JPH09273823A - Refrigerating machine - Google Patents

Refrigerating machine

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JPH09273823A
JPH09273823A JP8543796A JP8543796A JPH09273823A JP H09273823 A JPH09273823 A JP H09273823A JP 8543796 A JP8543796 A JP 8543796A JP 8543796 A JP8543796 A JP 8543796A JP H09273823 A JPH09273823 A JP H09273823A
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compression
expansion
cylinder
space
heat exchange
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Tatsuya Hirose
達也 廣瀬
Kazuo Ikegami
和男 池上
Takahiro Nakamura
隆広 中村
Takafumi Nakayama
隆文 中山
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Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the dead volume of working gas, improve heat radiation efficiency and reduce the overall size of an apparatus. SOLUTION: The upper part of a compression cylinder 3 is a non-action space and the base end of an expansion cylinder 2 and the base end of the compression cylinder 3 communicate with each other via a connecting gas path 18 embedded in an apparatus main body. Expansion side partition members 20 having an outside diameter smaller than the inside diameter of a lower part 2a of the expansion cylinder 2 are arranged around a displacer rod 21 with a narrow gap kept between the lower part 2a and the partition members 20 to form an expansion side narrow, tubular gas path 22. Similarly, compression side partition members 30 having an outside diameter smaller than the inside diameter of a lower part 3a of the compression cylinder 3 are arranged around a piston rod 31 with a narrow gap kept between the lower part 3a and the partition members 30 to form a compression side tubular, narrow gas path 32.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、スターリングサイ
クル機関、ブルミエサイクル機関などのガス圧縮膨張機
を利用した冷凍装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a refrigerating apparatus using a gas compression expander such as a Stirling cycle engine and a Brummier cycle engine.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、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
各種材料の極低温の保存技術の開発が急務になってい
る。特に、スターリング冷凍装置などは、上記極低温を
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。
2. Description of the Related Art In recent years, there has been an urgent need to develop techniques for preserving various samples and various materials at extremely low temperatures in advanced technology fields such as the field of biotechnology and the field of electronic devices. In particular, Stirling refrigerating devices and the like have been attracting attention as means for achieving the above-mentioned extremely low temperatures, and are being widely used for various infrared sensors, freezers for cooling superconducting devices and the like, biomedical freezers, freezers and the like.

【0003】ここでは、ディスプレーサタイプのスター
リング冷凍装置の構造について図3を参照して動作原理
を説明する。本体ハウジング1には、膨張機本体容器内
部に配設される膨張シリンダ2と圧縮機本体容器内部に
配設される圧縮シリンダ3とが90度の角度差で取り付
けられ、膨張シリンダ2に内蔵されたディスプレーサ6
と、圧縮シリンダ3に内蔵された圧縮ピストン7は、共
通のクランク機構5に連結されて、互いに90度位相が
ずれた状態で往復駆動される。
Here, the operation principle of the structure of the displacer type Stirling refrigerating apparatus will be described with reference to FIG. In the main body housing 1, an expansion cylinder 2 arranged inside the expander main body container and a compression cylinder 3 arranged inside the compressor main body container are attached with an angle difference of 90 degrees, and are built in the expansion cylinder 2. Displacer 6
Then, the compression piston 7 built in the compression cylinder 3 is connected to the common crank mechanism 5 and is reciprocally driven in a state where the phases are 90 degrees out of phase with each other.

【0004】ディスプレーサ6は、内部に例えば燒結金
属からなる蓄冷材14が充填されており、ディスプレー
サ6の一方の開口から流入した作動ガスは、蓄冷材14
の内部を通過し、他方の開口からの流出までの過程で、
蓄冷材14との熱交換が行われる。
The displacer 6 is filled with a regenerator material 14 made of, for example, a sintered metal, and the working gas flowing from one opening of the displacer 6 is regenerator material 14.
In the process of passing through the inside of the
Heat exchange with the cold storage material 14 is performed.

【0005】このディスプレーサ6は、再生熱交換器と
しての機能を兼ね備えたものであって、その熱交換性能
は冷凍装置の成績係数を大きく左右する。また、膨張シ
リンダ2および圧縮シリンダ3はそれぞれオイルシール
8、9によってクランク室12と仕切られており、膨張
シリンダ2の基端部と圧縮シリンダ3の圧縮空間部と
は、ガス通路4によって互いに連通されている。これに
より、圧縮シリンダ3に形成される圧縮空間13と膨張
シリンダ2に形成される膨張空間11とが、蓄冷材14
を介してガス通路4によって連通されることになる。一
方、クランク室12にはオイル10が注入されている。
This displacer 6 also has a function as a regenerative heat exchanger, and its heat exchange performance greatly influences the coefficient of performance of the refrigeration system. The expansion cylinder 2 and the compression cylinder 3 are separated from the crank chamber 12 by oil seals 8 and 9, respectively, and the base end portion of the expansion cylinder 2 and the compression space portion of the compression cylinder 3 communicate with each other through a gas passage 4. Has been done. As a result, the compression space 13 formed in the compression cylinder 3 and the expansion space 11 formed in the expansion cylinder 2 become
Through the gas passage 4. On the other hand, the oil 10 is injected into the crank chamber 12.

