(57)【要約】【課題】動作停止の際には電磁ブレーキが機能すると共に、動作開始の際には冷凍機を適切に駆動する駆動回路を提供する。【解決手段】ピストン１１を移動させて作動流体を圧縮する圧縮機１０と、圧縮された作動流体を膨張させて冷凍作用を生じさせるコールドヘッド２０とを備えた冷凍機１における駆動回路５０であって、ピストン１１を往復移動させる交流電圧を発生させるインバータ回路４２と、ピストン１１に連結されインバータ回路４２からの交流電圧によりピストン１１を往復移動させる可動コイル１５と、インバータ回路４２と可動コイル１５との間に配置されると共に可動コイル１５と並列に連結されたキャパシタ４４とを備え、インバータ回路４２において交流電圧を発生させない場合にキャパシタ４４で可動コイル１５を含む閉回路を形成し、可動コイル１５及びピストン１１に対して電磁ブレーキを作用させる。【選択図】図２
2010007927.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンを移動させて作動流体を圧縮する圧縮部と、前記圧縮部で圧縮された前記作動流体が流入されると共にディスプレーサを移動させて前記作動流体を膨張して冷凍作用を生じさせる冷凍部とを備えた冷凍機における駆動回路であって、
前記ピストン又は前記ディスプレーサを往復移動させるための交流を発生させる交流発生部と、
所定の磁界中に配置されると共に、前記ピストン又は前記ディスプレーサに連結され、前記交流発生部からの交流により前記ピストン又は前記ディスプレーサを所定軸に沿って往復移動させる可動コイルと、
前記交流発生部と前記可動コイルとの間に配置されると共に、前記可動コイルと並列に連結されたキャパシタと、を備え、
前記交流発生部において前記交流を発生させない場合に、前記キャパシタで前記可動コイルを含む閉回路を形成することを特徴とする冷凍機の駆動回路。
【請求項２】
前記交流発生部からの交流電流は、前記所定の磁界中での前記可動コイルの往復移動による逆起電力で発生する交流電流より大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機の駆動回路。
【請求項３】
前記駆動回路のドライバ側に前記キャパシタを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍機の駆動回路。
【請求項４】
前記キャパシタは接地されていないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷凍機の駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温を生じさせるための冷凍機における駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
極低温（例えば８０Ｋ）を生じさせるための冷凍機として、スターリング冷凍機がある。このスターリング冷凍機は、作動流体を圧縮する圧縮機と、圧縮された作動流体が流入された後にこの作動流体を膨張させて冷凍作用を生じさせるコールドヘッドと、これらを繋ぐ案内流路とを備えている。圧縮機は、所定のストローク範囲を往復移動可能なピストンと、このピストンに連結されると共に所定の磁界中に配置され、交流を通電することで移動する可動コイルとを備え、可動コイルの移動によってピストンが往復動するようになっている。
【０００３】
ところで、冷凍機を運搬する場合や人工衛星に搭載して打ち上げる場合、冷凍機の動作を停止させるため可動コイルへの通電がＯＦＦ状態とされている。このような冷凍機に外部から衝撃が加わると、通電がＯＦＦ状態とされて無負荷状態となった可動コイルが振動して共振し、共振した可動コイルやその可動コイルに連結されたピストンなどが所定のストローク範囲を越えて冷凍機内部で他の部品に接触してしまうおそれがあった。そこで、特許文献１に示すように、可動コイルへ駆動電圧を供給する電源部とその電源部に一対の導線で連結される可動コイルとの間に切替器を設けておき、冷凍機が動作を停止している場合には、切替器を「閉」として一対の導線を途中で短絡させ、可動コイルと一対の導線とからなる閉回路が形成されるようにしていた。このような閉回路により、外部衝撃で所定の磁界中を移動させられた可動コイルでの逆起電力で発生した電流が短絡箇所を経由して可動コイルに戻り、この電流が可動コイルの移動方向とは逆方向に作用することで、電磁ブレーキとして機能していた。この電磁ブレーキ機能により、可動コイルの振動が低減され、接触や破損などが防止されていた。
