JPH05126042A - リニアモータ圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁束密度分布を均一化することによりリニア
モータの高効率化を図る。 【構成】 継鉄部としての固定体（２）との間で磁気回
路を形成する磁石（１３）を、ピストン（６）に連繋さ
れたコイル（１５）に対向する複数の磁石（１３ａ），
（１３ｂ）によって構成する。磁界強度を維持したまま
で各磁石（１３ａ），（１３ｂ）を小型化し、磁束密度
分布を均一化する。これにより、圧縮機（１）の大型化
を来たすことなしに、リニアモータ（１１）の効率を向
上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、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、駆動源としてのリニアモータの高
効率化対策に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、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。この冷凍機の一例
として、例えば「Refrigerator for Cryogenic Sensor
s」（NASA Conference Publication 2287）に開示され
ているものがある。この冷凍機は、図５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）との組
合せで構成される。前記圧縮機（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
に配置された環状で成る１つの永久磁石（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。前記間隙には中心部
にて前記ピストン（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、前記ボビン（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
ルばねから成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）に導線（i1），（i1）によ
り所定周波数の交流を通電することで、前記間隙内を通
る磁界との作用によりドライブコイル（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
直線往復移動させ、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。

【０００３】一方、前記膨張機（ｋ）は、円筒状シリン
ダ（ｌ）を有し、このシリンダ（ｌ）内にはシリンダ
（ｌ）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（ｏ）は、内部に金属製蓄
冷材（ｏ1 ）（再生式熱交換器）を充填したもので、該
蓄冷材（ｏ1 ）を膨張室（ｍ）及び作動室（ｎ）にそれ
ぞれ連通させる連通孔（ｏ2 ），（ｏ3 ）が開口されて
いる。また、前記作動室（ｎ）内には、ディスプレーサ
（ｏ）を往復動可能に弾性支持するコイルばねからなる
ディスプレーサスプリング（ｐ）が配設されている。さ
らに、前記作動室（ｎ）は前記結合配管（ｑ）を介して
前記圧縮機（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フリーディスプレー
サ（ｏ）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（ｌ）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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
リニアモータ圧縮機の駆動源であるリニアモータ（ｆ）
の高効率化を図るための手段として、永久磁石（ｇ）に
より発生される磁界強度を増大したり、磁束密度分布の
均一化を図ることが考えられる。つまり、永久磁石
（ｇ）を大型化することによって、該永久磁石（ｇ）回
りの磁界強度を増大させ、圧縮機（ａ）の出力とリニア
モータ（ｆ）への電気入力との比率を高めることでリニ
アモータ（ｆ）の高効率化を図ったり、継鉄部を大型化
して磁束の飽和を回避しながら永久磁石の大型化を可能
にするなどしてリニアモータ（ｆ）の高効率化を図るこ
とが考えられる。

【０００５】ところが、このような構成では、永久磁石
（ｇ）の配設スペースや継鉄部の配設スペースを大きく
確保せねばならなるため圧縮機の大型化に繋り、本冷凍
機の本来の目的とする小型軽量化が阻害されてしまうと
いった不具合があった。

【０００６】本発明は、これらの点に鑑みてなされたも
のであって、磁束密度分布の均一化を図ることにより、
永久磁石を大型化することなしにリニアモータの高効率
化を図ることができるリニアモータ圧縮機を得ることを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、永久磁石を磁気回路に沿って分割して
配置することにより、磁界強度を維持したままで各磁石
を小型化し、各磁石間での磁束密度分布の均一化を図る
ようにした。具体的には、内部に往復動可能なピストン
（６）を備えた固定体（２）と、該固定体（２）を継鉄
部として磁気回路を形成する磁石（１３）と、前記ピス
トン（６）に設けられ前記磁気回路の磁界内に配置され
たコイル（１５）とを備えたリニアモータ圧縮機を前提
としている。そして、前記磁石（１３）を、前記コイル
（１５）に対向する複数の磁石（１３ａ），（１３ｂ）
によって構成するようにした。

