JPH04313650A - 冷却機 - 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】この発明は冷却機、特にスタ−リ
ング冷却機のような赤外線素子の冷却や空気の液化等に
用いられるガス冷却機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は、例えば特公昭５４−２８９８０
号公報に開示された従来のスタ−リングサイクルガス冷
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１の内部でピストン
２が往復運動を行う。３はコ−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−サ
４を内包すると共に、その下部は連通管５により上記シ
リンダ１と連通している。上記ディスプレ−サ４の上部
の作動表面４ｂは膨張空間６との境界をなしており、こ
の膨張空間６は上記ディスプレ−サ４の下部の作動表面
４ａと上記連通管５の間の第一圧縮空間７、上記ピスト
ン２の上部の作動表面２ａと上記連通管５の間の第二圧
縮空間８、上記ディスプレ−サ４内に備えた蓄熱器９及
び上記連通管５内の空間等とともに作動空間を構成して
いる。上記蓄熱器９は中心孔１０を経てその下側の作動
ガスに通ずるとともに、また中心孔１１と半径方向流通
ダクト１２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−
ザ１３を備えている。上記ピストン２と上記シリンダ１
の壁の間にはすきまシ−ル１４が配置され、上記ピスト
ン２の下側に存在するバッファ空間１５と前記作動空間
との間の作動ガスの流れを防止している。また、上記デ
ィスプレ−サ４と上記コ−ルドフィンガ３の間にはすき
まシ−ル１６を備え、上記膨張空間６と上記第一圧縮空
間７の間の作動ガスの流れが上記蓄熱器９内を流れるよ
う強制している。上記ピストン２はその下側の上記バッ
ファ空間１５中にアルミニウム等の非磁性及び非磁化材
料から成る軽量のスリ−ブ１７を備える。スリ−ブ１７
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は上記シリンダ１の壁を通すリ−ド線１９、２０
に接続され、これらのリ−ド線１９、２０は上記シリン
ダ１の外部でそれぞれ電気端子２１、２２に接続されて
いる。上記コイル１８は上記ピストン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上
記コイル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。上記環状
永久磁石２４と上記軟鉄環状ディスク２５、上記軟鉄シ
リンダ２６及び上記軟鉄円形ディスク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。以上述べた上記スリ−ブ１７、上記コイル１８、上
記リ−ド線１９、２０、上記環状間隙２３、上記環状永
久磁石２４、上記軟鉄環状ディスク２５、上記軟鉄シリ
ンダ２６及び上記軟鉄円形ディスク２７は全体としてピ
ストン駆動用のリニアモ−タ２８を構成している。また
、上記ピストン２及び上記ディスプレ−サ４はそれぞれ
ピストン用共振ばねであるコイルばね２９とディスプレ
−サ用共振ばねであるコイルばね３０によって、上記シ
リンダ１及び上記コ−ルドフィンガ−３内に往復動可能
に係合され、上記ピストン２及び上記ディスプレ−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
。

【０００３】次に、上記した従来のスタ−リングサイク
ルガス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、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の作る半径方向の
磁場との相互作用によってコイル１８には軸方向に周期
的なロ−レンツ力が働き、その結果、ピストン２、スリ
−ブ１７及びコイル１８から構成される組立体とピスト
ン用コイルばね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、膨張
空間６、第一圧縮空間７、第二圧縮空間８、連通管５、
蓄熱器９、中心孔１０、中心孔１１、半径方向流通ダク
ト１２及びフリ−ザ１３から成る作動空間内に封入され
た作動ガスに周期的な圧力変化をもたらすとともに、蓄
熱器９を通過するガスの流量変化によりディスプレ−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９を含むディスプレ−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−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−サ４が適当な位相差を保って運動する
とき、上記作動空間に封入された作動ガスは、「逆スタ
−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−ザ１３に冷熱を発
生する。上記「逆スタ−リングサイクル」とその冷熱発
生の原理については、文献「Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ」
（Ｇ．Ｗａｌｋｅｒ，Ｐｌｅｎｕｍ　　Ｐｒｅｓｓ，Ｎ
ｅｗ　　Ｙｏｒｋ，１９８３，ｐｐ．１２３〜１７７）
に詳細に説明されている。

