JPH09264624A

JPH09264624A - 圧縮機および冷凍機

Info

Publication number: JPH09264624A
Application number: JP7238696A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Fujii; 信生藤井; Yoshihiro Katagishi; 好弘片岸; Takeshi Miyazawa; 武宮澤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-03-27
Filing date: 1996-03-27
Publication date: 1997-10-07
Anticipated expiration: 2016-03-27
Also published as: JP3858301B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高効率の圧縮機を得る。【解決手段】磁石の材料として、円筒の半径方向に異
方性をもち、半径方向に強い磁力で着磁することが可能
なＮｂ−Ｆｅ−Ｂ（ネオジム−鉄−ボロン）合金を使用
することにより、磁石を中空円筒型に一体成形され、か
つ、円筒の半径方向に着磁されたものとしたため、磁石
内面からヨークの内円筒外面への永久磁界が半径方向に
均一に形成されるようにした。このため、コイルを流れ
る電流が常に垂直方向の磁界を受け、高いローレンツ力
が得られるので、高効率の圧縮機が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は赤外線撮像装置に
使用される例えばパルスチューブ冷凍機やスターリング
サイクル冷凍機等の機械式冷凍機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１３は従来の圧縮機１、および、従来
の圧縮機１を使用した従来の冷凍機３５を示す図であ
る。図において、２はコールドフィンガ、３は連結管を
示す。圧縮機１はヨーク４と、磁石５ａ，５ｂと、それ
ぞれ対向して配置された、シリンダ６ａ，６ｂ、ピスト
ン７ａ，７ｂ、コイル８ａ，８ｂ、共振ばね９ａ，９
ｂ、および、フランジ１０ａ，１０ｂを備える。ヨーク
４には外円筒１１と、外円筒１１の中心に外円筒１１と
同軸状に配置された内円筒１２と、外円筒１１と内円筒
１２の間の空間を２分するセンターヨーク１３と、内円
筒の内部空間を２分する隔壁１４が設けられている。外
円筒１１の左右の内面には磁石５ａ，５ｂが接合されて
いる。磁石５ａ，５ｂとヨーク４は磁気回路を構成し、
磁石５ａ，５ｂ内面と内円筒１２外面の間の空間に永久
磁界をつくる。シリンダ６ａ，６ｂは内円筒内面に挿入
されねじ等の手段によりヨーク４に固定される。

【０００３】ピストン７ａ，７ｂはそれぞれコイル８
ａ，８ｂに取りつけられ、共振ばね９ａ，９ｂを介して
フランジ１０ａ，１０ｂに支持される。フランジ１０
ａ，１０ｂはシリンダ６ａ，６ｂを取りつけたヨーク４
の両端面に接合され、ピストン７ａ，７ｂはそれぞれシ
リンダ６ａ，６ｂの内部を往復運動する構造となってい
る。ピストン７ａ，７ｂがそれぞれシリンダ６ａ，６ｂ
の内部を滑らかに往復運動するように、ヨーク４とフラ
ンジ１０ａ，１０ｂははめあいによって精密に軸合せさ
れている。また、外気に対して圧縮機１内部を気密に保
持するため、ヨーク４とフランジ１０ａ，１０ｂは溶接
によって接合されている。さらに、溶接前に動作確認を
行うため、フランジ１０ａ，１０ｂには、図には示して
いないが、Ｏリングを使用し、簡便に外気との気密を保
持するためのシールリング溝４３ａ，４３ｂが設けられ
ている。シリンダ６ａと、ピストン７ａと、隔壁１４で
仕切られた空間、および、シリンダ６ｂと、ピストン７
ｂと、隔壁１４で仕切られた空間をそれぞれ圧縮室１５
ａ，１５ｂと呼ぶ。

【０００４】コイル８ａ，８ｂは各々非磁性材料からな
る軽量のスリーブ１６ａ，１６ｂと、スリーブ１６ａ，
１６ｂに、ヨーク４の内円筒１２と同軸状に数十ターン
から数百ターンほど巻きつけられ、積層された導電線１
７ａ，１７ｂによって構成される。導電線１７ａ，１７
ｂは積層状態を維持するために接着剤で固定されてい
る。導電線１７ａ，１７ｂは、電気端子１８ａ，１８ｂ
に電気的に接続されており、フランジ１０ａ，１０ｂに
取りつけられた電気端子１９ａ，１９ｂを介して圧縮機
１外部から、電源２０によって電流を供給される。

【０００５】図１４はヨーク４端面方向から見た、磁石
５ａの形状とヨーク４への取りつけ状態を示す図であ
る。磁石５ａは円弧状の形状をもつ数個の磁石片の組み
合わせで構成される。図において磁石５ａは４個の磁石
片を円筒状に組合わせ、外円筒１１の内面に配置されて
いる。一般に磁石は成型時のプレス方向に磁気異方性を
もっており、例えば、円弧の半径方向に着磁することは
困難であるため、磁石片は磁石片の円弧の両端を結ぶ線
に垂直に着磁されている。図中の矢印は磁石５ａ内面と
内円筒１２外面の間の空間の永久磁界を模したものであ
る。磁石５ａは円弧の両端を結ぶ線に垂直に着磁された
磁石片の組み合わせで構成されているので、磁界は磁石
５ａを構成する各々の磁石片の端部で乱れを生じてい
る。

【０００６】図１５は共振ばね９ａ、コイル８ａ、およ
び、フランジ１０ａの接合部の詳細を示す図である。コ
イル８ａ、フランジ１０ａ、にはそれぞれ共振ばね９ａ
の巻径、ピッチ、素線径にあわせたばね溝４０ａ，４１
ａが設けられている。ばね溝４０ａ、および、ばね溝４
１ａの深さは切り込み加工を容易にするために、共振ば
ね９ａの素線半径よりも小さくなっている。共振ばね９
ａは、ばね溝４０ａ、および、ばね溝４１ａに挿入さ
れ、接着剤４２ａで固定される。

