JPH0452615Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案は例えば赤外線検出素子を極低温に冷
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４図に従来のスターリング冷凍機の構成例を
示す。図に示したスターリング冷凍機はスプリツ
ト式スターリング冷凍機と呼ばれるもので、スタ
ーリング冷凍機の代表的一例である。

第４図において、スプリツト式スターリング冷
凍機は大きくわけて１の圧縮機と２のコールドフ
インガとこれらを結ぶ連結管３より構成される。
前記圧縮機１はシリンダ４とピストン５を備え、
前記ピストン５は連接棒６とクランク７を介して
図には示されていないが電動機によつて駆動され
て前記シリンダ４内部を往復運動する構造となつ
ている。前記シリンダ４と前記ピストン５の間の
すきまを漏れるガス量を少とするために、そのす
きまは例えば直径差が20μ以下の小さい値となる
ように作られている。前記シリンダ４の上部には
シリンダヘツド８がとりつけられ、前記シリンダ
４、前記ピストン５および前記シリンダヘツド８
でしきられた内部空間を圧縮室９と呼ぶ。前記ク
ランク７等の前記ピストン５を駆動する機構部材
は１０のハウジング１０内に収められ、前記ピス
トン５によつて前記圧縮室９と仕切られた前記ハ
ウジング１０内の空間をバルク室１１と呼ぶ。前
記シリンダ４、前記シリンダヘツド８および前記
ハウジング１０は互いに外部との気密性を保つよ
うに接合され、内部の前記圧縮室９や前記バルク
室１１には例えばヘリウム、水素などの高圧の作
動ガスが封入されている。また、前記シリンダ４
の外面には外部への放熱性を高めるためのフイン
１３が設けられている。以上が圧縮機１の構成で
ある。一方前記コールドフインガ２は円筒状の低
温シリンダ１４を有し、前記低温シリンダ１４内
を摺動自在に往復するデイスプレーサ１５を有し
ている。前記低温シリンダ１４内部の空間は前記
デイスプレーサ１５によつて２分割されており、
前記デイスプレーサ１５より上方の空間を低温室
１６、下方の空間を高温室１７と呼ぶ。前記デイ
スプレーサ１５内部には再生器１８とガス通過孔
１９が設けられ、前記低温室１６と前記高温室１
７は前記再生器１８と前記ガス通過孔１９を介し
て連通しており、前記再生器１８内には例えば銅
の金網などの蓄冷材２０が充てんされている。前
記低温シリンダ１４と前記デイスプレーサ１５の
すきまを作動ガスが通過しないように、前記デイ
スプレーサの側部にはシールリング２１がはめ込
まれている。前記コールドフインガ２の下部には
制御シリンダ２２と制御室２３が設けられ、前記
デイスプレーサ１５の下端にとりつけられている
２４の制御ピストンは前記高温室１７と前記制御
シリンダ２２を通抜け前記制御室２３に突出して
いる。前記制御シリンダ２２と前記制御ピストン
２４のすきまを作動ガスが通過しないように前記
制御シリンダ２２にはシールリング２５が取付け
られている。上記したコールドフインガ２の各室
には前記圧縮機１と同様に例えばヘリウム、水素
などの高圧の作動ガスが封入されている。以上が
コールドフインガ２の構成であり、前記圧縮機１
の圧縮室９と前記コールドフインガ２の高温室１
７が前記連結管３を介して連通している。また、
前記圧縮室９、前記連結管３内部の空間、前記低
温室１７、前記再生器１８および前記ガス通過孔
１９は互いに連通しており、これらの室全体を総
合して作動室２６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。ピストン５はシリンダ４の内部
を往復することによつて、圧縮室９から低温室１
６に至る作動室２６のガス圧力に正弦状の波動を
与える。一方バルク室１１は、その容積がピスト
ン５の行程容積より充分に大きいため、内部のガ
ス圧はピストン５が往復運動をしてもあまり変化
しない。コールドフインガ２の制御シリンダ２２
にとりつけられたシールリング２５は、前述の作
動室２６のガスの圧力波動のように短い周期の圧
力変化に対してはほぼ完全に密封する長時間的に
みれば密封は不完全であるので、制御室２３内の
ガス圧はほぼ作動室２６内のガス圧の平均値に保
たれる。

