JPH01281372A - 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】 【産業上の利用分野】

この発明は、スターリング冷却機等の各種１了の）ｈ却
、冷凍、冷蔵、空調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３図は特願昭６２−２７０９９８号に示された従来の
スターリング冷却機の概略構成を示す断西側面図である
。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４ｈは膨張空間６の境界をなしており
、圧縮空間７と共に作動空間を構成する。 ディスプレーサ４内に備えろ蓄熱器８は中心孔９を経て
その下側の作動ガスに通ずると共に、中心孔１０と半径
方向流通ダクト１１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１２を備又でいる。 ピストン２はシール１３，１４を備え、ディスプレーサ
４とコールドフィンガ３の間にはシール１５．１６を備
えろ。また、ビス）・ン２はその下側に硬紙又はアルミ
ニウムのごとき非磁性及び非磁化材料から成る軽量のス
リーブ１７を備えている。スリーブ１７には環状永久磁
石１８が固定され、ピストン２の軸線方向に環状間隙１
９内で往復運動できるようになっている。環状間隙１９
内には、環状永久磁石ｉｓ、軟鉄環状ディスク２０゜軟
鉄シリンダ２１及び軟鉄円形ディスク２２から成る閉磁
気回路によって半径方向に磁界が作られている。さらに
、軟鉄シリンダ２１には超−導体から成る導電体が巻き
付けられてコイル２３を形成し、このコイル２３はシリ
ンダ１の壁を通すリード線２４．２５に接続され、これ
らのリード線２４．２５はシリンダ１の外部でそれぞれ
電気端子２６，２７に接続されている。前記したスリー
ブ１７．環状永久磁石１８．環状間隙１９．軟鉄環状デ
ィスク２０．軟鉄シリンダ２１．軟鉄円形ディスク２２
．コイル２３及びリード１ｉ２４．２５は全体としてピ
ストン駆動用のりニアモータ２８を構成している。 ピストン２及びディスプレーサ４ば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に往復動可能に係合
され、ビスＩ・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。さらに、真
空デユワ−３１はシール３２及びボルト３３によりフラ
ンジ３４に気密に締結され、真空デユワ−３１内を真空
ポンプ（図示しない）によって排気することにより、外
界から低温部への熱の侵入を防止するようになっている
。３５は被冷却体であり、コールドフィンガ３内の１ｌ
ｆｉ空間６及びフリーザ１２から成る低温部に熱的に接
触し、このため冷却機によって冷却されるようになって
いる。 ３６は第２コールドフインガであり・作動ガスの圧力変
動による往復運動する第２デイスプレーサ３７を内包し
ている。第２デイスプレーサ３７の下部の作動表面３７
ａは第２１１！張空間３８の境界をなしており、この第
２膨張空間３８はピストン２の作動表面２ＢＰディスプ
レーサ４の作動表面４ａ及び第２デイスプレーサ３７の
作動表面３７ｂに囲まれた圧縮空間７と共に、膨張空間
６と圧縮空間７から構成される主冷却系統３９に対して
副冷却系統４０の作動空間を構成している。第２デイス
プレーサ３７は第２蓄熱器４１を備丸、この第２蓄熱昭
４１はその上部ζこある中心孔４２を介して圧縮空間７
に連通し、また、その下部にある中心孔４３及び第２半
径方向流通ダクト４４を介して第２膨張空間３８に連通
している。さらに、第２デイスプレーサ３７は圧縮空間
７から第２膨張空間３８へ流れるガスが第２蓄熱器４１
を通るよう強制するシール４５．４６を備えている。 第２半径方向流通グケｌ−４４の出口付近には、熱交換
器として作動空間内で発生した冷熱を外部に取出す第２
７７）−ザ４７が設けられ、第２コールドフインが３６
に隣接して配置されたりニアモータ２８が上記副冷却系
統４０の低温部で発生した冷熱により冷却されるよう構
成されている。第２デイスプレーサ３７は第２ディスブ
１−サ用弾性部材４８を介してシリンダ１に往復動可能
に係合され、第２デイプし・−サ３７の静止時の固定位
置及び運転時の中心位置を定めている。 次に、前記した従来のスターリシグ冷却機の動作につい
て説明する。電気端子２６．２７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２３
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１８の作る半径方向の磁場との相互作用によって
コイル２３にＣよ軸方向に周期的なゴーレンツ力が働・
く。その結果ピストン２．スリーブ１７及び環状永久磁
