| 【発明の名称】 |
蓄冷型冷凍機 |
| 【発明者】 |
【氏名】仲 興起
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| 【要約】 |
【課題】この発明は、ポンピングロス及び熱対流によるロスの増加を抑えて、シャトルロスを低減し、冷凍能力及び冷凍効率を向上する蓄冷型冷凍機を得る。
【解決手段】ディスプレーサ１１の上部側及び下部側の外周面に凹溝１１ａ、１１ｂを設け、ディスプレーサ１１とシリンダ１０との間のクリアランスを大きくしている。これらの凹溝１１ａ、１１ｂは、蓄冷器１２の上端位置及び下端位置を含む軸方向の所定領域に形成されている。そこで、ディスプレーサ１１の上部側（下部側）とシリンダ１０の上部側（下部側）との間の熱伝達が低下し、両者間での熱の移送が行われにくくなり、シャトルロスが低減される。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 シリンダ、該シリンダ内に往復動可能に配設されたディスプレーサ、蓄冷材が該ディスプレーサの内部に充填されて構成された蓄冷器、該シリンダの上端内周と該ディスプレーサの上端外周との間に配設されガスの低温部と高温部とをシールするピストンリングおよび該シリンダの下端外周に配設された冷却ステージを有する膨張機と、上記膨張機に高圧ガスを供給する圧縮機と、上記圧縮機の吐出側と上記膨張機とを連結するガス送気配管の経路中に配設されて上記圧縮機で圧縮された高圧ガスの上記膨張機への供給を制御する吸気バルブと、上記圧縮機の吸気側と上記膨張機とを連結するガス排気配管の経路中に配設されて上記圧縮機への上記膨張機内の低圧ガスの戻りを制御する排気バルブと、上記ディスプレーサを往復動させる駆動モータとを備えた蓄冷型冷凍機において、上記膨張機は、上記シリンダと上記ディスプレーサとの間のクリアランスが、上部側で上記蓄冷器の上端位置を含む軸方向の所定の領域および下部側で上記蓄冷器の下端位置を含む軸方向の所定の領域の少なくとも一方の領域で大きく形成されていることを特徴とする蓄冷型冷凍機。
【請求項２】 上記クリアランスが大きく形成された上記領域は、上記蓄冷器の上端位置もしくは下端位置を中心に、上記ディスプレーサのストローク分の軸方向長さを有するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の蓄冷型冷凍機。
【請求項３】 上記クリアランスが大きく形成された上記領域のクリアランスは、上記蓄冷器の上端位置もしくは下端位置を最大とし、軸方向の上下に漸次減少するように形成されていることを特徴とする請求項２記載の蓄冷型冷凍機。
【請求項４】 上記クリアランスが大きく形成された上記領域は、上記シリンダの内周面および上記ディスプレーサの外周面の少なくとも一方に設けられた凹溝で構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の蓄冷型冷凍機。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ディスプレーサとシリンダとのクリアランス部における熱損失を低減して、冷凍能力および冷凍効率を向上させる蓄冷型冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の蓄冷型冷凍機について２段ＧＭ冷凍機を例にあげて説明する。図１７は例えば特公昭４６−３０４３３号公報に記載された従来の蓄冷型冷凍機を示す構成図である。図１７において、１０１は直径を順次縮小したパイプを同軸に連結一体化してなるシリンダであり、１段目シリンダ１０１ａと２段目シリンダ１０１ｂとから構成されている。１０２は１段目シリンダ１０１ａ内に摺動可能に配設された１段目ディスプレーサ、１０３は２段目シリンダ１０１ｂ内に摺動可能に配設された２段目ディスプレーサであり、これらの１段目および２段目ディスプレーサ１０２、１０３は自在継手（図示せず）により連結一体化されている。１０４および１０５は１段目および２段目シリンダ１０１ａ、１０１ｂと１段目および２段目ディスプレーサ１０２、１０３との間にそれぞれ配設されてヘリウムガスが漏れることを防止するためシールされた１段目および２段目ピストンリング、１０６および１０７はそれぞれ１段目および２段目シリンダ１０１ａ、１０１ｂの下部外周面に配設された高温側ステージおよび低温側ステージ、１０８は１段目シリンダ１０１ａの下部と１段目および２段目ディスプレーサ１０２、１０３との間に形成される空間である１段目膨張空間、１０９は２段目シリンダ１０１ｂの下部と２段目ディスプレーサ１０３との間に形成される空間である２段目膨張空間である。１１０は１段目ディスプレーサ１０２内に銅金網および鉛玉からなる蓄冷材を充填して構成された１段目蓄冷器、１１１は２段目ディスプレーサ１０３内に磁性蓄冷材の１種であるＨｏ−Ｅｒ−Ｒｕの組成を有する材料を充填して構成された２段目蓄冷器である。ここで、膨張機２０１は、１段目および２段目蓄冷器１１０、１１１を内部に収容してなる１段目および２段目ディスプレーサ１０２、１０３が１段目および２段目シリンダ１０１ａ、１０１ｂ内に往復動可能に配設されて構成されている。また、１段目シリンダ１０１ａの上端部と１段目ディスプレーサ１０２との間に常温部空間２０５が形成されている。
