| 【発明の名称】 |
冷凍機用コ―ルドヘッド |
| 【発明者】 |
【氏名】生田 義貴
【氏名】金尾 憲一
【氏名】田口 芳人
【氏名】内田 年雄
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| 【要約】 |
【課題】製造に際しての熱応力に起因する変形を無くすことのできる冷凍機用コールドヘッドを提供すること。
【解決手段】冷凍機コールドヘッドにおけるシリンダホルダ１２の材料を、シリンダ１１に対してＥＢＷ、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接可能な材料で構成した。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 一端が閉塞されたシリンダと、前記シリンダの他端に取り付けられ、該シリンダと共に閉じた空間を画定するシリンダホルダと、前記シリンダ内に配置されたディスプレーサであって、前記シリンダの一端と該ディスプレーサとの間に膨張空間を画定すると共に、前記シリンダホルダと該ディスプレーサとの間に圧縮空間を画定し、該ディスプレーサ内には前記膨張空間と前記圧縮空間とを連通させるガス流路及び該ガス流路内を流れるガスと熱交換を行う蓄冷材が設けられたディスプレーサと、前記ディスプレーサを、該ディスプレーサの外周面が前記シリンダの内周面と微小間隙を隔てて対峙させ、かつ前記シリンダの軸方向に移動可能に支持する支持手段と、前記圧縮空間へ連通し、冷媒ガスの導入と排出を行う冷媒ガス供給路とを有し、前記シリンダホルダの材料を、前記シリンダに対してＥＢＷ、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接可能な材料で構成したことを特徴とする冷凍機用コールドヘッド。
【請求項２】 前記シリンダの材料はＳＵＳであり、前記シリンダホルダの材料はＮｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の冷凍機用コールドヘッド。
【請求項３】 前記シリンダホルダには更に、前記シリンダを内包するように真空容器が取付けられ、該真空容器の材料を、前記シリンダホルダに対してＥＢＷ、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接可能な材料で構成したことを特徴とする請求項１記載の冷凍機用コールドヘッド。
【請求項４】 前記シリンダホルダの材料はＮｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のいずれかであり、前記真空容器の材料はＮｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のいずれかであることを特徴とする請求項３記載の冷凍機用コールドヘッド。
【請求項５】 前記シリンダホルダを、前記ディスプレーサとは反対側の端部において切断した筒状部と、該切断部を塞ぐための蓋部材とで構成し、前記筒状部に前記シリンダが挿通されて該シリンダの端部と前記シリンダホルダにおける切断部とが面一になるようにされて、これらの端部において溶接されていることを特徴とする請求項２記載の冷凍機用コールドヘッド。
【請求項６】 前記シリンダホルダは、前記ディスプレーサ側の端部にフランジ部を有し、前記シリンダの端部はフレアー形状にされて前記フランジ部に当接されており、前記フレアー形状の端部において前記シリンダが前記フランジ部に溶接されていることを特徴とする請求項２記載の冷凍機用コールドヘッド。
【請求項７】 前記シリンダホルダを、前記ディスプレーサとは反対側の端部において切断した筒状部と、該切断部を塞ぐための蓋部材とで構成し、前記筒状部における前記ディスプレーサ側の端部の内周面に内側に突出するフランジ部を設け、該フランジ部の内周に前記シリンダが挿通され、その端部において前記シリンダが前記筒状部に溶接されていることを特徴とする請求項２記載の冷凍機用コールドヘッド。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、スターリング冷凍機のような蓄冷式冷凍機システムに使用されるコールドヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】図５を参照して、本出願人によりすでに出願済み（特願平１０−２３６１１１号）スターリング冷凍機について説明する。このスターリング冷凍機は、ガス圧縮機２０、コールドヘッド５０、及び両者を接続するキャピラリチューブ４５を含んで構成される。
【０００３】ガス圧縮機２０は、隔壁２２を挟んで面対称な構造を有する。隔壁２２の両側にシリンダ２３が配置されている。シリンダ２３は、柱面状の内周面を有し、その中心軸が隔壁２２に垂直になるように配置されている。シリンダ２３の内部空洞内にピストン２４が配置されている。ピストン２４は、シリンダ２３の内周面に整合する外周面を有する。ピストン２４、シリンダ２３、及び隔壁２２により、圧縮室２５が画定される。圧縮室２５は、隔壁２２内に形成されたガス流路２６を介してキャピラリチューブ４５に連通している。
