JPH01247964A

JPH01247964A - 冷却機

Info

Publication number: JPH01247964A
Application number: JP7372288A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Kazumoto; 数本　芳男; Kazuo Kashiwamura; 和生柏村; Yoshio Furuishi; 古石　喜郎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-03-28
Filing date: 1988-03-28
Publication date: 1989-10-03

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は冷却機とくにスターリング冷却機のような赤外
線素子の冷却、空気液化機等に用いられるガス冷却機に
関するものである。

〔従来の技術〕

第７因は２例えば特公昭５４−２８９８０号公報に開示
された従来のスターリング型ガス冷却機の概略構成を示
す断面側面因である。図において、（１）はシリンダで
あり、このシリンダ（１）の内部でピストン（２）が往
復運動を行う。（３）はコールドフィンガであシ２作動
ガスの圧力変動によって往復運動するディスプレーサ（
４）全内包すると共に、その下部は連通管（５１により
シリンダ（１１と連通している。ディスプレーサ（４：
の上部の作動表面（４ｂ）は膨張空間（６）の境界をな
しており、この膨張空間（６）はディスプレーサ（１）
０下部作動表面（４ａ）と連通管１５＋の間の第１圧縮
空間（７）、ピストン（２１の上部の作動表面（２ａ）
と連通管（５）の間の第２圧縮空間（８）、ディスプレ
ーサ（４）内に備えた蓄熱器（９）及び連通管（５）内
の空間等とともに作動空間ｔ−構成している。蓄熱器（
９）は中心孔αＧを経てその下側の作動ガス圧通ずると
共に、また中心孔ａｎと半径方向流通ダク）＋１３を経
て上側の作動ガスに通ずることができる　才た。この機
械では膨張させられ友冷作動ガスと冷却すべき物体の間
の熱交換のための熱交換器としてフリーザａｌｔ−備え
る。

ピストン（２）とシリンダ（１１の壁の間にはシールａ
４が配置され、ピストン（２）の下側に存在するバッフ
ァ空間α９と前記作動空間との間の作動ガスの流れを防
止している。

又、ディスプレーサ（４）とコールドフィンガ（３）の
間にはシールαｅを備え、膨張空間（６）と第１圧縮空
間（７１０間の作動ガスの流れが、蓄熱器（９）内を流
れるよう強制している。

ピストン（２）はその下側のバッファ空間ａシ中にア、
ルミニワム等の非磁性及び非磁化材料から成る軽量のス
リーブ（ｌｎｔ−備える。スリーブ（Ｌ？＋には導電体
を巻き付けてコイル關ヲ形成し、このコイルａｌはシリ
ンダ（１１の壁を通すり、−ド線α９．偶に接続され。

これらのリード線０．龜はシリンダｉｌ＋の外部でそれ
ぞれ電気端子Ｑυ、２３に接続されている。コイルｆｉ
秒はピストン（２）の軸線方向に環状間ＳＯ内で往復運
動でき、この環状間ｌ！ＩＯ内には電機子磁界が存在し
ている。この電機子磁界の力線はコイルａ（至）の移動
力量を横切る半径方向に延びている。この場合、永久磁
界は上側と下側に磁極を持つ環状永久磁石（至）、軟鉄
環状ディスク（ハ）、軟鉄シリンダ■及び軟鉄円形ディ
スク＠を用いて得られる。環状永久磁石＠と軟鉄環状デ
ィスク（至）、軟鉄シリンダ■及び軟鉄円形ディスク＠
は一体となって閉磁気回路を構成し、すなわち閉磁力線
回路を構成する。

以上述べたスリーブαｎ、コイルａｍ、リード線１９゜
偽、環状間隙口、環状永久磁石＠、軟鉄環状ディスク偽
、軟鉄シリンダ（至）及び軟鉄円形ディスク＠は全体と
してピストン駆動用のリニアモ、−タ■を構成している
。また、ピストン（２）及びディスプレーサ（１）はそ
れぞれピストン用弾性部材いとディスプレーサ用弾性部
材３１を介してシリンダ（１）及びコールドフィンガ（
３）内に往復動可能に係合さｎ、ピストン（２）及びデ
ィスプレーサ（４）の静止時の固定位置及び運転時の中
立位＊’を定めている。

