JPH0660769B2 - 低温で効率良く熱エネルギーを吸収する方法 - Google Patents
低温で効率良く熱エネルギーを吸収する方法Info
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- JPH0660769B2 JPH0660769B2 JP58114856A JP11485683A JPH0660769B2 JP H0660769 B2 JPH0660769 B2 JP H0660769B2 JP 58114856 A JP58114856 A JP 58114856A JP 11485683 A JP11485683 A JP 11485683A JP H0660769 B2 JPH0660769 B2 JP H0660769B2
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/06—Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide
- F25B2309/061—Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide with cycle highest pressure above the supercritical pressure
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- Mechanical Engineering (AREA)
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- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の対象〕 本発明は、圧縮部、放熱部、熱交換部（蓄冷器あるいは
熱交換器あるいは蓄冷器と熱交換器の組み合せ）、そし
て膨張部から成る冷凍機（例えば、スターリングサイク
ル冷凍機、ギホードサイクル冷凍機、ソルベイサイクル
冷凍機、ビルマイヤーサイクル冷凍機等）において、作
動媒体の臨界温度以下の低温で熱エネルギーを効率良
く、即ち、所要仕事あたり多量の熱エネルギーを吸収す
る方法に関するものである。
熱交換器あるいは蓄冷器と熱交換器の組み合せ）、そし
て膨張部から成る冷凍機（例えば、スターリングサイク
ル冷凍機、ギホードサイクル冷凍機、ソルベイサイクル
冷凍機、ビルマイヤーサイクル冷凍機等）において、作
動媒体の臨界温度以下の低温で熱エネルギーを効率良
く、即ち、所要仕事あたり多量の熱エネルギーを吸収す
る方法に関するものである。
本発明の低温で熱エネルギーを吸収する方法は、圧縮
部、放熱部、熱交換部（例えば、蓄冷器，向流型熱交換
器等）、膨張部から成る冷凍機（例えば、スターリング
サイクル冷凍機、ギホードサイクル冷凍機、ソルベイサ
イク冷凍機、ビルマイヤーサイクル冷凍機等）に適用
し、各種超伝導素子の冷却、ヘリウムガスの再液化等に
使用される。
部、放熱部、熱交換部（例えば、蓄冷器，向流型熱交換
器等）、膨張部から成る冷凍機（例えば、スターリング
サイクル冷凍機、ギホードサイクル冷凍機、ソルベイサ
イク冷凍機、ビルマイヤーサイクル冷凍機等）に適用
し、各種超伝導素子の冷却、ヘリウムガスの再液化等に
使用される。
本発明に関する低温で熱エネルギーを吸収する方法は、
従来、特公昭５１−１３９００号の「低温で熱エネルギ
ーを吸収する方法」がある。これを説明すれば、次の通
りである。
従来、特公昭５１−１３９００号の「低温で熱エネルギ
ーを吸収する方法」がある。これを説明すれば、次の通
りである。
圧縮部、放熱部、熱交換部（蓄冷器又は熱交換器等）、
そして膨張部から成る冷凍機において、作動媒体の圧力
を少なくとも臨界圧力にほぼ等しい圧力よりも、耐えず
高く維持し、膨張部の温度を作動媒体の臨界温度以下に
することを特徴とした低温で熱エネルギーを吸収する方
法である。
そして膨張部から成る冷凍機において、作動媒体の圧力
を少なくとも臨界圧力にほぼ等しい圧力よりも、耐えず
高く維持し、膨張部の温度を作動媒体の臨界温度以下に
することを特徴とした低温で熱エネルギーを吸収する方
法である。
この従来の「低温で熱エネルギーを吸収する方法」で
は、作動媒体の臨界温度以下の低温で効率良く、熱エネ
ルギーを吸収することができないという欠点がある。
は、作動媒体の臨界温度以下の低温で効率良く、熱エネ
