JPH085178A

JPH085178A - 冷凍機

Info

Publication number: JPH085178A
Application number: JP14189994A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Katagishi; 好弘片岸; Hiroyuki Kiyota; 浩之清田; Minoru Kobayashi; 小林　　実; Michio Otsuka; 三智夫大塚; Rieko Yamagishi; 理恵子山岸
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-06-23
Filing date: 1994-06-23
Publication date: 1996-01-12

Abstract

(57)【要約】【目的】冷凍機を停止させるときに第１のリニアモー
タと第２のリニアモータに供給している交流電流を瞬時
に零にするとディスプレーサの振幅は運転時の振幅を上
回り、可動範囲を越えて動作し、内部部品どうしが衝突
して破損するのを、交流電流を徐々に減少させるように
して衝突を防止できるスターリング冷凍機を得るもので
ある。【構成】スターリング冷凍機のリニアモータ７、３３
に交流電流を供給する電源４に、冷凍機を停止させると
きに交流電流を徐々に減少させるように指令を出す電気
入力量指令器４６を接続したものである。

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８０Ｋ程度の極低温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７に従来のスターリング冷凍機の構成
例を示す。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と、
電源４より構成される。前記圧縮機１は第１の支持ばね
８により位置決めされたピストン６が第１のシリンダ５
内部を往復運動する構造になっている。前記ピストン６
には非磁性材料からなる軽量の第１のスリーブ９が連結
され、前記第１のスリーブ９には導電体４３を巻き付け
て第１の可動コイル１０を形成する。前記第１の可動コ
イル１０には第１のリード線１２および第２のリード線
１３が接続され、これらのリード線１２、１３は第１の
ハウジング１１の壁を通して外部に伸びる第１の電気接
点１４および第２の電気接点１５に接続され、前記電源
４と接続している。前記第１のハウジング１１内には第
１の環状永久磁石１６および第１のヨーク１７が設けら
れており、これらは、閉磁気回路を構成している。前記
第１の可動コイル１０は前記第１の環状永久磁石１６お
よび第１のヨーク１７からなる閉磁気回路に設けられた
間隙１８内で前記ピストン６の軸方向に往復運動できる
構造になっている。前記間隙１８内には前記第１の可動
コイル１０の運動方向を横切る半径方向に永久磁界が存
在する。以上の前記第１の可動コイル１０、前記リード
線１２、１３、前記第１の環状永久磁石１６、前記第１
のヨーク１７は全体として第１のリニアモータ７を構成
している。前記第１のシリンダ５内部の前記ピストン６
上部の内部空間を圧縮室１９と呼ぶ。前記圧縮室１９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。前記圧縮室１９内の作動ガスが前記第１のシリンダ
５と前記ピストン６の隙間を通過しにくくするために、
前記第１のシリンダ５と前記ピストン６の隙間はできる
だけ狭く作られている。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は第２の支持ばね２０に
より位置決めされたディスプレーサ２１が細長い円筒状
の低温シリンダ２２内部を往復運動する構造になってい
る。前記ディスプレーサ２１の下部には非磁性材料から
なる軽量の第２のスリープ２３が連結され、前記第２の
スリープ２３には導電体４４を巻き付けて第２の可動コ
イル２４を形成する。前記第２の可動コイル２４には第
３のリード線２６および第４のリード線２７が接続さ
れ、これらのリード線２６、２７は第２のハウジング２
５の壁を通して外部に伸びる第３の電気接点２８および
第４の電気接点２９に接続され、前記電源４と接続して
いる。前記第２のハウジング２５内には第２の環状永久
磁石３０および第２のヨーク３１が設けられており、こ
れらは、閉磁気回路を構成している。前記第２の可動コ
イル２４は前記第２の環状永久磁石３０および第２のヨ
ーク３１からなる閉磁気回路に設けられた間隙３２内で
前記ディスプレーサ２１の軸方向に往復運動できる構造
になっている。前記間隙３２内には前記第２の可動コイ
ル２４の運動方向を横切る半径方向に永久磁界が存在す
る。以上の前記第２の可動コイル２４、前記リード線２
６、２７、前記第２の環状永久磁石３０、前記第２のヨ
ーク３１は全体として第２のリニアモータ３３を構成し
ている。前記コールドフィンガ２内部の空間は前記ディ
スプレーサ２１によって３分割されており、前記ディス
プレーサ２１上方の空間を低温室３４、前記ディスプレ
ーサ２１中央部周囲に設けられた空間を高温室３５、前
記ディスプレーサ２１下方を覆う空間をモータ室４５と
呼ぶ。前記ディスプレーサ２１内部には再生器３６、ガ
ス通過孔３７、３８が設けられ、前記低温室３４と前記
高温室３５は前記再生器３６と前記ガス通過孔３７、３
８を介して連通しており、前記再生器３６には例えば銅
の金網などの蓄冷材３９が充填されている。前記低温室
３４と前記高温室３５の間の前記ディスプレーサ２１周
囲には第２のシリンダ４０が設けられ、前記第２のシリ
ンダ４０と前記ディスプレーサ２１の隙間を作動ガスが
通過しにくくするために前記ディスプレーサ２１と前記
第２のシリンダ４０の隙間はできるだけ狭く作られてい
る。同様に前記高温室３５と前記モータ室４５の間の前
記ディスプレーサ２１周囲には第３のシリンダ４１が設
けられ、前記第３のシリンダ４１と前記ディスプレーサ
２１の隙間を作動ガスが通過しにくくするために前記デ
ィスプレーサ２１と前記第３のシリンダ４１の隙間はで
きるだけ狭く作られている。コールドフィンガ２の各室
には前記圧縮機１と同様に例えばヘリウムなどの高圧ガ
スが封入されている。以上がコールドフィンガ２の構成
である。前記圧縮機１の前記圧縮室１９と前記コールド
フィンガ２の前記高温室３５は前記連結管３を介して連
通している。また、前記圧縮室１９、前記連結管３の内
部空間、前記高温室３５、前記再生器３６、前記低温室
３４、前記ガス通過孔３７、３８は互いに連通してお
り、これらの室全体を作動室４２と呼ぶ。前記電源４は
前記第１のリニアモータ７と前記第２のリニアモータ３
３に交流電流を供給している。

