JPH11325631A - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ピストン，ディスプレーサの位置検出器とし
て、冷凍機のケーシングに組付けた差動トランスのコイ
ル部の有機材から放出するアウトガスが冷媒ガスに混入
することがないよう、その取付構造を改良して信頼性の
向上を図る。 【解決手段】スターリング冷凍機を構成する圧縮機，膨
張機に組み込んだピストン，ディスプレーサの位置検出
器として差動トランスを採用した構成において、差動ト
ランス８のコア８ａとコイル部８ｂとの間を冷凍機のケ
ーシング１ａの端部にシール結合した非磁性の気密ケー
ス１２で隔離し、冷媒ガスを封入した機内側の密閉空間
に対して、コアを密閉空間の内側，コイル部を密閉空間
の外側に配置するようにし、ここで気密ケースを、胴部
１２ａの一端を端蓋部１２ｂで閉塞し，他端にケーシン
グとＯリング１０，締結ボルト１１を介して結合するフ
ランジ部１２ｃを形成したキャップ状体で構成し、胴部
の外周に差動トランスのコイル部を嵌挿支持してそのリ
ード線８ｄを外方に直接引き出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば赤外線セ
ンサの光電素子を極低温に冷却するクライオクーラなど
に適用するスターリング冷凍機、詳しくは該冷凍機の圧
縮機，膨張機に装備してそのピストン，ディスプレーサ
のストローク位置を検出する差動トランス式位置検出器
の組立構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】まず、頭記したスターリング冷凍機の全
体構成を図３(a),(b) に示す。図において、１は密閉形
ケーシング１ａのシリンダ部に往復動式のピストン１ｂ
を組み込んだ圧縮機、２は密閉形ケーシング２ａのシリ
ンダ部に蓄冷器２ｂを内蔵する往復動式のディスプレー
サ２ｃを組み込んだ膨張機、３は圧縮機１の圧縮空間と
膨張機２との間に配管した冷媒導管であり、圧縮機１，
膨張器２，および冷媒導管３の内部には例えば数〜数十
気圧の冷媒（ヘリウムガス）が封入されている。また、
圧縮機１のピストン１ａ，および膨張機２のディスプレ
ーサ２ｂは、ケーシング１ｂ，２ｂの内部に組み込んだ
リニアモータ式の電磁アクチュエータ４で軸方向に往復
駆動するようにしている。

【０００３】ここで、電磁アクチュエータ４は、永久磁
石４ａと該永久磁石４ａの磁極端面に結合して閉磁路を
形成するヨーク４ｂ，４ｃからなる固定子と、前記ヨー
ク４ｂと４ｃの間の隙間（磁路開口部）に側方から出入
するソレノイドコイル４ｄを備えた可動子とで構成した
一種のリニアモータとしてなり、固定子は圧縮機１，膨
張機２のケーシング１ａ，２ａの内部に固定し、また可
動子は圧縮機１のピストン１ｂに連結したピストンロッ
ド１ｃ，膨張機２のディスプレーサ２ｃに連結したディ
スプレーサロッド２ｄに固定されている。なお、前記の
ピストンロッド１ｃ，ディスプレーサロッド２ｄは電磁
アクチュエータ４の両側２箇所に配したサスペンション
ばね５を介して軸方向へ変位可能に案内支持されてい
る。このサスペンションばね５は、図３(b) で示すよう
に、高弾性の薄金属板で作られたリング状の板ばねを基
体としてその板面に複数の渦状スリット５ａを形成して
軸方向に撓み性を持たせた構造になり、平行に並ぶ複数
枚の板ばねの内外周にスペーサを挟んで一体に組立てた
上で、その内周端部が圧縮機１のピストンロッド１ｃ，
膨張機２のディスプレーサロッド２ｄに、また外周端部
は電磁アクチュエータ４の可動子の外周側に配した支持
胴６の端面に結合され、該支持胴６の基部が電磁アクチ
ュエータ４のヨーク端面に固定支持されている。なお、
２ｅは膨張機２の振動防止のために付設したアクティブ
バランサである。

