JPH0669663U - 小型冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 リニアモータ駆動式のピストンを備えた小型
冷凍機に適用するのに好適なピストン軸受を有する小型
冷凍機に関し、ピストンとシリンダの接触を低減するこ
とのできる小型冷凍機を提供することを目的とする。 【構成】 内壁で中空状空間を画定するシリンダ（１
４）と、前記シリンダ中に挿入されたピストン（１３）
と、前記シリンダの内壁と前記ピストンとの間隙の大き
さを検出するすき間センサ（５）と、前記シリンダと結
合され、磁気ギャップ（８）を有する磁気回路（９、１
２、１５）と、前記ピストンと結合され、前記磁気ギャ
ップ中に挿入された位置制御用コイル（７）と、前記す
き間センサの検出出力に基づいて制御された電流を前記
位置制御用コイルに供給するコントローラ（６）とを有
する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、小型冷凍機に関し、特にリニアモータ駆動式のピストンを備えた小 型冷凍機に適用するのに好適なピストン軸受を有する小型冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】

小型で１００Ｋ程度以下の低温を発生させることのできる冷凍機としてスター リング冷凍機、ヴェルミエ冷凍機、ギフォードマクマホン冷凍機等が知られてい る。以下、制限的な意味を有することなく、スターリング冷凍機について説明す る。

【０００３】 スターリング冷凍機は、逆スターリングサイクルを利用した冷凍機で、理論的 には熱効率がカルノーサイクルに等しく効率が高く、バルブを使用しないので構 造が簡単になり、小型化が容易である。

【０００４】 図３（Ａ）にスターリングサイクルを概略的に示す。図中横軸は容積を示し、 縦軸は圧力を示す。スターリングサイクルは、曲線ＰＱで示される等温圧縮、曲 線ＱＲで示される等容移送、曲線ＲＳで示される等温膨張、曲線ＳＰで示される 等容移送の４工程を含む。この４工程を矢印の方向に進むとき、冷凍サイクルが 実現され、逆方向に進めば加熱サイクルが実現される。

【０００５】 図３（Ａ）に示すようなスターリングサイクルを行なわせるため、スターリン グ冷凍機は圧縮機と膨張機およびそれらの間の配管を含む。 図３（Ｂ）に、スターリング冷凍機の動作を概略的に示す。図中左側に膨張機 （コールドヘッド）、右側に圧縮機、その間に配管を示す。圧縮機は、圧縮シリ ンダを含み、圧縮シリンダによって圧縮された作動ガスは配管を介してコールド ヘッドに移送される。コールドヘッド内には、ディスプレーサが設けられており 、作動ガスはディスプレーサ内を通って移動することができる。ディスプレーサ 内には、蓄冷器が充填される。

【０００６】 圧縮機においては、図３（Ｂ）１段目から３段目の状態において圧縮行程が行 なわれ、３段目から４段目を介して１段目に戻る間において膨張行程が行なわれ る。

【０００７】 コールドヘッド内においては、ディスプレーサが圧縮シリンダとは約９０°位 相をずらせて往復運動を行なう。１段目から２段目にかけて主に等容移送が行な われ、２段目から３段目にかけて主に等温圧縮が行なわれる。３段目から４段目 にかけては主に等容移送が行なわれ、４段目から１段目に戻る際に主に等温膨張 が行なわれる。

【０００８】 このようなスターリングサイクルにより、コールドヘッド先端に冷凍が発生し 、人工衛星、放射線危険区域等、メンテナンスフリーが要求される場所等におい て、赤外線検出装置等の冷却対象物が冷却される。

【０００９】 図４に、従来技術によるスターリング冷凍機の構成例を示す。図４（Ａ）は、 スターリング冷凍機の全体構成を概略的に示す。圧縮機５１とコールドヘッド５ ２とは配管５３で接続され、分離型構造を構成している。

