(57)【要約】【課題】本発明は流体動圧軸受を用いてシリンダに対してピストンを支持する構成としたリニアモータ圧縮機に関し、流体動圧軸受を用いつつ部品点数の削減及び小型化を図ることを課題とする。【解決手段】ケーシング２と、このケーシング２内に配設されたリニアモータ４０と、このリニアモータ４０に駆動されることにより圧縮シリンダ２５内で往復動し圧縮空間２２で作動ガスを圧縮する圧縮ピストン２４と、圧縮シリンダ２５に対して圧縮ピストン２４を支持する流体動圧軸受５０とを有するリニアモータ圧縮機において、前記圧縮ピストン２４に作動ガスの圧力が印加される回転用動圧溝７０を形成し、この回転用動圧溝７０に導入される作動ガスにより圧縮ピストン２４を回転付勢する構成とする。【選択図】図１
2008190727.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、
該ケーシング内に配設されたリニアモータと、
該リニアモータに駆動されることにより前記ケーシング内に形成されたシリンダ部内で往復動し、圧縮空間内に充填された作動ガスを圧縮するピストンと、
前記シリンダ部に対してピストンを支持する流体動圧軸受とを有するリニアモータ圧縮機において、
前記ピストンに前記作動ガスの圧力が印加される動圧溝を形成し、該動圧溝に導入される作動ガスにより前記ピストンを回転付勢する構成としたことを特徴とするリニアモータ圧縮機。
【請求項２】
前記流体動圧軸受を構成する軸受用動圧溝を前記動圧溝として用いることを特徴とする請求項１記載のリニアモータ圧縮機。
【請求項３】
前記リニアモータで発生するコギング力が、前記シリンダを前記圧縮空間側に付勢するよう作用する構成としたことを特徴とする請求項１又は２記載のリニアモータ圧縮機。
【請求項４】
内部に熱交換器が固定されたコールドヘッドと、
前記熱交換器の一方側と接続された請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリニアモータ圧縮機と、
前記熱交換器の他方側と接続された膨張空間に配置されており、前記ピストンが往復動することにより生じる前記作動ガスのガス圧変動を受けて往復動し、膨張空間内で前記作動ガスを膨張させるディスプレーサとを有することを特徴とするスターリング冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリニアモータ圧縮機に係り、特に流体動圧軸受を用いてシリンダに対してピストンを支持する構成としたリニアモータ圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、スターリング冷凍機は、主要構成要素として脈動する圧力を作り出す圧縮機と、脈動する圧力と位相をずらせて往復動するディスプレーサを備えた膨張機とを有する。そして、膨張機内で外燃機関の逆サイクル（逆スターリングサイクル）を行うことにより、膨張空間内で低温を発生させる構成とされている。このスターリング冷凍機は、高い効率を有し、機構がシンプルなため、小型、軽量化が容易である利点がある。また、スターリング冷凍機の圧縮機は、主として往復運動のレシプロ式であり、その駆動方式としてはリニアモータが多く用いられている。
【０００３】
スターリング冷凍機は、赤外線素子、高温超電導デバイス、各種の測定器、あるいは各種のガスなどの冷却のために使用されるが、その信頼性向上および長寿命化のためには、ヘリウムガスなどの作動ガス（冷媒ガス）の圧縮空間を形成するシリンダとピストンとの間の摩耗を低減することが必要である。
【０００４】
従来、シリンダとピストンとの間の摩耗を低減する方法として、特許文献１に開示されているようにピストンに作動ガスを噴出させる噴出孔を設け、この噴出孔からピストンとシリンダとの間に作動ガスを噴出させて摩耗により発生した塵埃を除去する方法が提案されている。また、特許文献２に開示されているように、流体軸受を用いることにより、ピストンをシリンダに離間した状態で支持する方法も提案されている。
【０００５】
図５は、流体動圧軸受を用いたスターリング冷凍機用のリニアモータ圧縮機の従来例を示している。同図に示すように、リニアモータ圧縮機１００は、ケーシング１０１に形成されたシリンダ１０５内に圧縮ピストン１０２が配設されており、この圧縮ピストン１０２がリニアモータ１０３に駆動されることにより矢印Ｘ１，Ｘ２方向に往復移動する構成とされている。これにより、圧縮空間１０６の体積は変化し、これによりリニアモータ圧縮機１００は脈動する圧力を生成する構成とされていた。
【０００６】
