状永久磁石２４その上面に同軸に結合される軟鉄環状
板形ヨーク２５、その下面に同軸に結合される軟鉄円板
形ヨーク２７．この環状永久磁石の内部に同軸に買かれ
その一端が軟鉄円板形ヨーク２７に結合された軟鉄円柱
形ヨーク２６からなる磁気回路で形成されている。

端子２１．２２を周波数ｆｏの交−ＩＬｔｓに接続する
と、ピストン２はソレノイドコイル１７を流れる電流と
間隙２３の磁界との間の電磁力により、周波数ｆｏで往
復動する。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述の逆スターリングサイクル冷〉裏機で；よ、往復動
式圧縮機のピストンの駆動機構には上面と下面に磁極を
もつ環状板形永久磁石、その上面に同軸に結合される軟
鉄環状板形ヨーク、その下面に１袖に結合される軟鉄円
板形ヨーク、この環状板形木矢磁石の内部に同軸に置か
れその一端が軟鉄円板形ヨーク２７　Ｚ結合された軟鉄
円柱形ヨークからなる磁気回路を備えている。このため
、ハウジング１よ磁気回路に影響を与えない非磁性材料
とすることが必要である。このハウジング；よ通常高圧
で封入される作動媒体の内圧に耐える強度を必要とし、
一方磁気回路の各ヨークニ：磁束を通すための断面積を
備える必要があり、ハウジングと磁気回路を別々の要素
として構成せざるを得ないため、装置が大型化する問題
点があった。

更に、この種の往復動式圧縮機よヒ゛ストンが直線的に
往復動操作されることか与運転に伴って脈動的な振・肋
が発生し、これがもとて騒音の発生！１ｌｖｉ寿命の低
下を来す問題があった。

本発明の課題は前述の問題点を解決して、小型軽量て、
更に振動の少ない逆スターリングサイクル冷ン東線の往
復動式圧縮機を提供することにある。

〔！！！！題をＭ決するための手段〕

前述の諜！！を解決するために、本発明において：よ、
欄内の一層部に作動媒体の圧縮空間を形成□た圧縮ソ′
ノンダとこのノリンダ；こ対′−前記圧縮空間を挟んて
配置されたピストンとこのピストンを同期的に往復動操
作する駆動８！構とを備え、前記圧縮空間が作動媒体の
膨張具に冷却器を介５て連通して結合される逆スターリ
ングサイクル冷涜機の往復動式圧縮機において、前記駆
動Ｒ溝が、ピストンの軸；こ連結支持された可動側のソ
レノイドコイルと、このソレノイドコイルを挟んでその
内外周側に対向配置されこの間隙；こ半径方向の磁界を
形成する内側および外側の二重の筒形ヨーク≧これらの
ヨークを端部で結合するようにこれらの間に配置された
環状板形ヨークとこの内側の筒形ヨークの中間部に配Ｉ
されその両端面に磁極をもつ筒形永久磁石とからなる固
定側の磁石装置とが組み合わされ、前記ソレノイドコイ
ルへ供給された交流電流と前記間隙に形成された半径方
向の磁界との相互作用による電磁力でピストンを圧縮ノ
“ノンダ内で往復動操作するソレノイド駆動式リニアモ
ータかあなるようにする。更に、偏肉に作動媒体の圧縮
空間を形成した両端閾、孜形の圧縮ノ°ノンダ三、この
ノリンダに前記圧縮空間を挟んでその両側に対向配置さ
れた一対のピストンと、これら双方のピストンの相互間
に１８０度の位相差を設定し二番どストンを同期的に往
復操作する駆動機構と仝備え、前記圧縮空間が作動媒体
の膨張具に冷却器を介して連通して結合される逆スター
リングサイクル冷二ｉ機の往復動式圧縮機において、前
に！、駆動１１ｔｌが、各ピストン毎にそのピストン軸
にＪＩｉＪ支持された可動ｉｌＩ！ｌｌ７ｙソレノイド
コイル≧、これあソレノイドコイルを挟んでその内°外
周側に対向配置されこの間隙に半径方向の磁界を形成す
る内側δよブ外側の二重の筒形ヨークとこれらのヨーク
を端部で結合するようにこれらの間に配置された環状板
形ヨークとこの各内側の筒形ヨークの中間部に配置され
、その両端面に磁極をもつ筒形永久磁石とからするｌ足
側の磁石装置とが組み合わされ、前記各ソレノイドコイ
ルへ供給された交流２流と前記間隙に形成された半径方
向の磁界との柑互作羽による電磁力で各二°ストンを圧
縮ノ°ノンダ内で往復動操作するソレノイド駆動式リニ
アモータとかみなるようにする。

