JPS63226566A - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、スプリットスターリング形冷凍機のような
移動体がその両端の圧力差によって往復動駆動されるよ
うな冷凍機に関するものである。

〔従来の技術〕

第７図ＣＩ）〜（ＩＶ）は例えば特開昭５７−７３８７
３号公報に示された従来の冷凍機の動作を示すもので、
この冷凍機は往復動形コンプレッサ（１）とコールドフ
ィンガー部（２）とを含む。コンプレッサ（１）のピス
トン（３）はヘリウムのような冷媒ガスを加圧して正弦
曲線状の圧力変動を起こさせる。圧縮室（４）における
圧力変動は供給パイプ（５）を通してコールドフィンガ
ー部（２）内に伝達される。コールドフィンガー部（２
）のハウジング（６）内には円筒状の移動体（７）が自
由に往復運動してコールドフィンガー部（２）内の温部
室（８）と冷部室（９）の容積を変えるようにされてい
る。移動体（７）は蓄熱式熱交換器（ｌＯ）を含む。こ
の熱交換器（１０）は円筒状の細かいメツシュの数百側
の金属製スクリーンディスクが積み重ねられて形成され
ている。例えばボールが積み重ねられたような他の形式
の熱交換器もまた公知である。ヘリウムは温部室（８）
と冷部室（９）との間を熱交換器（１０）を通って自由
に流れる。上記移動体（７）と一体のピストン部材（１
１）が温部室（８）端部のガススプリング室（１２）内
に延びている。

上記した冷凍機は加圧されたガスの二個の分離された室
を含むものとして示されている。ガスの作動室はコンプ
レッサ（１）の圧縮室（４）内のガスと、供給パイプ（
５）内のガスと、温部室（８）内と冷部室（９）内にあ
るガスと、熱交換器（１０）内のガスとを含む。別のガ
ス室を形成するのはガススプリング室（１２）である。

スプリング室（１２）はピストン部材（１１）を取囲む
ピストン部材用シール（１３）によって上記ガス作動室
に対してシールされている。また、移動体（７）には移
動体用シール（１４）が取付けられ、温部室（８）と冷
部室（９）の間を移動するガスが熱交換器（１０）を通
るように強制する。

さらにピストン（３）にはピストン用シール（１５）が
備えられ、ガスの封入された作動室とクランク機構（図
示せず）の納められたバッファ室の間をシールしている
。

次に上記した冷凍機の動作について説明する。

第７図（Ｉ）のサイクルの時点においては、移動体（７
）の下端はコールドフィンガー部（２）内の冷部室（９
）内にあり、コンプレッサ（１）は作動室内のガスを圧
縮しつつある。コンプレッサ（１）のピストン（３）の
圧縮運動は作動室内の圧力を最低圧力から最高圧力まで
上昇させる。スプリング室（１２）内の圧力は作動室内
の最低から最高までの圧力レベルの間のあるレベルで安
定している。かくして、ある時点では作動室内において
増加しつつある圧力は、移動体用シール（１４）および
ピストン部材用シール（１３）の摩擦抵抗を克服するに
十分な差圧をピストン部材（１１）に対して発生させる
。そこで、ピストン部材（１１）および移動体（７）は
第７図（ＩＩ）に示す位置まで急速に上昇する。この移
動体（７）の運動によって温部室（８）のほぼ周囲温度
の高圧のガスは熱交換器（１０）を通過して冷部室（９
）内に強制的に導かれる。そして熱交換器（１０）は通
過していく加圧されたガスの熱を吸収し、ガスを冷却す
る。かくして図示しないクランク機構による正弦曲線状
駆動によって、いまや、コンプレッサのピストン（３）
は第７図（Ｉｌｌ　）のように作動室の容積を膨張させ
始め、この膨張によって冷部室（９）内の高圧ヘリウム
ガスは更に一層冷却される。熱交換器（１０）の全長に
わたり　２００に以上の温度勾配を維持させるような冷
却作用を発生させるのは冷部室（９）におけるこの冷却
である。ピストン（３）の膨張運動におけるある時点で
、作動室内の圧力がスプリング室（１２）の圧力以下に
下降し、その差圧がシールの摩擦力を打勝つのに十分な
だけピストン部材（１１）に対して作用する。これによ
り、移動体（７）は第７図（］の位置に向けて下方に駆
動させられる。第７図（ＩＶ）の位置はすなわち第７図
（Ｉ）の位置になる前のスタート位置でもある。また、
このとき、冷部室（９）内の冷却されたガスは、熱交換
器（１０）内を通過することによって該熱交換器（１０
）を冷却した後、はぼ周囲温度のガスとなって温部室（
８）に戻る。

