JPS6033457A - 冷凍装置 - 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】 〔発明の対象〕 本発明は、圧縮室、熱交換器、蓄冷器、そして（１） 膨張室より成る主冷凍機（例えば、スターリングサイク
ル冷凍機、ギホードマクマホンサイクル冷凍機、ギホー
ドサイクル冷凍機、ツルベイサイクル冷凍機、そしてブ
ルミャーサイクル冷凍機等と、圧縮室、熱交換器、蓄冷
器、そして膨張室より成る予冷冷凍機（例えば、スター
リングサイクル冷凍機、ギホードサイクル冷凍機、ソル
ベイサイク冷凍機、そしてブルミャーサイクル冷凍機等
）とを組合わせ、略６に以下の温度の冷凍を発生せしめ
る冷凍システムに関するものである。

〔本発明の利用分野〕

上記冷凍システムは、ジョセフソン素子、スキッド素子
を常時極低温の状態に維持する冷却システムあるいは、
液体ヘリウムで冷却された超電導磁石を収納しているク
ライオスタットに取り付け、クライオスタットに侵入す
る熱によって蒸発するヘリウム蒸気を再び液化し、クラ
イオスタット内のヘリウム蒸気を再び液化せしめ、クラ
イオスタット内の液体ヘリウムの量を常に一定に保持せ
しめる冷却システム等に利用される。

（２） 〔従来技術〕 従来の冷凍システムとしては、実公昭４３−１７０２６
号の多段式冷却機関に記載された冷凍システムがある。

これを第１図に°ζ説明すれば、次の通りである。即ち
、クランクゲース２には１１０ｋｇ／２．　５ｃｕｔ程
度の高圧ヘリウムが封入してあり、該クランクケース２
内にはモータ４で駆動されるクランクシャフト３が、設
置され、該クランクシャフト３には４個所のクランク部
があって、各部には夫々連杆を介してピストン５，６，
７．及び８を設け、各ピストン５，６，７．及び８は前
記クランクシャフト３に対して直角に並設した適宜のシ
リンダーへ往復自在に嵌合しである。ピストン５と、こ
れに組み合わされたシリンダーは二段構えにした冷却機
構のうちの第一段冷却機関（予冷冷凍機）の圧縮室９を
形成し、絶縁性の延長部１０を有するピストン６と、こ
れに組み合わされたシリンダーは、前記第二段構えの機
構のうち第一段の冷却機関（予冷冷凍機）の膨張室１１
を形成してい（３） る。そして、このピストン５と６との運動位相関係は、
スターリングサイクル方式特有のものであって、ピスト
ン６がピストン５より９０度位相が進むようにせしめで
ある。

ピストン５と６が交互に行動すると、冷媒は第一の圧縮
室９から第一の膨張室１１へ充たされるが、該冷媒は第
一の熱交換器１２乃至蓄冷器１３を通り、第一の冷却ヘ
ッド１５の内側へ接しながら第一の導通路１４を経て、
前記第一の膨張室１１に達する。この冷却ヘッドは、熱
の良導体で以て構成されている。このような第一段の冷
却機関（予冷冷凍機）に接続される第２段の冷却機関（
主冷凍ｍ＞は、熱絶縁性の延長部１６．１７を有するピ
ストン７及びピストン８から成り、各ピストンの運動位
相は、ピストン８がピストン７より９０度位相が進むよ
うにせしめである。ピストン７乃至はこれに附設した絶
縁性の延長部１６を嵌め込まれたシリンダー、第二の圧
縮室１８を形成し、ピストン８とこれに接続した延長部
１７が嵌まったシリンダーは第二の膨張室１９を形成す
る（４） 冷媒は、第二の圧縮室１８乃至第二の熱交換器２０、蓄
冷器２１及び第二の導通路２２を経て第二の膨張室１９
の間を交互に作動する。そして、該第二の導通路２２は
、冷却ヘッド２３の一部に形成されて居り、該ヘッド部
において、所望の冷凍能力を得ることができる。

叙上のような第１図の構造において注意すべき点は、熱
交換器２０の部分であり、これは前記第一の冷却へラド
１５の一部へ熱的関係において、特に近密なる状態で設
置せられ、該熱交換器の前の圧縮室１８内で冷媒が圧縮
され、その圧縮によって発生する熱は、該熱交換器２０
の材質を通して第一の冷却ヘッド１５へ移行し、この圧
縮熱は該冷却ヘッド１５によってその温度まで低下せし
めるようにしている点である。

