JPH05126427A - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、スターリング冷凍機の極低温領域
における冷凍能力向上を目的とする。 【構成】 スターリング冷凍機の蓄冷器と膨張空間とを
接続する連通管上に分岐管の一端を接続し、分岐管の他
端にはオリフイスとバツフアタンクを直列的に接続して
作動ガスの圧力・流速位相差調節機構を構成する。これ
により、極低温領域におけるスターリング冷凍機の作動
ガスの圧力・流速位相差を改善でき、極低温領域におけ
る冷凍能力の向上が達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スターリング冷凍機の
冷凍能力向上に関するものであり、例えば超電導機器の
冷却等に用いられる極低温冷凍機として用いられる。

【０００２】

【従来の技術】スターリング冷凍機の従来技術としては
様々なものが提案されてきているが、例えば図４乃至図
５に示すものがある。

【０００３】まず、図４に示すスターリング冷凍機１０
０では、例えば１０〜２０気圧程度の圧力で系１１０内
に封入された作動ガス（例えば、ヘリウムガス）は、常
温の作動ガスに接触する圧縮ピストン１０１と低温の作
動ガスに接触する膨張ピストン１０２によつて往復動さ
れると共に圧力変動を生じる。尚、圧縮ピストン１０１
と膨張ピストン１０２は、それぞれ駆動機構１０３，１
０４により駆動され、それぞれ圧縮シリンダ１０５，膨
張シリンダ１０６内を摺動する。また、圧縮ピストン１
０１と圧縮シリンダ１０５により圧縮空間１１１が、膨
張ピストン１０２と膨張シリンダ１０６により膨張空間
１１２がそれぞれ形成される。

【０００４】この作動ガスの周期的な往復動と圧力変動
の適当な位相関係が保たれると蓄冷器１０７内にエント
ロピの流束Ｓが生じる。このエントロピの流束Ｓを生じ
させるため、膨張ピストン１０２を圧縮ピストン１０１
よりも９０°進んだ位相で運転している。蓄冷器１０７
内に、その低温端１０７ａから高温端１０７ｂへと向か
うエントロピの流束Ｓが生じると、蓄冷器１０７内の局
所的な各位置において、それぞれの位置での温度Ｔｉと
エントロピの流束Ｓｉとの積であるＴｉ・Ｓｉで表され
る量の熱流束が生じる。それら全体での積み重ねで低温
端１０７ａから高温端１０７ｂに向かう熱流束が生じ、
その大きさは理想的にはＳｉが全ての位置で等しいので
各位置での温度Ｔｉに比例し、高温端１０７ｂに近づく
程大きくなり、最終的にＱｈとなつて系１１０外に排出
される。このＱｈの排出は、放熱器１０８により水等の
冷媒を介して行われ、一般に圧縮熱と呼ばれる。

【０００５】一方、低温端１０７ａにはコールドヘツド
１０９が接続され、ここから系１１０内に熱Ｑｃを取り
込んでいる。このコールドヘツド１０９は正確にはエン
トロピの吸収部であり、Ｑｃの熱流入はＳｃ＝Ｑｃ／Ｔ
ｃのエントロピの吸い込みに相当する。エントロピの輸
送には実際には不可逆過程が入り込み、コールドヘツド
１０９で取り込んだエントロピの流束Ｓｃは高温端１０
７ｂに輸送される過程で増加し、Ｓｈとして排出され
る。尚、Ｓｈ＞Ｓｃである。

【０００６】さて、スターリング冷凍機１００の冷凍出
力は熱流入量Ｑｃであり、その大きさは低温端１０７ａ
での周期的な作動ガスの動きと圧力変動の位相関係から
求まり、それは膨張ピストン１０２の動きと圧力変動か
ら得られるＰ−Ｖ仕事量に等しい。

【０００７】一方、図５に示すスターリング冷凍機１２
０は２段膨張型であり、単一の圧縮ピストン１２１に対
して２つの膨張ピストン１２２−１，１２２−２を有し
ている。また、これに対応して２つの蓄冷器１２３−
１，１２３−２及び２つのコールドヘツド１２４−１，
１２４−２が配設されている。従つて、両コールドヘツ
ド１２４−１，１２４−２から吸熱（Ｑｃ１，Ｑｃ２）
が可能であり、それぞれのコールドヘツド１２４−１，
１２４−２での吸熱量Ｑｃ１，Ｑｃ２は、各膨張ピスト
ン１２２−１，１２２−２のＰ−Ｖ仕事量に等しくな
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図４，５に
示すスターリング冷凍機１００，１２０では、Ｇ−Ｍ冷
凍機に比べて極低温領域での冷凍能力に劣るといつた不
具合を有している。このことを以下に説明する。

