【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、効率的に冷熱を発生できると共に、効率的に発生した冷熱を利用できるようにしたスターリング冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スターリング冷凍機は、小型化が可能、成績係数や冷凍効率が高い、発生する温度範囲が広い、近年の地球環境問題におけるフロン代替が容易等の多くの優れた特徴を持っている。
【０００３】
このため冷凍庫、冷蔵庫、投げ込み式クーラー等の業務用又は家庭用の冷熱利用機器を始めとして、低温液循環器、低温恒温器、恒温槽、ヒートショック試験装置、凍結乾燥機、温度特性試験装置、血液・細胞保存装置、コールドクーラ、その他各種の冷熱装置等のあらゆる産業分野における冷熱利用機器への適用が検討されている。
【０００４】
このようなスターリング冷凍機は、圧縮シリンダ内を圧縮ピストンが往復運動して作動ガスを圧縮すると共に、膨張シリンダ内を膨張ピストンが往復運動して作動ガスを膨張させて冷熱を発生するようになっている（特許文献１参照）。
【０００５】
図３は、このようなスターリング冷凍機５０１の部分側断面図で、モータ５１４を備えて回転動力を発生する駆動装置５１１と、該駆動装置５１１により駆動されて冷熱を発生する冷熱発生部５３３とを備えている。
【０００６】
冷熱発生部５３３は、回転動力を往復動力に変換する動力変換部５３４、この往復動力により膨張シリンダ５９７内を往復運動して作動ガスを膨張させる膨張ピストン５９３を備えた膨張部５９０、往復動力により圧縮シリンダ５６８内を往復運動して作動ガスを圧縮する圧縮ピストン５６７を備えた圧縮部５６４、膨張部５９０と圧縮部５６４との間を流動する作動ガスの熱を蓄熱する蓄熱部６７４等を主要構成としている。
【０００７】
動力変換部５３４は、内部がクランク空間５３６をなすクランクハウジング５３５を有し、その中にモータ軸５１７と連結されたクランク軸５３７、該クランク軸５３７に装着されたクランク５３８、一端がクランク５３８に連結されたコネクティングロッド５４１、該コネクティングロッド５４１の他端に連結されたクロスガイドヘッド５４４、該クロスガイドヘッド５４４の運動方向を１方向に規制するクロスガイドライナ５４７等が設けられている。
【０００８】
また、膨張部５９０は、膨張ピストン５９３を収納する膨張シリンダ５９７、該膨張シリンダ５９７の頭部側に形成される膨張空間５９２、膨張ピストン５９３に駆動力を伝達する膨張ピストンロッド６００等を有している。
【０００９】
圧縮部５６４は、圧縮ピストン５６７を収納する圧縮シリンダ５６８、該圧縮シリンダ５６８の頭部側に形成される圧縮空間５６６、圧縮ピストン５６７に駆動力を伝達する圧縮ピストンロッド５６９を有している。
【００１０】
また、圧縮空間５６６と膨張空間５９２とはガス流路６７５により連結され、このガス流路６７５に蓄冷材からなる蓄熱部６７４が設けられている。
【００１１】
このような構成で、モータ５１４が駆動されてクランク５３８が回動すると、その回動動力が往復動力に変換されて圧縮ピストン５６７及び膨張ピストン５９３に伝達され、これらが往復運動する。
【００１２】
なお、膨張ピストン５９３は圧縮ピストン５６７に対して位相が略９０度進んで運動する。
【００１３】
そして、圧縮ピストン５６７が下死点から上死点に移動すると、圧縮空間５６６内の作動ガスが圧縮される。
【００１４】
この間、膨張ピストン５９３は上動して上死点に達した後、下動するようになる。
【００１５】
圧縮ピストン５６７の上動に伴い圧縮された作動ガスは、ガス流路６７５を流動し、蓄熱部６７４を通過して膨張空間５９２側に送られる。
【００１６】
作動ガスが蓄熱部６７４を通過する際には、その熱がこの蓄熱部６７４に蓄熱される。
【００１７】
膨張ピストン５９３が下死点に達するに従い、圧縮ピストン５６７は上死点から下死点に移動し、作動ガスは膨張する。
【００１８】
圧縮ピストン５６７が下死点に近づくに従い、膨張ピストン５９３は上動を始め、作動ガスはガス流路６７５を経て蓄熱部６７４で熱交換して圧縮空間５６６に戻る。
【００１９】
このようなサイクルを１サイクルとして運転が行われる。
【００２０】
膨張部５９０における膨張過程は等温膨張過程であるため、膨張に伴う吸熱が発生し、この吸熱は膨張部５９０を覆っているコールドヘッド部７１９へ伝達され、この結果コールドヘッド部７１９の温度が下がり冷熱が発生する。
【００２１】
【特許文献１】
特開平１１−２２３３９８号公報
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように膨張空間５９０をステンレス材で形成すると、コールドヘッド部７１９が取付けられるその頭部もステンレス材により形成されることになり、当該コールドヘッド部７１９への熱伝導がステンレスを介して行われため、その分熱伝導性が低くなるものであった。
【００２３】
無論、熱伝導量は熱伝導率ばかりでなく熱伝達する距離にも依存するので、例えば膨張空間５９０のコールドヘッド部７１９が取付けられる頭部の肉厚を薄くし、熱伝導特性の低下を抑制することが可能である。
【００２４】
しかし、スターリング冷凍機５０１においては膨張空間の圧力変動が大きいため、膨張空間５９０の頭部の肉厚を余り薄くすることができないものであった。
【００２５】
そこで、本発明は、膨張空間からコールドヘッド部への熱伝導性の向上が行えるようにしたスターリング冷凍機を提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、圧縮シリンダ内を往復運動して作動ガスを圧縮する圧縮ピストンと、該圧縮ピストンに対して先行する位相で膨張シリンダ内を往復運動して作動ガスを膨張させる膨張ピストンと、該膨張ピストンの頭部と膨張シリンダとの間に形成される膨張空間を覆うように設けられると共に、ブラインが流動するブライン流路が形成されて、作動ガスが膨張空間内で膨張する際に、ブラインから吸熱して当該ブラインを冷却させるコールドヘッド部とを備えたスターリング冷凍機において、コールドヘッド部を膨張シリンダの材料より熱伝導率の大きい材料で形成して、膨張空間からコールドヘッド部への熱伝導性の向上が行えるようにしたことを特徴とする。
【００２７】
請求項２にかかる発明は、コールドヘッド部が、膨張空間を覆うように設けられたフィンベースと、当該フィンベースに立設された冷却フィンとにより形成されていることを特徴とする。
【００２８】
請求項３にかかる発明は、フィンベースと該フィンベースに立設して一体形成された冷却フィンとが、複数の部材に分割され、これらを組合わせて形成されていることを特徴とする。
【００２９】
請求項４にかかる発明は、コールドヘッド部が、フィンベースや冷却フィンより熱伝導率の小さいステンレスを材料として形成されて、冷却フィンを覆うように設けられたジャケットを有することを特徴とする。
【００３０】
請求項５にかかる発明は、コールドヘッド部は、アルミニウム、銅、金、銀の少なくとも１つを含む合金、又はアルミニウム、銅、金、銀のいずれか１つを材料としていることを特徴とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態の説明に適用されるスターリング冷凍機１の側断面図で、冷熱を発生する冷熱発生部３３、該冷熱発生部３３を駆動する駆動装置１１を主要構成としている。
【００３２】
