(57)【要約】【課題】汚染物質による機能の低下を防止することができる冷凍機を提供する。【解決手段】冷凍機１では、永久磁石１７を覆うケース１９を設けることにより、永久磁石１７に汚染物質が吸蔵されている場合であっても、その汚染物質の永久磁石１７からの放出を防止する。これにより、汚染物質が流路（たとえば流路１８ａ、流路４ａ、ガス流路２４等）等で凝固するといったことを防止し、冷凍機としての機能の低下を確実に防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が充填された容器と、
前記容器内に設けられて、圧縮・膨張空間を画成するピストンと、
前記容器内に設けられて、コイルとの協働により前記ピストンを往復動させる磁石と、
前記磁石を覆い、前記磁石からの汚染物質の前記容器内への拡散を抑制する覆い部材と、
を備えることを特徴とする冷凍機。
【請求項２】
前記覆い部材は非磁性の材料からなることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
【請求項３】
前記覆い部材は前記磁石の表面に密着していることを特徴とする請求項１または２記載の冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような分野の技術として、下記特許文献１に記載されるように、円筒状のシリンダ内に挿入されたディスプレーサを有し、このディスプレーサの一方の端部に膨張空間を形成し、他方の端部に圧縮空間を形成したスターリング冷凍機が知られている。ディスプレーサは、バネによってシリンダに保持されており、中立点の一方側および他方側を往復移動可能になっている。
【０００３】
この冷凍機では、シリンダ内の圧縮空間は、ガス導入管を介して圧縮機に接続されている。この圧縮機から動作ガス（冷媒）としての圧縮ヘリウムガスが圧縮空間内に導入されることにより、ディスプレーサが膨張空間側に移動する。そして、ディスプレーサが中立点に戻される際、圧縮ヘリウムガスが蓄冷材と熱交換しながら膨張空間に移動する。さらに、ガス導入管を介してヘリウムガスが排気されると、シリンダ内の圧力が低下すると共に、ディスプレーサの圧縮空間側への移動により膨張空間の容積が増加し、膨張空間内のヘリウムガスが膨張し吸熱される。吸熱により冷却されたヘリウムガスは、蓄冷材を冷却しながら圧縮空間へ移動する。
【０００４】
動作ガスには、不純物ガス（汚染物質）が含まれる場合がある。そこで、この冷凍機では、ディスプレーサの膨張空間側にモレキュラシーブを配置しており、これにより、動作ガスに含まれる不純物ガスをモレキュラシーブに吸着させて取り除くようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１１９７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した従来の冷凍機では、動作ガスである冷媒が汚染物質を含む場合、モレキュラシーブによって汚染物質を確実に吸着・除去できないおそれがあった。確実に汚染物質を除去できない場合、その汚染物質が冷媒の流路で凝固することも考えられ、冷凍機の機能の低下を招きかねない。
【０００７】
そこで、本発明は、汚染物質による機能の低下を確実に防止することができる冷凍機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】
【０００８】
本発明者らは、鋭意検討した結果、冷媒中に存在し得る汚染物質は、冷凍機の部品に吸蔵された大気や高分子が放出されたものであることを見出した。たとえば、冷凍機のモータに用いられる磁石は、大きな表面積を有するため、水素等を吸蔵しやすい。そして、その磁石から水素等の汚染物質が放出されることにより、汚染物質が流路で凝固し、冷凍機としての機能の低下を招くことが判明した。
【０００９】