【０００９】即ち、図６はスターリング冷凍機１００内
の圧力変動を示し、その縦軸は系１１０内の圧力を、そ
の横軸は圧縮・膨張ピストン１０１，１０２の動きの１
周期分をとつた時間軸をそれぞれ示す。横軸の原点は圧
縮ピストン１０１の上死点をとつているので、横軸の右
端も１周期後の圧縮ピストン１０１の上死点を示す。

【００１０】ここで、圧縮ピストン１０１の動きは、Ｖ
ｈ（ｔ）＝〔Ｖｈ（１＋ｃｏｓ（ωｔ））〕／２ で表
されるようなｓｉｎ波的な動作をする。尚、Ｖｈ（ｔ）
は圧縮ピストン１０１による可変容積の時間変化を、Ｖ
ｈは圧縮空間１１１の容積の最大値（掃気容積）を、ω
は圧縮ピストン１０１の各周波数を、そしてｔは時刻を
それぞれ示す。

【００１１】一方、膨張ピストン１０２も動きはｓｉｎ
波的であるが、圧縮ピストン１０１より位相でφだけ進
みながら同一周波数で動くとすると、膨張ピストン１０
２による容積変化は、Ｖｃ（ｔ）＝〔Ｖｃ（１＋ｃｏｓ
（ωｔ＋φ））〕／２ で表されるような動作をする。
尚、Ｖｃ（ｔ）は膨張ピストン１０２による可変容積の
時間変化を、Ｖｃは膨張空間１１２の容積の最大値（掃
気容積）を、φは圧縮ピストン１０１と膨張ピストン１
０２との動きの位相差をそれぞれ示す。

【００１２】ここで、冷凍機として作動させるために、
φは一般に４０°〜１２０°の値が選ばれるが、以下で
は最も一般的に用いられる９０°の場合について説明す
る。

【００１３】図６から分かるように、膨張ピストン１０
２の上死点は圧縮ピストン１０１の上死点よりφ＝９０
°だけ左によつた位相の点となる。

【００１４】図６のＡは冷凍機の起動直後の圧力変動を
示している。圧力変動の最大値をとる位相は、圧縮ピス
トン１０１の上死点にほぼ重なつている。これは、系１
１０全体の温度がほぼ一様な時は系１１０内の圧力変動
は変動容積の最も大きな部位が支配的に作用するのであ
り、スターリング冷凍機１００ではＶｈ＞Ｖｃでその比
は４〜１０程度あるので、Ｖｈの空間、即ち圧縮ピスト
ンの動きが系１１０内の圧力変動を決めているといつて
もよい。つまり、圧縮容積が最小のとき、即ち圧縮ピス
トンが上死点のとき圧力が最大になる。

【００１５】しかし、蓄冷器１０７を通した熱輸送が生
じて、コールドヘツド１０９の温度が下がりはじめ、圧
縮空間１１１の温度Ｔｈと膨張空間１１２の温度Ｔｃと
の差が生じ、膨張空間１１２に流出入する作動ガスの質
量がＴｃの低下と共に増加し、その結果系１１０内の圧
力変動にも膨張ピストン１０２の動きの影響が現れ、図
６のＢのような圧力変動の位相関係に移つていく。つま
り、温度Ｔｃの低下と共に圧力変動の最大値の位相が圧
縮ピストン１０１の上死点から膨張ピストン１０２の上
死点の方へと移動していく。圧力変動の最大値をとる位
相と圧縮ピストン１０１の上死点との位相差をθとする
と、スターリング冷凍機１００の起動直後ではθ≒０°
であつたものが、Ｔｃ＝２５Ｋではθ＝６０°〜７０°
にもなることが実験的に確かめられている。また、２段
膨張型のスターリング冷凍機１２０では、Ｔｃはさらに
下がり、θは８０°近くまで達する。

