JP2731766B2

JP2731766B2 - 冷凍機の膨張シリンダ装置

Info

Publication number: JP2731766B2
Application number: JP7239528A
Authority: JP
Inventors: 明人鳥居; 公和小原
Original assignee: IDOTAI TSUSHIN SENTAN GIJUTSU KENKYUSHO KK
Current assignee: IDOTAI TSUSHIN SENTAN GIJUTSU KENKYUSHO KK
Priority date: 1995-09-19
Filing date: 1995-09-19
Publication date: 1998-03-25
Anticipated expiration: 2015-09-19
Also published as: JPH0979678A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、逆スターリングサ
イクルやＧＭサイクル等の冷凍機の膨張シリンダ装置に
関する。逆スターリングサイクルやＧＭサイクル等の冷
凍機は、小形である、温度変動が少ない、等の優れた特
長から、例えば、超伝導体素子（又は回路）の冷凍シス
テムに好適であるが、近時の素子性能の向上に伴って、
より高レベルの温度安定性が求められている。

【０００２】

【冷凍機の原理】図５は逆スターリングサイクル冷凍機
（以下「冷凍機」と略す）の模式図である。この冷凍機
は、概略、二つのシリンダ装置１、２とその間を接続す
る配管３とから構成されている。図面右側のシリンダ装
置１は「圧縮シリンダ」と呼ばれるもの、また、図面左
側のシリンダ装置２は「膨張シリンダ」と呼ばれるもの
であり、以下、これらの通称で呼ぶことにする。

【０００３】圧縮シリンダ１は、所定の周期で往復動す
るピストン（以下「圧縮ピストン」）４によって内部を
２室に画成し、圧縮ピストン４が上死点位置（図示の位
置）のときに容積を最小とする室（以下「圧縮室」）５
を配管３に連通させて構成する。６はシール部材であ
る。一方、膨張シリンダ２は、所定の周期で往復動する
ピストン（以下「膨張ピストン」）７と、この膨張ピス
トン７に内装された蓄冷器８と、膨張ピストン７が上死
点位置（図示の位置は中間点位置）のときに容積を最小
とする室（以下「膨張室」）９と、膨張室９の室壁を兼
ねるとともに被冷却体１０に接する冷却部１１と、を備
えている。１２〜１４はシール部材である。なお、蓄冷
器８は、両端開放の円筒ケース内に多数の円板状金網を
積層したものである。

【０００４】圧縮室５と膨張室９との間は、配管３、膨
張ピストン７の側面孔７ａ、蓄冷器８の内部、及び、膨
張ピストン７の端面孔７ｂを介して連通しており、これ
ら連通各部に、ヘリウム、水素又は窒素等の冷媒ガスが
充填されている。このような構成の冷凍機は、逆スター
リングサイクル、すなわち、「等温圧縮行程」、「等容
放熱行程」、「等温膨張行程」及び「等容吸熱行程」の
四つの行程からなるサイクルを繰り返して動作する。

【０００５】図６は上記冷凍機のピストン軌跡図であ
る。実線で示すサインカーブＡは膨張ピストン２の往復
動軌跡を示し、一点鎖線で示すサインカーブＢは圧縮ピ
ストン１の往復動軌跡を示している。黒丸（●）は上死
点、黒三角（▲）は中間点、白丸（○）は下死点を表し
ている。この軌跡図から理解されるように、圧縮ピスト
ン１と膨張ピストン２の往復動周期は一致しており、か
つ、圧縮ピストン１の周期が１／４周期（位相角で９０
度）遅れている。

