JP2014020719A - スターリング型冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】板バネ構成等の複雑な構成にしないで高信頼性と低コストを両立させる。
【解決手段】冷媒ガスが充填された圧縮部７ａと、圧縮部７ａに連通する高温熱交換器９と、高温熱交換器９に連通する蓄冷器１１と、蓄冷器１１に連通する低温熱交換機１３と、低温熱交換機１３に隣接する膨張部１４と、を備え、圧縮部７ａ側の圧力変動と膨張部１４側の圧力変動とに所定の位相差を設けるようにして膨張部１４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、圧縮部７ａは、ほぼカップ形状に形成されたベローズ２０の開口縁部２０１を高温熱交換器９に気密に取付けられることによって形成され、かつ、ベローズ２０の閉塞板部２０２に第１の外部駆動源１を取付けて圧縮部７ａの容積を周期的に変動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍性能および機械的な寿命の向上を図ったスターリング型冷凍機に関する。

スターリング型冷凍機は、熱力学的にカルノー効率と同じ冷凍効率が得られるため、高い冷凍効率が得られるという特徴を有している。そのため、液化等のキロワット（ｋＷ）級の高い冷凍能力が必要な大型冷凍機や、宇宙用等で小型軽量が必要なミリワット（ｍＷ）級の小型冷凍機として開発が進んでいる。一方、その中間の数ワットから数百ワット級の冷凍機では、エアコンのコンプレッサの流用により安価に製造が可能なギフォード・マクマホン（ＧＭ）型冷凍機が普及している。

図６はスターリング型冷凍機として代表的なパルス管冷凍機の概略構成を示す図である。
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。

以下、図６を参照してスターリング型パルス管冷凍機の詳細を説明する。
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。

１は圧縮部を構成する圧縮ピストン５をシリンダー６内で往復動させるための外部駆動源として機能するリニアモータアクチュエータであり、円筒形状の電磁石２とその内部空間に移動可能に配置された永久磁石３とから構成され、電磁石２を交流で励磁すると、永久磁石３が軸方向に周期的に往復動し、この永久磁石３から駆動軸４を介して圧縮ピストン５がシリンダー６内で周期的に往復動するようになっている。圧縮ピストン５は、シリンダー６内で対向する高温熱交換器９の管板との間に圧縮部７を形成しているので、圧縮ピストン５の往復動によって圧縮部７の容積すなわち圧力変動が周期的に変化するようになっている。

圧縮部７の内部にはヘリウム等の冷媒ガス（作動ガス）が充填されており、この冷媒ガスは圧縮ピストン５の往復動により周期的な圧力変動を生じ、圧縮部７に連通して設けられた高温熱交換器９に導入される。冷媒ガスが圧縮されたことにより発生した圧縮熱は高温熱交換器９の外周に設けた放熱板１０を介して外部熱源に放熱される。

そして、高温熱交換器９を通過した高圧の冷媒ガスは、高温熱交換器９に連通して設けられた蓄冷器１１内に充填された蓄冷材１２の隙間を通り抜ける際に高圧状態を維持したまま蓄冷材１２と熱交換して冷却され、低温熱交換器１３を経て中空のパルス管で構成された膨張部１４へと導かれ、さらに、配管１５およびバッファタンク１６からなる位相制御機構に導かれる。配管１５の一部はオリフィス機能を有するように細管で構成され、この配管１５とバッファタンク１６とからなる位相制御機構によって、圧縮ピストン５の移動と膨張部１４内の冷媒ガスの圧縮・膨張との間の位相差を制御して、膨張部１４内に寒冷を発生させる。

周囲温度より下がった冷媒ガスは、膨張部１４から低温熱交換機１３に戻る際に吸熱板（冷却ステージ）１７を介して外部の被冷却体の熱を奪い、さらに再び蓄冷器１１、高温熱交換器９で熱交換して温度が上昇し、圧縮部７へと戻る。

ところで、図６の圧縮部７では、圧縮ピストン５とシリンダー６との間の摺動部にある程度の大きさのギャップが存在すると、圧縮された冷媒ガスはそのギャップを通り抜けて圧縮ピストン５の背面空間部にリークするために高い圧縮比を得ることができず、冷凍効率の低下を招く。