【００１６】このθの増大は直接的に冷凍能力の低下に
関係してくる。このことは、図７の膨張ピストン１０２
によるＰ−Ｖ仕事量の大きさから一目瞭然である。即
ち、〔ＡのＰ−Ｖ面積（Ｐ−Ｖ仕事量）〕＞〔ＢのＰ−
Ｖ面積（Ｐ−Ｖ仕事量）〕である。そして、このＰ−Ｖ
仕事量が蓄冷器１０７の低温端１０７ａから汲み上げる
熱流束に等しく、スターリング冷凍機１００での冷凍温
度の低下に伴う冷凍能力の低下の原因の１つは圧力変動
の位相が冷凍温度の低下と共にずれてくることにあるこ
とが分かる。このことは、スターリング冷凍機１００で
はバルブ機構を用いることなく、常温部（圧縮空間１１
１）と低温部（膨張空間１１２）に配設された各々の別
機能を持たせた圧縮ピストン１０１及び膨張ピストン１
０２の動きだけで圧力変動を生じさせていることからく
る、スターリング冷凍機の本質的欠陥とも言える技術的
問題点である。

【００１７】そこで、本発明では、スターリング冷凍機
の極低温領域における冷凍能力向上を、その技術的課題
とする。

【００１８】

【発明の構成】

【００１９】

【課題を解決するための手段】前述した本発明の技術的
課題を解決するために講じた本発明の技術的手段は、直
列的に接続される圧縮空間、第１連通管、放熱器、第２
連通管、蓄冷器、第３連通管及び膨張空間から成る系を
有し、該系内に作動ガスが封入されているスターリング
冷凍機において、系に作動ガスの圧力・流速位相差調節
機構を配設したことである。

【００２０】

【作用】上述した本発明の技術的手段によれば、作動ガ
スの圧力・流速位相差調節機構が極低温領域においてよ
く作用し、極低温領域における作動ガスの圧力・流速位
相差を常温及び低温領域のそれとほぼ同一に保持させ
る。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の技術的手段を具体化した実施
例について添付図面に基づいて説明する。

【００２２】まず、図１に基づいて本発明第１実施例の
スターリング冷凍機１０について説明すると、圧縮空間
１１、第１連通管１２、放熱器１３、第２連通管１４、
蓄冷器１５、コールドヘツド２５、第３連通管１６及び
膨張空間１７が直列的に接続されて系１８を構成する。
ここで、系１８内には例えばヘリウムガス等の作動ガス
が適正圧力（例えば１０〜２０気圧）で封入されてい
る。

【００２３】圧縮空間１１は、圧縮ピストン１９及び圧
縮シリンダ２０から構成され、圧縮ピストン１９は駆動
機構２１により駆動される。同様に、膨張空間１７は、
膨張ピストン２２及び膨張シリンダ２３から構成され、
膨張ピストン２２は駆動機構２４により駆動される。放
熱器１３は例えば冷却水や寒剤等の冷媒３０により冷却
される。また、蓄冷器１５は低温端１５ａと高温端１５
ｂとを有し、高温端１５ｂには前述の第２連通管１４が
接続され、低温端１５ａには前述のコールドヘツド２５
が接続される。

【００２４】更に、第３連通管１６には分岐管２６の一
端が配設され、この分岐管２６の他端にはオリフイス２
７及びバツフアタンク２８が直列的に接続されている。
そして、この分岐管２６、オリフイス２７及びバツフア
タンク２８から圧力・流速位相差調節機構２９が構成さ
れる。ここで、オリフイス２７は外部よりその穴径が可
変とできるニードル弁等を用いるが、穴径の最適値が求
まれば固定オリフイスでもよい。また、オリフイス２７
及びバツフアタンク２８は例えば冷却水や寒剤等の冷媒
（冷却手段）３１により冷却される。

【００２５】以上の構成を有するスターリング冷凍機１
０の作用について説明すると、スターリング冷凍機１０
が極低温領域に入つてくると、圧力・流速位相差調節機
構２９によつて、蓄冷器１５の低温端１５ａ付近の作動
ガスの圧力・流速位相差（低温の膨張ピストン２２によ
り拘束される作動ガス圧力の変動の位相差及び流速の位
相差）が改善される。オリフイス２７の穴径が大きくな
るほどオリフイス２７を通過する作動ガス流量が増加し
て、蓄冷器１５の低温端１５ａを流れる作動ガス全流量
に対する膨張空間１７への作動ガス流量の割合が減少す
る。このオリフイス２７の開度調整により、圧力・流速
位相差の調節が可能となる。

