JPH0289964A - スターリングサイクル冷凍装置用圧縮機 - 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、スターリングサイクル冷凍装置に好適に適用
される圧縮機に関するものである。

［従来の技術］ スターリングサイクル冷凍装置は、圧縮機と膨脹機とが
一体のケーシングに収容して構成される。

それらのピストンおよびディスプレーサは、クランク機
構を介してそれぞれ共通の駆動源に接続されており、所
定の位相下に同期駆動されるようになっている。この際
、構造的な便宜から、両者は互いに直角方向のストロー
クが与えられる位置に配設されている。

このような構造において、作動流体であるＨｅガスをピ
ストンで圧縮し、昇圧状態で膨脹機に送り込む。そして
、ここでディスプレーサの作動を利用して断熱膨張させ
、冷却する。冷却したＨｅガスは前記ピストンに送り戻
して、再度圧縮に供する。しかして、このような周知の
ガスサイクルが繰り返され、ディスプレーサを収容する
ケーシング端に極低温のコールドヘッドが生起される。

このコールドヘッドは、ケーシングに取着した真空断熱
容器内に密閉するようにしており、この密閉空間にセン
サ等の冷却対象物を適宜収容して、本来の目的のために
使用する。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、作動流体であるＨｅガスはその特性から非常
に漏れが発生し易く、圧縮機におけるピストン伊シリン
ダ間のシールに確実性を期すことが容易ではない。この
ため、その摺動隙間からガスが抜け、所要の圧縮比が得
られない事態を招来することがあり、従来から深刻な問
題となっている。

そこで、この問題を解決するために、圧縮機をピストン
に代えてダイヤフラムで構成することが有効な手段とし
て考えられている。ダイヤフラムを用いれば、ピストン
とシリンダのような摺動隙間が存在しないので、根本的
にガスリークの問題を解消できる可能性があるからであ
る。

しかし、ダイヤフラムで所要の圧縮容積を作り出すには
大径な面積が必要である。取付位置も、既存のスターリ
ング方式に従えば、ダイヤフラムの作動方向がディスプ
レーサのストローク方向と直角をなすことになる。した
がって、これを取り入れた場合に冷凍装置が度を越えて
大形化することがテ想され、これがため現時点での利用
可能性は低い。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので
あって、ダイヤフラムを好適に採用し、大形化を招くこ
となく根本的にガスリークの問題を解消したスターリン
グサイクル冷凍装置用圧縮機を実現することを目的とし
ている。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、かかる目的を達成するために、次のような構
成を採用したものである。

すなわち、本発明のスターリングサイクル冷凍装置用圧
縮機は、ディスプレーサを収容したケーシングのコール
ドヘッドを該ケーシングのベースに取着した真空断熱容
器で密閉してなるスターリングサイクル冷凍装置に適用
されるものであって、前記ベース外壁にディスプレーサ
と作動方向を一にするダイヤフラムを取り付け、このダ
イヤフラムと前記ベース外壁との間に形成される拡縮可
能な空間を圧縮室となしていることを特徴としている。

［作用］ 真空断熱容器は、前述の如く、ケーシングのコールドヘ
ッドを一定の空間内に密閉するために用いられ、冷却対
象物を収容するとともに外部との断熱状態を維持する上
で冷凍装置に欠かせない構成要素である。そして、この
ような使用上および断熱上の必要性から、一般にある程
度大径なものが要求される。したがって、この断熱容器
のベースにダイヤフラムを取付けることは、何等新たな
空間をダイヤフラムのためのみに広く占有することには
ならない。原理的には、該ダイヤフラムの作動容積に略
対応した厚み寸法分が冷凍装置全体として増大するだけ
である。そして、これによってピストン構造が不要にな
るので、結果としては、むしろ冷凍装置全体が小形化さ
れる蓋然性の方が高くなる。しかも、ダイヤフラムの作
動方向をディスプレーサのそれと一致させるようにして
いるので、更に構造的な集約化を図り易くすることがで
きる。

そして、ダイヤフラムにはベース面積に対応した径のも
のが許されるので、厚み寸法をさほど大きく確保せずと
も、所要の容積を有した圧縮室が比較的容易に形成され
る。したがって、このものはコンパクトであっても適切
な機能を備え得ることになる。