また、圧縮ピストン１０２とシリンダ１０５が摩擦するのを防止する手段として、リニアモータ圧縮機１００は流体動圧軸受１０４と回転モータ１０７が設けられている。流体動圧軸受１０４は圧縮ピストン１０２に形成された動圧溝により構成されており、また回転モータ１０７は圧縮ピストン１０２を回転付勢する構成とされている。
【０００７】
よって、回転モータ１０７により圧縮ピストン１０２が回転すると、流体動圧軸受１０４により圧縮ピストン１０２とシリンダ１０５との間に作動ガスの高圧層が形成されることにより圧縮ピストン１０２は非接触でシリンダ１０５に軸承され、これにより圧縮ピストン１０２とシリンダ１０５との間の摩擦が防止される構成とされていた。
【特許文献１】特開２００３−１６６７６７号公報
【特許文献２】特開２００２−１８８８６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図５に示されるような、流体動圧軸受１０４を用いる方法は、圧縮ピストン１０２とシリンダ１０５との間の摩擦を確実に防止されるため有効な方法である。
【０００９】
しかしながら、流体動圧軸受１０４を機能させるためには、必然的に圧縮ピストン１０２を回転させる必要がある。このため従来では、圧縮ピストン１０２を回転させるための回転モータ１０７を設けていたが、回転モータ１０７を設けるとリニアモータ圧縮機１００が大型化し、また部品点数も増加するために製品コストが上昇するという問題点があった。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、流体動圧軸受を用いつつ部品点数の削減及び小型化を図りうるリニアモータ圧縮機及びスターリング冷凍機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項１記載の発明は、
ケーシングと、
該ケーシング内に配設されたリニアモータと、
該リニアモータに駆動されることにより前記ケーシング内に形成されたシリンダ部内で往復動し、圧縮空間内に充填された作動ガスを圧縮するピストンと、
前記シリンダ部に対してピストンを支持する流体動圧軸受とを有するリニアモータ圧縮機において、
前記ピストンに前記作動ガスの圧力が印加される動圧溝を形成し、該動圧溝に導入される作動ガスにより前記ピストンを回転付勢する構成としたことを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載のリニアモータ圧縮機において、
前記流体動圧軸受を構成する軸受用動圧溝を前記動圧溝として用いることを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、
請求項１又は２記載のリニアモータ圧縮機において、
前記リニアモータで発生するコギング力が、前記シリンダを前記圧縮空間側に付勢するよう作用する構成としたことを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項４記載の発明に係るスターリング冷凍機は、
内部に熱交換器が固定されたコールドヘッドと、
前記熱交換器の一方側と接続された請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリニアモータ圧縮機と、
前記熱交換器の他方側と接続された膨張空間に配置されており、前記ピストンが往復動することにより生じる前記作動ガスのガス圧変動を受けて往復動し、膨張空間内で前記作動ガスを膨張させるディスプレーサとを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ピストンに作動ガスの圧力が印加される動圧溝を形成したことにより、この動圧溝に印加される作動ガスの圧力によりピストンを回転させることができる。よって、流体動圧軸受を用いても、ピストンを回転するモータを別個に設ける必要はなくなり、リニアモータ圧縮機の部品点数の削減及び小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。
【００１８】
図１は本発明の一実施例であるリニアモータ圧縮機２０を示しており、また図２はリニアモータ圧縮機２０を適用したスターリング冷凍機１を示している。先ず、図２を用いてスターリング冷凍機１の構成について説明する。
【００１９】
スターリング冷凍機１は、大略するとリニアモータ圧縮機２０、膨張機３０、及びコールドヘッド６０等により構成されている。また、本実施例では、リニアモータ圧縮機２０と膨張機３０とがひとつのケーシング２に一体的に組み込まれた構成とされている。
【００２０】
