JPH0240454Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は逆スターリング冷凍機に関するもので
ある。

逆スターリングサイクルにおいて、20〓以下の
極低温を効率的に得るためには、特に蓄冷器の効
率を上げることと、膨張シリンダ部におけるモー
シヨナルヒートリーク及び固体伝導によるヒート
リークを小さくする手段が必要である。

このモーシヨナルヒートリークを小さくする方
法として従来は、膨張ピストンを２段以上で膨張
するようにして、冷凍部での低温発生部を複数に
し、比較的温度の高い低温発生部で前記モーシヨ
ナルヒートリークを減らすようにして、最も温度
の低い低温発生部での低温発生の効率を上げるよ
うにしていた。しかしこの場合には、77〓以下の
低温ピストンシールが必要であり、この低温ピス
トンシールは極低温環境下で、かつ無潤滑である
ので、シールの安定性に問題があつた。

本考案は常温環境下でのピストンシールで膨張
シリンダにおけるモーシヨナルヒートリーク及び
固体伝導によるヒートリークを小さくしようとす
るもので、低温発生の膨張ピストンを２個以上で
構成し、比較的温度の高い低温発生部から低温ガ
スを一部抽出し、そのガスで比較的温度の低い低
温発生部の膨張ピストンのモーシヨナルヒートリ
ークを補償し、極低温下でのピストンシールをな
くして、極低温を効率的、かつ安定的に得て、従
来の欠点を解消した逆スターリング冷凍機を得る
ことを目的とするものである。

この目的を達成するために本考案は、比較的低
温で冷凍を発生する逆スターリングサイクル冷凍
回路と、比較的高温で冷凍を発生する逆スターリ
ングサイクル冷凍回路が夫々対になつて構成され
る冷凍機において、比較的高温で冷凍を発生する
冷凍回路の膨張室と駆動室の間に、膨張シリンダ
冷却熱交換器と、ガス抽出調整弁及び前記膨張室
から前記駆動室へのガスの流れを許容し前記駆動
室から前記膨張室へのガスの流れを阻止するガス
抽出逆止弁を介在せしめ、かつ前記膨張シリンダ
冷却熱交換器を、比較的低温で冷凍を発生する膨
張シリンダの低温発生部と常温部との間に配設す
ると共に、比較的高温で冷凍を発生する冷凍回路
の圧縮室と前記駆動室との間に、前記駆動室から
前記圧縮室へのガスの流れを許容し前記圧縮室か
ら前記駆動室へのガスの流れを阻止する吸入弁を
介在せしめてなり、比較的高温で冷凍を発生する
冷凍回路の膨張室より、該冷凍回路内のガスの一
部をガス抽出調整弁によつて抽出し、抽出された
低温のガスによつて前記膨張シリンダ冷却熱交換
器を介して該膨張シリンダの一部を冷却する。膨
張シリンダの一部を冷却したガスは、ガス抽出逆
止弁を介して駆動室内に流入し、吸入弁を介して
比較的高温で冷凍を発生する冷凍回路の圧縮室へ
戻される。従つて本考案によると、２段膨張に必
要な低温ピストンシールなしで、モーシヨナルヒ
ートリーク及び固体伝導によるヒートリークを小
さくすることができるので、安定した冷凍出力が
効率よく得られる。

以下本考案の実施例を図面について説明する
と、第１圧縮シリンダ（20〓側）４と第２圧縮シ
リンダ（100〓側）１７には、第１圧縮ピストン
２と第２圧縮ピストン１５が挿入されており、該
シリンダ４，１７とは太さ及び長さが異なり、か
つ相互に太さ及び長さの異なる第１膨張シリンダ
（20〓側）９と第２膨張シリンダ（100〓側）２２
には、夫々に適合した第１膨張ピストン１１と第
２膨張ピストン２４が夫々挿入され、該各ピスト
ン２，１５及び１１，２４は矢印方向に回転する
クランクシヤフト１により駆動されるようになつ
ている。

そしてこれらのピストン２，１１，１５，２４
の駆動には夫々互にほぼ90゜の位相差をもたせ、
またピストン２と１１及び１５と２４は互にほぼ
90゜の位相差をもち、全体として４気筒駆動装置
を構成している。

