JP2005214614A - 極低温冷凍機 - Google Patents

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ジョン ジン パーク
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Abstract

【課題】 構造を単純化して熱伝逹効率を向上させるだけでなく、製造工程を簡素化し、洗浄及び脱ガス作業を容易にできる極低温冷凍機を提供する。
【解決手段】 ケース５０とシリンダー５２との間に熱交換室５３が備えられ、熱交換室に配設された内部熱交換器６０が、ケース及びシリンダーにそれぞれ密着されるリング状の本体６２と、リング状の本体に作動流体を通過させるように形成された複数個の通穴６４とからなるために、構造が単純で、製造工程が簡素であるほか、洗浄及び脱ガス作業が容易にでき、且つ、限定された熱交換室内で熱伝導面積を最大限に大きくされて熱伝逹効率の向上が図られる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、極低温冷凍機に関し、特に、ケースとシリンダーとの間に配設されるリング状の本体と、前記本体に軸方向に形成された多数の通穴とからなる内部熱交換器が適用された極低温冷凍機に関する。
従来の技術に係る極低温冷凍機は、図１及び図２に示すように、開口された先端にコールドチップ(Cold-tip)２が配設されたケース４と、該ケース４の内部に固定され、作動流体が充填されたシリンダー６と、該シリンダー６の内部に往復動可能に設けられ、中空部７が形成されたピストン８と、該ピストン８の中空部７に往復動可能に設けられたディスプレイサ１０と、該ディスプレイサ１０と長さ方向に連結され、前記コールドチップ２との間に作動流体が充填できるような空間１が備えられた再生器１２と、前記シリンダー６及び再生器１２と連通する熱交換器２０とを有して構成される。
前記ピストン８は、前記ケース４とシリンダー６との間に配設されたリニアモータ１４と連結されて往復運動し、前記ディスプレイサ１０は、前記再生器１２と対向するように前記ケース４に取り付けられた弾性部材１５と連結されて前記コールドチップ２に対して弾性支持される。前記再生器１２には前記コールドチップ２側に穴１１が形成される。
前記熱交換器２０は、シリンダー６とケース４との間に備えられた熱交換室１８に配設された内部熱交換器２２と、前記ケース４を中心に前記内部熱交換器２２と対向するように前記ケース４の外側面に配設された外部熱交換器２４とからなる。
前記熱交換室１８には、前記シリンダー６と連通する第１通路１９と、前記再生器１２と連通する第２通路１９’が形成される。
前記内部熱交換器２２は、熱伝導係数の高い材質で成形されて前記ケース２の内面に固定されたリング状の本体２１と、波形(corrugated)に成形されて前記本体２１の内周面に固定されたピン２３とから構成される。
上記のように構成された従来の技術における作用を詳細に説明すると、下記の通りとなる。
前記ピストン８が前記コールドチップ２に向かって移動すると、前記シリンダー６の作動流体は等温圧縮された後に、前記熱交換室１８に吐出されて放熱され、前記再生器１２に流入して顕熱を奪われた後、前記再生器１２とコールドチップ２との間の空間１を満たしながら等温膨脹される。この時、作動流体が前記再生器１２とコールドチップ２との間の空間１を満たすにつれて前記再生器１２及びディスプレイサ１０が前記コールドチップ２と反対方向へ移動する。
その後、前記ピストン８が前記コールドチップ２と反対方向へ移動すると、前記ディスプレイサ１０及び再生器１２が前記弾性部材１９の弾性力により前記コールドチップ２に向かって元位置に移動する。そして、前記再生器１２とコールドチップ２との間の空間１に充填された作動流体が前記再生器１２と熱交換室１８を次々と通過しながら熱を吸収した後に、前記シリンダー６を再び満たす。
しかし、従来の技術に係る極低温冷凍機及びその熱交換器は、前記内部熱交換器２２の効率を上げるためには前記ピン２３を稠密に形成しなければならないために、構造及びそれによる製造工程が複雑であり、さらに、前記ピン２３を稠密に形成するには限界があり、且つ、洗浄及び脱ガス作業が難しい問題点があった。
本発明は、上記の従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、構造を単純化して熱伝逹効率を向上させるだけでなく、製造工程を簡素化し、洗浄及び脱ガス作業を容易にできる極低温冷凍機を提供することにある。
上記の目的を達成するべく本発明の一態様による極低温冷凍機は、先端にコールドチップが配設されたケースと、前記ケースに固定され、作動流体が充填されたシリンダーと、前記シリンダーの内部に往復動可能に設けられたピストンと、前記ピストンの内部に往復動可能に設けられたディスプレイサと、前記ディスプレイサとコールドチップとの間に配設された再生器と、前記再生器とシリンダーとに連通するように前記ケースの内部に配設された内部熱交換器と、前記内部熱交換器と対向するように前記ケースの外側に配設された外部熱交換器とを有し、前記内部熱交換器は、熱伝逹がなされる本体と、作動流体を前記シリンダーと再生器とに流動させるように前記本体に形成された通穴とからなる。
