JPH0737861B2 - 冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は例えば赤外線検出素子を極低温（例えば77K
前後）に冷却するスターリング冷凍機に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

第３図に従来のスターリング冷凍機の構成例を示す。

第３図について，スターリング冷凍機は大きく分けて圧
縮機（１）とコールドフインガ（２）とこれらを結ぶ連
結管（３）より構成される。圧縮機（１）は第１のシリ
ンダ（4a）および第２のシリンダ（4b）と第１のピスト
ン（5a）および第２のピストン（5b）を備える。第１の
ピストン（5a）および第２のピストン（5b）は各々各支
持ばね（6a），（6b）により位置決めされ，第１のシリ
ンダ（4a）および第２のシリンダ（4b）内部を往復運動
する構造となつている。

第１のピストン（5a）および第２のピストン（5b）には
各々非磁性材料からなる軽量の第１のスリーブ（7a）お
よび第２のスリーブ（7b）が連結され，スリーブ（7
a），（7b）には導電体を巻き付けて第１の可動コイル
（8a）および第２の可動コイル（8b）を形成する。可動
コイル（8a），（8b）はハウジング（９）の壁を通して
外部に伸びる第１のリード線（10a），（10b）及び第２
のリード線（11a），（11b）と接続している。これらの
リード線（10a），（10b），（11a），（11b）はハウジ
ング（９）の外側に第１の電気接点（12a），（12b）お
よび第２の電気接点（13a），（13b）を持つ。ハウジン
グ（９）内には永久磁石（14a），（14b）及びヨーク
（15a），（15b）が設けられており、これらは閉磁気回
路を構成している。可動コイル（8a），（8b）は永久磁
石（14）及びヨーク（15）からなる閉磁気回路に設けら
れた第１の間隙（16a），第２の間隙（16b）内でピスト
ン（5a），（5b）の軸線方向に往復運動できる構造にな
つている。間隙（16a），（16b）内には可動コイル（8
a），（8b）の運動方向を横切る半径方向に永久磁界が
存在する。

シリンダ（4a），（4b）およびピストン（5a），（5b）
でしきられた内部空間を圧縮室（17）と呼ぶ。圧縮室
（17）には例えばヘリウムなどの高圧の作動ガスが封入
されている。圧縮室（17）内の作動ガスがシリンダ（4
a）とピストン（5a）の隙間，および，シリンダ（4b）
とピストン（5b）の間隙を通過しないように，シリンダ
（4a）とピストン（5a）の隙間，および，シリンダ（4
b）とピストン（5b）の隙間には各々すきまシール（28
a），（28b）が設けられている。以上が圧縮機（１）の
構成である。

一方、前記コールドフインガ（２）は円筒状の低温シリ
ンダ（18）および，共振ばね（19）により係合され低温
シリンダ（18）内を摺動自在に往復するデイスプレーサ
（20）を有している。低温シリンダ（18）内部の空間は
デイスプレーサ（20）によつて２分割されており，デイ
スプレーサ（20）より上方の空間を低温室（21），下方
の空間を高温室（22）と呼ぶ。デイスプレーサ（20）内
部には再生器（23）とガス通過孔（24）が設けられ、低
温室（21）と高温室（22）は再生器（23）とガス通過孔
（24）を介して連通しており，再生器（23）内には例え
ば銅の金網などの蓄冷材（25）が充填されている。低温
シリンダ（18）とデイスプレーサ（20）の隙間を作動ガ
スが通過しないようにデイスプレーサ（20）と低温シリ
ンダの隙間にはすきまシール（26）が設けられている。
コールドフインガ（２）の各室には圧縮機（１）と同様
に例えばヘリウムなどの高圧の作動ガスが封入されてい
る。以上がコールドフインガ（２）の構成であり，圧縮
機（１）の圧縮室（17）と前記コールドフインガ（２）
の高温室（22）は，連結管（３）を介して連通してい
る。また，圧縮室（17），連結管（３）内部の空間，低
温室（21），高温室（22），再生器（23）及びガス通過
孔（24）は互いに連通しており，これらの室全体を総合
して作動室（27）と呼ぶ。

上記のように構成された従来の冷凍機の動作について説
明する。

可動コイル（8a），（8b）に電気接点（12a），（12
b），（13a），（13b）およびリード線（10a），（10
b），（11a），（11b）を介して交番電流を印加する
と，可動コイル（8a），（8b）には各々間隙（16a），
（16b）中の永久磁界との相互作用により軸方向にロー
レンツ力が働く。その結果ピストン（5a），（5b），ス
リーブ（7a），（7b）および可動コイル（8a），（8b）
からなる組立体はピストン（５）の軸方向で左右に移動
する。

今第１の可動コイル（8a）と第２の可動コイル（8b）の
特性を同一にし，第１の間隙（16a）および第２の間隙
（16b）内の磁界の強さを等しくした条件で，第１の可
動コイル（8a），第２の可動コイル（8b）が互いに逆方
向に同振幅で振動するような正弦波電流を印加すると，
ピストン（5a），（5b）は互いに逆方向にシリンダ（4
a），（4b）の内部を往復運動し，圧縮室（17）から低
温室（21）に至る作動室（27）のガス圧力に正弦状の波
動を与える。

