JPH01296055A - 冷凍機 - Google Patents

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、赤外線素子の冷却等に用いられるフリーピ
ストン型スターリング冷凍機のような、移動体がその両
端の圧力差によって往復動駆動される冷凍機に関するも
のである。

（従来の技術） 第６図（１）〜（Ｉｔ／）は例えば特開昭５７−７３８
７３号公報に示された従来の冷凍機の動作を示すもので
、この冷凍機は往復動形コンプレッサ（１）とコールド
フィンガ部（２）　とを含む、コンプレッサ（１）のピ
ストン（３）はヘリウムのような冷媒ガスを加圧して正
弦曲線状の圧力変動を起こさせる。

第２圧縮空間（４）　における圧力変動は供給パイプ（
５）を通してコールドフィンガ部（２）内に伝達される
。コールドフィンガ部（２）のハウジング（６）内には
円筒状の移動体（７）が自由に往復運動してコールドフ
ィンガ部（２）内の第１圧縮空間（８）　と膨張空間（
９）の容積を変えるようにされている。

移動体（７）は蒼然式熱交換器（ｌＯ）を含む、ヘリウ
ムは第１圧縮空間（８）と膨張空間（９）との間を熱交
換器（１０）を通って自由に流れる。上記移動体（７）
と一体のピストン部材（１１）が第１圧縮空間（８）の
端部のガススプリング空間（１２）内に延びている。

上記した冷凍機は加圧されたガスの二個の分離されたガ
ス空間を含むものとして示されている。

ガスの作動空間はコンプレッサ（１）の第２圧縮空間（
４）内のガスと、供給パイプ（５）内のガスと、第１圧
縮空間（８）内と膨張空間（９）内にあるガスと、熱交
換器（１０）内のガスとを含む、別のガス空間を形成す
るのはガススプリング空間（１２）である、スプリング
空間（１２）はピストン部材（１１）を取囲むピストン
部材用シール（１３）によりて上記ガス作動空間に対し
てシールされている。また、移動体（７）には移動体用
シール（１４）が取付けられ、第１圧縮空間（８）と膨
張空間（９）の間を移動するガスが熱交換器（１０）を
通るように強制する。さらにピストン（３）　にはピス
トン用シール（１５）が備えられ、作動空間とクランク
機構（図示せず）の納められたバッファ空間の間をシー
ルしている。

次に上記した冷凍機の動作を第７図に示したガススプリ
ング空間、作動空間内のガス圧力と移動体の変位の関係
図を含めて説明する。

第６図（１）のサイクルの時点においては、移動体（ア
）の下端にはコールドフィンガ部（２）内の膨張空間（
９）内にあり、コンプレッサ（１）は作動空間内のガス
を圧縮しつつある。コンプレッサ（１）のピストン（３
）の圧縮運動は作動空間内の圧力を最低圧力から最高圧
力まで上昇させる。スプリング空間（１２）内の圧力は
作動空間内の最低から最高までの圧力レベルの間のある
レベルで安定している。かくして、ある時点では作動空
間内において増加しつつある圧力は、移動体用シール（
１４）およびピストン部材用シール（１３）の摩擦抵抗
を克服するに十分な差圧をピストン部材（１１）に対し
て発生させる。そこで、ピストン部材（１１）および移
動体（７）は第６図（ＩＩ）に示す位置まで急速に上昇
する。この移動体（７）の運動によって第！圧縮空間（
８）のほぼ周囲温度の高圧のガスは熱交換器（１０）を
通過して予冷された後、膨張空間（９）内に強制的に導
かれる。そして熱交換器（１０）は通過していく加圧さ
れたガスの熱を吸収し、ガスを冷却する。かくして図示
しないクランク機構による正弦曲線状駆動によって、い
まや、コンプレッサのピストン（３）　は第６図（ＩＩ
Ｉ　）のように作動空間の容積を膨張させ始め、この膨
張によって膨張空間（９）内の高圧ヘリウムガスは更に
一層冷却される。熱交換器（１０）の全長にわたり２０
０）１以上の温度勾配を維持させるような冷却作用を発
生させるのは膨張空間（９）　におけるこの冷却である
。ピストン（３）の膨張運動におけるある時点で、作動
空間内の圧力がスプリング空間（１２）の圧力以下に下
降し、その差圧がシールの摩擦力に打勝つのに十分なだ
けピストン部材（１１）に対して作用する。これにより
、移動体（７）は第６図（ＩＶ）の位置に向けて下方に
駆動させられる。第６図（ＩＴ）の位置はすなわち第６
図（１）の位置になる前のスタート位置でもある。また
、このとき、膨張空間（９）内の冷却されたガスは、熱
交換器（１０）内を通過することによって該熱交換器（
１０）を冷却した後、はぼ周囲温度のガスとなって第１
圧縮空間（８）に戻る。

