JPH0728532Y2

JPH0728532Y2 - スターリングサイクル冷凍機

Info

Publication number: JPH0728532Y2
Application number: JP1988052538U
Authority: JP
Inventors: 陽一中村; 光雄清水
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1988-04-18
Filing date: 1988-04-18
Publication date: 1995-06-28
Anticipated expiration: 2003-04-18
Also published as: JPH01153472U

Description

【考案の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この考案は、たとえばヘリウムガスを冷媒とし、この冷
媒をデイスプレーサ内の蓄冷器を通過させて低温化させ
るスターリングサイクル冷凍機に関するものである。

〔従来の技術〕

従来より、スターリングサイクル冷凍機がある（たとえ
ば、特開昭57-74558号公報参照）。

第３図にスターリングサイクル冷凍機の概略構成図を示
す。図を用いて、スターリングサイクル冷凍機の作動原
理を簡単に説明する。

スターリングサイクル冷凍機は、第３図（ａ）のよう
に、圧縮機シリンダ１と、冷凍部シリンダ２と、これら
を連結する配管３と、作動媒体であるヘリウムガス（系
内ガス）を冷却するクーラ（熱交換器）４とを有してい
る。圧縮機シリンダ１の内部には、ピストン５が往復動
し、圧縮機シリンダ１内がピストン５により区画され
て、ピストン圧縮室６およびピストン背面室７（第３図
（ｂ））が構成されている。

上記冷凍部シリンダ２の内部には、デイスプレーサ８が
往復動しており、冷凍部シリンダ２とデイスプレーサ８
との間に第３図（ｃ）の第１段膨張室９、第２段膨張室
10および第３図（ａ）のデイスプレーサ８の背面室11が
構成されている。このデイスプレーサ８の背面室11は、
上記配管３を介して、ピストン圧縮室６に連通してい
る。上記デイスプレーサ８の内部は、第１段蓄冷器12と
第２段蓄冷器13とからなつており、それぞれ、蓄冷材と
して、リン青銅の金網と鉛粒が収納されている。第３図
（ｄ）において、冷凍部シリンダ２における第１段およ
び第２段膨張室９、10の上方には、この図のように、外
部から熱を汲み上げる入口である第１段および第２段コ
ールドヘツド14,15が形成されている。

作動媒体であるヘリウムガスは、つまり系内ガスは、圧
縮室6,配管3,デイスプレーサ８の背面室11（第３図
（ａ））、第１段蓄冷器12,第２段蓄冷器13,第１段膨張
室９および第２段膨張室10内に充填されている。

他方、第３図（ｂ）のピストン背面室７には、所定圧力
の系外ガス（ヘリウムガス）が充填されており、図示し
ていないクランクケース、減速機、モータなどに、オイ
ルフイルタや吸着器などを介して、連通し、外部に対し
気密構造となつている。

上記圧縮機シリンダ１および冷凍部シリンダ２は、それ
ぞれ複数個設けられており、（クランク角で）等ピツチ
ずつ、互いに位相が異なつている。

つぎに、スターリングサイクル冷凍機の定格的な運転に
ついて説明する。

まず、第３図（ａ）の状態から、第３図（ｂ）のよう
に、ピストン５が上昇して、圧縮室６内の系内ガスは圧
縮され、配管３を通る間にクーラ４により熱量Qcを奪わ
れて、デイスプレーサ８の背面室11に流入する。したが
つて、系内ガスは、理想的には等温圧縮される。

一方、デイスプレーサ８の背面室11に充填されていた高
圧の系内ガスは、第３図（ｃ）のように、デイスプレー
サ８が下降することにより、第１段および第２段蓄冷器
12,13を通過して、第１段および第２段膨張室9,10に流
入する。この第１段および第２段膨張室9,10に流入した
系内ガスは、両蓄冷器12,13の蓄冷材により冷却され
て、それぞれ、たとえば、90°Ｋおよび20°Ｋになる。

