(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機側シリンダと、該圧縮機側シリンダ内に配置され、前記圧縮機側シリンダとの間に圧縮室を形成しているピストンと、該ピストンを、前記圧縮機側シリンダ内でその軸方向に往復運動させる往復駆動手段とを有するガス圧縮機と、
一端が閉塞されたヘッド側シリンダと、該ヘッド側シリンダの他端に取り付けられ、前記ヘッド側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、前記ヘッド側シリンダ内に配置され、内部に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、前記ヘッド側シリンダ内でその軸方向に移動可能に支持する支持手段とを有するコールドヘッドと、
前記ガス圧縮機の前記圧縮室と、前記コールドヘッドにおける前記シリンダホルダと前記ディスプレーサとの間に画定された空間とを接続する接続手段とを備え、
前記ガス圧縮機の外周面、前記コールドヘッドの外周面を表面処理し、
前記表面処理として、前記ガス圧縮機の外周面には金被膜あるいは光沢・無光沢ニッケル被膜を形成し、前記コールドヘッドにおける前記シリンダホルダの外周面及び前記ヘッド側シリンダの先端におけるコールドステージには金被膜を形成したことを特徴とする冷凍機。
【請求項２】
圧縮機側シリンダと、該圧縮機側シリンダ内に配置され、前記圧縮機側シリンダとの間に圧縮室を形成しているピストンと、該ピストンを、前記圧縮機側シリンダ内でその軸方向に往復運動させる往復駆動手段とを有するガス圧縮機と、
一端が閉塞されたヘッド側シリンダと、該ヘッド側シリンダの他端に取り付けられ、前記ヘッド側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、前記ヘッド側シリンダ内に配置され、内部に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、前記ヘッド側シリンダ内でその軸方向に移動可能に支持する支持手段とを有するコールドヘッドと、
前記ガス圧縮機の前記圧縮室と、前記コールドヘッドにおける前記シリンダホルダと前記ディスプレーサとの間に画定された空間とを接続する接続手段とを備え、
前記ガス圧縮機の外周面、前記コールドヘッドの外周面を表面処理し、
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ており、前記表面処理として、前記ガス圧縮機の外周面には光沢・無光沢ニッケル被膜を形成し、前記コールドヘッドにおける前記シリンダホルダの外周面及び前記ヘッド側シリンダの先端におけるコールドステージには金被膜あるいは光沢・無光沢ニッケル被膜を形成し、前記ヘッド側シリンダの外周面及び前記真空容器の内周面には黒色クロム被膜あるいは無電解ニッケル被膜を形成したことを特徴とする冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス圧縮機とコールドヘッドとで構成されるスターリング冷凍機のような蓄冷式冷凍機に関する。
【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】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の冷凍機は、様々な環境下で使用することが考えられる。例えば、大気中ではない様々なガス雰囲気中で使用されたり、大気中であっても塩害が考えられる場所、あるいは降雨量の多い場所がある。また、実験のために低真空中、あるいは大気圏外の高真空中で使用される場合もある。これに対し、これまでのこの種の冷凍機は、ガス圧縮機本体は炭素鋼、コールドヘッドにおけるシリンダホルダは銅のような材料が使用されており、上記の様々な環境下で使用するには適していない。
【００１７】
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、シリンダ５１の先端にコールドステージを設け、このコールドステージには絶縁材料を介して赤外線センサのような各種のセンサが装着される。一方、センサに対応する真空容器の先端にはＧｅ（ゲルマニウム）のような材料から成る光学窓が設けられる。いずれにしても、このような真空容器を備えた冷凍機を使用して光学（電磁波を含む）実験を行ったり、移動体通信用の電磁波受信機として使用される場合がある。このような場合には、真空容器内での光あるいは電磁波の乱反射を防ぐ必要がある。
【００１８】
そこで、本発明の課題は、使用される環境の影響を受けない冷凍機を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、圧縮機側シリンダと、該圧縮機側シリンダ内に配置され、前記圧縮機側シリンダとの間に圧縮室を形成しているピストンと、該ピストンを、前記圧縮機側シリンダ内でその軸方向に往復運動させる往復駆動手段とを有するガス圧縮機と、一端が閉塞されたヘッド側シリンダと、該ヘッド側シリンダの他端に取り付けられ、前記ヘッド側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、前記ヘッド側シリンダ内に配置され、内部に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、前記ヘッド側シリンダ内でその軸方向に移動可能に支持する支持手段とを有するコールドヘッドと、前記ガス圧縮機の前記圧縮室と、前記コールドヘッドにおける前記シリンダホルダと前記ディスプレーサとの間に画定された空間とを接続する接続手段とを備え、前記ガス圧縮機の外周面、前記コールドヘッドの外周面を表面処理し、前記表面処理として、前記ガス圧縮機の外周面には金被膜あるいは光沢・無光沢ニッケル被膜を形成し、前記コールドヘッドにおける前記シリンダホルダの外周面及び前記ヘッド側シリンダの先端におけるコールドステージには金被膜を形成したことを特徴とする冷凍機が提供される。
