JPS6111571A

JPS6111571A - 冷凍機

Info

Publication number: JPS6111571A
Application number: JP13126784A
Authority: JP
Inventors: 清田　浩之
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1984-06-26
Filing date: 1984-06-26
Publication date: 1986-01-18

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】〔発明の技術分野〕この発明は例えばスターリング冷凍機などの往復ピスト
ン式の圧縮機を有する冷凍機に関するものである。

〔従来技術〕

第１図に従来のスターリング冷凍機の構成例を示す。図
に示したスターリング冷凍機はスプリット式スターリン
グ冷凍機と呼ばれるもので、スターリング冷凍機の代表
的−例である。

第１図において、スプリット式スターリング冷凍機は大
きくわけて（１）の圧縮機と（２）のコールドフィンガ
とこれらを結ぶ連結管（３）より構成される。

前記圧縮機＋１＋はシリンダ（４）とピストン（５）を
備え。

前記ピストン（５）が連接棒（６）とクランク（７）を
介して図には示されていないが電動機によって駆動され
て前記シリンダ（４）内部を往復運動する構造となって
いる。前記シリンダ（４）の上部にはシリンダヘッド（
８）がとりつけられ、前記シリンダ（４）、前記ピスト
ン（５）および前記シリンダヘッド（８）でしきられた
内部空間を圧縮室（９）と呼ぶ。前記クランク（７）等
の前記ピストン（５）を駆動する機構部材はＱｌのハウ
ジング内に収められ、前記ピストン（５）によって前記
圧縮室（９）と仕切られた前記ハウジング０＠内の空間
をバルク室０９と呼ぶ。前記シリンダ（４）、前記シリ
ンダヘッド（８）および前記ハウジング＋Ｉｎは互いに
外部との気密性を保つように接合され、内部の前記圧縮
室（９）や前記バルク室Ｈには例えばヘリウム。

水素などの高圧の作動ガスが封入されている。前記ピス
トン（５）の側面には、前記シリンダ（４）との間のす
きまを作動ガスが通過しないようにピストンリング＋１
２が装着されている。また、前記シリンダ（４）の外面
には外部への放熱性を高めるためのフィン贈が設けられ
ている。以上か圧縮機（１１の構成である。一方前記コ
ールドフインガ（２）は円筒状の低温シリンダ０４１を
有し、前ｄ己低温シリンダＩ内を摺動自在に往復するテ
イスプレーサ叫を有している。

前記低温シリンダ（１４）内部の空間は前記ディスプレ
ーサ０９によって２分割されており、前記ディスプレー
サ（１９より上方の空間を低温室ｊ１６１　、下方の空
間を高温室（Ｉηと呼ぶ。前記ディスプレーサ（１９内
部には再生器（１８と流路ｕｎが設けられ、前記低温室
ｔ＋Ｑと前記高温室０７）は前記再生器α樽と前記流路
（１１を介して連通しており、前記再生器０８内には例
えば銅の金網などの蓄冷材（イ）が充てんされている。

前記低温シリンダｔ１４）と前記ディスプレーサｌｌＳ
のすきまを作動ガスが通過しないように、前記ディスプ
レーサの側部にはシールリングＣυがはめ込まれている
。

前記コールドフィンガ（２）の下部には制御シリンダ（
２）と制御室（ハ）が設けられ、前記ディスプレーサｔ
ｌｓの下端にとりつけられているＱ４の制御ピストンは
前記高温室α力と前記制御シリンダ（２擾を通抜は前記
制御室（ハ）に突出している。前記制御シリンダ翰と前
記制御ピストン＠のすきまを作動ガスが通過しないよう
に前記制御シリンダにはシールリング（ハ）が取付けら
れている。上記したコールドフィンガ（２）の各室は前
記圧縮機（１）と同様に例えばヘリウム。

水素などの高圧の作動ガスが封入されている。以上がコ
ールドフィンガ（２）の構成であり、前記圧縮機（１）
の圧縮室（９）と前記コールドフィンガ（２）の高温室
αＤは前記連結管（３）を介して連通している。また。

前記圧縮室（９）、前記連結管（３）内部の空間、前記
低温室ＯＬ前記高温室０？）、前記再生器ｆｉｌｌおよ
び前記流路Ｈは互いに連通しており、これらの室全体を
総合して作動空間と呼ぶ。