【0006】次に、図4を参照して、上述した構造から
なるスターリング冷凍装置の動作について説明する。
尚、図4は、横軸に時間T、縦軸にストロークSをとっ
ている。
Next, the operation of the Stirling refrigerating apparatus having the above-mentioned structure will be described with reference to FIG.
In FIG. 4, the horizontal axis represents time T and the vertical axis represents stroke S.

【0007】スターリング冷凍機において、ディスプレ
ーサ6が、図4の曲線B、Cの如く往復移動すると同時
に、圧縮ピストン7が図4の曲線Dの如く往復移動する
ことによって、膨張シリンダ2の膨張空間11は、図4
の直線Aと曲線Bに挟まれた幅領域で容積変化し、圧縮
シリンダ3の圧縮空間13は、図4の曲線Cと曲線Dに
挟まれた幅領域で容積変化する。
In the Stirling refrigerator, the displacer 6 reciprocates as shown by curves B and C in FIG. 4 and at the same time the compression piston 7 reciprocates as shown by curve D in FIG. Is shown in FIG.
The volume changes in the width region between the straight line A and the curve B, and the volume of the compression space 13 of the compression cylinder 3 changes in the width region between the curves C and D in FIG.

【0008】この結果、図4のの行程では、圧縮空間
13内のガスが圧縮され、ガス通路4を経て膨張シリン
ダ2内へ流入する(理想的には等温圧縮)。このガスは
図4のの行程で、ディスプレーサ6内の蓄冷材14を
通過し、蓄冷材14と熱交換を行って、温度低下する
(定積冷却)。蓄冷材14を通過したガスは図4のの
行程で、膨張シリンダ2の膨張空間11へ流入し、その
後、圧縮ピストン7の下降に伴って膨張する(理想的に
は等温膨張)。次に、図4のの行程では、ディスプレ
ーサ6の上昇に伴って、膨張空間11内のガスが蓄冷材
14を通過し、蓄冷材14と熱交換を行って、温度上昇
した後、ガス通路4を経て再び圧縮空間13へ導入する
(定積加熱)。
As a result, in the process of FIG. 4, the gas in the compression space 13 is compressed and flows into the expansion cylinder 2 through the gas passage 4 (ideally isothermal compression). In the process of FIG. 4, this gas passes through the regenerator material 14 in the displacer 6 and exchanges heat with the regenerator material 14 to lower the temperature (cooling with constant volume). The gas that has passed through the cold storage material 14 flows into the expansion space 11 of the expansion cylinder 2 in the process of FIG. 4, and then expands as the compression piston 7 descends (ideally, isothermal expansion). Next, in the process of FIG. 4, as the displacer 6 rises, the gas in the expansion space 11 passes through the regenerator material 14, exchanges heat with the regenerator material 14, and after the temperature rises, the gas passage 4 And then introduced again into the compression space 13 (heating at constant volume).

【0009】この結果、膨張シリンダ2頭部に設けたコ
ールドヘッド15が冷却される。
As a result, the cold head 15 provided on the head of the expansion cylinder 2 is cooled.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】そして、圧縮比を高め
装置の冷凍能力を向上させるために、作動ガスが流れる
装置内部の体積(死容積)が極力小さくなるように設計
されている。
In order to increase the compression ratio and improve the refrigerating capacity of the device, the volume (dead volume) inside the device through which the working gas flows is designed to be as small as possible.

【0011】しかしながら、圧縮空間13において作動
ガスが高温となるため、その高温の作動ガスをガス通路
4等の死容積部分で充分に放熱した後にディスプレーサ
6側へ供給する必要があり、反対に放熱能力向上のため
に死容積が大きくなると共に、装置全体が大型化する虞
れがあった。
However, since the working gas has a high temperature in the compression space 13, it is necessary to sufficiently radiate the high temperature working gas in the dead volume portion such as the gas passage 4 and then supply it to the displacer 6 side. There is a fear that the dead volume becomes large due to the improvement of the capacity and the whole apparatus becomes large.

【0012】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので
あって、作動ガスの死容積を低減すると共に放熱効率を
改善し、しかも装置全体の小型化を実現させた冷凍装置
を提供するものである。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a refrigerating apparatus in which the dead volume of the working gas is reduced, the heat radiation efficiency is improved, and the size of the entire apparatus is reduced. Is.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明は、圧縮シリンダ
の基端部側を圧縮空間とし、該圧縮空間と膨張シリンダ
の基端部側とをガス通路によって連通した冷凍装置であ
る。
The present invention is a refrigerating apparatus in which the base end side of a compression cylinder is a compression space and the compression space and the base end side of an expansion cylinder are connected by a gas passage.

