JPH02230060A - 極低温用冷却機のディスプレーサ駆動制御装置 - 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】 概要 極低温用冷却機のディスプレーサ駆動制御装置に関し、 冷却機の運転状況に応じて最適運転効率点での冷却機の
動作の維持をはかることを目的とし、第１シリンダ及び
第２シリンダ内部を連通路により連通し、第１シリンダ
内部にガスの圧縮を行うピストンを摺動自在に設け、第
２シリンダ内部にガス流に連動して動作するディスプレ
ーサとディスプレーサ支持機構を設け、ガス圧とディス
プレーサ支持機構の共振によってディスプレーサを往復
運動させる極低温用冷却機゛において、ディスプレーサ
の動作状態を検出する手段と、ディスプレーサ内のガス
圧変動を検出する手段と、ディスプレーサ振動特性可変
手段を設け、前記動作状態検出手段及びガス圧変動検出
手役の検出値に応じて前記ディスプレーサ振動特性可変
手段を制御する制御手段を設けて構成する。

産業上の利用分野 本発明は極低温用冷却機のディスプレーサ駆劾制御装胃
に関し、特にフリーディスプレーサを用いた極低温用冷
却機において、ディスプレーサを最適運転効率点で駆動
を行うための駆動制御装置に関する。

ヘリウムガス等の冷媒をピストンにより圧縮して冷却室
内に導き、冷媒の断熱膨張により冷却するスターリング
冷却機等の極低温用冷却機は、冷却効率が良いこと及び
非常に低温まで冷却できることで知られている。このよ
うな極低温用冷却機は、例えば赤外領域の撮像素子のＳ
／Ｎ比向上のための冷却機として利用される。

従来の技術 第４図はフリーディスプレーサを用いた従来のスターリ
ング冷却機の断面図である。圧縮シリンダ１内には圧縮
ピストン３が摺動自在に嵌合されており、圧縮ピストン
３の頂部には冷媒ガスを圧縮する圧縮室１３が画成され
ている。５は膨張シリンダであり、この膨張シリンダ５
内にディスプレーサ７が摺勤自在に嵌合されている。デ
ィスプレーサ７には、例えばＳＵＳ製の金網で形成され
た蓄冷器９が内蔵されており、ディスプレーサ７の頂部
には冷媒ガスの断熱膨張によりガスを極低星に冷却する
冷却室１１が画成されている。前記圧縮室１３は通路１
５．１７及び蓄冷器９を介して冷却室１１に連通されて
いる。

ディスプレーサ７には通路１７０人口を囲むように２個
の環状シール材１９．１９が設けられており、通路１５
を介して供給された冷媒ガスが膨張シリンダ５とディス
プレーサ７の間を通過するのを防止し、全ての冷媒ガス
がディスプレーサ７に内蔵された蓄冷器９に供給される
ようにしている。膨張シリンダ５と一体的に形成された
シリンダ支持部２１にはキャビティ２３が画成されてお
り、このキャビティ２３内にディスプレーサ７を支持す
る例えばスプリングから形成されたディスプレーサ支持
機構２５が設けられている。

然して、圧縮シリンダ１内で圧縮ピストン３が上方に移
動して圧縮室１３内での冷媒ガスを圧縮すると、この圧
縮されたガスが通路１５，ＩＴを介して蓄冷器９内に導
入されて熱交換により冷却される。蓄冷器９を通過した
冷媒ガスは冷却室ｌｌ内に導入されるが、ディスプレー
サ７が膨張シリンダ５内で上下に摺動するため、冷却室
１１内の圧縮ガスはディスプレーサ７が下方に移動して
膨張するときに、断熱膨張によりさらに冷却される。

膨張シリンダ５内のディスプレーサ７の往復運動は、図
示した従来例のようにガス圧力とディスプレーサ支持機
構２５の共振によって往復運動させているものと、強制
駆動装置によって往復運動させているものとの２方式に
大別される。図示した共振を利用した従来例では、圧縮
ピストン３の往復運動により、冷媒ガス圧が圧縮・膨張
による繰り返し変動を受け、ディスプレーサに内蔵され
た蓄冷器両端に周期的な圧力差の変動が生じる。

