JP3588714B2 - 冷凍機 - Google Patents

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    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/001Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス圧縮機とコールドヘッドとで構成されるスターリング冷凍機のような蓄冷式冷凍機に関する。
【0002】
【従来の技術】
図5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】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の冷凍機は、様々な環境下で使用することが考えられる。例えば、大気中ではない様々なガス雰囲気中で使用されたり、大気中であっても塩害が考えられる場所、あるいは降雨量の多い場所がある。また、実験のために低真空中、あるいは大気圏外の高真空中で使用される場合もある。これに対し、これまでのこの種の冷凍機は、ガス圧縮機本体は炭素鋼、コールドヘッドにおけるシリンダホルダは銅のような材料が使用されており、上記の様々な環境下で使用するには適していない。
【0017】
一方、図5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、シリンダ51の先端にコールドステージを設け、このコールドステージには絶縁材料を介して赤外線センサのような各種のセンサが装着される。一方、センサに対応する真空容器の先端にはGe(ゲルマニウム)のような材料から成る光学窓が設けられる。いずれにしても、このような真空容器を備えた冷凍機を使用して光学(電磁波を含む)実験を行ったり、移動体通信用の電磁波受信機として使用される場合がある。このような場合には、真空容器内での光あるいは電磁波の乱反射を防ぐ必要がある。
【0018】
そこで、本発明の課題は、使用される環境の影響を受けない冷凍機を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、圧縮機側シリンダと、該圧縮機側シリンダ内に配置され、前記圧縮機側シリンダとの間に圧縮室を形成しているピストンと、該ピストンを、前記圧縮機側シリンダ内でその軸方向に往復運動させる往復駆動手段とを有するガス圧縮機と、一端が閉塞されたヘッド側シリンダと、該ヘッド側シリンダの他端に取り付けられ、前記ヘッド側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、前記ヘッド側シリンダ内に配置され、内部に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、前記ヘッド側シリンダ内でその軸方向に移動可能に支持する支持手段とを有するコールドヘッドと、前記ガス圧縮機の前記圧縮室と前記コールドヘッドにおける前記シリンダホルダと前記ディスプレーサとの間に画定された空間とを接続する接続手段とを備え、前記ガス圧縮機の外周面、前記コールドヘッドの外周面を表面処理し、前記表面処理として、前記ガス圧縮機の外周面には金被膜あるいは光沢・無光沢ニッケル被膜を形成し、前記コールドヘッドにおける前記シリンダホルダの外周面及び前記ヘッド側シリンダの先端におけるコールドステージには金被膜を形成したことを特徴とする冷凍機が提供される。
【0022】
本発明によればまた、圧縮機側シリンダと、該圧縮機側シリンダ内に配置され、前記圧縮機側シリンダとの間に圧縮室を形成しているピストンと、該ピストンを、前記圧縮機側シリンダ内でその軸方向に往復運動させる往復駆動手段とを有するガス圧縮機と、一端が閉塞されたヘッド側シリンダと、該ヘッド側シリンダの他端に取り付けられ、前記ヘッド側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、前記ヘッド側シリンダ内に配置され、内部に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、前記ヘッド側シリンダ内でその軸方向に移動可能に支持する支持手段とを有するコールドヘッドと、前記ガス圧縮機の前記圧縮室と、前記コールドヘッドにおける前記シリンダホルダと前記ディスプレーサとの間に画定された空間とを接続する接続手段とを備え、前記ガス圧縮機の外周面、前記コールドヘッドの外周面を表面処理し、前記シリンダホルダに更に、前記シリンダを内包するように真空容器が取付けられており、前記表面処理として、前記ガス圧縮機の外周面には光沢・無光沢ニッケル被膜を形成し、前記コールドヘッドにおける前記シリンダホルダの外周面及び前記ヘッド側シリンダの先端におけるコールドステージには金被膜あるいは光沢・無光沢ニッケル被膜を形成し、前記ヘッド側シリンダの外周面及び前記真空容器の内周面には黒色クロム被膜あるいは無電解ニッケル被膜を形成したことを特徴とする冷凍機が提供される。
【0023】
【発明の実施の形態】
はじめに、図1を参照して、本発明が適用されるスターリング冷凍機について説明する。本発明が適用される冷凍機は、インテグラル式(圧縮機と冷凍部とが一体に形成されているもの)、スプリット式(圧縮機と冷凍部とが個別に形成され、キャピラリチューブ等で接続されているもの)のいずれでも良いが、以下ではスプリット式に適用して説明する。
