JPH0650200B2 - 冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は例えば赤外線検出素子や超電導体を極低温
（一般に１００Ｋ以下の温度をいう。）に冷却するスタ
ーリング冷凍機に関するものである。

〔従来の技術〕

第３図に従来のスターリング冷凍機の構成例を示す。図
に示したスターリング冷凍機はスプリツト式スターリン
グ冷凍機と呼ばれるもので，スターリング冷凍機の代表
的一例である。

第３図において，スプリツト式スターリング冷凍機は大
きくわけて(1)の圧縮機と(2)のコールドフインガとこれ
らを結ぶ連結管(3)より構成される。前記圧縮機(1)はシ
リンダ(4)とピストン(5)を備え，前記ピストン(5)は連
接棒(6)とクランク(7)を介して図には示されていないが
電動機によつて駆動されて前記シリンダ(4)内部を往復
運動する構造となつている。前記シリンダ(4)の上部に
はシリンダヘツド(8)がとりつけられ，前記シリンダ
(4)，前記ピストン(5)および前記シリンダヘツド(8)で
しきられた内部空間を圧縮室(9)と呼ぶ。前記クランク
(7)等の前記ピストン(5)を駆動する機構部材は(10)のハ
ウジング(10)内に収められ，前記ピストン(5)によつて
前記圧縮室(9)と仕切られた前記ハウジング(10)内の空
間をバルク室(11)と呼ぶ。前記シリンダ(4)，前記シリ
ンダヘツド(8)および前記ハウジング(10)は互いに外部
との気密性を保つように接合され，内部の前記圧縮室
(9)や前記バルク室(11)には例えばヘリウム，水素など
の高圧の作動ガスが封入されている。前記ピストン(5)
の側面には，前記シリンダ(4)との間のすきまを作動ガ
スが通過しないようにピストンリング(12)が装着されて
いる。また，前記シリンダ(4)の外面には外部への放熱
性を高めるためのフイン(13)が設けられている。以上が
圧縮機(1)の構成である。一方前記コールドフインガ(2)
は円筒状の低温シリンダ(14)を有し，前記低温シリンダ
(14)内を摺動自在に往復するデイスプレイサ(15)を有し
ている。前記低温シリンダ(14)内部の空間は前記デイス
プレーサ(15)によつて２分割されており，前記デイスプ
レーサ(15)より上方の空間を低温室(16)，下方の空間を
高温室(17)と呼ぶ。前記デイスプレーサ(15)内部には再
生器(18)とガス通過孔(19)が設けられ，前記低温室(16)
と前記高温室(17)は前記再生器(18)と前記ガス通過孔(1
9)を介して連通しており，前記再生器(18)内には例えば
銅の金網などの蓄冷材(20)が充てんされている。前記低
温シリンダ(14)と前記デイスプレーサ(15)のすきまを作
動ガスが通過しないように，前記デイスプレーサの側部
にはシールリング(21)がはめ込まれている。前記コール
ドフインガ(2)の下部には制御シリンダ(22)と制御室(2
3)が設けられ，前記デイスプレーサ(15)の下端にとりつ
けられている(24)の制御ピストンは前記高温室(17)と前
記制御シリンダ(22)を通抜け前記制御室(23)に突出して
いる。前記制御シリンダ(22)と前記制御ピストン(24)の
すきまを作動ガスが通過しないように前記制御シリンダ
にはシールリング(25)が取付けられている。上記したコ
ールドフインガ(2)の各室は前記圧縮機(1)と同様に例え
ばヘリウム，水素などの高圧の作動ガスが封入されてい
る。以上がコールドフインガ(2)の構成であり，前記圧
縮機(1)の圧縮室(9)と前記コールドフインガ(2)の高温
室(17)は前記連結管(3)を介して連通している。また，
前記圧縮機(9)，前記連結管(3)内部の空間，前記低温室
(16)，前記高温室(17)，前記再生器(18)および前記ガス
通過孔(19)は互いに連通しており，これらの室全体を総
合して作動室(26)と呼ぶ。

上記のように構成された従来の冷凍機の動作について説
明する。ピストン(5)はシリンダ(4)の内部を往復するこ
とによつて，圧縮室(9)から低温室(16)に至る作動室(2
6)のガス圧力に正弦状の波動を与える。一方，バルク室
(11)は，その容積がピストン(5)の行程容積より充分に
大きいため，内部のガス圧はピストン(5)が往復運動を
してもあまり変化しない。コールドフインガ(2)の制御
シリンダ(22)にとりつけられたシールリング(25)は，前
述の作動室(26)のガスの圧力波動のように短い周期の圧
力変化に対してはほぼ完全に密封するが長時間的にみれ
ば密封は不完全であるので，制御室(23)内のガス圧はほ
ぼ作動室(36)内のガス圧の平均値に保たれる。

第４図から第７図は従来装置の動作原理を冷凍サイクル
の順を追つて説明するものである。

第４図に示したサイクルの一過程において，圧縮機(1)
のピストン(5)はシリンダ(4)内の下方に位置し，コール
ドフインガ(2)のデイスプレーサ(15)は低温シリンダ(1
4)の上方に位置している。第４図から第５図に至る間に
ピストン(5)は上昇して作動室(26)のガスを圧縮する。

