JP3584762B2 - Method of manufacturing cold head vacuum vessel for refrigerator - Google Patents
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Description
【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蓄冷式冷凍機システムに使用されるコールドヘッドに関し、特にコールドヘッドにおけるシリンダを密封するために設けられる真空容器の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図4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)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23、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27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29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36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28に固定されている。
【0008】
電磁コイル40に、電流リード43及び44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】
ところで、図4に示されたシリンダ51を更に真空容器内に収容するようにした冷凍機も知られている(例えば、特開平9−119728)。この冷凍機においては、図4の外枠57に対応する部分に真空容器を取付けるためのフランジを有しており、このフランジに真空容器が取付けられる。
【0019】
真空容器の先端部には開口が設けられており、この開口を塞ぐように光学窓が取付けられている。以下に、図5、図6を参照して、光学窓の取付け構造について説明する。
【0020】
図5において、シリンダ71の先端にコールドステージ72が取付けられ、このコールドステージ72には絶縁材料を介して赤外線センサ73が装着されている。コールドヘッドは赤外線センサ73を冷却するために用いられる。シリンダ71内の構造は図4で説明したものと同じであり、シリンダ71と外枠74との関係も図4と同様である。外枠74のフランジ部に真空容器75がボルト締め等により取付けられている。真空容器75は、シリンダ71の周囲を気密保持するためのものであり、その先端には開口75aを有する。そして、この開口75aを塞ぐように光学窓76が取付けられている。この光学窓76は、特定波長の電磁波を透過するためのものであり、例えばGe(ゲルマニウム)から成り、高分子系接着剤により開口75aの周縁部において接着されている。
【0021】
図6において、図5と同様に、シリンダ71の先端にコールドステージ72が取付けられ、このコールドステージ72には絶縁材料を介して赤外線センサ73が装着されている。外枠74のフランジ部にはシリンダ71の周囲を気密保持するための真空容器80がボルト締め等により取付けられている。真空容器80の先端には円形状の板81が一体化されており、この板の中心部には開口81aが設けられている。板81の表面側には光学窓76を受けるための凹部81bが形成されている。凹部81bには更に環状の溝81cが設けられ、この溝81cにはO−リング82が収容されている。光学窓76は、板81の表面側に突き合わされる保持板83により凹部81bに固定保持される。保持板83は、光学窓76に対応する領域に開口83aを有し、ボルト等により板81に取付けられている。
【0022】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような光学窓の取付け構造では、以下のような問題点がある。
【0023】
図5の例では、真空封じ切りに際して、高分子系接着剤から不純物が発生し、真空容器75内を汚染するという問題点がある。
【0024】
一方、図6の例では、O−リング82においてガスの透過があり、真空度の劣化が生ずるという問題点がある。
【0025】
そこで、本発明の課題は、真空容器に取付けられる光学窓の取付け構造を改良して気密性を向上させることのできる冷凍機用コールドヘッドの真空容器の製造方法を提供することにある。
【0027】
【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シリンダホルダと、前記シリンダ内に配置さ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、前記シリンダを内包するように前記シリンダホルダに取付けられた真空容器とを有し、前記真空容器は、その先端に開口を有し、しかも該開口を塞ぐように取付けられた光学窓を有している冷凍機用コールドヘッドにおける真空容器の製造方法であって、前記真空容器の開口の周縁部にインジウムによる溶接材層をイオンボンディングにより形成し、前記光学窓における前記開口の周縁部に対応する領域にも前記溶接材層と同じインジウムによる溶接材層をイオンボンディングにより形成し、これらを真空槽内に入れ、前記真空容器側の溶接材層と前記光学窓の溶接材層とを合わせた状態で該真空槽内で加熱することにより前記光学窓を前記真空容器に溶接して当該真空容器内部を真空とすることを特徴とする真空容器の製造方法が提供される。
【0029】
【発明の実施の形態】
図1を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図1では、シリンダ11とシリンダホルダ12(図4の外枠57に対応)とは外側のみを示しており、コールドヘッドとしての内部構造は図4に示されたものと同じである。シリンダ11の先端にはコールドステージ18が取付けられ、このコールドステージ18には絶縁材17を介して赤外線センサ14が装着されている。
【0030】
真空容器13は、シリンダホルダ12のフランジ部に溶接により接続される。シリンダホルダ12は、Ni合金、Fe−Ni−Co合金等から成り、真空容器13は、シリンダホルダ12に対してEBW、TIG溶接、レーザ溶接可能な材料、例えばSUSで構成される。13−2は溶接時の熱歪みが周囲に広がらないようにするための溶接リップである。
【0031】
真空容器13は、シリンダ11の周囲を真空に保持するためのものであり、これは前に述べた特開平9−119728において説明されている。シリンダホルダ13の先端には開口13aが設けられ、この開口13aを塞ぐようにGeによる光学窓19が後で述べる溶接により取付けられている。この光学窓19を通して赤外線センサ14により赤外線の検出が行われる。赤外線センサ14で検出された信号は、リード線15により気密端子16に導かれ真空容器13外に導出される。
【0032】
図2、図3をも参照して、光学窓19の溶接方法について説明する。図2(a)において、真空容器13の開口13aの周縁部に、環状の溶接材層10−1をイオンボンディングにより形成する。溶接材層10−1の材料としては、インジウム等が使用される。一方、図2(b)において、光学窓19の周縁部、すなわち真空容器13における開口13aの周縁部に対応する領域にも溶接材層10−1と同じ材料による溶接材層10−2をイオンボンディングにより形成する。イオンボンディングには、例えばスパッタ法が採用される。
【0033】
