JP3635897B2 - 電磁駆動式往復動機構 - Google Patents
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- F25B2309/001—Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor
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Description
【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
【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)
- 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。
- 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。
- 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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31530897A JP3635897B2 (ja) | 1997-11-17 | 1997-11-17 | 電磁駆動式往復動機構 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31530897A JP3635897B2 (ja) | 1997-11-17 | 1997-11-17 | 電磁駆動式往復動機構 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11148736A JPH11148736A (ja) | 1999-06-02 |
| JP3635897B2 true JP3635897B2 (ja) | 2005-04-06 |
Family
ID=18063843
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31530897A Expired - Fee Related JP3635897B2 (ja) | 1997-11-17 | 1997-11-17 | 電磁駆動式往復動機構 |
Country Status (1)
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| JP2011169446A (ja) * | 2010-02-22 | 2011-09-01 | Mitsumi Electric Co Ltd | 板バネおよびレンズ駆動装置 |
| JP2011169443A (ja) | 2010-02-22 | 2011-09-01 | Mitsumi Electric Co Ltd | 板バネおよびレンズ駆動装置 |
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1997
- 1997-11-17 JP JP31530897A patent/JP3635897B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH11148736A (ja) | 1999-06-02 |
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