JPH04121557A

JPH04121557A - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JPH04121557A
Application number: JP24097590A
Authority: JP
Inventors: Makoto Hiroyasu; 誠廣保; Masao Ono; 正雄大野
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1990-09-10
Filing date: 1990-09-10
Publication date: 1992-04-22

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
張室で冷媒を膨張させて極低温レベルの寒冷を発生させ
る冷凍機において、ディスプレーサ内に収容されるリジ
ェネレータ（再生式熱交換器）の構造に関する。

（従来の技術）従来より、この種のディスプレーサ往復動式極低温冷凍
機として、スターリング冷凍機及びギフオード・マクマ
ホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）は知られている
。

上記スターリング冷凍機は、冷媒ガスを所定周期で加圧
する圧縮機と、該圧縮機で加圧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
、例えば密閉状のシリンダと、該シリンダ内に往復動自
在に嵌挿されたピストンと、該ピストンを往復駆動する
りニアモータと、上記ピストンを往復動可能に弾性支持
するピストンスプリングとを備え、リニアモータに所定
周波数の交流を通電することで、ピストンをシリンダ内
で往復移動させ、シリンダ内の圧縮室で所定周期のガス
圧を発生させるようになされている。

また、膨張機はシリンダを有し、このシリンダ内にはシ
リンダ内空間を膨張室と作動室とに区画するフリーディ
スプレーサか往復動自在に嵌挿されている。このディス
プレーサは膨張室及び作動室にそれぞれ連通ずるリジェ
ネレータを内蔵している。また、作動室内にはディスプ
レーサを往復動可能に弾性支持するデイスプレーサスプ
リングが配設されている。上記作動室は結合配管を介し
て圧縮機の圧縮室に接続されており、圧縮機からの増減
する冷媒ガス圧にてディスプレーサを往復動させること
により、冷媒ガスを膨張室で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構成されてい
る（例えば“Ｒｅｒ　ｒｉｇｅｒａｔｏｒ　　ｆｏｒ　
　Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ　　５ｅｎｓｏｒｓ　　　、　　
ＮＡＳＡ　　ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｕｂｌｉｃａｔｌ
ｏｎ　２２８７等参照）。

一方、ＧＭ冷凍機は、上記と同様に、冷媒ガスを一定圧
力に圧縮する圧縮機と、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、膨張機
はシリンダ内に往復動可能に嵌挿されたディスプレーサ
を有し、このディスプレーサを機械又はガス圧により往
復駆動することで、シリンダ先端のコールドヘッドに極
低温レベルの寒冷を発生させるようになされている。

ところで、上記スターリング冷凍機やＧＭ冷凍機におけ
る膨張機のディスプレーサとして、従来、例えば第４図
に示すように、両端開口が閉塞された厚肉の樹脂製円筒
体からなるケース（ａ）内に円板状金網や金属微粒子か
らなる多数のリジェネレータマトリックス（ｂ）、　　
（ｂ）、…を充填したものや、或いは第５図に示す如く
、シリンダ（Ｃ）と同質の金属製薄肉パイプ（ステンレ
ス鋼パイプ等）からなるケース（ａ′）内にリジェネレ
ータマトリックス（ｂ）、　　（ｂ）、…を充填したも
のがある。尚、リジェネレータマトリックス（ｂ）、（
ｂ）、…は、金網の場合にあっては積層により充填され
、金属微粒子ではそのまま充填される。

される。

（発明が解決しようとする課題）ところが、上記前者のものでは、ケース（ａ）に厚肉の
樹脂を用いているため、その熱容量が大きい。また、樹
脂自体の熱伝導率が低いので、ディスプレーサの径方向
に熱が伝わり難い。従って、冷凍機のクールダウンの時
間が長くなるのは避けられない。

これに対し、後者のものでは、ケース（ａ′）が薄肉の
金属パイプであるので、クールダウンを短時間で終了す
ることができる。しかしながら、反面、ケース（ａ′）
の壁の厚さを前者のものに比べて極めて薄くする必要が
あり、ケース（ａ′）の外径とリジェネレータマトリッ
クス（ｂ）。

（ｂ）、…の詰め込まれる部分の内径とが極めて等しく
なり、これら２つの径を独立して選択することはできな
い。このため、リジェネレータマトリックス（ｂ）、　
　（ｂ）、…は必要とされる量よりも多量に充填され、
リジェネレータ内部の無駄容積が大きくなる。従って、
スターリング冷凍機にあっては系の圧力振幅が下がり、
ＧＭ冷凍機にあっては同−冷凍能力当りに必要なガス循
環量が増加してしまい、その結果、冷凍機の効率が低下
するという問題かある。

