JPS5924151A - 冷凍方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、冷凍方法および装置に係り、特に高圧冷媒を
膨張させて寒冷を発生させるのに好適な冷凍方法および
装置に関するものである。

極低温冷凍に使用される装置としては、特公昭４７−５
８７２号公報、特公昭５１−３８１００号公Ｊこ示され
ているが、これらの冷凍装置では、冷媒の膨張によって
寒冷を発生させるようになっており、その冷凍サイクル
はツルベイサイクルである。一般に冷凍装置の到達温度
を２０に以下とする場合には、膨張機は同じ冷凍サイク
ルを直列に連結している。しかしながら、ツルベイサイ
クルでは、冷媒を膨張させる際の寒冷の発生は、大部分
が不完全なシモン膨張によって行なわれるため、寒冷発
生効率の高い機械的仕事を伴なう膨張は一部分であるた
め、全体効率が低くなるという欠点がある。

ｉ１図および第２図によりツルペイサイクルについて説
明すると、加圧装置１で所定圧力（３次圧）に昇圧した
ヘリウムガスを、弁２を経て冷凍装置３内のディスプレ
ーサ４の高温側人口５に送入する。この場合、ディスプ
レー′＋ｊ′４は冷凍装置３内の最下点位置（第２図の
Ａ点）にある。送入サレタヘリウムガスはディスプレー
サ４内の回生器６を通って第１膨張室７および第２膨張
室８内に流入する　（第２図のＢ点）。オリフィス９を
介して冷凍装置３内と導通され、冷凍装置３内とある時
間遅れを持った圧力になる第３室１０が設けられており
、ディスプレーサ４は第１膨張室７１第２膨張室８の圧
力と第３室１０の圧力差によって第３室１０側に移動す
る　（第２図のＣ点）。つぎに、弁２を閉じ、加圧装置
ｉ￥１の低圧側（こ通じた弁１１を開くと、第１膨張室
７．第２膨張室８内のヘリウムガスは膨張し、寒冷を発
生しながら回生器６を冷却して力［ｊ圧装置１に流入す
る　（第２図のＣ点）。

しかして第３室１０と第１膨張室７．第２膨張室８の圧
力差によって、ディスプレーサ４は第２膨張室８側に移
動して１ｖイクルを終了する　（第２図の９点）。

一方、ツルペイサイクル以外の冷媒サイクルとしてスタ
ーリングサイクルが知られており、スターリングサイク
ルは寒冷発生効率はすぐれているが、２０に以下の極低
温を得るためにはソルベイν−イクルと同様に複数段の
膨張過程を設ける必要があるため、機構が複雑となり、
かつ、寒冷発生効率が低下するという欠点がある。

第３図によりスターリングサイクル冷凍機について説明
すると、駆動機ルで駆動される圧縮機１３が上昇してク
ーシングエ６との間の第１室１７内のガスを圧縮し、こ
の時発生する断熱圧縮熱はフィン１８で放散される。し
かして、圧縮ガスを駆動後回で駆動され内部に蓄冷器１
４を備えたディスプレーｖ１５を通して膨張室１９に供
給した後、ディスプレーサ１５が上方に移動して膨張室
１９内の圧縮ガスを１サイクル前の膨張ガスで冷却され
た蓄冷器１４で冷却する。しかる後圧縮機１３が下降し
、膨張室１９内の圧縮ガ２は膨張して寒冷を発生する。

この場合、圧縮ガスの膨張エネルギーは圧縮機１３によ
り吸収される。その後ディスプレーサ１５が下方に移動
して膨張ガスが発生した寒冷により餐冷器１４を冷却し
て１ｖイクルを終了する。したがって、スターリングサ
イクルでは、圧縮ガスの膨張エネルギーを吸収する機構
が必要であるため、２段膨張機構を必要とする場合には
、極低温域の２段目の圧縮機を室温部にある動力吸収機
構に連結しなければならず、機構がａ雑になると共に、
連結部を通じて室温部から極低温域への侵入熱により寒
冷発生効率が低下する。

