JPH0670533B2

JPH0670533B2 - 冷凍機

Info

Publication number: JPH0670533B2
Application number: JP11011188A
Authority: JP
Inventors: 保川　　幸雄
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1988-05-06
Filing date: 1988-05-06
Publication date: 1994-09-07
Anticipated expiration: 2009-09-07
Also published as: JPH01281368A

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に冷却する
分離形スターリング冷凍機に関するものである。

〔従来の技術〕

従来のスターリング冷凍機の構成例を第５図に示す。図
において、冷凍機は大別して、圧縮機１と膨張機２と接
続管３とで構成している。

圧縮機１は、筒状のシリンダ４と、シリンダ４の両開口
端面の一方の端面を密閉するシリンダヘッド５と、シリ
ンダ４内を往復運動するピストン６と、シリンダ４、シ
リンダヘッド５およびピストン６によって区切った空間
である圧縮室７と、ピストン６の図示しない駆動機構部
分である連接棒、クランク、クランク軸、クランクケー
ス等とで構成し、ピストン６を駆動機構を介して電動機
により駆動する機構になっている。

膨張機２は、両開口端面の一方を端板８で、他端をケー
シング９で密閉した筒状の膨張シリンダ10を備えてい
る。この膨張シリンダ10内をピストンのように往復運動
し、この往復運動の行程の中点位置にコイルばね11を介
してケーシング９に支持したディスプレーサ13があり、
コイルばね11とディスプレーサ13とで振動系を形成して
いる。このディスプレーサ13の内部に区画形成した蓄冷
室16には細かい網目の、積層金網、鉛、あるいは樹脂等
よりなる蓄冷材14を充填し、膨張シリンダ10とディスプ
レーサ13との隙間から冷媒ガスが漏洩しないようにディ
スプレーサ13の外周に樹脂等よりなるシール材12を嵌め
込んでいる。このディスプレーサ13と膨張シリンダ10と
端板８とで区切った空間と、ディスプレーサ13と膨張シ
リンダ10とケーシング９とで区切った空間とがそれぞれ
膨張室17と高温室15とを形成しており、高温室15、蓄冷
室16および膨張室17を相互に連通する冷媒ガス流路を備
えている。

接続管３は、圧縮室７と高温室15とをつなぐ冷媒ガスの
流路を形成している。

このように構成した従来の冷凍機は、圧縮室７、高温室
15、蓄冷室16、膨張室17および各室を相互に連通する冷
媒ガス流路が作動空間を形成しており、この作動空間中
に、例えばヘリウム、水素などの高圧の冷媒ガスを封入
している。

