JP2001330329A - リニア圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】リニア圧縮機の効率を高め、効率化を通して圧
縮機としての小型化を徹底し、併せて熱発生を抑え得る
こと。 【解決手段】アクチュエータの可動部材１２０の表面に
磁石１２２を周回状に配置して、可動部材の軸長を短縮
でき、また、シリンダ１１０の電磁石１３０において、
電磁コイル１３１やヨーク１３３の形状・配置、ヨーク
の材質等を改良して、コイルの発熱量を１／４程度に低
減し、効率を高めたことから、装置の小型化が達成でき
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、ムービングマグネ
ット方式のリニア圧縮機おいて、小型冷却器に用いるリ
ニア圧縮機の効率を高める技術に関する。更に、詳しく
は、固定部材となる圧力容器（シリンダを含む）の内側
に電磁石部（ヨーク）が収まるように配置して、電磁コ
イルの発熱量を抑えることが可能となり、また可動部材
（ピストンまたはプランジャ）において永久磁石をその
表面に配置することにより、推力発生に有効に働く磁束
の量を増やすことができ、可動軸の短縮も可能となり、
圧縮機全体としての小型化を一層進めた改良技術であ
る。

【０００２】

【従来技術とその問題点】本発明は電子通信技術に利用
される超伝導フィルタが機能する極低温をもたらすため
の冷凍機関連技術であるが、これは大きな冷凍空間内に
冷凍機が設置されている従来型技術とは異なっている。
肝心の超伝導フィルタ回路とその周辺回路等が低温雰囲
気に置かれれば、被冷却体の体積が小さいので、空間的
に容積が充分であり、この場合には小型の冷凍室を備え
ればよい。冷凍機の一部分を構成している蓄冷器を含む
領域を冷凍室とするような、例えばパルス管冷凍機が実
用的なものとして例示できる。

【０００３】また、本発明はリニア圧縮機を対象とする
ものであるが、従来では、シリンダに永久磁石を配置
し、ピストン可動部材に電磁石を設置する方式がよく知
られている。このような従来装置は、ピストンの稼働に
伴い電磁コイル用の配線部が伸縮させられることが避け
られず、電磁コイル周辺の配線部が熱疲労し易い上に、
電磁コイル自体の発熱が大きく、放熱性の観点からも改
良の必要があった。電磁コイルの配置を改良点とする技
術として、パルス管冷凍機のような蓄冷器式冷凍機用途
に供するリニア圧縮機として、永久磁石（マグネット）
が埋設された可動部材に対して、複数個の電磁石（励磁
コイル）を例えば放射状に配列した星形リニア圧縮機が
知られている。

【０００４】ところで、この星形リニア圧縮機を含め
て、従来のリニア圧縮機は、圧縮機を構成する部品の殆
ど総てが圧力容器の中に納められているため、推力を増
強させるべくアクチュエータの寸法・形状を拡大する
と、圧力容器やその他の接続部材の容積（重量）もそれ
に連れて大きくなるという問題がある。

【０００５】また、コイル部が圧力容器内に存在するた
め、コイルからの放熱が不充分となるという別の問題も
ある。

【０００６】既に、本発明者らは、これらの問題点を解
消すべく、リニア圧縮機の小型軽量化及び放熱性の改良
を試み、その技術を特許として出願している（特願平１
１−２９０４０号）。この先願発明は、図７として圧縮
装置の部分断面図に示したように、リニア圧縮機のシリ
ンダ１１０の外側において、当該シリンダ１１０を挟ん
で対向するように電磁石１３０（電磁コイル１３１、１
３２およびヨーク１３３）をシリンダの長手方向に並べ
て固定したものである。また丸パイプ状の可動部材１２
０には磁石１２２が深く埋設され、周囲をヨーク１２４
により囲まれて、可動部材の往復運動（紙面に垂直方向
に動く）を円滑化するように磁束が分布される。この電
磁石１３０の配置により、シリンダ１１０の径・寸法を
伸長することなく、電磁石の設置個数を増加できること
になる。言い換えると、シリンダの肉厚を変えずに性能
を向上でき、圧縮機としての軽量化も達成されている。
この先願発明は、従来技術に見られない利点があり、発
明者としてその効用を自負し得るものであるが、その先
願発明に更に創意工夫を凝らしたものが、これから説明
する本発明である。

