JP2011017457A - 蓄冷式冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換により冷媒を冷却することにより、シリンダとディスプレーサとのギャップ部から流入するリーク冷媒による熱侵入量を低減させることのできる蓄冷式冷凍機を提供する。
【解決手段】蓄冷式冷凍機は、ディスプレーサ容器２をシリンダ１内部で往復動させ、このシリンダ１端部の底面及びディスプレーサ容器２の外側面で形成される空間容積及び容積内圧力を周期的に変動させる熱サイクルにより寒冷を発生させる蓄冷式冷凍機３１において、ディスプレーサ容器２の内部には蓄冷材３が充填され、かつ、ディスプレーサ容器２の外側面には、シリンダ１とディスプレーサ容器２とのギャップ部１ａを通過する冷媒と蓄冷材３とが熱交換する高比熱材６が少なくとも一段設けられていること、を特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ギフォード・マクマホン冷凍機を用いて実現させる蓄冷式冷凍機に関する。

蓄冷式冷凍機には、様々なタイプの極低温の冷凍機があるが、シリンダ内に冷媒ガスを給気し排気する一つの方式として、圧縮機で圧縮された高圧冷媒を圧縮機とシリンダの間に設けられた切替弁により冷媒を給気し、圧縮機の低圧側に排気するギフォード・マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という。）が知られている。このＧＭ冷凍機は、クライオポンプ、ＭＲＩ等の超電導機器の冷却用として実用化されている。

ここでは、２段膨張式のＧＭ冷凍機２５について、図１４を用いて説明する。ＧＭ冷凍機２５は、ディスプレーサであるディスプレーサ容器２が往復動するシリンダ１と、このディスプレーサ容器２を往復動させるモータ８を収納するモータケース１３とを備えている。

冷媒を圧縮する高圧縮コンプレッサ（図示せず）からの給気は、モータケース１３を貫通する配管１４ａに設けられた給気継手１４に接続されている。また、モータケース１３に設けられた排気継手１５は、図示しない配管を介して高圧縮コンプレッサに接続されている。

給気継手１４が設けられた配管１４ａの他端には給排気切替弁９が設けられている。

また、モータケース１３に収納されたモータ８の軸の他端には、ディスプレーサ駆動カム１１が設置されている。このディスプレーサ駆動カム１１は、モータ８の軸による円運動を、偏心したクランクを用いることにより、直線的な上下往復運動に変換する機構である。このディスプレーサ駆動カム１１の上下往復運動する出力軸であるディスプレーサ駆動シャフト１２の他端は、シリンダ１内を往復運動するディスプレーサ容器２に接続されている。

また、モータケース１３に収納されたモータ８の軸の中間部には、給排気切替弁駆動カム１０が設置されている。この給排気切替弁駆動カム１０は、ディスプレーサ駆動カム１１と連動して、給排気切替弁９を切り替えている。この給排気切替弁９を介して、給気継手１４からの給気はシリンダ１に供給され、シリンダ１からの排気は排気継手１５を経由して高圧縮コンプレッサに導出される。

このＧＭ冷凍機２５は、シリンダ２内を往復運動しディスプレーサとしても機能するディスプレーサ容器２が内蔵されている。このディスプレーサ容器２に上部にはディスプレーサ駆動カム１１のディスプレーサ駆動シャフト１２が連結され、ディスプレーサ容器２はシリンダ１内を往復運動する。このディスプレーサ容器２の上部及び下部には、それぞれシール７が設けられ、冷媒の移動を制限している。このディスプレーサ容器２内の上部及び下部には、それぞれ蓄冷材３が内蔵されている。また、シリンダ１の下部には、冷却ステージ２６が設置されている。

上記構成において、給気継手１４からの給気は、給排気切替弁９を介し、高温端冷媒通気口４及び低温端冷媒通気口５を経由して、シリンダ１に供給され、シリンダ１からの排気を排気継手１５に導出している。ディスプレーサ容器２はディスプレーサとして機能しシリンダ１内を往復運動する。

上記の給排気は、シリンダ１先端に容積可変の膨張空間を周期的に作るために、シリンダ１内を往復動するディスプレーサ容器２の動きと同期して、周期的に行われる。このディスプレーサ容器２は、コンパクト化のために、内部に蓄冷材３が充填され、蓄冷器の機能と可変膨張空間を周期的に作るディスプレーサの機能を一体化させている。ここでは、従来の２段のＧＭ冷凍機の構成例を示す。

