JP3584766B2 - 冷凍機用コールドヘッド - Google Patents

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】
スターリング冷凍機、パルスチューブ冷凍機、あるいはＧＭ冷凍機といった蓄冷機式冷凍機には、先端をコールドステージで閉塞させたシリンダを有するコールドヘッドと呼ばれる部品がある。以下、図３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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の冷凍機に使用されるコールドヘッドでは、図４に示すように、ステンレス製のシリンダ５１の先端に、シリンダ５１の外径に実質上一致する内径の円筒部を有する銅製のコールドステージ７１が蝋付けされている。
【００２０】
コールドステージは、冷凍機と被冷却物とのインターフェースとなるものである。つまり、コールドステージには、例えばサファイアやセラミック等の絶縁物が被冷却物として固定される。この被冷却物とコールドステージとの間に熱膨張係数の大きな差が存在すると、熱変形による応力により、被冷却部が破損する恐れがある。
【００２１】
本発明は、コールドステージに固定された被冷却物の破損の恐れの少ない冷凍機用コールドヘッドを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、円筒形シリンダと、該円筒形シリンダの先端を塞ぐように固定されたコールドステージと、を備えた冷凍機用コールドヘッドにおいて、前記円筒形シリンダがステンレス製であり、前記コールドステージが鉄・ニッケル・コバルト合金鋼製であることを特徴とする冷凍機用コールドヘッド。
【００２４】
また、前記シリンダと前記コールドステージとは溶接により互いに固定される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００２６】
図１を参照して、本発明の一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、例えばステンレス製で、柱面状、例えば円柱面状の内周面を有する。
【００２７】
シリンダ１１の一端は、コールドステージ１９により閉塞され、他端は外枠１７で塞がれている。コールドステージ１９は、例えば、ニッケル鋼又はニッケル合金鋼、例えば、鉄・ニッケル・コバルト合金鋼製のもので、図２に示すように、シリンダ１１の内径に実質上等しい外径の円柱部を有し、この円柱部をシリンダ１１内に挿入した状態で、ＥＢＷ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｗｅｌｄｉｎｇ）やＴＩＧ溶接（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ）等の溶接によりシリンダに固定される。
【００２８】
図１に戻ると、シリンダ１１の内部空洞内には、ディスプレーサ１２が挿入されている。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１１の内周面との間には、微小な間隙を画定されており、図３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。
【００２９】
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３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。
【００３０】
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。
【００３１】
なお、本発明は、図３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、図３のガス圧縮機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。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、コールドステージとして、ニッケル鋼製又はニッケル合金鋼製のものを用いたことで、コールドステージに固定される被冷却物の破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による冷凍機用コールドヘッドの断面図である。
【図２】図１のシリンダーの先端を拡大した拡大図である。
【図３】従来のスターリング冷凍機の断面図である。
【図４】図３のシリンダーの先端を拡大した拡大図である。
【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
１９ コールドステージ
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

Claims (3)

1. 円筒形シリンダと、該円筒形シリンダの先端を塞ぐように固定されたコールドステージと、を備えた冷凍機用コールドヘッドにおいて、
   前記円筒形シリンダがステンレス製であり、前記コールドステージが鉄・ニッケル・コバルト合金鋼製であることを特徴とする冷凍機用コールドヘッド。
2. 前記シリンダと前記コールドステージとが溶接により互いに固定されていることを特徴とする請求項１の冷凍機用コールドヘッド。
3. 前記コールドステージが、前記シリンダの内径と実質上同じ外径の円柱部を有し、該円柱部が前記シリンダに挿入されていることを特徴とする請求項１又は２の冷凍機用コールドヘッド。

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