(57)【要約】【課題】低振動、低騒音であって、ＧＭ型の圧縮機として用いた場合に漏れ損失が小さいリニア圧縮機を得ることを目的とする。【解決手段】可動シリンダ４と可動ピストン５を対向して配置し、逆位相で往復運動させることにより、可動部が運動する際に反作用として装置外壁に作用する力が相殺され、低振動で低騒音のリニア圧縮機が得られる。【選択図】  図１
2004353563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機の外壁を形成するケーシングと、前記ケーシングに内装され摺動自在に支持されるシリンダと、前記シリンダに内装されシリンダ摺動軸と同一軸心で摺動自在に支持されるピストンと、前記シリンダ及びピストンを摺動軸心に沿って各々往復運動させるリニア駆動部を備え、前記各リニア駆動部はそれぞれ、可動子と固定子とで磁気回路を形成して推力を発生させるリニアモータと、前記シリンダ又はピストンと前記可動子を結合する連結部、及び前記ケーシングに対し前記連結部を弾性的に支持する弾性体から構成され、前記シリンダ及びピストンを逆位相で往復運動させることを特徴とするリニア圧縮機。
【請求項２】
シリンダ及びピストンの少なくとも一方は、可動子との連結部が可撓性のロッドで構成されることを特徴とする請求項１に記載のリニア圧縮機。
【請求項３】
シリンダ及びピストンの少なくとも一方は、可動子との連結部が自在継手で構成されたことを特徴とする請求項１記載のリニア圧縮機。
【請求項４】
少なくとも可動部の質量と、弾性体及び作動流体の圧縮作用に起因する等価バネ定数と、リニア駆動部の推力特性とを、シリンダ側とピストン側で等しくすることを特徴とする請求項１から３に記載のリニア圧縮機。
【請求項５】
シリンダとピストンのケーシングに対する変位量をそれぞれ検出する変位検出手段を備え、変位振幅と可動部の質量の積がシリンダとピストンでそれぞれ等しくなるように運転することを特徴とする請求項１から３に記載のリニア圧縮機。
【請求項６】
ケーシングには圧縮対象の流体が移動する吸入流路と吐出流路を備え、シリンダ側面にはケーシング側と圧縮室側を連通する吸入口と吐出口を備え、圧縮室の容積が最大となる近傍で前記吸入口を介して圧縮室と前記吸入流路が連通し、圧縮室の容積が最小となる近傍で前記吐出口を介して圧縮室と前記吐出流路が連通することを特徴とする請求項１から５に記載のリニア圧縮機。
【請求項７】
吸入流路と吐出流路が共通であることを特徴とする請求項６に記載のリニア圧縮機。
【請求項８】
ケーシングには圧縮対象の流体が移動する吸入吐出流路を備え、シリンダ側面にはケーシング側と圧縮室側を連通する吸入吐出口を備え、圧縮室の容積に関わらず常に前記吸入吐出口を介して圧縮室と前記吸入吐出流路が連通することを特徴とする請求項１から５に記載のリニア圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニア圧縮機の構成に関するもので、特に小型のパルス管冷凍機等に用いると有用な低振動・低騒音のリニア圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、比較的低温をターゲットとした、冷媒の相変化を用いず作動流体の圧縮・膨張の往復運動により寒冷を得る蓄冷型の冷凍方法としては、スターリング冷凍機とＧＭ冷凍機が用いられている。これらは圧力振動源の違いに特徴があり、ＧＭ型は一般に回転型の圧縮機を用いて高圧と低圧の圧力源を構成し、バルブ切り替えにより冷凍機に圧力変動を発生させるものである。一方、スターリング冷凍機はシリンダ内を往復するピストンにより直接冷凍機に圧力振動を発生させている。どちらの方式も圧力振動源とは別に系内の作動流体の移動を制御するディスプレーサと呼ばれるピストンを備えており、蓄冷器の内部で作動流体を往復運動をさせながら圧縮・膨張することで熱流を発生させている。従って、作動流体の圧力と変位の制御が冷凍能力に大きく寄与することになる。
【０００３】
