JPH04143552A - 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８０
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
器（１）とコールドフィンガ（２）とこれらを結ぶ連結
管（３）より構成される。圧縮器（１）は第１のシリン
ダ（４ａ）と第１のピストン（５ａ）およ゛び第２のシ
リンダ（４ｂ）と第２のピストン（５ｂ）を備える。第
１のピストン（５ａ）および第２のピストン（５ｂ）は
各々支持ばね（７ａ）、　（７ｂ）により位置決めされ
、第１のシリンダ（４ａ）および第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）および第２のピストン（５ｂ）
には各々非磁性材料からなる軽量の第１のスリーブ（８
ａ）、第２のスリーブ（８ｂ）が連結され、スリーブ（
８ａ）、　（８ｂ）には導電体を巻き付けて第１の可動
コイル（９ａ）、第２の可動コイル（９ｂ）を形成する
。

可動コイル（９ａ）、　（９ｂ）はハウジング（１０）
の壁を通して外部に伸びる第１のリード線（ｌｌａ）、
　（ｌｌｂ）。

第２のリード線（１２ａ）、　（１２ｂ）と接続してお
り、これらのリード線（ｌｌａ）、　（ｌｌｂ）、　（
１２ａ）、　（１２ｂ）はハウジング（１０）の外側に
第１の電気接点（１３ａ）、　（１３ｂ）および第２の
電気接点（１４ａ）、　（１４ｂ）を持つ。ハウジング
（１０）内には永久磁石（１５ａ）、　（１５ｂ）およ
びヨーク（１６）が設けられており、これらは磁気回路
（１７）を構成している。可動コイル（９ａ）、　（９
ｂ）は永久磁石（１５ａ）、　（１５ｂ）およびヨーク
（１６）からなる磁気回路（１７）に設けられた第１の
間隙（１８ａ）、第２の間隙（１８ｂ）内でピストン（
５ａ）、　（５ｂ）の軸線方向に往復運動できる構造に
なっている０間隙（１８ａ）。

（１８ｂ）内には可動コイル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）、　ピストン（５ａ）、シリンダ（４
ｂ）およびピストン（５ｂ）で仕切られた空間を圧縮室
（１９）と呼ぶ。圧縮室（１９）には例えばヘリウム等
の高圧の作動ガスが封入されている。圧縮室（１９）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
）の隙間およびシリンダ（４ｂ）とピストン（５ｂ）の
隙間は例えば５０ｕｍ以下の微小な隙間に管理されクリ
アランスシール（２１ａ）、　（２１ｂ）を構成してい
る。以上が圧縮器（１）の構成である。

一方、コールドフィンガ（２）は円筒状の低温シリンダ
（２２）および低温シリンダ（２２）内を摺動自在に往
復し、かつ、共振はね（２３）により係合されたディス
プレーサ（２４）を有している。低温シリンダ（２２）
内部の空間はディスプレーサ（２４）によって２分割さ
れており、ディスプレーサ（２４）より上方の空間を低
温室（２５）、下方の空間を高温室（２６）と呼ぶ。デ
ィスプレーサ（２４）内部には再生器（２７）とガス通
過孔（２８）が設けられ、低温室（２５）および高温室
（２６）は再生器（２７）とガス通過孔（２８）を介し
て連通しており、再生器（２７）内には例えば銅の金網
などの蓄冷材（２９）が充填されている。コールドフィ
ンガ（２）の各室には圧縮器（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。

低温シリンダ（２２）とディスプレーサ（２４）の隙間
を作動ガスが通過しないように、低温シリンダ（２２）
とディスプレーサ（２４）の隙間にはクリアランスシー
ル（３０）が設けられている。以上がコールドフィンガ
（２）の構成である。

圧縮器（１）の圧縮室（１９）とコールドフィンガ（２
）の高温室（２６）は連結管（３）を介して連通してい
る。また圧縮室（１９）、連結管（３）内部の空間。

低温室（２５）、高温室（２６）、再生器（２７）およ
びガス通過孔（２８）は互いに連通しており、これらの
空間全体を総合して作動室（３１）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（９ａ）、　（９ｂ）に電気接点（
１３ａ）、　（１３ｂ）、　（１４ａ）、　（１４ｂ）
およびリード線（ｌｌａ）、　（ｌｌｂ）、　（１２ａ
）、　（１２ｂ）を介して交番電流を印加すると、可動
コイル（９ａ）、　（９ｂ）には各々間隙（１８ａ）、
　（１８ｂ）の中の永久磁界との交互作用により軸方向
にローレンツ力が働く。その結果ピストン（５ａ）と可
動コイル（９ａ）からなる組立体およびピストン（５ｂ
）と可動コイル（９ｂ〕からなる組立体はピストンの軸
方向で左右に移動する。

