JPH01281370A - 冷却機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、スターリング冷却機のように、赤外線素子
の冷却、空気液化機等に用いられるガス冷却機に関する
ものである。

［従来の技術］ 部 第５図は、例えば持分１／１５４−２８９８０号公報に
開示された従来のスターリング型ガス冷却機の概略構成
を示す断面側面図である９図において、ｌはシリンダで
あり、このシリンダーの内部でピストン２が往復運動を
行う。３はコールドフィンガであり、作動ガスの圧力変
動によって往復運動するディスプレーサ４を内包すると
共に、その下部は連通管５によりシリンダーと連通して
いる。

ディスプレーサ４の上部の作動表面４ｂは膨張空間６の
境界をなしており、この膨張空間６はデイスプレーサ４
の下部作動表面４ａと連通管５の間の第一圧縮空間７、
ピストン２の上部の作動表面２ａと連通管５の間の第二
空間８、ディスプレーサ４内に備えた蓄熱機９及び連通
管５内の空間等とともに作動空間を構成している。蓄熱
機９は下方の中心孔１０を経てその下側の作動ガスに通
ずると共に、また上方の中心孔１１と半径方向流通ダク
ト１２を経て上側の作動ガスに通ずることができる。ま
た、この機械では膨張させられた冷作動ガスと冷却すべ
き物体の間の熱交換のための熱交換器としてフリーザ１
３を備えている。

ピストン２とシリンダ１の壁の間にはシールＩ４が配置
され、ピストン２の下側に存在するバッファ空間１５と
前記作動空間との間の作動ガスの流れを防止している。

また、ディスプレーサ４とコールドフィンガ３の間には
シール１６を備え、膨張空間６と第一圧縮空間７の間の
作動ガスの流れが蓄熱機９内を流れるよう強制している
。

ピストン２とその下側のバッファ空間１５中に、アルミ
ニウム等の非磁性及び非磁化材料から成る軽量のスリー
ブＩ７を備える。スリーブ１７には導電体を巻き付けて
コイル１８を形成し、このコイルＩ８はシリンダニの壁
を通すリード線１９゜２０に接続され、これらのリード
線１９．２０はシリンダ１の外部でそれぞれ電気端子２
１．２２に接続されている。コイル１８はピストン２の
軸線方向に環状間隙２３内で往復運動でき、この環状間
隙２３内には電機子磁界が存在している。この電機子磁
界の力線はコイル１８の移動方向を横切る半径方向に延
びている。この場合、永久磁界は上側と下側に磁極を持
つ環状永久磁石２４、軟鉄環状ディスク２５、軟鉄シリ
ンダ２６及び軟鉄円形ディスク２７を用いて得られる。

環状永久磁石２４と軟鉄環状ディスク２５、軟鉄シリン
ダ２６及び軟鉄円形ディスク２７は一体となって閉磁気
回路を構成し、すなわち閉磁力線回路をを構成する０以
上述べたスリーブ１７、コイル１８、リード線１９，２
０、環状間隙２３、環状永久磁石２４、軟鉄環状ディス
ク２５、軟鉄シリンダ２６及び軟鉄円形ディスク２７は
全体としてピストン駆動用のりニアモータ２８を構成し
ている。また、ピストン２及びディスプレーサ４はそれ
ぞれピストン用弾性部材２９とディスプレーサ用弾性部
材３０を介してシリンダ１及びコールドフィンガ３内に
往復動可能に係合され、ピストン２及びディスプレーサ
４の静止時の固定位置及び運転時の中立位置を定めてい
る。

次に、前記従来のスターリング型ガス冷却機の動作につ
いて説明する。電気端子２１．２２に系の共振周波数に
等しい交流電源（図示しない）を接続すると、環状間隙
２３の半径方向の永久磁界の影響を受けてコイル１８に
は軸方向の周期的なローレンツ力が働き、その結果、ピ
ストン２、スリーブ１７及びコイル１８から構成される
組立体とピストン用弾性部材２９から成る系は共振状態
となり、上記組立体は軸方向に振動する。ピストン２の
振動は、膨張空間６、第一圧縮空間７、第二圧縮空間８
、連通管５、蓄熱機９、中心孔１０、中心孔１１、半径
方向流通ダクト１２及びフリーザ１３から成る作動空間
内に封入された作動ガスに周期的な圧力変化をもたらす
と共に、蓄熱機９を通過するガスの流量変化によりディ
スプレーサ４に周期的な軸方向の交番振動力を生じせし
める。

このようにして蓄熱機９を含むディスプレーサ４はピス
トン２と同じ周波数で、かつ異なった位相でコールドフ
ィンガ３内を軸方向に往復運動することになる。

ピストン２及びディスプレーサ４が適当な位相差を保っ
て運動するとき、上記作動空間内に封入された作動ガス
は「逆スターリングサイクル」として既知の熱力学的サ
イクルを構成し、主として膨張空間６及びフリーザ１３
に冷熱を発生する。

