JPH06323656A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 起動の失敗がなく、小型の駆動モータによっ
て確実に起動できる。 【構成】 駆動モータが起動するときには、圧縮シリン
ダの後方空間２２と圧縮空間３との水素ガス圧力差が解
消されるように圧縮空間３から水素を吸蔵した状態とす
ると共に、駆動モータが起動した後には、圧縮空間３を
所定の水素ガス圧力とするように水素ガスを放出した状
態とする金属水素化物を収納する収納部２５を設けるよ
うにした。

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】バイオテクノロジーの分野や電子デバイ
スの分野等の先端技術分野において、各種試料や各種材
料を超低温で保存をする技術の開発が急務になってい
る。特に、スターリング冷凍機などの気体圧縮式蓄冷型
冷凍機は、効率が高く上記超低温を実現する手段として
注目され、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
利用されようとしている。

【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２を参照して動作原理を説明する。

【０００４】スターリング冷凍機１は、圧縮シリンダ２
によって圧縮される圧縮空間３と膨張シリンダ４によっ
て膨張される膨張空間５とを、途中に蓄冷器６を介装し
たガス流路７によって連通させ、圧縮シリンダ２の外側
に放熱器８と膨張シリンダ４の外側に放熱器９とを配設
する一方、圧縮シリンダ２の後方で、かつ、膨張シリン
ダ４の下方にはクランク１０を配設した構成としてい
る。

【０００５】圧縮シリンダ２は、内側に水素やヘリウム
等極低温の沸点の冷媒ガスを圧縮する圧縮空間３を形成
し、圧縮ピストン１１が圧縮シリンダ１２に摺動自在に
嵌装され、クランク１０の作用により圧縮ピストン１１
が往復運動をするようになっている。

【０００６】膨張シリンダ４は、内側に膨張ピストン１
２が上下方向に摺動自在に嵌装され、低温発生部として
の膨脹空間５が形成されている。

【０００７】蓄冷器６は、ガス流路７を介して膨張空間
５へ供給される圧縮された冷媒ガスを冷却する一方、膨
張空間５で膨脹され冷却された冷媒ガスが圧縮空間３に
戻される際に、その冷媒が冷却されて蓄冷するものであ
り、その材料としては、比熱の大きな銅やステンレス
鋼、さらに、鉛等が用いられ、それらが冷媒ガスを通す
微細孔が多数穿設された円筒形状に形成されたものであ
る。

【０００８】ガス流路７は、圧縮空間３と膨張空間５と
を連通する配管で、蓄冷器６内を通過するようになって
いる。放熱器８は、圧縮シリンダ２の胴部の外側に多数
の円板状フィンを立設し、放熱器９は、膨張シリンダ４
の胴部の外側に多数の円形状フィンを立設している。

【０００９】クランク１０は、圧縮シリンダ２の後方の
ガイド部１３と膨張シリンダ４の下方のガイド部１４に
よって形成されるクランク室１５に配設され、このクラ
ンク室１５の底部に潤滑油１６が収納されている。そし
て、このクランク１０から延設されるコネクティングロ
ッド１７がガイド部１３を介してピストンロッド１８に
接続され、圧縮ピストン１１の後部に接続されると共
に、クランク１０から延設されるコネクティングロッド
１９がガイド部１４を介してピストンロッド２０に接続
され膨張ピストン１２の後部に接続されている。

【００１０】なお、２１は圧縮空間３と圧縮ピストン１
１の後方の空間２２とを断絶するピストンリングで、ガ
イド部１３には、クランク室１５の潤滑油１６が空間２
２へ侵入するのを防止する図示省略するオイルシールが
設けられている。また、２３は膨張空間５と膨張ピスト
ン１２の後方の空間２４を断絶するピストンリングで、
ガイド部１４にはクランク室１５の潤滑油１６が空間２
４に侵入するのを防止する図示省略するオイルシールが
設けられている。

【００１１】以上の構成で、まず、図示省略する駆動モ
ータの回転によってクランク１０が駆動すると、圧縮シ
リンダ２内の圧縮ピストン１１が圧縮空間３側に移動し
て圧縮空間３に充満する水素やヘリウムや窒素等の液化
しにくい冷媒ガスが圧縮される。圧縮された冷媒ガス
は、圧縮シリンダ２の外周に設けられる放熱器８によっ
て外部に放熱され室温付近まで冷却され、ガス流路７を
通り、蓄冷器６へ流入する。