今、第１の可動コイル（９ａ）と第２の可動コイル（９
ｂ）の特性を同一にし、第１の間隙（１８ａ）および第
２の間隙（１８ｂ）内の磁界の強さを等しくした条件で
、第１の可動コイル（９ａ）と、第２の可動コイル（９
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２個のピストン（５ａ）、　（５ｂ）が
互いに逆方向にシリンダ（４ａ）、　（４ｂ’）の内部
を往復運動し１作動室（３１）内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（２４）および再生器（２７）を通過するガスの流
量変化により、再生器（２７）を含むディスプレーサ（
２４）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（５ａ）、　（５ｂ）およびディスプレーサ（
２４）が適当な位相差を保って運動するとき１作動室（
３１）に封入された作動ガスが「逆スターリングサイク
ルＪとして既知の熱学的サイクルを構成し。

主として低温室（２５）に冷熱を発生する。上記「逆ス
ターリングサイクル」とその冷熱の発生原理については
９文献ｒｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓＪ（Ｇ、Ｗａｌｋｅｒ
、ｐｌｅｎｕｍ　Ｐｒｅｓｓ、　ＮｅｗＹｏｒｋ、　１
９８３．　ｐｐ、　９５〜１７７）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）により圧縮された圧縮さ
れた圧縮室（１９）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（２６）、再生器（２７
）。

ガス通過孔（２８）に流れこむ。作動ガスは再生器（２
７）で半サイクル前に蓄えられた冷熱により予冷され、
低温室（２５）内に入る。そして、大部分の作動ガスが
低温室（２５）内に入ると膨張が始まり、低温室（２５
）内に冷熱を発生する０作動ガスは次に逆の順序で再生
器（２７）に冷熱を放出しながら流路を戻り圧縮室（１
９）に入る。このときコールドフィンガ（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（１９）に
戻ると再び圧縮が始まり９次のサイクルに移動する。以
上のようなプロセスにより上記「逆スターリングサイク
ルｊが完成して冷熱が発生する。

また、上記のように構成された冷凍機においてはピスト
ン（５ａ）と可動コイル（９ａ）からなる可動部と、ピ
ストン（５ｂ）と可動コイル（９ｂ）からなる可動部が
、互いに逆方向に同振幅で運動するため、往復運動によ
る慣性力を打消し合い、冷凍機の外部に振動を与えない
という利点がある。

Ｕ発明が解決しようとする課題］ 上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。ピストンと可動コイルからなる組立体は支持はね
により位置決めされているため。

−自由度のばね一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９ｍ
は各々のピストンと可動コイルからなる組立体の重量、
に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ｍ、ｋ
により ｆ　ｏ　＝　２　ｙｒ　Ｆ「７石（１）と示される。こ
のため、ピストン機軸方向のｆｆｏなる成分を有する振
動を与えられた場合、ピストンと可動コイルからなる組
立体は共振し、第４図に示すように、第１のピストンと
第１の可動コイルからなる組立体、第２のピストンと第
２の可動コイルからなる組立体および圧縮室内の作動ガ
スが一体となり同周期、同位相で振動する。この共振は
作動ガスが連通管を通過する際の抵抗によって減衰され
るが、従来装置が例えば航空機などの外部より非常に大
きな振動を受ける環境に設置された場合、ピストンある
いは可動コイル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を生じるといつ課題があった。

この発明はかかる課題を解決するためになされたもので
あり、外部からの振動によるピストンの共振を減衰させ
るとともにピストン、可動コイルのハウジングあるいは
ヨークとの衝突を防止す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、二つの可動コイルに各々取付
けられた緩衝ピストンと、緩衝ピストンとクリアランス
シールを介して嵌合する緩衝シリンダとを備え、緩衝シ
リンダと緩衝ピストンによって仕切られた空間のガスの
ばね効果によりピストンと可動コイルからなる組立体の
共振を減衰させるという構造をもっことを特徴とする。

また、この発明の別の発明に係る冷凍機は、上記のもの
において緩衝シリンダの端部に弾性体を取付けたもので
ある。

［作用］ この発明においてはピストン、可動コイルおよび緩衝ピ
ストンからなる組立体の振幅が通常の膨張・圧縮運動を
行なっているときの振幅よりも増大すると、可動コイル
に取付けられた緩衝ピストンが緩衝シリンダの中に挿入
される。緩衝ピストンと緩衝シリンダの隙間にはクリア
ランスシールが設けられているため、緩衝シリンダの中
のガスは外部に漏れないので緩衝シリンダ内のガスはば
ね効果をもつ。緩衝ピストンが緩衝シリンダの上死点に
近づくほど緩衝シリンダ内のガスはばね効果を高め、ピ
ストンと可動コイルからなる組立体を制動する働きをも
つ。緩衝ピストンの変位が大きいほどこの制動力は大き
くなるので９例えば航空機などの外部より非常に大きな
振動を受ける環境に冷凍機が設置された場合でもピスト
ンと可動コイルがハウジングおよびヨークと衝突するこ
とがなくなり騒音および部品の欠損を防ぐことができる
。

