JP3152542B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スターリング冷凍機な
どの蓄冷型冷凍機を使用して冷熱を取り出す冷凍装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】バイオテクノロジーの分野や電子デバイ
スの分野等の先端技術分野において、各種試料や各種材
料の超低温の保存技術の開発が急務になっている。特
に、スターリング冷凍機などの蓄冷型冷凍機は、上記超
低温を実現する手段として注目され、各種赤外線センサ
ー、超電導デバイス等の冷却用やバイオメディカル用の
フリーザ、冷凍庫等に広く利用されようとしている。

【０００３】ここでは、２ピストン型スターリング冷凍
機について図３を参照して動作原理を説明する。

【０００４】スターリング冷凍機１は、ガス圧縮機２と
膨張機３とを、途中に蓄冷器４とを介装したガス流路５
によって連通させ、このガス流路５のガス圧縮機２側に
放熱器６と、蓄冷器４の入口側に放熱器７とを配設する
一方、膨張機３の上部に冷凍取り出し部８を形成し、さ
らに、ガス圧縮機２の後方で、かつ、膨張機３の下方に
はクランク機構部９を配設した構成としている。

【０００５】ガス圧縮機２は、ヘリウム等極低温の沸点
の作動ガスを所定のサイクルに従って圧縮して圧縮され
た作動ガスを膨張機３へ供給するものであり、ガス圧縮
機２は、圧縮シリンダ本体１０の内側に作動ガスを圧縮
する圧縮空間１１を形成し、圧縮ピストン１３が圧縮シ
リンダ１２に摺動自在に嵌装されて後述するクランク機
構部９の作用により圧縮ピストン１３が往復運動をする
ようになっている。

【０００６】膨張機３は、ガス圧縮機２から蓄冷器４を
介して供給された圧縮作動ガスを膨張させるものであ
り、膨張機３は、膨張機本体１４の内側に膨張シリンダ
１５が上下方向に配設され、この膨張シリンダ１５の内
側に膨張ピストン１６が上下方向に摺動自在に嵌装さ
れ、膨張機３の内側に低温が発生する膨脹空間として冷
凍発生部１７が形成されている。

【０００７】蓄冷器４は、膨張機本体１４の内周と膨張
シリンダ１５の外周との間に円筒形状に形成され、ガス
流路５を介して膨張機３へ供給される圧縮された作動ガ
スを冷却する一方、冷凍発生部１７で膨脹され冷却され
た作動ガスがガス圧縮機２に戻される際に、その作動ガ
スに冷却されて蓄冷するものであり、その材料として
は、比熱の大きな銅やステンレス鋼、さらに、鉛等が用
いられ、それらが作動ガスを通す微細孔が多数穿設され
た円筒形状に形成されたものである。

【０００８】ガス流路５は、ガス圧縮機２と膨張機３と
を連通する配管で蓄冷器４の入口側では、圧縮作動ガス
が均等に蓄冷器４内を通過するようになっている。放熱
器６と放熱器７は、圧縮された高温の作動ガスを室温付
近に下げるもので、放熱器６は圧縮シリンダ本体１０の
胴部の外側に多数の円板状フィンを立設し、放熱器７
は、膨張機本体１４の胴部の外側に多数の円形状フィン
を立設している。冷凍取り出し部８は、冷凍発生部１７
で発生した冷熱を図示省略する低温槽等へ取り出すもの
で、膨張機本体１４の上部にステンレス鋼等の板状体で
覆われている。

【０００９】クランク機構部９は、圧縮ピストン１３と
膨張ピストン１６とを図示省略する駆動モータを駆動源
としてクランク運動の作用で往復運動をさせるものであ
り、クランク機構部９は、圧縮シリンダ１２の後方に案
内部２０を形成すると共に、膨張シリンダ１５の下方に
案内部２１とを形成したクランク室２２を有し、このク
ランク室２２の底部に潤滑油２３を収納し、さらに、ク
ランク室２２の内部にクランク機構２４を配設してい
る。そして、このクランク機構２４から延設されるコネ
クティングロッド２５が案内部２０の案内受２０ａにク
ロスガイド２６が摺動自在に嵌装され、このクロスガイ
ド２６に連絡するピストンロッド２７が案内部２０の貫
通穴２０ｂに貫通して圧縮ピストン１３の後部に接続す
ると共に、また、クランク機構２４から延設されるコネ
クティングロッド２８が案内部２１の案内受２１ａにク
ロスガイド２９が摺動自在に嵌装され、このクロスガイ
ド２９に連絡するピストンロッド３０が膨張ピストン１
６の後部に接続している。

