JP6054079B2 - スターリング型冷凍機 - Google Patents
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Description
周知のように、パルス管冷凍機は、シリンダーおよびピストンで構成された圧縮部と、パルス管で構成された膨張部とを蓄冷器を介して連通させ、シリンダー内を圧縮ピストンが往復してパルス管内のガスの圧縮および膨張を繰り返し行なうとともに、圧縮ピストンの移動とパルス管内のガスの圧縮・膨張との間に所定の位相差を持たせることにより、パルス管で構成された膨張部に寒冷を発生させるように構成されている。
なお図6(a)は圧縮ピストン5の膨張時を、図6(b)は圧縮時をそれぞれ示している。
図7の場合、圧縮ピストン5とシリンダー6間のギャップをミクロンオーダーで管理をすることで、ギャップの圧損により圧縮ガスのリーク量を低減することができる。
以下、図1を参照して実施形態1について説明する。
(構成)
図1は本実施形態1に係るスターリング型パルス管冷凍機の概略構成図であり、図1(a)は圧縮部7aが膨張している状態を示し、図1(b)は圧縮部7aが圧縮されている状態を示す。
本実施形態1に係るスターリング型パルス管冷凍機は、図6および図7に示した従来例と同じ種類のスターリング型パルス管冷凍機であるが、以下の点で構造上異なっている。
電着ベローズ20は、ベローズの蛇腹形状に合わせて製作されたマンドレルの表面にニッケル等の金属を電解メッキして必要十分な厚さの金属皮膜を形成させ、その後溶剤にてマンドレルだけを分解し取り除くことにより形成される(例えば、特開2002−60987号公報を参照)。電着ベローズ20は成型ベローズと比較してベローズを構成する金属皮膜の厚みを均一に製造することができるため、ベローズの伸縮ストローク、伸縮回数と、繰り返し応力による機械的な寿命との相関を計算により割り出すことが容易であり、また、高信頼性、長寿命が要求される冷凍機への適用が可能である。さらに、ベローズの製造時に寿命の予測が可能である。またさらに、ベローズの形状は、成型ベローズに比較して自由度があり、かつ小型化も容易であるため、従来部品の加工精度で実現できなかった小型化も容易である。
第1の外部駆動源1の電磁石2を交流で励磁すると、電磁石2および永久磁石3間に発生する磁気吸引力または磁気反発力によって、永久磁石3は電磁石2の内部空間部を図示左右に周期的に往復動し、駆動軸4を介して電着ベローズ20自体の圧縮および伸長を行なう。これによって圧縮部7aの容積は、圧縮(図1(b))と、膨張(図1(a))とを周期的に繰り返し、圧力変動が周期的に行なわれる。
以上述べたように、本実施形態1のスターリング型パルス管冷凍機は、板バネ機構等の複雑な構成を採用していないので、高信頼性と低コストを両立させることができる。また、シリンダーおよびピストンによる従来の圧縮部に替えて、ベローズによる圧縮部を形成したので、摺動シール部がなく、かつ圧縮部の気密性に優れているため、磨耗やリークによる冷凍性能の劣化はほとんど生じない。さらに、ベローズとして均一な板厚に製作可能な電着ベローズを採用したので、機械的な寿命が大幅に向上させることができる。さらにまた、冷媒ガスを充填している圧縮部その他の部品をすべて金属で構成することが可能であるため、冷媒ガスの充填前に、アウトガス低減のためのベーキング処理(加熱+真空引き)を容易に行うことができ、アウトガスによる冷媒不純物の発生による冷凍性能の劣化も抑えることができる。
なお、図1では位相制御機構として配管15がオリフィス機能を備えた例を示したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば、ダブルインレット式、ダブルピストン式、ネックチューブ式等の他の位相制御機構を採用しても差し支えない。
以下、図2を参照して実施形態2について説明する。
図2は本実施形態2に係るスターリング型冷凍機の概略構成図である。
本実施形態2は、前述の実施形態1で採用した中空のパルス管で構成した膨張部14の代わりに、前述した電着ベローズ20と同様に円筒カップ形状に形成され電着ベローズ21を低温熱交換器13の管板に気密に取付けて膨張部22を構成し、この電着ベローズ21の閉塞板部の外側面に前記第1の外部駆動源1と同じリニアモータアクチュエータで構成された第2の外部駆動源23の駆動棒26を取付け、この第2の外部駆動源23によって圧縮部7a側の圧力変動の位相に対して、膨張部22側の圧力変動の位相を所定の位相差だけ保つように制御して膨張部22で寒冷を発生させる構成としたものである。なお、24、25はそれぞれ第2の外部駆動源23を構成する円筒形の電磁石および永久磁石である。
