JPH04143553A - 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］ この発明は例えば赤外線検出素子を極低温（例えば８０
に前後）に冷却するスターリング冷凍機に関するもので
ある。

［従来の技術］ 第２図に従来のスターリング冷凍機の構成例を示す。第
２図において、スターリング冷凍機は大きく分けて圧縮
器（１）とコールドフィンガ（２）とこれらを結ぶ連結
管（３）より構成される。圧縮器（１）は第１のシリン
ダ（４ａ）と第１のピストン（５ａ）および第２のシリ
ンダ（４ｂ）と第２のピストン（５ｂ）を備える。第１
のピストン（５ａ）および第２のピストン（５ｂ）は各
々支持ばね（７ａ）、　（７ｂ）により位置決めされ、
第１のシリンダ（４ａ）および第２のシリンダ（４ｂ）
内部を往復運動する構造となっている。

第１のピストン（５ａ）および第２のピストン（５ｂ）
には各々非磁性材料からなる軽量の第１のスリーブ（８
ａ）、第２のスリーブ（８ｂ）が連結され、スリブ（８
ａ）、　（８ｂ）には導電体を巻き付けて第１の可動コ
イル（９ａｌ第２の可動コイル（９ｂ）を形成する。

可動コイル（９ａ）、　（９ｂ）はハウジング（］０）
の壁を通して外部に伸びる第１のり−１く線（ｌｌａ）
、　（ｌｌｂ）。

第２のリード線（１２ａ）、　（］、２ｂ）と接続して
おり、これらのリード線（ｌｌａ）、　　（ｌｌｂ）、
　（１２ａ）、　（１２ｂ）はハウジング（１０）の外
側に第１の電気接点（１３ａ）、　（１３ｂ）および第
２の電気接点（１４ａ）　　（１４ｂ）を持つ。ハウジ
ング（１０）内には永久磁石（１５ａ）、　（１５ｂ）
およびヨーク（１６）が設けられており、これらは磁気
回路（Ｊ７）を構成している。可動コイル（９ａ）、　
（９ｂ）は永久磁石（１５ａ）、　（１５ｂ）およびヨ
ーク（１６）からなる磁気回路（１７）に設けられた第
］の間隙（１８ａ）、第２の間隙（１８ｂ）内でピスト
ン（５ａ）、　（５ｂ）の軸線方向に往復運動できる構
造になっている。間隙（１８ａ）。

（１８ｂ）内には可動コイルの運動方向を横切る半径方
向に永久磁界が存在する。

シリンダ（４ａ）、　　ピストン（５ａ）、　シリンダ
（４ｂ）。

ピストン（５ｂ）で仕切られた空間を圧縮室（１９）と
呼ぶ。圧縮室（１９）には例えばヘリウム等の高圧の作
動ガスが封入されている。圧縮室（１９）内の作動ガス
がシリンダ（４ａ）とビス１ヘン（５ａ）の隙間および
シリンダ（４ｂ）とピスト・ン（５ｂ）の隙間を通過し
ないように、シＪフンダ（４ａ）とビストシ（５ａ）の
隙間およびシリンダ（４ｂ）とピストン（５ｈ）の隙間
は例えば５０ｕｍ以下の微小な隙間に管理されクリアラ
ンスシル（２ｊａ）、　（２１ｂ）を構成している。従
来装置では連結ｖ（３）と圧縮室（］９）を連通させる
連通性（２０）は端部（３２）をクリアランスシール（
２１，ａ、）およびクリアランスシール（２１ｂ）によ
って、塞かわないようにシリンダ（４ａ）とシリンダ（
４ｂ　）の間に配置していた。以上が圧縮器（１）の構
成である。

