JPS62175560A - 複合冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、冷凍機に関するものであり、更に詳しくは、
スプリット型スターリングサイクルで極低温を生成する
複合冷凍機の構造に関するものである。

（従来の技術） 従来の冷凍機においては、ディスプレーサや膨張機の駆
動制御に、夫々１台ずつの小型発電機や電動機を使用す
るのが通例となっている。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、このような冷凍機を超電導磁気浮上列車に搭
載すると、小型発電機や電動機を使用するが、回転子が
超電導磁石の強い磁場の影響を受けて渦電流を生じ、こ
れによる磁気抗力の働きで電導機が回転しにくくなり、
電流が余分に流れて効率の低下をきたし、車上の消費電
力も増え、さらに、この補償のためには電動機が非常に
大になり且つ重量が重くなって超電導磁気浮上列車の経
済性に悪影響を与えていた。

それ故に、本発明は、かかる不具合を除去することを、
技術的課題とするものである。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 上記技術的課題を解決するために、本発明において講じ
た技術的手段は、スプリット型スターリングサイクルで
極低温を生成する冷凍機において、作動流体の圧縮室を
２室、又は８室迄を形成する圧縮室のピストンの往復動
用クランク軸のディスクプレーサ駆動機構部に、ヘリウ
ムガスが封入され比較的長く柔軟な管内で回転するフレ
キシブルシャフトを２本、又は２本以上取り付け、これ
で比較的離れた位置にある２個、又は２個いしいうのデ
ィスプレーサを駆動して２箇所、又は２箇所以上で低温
を発生するようにして複合冷凍機の構造を構成したこと
である。

（作用） 上記技術的手段は、次のように作用する。すなわち、デ
ィスプレーサ駆動部が駆動されると、該駆動部とは比較
的離れた位置にあるディスプレーサが、フレキシブルシ
ャフトを介して、駆動される。しかして、ディスプレー
サ駆動部側の電動機と、ディスプレーサ側にあって冷却
に供される超電導磁石とは、比較的離れているので、前
者が後者により悪ｋＷを受けるということがなく、従来
の不具合が解消される。

（実施例） 以下、本発明の実施例を添付図面にもとづいて説明する
。第１図に示すものは、本発明の複合冷凍機における２
気筒式の実施例の構造断面図であって、クランクケース
２１内の密封型電動機ｌの回転によりクランク軸２、ク
ランクピン３，４、コネクティングロッド５，５°、ガ
イドピストン６．６°、ピストンロッド７．７°、に付
けられクランクケース２１内の潤滑油が作動流体圧縮室
（以後、圧縮室と云う）１２，１２°に入るのを防ぐダ
イアフラム（ゴム、薄肉の金属等の柔軟な材料で作り形
状はへローズ、その他でもよい）８゜８′、ハンファー
空間１８．１８’　を介し水平対同型に配置された２本
の作動流体圧縮ピストン（以後、圧縮ピストンと云う）
１０．１０’　を同位相で往復動作させる。これにより
圧縮ピストン上部の圧縮室１１．１１’及びこれらと１
８０度位相の異なる圧縮ピストン下部で形成される圧縮
室１２．１２’　に数気圧から十数気圧で封入されてい
る作動流体（水素や主としてヘリウムを主成分とする気
体で以後、流体と云う）の圧力は２から３の圧縮比（圧
縮室１１．１１’　と２５．２５’のディスプレーサと
の距離〔配管の抵抗による圧力損失と死容積〕によって
圧縮比は異なるが、実施例の距離２メータでは約２．４
）で繰返し変動する。圧縮室１１．１１’　より高圧に
され温度の高くなった流体は、流体口１３．１３”より
配管１４で合流し、放熱器２２−１でほぼ常温に冷却さ
れ柔軟な配管２３−１を介してディスプレーサシリンダ
ー３３の流体吸入部２４と接続している。