以下、図3を参照して実施形態3について説明する。
図3は本実施形態3に係るスターリング型冷凍機の概略構成図である。
本実施形態3は、前述した実施形態2の膨張器22の容積を変化させる手段として、第2の外部駆動源23の代わりに、適切に調整された位相シフト用重り27を電着ベローズ21の閉塞板部の外側面に固定するようにしたものである。
以下、図4を参照して実施形態4について説明する。
図4は本実施形態4に係るスターリング型パルス管冷凍機の概略構成図である。
本実施形態4に係るスターリング型パルス管冷凍機は、図1のスターリング型冷凍機と同じ種類のスターリング型パルス管冷凍機であるが、図1のスターリング型冷凍機と異なる点は、電着ベローズ20および第1の外部駆動源1を圧力容器28で一体的に包囲し、その圧力容器28の内部空間にガスを充填することを特徴とするものである。
以下、図5を参照して実施形態5について説明する。
図5は本実施形態5に係るスターリング型パルス管冷凍機の概略構成図であり、図5(a)は圧縮部7aが膨張している状態を示し、図5(b)は圧縮部7aが圧縮されている状態を示す。
Claims (6)
- 冷媒ガスが充填された圧縮部と、前記圧縮部に連通する高温熱交換器と、前記高温熱交換器に連通する蓄冷器と、前記蓄冷器に連通する低温熱交換器と、前記低温熱交換器に隣接する膨張部と、を備え、前記圧縮部側の圧力変動と前記膨張部側の圧力変動とに所定の位相差を設けるようにして前記膨張部に寒冷を発生させるようにしたスターリング型冷凍機において、
前記圧縮部は、ほぼカップ形状に形成されたベローズの開口縁部を前記蓄冷器の外径と同径の外径を有する前記高温熱交換器の管板側の外周部に気密に取付けたことにより形成され、
前記ベローズは、前記ベローズを構成する金属皮膜の厚みが均一の電着ベローズであり、
前記ベローズの閉塞板部に、周期的に往復動する第1の外部駆動源が取付けられ、
前記ベローズ自体の圧縮および伸長により、前記圧縮部の容積が周期的に変動することを特徴とするスターリング型冷凍機。 - 前記膨張部は、中空のパルス管により構成され、かつ、前記膨張部にオリフィスを有する配管とバッファタンクとからなる位相制御機構が連通していることを特徴とする請求項1記載のスターリング型冷凍機。
- 前記膨張部は、ほぼカップ形状に形成された膨張部用ベローズの開口縁部を前記蓄冷器の外径と同径の外径を有する前記低温熱交換器の外周部に気密に取付けたことにより形成され、かつ、前記膨張部用ベローズの閉塞板部に前記第1の外部駆動源とは別の第2の外部駆動源または調整重りが取付けられ、
前記第2の外部駆動源または調整重りにより、前記圧縮部側の圧力変動と前記膨張部側の圧力変動との間に所定の位相差を設け、前記膨張部に寒冷を発生させることを特徴とする請求項1記載のスターリング型冷凍機。 - 前記第1の外部駆動源が、前記閉塞板部の外側面に取付けられ、前記ベローズの伸長、収縮に応じて前記圧縮部の容積を膨張、圧縮させることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のスターリング型冷凍機。
- 前記ベローズが、前記高温熱交換器の管板側の外周部に気密に取付けた円筒体を介して、前記ベローズの閉塞板部を前記高温熱交換器側に向けた状態で、前記円筒体内に収納され、
前記圧縮部が、前記円筒体の開口端に前記ベローズの開口縁部を気密に取付けたことにより形成され、
前記第1の外部駆動源が、前記閉塞板部の内側面に取付けられ、前記ベローズの伸長、収縮とは逆に前記圧縮部の容積を圧縮、膨張させることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のスターリング型冷凍機。 - 前記ベローズは、当該ベローズの内部の冷媒の圧力よりも高い気体が充填されている圧力容器内に収容されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のスターリング型冷凍機。
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