JP2563275Y2 - 小型冷凍機 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、小型冷凍機に関し、特
にリニアモータ駆動式のピストンを備えた小型冷凍機に
適用するのに好適なピストン軸受を有する小型冷凍機に
関する。

【０００２】

【従来の技術】小型で１００Ｋ程度以下の低温を発生さ
せることのできる冷凍機としてスターリング冷凍機、ヴ
ェルミエ冷凍機、ギフォードマクマホン冷凍機等が知ら
れている。以下、制限的な意味を有することなく、スタ
ーリング冷凍機について説明する。

【０００３】スターリング冷凍機は、逆スターリングサ
イクルを利用した冷凍機で、理論的には熱効率がカルノ
ーサイクルに等しく効率が高く、バルブを使用しないの
で構造が簡単になり、小型化が容易である。

【０００４】図３（Ａ）にスターリングサイクルを概略
的に示す。図中横軸は容積を示し、縦軸は圧力を示す。
スターリングサイクルは、曲線ＰＱで示される等温圧
縮、曲線ＱＲで示される等容移送、曲線ＲＳで示される
等温膨張、曲線ＳＰで示される等容移送の４工程を含
む。この４工程を矢印の方向に進むとき、冷凍サイクル
が実現され、逆方向に進めば加熱サイクルが実現され
る。

【０００５】図３（Ａ）に示すようなスターリングサイ
クルを行なわせるため、スターリング冷凍機は圧縮機と
膨張機およびそれらの間の配管を含む。図３（Ｂ）に、
スターリング冷凍機の動作を概略的に示す。図中左側に
膨張機（コールドヘッド）、右側に圧縮機、その間に配
管を示す。圧縮機は、圧縮シリンダを含み、圧縮シリン
ダによって圧縮された作動ガスは配管を介してコールド
ヘッドに移送される。コールドヘッド内には、ディスプ
レーサが設けられており、作動ガスはディスプレーサ内
を通って移動することができる。ディスプレーサ内に
は、蓄冷器が充填される。

【０００６】圧縮機においては、図３（Ｂ）１段目から
３段目の状態において圧縮行程が行なわれ、３段目から
４段目を介して１段目に戻る間において膨張行程が行な
われる。

【０００７】コールドヘッド内においては、ディスプレ
ーサが圧縮シリンダとは約９０°位相をずらせて往復運
動を行なう。１段目から２段目にかけて主に等容移送が
行なわれ、２段目から３段目にかけて主に等温圧縮が行
なわれる。３段目から４段目にかけては主に等容移送が
行なわれ、４段目から１段目に戻る際に主に等温膨張が
行なわれる。

【０００８】このようなスターリングサイクルにより、
コールドヘッド先端に冷凍が発生し、人工衛星、放射線
危険区域等、メンテナンスフリーが要求される場所等に
おいて、赤外線検出装置等の冷却対象物が冷却される。

【０００９】図４に、従来技術によるスターリング冷凍
機の構成例を示す。図４（Ａ）は、スターリング冷凍機
の全体構成を概略的に示す。圧縮機５１とコールドヘッ
ド５２とは配管５３で接続され、分離型構造を構成して
いる。

【００１０】圧縮機５１においては、シリンダ５６の中
にピストン５７が挿入され、その間に圧縮空間６０を画
定している。シリンダ５６の外側に、磁気ギャップ５８
を有する磁気回路が構成され、磁気ギャップ５８内にピ
ストン５７と結合したリニアモータの往復運動用コイル
５９が挿入されている。なお、圧縮機５１は２つの圧縮
ピストンを対向して配置し、その中間から共通に圧縮ガ
スを配管５３に接続している。

【００１１】ディスプレーサ５２においては、シリンダ
６１内にディスプレーサ６２が配置され、ディスプレー
サ６２内には鉛粒、銅金網等の蓄冷器６３が配置されて
いる。ディスプレーサ６２とシリンダ６１の間に膨張空
間６５が画定され、冷凍を発生する。膨張空間６５に隣
接して、冷却対象７０が配置されている。

【００１２】図４（Ｂ）は、圧縮機の構成例を拡大して
示す。シリンダ５６内に挿入されるピストン５７は、２
つのコイルばね７４、７５によって軸方向の中立位置に
保持される。なお、これらの２つのばね７４、７５はリ
ニアモータのコイル５９に対する電流供給端子も兼用す
る。

【００１３】シリンダ５６の外側に磁気ギャップ５８を
有する磁気回路が結合されている。磁気ギャップ５８中
に往復運動用リニアモータのコイル５９が配置され、ピ
ストン５７に結合されている。なお、７２は作動ガス充
填用の配管を示す。