上記のように構成された従来の冷凍機の動作について説
明する。ピストン（５）はシリンダ（４）の内部を往復
することによって、圧縮室（９）から低温室（ＩＧに至
る作動空間のガス圧力に正弦状の波動を与える。一方バ
ルク室ｆｌｌ）は、その容積がピストン（５）の行程容
積より充分に太きいため、内部のガス圧はピストン（５
）が往復運動をしてもあまり変化しない。

コールドフィンガ（２）の制御シリンダ（２４にとりつ
けられシールリング（ハ）は、前進の作動空間のガスの
圧力波動のように短い周期の圧力変化に対してはほぼ完
全に密封するが長時間的にみれば密封は不完全であるの
で、制御室（ハ）内のガス圧はほぼ作動空間内のガス圧
の平均値に保たれる。

第２図から第５図は従来装置の動作原理を冷凍サイクル
の順を追って説明するものである。

第２図に示したサイクルの一過程において、圧縮機（１
）のピストン（５）はシリンダ（４）内の下方に位置し
、コールドフィンガ（２）のデイスプーサ（ｌ！９は低
温シリンダ０滲の上方に位置している。第２図から第３
図に至る間にピストン（５）は上昇して作動空間のガス
を圧縮する。この圧縮によって発生する熱はシリンダ（
５）の外周のフィンα□□□より外部に放出される。第
３図の時点において作動空間のガス圧力は制御室（ハ）
内のガス圧力よりも大きくなっており。

この差圧によって制御ピストン（財）に生ずる下向きノ
力ハ、シールリングＩ２１）および（ハ）の静摩擦力に
打ち勝ってディスプレーサαりな下方へと動かし始め。

第４図に示す様に低温シリンダαａのＦ部へ移動させる
。このディスプレーサα鴎の移動に伴って高温室０７）
のガスは再生器α急を通って低温室Ｏｅに移り。

このとき再生器ｕ８に充てんされている蓄冷材（２）は
通船するガスから熱を吸収しガスを温度降下させる。第
４図から第５図に至る過程で圧縮機（１）のピストン（
５）は下降し作動空間のガスを膨張させ、この膨張によ
って低温室ａｅ内のガスはさらに温度降下し、コールド
フィンガ上部の周囲から熱を吸収する。この吸熱作用が
冷凍機としての被冷除体を冷除する役割を担う。作動空
間ではガスの膨張により圧力が低下するので、第５図の
時点では作動空間内より制御室（ハ）内の方がガス圧力
は犬きくなつている。この差圧によって制御ピストン０
４）に上向きにかかる力はシールリングＱυおよびＱ４
の靜摩優力に打ち１カって、ディスプレーサ（１５１を
上方へと動かし始め、第２図に示した様に低温シリンダ
０４）の上部へ移動させる。このディスプレーサｔ＋５
）の移動に伴って低温室０υの低温ガスは再生器α均を
通船し、８生器（１〜内の蓄冷材＋２１に冷熱を蓄える
とともにガス自身は温度上昇しながら高温室αηへ流入
する。、以−］二の様なサイクルをくり返すことによっ
て。

冷凍運転が行なわれる。

しかしながら、上記の様な従来装置には以Ｆに述べる様
な欠点があった。圧縮機（１）のピストン（５）にとり
つけられたピストンリング（１３のガス密封性は一般に
不完全であるため、冷凍機運転中わずかづつの漏洩が生
ずる。

すなわち、ピストン（５）か上昇して圧縮室（９）のガ
ス圧力がバルク室（１υのガス圧力より高くなると圧縮
室（９）からバルク室へ、逆にピストンが下降して圧縮
室（９）の圧力がバルク室０υより低（なるとバルク室
（１１）から圧縮室（９）へとガスが漏洩する。ここで
圧縮室（９）からバルク室＋１１１へ漏洩するガスの方
がバルク室ａ０から圧縮室（９）へ漏洩するガスよりも
密度が高いために、ガスの質量流量は圧縮室（９）から
バルク室αＢへ漏洩する場合の方が犬となる。その結果
、運転中の作動空間およびバルク室（Ｉυの圧力は第１
４図の様な挙動を示す。