ルギーを吸収することができないという欠点がある。
かかる不具合は、圧縮部、放熱部、熱交換部（蓄冷器又
は、熱交換器等）、そして膨張部から成る冷凍機におい
て、作動媒体の圧力を少なくとも臨界圧力にほぼ等しい
圧力よりも、たえず高く維持したため、臨界温度以下の
温度において、作動媒体を膨張させ吸熱をさせる際、状
態変化が生じない。これを第１図のＴ−Ｓ線図（ヘリウ
ムを例に取る）にて説明すると次の通りである。
は、熱交換器等）、そして膨張部から成る冷凍機におい
て、作動媒体の圧力を少なくとも臨界圧力にほぼ等しい
圧力よりも、たえず高く維持したため、臨界温度以下の
温度において、作動媒体を膨張させ吸熱をさせる際、状
態変化が生じない。これを第１図のＴ−Ｓ線図（ヘリウ
ムを例に取る）にて説明すると次の通りである。
膨張部での作動媒体の膨張仕事によつて発生する吸収熱
量ＱＥ及び、この吸収を得るのに必要な外部から作動媒
体に与えられる機械仕事量Ｗは、各々、a2,a2′，
a3′，a3及びa1,a2,a3,a4で囲まれる面積で表される。
ここで外部からの仕事量Ｗは、Ｔ−Ｓ線図内の、臨界圧
力に近く、臨界温度附近以下の低温領域で、著しく細く
歪められ、このため吸収熱量ＱＥが減少している。
量ＱＥ及び、この吸収を得るのに必要な外部から作動媒
体に与えられる機械仕事量Ｗは、各々、a2,a2′，
a3′，a3及びa1,a2,a3,a4で囲まれる面積で表される。
ここで外部からの仕事量Ｗは、Ｔ−Ｓ線図内の、臨界圧
力に近く、臨界温度附近以下の低温領域で、著しく細く
歪められ、このため吸収熱量ＱＥが減少している。
こうして熱エネルギーの吸収の効率を表すＣＯＰ（達成
効率）＝ＱＥ／Ｗは大きく減少していることがわかる。
効率）＝ＱＥ／Ｗは大きく減少していることがわかる。
一例として、作動媒体ヘリウムガス、最低圧力３atm，
圧力比３，圧縮部の温度１０Ｋ，膨張部の温度４．２Ｋ
の時ＣＯＰはおよそ１２％である。
圧力比３，圧縮部の温度１０Ｋ，膨張部の温度４．２Ｋ
の時ＣＯＰはおよそ１２％である。
本発明は、圧縮部、放熱部、熱交換部（蓄冷器又は、熱
交換器等）、そして膨張部より成る冷凍機において、作
動媒体の状態変化を生じせしめ、作動媒体の臨界温度以
下の温度で熱エネルギーを効率良く吸収することを技術
的課題とする。
交換器等）、そして膨張部より成る冷凍機において、作
動媒体の状態変化を生じせしめ、作動媒体の臨界温度以
下の温度で熱エネルギーを効率良く吸収することを技術
的課題とする。
上記技術的課題を解決するため講じた技術的手段は、圧
縮部、放熱部、蓄冷器および膨張部からなる少なくとも
一台の冷凍機において、作動媒体としてヘリウムを充填
し、作動媒体の最小圧力を作動媒体の臨界圧力よりも低
くせしめ、膨張ピストンを用いて作動媒体を等温膨張さ
せ、作動媒体が圧縮部から放熱部及び蓄冷器を介して膨
張部に移動する際の等容過程の一部及び等温膨張過程の
一部において蓄冷器及び膨張部で作動媒体を全部液化さ
せ、等温膨張過程の残部において液化した作動媒体を気
化させたことである。
縮部、放熱部、蓄冷器および膨張部からなる少なくとも
一台の冷凍機において、作動媒体としてヘリウムを充填
し、作動媒体の最小圧力を作動媒体の臨界圧力よりも低
くせしめ、膨張ピストンを用いて作動媒体を等温膨張さ
せ、作動媒体が圧縮部から放熱部及び蓄冷器を介して膨
張部に移動する際の等容過程の一部及び等温膨張過程の
一部において蓄冷器及び膨張部で作動媒体を全部液化さ
せ、等温膨張過程の残部において液化した作動媒体を気
化させたことである。
作動媒体の最大圧力と最小圧力の間に、作動媒体の臨界
圧力が存在する場合の吸熱の作用の一例を第１図のb1,b
2,b3,b4で表す。
圧力が存在する場合の吸熱の作用の一例を第１図のb1,b
2,b3,b4で表す。
比較的高圧で圧縮部３から、放熱部４、熱交換部５（２
５，４５）を通つて膨張部８に移動した作動媒体は、途
中で冷却され液化している（b1→b2）。膨張部８で作動
媒体が膨張すると、圧力は減少し、b5において、液体の
一部が気化し始める。b5から、作動媒体は圧力を一定に
保ちながら膨張気化を続け、b3ですべて気体となる。b5
からb3に至る気化過程の際、作動媒体はそれに必要な気
化熱を吸収し、この結果、大きな吸熱が期待できる。
５，４５）を通つて膨張部８に移動した作動媒体は、途
中で冷却され液化している（b1→b2）。膨張部８で作動
媒体が膨張すると、圧力は減少し、b5において、液体の