本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その
目的とするところは、上記膨張機におけるディスプレー
サの構造を改良することにより、冷凍機のクールダウン
時間の短縮化とりジェネレータの無駄容積の最適化によ
る冷凍機効率の増大とを両立させることにある。

（課題を解決するための手段）上記の目的を達成するために、請求項（１）に係る発明
の解決手段は、ディスプレーサのケースを熱伝導率の低
い薄肉金属製のパイプで構成し、その上で、該ケース内
に多数の樹脂製スペーサをリジェネレータマトリックス
と交互に積層配置した。

上記樹脂製スペーサの態様は具体的に２つあり、請求項
（１）に係る発明ではリング状のものとし、請求項（２
４に係る発明では円板状とする。

すなわち、請求項（１）に係る発明は、第１図に示すよ
うに、シリンダ（２）内に往復動可能に嵌挿されたディ
スプレーサ（５）を備え、ディスプレーサ（５）の往復
動に伴って膨張室（１４）で冷媒ガスを膨張させること
により、極低温レベルの寒冷を発生させるようにした極
低温冷凍機を前提とする。

そして、上記ディスプレーサ（５）は、熱伝導率の低い
金属製薄肉円筒体（６）を有してなるケース（９）と、
該ケース（９）内にケース（９）の長さ方向に間隔をあ
けて同心状に配置された複数のリング状の樹脂製スペー
サ（１１）　、　　（１１）…と、該隣り合うスペーサ
（１１）　、　　（１１）間ないし各スペーサ（１１）
の内部に亘って同心状にかつ連続的に積層された多数の
リジェネレータマトリックス（１２）、　　（１２）、
…、　　（１３）（１３）、…とを備えた構成とする。

また、請求項（２１に係る発明では、第３図に示す如く
、上記前提の極低温冷凍機に対し、ディスプレーサ（５
）は、熱伝導率の低い金属製薄肉円筒体（６）を有する
ケース（９）と、該ケース（９）内の中心部にケース（
９）の長さ方向に間隔をあけて同心状に配置され、ケー
ス内径よりも小径の複数の円板状の樹脂製スペーサ（１
１）　、　　（１１）…と、該隣り合うスペーサ（１１
）　、　　（１１）間ないし各スペーサ（１１）の外部
に亘って同心状にかつ連続的に積層された多数のリジェ
ネレータマトリックス（１２）、　　（１２）、…、　
　（１３）（１３）、…とを備えた構成とする。

（作用）上記の構成により、請求項（１）及び（２）に係る発明
では、ディスプレーサ（５）における薄肉金属からなる
ケース（９）内に、リジェネレータマトリックス（１２
）、　　（１２）、…、　　（１Ｂ）、　　（１３）、
…と樹脂製スペーサ（１１）　、　　（１１）　。

…とが交互に積層配置されて充填されているので、ケー
ス（９）の径とりジェネレータ容積とを独立して選択で
き、スペーサ（１１）分の容積だけ、リジェネレータの
無駄容積を減らして最適にすることができ、冷凍機の効
率を増大させることができる。また、ディスプレーサ（
５）のケース（９）内に樹脂製スペーサ（１１）、　　
（１１）、…がケース（９）内に不連続に配置され、そ
のスペーサ（１１）　、　　（１１）間にもリジェネレ
ータマトリックス（１３）、　　（１Ｂ）、…が配置さ
れているので、ガスから樹脂製スペーサ（１１）　、　
　（１１）…への熱伝導がケース（９）の径方向のみな
らず軸方向からもなされることとなり、これらの冷却作
用により、熱伝導率の小さい樹脂製スペーサ（１１）　
、　　（１１）　、…であってもその冷却が速やかに行
われ、冷凍機のクールダウン時間を短縮することができ
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図において、（１）は本発明の第１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膨張機を示
し、この膨張機（１）はりニアモータ圧縮機（３１）と
結合配管（３０）により連結されている。上記圧縮機（
３１）は「従来の技術」の項で説明したので、ここでは
詳細な説明はしない。

