JPH06281276A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷凍能力を増強する。 【構成】 膨張機９は、蓄冷器６の内側に設けられる膨
張シリンダ９ａと蓄冷器６の外側を囲む膨張機本体９ｂ
と膨張ピストン１０内で往復運動する膨張ピストン１０
と冷凍発生部（膨張空間）１１と冷凍取り出し部（コー
ルドヘッド）１２からなっている。冷凍取り出し部（コ
ールドヘッド）１２は、熱伝導性の良い銅とする所定の
板厚の板状体１２ａと、密着接合部１２ｂを介して耐圧
性の良いステンレス鋼とする板状体１２ｃから形成さ
れ、板状体１２ａと板状体１２ｃは、密着して端縁部１
２ａ１，１２ｃ１が膨張機本体９ｂの端縁部９ｂ１に接
合している。

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な
どの蓄冷型冷凍機を使用して超低温を実現する冷凍装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】スターリング冷凍機などの蓄冷型冷凍機
は、各種赤外線センサー、超電導デバイス等の冷却用や
バイオメディカル用のフリーザ、冷凍庫等に広く利用さ
れている。

【０００３】ここでは、２ピストン型スターリング冷凍
機について図３を参照して動作原理について説明する。

【０００４】図において、ガス圧縮機１は、圧縮ピスト
ン２と高温シリンダ３と圧縮空間４とからなっており、
高温シリンダ３外側には、圧縮熱を除去する放熱器５ａ
が取付けられている。蓄冷器６は、蓄冷材７が充填され
ており、この蓄冷器６とガス圧縮機１の圧縮空間４と
は、流路８によって連通し、蓄冷器６の下部外側には放
熱器５ｂが取付けられている。

【０００５】膨張機９は、蓄冷器６の内側に設けられる
膨張シリンダ９ａと蓄冷器６の外側を囲む膨張機本体９
ｂと膨張ピストン１０内で往復運動する膨張ピストン１
０と冷凍発生部（膨張空間）１１と冷凍取り出し部（コ
ールドヘッド）１２とからなっている。クランク機構１
３は、クランク部１３ａに備える連結シャフト１３ａ，
１３ｂが圧縮ピストン２と膨張ピストン１０の後端部に
連結し、これら後端部には、クランク機構１３の空間と
圧縮空間４と冷凍発生部（膨張空間）１１とを遮蔽する
ピストンシール１４ａ，１４ｂがそれぞれ装着されてい
る。

【０００６】まず、図示省略する駆動部によってクラン
ク機構１３が駆動すると、高温シリンダ３内の圧縮ピス
トン２が圧縮空間４側に移動して圧縮空間４に充満する
ヘリウムや窒素等の液化しにくい冷媒ガスを圧縮する。
圧縮された冷媒ガスは、放熱器５ａを通る際に放熱され
室温付近まで冷却され、流路８を通って蓄冷器６へ流入
する。なお、流路８は、複数からなり、円筒状の蓄冷器
６へ冷媒ガスが均一に流入する。

【０００７】蓄冷器６に流入した冷媒ガスは、比熱の大
きな材料、例えば、銅や鉛の金網状あるいは球からなる
蓄冷材７によって冷却される。

【０００８】その後、膨張シリンダ９ａ内の膨張ピスト
ン１０が圧縮ピストン２と約９０°の位相差を持って降
下してくる。これによって、冷凍発生部（膨張空間）１
１が拡張されて蓄冷器６からの低温の冷媒ガスが冷凍発
生部（膨張空間）１１へ流入する。このとき、冷凍発生
部（膨張空間）１１の冷媒ガスは、急に膨張するため圧
力が急降下し、冷凍発生部（膨張空間）１１内をさらに
低温とする。この低温の媒体ガスは、冷凍取り出し部
（コールドヘッド）１２で図示省略する外部の熱利用部
と熱交換がされる。この結果、外部の熱利用部が低温と
なる。

