JPH04124561A - スターリング冷凍機の膨張機 - 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、ディスプレーサの往復動によりシリンダ内膨
張室で冷媒ガスを膨張させて極低温レベルの寒冷を発生
させるスターリング冷凍機用の膨張機に関し、特に、デ
ィスプレーサの構造に関する。

（従来の技術） この種のスターリング冷凍機は、第４図に示すように、
冷媒カスを所定周期で加圧するりニアモータ型の圧縮機
（ａ）と、該圧縮機（ａ）により加圧された冷媒ガスを
膨張させる膨張機（ｋ）とを組み合わせたものである。

上記圧縮機（ａ）は、ケーシング（ｂ）内に形成された
密閉状のシリンダ（ｃ）と、該シリンダ（ｃ）内に往復
動自在に嵌挿されたピストン（ｅ）と、該ピストン（ｅ
）にボビン（ｈ）を介して連結されたコイル（ｉ）及び
磁石（ｇ）を有し、ピストン（ｅ）を往復駆動するりニ
アモータ（ｆ）と、上記ピストン（ｅ）を往復動可能に
弾性支持するピストンスプリング（ｊ）とを備え、コイ
ル（ｉ）にリード線（１１）（ｉ＋　）を介して所定周
波数の交流を通電することで、ピストン（ｅ）をシリン
ダ（Ｃ）内で往復移動させ、シリンダ（ｃ）内の圧縮室
（ｄ）で所定周期のガス圧を発生させるようになされて
いる。

一方、膨張機（ｋ）はシリンダ（４７）ををし、このシ
リンダ（ｆｆ）内にはシリンダＣｌ１）内空間を先端側
の膨張室（ｍ）と基端側の作動室（ｎ）とに区画するフ
リーディスプレーサ（０）か往復動自在に嵌挿されてい
る。このディスプレーサ＜ｏ＞は膨張室（ｍ）及び作動
室（ｎ）にそれぞれ連通孔（ｏ：　）、（０３）を介し
て連通ずるリジェネレータ（０１）を内蔵している。ま
た、作動室（ｎ）内にはディスプレーサ（０）を往復動
可能に弾性支持するデイスプレーサスプリング（ｐ）か
配設されている。上記作動室（ｎ）は結合配管（ｑ）を
介して圧縮機（ａ）の圧縮室（ｄ）に接続されており、
圧縮機（ａ）からの増減する冷媒ガス圧にてディスプレ
ーサ（０）を往復動させることにより、冷媒ガスを膨張
室（ｍ）で膨張させてシリンダＣＩ）先端のコールドヘ
ッドに寒冷を発生させるように構成されている（例えば
“Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ　ｒｏｒ　Ｃｒｙｏｇｅｎ
ｉｃ　５ｅｎｓｏｒｓ　　、　ＮＡＳ＾Ｃｏｎｆｅｒｅ
ｎｃｅ　Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ　２２８７等参照）。

（発明が解決しようとする課題） このスターリング冷凍機の膨張機（ｋ）においては、そ
の作動によりシリンダ（１）先端のコールドヘッドと共
にディスプレーサ（０）の先端か冷却されるので、そこ
に充満している冷媒ガスの温度か降下する。こうしてガ
スの温度が降下すると、その密度か大きくなるため、体
積が減少する。

従って、このガスの体積減少に伴い、クールダウン時で
は適正であったディスプレーサ（０）先端内部の無駄に
なる容積が増え、第２図で破線にて示すように、膨張室
（ｍ）での圧力振幅が小さくなり、この圧力を推力とす
るディスプレーサ（０）のストロークも小さくなり、そ
の結果、冷凍機の能力かクールダウン時に比べて低下す
るのは禁じ得ない。

本発明の目的は、上記ディスプレーサの内部構造を改良
することにより、定常運転時の圧力振幅の低下を低減し
て、クールダウン時と定常運転時とでの冷凍機能力の変
化を抑制することにある。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、請求項（１）に係る発明
の解決手段では、ディスプレーサ内において低温レベル
となる先端部の容積を常温側に比べ小さくすることで、
定常運転時の圧力振幅の低下を抑えるようにした。

