JPH0828957B2 - スターリング冷凍機用リニアモータ圧縮機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ディスプレーサの往復動により極低温レベ
ルの寒冷を発生させる膨張機を有するスターリング冷凍
機において、膨張機に供給する冷媒を圧縮するリニアモ
ータ圧縮機に関し、特に、リニアモータのコイルの巻付
け構造に関する。

（従来の技術） 従来より、このフリーディスプレーサ型スターリング
冷凍機は、極低温レベルの寒冷を発生させる小型冷凍機
の一種として知られている。この冷凍機は、例えば第５
図に示すように、冷媒ガスを圧縮する圧縮機（ａ）と、
該圧縮機（ａ）から吐出された冷媒ガスを膨張させる膨
張機（ｋ）とを組み合わせたものであり、上記圧縮機
（ａ）は、例えば密閉状のケーシング（ｂ）と、該ケー
シング（ｂ）内に形成されたシリンダ（ｃ）と、該シリ
ンダ（ｃ）内に往復動自在に嵌装され、シリンダ（ｃ）
内空間に圧縮室（ｄ）を区画形成するピストン（ｅ）
と、該ピストン（ｅ）を往復駆動する駆動源としてのリ
ニアモータ（ｆ）とを備えている。このリニアモータ
（ｆ）はシリンダ（ｃ）周りに配置された環状の永久磁
石（ｇ）を有し、この磁石（ｇ）により、シリンダ
（ｃ）の中心と同心の円筒状の間隙に磁界を発生させ
る。上記間隙には中心部にて上記ピストン（ｅ）に一体
固定された略逆カップ状のボビン（ｈ）が往復動可能に
配設され、該ボビン（ｈ）の外周にはドライブコイル
（ｉ）が巻き付けられている。また、上記ボビン（ｈ）
の底面外側（ピストン（ｅ）と反対側）とケーシング
（ｂ）内底面との間にはピストン（ｅ）を往復動可能に
弾性支持するためのコイルばねからなるピストンスプリ
ング（ｊ）が架設されており、ドライブコイル（ｉ）に
所定周波数の交流を通電することで、間隙内を通る磁界
との作用によりコイル（ｉ）及びボビン（ｈ）を駆動し
てピストン（ｅ）をシリンダ（ｃ）内で往復移動させる
ことにより、圧縮室（ｄ）で所定周期のガス圧を発生さ
せるようになされている。

一方、上記膨張機（ｋ）は、円筒状シリンダ（ｌ）を
有し、このシリンダ（ｌ）内にはシリンダ（ｌ）内空間
を膨張室（ｍ）と作動室（ｎ）とに区画するフリーディ
スプレーサ（ｏ）が往復動自在に嵌装されている。この
ディスプレーサ（ｏ）は、内部に金属製蓄冷材（o₁）
（再生式熱交換器）を充填したもので、該蓄冷材（o₁）
を膨張室（ｍ）及び作動室（ｎ）にそれぞれ連通させる
連通孔（o₂），（o₃）が開口されている。また、上記作
動室（ｎ）内には、ディスプレーサ（ｏ）を往復動可能
に弾性支持するコイルばねからなるディスプレーサスプ
リング（ｐ）が配設されている。さらに、上記作動室
（ｎ）は上記結合配管（ｑ）を介して上記圧縮機（ａ）
の圧縮室（ｄ）に接続されており、圧縮機（ａ）からの
冷媒ガス圧によりディスプレーサ（ｏ）を往復動させて
冷媒ガスを膨張室（ｍ）で膨張させることにより、シリ
ンダ（ｌ）先端のコールドヘッドに寒冷を発生させるよ
うになされている（例えば“Refrigerator for Cryogen
ic Sensors",NASA Conference Publication2287等参
照）。

ところで、上記圧縮機（ａ）のリニアモータ（ｆ）は
ボイスコイル型のものが使用されるが、このコイル
（ｉ）の構造として、従来、円筒状に巻いた空心のコイ
ルに樹脂を含浸させて該樹脂によりコイルを固定したも
のがある。しかし、この構造では、コイル全体に占める
絶縁被覆銅線（エナメル線）のスペースが樹脂層の厚さ
分だけ少なくなり、磁界強度が小さくなるのは避けられ
ない。

