JPH0125256Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 【考案の属する技術分野】

この考案は圧縮性気体を動作ガスとして用いる
逆スターリングサイクル冷凍装置の蓄冷器付き膨
張ピストンの構造に関する。

【従来技術とその問題点】

ヘリウム、水素、窒素などの低温で液化しにく
い圧縮性気体を動作ガスとする冷凍サイクルとし
て逆スターリングサイクルが知られており、その
冷凍装置の構成を第１図に示す。第１図におい
て、１はクランク室、２は図示されてないモータ
で駆動されるクランク軸であり、該クランク軸上
にはコネクテイングロツド３，４を介して圧縮ピ
ストン５および膨張ピストン６が連接されてい
る。また前記ピストン５，６はそれぞれクランク
室１に連ねて構成された圧縮シリンダ７および膨
張シリンダ８の中に挿入されている。また膨張ピ
ストン６には詳細を後述する蓄冷器９が一体構成
されており、その一端はピストン内のガス通路１
０を通じて膨張シリンダ８のポート１１に、他端
は膨張シリンダ８のシリンダ室８０に開口してい
る。さらに前記ポート１１と圧縮シリンダ７のシ
リンダ室７０に通じるポート１２との間を結んで
パイプ１３が配管してあり、かつその途中には放
熱器１４が設置されている。なお符号Ｏはクラン
ク軸２の回転中心、１５は各ピストンの外周に装
備されたシール部材である。また上記構成で圧縮
ピストン５と膨張ピストン６との間には約90度の
位相差を設定してピストン動作するようにクラン
ク軸２に連結されている。 次に前記構成による逆スターリングサイクルの
動作について、第１図の構成図、第２図に示した
逆スターリング冷凍サイクルのＰ−Ｖ線図、およ
び第３図の動作工程図を用いて説明する。なお第
３図において、イ，ロはそれぞれ圧縮ピストン、
膨張ピストンの移動軌跡で、線イとロとの間に挟
まれた間隙が動作ガスの容積変化を表している。
逆スターリングサイクルは、周知のように理論的
には２つの等温行程と２つの等容行程とから成立
つている。（第２図参照）いま膨張ピストン６が
往復動ストロークの中央にあり、これより90゜の
位相差をもつて圧縮ピストン５が下死点から移動
を始めると、圧縮シリンダ７内の動作ガスは圧縮
される。このとき発生する圧縮熱は放熱器１４で
外部に放出されるので、ポート１１部のガス圧力
は温度一定で圧力が高まる。すなわち第２図にお
ける→で示した等温圧縮が行われる。次に膨
張ピストン６を下降させながら圧縮ピストン５を
さらに上死点方向へ動かすと、動作ガスは膨張ピ
ストン内の蓄冷器９で冷やされて膨張シリンダ８
のシリンダ空間８０に入る、いわゆる容積が一定
の等容行程（第２図における→）となる。次
に膨張ピストン６をさらに下方に動かすとシリン
ダ室８０に入つたガスは、膨張シリンダの頂部に
構成されたコールドステーシヨンを通じて図示さ
れてない被冷却体から熱を吸収しながら膨張する
等温行程（第２図における→）となり冷凍を
発生する。さらに低温度となつた動作ガスは、膨
張ピストン６を上死点へまた圧縮ピストン５を下
死点に向けて動かすことにより、今度は逆に蓄冷
器９に冷熱を与えて徐々に温度上昇し放熱器１４
を通つて圧縮シリンダ７に戻る等容行程（第２図
における→）をたどつて１サイクルを終わ
る。以上が逆スターリングサイクルの動作であ
る。 ところで上記冷凍機に用いられる従来の蓄冷器
付き膨張ピストンは第４図あるいは第５図のよう
に構成されていた。すなわち第４図に示す従来の
蓄冷器付き膨張ピストン６は、金属製のピストン
摺動部材６１に合成樹脂など熱伝導率の小さな材
料で作られた蓄冷器９のケース９１をねじ込んで
固定し、更にこのねじ部を通して動作ガスが外部
に漏出しないよう接着剤などでシールするととも
に、蓄冷器ケース９１の内部に蓄冷材としてステ
ンレス鋼やブロンズ製の円形金網９２の多数枚を
密に積層充填しさらにケース９１の先端に流路９
３を有するキヤツプ９４で蓋をして蓄冷器付き膨
張ピストン６を構成していた。しかしながらこの
ような構成では、一例として1000枚にも及ぶ多数
の薄い円形金網１３をケース９１の細長い穴の中
に姿勢を正して積重ねなければならず、それには
相当の熟練と長時間の作業を要するのでコスト高
になる難点がある。 一方、第５図に示す従来の蓄冷器付き膨張ピス
トンでは、前記例の金網積層体の代わりに鉛など
熱伝導性のよい球状蓄冷材が用いられている。す
なわち膨張ピストン６は前記第４図の場合と同様
に摺動部材６１と蓄冷器ケース９１を結合し、か
つケース９１の底部に押さえ金網９５を配備した
上でケース内に球状蓄冷材９６を充填する。更に
ケース９１の先端にも押さえ金網９５を配備した
上でキヤツプ９４で蓋をして構成していた。かか
る構成によれば、第４図と比べて蓄冷材の充填時
の作業性、作業時間は大幅に改善されるが、膨張
ピストン６が膨張シリンダ内で往復運動をする際
に球状蓄冷材９６が相互に衝突し合つて摩滅し、
この摩耗粉が膨張シリンダとピストンの摺動面に
侵入してかじりを生じ、摩耗を促進するという別
の問題が新たに派生する。

