JP2016044821A - スターリング型冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】無効容積を減らすことができ、冷凍性能が低下を抑制することができるスターリング型冷凍機を提供することである。
【解決手段】実施形態のスターリング型冷凍機は、圧縮部の圧力隔壁をベローズ１８Ａによって構成し、ベローズ１８Ａの伸縮により圧力変化を受ける圧縮機構Ａを設ける。ベローズ１８Ａの内部に冷媒流通用のギャップｇ１を介してスペーサ２０Ａを配置している。ベローズ１８Ａの伸縮により圧力変化を受ける圧縮室４の内部の気体の冷媒は、ベローズ１８Ａとスペーサ２０Ａとの間のギャップｇ１を通り、蓄冷器９側と流通するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、スターリング型冷凍機に関する。

スターリング型冷凍機は、熱力学的にカルノー効率と同じ冷凍効率が得られるため、高い冷凍効率が得られることを特徴としている。そのため、液化等、キロワット（ｋＷ）クラスの高い冷凍能力が必要な大型冷凍機や、あるいは宇宙用等で小型軽量が必要な、ワット（Ｗ）クラスの小型冷凍機として開発が進んでいる。一方で、数ワットから数百ワットクラスの冷凍機は、エアコンのコンプレッサの流用により安価に製造が可能なＧＭ型冷凍機が普及している。

図６（Ａ），（Ｂ）は、スターリング型（パルス管）冷凍機の構成例を示す。スターリング型冷凍機は、圧縮機構Ａ、膨張機構Ｂ、およびその間にある蓄冷材１０が充填された蓄冷器９で構成される。蓄冷器９の両端には、外部の熱源と熱のやり取り（放熱、吸熱）を行う熱交換器（高温側熱交換器７、低温側熱交換器１１）が配置されている。なお、図６（Ａ），（Ｂ）中で、蓄冷器９の左側に高温側熱交換器７、蓄冷器９の右側に低温側熱交換器１１がそれぞれ配置されている。高温側熱交換器７には、放熱板８、低温側熱交換器１１には、吸熱板１２がそれぞれ連結されている。冷凍機の内部には冷媒のガスが封入されている。

圧縮機構Ａは、シリンダ３内に圧縮ピストン１が配設されている。圧縮ピストン１の外部駆動源として機能するリニアモータアクチュエータは、円筒形状の電磁石５とその内部空間に移動可能に配置された永久磁石６とから構成されている。電磁石５を交流で励磁すると、永久磁石６が軸方向に周期的に往復動し、この永久磁石６から駆動シャフト１７を介して圧縮ピストン１がシリンダ３内で周期的に往復動する。圧縮ピストン１は、シリンダ３内で対向する高温側熱交換器７の管板との間に圧縮室４を形成しているので、圧縮ピストン１の機械的な往復動によって圧縮室４の容積、すなわち圧力変動が周期的に変化する。図６（Ａ）は、圧縮室４の容積が圧縮された状態、図６（Ｂ）は、圧縮室４の容積が膨張された状態をそれぞれ示す。圧縮室４の内部にはヘリウム等の冷媒ガスが充填されている。冷媒は圧縮室４の周期的な圧力変動により、圧縮室４に連結された高温側熱交換器７に導入される。このとき、冷媒の圧縮熱は、放熱板８を介して、外部熱源に放熱される。高温側熱交換器７を通った冷媒は、蓄冷器９内に充填された蓄冷材１０の隙間を通って、蓄冷材１０と熱交換しながら、低温側熱交換器１１、および膨張室１３へと導かれる。

図６（Ａ），（Ｂ）で示した冷凍機は、膨張機構Ｂとしてパルス管を採用した、スターリング型パルス管冷凍機である。図６（Ａ），（Ｂ）の例では膨張室１３はパルス管と呼ばれる中空の管で構成され、圧損を持った配管１４およびバッファタンク１５で構成された位相制御機構により、膨張室１３内で寒冷を発生させている。この膨張室１３内で、周囲温度より下がった冷媒は、再び低温側熱交換器１１に戻る際に吸熱板（冷却ステージ）１２を介して外部の被冷却体の熱を奪い、再び蓄冷器９、高温側熱交換器７、圧縮室４へと戻る。

