JPH11132585A - 振動型圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低ストローク時の圧縮効率を改善することに
より、広い能力範囲にわたって圧縮機の効率を向上させ
る。 【解決手段】 スターリング冷凍機(R) は、ガスを圧縮
するダブルピストン型の振動型圧縮機(C) と、当該圧縮
機(C) から吐出されたガスを膨張させて寒冷を発生させ
るフリーディスプレーサ型膨張機(E) とを備える。圧縮
機(C) に、ピストン(7) と一体化されたボビン(17)との
間の距離を計測することによりピストン(7) の位置を検
出するギャップセンサ(71)を設ける。ギャップセンサ(7
1)からの出力信号を受け、ピストン(7) の上死点が常に
予め設定した所定範囲に入るように、駆動コイル(18)に
供給する交流電流をオフセットさせてピストン(7) の中
立位置を変更するコントローラ(81)を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ピストンの往復動
によって流体を圧縮する振動型圧縮機に係り、特に、振
動型圧縮機の効率対策に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、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、フリーディスプレーサ型
スターリング冷凍機等の往復動型冷凍機が知られてい
る。この種の冷凍機は、ガスを圧縮する振動型圧縮機
と、当該圧縮機から吐出されたガスを膨張させる膨張機
とを組み合わせて構成されている。

【０００３】例えば、特開平８−３０３８９２号公報に
開示されているように、振動型圧縮機として対向ピスト
ン型（ダブルピストン型）のものが知られている。図８
に示すように、この種の対向ピストン型の圧縮機は、密
閉型のハウジング(101) と、ハウジング(101) 内に配置
されたシリンダ(105) と、シリンダ(105) 内に往復動自
在に嵌装され、シリンダ(105) の長さ方向中央部内に圧
縮空間(111) を区画する有底円筒状の１対のピストン(1
09),(109) と、各ピストン(109) を往復駆動する駆動源
としてのリニアモータ(116),(116)とを備えている。上
記圧縮空間(111)は、ガス通路(121) 及び連結管(114)
を介して図示しない膨張機に接続されている。上記各リ
ニアモータ(116) は、シリンダ(105) 周りに配置された
環状の永久磁石(118)を有し、この永久磁石(118)によ
り、シリンダ(105) の中心と同心の円筒状の空間に磁界
を発生させる。この空間には、中心部においてピストン
(109) に一体的に固定されたボビン(119) が配設され、
ボビン(119) の外周には電磁コイル(120) が巻き付けら
れている。また、各ピストン(109) の背面側と、シリン
ダ(105) の開口端に対向するハウジング(101) 内壁面と
の間には、それぞれピストン(109) を往復動自在に弾性
支持するためのコイルばね(131) が架設されている。そ
して、リニアモータ(116) の電磁コイル(120) に所定周
波数の交流を供給することで、その電磁コイル(120) に
流れる電流と永久磁石(118) による磁界との間で作用す
る電磁力により、ボビン(119) を駆動する。これによ
り、両ピストン(109),(109) がシリンダ(105) 内で互い
に接離するように往復移動を行い、圧縮空間(111) 内に
所定周期のガス圧が発生する。

【０００４】一方、図示しないが、膨張機は円筒状シリ
ンダを有し、このシリンダ内にはシリンダ内を膨張空間
と作動空間とに区画するフリーディスプレーサが往復動
自在に嵌装されている。このフリーディスプレーサは、
内部に蓄冷器（再生式熱交換器）を充填したもので、当
該蓄冷器は膨張空間及び作動空間にそれぞれ連通されて
いる。上記作動空間内には、フリーディスプレーサを往
復動自在に弾性支持するコイルばねが配設されている。
さらに、作動空間は上記連結管(114) を介して上記圧縮
機の圧縮空間(111) に接続されている。そして、圧縮機
からガス圧が供給されることによりフリーディスプレー
サが往復動を行い、膨張空間においてガスが膨張し、シ
リンダ先端のコールドヘッドに寒冷が発生する。

【０００５】上述のように、振動型圧縮機においては、
ピストン(109) はボビン(119) と一体化されて可動部を
なしている。この可動部は、コイルばね(131) によって
支持されており、予め設定した所定の中立位置を基準に
往復動を行う。

【０００６】ところで、上記往復動型冷凍機における冷
凍能力の制御は、通常、電磁コイル(120) に供給する交
流電流を調節することによって行われる。つまり、一定
の中立位置を基準にピストン(109) のストロークを変化
させることにより、圧縮機の能力を調節し、これによっ
て冷凍能力を制御することとしている。