上記課題を解決した冷凍機は、冷媒が充填された容器と、容器内に設けられて、圧縮・膨張空間を画成するピストンと、容器内に設けられて、コイルとの協働によりピストンを往復動させる磁石と、磁石を覆い、磁石からの汚染物質の容器内への拡散を抑制する覆い部材と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
この冷凍機によれば、コイルと磁石との協働によってピストンが往復動し、ピストンの往復動により、圧縮・膨張空間において、冷媒が圧縮・膨張させられる。ここで、磁石を覆う覆い部材が設けられており、この覆い部材により、磁石からの汚染物質の容器内への拡散が抑制される。よって、磁石に汚染物質が吸蔵されている場合であっても、その汚染物質の磁石からの放出が防止される。このように、汚染物質の放出自体を防止するため、汚染物質が流路などで凝固するといったことが防止される。その結果として、冷凍機としての機能の低下を確実に防止することができる。また、冷凍機としての信頼性の向上が図られる。
【００１１】
また、上記冷凍機において、覆い部材は非磁性の材料からなると、磁石を覆い部材で覆った後に外部磁場を印加して着磁する場合であっても、磁石に届く磁束は減ることなく十分な磁束が得られるため、磁石に対する着磁を適切に行うことができる。
【００１２】
また、上記冷凍機において、覆い部材は磁石の表面に密着していると、漏れ磁場の発生を防止することができ、ピストンを往復動させるために十分な磁力を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、汚染物質による機能の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】冷凍機の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１中のピストン周辺における構造を示す拡大断面図である。
【図３】（ａ）は図２中の磁石を示す斜視図、（ｂ）は他の実施形態に係る磁石を示す斜視図である。
【図４】磁石を収容した容器の密封方法の一例を示す断面図である。
【図５】磁石を収容した容器の密封方法の他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１に示されるように、冷凍機１は、いわゆる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、たとえば８０Ｋ程度の冷却温度を発生させる小型冷凍機である。冷凍機１は、ガス圧縮機２と、コールドヘッド３と、これらを接続するキャピラリチューブ４とを備えている。この冷凍機１の内部には、冷凍作用の発生に利用される冷媒ガス（冷媒）が充填されている。冷媒ガスとしては、たとえば、ヘリウムガスを用いることができる。
【００１７】
ガス圧縮機２は、上記の冷媒ガスが内部に充填された円筒状のケーシング（容器）５と、ケーシング５の軸線Ｌに沿って配置された円筒状のシリンダ７と、シリンダ７の両側からシリンダ７内に挿入された一対のピストン８と、各ピストン８を軸線Ｌ方向に往復動させるピストン駆動用のモータ部６とを備えている。
【００１８】
ケーシング５は、円筒状の本体部５ａと、椀形状をなす一対のキャップ部５ｂとから構成されている。ケーシング５の軸線Ｌは、本体部５ａの中心軸線に一致する。一対のキャップ部５ｂは、軸線Ｌ方向における本体部５ａの両端の開口を塞ぐようにして、本体部５ａに固定されている。
【００１９】
本体部５ａ内に配置されたシリンダ７は、その中心軸線が軸線Ｌと一致するように設けられている。シリンダ７内では、ピストン８先端のピストン面８ａとシリンダ７の内周面７ａとによって圧縮・膨張空間Ｎが画成されている。一対のピストン８は、圧縮・膨張空間Ｎを挟んで互いに対称な構成を有している。この圧縮・膨張空間Ｎは、キャピラリチューブ４内に形成された流路４ａを通じてコールドヘッド３の内部と連通している。
【００２０】
ピストン８は、軸線Ｌに沿う方向で２つの部位に分けられ、先端側（圧縮・膨張空間Ｎ側）のピストン先端部８ｂと、基端側（キャップ部５ｂ側）の挿通穴形成部８ｃとを有している。