図６（Ａ），（Ｂ）の圧縮室４では、ピストン１とシリンダ３との間にリークがあると、圧縮ガスがピストン１の背面の空間にリークすることで、高い圧縮比が得られず、効率の低下を招く。このため、ピストン１とシリンダ３との間の摺動部に摺動シール２が使われるが、磨耗のために長時間運転に限界がある。したがって、冷凍機を運転するためには、定期的にシール２の交換等のメンテナンス作業が必要となる。

図７は、シール２の磨耗をなくすために考案された、クリアランスシール方式の冷凍機の圧縮機部の構成を示す。ここでは、ピストン１とシリンダ３との間をミクロンオーダーでギャップ管理をすることで、隙間の圧損により、リーク量を低減する構成としている。ピストン１とシリンダ３との間に磨耗するシール２がないため、高寿命冷凍機として宇宙用等で採用されている。しかしながら、この場合は、ギャップ管理のために、ピストン１の往復動の直進性を精度よく保つため（ピストン１とシリンダ３が衝突しないため）に複数枚の板バネ１６を設けている。さらに、ギャップがピストン１の周囲で均一になるように精密な組立調整をしている。こうすることで信頼性は大幅に向上するが、複雑な構成と精密な組立精度が必要なことから高コストとなり、かつピストン１のストロークを増やすためには板バネ１６の直径を大きくすることになり、冷凍機が大きくなってしまうという課題がある。

また、図８（Ａ），（Ｂ）はベローズ１８を用いたスターリング型冷凍機の構成例を示す。ベローズ１８は端面をリニアモータ等の駆動により往復動させて伸縮することで、ピストン１と同様の機能として、内部の冷媒の圧縮、膨張を行うために用いている。図８（Ａ）は、ベローズ１８内の圧縮室４の容積が圧縮された状態、図８（Ｂ）は、ベローズ１８内の圧縮室４の容積が膨張された状態をそれぞれ示す。この場合は、摺動シール２（図６（Ａ），（Ｂ）参照）が不要のため、摩耗部品がなく、外部への冷媒のリークの可能性も少ない。近年、電着ベローズ等のように板厚の均一、薄肉化により、繰り返し変形に対する耐久性の優れたベローズが市販化されており、このような構成が可能となっている。

特開２００１−２４１７９５号公報 特許２９４３０３０号公報

図８（Ａ），（Ｂ）で示したベローズ１８を用いた冷凍機は、気密性、耐久性に優れる反面、ベローズ１８の凹凸部の容積が、冷却に寄与しない無効容積となり、ピストン１と同じ振幅をさせたとしても圧縮比が小さくなって、冷凍性能が低下してしまう課題がある。

本実施の形態は、ベローズの無効容積を減らすことができ、冷凍性能の低下を抑制することができるスターリング型冷凍機を提供することが課題である。

実施形態のスターリング型冷凍機は、圧縮部の圧力隔壁をベローズによって構成し、ベローズの伸縮により圧力変化を受ける圧縮機構を設ける。ベローズの内部に冷媒流通用のギャップを介してスペーサを配置している。ベローズの伸縮により圧力変化を受ける圧縮部の内部の気体の冷媒は、ベローズとスペーサとの間のギャップを通り、蓄冷器側と流通するように構成されている。

第１の実施の形態のスターリング型パルス管冷凍機の全体の概略構成を示す側面図。 第２の実施の形態のスターリング冷凍機の全体の概略構成を示す側面図。 第３の実施の形態のスターリング冷凍機の全体の概略構成を示す側面図。 第４の実施の形態のスターリング冷凍機の全体の概略構成を示す側面図。 第５の実施の形態のスターリング冷凍機の全体の概略構成を示す側面図。 スターリング型パルス管冷凍機の一例の概略構成を示し、（Ａ）は圧縮室の容積が圧縮された状態、（Ｂ）は圧縮室の容積が膨張された状態をそれぞれ示す側面図。 スターリング型パルス管冷凍機の別の例の概略構成を示す側面図。 スターリング型パルス管冷凍機のさらに別の例の概略構成を示し、（Ａ）は圧縮室の容積が圧縮された状態、（Ｂ）は圧縮室の容積が膨張された状態をそれぞれ示す側面図。