図において（イ）は作動空間の圧力、（ロ）はその時間
平均値、（ハ）はバルク室（１１１の圧力を示し９作動
空間の圧力の時間平均値（ロ）はバルク室０１）の圧力
（ハ）より低い値となって１両者のつり合いが保たれる
。前述した様に一般にバルク室０１）の容積はピストン
（５）の行程容積にくらべて充分に大きく、冷凍機運転
中もバルク室θυ内の圧力（ハ）はほぼ一定もしくは極
くわずかに脈動する程度で、運転前のガス圧にほぼ等し
い。したがって冷凍機運転中の作動空間のガス圧の時間
平均値（ロ）は運転前のガス封入圧力より低い値となる
。圧縮機（１）の圧縮比が同じであれば９作動空間の圧
力の時間平均値が高いほど低温室０６１で発生する冷凍
量が増大するので、必要な冷凍量を得るためには、あら
かじめ運転時の作動空間のガス圧力の平均値よりも高い
圧力でガスを冷凍機に封入しておかなくてはならない。

ところが。

ガス封入圧を大きくすると、ハウジングＯＩ等の耐圧強
度を上げる必要があり重量増につながるという不具合が
生じる。さらに９作動ガスとして一般に用いられるヘリ
ウムガスは分子が小さいため長時間高圧密封しおくこと
が困難であり、ガスの封入圧を上げるほどガスの外部へ
の漏洩が増大するので、長期にわたって冷凍機を使用ま
たは保存する場合にはより頻繁なガスの補充を必要とし
、冷凍機の保守・運用性を低下せしめるという欠点につ
ながる。

〔発明の概要〕

この発明はかかる欠点を改善する目的でなされたもので
、ピストンが丁死点付近に存在するときのみ作動空間と
バルク室を連通させるよ５な流路をシリンダもしくはピ
ストンに設けることによって、より低い封入圧力でより
縄い運転時の作動空間の時間平均圧を得ることを提案す
るものである。

〔発明の実施例〕

第６図および第７図はこの発明の一実施例を示す図であ
る。

図において、（２）はコールドフィンガの各部および（
３）の連結管は第１図に示した従来装置と全く同一のも
のである。（１）の圧縮機においては（４）のシリンダ
のみ従来装置と異なり、（５）〜０′５は全く同一のも
のである。この発明のシリンダ（４）には、ピストン（
５）がちょうどド死点すなわち圧縮室（９）の容積が最
大となるときに、第７図に示すようにピストンリングｔ
ｔａをまたいで圧縮室（９）とバルク室（１υとを連通
させる流路としての短い溝（ハ）が設けられている。

上記の様に構成されるこの発明の冷凍機は、冷凍を発生
する原理は第１図〜第５図に示した従来装置と全く同様
であるが、圧縮室（９）から低温室Ｈに至る空間すなわ
ち作動空間の圧力が−サイクル中でほぼ最低となるピス
トン（５）が下死点にあるときに作動空間とバルク室（
１１）が前記溝（ハ）によって連通して両者の圧力が等
しくなるために、第１５図に示すように９作動空間のガ
ス圧力（イ）はノ（ルク室Ｉの圧力（ハ）より常に高い
位置で正弦状の波動をくり返すことになる。運転時のバ
ルク室（ＩＩ）の圧力（ハ）は従来装置と同様、運転開
始前のガス封入圧力にほぼ等しい。したがって、この発
明による冷凍機は、従来装置よりも低いガス封入圧で同
等な圧力波動が得られるため、・・ウジング＋＋＋１等
の耐圧強度を比較的必要としないので圧縮機（１）の軽
量化ができる。さらに、ガス封入圧が低いほど冷凍機か
ら外部へのガスの漏洩量が少なくなるので、長期間冷凍
機を使用または保存する場合には、ガスの補充頻度を減
らせるという保守・運用上の埋点がある。

第８図および第９図はこの発明の別の実施例である。第
６図、第７図に示した装置ではピストン（５）がド死点
に到達したときに圧縮室（９）とバルク室（１１）とを
連通させる流路としてシリンダ内周面に設けた溝（ハ）
を用いたが、第８図、第９図に示す様にシリンダ（５）
部材の内部を通る連通孔＆Ｉｉを設けてそれを流路とし
ても良い。シリンダ（５）の内周面にある連通孔（濁の
開口部は、ピストンがちょうど下死点に到達したとき、
ピストンリング（１邊より圧縮室（９）側に位置し、圧
縮室（９）とバルク室０υを連通さぜるように設けられ
ている。上記の様な連通孔ＣＱを用いた装置においても
、第６図、第７図に示した装置と全く同様の動作を行う
ことができる。