近年、この蓄冷型冷凍機においてディスプレーサの替わりに、パルス管と呼ばれる中空管を設けこの中に発生するガスピストンを利用した、パルス管冷凍機の発展が著しい。このパルス管冷凍機では、冷凍部に可動機構であるディスプレーサが不要なため構造が簡単かつ低振動化が図りやすい等の特長をもつ。
【０００４】
パルス管冷凍機は１９６０年代に発見され、当初の第１世代のベーシック型はパルス管の終端を単に閉端としていたため、上で説明した圧力変動と変位の位相差が小さく、スターリング冷凍機やＧＭ冷凍機に比べて冷凍能力が小さく実用に向かないものであった。その後１９８０年代に、第２世代のオリフィス型としてパルス管の終端にオリフィスとバッファタンクを設けることでより大きな位相差に制御することが可能となり、実用化が進められた。さらにその後、より広範囲に位相を制御できる第三世代と呼ばれる数々の方法が提案され今日に至っている。
【０００５】
スターリング型のパルス管冷凍機では、小型化の観点からリニアモータによりシリンダ内のピストンを直接駆動するリニア圧縮機が一般に用いられる。しかしながら単ピストンによるリニア圧縮機では、ピストンの運動に伴って脈動的な振動が発生するので振動を嫌うアプリケーションには使用できないという課題があった。またこの振動により、騒音の発生や機械寿命を低下させるという課題があった。これらの課題を解決する方法として従来から、２つのピストンを対向させて配置し、１８０°の位相差で駆動する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
図６は前記特許文献１に記載された従来のリニア圧縮機の構成を模式的に表わした図である。図６において、ピストン６１Ａ及び６１Ｂとその共通するシリンダ６２で圧縮空間６３を構成し、２つのピストン６１Ａ、６１Ｂを互いに逆位相で運転する。６４Ａ、６４Ｂはピストン６１Ａ、６１Ｂを駆動するための駆動部である。圧縮空間６３には作動流体の吸入管６５、吐出管６６が開口している。これにより、それぞれのピストン６１Ａ、６１Ｂの運動により圧縮機ケースに作用する力は相殺し合い、圧縮機の振動・騒音が防止される。
【０００７】
また、ＧＭ型のパルス管冷凍機では、圧縮機で吸入・吐出される作動流体をバルブの開閉で任意のタイミングで制御できるので、変位と圧力の波形を理想的に制御できるという利点がある。しかしながら圧縮機の他にバルブを設ける必要があるために冷凍機が大型化するという問題を有していた。これを解決する方法として従来から、ピストンとシリンダに連通口を設ける方法が知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００８】
図７に前記特許文献２に記載された従来のパルス管冷凍機の構成を模式的に表わした図である。図７において、円筒状の外装ケースにリニア圧縮機が内装されており、シリンダ７１ａ、ピストン７１ｂ、シャフト７１ｃ、ピストン７１ｂを駆動する駆動部７１ｄ等で構成されている。シリンダ７１ａは外装ケースと一体に構成され、一端が封止され内部に作動流体が充填されている。ピストン７１ｂはシリンダ７１ａに内装され、ピストン７１ｂとシリンダ７１ａ及びその封止端で圧縮室７１ｅを構成している。ピストン７１ｂにはシリンダ７１ａ側壁に対面するピストン７１ｂの外周部と圧縮室７１ｅを連通する連通路７１ｉが設けられ、シリンダ７１ａの側壁には圧縮機７１の外部に延伸する第１の通路７２、及び第２の通路７３の一端側が連通する開口部がピストン７１ｂの運動方向にずらして設けられている。圧縮機７１が運転され、ピストン７１ｂが左方向に変位して圧縮室７１ｅの圧力が最大値近傍になったとき、連通路７１ｉ外周部と第一の通路７２の開口部の位置が一致し圧縮室７１ｅの内部圧力に応じた圧力の作動流体が送出される。また、ピストン７１ｂが右方向に変位して圧縮室７１ｅの圧力が最小値近傍になったときは連通路７１ｉ外周部は第二の通路７３と開口部の位置が一致し、内部圧力に応じた圧力の作動流体が吸引される。以上から、ＧＭ型の冷凍機における圧縮機ユニットで行うのと同様に、所定のタイミングで吐出・吸入を切り替えることができる。
