JPH0334611Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 【考案の属する技術分野】

この考案は圧縮性気体を動作ガスとして用いる
逆スターリングサイクル冷凍機、特にその動作ガ
スの放熱部の構造に関する。

【従来技術とその問題点】

ヘリウム、水素、窒素などの低温で変化しにく
い圧縮性気体を動作ガスとする冷凍サイクルとし
て逆スターリングサイクルが知られており、その
冷凍機の構成を第１図に示す。第１図において、
１はクランク室、２は図示されてないモータで駆
動されるクランク軸であり、該クランク軸上には
コネクテイングロツド３，４を介して圧縮ピスト
ン５および膨張ピストン６が連接されており、該
ピストン５，６はそれぞれクランク室１に連ねて
一体に構成された圧縮シリンダ７および膨張シリ
ンダ８の中に挿入されている。また膨張ピストン
６には金網等で構成された蓄冷器９が一体構成さ
れており、その一端はピストン内のガス通路１０
を通じて膨張シリンダ８のポート１１に、他端は
膨張シリンダ８のシリンダ室８０に開口してい
る。さらに前記ポート１１と圧縮シリンダ７のシ
リンダ室７０に通じるポート１２との間を結んで
パイプ１３が外部配管してあり、かつその途中に
はパイプ１３の外周に多数の放熱フインをろう付
けしてなる放熱器１４が設置されている。なお符
号Ｏはクランク軸２の回転中心、１５は各ピスト
ンの外周に装備されたシール部材である。また上
記構成で圧縮ピストン５と膨張ピストン６とは約
90度の位相差をもつてピストン動作するようにク
ランク軸２に連結されている。 次に前記構成による逆スターリングサイクルの
動作について、第１図の構成図、第２図に示した
逆スターリング冷凍サイクルのＰ−Ｖ線図、およ
び第３図の動作工程図を用いて説明する。なお第
３図において、イ，ロはそれぞれ圧縮ピストン、
膨張ピストンの移動軌跡で、線イとロとの間に挟
まれた間隔が動作ガスの容積変化を表している。
逆スターリングサイクルは、周知のように理論的
には２つの等温行程と２つの等容行程とから成立
つている。（第２図参照）いま膨張ピストン６が
往復動ストロークの中央にあり、これより90゜位
相が遅れて圧縮ピストン５が下死点から移動を始
めると、圧縮シリンダ７内に封入された動作ガス
が圧縮される。このとき発生する圧縮熱は放熱器
１４で外部に放出されるので、ポート１１部のガ
スは常温高圧のガスとなり、第２図における→
で示した等温圧縮が行われる。次に膨張ピスト
ン６を下降させながら圧縮ピストン５をさらに上
死点方向へ動かすと、動作ガスは膨張ピストン内
の蓄冷器９へ熱を放熱して膨張シリンダ８のシリ
ンダ空間８０に入る、いわゆる容積が一定の等容
放熱行程（第２図における→）となる。次に
膨張ピストン６をさらに下方に動かすとシリンダ
室８０に入つたガスは、膨張シリンダの頂部に構
成されたコールドステーシヨンを通じて図示され
てない被冷却体から熱を吸収しながら膨張する等
温膨張行程（第２図における→）となり冷凍
を発生する。さらに低温度の動作ガスは、膨張ピ
ストン６を上死点へ圧縮ピストン５を下死点に向
けて動かすことにより、今度は逆に蓄冷器９から
吸熱して徐々に温度、圧力を上昇し、放熱器１４
を通つて圧縮シリンダ７に戻る等容吸熱行程（第
２図における→）をたどつて１サイクルを終
わる。以上が逆スターリングサイクルによる冷凍
サイクルの動作説明である。 ところで、従来における冷凍機では、その放熱
器１４の実際の構造は、第４図に示すように複数
本の円形断面パイプ１３に多数枚のフイン１６を
ろう付けし、さらにパイプ１３の両端をフランジ
１７，１８にまとめてろう付けし、Ｏリング等の
シール部材１９を介してポート１１，１２へ接続
するように構成されている。しかしながらこのよ
うな構造を採用しているため、次のような問題点
を有していた。すなわち、放熱器１４を冷凍機本
体の外部に接続配管しているため、フランジ１
７，１８から動作ガスの漏れが発生しやすい。し
かも動作ガスの漏れがあると系内圧力が低下し、
所定の冷凍性能が維持できなくなる。また放熱器
１４のパイプ１３には円形断面のパイプを用いて
いるため、周の長さと断面積の比（周長／断面
積）が小さく所要の放熱を得るに必要な内表面積
を得ようとすれば、パイプ長が長くなり、放熱器
の管路容積が大きくなる。これは死容積が増える
ことであり、有効仕事を減少させて冷凍能力を低
下させる原因となる。さらに、小径のパイプ１３
にフイン１６をろう付けするため製作が面倒であ
り、また放熱器１４が冷凍機本体の外部に接続構
成されているので、小形、コンパクト化の促進の
障害となる。