このとき、ディスプレーサ容器２は周期的にシリンダ１内を往復動するため、シリンダ１の内壁とディスプレーサ容器２の外周面の間にはギャップがあり、ここから蓄冷材３を通らずに下段の冷却ステージ２６に流出するリーク冷媒があると、熱負荷となり、冷凍能力を低減させる。

このリーク冷媒による熱侵入量Ｑは、以下の（１）式が示すように算出される。

Ｑ ＝ ｍ・Ｃｐ・（ＴＨ−ＴＬ） （１）
ここに、ｍ：リーク流量、Ｃｐ：冷媒の比熱、ＴＨ：高温端温度、ＴＬ：低温端温度である。

通常、ディスプレーサ容器２側に装着されたシール装置（図示せず）が、シリンダ１の内面と摺動しながら、このリーク量を止めるか又は低減させ、熱侵入量を低減させている。

しかし、摺動機構であるために摩擦や磨耗による経年劣化があり、長期運転中に熱侵入量が増加し、冷凍能力は低下するために、定期的にメンテナンスを行う必要がある。

そこで、熱収縮による変形が生じても、切れ目を設けて周方向の変形を低減させたリングを２重に重ね、バックアップリングで２つのシールをシリンダに押さえ付ける構成とした技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、シール部に付加的に流路抵抗部、バッファ部や蓄冷部を持たせる技術が知られ（例えば、特許文献２参照）、ディスプレーサ容器の外周面に螺旋等の溝を彫ることによりリーク冷媒の侵入経路長さを延長させ、リーク冷媒による熱侵入量を低減させる技術が知られている（例えば、特許文献３、４参照）。

特許第２５５３２０３号公報 特許第２７７１７２１号公報 特許第３５８８６４４号公報 特許第３８５１９２９号公報

超電導技術を実現するには極低温の環境が不可欠であり、この極低温環境を実現するのには、圧縮機で圧縮された高圧冷媒を圧縮機とシリンダの間に設けられた切替弁により冷媒を給気し、圧縮機の低圧側に排気するＧＭ冷凍機と呼ばれる蓄冷式冷凍機が用いられている。

しかし、この蓄冷式冷凍機においては、シリンダ１とディスプレーサ容器２とのギャップ間から流入するリーク冷媒は、下段の冷却ステージ２６の熱負荷となるために、冷凍性能の低下を招く、という課題があった。

このために、ディスプレーサ容器２の側にシール装置を装着し、このシール装置がシリンダ１の内面と摺動しながらこのリーク量を止めるか又は低減させ、熱侵入量を低減させ、又はディスプレーサ容器２の外周面に螺旋の溝等を彫ることによりリークによる熱侵入量を低減させる対策が講じられている。

しかしながら、このシール装置等は摺動機構であるために摩擦や磨耗による経年劣化があり、長期運転中に熱侵入量が増加し、冷凍能力は低下するために、シール装置は定期的にメンテナンスを行う必要がある、という課題があった。

特に、極低温冷凍機においては、シールに潤滑油は使用できず、また、低温となるシール部では、熱収縮による変形等も加わり、技術的に製作が困難である、という課題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、熱交換により冷媒を冷却することにより、シリンダとディスプレーサとのギャップ部から流入するリーク冷媒による熱侵入量を低減させることのできる蓄冷式冷凍機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、ディスプレーサをシリンダ内部で往復動させ、このシリンダ端部の底面及び前記ディスプレーサの外側面で形成される空間容積及び容積内圧力を周期的に変動させる熱サイクルにより寒冷を発生させる蓄冷式冷凍機において、前記ディスプレーサの内部には蓄冷材が充填され、かつ、前記ディスプレーサの外側面には、前記シリンダと前記ディスプレーサとのギャップ部を通過する冷媒と前記蓄冷材とが熱交換する高比熱材が少なくとも一段設けられていること、を特徴とするものである。

上記目的を達成するため、本発明は、ディスプレーサをシリンダ内部で往復動させ、このシリンダ端部の底面及び前記ディスプレーサの外側面で形成される空間容積及び容積内圧力を周期的に変動させる熱サイクルにより寒冷を発生させる蓄冷式冷凍機において、前記ディスプレーサの内部に蓄冷材が充填され、かつ、前記ディスプレーサの外側面には側面孔が形成され、この側面孔によって前記シリンダと前記ディスプレーサとのギャップ部並びに前記蓄冷材が充填されている空間を連結すること、を特徴とするものである。