〔従来技術の問題点及びその技術的分析〕このような２
段カスケードの冷却機では、略３０にの温度の冷凍を発
生し得るが、略６に以下の温度の冷凍を発！Ｌすること
は出来ないという欠点（５） がある。

かかる不具合を技術的に分析すると次の通りである。即
ち、第１段の冷却機関（予冷冷凍機）は、常温で運転さ
れ（熱交換器１２内の冷媒の温度が常温、略３３０にで
ある。）しかも１膨張力式（膨張室が１個）であるので
、蓄冷器１３の高温部と低温部の温度差が大きくなり、
蓄冷器１３の非効率による熱損失も増大し、膨張室１１
では、略９０にの温度の冷凍を発生し、この冷凍によっ
て、第２段の冷却機関の熱交換器２０内の冷媒は冷却さ
れ、熱交換器２０内の冷媒の温度は、略９０にとなり、
第２段の冷却機関も、１段膨張方式であるので、略６に
以下の温度の冷凍を膨張室１９で得ようとすると、蓄冷
器２１の高温側と低温側の温度差が略８４に以上の温度
となって、蓄冷器２１の非効率による熱損失が増大し、
膨張室１９では、略３０にの温度の冷凍しか発生しなく
なる。

又、６に以下の温度の冷凍を膨張室で効率良く得るには
、理論的にも実験的にも冷媒の最大圧力（６） を冷媒の臨界圧力（ヘリウムの場合２．３　ａｔｍ）以
下か、もしくは、冷媒の最大圧力と最小圧力の間に冷媒
の臨界圧力が存在するように最大圧力と最小圧力を設定
しなければならないが、クランクケース２内の冷媒の圧
力は、略４４ｋｇ／ｃＪであるので、第２段の冷却機関
の冷媒の平均圧力も略４４ｋｇ／ｃａとなり、６に以下
の温度の冷凍を効率良く得ることは出来ない。

上述した６１（以下の冷凍を効率良く得る冷媒の圧力に
ついて、第２図のＴ−８線図（温度−エントロピー線図
）で、例えば冷媒としてヘリウムを使用した場合につい
て説明する。

ａｌ、ａ２．；１３．ａ４で示されるサイクルは、最低
圧力４ａｔｍ（最大圧力が臨界圧力以上の場合）、最高
圧力１２ａｔｍ、圧縮比３、等温膨張行程４．２にの場
合で、第２段の冷却機に加えられる仕事量は、面積ａｌ
、ａ２．ａ３．ａ４に相当し、膨張室１９で発生する冷
凍量は面積ａ２．ａ２’、ａ３°　ａ３に相当する。

ｂｌ、ｂ２．ｂ３．ｂ４で示されるサイクルは（７） 、最低圧力１ａｔｍ（最高圧力と最低圧力の間に臨界圧
力が存在する場合）、最高圧３　ａｔｍ、圧縮比３、等
温圧縮行程１０Ｋ、等温膨張行程４．２の場合で、第２
段の冷却機に加えられる仕事量は、面積ｂｌ、ｂ２．ｂ
３．ｂ４に相当し、膨張室１９で発生する冷凍量は面積
ｂ２．ｂ２°、ｂ３”、ｂ３に相当し、この一部は蓄冷
器２１で使用される。即ち、冷媒が蓄冷器２１を通って
膨張室１９に流入する時（Ｔ−３線図上のｂ１→ｂ２）
の放出する熱量Ｑ１２　（ｂｌ、ｂ２．ｂ２’　、ｂｌ
の面積に相当する）は、膨張室１９から蓄冷器２１に流
出する時（Ｔ−３線図上のｂ３→ｂ４）の吸収する熱量
Ｑ３４　（ｂ４．ｂ３．ｂ３”、ｂ４゛の面積に相当す
る）より太き（なっているので、この差分（面積ｂ１．
ｂ２．ｂ２°、ｂ１と面積ｂ４．ｂ３．ｂ３°、ｂ４゛
の差分に相当する）の熱量は、１サイクル毎に膨張室１
９に流れ込むため、膨張室１９で実質的に使用出来る冷
凍量は、面積ｂ２．ｂ２’　、ｂ３’　、ｂ３に面積ｂ
１゜ｂ２．ｂ２′、ｂｌを加えた面積から面積ｂ４゜（
８） ｂ３．ｂ３″、ｌ）４°を引いた値に相当する。

