JPH03236549A - 逆スターリングサイクル冷凍機の膨脹器 - 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〕 本発明は一般に極低温の発生に用いられる逆スターリン
グサイクル冷凍機における作動媒体の膨脹器の構造に関
する。

〔従来の技術〕

極低温の発生に用いられる逆スターリングサイクル冷凍
機には圧縮機と膨脹器が構造的に分かれている分離型冷
凍機と圧縮機と膨脹器が構造的に一体となった一体型冷
凍機とがある。

第５図は従来の分離型冷凍機の構造の一例を示し、圧縮
機２０と膨脹器２１とが冷却器１５を介して連通管１０
により連通して接続されている。４は圧縮機２０の圧縮
シリンダ、３は圧縮シリンダ内を往復動自在な圧縮ピス
トン、２は膨脹器２１の膨脹シリンダ、１は膨脹シリン
ダ内を往復動自在なディスプレーサである。膨脹シリン
ダ２の一端部は被冷却体５を冷却する低温部６によって
気密に密閉され膨脹空間１４が形成されている。ディス
プレーサ】の内部には、例えば、ステンレス鋼製の金網
で作られた蓄冷器７が設けられており、また、ディスプ
レーサ１の一端は膨脹シリンダ２内の空間に、他端は膨
脹シリンダ保持体８内の空間にそれぞれ開口している。

このディスプレーサ１は膨脹シリンダ保持体８内の空間
の底部にばね９によって連接されている。膨脹シリンダ
２と圧縮シリンダ４とは冷却部１５を備える連通管１０
と膨脹シリンダ保持体８内の空間を介して連通され、こ
れらの中に作動媒体、例えば、ヘリウムあるいはアルゴ
ンが封入されている。冷却器１５は第５図のように連通
管１０の表面に冷却フィンを取り付けてもよいし、熱損
失の量によっては単に連通管１０の表面の冷却効果のみ
でよい場合もある。圧縮ピストン３は図示しない回転機
によりコネクティングロッド１１を介して往復動操作さ
れる。これによって生じた作動媒体の流れが、蓄冷器７
を通過するときその流体抵抗によって生した力によって
、ディスプレーサｌは駆動され往復動する。蓄冷器７を
含むディスプレーサ１の買置、蓄冷器７の流体抵抗およ
びばね９によって振動系が構成されており、圧縮ピスト
ン３の駆動周期を適当に選定することにより、ディスプ
レーサｌと圧縮ピストン３とは相互に異なった位相で往
復動する。圧縮ピストン３とディスプレーサ１とが相互
に異なった位相で同期的に動くとき作動媒体は交互に圧
縮と膨脹を繰り返し、これによって膨脹シリンダの低温
部６に低温を発生する。これら一連の冷却作用について
は論文「フリーディスプレーサ冷凍」　（低温工学の発
展、１４Ｓ、１９６８年、３６１〜３６９頁）中に見出
すことができる。

ディスプレーサ１の往復運動を安定して行わせるために
は、ディスプレーサ１と膨脹シリンダ２との間の摩擦抵
抗を極力小さくすることが必要で、ディスプレーサ１の
両端部近傍には、第４図ｆａｌに示すように、例えば、
弗素系樹脂のような摩擦係数の小さい材料で作られたシ
ール兼ガイドが装備される。１２は低温側に装備された
シール兼ガイドであり、１３は高温側に装備されたシー
ル兼ガイドである。これらシール兼ガイド１２．１３は
ディスプレーサ１の外壁と膨脹シリンダ２の内壁間をシ
ールして、この空隙を通じて低温部６近傍の低温の作動
媒体が温度の高い膨脹シリンダ保持体８側へ漏れ出たり
、あるいはその逆の経路で温度の高い部分の作動媒体が
低温部６近傍に浸入して低温部６の温度を上昇させたり
して冷凍機の冷却能力が低下することを防ぐとともに、
軽く膨脹シリンダの内壁に触れてディスプレーサの動き
をガイドする。しかし、この摩擦抵抗が大きいと、これ
による発熱が冷凍機の冷却能力を低下させるので、シー
ル兼ガイド１２および１３は、前記のように摩擦係数の
小さい材料で作るとともに、膨脹シリンダ２の内壁との
間にたかだか数ミクロン乃至数十ミクロンの微小間隙の
シール兼ガイドとし、摩擦抵抗の低下と作動媒体の漏れ
の防止の双方の作用を行わせるようにしている。１４は
この微小間隙である。

