JP3680685B2

JP3680685B2 - リニア往復駆動型冷却機

Info

Publication number: JP3680685B2
Application number: JP2000065420A
Authority: JP
Inventors: 安部　　博文; 修西原
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2020-03-09
Also published as: JP2001255034A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニア往復駆動型冷却機におけるピストン等を含む往復可動部を懸架する懸架ばねであるダイヤフラム型薄板ばねの長寿命化及び、リニア往復駆動型冷却機の低消費電力化を実現するための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
海水温度を測定してエルニーニョ現象で代表される異常気象等の予測を行う地球の環境観測や、地表に露出した鉱物の種類を判定する資源探査等を行う人工衛星として地球観測衛星が良く知られている。
【０００３】
地球観測衛星には、地球の環境観測や資源探査を行うために、被観測体表面から発せられる微弱な熱放射を検出する赤外線検出器を搭載している。この赤外線検出器は、自身を熱雑音から守るために、観測時には自身を８０Ｋ（ケルビン）の極低温度状態に維持する必要がある。そのために、一般的には、リニア往復駆動型冷却機が用いられている。
【０００４】
一方、地球観測衛星は、例えば、高度約７００Kmで地球の両極上空を周期約１００min で通過する極軌道で飛行し、観測データを地球に送り続けている。また、地球観測衛星の観測幅は、衛星の種類にもよるが、軌道高度と種々の観測機器との兼ね合いから１００〜２００Kmと比較的狭いため、全地球表面を隈なく観測するに要する周回数は、２００回以上にも及び、日数としては１６日程度を必要としている。
【０００５】
地球観測衛星に搭載されている赤外線検出器による観測は、例えば、陸地の地表のみを観測し、海洋部では観測しない観測待機する場合や、海洋部のみを観測し、陸地の地表部では観測しない観測待機する場合等、種々のケースで運用されている。
【０００６】
従来、赤外線検出器による観測の時間も、観測待機の時間もリニア往復駆動型冷却機によって、観測時に必要な赤外線検出器自身を８０Ｋの極低温度状態に維持し続けていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来は、観測待機時においてもリニア往復駆動型冷却機によって、赤外線検出器を８０Ｋの極低温度状態に維持し続けていたため、リニア往復駆動冷却機におけるピストン等を含む往復可動部を懸架している懸架ばねであるダイヤフラム型薄板ばねが、略最大往復駆動ストローク量で駆動され続けることとなり、撓みストレスによりダイヤフラム型薄板ばねの長寿命化が損なわれ、且つリニア往復駆動型冷却機の消費電力が大きいと言う問題があった。
【０００８】
地球観測衛星に搭載されている赤外線検出器を冷却するリニア往復駆動型冷却機は、地上におけるリニア往復駆動型冷却機と異なり、保守ができず、損傷した部品の交換が不可能である。また、宇宙において使用できる電力には限りがある上、発生した熱の排熱がシステム全体に影響を及ぼす可能性がある。そのため、地球観測衛星に搭載のリニア往復駆動型冷却機の低消費電力化が望まれている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、地球観測衛星に搭載の赤外線検出器による観測時以外の観測待機時には、観測時の往復可動部の往復駆動ストローク量より小さくしたり、予め次の観測再開時間、即ち、観測待機時間が既知の場合には、待ち時間ロスが発生しない範囲内で、観測待機時間の長さに応じて往復可動部の往復駆動ストローク量を変えて、略最大往復駆動ストローク量で維持される８０Ｋの極低温度状態を維持しないように制御することとした。
【００１０】
具体的には、請求項１のリニア往復駆動型冷却機では、被観測体表面からの赤外線を検出する赤外線検出器を備え、往復可動部を往復駆動することにより赤外線検出器を冷却して所定の温度に維持するリニア往復駆動型冷却機において、赤外線観測時は、往復可動部の往復駆動部に指示して赤外線検出器を所定の温度に維持し、観測待機時は、往復可動部の往復駆動ストローク量を赤外線観測時より小さくすることを往復駆動部に指示する制御部を備えたことを特徴とするように構成されている。