第２段の冷却機の効率は、膨張室１９で使用出来る冷凍
量を第２段の冷却機に加えた仕事量で割った値で示すこ
とが出来る。ａｌ、ａ２．ａ３゜ａ４のサイクルとｂｌ
、ｂ２．ｂ３．ｂ４のサイクルを比較すると、・、 ａｌ、ａ２．ａ３．ａ４のサイクルの効率ｂ１．ｂ２．
ｂ３．．ｂ４のサイクルの効率＃０．２４ となり、ｂｌ、ｂ２．ｂ３．ｂ４のサイクルの方がａｌ
、ａ２．ａ３．ａ４のサイクルより、約２倍効率が上ま
わる。即ち、冷媒の最高圧力と最低圧力の間に臨界圧力
が存在するようにせしめたサイクルｂｌ、ｂ２．ｂ３．
ｂ４の方が、冷媒の最低圧力を臨界圧力より高くせしめ
たサイクルａ１、ａ２．ａ３．ａ４より効率が良い。

（９） 同様の理由により、冷媒の最高圧力が臨界圧力以下にせ
しめた方が、冷媒の最低圧力を臨界圧力より高くせしめ
たサイクルより効率が良い（説明省絡）。

〔技術的課題〕

本発明は、予冷冷凍機を主冷凍機とをカスケードに組合
せ、略６に以下の温度の冷凍を効率良く得ることを技術
的課題とする。

〔技術的手段〕

上記技術的課題を解決するため講じた技術的手段は、圧
縮室１０１（２０１）、熱交換器１０２（２０２）、蓄
冷器１０３　（２０３，２ｏ５＞、膨張室１０４　（２
０４，２０６）より基本的に構成された主冷凍機１００
（２００）と、圧縮室１５１（２５１）、熱交換器１５
２（２５２）、蓄冷器１５３．１５５　（２５３）　、
膨張室１５４．１５６　（２５４）より基本的に構成さ
れた予冷冷凍機１５０（２５０）において、前記主冷凍
機１００の膨張段数を１段以上、前記予冷冷凍ｔａ１５
０の膨張段数を２段以上にせしめるか、もしく（１０） は、前記主冷凍機２００の膨張段数を２段以上、前記予
冷冷凍機２５０の膨張段数を１段以上にせしめ、前記主
冷凍機１００（２００）の冷媒の最大圧力を冷媒の臨界
圧力以下、もしくは冷媒の最高圧力と最低圧力の間に冷
媒の高い圧力が存在するようにし、前記予冷冷凍機１５
０（２５０）の冷媒の最低圧力を冷媒の臨界圧力以上に
せしめ、前記主冷凍機１００（２００）の冷媒を圧縮す
る時に発生した熱を前記予冷冷凍機１５０（２５０）で
発生した冷凍で冷却することである。

〔技術的手段の作用〕

上記技術的手段は、次のように作用する。

主冷凍機の膨張段数が１段以上、予冷冷凍機の膨張段数
が２段以−トの場合（第３図の実施例）について説明す
ると、主冷凍機１００の圧縮室１０１で圧縮ピストン１
１０によって圧縮され昇温した冷媒は、熱交換器１０２
に流入する。熱交換器１０２に流入した冷媒の熱は伝熱
板１２１を伝わって予冷冷凍機１５０の膨張室１５Ｇで
発生した冷凍によって吸収される。予冷冷凍機１５０の
膨張段数は２段であるので、膨張室１５６で発生する冷
凍の温度は略２ＯＫとなり、主冷凍機１００の熱交換器
１０２から蓄冷器１０３に流出する冷媒の温度も略２Ｏ
Ｋとなる。その結果、蓄冷器１０３の高温側と低温側の
温度差（略１４ｋ）が小さくなり、蓄冷器１０３の非効
率による熱損失が減少し膨張室１０４で略６に以下の温
度の冷凍を発生することが出来る。

主冷凍機の膨張段数が２段以上、予冷冷凍機の膨張室段
数が１段以上（第４図の実施例）について説明すると、
主冷凍機２００の圧縮室２０．１で圧縮ピストン２１０
によって圧縮され昇温した冷媒は、熱交換器２０２に流
入する。熱交換器２゜２に流入した冷媒の熱は、伝熱板
２２１を伝わって予冷冷凍機２５０の膨張室２５４で発
生した略７ＯＫの温度の冷凍によって冷却され、熱交換
器２０２から蓄冷器２０３に流入する。主冷凍機２００
の膨張段数は、２段であるので、膨張室２゜４では、略
２ＯＫの温度の冷凍を発生している。

