JP2004116515A - リニアモータ駆動型圧縮機、及び、これを用いた冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】　アウトガスによる冷凍能力の低下を防ぐと共に、小型化する。
【解決手段】　コイル５４を含む磁気回路５６、８０の部分を冷媒ガスを封入する気密容器１１の一部とし、コイル５４を、その外側部分に配置する。
【選択図】図５

Description

　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や高温超伝導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、アウトガスによる冷凍能力の低下を防ぐと共に、小型化することが可能な、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。

　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。

　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１８０°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。

　図において、１１は、冷媒ガスを封入する圧力容器（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を連結するボビン、１８、２８はヨーク、１９、２９は、該ヨーク１８、２８に固定された永久磁石、４０は、前記圧縮機１０からガス流路３８を介して冷媒ガスが送り込まれ、低温端４１を冷却する熱交換器（例えば金網）４２が内蔵されたコールドヘッド（ＣＨ）である。

　しかしながら、従来の圧縮機用リニアモータに用いられている駆動方式、即ち、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に取付けた永久磁石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使用しており、駆動部自体がローレンツ力発生源であるため、駆動部重量及び寸法が大きくなり、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は困難であった。又、駆動部の重量及び寸法が大きいため、圧縮機寸法や重量の小型化には限界があった。

　このような問題点を解決するべく、出願人は特願２００２−８１７６０で、図４（ピストン駆動のシングル・リニアモータ型の場合）に示す如く、電磁石型リニアモータによりピストン１３又はシリンダ１４（図示しないシリンダ駆動型の場合）を駆動することを提案している。

　図において、５０は、圧縮機のピストン１３（図４に示したピストン駆動型の場合）又はシリンダ（図示しないシリンダ駆動型の場合）とボビン１７により連結される可動子コア、５２は、該可動子コア５０に近接配置される永久磁石、５４はコイル、５６は、該コイル５４に発生した磁束を、前記可動子コア５０及び永久磁石５２に流し込むための磁気回路である。

　しかしながら、このような電磁石型リニアモータの磁気回路５６は、多数の電磁鋼板５７をピストンの軸方向に積層して作られており、各々の電磁鋼板の間には絶縁被膜が取付けられている。従って、図４のように、圧縮機の気密容器１１の内部に電磁石モータを設置した場合には、電磁鋼板やコイル線の絶縁被膜からアウトガスが発生し、図１に示したコールドヘッド４０先端の低温端４１（２００ｋ以下となる）で液化又は固化して、熱交換器４２の運動を妨げ、冷凍能力が低下するという問題がある。このアウトガス放出量を低減させるためには、磁気回路５６に対して、予め長時間加熱してアウトガスを放出させるベーキング（アニーリング）等の処置を施さなければならないが、磁気回路５６は圧縮機構成部品のうち一番大きい部品であり、大きなベーキング設備（電気炉等）が要るだけでなく、電気代がかかる。更に、ベーキング時間が長く、部品納入から出荷までの時間も長くかかる。

　一方、ベーキングが不十分な場合は、コンタミネーションにより冷凍機が故障するという問題がある。

　又、気密容器１１の内側に設置したコイル５４への電流供給は、気密性の高い大型のハーメチックコネクタ６０又はハーメチック端子を圧縮器容器に溶接して行なう必要があり、圧縮機の外径及び全長が大きくなる。特に冷凍機駆動電流１０Ａ以上の高電流駆動では、ハーメチックコネクタのピン径及びピン間隔が大きくなり、圧縮機寸法に及ぼす影響が大きくなる。又、ハーメチック端子やコネクタは値段が高く、冷凍機のコストアップも生ずるという問題点を有していた。

　本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、アウトガスによる冷凍能力の低下を防ぐと共に、小型化を可能とし、コンタミネーションによる冷凍機の故障を防止することを課題とする。

　本発明は、コイルと、圧縮機に連結される可動子と、該可動子に近接配置される永久磁石と、前記コイルに発生した磁束を流し込むための磁気回路と、を含むリニアモータ駆動型圧縮機であって、前記コイルを含む磁気回路部分を、冷媒ガスを封入する気密容器の一部とすることにより、前記課題を解決したものである。

