JP2550657B2 - 冷却機 - Google Patents

冷却機

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JP2550657B2
JP2550657B2 JP63111321A JP11132188A JP2550657B2 JP 2550657 B2 JP2550657 B2 JP 2550657B2 JP 63111321 A JP63111321 A JP 63111321A JP 11132188 A JP11132188 A JP 11132188A JP 2550657 B2 JP2550657 B2 JP 2550657B2
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芳男 数本
和生 柏村
喜郎 古石
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/001Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor

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  • Compressor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、スターリング冷却機のように、赤外線素
子の冷却、空気液化機等に用いられるガス冷却機に関す
るものである。
[従来の技術] 第4図は、例えば特公昭54-28980号公報に開示された
ものに類似した従来のスターリング型ガス冷却機の概略
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はコー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ーサ4を内包す
ると共に、その下部は連通管5によりシリンダ1と連通
している。ディスプレーサ4の上部の作動表面4bは膨張
空間6の境界をなしており、この膨張空間6はディスプ
レーサ4の下部作動表面4aと連通管5の間の第1圧縮空
間7、ピストン2の上部の作動表面2aと連通管5の間の
第二圧縮空間8、ディスプレーサ4内に備えた蓄熱器9
及び連通管5内の空間等とともに作動空間を構成してい
る。蓄熱器9は下方の中心孔10を経てその下側の作動ガ
スに通ずると共に、また上方の中心孔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ーザ
13を備えている。
ピストン2とシリンダ1の壁の間にはその間隔が10μ
m程度に形成され、圧力損失により容量減少率がほぼ3
〜8%位となっているすきまシール14が形成され、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、ディスプレーサ4とコールドフィンガ3の間に
は上述の同様のすきまシール16を備え、膨張空間6と第
一圧縮空間7の間の作動ガスの流れが蓄熱器9内を流れ
るよう強制している。
ピストン2とその下側のバッファ空間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ー
ブ17を備える。スリーブ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はシリンダ1の壁を通すリ
ード線19,20に接続され、これらのリード線19,20はシリ
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。コイル18はピストン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。環状永久磁石24と軟鉄環状ディスク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。
以上述べたスリーブ17、コイル18、リード線19,20、環
状間隙23、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は全体としてピスト
ン駆動用のリニアモータ28を構成している。また、ピス
トン2及びディスプレーサ4はそれぞれピストン用弾性
部材29とディスプレーサ用弾性部材30を介してシリンダ
1及びコールドフィンガ3内に往復動可能に係合され、
ピストン2及びディスプレーサ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。
次に、前記従来のスターリング型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、環状間隙23
の半径方向の永久磁界の影響を受けてコイル18には軸方
向の周期的なローレンツ力が働き、その結果、ピストン
2、スリーブ17及びコイル18から構成される組立体とピ
ストン用弾性部材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、膨脹
空間6、第1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
及びフリーザ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共に、蓄熱器9を通
過するガスの流量変化によりディスプレーサ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を含むディスプレーサ4はピストン2と同じ周
波数で、かつ異なった位相でコールドフィンガ3内を軸
方向に往復運動することになる。
ピストン2及びディスプレーサ4が適当な位相差を保
って運動するとき、上記作動空間内に封入された作動ガ
スは「逆スターリングサイクル」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及びフリーザ13
に冷熱を発生する。前記「逆スターリングサイクル」
と、その冷熱発生の原理については、文献「Cryocooler
s」(G.Walker,Plenum press,New york,1983,PP.177〜1
23)に詳細に説明されている。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に流れ込む。蓄熱器9で
は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
リーザ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、第二圧縮
空間8内に入る。この時、フリーザ13内で外部から熱を
奪い、その外部を冷却する。しかして、大部分の作動ガ
スが第二圧縮空間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、前
記「逆スターリングサイクル」が完成して冷熱が発生す
る。
[発明が解決しようとする課題] 従来の冷却機は以上のように構成されているで、ピス
トン用弾性部材29及びディスプレーサ用弾性部材30の偏
心等によって生じる半径方向の力は、ピストン2及びデ
ィスプレーサ4に対してモーメント荷重を発生させる。
この結果、ピストン2及びディスプレーサ4のすきまシ
ール14,16には、てこの原理により拡大された荷重(集
中荷重)がかかり、シール部が著しく摩耗し、またピス
トンの摺動部も摩耗し、長寿命の冷却機が得られないと
いう問題があった。
この発明は、前記のような問題点を解消するためにな
されたもので、シール部の摩耗が少なく、長寿命の冷却
