JPS6396455A - 極低温冷凍機の冷却部構造 - 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〕 本発明はスターリング冷凍機等の極低温冷凍機に係り、
特に被冷却体と冷凍機の冷却部を直接接触させる場合、
被冷却体のサイズにかかわらず接触熱抵抗等による有効
冷却能力の低下を防止する冷却部構造に関する。

〔従来の技術〕

従来、スターリング冷凍機等の極低温冷凍機の冷却部構
造については、インフラレッド・フィジックス、ボリュ
ーム２３．ナンバー２（１９８３年）第７７頁から第８
４頁（Ｉ　ｎｆｒａｒｅｄ　Ｐｈｙｓ。

Ｖｏｌ、２３．Ｎｏ、２．（１９８３）Ｐｐ７７−８４
）において−例が示されている。

すなわち、冷凍機の冷却部にばねを介して被冷却部への
押し付は板が取り付けられており、ばねを圧縮して用い
ることにより接触熱抵抗による有効冷却能力の低下を防
止していた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、接触圧を上げるためのばね部及び冷却
板を経由して被冷却体から熱をとっていたため、接触熱
抵抗を減らすことはできるが、ばね部の熱容量や熱伝導
に起因する熱抵抗に関しては考慮されていなかった。ま
た、シリンダ径よりサイズの大きい被冷却体を冷却する
場合、冷却板を大きくすることは可能であるが、ばね部
のみが熱の流路となるため冷却板に温度分布が生じ均一
な冷却が不可能であるといった問題があった。

本発明の目的は上記問題点に鑑み、被冷却体との接触熱
抵抗を減らすのみならず、被冷却体のサイズがディスプ
レーサ用シリンダより大きな場合においても、熱抵抗が
小さく均一な冷却が可能な極低温冷凍機の冷却部を提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明に係る極低温冷凍機
の冷却部の構成は、往復動するディスプレーサとこれを
囲むシリンダとからなる極低温冷凍機の冷却部において
、前記シリンダの内部にシリンダの断面積より大きく、
被冷却体の大きさに合った断面積を有し、膨張空間の一
部となる空間を設けると同時に、前記空間とディスプレ
ーサ用シリンダの間にベローズ状管部を設けたものであ
る。前者は冷却部の温部分布をなくし被冷却体を均一に
冷却するために設けたものであり、後者は被冷却体との
接触圧をあげ接触熱抵抗を小さくするために設けたもの
である。

〔作用〕

断面積がディスプレーサ用シリンダのものより大きく、
さらに被冷却体に合った大きさであり、膨張空間の一部
となる空間をシリンダ端部に設けた冷却部はその内部が
作動媒体に満たされており。

冷凍機の運転動作により内部作動媒体が圧縮、膨張をく
り返す、すなわち、従来の冷却部間様、拡げた部分の空
間に存在する作動媒体が被冷却体から熱を奪う媒体とな
るから、前記付加空間を構成する空間先端の、被冷却体
と接触する部分は温度分布がほとんどなく一様な温度状
態となる。また、被冷却体に対し、接触する部分は冷凍
機内部の封入圧力に耐える所まで薄肉化してやれば、熱
伝導に起因する熱抵抗を小さく抑えることができる。

一方、ベローズ構造には次のような作用がある。

すなわち、ベローズにより前記付加冷却部が被冷却体と
ある角度をもって位置づけられていても微小角度であれ
ば吸収が可能であり、冷却部と被冷却部とを一様に接触
させることが可能である。また、ベローズを圧縮した状
態で被冷却体に冷却部を接触させ接触圧を上げることも
可能であるが封入圧力と外部雰囲気圧との圧力差により
ベローズ部が変形するのを利用して接触圧を上げること
も可能である。本作用により接触熱抵抗を減小させるた
めの接触圧の増加が図れる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。本図
はスターリング冷凍機を例にとり、冷却部の拡大断面図
を示したものであるが、被冷却体６を直接冷却する冷却
部１、ディスプレーサ５、ディスプレーサ５用のシリン
ダ３、冷却部１とシリンダ３の間に設けられたベローズ
部２により膨張空間４が形成されている。ディスプレー
サ５が上下に振動することにより膨張空間４内の作動媒
体が１本図には示していないが、圧縮空間との間で圧縮
、膨張することにより冷却能力が得られることになる。

したがって、膨張空間４内の作動媒体は、過渡時には温
度分布を呈しているものの。

定常状態では一様な温度になっていると考えて良い６特
に、冷却部１外部は、通常、真空断熱層でおおわれるか
ら、膨張空間４の壁付近は輻射の影響によりわずかな温
度勾配があるものの、些程顕著ではない６そのため、被
冷却体６と接する冷却部１の面は全面一定温度になって
いると考えられる。また、冷却部１の冷却面積は対象と
する被冷却体の面積に応じ任意に形成しても冷凍機の動
作上、何等問題はなく、被冷却体６を均一に冷却するこ
とが可能である。

