JPH11148736A - 電磁駆動式往復動機構 - Google Patents

電磁駆動式往復動機構

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JPH11148736A
JPH11148736A JP31530897A JP31530897A JPH11148736A JP H11148736 A JPH11148736 A JP H11148736A JP 31530897 A JP31530897 A JP 31530897A JP 31530897 A JP31530897 A JP 31530897A JP H11148736 A JPH11148736 A JP H11148736A
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compressor
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Keiji Oshima
恵司 大嶋
Futoshi Fujinami
太 藤並
Toshiharu Watabe
渡部  俊春
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    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/001Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor

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  • Electromagnetic Pumps, Or The Like (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】赤外線検出素子を冷却するスターリング冷凍機
などを対象とした電磁駆動式往復動機構において、装置
の大型化,重量の増加を招くことなく電磁アクチュエー
タの漏れ磁束を低減して周囲への磁気擾乱の影響を防
ぐ。 【解決手段】ピストン1bの駆動部として圧縮機1のハ
ウジング1a内に往復動式の電磁アクチュエータ4を組
み込み、かつピストンロッド1cをハウジング内に組み
込んだサスペンションばね5を介して軸方向へ可動に支
持したスターリング冷凍機において、電磁アクチュエー
タの漏れ磁束に対する磁気遮へい手段としてヨーク4b
と4cの間の隙間(磁路開口部)近傍に位置する前記サ
スペンションばね,およびサスペンションばねの支持胴
6を高透磁率材料(サスペンションばねの材質を析出硬
化型ステンレス鋼,支持胴を電磁軟鉄,低炭素鋼,珪素
鋼)で構成し、漏れ磁束に対する磁気シールドとして機
能させる。

