JPH07151409A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 膨張ピストン又は膨張ディスプレーサのシー
ル部が膨張シリンダ内周面を摺動する際に発生する摩擦
熱が、作動ガスを加熱したり、膨張シリンダ上部に伝達
されることを防止して、冷凍能力の高い冷凍装置を提供
すること。 【構成】 膨張ピストン１６のピストンシール３４が摺
接する膨張シリンダ１５のピストンシール摺接部分４０
を熱伝導性が良くしかも潤滑性の良い材料を用いて形成
する一方、膨張シリンダ１５のピストンシール摺接部分
４０外周面および膨張機本体容器１４内周面に対向して
それぞれ間隔を空けて内外周壁４３、４４を配設し、そ
の内外周壁４３、４４で囲まれる内側をガス流路５０、
その内外周壁の両外側を連通して冷却水路４１、４２と
すると共に、その冷却水路４１、４２に冷却水Ｗを流す
ための給水管４５と排水管４６を前記膨張機本体容器１
４を貫通して取り付けた。

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、オイルシール３
３、３６によりオイルレス化されているシリンダ１２、
１５内部をピストン１３、１６が往復動作する際、ピス
トンシール３１、３４がシリンダ内周面を摺動すること
により、ピストンシール３１、３４およびシリンダ１
２、１５が摩耗する上、摩擦熱が発生してガス流路２５
を通過する作動ガスを加熱する。特に、膨張機３におい
ては、ピストンシール３４が膨張シリンダ１５内周面を
摺動することにより発生する摩擦熱が、冷凍発生部１７
に入る圧縮された作動ガスを加熱すると共に、膨張によ
り発生する冷凍熱を打ち消す方向に作用し、冷凍能力を
低下させ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、膨張ピストン又は膨張
ディスプレーサのシール部が膨張シリンダ内周面を摺動
する際に発生する摩擦熱が、作動ガスを加熱したり、膨
張シリンダ上部に伝達されることを防止して、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、膨張ピストン又は膨張ディスプレーサのシール
部が摺接する膨張シリンダのシール部摺接部分を熱伝導
性が良くしかも潤滑性の良い材料を用いて形成する一
方、膨張シリンダのシール部摺接部分外周面および膨張
機本体容器内周面に対向してそれぞれ間隔を空けて内外
周壁を配設し、その内外周壁で囲まれる内側をガス流
路、その内外周壁の両外側を連通して冷却水路とすると
共に、その冷却水路に冷却水を流すための給水管と排水
管を膨張機本体外殻を貫通して取り付けたことを特徴と
するものである。

【００２０】

【作用】上記本発明の構成によれば、膨張ピストン又は
膨張ディスプレーサのシール部が摺接する膨張シリンダ
部分は、潤滑性の良い材料を用いて形成しているので摺
接部分の摩耗が減少する。また、膨張ピストンが又は膨
張ディスプレーサが往復動作する際に、シール部が膨張
シリンダに摺接して生じる摩擦熱は、熱伝導性の良い膨
張シリンダのシール部摺接部の外周面に接して流れる冷
却水に伝導される。従って、作動ガス、膨張シリンダ冷
凍発生部は摩擦熱の影響を受けることの無く、低温に保
たれる結果、冷凍能力の高い冷凍装置が得られる。

【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、図２は図１の膨張機の一点鎖線
で示す上面断面図で、各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、２に示す構成で、図４と同一符号は
同一部分を示し、本実施例の膨張機３は以下のように構
成されている。即ち、膨張シリンダ１５のピストンシー
ル３４が摺接するピストンシール摺接部４０は膨張シリ
ンダ１５と別の材料、即ち、熱伝導性が良くしかも潤滑
性の良い材料を用いて形成している。そのピストンシー
ル摺接部４０外周面および膨張機本体容器１４内周面に
対向して、それぞれ間隔を空けて内周壁４３および外周
壁４４を配設し、その内外周壁４３、４４で囲まれる内
側に作動ガスＧを通すガス流路５０、その内外周壁４
３、４４の両外側に冷却水路４１、４２を形成してい
る。また、そのガス流路５０には貫通孔５１、５２を設
けて両冷却水路４１、４２を連通させるている。そし
て、放熱器７の代わりに膨張機本体容器１４を貫通して
間隙４２に接続する給水管４５、その対称位置に排水管
４６を取り付け、冷却水路４１、４２の上下をシール部
材４７、４８によりシールして冷却水Ｗをガス流路５０
の内外周に流すようにしている。

