JPH07151408A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 膨張機側で発生する冷凍熱が膨張シリンダ壁
面を通して逃げ去ることを防止して、冷凍能力の高い冷
凍装置を提供すること。 【構成】 膨張機本体容器１４内周面と膨張シリンダ１
５外周面との間に前記ガス流路を形成してそこに蓄冷器
４を配設すると共に、少なくともその蓄冷器４が設けら
れる膨張シリンダ１５部分を断熱構造４１にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スターリング冷凍機な
どの蓄冷型冷凍機を使用して超低温を実現する冷凍装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】バイオテクノロジーの分野や電子デバイ
スの分野等の先端技術分野において、各種試料や各種材
料の超低温の保存技術の開発が急務になっている。特
に、スターリング冷凍機などの蓄冷型冷凍機は、上記超
低温を実現する手段として注目され各種赤外線センサ
ー、超電導デバイス等の冷却用やバイオメディカル用の
フリーザ、冷凍庫等に広く利用されようとしている。

【０００３】ここでは、膨張シリンダに膨張ピストンを
用いる２ピストン型スターリング冷凍機について図４を
参照して動作原理を説明する。

【０００４】スターリング冷凍機１は、ガス圧縮機２と
膨張機３とを、途中に蓄冷器４とを介装したガス流路５
によって連通させ、このガス流路５のガス圧縮機２側に
放熱器６と蓄冷器４の入口側に放熱器７とを配設する一
方、膨張機３の上部に冷凍取り出し部８を形成し、さら
に、ガス圧縮機２の後方で、かつ、膨張機３の下方には
クランク機構部９を配設した構成としたものである。

【０００５】ガス圧縮機２は、ヘリウム等極低温の沸点
の作動ガスを所定のサイクルに従って圧縮し、圧縮した
作動ガスを膨張機３へ供給するものである。ガス圧縮機
２では、圧縮機本体容器１０の内側に作動ガスを圧縮す
る圧縮空間１１が形成され、圧縮ピストン１３が圧縮シ
リンダ１２に摺動自在に嵌装されて、後述するクランク
機構部９の作用により、圧縮ピストン１３が往復運動す
る構成になっている。

【０００６】膨張機３は、ガス圧縮機２から蓄冷器４を
介して供給された圧縮作動ガスを膨張させるものであ
る。この膨張機３は、膨張機本体容器１４の内側に膨張
シリンダ１５が上下方向に配設され、この膨張シリンダ
１５の内側に膨張ピストン１６が上下方向に摺動自在に
嵌装され、膨張機３の内側に低温が発生する膨脹空間と
しての冷凍発生部１７が形成された構成となっている。

【０００７】蓄冷器４は、膨張機本体容器１４の内周と
膨張シリンダ１５の外周との間に円筒形状に形成され、
ガス流路５を介して膨張機３へ供給される圧縮された作
動ガスを冷却する一方、冷凍発生部１７で膨脹され冷却
された作動ガスがガス圧縮機２に戻される際に冷却され
て蓄冷するものであり、その材料としては、比熱の大き
な銅やステンレス鋼、さらに、鉛等が用いられ、それら
が作動ガスを通す微細孔が多数穿設された円筒形状に形
成されたものである。

【０００８】ガス流路５は、ガス圧縮機２と膨張機３と
を連通する配管で形成され、蓄冷器４の入口側では、圧
縮作動ガスが均等に蓄冷器４内を通過する構成となって
いる。放熱器６と放熱器７は、圧縮された高温の作動ガ
スを室温付近に下げるもので、放熱器６は圧縮機本体容
器１０の胴部の外側に立設された多数の円板状フィンか
らなり、放熱器７は膨張機本体容器１４の胴部の外側に
立設された多数の円形状フィンからなる。冷凍取り出し
部８は、冷凍発生部１７で発生した冷熱を図示省略する
低温槽等へ取り出すもので、膨張機本体容器１４の上部
がステンレス鋼等の板状体で覆われたものである。

【０００９】クランク機構部９は、圧縮ピストン１３と
膨張ピストン１６とを図示省略する駆動モータを駆動源
としてクランク運動の作用により９０°の位相差を持っ
て往復運動をさせるものである。このクランク機構部９
は、圧縮シリンダ１２の後方に案内部２０を形成すると
共に、膨張シリンダ１５の下方に案内部２１とを形成し
たクランク室２２を有し、このクランク室２２の底部に
潤滑油２３が収納され、さらに、クランク室２２の内部
にクランク機構２４が配設された構成となっている。

【００１０】そして、このクランク機構２４から延設さ
れるコネクティングロッド２５が案内部２０の案内受２
０ａにクロスガイド２６が摺動自在に嵌装され、このク
ロスガイド２６に連絡するピストンロッド２７が案内部
２０の貫通穴２０ｂに貫通して圧縮ピストン１３の後部
に接続されると共に、クランク機構２４から延設される
コネクティングロッド２８が案内部２１の案内受２１ａ
にクロスガイド２９が摺動自在に嵌装され、このクロス
ガイド２９に連絡するピストンロッド３０が膨張ピスト
ン１６の後部に接続されている。

