JPH0914777A - 冷凍機の膨張装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被冷却体を冷却する冷却部６と冷媒との間の
熱伝達を改善して、冷凍効率の向上を図る。 【構成】 膨張シリンダ１の端部を、被冷却体を冷却す
る冷却部６により気密に密閉するとともに、この膨張シ
リンダ１内にデイスプレーサ３を往復動可能に嵌合し、
冷媒の膨張空間１１を形成する。冷却部６の内面に、伝
熱促進体としての網状体１５を接合して、デイスプレー
サ３の連通路１０から噴出する冷媒を網状体１５に衝突
させることにより、冷媒の攪拌効果を高める。これによ
り、冷却部６と冷媒との間の熱伝達率を高め、同時に、
網状体１５の設置により膨張空間１１の伝熱表面積を飛
躍的に増大させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリンダ内でディスプ
レーサの往復動により冷媒を膨張させて極低温を得る冷
凍機の膨張装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ヘリウム、水素、窒素など低温で
液化しにくい気体を冷媒とする冷凍サイクルとして、逆
スターリングサイクル、ギフォード・マクマホンサイク
ルなどが知られている。逆スターリングサイクルを利用
した冷凍機の構成例を図１４に示す。冷凍機は膨張シリ
ンダ１と圧縮シリンダ２を備えており、それぞれの内部
で往復動を行うディスプレーサ（膨張ピストン）３と圧
縮ピストン４を有している。

【０００３】膨張シリンダ１の端面は被冷却体５が取り
付けられる冷却部６により気密に密封されている。膨張
装置はこれらの膨張シリンダ１、ディスプレーサ３およ
び冷却部６により構成されている。ディスプレーサ３の
中には、冷媒通路を有する蓄冷器７が設けられている。
膨張シリンダ１と圧縮シリンダ２は配管８によって連結
されており、冷媒はディスプレーサ３内の蓄冷器７およ
び連通路９，１０を経由して、膨張空間１１と圧縮空間
ｌ１′の間を移動する。配管８ではその外周から圧縮さ
れた冷媒の放熱を行う。また、配管８に冷媒圧縮熱を放
熱するための放熱器を特別に設けてもよい。 また、冷
媒の漏れを防ぐために、ディスプレーサ３と圧縮ピスト
ン４の外周にそれぞれシール材１２が設けられている。

【０００４】このような冷凍機においては、冷却部６に
取付られた被冷却体５から効率よく熱を奪うことが重要
である。この被冷却体５からの吸熱作用を改善するため
の、膨張装置の従来例を図１５に示す。この図１５に示
すものは、特開平６−３４２１６号公報記載のものであ
り、この膨張装置ではディスプレーサ３の頂部に設ける
冷媒の連通路１０を膨張シリンダ１の端部の内面の近く
に斜めに開口させている。

【０００５】このような構成とすることにより、連通路
１０から噴出する冷媒を膨張シリンダ１の端部の内面に
衝突させて、熱伝達率の良い乱流として、冷却部６を良
好に冷却できるようにしている。また、膨張シリンダ１
の端部をその端面からディスプレーサ３の上下死点の中
間位置近くまで厚肉状にすると共に、冷却部６と膨張シ
リンダ１の厚肉状端部を熱伝導率の高い材料とすること
で、熱抵抗を減少させている。さらに、冷却部６と膨張
シリンダ１の厚肉状端部の内面に溝１３、１４を設け
て、冷媒との熱伝導表面積を大きくしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、冷凍機の冷
凍効率を向上するためには、被冷却体５と冷媒との間に
介在する冷却部６および膨張シリンダ１の熱抵抗を減少
させることが重要であり、このために上記従来例では、
上記両者１、６を熱伝導率の高い材料にするとともに、
その形状を厚肉状にしているが、冷媒と直接接触する冷
却部６および膨張シリンダ１の内面における熱伝達率が
冷却部および膨張シリンダの熱伝導率と比較して非常に
小さいため、熱抵抗の減少には限界がある。また、冷却
部６と膨張シリンダ１の厚肉状端部の内面に溝を設けて
いるが、これも表面積の増加量には限界があり、結局、
従来例では冷凍効率を十分向上できない。