【００２１】
ピストン先端部８ｂは、シリンダ７内に深く入り込んでおり、その先端にはピストン面８ａが形成されている。また、ピストン先端部８ｂの外周面８ｄは、シリンダ７の内周面７ａと整合する円柱状をなすように形成されている。ピストン先端部８ｂは、外周面８ｄとシリンダ７の内周面７ａとの間に微小な間隙が形成されるように支持されている。この間隙は、大きさを適切に設定することによりクリアランスシールとして好適に機能する。
【００２２】
挿通穴形成部８ｃには、そのキャップ部５ｂ側の端面から軸線Ｌに沿って凹む挿通穴Ｐが形成されている。一方、ケーシング５には、キャップ部５ｂを介して、シリンダ７内で軸線Ｌ方向に延びる支持棒１２が固定されている。支持棒１２は、キャップ部５ｂに対し、円板状の固定部材１３を介して片持ち梁の状態で固定されている。これによって、支持棒１２は、本体部５ａに設けられたシリンダ７に対して相対位置が固定されている。支持棒１２は、挿通穴形成部８ｃの挿通穴Ｐに差し込まれている。
【００２３】
ピストン８の挿通穴形成部８ｃには、コイル支持部材１０が固定されている。コイル支持部材１０は、軸線Ｌ方向に延在する円筒部１０ａと、円筒部１０ａのキャップ部５ｂ側の開口を覆うように形成された底壁部１０ｂとから構成されている。挿通穴形成部８ｃのキャップ部５ｂ側の端部には、コイル支持部材１０の底壁部１０ｂが固定されており、この底壁部１０ｂの中央には、支持棒１２が貫通している。コイル支持部材１０の円筒部１０ａは、軸線Ｌに直交する方向においてシリンダ７から離間すると共に、シリンダ７を包囲している。
【００２４】
さらに、挿通穴形成部８ｃおよび底壁部１０ｂと支持棒１２との間には、円筒状の軸受け１５が配置されている。軸受け１５は、挿通穴形成部８ｃおよび底壁部１０ｂの内周側に嵌まり込んでおり、ピストン８およびコイル支持部材１０と一体になって支持棒１２に沿って摺動する。すなわち、軸受け１５は、軸線Ｌ方向において、支持棒１２に対してピストン８を相対移動可能に支えている。
【００２５】
挿通穴形成部８ｃのキャップ部材５ｂ側と、シリンダ７の外側に突出した鍔部７ｂとの間には、軸線Ｌ方向に延在するコイルばね９が配置されている。コイルばね９は、ピストン８を初期位置に戻す方向に付勢する。
【００２６】
図２は、ピストン８周辺における構造を示す拡大断面図である。図２に示されるように、モータ部６は、コイル支持部材１０の円筒部１０ａに巻き付けられた電磁コイル（コイル）１６と、この電磁コイル１６との協働によりピストン８を軸線Ｌに沿って往復動させる円環状の永久磁石（磁石）１７と、この永久磁石１７が固定されて永久磁石１７と共に磁気回路を形成するヨーク１８とを備えている。
【００２７】
円筒部１０ａの先端側（圧縮・膨張空間Ｎ側）には、円筒部１０ａの周方向で連続するコイル用窪み１０ｃが形成されている。このコイル用窪み１０ｃ内に収まるようにして、電磁コイル１６がコイル支持部材１０の外側から巻き付けられている。
【００２８】
ヨーク１８は、２重の円筒状をなしており、ケーシング５の本体部５ａ内に固定されている。ヨーク１８は、本体部５ａの内周面に沿って配置された外筒部１８ｂと、シリンダ７の外周面に沿って配置された内筒部１８ｃとを有している。この内筒部１８ｃ内に、シリンダ７およびピストン８のピストン先端部８ｂが配置されている。外筒部１８ｂと内筒部１８ｃとの間にはギャップＧが形成されている。また、外筒部１８ｂと内筒部１８ｃとの間には、コイル支持部材１０の円筒部１０ａおよび電磁コイル１６が配置されている。ヨーク１８の周方向におけるキャピラリチューブ４側には、圧縮・膨張空間Ｎと流路４ａとを連絡する流路１８ａが形成されている。
【００２９】
外筒部１８ｂの内面側（軸線Ｌ側）には、外筒部１８ｂの周方向で連続する磁石用窪み１８ｄが形成されている。この磁石用窪み１８ｄに永久磁石１７が配置されており、外筒部１８ｂと内筒部１８ｃとの間において、電磁コイル１６と永久磁石１７とが所定距離離間して対面している。永久磁石１７としては、たとえば、焼結体である希土類磁石を用いることができる。