前記内部熱交換器の本体は、前記シリンダーとケースとの間に配設され得るようにリング状に形成される。
前記内部熱交換器の本体は、内周面が前記シリンダーの外側面に密着され、外周面が前記ケースの内側面に密着されることを特徴とする。
前記シリンダーと再生器とは、前記シリンダーの軸方向に一列に配置され、前記内部熱交換器の通穴は、前記シリンダーの軸方向に形成される。
前記内部熱交換器の通穴は、前記内部熱交換器の本体の円周方向に複数個形成される。そして、前記内部熱交換器の通穴は、前記内部熱交換器の本体の幅方向に複数個形成されることができる。
上記の目的を達成するべく本発明の他の態様による極低温冷凍機は、先端にコールドチップが配設されたケースと、前記ケースに固定され、作動流体が充填されたシリンダーと、前記シリンダーの内部に往復動可能に設けられたピストンと、前記ピストンの内部に往復動可能に設けられたディスプレイサと、前記ディスプレイサとコールドチップとの間に配設された再生器と、前記再生器とシリンダーとに連通するように前記ケースの内部に配設された内部熱交換器と、前記内部熱交換器と対向するように前記ケースの外側に配設された外部熱交換器とを有し、前記内部熱交換器は、前記ケースとシリンダーとの間に配設され得るようにリング状に形成されて熱伝逹がなされる本体と、前記本体に軸方向に形成されて作動流体が流動される通穴とからなる。
また、上記の目的を達成するための本発明に係る極低温冷凍機の熱交換器は、ケースとシリンダーとの間に備えられた熱交換室の内外部にそれぞれ配設された内部熱交換器と外部熱交換器とから構成され、前記内部熱交換器は前記熱交換室に固定されて熱伝逹がなされるリング状の本体と、前記本体に軸方向に形成された多数の通穴とからなる。
ケースとシリンダーとの間に熱交換室が備えられ、熱交換室に配設された内部熱交換器が、ケース及びシリンダーにそれぞれ密着されるリング状の本体と、リング状の本体に作動流体を通過させるように形成された複数個の通穴とからなるために、構造が単純で、製造工程が簡素であるほか、洗浄及び脱ガス作業が容易にでき、且つ、限定された熱交換室内で熱伝導面積を最大限に大きくして熱伝逹効率の向上が図られる。
以下、添付図面を参照しつつ本発明に係る極低温冷凍機の実施例を詳細に説明する。
本発明に係る極低温冷凍機及びその熱交換器の実施例として多数の例が存在するが、以下に最も好ましい実施例について説明する。ただし、極低温冷凍機をなす基本的な構造は前述した従来の技術におけると同様なので詳細な説明は省略するものとする。
本発明に係る熱交換器が備えられた極低温冷凍機は、開口された先端にコールドチップ(Cold-tip)５１が配設されたケース５０と、該ケース５０の内部に固定され、作動流体が充填されたシリンダー５２と、前記ケース５０とシリンダー５２の下部との間に形成された熱交換室５３と、該熱交換室５３に配設された内部熱交換器６０と、前記ケース５０の外側に前記熱交換室５３を取り囲むように配設された外部熱交換器７０とを有して構成される。
前記ケース５０とシリンダー５２の上部との間にはリニアモータ５４が配設され、前記シリンダー５２の内部には前記リニアモータ５４と連結されたピストン５５が往復動可能に設けられ、前記ピストン５５の内部には前記ケース５０の上側に配設された弾性部材５６により支持されたディスプレイサ５７が往復動可能に設けられ、前記ディスプレイサ５７とコールドチップ５１との間に再生器５８が配設される。
前記熱交換室５３は、上部に前記シリンダー５２と連通できる第１通路７２が形成され、下部に前記再生器５８と連通できる第２通路７４が形成されており、前記ケース５０とシリンダー５２との間に備えられるので平断面はリング形状となる。
前記内部熱交換器６０は、熱伝導係数の高い材質で成形されて熱伝逹がなされる本体６２と、作動流体が前記シリンダー５２と再生器５８とを流動し得るように前記本体６２に形成された通穴６４とからなる。
前記内部熱交換器６０の本体６２は、前記熱交換室５３に配設可能となるように前記熱交換室５３と同じリング状に形成される。また、前記内部熱交換器６０の本体６２は、前記熱交換室５３に流入された作動流体が前記内部熱交換器６０を通過して流動するように内周面６０’が前記シリンダー５２の外側面に密着され、外周面６０”が前記ケース５０の内側面に密着され得るような一定の大きさを有する。
ここで、前記シリンダー５２と再生器５８とが前記シリンダー５２の軸方向に一列に配置され、前記熱交換室５３の第１通路７２と第２通路７４とが前記シリンダー５２の軸方向に互いに離隔されているために、前記内部熱交換器６０の通穴６４は前記シリンダー５２の軸方向に形成される。
そして、前記内部熱交換器６０の通穴６４は、前記内部熱交換器６０の本体６２と作動流体との接触面積ができるだけ大きくなるように、前記内部熱交換器６０の本体６２の円周方向に複数個形成される。また、前記内部熱交換器６０の通穴６４は、前記内部熱交換器６０の本体６２の幅方向、つまり半径方向にも複数個を離隔形成することができる。
前記外部熱交換器７０は、前記ケース５０の外側面に前記ケース５０の円周方向に離隔して配置された複数個のピンからなる。