この正弦状の圧力波動に伴うデイスプレーサ（20）及び
再生器（23）を通過するガスの流量変化により，再生器
（23）を含むデイスプレーサ（20）はピストン（5a），
（5b）と同じ周波数かつ異なつた位相でコールドフイン
ガ（２）内を軸方向に往復する。

ピストン（5a），（5b）及びデイスプレーサ（20）が適
当な位相差を保つて運動するとき，作動室（27）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
知の熱学的サイクルを構成し，主として低温室（21）に
冷熱を発生する。上記「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「Cryocoolers」
（G.Walker,Plenum Prese,New York,1983,PP.177〜12
3）に詳細に説明されている。以下に，その原理につい
て簡単に説明する。

ピストン（5a），（5b）により圧縮された圧縮室（17）
内のガスは連結管（３）を経て流れる間に圧縮熱が冷却
され，高温室（22），再生器（23），ガス通過孔（24）
に流れ込む。作動ガスは，再生器（23）では半サイクル
前に蓄えられた冷熱により予冷され，低温室（21）内に
入る。そして，大部分の作動ガスが低温室（21）内に入
ると膨張が始まり，低温室（21）内に冷熱を発生する。
作動ガスは，次に逆の順序で再生器（23）に冷熱を放出
しながら流路を戻り圧縮室（17）内に入る。この時，コ
ールドフインガ（２）先端部から熱を奪いその外部を冷
却する。このようにして，大部分の作動ガスが圧縮室
（17）内に戻ると再び圧縮が始まり，次のサイクルに移
動する。以上のようなプロセスにより，上記「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〕

前記のような従来装置には以下に述べるような課題があ
つた。すなわちピストン，可動コイル，スリーブからな
る組立体は支持ばねにより位置決めされているため，一
自由度のばね−質量振動系を構成することになる。第４
図は上記の振動系のモデル図である。図において,mは各
々のピストン，可動コイル，スリーブからなる組立体の
質量,kは支持ばねのばね定数，f₀は振動系の共振周波数
を示している。f₀はｍおよびｋにより， と示される。

よつて，例えば航空機や車両など外部より振動を受ける
環境に設置された場合，ピストン機軸方向にｆ＝f₀なる
成分を有する振動が従来装置に与えられた場合，ピスト
ン，可動コイル，スリープからなる組立体は共振し，第
４図に示すように，第１のピストン，第２の可動コイ
ル，第１のスリーブからなる組立体，第２のピストン，
第２の可動コイル，第２のスリーブからなる組立体およ
び圧縮室内の作動ガスが一体となり同周期，同位相で振
動する。この共振では圧縮室内の作動ガスによる振動減
衰効果が存在しないため，共振倍率が大きく，振幅の大
きな振動となる。

したがつて，外部より受ける振動が大きくなると，振動
しているピストン，可動コイル，スリーブがハウジング
あるいはヨークと衝突し，騒音および部品の欠損が生じ
るという課題があつた。

この発明はかかる課題を解決するためになされたもので
あり，共振による振動を作動ガスの抵抗力によつて減衰
させることができる冷凍機を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係わる冷凍機は，オリフイス孔を持つ隔壁を
同軸上に配置された二つのシリンダの間に設けることに
より，ピストン，可動コイル，スリーブ，ばねにより構
成されるばね−質量系の共振を，作動ガスがオリフイス
を通過する際に生じる抵抗力により減衰できるように構
成したものである。

〔作用〕

この発明においては，圧縮室が隔壁によつて二分割され
ているため，同軸方に配置されたピストン，可動コイ
ル，スリーブ組立体が外部からの振動によつて共振する
場合，作動ガスはオリフイス孔を通つて片側の圧縮室よ
り他方の圧縮室に移動する。このときに発生する抵抗力
が第２図に示す様な振動モデルの振動減衰力として作用
して共振倍率が低下するため部品の衝突が発生しないの
で，騒音および部品の欠損を防ぐことができる。

〔実施例〕

第１図は，この発明の一実施例を示す図である。図中
（１）〜（16），（18）〜（28）は従来装置と全く同じ
ものである。第１のシリンダ（4a）と第２のシリンダ
（4b）の間には隔壁（29）が設けられており、前記隔壁
（29）にはオリフイス孔（30）が設けられている。第１
のシリンダ，第１のピストン，隔壁でしきられた空間を
第１の圧縮室（31）と呼ぶ，第２のシリンダ，第２のピ
ストン，隔壁でしきられた空間を第２の圧縮室（32）と
呼ぶ。第１の圧縮室（31）と第２の圧縮室（32）はオリ
フイス孔（30）により連通している。

