(57)【要約】【課題】圧縮機駆動部の寸法を重量を小さくして、圧縮機の小型・軽量化を図る。【解決手段】冷媒ガスを圧縮するための圧縮空間３８を形成するための固定インナーヨーク５０、及び、可動圧縮シリンダを兼ねた可動コア５２と、該可動コア５２の移動方向に極性が変わるように配設された複数のマグネット５６、５８と、前記可動コア５２の外側に配設されたアウターヨーク６０と、該アウターヨーク６０に配設されたコイル６２とを備え、該コイル６２に交流電流を印加した時に、該コイル６２に発生する磁束Ａ、Ｂの流れを、前記可動コア５２に配設したマグネット５６、５８の極性により変化させて、可動コア５２に往復運動を起こす吸引力を発生させる。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ガスを圧縮するための圧縮空間を形成するための固定インナーヨーク、及び、可動圧縮シリンダを兼ねた可動コアと、
該可動コアの移動方向に極性が変わるように配設された複数のマグネットと、
前記可動コアの外側に配設されたアウターヨークと、
該アウターヨークに配設されたコイルとを備え、
該コイルに交流電流を印加した時に該コイルに発生する磁束の流れを、前記可動コアに配設したマグネットの極性により変化させて、前記可動コアに往復運動を起こす吸引力を発生させることを特徴とするリニアモータ駆動型圧縮機。
【請求項２】
前記可動コアの移動範囲を外れた位置に、前記コイルが配置されていることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ駆動型圧縮機。
【請求項３】
前記可動コアにマグネットを設けたことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ駆動型圧縮機。
【請求項４】
前記アウターヨークが、圧縮機の圧力容器の内側に配設されていることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ駆動型圧縮機。
【請求項５】
前記アウターヨーク及びコイルが、圧縮機の圧力容器の外側に配設されていることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ駆動型圧縮機。
【請求項６】
請求項１又は２に記載のリニアモータ駆動型圧縮機を備えたことを特徴とする冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアモータ駆動型圧縮機、及び、これを用いた冷凍機に係り、特に、赤外線センサ等の小型計測素子の冷却に用いられる小型蓄冷式冷凍機に用いるのに好適な、圧縮機の寸法や重量を小さくすることが可能な、リニアモータ駆動型圧縮機、及び、これを用いた冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型蓄冷式冷凍機の主な用途は、赤外線センサ等の小型計測素子の冷却であり、そのような用途では、冷凍機運転時の機械振動の低減が要求される。
【０００３】
そのため従来は、図１に例示する如く、圧縮機（コンプレッサとも称する）１０の同軸上に２台のリニアモータ（ＬＭ）１２、２２を対向して設置し、ピストン１３、２３が同時に近接あるいは離隔するように位相差０°で運転するようにした、いわゆるツイン対向リニアモータ型や、図２に例示する如く、１台のリニアモータ１２を用いるシングル・リニアモータ型に、ばね３０を介してカウンターバランサ３２を設ける方法が採られていた。
【０００４】
図において、１１は、例えば肉厚１ｍｍ程度のステンレス製の圧力容器（気密容器）、１４、２４は、ピストン１３、２３が摺動するシリンダ、１５、２５は、該シリンダ１４、２４内で、ピストン１３、２３を摺動自在に支持する、気密性を有する軸受、１６、２６は、前記ピストン１３、２３を駆動するためのコイル、１７、２７は、該コイル１６、２６とピストン１３、２３を連結するコイルボビン、１８、２８はヨーク、１９、２９は、該ヨーク１８、２８に固定されたマグネット、４０は、前記圧縮機１０の圧縮空間３８から冷媒ガスを送り込まれる熱交換器４２が内蔵されたコールドヘッド（ＣＨ）である。
【０００５】