［実施例コ 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

この実施例の圧縮機１は、膨張機２とともにケーシング
３に一体形成されて、第１図に示すようなスターリング
サイクル冷凍装置を構成している。

ケーシング３は、ベース３１と、このベース３１に突設
したシリンダ３２と、該ベース外壁３１ａに取着したモ
ータケース３３とからなる。そして、シリンダ３２の突
出端をコールドヘッド３２ａとなすとともに、このコー
ルドヘッド３２ａをベース３１上に蓋着した真空断熱容
器４で密閉している。シリンダ３２内はモータケース３
３内と連通させである。

膨張機２は、前記シリンダ３２内に昇降可能にディスプ
レーサ２１を収容し、このディスプレーサ２１の上端と
前記コールドヘッド３２ａとの間に拡縮される空間Ａを
膨張室となしている。一方、前記モータケース３３内に
は、中央に凹部５１ａを有し周囲に配設した永久磁石５
２とコイル５４によって昇降付勢される、いわばリニア
モータの移動体をなす可動ブラケット５１が配設しであ
る。

さらに、この可動ブラケット５１の凹部５１ａ内周にコ
イル５３を設け、該コイル５３内周に前記ディスプレー
サ２１の下端を挿入して、前記とは異なるディスプレー
サ２１駆動用のりニアモータを構成している。そして、
このコイル５３に適宜通電を行うことにより、該ディス
プレーサ２１を電磁力で昇降動作させ得るようになって
いる。

圧縮機１は、前記ベース外壁３１ａにディスプレーサ２
１と作動方向を一にするダイヤフラム１１を取り付け、
このダイヤフラム１１と前記ベース外壁３１ａとの間に
形成される拡縮可能な空間Ｂを圧縮室となしている。す
なわち、ダイヤフラム１１は薄肉ドーナツ状のたわみ板
で、前記ベース３１と路間−の径に設定しである。そし
て、その外周縁１１ａを該ベース外壁３１ａの外周縁に
固着し、内周縁１１ｂを前記可動ブラケット・５１の頂
板部に取着している。これにより、ベース外壁３１ａと
、ダイヤフラム１ユと、ディスプレーサ２１外周とによ
り包囲される前述の空間Ｂが圧縮室として機能する。そ
して、前記コイル５４に適宜通電を行うことにより、可
動ブラケット５〕を電磁力で昇降させ、ダイヤフラム１
１をディスプレーサ２１のストローク方向へ搏動させる
ことができるようになっている。

ところで、前記ディスプレーサ２１には蓄冷器（リジェ
ネレータ）２２が内設してあり、この蓄冷器２２を通っ
て、該ディスプレーサ２１の側部外周と上端面とにそれ
ぞれ開口する連通孔２３が設けられている。そして、こ
の連通孔２３を通じて、前述した圧縮室Ｂを膨張室Ａに
連通させている。また、ディスプレーサ２１の動作に伴
ってその下端面と前記可動ブラケット５１の凹部５１ａ
底壁との間に拡縮される空間Ｃは、前記圧縮室Ｂと連通
ずるガス溜め室である。すなわち、これら膨張室Ａ、圧
縮室Ｂ、ガス溜め室Ｃは、常時等圧下にある。

なお、前記ベース３１上には真空断熱容器４の厚内部を
貫通させて導入した冷却水管６が埋設してあり、圧縮室
Ｂで昇圧した直後のＨｅガスを冷却するアフタクーラの
役割を担っている。

次に、本実施例の作動を説明する。先ず、ディスプレー
サ２１を上死点に位置させる。この時、ダイヤフラム１
１はＨｅガスを含んで彫版した状態にしておく。そして
、可動ブラケット５１を上動させてダイヤフラム１１を
押圧し、圧縮室Ｂ内のＨｅガスを圧縮する。この際、Ｈ
ｅガスは冷却水管６によって冷却される。次に、ダイヤ
フラム１１は作動させずに、ディスプレーサ２１のみを
中間位置まで降下させて、昇圧したＨｅガスを蓄゛冷器
２２を通じ、冷却しながら膨張室Ａへ送り出す。しかる
後、ディスプレーサ２１をダイヤフラム１１の膨張動作
とともに下動させ、Ｈｅガスを膨張室Ａ内で断熱膨脂さ
せて冷却する。最後に、ダイヤフラム、１１はそのまま
でディスプレーサ２１だけを元の上死点に戻す。これに
より、膨張室Ａにおいて冷却したガスは蓄冷器２２を冷
却しつつ、膨張室Ｂ内に送り戻される。こうして１サイ
クルを終える。そして、このようなサイクルを断続的に
繰り返して行うと、コールドヘッド３２ａは極低温に達
し、真空断熱容器４内に収容するセンサ等の冷却が有効
に行われるようになる。