前記［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ｒｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ　」（Ｇ
。

Ｗａｌｋｅｒ、　Ｐｌｅｎｕｍ　Ｐｒｅｓｓ、　Ｎｅｗ
　ｙｏｒｋ、　１９８３．　ＰＰ、１７７〜１２３）に
詳細に説明されている９以下にその原理について簡単に
説明する。

ピストン２により圧縮された第二圧縮空間８内のガスは
連通管５を経て流れる間に圧縮熱が冷却され、第一圧縮
空間７、中心孔１０、蓄熱機９に流れ込む、蓄熱機９で
は半サイクル前に蓄えられた冷熱により予冷され、作動
ガスは、さらに中心孔１１、半径方向流通ダクト１２及
びフリーザ１３を通って膨張空間６内に入る。そして、
大部分の作動ガスが膨張空間６内に入ると膨張が始まり
、膨張空間６内に冷熱を発生する０作動ガスは、次に逆
の順序で蓄熱機９に冷熱を放出しなから流路を戻り、第
二圧縮空間８内に入る。この時、フリーザ１３内で外部
から熱を奪い、その外部を冷却する。しかして、大部分
の作動ガスが第二圧縮空間８内に戻ると再び圧縮が始ま
り、次のサイクルに移行する０以上のようなプロセスに
より、前記「逆スターリングサイクル」が完成して冷熱
が発生する。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の冷却機は以上のように構成されており、ディスプ
レーサ４やピストン２は往復運動するため、これらの質
量に基づく慣性不平衡力が発生する。冷却能力を増大さ
せるためには、前記可動部の質量を大きくする、あるい
は駆動周波数を高くするなどの手段がとられるが、これ
によって、慣性不平衡力が極めて大きくなり、冷却材自
体の振動が大きくなるなどの問題点があった。特にディ
スプレーサ４の外周に存在するコールドフィンガ３は冷
熱発生箇所であり、冷却物が精密な電子機器であるよう
なものでは該コールドフィンガ３の振動を極力低減させ
る必要があった。

この発明は前記のような問題点を解消するためになされ
たもので、ディスプレーサの往復運動に基づく慣性不平
衡力を相殺しディスプレーサの振動を軽減し、低振動の
冷却機を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る冷却機は、コールドフィンガを連通管を
介してシリンダから機械的に分離し別の取付フレームに
取付け、ディスプレーサに対向して取付フレームの裏側
に制振アクチュエータを取付ける。前記ディスプレーサ
の往復動に起因する振動は振動センサにより検出し、検
出された振動信号を制御回路により制御信号に変換し、
この制御信号によって駆動回路により前記アクチュエー
タを駆動する。このアクチュエータは、可動質量部と、
この可動質量部を弾性支持するばねと、前記駆動回路か
らの電流により可動ｔ１部を振動させるリニアモータと
、から構成される。

［作　　用］ コールドフィンガを連通管を介してシリンダから機械的
に分離することにより、振動を制動する部分がコールド
フィンガのみとなり制動しやすくなる。また別の振動体
であるシリンダから切り離すことにより、制動そのもの
が容易となる。分離したコールドフィンガを別の取付フ
レームに取付けることにより、前記コールドフィンガに
内包され往復動するディスプレーサに対向して制振アク
チュエータを取付けることができる構造となる。

［実施例］ 以下、この発明一実施例を第１図〜第４図にしたがって
説明する。

第１図において従来例を示す第５図と同一符号の部分は
同一部分であるので説明は省略する。

第１図において、３１はコールドフィンガ３が装着され
る取付フレームであり、取付フレーム３１の下側の３２
は、コールドフィンガ３に対向して取付けられる制振ア
クチュエータである。第１圧縮空間７と第２圧縮空間８
とは長い連通管５に連通させる。

第２図は制振アクチュエータ３２の一実施例の断面構造
図である。この制振アクチュエータ３２は動電形リニア
アクチュエータを採用したもので、図において、３３は
永久磁石、３４は円筒状のヨーク、３５はコイル、３６
はコイル３５を支持するサポート、３７は前記ヨーク３
４の上下両端に配設しヨーク３４を支持する弾性体（ば
ね）、３８はガイド棒、３９はヨーク３４の上下端に固
着した直動輪受でありガイド棒３８に沿って摺動し、よ
ってヨーク３４が上下方向に駆動される。４０はケーシ
ングである。

