JP2001124428A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 作動空間内に存在する水分や二酸化炭素等の
コンタミが蒸気となって作動ガスに混在し、装置効率の
低下を招くのを防止する。 【解決手段】 内部に蓄冷材１４を内包するディスプレ
ーサ６を膨張シリンダ２内で往復動可能に収容する作動
室と、ディスプレーサ６を往復動させる駆動機構５を収
容する駆動室１２とを有し、ディスプレーサ６を膨張シ
リンダ２内で往復動させ、作動室内部での作動ガスの膨
張行程により冷熱を発生させる冷凍装置において、作動
室に連通された密閉容器３２と、密閉容器３２内の下部
領域に設けられ、作動室空間内の不純物質を捕捉する捕
捉材３３とを備え、密閉容器３２を作動室空間領域より
下方領域に配置させている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、動力の発生に用い
るスターリングエンジンや、低温の発生に用いるスター
リング冷凍機などの冷凍装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、バイオテクノロジーの分野や電子
デバイスの分野等の先端技術分野において、各種試料や
各種材料の極低温の保存技術の開発が急務になってい
る。特に、スターリング冷凍機などの冷凍装置は、上記
極低温を実現する手段として注目され各種赤外線センサ
ー、超電導デバイス等の冷却用やバイオメディカル用の
フリーザ、冷凍庫等に広く利用されようとしている。

【０００３】ここで、図３を参照して、従来のディスプ
レーサタイプのスターリング冷凍機の構造について説明
する。

【０００４】本体ハウジング１には膨張シリンダ２と圧
縮シリンダ３とが９０度の角度差で取り付けられ、膨張
シリンダ２に内蔵されたディスプレーサ６と、圧縮シリ
ンダ３に内蔵された圧縮ピストン７は、共通のクランク
機構５に連結されて、互いに９０度位相がずれた状態で
往復駆動される。

【０００５】ディスプレーサ６は、両端が開口した筒体
１７の内部に、例えば金属メッシュ部材からなる蓄冷材
１４が積層されており、筒体１７の一方の開口から流入
した作動ガスは蓄冷材１４の内部を通過し、他方の開口
から流出するまでの過程で、蓄冷材１４との熱交換が行
なわれる。

【０００６】ディスプレーサ６は再生熱交換器としての
機能を兼ね備えたものであって、その熱交換性能はスタ
ーリング冷凍機の成績係数を大きく左右することにな
る。

【０００７】又、膨張シリンダ２及び圧縮シリンダ３は
夫々オイルシール８、９によってクランク室１２と仕切
られており、膨張シリンダ２の基端部と圧縮シリンダ３
の先端部とは、連通路４によって互いに連通されてい
る。クランク室１２にはオイル１０が注入されている。

【０００８】図４は、横軸に時間Ｔ、縦軸にストローク
Ｓをとって、上記スターリング冷凍機の動作を表わした
ものである。

【０００９】スターリング冷凍機に於いては、ディスプ
レーサ６が図４の曲線Ｂ、Ｃの如く往復移動すると同時
に、圧縮ピストン７が図４の曲線Ｄの如く往復移動する
ことによって、膨張シリンダ２の膨張空間１１は、図４
の直線Ａと曲線Ｂに挟まれた幅領域で容積変化し、圧縮
シリンダ３の圧縮空間１３は、図４の曲線Ｃと曲線Ｄに
挟まれた幅領域で容積変化する。

【００１０】この結果、図４のの行程では、圧縮ピス
トン７の上昇に伴って圧縮空間１３内のガスが圧縮さ
れ、連絡管４を経て膨張シリンダ２内へ流入する（理想
的には等温圧縮）。このガスは図４のの行程で、ディ
スプレーサ６内の蓄冷材１４を通過し、蓄冷材１４と熱
交換を行なって、温度低下する（定積冷却）。蓄冷材１
４を通過したガスは図４のの行程で、膨張シリンダ２
の膨張空間１１へ流入し、その後、圧縮ピストン７の降
下に伴って膨張する（理想的には等温膨張）。次に、図
４のの行程では、ディスプレーサ６の上昇に伴って、
膨張空間１１内のガスが蓄冷材１４を通過し、蓄冷材１
４と熱交換を行なって、温度上昇した後、連通部４を経
て再び圧縮空間１３へ流入する（定積加熱）。