【００１０】なお、３１は圧縮空間１１と圧縮ピストン
１３の後方の空間３２を断絶するピストンシールで、３
３はクランク室２２の潤滑油２３が空間３２に侵入する
のを防止するオイルシールを示している。また、３４は
冷凍発生部１７と膨張ピストン１６の後方の空間３５を
断絶するピストンシールで、３６はクランク室２２の潤
滑油２３が空間３５に侵入するのを防止するオイルシー
ルを示す。

【００１１】まず、図示省略する駆動モータの回転によ
ってクランク機構部９のクランク機構２４が駆動する
と、ガス圧縮機２の圧縮シリンダ１２内の圧縮ピストン
１３が圧縮空間１１側に移動して圧縮空間１１に充満す
るヘリウムや窒素等の液化しにくい作動ガスが圧縮され
る。圧縮された作動ガスは、圧縮シリンダ本体１０の外
周に設けられる放熱器６によって外部に放熱され室温付
近まで冷却され、ガス流路５を通り、さらに、放熱器７
で冷却されて蓄冷器４へ流入する。

【００１２】蓄冷器４に流入した作動ガスは、比熱の大
きな材料、例えば、銅や鉛の金網状あるいは球からなる
蓄冷材によって冷却され、冷却された作動ガスが膨張機
３の冷凍発生部１７へ流入され、冷凍発生部１７が高圧
状態となる。

【００１３】その後、膨張機３の膨張シリンダ１５内の
膨張ピストン１６が圧縮ピストン１３と約９０°の位相
差を持って降下してくる。これによって、膨張空間とし
ての冷凍発生部１７が拡張されて蓄冷器４から冷凍発生
部１７へ流入した高圧の作動ガスが急に膨張されて、冷
凍発生部１７の作動ガスの圧力が急降下するため作動ガ
スが低温となる。

【００１４】やがて、膨張ピストン１６が上昇を開始
し、圧縮ピストン１３が後退すると、低温の作動ガスが
蓄冷器４を通り、ガス流路５を経て圧縮空間１１へ戻
る。このとき、蓄冷器４では、蓄冷材が冷却され蓄冷器
４に冷熱が蓄えられる。

【００１５】上記した工程によって、一つの熱サイクル
が終了し、この工程がクランク機構部９のクランク機構
２４の往復運動によって繰り返される。これにより、徐
々に冷凍発生部１７の温度と蓄冷器４の温度が降下し、
冷凍発生部１７の作動ガスが低温とされる。この状態の
とき、冷凍取り出し部８では、冷凍発生部１７の冷熱を
外部の図示省略する熱利用部としての低温槽等と熱交換
を行って外部の低温槽等の冷凍負荷を冷凍温度とする。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３で
説明した従来の冷凍機は、冷凍負荷を所定の温度に維持
するために駆動モータの周波数を変更して常時運転しな
ければならず、冷凍機の寿命を短くするという問題があ
った。

【００１７】すなわち、従来、冷凍負荷が充分冷却され
た後、冷凍負荷を所定温度に維持するため駆動モータの
周波数を下げ、冷凍能力を低下して連続運転がされ、冷
凍機の寿命を短くするという問題があった。また、かか
る低周波数駆動による運転をするために、大きな駆動ト
ルクを要するため大きな駆動モータを用いていた。

【００１８】これを解決するため冷凍負荷が充分冷却後
に冷凍機の運転を一時中断し、冷凍負荷の温度が上昇し
たとき運転を再開するという間欠的制御が考えられる
が、この場合には、冷凍機の運転が中断されると熱伝導
の大きな膨張シリンダ１５や膨張ピストン１６から熱が
リークするため熱損失が大きく、冷凍機の効率が低下す
るという新たな問題が発生する。