【０００３】１１２は高圧側サージタンク２０３、ストローク２０４および低圧側サージタンク２０２から構成され、ヘリウムガスを圧縮する圧縮機、１１３は圧縮機１１２の吐出側と膨張機２０１とを連結するガス送気配管９７の経路中に配設され、圧縮機１１２から膨張機２０１に高圧のガスを供給するタイミングを制御する吸気バルブ、１１４は圧縮機１１２の吸気側と膨張機２０１とを連結するガス排気配管９８の経路中に配設され、膨張機２０１から圧縮機１１２に低圧のガスを排出するタイミングを制御する排気バルブ、１１５はシリンダ１０１内を１段目および２段目ディスプレーサ１０２、１０３を往復移動させる駆動モータ、１１６はクランク軸１１８と１段目ディスプレーサ１０２とに連結され、駆動モータ１１５の運動を１段目ディスプレーサ１０２に伝達する駆動軸である。なお、吸気バルブ１１３および排気バルブ１１４は１段目および２段目ディスプレーサ１０２、１０３の往復運動に連動して開閉するようになっている。
【０００４】つぎに、従来の蓄冷型冷凍機の動作について説明する。蓄冷型冷凍機が運転されている状態では、駆動モータ１１５が駆動され、１段目および２段目ディスプレーサ１０２、１０３がシリンダ１０１内を往復移動している。まず、１段目および２段目ディスプレーサ１０２、１０３が最下端に位置しているときに、吸気バルブ１１３が開かれ、排気バルブ１１４が閉じられる。この状態で、圧縮機１１２より高圧のヘリウムガスが膨張機２０１に供給される。この高圧のヘリウムガスは１段目蓄冷器１１０を経て１段目膨張空間１０８に流入し、１段目膨張空間１０８に流入した高圧のガスの一部はさらに２段目蓄冷器１１１を経て２段目膨張空間１０９に流入する。この結果、１段目および２段目膨張空間１０８、１０９は高圧状態となる。１段目および２段目膨張空間１０８、１０９が高圧状態となった後、１段目および２段目ディスプレーサ１０２、１０３が上方に移動される。それにともない、高圧のヘリウムガスが１段目および２段目膨張空間１０８、１０９に次々と供給される。この間、吸気および排気バルブ１１３、１１４は動かさない。また、高圧のヘリウムガスは１段目および２段目蓄冷器１１０、１１１を通過する際に、蓄冷材により所定の温度まで冷却される。そして、１段目および２段目ディスプレーサ１０２、１０３が最上端に到達したときに、吸気バルブ１１３が閉じられ、少し遅れて排気バルブ１１４が開けられる。これにより、高圧のヘリウムガスは断熱的に膨張して冷凍を発生する。そのため、１段目および２段目膨張空間１０８、１０９内に存在するヘリウムガスはそれぞれの温度レベルで低温・低圧の状態となり、高温側および低温側ステージ１０６、１０７がこのヘリウムガスにより冷却される。
【０００５】ついで、１段目および２段目ディスプレーサ１０２、１０３が下方に移動される。それにともない、低温・低圧のヘリウムガスが、２段目および１段目蓄冷器１１１、１１０に流入して蓄冷材を冷却した後、排気バルブ１１４から排気され、圧縮機１１２に戻される。そして、１段目および２段目ディスプレーサ１０２、１０３がさらに下方に移動し、ディスプレーサの位置が１段目および２段目膨張空間１０８、１０９の体積が最小となる最下端となると、排気バルブ１１４が閉じられ、吸気バルブ１１３が開けられる。そして、圧縮機１１２で圧縮され高圧となったヘリウムガスが膨張機２０１に供給され、１段目および２段目膨張空間１０８、１０９の圧力が低圧から高圧になる。
【０００６】このようにして、１段目および２段目ディスプレーサ１０２、１０３が上下に１回往復動する過程を１サイクルとし、このサイクルを繰り返すことで、高温側および低温側ステージ１０６、１０７がそれぞれ所定の温度に冷却される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】この種の蓄冷型冷凍機において、その冷凍能力を妨げるものとして、ポンピングロス、熱対流によるロス、シャトルロスなどの各種ロスがある。そして、ポンピングロスや熱対流によるロスは、シリンダとディスプレーサとの間のクリアランスが大きくなるほど大きくなることから、シリンダとディスプレーサとの間のクリアランスを小さくしてポンピングロスや熱対流によるロスを抑え、冷凍能力を向上させることが従来採られていた。しかしながら、シャトルロスは、温度勾配を有するディスプレーサが同じく温度勾配を有するシリンダ内を往復動するために生じるロスで、特にディスプレーサとシリンダとの間のクリアランスが小さい場合には非常に大きなロスとなってしまう。そして、従来の蓄冷型冷凍機においては、このシャトルロスを低減する対策が何ら施されていなかった。
【０００８】この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、シャトルロスの解析を行い、機構を解明することで、ポンピングロスや熱対流によるロスを増加させることなくシャトルロスを低減できるようにし、冷凍能力および冷凍効率を向上させることができる蓄冷型冷凍機を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この発明に係る蓄冷型冷凍機は、シリンダ、該シリンダ内に往復動可能に配設されたディスプレーサ、蓄冷材が該ディスプレーサの内部に充填されて構成された蓄冷器、該シリンダの上端内周と該ディスプレーサの上端外周との間に配設されガスの低温部と高温部とをシールするピストンリングおよび該シリンダの下端外周に配設された冷却ステージを有する膨張機と、上記膨張機に高圧ガスを供給する圧縮機と、上記圧縮機の吐出側と上記膨張機とを連結するガス送気配管の経路中に配設されて上記圧縮機で圧縮された高圧ガスの上記膨張機への供給を制御する吸気バルブと、上記圧縮機の吸気側と上記膨張機とを連結するガス排気配管の経路中に配設されて上記圧縮機への上記膨張機内の低圧ガスの戻りを制御する排気バルブと、上記ディスプレーサを往復動させる駆動モータとを備えた蓄冷型冷凍機において、上記膨張機は、上記シリンダと上記ディスプレーサとの間のクリアランスが、上部側で上記蓄冷器の上端位置を含む軸方向の所定の領域および下部側で上記蓄冷器の下端位置を含む軸方向の所定の領域の少なくとも一方の領域で大きく形成されているものである。