【０００９】膨張ピストン１０が上昇し、圧縮ピストン
２が後退すると、低温の冷媒ガスは、蓄冷器６を通り、
流路８を経て圧縮空間４へ戻り、このとき蓄冷器６の蓄
冷材７を冷却し一つの熱サイクルが終了する。

【００１０】上記したサイクルが繰り返し行われ、冷凍
発生部（膨張空間）１１の温度が降下して冷凍温度とさ
れる。冷凍取り出し部（コールドヘッド）１２では、冷
凍発生部（膨張空間）１１の冷熱を外部の熱利用部と熱
交換を行って外部の熱利用部の媒体を冷凍温度とする。

【００１１】なお、膨張ピストン１０は、下部から熱の
熱伝導を減少させるため薄い肉厚で形成されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のスターリング冷凍機の冷凍発生部（膨張空間）
１１と冷凍取り出し部（コールドヘッド）１２には、次
の問題がある。

【００１３】一般に、スターリング冷凍機の冷凍能力
は、内部の冷媒ガス圧に比例して増加するため冷凍発生
部（膨張空間）１１内が高圧となるように運転すること
が望ましい。このため、従来の膨張機９では、図４に示
すように冷凍取り出し部（コールドヘッド）１２に耐圧
性の大きいステンレス鋼等の金属材料を用いて耐圧を向
上させて冷媒ガスを高圧としている。

【００１４】ところが、冷凍取り出し部（コールドヘッ
ド）１２に用いられるステンレス鋼等は、熱伝導性が悪
いため冷凍発生部（膨張空間）１１で発生した冷凍温度
の冷媒ガスの冷熱と外部の媒体とを冷凍取り出し部（コ
ールドヘッド）１２で熱交換して外部に効率的に取り出
せないという問題がある。すなわち、発生した冷熱に対
して外部で得られる冷熱が大幅に減少する。

【００１５】この場合、図５に示すように冷凍取り出し
部（コールドヘッド）１２を熱伝導性の良い、例えば、
銅の金属材料を用いることが考えられるが、銅の耐圧強
度は弱く、冷凍発生部（膨張空間）１１の内部を高圧に
して使用することができず、冷凍能力を最大限に発揮で
きないため却って冷凍能力が低下するという問題があ
る。

【００１６】そこで、本発明は、冷凍発生部の耐圧性と
冷凍取り出し部の熱伝導性の双方を高めて冷凍能力の向
上と得られた冷熱を効率的に外部へ取り出すことができ
る冷凍装置を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、一方
の端部を冷却部側とする膨張シリンダと、この膨張シリ
ンダ内で往復運動するピストンと、シリンダの外側に円
筒状の膨張機本体とを有し、冷却部側を冷凍取り出し部
で覆って冷凍発生部としての膨張空間を形成し、この膨
張空間に導かれた冷媒ガスの膨張過程を含む熱サイクル
によって発生する低温の冷熱を冷凍取り出し部から外部
へ取り出す冷凍装置において、冷凍取り出し部は、膨張
空間側を覆うように耐圧性の良い所定の板厚の金属から
なる第一板状体の端縁部を膨張機本体の外周端縁部に接
合して形成すると共に、熱伝導率の高い所定の板厚の金
属からなる第二板状体を第一板状体の外側に密着接合
し、かつ、第二板状体の端縁部を膨張機本体の外周端縁
部に接合して形成するようにした。

【００１８】請求項３の発明は、一方の端部を冷却部側
とする膨張シリンダと、この膨張シリンダ内で往復運動
するピストンと、シリンダの外側に円筒状の膨張機本体
とを有し、冷却部側を冷凍取り出し部で覆って冷凍発生
部としての膨張空間を形成し、この膨張空間に導かれた
冷媒ガスの膨張過程を含む熱サイクルによって発生する
低温の冷熱を冷凍取り出し部から外部へ取り出す冷凍装
置において、冷凍取り出し部は、膨張空間側を覆うよう
に耐圧性の良い所定の板厚の金属からなる第一板状体の
端縁部を膨張機本体の外周端縁部に接合して形成すると
共に、第一板状体の外側に熱伝導率の高い液状体を介し
て熱伝導率の高い所定の板厚の金属からなる第二板状体
を設けて、この第二板状体の端縁部を膨張機本体の外周
端縁部に接合して形成するようにした。