【０００７】本発明は上記点に鑑み、冷凍効率を効果的
に向上できる冷凍機の膨張装置を提供することを目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、以下の技術的手段を採用する。請求項１記載
の発明では、被冷却体を冷却する冷却部（６）と、前記
冷却部（６）により端部を気密に密閉された膨張シリン
ダ（１）と、前記膨張シリンダ（１）内に往復動可能に
嵌装され、膨張空間（１１）を形成するディスプレーサ
（３）とを備えた冷凍機の膨張装置において、前記冷却
部（６）または前記膨張シリンダ（１）の内面に、前記
膨張空間（１１）に突出する伝熱促進体（１５、１８、
１９、２０）が配設されている冷凍機の膨張装置を特徴
とする。

【０００９】請求項２記載の発明では、請求項１に記載
の冷凍機の膨張装置において、前記伝熱促進体は、１枚
または複数の積層された網状体（１５）であることを特
徴とする。請求項３記載の発明では、請求項１に記載の
冷凍機の膨張装置において、前記伝熱促進体は、１個ま
たは複数のフィン（１８）であることを特徴とする。

【００１０】請求項４記載の発明では、請求項１に記載
の冷凍機の膨張装置において、前記伝熱促進体は、発泡
材（１９）であることを特徴とする。請求項５記載の発
明では、請求項１に記載の冷凍機の膨張装置において、
前記伝熱促進体は、多数の微小粒子（２０）であること
を特徴とする。請求項６記載の発明では、請求項３に記
載の冷凍機の膨張装置において、前記フィン（１８）
は、円柱または円錐形状をしたピンであることを特徴と
する。

【００１１】請求項７記載の発明では、請求項１ないし
６のいずれか１つに記載の冷凍機の膨張装置において、
前記伝熱促進体（１５、１８、１９、２０）は、前記デ
ィスプレーサ（３）の外周部の突出部（３Ａ）が挿入可
能な形状に配設されていることを特徴とする。請求項８
記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記
載の冷凍機の膨張装置において、前記伝熱促進体（１
５、１８、１９、２０）は、前記ディスプレーサ（３）
の中央部の突出部（３Ｂ）が挿入可能な形状に配設され
ていることを特徴とする。

【００１２】請求項９記載の発明では、被冷却体を冷却
する冷却部（６）と、前記冷却部（６）により端部を気
密に密閉された膨張シリンダ（１）と、前記膨張シリン
ダ（１）内に往復動可能に嵌装され、膨張空間（１１）
を形成するディスプレーサ（３）とを備えた冷凍機の膨
張装置において、前記冷却部（６）または前記膨張シリ
ンダ（１）の内面に多数の微小穴（２１）が配設されて
いる冷凍機の膨張装置を特徴とする。

【００１３】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施例記載の具体的手段との対応関係を示すもので
ある。

【００１４】

【発明の作用効果】請求項１ないし８記載の発明によれ
ば、上記したように、冷却部または膨張シリンダの内面
に伝熱促進体を突出した形態で配設しているから、膨張
空間にディスプレーサから噴出する冷媒が伝熱促進体と
衝突して、膨張空間で冷媒が良く撹拌されるため、冷媒
と冷却部および膨張シリンダとの間の熱伝達率が高くな
り、冷凍機の冷凍効率が向上する。

【００１５】しかも、上記伝熱促進体の配設により膨張
空間の伝熱表面積も増加できるので、上記熱伝達率の向
上と相まって、冷凍効率を効果的に向上できる。また、
請求項２ないし６記載の発明のごとく、上記伝熱促進体
を、１枚または複数の網状体、あるいは１枚または複数
のフィン、あるいは発泡材、あるいは多数の微小粒子か
ら構成しているため、膨張空間の伝熱表面積を飛躍的に
増大して、冷凍効率を高めることができる。