【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。圧縮機１においては電源４より電
気接点１４、１５およびリード線１２、１３を介して第
１の可動コイル１０の導電体４３に交流電流を供給する
と、導電体４３には間隙１８中の永久磁界との相互作用
により軸方向にローレンツ力が働く。その結果、第１の
可動コイル１０が取り付けられたピストン６は軸方向に
上下に移動する。今、第１の可動コイル１０の導電体４
３に正弦波電流を供給すると、ピストン６は第１のシリ
ンダ５の内部を往復運動し、圧縮室１９から低温室３４
に至る作動室４２のガス圧力に正弦波状の波動を与え
る。一方、コールドフィンガ２の第３のシリンダ４１と
ディスプレーサ２１の隙間は上記のピストン６によって
作られる圧力波動ような短周期の圧力変化にたいしては
充分な密封性を有するが、長時間的に見れば密封は不完
全であるので、モータ室４５内の圧力は、ピストン６に
よって作られる圧力波動のおよそ平均圧付近に保たれ
る。ピストン６によって作られる圧力波動が低温室３４
に伝わると、ディスプレーサ２１には低温室３４とモー
タ室４５の圧力差にディスプレーサ２１の断面積を乗じ
た荷重がディスプレーサ２１の上下方向に作用する。こ
の力をガス圧駆動力とし、ガス圧駆動力と第２の支持ば
ね２０の相互作用によりディスプレーサ２１は上下方向
に共振し、ピストン６と同じ周波数かつおよそ９０°進
んだ位相でコールドフィンガ２内を軸方向に往復する。
また、コールドフィンガ２には電源４より電気接点２
８、２９およびリード線２６、２７を介して第２の可動
コイル２４の導電体４４に交流電流を供給すると、導電
体４４には間隙３２中の永久磁界との相互作用により軸
方向にローレンツ力が働く。第２の可動コイル２４に第
１の可動コイル１０と同じ周波数の正弦波電流を供給す
ると、第２の可動コイル２４が取り付けられたディスプ
レーサ２１は軸方向に上下に往復運動する。この力をモ
ータ駆動力とする。通常はガス圧駆動力だけでもディス
プレーサ２１は必要な振幅を越えて往復運動しようとす
るため、モータ駆動力をガス圧駆動力の逆の位相になる
ようにディスプレーサ２１に与えて必要十分な振幅にな
るように調整している。このように、モータ駆動力はデ
ィスプレーサ２１の往復運動に制動を加える方向に作用
している。以上のようにピストン６及びディスプレーサ
２１が運動するとき、以下に述べるような原理で冷凍を
発生することができる。