【００１９】

【作用】請求項１の発明は、第二板状体によって第一板
状体の耐圧の補強がされるため全体の耐圧を保持しつつ
第一板状体の板厚を薄く形成することができる。第一板
状体の板厚が薄くなることによって熱伝導性の効率の低
下が阻止される。しかも熱伝導性の良い第二板状体によ
って冷凍発生部で発生した冷熱が効率よく外部に出力さ
れ冷凍能力の増強が図られる。

【００２０】請求項３の発明は、第二板状体によって第
一板状体の耐圧の補強がされるため全体の耐圧を保持し
つつ第一板状体の板厚が薄く形成することができる。こ
れによつて、第一板状体に起因する熱伝導性の効率の低
下が阻止される。その上、第一板状体の外側の熱伝導率
の高い液状体が冷熱を均一に第二板状体全体に伝導さ
せ、冷熱が第二板状体から外部に取り出される。従っ
て、冷凍発生部で発生した冷熱が効率良く外部に出力さ
れ、冷凍能力の増強が図られる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００２２】図１は、本発明の第１実施例を示すスター
リング冷凍機の膨張機部分の詳細説明図である。図にお
いて、６は比熱の大きな材料である銅や鉛のメッシュ状
あるいは球状の蓄冷材７が充填された蓄冷器、９は蓄冷
器６から導入される冷媒ガスを膨張させる膨張機であ
る。

【００２３】１０は蓄冷器６の内側に同軸状に配置され
る膨張シリンダ９ａの内部で、上下に往復運動する膨張
ピストン、１１は膨張機本体９ｂと後述する冷凍取り出
し部（コールドヘッド）１２とにより形成される空間に
低温を発生させる冷凍発生部（膨張空間）である。

【００２４】１２は冷凍発生部（膨張空間）１１で発生
した冷熱を外部に取り出すための熱伝導性の良い銅を材
料とする所定の板厚の板状体１２ａとこの銅の板状体１
２ａの内側に密着接合部１２ｂを介して密着して設けら
れる耐圧性の良いステンレス鋼を材料とする所定の板厚
の板状体１２ｃから形成される。この板状体１２ａと板
状体１２ｃとは、両者を密着した状態で高圧空気によっ
て密着接合し、それぞれの板状体１２ａと板状体１２ｃ
の端縁部１２ａ１，端縁部１２ｃ１を膨張機本体９ｂの
端縁部９ｂ１に接合している。なお、板状体１２ｃの端
縁部１２ｃ１と膨張機本体９ｂの端縁部９ｂ１とは、ス
テンレス溶接で接合がされ板状体１２ａの端縁部１２ａ
１と膨張機本体９ｂの端縁部９ｂ１とは、ろう付けで接
合がされている。

【００２５】ここで、ステンレス鋼の板状体１２ｃの板
厚は、銅の板状体１２ａを設けることにより耐圧性が向
上した分だけ薄くして熱伝導性を良くする。具体的には
予め実験を行い、板状体１２ｃによって冷凍取り出し部
（コールドヘッド）１２の耐圧性が高められる分だけ板
厚を薄くし、かつ、板状体１２ａを設けることによって
熱伝導性を高めるように両者を調和させ、膨張機９から
最大限の冷熱が外部に取り出せるように実施する。

【００２６】上記した蓄冷器６と膨張機９とは、図３で
説明したガス圧縮機１等に一体となってスターリング冷
凍機を形成している。

【００２７】まず、図示省略する駆動部によってクラン
ク機構１３が駆動すると、高温シリンダ３内の圧縮ピス
トン２が圧縮空間４側に移動して圧縮空間４に充満する
ヘリウムや窒素等の液化しにくい冷媒ガスを圧縮する。
圧縮された冷媒ガスは、放熱器５ａを通る際に放熱され
室温付近まで冷却され、流路８を通って蓄冷器６へ流入
する。なお、流路８は、複数からなり、円筒状の蓄冷器
６へ冷媒ガスが均一に流入する。