この圧力差とディスプレーサ支持のためのバネ等で構成
されたディスプレーサ支持機構２５の共振により、ディ
スプレーサ７が膨張シリンダ５内で往復運動をする。こ
のような共振を利用してディスプレーサを往復運動させ
る方式は、小型化が容易である。

発明が解決しようとする課題 ディスプレーサ支持部の振動特性により、ディスプレー
サの運動特性（圧縮ピストンとの位相差、往復変位量）
が定まり、冷却機の冷却能力が決定する。ディスプレー
サ支持部の振動特性を、冷却機の基準動作条件に対して
冷却能力が最適となるように設計し、組み込むのが一般
的である。しかし、この場合、ディスプレーサ支持部の
振動特性は一定で可変でないため、冷却機の最適運転効
率点は限られたものとなる。従って従来の冷却機では、
被冷却体の発生熱に従って冷却機の冷却能力を変化させ
たり、冷却機の駆動条件を被冷却体の温度によって変化
させたい場合には、冷却機の最適効率運転が維持できな
いという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、冷却機の運転状況に応じて最適
運転効率点での冷却機の動作の維持をはかることのでき
る、極低温用冷却機のディスプレーサ駆動制御装置を提
供することである。

課題を解決するための手段 上記目的は、ディスプレーサ支持機構に冷却機の冷却能
力が最適値に近づくように支持機構自身の振動特性を変
化させる機構を付加することで実現される。これを第１
図に示した本発明の原理図に従って説明する。

第１図において、第４図に示した従来例と実質的に同一
構成部分については同一符号を付し、その説明を省略す
る。本発明によると、膨張シリンダ５にディスプレーサ
７の動作状態を検出する動作状態検出手段２７と、ディ
スプレーサ７内のガス圧変動を検出するガス圧変動検出
手段２９と、ディスプレーサ７の振動特性を変化させる
ディスプレーサ振動特性可変手段３１を取り付ける。そ
して、動作状態検出手段２７及びガス圧変動検出手段２
９の検出値に応じて、ディスプレーサ振動特性可変手段
３１を制御する制御手段３３を設ける。

作　　　用 冷却機圧縮ピストンの動作により冷媒ガスが圧縮・膨張
の繰り返し変動を受けると、ディスプレーサに内蔵され
た蓄冷器の両端に周期的な圧力差の変動が生ずる。この
圧力差とディスプレーサ支持部の振動特性によって決ま
る共振により、ディスプレーサが膨張シリンダ内で往復
運動する。冷却機の冷却能力は圧縮ピストンの運動との
位相差、及び往復する周期により決定される。

また、ディスプレーサの運動は以下の式で与えられる。

Ｍ　ｘ　＋　（：交＋ｋｘ＋δＰＡ＝０　　・・・（１
）ここで、Ｍ：ディスプレーサ質量 Ｘ：ディスプレーサ変位 δＰ：蓄冷器上下の圧力差 Ａ：ディスプレーサ断面債 ｋ：ディスプレーサ支持部のバネ定数 Ｃ：ディスプレーサ支持部のダンピング特性 圧力差δＰはディスプレーサとピストンとの相対速度、
及び蓄冷器内やその他のガス流路での流路抵抗損失によ
って定まる量である。

式（１）は一般の二次振動系の式であるから、第３図に
示すように、ディスプレーサ支持部のバネ定数、ダンピ
ング特性等の値によって定まる共振角速度ω。を有する
。第３図において、ａがダンピングが小さい場合を示し
てふり、ｂはダンピングが大きい場合を示している。ま
た、ディスプレーサの加振力である圧力差の項とディス
プレーサ変位ｌとはある位相差を有し、共振点近傍であ
れば圧力差の項が約９０゜進むようになる。冷却機の冷
却能力は、圧縮ピストン往復周波数及びディスプレーサ
と圧縮ピストンの運動の位相差によって変化する。そこ
で、冷却機の基準運転条件にあわせて、式（１）の定数
を決めてやる。冷却機の運転条件（駆動周波数や冷却能
力等）を基準値から変更する場合、式（１）のｋ，Ｃの
値を冷却機の最適運転にできるだけ近くなるように変更
することで、冷却機の運転効率を下げないで、冷却機の
動作条件及び冷却能力の変更が可能となる。