その結果、蓄冷器２０５の高温側と低温側の温度差（略
１４Ｋ）が小さくなり、膨張室２０６で略６に以下の冷
凍を発生ずることが出来る。

主冷凍機１００（’２００）と予冷冷凍機１５０（２５
０）とは、伝熱板１２１　（２２１）を介し熱的に接触
しているだけで、主冷凍機１００（２００）と予冷冷凍
機１５０（２５０）の冷媒の圧力は各各の独立に設定出
来る。すなわち、主冷凍機１００（２００）には膨張室
１０４（２０６）で略６に以下の温度の冷凍を効率良く
発生する低い圧力（即ち、冷媒の最高圧力を冷媒の臨界
圧力以下、もしくは、最高圧力と最低圧力の間に冷媒の
臨界圧力が存在するように冷媒の圧力を設定する。）の
冷媒を主冷凍機１００（２００）に封入することが出来
、一方、予冷冷凍機１５０（２５０）の膨張室１５４，
１５６　（２５４）で冷媒が発生する冷凍の温度は、６
により十分高い温度（例えば、略２０Ｋ、あるいは略７
０Ｋ）であるので、冷媒は比較的理想気体に近づくとい
う理由により、冷媒の最低圧力を冷媒の臨界圧力以上に
せしめ、膨張室１５４，１５６　（２５４）に流出入（
１３） する冷媒量を増大させ、膨張室１５４，１５６　（２５
４）で効率良く冷凍を発生させることが出来る。

〔本発明によって生じた特有の効果〕

本発明は、次の特有の効果を生じる。すなわち主冷凍機
１００（２００）と予冷冷凍機１５０（２５０）は、各
々少なくとも１台以上あれば良いので冷凍システムの構
成が簡単になり、その結果、冷凍システムの信頼性が著
しく向上する上、また重量も軽減でき、冷凍機の占有体
積も減少する主冷凍機１００（２００）の冷媒の最高圧
力をれ臨界圧力以下、もしくは、最高圧力と最低圧力の
間に冷媒の臨界圧力が存在するようにせしめであるので
、冷媒の圧力は低（、圧縮室１０１（２０１）、膨張室
１０４（２０４）の冷媒の気密を保持しているピストン
リング１０７，１０８　（２０７，２０８）に作用する
面圧が減少し、ピストンリング１０７，１０８　（２０
７，２０８）の摩耗量も減少する。その結果、主冷凍機
１００（２（１４） ００）の寿命が増大する。

主冷凍機１００（２００）の冷媒が圧縮される時に発生
ずる熱は、比較的高い圧力（冷媒の最小圧力が冷媒の臨
界圧力以上）が充填されている予冷冷凍機１５０（２５
０）の膨張室１５６（２５４）内で効率良く発生されて
いる冷凍によって冷却されるので、主冷凍機１００（２
００）の膨張室１０４　（２０４，２０６）の冷凍量が
小さくても、短時間で膨張室１０４　（２０４，２０６
）の冷媒の温度は、定常状態に達する。

〔実施例〕

前記技術手段の一旦体例を示す実施例について第３図及
び第４図を用いて説明する。

第３図は、主冷凍機１００の膨張段数が１段で、予冷冷
凍機１５０の膨張段数が２段の実施例である。すなわち
圧縮シリンダー１０９、圧縮ピストン１１０、ピストン
リング１０７から形成された圧縮室１０１は、順次、熱
交換器１０２、蓄冷器１０３の一端に連通しており、蓄
冷器１０３の他端は、膨張シリンダー１１１、膨張ピス
トン１１２、ピストンリング１０８から形成された膨張
室１０４に連通せしめてあり、圧縮ピストン１１０と膨
張ピストン１１２は、それぞれロッド１１３．１１４に
固着しており、ロッド１１３，１１４は図示していない
駆動機構（例えば、クランク機構に接続され、膨張ピス
トン１１２の動きが、圧縮ピストン１１０の動きより略
９０度位相が進むようにせしめ、圧縮シリンダー１０９
、膨張シリンダー１１１は、図示していない駆動機構の
ケースに固着しである。この様にして主冷凍ｖ！１１０
０が構成されている。