【００２８】蓄冷器６に流入した冷媒ガスは、比熱の大
きな材料、例えば、銅や鉛の金網状あるいは球からなる
蓄冷材７によって冷却される。

【００２９】その後、膨張シリンダ９ａ内の膨張ピスト
ン１０が圧縮ピストン２と約９０°の位相差を持って降
下してくる。これによって、冷凍発生部（膨張空間）１
１が拡張されて蓄冷器６からの低温の冷媒ガスが冷凍発
生部（膨張空間）１１へ流入する。このとき、冷凍発生
部（膨張空間）１１が冷媒ガスは、急に膨張するため圧
力が急降下し、冷凍発生部（膨張空間）１１内をさらに
低温とする。この低温の媒体ガスは、冷凍取り出し部
（コールドヘッド）１２で図示省略する外部の熱利用部
と熱交換がされる。この結果、外部の熱利用部が低温と
なる。

【００３０】膨張ピストン１０が上昇し、圧縮ピストン
２が後退すると、低温の冷媒ガスは、蓄冷器６を通り、
流路８を経て圧縮空間４へ戻り、このとき蓄冷器６の蓄
冷材７を冷却し一つの熱サイクルが終了する。

【００３１】上記したサイクルが繰り返し行われ、冷凍
発生部（膨張空間）１１の温度が降下して冷凍温度とさ
れる。

【００３２】冷凍取り出し部（コールドヘッド）１２で
は、冷凍発生部（膨張空間）１１の冷熱を外部の熱利用
部と熱交換を行って有効に外部の熱利用部の媒体を冷凍
温度とする。

【００３３】すなわち、この場合、冷凍取り出し部（コ
ールドヘッド）１２では、銅の板状体１２ａがステンレ
ス鋼の板状体１２ｃを補強しているためステンレス鋼の
板状体１２ｃの板厚を従来より薄くしても全体の耐圧性
が維持され、冷凍能力が十分に発揮される。一方、外側
に設けられる熱伝導性の良い銅の板状体１２ａが冷凍発
生部（膨張空間）１１の冷熱を取り出し、この冷熱が板
状体１２ａの全面に均一に熱伝導される。これによっ
て、膨張機９の冷凍能力を十分に発揮できる耐圧が保持
され、得られた冷熱が熱効率よく、外部の熱利用部へ供
給される。

【００３４】このように、冷凍取り出し部（コールドヘ
ッド）１２の内側に所定の板厚の耐圧性の良い金属の板
状体を用いると共に、外側に所定の板厚の熱伝導性の良
い金属の板状体を用い、これらを密着して接合すると共
に、双方の板状体の端縁部に溶接するようにして、耐圧
性を向上させたため、熱伝導の悪いステンレス鋼の肉厚
を従来より薄くすることができる。従って、従来より熱
伝導性が向上し、その上、冷凍取り出し部（コールドヘ
ッド）１２の外側に熱伝導性の良好な銅を用いたため冷
凍取り出し部（コールドヘッド）１２から取り出される
冷熱の熱効率が大幅に向上することができる。

【００３５】次に、本発明の第２実施例について図２を
参照して説明する。

【００３６】冷凍取り出し部（コールドヘッド）１２
は、冷凍発生部（膨張空間）１１側を覆うように所定の
板厚の耐圧性の良いステンレス鋼からなる板状体１２ｃ
の端縁部１２ｃ１を膨張機本体９ｂの端縁部９ｂ１にス
テンレス溶接している。そして、この板状体１２ｃの外
側に熱伝導性の良いグリース１５を充填させ、このグリ
ース１５の外側に、さらに、熱伝導性の良い所定の板厚
の銅からなる板状体１２ａの端縁部１２ａ１を膨張機本
体９ｂの端縁部９ｂ１にろう付けし、板状体１２ｃと板
状体１２ａとを適宜ネジ１６で固定している。このよう
に冷凍発生部（膨張空間）１１の冷熱が板状体１２ｃを
介して熱伝導性の良いグリース１５によって、グリース
１５の全体に熱を均一移動させるため熱効率が一層向上
することができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、第二板状体が第一板状体を補強するため冷凍取
り出し部の耐圧性を保って、冷凍取り出し部の熱伝導性
を向上することができる。従って、冷凍能力が一層増強
され熱効率も向上することができる。