【0014】この構成を用いることにより、ガス通路を
短くすることができ、死容積の低減と装置構造の簡略化
が図れる。そして具体的には、前記膨張シリンダ内部を
往復駆動させるディスプレーサと、前記圧縮空間から該
ディスプレーサに導入される作動ガスと熱交換する膨張
側熱交換手段を備え、該膨張側熱交換手段は、前記膨張
シリンダの下方部分に近接配置された膨張側仕切部材
と、該下方部分と膨張側仕切部材との間に形成される筒
状の間隙の狭い膨張側ガス通路を有し、該膨張側ガス通
路を作動ガスが通過することにより前記圧縮空間におい
て発生した高温を外部に取り出すものである。
By using this structure, the gas passage can be shortened, and the dead volume can be reduced and the device structure can be simplified. And specifically, it comprises a displacer for reciprocally driving the inside of the expansion cylinder, and an expansion side heat exchange means for exchanging heat with the working gas introduced into the displacer from the compression space, the expansion side heat exchange means comprising: The expansion side partition member is disposed in the vicinity of the lower part of the expansion cylinder, and the expansion side gas passage having a narrow cylindrical gap is formed between the lower part and the expansion side partition member. Through which the working gas passes, the high temperature generated in the compression space is extracted to the outside.

【0015】或いは、前記圧縮空間と膨張空間とが前記
膨張シリンダの外周面に配設された再生熱交換器を介し
てガス通路によって連通されると共に、前記膨張シリン
ダ内部を往復駆動させる膨張ピストンと、前記圧縮空間
から前記再生熱交換器に導入される作動ガスと熱交換す
る膨張側熱交換手段を備え、該膨張側熱交換手段は、前
記膨張シリンダの下方部分外周面に配設された膨張側仕
切部材と、該膨張側仕切部材と膨張機本体容器との間に
形成される筒状の間隙の狭い膨張側ガス通路を有し、該
膨張側ガス通路を作動ガスが通過することにより前記圧
縮空間において発生した高温を外部に取り出すものであ
る。
Alternatively, the compression space and the expansion space are connected by a gas passage through a regenerative heat exchanger arranged on the outer peripheral surface of the expansion cylinder, and an expansion piston that reciprocally drives the inside of the expansion cylinder. An expansion side heat exchange means for exchanging heat with the working gas introduced into the regenerative heat exchanger from the compression space, the expansion side heat exchange means being an expansion provided on an outer peripheral surface of a lower portion of the expansion cylinder. A side partition member, and an expansion side gas passage having a narrow cylindrical gap formed between the expansion side partition member and the expander main body container, wherein the working gas passes through the expansion side gas passage. The high temperature generated in the compression space is taken out.

【0016】このいずれかの構成を用いることにより、
前記ガス通路は熱交換面積広く、圧縮機側で圧縮されて
高温となった作動ガスはこのガス通路を通ることによっ
て効率よく放熱されると共に、ガス通路は狭い間隙に形
成されているため、ガス通路の体積が削減されて死容積
が低減され、膨張空間に導入される作動ガスの全封入量
に対する割合が増して大きな圧縮比が得られるようにな
る。
By using any one of these configurations,
The gas passage has a large heat exchange area, and the working gas that has been compressed on the compressor side and has a high temperature is efficiently radiated by passing through this gas passage, and the gas passage is formed in a narrow gap. The volume of the passage is reduced, the dead volume is reduced, and the ratio of the working gas introduced into the expansion space to the total enclosed amount is increased to obtain a large compression ratio.

【0017】さらに、好ましくは前記圧縮空間から前記
ディスプレーサに導入される作動ガスと熱交換する圧縮
側熱交換手段を備え、該圧縮側熱交換手段は、前記圧縮
シリンダの下方部分に近接配置された圧縮側仕切部材
と、該下方部分と圧縮側仕切部材との間に形成される筒
状の間隙の狭い圧縮側ガス通路を有し、該圧縮側ガス通
路を作動ガスが通過することにより前記圧縮空間におい
て発生した高温を外部に取り出すものである。
Further, preferably, there is provided compression side heat exchange means for exchanging heat with the working gas introduced into the displacer from the compression space, and the compression side heat exchange means is disposed in the vicinity of a lower portion of the compression cylinder. A compression-side partition member and a compression-side gas passage having a narrow cylindrical gap formed between the lower portion and the compression-side partition member are provided, and the working gas passes through the compression-side gas passage so that the compression is performed. The high temperature generated in the space is taken out to the outside.

【0018】或いは、前記圧縮空間から前記再生熱交換
器に導入される作動ガスと熱交換する圧縮側熱交換手段
を備え、該圧縮側熱交換手段は、前記圧縮シリンダの下
方部分に近接配置された圧縮側仕切部材と、該下方部分
と圧縮側仕切部材との間に形成される筒状の間隙の狭い
圧縮側ガス通路を有し、該圧縮側ガス通路を作動ガスが
通過することにより前記圧縮空間において発生した高温
を外部に取り出すものである。
Alternatively, there is provided a compression side heat exchange means for exchanging heat with the working gas introduced into the regeneration heat exchanger from the compression space, and the compression side heat exchange means is disposed in the vicinity of a lower portion of the compression cylinder. A compression-side partition member, and a compression-side gas passage having a narrow cylindrical gap formed between the lower portion and the compression-side partition member. The high temperature generated in the compression space is taken out.

【0019】このいずれかの構成を用いることによ
り、、圧縮空間において発生した高温を外部に取り出す
放熱能力をさらに一層向上させることができる。
By using any one of these structures, it is possible to further improve the heat radiation ability to take out the high temperature generated in the compression space to the outside.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の冷
凍装置の一実施形態について説明する。尚、前述の従来
例と同じ構成については同一符号を付して示しており、
これらの部分の詳細な説明は省略する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of a refrigerating apparatus of the present invention will be described below with reference to the drawings. The same configurations as those of the above-described conventional example are designated by the same reference numerals,
Detailed description of these parts will be omitted.