一方クランク軸２と直結して回転しディスプレーサ駆動
機構部５３の中にある主ギヤ５０、副ギヤ４９、柔軟な
管４８−１の中の回転するフレキシプルシャフト（例え
ば、ピアノ線状の細線を多数本１然合わせたフレキシブ
ルシャフト。右巻き及び左巻きと交互に同心多重に巻き
製作した長いスプリング。回転し機械力を伝達可能な長
い柔軟な伝達体、等を総称し以後、フレキシブルシャフ
トと云う）４７−１とディスプレーサ駆動部４１−１内
のギヤ４６，４５、小クランク軸４２、クランクビン４
３、コネクティングロッド４４、ガイドピストン３９、
ディスプレーサ２５を駆動している。このディスプレー
サ２５は、圧縮室１１．１１′を形成する圧縮ピストン
より膨張室２９．３２°の方の圧力変化が４５度から１
２０度の位相で早くなるようにディスプレーサ駆動機構
部５３の中の主ギヤ５０と副ギヤ４９で調節され駆動さ
れる流体は、往復動作するディスプレーサ２５の吸入口
２６より蓄冷器２７，３０、流体口２８゜３１よりそれ
ぞれ膨張室２９．３２に入り膨張室で膨張仕事（ディス
プレーサの構造と駆動のさせ方によっては仕事をしない
）をして冷凍を発生させた後、蓄冷器、柔軟な配管、放
熱器を超圧縮室１１．１１°に戻る。

低温の発生の機構は理論的には流体が電動機１、圧縮ピ
ストン１０．１０’　により圧縮室１１．１１゛で圧縮
加熱されるがシリンダー１３−１．１３−２、放熱器２
２で放熱するので等温圧縮過程であり、圧縮ピストン１
０．１０°が上死点に向かうのと同時にディスプレーサ
２５が下死点に向かうので等容的に蓄冷器２７．３０か
ら膨張室２９．３２に入る。次に膨張室の流体はディス
プレーサ２５がさらに下死点に近付くのでコールドヘッ
ド３４゜３５で図示しない被冷却体、例えば、クライオ
ポンプではシェブロンや吸着器−凝縮器等、ジュール・
トムソンサイクル（以後、Ｊ−Ｔサイクルと云う）や逆
プレイトン・サイクルでは高圧流体の予冷用熱交換器を
冷却しながら熱を得ることになるので等温的に膨張し、
圧縮ピストン１０．１０°が下死点に向かうのと同時に
ディスプレーサ２５が上死点に向かうので蓄冷器に冷熱
を与えあがら温度上昇し、はぼ常温で圧縮室に等容的に
戻り、１サイクルが終わる。これらの過程を繰返して低
温を生成するのであるが、この過程は理想的には等温−
等容一等温一等容の４過程からなるスターリングサイク
ルで、可逆サイクルとも云われ、又、本発明では、ディ
スプレーサ部と流体の圧縮部とが離れて存在し、ディス
プレーサが直接圧縮ピストンのクランク軸に機械的に連
結していない冷凍機であり、広い意味でこのような構成
−構造の冷凍機をスプリット型スターリングサイクル冷
凍機と云う。

尚、ここでの圧縮部とは、主として電動機、圧縮ビス１
−ン・シリンダー、ディスプレー号駆動機構などを、ク
ランクケース２１で一体化して構成された流体を圧縮制
御する装置を云う。又冷却器とは、圧縮部から見て柔軟
な配管２３−１．２３−２及び柔軟な管４８−１．４８
−２及びディスプレーサ駆動部４１−１．４１−２を含
むディスプレーサシリンダー及びディスプレーサシリン
ダーに付けられたＪ−Ｔサイクルの多数の熱交換器、弁
、被冷却仏体も含んで云う。

しかして、スターリングサイクルによる冷凍機の原理及
び圧縮室と膨張室との位相差による低温の発生のメカニ
ズム等はすでに公知であり、本出願人の特許（特許第８
４１２２８号　冷凍装置、特許第８４１２３０号　複式
冷凍機、特許第１１８６６６４８号　可逆サイクル機械
）にも詳しく述べられているので詳細な説明を省略する
。第１図において、右上のディスプレーサ２５での低温
発生機構を述べたが、左のディスプレーサでの駆動方法
、構造並びに低温の発生機構も右と全く同じであり、圧
縮ピストン１０．１０’　の下部で形成される圧縮室１
５．１５’　よりの流体は、配管１６、そして柔軟な配
管１７で合流し放熱器２２−２、柔軟な配管２３−２よ
り主ギヤ５０、副ギヤ５１、柔軟な管４８−２内で回転
するフレキシブルシャフト４７−２、ギヤ５４，５５、
クランク軸５６、クランクビン５７、コネクティングロ
ッド５８を介して駆動され図示しないが、圧縮室１５．
１５’　より４５度から１２０度、位相の進んでいる先
にも述べたディスプレーサ２５の駆動によって形成され
る膨張室２９．３２と同様に、放熱器２２−２、蓄冷器
等を介し接続され低温を発生させる。

