JP2910438B2 - 蓄冷型冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は蓄冷器を備えた蓄冷型
冷凍機の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１３は例えば特公昭４６ー３０４３３
号公報に示された従来の蓄冷型冷凍機を示す断面図であ
り、図において、１は駆動ヘッド、２は駆動ヘッド１に
取り付けられたシリンダ、３は操作棒４を介し駆動ヘッ
ド１によって駆動されシリンダ２内を往復運動する可動
部材で、この可動部材３の内部には熱を貯蔵する銅のメ
ッシュまたは鉛玉などからなる蓄冷器５が配設されてい
る。また、可動部材３の上端部および下端部には上記蓄
冷器５に通じるガス通路３ａ、３ｂが設けられている。
６、７はシリンダ２と可動部材３とにより囲まれ可動部
材３の上方と下方にそれぞれ形成された第１と第２の閉
鎖室、８は第１の閉鎖室６と第２の閉鎖室７とを隔離す
るシールで、可動部材３の上端部に取り付けられシリン
ダ２の内周面に接し可動部材３と共に移動する。９はシ
リンダ２の内面と可動部材３の外周面との間隙、１０は
伝熱部、１１は上記２〜１０で構成された膨張機ユニッ
ト、１２および１３はガス管である。

【０００３】次に動作について説明する。圧縮機（図示
せず）で圧縮され吐出されたヘリュウム等の高圧のガス
１５はガス管１２からシリンダ２の第１の閉鎖室６に流
入し、ガス通路３ａを通り蓄冷器５内に導入され、ここ
で前回のサイクルで蓄冷器５内に蓄えられていた冷熱に
よって冷却される。この冷却されたガスはガス通路３ｂ
を通り第２の閉鎖室７に流入する。このときシール８が
存在するため、間隙９内には僅かしかガスは流入しな
い。第２の閉鎖室７に流入したガスはここで膨張し冷熱
を発生し伝熱部１０を介し被冷却物（図示せず）を冷却
する。第２の閉鎖室７で膨張し低圧となったガスの一部
は間隙９内に残り、他は第２の閉鎖室７内への可動部材
３の移動によって再びガス通路３ｂを通り蓄冷器５を逆
方向に通過し、通過時に蓄冷器５と熱交換し蓄冷器５を
冷却する。この熱交換により加熱されたガスはガス通路
３ａを通り第１の閉鎖室６に達し、排気ガス１４となっ
てガス管１３から上記圧縮器に導入され、再び圧縮器で
圧縮される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の蓄熱型冷凍機は
以上のように構成されているので、間隙９内に残ったガ
スは自由に動けるため、重力の影響を受け対流が起こり
易く、例えば蓄冷型冷凍機を重力の方向に対し図１４の
ような角度で取り付けると、間隙９内のガスの内、温度
の低い密度の大きいガスはシリンダ側面の下側に移動
し、シリンダ側面の下側の方が、上側よりも温度が低く
なる。また、図１５のような角度で取り付けると、間隙
９内のガスの内、温度の低い密度の大きいガスはシリン
ダの下方に移動する。このため、図１４や図１５のよう
な角度で取り付けると、図１３のような角度で取り付け
た場合に比べて間隙９内のガスの対流による熱損失が増
え、冷凍性能が劣化する等の問題点があった。

【０００５】この発明はこのような問題点を解消するた
めなされたもので、蓄冷型冷凍機を重力の方向に対して
どのような方向に取り付けても、その取付角度に依存せ
ず、良好な冷凍性能を得ることができる蓄冷型冷凍機を
提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる蓄冷型
冷凍機はシリンダの内面と可動部材の外周面との間隙の
大きさｄを、シリンダの内径Ｄに対して、１／１０００
≦ｄ／Ｄ≦１／６００としたものである。 また、１／１
０００≦ｄ／Ｄ≦１／６００とすると共に可動部材の一
部をシリンダ形成部材とほぼ同熱膨張率の部材で形成し
たものである。また、可動部本体と、熱の不良導体から
なり可動部本体の両端に設けた密封用部材とで可動部材
を構成したものである。また、１／１０００≦ｄ／Ｄ≦
１／６００とすると共にシリンダの形成部材と熱膨張率
がほぼ同じで、かつ、肉厚が同程度以下の部材で可動部
材の一部を形成したものである。