次に、上記のように構成された本発明の作用及び効果を説明する。
前記リニアモータ５４を駆動すると、前記ピストン５５が前記コールドチップ５１に向かって移動し前記シリンダー５２の作動流体が等温圧縮されながら前記熱交換室５３へ流入する。前記熱交換室５３に流入した作動流体は、前記内部熱交換器６０の本体６２が熱伝導係数の高い材質であるために前記内部熱交換器６０の通穴６４を通過しながら前記熱交換器６０の本体６２に熱を奪われ、前記熱交換器６０の本体６２は前記外部熱交換器７０を介して放熱されることによって冷却される。
前記熱交換室５３の冷却された作動流体は前記再生器５８に流入して顕熱を奪われ、さらに冷却された後に、前記再生器５８とコールドチップ５１との間を満たしながら等温膨脹される。作動流体が前記再生器５８とコールドチップ５１との間で等温膨脹されると、前記再生器５８とディスプレイサ５７とが前記コールドチップ５２と反対方向へ移動する。
その後、前記リニアモータ５４により前記ピストン５５が前記コールドチップ５１と反対方向へ移動すると、前記弾性部材５６の弾性力により前記再生器５８及びディスプレイサ５７が前記コールドチップ５１に向かって移動するために、前記再生器５８とコールドチップ５１との間を満たした作動流体が前記再生器５８及び熱交換室５３を経て再び前記シリンダー５２を満たしながら等積再生される。
従来の技術に係る極低温冷凍機の断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明に係る極低温冷凍機の断面図である。 図３のＢ−Ｂ断面図である。
符号の説明
５０ ケース
５２ シリンダー
５３ 熱交換室
５４ リニアモータ
５５ ピストン
５７ ディスプレイサ
５８ 再生器
６０ 内部熱交換器
７０ 外部熱交換器

Claims (10)

  1. 先端にコールドチップが配設されたケースと、
    前記ケースに固定され、作動流体が充填されたシリンダーと、
    前記シリンダーの内部に往復動可能に設けられたピストンと、
    前記ピストンの内部に往復動可能に設けられたディスプレイサと、
    前記ディスプレイサとコールドチップとの間に配設された再生器と、
    前記再生器とシリンダーとに連結するように前記ケースの内部に配設された内部熱交換器と、
    前記内部熱交換器と対向するように前記ケースの外側に配設された外部熱交換器とを有し、
    前記内部熱交換器は、熱伝逹がなされる本体と、作動流体を前記シリンダーと再生器とに流動させるように前記本体に形成された通穴とからなることを特徴とする極低温冷凍機。
  2. 前記内部熱交換器の本体は、前記シリンダーとケースとの間に配設され得るようにリング状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
  3. 前記内部熱交換器の本体は、内周面が前記シリンダーの外側面に密着されることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
  4. 前記内部熱交換器の本体は、外周面が前記ケースの内側面に密着されることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
  5. 前記シリンダーと再生器とは、前記シリンダーの軸方向に一列に配置され、前記内部熱交換器の通穴は、前記シリンダーの軸方向に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
  6. 前記内部熱交換器の通穴は、前記内部熱交換器の本体の円周方向に複数個形成されたことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
  7. 前記内部熱交換器の通穴は、前記内部熱交換器の本体の幅方向に複数個形成されたことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
  8. 先端にコールドチップが配設されたケースと、
    前記ケースに固定され、作動流体が充填されたシリンダーと、
    前記シリンダーの内部に往復動可能に設けられたピストンと、
    前記ピストンの内部に往復動可能に設けられたディスプレイサと、
    前記ディスプレイサとコールドチップとの間に配設された再生器と、
    前記再生器とシリンダーとに連通するように前記ケースの内部に配設された内部熱交換器と、
    前記内部熱交換器と対向するように前記ケースの外側に配設された外部熱交換器とを有し、
    前記内部熱交換器は、前記ケースとシリンダーとの間に配設され得るようにリング状に形成されて熱伝逹がなされる本体と、前記本体に軸方向に形成されて作動流体が流動する通穴とからなることを特徴とする極低温冷凍機。
  9. 前記内部熱交換器の通穴は、その内部熱交換器の本体の円周方向に複数個形成されたことを特徴とする請求項８に記載の極低温冷凍機。
  10. 前記内部熱交換器の通穴は、その内部熱交換器の本体の幅方向に複数個形成されたことを特徴とする請求項８に記載の極低温冷凍機。
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