圧縮シリンダー１５７、圧縮ピストン１５８゜ピストン
リング１５９から形成された圧縮室１５１は、順次、熱
交換器１５２、蓄冷器１５３の一端に連通しており、蓄
冷器１５３の他端は、膨張シリンダー１６０、膨張ピス
トン１６１、ピストンリング１６２，１６３から形成さ
れた膨張室１５４に連通せしめてあり、膨張室１５４は
、蓄冷器１５５の一端に連通され、蓄冷器１５５の他端
は、膨張シリンダー１６０、膨張ピストン１６１、ピス
トンリング１６３から形成される膨張室１５６に連通ゼ
しめてあり、圧縮ピストン１５８、膨張ピストン１６１
には、それぞれロッド１６４．１６５が固着され、図示
していない駆動機構（例えばクランク機構等）に接続せ
しめてあり、膨張ピストン１６１の動きの方が圧縮ピス
トン１５８の動きより略９０度位相が進むようにしてあ
り、圧縮シリンダー１５７、膨張シリンダー１６０は、
図示していない駆動機構のケースに固着せしめである。

この様にして予冷冷凍機１５０が構成されている。

予冷冷凍機１５０の膨張室１５６と主冷凍機１１０の熱
交換器１０２とは、伝熱板１２１を介し熱的に導通する
ようにせしめてあり、同様に膨張室１５６と膨張シリン
ダー１１１の中央下部も伝熱板１２１を介し熱的に導通
され、伝熱板１２１の下面には、ふく射シールドケース
１２２が固着せしめである。予冷冷凍機１５０の膨張室
１５４と主冷凍機１００の圧縮シリンダー１０９の中央
部と膨張シリンダー１１１の中央上部は、伝熱板（１７
） １２３を介し熱的に導通せしめ、伝熱板１２３の下面に
は、ふく射シールドケース１２４が固着しである。熱交
換器１５２の下部、圧縮シリンダー１６０の中央部、圧
縮シリンダー１０９の上部、膨張シリンダー１１１の上
部には、真空プレート１２５が気密に固着され、真空プ
レート１２５の下面には真空ケース１２６が固着せしめ
てあり、０リング１２７で真空空間１２８が真空を保持
出来るようにせしめである。

このため、圧縮室１０１で圧縮ピストン１１０によって
圧縮され昇温した冷媒は熱交換器１０２に流入する。熱
交換器１０２に流入した冷媒の熱交換器は、伝熱板１２
１を伝わって予冷冷凍機１５０の膨張室１５６で発生し
た略２ＯＫの温度の冷凍によって冷却される。その結果
、熱交換器１０２内の冷媒は、略２０Ｋになって熱交換
器１０２から蓄冷器１０３に流入し、蓄冷器１０３内に
の蓄冷材によって、さらに冷却され、膨張室１０４に流
入する。膨張室１０４で膨張し終った冷媒は膨張ピスト
ン１１２の上方向への移動によって（１８） 膨張され、略６に以下の温度の冷凍を発生する。

膨張ピストン１１２の下方向への移動によって膨張室１
０４内の冷媒は、蓄冷器１０３に流入し、そこで蓄冷材
によって温められ、熱交換器１０２を通って圧縮室１０
１に流入し、−行程を終了する。

次に、予冷冷凍機１５０について説明する。圧４１ｆｔ
１５１で圧縮ピストン１５８によって圧縮され昇温した
冷媒は、熱交換器１５２に流入すると、冷却水等の寒剤
で冷却され、略３００にとなって蓄冷器１５３に流入し
、そこで蓄冷材によってさらに冷却され、低い温度とな
って膨張室１５４に流入する。膨張室１５４に流入した
冷媒のうち一部は、蓄冷器＋５５に流入して、そこで蓄
冷材１５５よって冷ｊ；ｎされ、さらに低い温度となっ
て、膨張室１５６に流入する。膨張室１５４，１５６に
流入した冷媒は、膨張ピストン１６１の上方向への移動
によって膨張し、膨張室１５４，１５６でそれぞれ略７
０に、略２０にの冷凍を発生する。膨張室１５４，１５
６で膨張し終った冷媒は、膨張ピストン１６１の下方向
への移動によって、膨張室１５４内の冷媒は、蓄冷器１
５３に流入し、膨張室１５６の冷媒は、蓄冷器１５５に
流入し、そこで蓄冷材によって温められ、膨張室１５４
を通って蓄冷器１５３に流入する。蓄冷器１５３に流入
した冷媒は、そこで蓄冷材によって温められ、熱交換器
１５２を通って圧縮室１５１に流入し、−行程を完了す
る。