石１８から構成されろ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、前記組立体は軸方向に振
動する。ピストン２の振動は、圧縮空間７．１歪量間６
．連通管５．Ｗ熱器８．中心孔９゜中心孔１０．半径方
向流通グ’ｊ　Ｉ−１１、フリーザ１２、第２膨張空間
３８．第２扉熱ＰＪ４１．中心孔４２．中心孔４３．第
２半径方向流通グクト４４、及び第２フリーザ４７から
成る作動空間内に封入された作動ガスに周期的に圧力変
化をもたらすと共に、蓄熱器８を通過するガスの流量変
化によりディスプレーサ４に又、第２蓄熱器４１を通過
するガスの流量変化に、より第２デイスプレーサ３７に
周期的な軸方向の交番振動力を生じせしめろ。このよう
にして、蓄熱器８を含むディスプレーサ４及び第２蓄熱
器４１を含む。第２デイスプレーサ３７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及び第２コールドフインガ３６内を軸方向に往復運
動することになる。ディスプレーサ４及び第２デイスプ
レーサ３７が上記圧力変動と適当な位相関係を保って往
復運動するとき、前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、主冷却系統３９にあっては膨張空間６
内に冷熱が発生し、また、副冷却系統４０にあっては第
２膨張空間３８内に冷熱を発生する。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
ｒＣｒｙｏｃｏｏｌ、ｅｒｓＪ　　（Ｇ、　　Ｗａｌｋ
ｅｒ、Ｐｌｅｎｕｍ　　Ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ　　Ｙｏｒ
ｋ、１９８３、ＰＰ・１７７〜１２３）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により圧縮された圧縮空間７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、中心孔９．ｉ
！Ｆｆｉ１８に流れ込む。蓄熱″Ｉｉ８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１０．半径方向流通グクト１１及びフリーザ１
２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８に冷熱を放出しながら流路を戻り圧縮空間７内に入
る。この時、フリーザ１２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圧縮空間
７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［逆スターリン
グサイクル」が完成して冷熱が発生する。 尚、以上では、主冷却系統３９を例にとって説明したが
、副冷却系統４０も全く同じ作用により主として第２膨
張空Ｒ３８及び第２フリーザ４７内に冷熱を発生する。 一方、冷却機運転時コイル２３にはそのコイル２３の電
気抵抗Ｒと流れている電流■によってＲ■２に等しいジ
ュール発熱が生じている。また、副冷却系統４０の低温
部は真空デユワ−３１により断熱されているために結局
、冷却機の副冷却系統４０の冷却能力〉ジュール光熱と
なるように冷却機を設計すれば、上式の差に等しい熱量
だけ第２コールドフインガ３６の低Ｑ１１６及びリニア
モータ２８は冷却されて温度が降下する。 このようにして、リニアモータ２８を構成する要素であ
るコイル２３の１度が十分に低下し、ある一定温度、す
なわち臨界温度以下になると、超電導材料によって構成
されたコイル２３は超電導状層となり電気抵抗Ｒが極め
て小となる。そしてこの時、リニアモータ２８に入力さ
れた電力はビス！・ッ２を駆動する力として有効に消費
され、乙のｔ、：めに極めて効率良く、被冷却体を冷却
することができる。

【発明が解決しようとする課題］ 上記しｔ：従来の冷却機は以上のように構成されている
が、常電導状態におけろコイル２３のジュール発熱が大
きく冷却機の副冷却系統４０の冷却能力を上回る場合に
は、フィル２３の温度が臨界温度以下まで下がらず、こ
のため、効率良い運転が出来なくなるという問題があっ
た。また、コイル２３のジュール発熱を小さく抑えるた
めにはりニアモータ２８を大きくすることが必要で、従
って冷却機が大きくなるという問題点もあった。 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、常に効率良い運転が可能な冷却機を得るこ
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、従来１つであった電気モータ
を２つに分割し、分割した電気モータの一方にのみ超電
導材料により形成したコイルを用い、この一方の電気モ
ータのみを副冷却系統によって冷却する構成としたもの
