JPH01114671A

JPH01114671A - 冷却機

Info

Publication number: JPH01114671A
Application number: JP27099687A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Kazumoto; 数本　芳男; Tamotsu Nomaguchi; 野間口　有
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-10-27
Filing date: 1987-10-27
Publication date: 1989-05-08

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、スターリング冷却機のような赤外線素子の
冷却、ガス液化、冷凍、冷蔵等に用いられるガス冷却機
に間するものである。

［従来の技術］第４図は、例えば特公昭５４−２８９８０号公報に開示
された従来のフリーディスプレーサ型のスターリング冷
却機の概略構成を示す断面側面図である。図において、
ｌはシリンダであり、このシリンダ１の内部でピストン
２の往復運動を行う。

３はコールドフィンガであり、作動ガスの圧力変動によ
って往復運動するディスプレーサ４を内包すると共に、
その下部は連通管５によりシリンダｌと連通している。

ディスプレーサ４の上部の作動表面４ｂは膨張空間６の
境界をなしており、この膨張空間６はピストン２の上部
の作動表面２ａとディスプレーサ４の下部の作動表面４
ａの間にある圧縮空間７と共に作動空間を構成する。デ
ィスプレーサ４内に備える蓄熱器８は中心孔９を経てそ
の下側の作動ガスに通ずると共に、また中心孔ｌＯと半
径方向流通ダク）１１を経て上側の作動ガスに通ずるこ
とができる。また、この機械では彫版させられた冷作動
ガスと冷却すべき物体の間の熱交換のための熱交換器と
してフリーザ１２を備える。

ピストン２とシリンダｌの壁の間にはシール１３．１４
を備え、ディスプレーサ４とコールドフィンガ３の間に
はシール１５．１６を備える。また、ピストン２はその
下側に硬紙又はアルミニウムのごとき非磁性及び非磁化
材料から成る軽量のスリーブ１７を備える。スリーブ１
７には導電体を巻き付けてコイル１８を形成し、このコ
イル１８にはシリンダ１の壁を通すリード線１９．２０
に接続され、これらのリード線１９．２０はシリンダｌ
の外部でそれぞれ電気端子２１．２２に接続されている
。コイル１８はピストン２の軸線方向に環状間隙２３内
で往復運動でき、この環状間隙２３内には電機子磁界が
存在している。この電機子磁界の力線はコイル１８の移
動方向を横切る半径方向に延びている。この場合、永久
磁界は上側と下側に磁極を持つ環状永久磁石２４．軟鉄
環状ディスク２５．軟鉄シリンダ２６及び軟鉄円形ディ
スク２７を用いて得られる。環状永久磁石２４と軟鉄環
状ディスク２５．軟鉄シリンダ２６及び軟鉄円形ディス
ク２７は一体となって閉磁気回路を構成し、すなわち閉
磁力線回路を構成する。

以上述べたスリーブ１７．コイル１８．　　リード線１
９．２０．　　環状間隙２３．環状永久磁石２４゜軟鉄
環状ディスク２５．軟鉄シリンダ２６及び軟鉄円形ディ
スク２７は全体としてピストン駆動用のりニアモータ２
８を構成している。また、ピストン２及びディスプレー
サ４はそれぞれピストン用弾性部材２９とディスプレー
サ用弾性部材３０を介してシリンダ１及びコールドフィ
ンガ３内に往復動可能に係合され、ピストン２及びディ
スプレーサ４の静止時の固定位置及び運転時の中立位置
を定めている。