圧縮シリンダー１０９、膨張シリンダー１１１の常温部
より侵入す熱は、伝熱板１２３を伝わって予冷冷凍機１
５０の膨張室１５４内で発生している冷凍によって吸収
される。又、真空プレート１２５、真空ケース１２６よ
り、伝熱板１２３、ふく射シールドケース１２２に侵入
するふく射熱も伝熱板１２３を伝わって予冷冷凍機１５
０の膨張室１５４で発生した冷凍によって吸収される。

膨張シリンダー１１１の略７０にの温度の部分より侵入
する熱は、伝熱板１２１を伝わって予冷冷凍機１５６内
で発生している冷凍によって吸収される。又、ふく射シ
ールドケース１２４、伝熱板１２３より伝ｉ＋１ｉ２１
、ふく射シールドケース１２２に侵入するふく射熱も、
伝熱板１２１を伝わって予冷冷凍機１５０の膨張室１５
６で発生している冷凍によって吸収される。

第４図は、主冷凍機２００の膨張段数が２段で、予冷冷
凍ｔＪｌ１２５０の膨張段数が１段の実施例である。圧
縮シリンダー２０９、圧縮ピストン２１０、ピストン２
０７から形成された圧縮空間２０１は、順次、熱交換器
２０２、蓄冷器２０３の一端に連通しており、蓄冷器２
０３の他端は、膨張シリンダー２１１、膨張ピストン２
１２、ピストンリング２０８，２１３から形成される膨
張室２０４と蓄冷器２０５の一端に連通せしめてあり、
蓄冷器２０５の他端は、膨張シリンダー２１１、膨張ピ
ストン２１２、ピストンリング２１３より形成される膨
張室２０６に連通しており、圧縮ピストン２１０、膨張
ピストン２１２は、それぞれロッド２１３，２１４が固
着せしめてあり、ロッド２１３，２１４は、図示してい
ない駆動機構（例えばクランク機構等）に接続してあり
、膨張ピ（２１） ストン２１２の動きの方が圧縮ピストン２１０の動きよ
り略９０度位相が進むようにせしめ、圧縮シリンダー２
０９．膨張シリンダー２１１は、図示していない駆動機
構のケースに固着している。

この様にして、主冷凍機２００が構成されている圧縮シ
リンダー２５５、圧縮ピストン２５６、ピストンリング
２５７から形成される圧縮室２５１は、順次、熱交換器
２５２、蓄冷器２５３の一端に連通しており、蓄冷器２
５３の他端は、膨張シリンダー２５８、膨張ピストン２
５９、ピストンリング２６０から形成される膨張ピスト
ン２５４に連通せしめてあり、圧縮ピストン２５６　、
膨張ピストン２５９には、それぞれロッド２６１．２６
２が固着してあり、ロッド２６１，２６２は、図示して
いない駆動機構（例えば、クランク機構等）に接続され
、膨張ピストン２５９の動きが圧縮ピストン２５６の動
きより略９０度位相が進むようにせしめ、圧縮シリンダ
ー２５５、膨張シリンダー２５８は、図示していない駆
動機構の（２２） ケースに固着している。このようにして予冷冷凍機２５
０が構成されている。

予冷冷凍ｌ１１２５０の膨張室２５４と主冷凍機２００
の熱交換器２０２とは、伝熱板２２１を介し、熱的に導
通ずるようにせしめてあり、同様に膨、張室２５４と膨
張シリンダー２１１の中央部は、伝熱板２１２を介し熱
的に導通している。伝熱板２１の下面には、ふく射シー
ルドケース２２２が固着せしめである。膨張シリンダー
２１１の膨張室２０４の近傍部には、ふく射シールド板
２２３が固着せしめてあり、ふく射シールド板２２３の
下面には、ふく射シールドケース２２４が固着せしめで
ある。熱交換器２５２の下部、膨張シリンダー２５８の
中央部、圧縮シリンダー２０９の中央部、膨張シリンダ
ー２１１の上方部には、真空プレート２２５が気密に固
着せしめてあり、真空プレート２２５の下面には、真空
ケース２２６が固着しており、Ｏリング２２７で真空空
間２２８が真空を保持出来るようにせしめである。

