JP2001153478A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 駆動室内に存在する水分等の不純物質が蒸気
となって作動ガスに混在し、駆動室から作動室に侵入す
るのを防止する。 【解決手段】 作動室２３と、駆動室１２と、駆動室１
２内の潤滑油が作動室２３に侵入するのを防ぐロッドシ
ール部８と、を備え、ピストン又はディスプレーサ６を
膨張シリンダ２内で往復動させ、該膨張シリンダ２内に
形成される作動室２３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２３内部
で発生した冷熱を利用して冷却されるコールドトラップ
部３１と、該コールドトラップ部３１と駆動室１２とを
連通させる連通手段３２と、を有し、該連通手段３２
は、駆動室１２内の作動ガスがコールドトラップ部３１
を経由して循環可能な閉ループ状連通手段で構成されて
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２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、例えば焼結金属からなる蓄冷材１４が充
填されており、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３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３の曲線Ｂ、Ｃの如く往復移動すると同時
に、ピストン７が図３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３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３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３のの行程では、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３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１４を通
過したガスは図３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、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３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１
１内のガスが蓄冷材１４を通過し、蓄冷材１４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
混入する水分等を完全に除去することができず、特にク
ランク室１２内に水分等の不純物質が最も多く混入して
いる。このため、クランク室１２内の作動ガス及びオイ
ル中に混入している水分等の不純物質がオイルシール
８、９を通過してピストン７又はディスプレーサ６の背
面空間に侵入し、装置効率の低下を招くという問題があ
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、駆動室内に存在する水分等の不純物質が蒸気と
なって作動ガスに混在し、駆動室から作動室に侵入する
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、ロッドの一端に
接続された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、前記ロッドの他端
が接続され、前記ピストンまたはディスプレーサを往復
動させるピストン駆動機構を収容する駆動室と、前記ロ
ッドが貫通し、前記駆動室内の潤滑油が前記作動室に侵
入するのを防ぐロッドシール部と、を備え、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、前記作動室内部で発生した冷熱を利用して冷却され
るコールドトラップ部と、該コールドトラップ部と前記
駆動室とを連通させる連通手段と、を有し、該連通手段
は、前記駆動室内の作動ガスが前記コールドトラップ部
を経由して循環可能な閉ループ状連通管で構成されてい
ることを特徴とする。

【００１５】この構成を用いることにより、駆動室内の
作動ガス中に混在する水分蒸気等の不純物質が閉ループ
状連通手段内で自然対流により循環させることができ、
コールドトラップ部を通過する際に、作動室内部で発生
した冷熱を利用したコールドトラップ部で霜として付着
させて除去するので、簡単な構成でこれら不純物質が作
動室内に侵入して装置効率を低下させるのを防止するこ
とができる。

【００１６】そして具体的には、前記連通管の途中に設
けられた開閉手段と、該開閉手段を、前記コールドトラ
ップ部の温度又は冷凍装置の運転状態に基づいてその開
閉を制御する制御手段と、を有した構成としても良い。

【００１７】この構成を用いることによって、コールド
トラップ部に霜として付着した不純物質が、コールドト
ラップ部が温度上昇する冷凍装置の停止中などに不純物
質が溶けて駆動室内に戻ってしまうのを防止することが
できる。

【００１８】また、前記コールドトラップ部を、前記膨
張シリンダの頭部に設けられた被冷却部で構成としても
良い。この構成を用いることにより、膨張シリンダから
の冷熱を利用して冷却されるコールドトラップが簡単な
構造で実現できる。

【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の形態
例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のの頭部に設けら
れたコールドヘッド１５（被冷却部）には、コールドト
ラップ部３１が設けられており、クランク室１２内の作
動ガスがコールドトラップ部３１を経由して循環可能に
閉ループ状の連通管３２（連通手段）が設けられてい
る。

【００２３】コールドトラップ部３１は、作動ガスに接
触する表面積を大きくし、表面に付着させることができ
る不純物質の量を多くするために、その接触部分を凹凸
形状にしている。

【００２４】これにより、駆動モータ２０の発熱等によ
って高温となっているクランク室１２内の作動ガスが、
連通管３２を通って低温となっているコールドトラップ
部３１へ上昇移動して、作動ガス中に混在する水分蒸
気、二酸化炭素、その他の不純物質をコールドトラップ
部３１表面に霜として付着させると共に、コールドトラ
ップ部３１において冷却され低温となった作動ガスが、
そのガス密度が大きくなり連通管３２を通ってクランク
室１２に下降移動する。

【００２５】この様にして、クランク室１２とコールド
トラップ部３１との間において、連通管３２を介して作
動ガスが自然循環して、クランク室１２内の作動ガス中
に混在する水分蒸気等の不純物質が、コールドトラップ
部３１で霜として付着させて除去され、これら不純物質
が作動室２３内に侵入して装置効率を低下させるのを防
止することができる。

