JPH03500081A - 低温冷凍装置 - 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】 この発明は、一般的には、改良されたスターリングサイクル低温冷凍装置に関し 、より特定的には、改善されたエキスパンダピストンドームを有する改良型スタ ーリングサイクル冷凍装置に関する。

発明の背景 改良型のスターリングサイクル冷凍装置、例えば、米国特許明細書第３．０７４ ．２４４号に記載された種類のものは、現在利用できる、最も信頼でき、最も効 率がよく、そして最低コストで製造できる低温冷凍装置であることが立証されて いる。この種の冷凍装置は、ヘリウムや窒素のような、危険性のないワーキング ガスをつかえるという点と、圧縮器あるいは蒸発器のコイルは必要ないという点 の重要な利点を更に有する。上記米国特許の明細書に記載された種類の低温冷凍 装置は、通常的に、コールドヘッドにおいて１００度に以下の温度を達成し、そ して同じくコールドヘッドにおける３０度に以下の温度で作動する。

このような冷凍装置は、その容量に応じて、ひとつあるいは２つ以上の圧縮器と 膨張器のピストン対を有する。それぞれの膨張器ピストンは、エクステンダ部分 により、コールドヘッドの近辺におけるワーキングガスの極端な低温から一般的 には保護される。このエクステンダ部分は、コールドヘッドの向くよう膨張器ピ ストンの面上に担持された膨張器ドームと呼ばれることもある。このエクステン ダは、通常、極低温に耐えることができ、且つ膨張器ピストンの横断面積直径よ りわずかに小さい直径をもつように、例えば木あるいはプラスチック材の断熱材 料で作られる。エクステンダの長さは、膨張器ピストンに対する適当な断熱効果 をだすに十分な長さに決められる。かくして、膨張器シリンダの容積は、このシ ステムの作動に適切なものとなされる。

本発明による低温冷凍装置は、大部分の用途において良好に作動するが、大容量 の冷凍装置においては、エクステンダの往復動する質量が大きくなり、その結果 、システムのユニットの効率と信頼性が低下してしまう。加えて、エクステンダ のすべての細孔が、冷媒の一部を吸収し、か（て冷媒の圧縮率が低下し、エクス テンダの性能に悪影響がでる。

発明の要約 本発明によれば、改良型のスターリングサイクル低温冷凍装置が提供され、この 冷凍装置は、圧縮シリンダ内のワーキングガスを圧縮するための第１圧縮器ピス トンと、第２シリンダ内のワーキングガスを膨張させるための第２膨張器ピスト ンと、上記膨張器シリンダ内のワーキングガスと熱的に接触するコールドヘッド を有し、更に、上記第２シリンダ内のワーキングガスから膨張器ピストンを熱的 に離隔させるため上記コールドヘッドの近くのサイドにおける膨張器ピストンに 取付けられた薄壁で、中空の排気されたエクステンダを含む。

以上述べた及びそれ以外の本発明の特徴と利点は、添付図面に示される本発明の 好適具体例の以下における詳しい説明から明らかになる。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明による改良型スターリングサイクル低温冷凍装置を示す破断斜 視図である。第２図は本発明によるこの低温冷凍装置の一部を示す断面図である 。第３図は、本発明によるエクステンダを、膨張器に取付けた様子を示す断面図 である。

好適具体例の説明 この発明の低温冷凍装置は、米国特許Ｎｏ　３．０７４．’２４４の明細書に記 載されたクローズドサイクル型スターリングサイクル冷凍装置を改良したもので あり、上記米国特許に記載された基本的な方式と同じ方式で作動する。

本発明の好適具体例を示す第１図を視るに、低温冷凍装置（１１）は、電気モー タ（１３）によって駆動され、このため、ベベルギアカップリング（１９）　、 駆動軸（２１）、圧縮器と膨張器の各ピストン（２３，２５）を通して、圧縮器 ピストン（１５）と膨張器ピストン（１７）が駆動される。冷凍装置（１１）は 、下側ケース部分（２９）、シリンダブロック（３１）及びシリンダヘッド（３ ２）によって構成される密閉シールケース（２７）内に封入される。この冷凍装 置（１１）の内部（３４）は、窒素等でもよいが、望ましくはヘリウムのワーキ ングガスで満たれる。

上述の米国特許明細書により完全に記載されているように、このワーキングガス は、圧縮器ピストン（１５）によって、圧縮器シリンダ（３３）内で等温圧縮さ れるが、この際の圧縮熱は、熱交換器（３５）と冷却フィン（３７）を介して散 らされる。次に、圧縮されたワーキングガスは、リゼネレータ（３９）とチャン ネル（４１）を通って１膨張器シリンダ（４３）に定積移送され、このシリンダ 内で、膨張器ピストン（１７）により等温膨張される。膨張熱は、コールドヘッ ド（４５）から抽出される。次いで、ガスは定積で、チャンネル（４１）、リゼ ネレータ（３９）、熱交換器（３５）を介して、圧縮器シリンダ（３３）に移送 され、ここにおいてサイクルが再度始まる。