【０００７】図９（ａ）に模式的に示すように、ピスト
ン(109) の中立位置Ｎは、ピストン(109) のストローク
が最大のときにピストン(109) の頂面(201) と圧縮空間
(111) の中心位置との間に、最小限の死容積（トップク
リアランス）Ａ１が確保されるように設定されている。
すなわち、ピストン(109),(109) 同士の接触を回避する
ため、たとえ圧縮機の能力が最大のときであっても両ピ
ストン(109) の頂面(201) の間に隙間が生じるように設
定されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、中立位置Ｎ
は一定であるため、図９（ｂ）に示すように、ピストン
(109) のストロークが小さいときには、死容積Ａ２は大
きくなる。つまり、圧縮機の能力を低くするほど、圧縮
空間の死容積は増大していた。死容積が大きくなると、
圧縮機の体積効率が低下するので、圧縮機効率は低下す
る。従って、従来は、低能力時に能力制御に見合った分
の入力電力の減少の効果が得られていなかった。そのた
め、能力を可変に制御する場合、圧縮機の効率が十分に
高いとは言い難かった。本発明は、かかる点に鑑みてな
されたものであり、その目的とするところは、低ストロ
ーク時の効率を改善し、広い能力範囲にわたって圧縮機
の効率を向上させることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、圧縮空間の死容積が一定になるように、
運転状態に応じてピストンの中立位置を制御することと
した。

【００１０】具体的には、第１の発明は、シリンダ(3)
と、該シリンダ(3) に挿入されて該シリンダ(3) 内部に
圧縮空間(8) を区画形成するピストン(7) が設けられた
可動部(20)と、該ピストン(7) が該シリンダ(3) 内で往
復動自在になるように該可動部(20)を弾性支持する弾性
部材(26)と、該可動部(20)または該シリンダ(3) のいず
れか一方に固定された駆動用磁石(16)と、該可動部(20)
または該シリンダ(3)の他方に設けられ、該ピストン(7)
が該シリンダ(3) 内で往復動するための電磁力が生じ
るように電流が供給される駆動コイル(18)とを備え、該
圧縮空間(8) 内で冷媒ガスを周期的に圧縮する振動型圧
縮機において、上記圧縮空間(8) の死容積が所定の定容
積になるように上記ピストン(7) の中立位置を変更する
中立位置制御手段(71,77,81,82) を備えていることとし
たものである。

【００１１】上記発明特定事項により、駆動コイル(18)
に所定の電流が供給されると、ピストン(7) がシリンダ
(3) 内で所定の周期で互いに接離するように往復動し、
圧縮空間(8) においてガスが周期的に圧縮される。この
際、中立位置制御手段によって、圧縮空間(8) の死容積
が常に一定の容積になるように、ピストン(7) の中立位
置が変更される。そのため、ピストン(7) のストローク
の大小に関わらず死容積は一定となり、ピストン(7) の
ストロークが小さいときに圧縮効率が低下することがな
い。従って、広い能力範囲にわたって圧縮機の効率が高
く維持される。

【００１２】第２の発明は、第１の発明の振動型圧縮機
において、駆動コイル(18)に交流電流を供給する駆動電
源(80)が設けられている一方、中立位置制御手段は、ピ
ストン(7) の位置を検出するセンサ(71,79) と、該セン
サ(71,79) からの出力信号を受け、ピストン(7) の上死
点が予め設定した定位置になるように、上記駆動電源(8
0)が供給する交流電流をオフセットさせる制御手段(74,
75,76)とを備えていることとしたものである。

【００１３】上記発明特定事項により、センサ(71,79)
はピストン(7) の上死点の位置を検出し、出力信号を制
御手段に送信する。制御手段は、ピストン(7) の上死点
が予め設定した所定位置になるように、駆動コイル(18)
に供給する交流電流をオフセットする。従って、駆動コ
イル(18)にはオフセットされた交流電流が供給されるの
で、ピストン(7) の中立位置はオフセット量に応じて移
動することになる。その結果、圧縮空間(8) の死容積が
一定に保たれ、圧縮効率の低下が防止される。