上記膨張機（１）は先端が閉塞された有底円筒状のシリ
ンダ（２）と、該シリンダ（２）の基端側外周に外嵌合
された取付フランジ（１７）とを備えている。上記シリ
ンダ（２）の基端開口は閉塞部材（４）によって気密状
に閉塞され、シリンダ（２）の先端はコールドヘッド（
３）とされている。このシリンダ（２）内にはフリーデ
ィスプレーサ（５）が往復動自在に嵌挿され、ディスプ
レーサ（５）によりシリンダ（２）内がシリンダ（２）
先端側の膨張室（１４）と基端側の作動室（１５）とに
区画形成されている。

そして、本発明の特徴として、上記ディスプレーサ（５
）は、第１図に拡大詳示するように、ステンレス鋼等の
低熱伝導率の薄肉金属からなる円筒体（６）の両端開口
にそれぞれエンドキャップ（７）、（８）を充填したケ
ース（９）を備え、このケース（９）内にはりジェネレ
ータ（１０）（再生式熱交換器）が収容されている。こ
のリジェネレータ（１０）は、ケース（９）内にその長
さ方向（軸方向）に一定間隔をあけて同心状に配置され
た複数（図では６つ）のリング状の樹脂製スペーサ（１
１）　、　　（１１）　、…を有し、該各スペーサ（１
１）の外径はスペーサ（１１）外周がケース（９）内周
に接するようにケース内径よりも若干小径に設定されて
いる。各スペーサ（１１）の内部には円板状金網からな
る多数のスペーサ内リジェネレータマトリックス（１２
）、　　（１２）。

…が周縁部をスペーサ（１１）内周に接するように同心
状に積層されている。また、隣り合うスペーサ（１１）
、　　（１１）間には、同様に円板状金網からなる多数
のスペーサ間リジェネレータマトリックス（１３）、（
１３）、…が周縁部をケース（９）内周に接するように
同心状に積層され、上記スペーサ内リジェネレータマト
リックス（１２）、（１２）、…及びスペーサ間リジェ
ネレータマトリックス（１Ｂ）、　　（１３）、…は連
続的に積層配置されている。

上記エンドキャップ（７）、　　（８）にはそれぞれケ
ース（９）内のりジェネレータ（１０）を膨張室（１４
）及び作動室（１５）に連通させる連通孔（７ａ）、（
８ａ）が開口されており、膨張室（１４）で膨張した低
温の冷媒ガスが作動室（１５）に向かうときには、該冷
媒ガスによりリジェネレータ（１０）を冷却してそれに
冷熱を蓄え、逆に常温の冷媒ガスが作動室（１５）から
膨張室（１４）に向かうときには、リジェネレータ（１
０）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（１５）内には、ディスプレーサ（５
）を往復動可能に弾性支持するコイルばねからなるデイ
スプレーサスプリング（１６）が配設されている。この
スプリング（１６）は、上記閉塞部材（４）の先端（デ
ィスプレーサ（５）側の端部）に形成したばね止め（４
ａ）と、ディスプレーサ（５）のケース（９）における
エンドキャップ（７）基端に形成したばね止め（７ｂ）
との間に架設されており、このスプリング（１６）のば
ね定数により決まる所定周波数と、圧縮機（３１）のガ
ス圧変動の周期とでディスプレーサ（５）の往復動動作
形態を決定する。

一方、上記取付フランジ（１７）は、膨張機（１）を真
空容器（１８）に取り付けるためのもので、シリンダ（
２）基端に外嵌合されたボス部（１７ａ）と、そのシリ
ンダ（２）先端側の端部に形成されたフランジ部（１７
ｂ）とからなり、フランジ部（１７ｂ）のシリンダ（２
）先端側面にはシールリング（１９）用の環状嵌合溝（
１７Ｃ）が同心状に形成されている。真空容器（１８）
はシリンダ（２）を一定間隙をあけて嵌挿可能な有底円
筒状のもので、その開口端には上記取付フランジ（１７
）のフランジ部（１７ｂ）と同径のフランジ部（１８ａ
）が形成されており、この両フランジ部（１７ｂ）、　
　（１８ａ）を密接させて、真空容器（１８）内を真空
状態にするようにしている。

さらに、上記閉塞部材（４）の中心部にはシリンダ（２
）内の作動室（１５）に連通ずるガス導入口（２０）が
シリンダ軸線方向に沿って貫通形成され、該ガス導入口
（２０）には上記圧縮機（３１）の圧縮室に接続された
結合配管（３０）がシールされて連結されており、圧縮
機（３１）からの冷媒ガス圧によりディスプレーサ（５
）を往復動させて冷媒ガスを膨張室（１４）で膨張させ
ることにより、シリンダ（２）先端のコールドヘッド（
３）に寒冷を発生させるようになされている。