【０００７】

【作用】この発明においては、間隙の大きさｄの設定に
より、間隙内のガスの重力による対流の影響が小さくな
る。

【０００８】

【実施例】実施例１． 図１はこの発明の実施例１である蓄冷型冷凍機の断面図
を示し、図１において、図１３と異なるところは、可動
部材３の外周面とシリンダ２の内周面との間隙９の大き
さｄを、シリンダ２の内径Ｄに対し、１／１０００≦ｄ
／Ｄ≦１／６００とした点である。

【０００９】次に動作について説明する。圧縮機（図示
せず）で圧縮されたヘリュウム等の高圧のガスは吸気バ
ルブ（図示せず）が開いているとき、ここを通り第１の
閉鎖室６に流入する。そしてガス通路３ａを通り蓄冷器
５内に導入され、ここで前回のサイクルで蓄冷器５内に
蓄えられた冷熱によって冷却される。この冷却されたガ
スはガス通路３ｂを通り第２の閉鎖室７に導入され、こ
こで膨張し冷熱を発生し、被冷却物（図示せず）を冷却
する。第２の閉鎖室７で膨張し低圧となったガスの一部
は間隙９内に残り、他は可動部材３の第２の閉鎖室７内
への移動によって再びガス通路３ｂを通り蓄冷器５を逆
方向に通過し、通過時に蓄冷器５と熱交換し蓄冷器５を
冷却する。この熱交換により加熱されたガスはガス通路
３ａを通り第１の閉鎖室６に達し排気バルブ（図示せ
ず）が開かれ排気ガスとなってガス管１３から圧縮器に
導入され、再び圧縮器で圧縮される。

【００１０】次に可動部材３の外周面とシリンダ２の内
周面との間隙９内におけるガスの対流について説明す
る。今、図１のような角度で蓄冷型冷凍機を取り付けた
場合を角度９０゜、図１４の場合を角度０゜、図１５の
場合を角度−９０゜とよぶことにする。図２は取付角度
を９０゜から−９０゜に変化させた場合の蓄冷型冷凍機
の到達温度（膨張空間である第２の閉鎖室７の温度）を
測定したもので、ｄ／Ｄ＝１／８０のときは、取付角度
により上記到達温度が大きく変わり、取付角度９０゜の
時に比べて取付角度０゜や取付角度−９０゜の時には到
達温度がかなり上昇する。これは角度９０゜で蓄冷型冷
凍機を取り付けたときに比べ、角度０゜や角度−９０゜
で取り付けたときの方が、間隙９内のガスが重力によっ
て対流を起こし易くなり、この対流で熱損失が増大する
からである。これに対し、ｄ／Ｄ＝１／６００の時には
到達温度は取付角度にほとんど依存していない。これは
ｄ／Ｄと、取付角度を９０゜から−９０゜に変えたとき
の上昇温度との関係の実験データを示す図１３からも明
らかなように、ｄ／Ｄが１／１００を越えると温度上昇
が急激に増加し、１／１００以下では温度上昇はそれほ
ど変わらない。しかしｄ／Ｄを１／１０００以下にする
とシャトルロスが急激に増加し、シャトルロスにより到
達温度が上昇するが、１／１０００≦ｄ／Ｄ≦１／６０
０としているので、シャトルロスの影響もあまりなく、
取付角度にもほとんど依存されず良好な冷凍性能が得ら
れる。

【００１１】実施例２． 図４はこの発明の他の実施例２である蓄冷型冷凍機の断
面図を示し、図４において、図１と異なるところは、膨
張機ユニット１１を２段にし、第１段目の可動部材３の
外周面とシリンダ２の内周面との間隙９ー１の大きさｄ
₁をシリンダ２の内径Ｄ₁に対し、１／１０００≦ｄ₁／
Ｄ₁≦１／６００とし、２段目の可動部材２２の外周面
とシリンダ２０の内周面との間隙９ー２の大きさｄ₂を
シリンダ２０の内径Ｄ₂に対し、１／１０００≦ｄ₂／Ｄ
₂≦１／６００とした点であり、上記実施例と同様の作
用効果が得られる。なお、動作については前述の実施例
と同様故その説明を省略する。

