JPH0427775A - スターリング冷凍機用リニアモータ圧縮機 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、ディスプレーサの往復動により極低温レベル
の寒冷を発生させる膨張機を有するスターリング冷凍機
において、膨張機に供給する冷媒を圧縮するリニアモー
タ圧縮機に関し、特に、１対の対向ピストンを備えたも
のに関する。

（従来の技術） 従来より、このフリーディスプレーサ型スターリング冷
凍機は、極低温レベルの寒冷を発生させる小型冷凍機の
一種として知られている。この冷凍機は、例えば第２図
に示すように、冷媒ガスを圧縮する圧縮機（ａ）と、該
圧縮機（ａ）から吐出された冷媒ガスを膨張させる膨張
機（ｋ）とを組み合わせたものであり、上記圧縮機（ａ
）は、例えば密閉状のケーシング（ｂ）と、該ケーシン
グ（ｂ）内に形成されたシリンダ（Ｃ）と、該シリンダ
（Ｃ）内に往復動可能に嵌装され、シリンダ（ｃ）内空
間に圧縮室（ｄ）を区画形成するピストン（ｅ）と、該
ピストン（ｅ）を往復駆動する駆動源としてのリニアモ
ータ（ｆ）とを備えている。このリニアモータ（ｆ）は
シリンダ（Ｃ）周りに配置された環状の永久磁石（ｇ）
を有し、この磁石（ｇ）により、シリンダ（Ｃ）の中心
と同心の円筒状の間隙に磁界を発生させる。上記間隙に
は中心部にて上記ピストン（ｅ）に一体固定された略逆
カップ状のボビン（ｈ）が往復動可能に配設され、該ボ
ビン（ｈ）の外周にはドライブコイル（ｉ）が巻き付け
られている。また、上記ボビン（ｈ）の底面外側（ピス
トン（ｅ）と反対側）とケーシング（ｂ）内底面との間
にはピストン（ｅ）を往復動可能に弾性支持するための
コイルばねからなるピストンスプリング（ｊ）が架設さ
れており、ドライブコイル（ｉ）に所定周波数の交流を
通電することで、間隙内を通る磁界との作用によりコイ
ル（ｉ）及びボビン（ｈ）を駆動してピストン（ｅ）を
シリンダ（Ｃ）内で往復移動させることにより、圧縮室
（ｄ）で所定周期のガス圧を発生させるようになされて
いる。

一方、上記膨張機（ｋ）は、円筒状シリンダ（Ｒ）を有
し、このシリンダ（ｇ）内にはシリンダ（ｊり内空間を
膨張室（ｍ）と作動室（ｎ）とに区画するフリーディス
プレーサ（ｏ）が往復動可能に嵌装されている。このデ
ィスプレーサ（０）は、内部に金属製蓄冷材（ｏ＋）（
再生式熱交換器）を充填したもので、該蓄冷材（ｏｌ）
を膨張室（ｍ）及び作動室（ｎ）にそれぞれ連通させる
連通孔（０２）　、　　（０３）が開口されている。ま
た、上記作動室（ｎ）内には、ディスプレーサ（０）を
往復動可能に弾性支持するコイルばねからなるデイスプ
レーサスプリング（ｐ）が配設されている。さらに、上
菖己作動室（ｎ）は上記結合配管（ｑ）を介して上記圧
縮機（ａ）の圧縮室（ｄ）に接続されており、圧縮機（
ａ）からの冷媒ガス圧によりディスプレーサ（０）を往
復動させて冷媒ガスを膨張室（ｍ）で膨張させることに
より、シリンダ（ｆｌ）先端のコールドヘッドに寒冷を
発生させるようになされている（例えば“Ｒｅｆｒｉｇ
ｅｒａｔｏｒ　ｆｏｒ　Ｃｒｙｏｇｅｎｔｃ　５ｅｎｓ
ｏｒｓ　　、　ＮＡＳＡ　Ｃｏｎｆ’ｅｒｅｎｃｅ　Ｐ
ｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ　２２８７等参照）。