この冷凍効率の低下を防止するために、圧縮ピストン５の外周部に環状の摺動シール８を嵌めるようにしているが、この摺動シール８は磨耗するために長時間の運転には限界がある。したがって、冷凍機を効率的に運転するためには、定期的に摺動シール８の交換等のメンテナンス作業が必要となる。

図７は図６のパルス管冷凍機を改良したスターリング型パルス管冷凍機の例を示す概略構成図であり、摺動シール８を設けずにギャップの圧損によりリーク量を低減する構成のクリアランスシール方式の冷凍機の圧縮機部の構成を示す。
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。

このクリアランスシール方式の冷凍機は磨耗部分が実質的にないために高寿命冷凍機として宇宙用等で採用されているが、一方でギャップ管理のために、圧縮ピストン５の往復動の直進性を精度よく保つため（圧縮ピストン５とシリンダー６が衝突しないため）に、円筒形電磁石２の両端部に複数枚の板バネ１８を配置し、かつ、圧縮ピストン５とシリンダー６間のギャップが圧縮ピストン５の円周方向に均一になるように精密な組立調整をしている。このように構成することで冷凍機の信頼性は大幅に向上するが、複雑な構成と精密な組立精度が必要なことから高コストとなり、かつ、圧縮ピストン５のストロークを増やすためには板バネ１８の直径を大きくせざるを得ず、この結果として冷凍機が大きくなるという課題があった。

特開平１１−２４３８号公報 特開平１１−２４３９号公報 特開平１１−２４７０号公報 特許第２９４３０３０号公報 特開２００１−２４１７９５号公報

耐久性に課題のある圧縮ピストン５の摺動シール８をなくすために設けた直進性の高い板バネ１８の構造は、複雑な構成と精密な加工および組立精度を必要としているため、スターリング型冷凍機の普及を妨げている要因の一つになっている。

そこで本発明は、上述した課題を解決するために、板バネ機構等の複雑な構成を採用せずに、高信頼性と低コストとを両立させることのできるスターリング型冷凍機を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明によるスターリング型冷凍機は、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機と、前記低温熱交換機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高温熱交換器に気密に取付けられることによって形成され、かつ、前記ベローズの閉塞板部に第１の外部駆動源を取付けて前記圧縮部の容積を周期的に変動させることを特徴とする。

本発明によるスターリング型冷凍機は、板バネ構成等の複雑な構成を採用しないので、高信頼性と低コストを両立させることができる。

本発明の実施形態１に係るスターリング型パルス管冷凍機の概略構成図。 本発明の実施形態２に係るスターリング型冷凍機の概略構成図。 本発明の実施形態３に係るスターリング型冷凍機の概略構成図。 本発明の実施形態４に係るスターリング型パルス管冷凍機の概略構成図。 本発明の実施形態３に係るスターリング型パルス管冷凍機の概略構成図。 従来のスターリング型パルス管冷凍機の一例を示す概略構成図。 従来のスターリング型パルス管冷凍機の別の例を示す概略構成図。

以下、図面を参照して本発明に係るスターリング型冷凍機の実施形態について説明する。なお、各図を通して共通する要素、部品については同一符号もしくは関連符号を付けることによって重複する説明は適宜省略する。

（実施形態１）
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。

すなわち、圧縮ピストン５、シリンダー６および高温熱交換器９の管板によって圧縮部７を構成する代わりに、ベローズ（以下、電着ベローズという）２０を高温熱交換器９の管板側に気密に取付けて内部に冷媒ガスを充填して圧縮部７ａを構成し、この電着ベローズ２０をリニアモータアクチュエータ等で構成された外部駆動源１（以下、後述する外部駆動源２３と区別するために、第１の外部駆動源１と呼称する）で圧縮および伸長を周期的に繰り返すことによって圧縮部７ａの容積変化（すなわち、圧力変動）を行なうように構成したことを特徴とするものである。その他の部品や要素は図６および図７に示したスターリング型パルス管冷凍機に使用したものと同じなので説明は省略する。

