JP2823705B2 - 冷却ヘッド - Google Patents

冷却ヘッド

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JP2823705B2
JP2823705B2 JP3002610A JP261091A JP2823705B2 JP 2823705 B2 JP2823705 B2 JP 2823705B2 JP 3002610 A JP3002610 A JP 3002610A JP 261091 A JP261091 A JP 261091A JP 2823705 B2 JP2823705 B2 JP 2823705B2
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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  • Thermal Sciences (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は冷却ヘッドであって、ギ
フォ−ド／マクマホン原理（Ｇｉｆｆｏｒｄ／ＭｃＭａ
ｈｏｎ−Ｐｒｉｎｚｉｐ）により作動する冷凍機が設け
られていて、該冷凍機が、ケ−シング内に設けられた円
筒状の作業室と押しのけ体とを有しており、該押しのけ
体が中心部の再生器を備えていて、冷却ヘッドの作動時
に前記作業室内を２つの死点の間で往復運動するように
なっており、作業ガスのための接続装置が設けられてい
て、該接続装置が、低圧下にある作業ガスのための接続
部と、高圧下にある作業ガスのための接続部と、ガス制
御装置とを有しており、さらに、前記押しのけ体の端面
に固定されたプランジャが設けられていて、該プラジャ
が前記押しのけ体に比べて減径された直径を有してお
り、前記プランジャにシリンダが配属されていて、該シ
リンダに、作業ガスを供給するための導管が開口してい
る形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】このような形式の冷却ヘッドはクライオ
スタット、クライオポンプ等の寒冷源として使用され
る。
【０００３】冷凍機とは、熱力学的な循環プロセスを行
なう低温冷却機である。まず、このプロセスの経過を図
１ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅにつき説明する。
【０００４】図１に示した単段式の冷凍機１はケ−シン
グ２と円筒状の作業室３とを備えている。この作業室３
には、中心部の再生器５を備えた押しのけ体４が位置し
ている。冷凍機の運転中に、押しのけ体４は両死点Ｏ
Ｔ，ＵＴの間を往復運動する。
【０００５】当該の冷却ヘッド構成はガス駆動装置を備
えている（たとえば欧州特許出願公開第２５４７５９号
明細書参照）。押しのけ体４の端面には、前記押しのけ
体に比べて減径された直径を有する駆動プランジャ６が
設けられている。この駆動プランジャ６には、駆動シリ
ンダ７が配属されている。
【０００６】冷却ヘッド１を作動させるためには、作業
ガス、特にヘリウムが必要となり、この作業ガスは高圧
（ＨＤ、たとえば２２バ−ル）下と低圧（ＮＤ、たとえ
ば７バ−ル）下とにある。この作業ガスはガス駆動装置
に対する供給にも役立つ。作業室３と駆動シリンダ７と
に作業ガスを供給するためには、ガス分配ユニット８が
設けられており、この場合にこのガス分配ユニットは弁
システムとして構成されている。しかし、別のガス供給
制御装置、たとえば上記欧州特許出願公開明細書に基づ
いて公知であるようなモ−タによって駆動される回転式
弁も使用可能である。
【０００７】図１の要素であるインジケ−タ線図（図１
ａ）は循環プロセスの経過を示している。点Ｉにおい
て、押しのけ体は図１ｂに示したように上死点に位置し
ている。作業室３内に位置する作業ガスは低圧下にあ
る。駆動プランジャ６に配属された作業シリンダ７は高
圧下にある。次いで、押しのけ体のこの位置において、
作業室３は作業ガス用の高圧接続部と接続される。これ
により作業室３内の作業ガス圧が高くなるので、インジ
ケ−タ線図の点ＩＩが得られる。押しのけ体４の位置は
この時点では変わっていない。
【０００８】インジケ−タ線図の点ＩＩＩに到達するた
めには、押しのけ体４が上死点ＯＴから下死点ＵＴにま
でシフトされる。このことは、ガス駆動装置である駆動
プランジャ６と駆動シリンダ７とガス分配ユニット８と
