JPH035675A - 小型冷凍機 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、スターリングサイクルやギフオードマクマホ
ンサイクル、ソルベーサイクル、ヴエルミエールサイク
ルなど、クライオポンプ等に用いられる蓄冷材を利用し
た小型冷凍機に関するものである。

［従来の技術］ 第５図に示されるものは、小型冷凍機を代表するスプリ
ット形スターリング冷凍機である。このものは、膨脹シ
リンダ１０１と圧縮シリンダ１０２が連結チューブ１０
３によって接続されており、膨脹シリンダ１０１には膨
脹室１０４を拡縮させるディスプレーサ１０５が摺動可
能に嵌装され、圧縮シリンダ１０２には圧縮室１０６を
拡縮させるピストン１０７が摺動可能に嵌装されている
。

前記ディスプレーサ１０５内には蓄冷器（リジェネレー
タ）１０８が収容されており、膨脹室１０４から送り出
される作動ガス（Ｈｅ等）により寒冷を得て、次のサイ
クルで新たに膨脹室１０４に送り込まれる作動ガスを予
冷する。この蓄冷器１０８は、通常、蓄冷材エレメント
（円形に打ち抜いた銅製メツシュ等）をプリプレグと呼
ばれる容器内に積層した構造をなしている。

一方、ディスプレーサ１０５の下端はガススプリング室
１０９に臨ませてあり、このガススプリング室１０９に
、前記膨脹室１０４の高圧時と低圧時とに該膨脹室１０
４に現れる圧力の略中間圧に相当する付勢用ガスを封入
している。これによリ、ディスプレーサ１０５は封入ガ
スと作動ガスに差圧駆動されて上下動し、その結果、第
６図に示す冷凍サイクルを営む。同図は膨脹室１０４内
のガス圧（同図ａ）とディスプレーサ変位（同図ｂ）と
の関係を表しており、ディスプレーサ１０５が上死点近
傍に達した時点で膨脹室１０４内のガスが徐々に圧縮さ
れ、ディスプレーサ１０５が下死点近傍に達した時点で
膨脹室１０４内のガスが断熱膨脂するため、コールドヘ
ッド１１０は断続的に寒冷を得て極低温に至ることがで
きる。

そして、叙述の如くディスプレーサを蓄冷器内蔵タイプ
としていることの意義は、蓄冷器を膨脹シリンダ外に配
置していた従前の冷凍機構造においては達成し得なかっ
た冷凍機全体の小型軽量化と高効率化が促進される点に
あり、これがためこの構造は近時における他の小型冷凍
機にも多く見られるようになっているものである。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、膨脹シリンダ１０１がかかる構造である場合
、必然的に次に挙げる３つの不具合が避は難いものとな
る。■ディスプレーサ１０５の外周摺動面１０５ａが摩
耗するため、数千時間ごとにメンテナンスが必要になる
。■ディスプレーサ１０５及び膨脹シリンダ１０１には
温度勾配が生じており、膨脹シリンダ１０１に対して相
対的にディスプレーサ１０５の位置が変わる度に熱侵入
を生じる（シャトルロスと呼ばれ、冷凍能力の十数％〜
数十％を占める）。■ディスプレーサ１０５の慣性質量
が大きく、したがって冷凍機の振動が太き（なる。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので
あって、膨脹シリンダ内の構造を工夫することにより、
これらを有効に解決することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、かかる目的を達成するために、次のような構
造を採用したものである。

すなわち、本発明の小型冷凍機は、膨脹シリンダ内に複
数の蓄冷材エレメントを外周を固定しかつ内側部に厚み
方向の可撓性を与えた状態で積層し、各エレメント内側
部に積層方向に対する共通の変位を与えることで積層端
とシリンダの間に形成される膨脹室を拡縮させるように
構成したことを特徴としている。

［作用］ 蓄冷材エレメントをロッド等を通じて駆動すると、各エ
レメントの外周はシリンダに固定されていて不動である
が、内側部は撓み変形することでシリンダに対して相対
変位を許容されるため、ディスプレーサを廃しても膨脹
シリンダ自体は従来と同等の原理に従って本来的機能を
有効に発揮し得る。

そして、膨脹シリンダ内をこのような構造にしておけば
、従来の不具合が次のように解消される。

■シリンダ内に機械的な摺動部分がなくなるため、耐久
性が向上する。■蓄冷材エレメントの外周がシリンダに
対して摺動しないので、シャトルロスを生じることがな
く、冷凍能力が向上する。

■可動部の質量が小さくなるため、冷凍機振動が低減さ
れる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図および第２図を参照し
て説明する。

第１図は、本実施例に係るスターリング冷凍機の膨脹シ
リンダ１内を示している。この実施例の蓄冷材エレメン
ト２には、例えば銅又はリン青銅、黄銅その他の銅合金
等であって蓄冷効果を有した材料を選択し、これを細線
状にして螺旋方向の目地と半径方向の目地とからなる円
形メツシュに編み込んだものを用いている。この際、エ
レメント形状が第２図に示すように中央に開口部を有し
た椀状をなすように形成する。また、外周２ａ及び内周
２ｂを固定のために補強し、さらに外周２ａと内周２ｂ
によって囲繞される内側部２Ｃは撓み変形可能な程度の
柔軟性を持たせておく。そして、これら各エレメント２
にロッド３を挿通して該ロッド３の各積層位置に固着し
、このようにしてつくったものをロッド本体３ａを中間
圧室４ａに挿入した状態でステンレス製のベース４に載
置する。