【００１１】
このことにより、リニア往復駆動型冷却機におけるピストン等を含む往復可動部を懸架する懸架ばねであるダイヤフラム型薄板ばねの往復駆動ストローク量を、観測待機時において、従来より小さくする時間を設けるため、ダイヤフラム型薄板ばねの撓みストレスが、その分小さくなる。さらに、往復可動部を往復駆動するための電力が、その分小さくすることができる。
【００１２】
請求項２のリニア往復駆動型冷却機では、請求項１記載のリニア往復駆動型冷却機において、小さくする往復可動部の往復駆動ストローク量は、観測待機時の待機時間の長さに応じて変えることを特徴とするように構成されている。
【００１３】
このことにより、観測待機時間が判っている場合は、観測待機時の待機時間の長さに応じて、次の観測時に待ち時間ロスが発生しない範囲内で、リニア往復駆動型冷却機の往復可動部の往復駆動ストローク量を変える。即ち、待機時間が長い程、往復駆動ストローク量を小さくする。これにより、観測待機時における平均的往復駆動ストローク量がより小さくすることが可能となり、懸架ばねであるダイヤフラム型薄板ばねの撓みストレスをより小さくすることが可能となり、同時に、リニア往復駆動型冷却機の往復可動部の往復駆動のための電力もより小さくすることができ、同時に、次の観測のための待ち時間ロスの発生を防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
初めに、実施形態１について説明する。図１は、本発明の実施形態１、２を説明するための全体構成図である。本発明のリニア往復駆動型冷却機は、ガスを圧縮する圧縮部と、圧縮部から吐出されたガスを膨張させる膨張部と、圧縮部と膨張部を組合せたものを制御する制御部より構成されており、これら３部が地球観測衛星に搭載され、地球上空を周回している。
【００１６】
圧縮部は、同一機構が左右対象に配置されている。また、圧縮部は密閉構造となっており、その空間にヘリュウムガス22が充填されている。そして、左右両ボイスコイルモータ30a 、30b の駆動コイル3a、3bに制御部からの駆動電流の通電に伴い、駆動コイル3a、3bと永久磁石2a、2bによる電磁力の作用により、駆動コイル3a、3b及びピストン1a、1bからなる両可動部が、各々２個の懸架ばね4 によって懸架されており、その中立位置を中心に懸架ばね4 を撓ませながら左右に往復駆動される。この時、両可動部は互いに接離するように逆向きに往復動し、両ピストン1a、1bの接離により圧縮空間6 の容積が増減変化し、この圧縮空間6 内に所定周期の圧力波が生じる。圧縮空間6 は、連結管7 を介して膨張部に連通している。
【００１７】
膨張部ではディスプレーサ8 が、圧縮部のピストン1a、1bと同一の駆動原理により、圧縮空間6 の圧力波と同じ周期で往復駆動され、その膨張空間でのヘリュウムガス22の膨張により寒冷が生じ、このディスプレーサ8 の往復動の繰返しにより冷却端17が極低温度に冷却される。
【００１８】
膨張部内のアクティブバランサー16は、ディスプレーサ8 の往復動による振動が膨張部の外部に出ないように、動的なバランスをとるために、ディスプレーサ8 と同一周期で、しかも、ディスプレーサ8 と逆向きに往復駆動させているものである。なお、その駆動部の駆動原理は、基本的にはボイスコイルモータとして同一であるが、他の駆動部と異なる点は、駆動コイル13と永久磁石12の配置が逆の関係となっていることと、懸架ばね11の形状が、他の往復可動部の懸架ばね4 と異なることである。
【００１９】
各往復可動部には、その位置を検出するための位置検出器5a、5b、14、15が設けられている。本実施例では、往復可動部側の電磁コアと検出部側のサーチコイルから成るＬＶＤＴ（直線性可変差動変換器）が用いられており、各往復可動部の位置を検出している。
【００２０】