である。 すなわち、この発明は、コイルの一部または全部を超電
導材料により形成した？Ｓ電気モータ、コイルを通常の
良導体により形成した第２Ｔｉ気モータと、これら電気
モータ及び第２モータが共同して動作することによって
冷熱を発生し被冷却体を冷却する主冷却系統及び前記電
気モータを冷却する副冷却系統とを備え、この副冷却系
統のフ’Ｊ−ザに隣接して前記電気モータのみが配置さ
れているものである。 尚、通常の電導体とは、例えば鍋やアルミ等の材料をい
う。

【作　　用】

電気モータを分割し、一方の電気モータのみを副冷却系
統によって冷却することができる。したがって、副冷却
系統の能力に応じて常に、この電気モータの超電導材料
により形成するコイルを臨界温度以下に冷却することが
できる。

【実施例】

第１図はこの発明の一実施例である冷却機の概略構成を
示す断面側面図で、第３図と同一または相当部分は同一
符号を用いて表示してあり、その詳細な説明は省略する
。 本実施例では、第１図に示すように、第１リニアモータ
２８に加えて、ピストン２はその上側に硬紙又はアルミ
ニウムのごとき非磁性及び非磁化材料から成る軽量の第
２スリーブ４９を備えている。第２スリーブ４９には第
２環状永久磁石５０が固定され、ピストン２の軸線方向
に第２環状間隙５１内で往復運動できるようになってい
る。第２環状間隙５１内には、第２環状永久磁石５０゜
第２軟鉄環状ディスク５２．第２軟鉄シリンダ５３及び
第２軟鉄円形ディスク５４から成る閉磁気回路によって
動径方向に磁界が作られている。さらに、第２軟鉄環状
デイスク５２には銅やアルミニウム等の良導電体によっ
て第２コイル５５が形成され、この第２コイル５５はシ
リンダ１の壁を通す第２リード線５６．５７に接続され
、これら第２リード線５６，５７はシリンダ１の外部で
それぞれ第２Ｔ４気端子５８．５９に接続されている。 上記した第２スリーブ４９．第２環状永久磁石５０、第
２環状間１１！５１．第２軟鉄環状デイスク５２、第２
軟鉄シリンダ５３．第２軟鉄円形ディスク５４．第２コ
イル５５及び第２リード線５６゜５７は全体としてピス
トン駆動用の第２リニアモータ６０を構成している。 尚、ピストン２とシリンダ１の壁の間には、シール６１
が備えられ、第２リニアモータ６０内の常温のガスが低
温の第１リユアモータ２８内に流入するのを防止してい
る。 次に、この実施例の動作について説明する。 冷却機の始動時、即ち、超電導体から成るコイル２３の
温度が臨界温度以上で、常電導の状態にある時、第２電
気端子５８，５９に系の共振周波数に等しい交流電源（
図示しない）を接続すると第２コイル５５には円周方向
の交番電流が流れ、この交番電流と第２叩状永久磁石５
０の作る半径方向の磁場との相互作用によって第２コイ
ル５５には軸方向に周期的なローレンツ力が働く。その
結果、ビスｌ、ン２．スリーブ１７．環状永久磁石１８
、第２スリーブ４９及び第２環状永久磁石５０から成る
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。ビス１−ン２
の振動は、圧縮空間７．膨張空間６．連通管５．蓄熱器
８．中心孔９．中心孔１０．半径方向流通ダクト１１．
フリーザ１２゜第２膨張空間３８．第２蓄熱器４１．中
心孔４２゜中心孔４３．第２半径方向流通ダクト４４及
び第２フリーザ４７から成る作動空間内に封入された作
動ガスに周期的に圧力変化をもたらすと共に、蓄熱Ｍ８
を通過するガスの流量変化によりディスプレーサ４に、
又、第２蓄熱器４１を通過するガスの流量変化により第
２デイスプレーサ３７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８を含むディス
プレーサ４及び第２Ｍ熱器４１を含む。第２デイスプレ
ーサ３７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及び第２コールドフインガ３
６内を軸方向に往復運動することになる。 ディスプレーサ４及び第２デイスプレーサ３７が上記圧
力変動と適当な位相関係を保って往復運動するとき、上
記作動空間内に封入されｔ：作動ガスは従来例の動作で
述べたように「逆スター　リングサイクル」を構成し、
主冷却系統３９にあっては膨張室［６内に冷熱が発生し
、また、副冷却系統４０にあっては第２膨張空間３８内
に冷熱を発生する。 以上の過程において、コイル２３には全く電流が流れて
おらず、従って、コイル２３のジュール発熱も生じてい
ない。また、副冷却系統４０の低温部は真空デユワ−３
１により断熱されているために、結局、第２コールドフ
インガ３６の低温部及びリニアモータ２８は急速に冷却
されて温度が降下する。 このようにして、リニアモータ２８を構成する要素であ
るコイル２３の温度が十分に低下し、ある一定温度、す
なわち臨界温度以下になると、超電導材料によって構成