【０００８】

【作用】上記の構成により、本発明では、圧縮機の駆動
に伴って、ピストン（６）が固定体（２）の内部で往復
運動して圧縮室の容積を変化させる。これによって、圧
縮室内の流体を圧縮し、この圧縮された流体を膨張機に
向って吐出する。そして、この圧縮機の駆動源としての
リニアモータは、磁石（１３）が、コイル（１５）に対
向する複数の磁石（１３ａ），（１３ｂ）によって構成
されているために、各磁石（１３ａ），（１３ｂ）を小
型化することで、磁石（１３）の総体積を変えることな
く磁束密度分布の均一化を図ることができ、これによっ
て、磁束飽和の発生を抑制しながら磁界強度が向上でき
るので、圧縮機を大型化することなしにリニアモータの
効率を向上することができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本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（図５参照）と
組み合わされて冷凍機を構成する。圧縮機（１）は固定
体としての円筒状ケーシング（２）を有する。このケー
シング（２）は、ケーシングアッセンブリ（３），
（３）とシリンダ部材（４）とを備えて成っている。前
記ケーシングアッセンブリ（３），（３）は、略同じ構
成の左右１対の有底円筒状部材であって、夫々が互いに
同心状で、且つその中心線方向に所定間隔を存して対向
するように配設されている。そして、前記シリンダ部材
（４）は、この両ケーシングアッセンブリ（３），
（３）間に挟持されている。前記シリンダ部材（４）
は、純鉄で構成され、外筒（４ａ）と内筒（４ｂ）とが
ドーナツ状の連結部（４ｃ）によって連結されて成って
いる。前記内筒（４ｂ）は本来のシリンダとなる部分で
あって、その内部がピストン挿通孔（５）に形成されて
いる。そして、このシリンダ内筒（４ｂ）のピストン挿
通孔（５）には、有底の中心穴（６ａ）を有する円筒状
の左右１対のピストン（６），（６）がそれぞれ挿入さ
れ、この両ピストン（６），（６）間でシリンダ内筒
（４ｂ）により囲まれた部分が圧縮室（７）とされてい
る。また、ピストン（６）の外径寸法はシリンダ内筒
（４ｂ）の内径寸法よりも僅かに小径に形成されてお
り、この両者間に例えば１０μｍ程度の小間隙が形成さ
れており、この小間隙が流体シール等によってシールさ
れて圧縮室（７）の気密性を確保するようになってい
る。

【００１０】また、このシリンダ部材（４）にはピスト
ン挿通孔（５）から半径方向に延びるガス通路（８）が
形成され、該ガス通路（８）の内端は前記圧縮室（７）
に開口し、一方、ガス通路（８）の外端は前記外筒（４
ａ）内部で環状に延びる環状ガス通路（９）を介して結
合配管（１０）により図外の膨張機に接続されている。
また、圧縮室（７）の中央部には、該圧縮室（７）を左
右の圧縮室（７），（７）に２分割する仕切壁（７ａ）
が配設されており、各圧縮室（７），（７）が夫々独立
してガス通路（８）に連通するように構成されている。

【００１１】前記左右のピストン（６），（６）は、該
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（１１），（１１）に駆動連結されてい
る。すなわち、この各リニアモータ（１１）は、前記シ
リンダ部材（４）の内筒（４ｂ）に固定された純鉄から
なる円筒部材（１２）を有し、この円筒部材（１２）は
シリンダ部材（４）の内筒（４ｂ）に、シリンダ部材
（４）の外筒（４ａ）と所定の間隙をあけるように外嵌
合されている。

【００１２】そして、本例の特徴とする構成としては、
前記円筒状ケーシング（２）と円筒部材（１２）との間
に所定強度の磁界を発生させるために配設される永久磁
石（１３）の配設構造にある。この永久磁石（１３）
は、第１磁石（１３ａ）及び第２磁石（１３ｂ）から成
っている。第１磁石（１３ａ）は、前記円筒部材（１
２）の外周面に外嵌合された薄肉円筒状の永久磁石で成
っている。また、第２磁石（１３ｂ）は、前記第１磁石
（１３ａ）に対向する位置において該第１磁石（１３
ａ）と所定の間隙をあけて前記シリンダ部材（４）の外
筒（４ａ）の内周面に嵌合された薄肉円筒状の永久磁石
で成っている。これによって、各磁石（１３ａ），（１
３ｂ）により純鉄からなる円筒部材（１２）及びシリン
ダ部材（４）を継鉄として各磁石（１３ａ），（１３
ｂ）間に所定強度の磁界を発生させるような構成となっ
ている。このように、永久磁石（１３）を２分割して配
設するようにすると、図２に示すように、各磁石（１３
ａ），（１３）における磁束密度の均一化が図れるた
め、局部的に磁束の飽和が生じるようなことが抑制され
ることになる。つまり、永久磁石の総体積を大きくする
ことなしに、磁界強度の増大を図ることができるように
なっている。