【０００４】以下にその原理について簡単に説明する。 ピストン２により圧縮された第二圧縮空間８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、第一圧縮
空間７、中心孔１０、蓄熱器９に流れこむ。蓄熱器９で
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１１、半径方向流通ダクト１２及び
フリ−ザ１３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９に冷熱を放出しながら流路を戻り第二作
動空間８内に入る。この時、フリ−ザ１３内で外部から
熱を奪いその外部を冷却する。しかして、大部分作動ガ
スが第二作動空間８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−リングサイクル」が完成して冷熱が発生す
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図６に図５で説明した
従来の冷却機のピストン及びディスプレ−サに装着した
共振用ばねであるコイルばね２９の構造を示す。図６（
ａ）は上面図、図６（ｂ）は側面図、図６（ｃ）は下面
図である。図６に示す如く、コイルばね２９は、その加
工精度上コイルばね両端の中心軸３２、３３を一致させ
ることは難しく、中心軸３２と３３には偏心εが存在し
ていた。

【０００６】次に図７に従来の冷却機のピストン用共振
ばねであるコイルばね２９のピストンへの取り付け状態
の詳細を示す。図７に示す如く、従来の冷却機では、ピ
ストン用共振ばねとして図６で説明したコイルばね２９
を用いているために、コイルばね両端の中心軸３２と３
３には偏芯εが存在することになる。この偏心の大きさ
は通常、すきまシ−ル１４のすきまδよりもはるかに大
きい。従って、ピストン２をコイルばね２９の下部中心
軸３３と同一軸上にあるシリンダ１に装着した場合、こ
の偏心によりピストン用コイルばね２９には横方向の復
元力Ｆが働く。この横方向の復元力Ｆは、ピストン２を
シリンダ１に押し付ける荷重となって作用し、この結果
、ピストン２の往復動によってすきまシ−ル１４を構成
するピストン２およびシリンダ１のしゅう動面は著しく
摩耗し、ピストンシ−ル部でのガス漏れが増大すること
になり、長寿命な冷却機が得られないという問題点があ
った。

【０００７】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、シ−ル部の摩耗が少なく、長寿
命な冷却機を得ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明にかかわる冷却
機は、ピストン用共振ばね、またはディスプレ−サ用共
振ばねの少なくともいずれか一方を、部材の軸方向に垂
直な方向に複数のスリット設けて構成された精密ばねと
したものである。

【０００９】

【作用】この発明における冷却機は、ピストン用共振ば
ね、またはディスプレ−サ用共振ばねの少なくともいず
れか一方を、部材の軸方向に垂直な方向に複数のスリッ
ト設けて構成された精密ばねとしたので、ばねの加工精
度を向上させることができ、ばねの両端の偏心をコイル
ばねを用いた場合に比べて小さく押さえることが可能と
なり、すきまシ−ル１４、１６に作用する半径方向の力
が小さくなるためにシ−ル部の摩耗が減少し、長寿命と
なる。

【００１０】

【実施例】実施例１． 以下、この発明の一実施例を図について説明する。図１
において、２９はピストン２を弾性支持するために、円
筒の軸方向に垂直な方向にスリット３１を切り込み、そ
のスリットに挟まれた部分にばねとしての働きをさせる
ようにした精密ばねである。

【００１１】以下、本実施例の動作について説明する。 本実施例では、ピストンを弾性支持するために、円筒の
軸方向に垂直な方向にスリット３１を切り込み、そのス
リット３１に挟まれた部分にばねとしての働きをさせる
ようにした精密ばね２９を設けたために、ばね自体の加
工精度を良好に保つことができるために、ピストンとば
ね部との中心軸を一致させることができ、その結果ピス
トン２をシリンダ１に押し付ける荷重は大幅に減少され
、すきまシ−ル１４の摩耗が減少し寿命が延びるために
、冷却機の長寿命化が可能となる。

【００１２】なお、本実施例に示した冷却機の動作原理
については従来例と全く同様であるために、ここでは省
略する。

【００１３】実施例２． 上記実施例１では、ピストン用共振ばねとして円筒の軸
方向に垂直な方向にスリットを切り込むことによりばね
作用を持たせた精密ばね２９によりピストン２を弾性支
持する構造について示したが、図２に示すようにディス
プレ−サ用共振ばねとして円筒の軸方向に垂直な方向に
スリット３１を切り込むことによりばね作用を持たせた
精密ばね３０を用いた場合には、デイスプレ−サ４と弾
性支持部との中心線を一致させることができ、その結果
、ディスプレ−サ４をコ−ルドフィンガ３に押し付ける
荷重を大幅に減少させ、すきまシ−ル１６の摩耗が少な
くなり、冷却機の長寿命化がはかれる。