【０００７】図１６はばね溝４０ａの形状を概念的に示
す図である。図中の一点鎖線はばね溝の導入部を示して
いる。また、図中（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ異
なる方向のばね溝の断面を示す。断面（ｂ）に示される
ように、ばね溝の導入部では端面とばね溝のなす角度は
非常に小さくなり、薄肉部分が形成される。フランジ１
０ｂ、および、コイル８ｂにも、それぞれ共振ばね９ｂ
の巻径、ピッチ、素線径にあわせたばね溝４０ｂ，４１
ｂが設けられており、共振ばね９ｂは、ばね溝４０ｂ、
ばね溝４１ｂに挿入され接着剤４２ｂで固定されてい
る。

【０００８】図１７はヨーク４とフランジ１０ａの接合
部の詳細を示す図である。フランジ１０ａおよびヨーク
４にははめあいが設けられているため、接合部には半径
方向のすきまがあり、溶接部には不連続面が生じてい
る。

【０００９】一方、コールドフィンガ２は低温シリンダ
２３、軸受２４、ディスプレーサ２５、支持ばね２６、
ハウジング２７、ホルダ２８、さらばね２９で構成され
る。ディスプレーサ２５は内部に作動ガスを通過させる
ための連通孔３０および金属マトリクス等の熱交換器を
充填した再生器３１を備え、支持ばね２６を介してホル
ダ２８と弾性的に結合されている。ホルダ２８、およ
び、ディスプレーサ２５はそれぞればね溝４４，４５を
備えており、支持ばね２６とホルダ２８、および、ディ
スプレーサ２５は圧縮機１の共振ばね９ａ，９ｂとコイ
ル８ａ，８ｂ、および、フランジ１０ａ，１０ｂの接合
方法と全く同じ方法で接合されている。

【００１０】ディスプレーサ２５は軸受２４内部を往復
運動できるように配置され、ホルダ２８は部品寸法のば
らつきを吸収するため、さらばね２９を介して軸受２４
の端部に取りつけられている。軸受２４のもう一方の端
部は低温シリンダ２３にはめ合わされる。ハウジング２
７は軸受２４とホルダ２８を内包するように低温シリン
ダ２３に気密的に接合される。ディスプレーサ２５、軸
受２４、ホルダ２８で仕切られた空間を高温室３２と呼
び、また、低温シリンダ２３、ディスプレーサ２５で仕
切られた空間を低温室３３と呼ぶ。連結管３はヨーク
４、ハウジング２７に気密的に接合され、圧縮機１の圧
縮室１５ａ，１５ｂ、コールドフィンガ２の高温室３２
を連通させる。

【００１１】冷凍機３５内部の空間にはヘリウムガス等
の作動ガスが封入されている。また、クーラ内部の空間
の内、圧縮室１５ａ，１５ｂ、高温室３２、低温室３３
および連結管３内部の空間全体を特に作動室３４と呼
ぶ。電源２０の出力は、コールドフィンガ２の先端、あ
るいは、図には示していないが冷凍機３５によって冷却
される非冷却物にとりつけられた温度センサ３６の出力
によって電気出力制御器３７によって制御される。

【００１２】次に圧縮機１の動作について説明する。圧
縮機１のピストン７ａ，７ｂおよびコイル８ａ，８ｂは
各々の質量と、共振ばね９ａ，９ｂのばね性および作動
室３４の作動ガスの圧縮、膨張時のばね性によるピスト
ン振動系を構成している。電源２０より電気端子１９
ａ，１９ｂおよび電気端子１８ａ，１９ｂを介してコイ
ル８ａ，８ｂの導電線１７ａ，１７ｂに交流電流を供給
すると、前記のように導電線１７ａ，１７ｂには磁石５
が作る永久磁界との相互作用によりヨーク４の機軸方向
にローレンツ力が働き、コイル８ａ，８ｂに取りつけら
れたピストン７ａ，７ｂは機軸方向に往復運動する。

【００１３】このピストン７ａ，７ｂが互いに逆方向に
往復運動する向きに、上記の振動系の共振周波数と同じ
周波数をもつ交流電流を供給すると、振動系は交流電流
が受けるローレンツ力に共振するため、ピストン７ａ，
７ｂは交流電流と同じ周波数、かつ、９０°遅れた位相
でシリンダ６ａ，６ｂ内部を往復運動し、圧縮室１５
ａ，１５ｂの容積を変化させる。このとき、ローレンツ
力によってピストン、コイルになされる仕事は、圧縮機
の出力に等しく、その大部分が圧縮室内のガスの内部エ
ネルギに変換される。また、圧縮機の損失は、コイルの
発熱に等しい。圧縮機の出力と圧縮機の損失の和で圧縮
機の出力を除した値を圧縮機の効率と呼ぶ。

【００１４】次に冷凍機３５の動作について説明する。
電源２０より電気端子１９ａ，１９ｂおよび電気端子１
８ａ，１８ｂを介してコイル８ａ，８ｂの導電線１７
ａ，１７ｂに前記のピストン７ａ，７ｂ、コイル８ａ，
８ｂ振動系の共振周波数と同じ周波数をもつ交流電流を
供給すると、交流電流と同じ周波数、かつ、９０°遅れ
た位相でピストン７ａ，７ｂは振動し、この結果、作動
室３４のガス圧力に正弦波状の変動を与える。この正弦
波状の圧力変動によりディスプレーサ２５の再生器３１
内には周期的なガス移動が起きるため、高温室３２と低
温室３３には再生器３１の圧力損失に起因した周期的な
圧力差が生じる。

