JPH0325255A - スターリング冷却機のピストン駆動機構 - 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 赤外線センサ等を冷却するために用いられるスターリン
グ冷却機に関し、 振動の低減、耐久性の向上を目的とし、２つのシリンダ
の内部を連通路により連通し、一方のシリンダの内部に
ガスの圧縮を行うピストンを摺動自在に設け、他方のシ
リンダ内部に前記ピストンに連動して摺動するディスプ
レーサを設けて、該他方のシリンダの頂部で低温を得る
ようにしたスターリング冷却機において、回転モータに
より回転駆動される円柱状の部材からなり、その円周上
に回転軸方向に振幅する正弦波形状の溝が形戊された２
個のカム部材を、該溝の位相差が概略９０゜となるよう
に設け、その先端部が一方のカム部材の溝に遊嵌し、他
端部が前記ピストンに固定された少なくとも１つのアー
ム部材を設け、その先端部が他方のカム部材の溝に遊嵌
し、他端部が前記ディスプレーサに固定された少なくと
も１つのアーム部材を設けて構或する。

産業上の利用分野 本発明は赤外線センサ等を冷却するために用いられるス
ターリング冷却機のピストン駆動機構に関する。

赤外線センサは目標物体に接触することなく物体の存在
、形状、温度、組戊等を知ることができるため、人工衛
星による気象観測、防犯、防災、地質・資源調査、赤外
線サーモグラフィーによる医療用等の多くの分野で用い
られている。このような赤外線センサには、焦電素子、
サーモバイル等を用いた熱型センサと半導体を利用した
光電効果型（量子型〉センサがある。一般に熱型センサ
では感度の波長依存性は無いが、感度が低く応答速度も
遅いのでリアルタイムの赤外線センサとしては不向きで
ある。一方、光電効果型センサは感度が高く応答速度も
速いが、素子の液体窒素温度での冷却が必要である。

このような光電効果型センサの冷却装置としては、スタ
ーリング冷却機が冷却効率が良いこと及び非常に低温ま
で冷却できること等の理由から多く用いられている。ス
ターリング冷却機は、ヘリウムガス等の冷媒をピス１・
ンにより圧縮して冷却室内に導き、冷媒の断熱膨張によ
り冷却するものである。そして、このようなピストンを
利用した冷却機においては、ピストンの往復運動及び、
その駆動機構により振動が発生し、被冷却体である赤外
線センサの特性等に悪影響を及ぼすため、振動の発生を
なるべく抑制する必要があり、また、人工衛星等への搭
載のためには衛星の姿勢安定の為にも低振動化が要求さ
れ、さらに小型、軽量、長寿命である必要がある。

従来の技術 第３図，は従来のスターリング冷却機の概略構或・を示
す断面図である。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が画或されている。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が摺動自在に嵌合されている。ディスプレー
サ７には、例えばＳ　Ｕ　Ｓ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温に冷却する冷却室
１１が画或されている。前記圧縮室１３は通路１５．１
７及び蓄冷器９を介して冷却室１１に連通されている。

圧縮ピストン３及びディスプレーサ７は、クランク機構
を介して回転モータにより９０゜の位相差をもって往復
運動されるようになっている。

ディスプレーサ７には通路１７の入口を囲むように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の頂部には冷却ヘッド２０が設けられ、
この冷却ヘッド２０に冷却すべき赤外線センサ２１が固
定されている。この膨張シリンダ５は赤外線２２を入射
するための透光窓２３を有する外筒２５の内部に挿入形
で封着・配置されている。

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１５．１７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内で圧縮ピストン３の動きに連動
して摺動するため、冷却室ｌｌ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、その頂部に冷却ヘッド２０を介し
て固定された赤外線センサ２１が例えば８０Ｋに冷却さ
れる。

発明が解決しようどする課題 このように、従来は圧縮ピストン及びディスプＩ／−サ
を往復移動するために、クランク機構を用いて回転モー
タの回転運動を往復直線運動に変換するようにしている
。クランク機構を用いれば、１個の回転モータにより圧
縮ピストン及びディスプレーサの両方を所定の位相差で
駆動することができ、装置の小型・軽量化の観点からは
好ましい。

