JPH01114673A

JPH01114673A - 冷却機

Info

Publication number: JPH01114673A
Application number: JP27099787A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Kazumoto; 数本　芳男; Yoshio Furuishi; 古石　喜郎; Kazuo Kashiwamura; 和生柏村; Takuya Suganami; 菅波　拓也
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-10-27
Filing date: 1987-10-27
Publication date: 1989-05-08
Anticipated expiration: 2009-11-14
Also published as: JPH0689960B2

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］この発明は、フリーディスプレーサ型スターリング冷却
機のような赤外線素子の冷却等に用いられるフリーディ
スプレーサ型ガス冷却機に間するものである。

〔従来の技術〕

第７図は、例えば特公昭５４−２８９８０号公報に開示
された従来のフリーディスプレーサ型ガス冷却機の概略
構成を示す断面側面図である。図において、１はシリン
ダであり、このシリンダｌの内部でピストン２の往復運
動を行う。３はコールドフィンガであり、作動ガスの圧
力変動によって往復運動するフリーディスプレーサ４を
内包すると共に、その下部は連通管５によりシリンダ１
と連通している。フリーディスプレーサ４の上部の作動
表面４ｂは彫版空間６の境界をなしており、この彫版空
間６はピストン２の上部の作動表面２ａとフリーディス
プレーサ４の下部の作動表面４ａの間にある圧縮交情７
と共に作動空間な構成する。フリーディスプレーサ４内
に備える蓄熱器８は中心孔９を経てその下側の作動ガス
に通ずると共に、また中心孔１０と半径方向流通ダク）
１１を経て上側の作動ガスに通ずることができる。また
、この機械では彫版させれれた冷作動ガスと冷却すべき
物体の間の熱交換のための熱交換器としてフリーザ１２
を備える。

ピストン２とシリンダｌの壁の間にはシール１３．１４
を備え、フリーディスプレーサ４とコールドフィンガ３
の間にはシール１５．１６を備える。また、ピストン２
はその下側に硬紙又はアルミニウムのごとき非磁性及び
非磁化材料から成る軽量のスリーブ１７を備える。スリ
ーブ１７には導電体を巻き付けてコイル１８を形成し、
このコイル１８はシリンダ１の壁を通すリード線１９゜
２０に接続され、これらのリード線１９．２０はシリン
ダｌの外部でそれぞれ電気端子２１．２２に接続されて
いる。コイル１８はピストン２の軸線方向に環状間隙２
３内で往復運動でき、この環状間隙２３内には電機子磁
界が存在している。この電機子磁界の力線はコイル１８
の移動方向を横切る半径方向に延びている。この場合、
永久磁界は上側と下側に磁極を持つ環状永久磁石２４．
軟鉄環状ディスク２５．軟鉄シリンダ２６及び軟鉄円形
ディスク２７を用いて得られる。環状永久磁石２４と軟
鉄環状ディスク２５．軟鉄シリンダ２６及び軟鉄円形デ
ィスク２７は一体となって閉磁気回路を構成し、すなわ
ち閉磁力線回路を構成する。以上述べたスリーブ１７．
コイル１８．リード線１９，２０．　　環状間隙２３．
環状永久磁石２４、軟鉄環状ディスク２５．軟鉄シリン
ダ２６及び軟鉄円形ディスク２７は全体としてピストン
駆動用のりニアモータ２８を構成している。また、ピス
トン２及びフリーディスプレーサ４はそれぞれピストン
用弾性部材２９とディスプレーサ用弾性部材３０を介し
てシリンダ１及びコールドフィンガ３内に往復動可能に
係合され、ピストン２及びフリーディスプレーサ４の静
止時の固定位置及び運転時の中立位置を定めている。

次に、上記した従来のフリーディスプレーサ型ガス冷却
機の動作について説明する。電気端子２１．２２に系の
共振周波数に等しい交流電源（図示しない）を接続する
と、環状間隙２３の動系方向の永久磁界の影響を受けて
コイル１８には軸方向のローレンツ力が働き、その結果
、反力としてピストン２．スリーブ１７及゛びコイル１
８から構成される組立体とピストン用弾性部材２９から
成る系は共振状態となり、上記組立体は軸方向に振動す
る。ピストン２の振動は、圧縮空前７．膨脹空間６．連
通管５．蓄熱器８．中心孔９．中心孔１０、半径方向流
通ダクト１１及びフリーザ１２から成る作動空間内に封
入された作動ガスに周期的に圧力変化をもたらすと共に
、蓄熱器８を通過するガスの流量変化によりフリーディ
スプレーサ４に周期的な軸方向の交番振動力を生じせし
める。