【０００４】まずディスプレーサ２１がコールドフィン
ガ２内の上部に位置しているときに、ピストン６が上方
に移動して作動室４２内の作動ガス全体を圧縮する。圧
縮室１９内の作動ガスは連結管３を経て、高温室３５に
流れ込み、この間に圧縮時に発生する圧縮熱は第１のハ
ウジング１１、連結管３などを介して周囲空気に放熱さ
れる。次にディスプレーサ２１が下方に移動し、それと
ともに高温室３５の作動ガスは再生器３６とガス通過孔
３７、３８を通って低温室３４に移動する。このとき再
生器３６内の蓄冷材３９は半サイクル前に蓄えた冷熱で
作動ガスを予冷する。次にピストン６が下方に移動する
ことで作動室４２内の作動ガス全体を膨張させる。低温
室３４内においても作動ガスは膨張し、この膨張によっ
て低温室３４内で低温生成が行われる。次にディスプレ
ーサ２１が上方に移動し、それとともに低温室３４の低
温の作動ガスは再生器３６とガス通過孔３７、３８を通
って高温室３５に移動する。このとき再生器３６内の蓄
冷材３９は作動ガスによって予冷される。その後再びピ
ストン６が上方に移動して作動ガスの圧縮が始まり、同
様のサイクルが繰返される。ここでの作動ガスの圧縮と
膨張はそれぞれピストン６から仕事をうけとったり、ピ
ストン６へ仕事を与えたりしながら行われているので、
作動ガスは圧縮時には熱を出し、膨張時には外部から熱
を吸収する。前述のようにディスプレーサ２１がコール
ドフィンガ２内の上部に位置しているとき、すなわち低
温室３４の容積が小さくなっているときに作動ガスの圧
縮がおこり、逆にディスプレーサ２１がコールドフィン
ガ２内の下部に位置しているとき、すなわち低温室３４
の容積が大きくなっているときに作動ガスの膨張がおこ
るので、低温室３４は１サイクル全体で見ると膨張が全
体であり、コールドフィンガ２の先端外部から熱を奪
い、被冷却体を冷却する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の装
置には以下に述べるような課題があった。電源から第２
のリニアモータにはディスプレーサの往復運動に制動を
加える方向に交流電流を供給しているが、冷凍機を停止
するため急に交流電流の供給を停止するとモータ駆動力
は瞬時に無くなるが、ガス圧駆動力は瞬時には無くなら
ないため残留するガス圧駆動力によりディスプレーサの
振幅は停止直前の振幅を上回ることがある。これにより
ディスプレーサは可動範囲を越え、内部部品どうし（例
えば、ディスプレーサ先端と低温シリンダの端面）が衝
突して破損することがあるという問題点があった。

【０００６】この発明は係る問題を解決するためになさ
れたもので、冷凍機を停止させるときにディスプレーサ
が可動範囲を越えることがないようにして、部品の衝突
および破損を防止できる冷凍機を得ることを目的として
いる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の実施例１に係
る冷凍機においては、第１のリニアモータと第２のリニ
アモータに電源より供給している交流電流値、または電
圧値が冷凍機を停止させるときに瞬時に零にならないよ
うに徐々に減少させるように電源に指令を出す電気入力
量指令器を設けたものである。

【０００８】また、この発明の実施例２によればピスト
ンの位置を検出するピストン位置検出器とディスプレー
サの位置を検出するディスプレーサ位置検出器と、冷凍
機を停止させるときこれら位置検出器から出力されるピ
ストンおよびディスプレーサの位置を示す信号を受けピ
ストンとディスプレーサの振幅を徐々に減少させるよう
に電源の出力電流または電圧を制御する位置制御器を設
けたものである。