具体的には、この発明では、第１図に示すように、先端
にコールドヘッド（３）を有するシリンダ（２）と、該
シリンダ（２）内に往復動可能に嵌挿されてシリンダ（
２）の先端内に膨張室（１４）を区画形成するディスプ
レーサ（５）と、該ディスプレーサ（５）に内蔵され、
上記膨張室（１４）に連通ずるリジェネレータ（１１）
とを備え、ディスプレーサ（５）の往復動に伴って膨張
室（１４）で冷媒ガスを膨張させて、コールドヘッド（
３）に極低温レベルの寒冷を発生させるようにしたスタ
ーリング冷凍機が前提である。

そして、上記ディスプレーサ（５）は、低い熱伝導率の
金属製薄肉円筒体（８）の両端にそれぞれ連通孔（６ａ
）、　　（７ａ）を有するヘッド（６）（７）を配設し
てなる構成とする。円筒体（８）内に、ディスプレーサ
（５）先端側に向かって小径となる先細り状の中心孔（
１０）を有する樹脂製のスペーサ（９）を嵌挿し、上記
中心孔（１０）内にはりジェネレータマトリックス（１
２）。

（１２）、・・・を充填する。

また、請求項（２に係る発明の解決手段では、上記ディ
スプレーサ先端側に充填されるリジェネレータマトリッ
クスの熱交換能力を確保するために、該先端側のりジェ
ネレータマトリックスを基端側よりも細かいメツシュで
構成する。

すなわち、この発明では、リジェネレータ（１１）をデ
ィスプレーサ（５）内に積層状に充填された多数の金属
製メツシュ（１２）、　　（１２）。

・・で構成し、ディスプレーサ（５）先端側には基端側
よりも細かいメツシュ（１２）、　　（１２）・・・を
充填する。

さらに、請求項（３）に係る発明では、ディスプレーサ
においてその内部を膨張室に連通ずる連通孔の容積を低
温レベルとなる先端側はど小さくする。

すなわち、この発明では、第３図に示す如く、上記前提
のスターリング冷凍機において、ディスプレーサ（５）
先端側のヘッド（７′）に形成される連通孔（７ａ’　
）を、ディスプレーサ（５）先端側に向かって小径とな
る先細り状とする。

（作用） 上記の構成により、請求項（１）に係る発明では、ディ
スプレーサ（５）の円筒体（８）内に樹脂製スペーサ（
９）が嵌挿され、このスペーサ（９）の中心孔（１０）
はディスプレーサ（５）先端側に向かって小径となる先
細り状であるので、ディスプレーサ（５）先端側の容積
は小さく、定常運転時にガスの体積が減少してもそれに
見合った容積となり、無駄容積がなくなる。その結果、
第２図で実線にて示す如く、膨張機がクールダウン状態
から定常運転状態になっても、ガスの圧力振幅の低下か
小さくなり、ディスプレーサ（５）のストロークをクー
ルダウン時と同様に大に保つことができ、よって冷凍機
の定常運転時の能力を増大維持することができる。

また、請求項（２１に係る発明では、ディスプレーサ（
５）の先端側に充填される金属製メッシュは基端側より
も細かいので、この先端側メツシュの表面積は大きくな
る。従って、ディスプレーサ（５）先端側の容積が小さ
くても、そこでのメツシュ（１２）、　　（１２）、・
・とガスとの熱交換能力を人に確保できる。

請求項（３）に係る発明では、ディスプレーサ（５）先
端側のヘッド（７′）に形成される連通孔（７ａ’）が
ディスプレーサ（５）先端側に向がって小径となる先細
り状であるので、上記請求項（１）に係る発明と同様に
、ディスプレーサ（５）の低温レベルとなる先端側ヘッ
ド（７′）内の容積が小さくなり、よって同様の作用効
果が得られる。