前記制振アクチュエータの動作について説明する。まず
、永久磁石３３は半径方向に着磁され、ヨーク３４に固
着されて磁気回路を形成し、コイル３５が挿入される空
隙では所定の磁束密度を生じさせる０次にコイル３５に
電流が供給されるとコイル３５と永久磁石３３との間に
生じた電磁力が発生する。このときコイル３５に生じた
電磁力はサポート３６を介して取付フレーム３１に伝達
される。一方、永久磁石３３に作用する電磁力は、ヨー
ク３４を支持する弾性体３７の復元力とヨーク３４と永
久磁石３３の慣性力の和と釣り合う。

これらの力学的モデルを第３図に示す。図において、４
１はヨーク３４と永久磁石３３とを合わせた可動質量部
である。Ｕは第２図のコイル３５と永久磁石３３との間
で働く電磁力である。

第４図は、この発明の制振アクチュエータの制御を示す
ブロック図である。このブロック図により振動の低減シ
ステムを説明する０図において、４２は振動センサで、
取付フレーム３１に設置される。４３は制御回路、４４
は駆動回路で、コイル３５に電流を供給するものである
。振動センサ４２で検出されたディスプレーサ４の往復
運動に基づく慣性不平衡力は、電気信号として取り出さ
れ、制御回路４３に入力される。制御回路４３は所定の
ティン、位相特性をもつ回路で、電気信号のゲイン、位
相を調整してつぎの駆動回路４４に伝送する。駆動回路
４４は制振アクチュエータ３２を駆動するもので、この
制振アクチュエータ３２の発生する制御力をディスプレ
ーサ４の慣性不平衡力を相殺するように印加させる。こ
のような構成によりコールドフィンガ３が振動を積極的
に低減でき、低振動化が計れる。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、コールドフィンガを
シリンダから機械的に分離することにより、制振の対象
をコールドフィンガのみとすることができ、制振対象の
質量を軽くでき、制振が容易となる。また別の振動体で
あるシリンダから分離することにより制振の対象となる
振動が小さくなり、制動自体が容易となる。

また分離したコールドフィンガを別の取付フレームに取
付けることにより、コールドフィンガに内包され往復動
するディスプレーサに対向して、取付フレームの裏側に
制振アクチュエータを取付けることができる構造となる
。

このようにして制振アクチュエータの駆動力が、ディス
プレーサの往復動に起因する慣性不平衡力を相殺し振動
を低減することができる。これにより、コールドフィン
ガ部の振動が有効に抑制される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る冷却機を示す構造断
面図、第２図はこの発明の一実施例による制振アクチュ
エータの構造断面図、第３図は制振アクチュエータの力
学的モデル図、第４図はこの発明での制御システムブロ
ック図、第５図は従来の冷却機を示す断面図である。 ｌ・・・シリンダ、２・・・ピストン、２ａ、４ａ。 ４ｂ・・・作動表面、３・・・コールドフィンガ、４・
・・ディスプレーサ、５・・・連通管、６・・・膨張空
間、７・・・第一圧縮空間、８・・・第二圧縮空間、９
・・・蓄熱機、１０・・・中心孔、１１・・・中心孔、
１２・・・半径方向流通ダクト、１３・・・フリーザ、
１４・・・シール、１５・・・バッファ空間、１６・・
・シール、１７・・・スリーブ、１８・・・コイル、１
９．２０・・・リード線、２１，２２・・・電気端子、
２３・・・環状間隙、２４・・・環状永久磁石、２５・
・・軟鉄環状ディスク、２６・・・軟鉄シリンダ、２７
・・・軟鉄円形ディスク、２８・・・リニアモータ、２
９・・・ピストン用弾性部材、３０・・・ディスプレー
サ用弾性部材。 尚、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 代理人　　大岩　増ｌ１１（ばか２名）第２図 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 シリンダと、シリンダ内を往復動するピストンと、前記
   シリンダに連通管を介して連通するコールドフィンガと
   、このコールドフィンガ内に内包されるディスプレーサ
   とを備え、前記ピストンの働きによって作動ガスが前記
   コールドフィンガ内で圧縮、膨張し、前記ディスプレー
   サを往復運動させる冷却機において、 前記コールドフィンガを、連通管を介して前記シリンダ
   から機械的に分離して取付けるための別の取付フレーム
   と、前記ディスプレーサに対向して該取付フレームの裏
   側に取付けられる制振アクチュエータと、前記ディスプ
   レーサの往復動に起因する振動を検出する振動センサと
   、検出された振動信号を制御信号に変換する制御回路と
   、この制御信号によって前記制振アクチュエータを駆動
   する駆動回路と、を有し、前記制振アクチュエータは可
   動質量部と該可動質量部を弾性支持するばねと前記駆動
   回路からの電流により該可動質量部を振動させるリニア
   モータとから構成される冷却機。