一方、冷却部１とシリンダ３の間にベローズ状の可撓部
を設けたことにより、被冷却体６が別の部材に固定され
、冷却部１の冷却面との間に多少の傾斜角を有していて
もこれを吸収し均一な面接触を実現することができる。

また、ベローズ部２かばね効果を有しているため、被冷
却体６に対する接触圧の向上が図れるものならず、冷凍
機内部の作動媒体圧が外部雰囲気圧より高い場合には。

ベローズ部の変形により、より高い接触圧が得られるこ
とになる。

第２図はベローズ２を設けない場合の実施例である。冷
却部１で構成された膨張空間１はディスプレーサ５が往
復動してもディスプレーサ５により占有されない空間、
すなわち死容積となる。冷凍機全体の死容積を基準に考
えれば、新たな冷却部１を設けたことに上る死容積の増
加の割合は、性能の低下原因になる程ではない。従来の
実験的経験から考察すれば、冷却部１の死容積はディス
プレーサ掃気容積の２分の１以下であれば冷凍機の性能
上、特に問題はない。これを、第２図を用いて数式化す
れば、式（１）（２）を前提として式（３）で表すこと
ができる。

△ Ｖｅ＝πｄ２・ｘ／４　　　　　　　　　−（１）ここ
で、■ｅ　：ディスプレーサ掃気容積ｄ：ディスプレー
サ外径 △ Ｘ：ディスプレーサストローク Ｖａ＝ｚＤ２ｔ／４＋ｚｄ”ｔ’　／４　　　・＝（２
）ここで、■−＝冷却部の死容積 Ｄ＝冷却部の径 ｔ：冷却部の高さ ｔ′　ニジリンダ部死容積高さ ｖｄ≦Ｖｅ／　２　　　　　　　　　　　−（３）本条
件の下で冷却部１を設計すれば冷凍機性能に影響を及ぼ
すことはほとんどない。

第３図、第４図は本発明の効果を線図として示したもの
である。第３図は接触圧に対する熱接触コンダクタンス
の変化を示したものである。熱接触コンダクタンスは接
触熱抵抗の逆数で定義されるものであり、高い程、熱が
移動し易いことを示している。本図より、接触圧を増加
させることにより熱損失を減らすことができるから、有
効冷却能力の向上が図れる。

第４図は接触面積に対する冷却部の吸熱量の変化を示し
たものである。接触熱抵抗や冷却部の肉厚等が一定の場
合、被冷却体との接触面積に比例して吸熱量は増加する
。すなわち、被冷却体に見合った冷却部を設定すること
により、有効冷却能力の大幅な改善が図れる。

〔発明の効果〕 以上のように、本発明によれば、被冷却体の被冷却部面
を完全に覆った冷却面により冷却することができるので
、均一な冷却を行うことができると同時に有効冷却能力
の向上が図れる。また、ベローズ部を設けたことにより
被冷却体に対する接触圧を高めることができるから、接
触熱抵抗の減小により有効冷却能力の向上を図ることが
できる。

さらに被冷却体と冷却部との間に取り付は誤差があって
も、ベローズ部により、これを吸収することが可能であ
り均一な冷却を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は他の
実施例を示す断面図、第３図、第４図はそれぞれ本発明
の効果を実証する冷却部の特性線図である。 １・・・冷却部、２・・・ベローズ、３・・・シリンダ
、４・・・第　１１２］ ！ 半　２　日 茅　３　図 埠　卆図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、膨張空間をデイスプレーサとこれを囲むシリンダに
   て構成し、該デイスプレーサが往復動することにより該
   シリンダ端部で冷却能力を得るように構成された極低温
   冷凍機の冷却部構造において、該シリンダ先端に該デイ
   スプレーサを囲む部分の断面積より大きな断面積を有し
   、膨張空間の一部となる空間を設けたことを特徴とする
   極低温冷凍機の冷却部構造。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の極低温冷却機の冷却
   部構造において、該空間の容積を該デイスプレーサの断
   面積とストロークの積で決まる掃気容積の１／２以下に
   したことを特徴とする極低温冷凍機の冷却部構造。 ３、特許請求の範囲第１、２項のいずれかに記載の極低
   温冷凍機の冷凍部構造において、該空間と該デイスプレ
   ーサ用シリンダとの間にベローズ状部を設けたことを特
   徴とする極低冷凍機の冷却部構造。