【００１５】コールドフィンガのディスプレーサ２５
は、ディスプレーサ２５の質量と支持ばね２６のばね性
によるディスプレーサ振動系を構成しており、この圧力
差が駆動力となって、ディスプレーサ２５はピストン７
ａ，７ｂと同じ周波数、かつ、異なる位相で振動し、コ
ールドフィンガ２内を機軸方向に往復運動する。ピスト
ン７ａ，７ｂとディスプレーサ２５が適当な位相差を保
って運動するとき、作動室３４内の作動ガスは「逆スタ
ーリングサイクル」として既知の熱力学サイクルを構成
し、低温室３３に冷熱を発生する。また、冷却温度を一
定に保つため、電気出力制御器３７はコールドフィンガ
２の先端に取りつけられた温度センサ３６の出力に応じ
て、温度変動が例えば０．１ケルビン以下となるように
電源２０が圧縮機１に供給する電気出力量を制御する。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従来の圧縮機は以上の
ように構成されており、磁石は、分割された磁石片の組
合せで構成され、かつ、各々の磁石片が円弧の両端を結
ぶ線に対して垂直に着磁されているので、磁石内面と内
円筒外面の間の空間に生じる永久磁界は不均一であり、
磁石の体積に対して得られるローレンツ力が小さく圧縮
機の効率を低下させていた。

【００１７】また、長時間の使用においては導電線に働
くローレンツ力により、導電線の積層状態が変形し、破
壊することがあった。

【００１８】さらに、ピストン、コイル組立体はコイル
のスリーブの端部を共振ばねによって支持されているの
で、ピストンとシリンダの接触面に共振ばねの横たわみ
に起因するサイドフォースが生じ、軸受けの寿命を短く
していた。サイドフォースを減少させるためにはピスト
ンコイル組立体の重心近くを支持することが有効である
が、ピストンコイル組立体の重心近くを支持し、ピスト
ンの気密性を確保し、かつ、簡便で低価格な実装方法が
なかった。

【００１９】また、フランジとヨークの溶接部は作動ガ
スを封入した圧縮機内部と外気の気密をとり、かつ、圧
縮機内部と外気の圧力差に耐える必要があるが、フラン
ジとヨークのはめあい部のすきまがクラック生成のきっ
かけとなりやすく、信頼性を低下させていた。さらに、
シールリング溝にＯリングを装着するためのガイドがな
いため、Ｏリングを傷つけ破損することもあった。

【００２０】さらに、フランジのばね溝、および、コイ
ルのばね溝では、ばね溝の導入部付近で端面が近接する
と、ばね溝と端面のなす角が非常に小さくなり、薄肉と
なる部分が存在する。共振ばねが引っ張りを受けると共
振ばねの力によってばね溝導入部の薄肉部分が徐々に変
形し、共振ばねのばね定数が変化していく。このことに
よって、ピストン振動系の共振周波数が変化し、圧縮機
の効率が低下することがあった。

【００２１】また、共振ばねは圧縮、引っ張りを繰り返
すため、共振ばねの巻径は常に微小な増大、減少を繰り
返している。また、圧縮室の温度は作動ガス圧縮時の発
熱により１００℃程度の高温になることがあり、接着剤
の強度が低下することがある。このため、共振ばねとフ
ランジ、および、コイルの固定を接着剤に依存している
と、長時間の使用においては接着剤が破壊することによ
り圧縮機ピストン振動系の共振周波数が変化し、効率が
低下することがあった。

【００２２】一方従来のスターリングサイクル冷凍機は
以上のように構成されており、コールドフィンガのディ
スプレーサばね溝、および、ホルダのばね溝では、溝の
導入部付近で端面が近接し、ばね溝と端面のなす角が非
常に小さくなるため、薄肉となる部分が存在する。支持
ばねが引っ張りを受けると支持ばねの力によってばね溝
導入部の薄肉部分が徐々に変形し、支持ばねのばね定数
が変化していく。支持ばねのばね定数変化は、作動ガス
の圧力変動に対するディスプレーサ振動系の応答を変化
させるので、逆スターリングサイクルの効率が低下し、
必要な冷凍を得るための消費電力が増大することがあっ
た。

【００２３】また、コールドフィンガの支持ばねは圧
縮、引っ張りを繰り返すため、支持ばねの巻径は常に微
小な増大、減少を繰り返している。支持ばねとディスプ
レーサ、および、ホルダの固定を接着に依存している
と、長時間の使用においては接着剤が破壊することによ
り、作動ガスの圧力変動に対するディスプレーサ振動系
の応答が変化するため、逆スターリングサイクルの効率
が低下し、必要な冷凍を得るための消費電力が増大する
ことがあった。

【００２４】さらに、電気出力制御器はコールドフィン
ガ先端温度、または、非冷却体の温度を一定に保つよう
に電源出力を制御するので、使用者は定常冷却に必要な
電気出力が電源の最大出力を超えるまで上記説明した効
率低下を認識することができない。すなわち、使用者が
交換用冷凍機の準備等、冷凍機が使用不能となった場合
の対策を事前に考慮していない状況で、冷凍機を使用
中、突然に冷却不可能な状態となってしまうことがあっ
た。

【００２５】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、高信頼性かつ高効率な圧縮機、およ
び、高信頼性かつ高効率な冷凍機を得ることを目的とし
ている。

【００２６】

【課題を解決するための手段】第１の発明による圧縮機
は、磁石がＮｂ−Ｆｅ−Ｂ（ネオジム−鉄−ボロン）合
金で作られた中空円筒状の磁石であり、かつ、磁石が円
筒の半径方向に着磁されたものである。

【００２７】第２の発明による圧縮機は、コイルのスリ
ーブが積層された導電線を挟み込むガイドを備えてお
り、かつ、ガイドと、導電線のすきまが樹脂で充填され
たものである。

【００２８】第３の発明による圧縮機は、ヨークの外円
筒の溶接端面にヨークの外円筒の内面に向かう１５°以
上３０°以下のテーパを設けたものである。

【００２９】第４の発明による圧縮機は、一端面に空隙
が設けられ、もう一方の端面にさらとりと、段差が設け
られた中空円筒状のピストンと、ピストンの空隙から挿
入され、外径部のばね溝に共振ばねを取りつけたアダプ
タが、さらねじによって締結されており、かつ、ピスト
ンの端面に設けられた段差とさらねじのすきまが、樹脂
で充填されたものである。