【０００９】
なお、この図７では単一のピストンで説明されているが、低振動化のために図６に示すように対向ピストンで実現することも可能である。
【００１０】
【特許文献１】
特開昭６１−２１０２７６号公報（第３頁、第１図）
【特許文献２】
特開平１１−２９４８７８号公報（第３−４頁、図１）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記図６の構成では以下のような課題を有する。すなわち、一般にシリンダとピストンの直径とクリアランスが同じ場合、その摺動距離が長いほど漏れ損失は小さくなる。今、全く同じリニア圧縮機を対向させた場合を考えて１つの場合と単純に比較すると、圧縮機の全長は２倍になる一方でピストン・シリンダ間の漏れも２倍となる。もし漏れを同等に抑えようとすれば、それぞれのピストン・シリンダの摺動距離をより長く取る必要があり、圧縮機の全長はさらに長いものとなってしまう。つまりこの構成では、装置の大型化と圧縮機効率の低下という課題があった。
【００１２】
また、上記図７の構成でも低振動化のために対向ピストンとした場合には上記と同じ課題を有する。これに加え、以下のような課題を有する。すなわち、ピストン７１ｂに設けた吸入・吐出のための連通路７１ｉは常に圧縮空間と繋がっており、圧縮に寄与しない死容積となっている。つまり、ピストン・シリンダのストロークが同じであっても圧縮比を低下させてしまうという課題があった。
【００１３】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、低振動で小型・高効率のリニア圧縮機を提供すると共に、ＧＭ型の圧縮機として用いた場合にも圧縮比の低下を招かないリニア圧縮機を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明のリニア圧縮機は、可動シリンダと可動ピストンを対向して配置し、逆位相で往復運動させる構成を有している。
【００１５】
この構成によって、可動部が運動する際に反作用として圧縮機の外壁に作用する力が相殺され、低振動で低騒音の装置が得られ、さらに、圧縮室の片側だけにしか摺動部がないので、両側が摺動部である構造と比較して漏れ損失が小さくなるリニア圧縮機が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、圧縮機の外壁を形成するケーシングと、ケーシングに内装され摺動自在に支持されるシリンダと、シリンダに内装されシリンダ摺動軸と同一軸心で摺動自在に支持されるピストンと、シリンダ及びピストンを摺動軸心に沿って各々往復運動させるリニア駆動部を備え、各リニア駆動部はそれぞれ、可動子と固定子とで磁気回路を形成して推力を発生させるリニアモータと、シリンダ又はピストンと可動子を結合する連結部、及びケーシングに対し連結部を弾性的に支持する弾性体から構成され、シリンダ及びピストンを逆位相で往復運動させるものである。
【００１７】
上記のように構成することで、運動の反作用として圧縮機のケーシングに作用する力が相殺され、低振動で低騒音の圧縮機が得られる。さらに、圧縮室の片側だけにしか摺動部がないので、両側が摺動部である構造と比較して漏れ損失が小さくなる。
【００１８】
また、請求項２及び３に記載の発明は請求項１の構成に加え、シリンダ及びピストンの少なくとも一方は、可動子との連結部を可撓性のロッドもしくは自在継手で構成するものである。
【００１９】
上記のように構成することで、可動子とシリンダもしくはピストンの軸心とが互いにずれて配置もしくは駆動された場合にも、可撓性のロッドや自在継手の角度が変化してこれを吸収し、片当たりなどせずスムーズに摺動することができる。
【００２０】
また、請求項４に記載の発明は請求項１から３の構成に加え、シリンダとピストンに対し、少なくとも可動部の質量と、弾性体及び作動流体の圧縮作用に起因する等価バネ定数、及びリニア駆動部の推力特性を等しくするものである。