【００１０】また、上記クリアランスが大きく形成された上記領域は、上記蓄冷器の上端位置もしくは下端位置を中心に、上記ディスプレーサのストローク分の軸方向長さを有するように形成されているものである。
【００１１】また、上記クリアランスが大きく形成された上記領域のクリアランスは、上記蓄冷器の上端位置もしくは下端位置を最大とし、軸方向の上下に漸次減少するように形成されているものである。
【００１２】また、上記クリアランスが大きく形成された上記領域は、上記シリンダの内周面および上記ディスプレーサの外周面の少なくとも一方に設けられた凹溝で構成されているものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、この発明を蓄冷型冷凍機の１つである単段ＧＭ冷凍機に適用した場合について説明する。
実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１に係る蓄冷型冷凍機を示す構成図、図２は図１に示される蓄冷型冷凍機のディスプレーサを示す断面図である。図１および図２において、１０はシリンダ、１１はシリンダ１０内に往復動可能に配設されたディスプレーサ、１２はディスプレーサ１１内に例えば銅金網および鉛玉からなる蓄冷材や磁性蓄冷材を充填して構成された蓄冷器、１３はシリンダ１０の下部とディスプレーサ１１との間に形成される空間である膨張空間、１４はシリンダ１０の上端部とディスプレーサ１１との間に形成される空間である常温部空間、１５はシリンダ１０の上端内周とディスプレーサ１１の上端外周との間に配設されてガスの高温部と低温部との行き来を阻止するピストンリング、１６はシリンダ１０の下部外周面に配設された冷却ステージであり、シリンダ１０、蓄冷器１２が充填されたディスプレーサ１１、ピストンリング１５および冷却ステージ１６から膨張機２０が構成されている。ここで、ディスプレーサ１１は、その外周面の上部側および下部側に凹溝１１ａ、１１ｂが周方向に設けられて上部側および下部側の外径を小さくされた外径形状に形成されている。また、凹溝１１ａ、１１ｂは、ピストンリング１５の設置位置より下部側で、蓄冷器１２の上端位置および下端位置を含む軸方向の所定の領域に、深さが軸方向に一定のコ字状断面に形成されている。
【００１４】１１２はヘリウムガスを圧縮する圧縮機、１１３は圧縮機１１２の吐出側と膨張機２０とを連結するガス送気配管９７の経路中に配設され、圧縮機１１２から膨張機２０に高圧のガスを供給するタイミングを制御する吸気バルブ、１１４は圧縮機１１２の吸気側と膨張機２０とを連結するガス排気配管９８の経路中に配設され、膨張機２０から圧縮機１１２に低圧のガスを排出するタイミングを制御する排気バルブ、１１５はシリンダ１０内をディスプレーサ１１を往復移動させる駆動モータ、１１６はクランク軸１１８とディスプレーサ１１とに連結され、駆動モータ１１５の運動をディスプレーサ１１に伝達する駆動軸である。なお、この実施の形態１による蓄冷型冷凍機は、単段ＧＭ冷凍機である点、ディスプレーサ１１の上部側および下部側の外径が小さく形成されている点を除いて、従来の蓄冷型冷凍機と同様に構成されている。
【００１５】つぎに、この実施の形態１による蓄冷型冷凍機の動作について説明する。蓄冷型冷凍機が運転されている状態では、駆動モータ１１５が駆動され、ディスプレーサ１１がシリンダ１０内を往復移動している。まず、ディスプレーサ１１が最下端に位置しているときに、吸気バルブ１１３が開かれ、排気バルブ１１４が閉じられる。この状態で、圧縮機１１２より高圧のヘリウムガスが膨張機２０に供給される。この高圧のヘリウムガスは蓄冷器１２を経て膨張空間１３に流入し、膨張空間１３は高圧状態となる。膨張空間１３が高圧状態となった後、ディスプレーサ１１が上方に移動される。それにともない、高圧のヘリウムガスが膨張空間１３に次々と供給される。この間、吸気および排気バルブ１１３、１１４は動かさない。また、高圧のヘリウムガスは蓄冷器１２を通過する際に、蓄冷材により所定の温度まで冷却される。そして、ディスプレーサ１１が最上端に到達したときに、吸気バルブ１１３が閉じられ、少し遅れて排気バルブ１１４が開けられる。これにより、高圧のヘリウムガスは断熱的に膨張して冷凍を発生する。そのため、膨張空間１３内に存在するヘリウムガスは低温・低圧の状態となり、冷却ステージ１６がこのヘリウムガスにより冷却される。
【００１６】ついで、ディスプレーサ１１が下方に移動される。それにともない、低温・低圧のヘリウムガスが、蓄冷器１２に流入して蓄冷材を冷却した後、排気バルブ１１４から排気され、圧縮機１１２に戻される。そして、ディスプレーサ１１がさらに下方に移動し、ディスプレーサ１１の位置が膨張空間１３の体積が最小となる最下端となると、排気バルブ１１４が閉じられ、吸気バルブ１１３が開けられる。そして、圧縮機１１２で圧縮され高圧となったヘリウムガスが膨張機２０に供給され、膨張空間１３の圧力が低圧から高圧になる。このようにして、ディスプレーサ１１が上下に１回往復動する過程を１サイクルとし、このサイクルを繰り返すことにより、冷却ステージ１６が所定の温度に冷却される。
