(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外円筒と、外円筒に同軸状に配置された内円筒、および、前記外円筒と前記内円筒を保持するセンタヨークから構成されるヨークと、前記内円筒内面に設けられたシリンダと、前記外円筒内面に設けられた磁石と、前記磁石がつくる磁界内に設けられ交流電流を流すことにより往復運動が可能なコイルと、前記コイルに接合され前記シリンダ内を往復運動可能なピストンと、ばね、および、前記ばねにより、前記ピストンと弾性的に結合され、ヨークの両端面に溶接で接合されたフランジで構成された圧縮機と、
低温シリンダと、軸受と、支持ばねと、ディスプレーサと、前記ディスプレーサに備えられた再生器と、前記支持ばねを介して前記ディスプレーサと弾性的に結合されたホルダ、および、ハウジングで構成されたコールドフィンガと、
前記圧縮機とコールドフィンガを接続する連結管と、
を備えた冷凍機において、
前記圧縮機は、前記外円筒端面に前記外円筒内面に向かう１５°以上、３０°以下のテーパが設けられ、
前記コールドフィンガは、
前記ディスプレーサ外周および前記ホルダ外周に備えられた、前記支持ばねを取りつけるばね溝と、
前記ばね溝の導入部に設けられた、前記支持ばねの素線半径よりも大きい大きさのめんとりと、
前記支持ばねの外面に取りつけられたカバーとを備え、
前記カバーと前記支持ばねを保持する部材の間のすきまが樹脂で充填されたことを特徴とする冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は赤外線撮像装置に使用される例えばパルスチューブ冷凍機やスターリングサイクル冷凍機等の機械式冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は従来の圧縮機１、および、従来の圧縮機１を使用した従来の冷凍機３５を示す図である。図において、２はコールドフィンガ、３は連結管を示す。圧縮機１はヨーク４と、磁石５ａ，５ｂと、それぞれ対向して配置された、シリンダ６ａ，６ｂ、ピストン７ａ，７ｂ、コイル８ａ，８ｂ、共振ばね９ａ，９ｂ、および、フランジ１０ａ，１０ｂを備える。ヨーク４には外円筒１１と、外円筒１１の中心に外円筒１１と同軸状に配置された内円筒１２と、外円筒１１と内円筒１２の間の空間を２分するセンターヨーク１３と、内円筒の内部空間を２分する隔壁１４が設けられている。外円筒１１の左右の内面には磁石５ａ，５ｂが接合されている。磁石５ａ，５ｂとヨーク４は磁気回路を構成し、磁石５ａ，５ｂ内面と内円筒１２外面の間の空間に永久磁界をつくる。シリンダ６ａ，６ｂは内円筒内面に挿入されねじ等の手段によりヨーク４に固定される。
【０００３】
ピストン７ａ，７ｂはそれぞれコイル８ａ，８ｂに取りつけられ、共振ばね９ａ，９ｂを介してフランジ１０ａ，１０ｂに支持される。フランジ１０ａ，１０ｂはシリンダ６ａ，６ｂを取りつけたヨーク４の両端面に接合され、ピストン７ａ，７ｂはそれぞれシリンダ６ａ，６ｂの内部を往復運動する構造となっている。ピストン７ａ，７ｂがそれぞれシリンダ６ａ，６ｂの内部を滑らかに往復運動するように、ヨーク４とフランジ１０ａ，１０ｂははめあいによって精密に軸合せされている。また、外気に対して圧縮機１内部を気密に保持するため、ヨーク４とフランジ１０ａ，１０ｂは溶接によって接合されている。さらに、溶接前に動作確認を行うため、フランジ１０ａ，１０ｂには、図には示していないが、Ｏリングを使用し、簡便に外気との気密を保持するためのシールリング溝４３ａ，４３ｂが設けられている。シリンダ６ａと、ピストン７ａと、隔壁１４で仕切られた空間、および、シリンダ６ｂと、ピストン７ｂと、隔壁１４で仕切られた空間をそれぞれ圧縮室１５ａ，１５ｂと呼ぶ。
【０００４】
コイル８ａ，８ｂは各々非磁性材料からなる軽量のスリーブ１６ａ，１６ｂと、スリーブ１６ａ，１６ｂに、ヨーク４の内円筒１２と同軸状に数十ターンから数百ターンほど巻きつけられ、積層された導電線１７ａ，１７ｂによって構成される。導電線１７ａ，１７ｂは積層状態を維持するために接着剤で固定されている。導電線１７ａ，１７ｂは、電気端子１８ａ，１８ｂに電気的に接続されており、フランジ１０ａ，１０ｂに取りつけられた電気端子１９ａ，１９ｂを介して圧縮機１外部から、電源２０によって電流を供給される。
【０００５】
図１４はヨーク４端面方向から見た、磁石５ａの形状とヨーク４への取りつけ状態を示す図である。磁石５ａは円弧状の形状をもつ数個の磁石片の組み合わせで構成される。図において磁石５ａは４個の磁石片を円筒状に組合わせ、外円筒１１の内面に配置されている。一般に磁石は成型時のプレス方向に磁気異方性をもっており、例えば、円弧の半径方向に着磁することは困難であるため、磁石片は磁石片の円弧の両端を結ぶ線に垂直に着磁されている。図中の矢印は磁石５ａ内面と内円筒１２外面の間の空間の永久磁界を模したものである。磁石５ａは円弧の両端を結ぶ線に垂直に着磁された磁石片の組み合わせで構成されているので、磁界は磁石５ａを構成する各々の磁石片の端部で乱れを生じている。