【００１３】一方、前記各ピストン（６）は、該ピスト
ン（６）のシリンダ部材（４）中央と反対側端部から半
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
シリンダ部材（４）中央側に延び且つ先端部が前記第１
磁石（１３ａ）と第２磁石（１３ｂ）との間の間隙に左
右方向に往復動可能に配置された円筒状のボビン（１
４）が連結されている。このボビン（１４）の外周に
は、前記第２磁石（１３ｂ）と対向した位置に凹陥状の
コイル巻付部（１４ａ）が形成されており、このコイル
巻付部（１４ａ）にコイル（１５）が巻き付けられてい
る。

【００１４】そして、各ピストン（６）の質量や後述の
ばね手段（１６）のばね定数で決まる固有振動数に対応
した所定周波数（例えば５０Ｈｚ）の交流電流を両リニ
アモータ（１１），（１１）のコイル（１５），（１
５）に同期して通電することにより、両ピストン
（６），（６）を前記固有振動数で互いに逆方向に往復
動させて、圧縮室（７）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。

【００１５】前記各ピストン（６），（６）の背面に
は、ピストン（６）をシリンダ部材（４）内で往復動可
能にケーシング（２）のケーシングアッセンブリ（３）
に対し弾性支持するためのばね手段（１６）が配設され
ている。即ち、各ケーシングアッセンブリ（３）の内底
面中心にはスプリングホルダアウタ（１７）が取付けら
れている一方、前記各ピストン（６）の中心穴底面中心
にはスプリングボルダインナ（１８）がボルト止めによ
って締結されている。そして、前記スプリングホルダア
ウタ（１７）には、ばね手段（１６）を構成するコイル
ばね（１９）の一端が例えばスプリングホルダアウタ
（１７）の外周に形成した螺旋状スプリング取付溝への
螺合により移動不能に取付けられ、このコイルばね（１
９）の他端はスプリングホルダインナ（１８）の外周に
同様に移動不能に取付けられている。そして、前記ピス
トン（６）が往復動するストローク範囲内では、コイル
ばね（１９）は常に自然長から縮むように設定されてい
る。

【００１６】尚、図１において、（２０）は各ケーシン
グアッセンブリ（３）を覆うカバーである。

【００１７】次に、本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（１１），（１１）のコイル（１５），（１
５）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、第１及び第２永久磁石（１
３ａ），（１３ｂ）間に発生する磁界との作用によりコ
イル（１５），（１５）及びピストン（６），（６）が
それぞれコイルばね（１９）を変形させながら互いに逆
向きに往復動し、この両ピストン（６），（６）がシリ
ンダ部材（４）内で互いに同期して進退することで圧縮
室（７）の容積が増減変化し、圧縮室（７）内に所定周
期の圧力波が生じる。この圧縮室（７）は結合配管（１
０）を介して膨張機に連通しているため、膨張機ではデ
ィスプレーサが前記圧縮室（７）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。

【００１８】そして、この圧縮機（１）の運転時におい
て、上述したように、永久磁石（１３）を２分割して配
設するようにすると、図２に示すように、各磁石（１３
ａ），（１３ｂ）における磁束密度の均一化が図れるた
め、局部的に磁束の飽和が生じるようなことが抑制され
ることになる。これにより、従来のものと比較して永久
磁石の総体積を変えることなしに、磁束の飽和を回避で
き、これによって、磁界が増大されることになるため
に、圧縮機（１）の出力とリニアモータ（１１）への電
気入力との比率を高めることができ、リニアモータ（１
１）の高効率化を図ることができる。つまり、本例の構
成によれば、圧縮機（１）を大型化することなしにリニ
アモータ（１１）の高効率化を図ることができる。