【００２１】
上記のように構成することで、両方のリニア駆動部を同一電源で駆動することで、シリンダとピストンの振幅を一致させて往復運動させることができ、圧縮機のケーシングに働く力を相殺することができる。
【００２２】
また、請求項５に記載の発明は請求項１から３の構成に加え、シリンダとピストンのケーシングに対する変位量をそれぞれ検出する変位検出手段を備え、変位振幅と可動部の質量の積がシリンダとピストンでそれぞれ等しくなるように運転するものである。
【００２３】
上記のように構成することで、両可動部の運動量がトータルでゼロとなるように往復運動させることができ、圧縮機のケーシングに働く力を相殺することができる。
【００２４】
また、請求項６及び７に記載の発明は請求項１から５の構成に加え、ケーシングには圧縮対象の流体が移動する吸入流路と吐出流路もしくは吸入吐出流路を備え、シリンダ側面にはケーシング側と圧縮室側を連通する吸入口と吐出口を備え、圧縮室の容積が最大となる近傍で吸入口を介して圧縮室と吸入流路もしくは吸入吐出流路が連通し、圧縮室の容積が最小となる近傍で吐出口を介して圧縮室と吐出流路もしくは吸入吐出流路が連通するように構成したものである。
【００２５】
上記のように構成することで、圧縮室の圧力が最小となるタイミングで吸入過程、最大となるタイミングで吐出過程となるように、そのタイミングを明確に設定することができるリニア圧縮機を得ることができる。
【００２６】
また、請求項８に記載の発明は請求項１から５の構成に加え、ケーシングには圧縮対象の流体が移動する吸入吐出流路を備え、シリンダ側面にはケーシング側と圧縮室側を連通する吸入吐出口を備え、圧縮室の容積に関わらず常に吸入吐出口を介して圧縮室と吸入吐出流路とが連通するように構成したものである。
【００２７】
上記のように構成することで、連続的に吸入・吐出過程を繰り返すことができるリニア圧縮機を得ることができる。
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるリニア圧縮機の断面を示した図である。まず全体構成について説明する。このリニア圧縮機１００は大別すると、可動シリンダ４、可動ピストン５、及びこれらを個々に駆動するリニアモータと弾性体１０ａ、１０ｂ、作動流体が出入りする吸入吐出経路２２、それと個々の部品を保持し外壁を構成するケーシング１から構成される。
【００３０】
ケーシング１と連結されたシリンダガイド３に摺動自在に内装される可動シリンダ４は、外形が円柱形状で内部に外形と同一軸心の円柱状空洞部を有し、可動ピストン５の端面と共に圧縮室６を形成する。可動シリンダ４と可動子保持部材１１ａは可撓性のロッド１２ａで連結され、可動シリンダ４は可動子もしくはケーシング１に対し多少傾斜することが可能である。可動ピストン５については、可動シリンダ４の内側側面に摺動自在に配置する点を除いて、可動シリンダ４側と同様である。可動シリンダ４とシリンダガイド３、及び可動シリンダ４と可動ピストン５の摺動面のエアギャップは作動流体の漏れ経路となるため、１００ミクロン以下となるように構成する。
【００３１】
なお、可動シリンダ４及び可動ピストン５は、軽量化の観点からアルミニウム材で形成するのが好ましく、軽量化することにより後述するように弾性体５２の剛性を低く抑えることができる。また、十分な強度や耐磨耗性を持った樹脂で形成することも軽量化の点から有利である。さらに、摺動損失を低減するために摺動面にフッ素系樹脂などをコーティングしてもよい。
【００３２】
また、可動シリンダ４にはその側面に吸入吐出口２０が設けられ、シリンダガイド３に設けられた連通部２１を介して、シリンダ４の位置にかかわらず常に圧縮室６と吸入吐出経路２２が連通するようにする。
【００３３】
