| 【発明の名称】 |
冷凍機用コールドヘッド |
| 【発明者】 |
【氏名】生田 義貴
【氏名】金尾 憲一
【氏名】渡辺 紀久
【氏名】田口 芳人
【氏名】内田 年雄
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| 【要約】 |
【課題】コールドヘッドの構造を改良することで冷凍機の冷凍能力向上を図ること。
【解決手段】コールドヘッド１０における室温側オリフィス１４−２の断面積をシリンダ１１の内部断面積の３．５〜６％とし、低温側オリフィス１４−１の断面積をシリンダの内部断面積の１４〜３０％とした。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 一端が閉塞されたシリンダと、前記シリンダの他端に取り付けられ、該シリンダと共に閉じた空間を画定する外枠と、前記シリンダ内に配置されたディスプレーサであって、前記シリンダの一端と該ディスプレーサとの間に低温側オリフィスを通して膨張空間を画定すると共に、前記外枠と該ディスプレーサとの間に室温側オリフィスを通して無効空間を画定し、該ディスプレーサ内には前記膨張空間と前記無効空間とを連通させるガス流路及び該ガス流路内を流れるガスと熱交換を行う蓄冷材が設けられたディスプレーサと、前記ディスプレーサを、該ディスプレーサの外周面が前記シリンダの内周面と微小間隙を隔てて対峙させ、かつ前記シリンダの軸方向に移動可能に支持する支持手段と、前記無効空間へ連通し、冷媒ガスの導入と排出を行う冷媒ガス供給路とを有し、前記室温側オリフィスの断面積は前記シリンダ内部断面積の３．５〜６％とし、前記低温側オリフィスの断面積は前記シリンダ内部断面積の１４〜３０％としたことを特徴とする冷凍機用コールドヘッド。
【請求項２】 前記支持手段は、前記ディスプレーサを前記シリンダの軸方向に弾性的に支持する弾性部材を有することを特徴とする請求項１記載の冷凍機用コールドヘッド。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、スターリング冷凍機のような冷凍機に接続されるコールドヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】図２を参照して、本出願人によりすでに出願済み（特願平１０−２３６１１１号）のスターリング冷凍機について説明する。このスターリング冷凍機は、ガス圧縮機２０、コールドヘッド５０、及び両者を接続するキャピラリチューブ４５を含んで構成される。
【０００３】ガス圧縮機２０は、隔壁２２を挟んで面対称な構造を有する。隔壁２２の両側にシリンダ２３が配置されている。シリンダ２３は、柱面状の内周面を有し、その中心軸が隔壁２２に垂直になるように配置されている。シリンダ２３の内部空洞内にピストン２４が配置されている。ピストン２４は、シリンダ２３の内周面に整合する外周面を有する。ピストン２４、シリンダ２３、及び隔壁２２により、圧縮室２５が画定される。圧縮室２５は、隔壁２２内に形成されたガス流路２６を介してキャピラリチューブ４５に連通している。
【０００４】ピストン２４の、圧縮室２５とは反対側の端部にピストンロッド２８が連結されている。ピストンロッド２８は、シリンダ２３の中心軸の延長線に沿って延在している。ピストンロッド２８は、スラスト軸受２７及び２９により、その軸方向に移動可能に、かつ軸に直交する方向には移動が禁止されるように支持されている。スラスト軸受２７及び２９は、それぞれ軸受支持部材３３及び３４を介してシリンダ２３に固定されている。
【０００５】ピストン２４は、スラスト軸受２７及び２９により、シリンダ２３の内周面とピストン２４の外周面との間に微小な間隙が形成されるように保持される。この間隙が１０μｍ程度以下であれば、クリアランスシールとして作用する。
【０００６】シリンダ２３に、その内部空間を取り囲むように、隔壁２２とは反対側の端面から隔壁２２に向かって環状のギャップ３６が形成されている。ギャップ３６の外周面を形成している内壁には環状の永久磁石３７が取り付けられている。シリンダ２３はヨークを兼ね、永久磁石３７、シリンダ２３及びギャップ３６により磁気回路が形成される。
【０００７】この磁気回路に鎖交するように、ギャップ３６内に電磁コイル４０が挿入されている。電磁コイル４０は、コイル支持部材４１を介してピストンロッド２８に固定されている。
【０００８】電磁コイル４０に、電流リード４３及び４４を介して電流が供給される。電流リ−ド４３及び４４は、シリンダ２３に固定された軸受支持部材３４とピストンロッド２８に固定されたコイル支持部材４１との間を接続するコイルばねを含んで構成される。コイルばねは、ピストンロッド２８の軸方向に弾性変形する。電流リード４３及び４４を構成するコイルばねとして、ピストン２４等の可動部分の往復運動が、運転周波数に共鳴するようなものが採用される。