ディスプレーサ１や膨脹シリンダ２の管壁は、これらを
通して温度の高い膨脹シリンダ保持体８側から低温部６
に熱伝導により熱が侵入して冷却能力を低下させるのを
抑制するため、高い熱抵抗を有するように薄肉に作られ
ている。

第６図は、更に、従来の一体型冷凍機の構造の一例を示
し、圧縮機１２０と冷却器１１５と膨脂器１２１とが一
体に構成されており、圧縮８！１２０と膨脂器１２１が
冷却器１１５を介して流路１１２により連通して結合さ
れている。冷却器１１５は第６図のように流路１１２に
沿って冷却フィンを取り付けてもよいし、熱損失の量に
よっては単に構成体表面の冷却のみでよい場合もある。

１１６は圧縮機１２０の圧縮シリンダ、１０３は膨脂器
１２１の膨脹シリンダで、圧縮シリンダ１１６内ではピ
ストン１１１が、膨脹シリンダ１０３内ではディスプレ
ーサ１０５が相互に異なった位相で往復動するよう操作
される。ディスプレーサｌＯ５は、内部に蓄冷器１０４
を有し、低温側にガイド１０２と、常温側にシール１０
６．１０７およびガイド１０Ｂが設けられる。ディスプ
レーサ１０５はコネクティングロ・ノド１１３を介して
、クランク軸１０９に連結され、ピストン１１１はコネ
クティングロフド１１０を介してクランク軸に連結され
る。

クランク軸１０９は図示しない電動機により駆動され、
ディスプレーサ１０５とピストン１１１　とは相互に異
なった位相で往復動する。ガイド１０２．１０８は摩擦
抵抗の小さい、例えば、弗素系樹脂で作られ、膨脹シリ
ンダ１０３の内壁との間の間隙は、ガイドとシリンダ内
壁間にかしりが生しない程度に大きく取る。シール１０
６．１０７は常温側にあり、この摩擦抵抗による発熱は
低温側のように直接冷却能力に影響しないので、シール
効果のよい接触形が用いられ、例えば、弾性のあるＵ字
形断面ゴムのシールリングに軽い緊迫力を与えるための
ばねを組合わせたシールが用いられる。冷却作用につい
ては前述の離形の場合と同様である。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述の逆スターリングサイクル冷凍機の膨脂器について
は次の問題点がある。

先ず、分離型冷凍機の膨脂器については、冷却能力の低
下を抑制するために膨脹シリンダ２およびディスプレー
サ１の管壁は薄肉に作られるが、薄肉の加工は一般に加
工時被加工体が変形し、高精度が得られない問題がある
。ディスプレーサに装備されたシール兼ガイドと膨脹シ
リンダの間隙は数ミクロン乃至数十ミクロンの微小間隙
であり、僅かの加工精度不良あるいは製造後の僅かの変
形によっても第４図（ｂ）に示すように膨脹シリンダ２
の内壁とディスプレーサｌに装備されたシール１２゜１
３が強く接触する。このように強く接触するとこれらの
間に生じた摩擦抵抗によってディスプレーサ１の往復動
が不安定になるとともに、この摩擦により生じる熱は冷
凍機の低温側で生しるため、直接冷凍出力に影響し、そ
の冷却能力を著しく低下させる。

次に、一体型冷凍機の膨脂器については、前述したよう
に、ディスプレーサはコネクティングロッドを介して駆
動されるが、この場合ロンドの傾き角　（第６図のΦ）
に応して横力が発生する。この横力はガイド１０２．１
０８で受けるが、ガイド１０２は低温側にあり、ここで
生した摩擦抵抗による発熱は直接冷却能力を低下させる
。また、この横力は膨脹シリンダおよびディスプレーサ
に曲げ応力を発生するので、これらの断面形状はこの応
力に耐える面積が必要で、このため熱伝導による損失が
増加し、同様、冷却能力を低下させる。