駆動装置１１は、内部がモータ室１３をなすモータハウジング１２を有し、このモータ室１３にステータ１６及びロータ１５からなる正逆回転可能なモータ１４が設置されて、該モータ１４により発生した回転動力は、モータ軸１７を介して出力される。
【００３３】
冷熱発生部３３は、駆動装置１１で発生した回転動力を往復動力に変換する動力変換部３４、作動ガスを圧縮する圧縮部６４、作動ガスを膨張させる膨張部９０、圧縮空間６６と膨張空間９２とを連通させるガス流路１７５に設けられて流動する作動ガスの熱を蓄熱する蓄熱部１７４、圧縮部６４で圧縮されて温度上昇した作動ガスの熱を外部に放熱させる放熱部１９３、膨張部９０で作動ガスが膨張することにより発生した冷熱を冷熱利用機器に供給するコールドヘッド部２１９、クランク空間３６のオイル２４８が圧縮空間６６や膨張空間９２に侵入しないようにするオイルシール部１４８、背圧室１５４とクランク空間３６との差圧の発生を抑制する圧力調整部１２５等を有している。
【００３４】
動力変換部３４は、内部がクランク空間３６をなすクランクハウジング３５を有し、このクランクハウジング３５はモータハウジングトップ１９を介してモータハウジング１２と接して設けられている。
【００３５】
クランクハウジング３５の底部には、動力変換部３４における摺動部分等を潤滑するオイル２４８が貯留され、その貯留量はクランクハウジング３５の底部側に形成されたガラス等の透明部材からなる覗窓５０により確認できるようになっている。
【００３６】
モータハウジングトップ１９の底部側には、オイル通路孔２０が形成されてモータ室１３とクランク空間３６とが連通している。
【００３７】
これによりモータ室１３にもオイル２４８が貯留されると共に、モータ室１３とクランク空間３６との雰囲気が相互に行き来できるようになっている。
【００３８】
このようなスターリング冷凍機１では、作動ガスとしてヘリウム、水素、窒素等を利用することが可能であり、この場合は後述するクランク空間３６、モータ室１３、バッファタンク１２６内にも封入しておくことが好ましい。
【００３９】
クランク空間３６には、モータ軸１７と連結されたクランク軸３７、該クランク軸３７に装着された圧縮クランク３８ａ及び膨張クランク３８ｂからなるクランク３８、一端がクランク３８に連結された圧縮コネクティングロッド４１ａ及び膨張コネクティングロッド４１ｂからなるコネクティングロッド４１、該コネクティングロッド４１の他端に連結された圧縮クロスガイドヘッド４４ａ及び膨張クロスガイドヘッド４４ｂからなるクロスガイドヘッド４４、該クロスガイドヘッド４４の運動方向を１方向に規制するクロスガイドライナ４７等が設けられている。
【００４０】
なお、圧縮クランク３８ａと膨張クランク３８ｂとは、クランク軸３７の軸心に対して偏心して設けられ、かつ、モータ１４の正転時に膨張クランク３８ｂが圧縮クランク３８ａより略９０度位相が先行して回転するように設けられている。
【００４１】
ここでモータ１４の正転時とは、冷熱を発生するようなサイクル運転を行うときのモータ１４の回転方向を言う。
【００４２】
このとき膨張クランク３８ｂと圧縮クランク３８ａとの位相差に伴い発生する回転アンバランスを抑制するためにバランサ５１が設けられている。
【００４３】
クロスガイドライナ４７は、クロスガイドヘッド４４が挿入される概略円筒状の穴で、クランクハウジング３５の頂部を穴開加工等して形成されている。
【００４４】
これによりクランク３８を介して駆動されたクロスガイドヘッド４４はクロスガイドライナ４７に案内されて往復運動するようになる。
【００４５】
クランクハウジング３５の上には固定プレート２４３が設けられ、この固定プレート２４３の上にシリンダハウジング７４が設けられている。
【００４６】
このシリンダハウジング７４は、上側シリンダハウジング７４ａと下側シリンダハウジング７４ｂとに分割形成されて、下側シリンダハウジング７４ｂは、固定プレート２４３を介してクランクハウジング３５にボルトで固定され、上側シリンダハウジング７４ａは下側シリンダハウジング７４ｂにボルトを用いて固定される。
【００４７】
圧縮部６４は、下側シリンダハウジング７４ｂを穴開して形成された圧縮シリンダ６８、圧縮シリンダ６８内を往復運動する圧縮ピストン６７、一端が圧縮クロスガイドヘッド４４ａに揺動自在に取付けられると共に他端が圧縮ピストン６７に固着されて、これらを連結する圧縮ピストンロッド６９、該圧縮ピストン６７の頭部側と圧縮シリンダ６８とで形成された圧縮空間６６を有している。
【００４８】
圧縮ピストン６７の側筒面には、圧縮ピストンリング７０が装着されて、圧縮空間６６の気密性を保っている。
【００４９】
膨張部９０は、下側シリンダハウジング７４ｂ及び上側シリンダハウジング７４ａを穴開して形成された膨張シリンダ９７、内部が空洞で膨張シリンダ９７内を往復運動する膨張ピストン９３、一端が膨張クロスガイドヘッド４４ｂに揺動自在に取付けられると共に他端が膨張ピストン９３に固着されて、このらを連結する膨張ピストンロッド１００、該膨張ピストン９３の頭部側と膨張シリンダ９７とで形成された膨張空間９２を有して、膨張空間９２の外周部にコールドヘッド部２１９が取付けられている。
【００５０】
この膨張シリンダ９７及び膨張ピストン９３は、それぞれ上下に分割されて、上部膨張シリンダ９７ａ、下部膨張シリンダ９７ｂ、上部膨張ピストン９３ａ、下部膨張ピストン９３ｂをなしている。
【００５１】
下部膨張シリンダ９７ｂを下側シリンダハウジング７４ｂに装着する際には、下部膨張シリンダ９７ｂを液体窒素等で冷却して冷やしばめ等の方法で圧入して装着している。
【００５２】
これにより、下部膨張シリンダ９７ｂが下側シリンダハウジング７４ｂに完全に固定されるために異常音が発生する等の不都合が防止できる。
【００５３】
下部膨張ピストン９３ｂには、膨張ピストンリング１０４が装着されて、膨張空間９２の気密性を保っている。
【００５４】
また、下部膨張ピストン９３ｂの上端部と上部膨張ピストン９３ａの下端部とには、それぞれピストン結合ネジ溝が形成されて、これらを螺合させることにより一体化した膨張ピストン９３が形成されるようになっている。
【００５５】
上側シリンダハウジング７４ａ及び下側シリンダハウジング７４ｂには、膨張空間９２と圧縮空間６６とを連通させる細管のガス流路１７５が形成されている。
【００５６】
なお、下部膨張ピストン９３ｂの下端部を取囲むように環状溝１０８が形成されて、当該環状溝１０８にガス流路１７５が繋がり、圧縮空間６６へと連通している。
【００５７】
この環状溝１０８には、背圧室１５４と連通する微少径の環状溝連通孔１０９が形成されて、背圧室１５４と環状溝１０８との圧力を均等な圧力にしている。
【００５８】
また、上側シリンダハウジング７４ａの下端部には、ガス流路１７５と連通するように、円筒状の蓄熱材収納溝１０５が長手方向に形成されて、後述する蓄熱材１７６が挿入されるようになっている。
【００５９】
さらに、下側シリンダハウジング７４ｂの上端内面側には、０リングが挿入されて、上部膨張シリンダ９７ａと下部膨張シリンダ９７ｂとが気密に連結されるようになっている。
【００６０】
蓄熱部１７４は、真鍮やステンレス鋼を材料とするメッシュ状の金属シートのからなる円筒状の蓄熱材１７６を有し、この蓄熱材１７６が多数積層されて蓄熱材収納溝１０５に装着される。
【００６１】
そして、膨張空間９２で膨張して温度の下がった作動ガスが、圧縮空間６６に向って流動する際には、当該作動ガスの冷熱を貯えて、当該冷熱が圧縮空間６６から膨張空間９２に流動する作動ガスの冷却に用いられる。
【００６２】
