JPH01281374A - 冷却機 - Google Patents

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］ この発明は、スターリング冷却機のように、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４図は、例えば特公昭５４−２８９８０号公報に開示
されたものに類似し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図である。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り、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を
内包すると共に、その下部は連通管５によりシリンダ１
と連通している。ディスプレーサ４の上部の作動表面４
ｂは膨張空間６の境界をなしており、このｌｔＶ張空間
６はディスプレーサ４の下部作動表面４ａと連通管５の
間の第一圧縮空間７、ピストン２の上部の作動表面２ａ
と連通管５０間の第二圧縮空間８、ディスプレーサ４内
に備えた蓄熱機９及び連通管５内の空間等とともに作動
空間を構成している。蓄熱機９は下方の中心孔１０を経
てその下側の作動ガスに通ずると共に、また上方の中心
孔１１と半径方向流通ダクト１２を経て上側の作動ガス
に通ずることができる。また、この機械では膨張させら
れた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１３を備えている。

ピストン２とシリンダ１の壁の間にはその間隔が１０μ
程度に形成され、圧力損失により容量減少率がほぼ３〜
８％位となっているすきまシール１４が形成され、ピス
トン２の下側に存在するバッファ空間１５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。

また、ディスプレーサ４とコールドフィンガ３の間には
上述と同様のすきまシール１６を備え、膨張空間６と第
一圧縮空間７の間の作動ガスの流れが蓄熱機９内を流れ
るよう強制している。

ピストン２とその下側のバッファ空間１５中に、アルミ
ニラに等の非磁性及び非磁化材料から成る軽量のスリー
ブ１７を備える。スリーブ１７には導電体を巻き付けて
コイル１８を形成し、このコイル１８はシリンダ１の壁
を通すリード線１９゜２０に接続され、これらのリード
線１９．２０はシリンダ１の外部でそれぞれ電気端子２
１．２２に接続されている。コイル１８はピストン２の
軸線方向に環状間隙２３内で往復運動でき、この環状間
隙２３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１８の移動方向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２４、軟鉄環状ディスク２５、軟鉄シリ
ンダ２６及び軟鉄円形ディスク２７を用いて得られる。

環状永久磁石２４と軟鉄環状ディスク２５、軟鉄シリン
ダ２６及び軟鉄円形ディスク２７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を構成する。以
上述べたスリーブ１７、コイル１８、リート線１９，２
０、環状間隙２３、環状永久磁石２４、軟鉄環状ディス
ク２５、軟鉄シリンダ２６及び軟鉄円形ディスク２７は
全体としてピストン駈動用のリニアモータ２８を構成し
ている。また、ピストン２及びディスプレーサ４はそれ
ぞれピストン用弾性部材２９とディスプレーサ用弾性部
材３０を介してシリンダｌ及びコールドフィンガ３内に
往復動可能に係合され、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置を定めてい
る。

次に、前記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２１．２２に系の共振周波数に
等しい交流電源（図示しない）を接続すると、環状間隙
２３の半径方向の永久磁界の影響を受けてコイル１８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１７及びコイル１８から構成される
組立体とピストン用弾性部材２９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、第一圧縮空間７、第二圧縮空間８
、連通管５、蓄熱機９、中心孔１０、中心孔１１、半径
方向流通ダクト１２及びフリーザ１３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［９を通過するガスの！ｉｔ変化によりデ
ィスプレーサ４に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機９を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４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１３
に冷熱を発生する。

前記「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、文献’Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ　Ｊ　　
（Ｇ。