によって行なわれ、この場合、駆動シリンダ７において
高圧から低圧への圧力変化が行なわれるので、押しのけ
体４は図１ｃに示した位置をとる。
【０００９】上で説明した最後の２つの過程の間、作業
ガスは再生器５を通って上死点の方向へ流れて、このと
きに冷却する。それというのは、この再生器５が、先行
して行なわれた押しのけ体運動に基づいて既に低い温度
を有しているからである。
【００１０】押しのけ体４が下死点に位置する間（図１
ｄ）、作業室３では高圧から低圧への圧力変化が行なわ
れる。これにより作業ガスの膨張、ひいては冷却が行な
われる。冷却された作業ガスは再生器５を通って逆の方
向に流れて、この再生器をさらに冷却する。インジケ−
タ線図において、この過程は点ＩＩＩから点ＩＶへの移
行部に相当する。
【００１１】最終的に押しのけ体４は出発位置、つまり
上死点に戻される。この場合、駆動シリンダ７は高圧接
続部と接続される。図１ｅは図１ｂと同様に押しのけ体
４を再び出発位置で示している。
【００１２】押しのけ体４の前記往復運動の間に、ケ−
シング２からは、上死点の範囲で常に熱が奪われる。こ
のような単段式の冷凍機では、約３０Ｋまでの温度を形
成することができる。冷凍機は、上記欧州特許出願公開
明細書に開示されているように、たびたび２段式に構成
されている。２段式の冷凍機を用いると、１０Ｋよりも
下までの温度を形成することができる。
【００１３】押しのけ体の運動時には、逆転点において
最大値に達するような動的力、加速力、慣性力等が生じ
る。これらの力は冷却ヘッドのケ−シングに伝播し、ひ
いては接続された装置にも伝播してしまう。接続された
装置が衝撃に敏感であると、当該形式の冷却ヘッドはし
ばしば使用することができなくなる。
【００１４】このような不都合な衝撃や振動を減衰する
ためには、既に幾つかの提案がなされている。たとえば
欧州特許第１９４２６号明細書に基づいて公知の構成で
は、冷却ヘッドと、衝撃に敏感な計器（たとえば電子顕
微鏡）との間に減衰装置が配置されているが、この減衰
装置は比較的費用がかかる。欧州特許公開第１６０８０
８号明細書に基づいて公知の構成では、作業室の内部に
板ばねが配置されている。しかしながら、この板ばねは
作業室内部で有限のスペ−スをとり、このスペ−スが、
冷却ヘッドの有効性を減少させるデッドスペ−スを形成
してしまう。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
で述べた形式の冷却ヘッドを改良して、押しのけ体運動
に基づいて生じる不都合な振動もしくは衝撃が充分に減
衰されているような冷却ヘッドを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の構成では、前記押しのけ体に、力作用形成手
段が配属されており、該力作用形成手段が、押しけ体運
動の両死点のうちのいずれか一方の方向に常に作用する
力を前記押しのけ体に加えるようになっており、前記力
が前記プランジャの方向に作用する場合に、前記シリン
ダが、絞りが設けられている導管を介して、高圧下にあ
る作業ガスのための接続部と常に接続されているか、ま
たは前記力が前記プランジャとは反対の方向に作用する
場合に、前記シリンダが、絞りが設けられている導管を
介して、低圧下にある作業ガスのための接続部と常に接
続されているようにした。
【００１７】
【発明の効果】このように構成された冷却ヘッドでは、
押しのけ体運動の有効な動的減衰が行なわれる。作業ガ
スが絞りに基づき遅延されて作業シリンダから流出する
か、もしくは作業シリンダに流入する（常に作用する力
の方向に応じて）という事実が両方向において減衰作用
を発揮するので、両死点における押しのけ体運動の逆転
に伴なう衝撃は充分に減衰されている。付加的に、常に
作用する力に抗して形成される運動方向に対しては、こ
の常に作用する力自体によって減衰が行なわれる。され
に、本発明による冷却ヘッドの利点はシ−ル部分と摩耗
部分とをあまり有しない単純な構造にあるので、保守コ
ストは小さくなる。
【００１８】
【実施例】以下に、本発明の実施例を図２〜図８につき
詳しく説明する。
【００１９】図２〜図８に示した全ての実施例におい
て、冷凍機１のケ−シング２は円筒状の区分１１と、キ
ャップ１２（冷たい端部に設けられた）と、円筒状の中
間部材１３とから成っている。パッキン１４に基づき、
押しのけ体４の「冷たい」側と「暖かい」側との確実な