そこで、ステンレス鋼等の非磁性材料からなる高強度
の円筒状ボビン外周にコイルを巻き付けることが一般に
行われている。その場合、第４図に示す如く、例えばス
テンレス鋼等のコイルボビン（ｈ）の外周に１対のフラ
ンジ（h₁），（h₁）を一定間隔をあけて一体に形成し、
このフランジ（h₁），（h₁）間にコイル（ｉ）を巻き付
ける構造が考えられる。

（発明が解決しようとする課題） ところが、このボビン（ｈ）外周に形成されるフラン
ジ（h₁），（h₁）は、ボビン本体と同じステンレス鋼等
の高硬度の材料であるため、コイル（ｉ）をテンション
をかけてボビン（ｈ）に巻き付けるときに被覆銅線がフ
ランジ（h₁），（h₁）に擦れ、銅線の被覆が剥がれて絶
縁不良を招き、有効な磁界が得られなくなるという問題
が生じる。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、その目的
は、上記したリニアモータのコイルを巻き付けるボビン
の構造を改良することにより、ボビンの使用により銅線
の充填効率を高めつつ、コイルの巻付け時に被覆銅線が
絶縁不良になるのを抑えるようにすることにある。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成すべく、請求項（１）に係る発明で
は、コイル両端を規制するフランジに相当する部分を樹
脂材料で構成する。

具体的には、第１図及び第２図に示す如く、ケーシン
グ（２）と、該ケーシング（２）内に設けられたシリン
ダ（６）と、該シリンダ（６）内に往復動自在に嵌装さ
れ、シリンダ（６）内空間に圧縮室（11）を区画形成す
るピストン（７）と、該ピストン（７）をシリンダ
（６）内で往復動可能にケーシング（２）に対し弾性支
持するピストンスプリング（29）と、磁石（15）及びコ
イル（16）を有し、コイル（16）への所定周波数の交流
の供給により上記ピストン（７）を往復駆動するリニア
モータ（13）とを備えたスターリング冷凍機用リニアモ
ータ圧縮機に対し、上記リニアモータ（13）のコイル
（16）を巻き付けるボビン（10）を、薄肉の非磁性材料
からなる円筒状のボビン本体（10a）と、該ボビン本体
（10a）の一端に抜止めされて嵌装されたリング状の樹
脂製スペーサ（10c）と、ボビン本体（10a）の他側に上
記スペーサ（10c）との間に所定間隔があけて嵌装され
た樹脂製のキャップ（10d）とで構成し、上記スペーサ
（10c）とキャップ（10d）との間のボビン本体（10a）
にコイル（16）を巻き付けるようにした。

（作用） 上記の構成により、請求項（１）に係る発明では、リ
ニアモータ（13）のコイル（16）は、ボビン本体（10
a）においてその外周に嵌装された樹脂製のスペーサ（1
0c）及びキャップ（10d）の間に巻き付けられるので、
そのコイル（16）の巻付け時、被覆銅線がテンションを
かけられた状態で樹脂製スペーサ（10c）又はキャップ
（10d）に接触したとしてもそれらと強く擦れるのは緩
和されることとなり、よってコイル（16）の絶縁不良を
有効に防止することができる。

また、このようにボビン本体（10a）の外周に被覆銅
線を巻いてコイル（16）を形成するので、コイル（16）
全体で銅線の占めるスペースを大きくでき、その充填効
率を高めることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図は本発明の実施例に係るスターリング冷凍機用
の圧縮機（１）を示し、この圧縮機（１）は図示しない
従来公知のフリーディスプレーサ型膨張機（第４図参
照）と組み合わされて冷凍機を構成する。圧縮機（１）
は円筒状のケーシング（２）を有し、このケーシング
（２）は、略同じ構成の左右１対の円筒状ケーシングア
ッセンブリ（３），（３）を同心状に配置し、かつ両ケ
ーシングアッセンブリ（３），（３）間に円板状のセン
タベース（４）を気密状に挟持してなり、両ケーシング
アッセンブリ（３），（３）及びセンタベース（４）は
純鉄で構成されている。上記センタベース（４）の中心
部にはシリンダ挿通孔（５）が貫通形成され、該シリン
ダ挿通孔（５）には、両端が開放された非磁性材料とし
てのステンレス鋼からなる円筒状のシリンダ（６）が挿
通支持されている。このシリンダ（６）内には略有底円
筒状の左右１対のピストン（７），（７）がそれぞれ摺
動可能に嵌装されており、この両ピストン（７），
（７）間でシリンダ（６）により囲まれた部分が圧縮室
（11）とされている。上記センタベース（４）にはシリ
ンダ挿通孔（５）から外周面まで半径方向に貫通するガ
ス通路（12）が形成され、該ガス通路（12）の内端は上
記シリンダ（６）の中央に貫通形成した孔（6a）を介し
て上記圧縮室（11）に連通し、一方、ガス通路（12）の
外端は図示しない結合配管を介して図外の膨張機に接続
されている。