【０００４】ピストン２４の、圧縮室２５とは反対側の端部にピストンロッド２８が連結されている。ピストンロッド２８は、シリンダ２３の中心軸の延長線に沿って延在している。ピストンロッド２８は、スラスト軸受２７及び２９により、その軸方向に移動可能に、かつ軸に直交する方向には移動が禁止されるように支持されている。スラスト軸受２７及び２９は、それぞれ軸受支持部材３３及び３４を介してシリンダ２３に固定されている。
【０００５】ピストン２４は、スラスト軸受２７及び２９により、シリンダ２３の内周面とピストン２４の外周面との間に微小な間隙が形成されるように保持される。この間隙が１０μｍ程度以下であれば、クリアランスシールとして作用する。
【０００６】シリンダ２３に、その内部空間を取り囲むように、隔壁２２とは反対側の端面から隔壁２２に向かって環状のギャップ３６が形成されている。ギャップ３６の外周面を形成している内壁には環状の永久磁石３７が取り付けられている。シリンダ２３はヨークを兼ね、永久磁石３７、シリンダ２３及びギャップ３６により磁気回路が形成される。
【０００７】この磁気回路に鎖交するように、ギャップ３６内に電磁コイル４０が挿入されている。電磁コイル４０は、コイル支持部材４１を介してピストンロッド２８に固定されている。
【０００８】電磁コイル４０に、電流リード４３及び４４を介して電流が供給される。電流リ−ド４３及び４４は、シリンダ２３に固定された軸受支持部材３４とピストンロッド２８に固定されたコイル支持部材４１との間を接続するコイルばねを含んで構成される。コイルばねは、ピストンロッド２８の軸方向に弾性変形する。電流リード４３及び４４を構成するコイルばねとして、ピストン２４等の可動部分の往復運動が、運転周波数に共鳴するようなものが採用される。
【０００９】ピストン２４、スラスト軸受２７、２９、電流リード４３、４４等が配置された空間は、外側ケース３０により密閉されている。
【００１０】コールドヘッド５０は、シリンダ５１、ディスプレーサ（ピストン）５２、コイルばね５３、及び外枠５７を含んで構成される。シリンダ５１は、柱面状、例えば円柱面状の内周面を有する。シリンダ５１の一端は閉塞され、他端は外枠５７で塞がれている。シリンダ５１の内部空洞内にディスプレーサ５２が挿入されている。ディスプレーサ５２の外周面とシリンダ５１の内周面との間に、シール部材５４が配置されている。
【００１１】シリンダ５１の一端とディスプレーサ５２との間に、低温側オリフィス６１を通して膨張空間５５が画定され、ディスプレーサ５２と外枠５７との間に、室温（常温）側オリフィス６２を通して圧縮空間５６が画定される。ディスプレーサ５２内には、膨張空間５５と圧縮空間５６とを連通させるガス流路５８が設けられている。ガス流路５８内には、銅金網、鉛球等の蓄冷材５９が充填されている。
【００１２】ディスプレーサ５２は、圧縮空間５６内に配置されたコイルばね５３により、軸方向に関して弾性的に支持されている。圧縮空間５６は、キャピラリチューブ４５及びガス流路２６を介してガス圧縮機２０の圧縮室２５に連通している。
【００１３】このようなスターリング冷凍機の動作原理は、上記の出願明細書に詳しく述べられており、以下では簡単に説明する。
【００１４】電磁コイル４０に所定周波数の交流電流を流すと、電流リード４３、４４の弾性力に抗してピストン２４が往復運動する。隔壁２２の両側の２つのピストン２４が、相互に反対向きに移動するように、交流電流の位相が制御される。２つのピストン２４が近づく向きに移動する時、圧縮室２５内が高圧になり、両者が遠ざかる向きに移動するとき、圧縮室２５内が低圧になる。ピストン２４が往復運動を繰り返すことにより、周期的にガス圧を変化させることができる。
【００１５】コールドヘッド５０への冷媒ガスの供給及び排気を繰り返すことにより、逆スターリングサイクルを実行させ、膨張空間５５に寒冷を発生させることができる。
【００１６】スラスト軸受２７、２９により、ピストン２４がシリンダ２３内に所定のクリアランスをもって支持される。このため、シリンダ２３の内周面へのピストン２４の片当たりによる磨耗を防止し、信頼性を高めることができる。また、ピストン２４を板ばねで支持する場合に比べて、大きなストロークを確保することができる。また、スラスト軸受２７、２９は、板ばねのように疲労破壊を起こすこともない。ピストン２４のストロークを大きくすることにより、スターリング冷凍機の性能の向上を図ることができる。
