JPH0643648Y2 - 冷凍機 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案は例えば赤外線素子や超電導体を極低温（一般
に100K以下の温度をいう。）に冷却するスターリング冷
凍機に関するものである。

〔従来の技術〕

第３図に従来のスターリング冷凍機の構成例を示す。図
に示したスターリング冷凍機はスプリット式スターリン
グ冷凍機と呼ばれるもので、スターリング冷凍機の代表
的一例である。

第３図において、スプリット式スターリング冷凍機は大
きくわけて（１）の圧縮機と（２）のコールドフィンガ
とこれらを結ぶ連結管（３）より構成される。前記圧縮
機（１）はシリンダ（４）とピストン（５）を備え、前
記ピストン（５）は連結棒（６）とクランク（７）を介
して図には示されていないが電動機によって駆動されて
前記シリンダ（４）内部を往復する構造となっている。
前記シリンダ（４）の上部にはシリンダヘッド（８）が
とりつけられ、前記シリンダ（４）、前記ピストン
（５）及び前記シリンダヘッド（８）でしきられた内部
空間を圧縮室（９）と呼ぶ。前記クランク（７）等の前
記ピストン（５）を駆動する機構部材は（10）のハウジ
ング（10）内に収められ、前記ピストン（５）によって
前記圧縮室（９）と仕切られた前記ハウシング（10）内
の空間をパルク室（11）と呼ぶ。前記シリンダ（４）、
前記シリンダヘッド（８）及び前記ハウジング（10）は
互いに外部との気密性を保つように接合され、内部の前
記圧縮室（９）や前記バルク室（11）には例えばヘリウ
ム、水素などの高圧の作動ガスが封入されている。前記
ピストン（５）の側面には、前記シリンダ（４）との間
のすきまを作動ガスが通過しないようにピストンリング
（12）が装着されている。また、前記シリンダ（４）の
外面には外部への放熱性を高めるためのフイン（13）が
設けられている。以上が圧縮機（１）の構成である。一
方前記コールドフインガ（２）は円筒状の低温シリンダ
（14）を有し、前記低温シリンダ（14）内を摺動自在に
往復するデイスプレイサ（15）を有している。前記低温
シリンダ（14）内部の空間は前記デイスプレーサ（15）
によって２分割されており、前記デイスプレーサ（15）
より上方の空間を低温室（16）、下方の空間を高温室
（17）と呼ぶ。前記デイスプレーサ（15）内部には再生
器（18）とガス通過孔（19）が設けられ、前記低温室
（16）と前記高温室（17）は前記再生器（18）と前記ガ
ス通過孔（19）を介して連通しており、前記再生器（1
8）内には例えば銅の金網などの蓄冷材（20）が充てん
されている。前記低温シリンダ（14）と前記デイスプレ
ーサ（15）のすきまを作動ガスが通過しないように、前
記デイスプレーサの側部にはシールリング（21）がはめ
込まれている。前記コールドフインガ（２）の下部には
制御シリンダ（22）と制御室（23）が設けられ、前記デ
イスプレーサ（15）の下端にとりつけられている（24）
の制御ピストンは前記高温室（17）と前記制御シリンダ
（22）を通抜け前記制御室（23）に突出している。前記
制御シリンダ（22）と前記制御ピストン（24）のすきま
を作動ガスが通過しないように前記制御シリンダにはシ
ールリング（25）が取付けられている。上記したコール
ドフインガ（２）の各室は前記圧縮機（１）と同様に例
えばヘリウム、水素などの高圧の作動ガスが封入されて
いる。以上がコールドフィンガ（２）の構成であり、前
記圧縮機（１）の圧縮室（９）と前記コールドフインガ
（２）の高温室（17）は前記連結管（３）を介して連通
している。また、前記圧縮室（９）、前記連結管（３）
内部の空間、前記低温室（16）、前記高温室（17）、前
記再生器（18）及び前記ガス連通孔（19）は互いに連通
しており、これらの室全体を総合して作動室（26）と呼
ぶ。

上記のように構成された従来の冷凍機の動作について説
明する。ピストン（５）はシリンダ（４）の内部を往復
することによって、圧縮室（９）から低温室（16）に至
る作動室（26）のガス圧力に正弦状の波動を与える。一
方、バルク室（11）は、その容積がピストン（５）の行
程容積より充分に大きいため、内部のガス圧はピストン
（５）が往復運動をしてもあまり変化しない。コールド
フインガ（２）の制御シリンダ（22）にとりつけられた
シールリング（25）は、前述の作動室（26）のガスの圧
力波動のように短い周期の圧力変化に対してはほぼ完全
に密封するが長時間的にみれば密封は不完全であるの
で、制御室（23）内のガス圧はほぼ作動室（26）内のガ
ス圧の平均値に保たれる。

第４図から第７図は従来装置の動作原理を冷凍サイクル
の順を追って説明するものである。

第４図に示したサイクルの一過程において、圧縮機
（１）のピストン（５）はシリンダ（４）内の下方に位
置し、コールドフインガ（２）のディスプレーサ（15）
は低温シリンダ（14）の上方に位置している。第４図か
ら第５図に至る間にピストン（５）は上昇して作動室
（26）のガスを圧縮する。