（発明が解決しようとする課題） 上記圧縮機（ａ）においては、１つのピストン（ｅ）が
シリンダ（Ｃ）内で往復動するため、振動が大きく、極
低温レベルで作動させる各種装置のうち、振動を嫌う例
えば赤外線センサ等の装置には使用できないという欠点
がある。そこで、シリンダ内に１対の対向するピストン
を嵌挿して両ピストン間に圧縮室を形成し、各ピストン
を各々の背面側に配設したリニアモータに連結するとと
もに、両リニアモータに同期して所定周波数の電力を供
給するようにした対向ピストン型の圧縮機が考えられる
。

ところが、本発明者等が上記対向ピストン型の圧縮機に
ついて検討したところ、特定の条件下では、ピストンが
リニアモータへの供給電源周波数の例えば半分の周波数
で振動し、しかもその振動モードは両ピストンが互いに
同じ方向に移動する逆位相モードとなって、ガスを全（
圧縮しない現象が起こることが判明した。そして、−旦
、ピストンが逆位相モードで振動すると、その後は同位
相モードへ復帰し難くなる。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、その目的は
、上記した対向ピストン型の圧縮機において、圧縮室の
構造に改良を加えること等により、両ピストンが逆位相
モードで振動するのを抑制して、圧縮機にガスの圧縮動
作を確実に行わせるようにすることにある。

（課題を解決するための手段） 上記の目的達成のため、請求項（１）に係る発明では、
両ピストンがシリンダ内で同じ方向に移動するのを規制
する。

すなわち、この発明の圧縮機は、第１図に示す如く、ケ
ーシング（２）と、該ケーシング（２）内に設けられた
シリンダ（５）と、該シリンダ（５）内に往復動可能に
嵌装され、各々の間のシリンダ（５）内空間に圧縮室（
１５）を区画形成する１対の対向するピストン（６）、
　　（６）と、該各ピストン（６）、　　（６）をシリ
ンダ（５）内で往復動可能にケーシング（２）に対し弾
性支持する弾性支持手段（１８）、（２０）と、磁石（
１２）及びコイル（１４）を有し、コイル（１４）への
所定周波数の交流の供給により上記各ピストン（６）を
相対するピストン（６）に対し互いに接離するように往
復駆動する１対のリニアモータ（１０）　　　（１０）
と、上記両ピストン（６）（６）がシリンダ（５）内で
同じ方向に移動するのを規制する規制手段（２１）とを
備えてなることを特徴とする。

また、請求項（２）の発明では、上記規制手段（２１）
の望ましい構成として、規制手段（２１）を、圧縮室（
１５）をシリンダ（５）の中央で２室（１５Ｌ）、　　
（１５Ｒ）に区画する規制板（２２）と、該規制板（２
２）に仕切られた２室（１５Ｌ）（１５Ｒ）同士を連通
する連通路（８Ｌ　）　。

（８Ｒ）、　　（９）とで構成して、この連通路（８Ｌ
　）　、　　（８Ｒ）　、　　（９）での流路抵抗を圧
縮室（１５）と膨張機の膨張室との間の流路抵抗よりも
大きくする。

（作用） 上記の構成により、請求項（１）に係る発明では、両ピ
ストン（６）、　　（６）が同じ方向に逆位相モードで
振動しようとしたとき、その移動が規制手段（２１）に
よって規制されるので、両ピストン（６）、　　（６）
は逆位相で移動せず、よって圧縮機によりガスを確実に
圧縮することができる。

