JPH01310270A - 冷凍機 - 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、赤外線素子の冷却等に用いられろフリーピ
ストン型スターリング冷凍機のような、移動体がその両
端の圧力差によって往復動駆動される冷凍機に関するも
のである。

【従来の技術】

第８図（ａ）の（Ｉ）〜（ＩＶ）は例えば特開昭５７−
７３８７３号公報に示された従来の冷凍機の構成と動作
を示すもので、この冷凍機は往復動形コンプレッサ１と
コールドフィンガ部２とを含む。コンプレッサ１はピス
トン３とこれを収納するシリンダ４から構成され、シリ
ンダ４の内部に（よヘリウムのような作動ガスが加圧、
封入されている。ピストン３とシリンダ４の間にはピス
トン用シール５が備えられ、作動空間の一部をなす第二
圧縮空間６とバッファ空間７を分離するとともに、シリ
ンダ内に納められたモータ及び駆動機構（図示せず）に
よってピストン３がシリンダ４内を往復動駆動されるこ
とにより、その一方の表面により前記第二圧縮空間６内
に正弦曲線状の圧力変動を生じろよう構成されている。 そして、この第二圧縮空間６内における正弦曲線状の圧
力変動は供給バイブ８を通してコールドフィンガ部２内
に伝達される。コールドフィンガ部２のハウジング９内
には円筒状の移動体１０が目出に往復運動してコールド
フィンガ部２内の第一圧縮空間１１と膨張空間１２の容
積を変えるようにされている。 また、移動体１０は蓄熱式熱交換器１３を収納するとと
もに、移動体用シール１４を備え、へりラムガスが第一
圧縮空間１１と膨張空間１２の間を熱交換器１３を通っ
て流れるように構成されている。さらに、前記移動体１
０は、これと一体のピストン部材１５を備え、ピストン
部材１５が挿入されたガススプリング空間１６はこの周
りに設けられたピストン部材用シール１７によって前記
第一圧縮空間１１と分離されている。 上記した冷凍機は三つの分離されたガスの空間を含むも
のとして理解されろ。すなわち、ガスの作動空間は第二
圧縮空間６と、供給パイプ８内の空間と、第一圧縮空間
１１と、膨張空間１２にと熱交換器１３内の空間から構
成されろ。別のガスの空間を形成するのはバッファ空間
７とガススプリング空＠１６であり、以上の各空間は、
それぞれ、ピストン用シール５及びピストン部材用シー
ル１７によって分離されている。 次に、上記した冷凍機の動作について第８図（ｂ）を用
いて説明する。第８図（ａ）の（Ｉ）のサイクルの時点
においては、移動体１０の下端はコールドフィンガ部２
内の膨張空間１２内にあり、コンプレッサ１の圧縮運動
は作動空間内の圧力を最低圧力から最高圧力まで上昇さ
せる。スプリング空間１６内の圧力は作動空間内の最低
から最高までの圧力レベルの間のあるレベルにあり、か
くして、作動空間内において増加しつつある圧力はある
時点で、移動体用シール１４及びピストン部材用シール
１７の摩擦抵抗を克服するのに十分な圧力差をピストン
部材１５に対して発生させる。そこで、ピストン部材１
５及び移動体１０は第８図（ａ）の（ＩＩ）に示す位置
まで急速に上昇する。この移動体１０の運動によって第
一圧縮空間１１のほぼ周囲温度の高圧のガスは熱交換器
１３を通過して予冷された後、膨張空間１２に導かれる
。 かくして、図示しない駆動機構による正弦曲線状のピス
トン３の運動は第８図（、）の（ＩＮ）のように作動空
間の容積を膨張させ始め、この膨張によって膨張空間１
２内の高圧のヘリウムガスはさらに一層冷却される。本
冷凍機の冷却作用は主としてこの過程において発生させ
られる。次に、ピストン３のこの膨張運動におけるある
時点で、作動空間内の圧力がガススプリング空間１６の
圧力以下に下降し、その圧力差が移動体用シール１４及
びピストン部材用シール１７のａｍ抵抗を克服するのに
十分な圧力差になると、移動体１０及びピストン部材１
５は第８図（ａ）の（ＩＶ＞の位置に向けて下方に駆動
させられる。第８図（ａ）の（ＩＶ）の位置はすなわち
第８図（ａ）の（Ｉ）になる前の位置でもある。また、
この時、膨張空間１２内の冷却されたガスは熱交換器１
３内を通過する際、熱交換器１３に冷熱を放出すること
によってほぼ周囲温度のガスとなって第一圧縮空間１１
に戻る。 以上、第８図（ｂ）に示したように、移動体１０がサイ
クルの各過程において作動空間内の圧力変化に対しであ
る適当な位相差を保って運動する時、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
して知られる熱力学的サイクルを構成し、主として膨張
空間１２内に冷熱を発生することができる。上記゛逆ス
ターリングサイクル”とその冷熱発生の原理の詳細につ
いては、文献”　Ｃｒ　ｙ　ｏ　ｃ　ｏ　ｏ　ｌ　ｅ　
ｒ　ｓ　”　。 （Ｇ、Ｗａｌｋｅｒ、Ｐｌｅｎｕｍ　Ｐｒｅｓｓ。 Ｎｅｗ　　Ｙｏｒｋ、１９８３）を参照されたい。