【００１９】そこで、本発明は、冷凍機の冷凍運転中断
時にも熱損失が少ない効率的な冷凍装置を提供すること
を目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、圧縮
シリンダ内の圧縮空間と膨張シリンダ内の膨張空間とを
蓄冷器を介した流路によって連通させると共に、前記圧
縮シリンダの圧縮ピストンと前記膨張シリンダの膨張ピ
ストンとが相互に所定の位相差をもって往復駆動される
ようにクランク機構部を介して駆動モータに接続され、
前記圧縮空間から前記膨張空間に導かれる作動ガスの膨
張過程を含む熱サイクルによって発生させた冷熱を冷凍
取り出し部から冷凍負荷へ供給する冷凍装置において、
前記冷凍取り出し部と前記冷凍負荷側に接続され、冷凍
運転時には前記冷凍取り出し部から冷熱を作動液を介し
て前記冷凍負荷へ供給する一方、冷凍運転中断時には前
記作動液が蒸発することによって前記冷凍取り出し部と
前記冷凍負荷間を熱遮断するヒートパイプを設けるよう
にしたものである。

【００２１】

【００２２】

【作用】請求項１の発明は、冷凍取り出し部から冷熱が
ヒートパイプによって、作動液を介して冷凍負荷へ供給
される一方、冷凍運転が中断したときヒートパイプの作
用が中断され冷凍取り出し部から冷熱の低温槽へ供給が
中断される。これにより、冷凍運転が中断したときに冷
凍取り出し部と低温槽との間が熱遮断されるため熱のリ
ークによる損失を極めて少なくすることができる。

【００２３】

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００２５】図１は、本発明の実施例を示すスターリン
グ冷凍機の部分概略図である。図において、膨脹機３
は、蓄冷器４を介して供給された圧縮ガスを膨脹させる
ものであり、膨脹機３は、膨脹機本体１４の内側に膨脹
シリンダ１５が上下方向に配設され、この膨脹シリンダ
１５の内側に上下方向に摺動自在に膨脹ピストン１６が
嵌装され、膨脹機３の内側に低温が発生する膨脹空間と
して冷凍発生部１７が形成されている。

【００２６】蓄冷器４は、膨張機本体１４の内周と膨張
シリンダ１５の外周との間に円筒形状に形成され、ガス
流路５を介して膨張機３へ供給される圧縮された作動ガ
スを冷却する一方、冷凍発生部１７で膨張され冷却され
た作動ガスがガス圧縮機２に戻される際に、その冷媒が
冷却されて蓄冷するものであり、その材料としては、比
熱の大きな銅やステンレス鋼、さらに、鉛等が用いら
れ、それらが作動ガスを通す微細孔が多数穿設された円
筒形状に形成されたものである。

【００２７】ガス流路５は、ガス圧縮機２と膨張機３と
を連通する配管で蓄冷器４の入口側では、圧縮作動ガス
が均等に蓄冷器４内を通過するようになっている。放熱
器７は、圧縮された高温の作動ガスを室温付近に下げる
もので、放熱器７は、膨張機本体１４の胴部の外側に多
数の円形状フィンを立設している。冷凍取り出し部８
は、冷凍発生部１７で発生した冷熱を後述する外部へ取
り出すもので、膨張機本体１４の上部にステンレス鋼の
板状体で覆われている。

【００２８】ヒートパイプ３７は、スターリング冷凍機
１の冷凍運転時に冷凍取り出し部８から冷熱を取り出し
て後述する低温槽３８へ供給する一方、スターリング冷
凍機１の運転中断時に冷凍取り出し部８と低温槽３８と
を断熱するものであり、ヒートパイプ３７の上部に切欠
開口部が形成され、この切欠開口部が冷凍取り出し部８
のステンレス鋼等の板状体の上面に接合して上端接合部
３７ａとし、ヒートパイプ３７の下部に形成された切欠
開口部が冷凍負荷接合部３９に接合して下端接合部３７
ｂとして、内部にチッソ等の作動液４０が封入されてい
る。