【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は膨張機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、冷却水Ｗが常時給水管４５から冷
却水路４２及び貫通孔５１を経て冷却水路４１さらに貫
通孔５２と流れ、排水管４６より排水されている。この
Ｗにより、ピストンシール摺接部４０及びガス流路５０
は効率良く冷却される。従って、膨張ピストン１６が膨
張シリンダ１５内面を往復動作する際に、ピストンシー
ル３４が膨張シリンダ１５に摺接して生じる摩擦熱は、
熱伝導性の良いピストンシール摺接部４０からそこに接
して流れる冷却水Ｗに効率良く伝導される。この結果、
圧縮機２で圧縮された作動ガスＧは低温に保たれて膨張
機３の膨張空間に移送される。同時に、膨張シリンダ１
５は摩擦熱の影響を受けることの無く低温に保たれる。
これにより、圧縮された作動ガスＧは低温に保たれた状
態で膨張され、効率良く冷凍熱が取り出される。

【００２５】ここで、ピストンシール摺接部４０として
は、熱伝導性、潤滑性の良好な材料として、青銅又は鉛
青銅に黒鉛等の固体潤滑剤を微細に均一に分散させたも
のを用いると良い。一方、１５は物理的強度が強く、し
かも比較的に熱伝導性の悪いステンレスを用いて構成す
ると良い。

【００２６】なお、ガス流路５０の内外周に形成する冷
却水路４１、４２を連通して水を流す構成は、上記の図
１、２に示す貫通孔５１、５２を設ける構成に限らず、
図３に示すように、シール部材４７、４８間に延在する
細長開口部５３をガス流路５０に複数介在させた構成と
することが出来る。これにより、給水管４５から給水さ
れた冷却水Ｗを各細長開口部５３を通して冷却水路４１
にも充分に流すことが出来る。

【００２７】また、上記実施例ではピストンシール摺接
部４０の冷却構造を膨張機３側に設けた例について説明
したが、上記に説明したガス冷却構造をガス圧縮機２側
に採用しても良い。

【００２８】またさらに、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
明したガス冷却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
とも出来る。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、膨
張ピストン又は膨張ディスップレーサのシール部が摺接
する膨張シリンダ部分は、潤滑性の良い材料を用いて形
成しているので摺接部分の摩耗が減少する。また、膨張
ピストン又は膨張ディスップレーサが往復動作する際に
シール部が膨張シリンダに摺接して生じる摩擦熱は、熱
伝導性の良い膨張シリンダのシール部摺接部の外周面に
接して流れる冷却水に伝導される。従って、作動ガス、
膨張シリンダ冷凍発生部は摩擦熱の影響を受けることの
無く、低温に保たれる結果、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
装置の膨張機部分の構成図

【図２】図１の膨張機の一点鎖線で示す上面断面図

【図３】本発明の第２の実施例を示す膨張機の上面断面
図

【図４】従来例を示すスターリング冷凍装置の構成図

【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 ピストンシール摺接部 ４１、４２ 冷却水路 ４３、４４ ガス流路壁 ４５ 給水管 ４６ 排水管 ４７、４８ シール部材 ５０ ガス流路 ５１、５２ 貫通孔

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、 前記膨張ピストン又は膨張ディスプレーサのシール部が
   摺接する前記膨張シリンダのシール部摺接部分を熱伝導
   性が良くしかも潤滑性の良い材料を用いて形成する一
   方、前記膨張シリンダのシール部摺接部分外周面および
   前記膨張機本体容器内周面に対向してそれぞれ間隔を空
   けて内外周壁を配設し、その内外周壁で囲まれる内側を
   ガス流路、その内外周壁の両外側を連通して冷却水路と
   すると共に、その冷却水路に冷却水を流すための給水管
   と排水管を前記膨張機本体外殻を貫通して取り付けたこ
   とを特徴とする冷凍装置。