【０００６】以下、各行程の動作を説明すると、（１）等温圧縮行程では、圧縮室５内の冷媒ガスが圧縮
され、この圧縮によって生じた熱は配管３から外部に逃
がされ等温過程となる。（２）等容放熱行程では、圧縮された冷媒ガスがその容
積を変えることなく膨張室９に移送されるが、移送経路
中の蓄冷器８は、前のサイクルの等容吸熱行程で冷却さ
れているため、この蓄冷器８によって熱交換が行われ、
膨張室９には充分に冷やされた冷媒ガスが移送される。（３）等温膨張行程では、膨張室９の容積拡大に伴い、
同室９内の冷媒ガスが周囲の熱（主に冷却部１１の熱）
を奪いながら等温膨張する。（４）等容吸熱行程では、等温膨張した冷媒ガスがその
容積を変えることなく圧縮室５に移送されるが、移送経
路中の蓄冷器８は、前の等容放熱行程で熱を蓄えている
ため、低温の冷媒ガスと高温の蓄冷器８との間で熱交換
が行われ、蓄冷器８は冷やされ、冷媒ガスの温度は上昇
して１サイクルが完了する。

【０００７】このような冷凍機においては、被冷却体１
０を所望の温度に速やかに冷却できることに加え、その
温度を可能な限り一定に保つことが求められる。

【０００８】

【従来の技術】例えば、特開平６−３４２１６号公報に
記載された「冷凍機の膨張シリンダ装置」では、冷却部
（図５の冷却部１１参照）を厚肉状に形成し、その熱容
量を高めることによって冷却部の温度変動を抑えてい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、冷却部
それ自体は冷却負荷であり、その肉厚を厚くしていくと
負荷が増えて冷却性能を損なうから、肉厚の増大には自
ずと限界がある。したがって、従来技術では、冷却部の
温度変動をより高いレベルで安定化するといった点で不
十分であり、ここに解決すべき課題があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

１．構成請求項１記載の発明は、蓄冷器を内装して所定の周期で
往復動する膨張ピストンと、該膨張ピストンの往復動に
呼応して容積を変化する膨張室とを有する冷凍機の膨張
シリンダ装置において、前記膨張室に連通する副室を備
え、該副室は重力方向に窪む凹部を有することを特徴と
する。

【００１１】請求項２記載の発明は、蓄冷器を内装して
所定の周期で往復動する膨張ピストンと、該膨張ピスト
ンの往復動に呼応して容積を変化する膨張室とを有する
冷凍機の膨張シリンダ装置において、前記膨張室に連通
する副室を備え、該副室に、多孔質部材若しくは網状部
材を内装したことを特徴とする。

【００１２】請求項３記載の発明は、蓄冷器を内装して
所定の周期で往復動する膨張ピストンと、該膨張ピスト
ンの往復動に呼応して容積を変化する膨張室とを有する
冷凍機の膨張シリンダ装置において、前記膨張室の壁材
に、多孔質セラミック若しくは多孔体金属を用いたこと
を特徴とする。請求項４記載の発明は、請求項１、２又
は３記載の発明において、沸点の異なる複数の冷媒を混
合して使用することを特徴とする。２．作用請求項１記載の発明では、膨張室内で液化した冷媒ガス
（液化ガス）の一部が副室に残留する。又は、請求項２
記載の発明では、上記液化ガスが多孔質部材若しくは網
状部材に残留する。又は、請求項３記載の発明では、上
記液化ガスが膨張室の壁材（多孔質セラミック若しくは
多孔体金属）に残留する。

【００１３】したがって、いずれの発明でも、残留液化
ガスの低い温度で膨張シリンダ端部（の冷却部）が冷や
されるから、同端部の冷却熱量の変化に伴う温度変動を
効率よく抑えることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。図１は請求項１記載の発明に係る冷凍
機の膨張シリンダ装置の一実施例を示す図である。図１
において、２０は膨張シリンダ（図５の膨張シリンダ２
に相当するもの）である。この膨張シリンダ２０は、シ
リンダ本体２１の内部に、所定の周期（図６のサインカ
ーブＡ参照）で往復動する膨張ピストン２２を実装して
おり、この膨張ピストン２２には、図示を略した蓄冷器
（図５の蓄冷器８参照）が内装されている。

【００１５】膨張ピストン２２とシリンダ本体２１との
間には、膨張ピストン２２の往復動に呼応してその容積
が変化する膨張室２３と、容積が変化しない副室２４と
が画成されており、膨張室２３と副室２４の間は開口部
２５を介して相互に連通している。ここに、開口部２５
は、膨張室２３と副室２４の間の仕切り壁２６から副室
２４の方向に所定量突出した突出壁２７を有しており、
これによって、副室２４の内部に深さＤの凹部２８を形
成している。