次に、上記した従来のスターリング型ガス冷却機の動作
について説明する。電気端子ａｎ、■に系の共振周波数
に等して交流電源（図示しない）を接続すると、環状間
隙■の半径方向の永久磁界の影響を受けてコイル（ＩＩ
には軸方向の周期的なローレンツ力が働き、その結果、
ピストン（２）、スリーブ卸及びコイルＣｌ１１から構
成される組立体とピストン用弾性部材四から成る系は共
振状態となり、上記組立体は軸方向に振動する。ピスト
ン（２）の振動は、膨張空間（６）、第１圧縮空間（７
）、第２圧縮空間（８）、連通管（５）、蓄熱器（９）
、中心孔αＧ、中心孔ａυ。

半径力量流通ダクトα２及びフリーザα３から成る作動
空間内に封入された作動ガスに周期的な圧力変化をもた
らすと共に、蓄熱器（９）を通過するガスの流量変化に
より、ディスプレーサ（４）Ｋ周期的な軸方向の交番振
動力を生じせしめる。このようにして蓄熱器（９）ヲ含
むディスプレーサ（４）はピストン（２）と同じ周波数
で、かつ異なった位相でコールドフィンガ（３）内を軸
方向に往復運動することになる。

ピストン（２）及びディスプレーサ（１）が適当な位相
差を保って運動するとき、上記作動空間内に封入された
作動ガスは「逆スターリングサイクル」として既知の熱
力学的サイクルを構成し、主として膨張空間（６）及び
フリーザαｊに冷熱を発生する。上記「逆スターリング
サイクル」とその冷熱発生の原理については１文献「Ｃ
ｒｙｏｃｏｏｌθｒａ」（Ｇ。

Ｗａｌｋｏｒ　、Ｐｌｅｎｕｍ　Ｐｒｅｓｓ　、Ｎｅｗ
　Ｙｏｒｋ、　１１１８３　。

ＰＰ、１７７〜１２３）に詳細に説明されている。

以下に、その原理について簡単に説明する。

ピストン（２１Ｋより圧縮された第２圧縮空間（８）内
のガスは連通管（５）を経て流れる間に圧縮熱が冷却さ
れ、第１圧縮空間（７）、中心孔αＧ、蓄熱器（９）に
流れ込む。蓄熱器（９）では半サイクル前に蓄えられた
冷熱により予冷され２作動ガスは、さらに中心孔ａ１１
．半径方同流通ダクト仁ｚ及びフリーザ（１３＝に通っ
て膨張空間（６）内に入る。そして、大部分の作動ガス
が膨張空間（６１内に入ると膨張が始まシ、膨張空間（
６）内に冷熱を発生する。作動ガスは１次に逆の順序で
蓄熱器（９）に冷熱を放出しなから流路を戻り第２圧縮
空間（８）内に入る。この時、フリーザａｊ内で外部か
ら熱を奪いその外部を冷却する。大部分の作動ガスが第
２圧縮空間（８）内に戻ると再び圧縮が始まり２次のサ
イクルに移行する。以上のようなプロセスにより、上記
「逆スターリングサイクル」が完成して冷熱が発生する
。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のガス冷却機は以上のように構成されているので、
ビス）／（２１及びディスプレーサ（４）の往復動によ
って、シールＩ及びａＳが摩耗し、冷却性能が劣化する
ため、運転寿命が短いという欠点があった。又、シール
α尋及びａｅの摩耗により発生した摩耗粉が蓄熱器（９
）等の流路を閉塞し、動作しなくなる等、信頼性にも問
題点があう九。

本発明は上記のような問題点を解消するためになされた
もので、長寿命かつ信頼性の高い冷却機を得ることを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る冷却機は１作動窓間とバッファ空間を逆止
弁を設は次第１連結回路によって連結すると共に、ディ
スプレーサとコールドフィンガの摺動部に第２連結回路
によって上記バッファ空間（第１バッファ空間とする〕
と連結された第２バッファ空間を設け、さらにディスプ
レーサとコールドフィンガの摺動部に、コールドフィン
ガ内の作動空間と第２バッファ空間との圧力差を利用し
て働くデイスプレーサ用静圧軸受けを設けたものである
。