【0024】
図1において、ガス圧縮機1は、図5で説明したものと原理的には同じであり、一対のガス圧縮部を有している。ここでは、図中左側のガス圧縮部について説明する。ガス圧縮機1は、シリンダ(圧縮機側シリンダ)2と、シリンダ2との間に圧縮室を形成するようにシリンダ2内に配置されたピストン3と、シリンダ2を保持している鉄等の磁性材料から成るヨーク4と、ヨーク4と共に閉空間を形成しているケース5とを有する。ヨーク4は、シリンダ2の保持部材、後述する磁気回路形成のための継鉄、ケースの一部として作用する。すなわち、ヨーク4は、その外周面が露出している。
【0025】
ピストン3を、シリンダ2内でその軸方向に往復運動させる往復駆動機構は、シリンダ2と同心状になるようにヨーク4に形成された環状の空間の内壁に固定された環状の永久磁石6と、永久磁石6に対向しつつ環状の空間内を軸方向に移動可能なように配置された環状の可動コイル7と、可動コイル7とピストン3とを連結している連結部材8とを含む。ピストン3における圧縮室とは反対側の端部とケース5の内部端面との間にはコイルばね9が設けられている。勿論、コイルばねに代えて板ばねが用いられても良い。
【0026】
一方、コールドヘッド10は、シリンダ(ヘッド側シリンダ)11、ディスプレーサ12、コイルばね13、及びシリンダホルダ14を含んで構成される。シリンダ11の一端は閉塞され、他端はシリンダホルダ14で塞がれている。シリンダホルダ14におけるシリンダ11と反対側の端部は蓋部材14−1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。シリンダ11の一端とディスプレーサ12との間に、膨張空間が画定され、ディスプレーサ12とシリンダホルダ14との間に、無効空間が画定される。ディスプレーサ12の内部構造は、図5で説明したものと同じであり、膨張空間と無効空間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。シリンダ11の一端にはコールドステージ16が取付けられている。このコールドステージ16には、絶縁材料を介して赤外線センサのような各種センサが装着される。
【0027】
ディスプレーサ12は、無効空間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。無効空間は、キャピラリチューブ19を介してガス圧縮機1の圧縮室に連通している。
【0028】
次に、図2を参照して、本発明の第1の実施の形態について説明する。本形態においては、ガス圧縮機1の外周面、特にヨーク4の外周面(網目を施した領域)には光沢・無光沢ニッケルメッキを施し、コールドヘッド10におけるシリンダホルダ14の外周面、特に斜線を施した領域とシリンダ11の先端におけるコールドステージ16には金メッキあるいは光沢・無光沢ニッケルメッキを施す。なお、ガス圧縮機1、シリンダホルダ14において表面処理されない部分には、ステンレス鋼のような耐腐食性の良い材料が使用されている。
【0029】
この第1の形態は、大気中での使用(塩害や降雨量の多い場所を問わない)に適している。すなわち、圧縮機本体が鉄等の炭素鋼のような場合でも、水分その他による腐食を防止できる。一方、シリンダホルダ14が銅のような場合でも、表面腐食を防止することができる。
【0030】
図3を参照して、本発明の第2の実施の形態について説明する。本形態においては、ガス圧縮機1の外周面、特にヨーク4の外周面(網目を施した領域)には金メッキあるいは光沢・無光沢ニッケルメッキを施し、コールドヘッド10におけるシリンダホルダ14の外周面、特に斜線を施した領域とシリンダ11の先端におけるコールドステージ16には金メッキを施す。ガス圧縮機1、シリンダホルダ14において表面処理されない部分には、ステンレス鋼のような耐腐食性の良い材料が使用されているが、バフ研磨等の表面処理が行われる場合もある。
【0031】
この第2の形態は、地上での低真空施設内での実験や、大気圏外の高真空環境下での使用に適している。これは、真空中に露出する部分は、表面層が安定した状態の材質が好ましいからである。その理由は、製造中、あるいは保管中に表面が酸化又は腐食してしまい、そこからの放出ガスが増大してしまうからである。また、表面酸化や腐食により熱放射率の数値が大きくなり、冷却部分の熱侵入が大きくなるからである。金による被膜は、真空中での安定性に優れている。
【0032】
図4を参照して、本発明の第3の実施の形態について説明する。本形態においては、シリンダホルダ14に更に、シリンダ11を内包するように真空容器17が取付けられている。真空容器17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。コールドステージ16に装着されるセンサが赤外線センサの場合には、シリンダホルダ17の先端にはGeによる光学窓18が設けられる。この光学窓18を通して赤外線の検出が行われる。冷凍機は、赤外線センサを一定温度に維持するために使用される。
【0033】
