JPH0336470A - スターリング冷凍機 - 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］ 本発明は、赤外線センサなどの冷却に好適に利用される
スプリット型のスターリング冷凍機に関するものである
。

［従来の技術］ 第６図は、従来の一般的なスプリット形スターリング冷
凍機の概要を示す断面図である。図に示されるように、
この冷凍機は膨脹シリンダ１と、この膨脹シリンダ１内
に摺動可能に嵌装したディスプレーサ２と、このディス
プレーサ２の低温端２ａと前記膨脹シリンダ１との間に
拡縮される膨脹室３と、前記ディスプレーサ２の高温端
２ｂに突設したピストン４と、このピストン４の突出端
４ａが挿入されるガススプリング室５とを備えている。

ディスプレーサ２内には、小型化を図るためにリジェネ
レータ（蓄冷器）６が収容してあり、このリジェネレー
タ６を通じて前記膨脂室３を高温端２ｂ側に反転拡縮さ
れるガスポート７と連通させている。リジェネレータ６
の役割は、膨脂室３から送り出される作動ガスから寒冷
を得て、新たに膨脂室３に送り込まれる作動ガスの予冷
却を行うことにある。作動ガスとしては、通常、Ｈｅが
用いられる。ガスポート７は可撓性を有した連通管８を
通じて別置したコンプレッサ９の圧縮室９ａに連通させ
てあり、作動ガスはこのコンプレッサ９によって冷凍サ
イクルを営むための圧力変化を与えられる。また、ガス
スプリング室５には作動ガスの高圧時と低圧時の中間圧
に相当する付勢用ガスが封入してあ。これにより、ディ
スプレーサ２は、膨脂室３から低温端２ａに作用する作
動圧とガススプリング室５から突出端４ａに作用する中
間圧との差圧変化によって上下駆動されるものとなる。

１ａはコールドヘッドである。

このように構成されるスプリット形のメリットは、膨脹
シリンダ１にコンプレッサ９の振動が伝播することがな
いため低振動の冷凍機が実現可能となる点にある。しか
も、冷却を要する部位に膨脹シリンダ１のみを配置すれ
ばよいためスペースファクタが向上することにおいても
好都合である。

しかし、ディスプレーサ２が駆動端に到達する際は、低
温端２ａ又は高温端２ｂが膨脹シリンダ１の対応する各
シリンダ内方端に当接して強制停止させられるため、こ
の時に振動が生じることは防ぎようがない。しかも、リ
ジェネレータ６には一般に熱伝導性に優れた銅メツシユ
が用いられているためディスプレーサ２の慣性質量は従
来に比して大きく、これに伴うディスプレーサ停止時の
振動も増大している。このため、使用目的が赤外線セン
サの如きデリケートなものである場合に、冷凍機をスプ
リット形とするだけでは十分な振動抑止効果が得られな
い場合が多い。

これに対して、特開昭６４−４１７７４号公報に示され
るように（第７図参照）、ピストン突出端４ａに緩衝ピ
ストン１０を取着するとともに、ディスプレーサ２が上
下両駆動端に達した際に前記緩衝ピストン１０を緊密に
嵌挿させるための対をなす凹陥部１１ａ、ｌｌｂをガス
スプリング室５の対向位置に設け、緩衝ピストン１０が
各凹陥部１１ａ、１１ｂに嵌装される際にガスダンピン
グ作用が働いてディスプレーサ２に対する緩衝効果が奏
されるようにしたものも開発されている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、この種冷凍機は通常、ディスプレーサ径が約
１０關程度と小さいものであるため、Ｈｅのような拡散
性に富むガスに対して十分なダンピング作用を生じさせ
るような緩衝ピストン１０を作ろうとすれば、凹陥部１
１ａ、ｌｌｂに対して直径隙間で数μｍ程度の仕上げが
必要になる。

このため、上述したガスダンパ方式は加工に困難を伴う
という問題がある。また、そのような高度な加工技術を
擁して適正な作動が得られるようにしても、緩衝ピスト
ン４が凹陥部１１ａ、ｌｌｂから離脱する際に生じる負
圧がディスプレーサ２にブレーキ力として作用するため
、逆にディスプレーサ反転時に作動不良の要因となる問
題を生じさせる。特に、コールドヘッド１ａの冷却が進
んだ場合は、それが常温に近い状態に在る時に比べて膨
脂室３に生じる作動ガスの圧力変化が減少し、その結果
、中間圧との差圧が縮小して駆動力が低下している。こ
のため、かかるブレーキ力が作用することによってディ
スプレーサ２が完全に駆動されなくなる恐れさえある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので
あって、作動上および製作上の不具合を伴うことなく、
ディスプレーサの発生振動を有効に低減できるようにし
たスターリング冷凍機を提供することを目的としている
。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手
段を講じたものである。