【００１２】実施例３． 図５はこの発明の他の実施例３である蓄冷型冷凍機の断
面図を示し、図５において、図１と異なるところは、膨
張機ユニット１１を３段にし、第１段目の可動部材３の
外周面とシリンダ２の内周面との間隙９ー１の大きさｄ
₁を、シリンダ２の内径Ｄ₁に対し、１／１０００≦ｄ₁
／Ｄ₁≦１／６００とし、２段目の可動部材２２の外周
面とシリンダ２０の内周面との間隙９ー２の大きさｄ₂
を、シリンダ２０の内径Ｄ₂に対し、１／１０００≦ｄ₂
／Ｄ₂≦１／６００とし、３段目の可動部材２８の外周
面とシリンダ２６の内周面との間隙９ー３の大きさｄ₃
を、シリンダ２６の内径Ｄ₃に対し、１／１０００≦ｄ₃
／Ｄ₃≦１／６００とした点であり、上記実施例と同様
の作用効果が得られる。なお、動作については前述の実
施例と同様であるので、その説明を省略する。

【００１３】実施例４． 図６はこの発明の他の実施例４である蓄冷型冷凍機の断
面図を示し、図１と異なるところは、可動部材３を、シ
リンダ２を形成しているステンレス鋼と同材で形成され
た筒状の可動部材本体３６と、外径が可動部材本体３６
の外径よりも大きく、下端部には可動部材本体３６の上
部と気密に係合する凸部３７ａを有し、熱の不良導体で
あるフェノール樹脂等の絶縁材で形成された円柱状の第
１の密封用部材３７と、外径が可動部材本体３６の外径
とほぼ等しく上端部に可動部材本体３６の下端部と気密
に係合する凸部３８ａを有し、かつ、外周面には外径が
可動部材本体３６の外径よりも大きい環状の凸部３８ｂ
を有し、上記フェノール樹脂等の絶縁材で形成された円
柱状の第２の密封用部材３８とで構成すると共に、密封
用部材３７の外周面に環状の溝３７ｂを形成し、例え
ば、ニトリルゴムの外周部にポリテトラフルオルエチレ
ンを配したキャップシール８を溝３７ｂに設け第１と第
２の閉鎖室６、７を隔離し、第１と第２の密封用部材３
７、３８に蓄冷器５に通じるガス通路３７ｃ、３８ｃを
それぞれ形成した点である。可動部材本体３６およびシ
リンダ２を形成するステンレス鋼は吸水作用がないの
で、製作時等における吸水による寸法変化がなく、ま
た、動作時において温度の低下など温度が変化しても可
動部材本体３６とシリンダ２の熱膨張率が同じであるの
で、隙間９の大きさｄ１は変化せず、シリンダ２の内径
Ｄ１に対し、１／１０００≦ｄ１／Ｄ１≦１／６００の
関係は保たれ熱損失がより低減され、より良好な冷凍性
能が得られる。なお、動作に付いては前述の実施例と同
様であるのでその説明を省略する。