【００１６】また、請求項７記載の発明では、伝熱促進
体を、ディスプレーサの外周部の突出部が挿入可能な形
状に配設しているから、ディスプレーサが上死点にある
時の膨張空間の容積を必要最小限に減少することがで
き、このディスプレーサの上死点時の膨張空間容積の減
少により冷凍効率を高めることができる。それととも
に、伝熱促進体の周囲をディスプレーサの外周部の突出
部で囲うことになるので、伝熱促進体に衝突した冷媒が
膨張シリンダ下方側へ逃げることなく撹拌されて、冷凍
効率がより一層向上する。

【００１７】また、請求項８記載の発明では、伝熱促進
体を、ディスプレーサの中央部の突出部が挿入可能な形
状に配設することにより、ディスプレーサの上死点時に
おける膨張空間の容積を必要最小限に減少して、冷凍効
率を高めることができる。また、請求項９記載の発明で
は、冷却部または膨張シリンダの内面に多数の微小穴を
配設することにより、膨張空間の伝熱表面積が飛躍的に
増加して、冷凍機の冷凍効率を向上できる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を図に示す実施例について説明
する。 （第１実施例）図１は本発明による冷凍機の膨張装置の
第１実施例を示す要部断面図であり、冷凍機の全体構成
は図１４に示す従来技術と同じであるので、その説明を
省略し、以下本発明の特徴とする膨張装置について詳述
する。被冷却体（図示せず）を冷却する冷却部６および
膨張シリンダ１の厚肉端部は熱伝導率の高い材料、例え
ば銅などの金属から構成されている。膨張シリンダ１の
薄肉部分（厚肉端部の下方部分）は熱伝導率の低い材
料、例えばステンレスなどの金属から構成して、上記厚
肉端部に一体に接合することが好ましい。

【００１９】また、冷却部６は、膨張シリンダ１の厚肉
端部の端面に膨張シリンダ１を気密に密閉するようにろ
う付け等により接合されている。ディスプレーサ３は膨
張シリンダ１の内部に往復動可能に設けられ、膨張ピス
トンとしての役割を果たすもので、その内部には蓄冷器
７が設けられている。この蓄冷器７は冷媒の冷却熱を蓄
冷するもので、冷媒が流通する冷媒通路（図示せず）を
持つように構成されている。

【００２０】ディスプレーサ３の上端面と冷却部６と膨
張シリンダ１とにより、膨張空間１１が形成されてお
り、この膨張空間１１に冷媒を噴出する連通路１０がデ
ィスプレーサ３の上端面に複数個、斜めに開口してい
る。すなわち、連通路１０は、冷媒を膨張シリンダ１の
端部近くの内面に衝突させるように、この端部近くの内
面に向かって斜めに配設されている。

【００２１】そして、上記膨張空間１１内において、冷
却部６の内面から下方に向けて（ディスプレーサ３の上
端面側に向けて）網状体１５が突出するように配設され
ている。この網状体１５は冷媒と冷却部６および膨張シ
リンダ１との間の伝熱を促進する伝熱促進体を構成する
ものであって、本例の網状体１５は、１枚または複数の
積層された網状体から構成されている。この網状体１５
の全体形状は、膨張シリンダ１の内周壁に沿った円板状
に、熱伝導率の高い材料、例えば銅などの金属から成形
されている。また、この網状体１５は、冷却部６の内面
に対して、ろう付け等の接合手段により接合されてお
り、かつ網状体１５は膨張シリンダ１の内面（内周壁
面）にも接触するように配設されている。