請求項（２）に係る発明では、圧縮室（１５）がそのシ
リンダ（５）の中央に配設された規制板（２２）により
２室（１５Ｌ　）　　　（１５Ｒ）に区画され、該両室
（１５Ｌ）、　　（１５Ｒ）同士は連通路（８Ｌ　）、
　　（８Ｒ）、　　（９）で連通され、該連通路（８Ｌ
　）、　　（８Ｒ）、　　（９）での流路抵抗が圧縮室
（１５）と膨張機の膨張室との間の流路抵抗よりも大き
いので、両ピストン（６）、　　（６）が逆位相で移動
しようとしても、その移動は上記連通路（８Ｌ　）、　
　（８Ｒ）、　　（９）の大きな流路抵抗により抑えら
れる。よって、簡単な構造で両ピストン（６）、　　（
６）の逆位相モードの振動を規制できる。

また、例えばシリンダ及びピストンで圧縮室を２つ形成
し、両圧縮室を互いに離して配置した場合でも、各々の
圧縮室間の流路抵抗を膨張機の膨張室への流路抵抗より
も大きくすることが可能であり、両ピストンの逆位相モ
ードの振動を規制することができるが、そのときには両
圧縮室が離れている分、圧縮機の大きさが大きくなる。

この発明では、圧縮室（１５）を規制板（２２）で仕切
って２室（１５Ｌ　）　、　　（１５Ｒ）に分ける構造
であるため、圧縮機の大きさを大きくすることなく両ピ
ストン（６）、　　（６）の逆位相モードの振動を抑制
できる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例に係るスターリング冷凍機用
の圧縮機（１）を示す。この圧縮機（１）は図示しない
従来公知のフリーディスプレーサ型膨張機（第２図参照
）と組み合わされて冷凍機を構成する。圧縮機（１）は
円筒状のケーシング（２）を有し、このケーシング（２
）は、略同じ構成の左右１対の円筒状ケーシングアッセ
ンブリ（３）、　　（３）を同心状に配置し、かつ両ケ
ーシングアッセンブリ（３）、　　（３）間に円環状の
センタベース（４）を気密状に挟持してなり、両ケーシ
ングアッセンブリ（３）、　　（３）は純鉄で構成され
ている。両ケーシングアッセンブリ（３）。

（３）内には、各々両端が開放されたステンレス鋼から
なる円筒状のシリンダ（５）が配設され、このシリンダ
（５）は左右１対の対向するシリンダ部材（５Ｌ）、　
　（５Ｒ）で構成されている。この各シリンダ部材（５
Ｌ　）　、　　（５Ｒ）は対向するシリンダ部材（５Ｒ
）　、　　（５Ｌ　）側の端部にフランジ部（５ａ）を
有し、このフランジ部（５ａ）は上記センタベース（４
）に気密状に嵌合固定され、かつフランジ部（５ａ）、
　　（５ａ）同士は後述の規制板（２２）を挟持して密
着しており、このことで両シリンダ部材（５Ｌ　）　、
　　（５Ｒ）は互いに同心状に連続して一体に連結され
ている。上記シリンダ（５）内には、各々背面に有底の
中心穴（６ａ）を有する左右１対の円筒状のピストン（
６）、（６）が摺動可能に嵌装され、この画ピストン（
６）、　　（６）間のシリンダ（５）により囲ま・れた
部分が圧縮室（１５）とされている。上記各シリンダ部
材（５Ｌ　）　、　　（５Ｒ）のフランジ部（５ａ）の
対向面にはそれぞれフランジ部（５ａ）の内周面から外
周面まで半径方向に延びる凹溝（７）が対応して形成さ
れ、二〇両凹溝（７）。

（７）間の空間により、圧縮室（１５）に連通ずるガス
通路（８）が形成されている。また、センタベース（４
）には内端が上記ガス通路（８）に連通ずるガス通路（
９）か貫通形成され、該ガス通路（９）の外端は図示し
ない結合配管を介して図外の膨張機に接続されている。