そして、図3に示すように、真空容器13側の溶接材層10−1と光学窓19の溶接材層10−2とを合わせた状態で加熱することにより光学窓19を真空容器13に溶接する。加熱は真空雰囲気中で行われ、加熱温度は、例えば160℃程度で良い。このようにして、図1に示すように、光学窓19がその周縁部において真空容器13の凹部に溶接された構造が得られる。そして、このような気密溶接構造によれば、真空容器13内の気密性を向上させることができる。
【0034】
なお、本発明は、図4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、例えばパルス管冷凍機(例えば、特許第2780934号に開示)やGM冷凍機にも適用可能である。
【0035】
【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シリンダを収容している真空容器に設けられる光学窓の取付け構造を改良したことにより、真空容器内の気密性を向上させることができる。また、O−リングを使用しないので、真空容器の外径を小さくでき、小型化できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態による冷凍機用コールドヘッドにおける真空容器の構造を示した断面図である。
【図2】図1に示された真空容器における光学窓の取付け構造を説明するために、真空容器を図1の矢印A方向から見た図(図(a))、及び光学窓を矢印A方向とは反対方向から見た図(図(b))である。
【図3】図1に示された真空容器における光学窓の取付け構造を説明するために、真空容器と光学窓の一部を側面から見た断面図である。
【図4】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5】従来の真空容器における光学窓の取付け構造の一例を説明するための部分断面図である。
【図6】従来の真空容器における光学窓の取付け構造の他の例を説明するための部分断面図である。
【符号の説明】
10−1 10−2 溶接材層
11、51 シリンダ
12 シリンダホルダ
13 真空容器
14、73 赤外線センサ
15 リード線
16 気密端子
17 絶縁材
18、72 コールドステージ
19、76 光学窓
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
45 キャピラリチューブ
50 コールドヘッド
52 ディスプレーサ
53 コイルばね
54 シール部材
55 膨張空間
56 無効空間
57 外枠
58 ガス流路
59 蓄冷材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a cold head for use in cold accumulation refrigerator system, such as a Stirling refrigerator, a method for manufacturing a vacuum container provided in particular for sealing the cylinder at the cold head.
[0002]
[Prior art]
A Stirling refrigerator already filed by the present applicant (Japanese Patent Application No. 10-236111) will be described with reference to FIG. This Stirling refrigerator includes a
[0003]
The
[0004]
A
[0005]
The
[0006]
An annular gap 36 is formed in the
[0007]
An electromagnetic coil 40 is inserted into the gap 36 so as to link with the magnetic circuit. The electromagnetic coil 40 is fixed to the
[0008]
A current is supplied to the electromagnetic coil 40 via current leads 43 and 44. The current leads 43 and 44 include a coil spring for connecting between the bearing support member 34 fixed to the
[0009]
The space in which the
[0010]
The
[0011]
An
[0012]
The
[0013]
The operating principle of such a Stirling refrigerator is described in detail in the above-mentioned application specification, and will be briefly described below.
[0014]
When an alternating current having a predetermined frequency is applied to the electromagnetic coil 40, the
[0015]
By repeatedly supplying and exhausting the refrigerant gas to and from the
[0016]
The thrust bearings 27 and 29 support the
[0017]
It is preferable to use vacuum grease for the thrust bearings 27 and 29. The use of vacuum grease can prevent contamination of the refrigerant gas. Further, as the thrust bearings 27 and 29, for example, a linear bearing such as a linear ball bearing LB type manufactured by NSK Corporation can be used. Further, a slide bearing may be used instead of the linear bearing. In the above example, the case where the radial position of the
[0018]
Meanwhile, a refrigerator in which the
[0019]
An opening is provided at the tip of the vacuum container, and an optical window is attached so as to close this opening. Hereinafter, the mounting structure of the optical window will be described with reference to FIGS.
[0020]
In FIG. 5, a
[0021]
6, similarly to FIG. 5, a
[0022]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described optical window mounting structure has the following problems.