一般的な圧縮機の例が特許文献１に示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−３５７３６９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の小型蓄冷式冷凍機用圧縮機は、動力源として、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）型リニアモータを用いていた。このＶＣＭ型リニアモータは、図１や図２に示したように、コイル１６、２６を駆動させるムービングコイル型、あるいは、図３に示すように、コイル１６をヨーク１８に固定して、代わりにボビン１７に取付けたマグネット１９を駆動させるムービングマグネット型のいずれも、推力発生原理はローレンツ力を利用しており、コイルとマグネットの組合せでなる駆動部自体がモータの推力発生源であるため、モータ本体の重量及び寸法が大きくなり、圧縮機寸法や重量の小型化には限界があった。又、圧縮機運転時の振動を市場要求レベルまで小さくすることも困難であった。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、圧縮機の寸法や重量を小型化すると共に、低振動化を図ることを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、リニアモータ駆動型圧縮機において、冷媒ガスを圧縮するための圧縮空間を形成するための固定インナーヨーク、及び、可動圧縮シリンダを兼ねた可動コアと、該可動コアの移動方向に極性が変わるように配設された複数のマグネットと、前記可動コアの外側に配設されたアウターヨークと、該アウターヨークに配設されたコイルとを備え、該コイルに交流電流を印加した時に該コイルに発生する磁束の流れを、前記可動コアに配設したマグネットの極性により変化させて、前記可動コアに往復運動を起こす吸引力を発生させるようにして、前記課題を解決したものである。
【００１０】
又、前記可動コアの移動範囲を外れた位置に、前記コイルを配置して、圧縮機の外径を小さくでき、その結果、圧縮機の小型化、軽量化を図ることができるようにしたものである。これに対して、コイルと可動コアとを対向する位置に配置し、その外周にアウターヨークを配置した場合は、圧縮機の外径が大きくなる。
【００１１】
又、前記可動コアにマグネットを設けて、可動コアにコイルを巻くことを止めたので、可動コア自体が軽くなり、可動コアを共振させるスプリングを小さいものにできるので、低振動化を図ることができる。これに対して、可動コアにコイルを巻いた場合は、可動コア自体が大きく、重いものになる。
【００１２】
又、前記アウターヨークを、圧縮機の圧力容器の内側に配設して、小型化・軽量化ができるようにしたものである。
【００１３】
又、前記アウターヨーク及びコイルを、圧縮機の圧力容器の外側に配設して、コイルの発熱によりコイル自体の絶縁材料や接着材料から発生するアウトガスが、冷凍機に影響を及ぼすことが無いようにしたものである。
【００１４】
本発明は、又、前記のリニアモータ駆動型圧縮機を備えた冷凍機を提供するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１６】
本発明の第一実施形態のリニアモータ部分は、図４に詳細に示す如く、冷媒ガスを圧縮するための圧縮空間３８を形成する固定インナーヨーク５０、及び、可動圧縮シリンダを兼ねた円筒状可動コア５２と、該可動コア５２の一端面（図の右端面）を閉じるための円板状ボビン５４と、前記可動コア５２の移動方向（図の左右方向）に極性が変わるように埋設された２個のリング状マグネット５６、５８と、前記可動コア５２の外側に配設されたアウターヨーク６０と、該アウターヨーク６０に埋設されたコイル６２とを備えている。
【００１７】
図において、６１は、アウターヨーク６０の突起、６４は、インナーヨーク５０と可動コア５２の間に挿入されたシールである。
【００１８】
前記マグネット５６、５８は、例えば左側のマグネット５６は、外周側がＮ極、内周側がＳ極となるようにされ、右側のマグネット５８は、逆に外周側がＳ極、内周側がＮ極となるようにされている。なお、マグネット５６と５８の磁極の組み合わせは逆であっても良い。
【００１９】
前記インナーヨーク５０及びアウターヨーク６０は、いずれも磁性体材料で形成される。
【００２０】
前記マグネット５６、５８が埋め込まれた可動コア５２を保持するボビン５４は、セラミック、ＦＲＰ、ＰＰＳ、ステンレス等の非磁性材料で、且つ、電気抵抗の大きい材料が使用される。
【００２１】