上記左右のピストン（６）、　　（６）はそれぞれピス
トン（６）、　　（６）を往復駆動する駆動源としての
リニアモータ（１０）、　　（１０）に駆動連結されて
いる。すなわち、この各リニアモータ（１０）は上記各
シリンダ部材（５１，）、　　（５Ｒンの周りに嵌合固
定された純鉄からなる円筒部材（１１）を有し、この円
筒部材（１１）の外周とケーシングアッセンブリ（３）
内周との間には間隙があけられている。円筒部材（１１
）の外周には環状の永久磁石（１２）がケーシングアッ
センブリ（３）の内周と所定の間隙をあけて固定されて
おり、この磁石（１２）により、純鉄からなる円筒部材
（１１）及びケーシングアッセンブリ（３）を継鉄とし
て磁石（１２）とケーシングアッセンブリ（３）内周面
との間の間隙に所定強度の磁界を発生させるようにして
いる。

さらに、上記各ピストン（６）はその中心穴（６ａ）の
開口側端部から半径方向外側に延びるフランジ部（６ｂ
）を有し、該フランジ部（６ｂ）の外周には、ピストン
（６）と同心状に左右中央側に延びかつ先端部が上記磁
石（１２）とケーシングアッセンブリ（３）内周面との
間の間隙に左右方向に往復動可能に配置された略有底円
筒状のボビン（１３）が内向フランジ部（１３ａ）にて
連結されている。このボビン（１３ンは非磁性材料とし
ての薄肉ステンレス鋼からなり、その先端部の外周には
外周面を所定幅に亘って切り欠いてなるコイル巻付は部
（１３ｂ）が上記磁石に対応して形成され、このコイル
巻付は部（１３ｂ）にはコイル（１４）が巻き付けられ
ている。そして、両リニアモータ（１０）、　　（１０
）のコイル（１４）、　　（１４）に同期して所定周波
数（例えば５０Ｈｚ）の交流を通電することにより、両
ピストン（６）、（６）を後述のコイルばね（１８）。

（２０）のばね定数で決まる周期で互いに逆方向に同位
相で往復動させて、圧縮室（１・５）で所定周期のガス
圧を発生させるように構成されている。

上記各ケーシングアッセンブリ（３）の開口部はそれぞ
れスプリングアッセンブリ　（１６）で閉塞され、この
スプリングアッセンブリ（１６）内面の中心部にはスプ
リングホルダ（１７）が取り付けられ、このスプリング
ホルダ（１７）とピストン（６）の中心穴（６ａ）底面
との間には第１コイルばね（１８）が縮装されており、
この第１コイルばね（１８）によりピストン（６）を相
対するピストン（６）に対し互いに接近する方向に付勢
している。また、上記各シリンダ部材（５Ｌ）（５Ｒ）
のフランジ部（５ａ）と反対側の端部にはスプリングホ
ルダ（１９）が取り付けられ、このスプリングホルダ（
１９）とこれに対向するボビン（１３）の内向フランジ
部（１３ａ）との間には、ピストン（６）を相対するピ
ストン（６）に対し互いに離隔する方向に付勢する第２
コイルばね（２０）が縮装されている。そして、上記第
１及び第２コイルばね（１８）、　　（２０）により各
ピストン（６）をシリンダ（５）内で往復動可能にケー
シング（２）に対し弾性支持する弾性支持手段が構成さ
れており、両コイルばね（１８）。

（２０）による付勢力のバランスによりピストン（６）
を往復動の中立位置に保持するようにしている。

さらに、本発明の特徴として、上記両ピストン（６）、
　　（６）がシリンダ（５）内で同じ方向に移動する逆
位相モードの振動を規制する規制手段（２１）が設けら
れている。この規制手段（２１）は上記各シリンダ部材
（５Ｌ　）　、　　（５Ｒ）のフランジ部（５ａ）と同
径の薄板円板からなる規制板（２２）を有し、該規制板
（２２）は両シリンダ部材（５Ｌ　）　、　　（５Ｒ）
のフランジ部（５ａ）。

