JPH042375Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案は例えば赤外線検出素子を極低温（例
えば77K前後）に冷却するスターリング冷凍機に
関するものである。

〔従来の技術〕

第２図に従来のスターリング冷凍機の構成例を
示す。図に示したスターリング冷凍機はスプリツ
ト式スターリング冷凍機と呼ばれるもので、スタ
ーリング冷凍機の代表的一例である。

第２図において、スプリツト式スターリング冷
凍機は大きくわけて１の圧縮機と２のコールドフ
インガとこれらを結ぶ連結管３より構成される。
前記圧縮機１はシリンダ４とピストン５を備え、
前記ピストン５は連接棒６とクランク７を介して
図には示されていないが電動機によつて駆動され
て前記シリンダ４内部を往復運動する構造となつ
ている。前記シリンダ４の上部にはシリンダヘツ
ド８がとりつけられ、前記シリンダ４、前記ピス
トン５および前記シリンダヘツド８でしきられた
内部空間を圧縮室９と呼ぶ。前記クランク７等の
前記ピストン５を駆動する機構部材は１０のハウ
ジング１０内に収められ、前記ピストン５によつ
て前記圧縮室９と仕切られた前記ハウジング１０
内の空間をバルク室１１と呼ぶ。前記シリンダ
４、前記シリンダヘツド８および前記ハウジング
１０は互いに外部との気密性を保つように接合さ
れ、内部の前記圧縮室９や前記バルク室１１には
例えばヘリウム、水素などの高圧の作動ガスが封
入されている。前記ピストン５の側面には、前記
シリンダ４との間のすきまを作動ガスが通過しな
いようにピストンリング１２が装着されている。
また、前記シリンダ４の外面には外部への放熱性
を高めるためのフイン１３が設けられている。以
上が圧縮機１の構成である。一方、前記コールド
フインガ２は円筒状の低温シリンダ１４を有し、
前記低温シリンダ１４内を摺動自在に往復するデ
イスプレーサ１５を有している。前記低温シリン
ダ１４内部の空間は前記デイスプレーサ１５によ
つて２分割されており、前記デイスプレーサ１５
より上方の空間を低温室１６、下方の空間を高温
室１７と呼ぶ。前記デイスプレーサ１５内部には
再生器１８とガス通過孔１９が設けられ、前記低
温室１６と前記高温室１７は前記再生器１８と前
記ガス通過孔１９を介して連通しており、前記再
生器１８内には例えば銅の金網などの蓄冷材２０
が充てんされている。前記低温シリンダ１４と前
記デイスプレーサ１５のすきまを作動ガスが通過
しないように、前記デイスプレーサの側部にはシ
ールリング２１がはめ込まれている。前記コール
ドフインガ２の下部には制御シリンダ２２と制御
室２３が設けられ、前記デイスプレーサ１５の下
端にとりつけられている２４の制御ピストンは前
記高温室１７と前記制御シリンダ２２を通抜け前
記制御室２３に突出している。前記制御シリンダ
２２と前記制御ピストン２４のすきまを作動ガス
が通過しないように前記制御シリンダにはシール
リング２５が取付けられている。上記したコール
ドフインガ２の各室は前記圧縮機１と同様に例え
ばヘリウム、水素などの高圧の作動ガスが封入さ
れている。以上がコールドフインガ２の構成であ
り、前記圧縮機１の圧縮室９と前記コールドフイ
ンガ２の高温室１７は前記連結管３を介して連通
している。また、前記圧縮室９、前記連結管３内
部の空間、前記低温室１６、前記高温室１７、前
記再生器１８および前記ガス通過孔１９は互いに
連通しており、これらの室全体を総合して作動室
２６と呼ぶ。

上記のように構成された従来の冷凍機の動作に
ついて説明する。ピストン５はシリンダ４の内部
を往復することによつて、圧縮室９から低温室１
６に至る作動室２６のガス圧力に正弦状の波動を
与える。一方、バルク室１１は、その容積がピス
トン５の行程容積より充分に大きいため、内部の
ガス圧はピストン５が往復運動をしてもあまり変
化しない。コールドフインガ２の制御シリンダ２
２にとりつけられたシールリング２５は、前述の
作動室２６のガスの圧力波動のように短い周期の
圧力変化に対してはほぼ完全に密封するが長時間
的にみれば密封は不完全であるので、制御室２３
内のガス圧はほぼ作動室２６内のガス圧の平均値
に保たれる。