【考案の目的】

この考案は上記の点にかんがみなされたもので
あり、従来構造の問題点を解決し、装置の寿命を
縮める蓄冷材の摩耗粉の発生なく高い性能を維持
することができ、しかも構造が簡単で製作組立が
容易な逆スターリングサイクル冷凍装置の蓄冷器
付き膨張ピストンを提供することを目的とする。

【考案の要点】

上記目的を達成するために、この考案では例え
ば焼結手段で固形化したガス透過性の多孔質金属
で蓄冷体を構成し、該蓄冷体を膨張ピストンの摺
動部材へ直接結合するとともに、さらに蓄冷体の
外周面をガス不透過性の被覆で気密に被覆して側
面からのガス漏れを阻止するようにしたものであ
る。

【考案の実施例】

次にこの考案を図示実施例に基づいて説明す
る。 第６図はこの考案の一実施例を示すもので、膨
張ピストン６はその内部にガス流路１０が穿孔さ
れた摺動部材６１の端部に例えば焼結金属のよう
な、粒状のステンレス鋼やブロンズを固形化した
ガス透過性のある多孔質剛性材で作られた蓄冷体
９７がいんろう式に嵌合され、この嵌合部を接着
剤１６でガス漏れのないように強固に接着すると
ともに、さらに蓄冷体９７の外周面にガス不透過
性の被覆９８を気密に被覆して構成される。なお
蓄冷体９７は被膜９８の厚さを考慮してあらかじ
め摺動部材６１の外径寸法より多少小さめに作ら
れている。ここで運転時に被膜９８に作用する圧
力は、蓄冷体９７の内部を動作ガスが矢印Ａのよ
うに通過する際に生ずる流体抵抗相当の圧力であ
る。この流体抵抗は、膨張シリンダ内に与えるガ
ス圧をできるだけ有効に利用して冷凍効率を高め
るために可能な限り小さくすることが望ましく、
通常0.1Kg／cm²程度の値に設計されるのがよい。
したがつて前記被膜９８は殆ど機械強度を要さ
ず、相当薄いものでも強度的に問題になることは
ない。 次に被膜９８の形成法についていくつかの実施
例を示す。まず、第１の形成方法は、合成樹脂製
のチユーブを前記の蓄冷体９７の外周面に密着し
て被せることである。この場合に熱収縮性の合成
樹脂チユーブを用い、該チユーブをあらかじめ加
熱して膨張させた状態で蓄冷体９７の外周へ被せ
ることにより、密着性よく製作できる。またこの
チユーブの一端は摺動部材６１の端部に密着さ
せ、必要に応じ接着剤でシールしてこの部分から
の動作ガスの漏れを防ぐのがよい。 第２の形成方法は、蓄冷体９７の外周に合成樹
脂のモールド層を形成させることである。この場
合には蓄冷体９７の基質内へ樹脂が浸透し、蓄冷
体の有効容積を低減させないように作業条件の配
慮が必要である。 上記のような各方法で被膜９８を蓄冷体９７の
外周面に形成させることにより、矢印Ａのように
運転時にガス流路１０から膨張シリンダ室へ向け
て、あるいはその逆に流れる動作ガスが蓄冷体９
７の側面より出入してバイパスすることがなく、
蓄冷体９７の全容積を有効に活用して動作ガスと
の熱交換を効果的に行うことができる。また蓄冷
体９７の外周面が合成樹脂の被膜９８で被覆され
ているので、膨張シリンダの内面と蓄冷体９７の
金属同士の接触がなく、特に被覆９８に弗素樹脂
等の自己潤滑性のある樹脂を用いれば、摺動摩擦
によつて生じる摩擦熱が少なく、低温部への熱の
流入が低減されるので冷凍効率がより一層向上す
るし、さらに膨張シリンダ内面の摩耗が防止でき
る。

