JPH01281369A - 冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は例えば赤外線検出素子等を極低温に冷却する
スターリング冷凍機に関するものである。

〔従来の技術〕

従来のスターリング冷凍機は例えば持閏昭６１−２９１
８７２号公報に示されるものがあり、その構成を第６図
に示す０図において、圧縮機りはシリンダヘッド４、放
熱フィン１７が形成されたシリンダ５、ハウジング６、
ピストン７、ピストンリング８および、ピストン７の駆
動機構でありかつハウジング６内に収設された連接棒１
５、クランク軸１６等により構成されており、シリンダ
ヘッド４、シリンダ５．ハウシンクロにより密閉された
空間が、ピストン７と気密保持用のピストンリング８に
より２分され、この一方のシリンダヘッド４（ＩＩの空
間が圧縮室９を、他方の空間がバルク室１０をそれぞれ
形成している。また、膨張機２−は膨張シリンダｘｘ、
ｍＶｔピストン１２、蓄冷室１３により構成され、両開
口端面を密閉した筒状の膨張シリンダ１１内の空間は、
この中を往復運動しかつ蓄冷室１３を収設したｒＩＪ張
ピストン１２により２分されており、この上側の空間が
膨張１１４を、下側の空間がｉ温室２３をそれぞれ形成
している。さらに、接続管３は圧縮室９と高温室２３と
を連通ずるガス流路を形成し、中間にチェック弁２０が
接続された接続管１９は圧縮室９とバルク室１０とを連
通するガス流路を形成している。一方、圧縮室９、バル
ク室１０、蓄冷室１３、膨張室１４、高温室２３および
これらを相互に連通ずるガス流路中には、例えばヘリウ
ム、水素等の高圧の冷媒ガスが封入されており、冷媒ガ
スのピストン７の圧縮過程で発生する熱を外部へ放出す
るためシリンダ５の外周には放熱フィン１７を形成して
いる。圧縮室９、高温室２３、蓄冷室１３、膨張室１４
は相互に連通しており、これらの室および冷媒ガス流路
の占める空間が冷媒ガスの作動空間を形成している。

上記のような従来のスターリング冷凍機の動作について
以下に述べる。シリンダ５内を往復運動するピストン７
が作動空間内の冷媒ガスに正弦波状の圧力変動を与える
が、バルク室１０の容積がピストン７の行程容積および
作動空間に比べ充分に大きいため、バルク室１０内の冷
媒ガスの圧力変動は極めて軽微である。圧縮室９内でピ
ストン７により圧縮され高温高圧となった冷媒ガスは、
その熱を放熱フィン１７で外部へ放出し、接続管３を通
って膨張機２−の高温室２３内に流入し、膨張ピストン
１２を上死点に押上げる。その後冷媒ガスは、膨張ピス
トン１２内に形成された蓄冷室１３を通過して低温とな
り膨張室１４に入るが、蓄冷室１３を通過する際冷媒ガ
ス圧力は流木粘性抵抗による圧力損失を生じ、膨張室１
４内の冷媒ガス圧力は徐々に上昇して遂には高温室２３
内の冷媒ガス圧力との差がなくなる。一方、ピストン７
が圧縮行程から膨張行程に入ると、圧ｗＩ室９内の冷媒
ガス圧力が低下し、この圧力低下に伴いやがて膨張室１
４内の冷媒ガス圧力が高温室２３内の冷媒ガス圧力より
高くなると、膨張ピストン１２が押し下げられ下死点に
達し、膨張室１４内の冷媒ガスは膨張して低温となり周
囲の熱を吸収することにより冷凍作用をする。ｊＩ張皇
室１４内膨張して低温となった冷媒ガスは、蓄冷室１３
内と冷却しながら通過し、高温室２３を経由し、接続管
３３通って圧縮室９へ戻り、以後上記と同様の熱サイク
ル３繰り返す、冷凍機の運転中は、ピストン７に取付け
られたピストンリング８のガス密封性は一最的に不完全
であるため、冷媒ガスがわずかづつ圧縮室９よりバルク
室１０に漏洩するが、バルク室１０内の冷媒ガス圧力が
圧縮室９内の冷媒ガス圧力より高くなると、チェック弁
２０が開いてバルク室１０内の冷媒ガスが接続管１９を
通って圧ｗｉ室９内に流入するので、圧縮室９内の冷媒
ガス圧力がバルク室１０内の冷媒ガス圧力より低下する
ことはない。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、このような従来の冷ａＫ機は始動時所定の圧
力値で冷媒ガスを封入しても、冷媒ガスを封入する時の
ピストン７の位置によって、封入ガス圧力値に対する圧
縮室９内の冷媒ガス圧力と時間的平均圧力は冷凍機始動
直後において異なる。