【００１４】第３の発明は、第１の発明の振動型圧縮機
において、駆動コイル(18)に交流電流を供給する駆動電
源(80)が設けられ、可動部(20)またはシリンダ(3) のう
ちの駆動用磁石(16)が設けられた側には、ピストン(7)
を変位させるための電磁力が生じるように直流電流が供
給される補助コイル(77)が設けられている一方、中立位
置制御手段は、ピストン(7) の位置を検出するセンサ(7
1,79) と、上記補助コイル(77)に直流電流を供給する直
流電源(78)と、該センサ(71,79) からの出力信号を受
け、ピストン(7) の上死点が予め設定した定位置になる
ように、該直流電源(78)が供給する直流電流を制御する
制御回路(74)とを備えていることとしたものである。

【００１５】上記発明特定事項により、センサ(71,79)
はピストン(7) の上死点の位置を検出し、出力信号を制
御回路(74)に送信する。出力信号を受けた制御回路(74)
は、ピストン(7) の上死点が予め設定した定位置になる
ように、直流電源(78)が供給する直流電流を制御する。
従って、補助コイル(77)に所定の直流電流が供給され、
中立位置を変位させるような一定の電磁力がピストン
(7) に加わる。その結果、ピストン(7) は新たな中立位
置を中心とした往復動を行うようになる。従って、圧縮
空間(8) の死容積が一定に保たれ、圧縮効率の低下が防
止される。

【００１６】第４の発明は、第２または第３の発明に係
る振動型圧縮機において、中立位置制御手段のセンサ
は、ギャップセンサ(71)により構成されていることとし
たものである。

【００１７】第５の発明は、第２または第３の発明に係
る振動型圧縮機において、中立位置制御手段のセンサ
は、ＬＶＤＴセンサ(79)により構成されていることとし
たものである。

【００１８】上記発明特定事項により、具体的な構成に
より、中立位置制御手段のセンサが得られる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００２０】＜実施形態１＞図１は実施形態１に係る振
動型圧縮機(C) を搭載したスターリング冷凍機(R)を示
す。本スターリング冷凍機(R) は、ダブルピストン型の
振動型圧縮機(C) とフリーディスプレーサ型の膨張機
(E) とが組み合わされて構成されている。

【００２１】圧縮機(C) は、垂直上下方向に延びる密閉
円筒状のハウジング(1) を有する。このハウジング(1)
は、上下方向の中心線を有する円筒壁部(1a)と、円筒壁
部(1a)の両端開口部を気密に閉塞する円板壁部(1b),(1
b) とからなる。ハウジング(1) 内には、両端が開放さ
れた上下方向に延びる１つの円筒状のシリンダ(3) がハ
ウジング(1) の円筒壁部(1a)と同心状に配置されて収容
されている。シリンダ(3) の長さ方向中央部の外周に
は、シリンダ(3) の中心線と直交する方向に延びる円板
状のフランジ(4) が一体的に形成されている。フランジ
(4) の外周端には、シリンダ(3) と同心に上下方向に延
びる円筒状の嵌合部(5) が一体に形成されている。ま
た、シリンダ(3) の外周には、円筒状の継鉄部材(6) が
嵌合固定されている。これらシリンダ(3) 、フランジ
(4) 、嵌合部(5) 及び継鉄部材(6) は純鉄等の磁性材料
からなっていて、ヨーク（継鉄）を構成している。嵌合
部(5) はハウジング(1) の円筒壁部(1a)内周に移動不能
に嵌合されて固定され、これによりシリンダ(3) がハウ
ジング(1) に一体的に固定されている。

【００２２】シリンダ(3) には、有底円筒状の上下一対
のピストン(7),(7) がそれぞれ先端側を対向させた状態
で摺動自在に嵌装され、この両ピストン(7),(7) 間のシ
リンダ(3) により囲まれた部分に圧縮空間(8) が形成さ
れている。シリンダ(3) 、フランジ(4) 及び嵌合部(5)
には、シリンダ(3) 内周面から嵌合部(5) 外周面まで半
径方向に貫通するガス通路(9) が形成されている。この
ガス通路(9) の内端は圧縮空間(8) に常時連通されてい
る一方、外端はハウジング(1) の円筒壁部(1a)に開口し
た貫通孔(10)、及び貫通孔(10)に連結した連結管(49)を
介してフリーディスプレーサ型膨張機(E) に接続されて
いる。

【００２３】上下のピストン(7),(7) は、それぞれ各ピ
ストン(7) を往復駆動する駆動源としてのリニアモータ
(15),(15) に連結されている。各リニアモータ(15)は、
継鉄部材(6) の外周に嵌合部(5) 内周面と円環状の空間
をあけた状態で嵌合固定された環状の永久磁石からなる
駆動用磁石(16)を有している。各リニアモータ(15)は、
この駆動用磁石(16)により、継鉄部材(6) 、フランジ
(4) 及び嵌合部(5) をヨークとして駆動用磁石(16)外周
面と嵌合部(5) 内周面との間の空間からなる磁気ギャッ
プに所定強度の磁界（静止磁場）を発生させる。