【０００４】また、圧縮機１，膨張機２のケーシング１
ａ，２ａの軸端部には、往復動するピストン１ｂ，およ
びディスプレーサ２ｂのストローク位置を検出する位置
検出器７を備えている。なお、この位置検出器７につい
ての詳細構造は後述する。かかる構成になるスターリン
グ冷凍機の動作原理は周知であり、前記した電磁アクチ
ュエータ４のソレノイドコイル４ｄをドライバ（図示せ
ず）を介して所定周波数の交流で励磁すると、ソレノイ
ドコイル４ｄに流れる励磁電流と固定子のヨーク４ｂ／
４ｃ間の空隙磁界との相互作用による電磁力とサスペン
ションばね５のスプリング作用により共振してピストン
１ｂ，ディスプレーサ２ｃがシリンダ内で往復運動し、
シリンダ内の作動空間に封入した作動ガス（ヘリウムガ
ス）を圧縮，膨張させる。このときに、前記した位置検
出器１ｄ，２ｄで検出したピストン１ｂ，ディスプレー
サ２ｃの位置信号を制御部に与え、ピストン１ｂとディ
スプレーサ２ｃとの間に適切な位相を設定して圧縮機
１，膨張機２を運転制御することにより、膨張機２のシ
リンダ端面（冷却端）２ｆには７０Ｋ以下の冷熱が発生
する。これにより、膨張機２のシリンダ端面２ｆに例え
ば赤外線センサを取付けておくことにより、この赤外線
センサの光電素子を極低温に冷却し、高いＳ／Ｎ比で微
小な信号を検出することができる。

【０００５】次に、前記した圧縮機１を例に、そのピス
トン１ｂの位置検出器７、および従来における位置検出
器７の取付け構造を図２で説明する。すなわち、位置検
出器７にはピストンロッド１ｃの軸端に結合したコア
（可動鉄心）８ａと、コア８ａを取り巻くコイル部８ｂ
を組合せた差動トランス８が採用されており、該差動ト
ランス８をケース９の中に組み込んだ上で圧縮機１のケ
ーシング１ａの端部にＯリング１０，ボルト１１を介し
て冷媒ガスが漏れ出ないように組付けられている。な
お、コイル部８ｂは１次コイルと２次コイルをボビン８
ｃに巻装した組立体としてなり、コイル部８ｂから引出
したリード線（１次コイルの励磁，および２次コイルの
出力信号検出用のリード線）８ｄはケース９の端面に設
けたハーメチックシール端子９ａで封止して外部に導出
している。

【０００６】なお、差動トランス８による位置検出動作
の原理は周知であり、ここではその説明を省略する。ま
た膨張機２のディスプレーサ２ｃに対する位置検出器，
およびその取付構造は図２と同一である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記のよう
に位置検出器７としての差動トランス８をケース９の内
部に組み込んで冷凍機の密閉形ケーシングに取付けた従
来構造では、次記のような問題点がある。すなわち、 (1) 差動トランス８のコイル部８ｂは、エナメル線など
をコイル素線として樹脂製のボビン８ｃに巻回し、ポッ
ティング材などで封止成形した構成になり、その材料に
は揮発分を含む有機材が多く使われている。そのため
に、このままでは時間の経過とともにコイル部８ｂの有
機材からのアウトガスが発生する。

【０００８】一方、スターリング冷凍機を構成する圧縮
機１，膨張機２の内部に有機材から発生したアウトガス
が冷媒ガスに混入すると、冷媒ガス（ヘリウムガス）の
純度が低下して冷凍機の冷凍能力を低下したり、冷凍機
の寿命が短くなるといった問題が派生する。そこで、従
来では差動トランス８のコイル部８ｂをケース９に組付
ける以前にガス抜きの熱処理を施して有機材からのアウ
トガスを強制的に放出させるようにしているが、位置検
出器７として要求される検出精度を確保するにはコイル
部８ｂに加える熱処理温度に限界があり、実際面でも冷
凍機の長期運転中に差動トランス８のコイル部８ｂから
発生するアウトガスの量を許容レベル以下に抑えること
が中々困難である。

【０００９】なお、スターリング冷凍機には、差動トラ
ンス８のコイル部８ｂの他に電磁アクチュエータ４のソ
レノイドコイル４ｄ（図３(a) 参照）も組み込まれてい
るが、このソレノイドコイルは位置検出器７のような精
度が要求されないため、多少の熱変形を伴う高温でのガ
ス抜き熱処理が可能であり、冷凍機に組み込んだ後のア
ウトガス発生量を冷凍機としての許容レベル以下に抑え
ることができる。