【特許文献１】特開平０５−０１０６１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した従来の冷凍機における駆動回路は、「閉」と「開」とを切り替える切替器を含んで構成されているため、例えば冷凍機が人工衛星に搭載されて打ち上げられた後に何らかの要因で切替器が動作しない場合には、一対の導線が短絡されたままとなり、冷凍機として適切に機能しなくなってしまう。しかも、人工衛星に搭載されて打ち上げられた後では点検することが極めて困難である。また、このような切替器は、例えばリレー接点Ｘやリレー制御回路などから構成されるが、リレーは他の部品と比べて信頼性がそれほど高くなく切替器が適切に動作しないおそれがあり、さらに、リレー制御回路を必要とすることから、駆動回路全体が複雑となってしまっていた。
【０００５】
本発明は、上記した事情に鑑みて為されたものであり、簡易な構成にもかかわらず、動作停止の際には電磁ブレーキが適切に機能すると共に、動作開始の際には冷凍機を適切に駆動する駆動回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る駆動回路は、ピストンを移動させて作動流体を圧縮する圧縮部と、圧縮部で圧縮された作動流体が流入されると共にディスプレーサを移動させて作動流体を膨張して冷凍作用を生じさせる冷凍部とを備えた冷凍機における駆動回路である。この駆動回路は、ピストン又はディスプレーサを往復移動させるための交流を発生させる交流発生部と、所定の磁界中に配置されると共にピストン又はディスプレーサに連結され、交流発生部からの交流によりピストン又はディスプレーサを所定軸に沿って往復移動させる可動コイルと、交流発生部と可動コイルとの間に配置されると共に可動コイルと並列に連結されたキャパシタとを備え、交流発生部において交流を発生させない場合に、キャパシタで可動コイルを含む閉回路を形成することを特徴としている。
【０００７】
この駆動回路では、交流発生部と可動コイルとの間に可動コイルと並列に連結されたキャパシタを備えている。交流発生部において交流を発生させない場合、すなわち冷凍機が動作を停止させている場合、このキャパシタで可動コイルが短絡されることで交流的な閉回路が形成され、外部等からの振動によって移動する可動コイルでの逆起電力で発生した電流がキャパシタを介して可動コイルに戻り、この電流が可動コイルの移動方向と逆方向に作用することで電磁ブレーキがピストン又はディスプレーサに作用する。一方、交流発生部において交流を発生させる場合、すなわち冷凍機が動作を開始する場合、キャパシタが可動コイルに並列に連結されていることから、交流発生部からの交流は、キャパシタを切り離す（切替器での「開」に相当する）ことなく可動コイルに伝えられ、冷凍機を適切に動作させることができる。従って、キャパシタを可動コイルと並列に設けて閉回路を形成するといった簡易な構成の駆動回路であるにもかかわらず、動作停止（可動コイルへの通電がＯＦＦ状態）の際には電磁ブレーキが適切に機能すると共に、動作開始の際には冷凍機として適切に駆動させることができる。
【０００８】
また、この駆動回路において、交流発生部からの交流電流は、所定の磁界中での可動コイルの往復移動による逆起電力で発生する交流電流より大きくなるように設定されていることが好ましい。これにより、冷凍機として動作させる際、逆起電力による影響を低減して、冷凍機として適切に駆動させることができる。
【０００９】