【００１４】実施例５． 図７はこの発明の他の実施例５である蓄冷型冷凍機の断
面図を示し、図４と異なるところは、２段目の可動部材
２２を、シリンダ２０を形成しているステンレス鋼と同
材で形成された筒状の可動部材本体３９と、１段目の可
動部材３の下端部に一体に形成され外径が可動部材本体
３９の外径よりも大きく、下端部には可動部材本体３９
の上部と気密に係合する凸部４０ａを有し、熱の不良導
体であるフェノール樹脂等の絶縁材で形成された円柱状
の第１の密封用部材４０と、外径が可動部材本体３９の
外径とほぼ等しく上端部に可動部材本体３９の下端部と
気密に係合する凸部４１ａを有し、かつ、外周面には外
径が可動部材本体３９の外径よりも大きい環状の凸部４
１ｂを有し、上記フェノール樹脂等の絶縁材で形成され
た円柱状の第２の密封用部材４１とで構成すると共に、
密封用部材４０の外周面に環状の溝４０ｂを形成し、例
えば、ガラスが混入されたポリテトラフルオルエチレン
で形成されたピストンリング２４を溝４０ｂに設け第２
と第３の閉鎖室７、２３を隔離し、第１と第２の密封用
部材４０、４１に蓄冷器２１に通じるガス通路４０ｃ、
４１ｃをそれぞれ形成した点である。よって、前述の実
施例と同様に可動部材本体３９およびシリンダ２０は吸
水による寸法変化がなく、また、温度が変化しても熱膨
張率が同じであるので、隙間９ー２の大きさｄ２は変化
せず、シリンダ２０の内径Ｄ２に対し、１／１０００≦
ｄ２／Ｄ２≦１／６００の関係は保たれ熱損失が、より
低減され、より良好な冷凍性能が得られる。なお、動作
に付いては上記実施例と同様であるのでその説明を省略
する。

【００１５】実施例６． 図８はこの発明の他の実施例６である蓄冷型冷凍機の断
面図を示し、図５と異なるところは、３段目の可動部材
２８を、シリンダ２６を形成しているステンレス鋼と同
材で形成された筒状の可動部材本体４２と、２段目の可
動部材２２の下端部に一体に形成され外径が可動部材本
体４２の外径よりも大きく、下端部には可動部材本体４
２の上部と気密に係合する凸部４３ａを有し、熱の不良
導体であるフェノール樹脂等の絶縁材で形成された円柱
状の第１の密封用部材４３と、外径が可動部材本体４２
の外径とほぼ等しく上端部に可動部材本体４２の下端部
と気密に係合する凸部４４ａを有し、かつ、外周面には
外径が可動部材本体４２の外径よりも大きい環状の凸部
４４ｂを有し、上記フェノール樹脂等の絶縁材で形成さ
れた円柱状の第２の密封用部材４４とで構成すると共
に、密封用部材４３の外周面に環状の溝４３ｂを形成
し、例えば、ガラスが混入されたポリテトラフルオルエ
チレンで形成されたピストンリング３１を溝４３ｂに設
け第３と第４の閉鎖室２３、３０を隔離し、第１と第２
の密封用部材４３、４４に蓄冷器２７に通じるガス通路
４３ｃ、４４ｃをそれぞれ形成した点である。よって、
前述の実施例と同様に可動部材本体４２およびシリンダ
２６は吸水による寸法変化がなく、また、温度が変化し
ても熱膨張率が同じであるので、隙間９ー３の大きさｄ
３は変化せず、シリンダ２６の内径Ｄ３に対し、１／１
０００≦ｄ３／Ｄ３≦１／６００の関係は保たれ熱損失
が、より低減され、より良好な冷凍性能が得られる。な
お、動作に付いては上記実施例と同様であるのでその説
明を省略する。

【００１６】実施例７． なお、上記実施例５においては、２段目の可動部材２２
をシリンダ２０と同材のステンレス鋼で形成した可動部
材本体３９と、第１と第２の密封用部材４０、４１とで
構成したものを示したが、１段目の可動部材３も２段目
の可動部材２２と同様に可動部材本体と第１と第２の密
封用部材とで構成しても良く、この場合、より良好な冷
凍性能が得られる。

【００１７】実施例８． また、上記実施例６においては、３段目の可動部材２８
をシリンダ２６と同材のステンレス鋼で形成した可動部
材本体４２と、第１と第２の密封用部材４３、４４とで
構成したものを示したが、第２段目の可動部材２２も、
あるいは、第１段目と第２段目の可動部材３、２２も第
３段目の可動部材２８と同様に可動部材本体と第１と第
２の密封用部材とで構成しても良く、この場合、より良
好な冷凍性能が得られる。

【００１８】実施例９． また、上記実施例４〜８においては、可動部材本体をス
テンレス鋼で形成したものを示したが、これに限らず、
可動部材本体とシリンダとを同熱膨張率の材料で形成す
れば良く、例えば、可動部材本体とシリンダとをリン青
銅で形成しても良く、前述の実施例と同様の効果が得ら
れる。