【００３０】第５の発明による圧縮機は、共振ばねを保
持する部材のばね溝導入部に、共振ばね素線半径より大
きい大きさのめんとりを設けたものである。

【００３１】第６の発明による圧縮機は、共振ばねの外
面にカバーを取りつけてカバーと共振ばねを保持する部
材の間のすきまを樹脂で充填したものである。

【００３２】第７の発明による圧縮機は、共振ばねを保
持する部材のばね溝の山部直径を共振ばね平均巻径より
も大きくし、かつ、共振ばね終端部の共振ばねと共振ば
ねを保持する部材の接触部を溶接により固定したもので
ある。

【００３３】第８の発明による冷凍機は、支持ばねを保
持する部材のばね溝導入部に、支持ばね素線半径より大
きい大きさのめんとりを設けたものである。

【００３４】第９の発明による冷凍機は、支持ばねの外
面にカバーを取りつけてカバーと支持ばねを保持する部
材の間のすきまを樹脂で充填したものである。

【００３５】第１０の発明による冷凍機は、支持ばねを
保持する部材のばね溝の山部直径を支持ばね平均巻径よ
りも大きくし、かつ、支持ばね終端部の支持ばねと支持
ばねを保持する部材の接触部を溶接により固定したもの
である。

【００３６】第１１の発明による冷凍機は、電気出力制
御器が、電源の出力と最大出力を検知し、電源の出力が
最大出力の８０％〜９５％の任意の値となったときに、
冷凍機の効率が低下していることを、例えば発光ダイオ
ードを点灯させる等の手段により、使用者に警告する機
能を備えている。

【００３７】

【発明の実施の形態】図１はこの発明による圧縮機５
１、および、圧縮機５１を使用した冷凍機５３の全体を
示す概略図である。図において、３，６，９，１２〜１
５，１７〜２１，２３，２４，２６，２７，２９〜３４
は従来装置と全く同じものである。圧縮機１はヨーク５
４と、それぞれ対向して配置された、磁石５５ａ，５５
ｂ、シリンダ６ａ，６ｂ、アダプタ５６ａ，５６ｂ、ピ
ストン５７ａ，５７ｂ、コイル５８ａ，５８ｂ、共振ば
ね９ａ，９ｂ、および、さらねじ５９ａ，５９ｂ、フラ
ンジ６０ａ，６０ｂを備える。ヨーク５４は外円筒６１
を備える。磁石５５ａ，５５ｂとヨーク５４は磁気回路
を構成し、磁石５５ａ，５５ｂ内面と内円筒１２外面の
間の空間に永久磁界をつくる。共振ばね９ａ，９ｂの一
端はフランジ６０ａ，６０ｂに、もう一端はアダプタ５
６ａ，５６ｂに取りつけられる。ピストン５７ａ，５７
ｂは中空円筒になっており、さらねじ５９ａ，５９ｂに
よって、先端部の内面側から挿入されたアダプタ５６
ａ，５６ｂと締結されている。

【００３８】フランジ６０ａ，６０ｂはシリンダ６ａ，
６ｂを取りつけたヨーク５４の両端面に接合され、ピス
トン５７ａ，５７ｂがそれぞれシリンダ６ａ，６ｂの内
部を往復運動する構造となっている。コイル５８ａ，５
８ｂは各々非磁性材料からなる軽量のスリーブ６２ａ，
６２ｂと、スリーブ６２ａ，６２ｂに巻きつけられ、接
着剤で固定された導電線１７ａ，１７ｂによって構成さ
れる。シリンダ６ａと、ピストン５７ａと、さらねじ５
９ａと、隔壁１４で仕切られた空間、および、シリンダ
６ｂと、ピストン５７ｂと、さらねじ５９ｂと、隔壁１
４で仕切られた空間をそれぞれ圧縮室６３ａ，６３ｂと
呼ぶ。

【００３９】一方、５２はコールドフィンガを示す。コ
ールドフィンガ５２は、ディスプレーサ６４、ホルダ６
５を備える。ディスプレーサ６４はディスプレーサ２５
と同様、内部に作動ガスを通過させるための連通孔６６
および金属マトリクス等の熱交換器を充填した再生器６
７を備え、支持ばね２６を介してホルダ６５と弾性的に
結合されている。ディスプレーサ６４、軸受２４、ホル
ダ６５で仕切られた空間を高温室６８と呼び、また、低
温シリンダ２３、ディスプレーサ６４で仕切られた空間
を低温室６９と呼ぶ。連結管３はヨーク５４、ハウジン
グ２７に気密的に接合され、圧縮機５１の圧縮室６３
ａ，６３ｂ、コールドフィンガ５２の高温室６８を連通
させる。冷凍機５３内部の空間にはヘリウムガス等の作
動ガスが封入されている。また、クーラ内部の空間の
内、圧縮室６３ａ，６３ｂ、高温室６８、低温室６９お
よび連結管３内部の空間全体を特に作動室７０と呼ぶ。
電源２０の出力は、コールドフィンガ２の先端、あるい
は、図には示していないが冷凍機３５によって冷却され
る非冷却物にとりつけられた温度センサ３６の出力に応
じて、冷却温度が一定の温度となるよう電気出力制御器
３７によって制御される。また、電源２０には電気出力
比較器９７が接続されている。

【００４０】実施の形態１．図２はこの発明の実施の形
態１を示す詳細図であり、ヨーク５４端面方向から見た
磁石５５ａの実装状態を示した図である。磁石５５ａは
中空円筒型の一体成形磁石であり、磁材として、円筒の
半径方向に異方性をもち、半径方向に強い磁力で着磁す
ることが可能なＮｄ−Ｆｅ−Ｂ（ネオジム−鉄−ボロ
ン）合金が使用されている。磁石５５ａは半径方向に着
磁されている。図中の矢印は磁石５５ａ内面とヨーク５
４の内円筒１２の外面の間の空間の永久磁界を模したも
のであり、磁石５５ａが半径方向に着磁されていること
により、均一に永久磁界が生成されていることを示して
いる。図には示していないが、既に説明したように、コ
イル５８ａの導電線１７ａはヨーク５４の内円筒１２と
同軸状に巻きつけられているから、コイル５８ａの導電
線１７ａ内部に流れる電流はコイル５８ａのどの位置に
おいても永久磁界に垂直に流れるので、効率的にローレ
ンツ力が発生する。