【０００６】
図１５は共振ばね９ａ、コイル８ａ、および、フランジ１０ａの接合部の詳細を示す図である。コイル８ａ、フランジ１０ａ、にはそれぞれ共振ばね９ａの巻径、ピッチ、素線径にあわせたばね溝４０ａ，４１ａが設けられている。ばね溝４０ａ、および、ばね溝４１ａの深さは切り込み加工を容易にするために、共振ばね９ａの素線半径よりも小さくなっている。共振ばね９ａは、ばね溝４０ａ、および、ばね溝４１ａに挿入され、接着剤４２ａで固定される。
【０００７】
図１６はばね溝４０ａの形状を概念的に示す図である。図中の一点鎖線はばね溝の導入部を示している。また、図中（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ異なる方向のばね溝の断面を示す。断面（ｂ）に示されるように、ばね溝の導入部では端面とばね溝のなす角度は非常に小さくなり、薄肉部分が形成される。フランジ１０ｂ、および、コイル８ｂにも、それぞれ共振ばね９ｂの巻径、ピッチ、素線径にあわせたばね溝４０ｂ，４１ｂが設けられており、共振ばね９ｂは、ばね溝４０ｂ、ばね溝４１ｂに挿入され接着剤４２ｂで固定されている。
【０００８】
図１７はヨーク４とフランジ１０ａの接合部の詳細を示す図である。フランジ１０ａおよびヨーク４にははめあいが設けられているため、接合部には半径方向のすきまがあり、溶接部には不連続面が生じている。
【０００９】
一方、コールドフィンガ２は低温シリンダ２３、軸受２４、ディスプレーサ２５、支持ばね２６、ハウジング２７、ホルダ２８、さらばね２９で構成される。ディスプレーサ２５は内部に作動ガスを通過させるための連通孔３０および金属マトリクス等の熱交換器を充填した再生器３１を備え、支持ばね２６を介してホルダ２８と弾性的に結合されている。ホルダ２８、および、ディスプレーサ２５はそれぞればね溝４４，４５を備えており、支持ばね２６とホルダ２８、および、ディスプレーサ２５は圧縮機１の共振ばね９ａ，９ｂとコイル８ａ，８ｂ、および、フランジ１０ａ，１０ｂの接合方法と全く同じ方法で接合されている。
【００１０】
ディスプレーサ２５は軸受２４内部を往復運動できるように配置され、ホルダ２８は部品寸法のばらつきを吸収するため、さらばね２９を介して軸受２４の端部に取りつけられている。軸受２４のもう一方の端部は低温シリンダ２３にはめ合わされる。ハウジング２７は軸受２４とホルダ２８を内包するように低温シリンダ２３に気密的に接合される。ディスプレーサ２５、軸受２４、ホルダ２８で仕切られた空間を高温室３２と呼び、また、低温シリンダ２３、ディスプレーサ２５で仕切られた空間を低温室３３と呼ぶ。連結管３はヨーク４、ハウジング２７に気密的に接合され、圧縮機１の圧縮室１５ａ，１５ｂ、コールドフィンガ２の高温室３２を連通させる。
【００１１】
冷凍機３５内部の空間にはヘリウムガス等の作動ガスが封入されている。また、クーラ内部の空間の内、圧縮室１５ａ，１５ｂ、高温室３２、低温室３３および連結管３内部の空間全体を特に作動室３４と呼ぶ。電源２０の出力は、コールドフィンガ２の先端、あるいは、図には示していないが冷凍機３５によって冷却される非冷却物にとりつけられた温度センサ３６の出力によって電気出力制御器３７によって制御される。
【００１２】
次に圧縮機１の動作について説明する。圧縮機１のピストン７ａ，７ｂおよびコイル８ａ，８ｂは各々の質量と、共振ばね９ａ，９ｂのばね性および作動室３４の作動ガスの圧縮、膨張時のばね性によるピストン振動系を構成している。電源２０より電気端子１９ａ，１９ｂおよび電気端子１８ａ，１９ｂを介してコイル８ａ，８ｂの導電線１７ａ，１７ｂに交流電流を供給すると、前記のように導電線１７ａ，１７ｂには磁石５が作る永久磁界との相互作用によりヨーク４の機軸方向にローレンツ力が働き、コイル８ａ，８ｂに取りつけられたピストン７ａ，７ｂは機軸方向に往復運動する。
【００１３】
このピストン７ａ，７ｂが互いに逆方向に往復運動する向きに、上記の振動系の共振周波数と同じ周波数をもつ交流電流を供給すると、振動系は交流電流が受けるローレンツ力に共振するため、ピストン７ａ，７ｂは交流電流と同じ周波数、かつ、９０°遅れた位相でシリンダ６ａ，６ｂ内部を往復運動し、圧縮室１５ａ，１５ｂの容積を変化させる。このとき、ローレンツ力によってピストン、コイルになされる仕事は、圧縮機の出力に等しく、その大部分が圧縮室内のガスの内部エネルギに変換される。また、圧縮機の損失は、コイルの発熱に等しい。圧縮機の出力と圧縮機の損失の和で圧縮機の出力を除した値を圧縮機の効率と呼ぶ。
【００１４】
次に冷凍機３５の動作について説明する。電源２０より電気端子１９ａ，１９ｂおよび電気端子１８ａ，１８ｂを介してコイル８ａ，８ｂの導電線１７ａ，１７ｂに前記のピストン７ａ，７ｂ、コイル８ａ，８ｂ振動系の共振周波数と同じ周波数をもつ交流電流を供給すると、交流電流と同じ周波数、かつ、９０°遅れた位相でピストン７ａ，７ｂは振動し、この結果、作動室３４のガス圧力に正弦波状の変動を与える。この正弦波状の圧力変動によりディスプレーサ２５の再生器３１内には周期的なガス移動が起きるため、高温室３２と低温室３３には再生器３１の圧力損失に起因した周期的な圧力差が生じる。
