JPH0735934B2 - 冷凍機のディスプレーサ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、分離形スターリング冷凍機のような気体を熱
的媒体（以下冷媒ガスと記する）とする冷凍機に関し、
特にその往復運動するディスプレーサを有するディスプ
レーサ装置に関する。

〔従来の技術〕

第６図は、従来技術による分離形スターリング冷凍機の
一例を示したものである。この冷凍機は、ピストン１を
もつ圧縮機２とディスプレーサ３をもつ膨張器20および
その両者を接続する接続管７により構成される。ピスト
ン１は、リニアモータあるいは回転モータなどの電動機
により強制的に駆動され、圧縮空間（高温）６の容積変
化を起こす。膨張器20を構成するシリンダ５の内部には
ディスプレーサ３があり、これが自由に往復運動して、
膨張空間（低温側）８との間で容積変化を起こす。ディ
スプレーサ３は、メッシュ状の積層金網により構成され
る蓄冷器９を内蔵している。蓄冷器９の材料としては、
鉛，樹脂などの小径球をつめ込んだものも知られてい
る。ディスプレーサ３の両端近傍の外周部には、樹脂も
しくはサーメットなどのシール部材11,12が装着され、
シリンダ５の内壁との間でクリアランスシール（すきま
シール）を構成している。また、ディスプレーサ３の高
温側には、ディスプレーサ３を中立位置に保持するため
と、共振系を形成するために、コイルばね10が取りつけ
られている。

このように構成された冷凍機は、以下に説明するような
スターリングサイクルに基づいて冷凍される。すなわ
ち、高温の圧縮空間６で圧縮された冷媒ガスは接続管７
を通り、ガス通路14aを介してディスプレーサ３に内蔵
された蓄冷器９を通過し、ガス通路14bを介して低温の
膨張空間８に低温となって移送され、膨張空間８で膨張
し寒冷を発生し、これにより冷却端４を冷却する。冷媒
ガスはその後ふたたび蓄冷器９を経て、圧縮空間６に移
送され圧縮される。この熱サイクルを繰り返すことによ
り、冷却端４の温度は80K程度の極低温に冷却される。
ここでスターリングサイクルとなり得るためには、ディ
スプレーサ３の位置（以下ディスプレーサ位置とも記す
る）を膨張空間８の圧力（以下膨張室圧力と記する）と
の間に、ある位相差が必要となるが、この分離形スター
リング冷凍機では、蓄冷器９中を通過する際に生じる流
動損失によりそれを生み出している。また、このとき生
ずる圧力損失により、膨張器20の膨張空間８と圧縮空間
６との間に圧力差が生じ、これによりディスプレーサ３
が駆動される。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような冷凍機において、ディスプレーサ位置の時間
変化が正弦波形であり、蓄冷器９内を冷媒ガスが通過す
るときの流体抵抗とコイルバネ10により、ディスプレー
サ動作と膨張室圧力との位相差を発生しているが、安定
動作の条件より位相を大きくとれないので、膨張空間８
で発生する冷凍仕事が小さいという問題点がある。

低温の膨張空間８で発生する冷凍仕事Qcは次の（１）式
で与えられる。

Qc＝pcdVc＝Ｓpcdx ……（１） ここに、pcは膨張空間８における圧力,Vcは膨張空間８
における体積,Sはディスプレーサ３低温端部の断面積,x
はディスプレーサ３が冷却端４へ最も接近した位置を基
準点としたディスプレーサ３の位置である。したがって
冷凍仕事Qcは、pcをｘで１サイクル分積分したものにな
る。ここで、ディスプレーサ３の位置ｘは以下に説明す
るような動きとなる。ディスプレーサ３の質両をm,コイ
ルバネ10のバネ定数をk,蓄冷器９内をガスが通過する際
の流体粘性抵抗をC,ディスプレーサ３を動かすための駆
動力となる力で膨張空間８と圧縮空間６との圧力差によ
る力の振幅値をFo,圧力変化の周波数をωとすると、膨
張空間８と圧縮空間６の圧力差は蓄冷器９通過時の流体
抵抗によってのみ発生し、その量はピストン１の速度に
比例する。ピストン１の位置変化は正弦的であるので、
ピストン１の速度はピストン１の位置からφ（このφは
ほぼπ/2〔rad〕）だけ位相が進み正弦的に変化する。
すなわち、Foは正弦的にディスプレーサ３に働くため
に、ディスプレーサ３の位置ｘは、次の（２）式で表わ
される方程式により支配されることになる。

ｍ＋ｃ＋kx＝Fo sinωｔ ……（２） この（２）式において、ディスプレーサ位置ｘはディス
プレーサ３の駆動力Foからある位相αだけ遅れて石弦的
な変化をする。また作動ガスが流体抵抗を有する蓄冷器
９を通過するため膨張室圧力pcが圧縮空間６の圧力（以
下圧縮室圧力ｐ_ｈと記する）からβだけ位相が遅れるこ
とになる。一方圧縮室圧力phはピストン１とほぼ同位相
で変化するため、結局ディスプレーサ位置ｘは膨張室圧
力pcよりφ−α−βだけ位相が進んで変化することにな
る。

