JPH031051A - 蓄冷器内蔵の往復動型冷凍機 - 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】 （発明の目的） （産業上の利用分野） 本発明は、蓄冷器内蔵の往復動冷凍機に関し、例えばス
ターリングサイクル冷凍機、ヴイルマイヤ冷凍機、ギフ
オードマクマフオンサイクル冷凍機等の蓄冷器内蔵の閉
サイクル冷凍機に利用される。

（従来の技術） 従来、この種の冷凍機として、次のような構成からなる
ものが−船釣に知られている。

第１シリンダ内にクランク機構により往復動される圧縮
ピストンが複数個のピストンリングを介して気密的に往
復摺動可能に嵌挿されると共に、第２シリンダ内にクラ
ンク機構により圧縮ピストンと所定の位相角（圧縮ピス
トンに対し９０°程進んでいる）往復動される膨張ピス
トンが複数個のピストンリングを介して気密的に往復摺
動可能に嵌挿され、第１シリンダ内に圧縮ピストンによ
り形成される圧縮空間と第２シリンダ内に膨張ピストン
により形成される膨張空間とが放熱器及び膨張ピストン
に内蔵された蓄冷器を介して連通されている。これによ
り雨空間から成る作動空間内に封入されている作動ガス
が、圧縮ピストンにより圧縮空間内で圧縮され高温とな
った後、放熱器及び蓄冷器で冷却されて膨張空間内で膨
張され、膨張空間に隣設されたコールドヘッドに冷凍を
発生させる。

（発明が解決しようとする課題） 上記した従来の冷凍機においては、圧縮ピストンの往復
動により圧縮空間で作動ガスが圧縮されるが、この時、
ピストンリングは第１シリンダの内周面上を摺動し摩擦
を生じる。この種の冷凍機においては、作動空間内の作
動ガス内に油脂分が混入すると冷凍性能が低下するため
、ピストンリングと第１シリンダ間に油脂性の潤滑剤等
により潤滑を施すことは不可能である。そのため、上記
した従来の冷凍機においては、摩擦によるピストンリン
グの摩耗は避けられず（特に樹脂材等から成るピストン
リングでは摩耗が著しい）、ピストンリングの耐久性が
低いという問題があった。更にこのピストンリングの摩
耗により、ピストンリングと第１シリンダ間の間隙を通
って圧縮空間からクランクケース内への作動ガスの洩れ
が増長されて、作動ガスの圧縮比を低下させ冷凍性能が
低下するばかりでなく、逆にクランクケース内の油脂分
が同間隙を通って圧縮空間内へ流入することをも増長し
、作動ガスが汚染されて冷凍性能が低下するという問題
もあった。

そこで本発明は、当該蓄冷機内蔵の往復動型冷凍機にお
いて、簡単な構成により作動ガスの汚染及び洩れを防止
して、冷凍性能の長期安定性を向上させることを、その
技術的課題とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記した技術的課題を解決するために講じた手段は、当
該蓄冷機内蔵の往復動型冷凍機を第１シリンダ内に挿通
され駆動機構により前記第ニジリンダ内を往復動するロ
ッドと、第２シリンダ内に気密的に且つ前記ロッドに対
して所定の位相差を有して往復動可能に嵌挿されて前記
第２シリンダ内に膨張空間を区画形成する膨張ピストン
と、該膨張ピストンに内蔵されてその一端が前記膨張空
間に連通ずる蓄冷器と、前記ロッドの外周にその内周縁
部が気密的に固定されると共にその外周縁部が前記第１
シリンダに気密的に固定されて、前記第１シリンダ内に
前記蓄冷器の他端に放熱器を介して連通される圧縮空間
を区画形成する可撓性膜とを備えてなる構成とすること
である。

前記膨張ピストンは前記駆動機構により往復動されて成
り、前記膨張ピストンと前記第２シリンダ間には内周縁
部を前記膨張ピストンに気密的に固定され外周縁部を前
記第２シリンダに気密的に固定された可撓性膜が張架さ
れていても良い。

また、前記第１シリンダは１８０°対向した少なくとも
２つのシリンダ部を備えていると共に、前記ロッドは前
記各シリンダ部に前記駆動機構により夫々同位相で往復
動するように挿通されていても良い。

（作用） 駆動機構により、ロッドが往復動により可撓性膜が変形
し、圧縮空間容積が縮小し圧縮空間内で作動ガスが圧縮
される。圧縮により高温となった作動ガスは、放熱器内
で冷却された後、蓄冷器の他端に導かれ膨張ピストンの
往復動により、蓄冷器を経て更に冷却されて膨張空間へ
導入される。