また、第１図の実施例では１個のディスプレーサの形状
をトツ型にして膨張室を２室設けたが、冷凍目的及び冷
凍温度に応じてディスプレーサ形状を変え膨張室を１室
でも、３室以上設けても低温を生成することは可能であ
る。ディスプレーサの往復動機構についてクランク軸方
式で説明したが５．スコッチョークやその他の方式でも
よい。主ギヤ５０と副ギヤ４９．５１とのギヤ比は、ギ
ヤ４６．５４とギヤ４５．５５とのギヤ比と共に同一に
する。クランク軸２とディスプレーサの回転数をギヤ４
６，５４，４５．５５で同一にしたが、他の方法でも実
施可能である。２本の圧縮ピストンを複りｊ型にして圧
縮室を４室設け、そのうち２室を共通にした圧縮部を使
用してディスプレーサを２個駆動する実施例を述べたが
、さらに第２図のクランク軸２にクランクピン６７と１
８０度位相の異なるクランクピンをもう１箇所設け、こ
れに圧縮ピストン１０．１０’　　と同形式の圧縮ピス
トンを２本連結すれば、圧縮室を８室形成する圧縮部と
なりディスプレーサ８個の冷却器の駆動、或いは同位相
となる２つの圧縮室を共通にして４室とし、４個のディ
スプレーサを駆動する複合冷凍機が提供できる。又、圧
縮ピストンの上部のみを流体の圧縮に使用する単動式に
し、クランク軸にクランクピンを１箇所（第２図の圧縮
部に関する実施例の２本の圧縮ピストン下部を使用しな
い）で２室に、又はクランクピンを２箇所設けて圧縮室
を２室、或いは４室に、更にクランクピンを４箇所設け
て４室、又は８室の圧縮室を形成した圧縮部が構成出来
、１台の圧縮部で多数のディスプレーサを駆動する冷却
器を提供できることは明らかである。

尚、９．９゛　はグランドシール、６０はピストンリン
グ、２０．３７は流体の精製器、３８．５９はクランク
ケース内で、流体と同じ高圧の気体が密封されている。

第２図は２本の圧縮ピストン１０．１０’　がクランク
軸２のクランクピン６７の１箇所で往復動される為、圧
縮室の流体は６６と６５゛が同位相で配管７２．７１よ
り配管７３で合流し、温度の高い流体は放熱器２２で温
度を下げられ柔軟な配管２３より第１図で述べたように
ディスプレーサに入って低温を発生させる。同様に圧縮
室６５と同位相の６６゛の流体は配管６８．６９より７
０で合流し図示しないが、第１図で述べたと同様に放熱
器、ディスプレーサ、膨張室に入り低温を発生させる。

クランク軸２にはクランクピン１個のめ設け２本の複動
型圧縮ピストンが使用されるので、比出力が大の圧縮部
を安価で提供出来る。

但し、第１図はクランクピン２個で２本の圧縮ビスｌ−
ンをクランク軸２を中心にして左右の水平対向型に配置
した圧縮部の構造であり、それぞれの圧縮ピストンが上
死点及び下死点に向かうときく２本の圧縮ピストンが同
じ外及び内向きの動作で仕事）流体の圧縮仕事を行う為
、機械的にバランスが良く振動は非常に少ないのに比べ
、第２図の方式では多少増える。