【００２９】低温槽３８は、試料等の冷凍負荷４３を収
納するもので、箱状体の内部を断熱するに十分な厚さの
断熱材４１が充填され収納室４２が形成され、その開口
部４２ａに熱伝導の良い、例えば、銅等による冷凍負荷
接合部３９を装着してヒートパイプ３７の下端接合部３
７ｂに接合している。

【００３０】なお、図示省略するガス圧縮機２、放熱器
７、クランク機構部９等は、図３で説明した従来技術と
同様である。

【００３１】まず、図示省略するガス圧縮機２で発生し
た圧縮作動ガスがガス流路５を通り、さらに、放熱器７
で冷却されて蓄冷器４へ流入する。蓄冷器４に流入した
作動ガスは、比熱の大きな材料、例えば、銅や鉛の金網
状あるいは球からなる蓄冷材によって冷却され、冷却さ
れた作動ガスが膨張機３の冷凍発生部１７へ流入し、冷
凍発生部１７が高圧状態となる。

【００３２】その後、膨張シリンダ１５内の膨張ピスト
ン１６が圧縮ピストン１３と約９０°の位相差を持って
降下してくる。これによって、膨張空間としての冷凍発
生部１７が拡張されて蓄冷器４から冷凍発生部１７へ流
入した高圧の作動ガスが急に膨張され、冷凍発生部１７
の作動ガスの圧力が急降下するため作動ガスが低温とな
る。

【００３３】やがて、膨張ピストン１６が上昇を開始
し、圧縮ピストン１３が後退すると、低温の作動ガス
が、蓄冷器４を通り、ガス流路５を経て圧縮空間１１へ
戻る。このとき、蓄冷器４では、蓄冷材１８が冷却され
蓄冷器４に冷熱が蓄えられる。

【００３４】上記した工程によって、一つの熱サイクル
が終了し、この工程が繰り返されることにより、徐々に
冷凍発生部１７の温度と蓄冷器４の温度が降下し、冷凍
発生部１７の作動ガスが低温とされる。

【００３５】ここで、低温槽３８の冷凍負荷４３が所定
の温度となっていないとき、スターリング冷凍機１の運
転が続行され、冷凍取り出し部８から冷熱がヒートパイ
プ３７の上端接合部３７ａを介して熱交換して作動液４
０を冷却する。

【００３６】このとき、作動液４０は冷却され液状化
し、冷熱を吸収し、図１に示す斜線の如く、ヒートパイ
プ３７の上端接合部３７ａの近傍に液状体の固まり４０
ａが形成される。そして、作動液４０の液状体の固まり
４０ａが重力によって、徐々にヒートパイプ３７内を流
動体４０ｂとなって降下し、下端接合部３７ｂと冷凍負
荷接合部３９との境界部で作動液４０による滞留４０ｃ
が発生する。この作動液４０の滞留４０ｃは、下端接合
部３７ｂにおいて蒸発して気体４０ｄとなり、このとき
の潜熱が収納室４２の冷凍負荷４３に受け渡される。

【００３７】作動液４０の気体４０ｄは、図示白い矢印
のように上昇し、再び冷凍取り出し部８の冷熱により液
状体の固まり４０ａになり、その後、流動体４０ｂとな
って降下する。これにより、ヒートサイクルが構成さ
れ、スターリング冷凍機１の冷凍発生部１７で発生した
冷熱が冷凍取り出し部８からヒートパイプ３７を介して
低温槽３８の冷凍負荷４３に供給される。

【００３８】その後、低温槽３８の冷凍負荷４３が所定
の温度になると、スターリング冷凍機１の冷凍運転が中
断される。

【００３９】この結果、冷凍取り出し部８からヒートパ
イプ３７の上端接合部３７ａへ冷熱の供給が停止される
ためヒートパイプ３７の上端接合部３７ａの液状体の固
まり４０ａは、温度の上昇により気体となり、さらに、
ヒートパイプ３７の中央部の流動体４０ｂは、低温度の
ガス体となり、ヒートパイプ３７の下端に作動液４０の
液状体が溜まる。この状態では、ヒートパイプが構成さ
れず内部の作動液４０の流動がなく、冷凍取り出し部８
と低温槽３８とが断熱状態とされる。これによって、ス
ターリング冷凍機１の冷凍運転が中断しても、冷凍負荷
４３からの膨張シリンダ１５や膨張ピストン１６等を介
しての熱リークが防止される。