【００１１】この結果、膨張シリンダ２頭部に設けたコ
ールドヘッド１５が冷却される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】そして、上記構造より
なるスターリング冷凍機においては、製造及び組立時に
混入、或いは連続運転時に構成部品等から発生する水
分、二酸化炭素等のコンタミ（不純物質）を完全に除去
することができない。このため、冷凍機本体内のコンタ
ミが蓄冷材１４を通過する際に集積・凝固して、金属メ
ッシュ部材の目詰まりを引き起こしていた。そして、こ
の結果、ガスが蓄冷材１４を通過する際に圧力損失が生
じ、膨張空間１１での膨張仕事が減少するとともに、蓄
冷材１４での熱交換効率の低下を引き起こし、これによ
って冷凍機の成績係数が大きく低下するという問題があ
った。

【００１３】本発明は斯かる点に鑑みて為されたもので
あって、作動室内に存在する水分や二酸化炭素等のコン
タミが蒸気となって作動ガスに混在し、装置効率の低下
を招くのを防止した冷凍装置を提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決する為の手段】本発明は、ピストン又はデ
ィスプレーサを膨張シリンダ内で往復動可能に収容する
作動室と、前記ピストン又はディスプレーサを往復動さ
せる駆動機構を収容する駆動室とを有し、前記ピストン
又はディスプレーサを膨張シリンダ内で往復動させ、該
膨張シリンダ内に形成される前記作動室内部での作動ガ
スの膨張行程により冷熱を発生させる冷凍装置におい
て、前記作動室に連通された密閉容器と、該密閉容器内
の下部領域に設けられ、前記作動室空間内の不純物質を
捕捉する捕捉材とを備え、前記密閉容器を前記作動室空
間領域より下方領域に配置させていることを特徴とす
る。そして、具体的には、前記密閉容器と前記作動室を
連通する連通管途中に設けられ、前記冷凍装置の運転状
態に基づいてその開閉が制御される開閉手段を有してい
る。

【００１５】或いは、駆動機構を収容する駆動室と、該
駆動機構から駆動力を受ける圧縮ピストンが、圧縮シリ
ンダ内に往復自在に配設されて、該圧縮シリンダ内に圧
縮ピストンを挟んで圧縮空間と背面空間とが形成され、
該圧縮空間の作動ガスを圧縮する圧縮部と、該圧縮部と
位相がずれた駆動力を受けて膨張ピストン又はディスプ
レーサが膨張シリンダ内を往復運動することにより、前
記圧縮部からの作動ガスを膨張させる膨張部とを有した
冷凍装置において、前記背面空間に連通されたバッファ
タンクと、該バッファタンク内の下部領域に設けられ、
前記圧縮部及び膨張部の作動空間内の不純物質を捕捉す
る捕捉材とを備え、前記バッファタンクを前記作動空間
領域より下方領域に配置させていることを特徴とする。

【００１６】これらの構成を用いることにより、作動室
空間内の作動ガス中に混在する水分蒸気等の不純物質
（コンタミ）の量を極力低減させ、装置効率の低下を防
止することができる。

【００１７】また、前記捕捉材は、前記作動室空間内の
水若しくは二酸化炭素を捕捉することを特徴とする構成
としても良い。この構成を用いることにより、作動室内
に存在するコンタミを構成する水分及び二酸化炭素を捕
捉材にて捕捉することができる。

【００１８】そして、前記捕捉材は活性炭を主成分とし
た構成としても良い。この構成を用いることによって、
水分及び二酸化炭素からなるコンタミを捕捉材にて確実
に捕捉することができる。さらに、前記捕捉材を酸化カ
ルシウムを主成分とした構成としても良い。この構成を
用いることによって、二酸化炭素からなるコンタミを捕
捉材にて効率よく確実に捕捉することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に本発明に係る実施の形態
を、図面を参照しながら説明する。尚、前述の従来例と
同じ構成については同一符号を付しておりこれらの部分
の詳細な説明は省略する。

【００２０】図１は、本発明を適用させた一実施形態で
あるスターリング冷凍機の構成を示す概略断面図であ
る。このスターリング冷凍機では、冷熱を発生させる膨
張機（膨張部）２１と、その膨張機２１において膨張さ
せた作動ガスを受け取り圧縮して戻す圧縮機（圧縮部）
２２とが鉛直方向に並列させた状態に設けられている。
また、ディスプレーサ６と圧縮ピストン７とを駆動する
駆動源としての駆動モータ２０が、クランク機構５を含
むクランク室１２（駆動室）内に設けられている。

