JPH03177752A - 冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は例えば赤外線検出素子を極低温（例えば７７
に前後）に冷却するスターリング冷凍機に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

第３図に従来のスターリング冷凍機の構成例を示す。

第３図において、スターリング冷凍機は大きく分けて圧
縮機（１）とコールドフィンガ（２）とこれらを結ぶ連
結管（３）よ多構成される。圧縮機（１）は第１のシリ
ンダ（４０シよび第２のシリンダ（４ｂ）と第１のピス
トン（５ａ）　＞よび第２のピストン（５ｂ）を有する
。第１のピストン（５ａ）　＞よび第２のピストン（５
１））は各々支持ばね（６ａ）ｔ　（６１））によう位
置決めされ、第１のシリンダ（４ａ）　ｋよび第２のシ
リンダ（４ｂ）内部を往復運動する構造となっている。

第１のピストン（５ａ）　ｂよび第２のピストン（５ｂ
）には各々非磁性材料から々る軽量の第１のスリーブ（
７ａ）　＞よび第２のスリーブ（７ｂ）が連結され、ス
リーブ（７ａ）、　（７１））には導電体を巻き付けて
第１の可動コイル（Ｓａ）　＞よび第２の可動コイル（
８ｂ）を形成する。可動コイル（８ａ）、　（８ｂ）は
ハウジング（９）の壁を通して外部に伸びる第１のリー
ド線（１０ａ）、　（１ｏｂ）及び第２のリード線（１
１ａ）、　（１１ｂ）　と接続している。これらのリー
ド線（１０ａ）、　（１０ｂ）、　（１１ａ）、　（１
１ｂ）はハウジング（９１の外側に第１の電気接点（１
２ａ）、　（１２ｂ）ｂよび第２の電気接点（１３ａ）
、　（ｔ５ｂ）を持つ。ハウジング（９）内には永久磁
石（ｔ４ａ）　、　（１４ｂ）及びヨーク（１５ａ）、
　（１５’ｂ）が設けられてかう、これらは閉磁気回路
を構成している。可動コイル（８ａ）ｔ　（８ｂ）は永
久磁石（Ｌ・及びヨーク（１５からなる閉磁気回路に設
けられた第１の間隙（１６４）、第２の間隙（１６１Ｑ
内でピストン（５ａ）、　（５ｂ）の軸線方向に往復運
動できる構造に女っている。間隙（１６ａ）、　（１６
１））内には可動コイル（８ａ）、　（８ｂ）の運動方
向を横切る半径方向に永久磁界が存在する。

シリンダ（４ａ）、　（４ｂ）＞よびピストン（５＆）
。

（５ｂ）でしきられた内部空間を圧縮室（５）と呼ぶ。

圧縮室ａｒ）には例えばヘリウムなどの高圧の作動ガス
が封入されている。圧縮室側内の作動ガスがシリンダ（
４ａ）とピストン（５ａ）の隙間、および。

シリンダ（４ｂ）とピストン（５ｂ）の隙間を通過しな
いように、シリンダ（４ａ）とピストン（５ａ）の隙間
、）よび、シリンダ（４ｂ）　とピストン（５ｂ）の隙
間には各々シー／ｌ／（２８ａ）、　（２８’ｂ）が設
けられている。以上が圧縮機（１）の構成である。

一方、前記コールドフィンガ（２）は円筒状の低温シリ
ンダａｓｂよび、共振ばね０によう係合され。

低温シリンダａａ内を摺動自在に往復するディスプレー
サ（１）を有している。低温シリンダαａ内部の空間は
ディスプレーサ翰によって２分割されてカシ。

ディスプレーサ■より上方の空間を低温室０Ｄ、下方の
空間を高温室のと呼ぶ。ディスプレーサ（イ）内部には
再生器■とガス通過孔のが設けられ、低温室のりと高温
室のは再生器（至）とガス通過孔（２）を介して連通し
てかう、再生器（至）内には例えば鋼の金網などの蓄冷
材−が充填されている。低温シリンダａＳとディスプレ
ーサ翰の隙間を作動ガスが通過しないようにディスプレ
ーサ（イ）と低温シリンダの隙間にはシール■が設けら
れている。コールドフィンガ（２）の各室には圧縮機（
１）と同様に例えばヘリウムなどの高圧の作動ガスが封
入されている。以上がコールドフィンガ（２１の構成で
あう、圧縮機（１）の圧縮室α力と前記コールドフィン
ガ（２）の高温室のは。