また、圧縮空間６６で圧縮されて温度上昇した作動ガスが、圧縮空間６６から膨張空間９２に向って流動する際には、当該作動ガスの温熱を貯えて、当該温熱が膨張空間９２から圧縮空間６６に流動する作動ガスの加熱に用いられる。
【００６３】
圧縮ピストンロッド６９や膨張ピストンロッド１００の下端側には、クロスガイド側フランジ１０１が設けられ、上端にはピストン取付ネジ１０２（雄ネジ）が設けられ、さらに上端近傍にはピストン側フランジ１０３が設けられている。
【００６４】
そして、圧縮ピストンロッド６９や膨張ピストンロッド１００は、クロスガイド側フランジ１０１を用いてクロスガイドヘッド４４に取付けられる。
【００６５】
また、圧縮ピストン６７や膨張ピストン９３には、ピストン取付ネジ１０２が挿通する挿通孔が形成されて、ピストン取付ネジ１０２をこの挿通孔に挿通してピストン側フランジ１０３に当ててナット８１（雌ネジ）を締付けることにより圧縮ピストンロッド６９や膨張ピストンロッド１００と連結される。
【００６６】
なお、膨張ピストン９３と膨張ピストンロッド１００との連結に際して、当該膨張ピストン９３の連結位置を調整するためにスペーサ１５３が用いられている。
【００６７】
放熱部１９３は、圧縮部６４で圧縮されて温度上昇した作動ガスの熱を外部に速やかに放出させることを主目的として設けられたもので、圧縮空間６６や膨張シリンダ９７を取巻き循環するように形成された冷却水路１９４が下側シリンダハウジング７４ｂに形成される共に、下部膨張シリンダ９７ｂの下端部にフィンを有する放熱器１９５が設けられている。
【００６８】
この放熱部１９３を循環する冷却水は、図示しない放熱交換器につながり外気と熱交換して冷却される。
【００６９】
オイルシール部１４８は、固定プレート２４３と膨張ピストン９３及び圧縮ピストン６７との間に設けられたオイルシールベローズ１４９、該オイルシールベローズ１４９の上端が溶着されたワッシャ状の上部取付環１５０、該オイルシールベローズ１４９の下端が溶着されたワッシャ状の下部取付環１５１を有している。
【００７０】
このオイルシールベローズ１４９は、金属材料をプレス加工により一体成形した金属成形ベローズや溶接により組み立てた金属溶接ベローズが使用される。
【００７１】
この上部取付環１５０は、圧縮ピストンロッド６９や膨張ピストンロッド１００の底部とピストン側フランジ１０３との間に装着されてピストン取付ネジ１０２により固定される。
【００７２】
また、下部取付環１５１は固定プレート２４３を介して下側シリンダハウジング７４ｂを固定する。
【００７３】
これにより下部取付環１５１は、固定プレート２４３と密着して取付けられて背圧室１５４が気密状態となり、クランク空間３６からオイル２４８が圧縮空間６６や膨張空間９２に侵入する不都合が完全に防止できるようになる。
【００７４】
背圧室１５４は、圧縮ピストン６７の背圧側と膨張ピストン９３との背圧側にそれぞれ形成されるが、これらが互いに連通するように背圧室連通孔１５５が形成されている。
【００７５】
ところで、背圧室１５４の空間容積に比べクランク空間３６側の空間容積は十分に大きい。
【００７６】
なお、クランク空間３６側の空間容積は、クランク空間３６とモータ室１３とが連通しているので、これらの和である。
【００７７】
このような容積関係の下で背圧室１５４が気密状態にあると、膨張ピストン９３や圧縮ピストン６７の往復運動作により当該背圧室１５４には大きな圧力変動が発生すると共に、クランク空間３６との間で大きな差圧が発生する。
【００７８】
そして、背圧室１５４の圧力がクランク空間３６の圧力より高くなるとオイルシールベローズ１４９は糸巻ボビン状に絞られ、逆に背圧室１５４の圧力がクランク空間３６の圧力より低くなると、オイルシールベローズ１４９はビヤダル状に膨らむようになる。
【００７９】
このような変形が、繰返しオイルシールベローズ１４９に生じて破損しやすくなる。
【００８０】
また、背圧室１５４の圧力変動は、膨張ピストン９３や圧縮ピストン６７の往復運動のブレーキとして作用するので、その分モータ１４の負荷が増えてしまい冷凍効率が低下する。
【００８１】
そこで、背圧室１５４とクランク空間３６との圧力調整が行えるように、バッファタンク１２６を備えた圧力調整部１２５を設けている。
【００８２】
この圧力調整部１２５のバッファタンク１２６は、タンク内の空間を２つの空間に気密に仕切る圧力調整ベローズ１２７を備えて、一方の空間が背圧側連通管１２８により背圧室１５４と連通し、他方の空間がクランク側連通管１３０によりクランク空間３６やモータ室１３と連通している。
【００８３】
この背圧室１５４に連通する空間を背圧側バッファ室１２９と記載し、クランク空間３６と連通する空間をクランク側バッファ室１３１と記載する。
【００８４】
そして、少なくとも背圧側バッファ室１２９の空間容積は、背圧室１５４の空間容積より十分に大きくなっている。
【００８５】
これにより、背圧室１５４の圧力変動が背圧側バッファ室１２９の圧力変動により自動的に緩和されると共に、圧力調整ベローズ１２７の伸縮により吸収され、背圧室１５４とクランク空間３６との間で大きな差圧が発生しないようになり、オイルシールベローズ１４９の劣化や破壊の防止、スターリング冷凍機１の運転性能及び耐久性の向上が図られる。
【００８６】
なお、モータ室１３はクランク空間３６と連通しているので、クランク側バッファ室１３１をモータ室１３と連通させても同様の効果を得ることができる。
【００８７】
コールドヘッド部２１９は、図２に詳細に示すように、冷却フィン２２０、該冷却フィン２２０が設けられるフィンベース２２３、この冷却フィン２２０の先端部分を包むように設けられたジャケット２２１により構成されて、冷却フィン２２０、フィンベース２２３及びジャケット２２１との間に形成される空間がブライン流路２２２をなして、当該ブライン流路２２２をブラインが流動して冷却され、その冷熱が冷熱利用機器に搬送されて冷熱供給が行われる。
【００８８】
このブラインとして、エチルアルコール、ＨＦＥ、ＰＦＣ、ＰＦＧ、窒素、ヘリウム等が利用可能である。
【００８９】
コールドヘッド部２１９は、円筒状の上部膨張シリンダ９７ａの頭部を覆うように取付けられ、図２のＣ領域でジャケット２２１と膨張部９０の外壁（蓄熱材１７６の外周の壁）とが真空ロウ付（又は溶接）して密着固定されている。
【００９０】
この際、上部膨張シリンダ９７ａの頭部の外周とコールドヘッド部２１９との間には蓄熱材１７６へつながる空間（通路）が形成されている。
【００９１】
尚、この空間と上部膨張シリンダ９７ａ内の膨張空間９２とは、上部膨張シリンダ９７ａの頭部側先端に設けられた切り欠きを介してつながり作動ガスの行き来を可能にしている。
【００９２】
ジャケット２２１及び上部膨張シリンダ９７ａは、ステンレスを材料として形成され、冷却フィン２２０及びフィンベース２２３は、少なくともジャケット２２１や上部膨張シリンダ９７ａより熱伝導率が大きい材料により形成されている。
【００９３】
冷却フィン２２０及びフィンベース２２３の材料としては、アルミニウム、銅、金、銀が例示でき、これらのうちの単一の金属、又は少なくとも１つの金属を含む合金などを用いることができる。
【００９４】
但し、熱伝導量は熱伝導率と熱伝達距離との関数であるため、スターリング冷凍機１の軽量化等のためにフィンベース２２３等の部材厚を薄くしたい場合には、膨張空間９２における作動ガスの圧力に容易に耐えらることができる銅が好ましい。
【００９５】
また、ジャケット２２１の材料は、必ずしも上部膨張シリンダ９７ａと同一部材である必要はないが、少なくともブラインと大気との間での熱伝導量を少なくする必要があり、安価で強度の強いステンレスが好ましい。