【００１９】実施例１０． また、上記実施例４〜９においては、可動部材本体とシ
リンダとを同熱膨張率の材料で形成し、上記可動部材本
体の両端に気密に接合する第１と第２の密封用部材を絶
縁材で形成したものを示したが、上記第１と第２の密封
用部材も上記可動部材およびシリンダと同材で形成、例
えば、ステンレス鋼やりん青銅などで形成し、上記可動
部材本体のシリンダとの対向面にポリイミドやポリテト
ラフルオルエチレン（ＰＴＦＥ）をコーティングしても
良く、前述の実施例と同様の効果が得られる。

【００２０】実施例１１． また、可動部材本体と第１と第２の密封用部材とをステ
ンレス鋼やりん青銅などで一体に形成しても良く、前述
の実施例と同様の効果が得られる。

【００２１】実施例１２． 図９はこの発明の他の実施例１２による蓄冷型冷凍機の
断面図を示し、図９において、図６と異なるところは、
可動部材本体３６の厚みｔ₁をシリンダ２の厚みＳ₁と同
程度以下にした点であり、可動部材本体３６への熱侵入
量がシリンダ２と同程度以下に抑えられ、可動部材３の
一部をステンレス鋼で構成したことにより熱侵入量が大
幅に増大することなく、より良好な冷凍性能が得られ
る。

【００２２】実施例１３． 図１０はこの発明の他の実施例１３による蓄冷型冷凍機
の断面図を示し、図１０において、図７と異なるところ
は、可動部材本体３９の厚みｔ₂をシリンダ２２の厚み
Ｓ₂と同程度以下にした点であり、上記実施例１２と同
様の効果が得られる。

【００２３】実施例１４． 図１１はこの発明の他の実施例１４による蓄冷型冷凍機
の断面図を示し、図１１において、図８と異なるところ
は、可動部材本体４２の厚みｔ₃をシリンダ２６の厚み
Ｓ₃と同程度以下にした点であり、上記実施例１２と同
様の効果が得られる。

【００２４】実施例１５． 図１２はこの発明の他の実施例１５による蓄冷型冷凍機
の断面図を示し、図１２において、図１０と異なるとこ
ろは、シリンダ２０を形成しているステンレス鋼と同材
で形成された筒状の可動部材本体４５の上端外周面部に
環状の溝４５ａを形成し、この溝４５ａに例えば、ガラ
スが混入されたポリテトラフルオルエチレンで形成され
たピストンリング２４を設け、第２の閉鎖室７と第３の
閉鎖室２３とを隔離すると共に、熱の不良導体であるフ
ェノール樹脂等の絶縁材で形成された外径が可動部材本
体４５の外径よりも大きい円柱状の第１の密封用部材４
６の下端部に形成された凸部４６ａを可動部材本体４５
の上部と気密に係合した点であり、可動部材本体４５を
形成するステンレス鋼は吸水作用がなく、よって、製作
時等における吸水による寸法変化がなく、また、動作時
において温度の低下など温度が変化しても可動部材本体
４５とシリンダ２０の熱膨張率が同じであるので、溝４
５ａの低面とシリンダ２０の内周面間の距離は変化せず
高い寸法精度が得られ、弾性の少ないピストンリング２
４であってもガスの漏洩なく第２と第３の閉鎖室７、２
３が隔離され、より冷凍性能が向上する。

【００２５】なお、以上においては、この発明を蓄冷型
冷凍機の一種である蓄冷器を可動部材の内部に配設され
たギフォード、マクマホンサイクル冷凍機（ＧＭ冷凍
機）に適用した実施例について説明したが、これに限ら
ず、例えば、蓄冷器を可動部材の内部でなく外部に配設
したＧＭ冷凍機や、スターリング冷凍機、ビルマイヤー
冷凍機、ソルベイ冷凍機などの蓄冷型冷凍機にも同様に
適用することができ上記実施例と同様の作用効果が期待
できる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば可動部
材の外周面とシリンダとの内周面との間隙の大きさｄ
を、シリンダの内径Ｄに対し、１／１０００≦ｄ／Ｄ≦
１／６００とすることにより上記間隙内におけるガスの
対流を防止しているので、シャトルロスを増加すること
なく、冷凍機の取付角度に依存せずガスの対流による熱
損失が低減され良好な冷凍性能が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施例１による蓄冷型冷凍機を示
す断面図である。

