JPH02230062A - フリーディスプレーサ型スターリング冷凍機 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、ディスプレーサの往復動によりシリンダ内膨
張室で冷媒ガスを膨張させてシリンダ先端のコールドヘ
ッドに寒冷を発生させるようにしたフリーディスプレー
サ型スターリング冷凍機に関する。

（従来の技術） 従来より、このフリーディスプレーサ型スターリング冷
凍機は、極低温レベルの寒冷を発生させる小型冷凍機の
一種として知られている。この冷凍機は，、冷媒ガスを
圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出された冷媒ガスを
膨張させる膨張機とを組み合わせたものであり、上記圧
縮機は、冷媒ガスをガス圧が例えばサインカーブ等の特
性をもって所定周期で経時変化するように圧縮するもの
が使用される。一方、膨張機は、先端が閉塞されたシリ
ンダと、該シリンダ内に往復動自在に嵌装され、シリン
ダ内を先端側の膨張室及び基端側の作動室に区画形成す
るフリーディスプレーサと、該ディスプレーサを往復動
可能に弾性支持するスプリングとを備えてなるもので、
上記作動室は上記圧縮機に接続されており、圧縮機から
の冷媒ガス圧によりディスプレーサを往復動させて冷媒
ガスを膨張室で膨張させることにより、シリンダ先端の
コールドヘッドに寒冷を発生させるようになされている
（例えば”Ａ　Ｓｍａｌｌ　Ｆｒｅｅ−Ｐｉｓｔｏｎ　
Ｓｔｌｒｌｌｎｇ　Ｒｅｌ’ｒ１ｇｅｒａｔｏｒ　　．
＾．Ｋ．Ｊｏｎｇｅ等参照）０（発明が解決しようとす
る課題） ところで、この種の冷凍機においては、上記ディスプレ
ーサをその質量（マス）とスプリングのばね定数とで決
まる共振周波数から僅かにずれた周波数で駆動するよう
に設定されており、この共振周波数から大きく外れた駆
動周波数では運転ができない。このため、冷凍機のクー
ルダウン時や冷却負荷が増大したときには、それに応じ
て冷凍能力を自由に増大変化させることは困難であった
。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、その目的は
、シリンダにおける膨張室の容積を可変とすることによ
り、冷凍機の冷凍能力を自由に調整できるようにして、
クールダウン等での冷凍能力の増大要求に対処できるよ
うにすることにある。

（課題を解決するための手段） この目的を達成するため、請求項（１）記裁の発明では
、第１図及び第２図に示すように、上記の如く、先端が
閉塞されたシリンダ（■６）と、該シリンダ（１６）内
に往復動自在に嵌装され、シリンダ（１Ｇ）内を先端側
の膨張室（２１）及び基端側の作動室（２２）に区画形
成するフリーディスプレーサ（１８）と、該ディスプレ
ーサ（Ｉ８）を往復動可能に弾性支持する弾性支持手段
（２３）とを備え、上記作動室（２２）は所定周期で冷
媒ガスを発生する圧縮機（１）に接続されており、圧縮
機（１）からの冷媒ガス圧によりディスプレーサ（１６
）を往復動させて冷媒ガスを膨張室（２１）で膨張させ
ることにより、シリンダ（１６）先端のコールドヘッド
（１７）に寒冷を発生させるようにしたフリーディスプ
レーサ型スターリング冷凍機において、上記ディスプレ
ーサ（１６）及び弾性支持手段（２３）をシリンダ軸方
向に移動させて膨張室（２１）の無駄容積を可変とする
駆動手段（３４）を設ける。

また、請求項（２）記載の発明では、膨張室（２１）の
無駄空間を大きくして冷凍能力調整範囲を拡大するため
に、膨張室（２１）に、密閉容器（２５）内の空間を連
通させる構成とする。

（作用） 上記構成により、請求項（１）記栽の発明では、駆動手
段（３４）によりディスプレーサ（１６）及び弾性支持
手段（２３）をシリンダ軸方向に移動させて、膨張室（
２１）の無駄容積を変化させると、それに伴い膨張室（
２１）に出入する冷媒ガスの量が変化して、冷凍能力を
変えることができる。例えばクールダウン後の定常運転
時等で冷凍機の冷凍能力が低くてよいときには、駆動手
段（３４）によりディスプレーサ（１６）及び弾性支持
手段（２３）を膨張室（２１）の無駄容積が小さくなる
ようにシリンダ軸方向に移動させる。この膨張室（２１
）の無駄容積の減少に伴い、膨張室（２１）に出入する
冷媒ガスの量が少なくなるので、冷凍能力が低下する。