このような装置においては、外部よりピストン（5a），
（5b）の機軸方向に、ピストン（5a），（5b），可動コ
イル（8a），（8b），スリーブ（7a），（7b）および支
持ばね（6a），（6b）により構成される一自由度のばね
−質量振動系の共振周波数に等しい周波数成分を有する
振動が与えられた場合，第１のピストン（5a），第１の
可動コイル（8a），第１のスリーブ（7a）からなる組立
体と第２のピストン（5b），第２の可動コイル（8b），
第２のスリーブ（7b）からなる組立体が同一方向に振動
するのに伴い，作動ガスは第１の圧縮室（31）と第２の
圧縮室（32）の間を隔壁（29）に設けられたオリフイス
孔（30）を介して移動する。この時，作動ガスはオリフ
イス孔（30）により抵抗力を受け，この抵抗力が振動減
衰力として作用して共振倍率を低下させることになる。
第２図は上記の振動減衰機構の振動モデル図である。第
２図において,mは第１のピストン，第１の可動コイルお
よび第１のスリーブからなる組立体，あるいは，第２の
ピストン，第２の可動コイルおよび第２のスリーブから
なる組立体の質量,kは第１の支持ばね，あるいは，第２
の支持ばねのばね定数,cは上記の振動減衰力による減衰
係数を示している。上記の振動減衰機構を現象により具
体的に説明する。前記のオリフイス孔（30）による抵抗
力により第１の圧縮室（31）と第２の圧縮室（32）に圧
力差が発生し，この圧力差が必ずピストン（5a），（5
b），可動コイル（8a），（8b），スリーブ（7a），（7
b）の組立体の移動を抑制する方向に働くため振動を減
衰することになる。この結果，ピストン（5a），（5
b），可動コイル（8a），（8b），スリーブ（7a），（7
b）がハウジング（９）あるいはヨーク（15a），（15
b）と衝突することを防ぎ，騒音および部品の欠損をな
くすことができる。

一方，通常の動作，すなわち，作動ガスが圧縮室（3
1），（32）と高温室（22）を往復する過程において
は，ピストンが同位相，同振幅で動くため，第１の圧縮
室（31）と第２の圧縮室の圧力は全く同じとなる。した
がつて，オリフイス孔（30）の両端面に圧力差が生じな
いので作動ガスはオリフイス孔（30）より抵抗力を受け
ないため，性能が低下するということはない。

なお，上記実施例では圧縮機（１）とコールドフインガ
（２）が連結管（３）を介して互いに分離された分離型
のスターリング冷凍機の場合について説明したが，コー
ルドフインガ（２）と圧縮機（１）が機械的に強く結合
された一体型のスターリング冷凍機であつても良く，上
記実施例と全く同様の効果を奏する。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば，磁石と可動コイ
ルによりピストンを駆動する冷凍機の圧縮機内におい
て，二つのシリンダの間にオリフイス孔を備えた隔壁を
設けるという簡単な方法により，外部からの振動に起因
するピストン，可動コイル，スリーブおよび支持ばねに
よつて構成されるばね−質量系の共振を減衰させ，ピス
トン，シリンダ，スリーブがハウジングあるいはヨーク
と衝突することを防ぎ，衝突時の騒音および冷凍機構成
部器の欠損をなくすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による冷凍機を示す断面
図，第２図はこの発明による振動の減衰モデルを示す
図，第３図は従来の冷凍機を示す断面図，第４図はピス
トン，可動コイル，スリーブおよび支持ばねによつて構
成されるばね−質量系の振動モデルを示す図である。 図において，（１）…圧縮機，（２）…コールドフイン
ガ，（３）…連結管，（4a），（4b）…シリンダ，（5
a），（5b）…ピストン，（6a），（6b）…支持ばね，
（7a）（7b）…スリーブ，（8a），（8b）…可動コイ
ル，（９）…ハウジング，（14a），（14b）…永久磁
石，（15a），（15b）…ヨーク，（16a），（16b）…間
隙，（17）…圧縮室，（22）…高温室，（27）…作動
室，（29）…隔壁，（30）…オリフイス孔，（31）…第
１の圧縮室，（32）…第２の圧縮室である。 なお，図中同一符号は同一，又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに同軸上に配置された第1,第２のシリ
   ンダと、互いに対向し、磁石が作る磁束中に設けられ交
   番電流を流すことにより往復運動が可能な第1,第２の可
   動コイルと、前記第１の可動コイルに連結され、前記第
   １のシリンダの中を往復運動する第１のピストンと、前
   記第２の可動コイルに連結され、前記第２のシリンダの
   中を往復運動する第２のピストンと、前記第１のシリン
   ダ、前記第２のシリンダ、前記第１のピストン及び前記
   第２のピストンによって仕切られた圧縮室と、低温シリ
   ンダと、前記低温シリンダの内部を低温室と高温室とに
   分け、かつ前記低温シリンダ内部を摺動自在に往復する
   ディスプレーサと、前記ディスプレーサ内部に設けられ
   た再生器とを具備した冷凍機において、前記第１のシリ
   ンダと前記第２のシリンダの間に設けられ、前記圧縮室
   を第１の圧縮室と第２の圧縮室とに分け、かつ前記第１
   の圧縮室と前記第２の圧縮室を連通させるオリフィス孔
   を有する隔壁を備えたことを特徴とする冷凍機。