JP2008002291A - 圧縮機及びこれを備えた冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】著しい装置の大型化・重量化を招くことなく、冷凍能力の増強を図ることが可能な圧縮機及びこれを備えた冷凍機を提供する。
【解決手段】圧縮機１０は、軸Ｘ方向に沿って延びる第１の固定ピストン１２と、軸Ｘ方向に沿って延び第１の固定ピストン１２と対向して設けられた第２の固定ピストン１４と、軸Ｘ方向に沿って往復動可能に設けられ、一端に第１の固定ピストン１２を収容して第１の圧縮空間Ｓ_１を形成する第１の凹部を有すると共に、一端とは反対側の他端に第２の固定ピストン１４を収容して第２の圧縮空間Ｓ_２を形成する第２の凹部を有する第１の可動シリンダ１６と、第１の圧縮空間Ｓ_１と外部とを連通する第１の連通路１８と、第２の圧縮空間Ｓ_２と外部とを連通する第２の連通路２０と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、極低温を生じさせるための圧縮機及びこれを備えた冷凍機に関する。

極低温を生じさせるための冷凍機として、例えば特許文献１に開示されたスターリング冷凍機がある。この冷凍機は、作動流体を圧縮する圧縮機と、コールドヘッドと、これらを繋ぐガス流路とを備えている。圧縮機は、所定軸に沿って往復動可能な対向する一対の可動ピストンと、この一対の可動ピストンを収容する固定シリンダとを備えている。対向する一対の可動ピストンの間には、圧縮空間Ｓが形成されている。固定シリンダの圧縮空間と連通する部位からは、作動流体が通るガス流路が設けられている。

このような従来の冷凍機では、可動ピストンを往復動させて、圧縮機から圧縮された作動流体をコールドヘッドに送る。コールドヘッドでは、作動流体が膨張するに際して冷熱が生じる。膨張した作動流体は、ガス流路を通して圧縮機に戻される。これを繰り返すことで、コールドヘッドにおいて冷凍作用が生じる。
特許第２９２１２２０号公報

しかしながら、上記した従来の冷凍機では、冷凍能力を増強しようとして、例えば２倍に増強しようとすると、圧縮機、ドライバ、及びコールドヘッドがそれぞれ２台ずつ必要になり、著しい装置の大型化・重量化を招くおそれがあった。

一方で、圧縮機及びドライバを一台で済ませようとして、ガスチューブを二つに分岐し、それぞれコールドヘッドに繋げても、全体では冷凍能力を増強することにはならない。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、著しい装置の大型化・重量化を招くことなく、冷凍能力の増強を図ることが可能な圧縮機及びこれを備えた冷凍機を提供することを目的とする。

本発明に係る圧縮機は、所定軸方向に沿って延びる第１の固定ピストンと、所定軸方向に沿って延び第１の固定ピストンと対向して設けられた第２の固定ピストンと、所定軸方向に沿って往復動可能に設けられ、一端に第１の固定ピストンを収容して第１の圧縮空間を形成する第１の凹部を有すると共に、一端とは反対側の他端に第２の固定ピストンを収容して第２の圧縮空間を形成する第２の凹部を有する第１の可動シリンダと、第１の圧縮空間と外部とを連通する第１の連通路と、第２の圧縮空間と外部とを連通する第２の連通路と、を備えることを特徴とする。

この圧縮機では、第１の可動シリンダの両端に設けられた第１及び第２の凹部と、第１及び第２の固定ピストンとにより、独立した第１及び第２の圧縮空間が形成されるため、著しい装置の大型化・重量化を招くことなく、冷凍能力の増強を図ることが可能となる。

