JP2019039571A

JP2019039571A - 冷凍機

Info

Publication number: JP2019039571A
Application number: JP2017159298A
Authority: JP
Inventors: 智之北山; Tomoyuki Kitayama
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2019-03-14

Abstract

【課題】ヒータを用いずに冷凍機の昇温に要する時間を短縮する。【解決手段】シリンダと、シリンダとにより空間を形成すると共にシリンダ内を往復動するディスプレーサと、蓄冷器における空間に対する反対側と圧縮機の吐出側とを接続する第１流路と、第１流路に設けられた第１バルブと、蓄冷器における空間に対する反対側と圧縮機の吸入側とを接続する第２流路と、第２流路に設けられた第２バルブと、回転機の回転に伴ってディスプレーサをシリンダ内で往復動させると共に第１バルブおよび第２バルブを開閉させる駆動部とを備え、駆動部による第１バルブおよび第２バルブの開閉に伴ってシリンダにおける空間側の端部に寒冷を発生させる。そして、第１流路における圧縮機と第１バルブとの間と空間とを蓄冷器を介さずに接続する第３流路と、第３流路に設けられた第３バルブと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍機に関する。

従来、この種の冷凍機としては、圧縮機と、シリンダと、シリンダ内を往復動するディスプレーサと、ディスプレーサに内蔵された蓄冷器と、シリンダの膨張空間に蓄冷器を介して連通するシリンダの背面室と圧縮機の吐出側とを接続する第１流路と、第１流路に設けられた高圧側切替弁と、背面室と圧縮機の吸入側とを接続する第２流路と、第２流路に設けられた低圧側切替弁と、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この冷凍機では、高圧側切替弁および低圧側切替弁の開閉に伴ってシリンダにおける膨張室側の端部に寒冷を発生させている。

特開２０１４−６００１号公報

冷凍機のメンテナンス等のために冷凍機を昇温させる際に、冷凍機を自然昇温させると、昇温が完了する（常温程度に至る）までに長い時間（例えば数日程度）を要していた。これに対して、ヒータを用いてシリンダにおける膨張室側の端部を加熱することも考えられるものの、この場合、冷凍機の温度が過度に上昇する可能性がある。これらのことから、ヒータを用いずに冷凍機の昇温に要する時間を短縮することが求められている。

本発明の冷凍機は、ヒータを用いずに冷凍機の昇温に要する時間を短縮することを主目的とする。

本発明の冷凍機は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の冷凍機は、
作動流体を圧縮する圧縮機と、
シリンダと、
前記シリンダとにより空間を形成すると共に前記シリンダ内を往復動するディスプレーサと、
蓄冷器における前記空間に対する反対側と前記圧縮機の吐出側とを接続する第１流路と、
前記第１流路に設けられた第１バルブと、
前記蓄冷器における前記空間に対する反対側と前記圧縮機の吸入側とを接続する第２流路と、
前記第２流路に設けられた第２バルブと、
回転機の回転に伴って、前記ディスプレーサを前記シリンダ内で往復動させると共に前記第１バルブおよび前記第２バルブを開閉させる駆動部と、
を備え、前記駆動部による前記第１バルブおよび前記第２バルブの開閉に伴って前記シリンダにおける前記空間側の端部に寒冷を発生させる冷凍機であって、
前記第１流路における前記圧縮機と前記第１バルブとの間と前記空間とを前記蓄冷器を介さずに接続する第３流路と、
前記第３流路に設けられた第３バルブと、
を備えることを要旨とする。

この本発明の冷凍機では、シリンダと、シリンダとにより空間を形成すると共にシリンダ内を往復動するディスプレーサと、蓄冷器における空間に対する反対側と圧縮機の吐出側とを接続する第１流路と、第１流路に設けられた第１バルブと、蓄冷器における空間に対する反対側と圧縮機の吸入側とを接続する第２流路と、第２流路に設けられた第２バルブと、回転機の回転に伴ってディスプレーサをシリンダ内で往復動させると共に第１バルブおよび第２バルブを開閉させる駆動部とを備え、駆動部による第１バルブおよび第２バルブの開閉に伴ってシリンダにおける空間側の端部に寒冷を発生させる。そして、第１流路における圧縮機と第１バルブとの間と空間とを蓄冷器を介さずに接続する第３流路と、第３流路に設けられた第３バルブと、を備える。こうした構成において、冷凍機を昇温させる際には、第３バルブを開弁させて圧縮機を駆動すれば、圧縮機から蓄冷器を介さずに空間に作動流体を供給することができる。これにより、空間を自然昇温させるものに比して、空間ひいては冷凍機を迅速に昇温させることができる。また、ヒータを用いて空間周辺を昇温させるものに比して、空間ひいては冷凍機の温度が過度に上昇するのを抑制することができる。即ち、ヒータを用いずに冷凍機の昇温に要する時間を短縮することができるのである。