【００１４】このような冷凍機の圧縮機、もしくはコー
ルドヘッドにおいて、シリンダとピストンの間は気密に
保たれねばならない。このため、たとえばピストン表面
にフッ素樹脂を貼付けて、気密シール兼摺動材として用
いている。ピストンとシリンダの間には１０μｍ程度の
間隙があり、クリアランスシールを構成している。

【００１５】

【考案が解決しようとする課題】気密を保たせるための
シール材と、ピストンをシリンダ内で運動させるための
摺動材とが同一部材によって兼用されていると、長時間
の運転の後にはシール兼摺動材が摩耗してしまう。する
と、ピストンとシリンダ間の間隙が拡がってしまい、シ
ール性が低下する。シール性の低下は、冷凍機の性能劣
化を招く。

【００１６】また、摩耗によって摩耗粉が発生し、冷凍
機内に飛び散り、作動ガスの流れを阻害したり、運動部
材の運動を阻害する。この結果も、冷凍機の性能低下に
なって表れる。このように、冷凍機の寿命はシール材の
摩耗によって制限されている。

【００１７】本考案の目的は、ピストンとシリンダの接
触を低減することのできる小型冷凍機を提供することで
ある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本考案の小型冷凍機は、
内壁で中空状空間を画定するシリンダ（１４）と、前記
シリンダ中に挿入されたピストン（１３）と、前記シリ
ンダの内壁と前記ピストンとの間隙の大きさを検出する
すき間センサ（５）と、前記シリンダと結合され、磁気
ギャップ（８）を有する磁気回路（９、１２、１５）
と、前記ピストンと結合され、前記磁気ギャップ中に挿
入された位置制御用コイル（７）と、前記すき間センサ
の検出出力に基づいて制御された電流を前記位置制御用
コイルに供給するコントローラ（６）と、前記ピストン
に結合され、前記磁気ギャップ中に挿入され、円周方向
に電流を流す往復動用コイル（１９）とを有する。

【００１９】

【作用】磁気ギャップ内にピストンと結合された位置制
御用コイルが配置され、ピストンの半径方向位置を制御
することができる。シリンダとピストンとの間隙をすき
間センサによって検出し、コントローラから位置制御用
コイルへ制御した電流を供給することにより、シリンダ
とピストンとの間に適正な間隙を常に保つことが可能と
なる。このようにして、シリンダとピストンとの接触が
低減する。

【００２０】

【実施例】図１に、本考案の実施例によるスターリング
冷凍機を示す。図１（Ａ）は、全体の構成を概略的に示
し、図１（Ｂ）は、リニアモータと位置制御機能の部分
を拡大して示し、図１（Ｃ）は、磁気回路における動作
概念を概略的に示す。

【００２１】図１（Ａ）において、圧縮機１とコールド
ヘッド３とは配管２によって接続されている。圧縮機１
においては、シリンダ１４内にピストン１３が配置され
ている。ピストン１３とシリンダ１４の内壁との間の間
隙は、１０μｍ程度である。

【００２２】シリンダ１４の内周面に、少なくとも２つ
のすき間センサ５が埋め込まれており、シリンダ１４の
内壁とピストン１３との間隙を検出し、検出信号をコン
トローラ６に送出する。シリンダ１４は、磁性体で形成
され、磁気ヨークを兼用する基部１２に連続している。

【００２３】基部１２には、永久磁石１５が接続され、
永久磁石１５の他端はポールピース９に接続されてい
る。ポールピース９は、シリンダ１４と磁気ギャップ８
を介して対向する。

【００２４】なお、図示の構成においては、永久磁石１
５は軸方向に磁化されており、ポールピース９において
磁束は軸方向から半径方向に曲げられ、磁気ギャップ８
において半径方向の磁束が発生する。

【００２５】磁気ギャップ８内に、ピストン１３と結合
したリニアモータのコイル１９が配置されている。コイ
ル１９は、ピストン１３から延びるアーム２０に結合さ
れている。

【００２６】さらに、リニアモータ用コイル１９の内側
に、少なくとも２つの位置制御用コイル７が配置され、
コントローラ６からの駆動信号を受ける。位置制御用コ
イル７は、好ましくは対称的に４個配置される。

【００２７】ピストン１３の後端は、２つのコイルばね
１８、２３に結合されている。これら２つのコイルばね
１８、２３は、ピストン１３を中立位置に保持する役目
と、リニアモータ用コイル１９に対する電流供給の役割
を果たす。なお、これらのコイルの他、図示しない導線
が配置され、位置制御用コイル７に対する電流供給を行
なう。

【００２８】コイルばね１８、２３の他端は、圧縮機１
の内側ケース１６に固定されている。内側ケース１６を
覆って、外側ケース１１が配置されている。なお、これ
ら２つのケースを通ってコイルばね１８、２３に対する
電流供給リードが設けられている。