可動シリンダ４側のリニアモータは、固定子７ａと可動子９ａから構成される。固定子７ａはケーシング１の内面側に設けられ、薄板状の電磁鋼板又はケイ素鋼板等の磁性材料からなる圧延鋼板を、内周面にコの字型の凹部を形成するように放射状に積層して構成した外ヨークの凹部に、コイル８ａを装着することで構成する。一方、可動子９ａは、薄板状の電磁鋼板又はケイ素鋼板等の磁性材料からなる圧延鋼板を、軸と平行な放射状もしくは軸方向に垂直に積層して構成した内ヨークの外面側に、永久磁石を装着することで構成される。なお永久磁石３２は磁気ベクトルが径方向を向くように着磁されている。この円筒型の可動子９ａは、同じく円筒型の可動子保持部１１ａの外周に固定されている。上記リニアモータの構成については可動ピストン側についても同様の構成である。なお、７ｂは固定子、８ｂはコイル、９ｂは可動子である。
【００３４】
可動子保持部１１ａ、１１ｂは可動子９ａ、９ｂ及び可動シリンダ４もしくは可動ピストン５を軸心に沿って往復運動可能に支持する弾性体１０ａ、１０ｂと連結部材１３ａ、１３ｂで連結され、弾性体１０ａ、１０ｂはその周辺部でケーシング１に固定される。この弾性体として、板状弾性材料に螺旋形状の切欠き部を設けた板バネを使用している。
【００３５】
なお可動シリンダ４と可動ピストン５はそれぞれ、各可動部分の質量と弾性体１０ａ、１０ｂ及び作動流体の圧縮作用による等価バネ定数で支配される系の固有振動数を持つ。本実施の形態１ではこの固有振動数だけでなく変位幅も一致するように、リニアモータの推力特性と可動部分の質量、及び等価バネ定数を、可動シリンダと可動ピストンで一致するように設定する。
【００３６】
次に、上記のように構成されたリニア圧縮機の動作について説明する。可動子９ａ、９ｂを構成する永久磁石から生じる磁界とコイル８ａ、８ｂに交流電流を流すことで生じる磁界との相互作用により、可動子９ａ、９ｂは軸方向に推力を受け、可動シリンダ４、可動ピストン５が駆動される。コイル８ａ、８ｂに流す交流電流の向きをそれぞれの可動子９ａ、９ｂに作用する推力の向きが常に逆向きとなるようにすることで、可動シリンダ４と可動ピストン５はその周波数と同期して逆位相で往復運動を行う。また、コイル８ａ、８ｂに流す交流電流の周波数を前出の固有振動数とほぼ一致させることで共振させながら運転することができる。
【００３７】
このようにして可動シリンダ４と可動ピストン５が逆位相で往復運動することで、圧縮室６の容積が増減し、常に連通した吸入吐出口２０を通して吸入吐出経路２２に圧力脈動が伝えられる。
【００３８】
図２はこのリニア圧縮機を用いたパルス管冷凍機の概略図である。リニア圧縮機１００の圧縮室６からガス流路１０２を介して作動流体（ここではヘリウムを使用）が蓄冷器１０４に導入される。内部に銅メッシュを積層した蓄冷器１０４と中空円筒に形成したパルス管１０６は冷却部であるコールドヘッド１０５で折り返した形で接続している。また、蓄冷器１０４とパルス管１０６のコールドヘッドと逆の端部はフランジ１０３で保持されており、これはコールドヘッド１０５を真空断熱により低温に維持する際の真空容器のフランジとしての機能と、リニア圧縮機１００から流入する高温ガスの熱及びコールドヘッド１０５側から流れ込む熱の放熱部としての機能を兼ねている。なお、パルス管１０６のもう一端は細管１０７を介してバッファタンク１０８に連通しており、この部分が作動流体の圧力変化と変位の位相制御機構として作用する。
【００３９】
以上のように本実施の形態１によれば、質量の等しい可動シリンダ４と可動ピストン５を、同一ストロークで互いに逆位相で往復運動させることができる。これにより常にケーシングに作用する軸方向の力が打ち消され、運転時の騒音や振動の小さいリニア圧縮機、冷凍機が得られる。
【００４０】
また、可動ピストン４と可動シリンダ５の摺動部が１個所しかないため、圧縮室６からの漏れが少なく効率の高いリニア圧縮機が得られる。さらに、可動ピストン４と可動シリンダ５の摺動部分を径方向に重ねることになるため、摺動軸方向に短い小型の圧縮機を構成することができる。
【００４１】
なお、本実施の形態１においては、可動シリンダ４、可動ピストン５を弾性体１０ａ、１０ｂで片側から保持する構造としたがこれに限定されるものではなく、例えば可動子の両側から弾性体で保持し、その外側にシリンダもしくはピストンを配置する構造とした場合にも同様の効果が得られる。