【００４１】実施の形態２．図３はこの発明の実施の形
態２を示す詳細図であり、コイル５８ａと導電線１７ａ
の実装状態を示す図である。コイル５８ａは非磁性材料
で作られ、先端および中間部に、つば状のガイド７２ａ
および、ガイド７３ａを備えたスリーブ６２ａと、スリ
ーブ６２ａのガイド７２ａと７３ａに挟まれた空間内
に、ヨーク５４の内円筒１２と同軸状に巻数十〜数百回
巻きつけられた導電線１７ａで構成される。巻きつけら
れた導電線１７ａの巻線と巻線の間、および、巻線とガ
イド７２ａ、ガイド７３ａのすきまは、例えばエポキシ
樹脂等の樹脂７１で充填されている。したがって、スリ
ーブ６２と、導電線１７ａは一体構造化され、大きなロ
ーレンツ力が付与されても導電線１７ａの間の樹脂７１
が破壊することはない。

【００４２】実施の形態３．図４はこの発明の実施の形
態３を示す詳細図であり、ヨーク５４とフランジ６０ａ
の溶接部を示した図である。ヨーク５４の外円筒６１の
両端面には、外円筒６１の内面に向かって、テーパ８０
ａが設けられている。したがって、ヨーク５４とフラン
ジ６０ａの溶接は単純な突き合わせ溶接となり溶接部に
クラックのきっかけとなるような不連続面は発生しな
い。また、溶接深さヨーク５４とフランジ６０ａの部品
寸法で定められるためばらつきが少なくなっている。さ
らに、フランジ６０ａのシールリング溝４３ａに、図に
は示していないが、Ｏリングを装着する場合には、テー
パ８０ａが１５°以上、３０°以下の角度であるため、
Ｏリング装着のためのガイドとして作用し、Ｏリングを
傷つけることがない。

【００４３】実施の形態４．図５はこの発明の実施の形
態４を示す詳細図であり、ピストンと共振ばねの接合部
を示す図である。ピストン５７ａはその一端面に空隙７
９ａが設けられた中空円筒状であり、空隙７９ａが設け
られた端面にはコイル５８ａが取りつけられている。も
う一方の端面の外表面の中心には、貫通穴７４ａと、さ
らとり７５ａと、樹脂９３を充填するための段差７６ａ
を備えている。アダプタ５６ａは中心部にねじ穴７７ａ
を、外径部にばね溝７８ａを備える。ばね溝７８ａには
共振ばね９ａの一端が取りつけられている。アダプタ５
６ａはピストン５７ａの空隙７９ａに挿入され、さらね
じ５９ａによって締結される。さらに、ピストン５７ａ
に設けられた段差７６ａとさらねじ５９ａのすきまは樹
脂９３で充填されている。

【００４４】以上のように構成された圧縮機では、ピス
トン５７ａ、コイル５８ａの組立体の重心付近を共振ば
ね９ａで取りつけ位置とすることができるため、ピスト
ン５７ａとシリンダ６ａの接触面に作用するサイドフォ
ースを低減できる。また、ピストン５７ａとさらねじ５
９ａのすきまは例えばエポキシ樹脂等の樹脂９３で充填
されているので圧縮室６３ａ内の作動ガスが作動室７０
以外の空間に漏れて、圧縮機５１の効率を低下させるこ
ともない。

【００４５】実施の形態５．図６はこの発明の実施の形
態５を示す詳細図であり、ばね溝７８ａの形状を概念的
に示した図である。図中の一点鎖線はばね溝導入部を示
す。また、図中（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ異な
る方向のばね溝の断面を示す。上記既に述べたように、
アダプタ５６ａは外径部にばね溝７８ａを備える。ばね
溝７８ａの端面には、共振ばね９ａの素線半径より大き
な大きさをもつめんとり８２が設けられている。めんと
り８２を設けたことにより、ばね溝７８ａ導入部はめん
とり８２と接することとなるが、ばね溝７８ａとめんと
り８２のなす角は４５°以下とはならないので、ばね溝
７８ａ導入部に薄肉部分が形成されることがなくなっ
た。

【００４６】実施の形態６．図７はこの発明の実施の形
態６を示す詳細図であり、フランジ６０ａと共振ばね９
ａの取りつけ部を示した図である。図において８４ａは
カバーである。フランジ６０ａはばね溝８３ａを備え
る。ばね溝８３ａには共振ばね９ａが取りつけられてい
る。カバー８４ａは共振ばね９ａの外周に取りつけられ
ている。カバー８４ａ、フランジ６０ａ、共振ばね９ａ
のすきまは例えばエポキシ樹脂等の樹脂８５で充填され
ている。圧縮機５１が作動して、共振ばね９ａが引張り
を受ける場合の巻径縮小はばね溝８３が抑制し、圧縮を
受ける場合の巻径拡大はカバー８４によって抑制され
る。したがって、長時間の運転においても共振ばね９ａ
を固定している樹脂８５が破壊されることはない。

【００４７】実施の形態７．図８はこの発明の実施の形
態７を示す詳細図であり、アダプタ５６ｂと共振ばね９
ｂの取りつけ部を示した図である。アダプタ５６ｂは外
径部にばね溝８６ｂを備える。ばね溝８６ｂの山部外形
は共振ばね９ｂの平均径よりも大きくなっている。共振
ばね９ｂの一端はばね溝８６ｂに取りつけられており、
共振ばね９ｂは終端部にばね溝８６ｂの接触部をレーザ
溶接等の手段でスポット的に溶接してある溶接部９４ａ
を備える。圧縮機５１が作動した場合に、共振ばね９ａ
がうける引張力、圧縮力は、ばね溝８６ｂの側壁で支え
られる。共振ばね９ｂの回転は溶接部９４で止められて
いる。したがって、長時間の運転においても共振ばね９
ｂの固定状態は変化することがない。

