JPH01114672A

JPH01114672A - 冷却機

Info

Publication number: JPH01114672A
Application number: JP27099887A
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等の各種素子の冷却、
冷凍、冷蔵、空調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３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はシリンダであり、こ
のシリンダｌの内部でピストン２が往復運動を行う。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の下部の
作動表面２ａとディスプレーサ４の下部の作動表面４ａ
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、中心孔１０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、この機械では膨張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５
はシール１５，１６を備える。また、ピストン２はその
上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には環状永久磁石１８が固定され、ピストン２の軸線
方向に環状間隙１９内で往復運動できるようになってい
る。環状間隙１９内には、環状永久磁石１８．軟鉄環状
デイ゛スク２０．軟鉄シリンダ２１及び軟鉄円形ディス
ク２２から成る閉磁気回路によって動径方向に磁界が作
られている。さらに、軟鉄シリンダ２１には超電導体か
ら成る導電°体が巻き付けられてコイル２３を形成し、
このコイル２３はシリンダ１の壁を通す超電導体から成
るリード線２４．２５に接続され、これらのリード線２
４，２５はシリンダ１の外部でそれぞれ電気端子２６゜
２７に接続されている。上記したスリーブ１７゜環状永
久磁石１８．環状間隙１９．軟鉄環状ディス′り２．０
．　’軟鉄シリンダ２１．　　軟鉄円形ディスク２２、
コイル２３及びリード線２４．２５は全体としてピスト
ン駆動用のりニアモータ２８を構成している。また、リ
ニアモータ２８はコールドフィンガ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接触を持ちつつ隣
接して配置され、上記低温部で発生した冷熱により超電
導材料で構、成されたコイル２３が低温に冷却されるよ
うに構成されている。

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。さらに、真空
デユワ−３１はシール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
から低温部への熱の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から成る低温部に熱的に接触し、
このため冷却機によって冷却されるようになっている。

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２６．２７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１
９の動系方向の永久磁界の影響を受けてコイル２３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及び環状永久磁石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
クト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
て運動するとき、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ｒＣ−ｒｙｏｃｏｏ１．ｅｒＳＪ　　
（Ｃ，Ｗａｌｋｅｒ、Ｐｌｅｎｕｍ　　Ｐｒｅｓｓ、Ｎ
ｅｗ　　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を経て流れる閏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．　　半径方向流通ダクト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
冷熱を放出しなから流路を戻り圧縮空、閏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０
以上のようなプロセスにより１．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。

一方、コイル２３にはそのコイル２３の電気抵抗Ｒと流
れている電流ＩによってＲＩ２に等しいジュール発熱が
生じている。また、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−十被冷却体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２８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２３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２３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に入力さ
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、そのために効率の良い状態で冷却機が運転されるこ
とになる。

［発明が解決しようとする問題点コ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、被冷却体３５の冷却温度がコイル２３を構成する超
電導材料の臨界温度以上の場合には、被冷却体３５を効
率良く冷却することができないという問題点が菖った。

また、冷却部と電気モータが離れて設置されている分離
型冷却機の場合には、冷却部と電気モータ間の冷熱輸送
に伴う損失が大となり、冷却効率が悪くなるという問題
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、いかなる冷却温度においても高効率な運転ができ、
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電気
モータを構成するコイルの一部又は全部を超電導材料に
よって構成し、被冷却体を冷却する主冷却系統に加えて
、電気モータを冷却するための副冷却系統を設けたもの
である。

［作用］この発明の冷却機においては、超電導材料によって構成
された電気モータのコイルが副冷却系統により常に臨界
温度以下に冷却されるため、ジュール発熱損失が極めて
小さくなり、被冷却体を冷却する主冷却系統の冷却温度
にかかわらず、常時高効率な運転が可能となり、また、
コイルには大電流を流せるために冷却機を小型、軽量に
構成できる。

［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３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、３６は副冷却系統における第２コールドフ
インガであり、作動ガスの圧力変動により往復運動する
第２デイスプレーサ３７を内包している。第２デイスプ
レーサ３７の下部の作動表面３７ａは第２膨脹空閏３８
の境界をなしており、との゛第２膨脹空間３８はピスト
ン２の作動表面２ａ、　　ディスプレーサ４の作動表面
４ａ及び第２デイスプレーサ３７の作動表面３７ｂに囲
まれた圧縮空間７と共に、膨張空間６−と圧縮空間７か
ら構成される主冷却系統３９に対して副冷却系統４０の
作動空間を構成している。

第２デイスプレーサ３７は第２蓄熱器４１を備え、この
第２蓄熱器４１はその上部にある中心孔４２を介して圧
縮空間７に連通し、゛また、その下部にある中心孔４３
及び第２半径方向流通ダクト４４を介して第２膨脹空間
３８に連通している。さらに、第２デイスプレーサ３７
は圧縮空間７から第２膨脹空間３８へ流れるガスが第２
蓄熱器４１を通るよう強制するシール４５．４６を備え
ている。