【００２４】各ピストン(7) は、その背面側、つまりシ
リンダ(3) 中央と反対側の開口端部から半径方向外側に
延びるフランジ部(7a)を有する。フランジ部(7a)の外周
には、リニアモータ(15)の駆動部としての有底円筒状の
ボビン(17)が底壁側にて移動一体に結合されている。ボ
ビン(17)の開口側は、ピストン(7) と同心状にシリンダ
(3) 中央側に延び、かつその先端部が駆動用磁石(16)外
周面と嵌合部(5) 内周面との間の磁気ギャップに上下方
向に往復動自在に配置されている。ボビン(17)の先端寄
り外周には、駆動用磁石(16)と対応した位置に電磁コイ
ルからなる駆動コイル(18)（ソレノイド）が巻回されて
いる。そして、ボビン(17)及びピストン(7) （詳しく
は、駆動コイル(18)等の可動部分全体を含む）によって
可動部(20)が構成されている。従って、この可動部(20)
は、ハウジング(1) やシリンダ(3)等に対し相対移動自
在に構成されている。

【００２５】各継鉄部材(6) には、継鉄部材(6) の端部
とリニアモータ(15)のフランジ部(7a)との間の距離を計
測することによりピストン(7) の位置を検出するギャッ
プセンサ(71)がそれぞれ埋設されている。ギャップセン
サ(71)は、後述するコントローラ(81)に信号線を介して
接続されている。

【００２６】各駆動コイル(18)は、それぞれリード線(7
0)及びハウジング(1) の各円板壁部(1b)に絶縁状態で貫
通支持した電流導入端子(23),(23) を介して、圧縮機
(C) 外のコントローラ(81)に接続されている。コントロ
ーラ(81)は、駆動電源(80)に接続されている。コントロ
ーラ(81)は、駆動電源(80)からの交流電流をリニアモー
タ(15),(15) の各駆動コイル(18),(18) に同期させなが
ら供給することにより、両ピストン(7),(7) を所定の運
転周波数で互いに接離するように逆方向に往復動させ、
圧縮空間(8) 内に所定周期のガス圧を発生させる。

【００２７】ハウジング(1) の円板壁部(1b)内壁面に
は、ピストン(7) の軸線上の位置にそれぞれ円筒状のハ
ウジング側ばね取付部材(24)が突設され、このハウジン
グ側ばね取付部材(24)の外周には、螺旋状のばね取付溝
(24a) が形成されている。一方、各ピストン(7) の底面
にはピストン側ばね取付部材(25)が一体的に取り付けら
れ、このピストン側ばね取付部材(25)の外周にも螺旋状
のばね取付溝(25a) が形成されている。そして、ハウジ
ング側ばね取付部材(24)のばね取付溝(24a) に対し圧縮
機側弾性部材としてのコイルばね(26)が、その一端部が
ばね取付溝(24a)に螺合状態で移動不能に取り付けら
れ、その他端部がばね取付溝(25a) に螺合状態で移動不
能に取り付けられている。つまり、ハウジング(1) の内
壁面と各ピストン(7) の背面側との間にコイルばね(26)
が掛け渡されており、このコイルばね(26)によりピスト
ン(7) がシリンダ(3) に対して上下方向に往復動自在に
弾性支持されている。

【００２８】一方、フリーディスプレーサ型膨張機(E)
は、左右方向に延びる円筒状シリンダ(31)を有してい
る。この円筒状シリンダ(31)は、その先端側（図１に示
す左側）の開口部がコールドヘッド(32)により、その基
端側（図１に示す右側）の開口部がフランジ(33)により
それぞれ気密に閉塞されている。円筒状シリンダ(31)内
には、その内部空間を先端側の膨張空間(35)と基端側の
作動空間(36)とに区画する中央円筒状のフリーディスプ
レーサ(37)が左右方向に往復動自在に嵌装されている。
フリーディスプレーサ(37)は、内部空間に蓄冷器(38)
（再生式熱交換器）を充填したものである。この蓄冷器
(38)は、フリーディスプレーサ(37)の両端に開口した連
通孔(39),(40) により、それぞれ膨張空間(35)及び作動
空間(36)に連通されている。

