JPS60238651A - 冷凍機 - 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】 【発明の属する技術分野】

この発明は圧縮性気体を動作ガスとして用いる逆スター
リングサイクル冷凍機、特にその動作ガスのガス自動補
給機構の構成に関する。

【従来技術とその問題点】

ヘリウム、水素、窒素などの低温で液化しにくい圧縮性
気体を動作ガスとする冷凍サイクルとして逆スターリン
グサイクルが知られており、その冷凍機の構成を第４図
に示す。第４図において、１はその内部にクランク室１
ａを画成した冷凍機の本体ケース、２は図示されてない
モータで駆動されるクランク軸であり、該クランク軸上
にはコネクティングロッド３．４を介して圧縮ピストン
５および膨張ピストン６が連接されており、該ピストン
５．６はそれぞれ本体ケース１に連ねて一体に構成され
た、圧縮シリンダ７および膨張シリンダ８の中に挿入さ
れている。また膨張ピストン６には金網等で構成された
蓄冷器９が一体構成されており、その一端はピストン内
のガス通路１０を通して膨張シリンダ８のボート１１に
、他端は膨張シリンダ８のシリンダ室８０に開口してい
る。さらに前記ボート１１と圧縮シリンダ７のシリンダ
室７０に通しるボート１２との間を結んでパイプ１３が
外部配管してあり、かつその途中にはパイプ１３の外周
に多数の放熱フィンをろう付けしてなる放熱器１４が設
置されている。なお符号Ｏはクランク軸２の回転中心、
１５は各ピストンの外周に装備されたシール部材である
。また上記構成で圧縮ピストン５と膨張ピストン６とは
約９０度の位相差をもってピストン動作するようにクラ
ンク軸２に連結されている。 次に前記構成による逆スターリングサイクルの動作につ
いて、第４図の構成図、第５図に示した逆スターリング
冷凍サイクルのＰ−■線図、および第６図の動作工程図
を用いて説明する。なお第６図において、４１口はそれ
ぞれ圧縮ピストン。 膨張ピストンの移動軌跡で、線イと口との間に挟まれた
間隔が動作ガスの容積変化を表している。 逆スターリングサイクルは、周知のように理論的には２
つの等温行程と２つの等容行程とから成立っている。（
第５図参照）いま膨張ピストン６が往復動ストロークの
中央にあり、これより９０゛位相が遅れて圧縮ピストン
５が下死点から移動を始めると、圧縮シリンダ７内に封
入された動作ガスが圧縮される。このとき発生ずる圧縮
熱は放熱器１４で外部に放出されるので、ボート１１部
のガスは常温高圧のガスとなり、第５図における■−■
で示した等温圧縮が行われる。次に膨張ピストン６を下
降させながら圧縮ピストン５をさらに上死点方向へ動か
すと、動作ガスは膨張ピストン内の蓄冷器９へ熱を放熱
して膨張シリンダ８のシリンダ空間８０に入る、いわゆ
る容積が一定の等容放熱行程（第５図における■−■）
となる。次に膨張ピストン６をさらに下方に動かすとシ
リンダ室８０に入ったガスは、膨張シリンダの頂部に構
成されたコールドステーションを通じて図示されてない
被冷却体から熱を吸収しながら膨張する等温膨張行程（
第５図における■−■）となり冷凍を発生する。さらに
低温度の動作ガスは、膨張ピストン６を一ヒ死点へ圧縮
ピストン５を下死点に向けて動かずことにより、今度は
逆に蓄冷器９から吸熱して徐々に温度、圧力を上昇し、
放熱器１４を通って圧縮シリンダ７に戻る等容吸熱行程
（第５図における■−■）をたどって１サイクルを終わ
る。以上が逆スターリングサイクルによる冷凍サイクル
の動作説明である。 ところで、上記の冷凍機では、冷凍サイクルにおける動
作ガスの圧力はほぼ正弦波で変化するが、その基底圧力
および振幅は冷却温度の降下に伴って小さくなるという
現象がある。これは動作ガスメ品度の降下による圧力低
下に起因して生ずるものであるが、このように動作ガス
の圧力低下が生じると冷凍能力の低下を招くことになる
。この問題の解決手段として従来では、第４図に示すよ
うに圧縮シリンダ７と膨張シリンダ８との間を接続する
パイプ１３の途中にチェック弁としてのガス自動補給弁
１６を介して動作ガスを加圧封入したバッファータンク
１７を接続しておき、冷凍機の運転に伴い系内作業空間
の動作ガスの温度が低下して前述のようにその基底圧力
が成る一定圧力以下に低下した場合には、バッフブータ
ンク１７内の封入ガス圧との差圧でガス自動補給弁１６
を開いてバッファータンク１７からガス通路へ自動的に
動作ガスを補給し、冷凍サイクルの行われる機内作業空
間での動作ガスの圧力の所定圧維持を図るようにするこ
とが実施されている。この場合に各部品の接続部にはＯ
リング等のシール部材を用いて大気側との間で気密シー
ルを行っているが、従来の構造ではガス自動補給弁、バ
ッファータンクが外部配管のためシール個所が多く必要
で、長期使用の間には各所のシール部材を通じてのガス
漏れから冷凍機内に封入されている動作ガスの圧力低下
が避けられず、充分に安定した冷凍能力の維持が図れな
い難点があった。またこれらガス自動補給弁およびバッ
ファータンクが冷凍機本体の外部に接続構成されている
ので、構成上での配管が複雑となるのみならず、全体と
して冷凍機がとかく大形となり、このことが冷凍機のコ
ンパクト化をすすめる上での障害となっている。