次に、上記した従来のスターリング冷却機の動作につい
て説明する。電気端子２１．２２に系の共振周波数に等
しい交流電源（図示しない）を接続すると、環状間隙２
３の動系方向の永久磁界の影響を受けてコイル１８には
軸方向のローレンツ力が働き、その結果、反力としてピ
ストン２．スリーブ１７及びコイル１８から構成される
組立体とピストン用弾性部材２９から成る系は共振状態
となり、上記組立体は軸方向に振動する。ピストン２の
振動は、圧縮空間７．膨張空間６．連通管５、蓄熱器８
．中心孔９．中心孔１０．半径方向流通ダク）１１及び
フリーザ１２から成る作動空間内に封入された作動ガス
に周期的に圧力変化をもたらすと共に、蓄熱器８を通過
するガスの流量変化によりディスプレーサ４に周期的な
軸方向の交番振動力を生じせしめる。このようにして蓄
熱器８を含むディスプレーサ４はピストン２と同じ周波
数で、かつ異なった位相でコールドフィンガ３内を軸方
向に往復運動することになる。

ピストン２及びディスプレーサ４が適当な位相差を保っ
て運動する時、上記作動空間内に封入された作動ガスは
「逆スターリングサイクル」として既知の熱力学的サイ
クルを構成し、主として膨張空間６及びフリーザ１２に
冷熱を発生する。上記「逆スターリングサイクル」とそ
の冷熱発生の原理については、文献ｒＣｒｙｏ’ｃｏｏ
　１ｅｒｓＪ（Ｇ、Ｗａｌｋｅｒ、Ｐｌｅｎｕｍ　　Ｐ
ｒｅｓｓ。

Ｎｅｗ　　Ｙｏｒｋ、１９８３．ＰＰ・１７７〜１２３
）に詳細に説明されている。以下に、その原理について
簡単に説明する。

ピストン２により圧縮された圧縮空間７内のガスは連通
管５を経て流れる間に圧縮熱が冷却され、中心孔９．蓄
熱器８に流れ込む。蓄熱器８では半サイクル前に蓄えら
れた冷熱により予冷され、作動ガスは、さらに中心孔１
０．　　半径方向流通ダク）１１及びフリーザ１２を通
って膨張空間６内に入る。そして、大部分の作動ガスが
膨張空間６内に入ると膨張が始まり、膨張空間６内に冷
熱を発生する。作動ガスは、次に逆の順序で蓄熱器８に
冷熱を放出しながら流路を戻り圧縮空間７内に入る。こ
の時、フリーザ１２内で外部から熱を奪いその外部を冷
却する。しかして、大部分の作動ガスが圧縮空間７内に
戻ると再び圧縮が始まり、次のサイクルに移行する。以
上のようなプロセスにより、上記「逆スターリングサイ
クル」が完成して冷熱が発生する。

［発明が解決しようとする問題点］上記した従来の冷却機は以上のように構成されているの
で、運転中、リニアモータ２８に入力された電力の一部
はコイル１８の電気抵抗Ｒによって発熱してジュール発
熱損失として失われるため、実際の冷却作用に寄与する
電力は減少し、高効率な冷却機が得にくいという問題点
があった。また、コイル１８の発熱に伴う温度上昇から
コイル１８の焼損を防ぐためには、コイル１８に通電す
る電流の電流密度を低く抑えなけらばならず、そのため
リニアモータ２８が大型になるなどの問題点があった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、高効率で、かつ小型、軽量な冷却機を得ることを目
的とする。

［問題点を解決するための手段］この発明に係る冷却機は、この冷却機を駆動させるモー
タのコイルの一部又は全部を超電導材料によって構成す
ると共に、モータと冷却機の低温部間に冷熱輸送手段を
設け、モータのコイルを冷却機自身の発生する冷熱によ
って冷却することにより、そのコイルを超電導状態で使
用するよう構成したものである。

［作用］この発明の冷却機においては、この冷却機自身が発生す
る冷熱により、この冷却機を駆動させるモータのコイル
を超電導状態まで冷却させ、これにより一部又は全部を
超電導材料によって構成したコイルの電気抵抗によるジ
ュール発熱損失を極めて小さくなるよう抑制でき、また
冷却機の消費電力を減少させ得る。

