JPH06323658A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 潤滑油などにより畜冷能力の劣化や熱交換性
能の劣化を防止する。 【構成】 圧縮シリンダ１２によって圧縮される圧縮空
間１１と膨張シリンダ１５によって膨脹される膨張空間
とが蓄冷器４を介した流路によって連通させると共に、
圧縮シリンダ１２の圧縮ピストン１３と膨張シリンダ１
５の膨張ピストン１６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部９を介して駆動モ
ータに接続され、圧縮空間１１から膨張空間に導かれる
冷媒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、流路の所要箇所には、冷媒
ガスから不純物を除去するフィルタを適宜配置するよう
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
料の超低温の保存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蓄冷型冷凍機は、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３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、ガス圧縮機２と
膨張機３とを、途中に蓄冷器４とを介装したガス流路５
によって連通させ、このガス流路５のガス圧縮機２側に
放熱器６と蓄冷器４の入口側に放熱器７とを配設する一
方、膨張機３の上部に冷凍取り出し部８を形成し、さら
に、ガス圧縮機２の後方で、かつ、膨張機３の下方には
クランク機構部９を配設した構成としている。

【０００５】ガス圧縮機２は、ヘリウム等極低温の沸点
の冷媒ガスを所定のサイクルに従って圧縮して圧縮され
た冷媒ガスを膨張機３へ供給するものであり、ガス圧縮
機２では、圧縮シリンダ本体１０の内側に冷媒ガスを圧
縮する圧縮空間１１を形成し、圧縮ピストン１３が圧縮
シリンダ１２に摺動自在に嵌装されて後述するクランク
機構部９の作用により圧縮ピストン１３が往復運動をす
るようになっている。

【０００６】膨張機３は、ガス圧縮機２から蓄冷器４を
介して供給された圧縮冷媒ガスを膨張させるものであ
り、膨張機３は、膨張機本体１４の内側に膨張シリンダ
１５が上下方向に配設され、この膨張シリンダ１５の内
側に膨張ピストン１６が上下方向に摺動自在に嵌装さ
れ、膨張機３の内側に低温が発生する膨脹空間としての
冷凍発生部１７が形成されている。

【０００７】蓄冷器４は、膨張機本体１４の内周と膨張
シリンダ１５の外周との間に円筒形状に形成され、ガス
流路５を介して膨張機３へ供給される圧縮された冷媒ガ
スを冷却する一方、冷凍発生部１７で膨脹され冷却され
た冷媒ガスがガス圧縮機２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５は、ガス圧縮機２と膨張機３と
を連通する配管で蓄冷器４の入口側では、圧縮冷媒ガス
が均等に蓄冷器４内を通過するようになっている。放熱
器６と放熱器７は、圧縮された高温の冷媒ガスを室温付
近に下げるもので、放熱器６は圧縮シリンダ本体１０の
胴部の外側に多数の円板状フィンを立設し、放熱器７
は、膨張機本体１４の胴部の外側に多数の円形状フィン
を立設している。冷凍取り出し部８は、冷凍発生部１７
で発生した冷熱を図示省略する低温槽等へ取り出すもの
で、膨張機本体１４の上部にステンレス鋼等の板状体で
覆われている。

【０００９】クランク機構部９は、圧縮ピストン１３と
膨張ピストン１６とを図示省略する駆動モータを駆動源
としてクランク運動の作用で往復運動をさせるものであ
り、クランク機構部９は、圧縮シリンダ１２の後方に案
内部２０を形成すると共に、膨張シリンダ１５の下方に
案内部２１とを形成したクランク室２２を有し、このク
ランク室２２の底部に潤滑油２３を収納し、さらに、ク
ランク室２２の内部にクランク機構２４を配設してい
る。

