JPH08313084A

JPH08313084A - 極低温冷凍機の冷却部構造

Info

Publication number: JPH08313084A
Application number: JP12095695A
Authority: JP
Inventors: Kenji Taguchi; 賢治田口; Takafumi Nakayama; 隆文中山; Junji Matsue; 準治松栄
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1995-05-19
Filing date: 1995-05-19
Publication date: 1996-11-29

Abstract

(57)【要約】【目的】極低温冷凍機の冷却部に配置された冷凍空間
を冷凍サイクルで作動する冷媒ガスによって、均一に冷
却する。【構成】冷媒ガスが充填されたスターリング冷凍機等
の極低温冷凍機のケーシング31の密閉空間に、ピストン
42又はディスプレーサ42aが摺動可能に嵌められた膨張
側シリンダ４が配置され、冷凍空間11を有する容器を膨
張側シリンダ４の膨張室41先端に近接して付設してお
り、ピストン42又はディスプレーサ42aの摺動によって
膨張室41に発生した極低温を冷凍空間11に伝達して冷凍
空間11内を冷却する極低温冷凍機の冷却部構造に於い
て、冷凍空間11の壁面には、膨張室41と連通する空隙14
を開設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子デバイス、バイオ
テクノロジー等の分野等において、各種試料、材料、セ
ンサー等を極低温で冷却、凍結、保存等に用いられる極
低温冷凍機に関し、特に冷凍空間を均一に冷却する冷却
部の構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子デバイス分野、バイオテクノロジー
分野等に於いて、各種試料、材料、赤外線センサー等の
冷却、瞬間凍結、保存等を行なうために、極低温冷凍機
を用いることがある。極低温冷凍機としては、スターリ
ング冷凍機、パルスチューブ式冷凍機等が挙げられ、
又、特開昭63-306363号に、冷却部の構造が開示されて
いる。

【０００３】前記構造は、図６に示す如く、ディスプレ
ーサ(61)が摺動可能に嵌められた冷凍サイクルの膨張側
シリンダ(62)において、膨張室(63)の一部が冷凍空間(6
4)の内部に臨出するように、冷却部(６)を付設し、該冷
却部(６)の壁面(65)に冷却効果を高めるための真空空間
(66)を設けている。又、冷凍空間(64)には、液状媒体(6
7)が満たされており、膨張室(63)が冷凍空間(64)へ臨出
する部分には、フィン(68)を設け、膨張室(63)の伝熱面
積を拡大している。冷凍する試料(69)等は、容器(60)に
封入されて、液状媒体(67)に浸漬されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
造の冷却装置に於いては、フィン(68)の外周のみが極度
に冷却され、冷凍空間(64)内を均一に冷却することが難
しい。従って、試料(69)等を冷却、冷凍するときに、冷
却むらが出来ることがある。更に、冷却効果を高めるた
めに臨出させた膨張室(63)の先端部及びフィン(68)が冷
凍空間(64)の容積を減少させている。

【０００５】本発明の目的は、極低温冷凍機の冷却部に
形成された冷凍空間を冷凍サイクルで作動する冷媒ガス
によって、均一に冷却する構造を開示することである。

【０００６】

【課題を解決する為の手段】上記課題を解決するため
に、本発明の極低温冷凍機の冷却部構造に於いては、冷
凍サイクルの膨張室(41)に、冷凍空間(11)を内部に有す
る容器を付設し、容器壁面(12)には、膨張室(41)に連通
する空隙(14)を開設する。