一方、クールダウン時や冷却負荷の増大時に、冷凍能力
を増大させるときには、ディスプレーサ（１８）及び弾
性支持手段（２３）を膨張室（２１）の無駄容積が大き
くなるように移動させる。この膨張室（２１）の無駄容
積の増大に伴い、膨張室（２１）に出入する冷媒ガスの
量が多くなるので、冷凍能力が増大する。

また、請求項（ａ記裁の発明では、膨張室（２１）にそ
れとは別個の空間（２８）が連通しているため、全体と
して膨張室（２１）の無駄空間が増大することとなり、
冷凍能力の可変調整範囲を拡大することができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図は本発明の実施例に係るフリーディスプレーサ型
スターリング冷凍機の全体構成を示し、この冷凍機は圧
縮機（１）と膨張機（１３）とで構成されている。上記
圧縮機（１）は、密閉状のハウジング（２）と、該ハウ
ジング（２）内に嵌装固定されたシリンダ（３）と、該
シリンダ（３）内に往復動自在に嵌装され、シリンダ（
３）内空間に圧縮室（４）を区画形成するピストン（５
）と、該ピストン（５）を往復駆動する駆動源としての
りニアモータ（６）とを備えている。このリニアモータ
（６）はシリンダ（３）周りに配置された環状の永久磁
石（７）を有し、この磁石（７）により、シリンダ（３
）の中心と同心の円筒状の間隙（８）に磁界を発生させ
る。上記間隙（８）には中心部にて上記ピストン（５）
に一体固定された略カップ状の可動体（９）の円周部が
往復動可能に配設され、該可動体（９）の外周にはドラ
イブコイル（１０）が巻き付けられている。また、上記
可動体（９）の底面外側（ピストン（５）と反対側）と
ハウジング（２）内底面との間にはピストン（５）を往
復動可能に弾性支持するためのコイルスプリングからな
るピストンスプリング（１１）が架設されており、ドラ
イブコイル（１０）に所定周波数の交流を通電すること
で、間隙（８）内を通る磁界との作用によりコイル（１
０）及び可動体（９）を駆動してピストン（５）をシリ
ンダ（３）内で往復移動させることにより、圧縮室（４
）で所定周期のガス圧を発生させるようになされている
。

一方、上記膨張機（ｌ３）は、第１図に拡大詳示するよ
うに円筒状空洞部（ｌ４）が開口されたハウジング（ｌ
５）を有する。このハウジング（１５）の空洞部（ｌ４
）開口には円筒状シリンダ（１６）が空洞部（ｌ４）と
同心状に基端部にて気密状に嵌合固定され、該シリンダ
（■６）の先端は閉塞されてコールドヘッド（１７）と
されている。このシリンダ（１Ｇ）内にはフリーディス
プレーサ（１８）が往復動自在に嵌装され、ディスプレ
ーサ（１６）によりシリンダ（１６）及びハウジング（
１５）内の空洞部（ｌ４）がシリンダ（１Ｇ）先端側の
膨張室（２１）とハウジング（１５）側（シリンダ（１
６）基端側）の作動室（２２）とに区画形成されている
。このディスプレーサ（１８）は、円筒体（ｌ９）内に
金属製蓄冷材（２０）　（熱交換器）を充填したもので
、上記円筒体（■９）にはその内部の空間を作動室（２
２）及び膨張室（２１）にそれぞれ連通させる連通孔（
１９ａ）　，　（１９ｂ）が開口されており、膨張室（
２１）で膨張した低温の冷媒ガスが作動室（２２）に向
かうときには゜、該冷媒ガスにより蓄冷材（２０）を冷
却して蓄冷材（′２．ｏ）に冷熱を蓄え、逆に常温の冷
媒ガスが作動室（２２）から膨張室（２１）に向かうと
きには、蓄冷材（２０）によりガスを冷却するようにな
されている。また、上記作動室（２２）内には、ディス
プレーサ（Ｉ８）を往復動可能に弾性支持する弾性支持
手段としてのコイルスプリングからなるディスプレーサ
スプリング（２３）が配設されている。さらに、上記作
動室（２２）は連絡配管（２４）を介して上記圧縮機（
１）の圧縮室（４）に接続されており、圧縮機（１）か
らの冷媒ガス圧によりディスプレーサ（１６）を往復動
させて冷媒ガスを膨張室（２１）で膨張させることによ
り、シリンダ（１６）先端のコールドヘッド（１７）に
寒冷を発生させるようになされている。