【００１７】スラスト軸受２７、２９には真空用グリスを使用することが好ましい。真空用グリスを使用することにより、冷媒ガスの汚染を防止することができる。また、スラスト軸受２７、２９として、例えばＮＳＫ社製のリニアボールベアリングＬＢ型等のリニアベアリングを用いることができる。また、リニアベアリングの代わりにすべり軸受を用いてもよい。上記例では、ディスプレーサ５２の径方向の位置を、シール部材５４で固定する場合を示しているが、ディスプレーサ５２も、ガス圧縮機２０のピストン２４と同様に、スラスト軸受で支持してもよい。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、これまでのこの種の冷凍機においては、シリンダ５１はＳＵＳにより、外枠５７は銅によりそれぞれ作られている。そして、シリンダ５１と外枠５７との間の気密接続は、これらのフランジ部において蝋付けを行うことにより実現されている。しかし、このような蝋付け方法では、以下のような問題点が生ずる。
【００１９】（１）蝋付け後、銅による外枠５７が焼きなまし（応力解除）を受けて柔らかくなり、変形し易い。
【００２０】（２）また、蝋付けの際にシリンダ５１も変形してしまうことがある。
【００２１】（３）蝋付けの場合、蝋材の介在体積を確保しなければならず、外枠５７に対するシリンダ５１の真円度、垂直度を確保しにくい。
【００２２】一方、図５に示されたシリンダ５１を更に真空容器内に収容するようにした冷凍機も知られている（例えば、特開平９−１１９７２８）。この冷凍機においては、図５の外枠５７に対応する部分が第１の材料による筒状の保持部材と第２の材料によるフランジ部材とで構成されている。第１の材料は銅であり、第２の材料はステンレス鋼である。そして、保持部材とフランジ部材とは銀蝋付けにより気密保持がなされている。したがって、この冷凍機においても、蝋付けの際に保持部材が焼きなましを受けて柔らかくなり、変形し易いという問題点を有している。
【００２３】そこで、本発明の課題は、製造に際しての熱応力に起因する変形を無くすことのできる冷凍機用コールドヘッドを提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、一端が閉塞されたシリンダと、前記シリンダの他端に取り付けられ、該シリンダと共に閉じた空間を画定するシリンダホルダと、前記シリンダ内に配置されたディスプレーサであって、前記シリンダの一端と該ディスプレーサとの間に膨張空間を画定すると共に、前記シリンダホルダと該ディスプレーサとの間に圧縮空間を画定し、該ディスプレーサ内には前記膨張空間と前記圧縮空間とを連通させるガス流路及び該ガス流路内を流れるガスと熱交換を行う蓄冷材が設けられたディスプレーサと、前記ディスプレーサを、該ディスプレーサの外周面が前記シリンダの内周面と微小間隙を隔てて対峙させ、かつ前記シリンダの軸方向に移動可能に支持する支持手段と、前記圧縮空間へ連通し、冷媒ガスの導入と排出を行う冷媒ガス供給路とを有し、前記シリンダホルダの材料を、前記シリンダに対してＥＢＷ、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接可能な材料で構成したことを特徴とする冷凍機用コールドヘッドが提供される。
【００２５】なお、前記シリンダの材料はＳＵＳであり、前記シリンダホルダの材料はＮｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のいずれかであることが好ましい。
【００２６】また、前記シリンダホルダに、前記シリンダを内包するように真空容器が取付けられる場合には、該真空容器の材料を、前記シリンダホルダに対してＥＢＷ、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接可能な材料で構成される。
【００２７】この場合、前記シリンダホルダの材料はＮｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のいずれかであり、前記真空容器の材料はＮｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のいずれかであることが好ましい。
【００２８】前記シリンダホルダを、前記ディスプレーサとは反対側の端部において切断した筒状部と、該切断部を塞ぐための蓋部材とで構成し、前記筒状部に前記シリンダが挿通されて該シリンダの端部と前記シリンダホルダにおける切断部とが面一になるようにされて、これらの端部において溶接が行われる。
【００２９】また、前記シリンダホルダは、前記ディスプレーサ側の端部にフランジ部を有し、前記シリンダの端部はフレアー形状にされて前記フランジ部に当接されており、前記フレアー形状の端部において前記シリンダが前記フランジ部に溶接されても良い。
【００３０】更に、前記シリンダホルダを、前記ディスプレーサとは反対側の端部において切断した筒状部と、該切断部を塞ぐための蓋部材とで構成し、前記筒状部における前記ディスプレーサ側の端部の内周面に内側に突出するフランジ部を設け、該フランジ部の内周に前記シリンダが挿通され、その端部において前記シリンダが前記筒状部に溶接されていても良い。
【００３１】