上記目的を達成するため、本発明は、ディスプレーサをシリンダ内部で往復動させ、このシリンダ端部の底面及び前記ディスプレーサの外側面で形成される空間容積及び容積内圧力を周期的に変動させる熱サイクルにより寒冷を発生させる蓄冷式冷凍機において、前記ディスプレーサの内部に蓄冷材が充填され、かつ、前記ディスプレーサの外側面には、前記シリンダと前記ディスプレーサとのギャップ部を通過する冷媒と前記蓄冷材とが熱交換する熱伝導体を含む冷媒熱交換器が少なくとも一段設けられていること、を特徴とするものである。

上記目的を達成するため、本発明は、ディスプレーサをシリンダ内部で往復動させ、このシリンダ端部の底面及び前記ディスプレーサの外側面で形成される空間容積及び容積内圧力を周期的に変動させる熱サイクルにより寒冷を発生させる蓄冷式冷凍機において、前記シリンダの外側面には、前記シリンダと前記ディスプレーサとのギャップ部を通過する冷媒と熱交換する高比熱材が少なくとも一段設けられていること、を特徴とするものである。

上記目的を達成するため、本発明は、ディスプレーサをシリンダ内部で往復動させ、このシリンダ端部の底面及び前記ディスプレーサの外側面で形成される空間容積及び容積内圧力を周期的に変動させる熱サイクルにより寒冷を発生させる蓄冷式冷凍機において、前記ディスプレーサは、貫通孔が形成され積層された板状の蓄冷材と、この蓄冷材の外側面に設けられた摺動部材と、この蓄冷材を挟み込んで設けられた高温側押え板及び低温側押え板と、この蓄冷材、高温側押え板及び低温側押え板を貫通して拘束する押え部材と、を具備することを特徴とするものである。

本発明の蓄冷式冷凍機によれば、ディスプレーサの外表面に高比熱材を設け、熱交換により冷媒を冷却することにより、シリンダとディスプレーサとのギャップ部から流入するリーク冷媒による熱侵入量を低減させることができ、蓄冷式冷凍機の冷凍能力を大幅に向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図。 本発明の第２の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図。 本発明の第３の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図。 本発明の第４の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図。 本発明の第５の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図。 本発明の第６の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図。 本発明の第７の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図。 本発明の第８の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図。 本発明の第９の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図。 本発明の第１０の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図。 本発明の第１１の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図。 本発明の第１２の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図。 本発明の第１３の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図。 従来の蓄冷式冷凍機を示す構成図。

以下、本発明に係る極低温冷凍機の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図である。

まず、蓄冷式冷凍機３１の構成について、図１を用いて説明する。

本図に示すように、蓄冷式冷凍機３１は、シリンダ１内をディスプレーサとして機能し往復動するディスプレーサ容器２と、このディスプレーサ容器２を往復動させるモータ８を収納するモータケース１３とを備えている。

冷媒を圧縮する高圧縮コンプレッサ（図示せず）からの給気は、モータケース１３を貫通する配管１４ａに設けられた給気継手１４に接続されている。また、モータケース１３に設けられた排気継手１５は、図示しない配管を介して高圧縮コンプレッサに接続されている。給気継手１４が設けられた配管１４ａの他端には給排気切替弁９が設けられている。

また、モータケース１３に収納されたモータ８の軸の他端には、ディスプレーサ駆動カム１１が設置されている。このディスプレーサ駆動カム１１は、モータ８の軸による円運動を、偏心したクランクを用いることにより、直線的な上下往復運動に変換する機構である。このディスプレーサ駆動カム１１の上下往復運動する出力軸であるディスプレーサ駆動シャフト１２の他端は、シリンダ１内を往復運動するディスプレーサ容器２に接続されている。

また、モータケース１３に収納されたモータ８の軸の中間部には、給排気切替弁駆動カム１０が設置されている。この給排気切替弁駆動カム１０は、ディスプレーサ駆動カム１１と連動して、給排気切替弁９を切り替えている。この給排気切替弁９を介して、給気継手１４からの給気はシリンダ１に供給され、シリンダ１からの排気は排気継手１５を経由して高圧縮コンプレッサに導出される。