【００２９】フリーディスプレーサ(37)の基端部には、
ディスプレーサ側ばね取付部(42)が設けられ、このディ
スプレーサ側ばね取付部(42)の外周には螺旋状のばね取
付溝(42a) が形成されている。また、フランジ(33)にお
ける作動空間(36)に臨む部分にはフランジ側ばね取付部
(43)が設けられ、このフランジ側ばね取付部(43)の外周
にも同様のばね取付溝(43a) が形成されている。そし
て、ディスプレーサ側ばね取付部(42)のばね取付溝(42
a) には、作動空間(36)に位置する膨張機側弾性部材と
してのコイルばね(44)の一端部が取付溝(42a) へのばね
端部の螺合により移動不能に取り付けられ、このコイル
ばね(44)の他端はフランジ側ばね取付部(43)のばね取付
溝(43a) に同様の螺合状態で移動不能に取り付けられて
いる。よって、フランジ(33)とフリーディスプレーサ(3
7)との間にコイルばね(44)が掛け渡されており、このコ
イルばね(44)によりフリーディスプレーサ(37)がフラン
ジ(33)、従って当該フランジ(33)と一体的に固定されて
いる円筒状シリンダ(31)に対し左右方向に往復動自在に
弾性支持されている。

【００３０】さらに、フランジ(33)には、作動空間(36)
に連通するガス孔(45)が貫通形成されている。このガス
孔(45)の外端側には、連結管(49)が気密に嵌合固定され
ている。よって、この膨張機(E) の作動空間(36)は、連
結管(49)を介して圧縮機(C)の圧縮空間(8) に接続され
ている。これら圧縮機(C) のガス通路(9) から連結管(4
9)内の空間を経て膨張機(E) の作動空間(36)に至る部分
は連通路(50)となり、この連通路(50)及び作動空間(36)
により常温空間(51)が構成されている。そして、圧縮機
(C) からのガス圧により膨張機(E) のフリーディスプレ
ーサ(37)を円筒状シリンダ(31)内で往復動させてガスを
膨張空間(35)で膨張させることにより、円筒状シリンダ
(31)の先端のコールドヘッド(32)に寒冷が発生する。

【００３１】膨張機(E) の作動空間(36)周りの円筒状シ
リンダ(31)には、作動空間(36)内のガスを冷却するため
の冷却用フィン(72)が突設されている。

【００３２】次に、図２のブロック図を参照しながらコ
ントローラ(81)の構成を説明する。

【００３３】コントローラ(81)は、ギャップセンサ(71)
からの計測信号を受けてピストン(7) の変位を求める変
位計(73)と、変位計(73)から出力された変位信号を受け
取り、当該変位信号に基づいて駆動電源(80)からの交流
の基準レベルを変更制御する制御回路(74)と、制御回路
(74)からの信号及び交流電流を受け取り、当該交流電流
から所定の波形を発生させる波形発生器(76)と、波形発
生器(76)からの交流電流を増幅させてリニアモータ(1
5),(15) の駆動コイル(18),(18) に供給するアンプ(75)
とを備えて中立位置制御手段を構成している。なお、波
形発生器(76)としては、例えばインバータが用いられ
る。

【００３４】次に、本スターリング冷凍機(R) の作動に
ついて説明する。

【００３５】運転開始に伴い、駆動電源(80)から交流電
流がコントローラ(81)を介して両リニアモータ(15),(1
5) の駆動コイル(18),(18) に同期して供給、つまり通
電される。この通電に伴い、駆動コイル(18)及び駆動用
磁石(16)による磁界間の作用により、ボビン(17)及びピ
ストン(7) からなる両可動部(20),(20) が各々の中立位
置から互いに接離するように逆向きに往復動し、両ピス
トン(7),(7) の接離により圧縮空間(8) の容積が増減変
化し、圧縮空間(8) 内に所定周期の圧力波が生じる。圧
縮空間(8) は連結管(49)を介して膨張機(E) に連通して
いるため、膨張機(E) ではフリーディスプレーサ(37)が
圧縮空間(8) の圧力波と同じ周期で往復動し、膨張空間
(35)におけるガスの膨張により寒冷が生じる。その後、
このフリーディスプレーサ(37)の往復動の繰り返しによ
り、円筒状シリンダ(31)の先端のコールドヘッド(32)が
次第に極低温レベルにまで冷却される。

