JP2552709B2 - 冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、赤外線素子の冷却等に用いられるフリー
ピストン型スターリング冷凍機のような冷凍機に関する
ものである。

〔従来の技術〕

第６図（Ｉ）〜（IV）は例えば特開昭57-73873号公報
に示された従来の冷凍機の動作を示すもので、この冷凍
機は往復動形コンプレッサ（１）とコールドフィンガ部
（２）とを含む。コンプレッサ（１）のピストン（３）
はヘリウムのような冷媒ガスを加圧して正弦曲線状の圧
力変動を起こさせる。第２圧縮空間（４）における圧力
変動は供給パイプ（５）を通してコールドフィンガ部
（２）内に伝達される。コールドフィンガ部（２）のハ
ウジング（６）内には円筒状の移動体（７）が自由に往
復運動してコールドフィンガ部（２）内の第１圧縮空間
（８）と膨張空間（９）の容積を変えるようにされてい
る。移動体（７）は蓄熱式熱交換器（10）を含む。ヘリ
ウムは第１圧縮空間（８）と膨張空間（９）との間を熱
交換器（10）を通って自由に流れる。上記移動体（７）
と一体のピストン部材（11）が第１圧縮空間（８）の端
部のガススプリング空間（12）内に延びている。

上記した冷凍機は加圧されたガスの二個の分離された
ガス空間を含むものとして示されている。ガスの作動空
間はコンプレッサ（１）の第２圧縮空間（４）内のガス
と、供給パイプ（５）内のガスと、第１圧縮空間（８）
内と膨張空間（９）内にあるガスと、熱交換器（10）内
のガスとを含む。別のガス空間を形成するのはガススプ
リング空間（12）である。スプリング空間（12）はピス
トン部材（11）を取囲むピストン部材用シール（13）に
よって上記ガス作動空間に対してシールされている。ま
た、移動体（７）には移動体用シール（14）が取付けら
れ、第１圧縮空間（８）と膨張空間（９）の間を移動す
るガスが熱交換器（10）を通るように強制する。さらに
ピストン（３）にはピストン用シール（15）が備えら
れ、作動空間とクランク機構（図示せず）の納められた
バッファ空間の間をシールしている。

次に上記した冷凍機の動作を第７図に示したガススプ
リング空間、作動空間内のガス圧力と移動体の変位の関
係図を含めて説明する。

第６図（Ｉ）のサイクルの時点においては、移動体
（７）はコールドフィンガ部（２）内の下端の空間
（９）内にあり、コンプレッサ（１）は作動空間内のガ
スを圧縮しつつある。コンプレッサ（１）のピストン
（３）の圧縮運動は作動空間内の圧力を最低圧力から最
高圧力まで上昇させる。スプリング空間（12）内の圧力
は作動空間内の最低から最高までの圧力レベルの間のあ
るレベルで安定している。かくして、ある時点では作動
空間内において増加しつつある圧力は、移動体用シール
（14）およびピストン部材用シール（13）の摩擦抵抗を
克服するに十分な差圧をピストン部材（11）に対して発
生させる。そこで、ピストン部材（11）および移動体
（７）は第６図（II）に示す位置まで急速に上昇する。
この移動体（７）の運動によって第１圧縮空間（８）の
ほぼ周囲温度の高圧のガスは熱交換器（10）を通過して
予冷された後、膨張空間（９）内に強制的に導かれる。
そして熱交換器（10）は通過していく加圧されたガスの
熱を吸収し、ガスを冷却する。かくして図示しないクラ
ンク機構による正弦曲線状駆動によって、いまや、コン
プレッサのピストン（３）は第６図（III）のように作
動空間の容積を膨張させ始め、この膨張によって膨張空
間（９）内の高圧ヘリウムガスは更に一層冷却される。
熱交換器（10）の全長にわたり200K以上の温度勾配を維
持させるような冷却作用を発生させるのは膨張空間
（９）におけるこの冷却である。ピストン（３）の膨張
運動におけるある時点で、作動空間内の圧力がスプリン
グ空間（12）の圧力以下に下降し、その差圧がシールの
摩擦力に打勝つのに十分なだけピストン部材（11）に対
して作用する。これにより、移動体（７）は第６図（I
V）の位置に向けて下方に駆動させられる。第６図（I
V）の位置はすなわち第６図（Ｉ）の位置になる前のス
タート位置でもある。また、このとき、膨張空間（９）
内の冷却されたガスは、熱交換器（10）内を通過するこ
とによって該熱交換器（10）を冷却した後、ほぼ周囲温
度のガスとなって第１圧縮空間（８）に戻る。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の冷凍機は以上のように構成されているので、移
動体（７）の行程はコールドフィンガ部（２）の壁によ
って制限され、移動体（７）は第７図に示すようにコー
ルドフィンガ部（２）の壁に衝突することによって静止
することになる。このためこの従来の冷凍機では、運転
中、この衝突に伴ってコールドフィンガ部（２）におい
て大きな振動や騒音を発生するという課題があった。ま
た、衝突によって移動体（７）やコールドフィンガ部
（２）の壁が摩耗し、十分な耐久性が得られないという
課題もあった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされ
たもので、振動や騒音の発生を低く抑え、かつ高耐久性
で長寿命な冷凍機を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る冷凍機は、作動空間内の作動ガスに圧
力変動を行なうコンプレッサと、コンプレッサの作動空
間と連通させたコールドフィンガ部とからなり、コール
ドフィンガ部は往復動する移動体と、これを取囲むピス
トン部材用シールと、ガススプリング空間とを有する冷
凍機において、移動体のストローク運動の中立点に比べ
その両端において強いばね定数を有するばね部材で移動
体とコールドフィンガ部とを係合したものである。