尚、放熱器２２は柔軟な配管２３が長くなり放熱効果の
大なフィン管にすれば除くことも可能である。

第３図は本発明の複合冷凍機を４気筒式とした実施例の
概念図であり、クランク軸２に設けたクランクピン３，
４Ｋよって複動型の圧縮ピストン１０．１０’を往復動
作させ４つの圧縮室７４゜７５．７６．７７を形成し、
この４つの圧縮室の流体とクランク軸２に付けられた主
ギヤ５０、副ギヤ７８−１〜７８−４、フレキシブルシ
ャフト７９−１〜７９−４、ディスプレーサ駆動部８〇
−１〜８０−４を介して往復動するディスプレーサ８２
−１〜８２−４とディスプレーサシリンダー３３−１〜
３３−４Ｋよって形成される４つの膨張室８３−１〜８
３−４との間に、放熱器８６、蓄冷器８５及び吸熱部８
４を介して連結して、１台の圧縮部で４つのディスプレ
ーサを駆動して独立した冷却器を構成して複数箇所で冷
凍するようにした４気筒式の複合冷凍機の実施例である
。

尚、ディスプレーサ及びディスプレーサシリンダーの構
造は４（［１ｉ１共に単純な円筒型の１段膨張型である
が、４個を共に第１図のような１〜ツ型形状にして、そ
れぞれのディスプレーサのコールトスティジョン２箇所
で冷凍したり、又、複数箇所で冷凍するような形状にし
て駆動することは可能である。

尚、それぞれ４つの圧縮室と膨張室との位相差のつけ方
は主ギヤ５０と副ギヤ７８−１〜７８−４を連結すると
き停止しているディスプレーサ又は圧縮ピストンの取付
は時の位置を調節すれば、任意の位相差で接続出来る。

但し、圧縮ピストンとディスプレーサの回転数が同一に
なるような主ギヤと副ギヤ及びディスプレーサくとを部
とディスプレーサ駆動機構を選択しなければならないこ
とは当然である。

第４図は３０に以下、４Ｋ領域を主とした冷却器として
の実施例である。

圧縮室より柔軟な配管２３−１、ディスプレーサシリン
ダー側面の流体口１０３よりの流体は０リング６０−２
と６０−３で形成されるディスプレーサ８７の流体導入
口８８より蓄冷器２７，３Ｏそして流体穴２’８．３１
を通り膨張室２９．３２に入る。ここで流体の膨張仕事
によっての冷凍量は、コールトスティジョン３４．３５
を介し、ヘリウムガスを作動流体とした圧縮機９０、熱
交換器９３〜９６、及びジュールトムソン弁９９（以後
、Ｊ−Ｔ弁と云う）から成るＪ−Ｔサーイクルの高圧側
９１の予冷用熱交換器（吸熱器とも云う）９７．９８の
冷却に使われ、逆転温度以下となった高圧のヘリウムを
Ｊ−Ｔ弁で等エンタルピー膨張させ１．１気圧程度とし
、被冷却用熱交換器１００では３０Ｋ、以下約４．３に
の温度となってこれと直接、或いは間接的に接触する固
体やネオン、水素、ヘリウム等の冷却、凝縮、液化等を
行うことが出来る。尚、圧縮機９０よりの高圧側９１の
圧力は１０〜２０気圧であり、９２は低圧側である。被
冷却体の所要温度により圧縮機９０は圧縮比の小さいブ
ロワ−にする場合もある。１０１は液体窒素で、冷凍出
力を増加させる時や冷却器の予冷凍速度を早くすると時
に熱交換器９３を回路１０２より液体窒素を供給琶冷却
して使用する。

本発明では、これらＪ−Ｔサイクルの多数の熱交換器と
ディスプレーサとを組み合せ一体化され図示しない断熱
容器の中に入っており、これも冷却器と云う。

第５図及び第６図は本発明の複合冷凍機を時速３００ｋ
ｍ以上と高速な超電導磁気浮上列車の車上において超電
導磁石を冷却するシステムとしての実施例である。第５
図は複合冷凍機が使用されている部分の車両断面図で、
第６図は複合冷凍機だ台車上で効果的に配置されている
車両の部分図であり、第３図で説明した圧縮部１台で４
個のディスプレーサを駆動する方式と、第４図で説明し
たＪ−Ｔサイクル付きディスプレーサとの組み合せの冷
却器を１台の圧縮機によって各Ｊ−Ｔサイクルにヘリウ
ムを供給して４台の冷却器で４．３にの冷凍温度を発生
させ複数の超電導磁石を冷却出来るよう構成されている
。