［第１の実施の形態］
（構成）
以下、スターリング型冷凍機の実施の形態に関して図面を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態のスターリング型パルス管冷凍機の全体の概略構成を示す側面図である。なお、以下の説明中で、図８（Ａ），（Ｂ）と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態のスターリング型冷凍機は、圧縮部として伸縮可能なベローズ１８Ａを用いたスターリング型パルス管冷凍機である。ここでは、圧縮部の圧力隔壁をほぼ円筒の蛇腹形状のベローズ１８Ａによって構成し、このベローズ１８Ａの伸縮により圧力変化を受ける圧縮機構Ａを設けている。

圧縮機構Ａの構成は、ベローズ１８Ａの内側に冷媒流通用のギャップｇ１を介してスペーサ２０Ａを設けている。このスペーサ２０Ａは、一端側が放熱板８に固定されている。このスペーサ２０Ａの外径は、例えばベローズ１８Ａが収縮した収縮時のベローズ１８Ａの内径とほぼ同径に設定されている。このスペーサ２０Ａの軸方向の長さは、例えばベローズ１８Ａが収縮した収縮時の軸方向の長さとほぼ同じ長さに設定されている。

ベローズ１８Ａの一端側の端板１８ａは、圧縮機構Ａ側のリニアモータアクチュエータの永久磁石６における駆動シャフト１７と連結されている。ベローズ１８Ａの他端側は、放熱板８に固定されている。これにより、ベローズ１８Ａとスペーサ２０Ａとの間のギャップｇ１にガスが流れる圧縮室４が形成される構成としている。

そして、リニアモータアクチュエータの永久磁石６の往復動により駆動シャフト１７を介してベローズ１８Ａ自体の圧縮および伸長を行なう。このとき、永久磁石６が図１中で左側に移動する動作時にはベローズ１８Ａ自体の伸長動作が行われて圧縮室４の内部の容積は、膨張する。また、永久磁石６が図１中で右側に移動する動作時にはベローズ１８Ａ自体の収縮動作が行われて圧縮室４の内部の容積は、圧縮する。このように、ベローズ１８Ａの伸縮動作によって圧縮室４の内部の容積は、圧縮と、膨張とを周期的に繰り返し、圧力変動が周期的に行なわれる。これにより、ベローズ１８Ａの伸縮により圧力変化を受ける圧縮室４の内部の気体の冷媒は、ベローズ１８Ａとスペーサ２０Ａとの間のギャップｇ１を通り、蓄冷器９側と流通するように構成されている。

また、本実施の形態は、膨張機構Ｂの膨張室１３は、中空のパルス管により構成され、かつ、この膨張室１３にオリフィスを有する配管１４とバッファタンク１５とからなる位相制御機構を連通させている。

（作用）
本実施の形態のスターリング型冷凍機では、圧縮機構Ａのベローズ１８Ａの円筒の蛇腹形状の凹凸部の内側の容積に熱交換器の流路としての機能を持たせている。このようにベローズ１８Ａの円筒の蛇腹形状の凹凸部が熱交換器の流路として機能するため、別途必要であった高温側熱交換器７のような流路（冷媒の流れる容積）が不要、ないし流路の容積が低減される。

（効果）
そこで、上記構成のものにあっては次の効果を奏する。すなわち、本実施の形態のスターリング型冷凍機では、ベローズ１８Ａの円筒の蛇腹形状の凹凸部の内側の容積に熱交換器の流路としての機能を持たせることにより、冷却に寄与しないベローズ１８Ａの無効容積を減らすことができる。そのため、冷凍機本体の内部の容積全体が少なくなるため、ピストン式の圧縮部と同じ振幅で往復動する際の冷凍機本体の内部冷媒の圧縮比の低下が少なく、冷凍性能の低下も少なくなる。

