JP2008190727A - Linear motor compressor and stirling refrigerator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はリニアモータ圧縮機に係り、特に流体動圧軸受を用いてシリンダに対してピストンを支持する構成としたリニアモータ圧縮機に関する。 The present invention relates to a linear motor compressor, and more particularly to a linear motor compressor configured to support a piston with respect to a cylinder using a fluid dynamic pressure bearing.
一般に、スターリング冷凍機は、主要構成要素として脈動する圧力を作り出す圧縮機と、脈動する圧力と位相をずらせて往復動するディスプレーサを備えた膨張機とを有する。そして、膨張機内で外燃機関の逆サイクル(逆スターリングサイクル)を行うことにより、膨張空間内で低温を発生させる構成とされている。このスターリング冷凍機は、高い効率を有し、機構がシンプルなため、小型、軽量化が容易である利点がある。また、スターリング冷凍機の圧縮機は、主として往復運動のレシプロ式であり、その駆動方式としてはリニアモータが多く用いられている。 In general, a Stirling refrigerator includes a compressor that generates pulsating pressure as main components, and an expander that includes a displacer that reciprocates out of phase with the pulsating pressure. And it is set as the structure which generate | occur | produces low temperature in expansion space by performing the reverse cycle (reverse Stirling cycle) of an external combustion engine within an expander. Since this Stirling refrigerator has high efficiency and a simple mechanism, there is an advantage that it is easy to reduce the size and weight. The compressor of the Stirling refrigerator is mainly a reciprocating reciprocating type, and a linear motor is often used as its driving method.
スターリング冷凍機は、赤外線素子、高温超電導デバイス、各種の測定器、あるいは各種のガスなどの冷却のために使用されるが、その信頼性向上および長寿命化のためには、ヘリウムガスなどの作動ガス(冷媒ガス)の圧縮空間を形成するシリンダとピストンとの間の摩耗を低減することが必要である。 Stirling refrigerators are used to cool infrared devices, high-temperature superconducting devices, various measuring instruments, and various gases. It is necessary to reduce wear between a cylinder and a piston that form a compression space for gas (refrigerant gas).
従来、シリンダとピストンとの間の摩耗を低減する方法として、特許文献1に開示されているようにピストンに作動ガスを噴出させる噴出孔を設け、この噴出孔からピストンとシリンダとの間に作動ガスを噴出させて摩耗により発生した塵埃を除去する方法が提案されている。また、特許文献2に開示されているように、流体軸受を用いることにより、ピストンをシリンダに離間した状態で支持する方法も提案されている。
Conventionally, as a method for reducing wear between a cylinder and a piston, as disclosed in
図5は、流体動圧軸受を用いたスターリング冷凍機用のリニアモータ圧縮機の従来例を示している。同図に示すように、リニアモータ圧縮機100は、ケーシング101に形成されたシリンダ105内に圧縮ピストン102が配設されており、この圧縮ピストン102がリニアモータ103に駆動されることにより矢印X1,X2方向に往復移動する構成とされている。これにより、圧縮空間106の体積は変化し、これによりリニアモータ圧縮機100は脈動する圧力を生成する構成とされていた。
FIG. 5 shows a conventional example of a linear motor compressor for a Stirling refrigerator using a fluid dynamic pressure bearing. As shown in the figure, in the
また、圧縮ピストン102とシリンダ105が摩擦するのを防止する手段として、リニアモータ圧縮機100は流体動圧軸受104と回転モータ107が設けられている。流体動圧軸受104は圧縮ピストン102に形成された動圧溝により構成されており、また回転モータ107は圧縮ピストン102を回転付勢する構成とされている。
In addition, as a means for preventing the
よって、回転モータ107により圧縮ピストン102が回転すると、流体動圧軸受104により圧縮ピストン102とシリンダ105との間に作動ガスの高圧層が形成されることにより圧縮ピストン102は非接触でシリンダ105に軸承され、これにより圧縮ピストン102とシリンダ105との間の摩擦が防止される構成とされていた。
図5に示されるような、流体動圧軸受104を用いる方法は、圧縮ピストン102とシリンダ105との間の摩擦を確実に防止されるため有効な方法である。
The method using the fluid dynamic pressure bearing 104 as shown in FIG. 5 is an effective method because the friction between the
しかしながら、流体動圧軸受104を機能させるためには、必然的に圧縮ピストン102を回転させる必要がある。このため従来では、圧縮ピストン102を回転させるための回転モータ107を設けていたが、回転モータ107を設けるとリニアモータ圧縮機100が大型化し、また部品点数も増加するために製品コストが上昇するという問題点があった。
However, in order for the fluid dynamic bearing 104 to function, it is necessary to rotate the
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、流体動圧軸受を用いつつ部品点数の削減及び小型化を図りうるリニアモータ圧縮機及びスターリング冷凍機を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and it is an object of the present invention to provide a linear motor compressor and a Stirling refrigerator that can reduce the number of parts and reduce the size while using a fluid dynamic pressure bearing.