この蓄冷式冷凍機３１は、シリンダ２内を往復運動しディスプレーサとしても機能するディスプレーサ容器２が内蔵されている。このディスプレーサ容器２に上部にはディスプレーサ駆動カム１１のディスプレーサ駆動シャフト１２が連結され、ディスプレーサ容器２はシリンダ１内を往復運動する。このディスプレーサ容器２の上部及び下部には、それぞれシール７が設けられ、冷媒の移動を制限している。このディスプレーサ容器２内の上部及び下部には、それぞれ蓄冷材３が内蔵されている。また、シリンダ１の下部には、冷却ステージ２６が設置されている。

このディスプレーサ容器２の外表面に、銅、ステンレス、鉛、希土類化合物及び酸化物化合物の少なくとも一種から作製される高比熱材６が設けられている。この高比熱材６は、ディスプレーサの構成材として使用するものではなく、冷温において比熱の高い部材からなり、装着、コーティング、又は蒸着等の工程を経てディスプレーサ容器２の外側面に取り付けられている。

このように構成された本実施の形態において、高圧縮コンプレッサで圧縮された高圧冷媒は、給排気切替弁９を経由してディスプレーサ容器２に導入される。ディスプレーサ駆動カム１１のディスプレーサ駆動シャフト１２により、ディスプレーサ容器２はシリンダ１内を往復運動することにより、高圧冷媒はディスプレーサ容器２に内蔵された蓄冷材３と接触し熱交換し、高温端冷媒通気口４、低温端冷媒通気口５を経由して放出される。このとき、膨張によりガスの温度が下がり、低温が発生し、冷却ステージ２６が冷却される。

さらに、ディスプレーサ容器２とシリンダ１とのギャップ部１ａを通過した高温端からリークした高圧冷媒は、高比熱材６で冷却され、下段の冷却ステージ２６に到達するまでにある程度まで冷却される。この冷却のために、流入するエンタルピを抑制することができる。

逆に、シリンダ１内が高圧状態から、給排気切替弁９を介して外部に膨張する際には、低温からギャップ部１ａを通過してリークする冷媒は、次のサイクルで流入してくるリーク冷媒を冷却するために、ディスプレーサ容器２の表面に装着されている高比熱材６と熱交換してこの高圧冷媒を冷却することができる。

本実施の形態によれば、ディスプレーサ容器２の外表面に銅、ステンレス、鉛、希土類化合物及び酸化物化合物の少なくとも一種の高比熱材６を設け、この高比熱材６との熱交換により冷媒を冷却することにより、ディスプレーサ容器２とシリンダ１とのギャップ部１ａを通過した高温端からのリーク冷媒による熱侵入量を大幅に低減させることができる。かくして、高比熱材６との熱交換により冷媒が冷却されるために、熱侵入量は低減し、蓄冷式冷凍機の冷凍能力を大幅に向上させることができる。

図２は、本発明の第２の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図である。図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

本図に示すように、第２の実施の形態の蓄冷式冷凍機３１ａにおいて、高比熱材６は、ディスプレーサ容器２の外側面に少なくとも一段、ここでは４段設けられている。すなわち、高比熱材６は、ディスプレーサ容器２の表面に複数段、間に断熱部を介して取り付けられている。

本実施の形態によれば、高比熱材６をディスプレーサ容器２の外側面に複数段設けることにより、リーク冷媒と高比熱材６との熱交換効率を高めて、流入するリーク冷媒の温度を低下させ、熱侵入量を低下させることができる。

図３は、本発明の第３の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図である。図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

ここでは、図１で用いた高比熱材６の代わりに、ディスプレーサ容器２に薄肉部を設ける構成となっている。

図３に示すように、蓄冷式冷凍機３１ｂにおいて、ディスプレーサ容器２の内部に蓄冷材３が充填され、かつ、ディスプレーサ容器２には薄肉部であるディスプレーサ容器薄肉部１６が少なくとも一段、ここでは３段設けられている。

本実施の形態によれば、ディスプレーサ容器２にディスプレーサ容器薄肉部１６を設け、このディスプレーサ容器薄肉部１６を介してシリンダ１とディスプレーサ容器２とのギャップ部１ａを通過する冷媒と蓄冷材３とが熱交換することにより、リーク冷媒との熱交換効率を高めて、流入するリーク冷媒の温度を低下させ、熱侵入量を低下させることができ、蓄冷式冷凍機の冷凍能力を大幅に向上させることができる。