（５ａ）間に挟持されて圧縮室（１５）の中央に配置さ
れており、この規制板（２２）により圧縮室（１５）が
シリンダ（５）中央で左室（１５Ｌ　）及び右室（１５
Ｒ）の２室に区画されている。また、規制板（２２）は
フランジ部（５ａ）、　　（５ａ）間に挟持されている
ために、この規制板（２２）により上記フランジ部（５
ａ）、　　（５ａ）間のガス通路（８）も左側分岐通路
（８Ｌ）及び右側分岐通路（８Ｒ）に長さ方向に沿って
分けられ、左側分岐通路（８Ｌ）は圧縮室（１５）の左
室（１５Ｌ）に、また右側分岐通路（８Ｒ）は同右室（
１５Ｒ）にそれぞれ連通している。また、両分枝通路（
８Ｌ　）　、　　（８Ｒ）は上記センタベース（４）の
ガス通路（９）で互いに連通しており、上記各分岐通路
（８Ｌ　）　、　　（８Ｒ）及びガス通路（９）により
、圧縮室（１５）の左右室（１５Ｌ）（１５Ｒ）同士が
連通されている。そして、この圧縮室（１５）の左右室
（１５Ｌ）、（１５Ｒ）同士を連通ずる各分岐通路（８
＋、）、（８Ｒ）及びガス通路（９）の流路抵抗は、上
記圧縮室（１５）を膨張機の膨張室に連通ずるガス通路
（８）（画分枝通路（８Ｌ　）　、　　（８Ｒ）　）　
、ガス通路（９）及び結合配管での全体の流路抵抗より
も大にされており、この大きな流路抵抗により、ピスト
ン（６）、　　（６）が逆位相モードで振動するのを規
制している。

尚、第１図中、（３ａ）はケーシングアッセンブリ（３
）の外周に形成された放熱用のフィンで、リニアモータ
（１１）で発生した熱を外部に放出するものである。

次に、上記実施例の作動について説明する。

冷凍機の運転開始に伴い、圧縮機（１）における両リニ
アモータ（１０）、　　（１０）のコイル（１４）、　
　（１４）に所定周波数（５０Ｈｚ）の交流電源が同期
して通電される。この通電に伴い、磁石（１２）、（１
２）により発生する磁界との作用によりコイル（１４）
、　　（１４）及びピストン（６）、　　（６）がそれ
ぞれ第１及び第２コイルばね（１８）、　　（２０）を
伸縮させながら互いに逆向きに同位相で往復動し、この
両ピストン（６）（６）がシリンダ（５）内で互いに接
離することで圧縮室（１５）の容積が増減変化し、圧縮
室（１５）内に所定周期の圧力波が生じる。この圧縮室
（１５）は両ガス通路（８）、　　（９）及び結合配管
を介して膨張機の膨張室に連通しているため、膨張機で
はディスプレーサが上記圧縮室（１５）の圧力波と同じ
周期で往復動してその膨張室でのガスの膨張により寒冷
が生じ、このディスプレーサの往復動の繰返しによりシ
リンダ先端のコールドヘッドが極低温レベルに冷却され
る。

そして、上記電源周波数の例えば半分の周波数（２５Ｈ
ｚ）で両ピストン（６）、　　（６）が同じ方向に逆位
相モードで振動しようとするとき、その移動に伴い、圧
縮室（１５）の画室（１５Ｌ　）（１５Ｒ）のガスが上
記ガス通路（８）の各分岐通路（８Ｌ　）、　　（８Ｒ
）及びガス通路（９）を通して往来することとなる。し
かし、その場合、上記各分岐通路（８Ｌ　）　、　　（
８Ｒ）及びガス通路（９）での流路抵抗は圧縮室（１５
）と膨張機の膨張室との間を連通するガス通路（８）、
ガス通路（９）及び結合配管からなる流路抵抗よりも大
きいので、この大きい流路抵抗により両ピストン（６）
、　　（６）が逆位相で移動するのが抑えられ、ピスト
ン（６）、（６）は同位相モードで振動する。その結果
、簡単な構造で、両ピストン（６）。

