JP2000171114A - 冷凍機用コールドヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コールドヘッドの構造を改良することで冷凍
機の冷凍能力向上を図ること。 【解決手段】 コールドヘッド１０における室温側オリ
フィス１４−２の断面積をシリンダ１１の内部断面積の
３．５〜６％とし、低温側オリフィス１４−１の断面積
をシリンダの内部断面積の１４〜３０％とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スターリング冷凍
機のような冷凍機に接続されるコールドヘッドに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図２を参照して、本出願人によりすでに
出願済み（特願平１０−２３６１１１号）のスターリン
グ冷凍機について説明する。このスターリング冷凍機
は、ガス圧縮機２０、コールドヘッド５０、及び両者を
接続するキャピラリチューブ４５を含んで構成される。

【０００３】ガス圧縮機２０は、隔壁２２を挟んで面対
称な構造を有する。隔壁２２の両側にシリンダ２３が配
置されている。シリンダ２３は、柱面状の内周面を有
し、その中心軸が隔壁２２に垂直になるように配置され
ている。シリンダ２３の内部空洞内にピストン２４が配
置されている。ピストン２４は、シリンダ２３の内周面
に整合する外周面を有する。ピストン２４、シリンダ２
３、及び隔壁２２により、圧縮室２５が画定される。圧
縮室２５は、隔壁２２内に形成されたガス流路２６を介
してキャピラリチューブ４５に連通している。

【０００４】ピストン２４の、圧縮室２５とは反対側の
端部にピストンロッド２８が連結されている。ピストン
ロッド２８は、シリンダ２３の中心軸の延長線に沿って
延在している。ピストンロッド２８は、スラスト軸受２
７及び２９により、その軸方向に移動可能に、かつ軸に
直交する方向には移動が禁止されるように支持されてい
る。スラスト軸受２７及び２９は、それぞれ軸受支持部
材３３及び３４を介してシリンダ２３に固定されてい
る。

【０００５】ピストン２４は、スラスト軸受２７及び２
９により、シリンダ２３の内周面とピストン２４の外周
面との間に微小な間隙が形成されるように保持される。
この間隙が１０μｍ程度以下であれば、クリアランスシ
ールとして作用する。

【０００６】シリンダ２３に、その内部空間を取り囲む
ように、隔壁２２とは反対側の端面から隔壁２２に向か
って環状のギャップ３６が形成されている。ギャップ３
６の外周面を形成している内壁には環状の永久磁石３７
が取り付けられている。シリンダ２３はヨークを兼ね、
永久磁石３７、シリンダ２３及びギャップ３６により磁
気回路が形成される。

【０００７】この磁気回路に鎖交するように、ギャップ
３６内に電磁コイル４０が挿入されている。電磁コイル
４０は、コイル支持部材４１を介してピストンロッド２
８に固定されている。

【０００８】電磁コイル４０に、電流リード４３及び４
４を介して電流が供給される。電流リ−ド４３及び４４
は、シリンダ２３に固定された軸受支持部材３４とピス
トンロッド２８に固定されたコイル支持部材４１との間
を接続するコイルばねを含んで構成される。コイルばね
は、ピストンロッド２８の軸方向に弾性変形する。電流
リード４３及び４４を構成するコイルばねとして、ピス
トン２４等の可動部分の往復運動が、運転周波数に共鳴
するようなものが採用される。

【０００９】ピストン２４、スラスト軸受２７、２９、
電流リード４３、４４等が配置された空間は、外側ケー
ス３０により密閉されている。

【００１０】コールドヘッド５０は、シリンダ５１、デ
ィスプレーサ（ピストン）５２、コイルばね５３、及び
外枠５７を含んで構成される。シリンダ５１は、柱面
状、例えば円柱面状の内周面を有する。シリンダ５１の
一端は閉塞され、他端は外枠５７で塞がれている。シリ
ンダ５１の内部空洞内にディスプレーサ５２が挿入され
ている。ディスプレーサ５２の外周面とシリンダ５１の
内周面との間に、シール部材５４が配置されている。

【００１１】シリンダ５１の一端とディスプレーサ５２
との間に、低温側オリフィス６１を通して膨張空間５５
が画定され、ディスプレーサ５２と外枠５７との間に、
室温（常温）側オリフィス６２を通して無効空間５６が
画定される。ディスプレーサ５２内には、膨張空間５５
と無効空間５６とを連通させるガス流路５８が設けられ
ている。ガス流路５８内には、銅金網、鉛球等の蓄冷材
５９が充填されている。

【００１２】ディスプレーサ５２は、無効空間５６内に
配置されたコイルばね５３により、軸方向に関して弾性
的に支持されている。無効空間５６は、キャピラリチュ
ーブ４５及びガス流路２６を介してガス圧縮機２０の圧
縮室２５に連通している。