第５図から第８図は従来装置の動作原理を冷凍
サイクルの順を追つて説明するものである。

第５図に示したサイクルの一過程において、圧
縮機１のピストン５はシリンダ４内の下方に位置
し、コールドフインガ２のデイスプレーサ１５は
低温シリンダ１４の上方に位置している。第５図
から第６図に至る間にピストン５は上昇して作動
室２６のガスを圧縮する。この圧縮によつて発生
する熱はシリンダ５の外周のフイン１３より外部
に放出される。第６図の時点において作動室２６
のガス圧力は制御室２３内のガス圧力よりも大き
くなつており、この差圧によつて制御ピストン２
４に生ずる下向きの力は、シールリング２１およ
び２５の静摩擦力に打ち勝つてデイスプレーサ１
５を下方へと動かし始め、第７図に示す様に低温
シリンダ１４の下部へ移動させる。このデイスプ
レーサ１５の移動に伴つて高温室１７のガスは再
生器１８を通つて低温室１６に移り、このとき再
生器１８に充てんされている蓄冷材２０は通過す
るガスから熱を吸収しガスを温度降下させる。第
７図から第８図に至る過程で圧縮機１のピストン
５は下降し作動室２６のガスを膨張させ、この膨
張によつて低温室１６内のガスはさらに温度降下
し、コールドフインガ上部の周囲から熱を吸収す
る。この吸熱作用が冷凍機としての被冷除体を冷
除する役割を担う。作動室２６ではガスの膨張に
より圧力が低下するので、第８図の時点では作動
室２６内より制御室２３内の方がガス圧力は大き
くなつている。この差圧によつて制御ピストン２
４に上向きにかかる力はシールリング２１および
２２の静摩擦力に打ち勝つて、デイスプレーサ１
５を上方へと動かし始め、第５図に示した様に低
温シリンダ１４の上部へ移動させる。このデイス
プレーサ１５の移動に伴つて低温室１６の低温ガ
スは再生器１８を通過し、再生器１８内の蓄冷材
２０に冷熱を蓄えるとともにガス自身は温度上昇
しながら高温室１７へ流入する。以上の様なサイ
クルをくり返すことによつて、冷凍運転が行なわ
れる。

〔考案が解決しようとする問題点〕

上記の様な従来装置には以下に述べる様な問題
点があつた。圧縮機１のシリンダ４とピストン５
の間には微小ではあるがすきまがあるため冷凍機
運転中わずかづつガスの漏洩が生じている。すな
わち、ピストン５が上昇して圧縮室９のガス圧力
がバルク室１１のガス圧力より高くなると圧縮室
９からバルク室へ、逆にピストンが下降して圧縮
室９の圧力がバルク室１１より低くなるとバルク
室１１から圧縮室９へとガスが漏洩する。ここで
圧縮室９からバルク室１１へ漏洩するガスの方が
バルク室１１から圧縮室９へ漏洩するガスよりも
密度が高いために、ガスの質量流量は圧縮室９か
らバルク室１１へ漏洩する場合の方が大となる。
その結果、運転中の作動室２６全体およびバルク
室１１の圧力は第９図の様な挙動を示す。

図においてイは作動室２６の圧力、ロはその時
間平均値、ハはバルク室１１の圧力を示し、作動
室２６の圧力の時間平均値ロはバルク室１１の圧
力ハより低い値となつて、両者のつり合いが保た
れる。前述した様に一般にバルク室１１の容積は
ピストン５の行程容積にくらべて充分に大きく、
冷凍機運転中もバルク室１１内の圧力ハはほぼ一
定もしくは極くわずかに脈動する程度で、運転前
のガス圧にほぼ等しい。したがつて冷凍機運転中
の作動室２６のガス圧の時間平均値ロは運転前の
ガス封入圧力より低い値となる。圧縮機１の圧縮
比が同じであれば、作動室２６の圧力の時間平均
値が高いほど低温室１６で発生する冷凍量が増大
するので、必要な冷凍量を得るためには、あらか
じめ運転時の作動室２６のガス圧力の平均値より
も高い圧力でガスを冷凍機に封入しておかなくて
はならない。ところが、ガス封入圧を大きくする
と、ハウジング１０等の耐圧強度を上げる必要が
あり重量増につながるという不具合が生じる。さ
らに、作動ガスとして一般に用いられるヘリウム
ガスは分子が小さいため長時間高圧密封しておく
ことが困難であり、ガスの封入圧を上げるほどガ
スの外部への漏洩が増大するので、長期にわたつ
て冷凍機を使用または保存する場合にはより頻繁
なガスの補充を必要とし、冷凍機の保守・運用性
を低下せしめるという問題点につながる。