図４は、本発明の第４の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図である。図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

ここでは、図１で用いた高比熱材６の代わりに、ディスプレーサ容器２に側面孔を形成する構成となっている。

図４に示すように、蓄冷式冷凍機３１ｃにおいて、ディスプレーサ容器２の内部に蓄冷材３が充填され、かつ、ディスプレーサ容器２の外側面には側面孔であるディスプレーサ容器側面孔１７が形成されている。ここでは、ディスプレーサ容器２に蓄冷材３が漏れ出ないように施工したディスプレーサ容器側面孔１７が形成されている。すなわち、蓄冷式冷凍機３１内の冷媒がある量だけシリンダ１とのギャップ部１ａ間を往復できるようにしている。この冷媒が往復する量は、ディスプレーサ容器側面孔１７の孔径等を調整により適度の圧損を設けて調整できる。

本実施の形態によれば、機械的に弱い薄肉部を設けることなく、ディスプレーサ容器２にディスプレーサ容器側面孔１７を形成している。このディスプレーサ容器側面孔１７を経由して、シリンダ１とディスプレーサ容器２とのギャップ部１ａ並びに蓄冷材３が充填されている空間を連結することにより、リーク冷媒との熱交換効率を高めて、流入するリーク冷媒の温度を低下させ、熱侵入量を低下させることができる。

図５は、本発明の第５の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図である。図４と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

ここでは、図４で形成したディスプレーサ容器側面孔１７に追加して、ディスプレーサ容器２にギャップ減少部を設ける構成となっている。

図５に示すように、蓄冷式冷凍機３１ｄにおいて、ディスプレーサ容器２の内部に蓄冷材３が充填され、かつ、ディスプレーサ容器２の外側面には側面孔であるディスプレーサ容器側面孔１７が形成されている。

このディスプレーサ容器側面孔１７はディスプレーサ容器２の円周方向に複数開孔され、このディスプレーサ容器側面孔１７の上下方向にシリンダ１とディスプレーサ容器２との上下２箇所のギャップ１ｂの距離が他の部分のギャップ部１ａの距離よりも小さいギャップ減少部であるディスプレーサ容器ギャップ減少部１８が設けられている。

本実施の形態によれば、ディスプレーサ容器側面孔１７の上下方向にギャップ部１ａの距離よりも小さいディスプレーサ容器ギャップ減少部１８を設けることにより、このディスプレーサ容器側面孔１７を経由してのリーク冷媒との熱交換効率をさらに高めて、リークガスと内部冷媒との熱交換を効率よく行うことができる。

図６は、本発明の第６の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図である。図５と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図６に示すように、蓄冷式冷凍機３１ｅにおいて、ディスプレーサ容器側面孔１７はディスプレーサ容器２の円周方向に複数開孔され、このディスプレーサ容器側面孔１７の上下方向にシリンダ１とディスプレーサ容器２との上下２箇所のギャップ１ｂの距離が他の部分のギャップ部１ａの距離よりも小さいギャップ減少部であるディスプレーサ容器ギャップ減少部１８が温度勾配がついている方向に多数段設けられている。

本実施の形態によれば、ディスプレーサ容器側面孔１７の上下方向にギャップ部１ａの距離よりも小さいディスプレーサ容器ギャップ減少部１８を温度勾配がついている方向に少なくとも一段、ここでは５段設けることにより、このディスプレーサ容器側面孔１７を経由してのリーク冷媒との熱交換効率をさらに高めて、高温リークガスを連続的に効率よく冷却することができる。

図７は、本発明の第７の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図である。図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図７に示すように、蓄冷式冷凍機３１ｆにおいて、ディスプレーサ容器２の内部に蓄冷材３が充填され、かつ、ディスプレーサ容器２の外側面には、シリンダ１とディスプレーサ容器２とのギャップ部１ａを通過する冷媒と蓄冷材３とが熱交換する熱伝導体を含む冷媒熱交換器であるディスプレーサ容器冷媒熱交換器１９が少なくとも一段設けられている。この熱伝導体は、ディスプレーサ容器２より熱伝導率が高い良熱伝導体からなる銅及びアルミニウムの少なくとも一種から作製される。