しかし、クランク機構によるとあらゆる方向に振動が発
生し、振動対策が複雑となる。また、駆動力が圧縮ピス
トンあるいはディスプレーサの往復移動方向に対して水
平に作用しないので、シリンダ内壁、ピストンリングの
摩耗が早い等の欠点を有している。尚、ピストンの往復
移動方向にその駆動力を作用せしめ得るものとして、リ
ニアモー夕による駆動機構を用いることが可能であるが
、この場合、圧縮ピストン及びディスプレーサを所定の
位相差で往復駆動するためには２個のモータが必要とな
り、小型・軽量化の観点から好ましいものでない。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、振
動が少なく、耐久性に優れたスクーリング冷却機の提供
を目的としている。

課題を解決するための手段 第１図は本発明の原理構或を示す断面図である。

２つのシリンダ３１．３３の内部を連通路により連通し
、一方のシリンダ３１の内部にガスの圧縮を行うピスト
ン３５を摺動自在に設け、他方のシリンダ３３内部に前
記ピストン３５に連動して摺動するディスプレーサ３７
を設けて、該他方のシリンダ３３０頂部３３ａで低温を
得るようにしたスターリング冷却機に使用するピストン
及びディスプレーサの駆動機構として、以下に示すよう
な機構を提供する。

回転モータ３９により回転される円柱状の部材の円周上
に軸方向に振幅する正弦波形状の溝４１ａ，４３ａを形
戒した２つのカム部材４１．４３を設ける。このカム部
材４１．４３は、それぞれの溝４１ａ，４３ａの位相差
が概略９０゜となるように設けてある。そして、その一
端部４５ａが一方の溝４１ａに遊嵌し、他端部がピスト
ン３５に固定された少なくとも１つのアーム部材４５と
、その一端部４７ａが他方の溝４３ａに遊嵌し、他端部
がディスプレーサ３７に固定された少なくとも１つのア
ーム部材４７を設けて構戊する。

作　　　用 本発明においては、円柱等の回転体表面にカム溝を形成
して、従動節に該回転体の軸線に平行な運動を与えるい
わゆる立体カムを用いて、回転モータの回転運動をピス
トン摺勤のための直線運動に変換している。即ち、円周
上に正弦波形状の溝４１ａ，４３ａが形成されたカム部
材４１．４３を回転モータ３９により回転駆動すると、
溝４１ａ，４３ａ壁面からピストン３５及びディスプレ
ーサ３７にそれぞれ一体的に取り付けられたアーム部材
４５．４７の先端部４５ａ．４７ａに力が作用し、アー
ム部材４５．４７がカム部材４１，４３の軸方向に往復
移動するようになっている。

カム部材４１．４３に形成された正弦波形状の溝４１ａ
．４３ａは、その位相差が概略９０゜となっており、ピ
ストン３５及びディスプレーサ３７が概略９０゜の位相
差で往復運動するものである。

そして、ピストン３５及びディスブ１／−サ３７はシリ
ンダ３１．３３の軸方向と同一方向に力を受けて移動す
るから、ピストン３５及びディスプレーサ３７からシリ
ンダ壁面方向に作用する力が少なく、これにより、従来
使用していたクランク機構と比較して振動が減少し、ま
た、シリンダ内壁等の摩耗も少なくすることができる。

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図は本発明を適用してなるスターリングサイクル冷
却機の概略構或を示す断面図である。圧縮シリンダ５ｌ
内には圧縮ピストン５３が摺助自在に嵌合されており、
圧縮ピストン５３の頂部には冷媒ガスを圧縮する圧縮室
５５がｍ或されている。５７は膨張シリンダであり、こ
の膨張シリンダ５７内にディスプレーサ５９が摺動自在
に嵌合されている。ディスプレーサ５９には、例えばＳ
ＵＳ製の金網で形威された蓄冷器が内蔵されており、デ
ィスプレーサ５９の頂部には冷媒ガスの断熱膨張により
ガスを極低温に冷却する冷却室６１が画或されている。

前記圧縮室５５は通路６３及びディスプレーサ５９内部
の蓄冷器を介して冷却室６１に違通されている。

６５はフレーム６７に固定された回転モータであり、６
９．６９は回転モータ６５の回転軸である。この回転軸
６９．６９はフレーム６７に設けられたベアリング７１
．７１に支承されているとともに、その端部にはそれぞ
れ円柱状のカム部材７３．７５が取り付けられている。

カム部材７３．７５の円周上にはカム部材７３．７５の
軸線方行に振幅方向を持つ正弦波形状のカム溝７３ａ．
７５ａが形成されている。カム部材７３．７５に形戊さ
れたカム溝７３ａ．７５ａは、その位相差が９０゜とな
るように回転軸６９．６９にそれぞれ固定されている。