【００３０】
ここで、本実施形態の冷凍機１にあっては、永久磁石１７は、円筒状のケース（覆い部材）１９内に収容されている。図３（ａ）に示されるように、ケース１９は、内部に円環状の収容空間１９ａを有しており、永久磁石１７は、この収容空間１９ａに収容されている。ケース１９は、永久磁石１７の表面１７ａ全体を隙間なく覆っており、永久磁石１７の表面１７ａに密着している。ケース１９は、永久磁石１７を収容した後に密封されている。これによって、収容空間１９ａとケース１９外の空間との間で物質（気体や液体など）が移動しないように構成されている。すなわち、ケース１９は、永久磁石１７に含まれた物質が永久磁石１７からケーシング５内に拡散することを抑制する機能を有する。永久磁石１７およびケース１９によって、円環状の磁石部３０が構成されている。
【００３１】
ケース１９は、非磁性かつ電気伝導度の低い金属材料からなる。ケース１９を構成する材料としては、たとえば、ＳＵＳ３０４を用いることができる。ケース１９の材料が有する電気伝導度は、３．２×１０６ｍ／Ω以下であるのが好ましい。
【００３２】
図２に示されるように、永久磁石１７を内部に有する磁石部３０が、ヨーク１８の磁石用窪み１８ｄに嵌め込まれ、断面Ｌ字状の押さえ金具２０およびボルト２０ａによって固定されている。磁石部３０は、ヨーク１８に対して隙間なく取り付けられている。なお、磁石部３０は、永久磁石１７の磁力によりヨーク１８に貼り付くが、磁石部３０を確実に固定するために、押さえ金具２０およびボルト２０ａが用いられる。
【００３３】
磁石部３０の永久磁石１７、ヨーク１８、およびギャップＧによって磁気回路が形成されている。また、磁気回路内に位置する電磁コイル１６には、図示しないリード線を通じて外部から電流が供給される。この電磁コイル１６と永久磁石１７との協働によりコイル支持部材１０が軸線Ｌに沿う方向に駆動され、これによってピストン８の往復動が行われる。
【００３４】
ガス圧縮機２においては、ケーシング５、シリンダ７、支持棒１２、固定部材１３、ヨーク１８、および磁石部３０等によって固定部が構成され、コイル支持部材１０、ピストン８、軸受け１５、電磁コイル１６等によって可動部が構成される。
【００３５】
次に、磁石部３０の製造方法について説明する。まず、図４に示されるように、着磁がなされていない希土類磁石３１などを用意し、ケース１９の本体部１９ｂ内に収容する。次に、蓋部１９ｃを本体部１９ｂの開口に嵌め込む。次に、ケース１９を真空容器３２内の回転台３３上に載置する。次に、真空容器３２内を真空に保った状態で電子銃またはレーザーにより接合部３４を溶かし、電子ビーム溶接またはレーザー溶接を行う。これにより、本体部１９ｂに蓋部１９ｃが接合され、ケース１９が密封される。そして、ケース１９を密封した後、外部磁場を印加して着磁を行う。なお、ケース１９内に希土類磁石３１を収容する前に、加熱および減圧を繰り返して希土類磁石３１に吸着（吸蔵）されたガスを放出させてもよい。この場合、加熱後に着磁を行う。
【００３６】
なお、図５に示されるように、真空容器３２内に希土類磁石３１を収容したケース１９を配置し、真空容器３２内に取り付けられたヒーター３５によって、本体部１９ｂと蓋部１９ｃとの間に介在させたろう材３６を溶かして気密接合することもできる。
【００３７】
図１に示されるように、コールドヘッド３は、ケーシング２１、シリンダ２２、ディスプレーサ２３、支持ロッド２７、及びコイルバネ２５を備えている。略円柱状のケーシング２１の内部は、キャピラリチューブ４内の流路４ａと連通しており、キャピラリチューブ４を通じて冷媒ガスがケーシング２１内に送り込まれる。
【００３８】