［第２の実施の形態］
（構成）
図２は、第２の実施の形態のスターリング型冷凍機の全体の概略構成を示す側面図である。本実施の形態は、第１の実施の形態（図１参照）のスターリング型冷凍機の構成を次の通り変更した変形例である。なお、以下の説明中で、図１と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

すなわち、本実施の形態では、スターリング冷凍機の膨張部としてベローズ１８Ｂを用いたものである。ここでは、膨張機構Ｂの構成は、ベローズ１８Ｂの内側にスペーサ２０Ｂを設け、ベローズ１８Ｂとスペーサ２０Ｂとの間のギャップｇ２にガスが流れる構成になっている。ここで、スペーサ２０Ｂは、一端側が吸熱板１２に固定されている。このスペーサ２０Ｂの外径は、例えばベローズ１８Ｂが収縮した収縮時のベローズ１８Ｂの内径とほぼ同径に設定されている。このスペーサ２０Ｂの軸方向の長さは、例えばベローズ１８Ｂが収縮した収縮時の軸方向の長さとほぼ同じ長さに設定されている。

本実施の形態では、膨張機構Ｂ側にも、リニアモータアクチュエータが設けられている。リニアモータアクチュエータは、圧縮機構Ａ側のリニアモータアクチュエータと同じ構成になっている。すなわち、膨張機構Ｂのリニアモータアクチュエータは、円筒形状の電磁石５Ｂとその内部空間に移動可能に配置された永久磁石６Ｂとから構成されている。永久磁石６Ｂには、駆動シャフト１７Ｂを介してベローズ１８Ｂの一端側の端板１８Ｂａが連結されている。ベローズ１８Ｂの他端側は、吸熱板１２に固定されている。これにより、ベローズ１８Ｂとスペーサ２０Ｂとの間のギャップｇ２にガスが流れる膨張室１３が形成される構成としている。

そして、膨張機構Ｂ側のリニアモータアクチュエータの永久磁石６Ｂの往復動により駆動シャフト１７Ｂを介してベローズ１８Ｂ自体の収縮および伸長を行なう。このとき、永久磁石６Ｂが図２中で右側に移動する動作時にはベローズ１８Ｂ自体の伸長動作が行われて膨張室１３の内部の容積は、膨張する。また、永久磁石６Ｂが図２中で左側に移動する動作時にはベローズ１８Ｂ自体の収縮動作が行われて膨張室１３の内部の容積は、収縮する。このように、ベローズ１８Ｂの伸縮動作によって膨張室１３の内部の容積は、収縮と、膨張とを周期的に繰り返し、圧力変動が周期的に行なわれる。これにより、ベローズ１８Ｂの伸縮により圧力変化を受ける膨張室１３の内部の気体の冷媒は、ベローズ１８Ｂとスペーサ２０Ｂとの間のギャップｇ２を通り、蓄冷器９側と流通するように構成されている。

また、本実施の形態では、圧縮機構Ａの構成は、第１の実施の形態と同様にベローズ１８Ａを用いた構成になっている。

（作用）
本実施の形態ののスターリング型冷凍機では、膨張機構Ｂ側のベローズ１８Ｂの円筒の蛇腹形状の凹凸部の内側の容積に熱交換器の流路としての機能を持たせている。このように膨張機構Ｂ側のベローズ１８Ｂの円筒の蛇腹形状の凹凸部が熱交換器の流路として機能するため、別途必要であった低温側熱交換器１１のような流路（冷媒の流れる容積）が不要、ないし低減される。

（効果）
そこで、本実施の形態では第１実施形態の効果に加え、膨張機構Ｂ側のベローズ１８Ｂの円筒の蛇腹形状の凹凸部の内側の容積に熱交換器の流路としての機能を持たせることにより、冷却に寄与しないベローズ１８Ｂの無効容積を減らすことができる。そのため、冷凍機本体の内部の容積全体がさらに少なくなるため、ピストン式の圧縮部と同じ振幅で往復動する際の冷凍機本体の内部冷媒の圧縮比が低減されることがなく、冷凍性能の低下もなくなる。

