JPH06129725A - 冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ディスプレーサと蓄冷材と制御ピストンで構
成されている可動部が往復運動しても外部に振動を伝え
ず振動の小さい冷凍機を得る。 【構成】 制御ピストン２４下部にバランサシリンダＡ
２９、バランサシリンダＢ３３、バランサシリンダＢ３
３の内部を往復運動するバランサ３１を配置し、制御ピ
ストン２４、バランサシリンダＡ２９、バランサ３１と
バランサシリンダＢ３３によって制御室２３から区切ら
れたバランサ室３０を有するコールドフィンガ２を備え
た冷凍機。 【効果】 ディスプレーサと蓄冷材と制御ピストンで構
成されている可動部が往復運動することにより発生する
振動の反力を打ち消す用にバランサが動作するので発生
する振動を抑制するという効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は例えば赤外線素子や超
伝導体を極低温、一般には１００Ｋ以下の温度に冷却す
るスターリング冷凍機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４に従来のスターリング冷凍機の構成
例を示す。図４に示したスターリング冷凍機はスプリッ
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。図４において、スプリッ
ト式スターリング冷凍機は大きく分けて圧縮機１とコー
ルドフィンガ２とこれらを結ぶ連結管３とにより構成さ
れる。

【０００３】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
図には示されてないが電動機によって駆動され前記シリ
ンダ４内部を往復する構造となっている。前記シリンダ
４の上部にはシリンダヘッド８がとりつけられ、前記シ
リンダヘッド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のハウジング内に収められ、前記ピストン５
によって前記圧縮室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
シリンダヘッド８及び前記ハウジング１０は互いに外部
と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。前記ピストン５の側面に
は、前記シリンダ４との間のすきまを作動ガスが通過し
ないようにピストンリング１２が装着されている。ま
た、外部への放熱性を高めるために前記シリンダ４の外
面にはフィン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ィンガ２は円筒状の低
温シリンダ１４内を摺動自在に往復するディスプレーサ
１５を有している。前記低温シリンダ１４内部の空間は
前記ディスプレーサ１５によって２分割されており、前
記ディスプレーサ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。前記ディスプレーサ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１７は前記再生器１８と前記ガ
ス通過孔１９を介して連続しており、前記再生器１８内
には蓄冷材２０が充てんされている。前記低温シリンダ
１４と前記ディスプレーサ１５のすきまを作動ガスが通
過しないように、前記ディスプレーサ１５の側面にはシ
ール２１がはめ込まれている。前記ディスプレーサ１５
の下端にとりつけられている制御ピストン２４と制御シ
リンダ２２とハウジング２７に囲まれた制御室２３が設
けられ、前記制御ピストン２４は前記高温室１７と前記
制御シリンダ２２を通り抜け前記制御室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２５が取付けられている。上記のコール
ドフィンガ２の各室は前記圧縮機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
上がコールドフィンガ２の構成であり、前記圧縮機１の
圧縮室９と前記コールドフィンガ２の高温室１７は前記
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１６、前記高温室
１７、前記再生器１８及び前記ガス通過孔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。

【０００４】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
往復することによって、圧縮室９から低温室１６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
動してもあまり変化しない。コールドフィンガ２の制御
シリンダ２２に取り付けられたシール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が長時間的にみれば密封
は不完全であるので、制御室２３内ガス圧のはほぼ作動
室２６内のガス圧の平均値に保たれる。

【０００５】図５から図８は従来装置の動作原理を冷凍
サイクルの順を追って説明するものである。図５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、コールドフィンガ２のデ
ィスプレーサ１５は低温シリンダ１４上方に位置してい
る。図５から図６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。図５の時点において作動室２
６のガス圧力は制御室２３内のガス圧力よりも大きくな
っており、この差圧によって制御ピストン２４に生ずる
下向きの力は、シール２１及び２５の静摩擦力に打ちか
ってディスプレーサ１５を下方へと動かし始め、図７に
示すように低温シリンダ１４の下部へ移動させる。この
ディスプレーサ１５の移動に伴って高温室１７のガスは
再生器１８を通って低温室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。図７から図８に至る
過程で圧縮機１のピストン５は下降し作動室２７のガス
を膨張させ、この膨張によって低温室１６内のガスはさ
らに温度降下し、コールドフィンガ２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、図８の時点では作動室２６内より
制御室２３の方がガス圧は大きくなっている。この差圧
によって制御ピストン２４に上向きにかかる力はシール
２１及び２５の静摩擦力に打ちかって、ディスプレーサ
１５を上方へと動かし始め、図５に示したように低温シ
リンダ１４の上部へ移動させる。このディスプレーサ１
５の移動に伴って低温室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。以上のようなサイクルをくり返すことによって、冷
凍運転がおこなわれる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来装置
には、以下に述べる課題があった。ディスプレーサと蓄
冷材と制御ピストンで構成されている可動部が往復運動
する時に発生する振動の反力がハウジングに直接伝達さ
れ、外部に大きな振動を発生するという課題があった。