【０００７】

【作用】ピストン(42)又はディスプレーサ(42a)の摺動
によって、ケーシング(31)内部の冷媒ガスが圧縮、膨
張、移動を繰り返し、膨張室(41)内部の冷媒ガスの膨張
の際に発生する吸熱作用により、膨張室(41)の外周及び
冷媒ガスが極低温に冷却される。このとき、膨張室(41)
の先端に付設された冷却部(１)の冷凍空間(11)が冷却さ
れる。又、膨張室(41)内部の冷媒ガスが極低温となると
同時に、膨張室(41)に連通する空隙(14)に充填された冷
媒ガスも膨張によって極低温に冷却され、空隙(14)周辺
の冷却部(１)の壁面(12)を冷却して、冷凍空間(11)を冷
却する。従って、本発明の冷却部(１)の構造によれば、
冷凍空間(11)は、底面、側面等の壁面(12)から均一に冷
却される。

【０００８】

【発明の効果】冷凍空間(11)が、冷却部(１)の壁面(12)
から均一に冷却されるため、冷凍空間(11)内部に温度む
らが生じにくい。又、冷却部(１)の壁面(12)を冷却する
ために他の伝熱手段を必要とせず、装置を小型化出来
る。

【０００９】

【実施例】本発明の一実施例につき、図面に沿って詳述
する。以下では、極低温冷凍機として２ピストン型のス
ターリング冷凍機(３)を例に挙げて説明するが、本発明
は前記スターリング冷凍機(３)に限定されるものではな
く、例えば、１ピストン１ディスプレーサ型のスターリ
ング冷凍機(３a)、パルスチューブ式冷凍機、ＧＭサイ
クル冷凍機等の膨張室を有する各種形式の冷凍機に適用
することが出来る。従来、高温となるエンジン等の装置
の外周に水、空気等の媒体を循環、又は吹き付けて、空
冷、水冷によって装置を冷却する装置が知られている
が、その種装置は、媒体自体が膨張、圧縮等の仕事を行
なって自ら低温を発生して、装置を冷却するのではな
く、他の機構によって媒体が冷却されている。本発明の
冷却部構造は、膨張、圧縮によって、媒体である冷媒ガ
スが極低温となり、冷凍空間を冷却する点で従来の空
冷、水冷の構造とは異なる。

【００１０】図１は、本発明の冷却部構造を具えたスタ
ーリング冷凍機(３)の断面図である。スターリング冷凍
機(３)は、ヘリウム、窒素等の冷媒ガスが充填され、密
閉されたケーシング(31)に、クランク機構を具えたクラ
ンク室(32)と、膨張側シリンダ(４)及び圧縮側シリンダ
(５)が配備される。膨張側シリンダ(４)及び圧縮側シリ
ンダ(５)は、クランク機構のクランク軸(33)に対して90
°ずれて配備される。クランク軸(33)は、コネクティン
グロッド(44)(54)及びピストンロッド(43)(53)を介して
２基のピストン(42)(52)が連繋されており、夫々膨張側
シリンダ(４)、圧縮側シリンダ(５)に摺動可能に嵌めら
れる。又、クランク軸(33)の一端は、電動機、内燃機関
等の動力源(図示せず)に接続される。クランク室(32)と
シリンダ(４)(５)は、ピストンロッド(43)(53)が貫通す
る孔(46a)(56a)を開設したオイルシール(46)(56)を具え
る仕切板(45)(55)によって仕切られている。各シリンダ
(４)(５)のピストン(42)(52)と仕切板(45)(55)によって
囲まれる空間は、背圧空間(48)(58)であって、背圧空間
(48)(58)間は、ガス流路(図示せず)で接続されており、
クランク機構の駆動時に動力ロスとなる気密空間であっ
て、膨張室(41)における極低温の発生には関与しない。

【００１１】又、膨張側シリンダ(４)と、圧縮側シリン
ダ(５)中をピストン(42)(52)が気密に摺動し、ピストン
上面の空間を、金属メッシュを積層した再生熱交換器(3
5)を具えるガス流路(34)で連繋している。尚、圧縮側シ
リンダ(５)及び膨張側シリンダ(４)について、クランク
室(32)から遠い方の空間を夫々「圧縮室(51)」、「膨張
室(41)」、又、圧縮室(51)、膨張室(41)、再生熱交換器
(35)及びガス流路(34)からなる空間を「表圧空間(30)」
と呼ぶ。