一部が気化し始める。b5から、作動媒体は圧力を一定に
保ちながら膨張気化を続け、b3ですべて気体となる。b5
からb3に至る気化過程の際、作動媒体はそれに必要な気
化熱を吸収し、この結果、大きな吸熱が期待できる。
ところで、作動媒体が熱交換部５（２５，４５）を通つ
て膨張部８に移動する時、熱交換部５（２５，４５）へ
放出する熱量Q12（b1,b2,b2′，b1′）で囲まれる面
積）は、膨張部８から熱交換部５（２５，４５）を通つ
て圧縮部３へ作動媒体が移動していく時（b3→b4）、熱
交換部５（２５，４５）から吸収する熱量Q34（b4,b3,b
3′，b4′）より大きくなつている。この差分の熱量
は、１サイクル毎に膨張部８に流れ込み、上記の気化熱
を伴う大きな吸熱の一部を消費することになる。
て膨張部８に移動する時、熱交換部５（２５，４５）へ
放出する熱量Q12（b1,b2,b2′，b1′）で囲まれる面
積）は、膨張部８から熱交換部５（２５，４５）を通つ
て圧縮部３へ作動媒体が移動していく時（b3→b4）、熱
交換部５（２５，４５）から吸収する熱量Q34（b4,b3,b
3′，b4′）より大きくなつている。この差分の熱量
は、１サイクル毎に膨張部８に流れ込み、上記の気化熱
を伴う大きな吸熱の一部を消費することになる。
この熱交換部５（２５，４５）での作動媒体の熱の吸排
熱の非平衡を考慮した実質の吸熱量をＱＥ′とするとＱ
Ｅ′＝面積b2,b2′，b3′，b3−（面積b1,b2,b2′，
b1′−面積b4,b3,b3′，b4′）となり、外部からの仕事
量Ｗ＝面積b1,b2,b3,b4より、吸熱の実質効率を ＣＯＰ′＝ＱＥ′／Ｗ とすると、ＣＯＰ′でも前記の「低温で熱エネルギーを
吸収する方法」の効率を上まわることを以下の例で示
す。
熱の非平衡を考慮した実質の吸熱量をＱＥ′とするとＱ
Ｅ′＝面積b2,b2′，b3′，b3−（面積b1,b2,b2′，
b1′−面積b4,b3,b3′，b4′）となり、外部からの仕事
量Ｗ＝面積b1,b2,b3,b4より、吸熱の実質効率を ＣＯＰ′＝ＱＥ′／Ｗ とすると、ＣＯＰ′でも前記の「低温で熱エネルギーを
吸収する方法」の効率を上まわることを以下の例で示
す。
すなわち、前記の計算例と同じ、ヘリウムを作動媒体，
圧力比３，圧縮部温度１０Ｋ，膨張部温度４．２Ｋの
時、最低圧力を１atmとすると、ＣＯＰ′はおよそ２４
％となり、約２倍の効率増加となる。
圧力比３，圧縮部温度１０Ｋ，膨張部温度４．２Ｋの
時、最低圧力を１atmとすると、ＣＯＰ′はおよそ２４
％となり、約２倍の効率増加となる。
作動媒体の最大圧力を、作動媒体の臨界圧力以下にした
場合の一例を第２図と第３図に示す。作動媒体の最低圧
力を０．５atmとし、上記と同じ条件でＣＯＰ′を求め
ると、およそ４０％となり、「低温で熱エネルギーを吸
収する方法」と比較して約３．３倍の効率増加となる。
場合の一例を第２図と第３図に示す。作動媒体の最低圧
力を０．５atmとし、上記と同じ条件でＣＯＰ′を求め
ると、およそ４０％となり、「低温で熱エネルギーを吸
収する方法」と比較して約３．３倍の効率増加となる。
本発明は、次の特有の効果を生じる。すなわち作動媒体
の最大圧力を作動媒体の臨界圧力以下、もしくは作動媒
体の最大圧力と最小圧力の間に作動媒体の圧力が存在す
るよう、即ち、作動媒体の最低圧力を作動媒体の臨界圧
力より低くせしめたので、作動媒体の圧力が低くなり、
圧縮部３、膨張部８内の作動媒体の気密を保持している
ピストンリング９，１０に作用する面圧が小さくなり、
ピストンリング９，１０の摩耗量が減少し、冷凍機０の
寿命が増大する。
の最大圧力を作動媒体の臨界圧力以下、もしくは作動媒
体の最大圧力と最小圧力の間に作動媒体の圧力が存在す
るよう、即ち、作動媒体の最低圧力を作動媒体の臨界圧
力より低くせしめたので、作動媒体の圧力が低くなり、
圧縮部３、膨張部８内の作動媒体の気密を保持している
ピストンリング９，１０に作用する面圧が小さくなり、
ピストンリング９，１０の摩耗量が減少し、冷凍機０の
寿命が増大する。
作動媒体の圧縮空間が低いので、冷凍機０を構成する機
器の強度を低くすることができ、冷凍機０を小型軽量に
することができる。
器の強度を低くすることができ、冷凍機０を小型軽量に
することができる。
前記技術的手段の具体的な一実施例（熱交換部として蓄
冷器を使用した場合）について、第４図を用いて説明す
る。圧縮シリンダー２、圧縮ピストン１、そしてピスト
ンリング９で囲まれた圧縮部は、順次、放熱部４、熱交