上記左右のピストン（７），（７）はそれぞれピスト
ン（７），（７）を往復駆動する駆動源としてのリニア
モータ（13），（13）に駆動連結されている。すなわ
ち、この各リニアモータ（13）は上記センタベース
（４）に固定された純鉄からなる円筒部材（14）を有
し、この円筒部材（14）はシリンダ（６）の外周にケー
シングアッセンブリ（３）内周と所定の間隙をあけるよ
うに嵌合されている。円筒部材（14）の外周には環状の
永久磁石（15）がケーシングアッセンブリ（３）の内周
と所定の間隙をあけて固定されており、この磁石（15）
により純鉄からなる円筒部材（14）、センタベース
（４）及びケーシングアッセンブリ（３）を継鉄として
磁石（15）とケーシングアッセンブリ（３）内周面との
間の間隙に所定強度の磁界を発生させるようにしてい
る。

そして、上記各ピストン（７）はピストン（７）のシ
リンダ（６）中央と反対側端部から半径方向外側に延び
るフランジ部（7a）を有し、該フランジ部（7a）の外周
には、ピストン（７）と同心状にシリンダ（６）中央側
に延びかつ先端部が上記磁石（15）とケーシングアッセ
ンブリ（３）内周面との間の間隙に左右方向に往復動可
能に配置された円筒状のコイル巻付部としてのボビン
（10）が連結されている。

このボビン（10）は、第１図に拡大詳示するように、
非磁性材料としての例えば0.15mm程度の薄肉ステンレス
鋼（例えば鋼種SUS）からなる有底円筒状のボビン本体
（10a）を有し、該ボビン本体（10a）のシリンダ（６）
中央側端にはフランジ部（10b）が形成されている。さ
らに、ボビン本体（10a）の外周にはシリンダ（６）中
央側の端部に環状の樹脂製のスペーサ（10c）が上記フ
ランジ部（10b）により抜止めされている。また、ボビ
ン本体（10a）のシリンダ（６）中央と反対側の端部に
は有底円筒状の樹脂製キャップ（10d）が底部をシリン
ダ本体の底部に密着せしめて嵌装され、このキャップ
（10d）の外径は上記スペーサ（10c）と同じとされてい
る。キャップ（10d）とスペーサ（10c）との間は上記磁
石（15）と対向した位置に所定間隔があけられており、
このスペーサ（10c）とキャップ（10d）との間のボビン
本体（10a）にコイル（16）が巻き付けられている。
尚、上記スペーサ（10c）及びキャップ（10d）はボビン
本体（10a）のシリンダ（６）中央と反対側端から嵌挿
され、その後に両者間にコイル（16）が巻き付けられ
る。

そして、両リニアモータ（13），（13）のコイル（1
6），（16）に同期して所定周波数の交流を通電するこ
とにより、両ピストン（７），（７）を後述のピストン
スプリング（29）のばね定数で決まる周期で互いに逆方
向に往復動させて、圧縮室（11）で所定周期のガス圧を
発生させるように構成されている。