第３図に、横軸にピストン１を駆動する図示を省略した
クランク軸が１回転（回転角２πラジアン）する角度を
とり、ピストン１が不死点にあるときから上死点に至っ
て再び不死点に戻るときまでに対する、膨張室圧力pcお
よびディスプレーサ位置ｘの関係を示す。また、第４図
にpV線図を示す。第３図および第４図において破線で示
したものがこの場合におけるものである。冷凍仕事Qcは
（１）式より第４図において、破線の囲む面積に相当す
る。しかしこの場合、ディスプレーサ位置x,膨張室圧力
pcは共に正弦波形であり、pcとｘの位相差は蓄冷器９の
流体粘性抵抗ｃとコイルバネ10により決定され、ｘが正
弦波形のときは動作の安定条件により大きくとれないた
め、冷凍仕事が小さいものになってしまっているという
問題点がある。

本発明は、上記の問題点を解決して、冷凍仕事を大きく
し、冷凍能力の大きい冷凍機のディスプレーサ装置を提
供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

前記の課題を解決するために、本発明は、円筒の一方の
閉じられた端部が冷却端となり他方の端部がケーシング
に取付けられたシリンダと、蓄冷器を内蔵しこの蓄冷器
の両端部に通じるガス通路を備え前記シリンダ中を自在
に往復動できるディスプレーサとを備え、前記シリンダ
のケーシング側を熱的媒体の圧縮機に配管接続してこの
熱的媒体を前記シリンダに給排して、シリンダの冷却端
内面とこれに対向するディスプレーサの端面との間のシ
リンダ内に形成される膨張空間に前記熱的媒体を前記蓄
冷器を介して導入して膨張させて冷却端を冷却する装置
において、前記ディスプレーサ両往復動の方向に沿って
磁極を配して前記シリンダの内面に固定接置されるる磁
石と、この磁石と対向する側が同極性となる配置で前記
ディスプレーサの外面に固定設置される磁石とを備え
る。

〔作用〕

シリンダ中で自在に往復動するディスプレーサの往復動
の方向に沿って磁極を配してシリンダの内面に磁石を固
定設置し、この磁石と対向する側が同極性となる配置で
ディスプレーサの外面に磁石を固定設置したため、ディ
スプレーサが上死点または下死点に接近するに従って磁
石間距離の二乗に反比例して発生する同極同志の反発力
による非線形の復元力がディスプレーサに作用する。こ
れによって、配管接続された圧縮機による冷媒ガスのシ
リンダへの給排に対するディスプレーサ位置の変化が、
従来例の正弦波形よりふくらんだ形状の波形となるた
め、ディスプレーサ装置による冷凍仕事が増大し、冷凍
能力が高くなる。

〔実施例〕

第１図は、本発明による冷凍機のディスプレーサ装置の
第１の実施例を示す断面図である。シリンダ5aはケーシ
ング13に取付けられケーシング13と一体となっている。
ディスプレーサ3aの両端には、それぞれ磁石22,磁石23
が固定設置されている。磁石22,磁石23に対向してディ
スプレーサ3aの応復動の瞳方向に沿うシリンダ軸上に、
向かい合う極が同極となるようにシリンダ5aの冷却端４
側の端部とケーシング13側の端部にそれぞれ磁石21,磁
石24が固定設置されている。ディスプレーサ3a内部に
は、蓄冷器９が設けられ、その両端部近傍には、シール
部材11,12とガス通路14c,14dとが設けられている。

このような構成とすることにより、冷凍仕事を増大させ
ることができることを説明する。いま第１図のようにシ
リンダ軸をｘ軸とし、シリンダ5aの冷却端４部内面をｘ
＝０の点とすると、対向する２対の磁石間の距離はそれ
ぞれ図のようにx,（ｌ−ｘ）とすることができる。（但
しｌは一定）磁気力は距離の二乗に反比例するから、磁
気力の係数を磁石21と磁石22についてk₁,磁石23と磁石2
4についてk₂とすると、ディスプレーサ3aに働く復元力
Ｆは次の（３）式で与えられる。

ここで、２対の磁気力を等しくする、すなわちk₁＝k₂と
し、新たにk₁＝k₂とすると、次の（４）式となる。

となる。（４）式で示したディスプレーサ3aに働く復元
力Ｆを横軸にディスプレーサ位置x,縦軸にＦをとって第
５図に実線で示す。これは、ｘ＝l/2の点を起点とした
非線形復元力である。一方第５図に破線で示したもの
は、従来技術におけるコイルバネなどのような線形復元
力である。ディスプレーサ3aの位置ｘは次の（５）式に
支配されることになる。