圧縮機は、所定軸方向に沿って第１の固定ピストンと反対方向に延びる第３の固定ピストンと、所定軸方向に沿って延び第３の固定ピストンと対向して設けられた第４の固定ピストンと、所定軸方向に沿って往復動可能に設けられ、一端に第３の固定ピストンを収容して第３の圧縮空間を形成する第３の凹部を有すると共に、一端とは反対側の他端に第４の固定ピストンを収容して第４の圧縮空間を形成する第４の凹部を有する第２の可動シリンダと、第３の圧縮空間と外部とを連通する第３の連通路と、第４の圧縮空間と外部とを連通する第４の連通路と、
を備えると好ましい。このようにすれば、第１及び第２の圧縮空間に加え、独立した第３及び第４の圧縮空間を利用して、冷凍能力の増強を一層図ることが可能となる。また、第１及び第２の可動シリンダは同じ所定軸方向に沿って往復動するため、両可動シリンダの往復動の位相を調整することで、振動を抑えることができる。

本発明に係る冷凍機は、上記した圧縮機と、第１及び第２のコールドヘッドと、圧縮機の第１及び第３の連通路と第１のコールドヘッドとを接続し作動流体を案内する第１の案内流路と、圧縮機の第２及び第４の連通路と第２のコールドヘッドとを接続し作動流体を案内する第２の案内流路と、を備えることを特徴とする。この冷凍機では、第１の案内流路と第１及び第３の連通路を介して、第１及び第３の圧縮空間と第１のコールドヘッドとを連通し、作動流体をやりとりすることができる。また、第２の案内流路と第２及び第４の連通路を介して、第２及び第４の圧縮空間と第２のコールドヘッドとを連通し、作動流体をやりとりすることができる。

第１の連通路から第１の案内流路を通して第１のコールドヘッドに至る距離と、第３の連通路から第１の案内流路を通して第１のコールドヘッドに至る距離とが等しく、且つ第２の連通路から第２の案内流路を通して第２のコールドヘッドに至る距離と、第４の連通路から第２の案内流路を通して第２のコールドヘッドに至る距離とが等しいと好ましい。このようにすれば、第１及び第２の可動シリンダの往復動の位相を調整することで、作動流体を効率良く伝搬することができ、冷凍能力を高めることができる。

第１及び第２のコールドヘッドの先端部の被冷凍対象物に対する向きが等しいと好ましい。このようにすれば、被冷凍対象物に対する振動を抑えることができる。

本発明によれば、著しい装置の大型化・重量化を招くことなく、冷凍能力の増強を図ることが可能な圧縮機及びこれを備えた冷凍機を提供することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る冷凍機の構成を示す断面図である。この冷凍機１は、スターリングサイクルを利用したスターリング冷凍機であり、圧縮機１０と、第１及び第２のコールドヘッド５０Ａ、５０Ｂと、これらを接続する第１及び第２の案内流路８０Ａ、８０Ｂを備えている。

図１に示すように、第１及び第２のコールドヘッド５０Ａ、５０Ｂは、駆動部５２により作動ロッド５４を介してディスプレーサ５６をシリンダ５８内で往復動させて冷凍作用を生じさせる１段式のコールドヘッドである。なお、コールドヘッドは多段式であってもよい。

作動ロッド５４は、真直に設けられ、ディスプレーサ５６まで延びている。ディスプレーサ５６は、内部に蓄冷材６２を有する。シリンダ５８は、ディスプレーサ５６を往復動可能に収容する。シリンダ５８の先端部には、ディスプレーサ５６との間に作動流体の圧縮空間Ｓ_ｃが設けられている。

駆動部５２は、作動ロッド５４を前後動させる。この駆動部５２は、筐体内部に設けられた板バネ７０を有している。この筐体には、圧縮機１０とシリンダ５８内とを結ぶ作動流体用のガス流路６８ａが設けられている。板バネ７０は、作動ロッド５４の基端側を支持する。この板バネ７０は、図２に示すように、金属等の材料から円盤状に形成されており、中心には作動ロッド５４が挿通固定される穴７０ａが設けられている。板バネ７０の板面には、複数のスリット７０ｂが渦巻状に設けられている。従って、板バネ７０の穴７０ａに挿通固定された作動ロッド５４は、中心軸方向への動きは許容される一方、その中心軸方向と直交する方向への動きが規制される。