［実施例］第１図はこの発明の一実施例である冷却機の概略構成を
示す断面側面図で、第４図と同−又は相当部分は同一符
号を用いて表示してあり、その詳細な説明は省略する。

図において、３１は真空デユワ−であり、シール３２及
びボルト３３によりフランジ３４に気密に締結され、真
空デユワ−３１内を真空ポンプ（図示しない）によって
排気することにより、外界から低温部への熱侵入を防止
するようになっている。３５は被冷却体であり、コール
ドフィンガ３内の膨張空間６及びフリーザ１２から成る
低温部の熱的に接触させ、冷却機により冷却されるよう
になっている。

この発明の実施例は、以下に述べる点で上記した従来例
の冷却機と異なっている。すなわち、この発明の実施例
においては、ピストン駆動用のりニアモータ２８がコー
ルドフィンガ３内の膨張空間６及びフリーザ１２から成
る低温部に熱的な接触を持ちつつ隣接して配設され、こ
の低温部で発生した冷熱により超電導材料で構成された
りニアモータ２８のコイル１８が低温に冷却されるよう
構成されている。

次に、上記したこの発明の一実施例である冷却機の動作
について説明する。電気端子２１．２２に系の共撮周波
数に等しい交流電源（図示しない）を接続すると、コイ
ル１８には円周方向の交番電流が流れ、この交番電流と
環状永久磁石２４の作る動系方向の磁場との相互作用（
ローレンツ力）によりピストン２は軸方向に振動を始め
る。ピストン２の振動は圧縮空間７を含む作動空間内の
作動ガスに周期的な圧力変動をもたらし、さらに、この
圧力変動はディスプレーサ４に振動を生じざせる。ディ
スプレーサ４が上記圧力変動と適当な位相間係を保って
往復運動するとき、膨張空間６内には上記した従来例の
動作の項で示した作用により冷熱が発生する。

一方、コイル１８にはこのコイル１８の電気抵抗Ｒと流
れている電流■によってＲＩ２に等しいジュール発熱が
生じている。また、冷却機の低温部は真空デユワ−３１
により断熱されているために結局、冷却機の冷却能力〉ジュール発熱＋被冷却体３５の発熱
となるように冷却機を設計すれば、上式の差に等しい熱
量だけコールドフィンガ３の低温部及びリニアモータ２
８は冷却されて温度が降下する。

このようにして、リニアモータ２８を構成する要素であ
るコイル１８の温度が十分に低下し、ある一定温度、す
なわち臨界温度以下になると、超電導材料によって構成
されたコイル１８は超電導状態となり電気抵抗Ｒが極め
て小となる。そしてこの時、リニアモータ２８に人力さ
れた電力はピストン２を駆動する力として有効に消費さ
れ、このために極めて効率の高い冷却機が得られること
になる。

なお、上記実施例では、コイル１８の冷却が容易にでき
る磁石可動型のりニアモータ２８を例示しているが、こ
のリニアモータ２８としての動作は上記した従来例に示
しているコイル可動型と全く同様である。

また、上記実施例では、ガス冷却機として「スターリン
グサイクル」に基づく冷却機の場合を例示しているが、
ギフオード−マクマホン（Ｇ−Ｍ）サイクル等の他のサ
イクルに基づく冷却機であっても良く、上記実施例と同
様の効果を奏する。

また、上記実施例では、冷却機を駆動させるモータとし
てリニアモータ２８を用いたものを例示しているが、回
転モータであっても良く、上記実施例と同様の効果を奏
する。ただし、この場合は、クランク機構等の回転運動
を往復運動に変換する機構が必要である。

また、上記実施例では、コールドフィンガ３とシリンダ
ｌが機械的に強く結合された一体型の冷却機の場合につ
いて説明したが、第２図に示すこの発明の他の実施例に
おけるように、コールドフィンガ３とシリンダ１とが連
通管５を介して互いに分離された分離型の冷却機であっ
ても、コールドフィンガ３の低温部とりニアモータ２８
閏に、例えばヒートバイブ３６のような冷熱輸送手段を
設けるようにしても良く、上記実施例と同様の効果を奏
する。