上述したように、ツルベイサイクルは構造は簡単である
が寒冷発生量が小さく、また、スターリングサイクルは
寒冷発生Ｊｉ１は熱力学的理想値にほぼ一致するが、構
造が複雑となるという問題がある。

本発明は、高圧冷媒を膨張させて寒冷を発生させる冷凍
方法および装置において、冷媒を膨張させる際の機械的
仕事を多く伴なわせて寒冷発生量を増大させることを目
的としたものである。

本発明は、高圧の冷媒を膨張させて寒冷を発生させる冷
凍方法において、蓄冷機能を持つ移動可能なディスプレ
ーサを内装した第１室と、移動可能な圧縮機を内装し該
圧縮機で＾１］記第１室と仕切られた第２室内に一定封
の高圧冷媒を供給し、前記圧縮機上の圧力が平衡する１
で前記高圧冷媒によって第１室内に密閉された低圧冷媒
圧力に抗して圧縮機を移動させ、第１室内と第２室内の
圧力が同一圧力となった後前記ディヌプレー丈を移動さ
せて第１室内の冷媒を冷却し、しかろ後第２室を低圧に
開放して前記冷媒を膨張冷却し、更に前記ディスプレー
″！１を移動させて該ディヌプレーサを冷却することを
特徴とするもので、第１室とディスプレーサによる第１
段目の膨張機をスターリングサイクル、第２室と圧ｍ機
による第２段目の膨張機をンルベイサイクルとし、該第
１段目の膨張機を直列に結合することにより、第２段目
の膨張機の機械的仕事を第１段目の膨張機内のガス圧縮
仕事に利用して第２段目の膨張機の機械的仕事量を増大
させると共に、その仕事を寒冷発生に再利用して寒冷発
生量を増大させ、冷凍効率を向上させるようにしたもの
である。

以下、本発明の一実施例を第４図により説明する。気密
なハウジング２１内の上部にディスプレーｖ２２が、下
部に圧縮ａ２３がそれぞれ上下方向に移動可能に配設さ
れている。ディスプレーｖ２２は、その内部に例えば鉛
球等の蓄冷打入を充填し、下端および上端に冷媒の流動
口５および氏が設けられており、上部に設けたロッド列
を介してハウジング２１上端の室ｎに連絡されている。

四はディスプレーサｎの外周部に設けられ、ディスプレ
ーサｎの上部および下部に室（資）および３１を形成し
たＯリング、脂はロッド列の外周に設けられ、室ごと家
父とを隔離したＯリングである。圧縮機お内には、ディ
スプレーサηと同様に蓄冷材３２が充填されており、上
端側面および下端に冷媒の流動口おおよびあが設けられ
ている。部は圧縮機乙の外周部に設けられ、圧縮機乙の
上部および下部に流動口おに通じる室あと流動口調に通
じる室３７を形成すると共に室３１と家父とを隔離した
Ｏリングである。罪は家父に通じる流動口で、熱交換器
４０１回生装置４１および供給弁４２．排出弁４３を介
して冷媒供給ライン躬、冷媒排出ライン４５に連絡され
ており、冷媒供給ライン４４および冷媒排出ライン化は
圧縮装置４６の吐出側および吸入側にそれぞれ接続され
ている。４７は発生寒冷を取出すためハウジング２１の
室３７の周囲に設けられた熱交換器、４８は家父で発生
した熱を除去するための熱交換器、４９はばね、関は圧
力調整弁である。

つぎに、本発明の冷凍方法を第５図および第６図に示し
た室間と室３１および室３７の圧力−容積曲線を併用し
て説明すると、圧縮ｆｉＺ３がハウジング２１最下部の
位置（第４図の位１）　ｌこあ１）、内部１こ蓄冷材を
充填した回生装置４１内および室３Ｔｌ、３１゜３７内
の冷媒例えばヘリウムガスのガス圧力カメ低圧である状
態、すなわち、第５図、第６図のＡ点を冷凍サイクルの
起点とする。排出弁４３を閉じ、供給弁４２を開くと、
圧縮装置４６で昇圧さ１ｔた郭゛温の高圧ヘリウムガス
は、回生装置４１および熱交換器４０を通り、流動口３
９．家父、流動口３３．３４を経て圧縮機ｎ内および室
３７内に高圧低温のガス状態で流入する。（第５図、第
６図のＢ点）し力）して、圧縮機ｎは室３１と室３７の
内圧の差壷こよって上方１こ移動し、所定韻離移動した
後供給弁４２を閉じる。