【００４２】
また、本実施の形態１においては、板状の弾性体を用いたがこれに限定されるものではなく、コイルバネやガスバネを用いてもよい。
【００４３】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２におけるリニア圧縮機の断面を示した図である。本実施の形態２は、ＧＭ型のパルス管冷凍機に用いるためのリニア圧縮機を実現するものであるが、リニア圧縮機以外の構成については基本的にスターリング型と同じであり、図２と同様に構成する。また、リニア圧縮機の全体構成及び各部分の基本的な構造、動作については実施の形態１と同様であるため、異なる点についてのみ説明する。
【００４４】
可動シリンダ４にはその側面に吸入口３０、吐出口３３が設けられ、シリンダガイド３に設けられた吸入連通部３１、吐出連通部３４を介して、それぞれ吸入経路３２、吐出経路３５と連通させる。ただし、吸入口３０と吸入連通部３１、及び吐出口３３と吐出連通部３４はそれぞれ、可動シリンダ４が図３中、左側及び右側に最も変位した位置付近で連通するように設ける。
【００４５】
次に、上記のように構成されたリニア圧縮機の動作について説明する。可動シリンダ４と可動ピストン５は同一周波数で互いに逆位相で往復運動させるため、圧縮室６の容積が最大（圧力最小）となる近傍で圧縮室６と吸入経路３２が連通し、吸入過程が行われる。このとき吐出経路３５は閉じている。逆に、圧縮室６の容積最小（圧力最大）となる近傍で圧縮室６と吐出経路３５が連通し、吐出過程が行われる。このとき吸入経路３２は閉じている。
【００４６】
以上のように本実施の形態２によれば、質量の等しい可動シリンダ４と可動ピストン５を、同一ストロークで互いに逆位相で往復運動させることができる。これにより常にケーシングに作用する軸方向の力が打ち消され、運転時の騒音や振動の小さいリニア圧縮機、冷凍機が得られる。
【００４７】
また、可動ピストン５と可動シリンダ４の摺動部が１個所しかないため、圧縮室６からの漏れが少なく効率の高い圧縮機が得られる。さらに、可動ピストン５と可動シリンダ４の摺動部分を径方向に重ねることになるため、摺動軸方向に短い小型の圧縮機を構成することができる。
【００４８】
さらに、吸入過程と圧縮過程を独立したタイミングで行うことができるため、ＧＭ型の冷凍機を高低圧切替バルブやその制御装置を用いることなく、シンプルでコンパクトに実現することができる。
【００４９】
（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３におけるリニア圧縮機の断面を示した図である。本実施の形態３は、ＧＭ型のパルス管冷凍機に用いるためのリニア圧縮機を実現するものであるが、リニア圧縮機以外の構成については基本的にスターリング型と同じであり、図２と同様に構成する。また、リニア圧縮機の全体構成及び各部分の基本的な構造、動作については実施の形態１と同様であるため、異なる点についてのみ説明する。
【００５０】
可動シリンダ４にはその側面に吸入口４０、吐出口４１が設けられ、シリンダガイド３に設けられた吸入吐出連通部４２を介して吸入吐出経路４３と連通させる。ただし、吸入口４０と吐出口４１はそれぞれ、可動シリンダ４が図４中、左側及び右側に最も変位した位置付近で連通するように軸方向に離して設ける。
【００５１】
次に、上記のように構成されたリニア圧縮機の動作について説明する。可動シリンダ４と可動ピストン５は同一周波数で互いに逆位相で往復運動させるため、圧縮室６の容積が最大（圧力最小）となる近傍で圧縮室６と吸入吐出経路４３が吸入口４０と吸入吐出連通部４２を介して連通し、吸入過程が行われる。逆に、圧縮室６の容積最小（圧力最大）となる近傍で圧縮室６と吸入吐出経路４３が吐出口４１と吸入吐出連通部４２を介して連通し、吐出過程が行われる。
【００５２】
