JPH0317063B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の属する技術分野】

この発明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機、特にその動作ガ
スのガス自動補給機構の構成に関する。

【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
冷凍機の構成を第４図に示す。第４図において、
１はその内部にクランク室１ａを画成した冷凍機
の本体ケース、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が連接されており、該ピ
ストン５，６はそれぞれ本体ケース１に連ねて一
体に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
には金網等で構成された蓄冷器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１０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が外部配管してあり、かつその途中にはパ
イプ１３の外周に多数の放熱フインをろう付けし
てなる放熱器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とは約90度
の位相差をもつ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４図の構成図、第５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６図の動作工程図を用いて説明する。なお第
６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
まれた間隔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５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°位
相が遅れて圧縮ピストン５が下死点から移動を始
めると、圧縮シリンダ７内に封入された動作ガス
が圧縮される。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
スは常温高圧のガスとなり、第５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へ熱を放熱して膨張シリンダ８のシリ
ンダ空間８０に入る、いわゆる容積が一定の等容
放熱行程（第５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
ていない被冷却体から熱を吸収しながら膨張する
等温膨張行程（第５図における−）となり冷
凍を発生する。さらに低温度の動作ガスは、膨張
ピストン６を上死点へ圧縮ピストン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か
ら吸熱して徐々に温度、圧力を上昇し、放熱器１
４を通つて圧縮シリンダ７に戻る等容吸熱行程
（第５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による
冷凍サイクルの動作説明である。 ところで、上記の冷凍機では、冷凍サイクルに
おける動作ガスの圧力はほぼ正弦波で変化する
が、その基底圧力および振幅は冷却温度の降下に
従つて小さくなるという現象がある。これは動作
ガス温度の降下による圧力低下に起因して生ずる
ものであるが、このように動作ガスの圧力低下が
生じると冷凍能力の低下を招くことになる。この
問題の解決手段として従来では、第４図に示すよ
うに圧縮シリンダ７と膨張シリンダ８との間を接
触するパイプ１３の途中にチエツク弁としてのガ
ス自動補給弁１６を介して動作ガスを加圧封入し
たバツフアータンク１７を接続しておき、冷凍機
の運転に伴い系内作業空間の動作ガスの温度が低
下して前述のようにその基底圧力が或る一定圧力
以下に低下した場合には、バツフアータンク１７
内の封入ガス圧との差圧でガス自動補給弁１６を
開いてバツフアータンク１７からガス通路へ自動
的に動作ガスを補給し、冷凍サイクルの行われる
機内作業空間での動作ガスの圧力の所定圧維持を
図るようにすることが実施されている。この場合
に各部品の接続部にはＯリング等のシール部材を
用いて大気側との間で気密シールを行つている
が、従来の構造ではガス自動補給弁、バツフアー
タンクが外部配管のためシール個所が多く必要
で、長期使用の間には各所のシール部材を通じて
のガス漏れから冷凍機内に封入されている動作ガ
スの圧力低下が避けられず、充分に安定した冷凍
能力の維持が図れない難点があつた。またこれら
ガス自動補給弁およびバツフアータンクが冷凍機
本体の外部に接続構成されているので、構成上で
の配管が複雑となるのみならず、全体として冷凍
機がとかく大形となり、このことが冷凍機のコン
パクト化をすすめる上での障害となつている。

【発明の目的】

この発明は、前記従来技術における問題点を解
決し、動作ガスの外部漏れなしにガス圧低下時に
動作ガスの自動補給が行えて長期にわたつて安定
よく冷凍能力の維持が図れ、しかも外部配管を必
要とせずにコンパクトに構成できる逆スターリン
グサイクル冷凍機を提供することを目的とする。

【発明の要点】

上記目的を達成するためにこの発明は、従来で
はガス自動補給弁、バツフアータンク等が外部取
付形になつているのに対し、圧縮シリンダと膨張
シリンダとの間を本体ケースに穿孔したガス通路
を介して連通するとともに、本体ケース内部のク
ランク室を動作ガスのバツフアー室として、該ク
ランク室と冷凍サイクルの行われる機内作業空間
との間にまたがり、冷凍機本体の内部に機内作業
空間とクランク室内との間のガス圧差で開閉動作
するガス自動補給弁を内蔵設置し、ガス自動補給
を冷凍機本体の内部で行うように構成したもので
ある。