【００１０】そして、このクランク機構２４から延設さ
れるコネクティングロッド２５が案内部２０の案内受２
０ａにクロスガイド２６が摺動自在に嵌装され、このク
ロスガイド２６に連絡するピストンロッド２７が案内部
２０の貫通穴２０ｂに貫通して圧縮ピストン１３の後部
に接続すると共に、クランク機構２４から延設されるコ
ネクティングロッド２８が案内部２１の案内受２１ａに
クロスガイド２９が摺動自在に嵌装され、このクロスガ
イド２９に連絡するピストンロッド３０が膨張ピストン
１６の後部に接続している。

【００１１】なお、３１は圧縮空間１１と圧縮ピストン
１３の後方の空間３２を断絶するピストンシールで、３
３はクランク室２２の潤滑油２３が空間３２に侵入する
のを防止するオイルシールを示している。また、３４は
冷凍発生部１７と膨張ピストン１６の後方の空間３５を
断絶するピストンシールで、３６はクランク室２２の潤
滑油２３が空間３５に侵入するのを防止するオイルシー
ルを示す。

【００１２】まず、図示省略する駆動モータの回転によ
ってクランク機構部９のクランク機構２４が駆動する
と、ガス圧縮機２の圧縮シリンダ１２内の圧縮ピストン
１３が圧縮空間１１側に移動して圧縮空間１１に充満す
る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、圧縮シリンダ本体１０の外
周に設けられる放熱器６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５を通り、さらに、放熱器７
で冷却されて蓄冷器４へ流入する。

【００１３】蓄冷器４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機
３の冷凍発生部１７へ流入され、冷凍発生部１７が高圧
状態となる。

【００１４】その後、膨張機３の膨張シリンダ１５内の
膨張ピストン１６が圧縮ピストン１３と約９０°の位相
差を持って降下してくる。これによって、膨張空間とし
ての冷凍発生部１７が拡張されて蓄冷器４から冷凍発生
部１７へ流入した高圧の冷媒ガスが、急に膨張されて、
冷凍発生部１７の冷媒ガスの圧力が急降下するため冷媒
ガスが低温となる。

【００１５】やがて、膨張ピストン１６が上昇を開始
し、圧縮ピストン１３が後退すると、低温の冷媒ガス
が、蓄冷器４を通り、ガス流路５を経て圧縮空間１１へ
戻る。このとき、蓄冷器４では、蓄冷材が冷却され蓄冷
器４に冷熱が蓄えられる。

【００１６】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機構部９のクランク機構
２４の往復運動によって繰り返される。これにより、徐
々に冷凍発生部１７の温度と蓄冷器４の温度が降下し、
冷凍発生部１７の冷媒ガスが低温とされる。この状態の
とき、冷凍取り出し部８では、冷凍発生部１７の冷熱を
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
を行って外部の低温槽の冷却負荷を冷凍温度とする。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３で
説明した従来のスターリング冷凍機１では、クランク室
２２の潤滑油２３が案内部２０および案内部２１のシー
ル部から作動空間としてのガス圧縮機２および膨張機３
に混入して冷凍能力を低下させるという問題がある。

【００１８】従来、ガス圧縮機２では、クランク機構２
４から延設されるコネクティングロッド２５が案内部２
０の案内受２０ａにクロスガイド２６が摺動自在に嵌装
され、クロスガイド２６のピストンロッド２７が貫通穴
２０ｂに貫通し、このピストンロッド２７には、オイル
シール３３が施され、圧縮ピストン１３の後部に接続さ
れている。

【００１９】この構成で、クランク機構２４によるクラ
ンク運動を圧縮ピストン１３の往復運動とすると共に、
クランク室２２の潤滑油２３が圧縮ピストン１３の後方
の空間３２へ混入することを防止している。

【００２０】ところが、上記オイルシール３３のみで潤
滑油２３を完全にシールすることが困難であり、潤滑油
２３が後方の空間３２に侵入する。このため侵入した潤
滑油２３が冷媒ガスに混入して冷凍能力を低下させ、ま
た、蓄冷器４の蓄冷材に混入して蓄冷能力の劣化をさせ
るという問題がある。