こうした本発明の冷凍機において、前記冷凍機を昇温させる際には、前記第１バルブが閉弁で且つ前記第２バルブが開弁の所定開弁状態でないときには前記所定開弁状態となるように前記回転機を制御し、前記所定開弁状態で、前記第３バルブを開弁させ、前記圧縮機を駆動する制御部を更に備えるものとしてもよい。こうすれば、作動流体を圧縮機、第１流路（第１バルブよりも圧縮機側）、第３流路（第３バルブ）、空間、蓄冷器、第２流路（第２バルブ）、圧縮機の順に循環させることにより、空間ひいては冷凍機を迅速に昇温させることができる。

また、本発明の冷凍機において、前記第１流路における前記第３流路との接続点よりも前記蓄冷器側に設けられた第４バルブと、前記第２流路において前記第２バルブに並列に設けられた第５バルブと、前記冷凍機を昇温させる際には、前記第４バルブを閉弁させると共に前記第３バルブおよび前記第５バルブを開弁させ、前記圧縮機を駆動する制御部と、を更に備えるものとしてもよい。こうすれば、作動流体を圧縮機、第１流路（第４バルブよりも圧縮機側）、第３流路（第３バルブ）、空間、蓄冷器、第２流路（第５バルブ）、圧縮機の順に循環させることにより、空間ひいては冷凍機を迅速に昇温させることができる。なお、前記第４バルブは、前記第１流路における前記第３流路との接続点と前記第１バルブとの間に設けるものとしてもよい。

さらに、本発明の冷凍機において、前記制御部は、前記冷凍機を昇温させる際には、所定時間に亘って、または、前記空間周辺の温度が所定温度に至るまで、前記圧縮機を駆動するものとしてもよい。

冷凍機２０の構成の概略を示す構成図である。冷凍機２０の一部の構成の概略を示す構成図である。制御装置９０により実行される昇温処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。冷凍機１２０の構成の概略を示す構成図である。冷凍機２２０の構成の概略を示す構成図である。昇温処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。冷凍機３２０の構成の概略を示す構成図である。

次に、本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明の実施形態としての冷凍機２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、冷凍機２０の一部の構成の概略を示す構成図である。なお、以下の説明において、「上」および「下」は、図１の「上」および「下」を意味し、実際に冷凍機２０が図１の向きに配置されるとは限らない。

図１に示すように、実施形態の冷凍機２０は、ギフォード・マクマホン冷凍機（ＧＭ冷凍機）として構成されており、作動流体（例えばヘリウムガス）を圧縮する圧縮機２２と、寒冷を発生させる寒冷発生部３０と、圧縮機２２の吐出側と寒冷発生部３０の常温空間Ｓｈ（後述）とを接続する流路５０と、流路５０に設けられた高圧バルブ５１と、圧縮機２２の吸入側と寒冷発生部３０の常温空間Ｓｈとを接続する流路５２と、流路５２に設けられた低圧バルブ５３と、流路５０における圧縮機２２と高圧バルブ５１との間の位置Ｐ１と寒冷発生部３０の第２膨張空間Ｓｃ２（後述）とを接続する流路５４と、流路５４に設けられた開閉バルブ５５と、寒冷発生部３０や高圧バルブ５１、低圧バルブ５３を駆動する駆動部６０と、冷凍機全体をコントロールする制御装置９０と、を備える。寒冷発生部３０は、シリンダ３２と、シリンダ３２内で往復動するディスプレーサ（ピストン）４０と、を備える。

