(57)【要約】【課題】  一対のリニアモータを対向させて構成した対向型の振動圧縮機において、簡単な構成かつ低コストで、発生振動を低減できるようにすること。【解決手段】  駆動電源と振動型モータとの間に位相調整用の抵抗を設け、振動型モータの同期調整を行い、駆動電源の小型化と低コスト化を実現しつつ、振動の抑制を実現する。【選択図】  図１
2010048150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスの圧縮および膨張の空間となる一のシリンダと、
前記シリンダに対向配置された一対のピストンと、
前記各ピストンをシリンダ内で往復動させる一対の振動型モータと、
前記振動型モータが並列に接続された前記振動型モータの駆動電源と、
少なくとも一方の前記振動型モータと前記駆動電源との間に直列に接続され、振動型モータの変位の位相を調整する位相調整用抵抗と、
を有することを特徴とする振動圧縮機。
【請求項２】
前記位相調整用抵抗が、可変抵抗であることを特徴とする請求項１に記載の振動圧縮機。
【請求項３】
前記振動型モータが、
径方向に着磁された永久磁石を有する略円筒状の可動部と、
空隙部を介して前記可動部の円筒外側に配置される外側ヨークと、
空隙部を介して前記可動部の円筒内側に配置される内側ヨークと、
前記外側ヨークまたは内側ヨークのいずれか一方に巻装された励磁コイルと、
から構成される振動型モータであることを特徴とする請求項１または２に記載の振動圧縮機。
【請求項４】
前記可動部が、
径方向に着磁された第１の永久磁石を有する略円筒状の主磁石部と、
前記第１の永久磁石と逆極性に着磁された第２の永久磁石を、主磁石部の円筒軸方向の両端部に同軸に有する補助磁石部と、
から構成される振動型モータであることを特徴とする請求項３に記載の振動圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリング冷凍機などの冷凍機に使用される振動圧縮機に関し、特に、対向型振動圧縮機の制振技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリング冷凍機等の作動ガスの圧縮機として、円筒形状の振動型リニアモータが使用された振動圧縮機が用いられることがよく知られている。振動型リニアモータの代表的な駆動方式には、特許文献１に代表される静磁場中の巻線に交流を流して往復動させる可動コイル型や、特許文献２に代表される永久磁石に直接交番磁界を掛けて往復動させる可動磁石型がある。
【０００３】
可動コイル型および可動磁石型のいずれの振動型リニアモータを採用した圧縮機においても、１セットのピストンおよび振動型リニアモータを使用する場合には、振動型リニアモータおよびピストンの往復動の反力により外部に振動が発生する。この振動を抑制するために、特許文献１のように一対の振動型リニアモータおよびピストンを対向させて構成する対向型振動圧縮機がよく使われている。
【０００４】
図６は一対の可動コイルを用いた振動型リニアモータおよびピストンを有する圧縮機の構成図である。一対の振動型リニアモータ１００にピストン１５０を取り付け、駆動電源１７０から振動型リニアモータ１００に交流を供給することで振動型リニアモータを駆動し、シリンダ１６０にて作動ガスを圧縮・膨張させ、図示しないスターリング冷凍機などの膨張機の仕事供給源として利用される。
【０００５】
可動部１１０は、可動部１１０が往復動の中立位置に付勢されるように、電磁力からなる付勢力を与える補助コイル１８１を有している。補助コイル１８１には、直流電源１８０から電流が供給され、補助コイル１８１に流れる電流による磁界と磁石１８２による磁界との相互作用により可動部１１０に中立位置付勢手段となる。
また、これら振動型リニアモータを機械振動の共振点で運転させることで、入力電力を抑えている。一般的に、スターリング冷凍機では、４０〜８０Hzの比較的低周波数で運転される。
【０００６】
なお、上記の可動コイルを用いた振動型リニアモータを、可動磁石を用いた振動型リニアモータに置換したものも、当然に対向型振動圧縮機として知られている。
次に、特許文献２に代表される可動磁石型モータの構造と駆動原理について図７乃至１２を用いて説明する。
図７は、可動磁石型モータの中心軸Ｃで切断した４分の１断面の図である。