またシリンダ４とピストン２で構成される第１
圧縮室５と、シリンダ９とピストン１１で構成さ
れる第１膨張室１０間、及びシリンダ１７とピス
トン１５で構成される第２圧縮室１８と、シリン
ダ２２とピストン２４で構成される第２膨張室２
３間は、夫々圧縮室５，１８の作業ガスの圧縮熱
を放熱するためのアフタークーラ６，１９及び蓄
冷器７，２０並に膨張室１０，２３で発生する冷
凍を回収利用するための熱交換器８，２１を直列
に備えた導管で連結している。

以上の如く比較的低温で冷凍を発生する逆スタ
ーリングサイクル冷凍回路（20〓側）と、比較的
高温で冷凍を発生する逆スターリング冷凍回路
（100〓側）が、夫々１個づつクランクシヤフト１
で構成される駆動部上に設けられている。

一方第２膨張室２３より冷凍回路（100〓側）
内のガスの一部をガス抽出調整弁２７によつて抽
出し、この抽出された低温のガスによつて第１膨
張シリンダ９の低温部と常温部の中間に形成され
る膨張シリンダ冷却熱交換器１３を介して、第１
膨張シリンダ９の一部を冷却するように構成して
いる。またガス抽出逆止弁２８は、特に冷凍機始
動時、駆動室２９より直接ガスが第２膨張室２３
に逆流しないようにするために、第１膨張シリン
ダ９、冷却熱交換器１３と駆動室２９を連結する
配管途中に設けてある。なお、３，１２，１６，
２５はピストンシールであり、ピストンシール１
２は常温部に設けられている。１４は20〓側吸入
弁、２６は100〓側吸入弁である。

以上の実施例では、比較的低温で冷凍を発生す
る冷凍回路を20〓側に、比較的高温で冷凍を発生
する冷凍回路を100〓側に設けているが、勿論
夫々20〓側、100〓側を個々に示すものではなく、
２つの温度レベルで冷凍を発生するものにおい
て、どちらかがより低い温度で冷凍を発生する全
ての組合せにおいて成り立つものである。

次に作用を説明すると、図示しない原動機によ
つて駆動される、例えばクランクアーム１によつ
て各ピストンは互にほぼ90゜の位相差で往復上下
動する。この時独立し２回路の作業ガス流通路に
は、作業ガスとして例えば空気、アルゴン、窒
素、ネオン、水素又はヘリウム或はこれらの混合
気体を封入しておく。

次に作動原理を第２膨張シリンダ２２と第２膨
張ピストン２４とで形成される第２膨張室２３、
熱交換器２１、蓄冷器２０、アフタークーラ１
９、第２圧縮室１８で構成される系統で説明する
と、第２圧縮ピストン１５が下死点を過ぎる時点
では、膨張ピストン２４は上死点近くになりつつ
あり、第２膨張室２３側での容積変化は非常に少
ない。

一方第２圧縮ピストン１５は下死点を既に過ぎ
て上方へ移動中であり、系内の作業ガスは圧縮さ
れ始め、第２膨張ピストン２４が上死点を過ぎて
下方へ移動し始めるまで圧縮行程が続く。この行
程では圧縮作業ガスは圧縮行程における発生熱を
アフタークーラ１９で放熱し、更に金属粒体、若
しくは金網又は金属製多孔薄板を縦長容器に多数
重合集積すると共に、その上下両端部を気密状態
で被着させ、夫々導管に接続開口させた蓄冷器２
０に入る。

また圧縮ガスは蓄冷器２０内で前記金網等の充
填材と熱交換冷却され、その後第２膨張室２３に
入る。この膨張行程は、第２膨張ピストン２４が
下死点に来る時点まで続き、その後膨張ピストン
２４が上方へ移動し、第２圧縮ピストン１５が下
死点に移動するまでが再びほぼ等容行程となり、
第２膨張室２３内で冷却された膨張作業ガスは、
第２膨張ピストン２４の上方向への動きによつて
膨張室２３から排出され、蓄冷器２０を通り、先
に等容行程で暖められた金網等の充填材と熱交換
して充填材を冷却し、作業ガス自身は暖められ、
ほぼ常温に戻つて蓄冷器２０よりアフタークーラ
１９を経て第２圧縮室１８に戻る。この等容工程
は第２圧縮ピストン１５が下死点を過ぎる時点ま
で行なわれる。なお、第１膨張シリンダ９と第１
膨張ピストン１１とで形成される第１膨張室１
０、熱交換器８、蓄冷器７、アフタークーラ６、
第１圧縮室５で構成される系統も前記した作動と
同様に作動する。

