JPH0737862B2 - ガスサイクル機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は，ガスサイクル機関に関し，特に，スターリ
ング冷却機のようなガス冷却機に関するものである。

〔従来の技術〕

第２図は，例えば特開昭64-63761号公報に開示された従
来のスターリングサイクルガス冷却機の概略構成を示す
断面側面図である。図において，（１）はシリンダであ
り，この内部でフリーディスプレーサ（２）が往復運動
を行う。第１ピストン（3a）の作動表面（4a），第２ピ
ストン（3b）の作動表面（4b）及び，フリーディスプレ
ーサ（２）の下部作動表面（2a）の間にある圧縮空間
（５）は冷却器（６）及び連通孔（７）を備える。

フリーディスプレーサ（２）の上部作動表面（2b）は膨
張空間（８）の境界をなしており，この膨張空間（８）
は圧縮空間（５）と共に作動空間を構成する。フリーデ
ィスプレーサ（２）内に備える蓄熱器（９）は中心孔
（10）を経てその下側の作動媒体に，また中心孔（11）
と半径方向流通ダクト（12）を経てその上側の作動媒体
に通ずることができる。この機械は膨張させられた冷作
動媒体と冷却すべき物体の間の熱交換のための熱交換器
としてフリーザ（13）を備える。

第１ピストン（3a）及び第２ピストン（3b）と圧縮シリ
ンダ（14）の壁の間にはそれぞれ第１ピストンシール
（15a），（16a）及び第２ピストンシール（15b），（1
6b）を備え，フリーディスプレーサ（２）とシリンダ
（１）の間にはシール（17），（18）を備える。第１ピ
ストン（3a）及び第２ピストン（3b）はそれぞれ合成樹
脂やアルミニウムなどの非磁性材料から成る軽量の第１
スリーブ（19a）及び第２スリーブ（19b）を備え，スリ
ーブ（19a），（19b）には導電体を巻きつけて第１可動
コイル（20a）及び第２可動コイル（20b）を形成し，第
１可動コイル（20a），第２可動コイル（20b）はハウジ
ング（21）の壁を通して外部に伸びる第１リード線（22
a），（23a）及び第２リード線（22b），（23b）と接続
している。これらのリード線（22a），（23a），（22
b），（23b）はハウジング（21）の外にそれぞれ第１電
気接点（24a），（25a）及び第２電気接点（24b），（2
5b）を持つ。可動コイル（20a），（20b）はピストン
（3a），（3b）と連結され，ピストン（3a），（3b）の
軸線方向に第１間隙（26a）及び第２間隙（26b）内で往
復運動できる構造になっている。上記間隙（26a），（2
6b）内には可動コイル（20a），（20b）の移動方向を横
切る半径方向に永久磁界が存在し、第１間隙（26a）で
は内径から外径方向へ，第２間隙（26b）では外径から
内径方向へ磁束が向かうように構成されている。これら
の間隙（26a），（26b）の磁界は永久磁石（27a），（2
7b），環状ディスク（28a），（28b），軟鉄シリンダ
（29a），（29b）からなる閉磁気回路によって供給され
る。ピストン（3a），（3b）はそれぞれ支持バネ（30
a），（30b）を備え，これがピストン（3a），（3b）の
固定中心位置を確保している。また支持バネ（30a），
（30b）の両端は横移動しないようにロックされ，それ
ぞれ突起（31a），（32a）及び突起（31b），（32b）の
回りに配置されている。フリーディスプレーサ（２）の
下側には弾性部材（33）が設けられ，フリーディスプレ
ーサ（２）の行程を制限する。また，第３図（ａ）はこ
の従来例によるガスサイクル機関の磁気回路を示す説明
図で，矢印は磁束の向きを示す。第３図（ｂ）はピスト
ンの作用表面の変位を示すグラフで，横軸はピストンの
変位，縦軸は時間を示す。

次に動作について説明する。

可動コイル（20a），（20b）に電気接点（24a），（25
a），（24b），（25b）及びリード線（22a），（23
a），（22b），（23b）を介して交番電流を流すと可動
コイル（20a），（20b）には、それぞれ間隙（26a），
（26b）中の永久磁界と電流の相互作用により，軸方向
にローレンツ力が働き，その結果ピストン（3a）（3
b），スリーブ（19a），（19b）及び可動コイル（20
a），（20b）からなる組立体は左右の方向に振動を始め
る。

今，第１可動コイル（20a）と第２可動コイル（20b）の
特性を同一にし，間隙（26a）及び間隙（26b）内の磁界
の強さを等しくした条件で，第１可動コイル（20a）と
第２可動コイル（20b）に同位相，同振幅の電流を流す
と，間隙（26a）と間隙（26b）における磁界の方向が逆
であるため，第１可動コイル（20a）と第２可動コイル
（20b）は第３図（ｂ）に示すように互いに逆方向に同
振幅で振動し，この結果，ピストン（3a）及び（3b）で
囲まれた圧縮空間（５）の体積が振動により周期的に変
動することになる。ピストン（3a），（3b）の振動によ
り圧縮空気（５）の体積が変化すると作動空間内に封入
された作動ガスが圧縮，膨張を受け，ガスの圧力が変動
する。更に，この圧力変動は蓄熱器（９）の両端に周期
的な圧力差の変動をもたらし，この結果圧力差と弾性部
材（33）の共振によりフリーディスプレーサ（２）がピ
ストン（3a），（3b）と同じ周波数で，かつ異なった位
相で動くようになる。

