(57)【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、
前記シリンダを内包するように前記シリンダホルダに取付けられた真空容器とを有し、
前記真空容器は、その先端に開口を有し、しかも該開口を塞ぐように取付けられた光学窓を有している冷凍機用コールドヘッドにおける真空容器の製造方法であって、
前記真空容器の開口の周縁部にインジウムによる溶接材層をイオンボンディングにより形成し、
前記光学窓における前記開口の周縁部に対応する領域にも前記溶接材層と同じインジウムによる溶接材層をイオンボンディングにより形成し、
これらを真空槽内に入れ、前記真空容器側の溶接材層と前記光学窓の溶接材層とを合わせた状態で該真空槽内で加熱することにより前記光学窓を前記真空容器に溶接して当該真空容器内部を真空とすることを特徴とする真空容器の製造方法。
【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し、特にコールドヘッドにおけるシリンダを密封するために設けられる真空容器の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４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を通して無効空間５６が画定される。ディスプレーサ５２内には、膨張空間５５と無効空間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、無効空間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。無効空間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】
ところで、図４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４の外枠５７に対応する部分に真空容器を取付けるためのフランジを有しており、このフランジに真空容器が取付けられる。
【００１９】
真空容器の先端部には開口が設けられており、この開口を塞ぐように光学窓が取付けられている。以下に、図５、図６を参照して、光学窓の取付け構造について説明する。
【００２０】
図５において、シリンダ７１の先端にコールドステージ７２が取付けられ、このコールドステージ７２には絶縁材料を介して赤外線センサ７３が装着されている。コールドヘッドは赤外線センサ７３を冷却するために用いられる。シリンダ７１内の構造は図４で説明したものと同じであり、シリンダ７１と外枠７４との関係も図４と同様である。外枠７４のフランジ部に真空容器７５がボルト締め等により取付けられている。真空容器７５は、シリンダ７１の周囲を気密保持するためのものであり、その先端には開口７５ａを有する。そして、この開口７５ａを塞ぐように光学窓７６が取付けられている。この光学窓７６は、特定波長の電磁波を透過するためのものであり、例えばＧｅ（ゲルマニウム）から成り、高分子系接着剤により開口７５ａの周縁部において接着されている。
【００２１】
図６において、図５と同様に、シリンダ７１の先端にコールドステージ７２が取付けられ、このコールドステージ７２には絶縁材料を介して赤外線センサ７３が装着されている。外枠７４のフランジ部にはシリンダ７１の周囲を気密保持するための真空容器８０がボルト締め等により取付けられている。真空容器８０の先端には円形状の板８１が一体化されており、この板の中心部には開口８１ａが設けられている。板８１の表面側には光学窓７６を受けるための凹部８１ｂが形成されている。凹部８１ｂには更に環状の溝８１ｃが設けられ、この溝８１ｃにはＯ−リング８２が収容されている。光学窓７６は、板８１の表面側に突き合わされる保持板８３により凹部８１ｂに固定保持される。保持板８３は、光学窓７６に対応する領域に開口８３ａを有し、ボルト等により板８１に取付けられている。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような光学窓の取付け構造では、以下のような問題点がある。
【００２３】
図５の例では、真空封じ切りに際して、高分子系接着剤から不純物が発生し、真空容器７５内を汚染するという問題点がある。
【００２４】
一方、図６の例では、Ｏ−リング８２においてガスの透過があり、真空度の劣化が生ずるという問題点がある。
【００２５】
そこで、本発明の課題は、真空容器に取付けられる光学窓の取付け構造を改良して気密性を向上させることのできる冷凍機用コールドヘッドの真空容器の製造方法を提供することにある。
【００２７】
