JPH02309174A - 極低温用冷却機 - 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】 概要 赤外線センサ等を冷却するために用いられる極低温用冷
却機に関し、 被冷却体への振動の伝達を少なくすることを目的とし、 第１シリンダ及び第２シリンダ内部を連通路により連通
し、第１シリンダ内部にガスの圧縮を行うピストンを摺
動自在に設け、第２シリンダ内部に前記ピストンに連動
して摺動するディスプレーサを設けて、該第２シリンダ
の頂部で低温を得るようにした極低温用冷却機において
、前記第２シリングの頂部近傍の内側に可撓性を有する
ダイヤフラムを設けてポンプ室を画成し、被冷却体に取
り付け可能でその内部に作動流体の流路を有する冷却ヘ
ッドと、前記ポンプ室とを２本の柔軟性を有するチュー
ブにより連通せしめ、該チューブの端部近傍に逆流防止
弁を取り付け、前記ディスプレーサの摺動による圧力変
化によりダイヤフラムが撓み、作動流体が前記ポンプ室
、チューブ及び冷却ヘッド内を一方向に還流するように
構成する。

産業上の利用分野 本発明は赤外線センサ等を冷却するために用いられる極
低温用冷却機に関する。

ヘリウムガス等の冷媒をピストンにより圧縮して冷却室
内に導き、冷媒の断熱膨張により冷却するスターリング
冷却機等の極低温用冷却機は、冷却効率が良いこと及び
非常に低温まで冷却できることで知られている。このよ
うな極低温用冷却機は、例えば赤外領域の撮像素子のＳ
／Ｎ比向上向上めの冷却機として利用される。そして、
このようなピストンを利用した冷却機においては、ピス
トンの往復運動により振動が発生し、この振動が被冷却
体である赤外線撮像素子等に伝達されると、画像分解能
の低下等の障害を生じることがあるため、赤外線撮像素
子等への振動の伝達を少なくする必要がある。

従来の技術 第２図はスターリングサイクル冷却機の概略構成を示す
断面図である。圧縮シリンダ１内には圧縮ピストン３が
摺動自在に嵌合されており、圧縮ピストン３の頂部には
冷媒ガスを圧縮する圧縮室１３が画成されている。５は
膨張シリンダであり、この膨張シリンダ５内にディスプ
レーサ７が摺動自在に嵌合されている。ディスプレーサ
７には、例えばＳＵＳ製の金網で形成された蓄冷器９が
内蔵されており、ディスプレーサ７の頂部には冷媒ガス
の断熱膨張によりガスを極低温に冷却する冷却室１１が
画成されている。前記圧縮室１３は通路１５．１７及び
蓄冷器９を介して冷却室１１に連通されている。圧縮ピ
ストン３及びディスプレーサ７はクランク機構を介して
モータ等により第３図に示されているような所定の位相
差をもって往復運動されるようになっている。

ディスプレーサ７には通路１７の人口を囲むように２個
の環状シール材１９．１．９が設けられており、通路１
５を介して供給された冷媒ガスが膨張シリンダ５とディ
スプレーサ７の間を通過するのを防止し、全ての冷媒ガ
スがディスプレーサ７に内蔵された蓄冷器９に供給され
るようにしている。

膨張シリンダ５の頂部には冷却ヘッド２０が設けられ、
この冷却ヘッド２０に冷却すべき赤外線センサ２１が固
定されている。この膨張シリンダ５は赤外線２２を入射
するための透光窓２３を有する外筒２５の内部に挿入形
で封着・配置されている。

然して、圧縮シリンダ１内で圧縮ピストン３が上方に移
動して圧縮室１３内での冷媒ガスを圧縮すると、この圧
縮されたガスが通６１５．１７を介して蓄冷器９内に導
入されて熱交換により冷却される。蓄冷器９を通過した
冷媒ガスは冷却室１１内に導入されるが、ディスプレー
サ７が膨張シリンダ５内で圧縮ピストン３の動きに連動
して摺動するため、冷却室１１内の圧縮ガスはディスプ
レーサ７が下方に移動して膨張するときに、断熱膨張に
よりさらに冷却され、その頂部に冷却ヘッド２０を介し
て固定された赤外線センサ２１が例えば８０Ｋに冷却さ
れる。

このような構成においては、ピストン３あるいはディス
プレーサ７が往復運動するためにその振動が赤外線セン
サ２１に伝達され、画像分解能の低下等の障害を発生す
ることがある。このため、従来は、赤外線センサ２１を
ピストン３やディスプレーサ７による振動の影響を受け
ないように設けられた支持部材（図示せず）で支持する
とともに、第４図に示すような熱伝導性の良い金属ラミ
ネートを複数積層し、これをＵ字状に形成した防振部材
２７を冷却ヘッド２０と赤外線センサ２１の間に介装し
て、赤外線センサ２１への振動の伝達を少なくするよう
にしていた。