【0021】図1は、本発明が適用されるスターリング
冷凍装置の一例を示したもので、この例に示す冷凍装置
は、上述の従来装置と同様に、冷凍熱を発生させる膨張
機16と、その膨張機16において膨張させた作動ガス
を受け取り圧縮して戻す圧縮機17と、これら膨張機1
6と圧縮機17を作動させる駆動室としてのクランク室
12とを備えている。
FIG. 1 shows an example of a Stirling refrigerating apparatus to which the present invention is applied. The refrigerating apparatus shown in this example has an expander 16 for generating refrigerating heat, like the conventional apparatus described above. A compressor 17 that receives the working gas expanded in the expander 16 and returns the compressed working gas, and these expanders 1
6 and a crank chamber 12 as a drive chamber for operating the compressor 17.

【0022】そして、膨張シリンダ2および圧縮シリン
ダ3はそれぞれオイルシール8、9によってクランク室
12と仕切られており、圧縮シリンダ3上部を非作動空
間とし、膨張シリンダ2の基端部と圧縮シリンダ3の基
端部が装置本体内に埋設された連絡ガス通路18によっ
て互いに連通されている。これにより、圧縮シリンダ3
の基端部側に形成される圧縮空間19と膨張シリンダ2
に形成される膨張空間11とが、蓄冷材14を介してガ
ス通路によって連通されることになる。これにより、ガ
ス通路を短くすることができ、死容積の低減と装置構造
の簡略化が図れる。
The expansion cylinder 2 and the compression cylinder 3 are separated from the crank chamber 12 by oil seals 8 and 9, respectively, and the upper portion of the compression cylinder 3 serves as a non-operating space, and the base end portion of the expansion cylinder 2 and the compression cylinder 3 are separated. The base end portions of the two are communicated with each other by a communication gas passage 18 embedded in the apparatus body. As a result, the compression cylinder 3
Compression space 19 and expansion cylinder 2 formed on the base end side of the
The expansion space 11 formed in the above is communicated with the gas passage through the regenerator material 14. As a result, the gas passage can be shortened, the dead volume can be reduced, and the device structure can be simplified.

【0023】また、膨張シリンダ2の下方部分2aを、
ディスプレーサ6が摺接する膨張シリンダ2の上方部分
2bの内径よりも胴回りを膨らませて形成し、下方部分
2aの内径より若干小さい外径を有する膨張側仕切部材
20を、ディスプレーサロッド21周りに配設すると共
に、下方部分2aに近接配置して間隙の狭い筒状の膨張
側ガス通路22を形成している。そして、その膨張シリ
ンダ2の下方部分2aの膨張機16外周面に円板状の放
熱フィン23を配設し、これにより膨張側熱交換手段2
4を構成している。尚、本実施の形態の説明では、膨張
側熱交換手段24の膨張シリンダ2の下方部分2aを、
膨張シリンダ2の上方部分2bの内径よりも胴回りを膨
らませた構造としているが、装置構造の簡略化及び小型
化を図るために同一内径としても構わない。但し、この
場合にはガス通路の熱交換面積が小さくなるため若干熱
交換量が低下することになる。
Further, the lower portion 2a of the expansion cylinder 2 is
An expansion side partitioning member 20 having an outer diameter slightly larger than the inner diameter of the upper portion 2b of the expansion cylinder 2 with which the displacer 6 is in sliding contact and having an outer diameter slightly smaller than the inner diameter of the lower portion 2a is arranged around the displacer rod 21. At the same time, the expansion-side gas passage 22 having a narrow gap is formed near the lower portion 2a. A disk-shaped heat radiation fin 23 is disposed on the outer peripheral surface of the expander 16 in the lower portion 2a of the expansion cylinder 2, whereby the expansion side heat exchange means 2 is provided.
4. In the description of the present embodiment, the lower portion 2a of the expansion cylinder 2 of the expansion side heat exchange means 24 is referred to as
Although the waist is expanded more than the inner diameter of the upper portion 2b of the expansion cylinder 2, the same inner diameter may be used in order to simplify and downsize the device structure. However, in this case, the heat exchange area of the gas passage becomes small, so that the heat exchange amount slightly decreases.

【0024】同様に、圧縮シリンダ3の下方部分3aに
は、近接配置させて間隙の狭い筒状の圧縮側ガス通路3
2を形成するように、下方部分3aの内径より若干小さ
い外径を有する圧縮側仕切部材30を、ピストンロッド
31周り配設している。そして、その圧縮シリンダ3の
下方部分3aの圧縮機17外周面に円板状の放熱フィン
33を配設し、これにより圧縮側熱交換手段34を構成
している。
Similarly, in the lower portion 3a of the compression cylinder 3, a cylindrical compression-side gas passage 3 having a narrow gap, which is closely disposed.
2, a compression side partition member 30 having an outer diameter slightly smaller than the inner diameter of the lower portion 3a is arranged around the piston rod 31. A disk-shaped heat radiation fin 33 is arranged on the outer peripheral surface of the compressor 17 in the lower portion 3a of the compression cylinder 3, and thereby the compression side heat exchange means 34 is configured.