【発明が解決しようとする課題】

従来の冷凍機は以上のように構成されているので、運転
に伴う摩耗等によってピストン部材用シールのシール能
力に方向性が生じると、ガススプリング空間内の平均圧
力と作動空間内の平均圧力の間にはこの方向性を原因と
する圧力差が発生し、更に、この圧力差は第８図（ｂ）
に示したように移動体の往復動のタイミングを最初に設
定された最適値から変化させ冷凍機の能力変化をもたら
すことになる。 また、前記ピストン部材用シールの能力低下は作動空間
からガススプリング空間へのガスの漏れを増大させろこ
とによ秒、前記作動空間内の圧力変化の振幅を減少せし
め、−層の能力低下を生せしめる。 こうして、このように構成された従来の冷凍機では、摩
耗等によるピストン部材用シールのシール能力の変化は
冷凍機能力の著しい低下をもたらすため、充分な耐久性
や信頼性をもった冷凍機が得られないという問題点があ
った。 この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、摩耗の少ないピストン部材用シールを有する
、耐久性や信頼性に優れた冷凍機を１得ることを目的と
する。

【課題を解決するための手段】

この発明にかかる冷？！ａｍは、前記バッファ空間と前
記ガススプリング空間とを第一連結回路によって、また
、前記バッファ空間と前記作動空間との間を途中に逆止
弁を設けた第二連結回路によって連結するとともに、前
記ピストン部材用シールを前記ピストン部材と前記コー
ルドフィンガ部の壁を成すハウジングとの間の狭いすき
まを利用したすきまシールにより構成し、かつ、前記す
きまシール部に静圧軸受けを形成したものである。

【作　　用】

この発明にかかる冷凍機は、前記バッファ空間と前記作
動空間を連結する第二連結回路の途中に設けられた逆止
弁により、前記バ・ソファ空間から前記作動空間へと作
動ガスが汲み上げられ、前記作動空間の圧力が前記バッ
ファ空間及び前記バッファ空間と第一連結回路により連
通された前記ガススプリング空間の圧力より、常に高く
維持される。こうして、ピストン部材用シールのすきま
シール上に設けられた静圧軸受けでは作動空間からガス
スプリング空間への作動ガスの流れにより、前記ピスト
ン部材が非接触で往復動するため、前記ビスＴ・ン部材
用シールの摩耗がなくなり、この結果、長寿命な冷凍機
が得られる。