そこで本発明では動作状態検出手段２７によりディスプ
レーサ７の動作状態を検出するとともに、ガス圧変動検
出手段２９によりディスプレーサ７内のガス圧変動を検
出し、両検出値に応じて制御手段３３によりディスプレ
ーサ振動特性可変手段３１を制御して、冷却機の運転状
況に応じて冷却機の動作条件及び冷却能力を変更し、最
適運転効率点での冷却機の動作の維持をはかるようにす
る。

実　　施　　例 以下本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。

第２図は本発明実施例断面図であり、冷却機ディスプレ
ーサとその支持機構の部分を示している。

３５は膨張シリンダであり、膨張シリンダ３５内にディ
スプレーサ３７が往復動自在に嵌合されている。ディス
プレーサ３７の上方部分には、例えばＳＵＳ製の金網で
形成された蓄冷器３９が内蔵されており、膨張シリンダ
３５とディスプレーサ３７の頂部により冷却室４Ｉが画
成されている。

４３は膨張シリンダ３５と一体的に形成された外部ケー
スであり、図示しない冷媒ガスの圧縮室に運通された通
路４５に連通する通路４７が設けられている。上下動す
るディスプレーサ３７内部にも通路４７に連通する通路
４９が設けられており、ディスプレーサ３７頂部には穴
５１が開口している。また、ディスプレーサ３７には通
路４９を囲むように２個のシール材５３．５３が設けら
れており、通路４５．４７を介して供給されたヘリウム
ガス等の冷媒ガスが膨張シリンダ３５とディスプレーサ
３７の間を通過するのを防止し、全ての冷媒ガスが通路
４９を介して蓄冷器３９中に導入されるようになってい
る。蓄冷器３９における熱交換により冷却された冷媒ガ
スは穴５１を介して冷却室４１内に入り、ディスプレー
サ３７が下方に移動し冷却室４１が膨張するときの断熱
膨張によりさらに冷却される。

ディスプレーサ３７はディスプレーサ下端部３７ａと外
部ケース４３の内部に設けられたリティナ−５７との間
に介装されているコイルバネ５５により支持されている
。図示しない冷却機圧縮ピストンの動作により冷媒ガス
が圧縮・膨張の繰り返し変動を受けると、この冷媒ガス
が通路４５．４７．４９を介してディスプレーサ３７の
蓄冷器３９に導入され、蓄冷器両端に周期的な圧力差の
変動が生じる。この圧力差とコイルバネ５５の振動特性
によって決まる共振により、ディスプレーサ３７が図示
しない圧縮ピストンの位相より約９０゜遅れて往復運動
する。このときの運動周期・変位等の基本特性は、コイ
ルバネ５５のバネ定数、ディスプレーサ３７の可動部質
量や流体抵抗等の値に依存する。これらの値は、冷却機
動作の最も使用類度の高い場合での最適動作時にできる
だけ近い値となるように設計される。

本実施例では、冷却機の運転状況に応じて最適運転効率
点での冷却機の動作を可能とするため、次のような機構
を設けている。すなわち、ディスプレーサ３７に永久磁
石５９を設け、この永久磁石５９に対向する外部ケース
４３の内側に２個のコイル６１．６３を設けて、コイル
６１．６３に流す電流の方向及び電流値を制御すること
により、ディスプレーサ支持部のバネ定数及びダンピン
グ特性を可変にするようにしている。このような制御を
可能とするためには、ディスプレーサ３７の運動状態及
び冷媒ガスの圧力変動を検出する必要があるが、本実施
例ではディスプレーサ３７の運動状態を、その運動によ
ってディスプレーサ支持部が受ける反力を台座６５と外
部ケース４３の間に設けられたカセンサ６７で測定する
ことにより得ている。しかし、ディスプレーサの運動状
態の検出は、これに限定されるものではナ＜、例えば、
ディスプレーサ３７に固定された永久磁石５９とコイル
６１．６３の間の電磁作用を利用して検知しても良いし
、他の位置、速度、加速度センサを適当にセットして測
定しても良い。

冷媒ガスの圧力変動はディスプレーサ３７に加わるガス
圧変動による力として、外部ケース４３とリテイナ−５
７の間ににカセンサ６９を設け、カセンサ６７と６９の
検出値の差により得ることができる。ガス圧変動の検出
はこの他に、圧カセンサを適当な位置に取り付けること
により検出することができる。