（第１実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図において、（１）は本発明の第１実施例に係るフ
リーディスプレーサ型スターリング冷凍機の膨張機で、
この膨張機（１）はりニアモータ圧縮機（３１）と結合
配管（３０）により連結されている。上記圧縮機（３１
）は「従来の技術」の項で説明したものと同じ構成であ
るので、ここでは詳細な説明はしない（第４図参照）。

上記膨張機（１）は先端が閉塞された有底円筒状のシリ
ンダ（２）と、該シリンダ（２）の基端側外周に外嵌合
された取付フランジ（１８）とを備えている。上記シリ
ンダ（２）の基端開口は閉塞部材（４）によって気密状
に閉塞され、シリンダ（２）の先端はコールドヘッド（
３）とされている。このシリンダ（２）内にはフリーデ
ィスプレーサ（５）が往復動自在に嵌挿され、ディスプ
レーサ（５）によりシリンダ（２）内がシリンダ（２）
基端側の作動室（１３）と先端側の膨張室（１４）とに
区画形成されている。

そして、上記ディスプレーサ（５）は、ステンレス鋼等
の低熱伝導率の薄肉金属からなる円筒体（８）の両端開
口をそれぞれヘッド（６）、　　（７）により気密状に
閉塞した構造で、上記円筒体（８）内には樹脂製のスペ
ーサ（９）が嵌挿されている。

このスペーサ（９）にはディスプレーサ（５）先端側に
向かって小径となる先細りテーバ状の中心孔（１０）か
貫通状に形成され、この中心孔（１０）内にはりジェネ
レータ（１１）（再生式熱交換器）が充填されている。

このリジェネレータ（１１）は、リジェネレータマトリ
ックスとしての多数の銅製円板状メツシュ（１２）、　
　（１２）。

・・・を円筒体（８）内にその長さ方向（軸方向）に積
層して充填したものである。そして、上記メツシュ（１
２）、　　（１２）、・・・はディスプレーサ（５）の
先端側と基端側とでメツシュ粗さが異なり、基端部には
粗いつまりメツシュ番号の小さいメツシュ（１２）、　
　（１２）、・・・が充填され、基端側から先端側に向
かってメツシュ粗さが段階的に細かくなり、先端部では
細かいつまりメツシュ番号の大きいメツシュ（１２）、
　　（１２）、・・・が充填されている。

上記ヘッド（６）、（７）にはそれぞれ円筒体（８）内
のりジェネレータ（１１）を膨張室（１４）及び作動室
（１３）に連通させる連通孔（６ａ）　　　（７ａ）が
開口されており、膨張室（１４）で膨張した低温の冷媒
ガスが作動室（１３）に向かうときには、該冷媒ガスに
よりリジェネレータ（１１）を冷却してそれに冷熱を蓄
え、逆に常温の冷媒ガスが作動室（１３）から膨張室（
１４）に向かうときには、リジェネレータ（１１）によ
りガスを冷却するようになされている。

また、上記作動室（１３）内には、ディスプレーサ（５
）を往復動可能に弾性支持するコイルばねからなるデイ
スプレーサスプリング（１７）が配設されている。この
スプリング（１７）は、上記閉塞部材（４）の先端（デ
ィスプレーサ（５）側の端部）に形成したばね止め（４
ａ）と、ディスプレーサ（５）の円筒体（８）における
常温側ヘッド（６）基端に形成したばね止め（６ｂ）と
の間に架設されており、このスプリング（１７）のばね
定数により決まる所定周波数と、圧縮機（３１）のガス
圧変動の周期とでディスプレーサ（５）の往復動動作形
態を決定するようになっている。