【考案の目的】

この考案は、前記従来技術における問題点を解
決し、動作ガスの外部漏れがなく、かつ放熱部で
の死容積が小さく、しかも製作加工が容易でコン
パクトな構成となる放熱部内蔵形の逆スターリン
グサイクル冷凍機を提供することを目的とする。

【考案の要点】

上記目的を達成するためにこの考案は、従来の
放熱器が外部取付形になつているのに対し、冷凍
機本体に内蔵させるようにしたもので、冷凍機本
体が放熱部、蓄冷器を介して互いに連通し合う圧
縮シリンダと膨張シリンダを有し、圧縮性気体を
動作ガスとしてピストンの往復動により前記圧縮
シリンダと前記膨張シリンダとの間で逆スターリ
ングサイクルを行う冷凍機において、前記圧縮シ
リンダのシリンダ胴の腔内周面に、複数条の断面
が矩形の凹溝であつて前記シリンダ胴の軸方向に
沿つて並列せる周溝を設け、さらに前記シリンダ
胴の腔内に、シリンダブツシユを嵌装し、該シリ
ンダブツシユは前記シリンダ胴腔内周面に設けら
れた前記周溝に対向した外周面に該周溝の相互間
に前記シリンダ胴の軸方向に跨がり前記圧縮シリ
ンダから送られてきた前記動作ガスをそれぞれの
前記周溝に分配するヘツダ溝を有し、該ヘツダ溝
は、第１のヘツダ溝、第２のヘツダ溝、第３のヘ
ツダ溝からなり、該第１のヘツダ溝は前記周溝の
全ての相互間に跨がり、前記第２のヘツダ溝、前
記第３のヘツダ溝は前記第１のヘツダ溝とほぼ
180度隔たつた周上の軸方向に２分割されて前記
周溝の相互間に跨がつて位置し、前記第２のヘツ
ダ溝は前記圧縮シリンダ内に連通し、前記第３の
ヘツダ溝は前記冷凍機本体に穿孔されたガス流路
を経由して前記膨張シリンダに連通し、前記周
溝、前記ヘツダ溝を前記圧縮シリンダと前記膨張
シリンダとの間のガス通路に介在する本体内蔵形
の放熱部となし、運転時に前記動作ガスを前記放
熱部の各溝内へ分散通流させて前記動作ガスの放
熱を行うよう構成する。