【図２】 蓄冷型冷凍機の取付角度と到達温度との関係
の実験データを示す図である。

【図３】 蓄冷型冷凍機のｄ（間隙の大きさ）／Ｄ（シ
リンダの内径）と取付角度を９０゜から−９０゜に変え
たときの上昇温度との関係の実験データを示す図であ
る。

【図４】 この発明の他の実施例２による蓄冷型冷凍機
を示す断面図である。

【図５】 この発明の他の実施例３による蓄冷型冷凍機
を示す断面図である。

【図６】 この発明の他の実施例４による蓄冷型冷凍機
を示す断面図である。

【図７】 この発明の他の実施例５による蓄冷型冷凍機
を示す断面図である。

【図８】 この発明の他の実施例６による蓄冷型冷凍機
を示す断面図である。

【図９】 この発明の他の実施例１２による蓄冷型冷凍
機を示す断面図である。

【図１０】 この発明の他の実施例１３による蓄冷型冷
凍機を示す断面図である。

【図１１】 この発明の他の実施例１４による蓄冷型冷
凍機を示す断面図である。

【図１２】 この発明の他の実施例１５による蓄冷型冷
凍機を示す断面図である。

【図１３】 従来の蓄冷型冷凍機を示す断面図である。

【図１４】 蓄冷型冷凍機の取付角度の一例を示す図で
ある。

【図１５】 蓄冷型冷凍機の取付角度の他の例を示す図
である。

【符号の説明】

２ シリンダ、３ 可動部材、５ 蓄冷器、６ 第１の
閉鎖室、７ 第２の閉鎖室。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ内に配設された可動部材の移動
   により容積が変わる閉鎖室内へ圧縮機から吐出されたガ
   スを蓄冷器を介し導いて膨張させ、再びこの通路を経て
   排出させる蓄冷型冷凍機において、上記シリンダの内周
   面と上記可動部材の外周面との間隙の大きさｄを上記シ
   リンダの内径Ｄに対し、１／１０００≦ｄ／Ｄ≦１／６
   ００としたことを特徴とする蓄冷型冷凍機。
2. 【請求項２】 シリンダ内に配設された可動部材の移動
   により容積が変わる閉鎖室内へ圧縮機から吐出されたガ
   スを蓄冷機を介し導いて膨張させ、再びこの通路を経て
   排出させる蓄冷型冷凍機において、上記シリンダの内周
   面と上記可動部材の外周面との間隙の大きさｄを上記シ
   リンダの内径Ｄに対し、１／１０００≦ｄ／Ｄ≦１／６
   ００とすると共に上記可動部材の少なくとも一部を上記
   シリンダの形成部材とほぼ同熱膨張率の部材で形成した
   ことを特徴とする蓄冷型冷凍機。
3. 【請求項３】 シリンダの形成部材とほぼ同熱膨張率の
   部材で筒状に形成し、蓄冷器を収納した可動部本体と、
   熱の不良導体からなり上記可動部本体の両端に設けた密
   封用部材とで可動部材を構成したことを特徴とする請求
   項２記載の蓄冷型冷凍機。
4. 【請求項４】 シリンダ内に配設された可動部材の移動
   により容積が変わる閉鎖室内へ圧縮機から吐出されたガ
   スを蓄冷器を介し導いて膨張させ、再びこの通路を経て
   排出させる蓄冷型冷凍機において、上記シリンダの内周
   面と上記可動部材の外周面との間隙の大きさｄを上記シ
   リンダの内径Ｄに対し、１／１０００≦ｄ／Ｄ≦１／６
   ００とすると共に、熱膨張率が上記シリンダの形成部材
   とほぼ同じで、かつ、肉厚が上記シリンダの形成部材と
   同程度以下の部材で上記可動部材の少なくとも一部を形
   成したことを特徴とする蓄冷型冷凍機。