【００９６】
このように冷却フィン２２０やフィンベース２２３をアルミニウム、銅、金、銀で形成することにより、ブライン流路２２２と膨張空間９２との間の温度勾配を小さくすることができ、膨張空間９２で膨張した作動流体が効率的にブラインから吸熱することが可能になる。即ち、効率的にブラインを冷却することが可能になり、冷熱供給能力が向上する。
【００９７】
また、図２等においては、Ａ領域の冷却フィン２２０及びフィンベース２２３と、それ以外の冷却フィン２２０及びフィンベース２２３が一体に形成されている場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００９８】
図２に示す場合は、冷却フィン２２０の立設方向が、垂直方向と水平方向とになるため切削等においても複雑な加工をしなければならず高価になってしまう。
【００９９】
そこで、例えばＡ領域の冷却フィン２２０及びフィンベース２２３と、それ以外の冷却フィン２２０及びフィンベース２２３とを別物として形成し、これらを組合わせて利用するようにするようにしてもよい。
【０１００】
次に、このような構成のスターリング冷凍機１の動作を説明する。
【０１０１】
モータ１４が駆動されると、その回転動力がモータ軸１７を介してクランク軸３７に伝達される。
【０１０２】
このクランク軸３７にはクランク３８が偏心して取付けられて、このクランク３８にコネクティングロッド４１を介してクロスガイドヘッド４４が連結されているので、回転動力はクロスガイドヘッド４４の往復動力に変換される。
【０１０３】
クロスガイドヘッド４４が往復運動すると、ピストンロッドを介して接続された膨張ピストン９３と圧縮ピストン６７は往復運動して作動ガスを圧縮、膨張する。
【０１０４】
このとき、クランク３８によりオイル２４８がクロスガイドヘッド４４等に付着するが、オイルシールベローズ１４９によりクランク空間３６と背圧室１５４とが完全に区画されている。
【０１０５】
また、背圧室１５４と膨張空間９２との差圧がバッファタンク１２６により圧力調整されて、これらの間で差圧の発生が抑制されているが、このとき圧力調整ベローズ１２７を用いてバッファタンク１２６を区画しているので、バッファタンク１２６を介してクランク空間３６等から背圧室１５４にオイル２４８が流入することがない。
【０１０６】
従って、背圧室１５４にオイル２４８が侵入して圧縮空間６６や膨張空間９２に侵入することがなく、冷凍効率の低下が防止できるようになっている。
【０１０７】
このようにして膨張ピストン９３と圧縮ピストン６７が往復運動し、膨張ピストン９３が上死点に近づいて動きが遅くなると、圧縮ピストン６７は中間付近を上死点に向かって急速に動き、これにより作動ガスは略断熱圧縮されて温度上昇する。
【０１０８】
圧縮された作動ガスは、ガス流路１７５を流れて放熱部１９３に流入し、ここで放熱器１９５を介して冷却水に放熱して降温する。
【０１０９】
冷却水に放熱した作動ガスは、蓄熱部１７４に流入し、蓄熱材１７６を通過する際に当該蓄熱材１７６に温熱を蓄熱して膨張空間９２に流入する。
【０１１０】
そして、圧縮ピストン６７は上死点に近づき、その速度も遅くなる。
【０１１１】
すると、膨張ピストン９３は急激に下死点に向かって動き、これにより膨張空間９２が急激に拡張して、当該膨張空間９２の作動ガスは断熱膨張して降温する。
【０１１２】
かかる膨張過程は等温膨張過程であるため、膨張に伴い作動ガスはコールドヘッド部２１９の冷却フィン２２０やフィンベース２２３を介してブライン流路２２２を流動するブラインから吸熱する。これにより、ブラインが冷却される。
【０１１３】
このとき、冷却フィン２２０やフィンベース２２３が熱伝導率の大きなアルミニウム、銅、金、銀で形成されているため、当該冷却フィン２２０やフィンベース２２３で生じる温度勾配が小さく、効率的にブラインから吸熱できるようになっている。
【０１１４】
膨張ピストン９３が下死点から上死点に移動する際は、圧縮ピストン６７は中間位置から下死点に向かって動いており、これにより作動ガスは膨張空間９２からガス流路１７５を介して圧縮空間６６に流れる。
【０１１５】
このとき膨張して温度の下がった作動ガスは、蓄熱材１７６に冷熱を蓄熱して放熱部１９３を経て圧縮空間６６に流入して１サイクルが終了する。
【０１１６】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１にかかる発明によれば、圧縮シリンダ内を往復運動して作動ガスを圧縮する圧縮ピストンと、該圧縮ピストンに対して先行する位相で膨張シリンダ内を往復運動して作動ガスを膨張させる膨張ピストンと、該膨張ピストンの頭部と膨張シリンダとの間に形成される膨張空間を覆うように設けられると共に、ブラインが流動するブライン流路が形成されて、作動ガスが膨張空間内で膨張する際に、ブラインから吸熱して当該ブラインを冷却させるコールドヘッド部とを備えたスターリング冷凍機において、コールドヘッド部を膨張シリンダの材料より熱伝導率の大きい材料で形成したので、膨張空間からコールドヘッド部への熱伝導性の向上が図られ、効率的に冷熱を熱利用機器に供給することが可能になる。
【０１１７】
請求項２にかかる発明によれば、コールドヘッド部が、膨張空間を覆うように設けられたフィンベースと、当該フィンベースに立設された冷却フィンとにより形成したので、膨張空間からコールドヘッド部への熱伝導性の向上が図られ、効率的に冷熱を熱利用機器に供給することが可能になる。
【０１１８】
請求項３にかかる発明によれば、フィンベースと該フィンベースに立設して一体形成された冷却フィンとが、複数の部材に分割され、これらを組合わせて形成したので、製造費用が安価になる。
【０１１９】
請求項４にかかる発明によれば、コールドヘッド部が、フィンベースや冷却フィンより熱伝導率の小さいステンレスを材料として形成されて、冷却フィンを覆うように設けられたジャケットを設けたので、外気によるブラインの加熱が少なくなり、発生した冷熱を効率的に冷熱利用機器に供給できるようになる。
【０１２０】
請求項５にかかる発明によれば、コールドヘッド部は、アルミニウム、銅、金、銀の少なくとも１つを含む合金、又はアルミニウム、銅、金、銀のいずれか１つを材料としたので、膨張空間からコールドヘッド部への熱伝導性の向上が図られ、効率的に冷熱を熱利用機器に供給することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の説明に適用されるスターリング冷凍機の側断面図である。
【図２】コールドヘッド部の詳細図である。
【図３】従来の技術の説明に適用される、スターリング冷凍機の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１ スターリング冷凍機
６４ 圧縮部
６６ 圧縮空間
６７ 圧縮ピストン
６８ 圧縮シリンダ
９０ 膨張部
９２ 膨張空間
９３ 膨張ピストン
９３ａ 上部膨張ピストン
９３ｂ 下部膨張ピストン
９７ 膨張シリンダ
９７ａ 上部膨張シリンダ
９７ｂ 下部膨張シリンダ
２１９ コールドヘッド部
２２０ 冷却フィン
２２１ ジャケット
２２２ ブライン流路
２２３ フィンベース[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a Stirling refrigerator capable of efficiently generating cold heat and using the generated cold heat efficiently.