【0025】従って、この膨張側熱交換手段24および
圧縮側熱交換手段34を設けることにより、死容積の低
減と放熱面の拡大が図れ、圧縮空間19において高温と
なった作動ガスを両放熱手段24、34で充分に放熱し
た後にディスプレーサ6へ供給されることになる。この
結果、従来に比べてディスプレーサ6の基端部側での温
度上昇が抑制され低い温度に維持できる。従って、ディ
スプレーサ6の上死点側での温度が一層低下してコール
ドヘッド15の温度を低下させることが可能となる。
Therefore, by providing the expansion side heat exchange means 24 and the compression side heat exchange means 34, the dead volume can be reduced and the heat radiation surface can be enlarged, and the working gas heated in the compression space 19 can be radiated by both heat radiation means. After sufficiently dissipating heat in 24 and 34, the heat is supplied to the displacer 6. As a result, the temperature rise on the base end side of the displacer 6 is suppressed and the temperature can be kept low as compared with the conventional case. Therefore, the temperature at the top dead center side of the displacer 6 is further lowered, and the temperature of the cold head 15 can be lowered.

【0026】ここでは、膨張シリンダ2および圧縮シリ
ンダ3にそれぞれ膨張側熱交換手段24および圧縮側熱
交換手段34を設けた場合について説明したが、上述の
効果を得るためには少なくとも膨張側熱交換手段24を
設けることが必要である。但し、この場合は膨張側熱交
換手段24および圧縮側熱交換手段34を設けた場合に
比べて放熱能力が若干劣ることになるが、装置全体の小
型化を一層図ることができる。
Here, the case where the expansion side heat exchange means 24 and the compression side heat exchange means 34 are provided in the expansion cylinder 2 and the compression cylinder 3, respectively, has been described, but at least the expansion side heat exchange means is required to obtain the above-mentioned effect. It is necessary to provide means 24. However, in this case, although the heat radiation capacity is slightly inferior to the case where the expansion side heat exchange means 24 and the compression side heat exchange means 34 are provided, the overall size of the device can be further reduced.

【0027】以上の構成で、図3の場合と同様にしてク
ランク機構5が反時計方向に回転駆動されると、圧縮機
19の圧縮シリンダ3内の圧縮ピストン7が基端部側に
移動して圧縮空間19に充満するヘリウムなどの液化し
にくい作動ガスが圧縮される。そして、圧縮された作動
ガスは、放熱器として作用する圧縮側熱交換手段34の
圧縮側ガス通路32と、装置本体内に埋設された連絡ガ
ス通路18と、放熱器として作用する膨張側熱交換手段
24の膨張側ガス通路22とを通過することによって、
圧縮時に生じる熱を外部に放熱して室温近くまで冷却さ
せた後、ディスプレーサ6の開口部6aから蓄冷材14
に流入する。
With the above construction, when the crank mechanism 5 is rotationally driven in the counterclockwise direction as in the case of FIG. 3, the compression piston 7 in the compression cylinder 3 of the compressor 19 moves to the base end side. As a result, the working gas such as helium that is difficult to liquefy and fills the compression space 19 is compressed. Then, the compressed working gas, the compression side gas passage 32 of the compression side heat exchange means 34 acting as a radiator, the communication gas passage 18 embedded in the apparatus body, and the expansion side heat exchange acting as a radiator. By passing through the expansion side gas passage 22 of the means 24,
After the heat generated during compression is radiated to the outside and cooled to near room temperature, the cool storage material 14 is discharged from the opening 6a of the displacer 6.
Flows into.

【0028】蓄冷材14に流入した作動ガスは、ディス
プレーサ6が降下することによって、冷却されてディス
プレーサ6の開口部6aから膨張空間11へ流入する。
このとき、膨張空間11が圧縮された作動ガスで満たさ
れ高圧状態となる。
The working gas flowing into the regenerator material 14 is cooled as the displacer 6 descends and flows into the expansion space 11 from the opening 6a of the displacer 6.
At this time, the expansion space 11 is filled with the compressed working gas and is in a high pressure state.

【0029】その後、ピストン7が上昇することによっ
て膨張空間11が拡張され、流入した高圧の作動ガスが
急激に膨張されて圧力が急降下するため作動ガスが低温
となる。
Thereafter, as the piston 7 rises, the expansion space 11 is expanded, the inflowing high-pressure working gas is rapidly expanded, and the pressure sharply drops, so that the working gas becomes low in temperature.

【0030】やがて、ディスプレーサ6が上昇を開始す
ると、低温の作動ガスがディスプレーサ6からガス通路
22、18、32を経て圧縮空間19へ戻されるが、こ
のときディスプレーサ6内の蓄冷材14が通過する作動
ガスによって冷却されて低温となり、蓄冷材14が所定
の熱勾配を有する。
When the displacer 6 starts to rise, the low-temperature working gas is returned from the displacer 6 to the compression space 19 through the gas passages 22, 18, 32. At this time, the regenerator material 14 in the displacer 6 passes. It is cooled by the working gas to a low temperature, and the regenerator material 14 has a predetermined thermal gradient.