【０００７】
図７において、２２０は外側ヨーク、２４０は励磁コイル、２３０は内側ヨーク、２１０は外側ヨーク２２０と内側ヨーク２３０との間の空隙部に配置され、かつ内周側及び外周側が異極に着磁された円筒状の永久磁石からなる可動部である。なお、可動部２１０を支持するケーシングは図示を省略してある。
多くの可動磁石を用いた振動型モータでは、図示する如く可動部２１０として単極着磁された単一の永久磁石が使用されており、この可動部２１０はピストン（図示せず）と一体的に連結されていると共に、可動部２１０の軸方向両端部は、外側ヨーク２２０の脚幅内に収められている。
【０００８】
図８のように励磁コイル２４０に紙面垂直下向き方向の励磁電流が流れる場合、外側ヨーク２２０と内側ヨーク２３０との空隙により形成された磁気回路を流れる磁束は実線の矢印のように時計回りとなる。一方、可動部２１０の永久磁石による磁束は、可動部２１０の外周側をＮ極、内周側をＳ極とした場合、点線の矢印のごとく外周側から発生した磁束は可動部１０４の外側を回って内周側に戻る。よって、励磁電流の磁束と永久磁石の磁束により、可動部２１０は左方向に力Ｆを受ける。
【０００９】
図９のように励磁コイル２４０に紙面垂直上向き方向の励磁電流が流れる場合、外側ヨーク２２０と内側ヨーク２３０との空隙により形成された磁気回路を流れる磁束は実線の矢印のように反時計回りとなる。一方、可動部２１０の永久磁石による磁束は、可動部２１０の外周側をＮ極、内周側をＳ極とした場合、点線の矢印のごとく外周側から発生した磁束は可動部１０４の外側を回って内周側に戻る。よって、励磁電流の磁束と永久磁石の磁束により、可動部２１０は右方向に力Ｆを受ける。
【００１０】
この様な原理により、励磁コイル２４０に正弦波状の交流を供給することで、可動部２１０は正弦波状の往復運動を行う。
一方、可動部２１０の位置が変化することにより内側ヨーク２３０を通過する永久磁石による磁束（図８および図９の点線の矢印）が変化することとなる。これにより、可動部２１０が正弦波状の運動をした場合、内側ヨーク２３０の磁束が変化し、励磁コイル２４０に起電力Vmagが発生する。ここで、起電力Vmagを考慮した可動磁石型モータの等価回路を表すと図１０のようになる。なお、図１０において、モータに流れる電流をIｍ、励磁コイル２４０による抵抗をRC、インダクタンスをLC、可動部２１０の移動による磁束変化をdΦmag/dtとしている。
【００１１】
前記可動磁石型モータの等価回路に基づく可動磁石型モータのベクトル図は図１１のようになる。ここで、可動部２１０の変位をy、モータに流れる電流をIm、可動部２１０を静止させた場合の駆動電源電圧をV0、通常運転時の駆動電源電圧をV1、可動部２１０の移動により発生する等価電圧をVmag、としている。図１１から解るように、通常運転時の駆動電源電圧V1は、可動部２１０を静止させた場合の駆動電源電圧をV0と可動部２１０の移動により発生する等価電圧をVmagとの合成電圧となる。
【００１２】
よって、駆動電源１６０から正弦波状の交流を加えると、通常運転時の駆動電源電圧V1は正弦波状に変化し、モータに流れる電流Imおよび可動部２１０の変位ｙは、駆動電源電圧V1に対して所定の位相差を持って正弦波状に変化することとなる。なお、モータに流れる電流Imおよび可動部２１０の変位ｙは、位相差が常に９０度とする。
ここで、外側ヨーク２２０および内側ヨーク２３０と可動部２１０との空隙距離のばらつき、可動部２１０の永久磁石強さのばらつき、励磁コイル２４０のばらつき、材料自身のばらつき、可動部質量のばらつきなどにより、可動磁石型モータに流れる電流Imと駆動電源電圧V1に対するこれらの位相差は可動磁石型モータ毎に異なることとなる。つまり、共通の駆動電源により２つの可動磁石型モータを駆動しても、モータの変位の位相がずれることとなる。
【００１３】
そのため、単純に一対の可動磁石型モータおよびピストンを対向させて構成した対向型の振動圧縮機においては、可動磁石型モータが完全に同期しないため、振動を充分に抑制できない。そこで、従来は、モータの変位の位相を調整するために位相調整用のキャパシタを用いていた。図１２は、モータの外部に位相調整用のキャパシタンスCaを挿入した場合の回路図である。
【特許文献１】特開平１１−１３２５８６号公報