本発明の課題は前述の問題点を解決して、膨脹シリンダ
の内壁とディスプレーサに装備されたシール兼ガイドあ
るいはガイドの強い接触によって生しる動作の不安定な
らびに摩擦熱を防止した冷却能力の大きい膨脂器の構造
を提供することにある。

（！ｌｌｉ！を解決するための手段〕 前述の課題を解決するために、本発明においては、被冷
却体を冷却する低温部により一端部が気密に密閉され胴
内に作動媒体の膨脹空間を形成する膨脂シリンダと、こ
のシリンダに対し前記膨脹空間を挟んで配置されシリン
ダ内を軸方向に往復自在なディスプレーサと、このディ
スプレーサに設けられ作動媒体のシールおよびディスプ
レーサの運動のガイドを行うシール兼ガイドとからなり
、前記膨脂シリンダの他端部は作動媒体の圧縮機に連通
して結合され、ディスプレーサはこの作動媒体の圧力に
より往復動操作される逆スターリングサイクル冷凍機の
膨脹器において、前記膨脂シリンダおよびディスプレー
サは軸方向に薄肉部と厚肉部とを有し薄肉部からなる膨
脂シリンダの一端部は被冷却体を冷却する低温部により
気密に密閉されその胴内に作動媒体の膨脹空間を形成し
、シール兼ガイドはディスプレーサの厚肉部に設けられ
対向する膨脂シリンダの厚肉部内壁で摺動するようにす
る。あるいは、被冷却体を冷却する低温部により一端部
が気密に密閉され胴内に作動媒体の膨脹空間を形成する
膨脂シリンダと、このシリンダに対し前記膨脹空間を挟
んで配置されシリンダ内を軸方向に往復自在なディスプ
レーサと、このディスプレーサ３に設けられた作動媒体
のシールおよびディスプレーサの運動のガイドとからな
り、前記膨脂シリンダの他端部は作動媒体の圧縮機に連
通して結合され、ディスプレーサはこれに結合されたコ
ネクティングロフドを介して圧縮機の回転機により往復
動操作される逆スターリングサイクル冷凍機の膨脹器に
おいて、前記膨脂シリンダおよびディスプレーサは軸方
向に薄肉部と厚肉部とを有し薄肉部からなる膨脂シリン
ダの一端部は被冷却体を冷却する低温部により気密に密
閉されその胴内に作動媒体の膨脹空間を形成し、シール
およびガイドはディスプレーサの厚肉部に設けられ対向
する膨脂シリンダの厚肉部内壁で摺動するようにする。

更にまた、前述の各逆スターリングサイクル冷凍機の膨
脹器において、軸方向に薄肉部と厚肉部とを有する膨脂
シリンダはそれぞれ別個に作られた薄肉部と厚肉部とが
気密に接合されてなるようにする。

〔作用〕

本発明においては、先ず分離型について、膨脂シリンダ
およびディスプレーサはそれぞれ軸方向に薄肉部と厚肉
部とを有するようにしシール兼ガイドはディスプレーサ
の厚内部に設は膨脂シリンダの厚肉部の内壁で摺動する
ようにした。これら厚肉部は加工時変形を受けにくく高
精度で製造できる。また製造後も変形を生じることもな
いので、この間隙を数ミクロン乃至数十ミクロンの微小
間隙としても、シール兼ガイドと膨脂シリンダの内壁間
で強い接触を生しることはなくなる０次に一体型におい
ては、同様、膨脂シリンダおよびディスプレーサはそれ
ぞれ軸方向に薄肉部と厚肉部とを有するようにし、シー
ルおよびガイドはディスプレーサの厚内部に設は膨脂シ
リンダの厚肉部の内壁で摺動するようにした。コネクテ
ィングロフドの傾き角に応じて発生する横力は、この厚
肉部のガイドで受けるので、低温側の薄肉部に曲げ応力
がかからなくなる。これにより、これら薄肉部の断面積
が減少でき熱伝導による損失を低下できる。また、これ
ら分離型および一体型において、膨脂シリンダを加工の
容易なように薄肉部と厚肉部とに分は別個に製作し、こ
れを気密接合することで一体化することで精度の高い加
工が容易となった。これによってシール兼ガイドあるい
はガイドが膨脂シリンダの内壁との間で強く接触するこ
とが避けられる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例による逆スターリングサイク
ル冷凍機の膨脹器の要部の断面部である。