コールドヘッド（４５）は、サイクルごとに段々に冷却されていき、冷却温度に 達する。膨張器ピストン（１７）は、エクステンダ（４７）により、膨張器シリ ンダ（４３）内の極端に低温のワーキングガスにさらされないように保護される 。

第２図と第３図を視るに本発明によるエクステンダ（４７）は、前記コールドヘ ッド（４５）の近くの、膨張器ピストン（１７）の面上に固着された薄壁メタル シリンダ（４９）で構成されてる。ネックとショルダ（５１）は、膨張器ピスト ン（１７）の上部分に形成されている。

シリンダ（４９）の底から伸びるスカート（５３）とネック（５１）の上にきち んとはまる。このシリンダ（４９）は、スカート（５３）とネック（５１）を貫 通するピン（５５）により膨張器ピストン（１７）に取付けられる。

上記ネックとショルダ（５１）の寸法と、ピストン（１７）とシリンダ（４９） の間の間隔は、図解を明瞭にするため多少大げさに図示されている。

細い排気管（５７）は、シリンダ（４９）の底から膨張器ピストン（１７）を経 て延びる。このシリンダ（４９）が＼膨張器ピストン（１７）上に担持されると 、その内部の空気は、真空ポンプにより、上記排気管（５７）から排気される。

この排気管（５７）はピストン（１７）を通って伸びるそれの端部を、良く知ら れるつまみ工具を用いてつまむことにより半永久的にシールされる。

排気管（５７）は、つまむのが容易なように極めて薄肉にするのが望ましく、ま た直径を約０．０１５インチにすることができる。

シリンダ（４９）は、好ましくはステンレススチールで作られる。このシリンダ の断面形状は円形であり、その外径は、膨張器ピストン（１７）の外径よりわず かに小さいので、膨張器シリンダ（４３）内でシリンダの壁にこすれたりするこ となく自由に動く。このシリンダ（４９）の主たる目的は、膨張器ピストン（１ ７）を、膨張器シリンダ（４３）内の極低温ワーキングガスから熱的に隔絶する ことにある。用いられるガスと用途に応じて、このワーキングガスの温度は、１ ８度にほど低くすることもできる。金属製エクステンダシリンダの外側と膨張器 シリンダの壁との間の環状空間は、極めて狭＜、０．００８から０．０１３イン チのオーダの寸法をもつ。この膨張器の長さは、シリンダ（４９）の頂部と膨張 器ピストン（１７）との間の熱伝達が最小になるように十分長くすべきであるが 、このエクステンダ（４７）と膨張器シリンダ（４３）の壁との間の環状空間の デッド容積が、ワーキングガスの圧縮比に悪影響を与えるほど長くしてはならな い。一般的に、エクステンダ（４７）の長さは、冷凍装置の容積に応じて約２イ ンチから６インチにすべきである。

エクステンダのシリンダ（４９）は排気されるので、その内部空間を介しての伝 熱作用あるいは放射作用による伝熱効果はほとんどない。目立った伝熱経路は、 シリンダ（４９）の薄壁の全長にわたる個所だけである。

シリンダの壁の断面積は極めて小さく、且つ伝熱経路の長さは比較的長いので、 伝熱作用はこのシリンダの長さ部分を介するわずかな量だけである。かくして、 エクステンダ（４７）と膨張器ピストン（１７）との間の断熱効果は極めて大き くなる。

薄壁の排気シリンダ（４９）とエクステンダ（４７）を用いることにより、従来 側われてきた、木製あるいはプラスチック製のエクステンダ、特に大型容積冷凍 装置用のエクステンダをしのぐ利点が得られる。本発明によるシリンダ（４９） の往復質量は、従来用いられてきた中実の木製あるいはプラスチック製エクステ ンダのそれよりかなり小さいので、冷凍装置は、従来型のものより信頼性がまし 、寿命が伸びる。シリンダ（４９）のステンレススチールは、細孔なし型の材質 であるから、従来型の木製あるいはプラスチック製エクステンダと異なり、ワー キングガスを吸収したりしない。かようなガス吸収は、エクステンダの熱的性能 に悪影響を与えり、ワーキングガスの圧縮率を下げたりする。

加えて、本発明によるエクステンダ（４７）の熱的性能は、それ非浸透性と収縮 特性の故に、従来技術による木製あるいはプラスチック製エクステンダの場合よ り、極低温においてすぐれている。