されたコイル２３は超電導状態となる。 この時、第２電気端子５８．５９に接続されていた電源
（図示しない）を電気端子２６，２７に継なぎ変えると
、超電導状態にあるコイル２３に電流が流れ、冷却機を
駆動し始めろ。超電導状態にあるコイル２３の電気抵抗
は極めて小さいなめ抵抗による発熱が少なく、従って、
リニアモータ２８に入力された電力はピストン２を駆動
する力として有効に消費され、このために極めて効率良
（、被冷却体を冷却することができる。 なお、上記実施例では、電気モータとして可動磁石型の
リニアモータを例示しているが、可動コイル型のりニア
モータであっても良く、また回転モータであっても良（
、上記実施例と同様の効果を奏する。 また、上記実施例では、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２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とが長
い連通管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。 また、上記実施例では、ガス冷却機として［スターリン
グサイクル」に基づく冷却機の場合を例示したが、ギフ
オード−マクマホン（Ｇ−Ｍ）サイクル、ランキン（蒸
気圧縮式）サイクルあるいはプレイトンサイクル等の他
のガスサイクルに基づく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。 更に、前記実施例では、リニアモータ２８と第２リニア
モータ６０をスイッチの切り変えにより独立して動作さ
せたが、コイル２３のジュール発熱く副冷却系統４０の
冷却能力となる範囲で、リニアモータ２８と第２リニア
モータ６０を同時（こ動作させても良く、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、この発明は、従来１つであった電気モー
タを２つに分割し、一方の電気モータのコイルのみを超
電導材料により形成し副冷却系統に２より冷却する構造
としたので副冷却系統の能力に応じて前記超電導材料コ
イルの電気モータの容量を設計すれば概コイルを常に臨
界温度以下に冷却できる。 また、冷却機の始動時に第２電気モータのみを運転し他
方の電気モータの超電導材量コイルが臨界；品度以下に
なった後に概電気モークを始動することができ、この場
合には始動時のコイルの発熱が少ないので早期に超電導
状態での運転を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である冷却機の概略構成を
示す断面側面図、第２図はこの発明の他の実施例である
冷却機の概略構成を示す断面側面図、第３図は従来のス
ターリング冷却機の概略構成を示す断面側面図である。 １　シリンダ、２・・ピストン、２ａ、４ａ、４ｂ、３
７ａ、３７ｂ−作動表面、３　コールド７、（ンガ、４
　ディスプレーサ、５　連通管、６膨歪量間、７　圧縮
空間、８　蓄熱器、９，１０゜４２．４３　　中心孔、
１１・半径方向流通ダクト、１２・・フリーザ、１３，
１４，１５，１６，３２゜４５．４６　　シール、１７
　・スリーブ、１８　環状永久磁石、１９・・環状空間
、２０　軟鉄環状ディスク、２１・軟鉄シリンダ、２２
・軟鉄円形ディスク、２３　・コイル、２４．２５　　
・リード線、２６．２７　　Ｔｉ電気端子２８　・リニ
アモータ、２９　ピストンＪｕｌ！部材、３０　・ディ
スプレーサ用弾性部材、３１　・真空デユワ−１３３−
ボルト、３４　フランジ、３５・・被冷却体、３６・・
第２コールドフインガ、３７・・第２デイスプレーサ、
３８　第２膨張空間、３９・・主冷却系統、４０・副冷
却系統、４１　第２蓄熱語、４４・・第２半径方向流通
ダクト、４７　第２フリーザ、４８・・第２ディスプレ
ーサ用弾性部材、４９・・第２スリーブ、５０・第２環
状永久磁石、５１−・・第２環状間隙、５２　第２軟鉄
環状デイスク、５３・第２軟鉄シリンダ、５４・第２軟
鉄円形ディスク、５５　第２コイル、５６．５７・　第
２リード線、５８，５９　第２電気端子、６０　第２リ
ニアモータ、６トシール。 なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。 代理人　　大　岩　増　雄（外２名） 手続補正書（自発）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. コイルの一部または全部を超電導材料により形成した電
   気モータと、コイルを通常の良導体により形成した第２
   電気モータと、これら電気モータ及び第２電気モータが
   共同して動作することによって冷熱を発生し被冷却体を
   冷却する主冷却系統及び前記電気モータを冷却する副冷
   却系統とを備え、この副冷却系統のフリーザに隣接して
   前記電気モータのみが配置されている冷却機。