【００２１】以上のことは、膨張機３の圧縮ピストン１
３と案内部２１についても同様である。

【００２２】そこで、本発明は、作動空間へ潤滑油が混
入しても冷凍能力の低下を回避する冷凍装置を提供する
ことを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧縮シリンダ
によって圧縮される圧縮空間と膨張シリンダによって膨
脹される膨張空間とが蓄冷器を介した流路によって連通
させると共に、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部を介して駆
動モータに接続され、前記圧縮空間から前記膨張空間に
導かれる冷媒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、流路の所要箇所
に、冷媒ガスから不純物を除去するフィルタを適宜配置
するようにしたものである。

【００２４】

【作用】上記構成により、作動空間へ混入した潤滑油や
鉄粉などの不純物含む冷媒ガスから流路の所要箇所に配
置されたフィルターによって不純物が除去される。従っ
て、畜冷能力の劣化や熱交換性能の劣化を防止して冷凍
能力の低下を回避することができる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００２６】図１は、本発明の第１実施例を示すスター
リング冷凍機の概略図であり、従来例を示す図３と同一
符号は、同一部分または相当部分を示している。スター
リング冷凍機１は、ガス圧縮機２と膨張機３とを、途中
に蓄冷器４を介装したガス流路５によって連通させ、こ
のガス流路５のガス圧縮機２側に放熱器６と蓄冷器４の
入口側に放熱器７を配設する一方、膨張機３の上部に冷
凍取り出し部８を形成し、さらに、ガス圧縮機２の後方
で、かつ、膨張機３の下方にはクランク機構部９を配設
した構成としている。

【００２７】ガス圧縮機２は、ヘリウム等極低温の沸点
の冷媒ガスを所定のサイクルに従って圧縮して圧縮され
た冷媒ガスを膨張機３へ供給するものであり、圧縮シリ
ンダ本体１０の内側に冷媒ガスを圧縮する圧縮空間１１
を形成し、圧縮シリンダ１２に圧縮ピストン１３が摺動
自在に嵌装されてクランク機構部９の作用により圧縮ピ
ストン１３が往復運動するようになっている。

【００２８】膨張機３は、ガス圧縮機２から蓄冷器４を
介して供給された圧縮ガスを膨張させるもので、膨張機
３は、膨張機本体１４の内側に膨張シリンダ１５が上下
方向に配設され、この膨張シリンダ１５の内側に上下方
向に摺動自在に膨張ピストン１６が嵌装され、膨張機３
の内側に低温が発生する膨張空間として冷凍発生部１７
が形成されている。

【００２９】さらに、膨張機３では、膨張シリンダ１５
の外側と冷凍取り出し部８の内側で形成される環状の流
路の一部にガスラインフィルタ３７ｃが充填されてい
る。そして、ガス圧縮機２では、圧縮シリンダ１２の外
側と圧縮シリンダ本体１０の内側で形成される環状の流
路の一部にガスラインフィルタ３７ａが充填されてい
る。このガスラインフィルタ３７ａとしては、例えば、
圧力損失が少なく、高い空孔率を有するフッ素系の樹脂
が用いられ、潤滑油等の不純物を含む冷媒ガスがフィル
タを通過する際に、不純物がフィルタに附着して除去さ
れものであり、後述するガスラインフィルタ３７ｂ〜３
７ｈについても同様である。

【００３０】蓄冷器４は、膨張機本体１４の内周と膨張
シリンダ１５の外周との間に円筒形状に形成され、ガス
流路５を介して膨張機３へ供給される圧縮された冷媒ガ
スを冷却する一方、冷凍発生部１７で膨脹され冷却され
た冷媒ガスがガス圧縮機２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。

【００３１】そして、蓄冷器４の入口側の膨張シリンダ
１５の外側と膨張機本体１４の内側で形成される流路の
一部にガスラインフィルタ３７ｂが充填され、さらに、
蓄冷器４の出口側の膨張シリンダ１５の外側と膨張機本
体１４の内側で形成される流路の一部にガスラインフィ
ルタ３７ｄが充填されている。