【特許文献２】特開２００５−９３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、スターリング冷凍機などの冷凍機に使用される振動圧縮機に用いられる可動磁石を用いた振動型モータは、インダクタンスは数十mHと非常に大きく、抵抗は数Ω程度、駆動周波数は40〜80Hzであるため、図１２のように、モータの外部に位相調整用のキャパシタンスCaを挿入してモータの変位の位相を調整する場合には、非常に大容量のキャパシタンスが必要となる。そのため、駆動電源が大型化し、さらにコストアップをも招いてしまうという問題があった。
【００１５】
例えば、一対の振動型モータを対向させて構成した対向型の振動圧縮機において、２つの振動型モータが定電圧電源により駆動されており、一のモータが他のモータに比べて位相角θCが5degだけ遅れている場合に、位相調整用のキャパシタンスCaの必要容量について検討してみる。なお、振動型モータの抵抗RC＝1[Ω]、インダクタンスLC =10[mH]、駆動周波数f=50[Hz]で運転するものとする。
【００１６】
一般的に抵抗・インダクタンス・キャパシタンスが直列に接続された交流回路おいて、電圧Vと電流Iの関係は、抵抗R、インダクタンスL、キャパシタンスC、角振動数ω、虚数単位jを用いて次式で表される。
【００１７】
【数１】
2010048150.tif 000003
【００１８】
よって、電流Iに対する電圧Vの位相差θは、数１から次式で計算できる。
【００１９】
【数２】
2010048150.tif 000004
【００２０】
ここで、数２を用いて振動型モータにおける通常運転時の駆動電源電圧V1とモータに流れる電流Imとの通常の位相差θCを求めると、次式で表される。
【００２１】
【数３】
2010048150.tif 000005
【００２２】
次に、数３で求めた位相差θCと数２とを用いて、２つのリニアモータの位相差5degをなくすために、一方のモータの位相を調整（遅らせる）するために必要なキャパシタンスCaを算出する。キャパシタンスCaは次式で算出される。
【００２３】
【数４】
2010048150.tif 000006
【００２４】
よって、２つのリニアモータの位相差を調整するには4.27mFという大容量のキャパシタンスCaが要求されることになる。
そこで、本発明は上記課題に鑑み、一対のリニアモータを対向させて構成した対向型の振動圧縮機において、簡単な構成かつ低コストで、発生振動を低減できるようにすることを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、振動圧縮機において、作動ガスの圧縮および膨張の空間となる一のシリンダと、前記シリンダに対向配置された一対のピストンと、前記各ピストンをシリンダ内で往復動させる一対の振動型モータと、前記振動型モータが並列に接続された前記振動型モータの駆動電源と、少なくとも一方の前記振動型モータと前記駆動電源との間に直列に接続された振動型モータの変位の位相を調整する位相調整用抵抗と、を有することを特徴とする。
【００２６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の振動圧縮機において、前記位相調整用抵抗が、可変抵抗であることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の振動圧縮機において、  前記振動型モータが、径方向に着磁された永久磁石を有する略円筒状の可動部と、空隙部を介して前記可動部の円筒外側に配置される外側ヨークと、空隙部を介して前記可動部の円筒内側に配置される内側ヨークと、前記外側ヨークまたは内側ヨークのいずれか一方に巻装された励磁コイルと、から構成される振動型モータであることを特徴とする。
【００２７】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の振動圧縮機において、前記可動部が、径方向に着磁された第１の永久磁石を有する略円筒状の主磁石部と、前記第１の永久磁石と逆極性に着磁された第２の永久磁石を、主磁石部の円筒軸方向の両端部に同軸に有する補助磁石部と、から構成される振動型モータであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、駆動電源と振動型モータとの間に抵抗を設けるだけで振動型モータの同期調整が可能となるため、駆動電源の小型化と低コスト化を実現しつつ、振動の抑制が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明に係る振動圧縮機の実施形態を図１乃至６に基づき説明する。なお、モータの駆動原理は従来技術と同一であるため、説明は省略する。