【００１０】 圧縮機５１においては、シリンダ５６の中にピストン５７が挿入され、その間 に圧縮空間６０を画定している。シリンダ５６の外側に、磁気ギャップ５８を有 する磁気回路が構成され、磁気ギャップ５８内にピストン５７と結合したリニア モータの往復運動用コイル５９が挿入されている。なお、圧縮機５１は２つの圧 縮ピストンを対向して配置し、その中間から共通に圧縮ガスを配管５３に接続し ている。

【００１１】 ディスプレーサ５２においては、シリンダ６１内にディスプレーサ６２が配置 され、ディスプレーサ６２内には鉛粒、銅金網等の蓄冷器６３が配置されている 。ディスプレーサ６２とシリンダ６１の間に膨張空間６５が画定され、冷凍を発 生する。膨張空間６５に隣接して、冷却対象７０が配置されている。

【００１２】 図４（Ｂ）は、圧縮機の構成例を拡大して示す。シリンダ５６内に挿入される ピストン５７は、２つのコイルばね７４、７５によって軸方向の中立位置に保持 される。なお、これらの２つのばね７４、７５はリニアモータのコイル５９に対 する電流供給端子も兼用する。

【００１３】 シリンダ５６の外側に磁気ギャップ５８を有する磁気回路が結合されている。 磁気ギャップ５８中に往復運動用リニアモータのコイル５９が配置され、ピスト ン５７に結合されている。なお、７２は作動ガス充填用の配管を示す。

【００１４】 このような冷凍機の圧縮機、もしくはコールドヘッドにおいて、シリンダとピ ストンの間は気密に保たれねばならない。このため、たとえばピストン表面にフ ッ素樹脂を貼付けて、気密シール兼摺動材として用いている。ピストンとシリン ダの間には１０μｍ程度の間隙があり、クリアランスシールを構成している。

【００１５】

【考案が解決しようとする課題】

気密を保たせるためのシール材と、ピストンをシリンダ内で運動させるための 摺動材とが同一部材によって兼用されていると、長時間の運転の後にはシール兼 摺動材が摩耗してしまう。すると、ピストンとシリンダ間の間隙が拡がってしま い、シール性が低下する。シール性の低下は、冷凍機の性能劣化を招く。

【００１６】 また、摩耗によって摩耗粉が発生し、冷凍機内に飛び散り、作動ガスの流れを 阻害したり、運動部材の運動を阻害する。この結果も、冷凍機の性能低下になっ て表れる。このように、冷凍機の寿命はシール材の摩耗によって制限されている 。

【００１７】 本考案の目的は、ピストンとシリンダの接触を低減することのできる小型冷凍 機を提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】

本考案の小型冷凍機は、内壁で中空状空間を画定するシリンダと、前記シリン ダ中に挿入されたピストンと、前記シリンダの内壁と前記ピストンとの間隙の大 きさを検出するすき間センサと、前記シリンダと結合され、磁気ギャップを有す る磁気回路と、前記ピストンと結合され、前記磁気ギャップ中に挿入された位置 制御用コイルと、前記すき間センサの検出出力に基づいて制御された電流を前記 位置制御用コイルに供給するコントローラとを有する。

【００１９】

【作用】

磁気ギャップ内にピストンと結合された位置制御用コイルが配置され、ピスト ンの半径方向位置を制御することができる。シリンダとピストンとの間隙をすき 間センサによって検出し、コントローラから位置制御用コイルへ制御した電流を 供給することにより、シリンダとピストンとの間に適正な間隙を常に保つことが 可能となる。このようにして、シリンダとピストンとの接触が低減する。

【００２０】

【実施例】

図１に、本考案の実施例によるスターリング冷凍機を示す。図１（Ａ）は、全 体の構成を概略的に示し、図１（Ｂ）は、リニアモータと位置制御機能の部分を 拡大して示し、図１（Ｃ）は、磁気回路における動作概念を概略的に示す。

