JP3288564B2 - 冷凍機 - Google Patents

冷凍機

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JP3288564B2
JP3288564B2 JP27597395A JP27597395A JP3288564B2 JP 3288564 B2 JP3288564 B2 JP 3288564B2 JP 27597395 A JP27597395 A JP 27597395A JP 27597395 A JP27597395 A JP 27597395A JP 3288564 B2 JP3288564 B2 JP 3288564B2
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義貴 生田
芳人 田口
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/003Gas cycle refrigeration machines characterised by construction or composition of the regenerator

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  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍機に関し、特
に作動ガスの断熱膨張によって寒冷を発生する冷凍機に
関する。
【0002】
【従来の技術】スターリング冷凍機等の冷凍機では、膨
張室の体積と、膨張室内の作動ガスの圧力とを一定の位
相差をもって周期的に変化させることによって寒冷を発
生する。シリンダ内にディスプレーサを挿入し、このデ
ィスプレーサを往復運動させることによって膨張室の体
積を変化させる。作動ガスは、圧縮機からガス流路を通
って膨張室内に導入され、同一経路で排気される。
【0003】極低温を発生するために、作動ガスとして
液化点の低いヘリウムガスが使用される。ヘリウムの液
化点は4.2Kであるため、それ以上の温度で作動ガス
として機能する。
【0004】作動ガスの中には不純物ガスが含まれてい
る。不純物ガスは、例えば圧縮機、冷凍機の機構部品か
らのアウトガス等である。この不純物ガスの液化点はヘ
リウムよりも高い。冷凍機の低温部の温度が不純物ガス
の液化点以下になると、不純物ガスが液化もしくは固化
する。液化もしくは固化した不純物が、ディスプレーサ
とシリンダとの間隙部に付着すると、ディスプレーサの
往復運動を妨げ、冷凍能力を低下させる。
【0005】従来、アウトガスの発生を抑えるため、部
品、製品レベルでのベーキング、ランニングによるクリ
ーニングを行っていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】部品、製品レベルでの
ベーキング、またはランニングによるクリーニング等に
より、アウトガスの発生を抑制することはできるが、全
てのアウトガスを除去することは困難である。また、ベ
ーキング及びランニングに長時間を必要とする。
【0007】本発明の目的は、作動ガス中の不純物ガス
を容易に除去することができる冷凍機を提供することで
ある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の冷凍機は、内部
空洞を有するシリンダと、前記シリンダ内に挿入され
て、シリンダの内部空洞の一端に寒冷を発生する膨張室
を画定するディスプレーサと、前記ディスプレーサの中
に形成されて、前記膨張室に接続され、作動ガスの導
入、排気を行うガス流路と、前記ガス流路内の一部に配
置され、ガス流路を流れる作動ガスと熱交換を行う蓄冷
器と、前記蓄冷器よりも膨張室側の前記ガス流路内に配
置され、前記ディスプレーサに着脱可能に取り付けられ
ており、作動ガス中の不純物を吸着する吸着材とを有す
る。
【0009】作動ガスの流路内の極低温部に吸着材を配
置することにより、作動ガス中の不純物を吸着すること
ができる。吸着材により作動ガス中の不純物を除去でき
るため、極低温部の可動機構部に液体もしくは固体不純
物が付着することを防止できる。このため、可動機構部
の動作が妨げられることによる冷凍能力の低下を防止で
きる。
【0010】
【発明の実施の形態】図1を参照して、本発明の実施例
による冷凍機の構造を、スターリング冷凍機を例にとっ
て説明する。
【0011】図1は、本発明の実施例によるスターリン
グ冷凍機の断面図を示す。ステンレス等で形成された円
筒状のシリンダ1内に布入りフェノール等で形成された
ディスプレーサ2が挿入されている。シリンダ1の図の
右端開口部には銅製のシリンダキャップ3が取り付けら
れ、シリンダ1、ディスプレーサ2及びシリンダキャッ
プ3で膨張室4が画定されている。
【0012】シリンダ1の左端近傍には、その外周面に
密着するように円筒状の保持部材5aが取り付けられて
いる。保持部材5aの図の左端開口部は蓋6で密閉さ
れ、シリンダ1、ディスプレーサ2、保持部材5a及び
蓋6により圧縮空間7が画定されている。蓋6とディス
プレーサ2の相対向する面にはバネ座が形成されてお
り、両バネ座にまたがるように同期バネ8が取り付けら
れている。同期バネ8により、ディスプレーサ2がシリ
ンダ1の軸方向に弾性的に保持されている。
【0013】支持部材5aの図の右端には、フランジ部
5bが取り付けられている。支持部材5aは銅で形成さ
れ、フランジ部5bはステンレス鋼で形成されている。
支持部材とフランジ部の接合部は、機械的強度及び気密
性保持のために銀ろう付けされている。
【0014】保持部材5aには、圧縮室7と外部とを連
絡するガス導入管9が設けられている。ガス導入管9
は、図には示さない圧縮機に接続され、圧縮室7内に圧
縮ガスを供給し、または圧縮室7からガスを排気する。
ディスプレーサ2内には空洞10aが形成されており、
さらに空洞10aと圧縮室7とを連通するガス流路10
b及び空洞10aと膨張室4とを連通するガス流路10
cが形成されている。空洞10a及びガス流路10b、
10cを通して作動ガスが圧縮室7と膨張室4との間で
輸送される。
【0015】次に、ディスプレーサ2の低温側の構造に
ついて説明する。図2(A)に示すように、空洞10a
内には、ステンレス製金網等の蓄冷材11とモレキュラ
シーブ12が充填されている。モレキュラシーブ12
は、金網のケース15に充填されて外部に散逸しないよ
うにされ、空洞10a内の膨張室4側すなわち低温側に
配置されている。
【0016】ディスプレーサ2は、例えば、開口端を有