しかして、このような構成のものであれば、真空断熱容
器４は従来よりコールドヘッド３２ａを密閉するために
用いられているものであるので、この圧縮機１を設けた
ことによって冷凍装置全体に与えるスペースの増大は、
ベース３１から下のモータケース３３に対応した厚み寸
法性だけとなる。しかも、このモータケース３３内には
ディスプレーサ２１等も収容されており、圧縮機１は膨
張機２の一部と渾然一体となって組み込まれているので
、実際に圧縮機１のみが占有する容積はこれ程大きくな
い。したがって、このものは既に存在する真空断熱容器
４の大きさに略対応した径のダイヤフラム１１をベース
３１に添接したに過ぎず、全く新たなスペースを別途確
保しなければいけないといった必要がない。これにより
、従来のピストンを用いたスターリングサイクル冷凍装
置に比して確実にコンパクト化した構成が実現されるこ
とになり、このことは図よりも明白となる。

しかも、ダイヤフラム１１の作動方向をディスプレーサ
２１のそれと一致させるようにしているので、可動ブラ
ケット５１周りに両者の駆動機構を打機的に集約して構
成することが可能となっており、この点も本実施例の冷
凍装置がコンパクトに構成できている大きな要因である
。

そして、ダイヤフラム１１の作動ストロークは小さいが
、該ダイヤフラム１１をベース３１の面積に対応した大
径なものにしているので、所要の容積を何した圧縮室Ｂ
が十分確保されている。したがって、このものはコンパ
クトであっても適切な機能は備え併せたものとなる。

以上によって、ダイヤフラムを好適に採用した、ガスリ
ークの問題にならないスターリングサイクル冷凍装置用
圧縮機が実現される。

なお、ダイヤフラムには第２図に示すような中央に穴を
設けていないものを用いることもできる。

同図に示すものは、ダイヤフラム１１１がベース外壁１
３１ａを全体に亘って略完全に覆っており、ディスプレ
ーサ１２１はモータケース側に殆ど侵入していない。デ
ィスプレーサ１２１を駆動するコイル１５３はシリンダ
１３２の内周に配設され、モータケースには可動ブラケ
ット１５１とコイル１５２からなる駆動機構が収容され
ているだけである。この構成は、前記実施例におけるガ
ス溜め室Ｃに相当する空間がないため、ガス移送時にデ
ィスプレーサ１２１とダイヤフラム１１１とを同時に駆
動する必要があるが、前記実施例に比して密閉性に優れ
圧縮室りの容積もより有効に確保できるので、−層のコ
ンパクトを図り得る可能性がある。勿論、圧縮機として
の適正な作用効果は前記実施例と同様に得られることは
言うまでもない。

また、駆動機構はコイルを用いる以外に、クランクを介
して往復動作させるようにしてもよい。

さらに、冷却水管の代りにベースにウォータジャケット
を構成して冷却効果を高めることも有効であり、その他
、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能であ
る。

［発明の効果］ 本発明は、以上のような構成により、ダイヤフラムを好
適に採用して、コンパクトにして根本的にガスリークの
問題を解消したスターリングサイクル冷凍装置用圧縮機
を提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す側断面図、第２図は他
の実施例を示す第１図相当の側断面図である。 ３・・・ケーシング ４・・・真空断熱容器 １１．１１１・・・ダイヤフラム ２１．１２１・・・ディスプレーサ ３１・・・ベース ３１　ａ　ｓ　１３１　ａ・・・ベース外壁３２ａ・・
・コールドヘッド Ｂ、Ｄ・・・圧縮室

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ディスプレーサを収容したケーシングのコールドヘッド
   を該ケーシングのベースに取着した真空断熱容器で密閉
   してなるスターリングサイクル冷凍装置に適用されるも
   のであって、前記ベース外壁にディスプレーサと作動方
   向を一にするダイヤフラムを取り付け、このダイヤフラ
   ムと前記ベース外壁との間に形成される拡縮可能な空間
   を圧縮室となしていることを特徴とするスターリングサ
   イクル冷凍装置用圧縮機。