〔作用〕

この発明においては、ばね部材が移動体の行程を制限
し、移動体の両端において緩衝器として作用することに
より、移動体が緩やかにコールドフィンガ部に接触し衝
突による衝撃力が小さくなり低振動、低騒音となると共
に、衝撃による摩耗も少なくなる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
１図（Ｉ）〜（IV）において（16）はつづみ形コイルば
ねから成るばね部材であり、その両端（上下端）はガス
スプリング空間（12）内の壁に結合、固定されるととも
に、中間部はばねホルダ（17）を介してピストン部材
（11）に結合され、移動体（７）が外部からの駆動によ
って振動するようになっている。なおその他の符号は第
６図（Ｉ）〜（IV）に示した従来の冷凍機と同一である
ので同一符号を付して説明は省略する。

次に、第１図〜第３図（ａ）、（ｂ）を用いて本実施
例の動作について説明する。従来例の動作において説明
したように、ピストン（３）の正弦曲線状の上下運動は
第二圧縮空間（４）と、供給パイプ（５）と、第一圧縮
空間（８）および膨張空間（９）と、熱交換器（10）か
ら成る作動空間内のガスに第２図（ａ）に示すような正
弦曲線状の圧力変化を生じさせる。この時、ガススプリ
ング空間（12）内の圧力は作動空間内の平均圧力にほぼ
等しく保たれているため、移動体（７）には作動空間と
ガススプリング空間（12）との間の圧力差にピストン部
材（11）の断面積を乗じた値に等しい第２図（ｂ）に示
す正弦曲線状の駆動力が作用することになる。ここで、
移動体（７）とばね部材（16）は振動系を構成している
ため、移動体（７）はこの駆動力によって第２図（ｃ）
に示したようにこの駆動力とある位相遅れをもった振動
運動を行なう。このように、移動体（７）が作動空間内
の圧力変化とある位相差を保ちつつ振動運動を行なう
時、作動空間内の作動ガスは、従来例で述べたように、
“逆スターリングサイクル”を構成し膨張空間（９）に
冷熱を発生する。