本実施形態１のスターリング型パルス管冷凍機で採用した電着ベローズ２０の形状は、軸方向の一方の端部を開口縁部２０_１とし、他端部を閉塞板部２０_２とし、そして中間部を蛇腹部としたほぼ円筒カップ形状に形成されている。そして、電着ベローズ２０の閉塞板部２０_２の外側面は、第１の外部駆動源１と対向するように配置されてその中心部に駆動軸４が固定され、一方、開口縁部２０_１は高温熱交換器９の管板側の外周部に気密に取付けられる。このように形成された電着ベローズ２０と高温熱交換器９との間の空間部にヘリウム等の冷媒ガスを充填することによって圧縮部７ａが形成される。

次に、電着ベローズ２０の特徴について説明する。
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、特公平３−２０３４１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。

（作用）
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。

電着ベローズ２０の伸縮によって圧縮部７ａの容積が圧縮および膨張を周期的に繰り返すと、冷媒ガスは、圧縮・膨張を繰り返し、高温熱交換器９、蓄冷器１１、低温熱交換器１３、パルス管による膨張部１４を通り、配管１５およびバッファタンク１６からなる位相制御機構に達する一連の系の中を往復動する。

その際、配管１５およびバッファタンク１６からなる位相制御機構は、圧縮部７ａからほぼ正弦波的な圧力振幅を伴って送り出された流体の圧力変化と流量変化との間に位相差を発生させる。その結果、パルス管で構成した膨張部１４内で圧力と流量との間に位相差が生じ、膨張部１４内に寒冷を発生させる。

以上のように、本実施形態１によるスターリング型パルス管冷凍機は、第１の外部駆動源１の永久磁石３を周期的に往復動させて、電着ベローズ２０の容積を圧縮、伸長させることにより圧縮部７ａ内に充填した冷媒ガスを周期的に圧縮および膨張させ、パルス管で構成した膨張部１４内の冷媒ガスの圧力変化と流量変化との間で位相差を生じさせて、膨張部１４内に寒冷を発生させる。

（効果）
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。

このように、本実施形態１によるスターリング型パルス管冷凍機は、従来機に比較して性能を維持する寿命を大幅に向上させることができる。

（実施形態１の変形例）
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。

（実施形態２）
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を低温熱交換機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。

本実施形態２のスターリング型冷凍機は、膨張部２２側の第２の外部駆動源２３で、圧縮器７ａ側の第１の外部駆動源１とは所定の位相差を保って電着ベローズ２１を往復動させることにより、実施形態１における配管１５とバッファタンク１６とから構成された位相制御機構と同様に膨張部２２内に寒冷を発生させることができる。

（実施形態３）
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。

本実施形態３のスターリング型冷凍機は、リニアモータアクチュエータ等の外部駆動源を用いなくても、簡便な調整重り２７によって圧縮部７ａの圧力変動と膨張器２２の圧力変動とに適切な位相差をもたせて寒冷発生量の最適化を図ることができる。

（実施形態４）
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。

この圧力容器２８内には、冷凍機と同じヘリウム等の冷媒ガスを充填してもよく、あるいは、別の種類のガス（空気等）でもよい。冷媒ガスと同じ種類のガスの場合は、冷凍機内に充填する冷媒と同様に初期充填し、バルブ等により封止して冷凍機内とは別の空間とするか、あるいは圧損をつけて連結し、常に平均圧力が冷凍機内と同じようにしておくことができる。

このように、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した構成とすることで、電着ベローズ２０に加える駆動力を低減させることができる。その理由は、電着ベローズ２０の内部空間（圧縮部７ａ）と外部空間との差圧が減少するためである。なお、外側空間の圧力を内部空間（圧縮部７ａ）よりも若干高い圧力に保持すると、電着ベローズ２０には外周からの差圧が加わるため、電着ベローズ２０の往復動が安定化するという長所がある。