一方、上記取付フランジ（１８）は、膨張機（１）を真
空容器（１９）に取り付けるためのもので、シリンダ（
２）基端に外嵌合されたボス部（１８ａ）と、そのシリ
ンダ（２）先端側の端部に形成された７ラング部（１８
ｂ）とからなり、フランジ部（１８ｂ）のシリンダ（２
）先端側面にはシールリング（２０）を嵌合するための
環状嵌合溝（１８ｃ）が同心状に形成されている。真空
容器（１９）はシリンダ（２）を一定間隙をあけて嵌挿
可能な有底円筒状のもので、その開口端には上記取付フ
ランジ（１８）のフランジ部（１８ｂ）と同径のフラン
ジ部（１９ａ）が形成されており、この両フランジ部（
１８ｂ）、　　（１９ａ）を密接させて、真空容器（１
９）内を真空状態にするようにしている。

上記閉塞部材（４）の中心部にはシリンダ（２）内の作
動室（１３）に連通ずるガス導入口（４ｂ）がシリンダ
軸線方向に沿って貫通形成され、該ガス導入口（４ｂ）
には上記圧縮機（３１）の圧縮室に接続された結合配管
（３０）がシールされて連結されており、圧縮機（３１
）からの冷媒ガス圧によりディスプレーサ（５）を往復
動させて冷媒ガスを膨張室（１４）で膨張させることに
より、シリンダ（２）先端のコールドヘッド（３）に寒
冷を発生させるようになされている。

尚、（１５）はディスプレーサ（５）の常温側ヘッド（
６）周りに配置された常温側シール、（１６）は同様に
低温側ヘット（７）周りに配置された低温側シールであ
る。

次に、上記実施例の作動について説明する。

冷凍機の運転に伴い、圧縮機（３１）におけるリニアモ
ータの作動によりピストンかシリンダ内で往復動じ、こ
のピストンの往復移動により圧縮室の容積か増減変化し
、圧縮室内部の冷媒が所定周期で加圧されて所定周期の
圧力波が生じる。この圧縮室は結合配管（３０）を介し
て膨張機（１）の作動室（１３）に連通しているため、
圧縮室の圧力か高くなったときには、加圧された冷媒ガ
スか作動室（１３）に供給されて該作動室（１３）内の
圧力か高くなる。この圧力の上昇により作動室（１３）
と膨張室（１４）との間に差が生じ、この圧力差によっ
てディスプレーサ（５）がストロークの中立位置からデ
イスプレーサスプリング（１７）を伸長させながらシリ
ンダ（２）先端側に移動し、膨張室（１４）の圧力が上
昇する。この作動室（１３）はディスプレーサ（５）内
のりジェネレータ（１１）を介して膨張室（１４）に連
通しているので、次の段階ではガスかりジェネレータ（
１１）を通って冷却されなから膨張室（１４）に流れ、
画室（１４）、　　（１３）の差圧がなくなり、ディス
プレーサ（５）はスプリング（１７）の収縮力によりシ
リンダ（２）基端側に移動して元の中立位置に戻る。こ
の後、直ちに、圧縮機（３１）のピストンが後退して圧
縮室の圧力か低下する。このため、作動室（１３）内の
冷媒ガスが結合配管（３０）を介して圧縮機（３１）に
戻り、作動室（１３）内の圧力が膨張室（１４）よりも
低下する。この作動室（１３）と膨張室（１４）との圧
力差によってディスプレーサ（５）が今度はデイスプレ
ーサスプリング（１７）を収縮させながら中立位置から
シリンダ（２）基端側に移動し、膨張室（１４）内の冷
媒ガスが断熱膨張して寒冷が発生する。次の段階では上
記膨張後のガスが膨張室（１４）からディスプレーサ（
５）内を通ってリジェネレータ（１１）に冷熱を与えな
から作動室（１３）に向かって流れ、画室（１３）、（
１４）の差圧かなくなり、ディスプレーサ（５）はスプ
リング（１７）の伸長力によりシリンダ（２）先端側に
移動して元の位置に戻る。

以上により１サイクルか終了し、以後、同様のサイクル
を繰り返すことで、シリンダ（２）先端のコールドヘッ
ド（３）が徐々に冷却される（クールダウン状態）。そ
して、一定時間が経過するとコールドヘッド（３）の温
度が極低温レベルに保持されて、冷凍機が定常運転状態
になる。