以上の説明から明らかなように、冷凍機の効率を増加さ
せるためには、移動体（７）の上方へ向けての運動は、
第７図（Ｉ）および（ＩＩ）に示すようにコンプレッサ
のピストン（３）がストロークの終端近くまで来るまで
遅らされるべきである。同様にして移動体（７）の下方
へ向けての運動は第７図（Ｉｌｌ　）および（ｒＶ）に
示すようにコンプレッサのピストン（３）　がストロー
クのもう一端近くに来るまで遅らされることが望ましい
。何故ならば、このとき、膨張による冷却の効果が最も
大きく、かつ圧縮による発熱の効果が最も小さくなるか
らである。なお、上記従来の冷凍機を改良したものとし
て例えば特開昭６ｌ−２６５４５ｉ１号公報に記載され
たものがある。

（発明が解決しようとする問題点） 従来の冷凍機は以上のように構成されているので、作動
室の圧力と移動体（７）の運動との間における位相関係
は、移動体に加えられるシールの摩擦力、熱交換器（１
０）の圧力損失、ガススプリング室（１２）内のガスば
ねのばね定数および移動体（７）の質量のみによって決
定されるため、最適な位相差が得にくく、冷凍機の効率
を上げにくいという問題があった。また、ガスばねの非
線形性により、移動体の振動の中心位置が運動条件の小
さな変化により大きく変化し、このため、移動体がハウ
ジングへ衝突し性能が不安定になるという問題があった
。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、運動効率を向上させ、かつ信頼性の高い冷凍
機を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る冷凍機は、コールドフィンガー部と移動
体とを振動可能にばね部材で係合したものである。

（作用） この発明においては、ばね部材と移動体からなる系が振
動系を構成するため、ばね部材のばね定数を変えること
により加振室となる作動室の圧力変化と移動体の運動と
の位相差を最適な位相差に設定することができる。また
、ばね部材は弾性範囲内で線型であるため、運動条件の
変化により振動の中心が移動することもない。

〔実施例） 以下この発明の一実施例を図について説明する。第１図
（Ｉ）〜（Ｉｔ／）はこの発明の冷凍機の動作を示す断
面側面図であり、（１）〜（１５）は第７図（１）〜（
ＩＶ）に示した従来の冷凍機と同一である。図において
、（１６）はコイルばねからなるばね部材であり、この
ばね部材（１６）の一端（下端）は移動体（ア）のピス
トン部材（１１）の先端面に固定され、他端はガススプ
リング室（１２）の土壁に固定されて、移動体く７）が
外部からの駆動力により振動するようになっている。

次に第１図〜第４図を含めてこの発明の動作について説
明する。従来例の動作において説明したように、ピスト
ン（３）の正弦曲線状の上下運動は圧縮室（４）内のガ
スと、供給パイプ（５）内のガスと、温部室（８）およ
び冷部室（９）内のそれぞれのガスと、熱交換器（１０
）内のガスからなる作動室内に第２図（ａ）に示すよう
に正弦曲線状の圧力変化を生じさせる。このとき、ガス
スプリング室（１２）内の圧力は作動室内の平均圧力に
ほぼ等しく保たれているため、移動体（７）には作動室
とガススプリング室（１２）との間の圧力差にピストン
部材（１１）の断面積を乗じた値に等しい第２図（ｂ）
に示す正弦曲線状の駆動力が作用し、移動体（７）とば
ね部材（１６）が振動系を構成しているため、移動体（
７）はこの駆動力によって第２図（Ｃ）のような振動運
動を行なう。この振動の加振力に対する位相遅れおよび
振幅はよく知られているように移動体（７）の質量をｍ
、ばね部材（１６）のばね定数をｋ、加振力の振幅をＦ
ｌおよびピストン部材用シール（１３）と移動体用シー
ル（１４）の摩擦抵抗係数Ｃを用いて、次式によって決
定される。