シリンダ２２は、ケーシング２１から突出して設けられた略円筒状の部材である。シリンダ２２の先端（ケーシング２１から突出した端）は閉じられている。シリンダ２２の内部には、ケーシング２１内と連通する空間が形成されている。また、シリンダ２２の内部には、シリンダ２２に沿って延在するディスプレーサ２３が挿入されている。
【００３９】
シリンダ２２の先端側には、シリンダ２２の内壁とディスプレーサ２３とによって膨張空間Ｍが形成されている。この膨張空間Ｍには、ディスプレーサ２３内に形成されたガス流路２４を通じてケーシング２１内の冷媒ガスが流れ込む。ディスプレーサ２３内のガス流路２４には、蓄冷材２６が充填されている。
【００４０】
ディスプレーサ２３は、ケーシング２１内でシリンダ２２の突出方向に延在する支持ロッド２７に支持されている。支持ロッド２７は、ケーシング２１内に設けられた軸受け支持部２８及び軸受け２９によって支持されており、軸受け２９は、支持ロッド２７を介してディスプレーサ２３をシリンダ２２の突出方向で移動可能に支持している。ケーシング２１内には、支持ロッド２７を中心として巻回するようにコイルバネ２５が設けられている。コイルバネ２５の一端は支持ロッド２７に取り付けられ、他端は軸受け支持部２８に取り付けられている。コイルバネ２５は、冷媒ガスの流れによりディスプレーサ２３が移動した場合、ディスプレーサ２３を初期位置に戻す方向に弾性力を働かせる。
【００４１】
冷凍機１では、電磁コイル１６への通電により、一対のピストン８が軸線Ｌに沿って往復動する。すなわち、一対のピストン８は、軸線Ｌ方向で互いに近づくように移動することで圧縮・膨張空間Ｎを縮小させ、空間内部の冷媒ガスを圧縮する。また、一対のピストン８は、軸線Ｌ方向で互いに離れるように移動することで圧縮・膨張空間Ｎを拡張させ、空間内部の冷媒ガスを膨張させる。各ピストン８の往復動により冷媒ガスが圧縮・膨張空間Ｎ内で圧縮又は膨張すると、キャピラリチューブ４内の流路を通じて圧力の変動がコールドヘッド３内に伝達され、コールドヘッド３内の冷媒ガスが加圧又は減圧される。
【００４２】
ガス圧縮機２により圧縮・膨張空間Ｎの冷媒ガスが圧縮されると、キャピラリチューブ４を通じて圧力が伝達し、コールドヘッド３内では冷媒ガスの一部が蓄冷材２６によって冷却されながら膨張空間Ｍへと押し込まれる。その後、ガス圧縮機２により圧縮・膨張空間Ｎが拡張されると、キャピラリチューブ４を通じてコールドヘッド３内の冷媒ガスの圧力が低下し、圧縮・膨張空間Ｎ内の冷媒ガスが断熱膨張して寒冷が発生する。これらの工程の繰り返しにより、コールドヘッド３のシリンダ２２において、たとえば約８０Ｋ以下の冷凍作用を発生させることができる。
【００４３】
以上説明した本実施形態の冷凍機１によれば、永久磁石１７を覆うケース１９が設けられており、このケース１９により、永久磁石１７からの汚染物質のケーシング５内への拡散が抑制される。よって、永久磁石１７に汚染物質が吸蔵されている場合であっても、その汚染物質の永久磁石１７からの放出が防止される。汚染物質の放出自体を防止するため、汚染物質が流路（たとえば流路１８ａ、流路４ａ、ガス流路２４）等で凝固するといったことが防止される。その結果として、冷凍機としての機能の低下が確実に防止される。
【００４４】
従来の冷凍機では、モータの磁石に希土類磁石などを用いる場合が多かった。この希土類磁石は、焼結体であって表面積が大きいため、たとえば水素（Ｈ２）などの汚染物質を吸蔵しやすかった。吸蔵された汚染物質が放出されると、約４Ｋの低温を発生させる冷凍機では汚染物質が凝固してしまい、冷凍機が機能しなくなることがあった。本実施形態の冷凍機１によれば、このような事態が回避され、冷凍機としての信頼性が向上する。
【００４５】
また、ケース１９は非磁性の材料からなるため、希土類磁石３１をケース１９で覆った後に外部磁場を印加して着磁する場合であっても、希土類磁石３１に届く磁束は減ることなく十分な磁束が得られるため、希土類磁石３１に対する着磁を適切に行うことができる。ケースに磁性材料を用いた場合、密封後に着磁ができない、もしくは、着磁ができても磁石に届く磁束が減ってしまい、強い磁石を作ることができない。冷凍機１のケース１９では、強い磁石を作ることができる。