【００１５】
コールドフィンガのディスプレーサ２５は、ディスプレーサ２５の質量と支持ばね２６のばね性によるディスプレーサ振動系を構成しており、この圧力差が駆動力となって、ディスプレーサ２５はピストン７ａ，７ｂと同じ周波数、かつ、異なる位相で振動し、コールドフィンガ２内を機軸方向に往復運動する。ピストン７ａ，７ｂとディスプレーサ２５が適当な位相差を保って運動するとき、作動室３４内の作動ガスは「逆スターリングサイクル」として既知の熱力学サイクルを構成し、低温室３３に冷熱を発生する。また、冷却温度を一定に保つため、電気出力制御器３７はコールドフィンガ２の先端に取りつけられた温度センサ３６の出力に応じて、温度変動が例えば０．１ケルビン以下となるように電源２０が圧縮機１に供給する電気出力量を制御する。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の圧縮機は以上のように構成されており、長時間の使用においては導電 線 に働くローレンツ力により、導電線の積層状態が変形し、破壊することがあった。
【００１９】
また、フランジとヨークの溶接部は作動ガスを封入した圧縮機内部と外気の気密をとり、かつ、圧縮機内部と外気の圧力差に耐える必要があるが、フランジとヨークのはめあい部のすきまがクラック生成のきっかけとなりやすく、信頼性を低下させていた。さらに、シールリング溝にＯリングを装着するためのガイドがないため、Ｏリングを傷つけ破損することもあった。
【００２２】
一方従来のスターリングサイクル冷凍機は以上のように構成されており、コールドフィンガのディスプレーサばね溝、および、ホルダのばね溝では、溝の導入部付近で端面が近接し、ばね溝と端面のなす角が非常に小さくなるため、薄肉となる部分が存在する。支持ばねが引っ張りを受けると支持ばねの力によってばね溝導入部の薄肉部分が徐々に変形し、支持ばねのばね定数が変化していく。支持ばねのばね定数変化は、作動ガスの圧力変動に対するディスプレーサ振動系の応答を変化させるので、逆スターリングサイクルの効率が低下し、必要な冷凍を得るための消費電力が増大することがあった。
【００２３】
また、コールドフィンガの支持ばねは圧縮、引っ張りを繰り返すため、支持ばねの巻径は常に微小な増大、減少を繰り返している。支持ばねとディスプレーサ、および、ホルダの固定を接着に依存していると、長時間の使用においては接着剤が破壊することにより、作動ガスの圧力変動に対するディスプレーサ振動系の応答が変化するため、逆スターリングサイクルの効率が低下し、必要な冷凍を得るための消費電力が増大することがあった。
【００２４】
さらに、電気出力制御器はコールドフィンガ先端温度、または、非冷却体の温度を一定に保つように電源出力を制御するので、使用者は定常冷却に必要な電気出力が電源の最大出力を超えるまで上記説明した効率低下を認識することができない。すなわち、使用者が交換用冷凍機の準備等、冷凍機が使用不能となった場合の対策を事前に考慮していない状況で、冷凍機を使用中、突然に冷却不可能な状態となってしまうことがあった。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
外円筒と、外円筒に同軸状に配置された内円筒、および、前記外円筒と前記内円筒を保持するセンタヨークから構成されるヨークと、前記内円筒内面に設けられたシリンダと、前記外円筒内面に設けられた磁石と、前記シリンダ内を往復運動可能なピストンと、前記ピストンに接合されたスリーブ、および、前記磁石が作る磁界内に設けられ、前記スリーブ側面に前記内円筒と同軸状に巻きつけられ、積層された導電線で構成されたコイルと、ばね、および、前記ばねにより、前記ピストンと弾性的に結合されたフランジで構成された圧縮機において、前記スリーブの端面および中央部に前記導電線を挟み込むように設けられたガイドを備え、前記スリーブと前記導電線と前記ガイドの間の隙間が樹脂で充填されたことを特徴とする圧縮機であってもよい。つまり、この圧縮機は、コイルのスリーブが積層された導電線を挟み込むガイドを備えており、かつ、ガイドと、導電線のすきまが樹脂で充填されたものである。
【００２８】
また、外円筒と、外円筒に同軸状に配置された内円筒、および、前記外円筒と前記内円筒を保持するセンタヨークから構成されるヨークと、前記内円筒内面に設けられたシリンダと、前記外円筒内面に設けられた磁石と、前記磁石がつくる磁界内に設けられ交流電流を流すことにより往復運動が可能なコイルと、前記コイルに接合され前記シリンダ内を往復運動可能なピストンと、ばね、および、前記ばねにより、前記ピストンと弾性的に結合され、ヨークの両端面に溶接で接合されたフランジで構成された圧縮機において、前記外円筒端面に前記外円筒内面に向かう１５°以上、３０°以下のテーパを備えたことを特徴とする圧縮機であってもよい。つまり、このヨークの外円筒の溶接端面にヨークの外円筒の内面に向かう１５°以上３０°以下のテーパを設けたものである。