シリンダ３２は、有底円筒状で且つ下側壁部（底部）の中央に穴３３ｈを有する第１シリンダ部３３と、第１シリンダ部３３の下側壁部に第１シリンダ部３３と同軸に連結されると共に有底円筒状で且つ第１シリンダ部よりも小径（内周が穴３３ｈと同径）の第２シリンダ部３４と、第１シリンダ部３３の側壁部の下端部の外周に固定された円筒状の第１コールドヘッド３５と、第２シリンダ部３４の側壁部の下端部の外周に固定された円筒状の第２コールドヘッド３６と、を備える。第１シリンダ部３３や第２シリンダ部３４は、例えばステンレスによって形成されている。第１コールドヘッド３５や第２コールドヘッド３６は、例えば銅によって形成されている。第１シリンダ部３３の上端部（基端部）には、フランジ部が設けられており、このフランジ部は、駆動部６０のクランクケース８０の下側壁部に固定されている。

ディスプレーサ（ピストン）４０は、第１シリンダ部３３内に配置されると共に中空で円柱状の第１ピストン部４１と、第１ピストン部４１に連結されると共に第２シリンダ部３４内に大部分が配置されて更に第１ピストン部４１よりも小径で且つ中空で且つ円柱状の第２ピストン部４２と、を備える。第１ピストン部４１や第２ピストン部４２は、例えば樹脂によって形成されている。第１ピストン部４１には、第１蓄冷器４３が内蔵されており、第２ピストン部４２には、第２蓄冷器４４が内蔵されている。第１蓄冷器４３は、複数の金網の蓄冷材等により構成されている。第２蓄冷器４４は、微小な鉛球状の蓄冷材やその球状の蓄冷材の流出を防止する網状の蓄冷材等により構成されている。

第１ピストン部４１の上側壁部には、第１ピストン部４１内（第１蓄冷器４３）と常温空間Ｓｈとを連通する連通孔４１ａが形成されており、第１ピストン部４１の側壁部のうち下端側には、第１ピストン部４１内と第１膨張空間Ｓｃ１とを連通する連通孔４１ｂが形成されている。ここで、常温空間Ｓｈは、第１シリンダ部３３内の第１ピストン部４１よりも上側に形成される空間であり、主として、第１シリンダ部３３の内周面（側壁部の内面）と駆動部６０のクランクケース８０の下端面（下側壁部の外面）と第１ピストン部４１の上端面（上側壁部の外面）とにより形成される。上述の流路５０および流路５２は、この常温空間Ｓｈに接続されている。また、第１膨張空間Ｓｃ１は、第１シリンダ部３３内の第１ピストン部４１よりも下側に形成されるいわゆる第１段低温空間であり、主として、第１シリンダ部３３の内周面（側壁部の内面）および底面（下側壁部の内面）と第１ピストン部４１の下端面（下側壁部の外面）と第２ピストン部４２の外周面（側壁部の外面）とにより形成される。第１ピストン部４１の外周面（側壁部の外面）には、シール部材４５が取り付けられており、第１ピストン部４１の外周面と第１シリンダ部３３の内周面との間を介して常温空間Ｓｈと第１膨張空間Ｓｃ１とで作動流体が流通するのを抑制する。

第２ピストン部４２の上側壁部には、第２ピストン部４２内（第２蓄冷器４４）と第１膨張空間Ｓｃ１とを連通する連通孔４２ａが形成されており、第２ピストン部４２の側壁部のうち下端側には、第２ピストン部４２内と第２膨張空間Ｓｃ２とを連通する連通孔４２ｂが形成されている。ここで、第２膨張空間Ｓｃ２は、第２シリンダ部３４内の第２ピストン部４２よりも下側に形成されるいわゆる第２段低温空間であり、主として、第２シリンダ３４の内周面（側壁部の内面）および底面（下側壁部の内面）と第２ピストン部４２の下端面（下側壁部の外面）とにより形成される。上述の流路５４は、この第２膨張空間Ｓｃ２に接続されている。第２ピストン部４２の外周面（側壁部の外面）には、シール部材４６が取り付けられており、第２ピストン部４２の外周面と第２シリンダ部３４の内周面との間を介して第１膨張空間Ｓｃ１と第２膨張空間Ｓｃ２とで作動流体が流通するのを抑制する。

高圧バルブ５１は、図２に示すように、ノーマルクローズタイプのバルブとして構成されており、弁体５１ａと、バルブが閉弁する（圧縮機２２の吐出側と寒冷発生部３０の常温空間Ｓｈとの作動流体の流通を規制する）ように弁体５１ａに付勢力を付与するスプリング５１ｂと、を備える。低圧バルブ５３は、ノーマルクローズタイプのバルブとして構成されており、弁体５３ａと、バルブが閉弁する（寒冷発生部３０の常温空間Ｓｈと圧縮機２２の吐出側との作動流体の流通を規制する）ように弁体５３ａに付勢力を付与するスプリング５３ｂと、を備える。高圧バルブ５１および低圧バルブ５３は、駆動部６０のカム機構７０により開閉される。開閉バルブ５５は、ノーマルクローズタイプの電磁バルブとして構成されており、制御装置９０により開閉制御される。