発明が解決しようとする課題 しかし、従来の構成によると、赤外線センサへの振動の
伝達を少なくするために、第４図に示されているような
防振部材を用いているが、この部材は、図示のＸ及びＺ
方向の振動に対しては効果があるものの、ｙ方向の振動
に対してはあまり効果が無く、依然として赤外線センサ
に振動が伝達し、その特性に悪影響を及ぼしているとい
う問題があった。

また、熱輸送能力が低いという問題があり、この能力を
向上するために、金属ラミネートの積層数を多くすると
剛性が高くなり、防振性が悪化するという問題もあった
。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、被冷却体への振動の伝達を少な
くすることである。

課題を解決するための手段 第１シリンダ及び第２シリンダ内部を連通路により連通
し、第１シリンダ内部にガスの圧縮を行うピストンを摺
動自在に設け、第２シリンダ内部に前記ピストンに連動
して摺動するディスプレーサを設けて、該第２シリンダ
の頂部で低温を得るようにした極低温用冷却機において
、前記第２シリンダの頂部近傍の内側に可撓性を有する
ダイヤフラＬを設けてポンプ室を画成する。そして、被
冷却体に取り付け可能でその内部に作動流体の流路を有
する冷却ヘッドと、前記ポンプ室とを２本の柔軟性を有
するチューブにより連通せしめ、該チューブの近傍に逆
流防止弁を取り付け、前記ディスプレーサの摺動による
圧力変化によりダイヤフラムが撓み、作動流体が前記ポ
ンプ室、チューブ及び冷却ヘッド内を一方向に還流する
ように構成して、上述した課題を解決する。

作　　　用 ディスプレーサが膨張シリンダ内で上死点側に移動する
に従って、ダイヤフラムに対して膨張ピストン側の圧力
が上昇し、ダイヤフラムはポンプ室側に撓む。これによ
り、ポンプ室内で冷却された作動流体が逆流防止弁の作
用により、一方のチューブ内を流通して冷却ヘッド内に
流入する。ここで、冷却ヘッドを介して冷却ヘッドに接
合されている被冷却体（例えば、赤外線センサ）との開
で熱交換が行われ、被冷却体が冷却される。次いで、デ
ィスプレーサが下死点側に移動するに従って、ダイヤフ
ラムに対して膨張ピストン側の圧力が低くなり、ダイヤ
フラムは該膨張ピストン側に撓む。これにより、熱交換
して温度の上昇した作動流体が逆流防止弁め作用により
、他方のチューブ内を流通してポンプ室内に帰還する。

これらの行程が順次繰り返されることにより、作動流体
が還流するようになっている。

このように本発明によれば、ディスプレーサの摺動に伴
う圧力変化によってダイヤフラムが撓み、作動流採が還
流することにより熱の輸送が行われるようになっており
、その冷却効率を高くすることができる。そして、膨張
シリンダの頂部に画成されたポンプ室と冷却ヘッド間は
２本のチューブにより連通されており、このチューブは
柔軟性を有しているから、冷却ヘッドと被冷却体との接
合の際にチューブに弛みを持′たせることにより、シリ
ンダ側の振動はこのチューブにより吸収され、冷却ヘッ
ドに伝達されることは少なく、被冷却体の特性の劣化等
を少なくすることができる。

実　　施　　例 以下本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例の要部を示す断面図である。

第１図において、第２図に示した従来技術と実質的に同
様の部分については省略されており、その説明も一部省
略する。

膨張シリンダ３１は図示しない圧縮シリンダに連通路を
介して連通されており、この膨張シリンダ３１内には、
圧縮シリンダに摺動自在に設けられた圧縮ピストンに所
定の位相差をもって連動するディスプレーサ３３が摺動
自在に設けられている。ディスプレーサ３３には、例え
ばＳＵＳ製の金網で形成された蓄冷器が内蔵されており
、ディスプレーサ３３の頂部には冷媒ガスの断熱膨張に
よりガスを極低温に冷却する冷却室３５が画成されてい
る。

膨張シリンダ３１の頂部近傍の内側には可撓性を有する
ダイヤフラム３７が設けられることにより、ポンプ室３
９が画成されている。ダイヤフラム３７は例えばＳＵＳ
で形成されている。４１は極低温に冷却すべき赤外線セ
ンサであり、この赤外線センサ４１はディスプレーサ３
３や圧縮ピストンによる振動の影響を受けない支持部材
４３に支持されている。４５は赤外線センサ４１辷取り
付けられた冷却ヘッドであり、冷却ヘッド４５には可撓
性を有するダイヤフラム４７が取り付けられてその内部
にヘッド室４９が画成されている。