隔離が保証されている。同じくパッキン１５を備えてい
て押しのけ体の「暖かい」側に配置されているプランジ
ャ６はシリンダ７に案内されている。このシリンダは中
間部材１３の構成要素である。シリンダ７は環状室１６
によって取り囲まれており、この環状室は押しのけ体４
と中間部材１３とに設けられた対応する切欠きによって
形成される。環状室１６には、中間部材１３の側で孔１
７が開口しており、この孔を介して作業室３に作業ガス
が供給される。押しのけ体側で環状室１６には、孔１８
が開口しており、この孔は、再生器５に流入するか、ま
たは同再生器から流入する作業ガスによって貫流され
る。側方の孔１９と、押しのけ体４の「冷たい」端部の
減小した直径とは、再生器５と作業室３との間に作業ガ
スの流路を形成している。
【００２０】図２、図３および図８に示した実施例で
は、環状室１６の内部に、シリンダ７を取り囲むコイル
ばね２１が配置されている。このコイルばねは押しのけ
体４と中間部材１３とに支持されていて、常に所定の
力、つまり押しのけ体４をその「冷たい」端部に向かっ
て移動させようとする力を発揮している。前記コイルば
ねは、プランジャ６の方向における押しのけ体運動が容
易に可能となるように設定されている。しかし死点への
到達前に、ガス減衰を補助するようなばね減衰が行なわ
れるので、外方に作用する衝撃が回避されている。
【００２１】シリンダ７には、孔２２が開口しており、
この孔を介して前記シリンダに作業ガスを供給すること
ができる。この孔２２には、絞り２３が設けられてお
り、この絞りは押しのけ体４の運動を減衰させるために
働く。図２、図３、図５、図６および図８に示した実施
例では、押しのけ体がその冷たい端部の方向に移動する
際に、シリンダ７に対する作業ガスの供給が制御される
ようになっており、この場合、孔２２は低圧接続部と接
続される。コイルばね２１によってまず補助された押し
のけ体運動は死点への到達前に減衰される。なぜなら
ば、作業ガスは制限された率でしか、絞り２３を通って
シリンダ７に流入することができないからである。絞り
２３は、有効な減衰が得られるように調節され得る。
【００２２】図２に示した実施例では、矢印によって示
したように絞り２３が調節可能に構成されている。付加
的に、冷凍機ケ−シングに固定された加速センサ２４が
設けられている。この加速センサは信号を制御ユニット
２５に供給し、この制御ユニットによって絞り２３の自
動的な調節を行なうことができる。このような装置を用
いると、運転状態とは無関係に最適の減衰を得ることが
できる。
【００２３】図３からは、ガス供給形式が判かる。中間
部材１３には、ケ−シング２６が固定されており、この
ケ−シングの内室２７には、駆動モ−タ２８と回転式弁
２９とが配置されている。回転式弁２９が中間部材１３
に載着している範囲には、孔１７と、中心部で別の孔３
１とが開口している。この孔３１と、絞り２３を備えた
孔２２とは横方向孔３２と接続されており、この横方向
孔は外方に案内されていて、低圧接続部３３と接続され
ている。高圧接続部は符号３４で示されていて、ケ−シ
ングの内室２７に開口している。回転式弁２９は、孔１
７に高圧下にある作業ガスと低圧下にある作業ガスとが
所望通りに交互に供給されるように構成されている。
【００２４】中間部材１３に対する回転式弁２９の密な
接触はばね３６によって確実に行なわれている。駆動モ
−タ２８は金属性の押圧ばね３７とクランプリング３８
とを用いるか（図４）、またはゴム弾性的なばねリング
４１とクランプリング４２とを用いて（図７）、ケ−シ
ング２６に保持されている。
【００２５】既に説明したように図２、図３、図８の実
施例では、押しのけ体に不断の力を加える要素が圧縮ば
ねであり、この圧縮ばねは押しのけ体４をその「冷た
い」端部に向かってシフトさせようとしている。この場
合、絞り２３を備えた孔２２は低圧接触部３３と接続さ
れている。コイルばね２１を引張ばねとして構成するこ
とも可能である。その場合には、絞り２３を備えた孔２
２が高圧接続部３４と接続されていなければならない。
【００２６】図５および図６に示した実施例では、押し
のけ体に常に加えられる力が磁気の性質である。このた
めに、中間部材１３と押しのけ体４とが永久磁石４３，
４４もしくは電磁石４５，４６を備えている。図示の実
施例において、極性（Ｎ極が互いに向かい合っている）
は、磁石が反発し合うように設定されている。したがっ