【００２９】
また、外円筒と、外円筒に同軸状に配置された内円筒、および、前記外円筒と前記内円筒を保持するセンタヨークから構成されるヨークと、前記内円筒内面に設けられたシリンダと、前記外円筒内面に設けられた磁石と、前記磁石がつくる磁界内に設けられ交流電流を流すことにより往復運動が可能なコイルと、前記コイルに接合され前記シリンダ内を往復運動可能なピストンと、ばねと、前記ばねを介して前記ピストンと弾性的に結合されたフランジで構成された圧縮機において、前記ピストンの一端に設けられた空隙と、前記ばねを取りつけるばね溝が設けられ、前記ピストンの前記空隙に挿入されるアダプタと、前記ピストンのもう一方の端面に設けられたさらとり、および、段差と、前記さらとりに挿入され、前記ピストンと前記アダプタを締結するねじを備え、前記ピストンの前記段差と前記さらねじのすきまが樹脂で充填されていることを特徴とする圧縮機であってもよい。つまり、この圧縮機は、一端面に空隙が設けられ、もう一方の端面にさらとりと、段差が設けられた中空円筒状のピストンと、ピストンの空隙から挿入され、外径部のばね溝に共振ばねを取りつけたアダプタが、さらねじによって締結されており、かつ、ピストンの端面に設けられた段差とさらねじのすきまが、樹脂で充填されたものである。
【００３０】
また、外円筒と、外円筒に同軸状に配置された内円筒、および、前記外円筒と前記内円筒を保持するセンタヨークから構成されるヨークと、前記内円筒内面に設けられたシリンダと、前記外円筒内面に設けられた磁石と、前記磁石がつくる磁界内に設けられ交流電流を流すことにより往復運動が可能なコイルと、前記コイルに接合され前記シリンダ内を往復運動可能なピストンと、ばね、および、前記ばねにより前記ピストンと弾性的に結合されたフランジで構成された圧縮機と、低温シリンダと、軸受と、支持ばねと、ディスプレーサと、前記ディスプレーサに備えられた再生器と、前記支持ばねを介して前記ディスプレーサと弾性的に結合されたホルダ、および、ハウジングで構成されたコールドフィンガ、および、連結管を備えた冷凍機において、前記ディスプレーサ外周および前記ホルダ外周に備えられた、前記支持ばねを取りつけるばね溝と、前記ばね溝の導入部に設けられた、前記支持ばねの素線半径よりも大きい大きさのめんとりを備えたことを特徴とする冷凍機であってもよい。つまり、共振ばねを保持する部材のばね溝導入部に、共振ばね素線半径より大きい大きさのめんとりを設けたものである。
【００３１】
また、前記ばねの外面に取りつけられたカバーを備え、前記カバーと前記ばねを保持する部材の間のすきまが樹脂で充填されたことを特徴と圧縮機であってもよい。つまり、この圧縮機は、共振ばねの外面にカバーを取りつけてカバーと共振ばねを保持する部材の間のすきまを樹脂で充填したものである。
【００３２】
また、前記ばねを保持する部材に、前記ばねの平均巻径よりも大きい直径の溝の山部をもつばね溝を備え、かつ、前記ばねと前記ばね溝の接触部を溶接により固定したことを特徴とする圧縮機であってもよい。つまり、この圧縮機は、共振ばねを保持する部材のばね溝の山部直径を共振ばね平均巻径よりも大きくし、かつ、共振ばね終端部の共振ばねと共振ばねを保持する部材の接触部を溶接により固定したものである。
【００３３】
第２の発明は、外円筒と、外円筒に同軸状に配置された内円筒、および、前記外円筒と前記内円筒を保持するセンタヨークから構成されるヨークと、前記内円筒内面に設けられたシリンダと、前記外円筒内面に設けられた磁石と、前記磁石がつくる磁界内に設けられ交流電流を流すことにより往復運動が可能なコイルと、前記コイルに接合され前記シリンダ内を往復運動可能なピストンと、ばね、および、前記ばねにより前記ピストンと弾性的に結合されたフランジで構成された圧縮機と、低温シリンダと、軸受と、支持ばねと、ディスプレーサと、前記ディスプレーサに備えられた再生器と、前記支持ばねを介して前記ディスプレーサと弾性的に結合されたホルダ、および、ハウジングで構成されたコールドフィンガ、および、連結管を備えた冷凍機において、前記ディスプレーサ外周および前記ホルダ外周に備えられた、前記支持ばねを取りつけるばね溝と、前記ばね溝の導入部に設けられた、前記支持ばねの素線半径よりも大きい大きさのめんとりを備えたことを特徴とする冷凍機である。つまり、この冷凍機は、支持ばねを保持する部材のばね溝導入部に、支持ばね素線半径より大きい大きさのめんとりを設けたものである。
【００３４】
また、前記支持ばねの外面に取りつけられたカバーを備え、前記カバーと前記支持ばねを保持する部材の間のすきまが樹脂で充填されたことを特徴とする冷凍機であってもよい。つまり、この冷凍機は、支持ばねの外面にカバーを取りつけてカバーと支持ばねを保持する部材の間のすきまを樹脂で充填したものである。
【００３５】