【００２２】第１実施例によれば、上記のように冷却部
６の内面に膨張空間１１側へ突出する網状体１５を備え
ているから、冷媒と冷却部６および膨張シリンダ１との
間の伝熱表面積を、網状体１５のない場合に比較して、
飛躍的に増大できる。しかも、連通路１０から噴出する
冷媒が膨張シリンダ１の端部近くの内面に衝突するとと
もに、網状体１５にも冷媒が衝突する。これにより、冷
媒が膨張空間１１内において良好に攪拌されるので、冷
媒と冷却部６および膨張シリンダ１との間の熱伝達率も
向上する。

【００２３】以上のように、第１実施例によれば、膨張
空間１１における伝熱表面積の増大および熱伝達率の向
上を図ることができるので、冷凍効率を効果的に向上で
きる。第１実施例の具体的設計例としては、線径：５１
μｍ、線間隔：７６μｍの網状体１５を１０枚積層した
構成とすることにより、上記伝熱表面積を、網状体１５
のない場合に比較して、約１０倍に増大できる。 （第２実施例）図２は本発明の第２実施例を示し、第１
実施例と異なるところは、ディスプレーサ３の上端面の
外周部にリング状突出部３Ａを設けるとともに、網状体
１５の外径を縮小して、この網状体１５の外周面と膨張
シリンダ１の内周壁面との間に、ディスプレーサ３のリ
ング状突出部３Ａが挿入できる隙間１６を設けた点であ
る。また、冷媒噴出用の連通路１０をディスプレーサ３
の上端面において真っ直ぐ上方に向けて開口している。
なお、リング状突出部３Ａの高さと、積層した網状体１
５の高さは同一高さに設定してある。

【００２４】第２実施例によれば、このような構成によ
り、ディスプレーサ３が上死点にある時の膨張空間１１
の容積を必要最小限に減少することができる。それとと
もに、網状体１５の周囲をディスプレーサ３で囲うこと
になるので、網状体１５に衝突した冷媒が膨張シリンダ
１下方側へ逃げることなく撹拌されて、冷凍効率がより
一層向上する。 （第３実施例）図３は本発明の第３実施例を示し、第１
実施例と異なるところは、網状体１５を円筒状に成形
し、この円筒状の網状体１５の外周面を膨張シリンダ１
の内周壁面にろう付け等により接合するとともに、網状
体１５の上端面を冷却部６の内面に接触させている。

【００２５】さらに、ディスプレーサ３の上端面の中央
部に円柱状突出部３Ｂを設けるとともに、この円柱状突
出部３Ｂの大きさを円筒状網状体１５の中心部隙間１７
内に挿入できる大きさに設定してある。なお、円柱状突
出部３Ｂの高さと、積層した網状体１５の高さは同一高
さに設定してある。また、冷媒噴出用の連通路１０は、
ディスプレーサ３の円柱状突出部３Ｂにおいて半径方向
外側に向けて複数個設けてある。

【００２６】第３実施例によれば、このような構成によ
り、ディスプレーサ３が上死点にある時の膨張空間１１
の容積を必要最小限に減少することができるとともに、
冷媒の噴出口である連通路１０を網状体１５の中央部に
近い位置に設けて、網状体１５による冷媒の撹拌作用を
より一層向上することがことができ、冷凍効率を向上で
きる。

【００２７】なお、上記第２、第３実施例では、網状体
１５側に設ける隙間１６、１７をディスプレーサ３の外
周部または中央部に設定しているが、この外周部または
中央部に限らず、ディスプレーサ３の他の部分が挿入で
きる位置に隙間を設けるようにしても同様の効果（ディ
スプレーサ３の上死点時における膨張空間１１の容積縮
小化効果）が得られる。 （第４〜第６実施例）図４〜図６は本発明の第４〜第６
実施例を示し、第１〜第３実施例と異なるところは、伝
熱促進体として、網状体１５の代わりにピン状のフィン
１８を用いている点である。このフィン１８の形状とし
ては、例えば直径０．５ｍｍ程度の円柱状または円錐状
のピンを用いる。また、フィン１８の材質としては、銅
などの熱伝導率の高い金属材料を用いる。図４の第４実
施例では、上記のピン形状のフィン１８を冷却部６の内
面に設けた取付穴に打ち込み、ろう付け接合している。
ここで、図４では、ピン形状のフィン１８を冷却部６の
内面全域にわたって所定間隔で多数個設けている。