【００４８】実施の形態８．図９はこの発明の実施の形
態８を示す詳細図であり、ディスプレーサ６４と支持ば
ね２６の取りつけ部を示す図である。ディスプレーサ６
４はばね溝８７を備える。ばね溝８７の導入部には、支
持ばね２６の素線半径より大きな大きさをもつめんとり
８８が設けられている。めんとり８８を設けたことによ
り、ばね溝８７導入部はめんとり８８と接することとな
るが、ばね溝８７とめんとり８８のなす角は４５°以下
とはならないので、ばね溝８８の導入部に薄肉部分が形
成されることがなくなった。

【００４９】実施の形態９．図１０はこの発明の実施の
形態９を示す詳細図であり、ホルダ６５と支持ばね２６
の取りつけ部を示す図である。図において８９はカバー
である。ホルダ６５は、ばね溝９０を備える。ばね溝９
０には支持ばね２６が取りつけられている。カバー８９
は支持ばね２６の外周に取りつけられている。カバー８
９、ホルダ６５、支持ばね２６のすきまは例えばエポキ
シ樹脂等の樹脂９１で充填されている。冷凍機５３が作
動して、支持ばね２６が引張りを受ける場合の巻径縮小
はばね溝９０が抑制し、圧縮を受ける場合の巻径拡大は
カバー８９によって抑制される。したがって、長時間の
運転においても支持ばね２６を固定している樹脂９１が
破壊されることはない。

【００５０】実施の形態１０．図１１はこの発明の実施
の形態１０を示す詳細図であり、ディスプレーサ９５と
支持ばね２６の取りつけ部を示す図である。ディスプレ
ーサ９５は外径部にばね溝９２を備える。ばね溝９２の
山部外形は支持ばね２６の平均径よりも大きくなってい
る。支持ばね２６の一端はばね溝９２に取りつけられて
おり、支持ばね２６は終端部にばね溝９２との接触部を
レーザ溶接等の手段でスポット的に溶接してある溶接部
９６を備える。冷凍機５３が作動して、支持ばね２６が
うける引張力、圧縮力はばね溝９２の側壁で支えられ
る。支持ばね２６の回転は溶接部９６で止められてい
る。したがって、長時間の運転においても共振ばね９ｂ
の固定状態は変化することがない。

【００５１】実施の形態１１．図１２はこの発明の実施
の形態１１を示すブロック図であり、９７は電気出力比
較器である。電気出力比較器９７は、電気出力制御器に
よって制御された電源２０の出力と、電源２０の最大出
力を比較し、電気出力制御器によって制御された出力が
最大出力の８０％〜９５％の任意の値となったとき、発
光ダイオードを点灯させる等の手段で警告を表示する装
置である。電気出力比較器９７の警告により、冷凍機の
効率が低下し、交換時期が近くなったことを使用者が判
定できるようになった。

【００５２】

【発明の効果】第１の発明の圧縮機によれば、Ｎｄ−Ｆ
ｅ−Ｂ（ネオジム−鉄−ボロン）合金を磁石材料とする
ことにより磁石を一体成形した中空円筒型とし、かつ、
半径方向に着磁を行っているため、磁石内面からヨーク
の内円筒外面への永久磁界が半径方向に均一に形成さ
れ、高いローレンツ力が得られるので、高効率の圧縮機
が得られる。

【００５３】第２の発明の圧縮機によれば、コイルのス
リーブの導電線を巻きつけ、積層する部分にガイドを設
け、かつ、ガイドの導電線の隙間を樹脂で充填したた
め、導電線を固定する樹脂が破壊することがなく、長時
間の使用によってもコイルが破損することがない。

【００５４】第３の発明の圧縮機によれば、溶接面にテ
ーパを設けたことにより、溶接継手形状を単純な突き合
わせ溶接継手としたので、耐久強度や溶接ひずみ量が安
定し、信頼性が向上する。また、前記テーパの角度を１
５°以上、３０°以下としたので性能確認時のシールリ
ングの挿入が容易となり、また、シールリングが破損す
ることがなくなった。

【００５５】第４の発明の圧縮機によれば、ピストンを
中空円筒形状にし、端面にさらねじ穴を設け、段差をつ
け、ねじと段差のすきまを樹脂で充填するという簡便な
方法によって、作動室と圧縮機内の他の空間の気密を保
持しつつ、ピストンを重心付近で保持することが可能と
なり、ピストンとシリンダの接触面に作用するサイドフ
ォースを低減できる。

【００５６】第５の発明の圧縮機によれば、共振ばねを
保持する部材のばね溝の導入部に共振ばね素線半径より
も大きい大きさのめんとりを設けたので、ばね導入部に
薄肉となる部分が形成されることがなく、ばね定数が変
化することに起因した圧縮機の効率低下がなくなった。

【００５７】第６の発明の圧縮機によれば、カバーをば
ね外径にはめ込む構造としたので、圧縮時のばね径増
大、および、引張り時のばね径縮小はそれぞれホルダ、
カバーで抑制される。したがって、ばね、ホルダ、カバ
ーを樹脂で固定しても樹脂の破壊によって固定位置がず
れることがなく、ばね定数が変化することに起因した圧
縮機の効率低下がない。

【００５８】第７の発明の圧縮機によれば、ホルダの溝
深さをばね半径よりも大きくし、かつ、ばねとホルダの
終端部を溶接したことにより、圧縮、引っ張りによる軸
方向の力はホルダの溝の側壁で支えられる。また、ばね
の回転力は溶接部により押さえられるので、長時間の運
転によってもばねの固定状態が変化することがなく、ば
ね定数が変化することに起因した圧縮機の効率低下がな
い。

【００５９】第８の発明の冷凍機では、ディスプレーサ
とホルダを弾性的に接合するばねの組立体において、ね
じ導入部に共振ばね素線半径よりも大きい大きさのめん
とりを設けたので、ばね導入部に薄肉となる部分が形成
されないので、ばね定数が変化することに起因した冷却
時の消費電力増大がない。