第７図に始動時のピストン７位置の違いによる冷凍機始
動直後の圧縮室９内の冷媒ガス圧力変化と時間的平均圧
力を示す３図において、始動時のピストン７位置が下死
点にある場合の始動直後の圧縮室９内の冷媒ガス圧力変
化は（イ）、時間的平均圧力値は（ロ）となる、また、
（ハ）は始動時のピストン７位置が圧縮行程の中点にあ
る場合の圧縮室９内の冷媒ガス圧力変化、（ニ）は始動
時のピストン７位置が膨張行程の中点にある場合の圧縮
室９内の冷媒ガス圧力変化、（ホ）は始動時のピストン
７位置が中点にある場合の圧縮室９内冷媒ガス圧力の時
閉的平均圧力値、（へ）は始動時のピストン７位置が圧
縮行程の中点にある場合のバルク室１０内の冷媒ガス圧
力変化を示す、さらに、始動時のピストン７の位置が上
死点の場合は、（ト）が圧縮室９内の冷媒ガス圧力変化
を示し、圧ＷＩ室室内内時間的平均圧力値は（ホ）とな
る、運転開始後時間の経過とともに圧縮室９内の冷媒ガ
ス圧力はピストン７の動作、膨張機２ｆ１ｍ張ピストン
１２の動作および冷媒ガスの温度等により影響を受けて
変化するが、バルク室１０容積はピストン７の行程容積
および作動空間に対し充分大きくかつ始動直後はバルク
室１０内冷媒ガスの冷ａｇｔａ外への漏洩もほとんどな
く、バルク室１０内の冷媒ガス圧力は掻くわずか脈動す
る程度でほぼ一定であり、作動空間への冷媒ガス封入圧
力値も一定であるので、始動直後の圧ｍ室９内の冷媒ガ
ス圧力のみを考える場合はピストン７の動作が大きく影
響し、始動時のピストン７位置により始動直後の圧縮室
９内の冷媒ガス圧力変化は大きく左右されて変化し、こ
れに伴って圧ＩＩ室室内内ガス圧力の時間的平均値も変
る。即ち、ピストン７を下死点位置で始動した場合の圧
縮室９内の冷媒ガス圧力変化（イ）の最高圧力値は上死
点位置で始動した場合の圧縮室９内の冷媒ガス圧力変化
（ト）の最高値より圧力振幅の半分だけ高（なる、つま
り運転開始時のピストン７の位置が下死点に近づく程圧
ｍ室９内の冷媒ガス圧力とその時間平均圧力値とは共に
増大して始動時のピストン７位置が下死点の場合が最大
となり、圧Ｍ機りのシリンダへラド４、シリンダ５、ハ
ウシンクロ等の耐圧強度上問題となる。また始動時のピ
ストン７の位置が上死点の場合の圧１室９内の冷媒ガス
圧力変化（ト）は本来なら図の！で示す（チ）の圧力変
化をするが、圧縮室９内の冷媒ガス圧力がバルク室１０
内の冷媒ガス圧力（へ）より下がるとチェック弁２０が
開いてバルク室１０より冷媒ガスが圧縮室９へ流入する
ため、圧縮室９内の冷媒ガス圧力は増加しピストン７を
中点位置より始動した場合と同じ圧力振幅の正弦波形を
描くようになる。つまり、圧縮室９内の冷媒ガス圧力の
最低圧力はチェック弁２０の作用でバルク室１０内圧力
以上となる。従って、ピストン７を中点から始動した場
合を基準とすれば、圧ｍ室９内の冷媒ガスの最大圧力と
バルク室１０内の冷媒ガス圧力との圧力差は始動時のピ
ストン７位置が中点から下死点に行くに従い増大する結
果、前記圧力差が基準を上回ればピストン７が冷媒ガス
から受ける力は大きくなり、ピストン７、ピストンリン
グ８、ピストン７を駆動するモータ、クランク軸１６、
軸受け、シール等の機構部品にかかる負荷は増大して過
負荷となり、ａｉｆ１１部品の強度上、耐久性上の問題
が発生するとともに、ピストン７の圧縮比は一定である
ので、圧縮室９内の冷媒ガスの最低圧力が変１ヒすると
、冷凍機の運転開始時の冷凍能力にバラツキが生ずると
いう種々の問題がある。