【００２６】次に熱の流れを説明すると、オリフイス２
７とバツフアタンク２８の作用により、蓄冷器１５の低
温端１５ａにおける作動ガスの圧力・流速位相差が改善
されて吸熱量（冷凍能力）Ｑｃが増大する。吸熱量Ｑｃ
の大部分は蓄冷器１５を通り高温端１５ｂへ向かう熱流
束となり、Ｑｈ１となつて冷媒３０を介して系１８外へ
と排出される。また、吸熱量Ｑｃの一部は分岐管２６を
往復する作動ガスによつてオリフイス２７側へと運ば
れ、Ｑｈ２として冷媒３１を介して系１８外へと排出さ
れる。

【００２７】オリフイス２７の穴径を大きくすると圧力
・流速位相差の改善効果は大きくなるが、スターリング
冷凍機としては死容積が大きくなり、その結果圧力比が
低下する。さらに、分岐管２６内の作動ガスの移動距離
が大きくなり、それにより持ち込まれる低温部への熱流
入が増加して冷凍能力が低下することになる。つまり、
オリフイス２７の穴径の大きさにはある最適値が存在
し、それは作動ガスの圧力変動の周波数、バツフアタン
ク２８の容積及び分岐管２６のサイズによつて決められ
る。

【００２８】オリフイス２７やバツフアタンク２８は蓄
冷器１５の低温端１５ａより温度が高く、分岐管２６に
は温度勾配が生じる。この分岐管２６はパルス管冷凍機
におけるパルス管に相当し、分岐管２６で温度差を保持
しながら、しかも高温側へ熱を輸送する機能ももつてい
る。この機能から分岐管２６はあまり短いとオリフイス
２７側からの熱流入の原因にもなり、適当な長さと管径
が必要となる。また、オリフイス２７は放熱部となるの
で系１８外からの冷却が必要である上、その冷却効率が
高い程、吸熱量Ｑｃに対する効果が大きくなる。従つ
て、オリフイス２７及びバツフアタンク２８はできるだ
け低温部に設置され、そこで放熱されることが望まし
い。本第１実施例では、冷媒３１によつてオリフイス２
７及びバツフアタンク２８の冷却が行われている。

【００２９】以上から、スターリング冷凍機１０では圧
力・流速位相差調節機構２９によつて、蓄冷器１５の低
温端１５ａにおける作動ガスの圧力・流速位相差が改善
されて、吸熱量Ｑｃが増大する、即ちスターリング冷凍
機１０の冷凍能力が向上することがわかる。

【００３０】次に、本発明第２実施例のスターリング冷
凍機５０について説明するが、第１実施例と同一の構成
部分については第１実施例と同一の番号・符号を付すこ
とにより説明を省略する。圧力・流速位相差調節機構２
９の冷却手段として他のスターリング冷凍機（冷凍機）
５１が用いられる。即ち、スターリング冷凍機５１のコ
ルドヘツド５２がバツフアタンク２８と熱的に結合し
ており、オリフイス２７も熱伝導により冷却される。こ
の結果、圧力・流速位相差調節機構２９の冷却効率は第
１実施例の冷媒３１による冷却効率よりも格段に向上
し、コルドヘツド２５における吸熱量Ｑｃ、即ち冷凍能
力は第１実施例のスターリング冷凍機１０よりも格段に
高いものとなる。

【００３１】最後に、本発明第３実施例のスターリング
冷凍機６０について説明するが、第１実施例と同一の構
成部分については第１実施例と同一の番号・符号を付す
ことにより説明を省略する。圧縮空間１１、第１連通管
１２、放熱器１３、第２連通管１４、第１段蓄冷器６
１、第１段コールドヘツド６２、第１段第３連通管６３
及び第１段膨張空間６４が直列的に接続されると共に、
第１段第３連通管６３には接続管６５の一端が接続さ
れ、接続管６５の他端には第２段蓄冷器６６、第２段コ
ールドヘツド６７、第２段第３連通管６８及び第２段膨
張空間６９が直列的に接続される。

【００３２】第１段膨張空間６４は第１段膨張ピストン
７０及び第１段膨張シリンダ７１から構成されると同様
に、、第２段膨張空間６９は第２段膨張ピストン７２及
び第２段膨張シリンダ７３から構成され、駆動機構７４
により駆動される。

