JPH02238263A - ガス冷却機 - 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３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、この膨張空間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５の間の第二圧縮空間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
を構成している。蓄熱器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１
１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
換器としてコールドフィンガ３の頭部にフリーザ１３を
形成している。

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ｌ５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
」二連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器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
ニウム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ｌ８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Ｍ１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１７．コイル１８．リード線１９，２０
，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
体としてピストン駆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１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ッカが働き、その結果、ピ
ストン２，スリーブｌ７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，蓄熱器９，中心孔１０．中心孔１１，
半径方向流通ダクト！２及びフリーザｌ３から成る作動
空間内に封入ざ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
ディブレーサ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器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ｒ　Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ　Ｊ（
Ｇ．ｗａｌｋｅｒ，Ｐｌｅｎｕｍ　　Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅ
ｗ　　ｙｏｒｋ，１９８３，ＰＰ．１７７〜ｌ２３）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１０，蓄熱器９に流れ込む。蓄熱器９で
は半サイクル眞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ｌ１，半径方向流通ダクトｌ２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
の順序で蓄熱器９に冷熱を放出しながら流路を戻り、第
二圧縮空間８内に入る。この時、フリーザｌ３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、航記「逆スターリングサイクル」か完成して冷熱
が発生する。

（発明が解決しようとする３２ｆ！） 従来のガス冷却機に於いては、以上のようにディスプレ
ーサ４がコールドフィンガ３内を往復運動する。このデ
ィスプレーサ４とコールドフィンガ３の間にはすきまシ
ール１６を備えている。

このように構成されているので、コールドフィンガ３の
温度は作動ガス温度と略等しく、一方フリーザ１３の温
度は熱負荷側であるためコールドフィンガ３の温度より
高い温度となり、コールドフィンガ３とフリーザ１３の
間には温度差が生じている。この時の温度分布図を概念
的に示したものが第４図である。コールドフィンガ３と
ディスプレーサ４の温度は運動軸に沿ってほぼ直線的な
温度勾配を示し、かつ、コールドフィンガ３側の温度が
高くなる。そのため、高温側のコールドフィンガ３から
低温側のディスプレーサ４に向けて放射伝熱による熱伝
播が生じ、ディスプレーサ４の温度が上昇する。この放
射伝熱によるガス温度の上昇はガス冷却機にとって熱力
学的サイクルにおける熱損失となり、熱効率の低下によ
る冷却性能の減少を来たす。この放射伝熱の伝播熱量は
ステファンーボルツマンの法則に従うもので、その特性
式は次式で与えられる。

？式で、Ｔｃ，Ｔｄはそれぞれコールドフインガ３，デ
ィスプレーサ４の絶対温度でＴｃ＞Ｔｄの関係を満たす
。９はコールドフインガ３から放射される熱エネルギ中
、ディスプレーサ４に吸収される熱エネルギであり、Ｃ
ｓは黒体の放射係数である。さらに６１■はコールドフ
インガ３，ディスプレーサ４の構成材料の放射率をそれ
ぞれａ　ｌ　ｌ　８　２とすると次の関係で示される係
数である。

（１）．（２）式からわかるようにコールドフィンガ３
からディスプレーサ４への放射による熱伝播を少なくす
るためには、それぞれの構成材料の放射率ａ　ｌ　ｔ　
８　２を小さくすれば、係数ε，２が小さくなり、放射
伝熱量９も少なくできることになる。

従来、ディスプレーサ４の構成材料には、要求される熱
的性質や機械的強度などを考慮して炭素充てんエボキシ
樹脂や炭素充てん４フッ化エチレン樹詣などの複合材料
が使用されることが多く、またコールドフィンガ３はス
テンレス鋼などで構成されていた。

このようにディスプレーサ４の構成材料に複合材料を使
用すると、その放射率ａ２が大きく、その大きさは０．
７〜０．９の範囲にあるためコールドフィンガ３からの
放射熱が極めて吸収しやすく、そのためディスプレーサ
４の温度が上がり、さらには作動ガスの温度を上昇させ
、結果的にガス冷却機の熱効率の低下による冷却性能の
減少を来たす欠点があワだ。

〔課題を解決するための手段〕

このため、この発明に係るガス冷却機は、ディスプレー
サ．コールドフィンガの互の対向面に放射率の小さい銀
，アルミニュームなどの金属材料をめっきあるいは蒸着
によって表面処理した金属コーティングを施し、コール
ドフィンガからの放射熱エネルギを小さくするとともに
、コールドフィンガからの放射熱エネルギをディスプレ
ーサが吸収する割合をも低減したものである。