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention is characterized by the following measures.
請求項1記載の発明は、
ケーシングと、
該ケーシング内に配設されたリニアモータと、
該リニアモータに駆動されることにより前記ケーシング内に形成されたシリンダ部内で往復動し、圧縮空間内に充填された作動ガスを圧縮するピストンと、
前記シリンダ部に対してピストンを支持する流体動圧軸受とを有するリニアモータ圧縮機において、
前記ピストンに前記作動ガスの圧力が印加される動圧溝を形成し、該動圧溝に導入される作動ガスにより前記ピストンを回転付勢する構成としたことを特徴とするものである。
The invention described in
A casing,
A linear motor disposed in the casing;
A piston that reciprocates in a cylinder portion formed in the casing by being driven by the linear motor, and compresses the working gas filled in the compression space;
In a linear motor compressor having a fluid dynamic pressure bearing that supports a piston with respect to the cylinder portion,
A dynamic pressure groove to which the pressure of the working gas is applied is formed in the piston, and the piston is rotationally biased by the working gas introduced into the dynamic pressure groove.
また、請求項2記載の発明は、
請求項1記載のリニアモータ圧縮機において、
前記流体動圧軸受を構成する軸受用動圧溝を前記動圧溝として用いることを特徴とするものである。
The invention according to
The linear motor compressor according to
A bearing dynamic pressure groove constituting the fluid dynamic pressure bearing is used as the dynamic pressure groove.
また、請求項3記載の発明は、
請求項1又は2記載のリニアモータ圧縮機において、
前記リニアモータで発生するコギング力が、前記シリンダを前記圧縮空間側に付勢するよう作用する構成としたことを特徴とするものである。
The invention according to claim 3
The linear motor compressor according to
The cogging force generated by the linear motor acts to urge the cylinder toward the compression space.
また、請求項4記載の発明に係るスターリング冷凍機は、
内部に熱交換器が固定されたコールドヘッドと、
前記熱交換器の一方側と接続された請求項1乃至3のいずれか1項に記載のリニアモータ圧縮機と、
前記熱交換器の他方側と接続された膨張空間に配置されており、前記ピストンが往復動することにより生じる前記作動ガスのガス圧変動を受けて往復動し、膨張空間内で前記作動ガスを膨張させるディスプレーサとを有することを特徴とするものである。
A Stirling refrigerator according to the invention of claim 4
A cold head with a heat exchanger fixed inside,
The linear motor compressor according to any one of
It is arranged in an expansion space connected to the other side of the heat exchanger, reciprocates in response to a gas pressure fluctuation of the working gas generated by the reciprocating movement of the piston, and the working gas is moved in the expansion space. And a displacer that is inflated.