【００３２】冷凍取り出し部８は、膨張空間としての冷
凍発生部１７で発生した冷熱を図示省略する低温槽等へ
取り出すものである。クランク機構部９は、圧縮シリン
ダ１２の後方に案内部２０を形成すると共に、膨張シリ
ンダ１５の下方に案内部２１とを形成したクランク室２
２を有し、このクランク室２２の底部に潤滑油２３を充
たし、さらに、クランク室２２の内部にクランク機構２
４を配設している。

【００３３】まず、クランク機構部９の図示省略する駆
動モータが回転を開始すると、クランク機構２４が回転
し、このクランク機構２４に延設されるコネクティング
ロッド２５が案内部２０に嵌装されるクロスガイド２６
を圧縮空間１１の方向へ摺動させる。そして、このクロ
スガイド２６に接続するピストンロッド２７が圧縮ピス
トン１３の後部を押すことにより圧縮ピストン１３のピ
ストンシール３１の部分が圧縮シリンダ１２の内側に抗
して圧縮ピストン１３を前方向に移動させ往復運動がさ
れる。このとき、案内部２０の案内受２０ａに嵌装され
るクロスガイド２６の往復運動に伴って案内受２０ａに
クランク室２２の潤滑油２３が侵入し、その潤滑油２３
の一部がオイルシール３３を通過して後方の空間３２へ
混入することがある。そして、潤滑油２３がピストンシ
ール３１の僅かな隙間から圧縮空間１１の冷媒ガスに混
入する。

【００３４】潤滑油２３が混入した冷媒ガスは、圧縮ピ
ストン１３の働きにより圧縮され、まず、圧縮シリンダ
１２の外側と圧縮シリンダ本体１０の内側で形成される
環状の流路の一部に充填されたガスラインフィルタ３７
ａを通過する。この結果、潤滑油２３が混入した冷媒ガ
スからガスラインフィルタ３７ａにより潤滑油２３の第
１段階の除去がされて放熱器６で冷却されてガス流路５
へ流入される。

【００３５】ガス流路５に流入した冷媒ガスは、さら
に、放熱器７で冷却されて蓄冷器４へ流入する。このと
き、ガス流路５の入口側の膨張シリンダ１５の外側と膨
張機本体１４とにより形成される流路の一部に充填され
たガスラインフィルタ３７ｂによって冷媒ガスから潤滑
油２３の第２段階の除去がされる。これによって、冷媒
ガスから潤滑油２３がほぼ完全に除去された冷媒ガスが
蓄冷器４を通過する。

【００３６】蓄冷器４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機
３の冷凍発生部１７へ流入され、冷凍発生部１７は高圧
状態となる。

【００３７】その後、膨張シリンダ１５内の膨張ピスト
ン１６が圧縮ピストン１３と約９０°の位相差を持って
降下してくる。これによって、膨張空間としての冷凍発
生部１７が拡張されて蓄冷器４から冷凍発生部１７へ流
入した高圧の冷媒ガスが、急に膨張されて、冷凍発生部
１７の冷媒ガスの圧力が急降下するため冷媒ガスが低温
となる。

【００３８】やがて、膨張ピストン１６が上昇を開始
し、圧縮ピストン１３が後退すると、低温の冷媒ガス
が、蓄冷器４を通り、ガス流路５を経て圧縮空間１１へ
戻る。このとき、ガス圧縮機２で説明したと同様に、案
内部２１の案内受２０ａに嵌装されるクロスガイド２９
の往復運動に伴って案内受２１ａにクランク室２２の潤
滑油２３が侵入し、その一部がオイルシール３６を突破
して後方の空間３５を経て冷凍発生部１７に侵入して冷
媒ガスに混入することがある。

【００３９】潤滑油２３が混入した低温の冷媒ガスは、
膨張ピストン１６の上昇に伴って、まず、膨張シリンダ
１５の外側と冷凍発生部１７の内側に形成される環状の
流路に充填されたガスラインフィルタ３７ｃによって冷
媒ガスから潤滑油２３の第１段階の除去がされる。