膨張空間内へ導入された作動ガスは、膨張されて冷凍を
発生ずる。ここで、作動ガスを圧縮する圧縮空間での可
動部は、可撓性膜の変形だけで摺動部分がないため、摩
耗による安定した冷凍性能の維持の妨げが防止される。

更に可撓性膜により圧縮空間は気密的に密閉空間とされ
るため、圧縮空間からの作動ガスの洩れ及び圧縮空間へ
の油脂分等の浸入を防止することができ、安定した冷凍
性能を長期間にわたり維持することができる。

（実施例） 以下、本発明に従った蓄冷器内蔵の往復動型冷凍機の実
施例を説明する。

第１図は、本発明をディスプレーサ型式のスターリング
サイクル冷凍機に実施した例を示し、第１図において、
１０はクランクケース１０ａ内に回動するように配設さ
れているクランクシャフト１１はクランクシャフト１０
に一端を連結され゛ζ他端がクランクケースｌｏａに固
設された第１シリンダ１２内に延在するコネクティング
ロッド１３は一端をコネクティングロッド１１の他端に
連結されたガイドピストンで、該ガイドピストン１３は
クランクシャフト１０の回転により第１シリンダ１２内
を往復摺動する。ガイドピストン１３の他端には、ロッ
ド部１３ａが形成されており、また第１シリンダ１２の
開口に形成されたフランジ部１２ａにはシリンダヘッド
１４が固設されていて、第１シリンダ１２の開口を閉塞
している。

ガイドピストン１３と第１シリンダ１２との間には、そ
の内周縁部がロッド部１３ａの外周部に形成された環状
溝１３ｂに気密的に嵌着されると共にその外周縁部がフ
ランジ部１２ａとシリンダヘット川４の接合部にて気密
的に挟着された本発明の可撓性膜としての弾性部材から
成るダイアフラム１５が張架されている。これにより、
シリンダヘッド１４とダイアフラム１５間に密閉空間で
ある圧縮空間１６が形成されている。

またクランクシャフト１０には、コネクティングロッド
１７の一端が連結されていて、該コネクティングロッド
１７の他端にはクランクケース１０ａに固設された第２
シリンダ１８内にピストンリング１９及び２０を介して
気密的に摺動可能に嵌挿された膨張ピストン２１が連結
されている。

コネクティングロッド１７はコネクティングロッド１１
に対し、９０６程度進んだ位相角で第２シリンダ１８内
を往復動するようになっている。第２シリンダ１８の開
口には、該開口を閉塞するコールドヘッド２２が固設さ
れていて、これにより第２シリンダ１８内に膨張ピスト
ン２１により圧縮空間１６に対し９０°程度進んだ位相
角で容積変化をする膨張空間２３が形成されている。

膨張ピストン２１には、一端が膨張空間２３に連通され
ると共に他端がピストンリング１９及び２０により膨張
ピストン２１と第２シリンダ１８との間に形成される空
間２４に連通される蓄冷器２５が内蔵されている。空間
２４は、導管２６゜放熱器２７及び導管２８を介して圧
縮空間１６に連通されており、これにより圧縮空間１６
と膨張空間２３間に作動ガス（ヘリウム等）が封入され
る作動空間が形成されている。

以上の構成から成る本実施例の作用を説明する。

図示しない駆動源によりクランクシャフト１０が回転す
ると、コネクティングロッド１１及びガイドピストン１
３を介してダイアフラム１５が往復動され、圧縮空間１
６内にて作動ガスが圧縮される。この圧縮により高温と
なった作動ガスは、導管２８を経て放熱器２７内で冷却
され、導管２６を介して空間２４へ導入される。空間２
４へ導入された作動ガスは、膨張ピストン１８がクラン
クシャフト１０によってコネクティングロッド１７を介
してダイアフラム１５に対し９０°程度進んだ位相角で
往復動されることにより、蓄冷器２５内へ導入される。