一方、コールドフィンガ（２）は円筒状の低温シリンダ
（２２）および低温シリンダ（２２）内を摺動自在に往
復し、かつ、共振はね（２３）により係合されたディス
プレーサ（２４）を有している。低温シリンダ（２２）
内部の空間はディスプレーサ（２４）によって２分割さ
れており、ディスプレーサ（２４）より上方の空間を低
温室（２５）、下方の空間を高温室（２６）と呼ぶ。デ
ィスプレーサ（２４）内部には再生器（２７）とガス通
過孔（２８）が設けられ、低温室（２５）および高温室
（２６）は再生器（２７）とガス通過孔（２８）を介し
て連通しており、再生器（２７）内には例えば銅の金網
などの蓄冷材（２９）が充填されている。コールドフィ
ンガ（２）の各室には圧縮器（１）と同様に例えばヘリ
ウムなどの高圧の作動ガスが封入されている。

低温シリンダ（２２）とディスプレーサ（２４）の隙間
を作動ガスが通過しないように、低温シリンダ（２２）
とディスプレーサ（２４）の隙間にはクリアランスシー
ル（３０）が設けられている。以上がコールドフィンガ
（２）の構成である。

圧縮器（１）の圧縮室（１９）とコールドフィンガ（２
）の高温室（２６）は連結管（３）および連通’Ｉｔ　
（２０）を介して連通している。また圧縮室（１９）、
連結管（３）および連通管（２０）内部の空間、低温室
（２５）高温室（２６）、再生器（２７）およびカス通
過孔（２８）は互いに連通しており、これらの空間全体
を総合して作動室（３Ｉ）と呼ぶ。

上記のように構成された従来の冷凍機の動作について説
明する。可動コイル（９ａ）、　（９ｂ）に電気接点（
１３ａ）、　　（１３ｂ）、　　（１４ａ）、　　（１
４ｂ）およびリード線（Ｌｌａ）、　（ｌｌｂ）、　（
１２ａ）、　　（１２ｂ）を介して交番電流を印加する
と、可動コイル（９ａ）、　（９ｂ）には各々間隙（１
８ａ）、　（１８ｂ）の中の永久磁界との交互作用によ
り軸方向にローレンツ力が働く。その結果ピストン（５
ａ）と可動コイル（９ａ）からなる組立体およびピスト
ン（５ｂ）と可動コイル（９ｂ）からなる組立体はピス
トンの軸方向で左右に移動する。

今、第１の可動コイル（９ａ）と第２の可動コイル（９
ｂ）の特性を同一にし、第１の間隙（１，８ａ）および
第２の間隙（１８ｂ）内の強さを等しくＬだ条件で。

第１の可動コイル（９ａ）と第２の可動コイル（９ｂ）
が互いに逆方向に同振幅で振動するような正弦波電流を
印加すると２個のピストン（５ａ）、　（５ｂ）が互い
に逆方向にシリンダ（４ａ）、　（４ｂ）の内部を往復
運動し９作動室（３１）内のガス圧力に正弦状の波動を
与える。この正弦状の圧力波動に伴うディスプレーサ（
２４）および再生器（２７）を通過するガスの流量変化
により、再生器（２７）を含むディスプレーサ（２４）
はピストン（５ａ）、　（５ｂ）と同じ周波数かつ異な
った位相でコールドフィンガ（２）内を軸方向に往復す
る。

ピストン（５ａ）、　（５ｂ）およびディスプレーサ（
２４）が適当な位相差を保って運動するとき９作動室（
３１）に封入された作動ガスが「逆スターリングサイク
ル」として既知の熱学的サイクルを構成し。

主として低温室（２５）に冷熱を発生する。上記「逆ス
ターリングサイクル」とその冷熱の発生原理にライては
２文献ｒｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ」（Ｇ、％１ｌａｌｋ
ｅｒ、　ｐｌｅｎｕｎ　Ｐｒｅｓｓ、　ＮｅｗＹｏｒｋ
、　１９８３．　ｐｐ、　９５〜１７７）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（５ａ）、　（５ｂ）により圧縮された圧縮さ
れた圧縮室（１９）のガスは連結管（３）を経て流れる
間に圧縮熱が冷却され、高温室（２６）、再生器（２７
）。