圧縮ピストン５３及びディスブ１／−サ５９には、それ
ぞれ４本の腕を有するアーム部材７７．７９がそれぞれ
一体的に取り付けられている。アーム部材７７．７９の
腕の先端部分はそれぞれ内側に折り曲げられており、腕
先端の折曲部がカム部材７３．７５のカム溝７３ａ．７
５ａにそれぞれ遊嵌されている。８１及び８３は圧縮ピ
ストン５３及びディスプレーサ５９の移動の障害になる
ことなくアーム部材７７．７９が回転軸６９の回転方向
に回転しないようにするためのべローズである。

然して、回転モータ６５が回転すると、圧縮シリンダ５
１内で圧縮ピストン５３がシリンダヘッド方向に移動し
て圧縮室５５内で冷媒ガスを圧縮すると、この圧縮され
たガスが通路６３を介してディスプレーサ５９内部の蓄
冷器内に導入されて熱交換により冷却される。蓄冷器を
通過した冷媒ガスはディスプレーサ５９の先端部から冷
却室６１内に導入されるが、このときディスプレーサ５
９が膨張シリンダ５７内で圧縮ピストン５３よりその位
相が９０゜連れて摺動するため、冷却室６１内の圧縮ガ
スはディスプレーサ５９がシリンダヘッドと反対方向に
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、その頂ｔｆｆｌ５７ａに固定された赤外線センサ等
を例えば８０Ｋに冷却する。

このように本実施例によれば、円周上に正弦波形状のカ
ム溝７３ａ，７５ａが形成されたカム部材７３．７５が
回転モータ６５により回転されると、溝壁面からアーム
部材７７．７９の腕先端の折曲部に力が作用し、アーム
部材７７．７９　（圧縮ピストン５３、ディスプレーサ
５９）が図示矢印方向に往復移動するようになっている
。これにより、圧縮ピストン５３及びディスプレーサ５
９はシリンダ５１．５７の軸方向と同一方向に移動する
から、圧縮ピストン５３あるいはディスプレーサ５９か
らシリンダ５１．５７の壁面方向に作用する力が少なく
、従来使用していたクランク機構と比較して振動が大幅
に減少し、また、シリンダ内壁、ピストンリング、シー
ル材等の摩耗も少なくすることができる。

発明の効果 本発明は以上詳述したように、回転モータの回転運動を
立体カムを用いて往復直線運動に変換しており、１個の
モータでピストン及びディスプ１ノ一サの両方を駆動で
きるとともに、ピストン及びディスプレーサにシリンダ
軸線に対して平行方向に駆動力が伝達するから、振動や
シリンダ等の摩耗を少なくすることができるという効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理構戊を示す断面図、第２図は本発
明一実施例の構或を示す断面図、第３図は従来構或を示
す断面図である。 ３１．３３・・・シリンダ、 ５・・・圧縮ビス１・ン、 ７・・・ディスプレーサ、 ９・・・回転モータ、 １．４３・・・カム部材、 ｌａ，４３ａ・・・溝、 ５，４７・・・アーム部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ２つのシリンダ（３１、３３）の内部を連通路により連
   通し、一方のシリンダ（３１）の内部にガスの圧縮を行
   うピストン（３５）を摺動自在に設け、他方のシリンダ
   （３３）内部に前記ピストン（３５）に連動して摺動す
   るディスプレーサ（３７）を設けて、該他方のシリンダ
   （３３）の頂部（３３ａ）で低温を得るようにしたスタ
   ーリング冷却機において、 回転モータ（３９）により回転駆動される円柱状の部材
   からなり、その円周上に回転軸方向に振幅する正弦波形
   状の溝（４１ａ、４３ａ）が形成された２個のカム部材
   （４１、４３）を、該溝（４１ａ、４３ａ）の位相差が
   概略９０゜となるように設け、 その先端部（４５ａ）が一方のカム部材（４１）の溝（
   ４１ａ）に遊嵌し、他端部が前記ピストン（３５）に固
   定された少なくとも１つのアーム部材（４５）を設け、
   その先端部（４７ａ）が他方のカム部材（４３）の溝（
   ４３ａ）に遊嵌し、他端部が前記ディスプレーサ（３７
   ）に固定された少なくとも１つのアーム部材（４７）を
   設けて構成したことを特徴とするスターリング冷却機の
   ピストン駆動機構。