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、例えば赤外線検
出素子を極低温に冷却するクライオクーラに適用するス
ターリング冷凍機を対象に、その圧縮機,膨張機に内蔵
した往復動式のピストン,およびディスプレーサを駆動
する電磁駆動式往復動機構に関する。
【0002】
【従来の技術】まず、頭記したスターリング冷凍機の構
成を図3(a),(b) に示す。図において、1はハウジング
1aのシリンダ部に往復動式のピストン1bを内蔵した
圧縮機、2はハウジング2aのシリンダ部に蓄冷器2b
を備えた往復動式のディスプレーサ2cを内蔵した膨張
機(クーリングフィンガ)、3は圧縮機1の圧縮空間と
膨張機2との間に配管した冷媒(ヘリウムガス)の接続
管である。また、圧縮機1のピストン1a,および膨張
機2のディスプレーサ2bはハウジング1b,2bの内
部に組み込んだリニアモータ式の電磁アクチュエータ4
により軸方向に往復駆動するようにしている。
【0003】ここで、電磁アクチュエータ4は永久磁石
4aと該永久磁石4aの磁極端面に結合して閉磁路を形
成するヨーク4b,4cからなる固定子と、前記ヨーク
4bと4cの間の隙間(磁路開口部)に側方から出入す
るソレノイドコイル4dを備えた可動子とからなる一種
のリニアモータであり、、固定子は圧縮機1,膨張機2
のハウジング1a,2aの内部に、また可動子は圧縮機
1のピストン1bに連結したピストンロッド1c,およ
び膨張機2のディスプレーサ2cに連結したピストンロ
ッド2dにそれぞれ固定されている。
【0004】また、前記のピストンロッド1c,2dは
電磁アクチュエータ4の両側2箇所に配したサスペンシ
ョンばね5を介して軸方向へ変位可能に案内支持されて
いる。このサスペンションばね5は、図3(b) に示すよ
うに、高弾性の薄金属板(例えばベリリウム銅合金)で
作られたリング状の板ばねを基体としてその板面に複数
の渦状スリット5aを形成し、スリット5aの間に板面
と垂直方向へ撓み自在なアーム部5bを形成した構造に
なり、平行に並ぶ複数枚の板ばねの内外周にスペーサを
挟んで一体に組立てた上で、その内周端部が圧縮機1の
ピストンロッド1c,膨張機2のディスプレーサロッド
2dに、また外周端部は電磁アクチュエータ4の可動子
の外周側に配した支持胴6の端面に結合され、該支持胴
6の基部が電磁アクチュエータ4のヨーク端面に固定支
持されている。
【0005】なお、1dはピストン1bの位置検出器、
2eはディスプレーサ2bの位置検出器、2fは膨張機
2に付設したアクティブバランサである。また、前記し
た圧縮機1,膨張機2のハウジング1a,2a、サスペ
ンションばね5の支持胴6などは軽量化を図るためにア
ルミ合金材で作られている。かかる構成になるスターリ
ング冷凍機の動作原理は周知であり、前記した電磁アク
チュエータ4のソレノイドコイル4dを交流電源(図示
せず)から所定の周波数で励磁すると、ソレノイドコイ
ル4dに流れる励磁電流と固定子のヨーク4b/4c間
の空隙磁界との相互作用による電磁力、およびサスペン
ションばね5のスプリング作用により共振してピストン
1b,ディスプレーサ2cがシリンダ内で往復運動し、
シリンダ内の作動空間に封入した作動ガス(ヘリウムガ
ス)を圧縮,膨張させる。これにより、膨張機2のシリ
ンダ端面2gにはケルビン温度70K程度の冷熱が発生
し、この冷熱発生部位に設置した被冷却体である赤外線
検出素子(光電型素子:InSb,HgCdTeなど)
を極低温に冷却し、高いS/N比で微小な熱放射信号を
検出するようにしている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記した赤
外線検出素子のクライオクーラに適用するスターリング
冷凍機において、電磁アクチュエータ4の固定子を構成
するヨーク4bと4cの間には可動子のソレノイドコイ
ル4dが出入する隙間(磁路開口部)があり、このため
にこの磁路開口部から周域に漏れ磁束が発生し、これが
原因で次に記すような磁気擾乱を引き起こす。すなわ
ち、電磁アクチュエータ4の漏れ磁束は膨張機2のシリ
ンダ先端に設置した赤外線検出素子で検出した微小な信
号に対してノイズとして作用するほか、圧縮機1,膨張
機2の周辺に配線した信号線(電磁アクチュエータ駆動
用の制御回路,ピストン,ディスプレーサの位置検出用
回路なども含む)を流れる電気信号に対してもノイズと
して作用する。このために電磁アクチュエータ4の漏れ
磁束をそのまま放置すると、その磁気擾乱により赤外線
センサの測定精度を低下させるのみならず、クライオク
ーラとしての冷凍機の運転制御にも支障を来すおそれが
ある。
【0007】そこで、電磁アクチュエータの漏れ磁束に
起因する磁気擾乱の防止対策として、圧縮機,膨張機の
ハウジングを例えばパーマロイなどの高透磁率材料で包
囲して磁気遮へいする方法、あるいはハウジング自身を
軟鉄などの高透磁率の磁性材で構成するなどの方法が考
えられるが、いずれの方法でも往復動機構(スターリン
グ冷凍機の圧縮機,膨張機)が大型化したり、重量が増
加する難点がある。
【0008】この発明は上記の点に鑑みなされたもので
あり、頭記した赤外線検出素子のクライオクーラに適用
する電磁駆動式のスターリング冷凍機などを実施対象
に、装置の大型化,重量増加を招くことなく、かつ基本
構造を変えずに電磁アクチュエータの漏れ磁束を抑制で
きるように改良した電磁駆動式往復動機構を提供するこ
とを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、スターリング冷凍機などの圧縮
機,膨張機に内蔵したピストン,ディスプレーサの駆動
部として、圧縮機,膨張機のハウジング内に往復動式の
電磁アクチュエータを組み込み、かつピストン,ディス
プレーサのロッドを前記の電磁アクチュエータに並置し
てハウジング内に組み込んだサスペンションばねを介し
て軸方向に可動に支持した構成になる電磁駆動式往復動
機構において、電磁アクチュエータの漏れ磁束に対する
磁気遮へい手段としてアクチュエータの磁路開口部近傍