また、各往復可動部は、各々２個の懸架ばね4 又は11によって懸架され、各往復動の動きを保証している。懸架ばね4 又は11は、本実施例では、薄板ばねを複数枚積層した、所謂、ダイヤフラム型薄板ばねから成っている。この懸架ばね4 又は11のさらに重要な機能は、各往復可動部の質量と懸架ばね4 又は11のばね定数と、圧縮部においては充填されているヘリュウムガス22によるガスばねのばね定数と、によって決まる固有振動数を決めていることである。各往復可動部を往復駆動する各ボイスコイルモータは、４２Hzの周期で駆動される。ここで、各往復可動部の固有振動数を駆動周期と同じ４２Hzとすると、完全な共振現象が発生して往復駆動制御が困難となる。そのため、本実施例においては、４個の各往復可動部の固有振動数を４２Hzより、一様に小さな値となるように各往復可動部の質量、各ばね定数が設定されている。懸架ばね4 又は11は、各往復可動部を往復駆動する各ボイスコイルモータが、各往復可動部の固有振動数に近い４２Hzの周期で駆動することによって、各往復可動部に共振現象が発生して、その駆動効率、即ち、駆動のための消費電力の低減を図ることができる、所謂、共振ばねとしての機能を担っている。したがって、この懸架ばね4 又は11のばね定数が、長期間の繰返し往復動によって変化しないことが求められる。
【００２１】
図２は、本発明の実施形態１、２を説明するための制御ブロック図である。赤外線検出器による観測を行う場合は、地上から観測用極低温度指示を出し、観測を行わない観測待機時には、地上から観測待機用ストローク指示をリニア往復駆動型冷却機の制御部に出される。
【００２２】
観測用極低温度指示が出されると、４個の各往復駆動部の位置制御部が赤外線検出器19が８０Ｋ±０．２Ｋの極低温度になるように制御して各ドライバーによって各ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）30a 、30b 、31、32を駆動する。この時、各位置検出器5a、5b、14、15、からの出力を各位置制御部にフィードバックをかけている。また、温度センサー20の出力を温度センサー回路で受け、観測用極低温度指示にフィードバックをかけて、温度センサー20の出力が８０Ｋ±０．２Ｋに達すること、さらに、観測中は８０Ｋ±０．２Ｋを維持し続けるように極低温度維持制御される。
【００２３】
図３は、本発明の実施形態１、２を説明するための往復可動部ストローク量と赤外線検出器の安定温度の関係図である。
【００２４】
図４は、本発明の実施形態１、２を説明するための往復可動部ストローク量と赤外線検出器の安定温度に達するまでの時間関係図である。
【００２５】
観測終了後、観測待機用ストローク指示が出されると、観測用極低温度指示に基づく４個の各往復可動部の往復駆動ストローク量より小さなストローク量が、図３、図４を基に各位置制御部に指示される。この目的は、４個の各往復可動部を各々２個で懸架している懸架ばね4 又は11に加わる撓みストレスを緩和させるもので、これにより、前述の共振ばねの機能が維持され、その結果、リニア往復駆動型冷却機の長寿命化が図られ、さらに、往復駆動ストローク量を小さくすることにより往復駆動のための消費電力を低減させるためのものである。
【００２６】
観測用ストローク指示により、各往復可動部の往復駆動ストローク量が観測用極低温度指示時より小さくなることによって、赤外線検出器の温度は上昇するが、観測待機時であるため問題はない。
【００２７】
ここで、往復駆動ストローク量を零にして、懸架ばねの撓みストレスを零にする方法も考えられるが、この方法の場合、赤外線検出器の温度上昇が大きくなり、再び観測するに必要な極低温度にするまでに３０min 程度必要となり、クールダウンのための待ち時間ロスが大きくなり、観測待機時毎にこの方法をとることは得策ではない。
【００２８】
図５は、本発明の実施形態１、２を説明するためのクールダウン特性図である。再び観測用極低温度指示が出されると、図５に示すようなクールダウン特性で観測に必要な８０Ｋ±０．２Ｋの極低温度に冷却し、維持するように極低温度維持制御される。
【００２９】
次に、実施形態２について説明する。
【００３０】
実施形態２の目的は、観測待機時から観測再開までの観測待機時間が判っている場合に、観測再開時に赤外線検出器の温度が観測に必要な８０Ｋ±０．２Ｋの極低温度に達していない時に、観測再開までにクールダウンのための待ち時間ロスが発生してしまうことを防止することにある。
【００３１】
図６は、本発明の実施形態２を説明するための観測待機時間が判っている時の赤外線検出器の温度プログラムの一例を示す図である。
【００３２】
図６における例１、観測待機時から観測再開までの観測待機時間が６０min の場合について説明する。図４、各往復可動部のストローク量と赤外線検出器の安定温度に達するまでの時間関係図よりストローク量を選択して観測待機ストローク指示を出す。例えば、ストローク量 0-P１．０mmを選択した場合には、約３０min で約１２０Ｋの安定温度に達して、この温度を維持している。次に、図５より、約１２０Ｋの安定温度から観測に必要な８０Ｋ±０．２Ｋの極低温度に達するまでのクールダウン時間が判るため、観測待機の開始時間から約４０min 後に、予め観測用極低温度指示に切り換えることによって、次の観測のための待ち時間ロス発生を防止することができる。