【考案の実施例】

次にこの考案の実施例を第５図ないし第８図に
ついて説明する。図において圧縮シリンダ７はク
ランクケース１と一体に構成されたシリンダ胴７
１、シリンダカバー７２、シリンダ胴７１の腔内
に焼ばめ法により密着して嵌挿されたシリンダブ
ツシユ７３等の組立体としてなる。なおシリンダ
胴７１、シリンダカバー７２は外周に放熱フイン
７４を有し、さらにシリンダ胴７１とシリンダブ
ツシユ７３との間およびシリンダカバー７２との
間にはＯリング等のシール部材７５が装備され、
かつシリンダカバー７２はボルト７６を介してシ
リンダ胴７１の端面に締結されている。かかる圧
縮シリンダ７に対し、そのシリンダ胴７１の腔内
周面には軸方向に沿つて並列する複数条の凹溝形
の周溝８０が設けてあり、かつこの各周溝８０に
対向するシリンダブツシユ７３の外周面上には、
周溝８０にまたがる軸方向のヘツダ溝８１，８
２，８３が形成されている。このうちヘツダ８１
と８３は周方向での位相を合わせて軸方向にほぼ
半分ずつ形成した入口、出口側ヘツダ溝である。
これに対しヘツダ溝８２は前記ヘツダ溝８１，８
３とは180度隔たつた反対側の周上に位置し、か
つその軸方向の両端は閉じている。そして、前記
した各溝８０，８１，８２，８３で本体内蔵形の
放熱部８４を構成している。なおヘツダ溝８１の
始端はシリンダブツシユ７３の端縁に切欠いた径
方向のガス流路８５を通じてシリンダ空間７０と
連通しており、さらにヘツダ溝８３の終端はシリ
ンダ胴７１の内部に穿孔されたガス通路７７を通
じて膨張シリンダ８へ連通されている。ここで上
記放熱部８４の溝経路を理解し易いよう展開して
描くと第８図のごとくなる。 次に上記構成の本体内蔵形の放熱部８４の放熱
動作について述べる。第６図において、ピストン
５が左に動くと、シリンダ室７０内の動作ガスが
圧縮され、ここから放熱部８４を経由して膨張シ
リンダへ向けて流れる。すなわち圧縮された温度
の高いガスは、まず圧縮シリンダ室７０からガス
流路８５を通してヘツダ溝８１に導入され、ここ
からシリンダ胴の内周面に並ぶ周溝８０の前半域
に分流して円周溝を中間のヘツダ溝８２へ向かつ
て流れる。ヘツダ溝８２で合流したガスはヘツダ
溝８２の中を軸方向に流れ、ここから残り後半の
周溝８０へ分流した後にヘツダ溝８３に合流す
る。この過程で周溝８０に流れる動作ガスは、シ
リンダ胴７１の壁面との間で熱伝達が行われ、シ
リンダ胴７１の放熱フイン７４を通じて大気中に
放熱され、この結果常温に冷却された動作ガスが
通路７７を通して膨張シリンダへ向けて供給され
ることになる。この際、本考案においては、第１
のヘツダ溝８２、第２のヘツダ溝８１、第３のヘ
ツダ溝８３を設けている。よつて、第２のヘツダ
溝８１と周溝８０との分流点、および第３のヘツ
ダ溝８３と周溝８０との合流点で動作ガスの流れ
が曲がり、また、シリンダブツシユ７３の第８図
の中央に大きい長方形で示される部分に、第２の
ヘツダ溝８１側からの流れが衝突する。その結
果、動作ガスの流れには渦が発生する。この渦の
発生により、周溝８０の側面と動作ガスとの接触
機会が増加し、シリンダ胴７１への伝熱量が多く
なり、動作ガスは冷却され易くなる。なお、シリ
ンダブツシユ７３での発生熱はシリンダブツシユ
とシリンダ胴との接触面を通じて放熱フイン７４
より外部へ熱放散される。 ここで先記した放熱部８４を構成している各溝
はその断面形状が矩形断面の凹溝となるように形
成されている。その理由は、溝内の流路断面にお
ける周辺長さと断面積の比（周長／断面積）をで
きる限り大きくすることにより、流路の単位容積
当たりの放熱面積を大きくし、所要放熱能力を得
るに必要な管路長を短くして動作ガスの死容積の
減少、および流体抵抗の低減を図るとともに、さ
らに溝の切削加工を容易にするためである。

