JP3363697B2 - 冷凍装置 - Google Patents
冷凍装置Info
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- JP3363697B2 JP3363697B2 JP08543796A JP8543796A JP3363697B2 JP 3363697 B2 JP3363697 B2 JP 3363697B2 JP 08543796 A JP08543796 A JP 08543796A JP 8543796 A JP8543796 A JP 8543796A JP 3363697 B2 JP3363697 B2 JP 3363697B2
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Description
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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）。
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）。
【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。
ールドヘッド１５が冷却される。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【図３】従来のスターリング冷凍装置の断面図である。
【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。
である。
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
─────────────────────────────────────────────────────
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
(56)参考文献 特開 平８−42932（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−151411（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
F25B 9/14 520
F25B 9/14 510
Claims (5)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08543796A JP3363697B2 (ja) | 1996-04-08 | 1996-04-08 | 冷凍装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08543796A JP3363697B2 (ja) | 1996-04-08 | 1996-04-08 | 冷凍装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09273823A JPH09273823A (ja) | 1997-10-21 |
| JP3363697B2 true JP3363697B2 (ja) | 2003-01-08 |
Family
ID=13858844
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08543796A Expired - Fee Related JP3363697B2 (ja) | 1996-04-08 | 1996-04-08 | 冷凍装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3363697B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6071917B2 (ja) * | 2014-02-05 | 2017-02-01 | 株式会社東芝 | スターリング冷凍機 |
-
1996
- 1996-04-08 JP JP08543796A patent/JP3363697B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09273823A (ja) | 1997-10-21 |
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