【００１０】(2) 差動トランス８のコイル部８ｂから引
出したリード線８ｄをケース９を貫通して外部に導出す
る封止手段として、ケース９には多芯のハーメチックシ
ール端子９ａが必要である。そのためにケース９の構造
が複雑となってコスト高となるほか、その端子部シール
の信頼性にも問題が残る。この発明は上記の点に鑑みな
されたものであり、その目的は前記課題を解決し、位置
検出器としての差動トランスのコイル部から発生するア
ウトガスが冷凍機に封入した冷媒ガスに混入するおそれ
が全くないようにその取付構造を改良して信頼性の向上
化を図ったスターリング冷凍機を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明によれば、密閉形ケーシングの内部にピス
トン，および電磁アクチュエータを内蔵した圧縮機と、
密閉形ケーシングの内部にディスプレーサ，および電磁
アクチュエータを内蔵した膨張機とを組合せてなるスタ
ーリング冷凍機で、前記圧縮機のピストン，膨張機のデ
ィスプレーサの位置検出器として、前記ケーシングの端
部にピストンロッド，ディスプレーサロッドに連結した
コアと、該コアを取り巻くコイル部とからなる差動トラ
ンスを装備したものにおいて、前記差動トランスのコア
とコイル部との間を前記ケーシングの端部にシール結合
した非磁性の気密ケースで隔離し、冷媒ガスを封入した
圧縮機，膨張機の密閉空間に対して、コアを密閉空間の
内側，コイル部を密閉空間の外側に配置する（請求項
１）ものとし、具体的には次記のような態様で構成す
る。

【００１２】(1) 前記の気密ケースを、その胴部の一端
を閉塞し，他端にケーシングとシール部材を介して結合
し合うフランジ部を形成したキャップ状体としてなり、
かつその胴部の外周に差動トランスのコイル部を嵌挿支
持（請求項２）。 (2) 前記気密ケースの材質を非磁性金属，もしくはセラ
ミックスとする（請求項３）。

【００１３】前記の構成によれば、冷凍機の圧縮機，膨
張機のケーシングに封入した冷媒ガスが気密ケースに隔
離されて位置検出器である差動トランスのコイル部に接
触することがなく、コイル部の有機材から発生したアウ
トガスが冷媒ガスに混入して冷媒ガスを劣化させるおそ
れは全くない。したがって、差動トランスのコイル部に
対するガス抜きのための高温熱処理が不要であり、この
高温熱処理に伴う熱変形に起因する位置検出精度の低下
が防げる。また、差動トランスのコイル部は気密ケース
の外周側に設置されているので、コイル部から引出した
リード線が気密ケースを貫通することがなく、したがっ
て気密ケースにはリード線を封止するハーメチックシー
ル端子が必要ない。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
３に示した圧縮機１のピストン位置検出器を例に、図１
に示す実施例に基づいて説明する。なお、図１におい
て、図２に対応する同一部材には同じ符号が付してあ
る。この実施例においては、圧縮機のケーシング１ａに
組み込まれたピストンの位置検出器である差動トランス
８が、次に記す取付構造でケーシング１ａの端部に組付
けられている。すなわち、差動トランス８のコア８ａは
ケーシング１ａの端部から軸方向に突き出したピストン
ロッド１ｃの端部に結合されている。一方、コイル部８
ｂは、コア８ａを覆ってケーシング１ａの端部にシール
結合したキャップ状になる非磁性の気密ケース１２の外
側に装着しており、該気密ケース１２でコア８ａとこれ
に対向するコイル部８ｂとの間を隔離している。

【００１５】ここで、気密ケース１２は例えばチタン合
金などの非磁性金属で作られており、その肉薄な円筒状
の胴部１２ａの一端を端蓋部１２ｂで閉塞するととも
に、他端には外周に張り出した鍔状のフランジ部１２ｃ
を形成し、さらに胴部１２ａの外周側に一端が開放した
外筒部１２ｄを有した構造になり、前記フランジ部１２
ｃがＯリング１０，締結ボルト１１を介してケーシング
１ａの端面にシール結合されている。そして、気密ケー
ス１２の胴部１２ａと外筒部１２ｄの間に形成されてい
る空間内にその開放端側から差動トランス８のコイル部
８ｂを嵌挿し、この位置でコイル部８ｂをコア８ａに対
向させている。なお、コイル部８ｂのリード線８ｄは外
筒部１２ｂの開放端面を通じて外部に引き出している。