【００３３】
図６における例２は、例１より観測待機時間が短い３５min の場合のプログラム例である。例１と異なる点は、例１より観測待機時間が短いため、図４から例１より早く安定温度に達するようなストローク量を選択する必要があることである。この場合、ストローク量 0-P２．５mmを選択し、安定温度の約９５Ｋに達すると同時に観測用極低温度指示に切り換えるようにしている。
【００３４】
このように、実施形態２では、観測待機時から観測再開までの観測待機時間が予め判っている場合には、本例のように観測待機時間の長さに応じて、往復可動部のストローク量を変えて対応することが重要である。
【００３５】
以上、本発明の実施形態１、２は、宇宙における地球観測衛星に搭載したリニア往復駆動型冷却機を例に説明したが、本発明は地上においても同様な効果を奏するものである。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、観測待機時には、各往復可動部のストローク量を、観測時の極低温度制御時より小さくするように制御するため、各往復可動部を懸架している懸架ばねであるダイヤフラム型薄板ばねの撓みストレスを小さくすることができる。そのために、疲労によるばね定数劣化を防止することが可能となり、共振ばねとしての機能が維持され、共振現象を活用した効率のよい往復駆動が継続可能となり、リニア往復駆動型冷却機の長寿命化が図られる。また、ストローク量を小さくすることができるため、駆動のための消費電力が低減できる。
【００３７】
さらに、観測待機時から観測再開までの観測待機時間が判っている場合には、観測待機時間の長さに応じて、往復可動部のストローク量を変えるために、きめ細かなストローク量指示が可能となり、観測待機時における平均往復可動部ストローク量がより小さくすることができ、リニア往復駆動型冷却機のより長寿命化が図られ、同時に、リニア往復駆動型冷却機の往復可動部の往復駆動のための電力もより小さくすることができ、同時に、次の観測のための待ち時間ロス発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１、２を説明するための全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態１、２を説明するための制御ブロック図である。
【図３】本発明の実施形態１、２を説明するための往復可動部ストローク量と赤外線検出器の安定温度の関係図である。
【図４】本発明の実施形態１、２を説明するための往復可動部ストローク量と赤外線検出器の安定温度に達するまでの時間関係図である。
【図５】本発明の実施形態１、２を説明するためのクールダウン特性図である。
【図６】本発明の実施形態２を説明するための、観測待機時間が判っている時の赤外線検出器の温度プログラムの一例を示す図である。
【符号の説明】
1a、1b・・・・・・・・・・ピストン
2a、2b、9 、12・・・・・・永久磁石
3a、3b、10、13・・・・・・駆動コイル
4 、11・・・・・・・・・・懸架ばね
5a、5b、14、15・・・・・・位置検出器
6 ・・・・・・・・・・・・圧縮空間
7 ・・・・・・・・・・・・連結管
8 ・・・・・・・・・・・・ディスプレーサ
16・・・・・・・・・・・・アクティブバランサー
17・・・・・・・・・・・・冷却端
18・・・・・・・・・・・・伝熱部
19・・・・・・・・・・・・赤外線検出器
20・・・・・・・・・・・・温度センサー
21・・・・・・・・・・・・デュワー
22・・・・・・・・・・・・ヘリュウムガス
30a 、30b 、31、32・・・・ボイスコイルモータ

Claims

被観測体表面からの赤外線を検出する赤外線検出器を備え、往復可動部を往復駆動することにより赤外線検出器を冷却して所定の温度に維持するリニア往復駆動型冷却機において、
赤外線観測時は、往復可動部の往復駆動部に指示して赤外線検出器を所定の温度に維持し、観測待機時は、往復可動部の往復駆動ストローク量を観測待機時の待機時間の長さに応じて、赤外線観測時より小さく変えることを往復駆動部に指示する制御部を備えたことを特徴とするリニア往復駆動型冷却機。