換部（蓄冷部）５、そして膨張シリンダー７、膨張ピス
トン６、ピストンリング１０で囲まれた膨張部８に連通
しており、これらの作動空間には、作動媒体（例えばヘ
リウム等）が、作動媒体の最大圧力が作動媒体の臨界圧
力以下もしくは、作動媒体の最大圧力と最小圧力の間に
作動媒体の臨界圧力が存在するような圧力の作動媒体で
充満せしめ（作動媒体の最低圧力を作動媒体の臨界圧力
よりも低くする）、放熱部４には流路１１を流れる冷媒
と作動媒体とが熱交換するようにせしめ、膨張ピストン
６と圧縮ピストン１には、それぞれ連結棒１３と１２が
固着され、連結棒１３と１２は図示していない駆動部に
接続され、膨張ピストン６の動きが、圧縮ピストン１の
動きより略９０度位相が進むようにされ、冷凍機０が構
成されている。
冷器を使用した場合）について、第４図を用いて説明す
る。圧縮シリンダー２、圧縮ピストン１、そしてピスト
ンリング９で囲まれた圧縮部は、順次、放熱部４、熱交
換部（蓄冷部）５、そして膨張シリンダー７、膨張ピス
トン６、ピストンリング１０で囲まれた膨張部８に連通
しており、これらの作動空間には、作動媒体（例えばヘ
リウム等）が、作動媒体の最大圧力が作動媒体の臨界圧
力以下もしくは、作動媒体の最大圧力と最小圧力の間に
作動媒体の臨界圧力が存在するような圧力の作動媒体で
充満せしめ（作動媒体の最低圧力を作動媒体の臨界圧力
よりも低くする）、放熱部４には流路１１を流れる冷媒
と作動媒体とが熱交換するようにせしめ、膨張ピストン
６と圧縮ピストン１には、それぞれ連結棒１３と１２が
固着され、連結棒１３と１２は図示していない駆動部に
接続され、膨張ピストン６の動きが、圧縮ピストン１の
動きより略９０度位相が進むようにされ、冷凍機０が構
成されている。
作動は次の通りである。図に示されていない駆動部から
の力は、連結棒１３を伝わつて膨張ピストン６を上死点
に置き、同時に駆動部からの力は、連結棒１２を伝わつ
て圧縮ピストン１をその下死点より上死点に向かつて移
動させる。この時、圧縮部３内に充満している作動媒体
を圧縮する。
の力は、連結棒１３を伝わつて膨張ピストン６を上死点
に置き、同時に駆動部からの力は、連結棒１２を伝わつ
て圧縮ピストン１をその下死点より上死点に向かつて移
動させる。この時、圧縮部３内に充満している作動媒体
を圧縮する。
次に、圧縮ピストンをさらに上死点まで移動させなが
ら、膨張ピストン６を下死点に向かつて移動させること
により、圧縮部３内の作動媒体を膨張部８内に移し、こ
の流動中、作動媒体は圧縮熱を放熱部４で、流路１１を
流れる冷媒に放出し、さらに熱エネルギーを蓄冷器５へ
放出して、臨界温度以下の温度になり、等温膨張過程
（b2→b5）において蓄冷器５及び膨張部８で全部が液化
する。ここで、この蓄冷器５及び膨張部８には、蓄冷器
５と膨張部８とを連結する配管も含まれている。
ら、膨張ピストン６を下死点に向かつて移動させること
により、圧縮部３内の作動媒体を膨張部８内に移し、こ
の流動中、作動媒体は圧縮熱を放熱部４で、流路１１を
流れる冷媒に放出し、さらに熱エネルギーを蓄冷器５へ
放出して、臨界温度以下の温度になり、等温膨張過程
（b2→b5）において蓄冷器５及び膨張部８で全部が液化
する。ここで、この蓄冷器５及び膨張部８には、蓄冷器
５と膨張部８とを連結する配管も含まれている。
圧縮ピストン１が上死点に至り、圧縮部３の作動媒体が
すべて膨張部８に移動した後さらに膨張ピストン６を下
死点へ向かつて動かすと、液化した作動媒体は気化し始
め、その気化熱として膨張部外部の熱源より熱を吸収す
る。
すべて膨張部８に移動した後さらに膨張ピストン６を下
死点へ向かつて動かすと、液化した作動媒体は気化し始
め、その気化熱として膨張部外部の熱源より熱を吸収す
る。
膨張ピストン６が下死点に到達する前に、作動媒体がす
べて気化する場合は、その時から膨張ピストン６が下死
点に至るまでの間、作動媒体は膨張仕事をし、引き続き
熱を吸収する。
べて気化する場合は、その時から膨張ピストン６が下死
点に至るまでの間、作動媒体は膨張仕事をし、引き続き
熱を吸収する。
膨張部８で膨張吸熱した作動媒体は、膨張ピストン６が
上死点に向かつて移動し始め、同時に圧縮ピストン１が
上死点より下死点に向かつて移動する時、膨張部８か
ら、蓄冷器５、放熱部４を通つて圧縮部３に移る。この
時作動媒体は、蓄冷器５において熱エネルギーを吸収
し、圧縮部３に戻つた時、サイクルの初め圧縮部３に存
在した時と同じ温度まで昇温される。