【００３６】ここで、上記のようなピストン(7) の往復
動に際し、本発明の特徴として、ピストン(7) の上死点
が予め定めた所定位置になるように、ピストン(7) の中
立位置Ｎが制御される。すなわち、図４に示すように、
本圧縮機(C) においては、ピストン(7) の上死点が所定
範囲Ｘ１〜Ｘ２に入るように、駆動コイル(18)に供給す
る交流電流をオフセットする。

【００３７】具体的には、ギャップセンサ(71)がピスト
ン(7) の位置を検出し、計測信号を変位計(73)に送信す
る。ギャップセンサ(71)からの計測信号を受け取った変
位計(73)は、ピストン(7) の上死点の位置を特定し、ピ
ストン(7) の上死点の位置を示す変位信号を制御回路(7
4)に送信する。変位信号を受け取った制御回路(74)は、
ピストン(7) の上死点が予め設定された所定範囲Ｘ１〜
Ｘ２にあるか否かを判定する。その結果、当該上死点が
上記所定範囲にある場合には、交流電圧波形に変更を加
えることなく現状の運転を継続する。一方、当該上死点
が上記所定範囲にない場合には、当該所定範囲に入るよ
うに波形発生器(76)に信号を伝送し、波形発生器(76)に
おいて交流電圧波形をオフセットする。オフセットされ
た交流電圧波形はアンプ(75)において増幅され、当該波
形を有する交流電流がリニアモータ(15),(15) の駆動コ
イル(18),(18) に供給される。

【００３８】その結果、例えば図３に示すように、ピス
トン(7) のストロークが最大の場合、すなわち冷凍機
(R) が最大能力で運転を行う場合には、ピストン(7)の
上死点が所定範囲Ｘ１〜Ｘ２に入るので、交流電圧波形
のオフセットは行わない。

【００３９】これに対し、例えば図４に示すように、ピ
ストン(7) のストロークが比較的小さい場合、つまり冷
凍機(R) が低能力運転を行う場合には、ピストン(7) の
上死点が所定範囲Ｘ１〜Ｘ２に入るように、交流電圧波
形がプラス側にΔＶだけオフセットされる。このことに
より、ピストン(7) の中立位置はＮ１からＮ２に移動
し、ピストン(7) は新たな中立位置Ｎ２を基準とした低
ストロークの往復動を行う。

【００４０】また、両ピストン(7),(7) の上死点同士が
近づきすぎた場合には、両ピストン(7),(7) の衝突を回
避するため、交流電圧波形がマイナス側にオフセットさ
れる。このことにより、ピストン(7) の上死点は常に上
記所定範囲に入るようになり、圧縮機(C) の破損が防止
される。

【００４１】以上のように、本実施形態によれば、圧縮
機(C) のピストン(7) のストロークが小さい低能力運転
において、死容積が大きくなることを防止することがで
きる。そのため、低能力運転においても圧縮機(C) の体
積効率が低下することがない。従って、広い能力範囲に
わたって圧縮機(C) の効率が高いので、冷凍機(R) の性
能を向上させることができる。

【００４２】＜実施形態２＞実施形態２に係るスターリ
ング冷凍機(R2)は、リニアモータ(15)に駆動コイル(18)
の他に補助コイル(77)を設け、この補助コイル(77)に直
流電流を流すことによりピストン(7) の中立位置を変更
制御するものである。

【００４３】図５に示すように、本スターリング冷凍機
(R2)の圧縮機(C) においては、駆動コイル(18),(18) の
ハウジング(1) の両端側に、駆動コイル(18),(18) と同
径の円環状の補助コイル(77),(77) が設けられている。
各補助コイル(77)は、駆動用磁石(16)との間で電磁力を
発生させてピストン(7) を変位させるものであり、リー
ド線(70)及び電流導入端子(23)を介してコントローラ(8
2)に接続されている。

【００４４】図６に示すように、本実施形態に係るコン
トローラ(82)は、変位計(73)及び制御回路(74)の他に、
補助コイル(77)に直流電流を供給する直流電源(78)を備
えて中立位置制御手段を構成している。

