JPH055569A - 冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 外部からの振動等によってピストンの振幅が
増大し、他の部材と衝突することによって騒音、部品の
欠損が生じることを防止できる冷凍機を得る。 【構成】 冷凍機の圧縮機１内のピストン５を支持する
支持ばね３２として、ばね定数が変位によって変化する
円すいばねのような非線形ばねを使用したものである。 【効果】 ピストン５が過大な振幅で振動すると、支持
ばねのばね定数が高くなり、ピストンを制動するので他
の部材との衝突が発生しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は例えば赤外線検出素子
を例えば８０Ｋ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。

【０００２】

【従来の技術】図５に従来のスターリング冷凍機の構成
例を示す。図５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はシリンダ４とピスト
ン５を備える。ピストン５は支持ばね７により位置決め
され、シリンダ４内部を往復運動する構造となってい
る。ピストン５には非磁性材料からなる軽量のスリーブ
８が連結され、そのスリーブ８に導電体を巻き付けてコ
イル９を形成する。コイル９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１１、第２のリード線
１２と接続しており、これらのリード線１１、１２はハ
ウジング１０の外側に第１の電気接点１３および第２の
電気接点１４を持つ。ハウジング１０内には永久磁石１
５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。コイル９は永久磁石１５および
ヨーク１６からなる磁気回路１７に形成された間隙１８
内でピストン５の軸線方向に往復運動できる構造になっ
ている。間隙１８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４、ピストン
５で仕切られた空間を圧縮室１７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４とピストン５
の隙間を通過しないように、シリンダ４とピストン５の
隙間は例えば５０μｍ以下の微小な隙間に管理されクリ
アランスシール２１を構成している。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、共振ばね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。圧縮機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
および連通管２０を介して連通している。また、圧縮室
１９、連結管３および連通管２０内部の空間、低温室２
５、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。

【０００３】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。コイル９、ピストン５からなる組
立体と支持ばね７はばね−質量共振系を構成している。
この共振系の共振周波数に近い周波数の交番電流を電気
接点１３，１４およびリード線１１，１２を介してコイ
ル９に印加すると、コイル９には間隙１８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き、ピ
ストン５とコイル９からなる組立体はピストン５の軸線
方向で往復運動する。この結果、ピストン５はシリンダ
４の内部を往復運動し、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はコー
ルドフィンガ２内をピストン５と同じ周波数かつ異なる
位相で軸方向に往復する。ピストン５とディスプレーサ
２４の位相差は共振ばね２３のばね定数およびディスプ
レーサ２４の質量によって定められる。ピストン５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、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」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、文
献「Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ」（Ｇ．Ｗａｌｋｅｒ，ｐ
ｌｅｎｕｍＰｒｅｓｓ，ＮｅｗＹｏｒｋ，１９８３，ｐ
ｐ．９５〜１７７）に詳細に説明されている。

【０００４】以下に、その原理について簡単に説明す
る。ピストン５により圧縮された圧縮室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２
６、再生器２７、ガス通過孔２８に流れこむ。作動ガス
は再生器２７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。作動ガスは次に逆の順序で再生器２
７に冷熱を放出しながら流路を戻り圧縮室１９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、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」が完成して冷熱が発生する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記のような従来装置
ではピストン、コイルの振幅は外部から与えられる振動
によって変化する。このため、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、ピストンの振幅量が増加してピストン、コイル
が例えば、シリンダ、ハウジング等、他の部材に衝突し
騒音、部品の欠損を生じるという課題があった。また、
ディスプレーサの振幅も外部から与えられる振動によっ
て変化する。したがって、ピストンの場合と同様に他の
部材と衝突し、騒音、部品の欠損を生じるという課題が
あった。

【０００６】この発明は、上記のような課題を解消する
ためになされたもので、ピストンが他の部材に衝突しな
いようにし、騒音、部品の欠損を防止できる冷凍機を得
ることを目的としている。

【０００７】この発明の別の発明は、デイスプレーサが
他の部材に衝突しないようにし、騒音、部品の欠損を防
止できる冷凍機を得ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る冷凍機は
ピストン、コイルが他の部材と衝突することを防ぐため
に、支持ばねとして変位が大きくなるとばね定数が増加
する特性をもつ非線形ばねを用いたものである。

【０００９】この発明の別の発明に係る冷凍機はディス
プレーサが他の部材と衝突することを防ぐために、共振
ばねとして変位が大きくなるとばね定数が増加する特性
をもつ非線形ばねを用いたものである。