【００１４】実施例３． なお、上記実施例では、コ−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、図３に示すように、コ−ルドフィンガ
３とシリンダ１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。

【００１５】実施例４． また、上記実施例では、ピストンやディスプレ−サ用の
共振ばねとして、図４（ａ）に示すような円筒の軸方向
に垂直な方向にスリット３１を切り込むことによりばね
作用を持たせた精密ばね２９について示したが、図４（
ｂ）に示すような円柱の軸方向に垂直な方向にスリット
３１を切り込むことにより、ばね作用を持たせた精密ば
ね２９、または、図４（ｃ）に示すような四角柱の軸方
向に垂直な方向にスリット３１を切り込むことにより、
ばね作用を持たせた精密ばね２９などでも良く、上記実
施例と同様の効果を奏する。

【００１６】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば冷却機
のピストン用共振ばね、またはディスプレ−サ用共振ば
ねの少なくともいずれか一方を、部材の軸方向に垂直な
方向に複数のスリット設けて構成された精密ばねとした
ので、共振ばねの両端の支持部の偏心による横方向の反
力が発生せず、すきまシ−ルの摩耗が少なく、長寿命な
冷却機が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１による冷却機を示す部分断
面図である。

【図２】この発明の実施例２による冷却機を示す部分断
面図である。

【図３】この発明の実施例３による冷却機を示す断面図
である。

【図４】この発明の実施例４に係わる共振ばねを示す平
面及び断面図である。

【図５】従来の冷却機を示す断面図である。

【図６】従来の冷却機の欠点を示す説明図である。

【図７】従来の冷却機の欠点を示す説明図である。

【符号の説明】

１　　シリンダ ２　　ピストン ２ａ　　作動表面 ３　　コ−ルドフィンガ− ４　　ディスプレ−サ ４ａ　　作動表面 ４ｂ　　作動表面 ５　　連通管 ６　　膨張空間 ７　　第一圧縮空間 ８　　第二圧縮空間 ９　　蓄熱器 １４　　すきまシ−ル １５　　バッファ空間 １６　　すきまシ−ル ２８　　リニアモ−タ ２９　　ピストン用共振ばね ３０　　ディスプレ−サ用共振ばね ３１　　スリット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　内部に作動ガスを封入したコ−ルドフ
   ィンガと、上記コ−ルドフィンガ内に収納され、ディス
   プレ−サ用共振ばねにより上記コ−ルドフィンガに往復
   動可能に係合されたディスプレ−サ、内部に作動ガスを
   封入したシリンダと、上記シリンダ内に収納されピスト
   ン用共振ばねにより上記シリンダに往復動可能に係合さ
   れたピストン、及び上記コ−ルドフィンガ内の作動ガス
   と上記シリンダ内の作動ガスとを連通する連通管から構
   成され、上記ピストンと上記ディスプレ−サのシ−ルを
   、それぞれ、上記シリンダと上記コ−ルドフィンガとの
   間のすきまを用いたすきまシ−ルによって行い、かつ、
   上記ディスプレ−サはその一方の作動表面により膨張空
   間の体積を、もう一方の作動表面により第一圧縮空間の
   体積を変えるものであり、上記ピストンはリニアモ−タ
   によって上記シリンダ内を往復駆動され、その一方の作
   動表面により第一圧縮空間に連通する第二圧縮空間の体
   積を、もう一方の作動表面によりバッファ空間の体積を
   変えるものであり、上記膨張空間、第一圧縮空間、第二
   圧縮空間、上記連通管内の空間及び上記膨張空間と上記
   圧縮空間に連通する蓄熱器、から成る作動空間内の作動
   ガスが熱力学的サイクルを繰り返すことにより冷熱を発
   生するよう構成された冷却機において、上記ピストン用
   共振ばね、または上記ディスプレ−サ用共振ばねの少な
   くともいずれか一方は、部材の軸方向に垂直な方向に複
   数のスリット設けて構成された精密ばねとしたことを特
   徴とする冷却機。