【００４０】時間の経過と共に、低温槽３８の冷凍負荷
４３が所定の温度以上となると、再びスターリング冷凍
機１が運転を開始してヒートパイプ３７の上端接合部３
７ａが冷却されて作動液４０の液状体の固まり４０ａが
生成され、ヒートパイプが構成され、低温槽３８の冷凍
負荷４３へ冷熱が供給される。このように、スターリン
グ冷凍機１の運転状態に対応してヒートパイプが構成さ
れ、スターリング冷凍機１で発生した冷熱が効率よく低
温槽３８の冷凍負荷４３へ供給することができる。ま
た、スターリング冷凍機１を連続運転することがないた
めスターリング冷凍機１の長寿命化が図られ信頼性も向
上する。

【００４１】次に図２に示す冷凍装置について説明す
る。

【００４２】この冷凍装置の場合は、図１の冷凍装置に
おけるヒートパイプ３７と低温槽３８に代わるものとし
て、熱伝導部４５と低温槽４６とを設けるようにしたも
のである。

【００４３】熱伝導部４５は、スターリング冷凍機１の
冷凍運転時に冷凍取り出し部８から冷熱を取り出して、
後述する低温槽４６へ供給する一方、スターリング冷凍
機１の冷凍運転中断時に冷凍取り出し部８と低温槽４６
とを断熱するものであり、熱伝導部４５は、冷凍取り出
し部８のほぼ中央外側に下部熱伝導体４７の底部が接合
され、この下部熱伝導体４７の上部が下部熱伝導分離部
４８に接合されると共に、上下方向に伸縮自在とする上
部熱伝導体４９の上部が冷凍負荷接合部５８に接合さ
れ、上部熱伝導体４９の下部が上部熱伝導分離部５１に
接合され、この上部熱伝導分離部５１に分離面駆動モー
タ５０によって上下に摺動する摺動部５２が固定されて
いる。

【００４４】さらに、熱伝導部４５は、作動液５３を封
入したガス封入容器５４の下部が冷凍取り出し部８に接
合され、そのガス封入容器５４の上部は断熱部材５４ａ
を介して後述する低温槽４６の底部に接続され、分離面
駆動モータ５０がガス封入容器５４の上方の内側に固定
され、スターリング冷凍機１の冷凍運転時に上部熱伝導
分離部５１と下部熱伝導分離部４８とを接触状態とし、
かつ、スターリング冷凍機１が冷凍運転中断時に上部熱
伝導分離部５１と下部熱伝導分離部４８が分離するよう
に分離面駆動モータ５０が作動するようになっている。

【００４５】低温槽４６は、試料等の冷凍負荷５５を収
納するもので、箱状体の内外を断熱するに十分な厚さの
断熱材５６が充填されて内部に収納室５７が形成され、
収納室５７の開口部５７ａに熱伝導の良い、例えば、銅
等による冷凍負荷接合部５８を装着せしめている。

【００４６】なお、膨張機３と蓄冷器４は、図１に示す
第１実施例で説明したと同様のもので、図示省略するガ
ス圧縮機２、放熱器６、クランク機構部９は図３で説明
したと同様のものである。

【００４７】以上の構成で、低温槽４６の冷凍負荷５５
が所定の設定温度となっていないとき、スターリング冷
凍機１の運転が継続されると共に、分離面駆動モータ５
０により上部熱伝導体４９の上部熱伝導分離部５１が下
部熱伝導分離部４８に接触している。このとき、冷凍取
り出し部８の冷熱によってガス封入容器５４の作動液５
３、例えば、窒素が冷却され、これが液状体となって、
上部熱伝導分離部５１と下部熱伝導分離部４８の接触面
に付着して液状面５９を形成しており、接触面の熱伝導
をよくしている。