本発明によれば、ピストンに作動ガスの圧力が印加される動圧溝を形成したことにより、この動圧溝に印加される作動ガスの圧力によりピストンを回転させることができる。よって、流体動圧軸受を用いても、ピストンを回転するモータを別個に設ける必要はなくなり、リニアモータ圧縮機の部品点数の削減及び小型化を図ることができる。 According to the present invention, since the dynamic pressure groove to which the pressure of the working gas is applied is formed on the piston, the piston can be rotated by the pressure of the working gas applied to the dynamic pressure groove. Therefore, even if the fluid dynamic pressure bearing is used, it is not necessary to separately provide a motor for rotating the piston, and the number of parts and the size of the linear motor compressor can be reduced.
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施例であるリニアモータ圧縮機20を示しており、また図2はリニアモータ圧縮機20を適用したスターリング冷凍機1を示している。先ず、図2を用いてスターリング冷凍機1の構成について説明する。
FIG. 1 shows a
スターリング冷凍機1は、大略するとリニアモータ圧縮機20、膨張機30、及びコールドヘッド60等により構成されている。また、本実施例では、リニアモータ圧縮機20と膨張機30とがひとつのケーシング2に一体的に組み込まれた構成とされている。
The Stirling
コールドヘッド60は、ヘッドシリンダ62の内部に例えば金網製の熱交換器10が固定されている。この熱交換器10としては、例えば180メッシュ以上の金網を用いることができ、300メッシュ程度が望ましい。
The
この熱交換器10の一方側(図の上側)はパイプ67及びケーシング2に形成された連通路38を介意して膨張機30に接続されている。また、熱交換器10の他方側(図の下側)はケーシング2に形成された連通路28を介してリニアモータ圧縮機20に接続されている。
One side (the upper side in the figure) of the
膨張機30は、ディスプレイサシリンダ35内にディスプレイサピストン34を移動可能に配設した構成とされている。また、ディスプレイサピストン34は、弾性支持体39により往復動自在に支持されている。この弾性支持体39は、板ばねやコイルばね等からなる弾性支持体により構成されている。
The
また膨張機30は、冷媒ガスを膨張させるための膨張空間32とパイプ67を用いて連通されている。このディスプレイサピストン34とコールドステージ66を結ぶパイプ67は、熱交換器10を内蔵するコールドヘッド60のシリンダ62の内径よりも小さくされ、無効空間容積を小さくして、冷凍効果が向上するよう構成されている。
The expander 30 communicates with the
次に、リニアモータ圧縮機20の構成について、図2に加えて図1,図3を用いて説明する。リニアモータ圧縮機20は、圧縮シリンダ25、ボビン27、リニアモータ40、及び回転用動圧溝70等により構成されている。
Next, the configuration of the
圧縮シリンダ25は、ケーシング2に形成された圧縮シリンダ25内に図中矢印X1,X2方向に移動可能に配設されている。圧縮シリンダ25と圧縮ピストン24の図中左端部24aとの間には圧縮空間22が形成されており、この圧縮空間22は連通路28を介して熱交換器10の下側に連通されている。本実施例では、圧縮ピストン24、圧縮シリンダ25、ディスプレイサピストン34、及びディスプレイサシリンダ35は同一軸線上に対向配置された構成とされている。
The
ボビン27は圧縮ピストン24と一体的に形成された筒状の部材であり、圧縮シリンダ25を囲繞する構成とされている。このボビン27には、マグネット41が配設されている。また、圧縮シリンダ25のマグネット41と対向する外周位置、及びケーシング2のマグネット41と対向する内面位置には、コイル42が配設されている。尚、各42は、磁性材よりなるヨーク43上に配設されている。
The
このマグネット41とコイル42は、リニアモータ40を構成する。リニアモータ40は、ボビン27を図中矢印X1,X2方向に駆動するものであり、よってボビン27に一体的に形成されている圧縮ピストン24もリニアモータ40により図中矢印X1,X2方向に駆動される。このリニアモータ40により、圧縮ピストン24は例えば20〜100Hzの駆動周波数で駆動される。
The
