JPH0554967U - 冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧縮器内のピストン、シリンダの摩耗に起因
するシール性劣化による冷却性能低下をなくし、フリー
メンテナンスによる長時間運転が可能な冷凍機を得る。 【構成】 冷凍機の圧縮器１内の圧縮室１９をベローズ
３２によつて構成した。 【効果】 ピストン、シリンダおよびクリアランスシー
ルを用いることなく圧縮室の容積を変化させることがで
きるのでシールの劣化による性能低下を生じない。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は例えば赤外線検出素子を８０Ｋ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。図２において、スターリン グ冷凍機は大きく分けて圧縮器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。圧縮器１はシリンダ４とピストン５を備える。ピストン５は支 持ばね７により位置決めされ、シリンダ４内部を往復運動する構造となっている 。ピストン５には非磁性材料からなる軽量のスリーブ８が連結され、スリーブ８ に導電体を巻き付けてコイル９を形成する。コイル９はハウジング１０の壁を通 して外部に伸びる第一リード線１１、第二リード線１２と接続しており、これら のリード線１１、１２はハウジング１０の外側に第一電気接点１３および第二電 気接点１４を持つ。ハウジング１０内には永久磁石１５およびヨーク１６が設け られており、これらは磁気回路１７を構成している。コイル９は永久磁石１５お よびヨーク１６からなる磁気回路１７に設けられた間隙１８内でピストン５の軸 線方向に往復運動できる構造になっている。間隙１８内には可動コイルの運動方 向を横切る半径方向に永久磁界が存在する。シリンダ４、ピストン５で仕切られ た空間を圧縮室１９と呼ぶ。圧縮室１９には例えばヘリウム等の高圧の作動ガス が封入されている。圧縮室１９内の作動ガスがシリンダ４とピストン５の隙間を 通過しないように、シリンダ４とピストン５の隙間は例えば５０μｍ以下の微小 な隙間に管理されクリアランスシール２１を構成している。

【０００３】 一方、コールドフィンガ２は円筒状の低温シリンダ２２および低温シリンダ２ ２内を摺動自在に往復し、かつ、共振ばね２３により係合されたディスプレーサ ２４を有している。低温シリンダ２２内部の空間はディスプレーサ２４によって ２分割されており、ディスプレーサ２４より上方の空間を低温室２５、下方の空 間を高温室２６と呼ぶ。ディスプレーサ２４内部には再生器２７とガス通過孔２ ８が設けられ、低温室２５および高温室２６は再生器２７とガス通過孔２８を介 して連通しており、再生器２７内には例えば銅の金網などの蓄冷材２９が充填さ れている。コールドフィンガ２の各室には圧縮器１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。低温シリンダ２２とディスプレーサ２４の 隙間を作動ガスが通過しないように、低温シリンダ２２とディスプレーサ２４の 隙間にはクリアランスシール３０が設けられている。

【０００４】 圧縮機１の圧縮室１９とコールドフィンガ２の高温室２６は連結管３および連 通管２０を介して連通している。また、圧縮室１９、連結管３および連通管２０ 内部の空間、低温室２５、高温室２６、再生器２７およびガス通過孔２８は互い に連通しており、これらの空間全体を総合して作動室３１と呼ぶ。

【０００５】 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。コイル９、ピ ストン５からなる組立体と支持ばね７はばね−質量共振系を構成している。この 共振系の共振周波数に近い周波数の交番電流を電気接点１３，１４およびリード 線１１，１２を介してコイル９に印加すると、コイル９には間隙１８の中の永久 磁界との交互作用により軸方向にローレンツ力が働き、ピストン５とコイル９か らなる組立体はピストン５の軸線方向で往復運動する。この結果、ピストン５は シリンダ４の内部を往復運動し、作動室３１内のガス圧力に正弦状の波動を与え る。この正弦状の圧力波動に伴うディスプレーサ２４および再生器２７を通過す るガスの流量変化により、再生器２７を含むディスプレーサ２４はコールドフィ ンガ２内をピストン５と同じ周波数かつ異なる位相で軸方向に往復する。ピスト ン５とディスプレーサ２４の位相差は共振ばね２３のばね定数およびディスプレ ーサ２４の質量によって定められる。ピストン５およびディスプレーサ２４が適 当な位相差を保って運動するとき、作動室３１に封入された作動ガスが「逆スタ ーリングサイクル」として既知の熱学的サイクルを構成し、主として低温室２５ に冷熱を発生する。上記「逆スターリングサイクル」とその冷熱の発生原理につ いては、文献「Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ」（Ｇ．Ｗａｌｋｅｒ，ｐｌｅｎｕｍ Ｐｒｅｓｓ，ＮｅｗＹｏｒｋ，１９８３，ｐｐ．９５〜１７７）に詳細に説明さ れている。