する円筒状部材2aの中に蓄冷材11とモレキュラシー
ブ12とを充填した後、円筒状部材2aと同径の側壁及
び底を有する蓋部材2bを被せて、電子ビーム溶接して
形成することができる。蓋部材2bの底にはガス流路1
0cが形成されている。
【0017】蓋部材2bの外周面の膨張室側の端部に
は、シリンダ1の内周面との間隙をシールするためのシ
ール部材13が取り付けられている。シリンダ1とディ
スプレーサ2との間隙がシールされるため、作動ガスは
ガス流路10c、空洞10aを通って輸送される。
【0018】次に、このように構成されたスターリング
冷凍機の動作について、図1を参照して説明する。ガス
導入管9から圧縮ヘリウムガスが圧縮室7内に導入され
る。これにより、圧縮室7で発熱が生じるとともに、デ
ィスプレーサ2は中立点から図の右方に移動する。圧力
が最大になると、ディスプレーサ2は同期バネ8によっ
て中立点に引き戻される。このとき、圧縮ガスはガス流
路10b、空洞10a及びガス流路10cを通過して蓄
冷材11と熱交換しながら膨張空間4に移動する。
【0019】ガス導入管9からヘリウムガスが排気され
る。このとき、シリンダ1内の圧力が減少する。また、
ディスプレーサ2は図の左方に向かって移動しているの
で膨張空間4の容積が増加する。これに伴って膨張室4
内のヘリウムガスが膨張し吸熱が生じる。シリンダ1内
の圧力が最低になると、ディスプレーサ2は同期バネ8
により中立点に押し戻される。このとき、冷却された膨
張室4内のガスは、蓄冷材11を冷却しながら圧縮室7
へ移動する。
【0020】このように、ガス導入管9から圧縮ヘリウ
ムガスの導入、排気を周期的に繰り返し、ディスプレー
サ2がヘリウムガスの圧力変化に対して遅れた位相で往
復運動することにより、膨張室4で吸熱が生じ、圧縮室
7で発熱が生じる。
【0021】膨張室内の作動ガスは極低温まで冷却され
る。作動ガスによってモレキュラシーブも冷却され、不
純物ガスに対する吸着能を増加させる。冷却された不純
物ガスがモレキュラシーブ12を通過するときに液体あ
るいは固体の状態で吸着される。このようにして、作動
ガス中の不純物ガスが取り除かれる。なお、ヘリウムガ
スは吸着力が弱く、たとえモレキュラシーブ12に吸着
されていても容易に他の不純物ガスに置換される。不純
物ガスは液化もしくは固化する前にモレキュラシーブに
よって捕捉され、ほとんど脱離しない。
【0022】液体あるいは固体の不純物が、ディスプレ
ーサ2とシリンダ1との間隙部に付着すると、ディスプ
レーサ2の往復運動を妨げる。不純物ガスを除去するこ
とにより液体及び固体不純物の可動機構部への付着を防
止することができ、冷凍能力の低下を防止できる。
【0023】次に、図2を参照して他の実施例について
説明する。図2(B)は、他の実施例によるディスプレ
ーサの低温側部分の断面図である。低温側部分以外の構
造は、図1に示すスターリング冷凍機と同様である。
【0024】ディスプレーサ2の低温側の端部は開放さ
れており、内周面にネジ溝が切られている。ディスプレ
ーサ2内の空洞10aに、蓄冷材11が充填され、さら
に金網のケースに充填されたモレキュラシーブ12が挿
入されている。モレキュラシーブ12が脱落しないよう
に蓋部材14が開口部にはめ込まれている。蓋部材14
は、ディスプレーサ2の内周面に形成されたネジ溝に勘
合している。
【0025】蓋部材14には、空洞10aと膨張室4と
を連通させるガス流路10cが形成されている。また、
蓋部材14の外周面先端部には、シリンダ1の内周面と
の間隙をシールするためのシール部材13が取り付けら
れている。
【0026】蓋部材14を取り外せば、モレキュラシー
ブ12をディスプレーサ2から取り出すことができる。
モレキュラシーブ12が不純物ガスを吸着して飽和する
と、モレキュラシーブ12を取り出して新しいモレキュ
ラシーブと交換することができる。また、飽和したモレ
キュラシーブは、ベーキングして再生することができ
る。
【0027】このように、モレキュラシーブ12をディ
スプレーサ2から着脱可能にし、交換及び再利用可能に
することにより、常に良好な状態で冷凍機を運転するこ
とができる。
【0028】図2(C)は、さらに他の実施例によるス
ターリング冷凍機の低温部の断面図を示す。金網のケー
ス15内に充填されたモレキュラシーブ12が、ディス
プレーサ2の内部空洞10a内ではなく、膨張室4内に
配置されている。その他の構造は図1に示すスターリン
グ冷凍機と同様である。このように、モレキュラシーブ
12を膨張室内に配置しても、作動ガス中の不純物を除
去することができる。
【0029】上記実施例では、不純物吸着のためにモレ
キュラシーブを用いる場合について説明したが、作動ガ
スを吸着せず不純物のみをを吸着するものであれば、そ
の他の吸着材を用いてもよい。例えば、活性炭を用いて
もよい。なお、モレキュラシーブを用いる場合には、想
定される不純物を効率的に吸着するポア径を有するもの
を選択することが好ましい。
【0030】上記実施例では、スターリング冷凍機を例
にとって説明したが、その他の冷凍機に適用してもよ
い。特に、極低温部分に可動機構のある冷凍機に適用す
ると、効果が高い。例えば、ギフォードマクマホン(G
M)冷凍機、ジュールトムソン冷凍機等に適用しても効
果が期待できるであろう。
【0031】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
冷凍機の極低温部の可動機構部分に液体もしくは固体が
付着して、冷凍能力が低下することを防止できる。これ
により、冷凍機の長寿命化、メンテナンスコストの削減
等が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例によるスターリング冷凍機の断
面図である。
【図2】本発明の実施例によるスターリング冷凍機の低
温部の断面図である。
【符号の説明】
1 シリンダ 2 ディスプレーサ 3 シリンダキャップ 4 膨張室 5 保持部材 6 蓋 7 圧縮室 8 同期バネ 9 ガス導入管 10 ガス流路 11 蓄冷材 12 モレキュラシーブ 13 シール部材 14 蓋部材 15 金網のケース
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−323658(JP,A) 特開 平8−200863(JP,A) 特開 昭62−166269(JP,A) 特開 昭62−116869(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F25B 9/00 F25B 9/14 510