【００１９】以下に、本例の効果を確認するために行っ
た実験解析結果について説明する。この解析は本例の構
成における永久磁石（１３）の配置と従来の永久磁石の
配置との等磁束密度線図及び磁束密度状態を比較したも
のである。図２（ａ）及び（ｂ）には、夫々本例の構成
における等磁束密度線図及び磁束密度状態を示してお
り、図３には永久磁石をコイル（１５）の内側にのみ配
置したもの、図４には永久磁石をコイル（１５）の外側
にのみ配置したものについて、夫々等磁束密度線図及び
磁束密度状態を示している。また、各永久磁石の総体積
は夫々同一としている。この各図からも判るように、図
３及び図４に示される従来の構成では、局部的に（永久
磁石の端縁部において）磁束密度が高く、この部分で磁
束の飽和を発生しやすい状態となっているのに対し、本
例のものでは磁束密度分布の均一化が図られている。こ
のように、本例の構成によれば、磁束密度分布の均一化
を図ることによって磁界強度の増大を図ることができる
ので、圧縮機（１）の大型化を招くことなしにモータ効
率の向上を図ることができる。

【００２０】尚、上述した各実施例では、ピストン
（６）がシリンダ（４）内で往復運動するように構成さ
れた圧縮機について述べたが、ピストンがケーシングに
固定され、内部に該ピストンを配置してピストンに対し
て往復動可能とされた可動シリンダを備えて構成された
圧縮機に採用するようにしてもよい。

【００２１】また、上述した各実施例では、シリンダ
（４）とピストン（６）との間に小間隙を存するように
設定した非接触タイプの圧縮機について述べたが、本発
明は、これに限らず、シリンダとピストンとの間に小間
隙が形成されない接触タイプの圧縮機に適用するように
してもよい。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
リニアモータ圧縮機に対して、磁石（１３）を、コイル
（１５）に対向する複数の磁石（１３ａ），（１３ｂ）
によって構成するようにしているために、各磁石（１３
ａ），（１３ｂ）を小型化することで、磁石（１３）の
総体積を変えることなく磁束密度分布の均一化を図るこ
とができ、これによって、従来では磁束が飽和するよう
な体積をもった磁石（１３）を採用しても、この飽和が
抑制されるために、磁界強度を向上することができ、圧
縮機を大型化することなしにリニアモータの効率の向上
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例におけるリニアモータ圧縮機の
縦断側面図である。

【図２】本発明の構成における等磁束密度線図及び磁束
密度状態を示す図である。

【図３】従来の構成における図２相当図である。

【図４】従来の他の構成における図２相当図である。

【図５】従来のスターリング冷凍機を示す縦断側面図で
ある。

【符号の説明】 （１） リニアモータ圧縮機 （２） ケーシング（固定体） （６） ピストン （１３） 永久磁石 （１３ａ） 第１磁石 （１３ｂ） 第２磁石 （１５） コイル

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【手続補正書】

【提出日】平成４年５月２６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】 明細書

【発明の名称】リニアモータ圧縮機

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、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、駆動源としてのリニアモータの高
効率化対策に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、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。この冷凍機の一例
として、例えば「Refrigerator for Cryogenic Sensor
s」（NASA ConferencePublication 2287）に開示されて
いるものがある。この冷凍機は、図５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）との組合
せで構成される。前記圧縮機（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
配置された環状で成る１つの永久磁石（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。前記間隙には中心部に
て前記ピストン（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、前記ボビン（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
ルばねから成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）に導線（i1），（i1）によ
り所定周波数の交流を通電することで、前記間隙内を通
る磁界との作用によりドライブコイル（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
直線往復移動させ、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。