【発明の実施例】

次にこの発明の実施例を図について説明する。
第１図、第２図、および第３図はそれぞれこの発
明の異なる実施例を示すものであり、各図におい
て、まず冷凍機の本体ケース１のクランク室１ａ
を密閉構造となし、該室をバツフアー室としてこ
こに例えばヘリウムの動作ガスが加圧封入されて
いる。また圧縮シリンダ７と膨張シリンダ８との
間は本体ケース１のケース壁に穿孔したがガス通
路１８を介して相互に連通され、かつ放熱部は符
号２０で示すように圧縮シリンダ７のシリンダ胴
の内周壁面に放熱ガス路となる溝を設け、この内
周側にシリンダブツシユ２１を挿入して形成され
ている。かかる冷凍機本体ケース１に対して、前
記ガス通路１８とクランク室１ａとの間に跨が
り、ガス自動補給弁２２が本体ケース１のケース
壁に穿孔された弁装着穴の中に装着されている。
このガス自動補給弁２２は、弁押さえ２３、弁座
２４、ポペツト２５、押圧ばね２６等からなるチ
エツク弁として構成されており、その一方のポー
トａがクランク室１ａに向けて開口し、他方のポ
ートｂ，ｃがガス通路１８に開口している。そし
てＯリング等のシール２７，２８を介して外部漏
れを防ぎ、かつ弁押さえ２３がボルト２９で本体
ケース１へ外方側から固定されている。 上記構成において、ガス自動補給弁２２の動作
は先に第４図で述べたガス自動補給弁１６と同様
であり、冷凍機の運転経過によつて動作ガスの基
底圧力が低下すると、クランク室１ａの封入ガス
圧との差圧により、押圧ばね２６に抗してポペツ
ト２５が弁座２４から離れ、ガス圧低下を補償す
るようにクランク室１ａからガス通路１８内へ動
作ガスが補給される。しかもガス自動補給弁２２
は冷凍機本体ケース１に内蔵設置されており、外
部漏れに対しては１個のシール２７で対処でき
る。これにより外部漏れを従来と比べて大幅に軽
減できるとともに、外部配管がないので冷凍機全
体としてコンパクトな構成になる。 第２図の実施例は、先の実施例における弁押さ
え２３を省略し、ガス自動補給弁２２を本体ケー
ス１の内側に組立構成したものである。すなわち
ガス通路１８に連なるようにクランク室１ａ側か
ら弁装着穴３０が穿孔されており、この穴の中に
弁座２４、ポペツト２５、押さえばね２６が挿入
され、かつ弁座２４はその外周にシール２８を介
挿した上で止め輪２９等の固定手段で本体ケース
に固定されている。この実施例によれば、弁装着
穴が本体ケースの外部に開口していないので、動
作ガスの外部漏れを皆無となし得る。 次に第３図にさらに別な実施例を示す。この実
施例では、圧縮シリンダのシリンダ室７０とクラ
ンク室１ａとの間に跨がり、ガス自動補給弁２２
がピストン５に装着されている。すなわちピスト
ン５の中心を軸方向に貫通して穿孔された弁装着
穴３０の中に弁座２４、ポペツト２５、押さえば
ね２６およびシール２８等が配備され、間隔片３
１および中央に穴をあけたばね押さえ用キヤツプ
３２を介して皿ネジ３３で固定されている。この
実施例では、弁装着穴３０がピストン５の中心部
に穿孔されており、したがつて他の実施例と比べ
て弁装着穴の機械加工が容易に行える利点がある
し、また本体ケース外部への開口がないので、動
作ガスの外部漏れは皆無である。なおこの実施例
では、ポペツト２５はピストン５の往復運動に伴
つて加速度を受けるが、ポペツト２５の質量は極
めて小さく押さえばね２６のばね力に対して殆ど
無視し得る程度であつて、実用的にはガス自動補
給弁の動作特性に影響を及ぼすことはない。

【発明の効果】

上記のようにこの発明によれば、圧縮シリンダ
と膨張シリンダとの間の本体ケースに穿孔したガ
ス通路を介して連通するとともに、本体ケース内
部のクランク室を動作ガスのバツフアー室とし
て、該クランク室と冷凍サイクルの行われる機内
作業空間との間にまたがり、冷凍機本体の内部に
機内作業空間とクランク室内との間のガス圧差で
開閉動作するガス自動補給弁を内蔵設置し、動作
ガスの圧力低下時にクランク室側から自動的に動
作ガスを補給するように構成したことにより、系
内動作ガスの外部漏れが少なく長期に互つて安定
した冷凍能力が維持でき、しかも外部配管が不要
で全体としてコンパクトな構成となる逆スターリ
ングサイクル冷凍機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図はそれぞれこの発
明の異なる実施例の構成断面図、第４図は従来に
おける逆スターリングサイクル冷凍機の略示構成
図、第５図、第６図はそれぞれ逆スターリングサ
イクルの冷凍サイクルを表した圧力−比容積線図
および冷凍サイクルの動作工程原理図である。 １……本体ケース、１ａ……クランク室、５…
…圧縮ピストン、６……膨張ピストン、７……圧
縮シリンダ、７０……シリンダ室、８……膨張シ
リンダ、１８……ガス通路、２２……ガス自動補
給弁、２４……弁座、２５……ポペツト、２６…
…押さえばね、２７，２８……シール。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 冷凍機本体が放熱部、蓄冷器を介して互いに
   連通し合う圧縮シリンダと膨張シリンダを有し、
   圧縮性気体を動作ガスとしてピストンの往復動に
   より圧縮シリンダと膨張シリンダとの間で逆スタ
   ーリングサイクルを行う冷凍機において、圧縮シ
   リンダと膨張シリンダとの間を本体ケースに穿孔
   したガス通路を介して連通するとともに、本体ケ
   ース内部のクランク室を動作ガスのバツフアー室
   として、該クランク室と冷凍サイクルの行われる
   機内作業空間との間に跨がり、冷凍機本体の内部
   に機内作業空間とクランク室内との間のガス圧差
   で開閉動作するガス自動補給弁を内蔵設置したこ
   とを特徴とする冷凍機。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の冷凍機におい
   て、ガス自動補給弁は本体ケースに穿孔されたガ
   ス通路とクランク室との間に跨つて本体ケースに
   穿孔された弁装着穴の中に設置されていることを
   特徴とする冷凍機。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の冷凍機におい
   て、ガス自動補給弁は圧縮シリンダのシリンダ室
   とクランク室との間に跨がつて圧縮ピストンに穿
   孔さた弁装着穴の中に設置されていることを特徴
   とする冷凍機。