この実施例では、上記ディスプレーサ（５）の円筒体（
８）内に先細りテーバ状の中心孔（１０）を有するスペ
ーサ（９）が嵌挿されているので、このスペーサ（９）
の中心孔（１０）によりディスプレーサ（５）先端側の
容積は小さくなり、定常運転時にガスの温度降下によっ
てその体積が減少してもそれに見合った容積となり、無
駄容積かなくなる。従って、第２図で実線にて示す如く
、膨張機（１）がクールダウン状態から定常運転状態に
なっても、同図で破線にて示す従来構造に比べ、ガスの
圧力振幅の低下か小さくなり、ディスプレーサ（５）の
スト０−りをクールダウン時と同様に保つことができ、
よって冷凍機の定常運転時の能力を増大維持することが
できる。

また、ディスプレーサ（５）の先端側に充填される金属
製メツシュ（１２）、　　（１２）、・・は基端側より
も細かく、その表面積は大きくので、上記のようにディ
スプレーサ（５）先端側の容積が小さくなっても、そこ
でのメツシュ（１２）。

（１２）、・・・とガスとの熱交換能力を大にして、リ
ジェネレータ（１１）の能力を確保することができる。

（第２実施例） 第３図は第２実施例を示しく尚、第１図と同じ部分につ
いて同し符号を付してその詳細な説明は省略する）、上
記実施例ではディスプレーサ（５）内部のスペーサ（９
）の中心孔（１０）をテーバ状にしたのに対し、リジェ
ネレータ（１１）先端の低温側ヘッド（７′）の連通孔
（７ａ’）を先細りテーバ状に変えたものである。

すなわち、この実施例では、ディスプレーサ（５）の円
筒体（８）内にリジェネレータマトリックスとしての銅
製メツシュ（１２）、　　（１２）。

・・・が充填され、そのメッシュ（１２）、　　（１２
）。

、・・の粗さは先端側及び基端側に関係なく同じメツシ
ュ番号とされている。また、ディスプレーサ（５）の低
温側ヘッド（７′）はステンレス鋼からなり、その中心
にはディスプレーサ（５）先端側に向かって小径となる
先細りテーパ状の連通孔（７ａ’）が形成され、この連
通孔（７ａ’　）にも連通孔（７ａ’）の内径に対応し
た銅製メツシュ（１２）、（１２）、・・・が充填され
ている。

したがって、この実施例では、低温側ヘッド（７′）の
連通孔（７ａ’　）が先細りテーバ状であるので、ディ
スプレーサ（５）の低温レベルとなる低温側ヘッド（７
′）内の容積か小さくなり、よって、上記実施例と同様
の作用効果を奏することかできる。

尚、上記実施例では、スペーサ（９）の中心孔（１０）
及びヘッド（７′）の連通孔（７ａ’）を先細りテーバ
状にしたか、必ずしもテーパ状にする必要はなく、段階
的に先細り形状にしてもよい。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）に係る発明によると
、スターリング冷凍機の膨張機において、ディスプレー
サ先端側の容積を、ガスの温度降下に伴う体積の減少に
対応させて小さくしたことにより、定常運転時の圧力振
幅の低下を小さくてき、冷凍機の定常運転時とクールダ
ウン時との能力変化を抑制することができる。

また、請求項（′２Ｊに係る発明によれば、ディスプレ
ーサに充填されるリジェネレータマトリックスとしての
金属製メツシュの粗さをディスプレーサ先端側の方が基
端側よりも細かくしたので、ディスプレーサ先端側の容
積が小さくても、そこでのりジェネレータマトリックス
とガスとの熱交換能力を大にしてリジェネレータの能力
を確保できる。