本実施の形態によれば、ディスプレーサ容器２の外側面に冷媒と蓄冷材３とが熱交換する熱伝導体を含むディスプレーサ容器冷媒熱交換器１９を設けることにより、リーク冷媒との熱交換効率を高めて、流入するリーク冷媒の温度を低下させ、熱侵入量を低下させることができる。また、良熱伝導体からなる銅又はアルミニウムを内部の複数材料の仕切り板を兼用した構成として用いることにより、熱侵入量低減と共に、余分な部品が増加せず低コスト化を図ることができる。

図８は、本発明の第８の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図である。図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図８に示すように、蓄冷式冷凍機３１ｇにおいて、シリンダ１の外側面には、シリンダ１とディスプレーサ容器２とのギャップ部１ａを通過する冷媒と熱交換する高比熱材６ａがリング状に熱的に接触させて設けられている。この高比熱材６ａは、ディスプレーサ容器２よりも比熱が大きい銅、ステンレス、鉛、希土類化合物及び酸化物化合物の少なくとも一種から作製されている。

本実施の形態によれば、ディスプレーサ容器２の外側面に高比熱材６ａをリング状に熱的に接触させて設けることにより、リーク冷媒との熱交換効率を高めて、流入するリーク冷媒の温度を低下させ、熱侵入量を低下させることができる。

図９は、本発明の第９の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図である。図８と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図９に示すように、蓄冷式冷凍機３１ｈにおいて、シリンダ１の外側面には、シリンダ１とディスプレーサ容器２とのギャップ部１ａを通過する冷媒と熱交換する高比熱材６ａがリング状に熱的に接触させて設けられている。この高比熱材６ａは、シリンダ１の外側面において、少なくとも一段、すなわち、温度勾配方向に沿って互いに断熱距離をおいて多重に設置されている。

本実施の形態によれば、ディスプレーサ容器２の外側面に高比熱材６ａを断熱距離をおいて多重に設置することにより、リーク冷媒との熱交換効率をさらに高めて、流入するリーク冷媒の温度を低下させ、熱侵入量を低下させることができる。

図１０は、本発明の第１０の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図である。図２と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

上述した実施の形態においては、蓄冷式冷凍機３１ｊを構成するディスプレーサ容器２の高温端側にシール７を一つ設け、補助的にシリンダ１とディスプレーサ容器２とのギャップ部１ａを通過するリーク冷媒を冷却する様々な熱交換部を用いてきた。

ここでは、シール７の位置は特に特定はせずに、一例として、図１０に示すように、ディスプレーサ容器２の高温端及び低温端の両端にシール７を設ける構成としている。

本実施の形態によれば、ディスプレーサ容器２の高温端及び低温端の両端にシール７を設けることにより、リーク冷媒との熱交換効率を高めて、流入するリーク冷媒の温度を低下させ、熱侵入量を大幅に低下させることができる。

図１１は、本発明の第１１の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図である。図２と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

上述した実施の形態においては、蓄冷式冷凍機３１ｋを構成するディスプレーサ容器２の高温端側にシール７を設け、シリンダ１とディスプレーサ容器２とのギャップ部１ａを通過するリーク冷媒を冷却する様々な熱交換部を用いてきた。

ここでは、シール７を設定せずに、一例として、図１１に示すように、シリンダ１とディスプレーサ容器２とのギャップ部１ａの距離を小さくする領域であるディスプレーサ容器ギャップ減少部２７をディスプレーサ容器２のある部分又は全体に渡って形成する構成としている。このとき、ギャップ距離が狭い領域においては、シリンダ２との摺動性能を考慮して、低摩耗材等の摺動部材をディスプレーサ容器２の外側面に装着又はコーティングするとなお良い。

本実施の形態によれば、ディスプレーサ容器２のある部分又は全体に渡ってディスプレーサ容器ギャップ減少部２７を形成することにより、リーク冷媒との熱交換効率を高めて、流入するリーク冷媒の温度を低下させ、熱侵入量を低下させることができる。

図１２は、本発明の第１２の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図である。図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

上述の実施の形態においては、２段式冷凍機の２段部に適用した実施の形態を示したが、単段冷凍機及び複数段冷凍機においても適用でき、ディスプレーサ容器２をなくし、代わりに、貫通孔が形成された蓄冷材３ａを有するディスプレーサ２８について説明する。