ディスプレーサ支持部のバネ定数を変化させる機構とし
て、本実施例ではディスプレーサ３７に固定された永久
磁石５９とコイル６１．６３よりなる電磁作用を用いて
いる。すなわち、ディスプレーサ３７の変位の向きと逆
方向に、ディスプレーサ３７の変位量に関係してディス
プレーサに力が加わるようにコイル６１及び／又は６３
に電流を流すと、ディスプレーサ支持部のバネ定数をよ
り大きな値に変化させることができる。また逆に、ディ
スプレーサ３７の変位の向きに電磁力が加わるようにコ
イル電流を制御すれば、バネ定数をより小さい値に変化
させることができる。

また、ディスプレーサ支持部のダンピングは、バネ定数
の変更の場合と同じく、ディスプレーサ３７の運動速度
に関係してディスプレーサに力を及ぼせば、ダンピング
の値も可変となる。本実施例では、ディスプレーサ３７
に固定された永久磁石５９の運動によってコイル６３に
励起される逆起電力を測定することにより得ている。ダ
ンピングが減少すればディスプレーサ３７の振幅量が大
きくなり、ダンピングが大きくなればディスプレーサの
振幅量が小さくなる。

ディスプレーサ３７の動作状態をカセンサ６７で検出し
、ガス圧変動をカセンサ６７と６９の差により検出する
。このようにして検出した動作状態信号とガス圧変動信
号を力信号増幅器７ｌで増幅してから、両信号の位相差
を比較器７３で比較し、その結果を最適運転制御演算器
７５に入力する。最適運転制御演算器７５にはディスプ
レーサ３７に固定された永久磁石５９の運動によってコ
イル６３に誘導される逆起電力も人力される。最適運転
制御演算器７５には、予め種々の駆動条件下での最適運
転制御値がテーブルの形で登録されており、これらの情
報に基づいて最適運転制御演算器７５がディスプレーサ
振動特性（バネ定数、ダンピング等）が冷却機の最適運
転に近づくようにコイル６１及び／又は６３に流すコイ
ル電流を増幅器７７を介して制御する。

発明の効果 本発明のディスプレーサ駆勤制御装置は以上詳述したよ
うに構成したので、ディスプレーサの運動を冷却機運転
の最適運転に近《なるように制御でき、冷却能力の変更
や駆動条件の変更に対しても、常により効率の良い冷却
機運転が可能になるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理図、 第２図は本発明の実施例断面図、 第３図は二次振動系の振動特性図、 第４図は従来例断面図である。 １・・・圧縮冫リング、 ３・・・圧縮ピストン、 ５．３５・・・膨張シリンダ、 ７，３７・・・ディスプレーサ、 ９．３９・・・蓄冷器、 １１．４１・・・冷却室、 ２５・・・ディスプレーサ支持機構、 ２７・・・動作状態検出手役、 ２９・・・ガス圧変動検出手役、 ３１・・・ディスプレーサ振劾特性可変手段、３３・・
・制御手段、 ５５・・・コイルバネ、 ５９・・・永久磁石、 ６１．６３・・・コイル、 ６７．６９・・・カセンサ、 ７５・・・最適運転制御演算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１シリンダ（１）及び第２シリンダ（５）内部を連通
   路（１５）により連通し、第１シリンダ（１）内部にガ
   スの圧縮を行うピストン（３）を摺動自在に設け、第２
   シリンダ（５）内部にガス流に連動して動作するディス
   プレーサ（７）とディスプレーサ支持機構（２５）を設
   け、ガス圧とディスプレーサ支持機構（２５）の共振に
   よってディスプレーサ（７）を往復運動させる極低温用
   冷却機において、 ディスプレーサの動作状態を検出する手段（２７）と、 ディスプレーサ内のガス圧変動を検出する手段（２９）
   と、 ディスプレーサ振動特性可変手段（３１）を設け、前記
   動作状態検出手段（２７）及びガス圧変動検出手段（２
   ９）の検出値に応じて前記ディスプレーサ振動特性可変
   手段（３１）を制御する制御手段（３３）を設けたこと
   を特徴とする極低温用冷却機のディスプレーサ駆動制御
   装置。