【００４６】
また、ケース１９は永久磁石１７の表面１７ａに密着しているため、漏れ磁場の発生が防止され、ピストンを往復動させるために十分な磁力を得ることができる。たとえば、永久磁石１７とケース１９との間に隙間があると漏れ磁場が発生してしまい、モータ部６の推力低下を招いてしまうが、冷凍機１ではピストン８を往復動させるために十分な推力を得ることができる。
【００４７】
また、磁石部３０が、ヨーク１８に対して隙間なく取り付けられているため、ここでも漏れ磁場の発生が防止されており、上記と同様の効果が奏される。
【００４８】
また、磁石部３０の製造においては、真空中でケース１９を密封するため、密封時における永久磁石１７への汚染物質の吸着を最小限に抑えることができる。よって、ケース１９に万が一破損が生じても、冷凍機１内に汚染物質が拡散してしまうことを抑制できる。従来のように大気中で密封すると、大気が閉じ込められてしまい、万が一密封が破れれば、大気が放出されてしまう。しかしながら、冷凍機１では、万が一ケース１９が破損しても、冷凍機１内に汚染物質が拡散することが抑制される。
【００４９】
また、ケース１９は電気伝導度の低い材料からなるため、渦電流の発生が抑制されている。渦電流とは、次の作用により発生するものである。すなわち、電磁コイルに交流電流が流れ、永久磁石と電磁コイルで作られる静磁場との相互作用で電磁力が発生し、電磁コイルが往復動する。この際、電磁コイルが作る交番磁場が永久磁石に印加される。金属が変動する磁場に晒されると、誘導電流すなわち渦電流が発生する。この電流で熱が発生し、エネルギーロスにつながってしまう。この点、電気伝導度の低い材料からなるケース１９によれば、誘導起電力は変わらないが、電流が抑制されるので、上記したようなエネルギーロスが少なくて済む。
【００５０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。たとえば、上記実施形態では、固定部のヨーク１８に永久磁石１７が固定され、可動部のコイル支持部材１０に電磁コイル１６が配置される場合について説明したが、これとは逆に、固定部側に電磁コイル１６が配置され、可動部側に永久磁石１７が固定される構成としてもよい。
【００５１】
また、ケースおよび永久磁石は、周方向に連続して形成される場合に限られず、周方向に分割された複数の磁石からなってもよい。この場合、たとえば図３（ｂ）に示されるように、複数の永久磁石（永久磁石１７Ｂ等）と、それらをそれぞれ覆う複数のケース１９Ａ〜１９Ｄを設けた磁石部３０Ａとすることができる。また、磁石を覆うケースは磁性を有してもよい。ケース１９と永久磁石１７との間には隙間が形成されてもよい。
【００５２】
また、磁石が容器に収容されている場合に限られず、磁石の一方がケーシングや容器などの部材によって覆われ、他方がカバーなどの覆い部材によって覆われる構成としてもよい。すなわち、複数の部材により磁石全体が覆われる構成としてもよい。
【００５３】
また、上記実施形態ではスターリング冷凍機を例として説明したが、本発明は、スターリング冷凍機に限られず、パルスチューブ冷凍機、ジュールトムソン冷凍機、３Ｈｅ−４Ｈｅ希釈冷凍機等の各種態様を採ることができる。なお、ジュールトムソン冷凍機や３Ｈｅ−４Ｈｅ希釈冷凍機等では約４Ｋ以下の冷却温度を発生させることができるが、この場合であっても、覆い部材による汚染物質の拡散抑制作用によって、冷凍機としての機能の低下が確実に防止される。
【符号の説明】
【００５４】
１…冷凍機、５…ケーシング（容器）、８…ピストン、１６…電磁コイル（コイル）、１７…永久磁石（磁石）、１９…ケース（覆い部材）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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