【００１７】ここで、蓄冷型冷凍機の主要な熱損失の１つであるシャトルロスについて図３を参照しつつ説明する。このシャトルロスは、温度勾配を有するディスプレーサが同じく温度勾配を有するシリンダ内を往復動することで生じる損失である。図３はディスプレーサおよびシリンダの軸方向の温度分布を示すもので、ディスプレーサの温度分布を点線で、シリンダの温度分布を実線で示している。図３からわかるように、蓄冷器１２は軸方向に温度勾配があることから、ディスプレーサ１１およびシリンダ１０は、蓄冷器１２の部位に相当する部分に軸方向に温度勾配があり、蓄冷器１２の軸方向の上部および下部は等温となっている。図３の（ａ）はディスプレーサがシリンダに対して軸方向中央部に位置する場合におけるディスプレーサおよびシリンダの軸方向の温度分布を示したもので、ディスプレーサ１１およびシリンダ１０の温度は同じである。図３の（ｂ）はディスプレーサが軸方向最上部に位置する場合におけるディスプレーサおよびシリンダの軸方向の温度分布を示したもので、同じ軸方向の距離では、シリンダ１０の温度がディスプレーサ１１の温度より高くなっているので、シリンダ１０からディスプレーサ１１に熱が移動することになる。図３の（ｃ）はディスプレーサが軸方向最下部に位置する場合におけるディスプレーサおよびシリンダの軸方向の温度分布を示したもので、同じ軸方向の距離では、ディスプレーサ１１の温度がシリンダ１０の温度より高くなっているので、ディスプレーサ１１からシリンダ１０に熱が移動することになる。
【００１８】そこで、ディスプレーサ１１が１サイクル正弦的に移動すると、中間部分ではディスプレーサ１１とシリンダ１０との間で熱のやりとりが行なわれるものの、その収支はゼロとなるが、上部および下部では、熱の収支はゼロとならない。即ち、上部では、シリンダ１０からディスプレーサ１１に熱が移動し、下部では、ディスプレーサ１１からシリンダ１０に熱が移動することになる。これをシリンダ１０から見れば、上部でディスプレーサ１１に熱を放出し、下部でディスプレーサ１１から熱を吸収するため、軸方向から見れば、低温側に熱が移送されたことになる。これがシャトルロスである。
【００１９】ついで、シリンダの内径：８０ｍｍ、ディスプレーサの外径：７９．８ｍｍ、蓄冷器の長さ：１２７ｍｍ、ストローク：３２ｍｍ、サイクル周波数：４５ｒｐｍ、室温：３００Ｋ、冷却ステージ温度：４０Ｋとした解析パラメータを用いてシャトルロスを解析的に求める。なお、計算には、以下の仮定を用いた。
（ａ）シリンダとディスプレーサの熱容量は無限大であり、シリンダとディスプレーサの温度は変化しないと仮定した。
（ｂ）ヘリウムガスの熱伝導率、比熱、粘性係数は、温度、圧力によらず一定で、平均温度、平均圧力での値を用いた。
（ｃ）シリンダとヘリウムガス、ディスプレーサとヘリウムガスの熱伝達は、距離と温度差で求められる熱伝導で評価した。
これらの仮定を用いて、シャトルロスの計算を行い、その結果のシリンダからヘリウムガスへの１サイクルでの熱の移送量を図４に示す。なお、シリンダが熱を放出する方向が正である。図４から、シリンダは上部で熱を放出し、下部で熱を吸収していることがわかる。このモデルでのシャトルロスの値は、３５．０７Ｗである。これは、低温部にある冷却ステージに３５．０７Ｗの熱負荷がシャトルロスのみで生じるということである。つまり、シリンダの上部と下部で熱の移送が行われることでシャトルロスが生じている。そのため、シリンダの上部と下部における熱伝達を低下させることで、シャトルロスを低減させることができる。
【００２０】つぎに、ディスプレーサ１１の上部および下部の外径を小さくした場合のシャトルロスの計算を行い、その結果を図５に示す。計算はディスプレーサ１１に凹溝１１ａ、１１ｂを設けている点で形状が異なるだけで、前述の方法と同じであり、またディスプレーサの外径は上部と下部とで同じ量小さくした。図中、横軸はディスプレーサ１１の外径を小さくした部分（凹溝１１ａ、１１ｂの部分）のクリアランスを、横軸はシャトルロスを表わしている。図５から、クリアランスが大きくなるにつれ、即ちディスプレーサ１１の外径を小さくするにつれ、シャトルロスが小さくなるのがわかる。例えば、クリアランスを０．５ｍｍとすると、シャトルロスは７Ｗとなり、クリアランスが０．１ｍｍの場合（ディスプレーサ１１に凹溝１１ａ、１１ｂを設けない場合）に比べて、シャトルロスを２８Ｗ低減できたことになる。
【００２１】このように、この実施の形態１では、ディスプレーサ１１の上部および下部に凹溝１１ａ、１１ｂを設け、ディスプレーサ１１の上部と下部の外径を小さくしているので、ディスプレーサ１１の上部および下部においてシリンダ１１との距離が大きくなり、ディスプレーサ１１とシリンダ１０との間の熱伝達が低下する。その結果、ディスプレーサ１１の上部および下部とシリンダ１０との間における熱の移送が行なわれにくくなり、シャトルロスが低減され、蓄冷型冷凍機の冷凍能力および冷凍効率を向上させることができる。また、ディスプレーサ１１の上部および下部のみの外径を小さくしているので、ディスプレーサ１１の上部および下部を除いて、ディスプレーサ１１とシリンダ１０とのクリアランスを小さく確保することができる。その結果、ポンピングロスや熱対流によるロスを増加させることなく、シャトルロスを低減でき、優れた冷凍能力および冷凍効率が得られる。また、ディスプレーサ１１に凹溝１１ａ、１１ｂを設けることにより、ディスプレーサ１１の上部および下部の外径を小さくしているので、ディスプレーサ１１とシリンダ１０との間のクリアランス拡大部を簡易に形成できる。