上記のような従来のスターリング冷凍機の動作について
以下に述べる。圧縮室７内でピストン６の圧縮行程で圧
縮され高温高圧となった冷媒ガスは、接続管３を通って
膨張機２の高温室15内に流入し、中点位置にあるディス
プレーサ13を上死点位置にコイルばね11の力に抗して押
上げ、ディスプレーサ13内に区画形成した蓄冷室16を経
由して低温となって膨張室17に入る。蓄冷室16内に入っ
た冷媒ガスは、蓄冷室16内で冷やされながら通過すると
きの冷媒ガスの粘性抵抗による圧力損失のため、徐々に
膨張室17内に流入して膨張室17内の冷媒ガス圧力が高温
室15の冷媒ガス圧力と同じになると、ディスプレーサ13
は中点位置に戻る。一方ピストン６は膨張行程に入って
おり、圧縮室７内の冷媒ガス圧力は低下するので、高温
室15内の冷媒ガス圧力も低下し、膨張室17内の冷媒ガス
が膨張して温度が下って蓄冷室16内を蓄冷材14を冷却し
ながら通過するときの圧力損失により、膨張室17内の冷
媒ガス圧力と高温室15内の冷媒ガス圧力との間に圧力差
を生じ、この圧力差によりさらにディスプレーサ13は下
死点に押し下げられるので、膨張室17内の冷媒ガスはさ
らに膨張して低温となり周囲の熱を吸収することにより
冷凍作用をする。膨張室17内の冷媒ガスはその後蓄冷室
16をその中の蓄冷材14を冷却しながら通過し、高温室15
を経由して圧縮室７に戻る。即ち、スターリング冷凍機
は、圧縮機１のピストン６と、膨張機２内をピストンの
ように往復運動をするディスプレーサ13とをある位相差
をもって連動させることにより、冷媒ガスは、圧縮室７
で発熱し、膨張室17で低温となる。前述の熱サイクルを
繰り返すことにより、膨張室17を形成している膨張シリ
ンダ10の円筒壁および端板８の温度を80K程度まで冷却
することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが上記のような従来装置では、前述のように圧縮
機１のピストン６と、膨張機２内をピストンのように往
復運動をするディスプレーサ13とをある位相差をもって
連動しており、ディスプレーサ13の位置の時間的変化は
正弦波状の波形を描き、蓄冷室16内を冷媒ガスが通過す
るときの流体粘性抵抗と、コイルばね11との作用によ
り、高温室15内と膨張室17内との冷媒ガス圧力変化は位
相差を生じ、この位相差により生ずる高温室15内と膨張
室17内との冷媒ガス圧力差によりディスプレーサ13が駆
動されている。このため振動系の動作の安定条件より前
記位相差はあまり大きく取れず限界があり、膨張室17内
で冷媒ガスの仕事量の総和が小さいという問題がある。

即ち、膨張室17内における冷媒ガスの仕事量の総和を
Q_c、膨張室17内冷媒ガス圧力をP_c、膨張室17の体積を
V_c、ディスプレーサ13の位置をｘ、膨張室17内冷媒ガス
圧力がP_cのときの膨張室17の体積膨張およびディスプレ
ーサ13の変位をそれぞれdV_c、dxとし、ディスプレーサ1
3の膨張室17側膨張シリンダ10の断面積をＳとすると、
膨張室17内での冷媒ガスの仕事量の総和Q_cは次式によっ
て表される。

Q_c＝Ｐ_ｃ・dV_ｃ＝ＳＰ_ｃ・ｄ_ｘ ……… ここで、ディスプレーサ13の質量をｍ、コイルばね11の
ばね定数をｋ、蓄冷室16内を冷媒ガスが通過する際の流
体粘性抵抗をｃ、ディスプレーサ13の駆動力となる高温
室15内と膨張室17内との冷媒ガスの圧力差の振幅値およ
び角振動数をそれぞれF₀，ω、および時間をｔとする。
高温室15内と膨張室17内との冷媒ガスの圧力差は蓄冷室
16内を冷媒ガスが通過するときの流体粘性抵抗によって
のみ発生し、この流体粘性抵抗値はピストン６の速度に
比例する。一方、ピストン６の位置および速度の時間的
変化は正弦波形を描くので、F₀も正弦波形の力としてデ
ィスプレーサ13に作用するため、ディスプレーサ13の位
置ｘは次の式によって表される。

ｍ＋ｃ＋kx＝F₀cosωｔ ……… 従って、ｘは高温室15内と膨張室17内との冷媒ガス圧力
差が描く正弦波形に対しある位相だけ遅れて正弦波形を
描いて変化する。第２図に膨張室17内の冷媒ガス圧力(P
_c)の時間的変化を（イ）で、ディスプレーサ13の位置
（ｘ）の時間的変化を（ロ）でそれぞれ示す。図におい
て、ディスプレーサ13の位置（ｘ）および膨張室17内の
冷媒ガス圧力(P_c)の時間的変化はいづれも正弦波形を描
き、P_cとｘとの位相差は、蓄冷室16の流体粘性抵抗とコ
イルばね11とにより決まるものである。しかし、第３図
の（ホ）に膨張室17内の冷媒ガス圧力(P_c)と膨張室17の
体積(V_c)との時間的変化を示すが、ｘの時間的変化が正
弦波形を描く振動系の動作の安定条件より前記位相差は
あまり大きく取れず限界があるため、（ホ）の線図で囲
まれた、膨張室17内での冷媒ガスの仕事量の総和に相当
する面積が大きく取れず、膨張室17内で冷媒ガスの仕事
量の総和が小さい。