図１は、本発明に係る第１の実施形態における構成図である。対向型の振動圧縮機は、作動ガスの圧縮および膨張の空間となる一のシリンダ２６０と、前記シリンダ２６０に対向配置された一対のピストン２５０と、前記各ピストン２５０をシリンダ２６０内で往復動させる一対の振動型モータ２００と、前記振動型モータ２００が並列に接続された駆動電源１７０と、前記振動型モータ２００と前記駆動電源１７０との間に直列に接続された位相調整用の抵抗４１０と、を有している。なお、駆動電源１７０には、ＰＷＭインバータなどの比較的安価な電圧制御方式のものが利用できる。
【００３０】
次に、抵抗４１０によって振動型モータ２００の変位の位相が変化することを図２のベクトル図を用いて説明する。
図２よりモータに流れる電流Imを基準に各成分のベクトルを考えた場合、まず抵抗成分が励磁コイル２４０による抵抗Rcに位相調整用の抵抗rが追加されたことにより、RcからRc’（＝Rc＋r）に増大する。一方、励磁コイル２４０によるインダクタンス成分Lcは変化しない。よって、可動部２１０を静止させた場合の駆動電源電圧は図のようにV0からV0’のように変化し、電流Imとの位相差が小さくなる。
【００３１】
また、可動部変位yとモータに流れる電流Imとの関係が変化しない場合、可動部変位yによる起電力成分Vmagも変化しない。その結果、通常運転時の駆動電源電圧V1からV1’へと電流位相側に近づくように変化する。すなわち、通常運転時の駆動電源電圧V1とモータに流れる電流Imのなす位相角はβ＞β’となる。
通常運転時の駆動電源電圧V1とモータに流れる電流Imとの位相関係を、モータに流れる電流Imを基準に表したもののが図３である。ここで、電圧制御型の交流電源を使用した場合は、通常運転時の駆動電源電圧V1が変化せずにモータに流れる電流Imの位相が図４のように変化することは容易に理解できる。  
【００３２】
以上より、位相調整用の抵抗rの追加により、モータに流れる電流と駆動電源電圧との位相角が変更されるため、結果として、可動部変位とモータに流れる電流との関係が変化しない場合には、可動部変位の位相が変化する事がわかる。
さらに、従来技術と比較するため、一対のリニアモータを対向させて構成した対向型の振動圧縮機において、位相調整用の抵抗３１０により位相調整する場合に必要となる抵抗値を検討する。なお、抵抗値の算出に際しては［発明が解決しようとする課題］の欄で使用した条件と同一の条件とする。
【００３３】
２つのリニアモータが定電圧電源により駆動されており、一のモータが他のモータに比べて位相角θCが5degだけ遅れており、リニアモータの抵抗RC＝1[Ω]、インダクタンスLC =10[mH]、駆動周波数f=50[Hz]で運転する。
ここで、位相調整用の抵抗をrとして数２を変形すると、モータに流れる電流Imに対する通常運転時の駆動電源電圧V1の位相差θCは次式で計算できる。
【００３４】
【数５】
2010048150.tif 000007
【００３５】
よって、数３で求めた位相差θCと数５とを用いて、２つのリニアモータの位相差5degを位相調整用抵抗rにより、一方のモータの位相を調整（遅らせる）するために必要な抵抗rを算出する。抵抗rは次式で算出される。
【００３６】
【数６】
2010048150.tif 000008
【００３７】
以上より、4.27mFのキャパシタンスに比べると、位相調整用の抵抗は0.31Ωであるため安価で入手でき、かつ、大きさも充分小さいため、低コストで小型の振動が抑制された振動圧縮機が実現できる。
図５は、本発明に係る第２の実施形態における可動磁石型モータの中心軸Ｃで切断した４分の１断面の図である。
【００３８】
図５において、２２０は外側ヨーク、２４０は外側ヨーク２２０に巻装された励磁コイル、２３０は内側ヨーク、３１０は外側ヨーク２２０と内側ヨーク２３０との間の空隙部に配置された円筒状の永久磁石からなる可動部である。なお、可動部３１０を支持するケーシングは図示を省略してある。