次に、上記実施例の作動について説明する。

冷凍機の運転に伴い、圧縮機（３１）におけるリニアモ
ータの作動によりピストンがシリンダ内で往復動し、こ
のピストンの往復移動により圧縮室の容積が増減変化し
、圧縮室内部の冷媒が所定周期で圧縮されて所定周期の
圧力波が生じる。この圧縮室は結合配管（３０）を介し
て膨張機（１）の作動室（１５）に連通しているため、
圧縮室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（１５）に供給されて該作動室（１５）内の
圧力が高くなる。この圧力の上昇により作動室（１５）
と膨張室（１４）との間に圧力差が生じ、この圧力差に
よってディスプレーサ（５）がデイスプレーサスプリン
グ（１６）を伸長させながらシリンダ（２）先端側に移
動する。この作動室（１５）はディスプレーサ（５）内
の空間を介して膨張室（１４）に連通しているので、次
の段階では作動室（１５）のガスがディスプレーサ（５
）内を通ってリジェネレータ（１０）により冷却されな
がら膨張室（１４）に流れ、両室（１４）、　　（１５
）の差圧がなくなり、ディスプレーサ（５）はスプリン
グ（１６）の収縮力によりシリンダ（２）基端側に移動
して元の位置に戻る。

この後、直ちに、圧縮機（３１）のピストンが後退して
圧縮室の圧力が低下する。このため、作動室（１５）内
の冷媒ガスが結合配管（３０）を介して圧縮機（３１）
に戻り、作動室（１５）内の圧力が膨張室（１４）より
も低下する。この作動室（１５）と膨張室（１４）との
圧力差によってディスプレーサ（５）が今度はデイスプ
レーサスプリング（１６）を収縮させながらシリンダ（
２）基端側に移動し、膨張室（１４）内の冷媒ガスが断
熱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（１４）からディスプレーサ（５）内を通
ってリジェネレータ（１０）に冷熱を与えながら作動室
（１５）に流れ、両室（１４）、　　（１５）の差圧が
なくなり、ディスプレーサ（５）はスプリング（１６）
の伸長力によりシリンダ（２）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、同様のサイクル
を繰り返すことで、シリンダ（２）先端のコールドヘッ
ド（３）が徐々に極低温レベルまで冷却される。

この実施例では、膨張機（１）におけるディスプレーサ
（５）は、薄肉金属からなるケース（９）内にスペーサ
内リジェネレータマトリックス（１２）、　　（１２）
、…及びスペーサ間リジェネレータマトリックス（１３
）、　　（１３）、…と樹脂製スペーサ（１１）　、　
　（１１）　、…とが積層配置されて充填されたもので
あるので、ケース（９）の径とりジェネレータ容積とを
独立して選択できる。

すなわち、スペーサ分の容積だけ、リジェネレータ（１
０）の無駄容積を減らして最適容積にすることができ、
冷凍機の効率を増大させることができる。

また、ディスプレーサ（５）のケース（９）は薄肉金属
からなるので、樹脂製のものに比べて熱容量か小さくな
り、冷凍機のクールダウンを迅速に行うことができる。

そして、スペーサ（１１）は樹脂製であるため、その熱
容量が大きくかつ熱伝導率が小さい。しかし、この樹脂
製スペーサ（１１）　、　　（１１）　、…はケース（
９）内に不連続に配置され、その各スペーサ（１１）内
にリジェネレータマトリックス（１２）、　　（１２）
、…が配置されているのみならず、隣り合うスペーサ（
１１）　、　　（１１）間にもスペーサ間リジェネレー
タマトリックス（１３）、　　（１３）、…が配置され
ているので、ガスから樹脂製スペーサ（１１）（１１）
、…の各々への熱伝導がケース（９）の径方向に加えて
軸方向からもなされる。従って、樹脂製スペーサ（１１）、　　（１１）、…を配置して
いるにも拘らず、その冷却が速やかに行われ、冷凍機の
クールダウン時間を短縮することができる。