【００１２】本発明の冷却部構造は、上記構成のスター
リング冷凍機(３)の膨張室(41)の先端に配備される。図
２は、膨張室(41)の先端部分及び冷却部(１)の拡大図、
図３は、図２の冷却部(１)の断面の斜視図である。図に
示す通り、膨張室(41)の先端のケーシング(31)の外面に
は、ステンレス鋼等で形成される冷却部(１)がケーシン
グ(31)の外面に連続して配備される。冷却部(１)は、上
部が開口(15)している略直方形の冷凍空間(11)を内部に
具えている。冷凍空間(11)を形成する側面及び底面等の
壁面(12)の内部には、微細な断面の小孔(14a)が複数個
開設されており、該小孔(14a)の一端は、底面にて、膨
張シリンダ(４)の膨張室(41)と連通している。又、小孔
(14a)の他端は、同様に壁面(12)の側面の内部に開設さ
れた横孔(14b)によって連通されている。

【００１３】冷凍空間(11)の上部開口(15)は、蓋体(２)
によって閉じることが出来、又、冷却部(１)の外周は、
断熱材(16)によって包囲されている。

【００１４】前記小孔(14a)は、錐又はドリル等で膨張
室(41)と連通するよう開設した後、不要な開口部を溶接
等によって閉じてもよい。又は、壁面を内壁体と外壁体
を嵌め合わせた２重構造として、内、外壁体に溝を予め
開設し、張り合わせて形成することも出来る。又、本実
施例では、壁面(12)に開設する空隙(14)として、小孔(1
4a)を例に挙げているが、図４に示す如く、壁面と略平
行の薄い平面状の空隙(14c)とすることも出来る。但
し、空隙(14)の占める容積は、死容積であるため、出来
るだけ小さくすることが望ましい。

【００１５】上記構成の冷却部(１)を具えたスターリン
グ冷凍機(３)の動作について、以下に説明する。先ず、
スターリング冷凍機(３)の冷凍サイクルについて説明す
る。動力源の駆動によって、クランク軸(33)が図１の矢
印方向に回転し、膨張側ピストン(42)と圧縮側ピストン
(52)とが位相差90°で各シリンダ(４)(５)中を摺動す
る。ピストン(42)(52)の摺動によって、表圧空間(30)で
圧縮工程、等容工程、膨張工程、等容工程からなる冷凍
サイクルを繰り返して、圧縮室(51)にて圧縮熱を放出
し、膨張室(41)で冷媒ガスの膨張による吸熱により、極
低温を発生する。ピストン(42)(52)の摺動による圧縮室
(41)及び膨張室(51)の容積の変動によって、膨張室(51)
の冷媒ガスがガス流路(34)を通って圧縮室(51)に移動す
るときに、再生熱交換器(35)を通過、冷却する。又、圧
縮室(51)にて高温化して移動する冷媒ガスが、再生熱交
換器(35)で放熱して冷却されて膨張室(41)に流入する。

【００１６】冷却部(１)の小孔(14a)は、膨張室(41)と
連通しているため、膨張室(41)で冷媒ガスが膨張すると
きに、同時に小孔(14a)の内部の冷媒ガスも膨張し、膨
張の際の吸熱により壁面(12)を冷却する。又、小孔(14
a)を横孔(14b)によって連通すると小孔(14a)に冷媒ガス
が滞留することはない。例えば、冷却開始時の冷凍空間
(11)が極低温に冷却されていない場合、又は冷凍空間(1
1)に収容する試料等によって冷凍空間(11)内部の温度が
上昇した場合等に、壁面(12)の温度上昇により小孔(14
a)内部の冷媒ガスの温度が上昇しても、小孔(14a)の上
端が閉塞している場合に比べ、横孔(14b)によって冷媒
ガスが流動可能であって、膨張室(41)と小孔(14a)との
間を冷媒ガスが出入りしやすい。従って、膨張室(41)の
極低温に冷却された冷媒ガスが、小孔(14a)に流入して
小孔(14a)及び壁面(12)を、より効率よく冷却すること
が出来る。又、万一小孔(14a)に金属粉等が入っても、
冷媒ガスが流動するため目詰りを起こすことがない。

