JPH0350955B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の利用分野） 本発明は、可変圧縮空間、放熱器、蓄冷器及び
複数の可変膨脹空間を互いに連通させたスターリ
ングサイクルし、ブルミエールサイクル、ギホー
ドマクマホンサイクル、ソルベイサイクル等の多
段膨脹型の冷凍機に関する。この種の冷凍機は、
クライオポンプ、スキツド素子、超電導磁石等の
冷却に利用されるが、本発明は、これら冷凍機の
冷凍量を、２個以上の可変膨脹空間の容積の位相
を変えることで増大させるためのものである。

（従来技術とその問題点） 多段膨脹型の冷凍機、そのものは、実公昭43−
17026号公報に開示される如く公知である。同公
報に示される冷凍機の基本構成を、添付第４図に
示す。冷凍機の可変圧縮空間１は、放熱器２、蓄
冷器３及び熱交換部を介して第１の可変膨脹空間
４と連通し、さらに、蓄冷器３、別の蓄冷器５及
び熱交換器６を介して第２の可変膨脹空間７へと
連通する。両膨脹空間４，７を、多段膨脹ピスト
ン８と膨脹シリンダ９，１０とで画定し、又、可
変圧縮空間１を、圧縮ピストン１１と圧縮シリン
ダ１２とで形成する。

両ピストン８，１１を、コネクテイングロツド
１３，１４を介して、クランク軸１５に接続させ
る。モータに接続されたクランク軸１５は、膨脹
ピストン８の動きを、圧縮ピストン１１の動きよ
り90度（角度）位相が進むよう形成される。尚、
作動空間には、作動冷媒として、たとえば、ヘリ
ウムガスを封入する。

モータによりクランク軸１５を回転させると、
圧縮ピストン１１が上昇し、可変圧縮空間１内の
作動冷媒は、圧力、温度とを高くなり、放熱器２
内に流入する。作動冷媒は、放熱器２内でその温
度を下げ、さらに、蓄冷器３によつて冷却されて
温度を下げ、第１の可変膨脹空間４と蓄冷器５内
に流入する。蓄冷器５に流入した作動冷媒は、蓄
冷材によつて冷却され、さらに降温し熱交換器６
を通つて第２の可変膨脹空間７内に流入する。両
膨脹空間４，７に流入した作動冷媒は、膨脹ピス
トン８の下方向への移動によつて膨脹し、その温
度をさらに下げ、たとえば、第１の可変膨脹空間
４の作動冷媒を90K、第２の可変膨脹空間７内の
作動冷媒を30Kとさせる。

この冷凍機の膨脹ピストン８の一行程の圧力
を、第２図に点線で示す。同図から明らかなよう
に、膨脹ピストン８が、上死点から略37度（クラ
ンク軸１５の回転角に変換した値）の位置で圧力
が最大となつている。一方、第２の可変膨脹空間
７でのPV線図を第３図に点線で示す。この点線
に囲まれた面積は、作動冷媒が可変膨脹空間７内
で、膨脹ピストン８がなした膨脹仕事に相当し、
この膨脹仕事が第２の可変膨脹空間７で発生した
冷凍量となる。

第３図点線で示す如く、従来の冷凍機の可変膨
脹空間７の単位容積当りの冷凍量が少ない。この
原因として考えられることは、作動冷媒の圧縮比
が小さいこと、及び作動冷媒の圧力最大時におけ
る膨脹ピストン８の位置が最適でないことであ
り、このため、第２の可変膨脹空間７でのPV線
図（第３図点線参照）の閉曲線の面積が小さくな
り、可変膨脹空間７の作動冷媒が発生する冷凍が
小さくなるためである。

（本発明の技術的課題） 本発明は、可変膨脹空間の単位容積当りの発生
冷凍量を増大することにより、従来技術の欠点を
解消させることを解消すべき技術的課題とする。

（本発明の技術的手段とその作用） 前述した技術的課題を解決するために、本発明
は、２個以上の可変膨脹空間のうちの１つの可変
膨脹空間の容積に対して他の少なくとも１個以上
の可変膨脹空間の容積の位相を変える技術的手段
を基本的に採用する。この結果、第１の可変膨脹
空間の容積は、第２の可変膨脹空間の容積の動き
より位相がずれ、第２図の実線で示す如く、作動
冷媒の圧力変化が大きくなる。このため、第３図
の実線で示す如く、第２の可変膨脹空間でのPV
線図の閉曲線に囲まれた面積が大きくなり、第２
の可変膨脹空間での単位容積当りの冷凍量が増大
する。

（実施例） 第１図を参照する。可変圧縮空間１０１を、圧
縮シリンダ１１５、圧縮ピストン１０９、ピスト
ンリング１１２より形成し、該圧縮空間１０１を
放熱器１０２、蓄冷器１０３，１０４に連通させ
る。