Ｗａｌｋｅｒ、　Ｐｌｅｎｕｍ　Ｐｒｅｓｓ、　Ｎｅｗ
　ｙｏｒｋ、　１９８３＋　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２により圧縮された第二圧縮空間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、第一圧縮
空間７、中心孔ｌＯ２蓄熱機９に流れ込む。蓄熱機９で
は半サイクル前に蓄えられた冷熱により予冷され、作動
ガスは、さらに中心孔１１、半径方向流通ダクト１２及
びフリーザ１３を通って膨張空間６内に入る。そして、
大部分の作動ガスが膨張空間６内に入ると膨張が始まり
、膨張空間６内に冷熱を発生する。作動ガスは、次に逆
の順序で蓄熱機９に冷熱を放出しなから流路を戻り、第
二圧縮空間８内に入る。この時、フリーザ１３内で外部
から熱を奪い、その外部を冷却する。しかして、大部分
の作動ガスが第二圧縮空間８内に戻ると再び圧縮が始ま
り、次のサイクルに移行する。以上のようなプロセスに
より、前記「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１ 従来の冷却機は以上のように構成されているので、ピス
トン用弾性部材２９及びディスプレーサ用弾性部材３０
の偏心等によって生じる半径方向の力は、ピストン２及
びディスプレーサ４に対してモーメント荷重を発生させ
る。この結果、ピストン２及びディスプレーサ４のすき
まシール１４゜１６には、てこの原理により拡大された
荷重（集中荷重）がかかり、シール部が著しく摩耗し、
またピストンの摺動部も摩耗し、長寿命の冷却機が得ら
れないという問題があった。

二の発明は、前記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、シール部の摩耗が少なく、長寿命の冷却機
を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る冷却機は、ピストン用弾性部材と前記ピ
ストン２の結合点を、前記ピストン２内であって前記ピ
ストンと前記シリンダの摺動部に対し軸方向にほぼ同一
位置に設けたものである。

し作　　用］ 以上の構成により、ピストン用弾性部材の偏心等によっ
て生しる半径方向の力はピストン２とシリンダｌの摺動
部上に作用し、モーメント荷重が小さいかまたは発生し
ないため、シール部に前記拡大された荷重が加わること
が無く、従って、ピストン２の摺動部の摩耗、特にシー
ル部の摩耗が著しく減少する。

［実施例１ 以下、この発明の一実施例を説明する。第１図において
、従来零の第４図と同一符号は同一または相当部分を示
し、３１はピストン用弾性部材２９とピストン２の結合
点であり、この実施例では、従来例と異なり、この結合
点３１がピストン２とシリンダ１との摺動部に対し軸方
向はぼ同一位置に配置されている。また、３２はディス
プレーサ用弾性部材３０とディスプレーサ４の結合点で
あり、ピストン２と同様にディスプレーサ４内部であっ
て、ディスプレーサ４とコールドフィンガ３の摺動部に
対し軸方向にほぼ同一位置に配置されている。

以下、本実施例の動作について説明する。

第２図（ａ）、　（ｂ）に、従来例とこの実施例におけ
るピストン用弾性部材２９とピストン２の結合点の位置
の違いと、これによるすきまシール１４に作用する荷重
の違いを示す。図中、（ａ）に示す如（、従来例では上
記結合点が、ピストン２とシリンダ１の摺動部に対し軸
方向位置が異なる。このため、例えばピストン用弾性部
材２９の偏心等により、ピストン２の下端に半径方向の
力Ｆ０が作用すると、ピストン２には点線で示したよう
に倒れが生じ、ピストン２がシリンダ１に接する箇所（
点）にモーメント荷重が発生する。

このモーメント荷重Ｆ、及びＦ２はそれぞれ；Ｉ で与えられるため、従って、シリンダ１の下端部に対応
する部分には、本来の半径方向の力Ｆ０より大きい集中
荷重Ｆｌ　　（てこの原理により拡大された荷重といえ
る）が作用し、この部分をすきまシール１４が通過する
際にすきまシール１４を著しく摩耗することになる。

一方、本実施例では、図中［有］）に示す如く、半径方
向の力Ｆ０に対してモーメントが発生せず、更に、倒れ
も生じないため、荷重Ｆ０をピストン２とシリンダ１の
摺動面全体で支えることになり、すきまシール１４の摩
耗が少なく、長時間運動が可能となる。また、ディスプ
レーサに関しても同様の作用により、長寿命化が達成さ
れる。