【００２１】膨張シリンダ２及び圧縮シリンダ３とクラ
ンク室１２とを仕切るロッドシール部としてのシール部
材８、９は、クランク室１２から膨張シリンダ２及び圧
縮シリンダ３内の作動空間（作動室）へ向かう方向の流
れに対してのシール性がその逆の流れに対するシール性
より高いリップ型のシール部材を用いている。

【００２２】そして、膨張シリンダ２のクランク室１２
側の駆動側作動室２３に連通管３１を介して密閉容器３
２が配設されている。そして、この密閉容器３２は、膨
張シリンダ２及び圧縮シリンダ３内の作動空間より下方
に位置するように設けられており、その内部の下部領域
には作動空間内のコンタミを捕捉するための捕捉材とし
て活性炭フィルター３３が設けられている。

【００２３】また、連通管３１途中には、開閉手段３４
としての制御弁が設けられており、制御手段３５からの
制御信号に基づいて開閉制御されている。

【００２４】制御手段３５は、駆動モータ２０の駆動を
制御しており、駆動モータ２０を停止中には制御弁３５
を開き、駆動モータ２０を起動した後に制御弁３５を閉
じるように、制御弁３５へ制御信号を送出している。こ
れは、駆動モータ２０の停止中には、密閉容器３２の捕
捉材３３によって作動空間内のコンタミを捕捉し、駆動
モータ２０の起動後においては、作動空間における容積
変化に影響を及ぼさないようにするためである。

【００２５】これにより、冷凍機が連続運転時に、コン
タミの凝固点温度付近に冷却されている蓄冷材１４に集
積・凝固したコンタミが、冷凍機停止時に作動室２３内
が室温付近まで温度上昇するに従い、気化して重力によ
り密閉容器３２下部へ移動する。そして、そのコンタミ
蒸気が活性炭フィルター３３に吸着して捕捉されること
になる。この様に、冷凍機の運転時に蓄冷材１４に凝固
するコンタミを、冷凍機が停止しているときに、その都
度、活性炭フィルター３３に吸着させることができ、作
動空間内の作動ガスに混在するコンタミの量を極力低減
させることができる。

【００２６】また、捕捉材３３として活性炭フィルター
を用いた場合について説明したが、特に、二酸化炭素が
作動ガスに混在するのを防止したい場合には、酸化カル
シウムを主成分とする捕捉材を用いと効果的である。

【００２７】さらに、上記実施形態の説明では、膨張シ
リンダ２の駆動側作動室２３に連通させた密閉容器３２
を配設する場合について説明したが、この他に、図２に
示すように、圧縮シリンダ３内の背面空間４２に連通管
４３を介して連通させたバッファタンク４４を、上記密
閉容器３２の代わりに用いても良い。ここで、上記図１
と同じ構成については同一符号を付しておりこれらの部
分の詳細な説明は省略する。

【００２８】具体的には、バッファタンク４４は、上記
実施形態の場合と同様に、膨張シリンダ２及び圧縮シリ
ンダ３内の作動空間より下方に位置するように設けられ
ており、その内部の下部領域には作動空間内のコンタミ
を捕捉するための捕捉材４５として上述した活性炭フィ
ルター、酸化カルシウムを主成分とする捕捉材等が設け
られている。

【００２９】これにより、冷凍機が運転時には、バッフ
ァタンク４４は圧縮ピストン７の背面空間４２における
容積変化による作動空間側の冷熱発生仕事への影響をな
くするための、背圧処理用のバッファタンクとしての機
能を果たし、冷凍機停止時には、蓄冷材１４に集積・凝
固したコンタミを、捕捉材４５に吸着させ、作動空間内
の作動ガスに混在するコンタミの量を極力低減させる機
能を果たしている。

【００３０】ここで、冷凍機停止時に作動空間内の作動
ガスに混在するコンタミがバッファタンク４４に流動し
てくるのは、圧縮シリンダ３内に圧縮ピストン７を挟ん
で形成される圧縮空間（作動空間）４１と背面空間４２
は、圧縮ピストン７が往復動している際には、これに伴
う容積変化により圧縮ピストン７の周面に設けられたガ
スシール４６がそのシール効果を発揮して気密状態にな
っているに対して、冷凍機停止時にガスシール４６と圧
縮シリンダ３との微小間隙を介して作動ガスが流れるた
めである。これは、ガスシール４６を設けず、圧縮ピス
トン７と圧縮シリンダ３との間隙を所定間隙に設定して
クリアランスシールにより、冷凍機の運転時に両空間４
１，４２の気密状態を実現させている場合も同様であ
る。