【０００９】ピストン２４、スラスト軸受２７、２９、電流リード４３、４４等が配置された空間は、外側ケース３０により密閉されている。
【００１０】コールドヘッド５０は、シリンダ５１、ディスプレーサ（ピストン）５２、コイルばね５３、及び外枠５７を含んで構成される。シリンダ５１は、柱面状、例えば円柱面状の内周面を有する。シリンダ５１の一端は閉塞され、他端は外枠５７で塞がれている。シリンダ５１の内部空洞内にディスプレーサ５２が挿入されている。ディスプレーサ５２の外周面とシリンダ５１の内周面との間に、シール部材５４が配置されている。
【００１１】シリンダ５１の一端とディスプレーサ５２との間に、低温側オリフィス６１を通して膨張空間５５が画定され、ディスプレーサ５２と外枠５７との間に、室温（常温）側オリフィス６２を通して無効空間５６が画定される。ディスプレーサ５２内には、膨張空間５５と無効空間５６とを連通させるガス流路５８が設けられている。ガス流路５８内には、銅金網、鉛球等の蓄冷材５９が充填されている。
【００１２】ディスプレーサ５２は、無効空間５６内に配置されたコイルばね５３により、軸方向に関して弾性的に支持されている。無効空間５６は、キャピラリチューブ４５及びガス流路２６を介してガス圧縮機２０の圧縮室２５に連通している。
【００１３】このようなスターリング冷凍機の動作原理は、上記の出願明細書に詳しく述べられており、以下では簡単に説明する。
【００１４】電磁コイル４０に所定周波数の交流電流を流すと、電流リード４３、４４の弾性力に抗してピストン２４が往復運動する。隔壁２２の両側の２つのピストン２４が、相互に反対向きに移動するように、交流電流の位相が制御される。２つのピストン２４が近づく向きに移動する時、圧縮室２５内が高圧になり、両者が遠ざかる向きに移動するとき、圧縮室２５内が低圧になる。ピストン２４が往復運動を繰り返すことにより、周期的にガス圧を変化させることができる。
【００１５】コールドヘッド５０への冷媒ガスの供給及び排気を繰り返すことにより、逆スターリングサイクルを実行させ、膨張空間５５に寒冷を発生させることができる。
【００１６】スラスト軸受２７、２９により、ピストン２４がシリンダ２３内に所定のクリアランスをもって支持される。このため、シリンダ２３の内周面へのピストン２４の片当たりによる磨耗を防止し、信頼性を高めることができる。また、ピストン２４を板ばねで支持する場合に比べて、大きなストロークを確保することができる。また、スラスト軸受２７、２９は、板ばねのように疲労破壊を起こすこともない。ピストン２４のストロークを大きくすることにより、スターリング冷凍機の性能の向上を図ることができる。
【００１７】スラスト軸受２７、２９には真空用グリスを使用することが好ましい。真空用グリスを使用することにより、冷媒ガスの汚染を防止することができる。また、スラスト軸受２７、２９として、例えばＮＳＫ社製のリニアボールベアリングＬＢ型等のリニアベアリングを用いることができる。また、リニアベアリングの代わりにすべり軸受を用いてもよい。上記例では、ディスプレーサ５２の径方向の位置を、シール部材５４で固定する場合を示しているが、ディスプレーサ５２も、ガス圧縮機２０のピストン２４と同様に、スラスト軸受で支持してもよい。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、この種のスターリング冷凍機の課題の１つとして、冷凍能力の向上がある。冷凍能力の向上を図るためには、ガス圧縮機２０、コールドヘッド５０のそれぞれについて検討がなされる必要がある。
【００１９】本発明の課題は、コールドヘッドの構造を改良することで冷凍能力の向上を図ることにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、一端が閉塞されたシリンダと、前記シリンダの他端に取り付けられ、該シリンダと共に閉じた空間を画定する外枠と、前記シリンダ内に配置されたディスプレーサであって、前記シリンダの一端と該ディスプレーサとの間に低温側オリフィスを通して膨張空間を画定すると共に、前記外枠と該ディスプレーサとの間に室温側オリフィスを通して無効空間を画定し、該ディスプレーサ内には前記膨張空間と前記無効空間とを連通させるガス流路及び該ガス流路内を流れるガスと熱交換を行う蓄冷材が設けられたディスプレーサと、前記ディスプレーサを、該ディスプレーサの外周面が前記シリンダの内周面と微小間隙を隔てて対峙させ、かつ前記シリンダの軸方向に移動可能に支持する支持手段と、前記無効空間へ連通し、冷媒ガスの導入と排出を行う冷媒ガス供給路とを有し、前記室温側オリフィスの断面積は前記シリンダ内部断面積の３．５〜６％とし、前記低温側オリフィスの断面積は前記シリンダ内部断面積の１４〜３０％としたことを特徴とする冷凍機用コールドヘッドが提供される。
