JPH0788986B2 - 冷凍機 - Google Patents

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80K
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（4
b）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（8a），
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（9
a），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（11a），（11b），第２のリード
線（12a），（12b）と接続しており，これらのリード線
（11a），（11b），（12a），（12b）はハウジング（1
0）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（1
0）内には永久磁石（15a），（15b）およびヨーク（1
6）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（15
a），（15b）およびヨーク（16）からなる磁気回路（1
7）に設けられた第１の間隙（18a），第２の間隙（18
b）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（19
a），（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）とピストン（5b）の間隙を通過しない
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（21
a），（21b）を構成している。従来装置では連通管（2
0）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（2
4）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），（1
9b），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（13
a），（13b），（14a），（14b）およびリード線（11
a），（11b），（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（18
a），（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（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（9b）
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，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，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ついては，文献「Cryocoolers」
（G.Walker,plenum 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（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（2
7），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（19
a），（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，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，一自由度のばね一質量
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,mはピストンと可動コイル
からなる組立体の重量,kは支持ばねのばね定数,f₀は振
動系の共振周波数を示している。f₀はm,kにより と示される。このため，ピストン機軸方向のｆ＝f₀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，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（7
a），（7b）により構成される一自由度ばね−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），（5b）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（34b）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（21b）によって塞
がれるため圧縮室（19a），（19b）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（19a），
（19b）内に残留した作動ガスはピストン（5a），（5
b）が隔壁（６）に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この制動力
は大きくなるので，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。

［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
通する連通管の端部を各々シリンダ内のクリアランスシ
ールを設けた部分に配置するという簡単な方法により，
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
るばね−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），（5
b）はピストン，（7a），（7b）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，（19a），（19b）は圧縮室，（21a），（21b）
はクリアランスシール，（33）は連通管，（34a），（3
4b）は連通管の端部を示す。 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. 【請求項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って
   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。