【００２８】図５の第５実施例では、上記のピン形状の
フィン１８を冷却部６の内面の中心部のみに多数個設け
て、このフィン１８群の外周側に隙間１６を形成してい
る。また、図６の第６実施例では、上記のピン形状のフ
ィン１８を冷却部６の内面でなく、膨張シリンダ１の内
周壁面に設けて、中心部隙間１７を設けている。また、
上記のピン形状のフィン１８を冷却部６の内面の外周側
のみに多数個設けて、このフィン１８群の中心部に、図
６に示す中心部隙間１７を設けるようにしてもよい。 （第７〜第９実施例）図７〜図９は本発明の第７〜第９
実施例を示し、第１〜第３実施例と異なるところは伝熱
促進体として、網状体１５の代わりに発泡材１９を用い
ている点である。発泡材１９はニッケルなどの熱伝導率
の高い金属材料を用いて、周知の方法にて無数の微細孔
を複雑な形態に発泡成形したものであり、その多孔率は
９０％以上が好ましい。

【００２９】図７の第７実施例では発泡材１９を円板状
に成形して冷却部６の内面全域にわたって配設し、冷却
部６の内面にろう付け等により接合している。また、発
泡材１９の外周面は膨張シリンダ１の内周壁面に接触さ
せている。図８の第８実施例では、発泡材１９の外径を
縮小して、その外周側に隙間１６を形成している。

【００３０】また、図９の第９実施例では、発泡材１９
を円筒状に成形し、その中心部に隙間１７を形成してい
る。この円筒状の発泡材１９の外周面を膨張シリンダ１
の内周壁面にろう付け等により接合するとともに、発泡
材１９の上端面を冷却部６の内面に接触させている。 （第１０〜第１１実施例）図１０〜図１１は本発明の第
１０〜第１１実施例を示し、第１〜第３実施例と異なる
ところは、網状体１５の代わりに多数の微小粒子２０を
用いている点である。この微小粒子２０の形状として、
例えば球状または針状の粒子を用いる。ここで、球状の
微小粒子２０の場合、直径７０ｎｍの銀微粒子が好まし
い。また、微小粒子２０の材質としては、銀の他に、銅
などの熱伝導率の高い金属材料を用いることができる。

【００３１】図１０の第１０実施例では、多数の微小粒
子２０からなる微粒子群を冷却部６の内面全域にわたっ
て、多数の空隙を持った円板状の形態でもって圧着した
後に、冷却部６の内面に焼結により接合するとともに、
この微粒子群の外周面は膨張シリンダ１の内周壁面に接
触させている。図１１の第１１実施例では、多数の微小
粒子２０からなる微粒子群を冷却部６の内面でなく、膨
張シリンダ１の内周壁面に焼結等により接合するように
したものである。この微粒子群の上端面は冷却部６の内
面に接触させている。 （第１２実施例）図１２は本発明の第１２実施例を示
し、銅などの熱伝導率の高い金属材料からなる冷却部６
の内面に多数の微小穴２１を形成したものである。この
微小穴２１の形成方法としては、ドリルによる加工、プ
レスによる加工、エッチング加工などの方法を用いるこ
とができる。

【００３２】第１２実施例では、上記のように多数の微
小な穴２１を冷却部６の内面に形成することにより、冷
却部６内面の伝熱表面積を飛躍的に増大でき、冷凍効率
を向上できる。 （第１３実施例）図１３は本発明の第１３実施例を示
し、上記微小穴２１を、銅などの熱伝導率の高い金属材
料からなる膨張シリンダ１の内周壁面に形成したもので
ある。