この発明は、始動時のピストン位置が変っても圧縮機の
各機構部品に過負荷がかからない強度、耐久性に優れか
つ運転開始時の冷凍能力のバラツキのない冷凍機を提供
することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、この発明によれば、両端が
開口面をもつ円筒状中空を有するシリンダと、このシリ
ンダの一方の開口端面をふさぐシリンダヘッドと、前記
シリンダの他方の開口端面をふさぎかつ内部に空間を有
するハウジングと、前記シリンダ内を往復運動するピス
トンとを有し、このピストンと前記シリンダヘッドと前
記シリンダとにより区切った空間と、前記シリンダと前
記ピストンと前記ハウジングとにより区切った空間とが
それぞれ玉楼室とバルク室とと形成し冷媒ガスを圧縮す
る圧ＩＩＩ機と、両開口端をふさいだ筒状の膨張シリン
ダと、内部に蓄冷室を収設した膨張ピストンとを有し、
前記膨張シリンダ内の空間を前記膨張ピストンにより２
分して高温室とｒ＃張皇室を形成し低温を発生する膨張
機と、この膨張機の前記高温室と前記圧ｍａ！の前記圧
縮室とをつなぐ冷媒ガス流路とを備えた冷凍機において
、訂記圧締室と前記バルク室とをつなぐ２つの冷媒ガス
流路を設け、一方のガス流路中には、冷媒ガスの流入側
と吐出側とのガス圧力差により開関し一方方向に冷媒ガ
スを流すチェック弁を、他方の流路中には、設定圧力以
上になると開き一方方向に冷媒ガスを流すリリーフ弁を
それぞれ儂えるものとする。

