JPH04263750A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明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。

【０００２】

【従来の技術】図２に従来のスターリング冷凍機の構成
例を示す。スターリング冷凍機は大きく分けて圧縮機１
とコールドフィンガ２とこれらを結ぶ連結管３より構成
される。圧縮機１はシリンダ４と、前記シリンダ４の内
面を滑りながら往復運動するピストン５を備えており、
前記シリンダ４と前記ピストン５のそれぞれの摺動面は
一般に一方が表面が滑らかな金属、一方が自己潤滑性の
あるポリテトラフルオロエチレンを一成分とする樹脂材
料で形成されている。前記ピストン５はハウジング１０
内壁から伸びる支持ばね６の一端に取り付けられている
。前記ピストン５には可動コイル８取り付けられ、前記
可動コイル８は非磁性材料からなる軽量のボビン７に導
電線９を巻き付けて形成されている。前記可動コイル８
の前記導電線９は前記ハウジング１０の壁を通して外部
に伸びる一対のリード線１１と接続しており、これらの
リード線１１は前記ハウジング１０の外側に一対の電気
接点１２を持つ。前記ハウジング１０内には永久磁石１
３及びヨーク１４が設けられており、これらは磁気回路
１５を構成している。前記可動コイル８は前記磁気回路
１５に設けられた間隙１６内で前記ピストン５の軸線方
向に往復運動できる構造になっている。前記間隙１６内
には前記可動コイル８の運動方向を横切る半径方向に永
久磁界が存在する。圧縮機１全体には例えばヘリウムな
どの高圧の作動ガスが封入されている。シリンダ４内側
のピストン上方の内部空間を圧縮室１７と呼び、圧縮室
１７内の作動ガスがシリンダ４とピストン５の間隙を通
過しにくくするために、シリンダ４とピストン５の隙間
はできるだけ狭く作られている。以上が圧縮機１の構成
である。

【０００３】一方、前記コールドフィンガ２は、細長い
円筒状の低温シリンダ１８を備えており、前記低温シリ
ンダ１８下部に設けられたスリーブ２７の内面を滑りな
がら前記低温シリンダ１８内を往復運動するディスプレ
ーサ２０を有している。前記スリーブ２７と前記ディス
プレーサ２０それぞれの摺動面は一般に一方が表面が滑
らかな金属、他方が自己潤滑性のあるポリテトラフルオ
ロエチレンを一成分とする樹脂材料で形成されている。 前記ディスプレーサ２０は共振ばね１９により支持され
、前記低温シリンダ１８内部の空間は前記ディスプレー
サ２０によって上下に２分割されており、前記ディスプ
レーサ２０より上方の空間を低温室２１、下方の空間を
高温室２２と呼ぶ。前記ディスプレーサ２０内部には再
生器２３とガス通過孔２４が設けられ、前記低温室２１
と前記高温室２２は前記再生器２３と前記ガス通過孔２
４を介して連通しており、前記再生器２３内には例えば
銅の金網など蓄冷材２５が充填されている。前記スリー
ブ２７と前記ディスプレーサ２０の隙間を作動ガスが通
過しないように前記ディスプレーサ２０と前記スリーブ
２７の隙間はできるだけ狭く作られている。前記コール
ドフィンガ２の各室には前記圧縮室１７と同様に例えば
ヘリウムなどの高圧の作動ガスが封入されている。前記
圧縮機１の前記圧縮室１７と前記コールドフィンガ２の
前記高温室２２は、前記連結感３を介して連通している
。また、前記圧縮室１７、前記連結感３内部の空間、前
記低温室２１、前記高温室２２、前記再生器２３及び前
記ガス通過孔２４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。