ピストン（3a），（3b）とフリーディスプレーサ（２）
が異なった位相を持って動く時，作動空間内の作動ガス
（例えばヘリウム）は，逆スターリングサイクルとして
良く知られる熱力学的サイクルを構成し，膨張空間
（８）内に寒冷を発生させる。

尚，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“Cryocoolers"（G.Walker.Plenu
m Press,York,1983,pp.177〜123）に詳細に説明されて
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のガスサイクル機関は以上のように構成されている
ので，上記第一コイルと第二コイルの抵抗やインダクタ
ンスに差があると，第一コイルと第二コイルに流れる電
流に差が生じ，これによって，第一ピストンと第二ピス
トンの往復運動の位相や振幅にも差が生じ，この結果，
ガスサイクル機関の振動が大きくなる問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので，極低振動なガスサイクル機関を得ることを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明にかかるガスサイクル機関は，第一コイルと第
二コイルを直列に接続したものであり，第一コイルと第
二コイルに流れる電流を同一にすることにより，第一ピ
ストンと第二ピストンの往復運動の位相や振幅のアンバ
ランスを小さくし，ガスサイクル機関の振動を低減す
る。

〔作用〕

この発明にかかるガスサイクル機関は，第一コイルと第
二コイルが直列に接続され，第一コイルと第二コイルに
同一の電流が流れるため，第一コイルと第二コイルのピ
ストンを動かす駆動力が等しくなり，これによって第一
ピストンと第二ピストンの往復運動の位相や振幅のアン
バランスも小さくなるため，ガスサイクル機関の振動が
低減される。

〔実施例〕

以下，この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において，（34）は外部配線であり，第一電気接点
（25a）と第二電気接点（25b）を接続することにより第
一コイル（20a）と第二コイル（20b）が電気的に直列に
接続されるように配線されている。なお，図中，第３図
と同一符号の部品は同一，又は相当部分を示しており，
ここでの説明は省略する。

以下，本実施例の動作について説明する。図において，
第一電気接点（24a）と第二電気接点（24b）に交流電源
（図示していない）を接続すると第一コイル（20a）と
第二コイル（20b）には，順次，リード線（22a），（23
a），外部配線（34），リード線（22b）及び（22b）を
介して交番電流が流れる。すると，可動コイル（20a）
及び（20b）には，環状間隙（26a）及び（26b）の永久
磁界と電流の相互作用により，軸方向のローレンツ力が
働き，その結果，ピストン（3a）と（3b）は軸方向に振
動をし始める。この振動は，互いに同振動で逆方向の運
動であるため，作動空間内に封入された作動ガスは圧
縮，膨張を受け，この結果，従来例において説明したの
と全く同一の動作原理により，膨張空間（８）内に寒冷
が発生することになる。

ここで，本実施例と従来例の違いは次の点にある。すな
わち，本実施例においては，第一コイル（20a）と第二
コイル（20b）が直列に接続されているため，第一コイ
ル（20a）と第二コイル（20b）の抵抗やインダクタンス
に差があっても，第一コイル（20a）と第二コイル（20
b）に流れる電流は全く同一になる。こうして，第一ピ
ストン（3a）と第二ピストン（3b）を駆動する力が等し
くなることにより，両ピストンの往復運動の位相や振幅
のアンバランスも小さくなり，ガスサイクル機関の振動
が従来例に比べ著しく低減されるのである。

〔発明の効果〕

以上のように，この発明によれば，第一ピストンと第二
ピストンの往復運動の位相や振幅のアンバランスが小さ
くなるため，極低振動なガスサイクル機関が得られる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるガスサイクル機関を
示す断面側面図，第２図は従来のガスサイクル機関を示
す断面側面図，第３図（ａ）は従来のガスサイクル機関
におけるピストンの運動の原理を示す説明図，及び第３
図（ｂ）はピストンの作用表面の変位を示す曲線図であ
る。 （3a）…第一ピストン，（3b）…第二ピストン，（20
a）…第一可動コイル，（20b）…は第二可動コイル，
（26a），（26b）…間隙，（27a），（27b）…永久磁
石，（34）…外部配線。 なお，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. 【請求項１】永久磁石の作る磁束の間隙に挿入された第
   一及び第二可動コイルに交番電流を流すことにより，上
   記各可動コイルに各々連結された第一ピストン及び第二
   ピストンを互いに同じ位相及び同じ振幅で逆方向に振動
   させ，作動ガスを圧縮，膨張させるよう構成したガスサ
   イクル機関において，第一及び第二可動コイルを電気的
   に直列に接続したことを特徴とするガスサイクル機関。