上死点に向かつて移動し始め、同時に圧縮ピストン１が
上死点より下死点に向かつて移動する時、膨張部８か
ら、蓄冷器５、放熱部４を通つて圧縮部３に移る。この
時作動媒体は、蓄冷器５において熱エネルギーを吸収
し、圧縮部３に戻つた時、サイクルの初め圧縮部３に存
在した時と同じ温度まで昇温される。
膨張ピストン６が上死点に至り、同時に圧縮ピストン１
が下死点に到達した時、サイクルは完了し、このあと同
じ動作を繰り返す。
が下死点に到達した時、サイクルは完了し、このあと同
じ動作を繰り返す。
〔他の実施例１〕 第５図は、本発明の他の実施例（熱交換部として、熱交
換器を使用した例、即ち複数個の冷凍機を配し、各々の
冷凍機が相互に共有する熱交換器を設け、各々の冷凍機
の作動媒体が熱交換器で熱エネルギーを交換する）であ
る。
換器を使用した例、即ち複数個の冷凍機を配し、各々の
冷凍機が相互に共有する熱交換器を設け、各々の冷凍機
の作動媒体が熱交換器で熱エネルギーを交換する）であ
る。
圧縮シリンダー２２（４２）、圧縮ピストン２１（４
１）、そしてピストンリング２９（４９）で囲まれて圧
縮部２３（４３）は、順次、放熱部２４（４４）、熱交
換部（熱交換器２５（４５））、そして膨張シリンダー
２７（４７）、膨張ピストン２６（４６）、ピストンリ
ング３０（５０）で囲まれた膨張部２８（４８）に連通
しており、これらの作動空間には、作動媒体（例えばヘ
リウム等）が、作動媒体の最大圧力が作動媒体の臨界圧
力以下もしくは、作動媒体の最大圧力と最小圧力の間に
作動媒体の臨界圧力が存在するような圧力の作動媒体で
充満せしめ、放熱部２４（４４）には、流路３１（５
１）が設けてあり、流路３１（５１）を流れる冷媒と作
動媒体とが熱交換するようにせしめ、膨張ピストン２６
（４６）と圧縮ピストン２１（４１）には、それぞれ連
結棒３２（５２）と３３（５３）が固着され、連結棒３
２（５２）と３３（５３）には図示していない駆動部が
接続され、膨張ピストン２６（４６）の動きが圧縮ピス
トン２１（４１）の動きより略９０度位相が進むように
され、冷凍機２０（４０）が構成せしめてある。
１）、そしてピストンリング２９（４９）で囲まれて圧
縮部２３（４３）は、順次、放熱部２４（４４）、熱交
換部（熱交換器２５（４５））、そして膨張シリンダー
２７（４７）、膨張ピストン２６（４６）、ピストンリ
ング３０（５０）で囲まれた膨張部２８（４８）に連通
しており、これらの作動空間には、作動媒体（例えばヘ
リウム等）が、作動媒体の最大圧力が作動媒体の臨界圧
力以下もしくは、作動媒体の最大圧力と最小圧力の間に
作動媒体の臨界圧力が存在するような圧力の作動媒体で
充満せしめ、放熱部２４（４４）には、流路３１（５
１）が設けてあり、流路３１（５１）を流れる冷媒と作
動媒体とが熱交換するようにせしめ、膨張ピストン２６
（４６）と圧縮ピストン２１（４１）には、それぞれ連
結棒３２（５２）と３３（５３）が固着され、連結棒３
２（５２）と３３（５３）には図示していない駆動部が
接続され、膨張ピストン２６（４６）の動きが圧縮ピス
トン２１（４１）の動きより略９０度位相が進むように
され、冷凍機２０（４０）が構成せしめてある。
冷凍機２０の熱交換部（熱交換器）２５を流れる作動媒
体と、冷凍機４０の熱交換部（熱交換器）４５を流れる
作動媒体とは、互いに熱エネルギーを交換できるように
し、冷凍機２０と冷凍機４０とは、略１８０度の位相作
動媒体（即ち、冷凍機２０の膨張ピストン２６と圧縮ピ
ストン２１は、それぞれ冷凍機４０の膨張ピストン４６
と圧縮ピストン４１に対して、略１８０度の位相差をも
つて運動している）をもつて駆動されている。
体と、冷凍機４０の熱交換部（熱交換器）４５を流れる
作動媒体とは、互いに熱エネルギーを交換できるように
し、冷凍機２０と冷凍機４０とは、略１８０度の位相作
動媒体（即ち、冷凍機２０の膨張ピストン２６と圧縮ピ
ストン２１は、それぞれ冷凍機４０の膨張ピストン４６
と圧縮ピストン４１に対して、略１８０度の位相差をも
つて運動している）をもつて駆動されている。
第４図では２台の冷凍機２０，４０の組み合せを例に取
つて説明したが、３台以上の例の組み合せ（すなわち１
台の冷凍機の作動媒体はその熱交換器において、他の冷
凍機の熱交換器を流れる作動媒体と熱の交換をする）
も、同じ実施例として含むものと考える。
つて説明したが、３台以上の例の組み合せ（すなわち１
台の冷凍機の作動媒体はその熱交換器において、他の冷
凍機の熱交換器を流れる作動媒体と熱の交換をする）