上記各ケーシングアッセンブリ（３）の開口部におけ
る円周方向の一部にはそれぞれスプリングアッセンブリ
（20）の外端がボルト（21）により締結されている。こ
のスプリングアッセンブリ（20）はケーシングアッセン
ブリ（３）の中心方向に延び、その内端にはスプリング
ホルダアッパ（22）がアジャストスクリュー（25）の調
整によりシリンダ軸線方向（左右方向）に移動可能に取
り付けられている。このスプリングホルダアッパ（22）
は円筒部（22a）とその外端に一体に取り付けられたフ
ランジ部（22b）とを有し、円筒部（22a）の外周には螺
旋状のスプリング取付溝（23）が形成されている。ま
た、上記各ピストン（７）の内底面中心にはスプリング
取付部材としてのスプリングホルダロア（26）が螺合締
結され、このスプリングホルダロア（26）の外周には螺
旋状のスプリング取付溝（28）が形成されている。そし
て、上記スプリングホルダアッパ（22）のスプリング取
付溝（23）にはコイルばねからなるピストンスプリング
（29）の一端が螺合により移動不能に取り付けられ、こ
のスプリング（29）の他端はスプリングホルダロア（2
6）外周のスプリング取付溝（28）に移動不能に取り付
けられている。

上記スプリングホルダアッパ（22）におけるフランジ
部（22b）のシリンダ（６）中央側の面にはシリンダ軸
線を中心とする環状溝（24）が凹設されている。また、
上記ボビン（10）の底壁において上記スプリングホルダ
アッパ（22）のフランジ部（22b）と対向する面には環
状溝（24）と対応して環状溝（30）が凹設されている。
そして、これら両方の環状溝（24），（30）間にはリニ
アモータ（13）のコイル（16）に電力を供給する２本の
リード線（35），（35）が架設されている。この各リー
ド線（35）は被覆リード線で構成され、その各々は互い
に束ねられた状態で、シリンダ（６）の軸線と同心に巻
かれた１つの螺旋状の樹脂製チューブ（36）により被覆
されている。尚、この螺旋状のリード線を作る場合、例
えば、２本の被覆リード線（35），（35）を熱収縮チュ
ーブ（36）に挿通し、これをパイプ等の円筒体に螺旋状
に巻き付けて昇温させ、チューブ（36）を熱収縮させる
ことにより、螺旋状のリード線を形成することができ
る。

次に、上記実施例の作動について説明する。

冷凍機の運転開始に伴い、圧縮機（１）における両リ
ニアモータ（13），（13）のコイル（16），（16）に所
定周波数の交流電源が同期して通電される。この通電に
伴い、磁石（15），（15）により発生する磁界との作用
によりコイル（16），（16）及びピストン（７），
（７）がそれぞれピストンスプリング（29），（29）を
伸縮させながら互いに逆向きに往復動し、この両ピスト
ン（７），（７）がシリンダ（６）内で互いに接離する
ことで圧縮室（11）の容積が増減変化し、圧縮室（11）
内に所定周期の圧力波が生じる。この圧縮室（11）は結
合配管を介して膨張機に連通しているため、膨張機では
ディスプレーサが上記圧縮室（11）の圧力波と同じ周期
で往復動してその膨張室でのガスの膨張により寒冷が生
じ、このディスプレーサの往復動の繰返しによりシリン
ダ先端のコールドヘッドが極低温レベルに冷却される。

この実施例の場合、各リニアモータ（13）のコイル
（16）は、ボビン本体（10a）においてその外周に嵌装
された樹脂製のスペーサ（10c）及びキャップ（10d）の
間に巻き付けられることから、そのコイル（16）をテン
ションを掛けて巻き付けるとき、被覆銅線が樹脂製スペ
ーサ（10c）又はキャップ（10d）に接触してもそれらと
強く擦れるのが緩和される。従って、コイル（16）の絶
縁不良を防止して、コイル（16）による磁界を有効に確
保することができる。

また、このようにボビン本体（10a）の外周に被覆銅
線を巻いてコイル（16）を形成するので、空心のコイル
に樹脂を含浸させてコイルを固定する場合に比べ、コイ
ル（16）全体で銅線の占めるスペースを大きくでき、そ
の充填効率を高めることができる。