〔作用〕

以上のような構成としたこの発明におけるガス冷却機は
、ディスプレーサ．コールドフィンガの互の放射率を小
さくし、高温側のコールドフインガから低温側のディス
プレーサへの放射伝熱を少なくすることによってガス冷
却機の熱効率を高め、冷却性能の向上を図ることができ
る。

（実施例〕 以下に、この発明の一実施例に基いて説明する。第１図
において、３ｌはディスプレーサ４の作動表面に、アル
ミニューム，銀などの放射率の小さい金属材料をめっき
や蒸看などの表面処理法でコーティングした金属コーテ
ィング層である。

ディスプレーサ４の場合と同様に３２はコールドフィン
ガ３のディスプレーサ４との対向面に施した放射率の小
さい金属をコーティングした金属コーティング層である
。このようにディスプレーサ４とコールドフィンガ３の
互に対向する作動表面に放射率の小さい金属でコーティ
ング層を形成させる。

第２図はディスプレーサ４とコールドフインガ３のそれ
ぞれに金属コーティング層３１．３２を形成した部分を
拡大し、放射伝熱の方向をボした断面図である。

ディスプレーサ４とコールドフインガ３の間には数十μ
程度の間隙を有するすきまシール１６を備える。このす
きまシール間に於けるディスプレーサ４とコールドフィ
ンガ３が互に対向する作動表面に数μ程度のＷＡＪ！Ｘ
でアルミニューム，銀などの金属材料を用いて、めっき
あるいは蒸着などの表面処理法で金属コーティング層を
形成する。

このような金属の放射率はアルミニュームでは高仕上面
で０．０３〜０．０５、銀では０．０２〜０．０３の範
囲にあり、従来の複合材料の放射率の０．７〜０．９に
比べて極めて小さい値である。したがって、前述の（２
）式からわかるように、ディスプレーサ４の放射率ａ２
は従来の複合材料放射率から金属コーティング層による
放射率に減少し、さらにはコールドフィンガ３の放射率
ａ１もステンレス鋼の場合の０．２から小さい放射率を
有する金属の放射率に減少するため、結果的にεｌ２は
非常に小さい値となる。

係数ｇ＋ｚが小さくなると、前述の（１）式の関係から
わかるように、コールドフィンガ３から放射される放射
熱エネルギ中低温側のディスプレーサ４が吸収する熱量
９もεＩ２の低減に見合って減少することになる。その
ため、ディスプレーサ４のコールドフィンガ３からの放
射伝熱による温度上昇は抑制され、従って作動ガス温度
の上昇も低減される。作動ガス温度が低温に保持される
ため、ガス冷却機の熱効率が高くなり、冷却性能の向上
をはかることができる。

（発明の効果） 以上説明したように、この発明によれば、ディスプレー
サ，コールドフインガの互の対向面を放射率の小さい金
属を用いてコーティング層を形成したために、高温側の
コールドフインガから低温側のディスプレーサへの放射
伝熱が低減でき、これによって作動ガスの温度−ト昇を
減少することにより、ガス冷却機の熱効率を高め、冷却
性能を向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるガス冷却機を示す断
面側面図，第２図はこの発明のコールドフィンガとディ
スプレーサの対向部を示す部分断面図、第３図は従来の
ガス冷却機を示す断面側面図、第４図はコールドフィン
ガとディスプレーサの対向部の温度勾配を示す温度分布
図である。 １はシリンダ、２はピストン、３はコールドフィンガ、
４はディスプレーサ、５は連通管、６は膨張空間、７は
第一圧縮空間、８は第二圧縮空間、９は蓄熱器、１０〜
ｌ２は作動ガス通路、１３はフリーザ、３１．３２は放
射率の小さい金属コーティング層である。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）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れ
   さたディスプレーサ、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、及
   び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膨張空間の体積を、もう
   一方の作動表面により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第二圧縮空間の体積を、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
   間に連通する蓄熱器、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
   ように構成されたガス冷却機において、前記コールドフ
   ィンガと前記ディスプレーサの互の対向面に放射率の小
   さい金属を用いたコーティング層を形成したことを特徴
   とするガス冷却機。