一方、第１の可変膨脹空間１０７を、膨脹シリ
ンダ１１６、膨脹ピストン１１０、ピストンリン
グ１１３より形成し、第２の可変膨脹空間１０８
を、膨脹ピストン１１１、膨脹シリンダ１１７、
ピストンリング１１４より形成する。蓄冷器１０
３の低温端を導管１０５を介して第１の可変膨脹
空間１０７に連通させ且つ蓄冷器１０４の低温端
を導管１０６を介して第２の可変膨脹空間１０８
に連通させる。

圧縮ピストン１０９、両膨脹ピストン１１０，
１１１は、コネクテイングロツド１１８，１１
９，１２０を介して、クランク軸１２１に接続す
る。尚、クランク軸１２１は図示しないモータに
結合される。クランク軸１２１は、圧縮ピストン
１０９の動きが、第２の可変膨脹ピストン１１１
より略90度の位相遅れを作り且つ第１の可変膨脹
ピストン１１０が第２の可変膨脹ピストン１１１
より略30度の位相遅れを作るよう構成される。放
熱器１０２内には、導管１０２ａ，１０２ｂを介
して水等の寒剤が循環する。

クランク軸１２１の回転により、圧縮ピストン
１０９が上昇すると、可変圧縮空間１０１内のヘ
リウム等の作動冷媒が圧縮、昇温されて放熱器１
０２に流入して冷却され、蓄冷器１０３，１０４
に流入する。蓄冷器１０３に流入した作動冷媒の
一部が、導管１０５を介して、第１の可変膨脹空
間１０７に入り、クランク軸１２１による可変膨
脹ピストン１１０の下向きの移動と共に、膨脹
し、第１の可変膨脹空間１０７に冷凍を発生させ
る。即ち、作動冷媒は第１の膨脹ピストン１１０
を下方向に移動させる膨脹仕事量に相当する冷凍
量を発生する。同様に、蓄冷器１０４に流入した
作動冷媒も導管１０６を通つて第２の可変膨脹空
間１０８に流入する。第２の可変膨脹空間１０８
に流入した作動冷媒が、膨脹ピストン１１１を下
方向に移動せしめる膨脹仕事量に相当する冷凍を
発生させる。第２の可変圧縮空間１０８での冷凍
は、第１の可変圧縮空間１０７での冷凍より低温
となる。

第２の可変膨脹空間１０８内の作動冷媒は、膨
脹ピストン１１１の上方向への移動により導管１
０６を介して、蓄冷器１０４，１０３に流入し、
蓄冷材から熱をうばい昇温し、放熱器１０２を通
つて可変圧縮空間１０１に流入する。第１の可変
膨脹空間１０７内の作動冷媒も、膨脹ピストン１
１０の上方向への移動によつて、導管１０５を介
して、蓄冷器１０３に流入する。蓄冷器１０３に
流入した作動冷媒は、膨脹ピストン１１１が上方
位置をとる場合には、蓄冷器１０３内の蓄冷材か
ら熱をうばい昇温し、放熱器１０２を通過し、可
変圧縮空間１０１に入り、膨脹ピストン１１１が
下方位置をとる場合には、蓄冷器１０４に流入
し、蓄冷材によつて冷却される。

膨張ピストン１１１が略上死点付近（可変膨張
空間１０８の容積が最小）にあるとき、圧縮ピス
トン１０９は、略中立点付近におり、上死点に向
かつて動いているので可変圧縮空間１０１内の作
動冷媒は、放熱器１０２、蓄冷器１０３，１０
４、導管１０６を通つて可変膨張空間１０８に流
入し、又膨張ピストン１０７は、略上死点より手
前の位置におり、上死点に向かつて動いているの
で、可変膨張空間内の作動冷媒は、導管１０５、
蓄冷器１０４、導管１０６を通つて可変膨張空間
１０８に流入する。従来のように、膨張ピストン
１１１と膨張ピストン１０７の動きが同位相の場
合には、膨張ピストン１１１、略上死点付近で
は、可変圧縮空間１０１内の作動冷媒は、放熱器
１０２、蓄冷器１０３，１０４、導管１０５，１
０６を通つて、可変膨張空間１０７，１０８に流
入する。上記の理由により、従来のように膨張ピ
ストン１１１と１０７の動きが同位相の場合にく
らべ本発明では、膨張ピストン１１１の動きが膨
張ピストン１１０の動きより位相が進んでいるの
で可変膨張空間１０８に流入する作動冷媒の量は
従来の場合に比べ多く流れるので膨張ピストン１
０８の膨張仕事量は、従来の場合より多くなる。
膨張ピストン１１１が略下死点付近にいる時は、
圧縮ピストン１０９は、略中立点付近におり、下
死点に向かつて動いているので、可変膨張空間１
０８内の作動冷媒は、導管１０６、蓄冷器１０
４，１０３、放熱器１０２を通つて可変圧縮空間
１０２に流入し、又この時膨張ピストン１０７
は、下死点より手前の位置におり、下死点に向か
つて動いているので、作動冷媒を吸込んでいる。
即可変膨張空間１０８内の作動冷媒が、導管１０
６、蓄冷器１０４、導管１０５を通つて可変膨張
空間１０７に流入する。従来のように膨張ピスト
ン１０７と１０８の動きが同位相の場合には、可
変膨張空間１０８内の作動冷媒は可変膨張空間１
０７には流入しない。即ち、膨張ピストン１１１
が可変膨張空間１０８内の作動冷媒を吐き出して
いる時は膨張ピストン１０７も可変膨張空間１０
７内の作動冷媒を吐き出している。可変膨張空間
１０７，１０８より吐き出された作動冷媒は、可
変圧縮空間１０１に流入する。上記の理由によ
り、従来のように膨張ピストン１１１と１０７の
動きが同位相の場合にくらべ、本発明で膨張ピス
トン１１１の動きが１１０の動きより位相が進ん
でいるので、可変膨張ピストン１０８内より吐き
出される作動冷媒は、可変圧縮空間１０１と可変
膨張空間１０７にも吸い込まれるので、膨張ピス
トン１１１が可変膨張空間１０８内の作動冷媒を
吐出するための仕事量が少なくなる。