蓄冷器２５内で作動ガスは更に冷却された後、膨張空間
２３内へ入り、膨張空間２３内で膨張して冷凍を発生さ
せ、コールドヘット２２にて冷凍を取り出す。

ここで、作動ガスを圧縮する圧縮空間１６での可動部は
、ダイアフラム１５の変形だけで摺動部分がないため、
摩耗による安定した冷凍性能の維持の妨げが防止される
。更にダイアフラム１５により圧縮空間１６は気密的に
密閉空間とされるため、圧縮空間１６からのクランク室
１０ｂ内への作動ガスの洩れ及びクランク室１０ｂから
圧縮空間１６への油脂分等の浸入を防止することができ
、安定した冷凍性能を長期間にわたり維持することがで
きる。

第２図〜第３図は、第１図の実施例の変形例を示す。

第２図においては、第２シリンダがガイド部１１８ａと
シリンダ部１１８ｂとに分割されており、各フランジ部
１１８ｃ、１１８ｄにて接合されている。またコネクテ
ィングロッド１１７に連結されてガイド部り１８ａ内を
往復動するガイドピストン３０が設けられており、該ガ
イドピストン３０はロッド３２を介して膨張ピストン１
２１に連結されている。

ロッド３２とガイド部１１８ａとの間には内周縁部をロ
ッド３２の外周の環状溝に気密的に嵌着されると共に外
周縁部を各フランジ部１１８ｃ。

１１８ｄの接合部に気密的に挟持されたダイアフラム３
３が張架されている。尚、このダイアフラム３３とピス
トンリング１１９の間には導管１２６、放熱機１２７及
び導管１２８を介して圧縮空間１１６に連通されると共
に蓄冷器１２５の他端に連通ずる空間１２４が形成され
ている。

この変形例においては、第１図に示す実施例におけるピ
ストンリング２０が不要となり、ピストンリング２０の
摩耗による安定した冷凍性能の維持の妨げが防止される
。更にダイアフラム３３により空間１２４からのクラン
ク室１１０ｂ内への作動ガスの洩れ及びクランク室１１
０ｂから空間１２４への油脂骨等の浸入を防止すること
ができ、安定した冷凍性能を更に一層長期間にわたり維
持することができる。尚、この変形例において、その他
の構成は第１図の実施例と同じであるため、同じ構成に
第１図で付した番号符号に１００を加えた番号符号を付
し、その説明は省略する。

第３図は、第２図に示す変形例において、圧縮空間を２
つにした例を示す。

第３図において、クランクケース２１０ａには２つの第
１シリンダ２１２Ａ、２１２Ｂが１８０°対向して固設
されており、各第１シリンダ２１２Ａ、２１２Ｂ内には
クランクシャフト２１０により同位相で往復動さ　る夫
々コネクティングロッド２１１ａ、２１１ｂ及びガイド
ピストン２１３Ａ、２１３Ｂが収容されている。各第１
シリンダ２１２Ａ、２１２Ｂの開口には、各開口を閉塞
する各シリンダヘッド２１４ａ、２ｔ４ｂが各フランジ
部２１２ａｌ、２１２ａ２に固設されている。各第１シ
リンダ２１２Ａ、２１２Ｂと各ロッド部２１３ａ！　　
２１３ａ２との間には内周縁部が各ロッド部２１３ａｌ
、２１３ａ２の外周部に形成された各環状溝２１３ｂｌ
、２１３ｂ２に気密的に嵌着されると共にその外周縁部
が各フランジ部２１２ａｌ、２１２ａ２と各シリンダヘ
ッド２１４ａ、２１４ｂの接合部にて気密的に挟着され
た同一形状のダイアフラム２１５ａ、２１５ｂが夫々張
架されている。これにより、クランクシャフト２１０に
より同位相で容積変化する２つの圧縮空間２１６ａ、２
１６ｂが１８０°対向して形成される。尚、各圧縮空間
２１６ａ、２１６ｂは夫々導管２２８ａ、２２８ｂ、放
熱器２２７ａ、２２７ｂ及び導管２２６ａ、２２６ｂを
介して空間２２４に連通されている。

この変形例においては、同位相で容積変化する２つの圧
縮空間２１６ａ、２１６ｂが１８０°対向して形成され
ているため、負荷変動と質量移動に対するバランスが良
く、それにより機械振動が低減でき各ダイアフラノ、２
１５ａ、２１５ｂの取付部での機械振動に対するシール
性の低下を防止できる。尚、この変形例において、その
他の構成は第２図の実施例と同じであるため、同じ構成
に第２図で付した番号符号に１００を加えた番号符号を
付し、その説明は上述した第１図の実施例及び第２図の
変形例の説明から容易に理解できると思われるため省略
する。