て、押しのけ体４に常に加えられる力は同じく押しのけ
体４をその「冷たい」端部に向かってシフトしようとし
ている。それ故に、絞り２３を備えた孔２２はやはり低
圧接続部３３と接続されている。磁石の極性が引き付け
合うように設定される場合には、力作用が逆になる。そ
の場合に、絞り２３を備えた孔２２は高圧接続部３４と
接続されていなければならない。
【００２７】図７に示した実施例では、中間部材１３が
コイル４７を備えており、このコイルには、押しのけ体
４で軟鉄リング４８が対応している。この構成では、コ
イル４７に電流が流れると、軟鉄リング４８が引き付け
られるので、絞り２３を備えた孔２２は高圧接続部３４
と接続されなければならない。
【００２８】図８には、分割された冷却ヘッド１の実施
例が示されている。冷凍機１とケ−シング２６とは互い
に独立していて、導管５１を介して互いに接続されてお
り、この導管は中間部材１３に設けられた孔１７のいわ
ば延長部である。導管５１の比較的大きな容積において
作業ガスはたんに往復運動するだけであり、完全な交換
は行なわれない。したがってこの導管５１を冷却するこ
とが有利になる。このために、この導管は管路５２によ
って同心的に取り囲まれている。これによって形成され
た環状室５３は冷媒、特に冷却水によって貫流されてい
る。
【００２９】孔２２を低圧接続部３３と接続するために
は、この接続が毛管によって形成されるだけで充分であ
る。孔２２の範囲に低圧が生ぜしめられることが保証さ
れていればよい。大きなガス量の流れは必要でない。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱力学的な循環プロセスの経過を示す説明図で
あって、ａはインジケ−タ線図であり、ｂ、ｃ、ｄおよ
びｅは押しのけ体の運動経過を４つの位置で示す図であ
る。
【図２】本発明による冷却ヘッドに組み込むために適し
た冷凍機の断面図である。
【図３】ガス分配ユニットを備えた本発明による冷却ヘ
ッドの断面図である。
【図４】図３に示した押圧ばねの一部を示す図である。
【図５】本発明による冷却ヘッドの別の実施例を示す断
面図である。
【図６】本発明による冷却ヘッドのさらに別の実施例を
示す断面図である。
【図７】本発明による冷却ヘッドのさらに別の実施例を
示す断面図である。
【図８】本発明による冷却ヘッドのさらに別の実施例を
示す断面図である。
【符号の説明】
１ 冷凍機 ２ ケ−シング ３ 作業室 ４ 押しのけ体 ５ 再生器 ６ プランジャ ７ シリンダ ８ ガス分配ユニット １１ 区分 １２ キャップ １３ 中間部材 １４，１５ パッキン １６ 環状室 １７，１８，１９ 孔 ２１ コイルばね ２２ 孔 ２３ 絞り ２４ 加速センサ ２５ 制御ユニット ２６ ケ−シング ２７ 室内 ２８ 駆動モ−タ ２９ 回転式弁 ３１ 孔 ３２ 横方向孔 ３３ 低圧接続部 ３４ 高圧接続部 ３６ ばね ３７ 押圧ばね ３８ クランプリング ４１ ばねリング ４２ クランプリング ４３，４４ 永久磁石 ４５，４６ 電磁石 ４７ コイル ４８ 軟鉄リング ５１ 導管 ５２ 管路 ５３ 環状室 Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶ 点 ＯＴ，ＵＴ 死点 ＨＤ 高圧 ＮＤ 低圧
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−197765（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−143059（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−299662（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F25B 9/14 530

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 冷却ヘッドであって、 ギフォ−ド／マクマホン原理により作動する冷凍機
    （１）が設けられていて、該冷凍機が、ケ−シング
    （２）内に設けられた円筒状の作業室（３）と押しのけ
    体（４）とを有しており、該押しのけ体が中心部の再生
    器（５）を備えていて、冷却ヘッドの作動時に前記作業
    室内を２つの死点の間で往復運動するようになってお
    り、 作業ガスのための接続装置が設けられていて、該接続装