【００２６】また、コールドトラップ部３１近傍の連通
管３２途中には、開閉手段としての制御弁３３，３４が
それぞれ設けられており、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。

【００２７】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３
３，３４を閉じ、駆動モータ２０を起動した後、予め定
められた所定時間経過後に制御弁３３，３４を開くよう
に、制御弁３３，３４へ制御信号を送出している。

【００２８】これは、駆動モータ２０の停止中にコール
ドトラップ部３１が温度上昇して、そこに付着している
不純物質が溶けてクランク室１２内に戻ってしまうのを
防止するためである。ここで、駆動モータ２０の起動後
に上記所定時間経過した後に制御弁を開放しているの
は、コールドトラップ２４が不純物質を霜として付着さ
せるのに十分な温度まで低下させるためである。

【００２９】さらに、連通管３２内を自然循環する作動
ガスの流れを一方向にして、スムーズな流れを実現する
ために、連通管３２途中には一方向弁３６が設けられて
いる。これにより、図中矢印で示すような作動ガスの流
れが生じるようにしている。

【００３０】また、コールドヘッド１５で発生した極低
温の冷熱が、コールドトラップ部３１及び連通管３２を
介してクランク室１２側へ熱伝導して、コールドヘッド
１５の冷熱が逃げてしまわないように、連通管３２は熱
伝導性の悪い材料（ガラス、ステンレス鋼等）で構成さ
れている。

【００３１】以上のように、コールドトラップ部３１で
水分蒸気等の不純物質を除去するための低温発生機構と
して新たな装置を必要とせず、膨張シリンダ２からの冷
熱を利用することにより簡単な構造で実現でき、製造コ
ストを低減することができる。

【００３２】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。

【００３３】例えば、上記実施形態の説明では、コール
ドヘッド１５によりコールドトラップ部３１を構成する
場合について説明したが、これに限らず、別個にコール
ドトラップ部を設け、コールドトラップ部を膨張シリン
ダ２の外周側面に当接配置させ膨張シリンダ２からの冷
熱を利用して冷却させる構成としても良く、或いはコー
ルドヘッド１５とコールドトラップ部間に、銅などから
なる熱伝導性部材を配設してコールドヘッド１５で発生
した極低温の冷熱の一部をコールドトラップ部まで熱伝
導する構成としても構わない。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたとおり本発明によれば、駆動
室内の作動ガス中に混在する水分蒸気等の不純物質を、
作動空間内部で発生した冷熱を利用したコールドトラッ
プで霜として付着させて除去するので、これら不純物質
が作動室内に侵入するのを簡単な構成で防止することが
でき、この結果、装置効率の低下を防ぐことができる。

【００３５】また、不純物質が混在した駆動室内の作動
ガスを閉ループ状連通手段内で自然対流により循環させ
ることができるので、ガス移動量が大きくなり、コール
ドトラップ部での不純物質の除去効果を向上させること
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】従来のスターリング冷凍機の概略断面図であ
る。

【図３】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】

１ 本体ハウジング 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 ピストン ８，９ オイルシール １２ クランク室（駆動室） １４ 蓄冷材 １５ コールドヘッド ２０ 駆動モータ ２１ 膨張機 ２２ 圧縮機 ２３ 作動室 ３１ コールドトラップ部 ３２ 連通管（連通手段） ３３，３４ 制御弁（開閉手段） ３５ 制御手段 ３６ 一方向弁

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロッドの一端に接続されたピストン又は
   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、前記ロッドの他端が接続され、前記ピスト
   ンまたはディスプレーサを往復動させるピストン駆動機
   構を収容する駆動室と、前記ロッドが貫通し、前記駆動
   室内の潤滑油が前記作動室に侵入するのを防ぐロッドシ
   ール部と、を備え、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、 前記作動室内部で発生した冷熱を利用して冷却されるコ
   ールドトラップ部と、該コールドトラップ部と前記駆動
   室とを連通させる連通手段と、を有し、 該連通手段は、前記駆動室内の作動ガスが前記コールド
   トラップ部を経由して循環可能な閉ループ状連通手段で
   構成されていることを特徴とする冷凍装置。
2. 【請求項２】 前記連通管の途中に設けられた開閉手段
   と、該開閉手段を、前記コールドトラップ部の温度又は
   冷凍装置の運転状態に基づいてその開閉を制御する制御
   手段と、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】 前記コールドトラップ部は、前記膨張シ
   リンダの頭部に設けられた被冷却部であることを特徴と
   する請求項１又は２記載の冷凍装置。