【０００４】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。可動コイル８に電気接点１２及び
リード線１１を介して交番電流を印加すると、可動コイ
ル８には隙間１６中の永久磁界との相互作用により軸方
向にローレンツ力が働く。その結果、ピストン５及び可
動コイル８からなる組立体はピストン５の軸方向で上下
に移動する。ピストン５はシリンダ４の内部を往復運動
し、圧縮室１７から低温室２１に至る作動室２６のガス
圧力に正弦状の波動を与える。この圧力波動に伴って再
生器２３内部を作動ガスが行き来し、このとき再生器２
３に生じる流体抵抗力により、再生器２３を含むディス
プレーサ２０には上下方向に力が作用する。この力と共
振ばね１９の相互作用により、ディスプレーサ２０はピ
ストン５と同じ周波数でかつ異なった位相でコールドフ
ィンガ２内を軸方向に往復する。以上のようにピストン
５及びディスプレーサ２０が適当な位相差を保って運動
するとき、以下に述べるような原理で冷凍を発生するこ
とができる。

【０００５】まずディスプレーサ２０がコールドフィン
ガ２内の上部に位置しているときに、ピストン５が上方
に移動して作動室２６内の作動ガス全体を圧縮する。圧
縮室１７内の作動ガスは連結管３を経て、高温室２２に
流れ込み、この間に圧縮時に発生する圧縮熱はハウジン
グ１０、連結管３などを介して周囲空気に放熱される。 次にディスプレーサ２０が下方に移動し、それとともに
高温室２２の作動ガスは再生器２３とガス通過孔２４を
通って低温室２１に移動する。このとき再生器２３は半
サイクル前に蓄えた冷熱で作動ガスを予防する。次にピ
ストン５が下方に移動することで作動室２６内の作動ガ
ス全体を膨張させる。低温室２１内においても作動ガス
は膨張し、低温室２１内に冷熱を発生する。次にディス
プレーサ２０が上方に移動し、それとともに低温室２１
の作動ガスは再生器２３とガス通過孔２４を通って高温
室２２に移動する。このとき再生器２３は作動ガスによ
って予冷される。その後再びピストン５が上方に移動し
て作動ガスの圧縮が始まり、同様のサイクルが繰返され
る。ここでの作動ガスの圧縮と膨張はそれぞれピストン
５から仕事をうけとったり、ピストン５へ仕事を与えた
りしながら行われているので、作動ガスは圧縮時には熱
を出し、膨張時には外部から熱を吸収する。前述のよう
にディスプレーサ２０がコールドフィンガ２内の上部に
位置しているとき、すなわち低温室２１の容積が小さく
なっているときに作動ガスの圧縮がおこり、逆にディス
プレーサ２０がコールドフィンガ２内の下部に位置して
いるとき、すなわち低温室２１の容積が大きくなってい
るときに作動ガスの膨張がおこるので、低温室２１は１
サイクル全体で見ると膨張が主体であり、コールドフィ
ンガ２の先端部外部から熱を奪い、被冷却体を冷却する
。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来装置
には以下に述べるような課題があった。シリンダ４また
はピストン５のいずれか一方の摺動面に用いられている
ポリテトラフルオロエチレンを一成分とする樹脂材料は
、相手側の滑らかな金属面と摺動すると、摩耗粉として
脱落したポリテトラフルオロエチレンの粒子が、相手側
の金属表面にこすり付けられ、金属表面上に転写膜と呼
ばれる薄い膜を形成する。この転写膜は潤滑剤として働
き、ポリテトラフルオロエチレンを一成分とする樹脂の
摩耗を抑える役割を果たす。しかしながら、転写膜が充
分に形成されるまでの運転初期の間は、必要な潤滑作用
が得られないのでポリテトラフルオロエチレンを一成分
とする樹脂材料の摩耗速度は速い。このような初期の摩
耗を初期摩耗と呼ぶ。シリンダ４またはピストン５の摩
耗が進むとこれらの間を作動ガスが通過してしまい、充
分な圧縮膨張ができなくなってしまう。ところが、従来
装置では初期摩耗が意外に大きく、その分冷凍機として
の寿命を短いものとしていた。したがって従来装置には
いかに初期摩耗を減らすかという課題があった。