車両１０５、車内空間１０６、椅子１０７、台車１０８
，１０９−１〜１０９−４は車両を推進−ｌｖ上させ車
両両側面に付けられ４Ｋ温度領域で冷却させている超電
導磁石１１５を冷却保持するタラツオスタット、１１１
は軌道両側壁１１３に設置されているリニヤモータ用軌
道配線、１１２車両浮上用の地上コイル、１１０−１〜
１１０−４は４個のタラビオスタット上で超電導磁石を
冷却する第４図で説明したＪ−Ｔサイクル付きの冷却器
である。動作説明を第６図で第３図及び第４図を使用し
て行うが、液体窒素の流路、使用方法その他は省略する
。

台車１０８の中心に設置され電動機が内包されて４つの
圧縮室より成る１台の流体の圧縮部２１は流体を柔軟な
配管２３−１〜２３−４よりそれぞれタライオスタット
１０９−１〜１０９−４の上にあるＪ−Ｔサイクル付き
の冷却器１１０−１〜１１０−４Ｋ供給し、一方デイス
プレーサ駆動機構部５３より回転フレキシブルシャフト
を内包する４つの柔軟な管４８−１〜４８−４、冷却器
のディスプレーサ駆動部４１−１〜４１−４を介し４つ
のディスプレーサを駆動してコールトスティジョン３５
及び３４でそれぞれ約１０Ｋ及び３ＯＫの冷凍を発生さ
せる。この冷凍を台車１０８の中心に設置された１台の
圧縮機９０よりヘリウムを約１６気圧で配管９１でそれ
ぞれ４つの冷却器に供給し、多数の熱交換器と吸熱器９
７．９８で回収し、Ｊ−Ｔ弁９９で等エンタルピー膨張
し約１．１気圧となり約４．３にと温度降下してタライ
オスタット内に置かれた凝縮器１００で超電導磁石１１
０を冷却し蒸発したヘリウムガスを凝縮液化させ以後、
多数の熱交換器を戻りそれぞれの冷却器より出てほぼ１
気圧で低圧配管９２より圧縮機９０に戻る。

〔発明の効果〕

以上述べたところから明らかなように、本発明は、１台
の圧縮部でもって８（１１ｉ１までのディスプレーサを
、回転するフレキシブルシャフトによって駆動するよう
にした冷却器によって冷凍がなされるように、複合型冷
凍機を構成したので、次のような効果を奏する。

■　ディスプレーサと圧縮部が分離しているので、比較
的振動が大で重い１台の圧縮部と１台のヘリウム圧縮機
を台車中心に置き、これより１．５〜３ｍｍれ回転フレ
キシブルシャフトで連結され駆動されるＪ−−Ｔサイク
ル付きの複数個のディスプレーサ付き冷却器で超電導磁
石を４Ｋ温度領域で冷却するような構造となるので車両
としての重量バランスが取りやすく、且つ、圧縮部のピ
ストン配置構造が水平対向型なので車両重心を低くした
設計が出来る。

■　電動機を内包する圧縮部及び圧縮機は強い磁場を発
生する超電導磁石と離れて設置されているので防磁、防
振の対策が容易であり、且つ、極めて低い磁場中の設置
でもあり然も冷却器のディスプレーサ駆動に電動機を使
用しない為電磁的な損失が殆どない。即ち、通常の冷凍
機ではディスプレーサや膨張機の駆動制御にそれぞれ１
台ずつの小型発電機や電動機を使用するが、回転子が超
電導磁石の強い磁場の影響を受けて渦電流を生じ、これ
による磁気抗力の働きで電動機が回転しにくくなり、電
流が余分に流れて効率の低下をきたし、車上の消費電力
も増えさらに、この補償のためには電動機が非常に大に
なり且つ重量が重くなって超電導磁気浮上列車の経済性
に悪影響を与えていた。