【００２１】なお、前記支持手段は、前記ディスプレーサを前記シリンダの軸方向に弾性的に支持する弾性部材を有することが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を説明する前に、本発明の着眼点について説明する。図１におけるコールドヘッド５０におけるディスプレーサ５２の運動方程式は、以下の式で表される。
【００２３】Ｆ＝ｋ・ｘ＋Ｃただし、ｋはコイルばね５３のばね定数、ｘはディスプレーサ５２の移動距離、Ｃは定数である。
【００２４】上記の式において、移動距離ｘを大きくするためにはＦを大きくする必要がある。そして、本発明者らは、Ｆを大きくするためには、低温側オリフィス６１と、室温側オリフィス６２の断面積が重要であることを確認した。
【００２５】図１を参照して、本発明の実施の形態について説明する。コールドヘッド１０は、シリンダ１１、ディスプレーサ（ピストン）１２、コイルばね１３、及び外枠１７を含んで構成される。シリンダ１１は、柱面状、例えば円柱面状の内周面を有する。シリンダ１１の一端は閉塞され、他端は外枠１７で塞がれている。シリンダ１１の内部空洞内にシリンダに収容されたディスプレーサ１２が挿入されている。本形態では、ディスプレーサ１２を収容しているシリンダの外周面とシリンダ１１の内周面との間に微小な間隙を画定することにより、図１で説明したようなシール部材を不要としているが、シール部材を配置してシールするようにしても良い。
【００２６】シリンダ１１の一端とディスプレーサ１２との間に、低温側オリフィス１４−１を通して膨張空間１５が画定され、ディスプレーサ１２と外枠１７との間に、室温（常温）側オリフィス１４−２を通して無効空間１６が画定される。ディスプレーサ１２の内部構造は、図１で説明したものと同じであり、膨張空間１５と無効空間１６とを連通させるガス流路が設けられ、ガス流路内には、銅金網、鉛球等の蓄冷材が充填されている。
【００２７】ディスプレーサ１２は、無効空間１６内に配置されたコイルばね１３により、軸方向に関して弾性的に支持されている。無効空間１６は、キャピラリチューブ１８を介して図１のガス圧縮機２０の圧縮室２５に連通している。
【００２８】本発明においては、上記のような着眼点に基づいて、低温側オリフィス１４−１の断面積を室温側オリフィス１４−２の断面積よりも大きくし、特に低温側オリフィス１４−１の断面積をシリンダ１１の内部断面積の１４〜３０％とすると共に、室温側オリフィス１４−２の断面積はシリンダ１１の内部断面積の３．５〜６％とすることで、冷凍能力の向上を図れることを確認した。
【００２９】図３は、動作係数（成績係数）ＣＯＰの測定結果を示し、図３（ａ）は低温側オリフィス１４−１に関する結果を、図３（ｂ）は室温（常温）側オリフィス１４−２に関する結果をそれぞれ示している。
【００３０】なお、本発明は、図１において説明したスターリング冷凍機に限らず、他のガス圧縮機にも適用可能である。また、ディスプレーサ１２は、ガス圧縮機２０のピストン２４と同様に、スラスト軸受で支持してもよい。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、コールドヘッドにおける低温側オリフィスと室温側オリフィスの断面積を管理することにより、冷凍機の冷凍能力向上を実現することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２１０７
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年１２月４日（１９９８．１２．４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７１２７２
【弁理士】
【氏名又は名称】後藤 洋介 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−１７１１１４（Ｐ２０００−１７１１１４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年６月２３日（２０００．６．２３） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−３４５１１１ |
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