【００１７】本発明の冷却部構造によれば、冷却部(１)
は、膨張室(41)のケーシング(31)と直接当接している面
及び空隙(14)の開設された壁面(12)の両方から均一に冷
却されるため、冷凍空間(11)内に温度むらは発生しにく
い。

【００１８】冷凍空間(11)で冷却又は瞬間凍結される試
料又は材料(22)等は、図２に示す如く、容器(23)に入れ
られて、トレイ(21)に掛けられ、該トレイ(21)の両端を
冷却部(１)の壁面(12)の側面上部に引っ掛けて冷凍空間
(11)に収容される。尚、収容方法は、前記に限定されな
い。冷凍空間(11)が均一に冷却されているため、例えば
複数個の試料又は材料(22)を冷凍空間(11)に収容して
も、載置場所、載置高さに影響されず、均等に冷却又は
瞬間凍結することが出来る。

【００１９】又、本発明の冷却部構造は、ディスプレー
サ(42a)が摺動する、例えば１ピストン１ディスプレー
サ型のスターリング冷凍機(３a)の膨張室(41)に配備す
ることも出来る。図５は、１ピストン１ディスプレーサ
型のスターリング冷凍機(３a)の断面図であって、膨張
シリンダ(４)は、ディスプレーサ(42a)によって、膨張
室(41)とディスプレーサ下方空間(47)に仕切られる。膨
張室(41)とディスプレーサ下方空間(47)は、ガス流通路
(34a)及び該流通路(34a)中に配備された再生熱交換器(3
5)を介して接続され、ディスプレーサ下方空間(47)と圧
縮室(51)は、ガス流路(34)によって接続される。クラン
ク軸(33)の回転によって、公知の通り、膨張室(41)で極
低温の冷凍を発生する。冷却部(１)は、上記２ピストン
型のスターリング冷凍機(３)と同様に膨張室(41)に連続
して形成され、冷却部(１)の壁面(12)には、膨張室(41)
に連通する空隙(14)が開設される。前記と同様、膨張室
(41)の冷媒ガスが膨張によって、極低温となるときに、
空隙(14)内部の冷媒ガスも極低温となって、冷凍空間(1
1)を冷却する。

【００２０】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは
勿論である。

【００２１】例えば、冷凍空間(11)の冷凍効果を高める
ために、冷凍空間(11)に液体冷媒を充填することも出来
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の冷却部を具えたスターリング冷凍機の
断面図である。

【図２】膨張室先端及び冷却部の拡大断面図である。

【図３】冷却部の斜視断面図である。

【図４】冷却部の他の実施例を示す斜視断面図である。

【図５】本発明の冷却部を具えた１ピストン１ディスプ
レーサ型のスターリング冷凍機の断面図である。

【図６】従来の冷却部の断面図である。

【符号の説明】

(１) 冷却部 (11) 冷凍空間 (12) 壁面 (14) 空隙 (14a) 小孔 (４) 膨張シリンダ (41) 膨張室

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷凍サイクルの膨張室(41)に、冷凍空間
(11)を内部に有する容器を付設し、容器壁面(12)には、
膨張室(41)に連通する空隙(14)を開設したことを特徴と
する極低温冷凍機の冷却部構造。
【請求項２】空隙(14)は、冷凍空間(11)の容器壁面(1
2)の内部に開設された微細な断面の複数の小孔（14a）
であって、該小孔（14a）の一端は、膨張室(41)と連通
しており、小孔(14a)の他端は、壁面(12)の内部に開設
された横孔(14b)によって連通されていることを特徴と
する請求項１記載の極低温冷凍機の冷却部構造。