【００２２】実施の形態２．この実施の形態２では、図６に示されるように、蓄冷器１２の上端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分ディスプレーサ１１の外径を小さくするように凹溝１１ａ（軸方向長さは１ストローク分）が設けられている。この凹溝１１ａは、深さが軸方向に一定のコ字状断面に形成されている。なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００２３】図４から、ディスプレーサ１１の上部とシリンダ１０との間では、蓄冷器１２の上端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分の領域で熱の移動が行なわれていることがわかる。この実施の形態２によれば、蓄冷器１２の上端を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分ディスプレーサ１１の外径を小さくするように凹溝１１ａが設けられているので、ディスプレーサ１１の上部とシリンダ１０との間の熱の移動が行なわれる部位に相当する領域のみのクリアランスが大きくなり、ディスプレーサ１１の上部とシリンダ１０との間で行われる熱の移動が効果的に低減される。その結果、凹溝１１ａの軸方向の長さが過度に長くならず、凹溝１１ａを設けることに起因するポンピングロスや熱対流によるロスの増加が抑えられ、シャトルロスを低減することができ、より優れた冷凍能力および冷凍効率が得られる。
【００２４】実施の形態３．この実施の形態３では、図７に示されるように、蓄冷器１２の下端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分ディスプレーサ１１の外径を小さくするように凹溝１１ｂ（軸方向長さは１ストローク分）が設けられている。この凹溝１１ｂは、深さが軸方向に一定のコ字状断面に形成されている。なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００２５】図４から、ディスプレーサ１１の下部とシリンダ１０との間では、蓄冷器１２の下端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分の領域で熱の移動が行なわれていることがわかる。この実施の形態３によれば、蓄冷器１２の下端を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分ディスプレーサ１１の外径を小さくするように凹溝１１ｂが設けられているので、ディスプレーサ１１の下部とシリンダ１０との間の熱の移動が行なわれる部位に相当する領域のみのクリアランスが大きくなり、ディスプレーサ１１の下部とシリンダ１０との間で行われる熱の移動が効果的に低減される。その結果、凹溝１１ｂの軸方向の長さが過度に長くならず、凹溝１１ｂを設けることに起因するポンピングロスや熱対流によるロスの増加が抑えられ、シャトルロスを低減することができ、より優れた冷凍能力および冷凍効率が得られる。
【００２６】実施の形態４．この実施の形態４では、図８に示されるように、蓄冷器１２の上端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分ディスプレーサ１１の外径を小さくするように凹溝１１ａ（軸方向長さは１ストローク分）が設けられている。この凹溝１１ａは蓄冷器１２の上端位置の深さが最も深く、軸方向の上下に漸次浅くなるテーパ形状に形成されている。なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００２７】図４から、ディスプレーサ１１の上部とシリンダ１０との間では、蓄冷器１２の上端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分の領域で熱の移動が行なわれ、かつ、蓄冷器１２の上端位置に相当する部位における熱の移動量が最も多いことがわかる。この実施の形態４によれば、蓄冷器１２の上端を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分ディスプレーサ１１の外径をテーパ状に小さくするように凹溝１１ａが設けられているので、ディスプレーサ１１の上部とシリンダ１０との間の熱の移動が行なわれる部位に相当する領域のみのクリアランスが大きくなり、ディスプレーサ１１の上部とシリンダ１０との間で行われる熱の移動が効果的に低減される。その結果、凹溝１１ａの軸方向の長さが過度に長くならず、かつ、断面積が大きくならず、凹溝１１ａを設けることに起因するポンピングロスや熱対流によるロスの増加がより抑えられるとともに、シャトルロスを低減することができ、極めて優れた冷凍能力および冷凍効率が得られる。