に位置する前記サスペンションばね,ないしサスペンシ
ョンばねの支持部材を高透磁率材料で構成するものとし
(請求項1)、具体的にはサスペンションばねを析出硬
化形ステンレス鋼で構成し(請求項2)、またサスペン
ションばねの支持部材を電磁軟鉄,低炭素鋼,もしくは
珪素鋼で構成する(請求項3)。
【0010】上記の構成により、往復動機構の基本構造
はそのままに、かつ新たに磁気遮へい材を追加装備した
り、電磁アクチュエータを組み込んだ圧縮機,膨張機の
ハウジングの材質を軽量なアルミ合金から重量の重い軟
鉄などに変更することなしに、電磁アクチュエータの磁
路開口部近傍に位置するサスペンションばね,ないしサ
スペンションばねの支持部材(往復動機構の構成部材の
一部)の材質を高透磁率材料,電磁軟鉄(比透磁率μo
=200〜300),珪素鋼(μo ≒500)などに変
更するだけで電磁アクチュエータの漏れ磁束を遮へいし
て外部の電気信号系に与える磁気擾乱を効果的に防ぐこ
とができる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
1の実施例に基づいて説明する。なお、図1において図
3に対応する同一部材には同じ符号が付してある。図1
は図3におけるスターリング冷凍機の圧縮機を示したも
のであり、その基本構造は図3と同様である。ここで、
電磁アクチュエータ4の磁路開口部近傍に配置して圧縮
機1のハウジング1aに組み込んだサスペンションばね
5について、その材質を従来のベリリウム銅合金から高
透磁率材料である析出硬化型ステンレス鋼に変えて構成
している。また、サスペンションばね5の支持部材であ
る支持胴6も同じく高透磁率材料である電磁軟鉄,ある
いは低炭素鋼,珪素鋼などで構成している。
【0012】これにより、サスペンションばね5,およ
びその支持胴6が電磁アクチュエータ4の磁路開口部に
対して磁気シールドとして機能し、周囲への磁束漏れを
抑制する。図2はこの磁気シールドの効果を評価,確認
するために、圧縮機1の周域における磁界を三次元磁気
モーメント法で解析した結果を表した特性図である。こ
こで、横軸は図1におけるP点(ハウジング1aの外周
面)を漏れ磁束密度の測定基準点とした半径方向の距離
L,縦軸は磁束密度であり、特性線Aは図示実施例,特
性線Bは従来構造(サスペンションばね5がベリリウム
胴合金製,支持胴6がアルミ合金製)の場合を表してい
る。
【0013】図2に表した磁束分布の解析図から判るよ
うに、電磁アクチュエータ4の磁路開口部近傍に配置し
たサスペンションばね5,支持胴6を高透磁率材料であ
る電磁軟鉄(比透磁率μo =200〜300)で構成す
ることにより、従来構造と較べてハウジング周域の漏れ
磁束密度が約1/5〜1/7に減少する。
【0014】
【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
赤外線検出素子のクライオクーラに適用するスターリン
グ冷凍機などを対象に、その圧縮機,膨張機に内蔵した
ピストン,ディスプレーサを往復動させる電磁駆動式往
復動機構として、圧縮機,膨張機のハウジング内に往復
動式の電磁アクチュエータを組み込み、かつピストン,
ディスプレーサのロッドを前記の電磁アクチュエータに
並置してハウジング内に組み込んだサスペンションばね
を介して軸方向に可動に支持したものにおいて、電磁ア
クチュエータの漏れ磁束に対する磁気遮へい手段として
アクチュエータの磁路開口部近傍に位置する前記サスペ
ンションばね,ないしサスペンションばねの支持部材を
高透磁率材料で構成したことにより、装置全体の大型
化,重量の大幅な増加を招くことなく、電磁アクチュエ
ータから外部周域に漏れる磁束を効果的に低減でき、こ
れにより膨張機で冷却する赤外線検出素子,および圧縮
機,膨張機の周辺に配置した電気回路などに対する磁気
擾乱を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例によるスターリング冷凍機の
圧縮機の構成断面図
【図2】図1の実施例と従来例とを対比して表した圧縮
機周域における漏れ磁界の解析結果を表す図
【図3】この発明の実施対象となるスターリング冷凍機
の構成図であり、(a) は冷凍機全体の構成断面図、(b)
は冷凍機に組み込んだサスペンションばねの平面図
【符号の説明】
1 スターリング冷凍機の圧縮機 1a ハウジング 1b ピストン 1c ピストンロッド 2 スターリング冷凍機の膨張機 2a ハウジング 2c ディスプレーサ 2d ディスプレーサロッド 4 電磁アクチュエータ 5 サスペンションばね 6 支持胴

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】スターリング冷凍機などの圧縮機,膨張機
    に内蔵したピストン,ディスプレーサを往復動させる電
    磁駆動式往復動機構であり、ピストン,ディスプレーサ
    の駆動部として圧縮機,膨張機のハウジング内に往復動
    式の電磁アクチュエータを組み込み、かつピストン,デ
    ィスプレーサのロッドを前記の電磁アクチュエータに並
    置してハウジング内に組み込んだサスペンションばねを
    介して軸方向に可動に支持したものにおいて、電磁アク
    チュエータの漏れ磁束に対する磁気遮へい手段としてア
    クチュエータの磁路開口部近傍に位置する前記サスペン
    ションばね,ないしサスペンションばねの支持部材を高
    透磁率材料で構成したことを特徴とする電磁駆動式往復
    動機構。
  2. 【請求項2】請求項1記載の往復動機構において、サス
    ペンションばねを析出硬化型ステンレス鋼で構成したこ
    とを特徴とする電磁駆動式往復動機構。
  3. 【請求項3】請求項1記載の往復動機構において、サス
    ペンションばねの支持部材を電磁軟鉄,低炭素鋼,もし
    くは珪素鋼で構成したことを特徴とする電磁駆動式往復
    動機構。
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