【００２２】
本発明によればまた、圧縮機側シリンダと、該圧縮機側シリンダ内に配置され、前記圧縮機側シリンダとの間に圧縮室を形成しているピストンと、該ピストンを、前記圧縮機側シリンダ内でその軸方向に往復運動させる往復駆動手段とを有するガス圧縮機と、一端が閉塞されたヘッド側シリンダと、該ヘッド側シリンダの他端に取り付けられ、前記ヘッド側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、前記ヘッド側シリンダ内に配置され、内部に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、前記ヘッド側シリンダ内でその軸方向に移動可能に支持する支持手段とを有するコールドヘッドと、前記ガス圧縮機の前記圧縮室と、前記コールドヘッドにおける前記シリンダホルダと前記ディスプレーサとの間に画定された空間とを接続する接続手段とを備え、前記ガス圧縮機の外周面、前記コールドヘッドの外周面を表面処理し、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ており、前記表面処理として、前記ガス圧縮機の外周面には光沢・無光沢ニッケル被膜を形成し、前記コールドヘッドにおける前記シリンダホルダの外周面及び前記ヘッド側シリンダの先端におけるコールドステージには金被膜あるいは光沢・無光沢ニッケル被膜を形成し、前記ヘッド側シリンダの外周面及び前記真空容器の内周面には黒色クロム被膜あるいは無電解ニッケル被膜を形成したことを特徴とする冷凍機が提供される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
はじめに、図１を参照して、本発明が適用されるスターリング冷凍機について説明する。本発明が適用される冷凍機は、インテグラル式（圧縮機と冷凍部とが一体に形成されているもの）、スプリット式（圧縮機と冷凍部とが個別に形成され、キャピラリチューブ等で接続されているもの）のいずれでも良いが、以下ではスプリット式に適用して説明する。
【００２４】
図１において、ガス圧縮機１は、図５で説明したものと原理的には同じであり、一対のガス圧縮部を有している。ここでは、図中左側のガス圧縮部について説明する。ガス圧縮機１は、シリンダ（圧縮機側シリンダ）２と、シリンダ２との間に圧縮室を形成するようにシリンダ２内に配置されたピストン３と、シリンダ２を保持している鉄等の磁性材料から成るヨーク４と、ヨーク４と共に閉空間を形成しているケース５とを有する。ヨーク４は、シリンダ２の保持部材、後述する磁気回路形成のための継鉄、ケースの一部として作用する。すなわち、ヨーク４は、その外周面が露出している。
【００２５】
ピストン３を、シリンダ２内でその軸方向に往復運動させる往復駆動機構は、シリンダ２と同心状になるようにヨーク４に形成された環状の空間の内壁に固定された環状の永久磁石６と、永久磁石６に対向しつつ環状の空間内を軸方向に移動可能なように配置された環状の可動コイル７と、可動コイル７とピストン３とを連結している連結部材８とを含む。ピストン３における圧縮室とは反対側の端部とケース５の内部端面との間にはコイルばね９が設けられている。勿論、コイルばねに代えて板ばねが用いられても良い。
【００２６】
一方、コールドヘッド１０は、シリンダ（ヘッド側シリンダ）１１、ディスプレーサ１２、コイルばね１３、及びシリンダホルダ１４を含んで構成される。シリンダ１１の一端は閉塞され、他端はシリンダホルダ１４で塞がれている。シリンダホルダ１４におけるシリンダ１１と反対側の端部は蓋部材１４−１で塞がれている。シリンダ１１の内部空洞内にシリンダに収容されたディスプレーサ１２が挿入されている。シリンダ１１の一端とディスプレーサ１２との間に、膨張空間が画定され、ディスプレーサ１２とシリンダホルダ１４との間に、無効空間が画定される。ディスプレーサ１２の内部構造は、図５で説明したものと同じであり、膨張空間と無効空間とを連通させるガス流路が設けられ、ガス流路内には、銅金網、鉛球等の蓄冷材が充填されている。シリンダ１１の一端にはコールドステージ１６が取付けられている。このコールドステージ１６には、絶縁材料を介して赤外線センサのような各種センサが装着される。
【００２７】
ディスプレーサ１２は、無効空間内に配置されたコイルばね１３により、軸方向に関して弾性的に支持されている。無効空間は、キャピラリチューブ１９を介してガス圧縮機１の圧縮室に連通している。
【００２８】