【００４５】本スターリング冷凍機(R2)の作動時には、
圧縮機(C) のピストン(7) の中立位置の変更制御は、以
下のようにして行われる。

【００４６】すなわち、ギャップセンサ(71)がピストン
(7) の位置を検出し、ギャップセンサ(71)の計測信号が
変位計(73)によって変換され、制御回路(74)に送信され
る。制御回路(74)は受信した変位信号に基づき、ピスト
ン(7) の上死点が予め設定された所定範囲Ｘ１〜Ｘ２に
あるか否かを判定する。その結果、上死点が上記所定範
囲にない場合には、当該所定範囲に入るように、補助コ
イル(77)に所定の直流電流を通電するように直流電源(7
8)に通電指令を送る。その結果、直流電源(78)から補助
コイル(77)に所定の直流電流が供給され、補助コイル(7
7)と駆動用磁石(16)との間に一定の磁界が発生する。こ
のことにより、ピストン(7) を一定量変位させるような
新たな電磁力が発生する。そして、この電磁力により、
駆動用磁石(16)及びピストン(7) が往復動を行いなが
ら、全体的に微小移動を行う。その結果、ピストン(7)
の中立位置が変更され、ピストン(7) の上死点が所定範
囲Ｘ１〜Ｘ２に入るようになる。一方、上死点が所定範
囲Ｘ１〜Ｘ２にある場合には、補助コイル(77)への通電
状態を現状のまま維持する。その結果、ピストン(7)の
上死点は上記所定範囲内に維持される。

【００４７】このような制御を行うことにより、実施形
態１と同様、常にピストン(7) の上死点が上記所定範囲
に維持される。

【００４８】従って、本実施形態においても、実施形態
１と同様の効果を得ることができる。

【００４９】＜実施形態３＞図７に示すように、実施形
態３に係るスターリング冷凍機(R3)は、実施形態１のス
ターリング冷凍機(R) において、ギャップセンサ(71)を
ＬＶＤＴセンサ(79)に置き換えたものである。

【００５０】ハウジング側ばね取付部材(24)の中央部に
は、当該ばね取付部材(24)よりも小径の円筒状のサーチ
コイル(92)が、ピストン(7) 側に向かって起立するよう
に取り付けられている。サーチコイル(92)は、図示しな
い信号線を介してコントローラ(81)に接続されている。

【００５１】一方、可動部(20)のピストン側ばね取付部
材(25)の中心部には、サーチコイル(92)の中心位置に鉛
直方向に延びる接続ロッド(90)が移動一体に取り付けら
れている。接続ロッド(90)の先端には、鉛直方向に延び
る磁性体からなる磁気コア(91)が接続ロッド(90)に連続
するように固定されている。磁気コア(91)はサーチコイ
ル(92)の内径よりも小径の円柱状に形成されており、サ
ーチコイル(92)の内周面と所定の間隔を存するようにし
て、サーチコイル(92)に挿入されている。

【００５２】そのため、磁気コア(91)は、可動部(20)と
一体となってサーチコイル(92)の内側において上下方向
に往復動を行う。その際、磁気コア(91)とサーチコイル
(92)との間で誘導起電力が発生し、サーチコイル(92)に
電流が流れる。コントローラ(81)はサーチコイル(92)の
電流を検出し、この電流をピストン(7) の変位に変換す
ることによって、ピストン(7) の位置を検出する。

【００５３】従って、本実施形態においても、ピストン
(7) のストロークが小さい低能力運転において死容積が
大きくなることを防止することができるので、実施形態
１と同様の効果を得ることができる。

【００５４】さらに、ＬＶＤＴセンサ(79)を用いること
によって、ピストン(7) の全ストロークを測定すること
が可能となり、ピストン(7) の上死点の制御を容易かつ
正確に行うことができる。

【００５５】なお、同様にして、実施形態２においてギ
ャップセンサ(71)をＬＶＤＴセンサ(79)に置き換えても
よいのは勿論である。

【００５６】＜他の実施形態＞実施形態１〜３において
は、駆動用磁石(16)がシリンダ(3) 側に固定される一
方、駆動コイル(18)が可動部(20)側に設けられていた。
しかし、これとは逆に、駆動コイル(18)がシリンダ(3)
側に固定され、駆動用磁石(16)が可動部(20)側に設けら
れていてもよい。

【００５７】また、実施形態１〜３においては、圧縮機
(C) はいずれもピストンが垂直方向にストロークを行う
ダブルピストン型であったが、本発明の適用対象はこれ
らに限らず、ピストンが水平方向にストロークを行うも
のであってもよい。また、シングルストローク型の圧縮
機であってもよい。

【００５８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、圧縮空
間の死容積が定容積になるようにピストンの中立位置が
変更されるので、ピストンのストロークの大小に限らず
死容積が一定となる。そのため、ストロークが小さい場
合であっても、圧縮効率の低下を防止することができ
る。従って、広い能力範囲にわたって圧縮機の効率を向
上させることができる。