【０００３】一方、前記膨張機（ｋ）は、円筒状シリン
ダ（ｌ）を有し、このシリンダ（ｌ）内にはシリンダ
（ｌ）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（ｏ）は、内部に金属製蓄
冷材（ｏ1 ）（再生式熱交換器）を充填したもので、該
蓄冷材（ｏ1 ）を膨張室（ｍ）及び作動室（ｎ）にそれ
ぞれ連通させる連通孔（ｏ2 ），（ｏ3 ）が開口されて
いる。また、前記作動室（ｎ）内には、ディスプレーサ
（ｏ）を往復動可能に弾性支持するコイルばねからなる
ディスプレーサスプリング（ｐ）が配設されている。さ
らに、前記作動室（ｎ）は前記結合配管（ｑ）を介して
前記圧縮機（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フリーディスプレー
サ（ｏ）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（ｌ）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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
リニアモータ圧縮機の駆動源であるリニアモータ（ｆ）
の高効率化を図るための手段として、永久磁石（ｇ）に
より発生される磁界強度を増大したり、磁束密度分布の
均一化を図ることが考えられる。つまり、永久磁石
（ｇ）を大型化することによって、該永久磁石（ｇ）回
りの磁界強度を増大させ、圧縮機（ａ）の出力とリニア
モータ（ｆ）への電気入力との比率を高めることでリニ
アモータ（ｆ）の高効率化を図ったり、継鉄部を大型化
して磁束の飽和を回避しながら永久磁石の大型化を可能
にするなどしてリニアモータ（ｆ）の高効率化を図るこ
とが考えられる。

【０００５】ところが、このような構成では、永久磁石
（ｇ）の配設スペースや継鉄部の配設スペースを大きく
確保せねばならなくなるため圧縮機の大型化に繋り、本
冷凍機の本来の目的とする小型軽量化が阻害されてしま
うといった不具合があった。

【０００６】本発明は、これらの点に鑑みてなされたも
のであって、磁束密度分布の均一化を図ることにより、
永久磁石を大型化することなしにリニアモータの高効率
化を図ることができるリニアモータ圧縮機を得ることを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、永久磁石を磁気回路に沿って分割して
配置することにより、磁界強度を維持したままで各磁石
を小型化し、各磁石間での磁束密度分布の均一化を図る
ようにした。具体的には、内部に往復動可能なピストン
（６）を備えた固定体（２）と、該固定体（２）を継鉄
部として磁気回路を形成する磁石（１３）と、前記ピス
トン（６）に設けられ前記磁気回路の磁界内に配置され
たコイル（１５）とを備えたリニアモータ圧縮機を前提
としている。そして、前記磁石（１３）を、前記コイル
（１５）に対向する複数の磁石（１３ａ），（１３ｂ）
によって構成するようにした。

【０００８】

【作用】上記の構成により、本発明では、圧縮機の駆動
に伴って、ピストン（６）が固定体（２）の内部で往復
運動して圧縮室の容積を変化させる。これによって、圧
縮室内の流体を圧縮し、この圧縮された流体を膨張機に
向って吐出する。そして、この圧縮機の駆動源としての
リニアモータは、磁石（１３）が、コイル（１５）に対
向する複数の磁石（１３ａ），（１３ｂ）によって構成
されているために、各磁石（１３ａ），（１３ｂ）を小
型化することで、磁石（１３）の総体積を変えることな
く磁束密度分布の均一化を図ることができ、これによっ
て、磁束飽和の発生を抑制しながら磁界強度が向上でき
るので、圧縮機を大型化することなしにリニアモータの
効率を向上することができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本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（図５参照）と
組み合わされて冷凍機を構成する。圧縮機（１）は固定
体としての円筒状ケーシング（２）を有する。このケー
シング（２）は、左右の端面部（３），（３）とシリン
ダ部（４）とを備えて成っている。前記端面部（３），
（３）は、略同じ構成の左右１対の円板状部であって、
夫々が互いに同心状で、且つその中心線方向に所定間隔
を存して対向するように配設されている。そして、前記
シリンダ部（４）は、この両端面部（３），（３）間に
位置されている。前記シリンダ部（４）は、純鉄で構成
され、外筒（４ａ）と内筒（４ｂ）とがドーナツ状の連
結部（４ｃ）によって連結されて一体形成されて成って
いる。前記内筒（４ｂ）は本来のシリンダとなる部分で
あって、その内部がピストン挿通孔（５）に形成されて
いる。そして、このシリンダ内筒（４ｂ）のピストン挿
通孔（５）には、有底の中心穴（６ａ）を有する円筒状
の左右１対のピストン（６），（６）がそれぞれ挿入さ
れ、この両ピストン（６），（６）間でシリンダ内筒
（４ｂ）により囲まれた部分が圧縮室（７）とされてい
る。また、ピストン（６）の外径寸法はシリンダ内筒
（４ｂ）の内径寸法よりも僅かに小径に形成されてお
り、この両者間に例えば１０μｍ程度の小間隙が形成さ
れており、この小間隙が流体シール等によってシールさ
れて圧縮室（７）の気密性を確保するようになってい
る。