【００１２】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
蓄冷材によって冷却され、冷却された冷媒ガスが膨張空
間５へ流入され、膨張空間５が高圧の状態となる。

【００１３】次に、膨張ピストン１２が圧縮ピストン１
１と約９０°の位相差を持って降下し、膨張空間５が拡
張されて、高圧の冷媒ガスが、急に膨張され、圧力の急
降下によって冷媒ガスが低温となる。

【００１４】次に、膨張ピストン１２が上昇を開始し、
圧縮ピストン１１が後退すると、低温の冷媒ガスが、ガ
ス流路７を経て蓄冷器６を通って圧縮空間３へ戻り、こ
のとき、蓄冷器６では、蓄冷材が冷却され蓄冷器６に冷
熱が蓄えられる。

【００１５】上記した工程によって、一つの熱サイクル
が終了し、この工程がクランク１０に基づくピストンの
往復運動によって繰り返される。これにより、徐々に膨
張空間５の温度と蓄冷器６の温度が降下し、膨張空間５
の冷媒ガスが低温とされ、冷熱を外部の図示省略する熱
利用部としての低温槽等と熱交換が行われ、外部の低温
槽等の冷却負荷が冷凍温度とされる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図２で
説明した従来のスターリング冷凍機１は、大きな起動ト
ルクを要し、起動できないことがあり、常時確実に起動
するためには、非常に大きな容量のモータを用いなけれ
ばならないという問題がある。

【００１７】すなわち、スターリング冷凍機１の起動
時、圧縮空間３には、室温の冷媒ガスが充満し、圧力が
空間２２に比べて高く、慣性力もないため非常に大きな
起動トルクによって圧縮ピストン１１を駆動させないと
起動することができない。このため形状の大きなコスト
も高い駆動モータを用いなければならないという問題が
ある。

【００１８】一方、起動トルクを低減させるため圧縮空
間３等の内部圧力を低くするようにすれば、定常運転時
のスターリング冷凍機１の冷凍能力が低下してしまうと
いう問題がある。

【００１９】そこで、本発明は小型の駆動モータによっ
て低トルクの起動ができ、起動の失敗のない冷凍装置を
提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧縮シリンダ
の圧縮空間と膨張シリンダの膨張空間とが蓄冷器を介し
た流路によって連通されて作動空間を形成すると共に、
前記圧縮シリンダの圧縮ピストンと前記膨張シリンダの
膨張ピストンとが相互に所定の位相差をもって往復駆動
されるようにクランク機構を介して駆動モータに接続さ
れ、前記圧縮空間から前記膨張空間に導かれる水素ガス
の膨張過程を含む熱サイクルによって低温を発生させる
冷凍装置において、前記各シリンダの各ピストンとクラ
ンク機構との間を仕切って形成される各ピストンの後方
空間に水素を封入し所定の圧力を保持する一方、水素吸
収時に前記駆動モータの停止時の温度に対する前記所定
の圧力を示し、水素放出時に前記駆動モータの作動時の
温度に対する前記作動空間に必要な圧力を示す特性の金
属水素化物を前記作動空間に見合った量だけ前記圧縮空
間に連通する空間を設けて収納するようにしたものであ
る。

【００２１】

【作用】上記構成により、圧縮空間と圧縮シリンダの後
方空間との圧力差が少ない状態で駆動モータが起動され
る。これにより、圧縮ピストンを低トルクによって起動
することができ、起動の失敗がなく、小型の駆動モータ
によって確実に起動することができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００２３】図１は、本発明の一実施例を示すスターリ
ング冷凍機の概略図であり、従来例を示す図２と同一符
号は、同一部分または相当部分を示している。

【００２４】スターリング冷凍機１は、圧縮シリンダ２
によって圧縮される圧縮空間３と膨張シリンダ４によっ
て膨張される膨張空間５とを、途中に蓄冷器６を介装し
たガス流路７によって連通させ、圧縮シリンダ２の外側
に放熱器８と膨張シリンダ４の外側に放熱器９とを配設
する一方、圧縮シリンダ２の後方で、かつ、膨張シリン
ダ４の下方にはクランク１０を配設した構成としてい
る。