【００２８】実施の形態５．この実施の形態５では、図９に示されるように、蓄冷器１２の下端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分ディスプレーサ１１の外径を小さくするように凹溝１１ｂ（軸方向長さは１ストローク分）が設けられている。この凹溝１１ｂは蓄冷器１２の下端位置の深さが最も深く、軸方向の上下に漸次浅くなるテーパ形状に形成されている。なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００２９】図４から、ディスプレーサ１１の下部とシリンダ１０との間では、蓄冷器１２の下端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分の領域で熱の移動が行なわれ、かつ、蓄冷器１２の下端位置に相当する部位における熱の移動量が最も多いことがわかる。この実施の形態５によれば、蓄冷器１２の下端を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分ディスプレーサ１１の外径をテーパ状に小さくするように凹溝１１ｂが設けられているので、ディスプレーサ１１の下部とシリンダ１０との間の熱の移動が行なわれる部位に相当する領域のみのクリアランスが大きくなり、ディスプレーサ１１の下部とシリンダ１０との間で行われる熱の移動が効果的に低減される。その結果、凹溝１１ｂの軸方向の長さが過度に長くならず、かつ、断面積が大きくならず、凹溝１１ｂを設けることに起因するポンピングロスや熱対流によるロスの増加がより抑えられるとともに、シャトルロスを低減することができ、極めて優れた冷凍能力および冷凍効率が得られる。
【００３０】実施の形態６．この実施の形態６では、図１０および図１１に示されるように、シリンダ１０は、その内周面の上部側および下部側に凹溝１０ａ、１０ｂが周方向に設けられて上部側および下部側の外径を大きくされた内径形状に形成されている。また、凹溝１０ａ、１０ｂは、ピストンリング１５の設置位置より下部側で、蓄冷器１２の上端位置および下端位置を含み、深さが軸方向に一定のコ字状断面に形成されている。なお、この実施の形態６では、ディスプレーサ１１の上部側および下部側に凹溝１１ａ、１１ｂを設けてシリンダ１０とディスプレーサ１１とのクリアランスを大きくする構成に代えて、シリンダ１０の上部側および下部側に凹溝１０ａ、１０ｂを設けてシリンダ１０とディスプレーサ１１とのクリアランスを大きくしている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００３１】この実施の形態６による構成において、即ちシリンダ１０の上部および下部の外径を大きくした場合のシャトルロスの計算を行い、その結果を図１２に示す。計算はシリンダ１０に凹溝１０ａ、１０ｂを設けている点で形状が異なるだけで、上記実施の形態１で示した方法と同じであり、またシリンダの内径は上部と下部とで同じ量大きくした。図中、横軸はシリンダ１０の内径を大きく部分（凹溝１０ａ、１０ｂの部分）のクリアランスを、横軸はシャトルロスを表わしている。図１２から、クリアランスが大きくなるにつれ、即ちシリンダ１０の内径を大きくするにつれ、シャトルロスが小さくなるのがわかる。例えば、クリアランスを０．５ｍｍとすると、シャトルロスは７Ｗとなり、クリアランスが０．１ｍｍの場合（シリンダ１０に凹溝１０ａ、１０ｂを設けない場合）に比べて、シャトルロスを２８Ｗ低減できたことになる。
【００３２】このように、この実施の形態６では、シリンダ１０の上部および下部に凹溝１０ａ、１０ｂを設け、シリンダ１０の上部と下部の内径を大きくしているので、シリンダ１０の上部および下部においてディスプレーサ１１との距離が大きくなり、ディスプレーサ１１とシリンダ１０との間の熱伝達が低下する。その結果、シリンダ１０の上部および下部とディスプレーサ１１との間における熱の移送が行なわれにくくなり、シャトルロスが低減され、蓄冷型冷凍機の冷凍能力および冷凍効率を向上させることができる。また、シリンダ１０の上部および下部のみの内径を大きくしているので、シリンダ１０の上部および下部を除いて、ディスプレーサ１１とシリンダ１０とのクリアランスを小さく確保することができる。その結果、ポンピングロスや熱対流によるロスを増加させることなく、シャトルロスを低減でき、優れた冷凍能力および冷凍効率が得られる。また、シリンダ１０に凹溝１０ａ、１０ｂを設けることにより、シリンダ１０の上部および下部の外径を大きくしているので、ディスプレーサ１１とシリンダ１０との間のクリアランス拡大部を簡易に形成できる。
【００３３】実施の形態７．この実施の形態７では、図１３に示されるように、蓄冷器１２の上端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分シリンダ１０の内径を大きくするように凹溝１０ａ（軸方向長さは１ストローク分）が設けられている。この凹溝１０ａは、深さが軸方向に一定のコ字状断面に形成されている。なお、他の構成は、上記実施の形態６と同様に構成されている。
【００３４】図４から、シリンダ１０の上部とディプレーサ１１との間では、蓄冷器１２の上端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分の領域で熱の移動が行なわれていることがわかる。この実施の形態７によれば、蓄冷器１２の上端を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分シリンダ１０の内径を大きくするように凹溝１０ａが設けられているので、シリンダ１０の上部とディスプレーサ１１との間の熱の移動が行なわれる部位に相当する領域のみのクリアランスが大きくなり、シリンダ１０の上部とディスプレーサ１１との間で行われる熱の移動が効果的に低減される。その結果、凹溝１０ａの軸方向の長さが過度に長くならず、凹溝１０ａを設けることに起因するポンピングロスや熱対流によるロスの増加が抑えられ、シャトルロスを低減することができ、より優れた冷凍能力および冷凍効率が得られる。