Ｃ発明が解決しようとする課題〕 従来の冷凍機は以上のように構成されているので、移動
体（７）の行程はコールドフィンガ部（２）の壁によっ
て制限され、移動体（７）は第７図に示すようにコール
ドフィンガ部（２）　の壁に衝突することによって静止
することになる。このためこの従来の冷凍機では、運転
中、この衝突に伴ってコールドフィンガ部（２）におい
て大きな振動や騒音を発生するという課題があった。ま
た、衝突によって移動体（７）やコールドフィンガ部（
２）の壁が摩耗し、十分な耐久性が得られないという課
題もあった。

この発明は上記のような＊Ｂを解消するためになされた
もので、振動や騒音の発生を低く抑え、かつ高耐久性で
長寿命な冷凍機を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る冷凍機は、作動空間内の作動ガスに圧力
変動を行なうコンプレッサと、コンプレッサの作動空間
と連通させたコールドフィンガ部とからなり、コールド
フィンガ部は往復動する移動体と、これを取囲むピスト
ン部材用シールと、ガススプリング空間とを有する冷凍
機において、移動体のストローク運動の中立点に比べそ
の両端において強いばね定数を有するばね部材で移動体
とコールドフィンガ部とを係合したものである。

〔作用〕

この発明においては、ばね部材が移動体の行程を制限し
、移動体の両端において緩衝器として作用することによ
り、移動体が緩やかにコールドフィンガ部に接触し衝突
による衝撃力が小さくなり低振動、低騒音となると共に
、衝撃による摩耗も少なくなる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。′ｓ
１図（Ｉ）〜（ｒＶ）において、（１Ｂ）はつづみ形コ
イルばねから成るばね部材であり、その両端（上下端）
はガススプリング空間（１２）内の壁に結合、固定され
るとともに、中間部はばねホルダ（１７）を介してピス
トン部材（１１）に結合され、移動体（７）が外部から
の駆動によって振動するようになっている。なおその他
の符号は第６図（Ｉ）〜（ＴＶ）に示した従来の冷凍機
と同一であるので同一符号を付して説明は省略する。

次に、第１図〜第３図（ａ）　、　（ｂ）を用いて本実
施例の動作について説明する。従来例の動作において説
明したように、ピストン（３）の正弦曲線状の上下運動
は第二圧縮空間（４）と、供給パイプ（５）　と、第一
圧縮空間（８）および膨張空間（９）と、熱交換器（ｌ
Ｏ）から成る作動空間内のガスに第２図（ａ）に示すよ
うな正弦曲線状の圧力変化を生じさせる。この時、ガス
スプリング空間（１２）内の圧力は作動空間内の平均圧
力にほぼ等しく保たれているため、移動体（７）には作
動空間とガススプリング空間（１２）との間の圧力差に
ピストン部材（１１）の断面積を乗じた値に等しい第２
図（ｂ）に示す正弦曲線状の駆動力が作用することにな
る。ここで、移動体（７）　とばね部材（１６）は振動
系を構成しているため、移動体（７）　はこの駆動力に
よって′ｓ２図（Ｃ）に示したようにこの駆動力とある
位相遅れをもった振動運動を行なう、このように、移動
体（７）が作動空間内の圧力変化とある位相差を保ちつ
つ振動運動を行なう時、作動空間内の作動ガスは、従来
例で述べたように、“逆スターリングサイクル”を構成
し膨張空間（９）　に冷熱を発生する。