【００２５】圧縮シリンダ２は内側に冷媒ガスとして水
素ガスを圧縮する圧縮空間３が形成され、圧縮ピストン
１１が圧縮シリンダ１２に摺動自在に嵌装され、クラン
ク１０の作用により圧縮ピストン１１が往復運動をする
ようになっている。

【００２６】そして、本実施例では、圧縮シリンダ２の
外側に後述する金属水素化物を収納した収納部２５が配
設されている。この収納部２５に収納される金属水素化
物は、例えば、ＬａＮｉ₅系のものが用いられる。すな
わち、まず、予め金属水素化物がない状態、つまり、金
属水素化物が全く吸蔵してない状態のとき、作動空間内
に水素ガスを充填させて圧力が３０ａｔｍとなるように
しておき、また、クランク室１５と空間２２と空間２４
には、水素圧力が２０ａｔｍとなるように予め水素を充
填しておく。そして、次の式（１）に基づいて、金属水
素化物の最大水素吸蔵量を求めて、求めた最大水素吸蔵
になるように合金量を収納部２５に充填する。

【００２７】 金属水素化物の最大水素吸蔵量 ＝（３０ａｔｍ−２０ａｔｍ）×作動空間体積…………（１）

【００２８】この構成によって、金属水素化物が起動時
の約２０℃では作動空間の水素圧力が２０ａｔｍとなる
ようにする一方、起動後には、約６０℃のとき、金属水
素化物が最大水素吸蔵量を完全に放出し切った状態で約
３０ａｔｍとなるようにしている。

【００２９】膨張シリンダ４は、内側に膨張ピストン１
２が上下方向に摺動自在に嵌装され、低温発生部として
の膨脹空間５が形成されている。

【００３０】蓄冷器４は、ガス流路７を介して膨張空間
５へ供給される圧縮された水素ガスを冷却する一方、膨
張空間５で膨脹され冷却された水素ガスが圧縮空間３に
戻される際に、その水素ガスが冷却されて蓄冷するもの
であり、その材料としては、比熱の大きな銅やステンレ
ス鋼、さらに、鉛等が用いられ、それらが冷媒ガスを通
す微細孔が多数穿設された円筒形状に形成されたもので
ある。

【００３１】クランク１０は、圧縮シリンダ２の後方に
設けたガイド部１３と、膨張シリンダ４の下方に設けた
ガイド部１４により形成されたクランク室１５を有し、
このクランク室１５の底部に潤滑油１６が充たされてい
る。

【００３２】まず、スターリング冷凍機１が停止状態の
とき、約２０℃の常温で、水素を吸蔵して作動空間とし
ての圧縮空間３は約２０ａｔｍの水素ガス圧力となって
おり、空間２２も同様に予め約２０ａｔｍの水素ガスが
充填されている。

【００３３】この状態で、図示省略する駆動モータが回
転を開始すると、クランク１０が回転し、このクランク
１０に延設されるコネクティングロッド１７がガイド部
１３を介してピストンロッド１８によって圧縮ピストン
１１の後部を押すことによりピストンリング２１の部分
が圧縮シリンダ２の内側に抗して圧縮ピストン１１を前
方向に移動させる。

【００３４】このとき、圧縮空間３の水素ガス圧力と空
間２２の水素ガス圧力とが共に約２０ａｔｍと、ほぼ等
しいため起動時に駆動モータが低いトルクで移動が開始
される。

【００３５】その後、駆動モータの回転が定常状態とな
ると、慣性力が働き、摩擦も減少し、起動時よりも低い
トルクで運転される。この状態になると、収納部２５に
収納される金属水素化物が圧縮熱により加熱され、作動
空間としての圧縮空間３へ水素を放出して、例えば、約
６０℃の温度になると、水素ガスを完全に放出し切った
状態で水素圧力が約３０ａｔｍとなり、圧縮ピストンの
往復運動によって約２５ａｔｍから３５ａｔｍまでの範
囲で変動する。これに伴い、圧縮空間３の水素量も増加
してくる。