[0002]
[Prior art]
The Stirling refrigerator has many excellent features, such as miniaturization, high coefficient of performance and high refrigeration efficiency, wide temperature range of generation, and easy replacement of CFCs in recent global environmental problems.
[0003]
For this reason, freezers, refrigerators, commercial or home-use cold energy utilization equipment such as throw-in type coolers, low-temperature liquid circulators, low-temperature thermostats, thermostats, heat shock test equipment, freeze dryers, temperature characteristic test equipment, Application to equipment utilizing cold energy in all industrial fields, such as blood / cell storage devices, cold coolers, and various other types of chillers, is being studied.
[0004]
In such a Stirling refrigerator, the compression piston reciprocates in the compression cylinder to compress the working gas, and the expansion piston reciprocates in the expansion cylinder to expand the working gas to generate cold heat. (See Patent Document 1).
[0005]
FIG. 3 is a partial side cross-sectional view of such a Stirling refrigerator 501, which includes a driving device 511 having a motor 514 to generate rotational power, a cold heat generating unit 533 driven by the driving device 511 to generate cold heat. It has.
[0006]
The cold-heat generating section 533 includes a power conversion section 534 that converts rotational power to reciprocating power, an expansion section 590 including an expansion piston 593 that reciprocates in the expansion cylinder 597 by the reciprocating power to expand the working gas. A compression section 564 provided with a compression piston 567 for reciprocating in the compression cylinder 568 to compress the working gas, a heat storage section 674 for storing heat of the working gas flowing between the expansion section 590 and the compression section 564, and the like. It has a configuration.
[0007]
The power conversion unit 534 includes a crank housing 535 having a crank space 536 therein, a crank shaft 537 connected to the motor shaft 517, a crank 538 mounted on the crank shaft 537, and one end connected to the crank 538. A connecting rod 541 connected thereto, a cross guide head 544 connected to the other end of the connecting rod 541, a cross guide liner 547 for controlling the movement direction of the cross guide head 544 in one direction, and the like are provided.
[0008]
The expansion section 590 includes an expansion cylinder 597 that houses the expansion piston 593, an expansion space 592 formed on the head side of the expansion cylinder 597, an expansion piston rod 600 that transmits a driving force to the expansion piston 593, and the like. ing.
[0009]
The compression section 564 includes a compression cylinder 568 that houses the compression piston 567, a compression space 566 formed on the head side of the compression cylinder 568, and a compression piston rod 569 that transmits driving force to the compression piston 567.
[0010]
Further, the compression space 566 and the expansion space 592 are connected by a gas flow path 675, and a heat storage section 674 made of a cold storage material is provided in the gas flow path 675.
[0011]
With such a configuration, when the motor 514 is driven to rotate the crank 538, the rotating power is converted into reciprocating power and transmitted to the compression piston 567 and the expansion piston 593, which reciprocate.
[0012]
The expansion piston 593 moves with the phase advanced by about 90 degrees with respect to the compression piston 567.
[0013]
Then, when the compression piston 567 moves from the bottom dead center to the top dead center, the working gas in the compression space 566 is compressed.
[0014]
During this time, the expansion piston 593 moves upward and reaches the top dead center, and then moves downward.
[0015]
The working gas compressed along with the upward movement of the compression piston 567 flows through the gas passage 675, passes through the heat storage unit 674, and is sent to the expansion space 592 side.
[0016]
When the working gas passes through the heat storage unit 674, the heat is stored in the heat storage unit 674.
[0017]
As the expansion piston 593 reaches the bottom dead center, the compression piston 567 moves from the top dead center to the bottom dead center, and the working gas expands.
[0018]
As the compression piston 567 approaches the bottom dead center, the expansion piston 593 starts to move upward, and the working gas exchanges heat with the heat storage unit 674 via the gas flow path 675 and returns to the compression space 566.
[0019]
The operation is performed with such a cycle as one cycle.
[0020]
Since the expansion process in the expansion portion 590 is an isothermal expansion process, heat absorption accompanying the expansion occurs, and this heat absorption is transmitted to the cold head portion 719 covering the expansion portion 590, and as a result, the temperature of the cold head portion 719 decreases. Cold heat is generated.
[0021]
[Patent Document 1]
JP-A-11-223398
[0022]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the expansion space 590 is formed of stainless steel, the head to which the cold head 719 is attached is also formed of stainless steel, and heat conduction to the cold head 719 is performed through stainless steel. As a result, the thermal conductivity is reduced accordingly.
[0023]
Of course, the amount of heat conduction depends not only on the heat conductivity but also on the distance over which the heat is transferred. Therefore, for example, the thickness of the head of the expansion space 590 to which the cold head portion 719 is attached is reduced to suppress the deterioration of the heat conduction characteristics. It is possible to do.
[0024]
However, in the Stirling refrigerator 501, the thickness of the head of the expansion space 590 cannot be made very thin because the pressure fluctuation in the expansion space is large.
[0025]
Therefore, an object of the present invention is to provide a Stirling refrigerator capable of improving the thermal conductivity from an expansion space to a cold head.
[0026]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 reciprocates in a compression cylinder to compress working gas and reciprocates in an expansion cylinder in a phase preceding the compression piston. An expansion piston that expands the working gas, and is provided so as to cover an expansion space formed between the head of the expansion piston and the expansion cylinder, and a brine flow path through which the brine flows is formed. When expanding in the expansion space, in a Stirling refrigerator having a cold head that absorbs heat from the brine and cools the brine, the cold head is formed of a material having a higher thermal conductivity than the material of the expansion cylinder. The heat conductivity from the expansion space to the cold head portion can be improved.
[0027]
The invention according to claim 2 is characterized in that the cold head portion is formed by a fin base provided so as to cover the expansion space, and a cooling fin erected on the fin base.
[0028]
The invention according to claim 3 is characterized in that the fin base and the cooling fins which are erected on the fin base and are integrally formed are divided into a plurality of members and formed by combining these members.