この図は分離型における例で、膨脂シリンダ２０１は熱
抵抗の大きい薄肉部２０１Ａと機械強度の大きい厚肉部
２０１Ｂとからなっている。この薄肉部２０１Ａからな
る膨脂シリンダの一端部は被冷却体を冷却する低温部２
０２により気密に密閉され、その胴内に作動媒体の膨脹
空間２２３が形成されている。２１０はディスプレーサ
で熱抵抗の大きい薄肉部２１０Ａと機械強度の大きい厚
肉部２１０Ｂとが、溶接などの方法で気密に接合されて
いる。薄肉部２１０Ａは、この構造では、曲げ応力がか
からないので熱抵抗率の大きい合成樹脂を用いることも
でき、この場合は薄肉でなく厚肉であっても差支えない
、この薄肉部２１０Ａの内部に蓄冷器２１２が収容され
る。シール兼ガイド２１４．２１５はディスプレーサ２
１０の厚肉部の両端部にそれぞれ設けられ、膨脹シリン
ダ２０１の厚肉部２０１Ｂの内壁との間で摺動する。こ
のシール兼ガイドは摩擦抵抗の小さい、例えば、四弗化
エチレン樹脂に充填剤を配合した弗素系樹脂からなり、
膨脹シリンダの内壁との間隙は数ミクロン乃至数十ミク
ロンの微小間隙となっている。ディスプレーサ２１０は
ばね２２０によって膨脹シリンダ２０１の厚肉部からな
る他端部に設けられた密閉蓋２２２に連結される。密閉
蓋２２２に取り付けられた連通管２２６により図示され
ない作動媒体の圧縮機に連通して結合される。その他の
構造および冷却作用については、第５図に示す従来の逆
スターリングサイクル冷凍機の膨脹器と同様であるが、
第５図に比して、低温側にシール兼ガイドがなく、低温
側における摩擦抵抗による発熱が除かれるので冷却能力
は一層高められる。

第２図は本発明の異なる実施例による逆スターリングサ
イクル冷凍機の膨脹器の要部の断面図で、この例では一
体型の場合を示している。膨脹シリンダ２０１は熱抵抗
の大きい薄肉部２０１Ａと機械強度の大きい厚肉部２０
１Ｂとからなっている。この薄肉部からなる膨脹シリン
ダの一端部は被冷却体を冷却する低温部２０２により気
密に密閉され、その胴内に作業媒体の膨脹空間２２３が
形成されている。

２１０はディスプレーサで、熱抵抗の大きい圧縮機２１
０Ａと機械強度の大きい厚肉部２１０Ｂとが、溶接など
の方法で気密に接合されている。薄肉部２１０Ａは、こ
の構造では、曲げ応力がかからないので、熱抵抗率の大
きい合成樹脂も用いることができ、この場合は薄肉でな
く厚肉であっても差支えない、この薄肉部２１０Ａの内
部に蓄冷器２１２が収容される。