さらに、（２５）は密閉容器で、その内部に空間（２８
）を有し、該空間（２８）は膨張機（ｌ３）のシリンダ
（１８）先端の膨張室（２１）に開閉弁（２７）を有す
る配管（２８）を介して連通している。

また、膨張機（１３）のハウジング（１５）における空
洞部（ｌ４）の奥部は外周壁に雌ねじが形成されてねじ
孔（２９）とされ、そのねじ孔（２９）にはねじ部材（
３０）が前後移動可能に螺合されている。このねじ部材
（３０）の先端（ディスプレーサ（１６）側端部）には
ディスプレーサスプリング（２３）の端部を固定支持す
るばね止め（３１）が形成されている一方、基端側には
中心部に有底の軸挿通孔（３２）と、該軸挿通孔（３２
）の直径方向に対向する側壁を軸方向に切り欠いてなる
ピン係合溝（３３），　　（３３）とが形成されている
。そして、軸挿通孔（３２）には駆動手段としてのステ
ップモータ（３４）の出力軸（３４ａ）が挿通され、ビ
ン係合溝（３３）．　（３３）には出力軸（３４ａ）先
端に直径方向に突設したビン（３５），　（３５）がそ
れぞれ摺動可能に係合されており、ステップモータ（３
４）の駆動回転によってねじ部材（３０）を回転させな
がら前後移動させることにより、ディスプレーサ（１８
）及びディスプレーサスプリング（２３）をシリンダ（
１６）内でその軸方向に前後移動させて、膨張室（２１
）の無駄容禎を変化させるように構成されている。

次に、上記実施例の作動について説明する。

冷凍機の運転開始に伴い、圧縮機（１）のりニアモータ
（６）が作動してピストン（５）がシリンダ（３）内で
往復動じ、このピストン（５）の往復動により圧縮室（
４）内に所定周期の圧力波が生じる。この圧縮室（４）
は連絡配管（２４）を介して膨張機（ｌ３）の作動室（
２２）に連通しているため、ビス１・ン（５）が前進し
て圧縮室（４）の圧力が高くなったときには、加圧され
た冷媒ガスが作動室（２２）に供給されて該作動室（２
２）内の圧力が高くなる。この圧力の上昇により作動室
（２２）と膨張室（２１）との間に差が生じ、この圧力
差によってディスプレーサ（１８）がディスプレーサス
プリング（２３）を伸長させながらシリンダ（Ｉ６）先
端側（第１図で左側）に移動する。

この作動室（２２）はディスプレーサ（１６）内の空間
を介して膨張室（２１）に連通しているため、次の段階
では作動室（２２）のガスがディスプレーサ（１８）内
を通って蓄冷材（２０）により冷却されながら膨張室（
２１）に流れ、両室（２１）．　（２２）の差圧がなく
なり、ディスブレーサ（Ｉ８）はスプリング（２３）の
収縮力によりシリンダ（ＩＧ）基端側に移動して元の位
置に戻る。

この後、直ちに、圧縮ａ（１）のビス１・ン（５）が後
退して圧縮室（４）の圧力が低下する。このため、作動
室（２２）内の冷媒ガスが連絡配管（２４）を介して圧
縮室（４）に戻り、作動室（２２）内の圧力が膨張室（
２１）よりも低下する。この作動室（２２）と膨張室（
２１）との圧力差によってディスプレーサ（１８）が今
度はディスプレーサスプリング（２３）を収縮させなが
らシリンダ（１Ｇ）基端側（第１図で右側）に移動し、
膨張室《２１）内の冷媒ガスが膨張して寒冷が発生する
。次の段階では上記膨張後のガスが膨張室（２１）から
ディスプレーサ（１６）内を通って蓄冷材（２０）に冷
熱を与えながら作動室（２２）に流れ、両室（２１），
（２２）の差圧がなくなり、ディスプレーサ（１８）は
スプリング（２３）の伸長力によりシリンダ（１６）先
端側に移動して元の位置に戻る。以上により１サイクル
が終了し、以後、上記と同様のサイクルを繰り返すこと
で、シリンダ（１６）先端のコールドヘッド（１７）が
徐々に極低温レベルまで冷却される。