［第３の実施の形態］
（構成）
図３は、第３の実施の形態のスターリング冷凍機の全体の概略構成を示す側面図である。本実施の形態は第１の実施の形態（図１参照）のスターリング型冷凍機の変形例である。本実施の形態では、圧縮機構Ａのベローズ１８Ａ内に設けられたスペーサ２０Ａの外周面に、非金属の樹脂等、摺動、摩耗性の高い材質でコーティングされているコーティング部２１を用いている。なお、スペーサ２０Ａの本体全体が非金属の樹脂等、摺動、摩耗性の高い材質で形成される構成にしてもよい。

（作用）
スターリング型冷凍機では、ベローズ１８Ａの内圧が、ベローズ１８Ａの外圧よりも大きい条件では、ベローズ１８Ａの伸縮時にベローズ１８Ａの座屈が発生しやすい。本実施の形態では、スペーサ２０Ａの外周面に、非金属の樹脂等、摺動、摩耗性の高い材質でコーティングされているコーティング部２１を用いることで、ベローズ１８Ａの伸縮時にベローズ１８Ａの内周面がスペーサ２０Ａのコーティング部２１に接触した際にベローズ１８Ａの内周面が滑りやすい。そのため、ベローズ１８Ａの伸縮時にベローズ１８Ａの内周面がスペーサ２０Ａとの接触によるベローズ１８Ａの損傷等が起きにくい。

（効果）
そこで、本実施の形態では第１実施形態の効果に加え、スペーサ２０Ａの外周のコーティング部２１がベローズ１８Ａの伸縮の直進性を補正するガイドとなり、長期信頼性の高い冷凍機とすることが可能となる。

［第４の実施の形態］
（構成）
図４は、第４の実施の形態のスターリング冷凍機の全体の概略構成を示す側面図である。本実施の形態は第３の実施の形態（図３参照）のスターリング型冷凍機の変形例である。本実施の形態では、圧縮機構Ａのスペーサ２０Ａに設けられた外周樹脂部のコーティング部２１の先端、すなわち蓄冷器９とは反対側の端面外周に先細のテーパー状のテーパー部２１ａを設けたものである。

（作用）
本実施の形態のスターリング型冷凍機では、ベローズ１８Ａの伸縮時にコーティング部２１の先端のテーパー部２１ａによりベローズ１８Ａの内周部位が内側のスペーサ２０Ａの端部に引っ掛かり、伸縮の動きを阻害することを防ぐことが可能となる。

（効果）
そこで、上記構成のものにあっては第３実施形態の効果に加え、スペーサ２０Ａの外周のテーパー部２１ａが、ベローズ１８Ａの伸縮の直進性を補正するガイドとなり、長期信頼性の高い冷凍機とすることができる。

［第５の実施の形態］
（構成）
図５は、第５の実施の形態のスターリング冷凍機の全体の概略構成を示す側面図である。本実施の形態は第４の実施の形態（図４参照）のスターリング型冷凍機の変形例である。

本実施の形態においては、圧縮機構Ａのベローズ１８Ａの外周側に、ベローズ１８Ａと同心円の位置で冷凍機本体の固定部に対し固定された円筒状の外筒２２を配したものである。この外筒２２は、全体が非金属の樹脂等、摺動、摩耗性の高い材質で形成される構成にしてもよい。また、外筒２２の内周面に非金属の樹脂でコーティングされているコーティング部を設けてもよい。

（作用）
スターリング型冷凍機では、ベローズ１８Ａの内圧が、ベローズ１８Ａの外圧よりも大きい条件では、ベローズ１８Ａの伸縮時にベローズ１８Ａの座屈が発生しやすい。実施の形態のスターリング型冷凍機では、ベローズ１８Ａの外周側に設けた外筒２２全体が非金属の樹脂等、摺動、摩耗性の高い材質で形成されているので、ベローズ１８Ａの伸縮時にベローズ１８Ａの外周面が外筒２２の内周面に接触した際にベローズ１８Ａの外周面が滑りやすい。そのため、ベローズ１８Ａの伸縮時にベローズ１８Ａの外周面が外筒２２と接触した際のベローズ１８Ａの損傷等が起きにくい。

（効果）
そこで、上記構成のものにあっては第３実施形態の効果に加え、ベローズ１８Ａの外筒２２の内周面が、ベローズ１８Ａの伸縮の直進性を補正するガイドとなり、長期信頼性の高い冷凍機とすることが可能となる。