また、前記ばねを保持する部材に、前記支持ばねの平均巻径よりも大きい直径の溝の山部をもつばね溝を備え、かつ、前記支持ばねと前記ばね溝の接触部を溶接により固定したことを特徴とする冷凍機であってもよい。つまり、この冷凍機は、支持ばねを保持する部材のばね溝の山部直径を支持ばね平均巻径よりも大きくし、かつ、支持ばね終端部の支持ばねと支持ばねを保持する部材の接触部を溶接により固定したものである。
【００３６】
また、外円筒と、外円筒に同軸状に配置された内円筒、および、前記外円筒と前記内円筒を保持するセンタヨークから構成されるヨークと、前記内円筒内面に設けられたシリンダと、前記外円筒内面に設けられた磁石と、前記磁石がつくる磁界内に設けられ交流電流を流すことにより往復運動が可能なコイルと、前記コイルに接合され前記シリンダ内を往復運動可能なピストンと、ばね、および、前記ばねにより前記ピストンと弾性的に結合されたフランジで構成された圧縮機と、低温シリンダと、軸受と、支持ばねと、ディスプレーサと、前記ディスプレーサに備えられた再生器と、前記支持ばねを介して前記ディスプレーサと弾性的に結合されたホルダ、および、ハウジングで構成されたコールドフィンガと、連結管と、電源と、前記コールドフィンガ先端、または、冷凍機によって冷却される被冷却体に取りつけられた温度センサ、および、前記温度センサの出力に応じて冷却温度を一定に保つよう前記電源の出力を制御する電気出力制御器を備えた冷凍機において、前記電源に接続され、前記電源の電気出力制御器による出力と前記電源の最大出力を比較し、前記電源の出力が前記電源の最大電気出力に対し８０〜９５％の任意の値となったときに使用者に対して警告を発する電気出力比較器を備えたことを特徴とする冷凍機であってもよい。つまり、この冷凍機は、電気出力制御器が、電源の出力と最大出力を検知し、電源の出力が最大出力の８０％〜９５％の任意の値となったときに、冷凍機の効率が低下していることを、例えば発光ダイオードを点灯させる等の手段により、使用者に警告する機能を備えている。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明による圧縮機５１、および、圧縮機５１を使用した冷凍機５３の全体を示す概略図である。図において、３，６，９，１２〜１５，１７〜２１，２３，２４，２６，２７，２９〜３４は従来装置と全く同じものである。圧縮機１はヨーク５４と、それぞれ対向して配置された、磁石５５ａ，５５ｂ、シリンダ６ａ，６ｂ、アダプタ５６ａ，５６ｂ、ピストン５７ａ，５７ｂ、コイル５８ａ，５８ｂ、共振ばね９ａ，９ｂ、および、さらねじ５９ａ，５９ｂ、フランジ６０ａ，６０ｂを備える。ヨーク５４は外円筒６１を備える。磁石５５ａ，５５ｂとヨーク５４は磁気回路を構成し、磁石５５ａ，５５ｂ内面と内円筒１２外面の間の空間に永久磁界をつくる。共振ばね９ａ，９ｂの一端はフランジ６０ａ，６０ｂに、もう一端はアダプタ５６ａ，５６ｂに取りつけられる。ピストン５７ａ，５７ｂは中空円筒になっており、さらねじ５９ａ，５９ｂによって、先端部の内面側から挿入されたアダプタ５６ａ，５６ｂと締結されている。
【００３８】
フランジ６０ａ，６０ｂはシリンダ６ａ，６ｂを取りつけたヨーク５４の両端面に接合され、ピストン５７ａ，５７ｂがそれぞれシリンダ６ａ，６ｂの内部を往復運動する構造となっている。コイル５８ａ，５８ｂは各々非磁性材料からなる軽量のスリーブ６２ａ，６２ｂと、スリーブ６２ａ，６２ｂに巻きつけられ、接着剤で固定された導電線１７ａ，１７ｂによって構成される。シリンダ６ａと、ピストン５７ａと、さらねじ５９ａと、隔壁１４で仕切られた空間、および、シリンダ６ｂと、ピストン５７ｂと、さらねじ５９ｂと、隔壁１４で仕切られた空間をそれぞれ圧縮室６３ａ，６３ｂと呼ぶ。
【００３９】
一方、５２はコールドフィンガを示す。コールドフィンガ５２は、ディスプレーサ６４、ホルダ６５を備える。ディスプレーサ６４はディスプレーサ２５と同様、内部に作動ガスを通過させるための連通孔６６および金属マトリクス等の熱交換器を充填した再生器６７を備え、支持ばね２６を介してホルダ６５と弾性的に結合されている。ディスプレーサ６４、軸受２４、ホルダ６５で仕切られた空間を高温室６８と呼び、また、低温シリンダ２３、ディスプレーサ６４で仕切られた空間を低温室６９と呼ぶ。連結管３はヨーク５４、ハウジング２７に気密的に接合され、圧縮機５１の圧縮室６３ａ，６３ｂ、コールドフィンガ５２の高温室６８を連通させる。冷凍機５３内部の空間にはヘリウムガス等の作動ガスが封入されている。また、クーラ内部の空間の内、圧縮室６３ａ，６３ｂ、高温室６８、低温室６９および連結管３内部の空間全体を特に作動室７０と呼ぶ。電源２０の出力は、コールドフィンガ２の先端、あるいは、図には示していないが冷凍機３５によって冷却される非冷却物にとりつけられた温度センサ３６の出力に応じて、冷却温度が一定の温度となるよう電気出力制御器３７によって制御される。また、電源２０には電気出力比較器９７が接続されている。
【００４０】
実施の形態１．