【００１３】このようなスターリング冷凍機の動作原理
は、上記の出願明細書に詳しく述べられており、以下で
は簡単に説明する。

【００１４】電磁コイル４０に所定周波数の交流電流を
流すと、電流リード４３、４４の弾性力に抗してピスト
ン２４が往復運動する。隔壁２２の両側の２つのピスト
ン２４が、相互に反対向きに移動するように、交流電流
の位相が制御される。２つのピストン２４が近づく向き
に移動する時、圧縮室２５内が高圧になり、両者が遠ざ
かる向きに移動するとき、圧縮室２５内が低圧になる。
ピストン２４が往復運動を繰り返すことにより、周期的
にガス圧を変化させることができる。

【００１５】コールドヘッド５０への冷媒ガスの供給及
び排気を繰り返すことにより、逆スターリングサイクル
を実行させ、膨張空間５５に寒冷を発生させることがで
きる。

【００１６】スラスト軸受２７、２９により、ピストン
２４がシリンダ２３内に所定のクリアランスをもって支
持される。このため、シリンダ２３の内周面へのピスト
ン２４の片当たりによる磨耗を防止し、信頼性を高める
ことができる。また、ピストン２４を板ばねで支持する
場合に比べて、大きなストロークを確保することができ
る。また、スラスト軸受２７、２９は、板ばねのように
疲労破壊を起こすこともない。ピストン２４のストロー
クを大きくすることにより、スターリング冷凍機の性能
の向上を図ることができる。

【００１７】スラスト軸受２７、２９には真空用グリス
を使用することが好ましい。真空用グリスを使用するこ
とにより、冷媒ガスの汚染を防止することができる。ま
た、スラスト軸受２７、２９として、例えばＮＳＫ社製
のリニアボールベアリングＬＢ型等のリニアベアリング
を用いることができる。また、リニアベアリングの代わ
りにすべり軸受を用いてもよい。上記例では、ディスプ
レーサ５２の径方向の位置を、シール部材５４で固定す
る場合を示しているが、ディスプレーサ５２も、ガス圧
縮機２０のピストン２４と同様に、スラスト軸受で支持
してもよい。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種のス
ターリング冷凍機の課題の１つとして、冷凍能力の向上
がある。冷凍能力の向上を図るためには、ガス圧縮機２
０、コールドヘッド５０のそれぞれについて検討がなさ
れる必要がある。

【００１９】本発明の課題は、コールドヘッドの構造を
改良することで冷凍能力の向上を図ることにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、一端が
閉塞されたシリンダと、前記シリンダの他端に取り付け
られ、該シリンダと共に閉じた空間を画定する外枠と、
前記シリンダ内に配置されたディスプレーサであって、
前記シリンダの一端と該ディスプレーサとの間に低温側
オリフィスを通して膨張空間を画定すると共に、前記外
枠と該ディスプレーサとの間に室温側オリフィスを通し
て無効空間を画定し、該ディスプレーサ内には前記膨張
空間と前記無効空間とを連通させるガス流路及び該ガス
流路内を流れるガスと熱交換を行う蓄冷材が設けられた
ディスプレーサと、前記ディスプレーサを、該ディスプ
レーサの外周面が前記シリンダの内周面と微小間隙を隔
てて対峙させ、かつ前記シリンダの軸方向に移動可能に
支持する支持手段と、前記無効空間へ連通し、冷媒ガス
の導入と排出を行う冷媒ガス供給路とを有し、前記室温
側オリフィスの断面積は前記シリンダ内部断面積の３．
５〜６％とし、前記低温側オリフィスの断面積は前記シ
リンダ内部断面積の１４〜３０％としたことを特徴とす
る冷凍機用コールドヘッドが提供される。

【００２１】なお、前記支持手段は、前記ディスプレー
サを前記シリンダの軸方向に弾性的に支持する弾性部材
を有することが好ましい。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を説明する前
に、本発明の着眼点について説明する。図１におけるコ
ールドヘッド５０におけるディスプレーサ５２の運動方
程式は、以下の式で表される。

【００２３】Ｆ＝ｋ・ｘ＋Ｃ ただし、ｋはコイルばね５３のばね定数、ｘはディスプ
レーサ５２の移動距離、Ｃは定数である。

【００２４】上記の式において、移動距離ｘを大きくす
るためにはＦを大きくする必要がある。そして、本発明
者らは、Ｆを大きくするためには、低温側オリフィス６
１と、室温側オリフィス６２の断面積が重要であること
を確認した。

【００２５】図１を参照して、本発明の実施の形態につ
いて説明する。コールドヘッド１０は、シリンダ１１、
ディスプレーサ（ピストン）１２、コイルばね１３、及
び外枠１７を含んで構成される。シリンダ１１は、柱面
状、例えば円柱面状の内周面を有する。シリンダ１１の
一端は閉塞され、他端は外枠１７で塞がれている。シリ
ンダ１１の内部空洞内にシリンダに収容されたディスプ
レーサ１２が挿入されている。本形態では、ディスプレ
ーサ１２を収容しているシリンダの外周面とシリンダ１
１の内周面との間に微小な間隙を画定することにより、
図１で説明したようなシール部材を不要としているが、
シール部材を配置してシールするようにしても良い。