【００１６】膨張室２３及び副室２４の壁を兼ねるシリ
ンダ本体２１の端部は、被冷却体２９に接する冷却部３
０として機能する。このような構成を有する本実施例の
膨張ピストン２０は、凹部２８が重力方向に窪むよう
に、図示の状態、すなわち冷却部３０を上にして使用す
る。これによれば、等容放熱行程（図６参照）で膨張室
２３及び副室２４に移送された冷却ガスは、圧力が充分
に高く、しかも臨界温度以下に冷却されているから、凝
縮して液化する。液化した冷媒ガス（以下「液化ガ
ス」）のうち、副室２４の凹部２８に入り込んだ液化ガ
スの一部は、次の行程（等温膨張行程）に入っても蒸発
せず、残留液化ガスとなって残る。

【００１７】したがって、冷却部３０がこの残留液化ガ
スによって冷却され続けるため、冷却部３０の冷却熱量
の変化に伴う温度変動を効率よく抑えることができると
いう特有な効果が得られ、さらに、従来技術（冷却部の
肉厚増大）との併用によって、より一層の温度安定化を
図ることができるという格別な効果が得られる。本実施
例の実施態様は上記の例に限定されない。要は、膨張室
に連通する副室を備えるとともに、その副室に、重力方
向に窪む凹部を設ければよく、例えば、図２のように構
成してもよい。なお、図１と共通する構成要素には同一
の符号を付すとともにその説明を省略する。

【００１８】図２の構成では、冷却部４０の壁厚を利用
し、その壁の内部に副室４１を形成している。４２は副
室４１の内部に、重力方向の窪みを有する凹部４３を形
成するための突出壁である。膨張シリンダ２２とシリン
ダ本体２１の間の空間は、この副室４１とそれ以外の膨
張室４４とに分かれており、この膨張室４４だけが膨張
シリンダ２２の往復動に呼応して容積を変化する。

【００１９】このように構成によっても、副室４１の凹
部４３に液化ガスが残留するから、図１の構成と同様の
効果を得られる。さらに、副室４１と膨張室４４との間
の連通路４５を、シリンダ本体２１の端末ぎりぎりに設
けることができるため、膨張ピストン２２の上死点を上
げて、圧縮比を高めることができるという特有の効果が
得られる。

【００２０】

【００２１】

【００２２】図３は請求項２記載の発明に係る冷凍機の
膨張シリンダ装置の一実施例を示す図であり、副室内に
網状部材を装填した例である。なお、この実施例でも、
図１と共通する構成要素には同一の符号を付すとともに
その説明を省略する。

【００２３】図３において、シリンダ本体２１の先端に
は、被冷却体２９に接する肉厚の冷却部６０が形成され
ており、冷却部６０の内側には、膨張ピストン２２の往
復動に呼応して容積を変化する膨張室６１が画成されて
いる。この膨張室６１は、冷却部６０の壁内に形成され
た副室６２と連通し、副室６２の内部には網状部材６３
（細い金属線又は金属繊維を絡み合わせてひとかたまり
にしたもの。金属に限らない。極低温環境下で弾性や強
度が失われない素材であればよい。）が装填されてい
る。

【００２４】このような構成によっても、液化ガスを網
状部材６２に捕捉でき、図１の構成と同様の効果を得る
ことができる。なお、網状部材６３の代わりに、多孔質
部材を用いてもよい。この種の多孔質部材としては、例
えば、多孔体金属が知られている。図４は請求項３記載
の発明に係る冷凍機の膨張シリンダ装置の一実施例を示
す図であり、膨張室の壁材に工夫を凝らした例である。
なお、この実施例でも、図１と共通する構成要素には同
一の符号を付すとともにその説明を省略する。

【００２５】図４において、シリンダ本体２１の先端に
は、被冷却体２９に接する肉厚の冷却部７０が形成され
ており、冷却部７０の内側には、膨張ピストン２２の往
復動に呼応して容積を変化する膨張室７１が画成されて
いる。冷却部７０は、膨張室７１の壁材を兼ねる主体部
７０ａと、その主体部７０ａの外表面を気密的に覆う金
属コーティング部７０ｂとからなり、主体部７０ａに
は、多孔質セラミック若しくは多孔体金属が用いられて
いる。