〔作用〕

この発明においては、圧ｍ室とバルク室とをつなぐ２つ
の冷媒ガス流路を設け、一方のガス流路中には、冷媒ガ
スの流入側と吐出側とのガス圧力差により閏関し一方方
向に冷媒ガスを流すチェック弁を、他方の流路中には、
設定圧力以上になると開き一方方向に冷媒ガスを流すリ
リーフ弁をそれぞれ備えたので、冷凍機運転中は作動空
間内の冷媒ガス圧力よりバルク室内冷媒ガス圧力の方が
高くなるとバルク室からチェック弁を通って作動空間へ
冷媒ガスが流入し、常に作動空呵内の冷媒ガス圧力がバ
ルク室の冷媒ガス圧力以上で運転が行われる。また、作
動空間内の冷媒ガス圧力がリリーフ弁の設定値を上回れ
ば、リリーフ弁が開いてｆＹ動動量間ら冷媒ガスがバル
ク室へ流入するので、作動空間のガス圧力は設定値を超
えることはなく、前述のごとくバルク室は通常作動空間
に対して充分大きいので、バルク室内のガス圧力もほぼ
一定値を保つことができる。従って、冷凍機の運転始動
時のピストンの位置には無関係に圧縮室内のガス圧力の
上限および下限を一定に保つことが可能となる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を第１図に基づいて説明する
。第６図と共通あるいは同一の部分は同一の符号で示す
９図において、圧縮機りはシリンダヘッド４、放熱フィ
ン１７が形成されたシリンダ５、ハウジング６、ピスト
ン７、ピストンリング８およびピストン７の駆動８！楕
でありかつハウジング６内に収設された連接環１５、ク
ランク軸１６等により構成されている。シリンダへラド
４、シリンダ５、ハウシンクロにより密閉された空間が
ピストン７と気密保持用のピストンリング８とにより２
分され、この一方のシリンダヘッド４側の空間が圧縮室
９を、他方の空間がバルク室１０を形成しているやまた
膨張［２は膨張シリンダ１１、膨張ピストン１２、蓄冷
室１３、Ｊｉｉｊ張室１皇室高温室２３により構成し、
両開口端を密閉した筒状のＷ張シリンダｌｌ内の空間を
、この中を往攬運動する、蓄冷室１３が収設された膨張
ピストン１２で２分しており、この上側の空間が膨張室
１４を、下側の空間が高温室２３を形成している。一方
、圧縮室９と高温室２３とを連通ずるガス流路を接続管
３により形成し、圧ｍ室９とバルク室１０とを連通ずる
２つのガス流路を設けており、一方のガス流路は、中間
にチェック弁２０を接続した接続’１ｆ１９で構成し、
他方のガス流路は、中間にリリーフ弁２２を設けた接続
管２１で構成している。また、ピストン７による冷媒ガ
スの圧縮過程で発生する熱を外部へ放出するためシリン
ダ５の外周には放熱フィン１７が形成されており、圧縮
室９、接続管３、高温室２３、膨張室１４、蓄冷室１３
は相互に連通し、これらの室および冷媒ガス流路の占め
る空間が冷媒ガスの作動空間を形成している。この作動
空間、バルク室１０および圧縮室９とバルク室１０とを
つなぐ冷媒ガス流路中には、例えばヘリウム、水素など
の高圧の冷媒ガスを封入している。また、リリーフ弁２
２は、圧縮室９内の冷媒ガス圧力がピストン７を中点位
置から始動したときの最高圧力以上になれば開き、作動
空間内の冷媒ガスがバルク室１０内に流れるように圧力
設定してあり、チェック弁２０は、始動時のピストフッ
位置が行程の中点の場合の圧縮室９内の冷媒ガス最低圧
力であるバルク室１０内冷媒ガスの圧力より低くなれば
開き、バルク室１０内の冷媒ガスが作動空間内に流入す
るように圧力設定している。

前述の構成において、冷凍機の動ｆｊは従来の冷凍機と
変らないが、冷凍機の運転始動時の冷媒ガスの封入圧お
よびバルク室１０内のガス圧力Ｅ　−定にして始動した
ときの、運転始動時のピストン７の位置が異なることに
よる始動直後の圧縮室９内と、バルク室１０内との冷媒
ガス圧力変化およびその時間的平均圧力の状況を示した
のが第２図て゛ある。図において、始動時のピストフッ
位置が下死点にある場合の始動直後の状況は（す）が圧
槽室９内の冷媒ガス圧力変化、（ヌ）が圧縮室９内の時
間的平均圧力を示す、また、始動時のピストフッ位置が
圧縮行程の中点にある堝金は、（ル）が圧暖室９内の冷
媒ガス圧力変化、（ヲ）がバルク室１０内の冷媒ガス圧
力変化を示し、始動時のピストフッ位置が膨張行程の中
点にある場合は、（ワ）が圧縮室９内の冷媒ガス圧力変
化、くヌ）が圧縮室９内の冷媒ガス時間的平均圧力を示
す。