第３図から第６図は従来装置の動作原理を冷凍
サイクルの順を追つて説明するものである。

第３図に示したサイクルの一過程において、圧
縮機１のピストン５はシリンダ４内の下方に位置
し、コールドフインガ２のデイスプレーサ１５は
低温シリンダ１４の上方に位置している。第３図
から第４図に至る間にピストン５は上昇して作動
室２６のガスを圧縮する。この圧縮によつて発生
する熱はシリンダ５の外周のフイン１３より外部
に放出される。第４図の時点において作動室２６
のガス圧力は制御室２３内のガス圧力よりも大き
くなつており、この差圧によつて制御ピストン２
４に生ずる下向きの力は、シールリング２１およ
び２５の静摩擦力に打ち勝つてデイスプレーサ１
５を下方へと動かし始め、第５図に示すように低
温シリンダ１４の下部へ移動させる。このデイス
プレーサ１５の移動に伴つて高温室１７のガスは
再生器１８を通つて低温室１６に移り、このとき
再生器１８に充てんされている蓄冷材２０は通過
するガスから熱を吸収しガスを温度降下させる。
第５図から第６図に至る過程で圧縮機１のピスト
ン５は下降し作動室２６のガスを膨張させ、この
膨張によつて低温室１６内のガスはさらに温度降
下し、コールドフインガ上部の周囲から熱を吸収
する。この吸熱作用が冷凍機としての被冷除体を
冷除する役割を担う。作動室２６ではガスの膨張
により圧力が低下するので、第６図の時点では作
動室２６内より制御室２３内の方がガス圧力は大
きくなつている。この差圧によつて制御ピストン
２４に上向きにかかる力はシールリング２１およ
び２２の静摩擦力に打ち勝つて、デイスプレーサ
１５を上方へと動かし始め、第３図に示した様に
低温シリンダ１４の上部へ移動させる。このデイ
スプレーサ１５の移動に伴つて低温室１６の低温
ガスは再生器１８を通過し、再生器１８内の蓄冷
材２０に冷熱を蓄えるとともにガス自身は温度上
昇しながら高温室１７へ流入する。以上の様なサ
イクルをくり返すことによつて、冷凍運転が行な
われる。

第７図は第２図に示した従来の冷凍機によつて
赤外線検知素子２７を冷却する場合を示す例であ
る。前記赤外線検知素子２７はデユア２８と呼ば
れる断熱容器に収納されており、前記デユア２８
には冷凍機の低温シリンダ１４を挿入する穴が設
けられている。前記デユア２８の内部には真空室
２９が設けられ、冷凍機によつて冷却された赤外
線検知素子２７に外部から熱が侵入しにくい構造
となつている。３０はサーマルインタフエースで
前記サーマルインタフエース３０は例えば積層さ
れた銅箔などのように弾性があつてしかも熱伝導
率の大きい材料でつくられ、一般に互いに材質の
異なる前記デユア２８と前記低温シリンダ１４の
熱膨張率のちがいによつて作られるひずみを吸収
する役割を担う。３２は赤外線を透過する窓であ
る。

〔考案が解決しようとする問題点〕

以上のような従来装置には以下に述べるような
問題点があつた。

一般に赤外線検知素子２７は77K前後の温度に
冷却しないと感度が悪いので、その付近の温度よ
り高くても低くても良好に赤外線を検知すること
ができない。ところが、冷凍機は使用環境によつ
て冷凍能力が変化し、デユア２８はその断熱性能
に固体差があるのが普通である。また長期の使用
にあたつてはデユア２８の断熱性能、冷凍機の冷
凍能力とも低下する傾向にある。したがつて赤外
線検知素子２７を適性温度に冷却するために、冷
凍機には冷凍能力を調整できるような機構が要求
された。