【０００７】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、ディスプレーサと蓄冷材と制御ピストン
で構成されている可動部が往復運動する時に発生する振
動の反力を打ち消すバランサを設け、可動部が往復運動
する時に発生する振動を抑制することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の冷凍機は制御
ピストン下部にバランサシリンダＡ、バランサシリンダ
ＢとバランサシリンダＢの内部にバランサを配置し、制
御ピストンとバランサシリンダＡとバランサシリンダＢ
によって制御室から区切られたバランサ室を有し、また
制御ピストンとバランサシリンダＡとの隙間及びバラン
サとバランサシリンダＢとの隙間を作動ガスが通過しな
いようにシールを設けたものである。

【０００９】

【作用】この発明においては、図２に示すようにディス
プレーサが上方に移動するとバランサ室内の作動ガスは
膨張し、制御室内のガス圧よりも低くなる。この差圧に
よってバランサに下向きにかかる力はシールの摩擦力に
打ちかってバランサを下方へと動かし始め、バランサシ
リンダＢの下部へ移動する。図３に示すようにディスプ
レーサが下方に移動するとバランサ室内の作動ガスは圧
縮され制御室内のガス圧よりも高くなる。この差圧によ
ってバランサに上向きにかかる力はシールの摩擦力に打
ちかってバランサを上方へと動かし始め、バランサシリ
ンダＢの上部へ移動する。したがってバランサはディス
プレーサと同周期、同位相でかつ、反対向きに動作する
ので、ディスプレーサと蓄冷材と制御ピストンで構成さ
れている可動部から発生する振動の反力を打ち消し、振
動を抑制する。

【００１０】

【実施例】図１はこの発明の一実施例を示す断面図であ
り、１の圧縮機と３の連結管は従来装置と全く同じもの
で、２のコールドフィンガは制御ピストン２４下部にバ
ランサシリンダＡ２９、バランサシリンダＢ３３、バラ
ンサシリンダＢ３３の内部を往復運動するバランサ３１
を配置し、制御ピストン２４とバランサシリンダＡ２９
とバランサ３１とバランサシリンダＢ３３によって制御
室２３から区切られたバランサ室３０が設けられてい
る。また制御ピストン２４とバランサシリンダＡ２９と
の隙間及びバランサ３１とバランサシリンダＢ３３との
隙間を作動ガスが通過しないようにシール２８、３２を
設けている点が従来装置と異なり、他は全く同じ構成で
ある。

【００１１】上記のような発明の冷凍機は冷凍を発生す
る原理は従来の冷凍機と全く同じであるが、ディスプレ
ーサ１５が上方に移動するとバランサ室３０内の圧力が
制御室２３内の圧力より小さくなるためバランサ３１は
バランサシリンダＢ３３下部に移動する。ディスプレー
サ１５が下方に移動するとバランサ室３０内の圧力が制
御室２３内の圧力より大きくなるためバランサ３１はバ
ランサシリンダＢ３３上部に移動する。したがってバラ
ンサ３１はディスプレーサ１５と同周期、同位相でか
つ、反対向きに動作するので、ディスプレーサ１５と蓄
冷材２０と制御ピストン２４で構成されている可動部か
ら発生する振動の反力を打ち消し、振動を抑制すること
ができる。

【００１２】

【発明の効果】この発明は以上説明したとおり、ディス
プレーサと蓄冷材と制御ピストンで構成されている可動
部が往復運動する時に発生する振動の反力を打ち消すよ
うにバランサが動作するので、可動部が往復運動する時
に発生する振動を抑制するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す断面図である。

【図２】発明のバランサの原理を説明するための断面図
である。

【図３】発明のバランサの原理を説明するための断面図
である。

【図４】従来装置の構造を示す断面図である。

【図５】従来の冷凍機の動作原理を説明するための断面
図である。

【図６】従来の冷凍機の動作原理を説明するための断面
図である。

【図７】従来の冷凍機の動作原理を説明するための断面
図である。

【図８】従来の冷凍機の動作原理を説明するための断面
図である。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ コールドフィンガ ３ 連結管 １４ 低温シリンダ １５ ディスプレーサ １６ 低温室 １７ 高温室 ２１ シール ２２ 制御シリンダ ２３ 制御室 ２４ 制御ピストン ２５ シール ２６ 作動室 ２７ ハウジング ２８ シール ２９ バランサシリンダＡ ３０ バランサ室 ３１ バランサ ３２ シール ３３ バランサシリンダＢ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動室内の作動ガスに周期的な圧力変動
   を与える圧縮機と、細長い円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に分けかつ、前
   記低温シリンダの中を往復運動するディスプレーサと、
   前記ディスプレーサの下部に設けられた制御ピストン
   と、制御シリンダと、ハウジングと、前記低温シリンダ
   と前記ディスプレーサとの隙間及び前記制御シリンダと
   前記制御ピストンとの隙間に設けられたシールと、かつ
   前記ハウジングと前記制御シリンダと前記制御ピストン
   によって区切られた制御室とを備えたコールドフィンガ
   と、前記圧縮機と前記コールドフィンガの前記高温室と
   を連通させる連結管で構成された冷凍機において、前記
   制御ピストンの下部に設けられたバランサシリンダＡ
   と、前記バランサシリンダＡの下に配置されているバラ
   ンサシリンダＢと、前記バランサシリンダＢの中を往復
   運動し、かつ前記制御室をバランサ室とに分けるバラン
   サと、前記バランサシリンダＡと前記制御ピストンとの
   隙間及び前記バランサシリンダＢとバランサとの隙間に
   設けられたシールとを有することを特徴とする冷凍機。