以上のように本実施の形態３によれば、質量の等しい可動シリンダ４と可動ピストン５を、同一ストロークで互いに逆位相で往復運動させることができる。これにより常にケーシングに作用する軸方向の力が打ち消され、運転時の騒音や振動の小さくなる。
【００５３】
また、可動ピストン５と可動シリンダ４の摺動部が１個所しかないため、圧縮室６からの漏れが少なく効率の高い圧縮機が得られる。さらに、軸方向に短い小型の圧縮機を構成することができる。
【００５４】
さらに、吸入過程と圧縮過程を独立したタイミングで行うことができるため、ＧＭ型の冷凍機を高低圧切替バルブやその制御装置を用いることなく、シンプルでコンパクトに実現することができる。
【００５５】
（実施の形態４）
図５は本発明の実施の形態４におけるリニア圧縮機の断面を示した図である。全体構成及び各部分の基本的な構造、動作については実施の形態１と同様であるため、異なる点についてのみ説明する。
【００５６】
本実施の形態４においては、可動シリンダ４と可動ピストン５で、可動部分の質量と弾性体１０ａ、１０ｂ及び作動流体の圧縮作用による等価バネ定数を個々に一致させるのではなく、これらに支配される系の固有振動数を一致させる。具体的には、可動シリンダ４と可動ピストン５の可動部分の形状と実際に作用させる作動流体の圧力条件から、可動部分の質量と圧縮作用による等価バネ定数を決定し、それぞれの固有振動数がリニアモータを駆動する電源周波数と一致するように各弾性体のバネ定数を設定する。
【００５７】
また、ケーシング１を可動シリンダ４側から密閉するシリンダ側シェル２ａ内面の可動部軸心延長部分に、変位センサ５０ａを配置する。ここでは渦電流型の変位センサを用い、変位センサ５０ａ対面の弾性体１０ａ背面側にセンサターゲットとなるアルミ板５１ａを取り付ける。可動ピストン側についても同様である。これらにより、可動シリンダ４と可動ピストン５の変位幅を検知する。
【００５８】
次に、上記のように構成されたリニア圧縮機の動作について説明する。図５には示していないが、シリンダ側とピストン側の各リニアモータは電圧制御が可能な個別の交流電源で駆動する。コイル８ａ、８ｂに流す交流電流は、それぞれの可動子９ａ、９ｂに作用する推力が常に逆向きとなる方向とし、その周波数と位相は一致させる。さらに両変位センサ５０ａ、５０ｂの出力からリニアモータへの入力電圧をコントロールする制御部（図示せず）を設ける。この制御部では、可動シリンダ４の可動部質量とストロークの積が、可動ピストン可動部の質量とストロークの積に等しくなるように入力電圧を制御する。
【００５９】
以上のように本実施の形態４によれば、可動シリンダ４と可動ピストン５の可動部の運動量が常に一致し、その方向は逆向きとなる。従ってリニア圧縮機全体としての運動量の時間変化がなくなり、振動・騒音の少ないリニア圧縮機が得られる。
【００６０】
また、可動ピストン５と可動シリンダ４の摺動部が１個所しかないため、圧縮室６からの漏れが少なく効率の高いリニア圧縮機が得られる。さらに、軸方向に短い小型の圧縮機を構成することができる。
【００６１】
さらに、形状の異なるシリンダとピストンの可動部分の質量を意図的に一致させる必要がなく、設計の自由度が広がる。
【００６２】
なお、本実施の形態４においては渦電流型の変位センサ５０ａ、５０ｂを用いたがこれに限定されるものではなく、光学式センサなど他方式センサを用いても良い。
【００６３】
【発明の効果】
上記から明らかなように、本発明は、可動シリンダと可動ピストンを対向させて逆位相で往復運動させるものである。
【００６４】
この構成によれば、可動部が運動する際に反作用として圧縮機の外壁に作用する力が相殺され、低振動で低騒音の圧縮機が得られるという効果を奏する。さらに、振動による機械寿命の低下を抑えられ、高い信頼性のパルス管冷凍機を実現できる。
【００６５】
さらに、圧縮室の片側だけにしか摺動部がないので、両側が摺動部である構造と比較して漏れ損失が小さく、効率の高い圧縮機が得られる。
【００６６】
さらに、ピストンとシリンダの摺動部分を径方向に重ねることになるため、摺動軸方向に短いコンパクトな圧縮機を構成することができる。