【発明の目的】

この発明は、前記従来技術における問題点を解決し、動
作ガスの外部漏れなしにガス圧低下時に動作ガスの自動
補給が行えて長期にわたって安定よく冷凍能力の維持が
図れ、しかも外部配管を必要とせずにコンパクトに構成
できる逆スターリングサイクル冷凍機を提供することを
目的とする。

【発明の要点】

上記目的を達成するためにこの発明は、従来ではガス自
動補給弁、バッファータンク等が外部取付形になってい
るのに対し、圧縮シリンダと膨張シリンダとの間を本体
ケースに穿孔したガス通路を介して連通ずるとともに、
本体ケース内部のクランク室を動作ガスのバッファー室
として、該クランク室と冷凍サイクルの行わ五る機内作
業空間との間にまたがり、冷凍機本体の内部に機内作業
空間とクランク室内との間のガス圧差で開閉動作するガ
ス自動補給弁を内蔵設置し、ガス自動補給を冷凍機本体
の内部で行うように構成したものである。

【発明の実施例】

次にこの発明の実施例を図について説明する。 第１図、第２図、および第３図はそれぞれこの発明の異
なる実施例を示すものであり、各図において、まず冷凍
機の本体ケース１．のクランク室１ａを密閉構造となし
、該室をバッファー室としてここに例えばヘリウムの動
作ガスが加圧封入されている。また圧縮シリンダ７と膨
張シリンダ８との間は本体ケース１のケース壁に穿孔し
たがガス通路１８を介して相互に連通され、かつ放熱部
は符号２０で示すように圧縮シリンダ７のシリンダ胴の
内周壁面に放熱ガス路となる溝を設け、この内周側にシ
リンダブツシュ２１を挿入して形成されている。 かかる冷凍機本体ケース１に対して、前記ガス通路１８
とクランク室１ａとの間に跨がり、ガス自動補給弁２２
が本体ケース１のケース壁に穿孔された弁装着火の中に
装着されている。このガス自動補給弁２２は、弁押さえ
２３．弁座２４．ポペット２５．押圧ばね２６等からな
るチェック弁として構成されており、その一方のポート
ａがクランク室１ａに向けて開口し、他方のボートｂ、
ｃがガス通路１８に開口し、ている。そしてＯリング等
のシール２７．２８を介して外部漏れを防ぎ、かつ弁押
さえ２３がボルト２９て本体ケースｌへ外方側から固定
されている。 上記構成において、ガス自動補給弁２２の動作は先に第
４図で述べたガス自動補給弁１６と同様であり、冷凍機
の運転経過によって動作ガスの基底圧力が低下すると、
クランク室１ａの封入ガス圧との差圧により、押圧ばね
２６に抗してポペット２５が弁座２４から離れ、ガス圧
低下を補償するようにクランク室１ａからガス通路１日
内へ動作ガスが補給される。しかもガス自動補給弁２２
は冷凍機本体ケース１に内蔵設置されており、外部漏れ
に対しては１個のシール２７で対処できる。これにより
外部漏れを従来と田べてす幅に終演で缶、＆　糺１−１
、Ｌ：”−択部配管がないので冷凍機全体としてコンパ
クトな構成になる。 第２図の実施例は、先の実施例における弁押さえ２３を
省略し、ガス自動補給弁２２を本体ケース１の内側に組
立構成したものである。すなわちガス通路１８に連なる
ようにクランク室１８側から弁装着火３０が穿孔されて
おり、この穴の中に弁座２４．ポペット２５．押さえば
ね２６が挿入され、かつ弁座２４はその外周にシール２
８を介挿した上で止め輪２９等の固定手段で本体ケース
に固定されている。この実施例によれば、弁装着火が本
体ケースの外部に開口していないので、動作ガスの外部
漏れを皆無となし得る。 次に第３図にさらに別な実施例を示す。この実施例では
、圧縮シリンダのシリンダ室７０とクランク室１ａとの
間に跨がり、ガス自動補給弁２２がピズトン５に装着さ
れている。すなわちピストン５の中心を軸方向に貫通し
て穿孔された弁装着火３ｏの中に弁座２４．ポペット２
５．押さえばね２６およびソール２８等が配備され、間
隔片３１および中央に穴をｉＦｌりたばね押さえ用キャ
ップ３２を介して皿ネジ３３て固定されている。この実
施例では、弁装著大３０がピストン５の中心部に穿孔さ
れており、したがって他の実施例と比べて弁装著大の機
械加工が容易に行える利点があるし、また本体ケース外
部への開口がないので、動作ガスの外部漏れは皆無であ
る。なおこの実施例では、ボペ・ノド２５はピストン５
の往復運動に伴って加速度を受けるが、ポペット２５の
質量は極めて小さく押さえばね２６のばね力に対して殆
ど無視し得る程度であって、実用的にはガス自動補給弁
の動作特性に影響を及ぼすことはない。