また、上記デイスプレーサ用静圧軸受けに加えさらにピ
ストンとシリンダの摺動部に１作動窓間と第１バッファ
空間の圧力差を利用して働くピストン用軸受けを設けて
もよい。

〔作用〕

本発明における冷却機は２作動窓間の圧力が逆止弁を有
する第１連結回路によって第１バッファ空間より常に高
くなるようにされており、さらに第２連結回路によって
コールドフィンガとディスプレーサの摺動部に第１バッ
ファ空間と同じ圧力の第２バッファ空間を作り、これら
バッファ空間と作動空間の圧力差を利用して働く静圧軸
受けによって、ディスプレーサ、あるいはディスプレー
サ及びピストンが非接触で往復動するようにしている。

〔実施例〕

以下１本発明の一実施例を図について説明する。

第１因は本発明の一実施例による冷却機を示す断面側面
歯であり、第７因と同−又は相当部分は同一符号を用い
て表示してあり、その詳細な説明は省略する。

囚において、　Ｃ１１ｌは作動空間（第２圧縮空間）（
８１と第１バッファ空間ａ９を連通する第１連結回路で
あり、途中に、第１バッファ空間α９から作動空間（８
）への作動ガスの流れのみを許容するような逆止弁（至
）を備えている。上記実施例では、ピストン（２）とシ
リンダ（１１の間の狭い隙間（静圧軸受部も含む〕はシ
ールＩとして作用する。更に、この隙間を第１バッファ
空間ｔ１９　側１１Ｃ比べ作動空間α９側を大とするこ
とにより、ピストン（２）とシリンダ（１１０間に表面
絞ｐ型のピストン用靜圧軸受け（至）を形成し１作動空
間（８）と第１バッファ空間ａ９の圧力差により。

ピストン（２）がシリンダ（ＩＩＫ非接触で往復動でき
るよう構成されている。

さらにコールドフィンガとディスプレーサの摺動部には
、第２連結回路缶によって第１バッファ空間ａ９と連結
された第２バッファ空間（至）が設けられ、また、ディ
スプレーサ（１）とコールドフィンガ（３）の第１圧縮
空間（７１側の隙間には、第１圧縮空間（７）側の隙間
を大として表面絞り型のデイスプレーサ用静圧軸受は父
が形成されておシ１作動空間（第１圧縮９間）（７１と
第２バッファ空間（１）の圧力差を利用して、ディスプ
レーサ（１）がコールドフィンガ（３）と非接触で往復
動できるようにｍ成されている。

一方、ディスプレーサ（１）とコールドフィンガ（３）
の膨張空間（６１９１１１の狭い隙間（静圧軸受部も含
む）はシールαｅとして作用している。

次に上記実施例の動作について第２囚（ａ）（切を用い
て説明する。従来例の動作において説明したように、電
気端子ｃａｎ及び＠に交流電源（図示しない）を接続す
ると、ピストン（２）及びディスプレーサ（４）扛それ
ぞれシリンダ（１）及びコールドフィンガ（３）中を往
復運動し始め２作動空間内には１周期的な圧力変動（Ｐ
りが生じる（第２１９（１））か照）。一方。

第２圧縮空間（８）と第１バッファ空間ａ５は、第１連
結回路Ｌ３υと逆止弁（至）によフ、第１バッファ空間
ａ９から第２圧縮空間（８）への作動ガスの流れのみを
許容するよう連通されているため、結局、圧力変動（Ｐ
ｌ）　はほぼ一定に保たれた第１バッファ空間ａ９内の
作動ガスの圧力（Ｐ２）に対して、第２図（ｂ）に示す
ように。

Ｐｌ　＞　Ｐ２　　　　　　　ｔｉｌの範囲で変動することになる。

作動空間内の圧力（Ｐリ　と第１バッファ空間α９及び
これと等しい第２バッファ空間（至）内の圧力＜、、Ｐ
２）　　が口）式の関係ｔ−満たす時、ビストノ（２）
及びディスプレーサ（４）には、第３図で説明する静圧
軸受（至）及びＵの作用によりそれぞれシリンダ（１）
及びコールドフィンガ（３）との隙間を一定に保つよう
な力が働き、かくして、ピストン（２）及びディスプレ
ーサ（４）は、シリンダ（１１及びコールドフィンガ（
３）に対して常に非接触で往復運動することになる。