【０００７】先願発明（特願平１１−２９０４０号）と
比較すると、本発明は、可動部における永久磁石の配置
を変えて、磁束の方向とその密度とを可動部の推力が増
大するように改良したものである。先願発明では、図７
のアクチュエータにおいて可動部の電磁鋼板を全周に配
置すると、埋設された磁石からの磁束は可動部内部で一
周してしまい、電磁石（圧力容器）との間で永久磁石
（可動部）が推力として有効に働かないことになる。こ
の原因は、可動部とヨークの歯の間にはギャップがあ
り、磁気抵抗が大きいため磁気抵抗の低い電磁鋼板内部
で磁束が纏まってしまうため、可動部の推力となる磁束
が低減するのである。このように、起磁力が有効に推力
とならない。

【０００８】磁気理論によれば、磁束密度は材料によっ
て決まってしまうため、材料の磁束密度が飽和した領域
で用いる場合、アクチュエータの推力は可動部とヨーク
の歯の向かい合う部分との長さに比例する。つまり、先
願発明のアクチュエータと比較すると、本発明ではヨー
クの歯が全周に亙って配置することができるため、推力
を発生する部分の長さが増えたことになり、飛躍的に推
力が高まる。推力増加の結果、必要な推力を維持するた
めのコイルに通電する電流量を減らすことが可能とな
り、延いては発熱量（電力消費量）を減らすことができ
る。

【０００９】このように、推力を発生する部分の長さが
増えたことにより、電力を抑制でき、実際にアクチュエ
ータのコイル発熱量を１／４程度に抑えることが可能と
なっている。しかも、可動部材において、磁石の配置が
アクチュエータのコアにあった先願発明の装置を、本発
明では可動部材の表面に置換えたことから、可動部の軸
方向の長さを短縮でき、一層の小型化が達成可能となっ
ている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、本発
明の課題は、ムービングマグネット方式のリニア圧縮機
において、小型冷却器に用いるリニア圧縮機の効率を高
めることである。また、効率化を通して圧縮機としての
小型化を徹底することにある。

【００１１】而して、リニア圧縮機の放熱性（電力消費
量）の改善と、装置の小型化が図られることとなる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような課題を達成す
るために、次の技術的手段が加えられている。

【００１３】請求項１の発明は、リニア圧縮機の一方を
構成する主要素である円柱状又は角柱状の可動部材の表
面に、永久磁石を周回状に並べたものを１つのユニット
としており、可動部材表面は４個（偶数個であれば、更
に増設することも可能）の磁石の配置からなる場合にＮ
極面、Ｓ極面、Ｎ極面及びＳ極面（６、８個のときも同
様）となるように交互に埋設されている。そして、長手
方向におけるユニットが複数個に及ぶとき、可動部材の
軸に沿って、永久磁石が実質的に間隙（非磁石部分また
はヨーク）のないように、緻密に、Ｎ極面とＳ極面とが
交互に繰り返され配列されている特徴を備える。

【００１４】他方の主要素である固定部材（圧力容器及
びシリンダを含む）側には、該固定部材が円柱状の場合
に、２分の１円（半円）、４分の１円（扇形）又は８分
の１円の電磁鋼板で代表される強磁性体を芯材とする電
磁コイルからなる電磁石が設けられる。永久磁石の軸方
向における境界を跨いで、電磁鋼板が対向する位置に配
置されている。かように永久磁石（可動部材）と極性の
変化する電磁石（固定部材）とが配置されて、可動部の
推力が高められる。そして、固定部材の極性の変化に伴
って可動部材は軸方向に往復運動するが、圧力容器側と
してはこれが１ユニットである。従って、可動部材の軸
（可動部材の運動方向）に沿って複数のユニットが配列
されると、可動部材ユニットの磁石の長さと位置とに対
応して、電磁石はその長さと位置の関係を保つことによ
って、可動部材を円滑な往復運動させるように働かせ
る。

【００１５】請求項２の発明は、請求項１において、強
磁性体が電磁鋼板の場合に磁力の異方性を利用すること
が好ましく、電磁鋼板の積層面が可動部材の運動方向と
平行であることを特徴とする。これはリニア圧縮機にお
いて可動部材の推力を高めるために好ましい要件であ
る。