この発明は、ディスプレーサの位置の時間的変化を正弦
波形からずれたものとし、膨張室内での冷媒ガスの仕事
量の総和を増大させて冷凍能力の高い冷凍機を提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、この発明に係わる冷凍機
は、筒状のシリンダと、このシリンダの両開口端面の一
方の端面を密閉するシリンダヘッドと、前記シリンダ内
を往復運動するピストンと、前記シリンダ、前記シリン
ダヘッドおよび前記ピストンによって区切った圧縮室と
を有する圧縮機と、両開口端面の一方を端板で、他端を
ケーシングで密閉した、筒状の膨張シリンダと、この膨
張シリンダ内をピストンのように往復運動し、この往復
運動の行程の中点位置にコイルばねを介して前記ケーシ
ングの内面に支持したディスプレーサと、このディスプ
レイーサの内部に区画形成し蓄冷材を充填した蓄冷室
と、前記ディスプレーサと前記膨張シリンダと前記端板
とで区切った膨張室と、前記ディスプレーサと前記膨張
シリンダと前記ケーシングとで区切った高温室とを備え
た膨張機とを備え、前記圧縮室、高温室、蓄冷室、膨張
室に冷媒ガス流路が連通している冷凍機において、一対
の磁石をその磁極を向い合わせてかつこの磁極の磁力線
と前記膨張シリンダの円筒軸とが一致するように前記高
温室内に配置し、前記一対の磁石の一方をディスプレー
サ端面に、他方をケーシングに固着するものとする。

〔作用〕

この発明においては、一対の磁石をその磁極を向い合わ
せてかつこの極の磁力線と前記膨張シリンダの円筒軸と
を一致させて膨張機の高温室内に配置し、前記一対の磁
石の一方をディスプレーサ端面に、他方のケーシングに
固着したので、磁石の作用によりディスプレーサの往復
行程の下死点から中点に至るコイルばねによる復元力あ
るいは上死点から中点に至るコイルばねによる復元力を
減殺することにより、ディスプレーサの位置の時間的変
化を正弦波形からずれたものとし、膨張室内での冷媒ガ
スの仕事量の総和を増大させることができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を第１図に基づいて説明す
る。第５図と共通あるいは同一の部分は同一の符号で示
す。なお、圧縮機の部分は第５図のものと同一であるの
で図示並びに説明を省略する。

膨張機２は、両開口端面の一方を端板８で、他端をケー
シング９で密閉した、筒状の膨張シリンダ10を備えてい
る。この膨張シリンダ10内をピストンのように往復運動
し、この往復運動の行程の中点位置にコイルばね11を介
してケーシング９に支持したディスプレーサ13があり、
コイルばね11とディスプレーサ13とで振動系を形成して
いる。このディスプレーサ13の内部に蓄冷室16を区画形
成し、この蓄冷室16内に、細かい網目の、積層金網、鉛
あるいは樹脂等よりなる蓄冷材14を充填している。ま
た、膨張シリンダ10とディスプレーサ13との隙間から冷
媒ガスが漏洩しないようにディスプレーサ13の外周に樹
脂等よりなるシール材12を嵌め込まれている。このディ
スプレーサ13と膨張シリンダ10と端板８とにより区切っ
た空間と、ディスプレーサ13と膨張シリンダ10とケーシ
ング９とで区切った空間とがそれぞれ膨張室17と高温室
15とを形成している。また、磁石19、20がその磁極の磁
力線が膨張シリンダ10の円筒軸に一致するようにかつ異
なる磁極を向い合わせて高温室15内にを配設し、この磁
石19、20の一方はディスプレーサ13の下端面に、他方は
ケーシングにそれぞれ固着している。また、蓄冷室16、
膨張室17、高温室15を相互に連通する冷媒ガス流路を備
えている。

