JPH0540762U

JPH0540762U - スターリング冷凍機

Info

Publication number: JPH0540762U
Application number: JP8879591U
Authority: JP
Inventors: 善勝平塚; 勉石野; 文一谷口
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1991-10-29
Filing date: 1991-10-29
Publication date: 1993-06-01

Abstract

(57)【要約】【目的】ディスプレーサ往復動式冷凍機の膨張機にお
けるディスプレーサ４両側間の伝熱断面積を小さくし
て、熱伝導損失を低減する。【構成】膨張機におけるディスプレーサ４を、シリン
ダ軸線方向に所定間隔をあけて対向する１対のピストン
部材５，６を接続棒７により接合一体化した構成とし、
ピストン部材５，６間に、接続棒７により挿通支持され
て積層された多数のマトリックス１０，１０，…からな
る蓄冷器９を配置する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、ディスプレーサの往復動によりシリンダ内膨張空間で冷媒を膨張させて極低温レベルの寒冷を発生させるスターリング冷凍機に関し、ディスプレーサ内に収容される蓄冷器（再生式熱交換器）の構造に関する。

【０００２】

【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は知られている。この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リニアモータと、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、シリンダ内の圧縮空間で所定周期のガス圧を発生させるようになされている。

【０００３】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空間と作動空間とに区画するフリーディスプレーサが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空間及び作動空間にそれぞれ連通する蓄冷器を内蔵している。また、作動空間内にはディスプレーサを往復動可能に弾性支持するディスプレーサスプリングが配設されている。上記作動空間は結合配管を介して圧縮機の圧縮空間に接続されており、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、冷媒ガスを膨張空間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“Refr igerator for Cryogenic Sensors”，NASA Conference Publication 2287等参照）。

【０００４】ところで、上記スターリング冷凍機における膨張機のディスプレーサとして、従来、例えば図４に示すように、両端開口がそれぞれエンドキャップ（ａ），（ａ）により閉塞された金属製薄肉パイプ（ステンレス鋼パイプ等）からなるケース（ｂ）内に、蓄冷器（ｄ）を構成する銅等の円板状金網からなる多数（例えば１０００枚程度）のマトリックス（ｃ），（ｃ），…を積層して充填したものがある。（ａ1 ）は蓄冷器（ｄ）を外部の膨張空間及び作動空間に連通させる連通孔、（ｅ）はエンドキャップ（ａ）に取り付けられたシールリングである。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

上記ディスプレーサの一端側は常温部で他端側は低温部であり、このディスプレーサ両側の膨張空間と作動空間との間の温度差によりケース（ｂ）による熱伝導は避けられず、その損失が大きくなる。この解決のためにケース（ｂ）の薄肉化を図ることが考えられるが、それにも限界がある。

【０００６】本考案は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、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、ディスプレーサ両側間の伝熱断面積を小さくして、熱伝導損失を低減することにある。

【０００７】

【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の考案の解決手段は、ディスプレーサを、両側のピストン部材をその中心部に配置した棒により間隔をあけて一体的に連結した構成とし、蓄冷器のマトリックスは棒により挿通して支持するようにした。

【０００８】すなわち、この考案では、図１に示すように、シリンダ（１）内に往復動可能に嵌挿されたディスプレーサ（４）を備え、ディスプレーサ（４）の往復動に伴って膨張空間（１３）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スターリング冷凍機において、上記ディスプレーサ（４）は、シリンダ軸線方向に所定間隔をあけて対向する１対のピストン部材（５），（６）と、両ピストン部材（５），（６）を一体的に接合する少なくとも１本の接続棒（７）とを備えてなり、上記ピストン部材（５），（６）間には、接続棒（７）により挿通支持されて積層された多数のマトリックス（１０），（１０），…からなる蓄冷器（９）が配設されていることを特徴とする。

【０００９】請求項２の考案では、図３に示す如く、上記接続棒（７′）は両端部が閉塞された中空棒からなることを特徴とする。

【００１０】

【作用】

上記の構成により、請求項１の考案では、ディスプレーサ（４）がシリンダ軸線方向に所定間隔をあけて対向する１対のピストン部材（５），（６）を接続棒（７）により接合して一体化してなるものであるので、両ピストン部材（５），（６）間の伝熱部分は接続棒（７）のみになり、円筒状のケースを用いる場合に比べ伝熱断面積を小さくすることが可能となる。その結果、ディスプレーサ（４）両側間の伝熱断面積を小さくして、熱伝導損失を低減できる。また、蓄冷器（９）のマトリックス（１０），（１０），…は接続棒（７）により挿通支持されて積層されているので、その蓄熱効果が従来と同等に得られる。