図１２に示すように、蓄冷式冷凍機３１ｍを構成するディスプレーサ２８は、メッシュ又はポーラス状の貫通孔が形成された板状の蓄冷材３ａが積層されている。この蓄冷材３ａの外側面には、シリンダ１の内壁と金属同士が接触しないように、薄肉のテフロンシート（テフロン：登録商標）等の摺動部材２０が設けられている。この摺動部材２０は、内部の冷媒を閉じ込める機密性、蓄冷材を閉じ込める強度を必要としないために薄肉にでき、かつ、積極的にシリンダ１とのギャップ部１ａを冷却するために孔を施工してもよい。この蓄冷材３ａの両側を挟みこんで、強度を持った高温側押え板２１及び低温側押え板２２が設けられている。この高温側押え板２１には、高温端冷媒通気４が形成されている。低温端冷媒通気口５は、シリンダ１の内壁と低温側押え板２２との間に形成されている。この蓄冷材３ａ、高温側押え板２１及び低温側押え板２２は、押えネジ２３により貫通され拘束されている。なお、この実施例において押えネジ２３の例で示したが、棒にボルト止め、バネによる支持等各種押え部材によって構成することができる。

本実施の形態によれば、貫通孔が形成された蓄冷材３ａを有するディスプレーサ２８を設けることにより、蓄冷材３ａ内の冷媒と、シリンダ１とディスプレーサ２８とのギャップ部１ａを通過するリーク冷媒を完全に混合して、リーク冷媒との熱交換効率を高めて、流入するリーク冷媒の温度を低下させ、熱侵入量を低下させることができる。

かくして、ディスプレーサ容器が不要となり、かつ、リークによる熱侵入も蓄冷材外周面で冷却されるために、熱侵入量を大幅に低減することができる。

図１３は、本発明の第１３の実施の形態の蓄冷式冷凍機を示す構成図である。図１１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図１３に示すように、蓄冷式冷凍機３１ｎを構成するディスプレーサ２８は、メッシュ又はポーラス状の貫通孔が形成された板状の蓄冷材３ａが積層されている。この蓄冷材３ａの外側面には、シリンダ１の内壁と金属同士が接触しないように、薄肉のテフロンシート（テフロン：登録商標）等の摺動部材２０が設けられている。この蓄冷材３ａの両側を挟みこんで、強度を持った高温側押え板２１及び低温側押え板２２が設けられている。

さらに、この積層された各蓄冷材３ａの間には、扇状等の流路遮蔽板２４が順次位相をずらしながら挟み込まれている。この蓄冷材３ａ、流路遮蔽板２４、高温側押え板２１及び低温側押え板２２は、押えネジ２３により貫通され拘束されている。

本実施の形態によれば、積層された各蓄冷材３ａの間に流路遮蔽板２４を順次位相をずらしながら挟み込んで設けることにより、部分的に蓄冷材３ａ内の流路を遮蔽し、螺旋状の冷媒流路が形成される。これにより、シリンダ１の内壁のギャップ部を通る冷媒が螺旋状に旋回しながら流入し排気されるために、シリンダ１との熱交換の効率が向上し、流入するリーク冷媒の温度を低下させ、熱侵入量を低下させることができる。

さらに、ディスプレーサ２８の円筒側面部の厚みが不要となるために、同じ蓄冷材の量を用いた構成においては、シリンダ１の直径を小さくすることが可能となり、冷凍機コールドヘッドの小型化も可能となる。

なお、この流路遮蔽板２４を設けることによる螺旋流の実施例は、ディスプレーサ容器２側面の壁にディスプレーサ容器側面孔１７を形成した図４乃至６に示した構成においても有効である。また、図１２、図１３は１段式冷凍機の構成図を示したが、多段式冷凍機においても同様の構成が可能である。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、各実施の形態の構成を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１…シリンダ、１ａ,１ｂ…ギャップ部、２…ディスプレーサ容器、３,３ａ…蓄冷材、４…高温端冷媒通気口、５…低温端冷媒通気口、６，６ａ…高比熱材、７…シール、８…モータ、９…給排気切替弁、１０…給排気切替弁駆動カム、１１…ディスプレーサ駆動カム、１２…ディスプレーサ駆動シャフト、１３…モータケース、１４…給気継手、１４ａ…配管、１５…排気継手、１６…ディスプレーサ容器薄肉部、１７…ディスプレーサ容器側面孔、１８，２７…ディスプレーサ容器ギャップ減少部、１９…ディスプレーサ容器冷媒熱交換器、２０…摺動部材、２１…高温側押え板、２２…低温側押え板、２３…押えネジ、２４…流路遮蔽板、２５…ＧＭ冷凍機、２６…冷却ステージ、２８…ディスプレーサ、３１，３１ａ,３１ｂ,３１ｃ，３１ｄ,３１ｅ,３１ｆ,３１ｇ，３１ｈ,３１ｊ,３１ｋ,３１ｍ，３１ｎ…蓄冷式冷凍機。