【００３３】なお、上記第１２実施例と第１３実施例と
を組み合わせて、膨張シリンダ１の内周壁面および冷却
部６の内面の双方に微小穴２１を形成するようにしても
よい。なお、第１２、１３実施例における微小穴２１の
具体的設計例としては、直径：０．４ｍｍ、深さ：３．
０ｍｍの円形穴を、間隔：１．２ｍｍでドリルにより加
工する。本発明者の検討によれば、微小穴２１は直径
１．０ｍｍ以下の小穴とすることが好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による冷凍機の膨張装置の第１実施例を
示す要部断面図である。

【図２】本発明装置の第２実施例を示す要部断面図であ
る。

【図３】本発明装置の第３実施例を示す要部断面図であ
る。

【図４】本発明装置の第４実施例を示す要部断面図であ
る。

【図５】本発明装置の第５実施例を示す要部断面図であ
る。

【図６】本発明装置の第６実施例を示す要部断面図であ
る。

【図７】本発明装置の第７実施例を示す要部断面図であ
る。

【図８】本発明装置の第８実施例を示す要部断面図であ
る。

【図９】本発明装置の第９実施例を示す要部断面図であ
る。

【図１０】本発明装置の第１０実施例を示す要部断面図
である。

【図１１】本発明装置の第１１実施例を示す要部断面図
である。

【図１２】本発明装置の第１２実施例を示す要部断面図
である。

【図１３】本発明装置の第１３実施例を示す要部断面図
である。

【図１４】従来の逆スターリングサイクル冷凍機の全体
構成を示す構成図である。

【図１５】従来の冷凍機の膨張装置の一例を示す要部断
面図である。

【符号の説明】

１…膨張シリンダ、３…ディスプレーサ、６…冷却部、
１０…冷媒噴出用連通路、１１…膨張空間、１５…網状
体、１６、１７…隙間、１８…ピン状フィン、１９…発
泡材、２０…微小粒子、２１…微小穴。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被冷却体を冷却する冷却部と、 前記冷却部により端部を気密に密閉された膨張シリンダ
   と、 前記膨張シリンダ内に往復動可能に嵌装され、膨張空間
   を形成するディスプレーサとを備えた冷凍機の膨張装置
   において、 前記冷却部または前記膨張シリンダの内面に、前記膨張
   空間に突出する伝熱促進体が配設されていることを特徴
   とする冷凍機の膨張装置。
2. 【請求項２】 前記伝熱促進体は、１枚または複数の積
   層された網状体であることを特徴とする請求項１に記載
   の冷凍機の膨張装置。
3. 【請求項３】 前記伝熱促進体は、１個または複数のフ
   ィンであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機の
   膨張装置。
4. 【請求項４】 前記伝熱促進体は、発泡材であることを
   特徴とする請求項１に記載の冷凍機の膨張装置。
5. 【請求項５】 前記伝熱促進体は、多数の微小粒子であ
   ることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機の膨張装
   置。
6. 【請求項６】 前記フィンは、円柱または円錐形状をし
   たピンであることを特徴とする請求項３に記載の冷凍機
   の膨張装置。
7. 【請求項７】 前記伝熱促進体は、前記ディスプレーサ
   の外周部の突出部が挿入可能な形状に配設されているこ
   とを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載
   の冷凍機の膨張装置。
8. 【請求項８】 前記伝熱促進体は、前記ディスプレーサ
   の中央部の突出部が挿入可能な形状に配設されているこ
   とを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載
   の冷凍機の膨張装置。
9. 【請求項９】 被冷却体を冷却する冷却部と、 前記冷却部により端部を気密に密閉された膨張シリンダ
   と、 前記膨張シリンダ内に往復動可能に嵌装され、膨張空間
   を形成するディスプレーサとを備えた冷凍機の膨張装置
   において、 前記冷却部または前記膨張シリンダの内面に多数の微小
   穴が配設されていることを特徴とする冷凍機の膨張装
   置。