　又、前記磁気回路の内側に気密性を確保するための板材を配設したものである。

　あるいは、前記磁気回路が磁性体ブロックを有するようにしたものである。

　本発明は、又、前記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を提供するものである。

　本発明によれば、圧縮機構成部品からのアウトガス量が低減し、冷凍機・コールドヘッド先端でアウトガスが液化又は固化して熱交換器の運動を妨げ、冷凍能力が低下する問題や、コンタミネーションにより冷凍機が故障する問題を解決できる。又、ハーメチックコネクタや端子が不要となり、圧縮機外径及び全長を小さくできる。更に、発熱体であるコイルを大気側に設置して、放熱効率を向上し、冷凍能力を向上することができる。

　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。

　本発明の第１実施形態は、本発明を、図４に示した従来例と同様のピストン駆動のシングル・リニアモータ型圧縮機に適用したもので、図５に示す如く、磁気回路５６が従来例と同様の積層電磁鋼板５７又は焼結金属を有するものとし、その内側に気密性を確保するための電気抵抗の大きい金属又は非鉄金属又は非磁性体製の板７０を筒状に配設し、該板７０を圧縮機容器１１と溶接又はシール部材を用いて接合して、耐圧気密性能を持たせたものである。

　図において、７２は、２枚の平行板ばね等の自由運動方向に特異性を持つ弾性支持体であり、圧縮機駆動部（図５ではピストン１３）を保持して、圧縮機のシール寿命を長くしている。

　該圧縮機駆動部（ピストン１３）と可動子コア５０とは、電気抵抗の大きい部材（ステンレスやセラミック等）で製作されたボビン１７を用いて、ボルトや溶接により締結される。

　前記ピストン１３とシリンダ１４間は、例えば１０μm〜５０μmの完全非接触クリアランスシール（ギャップシール）構造とされている。なお、ガスベアリングシールや接触シールを用いても良い。

　前記駆動部（ピストン１３）のストロークとピストン径の関係は、１：０．５〜３．０、駆動周波数は３０Ｈｚ〜７０Ｈｚ、駆動電圧はＡＣ２３０Ｖ以下とすることが望ましい。

　前記板７０の材質は、ステンレス鋼、アルミニウム等の非磁性且つ溶接が可能な材質とすることが望ましい。

　前記可動子コア５０とコイル５４間の隙間ｔと可動子コア５０の外半径ｒの比ｔ／ｒと、次式で定義されるＣＯＰの関係は、例えば図６に示す如くであり、ＣＯＰ＞２％を確保するために、製作上の問題と性能上の問題から前記比ｔ／ｒ＝６．７〜１１．５％の範囲内とすることが望ましい。

　　ＣＯＰ＝｛冷凍能力（Ｗ）／消費電力（Ｗ）｝×１００％

ここで、６．７％という下限は、板７０が隙間ｔに入る限界であり、１１．５％という上限は、隙間ｔが大きくなって効率が低下する限界である。

　一方、駆動部重量と弾性支持体ばね定数から算出される固有振動数ωoと最大効率運転周波数ωeの比と、前記ＣＯＰの関係は、例えば図７に示す如くであり、ＣＯＰ＞２％を確保するために、前記比ωe／ωo＝０．７７〜１．０２の範囲内とすることが望ましい。

　本実施形態では、磁気回路５６の積層鋼板５７又は焼結金属は、冷凍機に封入されている冷媒ガスを保持する機能を有していないため、板７０によって、磁気回路５６に耐圧・気密性能を持たせている。

　本実施形態においては、従来例と同様の磁気回路５６の内側に板７０を加えることで、本発明を実現でき、構成が簡略である。

　次に、ピストン１３を固定し、シリンダ１４側を駆動するようにしたシリンダ駆動のシングル・リニアモータ型圧縮機に適用した本発明の第２実施形態を図８に示す。

　本実施形態においては、ピストン１３が固定され、シリンダ１４が可動とされ、該シリンダ１４と可動子コア５０がボビン１７により連結されている。

　又、２枚の弾性支持体７２がシリンダ１４の両端を支持するようにされている。

　磁気回路５６の構成を含む他の点に関しては、第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

　次に、シリンダ駆動のツイン対向リニアモータ型圧縮機に適用した本発明の第３実施形態を図９に示す。

　本実施形態は、第２実施形態と同様のシリンダ駆動機構がガス流路３８の両側に対向配置されている点を除き、第２実施形態と同じであるので、説明は省略する。

　次に、図１０を参照して、本発明の第４実施形態を説明する。

　本実施形態は、ピストン駆動のツイン対向リニアモータ型圧縮機に本発明を適用したもので、磁気回路８０が、図１１（縦断面図）及び図１２（側面図）に示す如く、無垢の磁性体（例えば鉄）ブロック８２を有するものとし、該磁性体ブロック８２に、渦電流の発生を防止するためのスリット８３を形成したものである。