【００１６】かかる構成によれば、冷媒ガスを封入した
圧縮機内部の密閉空間に対して、差動トランス８のコア
８ａが密閉空間の内側に位置し、コイル部８ｂが密閉空
間の外側に位置することになる。したがって、差動トラ
ンス８のコイル部８ｂがケース１ａの内に封入した冷媒
ガスと接触することがなく、これによりコイル部８ａの
有機材から放出するアウトガスが冷媒ガスに混入するお
それは全くない。また、コイル部８ｂのリード線８ｄ
は、気密ケース１２を貫通せずにケーシング１ａの外部
に直接引出して運転制御部（図示せず）に接続配線する
ことができる。

【００１７】なお、気密ケース１２は図示例のように非
磁性金属材で構成するほか、アウトガス発生のおそれが
なく、かつ圧力容器としての強度をもった非磁性のセラ
ミックスで構成することもできる。また、図示実施例は
図３に示したスターリング冷凍機の圧縮機１に対するピ
ストン１ｂの位置検出器について述べたが、膨張機２の
ディスプレーサ２ｃ対する位置検出器についても同一構
造を採用するものとする。

【００１８】

【発明の効果】以上述べたように、この発明の構成によ
れば次記の効果を奏する。 (1) 位置検出器である差動トランスをスターリング冷凍
機の圧縮機，膨張機に組付けた状態では、差動トランス
のコイル部が冷凍機の内部に封入した冷媒ガスと接触す
ることがなく、したがって、コイル部の有機材料から放
出したアウトガスが冷媒ガスに混入して冷媒ガスの劣化
したり，冷凍機の冷凍能力を低下させるおそれがなく、
製品の信頼性が向上する。

【００１９】(2) また、差動トランスのコイル部からの
アウトガスが冷媒ガスに混入するおそれがないので、従
来のようにアウトガスを強制放出するために行っていた
ガス抜きの高温熱処理が必要なく、これにより高温熱処
理の熱変形起因する差動トランスの位置検出精度の低下
を回避できる。 (3) 差動トランスのコイル部のリード線が気密ケースを
貫通することなくそのまま外部に引き出せるので、従来
のようにハーメチックシール端子などのリード線封止手
段が必要なく、これにより従来構造と較べてコスト低
減，並びに気密保持の信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】スターリング冷凍機の圧縮機に装備したピスト
ン位置検出器を実施対象とするこの発明の実施例による
差動トランスの取付構造図

【図２】図１に対応する従来例の差動トランスの取付構
造図

【図３】スターリング冷凍機の構成図であり、(a) は冷
凍機全体の構成断面図、(b) は(a) 図におけるサスペン
ションばねの平面図

【符号の説明】

１ 圧縮機 １ａ ケーシング １ｂ ピストン １ｃ ピストンロッド ２ 膨張機 ２ａ ケーシング ２ｃ ディスプレーサ ２ｄ ディスプレーサロッド ４ 電磁アクチュエータ ７ 位置検出器 ８ 差動トランス ８ａ コア ８ｂ コイル部 ８ｄ リード線 １０ Ｏリング（シール部材） １２ 非磁性ケース １２ａ 胴部 １２ｂ 端蓋部 １２ｃ フランジ部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】密閉形ケーシングの内部にピストン，およ
   び電磁アクチュエータを内蔵した圧縮機と、密閉形ケー
   シングの内部にディスプレーサ，および電磁アクチュエ
   ータを内蔵した膨張機とを組合せてなるスターリング冷
   凍機であり、前記圧縮機のピストン，膨張機のディスプ
   レーサの位置検出器として、前記ケーシングの端部にピ
   ストンロッド，ディスプレーサロッドに連結したコア
   と、該コアを取り巻くコイル部とからなる差動トランス
   を装備したものにおいて、差動トランスのコアとコイル
   部との間を前記ケーシングの端部にシール結合した非磁
   性の気密ケースで隔離し、冷媒ガスを封入した圧縮機，
   膨張機の密閉空間に対して、コアを密閉空間の内側，コ
   イル部を密閉空間の外側に配置したことを特徴とするス
   ターリング冷凍機。
2. 【請求項２】請求項１記載のスターリング冷凍機におい
   て、気密ケースが、その胴部の一端を閉塞し，他端にケ
   ーシングとシール部材を介して結合し合うフランジ部を
   形成したキャップ状体としてなり、かつその胴部の外周
   に差動トランスのコイル部を嵌挿支持したことを特徴と
   するスターリング冷凍機。
3. 【請求項３】請求項１，または２記載のスターリング冷
   凍機において、気密ケースの材質が非磁性金属，もしく
   はセラミックスであることを特徴とするスターリング冷
   凍機。