駆動部６０は、図１に示すように、モータ６１と、モータ６１の出力軸６２に偏心して固定されたクランクピン６３と、クランクケース８０と、を備える。モータ６１は、例えば同期モータや誘導モータとして構成されており、図示しない駆動回路により駆動制御される。駆動回路は、交流電源からの電力を直流電力に変換するコンバータや、コンバータからの直流電力を三相交流電力に変換してモータ６１に供給するインバータを備える。クランクケース８０は、モータ６１のケースに固定され、ディスプレーサ４０の第１ピストン部４１の上側壁部に連結されたピストンロッド４８の一部や、モータ６１の出力軸６２、クランクピン６３などを収容する。クランクケース８０の下側壁部には、ピストンロッド４８が挿通される貫通穴８１が形成され、クランクケース８０の上側壁部のうち貫通穴８１に対向する位置には、ピストンロッド４８の上下方向（特に上側）の移動を許容するように内面から上側に窪む凹部８２が形成されている。ピストンロッド４８は、クランクピン６３周りに揺動自在となるように軸受６４を介してクランクピン６３に支持され、貫通穴８１内で上下方向に移動できるように滑り軸受６５を介してクランクケース８０に支持され、凹部８２内で上下方向に移動できるように滑り軸受６６を介してクランクケース８０に支持される。モータ６１の回転に応じて、クランクピン６３に軸受６４を介して連結されたピストンロッド４８が上下方向に往復動し、これに伴ってディスプレーサ４０がシリンダ３２内で上下方向に往復動する。

また、駆動部６０は、図２に示すように、高圧バルブ５１および低圧バルブ５３を開弁させるカム機構７０を備える。カム機構７０は、駆動部６０のモータ６１の出力軸６２に偏心して固定された円板状の円板部７１と、回動軸７２ａ周りに回動すると共に円板部７１に押圧されて弁体５１ａをスプリング５１ｂの付勢力に抗して移動させることにより高圧バルブ５１を開弁させるカム７３ａと、回動軸７２ｂ周りに回動すると共に円板部７１に押圧されて弁体５３ａをスプリング５３ｂの付勢力に抗して移動させることにより低圧バルブ５３を開弁させるカム７３ｂと、を備える。高圧バルブ５１および低圧バルブ５３は、それぞれモータ６１の回転に応じて以下のように開閉する。クランクピン６３が最下部（下死点）のときのクランク角θｃｒを０度したときに、クランク角θｃｒが角度θ１（例えば−３０度など）から角度θ２（例えば３０度など）の範囲および角度θ３（例えば１５０度など）から角度θ４（例えば２１０度など）の範囲では、高圧バルブ５１および低圧バルブ５３が共に閉弁する両閉弁状態となる。クランク角θｃｒが角度θ２から角度θ３の範囲では、高圧バルブ５１が開弁で且つ低圧バルブ５３が閉弁の高圧開弁状態となる。クランク角θｃｒが角度θ４から角度θ１の範囲では、高圧バルブ５１が閉弁で且つ低圧バルブ５３が開弁の低圧開弁状態となる。

制御装置９０は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどを備えるマイクロプロセッサとして構成されている。制御装置９０には、冷凍機２０を運転するのに必要な各種センサからの信号が入力されている。制御装置９０からは、圧縮機２２への駆動制御信号やモータ６１（インバータ）への駆動制御信号、開閉バルブ５５への開閉制御信号などが出力されている。