このようにして蓄熱器８を含むフリーディスプレーサ４
はピストン２と同じ周波数で、かつ異なった位相でコー
ルドフィンガ３内を軸方向に往復運動することになる。

ピストン２及びフリーディスプレーサ４が適当な位相差
を保って運動するとき、上記作動空間内に封入された作
動ガスは「逆スターリングサイクル」として既知の熱力
学的サイクルを構成し、主として彫版空間６及びフリー
ザ１２に冷熱を発生ずる。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ｒｃｒｙｏ
ｃｏ。

ＩｅｒｓＪ　　（Ｇ、Ｗａｌｋｅｒ、ＰｌｅｎｕｍＰｒ
ｅｓｓ、Ｎｅｗ　　Ｙｏｒｋ、１９８３．ＰＰ・１７７
〜１２３）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２により圧縮された圧縮空間７内のガスは連通
管５を経て流れる問に圧縮熱が冷却され、中心孔９．蓄
熱器８に流れ込む。蓄熱器８では半サイクル前に蓄えら
れた冷熱により予冷され、作動ガスは、さらに中心孔１
０．半径方向流通ダク）１１及びフリーザ１２を通って
彫版空間６内に入る。そして、大部分の作動ガスが彫版
空間６内に入ると膨脹が始まり、彫版空間６内に冷熱を
発生する。作動ガスは、次に逆の順序で蓄熱器８に冷熱
を放出しなから流路を戻り圧縮空間７内に入る。この時
、フリーザ１２内で外部から熱を奪いその外部を冷却す
る。しかして、大部分の作動ガスが圧縮空間７内に戻る
と再び圧縮が始まり、次のサイクルに移行する。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問題点］上記した従来のフリーディスプレーサ型ガス冷却機は以
上のように構成されているので、運転中、膨脹空間６及
びフリーザ１２から成る低温部の冷却温度が変化すると
蓄熱器８を通過するガス流量が変化し、これに伴ってフ
リーディスプレーサ４の駆動力、ひいてはフリーディス
プレーサ４の往復動ストロークが変化するため、起動時
等にて上記低温部の温度が大きく変化する場合には、フ
リーディスプレーサ４がコールドフィンガ３に衝突して
振動や騒音を発生する等の問題点があった。

またフリーディスプレーサ４の十分な往復動ストローク
をあらかじめ見込んだ場合、作動空間の死容積が増加し
て冷却機等の効率が低下するという問題点があった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、低温部の温度変化に対して振動や騒音を発生するこ
となく、高効率、かつ安定に作動する信頼性の高い冷却
機を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］この発明に係る冷却機は、″膨脹空間やフリーザから成
るコールドフィンガの低温部、又はこの低温部に熱的に
接触し、この低温部によって冷却される被冷却体の冷却
温度を検出し、モータに印加する駆動電圧又は駆動電流
が、上記冷却温度の関数としてあらかじめ与えられた電
圧又は電流の範囲内となるよう調整する制御系を備えた
ものである。

［作用］この発明の冷却機においては、温度センサによって検出
されたコールドフィンガの低温部又はこの低温部によっ
て冷却される被冷却体の冷却温度に基づいて、モータに
印加される駆動電圧又は駆動電流が、上記冷却温度の間
数としてあらかじめ与えられた安定な動作範囲内の電圧
又は電流となるよう制御器によって調整され、これによ
りフリーディスプレーサの往復動ストロークが規制され
る。

［実施例］第１図はこの発明の一実施例である冷却機の概略構成を
示す断面側面図で、第７図と同−又は相当部分は同一符
号を用いて表示してあり、その詳細な説明は省略する。

図において、３１はコールドフィンガ３の低温部に熱的
に接触して設置された温度センサ、３２は温度センサ３
１の検出した冷却温度信号を制御器３３に伝送する冷却
温度信号伝送路、３４は制御器３３から出力されたモー
タ駆動信号を電力増幅器３５に伝えるモータ駆動信号伝
送路、３６．３７は電力増幅器３５の出力をリニアモー
タ２８に入力するための電カケープルであり、それぞれ
は電気端子２１．２２に接続されている。

第２図は第１図の冷却機における制御器の信号処理を示
す説明図、第３図は第１図の冷却機の作用を説明するた
めの要部を示す概略構成図、第４図（ａ）、　　（ｂ）
は第１図の冷却機と上記従来例の冷却機との作用を比較
する説明図である。