[0029]
The invention according to claim 4 is characterized in that the cold head portion is made of stainless steel having a lower thermal conductivity than the fin base and the cooling fin, and has a jacket provided so as to cover the cooling fin.
[0030]
The invention according to claim 5 is characterized in that the cold head portion is made of an alloy containing at least one of aluminum, copper, gold and silver, or any one of aluminum, copper, gold and silver. .
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a side sectional view of a Stirling refrigerator 1 applied to the description of an embodiment of the present invention, and mainly includes a cold heat generating unit 33 that generates cold heat, and a driving device 11 that drives the cold heat generating unit 33. I have.
[0032]
The driving device 11 has a motor housing 12 having a motor chamber 13 inside. A motor 14 including a stator 16 and a rotor 15, which can be rotated forward and backward, is installed in the motor chamber 13. Power is output via a motor shaft 17.
[0033]
The cold heat generating unit 33 includes a power conversion unit 34 that converts rotational power generated by the driving device 11 into reciprocating power, a compression unit 64 that compresses working gas, an expansion unit 90 that expands working gas, a compression space 66, and an expansion space 92. A heat storage unit 174 provided in a gas flow path 175 for communicating heat with the heat, a heat storage unit 174 for storing heat of the flowing working gas, a heat radiating unit 193 for radiating the heat of the working gas, which has been compressed by the compression unit 64 and whose temperature has increased, to the outside, and an expansion unit. A cold head 219 for supplying the cold generated by the expansion of the working gas at 90 to the cold energy utilization equipment, an oil seal 148 for preventing oil 248 of the crank space 36 from entering the compression space 66 and the expansion space 92, The pressure adjusting unit 125 includes a pressure adjusting unit 125 that suppresses generation of a differential pressure between the pressure chamber 154 and the crank space 36.
[0034]
The power converter 34 has a crank housing 35 having a crank space 36 therein. The crank housing 35 is provided in contact with the motor housing 12 via the motor housing top 19.
[0035]
An oil 248 for lubricating a sliding portion and the like in the power conversion unit 34 is stored at the bottom of the crank housing 35, and the amount of the stored oil 248 is a viewing window 50 made of a transparent member such as glass formed on the bottom of the crank housing 35. Can be confirmed.
[0036]
An oil passage hole 20 is formed on the bottom side of the motor housing top 19 so that the motor chamber 13 and the crank space 36 communicate with each other.
[0037]
Thus, the oil 248 is stored in the motor chamber 13 and the atmosphere in the motor chamber 13 and the atmosphere in the crank space 36 can be exchanged with each other.
[0038]
In such a Stirling refrigerator 1, helium, hydrogen, nitrogen, or the like can be used as a working gas. In this case, the working gas is also sealed in a crank space 36, a motor chamber 13, and a buffer tank 126 described later. Is preferred.
[0039]
The crank space 36 includes a crankshaft 37 connected to the motor shaft 17, a crank 38 including a compression crank 38 a and an expansion crank 38 b mounted on the crankshaft 37, a compression connecting rod 41 a having one end connected to the crank 38, and A connecting rod 41 composed of an expansion connecting rod 41b, a cross guide head 44 composed of a compression cross guide head 44a and an expansion cross guide head 44b connected to the other end of the connecting rod 41, and the direction of movement of the cross guide head 44 is one direction. A cross guide liner 47 and the like are provided.
[0040]
The compression crank 38a and the expansion crank 38b are provided eccentrically with respect to the axis of the crankshaft 37, and the expansion crank 38b has a phase that is approximately 90 degrees ahead of the compression crank 38a when the motor 14 is rotating forward. It is provided to rotate.
[0041]
Here, the forward rotation of the motor 14 refers to the rotation direction of the motor 14 when performing a cycle operation that generates cold heat.
[0042]
At this time, a balancer 51 is provided to suppress a rotational imbalance generated due to a phase difference between the expansion crank 38b and the compression crank 38a.
[0043]
The cross guide liner 47 is a substantially cylindrical hole into which the cross guide head 44 is inserted, and is formed by drilling the top of the crank housing 35 or the like.
[0044]
Thereby, the cross guide head 44 driven via the crank 38 is guided by the cross guide liner 47 and reciprocates.
[0045]
A fixed plate 243 is provided on the crank housing 35, and a cylinder housing 74 is provided on the fixed plate 243.
[0046]
The cylinder housing 74 is divided into an upper cylinder housing 74a and a lower cylinder housing 74b. The lower cylinder housing 74b is fixed to the crank housing 35 via a fixing plate 243 with bolts. It is fixed to the lower cylinder housing 74b using bolts.
[0047]
The compression section 64 includes a compression cylinder 68 formed by drilling a hole in the lower cylinder housing 74b, a compression piston 67 that reciprocates in the compression cylinder 68, one end of which is swingably attached to the compression cross guide head 44a and other components. An end is fixed to the compression piston 67, and has a compression piston rod 69 connecting them, and a compression space 66 formed by the head side of the compression piston 67 and the compression cylinder 68.
[0048]
A compression piston ring 70 is mounted on the side cylinder surface of the compression piston 67 to keep the compression space 66 airtight.
[0049]
The expansion portion 90 includes an expansion cylinder 97 formed by perforating the lower cylinder housing 74b and the upper cylinder housing 74a, an expansion piston 93 having a hollow inside and reciprocating in the expansion cylinder 97, and one end having an expansion cross guide head 44b. And the other end is fixed to an expansion piston 93, and an expansion piston rod 100 connecting them, an expansion space 92 formed by a head side of the expansion piston 93 and an expansion cylinder 97 is formed. In addition, a cold head portion 219 is attached to the outer peripheral portion of the expansion space 92.
[0050]
The expansion cylinder 97 and the expansion piston 93 are vertically divided into an upper expansion cylinder 97a, a lower expansion cylinder 97b, an upper expansion piston 93a, and a lower expansion piston 93b.
[0051]
When the lower expansion cylinder 97b is mounted on the lower cylinder housing 74b, the lower expansion cylinder 97b is mounted by cooling it with liquid nitrogen or the like and press-fitting it by a method such as cold fitting.
[0052]
This prevents the lower expansion cylinder 97b from being completely fixed to the lower cylinder housing 74b, thereby preventing inconvenience such as generation of abnormal noise.
[0053]
An expansion piston ring 104 is attached to the lower expansion piston 93b to keep the airtightness of the expansion space 92.
[0054]
Also, piston coupling screw grooves are formed at the upper end of the lower expansion piston 93b and the lower end of the upper expansion piston 93a, respectively, and these are screwed together to form an integrated expansion piston 93. Has become.
[0055]
In the upper cylinder housing 74a and the lower cylinder housing 74b, a gas flow path 175 of a thin tube that connects the expansion space 92 and the compression space 66 is formed.
[0056]
An annular groove 108 is formed so as to surround the lower end of the lower expansion piston 93b. A gas flow path 175 is connected to the annular groove 108 and communicates with the compression space 66.
[0057]
The annular groove 108 is formed with a small-diameter annular groove communication hole 109 communicating with the back pressure chamber 154 to make the pressure between the back pressure chamber 154 and the annular groove 108 uniform.
[0058]
At the lower end of the upper cylinder housing 74a, a cylindrical heat storage material storage groove 105 is formed in the longitudinal direction so as to communicate with the gas flow path 175, and a heat storage material 176 described later is inserted. ing.