次に、こうして構成された冷凍機２０の動作について説明する。冷凍機２０により第１コールドヘッド３５周辺（いわゆる第１段冷却ステージ）や第２コールドヘッド３６周辺（いわゆる第２段冷却ステージ）に配置された冷却対象を冷却する際には、制御装置９０は、開閉バルブ５５を閉弁として、圧縮機２２およびモータ６１を駆動制御する。すると、モータ６１の回転に応じて、クランク角θｃｒが角度θ１に至ったときに両閉弁状態になり、その後にクランク角θｃｒが角度θ２に至ったときに高圧開弁状態になると、ディスプレーサ４０（第１ピストン部４１および第２ピストン部４２）が上側に移動しながら、圧縮機２２からの作動流体が、流路５０（高圧バルブ５１）や常温空間Ｓｈを経由して第１膨張空間Ｓｃ１や第２膨張空間Ｓｃ２に流入する。このとき、作動流体は、第１ピストン部４１内で第１蓄冷器４３により冷却されて第１膨張空間Ｓｃ１に流入し、更に、第２ピストン部４２内で第２蓄冷器４４により冷却されて第２膨張空間Ｓｃ２に流入する。そして、クランク角θｃｒが角度θ３に至ったときに両閉弁状態になり、その後にクランク角θｃｒが角度θ４に至ったときに低圧開弁状態になると、第２膨張空間Ｓｃ２や第１膨張空間Ｓｃ１などの作動流体が流路５２（低圧バルブ５３）を経由して圧縮機２２側に流れてサイモン膨張により作動流体の温度が低下して第２膨張空間Ｓｃ２や第１膨張空間Ｓｃ１で寒冷が発生する。このとき、第２膨張空間Ｓｃ２の作動流体は、第２ピストン部４２内で第２蓄冷器４４を冷却しながら第１膨張空間Ｓｃ１に流れ、第１膨張空間Ｓｃ１の作動流体は、第１ピストン部４１内で第１蓄冷器４３を冷却しながら常温空間Ｓｈや流路５２を経由して圧縮機２２側に流れる。そして、ディスプレーサ４０（第１ピストン部４１および第２ピストン部４２）が下側に移動しながら、更に、第２膨張空間Ｓｃ２や第１膨張空間Ｓｃ１の作動流体が流路５２を経由して圧縮機２２側に流れる。このようにして、第１コールドヘッド３５周辺（第１段冷却ステージ）を２０Ｋ〜７５Ｋ程度にし、第２コールドヘッド３６周辺（第２段冷却ステージ）を数Ｋ〜十数Ｋ程度にして、冷却対象を冷却する。

次に、冷凍機２０のメンテナンス等のために冷凍機２０を昇温させる際の動作について説明する。図３は、このときに制御装置９０により実行される昇温処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、操作者によるスイッチ操作などにより、冷凍機２０の昇温が指示されたときに実行される。なお、本ルーチンの実行開始時には、圧縮機２２やモータ６１は駆動停止しており、開閉バルブ５５は閉弁しているものとした。

図３の昇温処理ルーチンが実行されると、制御装置９０は、最初に、低圧開弁状態（クランク角θｃｒが角度θ４から角度θ１の範囲内である）か否かを判定する（ステップＳ１００）。この判定は、例えば、モータ６１の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサやクランク角θｃｒを検出するクランク角センサによる検出値を用いて行なうことができる。

ステップＳ１００で低圧開弁状態でないと判定したときには、低圧開弁状態になるようにモータ６１を駆動制御する（ステップＳ１１０）。なお、ステップＳ１００の処理で低圧開弁状態であると判定したときには、ステップＳ１１０の処理を実行する必要はない。

続いて、低圧開弁状態を保持しながら、開閉バルブ５５を開弁させ（ステップＳ１２０）、圧縮機２２を駆動する（ステップＳ１３０）。すると、圧縮機２２からの作動流体は、流路５０（高圧バルブ５１よりも圧縮機２２側）、流路５４（開閉バルブ５５）を介して第２膨張空間Ｓｃ２に流れる。したがって、圧縮機２２から第１蓄冷器４３や第２蓄冷器４４を介さずに第２膨張空間Ｓｃ２に作動流体を供給することができるから、第２膨張空間Ｓｃ２ひいては冷凍機２０を自然昇温させるものに比して、第２膨張空間Ｓｃ２ひいては冷凍機２０を迅速に昇温させることができる。また、ヒータを用いて第２膨張空間Ｓｃ２周辺を昇温させるものに比して、第２膨張空間Ｓｃ２ひいては冷凍機２０の温度が過度に上昇するのを抑制することができる。即ち、ヒータを用いずに冷凍機２０の昇温に要する時間を短縮することができるのである。そして、作動流体は、第２膨張空間Ｓｃ２から第２蓄冷器４４、第１膨張空間Ｓｃ１、第１蓄冷器４３、常温空間Ｓｈ、流路５２（低圧バルブ５３）を介して圧縮機２２に流れる。