このため、圧縮室２０１で圧縮ピストン２１０によって
圧縮され昇温した冷媒は、熱交換器２０２に流入する。

熱交換器２０２に流入した冷媒の熱は、伝熱板２２１を
伝わって予冷冷凍機２５０の膨張室２５４で発生した略
７ＯＫの温度の冷媒によって冷却される。その結果、熱
交換器２０２ないの冷媒は、略７ＯＫとなって熱交換器
２０２から蓄冷器２０３に流入すると、そこで蓄冷材に
よってさらに冷却され、低い温度になって膨張室２０４
と蓄冷器２０５に流入する。蓄冷器２０５に流入した冷
媒は、そこで蓄冷材によってさらに低い温度に冷却され
、膨張室２０６に流入する。

膨張室２０４，２０６に流入した冷媒は、膨張ピストン
２１２の上方向への移動によって、膨張され、各々略２
ＯＫに、略６に以下の温度の冷凍を発生する。膨張室２
０４，２０６で膨張し終った冷媒は、膨張ピストン２１
２の下方向への移動によって、膨張室２０４の冷媒は蓄
冷器２０３に流入し、膨張室２０６の冷媒は蓄冷器２０
５に流入し、そこで蓄冷材によって温められ、蓄冷器２
０３に流入する。蓄冷器２０３に流入した冷媒は、蓄冷
材によって温められ、熱交換器２０２を通って圧縮室２
０１に流入し、−行程を完了する。

次に、予冷冷凍機２５０について説明する。圧縮室２５
１で圧縮ピストン２５６によって圧縮され昇温した冷媒
は、熱交換器２５２に流入すると、冷却水等の寒剤で冷
却され略３００にとなって蓄冷器２５３に流入し、そこ
で蓄冷材によってさらに低い温度に冷却され、膨張室２
５４に流入すると、膨張ビス１ン２５９の上方向への移
動によって、膨張室２５４内の冷媒は膨張され、略７０
にの温度の冷凍を発生する。膨張室２５４内で膨張し終
った冷媒は、膨張ピストン２５９の下方向への移動によ
って、蓄冷器２５３に流入し、こで蓄冷材によって温め
られ、熱交換器２５２を通って圧縮室２５１に流入し、
−行程を完了する。

膨張シリンダー２１１の常温部より侵入する熱は、伝熱
板２２１を伝わって予冷冷凍機２５０の膨張室２５４内
で発生している冷凍によって吸収される。又、真空プレ
ート２２５、真空ケース２２６より、伝熱板２２１とふ
く射シールドケース（２５） ２２２に侵入するふく射熱は、伝熱板を伝わって予冷冷
凍機２５０の膨張室２５４で発生した冷凍によって吸収
される。伝熱板２２１、ふく射シールドケース２２２よ
り、ふく射シールド板２２３、ふく射シールドケース２
２４に侵入するふく射熱は、ふく射シールド板２２３を
伝わって、主冷凍機２００の膨張室２０４で発生した冷
凍によって吸収される。

尚、第３図と第４図の実施例は、主冷凍機１゜０（２０
０）、予冷冷凍機１５０（２５０）ともスターリングサ
イクル冷凍機の場合について説明したが、主冷凍機、予
冷冷凍機とも他の冷凍機、例えばギホードマクマホンサ
イクル冷凍機、ギホードサイクル冷凍機、ツレベイサイ
クル冷凍機、ブルミャーサイクル冷凍機等でも良い。

〔他の実施例〕

第５図は本発明に関する他の実施例である。すなわち、
予冷冷凍機３５０の膨張室３５４を蓄冷器３３５の一端
に連通させ、蓄冷器３５５の他端を導管３６６の一端に
連通せしめ、導管３６６の（２６） 中央部は、主冷凍機３００の熱交換器３０２を通って、
膨張室３５６に連通している。他の構成は、第３図の実
施例と同様であるので、説明を省略する。予冷冷凍機３
５０の導管３６６を流れる低い温度の冷媒は、主冷凍機
３００の圧縮室３０１で圧縮、昇温され、熱交換器３０
２に流れ込んだ冷媒を冷却する。他の作用も第３図の実
施冷凍機と同様であるので説明を省略する。