ガス通過孔（２８）に流れこむ。作動ガスは再生器（２
７）で半サイクル前に蓄えられた冷熱により予冷され、
低温室（２５）内に入る。そして、大部分の作動ガスが
低温室（２５）内に入ると膨張が始まり、低温室（２５
）内に冷熱を発生する０作動ガスは次に逆の順序で再生
器（２７）に冷熱を放出しながら流路を戻り圧縮室（１
９）に入る。このときコールドフィンガ（２）先端部か
ら熱を奪いその外部を冷却する。

このようにして、大部分の作動ガスが圧縮室（１９）に
戻ると再び圧縮が始まり１次のサイクルに移動する。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。

また、上記のように構成された冷凍機においてはピスト
ン（５ａ）と可動コイル（９ａ）からなる可動部と、ピ
ストン（５ｂ）と可動コイル（９ｂ）からなる可動部が
、互いに逆方向に同振幅で運動するため、往復運動によ
る慣性力を打消し合い、冷凍機の外部に振動を与えない
という利点がある。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来装置には以下に述べるような課題があ
った。ピストンと可動コイルからなる組立体は支持ばね
および作動ガスのばね効果によるー自由度のばね一質量
振動系を構成している。第３図は上記の振動系のモデル
図である。図において９ｍは各々のピストンと可動コイ
ルからなる組立体の重量、に□は支持ばねのばね定数Ｉ
ＫＫは作動ガスのばね定数を示している。ところが作動
ガスのはね定数は作動ガスの温度に大きな影響を受ける
ため、環境温度が変化すると振動系の固有値が変化し、
入力に対するピストンの振幅が変化してしまう。

このため、冷凍機への入力を一定に保っていても、従来
装置に大きな環境温度変化が与えられた場合、ピストン
の振幅が増大し、ピストン同士が衝突、あるいは可動コ
イルがハウジングあるいはヨークと衝突し、騒音および
部品の欠損を生じるという課題があった。

この発明はかかる課題を解決するためになされたもので
あり、環境温度変化に起因するピストンの振幅増大によ
る部品の衝突を防止する冷凍機を得ることを目的とする
。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る冷凍機は、連結管と圧縮室を２本の連通
管によって連通させ、各々の連通管軒端部をそれぞれ２
つのシリンダのクリアランスシールを設けた部分に配置
したものである。

［作用］ この発明においてはピストの振幅が増大すると２本の連
通管の端部がそれぞれピストンとシリンダの間のクリア
ランスシールによって塞がれるため、圧縮室と他の作動
室との作動ガスの従来は妨げられる。このため、圧縮室
内に残留した作動ガスはそのばね効果を高め、ピストン
を制動する働きをもつ。ピストンの振幅が大きいほどこ
の制動力は大きくなるので非常に大きな温度変化を受け
る環境に冷凍機が設置された場合でもピストンあるいは
可動コイルがハウジングあるいはヨークと衝突すること
がなくなり騒音および部品の欠損を防ぐことができる。

［実施例コ 第１図は、この発明の一実施例を示したものである０図
において（１）〜（１９）および（２１）〜（３１）は
従来装置と全く同じものである。連結管（３）は第１の
連通管（３３ａ）および第２の連通管（３３ｂ）によっ
て圧縮室（１９）と連通している。第１の連通管（３３
ａ）の端部（３４ａ）はシリンダ（４ａ）のクリアラン
スシール（２１ａ）が設けられた部分に、第２の連通管
（３３ｂ）の端部（３４ｂ）はシリンダ（４ｂ）のクリ
アランスシール（２１ｂ）が設けられた部分に配置され
ている。