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内部空洞を有するシリンダと、 前記シリンダ内に挿入されて、シリンダの内部空洞の一
    端に寒冷を発生する膨張室を画定するディスプレーサ
    と、 前記ディスプレーサの中に形成されて、前記膨張室に接
    続され、作動ガスの導入、排気を行うガス流路と、 前記ガス流路内の一部に配置され、ガス流路を流れる作
    動ガスと熱交換を行う蓄冷器と、 前記蓄冷器よりも膨張室側の前記ガス流路内に配置さ
    れ、前記ディスプレーサに着脱可能に取り付けられてお
    り、作動ガス中の不純物を吸着する吸着材とを有する冷
    凍機。
  2. 【請求項2】 内部空洞を有するシリンダと、 前記シリンダ内に挿入されて、シリンダの内部空洞の一
    端に寒冷を発生する膨張室を画定するディスプレーサ
    と、 前記膨張室に接続され、作動ガスの導入、排気を行うガ
    ス流路と、 前記ガス流路内の一部に配置され、ガス流路を流れる作
    動ガスと熱交換を行う蓄冷器と、 前記蓄冷器よりも膨張室側の前記ガス流路内もしくは膨
    張室内に配置され、作動ガス中の不純物を吸着するモレ
    キュラシーブとを有する冷凍機。
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CN108692476B (zh) * 2018-03-19 2020-02-21 浙江大学 一种带吸附装置的用于空间探测器冷却的低温制冷系统

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