第４図は、本発明の別の実施例を示し、本発明を分離型
スターリングサイクル冷凍機に実施した例を示す。

第４図において、クランクシャフト４０に連結されて、
クランクケース４０ａに固設された第１シリンダ４２内
に延在するコネクティングロッド４１にガイドピストン
１４３が固設されており、第１シリンダ４２の開口に形
成されたフランジ部４２ａには同開口を閉塞するシリン
ダヘッド４４が固設されている。

ガイドピストン４３と第１シリンダ４２との間には、そ
の内周縁部がロッド部４３ａの外周部に形成された環状
溝４３ｂに気密的に嵌着されると共にその外周縁部がフ
ランジ部４２ａとシリンダヘッド４４の接合部にて気密
的に挟着されたダイアフラム４５が張架されていて、こ
れにより、シリンダヘッド４４とダイアフラム４５間に
密閉空間である圧縮空間４６が形成されている。

第２シリンダ４７はクランクケース４０ａ及びクランク
シャフト４０とは独立して設けられていて、同第２シリ
ンダ４７は有底筒状を呈していて同シリンダ内には膨張
ピストン４８がピストンリング４９を介して気密的に摺
動自在に嵌挿されている。第２シリンダ４７の開口には
、同開口を閉塞するコールドヘッド５３が固設されてお
り、これによりコールドヘッド５３と膨張ピストン４８
間に膨張空間５１が形成されていると共に、シリンダの
底部に導管５５．放熱器５６及び導管５７を介して圧縮
空間４６に連通される空間５４が形成されている。空間
５４内には膨張ピストン４８を膨張室５１側に付勢する
スプリング５ｏが介装されており、また膨張ピストン４
８には一端を膨張空間５１にまた他端を空間５４に連通
ずる蓄冷器５２が内蔵されている。

ここで、膨張ピストン４日は、圧縮空間４６内で変動す
る作動ガス圧力と膨張空間５１内の圧力との差圧による
力に、スプリング５ｏによるスプリング力が合わさった
カで往復動されるが、適切な冷凍性能を得るには膨張ピ
ストン４８のストロークを大きくするために圧縮空間４
６内での圧力変動速さを速くし、蓄冷器５２内での圧力
損失を大として膨張ピストン４８にかがるガス圧力を増
加させる必要がある。従って、ダイアフラム４５の往復
動速さを速くしなければならないが、圧縮空間４６での
可動部分は摺動部分がな（ダイアフラム４５の変形のみ
であるため、速い往復動によって生じる摩耗による冷凍
性能の劣化が起こり難く、安定した冷凍性能が長期間に
わたり維持できる。なお、このことは分離型スターリン
グサイクル冷凍機で顕著に現れる。

第５図〜第７図は第４図に示す実施例の変形例で、第５
図は第４図の実施例において、第３図に示す変形例と同
様に圧縮空間を１８０°対向して２つ形成させた例を示
す。この例においては、負荷変動と質量移動に対するバ
ランスが良く、それにより機械振動が低減でき各ダイア
フラム１４５ａ、１４５ｂの取付部での機械振動に対す
るシール性の低下を防止できる。尚、第５図において、
第４図の実施例と同じ構成には第４図で用いた番号符号
に１００を加えた番号を付すと共に、対応した構成には
ｌＯＯを加えた番号符号に添字Ａ。

Ｂ、ａ、ｂ、　　もしくは１．２を添えて、その詳細な
説明は省略する。

第６図は第４図の実施例において、本発明における駆動
機構としてリニアモータ駆動機構を用いた例を示す。

リニヤモータ駆動機構６０は、有底筒状の第１シリンダ
６１内に軸方向に移動可能な磁性体から成るロッド６２
と、該ロッド６２の一端筒部に巻回されたコイル６３と
、ロッド６２の一端筒部内に嵌挿される導体６４と、導
体６４の同心円上に導体６４との間にロッド６２の一端
筒部が出入りする間隙を有して配される永久磁石６５及
び導体６６と、ロッド６２の一端筒部と導体６４間に介
装され、ロッド６２を常時一端部部が上記間隙から出る
方向に付勢するスプリング６７とから構成されている。

ロッド６２の他端には環状溝６２ａが形成されていて、
該環状溝６２ａにはその外周縁部が第１シリンダ６１の
開口を閉塞するシリンダヘッド２４４と第１シリンダ６
１の接合部にて気密的に挟着されたダイアフラム２４５
の内周縁部が気密的に嵌着されている。これにより、コ
イル６３に交番電流を通すことにより永久磁石６６と１
体６４．６′５との間に生じる磁力とスプリング６７に
よるスプリング力とにより、ロッド６２を介してダイア
フラム２４５が往復動される。