次に、図２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。本形態においては、ガス圧縮機１の外周面、特にヨーク４の外周面（網目を施した領域）には光沢・無光沢ニッケルメッキを施し、コールドヘッド１０におけるシリンダホルダ１４の外周面、特に斜線を施した領域とシリンダ１１の先端におけるコールドステージ１６には金メッキあるいは光沢・無光沢ニッケルメッキを施す。なお、ガス圧縮機１、シリンダホルダ１４において表面処理されない部分には、ステンレス鋼のような耐腐食性の良い材料が使用されている。
【００２９】
この第１の形態は、大気中での使用（塩害や降雨量の多い場所を問わない）に適している。すなわち、圧縮機本体が鉄等の炭素鋼のような場合でも、水分その他による腐食を防止できる。一方、シリンダホルダ１４が銅のような場合でも、表面腐食を防止することができる。
【００３０】
図３を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。本形態においては、ガス圧縮機１の外周面、特にヨーク４の外周面（網目を施した領域）には金メッキあるいは光沢・無光沢ニッケルメッキを施し、コールドヘッド１０におけるシリンダホルダ１４の外周面、特に斜線を施した領域とシリンダ１１の先端におけるコールドステージ１６には金メッキを施す。ガス圧縮機１、シリンダホルダ１４において表面処理されない部分には、ステンレス鋼のような耐腐食性の良い材料が使用されているが、バフ研磨等の表面処理が行われる場合もある。
【００３１】
この第２の形態は、地上での低真空施設内での実験や、大気圏外の高真空環境下での使用に適している。これは、真空中に露出する部分は、表面層が安定した状態の材質が好ましいからである。その理由は、製造中、あるいは保管中に表面が酸化又は腐食してしまい、そこからの放出ガスが増大してしまうからである。また、表面酸化や腐食により熱放射率の数値が大きくなり、冷却部分の熱侵入が大きくなるからである。金による被膜は、真空中での安定性に優れている。
【００３２】
図４を参照して、本発明の第３の実施の形態について説明する。本形態においては、シリンダホルダ１４に更に、シリンダ１１を内包するように真空容器１７が取付けられている。真空容器１７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。コールドステージ１６に装着されるセンサが赤外線センサの場合には、シリンダホルダ１７の先端にはＧｅによる光学窓１８が設けられる。この光学窓１８を通して赤外線の検出が行われる。冷凍機は、赤外線センサを一定温度に維持するために使用される。
【００３３】
本形態においては、ガス圧縮機１の外周面、特にヨーク４の外周面（網目を施した領域）には光沢・無光沢ニッケルメッキを施し、コールドヘッド１０におけるシリンダホルダ１４の外周面、特に斜線を施した領域とシリンダ１１の先端におけるコールドステージ１６には金メッキあるいは光沢・無光沢ニッケルメッキを施し、シリンダ１１の外周面及び真空容器１７の内周面には黒色クロムメッキあるいは無電解ニッケルメッキを施す。ガス圧縮機１、シリンダホルダ１４、真空容器１７において表面処理されない部分には、ステンレス鋼のような耐腐食性の良い材料が使用されている。
【００３４】
以上、３つの実施の形態についていずれも表面処理をメッキにより行う場合について説明したが、表面処理の方法はメッキに限らず、樹脂のコーティングやスパッタリングあるいは金属蒸着による方法を用いても良い。また、表面処理をどの時点、すなわち部品状態あるいは中間製品状態更には完成状態のいずれで行うのかは任意である。
【００３５】
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。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、冷凍機の各部をその使用環境に応じて表面処理することにより、様々な環境下においてその影響を受けることなく長寿命化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されるスターリング冷凍機の概略構成を示した断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態によるガス圧縮機とコールドヘッドとを示した図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態によるガス圧縮機とコールドヘッドとを示した図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態によるガス圧縮機とコールドヘッドとを示した図である。
【図５】本出願人により提案されているスターリング冷凍機を示した断面図である。
【符号の説明】
１、２０    ガス圧縮機
２、１１、５１    シリンダ
３、２４    ピストン
４    ヨーク
５    ケース
６、３７    永久磁石
７    可動コイル
８    連結部材
９、１３、５３    コイルばね
１０、５０    コールドヘッド
１２、５２    ディスプレーサ
１４    シリンダホルダ
１６    コールドステージ
１７    真空容器
１８    光学窓
１９、４５    キャピラリチューブ
【図１】
0003588714.tif 000002
【図２】
0003588714.tif 000003
【図３】
0003588714.tif 000004
【図４】
0003588714.tif 000005
【図５】
0003588714.tif 000006