このヘッド室４９とポンプ室３９は、例えばテフロン等
からなる２本のフレキシブルチューブ５１゜５３により
それぞれ連通されており、フレキシブルチューブ５１の
ポンプ室３９側の端部近傍と、フレキシブルチューブ５
３のヘッド室４９側の端部近傍にはそれぞれ逆流防止弁
５５．５７が取り付けられ°ている。そして、ポンプ室
３９、ヘッド室４９、及びフレキシブルチューブ５１．
５３内には液体ヘリウム等の作動流体が充填されている
。

然して、ディスプレーサ３３が上死点Ａ側に移動するに
従って、冷却室３５内の圧力が上昇すると、ダイヤフラ
ム３７は可撓性を有しているからポンプ室３９側に撓む
。これにより、ポンプ室３９内の圧力が高くなるから、
逆流防止弁５５は閉じ、ポンプ室３９内で熱交換により
冷却された作動流体がフレキシブルチューブ５３内を流
通し、ヘッド室４９内に流入する。このとき冷却ヘッド
４５のダイヤフラム４７はヘッド室４９内の圧力が上昇
しないように外側に撓む。ここでヘッド室４９内に流入
した冷却された作動流体と赤外線センサ４１との間で冷
却ヘッド４５を介して熱交換がなされ、赤外線センサ４
１が冷却される。

次いで、ディスプレーサ３３が下死点Ｂ側に移動するに
従って、冷却室３５内゛の圧力が低くなり、ダイヤフラ
ム３７は冷却室３５側に撓む。これにより、ポンプ室３
９内の圧力が低下するから、逆流防止弁５７は閉じ、ヘ
ッド室４９内で熱交換して温度の上昇した作動流体がフ
レキシブルナ５−ブ５１内を流通し、ポンプ室３９内に
帰還する。

このときダイヤフラム４７はヘッド室４９内の圧力が低
下しないように内側に撓む。これらが順次繰り返される
ことにより、作動流体が還流するようになっている。

このように本実施例によれば、作動流体がポンプ室３９
とヘッド室４９との間で、フレキシブルチューブ５１．
５３を介して還流することにより、赤外線センサ４１が
冷却されるようになっており、従来使用されていた積層
金属ラミネートによる防振部材と比較して、熱輸送能力
が高くその冷却効率を高くすることができる。そして、
ポンプ室３９とヘッド室４９間は２本のフレキシブルチ
ューブ５１．５３により連通されているとともに、フレ
キシブルチューブ５１．５３は図示の如く螺線状に形成
されているから、ディスプレーサ３３等の摺動による膨
張シリンダ３１側の振動は、その振動方向を問わずこの
フレキシブルチューブ５１゜５３により吸収され、赤外
線センサ４１への振動の伝達は少なく、画像分解能の低
下等の障害を生じることを少なくすることができる。

発明の効果 本発明は以上詳述したように、ディスプレーサの摺動に
よる圧力変化によりダイヤフラムが撓み、これにより作
動流体を還流せしめて熱の輸送を行うようにしており、
この還流路の一部に柔軟性を有するチューブを用いてい
るから、ピストン等の摺動による振動はこのチューブに
より吸収され、赤外線セン→等の被冷却体に伝達される
ことが少なくなるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例を示す断面図、第２図はスター
リングサイクル冷却機の構成を示す断面図、 第３図は圧縮ピストンとディスプレーサの位相差を示す
図、 第４図は従来の防振部材の説明図である。 ３１・・・膨張シリンダ、 ３３・・・ディスプレーサ、 ３５・・・冷却室、 ３７．４７・・・ダイヤフラム、 ３９・・・ポンプ室、 ４１・・・赤外線センサ、 ４５・・・冷却ヘッド、 ５１．５３・・・フレキシブルチューブ、５５．５７・
・・逆流防止弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１シリンダ及び第２シリンダ（３１）内部を連通路に
   より連通し、第１シリンダ内部にガスの圧縮を行うピス
   トンを摺動自在に設け、第２シリンダ（３１）内部に前
   記ピストンに連動して摺動するディスプレーサ（３３）
   を設けて、該第２シリンダ（３１）の頂部で低温を得る
   ようにした極低温用冷却機において、 前記第２シリンダ（３１）の頂部近傍の内側に可撓性を
   有するダイヤフラム（３７）を設けてポンプ室（３９）
   を画成し、 被冷却体（４１）に取り付け可能でその内部に作動流体
   の流路を有する冷却ヘッド（４５）と、前記ポンプ室（
   ３９）とを２本の柔軟性を有するチューブ（５１、５３
   ）により連通せしめ、 該チューブ（５１、５３）の端部近傍に逆流防止弁（５
   ５、５７）を取り付け、 前記ディスプレーサ（３３）の摺動による圧力変化によ
   りダイヤフラム（３７）が撓み、作動流体が前記ポンプ
   室（３９）、チューブ（５１、５３）及び冷却ヘッド（
   ４５）内を一方向に還流するようにしたことを特徴とす
   る極低温用冷却機。