：　１乍用　〕 本発明では、ソレノイド駆動式リニアモータか与なる駆
動機構の磁気回路を構成する内側の筒形ヨークの中間部
ｚ間形永久磁石を配置するようにしたので、外側の筒形
ヨークの磁位は全長にわたり近似的に同一となりここか
ら外部へ磁束がａ洩することがなくなる。従って、第３
図の従来の圧縮機のように非磁性のハウジングを別に設
ける必要がなくなり、この外側筒形ヨークを外装フレー
ムの一部として兼ねさせることができる。またこの外装
フレーム辷同−外径で端面を有するフレーム部材を磁路
を形成する環状板形ヨークと反対側に取り付け、このフ
レー二部材の端板でピストンの軸を支持ばねを介して支
持するようにしたので、外装フレームの外径が外側同形
ヨークと司−の極めて小型の圧縮機が得られる。また非
磁性のハウジングは不要となり、外装フレームの小型化
と柑俟って、非常に軽量化される。

更に、シリンダを両端開放形≧シ、この中央部に圧縮空
間を形式し、この圧縮空間を挟んてその両側に一対のピ
ストンを対向配置し、これらのピストンを相互Ｓこ１８
０度の位相差で同期的に往復動操作するようにしたので
、これらピストンで発生する振動は正反対となり互いに
打消し合っ＝振動が非常に小さくなる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例のスターリングサイクル冷凍
機の断面図で、１００は往復動式圧縮機である。２は非
磁性材料からなる圧縮シリンダで、ピストン３が挿入さ
れ、その一端部に作動媒体の圧縮空間２ａが形成される
。ピストン３は駆動機構４によって圧縮シリンダ２内を
周期的に往復動操作される。駆動機構４はソレノイド駆
動式リニアモータで、ピストンの軸；こ連結支持された
可動側のソレノイドコイル７と、このツレ、ノイドコイ
ル７を挟んでその内外周側に対向配置された内側および
外側の二重の筒形ヨーク８およブ９．これら筒形ヨーク
の一端部て、それらの開を結合するように配置された還
状坂形ヨーク１０．この内＠筒形ヨーク８の中間部に配
Ｉされた育形永久磁石６からなる固定側の磁石Ｗ　ｘ　
ｌ　１と刀）らなっている。筒形永久磁石６シよその両
端面２Ｍ１極をもち、前述の磁気回路を通して！ａｌ隙
２４に半径方向の磁界が形成される。シリンダ２．ピス
トン３．駆動機ｆＪＩ４からなるＩＩ威品は外側筒形ヨ
ーク９．環状板形ヨーク１０．内側筒形ヨーク８の一部
、シリンダ端面２ｂが一体構造となった外装フレーム２
３．フレーム部材２２からなる容器によって密閉され、
この密閉空間に作動媒体が封入される。ピストン３はフ
レーム部材２２の端板に支持スプリング１２を介して支
持される。気密ｉｔ通端子７ａを通してソレノイドコイ
ル７に周波数ｆＯの交流を源を接続するとソレノイドコ
イル１７を流れる電流と間隙２４中の半径方向の磁界と
の間の電磁力により、周波数ｒＯでピストン３は往復動
する。