【考案の効果】

以上述べたようにこの考案によれば、膨張ピス
トンの摺動部に連ねてガス透過性の多孔質剛性材
で作られた蓄冷体を直接結合するとともに、該蓄
冷体の外周面にはガス漏れ防止用のガス不透過性
の被膜を気密に被覆して構成したことにより、従
来構成のものと比べて、まず構造および組立作業
が簡単で安価に製作でき、かつ球状蓄冷材をケー
ス内に充填したものと比べてもピストン運動に伴
う蓄冷材の摩滅がなく長期間安定した性能が維持
できる。さらに蓄冷体自身が剛性物であつて蓄冷
器としての機械強度を持つているので、蓄冷体の
外周面を覆う被膜は蓄冷体内外のガス圧力差に対
する耐圧性を有するのみで十分であり、従来構造
における蓄冷器ケースに比べてはるかに肉厚の薄
い被膜で済む。したがつて同一径寸法の膨張シリ
ンダに対して蓄冷体が占有する実効容積を従来よ
りも増大でき、これにより蓄冷器の蓄熱容量、動
作ガスとの間の伝熱面積の増大化が図れて蓄冷器
の能力向上、したがつて冷凍機の性能向上の効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は逆スターリングサイクル冷凍装置の略
示構成図、第２図は逆スターリング冷凍サイクル
を表した圧力−比容積線図、第３図は第１図によ
る冷凍サイクルの動作工程原理図、第４図および
第５図はそれぞれ従来における蓄冷器付き膨張ピ
ストンの構成断面図、第６図はこの考案の実施例
の構成断面図である。 ２……クランク軸、５……圧縮ピストン、６…
…膨張ピストン、７……圧縮シリンダ、８……膨
張シリンダ、９……蓄冷器、１０……ガス流路、
６１……ピストン摺動部材、９７……多孔質の蓄
冷体、９８……被膜、Ａ……動作ガスの流れ。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 １ 逆スターリングサイクル冷凍装置における膨
   張ピストンに蓄冷器を一体装備し、膨張シリン
   ダへ挿入して運転使用される蓄冷器付き膨張ピ
   ストンであつて、その内部に圧縮シリンダ室側
   へ通じる動作ガス流路が穿設されているピスト
   ン摺動部材に連ねてガス透過性の多孔質剛性材
   で作られた蓄冷体を固定連結するとともに、該
   蓄冷体の外周面をガス不透過性の被膜で気密に
   被覆して構成したことを特徴とする冷凍装置の
   蓄冷器付き膨張ピストン。 ２ 実用新案登録請求の範囲第１項記載の蓄冷器
   付き膨張ピストンにおいて、蓄冷体が多孔質の
   焼結金属で作られたものであることを特徴とす
   る冷凍装置の蓄冷器付き膨張ピストン。 ３ 実用新案登録請求の範囲第１項記載の蓄冷器
   付き膨張ピストンにおいて、被膜が自己潤滑性
   のある合成樹脂材で形成されていることを特徴
   とする冷凍装置の蓄冷器付き膨張ピストン。