【００１６】請求項３の発明は、可動部材とヨークとの
歯の間に位置決め用の部品（位置決め部材）を介在させ
るもので、可動部材の磁石と電磁石との軸（運動）方向
における長さとその位置を正確に決めることにより、磁
力を高めて効率化し、ひいては可動部材の推力を高め、
可動軸の長さを短縮できる効果もある。

【００１７】請求項４の発明は、電磁石側ヨークの歯の
端部において、一部の電磁鋼板に替えて飽和磁束密度が
使用している電磁鋼板よりも高いものを附けて、この端
部の磁束密度を増大せしめるものである。飽和磁束密度
が高い強磁性材料として、例えばパーメンジュールが挙
げられる。

【００１８】請求項５の発明は、磁石として、例えば、
Ｎｅ−Ｆｅ鉄鋼の如き強磁性体の鋼板を多数枚積層して
なる集合体を用いると磁石内部に渦電流の発生を抑止で
き、磁力の向上と電力のロスを減少できる効果がある。

【００１９】

【動 作】図面を参照して本発明を説明する。図１は、
本発明に係わるリニア圧縮機をパルス管冷凍機に適用し
た例である。パルス管冷凍機自体の動作は特許（第２６
９９９５７号）により知られているので説明を割愛す
る。

【００２０】図１において、リニア圧縮機１００は、作
動流体（具体的にはヘリウム、窒素、水素、ネオンアル
ゴン等）を膨張圧縮させて、この作動流体にダイナミッ
クな変位、即ち進行波成分と定在波成分と、を与えるこ
とにより、パルス管冷凍機２００において所定の熱交換
をもたらし、蓄冷器２２０の低温側２１０を冷却させ、
パルス管２３０の先端から放熱させるものであり、ダイ
ナミックな変位において、位相を調節する手段により作
動流体自体が熱を運搬する作用をもたらす。また、パル
ス管冷凍機２００には作動流体の位相調整や圧力制御等
の目的で、インレットパイプ２７０、バッファータンク
２４０、リリーフバルブ２５０等を設ける必要がある。
そして、このパルス管冷凍機の一部（図１の鎖線で囲ま
れた部分）は外部との断熱のために、図示しない真空容
器の内部に納められる。

【００２１】リニア圧縮器１００は、図２に模式的に示
すように、蓄冷器２２０と作動流体吐出口１１１との連
結管１９０を挟んで、左右対称に構成されている。この
様式を対向ピストン構造と称するが、機械的なバランス
が良いので、組立、運転（稼働）に有利であり、多用さ
れるであろう。

【００２２】１１０は丸パイプ状に形成された例えばス
テンレス鋼製の固定部材（圧力容器）であり、シリンダ
の一部を構成する。この固定部材１１０は連結管１９０
を介してパルス管冷凍機の蓄冷器２２０と連通し、ま
た、圧力容器の内部には長手方向に往復運動をする可動
部材１２０が配設されている。

【００２３】更に、可動部材の長手方向の一端側（作動
流体吐出口１１１）には、固定部材（圧力容器）の内壁
に対して微小な間隙を有して位置する円柱状のピストン
部１２１が設けられており、このピストン部が可動部材
１２０と一体に往復運動することにより作動流体が膨張
圧縮される。

【００２４】因みに、固定部材１２０のうち、ピストン
部１２１が往復運動する部位を特にシリンダと称し、材
質的にシリンダはピストン部とほぼ等しい熱膨張係数を
有するものが選択される。

【００２５】また、可動部材１２０のうちピストン部１
２１より長手方向の他端側（遠隔側）をプランジャ部１
２３と呼び、ピストン部とプランジャ部とは例えばネジ
結合されている。

【００２６】図３（ａ）および（ｂ）は、固定部材（圧
力容器）１１０と可動部材１２０との構成の１ユニット
を示す図面である。図３（ｂ）の断面図に示すように、
プランジャ部には永久磁石１２２が配置される。ここ
で、永久磁石１２２はプランジャ部１２３の表面に周回
状に配置される。そして、永久磁石の配置は、図３
（ｂ）に示した通りであって、円柱状の可動部材の表面
に、コア１２５の上に、周回状に並べている。可動部材
の表面は４個（偶数個であれば、更に増設することも可
能）の磁石の配置からなる場合にＮ極面、Ｓ極面、Ｎ極
面及びＳ極面（６、８個のときも同様）となるように交
互に埋設される。