    置が、低圧下にある作業ガスのための接続部と、高圧下
    にある作業ガスのための接続部と、ガス制御装置とを有
    しておりさらに、前記押しのけ体の端面に固定されたプ
    ランジャ（６）が設けられていて、該プランジャが前記
    押しのけ体（４）に比べて減径された直径を有してお
    り、前記プランジャ（６）にシリンダ（７）が配属され
    ていて、該シリンダに、作業ガスを供給するための導管
    が開口している形式のものにおいて、 前記押しのけ体（４）に、力作用形成手段（２１；４
    ３，４４；４５，４６；４７）が配属されており、該力
    作用形成手段が、押しのけ体運動の両死点のうちのいず
    れか一方の方向に常に作用する力を前記押しのけ体
    （４）に加えるようになっており、 前記力が前記プランジャ（６）の方向に作用する場合
    に、前記シリンダ（７）が、絞り（２３）が設けられて
    いる導管（２２）を介して、高圧下にある作業ガスのた
    めの接続部と常に接続されていているか、または前記力
    が前記プランジャ（６）とは反対の方向に作用する場合
    に、前記シリンダ（７）が、絞り(２３)が設けられてい
    る導管（２２）を介して、低圧下にある作業ガスのため
    の接続部と常に接続されていることを特徴とする冷却ヘ
    ッド。
  2. 【請求項２】 押しのけ体（４）に対する力作用を形成
    するために、ばね（２１）が設けられている、請求項１
    記載の冷却ヘッド。
  3. 【請求項３】 押しのけ体（４）に対する力作用を形成
    するために、電磁石（４５，４６）または永久磁石（４
    ３，４４）が設けられている、請求項１記載の冷却ヘッ
    ド。
  4. 【請求項４】 押しのけ体（４）に対する力作用を形成
    するために、コイル（４７）と軟鉄コア(４８)とが設け
    られている、請求項１記載の冷却ヘッド。
  5. 【請求項５】 前記絞り（２３）が調節可能である、請
    求項１から４までのいずれか１項記載の冷却ヘッド。
  6. 【請求項６】 冷却ヘッドのケ−シング（１１，２６）
    に加速センサ（２４）が固定されており、該加速センサ
    （２４）から供給された信号に関連して前記絞り（２
    ３）を調節するための制御手段（２５）が設けられてい
    る、請求項５記載の冷却ヘッド。
  7. 【請求項７】 冷凍機（１）のケ−シング（２）が円筒
    状の区分（１１）と、冷たい端部を形成するキャップ
    （１２）と、中間部材（１３）とから成っており、前記
    プランジャ（６）に対応する前記シリンダ（７）が前記
    中間部材（１３）の構成要素である、請求項１から６ま
    でのいずれか１項記載の冷却ヘッド。
  8. 【請求項８】 前記シリンダ（７）が環状室（１６）に
    よって取り囲まれており、該環状室に、押しのけ体に作
    用する力を形成するための力作用形成手段（２１；４
    ３，４４；４５；４６；４７）が設けられている、請求
    項７記載の冷却ヘッド。
  9. 【請求項９】 前記環状室（１６）に、作用ガスによっ
    て貫流される導管区分（１７，１８）が開口している、
    請求項８記載の冷却ヘッド。
  10. 【請求項１０】 冷凍機（１）と、ガス分配ユニットの
    ケ−シング（２６）とが別個の構成部分であり、両構成
    部分が作業ガス用の冷却された導管（５１）を介して互
    いに接続されている、請求項１から９までのいずれか１
    項記載の冷却ヘッド。
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DE90101004.1 1990-01-18
EP90101004A EP0437661B1 (de) 1990-01-18 1990-01-18 Kaltkopf mit einem nach dem Gifford/Mc Mahon-Prinzip arbeitenden Refrigerator

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JPH05118689A JPH05118689A (ja) 1993-05-14
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