本発明では、往復動式圧縮機の駆動機溝に対し、その磁
気回路を溝底する内側の筒形ヨーク８の中市部に筒形永
久磁石６を記１するよう２−たのて、外側の筒形ヨーク
９の磁位ｉよ全長にｒ）たつ近似的に可−となり、ここ
かあ外部へ磁束がＳ洩するこ三つくなくなる。従って第
３図の従来の圧縮機のように非磁性のハウジングを別に
設ける必要がなく、この外ｉＭ尚形ヨーク９モ外装フレ
ームの一部こして兼ねさせることができる。

次に冷二東線としての構成について説明する。３０；：
ｌＩＨ，３１はこの中に設けられた！！１脹シリンダで
、このシリンダ内にディスプレーサ３６が収められてい
る。前述の圧１！１１００の作動媒体の圧縮空間２ａは
冷却器３２を介してこの膨脂器３０に連通して配置接続
されている。ディスプレーサ３６は作動媒体のｌ１ｉｌ
空間２ａの圧力によって、圧縮！１１１００のピストン
３と所定の位相差をもって膨張シリンダ内を往復動し、
作動媒体は膨脂空間３７で膨脂し低温となつ、：−ルド
ヘノド３９で図示しない被冷却体を冷二束する。これら
一連の動作及ブ作用は第３刃二こ示す冷：ｉ機と同しで
ある。

襄２図は本発明の異なる実施例を示し、この例て；よ、
往復動式圧縮幾：０；シよ丁Ｉ第１図の圧縮機１００が
圧縮空間を挟んで対向５た形辷なっ＝いる。

すなわち、その偏肉に作動媒体の圧縮空間２ａを形成し
た両端開放形の圧縮シリンダ２と、このシリンダに圧縮
空間２ａを挟んでその両側に対向配置された一対のピス
トン３Ａ、３Ｂが設けられる。これらピストン３４．３
８はそれぞれの駆動機構４Ａ、　４Ｂによって、圧縮シ
リンダ２内をこれらピストン相互間に１８０度の位相差
をもってＶｊＪ期的に往復動操作される。それぞれの駆
動機溝４Ａ、　４Ｂの構造、ピストン３Ａ、　３Ｂの取
り付は構造および作用は第１図に示す駆動機ＩＩ４およ
びピストン３と同様である。また、第１図と同様作動媒
体の圧縮空間２ａは冷却器３２を介してディスプレーサ
３６に連絡して配管接続されており、その冷二東動作も
第１図と同様である。

この種の往復動式圧ｍ機はピストンが直線的に往復動操
作されることから運転に伴って脈動的な振動が発生し、
これがちとで騒音の発生３機械寿命の低下を来す問題が
あったが、第２図の構造では、対向配置されたピストン
を互に１８０度の位相差をちって濁朋約に往’ｊＦ、ｔ
ｌ］するようにしたのて、これらごストンて発生する振
動ン：正反対三なつ互に打消し合って振動つく非常に小
さくなる。

なお、第１図δよグ第２図の実施列で）よ膨脂器と王縮
突とが冷却器を介５て連Ｊ′−て配管接続された分ｌｉ
Ｉ型冷二束機で説明したが、膨脂器、冷却器およブ圧縮
機が連通して一体に溝底された一体型冷、］［ｌＩにも
適用できることは勿論である。

５発明の効果〕 を発明によれ；よ、往復動式圧縮機の駆動ＪＲｆｌに対
し、その磁気回路をＦＲＦｙ、する内側の筒形ヨークの
中間部に筒形永久磁石を配置する二三により外部へ磁束
がｉｌ洩することが防止され、これによって、従来必要
こされた非磁性のハウジングを不要としたので極めて小
型軽量の逆スターリングサイクル冷凍機の往ｉｊＦ動式
圧縮機が得あれる。更に、圧縮機のピストンを対向して
配置し、これらのピストンを相互に１８０度の位相差で
往復動するよう；こしたので、ピストンて発生する振動
が互に打消し合い、低騒音で長寿命の逆スターリングサ
イクル冷１．１［１１１の往復動式圧縮機が尋られる。