また、各リニアモータ（13）のコイル（16）に接続さ
れるリード線（35），（35）が被覆リード線で構成さ
れ、両被覆リード線（35），（35）が互いに束ねられて
螺旋状のチューブ（36）により被覆されているので、各
リード線（35）の曲り角度はどの部分でも一様となると
ともに、コイル（16）の移動に伴うリード線（35）の形
状変化も一定になるため、リード線（35）の取回しが容
易となり、しかも、その周りの固定物との干渉が生じ難
くなり、各リード線（35）の被覆の損傷を抑制すること
ができる。

尚、上記実施例では、スペーサ（10c）をボビン本体
（10a）のフランジ部（10b）に当接させて抜止めするよ
うにしたが、この他、第３図に示すように、スペーサ
（10c）の内周にフランジ部（10b）を嵌合する嵌合溝
（10c′）を形成して、この嵌合溝（10c′）へのフラン
ジ部（10b）の嵌合によりスペーサ（10c）を抜止め保持
するようにしてもよい。この場合、スペーサ（10c）を
大径に拡張しながらボビン本体（10a）のシリンダ
（６）中央側から嵌挿することも可能である。

また、上記実施例では、ボビン本体（10a）をステン
レス鋼で構成したが、この他、チタンやアルミニウム等
の非磁性材料を使用することができる。

さらに、上記実施例では、ピストン（７）、リニアモ
ータ（13）等を２つとしたが、本発明はこれらを１つ備
えた圧縮機にも適用することができる。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）に係る発明による
と、スターリング冷凍機用のリニアモータ圧縮機におい
て、リニアモータのコイルを巻き付けるボビンを、薄肉
の非磁性材料からなる円筒状のボビン本体と、該ボビン
本体の一端に抜止めされて嵌装されたリング状の樹脂製
スペーサと、ボビン本体の他側に上記スペーサとの間に
所定間隔があけて嵌装された樹脂製のキャップとで構成
し、上記スペーサとキャップとの間のボビン本体にコイ
ルを巻き付けるようにしたことにより、コイルの巻付け
時、被覆銅線が樹脂製スペーサ又はキャップと強く擦れ
るのを緩和して、コイルの絶縁不良を防止でき、磁界を
所期の大きさに有効に保つことができる。

また、ボビン本体の外周に被覆銅線を巻いてコイルを
形成するので、コイル全体での銅線の充填効率を高め、
磁界強度を増大させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の一実施例を示し、第１図はボ
ビンの一部破断正面図、第２図は圧縮機の拡大断面図、
第３図はスペーサ取付構造の変形例を示す要部断面図で
ある。第４図は従来例を示す第１図相当図、第５図はス
ターリング冷凍機の従来例を示す断面図である。 （１）……圧縮機 （２）……ケーシング （６）……シリンダ （７）……ピストン （10）……ボビン （10a）……ボビン本体 （10c）……スペーサ （10d）……キャップ （11）……圧縮室 （13）……リニアモータ （15）……磁石 （16）……コイル （29）……ピストンスプリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 廣保 誠 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ケーシング（２）と、該ケーシング（２）
   内に設けられたシリンダ（６）と、該シリンダ（６）内
   に往復動自在に嵌装され、シリンダ（６）内空間に圧縮
   室（11）を区画形成するピストン（７）と、該ピストン
   （７）をシリンダ（６）内で往復動可能にケーシング
   （２）に対し弾性支持するピストンスプリング（29）
   と、磁石（15）及びコイル（16）を有し、コイル（16）
   への所定周波数の交流の供給により上記ピストン（７）
   を往復駆動するリニアモータ（13）とを備えてなり、 上記リニアモータ（13）のコイル（16）はボビン（10）
   に巻き付けられ、該ボビン（10）は、薄肉の非磁性材料
   からなる円筒状のボビン本体（10a）と、該ボビン本体
   （10a）の一端に抜止めされて嵌装されたリング状の樹
   脂製スペーサ（10c）と、ボビン本体（10a）の他側に上
   記スペーサ（10c）との間に所定間隔があけて嵌装され
   た樹脂製のキャップ（10d）とを有し、上記スペーサ（1
   0c）とキャップ（10d）との間のボビン本体（10a）にコ
   イル（16）が巻き付けられていることを特徴とするスタ
   ーリング冷凍機用リニアモータ圧縮機。