そして、昇温終了条件が成立するのを待つ（ステップＳ１４０）。ここで、昇温終了条件としては、冷凍機２０の昇温が完了するまでに要するとして定められた所定時間（例えば、数時間程度）が経過した条件を用いたり、第２コールドヘッド３６に温度センサを取り付けてその温度センサの検出値が閾値以上に至った条件を用いたりすることができる。昇温終了条件が成立すると、圧縮機２２を駆動停止すると共に（ステップＳ１５０）、開閉バルブ５５を閉弁させて（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。

以上説明した実施形態の冷凍機２０では、圧縮機２２の吐出側と寒冷発生部３０の常温空間Ｓｈとを接続する流路５０と、流路５０に設けられた高圧バルブ５１と、圧縮機２２の吸入側と寒冷発生部３０の常温空間Ｓｈとを接続する流路５２と、流路５２に設けられた低圧バルブ５３と、寒冷発生部３０や高圧バルブ５１、低圧バルブ５３を駆動する駆動部６０とに加えて、流路５０における圧縮機２２と高圧バルブ５１との間の位置Ｐ１と寒冷発生部３０の第２膨張空間Ｓｃ２とを接続する流路５４と、流路５４に設けられた開閉バルブ５５とを更に備える。そして、冷凍機２０を昇温させる際には、低圧開弁状態でなければ低圧開弁状態にし、その状態で、開閉バルブ５５を開弁させ、圧縮機２２を駆動する。これにより、作動流体を、圧縮機２２、流路５０（高圧バルブ５１よりも圧縮機２２側）、流路５４（開閉バルブ５５）、第２膨張空間Ｓｃ２、第２蓄冷器４４、第１膨張空間Ｓｃ１、第１蓄冷器４３、常温空間Ｓｈ、流路５２（低圧バルブ５３）、圧縮機２２の順に循環させることができる。このように圧縮機２２から第１蓄冷器４３や第２蓄冷器４４を介さずに第２膨張空間Ｓｃ２に作動流体を供給することにより、第２膨張空間Ｓｃ２を自然昇温させるものに比して第２膨張空間Ｓｃ２ひいては冷凍機２０を迅速に昇温させることができると共に、ヒータを用いて第２膨張空間Ｓｃ２周辺を昇温させるものに比して第２膨張空間Ｓｃ２ひいては冷凍機２０の温度が過度に上昇するのを抑制することができる。即ち、ヒータを用いずに冷凍機２０の昇温に要する時間を短縮することができるのである。

実施形態の冷凍機２０では、流路５０の位置Ｐ１と寒冷発生部３０の第２膨張空間Ｓｃ２とを接続する流路５４と、流路５４に設けられた開閉バルブ５５と、を備えるものとしたが、図４の冷凍機１２０に示すように、図１の冷凍機２０の各構成に加えて、流路５４における開閉バルブ５５よりも第２膨張空間Ｓｃ２側の位置Ｐ２と第１膨張空間Ｓｃ１とを接続する流路５４ｂを更に備えるものとしてもよい。こうすれば、圧縮機２２からの作動流体を第１蓄冷器４３や第２蓄冷器４４を介さずに第１膨張空間Ｓｃ１および第２膨張空間Ｓｃ２に供給することができ、冷凍機２０をより迅速に昇温させることができる。

実施形態の冷凍機２０では、流路５０と高圧バルブ５１と流路５２と低圧バルブ５３と流路５４と開閉バルブ５５とを備えるものとしたが、図５の冷凍機２２０に示すように、図１の冷凍機２０の各構成に加えて、流路５０における位置Ｐ１よりも常温空間Ｓｈ側（具体的には、位置Ｐ１と高圧バルブ５１との間）に設けられた開閉バルブ５６と、流路５２において低圧バルブ５３と並列に設けられた開閉バルブ５７と、を更に備えるものとしてもよい。ここで、開閉バルブ５６は、ノーマルオープンタイプの電磁バルブとして構成されており、制御装置９０により開閉制御される。開閉バルブ５７は、ノーマルクローズタイプの電磁バルブとして構成されており、制御装置９０により開閉制御される。なお、開閉バルブ５６は、流路５０における位置Ｐ１よりも常温空間Ｓｈ側であれば、高圧バルブ５１よりも常温空間Ｓｈ側に設けられるものとしてもよい。