さらに、始動時のピストフッ位置が上死点のｔＪｈ今は
、（力）が圧縮室９内の冷媒ガス圧力変化、（ス）が圧
縮室９内の冷媒ガスの時間的平均圧力を示す、冷凍機の
運転始動時の冷媒ガス封入圧力およびバルク室１０内の
冷媒ガス圧力は一定であり、バルク室１０容積はピスト
ン７の行程容積および作動空間に対し充分大きくかつ始
動直後はバルク室１０内の冷媒ガスは冷凍機外へ漏洩す
ることはほとんどないので、始動時のピストフッ位置が
異なるいずれの場合も、圧縮室９内の冷媒ガス圧力変化
は時間的平均圧力（ヌ）を中心に正弦波状の圧力振動と
なる。また、バルク室１０内の冷媒ガス圧力（ヲ）は掻
くわずか脈動する程度で常にほぼ一定となる。何故なら
、圧縮室９内の冷媒ガス圧力がリリーフ弁２２の設定圧
力以上になれば、チェック弁２０は閉じているが、リリ
ーフ弁２２が開いて作動空間の冷媒ガスが接続管２１を
通ってバルブ室１０に流入し、圧縮室９内の冷媒ガス圧
力はリリーフ弁２２の設定圧力以上に上昇することはな
い、また、圧縮室９内の冷媒ガス圧力がチェック弁２０
の設定圧力以下でかつバルク室１０内の冷媒ガス圧力よ
り低くなると、リリーフ弁２２は閉じているが、チェッ
ク弁２０が開いてバルク室１０内の冷媒ガスが接続管１
９を通り圧縮室９に流入するので、圧縮室９内の冷媒ガ
ス圧力はチェック弁２０の設定圧以下に低下することは
ない、従って、圧縮室９内のガス圧力はピストン７が一
往復しない間にピストン７を中点位置から始動した場合
と同じ正弦波の波形を描き、作動空間の冷媒ガス圧力は
バルク室１０内の冷媒ガス圧力以上で常に正弦波状の圧
力変動を繰り退すことになるやまた、始動時のピストフ
ッ位置が何処にあっても、圧縮室９内ガス圧力は最高圧
力がリリーフ弁２２の設定値以下となりかつ最低圧はチ
ェック弁２０の設定圧以上となるとともに、圧縮室９内
の冷媒ガス最大圧力と、バルク室１０内の冷媒ガス圧力
との圧力差は始動時ピストフッ位置を中点から始動した
場合の基準を上回ることはないので、ピストンリング８
やピストン７を駆動する、クランク軸１６、モータ、軸
受け、シール等のＶ％構部品にかかる負荷荷重は基準を
超えることはなく、機Ｗ１部品の強度、耐久性上の問題
もなくなるとともに、圧縮室９内の冷媒ガスのＭＬ低圧
力がほぼ一定となるので、冷凍機の運転開始時の冷凍能
力のバラツキもなくなる。なお、第３図にこの発明の異
なる実ｔＩ！例を示す９図において、前述の実施例と異
なる点は、圧縮室９とバルク室１０とを連通ずる２つの
ガス流路の一つである、中間にチェック弁２０を接続し
た接続管１９で構成した流路の代りに、ピストンリング
８をリップシール２４に変えてチェック弁２０の機能を
リップシール２４で行うようにしたものである。バルク
室１０内の冷媒ガス圧力が圧縮室９内の冷媒ガス圧力よ
り高くなると、リップシール２４の外周が内周方向に撓
みを生じ、シリンダ５の内周とりツブシール２４の外周
との間に隙間ができバルク室１０内の冷媒ガスが圧ｍ室
９内に流入し、逆にバルク室１０内の冷媒ガス圧力が圧
Ｗｊ室９内の冷媒ガス圧力より低くなると、リップシー
ル２４の外周が膨らみシリンダ５の内周とりツブシール
２４の外周とが密着してガスは流れなくなる。

リップシール２４については、第５図に示すように断面
がコの字形の溝付のリング状のシール本体２５と、コイ
ルばねをリング状に成形し、前記溝内に嵌め込んだばね
２６とで構成し、ばね２６はシール本体２５の変形防止
と外周方向へ押す作用をしており、リップシール２４の
下側の圧力が上側の圧力より高くなるとシール本体２５
の外周が内側に撓みを生じて収縮する。さらに、この発
明のもう一つの異なる実施例を第・４図に示す０図にお
いて、前述の最初の実施例と異なる点は、圧縮室つとバ
ルク室１０とを連通ずる２つのガス流路の内の一つであ
る、中間にリリーフ弁２２を設けた接続管２１で構成し
たガス流路の代りに、ピストンリング８をリップシール
２４に変えてリリーフ弁２２の１１％能をリップシール
２４で行うようにしたものである。圧縮室９内の冷媒ガ
ス圧力が設定圧力より高くなると、リップシール２４の
外周が内周方向に撓みを生じてシリンダ５の内周とリッ
プシール２４の外周との間に隙間ができ圧縮室９内の冷
媒ガスがバルク室１０内に流入するようにしたものであ
る。