図２はこの発明の実施の形態１を示す詳細図であり、ヨーク５４端面方向から見た磁石５５ａの実装状態を示した図である。磁石５５ａは中空円筒型の一体成形磁石であり、磁材として、円筒の半径方向に異方性をもち、半径方向に強い磁力で着磁することが可能なＮｄ−Ｆｅ−Ｂ（ネオジム−鉄−ボロン）合金が使用されている。磁石５５ａは半径方向に着磁されている。図中の矢印は磁石５５ａ内面とヨーク５４の内円筒１２の外面の間の空間の永久磁界を模したものであり、磁石５５ａが半径方向に着磁されていることにより、均一に永久磁界が生成されていることを示している。図には示していないが、既に説明したように、コイル５８ａの導電線１７ａはヨーク５４の内円筒１２と同軸状に巻きつけられているから、コイル５８ａの導電線１７ａ内部に流れる電流はコイル５８ａのどの位置においても永久磁界に垂直に流れるので、効率的にローレンツ力が発生する。
【００４１】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２を示す詳細図であり、コイル５８ａと導電線１７ａの実装状態を示す図である。コイル５８ａは非磁性材料で作られ、先端および中間部に、つば状のガイド７２ａおよび、ガイド７３ａを備えたスリーブ６２ａと、スリーブ６２ａのガイド７２ａと７３ａに挟まれた空間内に、ヨーク５４の内円筒１２と同軸状に巻数十〜数百回巻きつけられた導電線１７ａで構成される。巻きつけられた導電線１７ａの巻線と巻線の間、および、巻線とガイド７２ａ、ガイド７３ａのすきまは、例えばエポキシ樹脂等の樹脂７１で充填されている。したがって、スリーブ６２と、導電線１７ａは一体構造化され、大きなローレンツ力が付与されても導電線１７ａの間の樹脂７１が破壊することはない。
【００４２】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３を示す詳細図であり、ヨーク５４とフランジ６０ａの溶接部を示した図である。ヨーク５４の外円筒６１の両端面には、外円筒６１の内面に向かって、テーパ８０ａが設けられている。したがって、ヨーク５４とフランジ６０ａの溶接は単純な突き合わせ溶接となり溶接部にクラックのきっかけとなるような不連続面は発生しない。また、溶接深さヨーク５４とフランジ６０ａの部品寸法で定められるためばらつきが少なくなっている。さらに、フランジ６０ａのシールリング溝４３ａに、図には示していないが、Ｏリングを装着する場合には、テーパ８０ａが１５°以上、３０°以下の角度であるため、Ｏリング装着のためのガイドとして作用し、Ｏリングを傷つけることがない。
【００４３】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４を示す詳細図であり、ピストンと共振ばねの接合部を示す図である。ピストン５７ａはその一端面に空隙７９ａが設けられた中空円筒状であり、空隙７９ａが設けられた端面にはコイル５８ａが取りつけられている。もう一方の端面の外表面の中心には、貫通穴７４ａと、さらとり７５ａと、樹脂９３を充填するための段差７６ａを備えている。アダプタ５６ａは中心部にねじ穴７７ａを、外径部にばね溝７８ａを備える。ばね溝７８ａには共振ばね９ａの一端が取りつけられている。アダプタ５６ａはピストン５７ａの空隙７９ａに挿入され、さらねじ５９ａによって締結される。さらに、ピストン５７ａに設けられた段差７６ａとさらねじ５９ａのすきまは樹脂９３で充填されている。
【００４４】
以上のように構成された圧縮機では、ピストン５７ａ、コイル５８ａの組立体の重心付近を共振ばね９ａで取りつけ位置とすることができるため、ピストン５７ａとシリンダ６ａの接触面に作用するサイドフォースを低減できる。また、ピストン５７ａとさらねじ５９ａのすきまは例えばエポキシ樹脂等の樹脂９３で充填されているので圧縮室６３ａ内の作動ガスが作動室７０以外の空間に漏れて、圧縮機５１の効率を低下させることもない。
【００４５】
実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５を示す詳細図であり、ばね溝７８ａの形状を概念的に示した図である。図中の一点鎖線はばね溝導入部を示す。また、図中（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ異なる方向のばね溝の断面を示す。上記既に述べたように、アダプタ５６ａは外径部にばね溝７８ａを備える。ばね溝７８ａの端面には、共振ばね９ａの素線半径より大きな大きさをもつめんとり８２が設けられている。めんとり８２を設けたことにより、ばね溝７８ａ導入部はめんとり８２と接することとなるが、ばね溝７８ａとめんとり８２のなす角は４５°以下とはならないので、ばね溝７８ａ導入部に薄肉部分が形成されることがなくなった。
【００４６】
実施の形態６．