前述の構成において、磁石19、20の吸引力がディスプレ
ーサ13とコイルばね11とで形成した振動系に与える影響
は、膨張シリンダ10内を往復運動する際、ディスプレー
サ13が上死点から下死点に向かうときには加速力として
作用し、下死点かた上死点に向かうときは減速力として
作用する。しかし、ディスプレーサ13にはコイルばね11
も作用するので、コイルばね11と磁石19、20との力を合
成した、つまりディスプレーサ13をその往復運動の行程
の中点位置に戻す復元力となる総合復元力は第４図の
（チ）に示すような曲線となる。図は、磁石19、20とコ
イルばね11とがディスプレーサ13に作用する力を復元力
とし、この復元力を、０を原点に取り、下死点方向に働
く力を＋、上死点方向に働く力を−とした縦軸と、ディ
スプレーサ13の往復運動の中点を原点（０）として、＋
側がディスプレーサ13の上死点方向、−側が下死点方向
とした横軸とを座標軸として描いたものである。コイル
ばね11の復元力は、ディスプレーサ13の位置ｘに比例す
るので、直線（ト）となる。また、磁石19、20の復元力
は、磁石19、20間の距離に反比例するので、曲線（ヘ）
となる。一方、ディスプレーサ13の位置ｘはデスプレー
サ13の位置をｘ、デスプレーサ13の質量をｍ、コイルば
ね11のばね定数をk1、磁石19、20の磁気吸引力定数をk
2、蓄冷室16内を冷媒ガスが通過する際の流体粘性抵抗
をｃ、ディスプレーサ13が中点位置にあるときの磁石1
9、20の間距離をｄ、ディスプレーサ13の駆動力となる
膨張室17内と高温室15内との冷媒ガス圧力の圧力差の振
幅および角振動数をそれぞれF₀、，ωとし、時間をｔと
すると、ディスプレーサ13の位置ｘは次の式によって表
される。

ｍ＋ｃ＋k1_ｘ＋ｋ_２／（ｘ＋ｄ）^２＝Ｆ_０cosωｔ
……… 従って、ディスプレーサ13の位置ｘの変化は次に述べる
ようになる。まず、ディスプレーサ13が中点から上死点
に向かうときあるいは上死点から中点に戻るときの総合
復元力はコイルばね11のみの場合より幾らか大きいの
で、ディスプレーサ13は従来のコイルばね11のみの場合
より早く上死点に到達あるいは中点に戻る。次に、ディ
スプレーサ13が中点から下死点に向かうときあるいは下
死点から中点に戻るときの総合復元力は従来のコイルば
ね11のみの場合よりはるかに小さいので、ディスプレー
サ13はコイルばね11のみの場合よりゆっくりと下死点に
到達あるいは中点に戻る。この場合、磁石19、20の取付
け間隔によっては、下死点位置が磁石19、20でディスプ
レーサ13の運動は規制され、磁石19、20が当接する点ま
でしか下降しないことになる。このようなディスプレー
サ13の位置ｘの時間的変化を第２図の曲線（ハ）で示
す。図より明らかなように、曲線（ハ）は、破線で示し
た従来のコイルばね11のみの場合の曲線（ロ）より下側
にあり、波の上側は尖った形で、波の下側は膨らんだ形
となり、正弦波形に対してずれた曲線となっている。こ
の場合の膨張室17内での冷媒ガスの仕事量の総和は、膨
張室17内および高温室15内の冷媒ガス圧力変化はディス
プレーサ13の位置による影響をほとんど受けないため、
第３図の膨張室17内の冷媒ガス圧力(P_c)と膨張室17の体
積(V_c)の時間的変化を示す曲線（ニ）で囲まれた面積と
なる。また、曲線（ホ）は従来のコイルばね11のみの場
合の膨張室17内の冷媒ガス圧力(P_c)と膨張室17の体積(V
_c)の時間的変化を示したものであるが、これに対し曲線
（ニ）は明らかに磁石19、20を使用してディスプレーサ
13の位置ｘの時間的変化を正弦波形に対してずれた曲線
とした方が膨張室17内での冷媒ガスの仕事量の総和が大
きくなり、冷凍能力の高い冷凍機となることを示してい
る。なお、磁石19、20の対向する磁極を同極とした場合
については、ディスプレーサ13の位置ｘの時間的変化の
曲線が、異極にした場合とは逆に、上側の波が膨らみ、
下側の波が尖った曲線となり、膨張室17内での冷媒ガス
の仕事量の総和は大きくなって、異極の場合と同様の効
果が得られる。