【００１１】請求項２の考案では、接続棒（７′）が両端部を閉塞した中空棒からなるので、接続棒（７′）の強度を良好に確保しつつ、その伝熱断面積をさらに小さくすることができる。

【００１２】

【実施例】

以下、本考案の実施例を図面に基づいて説明する。図２は本考案の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、この膨張機は図外のリニアモータ圧縮機と結合配管（２０）により連結されている。上記圧縮機は「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。

【００１３】上記膨張機は先端が閉塞された有底円筒状のシリンダ（１）を備えている。このシリンダ（１）の基端開口は閉塞部材（２）によって気密状に閉塞され、シリンダ（１）の先端はコールドヘッド（３）とされている。このシリンダ（１）内にはフリーディスプレーサ（４）が往復動自在に嵌挿され、ディスプレーサ（４）によりシリンダ（１）内がシリンダ（１）先端側の膨張空間（１３）と基端側の作動空間（１４）とに区画形成されている。

【００１４】そして、本考案の特徴として、上記ディスプレーサ（４）は、図１に拡大詳示するように、シリンダ（１）の軸線方向に所定間隔をあけて対向する上下１対のピストン部材（５），（６）を備え、この両ピストン部材（５），（６）はその中心部に位置する１本の中実の接続棒（７）により同心状に一体接合されている。つまり、このピストン部材（５），（６）と接続棒（７）とは、各ピストン部材（５），（６）の中心孔にそれぞれ接続棒（７）の端部を嵌合して溶接することで一体に接合されている。各ピストン部材（５），（６）の外周にはシリンダ（１）内周との間を気密シールするシールリング（８）が取り付けられており、両ピストン部材（５），（６）間に両空間（１３），（１４）とは独立した空間が形成されている。

【００１５】上記両ピストン部材（５），（６）間には蓄冷器（９）（再生式熱交換器）が収容されている。この蓄冷器（９）は、両ピストン部材（５），（６）間に積層されて充填された円板状金網からなる多数のマトリックス（１０），（１０）， …からなり、各マトリックス（１０）は、中心部に貫通孔（１０ａ）を有していて、この貫通孔（１０ａ）に接続棒（７）を挿通させることで、接続棒（７）に支持されて周縁部をシリンダ（１）内周に接するように同心状に積層されている。

【００１６】上記各ピストン部材（５），（６）にはそれぞれピストン部材（５），（６）間の蓄冷器（９）を膨張空間（１３）及び作動空間（１４）に連通させる複数の連通孔（１１），（１２）が開口されており、膨張空間（１３）で膨張した低温の冷媒ガスが作動空間（１４）に向かうときには、該冷媒ガスにより蓄冷器（９）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空間（１４）から膨張空間（１３）に向かうときには、蓄冷器（９）によりガスを冷却するようになされている。

【００１７】また、上記作動空間（１４）内には、ディスプレーサ（４）を中立位置から往復動可能に弾性支持するコイルばねからなるディスプレーサスプリング（１５）が配設されている。このスプリング（１５）は、上記閉塞部材（２）のディスプレーサ（４）側端部と、ディスプレーサ（４）のピストン部材（６）基端との間に架設されており、このスプリング（１５）のばね定数により決まる所定周波数と、圧縮機のガス圧変動の周期とでディスプレーサ（４）の往復動動作形態を決定する。

【００１８】さらに、上記閉塞部材（２）の中心部にはシリンダ（１）内の作動空間（１４）に連通するガス導入口（１６）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（１６）には圧縮機の圧縮空間に接続した結合配管（２０）がシールされて連結されており、圧縮機からの冷媒ガス圧によりディスプレーサ（４）を往復動させて冷媒ガスを膨張空間（１３）で膨張させることにより、シリンダ（１）先端のコールドヘッド（３）に例えば８０Ｋの極低温レベルの寒冷を発生させるようになされている。