しかして本実施例においては駆動室２９から第
１圧縮室５及び第２圧縮室１８への作業ガスの流
れを許容し、第１圧縮室５及び第２圧縮室１８か
ら駆動室２９への作業ガスの流れを阻止する各吸
入弁１４，２６により、前記したように等容行
程、圧縮行程、等容行程及び膨張行程を繰り返し
て変動する各系統の作業ガスの圧力の最低圧力に
駆動室２９内の圧力は保たれている。そのためガ
ス抽出調整弁２７の開度を適宜調整してやり、ガ
ス抽出逆止弁２８の開弁圧を比較的高温で冷凍を
発生する冷凍回路の最低圧力以上の圧力としてや
れば（比較的高温で冷凍を発生する冷凍回路の作
業ガスの圧力が最低圧力以上のときに開弁する）、
比較的高温で冷凍を発生する冷凍機が駆動中は常
に膨張室２３より、該冷凍回路内の作業ガスの一
部がガス抽出調整弁２７により抽出され、その抽
出ガスによつて膨張シリンダ冷却熱交換器１３に
て比較的低温で冷凍を発生する冷凍機の膨張シリ
ンダ９の一部を冷却することができる。なお、膨
張シリンダ９の一部を冷却したガスは駆動室２９
へ流入した後、吸入弁２６を介して第２圧縮室１
８へ戻され、比較的高温で冷凍を発生する冷凍機
の冷凍出力の低下を防ぐ。

以上のように本実施例によれば２段膨張に必要
な低温ピストンシールなしで、比較的低温で冷凍
を発生する冷凍機の膨張シリンダ９及び膨張ピス
トン１１におけるモーシヨナルヒートリーク及び
固体伝導によるヒートリークを小さくすることが
でき、安定した冷凍出力を効率良く得ることがで
きる。なお、比較的高温で冷凍を発生する冷凍機
の膨張室２３からの作業ガスの一部の抽出は、ガ
ス抽出逆止弁２８の開弁圧の設定により比較的高
温で冷凍を発生する冷凍機の膨張室２３の駆動中
に断続的に行うこととしても良い。

【図面の簡単な説明】

図面は本考案の実施例を示す逆スターリング冷
凍機のシステム図である。 図の主要部分の説明、１……クランクシヤフ
ト、２……第１圧縮ピストン、４……第１圧縮シ
リンダ、５……第１圧縮室、６，１９……アフタ
ークーラ、７，２０…蓄冷器、８，２１……熱交
換器、１０……第１膨張室、９……比較的低温で
冷凍を発生する冷凍回路の膨張シリンダ、１１…
…第１膨張ピストン、１３……膨張シリンダ冷却
熱交換器、１５……第２圧縮ピストン、１７……
第２圧縮シリンダ、１８……第２圧縮室、２２…
…第２膨張シリンダ、２３……比較的高温で冷凍
を発生する冷凍回路の膨張室、２４……第２膨張
ピストン、２７……ガス抽出調整弁、２８……ガ
ス抽出逆止弁、２９……駆動室。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 比較的低温で冷凍を発生する逆スターリングサ
   イクル冷凍回路と、比較的高温で冷凍を発生する
   逆スターリングサイクル冷凍回路が夫々対になつ
   て構成される冷凍機において、比較的高温で冷凍
   を発生する冷凍回路の膨張室と駆動室の間に、膨
   張シリンダ冷却熱交換器と、ガス抽出調整弁及び
   前記膨張室から前記駆動室へのガスの流れを許容
   し前記駆動室から前記膨張室へのガスの流れを阻
   止するガス抽出逆止弁を介在せしめ、かつ前記膨
   張シリンダ冷却熱交換器を、比較的低温で冷凍を
   発生する膨張シリンダの低温発生部と常温部との
   間に配設すると共に、比較的高温で冷凍を発生す
   る冷凍回路の圧縮室と前記駆動室との間に、前記
   駆動室から前記圧縮室へのガスの流れを許容し前
   記圧縮室から前記駆動室へのガスの流れを阻止す
   る吸入弁を介在せしめてなることを特徴とする逆
   スターリングサイクル冷凍機。