【００２６】シリンダ１１の一端とディスプレーサ１２
との間に、低温側オリフィス１４−１を通して膨張空間
１５が画定され、ディスプレーサ１２と外枠１７との間
に、室温（常温）側オリフィス１４−２を通して無効空
間１６が画定される。ディスプレーサ１２の内部構造
は、図１で説明したものと同じであり、膨張空間１５と
無効空間１６とを連通させるガス流路が設けられ、ガス
流路内には、銅金網、鉛球等の蓄冷材が充填されてい
る。

【００２７】ディスプレーサ１２は、無効空間１６内に
配置されたコイルばね１３により、軸方向に関して弾性
的に支持されている。無効空間１６は、キャピラリチュ
ーブ１８を介して図１のガス圧縮機２０の圧縮室２５に
連通している。

【００２８】本発明においては、上記のような着眼点に
基づいて、低温側オリフィス１４−１の断面積を室温側
オリフィス１４−２の断面積よりも大きくし、特に低温
側オリフィス１４−１の断面積をシリンダ１１の内部断
面積の１４〜３０％とすると共に、室温側オリフィス１
４−２の断面積はシリンダ１１の内部断面積の３．５〜
６％とすることで、冷凍能力の向上を図れることを確認
した。

【００２９】図３は、動作係数（成績係数）ＣＯＰの測
定結果を示し、図３（ａ）は低温側オリフィス１４−１
に関する結果を、図３（ｂ）は室温（常温）側オリフィ
ス１４−２に関する結果をそれぞれ示している。

【００３０】なお、本発明は、図１において説明したス
ターリング冷凍機に限らず、他のガス圧縮機にも適用可
能である。また、ディスプレーサ１２は、ガス圧縮機２
０のピストン２４と同様に、スラスト軸受で支持しても
よい。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
コールドヘッドにおける低温側オリフィスと室温側オリ
フィスの断面積を管理することにより、冷凍機の冷凍能
力向上を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による冷凍機用コールドヘッドの一例を
示した断面図である。

【図２】本発明が適用されるスターリング冷凍機の一例
を示した断面図である。

【図３】本発明における動作係数ＣＯＰの測定結果を示
した図である。

【符号の説明】

１０、５０ コールドヘッド １１、２３、５１ シリンダ １２、５２ ディスプレーサ １３、５３ コイルばね １４−１、６１ 低温側オリフィス １４−２、６２ 室温側オリフィス １５、５５ 膨張空間 １６、５６ 無効空間 １７、５７ 外枠 １８、４５ キャピラリチューブ ２４ ピストン ２５ 圧縮室 ２６ ガス流路 ２７、２９ スラスト軸受 ２８ ピストンロッド ３０ 外側ケース ３３、３４ 軸受支持部材 ３６ ギャップ ３７ 永久磁石 ４０ 電磁コイル ４１ コイル支持部材 ４３、４４ 電流リード ５４ シール部材 ５８ ガス流路 ５９ 蓄冷材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 紀久 神奈川県平塚市夕陽ヶ丘63番30号 住友重 機械工業株式会社平塚事業所内 (72)発明者 田口 芳人 東京都田無市谷戸町二丁目１番１号 住友 重機械工業株式会社田無製造所内 (72)発明者 内田 年雄 東京都田無市谷戸町二丁目１番１号 住友 重機械工業株式会社田無製造所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端が閉塞されたシリンダと、 前記シリンダの他端に取り付けられ、該シリンダと共に
   閉じた空間を画定する外枠と、 前記シリンダ内に配置されたディスプレーサであって、
   前記シリンダの一端と該ディスプレーサとの間に低温側
   オリフィスを通して膨張空間を画定すると共に、前記外
   枠と該ディスプレーサとの間に室温側オリフィスを通し
   て無効空間を画定し、該ディスプレーサ内には前記膨張
   空間と前記無効空間とを連通させるガス流路及び該ガス
   流路内を流れるガスと熱交換を行う蓄冷材が設けられた
   ディスプレーサと、 前記ディスプレーサを、該ディスプレーサの外周面が前
   記シリンダの内周面と微小間隙を隔てて対峙させ、かつ
   前記シリンダの軸方向に移動可能に支持する支持手段
   と、 前記無効空間へ連通し、冷媒ガスの導入と排出を行う冷
   媒ガス供給路とを有し、 前記室温側オリフィスの断面積は前記シリンダ内部断面
   積の３．５〜６％とし、前記低温側オリフィスの断面積
   は前記シリンダ内部断面積の１４〜３０％としたことを
   特徴とする冷凍機用コールドヘッド。
2. 【請求項２】 前記支持手段は、前記ディスプレーサを
   前記シリンダの軸方向に弾性的に支持する弾性部材を有
   することを特徴とする請求項１記載の冷凍機用コールド
   ヘッド。