また、上記実施例では、ディスプレーサ４が作動空間内
の作動ガスの圧力変動によって駆動される場合について
例示しているが、第３図に示すこの発明の他の実施例に
おけるように、ディスプレーサ用モータ３７によって駆
動されるように構成しても良く、この時ディスプレーサ
用モータ３７のコイル３８を超電導材料によって構成す
ることにより、上記実施例と同様の効果を奏する。

［発明の効果］この発明は以上説明したとおり、冷却機において、この
冷却機を駆動させるモータのコイルの一部又は全部を超
電導材料によって構成し、さらにこのコイルを超電導状
態で使用するよう構成したので、コイルでの発熱が極め
て少なくなり、高効率で、しかも小型、軽量な冷却機が
得られ、また、コイルを冷却機自身の発生する冷熱によ
って冷却する構成としたため、この冷却機を容易にコン
パクト化できるなどの優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である冷却機の概略構成を
示す断面側面図、第２図及び第３図はこの発明の他の実
施例である冷却機の概略構成を示す断面側面図、第４図
は従来のスターリング冷却機の概略構成を示す断面側面
図である。図において、１・・・シリンダ、２・・・ピストン、２
ａ、４ａ、４ｂ・・・作動表面、３・・・コールドフィ
ンガ、４・・・ディスプレーサ、５・・・連通管、６・
・・膨張空間、７・・・圧縮空間、８・・・蓄熱器、９
，１０・・・中心孔、１１・・・半径方向流通ダクト、
１２・・・フリーザ、　１３．　１４．　１５．　１６
．　３２・・・シール、　ｌ７・・・スリーブ、　１８
．３８・・・コイル、１９．２０・・・リード線、２１
．２２・・・電気端子、２３・・・環状間隙、２４・・
・環状永久磁石、２５・・・軟鉄環状ディスク、２６・
・・軟鉄シリンダ、２７・・・軟鉄円形ディスク、２８
・・・リニアモータ、２９・・・ピストン用弾性部材、
３０・・・ディスプレーサ用弾性部材、３１・・・真空
管デユワ−１３３・・・ボルト、３４・・・フランジ、
３５・・・被冷却体、３６・・・ヒートバイブ、３７・
・・ディスプレーサ用モータ　である。なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）モータによって駆動されるピストン、このピスト
ンに嵌合し、このピストンと上記モータを包囲するシリ
ンダを備え、上記ピストンを上記シリンダ内で往復運動
させることにより作動ガスに圧力変動を発生させる圧縮
部と、ディスプレーサに嵌合し、このディスプレーサを往復動
可能な状態で内包するコールドフィンガとから構成され
、上記ディスプレーサが上記圧力変動に対して適当な位
相差を持って上記コールドフィンガ中で往復運動するこ
とにより、上記コールドフィンガ内の膨脹空間及びフリ
ーザから成る低温部に冷熱を発生する膨脹部と、上記シリンダと上記コールドフィンガとを連通し、上記
シリンダ中の圧力変動を上記コールトフィンガ中に導く
連通管とを備えた冷却機において、上記モータと上記コ
ールドフィンガの低温部間に冷熱輸送手段を設け、かつ
上記モータのコイルの一部又は全部を超電導材料によっ
て構成したことを特徴とする冷却機。
（２）上記モータを上記コールドフィンガの低温部に隣
接して配置し、かつ上記モータのコイルの一部又は全部
を超電導材料によって構成したことを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の冷却機。
（３）上記ディスプレーサの駆動を上記低温部内又はこ
の低温部に隣接して配置されたディスプレーサ用モータ
によって行い、かつこのディスプレーサ用モータのコイ
ルの一部又は全部を超電導材料によって構成したことを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載又は第２項記載の
冷却機。