そして、上方からステンレス製の膨脹シリンダ１を外嵌
し、シリンダ開口端１ａを前記ベース４のフランジ部４
ｂに螺着する。この螺着位置では、膨脹シリンダ１に蓋
着されている銅製コールドヘッド１ｂの内壁が積層端エ
レメント２の外周２ａに当接して各エレメント２の外周
を前記ベース４との間で適度に緊締し、これにより各エ
レメント２がシリンダ１内に固定された状態となるよう
に設定しておく。外周２ａを固定された各エレメント２
の内側部２Ｃは、ロッド３が下死点に達した時点で第１
図中実線及び第２図（ａ）のように上方に向かって拡開
した状態に変形し、該ロッド３が上死点に達した時点で
第１図中想像線及び第２図（ｂ）のように下方に向かっ
て拡開した反転状態に変形する。そして、このような作
動を通じて、積層端エレメント２とシリンダ１との間に
閉成される膨脹室５が拡縮されることになる。なお、ロ
ッド３は従来と同様に差圧駆動されるものであり、図示
膨脂部のガスポート６を第５図に示した既存のスターリ
ング冷凍機の連結チューブに接続すれば本実施例の冷凍
機が構成される。

しかして、蓄冷材エレメント２が上述したようにロッド
３を通じて軸心方向に共通の変位を与えられると、各エ
レメント２の外周２ａはシリンダ１側に固定されていて
不動であるが、内側部２Ｃは撓み変形することでシリン
ダ１に対して相対変位を許容されるため、ディスプレー
サを廃しても膨脂シリンダ１自体は従来と同等の原理で
膨脹室５に断続的に寒冷を発生することができ、本来的
機能を有効に発揮し得るものとなる。

そして、膨脹シリンダ１がこのような構造であると、シ
リンダ１内には図に明らかなように機械的な摺動部分が
なくなり、その結果耐久性が向上して長期に亘るメンテ
ナンスフリーが実現可能となる。しかも、蓄冷材エレメ
ント２は内側部２Ｃがシリンダ１に対して相対変位する
ものの、外周２ａはシリンダ１に固定されていて不動で
あるため、原理的にシャトルロスを０にすることができ
、従来に比して冷凍能力が格段に改善されたものとする
ことができる。さらに、可動部の質量は第５図図示のデ
ィスプレーサに比べて大巾に小さ（なっており、低振動
、低騒音化の効果が同時に達成されたものとなっている
。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明が
膨脹シリンダを有した他の冷凍サイクルにも同様に適用
できるものであることは勿論である。例えば、第４図は
ＧＭ（ギフオードマクマホン）サイクルの場合を示して
おり、シリンダ１１内に配設したロッド１２には図示の
ように変形させた蓄冷材エレメント１３が積層状態で取
着しである。そして、該ロッド１２を偏心カム１４を介
して上下駆動することで、各エレメント１３は外周１３
ａを定位置に保持しつつ内側部１３ｂを積層方向に撓み
変形させることでディスプレーサ収容形蓄冷器と同等の
効果を奏する。一方、この冷凍機の作動としては、前記
ロッド１２の上下動に同期して高圧バルブ１５、低圧バ
ルブ１６がそれぞれ開閉し、コンプレッサ１７で昇圧さ
れたＨｅガス（作動ガス）が導入される。すなわち、図
外においてエレメント１３の積層端とシリンダ１１との
間に形成される膨脹室の容積が最少のところで低圧バル
ブ１６が閉、高圧バルブ１５が開となり、該膨脹室の容
積増加に合わせ高圧ガスが導入される。さらに、膨脹室
の容積が最大のところで高圧バルブ１５が閉、低圧バル
ブ１６が開となり、このときガスがサイモン膨脂して低
温を発生する。

このように、全体的構成は前述したスターリング冷凍機
と若干異なるものの、膨脹シリンダ内の機能に変わると
ころはなく、このためディスプレーサを廃したことによ
って得られる効果は前記実施例と全く同様である。

また、メツシュの編み方は必ずしも図示に習って螺旋状
の細線と半径方向の細線との組合せでなければならない
蓋然性は全くなく、例えば第３図１８に示すように編み
込んだものを始め、他に種々のものが考えられる。さら
に、前記実施例の場合にも、半径方向と周方向の太さを
変えることで撓みの度合や熱交換面積を適宜に設定する
ことができるのは言うまでもない。

［発明の効果］ 本発明の小型冷凍機においては、冷凍サイクルがディス
プレーサを利用せずに蓄冷材エレメント自体の撓み変形
を利用して実現されているため、シリンダ内から機械的
な摺動部が除去され、この部分の耐久性、寿命が向上す
るとともに、シャトルロスが０になって高効率化が達成
される。しかも、これによって可動部の質量が軽減され
るため、低振動、低騒音化の効果も随伴するものとなる
。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の一実施例を示し、第１図は
膨脹シリンダ内を示す要部断面図、第２図は作用説明図
である。第３図は他の実施例の蓄冷材エレメントを示す
図、第４図は更に他の実施例の膨脹シリンダ内を示す断
面図である。第５図および第６図は一従来例を示し、第
５図はスターリング冷凍機の全体断面図、第６図は作用
説明図である。 １．１１・・・膨脹シリンダ ２．１３・・・蓄冷材エレメント ２ａ、１３ａ・・・外周 ２ｃ、１３ｂ・・・内側部 ５・・・膨脹室

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 膨脹シリンダを有した小型冷凍機であって、前記膨脹シ
   リンダ内に複数の蓄冷材エレメントを外周を固定しかつ
   内側部に厚み方向の可撓性を与えた状態で積層し、各エ
   レメント内側部に積層方向に対する共通の変位を与える
   ことで積層端とシリンダの間に形成される膨脹室を拡縮
   させるように構成したことを特徴とする小型冷凍機。