この冷凍機２２０を昇温させる際には、制御装置９０は、図３の昇温処理ルーチンに代えて、図６の昇温処理ルーチンを実行するものとしてもよい。なお、本ルーチンの実行開始時には、圧縮機２２やモータ６１は駆動停止しており、開閉バルブ５５，５７は閉弁しており、開閉バルブ５６は開弁しているものとした。

図６の昇温処理ルーチンが実行されると、制御装置９０は、開閉バルブ５６を閉弁させると共に開閉バルブ５５，５７を開弁させ（ステップＳ２００）、圧縮機２２を駆動する（ステップＳ２１０）。すると、圧縮機２２からの作動流体は、流路５０（高圧バルブ５６よりも圧縮機２２側）、流路５４（開閉バルブ５５）を介して第２膨張空間Ｓｃ２に流れる。したがって、圧縮機２２から第１蓄冷器４３や第２蓄冷器４４を介さずに第２膨張空間Ｓｃ２に作動流体を供給することができるから、第２膨張空間Ｓｃ２ひいては冷凍機２０を自然昇温させるものに比して、第２膨張空間Ｓｃ２ひいては冷凍機２２０を迅速に昇温することができる。また、ヒータを用いて第２膨張空間Ｓｃ２周辺を昇温させるものに比して、第２膨張空間Ｓｃ２ひいては冷凍機２２０の温度が過度に上昇するのを抑制することができる。即ち、ヒータを用いずに冷凍機２２０の昇温に要する時間を短縮することができるのである。そして、作動流体は、第２膨張空間Ｓｃ２から第２蓄冷器４４、第１膨張空間Ｓｃ１、第１蓄冷器４３、常温空間Ｓｈ、流路５２（開閉バルブ５７）を介して圧縮機２２に流れる。この冷凍機２２０では、開閉バルブ５５，５７の開弁により、冷凍機２０とは異なり、低圧開弁状態であるか否かに拘わらずに、作動流体を、圧縮機２２、流路５０（高圧バルブ５１よりも圧縮機２２側）、流路５４（開閉バルブ５５）、第２膨張空間Ｓｃ２、第２蓄冷器４４、第１膨張空間Ｓｃ１、第１蓄冷器４３、常温空間Ｓｈ、流路５２（開閉バルブ５７）、圧縮機２２の順に循環させることができる。

そして、図３のルーチンのステップＳ１４０の処理と同様に、昇温終了条件が成立するのを待つ（ステップＳ２２０）。そして、昇温終了条件が成立すると、圧縮機２２を駆動停止し（ステップＳ２３０）、開閉バルブ５６を開弁させると共に開閉バルブ５５，５７を閉弁させて（ステップＳ２４０）、本ルーチンを終了する。

実施形態の冷凍機２０では、ディスプレーサ４０の第１ピストン部４１に第１蓄冷器４３を内蔵すると共に、ディスプレーサ４０の第２ピストン部４２に第２蓄冷器４４を内蔵するものとしたが、図７の冷凍機３２０に示すように、ディスプレーサ３４０の第１ピストン部３４１の外部に第１蓄冷器３４３を配置すると共に、ディスプレーサ３４０の第２ピストン部３４２の外部に第２蓄冷器３４４を配置するものとしてもよい。図７では、駆動部６０の大部分については図示を省略した。この冷凍機３２０では、第２膨張空間Ｓｃ２と第２蓄冷器３４４とを接続する流路３５０と、第１膨張空間Ｓｃ１と第２蓄冷器３４４と第１蓄冷器３４３とを接続する流路３５１と、常温空間Ｓｈと第１蓄冷器３４３とを接続する流路３５２とを備え、流路３５２の位置Ｐ３と圧縮機２２の吐出側とを流路５０により接続し、流路３５２の位置Ｐ３と圧縮機２２の吸入側とを流路５２により接続する。この場合でも、冷凍機２０と同様に流路５４および開閉バルブ５５を設けて、図３の低温処理ルーチンを実行することにより、圧縮機２２から第１蓄冷器４３や第２蓄冷器４４を介さずに第２膨張空間Ｓｃ２に作動流体を供給することができ、第２膨張空間Ｓｃ２を自然昇温させるものに比して第２膨張空間Ｓｃ２ひいては冷凍機２０を迅速に昇温させることができると共に、ヒータを用いて第２膨張空間Ｓｃ２周辺を昇温させるものに比して第２膨張空間Ｓｃ２ひいては冷凍機２０の温度が過度に上昇するのを抑制することができる。