その後、ピストン５が第３図（ｄ）のように下降して、
両膨張室9,10の系内ガスが膨張する。ここで、両コール
ドヘツド14,15を介して、上記系内ガスには熱量Qe1,Qe2
が汲み上げられている。そのため、この熱により、系内
ガスが加熱されて、この過程は理想的には等温膨張とな
る。

上記等温膨張後、両膨張室9,10に充填されていた極低温
の系内ガスは、第３図（ａ）のように、デイスプレーサ
８が上昇することにより、両蓄冷器12,13を通過して、
デイスプレーサ８の背面室11に戻る。この際、上記系内
ガスは、蓄冷器12,13の蓄冷材を冷却するので、常温に
なつて上記背面室11に戻る。

上記のように、スターリングサイクル冷凍機は、ピスト
ン５で圧縮した系内ガスを、クーラ４を通して、デイス
プレーサ８の背面室11に送り、一方、第３図（ｄ）の膨
張室9,10に系内ガスを流入させる際に蓄冷器12,13を通
過させて、系内ガスを低温化させるとともに、熱量Qe
1、Qe2を汲み上げて、冷凍機として機能する。

ところで、従来のスターリングサイクル冷凍機では、第
４図に示すように、圧縮機シリンダ１において、圧縮室
６とピストン背面室７とを、逆止弁21を備えた第１の通
路（配管）22で連結している。また、圧縮室６からピス
トン背面室７へガスが漏れるのを許容するシールリング
20を、ピストン５の円周面に装着している。

多シリンダのスターリングサイクル冷凍機の場合、ピス
トン背面室７は、連通管23によつて、図示していない他
のシリンダ１のピストン背面室７に連結されるととも
に、オイルフイルタや吸着器を介して容積の大きいクラ
ンクケース減速機室などと連結されている。この空間に
充填された系外ガスは、ピストン５の位相が互いに異つ
ているため、運転中の脈動が少なくほぼ一定圧に保たれ
ている。他方、系内のガスは小さい空間に閉じ込められ
ているので、ピストン５の往復動にともない、大きな圧
力変動を繰返す。この圧力変動の最低圧力と、系外の一
定圧力とが同じになるようにあらかじめ調整しておく。

ここで、長期運転中には、ピストン円周面上のシーリン
グ20を通過して、系内ガスが系外へ漏れて、系内ガスの
圧力が低くなることがある。この場合、先に示したよう
な調整をしておくと、最低圧力が系外ガス圧力よりも小
さくなつた期間のみ逆止弁21を通して系外ガスが系内へ
と流れて、系内ガスの圧力が所定値に保たれることにな
る。

〔考案が解決しようとする課題〕

ところで、スターリングサイクル冷凍機を起動する際に
は、冷凍機を構成するすべての部品および系内外のヘリ
ウムガスは常温であり、起動してから第３図（ｄ）の蓄
冷器12,13や膨張室9,10のまわりの部材が徐々に冷却さ
れて、一定時間経過後に、初めて定格点温度になる。つ
まり、系内ガスは、起動してから一定の時間の間は、定
格点温度より高い温度で圧縮、膨張をくりかえすので、
この間の系内ガスの最高圧力は、定格点圧力よりもかな
り高くなる。

第５図は、これを示した図であり、スターリングサイク
ル冷凍機が始動してから定格点温度に到るまでの各部の
測定温度にもとずいて系内ガスの圧力を解析した結果を
示している。この第５図によれば、起動時の最大圧力
は、定格点の最大圧力の２倍以上に達している。

このように、起動時の圧力が大きいため、第３図（ａ）
の圧縮機シリンダ１や冷凍部シリンダ２などを、上記大
きな起動時の圧力に耐え得るよう厚肉にする必要がある
うえ、軸受等の負担も大きい。また、起動時の系内ガス
の圧力が高いので、起動トルクが大きくなるために、駆
動モータが大型化する。このような課題は、起動から定
格点に至るまでのクールダウンに10数時間も要するよう
な大型の冷凍機において特に顕著である。