そして、この冷凍機の運転中、膨張機（１３）における
ステップモータ（３４）の作動により、ねじ棒（２７）
が螺動して上記ディスプレーサ（１８）及びディスプレ
ーサスプリング（２３）がシリンダ軸方向に移動して膨
張室（２１）の無駄容積が変えられ、冷凍能力が調整さ
れる。すなわち、冷凍機の定常運転時等、冷却負荷が小
さいときには、ねじ部材（３０）が前進位置（第１図で
左側位置）に位置付けられ、膨張室（２１）の容積が減
少して、膨張室（２１）で膨張する冷媒ガスの容量が少
なくなり、冷凍能力が低く保たれる。

これに対し、クールダウン時や冷却負荷が増大したとき
には、ステップモータ（３４）の作動によりねじ部材（
３０）が後退位置（同図で右側位置）に位置付けられ、
膨張室（２１）の容積が増大する。このため、膨張室（
２１）で膨張する冷媒ガスの容量が多くなって、冷凍能
力を増大させることができる。

また、この場合、密閉容器〈２５〉内に膨張室（２１）
とは別個の空間（２８）が形成されて、該空間（２８）
に膨張室（２１）が連通しているため、シリンダ（１６
）自体を大きくすることなく膨張室（２１）の無駄空間
を増大できることとなり、冷凍能力の可変調整範囲を拡
大することができる。

尚、上記実施例において、冷凍機のクールダウン運転時
や冷却負荷の増大時を検出し、それに応じてステップモ
ータ（３４）を制御することにより、冷凍能力の可変調
整を自動的に行うようにすることも可能である。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）記裁の発明によると
、シリンダ内でディスプレーサを往復動させて寒冷を発
生させるフリーディスプレーサ型スターリング冷凍機に
おいて、ディスプレーサ及びそれを往復動可能に弾性支
持する弾性支持手段をシリンダ軸方向に移動させて、膨
張室の無駄容積を可変としたことにより、膨張室に出入
する冷媒ガス量を調整して、冷凍機の冷凍能力を自由に
変えることができ、よってクールダウン時や冷却負荷の
増大時であっても冷凍能力を増大させてその良好な対処
を図ることができる。

また、請求項（２）記載の発明によれば、上記膨張室に
それとは別個の空間が迎通させたことにより、膨張室の
無駄空間を増大させて、冷凍機の冷凍能力の可変調整範
囲を拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図は膨張機の要部
拡大断面図、第２図は冷凍機の全体構成を示す断面図で
ある。 （１）・・・圧縮機 （１３）・・・膨張機 （１６）・・・シリンダ （１７）・・・コールドヘッド （１８）・・・ディスプレーサ （２１）・・・膨張室 （２２）・・・作動室 （２３）・・・スプリング（弾性支持手段）（２５）・
・・密閉容器 （２８）・・・空間 （３４）・・・ステップモータ（駆動手段）第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　先端が閉塞されたシリンダ（１６）と、該シリ
   ンダ（１６）内に往復動自在に嵌装され、シリンダ（１
   ６）内を先端側の膨張室（２１）及び基端側の作動室（
   ２２）に区画形成するフリーディスプレーサ（１８）と
   、該ディスプレーサ（１８）を往復動可能に弾性支持す
   る弾性支持手段（２３）とを備え、上記作動室（２２）
   は所定周期で冷媒ガスを圧縮する圧縮機（１）に接続さ
   れており、圧縮機（１）からの冷媒ガス圧によりディス
   プレーサ（１８）を往復動させて冷媒ガスを膨張室（２
   １）で膨張させることにより、シリンダ（１６）先端の
   コールドヘッド（１７）に寒冷を発生させるようにした
   スターリング冷凍機において、上記ディスプレーサ（１
   ８）及び弾性支持手段（２３）をシリンダ軸方向に移動
   させて膨張室（２１）の無駄容積を可変とする駆動手段
   （３４）を設けたことを特徴とするフリーディスプレー
   サ型スターリング冷凍機。
2. （２）　膨張室（２１）には密閉容器（２５）内の空間
   （２８）が連通されていることを特徴とする請求項（１
   ）記載のフリーディスプレーサ型スターリング冷凍機。