また、この発明の別の発明においては、緩衝ピストンと
緩衝シリンダの隙間に設けられたクリアランスシールの
劣化により上記説明した制動力が低下した場合に１弾性
体が緩衝ピストンと緩衝シリンダの衝突を防止し、緩衝
ピストンが他の構成部品に与える衝撃を緩和する。

［実施例コ 第１図は、この発明の一実施例を示したものである。図
において（１）〜（３１）は従来装置と全く同じもので
ある。可動コイル（９ａ）には第１の緩衝ピストン（３
２ａ）が設けられている。また、ハウジング（１０）の
緩衝ピストン（３２ａ）に相対する位置には第１の緩衝
シリンダ（３３ａ）が設けられており、可動コイル（９
ａ）の往復運動が通常の圧縮・膨張運動時の振幅よりも
大きくなったときに緩衝ピストン（３２ａ）が緩衝シリ
ンダ（３３ａ）の内部を摺動できるようになっている。

緩衝ピストン（３２ａ）と緩衝シリンダ（３３ａ）の隙
間には緩衝シリンダ（３３ａ）内のガスが漏れないよう
クリアランスシール（３４ａ）が設けられている。一方
、可動コイル（９ｂ）には第２の緩衝ピストン（３２ｂ
）が設けられている。ハウジング（１０）の緩衝ピスト
ン（３２ｂ）に相対する位置には第２の緩衝シリンダ（
３３ｂ）が設けられており。

可動コイル（９ｂ）の往復運動が大きくなると緩衝ピス
トン（３２ｂ）が緩衝シリンダ（３３ｂ）の内部を摺動
できるようになっている。また、緩衝シリンダ（３３ｂ
）内のガスが漏れないようクリアランスシール（３４ｂ
）が設けられている。

このような装置においては、外部よりピストン（５ａ）
、　（５ｂ）、可動コイル（９ａ）、　（９ｂ）、緩衝
ピストン（３２ａ）、　（３２ｂ）および支持ばね（７
ａ）、　（７ｂ）により構成される一自由度ばね一質量
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
られた場合ピストン（５ａ）、可動コイル（９ａ）およ
び緩衝ピストン（３２ａ）からなる組立体と、ピストン
（５ｂ）、可動コイル（９ｂ）および緩衝ピストン（３
２ｂ）からなる組立体は共振し、同周期、同位相で振幅
の大きな振動をはじめるが１例えばピストン（５ａ）、
　（５ｂ）、可動コイル（９ａ）、　（９ｂ）および緩
衝ピストン（３２ａ）、　（３２ｂ）が第１図において
左方向に移動する場合は。

緩衝ピストン（３２ａ）が緩衝シリンダ（３３ａ）の内
部に挿入され、緩衝ピストン（３２ａ）が緩衝シリンダ
（３３ａ）の上死点に近づくほど緩衝シリンダ（３３ａ
）内のガスかばね効果を高めピストン（５ａ）、可動コ
イル（９ａ）および緩衝ピストン（３２ａ）からなる組
立体を制動する働きをもち振動を減衰する。また。

逆にピストン（５ａ）、　（５ｂ）、可動コイル（９ａ
）、　（９ｂ）および緩衝ピストン（３２ａ）、　（３
２ｂ）が第１図において右方向に移動する場合は緩衝ピ
ストン（３２ｂ）が緩衝シリンダ（３３ｂ）の内部に挿
入され、緩衝ピストン（３２ｂ）が緩衝シリンダ（３３
ｂ）の上死点に近づくほど緩衝シリンダ（３３ｂ）内の
ガスがばね効果を高めピストン（５ｂ）、可動コイル（
９ｂ）および緩衝ピストン（３２ｂ）を制動する働きを
もち振動を減衰する。

この結果１例えば航空機などの外部より非常に大きな振
動を受ける環境に冷凍機が設置された場合でもピストン
（５ａ）、　（５ｂ）、あるいは可動コイル（９ａ）、
　（９ｂ）がハウジング（１０）あるいはヨーク（１６
）と衝突することがなくなり騒音および部品の欠損防ぐ
ことができる。