コールドヘッド６０は、ヘッドシリンダ６２の内部に例えば金網製の熱交換器１０が固定されている。この熱交換器１０としては、例えば１８０メッシュ以上の金網を用いることができ、３００メッシュ程度が望ましい。
【００２１】
この熱交換器１０の一方側（図の上側）はパイプ６７及びケーシング２に形成された連通路３８を介意して膨張機３０に接続されている。また、熱交換器１０の他方側（図の下側）はケーシング２に形成された連通路２８を介してリニアモータ圧縮機２０に接続されている。
【００２２】
膨張機３０は、ディスプレイサシリンダ３５内にディスプレイサピストン３４を移動可能に配設した構成とされている。また、ディスプレイサピストン３４は、弾性支持体３９により往復動自在に支持されている。この弾性支持体３９は、板ばねやコイルばね等からなる弾性支持体により構成されている。
【００２３】
また膨張機３０は、冷媒ガスを膨張させるための膨張空間３２とパイプ６７を用いて連通されている。このディスプレイサピストン３４とコールドステージ６６を結ぶパイプ６７は、熱交換器１０を内蔵するコールドヘッド６０のシリンダ６２の内径よりも小さくされ、無効空間容積を小さくして、冷凍効果が向上するよう構成されている。
【００２４】
次に、リニアモータ圧縮機２０の構成について、図２に加えて図１，図３を用いて説明する。リニアモータ圧縮機２０は、圧縮シリンダ２５、ボビン２７、リニアモータ４０、及び回転用動圧溝７０等により構成されている。
【００２５】
圧縮シリンダ２５は、ケーシング２に形成された圧縮シリンダ２５内に図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移動可能に配設されている。圧縮シリンダ２５と圧縮ピストン２４の図中左端部２４ａとの間には圧縮空間２２が形成されており、この圧縮空間２２は連通路２８を介して熱交換器１０の下側に連通されている。本実施例では、圧縮ピストン２４、圧縮シリンダ２５、ディスプレイサピストン３４、及びディスプレイサシリンダ３５は同一軸線上に対向配置された構成とされている。
【００２６】
ボビン２７は圧縮ピストン２４と一体的に形成された筒状の部材であり、圧縮シリンダ２５を囲繞する構成とされている。このボビン２７には、マグネット４１が配設されている。また、圧縮シリンダ２５のマグネット４１と対向する外周位置、及びケーシング２のマグネット４１と対向する内面位置には、コイル４２が配設されている。尚、各４２は、磁性材よりなるヨーク４３上に配設されている。
【００２７】
このマグネット４１とコイル４２は、リニアモータ４０を構成する。リニアモータ４０は、ボビン２７を図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に駆動するものであり、よってボビン２７に一体的に形成されている圧縮ピストン２４もリニアモータ４０により図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に駆動される。このリニアモータ４０により、圧縮ピストン２４は例えば２０〜１００Ｈｚの駆動周波数で駆動される。
【００２８】
更に、リニアモータ４０は、発生するコギング力が圧縮空間２２側（矢印Ｘ１方向）に作用するよう設定されている。このコギング力は、圧縮ピストン２４を矢印Ｘ１方向に付勢する一種のバネ力として作用する。上記した各ピストン２４，３４の重さ、弾性支持体３９の弾性定数、及びリニアモータ４０で発生するコギング力は、圧縮ピストン２４とディスプレイサピストン３４の動作位相差が所定の角度（例えば、３０°〜１００°）となるよう設定されている。
【００２９】
上記構成において、リニアモータ４０に駆動されてボビン２７を介して圧縮ピストン２４が矢印Ｘ１，Ｘ２方向に往復移動すると、圧縮空間２２において作動ガス（ヘリウムガス等の冷却ガス）に脈動する圧力が発生する。ディスプレイサピストン３４は、上記のように圧縮ピストン２４に対して所定の位相差をもって往復移動するため、膨張機３０の内部で逆スターリングサイクルが行われる。よって、リニアモータ圧縮機２０及び膨張機３０とに連通した膨張空間３２内で寒冷が発生し、これによりコールドステージ６６は極低温となる。
【００３０】
ここで、圧縮ピストン２４に注目する。本実施例に係るリニアモータ圧縮機２０は、圧縮シリンダ２５に圧縮ピストン２４を軸承する手段として流体動圧軸受５０を用いている。この流体動圧軸受５０は、圧縮ピストン２４の表面に形成された軸受用動圧溝５１により構成されている。
【００３１】
そして、圧縮ピストン２４が回転すると、流体動圧軸受５０を形成する軸受用動圧溝５１により圧縮ピストン２４と圧縮シリンダ２５との間に作動ガスの高圧層が形成される。これにより、圧縮ピストン２４は非接触で圧縮シリンダ２５に軸承され、圧縮ピストン２４と圧縮シリンダ２５との間の摩擦が防止される。