【００３５】実施の形態８．この実施の形態８では、図１４に示されるように、蓄冷器１２の下端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分シリンダ１０の内径を大きくするように凹溝１０ｂ（軸方向長さは１ストローク分）が設けられている。この凹溝１０ｂは、深さが軸方向に一定のコ字状断面に形成されている。なお、他の構成は、上記実施の形態６と同様に構成されている。
【００３６】図４から、シリンダ１０の下部とディスプレーサ１１との間では、蓄冷器１２の下端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分の領域で熱の移動が行なわれていることがわかる。この実施の形態８によれば、蓄冷器１２の下端を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分シリンダ１０の内径を大きくするように凹溝１０ｂが設けられているので、シリンダ１０の下部とディスプレーサ１１との間の熱の移動が行なわれる部位に相当する領域のみのクリアランスが大きくなり、シリンダ１０の下部とディスプレーサ１１との間で行われる熱の移動が効果的に低減される。その結果、凹溝１０ｂの軸方向の長さが過度に長くならず、凹溝１０ｂを設けることに起因するポンピングロスや熱対流によるロスの増加が抑えられ、シャトルロスを低減することができ、より優れた冷凍能力および冷凍効率が得られる。
【００３７】実施の形態９．この実施の形態９では、図１５に示されるように、蓄冷器１２の上端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分シリンダ１０の内径を大きくするように凹溝１０ａ（軸方向長さは１ストローク分）が設けられている。この凹溝１０ａは蓄冷器１２の上端位置の深さが最も深く、軸方向の上下に漸次浅くなるテーパ形状に形成されている。なお、他の構成は、上記実施の形態６と同様に構成されている。
【００３８】図４から、シリンダ１０の上部とディスプレーサ１１との間では、蓄冷器１２の上端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分の領域で熱の移動が行なわれ、かつ、蓄冷器１２の上端位置に相当する部位における熱の移動量が最も多いことがわかる。この実施の形態９によれば、蓄冷器１２の上端を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分シリンダ１０の内径をテーパ状に小さくするように凹溝１０ａが設けられているので、シリンダ１０の上部とディスプレーサ１１との間の熱の移動が行なわれる部位に相当する領域のみのクリアランスが大きくなり、シリンダ１０の上部とディスプレーサ１１との間で行われる熱の移動が効果的に低減される。その結果、凹溝１０ａの軸方向の長さが過度に長くならず、かつ、断面積が大きくならず、凹溝１０ａを設けることに起因するポンピングロスや熱対流によるロスの増加がより抑えられるとともに、シャトルロスを低減することができ、極めて優れた冷凍能力および冷凍効率が得られる。
【００３９】実施の形態１０．この実施の形態１０では、図１６に示されるように、蓄冷器１２の下端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分シリンダ１０の内径を小さくするように凹溝１０ｂ（軸方向長さは１ストローク分）が設けられている。この凹溝１０ｂは蓄冷器１２の下端位置の深さが最も深く、軸方向の上下に漸次浅くなるテーパ形状に形成されている。なお、他の構成は、上記実施の形態６と同様に構成されている。
【００４０】図４から、シリンダ１０の下部とディスプレーサ１１との間では、蓄冷器１２の下端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分の領域で熱の移動が行なわれ、かつ、蓄冷器１２の下端位置に相当する部位における熱の移動量が最も多いことがわかる。この実施の形態１０によれば、蓄冷器１２の下端を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分シリンダ１０の内径をテーパ状に大きくするに凹溝１０ｂが設けられているので、シリンダ１０の下部とディスプレーサ１１との間の熱の移動が行なわれる部位に相当する領域のみのクリアランスが大きくなり、シリンダ１０の下部とディスプレーサ１１との間で行われる熱の移動が効果的に低減される。その結果、凹溝１０ｂの軸方向の長さが過度に長くならず、かつ、断面積が大きくならず、凹溝１０ｂを設けることに起因するポンピングロスや熱対流によるロスの増加がより抑えられるとともに、シャトルロスを低減することができ、極めて優れた冷凍能力および冷凍効率が得られる。
【００４１】なお、上記実施の形態２〜５では、凹溝１１ａ、１１ｂの一方のみが蓄冷器１２の下端もしくは下端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分ディスプレーサ１１の外径を小さくするように設けられるものとしているが、凹溝１１ａ、１１ｂの両方が蓄冷器１２の下端もしくは下端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分ディスプレーサ１１の外径を小さくするように設けられるものとしてもよい。この場合、ディスプレーサ１１の上部および下部とシリンダ１０との間で行われる熱の移動が効果的に低減され、シャトルロスを一層低減することができる。また、上記実施の形態７〜１０では、凹溝１０ａ、１０ｂの一方のみが蓄冷器１２の下端もしくは下端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分シリンダ１０の内径を大きくするように設けられるものとしているが、凹溝１０ａ、１０ｂの両方が蓄冷器１２の下端もしくは下端位置を中心に軸方向の上下に１／２ストローク分シリンダ１０の内径を大きくするように設けられるものとしてもよい。この場合、シリンダ１０の上部および下部とディスプレーサ１１との間で行われる熱の移動が効果的に低減され、シャトルロスを一層低減することができる。