これらの実施形態によれば、ベローズの円筒の蛇腹形状の凹凸部の空間を、冷媒ガスと外部熱源との熱交換器の流路として用いることで、別途必要となる熱交換器流路（容積）が減少、あるいは不要となり、全体として圧縮比を低下させてしまう容積の低減を図ることができる。したがって、ベローズの無効容積を減らすことができ、冷凍性能の低下を抑制することができるスターリング型冷凍機を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、これまでの実施形態では、ベローズの内側を熱交換すべき冷媒の流路としたが、ベローズの外側を冷媒の流路とする構成も考えられる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Ａ…圧縮機構、Ｂ…膨張機構、４…圧縮室、５…電磁石、６…永久磁石、８…放熱板、９…蓄冷器、１０…蓄冷材、１２…吸熱板、１７…駆動シャフト、１８Ａ…ベローズ、２０Ａ…スペーサ、ｇ１…ギャップ。

Claims (7)

1. 冷媒ガスが充填された圧縮部と、膨張部との間に蓄冷材が充填された蓄冷器が配設され、前記蓄冷器における前記圧縮部との連結部側に放熱用の高温側熱交換器、前記蓄冷器における前記膨張部との連結部側に吸熱用の低温側熱交換器がそれぞれ配設され、前記圧縮部側の圧力変動と前記膨張部側の圧力変動とに所定の位相差を設けることで前記膨張部に寒冷を発生させるスターリング型冷凍機において、
   前記圧縮部の圧力隔壁をベローズによって構成し、前記ベローズの伸縮により圧力変化を受ける圧縮機構を設け、
   前記ベローズの内部に冷媒流通用のギャップを介してスペーサを配置し、
   前記ベローズの伸縮により圧力変化を受ける前記圧縮部の内部の気体の冷媒は、前記ベローズと前記スペーサとの間の前記ギャップを通り、前記蓄冷器側と流通するように構成された
   ことを特徴とするスターリング型冷凍機。
2. 前記膨張部は、中空のパルス管により構成され、かつ、前記膨張部にオリフィスを有する配管とバッファタンクとからなる位相制御機構を連通させたことを特徴とする請求項１に記載のスターリング型冷凍機。
3. 冷媒ガスが充填された圧縮部と、膨張部との間に蓄冷材が充填された蓄冷器が配設され、前記蓄冷器における前記圧縮部との連結部側に放熱用の高温側熱交換器、前記蓄冷器における前記膨張部との連結部側に吸熱用の低温側熱交換器がそれぞれ配設され、前記圧縮部側の圧力変動と前記膨張部側の圧力変動とに所定の位相差を設けることで前記膨張部に寒冷を発生させるスターリング型冷凍機において、
   前記膨張部の圧力隔壁をベローズによって構成し、前記ベローズの伸縮により圧力変化を受ける膨張機構を設け、
   前記ベローズの内部に冷媒流通用のギャップを介してスペーサを配置し、
   前記ベローズの伸縮により圧力変化を受ける前記膨張部の内部の気体の冷媒は、前記ベローズと前記スペーサとの間の前記ギャップを通り、前記蓄冷器側と流通するように構成されたことを特徴とするスターリング型冷凍機機。
4. 前記スペーサは、全体が非金属の樹脂で形成され、または表面が非金属の樹脂でコーティングされていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のスターリング型冷凍機。
5. 前記スペーサは、前記蓄冷器との接続部とは反対側の端面外周の形状が先細のテーパー状となっていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のスターリング型冷凍機。
6. 前記ベローズは、その外周に、前記ベローズと同心円の位置で冷凍機本体の固定部に対し固定された円筒状の外筒を配し、
   その外筒全体は、非金属の樹脂で形成され、あるいは前記外筒の内周面が非金属の樹脂でコーティングされていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のスターリング型冷凍機。
7. 前記ベローズは、外壁に外部熱源と熱交換を促進できる熱交換器が設けられていることを特徴とする請求項１または３に記載のスターリング型冷凍機。

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