JPH0842932A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、冷凍能力の向上させると共に、冷
凍装置の小型化及び熱伝損失低減を図ることができる冷
凍装置を提供する。 【構成】 圧縮機２内の冷媒を圧縮する圧縮空間１１と
膨張機３内の冷媒を膨張する膨張空間１７とが蓄冷器４
を介した流路５によって連通される共に、相互に所定の
位相差をもって前記圧縮空間１１による圧縮過程と前記
膨張空間１７による膨張過程とを行わせ、前記膨張機３
から低温を発生させる冷凍装置１において、運転動作中
に冷凍装置１内の冷媒が所定圧力以下となった場合に、
冷凍装置１内へ冷媒を供給する冷媒供給手段１０１を備
えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリンダ内を往復動作
するピストンによりガス状冷媒を圧縮または膨張させる
ガス圧縮膨張機構を使用して極低温を実現する冷凍装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、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
各種材料の極低温の保存技術の開発が急務になってい
る。特に、スターリング冷凍装置などのガス圧縮膨張機
は、上記極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
装置について図２を参照して動作原理を説明する。スタ
ーリング冷凍装置１は圧縮機２と膨張機３とを、途中に
蓄冷器４を介装したガス流路によって連通させ、このガ
ス流路５の圧縮機２側に放熱器６を、蓄冷器４の入口側
に放熱器７をそれぞれ配設する一方、膨張器３の上部に
冷凍取出部８を形成し、さらに、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。

【０００４】圧縮機２は、ヘリウム等の極低温の沸点の
ガス状冷媒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が往復運動するよう
になっている。

【０００５】膨張機３は、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張空間として冷凍発生部
１７が形成されている。

【０００６】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で膨張され冷却され
た冷媒ガスを圧縮機２に戻される際に、その冷媒により
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、鉛などが用いら
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。

【０００７】ガス流路５は、圧縮機２と膨張機３とを連
通する配管で構成され、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、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あり、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板状フィ
ンを立設している。

【０００８】クランク機構部９は、圧縮ピストン１３と
膨張ピストン１６とを駆動モータ（図示せず）を駆動源
としてクランク運動の作用で往復運動させるものであ
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。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の案内受に摺動自
在に嵌装されたクロスガイド２６に連結され、このクロ
スガイド２６に連結するピストンロッド２７が案内部２
０の貫通穴に貫通して圧縮ピストン１３の後部に接続さ
れている。

【０００９】同様に、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の案内受に摺
動自在に嵌装されたクロスガイド２９に連結され、この
クロスガイド２９に連結するピストンロッド３０が膨張
ピストン１６の後部に接続されている。

【００１０】また、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に進入する
のを防止するオイルシールを示している。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２
３が空間３５に進入するのを防止するオイルシールを示
す。

【００１１】次に、上記構成の２ピストン型スターリン
グ冷凍装置１の動作について説明する。まず、駆動モー
タ（図示せず）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、圧縮機２の圧縮シリンダ１
２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などの液化しにく
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てガス流路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。

【００１２】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。

【００１３】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度の位相
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。

【００１４】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。

【００１５】上記した工程によって、一つの冷凍サイク
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、冷凍取出部８では、冷凍発生部１７の冷熱を
外部の熱利用部としての低温槽（図示せず）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している。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の冷凍装置１
では、図３に示すように膨張機３において、定常運転時
における冷媒ガスの最低圧力が起動開始時における最低
圧力より小さくなり、同時に定常運転時の冷媒ガスの平
均圧力が起動開始時の平均圧力より小さくなる。そし
て、この定常運転時における冷媒圧力は冷凍装置１本体
内への冷媒封入時の冷媒圧力（冷媒質量）により左右さ
れる。即ち、室温において冷媒が封入された場合、冷凍
装置１内に存在する冷媒質量は固定されることになるの
で、冷凍発生部（膨張空間）１７の温度低下に伴い冷凍
装置１内の冷媒圧力も低下し、冷凍装置１内は初期の封
入圧力以下になる。