圧縮機１０は、基準となる軸Ｘ方向に沿って延びる第１の固定ピストン１２と、軸Ｘ方向に沿って延び第１の固定ピストン１２と対向して設けられた第２の固定ピストン１４と、軸Ｘ方向に沿って往復動可能に設けられ、一端に第１の固定ピストン１２を収容して第１の圧縮空間Ｓ_１を形成する第１の凹部を有すると共に、一端とは反対側の他端に第２の固定ピストン１４を収容して第２の圧縮空間Ｓ_２を形成する第２の凹部を有する第１の可動シリンダ１６と、第１の圧縮空間Ｓ_１と外部とを連通する第１の連通路１８と、第２の圧縮空間Ｓ_２と外部とを連通する第２の連通路２０と、を備える。

また圧縮機１０は、軸Ｘ方向に沿って第１の固定ピストン１２と反対方向に延びる第３の固定ピストン２２と、軸Ｘ方向に沿って延び第３の固定ピストン２２と対向して設けられた第４の固定ピストン２４と、軸Ｘ方向に沿って往復動可能に設けられ、一端に第３の固定ピストン２２を収容して第３の圧縮空間Ｓ_３を形成する第３の凹部を有すると共に、一端とは反対側の他端に第４の固定ピストン２４を収容して第４の圧縮空間Ｓ_４を形成する第４の凹部を有する第２の可動シリンダ２６と、第３の圧縮空間Ｓ_３と外部とを連通する第３の連通路２８と、第４の圧縮空間Ｓ_４と外部とを連通する第４の連通路３０と、を備える。

第１及び第３の固定ピストン１２，２２は一体化されており、支持壁３２を介して筐体の側壁３４に固定されている。これら第１及び第３の固定ピストン１２，２２の内部に、第１の圧縮空間Ｓ_１と外部とを連通する第１の連通路１８、第３の圧縮空間Ｓ_３と外部とを連通する第３の連通路２８がそれぞれ設けられている。第１及び第３の連通路１８，２８は途中で合流して、支持壁３２内を通って筐体の側壁３４まで延びている。そして、第１及び第３の連通路１８，２８と第１のコールドヘッド５０Ａのガス流路６８ａとの間が、第１の案内流路８０Ａで連通されている。

一方、第２及び第４のピストン１４，２４は、対向する底壁部３６の内面に突設されて、この底壁部３６に固定されている。これら第２及び第４の固定ピストン１４，２４の内部に、第２の圧縮空間Ｓ_２と外部とを連通する第２の連通路２０、第４の圧縮空間Ｓ_４と外部とを連通する第４の連通路３０がそれぞれ設けられている。そして、第２及び第４の連通路２０，３０と第２のコールドヘッド５０Ｂのガス流路６８ａとの間が、第２の案内流路８０Ｂで連通されている。なお、第２の案内流路８０Ｂは途中で二つに分岐しており、第２及び第４の連通路２０，３０にそれぞれ連通されている。

そして、第１の連通路１８から第１の案内流路８０Ａを通して第１のコールドヘッド５０Ａに至る距離と、第３の連通路２８から第１の案内流路８０Ａを通して第１のコールドヘッド５０Ａに至る距離とは等しく設けられている。また、第２の連通路２０から第２の案内流路８０Ｂを通して第２のコールドヘッド５０Ｂに至る距離と、第４の連通路３０から第２の案内流路８０Ｂを通して第２のコールドヘッド５０Ｂに至る距離とは等しく設けられている（なお、図１では、スペースの関係上等しく描いていない）。

第１及び第２の可動シリンダ１６，２６は、可動コイル４２と磁石４４とを有するボイスコイルモータ４０によって、軸Ｘ方向に往復駆動される。これら第１及び第２の可動シリンダ１６，２６は、内端側及び外端側を図２で示したのと同様の板バネ４６により支持されている。