【００２７】他方、図３（b）に見られるように、固定
部材（シリンダの外側部分を含む）１１０には例えば、
４分の１円形（扇形）の強磁性体をヨーク１３３とする
電磁コイル１３１からなる電磁石１３０が設けられ、可
動部材に設けられた永久磁石１２２の周回状の境界部分
と電磁鋼板の中心（扇の要）付近とが対向する位置に配
置されている。往復運動に際して、可動部材は永久磁石
の境界位置が変動しないように、換言すると、軸回転が
殆ど起こらないように、軸方向に往復せしめる。そし
て、この往復運動を補うために可動部材の少なくとも両
端は板バネ等の支持部材１５０により支持されている。

【００２８】固定部材（圧力容器）１１０に配備される
強磁性体（電磁鋼板等）をヨーク１３３とする電磁石に
おいて、電磁鋼板は４分の１円形（扇形）以外に２部の
１円（半円）、６分の１円又は８分の１円のものとする
ことも勿論可能である。

【００２９】また、圧力容器１１０及び可動部材１２０
は、先に示した図面では、円柱状のものを例示したが、
勿論角柱（例えば４角柱）状のものも適用できる。

【００３０】次に、図３（ａ）は１つのユニットを示す
もので、電磁石１３０は電磁コイル１３１に挟まれたヨ
ーク１３３とから構成され、これに対向して可動部材と
磁石１２２が配置されている。更に、長手方向における
ユニットが複数個に及ぶとき（図２では左右各３ユニッ
ト）、可動部材の軸に沿って、緻密に極性が反転するよ
うに磁石を交互に繰り返し配列する。可動部材のコア１
２５は強磁性体からなり、また圧力容器側の電磁コイル
により励起される磁束の磁路を構成するヨーク１３３は
薄板を積層したものであり、電磁鋼板や珪素鋼板からな
り渦電流の発生を抑制している。

【００３１】なお、可動部材の軸（可動部材の運動方
向）に沿って複数のユニットが配列されると、可動部材
ユニットの磁石の長さと位置とに対応して、電磁石はそ
の長さと位置の関係を保つことによって、可動部材を円
滑に往復運動させるように働くのである。

【００３２】

【発明の実施の形態】＜実施の形態１＞電磁コイル１３
１を設けるに当り、励起される磁束密度が高く、しかも
ヨーク１３３に渦電流が生じ難いように、薄板の電磁鋼
板を積層して用いる。この際、積層面が可動部材の運動
方向と平行となるように設置するとよい。要するに、こ
の要件は電磁石としての磁力を高める。

【００３３】＜実施の形態２＞図４は、可動部材とヨー
クとの歯の間に位置決め用の部品（位置決め部材）を介
在させる状況を示す斜視図であり、この図から判るよう
に可動部材の磁石と、固定部材（シリンダ）側の電磁石
との軸（運動）方向における長さとその位置を正確に決
めることにより、磁力を高める効果がある。また、組付
けに際し、作業効率も高く、組立の精度も向上する。

【００３４】＜実施の形態３＞電磁石側ヨークの歯の端
部において、図５に示したように、通常使われている電
磁鋼板の先に、パーメンジュールで代表される飽和磁気
密度が極めて高い磁性材料をを更に附けて、磁束密度を
増大せしめることが可能である。このパーメンジュール
は飽和磁束密度が電磁鋼よりも約３０％大きい。従っ
て、通電に要する電力を軽減することが可能となり、導
線における損失（電力消費量）が４０％程度低減でき効
率がよい。冷凍関連技術にあっては、電力消費量の低減
は、経済効果とは別に、冷凍に有害な熱発生を抑制し得
るので、極めて重要な技術的改良である。

【００３５】＜実施の形態４＞永久磁石として例えばＮ
ｅ−Ｆｅ鉄鋼の如き強磁性体が使用されている。本発明
では、強磁性鋼の板を多数枚積層して、図６に示したよ
うに、積層した集合体として用いると、磁石内部に生じ
易い渦電流の発生を低減・抑止でき、磁力の向上と電力
のロスを減少できる。

【００３６】

【発明の効果】請求項１の発明により、電磁コイルの磁
束密度が飛躍的に高まるため、電力を抑制でき、結果的
にアクチュエータのコイル発熱量を１／４程度に抑える
ことが可能となっている。更に、固定部材における電磁
石部分は圧力容器の外側にはみ出すものではなく、完全
に圧力容器内に収まっているため、圧縮機として小型化
されており、しかも、可動子において、磁石の配置がア
クチュエータのコアにあった従来技術から、本発明では
可動部材の表面に配置変えしたことから、可動部の軸方
向の長さも短縮されて、一層の小型化が達成されてい
る。