【0031】ところで、上述したように作動ガスは、筒
状の狭い間隙から成る圧縮側ガス通路32、22を通し
て圧縮空間と膨張空間との間を行き来する。その圧縮側
ガス通路32、22は熱交換面積広く、圧縮機側で圧縮
されて高温となった作動ガスはこのガス通路32、22
を通ることによって効率よく放熱される。また、ガス通
路32、22は狭い間隙に形成されているため、ガス通
路の体積が削減されて死容積が低減され、膨張空間に導
入される作動ガスの全封入量に対する割合が増して大き
な圧縮比が得られるようになる。この結果、膨張時に作
動ガスをより低温にすることができるようになる。
By the way, as described above, the working gas flows back and forth between the compression space and the expansion space through the compression-side gas passages 32 and 22 each having a narrow cylindrical gap. The compression side gas passages 32, 22 have a large heat exchange area, and the working gas compressed on the compressor side and having a high temperature has a high heat exchange area.
Heat is efficiently dissipated by passing through. Further, since the gas passages 32 and 22 are formed in a narrow gap, the volume of the gas passages is reduced, the dead volume is reduced, the ratio of the working gas introduced into the expansion space to the total enclosed amount is increased, and a large compression is achieved. The ratio can be obtained. As a result, the working gas can be cooled to a lower temperature during expansion.

【0032】以上のように、圧縮空間で圧縮された作動
ガスが膨張空間に供給されて膨張され、その膨張された
ガスが再び圧縮空間19に戻る工程によって、一つの熱
サイクルが終了し、この工程がクランク機構5の回転運
動によって繰り返される。これにより、徐々に膨張空間
11での作動ガスの温度と蓄冷材14の温度が降下し、
コールドヘッド15が最も低温になるので、この冷凍熱
を図示せぬ熱交換器から外部へ取り出し図示せぬ冷凍負
荷を冷凍温度にすることができる。
As described above, the process in which the working gas compressed in the compression space is supplied to the expansion space and expanded, and the expanded gas returns to the compression space 19 again completes one thermal cycle. The process is repeated by the rotational movement of the crank mechanism 5. As a result, the temperature of the working gas and the temperature of the regenerator material 14 in the expansion space 11 gradually decrease,
Since the cold head 15 has the lowest temperature, this refrigeration heat can be taken out from the heat exchanger (not shown) to the refrigeration temperature (not shown).

【0033】次に、図2は本発明の実施の形態の別の実
施例を示したもので、図中、図1と同じ構成については
同一符号を付して示しており、これらの部分の詳細な説
明は省略する。この例に示すスターリング冷凍装置にお
いて図1と異なる主な点はディスプレーサ6の代わりに
膨張ピストン41を用いて膨張機側を構成し、2ピスト
ン型とした点である。
Next, FIG. 2 shows another embodiment of the present invention. In the figure, the same components as those shown in FIG. Detailed description is omitted. In the Stirling refrigerating apparatus shown in this example, the main difference from FIG. 1 is that the expander side is configured by using an expansion piston 41 instead of the displacer 6, and a two piston type is used.

【0034】そして、図1のディスプレーサ6内の蓄冷
材14の代わりに、膨張シリンダ42の外周面にドーナ
ツ形状の蓄冷材44からなる再生熱交換器43が配設さ
れ、全体が膨張機本体容器45で被覆されている。
In place of the cool storage material 14 in the displacer 6 of FIG. 1, a regenerative heat exchanger 43 made of a doughnut-shaped cool storage material 44 is arranged on the outer peripheral surface of the expansion cylinder 42, and the entire expander body container is provided. It is covered with 45.

【0035】膨張シリンダ42の下方部分42aの外周
面に、膨張機本体容器45の内径より若干小さい外径を
有する膨張側仕切部材40が配設され、膨張機本体容器
45に近接配置して間隙の狭い筒状の膨張側ガス通路4
6を形成している。そして、その膨張機本体容器45の
下方部分外周面に円板状のフィン47を配設し、これに
より膨張側熱交換手段48を構成している。
An expansion side partition member 40 having an outer diameter slightly smaller than the inner diameter of the expander main body container 45 is arranged on the outer peripheral surface of the lower portion 42a of the expansion cylinder 42, and is arranged close to the expander main body container 45 to form a gap. Narrow gas passage 4 on the expansion side
6 are formed. Then, a disk-shaped fin 47 is arranged on the outer peripheral surface of the lower part of the expander main body container 45, whereby the expansion side heat exchange means 48 is constituted.

【0036】この結果、圧縮された作動ガスは、放熱器
として作用する圧縮側熱交換手段34の圧縮側ガス通路
32と、装置本体内に埋設された連絡ガス通路18と、
放熱器として作用する膨張側熱交換手段48の膨張側ガ
ス通路46とを通過することによって、圧縮時に生じる
熱を外部に放熱して室温近くまで冷却させた後、再生熱
交換器43の開口部43aに流入させることができる。
As a result, the compressed working gas, the compression side gas passage 32 of the compression side heat exchange means 34 acting as a radiator, the communication gas passage 18 embedded in the apparatus main body,
After passing through the expansion-side gas passage 46 of the expansion-side heat exchange means 48 acting as a radiator, the heat generated during compression is radiated to the outside and cooled to near room temperature, and then the opening of the regenerative heat exchanger 43. 43a.