【００２９】なお、図１においては、圧縮機１の右側部
分のみが図示されているが、左側にも対称的な構造が配
置されている。これら左右の部分によって対向型圧縮機
を構成する。

【００３０】コールドヘッド３においては、シリンダ３
７内にディスプレーサ３４が配置され、ディスプレーサ
３４はその内部に銅金網、鉛球等の蓄冷器３６を含む。
シリンダ３７とディスプレーサ３４との間に、膨張空間
３５が画定される。

【００３１】ディスプレーサ３４の後端は、コイルばね
３８によってハウジング３１に結合されている。なお、
ディスプレーサ３４とシリンダ３７との間の気密性を保
持するためにシール部材３３が設けられている。

【００３２】このような構成の圧縮機１とコールドヘッ
ド３とが約９０°の位相ずれをもって動作することによ
り、コールドヘッドの膨張空間３５において冷凍が発生
する。この冷凍により、冷却対象４０が冷却される。

【００３３】図１（Ｂ）は、ポールピース９、リニアモ
ータ用コイル１９、位置制御用コイル７の部分を拡大し
て示す。ポールピース９は、円筒状空間を画定し、その
中にリニアモータ用コイル１９および位置制御用コイル
７を収容する。

【００３４】ポールピース９からは半径方向に磁束が発
生する。リニアモータ用コイル１９は、円周方向に巻回
されている。位置制御用コイル７は、鞍形の形状を有
し、半径方向に磁束を発生させることができる。

【００３５】図１（Ｃ）は、リニアモータ用コイル１９
および位置制御用コイル７においてどのような力が作用
するかを示す概念図である。ポールピース９からは半径
方向の磁束Ｂ１が発生する。この磁束Ｂ１内にリニアモ
ータ用コイル１９が配置され、円周方向に電流を流す。
磁束に対してほぼ直角に電荷が移動するため、ローレン
ツ力が発生し、リニアモータ用コイル１９は軸方向の力
を受ける。

【００３６】これに対して位置制御用コイル７において
は、円周面の一部領域を囲んでコイルが形成され、半径
方向に磁束Ｂ２ａまたはＢ２ｂを発生する。磁束Ｂ２の
方向がポールピース９から発生する磁束Ｂ１と反対方向
であれば斥力が発生し、同一方向であれば引力が発生す
る。これらの力は磁束Ｂ１と同一の方向、すなわち半径
方向に生じる。

【００３７】リニアモータ用コイル１９に電流を流す
と、軸方向の力が発生し、ピストン１３を軸方向に駆動
する。位置制御用コイル７に電流を流すと、半径方向に
磁束Ｂ２が発生し、ピストン１３を半径方向に駆動す
る。なお、半径方向の力と軸方向の力とはほぼ直角に配
置されているため、相互の干渉は少ない。たとえば、ポ
ールピースから発生する磁束密度Ｂ１は５０００ガウス
程度、位置制御用コイル７が発生する磁束密度はＢ１に
比べて無視できる程度とする。

【００３８】ピストン１３の半径方向位置を固定するた
めには、少なくとも２軸方向の制御を行なうことが必要
であり、少なくとも２つの位置制御用コイルを用いるこ
とが必要である。位置制御用コイル７を３つ以上使用す
れば、引力を用いず、斥力のみによってピストン１３の
位置を制御することが可能となる。４つの位置制御用コ
イルを用いれば、直交成分のみで斥力によってピストン
１３の位置を制御することが可能となる。

【００３９】図２は、ピストンの半径方向位置の制御を
説明するための図である。図２（Ａ）は、圧縮機の半径
方向の概略断面図を示す。中心にピストン１３が配置さ
れており、その周囲にシリンダ１４が配置されている。

【００４０】シリンダ１４の内周面には直交する位置に
ｘ方向のすき間センサ５ｘとｙ方向のすき間センサ５ｙ
が埋め込まれている。シリンダ１４の外側には、磁気ギ
ャップを介してポールピース９が配置されている。

【００４１】磁気ギャップ内には外側に円周方向に巻線
が巻回されたリニアモータ用コイル１９、その内側にそ
れぞれ鞍形の４つの位置制御用コイル７ｘａ、７ｘｙ、
７ｙａ、７ｙｂが配置されている。コイル７ｘａと７ｘ
ｂはｘ方向で対向し、コイル７ｙａと７ｙｂはｙ方向で
対向する。

【００４２】図２（Ｂ）は、すき間センサ５と位置制御
用コイル７との間の電気的結線の様子を示す。すき間セ
ンサ５ｘ、５ｙは、シリンダ１４とピストン１３の間の
間隙をｘ方向およびｙ方向について検出する。

【００４３】検出された間隙を表す電気的信号は、コン
トローラ６に送られ、位置修正用電気信号が発生する。
これら位置制御用電気信号は、位置制御用コイル７ｘ、
７ｙに送られる。なお、図にはｘ方向の位置制御用コイ
ル７ｘａ、７ｘｂのみを図示したが、直交する関係に７
ｙａ、７ｙｂも配置される。