【０００９】

【作用】この発明の実施例１では、第１のリニアモータ
と第２のリニアモータに供給している交流電流値または
電圧値が冷凍機を停止させるときに瞬時に零にならない
ように徐々に減少させるように電気入力量指令器が電源
に指令を出すことで、ディスプレーサの振幅が可動範囲
を越えて内部部品どうしが衝突し、破損することを防止
できる。

【００１０】また、この発明の実施例２では、ピストン
位置検出器とディスプレーサ位置検出器から出力される
ピストンおよびディスプレーサの位置を示す信号を受け
る位置制御器が、冷凍機を停止させるときピストンとデ
ィスプレーサの振幅を徐々に減少させるように第１のリ
ニアモータと第２のリニアモータに電源から供給される
交流電流値または電圧値を制御することで、ディスプレ
ーサの振幅が可動範囲を越えて内部部品どうしが衝突
し、破損することを防止できる。

【００１１】

【実施例】

実施例１．図１はこの発明の実施例１を示す図である。
１〜４５は上記従来の装置と同一のものでありここでは
説明を省略する。４６は冷凍機を停止させるときに７と
３３のリニアモータに供給する交流電流値または電圧値
が瞬時に零にならず徐々に減少するように４の電源に指
令する電気入力量指令器である。

【００１２】次にこの発明の装置の動作について説明す
る。なお、本実施例に示した冷凍機の動作原理は図６の
従来装置と全く同様であり、ここでは省略する。本実施
例では、冷凍機を停止させるときに第１のリニアモータ
７と第２のリニアモータ３３に供給する電流を図３に示
すように直線状に減少させるように電気入力量指令器４
６が電源４に対して指令を出し、電源４は第１のリニア
モータ７と第２のリニアモータ３３に供給する電流をこ
の指令に基づいて徐々に減少させる。これにより、冷凍
機が停止するときディスプレーサ２１の振幅は徐々に減
少していき、ディスプレーサ２１が可動範囲を越えて、
内部部品どうしが衝突することを防止できる。図３では
リニアモータ７、３３に供給する電流を減少させた例を
示したが、電圧を減少させても全く同様にこの発明を実
施できる。

【００１３】また図３では冷凍機を停止させるときの電
流を直線状に変化させたが、図４に示すように曲線状ま
たは階段状に変化させても同様の効果が期待できる。

【００１４】実施例２．図２はこの発明の実施例２を示
す図である。１〜４５は上記従来の装置と同一のもので
あり、ここでは説明を省略する。４８はピストンの位置
を検出するピストン位置検出器、４９はディスプレーサ
の位置を検出するディスプレーサ位置検出器である。５
０は冷凍機を停止させるときにピストン６とディスプレ
ーサ２１の振幅をピストン位置検出器４８とディスプレ
ーサ位置検出器４９で検出し、この検出信号を受けて振
幅を徐々に減少させながら停止するように４の電源が出
力する電流または電圧を制御する位置制御器である。

【００１５】この図２に示す実施例２では、冷凍機を停
止させるときに、ピストン６とディスプレーサ２１の位
置をピストン位置検出器４８とディスプレーサ位置検出
器４９で検出し、ピストン６およびディスプレーサ２１
の位置を示す信号が位置制御器５０に送られる。位置制
御器５０には図５に示すような冷凍機停止時の時間と振
幅の関係が記憶されており、この記憶と実際のピストン
６およびディスプレーサ２１の振幅を比較し、実際のピ
ストン６およびディスプレーサ２１の振幅がこの記憶に
近づくように、第１のリニアモータ７と第２のリニアモ
ータ３３に供給すべき電流値または電圧値の指令を電源
４に与える。これにより、冷凍機を停止させるときにデ
ィスプレーサ２１の振幅が可動範囲を越えて内部部品ど
うしが衝突することを防止できる。

【００１６】また図５では冷凍機を停止させるときの振
幅を直線状に変化させたが、図６に示すように曲線状ま
たは階段状に変化させても同様の効果が期待できる。

【００１７】

【発明の効果】以上のようにこの発明の実施例１によれ
ば、電気入力量指令器は冷凍機が停止するときに交流電
流値または電圧値を徐々に減少させるように電源に指令
できるように構成したので、冷凍機を停止するときにデ
ィスプレーサの振幅が運転時の振幅を上回り、可動範囲
を越えて動作することを抑制し、これにより部品の衝突
による破損を防止できる効果がある。