この考案は上記実情に鑑みてなされたもので、起動時に
おける瞬時的な過大トルクを避けるだけでなく、長時間
に亘るクールダウン時の系内ガスの最大圧力を一定圧力
に引下げて、シリンダなどの部材の薄肉化、軸受負荷の
軽減、駆動モータの小型化を図り、しかも、外部配管を
不要にして、特に大型冷凍機の全体を構成簡単で、か
つ、コンパクトに構成することができるスターリングサ
イクル冷凍機を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、この考案に係るスターリング
サイクル冷凍機は、圧縮機シンダ内において圧縮ピスト
ンにより区画され配管を介してディスプレーサの背面室
に連通するピストン圧縮室の反対側に形成され系内ガス
が充填されたピストン背面室からピストン圧縮室への系
外ガスの流入のみを許容する逆止弁を有する第１の通路
と、上記ピストン圧縮室の圧力が所定値以上である場合
にのみ、上記ピストン圧縮室から上記ピストン背面室へ
の系内ガスの流入を許容するリリーフ弁を有する第２の
通路とを備え、上記第１および第２の通路を圧縮ピスト
ンに形成したものである。

〔作用〕

この考案によれば、起動時において瞬時的に系内ガスの
圧力が高くなった場合はもとより、大型冷凍機であるこ
とから起動から定格点に至るまでのクールダウンに10数
時間も要し、そのためにピストン圧縮室の圧力が高くな
って、その圧力が所定値以上になった時、系内ガスがピ
ストン圧縮室からリリーフ弁を経て、広い空間に連通し
ているピストン背面室に流入することになり、これによ
って、起動トルクが過大になることを避けるとともに、
クールダウン時における系内ガスの最大圧力を一定圧力
に引下げることが可能である。その上、上記第１および
第２の通路を圧縮ピストンに形成しているので、外部配
管が不要となり、冷凍機全体としての構成の簡単化およ
びコンパクト化を促進することができる。

〔実施例〕以下、この考案の実施例を図面にしたがって説明する。

第１図はこの考案の第１の実施例によるスターリングサ
イクル冷凍機の要部を示す概略構成図であり、同図にお
いて、22は第１の通路で、圧縮機シリンダ１において、
ピストン圧縮室６はピストン背面室７とを連通するもの
であり、逆止弁21を備えている。25は第２の通路で、上
記ピストン圧縮室６とピストン背面室７とを連通するも
のであり、ピストン圧縮室６の圧力が所定値以上である
場合にのみ、ピストン圧縮室６からピストン背面室７へ
の系内ガスの流入を許容するリリーフ弁24を備えてお
り、これら第１および第２の通路22,25がともに圧縮ピ
ストン５に貫通形成されている。その他の構成は上記従
来例と同様であり、その図示および詳しい説明を省略す
る。

つぎに、上記構成の動作について説明する。

冷凍機の起動により、ピストン５が圧縮機シリンダ１内
を上昇して、系内ガスの圧力が上昇しはじめ、リリーフ
弁24の設定圧力以上になると、リリーフ弁24が開く。そ
のため、第１図のピストン圧縮室６内の系内ガスは、そ
の一部がリリーフ弁24を介して、ピストン背面室７へ、
つまり系外へ流出する。これによつて、系内ガスの圧力
の最大値は、第２図に示すように、約22/5kg/cm²程度に
なり、従来に比べて著しく低い値となる。したがつて、
起動時における系内ガスの圧力が定格時の圧力に近づく
ので、各部品を薄肉でき、また、駆動モータも小型にな
るから、冷凍機全体がコンパクトになる。