振幅：ｘ＝ ここで、ωは駆動力の角周波数であり、Ｃｃ＝２Ｆ とおいている。

第３図（ａ）、（ｂ）は位相遅れ（ψ）および倍率比（
ｋ−Ｘ／Ｆ）の周波数比（ω／ωｎ）依存性を示す。第
３図（ａ）　、　（ｂ）から明らかなように位相遅れψ
は（ω／ωｎ）の変化（すなわちｋやｍの変化）により
０°から　１８０°まで、また倍率比（ｋ−ｘ＃）はこ
の間０〜ｏｏまで値をとることが可能である。したがっ
てばね部材（１６）のばね定数（ｋ）　と移動体（７）
の質量（ｍ）を変えることによって上記の範囲で位相遅
れと振幅を任意に変化させ、性能上最適な位相および振
幅を実現することができる。

第４図（ａ）は作動室内の圧力変化と移動体（７）の運
動の一例を示す。このとき、冷部室（９）内の圧力一体
積線図は第４図（ｂ）のように円形となり、最大の冷却
能力が得られる。何故ならば同一振幅のりサージュ図形
の中で面積最大のものは円である。

なお、移動体（７）に振動系を構成するようにしたばね
部材（１６）は、実施例ではピストン部材（１１）とガ
ススプリング室（１２）間に設けたが、その他、第５図
に示すようにピストン部材（１１）に挿着した状態にお
いて温部室（８）内に備えたり、第６図に示すように移
動体（ア）の底部、すなわち冷部室（９）内に設けるよ
うにしても上記と同様の作用を得ることができる。

（発明の効果） 以上説明したようにこの発明によれば、コールドフィン
ガー部と移動体とをばね部材により係合し、振動系を構
成するようにしたので、圧力変化と移動体の運動の位相
差および振幅を最適値に設定することができ、効率の高
い冷凍機となる。また、ばね部材の線形性により運転条
件によらず、中心位置が一定であるため、移動体の衝突
等がなく信頼性および安定性の高い冷凍機が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ｉ）〜（ＩＶ）はこの発明の一実施例による冷
凍機の動作図、第２図（ａ）〜（ｃ）は第１図の実施例
における動作原理の特性図、第３図（ａ）、（ｂ）は外
部加振力による振動系の応答（位相遅れと倍率比）に関
する特性図、第４図（ａ）　、　（ｂ）は圧力対体積線
図、第５図および第６図はこの発明による冷凍機の他の
実施例を示す断面図、第７図（Ｉ）〜（ＩＶ）は従来の
冷凍機の動作を示す断面図であって第１図（Ｉ）〜（Ｉ
Ｖ）相当図である。 （１）・・・コンプレッサ、（２）・・・コールドフィ
ンガー部、（３）・・・ピストン、（４）・・・圧縮室
、（５）・・・供給パイプ、（６）・・・ハウジング、
（７）・・・移動体、（８）・・・温部室、（９）・・
・冷部室、（１０）・・・熱交換器、（１１）・・・ピ
ストン部材、（１２）・・・ガススプリング室、（１３
）・・・ピストン部材用シール、（１４）・・・移動体
用シール、（１５）・・・ピストン用シール、（１Ｂ）
・・・バネ部材。 なお、各図中同一符号又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. コンプレッサと、このコンプレッサと供給パイプで連通
   されたコールドフィンガー部と、コールドフィンガー部
   内で往復動するようにされた移動体と、この移動体を取
   囲むピストン部材用シールによって分離されたガス作動
   室およびガススプリング室とを有し、上記移動体はガス
   作動室とガススプリング室との間における差動圧力によ
   って駆動され、作動圧力と移動体の運動との間には位相
   関係を有するようにされた冷凍機において、上記移動体
   とコールドフィンガー部とをばね部材により振動可能に
   係合したことを特徴とする冷凍機。