【００２１】 図１（Ａ）において、圧縮機１とコールドヘッド３とは配管２によって接続さ れている。圧縮機１においては、シリンダ１４内にピストン１３が配置されてい る。ピストン１３とシリンダ１４の内壁との間の間隙は、１０μｍ程度である。

【００２２】 シリンダ１４の内周面に、少なくとも２つのすき間センサ５が埋め込まれてお り、シリンダ１４の内壁とピストン１３との間隙を検出し、検出信号をコントロ ーラ６に送出する。シリンダ１４は、磁性体で形成され、磁気ヨークを兼用する 基部１２に連続している。

【００２３】 基部１２には、永久磁石１５が接続され、永久磁石１５の他端はポールピース ９に接続されている。ポールピース９は、シリンダ１４と磁気ギャップ８を介し て対向する。

【００２４】 なお、図示の構成においては、永久磁石１５は軸方向に磁化されており、ポー ルピース９において磁束は軸方向から半径方向に曲げられ、磁気ギャップ８にお いて半径方向の磁束が発生する。

【００２５】 磁気ギャップ８内に、ピストン１３と結合したリニアモータのコイル１９が配 置されている。コイル１９は、ピストン１３から延びるアーム２０に結合されて いる。

【００２６】 さらに、リニアモータ用コイル１９の内側に、少なくとも２つの位置制御用コ イル７が配置され、コントローラ６からの駆動信号を受ける。位置制御用コイル ７は、好ましくは対称的に４個配置される。

【００２７】 ピストン１３の後端は、２つのコイルばね１８、２３に結合されている。これ ら２つのコイルばね１８、２３は、ピストン１３を中立位置に保持する役目と、 リニアモータ用コイル１９に対する電流供給の役割を果たす。なお、これらのコ イルの他、図示しない導線が配置され、位置制御用コイル７に対する電流供給を 行なう。

【００２８】 コイルばね１８、２３の他端は、圧縮機１の内側ケース１６に固定されている 。内側ケース１６を覆って、外側ケース１１が配置されている。なお、これら２ つのケースを通ってコイルばね１８、２３に対する電流供給リードが設けられて いる。

【００２９】 なお、図１においては、圧縮機１の右側部分のみが図示されているが、左側に も対称的な構造が配置されている。これら左右の部分によって対向型圧縮機を構 成する。

【００３０】 コールドヘッド３においては、シリンダ３７内にディスプレーサ３４が配置さ れ、ディスプレーサ３４はその内部に銅金網、鉛球等の蓄冷器３６を含む。シリ ンダ３７とディスプレーサ３４との間に、膨張空間３５が画定される。

【００３１】 ディスプレーサ３４の後端は、コイルばね３８によってハウジング３１に結合 されている。なお、ディスプレーサ３４とシリンダ３７との間の気密性を保持す るためにシール部材３３が設けられている。

【００３２】 このような構成の圧縮機１とコールドヘッド３とが約９０°の位相ずれをもっ て動作することにより、コールドヘッドの膨張空間３５において冷凍が発生する 。この冷凍により、冷却対象４０が冷却される。

【００３３】 図１（Ｂ）は、ポールピース９、リニアモータ用コイル１９、位置制御用コイ ル７の部分を拡大して示す。ポールピース９は、円筒状空間を画定し、その中に リニアモータ用コイル１９および位置制御用コイル７を収容する。

【００３４】 ポールピース９からは半径方向に磁束が発生する。リニアモータ用コイル１９ は、円周方向に巻回されている。位置制御用コイル７は、鞍形の形状を有し、半 径方向に磁束を発生させることができる。

【００３５】 図１（Ｃ）は、リニアモータ用コイル１９および位置制御用コイル７において どのような力が作用するかを示す概念図である。ポールピース９からは半径方向 の磁束Ｂ１が発生する。この磁束Ｂ１内にリニアモータ用コイル１９が配置され 、円周方向に電流を流す。磁束に対してほぼ直角に電荷が移動するため、ローレ ンツ力が発生し、リニアモータ用コイル１９は軸方向の力を受ける。

