JPH04143554A - 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
ｖ（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
のシリンダ（４ａ）と第２のシリンダ（４ｂ）の間には
隔壁（６）が設けられる。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、スリーブ（
８ａ）、　（８ｂ）には導電体を巻き付けて第１の可動
コイル（９ａ）、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（１０）の
壁を通して外部に伸びる第１のリード線（ｌｌａ）、　
（Ｈｂ）。

第２のリード線（１２ａ）、　（１２ｂ）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（１７）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
１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）および隔壁（
６）で仕切られた空間を第１の圧縮室（１９ａ）と呼ぶ
。また、シリンダ（４ｂ）、　　ピストン（５ｂ）およ
び隔壁（６）で仕切られた空間を第２の圧縮室（１９ｂ
）と呼ぶ。

圧縮室（１９ａ）、　（１９ｂ）は連通管（２０）を介
して連通している。圧縮室（１９ａ）、　（１９ｂ）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（１９ａ）、　（１９ｂ）内の作動ガスがシリ
ンダ（４ａ）とピストン　（５ａ）の隙間およびシリン
ダ（４ｂ）とビス］・ン（５ｂ）の隙間を通過しないよ
うに、シリンダ（４ａ）とピストン（５ａ）の隙間およ
びシリンダ（４ｂ）とピストン（５ｂ）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ー
ル（２１ａ）、　（２１ｂ）を構成している。従来装置
では連通管（２０）の両端部（３２ａ）。

（３２ｂ）をそれぞれクリアランスシール（２１ａ）、
　（２１ｂ）によって塞がれないように、クリアランス
シール　（２１ａ）、　（２１ｂ）が設けられていない
部分に配置していた。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、共振ばね（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（１９ａ）、　（１９ｂ）とコー
ルドフィンガ（２）の高温室（２６）は連結管（３）お
よび連通管（２０）を介して連通している。また圧縮室
（１９ａ）、　（１９ｂ）、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）およびガス通過孔（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（３１）
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）、　（１４ｂ）
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（１８ａ）、
　（１８ｂ）の中の永久磁界との交互作用によす軸方向
にローレンツ力が働く。その結果ピストン（５ａ）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（１８ａ）および第
２の間隙（１８ｂ）内の強さを等しくした条件で。

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２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
１文献’Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ」（Ｇ、Ｗａｌｋｅｒ
、ｐｌｅｎｕｍＰｒｅｓｓ、　ＮｅｗＹｏｒｋ、　１９
８３．　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（１９ａ）、　（１９ｂ）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　（２７）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。作動カ
スは次に逆の順序で再生器（２７）に冷熱を放出しなか
ら流路を戻り圧縮室（１９ａ）、　（１９ｂ）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（１９ａ）、　（１９ｂ）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うので、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
により位置決めされているため。

−自由度のはね−質量振動系を構成することになる。第
３図は上記の振動系のモデル図である。図において１ｍ
は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、ｆｏは振動系の共振周波数を示して
いる。ｆｏはｍ、ｋにより ｆ　ｏ　　＝　２　ｉｔ　ｆｌ；７ヨ（１）と示される
。このため、ピストン機軸方向のｆｆｏなる成分を有す
る振動を与えられた場合、ピストンと可動コイルからな
る組立体は共振し、第３図に示すように、第１のピスト
ンと第１の可動コイルからなる組立体、第２のピストン
と第２の可動コイルからなる組立体および圧縮室および
連通管内の作動ガスが一体となり同周期、同位相で振動
する。この共振は作動ガスが連通管を通過する際の抵抗
によって減衰されるが、従来装置が例えば航空機などの
外部より非常に大きな振動を受ける環境に設置された場
合、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、外部からの振動によるピストンの共振を減衰させ
るとともにピストン、可動コイルのハウジングあるいは
ヨークと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、二つの圧縮室を連通させる連
結管の端部を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連通管の
端部が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
９例えば航空機などの外部より非常に大きな振動を受け
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］ 第１図は、この発明の一実施例を示したものである。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。連通管（３３）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、連通管（３３）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、外部よりピストン（５ａ）
、　（５ｂ）、可動コイル（９ａ）、　（９ｂ）および
支持ばね（７ａ）、　（７ｂ）により構成される一自由
度ばね一質量系の共振周波数に等しい周波数成分を有す
る振動が与えられた場合、ピストン（５ａ）、　（５１
））は隔壁（６）に向かって大きな振幅の振動をはじめ
るがピストン（５ａ）が連通管（３３）の端部（３４ａ
）を、ピストン（５ｂ）が連通管（３３）の端部（３４
，ｂ）を通過すると連通管（３３）の端部（３４ａ）は
クリアランスシール（２１ａ）に　連通管（３３）の端
部（３４ｂ）はクリアランスシール（２］ｂ）によって
塞がれるため圧縮室（１９ａ）、　（１９ｂ）と他の空
間との作動カスの従来が妨げられる。このため、圧縮室
（１９ａ）、　（１９ｂ）内に残留した作動ガスはピス
トン（５ａ）、　（５ｂ）が隔壁（６）に近づくほと゛
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この
制動力は大きくなるので１例えば航空機なと゛の外部よ
り非常に大きな振動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。

［発明の効果］ 以上説明したようにこの発明によれば、隔壁で仕切られ
た二つの圧縮室を有し、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二つの圧縮室を連
通ずる連通管の端部を各々シリンダ内部クリアランスシ
ールを設けた部分に配置するという簡単な方法により、
外部からの振動にピストンと可動コイルからなる組立体
が共振してピストンの振幅が増大しても、ピストンに制
動力を与えることにより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、スリーブおよび支持ばねによって構成され
るはね−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）、　（７ｂ
）は支持はね、　（９ａ）、　（９ｂ）は可動コイル、
　（１０）はハウジング、　（１７）は伍気回路、　（
１９ａ、）、　（１９ｂ）は圧縮室、　（２１ａ）、　
（２１ｂ）はクリアランスシール、　（３３）は連通管
、　（３４ａ）、　（３４ｂ）は連通管の端部を示す。 なお１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，
   前記第１のシリンダと前記第２のシリンダの間に設けら
   れた隔壁と互いに対向し，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１のシリンダ
   ，前記第１のピストンおよび前記隔壁によって仕切られ
   た第１の圧縮室と，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２のシリン
   ダ，前記第２のピストンおよび前記隔壁によつて仕切ら
   れた第２の圧縮室と，前記第１の圧縮室と前記第２の圧
   縮室を連通させる連通管と，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連通管を連通させる連結管とか
   ら構成された冷凍機において，前記連通管の両端部を各
   々前記第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。