次に、上記したこの発明の一実施例である冷却機の動作
について説明する。第１図に示す冷却機の運転中、制御
器３３では冷却温度信号伝送路３２を介して温度センサ
３１より送られて来るコールドフィンガ３の低温部の冷
却温度と、制御器３３内にあらかじめ与えられている冷
却温度−安定動作電圧範囲の情報から最適な駆動電圧を
計算し、モータ駆動信号としてモータ駆動信号伝送路３
４に出力する。電力増幅器３５では上記モータ駆動信号
を比例的に電力増幅し、電カケープル３６゜３７を介し
てそれぞれ電気端子２１．２２に接続されたコイル１８
を駆動する。

ここで、第２図を用いて制御器３３における信号処理の
プロセスをより詳細に説明する。温度センサ３１から伝
送された冷却温度■は制御器３３内の温度制御部３８に
おいて目標温度１と比較され、その偏差（ΔＴ＝ＴＡ−
″Ｔ）に応じたく例えばＰＩＤ制御回路等により）制御
電圧■が出力される。一方、冷却温度１は制御器３３内
の駆動電圧制御部３９にも入力され、あらかじめ与えら
れた冷却温度玉−安定動作範囲電圧Ｖの関係式より、温
度制御部３８から出力された制御電圧■が安定動作範囲
電圧Ｖ内（本実施例では上限値が設定されている場合を
示した）にあるかどうかが判定され、安定動作範囲電圧
ｖ内にある場合は、制御電圧■は直接に、また、安定動
作範囲電圧Ｖ以外の場合は、安定動作範囲電圧Ｖ内の適
当な値（本実施例ではＶ、、、）がそれぞれ駆動電圧制
御部３９からモータ駆動信号電圧Ｍとして次段の電力増
幅器３５に出力される。既に述べたように電力増幅器３
５ではモータ駆動信号電圧Ｍが比例的に増幅され駆動電
圧協としてリニアモータ２８に印加されて冷却機を駆動
する。

次に、第３図及び第４図（ａ）、　　（ｂ）を用いて冷
却温度玉と安定動作範囲電圧Ｖの関係について説明する
。本実施例におけるようなフリーディスプレーサ型ガス
冷却機においては、上述したようにフリーディスプレー
サ４の駆動力は主に蓄熱器８を流れる作動ガスの圧力損
失によって与えられる。つまり、膨張空間６の温度が低
下し蓄熱器８を流れる作動ガスの質量流量が増大すると
、これに伴ってフリーディスプレーサ４の駆動力も増大
しフリーディスプレーサ４の往復動ストロークも大きく
なる性質を持っている。かくて、始動時等にて膨張空間
６の温度が大きくて低下する場合には、時としてフリー
ディスプレーサ４の往復動ストロークが過大となり、こ
のフリーディスプレーサ４がコールドフィンガ３に衝突
する等の障害を引き起こすことがある（第４図（ａ）参
照）。

以上のことから明らかなように、フリーディスプレーサ
４の往復動ストロークを安定に保ち、衝突を未然に防止
するためには、冷却温度にかかわらず蓄、熱器８を流れ
るガスの質量流量をある範囲内に安定化すれば良い。こ
のため、本実施例では第２図に示すようなプロセスによ
り、彫版空間６等の低温部の冷却温度に従ってリニアモ
ータ２８に入力する駆動電圧又は駆動電流の最大値を調
整することによって作動空間内の作動ガスの圧力変動幅
を抑え、ガス流量、ひいてはフリーディスプレーサ４の
往復動ストロークの安定化を図っているのである（第４
図（ｂ）参照）。

上記した第１図に示すこの発明の一実施例である冷却機
において、電気端子２１．２２に交流電圧が印加された
際に、彫版空間６内に冷熱が発生する機構については、
上記した従来例の動作説明の項で既に述べているので、
その詳細な説明はここでは省略する。

なお、上５ａ実施例では、コールドフィンガ３とシリン
ダ１が機械的に強く結合された一体型の冷却機の場合に
ついて説明したが、第５図に示すこの発明の他の実施例
におけるように、コールドフィンガ３とシリンダ１とが
連通管５を介して互いに分離された分離型の冷却機であ
っても良く、上記実施例と同様の効果を奏する。

なお、上記実施例では、ディスプレーサ用弾性部材３０
として機械バネを用いた例を示しているが、第６図に示
すこの発明の他の実施例におけるように、ガスバネ室４
０で置き換えても良く、上記実施例と同様の効果を奏す
る。ただし、この場合には、フリーディスプレーサ４の
駆動力は蓄熱器８を通過するガスの圧力損失の他に、ガ
スバネ室４０と作動空間の圧力差によっても得られるた
め、モータ駆動信号電圧Ｙの安定動作範囲は第２図及び
第３図（ｂ）に示したものと異なっている。