以上のサイクルにおいて、本実施例による冷凍機は以
下の点で従来例と異なっている。すなわち、本実施例に
おいて用いられたつづみ形コイルばね（16）は第３図
（ｂ）に示したような非線形な特性を有しており、この
ためこのばねによって支持された移動体（７）は、その
ストロークの両端において中立点より非常に大きな制動
力を、連続的に受けることになる。こうして、本実施例
においては、つづみ形コイルばね（16）が一種の緩衝器
として作用し移動体（７）の運動エネルギーを連続的に
吸収するため、従来例のように移動体（７）がコールド
フィンガ部（２）の壁に強く衝突することがなく、第２
図に示したように、移動体（７）はそのストロークの両
端において緩やかにコールドフィンガ部（２）に接触す
る。この結果、衝突音や振動が抑えられ、低騒音、低振
動な冷凍機が得られる。

なお、上記実施例では、コールドフィンガ部（２）と
コンプレッサ（１）が供給パイプ（５）を介して互いに
分離されたスプリット型の冷凍機の場合について説明し
たが、第４図に示すこの発明の他の実施例におけるよう
に、コールドフィンガ部（２）とコンプレッサ（１）が
機械的に強く結合された一体型の冷凍機であっても良
く、上記実施例と同様の作用を奏する。

また、上記実施例ではばね部材として第５図（ａ）の
ようなつづみ形コイルばね（16）を用いた例について示
したが、その他第５図（ｂ）に示すように１対の円錐コ
イルばね（16a）や第５図（ｃ）のような線径を変化さ
せた一対のばね（16b）あるいは第５図（ｄ）のような
一対の二重コイルばね（16c）を用いても上記つづみ形
コイルばねと同様な作用を得ることができる。さらに、
上記実施例ではばね部材（16）をガススプリング空間
（12）内に設けた例を示したが、第一圧縮空間（８）や
膨張空間（９）内に設け、移動体（７）とコールドフィ
ンガ部（２）を結合しても良く、上記実施例と同様の作
用を奏する。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、移動体のスト
ローク運動の中立点に比べその両端において強いばね定
数を有する非線形なばね部材で移動体とコールドフィン
ガ部とを係合するようにしたので、移動体の行程を制限
すると共に、移動体の行程の両端において緩衝器として
作用することにより、移動体が緩やかにコールドフィン
ガ部に接触するため、衝突による衝撃力が小さくなり低
振動、低騒音の冷凍機が得られる効果がある。また、衝
突による移動体及びコールドフィンガ部の摩耗も少なく
なり、長寿命な冷凍機が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ｉ）〜（IV）はこの発明の一実施例による冷凍
機の動作の各行程を示す断面側面図、第２図は動作を説
明するための特性図、第３図（ａ）、（ｂ）はつづみ形
コイルばねとその特性図、第４図はこの発明の他の実施
例における冷凍機の側断面図、第５図（ａ）〜（ｄ）は
ばね部材の種々の例を示す断面図、第６図（Ｉ）〜（I
V）は従来の冷凍機の動作の各行程を示す側断面図、第
７図はガススプリング空間および作動空間内のガス圧力
と移動体の変位の関係図である。 （１）……コンプレッサ、（２）……コールドフィンガ
部、（３）……ピストン、（４）……第二圧縮空間、
（５）……供給パイプ、（６）……ハウジング、（７）
……移動体、（８）……第一圧縮空間、（９）……膨張
空間、（10）……熱交換器、（11）……ピストン部材、
（12）……ガススプリング空間、（13）……ピストン部
材用シール、（14）……移動体用シール、（15）……ピ
ストン用シール、（16）、（16a）、（16b）、（16c）
……ばね部材。 なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】作動空間内の作動ガスに周期的な圧力変動
   を行なうコンプレッサと、このコンプレッサの作動空間
   と供給パイプを介して連通されたコールドフィンガ部と
   からなり、コールドフィンガ部は内部で往復動する移動
   体と、この移動体を取囲むピストン部材用シールと、こ
   のシールによって上記作動空間と分離されたガススプリ
   ング空間とを有し、作動空間内の圧力と移動体の運動と
   の間に位相関係を有する冷凍機において、上記移動体と
   コールドフィンガ部とは該移動体のストローク運動の中
   立点に比べその両端においてより強いばね定数を有する
   非線形なばね部材により振動可能に係合したことを特徴
   とする冷凍機。