シール２５１　２５２とガイド２５３．２５４とがそれ
ぞれ一対として厚肉部の両端部にそれぞれ設けられ、膨
脹シリンダ２０１の厚肉部２０１Ｂの内壁との間で摺動
する。このガイドは摩擦抵抗の小さい、例えば、四弗化
エチレン樹脂に充填剤を配合した弗素系樹脂からなり、
膨脹シリンダの内壁との間の間隙は、ガイドとシリンダ
内壁間にかじりが生しない程度に大きく取る。シールは
シール効果のよし）接触形が用いられ、例えば、弾性の
あるＵ字形断面ゴムのシールリングに軽い緊迫力を与え
るための４ｆねを組合わせたシールが用いられる。ディ
スプレーサ２１０はこれに結合されたコネクティングロ
ッド２５５を介して図示されていない作業媒体の圧縮機
の回転機により駆動される。シール２５１と２５２との
間より連通孔２５６を介して圧縮機に連通して結合され
る。その他の構造および冷却作用につし）ては、第６図
に示す従来の逆スターリングサイクル冷凍機の膨脹器と
同様であるが、第６図に比して低温側のガイドがなく、
低温側における摩擦抵抗による発熱が除かれるので冷却
能力は一層高められる。

第３図は本発明の更に異なる実施例を示し、この例では
軸方向に薄肉部２０１Ａと厚肉部２０１Ｂとを有する膨
脹シリンダ２０１は別個に作られた薄肉部と厚肉部とが
接合部３０６で気密に接合されて一体構造となっている
。薄肉部と厚肉部とをそれぞれの肉厚に応して別個に製
作すると加工が容易となるとともに、高精度を必要とす
る厚肉部は軸方向に短い加工長となり、加工が難しい薄
肉部は第１図および第２図の実施例では高精度の加工を
必要としなくなる。これらを気密結合することにより必
要個所が高精度の膨脹シリンダが得られる。この場合、
薄肉部と厚肉部との軸合わせの精度はその製造方法から
多少出しにくい点はあるが、これらの実施例ではシール
兼ガイド３０７．３０８は精度の高いディスプレーサの
厚肉部に取り付けられ、精度の高い膨脹シリンダの厚肉
部の内壁で摺動するようにしているので、軸合わせの精
度は作用に全く影響せず、シール兼ガイドと膨脹シリン
ダの内壁との間で強い接触を生じ冷却能力が低下するこ
とがなくなる。第３図は第１図の実施例に適用した場合
を示したが、第２図の実施例に対しても同様に適用する
ことができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、先ず分離型について、膨脹シリンダお
よびディスプレーサはそれぞれ軸方向に薄肉部と厚肉部
とを有するようにし、シール兼ガイドは加工精度が高い
ディスプレーサの厚肉部に設け、同様加工精度の高い膨
張シリンダの厚肉部の内壁で摺動するようにしたので、
シール兼ガイドが膨張シリンダの内壁に強く接触するこ
とがなくなり、冷却能力が低下することがなくなった。

更に、従来低温側に設けられていた一方のシール兼ガイ
ドがなくなり、低温側で発生する摩擦抵抗による発熱が
全くなくなり、冷却能力は一層向上した。

次に、一体型では、分離型と同様、膨張シリンダおよび
ディスプレーサはそれぞれ軸方向に薄肉部と厚内部とを
有するようにし、シールおよびガイドは加工精度が高い
ディスプレーサの厚肉部に設け、同様加工精度の高い膨
張シリンダの厚内部の内壁で摺動するようにした。コネ
クティングロフドの傾き角に応して発生する横力は、こ
の厚肉部のガイドで受けるので、膨張シリンダおよびデ
ィスプレーサには曲げ応力がかからずこの薄肉部の断面
積を減少できた。これによりその熱伝導により損失を低
下したので冷却能力は大きく向上した。更に、従来低温
側に設けられていた一方のガイドがなくなり、低温側で
発生する摩擦抵抗による発熱が全くなくなり、冷却能力
は一層向上した。