シリンダ（５）の外周のフィン（13）は圧縮によって発
生する熱を外部に放出させるためのものである。

第５図の時点において作動室（26）のガス圧力は制御室
（23）内のガス圧力よりも大きくなっており、この差圧
によって制御ピストン（24）に生ずる下向きの力は、シ
ールリング（21）及び（25）の静摩擦力に打ち勝ってデ
ィスプレーサ（15）を下方へと動かし始め、第６図に示
すように低温シリンダ（14）の下部へ移動させる。この
ディスプレーサ（15）の移動に伴って高温室（17）のガ
スは再生器（18）を通って低温室（16）に移り、このと
き再生器（18）に充てんされている蓄冷材（20）は通加
するガスから熱を吸収しガスを温度降下させる。第６図
から第７図に至る過程で圧縮機（１）のピストン（５）
は下降し作動室（26）のガスを膨張させ、この膨張によ
って低温室（16）内のガスはさらに温度降下し、コール
ドフィンガ上部の周囲から熱を吸収する。この吸熱作用
が冷凍機としての被冷除体を冷除する役割を担う。作動
室（26）ではガスの膨張により圧力が低下するので、第
７図の時点では作動室（26）内より制御室（23）内の方
がガス圧力は大きくなっている。この差圧によって制御
ピストン（24）に上向きにかかる力はシールリング（2
1）及び（22）の静摩擦力に打ち勝って、ディスプレー
サ（15）を上方へと動かし始め、第４図に示したように
低温シリンダ（14）の上部へ移動させる。このディスプ
レーサ（15）の移動に伴って低温室（16）の低温ガスは
再生器（18）を通過し、再生器（18）内の蓄冷材（20）
に冷熱を蓄えるとともにガス自身は温度上昇しながら高
温室（17）へ流入する。以上のようなサイクルをくり返
すことによって、冷凍運転が行われる。

〔考案が解決しようとする問題点〕

以上のような従来装置には以下に述べるような問題点が
あった。

ピストン（５）が上昇して作動室（26）のガスを圧縮す
る図４から図５に示した過程において、作動ガスと圧縮
室（９）内壁との間の熱抵抗が大きいため、圧縮時に発
生する熱は充分にシリンダ（５）や放熱フィン（13）へ
伝わらず、作動ガスは温度の高いまま圧縮室（９）から
連結管（３）を通って、高温室（17）へ流入する。冷凍
機の冷凍効率は高温室（17）のガス温度が高くなると低
下するので、従来の冷凍機は冷凍効率が低い、即ち消費
電力が大きいという問題点があった。

この考案はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、圧縮時に発生する熱を充分外気へ放熱することによ
って冷凍機の冷凍効率を高め、消費電力の小さい冷凍機
を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この考案の冷凍機は、高温室と連結管との間に並列に配
置された複数の細いガス通過孔を有する放熱器を備えた
ものである。

〔作用〕

この考案においては、圧縮室を出た作動ガスは連結管を
通って放熱器へ入り、放熱器で充分な放熱を行った後に
高温室へ入るので、高温室の温度上昇を抑制することが
できる。

〔実施例〕

第１図はこの考案の一実施例を示す断面図であり、
（１）は圧縮機と（３）の連結管は従来装置と全く同じ
もので、（２）のコールドフィンガについては、高温室
（17）と前記連結管（３）の間に（27）の放熱器が取付
けられている点が従来装置と異なり、他は全く同じ構成
である。第２図に前記放熱器（27）の詳細を示す。前記
放熱器（27）には、ガスの圧力損失や増やさず放熱面積
を大きくとるために多数の細いガス通過孔（28）を並列
に配置している。また、放熱器（27）の外周には放熱フ
ィン（29）を設け周囲大気への放熱性を高めている。高
温室（17）と連結管（３）は、この放熱器（27）のガス
通過孔（28）を介して連通している。

上記のようなこの考案の冷凍機は冷凍を発生する原理は
従来の冷凍機と全く同じであるが、作動ガスの圧縮過程
で生じた熱は、作動ガスが放熱器（27）のガス通過孔
（28）を通過する際に放熱器（27）に伝わり、放熱フィ
ン（29）の表面から周囲大気へと捨てられる。

したがって、この考案の冷凍機では、作動ガスは充分放
熱器（27）で放熱を行った後、高温室（17）に流入する
ので高温室（17）のガス温度上昇を抑制でき、冷凍効率
が高い、即ち消費電力の小さい冷凍機を実現できる。

〔考案の効果〕

この考案は以上説明したとおり、並列に配置された複数
の細いガス通過孔を有する放熱器を連結管と高温室との
間に設けるという簡単な構造によって、圧縮によって生
ずる熱による作動ガスの温度上昇をおさえることがで
き、冷凍効率を高める、即ち消費電力を小さくおさえる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第２図はこの考案の一実施例を示す図、第３図
〜第７図は従来の冷凍機を説明するための図である。 図において、（１）は圧縮機、（２）はコールドフィン
ガ、（３）は連結管、（４）はシリンダ、（５）はピス
トン、（８）はシリンダヘッド、（９）は圧縮器、（1
4）は低温シリンダ、（15）はディスプレーサ、（16）
は低温室、（17）は高温室、（27）は放熱器、（28）は
ガス通過孔である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダと、前記シリンダの一端面をふさ
   ぐシリンダヘッドと、前記シリンダの中を往復運動する
   ピストンと、前記シリンダ、前記シリンダヘッド及び前
   記ピストンによって仕切られた圧縮室とを備えた圧縮機
   と、筒状の低温シリンダと、前記低温シリンダの内部を
   低温室と高温室に分け、かつ前記低温シリンダを往復運
   動するディスプレイレーサと、前記高温室に連通し、か
   つ並列に配置された複数のガス通過孔が設けられた放熱
   器とを備えたコールドフィンガと、前記圧縮機の前記圧
   縮室と前記コールドフィンガの前記放熱器とを連結させ
   る連結管とで構成されたことを特徴とする冷凍機。