【発明の効果】

」二記のようにこの発明によれば、圧縮シリンダと膨張
シリンダとの間を本体ケースに穿孔したガス通路を介し
て連通ずるとともに、本体ケース内部のクランク室を動
作ガスのバッファー室として、該クランク室と冷凍サイ
クルの行われる機内作業空間との間にまたがり、冷凍機
本体の内部に機内作業空間とクランク室内との間のガス
圧差で開閉動作するガス自動補給弁を内蔵設置し、動作
ガスの圧力低下時にクランク室側から自動的に動作ガス
を補給するように構成したことにより、系内動作ガスの
外部漏れが少なく長期に亙って安定した冷凍能力が維持
でき、しかも外部配管が不要で全体としてコンパクトな
構成となる逆スターリングサイクル冷凍機を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図はそれぞれこの発明の異な
る実施例の構成断面図、第４図は従来における逆スター
リングサイクル冷凍機の略示構成図、第５図、第６図は
それぞれ逆スターリングサイクルの冷凍サイクルを表し
た圧力−比容積線図および冷凍サイクルの動作工程原理
図である。 １０９０本体ケース、Ｉａ、、、クランク室、５１．。 圧縮ピストン、６９０．膨張ピストン、７９０．圧縮シ
リンダ、７０．、、　シリンダ室、８．１．膨張シリン
ダ、　１Ｂ、、、ガス通路、２２．、、ガス自動補給弁
、２４、、、弁座、２５．　、　、ポペット、２６．、
、押さえばね、２７．２Ｂ、、、シール。 第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）冷凍機本体が放熱部、蓄冷器を介して互いに連通し
   合う圧縮シリンダと膨張シリンダを有し、圧縮性気体を
   動作カスとしてピストンの往復動により圧縮シリンダと
   膨張シリンダとの間で逆スターリングサイクルを行う冷
   凍機において、圧縮シリンダと膨張シリンダとの間を本
   体ケースに穿孔したガス通路を介し”Ｃ連通するととも
   に、本体ケース内部のクランク室を動作ガスのバッファ
   ー室として、該クランク室と冷凍サイクルの行われる８
   ■内作業空間との間に跨がり、冷凍機本体の内部に機内
   作業空間とクランク室内との間のガス圧差で開閉動作す
   るガス自動補給弁を内蔵設置したことを特徴とする冷凍
   機。 ２、特許請求の範囲第１項記載の冷凍機において、ガス
   自動補給弁は本体ケースに穿孔されたガス通路とクラン
   ク室との間に跨って本体ケースに穿孔された弁装著大の
   中に設置されていることを特徴とする冷凍機。 ３）特許請求の範囲第１項記載の冷凍機において、ガス
   自動補給弁は圧縮シリンダのシリンダ室とクランク室と
   の間に跨がって圧縮ピストンに穿孔さた弁装著大の中に
   設置されていることを特徴とする冷凍機。