可変膨張空間１０８で発生される冷凍量は膨張
ピストン１１１の膨張仕事量から膨張ピストン１
１１が可変膨張空間１０８内の作動冷媒を吐出す
るのに要する仕事量を差引いたものであるから、
前述した理由により、本発明では従来の場合（２
つの膨張ピストンの動きが同位相の場合）にくら
べ可変膨張空間１０８で発生される冷凍量は多く
なる。

尚、可変圧縮空間１０１の容積V_C、可変膨張
空間１０７の容積V_E1、可変膨張空間１０８の容
積V_E2とすれば、V_C、V_E1、V_E2は、一般に、次式 で示される。

V_E1はV_E2に対してφ₂−φ₁位相が遅れているこ
とが分る。

可変圧縮空間１０１の容積、可変膨張空間１０
７の容積と可変膨張空間１０８の容積の位相を変
えるために前述した如く、本例では各ピストンの
動きの位相を変えている。

前述した如く、膨脹ピストン１１０の動きを、
膨脹ピストン１１１の動きより位相を遅らせてい
るので、第１の可変膨脹空間１０７の容積は第２
の可変膨脹空間１０８の容積の動きより位相が遅
れる。かくして、第２図の実線で示すように作動
冷媒の圧力変化は大きくなり、又、圧力の最大な
る位置が、膨脹ピストン１１１の上死点から略45
度下死点側に向つた位置に生ずる。この結果、第
３図の実線で示すように、第２の可変膨脹空間１
０８でのPV線図の閉曲線に囲まれた面積は、従
来のもの（第３図の点線）より大きくなる。この
実線で示す閉曲線によつて囲まれた面積は、第２
の可変膨脹空間１０８で作動冷媒が膨脹ピストン
１１１になした膨脹仕事量に相当する。この膨脹
仕事量は、第２の可変膨脹空間１０８で発生した
冷凍量となる。従つて、本実施例の単位容積当り
の冷凍量が従来の冷凍機のそれより大きくなる。

（効果） 本発明によれば、可変膨脹空間での単位容積当
りの冷凍量が増大するため、従来より低い温度が
得られる。たとえば、可変膨脹空間と蓄冷器との
間に凝縮器を設ける場合、圧縮比が低下すること
なくむしろ増大するので凝縮能力を増大させ得
る。

ところで、可変圧縮空間の容積を増大させるこ
とで、可変膨脹空間の単位容積当りの冷凍量を増
大させることができるが、しかし、この場合、可
変圧縮空間の増大に比例して圧縮仕事が増大し、
摩擦損失も増大する。この結果、冷凍機の消費動
力が増大し、効率が低下するが、本発明によれ
ば、このような不具合を生じない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例の冷凍機の断面図、第２
図は作動冷媒の圧力変動を示すグラフ図、第３図
はPV線図を示すグラフ図、および第４図は従来
例の冷凍機の断面図である。 図中：１０１……可変圧縮空間、１０２……放
熱器、１０３，１０４……蓄冷器、１０７，１０
８……可変膨脹空間、１０９……圧縮ピストン、
１１０，１１１……膨脹ピストン、１２１……ク
ランク軸。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 可変圧縮空間、放熱器、蓄冷器及び複数の可
   変膨張空間を互いに連通させる冷凍機において、
   前記複数の可変膨張空間のうち温度の低い冷凍を
   発生する可変膨張空間の容積に対し、高い温度の
   冷凍を発生する可変膨張空間の容積の位相を遅ら
   せたことを特徴とする冷凍機。