可動部３１０は、外周側をＮ極、内周側をＳ極に着磁した円筒状の主磁石３１１の軸方向両端部に、主磁石３１１とは逆方向に着磁された円筒状の補助磁石３１２，３１３を同軸状かつ一体的に連結して構成されている。
【００３９】
このようなサイド磁石付きの可動磁石型モータの場合、磁石のばらつきが推力とばね力（磁気ばね）の両方に寄与するため、個体差の位相ばらつきがより大きくなる。そのため、サイド磁石付きの可動磁石型モータで対向型の振動圧縮機を構成した場合、可動部変位を完全に同期させるために必要な位相調整幅が大きくなる。
係る場合、前記したように位相調整にキャパシタを用いると、サイド磁石がない場合の可動磁石型モータより大きな容量のキャパシタが必要となる。そのため、駆動電源の大型化、大幅なコストアップという問題がさらに深刻となる。
【００４０】
しかし、サイド磁石付きの可動磁石型モータであっても、駆動電源電圧のモータ駆動電流のベクトル図は、図２と同様のベクトル図となるため、位相調整用の抵抗により位相調整をすることが可能である。
よって、前記の第１の実施形態と同様に、位相調整用の抵抗４１０をサイド磁石付き振動型モータと駆動電源１７０との間に直列に接続することで、サイド磁石付きの可動磁石型モータの振幅位相を調整し、振動の抑制をすることができる。
【００４１】
以上の実施例では、１対のモータの両方に可変抵抗を設置しているが、上述の効果を考慮すれば、電圧を基準に見て電流が遅れている側のモータにのみ抵抗を設置するだけで良いことは、容易に理解できる。
また、上記説明において、電流Iに対して電圧V1が進んでいる例の位相変化を示したが、圧縮機としてピストンにかかる負荷やばねマスの機械振動系の関係により必ずしもV1が進んでいるとは限らない。例えば、可動部運動による逆起電力Vmagと電流Iの位相差αが90degに近ければ、電流Iの位相が電圧V1より進む状態となる。この場合は、抵抗調整により電圧V1と電流Iの位相差βは増大する方向に変化することは、容易に想像できる。
【００４２】
上述したいずれの実施形態において、励磁コイル２４０を外側ヨーク２２０に巻装してあるが、内側ヨーク２３０に巻装しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る第１の実施形態における構成図。
【図２】本発明に係る振動型モータにおけるベクトル図。
【図３】通常運転時の駆動電源電圧とモータに流れる電流において、電流を固定した場合の位相関係を表した図。
【図４】通常運転時の駆動電源電圧とモータに流れる電流において、電源電圧を固定した場合の位相関係を表した図。
【図５】本発明に係る第２の実施形態における可動磁石型モータの中心軸Ｃで切断した４分の１断面の図。
【図６】一対の可動コイルを用いた振動型リニアモータおよびピストンを有する圧縮機の構成図。
【図７】可動磁石型モータの中心軸Ｃで切断した４分の１断面の図。
【図８】励磁コイルに紙面垂直下向き方向の励磁電流が流れる場合の、磁束を表した図。
【図９】励磁コイルに紙面垂直上向き方向の励磁電流が流れる場合の、磁束を表した図。
【図１０】起電力Vmagを考慮した可動磁石型モータの等価回路図。
【図１１】可動磁石型モータのベクトル図。
【図１２】モータの外部に位相調整用のキャパシタンスCaを挿入した場合の回路図。
【符号の説明】
【００４４】
１７０            駆動電源
１００，２００    振動型モータ
１５０，２５０    ピストン
１６０，２６０    シリンダ
４１０            位相調整用抵抗
【図１】
2010048150.tif 000009
【図２】
2010048150.tif 000010
【図３】
2010048150.tif 000011
【図４】
2010048150.tif 000012
【図５】
2010048150.tif 000013
【図６】
2010048150.tif 000014
【図７】
2010048150.tif 000015
【図８】
2010048150.tif 000016
【図９】
2010048150.tif 000017
【図１０】
2010048150.tif 000018
【図１１】
2010048150.tif 000019
【図１２】
2010048150.tif 000020