また、この駆動回路において、キャパシタは駆動回路のドライバ側に設けることが好ましいが、圧縮部に設けたり、または、ドライバと圧縮部とを連結する１対の導線に直接設けるようにしてもよい。なお、キャパシタは接地されていないことが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、キャパシタを設けるといった簡易な構成であるにもかかわらず、動作停止の際には電磁ブレーキが適切に機能すると共に、動作開始の際には冷凍機を適切に駆動する駆動回路を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、本実施形態に係る冷凍機の全体構成を示す断面図である。
【００１２】
冷凍機１は、スターリングサイクルを利用したスターリング冷凍機であり、図１に示すように、圧縮機（圧縮部）１０と、コールドヘッド（冷凍部）２０と、これらを接続する案内流路３０と、圧縮機１０の駆動を制御する駆動ドライバ（ドライバ）４０とを備えている。
【００１３】
圧縮機１０は、中心軸Ｘ１方向に往復動可能な一対のピストン１１，１２と、一対のピストン１１，１２をそれぞれ収容して圧縮空間Ｓ１，Ｓ２を形成するシリンダ１３，１４と、一対のピストン１１，１２それぞれに連結される可動コイル１５，１６と、可動コイル１５，１６へ所定の磁界を付与する永久磁石１７，１８とを備えている。
【００１４】
コールドヘッド２０は、中心軸Ｘ２方向に往復動可能なディスプレーサ２１，２２と、ディスプレーサ２１，２２を収容して膨張空間Ｓ３，Ｓ４を形成するシリンダ２３，２４と、ディスプレーサ２１，２２を動作させる作動ロッド２５と、作動ロッド２５を介してディスプレーサ２１，２２に連結される可動コイル２６と、可動コイル２６と対をなして可動コイル２６による振動を抑制させる振動抑制用コイル２７と、可動コイル２６と振動抑制用コイル２７へ所定の磁界を付与する永久磁石２８，２９とを備えている。
【００１５】
駆動ドライバ４０は、圧縮機１０の駆動を制御するものであり、図２に示すように、圧縮機１０の可動コイル１５，１６に一対の配線で連結されており、駆動ドライバ４０と可動コイル１５，１６とで駆動回路５０を構成するようになっている。以下、駆動回路５０について詳細に説明する。駆動回路５０を構成する可動コイル１６は、可動コイル１５と線対称に同様の構成を有するため説明を省略する。
【００１６】
駆動回路５０は、上述したように、駆動ドライバ４０と圧縮機１０とにまたがって形成されており、可動コイル１５と、直流電圧Ｖｄｃを発生させる直流電源４１と、直流電源４１から供給された直流電圧Ｖｄｃを交流電圧Ｖａｃに変換するインバータ回路４２（交流発生部）と、このインバータ回路４２から可動コイル１５へ交流電圧Ｖａｃを導く一対の配線４３ａ，４３ｂと、一対の配線４３ａ，４３ｂ間に設けられたキャパシタ４４とを有している。可動コイル１５は、例えば抵抗１５ａとコイル１５ｂとからなり、永久磁石１７によって付与される所定の磁界中に配置され、交流電圧を付与されることにより、中心軸Ｘ１（図１参照）に沿って往復動するようになっている。
【００１７】
インバータ回路４２は、例えばＨブリッジ型インバータ回路によって構成されており、４つのスイッチング素子４２ａ，４２ｂ，４２ｃ、及び４２ｄを含んでいる。スイッチング素子４２ａ〜４２ｄは、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ等のトランジスタによって構成される。スイッチング素子４２ａのドレインは、インバータ回路４２の一方の入力に接続されており、スイッチング素子４２ａのソースは、インバータ回路４２の一方の出力およびスイッチング素子４２ｃのドレインに接続されている。スイッチング素子４２ｃのソースは、インバータ回路４２の他方の入力に接続されている。また、スイッチング素子４２ｂのドレインは、インバータ回路４２の一方の入力に接続されており、スイッチング素子４２ｂのソースは、インバータ回路４２の他方の出力およびスイッチング素子４２ｄのドレインに接続されている。スイッチング素子４２ｄのソースは、インバータ回路４２の他方の入力に接続されている。スイッチング素子４２ａ〜４２ｄの各々のゲートは、図示しない制御部に接続されている。制御部は、スイッチング素子４２ａ〜４２ｄを例えばＰＷＭ方式により駆動するための電気信号を生成する。