［発明の効果コこの発明は以上説明したとおり、冷却機において、この
冷却機の制御器によりフリーディスプレーサが、運転中
は常にある一定値以下の往復動ストロークの範囲内で運
動するように構成したので、被冷却体を冷却する冷却温
度の大きな変化に対してもフリーディスプレーサがコー
ルドフィンガに衝突することがなく、振動や騒音が少な
い信頼性の高い冷却機が得られると共に、作動空間の死
容積を少なくすることができるため、この冷却機の高効
率な運転が可能となるなどの優れた効果を奏するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である冷却機の概略構成を
示す断面側面図、第２図は第１図の冷却機における制御
器の信号処理を示す説明図、第３図は第１図の冷却機の
作用を説明するための要部を示す概略構成図、第４図（
ａＬ　　（ｂ）は第１図の冷却機と上記従来例の冷却機
との作用を比較する説明図、第５図及び第６図はこの発
明の他の実施例である冷却機の概略構成を示す断面側面
図、第７図は従来のフリーディスプレーサ型ガス冷却機
の概略構成を示す断面側面図である。図において、ｌ・・・シリンダ、２・・・ピストン、２
ａ、４ａ、４ｂ・・・作動表面、３・・・コールドフィ
ンガ、４・・・フリーディスプレーサ、５・・・連通管
、６・・・彫版空間、７・・・圧縮空間、８・・・蓄熱
器、９，１０・・・中心孔、１１・・・半径方向流通ダ
クト、１２・・・フリーザ、１３，１４，１５．　１６
・・・シール、１７・・・スリーブ、１８・・・コイル
、１９．２０・・・リード線、２１．２２・・・電気端
子、２３・・・環状間隙、２４・・・環状永久磁石、２
５・・・軟鉄環状ディスク、２６・・・軟鉄シリンダ、
２７・・・軟鉄円形ディスク、２８・・・リニアモータ
、２９・・・ピストン用弾性部材、３０・・・ディスプ
レーサ用弾性部材、３１・・・温度センサ、３２・・・
冷却温度信号伝送路、３３・・・制御器、３４・・・モ
ータ駆動信号伝送路、３５・・・電力増幅器、３６．３
７・・・電カケープル、３８・・・温度制御部、３９・
・・駆動電圧制御部、４０・・・ガスバネ室　である。なお、図中同一符号は同一、又は相当部分を示す。第　３　図Ｕ：　ガズン先量Ｆ：　フリーテ］スプレーｔｒ４／）、駆動力Ｓ：フリ
ーディスブレーサ４ｖ柱榎動スＦΔＰ：作動〃゛スの斤
７７変動唱第　１＊＠従来例（判榔巻Ａし）本＊施孕」・ローフＶ＋　’　ｅ　−７、に＊信’ｙ　ｔ７Ｅ手続補正書（
自発）

Claims

【特許請求の範囲】モータによって駆動されるピストン，このピストンに嵌
合し、このピストンと上記モータを包囲するシリンダを
備え、上記ピストンを上記シリンダ内で往復運動させる
ことにより作動ガスに圧力変動を発生させる圧縮部と、上記圧力変動により駆動されるフリーディスプレーサ，
このフリーディスプレーサに嵌合し、このフリーディス
プレーサを内包するコールドフィンガ，このコールドフ
ィンガに対して上記フリーディスプレーサを往復動可能
に嵌合するディスプレーサ用弾性部材から構成され、上
記フリーディスプレーサが上記圧力変動に対して適当な
位相差を持って上記コールドフィンガ中で往復運動する
ことにより、上記コールドフィンガ内の膨脹空間及びフ
リーザに冷熱を発生する膨脹部と、上記シリンダと上記コールドフィンガとを連通し、上記
シリンダ中の圧力変動を上記コールドフィンガ中に導く
連通管とを備えた冷却機において、上記コールドフィン
ガの膨脹空間，上記フリーザ又はこのフリーザに熱的に
接触し、このフリーザによって冷却される被冷却体の冷
却温度を検出する温度センサと、上記冷却温度の入力を受けて、上記モータに印加される
実効的な駆動電圧又は駆動電流が、上記冷却温度の関数
としてあらかじめ与えられている電圧又は電流の範囲内
となるよう調整する制御器とを備えたことを特徴とする
冷却機。