JP2734634B2 - 蓄冷器内蔵の往復動型冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、蓄冷器内蔵の往復動冷凍機に関し、例えば
スターリングサイクル冷凍機，ヴイルマイヤ冷凍機，ギ
フオードマクマフオンサイクル冷凍機等の蓄冷器内蔵の
閉サイクル冷凍機に利用される。

（従来の技術） 従来、この種の冷凍機として、次のような構成からな
るものが一般的に知られている。

第１シリンダ内にクランク機構により往復動される圧
縮ピストンが複数個のピストンリングを介して気密的に
往復摺動可能に嵌挿されると共に、第２シリンダ内にク
ランク機構により圧縮ピストンと所定の位相角（圧縮ピ
ストンに対し90°程進んでいる）往復動される膨張ピス
トンが複数個のピストンリングを介して気密的に往復摺
動可能に嵌挿され、第１シリンダ内に圧縮ピストンによ
り形成される圧縮空間と第２シリンダ内に膨張ピストン
により形成される膨張空間とが放熱器及び膨張ピストン
に内蔵された蓄冷器を介して連通されている。これによ
り両空間から成る作動空間内に封入されている作動ガス
が、圧縮ピストンにより圧縮空間内で圧縮され高温とな
つた後、放熱器及び蓄冷器で冷却されて膨張空間内で膨
張され、膨張空間に隣設されたコールドヘツドに冷凍を
発生させる。

（発明が解決しようとする課題） 上記した従来の冷凍機においては、圧縮ピストンの往
復動により圧縮空間で作動ガスが圧縮されるが、この
時、ピストンリングは第１シリンダの内周面上を摺動し
摩擦を生じる。この種の冷凍機においては、作動空間内
の作動ガス内に油脂分が混入すると冷凍性能が低下する
ため、ピストンリングと第１シリンダ間に油脂性の潤滑
剤等により潤滑を施すことは不可能である。そのため、
上記した従来の冷凍機においては、摩擦によるピストン
リングの摩耗は避けられず（特に樹脂材等から成るピス
トンリングでは摩耗が著しい）、ピストンリングの耐久
性が低いという問題があつた。更にこのピストンリング
の摩耗により、ピストンリングと第１シリンダ間の間隙
を通つて圧縮空間からクランクケース内への作動ガスの
洩れが増長されて、作動ガスの圧縮比を低下させ冷凍性
能が低下するばかりでなく、逆にクランクケース内の油
脂分が同間隙を通つて圧縮空間内へ流入することをも増
長し、作動ガスが汚染されて冷凍性能が低下するという
問題もあつた。

そこで本発明は、当該蓄冷機内蔵の往復動型冷凍機に
おいて、簡単な構成により作動ガスの汚染及び洩れを防
止して、冷凍性能の長期安定性を向上させることを、そ
の技術的課題をする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記した技術的課題を解決するために講じた手段は、
当該蓄冷機内蔵の往復動型冷凍機を第１シリンダ内に挿
通され駆動機構により前記第１シリンダ内を往復動する
ロツドと、第２シリンダ内に気密的に嵌挿され且つ前記
駆動機構により前記ロッドに対して所定の位相差を有し
て前記第２シリンダ内を往復動するとともに前記第２シ
リンダ内に膨張空間を区画形成する膨張ピストンと、該
膨張ピストンに内蔵されてその一端が前記膨張空間に連
通する蓄冷器と、前記ロツドの外周にその内周縁部が気
密的に固定されると共にその外周縁部が前記第１シリン
ダに気密的に固定されて、前記第１シリンダ内に前記蓄
冷器の他端に放熱器を介して連通される圧縮空間を区画
形成する可撓性膜とを備えてなる構成とすることであ
る。

前記膨張ピストンと前記第２シリンダ間には内周縁部
を前記膨張ピストンに気密的に固定され外周縁部を前記
第２シリンダに気密的に固定された可撓性膜が張架され
ていても良い。

また、前記第１シリンダは180°対向した少なくとも
２つのシリンダ部を備えていると共に、前記ロツドは前
記各シリンダ部に前記駆動機構により夫々同位相で往復
動するように挿通されていても良い。

（作用） 駆動機構により、ロツドが往復動により可撓性膜が変
形し、圧縮空間容積が縮小し圧縮空間内で作動ガスが圧
縮される。圧縮により高温となつた作動ガスは、放熱器
内で冷却された後、蓄冷器の他端に導かれ、前記駆動機
構により動作する膨張ピストンの往復動により、蓄冷器
を経て更に冷却されて膨張空間へ導入される。膨張空間
内へ導入された作動ガスは、膨張されて冷凍を発生す
る。ここで、作動ガスを圧縮する圧縮空間での可動部
は、可撓性膜の変形だけで摺動部分がないため、摩耗に
よる安定した冷凍性能の維持の妨げが防止される。更に
可撓性膜により圧縮空間は気密的に密閉空間とされるた
め、圧縮空間からの作動ガスの洩れ及び圧縮空間への油
脂分等の浸入を防止することができ、安定した冷凍性能
を長期間にわたり維持することができる。