以上、ここでは、すきまシール１４及び１６の長寿命化
と結合点３１及び３２の位置の関係について説明したが
、このような位置関係のすきまシール１４及び１６を使
用することによって、この実施例に示した冷却機は、従
来例と全く同様の動作によりフリーザ１３及び膨張空間
６に同様に冷熱を発生し、しかも長時間その性能を維持
することが可能となる。

尚、この実施例に示した冷却機の動作原理については従
来例と全く同様であるため、ここでは省略する。

尚、前記実施例では、コールドフィンガ３とシリンダ１
が機械的に強く結合された一体型の冷却機の場合につい
て説明したが、第３図に示すこの発明の他の実施例にお
けるように、コールドフィンガ３とシリンダｌが連通管
５を介して互いに分離された分離型の冷却機であっても
よく、前記実施例と同様の効果を奏する。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、ピストン用弾性部材
とピストンの結合点を、ピストンに対しモーメント荷重
が発生しないような位置に配置、構成したので、すきま
シールの摩耗が少なく、長寿命な冷却機が得られるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る冷却機を示す断面側
面図、第２図はこの発明の一実施例による冷却機と従来
例との動作の違いを示す説明図、第３図はこの発明の他
の実施例を示す冷却機の断面側面図、第４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、２ａ、４ａ。 ４ｂ・・・作動表面、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・・・第一圧縮空間、８・・・第二圧縮空間、９
・・・蓄熱機、１０・・・中心孔、１１・・・中心孔、
１２・・・半径方向流通ダクト、１３・・・フリーザ、
１４・・・すきまシール、１５・・・バッファ空間、１
６・・・すきまシール、１７・・・スリーブ、１８・・
・コイル、１９．２０・・・リード線、２１．２２・・
・電気端子、２３・・・環状間隙、２４・・・環状永久
磁石、２５・・・軟鉄環状ディスク、２６・・・軟鉄シ
リンダ、２７・・・軟鉄円形ディスク、２８・・・リニ
アモータ、２９・・・ピストン用弾性部材、３０・・・
ディスプレーサ用弾性部材、３１．３２・・・結合点。 尚、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 代理人　　大君　増ａ　（ばか　２名）第２１ （ａ）　　従来例 図 （ｂ）功Ｈ 手続補正書（自発）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 内部に作動ガスを封入したコールドフィンガと、前記コ
   ールドフィンガ内に収納されディスプレーサ用弾性部材
   により前記コールドフィンガに往復動可能に係合された
   ディスプレーサと、内部に作動ガスを封入したシリンダ
   と、前記シリンダ内に収納されたピストン用弾性部材に
   より前記シリンダに往復動可能に係合されたピストンと
   、前記コールドフィンガ内の作動ガスと前記シリンダ内
   の作動ガスとを連通する連通管とから構成され、前記ピ
   ストンと前記ディスプレーサのシールを、それぞれ、前
   記シリンダと前記コールドフィンガとの間のすきまを用
   いたすきまシールによって行い、かつ、前記ディスプレ
   ーサはその一方の作動表面により前記コールドフィンガ
   内の膨張空間の体積を変え、もう一方の作動表面により
   前記コールドフィンガ内の第一圧縮空間の体積を変える
   ものであり、前記ピストンはリニアモータによって前記
   シリンダ内を往復駆動されその一方の作動表面により前
   記第一圧縮空間に連通する前記第二シリンダ内の第二圧
   縮空間の体積を、もう一方の作動表面によりピストンの
   下側に存在するバッファ空間の体積を変えるものであり
   、前記膨張空間、前記第一圧縮空間、前記第二圧縮空間
   、前記連通管内の空間及び前記膨張空間と前記圧縮空間
   に連通する蓄熱機、から成る作動空間内の作動ガスが熱
   力学的サイクルを繰り返すことにより冷熱を発生するよ
   うに構成された冷却機において、 前記ピストン用弾性部材と前記ピストンの結合点を、前
   記ピストン内であって前記ピストンと前記シリンダの摺
   動部に対し軸方向にほぼ同一位置に設けたことを特徴と
   する冷却機。