【００５９】特に、駆動コイルに流れる交流波形をオフ
セットする場合、波形制御によってピストンの中立位置
を制御することができるので、中立位置の変更を容易に
行うことができる。

【００６０】ギャップセンサまたはＬＶＤＴセンサを用
いることにより、ピストンの位置を正確に検出すること
ができ、ピストンの中立位置の制御を正確に実行するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１に係るスターリング冷凍機の断面図
である。

【図２】実施形態１に係るコントローラの構成図であ
る。

【図３】実施形態１に係る圧縮機の一動作を説明する図
であり、（ａ）はピストン部分の断面図であり、（ｂ）
は駆動コイルに供給する電圧波形である。

【図４】実施形態１に係る圧縮機の一動作を説明する図
であり、（ａ）はピストン部分の断面図であり、（ｂ）
は駆動コイルに供給する電圧波形である。

【図５】実施形態２に係るスターリング冷凍機の断面図
である。

【図６】実施形態２に係るコントローラの構成図であ
る。

【図７】実施形態３に係るスターリング冷凍機の断面図
である。

【図８】従来の圧縮機の断面図である。

【図９】（ａ）及び（ｂ）は、従来の圧縮機の動作を示
すピストン部分の模式断面図である。

【符号の説明】

(1) ハウジング (3) シリンダ (7) ピストン (8) 圧縮空間 (15) リニアモータ (16) 駆動用磁石 (17) ボビン (18) 駆動コイル (26) コイルばね (32) コールドヘッド (35) 膨張空間 (36) 作動空間 (37) フリーディスプレーサ (38) 蓄冷器 (71) ギャップセンサ (79) ＬＶＤＴセンサ (80) 駆動電源 (81) コントローラ (C) 圧縮機 (E) 膨張機

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ(3) と、該シリンダ(3) に挿入
   されて該シリンダ(3) 内部に圧縮空間(8) を区画形成す
   るピストン(7) が設けられた可動部(20)と、該ピストン
   (7) が該シリンダ(3) 内で往復動自在になるように該可
   動部(20)を弾性支持する弾性部材(26)と、該可動部(20)
   または該シリンダ(3) のいずれか一方に固定された駆動
   用磁石(16)と、該可動部(20)または該シリンダ(3) の他
   方に設けられ、該ピストン(7) が該シリンダ(3) 内で往
   復動するための電磁力が生じるように電流が供給される
   駆動コイル(18)とを備え、該圧縮空間(8) 内で冷媒ガス
   を周期的に圧縮する振動型圧縮機において、 上記圧縮空間(8) の死容積が所定の定容積になるように
   上記ピストン(7) の中立位置を変更する中立位置制御手
   段(71,77,81,82) を備えていることを特徴とする振動型
   圧縮機。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の振動型圧縮機におい
   て、 駆動コイル(18)に交流電流を供給する駆動電源(80)が設
   けられている一方、 中立位置制御手段は、 ピストン(7) の位置を検出するセンサ(71,79) と、 該センサ(71,79) からの出力信号を受け、ピストン(7)
   の上死点が予め設定した定位置になるように、上記駆動
   電源(80)が供給する交流電流をオフセットさせる制御手
   段(74,75,76)とを備えていることを特徴とする振動型圧
   縮機。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の振動型圧縮機におい
   て、 駆動コイル(18)に交流電流を供給する駆動電源(80)が設
   けられ、 可動部(20)またはシリンダ(3) のうちの駆動用磁石(16)
   が設けられた側には、ピストン(7) を変位させるための
   電磁力が生じるように直流電流が供給される補助コイル
   (77)が設けられている一方、 中立位置制御手段は、 ピストン(7) の位置を検出するセンサ(71,79) と、 上記補助コイル(77)に直流電流を供給する直流電源(78)
   と、 該センサ(71,79) からの出力信号を受け、ピストン(7)
   の上死点が予め設定した定位置になるように、該直流電
   源(78)が供給する直流電流を制御する制御回路(74)とを
   備えていることを特徴とする振動型圧縮機。
4. 【請求項４】 請求項２または３のいずれか一つに記載
   の振動型圧縮機において、 中立位置制御手段のセンサは、ギャップセンサ(71)によ
   り構成されていることを特徴とする振動型圧縮機。
5. 【請求項５】 請求項２または３のいずれか一つに記載
   の振動型圧縮機において、 中立位置制御手段のセンサは、ＬＶＤＴセンサ(79)によ
   り構成されていることを特徴とする振動型圧縮機。