【００６０】第９の発明の冷凍機によれば、ディスプレ
ーサとホルダを弾性的に接合するばねの接合部におい
て、カバーをばね外径にはめ込む構造としたので、圧縮
時のばね径増大、および、引張り時のばね径縮小はそれ
ぞれホルダ、カバーで抑制される。したがって、ばね、
ホルダ、カバーを樹脂で固定しても充填剤の破壊によっ
て固定位置がずれることがなく、ばね定数が変化するこ
とに起因した冷却時の消費電力増大がない。

【００６１】第１０の発明の冷凍機によれば、ディスプ
レーサとホルダを弾性的に接合するばねの組立体におい
て、ホルダの溝を深くし、ばねの圧縮、引っ張りに寄っ
て発生するばね変位をホルダの溝の側壁で支えるように
し、ばね回転力を溶接で押さえているので、長時間の運
転によってもばねの固定状態が変化することがなく、ば
ね定数が変化することに起因した冷却時の消費電力増大
がない。

【００６２】第１１の発明の冷凍機によれば、電気出力
制御器が定常冷却時の所要電気入力が最大電気入力の８
０％〜９５％の任意の値となったときに使用者に交換時
期が近いことを警告するので、使用者が事前に冷凍機の
交換等、冷凍機が使用不能となった場合の対策を事前に
準備できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態の全体を概略的に示す断
面図である。