【００１１】３１は圧縮空間１１と圧縮ピストン１３の
後方の圧縮背面空間３２を断絶するピストンシールで、
３３はクランク室２２の潤滑油２３が空間３２に侵入す
るのを防止するオイルシールを示している。また、３４
は冷凍発生部１７と膨張ピストン１６の後方の膨張背面
空間３５を断絶するピストンシールで、３６はクランク
室２２の潤滑油２３が空間３５に侵入するのを防止する
オイルシールを示している。

【００１２】この構成で、図示省略する駆動モータの回
転によってクランク機構部９のクランク機構２４が駆動
されると、ガス圧縮機２の圧縮シリンダ１２内の圧縮ピ
ストン１３が圧縮空間１１側に移動して圧縮空間１１に
充満するヘリウムや窒素等の液化しにくい作動ガスが圧
縮される。圧縮された作動ガスは、圧縮機本体容器１０
の外周に設けられる放熱器６によって外部に放熱され室
温付近まで冷却され、ガス流路５を通り、さらに、放熱
器７で冷却されて蓄冷器４へ流入する。

【００１３】蓄冷器４に流入した作動ガスは、比熱の大
きな材料、例えば、銅や鉛の金網状あるいは球からなる
蓄冷材によって冷却され、冷却された作動ガスが膨張機
３の冷凍発生部１７へ流入され、冷凍発生部１７が高圧
状態となる。

【００１４】その後、膨張機３の膨張シリンダ１５内の
膨張ピストン１６が圧縮ピストン１３と約９０°の位相
差を持って降下することによって、膨張空間としての冷
凍発生部１７が拡張され、蓄冷器４から冷凍発生部１７
へ流入した高圧の作動ガスが、急激に膨張されて冷凍発
生部１７の作動ガスの圧力が急降下するため作動ガスが
低温となる。

【００１５】やがて、膨張ピストン１６が上昇を開始
し、圧縮ピストン１３が後退すると、低温の作動ガス
が、蓄冷器４を通り、ガス流路５を経て圧縮空間１１へ
戻る。このとき、蓄冷器４では、蓄冷材が冷却され蓄冷
器４に冷熱が蓄えられる。

【００１６】上記した工程によって、一つの熱サイクル
が終了し、この工程がクランク機構部９のクランク機構
２４の往復運動によって繰り返される。これにより、徐
々に冷凍発生部１７の温度と蓄冷器４の温度が降下し、
冷凍発生部１７の作動ガスが低温となる。この状態のと
き、冷凍取り出し部８では、冷凍発生部１７の冷熱を外
部の図示省略する熱利用部としての低温槽等と熱交換を
行って外部の低温槽の冷却負荷を冷凍温度とする。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構造の従来の冷凍装置によると、膨張機３側では、
膨張ピストン１６が下がって、ガス圧縮機２側から送ら
れてきた作動ガスが膨張して冷凍熱を発生する際、膨張
シリンダ１５外周側は圧縮機２より送られて来る作動ガ
スが存在して温度が高いため、発生した冷凍熱が膨張シ
リンダ１５壁面を通して蓄冷器４側へ逃げていまい、冷
凍能力が低下するという問題点があった。この問題は膨
張シリンダに膨張ディスプレーサを用いて構成される冷
凍装置の場合も同様である。

【００１８】そこで、本発明は、膨張機側で発生する冷
凍熱が膨張シリンダ壁面を通して逃げ去ることを防止し
て、冷凍能力の高い冷凍装置を提供することを目的とす
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の冷凍
装置は、膨張機本体容器内周面と膨張シリンダ外周面と
の間に前記ガス流路を形成してそこに蓄冷器を配設する
と共に、少なくともその蓄冷器が設けられる膨張シリン
ダ部分を断熱構造にしたことを特徴とするものである。

【００２０】

【作用】上記本発明の構成によれば、膨張シリンダが断
熱構造になっているため、発生する冷凍熱は膨張シリン
ダ壁面から失われることが無くなる結果、冷凍能力の高
い冷凍装置が得られるようになる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を膨張シリンダに膨張
ピストンを用いて構成されるスターリング冷凍機を例に
取って説明する。図１は本発明の一実施例を示すスター
リング冷凍機の構成図で、図は膨張機部分のみを示し、
それ以外の構成は図４と同一のため図示省略している。

【００２２】図１に示す構成で、図４と同一符号は同一
部分を示し、図４の構成と異なる点は、外周面に蓄冷器
が設けられる膨張シリンダ１５の内周壁面部分に樹脂、
セラミック等の熱伝導率の低い断熱材４１をコーティン
グしてを断熱構造にした点である。