実施形態の冷凍機２０では、２段のＧＭ冷凍機として構成されるものとしたが、１段のＧＭ冷凍機とし構成されるものとしてもよいし、３段以上のＧＭ冷凍機として構成されるものとしてもよい。

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、圧縮機２２が「圧縮機」に相当し、シリンダ３２（第１シリンダ部３３、第２シリンダ部３４、第１コールドヘッド３５、第２コールドヘッド３６）が「シリンダ」に相当し、ディスプレーサ４０（第１ピストン部４１、第２ピストン部４２）が「ディスプレーサ」に相当し、流路５０が「第１流路」に相当し、高圧バルブ５１が「第１バルブ」に相当し、流路５２が「第２流路」に相当し、低圧バルブ５３が「第２バルブ」に相当し、駆動部６０が「駆動部」に相当し、流路５４が「第３流路」に相当し、開閉バルブ５５が「第３バルブ」に相当する。また、制御装置９０が「制御部」に相当する。さらに、開閉バルブ５６が「第４バルブ」に相当し、開閉バルブ５７が「第５バルブ」に相当する。

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、冷凍機の製造産業などに利用可能である。

２０，１２０，２２０，３２０冷凍機、２２圧縮機、３０寒冷発生部、３２シリンダ、３３第１シリンダ部、３３ｈ穴、３４第２シリンダ部、３５第１コールドヘッド、３６第２コールドヘッド、４０，３４０ディスプレーサ、４１，３４１第１ピストン部、４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ連通孔、４２，３４２第２ピストン部、４３，３４３第１蓄冷器、４４，３４４第２蓄冷器、４５，４６シール部材、４８ピストンロッド、５０，５２，５４，５４ｂ，３５０，３５１，３５２流路、５１高圧バルブ、５１ａ，５３ａ弁体、５１ｂ，５３ｂスプリング、５３低圧バルブ、５５，５６，５７開閉バルブ、６０駆動部、６１モータ、６２出力軸、６３クランクピン、６４軸受、６５，６６滑り軸受、７０カム機構、７１円板部、７２ａ，７２ｂ回動軸、７３ａ，７３ｂカム、８０クランクケース、８１貫通穴、８２凹部、９０制御装置、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３位置、Ｓｈ常温空間、Ｓｃ１第１膨張空間、Ｓｃ２第２膨張空間。

Claims

作動流体を圧縮する圧縮機と、
シリンダと、
前記シリンダとにより空間を形成すると共に前記シリンダ内を往復動するディスプレーサと、
蓄冷器における前記空間に対する反対側と前記圧縮機の吐出側とを接続する第１流路と、
前記第１流路に設けられた第１バルブと、
前記蓄冷器における前記空間に対する反対側と前記圧縮機の吸入側とを接続する第２流路と、
前記第２流路に設けられた第２バルブと、
回転機の回転に伴って、前記ディスプレーサを前記シリンダ内で往復動させると共に前記第１バルブおよび前記第２バルブを開閉させる駆動部と、
を備え、前記駆動部による前記第１バルブおよび前記第２バルブの開閉に伴って前記シリンダにおける前記空間側の端部に寒冷を発生させる冷凍機であって、
前記第１流路における前記圧縮機と前記第１バルブとの間と前記空間とを前記蓄冷器を介さずに接続する第３流路と、
前記第３流路に設けられた第３バルブと、
を備える冷凍機。
請求項１記載の冷凍機であって、
前記冷凍機を昇温させる際には、前記第１バルブが閉弁で且つ前記第２バルブが開弁の所定開弁状態でないときには前記所定開弁状態となるように前記回転機を制御し、前記所定開弁状態で、前記第３バルブを開弁させ、前記圧縮機を駆動する制御部を更に備える、
冷凍機。
請求項１記載の冷凍機であって、
前記第１流路における前記第３流路との接続点よりも前記蓄冷器側に設けられた第４バルブと、
前記第２流路において前記第２バルブに並列に設けられた第５バルブと、
前記冷凍機を昇温させる際には、前記第４バルブを閉弁させると共に前記第３バルブおよび前記第５バルブを開弁させ、前記圧縮機を駆動する制御部と、
を更に備える冷凍機。
請求項２または３記載の冷凍機であって、
前記制御部は、前記冷凍機を昇温させる際には、所定時間に亘って、または、前記空間周辺の温度が所定温度に至るまで、前記圧縮機を駆動する、
冷凍機。