　なお、コイル５４の内側部分は、第１実施形態と同様に、例えばステンレスの板７０を溶接する、又、永久磁石５２の側面にも、円心円状の板７１を溶接をする。一方、コイル５４の外側部分は気密性を要求されないので、従来と同様の積層鋼板５７や焼結金属を用いたり、あるいは他の部分と同様のスリット入り磁性体を用いることができる。

　次に、図１３を参照して、本発明の第５実施形態を詳細に説明する。

　本実施形態は、第３実施形態と同様のシリンダ駆動のツイン対向リニアモータ型圧縮機に、第４実施形態と同様の磁気回路８０を用いたものである。

　他の点に関しては、第３、第４実施形態と同様であるので、説明は省略する。

　次に、図１４を参照して、本発明の第６実施形態を詳細に説明する。

　本実施形態は、コールドヘッド（ＣＨ）４０が直結されたシリンダ駆動のシングル・リニアモータ型圧縮機１０に本発明を適用したものである。

　図において、７４は、ピストン１３を熱交換器４２と共に移動自在に支持するための弾性支持体である。

　他の点に関しては、前記第５実施形態と同様であるので、説明は省略する。

　本発明は、スターリング式冷凍機の他、スターリング式パルス管冷凍機、更には、給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）冷凍機を含む蓄冷式極低温冷凍機一般に適用できる。又、ピストン／シリンダ駆動、シングル／ツイン対向／コールドヘッド直結の組合せも実施形態に限定されない。

　本発明の適用対象は、赤外線センサや高温超伝導素子の冷却に限定されず、高温超伝導フィルタ冷却や水トラップ、生体細胞冷凍保存、高温超伝導出力デバイス冷却等にも同様に適用できる。

　本発明は、赤外線センサ等の小型計測素子や高温超伝導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である。

ピストン駆動のツイン対向リニアモータ型圧縮機の構成を示す概略図 ピストン駆動のシングル・リニアモータ型圧縮機の構成を示す概略図 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 解決すべき課題を説明するための、電磁石型リニアモータを用いたピストン駆動のシングル・リニアモータ型圧縮機の構成を示す断面図 本発明の第１実施形態に係るピストン駆動のシングル・リニアモータ型圧縮機の構成を示す断面図 同じく可動子コアとコイルの隙間と可動子コア外半径の比と、ＣＯＰの関係の例を示す線図 同じく固有振動数と最大効率運転周波数の比と、ＣＯＰの関係の例を示す線図 本発明の第２実施形態に係るシリンダ駆動のシングル・リニアモータ型圧縮機の構成を示す断面図 同じく第３実施形態に係るシリンダ駆動のツイン対向リニアモータ型圧縮機の構成を示す断面図 同じく第４実施形態に係るピストン駆動のツイン対向リニアモータ型圧縮機の要部構成を示す断面図 第４実施形態で用いられている磁気回路の構成を示す縦断面図 同じく側面図 本発明の第５実施形態に係るシリンダ駆動のツイン対向リニアモータ型圧縮機の要部構成を示す断面図 同じく第６実施形態に係るコールドヘッドが直結されたシリンダ駆動のシングル・リニアモータ型圧縮機の構成を示す断面図

符号の説明

　１０…圧縮機
　１１…気密容器
　１３…ピストン
　１４…シリンダ
　１７…ボビン
　３８…ガス流路
　５０…可動子コア
　５２…永久磁石
　５４…コイル
　５６、８０…磁気回路
　５７…積層（電磁）鋼板
　７０、７１…板
　８２…磁性体ブロック
　８３…スリット

Claims (4)

1. 　コイルと、
   　圧縮機に連結される可動子と、
   　該可動子に近接配置される永久磁石と、
   　前記コイルに発生した磁束を流し込むための磁気回路と、
   　を含むリニアモータ駆動型圧縮機であって、
   　前記コイルを含む磁気回路部分を、冷媒ガスを封入する気密容器の一部としたことを特徴とするリニアモータ駆動型圧縮機。
2. 　前記磁気回路の内側に気密性を確保するための板材が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。
3. 　前記磁気回路が、磁性体ブロックを有す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。
4. 　請求項１乃至３のいずれか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。

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