【0037】従って、上記第1実施例と同様に、圧縮シ
リンダ3の基端部側に形成される圧縮空間19と膨張シ
リンダ2に形成される膨張空間11とが、蓄冷材14を
介してガス通路によって連通されることになり、ガス通
路を短くすることができ、死容積の低減と装置構造の簡
略化が図れる。また、ガス通路32、46は熱交換面積
広く、圧縮機側で圧縮されて高温となった作動ガスはこ
のガス通路32、46を通ることによって効率よく放熱
されると共に、ガス通路32、46は狭い間隙に形成さ
れているため、ガス通路の体積が削減されて死容積が低
減され、膨張空間に導入される作動ガスの全封入量に対
する割合が増して大きな圧縮比が得られるようになり、
膨張時に作動ガスをより低温にすることができるように
なる。
Therefore, similarly to the first embodiment, the compression space 19 formed on the base end side of the compression cylinder 3 and the expansion space 11 formed on the expansion cylinder 2 are separated by gas through the regenerator material 14. Since they are communicated by the passage, the gas passage can be shortened, and the dead volume can be reduced and the device structure can be simplified. Further, the gas passages 32 and 46 have a large heat exchange area, and the working gas that has been compressed on the compressor side and has a high temperature is efficiently radiated by passing through the gas passages 32 and 46. Since it is formed in a narrow gap, the volume of the gas passage is reduced, the dead volume is reduced, the ratio of the working gas introduced into the expansion space to the total enclosed amount is increased, and a large compression ratio is obtained,
It allows the working gas to have a lower temperature during expansion.

【0038】尚、上記実施形態の説明は、本発明を説明
するものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或いは範囲を縮減するように解すべきではない。
又、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許
請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々変形可能であ
る。例えば、本発明をスターリング冷凍装置に適用した
場合について説明したが、その他のガス圧縮膨張冷凍装
置にも適用可能である。
The above description of the embodiments is for explaining the present invention, and should not be construed as limiting the invention described in the claims or reducing the scope.
Further, the configuration of each part of the present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be variously modified within the technical scope described in the claims. For example, the case where the present invention is applied to the Stirling refrigeration system has been described, but the present invention can also be applied to other gas compression expansion refrigeration systems.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上述べた通り本発明によれば、ガス通
路を短くすることができ、死容積の低減と装置構造の簡
略化が図れ、装置全体を小型化することができる。
As described above, according to the present invention, the gas passage can be shortened, the dead volume can be reduced, the device structure can be simplified, and the entire device can be downsized.

【0040】また、膨張側熱交換手段を設けたことによ
り、死容積の低減と放熱面の拡大が図れ、圧縮比を高め
装置の冷凍能力を向上させることができる。さらに、圧
縮側熱交換手段を設けることにより、圧縮空間において
発生した高温を外部に取り出す放熱能力をさらに一層向
上させることができ、装置の冷凍能力を一層向上させる
ことができる。
Further, by providing the expansion side heat exchange means, the dead volume can be reduced and the heat radiation surface can be enlarged, the compression ratio can be increased and the refrigerating capacity of the device can be improved. Further, by providing the compression-side heat exchange means, the heat radiation capacity for extracting the high temperature generated in the compression space to the outside can be further improved, and the refrigeration capacity of the device can be further improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施の形態における第1実施例として
のスターリング冷凍装置の概略構成を示す断面図であ
る。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a Stirling refrigerating apparatus as a first example of an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態における第2実施例として
のスターリング冷凍装置の概略構成を示す断面図であ
る。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a Stirling refrigeration system as a second example of the embodiment of the present invention.

【図3】従来のスターリング冷凍装置の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional Stirling refrigeration system.

【図4】スターリング冷凍サイクルを行程を説明する図
である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a process of a Stirling refrigeration cycle.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2、42 膨張シリンダ 3 圧縮シリンダ 5 クランク機構 6 ディスプレーサ 7 圧縮ピストン 11 膨張空間 13、19 圧縮空間 15 コールドヘッド 18 連絡ガス通路 20 膨張側仕切部材 22、46 膨張側ガス通路 24、48 膨張側熱交換手段 30 圧縮側仕切部材 32 圧縮側ガス通路 34 圧縮側熱交換手段 45 膨張機本体容器 2, 42 Expansion cylinder 3 Compression cylinder 5 Crank mechanism 6 Displacer 7 Compression piston 11 Expansion space 13, 19 Compression space 15 Cold head 18 Communication gas passage 20 Expansion side partition member 22, 46 Expansion side gas passage 24, 48 Expansion side heat exchange Means 30 Compression-side partition member 32 Compression-side gas passage 34 Compression-side heat exchange means 45 Expander body container