【０００７】また、コールドフィンガ２のスリーブ２７
とディスプレーサ２０の摺動においても、摩耗が進むと
これらの間を作動ガスが通過してしまい、低温室２１と
高温室２２の間を再生器２３を通らずに作動ガスが行き
来し、冷凍効率が低下する。したがって、スリーブ２７
とディスプレーサ２０の摺動面においても初期摩耗を減
らすことは重要な課題である。

【０００８】この発明はかかるが体を解決するためにな
されたもので、シリンダとピストンの摺動面の初期摩耗
が少ない寿命の長い冷凍機を提案するものである。

【０００９】またこの発明の別の発明は、スリーブとデ
ィスプレーサの摺動面の初期摩耗が少ない寿命の長い冷
凍機を提案するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明に係る冷凍機は
、シリンダまたはピストンのいずれか一方の摺動面に用
いられている滑らかな金属面に、ポリテトラフルオロエ
チレンを一成分とする樹脂を予めコーティングしたもの
である。

【００１１】この発明の別の発明に係る冷凍機は、スリ
ーブまたはディスプレーサのいずれか一方の摺動面に用
いられている滑らかな金属面に、ポリテトラフルオロエ
チレン一成分とする樹脂を予めコーティングしたもので
ある。

【００１２】

【作用】この発明においては、シリンダまたはピストン
のいずれか一方の摺動面に用いられている滑らかな金属
面に、ポリテトラフルオロエチレンを一成分とする樹脂
を予めコーティングしてあるので、転写膜がまだ充分に
形成されていない運転初期の段階でも、コーティング膜
が潤滑剤の働きをするので、相手方のポリテトラフルオ
ロエチレンを一成分とする樹脂材料の摩耗を減らすこと
ができるので、初期摩耗が少なく寿命が長い冷凍機を実
現することができる。

【００１３】この発明の別の発明においては、スリーブ
またはディスプレーサのいずれか一方の摺動面に用いら
れている滑らかな金属面に、ポリテトラフルオロエチレ
ンを一成分とする樹脂を予めコーティングしてあるので
、転写膜がまだ充分に形成されていない運転初期の段階
でも、コーティング膜が潤滑剤の働きをするので、相手
方のポリテトラフルオロエチレンを一成分とする樹脂材
料の摩耗を減らすことができるので、初期摩耗が少なく
寿命が長い冷凍機を実現することができる。

【００１４】

【実施例】実施例１．図１は、この発明の一実施例を示
す図である。図において、シリンダ４とピストン５のみ
が従来装置と異なり、他はまったく同じ構成である。前
記シリンダ４と前記ピストン５のそれぞれの摺動面は一
般に一方が表面が滑らかな金属、一方が自己潤滑性のあ
るポリテトラフルオロエチレンを一成分とする樹脂材料
で形成されている点は従来装置と同じであるが、この発
明の装置では、金属側の表面にもポリテトラフルオロエ
チレンを一成分とする樹脂をコーティングしてあるとこ
ろが従来装置と異なる。コーティングする材料は摺動相
手と同じくポリテトラフルオロエチレンを一成分として
いる点が共通しているが、必ずしもまったく同じ材料で
なくとも良い。

【００１５】次にこの発明の装置の動作について説明す
る。冷凍を発生する原理は第６図の従来装置とまったく
同様であるが、この発明においては、シリンダ４または
ピストン５のいずれか一方の摺動面に用いられている滑
らかな金属面に、ポリテトラフルオロエチレンを一成分
する樹脂を予めコーティングしてあるので、転写膜がま
だ充分に形成されていない運転初期の段階でも、コーテ
ィング膜が潤滑剤の働きをするので、相手方のポリテト
ラフルオロエチレンを一成分とする樹脂材料の摩耗を減
らすことができるので、初期摩耗が少なく寿命が長い冷
凍機を実現することができる。 実施例２．