【００４２】また、上記各実施の形態では、シリンダ１０およびディスプレーサ１１の一方に凹溝を形成して、膨張機２０の軸方向の上部側および下部側におけるシリンダ１０とディスプレーサ１１との間のクリアランスを大きくするものとしているが、シリンダ１０およびディスプレーサ１１の両方に凹溝を形成して、膨張機２０の軸方向の上部側および下部側におけるシリンダ１０とディスプレーサ１１とのクリアランスを大きくしてもよく、さらにはシリンダ１０の上部側（あるいは下部側）に凹溝を形成し、かつ、ディスプレーサ１１の下部側（あるいは上部側）に凹溝を形成して、膨張機２０の軸方向の上部側および下部側におけるシリンダ１０とディスプレーサ１１とのクリアランスを大きくしてもよい。また、上記各実施の形態では、膨張機２０の軸方向の上部側および下部側において、シリンダ１０とディスプレーサ１１とのクリアランスを大きくするものとしているが、膨張機２０の軸方向の上部側および下部側の少なくとも一方において、シリンダ１０とディスプレーサ１１との間のクリアランスを大きくするようにしてもよい。この場合、クリアランスを大きくした側におけるシリンダ１０とディスプレーサ１１との間の熱の移動が抑えられ、シャトルロスを低減することができ、同様の効果が得られる。
【００４３】また、上記各実施の形態では、蓄冷型冷凍機として単段ＧＭ冷凍機を用いて説明しているが、この発明は単段ＧＭ冷凍機に限らず、多段ＧＭ冷凍機に適用しても、他の蓄冷型冷凍機に適用しても、同様の効果が得られることはいうまでもないことである。
【００４４】
【発明の効果】この発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００４５】この発明によれば、シリンダ、該シリンダ内に往復動可能に配設されたディスプレーサ、蓄冷材が該ディスプレーサの内部に充填されて構成された蓄冷器、該シリンダの上端内周と該ディスプレーサの上端外周との間に配設されガスの低温部と高温部とをシールするピストンリングおよび該シリンダの下端外周に配設された冷却ステージを有する膨張機と、上記膨張機に高圧ガスを供給する圧縮機と、上記圧縮機の吐出側と上記膨張機とを連結するガス送気配管の経路中に配設されて上記圧縮機で圧縮された高圧ガスの上記膨張機への供給を制御する吸気バルブと、上記圧縮機の吸気側と上記膨張機とを連結するガス排気配管の経路中に配設されて上記圧縮機への上記膨張機内の低圧ガスの戻りを制御する排気バルブと、上記ディスプレーサを往復動させる駆動モータとを備えた蓄冷型冷凍機において、上記膨張機は、上記シリンダと上記ディスプレーサとの間のクリアランスが、上部側で上記蓄冷器の上端位置を含む軸方向の所定の領域および下部側で上記蓄冷器の下端位置を含む軸方向の所定の領域の少なくとも一方の領域で大きく形成されているので、ポンピングロスや熱対流によるロスを増加させることなく、シャトルロスを低減することができ、冷凍能力および冷凍効率を向上させることができる蓄冷型冷凍機が得られる。
【００４６】また、上記クリアランスが大きく形成された上記領域は、上記蓄冷器の上端位置もしくは下端位置を中心に、上記ディスプレーサのストローク分の軸方向長さを有するように形成されているので、クリアランスが大きく形成された領域の形成に起因するポンピングロスや熱対流によるロスの増加を抑え、シャトルロスを効果的に低減することができる。
【００４７】また、上記クリアランスが大きく形成された上記領域のクリアランスは、上記蓄冷器の上端位置もしくは下端位置を最大とし、軸方向の上下に漸次減少するように形成されているので、クリアランスが大きく形成された領域の形成に起因するポンピングロスや熱対流によるロスの増加を最小限度に抑え、シャトルロスを効果的に低減することができる。
【００４８】また、上記クリアランスが大きく形成された上記領域は、上記シリンダの内周面および上記ディスプレーサの外周面の少なくとも一方に設けられた凹溝で構成されているので、クリアランスが大きく形成された領域を簡易に作製することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６０１３
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年１０月１９日（１９９８．１０．１９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００５７８７４
【弁理士】
【氏名又は名称】曾我 道照 （外６名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−１２１１８６（Ｐ２０００−１２１１８６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年４月２８日（２０００．４．２８） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２９６９６６ |
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