（６）の逆位相での振動を規制でき、圧縮機（１）によ
りガスを確実に圧縮することができる。

また、圧縮室（１５）を規制板（２２）で仕切って２室
（１５Ｌ）、　　（１５□）に分ける構造であるため、
例えばシリンダ及びピストンの組で圧縮室を形成し、そ
れらを互いに離して配置することで各々の圧縮室間の流
路抵抗を膨張機の膨張室への流路抵抗よりも大きくする
場合のように、圧縮機（１）の大きさは大きくならず、
そのコンパクト化を保ちつつ両ピストン＜６）、　　（
６）の逆位相モードの振動を抑制することができる。

尚、上記実施例では、第１及び第２コイルばね（１８）
、　　（２０）によりピストン（６）を中立位置に保持
するようにしたが、１つのコイルばねの伸縮付勢力で保
持するようにしてもよい。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）に係る発明によると
、シリンダ内を同位相モードで振動して各々の間の圧縮
室でガスを圧縮する１対の対向するピストンを有するス
ターリング冷凍機用のリニアモータ圧縮機に対して、両
ピストンが逆位相モードで振動するのを規制するように
したことにより、両ピストンを確実に同位相モードで振
動させることができ、対向ピストン型圧縮機のガス圧縮
を確実に行わせることができる。

また、請求項（２）の発明によれば、圧縮室をピストン
に対応して規制板により２室に区画し、その画室を、圧
縮室と膨張機の膨張室との間の流路抵抗よりも大きい流
路抵抗を有する連通路で連通させたことにより、極めて
簡単な構造でかつ圧縮機の大きさを大きくすることなく
岡ピストンの逆位相モードの振動を規制できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る圧縮機の拡大断面図で
ある。第２図はスターリング冷凍機の従来例を示す断面
図である。 （１）・・・圧縮機 （２）・・・ケーシング （５）・・・シリンダ （６）・・・ピストン （８）・・・ガス通路 （８Ｌ　）、　　（８Ｒ）・・・分岐通路（連通路）（
９）・・・ガス通路（連通路） （１５Ｌ ・・・リニアモータ ・・・磁石 ・・・コイル ・・・圧縮室 ）、（１５Ｒ）・・・室 、　　（２０）・・・コイルばね （弾性支持手段） ・・・規制手段 ・・・規制板 理 人

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ケーシング（２）と、該ケーシング（２）内に設
   けられたシリンダ（５）と、該シリンダ（５）内に往復
   動可能に嵌装され、各々の間のシリンダ（５）内の空間
   に圧縮室（１５）を区画形成する１対の対向するピスト
   ン（６）、（６）と、該各ピストン（６）をシリンダ（
   ５）内で往復動可能にケーシング（２）に対し弾性支持
   する弾性支持手段（１８）、（２０）と、磁石（１２）
   及びコイル（１４）を有し、コイル（１４）への所定周
   波数の交流の供給により上記各ピストン（６）を相対す
   るピストン（６）に対し互いに接離するように往復駆動
   する１対のリニアモータ（１０）、（１０）と、上記両
   ピストン（６）、（６）がシリンダ（５）内で同じ方向
   に移動するのを規制する規制手段（２１）とを備えてな
   ることを特徴とするスターリング冷凍機用リニアモータ
   圧縮機。
2. （２）規制手段（２１）は、圧縮室（１５）をシリンダ
   （５）の中央で２室（１５＿Ｌ）、（１５＿Ｒ）に区画
   する規制板（２２）と、該規制板（２２）に仕切られた
   ２室（１５＿Ｌ）、（１５＿Ｒ）同士を連通する連通路
   （８＿Ｌ）、（８＿Ｒ）、（９）とからなり、上記連通
   路（８＿Ｌ）、（８＿Ｒ）、（９）の流路抵抗が圧縮室
   （１５）と膨張機の膨張室との間の流路抵抗よりも大き
   いことを特徴とする請求項（１）記載のスターリング冷
   凍機用リニアモータ圧縮機。