（実施例） 以下、本発明に従つた蓄冷器内蔵の往復動型冷凍機の
実施例を説明する。

第１図は、本発明をデイスプレーサ型式のスターリン
グサイクル冷凍機に実施した例を示し、第１図におい
て、10はクランクケース10a内に回動するように配設さ
れているクランクシヤフト、11はクランクシヤフト10に
一端を連結されて他端がクランクケース10aに固設され
た第１シリンダ12内に延在するコネクテイングロツド、
13は一端をコネクテイングロツド11の他端に連結された
ガイドピストンで、該ガイドピストン13はクランクシヤ
フト10の回転により第１シリンダ12内を往復摺動する。
ガイドピストン13の他端には、ロツド部13aが形成され
ており、また第１シリンダ12の開口に形成されたフラン
ジ部12aにはシリンダヘツド14が固設されていて、第１
シリンダ12の開口を閉塞している。

ガイドピストン13と第１シリンダ12との間には、その
内周縁部がロツド部13aの外周部に形成された環状溝13b
に気密的に嵌着されると共にその外周縁部がフランジ部
12aとシリンダヘツド14の接合部にて気密的に挟着され
た本発明の可撓性膜としての弾性部材から成るダイアフ
ラム15が張架されている。これにより、シリンダヘツド
14とダイアフラム15間に密閉空間である圧縮空間16が形
成されている。

またクランクシヤフト10には、コネクテイングロツド
17の一端が連結されていて、該コネクテイングロツド17
の他端にはクランクケース10aに固設された第２シリン
ダ18内にピストンリング19及び20を介して気密的に摺動
可能に嵌挿された膨張ピストン21が連結されている。コ
ネクテイングロツド17はコネクテイングロツド11に対
し、90°程度進んだ位相角で第２シリンダ18内を往復動
するようになつている。第２シリンダ18の開口には、該
開口を閉塞するコールドヘツド22が固設されていて、こ
れにより第２シリンダ18内に膨張ピストン21により圧縮
空間16に対し90°程度進んだ位相角で容積変化をする膨
張空間23が形成されている。

膨張ピストン21には、一端が膨張空間23に連通される
と共に他端がピストンリング19及び20により膨張ピスト
ン21と第２シリンダ18との間に形成される空間24に連通
される蓄冷器25が内蔵されている。空間24は、導管26,
放熱器27及び導管28を介して圧縮空間16に連通されてお
り、これにより圧縮空間16と膨張空間23間に作動ガス
（ヘリウム等）が封入される作動空間が形成されてい
る。

以上の構成から成る本実施例の作用を説明する。

図示しない駆動源によりクランクシヤフト10が回転す
ると、コネクテイングロツド11及びガイドピストン13を
介してダイアフラム15が往復動され、圧縮空間16内にて
作動ガスが圧縮される。この圧縮により高温となつた作
動ガスは、導管28を経て放熱器27内で冷却され、導管26
を介して空間24へ導入される。空間24へ導入された作動
ガスは、膨張ピストン18がクランクシヤフト10によつて
コネクテイングロツド17を介してダイアフラム15に対し
90°程度進んだ位相角で往復動されることにより、蓄冷
器25内へ導入される。蓄冷器25内で作動ガスは更に冷却
された後、膨張空間23内へ入り、膨張空間23内で膨張し
て冷凍を発生させ、コールドヘツド22にて冷凍を取り出
す。

ここで、作動ガスを圧縮する圧縮空間16での可動部
は、ダイアフラム15の変形だけで摺動部分がないため、
摩耗による安定した冷凍性能の維持の妨げが防止され
る。更にダイアフラム15により圧縮空間16は気密的に密
閉空間とされるため、圧縮空間16からのクランク室10b
内への作動ガスの洩れ及びクランク室10bから圧縮空間1
6への油脂分等の浸入を防止することができ、安定した
冷凍性能を長期間にわたり維持することができる。

第２図〜第３図は、第１図の実施例の変形例を示す。

第２図においては、第２シリンダがガイド部118aとシ
リンダ部118bとに分割されており、各フランジ部118c,1
18dにて接合されている。またコネクテイングロツド117
に連結されてガイド部118a内を往復動するガイドピスト
ン30が設けられており、該ガイドピストン30はロツド32
を介して膨張ピストン121に連結されている。

ロツド32とガイド部118aとの間には内周縁部をロツド
32の外周の環状溝に気密的に嵌着されると共に外周縁部
を各フランジ部118c,118dの接合部に気密的に挟持され
たダイアフラム33が張架されている。尚、このダイアフ
ラム33とピストンリング119の間には導管126,放熱機127
及び導管128を介して圧縮空間116に連通されると共に蓄
冷器125の他端に連通する空間124が形成されている。