【００２３】本実施例のスターリング冷凍機において
は、上記の構成以外、即ち、ガス圧縮機及びクランク機
構部の構成は、図４に示した構成と変わりは無い。従っ
て、クランク機構部９の作動により圧縮ピストン１３、
膨張ピストン１６が９０°の位相差を以て往復動作し、
圧縮機２で圧縮された作動ガスが膨張機３で膨張されて
冷却され、その冷却された作動ガスがガス圧縮機２に移
送されて圧縮され、再び膨張機３に移送されて膨張され
て冷却される熱サイクルを繰り返すことにより、冷凍熱
が冷凍取り出し部８より取り出される点は、図４の動作
と同様である。

【００２４】本実施例においては、上記熱サイクルを繰
り返す過程において、膨張機３側では膨張ピストン１６
が下がってガス圧縮機２より移送されてきた作動ガスが
膨張されて膨張ピストン１６上部に冷凍熱が発生する。
一方、膨張シリンダ１５外周には未だ温度の下がりきら
ない作動ガスが存在する。従って、膨張シリンダ１５壁
面を挟んで内外周間に大きな温度差が生じるが、膨張シ
リンダ１５壁面には断熱材４１がコーティングされてい
る結果、冷凍熱が膨張シリンダ１５外周側に逃げ去るこ
と無く保持され、高い冷凍能力が維持される。

【００２５】上記断熱材４１としては、ＰＴＦ（ポリエ
チレンテレフタート−熱伝導率：０．１５W/mk）、ＰＡ
Ｎ（ポリアクリロニトリル−熱伝導率：０．１０W/m
k）、ＭＳ（メタクリルスチレン共重合−熱伝導率：
０．１９W/mk）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン−熱
伝導率：０．１３W/mk）等の樹脂を用いることが出来
る。またＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン−熱伝
導率：０．２５W/mk）は、多少熱伝導率が高めになるが
対摩耗性が良いので、ピストンシール３４が摺接する部
分に迄拡張して用いることが出来、これによって、膨張
シリンダ１５の内周壁面全体を断熱構造としてより断熱
性能を改善することが出来る。

【００２６】図２は本発明の他の実施例を示したもの
で、膨張シリンダ１５の外周面の物理的に安定した場所
である蓄冷器４との間に断熱材４２を設けた例である。
この断熱材４２としては、ガラス繊維（熱伝導率：０．
０４W/mk）を用いることができる。勿論、この個所に図
１と同じ断熱材を配置しても良い。

【００２７】図３は、さらに本発明の別の実施例を示し
たもので、膨張シリンダ１５をステンレスを用いて構成
すると共に、その上部を真空構造にして断熱部４３を形
成した例である。このようにしても前記実施例同様の作
用効果が得られる。

【００２８】なお、上記実施例では、本発明を膨張シリ
ンダに膨張ピストンを用いて構成されるスターリング冷
凍機に適用した例について説明したが、上記に説明した
断熱構造を膨張シリンダに膨張ディスプレーサを用いて
構成されるスターリング冷凍機に採用することもでき
る。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、膨
張シリンダを断熱構造に構成したので、発生する冷凍熱
が膨張シリンダ壁面から失われることが無くなり、冷凍
能力の高い冷凍装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すスターリング冷凍
機の膨張機部分の構成図

【図２】本発明の第２の実施例を示すスターリング冷凍
機の膨張機部分の構成図

【図３】本発明の第３の実施例を示すスターリング冷凍
機の膨張機部分の構成図

【図４】従来例を示すスターリング冷凍機の構成図

【符号の説明】

１ スターリング冷凍機 ２ ガス圧縮機 ３ 膨張機 ４ 蓄冷器 ５ ガス流路 ６ 放熱器 ７ 放熱器 ８ 冷凍取り出し機 ９ クランク機構部 １０ 圧縮機本体容器 １１ 圧縮空間 １２ 圧縮シリンダ １３ 圧縮ピストン １４ 膨張機本体容器 １５ 膨張シリンダ １６ 膨張ピストン １７ 冷凍発生部 ４０ 表圧側蓄冷器 ４１、４２ 断熱材 ４３ 断熱部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機本体容器内部に配設される圧縮シリ
   ンダに形成される圧縮空間と、膨張機本体容器内部に配
   設される膨張シリンダに形成される膨張空間とが蓄冷器
   を介したガス流路によって連通されると共に、前記圧縮
   シリンダ内部および前記膨張シリンダ内部をそれぞれ圧
   縮ピストンおよび膨張ピストン又は膨張ディスプレーサ
   が相互に所定の位相差を持って往復駆動するようにクラ
   ンク機構部を介して駆動モータに接続され、前記圧縮空
   間から前記膨張空間に導かれる作動ガスの膨張過程を含
   む熱サイクルによって低温を発生させる冷凍装置におい
   て、 前記膨張機本体容器内周面と前記膨張シリンダ外周面と
   の間に前記ガス流路を形成してそこに前記蓄冷器を配設
   すると共に、少なくとも前記蓄冷器が設けられる前記膨
   張シリンダ部分を断熱構造にしたことを特徴とする冷凍
   装置。