第３図は第２実施例を示しく尚、第１図と同じ部分につ
いては同じ符号を付してその詳細な説明は省略する）、
ディスプレーサ（５）の構造を変えたものである。

すなわち、この実施例では、ディスプレーサ（５′）の
ケース（９）内中心にケース内径よりも遥かに小径の複
数（図では７つ）の円板状の樹脂製スペーサ（１１’　
）、　　（１１’　）、…がケース長さ方向（軸方向）
に一定間隔をあけて同心状に配置されている。この各ス
ペーサ（１１’）の周りには、スペーサ（１１’）を挿
通ずる中心孔（１２ａ’）を有する円板状金網からなる
多数のスペーサ外リジェネレータマトリックス（１２′
）（１２’）、…が周縁部をケース（９）内周に接する
ように同心状に積層されている。また、隣り合うスペー
サ（１１’）、　　（１１’）、…間には、上記第１実
施例と同様に多数のスペーサ間リジェネレータマトリッ
クス（１Ｂ）、　　（１Ｂ）。

…が積層され、上記スペーサ外リジェネレータマトリッ
クス（１２’　）、　　（１２’　）、…及びスペーサ
間リジェネレータマトリックス（１Ｂ）。

（１３）、…は連続的に積層配置されている。

したかって、この実施例でも上記第１実施例と同様の作
用効果が得られる。

尚、上記各実施例は、スターリング冷凍機に適用した場
合であるが、本発明は、ＧＭ冷凍機における膨張機のデ
ィスプレーサにも適用することができ、同様の作用効果
を奏することができる。

（発明の効果）以上説明したように、請求項（１）及び（２に係る発明
によると、スターリング冷凍機やＧＭ冷凍機等、ディス
プレーサ往復動式極低温冷凍機の膨張機において、その
ディスプレーサのケースを熱伝導率の低い薄肉金属製の
パイプで構成し、該ケース内に多数の樹脂製スペーサを
リジェネレータマトリックスと交互に積層配置したこと
により、ケースの径とりジェネレータ容積とを独立して
選択して、リジェネレータの無駄容積を最適にすること
ができる。また、ケース内部に樹脂製スペーサか不連続
に配置され、スペーサ間にリジェネレータマトリックス
が配置されているので、ガスから樹脂製スペーサへの熱
伝導がケースの軸方向からもなされ、ディスプレーサの
冷却を速やかに行うことができ、よって冷凍機の効率の
増大化及びクールダウン時間の短縮化の両立を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の第１実施例を示し、第１図
はディスプレーサの拡大断面図、第２図は膨張機の断面
図である。第３図は第２実施例を示す第１図相当図であ
る。第４図及び第５図はそれぞれ従来例を示す第１図相
当図である。（１）…膨張機（２）…シリンダ（５）、　　（５’）…ディスプレーサ（６）…円筒体（９）…ケース（１０）、　　（１０’　）…リジェネレータ（１１）
、（１１’）…スペーサ（１２）、　　（１２’）、　　（１３）、　　（１３
’）…リジェネレータマトリックス（１４）…膨張室（３１）…圧縮機第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）シリンダ（２）内に往復動可能に嵌挿されたディ
スプレーサ（５）を備え、ディスプレーサ（５）の往復
動に伴って膨張室（１４）で冷媒ガスを膨張させること
により、極低温レベルの寒冷を発生させるようにした極
低温冷凍機において、上記ディスプレーサ（５）は、熱伝導率の低い金属製薄
肉円筒体（６）を有するケース（９）と、該ケース（９
）内にケース（９）の長さ方向に間隔をあけて同心状に
配置された複数のリング状の樹脂製スペーサ（１１）、
（１１）、…と、該隣り合うスペーサ（１１）、（１１
）間ないし各スペーサ（１１）の内部に亘って同心状に
かつ連続的に積層された多数のリジェネレータマトリッ
クス（１２）、（１２）、…、（１３）、（１３）、…
とを備えたことを特徴とする極低温冷凍機。
（２）シリンダ（２）内に往復動可能に嵌挿されたディ
スプレーサ（５）を備え、ディスプレーサ（５）の往復
動に伴って膨張室（１４）で冷媒ガスを膨張させること
により、極低温レベルの寒冷を発生させるようにした極
低温冷凍機において、上記ディスプレーサ（５）は、熱伝導率の低い金属製薄
肉円筒体（６）を有するケース（９）と、該ケース（９
）内の中心にケース（９）の長さ方向に間隔をあけて同
心状に配置され、ケース内径よりも小径の複数の円板状
の樹脂製スペーサ（１１）、（１１）、…と、該隣り合
うスペーサ（１１）、（１１）間ないし各スペーサ（１
１）の外部に亘って同心状にかつ連続的に積層された多
数のリジェネレータマトリックス（１２）、（１２）、
…、（１３）、（１３）、…とを備えたことを特徴とす
る極低温冷凍機。