図７はこの発明の実施の形態６を示す詳細図であり、フランジ６０ａと共振ばね９ａの取りつけ部を示した図である。図において８４ａはカバーである。フランジ６０ａはばね溝８３ａを備える。ばね溝８３ａには共振ばね９ａが取りつけられている。カバー８４ａは共振ばね９ａの外周に取りつけられている。カバー８４ａ、フランジ６０ａ、共振ばね９ａのすきまは例えばエポキシ樹脂等の樹脂８５で充填されている。圧縮機５１が作動して、共振ばね９ａが引張りを受ける場合の巻径縮小はばね溝８３が抑制し、圧縮を受ける場合の巻径拡大はカバー８４によって抑制される。したがって、長時間の運転においても共振ばね９ａを固定している樹脂８５が破壊されることはない。
【００４７】
実施の形態７．
図８はこの発明の実施の形態７を示す詳細図であり、アダプタ５６ｂと共振ばね９ｂの取りつけ部を示した図である。アダプタ５６ｂは外径部にばね溝８６ｂを備える。ばね溝８６ｂの山部外形は共振ばね９ｂの平均径よりも大きくなっている。共振ばね９ｂの一端はばね溝８６ｂに取りつけられており、共振ばね９ｂは終端部にばね溝８６ｂの接触部をレーザ溶接等の手段でスポット的に溶接してある溶接部９４ａを備える。圧縮機５１が作動した場合に、共振ばね９ａがうける引張力、圧縮力は、ばね溝８６ｂの側壁で支えられる。共振ばね９ｂの回転は溶接部９４で止められている。したがって、長時間の運転においても共振ばね９ｂの固定状態は変化することがない。
【００４８】
実施の形態８．
図９はこの発明の実施の形態８を示す詳細図であり、ディスプレーサ６４と支持ばね２６の取りつけ部を示す図である。ディスプレーサ６４はばね溝８７を備える。ばね溝８７の導入部には、支持ばね２６の素線半径より大きな大きさをもつめんとり８８が設けられている。めんとり８８を設けたことにより、ばね溝８７導入部はめんとり８８と接することとなるが、ばね溝８７とめんとり８８のなす角は４５°以下とはならないので、ばね溝８８の導入部に薄肉部分が形成されることがなくなった。
【００４９】
実施の形態９．
図１０はこの発明の実施の形態９を示す詳細図であり、ホルダ６５と支持ばね２６の取りつけ部を示す図である。図において８９はカバーである。ホルダ６５は、ばね溝９０を備える。ばね溝９０には支持ばね２６が取りつけられている。カバー８９は支持ばね２６の外周に取りつけられている。カバー８９、ホルダ６５、支持ばね２６のすきまは例えばエポキシ樹脂等の樹脂９１で充填されている。冷凍機５３が作動して、支持ばね２６が引張りを受ける場合の巻径縮小はばね溝９０が抑制し、圧縮を受ける場合の巻径拡大はカバー８９によって抑制される。したがって、長時間の運転においても支持ばね２６を固定している樹脂９１が破壊されることはない。
【００５０】
実施の形態１０．
図１１はこの発明の実施の形態１０を示す詳細図であり、ディスプレーサ９５と支持ばね２６の取りつけ部を示す図である。ディスプレーサ９５は外径部にばね溝９２を備える。ばね溝９２の山部外形は支持ばね２６の平均径よりも大きくなっている。支持ばね２６の一端はばね溝９２に取りつけられており、支持ばね２６は終端部にばね溝９２との接触部をレーザ溶接等の手段でスポット的に溶接してある溶接部９６を備える。冷凍機５３が作動して、支持ばね２６がうける引張力、圧縮力はばね溝９２の側壁で支えられる。支持ばね２６の回転は溶接部９６で止められている。したがって、長時間の運転においても共振ばね９ｂの固定状態は変化することがない。
【００５１】
実施の形態１１．
図１２はこの発明の実施の形態１１を示すブロック図であり、９７は電気出力比較器である。電気出力比較器９７は、電気出力制御器によって制御された電源２０の出力と、電源２０の最大出力を比較し、電気出力制御器によって制御された出力が最大出力の８０％〜９５％の任意の値となったとき、発光ダイオードを点灯させる等の手段で警告を表示する装置である。電気出力比較器９７の警告により、冷凍機の効率が低下し、交換時期が近くなったことを使用者が判定できるようになった。
【００５２】
【発明の効果】
この発明の圧縮機によれば、コイルのスリーブの導電線を巻きつけ、積層する部分にガイドを設け、かつ、ガイドの導電線の隙間を樹脂で充填したため、導電線を固定する樹脂が破壊することがなく、長時間の使用によってもコイルが破損することがない。
【００５４】
この発明の圧縮機によれば、溶接面にテーパを設けたことにより、溶接継手形状を単純な突き合わせ溶接継手としたので、耐久強度や溶接ひずみ量が安定し、信頼性が向上する。また、前記テーパの角度を１５°以上、３０°以下としたので性能確認時のシールリングの挿入が容易となり、また、シールリングが破損することがなくなった。
【００５９】
この発明の冷凍機では、ディスプレーサとホルダを弾性的に接合するばねの組立体において、ねじ導入部に共振ばね素線半径よりも大きい大きさのめんとりを設けたので、ばね導入部に薄肉となる部分が形成されないので、ばね定数が変化することに起因した冷却時の消費電力増大がない。
【００６０】
この発明の冷凍機によれば、ディスプレーサとホルダを弾性的に接合するばねの接合部において、カバーをばね外径にはめ込む構造としたので、圧縮時のばね径増大、および、引張り時のばね径縮小はそれぞれホルダ、カバーで抑制される。したがって、ばね、ホルダ、カバーを樹脂で固定しても充填剤の破壊によって固定位置がずれることがなく、ばね定数が変化することに起因した冷却時の消費電力増大がない。