【００１８】
配線４３ａは、その一端がインバータ回路４２の一方の出力に接続されており、他端が可動コイル１５の一端に接続されている。また、配線４３ｂは、その一端がインバータ回路４２の他方の出力に接続されており、他端が可動コイル１５の他端に接続されている。なお、図２に示すように、配線４３ａ，４３ｂは、インバータ回路４２と駆動ドライバ４０の出力端子４５ａ，４５ｂとを接続する配線、および出力端子４５ａ，４５ｂと第１の可動コイル１５とを接続する別の配線によって構成されていてもよい。
【００１９】
キャパシタ４４は、所定の容量を有し、インバータ回路４２と可動コイル１５との間に配置されると共に、一端が配線４３ａに他端が配線４３ｂに接続されて第１の可動コイル１５と並列になるようにされている。なお、このキャパシタ４４は接地されないようになっている。
【００２０】
続いて、このような構成を有する駆動回路５０による冷凍機１の動作について説明する。まず、可動コイル１５，１６への通電がＯＦＦ状態の場合、すなわち冷凍機１が動作停止の場合について説明する。
【００２１】
可動コイル１５，１６への通電がＯＦＦ状態の場合、直流電源４１で直流電圧Ｖｄｃが生成されず、インバータ回路４２からの交流電圧Ｖａｃが可動コイル１５，１６へ付与されないようになっている。ところが、配線４３ａと配線４３ｂとの間に可動コイル１５，１６と並列になるように接続されたキャパシタ４４により、可動コイル１５，１６を含む交流的な閉回路６０が形成される。そして、外部からの衝撃で可動コイル１５，１６が振動すると、その振動により永久磁石１７、１８によって形成される所定の磁界中に配置された可動コイル１５，１６の移動によって逆起電力が発生し、この逆起電力に基づいて交流電流が発生する。この交流電流は、キャパシタ４４を通過し可動コイル１５，１６に戻ると共に、可動コイル１５，１６の振動を妨げる方向に働く。これにより、可動コイル１５，１６の振動による移動が低減される。すなわち、電磁ブレーキが作用して、可動コイル１５，１６や可動コイル１５，１６に連結されたピストン１１，１２が所定のストローク範囲以上に移動することを制限する。
【００２２】
次に、可動コイル１５，１６への通電がＯＮ状態に切り替えられる場合について説明する。なお、可動コイル１５，１６への通電がＯＦＦ状態からＯＮ状態になるにあたり、閉回路６０を構成したキャパシタ４４を切り離す（切替器での「開」に相当する）ことを行う必要はない。
【００２３】
可動コイル１５，１６への通電がＯＮ状態へ切り替えられる場合、直流電源４１で直流電圧Ｖｄｃが生成され、この直流電圧Ｖｄｃがインバータ回路４２に伝えられて交流電圧Ｖａｃに変換され、一対の配線４３ａ，４３ｂを介して交流電圧Ｖａｃが可動コイル１５，１６へ付与される。この交流電圧Ｖａｃによって、図３（ａ）に示すように、配線４３ａから配線４３ｂへ（すなわち正の向きの）電流Ｉｐが流れる半周期と、配線４３ｂから配線４３ａへ（すなわち負の向きの）電流Ｉｎが流れる半周期とが交互に繰り返される。なお、可動コイル１５，１６へ交流電圧Ｖａｃを付与する際、キャパシタ４４へも交流電圧Ｖａｃが付与されるが、キャパシタ４４と可動コイル１５，１６とは並列に連結されていることから、可動コイル１５，１６への影響はほとんどない。
【００２４】
このような交流電流Ｉｐ，Ｉｎにより、所定の磁界中に配置されたコイル１５，１６が線対称的に往復移動を行い、各コイル１５，１６に連結されたピストン１１，１２が往復移動するようになっている。そして、冷凍機１においては、一対のピストン１１，１２が中心方向へ線対称的に移動して圧縮空間Ｓ１，Ｓ２内のヘリウムガスといった作動流体を略同時に圧縮させ、圧縮された作動流体を所定のタイミングで案内流路３０を介してコールドヘッド２０へ送る。そして、コールドヘッド２０へ送られた作動流体は膨張空間Ｓ３，Ｓ４へ供給され、不図示の駆動ドライバで可動コイル２６を駆動させることにより、ディスプレーサ２１，２２が移動して、膨張空間Ｓ３，Ｓ４における作動流体を膨張させ、コールドヘッド２０に冷凍作用を生じさせる。その後、膨張した作動流体は、案内流路３０を介して、圧縮機１０に戻され、これらを繰り返して冷凍機として駆動する。