【考案の効果】

上記のようにこの考案によれば、冷凍機本体が
放熱部、蓄冷器を介して互いに連通し合う圧縮シ
リンダと膨張シリンダを有し、圧縮性気体を動作
ガスとしてピストンの往復動により前記圧縮シリ
ンダと前記膨張シリンダとの間で逆スターリング
サイクルを行う冷凍機において、前記圧縮シリン
ダのシリンダ胴の腔内周面に、複数条の断面が矩
形の凹溝であつて前記シリンダ胴の軸方向に沿つ
て並列せる周溝を設け、さらに前記シリンダ胴の
腔内に、シリンダブツシユを嵌装し、該シリンダ
ブツシユは前記シリンダ胴腔内周面に設けられた
前記周溝に対向した外周面に該周溝の相互間に前
記シリンダ胴の軸方向に跨がり前記圧縮シリンダ
から送られてきた前記動作ガスをそれぞれの前記
周溝に分配するヘツダ溝を有し、該ヘツダ溝は、
第１のヘツダ溝、第２のヘツダ溝、第３のヘツダ
溝からなり、該第１のヘツダ溝は前記周溝の全て
の相互間に跨がり、前記第２のヘツダ溝、前記第
３のヘツダ溝は前記第１のヘツダ溝とほぼ180度
隔たつた周上の軸方向に２分割されて前記周溝の
相互間に跨がつて位置し、前記第２のヘツダ溝は
前記圧縮シリンダ内に連通し、前記第３のヘツダ
溝は前記冷凍機本体に穿孔されたガス流路を経由
して前記膨張シリンダに連通し、前記周溝、前記
ヘツダ溝を前記圧縮シリンダと前記膨張シリンダ
との間のガス通路に介在する本体内蔵形の放熱部
となし、運転時に前記動作ガスを前記放熱部の各
溝内へ分散通流させて前記動作ガスの放熱を行う
よう構成したので、下記の効果を奏する。 動作ガスが外部へ漏れる恐れなしに、圧縮シ
リンダと膨張シリンダとの間で冷凍サイクルを
行うことが可能。 動作ガスの放熱部が圧縮シリンダに内蔵され
ているので、冷凍機全体での小型化を達成可
能。 ヘツダ溝の採用により、動作ガスの流れに渦
が発生するので、動作ガスの冷却特性を著しく
向上可能。 周溝の断面形状を矩形にしたことにより、流
路の単位容積当たりの放熱面積が大となり、所
要放熱能力を得るに必要な管路長を短くして動
作ガスの死容積の減少、流体抵抗の低減が可
能。 周溝が断面矩形の複数条の独立した溝として
形成されるので、例えばスパイラル状の溝を複
数条形成する場合に比べ、加工時間、コストの
低減が可能。 放熱部の一端が冷凍機本体に形成された通路
により膨張シリンダと連通しているので、冷凍
機全体のより一層の小形化が可能。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来における逆スターリングサイクル
冷凍機の略示構成図、第２図、第３図はそれぞれ
逆スターリングサイクルの冷凍サイクルを表した
圧力−比容積線図および冷凍サイクルの動作工程
原理図、第４図は第１図における放熱器の構成
図、第５図はこの考案の実施例の構成断面図、第
６図は第５図における圧縮シリンダの拡大断面
図、第７図は第６図の矢視−断面図、第８図
は放熱部の溝経路の展開図である。 ５……圧縮ピストン、６……膨張ピストン、７
……圧縮シリンダ、８……膨張シリンダ、９……
蓄冷器、７１……シリンダ胴、７２……シリンダ
カバー、７３……シリンダブツシユ、７７……ガ
ス流路、８０……周溝、８１……第２のヘツダ
溝、８２……第１のヘツダ溝、８３……第３のヘ
ツダ溝、８４……放熱部、８５……ガス流路。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 冷凍機本体が放熱部、蓄冷器を介して互いに連
   通し合う圧縮シリンダと膨張シリンダを有し、圧
   縮性気体を動作ガスとしてピストンの往復動によ
   り前記圧縮シリンダと前記膨張シリンダとの間で
   逆スターリングサイクルを行う冷凍機において、
   前記圧縮シリンダのシリンダ胴の腔内周面に、複
   数条の断面が矩形の凹溝であつて前記シリンダ胴
   の軸方向に沿つて並列せる周溝を設け、さらに前
   記シリンダ胴の腔内に、シリンダブツシユを嵌装
   し、該シリンダブツシユは前記シリンダ胴腔内周
   面に設けられた前記周溝に対向した外周面に該周
   溝の相互間に前記シリンダ胴の軸方向に跨がり前
   記圧縮シリンダから送られてきた前記動作ガスを
   それぞれの前記周溝に分配するヘツダ溝を有し、
   該ヘツダ溝は、第１のヘツダ溝、第２のヘツダ
   溝、第３のヘツダ溝からなり、該第１のヘツダ溝
   は前記周溝の全ての相互間に跨がり、前記第２の
   ヘツダ溝、前記第３のヘツダ溝は前記第１のヘツ
   ダ溝とほぼ180度隔たつた周上の軸方向に２分割
   されて前記周溝の相互間に跨がつて位置し、前記
   第２のヘツダ溝は前記圧縮シリンダ内に連通し、
   前記第３のヘツダ溝は前記冷凍機本体に穿孔され
   たガス流路を経由して前記膨張シリンダに連通
   し、前記周溝、前記ヘツダ溝を前記圧縮シリンダ
   と前記膨張シリンダとの間のガス通路に介在する
   本体内蔵形の放熱部となし、運転時に前記動作ガ
   スを前記放熱部の各溝内へ分散通流させて前記動
   作ガスの放熱を行うよう構成したことを特徴とす
   る冷凍機。