〔他の実施例〕

第６スターリングは、本発明に関する他の実施例である
。すなわち、予冷冷凍機４５０の膨張室４５６を形成し
ている膨張シリンダー４６０のシリンダーヘッド４６０
ａに閉じた回路を構成している導管４６６を熱的に固着
せしめ、導管４６６の一部を主冷凍機４００の熱交換器
４０２内を通るようにし、専管４６６内に寒剤（例えば
、ネオン、水素等）を充填し、シリンダーヘッド４６０
ａを熱交換器４０２よりも高い位置に設ける。他の構成
は、第３図と同様であるので説明を省略する。

予冷冷凍機４５０の膨張室４５６で発生した冷凍によっ
て、シリンダーヘッド４６０ａの近傍の導管４６６内の
寒剤は、液化し、重力の作用によって熱交換器４０２内
の導管４６６に流れそこで主冷凍機４００の圧縮室４０
１で圧縮、昇温され、熱交換器４０２に流れ込んだ冷媒
を冷却すると、寒剤は、再び気体となって、シリンダー
ヘッド４６０ａの近傍の導管４６６内にもどる。他の作
用は第３図と同様であるので説明を省略する。

〔他の実施例〕

第７図は本発明に関する他の実施例である。すなわち、
予冷冷凍機５５０の膨張室５５６を形成している膨張シ
リンダー５６０のシリンダーヘッド５６０ａに昇圧機５
６１を有する一巡した回路を構成している導管５６６の
一部を熱的に固着し、導管５６６の一部を主冷凍機５０
０の熱交換器５０２内を通るようにし、導管５６６内に
寒剤（例えば、ネオン、ヘリウム等）を充填する。他の
構成は、第３図と同様であるので説明を省略する予冷冷
凍機５５０の膨張室５５６で発生した冷凍によってシリ
ンダーヘッド５６０ａの近傍の導管５６６内の寒剤は冷
却され、冷却された寒剤は、昇圧機５６１によって昇圧
され、熱交換器５０２内の導管５６６に流れ、そこで主
冷凍機５００の圧縮室５０１で圧縮、昇温され、熱交換
器５０２に流れ込んだ冷媒を冷却し、再びシリンダーへ
ラド５６０ａの近傍は、導管５６６にもどる。他の作用
は、第３図と同様であるので、説明を省略する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の冷却機関の作動機構を破断して示した
斜視図、第２図は主冷凍機に充填する冷媒の圧力につい
て説明しているＴ−３線図（温度エントロピー線図）、
第３図は主冷凍機の膨張段数が１段以上、予冷冷凍機の
膨張段数が２段以上の場合の本発明の実施例を示す断面
図、第４図は主冷凍機の膨張段数が２段以上、予冷冷凍
機の膨張段数が１段以−トの場合の本発明の一実施例を
示す断面図、第５図は本発明の他の変形実施例を示（２
９） す断面図、第６図は本発明の更に他の変形実施例を示す
断面図、そして第７図は本発明の更に他の変形実施例を
示す断面図である。 １０１（２０１）　・・・圧縮室、１０２（２０２）・
・・熱交換器、１０３　（２０３，２０５）・・・蓄冷
器、１０４　（２０４，２０６）　・・・膨張室、１０
０（２００）　・・・主冷凍機、１５１（２５１）　・
・・圧縮室、１５２（２５２）　・・・熱交換器、１５
３，１５５　（２５３）　・・・蓄冷器、１５４，１５
６　（２５４＞　・・・膨張室、１５０　（２５０）　
・・・予冷冷凍機特許出願人 １イレシ積纒株式会社 代表者中井令夫 （３０） 特開昭ＧＯ−３３４５７（９）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　圧縮室、熱交換器、蓄冷器、そして膨張室より成る
   主冷凍機と、圧縮室、熱交換器、蓄冷器、そして膨張室
   より成る予冷冷凍機において、前記主冷凍機の膨張段数
   を１段以上、前記予冷冷凍機の膨張段数を２段以上にせ
   しめるか、もしくは、前記主冷凍機の膨張段数を２段以
   上、前記予冷冷凍機の膨張段数を１段以上にせしめ、前
   記主冷凍機の冷媒の最高圧力を冷媒の臨界圧力以下、も
   しくは、冷媒の最高圧力と最低圧力の間に冷媒の臨界圧
   力が存在するようにし、前記予冷冷凍機の冷媒の最低圧
   力を冷媒の臨界圧力以上にせしめ、前記主冷凍機の冷媒
   を前記予冷冷凍機で冷却することを特徴とした冷凍シス
   テム。