【００３６】 これに対して位置制御用コイル７においては、円周面の一部領域を囲んでコイ ルが形成され、半径方向に磁束Ｂ２ａまたはＢ２ｂを発生する。磁束Ｂ２の方向 がポールピース９から発生する磁束Ｂ１と反対方向であれば斥力が発生し、同一 方向であれば引力が発生する。これらの力は磁束Ｂ１と同一の方向、すなわち半 径方向に生じる。

【００３７】 リニアモータ用コイル１９に電流を流すと、軸方向の力が発生し、ピストン１ ３を軸方向に駆動する。 位置制御用コイル７に電流を流すと、半径方向に磁束Ｂ２が発生し、ピストン １３を半径方向に駆動する。なお、半径方向の力と軸方向の力とはほぼ直角に配 置されているため、相互の干渉は少ない。たとえば、ポールピースから発生する 磁束密度Ｂ１は５０００ガウス程度、位置制御用コイル７が発生する磁束密度は Ｂ１に比べて無視できる程度とする。

【００３８】 ピストン１３の半径方向位置を固定するためには、少なくとも２軸方向の制御 を行なうことが必要であり、少なくとも２つの位置制御用コイルを用いることが 必要である。位置制御用コイル７を３つ以上使用すれば、引力を用いず、斥力の みによってピストン１３の位置を制御することが可能となる。４つの位置制御用 コイルを用いれば、直交成分のみで斥力によってピストン１３の位置を制御する ことが可能となる。

【００３９】 図２は、ピストンの半径方向位置の制御を説明するための図である。図２（Ａ ）は、圧縮機の半径方向の概略断面図を示す。中心にピストン１３が配置されて おり、その周囲にシリンダ１４が配置されている。

【００４０】 シリンダ１４の内周面には直交する位置にｘ方向のすき間センサ５ｘとｙ方向 のすき間センサ５ｙが埋め込まれている。シリンダ１４の外側には、磁気ギャッ プを介してポールピース９が配置されている。

【００４１】 磁気ギャップ内には外側に円周方向に巻線が巻回されたリニアモータ用コイル １９、その内側にそれぞれ鞍形の４つの位置制御用コイル７ｘａ、７ｘｙ、７ｙ ａ、７ｙｂが配置されている。コイル７ｘａと７ｘｂはｘ方向で対向し、コイル ７ｙａと７ｙｂはｙ方向で対向する。

【００４２】 図２（Ｂ）は、すき間センサ５と位置制御用コイル７との間の電気的結線の様 子を示す。すき間センサ５ｘ、５ｙは、シリンダ１４とピストン１３の間の間隙 をｘ方向およびｙ方向について検出する。

【００４３】 検出された間隙を表す電気的信号は、コントローラ６に送られ、位置修正用電 気信号が発生する。これら位置制御用電気信号は、位置制御用コイル７ｘ、７ｙ に送られる。なお、図にはｘ方向の位置制御用コイル７ｘａ、７ｘｂのみを図示 したが、直交する関係に７ｙａ、７ｙｂも配置される。

【００４４】 すき間センサ５ｘで検出されたｘ方向の間隙に応じた電気的信号は、ｘ方向用 の位置制御用コイル７ｘａ、７ｘｂのいずれかに供給され、ピストン１３のｘ方 向位置を修正する。

【００４５】 同様、すき間センサ５ｉによって検出された電気信号に基づく制御電流は、ｙ 方向用の位置制御用コイル７ｙａ、７ｙｂのいずれかに送られ、ピストン１３の ｙ方向位置を修正する。