【００２５】
なお、可動コイル１５，１６を交流電圧Ｖａｃで往復移動させる際、通電がＯＦＦ状態のときに可動コイル１５，１６の振動で発生する逆起電力と同様の逆起電力によって交流電流が発生するが、交流電圧Ｖａｃによる交流電流Ｉｐ，Ｉｎは、この逆起電力による交流電流より極めて大きくなるように設定されているため、実際の交流電流Ｉｐ，Ｉｎは、図３（ｂ）に示すように、交流電圧Ｖａｃによる電流と逆起電力による電流の合成となり、ひずみを含む波形となるものの、逆起電力による影響がほとんどないようになっている。
【００２６】
以上詳述したように、本実施形態に係る駆動回路５０では、インバータ回路４２と可動コイル１５，１６との間に可動コイル１５，１６と並列に連結されたキャパシタ４４を備えている。インバータ回路４２において交流電圧を発生させない場合、すなわち冷凍機１が動作を停止させている場合に、このキャパシタ４４と可動コイル１５，１６と一対の配線４３ａ，４３ｂにより交流的な閉回路６０が形成され、外部等からの振動によって移動する可動コイル１５，１６で発生した電流がキャパシタ４４を介して可動コイル１５，１６に戻り、この電流が可動コイル１５，１６の移動方向と逆方向に作用して電磁ブレーキとして機能する。
【００２７】
一方、インバータ回路４２において交流電圧を発生させる場合、すなわち冷凍機１が動作を開始させる場合、キャパシタ４４が可動コイル１５，１６に並列に連結されていることから、インバータ回路４２からの交流電圧は、キャパシタ４４を切り離すことなく、１対の配線４３ａ，４３ｂを介して可動コイル１５，１６に伝えられ、冷凍機１を適切に動作させることができる。従って、キャパシタ４４を可動コイル１５，１６と並列に設けて閉回路６０を形成するといった簡易な構成であるにもかかわらず、冷凍機１の動作停止の際には電磁ブレーキが適切に機能すると共に、冷凍機１が動作開始の際には冷凍機を適切に駆動する駆動回路５０とすることができる。
【００２８】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、キャパシタ４４を駆動ドライバ４０に設けた構成について説明したが、キャパシタ４４は、インバータ回路４２と可動コイル１５，１６との間に配置されると共に可動コイル１５，１６と並列に連結される箇所に設けられていればよく、例えば圧縮機１０内や圧縮機１０と駆動ドライバ４０との間の配線４３ａ，４３ｂ間に設けられるようにしてもよい。また、フィルタ回路などに用いられるキャパシタを、閉回路を構成するためのキャパシタ４４として兼用させるようにしてもよい。
【００２９】
また、上記実施形態では、駆動回路５０を圧縮機１０の駆動回路に用いた例を示したが、コールドヘッド２０に同様の駆動回路を設けるようにしてもよい。この場合には、ピストン１１，１２に代えて、外部等からの振動によって移動するディスプレーサ２１，２２の振動が低減されるようになる。更に、上述した駆動回路５０の構成をＧＭ冷凍機又はＪＴ圧縮機などといったスターリング冷凍機以外の冷凍機に用いてももちろんよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】圧縮機とコールドヘッドとからなる冷凍機の構成を模式的に示す概略図である。
【図２】本実施形態に係る駆動回路の回路図である。
【図３】可動コイルに通電される交流電流を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…冷凍機、１０…圧縮機（圧縮部）、１１，１２…ピストン、１３，１４，２３，２４…シリンダ、１５，１６，２６…可動コイル、１７，１８，２８，２９…永久磁石、２０…コールドヘッド（冷凍部）、２１，２２…ディスプレーサ、４０…駆動ドライバ（ドライバ）、４１…直流電源、４２…インバータ回路（交流発生部）、４３ａ，４３ｂ…配線、４４…キャパシタ、５０…駆動回路。
【図１】
2010007927.tif 000003
【図２】
2010007927.tif 000004
【図３】
2010007927.tif 000005