第３図（ａＸｂｌに、上記実施例で用いた表面絞シ型静
圧軸受の動作原理を示す。第３図（ａ）に示すように、
ピストン（２）の中心とシリンダ（１）の中心が一致し
ている場合には、対向する位置のピストン側圧は矢印で
示すように左右対称で互いに同じ大きさの分布となる。

また、第３（２）（ｂｌに示すように、ピストン（２１
とシリンダ（１）が偏心した場合には、偏心ａによって
隙間が小さ（なった側の圧力が対向する側の圧力より本
高くなり、ピストン（２）を押戻してピストン（２）と
シリンダ（１）の中心を一致させようとする反力Ａが生
ずる。そして、この作用は、ピストン（２）がシリンダ
（１１に対し、浮上し之ままでピストン側荷重Ｂを支持
できることを意味しており。

ピストン（２）及びディスプレーサ（４）は非接触で往
復動することが可能となるのである。

以下、ビス）／（２１及びディスプレーサ（１）が適当
な位相差を保って往復運動する時、膨張空間（６）内に
冷熱が発生し、冷却機として動作するが、そのプロセス
については、上記した従来例の動作説明の項と全く同様
のため、その詳細な説明はここでは省略する。

なお、上記実施例では、ディスプレーサ（４）の第１圧
縮空間（７）側にのみディスプレーサ用静圧軸受けＣ３
４を構成する例を示したが、膨張空間（６）側につけて
も良く、また両方につけてもよい。さらに第４図に示す
ように、中心孔員より第２半径方向流通ダクト６ηによ
り２作動空間の圧力をディスプレーサ用静圧軸受け（至
）に導いていて、第２バッファ空間（至）と作動空間と
の圧力差によりディスプレーサを非接触で往復動するよ
うにしてもよい。更に上記実施例では、シリンダ（１１
とコールドフィンガ（３）が堅く結合された一体型冷却
機の場合について説明したが、第５図に示すような、シ
リンダ（１）とコールドフィンガ（３）が連通管１５１
によフ分離された分離型冷却機でも上記実施例と全く同
様の効果を奏する。

又、第６囚に示すように、第１連結回路Ｏ１Ｊ中に摩耗
粉等をトラップする吸着室＠を設けることにより９作動
ガス中の摩耗粉を減少させることができ、冷却機の信頼
性がさらに高まる効果がある。

又、上記実施例ではピストン用弾性部材四及びディスプ
レーサ用弾性部材ωとして機械バネを用いた冷却機の例
を示したが９作動ガスによるガスバネや已気的反発力を
用い次冷却機でも効果扛全く同様である。

又、上記実施例では、ピストンとディスプレーサの両方
に静圧軸受けを設けたが、どちらか−万。

とくにディスプレーサのみに設けてるようにしてもよい
。更に、静圧軸受けは各図において示したような段付の
表面数ｐ型でなくても、溝型でもよいし、またオリ７工
ス絞ｐ等、他の形状の静圧軸受けでもよい。

〔発明の効果〕

以上のように２本発明によれば作動空間と第１バッファ
空関を逆止弁を設けた第１連結回路によって連結すると
共に、ディスプレーサとコールドフィンガの摺動部に第
２連結回路によって＃！１バッファ空間と連結されたｗ
ｋ２バッファ空間金設け。

さらにディスプレーサとコールドフィンガの摺動部に、
コールドフィンガ内の作動空間と第２バッファ空間との
圧力差を利用して働くディスプレーサ用静圧軸受けを設
けたので、ディスプレーサを非接触で往復動させること
ができ、シールや軸受けの摩耗がなくなシ、長寿命で信
頼性の高い冷却機が得られる効果がある。