【００４０】さらに、蓄冷器４の端部に設けたガスライ
ンフィルタ３７ｄにより、第２段階の冷媒ガスから潤滑
油２３の除去がされる。これによって、膨張機３側へク
ランク室２２から混入する潤滑油２３はほぼ完全に除去
される。

【００４１】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機構部９のクランク機構
２４のクランク運動によって繰り返される。これによ
り、徐々に冷凍発生部１７の温度と蓄冷器４の温度とが
降下し、冷凍発生部１７の冷媒ガスが低温とされる。こ
の状態のとき、冷凍取り出し部８では、冷凍発生部１７
の冷熱を外部の図示省略する熱利用部としての低温槽等
と熱交換を行って外部の低温槽の冷凍負荷を冷凍温度と
する。

【００４２】このように、クランク室２２の潤滑油２３
がガス圧縮機２および膨張機３へ侵入して冷媒ガスに混
入しても流路に適宜設けたガスラインフィルタによって
潤滑油２３を除去することができるため、蓄冷器４の蓄
冷能力の劣化や冷凍能力の低下を招くことが回避でき
る。

【００４３】なお、潤滑油２３以外の不純物、例えば、
鉄粉等がスターリング冷凍機１を分解したとき作動空間
等に混入する場合があるが、このような場合にも流路に
適宜充填されたガスラインフィルタによって除去するこ
とができる。

【００４４】図２は、本発明の第２実施例を示すスター
リング冷凍機の概略図で、従来例を示す図３と同一符号
は同一部分または相当部分を示している。

【００４５】第２実施例は、ガス圧縮機２の圧縮空間１
１を除く圧縮シリンダ１２の外側と圧縮シリンダ本体１
０の内側によって形成される環状の流路のほぼ全域にガ
スラインフィルタ３７ｅを充填し、ガス流路５にガスラ
インフィルタ３７ｆを充填し、さらに、膨張機３では、
蓄冷器４を除く、膨張シリンダ１５の外側と膨張機本体
１４の内側により形成される環状の流路のほぼ全域にガ
スラインフィルタ３７ｇ，３７ｈを充填している。

【００４６】この構成では、ガス圧縮機２と膨張機３と
連通するほぼ全域にガスラインフィルタが充填配置され
るため、確実に潤滑油２３やその他の不純物の除去がさ
れる。従って、蓄冷器４の蓄冷能力の劣化や作動空間と
してのガス圧縮機２や膨張機３の熱交換部の熱交換性能
の劣化が防止される。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、作
動空間へ混入した潤滑油や鉄粉などの不純物含む冷媒ガ
スから不純物がフィルターによって除去される。従っ
て、畜冷能力の劣化や熱交換性能の劣化を防止して冷凍
能力の低下を回避することができる。

【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
の概略図。

【図３】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 ガス圧縮機 ３ 膨張機 ４ 蓄冷器 ５ ガス流路 ６ 放熱器 ７ 放熱器 ８ 冷凍取り出し部 ９ クランク機構部 １０ 圧縮シリンダ本体 １１ 圧縮空間 １２ 圧縮シリンダ １３ 圧縮ピストン １５ 膨張シリンダ １６ 膨張ピストン １７ 冷凍発生部 ３７ａ〜３７ｈ ガスラインフィルタ

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年１月１１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧縮シリンダ
内の圧縮空間と膨張シリンダ内の膨張空間とを蓄冷器を
介した流路によって連通させると共に、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又
は膨張ディスプレーサ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部を介して駆動モー
タに接続され、前記圧縮空間から前記膨張空間に導かれ
る冷媒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、流路の所要箇所に、冷媒
ガスから不純物を除去するフィルタを適宜配置するよう
にしたものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮シリンダによって圧縮される圧縮空
   間と膨張シリンダによって膨脹される膨張空間とが蓄冷
   器を介した流路によって連通させると共に、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
   にクランク機構部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冷媒ガスの膨張過
   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、 前記流路の所要箇所には、前記冷媒ガスから不純物を除
   去するフィルタを適宜配置したことを特徴とする冷凍装
   置。