【００６１】
この発明の冷凍機によれば、ディスプレーサとホルダを弾性的に接合するばねの組立体において、ホルダの溝を深くし、ばねの圧縮、引っ張りに寄って発生するばね変位をホルダの溝の側壁で支えるようにし、ばね回転力を溶接で押さえているので、長時間の運転によってもばねの固定状態が変化することがなく、ばね定数が変化することに起因した冷却時の消費電力増大がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態の全体を概略的に示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１を示す詳細図である。
【図３】この発明の実施の形態２を示す詳細図である。
【図４】この発明の実施の形態３を示す詳細図である。
【図５】この発明の実施の形態４を示す詳細図である。
【図６】この発明の実施の形態５を示す詳細図である。
【図７】この発明の実施の形態６を示す詳細図である。
【図８】この発明の実施の形態７を示す詳細図である。
【図９】この発明の実施の形態８を示す詳細図である。
【図１０】この発明の実施の形態９を示す詳細図である。
【図１１】この発明の実施の形態１０を示す詳細図である。
【図１２】この発明の実施の形態１１を示すブロック図である。
【図１３】従来の圧縮機およびスターリングサイクルクーラを示す図である。
【図１４】従来の圧縮機の磁石の取りつけ状態を示す図である。
【図１５】従来の圧縮機の共振ばねの取りつけ方法の詳細を示す図である。
【図１６】従来の圧縮機のばね溝の形状を概念的に示す図である。
【図１７】従来の圧縮機のヨークとフランジの接合状態を示す図である。
【符号の説明】
１  圧縮機
２  コールドフィンガ
３  連結管
４  ヨーク
５  磁石
６ａ，６ｂ  シリンダ
７ａ，７ｂ  ピストン
８ａ，８ｂ  コイル
９ａ，９ｂ  共振ばね
１０ａ，１０ｂ  フランジ
１１  外円筒
１２  内円筒
１３  センタヨーク
１４  隔壁
１５ａ，１５ｂ  圧縮室
１６ａ，１６ｂ  スリーブ
１７ａ，１７ｂ  導電線
１８ａ，１８ｂ  リード線
１９ａ，１９ｂ  電気端子
２０  電源
２３  低温シリンダ
２４  軸受
２５  ディスプレーサ
２６  支持ばね
２７  ハウジング
２８  ホルダ
２９  さらばね
３０  連通孔
３１  再生器
３２  高温室
３３  低温室
３４  作動室
３５  冷凍機
３６  温度センサ
３７  電気出力制御器
４０ａ，４０ｂ  ばね溝
４１ａ，４１ｂ  ばね溝
４２ａ，４２ｂ  接着剤
４３ａ，４３ｂ  シールリング溝
４４  ばね溝
４５  ばね溝
５１  圧縮機
５２  コールドフィンガ
５３  冷凍機
５４  ヨーク
５５ａ，５５ｂ  磁石
５６ａ，５６ｂ  アダプタ
５７ａ，５７ｂ  ピストン
５８ａ，５８ｂ  コイル
５９ａ，５９ｂ  さらねじ
６０ａ，６０ｂ  フランジ
６１  外円筒
６２ａ，６２ｂ  スリーブ
６３ａ，６３ｂ  圧縮室
６４  ディスプレーサ
６５  ホルダ
６６  連通孔
６７  再生器
６８  高温室
６９  低温室
７０  作動室
７１ａ，７１ｂ  樹脂
７２ａ，７２ｂ  ガイド
７３ａ，７３ｂ  ガイド
７４ａ，７４ｂ  貫通穴
７５ａ，７５ｂ  さらとり
７６ａ，７６ｂ  段差
７７ａ，７７ｂ  ねじ穴
７８ａ，７８ｂ  ばね溝
７９ａ，７９ｂ  空隙
８０ａ，８０ｂ  テーパ
８２ａ，８２ｂ  めんとり
８３ａ，８３ｂ  ばね溝
８４ａ，８４ｂ  カバー
８５ａ，８５ｂ  樹脂
８６ａ，８６ｂ  ばね溝
８７  ばね溝
８８  めんとり
８９  カバー
９０  ばね溝
９１  樹脂
９２  ばね溝
９３  樹脂
９４  溶接部
９５  ディスプレーサ
９６  溶接部
９７  電気出力比較器
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003858301.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0003858301.tif 000007
【図７】
0003858301.tif 000008
【図８】
0003858301.tif 000009
【図９】
0003858301.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
0003858301.tif 000012
【図１２】
0003858301.tif 000013
【図１３】
0003858301.tif 000014
【図１４】
0003858301.tif 000015
【図１５】
0003858301.tif 000016
【図１６】
0003858301.tif 000017
【図１７】
0003858301.tif 000018