【発明の実施例】

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において、１８は第二連結回路であり、バッファ空間
７と作動空間の一部をなす第二圧縮空間６とを連結する
とともに、前記第二連結回路の途中には逆止弁１９が設
けられ、前記バッファ空間７から前記作動空間６への作
動ガスの流れのみが許容されろようになっている。一方
、作動空間とガススプリング空間１６とを分離するピス
トン部材用シール１７は、前記ピストン部材１５と前記
コールドフィンガ部２の壁を成すハウジング９との間の
狭いすきまを利用したすきまシールによって構成され、
前記すきまシール部には表面絞り型の静圧軸受け２０が
形成されている。また、２１はガススプリング空間１６
とバッファ空間７を連通する第一連結回路であり、作動
空間から静圧軸受け２０を通ってガススプリング空間１
６へと流れ出た作動ガスの戻り回路となっている。更に
、前記ガススプリング空間１６内には前記移動体１０の
往復動の中心位置を補正する手段としてコイルばね２２
が設けられ、前記ピストン部材１５と前記コールドフィ
ンガ部２に結合されている。 なお、図中、第８図（ａ）と同一符号の部分は第８図（
ａ）と同一部分を示しており、ここでの説明は省略する
。 次に、第２図を用いて本実施例の動作について説明する
。従来例と同様に、図示しないモータ及び駆動機構によ
るピストン３の正弦曲線状の上下運動は第二圧縮空間６
と、供給バイブ８内の空間と、第一圧縮空間１１および
膨張空間１２と、熱交換器１３内の空間から成る作動空
間内の作動ガスに正弦曲線状の圧力変化を生じさせる。 ただし、本実施例においては、前記バッファ空間７と前
記作動空間を連結する第二連結回路１８の途中に逆止弁
１９が設けられ、前記バッファ空間７から前記作動空間
へと作動ガスが汲み上げられるよう構成されているため
、前記作動空間内の圧力は第２図（ａ）に示すように、
前記バッファ空間７及び前記バッファ空間７と第一連結
回路２１により連通された前記ガススプリング空間１６
の圧力より殆ど常に高い状態で変化することになる。そ
して、この時、ガススプリング空間１６内に設けられた
コイルばね２２は、前記移動体１０の往復動の中心が設
定された位置になるようガススプリング空間１６内の平
均圧力と作動空間内の平均圧力との圧力差に相当する力
を補償しているため、移動体１０には第２図（ｂ）に示
す正弦曲線状の駆動力が作用し、一方、移動体１０とコ
イルばね２２は振動系を構成しているため、移動体１０
はこの駆動力によって第２図（Ｃ）に示したようなこの
駆動力とある位相遅れをもった往ｙＬＩＩ！！運動を行
う。 更に、乙の時、ビス）・ン部材用シール１７のすきまシ
ール上に設けられた静圧軸受け２０には作動空間からガ
ススプリング空間１６への作動ガスの流れが生じ、前記
ピストン部材１５は相対するハウシング９の壁に接触せ
ずに往復運動することが可能となる。このように、移動
体１０が作動空間内の圧力変化とある位相差を保ちつつ
往復動運動を行う時、作動空間内の作動ガスは、従来例
の説明において述べたように、′逆スターリングサイク
ル”を構成し膨張空間１２内に冷熱を発生する。 以上のように、本実施例による冷凍機においては、ピス
トン部材用シール１７がすきまシールで構成され、更に
、このすきまシール上に設けられた静圧軸受け２０によ
って前記ピストン部材１５が非接触で往復運動するなめ
、前記ピストン部材用シール１７の摩耗が無くなり、長
寿命な冷凍機が得られる。 なお、参考のために、第３図を用いて表面絞吟型静圧軸
受けの動作原理について簡単に説明しておく。 本実施例で用いられた表面絞り型静圧軸受けは、第３図
に示すように、ピストン部材１５とこれに相対するコー
ルドフィンガ部２の壁の間のすきまが、ガススプリング
空間１６側に比べ作動空間側の方が大きくなるようピス
トン部材１５上に段が設けられ、さらに、作動空間側の
圧力Ｐ、がガススプリング空間１６側の圧力Ｐ２よりも
常に高くなるよう構成されてる。 ここで、第３図（ａ）に示すように、ピストン部材１５
の中心とコールドフィンガ部２の壁の中心が一致してい
る場合には、ピストン部材の両側に作用する横方向の力
は矢印で示した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図（ｂ）に示すように、ピストン
部材１５がコールドフィンガ部２に対して帰心している
場合には、偏心によって隙間が小さくなった側の圧力が
対向する側の圧力よりも高くなり、ピストン部材１５を
押し戻してピストン部材１５とコールドフィンガ部２の
中心を一致させようとする反力が生ずる。そして、この
作用は、ピストン部材１５がコールドフィンガ部２に対
して浮上したままでピストン部材１５の横荷重を支持で
きることを意味しており、この結果、ピストン部材１５
は非接触で往復動することが可能となる。 なお、上記実施例では、コールドフィンガ部２とコンプ
レッサ１が供給パイプ８を介して互いに分離されたスプ
リッ！・型の冷凍機の場合について説明したが、第４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
フィンガ部２とコンプレッサ１が機械的に強く結合され
た一体型の冷凍機であっても良く、上記実施例と同様の
効果を奏する。 また、上記実施例ではピストン部材用シール１７のみを
すきまシールとした例を示したが、第５図に示すこの発
明の他の実施例のように移動体用シール１４を同時にす
きまシールとしても良く、この場合、移動体用シール１
４の摩耗もきわめて少なくなるため、−層長寿命となる
。さらに、第６図に示すこの発明の他の実施例のように
、ピストン用シール５をも静圧軸受けを形成したすきま
シールとすることにより、より一層の長寿命化が可能と
なる。 また、第７図に示すこの発明の他の実施例のように第二
連結回路１８中に作動ガス中の不純物や摩耗粉を除去す
る吸着室２３を設ける構成としてもよく、このような構
成とすることで、摩耗粉のかみこみによる冷凍機の偶発
故障が防止され、信頼性の高い冷凍機が得られる。