【図２】この発明の実施の形態１を示す詳細図である。

【図３】この発明の実施の形態２を示す詳細図である。

【図４】この発明の実施の形態３を示す詳細図である。

【図５】この発明の実施の形態４を示す詳細図である。

【図６】この発明の実施の形態５を示す詳細図である。

【図７】この発明の実施の形態６を示す詳細図である。

【図８】この発明の実施の形態７を示す詳細図である。

【図９】この発明の実施の形態８を示す詳細図である。

【図１０】この発明の実施の形態９を示す詳細図であ
る。

【図１１】この発明の実施の形態１０を示す詳細図であ
る。

【図１２】この発明の実施の形態１１を示すブロック図
である。

【図１３】従来の圧縮機およびスターリングサイクルク
ーラを示す図である。

【図１４】従来の圧縮機の磁石の取りつけ状態を示す図
である。

【図１５】従来の圧縮機の共振ばねの取りつけ方法の詳
細を示す図である。

【図１６】従来の圧縮機のばね溝の形状を概念的に示す
図である。

【図１７】従来の圧縮機のヨークとフランジの接合状態
を示す図である。

【符号の説明】

１圧縮機２コールドフィンガ３連結管４ヨーク５磁石６ａ，６ｂシリンダ７ａ，７ｂピストン８ａ，８ｂコイル９ａ，９ｂ共振ばね１０ａ，１０ｂフランジ１１外円筒１２内円筒１３センタヨーク１４隔壁１５ａ，１５ｂ圧縮室１６ａ，１６ｂスリーブ１７ａ，１７ｂ導電線１８ａ，１８ｂリード線１９ａ，１９ｂ電気端子２０電源２３低温シリンダ２４軸受２５ディスプレーサ２６支持ばね２７ハウジング２８ホルダ２９さらばね３０連通孔３１再生器３２高温室３３低温室３４作動室３５冷凍機３６温度センサ３７電気出力制御器４０ａ，４０ｂばね溝４１ａ，４１ｂばね溝４２ａ，４２ｂ接着剤４３ａ，４３ｂシールリング溝４４ばね溝４５ばね溝５１圧縮機５２コールドフィンガ５３冷凍機５４ヨーク５５ａ，５５ｂ磁石５６ａ，５６ｂアダプタ５７ａ，５７ｂピストン５８ａ，５８ｂコイル５９ａ，５９ｂさらねじ６０ａ，６０ｂフランジ６１外円筒６２ａ，６２ｂスリーブ６３ａ，６３ｂ圧縮室６４ディスプレーサ６５ホルダ６６連通孔６７再生器６８高温室６９低温室７０作動室７１ａ，７１ｂ樹脂７２ａ，７２ｂガイド７３ａ，７３ｂガイド７４ａ，７４ｂ貫通穴７５ａ，７５ｂさらとり７６ａ，７６ｂ段差７７ａ，７７ｂねじ穴７８ａ，７８ｂばね溝７９ａ，７９ｂ空隙８０ａ，８０ｂテーパ８２ａ，８２ｂめんとり８３ａ，８３ｂばね溝８４ａ，８４ｂカバー８５ａ，８５ｂ樹脂８６ａ，８６ｂばね溝８７ばね溝８８めんとり８９カバー９０ばね溝９１樹脂９２ばね溝９３樹脂９４溶接部９５ディスプレーサ９６溶接部９７電気出力比較器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外円筒と、前記外円筒に同軸状に配置さ
れた内円筒、および、前記外円筒と前記内円筒を保持す
るセンタヨークから構成されるヨークと、前記内円筒内
面に設けられたシリンダと、前記外円筒内面に設けられ
た磁石と、前記磁石がつくる磁界内に設けられ交流電流
を流すことにより往復運動が可能なコイルと、前記コイ
ルに接合され前記シリンダ内を往復運動可能なピストン
と、ばね、および、前記ばねにより、前記ピストンと弾
性的に結合されたフランジで構成された圧縮機におい
て、前記磁石がネオジム−鉄−ボロン合金で一体成形さ
れた中空円筒であり、かつ、円筒の半径方向に着磁され
たことを特徴とする圧縮機。
【請求項２】外円筒と、外円筒に同軸状に配置された
内円筒、および、前記外円筒と前記内円筒を保持するセ
ンタヨークから構成されるヨークと、前記内円筒内面に
設けられたシリンダと、前記外円筒内面に設けられた磁
石と、前記シリンダ内を往復運動可能なピストンと、前
記ピストンに接合されたスリーブ、および、前記磁石が
作る磁界内に設けられ、前記スリーブ側面に前記内円筒
と同軸状に巻きつけられ、積層された導電線で構成され
たコイルと、ばね、および、前記ばねにより、前記ピス
トンと弾性的に結合されたフランジで構成された圧縮機
において、前記スリーブの端面および中央部に前記導電
線を挟み込むように設けられたガイドを備え、前記スリ
ーブと前記導電線と前記ガイドの間の隙間が樹脂で充填
されたことを特徴とする圧縮機。
【請求項３】外円筒と、外円筒に同軸状に配置された
内円筒、および、前記外円筒と前記内円筒を保持するセ
ンタヨークから構成されるヨークと、前記内円筒内面に
設けられたシリンダと、前記外円筒内面に設けられた磁
石と、前記磁石がつくる磁界内に設けられ交流電流を流
すことにより往復運動が可能なコイルと、前記コイルに
接合され前記シリンダ内を往復運動可能なピストンと、
ばね、および、前記ばねにより、前記ピストンと弾性的
に結合され、ヨークの両端面に溶接で接合されたフラン
ジで構成された圧縮機において、前記外円筒端面に前記
外円筒内面に向かう１５°以上、３０°以下のテーパを
備えたことを特徴とする圧縮機。
【請求項４】外円筒と、外円筒に同軸状に配置された
内円筒、および、前記外円筒と前記内円筒を保持するセ
ンタヨークから構成されるヨークと、前記内円筒内面に
設けられたシリンダと、前記外円筒内面に設けられた磁
石と、前記磁石がつくる磁界内に設けられ交流電流を流
すことにより往復運動が可能なコイルと、前記コイルに
接合され前記シリンダ内を往復運動可能なピストンと、
ばねと、前記ばねを介して前記ピストンと弾性的に結合
されたフランジで構成された圧縮機において、前記ピス
トンの一端に設けられた空隙と、前記ばねを取りつける
ばね溝が設けられ、前記ピストンの前記空隙に挿入され
るアダプタと、前記ピストンのもう一方の端面に設けら
れたさらとり、および、段差と、前記さらとりに挿入さ
れ、前記ピストンと前記アダプタを締結するねじを備
え、前記ピストンの前記段差と前記さらねじのすきまが
樹脂で充填されていることを特徴とする圧縮機。
【請求項５】前記ばね溝の導入部に、前記ばねの素線
半径よりも大きい大きさのめんとりを備えたことを特徴
とする請求項４記載の圧縮機。
【請求項６】前記ばねの外面に取りつけられたカバー
を備え、前記カバーと前記ばねを保持する部材の間のす
きまが樹脂で充填されたことを特徴とする請求項５記載
の圧縮機。
【請求項７】前記ばねを保持する部材に、前記ばねの
平均巻径よりも大きい直径の溝の山部をもつばね溝を備
え、かつ、前記ばねと前記ばね溝の接触部を溶接により
固定したことを特徴とする請求項５記載の圧縮機。
【請求項８】外円筒と、外円筒に同軸状に配置された
内円筒、および、前記外円筒と前記内円筒を保持するセ
ンタヨークから構成されるヨークと、前記内円筒内面に
設けられたシリンダと、前記外円筒内面に設けられた磁
石と、前記磁石がつくる磁界内に設けられ交流電流を流
すことにより往復運動が可能なコイルと、前記コイルに
接合され前記シリンダ内を往復運動可能なピストンと、
ばね、および、前記ばねにより前記ピストンと弾性的に
結合されたフランジで構成された圧縮機と、低温シリン
ダと、軸受と、支持ばねと、ディスプレーサと、前記デ
ィスプレーサに備えられた再生器と、前記支持ばねを介
して前記ディスプレーサと弾性的に結合されたホルダ、
および、ハウジングで構成されたコールドフィンガ、お
よび、連結管を備えた冷凍機において、前記ディスプレ
ーサ外周および前記ホルダ外周に備えられた、前記支持
ばねを取りつけるばね溝と、前記ばね溝の導入部に設け
られた、前記支持ばねの素線半径よりも大きい大きさの
めんとりを備えたことを特徴とする冷凍機。
【請求項９】前記支持ばねの外面に取りつけられたカ
バーを備え、前記カバーと前記支持ばねを保持する部材
の間のすきまが樹脂で充填されたことを特徴とする請求
項８記載の冷凍機。
【請求項１０】前記ばねを保持する部材に、前記支持
ばねの平均巻径よりも大きい直径の溝の山部をもつばね
溝を備え、かつ、前記支持ばねと前記ばね溝の接触部を
溶接により固定したことを特徴とする請求項８記載の冷
凍機。
【請求項１１】外円筒と、外円筒に同軸状に配置され
た内円筒、および、前記外円筒と前記内円筒を保持する
センタヨークから構成されるヨークと、前記内円筒内面
に設けられたシリンダと、前記外円筒内面に設けられた
磁石と、前記磁石がつくる磁界内に設けられ交流電流を
流すことにより往復運動が可能なコイルと、前記コイル
に接合され前記シリンダ内を往復運動可能なピストン
と、ばね、および、前記ばねにより前記ピストンと弾性
的に結合されたフランジで構成された圧縮機と、低温シ
リンダと、軸受と、支持ばねと、ディスプレーサと、前
記ディスプレーサに備えられた再生器と、前記支持ばね
を介して前記ディスプレーサと弾性的に結合されたホル
ダ、および、ハウジングで構成されたコールドフィンガ
と、連結管と、電源と、前記コールドフィンガ先端、ま
たは、冷凍機によって冷却される被冷却体に取りつけら
れた温度センサ、および、前記温度センサの出力に応じ
て冷却温度を一定に保つよう前記電源の出力を制御する
電気出力制御器を備えた冷凍機において、前記電源に接
続され、前記電源の電気出力制御器による出力と前記電
源の最大出力を比較し、前記電源の出力が前記電源の最
大電気出力に対し８０〜９５％の任意の値となったとき
に使用者に対して警告を発する電気出力比較器を備えた
ことを特徴とする冷凍機。