さて、この発明は緩衝シリンダ（３３ａ）、　（３３ｂ
）と緩衝ピストン（３２ａ）、　（３２ｂ）によって仕
切られた空間のガスがクリアランスシール（３４ａ）、
　（３４ｂ）によって外部にもれないようにして、ガス
のはね効果を高めピストン（５ａ）、　（５ｂ）、可動
コイル（９ａ）、　（９ｂ）および緩衝ピストン（３２
ａ）、　（３２ｂ）からなる組立体を制動するが、長時
間の運動によってクリアランスシール（３４ａ）、　（
３４ｂ）が劣化した場合、ガスのばね効果による制動力
を充分に得ることができなくなり、緩衝ピストン（３２
ａ）、　（３２ｂ）が緩衝シリンダ（３３ａ）、　（３
３ｂ）に直接衝突し、他の構成部品に衝撃を与え、欠損
を生じさせる危険がある。第２図に示した（３５ａ）、
　（３５ｂ）はこの危険を防止するために緩衝シリンダ
（３３ａ）、　（３３ｂ）の端部に設けられた例えば脱
ガスの少ないフッソ系のゴム等からなる弾性体である。

この弾性体（３５ａ）、　（３５ｂ）によりたとえクリ
アランスシール（３４ａ）、　（３４ｂ）が劣化し充分
なガスのばね効果による制動力を得ることができなくな
っても、緩衝ピストン（３２ａ）、　（３２ｂ）が緩衝
シリンダ（３３ａ）、　（３３ｂ）と直接衝突すること
を防止し、緩衝ピストン（３２ａ）、　（３２ｂ）が他
の構成部品に与える衝撃を緩和することができる。

［発明の効果］ 以上説明したようにこの発明によれば、永久磁石と可動
コイルによりピストンを駆動する冷凍機の圧縮機内に可
動コイルに取付けられた緩衝ピストンと、緩衝ピストン
にクリアランスシールを介して嵌合する緩衝シリンダと
を備えることにより外部からの振動にピストン、可動コ
イル、緩衝ピストンからなる組立体が共振してピストン
の振幅が増大しても緩衝シリンダと緩衝ピストンに仕切
られた空間のガスのばね効果でピストンと可動コイルか
らなる組立体の共振を減衰させ、ピストンおよび可動コ
イルがハウジングあるいはヨークと衝突することを防ぎ
、衝突時の騒音および冷凍機を構成する部品の欠損をな
くすことができる。

また、この発明の別の発明は緩衝シリンダの端部に弾性
体を設けたことによりたとえクリアランスシールが劣化
し充分なガスのはね効果による制動力を得ることができ
なくなっても、緩衝ピストンが緩衝シリンダと直接衝突
することを防止し。

緩衝ピストンが他の構成部品に与える衝撃を緩和するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は発明の一実施例による冷凍機を示す断面図、第
２図はこの発明の別の発明の一実施例による冷凍機を示
す断面図、第３図は従来の冷凍機を示す断面図、第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ばね質量系
の振動モデルを示す図である。 図において、　（４ａ）、　（４ｂ）はシリンダ、　（
５ａ）、　（５ｂ）はピストン、　（７ａ）、　（７ｂ
）は支持ばね、　（９ａ）、　（９ｂ）は可動コイル、
　（１０）はハウジング、　（１７）は磁気回路、’　
（１９）は圧縮室、　（３２ａ）、　（３２ｂ）は緩衝
ピストン、　（３３ａ）、　（３３ｂ）緩衝シリンダ、
　（３４ａ）、　（３４ｂ）はクリアランスシール、　
（３５ａ）、　（３５ｂ）は弾性田を示す。 なお９図中同一符号は同一、または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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，永久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１のピストン，前記第２のシリンダおよび前記
   第２のピストンによって仕切られた圧縮室と筒状の低温
   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，前記高温室および前記圧縮室を連通さ
   せる連結管とから構成された冷凍機において，前記第１
   の可動コイルに取付けられた第１の緩衝ピストンと，前
   記第１の緩衝ピストンを囲み，前記第１の緩衝ピストン
   とクリアランスシールを介して嵌合する第１の緩衝シリ
   ンダと，前記第２の可動コイルに取付けられた第２の緩
   衝ピストンと，前記第２の緩衝ピストンを囲み，前記第
   ２の緩衝ピストンとクリアランスシールを介して嵌合す
   る第２の緩衝シリンダを備えたことを特徴とした冷凍機
   。
2. （２）前記第１の緩衝シリンダの端部および第２の緩衝
   シリンダの端部に弾性体を備えたことを特徴とする請求
   項（１）記載の冷凍機。