【００３６】圧縮シリンダ２内の圧縮ピストン１１によ
って圧縮空間３に充満する水素ガスが圧縮され、圧縮さ
れた水素ガスは、圧縮シリンダ２の外周に設けられる放
熱器８によって外部に放熱され室温付近まで冷却され、
ガス流路７を通り、蓄冷器６へ流入する。

【００３７】蓄冷器６に流入した水素ガスは、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
蓄冷材によって冷却され、冷却された水素ガスが膨張空
間５へ流入され、膨張空間５が高圧状態となる。その
後、膨張ピストン１２が圧縮ピストン１１と約９０°の
位相差を持って降下してくる。これによって、膨張空間
５が拡張され、高圧の水素ガスが、急に膨張され圧力の
急降下によって水素ガスが低温となる。

【００３８】次に、膨張ピストン１２が上昇を開始し、
圧縮ピストン１１が後退すると、低温の水素ガスが、蓄
冷器６を通り、ガス流路７を経て圧縮空間３へ戻る。こ
のとき、蓄冷器６では、蓄冷材が冷却され蓄冷器６に冷
熱が蓄えられる。

【００３９】上記した工程によって、一つの熱サイクル
が終了し、この工程がクランク１０のクランク運動によ
って繰り返され、徐々に膨張空間５の温度と蓄冷器６の
温度とが降下し、膨張空間５の水素ガスが低温とされ
る。この状態のとき、膨張空間５の冷熱が外部の図示省
略する熱利用部としての低温槽等と熱交換が行われ、外
部の低温槽等の冷凍負荷を冷凍温度とする。

【００４０】このように、金属水素化物が起動時に水素
ガスを吸蔵して圧縮空間３の水素ガス圧力と圧縮ピスト
ン１１の後方の空間２２との水素ガス圧力がほぼ等しい
状態で圧縮ピストン１１を駆動するようにしたため、圧
縮ピストン１１を駆動する駆動モータが低トルクで起動
することができ、起動の失敗がなく、駆動モータの小型
化が図れる。しかも、同一容量の駆動モータと比較して
従来より圧縮空間３の圧力を高くして定常状態の運転が
できるため冷凍能力の増大が図れる。また、起動後の定
常状態になると、金属水素化物が圧縮熱により水素ガス
を放出して水素ガス量を増加させるため冷凍能力を増大
することができる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、圧
縮空間と圧縮シリンダの後方空間との圧力差が少ない状
態で駆動モータが起動されるようにしたため圧縮ピスト
ンを低トルクによって起動することができ、起動の失敗
がなく、小型の駆動モータによって確実に起動すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すスターリング冷凍機の
概略図。

【図２】従来例を示すスターリング冷凍機の概略図。

【符号の説明】

１ スターリング冷凍機 ２ 圧縮シリンダ ３ 圧縮空間 ４ 膨張シリンダ ５ 膨張空間 ６ 蓄冷器 ７ ガス流路 １０ クランク １１ 圧縮ピストン １２ 膨張ピストン １５ クランク室 ２２ 空間 ２５ 収納部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮シリンダの圧縮空間と膨張シリンダ
   の膨張空間とが蓄冷器を介した流路によって連通されて
   作動空間を形成すると共に、前記圧縮シリンダの圧縮ピ
   ストンと前記膨張シリンダの膨張ピストンとが相互に所
   定の位相差をもって往復駆動されるようにクランク機構
   を介して駆動モータに接続され、前記圧縮空間から前記
   膨張空間に導かれる水素ガスの膨張過程を含む熱サイク
   ルによって低温を発生させる冷凍装置において、 前記各シリンダの各ピストンとクランク機構との間を仕
   切って形成される各ピストンの後方空間に水素を封入し
   所定の圧力を保持する一方、水素吸収時に前記駆動モー
   タの停止時の温度に対する前記所定の圧力を示し、水素
   放出時に前記駆動モータの作動時の温度に対する前記作
   動空間に必要な圧力を示す特性の金属水素化物を前記作
   動空間に見合った量だけ前記圧縮空間に連通する空間を
   設けて収納するようにしたことを特徴とする冷凍装置。