も、同じ実施例として含むものと考える。
この装置の作動は次の通りである。各冷凍機２０、４０
は第４図に示した冷凍機と原理的に同一作動をする。す
なわち、圧縮部２３（４３）で圧縮され、放熱部２４
（４４）で圧縮熱を放熱した作動媒体は、熱交換器２５
（４５）で熱エネルギーを互いに相手の作動媒体へ放出
し、臨界温度以下の温度に冷却され、等温膨張過程にお
いて熱交換器２５（４５）及び膨張部２８（４８）で全
部が液化する。ここで、この熱交換器２５（４５）及び
膨張部２８（４８）には、熱交換器２５（４５）と膨張
部２８（４８）とを連結する配管も含まれている。
は第４図に示した冷凍機と原理的に同一作動をする。す
なわち、圧縮部２３（４３）で圧縮され、放熱部２４
（４４）で圧縮熱を放熱した作動媒体は、熱交換器２５
（４５）で熱エネルギーを互いに相手の作動媒体へ放出
し、臨界温度以下の温度に冷却され、等温膨張過程にお
いて熱交換器２５（４５）及び膨張部２８（４８）で全
部が液化する。ここで、この熱交換器２５（４５）及び
膨張部２８（４８）には、熱交換器２５（４５）と膨張
部２８（４８）とを連結する配管も含まれている。
熱交換器２５（４５）で熱の流れを効率良くするため、
各冷凍機２０，４０は約１８０度の位相差を保つて運転
し、一方の冷凍機２０において熱交換器２５で作動媒体
が放熱する時（作動媒体が圧縮部２３から膨張部２８へ
流れる時）、他方の冷凍機４０では、作動媒体が膨張部
４８から圧縮部４３へ流れ、熱交換器４５を通して、冷
凍機２０が放出した上記の熱量を吸収する。
各冷凍機２０，４０は約１８０度の位相差を保つて運転
し、一方の冷凍機２０において熱交換器２５で作動媒体
が放熱する時（作動媒体が圧縮部２３から膨張部２８へ
流れる時）、他方の冷凍機４０では、作動媒体が膨張部
４８から圧縮部４３へ流れ、熱交換器４５を通して、冷
凍機２０が放出した上記の熱量を吸収する。
各膨張部では、膨張ピストン２６（４６）が下死点側に
移動する際、作動媒体は膨張気化し、大きな気化熱を吸
収する。
移動する際、作動媒体は膨張気化し、大きな気化熱を吸
収する。
〔他の実施例２〕 第６図は、本発明のもう一つの実施例（熱交換部とし
て、１個以上の蓄冷器と１個以上の熱交換器を直列に連
いだ場合）である。
て、１個以上の蓄冷器と１個以上の熱交換器を直列に連
いだ場合）である。
圧縮シリンダー６２（８２）、圧縮ピストン６１（８
１）、そしてピストンリング７１（９１）で囲まれた圧
縮部６３（８３）は順次、放熱部６４（８４）、蓄冷器
６５（８５）、熱交換器６６（８６）、もう一つの蓄冷
器６７（８７）、そして膨張シリンダー６９（８９）、
膨張ピストン６８（８８）、ピストンリング７２（９
２）で囲まれた膨張部７０（９０）に連通しており、こ
れらの作動空間には、作動媒体（例えばヘリウム等）
が、作動媒体の最大圧力が作動媒体の臨界圧力以下もし
くは、作動媒体の最大圧力と最小圧力の間に作動媒体の
臨界圧力が存在するような圧力の作動媒体で充満せし
め、放熱部６４（８４）には、流路７３（９３）が設け
てあり、流路７３（９３）を流れる冷媒と作動媒体とが
熱交換するようにせしめ、冷凍機６０の熱交換器６６を
流れる作動媒体と、冷凍機８０の熱交換機８６を流れる
作動媒体とは互いに熱エネルギーを交換できるように
し、膨張ピストン６８（８８）と圧縮ピストン６１（８
１）には、それぞれ連結棒７５（９５）と７４（９４）
が固着され、連結棒７５（９５）と７４（９４）には、
図示されていない駆動部が接続され、膨張ピストン６８
（８８）の動きが圧縮ピストン６１（８１）の動きより
略９０度位相が進むようにされ、冷凍機６０（８０）が
構成せしめてある。
１）、そしてピストンリング７１（９１）で囲まれた圧
縮部６３（８３）は順次、放熱部６４（８４）、蓄冷器
６５（８５）、熱交換器６６（８６）、もう一つの蓄冷
器６７（８７）、そして膨張シリンダー６９（８９）、
膨張ピストン６８（８８）、ピストンリング７２（９
２）で囲まれた膨張部７０（９０）に連通しており、こ
れらの作動空間には、作動媒体（例えばヘリウム等）
が、作動媒体の最大圧力が作動媒体の臨界圧力以下もし
くは、作動媒体の最大圧力と最小圧力の間に作動媒体の
臨界圧力が存在するような圧力の作動媒体で充満せし
め、放熱部６４（８４）には、流路７３（９３）が設け
てあり、流路７３（９３）を流れる冷媒と作動媒体とが
熱交換するようにせしめ、冷凍機６０の熱交換器６６を
流れる作動媒体と、冷凍機８０の熱交換機８６を流れる