（ただし、０＜ｘ＜ｌ） ここで、ｍはディスプレーサ3aの質量,cは蓄冷器９内流
体粘性抵抗,kは復元力係数,lはディスプレーサ3aの可動
長である。ディスプレーサ3aの質量が、復元力Ｆに比べ
て十分小さい場合は、ディスプレーサ3aはｘ＝l/2の点
でバランスする。すなわち、ｘ＝l/2の点が中立位置で
ある。ディスプレーサ3aの位置変化を以下に説明する。

まずディスプレーサ3aが中立位置（ｘ＝l/2）から上死
点（ｘ＝０）に向かうとき、最初はそれほど復元力がな
いため正弦的な変化より早く上死点付近に達する。しか
し、上死点付近に来ると復元力がかなり大きくなるた
め、それ以上進まなくなり、上死点で停滞気味になる。
上死点から中立位置に戻るときは、初めはなかなか戻ら
ず、復元力が次第に弱くなり出すと急に中立位置に戻る
ことになる。中立位置から下死点（ｘ＝ｌ）へ向かい戻
ってくるときは、上死点のときと全く逆の動きとなる。
第３図に膨張室圧力，ディスプレーサ位置を示す。実線
で示したものが本実施例におけるディスプレーサ位置の
変化である。図のように、従来例である破線の正弦波よ
りはふくらみが大きくなったような形をしている。ディ
スプレーサ3aがこのような変化をしたとき、圧力の変化
はディスプレーサ位置による影響をほとんど受けないか
ら、冷凍仕事Qcは、第４図の実線で囲む面積となる。破
線は従来技術における冷凍機の冷凍仕事である。この二
つの図から明らかなように、本実施例における冷凍仕事
の方が従来技術のものより大きい。

一般に、永久磁石は、温度が低くなると磁束が増し、磁
力が大きくなる。冷却端４が冷却されたときは、冷却端
側の磁石21,22の磁力の方が強くなるが、これはディス
プレーサ3aの中立位置を下死点側に移動させるだけで、
ディスプレーサ3aの位置振幅には、ほとんど影響を与え
ない。また、希土類コバルト磁石のような磁束の温度に
よる変化がほとんどない磁石もあるので、温度によるデ
ィスプレーサ3aの動作の変化は心配する必要がない。

第２図は、本発明における第２の実施例である。これは
ディスプレーサ3bの高温側端部に磁石32を装備し、その
磁石32の両極側に、対向する極が同極となるようにケー
シング13と一体となっているシリンダ5bに磁石31,33を
それぞれ装備したものである。この場合、ディスプレー
サ3bに装備する磁石32は１個だけであるから第１の実施
例より簡便である。この例と同様に、ディスプレーサの
冷却端４側に磁石を装備し、その両極側シリンダ内面に
磁石をそれぞれ装備することも可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、一端を冷却端とする冷凍機のディスプ
レーサ装置において、ディスプレーサに非線形復元力が
働くように、ディスプレーサの外面に両極方向がディス
プレーサの往復動の方向に沿ってシリンダ軸方向と一致
するように磁石を固定設置し、前記磁石と対向する極が
同極となるようにシリンダ内面に固定設置したので、デ
ィスプレーサ位置の時間変化が正弦波よりはより上下に
ふくらんだような波形となり、冷凍仕事が増大し、冷凍
機の冷凍能力が大きくなる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例になる冷凍機のディスプ
レーサ装置の断面図、第２図は本発明の第２の実施例に
なる冷凍機のディスプレーサ装置の断面図、第３図は膨
張室圧力とディスプレーサ位置の説明図、第４図は冷凍
機のpV線図の説明図、第５図はディスプレーサの位置と
復元力との関係図、第６図は従来の冷凍機の構成を示す
断面図である。 2:圧縮機、3,3a,3b:ディスプレーサ、4:冷却端、5,5a,5
b:シリンダ、6:圧縮空間、8:膨張空間、9:蓄冷器、13:
ケーシング、14a,14b,14c,14d,14e:ガス通路、20,20a,2
0b:膨張器、21,22,23,24,31,32,33:磁石。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円筒の一方の閉じられた端部が冷却端とな
   り他方の端部がケーシングに取付けられたシリンダと、
   蓄冷器を内蔵しこの蓄冷器の両端部に通じるガス通路を
   備え前記シリンダ中を自在に往復動できるディスプレー
   サとを備え、前記シリンダのケーシング側を熱的媒体の
   圧縮機に配管接続してこの熱的媒体を前記シリンダに給
   排して、シリンダの冷却端内面とこれに対向するディス
   プレーサの端面との間のシリンダ内に形成される膨張空
   間に前記熱的媒体を前記蓄冷器を介して導入して膨張さ
   せて冷却端を冷却する装置において、前記ディスプレー
   サの往復動の方向に沿って磁極を配して前記シリンダの
   内面に固定設置される磁石と、この磁石と対向する側が
   同極性となる配置で前記ディスプレーサの外面に固定設
   置される磁石とを備えることを特徴とする冷凍機のディ
   スプレーサ装置。