【００１６】図１を用いてこの発明の別の発明の実施例
も説明する。図において、スリーブ２７とディスプレー
サ２０のみが従来装置と異なり、他はまったく同じ構成
である。前記スリーブ２７と前記ディスプレーサ２０の
それぞれの摺動面は一般に一方の表面が滑らかな金属、
一方が自己潤滑性のあるポリテトラフルオロエチレンを
一成分とする樹脂材料で形成されている点は従来装置と
同じであるが、この発明の装置では、金属側の表面にも
ポリテトラフルオロエチレンを一成分とする樹脂をコー
ティングしてあるところが従来装置と異なる。コーティ
ングする材料は摺動相手と同じくポリテトラフルオロエ
チレンを一成分としている点が共通しているが、必ずし
もまったく同じ材料でなくとも良い。

【００１７】次にこの発明の別の発明の装置の動作につ
いて説明する。冷凍を発生する原理は第６図の従来装置
とまったく同様であるが、この発明においては、スリー
ブ２７またはディスプレーサ２０のいずれか一方の摺動
面に用いられている滑らかな金属面に、ポリテトラフル
オロエチレンを一成分する樹脂を予めコーティングして
あるので、転写膜がまだ充分に形成されていない運転初
期の段階でも、コーティング膜が潤滑剤の働きをするの
で、相手方のポリテトラフルオロエチレンを一成分とす
る樹脂材料の摩耗を減らすことができるので、初期摩耗
が少なく寿命が長い冷凍機を実現することができる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明に係る冷
凍機は、シリンダまたはピストンのいずれか一方の摺動
面に用いられている滑らかな金属面にもポリテトラフル
オロエチレンを一成分とする樹脂を予めコーティングし
ておくという構成によって、相手方のポリテトラフルオ
ロエチレンを一成分とする樹脂材料の摩耗を減らすこと
ができるので、初期摩耗が少なく寿命が長い冷凍機を実
現することができるという効果がある。

【００１９】この発明の別の発明は、スリーブまたはデ
ィスプレーサのいずれか一方の摺動面に用いられている
滑らかな金属面にもポリテトラフルオロエチレンを一成
分とする樹脂を予めコーティングしておくという構成に
よって、相手方のポリテトラフルオロエチレンを一成分
とする樹脂材料の摩耗を減らすことができるので、初期
摩耗が少なく寿命が長い冷凍機を実現することができる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の冷凍機を示す断面図である。

【図２】従来の冷凍機を示す断面図である。

【符号の説明】

４　　シリンダ ５　　ピストン １７　　圧縮室 １８　　低温シリンダ ２０　　ディスプレーサ ２１　　低温室 ２２　　高温室 ２３　　再生器 ２７　　スリーブ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　シリンダと、前記シリンダの内面を滑
   りながら往復運動するピストンと、前記ピストンが往復
   運動することによって容積が変化する圧縮室と、細長い
   円筒状の低温シリンダと、前記低温シリンダの内部を低
   温室と高温室とに分け、かつ前記低温シリンダ内を往復
   運動するディスプレーサと、前記ディスプレーサ内部に
   設けられた再生器とを供えた冷凍機において、前記シリ
   ンダと前記ピストンのそれぞれの摺動面のいずれか一方
   を、自己潤滑性のあるポリテトラフルオロエチレンを一
   成分とする樹脂材料で形成し、もう一方の摺動面を、表
   面が滑らかな金属にポリテトラフルオロエチレンを一成
   分とする樹脂をコーティングした面で構成したことを特
   徴とする冷凍機。
2. 【請求項２】　　シリンダと、前記シリンダの内側を往
   復運動するピストンと、前記ピストンが往復運動するこ
   とによって容積が変化する圧縮室と、細長い円筒状の低
   温シリンダと、前記低温シリンダの内部を低温室と高温
   室とに分け、かつ前記低温シリンダに設けられたスリー
   ブを滑りながら往復運動するディスプレーサと、前記デ
   ィスプレーサ内部に設けられた再生器とを供えた冷凍機
   において、前記スリーブと前記ディスプレーサのそれぞ
   れの摺動面のいずれか一方を、自己潤滑性のあるポリテ
   トラフルオロエチレンを一成分とする樹脂材料で形成し
   、もう一方の摺動面を表面が滑らかな金属にポリテトラ
   フルオロエチレンを一成分とする樹脂をコーティングし
   た面で構成したことを特徴とする冷凍機。