更に、リニアモータ40は、発生するコギング力が圧縮空間22側(矢印X1方向)に作用するよう設定されている。このコギング力は、圧縮ピストン24を矢印X1方向に付勢する一種のバネ力として作用する。上記した各ピストン24,34の重さ、弾性支持体39の弾性定数、及びリニアモータ40で発生するコギング力は、圧縮ピストン24とディスプレイサピストン34の動作位相差が所定の角度(例えば、30°〜100°)となるよう設定されている。
Further, the
上記構成において、リニアモータ40に駆動されてボビン27を介して圧縮ピストン24が矢印X1,X2方向に往復移動すると、圧縮空間22において作動ガス(ヘリウムガス等の冷却ガス)に脈動する圧力が発生する。ディスプレイサピストン34は、上記のように圧縮ピストン24に対して所定の位相差をもって往復移動するため、膨張機30の内部で逆スターリングサイクルが行われる。よって、リニアモータ圧縮機20及び膨張機30とに連通した膨張空間32内で寒冷が発生し、これによりコールドステージ66は極低温となる。
In the above configuration, when the
ここで、圧縮ピストン24に注目する。本実施例に係るリニアモータ圧縮機20は、圧縮シリンダ25に圧縮ピストン24を軸承する手段として流体動圧軸受50を用いている。この流体動圧軸受50は、圧縮ピストン24の表面に形成された軸受用動圧溝51により構成されている。
Here, attention is paid to the
そして、圧縮ピストン24が回転すると、流体動圧軸受50を形成する軸受用動圧溝51により圧縮ピストン24と圧縮シリンダ25との間に作動ガスの高圧層が形成される。これにより、圧縮ピストン24は非接触で圧縮シリンダ25に軸承され、圧縮ピストン24と圧縮シリンダ25との間の摩擦が防止される。
When the
また、本実施例に係るリニアモータ圧縮機20は、圧縮ピストン24の端部24aの近傍に回転用動圧溝70が全周にわたり複数個形成されている。この回転用動圧溝70は、圧縮ピストン24の表面に圧縮ピストン24の回転軸X(図中、一点鎖線で示す)に対して所定の角度を有するよう形成されている(回転軸Xとは非平行となっている)。更に、複数形成される各回転用動圧溝70の端部24a側の端部は、圧縮空間22と連通するよう構成されている。
In the
前記したように、圧縮空間22は圧縮ピストン24がX1,X2方向に往復移動することにより、高圧の作動ガスが充填されている。よって、この作動ガスの圧力Pは図3に示すように圧縮ピストン24の端部24aに印加される。また、回転用動圧溝70の図中X1方向端部は圧縮空間22に開口した構成であるため、高圧の作動ガスは図3に示すように回転用動圧溝70内に導入される。
As described above, the
この際、高圧の作動ガスは回転軸Xに対して所定角度を有した、換言すると作動ガスの導入方向(X2方向)に対して斜めに形成された回転用動圧溝70の側壁に当接し、単位面積に対する高圧の作動ガスが回転用動圧溝70の側壁に作用する力をFとしたとき、この力Fは図3にFa,Fbで示す力に分力され、更に分力Faは回転軸Xに対して直交する分力Fcに分力される。この分力Fcは、圧縮ピストン24を回転する力として作用し、これにより圧縮ピストン24は図中矢印A方向に回転を開始する。
At this time, the high-pressure working gas has a predetermined angle with respect to the rotation axis X, in other words, abuts against the side wall of the rotational
このように、本実施例に係るリニアモータ圧縮機20は、圧縮空間22内の作動ガスの圧力を利用して圧縮ピストン24を回転する。また、圧縮ピストン24が回転することにより、前記したように流体動圧軸受50は圧縮ピストン24を圧縮シリンダ25に対して非接触で軸承する。よって、流体動圧軸受50を用いても、従来のように圧縮ピストン24を回転させるためのモータ(図5の回転モータ107参照)を別個に設ける必要はなく、リニアモータ圧縮機20の部品点数の削減及び小型化を図ることができる。
Thus, the
なお、上記した実施例では圧縮ピストン24を圧縮シリンダ25に対して軸承する流体動圧軸受50と、圧縮ピストン24を回転付勢するための回転用動圧溝70を別個に設けた構成を示したが、図4に示す変形例に係るリニアモータ圧縮機20Aのように、回転用動圧溝70を流体動圧軸受50を構成する軸受用動圧溝51と兼用した構成とすることも可能である。
In the embodiment described above, a configuration is shown in which a fluid dynamic pressure bearing 50 for bearing the
また、図2に示したスターリング冷凍機1では、圧縮ピストン24のみをリニアモータ40によりX1,X2方向に往復移動させる構成を示したが、膨張機30にもディスプレイサピストン34と一体的なボビン、リニアモータを構成するマグネット及びコイル等を設けることにより、ディスプレイサピストン34をアクティブ駆動する構成としてもよい。