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中山 隆文 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (72) Inventor Takafumi Nakayama 2-5-5 Keihan Hondori, Moriguchi City, Osaka Sanyo Electric Co., Ltd.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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、ガス
通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駆動力を伝達する駆動
手段が設けられ、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であって、 前記圧縮シリンダの基端部側を圧縮空間とし、該圧縮空
間と前記膨張シリンダの基端部側とを前記ガス通路によ
って連通したことを特徴とする冷凍装置。
1. A gas passage connects a compression space formed in a compression cylinder arranged inside the compressor body container and an expansion space formed in an expansion cylinder arranged inside the expander body container. And a driving means for transmitting a driving force so that the compression piston and the expansion piston or the displacer reciprocally drive the compression cylinder and the expansion cylinder respectively with a predetermined phase difference. A refrigeration system for generating a low temperature by a heat cycle including an expansion process of a working gas guided from a space into the expansion space, wherein a base end side of the compression cylinder is a compression space, and the compression space and the base of the expansion cylinder. A refrigeration system characterized in that the end side is communicated with the gas passage.
【請求項2】前記膨張シリンダ内部を往復駆動させるデ
ィスプレーサと、前記圧縮空間から該ディスプレーサに
導入される作動ガスと熱交換する膨張側熱交換手段を備
え、 該膨張側熱交換手段は、前記膨張シリンダの下方部分に
近接配置された膨張側仕切部材と、該下方部分と膨張側
仕切部材との間に形成される筒状の間隙の狭い膨張側ガ
ス通路を有し、該膨張側ガス通路を作動ガスが通過する
ことにより前記圧縮空間において発生した高温を外部に
取り出すことを特徴とする請求項1記載の冷凍装置。
2. A displacer for reciprocally driving the inside of the expansion cylinder, and an expansion side heat exchange means for exchanging heat with a working gas introduced into the displacer from the compression space, the expansion side heat exchange means comprising: The expansion-side partition member is disposed in the vicinity of the lower portion of the cylinder, and the expansion-side gas passage having a narrow cylindrical gap is formed between the lower portion and the expansion-side partition member. The refrigerating apparatus according to claim 1, wherein a high temperature generated in the compression space due to the passage of the working gas is extracted to the outside.
【請求項3】前記圧縮空間から前記ディスプレーサに導
入される作動ガスと熱交換する圧縮側熱交換手段を備
え、 該圧縮側熱交換手段は、前記圧縮シリンダの下方部分に
近接配置された圧縮側仕切部材と、該下方部分と圧縮側
仕切部材との間に形成される筒状の間隙の狭い圧縮側ガ
ス通路を有し、該圧縮側ガス通路を作動ガスが通過する
ことにより前記圧縮空間において発生した高温を外部に
取り出すことを特徴とする請求項2記載の冷凍装置。
3. A compression side heat exchange means for exchanging heat with a working gas introduced into the displacer from the compression space, wherein the compression side heat exchange means is arranged near a lower portion of the compression cylinder. In the compression space, a partition member and a compression-side gas passage formed between the lower portion and the compression-side partition member and having a narrow cylindrical gap are provided, and the working gas passes through the compression-side gas passage. The refrigerating apparatus according to claim 2, wherein the generated high temperature is extracted to the outside.
【請求項4】前記圧縮空間と膨張空間とが前記膨張シリ
ンダの外周面に配設された再生熱交換器を介してガス通
路によって連通されると共に、前記膨張シリンダ内部を
往復駆動させる膨張ピストンと、前記圧縮空間から前記
再生熱交換器に導入される作動ガスと熱交換する膨張側
熱交換手段を備え、 該膨張側熱交換手段は、前記膨張シリンダの下方部分外
周面に配設された膨張側仕切部材と、該膨張側仕切部材
と膨張機本体容器との間に形成される筒状の間隙の狭い
膨張側ガス通路を有し、該膨張側ガス通路を作動ガスが
通過することにより前記圧縮空間において発生した高温
を外部に取り出すことを特徴とする請求項1記載の冷凍
装置。
4. An expansion piston which communicates the compression space and the expansion space with each other through a gas passage via a regenerative heat exchanger arranged on an outer peripheral surface of the expansion cylinder, and which reciprocally drives the inside of the expansion cylinder. An expansion side heat exchange means for exchanging heat with the working gas introduced into the regeneration heat exchanger from the compression space, wherein the expansion side heat exchange means is an expansion provided on an outer peripheral surface of a lower portion of the expansion cylinder. A side partition member, and an expansion side gas passage having a narrow cylindrical gap formed between the expansion side partition member and the expander main body container, wherein the working gas passes through the expansion side gas passage. The refrigerating apparatus according to claim 1, wherein the high temperature generated in the compression space is extracted to the outside.
【請求項5】前記圧縮空間から前記再生熱交換器に導入
される作動ガスと熱交換する圧縮側熱交換手段を備え、 該圧縮側熱交換手段は、前記圧縮シリンダの下方部分に
近接配置された圧縮側仕切部材と、該下方部分と圧縮側
仕切部材との間に形成される筒状の間隙の狭い圧縮側ガ
ス通路を有し、該圧縮側ガス通路を作動ガスが通過する
ことにより前記圧縮空間において発生した高温を外部に
取り出すことを特徴とする請求項4記載の冷凍装置。
5. A compression-side heat exchange means for exchanging heat with a working gas introduced into the regenerative heat exchanger from the compression space, the compression-side heat exchange means being disposed adjacent to a lower portion of the compression cylinder. A compression-side partition member, and a compression-side gas passage having a narrow cylindrical gap formed between the lower portion and the compression-side partition member. The refrigerating apparatus according to claim 4, wherein the high temperature generated in the compression space is extracted to the outside.
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