【００１０】また、このシリンダ部（４）にはピストン
挿通孔（５）から半径方向に延びるガス通路（８）が形
成され、該ガス通路（８）の一端は前記圧縮室（７）に
開口し、一方、ガス通路（８）の他端は結合配管（１
０）により図外の膨張機に接続されている。

【００１１】前記左右のピストン（６），（６）は、該
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（１１），（１１）に駆動連結されてい
る。

【００１２】そして、本例の特徴とする構成としては、
前記円筒状ケーシング（２）の外筒（４ａ）と内筒（４
ｂ）との間に所定強度の磁界を発生させるために配設さ
れる永久磁石（１３）の配設構造にある。この永久磁石
（１３）は、第１磁石（１３ａ）及び第２磁石（１３
ｂ）から成っている。第１磁石（１３ａ）は、前記内筒
（４ｂ）の外周面に外嵌合された薄肉円筒状の永久磁石
で成っている。また、第２磁石（１３ｂ）は、前記第１
磁石（１３ａ）に対向する位置において該第１磁石（１
３ａ）と所定の間隙をあけて前記シリンダ部（４）の外
筒（４ａ）の内周面に嵌合された薄肉円筒状の永久磁石
で成っている。これによって、各磁石（１３ａ），（１
３ｂ）により外筒（４ａ）、内筒（４ｂ）及び連結部
（４ｃ）を継鉄として各磁石（１３ａ），（１３ｂ）間
に所定強度の磁界を発生させるような構成となってい
る。このように、永久磁石（１３）を２分割して配設す
るようにすると、図２に示すように、各磁石（１３
ａ），（１３ｂ）における磁束密度の均一化が図れるた
め、局部的に磁束の飽和が生じるようなことが抑制され
ることになる。つまり、永久磁石の総体積を大きくする
ことなしに、磁界強度の増大を図ることができるように
なっている。

【００１３】一方、前記各ピストン（６）は、該ピスト
ン（６）のシリンダ部（４）中央と反対側端部から半径
方向外側に延びるフランジ部（６ｂ）を有し、該フラン
ジ部（６ｂ）の外周は、ピストン（６）と同心状にシリ
ンダ部（４）中央側に延び、且つその先端部における前
記第１磁石（１３ａ）及び第２磁石（１３ｂ）と対向し
た位置にコイル（１５）が配設されている。

【００１４】そして、各ピストン（６）の質量や後述の
コイルばね（１９）のばね定数で決まる固有振動数に対
応した所定周波数（例えば５０Ｈｚ）の交流電流を両リ
ニアモータ（１１），（１１）のコイル（１５），（１
５）に同期して通電することにより、両ピストン
（６），（６）を前記固有振動数で互いに逆方向に往復
動させて、圧縮室（７）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。

【００１５】前記各ピストン（６），（６）の背面に
は、ピストン（６）をシリンダ部（４）内で往復動可能
にケーシング（２）の端面部（３）に対し弾性支持する
ためのコイルばね（１９）が配設されている。そして、
前記ピストン（６）が往復動するストローク範囲内で
は、コイルばね（１９）は常に自然長から縮むように設
定されている。

【００１６】次に、本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（１１），（１１）のコイル（１５），（１
５）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、第１及び第２永久磁石（１
３ａ），（１３ｂ）間に発生する磁界との作用によりコ
イル（１５），（１５）及びピストン（６），（６）が
それぞれコイルばね（１９）を変形させながら互いに逆
向きに往復動し、この両ピストン（６），（６）がシリ
ンダ部（４）内で互いに同期して進退することで圧縮室
（７）の容積が増減変化し、圧縮室（７）内に所定周期
の圧力波が生じる。この圧縮室（７）は結合配管（１
０）を介して膨張機に連通しているため、膨張機ではデ
ィスプレーサが前記圧縮室（７）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。