In the
更に、コールドヘッド60をリニアモータ圧縮機20及び膨張機30から分離した構成とし、コールドヘッド60とリニアモータ圧縮機20、及びコールドヘッド60と膨張機30を配管等で連結する構成としてもよい。
Further, the
1 スターリング冷凍機
2 ケーシング
10 熱交換器
20,20A リニアモータ圧縮機
22 圧縮空間
24 圧縮ピストン
25 圧縮シリンダ
30 膨張機
32 膨張空間
34 ディスプレイサピストン
35 ディスプレイサシリンダ
40 リニアモータ
50,50A 流体動圧軸受
51 軸受用動圧溝
60 コールドヘッド
66 コールドステージ
70 回転用動圧溝
DESCRIPTION OF
Claims (4)
該ケーシング内に配設されたリニアモータと、
該リニアモータに駆動されることにより前記ケーシング内に形成されたシリンダ部内で往復動し、圧縮空間内に充填された作動ガスを圧縮するピストンと、
前記シリンダ部に対してピストンを支持する流体動圧軸受とを有するリニアモータ圧縮機において、
前記ピストンに前記作動ガスの圧力が印加される動圧溝を形成し、該動圧溝に導入される作動ガスにより前記ピストンを回転付勢する構成としたことを特徴とするリニアモータ圧縮機。 A casing,
A linear motor disposed in the casing;
A piston that reciprocates in a cylinder portion formed in the casing by being driven by the linear motor, and compresses the working gas filled in the compression space;
In a linear motor compressor having a fluid dynamic pressure bearing that supports a piston with respect to the cylinder portion,
A linear motor compressor characterized in that a dynamic pressure groove to which the pressure of the working gas is applied is formed in the piston, and the piston is rotationally biased by the working gas introduced into the dynamic pressure groove.
前記熱交換器の一方側と接続された請求項1乃至3のいずれか1項に記載のリニアモータ圧縮機と、
前記熱交換器の他方側と接続された膨張空間に配置されており、前記ピストンが往復動することにより生じる前記作動ガスのガス圧変動を受けて往復動し、膨張空間内で前記作動ガスを膨張させるディスプレーサとを有することを特徴とするスターリング冷凍機。 A cold head with a heat exchanger fixed inside,
The linear motor compressor according to any one of claims 1 to 3, connected to one side of the heat exchanger;
It is arranged in an expansion space connected to the other side of the heat exchanger, reciprocates in response to a gas pressure fluctuation of the working gas generated by the reciprocating movement of the piston, and the working gas is moved in the expansion space. A Stirling refrigerator having a displacer for expansion.
Priority Applications (1)
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JP2007022199A JP2008190727A (en) | 2007-01-31 | 2007-01-31 | Linear motor compressor and stirling refrigerator |
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- 2007-01-31 JP JP2007022199A patent/JP2008190727A/en active Pending
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