【００４４】すき間センサ５ｘで検出されたｘ方向の間
隙に応じた電気的信号は、ｘ方向用の位置制御用コイル
７ｘａ、７ｘｂのいずれかに供給され、ピストン１３の
ｘ方向位置を修正する。

【００４５】同様、すき間センサ５ｉによって検出され
た電気信号に基づく制御電流は、ｙ方向用の位置制御用
コイル７ｙａ、７ｙｂのいずれかに送られ、ピストン１
３のｙ方向位置を修正する。

【００４６】このような構成により、ピストン１３の半
径方向位置を常にすき間センサによってモニタし、位置
制御用コイル７の発生する力によってピストン１３の半
径方向位置が修正される。ピストン１３を常にシリンダ
１４の内壁が画定する円筒状空間の中心近傍に配置する
ことにより、ピストンとシリンダとの衝突が回避され
る。

【００４７】衝撃等の外界からの激しい擾乱に対して
は、位置制御用コイルの発生する力のみでは対向しきれ
ないが、ピストン１３の位置のふらつきによるピストン
とシリンダとの接触等に対しては、位置制御用コイルの
発生する力が十分な力を発揮し、衝突は大幅に低減す
る。このため、冷凍機の耐久性を格段に向上することが
できる。

【００４８】なお、軸方向に着磁した永久磁石を用いて
磁気回路を構成する場合を説明したが、半径方向に着磁
した永久磁石を用い、同様の構成を実現することもでき
る。永久磁石の代わりに、電磁石を用いることも可能で
ある。

【００４９】また、位置制御用コイルを４つ配置する構
成を図示したが、３つ以上の位置制御用コイルを用いれ
ば、シリンダの面内位置を制御することができることは
当業者に自明であろう。また、すき間センサも２個に限
らず、３個以上を用いることも可能である。

【００５０】なお、同様の構成は、シリンダ内を往復運
動するピストンの半径方向位置制御に有効であり、圧縮
機に限らず、コールドヘッドにも利用することができ
る。以上実施例に沿って本考案を説明したが、本考案は
これらに制限されるものではない。たとえば、種々の変
更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明で
あろう。

【００５１】

【考案の効果】ピストンとシリンダとの間の衝突が低減
するため、小型冷凍機の寿命を大幅に向上することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例によるスターリング冷凍機を示
す。図１（Ａ）は断面図、図１（Ｂ）は一部破断斜視
図、図１（Ｃ）は概念図である。

【図２】図１の圧縮機におけるピストンの半径方向位置
の制御を説明するための図である。図２（Ａ）は半径方
向の断面図、図２（Ｂ）は回路ブロック図である。

【図３】スターリングサイクルを説明するための図であ
る。図３（Ａ）はスターリングサイクルにおける圧力対
容積の関係を示すグラフ、図３（Ｂ）はスターリング冷
凍機における膨張機と圧縮機の相対的関係を示す概念図
である。

【図４】従来の技術によるスターリング冷凍機の構成例
を示す。図４（Ａ）は全体を概略的に示す断面図、図４
（Ｂ）は圧縮機の一部を拡大して示す断面図である。

【符号の説明】 １ 圧縮機 ２ 配管 ３ 膨張機（コールドヘッド） ５ すき間センサ ６ コントローラ ７ 位置制御用コイル ８ 磁気ギャップ ９ ポールピース １２ 基部（ヨーク） １３ ピストン １４ シリンダ １５ 永久磁石 １９ リニアモータ用コイル

Claims (2)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 内壁で中空状空間を画定するシリンダ
   （１４）と、 前記シリンダ中に挿入されたピストン（１３）と、 前記シリンダの内壁と前記ピストンとの間隙の大きさを
   検出するすき間センサ（５）と、 前記シリンダと結合され、磁気ギャップ（８）を有する
   磁気回路（９、１２、１５）と、 前記ピストンと結合され、前記磁気ギャップ中に挿入さ
   れた位置制御用コイル（７）と、 前記すき間センサの検出出力に基づいて制御された電流
   を前記位置制御用コイルに供給するコントローラ（６）
   と、 前記ピストンに結合され、前記磁気ギャップ中に挿入さ
   れ、円周方向に電流を流す往復動用コイル（１９）と を
   有する小型冷凍機。
2. 【請求項２】 前記磁気回路が永久磁石（１５）を含
   み、前記磁気ギャップにおいてピストンの駆動軸に対す
   る半径方向に磁束を発生させ、前記位置制御用コイルは
   前記半径方向に少なくとも２つの独立に制御できる磁束
   を発生させることができる請求項１記載の小型冷凍機。