JP2689611B2 - 小型冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、スターリングサイクルやギフォードマクマ
ホンサイクル、ソルベーサイクル、ヴェルミェールサイ
クルなど、クライオポンプ等に用いられる蓄冷材を利用
した小型冷凍機に関するものである。

［従来の技術］ 第５図に示されるものは、小型冷凍機を代表するスプ
リット形スターリング冷凍機である。このものは、膨脹
シリンダ101と圧縮シリンダ102が連結チューブ103によ
って接続されており、膨脹シリンダ101には膨脹室104を
拡縮させるディスプレーサ105が摺動可能に嵌装され、
圧縮シリンダ102には圧縮室106を拡縮させるピストン10
7が摺動可能に嵌装されている。前記ディスプレーサ105
内には蓄冷器（リジェネレータ）108が収容されてお
り、膨脹室104から送り出される作動ガス（He等）によ
り寒冷を得て、次のサイクルで新たに膨脹室104に送り
込まれる作動ガスを予冷する。この蓄冷器108は、通
常、蓄冷材エレメント（円形に打ち抜いた銅製メッシュ
等）をプリプレグと呼ばれる容器内に積層した構造をな
している。

一方、ディスプレーサ105の下端はガススプリング室1
09に臨ませてあり、このガススプリング室109に、前記
膨脹室104の高圧時と低圧時とに該膨脹室104に現れる圧
力の略中間圧に相当する付勢用ガスを封入している。こ
れにより、ディスプレーサ105は封入ガスと作動ガスに
差圧駆動されて上下動し、その結果、第６図に示す冷凍
サイクルを営む。同図は膨脹室104内のガス圧（同図
ａ）とディスプレーサ変位（同図ｂ）との関係を表して
おり、ディスプレーサ105が上死点近傍に達した時点で
膨脹室104内のガスが徐々に圧縮され、ディスプレーサ1
05が下死点近傍に達した時点で膨脹室104内のガスが断
熱膨脹するため、コールドヘッド110は断続的に寒冷を
得て極低温に至ることができる。

そして、叙述の如くディスプレーサを蓄冷器内蔵タイ
プとしていることの意義は、蓄冷器を膨脹シリンダ外に
配置していた従前の冷凍機構造においては達成し得なか
った冷凍機全体の小型軽量化と高効率化が促進される点
にあり、これがためこの構造は近時における他の小型冷
凍機にも多く見られるようになっているものである。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、膨脹シリンダ101がかかる構造である場
合、必然的に次に挙げる３つの不具合が避け難いものと
なる。ディスプレーサ105の外周摺動面105aが摩耗す
るため、数千時間ごとにメンテナンスが必要になる。
ディスプレーサ105及び膨脹シリンダ101には温度勾配が
生じており、膨脹シリンダ101に対して相対的にディス
プレーサ105の位置が変わる度に熱浸入を生じる（シャ
トルロスと呼ばれ、冷凍能力の十数％〜数十％を占め
る）。ディスプレーサ105の慣性質量が大きく、した
がって冷凍機の振動が大きくなる。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもの
であって、膨脹シリンダ内の構造を工夫することによ
り、これらを有効に解決することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、かかる目的を達成するために、次のような
構造を採用したものである。

すなわち、本発明の小型冷凍機は、膨脹シリンダ内に
複数の蓄冷材エレメントが外周を固定しかつ内側部に厚
み方向の可撓性を与えた状態で積層し、各エレメント内
側部に積層方向に対する共通の変位を与えることで積層
端とシリンダの間に形成される膨脹室を拡縮させるよう
に構成したことを特徴としている。

［作用］ 蓄冷材エレメントをロッド等を通じて駆動すると、各
エレメントの外周はシリンダに固定されていて不動であ
るが、内側部は撓み変形することでシリンダに対して相
対変位を許容されるため、ディスプレーサを廃しても膨
脹シリンダ自体は従来と同等の原理に従って本来的機能
を有効に発揮し得る。

そして、膨脹シリンダ内をこのような構造にしておけ
ば、従来の不具合が次のように解消される。

シリンダ内に機械的な摺動部分がなくなるため、耐
久性が向上する。蓄冷材エレメントの外周がシリンダ
に対して摺動しないので、シャトルロスを生じることが
なく、冷凍能力が向上する。可動部の質量が小さくな
るため、冷凍機振動が低減される。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図および第２図を参照
して説明する。

第１図は、本実施例に係るスターリング冷凍機の膨脹
シリンダ１内を示している。この実施例の蓄冷材エレメ
ント２には、例えば銅又はリン青銅、黄銅その他の銅合
金等であって蓄冷効果を有した材料を選択し、これを細
線状にして螺旋方向の目地と半径方向の目地とからなる
円形メッシュに編み込んだものを用いている。この際、
エレメント形状が第２図に示すように中央に開口部を有
した椀状をなすように形成する。また、外周2a及び内周
2bを固定のために補強し、さらに外周2aと内周2bによっ
て囲繞される内側部2cは撓み変形可能な程度の柔軟性を
持たせておく。そして、これら各エレメント２にロッド
３を挿通して該ロッド３の各積層位置に固着し、このよ
うにしてつくったものをロッド本体3aを中間圧室4aに挿
入した状態でステンレス製のベース４に載置する。そし
て、上方からステンレス製の膨脹シリンダ１を外嵌し、
シリンダ開口端1aを前記ベース４のフランジ部4bに螺着
する。この螺着位置では、膨脹シリンダ１に蓋着されて
いる銅製コールドヘッド1bの内壁が積層端エレメント２
の外周2aに当接して各エレメント２の外周を前記ベース
４との間で適度に緊締し、これにより各エレメント２が
シリンダ１内に固定された状態となるように設定してお
く。外周2aを固定された各エレメント２の内側部2cは、
ロッド３が下死点に達した時点で第１図中実線及び第２
図（ａ）のように上方に向かって拡開した状態に変形
し、該ロッド３が上死点に達した時点で第１図中想像線
及び第２図（ｂ）のように下方に向かって拡開した反転
状態に変形する。そして、このような作動を通じて、積
層端エレメント２とシリンダ１との間に閉成される膨脹
室５が拡縮されることになる。なお、ロッド３は従来と
同様に差圧駆動されるものであり、図示膨脹部のガスポ
ート６を第５図に示した既存のスターリング冷凍機の連
結チューブに接続すれば本実施例の冷凍機が構成され
る。