[0059]
Further, an O-ring is inserted into the inner surface of the upper end of the lower cylinder housing 74b so that the upper expansion cylinder 97a and the lower expansion cylinder 97b are airtightly connected.
[0060]
The heat storage unit 174 has a cylindrical heat storage material 176 made of a mesh-shaped metal sheet made of brass or stainless steel. A large number of the heat storage materials 176 are stacked and mounted in the heat storage material storage groove 105.
[0061]
When the working gas, which has been expanded in the expansion space 92 and cooled down, flows toward the compression space 66, the cold gas of the working gas is stored, and the cold heat flows from the compression space 66 to the expansion space 92. Used to cool the working gas.
[0062]
Further, when the working gas that has been compressed in the compression space 66 and rises in temperature flows from the compression space 66 toward the expansion space 92, it stores the heat of the working gas and the heat is transferred from the expansion space 92 to the compression space. It is used for heating the working gas flowing to 66.
[0063]
A cross guide flange 101 is provided at the lower end of the compression piston rod 69 and the expansion piston rod 100, a piston mounting screw 102 (male screw) is provided at the upper end, and a piston flange 103 is provided near the upper end. Have been.
[0064]
Then, the compression piston rod 69 and the expansion piston rod 100 are attached to the cross guide head 44 using the cross guide side flange 101.
[0065]
The compression piston 67 and the expansion piston 93 are formed with an insertion hole through which the piston mounting screw 102 is inserted, and the piston mounting screw 102 is inserted through the insertion hole and is applied to the piston side flange 103 so that the nut 81 (female screw) is formed. ) Is connected to the compression piston rod 69 and the expansion piston rod 100 by tightening.
[0066]
When connecting the expansion piston 93 and the expansion piston rod 100, a spacer 153 is used to adjust the connection position of the expansion piston 93.
[0067]
The heat radiating section 193 is provided mainly for rapidly releasing the heat of the working gas which has been compressed by the compression section 64 and whose temperature has risen to the outside, and circulates around the compression space 66 and the expansion cylinder 97. The formed cooling water passage 194 is formed in the lower cylinder housing 74b, and a radiator 195 having fins is provided at the lower end of the lower expansion cylinder 97b.
[0068]
The cooling water circulating through the radiator 193 is connected to a radiator (not shown) and exchanges heat with outside air to be cooled.
[0069]
The oil seal portion 148 includes an oil seal bellows 149 provided between the fixed plate 243 and the expansion piston 93 and the compression piston 67, a washer-shaped upper mounting ring 150 to which an upper end of the oil seal bellows 149 is welded, The seal bellows 149 has a washer-shaped lower mounting ring 151 to which a lower end is welded.
[0070]
As the oil seal bellows 149, a metal molded bellows formed by integrally forming a metal material by press working or a metal welded bellows assembled by welding is used.
[0071]
The upper mounting ring 150 is mounted between the bottom of the compression piston rod 69 or the expansion piston rod 100 and the piston side flange 103 and is fixed by the piston mounting screw 102.
[0072]
Further, the lower mounting ring 151 fixes the lower cylinder housing 74b via the fixing plate 243.
[0073]
As a result, the lower mounting ring 151 is mounted in close contact with the fixed plate 243, so that the back pressure chamber 154 is in an airtight state, and the inconvenience of the oil 248 from entering the compression space 66 and the expansion space 92 from the crank space 36 can be completely prevented. Become like
[0074]
The back pressure chamber 154 is formed on each of the back pressure side of the compression piston 67 and the back pressure side of the expansion piston 93, and a back pressure chamber communication hole 155 is formed so that they communicate with each other.
[0075]
Incidentally, the space volume on the crank space 36 side is sufficiently larger than the space volume of the back pressure chamber 154.
[0076]
The space volume on the side of the crank space 36 is a sum of the space of the crank space 36 and the motor chamber 13 because they communicate with each other.
[0077]
When the back pressure chamber 154 is in an airtight state under such a volume relationship, a reciprocating operation of the expansion piston 93 and the compression piston 67 causes a large pressure fluctuation in the back pressure chamber 154, and at the same time, the crank space 36 A large pressure difference occurs between the two.
[0078]
When the pressure in the back pressure chamber 154 becomes higher than the pressure in the crank space 36, the oil seal bellows 149 is narrowed into a bobbin shape. Conversely, when the pressure in the back pressure chamber 154 becomes lower than the pressure in the crank space 36, the oil seal bellows 149 149 bulges in a biadal shape.
[0079]
Such deformation repeatedly occurs in the oil seal bellows 149, and the oil seal bellows 149 is easily broken.
[0080]
Further, since the pressure fluctuation in the back pressure chamber 154 acts as a brake for the reciprocating motion of the expansion piston 93 and the compression piston 67, the load on the motor 14 increases by that amount and the refrigeration efficiency decreases.
[0081]
Therefore, a pressure adjusting unit 125 having a buffer tank 126 is provided so that the pressure between the back pressure chamber 154 and the crank space 36 can be adjusted.
[0082]
The buffer tank 126 of the pressure adjusting unit 125 includes a pressure adjusting bellows 127 that air-tightly divides a space in the tank into two spaces. One of the spaces communicates with the back pressure chamber 154 via a back pressure side communication pipe 128, and the other space. Is communicated with the crank space 36 and the motor chamber 13 by the crank side communication pipe 130.
[0083]
The space communicating with the back pressure chamber 154 is described as a back pressure buffer chamber 129, and the space communicating with the crank space 36 is described as a crank buffer chamber 131.
[0084]
The space volume of at least the back pressure side buffer chamber 129 is sufficiently larger than the space volume of the back pressure chamber 154.
[0085]
As a result, the pressure fluctuation in the back pressure chamber 154 is automatically reduced by the pressure fluctuation in the back pressure side buffer chamber 129, and is absorbed by the expansion and contraction of the pressure adjusting bellows 127. A large differential pressure is prevented from being generated, and the deterioration and breakage of the oil seal bellows 149 are prevented, and the operating performance and durability of the Stirling refrigerator 1 are improved.
[0086]
Since the motor chamber 13 communicates with the crank space 36, the same effect can be obtained even if the crank-side buffer chamber 131 communicates with the motor chamber 13.
[0087]
As shown in detail in FIG. 2, the cold head portion 219 includes a cooling fin 220, a fin base 223 on which the cooling fin 220 is provided, and a jacket 221 provided so as to surround a tip portion of the cooling fin 220. The space formed between the cooling fins 220, the fin base 223, and the jacket 221 forms a brine flow path 222, and the brine flows through the brine flow path 222 to be cooled, and the cold heat is conveyed to the cold heat utilization device. A cold heat supply is performed.
[0088]
As the brine, ethyl alcohol, HFE, PFC, PFG, nitrogen, helium, and the like can be used.
[0089]
The cold head part 219 is attached so as to cover the head of the cylindrical upper expansion cylinder 97a, and the jacket 221 and the outer wall of the expansion part 90 (the outer peripheral wall of the heat storage material 176) are vacuum brazed in a region C in FIG. It is attached (or welded) and fixed tightly.
[0090]
At this time, a space (passage) leading to the heat storage material 176 is formed between the outer periphery of the head of the upper expansion cylinder 97a and the cold head portion 219.