〔発明の効果〕

この発明は、圧縮室とバルク室とをつなぐ２つの冷媒ガ
ス流路を設け、一方のガス流路中には、冷媒ガスの流入
側と吐出側とのガス圧力差により開閉し一方方向に冷媒
ガスを流すチェック弁を、他方の流路中には、設定圧力
以上になると開き一方方向に冷媒ガスを流すリリーフ弁
をそれぞれ備えたので、冷凍機運転中は常に作動空間内
の冷媒ガス最低圧力がバルク室内の冷媒ガス圧力以上と
なるとともに、作動空間の冷媒ガス最大圧力が設定値を
超えることもなく、バルク室内のガス圧力もほぼ一定値
を保つことができ、運転始動時のピストンの位置には無
関係に圧縮室内の冷媒ガス圧力の上限および下限を一定
に保つことが可能となる結果、ピストン、ピストンリン
グ、ピストンを駆動するクランク軸、モータ、軸受け、
シール等の機構部品にかかる負荷は基準を超えて過負荷
になることはなく、機構部品の強度上、耐久性上の問題
もなくなるとともに、圧縮室内の冷媒ガスの最低圧力が
一定となるので、冷凍機の運転開始時の冷凍能力はバラ
ツキもなく常に一定に保つことができるという効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の冷凍機の一実施例の構成を示す正面
図、第２図はこの発明の冷凍機の始動時のピストン位置
の違いによる冷凍機始動直後の圧縮室内およびバルク室
内の冷媒ガス圧力変化と時間的平均圧力を示す図、第３
図はこの発明の異なる実施例の構成を示す正面図、第４
図はこの発明のもう一つの異なる実施例の構成を示す正
面図、第５０はりツブシールの断面図、第６図は従来の
冷凍機の構成を示す正面図、第７図は従来の冷凍機の始
動時のピストン位置の違いによる冷凍機始動直後の圧縮
室内およびバルク室内の冷媒ガス圧力変化と時間的平均
圧力を示す図である。 と・・・圧縮機、２−・・・虚張機、３・・・接続管、
４・・・シリンダヘッド、５・・・シリンダ、６・・・
ハウジング、７・・・ピストン、８・・・ピストンリン
グ、９・・・圧縮室、１０・・・バルク室、１１・・・
ｍ張シリンダ、１２・・・膨張ピストン、１３・・・蓄
冷室、１４・・・膨張室、１９・・・接続管、　２０・
・・チェック弁、２１・・・接続管、２２・・・リリー
フ弁、２３・・・高温室、２４・・・リップシール、２
５・・・シール本体、２６・・・ばね。 １ｉｄｓ磯　　　　　λ、Ｉチ帳磯 第１図 第３図 第４図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）両端が開口した円筒状中空を有するシリンダと、こ
   のシリンダの一方の開口端面をふさぐシリンダヘッドと
   、前記シリンダの他方の開口端面をふさぎかつ内部に空
   間を有するハウジングと、前記シリンダ内を往復運動す
   るピストンとを有し、このピストンと前記シリンダヘッ
   ドと前記シリンダとにより区切った空間と、前記シリン
   ダと前記ピストンと前記ハウジングとにより区切った空
   間とがそれぞれ圧縮室とバルク室とを形成し冷媒ガスを
   圧縮する圧縮機と、両開口端をふさいだ筒状の膨張シリ
   ンダと、内部に蓄冷室を収設した膨張ピストンとを有し
   、前記膨張シリンダ内の空間を前記膨張ピストンにより
   ２分して高温室と膨張室とを形成し低温を発生する膨張
   機と、この膨張機の前記高温室と前記圧縮機の前記圧縮
   室とをつなぐ冷媒ガス流路とを備えた冷凍機において、
   前記圧縮室と前記バルク室とをつなぐ２つの冷媒ガス流
   路を設け、一方のガス流路中には、冷媒ガスの流入側と
   吐出側とのガス圧力差により開閉し一方方向に冷媒ガス
   を流すチェック弁を、他方の流路中には、設定圧力以上
   になると開き一方方向に冷媒ガスを流すリリーフ弁をそ
   れぞれ備えたことを特徴とする冷凍機。