シリンダ（４９）の壁は、できる限りうすくすべきであるが、排気されたシリン ダ内部と、圧縮器シリンダ（３３）から膨張器シリンダ（４３）へ移動する圧縮 ワーキングガスとの間の圧力差に十分耐えるだけの厚さは確保しなければならな い。加えて、このシリンダ（４９）は、レフレジリータの振動（約２０ヘルツ） と冷凍装置の使用条件による熱的及び機械的応力に耐えうるちのでなくてはなら ない。ステンレススチールで作られたシリンダ（４９）の場合、このシリンダの 壁厚は、用途に応じて約０．０１０インチから０．０１５インチの間でよい。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）第１シリンダー（３３）内の作動ガスを圧縮する第１ピストン（１５），当 該作動ガスを第２シリンダー（４３）内で膨張させる第２ピストン（１７）、前 記第１シリンダーと第２シリンダーを接続するチャンネル装置（４１）及び前記 第２シリンダー内の前記作動ガスと熱接触状態にある低温ヘッド（４５）を備え た改変型スターリングサイクル低温冷凍装置（１１）であって：前記第２ピスト ンを前記第２シリンダー内の作動ガスから熱的に分離させるよう前記低温ヘッド 近くの面上で前記第２ピストンに固定された薄肉中空の排気された延在体（４７ ）を含む改変型スターリングサイクル低温冷凍装置。 ２）前記延在体が前記第２ピストンに固定された薄肉密閉された金属製シリンダ ー（４９）を含み、前記金属製シリンダーが前記第２シリンダー内で自由運動す るように前記第２ピストンより外径が僅かに小さくなっている請求の範囲第１） 項記載の改変型スターリングサイクル低温冷凍装置。 ３）前記薄肉の金属製シリンダーがステンレス鋼製である請求の範囲第２）項記 載の改変型スターリングサイクル低温冷凍装置。 ４）前記薄肉金属製シリンダーの壁が厚さ約０．０２５ｃｍ（０．０１０インチ ）乃至０．０３７５ｃｍ（０．０１５インチ）になっている請求の範囲第３）項 記載の改変型スターリングサイクル低温冷凍装置。 ５）薄肉シリンダーと前記第２シリンダーの間の環状部の厚さが０．０２ｃｍ（ ０．００８インチ）乃至０．０３２５ｃｍ（０．０１３ンチ）である請求の範囲 第１）項記載の改変型スターリングサイクル低温冷凍装置。 ６）前記薄肉シリンダーの長さが５ｃｍ（２インチ）乃至１５ｃｍ（６インチ） である請求の範囲第１）項記載の改変型スターリングサイクル低温冷凍装置。 ７）前記第２ピストンが首部分（５１）を含み、前記金属製シリンダーが前記首 部分上に緩く嵌合するスカート（５３）を含み更に前記金属製シリンダーを前記 第２ピストンに固定設置する装置（５５）を含む請求の範囲第２）項記載の改変 型スターリングサイクル低温冷凍装置。 ８）前記金属製シリンダーをピン（５５）に固定設置する前記装置が前記スカー トと前記首部分を貫通延在する前記ピンを含む請求の範囲第６）項記載の改変型 スターリングサイクル低温冷凍装置。 ９）空気を前記シリンダー内側から排気させるのに使用する前記第２ピストンを 貫通延在した薄肉排気管（５７）を含み、前記排気管の端部が前記空気排気後に 密封される請求の範囲第２）項記載の改変型スターリングサイクル低温冷凍装置 。 １０）低温ヘッド（４５），圧縮シリンダー（３３）内の作動ガスを圧縮する圧 縮ピストン（１５），低温ヘッドと熱接触状態の箇所にて圧縮ガスを膨張させる 膨張ピストン（４３），前記圧縮シリンダーと前記箇所を相互に接続する再生器 （３９）を含むチャンネル装置（４１）を備えた改変型スターリングサイクル低 温冷凍装置（１１）であって、 前記膨張ピストンを前記低温ヘッドの近辺にある前記作動ガスの低温からシール ドするよう前記低温ヘッド近辺で前記膨張ピストンの側に設置された薄肉の中空 金属製シリンダー（４９）を含み、前記金属製シリンダー内からの空気が排気さ れ、前記金属製シリンダーが密封されている改変型スターリングサイクル低温冷 凍装置。 １１）前記膨張ピストンが往復動ずる膨張シリンダーが前記箇所に含まれ、前記 膨張シリンダー内で前記金属製シリンダーが自由連動するように前記金属製シリ ンダーの外径が前記膨張シリンダーの内壁より僅かに小さくなっている請求の範 囲第９）項記載の改変型スターリングサイクル低温冷凍装置。