【発明の実施の形態】図１を参照して、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１では、シリンダ１１とシリンダホルダ１２との接続構造のみを示しており、コールドヘッドとしての内部構造は図５に示されたものと同じである。本形態では、シリンダホルダ１２におけるディスプレーサとは反対側の端部が切断されており、この切断端面においてシリンダ１１の端部が溶接される。溶接方法は、ＥＢＷ（電子ビーム溶接）、ＴＩＧ（タングステン イナート ガス）溶接、レーザ溶接等が利用される。
【００３２】特に、このような溶接を行う場合には、材料の相性を考慮する必要がある。そこで、本形態では、シリンダ１１の材料としてＮｉ合金（主にＳＵＳ）を、シリンダホルダ１２の材料としてはＮｉ合金、特にＳＵＳや、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を使用する点に特徴を有する。
【００３３】このような材料を使用して溶接により気密接続を行うことにより、シリンダ１１及びシリンダホルダ１２の熱応力に起因する変形を防止することができる。
【００３４】なお、シリンダホルダ１２の端面には、シリンダ１１の端部の周囲に溶接リップ１２−１が設けられ、溶接時の熱歪みが周囲に広がらないようにしている。また、溶接が終了した後は、シリンダホルダ１２の端部は蓋材（図示せず）でふさがれる。この蓋材には、図５で説明したコイルばね５３の一端側を支持するための支持部が設けられる。更に、シリンダホルダ１２にはフランジ部は不要であり、径方向の寸法を小さくすることができる。
【００３５】図２を参照して、本発明の第２の実施の形態においては、シリンダ１１の端部をフレアー形状にし、このフレアー形状部をシリンダホルダ１２のフランジ部の端面に溶接するようにしている。シリンダ１１及びシリンダホルダ１２の材料及び溶接方法は第１の実施の形態と同じである。
【００３６】図３を参照して、本発明の第３の実施の形態においては、シリンダホルダ１２におけるディスプレーサ側の端部の内周面に内側に突出するフランジ部１２−２を設ける。そして、このフランジ部１２−２の内周にシリンダ１１が挿通され、その端部において溶接が行われる。このために、図１と同様に、シリンダホルダ１２におけるディスプレーサとは反対側の端部が切断されている。
【００３７】図４を参照して、本発明の第４の実施の形態においては、シリンダホルダ１２のフランジ部に真空容器１３が溶接により接続される。このために、真空容器１３は、シリンダホルダ１２に対してＥＢＷ、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接可能な材料、例えばＳＵＳ、Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のいずれかで構成される。なお、シリンダ１１とシリンダホルダ１２との接続は、上記の第１〜第３の実施の形態と同様の方法で行われる。
【００３８】真空容器１３は、シリンダ１１の周囲を真空に保持するためのものであり、これは前に述べた特開平９−１１９７２８において説明されている。シリンダホルダ１３の先端にはＧｅ（ゲルマニウム）窓１３−１が設けられ、このＧｅ窓１３−１を通してシリンダ１１の先端に取付けられた赤外線センサ１４により赤外線の検出が行われる。赤外線センサ１４で検出された信号は、リード線１５により気密端子１６に導かれ真空容器１３外に導出される。なお、赤外線センサ１４は、絶縁材１７を介してシリンダ１１の先端に取付けられている。１３−２は溶接リップである。
【００３９】なお、本発明は、図５において説明したスターリング冷凍機に限らず、他のガス圧縮機、例えばパルス管冷凍機（例えば、特許第２７８０９３４号に開示）にも適用可能である。
【００４０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、コールドヘッドにおけるシリンダとシリンダホルダ、更には真空容器とシリンダホルダの材料及び接続構造を溶接の可能なようにしたことにより、熱応力によるシリンダ及びシリンダホルダの変形を防止することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２１０７
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年１２月２５日（１９９８．１２．２５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７１２７２
【弁理士】
【氏名又は名称】後藤 洋介 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−１９３３３４（Ｐ２０００−１９３３３４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年７月１４日（２０００．７．１４） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−３６８６９３ |
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