Claims (9)

1. ディスプレーサをシリンダ内部で往復動させ、このシリンダ端部の底面及び前記ディスプレーサの外側面で形成される空間容積及び容積内圧力を周期的に変動させる熱サイクルにより寒冷を発生させる蓄冷式冷凍機において、
   前記ディスプレーサの内部には蓄冷材が充填され、かつ、前記ディスプレーサの外側面には、前記シリンダと前記ディスプレーサとのギャップ部を通過する冷媒と前記蓄冷材とが熱交換する高比熱材が少なくとも一段設けられていること、
   を特徴とする蓄冷式冷凍機。
2. ディスプレーサをシリンダ内部で往復動させ、このシリンダ端部の底面及び前記ディスプレーサの外側面で形成される空間容積及び容積内圧力を周期的に変動させる熱サイクルにより寒冷を発生させる蓄冷式冷凍機において、
   前記ディスプレーサの内部に蓄冷材が充填され、かつ、前記ディスプレーサの外側面には側面孔が形成され、この側面孔によって前記シリンダと前記ディスプレーサとのギャップ部並びに前記蓄冷材が充填されている空間を連結すること、
   を特徴とする蓄冷式冷凍機。
3. 前記側面孔は円周方向に複数開けられ、この側面孔の上下方向に前記シリンダと前記ディスプレーサとのギャップの距離が他の部分のギャップの距離よりも小さくなるギャップ減少部を少なくとも一段設けてなること、を特徴とする請求項２に記載の蓄冷式冷凍機。
4. ディスプレーサをシリンダ内部で往復動させ、このシリンダ端部の底面及び前記ディスプレーサの外側面で形成される空間容積及び容積内圧力を周期的に変動させる熱サイクルにより寒冷を発生させる蓄冷式冷凍機において、
   前記ディスプレーサの内部に蓄冷材が充填され、かつ、前記ディスプレーサの外側面には、前記シリンダと前記ディスプレーサとのギャップ部を通過する冷媒と前記蓄冷材とが熱交換する熱伝導体を含む冷媒熱交換器が少なくとも一段設けられていること、
   を特徴とする蓄冷式冷凍機。
5. 前記熱伝導体は、銅及びアルミニウムの少なくとも一種から作製されること、を特徴とする請求項４に記載の蓄冷式冷凍機。
6. ディスプレーサをシリンダ内部で往復動させ、このシリンダ端部の底面及び前記ディスプレーサの外側面で形成される空間容積及び容積内圧力を周期的に変動させる熱サイクルにより寒冷を発生させる蓄冷式冷凍機において、
   前記シリンダの外側面には、前記シリンダと前記ディスプレーサとのギャップ部を通過する冷媒と熱交換する高比熱材が少なくとも一段設けられていること、
   を特徴とする蓄冷式冷凍機。
7. 前記高比熱材は、銅、ステンレス、鉛、希土類化合物及び酸化物化合物の少なくとも一種から作製されること、を特徴とする請求項１又は６に記載の蓄冷式冷凍機。
8. ディスプレーサをシリンダ内部で往復動させ、このシリンダ端部の底面及び前記ディスプレーサの外側面で形成される空間容積及び容積内圧力を周期的に変動させる熱サイクルにより寒冷を発生させる蓄冷式冷凍機において、
   前記ディスプレーサは、
   貫通孔が形成され積層された板状の蓄冷材と、
   この蓄冷材の外側面に設けられた摺動部材と、
   この蓄冷材を挟み込んで設けられた高温側押え板及び低温側押え板と、
   この蓄冷材、高温側押え板及び低温側押え板を貫通して拘束する押え部材と、
   を具備することを特徴とする蓄冷式冷凍機。
9. 前記蓄冷材の層間には、位相をずらしながら扇形の流路遮蔽板が設けられること、を特徴とする請求項８に記載の蓄冷式冷凍機。

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