【００１７】そして、この圧縮機（１）の運転時におい
て、上述したように、永久磁石（１３）を２分割して配
設するようにすると、図２に示すように、各磁石（１３
ａ），（１３ｂ）における磁束密度の均一化が図れるた
め、局部的に磁束の飽和が生じるようなことが抑制され
ることになる。これにより、従来のものと比較して永久
磁石の総体積を変えることなしに、磁束の飽和を回避で
き、これによって、磁界が増大されることになるため
に、圧縮機（１）の出力とリニアモータ（１１）への電
気入力との比率を高めることができ、リニアモータ（１
１）の高効率化を図ることができる。つまり、本例の構
成によれば、圧縮機（１）を大型化することなしにリニ
アモータ（１１）の高効率化を図ることができる。

【００１８】以下に、本例の効果を確認するために行っ
た実験解析結果について説明する。この解析は本例の構
成における永久磁石（１３）の配置と従来の永久磁石の
配置との等磁束密度線図及び磁束密度状態を比較したも
のである。図２（ａ）及び（ｂ）には、夫々本例の構成
における等磁束密度線図及び磁束密度状態を示してお
り、図３には永久磁石をコイル（１５）の内側にのみ配
置したもの、図４には永久磁石をコイル（１５）の外側
にのみ配置したものについて、夫々等磁束密度線図及び
磁束密度状態を示している。また、各永久磁石の総体積
は夫々同一としている。この各図からも判るように、図
３及び図４に示される従来の構成では、局部的に（永久
磁石の端縁部において）磁束密度が高く、この部分で磁
束の飽和を発生しやすい状態となっているのに対し、本
例のものでは磁束密度分布の均一化が図られている。こ
のように、本例の構成によれば、磁束密度分布の均一化
を図ることによって磁界強度の増大を図ることができる
ので、圧縮機（１）の大型化を招くことなしにモータ効
率の向上を図ることができる。

【００１９】尚、上述した各実施例では、ピストン
（６）がシリンダ部（４）内で往復運動するように構成
された圧縮機について述べたが、ピストンがケーシング
に固定され、内部に該ピストンを配置してピストンに対
して往復動可能とされた可動シリンダを備えて構成され
た圧縮機に採用するようにしてもよい。

【００２０】また、上述した各実施例では、シリンダ部
（４）とピストン（６）との間に小間隙を存するように
設定した非接触タイプの圧縮機について述べたが、本発
明は、これに限らず、シリンダとピストンとの間に小間
隙が形成されない接触タイプの圧縮機に適用するように
してもよい。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
リニアモータ圧縮機に対して、磁石（１３）を、コイル
（１５）に対向する複数の磁石（１３ａ），（１３ｂ）
によって構成するようにしているために、各磁石（１３
ａ），（１３ｂ）を小型化することで、磁石（１３）の
総体積を変えることなく磁束密度分布の均一化を図るこ
とができ、これによって、従来では磁束が飽和するよう
な体積をもった磁石（１３）を採用しても、この飽和が
抑制されるために、磁界強度を向上することができ、圧
縮機を大型化することなしにリニアモータの効率の向上
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例におけるリニアモータ圧縮機の
縦断側面図である。

【図２】本発明の構成における等磁束密度線図及び磁束
密度状態を示す図である。

【図３】従来の構成における図２相当図である。

【図４】従来の他の構成における図２相当図である。

【図５】従来のスターリング冷凍機を示す縦断側面図で
ある。

【符号の説明】 （１） リニアモータ圧縮機 （２） ケーシング（固定体） （６） ピストン （１３） 永久磁石 （１３ａ） 第１磁石 （１３ｂ） 第２磁石 （１５） コイル

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に往復動可能なピストン（６）を備
   えた固定体（２）と、該固定体（２）を継鉄部として磁
   気回路を形成する磁石（１３）と、前記ピストン（６）
   に設けられ前記磁気回路の磁界内に配置されたコイル
   （１５）とを備えたリニアモータ圧縮機であって、 前記磁石（１３）は、前記コイル（１５）に対向して配
   置された複数の磁石（１３ａ），（１３ｂ）によって構
   成されていることを特徴とするリニアモータ圧縮機。