以上のサイクルにおいて、本実施例による冷凍機は以下
の点で従来例と異なっている。すなわち、本実施例にお
いて用いられたつづみ形コイルばね（１６）は第３図（
ｂ）に示したような非線形な特性を有しており、このた
めこのばねによって支持された移動体（７）は、そのス
トロークの両端において中立点より非常に大きな制動力
を、連続的に受けることになる。こうして、本実施例に
おいては、つづみ形コイルばね（１６）が一種の緩衝器
として作用し移動体（７）の運動エネルギーを連続的に
吸収するため、従来例のように移動体（７）がコールド
フィンガ部（２）　の壁に強く衝突することがなく、第
２図に示したように、移動体（７）はそのストロークの
両端において緩やかにコールドフィンガ部（２）に接触
する。この結果、衝突音や振動が抑えられ、低騒音、低
振動な冷凍機が得られる。

なお、上記実施例では、コールドフィンガ部（２）とコ
ンプレッサ（１）　が供給パイプ（５）　を介して互い
に分離されたスプリット型の冷凍機の場合について説明
したが、第４図に示すこの発明の他の実施例におけるよ
うに、コールドフィンガ部（２）　とコンプレッサ（１
）が機械的に強く結合された一体型の冷凍機であっても
良く、上記実施例と同様の作用を奥する。

また、上記実施例ではばね部材として第５図（ａ）のよ
うなつづみ形コイルばね（１Ｂ）を用いた例について示
したが、その他第５図（ｂ）に示すように１対の円錐コ
イルばね（ｌｅａ）や第５図（Ｃ）のような線径を変化
させた一対のばね（１６ｂ）あるいは第５図（ｄ）のよ
うな一対の二重コイルばね（１６ｃ）を用いても上記つ
づみ形コイルばねと同様な作用を得ることができる。さ
らに、上記実施例ではばね部材（１６）をガススプリン
グ空間（１２）内に設けた例を示したが、第一圧縮空間
（８）や膨張空間（９）内に設け、移動体（７）　とコ
ールドフィンガ部（２）を結合しても良く、上記実施例
と同様の作用を奏する。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、移動体のストロ
ーク運動の中立点に比べその両端において強いばね定数
を有する非線形なばね部材で移動体とコールドフィンガ
部とを係合するようにしたので、移動体の行程を制限す
ると共に、移動体の行程の両端において緩衝器として作
用することにより、移動体が緩やかにコールドフィンガ
部に接触するため、衝突による衝撃力が小さくなり低振
動、低騒音の冷凍機が得られる効果がある。また、衝突
による移動体及びコールドフィンガ部の摩耗も少なくな
り、長寿命な冷凍機が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図＜Ｉ）〜（ＩＶ）はこの発明の一実施例による冷
凍機の動作の各工程を示す断面側面図、第２図は動作を
説明するための特性図、第３図（ａ）　、（ｂ）はつづ
み形コイルばねとその特性図、第４図はこの発明の他の
実施例における冷凍機の側断面図、第５図（ａ）〜（ｄ
）はばね部材の種々の例を示す断面図、第６図（Ｉ）〜
（ＩＶ）は従来の冷凍機の動作の各工程を示す側断面図
、第７図はガススプリング空間および作動空間内のガス
圧力と移動体の変位の関係図である。 （１）−コンプレッサ、 （２）−コールドフィンガ部、 （３）・−ピストン、 （４）・−第二圧縮空間、 （５）−供給パイプ、 （６）・−ハウジング、 （７）−移動体、 （８）・−第一圧縮空間、 （９）−膨張空間、 （１０）−一熱交換器、 （１１）−−ピストン部材、 （１２）−−ガススプリング空間、 （１３）−ピストン部材用シール、 （１４）−移動体用シール、 （１５）−ピストン用シール、 （１６）、（１６ａ）、（１６ｂ）、（１６ｃ）”−ば
ね部材。 なお、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 作動空間内の作動ガスに周期的な圧力変動を行なうコン
   プレッサと、このコンプレッサの作動空間と供給パイプ
   を介して連通されたコールドフィンガ部とからなり、コ
   ールドフィンガ部は内部で往復動する移動体と、この移
   動体を取囲むピストン部材用シールと、このシールによ
   って上記作動空間と分離されたガススプリング空間とを
   有し、移動体はガス作動空間とガススプリング空間との
   間の差動圧力によって駆動され、かつ作動空間内の圧力
   と移動体の運動との間に位相関係を有する冷凍機におい
   て、上記移動体とコールドフィンガ部とは該移動体のス
   トローク運動の中立点に比べその両端においてより強い
   ばね定数を有する非線形なばね部材により振動可能に係
   合したことを特徴とする冷凍機。