作動媒体とは互いに熱エネルギーを交換できるように
し、膨張ピストン６８（８８）と圧縮ピストン６１（８
１）には、それぞれ連結棒７５（９５）と７４（９４）
が固着され、連結棒７５（９５）と７４（９４）には、
図示されていない駆動部が接続され、膨張ピストン６８
（８８）の動きが圧縮ピストン６１（８１）の動きより
略９０度位相が進むようにされ、冷凍機６０（８０）が
構成せしめてある。
冷凍機６０と８０とは、ほぼ１８０ど位相差をもつて駆
動されている。
動されている。
第６図では２台の冷凍機６０，８０の組み合せを例に取
つて説明したが、３台以上の冷凍機の組み合せ（すなわ
ち、１台の冷凍機の作動媒体はその熱交換器において、
他の冷凍機の熱交換器を流れる作動媒体と熱の交換をす
る）も、同じ実施例として含むものとする。
つて説明したが、３台以上の冷凍機の組み合せ（すなわ
ち、１台の冷凍機の作動媒体はその熱交換器において、
他の冷凍機の熱交換器を流れる作動媒体と熱の交換をす
る）も、同じ実施例として含むものとする。
この装置の作動は、前記の実施例と略同じである。すな
わち、圧縮部６３（８３）で圧縮され、放熱部６４（８
４）で圧縮熱を放熱した作動媒体は、蓄冷器６５（８
５）、熱交換器６５（８６）、もう一つの蓄冷器６７
（８７）で熱エネルギーを蓄冷器あるいは、相手の作動
媒体へ放出し、臨界温度以下の温度に冷却され、蓄冷器
６７（８７）の膨張部側、あるいは膨張部７０（９
０）、あるいは蓄冷器６７（８７）と膨張部７０（９
０）の両方において、その全部が液化する。
わち、圧縮部６３（８３）で圧縮され、放熱部６４（８
４）で圧縮熱を放熱した作動媒体は、蓄冷器６５（８
５）、熱交換器６５（８６）、もう一つの蓄冷器６７
（８７）で熱エネルギーを蓄冷器あるいは、相手の作動
媒体へ放出し、臨界温度以下の温度に冷却され、蓄冷器
６７（８７）の膨張部側、あるいは膨張部７０（９
０）、あるいは蓄冷器６７（８７）と膨張部７０（９
０）の両方において、その全部が液化する。
各膨張部では、膨張ピストン６８（８８）が下シリンダ
点側に移動する際、作動媒体は膨張気化し、大きな気化
熱を吸収する。
点側に移動する際、作動媒体は膨張気化し、大きな気化
熱を吸収する。
第１図は従来の方法のＴ−Ｓ線図、第２図は本発明の方
法の作動媒体の最大圧力を作動媒体の臨界圧力以下にし
た場合の一例を示すＴ−Ｓ線図、第３図は第２図のC2点
近傍部分拡大Ｔ−Ｓ線図、第４図は熱交換部として蓄冷
器を使用した場合の本発明の一実施例を示す回路図、第
５図は熱交換部として熱交換器を使用した場合の本発明
の他の変形実施例を示す回路図、そして第６図は熱交換
部として１個以上の蓄冷器と１個以上の熱交換器を直列
につないだ場合の本発明の更に他の変形実施例を示す回
路図である。 ３（２３，４３）……圧縮部、４（２４，４４）……放
熱部、５（２５，４５）……熱交換部、８（２８，４
８）……膨張部、０（２０，４０）……冷凍機
法の作動媒体の最大圧力を作動媒体の臨界圧力以下にし
た場合の一例を示すＴ−Ｓ線図、第３図は第２図のC2点
近傍部分拡大Ｔ−Ｓ線図、第４図は熱交換部として蓄冷
器を使用した場合の本発明の一実施例を示す回路図、第
５図は熱交換部として熱交換器を使用した場合の本発明
の他の変形実施例を示す回路図、そして第６図は熱交換
部として１個以上の蓄冷器と１個以上の熱交換器を直列
につないだ場合の本発明の更に他の変形実施例を示す回
路図である。 ３（２３，４３）……圧縮部、４（２４，４４）……放
熱部、５（２５，４５）……熱交換部、８（２８，４
８）……膨張部、０（２０，４０）……冷凍機
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審判の合議体 審判長 原 幸一 審判官 歌門 恵 審判官 小田 光春 (56)参考文献 内田秀雄「冷凍機械工学ハンドブック」 （昭40−１−30）朝倉書店Ｐ．555〜557, 587，597
Claims (1)
- 【請求項１】圧縮部、放熱部、蓄冷器および膨張部から
なる少なくとも一台の冷凍機において、 作動媒体としてヘリウムを充填し、前記作動媒体の最小
圧力を前記作動媒体の臨界圧力よりも低くせしめ、 膨張ピストンを用いて前記作動媒体を等温膨張させ、 作動媒体が圧縮部から放熱部及び蓄冷器を介して膨張部
に移動する際の等容過程の一部及び前記等温膨張過程の
一部において前記蓄冷器及び前記膨張部で前記作動媒体