【００４８】これによつて、冷凍取り出し部８から熱伝
導によって冷熱が下部熱伝導体４７、下部熱伝導分離部
４８と液状面５９、さらに、上部熱伝導分離部５１、上
部熱伝導体４９を経由して冷凍負荷接合部５８へ伝導さ
れる。このため、低温槽４６では、冷熱が冷凍負荷接合
部５８によって熱交換され、冷凍負荷５５に冷熱が供給
される。

【００４９】その後、低温槽４６の冷凍負荷５５が所定
の温度になると、スターリング冷凍機１の冷凍運転が中
断されると共に、分離面駆動モータ５０の駆動によって
下部熱伝導分離部４８と上部熱伝導分離部５１とが分離
される。この結果、冷凍取り出し部８と低温槽４６との
熱伝導が完全に切断されるため冷凍負荷５５から膨張シ
リンダ１５や膨張ピストン１６等を介しての熱リークが
防止される。

【００５０】やがて、低温槽４６の冷凍負荷５５が所定
の温度以上となると、再びスターリング冷凍機１が冷凍
運転を開始すると共に、分離面駆動モータ５０の駆動に
よって熱伝導部４５の上部熱伝導分離部５１が下部熱伝
導分離部４８に接触する。これにより、再び冷凍取り出
し部８から冷熱が低温槽４６に供給される。

【００５１】このように、スターリング冷凍機１の運転
状態に対応して熱伝導状態の結合と分離がされるため、
冷熱が効率よく低温槽４６の冷凍負荷５５へ供給するこ
とができる。また、スターリング冷凍機１を連続して運
転することがないため、スターリング冷凍機１の長寿命
化が図られ信頼性も向上する。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明は、
冷凍運転が中断したときヒートパイプの作用が中断して
冷凍取り出し部と冷凍負荷との間が熱遮断されるため熱
リークによる損失を極めて少なくすることができる。ま
た、冷凍装置を連続して運転することがないため、冷凍
装置の長寿命化が図られ信頼性も向上する。

【００５３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示すスターリング冷凍機の部
分概略図。

【図２】別なる構成のスターリング冷凍機を示す部分概
略図。

【図３】従来例を示すスターリング冷凍機の概略図。

【符号の説明】

１ スターリング冷凍機 ２ ガス圧縮機 ３ 膨張機 ４ 蓄冷器 ５ ガス流路 ８ 冷凍取り出し部 ９ クランク機構部 ３７ ヒートパイプ ３８ 低温槽 ３９ 冷凍負荷接合部 ４０ 作動液 ４１ 断熱材 ４２ 収納室 ４３ 冷凍負荷 ４５ 熱伝導部 ４６ 低温槽 ４７ 下部熱伝導体 ４８ 下部熱伝導分離部 ４９ 上部熱伝導体 ５０ 分離面駆動モータ ５１ 上部熱伝導分離部 ５２ 摺動部 ５３ 作動液 ５４ ガス封入容器 ５５ 冷凍負荷 ５７ 収納室 ５８ 冷凍負荷接合部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−156987（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−68547（ＪＰ，Ａ) 特開 昭47−15739（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−219666（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 9/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮シリンダ内の圧縮空間と膨脹シリン
   ダ内の膨脹空間とを蓄冷器を介した流路によって連通さ
   せると共に、前記圧縮シリンダの圧縮ピストンと前記膨
   脹シリンダの膨脹ピストンとが相互に所定の位相差をも
   って往復駆動されるようにクランク機構部を介して駆動
   モータに接続され、前記圧縮空間から前記膨脹空間に導
   かれる作動ガスの膨脹過程を含む熱サイクルによって発
   生させた冷熱を冷凍取り出し部から冷凍負荷へ供給する
   冷凍装置において、 前記冷凍取り出し部と前記冷凍負荷側に接続され、冷凍
   運転時には前記冷凍取り出し部から冷熱を作動液を介し
   て前記冷凍負荷へ供給する一方、冷凍運転中断時には前
   記作動液が蒸発することによって前記冷凍取り出し部と
   前記冷凍負荷間を熱遮断するヒートパイプを設けたこと
   を特徴とする冷凍装置。