【００３１】上記実施の形態の説明は、本発明を説明す
るためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を
限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。
又、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許
請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能で
ある。

【００３２】例えば、上記実施形態の説明では、１ピス
トン１ディスプレーサ型のスターリング冷凍機に適用し
た場合について説明したが、これに限らず、上記ディス
プレーサ６の代わりに膨張ピストンを用い、蓄冷材を内
包した再生熱交換器を作動ガス流路途中に設けた２ピス
トン型スターリング冷凍機等についても適用可能であ
る。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたとおり本発明によれば、、作
動室空間内の作動ガス中に混在する水や二酸化炭素等の
不純物質の量を極力低減させ、冷凍装置の効率低下を防
止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態におけるスターリング冷
凍機の概略断面図である。

【図２】本発明の他の実施形態におけるスターリング冷
凍機の概略断面図である。

【図３】従来のスターリング冷凍機の概略断面図であ
る。

【図４】スターリング冷凍サイクルの行程を説明する図
である。

【符号の説明】

２ 膨張シリンダ ３ 圧縮シリンダ ５ クランク機構（駆動機構） ６ ディスプレーサ ７ 圧縮ピストン １２ クランク室（駆動室） １４ 蓄冷材 ２１ 膨張機（膨張部） ２２ 圧縮機（圧縮部） ２３ 駆動側作動室 ３１，４３ 連通管 ３２ 密閉容器 ３３，４５ 活性炭フィルター（捕捉材） ３４ 制御弁（開閉手段） ３５ 制御手段 ４１ 圧縮空間 ４２ 背面空間 ４４ バッファタンク ４６ ガスシール

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストン又はディスプレーサを膨張シリ
   ンダ内で往復動可能に収容する作動室と、前記ディスプ
   レーサを往復動させる駆動機構を収容する駆動室とを有
   し、前記ピストン又はディスプレーサを膨張シリンダ内
   で往復動させ、該膨張シリンダ内に形成される前記作動
   室内部での作動ガスの膨張行程により冷熱を発生させる
   冷凍装置において、 前記作動室に連通された密閉容器と、該密閉容器内の下
   部領域に設けられ、前記作動室空間内の不純物質を捕捉
   する捕捉材とを備え、前記密閉容器を前記作動室空間領
   域より下方領域に配置させていることを特徴とする冷凍
   装置。
2. 【請求項２】 前記密閉容器と前記作動室を連通する連
   通管途中に設けられ、前記冷凍装置の運転状態に基づい
   てその開閉が制御される開閉手段を有していることを特
   徴とする請求項１記載の冷凍装置。
3. 【請求項３】 駆動機構を収容する駆動室と、該駆動機
   構から駆動力を受ける圧縮ピストンが、圧縮シリンダ内
   に往復自在に配設されて、該圧縮シリンダ内に圧縮ピス
   トンを挟んで圧縮空間と背面空間とが形成され、該圧縮
   空間の作動ガスを圧縮する圧縮部と、該圧縮部と位相が
   ずれた駆動力を受けて膨張ピストン又はディスプレーサ
   が膨張シリンダ内を往復運動することにより、前記圧縮
   部からの作動ガスを膨張させる膨張部とを有した冷凍装
   置において、 前記背面空間に連通されたバッファタンクと、該バッフ
   ァタンク内の下部領域に設けられ、前記圧縮部及び膨張
   部の作動空間内の不純物質を捕捉する捕捉材とを備え、
   前記バッファタンクを前記作動空間領域より下方領域に
   配置させていることを特徴とする冷凍装置。
4. 【請求項４】 前記捕捉材は、前記作動室空間内の水若
   しくは二酸化炭素を捕捉することを特徴とする請求項１
   乃至３のいずれかに記載の冷凍装置。
5. 【請求項５】 前記捕捉材は活性炭を主成分とすること
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の冷凍装
   置。
6. 【請求項６】 前記捕捉材は酸化カルシウムを主成分と
   することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載
   の冷凍装置。