【００１９】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空間の容積が増減変化し、圧縮空間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。この圧縮空間は結合配管（２０）を介して膨張機の作動空間（１４）に連通しているため、圧縮空間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空間（１４）に供給されて該作動空間（１４）内の圧力が高くなる。この圧力の上昇により作動空間（１４）と膨張空間（１３）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（４）がスプリング（１５）を伸長させながらシリンダ（１）先端側に移動する。この作動空間（１４）はディスプレーサ（４）内の空間を介して膨張空間（１３）に連通しているので、次の段階では作動空間（１４）のガスがディスプレーサ（４）内を通って蓄冷器（９）により冷却されながら膨張空間（１３）に流れ、両空間（１３），（１４）の差圧がなくなり、ディスプレーサ（４）はスプリング（１５）の収縮力によりシリンダ（１）基端側に移動して元の位置に戻る。この後、直ちに、圧縮機のピストンが後退して圧縮空間の圧力が低下する。このため、作動空間（１４）内の冷媒ガスが結合配管（２０）を介して圧縮機に戻り、作動空間（１４）内の圧力が膨張空間（１３）よりも低下する。この作動空間（１４）と膨張空間（１３）との圧力差によってディスプレーサ（４）が今度はスプリング（１５）を収縮させながらシリンダ（１）基端側に移動し、膨張空間（１３）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空間（１３）からディスプレーサ（４）内を通って蓄冷器（９）に冷熱を与えながら作動空間（１４）に流れ、両空間（１３），（１４）の差圧がなくなり、ディスプレーサ（４）はスプリング（１５）の伸長力によりシリンダ（１）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（１）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。

【００２０】この実施例では、シリンダ軸線方向に所定間隔をあけて対向する１対のピストン部材（５），（６）を接続棒（７）により接合して一体化することでディスプレーサ（４）が構成されているので、両ピストン部材（５），（６）間の伝熱部分は接続棒（７）のみになり、円筒状のケースを用いる従来例（図４参照）に比べ伝熱断面積を小さくすることが可能となる。その結果、ディスプレーサ（４）両側の作動空間（１４）と膨張空間（１３）との間の伝熱断面積を小さくして、熱伝導損失を低減できる。具体的に、ディスプレーサ（４）の直径をＤ、接続棒（７）の直径をｄとすると、熱伝導に影響のある断面積Ａは、Ａ＝（ｄ／２）²・π となるのに対し、図４に示す従来例におけるケース（ｂ）の肉厚をｔとすると、伝熱断面積Ａ′は、Ａ′＝［（Ｄ／２）²−｛（Ｄ−２ｔ）／２｝²］・π となる。例えばＤ＝１０mm、ｄ＝２mm、ｔ＝０．０１５mmであると、Ａ′＝４．６４mm²、Ａ＝３．１４mm²となり、本考案例では従来例に比べ伝熱断面積を大幅に小さくできる。

【００２１】また、そのとき、蓄冷器（９）を構成する多数のマトリックス（１０），（１０），…は、各々、接続棒（７）により挿通支持された状態で積層されているので、その蓄熱効果は従来と同等になり、蓄冷器（９）としての機能を良好に発揮させることができる。

【００２２】尚、上記実施例では、接続棒（７）を中実棒としたが、図３に示すように中空の接続棒（７′）を使用してもよい。そのとき、作動空間（１４）及び膨張空間（１３）のガスが中空接続棒（７′）内を経て往来するのを防ぐために、接続棒（７′）の両端部を閉塞する必要がある。こうすることで、接続棒（７′）の強度を良好に確保しつつ、その伝熱断面積をさらに小さくすることができる。また、接続棒（７），（７′）の数は２本以上に増やすことも可能である。

【００２３】

【考案の効果】

以上説明したように、請求項１の考案によると、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を、シリンダ軸線方向に所定間隔をあけて対向する１対のピストン部材を接続棒により接合して一体化してなる構成としたことで、蓄冷器の蓄熱効果を確保しながら、両ピストン部材間の伝熱断面積を小さくして熱伝導損失を低減することができる。

【００２４】また、請求項２の考案によると、上記接続棒を両端部が閉塞された中空棒としたので、接続棒の伝熱断面積をさらに小さくして、熱伝導損失のより一層の低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例におけるディスプレーサの斜視
図である。

【図２】スターリング冷凍機における膨張機の概略構成
を示す断面図である。

【図３】本考案の他の実施例を示す図１相当図である。

【図４】従来例を示す図１相当図である。

【符号の説明】

（１）シリンダ（４）ディスプレーサ（５），（６）ピストン部材（７），（７′）接続棒（９）蓄冷器（１０）マトリックス（１３）膨張空間（１４）作動空間

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】シリンダ（１）内に往復動可能に嵌挿さ
れたディスプレーサ（４）を備え、ディスプレーサ
（４）の往復動に伴って膨張空間（１３）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
るようにしたスターリング冷凍機において、上記ディスプレーサ（４）は、シリンダ軸線方向に所定
間隔をあけて対向する１対のピストン部材（５），
（６）と、両ピストン部材（５），（６）を一体的に接
合する少なくとも１本の接続棒（７）とを備えてなり、上記ピストン部材（５），（６）間には、接続棒（７）
により挿通支持されて積層された多数のマトリックス
（１０），（１０），…からなる蓄冷器（９）が配設さ
れていることを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項２】接続棒（７′）は両端部が閉塞された中
空棒からな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。