【発明の効果】

以上のように、この発明によれば、前記ピストン部材用
シールを前記ピストン部材と前記コールドフィンガ部の
壁を成すハウジングとの間の狭いすきまを利用したすき
まシールにより構成し、かつ、前記すきまシール部に静
圧軸受けを形成したことにより、前記ピストン部材が非
接触で往復運動するようになり、前記ピストン部材用シ
ールの摩耗が無くなったため、耐久性や信頼性に擾れた
冷凍機を得られろ効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による冷凍機を示す断面側
酊図、第２図はこの発明の一実施例による冷凍機の動作
を示す説明図、第３図はこの発明の一実施例に用いられ
た表面絞り型静圧軸受けの動作を示す説明図、第４図〜
第７図はこの発明の他の実施例を示す冷凍機の断面側面
図、第８図は従来の冷凍機を示す断面側面図である。 １　コンプレッサ、２　コールドフィンガ部、３　ピス
トン、４　シリンダ、５　ピストン用シール、６　第二
圧縮空間、７−バッファ空間、８供給パイプ、９　ハウ
ジング、１０　移動体、１１　第一圧縮空間、１２　膨
張空間、１３　＃Ｉ交換器、１４　移動体用シール、１
５−ビストノ部材、１６　ガススプリング空間、１７　
ピストン部材用シール、１８　・第二連結回路、１９　
逆止弁、２０　静圧軸受け、２１・・第一連結回路、２
２　コイルばね、２３　吸着室。 なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。 第１図 第３図 （ｂ） 第４図 第５図 第６図 第７図 第８し くＩ）　　　　　　　　　（■） 図　（ａ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 作動空間内の作動ガスに周期的圧力変動をもたらすコン
   プレッサと、このコンプレッサの作動空間と供給パイプ
   で連通されたコールドフィンガ部とから成り、前記コン
   プレッサは内部に作動ガスを封入したシリンダと前記シ
   リンダ内に往復動可能に収納されたピストンを備え、前
   記ピストンは一方の作動表面により作動空間の体積を、
   もう一方の作動表面によりバッファ空間の体積を変える
   ものであり、前記コールドフィンガ部はその内部で往復
   動する移動体と、この移動体の一部を成すピストン部材
   を取り囲むピストン部材用シールと、このピストン部材
   用シールによって前記作動空間と分離されたガススプリ
   ング空間とを有したものであり、前記移動体は作動空間
   とガススプリング空間との間の差動圧力によって駆動さ
   れ、前記作動空間内の圧力と移動体の運動との間には位
   相関係を有するようにされた冷凍機において、前記バッ
   ファ空間と前記ガススプリング空間とを第一連結回路に
   よって、また、前記バッファ空間と前記作動空間との間
   を途中に逆止弁を設けた第二連結回路によって連結する
   とともに、前記ピストン部材用シールを前記ピストン部
   材と前記コールドフィンガ部の壁を成すハウジングとの
   間の狭いすきまを利用したすきまシールにより構成し、
   かつ、前記すきまシール部に静圧軸受けを形成したこと
   を特徴とする冷凍機。