この変形例においては、ロッド６２に作用する駆動負荷
はロッド６２の軸方向のみであるため、クランク機構の
ようにコネクティングロッドによる側圧力による駆動負
荷がなく、これにより側圧力によるダイアフラム２４５
径方向の力がなくなるため、ダイアフラム２４５の負荷
が軽減され、ダイアフラムの耐久性が向上する。尚、そ
の他の構成は第５図の実施例と同じであるため、第６図
において、同じ構成に第５図で付した番号符号に１００
を加えた番号符号を付し、その説明は上述した実施例及
び変形例の説明から容易に理解できると思われるため省
略する。

第７図は、第６図の変形例において、２つのワニャモー
タ駆動機構により、１８０°対向配置された同一寸法の
ダイアフラム２４５ａ、２４５ｂを同位相で往復動させ
るようにした例を示す。この例においても、第３図及び
第５図に示す例と同様に機械振動を低減する効果がある
。尚、第７図において、第６図の実施例と同じ構成には
第６図で用いた番号符号に１００を加えた番号を付すと
共に、対応した構成には１００を加えた番号符号に添字
Ａ、Ｂ、ａ、ｂ、　もしくは１．２を添えて、その詳細
な説明は省略する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、作動ガスを圧縮
する圧縮空間での可動部は、可撓性膜の変形だけで摺動
部分がないため、摩耗による安定した冷凍性能の維持の
妨げが防止されると共に摺動摩擦による機械損失が低減
できるため、駆動源の小型化が図ることができ当該冷凍
機の小型化を図ることができる。

更に可撓性膜により圧縮空間は気密的に密閉空間とされ
るため、圧縮空間からの作動ガスの洩れ及び圧縮空間へ
の油脂分等の浸入を防止することができ、安定した冷凍
性能を長期間にわたり維持することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に従った蓄冷器内蔵の往復型冷凍機の一
実施例を示す断面図、第２図及び第３図は第１図に示す
実施例の変形例を示す断面図、第４図は本発明に従った
蓄冷器内蔵の往復型冷凍機の他の実施例を示す断面図、
第５図〜第７図は第１図に示す実施例の変形例を示す断
面図である。 １２．４２・・・第１シリンダ、１３．４３・・・ガイ
ドピストン、１３ａ、４３ａ・・・ロッド部、１４．４
４・・・シリンダヘッド、１５゜４５・・・ダイアフラ
ム（可撓性膜）、１６，４６・・・圧縮空間、１８．４
７・・・第２シリンダ、２１．４８・・・膨張ピストン
、２３．５１・・・膨張空間、２５．５２・・・蓄冷器
、２７５６・・・放熱器。 区立の浄書（内容に変更なし）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１シリンダ内に挿通され駆動機構により前記第
   １シリンダ内を往復動するロッドと、第２シリンダ内に
   気密的に且つ前記ロッドに対して所定の位相差を有して
   往復動可能に嵌挿されて前記第２シリンダ内に膨張空間
   を区画形成する膨張ピストンと、該膨張ピストンに内蔵
   されてその一端が前記膨張空間に連通する蓄冷器と、前
   記ロッドの外周にその内周縁部が気密的に固定されると
   共にその外周縁部が前記第１シリンダに気密的に固定さ
   れて、前記第１シリンダ内に前記蓄冷器の他端に放熱器
   を介して連通される圧縮空間を区画形成する可撓性膜と
   を備えてなる蓄冷器内蔵の往復動型冷凍機。
2. （２）前記膨張ピストンは前記駆動機構により往復動さ
   れて成り、前記膨張ピストンと前記第２シリンダ間には
   内周縁部を前記膨張ピストンに気密的に固定され外周縁
   部を前記第２シリンダに気密的に固定された可撓性膜が
   張架されていることを特徴とする請求項（１）に記載の
   蓄冷器内蔵の往復動型冷凍機。
3. （３）前記第１シリンダは１８０゜対向した少なくとも
   ２つのシリンダ部を備えていると共に、前記ロッドは前
   記各シリンダ部に前記駆動機構により夫々同位相で往復
   動するように挿通されていることを特徴とする請求項（
   １）及び（２）に記載の蓄冷器内蔵の往復動冷凍機。