連結管（３）を介して連通している。また、圧縮室（１
？）。

連結管（３）内部の空間、低温室ＣＤ、高温室＠、再生
器■及びガス通過孔（２）は互いに連通してｂＢ、　　
これらの室全体を総合して作動室■と呼ぶ。

上記のように構成された従来の冷凍機の動作について説
明する。

可動コイル（８ａ）？　（８ｂ）に電気接点（１２ａ３
゜（１２’ｂ）、（ｔ３ａ）、（Ｈｂ）　　ｂよびリー
ドｉ’ｉｉ！（１０＆）。

（１０ｂ）、　（１１ａ）、　（１１ｂ）　　を介して
交番電流を印加すると、可動コイル（８ａ）　、　　（
８ｂ）には各々間隙（１６ａ）、　（１６ｂ）中の永久
磁界との相互作用によう軸方向にローレンツ力が働く。

その結果ピストン（５ａ）＊　（５ｂ）　、　ｘリーブ
ｃ７ａ）ｔ　（７ｂ）ｂヨび可動コイル（８ａ）、　（
８１））からｉる組立体はピストン（５）の軸方向で左
右に移動する。

今第１の可動コイル（８ａ）と第２の可動コイル（８ｂ
）の特性を同一にし、第１の間隙（Ｌ６ａ）Ｔｈよび第
２の間隙（１６ｂ）内の磁界の強さを等しくした条件で
、第０の可動コイル（８ａ）　、第２の可動コイル（８
ｂ）が互いに逆方向に同振幅で振動するような正弦波電
流を印加すると、ピストン（５ａ）。

（５ｂ）は互いに逆方向にシリンダ（４ａ）、　（４ｂ
）の内部を往復運動し、圧縮室αＤから低温室Ｉ２１）
に至る作動室（財）のガス圧力に正弦状の波動を与える
。

この正弦状の圧力波動に伴うディスプレーサ■及び再生
器（至）を通過するガスの流量変化によう。

再生器−を含むディスプレーサ（４）はピストン（５ａ
）　。

（５ｂ）と同じ周波数かつ異なった位相でコールドフィ
ンガ（２）内を軸方向に往復する。

ピストン（５１Ｌ）、　（５ｂ）及びディスプレーサ■
が適当ｉ位相差を保って運動するとき２作動室（財）に
封入された作動ガスは「逆スターリングサイクル」とし
て既知の熱学的サイクルを構成し、主として低温室ＯＤ
に冷熱を発生する。上記「逆スターリングサイクル」と
その冷熱発生の原理については。

文献１’−０ｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓＪ　　（Ｇ、Ｗａｌ
ｋｅｒ、ＰＩｅｎｕｍ　Ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ
、１９８３．ＰＰ・１１７〜１２３）に詳細に説明され
ている。以下に、その原理について簡単に説明する。

ピストン（５ａ）、　（５ｂ）によシ圧縮された圧縮室
αＤ内のガスは連結管（３）を経て流れる間に圧縮熱が
冷却され、高温室の、再生器の、ガス通過孔（ハ）に流
れ込む。作動ガスは、再生器のでは半サイクル前に蓄え
られた冷熱によシ予冷され、低温室ＱＤ内に入る。そし
て、大部分の作動ガスが低温室２１１内に入ると膨張が
始１カ、低温室ＱＤ内に冷熱を発生する。作動ガスは２
次に逆の順序で再生器のに冷熱を放出しなから流路を戻
ル圧縮室側内に入る。

この時、コールドフィンガ（２）先端部から熱を奪いそ
の外部を冷却する。このようにして、大部分の作動ガス
が圧縮室αＤ内に戻ると再び圧縮が始１シ。

次のサイクルに移動する。以上のようなプロセスによシ
、上記「逆スターリングサイクル」が完成して冷熱が発
生する。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記のような従来装置には以下に述べるような課題があ
った。す々わちピストン、可動コイル。

スリーブからなる組立体は支持はねによシ位置決めされ
ているため、−自由度のはね−質量振動系を構成するこ
とになる。第４図は上記の゛振動系のモデル図である。

図において２ｍは各々のピストン、可動コイル、スリー
ブからｉる組立体の質量。

ｋは支持ばねのばね定数、　　ｆＯは振動系の共振周波
数を示している。ｆＯはｍｋよびｋによシ。

と示される。

よって２例えば航空機や車両など外部よう振動を受ける
環境に設置された場合、ピストン機軸方向にｆ＝＝ｆｏ
＆る成分を有する振動が従来装置に与えられた場合、ピ
ストン、可動コイル、スリーブからｉる組立体は共振し
、第４図に示すように。