第１０図および第１１図もこの発明の別の実施例である
。

図において、（２）のコールドフィンガの各部および（
３）の連結管は第１図〜第５図に示した従来装置および
第６図〜第９図に示したこの発明の装置と全く同一であ
る。（１）の圧縮機においては、シリンダ（４）、ピス
トン（５）およびピストンリングａｉｒが第１図〜第９
図の装置と異なり、他の部分は全く同一である。この実
施例ではピストンリング（１邊をシリンダの内周に装着
し、シリンダ（４）の中を往復摺動するピストン（５）
がちょうど下死点にきたときにこのピストンリングｕ３
をまたいで圧縮室（９）とバルク室０υとを連通させる
ような短い溝弼がピストン（５）に設けられている。こ
の実施例においても第６図〜第９図のこの発明の装置と
全く同じ動作を行なうことができる。

第１２図、第１３図もこの発明の別の実施例である。第
１０図、第１１図の実施例ではピストン（５）の側部に
溝を設けたが、第１２図、第１３図に示すように、ピス
トン（５）部材の内部を通る連通孔（至）を設けても良
い。ピストン（５１１ｉ１１１面にある連通孔シ０の開
口部は、ピストン（５）がちょうど下死点にあるときに
、ピストンリング（１乃よりもバルク室０υよりに位置
して圧縮室（９）とバルク室（１υを連通させるような
位置にあけられている。この実施例においても、第６図
〜第１１図に示したこの発明の装置と全く同様の動作を
行うことができる。

ところで、以−ヒのｄ発明ではスプリット式スターリン
グ冷凍機に対してこの発明を実施する場合について述べ
たが、その他、既知の往復ピストン式圧縮機を有するス
ターリング冷凍機またはギフオードマクマホン冷凍機に
もこの発明を利用できることはいうまでもない。

〔発明の効果〕この発明は以上説明したとおり２例えばスターリング冷
凍機などの冷凍機において、冷凍機の往復ピストン式圧
縮機のシリンダまたはピストンにちょうどピストンが下
死点に位置するときに、圧縮室とバルク室を連通させる
流路を設けるという簡単な構造によって、より低い作動
ガスの封入圧でより高い運転時の作動空間の時間平均圧
が得られるので、ハウジング等の耐圧強度を必要とする
部材の軽量化が図れるのと同時に、ガスの封入圧が低い
ほど、冷凍機外部へのガス漏洩が小となるので、＊期の
使用、保存にあたっては９作動ガスの補光びん度が減り
、冷凍機の保守・運用性を蓄るしく高めるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図は従来の冷凍機を示す図、第６図およ
び第７図はこの発明の一実施例を示す図。第８図および第９図はこの発明の別の実施例を示す図、
第１０図および第１１図はこの発明のさらに別の実施例
を示す図、第１２図および第１３図はこの発明のさらに
別の実施例を示す図、第１４図は従来の冷凍機における
作動空間およびバルク室の圧力の時間的変化を示す図、
第１５図はこの発明の冷凍機における作動空間およびバ
ルク室の圧力の時間的変化を示す図である。図において、（４）はシリンダ、（５）はピストン、（
８）はシリンダヘッド、（９）は圧縮室、（１１はハウ
ジング。（ＩＩ）はバルク室、＠は溝または連通孔である。なお９図中同一あるいは相当部分には同一符号を付１〜
だ。

Claims

【特許請求の範囲】

円筒状の内周面を有するシリンダと、前記シリンダが取
付けられかつ内部に空間を有するハウジングと、前記シ
リンダの一端面をふさぐシリンダヘッドと、前記シリン
ダの中を往復運動するピストンと、前記シリンダ、前記
シリンダヘッドおよび前記ピストンによつて仕切られた
圧縮室と前記シリンダ、前記ハウジングおよび前記ピス
トンで仕切られたバルク室と、前記ピストンが往復運動
して前記圧縮室の容積が最大となるときに、前記圧縮室
と前記バルク室を連通させるような流路とを設けたこと
を特徴とする冷凍機。