すなわち、本発明のスターリング冷凍機は、スプリット
形としての基本的構成を備えてなるものにおいて、ピス
トンの突出端に取着した永久磁石と、ディスプレーサが
駆動端に達した時点で前記永久磁石の外周を包囲する位
置に配設され該永久磁石が接離する際に生じる磁束変化
によって起電力を誘導されるようにした対をなすコイル
と、永久磁石が接近しつつあるコイルに電気負荷を接続
して励磁電流を流し永久磁石が離反しつつあるコイルを
電気負荷から切り離して励磁電流を流さないようにした
電気回路とを設けたことを特徴としている。

［作用］ 永久磁石がコイルに対して接近しつつある時にコイルに
電気負荷を接続して励磁電流を流すと、電気負荷におい
てジュール熱を発生し、この時にディスプレーサの運動
エネルギが電気エネルギに形態を換えて放出される。こ
のため、ディスプレーサはブレーキを掛けられた状態と
なり、その結果、駆動端に至る手前で徐々に減速され駆
動端に至って静寂に停止させられることになる。これに
より、駆動端における発生振動の問題を有効に解決する
ことができる。また、永久磁石がコイルに対して離反し
つつある時にコイルから電気負荷を切り離して励磁電流
が流れないようにすると、ディスプレーサの運動エネル
ギが放出されないためブレーキ効果は生じず、ガスダン
パ方式のようにディスプレーサ反転後にもブレーキが作
用して有用な差圧駆動力を減退させるようなこともない
。

そして、このような構成においては永久磁石とコイルと
をさほど厳密に組み付けずとも適正な作動を確保できる
ので、製作はガスダンパ機構に比べ格段に容易となる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図〜第５図を参照して説
明する。なお、第１図に明らかなように、このスターリ
ング冷凍機の基本的構成は第６図に示したものと概ね同
様である。このため、共通する部分には同一符号を付し
、その説明を省略している。

しかして、このものはピストン４の突出端４ａに、例え
ば上面がＳ極に着磁され下面がＮ極に着磁されてなるリ
ング状の永久磁石２１を取着している。この永久磁石２
１は、ディスプレーサ２の作動に支障を与えない範囲で
ガススプリング室５内を頂板部５ａから底板部５ｂまで
往復動可能とされている。一方、前記頂板部５ａおよび
底板部５ｂには対をなすコイル２２．２３が配設されて
おり、ディスプレーサ２が駆動上端または駆動下端に達
した時点で、半径方向にある程度近接したギャップ下に
前記永久磁石２１を挿入させ得るようになっている。コ
イル２２の端子２２ａ、２２ｂ及びコイル２３の端子２
３ａ、２３ｂはそれぞれガススプリング室５外に引き出
しである。この構造は、コイル２２　（２３）に対して
永久磁石が接離動作を行った場合に、レンツの法則に基
づいて端子２２ａ、２２ｂ間（２３ａ、２３ｂ間）に起
電力を誘導することを目的としたもので、その起電力の
大きさは、磁束鎖交数（コイルターン数×磁束）の時間
変化の割合に比例して与えられる。

具体的には、ディスプレーサ２が駆動上端に接近しつつ
ある時（第２図参照）に端子２２ａに（＋）、端子２２
ｂに（−）が現われ、ディスプレーサ２が駆動下端に接
近しつつある時（第４図参照）に端子２３ａに（＋）、
端子２３ｂに（＝）がそれぞれ現われるように、コイル
２２．２３が巻回されている。

そして、これらの端子２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ
に図示のような電気回路２４を接続している。この電気
回路２４は、電気負荷として可変抵抗２４Ｃを備えてお
り、この可変抵抗２４Ｃを通じて端子２２ａ、２２ｂ間
を接続し閉ループＡを構成するとともに、該可変抵抗２
４Ｃを通じて端子２３ａ、２３ｂ間を接続し閉ループＢ
を構成している。閉ループＡには端子２２ａから端子２
２ｂに向かう方向を順方向としてダイオード２４Ａが介
設され、閉ループＢには端子２３ａから端子２３ｂに向
かう方向を順方向としてダイオード２４Ｂが介設されて
いる。

次に、本発明の詳細な説明する。第２図に示したように
、永久磁石２１が駆動上端に接近しつつある際は、ダイ
オード２４Ａに対して導通方向の起電力がコイル２２に
誘導されるため、この起電力によって閉ループＡに励磁
電流が流され、抵抗２４Ｃにおいてジュール熱を発生す
る。そして、この時にディスプレーサ２の運動エネルギ
が電気エネルギに形態を換えて放出される。このため、
ディスプレーサ２は磁気的なブレーキ作用を受けて徐々
に減速され、駆動上端に至って静寂に停止させられるこ
とになる。次に、第３図に示すようにディスプレーサ２
が駆動上端から反転して下動し始めると、永久磁石２１
は次第にコイル２２から離反し、この時に該コイル２２
に誘導起電力を生じる。しかし、その起電力はダイオー
ド２４Ａに対してカットされる向きに現われるため、閉
ループＡに励磁電流は流されず、抵抗２４Ｃにジュール
熱は発生しない。このため、ディスプレーサ２には制動
負荷は作用しないことになる。さらに、第４′図に示し
たように、永久磁石２１が駆動下端に接近しつつある際
は、ダイオード２４Ｂに対して導通方向の起電力がコイ
ル２３に誘導されるため、この起電力によって閉ループ
Ｂに励磁電流が流され、抵抗２４Ｃにおいてジュール熱
を発生する。そして、この時にディスプレーサ２の運動
エネルギが電気エネルギに形態を換えて放出される。