【００３２】
また、本実施例に係るリニアモータ圧縮機２０は、圧縮ピストン２４の端部２４ａの近傍に回転用動圧溝７０が全周にわたり複数個形成されている。この回転用動圧溝７０は、圧縮ピストン２４の表面に圧縮ピストン２４の回転軸Ｘ（図中、一点鎖線で示す）に対して所定の角度を有するよう形成されている（回転軸Ｘとは非平行となっている）。更に、複数形成される各回転用動圧溝７０の端部２４ａ側の端部は、圧縮空間２２と連通するよう構成されている。
【００３３】
前記したように、圧縮空間２２は圧縮ピストン２４がＸ１，Ｘ２方向に往復移動することにより、高圧の作動ガスが充填されている。よって、この作動ガスの圧力Ｐは図３に示すように圧縮ピストン２４の端部２４ａに印加される。また、回転用動圧溝７０の図中Ｘ１方向端部は圧縮空間２２に開口した構成であるため、高圧の作動ガスは図３に示すように回転用動圧溝７０内に導入される。
【００３４】
この際、高圧の作動ガスは回転軸Ｘに対して所定角度を有した、換言すると作動ガスの導入方向（Ｘ２方向）に対して斜めに形成された回転用動圧溝７０の側壁に当接し、単位面積に対する高圧の作動ガスが回転用動圧溝７０の側壁に作用する力をＦとしたとき、この力Ｆは図３にＦａ，Ｆｂで示す力に分力され、更に分力Ｆａは回転軸Ｘに対して直交する分力Ｆｃに分力される。この分力Ｆｃは、圧縮ピストン２４を回転する力として作用し、これにより圧縮ピストン２４は図中矢印Ａ方向に回転を開始する。
【００３５】
このように、本実施例に係るリニアモータ圧縮機２０は、圧縮空間２２内の作動ガスの圧力を利用して圧縮ピストン２４を回転する。また、圧縮ピストン２４が回転することにより、前記したように流体動圧軸受５０は圧縮ピストン２４を圧縮シリンダ２５に対して非接触で軸承する。よって、流体動圧軸受５０を用いても、従来のように圧縮ピストン２４を回転させるためのモータ（図５の回転モータ１０７参照）を別個に設ける必要はなく、リニアモータ圧縮機２０の部品点数の削減及び小型化を図ることができる。
【００３６】
なお、上記した実施例では圧縮ピストン２４を圧縮シリンダ２５に対して軸承する流体動圧軸受５０と、圧縮ピストン２４を回転付勢するための回転用動圧溝７０を別個に設けた構成を示したが、図４に示す変形例に係るリニアモータ圧縮機２０Ａのように、回転用動圧溝７０を流体動圧軸受５０を構成する軸受用動圧溝５１と兼用した構成とすることも可能である。
【００３７】
また、図２に示したスターリング冷凍機１では、圧縮ピストン２４のみをリニアモータ４０によりＸ１，Ｘ２方向に往復移動させる構成を示したが、膨張機３０にもディスプレイサピストン３４と一体的なボビン、リニアモータを構成するマグネット及びコイル等を設けることにより、ディスプレイサピストン３４をアクティブ駆動する構成としてもよい。
【００３８】
更に、コールドヘッド６０をリニアモータ圧縮機２０及び膨張機３０から分離した構成とし、コールドヘッド６０とリニアモータ圧縮機２０、及びコールドヘッド６０と膨張機３０を配管等で連結する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、本発明の一実施例であるリニアモータ圧縮機の断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施例であるスターリング冷凍機の断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施例であるリニアモータ圧縮機の原理説明を行うための図である。
【図４】図４は、図１に示すリニアモータ圧縮機の変形例を示す断面図である。
【図５】図５は、従来の一例であるリニアモータ圧縮機の断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  スターリング冷凍機
２  ケーシング
１０  熱交換器
２０，２０Ａ  リニアモータ圧縮機
２２  圧縮空間
２４  圧縮ピストン
２５  圧縮シリンダ
３０  膨張機
３２  膨張空間
３４  ディスプレイサピストン
３５  ディスプレイサシリンダ
４０  リニアモータ
５０，５０Ａ  流体動圧軸受
５１  軸受用動圧溝
６０  コールドヘッド
６６  コールドステージ
７０  回転用動圧溝
【図１】
2008190727.tif 000003
【図２】
2008190727.tif 000004
【図３】
2008190727.tif 000005
【図４】
2008190727.tif 000006
【図５】
2008190727.tif 000007