シリンダ(5)の外周のフイン(13)は圧縮によつて発生す
る熱を外部に放出させるためのものである。

第５図の時点において作動室(26)のガス圧力は制御室(2
3)内のガス圧力よりも大きくなつており，この差圧によ
つて制御ピストン(24)に生ずる下向きの力は，シールリ
ング(21)および(25)の静摩擦力に打ち勝つてデイスプレ
ーサ(15)を下方へと動かし始め，第６図に示すように低
温シリンダ(14)の下部へ移動させる。このデイスプレー
サ(15)の移動に伴つて高温室(17)のガスは再生器(18)を
通つて低温室(16)に移り，このとき再生器(18)に充てん
されている蓄冷材(20)は通加するガスから熱を吸収しガ
スを温度降下させる。第６図から第７図に至る過程で圧
縮機(1)のピストン(5)は下降し作動室(26)のガスを膨張
させ，この膨張によつて低温室(16)内のガスはさらに温
度降下し，コールドフインガ上部の周囲から熱を吸収す
る。この吸熱作用が冷凍機としての被冷除体を冷除する
役割を担う。作動室(26)ではガスの膨張により圧力が低
下するので，第７図の時点では作動室(26)内より制御室
(23)内の方がガス圧力は大きくなつている。この差圧に
よつて制御ピストン(24)に上向きにかかる力はシールリ
ング(21)および(22)の静摩擦力に打ち勝つて，デイスプ
レーサ(15)を上方へと動かし始め，第４図に示した様に
低温シリンダ(14)の上部へ移動させる。このデイスプレ
ーサ(15)の移動に伴つて低温室(16)の低温ガスは再生器
(18)を通過し，再生器(18)内の蓄冷材(20)に冷熱を蓄え
るとともにガス自身は温度上昇しながら高温室(17)へ流
入する。以上の様なサイクルをくり返すことによつて，
冷凍運転が行なわれる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上のような従来装置には以下に述べるような問題点が
あつた。

ピストン(5)が上昇して作動室(26)のガスを圧縮する図
４から図５に示した過程において，作動ガスと圧縮室
(9)内壁との間の熱抵抗が大きいため，圧縮時に発生す
る熱は充分にシリンダ(5)や放熱フイン(13)へ伝わら
ず，作動ガスは温度の高いまま圧縮室(9)から連結管(3)
を通つて，高温室(17)へ流入する。冷凍機の冷凍効率は
高温室(17)のガス温度が高くなると低下するので，従来
の冷凍機は冷凍効率が低い，即ち消費電力が大きいとい
う問題点があつた。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で，圧縮時に発生する熱を充分外気へ放熱することによ
つて冷凍機の冷凍効率を高め，消費電力の小さい冷凍機
を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の冷凍機は，圧縮室と連結管との間に並列に配
置された複数の細いガス通過孔を有する放熱器を備えた
ものである。

〔作用〕

この発明においては，圧縮室を出た作動ガスは放熱器で
充分な放熱を行つた後に連結管を通つて高温室(17)へ入
るので，高温室の温度上昇を抑制することができる。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図であり，(2)
のコールドフインガと(3)の連結管と(1)の圧縮機の(4)
〜(7)，(9)〜(13)は，従来装置と全く同じもので，(1)
の圧縮については，(8)のシリンダヘツドに(27)の放熱
器が取付けられている点が従来装置と異なる。第２図に
前記放熱器(27)の詳細を示す。前記放熱器(27)には，ガ
スの圧力損失を増やさず放熱面積を大きくとるために多
数の細いガス通過孔(28)を並列に配置している。圧縮室
(9)と連結管(3)は，この放熱器(27)のガス通過孔(28)が
介して連通している。

上記の様なこの発明の冷凍機は冷凍を発生する原理は従
来の冷凍機と全く同じであるが，作動ガスの圧縮過程で
生じた熱は，作動ガスが放熱器(27)のガス通過孔(28)を
通過する際に放熱器(27)に伝わり，さらにシリンダヘツ
ド(8)やシリンダ(5)などの圧縮機(1)の各構造部材に拡
散し，放熱フイン(13)を初めとする圧縮機(1)の表面か
ら周囲大気へと捨てられる。

従つて，この発明の冷凍機では，作動ガスは充分放熱器
(27)で放熱を行なつた後，高温室(17)に流入するので高
温室(17)のガス温度上昇を抑制でき，冷凍効率が高い，
即ち消費電力の小さい冷凍機を実現できる。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明した通り，並列に配置された複数の
細いガス通過孔を有する放熱器を連結管と圧縮室との間
に設けるという簡単な構造によつて，圧縮によつて生ず
る熱による作動ガスの温度上昇をおさえることができ，
冷凍効率を高める，即ち消費電力を小さくおさえるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第２図はこの発明の一実施例を示す図，第３図
〜第７図は従来の冷凍機を説明するための図である。 図において，(1)は圧縮機，(2)はコールドフインガ，
(3)は連結管，(4)はシリンダ，(5)はピストン，(8)はシ
リンダヘツド，(9)は圧縮室，(14)は低温シリンダ，(1
5)はデイスプレーサ，(16)は低温室，(17)は高温室，(2
7)は放熱器，(28)はガス通過孔である。 なお，各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダと，前記シリンダの一端面をふさ
   ぐシリンダヘツドと，前記シリンダの中を往復運動する
   ピストンと，前記シリンダ，前記シリンダヘツドおよび
   前記ピストンによつて仕切られた圧縮室と，前記圧縮室
   に連通し，かつ並列に配置された複数の細いガス通過孔
   が設けられた放熱器とを備えた圧縮機と，細長い円筒状
   の低温シリンダと，前記低温シリンダの内部を低温室と
   高温室に分け，かつ前記低温シリンダを往復運動するデ
   イスプレーサとを備えたコールドフインガと，前記圧縮
   機の前記放熱器と前記コールドフインガの前記高温室と
   を連通させる連結管とで構成されたことを特徴とする冷
   凍機。