このため、ディスプレーサ２は磁気的なブレーキ作用を
受けて徐々に減速され、駆動下端に至って静寂に停止さ
せられることになる。さらにまた、第３図に示すように
ディスプレーサ２が駆動下端から反転して上動し始める
と、永久磁石２１は次第にコイル２３から離反し、この
時に該コイル２３に誘導起電力を生じる。しかし、その
起電力はダイオード２４Ｂに対してカットされる向きに
現われるため、閉ループＢに励磁電流は流されず、抵抗
２４Ｃにジュール熱は発生しない。このため、ディスプ
レーサ２には制動負荷は作用しないことになる。

しかして、図示スターリング冷凍機によると、ディスプ
レーサ２が駆動端で強制停止させられていた従来の構造
に比して、駆動端手前で徐々に減速されることになり、
駆動端停止時における発生振動を効果的に低減できるこ
とになる。しかも、ジュール熱は抵抗２４Ｃの大きさに
略逆比例して変化するものであり、本実施例では抵抗値
を可変とすることによりブレーキ力を随意に設定できる
ようにしている。このため、例えば比較的大きな差圧駆
動力でディスプレーサ２が動作する常温時には抵抗値を
小さくして大きなブレーキ力が得られるようにし、冷却
が進行して差圧駆動力が減退した時は抵抗値を大きくし
て必要以上のブレーキ力が掛からないようにすること等
は有効な手法であり、且つ、極めて簡単に行い得るもの
となる。

或いは、ディスプレーサ２の作動周波数との関係におい
てブレーキ力を調節することも有意義であり、この場合
は、高い周波数で駆動する時に抵抗値を小さくし、低い
周波数で駆動する時に抵抗値を大きくするとよい。また
、この構造によると、ディスプレーサ２の反転直後に該
ディスプレーサ２に不必要なブレーキ力が生じないため
、ガスダンパ方式のように温度低下時に作動不良を起こ
すような不具合を伴うこともない。さらに、このような
構成においては永久磁石２１とコイル２２．２３とをさ
ほど厳密に組み付けずとも適正な作動を確保できるので
、製作はガスダンパ機構に比べて格段に簡略に行い得る
ものとなる。

以上、本発明の一実施例について説明したが、電気回路
の構成や電気負荷の種類などは叙述のものに限定されず
、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能であ
る。

［発明の効果］ 本発明のスターリング冷凍機は、ディスプレーサが駆動
端に接近しつつある時にそれが有する運動エネルギを電
気エネルギに換え、電気負荷においてジュール熱として
放出するので、ディスプレーサの駆動力を除勢し、駆動
端での衝撃を緩和する効果が得られる。しかも、ディス
プレーサが反転すると励磁電流をカッ、トシディスプレ
ーサの駆動力が減退させないようにしているため、低温
時にも確実な作動が確保されたものとなる。また、この
ような構成においては永久磁石とコイルとをさほど厳密
に組み付けずとも適正な作動を確保できるので、製作も
極めて簡略化されたものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は本発明の一実施例を示し、第１図は概
略的な断面図、第２図〜第５図は作用を説明するための
部分拡大断面図である。また、第６図は従来例を示す第
１図に対応した断面図、第７図は他の従来例を示す第１
図並びに第６図相当の断面図である。 １・・・膨脂シリンダ ２ａ・・・低温端 ３・・・膨脂室 ４ａ・・・突出端 ２１・・・永久磁石 ２４・・・電気回路 ２４Ｃ・・・電気負荷（可変抵抗） ２・・・ディスプレーサ ２ｂ・・・高温端 ４・・・ピストン ５・・・ガススプリング室 ２２．２３・・・コイル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 膨脹シリンダと、この膨脹シリンダ内に摺動可能に嵌装
   したディスプレーサと、このディスプレーサの低温端と
   前記膨脹シリンダとの間に拡縮される膨脹室と、前記デ
   ィスプレーサの高温端に突設したピストンと、このピス
   トンの突出端が挿入されるガススプリング室とを有し、
   膨脹室から低温端に作用する作動圧とガススプリング室
   から突出端に作用する中間圧との差圧によって前記ディ
   スプレーサが上下駆動されるように構成されたものにお
   いて、前記ピストンの突出端に取着した永久磁石と、前
   記ディスプレーサが駆動端に達した時点で前記永久磁石
   の外周を包囲する位置に配設され該永久磁石が接離する
   際に生じる磁束変化によって起電力を誘導されるように
   した対をなすコイルと、永久磁石が接近しつつあるコイ
   ルに電気負荷を接続して励磁電流を流し永久磁石が離反
   しつつあるコイルを電気負荷から切り離して励磁電流を
   流さないようにした電気回路とを設けたことを特徴とす
   るスターリング冷凍機。