【００３７】請求項２の発明では、強磁性体の積層面を
可動部材の運動方向と平行としたことから、電磁石とし
ての磁束密度が高められ、ひいては電力消費量の低減効
果がある。

【００３８】請求項３の発明は、可動部材とヨークの歯
との間に位置決め用の部品を介在させた結果、可動部材
の磁石と固定部材側電磁石とにおける軸方向長さとその
位置を正確に決めることができ、効率化と可動部材の推
力向上とが図られ、可動軸の長さを短縮できる効果もあ
る。

【００３９】請求項４の発明では、ヨークの歯の先端に
おいて、一部の電磁鋼板に代えてパーメンジュールを設
けて、磁束密度を３０％程度増大せしめたものである。
磁束密度の増強が不要であるならば、使用電力を約３０
〜４０％低減してもその状態を維持できることとなり、
省エネルギー効果や冷凍機としての放熱対策の条件が緩
和される効果がある。

【００４０】請求項５の発明により、強磁性鋼の板を多
数枚積層してなる集合体を用いることから、磁石内部に
渦電流の発生を減少でき、磁力の向上と電力のロスを減
少できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】パルス管冷凍機の模式図である。

【図２】リニア圧縮機の模式図である。

【図３】固定部材（シリンダ）と可動部材（プランジ
ャ）と磁界構成とを示すアクチュエータユニットの
（ａ）縦断面図、および（ｂ）横断面図である。

【図４】位置決めにおける可動部材の斜視図（ａ）およ
び位置決め部材（ｂ）の部分図である。

【図５】電磁鋼板に換えて、その一部にパーメンジュー
ルを用いる部分の斜視図である。

【図６】可動部材に埋設する磁石は断面図（ａ）に示し
た通りであるが、これを模式的に示すと模式図（ｂ）で
表すことができ、実際の積層状態は説明図（ｃ）のよう
である。

【図７】先願発明のアクチュエータユニットの断面図で
ある。

【符号の説明】

１１０ 固定部材（シリンダ、圧力容器） １２０ 可動部材 １２１ ピストン部 １２２ 永久磁石 １２４ ヨーク １３０ 電磁石 １３１ 電磁コイル １３３ ヨーク １５０ 支持部材 １６０ 支持部材ケース １９０ 連結管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 滝澤 敬次 愛知県日進市米野木町南山500番地１ 株 式会社クライオデバイス内 Ｆターム(参考） 3H076 AA02 BB21 BB38 CC04

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ムービングマグネット方式のリニア圧縮機
   において、 円柱状又は角柱状の可動部材となる強磁性体の表面に、
   永久磁石を周回状に、該表面がＮ極面、Ｓ極面、Ｎ極面
   及びＳ極面となるように交互に埋設されていること、 固定部材としてＮ分の１円形（中心角を３６０度／Ｎと
   して分割された半円乃至扇形）の強磁性体を芯材とする
   電磁コイルからなる電磁石が設けられ、該電磁石は周回
   状に置かれた前記永久磁石と対向する位置に配置される
   こと、更に該電磁石は前記可動子の軸（可動子の往復運
   動方向）に沿って配列された前記永久磁石の長さと位置
   とに対応した長さと位置とを備えること、 電磁コイルに交番電流を通電して、磁界を変化せしめる
   と、可動部材が往復運動可能となるように可動部材が支
   持部材により支持されてなること、 を特徴とするリニア圧縮機。
2. 【請求項２】請求項１において、前記強磁性体の積層面
   が前記可動部材の運動方向と平行であることを特徴とす
   るリニア圧縮機。
3. 【請求項３】請求項１において、可動部材とヨークの歯
   の間に位置決めの機能を有する位置決め部材が介在する
   ことを特徴とするリニア圧縮機。
4. 【請求項４】電磁石側ヨークの歯の端部において、一部
   の電磁鋼板に替えて該電磁鋼板よりも飽和磁束密度の高
   い強磁性材料を附けて、磁束密度を増大せしめてなるリ
   ニア圧縮機。
5. 【請求項５】磁石が積層された集合体からなることを特
   徴とするリニア圧縮機。