【図面の簡単な説明】

５１図は本発明の一実施例の往復動式圧縮機を用いた逆
スターリングサイクル冷・原書の断面図、第２図は本発
明の異なる実施例の往復動式圧縮機を用いた逆スター゛
Ｊングサイクル冷、！Ｉｌｌの断面図、第３図は従来の
逆スター“ノングサイクル冷凍機の断面図である。 ２：圧縮シリンダ、２ａ：作ａ媒体の圧縮空間、３　３
Ａ、　３ｔｌ　　＋ピストン、４．４．３．４ｆｌ　　
−駆動８１横、６．６Ａ、　６８：筒形永久磁石、７．
７２．７Ｂ　　・ソレノイドコイル、８．８．３．８Ｂ
　　：内側筒形ヨーク、９．９Ａ。 ９じ：外側筒形ヨーク、１０．　ＩＯＡ、　ＩＯＢ　：
　ｆｉ状板形ヨーク、１１．　ＩＩＡ、　ＩＩＢ：磁石
装置、２４．２４Ｌ　２４Ｂ：開場、３０：膨脂器、３
２：冷却器、ｉｏｏ、　１０１：往復動式圧縮機、− 代Ｊ１人）ｆ理士　山　ロ　　巖

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）胴内の一端部に作動媒体の圧縮空間を形成した圧縮
   シリンダとこのシリンダに対し前記圧縮空間を挟んで配
   置されたピストンとこのピストンを同期的に往復動操作
   する駆動機構とを備え、前記圧縮空間が作動媒体の膨脹
   器に冷却器を介して連通して結合される逆スターリング
   サイクル冷凍機の往復動式圧縮機において、 前記駆動機構が、ピストンの軸に連結支持された可動側
   のソレノイドコイルと、このソレノイドコイルを挟んで
   その内外周側に対向配置されこの間隙に半径方向の磁界
   を形成する内側および外側の二重の筒形ヨークとこれら
   のヨークを端部で結合するようにこれらの間に配置され
   た環状板形ヨークとこの内側の筒形ヨークの中間部に配
   置されその両端面に磁極をもつ筒形永久磁石とからなる
   固定側の磁石装置とが組み合わされ、前記ソレノイドコ
   イルへ供給された交流電流と前記間隙に形成された半径
   方向の磁界との相互作用による電磁力でピストンを圧縮
   シリンダ内で往復動操作するソレノイド駆動式リニアモ
   ータからなることを特徴とする逆スターリングサイクル
   冷凍機の往復動式圧縮機。 ２）胴内に作動媒体の圧縮空間を形成した両端開放形の
   圧縮シリンダと、このシリンダに前記圧縮空間を挟んで
   その両側に対向配置された一対のピストンと、これら双
   方のピストンの相互間に１８０度の位相差を設定して各
   ピストンを同期的に往復操作する駆動機構とを備え、前
   記圧縮空間が作動媒体の膨脹器に冷却器を介して連通し
   て結合される逆スターリングサイクル冷凍機の往復動式
   圧縮機において、 前記駆動機構が、各ピストン毎にそのピストン軸に連結
   支持された可動側のソレノイドコイルと、これらソレノ
   イドコイルを挟んでその内外周側に対向配置されこの間
   隙に半径方向の磁界を形成する内側および外側の二重の
   筒形ヨークとこれらのヨークを端部で結合するようにこ
   れらの間に配置された環状板形ヨークとこの各内側の筒
   形ヨークの中間部に配置され、その両端面に磁極をもつ
   筒形永久磁石とからなる固定側の磁石装置とが組み合わ
   され、前記各ソレノイドコイルへ供給された交流１流と
   前記間隙に形成された半径方向の磁界との相互作用によ
   る電磁力で各ピストンを圧縮シリンダ内で往復動操作す
   るソレノイド駆動式リニアモータとからなることを特徴
   とする逆スターリングサイクル冷凍機の往復動式圧縮機
   。