【０００６】 以下に、その原理について簡単に説明する。ピストン５により圧縮された圧縮 室１９のガスは連結管３を経て流れる間に圧縮熱が冷却され、高温室２６、再生 器２７、ガス通過孔２８に流れこむ。作動ガスは再生器２７で半サイクル前に蓄 えられた冷熱により予冷され、低温室２５内に入る。そして、大部分の作動ガス が低温室２５内に入ると膨張が始まり、低温室２５内に冷熱を発生する。作動ガ スは次に逆の順序で再生器２７に冷熱を放出しながら流路を戻り圧縮室１９に入 る。このとき、コールドフィンガ２先端部から熱を奪いその外部を冷却する。こ のようにして、大部分の作動ガスが圧縮室１９に戻ると再び圧縮が始まり、次の サイクルに移動する。以上のようなプロセスにより、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。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

前記のような従来装置では作動ガスを圧縮、膨張するためピストンがシリンダ 内部を往復摺動する際に摩耗が発生する。このため、運転時間の経過に伴いクリ アランスシールのすきまが増大しシール性が劣化するので冷却性能が低下してし まい、フリーメンテナンスによる長時間運転ができないという課題があった。

【０００８】 この考案は、上記のような課題を解消するためになされたもので、圧縮室の摺 動部分をなくすことにより、クリアランスシールの劣化に起因する性能低下が生 じることがなくフリーメンテナンスによる長時間の運転が可能な冷凍機を得るこ とを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

この考案による冷凍機は、圧縮室をベローズにより構成したものである。

【００１０】

【作用】 この考案は、圧縮室をベローズで構成しているので、ピストン、シリンダおよ びクリアランスシールを用いることなく圧縮室の容積を変化させることができる 。したがって、ピストンおよびシリンダの摩耗に起因したクリアランスシールの 劣化による性能低下を生じることがなく、フリーメンテナンスによる長時間の運 転が可能である。

【００１１】

【実施例】

実施例１． 図１は、この考案の一実施例を示したものである。図１において１〜３および ７〜３１は従来装置と全く同じものである。ベローズ３２の片端はハウジング１ ０に接合され、他の一端はスリーブ８に接合されている。ハウジング１０とベロ ーズ３２の接合部およびスリーブ８とベローズ３２の接合部は例えばＯリング等 のシール部材３３，３４によってシーリングされ、圧縮室１９の気密を保持して いる。コイル９と支持ばね７とベローズ３２は、コイル９の質量と支持ばね７お よびベローズ３２のばね性によってばね−質量共振系を構成している。

【００１２】 次にこの考案による冷凍機の動作について説明する。コイル９、支持ばね７お よびベローズ３２によって構成されるばね−質量共振系の共振周波数に近い周波 数の交番電流をコイル９に印加すると従来装置と全く同様にコイル９が往復運動 する。ベローズ３２はコイル９の運動に従って伸縮し、作動室圧力に正弦状の波 動を与える。この結果、従来装置と同じ原理により低温室２５に冷熱を発生する 。この考案による冷凍機はシリンダ、ピストン等の摺動部材およびクリアランス シールを用いることなく圧縮室１９の容積を変化させるのでシールの劣化による 性能低下が生じない。このためフリーメンテナンスによる長時間の運転が可能で ある。

【００１３】

【考案の効果】

以上説明したようにこの考案では、圧縮室をベローズで構成しているので、ピ ストン、シリンダおよびクリアランスシールを用いることなく圧縮室の容積を変 化させることができる。したがって、ピストンおよびシリンダの摩耗に起因した クリアランスシールの劣化による性能低下が生じることがなく、フリーメンテナ ンスによる長時間の運転が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案の実施例１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】

１ 圧縮器 ２ コールドフィンガ ３ 連結管 ４ シリンダ ５ ピストン ９ コイル １５ 永久磁石 １９ 圧縮室 ２２ 低温シリンダ ２４ ディスプレーサ ２５ 低温室 ２６ 高温室 ２７ 再生器 ３２ ベローズ ３３ Ｏリング ３４ Ｏリング

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 永久磁石が作る磁束中に設けられ交番電
   流を流すことにより往復運動が可能なコイルと、前記コ
   イルの往復運動により作動ガスを圧縮、膨張させる圧縮
   室と、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部
   を摺動自在に往復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、前記高温室および前
   記圧縮室を連通させる連結管とを備えた冷凍機におい
   て、前記圧縮室をベローズにより構成したことを特徴と
   した冷凍機。