【００４６】 このような構成により、ピストン１３の半径方向位置を常にすき間センサによ ってモニタし、位置制御用コイル７の発生する力によってピストン１３の半径方 向位置が修正される。ピストン１３を常にシリンダ１４の内壁が画定する円筒状 空間の中心近傍に配置することにより、ピストンとシリンダとの衝突が回避され る。

【００４７】 衝撃等の外界からの激しい擾乱に対しては、位置制御用コイルの発生する力の みでは対向しきれないが、ピストン１３の位置のふらつきによるピストンとシリ ンダとの接触等に対しては、位置制御用コイルの発生する力が十分な力を発揮し 、衝突は大幅に低減する。このため、冷凍機の耐久性を格段に向上することがで きる。

【００４８】 なお、軸方向に着磁した永久磁石を用いて磁気回路を構成する場合を説明した が、半径方向に着磁した永久磁石を用い、同様の構成を実現することもできる。 永久磁石の代わりに、電磁石を用いることも可能である。

【００４９】 また、位置制御用コイルを４つ配置する構成を図示したが、３つ以上の位置制 御用コイルを用いれば、シリンダの面内位置を制御することができることは当業 者に自明であろう。また、すき間センサも２個に限らず、３個以上を用いること も可能である。

【００５０】 なお、同様の構成は、シリンダ内を往復運動するピストンの半径方向位置制御 に有効であり、圧縮機に限らず、コールドヘッドにも利用することができる。 以上実施例に沿って本考案を説明したが、本考案はこれらに制限されるもので はない。たとえば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自 明であろう。

【００５１】

【考案の効果】

ピストンとシリンダとの間の衝突が低減するため、小型冷凍機の寿命を大幅に 向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例によるスターリング冷凍機を示
す。図１（Ａ）は断面図、図１（Ｂ）は一部破断斜視
図、図１（Ｃ）は概念図である。

【図２】図１の圧縮機におけるピストンの半径方向位置
の制御を説明するための図である。図２（Ａ）は半径方
向の断面図、図２（Ｂ）は回路ブロック図である。

【図３】スターリングサイクルを説明するための図であ
る。図３（Ａ）はスターリングサイクルにおける圧力対
容積の関係を示すグラフ、図３（Ｂ）はスターリング冷
凍機における膨張機と圧縮機の相対的関係を示す概念図
である。

【図４】従来の技術によるスターリング冷凍機の構成例
を示す。図４（Ａ）は全体を概略的に示す断面図、図４
（Ｂ）は圧縮機の一部を拡大して示す断面図である。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 配管 ３ 膨張機（コールドヘッド） ５ すき間センサ ６ コントローラ ７ 位置制御用コイル ８ 磁気ギャップ ９ ポールピース １２ 基部（ヨーク） １３ ピストン １４ シリンダ １５ 永久磁石 １９ リニアモータ用コイル

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 内壁で中空状空間を画定するシリンダ
   （１４）と、 前記シリンダ中に挿入されたピストン（１３）と、 前記シリンダの内壁と前記ピストンとの間隙の大きさを
   検出するすき間センサ（５）と、 前記シリンダと結合され、磁気ギャップ（８）を有する
   磁気回路（９、１２、１５）と、 前記ピストンと結合され、前記磁気ギャップ中に挿入さ
   れた位置制御用コイル（７）と、 前記すき間センサの検出出力に基づいて制御された電流
   を前記位置制御用コイルに供給するコントローラ（６）
   とを有する小型冷凍機。
2. 【請求項２】 前記磁気回路が永久磁石（１５）を含
   み、前記磁気ギャップにおいてピストンの駆動軸に対す
   る半径方向に磁束を発生させ、前記位置制御用コイルは
   前記半径方向に少なくとも２つの独立に制御できる磁束
   を発生させることができる請求項１記載の小型冷凍機。
3. 【請求項３】 さらに、前記ピストンに結合され、前記
   磁気ギャップ中に挿入され、円周方向に電流を流す往復
   動用コイル（１９）を有する請求項１ないし２記載の小
   型冷凍機。