このような装置においては、環境温度が大きく変動する
ことによりピストン（５ａ）、　（５ｈ）、可動コイル
（９ａ）、　（９ｂ）および支持ばね（７ａ）、　（７
ｂ）および作動ガスによって構成される振動系の固有値
が変化しピストン（５ａ）、　（５ｂ）が大きな振幅の
振動を始めた場合、ピストン（５ａ）が第１の連通管（
３３）の端部（３４ａ）を通過し、また、ピストン（５
ｂ）が第２の連通管（３３ｂ）の端部（３４ｂ）を通過
すると、第１の連通管（３３ａ）の端部（３４ａ）はク
リアランスシール（２１ａ）によって、第２の連通管（
３３ｂ）の端部（３４ｂ）はクリアランスシール（２１
ｂ）によって塞がれるため圧縮室（１９）と他の空間と
の作動ガスの従来が妨げられる。このため、圧縮室（１
９）内に残留した作動ガスはピストン（５ａ）と（５ｂ
）が近づくほどばね効果を高め、ピストン（５ａ）、　
（５ｂ）を制動する。

ピストン（５ａ）、　（５ｂ）の振幅が大きいほど二の
制動力は大きくなるので、非常に大きな温度変化を受け
る環境に冷凍機が設置された場合でもピストンあるいは
可動コイルがハウジングあるいはヨクと衝突することが
なくなり騒音および部品の欠損を防ぐことができる。

Ｕ発明の効果コ 以上説明したようにこの発明によれば、永久磁石と可動
コイルによりピストンを駆動する冷凍機の圧縮機内で、
連通管と圧縮室を２本の連通管により連通させ、各々の
端部を２つのシリンダ内部のクリアランスシールを設け
た部分に配置するという簡単な方法により、環境温度が
大きく変動することによって振動系の固有値が変化しピ
ストンの振幅が増大しても、ピストンの振幅が増大した
ことを自体により圧縮室の作動ガスがピストンに制動力
を与えるので、ピストンあるいは可動コイルがハウジン
グあるいはヨークと衝突することを防ぎ、衝突時の騒音
および冷凍機を構成する部品の欠損をなくすことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は発明の一実施例による冷凍機を示す断面図、第
２図は従来の冷凍機を示す断面図、第３図はピストン、
可動コイル、スリーブ、支持はねおよび作動ガスによっ
て構成されるばね一質量系の振動モデルを示す図である
。 図において、　（４ａ）、　（４ｂ）はシリンダ、　（
５ａ）、　（５ｂ）はピストン、　　（７ａ）、　（７
ｂ）は支持ばね、　（９ａ）、　（９ｂ）は可動コイル
、　（１０）はハウジング、　（１７）は磁気回路、　
（１９）は圧縮室、　（２１ａ）、　（２１ｂ）はクリ
アランスシール、　（３３ａ）、　（３３ｂ）は連通管
、　（３４ａ）、　（３４ｂ）は連通ｖ（３３ａ）。 （３３ｂ）の端部を示す。 なお。 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. 　互いに同軸上に配置された第１，第２のシリンダと，
   互いに対向し，永久磁石が作る磁束中に設けられ交番電
   流を流すことにより往復運動が可能な第１，第２の可動
   コイルと，前記第１の可動コイルに連結され前記第１の
   シリンダの中を往復運動する第１のピストンと，前記第
   １のシリンダと第１のピストンの間に設けられた第１の
   クリアランスシールと，前記第２の可動コイルに連結さ
   れ前記第２のシリンダの中を往復運動する第２のピスト
   ンと，前記第２のシリンダと前記第２のピストンの間に
   設けられた第２のクリアランスシールと，前記第１のシ
   リンダ，前記第１のピストン，前記第２のシリンダ，お
   よび前記第２のピストンによつて仕切られた圧縮室と，
   筒状の低温シリンダと，前記低温シリンダの内部を低温
   室と高温室とに分け，かつ前記低温シリンダ内部を摺動
   自在に往復するディスプレーサと，前記ディスプレーサ
   内部に設けられた再生器と，前記高温室および前記圧縮
   室を連通させる連結管および連通管とから構成された冷
   凍機において，前記連結管と前記圧縮室を２本の連通管
   により連通させ，前記２本の連通管の端部を前記第１の
   シリンダ内部の前記第１のクリアランスシールが設けら
   れた部分と，前記第２のシリンダ内部の前記第２のクリ
   アランスシールが設けられた部分に配置したことを特徴
   とする冷凍機。