以上述べたように、本実施形態４のスターリング型パルス管冷凍機によれば、第１の外部駆動源１を圧力容器２８で一体的に包囲するようにしたので、第１の外部駆動源１の駆動力を低下させることができ、冷凍効率を向上させることができる。また、電着ベローズ２０の内部空間（圧縮部７ａ）の圧力よりも外側の圧力を高めることにより、安定した運転が可能となる。

（実施形態５）
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。

本実施形態５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を取付ける向きが異なる点である。

すなわち、本実施形態５のスターリング型パルス管冷凍機は、高温熱交換器９の端部に円筒体２９を取付けることによって円筒体２９内部に空間部を形成し、この円筒体２９の開口部に対して、図１の場合とは逆向き状態の電着ベローズ２０ａの開口縁部を気密に取付けることによって円筒体２９内に電着ベローズ２０ａ全体が収納されるようにして前記圧縮部７ａを形成し、さらに、電着ベローズ２０の閉塞板部の内側面の中心部に駆動軸４を固定することを特徴とするものである。なお、円筒体２９と電着ベローズ２０ａとを予め別部品とせず、両者を一体的に構成してもよい。

図５（ａ）は、電着ベローズ２０ａが収縮して圧縮部７ａが膨張している状態にあり、この状態でリニアモータアクチュエータ１の駆動軸４を図示右側に移動させると、図５（ｂ）のように電着ベローズ２０ａが膨張して円筒体２９の内部まで伸長し、それにしたがって円筒体２９と電着ベローズ２０ａとで形成した圧縮部７ａの容積が収縮する。

本実施形態５のスターリング型パルス管冷凍機は、第１の外部駆動源１の電磁石２を交流で励磁することによって図５（ａ）に示す収縮状態と、図５（ｂ）に示す膨張状態を周期的に繰返す。このとき、円筒体２９と電着ベローズ２０ａとで構成する圧縮部７ａ内には高圧の冷媒ガスが存在し、電着ベローズ２０ａの内側は大気圧となる。この結果、前述した実施形態４と同様に電着ベローズ２０ａには外周から力が加わるようになり、安定した運転が可能となる。

本実施形態５のスターリング型パルス管冷凍機はこのように構成した結果、電着ベローズ２０ａは、往復動するような動きの間も、安定した形状を保ちやすくなり、冷凍機の制御性、安定性が向上する。

なお、以上述べた実施形態１乃至５では、ベローズ２０として電着ベローズを採用したが、電着ベローズと同様の高信頼性、長寿命を備えたベローズがあれば、電着ベローズに替えて採用するようにしても良い。その他、以上述べた実施形態は例として提示したものであって発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…第１の外部駆動源（リニアモータアクチュエータ）、２…電磁石、３…永久磁石、４…駆動軸、７ａ…圧縮部、９…高温熱交換器、１０…放熱板、１１…蓄冷器、１２…蓄冷材、１３…低温熱交換器、１４…膨張部（パルス管）、１５…配管、１６…バッファタンク１７…吸熱板（冷却ステージ）、２０、２０ａ…電着ベローズ、２０_１…電着ベローズの開口縁部、２０_２…電着ベローズの閉塞板部、２１…電着ベローズ、２２…膨張部、２３…第２の外部駆動源（リニアモータアクチュエータ）、２４…電磁石、２５…永久磁石、２６…駆動棒、２７…位相シフト用重り、２８…圧力容器、２９…円筒体。

Claims (7)

1. 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機と、前記低温熱交換機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高温熱交換器に気密に取付けられることによって形成され、かつ、前記ベローズの閉塞板部に第１の外部駆動源を取付けて前記圧縮部の容積を周期的に変動させることを特徴とするスターリング型冷凍機。
2. 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を連通させた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。
3. 前記膨張部は、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低温熱交換機に気密に取付けられることによって形成され、かつ、前記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を取付けて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。
4. 前記ベローズは、前記閉塞板部の外側面を前記第１の外部駆動源に取付けられ、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。
5. 前記ベローズは、前記閉塞板部の内側面を前記第１の外部駆動源側に取付けられ、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。
6. 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。
7. 前記ベローズは、電着により成型された電着ベローズであることを特徴とする請求項１乃至６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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