【００１７】このため、冷凍装置１から取り出せる冷凍
能力は初期封入圧での値より小さくなっていた。また、
冷凍装置１の耐圧設計も定常運転時での条件ではなく、
定常運転時より冷媒圧力のかなり高い初期封入時の条件
に基づいて設計しなければならず、その結果、所望冷凍
能力を得るための定常運転時の冷媒圧力に対する耐圧設
計より頑強な設計が必要となり、冷凍装置の小型化及び
熱伝損失低減の障害となっていた。

【００１８】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので
あって、冷凍能力の向上させると共に、冷凍装置の小型
化及びよび熱伝損失低減を図ることができる冷凍装置を
提供するものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧縮機内の冷
媒を圧縮する圧縮空間と膨張機内の冷媒を膨張する膨張
空間とが蓄冷器を介した流路によって連通される共に、
相互に所定の位相差をもって前記圧縮空間による圧縮過
程と前記膨張空間による膨張過程とを行わせ、前記膨張
機から低温を発生させる冷凍装置において、運転動作中
に冷凍装置内の冷媒が所定圧力以下となった場合に、冷
凍装置内へ冷媒を供給する冷媒供給手段を備えている。

【００２０】また、具体的な構成において、冷媒供給手
段は運転動作中における冷凍装置内の冷媒圧力が起動時
における冷媒の初期最低圧力以下になった場合に、冷凍
装置内へ冷媒を供給する。

【００２１】さらに、具体的な構成において、冷媒供給
手段は、冷凍装置内の冷媒と同一条件で冷媒を初期封入
させた冷媒バッファと、冷凍装置の停止時に開放状態と
して冷凍装置と前記冷媒バッファを連通状態とすると共
に、冷凍装置の起動時に閉成状態とする弁機構部と、冷
凍装置内の冷媒圧力が前記冷媒バッファ内の冷媒圧力よ
り一定量以上小さくなった場合にのみ、該冷媒バッファ
から冷凍装置内への冷媒供給を許容する一方向弁機構部
とを備えている。

【００２２】

【作用】本発明によれば、冷凍装置の定常運転時に冷媒
温度の低下により冷媒圧力が所定圧力以下となった場合
には、冷媒供給手段により冷凍装置内へ冷媒が供給され
るので、冷凍装置内の冷媒圧力が所定圧力以下となるこ
とがない。

【００２３】また、運転動作中の冷凍装置内の冷媒圧力
が起動時における冷媒の初期最低圧力以下になった場合
に、冷媒供給手段により冷凍装置内へ冷媒供給すること
により、定常運転時における発生冷凍能力の低下を防止
することができる。

【００２４】さらに、冷媒供給手段を、冷凍装置内の冷
媒と同一条件で冷媒を初期封入させた冷媒バッファと、
冷凍装置の停止時に開放状態として冷凍装置と前記冷媒
バッファを連通状態とすると共に、冷凍装置の起動時に
閉成状態とする弁機構部と、冷凍装置内の冷媒圧力が前
記冷媒バッファ内の冷媒圧力より一定量以上小さくなっ
た場合にのみ、該冷媒バッファから冷凍装置内への冷媒
供給を許容する一方向弁機構部とから構成することによ
り、定常運転時における発生冷凍能力の低下を防止する
と共に、停止時に冷凍装置と冷媒バッファを連通させ、
再起動時に冷凍装置内の冷媒圧力が初期起動時における
初期最大圧力以上となるのを防止している。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の冷凍装置の一実施例を図１に
示す２ピストン型スターリング冷凍装置に基づいて説明
する。尚、前述の従来例と同じ構成については同一符号
を付して示している。

【００２６】同図において、１０１はガス流路５に接続
されている冷媒供給部であり、弁機構部１０２と、冷媒
バッファ１０３と、一方向弁機構部１０４から構成され
ている。