そして、第１及び第２のコールドヘッド５０Ａ，５０Ｂの先端部の被冷凍対象物に対する向きＤ_１，Ｄ_２は、図１中でそれぞれ下方向を向いており、等しく設けられている。

次に、上記した構成の冷凍機１の作用及び効果について説明する。

まず、ボイスコイルモータ４０により第１及び第２の可動シリンダ１６，２６を互いに内方向に駆動する。すると、第１及び第３の圧縮空間Ｓ_１，Ｓ_３で作動流体が圧縮され、高圧の作動流体が圧縮機１０から第１及び第３の連通路１８，２８を通り、第１の案内流路８０Ａを通って第１のコールドヘッド５０Ａに送られる。第１のコールドヘッド５０Ａに送られた作動流体は、ガス流路６８ａを通してシリンダ５８内に送られる。このとき、駆動部５２により作動ロッド５４が駆動されて最先端に位置し、最狭の圧縮空間Ｓ_ｃminが形成されている。シリンダ５８内に送られた作動流体は、ディスプレーサ５６内に送り出される。

次に、駆動部５２により作動ロッド５４が駆動されて、作動ロッド５４が引かれ、最大の圧縮空間Ｓ_ｃmaxが形成される。このとき、作動流体が蓄冷材６２にて予冷されると共に、圧縮空間Ｓ_ｃmaxに送り出される。次に、ボイスコイルモータ４０により、第１及び第２の可動シリンダ１６，２６が互いに外方向に駆動することにより、圧縮空間Ｓ_ｃmax内の作動流体が膨張して、冷熱が生じる。膨張した作動流体は、蓄冷材６２を冷却しながら、逆の経路を辿って圧縮機１０に戻る。これが繰り返されることで冷凍作用が生じ、第１のコールドヘッド５０Ａの先端部が４０Ｋ程度の温度まで冷やされる。

一方、第１及び第２の可動シリンダ１６，２６の往復動により、第２及び第４の圧縮空間Ｓ_２，Ｓ_４と第２のコールドヘッド５０Ｂとの間で、第１及び第３の圧縮空間Ｓ_１，Ｓ_３と第１のコールドヘッド５０Ａとの間での作動流体のやりとりとは逆位相で、作動流体のやりとりが行われる。これが繰り返されることで冷凍作用が生じ、第２のコールドヘッド５０Ｂの先端部が４０Ｋ程度の温度まで冷やされる。

以上詳述したように、本実施形態に係る圧縮機１０では、第１の可動シリンダ１６の両端に設けられた第１及び第２の凹部と、第１及び第２の固定ピストン１２，１４とにより、独立した第１及び第２の圧縮空間Ｓ_１，Ｓ_２が形成され、また第２の可動シリンダ２６の両端に設けられた第３及び第４の凹部と、第３及び第４の固定ピストン２２，２４とにより、独立した第３及び第４の圧縮空間Ｓ_３，Ｓ_４が形成されるため、これらを利用することで、著しい装置の大型化・重量化を招くことなく、冷凍能力の増強を図ることが可能となる。

また、第１及び第２の可動シリンダ１６，２６は同じ軸Ｘ方向に沿って往復動するため、両可動シリンダ１６，２６の往復動の位相を調整することで、振動を抑えることができる。

また、本実施形態に係る冷凍機１では、第１の案内流路８０Ａと第１及び第３の連通路１８，２８を介して、第１及び第３の圧縮空間Ｓ_１，Ｓ_３と第１のコールドヘッド５０Ａとを連通し、作動流体をやりとりすることができる。また、第２の案内流路８０Ｂと第２及び第４の連通路２０，３０を介して、第２及び第４の圧縮空間Ｓ_２，Ｓ_４と第２のコールドヘッド５０Ｂとを連通し、作動流体をやりとりすることができる。

そして、第１の連通路１８から第１の案内流路８０Ａを通して第１のコールドヘッド５０Ａに至る距離と、第３の連通路２８から第１の案内流路８０Ａを通して第１のコールドヘッド５０Ａに至る距離とが等しく、且つ第２の連通路２０から第２の案内流路８０Ｂを通して第２のコールドヘッド５０Ｂに至る距離と、第４の連通路３０から第２の案内流路８０Ｂを通して第２のコールドヘッド５０Ｂに至る距離とが等しいため、第１及び第２の可動シリンダ１６，２６の往復動の位相を調整することで、作動流体を効率良く伝搬することができ、冷凍能力を高めることができる。