【００３８】また、請求項３の発明によれば、第一板状
体と第二板状体との間に熱伝導性の良い液状体を挿入す
るようにしたため、冷凍発生部で発生した冷熱が第二板
状体の内面側で均一に伝えられる。従って、冷凍能力が
一層増強され熱効率も向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すスターリング冷凍機
の膨張機を示す部分概略図。

【図２】本発明の第２実施例を示すスターリング冷凍機
の膨張機を示す部分概略図。

【図３】スターリング冷凍機を示す概略図。

【図４】従来のスターリング冷凍機の膨張機の一例を示
す部分概略図。

【図５】従来のスターリング冷凍機の膨張機の他の例を
示す部分概略図。

【符号の説明】

１ ガス圧縮機 ２ 圧縮ピストン ３ 高温シリンダ ４ 圧縮空間 ５ａ，５ｂ 放熱器 ６ 蓄冷器 ７ 蓄冷材 ８ 流路 ９ 膨張機 ９ａ 膨張シリンダ ９ｂ 膨張機本体 １０ 膨張ピストン １１ 冷凍発生部（膨張空間） １２ 冷凍取り出し部（コールドヘッド） １２ａ，１２ｂ 板状体 １３ クランク機構 １４ａ，１４ｂ ピストンシール １５ グリース １６ ネジ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方の端部を冷却部側とする膨張シリン
   ダと、この膨張シリンダ内で往復運動するピストンと、
   シリンダの外側に円筒状の膨張機本体とを有し、前記冷
   却部側を冷凍取り出し部で覆って冷凍発生部としての膨
   張空間を形成し、この膨張空間に導かれた冷媒ガスの膨
   張過程を含む熱サイクルによって発生する低温の冷熱を
   前記冷凍取り出し部から外部へ取り出す冷凍装置におい
   て、 前記冷凍取り出し部は、前記膨張空間側を覆うように耐
   圧性の良い所定の板厚の金属からなる第一板状体の端縁
   部を前記膨張機本体の外周端縁部に接合して形成すると
   共に、熱伝導率の高い所定の板厚の金属からなる第二板
   状体を前記第一板状体の外側に密着接合し、かつ、前記
   第二板状体の端縁部を前記膨張機本体の外周端縁部に接
   合して形成したことを特徴とする冷凍装置。
2. 【請求項２】 前記第一板状体は、ステンレス鋼を用
   い、前記第二板状体は、銅を用いたことを特徴とする請
   求項１記載の冷凍装置。
3. 【請求項３】 一方の端部を冷却部側とする膨張シリン
   ダと、この膨張シリンダ内で往復運動するピストンと、
   シリンダの外側に円筒状の膨張機本体とを有し、前記冷
   却部側を冷凍取り出し部で覆って冷凍発生部としての膨
   張空間を形成し、この膨張空間に導かれた冷媒ガスの膨
   張過程を含む熱サイクルによって発生する低温の冷熱を
   前記冷凍取り出し部から外部へ取り出す冷凍装置におい
   て、 前記冷凍取り出し部は、前記膨張空間側を覆うように耐
   圧性の良い所定の板厚の金属からなる第一板状体の端縁
   部を前記膨張機本体の外周端縁部に接合して形成すると
   共に、前記第一板状体の外側に熱伝導率の高い液状体を
   介して熱伝導率の高い所定の板厚の金属からなる第二板
   状体を設けて、この第二板状体の端縁部を前記膨張機本
   体の外周端縁部に接合して形成したことを特徴とする冷
   凍装置。
4. 【請求項４】 前記第一板状体は、ステンレス鋼を用
   い、前記第二板状体は、銅を用い、前記液状体は、グリ
   ースを用いたことを特徴とする請求項３記載の冷凍装
   置。