【００２７】弁機構部１０２は電磁弁から構成され、冷
媒バッファ１０３とガス流路５の蓄冷器４側とに接続さ
れた配管１０５の途中に設けられ、冷凍装置１の運転停
止時に電磁弁１０２を開け、起動開始時に電磁弁１０２
を閉じている。

【００２８】冷媒バッファ１０３は、室温において３．
０ＭＰａの圧力で封入された冷媒ガスが充填されてい
る。一方向弁機構部１０４は逆止弁から構成されてお
り、冷媒バッファ１０３とガス流路５のガス圧縮器２側
とに接続された配管１０６の途中に設けられ、ガス流路
５中の作動ガスの圧力が冷媒バッファ１０３中の冷媒ガ
スの圧力（＝３．０ＭＰａ）より０．５ＭＰａ以上小さ
な値、即ち２．５ＭＰａ以下となった場合にのみに、冷
媒バッファ１０３からガス流路５へ冷媒供給を許容す
る。

【００２９】以上の構成を有する冷凍装置１の動作につ
いて説明する。次に、上記構成の２ピストン型スターリ
ング冷凍装置１の動作について説明する。

【００３０】まず、冷凍装置１の停止状態時（初期時）
に電磁弁１０２を開放状態とする。これにより初期時に
は、冷凍装置１の作動空間内に充填された冷媒ガスと冷
媒供給部１０２の冷媒バッファ１０３内の冷媒ガスの圧
力が同一の圧力（３．０ＭＰａ）となる。但し、冷凍装
置１の作動空間および冷媒バッファ１０３への冷媒ガス
の封入作業は室温下で行い、その時の封入圧力は３．０
ＭＰａとする。

【００３１】そして、冷凍装置１の起動開始に先立ち電
磁弁１０２を閉じ、駆動モータ（図示せず）の回転によ
ってクランク機構部９のクランク機構２４が駆動させ
て、冷凍装置１の運転を開始する。

【００３２】このクランク機構２４の駆動により、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に充満する冷媒ガスで
あるヘリウムガスが圧縮され、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てガス流路
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。

【００３３】蓄冷器４に流入した冷媒ガスは、銅製の金
網状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。

【００３４】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度の位相
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。

【００３５】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。

【００３６】上記した工程によって、一つの冷凍サイク
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、冷凍取出部８では、冷凍発生部１７の冷熱を
外部の熱利用部としての低温槽（図示せず）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している。

【００３７】そして、この冷凍サイクル運転中に、ガス
流路５を通過する冷媒ガスの圧力が２．５ＭＰａ以下と
なると、逆止弁１０４を介して冷媒バッファ１０３から
ガス流路５に向けて冷媒ガスが供給され、ガス流路５を
通過する冷媒ガスの圧力を常に２．５ＭＰａ以上となる
ようにしている。これにより、冷凍装置１の定常運転時
に封入冷媒温度の低下による冷媒圧力の低下を防ぎ、発
生冷凍能力の低下を防止している。

【００３８】また、上記冷凍サイクルを停止させる場合
には、クランク機構２４の駆動を停止すると共に、電磁
弁１０２を開けて冷凍装置１内の冷媒ガスと冷媒バッフ
ァ１０３内の冷媒ガスを同一圧力にする。これにより、
冷凍装置１及び冷媒バッファ１０３内の冷媒温度が室温
に近づくにつれて初期封入圧力の３．０ＭＰａに戻って
いくことになる。これにより、冷凍装置１の再起動時に
冷凍装置１内の冷媒ガスの圧力が上記初期最大圧力以上
となることがなく、冷凍装置１の耐圧設計を定常運転時
と略同じ条件となる初期封入時の条件に基づいて設計す
ることが可能となる。従って、従来装置に比べて冷凍装
置の小型化および熱伝損失低減を図り、所望の冷凍能力
を得ることができる。