【００６７】
また、本発明は、シリンダ及びピストンの少なくとも一方は、可動子との連結部が可撓性のロッドもしくは自在継手で構成するものである、
この構成によれば、可動子とシリンダもしくはピストンの軸心とが互いにずれて配置もしくは駆動された場合にも連結手段がこれを吸収し、ピストンが片当たりなどせずスムーズに摺動することができる。このため、摺動部の損失を低減し効率を向上できる。また、組立て時の軸心合わせの精度に余裕ができ、組立て性の優れた圧縮機が得られる。また、重力の影響による軸心のずれに対する影響も受けにくくなるので、圧縮機の配置方向に対する自由度が増え、コンパクト化と合わせて機器への組込みが行いやすくなるという効果を奏する。
【００６８】
また、本発明は、可動部の質量と、弾性体及び作動流体の圧縮作用に起因する等価バネ定数と、リニア駆動部の推力特性とを、シリンダ側とピストン側で等しく構成し、シリンダとピストンを対向させて逆位相で往復運動させるものである。
【００６９】
この構成によれば、可動シリンダと可動ピストンを同一ストロークで往復運動させることができる。これにより常に圧縮機の外壁に作用する作用する軸方向の力が打ち消され、運転時の騒音や振動の小さい圧縮機、冷凍機が得られる。
【００７０】
さらに、電流の向きにだけ注意すれば、両リニアモータを単独の交流電源で駆動することができ、安価でシンプルなシステムを構成できる。
【００７１】
また、本発明は、シリンダとピストンの変位振幅をそれぞれ検出しながらこれを対向させて逆位相で往復運動させるものであり、変位振幅と可動部の質量の積がシリンダとピストンでそれぞれ等しくなるように各リニア駆動部の駆動電源を制御して運転するものである。
【００７２】
この構成によれば、両可動部分の運動量の和の絶対値をゼロもしくは非常に小さくすることができる。これにより振動・騒音の少ない圧縮機が得られる。
【００７３】
さらに、形状の異なるシリンダとピストンの可動部分の質量を無理に一致させる必要がなく、設計の自由度が広がる。
【００７４】
また、本発明は、シリンダ側面に吸入口と吐出口を備え、圧縮室の容積が最大となる近傍で吸入口を介して圧縮室と吸入流路もしくは吸入吐出流路が連通し、圧縮室の容積が最小となる近傍で吐出口を介して圧縮室と吐出流路もしくは吸入吐出流路が連通するように構成したので、吸入過程と圧縮過程を独立したタイミングで行うことができる。この圧縮機を用いることで、高低圧切替バルブやその制御装置を用いることなくコンパクトで低振動のＧＭ型冷凍機を実現することができる。
【００７５】
また、本発明は、シリンダ側面に吸入吐出口を備え、圧縮室の容積に関わらず常に吸入吐出口を介して圧縮室と吸入吐出流路を連通するように構成したので、連続的に吸入・吐出過程を繰り返すことができる低振動のリニア圧縮機を得ることができる。この圧縮機を用いることで、小型で低振動のスターリング型パルス管冷凍機を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を示すリニア圧縮機の断面図
【図２】本発明の実施の形態１を示すパルス管冷凍機の概略図
【図３】本発明の実施の形態２を示すリニア圧縮機の断面図
【図４】本発明の実施の形態３を示すリニア圧縮機の断面図
【図５】本発明の実施の形態４を示すリニア圧縮機の断面図
【図６】従来のリニア圧縮機の構成を示す模式図
【図７】従来のリニア圧縮機の構成を示す模式図
【符号の説明】
１  ケーシング
３  シリンダガイド
４  可動シリンダ
５  可動ピストン
６  圧縮室
７  固定子
８  コイル
９  可動子
１０  弾性体
１１  可動子保持具
１２  可撓性ロッド
２０  吸入吐出口
２１  連通部
２２  吸入吐出経路
【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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