さらに、ピストンとシリンダの摺動部にも作動空間と第
１バッファ空間との圧力差を利用して働くピストン用静
圧軸受けを設ければ、ピストンも非接触で往復動させる
ことができ、摩耗がなくなり、長寿命かつ高信頼性の冷
却機が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１因は本発明の一実施例による冷却機を示す断面側面
図、第２図（ａｔ（ｂ）は各々本発明の一実施例による
冷却機内の圧力及びその圧力変化を示す説明図、第３図
（ａ）（ｂ）ｒｒｉ各々本発明の一実施例による冷却機
の静圧軸受けの動作を示す説明図、第４図ないし第６図
は各々本発明の他の実施例による冷却機を示す断面側面
図並びに第７図は従来の冷却機を示す断面側面図である
。（１）・・−シリンダ、（２）・・・ピストン、（３）
・・・コールドフィンガ、（４）・・・ディスプレーサ
、（５）・・・連通管、（６）・・・膨張空間、（７）
・・・第１圧縮空間、（８）・・・第２圧縮空間。（９）・・・蓄熱器、αテ・・・第１バッファ空間、＜
３１・・第１連結回路、Ｇ３・・・逆止弁、Ｃ３３・・
・ピストン用静圧軸受け。倶、＠・・・ディスプレーサ用静圧軸受け２ｇ・・・第
２連結回路、□□□・・・第２バッファ空間なお１図中
、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）内部に作動ガスを封入したコールドフィンガ内に
往復動可能に収納されたデイスプレーサ、上記コールド
フィンガ内に形成され、上記デイスプレーサの往復動に
より体積が変化する膨張空間及び第１圧縮空間、上記デ
イスプレーサ内に設けられ、上記膨張空間と第１圧縮空
間とを連通する蓄熱器、シリンダ内に往復動可能に収納
されたピストン、上記シリンダ内に形成され、上記ピス
トンの往復動により体積が変化する第２圧縮空間及び第
１バッファ空間、並びに第１圧縮空間と第２圧縮空間と
を連通する連通管を備え、上記ピストンを往復動させて
、上記作動ガスが上記膨張空間、上記蓄熱器、第１及び
第２圧縮空間、並びに上記連通管からなる作動空間内で
熱力学的サイクルを繰り返し、冷熱が発生するように構
成されたものにおいて、上記作動空間と第１バッファ空
間を連結する第１連結回路、この第１連結回路に設けら
れ、第１バッファ空間から上記作動空間へのみ上記作動
ガスの流れを許容する逆止弁、上記デイスプレーサと上
記コールドフィンガの摺動部に設けられ、第２連結回路
によつて第１バッファ空間と連結された第２バッファ空
間、並びに上記デイスプレーサと上記コールドフィンガ
の摺動部に設けられ、上記コールドフィンガ内の作動空
間と第２バッファ空間との圧力差を利用して働くデイス
プレーサ用静圧軸受けを備えた冷却機。
（２）内部に作動ガスを封入したコールドフィンガ内に
往復動可能に収納されたデイスプレーサ、上記コールド
フィンガ内に形成され、上記デイスプレーサの往復動に
より体積が変化する膨張空間及び第１圧縮空間、上記デ
イスプレーサ内に設けられ、上記膨張空間と第１圧縮空
間とを連通する蓄熱器、シリンダ内に往復動可能に収納
されたピストン、上記シリンダ内に形成され、上記ピス
トンの往復動により体積が変化する第２圧縮空間及び第
１バッファ空間、並びに第１圧縮空間と第２圧縮空間と
を連通する連通管を備え、上記ピストンを往復動させて
、上記作動ガスが上記膨張空間、上記蓄熱器、第１及び
第２圧縮空間、並びに上記連通管からなる作動空間内で
熱力学的サイクルを繰り返し、冷熱が発生するように構
成されたものにおいて、上記作動空間と第１バッファ空
間を連結する第１連結回路、この第１連結回路に設けら
れ、第１バッファ空間から上記作動空間へのみ上記作動
ガスの流れを許容する逆止弁、上記ピストンと上記シリ
ンダの摺動部に設けられ、上記作動空間と第１バッファ
空間の圧力差を利用して働くピストン用静止軸受け、上
記デイスプレーサと上記コールドフィンガの摺動部に設
けられ、第２連結回路によつて第１バッファ空間と連結
された第２バッファ空間、並びに上記デイスプレーサと
上記コールドフィンガーの摺動部に設けられ、上記コー
ルドフィンガ内の作動空間と第２バッファ空間との圧力
差を利用して働くデイスプレーサ用静圧軸受けを備えた
冷却機。