第１のピストン、第２の可動コイル、第１のスリーブか
らなる組立体、第２のピストン、第２の可動コイル、第
２のスリーブからなる組立体および圧縮室内の作動ガス
が一体となシ同周期、同位相で振動する。この共振では
圧縮室内の作動ガスによる振動減衰効果が存在しないた
め、共振倍率が大きく、振幅の大きな振動とｉる。

したがって、外部より受ける振動が大きくなると、振動
しているピストン、可動コイル、スリーブがハウジング
あるいはヨークと衝突し、騒音および部品の欠損が生じ
るという課題があった。

この発明はかかる課題を解決するためにセされたもので
あう、ばね−質量系の共振を減衰させるとともに騒音お
よび部品の欠損を防止することができる冷凍機を得るこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る冷凍機は、同軸上に配置された二つのシ
リンダの間に設けられた圧縮室を二分する隔壁と、二分
された圧縮室を連通させる淳通管を備えることによう、
ピストン、可動コイル、スリーブ、支持ばねにより構成
されるばね一質量系の共振を２作動ガスが連通管を通過
する際に生じる抵抗力によう減衰できるように構成した
ものである。

〔作用〕

この発明にかいては、同軸上に配置されたピストン、可
動コイル、スリーブ組立体が外部からの振動によって共
振する場合１作動ガスは連通管を通って片側の圧縮室よ
う他方の圧縮室に移動し連結管よう管摩擦抵抗力および
流れの屈曲による抵抗力を受け、これらの抵抗力が第２
図に示す様な振動モデルの振動減衰力として作用して共
振倍率が低下するため部品の衝突が発生しなりので、騒
音および部品の欠損を防ぐことができる。

〔実施例〕

第１図は、この発明の一実施例を示す図である。

図中（１）〜（Ｉ！、　！１１−（至）は従来装置と全
く同じものである。第１のシリンダ（４ａ）と第２のシ
リンダ（４ｂ）の間には隔壁四が設けられている。第１
のシリンダ、第１のピストン、隔壁でしきられた空間を
第１の圧縮室（２）、第２のシリンダ、第２のピストン
、隔壁■でしきられた空間を第２の圧縮室ｏｎと呼ぶ。

第１の圧縮室ωと第２のｌＥ圧縮室ハ）は連通管匈によ
り連通してしる。連結管（３）は連通管Ｃ３Ｂに接続さ
れることによう圧縮機（１３の第１の圧縮室（２）およ
び第２の圧縮室ＯＩ）とコールドフィンガ［２１の高温
室＠を連通させている。

このような装置にかいては、外部ようピストン（５ａ）
、　（５１））の機軸方向に、ピストン（５ａ）ｌ（５
ｂ）１可動コイル（８ａ）ｌ　（８１））、スリーブ（
７ａ）、　（７ｂ）および支持はね（６ａ）、　（６ｂ
）によう構成される一自由度のばね一質量振動系の共振
周波数に等しい周波数成分を有する振動が与えられた場
合、第１のピストン（５ａ）　、第１の可動コイル（８
ａ）　ｂよび第１のスリーブ（７０からなる組立体と第
２のピストン（５１））　、第２の可動コイル（８ｂ）
　＞よび第２のスリーブ（７ｂ）からなる組立体が同一
方向に振動するのに伴い１作動ガスは第１の圧縮室囚と
第２の圧縮室０９０間を連通管■を通って移動する。こ
の時１作動ガスは連通管のより管摩擦抵抗力および流れ
の屈曲による抵抗力を受け、これらの抵抗力が振動減衰
力として作用して共振倍率を低下させることになる。第
２図は上記の振動減衰機構の振動モデル図である。第２
図にかいて５ｍは第１のピストン、第１の可動コイルお
よび第１のスリーブからなる組立体、あるいは、第２の
ピストン、第２の可動コイルおよび第２のスリー７から
なる組立体の質量、には第１の支持はね、あるいは、第
２の支持はねのばね定数、Ｃは上記の振動減衰力による
減衰係数を示している。上記の振動減衰機構を現象によ
う具体的に説明する。前記の管摩擦抵抗力および流れの
屈曲による抵抗力によう第１の圧縮室ωとｆｇ２の圧縮
室Ｃ（１）に圧力差が発生し、この圧力差が発生し、こ
の圧力差が必ずピストン（５ａ）ｌ　　（５ｂ）、可動
コイＡ／　ｃａａ）＋ｃａ’ｂ）ｔスリーブ（７ａ）、
　（７ｂ）の組立体の移動を抑制する方向に働（ため振
動を減衰することになる。この結果、ピストン（”）ｌ
　（５ｂ）ｌ可動コイＡ／（８２Ｌ）。