を全部液化させ、 前記等温膨張過程の残部において液化した前記作動媒体
を気化させたことを特徴とする低温で効率良く熱エネル
ギーを吸収する方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58114856A JPH0660769B2 (ja) | 1983-06-24 | 1983-06-24 | 低温で効率良く熱エネルギーを吸収する方法 |
| US06/624,206 US4570445A (en) | 1983-06-24 | 1984-06-25 | Method of absorbing thermal energy at low temperature |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58114856A JPH0660769B2 (ja) | 1983-06-24 | 1983-06-24 | 低温で効率良く熱エネルギーを吸収する方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS608667A JPS608667A (ja) | 1985-01-17 |
| JPH0660769B2 true JPH0660769B2 (ja) | 1994-08-10 |
Family
ID=14648407
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58114856A Expired - Lifetime JPH0660769B2 (ja) | 1983-06-24 | 1983-06-24 | 低温で効率良く熱エネルギーを吸収する方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4570445A (ja) |
| JP (1) | JPH0660769B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4873831A (en) * | 1989-03-27 | 1989-10-17 | Hughes Aircraft Company | Cryogenic refrigerator employing counterflow passageways |
| DE4234678C2 (de) * | 1991-10-15 | 2003-04-24 | Aisin Seiki | Reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschine |
| GB2427672A (en) * | 2005-06-30 | 2007-01-03 | Siemens Magnet Technology Ltd | A cryogenic cooling arrangement |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL113392C (ja) * | 1962-07-26 | 1900-01-01 | ||
| US3630041A (en) * | 1970-02-25 | 1971-12-28 | Philips Corp | Thermodynamic refrigerator |
| US3862546A (en) * | 1972-06-19 | 1975-01-28 | Philips Corp | Vuillemier refrigerator |
-
1983
- 1983-06-24 JP JP58114856A patent/JPH0660769B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1984
- 1984-06-25 US US06/624,206 patent/US4570445A/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 内田秀雄「冷凍機械工学ハンドブック」（昭４０−１−３０）朝倉書店Ｐ．５５５〜５５７，５８７，５９７ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS608667A (ja) | 1985-01-17 |
| US4570445A (en) | 1986-02-18 |
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