請求項（３）に係る発明によると、ディスプレーサ先端
側ヘッドの連通孔を先細り状としたことにより、連通孔
先端の容積かガスの体積の減少に対応して小さくなり、
よって請求項（１）に係る発明と同様に冷凍機の定常運
転時とクールダウン時との能力変化の抑制を図ることか
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の第１実施例を示し、第１図
は膨張機の拡大断面図、第２図は温度に応じた圧力振幅
の特性を示す図である。第３図は第２実施例を示す第１
図相当図である。第４図はスターリング冷凍機の従来例
を示す断面図である。 （１）・・・膨張機 （２）・・・シリンダ （５）・・・ディスプレーサ （６）、（７）、（７’）・・・ヘッド（６ａ）、（７
ａ’　）・・・連通孔 （８）・・・円筒体 （９）・・・スペーサ （１０）・・・中心孔 （１１）・・・リジェネレータ （１２）・・・銅製メツシュ（マトリックス）（１４）
−・・膨張室 （３１）・・・圧縮機 特許出願人　ダイキン工業株式会社 代理人弁理士前１）弘（１五力１１名）（１）・・・膨
張機 （２）・・・シリンダ （５）・・・ディスプレーサ （６）、　　（７）、　　（７’）・・・ヘッド（６ａ
）、　　（７ａ’　）・・・連通孔（８）・・・円筒体 （９）・・・スペーサ （１０）・・・中心孔 （１１）・・・リジェネレータ （１２）・・・銅製メツシュ（マトリックス）（１４）
・・・膨張室 （３１）・・圧縮機 第 圏 第２ 図 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）先端にコールドヘッド（３）を有するシリンダ（
   ２）と、該シリンダ（２）内に往復動可能に嵌挿され、
   シリンダ（２）の先端内に膨張室（１４）を区画形成す
   るディスプレーサ（５）と、該ディスプレーサ（５）に
   内蔵され、上記膨張室（１４）に連通するリジェネレー
   タ（１１）とを備え、ディスプレーサ（５）の往復動に
   伴って膨張室（１４）で冷媒ガスを膨張させることによ
   り、コールドヘッド（３）に極低温レベルの寒冷を発生
   させるようにしたスターリング冷凍機において、 上記ディスプレーサ（５）は、低い熱伝導率の金属製薄
   肉円筒体（８）の両端に連通孔（６ａ）、（７ａ）を有
   するヘッド（６）、（７）を配設してなり、円筒体（８
   ）内にはディスプレーサ（５）先端側に向かって小径と
   なる先細り状の中心孔（１０）を有する樹脂製のスペー
   サ（９）が嵌挿され、上記中心孔（１０）内にリジェネ
   レータマトリックス（１２）、（１２）、・・・が充填
   されていることを特徴とするスターリング冷凍機の膨張
   機。
2. （２）リジェネレータ（１１）はディスプレーサ（５）
   内に積層状に充填された多数の金属製メッシュ（１２）
   、（１２）、・・・からなり、デイスプレーサ（５）の
   先端側には基端側よりも細かいメッシュ（１２）、（１
   ２）、・・・が充填されていることを特徴とする請求項
   （１）記載のスターリング冷凍機の膨張機。
3. （３）先端にコールドヘッド（３）を有するシリンダ（
   ２）と、該シリンダ（２）内に往復動可能に嵌挿され、
   シリンダ（２）の先端内に膨張室（１４）を区画形成す
   るディスプレーサ（５）と、該ディスプレーサ（５）に
   内蔵され、上記膨張室（１４）に連通するリジェネレー
   タ（１１）とを備え、ディスプレーサ（５）の往復動に
   伴って膨張室（１４）で冷媒ガスを膨張させることによ
   り、コールドヘッド（３）に極低温レベルの寒冷を発生
   させるようにしたスターリング冷凍機において、 上記ディスプレーサ（５）は、低い熱伝導率の金属製薄
   肉円筒体（８）の両端に連通孔（６ａ）、（７ａ′）を
   有するヘッド（６）、（７′）を配設してなり、ディス
   プレーサ（５）先端側のヘッド（７′）に形成される連
   通孔（７ａ′）はディスプレーサ（５）先端側に向かっ
   て小径となる先細り状とされていることを特徴とするス
   ターリング冷凍機の膨張機。