この考案はかかる問題点を解決するためになさ
れたもので、ガスの封入圧力が低くても、運転時
には作動室２６の時間平均圧が高くなるようなス
ターリング冷凍機を提案するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

この考案に係るスターリング冷凍機は、シリン
ダヘツドに近づくほど内径が小さくなるような先
細り状に加工されたシリンダを、圧縮機に備えた
ものである。

〔作用〕

この考案においては、ピストンが下死点付近に
あるときの方が上死点付近にあるときよりも、シ
リンダとピストンの間でガス漏れが生じやすいの
で、運転中はバルク室から作動室へのガス漏れが
多くなり、作動室のガス圧力の時間平均値がバル
ク室の圧力よりも高い状態で釣り合いが保たれ
る。したがつて従来装置と同等な性能を得る場
合、冷凍機に封入しておくガスの圧力は従来装置
よりも低くて良いことになる。

〔実施例〕

第１図はこの考案の一実施例を示す図である。
図の実施例では４のシリンダのみ第４図に示した
従来の装置と異なり、他の部品は従来の装置と全
く同じものである。前記シリンダ４は、その内径
が上端部と下端部とで例えば5μmから20μm程度
直径差があるように先細り状に加工されており、
内径の小さい方がシリンダヘツド８を向くように
取り付けられている。

上記の様に構成されるこの考案のスターリング
冷凍機において、冷凍を発生する原理は第４図か
ら第８図に示した従来装置と全く同様である。た
だし、シリンダ４の内径が先細り状となつている
ため、第２図に示すようにピストン５が上死点付
近に位置する場合、すなわち作動室２６の方がバ
ルク室１１よりもガス圧力が高い場合は、シリン
ダ４とピストン５のすきまが小さいので、ガスは
漏れにくいが、第３図に示すように、ピストン５
が下死点付近に位置する場合、すなわちバルク室
１１の方が作動室２６よりもガス圧力が高い場合
は、シリンダ４とピストン５のすきまが大きいの
で、ガスは漏れやすい。つまり、運転中はバルク
室１１から作動室２６へガスが移動しやすいこと
になり、第１０図に示すように、作動室２６のガ
ス圧力イの平均値ロがバルク室１１の圧力ハより
も高い実施例で釣合いが保たれる。運転時のバル
ク室１１のガス圧力は、運転前の冷凍機へのガス
封入圧力にほぼ等しいから、従来装置よりも低い
ガス封入圧力で、従来装置と同等な圧力波動が得
られる。

以上説明したように、この考案の装置では、ガ
スの封入圧力が低いため、ハウジング１０等の耐
圧強度を比較的必要としないので圧縮機１の軽量
化ができる。さらに、ガス封入圧が低いほど冷凍
機から外部へのガスの漏洩量が少なくなるので、
長期間冷凍機を使用または保存する場合には、ガ
スの補充頻度を減らせるという保守・運用上の利
点がある。

ところで、以上の説明ではスプリツト式スター
リング冷凍機に対してのこの考案を実施する場合
について述べたが、その他、既知のスターリング
冷凍機にもこの考案を利用できることがいうまで
もない。

〔考案の効果〕

この考案は、内径が先細り状に加工されたシリ
ンダを備えるという簡単な構造によつて、より低
い作動ガスの封入圧でより高い運転時の作動室の
時間平均圧が得られるので、ハウジング等の耐圧
強度を必要とする部材の軽量化が図れるのと同時
に、ガスの封入圧が低いほど、冷凍機外部へのガ
ス漏洩が小となるので、長期の使用、保存にあた
つては、作動ガスの補充ひん度が減り、冷凍機の
保守・運用性を著るしく高めるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図はこの考案の一実施例を示す
図、第４図から第８図は従来のスターリング冷凍
機を示す図、第９図は従来のスターリング冷凍機
における作動室の圧力およびバルク室の圧力時間
的変化を示す図、第１０図はこの考案のスターリ
ング冷凍機における作動室の圧力およびバルク室
の圧力の時間的変化を示す図である。 図において、１は圧縮機、４はシリンダ、５は
ピストン、８はシリンダヘツドである。なお、図
中同一あるいは相当部分には同一符号を付して示
してある。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 先細り状の内周面を有するシリンダと、前記シ
   リンダの内径の小さい方の端面をふさぐシリンダ
   ヘツドと、前記シリンダの中を往復運動するピス
   トンを有する圧縮機を備えたことを特徴とするス
   ターリング冷凍機。