【００１８】また、この発明の実施例２によれば、位置
制御器は冷凍機が停止するときにピストンとディスプレ
ーサの振幅をピストン位置検出器、ディスプレーサ位置
検出器で検出し、検出した振幅を徐々に減少させながら
停止するように電源の出力電流または電圧を制御するよ
うに構成したので、冷凍機を停止するときにディスプレ
ーサの振幅が運転時の振幅を上回り、可動範囲を越えて
動作することを抑制し、これにより部品の衝突による破
損を防止できる効果がある。

【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】この発明の実施例１における冷凍機停止時の
電流制御のさせかたを示す図である。

【図４】この発明の実施例１における冷凍機停止時の
電流制御のさせかたを示す図である。

【図５】この発明の実施例２における冷凍機停止時の
ピストン、ディスプレーサの振幅制御のさせかたを示す
図である。

【図６】この発明の実施例２における冷凍機停止時の
ピストン、ディスプレーサの振幅制御のさせかたをを示
す図である。

【図７】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
電源、５第１のシリンダ、６ピストン、７第１の
リニアモータ、２１ディスプレーサ、２２低温シリン
ダ、３３第２のリニアモータ、３４低温室、３５
高温室、３６再生器、３９蓄冷材、４５モータ室、
４６電気入力量指令器、４８ピストン位置検出器、
４９ディスプレーサ位置検出器、５０位置制御器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大塚三智夫鎌倉市上町屋325番地三菱電機株式会社鎌倉製作所内 (72)発明者山岸理恵子鎌倉市上町屋214番地三菱電機特機システム株式会社湘南事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒状の内周面を有する第１のシリンダ
と、前記第１のシリンダ内を往復運動するピストンと、
前記ピストンを往復運動させる第１のリニアモータを備
えた圧縮機と、細長い円筒状の低温シリンダと、前記低
温シリンダ内を往復運動するディスプレーサと、前記低
温シリンダの先端部と前記ディスプレーサの先端部の間
に形成された低温室と、前記ディスプレーサ中央部周囲
に設けられた高温室と、蓄冷材が収められ前記低温室と
前記高温室とを連通させる再生器と、前記ディスプレー
サを往復運動させる第２のリニアモータが設けられたモ
ータ室を備えたコールドフィンガと、前記圧縮機と前記
コールドフィンガの前記高温室をつなぐ連結管と、前記
第１のリニアモータと前記第２のリニアモータに交流電
流を供給する電源とを備えた冷凍機において、前記冷凍
機を停止させるときに前記第１のリニアモータと前記第
２のリニアモータに供給する交流電流値、または電圧値
を徐々に減少させるように前記電源に指令する電気入力
量指令器を設けた事を特徴とする冷凍機。
【請求項２】円筒状の内周面を有する第１のシリンダ
と、前記第１のシリンダ内を往復運動するピストンと、
前記ピストンを往復運動させる第１のリニアモータを備
えた圧縮機と、細長い円筒状の低温シリンダと、前記低
温シリンダ内を往復運動するディスプレーサと、前記低
温シリンダの先端部と前記ディスプレーサの先端部の間
に形成された低温室と、前記ディスプレーサ中央部周囲
に設けられた高温室と、蓄冷材が収められ前記低温室と
前記高温室とを連通させる再生器と、前記ディスプレー
サを往復運動させる第２のリニアモータが設けられたモ
ータ室を備えたコールドフィンガと、前記圧縮機と前記
コールドフィンガの前記高温室をつなぐ連結管と、前記
第１のリニアモータと前記第２のリニアモータに交流電
流を供給する電源とを備えた冷凍機において、前記冷凍
機を停止させるときにピストンの位置を検出するピスト
ン位置検出器と、ディスプレーサの位置を検出するディ
スプレーサ位置検出器と、これら位置検出器から出力さ
れる前記ピストンおよび前記ディスプレーサの位置を示
す信号を受け前記ピストンおよび前記ディスプレーサの
振幅を徐々に減少させるように電源の出力電流または電
圧を制御する位置制御器を設けた事を特徴とする冷凍
機。