〔発明の効果〕

この発明に係わる冷凍機は、一対の磁石をその磁極を向
い合わせてかつこの磁極の磁力線と前記膨張シリンダの
円筒軸とが一致するように前記高温室内に配置し、前記
一対の磁石の一方のディスプレーサ端面に、他方をケー
シングに固着したので、磁石の作用によりディスプレー
サの往復行程の下死点から中点に至るコイルばねによる
復元力あるいは上死点から中点に至るコイルばねによる
復元力を減殺することにより、膨張室内での冷媒ガスの
仕事量の総和を増大させることができるとともに、冷凍
機の冷凍能力を高めることができるという効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の冷凍機の一実施例の要分構成を示す
断面図、第２図はこの発明および従来の冷凍機の、膨張
室内の冷媒ガス圧力(P_c)の時間的変化と、ディスプレー
サの位置ｘの時間的変化とを示す図、第３図はこの発明
および従来の冷凍機の膨張室内の冷媒ガス圧力(P_c)と膨
張室の体積(V_c)の時間的変化を示す図、第４図はディス
プレーサに作用するコイルばねと磁石とのそれぞれの復
元力およびこれらを合成した総合復元力の曲線を示す
図、第５図は従来の冷凍機の構成を示す断面図である。１ …圧縮機、２…膨張機、３…接続管、４…シリンダ、
５…シリンダヘッド、６…ピストン、７…圧縮室、８…
端板、９…ケーシング、10…膨張シリンダ、11…コイル
ばね、12…シール材、13…ディスプレーサ、14…蓄冷
材、15…高温室、16…蓄冷室、17…膨張室、19、20…磁
石。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筒状のシリンダと、このシリンダの両開口
端面の一方の端面を密閉するシリンダヘッドと、前記シ
リンダ内を往復運動するピストンと、前記シリンダ、前
記シリンダヘッドおよび前記ピストンによって区切った
圧縮室とを有する圧縮機と、両開口端面の一方を端板
で、他端をケーシングで密閉した、筒状の膨張シリンダ
と、この膨張シリンダ内をピストンのように往復運動
し、この往復運動の行程の中点位置にコイルばねを介し
て前記ケーシング内面に支持したディスプレーサと、こ
のディスプレーサの内部に区画形成し蓄冷材を充填した
蓄冷室と、前記ディスプレーサと前記膨張シリンダと前
記端板とで区切った膨張室と、前記ディスプレーサと前
記膨張シリンダと前記ケーシングとで区切った高温室と
を備えた膨張機とを備え、前記圧縮室、高温室、蓄冷
室、膨張室に冷媒ガス流路が連通している冷凍機におい
て、一対の磁石をその磁極を向い合わせてかつこの磁極
の磁力線と前記膨張シリンダの円筒軸とが一致するよう
に前記高温室内に配置し、前記一対の磁石の一方をディ
スプレーサ端面に、他方をケーシングに固着したことを
特徴とする冷凍機。