一方、第１図のピストン５が圧縮機シリンダ１内を下降
して、系内ガスの圧力が下降しはじめ、やがて、系内ガ
スの圧力よりも小さくなつたとき、逆止弁21が、開く。
そのため、第１図のピストン背面室７の系外ガスは、そ
の一部が逆止弁21を介して、ピストン圧縮室６へ、つま
り系内へ流入する。このガスの流れは、系内ガスの圧力
が上昇して、系外ガスの圧力と一致するまで続く。この
結果、系内ガスの圧縮はじめの圧力は一定値に保たれ
る。

ところで、上記実施例では、複数の圧縮機シリンダ１の
背面室７が互いに連通している冷凍機について述べた
が、上記背面室７に系外ガスが充填されているものであ
れば、つまり、背面室７がクランクケースなどに連通し
ているものであれば、圧縮機シリンダ１が１つである冷
凍機についても、この考案を適用できる。

〔考案の効果〕

以上のように、この考案によれば、起動時において瞬時
的に系内ガスの圧力が高くなった場合はもとより、大型
冷凍機であることから起動から定格点に至るまでのクー
ルダウンに10数時間も要し、そのためにピストン圧縮室
の圧力が高くなって、その圧力が所定値以上になった
時、系内ガスをピストン圧縮室からリリーフ弁を経て、
広い空間に連通しているピストン背面室に流入させるよ
うにしたので、起動トルクが過大になることを避けると
ともに、クールダウン時における系内ガスの最大圧力を
一定圧力に引下げることができ、したがって、シリンダ
等の各部品を薄肉化できるとともに、軸受負荷を軽減で
き、かつ、駆動モータの小型化を図れる。しかも、第１
および第２の通路を圧縮ピストンに形成しているので、
第１および第２の通路を形成するために、圧縮機シリン
ダとは別個に外部配管を設けることが一切、不要にな
り、冷凍機全体の構成の簡単化およびコンパクト化を図
りやすいという効果を秦する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の第１の実施例によるスターリングサ
イクル冷凍機の要部の概略構成図、第２図は起動時の系
内ガスの圧力変化を示す特性図、第３図は一般的なスタ
ーリングサイクル冷凍機の作動原理を示す概略構成図、
第４図は従来のスターリングサイクル冷凍機の要部の概
略構成図、第５図はクランク角に対する系内ガスの圧力
の変化を示す特性図である。１……圧縮機シリンダ、４……熱交換器（クーラ）、５
……圧縮ピストン、６……ピストン圧縮室、７……ピス
トン背面室、８……デイスプレーサ、9,10……膨張室、
11……デイスプレーサの背面室、12,13……蓄冷器、21
……逆止弁、22……第１の通路、24……リリーフ弁、25
……第２の通路。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】圧縮ピストンで圧縮した系内ガスを、熱交
換器を通してディスプレーサの一側の背面室へ送り、デ
ィスプレーサ内の蓄冷器を通過させてディスプレーサの
他側の膨張室へ流入させ、系内ガスを低温化させるスタ
ーリングサイクル冷凍機であって、起動から定格点に至
るまでのクールダウンに要する時間が長い大型のスター
リングサイクル冷凍機において、上記圧縮ピストンが往復動する圧縮機シリンダと、この
圧縮機シリンダ内において上記圧縮ピストンにより区画
され配管を介して上記ディスプレーサの背面室に連通す
るピストン圧縮室と、上記圧縮機シリンダ内において上
記ピストン圧縮室の反対側に形成され系内ガスが充填さ
れたピストン背面室と、上記ピストン圧縮室とピストン
背面室とを連通させるとともに、上記ピストン背面室か
らピストン圧縮室への系外ガスの流入のみを許容する逆
止弁を有する第１の通路と、上記ピストン圧縮室の圧力
が所定値以上である場合にのみ、上記ピストン圧縮室か
ら上記ピストン背面室への系内ガスの流入を許容するリ
リーフ弁を有する第２の通路とを備え、上記第１および
第２の通路が、上記圧縮ピストンに形成されているスタ
ーリングサイクル冷凍機。