本形態においては、ガス圧縮機1の外周面、特にヨーク4の外周面(網目を施した領域)には光沢・無光沢ニッケルメッキを施し、コールドヘッド10におけるシリンダホルダ14の外周面、特に斜線を施した領域とシリンダ11の先端におけるコールドステージ16には金メッキあるいは光沢・無光沢ニッケルメッキを施し、シリンダ11の外周面及び真空容器17の内周面には黒色クロムメッキあるいは無電解ニッケルメッキを施す。ガス圧縮機1、シリンダホルダ14、真空容器17において表面処理されない部分には、ステンレス鋼のような耐腐食性の良い材料が使用されている。
【0034】
以上、3つの実施の形態についていずれも表面処理をメッキにより行う場合について説明したが、表面処理の方法はメッキに限らず、樹脂のコーティングやスパッタリングあるいは金属蒸着による方法を用いても良い。また、表面処理をどの時点、すなわち部品状態あるいは中間製品状態更には完成状態のいずれで行うのかは任意である。
【0035】
なお、本発明は、図5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)にも適用可能である。
【0036】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、冷凍機の各部をその使用環境に応じて表面処理することにより、様々な環境下においてその影響を受けることなく長寿命化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用されるスターリング冷凍機の概略構成を示した断面図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態によるガス圧縮機とコールドヘッドとを示した図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態によるガス圧縮機とコールドヘッドとを示した図である。
【図4】本発明の第3の実施の形態によるガス圧縮機とコールドヘッドとを示した図である。
【図5】本出願人により提案されているスターリング冷凍機を示した断面図である。
【符号の説明】
1、20 ガス圧縮機
2、11、51 シリンダ
3、24 ピストン
4 ヨーク
5 ケース
6、37 永久磁石
7 可動コイル
8 連結部材
9、13、53 コイルばね
10、50 コールドヘッド
12、52 ディスプレーサ
14 シリンダホルダ
16 コールドステージ
17 真空容器
18 光学窓
19、45 キャピラリチューブ

Claims (2)

  1. 圧縮機側シリンダと、該圧縮機側シリンダ内に配置され、前記圧縮機側シリンダとの間に圧縮室を形成しているピストンと、該ピストンを、前記圧縮機側シリンダ内でその軸方向に往復運動させる往復駆動手段とを有するガス圧縮機と、
    一端が閉塞されたヘッド側シリンダと、該ヘッド側シリンダの他端に取り付けられ、前記ヘッド側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、前記ヘッド側シリンダ内に配置され、内部に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、前記ヘッド側シリンダ内でその軸方向に移動可能に支持する支持手段とを有するコールドヘッドと、
    前記ガス圧縮機の前記圧縮室と前記コールドヘッドにおける前記シリンダホルダと前記ディスプレーサとの間に画定された空間とを接続する接続手段とを備え、
    前記ガス圧縮機の外周面、前記コールドヘッドの外周面を表面処理し
    前記表面処理として、前記ガス圧縮機の外周面には金被膜あるいは光沢・無光沢ニッケル被膜を形成し、前記コールドヘッドにおける前記シリンダホルダの外周面及び前記ヘッド側シリンダの先端におけるコールドステージには金被膜を形成したことを特徴とする冷凍機。
  2. 圧縮機側シリンダと、該圧縮機側シリンダ内に配置され、前記圧縮機側シリンダとの間に圧縮室を形成しているピストンと、該ピストンを、前記圧縮機側シリンダ内でその軸方向に往復運動させる往復駆動手段とを有するガス圧縮機と、
    一端が閉塞されたヘッド側シリンダと、該ヘッド側シリンダの他端に取り付けられ、前記ヘッド側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、前記ヘッド側シリンダ内に配置され、内部に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、前記ヘッド側シリンダ内でその軸方向に移動可能に支持する支持手段とを有するコールドヘッドと、
    前記ガス圧縮機の前記圧縮室と、前記コールドヘッドにおける前記シリンダホルダと前記ディスプレーサとの間に画定された空間とを接続する接続手段とを備え、
    前記ガス圧縮機の外周面、前記コールドヘッドの外周面を表面処理し、
    前記シリンダホルダには更に、前記シリンダを内包するように真空容器が取付けられており、前記表面処理として、前記ガス圧縮機の外周面には光沢・無光沢ニッケル被膜を形成し、前記コールドヘッドにおける前記シリンダホルダの外周面及び前記ヘッド側シリンダの先端におけるコールドステージには金被膜あるいは光沢・無光沢ニッケル被膜を形成し、前記ヘッド側シリンダの外周面及び前記真空容器の内周面には黒色クロム被膜あるいは無電解ニッケル被膜を形成したことを特徴とする冷凍機。
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