更に、これらの膨張シリンダを加工の容易なように薄肉
部と厚肉部とに分け、別個に製作し、これを気密接合す
ることで一体化することで必要個所の加工精度を上げた
。これによりシール兼ガイドあるいはガイドが膨張シリ
ンダとの間で強く接触することが避けられ、冷却能力の
低下がより少なくなった。また、これにより高精度を必
要とする厚肉部は加工が容易になるとともに軸方向に短
い加工長となり、加工が難しい薄肉部は高精度の加工を
必要としなくなったので、一体化のための接合工数が増
加したにかかわらず、全体としての製造コストは大幅に
低下した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による逆スターリングサイク
ル冷凍機の膨張具の要部の断面図、第２図および第３図
はそれぞれ本発明の異なる実施例による逆スターリング
サイクル冷凍機の膨張具の要部断面図、第４図は従来の
分離型逆スターリングサイクル冷凍機の膨張具の要部の
断面図で（ａ＋は加工精度が良好な場合を示す図、（ｂ
ｌは加工精度が不良な場合を示す図、第５図は従来の分
離型逆スターリングサイクル冷凍機の断面図、第６図は
従来の一体型逆スターリングサイクル冷凍機の断面図で
ある。 ２０１　３０１　：膨張シリンダ、２０１Ａ　、　３０
１Ａ　　：薄肉部　（膨張シリンダの）　、２０１Ｂ、
　３０１Ｂ：厚肉部（膨張シリンダの）　　　２０２：
被冷却体を冷却する低温部、２１０：ディスプレーサ、
２１０Ａ　：薄肉部（ディスプレーサの）、２１０Ｂ：
厚肉部（ディスプレーサの）　、２１４．２１５．３０
７．３０８：シール兼ガイド、２２３：作業媒体の膨張
空間、２２６二連通管、２５１゜２５２：シール、２５
３．２５４：ボイド、２５５：コネク２０２　’２ｉ　
ン辛】１１体１冷２５】すみイ６！温キ１Ｓ１１図 第 ４ 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）被冷却体を冷却する低温部により一端部が気密に密
   閉され胴内に作動媒体の膨脹空間を形成する膨脹シリン
   ダと、このシリンダに対し前記膨脹空間を挟んで配置さ
   れシリンダ内を軸方向に往復自在なディスプレーサと、
   このディスプレーサに設けられ作動媒体のシールおよび
   ディスプレーサの運動のガイドを行うシール兼ガイドと
   からなり、前記膨脹シリンダの他端部は作動媒体の圧縮
   機に連通して結合され、ディスプレーサはこの作動媒体
   の圧力により往復動操作される逆スターリングサイクル
   冷凍機の膨脹器において、 前記膨脹シリンダおよびディスプレーサは軸方向に薄肉
   部と厚肉部とを有し薄肉部からなる膨脹シリンダの一端
   部は被冷却体を冷却する低温部により気密に密閉されそ
   の胴内に作動媒体の膨脹空間を形成し、シール兼ガイド
   はディスプレーサの厚肉部に設けられ対向する膨脹シリ
   ンダの厚肉部内壁で摺動するようにしたことを特徴とす
   る逆スターリングサイクル冷凍機の膨脹器。 ２）被冷却体を冷却する低温部により一端部が気密に密
   閉され胴内に作動媒体の膨脹空間を形成する膨脹シリン
   ダと、このシリンダに対し前記膨脹空間を挟んで配置さ
   れシリンダ内を軸方向に往復自在なディスプレーサと、
   このディスプレーサ３に設けられた作動媒体のシールお
   よびディスプレーサの運動のガイドとからなり、前記膨
   脹シリンダの他端部は作動媒体の圧縮機に連通して結合
   され、ディスプレーサはこれに結合されたコネクティン
   グロッドを介して圧縮機の回転機により往復動操作され
   る逆スターリングサイクル冷凍機の膨脹器において、 前記膨脹シリンダおよびディスプレーサは軸方向に薄肉
   部と厚肉部とを有し薄肉部からなる膨脹シリンダの一端
   部は被冷却体を冷却する低温部により気密に密閉されそ
   の胴内に作動媒体の膨脹空間を形成し、シールおよびガ
   イドはディスプレーサの厚肉部に設けられ対向する膨脹
   シリンダの厚肉部内壁で摺動するようにしたことを特徴
   とする逆スターリングサイクル冷凍機の膨脹器。 ３）請求項１）あるいは２）記載の逆スターリングサイ
   クル冷凍機の膨脹器において、 軸方向に薄肉部と厚肉部とを有する膨脹シリンダはそれ
   ぞれ別個に作られた薄肉部と厚肉部とが気密に接合され
   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
   の膨脹器。