機を得ることを目的とする。
[課題を解決するための手段] この発明に係る冷却機は、ピストン用弾性部材と前記
ピストン2の結合点を、前記ピストン2内であって前記
ピストンと前記シリンダの摺動部に対し軸方向にほぼ同
一位置に設けたものである。
[作用] 以上の構成により、ピストン用弾性部材の偏心等によ
って生じる半径方向の力はピストン2とシリンダ1の摺
動部上に作用し、モーメント荷重が小さいかまたは発生
しないため、シール部に前記拡大された荷重が加わるこ
とが無く、従って、ピストン2の摺動部の摩耗、特にシ
ール部の摩耗が著しく減少する。
[実施例] 以下、この発明の一実施例を説明する。第1図におい
て、従来例の第4図と同一符号は同一または相当部分を
示し、31はピストン用弾性部材29とピストン2の結合点
であり、この実施例では、従来例と異なり、この結合点
31がピストン2とシリンダ1との摺動部に対し軸方向ほ
ぼ同一位置に配置されている。また、32はディスプレー
サ用弾性部材30とディスプレーサ4の結合点であり、ピ
ストン2と同様にディスプレーサ4内部であって、ディ
スプレーサ4とコールドフィンガ3の摺動部に対し軸方
向にほぼ同一位置に配置されている。
以下、本実施例の動作について説明する。
第2図(a),(b)に、従来例とこの実施例におけ
るピストン用弾性部材29とピストン2の結合点の位置の
違いと、これによるすきまシール14に作用する荷重の違
いを示す。図中、(a)に示す如く、従来例では上記結
合点が、ピストン2とシリンダ1の摺動部に対し軸方向
位置が異なる。このため、例えばピストン用弾性部材29
の偏心等により、ピストン2の下端に半径方向の力F0
が作用すると、ピストン2には点線で示したように倒れ
が生じ、ピストン2がシリンダ1に接する箇所(点)に
モーメント荷重が発生する。
このモーメント荷重F1及びF2はそれぞれ; で与えられるため、従って、シリンダ1の下端部に対応
する部分には、本来の半径方向の力F0より大きい集中
荷重F1(てこの原理により拡大された荷重といえる)
が作用し、この部分をすきまシール14が通過する際にす
きまシール14を著しく摩耗することになる。
一方、本実施例では、図中(b)に示す如く、半径方
向の力F0に対してモーメントが発生せず、更に、倒れ
も生じないため、荷重F0をピストン2とシリンダ1の
摺動面全体で支えることになり、すきまシール14の摩耗
が少なく、長時間運動が可能となる。また、ディスプレ
ーサに関しても同様の作用により、長寿命化が達成され
る。
以上、ここでは、すきまシール14及び16の長寿命化と
結合点31及び32の位置の関係について説明したが、この
ような位置関係のすきまシール14及び16を使用すること
によって、この実施例に示した冷却機は、従来例と全く
同様の動作によりフリーザ13及び膨張空間6に同様に冷
熱を発生し、しかも長時間その性能を維持することが可
能となる。
尚、この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、ここでは省略する。
尚、前記実施例では、コールドフィンガ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、第3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
もよく、前記実施例と同様の効果を奏する。
[発明の効果] 以上のように、この発明によれば、ピストン用弾性部
材とピストンの結合点を、ピストンに対しモーメント荷
重が発生しないような位置に配置、構成したので、すき
まシールの摩耗が少なく、長寿命な冷却機が得られると
いう効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例に係る冷却機を示す断面側
面図、第2図はこの発明の一実施例による冷却機と従来
例との動作の違いを示す説明図、第3図はこの発明の他
の実施例を示す冷却機の断面側面図、第4図は従来の冷
却機を示す断面側面図である。 1……シリンダ、2……ピストン、2a,4a,4b……作動表
面、3……コールドフィンガ、4……ディスプレーサ、
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、10……中心孔、11
……中心孔、12……半径方向流通ダクト、13……フリー
ザ、14……すきまシール、15……バッファ空間、16……
すきまシール、17……スリーブ、18……コイル、19,20
……リード線、21,22……電気端子、23……環状間隙、2
4……環状永久磁石、25……軟鉄環状ディスク、26……
軟鉄シリンダ、27……軟鉄円形ディスク、28……リニア
モータ、29……ピストン用弾性部材、30……ディスプレ
ーサ用弾性部材、31,32……結合点。 尚、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】内部に作動ガスを封入したコールドフィン
    ガと、前記コールドフィンガ内に収納されディスプレー
    サ用弾性部材により前記コールドフィンガに往復動可能
    に係合されたディスプレーサと、内部に作動ガスを封入
    したシリンダと、前記シリンダ内に収納されたピストン
    用弾性部材により前記シリンダに往復動可能に係合され
    たピストンと、前記コールドフィンガ内の作動ガスと前
    記シリンダ内の作動ガスとを連通する連通管とから構成
    され、前記ピストンと前記ディスプレーサのシールを、
    それぞれ、前記シリンダと前記コールドフィンガとの間
    のすきまを用いたすきまシールによって行い、かつ、前
    記ディスプレーサはその一方の作動表面により前記コー
    ルドフィンガ内の膨張空間の体積を変え、もう一方の作
    動表面により前記コールドフィンガ内の第一圧縮空間の
    体積を変えるものであり、前記ピストンはリニアモータ
    によって前記シリンダ内を往復駆動されその一方の作動
    表面により前記第一圧縮空間に連通する前記シリンダ内
    の第二圧縮空間の体積を、もう一方の作動表面によりピ
    ストンの下側に存在するバッファ空間の体積を変えるも
    のであり、前記膨張空間、前記第一圧縮空間、前記第二
    圧縮空間、前記連通管内の空間及び前記膨張空間と前記
    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
    生するように構成された冷却機において、 前記ピストン用弾性部材と前記ピストンの結合点を、前
    記ピストン内であって前記ピストンと前記シリンダの摺
    動部に対し軸方向にほぼ同一位置に設けたことを特徴と
    する冷却機。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5037011A (ja) * 1973-06-25 1975-04-07
JPS52111011A (en) * 1976-09-28 1977-09-17 Barthalon Maurice Motorrdriven compressors
JPS5329846A (en) * 1976-08-31 1978-03-20 Matsushita Electric Works Ltd Toothbrush
JPS5428980A (en) * 1977-08-05 1979-03-03 Daikin Ind Ltd Electric hydraulic conversion device

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