【００２６】このような構成において、多孔質セラミッ
クや多孔体金属は、多数の空孔を有する多孔性物質であ
るから、かかる物質で構成された膨張室７１の壁材（冷
却部７０の主体部７０ａ）に液化ガスを捕捉でき、図１
の構成と同様の効果を得ることができる。ところで、以
上の各実施例においては、冷媒ガス（の少なくとも一
部）を確実に液化することが重要である。一般に、気体
から液体への相変化の条件は、主に圧力と温度（臨界温
度）であり、圧力は、冷媒の充填圧力及び圧縮シリンダ
や膨張シリンダの圧縮比でほぼ一義的に決まるから、液
化を確実にするには、適切な臨界温度を持つ単一の冷
媒を選択する、又は、沸点の異なる２種類の冷媒を適
当な割合で混合して適切な臨界温度に調節した混合冷媒
を用いる、のいずれかを採用する必要がある。次表１
は、参考までに示すやの候補冷媒の一覧であるが、
これに限定されない。例えば、Ｈｅ：Ｎ₂＝１８：１の
混合冷媒を用いると、６７Ｋ〜７２Ｋの範囲での温度調
節が容易になる。

【００２７】（温度の単位はＫ：ケルビン）

【００２８】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、膨張室内
で液化した冷媒ガス（液化ガス）の一部が副室に残留
し、又は、請求項２記載の発明によれば、上記液化ガス
が多孔質部材若しくは網状部材に残留し、又は、請求項
３記載の発明によれば、上記液化ガスが膨張室の壁材
（多孔質セラミック若しくは多孔体金属）に残留するか
ら、いずれの発明でも、残留液化ガスの低い温度で膨張
シリンダ端部（の冷却部）を冷却し続けることができ、
同端部の冷却熱量の変化に伴う温度変動を効率よく抑え
ることができる、という従来技術にはない有利な効果を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の一実施例の要部断面図で
ある。

【図２】請求項１記載の発明の他の実施例の要部断面図
である。

【図３】請求項２記載の発明の一実施例の要部断面図で
ある。

【図４】請求項３記載の発明の一実施例の要部断面図で
ある。

【図５】逆スターリングサイクル冷凍機の模式図であ
る。

【図６】逆スターリングサイクル冷凍機のピストン軌跡
図である。

【符号の説明】

８：蓄冷器２２：膨張ピストン２３：膨張室２４：副室２８：凹部４４：膨張室４１：副室４３：凹部６１：膨張室６２：副室６３：網状部材７１：膨張室７０ａ：主体部（壁材）

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】蓄冷器を内装して所定の周期で往復動する
膨張ピストンと、該膨張ピストンの往復動に呼応して容
積を変化する膨張室とを有する冷凍機の膨張シリンダ装
置において、前記膨張室に連通する副室を備え、該副室
は重力方向に窪む凹部を有することを特徴とする冷凍機
の膨張シリンダ装置。
【請求項２】蓄冷器を内装して所定の周期で往復動する
膨張ピストンと、該膨張ピストンの往復動に呼応して容
積を変化する膨張室とを有する冷凍機の膨張シリンダ装
置において、前記膨張室に連通する副室を備え、該副室
に、多孔質部材若しくは網状部材を内装したことを特徴
とする冷凍機の膨張シリンダ装置。
【請求項３】蓄冷器を内装して所定の周期で往復動する
膨張ピストンと、該膨張ピストンの往復動に呼応して容
積を変化する膨張室とを有する冷凍機の膨張シリンダ装
置において、前記膨張室の壁材に、多孔質セラミック若
しくは多孔体金属を用いたことを特徴とする冷凍機の膨
張シリンダ装置。
【請求項４】沸点の異なる複数の冷媒を混合して使用す
ることを特徴とする請求項１、２又は３記載の冷凍機の
膨張シリンダ装置。