従来の装置では圧縮機１に直流モータを用いて
印加電圧を上下させることによつて圧縮機の回転
数を可変させて冷凍機の能力を調整するのが一般
的であつた。しかしながら、出力電圧可変式の直
流安定化電源は出力電圧固定式の場合にくらべて
数倍の容積・重量を有しているので、赤外線検知
素子を搭載する装置全体の軽量小型化の大きな障
害となつていた。

この考案はかかる問題点を解決するためになさ
れたもので、大型、大重量となりやすい出力電圧
可変式の直流安定化電源を用いなくとも冷凍能力
を任意に調整できるような冷凍機を得ることを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この考案にかかる冷凍機は、デイスプレーサが
往復運動する際、デイスプレーサまたはデイスプ
レーサにとりつけられた部品と衝突し、かつその
衝突位置を任意設定できるよう移動可能な調整ロ
ツドを設けたものである。

〔作用〕

この考案においては、調整ロツドによつてデイ
スプレーサの往復運動長さを変えることができる
ので、冷凍能力の調節が可能である。

〔実施例〕

第１図はこの考案の一実施例を示す図である。
図において、１の圧縮機の各部と３の連結管は従
来装置と全く同じ構成である。２のコールドフイ
ンガにおいて、１４〜２５は従来装置と同じであ
るがデイスプレーサ１５に取付けられた制御ピス
トン２４下方のコールドフインガケース３３に調
整ロツド３４が設けられている点が従来装置と異
なる。前記調整ロツド３４外周には雄ねじ、前記
コールドフインガケース３３の前記調整ロツド３
４取り付け部には雌ねじが設けられており、前記
調整ロツド３４を回転させることによつてその位
置を任意に上下移動できる構造である。３５はＯ
リングで、冷凍機内部に充てんされた作動ガスが
外部に漏れるのを防いでいる。

上記の様に構成されるこの考案の冷凍機におい
て、冷凍を発生する原理は第２図から第７図に示
した従来装置と全く同様である。ただこの考案の
装置では、デイスプレーサ１５が低温シリンダ１
４内を往復運動する際、デイスプレーサ１５と一
体を成す制御ピストン２４の下端が、調整ロツド
３４の上端に衝突をくり返している。前述のよう
に、調整ロツド３４はその上下方向の位置を任意
に変えることができるので、この考案の装置では
デイスプレーサ１５の往復運動距離を任意設定す
ることが可能である。デイスプレーサ１５の往復
運動距離を長くとると、冷凍機の冷凍能力は大と
なり、逆にデイスプレーサ１５の往復運動距離を
短かくとると、冷凍能力は小となる。したがつ
て、この考案の冷凍機では、調整ロツド３４の位
置を調節することによつて、モータに供給する電
源電圧を変えなくとも、冷凍能力の調整が可能で
ある。

例えば消費電力が最大100W程度の冷凍機を例
にとつて説明すると、出力電圧可変型の電源の重
量はおよそ10Kg以上となるが、出力電圧が固定で
あれば、重量２〜３Kgである。これに対し、容積
調整室３５の容積可変範囲は５c.c.もあれば十分で
あるから、調整シリンダ３３と調整ピストン３４
は小型のものですみ、その重量は１Kgにも満たな
い。すなわち、赤外線検知を目的とした装置全体
の軽量小型化が可能となる。

ところで以上の説明では赤外線検知素子を冷却
するスターリング冷凍機について述べたが、他の
スターリング冷凍機にもこの考案を利用できるこ
とは言うまでもない。

〔考案の効果〕 この考案は以上説明したように、調整ロツドを
設けるという簡単な構造によつて冷凍機の能力調
整を容易にするという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の一実施例を示す図、第２図
から第７図は従来の冷凍機を説明するための図で
ある。 図において、１４は低温シリンダ、１５はデイ
スプレーサ、３４は調整ロツドである。なお、各
図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 細長い円筒状の低温シリンダと、前記低温シリ
   ンダ内部を摺動自在に往復運動するデイスプレー
   サと、前記デイスプレーサが往復運動するとき、
   前記デイスプレーサまたは前記デイスプレーサに
   とりつけられた前記デイスプレーサと一体を成す
   部品と衝突し、かつその衝突位置を任意に変えら
   れるよう移動可能な調整ロツドとを備えたことを
   特徴とする冷凍機。