【００１０】

【作用】この発明においては通常の冷却に必要なピスト
ン振幅の範囲では支持ばねのばね定数の変化は小さい
が、ピストンの振幅が過大となると支持ばねのばね定数
が増大し、ピストンを制動する働きをもつ。ピストンの
振幅が大きいほどこの制動力は大きくなるので、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、コイルが他の部
材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。

【００１１】また、この発明の別の発明においては通常
の冷却に必要なディスプレーサ振幅の範囲では共振ばね
のばね定数の変化は小さいが、ディスプレーサの振幅が
過大となると共振ばねのばね定数が増大し、ディスプレ
ーサを制動する働きをもつ。ディスプレーサの振幅が大
きいほどこの制動力は大きくなるので、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あるいはコイルが衝突する
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。

【００１２】

【実施例】

実施例１．図１は、この発明の一実施例を示したもので
ある。図１において１〜６および８〜３１は従来装置と
全く同じものである。支持ばね３２は例えば円すいばね
のような非線形ばねである。図３は円すいばねのばね定
数と変位の関係を示した図である。図３に示すように変
位の小さい領域ではばね定数が一定であるが、ある変位
を越えると変位の増加とともにばね定数が増加する。

【００１３】このような装置においては、ピストン５が
定められた変位を越えて過大な振幅で振動すると、支持
ばねのばね定数が増大し、ピストン５を制動する。ピス
トン５の振幅が大きいほどこの制動力は大きくなるの
で、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あるい
はピストン、コイルが他の部材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。この実施
例では非線形ばねの例として円すいばねを用いたが、図
３の特性を実現できる他のばね、あるいは例えば図４の
ようにばね定数と変位の関係が一定ではないばねを使用
しても同様の効果を得ることができる。

【００１４】実施例２．図２は、この発明の別の発明の
一実施例を示したものである。図において１〜２２およ
び２４〜３１は従来装置と全く同じものである。共振ば
ね３３は図３あるいは図４に示すように変位が大きくな
るとばね定数が増加する特性をもつ非線形ばねである。

【００１５】このような装置においては、ディスプレー
サ２４が定められた変位を越えて過大な振幅で振動する
と、共振ばねのばね定数が増大し、ディスプレーサ２４
を制動する。ディスプレーサ２４の振幅が大きいほどこ
の制動力は大きくなるので、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
場合でもディスプレーサが他の部材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。図２
の実施例ではピストンを電磁力で駆動する圧縮機を使用
しているが他のピストン駆動方法による圧縮機でも全く
同じ効果を得ることができる。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
支持ばねとして変位が大きくなるとばね定数が増加する
特性をもつ非線形ばねを使用するという簡単な方法によ
り、ピストンの振幅が増大しても支持ばねのばね定数が
増加してピストンに制動力を与えることによりピストン
が他の部材と衝突することを防ぎ、衝突時の騒音および
部品の欠損を防ぐことができる。

【００１７】また、この発明の別の発明によれば、共振
ばねとして変位が大きくなるとばね定数が増加する特性
をもつ非線形ばねを使用するという簡単な方法により、
ディスプレーサの振幅が増大しても、共振ばねのばね定
数が増加してディスプレーサに制動力を与えることによ
りディスプレーサが他の部材と衝突することを防ぎ、衝
突時の騒音および部品の欠損を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示す断面図である。

【図２】この発明の実施例２を示す断面図である。

【図３】非線形ばねのばね定数と変位の一例を示す図で
ある。

【図４】非線形ばねのばね定数と変位の一例を示す図で
ある。

【図５】従来の冷凍機を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ コールドフィンガ ３ 連結管 ４ シリンダ ５ ピストン ９ コイル １９ 圧縮室 ２２ 低温シリンダ ２４ ディスプレーサ ２５ 低温室 ２６ 高温室 ２７ 再生器 ３２ 支持ばね ３３ 共振ばね

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 シリンダと、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コイ
   ルと、前記コイルに連結され前記シリンダの中を往復運
   動するピストンと、前記コイルおよび前記ピストンを支
   持するばねと、前記シリンダと前記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、前記ばねとして、変位が大きくな
   るとばね定数が増加する非線形ばねを使用したことを特
   徴とする冷凍機。 【請求項２】 シリンダと、前記シリンダの中を往復運
   動するピストンと、前記シリンダと前記ピストンによっ
   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、前記低温シリンダ内に有し、前記ディスプレーサの
   一端と係合する共振ばねと、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
   共振ばねとして、変位が大きくなるとばね定数が増加す
   る非線形ばねを使用したことを特徴とする冷凍機。