[0023]
In the example of FIG. 5, there is a problem that impurities are generated from the polymer-based adhesive at the time of vacuum sealing and the inside of the
[0024]
On the other hand, in the example of FIG. 6, there is a problem that the gas permeates through the O-
[0025]
Therefore, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a vacuum container of a cold head for a refrigerator, which can improve the mounting structure of an optical window mounted on the vacuum container and improve airtightness.
[0027]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a cylinder of which one end is closed, is attached to the other end of the cylinder, the cylinder holder to define a closed space together with the cylinder, a display sub disposed within said cylinder, said displacer , the cylinder holder so as to include the support means the outer peripheral surface of the displacer is disposed oppositely across the inner circumferential surface with a small gap between the cylinder and is movable in the axial direction of the cylinder, the pre-Symbol cylinder Manufacturing a vacuum vessel in a cold head for a refrigerator having an attached vacuum vessel, the vacuum vessel having an opening at an end thereof, and having an optical window attached so as to close the opening. Forming a welding material layer of indium on the periphery of the opening of the vacuum vessel by ion bonding, and forming the opening in the optical window. In the region corresponding to the peripheral portion of the welding material layer is formed by ion bonding the same indium as the welding material layer, and these are put in a vacuum chamber, and the welding material layer on the vacuum vessel side and the welding material on the optical window are placed. A method for manufacturing a vacuum vessel is provided, wherein the optical window is welded to the vacuum vessel by heating the inside of the vacuum vessel in a state in which the layers are combined, and the inside of the vacuum vessel is evacuated .
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows only the outside of the cylinder 11 and the cylinder holder 12 (corresponding to the
[0030]
The
[0031]
The
[0032]
The method of welding the
[0033]
Then, as shown in FIG. 3, the
[0034]
Note that the present invention is not limited to the Stirling refrigerator described with reference to FIG. 4, but can be applied to other gas compressors, for example, a pulse tube refrigerator (for example, disclosed in Japanese Patent No. 2780934) and a GM refrigerator.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the airtightness in the vacuum vessel can be improved by improving the mounting structure of the optical window provided in the vacuum vessel containing the cylinder in the cold head. Further, since the O-ring is not used, there is an advantage that the outer diameter of the vacuum vessel can be reduced and the size can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a vacuum vessel in a cold head for a refrigerator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view (FIG. 2A) of the vacuum container viewed from the direction of arrow A in FIG. 1 and FIG. It is the figure (FIG.2 (b)) seen from the direction opposite to the direction.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a part of the vacuum vessel and the optical window as viewed from a side, for describing a mounting structure of an optical window in the vacuum vessel shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a sectional view showing an example of a Stirling refrigerator to which the present invention is applied.
FIG. 5 is a partial cross-sectional view illustrating an example of a mounting structure of an optical window in a conventional vacuum vessel.
FIG. 6 is a partial cross-sectional view for explaining another example of the mounting structure of the optical window in the conventional vacuum vessel.
[Explanation of symbols]
10-1 10-2
Claims (1)
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シリンダホルダと、
前記シリンダ内に配置さ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、
前記シリンダを内包するように前記シリンダホルダに取付けられた真空容器とを有し、
前記真空容器は、その先端に開口を有し、しかも該開口を塞ぐように取付けられた光学窓を有している冷凍機用コールドヘッドにおける真空容器の製造方法であって、
前記真空容器の開口の周縁部にインジウムによる溶接材層をイオンボンディングにより形成し、
前記光学窓における前記開口の周縁部に対応する領域にも前記溶接材層と同じインジウムによる溶接材層をイオンボンディングにより形成し、
これらを真空槽内に入れ、前記真空容器側の溶接材層と前記光学窓の溶接材層とを合わせた状態で該真空槽内で加熱することにより前記光学窓を前記真空容器に溶接して当該真空容器内部を真空とすることを特徴とする真空容器の製造方法。A cylinder with one end closed,
A cylinder holder attached to the other end of the cylinder and defining a closed space with the cylinder;
A display support disposed within said cylinder,
A support means for supporting the displacer such that the outer peripheral surface of the displacer faces the inner peripheral surface of the cylinder with a small gap therebetween, and movably supports the cylinder in the axial direction ;
Before SL and a vacuum container mounted on said cylinder holder so as to include a cylinder,
The vacuum container has an opening at its tip, and a method for manufacturing a vacuum container in a cold head for a refrigerator having an optical window attached so as to close the opening,
Forming a welding material layer of indium on the periphery of the opening of the vacuum vessel by ion bonding,
A region corresponding to the periphery of the opening in the optical window is also formed by ion bonding with a welding material layer of indium, which is the same as the welding material layer,
Taking these into the vacuum chamber, and welding the optical window to the vacuum vessel by heating in vacuum chamber in a state in which a combination of the welding material layer of the vacuum container side said optical window and a welding material layer A method for manufacturing a vacuum container, wherein the inside of the vacuum container is evacuated .
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