この発明の実施例においては、第２半径方向流通ダクト
４４の出口付近には、熱交換器として作動空間内で発生
した冷熱を外部に取り出す第２フリーザ４７が設けられ
、第２コールドフインガ３６に隣接して配置されたりニ
アモータ２８を冷却するように構成されている。第２デ
イスプレーサ３７は第２ディスプレーサ用弾性部材４８
を介してシリンダｌに往復動可能に係合され、第２デイ
スプレーサ３７の静止時の固定位置及び運転時の中心位
置を定めている。

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２６．２７に交流電源（図
示しない）を接続すると、コイル２３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１８の作る
動径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の他に第２デイスプレーサ３７に振動を生じさせる
。ディスプレーサ４及び第２デイスプレーサ３７が上記
圧力変動と適当な位相関係を保って往復運動するとき、
主冷却系統３９にあっては膨張空間６内に冷熱が発生し
、また、胴冷却系統４０にあっては第２膨脹空間３８内
に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２３にはそのコイル２３の電気抵抗Ｒと流
れている電流゛■によってＲ１２に等しいジュール発熱
が生じている。また、胴冷却系統４０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、冷却機の胴冷却系統４０の冷却能力〉ジュール発熱とな
るように冷却機を設計すれば、上式の差に等しい熱量だ
け第２コールドフインガ３６の低温部及びリニアモータ
２８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２３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、超電導材料によフて構成
されたコイル２３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。

さらに、この実施例では、被冷却体３５を冷却する主冷
却系統３９とリニアモータ２８を冷却する胴冷却系統４
０が別々に配置されている。このため、主冷却系統３９
の冷却温度にかかわらず常に胴冷却系統４０の冷却温度
をコイル２３を構成する超電導材料の臨界温度以下に保
つことができ、任意の冷却温度において効率の良い運転
が可能な冷却機が得られる。

なお、上記実施例では、電気モータとして可動磁石型の
りニアモータ２８を例示しているが、可動コイル型のり
ニアモータであっても良く、また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。

また、上記実施例では、コールドフィンガ３とシリンダ
１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、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たが、ギフ
ォードーマクマオン（Ｇ−Ｍ）サイクル、ランキン（蒸
気圧縮式）サイクルあるいはプレイトンサイクル等の他
のガス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。

［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、一部
又は全部を超電導材料によって構成された電気モータの
コイルを、被冷却体を冷却する主冷却系統とは別の胴冷
却系統により冷却するように構成したので、主冷却系統
の冷却温度にかかわらず電気モータのコイルを超電導状
態に保つことができ、その結果、常に高効率で運転が可
能な冷却機が得られ、さらにコイルに大電流が流せるた
めに小型、軽量な冷却機が得られるという優れた効果を
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３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、ｌ・・・シリンダ、２・・・ピストン、２
ａ、４ａ、４ｂ、３７ａ、３７ｂ＝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、９，１０，４２，４３・・・中心孔、１１・
・・半径方向流通ダクト、１２・・・フリーザ、１３，
１４゜１５、　１６．　３２．　４５．　４６・・・シ
ール、　１７・・・スリーブ、１８・・・環状永久磁石
、１９・・・環状空間、２０・・・軟鉄環状ディスク、
２１・・・軟鉄シリンダ、２２・・・軟鉄円形ディスク
、２３・・・コイル、２４゜２５・・・リード線、２６
．２７・・・電気端子、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・・・真空デユワ−５３３・・・ボル
ト、３４・・・フランジ、３５・・・被冷却体、３６・
・・第２コールドフインガ、３７・・・第２デイスプレ
ーサ、３８・・・第２膨脹空間、３９・・・主冷却系統
、４０・・・副冷却系統、４１・・・第２蓄熱器、４４
・・・第２半径方向流通ダクト、４７・・・第２フリー
ザ　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）電気モータによって駆動される圧縮機を備えた冷
却機において、上記電気モータを構成するコイルの一部
又は全部を超電導材料によって構成し、かつ被冷却体を
冷却する主冷却系統に加えて、上記電気モータによって
駆動される副冷却系統を設け、この副冷却系統の冷却部
と上記電気モータとの間に冷熱輸送手段を設けたことを
特徴とする冷却機。
（２）上記電気モータを上記副冷却系統の冷却部に隣接
して配置し、かつこの冷却部と熱的接触を得るよう構成
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）上記副冷却系統の圧縮機を上記主冷却系統の圧縮
機により兼用したことを特徴とする特許請求の範囲第１
項又は第２項記載の冷却機。