【００３９】尚、上記実施例では、本発明を２ピストン
型スターリング冷凍装置に適用した場合について説明し
たが、その他のガス圧縮膨張機構を使用した冷凍装置、
例えばヴィルミエル冷凍装置、ソルベイ冷凍装置、ギホ
ード・マクマホン冷凍装置などにも適用可能である。

【００４０】また、上記実施例では、ガス流路５中の作
動ガスの圧力が冷媒バッファ１０３中の冷媒ガスの圧力
（本実施例では３．０ＭＰａ）より０．５ＭＰａ以上小
さな値となった場合に逆止弁１０４を介して冷媒バッフ
ァ１０３からガス流路５へ冷媒供給を許容するように構
成した場合について説明したが、精度上可能であればガ
ス流路５中の作動ガスの圧力が初期最低圧力（本実施例
では２．７ＭＰａ）以下となった場合に逆止弁１０４を
介して冷媒バッファ１０３からガス流路５へ冷媒供給を
許容するように構成してもよい。

【００４１】

【発明の効果】以上述べた通り本発明によれば、冷凍装
置の定常運転時に冷媒温度の低下により冷媒圧力が所定
圧力以下となった場合には、冷媒供給手段により冷凍装
置内へ冷媒が供給されるので、冷凍装置内の冷媒圧力が
所定圧力以下となることがなく、定常運転時における発
生冷凍能力の低下を防止することができる。

【００４２】また、冷凍装置の耐圧設計を定常運転時と
略同様の条件に基づいて行えることになるので、従来装
置に比べて冷凍装置の小型化および熱伝損失低減を図る
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の冷凍装置の一実施例を図１に示す２ピ
ストン型スターリング冷凍装置概略構成図である。

【図２】従来の２ピストン型スターリング冷凍装置の概
略構成図である。

【図３】従来装置における起動時および定常運転時の冷
凍能力比較図である。

【符号の説明】

１ スターリング冷凍装置 ２ 圧縮機 ３ 膨張機 ４ 蓄冷器 ５ ガス流路 ６、７ 放熱器 ８ 冷凍取出部 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 ２０ 案内部 ２１ 案内部 ２２ クランク室 ２３ 潤滑油 ２４ クランク機構 ２５ コネクティングロッド ２６ｂ 油抜き孔 ２７ ピストンロッド ２８ コネクティングロッド ２９ クロスガイド ３０ ピストンロッド ３２ 空間 ３３、３６ オイルシール ３５ 空間 １０１ 冷媒供給部（冷媒供給手段） １０２ 電磁弁（弁機構部） １０３ 冷媒バッファ １０４ 逆止弁（一方向弁機構部）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機内の冷媒を圧縮する圧縮空間と膨張
   機内の冷媒を膨張する膨張空間とが蓄冷器を介した流路
   によって連通される共に、相互に所定の位相差をもって
   前記圧縮空間による圧縮過程と前記膨張空間による膨張
   過程とを行わせ、前記膨張機から低温を発生させる冷凍
   装置において、 運転動作中に冷凍装置内の冷媒が所定圧力以下となった
   場合に、冷凍装置内へ冷媒を供給する冷媒供給手段を備
   えていることを特徴とする冷凍装置。
2. 【請求項２】前記冷媒供給手段は、運転動作中における
   冷凍装置内の冷媒圧力が起動時における冷媒の初期最低
   圧力以下になった場合に、冷凍装置内へ冷媒を供給する
   ことを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
3. 【請求項３】前記冷媒供給手段は、冷凍装置内の冷媒と
   同一条件で冷媒を初期封入させた冷媒バッファと、 冷凍装置の停止時に開放状態として冷凍装置と前記冷媒
   バッファを連通状態とすると共に、冷凍装置の起動時に
   閉成状態とする弁機構部と、 冷凍装置内の冷媒圧力が前記冷媒バッファ内の冷媒圧力
   より一定量以上小さくなった場合にのみ、該冷媒バッフ
   ァから冷凍装置内への冷媒供給を許容する一方向弁機構
   部とを備えていることを特徴とする請求項１または２記
   載の冷凍装置。