（ａｂ）、スリーブ（７ａ）、　（７’ｂ）がハウジン
グ（９１あるいはヨーク（１５ａ）、　（１ｓｂ）と衝
突することを防ぎ、騒音）よび部品の欠損を欧くすこと
ができる。

一方１通常の動作、す々わち３作動ガスが第１の圧縮室
（２）釦よび第２の圧縮室ＯＤと高温室に）を往復する
過程にかいては、管摩擦抵抗力は流路が短い分だけ小さ
く、また、流れの屈曲もないため作動ガスが連通管神よ
う受ける抵抗力は従来装置と変らないため性能が低下す
るということはなり０なお、上記実施例では圧縮機（１
）とコールドフィンガ（２１が連結管（３）を介して互
いに分離された分離型のスターリング冷凍機の場合につ
いて説明したが、コールドフィンガ（２）と圧縮機（１
）が機械的に強く結合された一体型のスターリング冷凍
機であっても良く、上記実施例と全く同様の効果を奏す
る。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、磁石と可動コイ
ルによ多ピストンを駆動する冷凍機の圧縮機内で、二つ
のシリンダの間に隔壁を設けることにより圧縮室を二分
し、二つの圧縮室を連通させる連通管を設けるという簡
単な構成によう、外部からの振動に起因するピストン、
可動コイル。

スリーブおよび支持ばねによって構成されるばね一質量
系の共振を減衰させ、ピストン、シリンダ。

スリーブがハウジングあるいはヨークと衝突することを
防ぎ、＠突時の騒音および冷凍機構成部品の欠損をなく
すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による冷凍機を示す断面図
、第２図はこの発明による振動の減衰モデルを示す図、
第３図は従来の冷凍機を示す断面図、＠４図はピストン
、可動コイル、スリーブおよび支持ばねによって構成さ
れるはね−質量系の振動モデルを示す図である。図にお
いて、（１）・・、圧縮機、１２〉・・・コールドフィ
ンガ、（３）・・・連結管、（４ａ）。 （４ｂ）−＝シリンダ、　　（５ａ）、　（５ｂ）、、
、ピストン。 （６ａ））　（６ｂ）−・・支持ばねｅ　　（７ａ）ｔ
　（７’ｂ）−Ｘ　ＩＪ−ブ、　　（８ａ）、　（Ｂｔ
））・・・可かコイル、（９）・・・ハウジング、　　
（１４ａ）、　（１４ｂ）、、、永久磁石、　　（１５
ａ）、　（１５１））・・・ヨーク、　　（ＩＳａ）、
　（１６ｂ）・・・間隙、同・・・圧縮室。 ■・・・高温室、＠・・・作動室１ｇ３・・・隔壁、関
・・・第１の圧縮室、ｒ３Ｂ・・・第２の圧縮室、　Ｃ
１３・・・連通管である。 なか２図中同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 互いに同軸上に配置された第１、第２のシリンダと、互
   いに対向し、磁石が作る磁束中に設けられ交番電流を流
   すことにより往復運動が可能な第１、第２の可動コイル
   と、前記第１の可動コイルに連結され、前記第１のシリ
   ンダの中を往復運動する第１のピストンと、前記第２の
   可動コイルに連結され、前記第２のシリンダの中を往復
   運動する第２のピストンと、前記第１のシリンダ、前記
   第２のシリンダ、前記第１のピストン及び前記第２のピ
   ストンによつて仕切られた圧縮室と、細長い円筒状の低
   温シリンダと、前記低温シリンダの内部を低温室と高温
   室とに分け、かつ前記低温シリンダ内部を摺動自在に往
   復するディスプレーサと、前記ディスプレーサ内部に設
   けられた再生器とを具備した冷凍機において、前記第１
   のシリンダと前記第２のシリンダの間に設けられ、前記
   圧縮室を第１の圧縮室と第２の圧縮室とに分ける隔壁お
   よび、前記第１の圧縮室と前記第２の圧縮室を連通させ
   る連通管とを備えたことを特徴とする冷凍機。