前記マグネット５６、５８は、例えばフェライト、サマリウム、ネオジウム等の常磁性材料で構成されている。
【００２２】
前記可動コア５２とボビン５４は、例えば接着剤やボルト（磁性体／非磁性体）、溶接等で締結されている。
【００２３】
前記コイル６２の線材は、銅やアルミニウム等の電気抵抗の小さい物質とされ、断面形状は、円形、四角形、三角形や、それらの中空形状とされている。
【００２４】
このコイル６２は、例えば自己融着線、非磁性体製ボビンに巻き付け、又は、モールド成形品等を用いることができる。更に、コイル６２の外側表面を、ＦＲＰ等の非磁性体でカバーすることにより、自立できるようにして、取り付けを容易とすることができる。
【００２５】
ここで、コイル６２に、例えば図５に示す如く、紙面の手前から奥に向かって流れる電流を流すと、矢印Ａに示すような時計回りの磁束Ａが形成され、アウターヨーク６０の内周面はＮ極となる。これにより、Ｎ極のマグネット５６との間に反発力、Ｓ極のマグネット５８との間に吸引力が発生する。従って、可動コア５２は、図５の左方向に変位する。
【００２６】
一方、図６に示す如く、逆にコイル６２に紙面の奥から手前に向かって流れる電流を流すと、矢印Ｂに示すような反時計回りの磁束Ｂが形成され、アウターヨーク６０の内周面はＳ極となる。これにより、Ｎ極のマグネット５６との間で吸引力、Ｓ極のマグネット５８との間で反発力が発生する。従って、可動コア５２は、図６の右方向に変位する。
【００２７】
よって、コイル６２に交流電流を印加すれば、可動コア５２を往復運動させることができ、インナーヨーク５０との間に形成される圧縮空間３８を圧縮することができる。
【００２８】
次に、図７を参照して、本発明の第二実施形態を詳細に説明する。
【００２９】
本実施形態は、アウターヨーク６０の外周部及びコイル６２を、圧力容器１１の外側に配設したものである。
【００３０】
図において、５１は、インナーヨーク５０の突起、６１は、アウターヨーク６０の突起であって、共に磁束を集中させるためのものである。
【００３１】
このように、吸引力発生用のコイル６２を圧力容器１１の外側に設置した場合には、コイル６２から発生するアウトガスの影響を完全に無くすことができる。
【００３２】
前記実施形態においては、いずれも、円筒状の可動コア５２にリング状のマグネット５６、５８を埋め込んでいたので、製造が比較的容易である。なお可動コア５２を角柱状とし、ボビン５４の形状もこれに合わせて多角形状としても良い。
【００３３】
本発明は、スターリング式冷凍機の他、パルス管冷凍機、更には、吸排気弁を付加して高圧と低圧を出せるようにして、Ｇ−Ｍ（ギフォード・マクマホン）冷凍機を含む蓄冷器式極低温冷凍機一般に適用できる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、リニアモータの動作原理をローレン力を利用するボイスコイルモータ型から、吸引力を利用する電磁石型に変更したので、駆動部の寸法や重量を小さくすることができ、圧縮機の小型・軽量化が可能となる。又、駆動部重量が軽くなるので、圧縮機運転時に機械振動値を低減することが可能となる。これにより、冷凍機の機械寿命を延長することができる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ツイン対向リニアモータ型の圧縮機の構成を示す概略図
【図２】シングル・リニアモータにカウンターバランサを組み合わせた圧縮機の構成を示す概略図
【図３】ムービングマグネット型リニアモータの要部構成を示す概略図
【図４】本発明に係るリニアモータ駆動型圧縮機の第一実施形態の要部構成を示す断面図
【図５】第一実施形態のリニアモータの動作を説明するための、コイルに紙面の手前から奥に向かう電流が流れた状態を示す断面図
【図６】図５と逆向きの電流が流れた状態を示す断面図
【図７】本発明に係るリニアモータ駆動型圧縮機の第二実施形態の要部構成を示す断面図
【符号の説明】
１０…圧縮機（コンプレッサ）
１１…圧力容器
５０…インナーヨーク
５２…可動コア（圧縮シリンダ）
５４…ボビン
５６、５８…マグネット
６０…アウターヨーク
６２…コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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