[0091]
This space and the expansion space 92 in the upper expansion cylinder 97a are connected through a notch provided at the head-side end of the upper expansion cylinder 97a to allow the working gas to flow.
[0092]
The jacket 221 and the upper expansion cylinder 97a are formed of stainless steel, and the cooling fins 220 and the fin base 223 are formed of a material having a higher thermal conductivity than at least the jacket 221 and the upper expansion cylinder 97a.
[0093]
Examples of the material of the cooling fin 220 and the fin base 223 include aluminum, copper, gold, and silver, and a single metal or an alloy containing at least one of these metals can be used.
[0094]
However, since the heat conduction amount is a function of the heat conductivity and the heat transfer distance, when the thickness of the fin base 223 or the like is to be reduced in order to reduce the weight of the Stirling refrigerator 1, the operation in the expansion space 92 is required. Copper, which can easily withstand the pressure of the gas, is preferred.
[0095]
The material of the jacket 221 does not necessarily have to be the same member as the upper expansion cylinder 97a, but it is necessary to reduce at least the amount of heat conduction between the brine and the atmosphere. .
[0096]
By forming the cooling fin 220 and the fin base 223 from aluminum, copper, gold, and silver, the temperature gradient between the brine channel 222 and the expansion space 92 can be reduced, and the expansion in the expansion space 92 can be achieved. It becomes possible for the working fluid to efficiently absorb heat from the brine. That is, it is possible to efficiently cool the brine, and the cooling heat supply capacity is improved.
[0097]
2 and the like, the case where the cooling fin 220 and the fin base 223 in the region A and the other cooling fin 220 and the fin base 223 are integrally formed is shown, but the present invention is not limited to this. Not something.
[0098]
In the case shown in FIG. 2, the vertical direction and the horizontal direction of the cooling fins 220 are set up, so that complicated processing must be performed even in cutting or the like, and the cost becomes high.
[0099]
Therefore, for example, the cooling fin 220 and the fin base 223 in the region A and the other cooling fins 220 and the fin base 223 may be formed as separate components, and these may be used in combination.
[0100]
Next, the operation of the Stirling refrigerator 1 having such a configuration will be described.
[0101]
When the motor 14 is driven, its rotational power is transmitted to the crankshaft 37 via the motor shaft 17.
[0102]
A crank 38 is eccentrically mounted on the crankshaft 37, and a cross guide head 44 is connected to the crank 38 via a connecting rod 41, so that rotational power is converted into reciprocating power of the cross guide head 44. .
[0103]
When the cross guide head 44 reciprocates, the expansion piston 93 and the compression piston 67 connected via the piston rod reciprocate to compress and expand the working gas.
[0104]
At this time, the oil 248 adheres to the cross guide head 44 and the like by the crank 38, but the crank space 36 and the back pressure chamber 154 are completely partitioned by the oil seal bellows 149.
[0105]
Further, the pressure difference between the back pressure chamber 154 and the expansion space 92 is adjusted by the buffer tank 126 to suppress the generation of the pressure difference therebetween. Since the partition 126 is partitioned, the oil 248 does not flow into the back pressure chamber 154 from the crank space 36 or the like via the buffer tank 126.
[0106]
Therefore, the oil 248 does not enter the back pressure chamber 154 and enter the compression space 66 or the expansion space 92, so that a decrease in refrigeration efficiency can be prevented.
[0107]
In this way, the expansion piston 93 and the compression piston 67 reciprocate, and when the expansion piston 93 approaches the top dead center and slows down, the compression piston 67 moves rapidly toward the top dead center in the vicinity of the center. The working gas is substantially adiabatically compressed and rises in temperature.
[0108]
The compressed working gas flows through the gas flow path 175 and flows into the radiator 193, where it radiates heat to the cooling water via the radiator 195 to lower the temperature.
[0109]
The working gas that has radiated heat to the cooling water flows into the heat storage unit 174, stores heat in the heat storage material 176 when passing through the heat storage material 176, and flows into the expansion space 92.
[0110]
Then, the compression piston 67 approaches the top dead center, and its speed also decreases.
[0111]
Then, the expansion piston 93 rapidly moves toward the bottom dead center, whereby the expansion space 92 expands abruptly, and the working gas in the expansion space 92 adiabatically expands to lower the temperature.
[0112]
Since this expansion process is an isothermal expansion process, the working gas absorbs heat from the brine flowing through the brine flow channel 222 through the cooling fins 220 and the fin base 223 of the cold head portion 219 with the expansion. Thereby, the brine is cooled.
[0113]
At this time, since the cooling fin 220 and the fin base 223 are formed of aluminum, copper, gold, and silver having high thermal conductivity, the temperature gradient generated in the cooling fin 220 and the fin base 223 is small, and the cooling fin 220 and the fin base 223 are efficiently removed from the brine. It can absorb heat.
[0114]
When the expansion piston 93 moves from the bottom dead center to the top dead center, the compression piston 67 moves from the intermediate position toward the bottom dead center, whereby the working gas flows from the expansion space 92 through the gas passage 175. It flows into the compression space 66.
[0115]
At this time, the working gas that has been expanded and cooled in temperature stores cold heat in the heat storage material 176 and flows into the compression space 66 via the heat radiating portion 193 to complete one cycle.
[0116]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the compression piston for reciprocating in the compression cylinder to compress the working gas, and reciprocating in the expansion cylinder in a phase preceding the compression piston. An expansion piston that expands the working gas, and is provided so as to cover an expansion space formed between the head of the expansion piston and the expansion cylinder, and a brine flow path through which the brine flows is formed. In a Stirling refrigerator including a cold head portion that absorbs heat from the brine and cools the brine when expanding in the expansion space, the cold head portion is formed of a material having a higher thermal conductivity than the material of the expansion cylinder. In addition, the thermal conductivity from the expansion space to the cold head portion is improved, and it is possible to efficiently supply cold heat to the heat utilization device.
[0117]
According to the invention according to claim 2, the cold head portion is formed by the fin base provided so as to cover the expansion space and the cooling fins erected on the fin base. As a result, the heat conductivity to the heat utilization device can be efficiently supplied.
[0118]
According to the third aspect of the present invention, the fin base and the cooling fins which are erected on the fin base and integrally formed are divided into a plurality of members and formed by combining these members, so that the manufacturing cost is low. become.
[0119]
According to the invention according to claim 4, since the cold head portion is formed of stainless steel having a lower thermal conductivity than the fin base and the cooling fins, and the jacket provided to cover the cooling fins is provided, , The amount of heating of the brine is reduced, and the generated cold heat can be efficiently supplied to the cold heat utilization equipment.
[0120]
According to the fifth aspect of the present invention, the cold head portion is made of an alloy containing at least one of aluminum, copper, gold, and silver, or one of aluminum, copper, gold, and silver. The thermal conductivity from the space to the cold head portion is improved, and it is possible to efficiently supply cold heat to the heat utilization device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view of a Stirling refrigerator applied to a description of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a detailed view of a cold head unit.
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a Stirling refrigerator applied to description of a conventional technique.
[Explanation of symbols]
1 Stirling refrigerator
64 compression unit
66 compression space
67 compression piston
68 compression cylinder
90 Expansion part
92 expansion space
93 expansion piston
93a Upper expansion piston
93b Lower expansion piston
97 expansion cylinder
97a Upper expansion cylinder
97b Lower expansion cylinder
219 Cold head
220 cooling fin
221 jacket
222 brine flow path
223 Fin base