（第５図、第６図の０点）供給弁４２から室３７までの
空間にある高圧ヘリウムガスは、室３１内のへ１ノウム
ガスを圧縮［Ｚ３で圧縮しながら膨張して機械的仕事を
行う。この時、家父内のガス温度は圧縮仕事を受けて上
昇するが、その熱量は熱交換ｎ４８内を流れる冷媒によ
り）・ウジフグ２１外Ｉこ排出される。この機械的仕事
を伴った膨張は、室３７，３１゜３０が同一の中間圧力
になるまで行われ、（第５図。

第６図のＤ点）更に、ディスプレーサ乙は室ｎのヘリウ
ムガス圧力およびばね四のロッドあへの抗力に対し、室
カすなわちディスプレーｖ２２内の圧力が大きくなると
、宣ｎ側に力が均衡するまで移動する。（第５図、第６
図のＥ点）この時、家父内のヘリウムガスは蓄冷機によ
って冷却される。

つぎに排出弁４２を開くと、室３７内の中間圧力のヘリ
ウムガスは、排出ライン４５の排出圧力まで膨張し、寒
冷を発生して熱交換器４７に寒冷を与える。

（第５図、第６図のＦ点）その後、室３ｆ１．３１内の
中間圧力のヘリウムガスは、圧縮後屈を押し下げる横様
的仕事を行いながら、膨張して寒冷を発生し、熱交換器
４０および回生装ｆｆ１４１に寒冷を与えながら排気圧
力まで圧力低下する。（第５図、第６図の０点）ついで
、ディスプレーサｎは、室ｌ側からのロッド列への抗力
の不均衡から室３１側に押し戻され、この時室３０内の
膨張彼のヘリウムガスで蓄冷打入が冷却される。（第５
図、第６図のＡ点）また、０リングあの気密性の劣化等
により室２７内の圧力が変動した当合には、圧力調整弁
５０により自動的１こ調整される。

したがって、第５図に示した第１段目の膨張過程はスタ
ーリングサイクルとなり、第６図に示した第２段目の膨
張過程は機械的仕事を伴う変形ツルベイサイクルとなる
。

したがって、本実施例によれば、第２段目の膨張機すな
わち圧縮機ｎの膨張過程で機械的仕事を行なわせて寒冷
を発生させ、冷凍サイクル内に冷却効率の高い等エント
ロピ膨張を含むと共に、その機械的仕事で第１段目の膨
張機すなわちディスプレーサｎ内のガスを圧縮し、その
際温端側を冷却して等温圧縮過程とすることができ、第
１段目のディスプレーサな移動させた後の膨張で、第１
段目は冷却効率の高い外部仕事を伴なった等温膨張を、
第２段目の圧ｍ機は通常のレモン膨張をそれぞれ行なわ
せることができる。また、ｊ１１段目のディスプレーサ
への直接的な冷媒の供給すなわちガスヘリウムを流入さ
せる必要がなく、第２段目の圧縮機に使用するガス流量
のみでｉ１段目のディスプレーサおよび第２段目の圧Ｉ
ａａで寒冷な発生させることができ、冷凍装置における
高圧ガスヘリウムの流量を少なくすることができる。更
にまた、第２段目の圧縮機（゛ま、それ自体ガス圧力差
で自由に移動できるので、第１段目のディスプレーサの
中心軸に対してｍ２Ｍ目の圧縮機の中心軸は自由な角度
を持たせることができる。