【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、前記シリンダを内包するように前記シリンダホルダに取付けられた真空容器とを有し、前記真空容器は、その先端に開口を有し、しかも該開口を塞ぐように取付けられた光学窓を有している冷凍機用コールドヘッドにおける真空容器の製造方法であって、前記真空容器の開口の周縁部にインジウムによる溶接材層をイオンボンディングにより形成し、前記光学窓における前記開口の周縁部に対応する領域にも前記溶接材層と同じインジウムによる溶接材層をイオンボンディングにより形成し、これらを真空槽内に入れ、前記真空容器側の溶接材層と前記光学窓の溶接材層とを合わせた状態で該真空槽内で加熱することにより前記光学窓を前記真空容器に溶接して当該真空容器内部を真空とすることを特徴とする真空容器の製造方法が提供される。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本発明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（図４の外枠５７に対応）とは外側のみを示しており、コールドヘッドとしての内部構造は図４に示されたものと同じである。シリンダ１１の先端にはコールドステージ１８が取付けられ、このコールドステージ１８には絶縁材１７を介して赤外線センサ１４が装着されている。
【００３０】
真空容器１３は、シリンダホルダ１２のフランジ部に溶接により接続される。シリンダホルダ１２は、Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成り、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で構成される。１３−２は溶接時の熱歪みが周囲に広がらないようにするための溶接リップである。
【００３１】
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の先端には開口１３ａが設けられ、この開口１３ａを塞ぐようにＧｅによる光学窓１９が後で述べる溶接により取付けられている。この光学窓１９を通して赤外線センサ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。
【００３２】
図２、図３をも参照して、光学窓１９の溶接方法について説明する。図２（ａ）において、真空容器１３の開口１３ａの周縁部に、環状の溶接材層１０−１をイオンボンディングにより形成する。溶接材層１０−１の材料としては、インジウム等が使用される。一方、図２（ｂ）において、光学窓１９の周縁部、すなわち真空容器１３における開口１３ａの周縁部に対応する領域にも溶接材層１０−１と同じ材料による溶接材層１０−２をイオンボンディングにより形成する。イオンボンディングには、例えばスパッタ法が採用される。
【００３３】
そして、図３に示すように、真空容器１３側の溶接材層１０−１と光学窓１９の溶接材層１０−２とを合わせた状態で加熱することにより光学窓１９を真空容器１３に溶接する。加熱は真空雰囲気中で行われ、加熱温度は、例えば１６０℃程度で良い。このようにして、図１に示すように、光学窓１９がその周縁部において真空容器１３の凹部に溶接された構造が得られる。そして、このような気密溶接構造によれば、真空容器１３内の気密性を向上させることができる。
【００３４】
なお、本発明は、図４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）やＧＭ冷凍機にも適用可能である。
【００３５】
【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を収容している真空容器に設けられる光学窓の取付け構造を改良したことにより、真空容器内の気密性を向上させることができる。また、Ｏ−リングを使用しないので、真空容器の外径を小さくでき、小型化できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による冷凍機用コールドヘッドにおける真空容器の構造を示した断面図である。
【図２】図１に示された真空容器における光学窓の取付け構造を説明するために、真空容器を図１の矢印Ａ方向から見た図（図（ａ））、及び光学窓を矢印Ａ方向とは反対方向から見た図（図（ｂ））である。
【図３】図１に示された真空容器における光学窓の取付け構造を説明するために、真空容器と光学窓の一部を側面から見た断面図である。
【図４】本発明が適用されるスターリング冷凍機の一例を示した断面図である。
【図５】従来の真空容器における光学窓の取付け構造の一例を説明するための部分断面図である。
【図６】従来の真空容器における光学窓の取付け構造の他の例を説明するための部分断面図である。
【符号の説明】
１０−１  １０−２    溶接材層
１１、５１    シリンダ
１２    シリンダホルダ
１３    真空容器
１４、７３    赤外線センサ
１５    リード線
１６    気密端子
１７    絶縁材
１８、７２    コールドステージ
１９、７６    光学窓
２４    ピストン
２５    圧縮室
２６    ガス流路
２７、２９    スラスト軸受
２８    ピストンロッド
３０    外側ケース
３３、３４    軸受支持部材
３６    ギャップ
３７    永久磁石
４０    電磁コイル
４１    コイル支持部材
４３、４４    電流リード
４５    キャピラリチューブ
５０    コールドヘッド
５２    ディスプレーサ
５３    コイルばね
５４    シール部材
５５    膨張空間
５６    無効空間
５７    外枠
５８    ガス流路
５９    蓄冷材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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