また、第１及び第２のコールドヘッド５０Ａ，５０Ｂの先端部の被冷凍対象物に対する向きが等しいため、被冷凍対象物に対する振動を抑えることができる。

本実施形態にかかる冷凍機１は、例えば人工衛星に搭載する望遠鏡やセンサ等の冷却システム、クライオポンプなどに利用可能である。

本実施形態に係る冷凍機の構成を示す断面図である。 板バネの構成を示す平面図である。

符号の説明

１…冷凍機、１０…圧縮機、１２…第１の固定ピストン、１４…第２の固定ピストン、１６…第１の可動シリンダ、１８…第１の連通路、２０…第２の連通路、２２…第３の固定ピストン、２４…第４の固定ピストン、２６…第２の可動シリンダ、２８…第３の連通路、３０…第４の連通路、５０Ａ…第１のコールドヘッド、５０Ｂ…第２のコールドヘッド、８０Ａ…第１の案内流路、８０Ｂ…第２の案内流路、Ｓ_１…第１の圧縮空間、Ｓ_２…第２の圧縮空間、Ｓ_３…第３の圧縮空間、Ｓ_４…第４の圧縮空間、Ｘ…軸。

Claims (5)

1. 所定軸方向に沿って延びる第１の固定ピストンと、
   前記所定軸方向に沿って延び前記第１の固定ピストンと対向して設けられた第２の固定ピストンと、
   前記所定軸方向に沿って往復動可能に設けられ、一端に前記第１の固定ピストンを収容して第１の圧縮空間を形成する第１の凹部を有すると共に、前記一端とは反対側の他端に前記第２の固定ピストンを収容して第２の圧縮空間を形成する第２の凹部を有する第１の可動シリンダと、
   前記第１の圧縮空間と外部とを連通する第１の連通路と、
   前記第２の圧縮空間と外部とを連通する第２の連通路と、
   を備えることを特徴とする圧縮機。
2. 前記所定軸方向に沿って前記第１の固定ピストンと反対方向に延びる第３の固定ピストンと、
   前記所定軸方向に沿って延び前記第３の固定ピストンと対向して設けられた第４の固定ピストンと、
   前記所定軸方向に沿って往復動可能に設けられ、一端に前記第３の固定ピストンを収容して第３の圧縮空間を形成する第３の凹部を有すると共に、前記一端とは反対側の他端に前記第４の固定ピストンを収容して第４の圧縮空間を形成する第４の凹部を有する第２の可動シリンダと、
   前記第３の圧縮空間と外部とを連通する第３の連通路と、
   前記第４の圧縮空間と外部とを連通する第４の連通路と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 請求項２に記載の圧縮機と、
   第１及び第２のコールドヘッドと、
   前記圧縮機の前記第１及び第３の連通路と前記第１のコールドヘッドとを接続し作動流体を案内する第１の案内流路と、
   前記圧縮機の前記第２及び第４の連通路と前記第２のコールドヘッドとを接続し作動流体を案内する第２の案内流路と、
   を備えることを特徴とする冷凍機。
4. 前記第１の連通路から前記第１の案内流路を通して前記第１のコールドヘッドに至る距離と、前記第３の連通路から前記第１の案内流路を通して前記第１のコールドヘッドに至る距離とが等しく、且つ
   前記第２の連通路から前記第２の案内流路を通して前記第２のコールドヘッドに至る距離と、前記第４の連通路から前記第２の案内流路を通して前記第２のコールドヘッドに至る距離とが等しいことを特徴とする請求項３に記載の冷凍機。
5. 前記第１及び第２のコールドヘッドの先端部の被冷凍対象物に対する向きが等しいことを特徴とする請求項３又は４に記載の冷凍機。

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