■　振動している圧縮部と振動を嫌う超電導磁石部と冷
却器のそれぞれのディスプレーサ駆動部とを回転する柔
軟なフレキシブルシャフトで連結すれば良いので、振動
が伝わりにくく且つ、フレキシブルシャフト取付は部の
みの寸法精度を出せば良いので据え付は調整が容易であ
る。

又、回転フレキシブルシャフトは圧縮部の流体とディス
プレーサ駆動部の中の流体と同じヘリウムナので双方に
連結するときメカニカルシールを必要としない為、その
機械的動力損失がない。また、回転フレキシブルシャフ
トが柔軟な管のなかにありヘリウムガスの外部への漏洩
もない。

■　通常の冷凍機ではディスプレーサや膨張機１台の駆
動に小型の電動機や発電機を１台を必要とするが、本発
明では圧縮部の駆動に大型の電動機１台で多数のディス
プレーサを電動機を使用しないで駆動でき、はぼ９Ｋか
ら１５０に位の低温を生成し多数箇所において冷凍が可
能であり、さらにＪ−Ｔサイクルを付加させることによ
り４Ｋを生成する多数の冷却器を１台の圧縮部と１台の
圧縮機で稼働出来るので、その分、電動機の効率が高く
なって一般産業分野ふの応用、特に超電導磁気浮上列車
では車上の消費電力や総重量も減るのでこれによる経済
効果は大きい。また冷凍システムが低重量になることに
より据え付けや保守がし易くなる。

■　タライオボンプ等の多数箇所で９Ｋから１５０に領
域の冷凍を必要とする冷凍システムにおいても本発明の
複合冷凍機では圧縮部は１台でよく、複数駆動されてい
るディスプレーサを例えば、１台修理、その他の理由で
停止させても使用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は、本発明に係る複合冷凍機の構造
の第１ないし第６実施例図である。 １０．１０’　　・・・圧縮ピストン、１２．１２’・
・・圧縮室、２５，２５°　・・・ディスプレーサ、４
７−１．４７−２・・・フレキシブルシャフト、４Ｂ−
１，４８−２・・・管、５３・・・ディスプレーサ駆動
機構部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）スプリット型スターリングサイクルで極低温を生
   成する冷凍機において、作動流体の圧縮室を２室、又は
   ８室迄形成する圧縮室のピストンの往復動用クランク軸
   のデイスプレーサ駆動機構部に、ヘリウムガスが封入さ
   れ比較的長く柔軟な管内で回転するフレキシブルシャフ
   トを２本、又は２本以上取り付け、これで比較的離れた
   位置にある２個、又は２個以上のデイスプレーサを駆動
   して２箇所、又は２箇所以上で低温を発生するような構
   造としたことを特徴とする複合冷凍機の構造。
2. （２）特許請求範囲第１項の範囲において、クランク軸
   を中心にして圧縮ピストンを水平対向型に配置した２本
   の圧縮ピストンの使用にはクランクピン１個、又は２個
   、４本の圧縮ピストンの使用にはクランクピン２個、又
   は４個設けたクランク軸に、圧縮室を２室、又は８室迄
   形成するような圧縮ピストン・シリンダー構造とした作
   動流体の圧縮部を用いたことを特徴とする複合冷凍機の
   構造。
3. （３）特許請求の範囲第１項の範囲において、比較的長
   くて柔軟な管内で回転するフレキシブルシャフトで駆動
   され低温を発生する複数個のデイスプレーサのコールド
   ・ヘッドに、Ｊ−Ｔサイクルの吸熱部を接続して冷凍を
   回収し、多数箇所において１５０Ｋ以下、４Ｋ領域の冷
   凍をするような構造としたことを特徴とする複合冷凍機
   の構造。
4. （４）特許請求範囲第１項の範囲において、超電導磁気
   浮上列車に搭載する冷凍システムとして本複合冷凍機の
   圧縮部及びＪ−Ｔサイクル系のコンプレッサー等の比較
   的重量物を車両台車の中心に設置し、これらと柔軟な流
   体の配管及び回転するフレキシブルシャフトで駆動する
   デイスプレーサよりなる複数個の冷却器とを連結し、且
   つ、これらの冷却器で車両側面側に配置した多数の超電
   導磁石を冷却するよう構成したことを特徴とする複合冷
   凍機の構造。