しかして、蓄冷材エレメント２が上述したようにロッ
ド３を通じて軸心方向に共通の変位を与えられると、各
エレメント２の外周2aはシリンダ１側に固定されていて
不動であるが、内側部2cは撓み変形することでシリンダ
１に対して相対変位を許容されるため、ディスプレーサ
を廃しても膨脹シリンダ１自体は従来と同等の原理で膨
脹室５に断続的に寒冷を発生することができ、本来的機
能を有効に発揮し得るものとなる。

そして、膨脹シリンダ１がこのような構造であると、
シリンダ１内には図に明らかなように機械的な摺動部分
がなくなり、その結果耐久性が向上して長期に亘るメン
テナンスフリーが実現可能となる。しかも、蓄冷材エレ
メント２は内側部2cがシリンダ１に対して相対変位する
ものの、外周2aはシリンダ１に固定されていて不動であ
るため、原理的にシャトルロスを０にすることができ、
従来に比して冷凍能力が格段に改善されたものとするこ
とができる。さらに、可動部の質量は第５図図示のディ
スプレーサに比べて大巾に小さくなっており、低振動、
低騒音化の効果が同時に達成されたものとなっている。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明
が膨脹シリンダを有した他の冷凍サイクルにも同様に適
用できるものであることは勿論である。例えば、第４図
はGM（ギフォードマクマホン）サイクルの場合を示して
おり、シリンダ11内に配設したロッド12には図示のよう
に変形させた蓄冷材エレメント13が積層状態で取着して
ある。そして、該ロッド12を偏心カム14を介して上下駆
動することで、各エレメント13は外周13aを定位置に保
持しつつ内側部13bを積層方向に撓み変形させることで
ディスプレーサ収容形蓄冷器と同等の効果を奏する。一
方、この冷凍機の作動としては、前記ロッド12の上下動
に同期して高圧バルブ15、低圧バルブ16がそれぞれ開閉
し、コンプレッサ17で昇圧されたHeガス（作動ガス）が
導入される。すなわち、図外においてエレメント13の積
層端とシリンダ11との間に形成される膨脹室の容積が最
少のところで低圧バルブ16が閉、高圧バルブ15が開とな
り、該膨脹室の容積増加に合わせ高圧ガスが導入され
る。さらに、膨脹室の容積が最大のところで高圧バルブ
15が閉、低圧バルブ16が開となり、このときガスがサイ
モン膨脹して低温を発生する。このように、全体的構成
は前述したスターリング冷凍機と若干異なるものの、膨
脹シリンダ内の機能に変わるところはなく、このためデ
ィスプレーサを廃したことによって得られる効果は前記
実施例と全く同様である。

また、メッシュの編み方は必ずしも図示に習って螺旋
状の細線と半径方向の細線との組合せでなければならな
い蓋然性は全くなく、例えば第３図18に示すように編み
込んだものを始め、他に種々のものが考えられる。さら
に、前記実施例の場合にも、半径方向と周方向の太さを
変えることで撓みの度合や熱交換面積を適宜に設定する
ことができるのは言うまでもない。

［発明の効果］ 本発明の小型冷凍機においては、冷凍サイクルがディ
スプレーサを利用せずに蓄冷材エレメント自体の撓み変
形を利用して実現されているため、シリンダ内から機械
的な摺動部が除去され、この部分の耐久性、寿命が向上
するとともに、シャトルロスが０になって高効率化が達
成される。しかも、これによって可動部の質量が軽減さ
れるため、低振動、低騒音化の効果も随伴するものとな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の一実施例を示し、第１図は
膨脹シリンダ内を示す要部断面図、第２図は作用説明図
である。第３図は他の実施例の蓄冷材エレメントを示す
図、第４図は更に他の実施例の膨脹シリンダ内を示す断
面図である。第５図および第６図は一従来例を示し、第
５図はスターリング冷凍機の全体断面図、第６図は作用
説明図である。 １、11……膨脹シリンダ ２、13……蓄冷材エレメント 2a、13a……外周 2c、13b……内側部 ５……膨脹室

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】膨脹シリンダを有した小型冷凍機であっ
   て、前記膨脹シリンダ内に複数の蓄冷材エレメントを外
   周を固定しかつ内側部に厚み方向の可撓性を与えた状態
   で積層し、各エレメント内側部に積層方向に対する共通
   の変位を与えることで積層端とシリンダの間に形成され
   る膨脹室を拡縮させるように構成したことを特徴とする
   小型冷凍機。