以上述べたように本発明蚤こよれば、第２段目の膨張機
における高圧冷媒の膨張過程で機械的仕事を行なわせな
がら寒冷を発生させ、その機械的仕事で第１段目の膨張
機のガスの圧縮に利用すると共に、第１段目の膨張機内
のディスプレーサな移動させることにより、第２段目の
膨張機の機械的仕事を第１段目の膨張機の寒冷に変換さ
せるようにしたものであるから、寒冷発生層を増大させ
ることができ、冷凍装置の冷凍効率を向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術によるツルベイサイクルの冷凍機の縦
断面図、第２図はツルベイサイクル冷凍機の圧カー容積
線図、第３図は従来技術によるスターリングサイクルの
冷凍機の縦断面図、第４図は本発明を実施した冷凍装置
の一例を示すＭ断面図、第５図および第６図は東４図に
示した冷凍装置の圧力−容積線図である。 １・・・・・・加圧装置、２Ｌ１１・・・・・・弁、３
・・・・・・冷凍装置、４，１５．２２・・・・・・デ
ィスプレーサ、５・・・・・・高温側入口、６・・・・
・・回生器、７・・・・・・第１膨張案、８・・・第２
膨張室、９・・・・・・オリフィス、１０・・・・・・
第３室、１２．２１１］・・・・・・駆動機、１３．Ｚ
３・・・・・・圧縮機、１４・・・・・・蓄冷器、１６
・・・・・・ケーシング、１７・・・・・・第１室、１
８・・・・・・フィン、１９・・・・・・膨張室、２１
・・・・・・ノーウジング、冴。 ３２・・・・・・蓄冷材、２５．２６．３３．３４．３
９・・・・・・流動口、２７、　３（＋、　　３１．　
３６．　３７・・・・・・室、あ・・・・・・　ロッド
、２９゜あ、３８・・・・・・０リング、４０．４７．
４８・・・・・・熱交換器、４１・・・・・・回生装置
、４２・・・・・・供給弁、４３・・・・・・排出弁、
４４・・・・・・冷媒供給ライン、４５・・・・・・冷
媒排出ライン、耗・・・・・・圧縮装置、４９・・・・
・・ばね、父・・・・・・圧力ｖ、５整弁代理人　弁理
士　　薄　１）利　幸、−２。 ”７’Ｌ　ｊン／ 才１図 才２図 容　　釉 才３ｍ 才４ｍ ７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高圧の冷媒を膨張させて寒冷を発生させる冷凍方法
   において、蓄冷機能を持つ移動可能なディスプレーサな
   内装したｊＩ　１室と、移動可能な圧縮機を内装し該圧
   縮機で前記第１室と仕切られた第２室内に一定量の高圧
   冷媒を供給し、前記圧縮機上の圧力が平衡するまで前記
   高圧冷媒によって第１室内に密閉された低圧冷媒圧力に
   抗して圧縮機を移動させ、第１室内と第２室内の圧力が
   同一圧力となった後前記ディスプレーサを移動させて第
   １室内の冷媒を冷却し、しかる後第２室を低圧に開放し
   て前記冷媒を膨張冷却し、更に前記ディスプレーサな移
   動させて該ディスプレーサな冷却することを特徴とする
   冷凍方法。 ２、前記第１室の温端側を冷却する特許請求の範囲第１
   項記載の冷凍方法。 ３　高圧の冷媒を膨張させて寒冷を先生させる冷凍装置
   において、密閉した第１室の温端側に冷却用熱交換器を
   設け、前記第１室内に蓄冷材を充填したディスプレーサ
   を移動可能に内装し、かつ、該ディスプレーサの駆動機
   構を設け、蓄冷材を充填した圧縮機を移動可能に内装し
   、核・圧縮機で前記第１室と仕切られた第２室を設け、
   前記第１室の低温側で第２室内に導通し、高圧冷媒供給
   ラインおよび低圧冷媒排出ラインに通ずる回生装置およ
   び熱交換器を設け、前記第２富に発生寒冷を取出す熱交
   換器を設けたことを特徴とする冷凍装置。