この変形例においては、第１図に示す実施例における
ピストンリング20が不要となり、ピストンリング20の摩
耗による安定した冷凍性能の維持の妨げが防止される。
更にダイアフラム33により空間124からのクランク室110
b内への作動ガスの洩れ及びクランク室110bから空間124
への油脂分等の浸入を防止することができ、安定した冷
凍性能を更に一層長期間にわたり維持することができ
る。尚、この変形例において、その他の構成は第１図の
実施例と同じであるため、同じ構成に第１図で付した番
号符号に100を加えた番号符号を付し、その説明は省略
する。

第３図は、第２図に示す変形例において、圧縮空間を
２つにした例を示す。

第３図において、クランクケース210aには２つの第１
シリンダ212A,212Bが180°対向して固設されており、各
第１シリンダ212A,212B内にはクランクシヤフト210によ
り同位相で往復動さる夫々コネクテイングロツド211a,2
11b及びガイドピストン213A,213Bが収容されている。各
第１シリンダ212A,212Bの開口には、各開口を閉塞する
各シリンダヘツド214a,214bが各フランジ部212a1,212a2
に固設されている。各第１シリンダ212A,212Bと各ロツ
ド部213a1,213a2との間には内周縁部が各ロツド部213a
1,213a2の外周部に形成された各環状溝213b1,213b2に気
密的に嵌着されると共にその外周縁部が各フランジ部21
2a1,212a2と各シリンダヘツド214a,214bの接合部にて気
密的に挟着された同一形状のダイアフラム215a,215bが
夫々張架されている。これにより、クランクシヤフト21
0により同位相で容積変化する２つの圧縮空間216a,216b
が180°対向して形成される。尚、各圧縮空間216a,216b
は夫々導管228a,228b,放熱器227a,227b及び導管226a,22
6bを介して空間224に連通されている。

この変形例においては、同位相で容積変化する２つの
圧縮空間216a,216bが180°対向して形成されているた
め、負荷変動と質量移動に対するバランスが良く、それ
により機械振動が低減でき各ダイアフラム215a,215bの
取付部での機械振動に対するシール性の低下を防止でき
る。尚、この変形例において、その他の構成は第２図の
実施例と同じであるため、同じ構成に第２図で付した番
号符号に100を加えた番号符号を付し、その説明は上述
した第１図の実施例及び第２図の変形例の説明から容易
に理解できると思われるため省略する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、作動ガスを圧
縮する圧縮空間での可動部は、可撓性膜の変形だけで摺
動部分がないため、摩耗による安定した冷凍性能の維持
の妨げが防止されると共に摺動摩擦による機械損失が低
減できるため、駆動源の小型化が図ることができ当該冷
凍機の小型化を図ることができる。

更に可撓性膜により圧縮空間は気密的に密閉空間とさ
れるため、圧縮空間からの作動ガスの洩れ及び圧縮空間
への油脂分等の浸入を防止することができ、安定した冷
凍性能を長期間にわたり維持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従つた蓄冷器内蔵の往復型冷凍機の一
実施例を示す断面図、第２図及び第３図は第１図に示す
実施例の変形例を示す断面図である。 12,42……第１シリンダ、13,43……ガイドピストン、13
a,43a……ロツド部、14,44……シリンダヘツド、15,45
……ダイアフラム（可撓性膜）、16,46……圧縮空間、1
8,47……第２シリンダ、21,48……膨張ピストン、23,51
……膨張空間、25,52……蓄冷器、27,56……放熱器。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１シリンダ内に挿通され駆動機構により
   前記第１シリンダ内を往復動するロッドと、第２シリン
   ダ内に気密的に嵌挿され且つ前記駆動機構により前記ロ
   ッドに対して所定の位相差を有して前記第２シリンダ内
   を往復動するとともに前記第２シリンダ内に膨張空間を
   区画形成する膨張ピストンと、該膨張ピストンに内蔵さ
   れてその一端が前記膨張空間に連通する蓄冷器と、前記
   ロッドの外周にその内周縁部が気密的に固定されると共
   にその外周縁部が前記第１シリンダに気密的に固定され
   て、前記第１シリンダ内に前記蓄冷器の他端に放熱器を
   介して連通される圧縮空間を区画形成する可撓性膜とを
   備えてなる蓄冷器内蔵の往復動型冷凍機。
2. 【請求項２】前記膨張ピストンと前記第２シリンダ間に
   は内周縁部を前記膨張ピストンに気密的に固定され外周
   縁部を前記第２シリンダに気密的に固定された可撓性膜
   が張架されていることを特徴とする請求項（１）記載の
   蓄冷器内蔵の往復動型冷凍機。
3. 【請求項３】前記第１シリンダは180°対向した少なく
   とも２つのシリンダ部を備えていると共に、前記ロッド
   は前記各シリンダ部に前記駆動機構により夫々同位相で
   往復同するように挿通されていることを特徴とする請求
   項（１）及び（２）に記載の蓄冷器内蔵の往復動型冷凍
   機。