【００３３】接続管６５には分岐管７５の一端が配設さ
れ、この分岐管７５の他端には放熱器７６、オリフイス
７７及びバツフアタンク７８が直列的に接続されてい
る。そして、この分岐管７５、放熱器７６、オリフイス
７７及びバツフアタンク７８から圧力・流速位相差調節
機構７９が構成される。尚、放熱器７６は例えば冷却水
や寒剤等の冷媒８０により冷却される。

【００３４】また、第２段第３連通管６８には分岐管８
１の一端が配設され、この分岐管８１の他端にはオリフ
イス８２及びバツフアタンク８３が直列的に接続されて
いる。そして、この分岐管８１、オリフイス８２及びバ
ツフアタンク８３から圧力・流速位相差調節機構８４が
構成される。そして、圧力・流速位相差調節機構８４の
冷却手段として他のスターリング冷凍機（冷凍機）８５
が用いられる。即ち、スターリング冷凍機８５のコ ル
ドヘツド８６がバツフアタンク８３と熱的に結合してお
り、オリフイス８２も熱伝導により冷却される。

【００３５】尚、各段の冷凍能力、即ち、各段の作動ガ
スの圧力・流速位相差はそれぞれのオリフイス７７，８
２の開度によつて調節される。この結果、スターリング
冷凍機６０の冷凍能力は飛躍的に向上する。

【００３６】また、本第３実施例では２段型のスターリ
ング冷凍機６０を示したが、複数段ならば何段でもよく
２段に限定されるものではない。

【００３７】

【発明の効果】上述したように本発明のスターリング冷
凍機では、系に配設された作動ガスの圧力・流速位相差
調節機構が極低温領域においてよく作用し、極低温領域
における作動ガスの圧力・流速位相差を常温及び低温領
域のそれとほぼ同一に保持させるので、極低温領域まで
スターリングサイクルが効率的に働き、その冷凍能力を
向上することができる。即ち、スターリング冷凍機によ
る到達温度を非常に低い領域とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１実施例のスターリング冷凍機１０の
構成図を示す。

【図２】本発明第２実施例のスターリング冷凍機の構成
図を示す。

【図３】本発明第３実施例のスターリング冷凍機の構成
図を示す。

【図４】従来技術のスターリング冷凍機１００の構成図
を示す。

【図５】従来技術のスターリング冷凍機１２０の構成図
を示す。

【図６】図４における作動ガスの圧力変動の特性図を示
す。

【図７】図４におけるＰ−Ｖ仕事量変化の特性図を示
す。

【符号の説明】

１０ スターリング冷凍機、 １１ 圧縮空間、 １２ 第１連通管、 １３ 放熱器、 １４ 第２連通管、 １５ 蓄冷器、 １６ 第３連通管、 １７ 膨張空間、 １８ 系、 ２９ 圧力・流速位相差調節機構、 ２６ 分岐管、 ２７ オリフイス、 ２８ バツフアタンク、 ３１ 冷媒（冷却手段）、 ５１ スターリング冷凍機（冷凍機）、 ６５ 接続管。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直列的に接続される圧縮空間、第１連通
   管、放熱器、第２連通管、蓄冷器、第３連通管及び膨張
   空間から成る系を有し、該系内に作動ガスが封入されて
   いるスターリング冷凍機において、 前記系に作動ガスの圧力・流速位相差調節機構を配設し
   たことを特徴とするスターリング冷凍機。
2. 【請求項２】 前記圧力・流速位相差調節機構は、 前記第３連通管にその一端が配設される分岐管と、 前記分岐管の他端に直列的に接続されるオリフイス及び
   バツフアタンクとを有することを特徴とする請求項１記
   載のスターリング冷凍機。
3. 【請求項３】 前記蓄冷器及び前記膨張空間は、それぞ
   れ複数存在する多段型のスターリング冷凍機であり、前
   記複数の蓄冷器同士を接続する接続管に前記圧力・流速
   位相差調節機構が配設されていることを特徴とする請求
   項１記載のスターリング冷凍機。
4. 【請求項４】 前記オリフイス及びバツフアタンクは冷
   却手段により冷却されることを特徴とする請求項３記載
   のスターリング冷凍機。