(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダに液状潤滑材を介して稼動するピストンが内嵌され、当該シリンダの上端部とピストンとの間に、ピストン空間の形成された冷媒ガス圧送機と、その上位に設置されて再生熱交換器を内設した蓄冷器の下端部とを、冷媒ガス流通パイプにより連設し、上記蓄冷器の上端部とパルス管の上端部とを低温部により連通すると共に、当該パルス管の室温部である下端部を、オリフィスバルブを介してバッファタンクに連設し、上記蓄冷器の下端部、パルス管の下端部、バッファタンクの下端部中、その全部または一部には、回収された液状潤滑材を、前記冷媒ガス圧送機のシリンダにおける上端部からピストン空間に落入する逆止弁付きの液状潤滑材還流パイプが設けられていることを特徴とする液状潤滑材を用いたピストン式のパルスチューブ冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ヘリウム、水素、空気等のガスを、ガス圧力源により断熱膨張させることで、冷蔵、冷凍、冷房等の温度領域の需要に供し得ると共に、機械的ガス圧力源として液体潤滑材を用いた機械的ピストンを使用し、かつ、従来のオリフィス型パルスチューブ冷凍機と近似した簡潔構成すると共に、冷媒ガス中に混入した上記液状潤滑材の自動除去機能を備えるようにしたガス冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
既知の通りパルスチューブ冷凍機は、従来からあるスターリング冷凍機におけるピストンを、ガスで置換するようにしたもので、近年冷凍効率の向上と最低到達温度の低下が実現されつつあることから、注目を集めるようになって来ている。ここで、上記スターリング冷凍機なるものは、図２の（Ａ）に例示する如き構成を有し、モータ駆動部Ａによって圧縮ピストンＢを稼動し、これにより室温空間Ｃを圧縮することで全体の圧力が上昇し、この時発生する熱は室温空間Ｃの冷却によって、外部へ放出される（圧縮プロセス）ことになる。
【０００３】
さらに、膨張ピストンＤが、外部である仕事回収部Ｅへ仕事を行いながら、冷却空間Ｆを増加させる事により、全体の圧力が低下し、これにより低温空間Ｆの温度が下降する（膨張プロセス）のであり、次いで、膨張ピストンＤが低温空間Ｆの冷却ガスを、再生熱交換器Ｇ（金網、金属粒等）を通して、室温空間Ｃ側へ追い出し、同時に圧縮ピストンＢも動くため、圧力は一定のままで熱の発生はなく、発生した上記の冷熱は、再生熱交換器Ｇに蓄えられて、次のプロセスにおけるガスの冷却に用いられる（移動プロセス）のである。
【０００４】
このスターリング冷凍機に対し、パルスチューブ冷凍機としては、ピストン型パルスチューブ冷凍機（図２（Ｂ））、バルブ型パルスチューブ冷凍機（図２（Ｃ））、オリフィス型パルスチューブ冷凍機（図３（Ａ））が知られており、上記ピストン型パルスチューブ冷凍機は、前記スターリング冷凍機における膨張ピストンＤの大部分が、ガスピストンＨに置換されたもので、これによるときは、ガスピストンＨが圧力に応じて伸縮するため、スターリング冷凍機より効率が低下するものの、膨張ピストンＤ１  がＤよりも軽量化されると共に、低温で動作する部分がなくなることから、高速運転も可能となる。
【０００５】
次に、上記のバルブ型パルスチューブ冷凍機は、スターリング冷凍機のモータ駆動部Ａと圧縮ピストンＢ、膨張ピストンＤと仕事回収部Ｅを、夫々高圧ガスＩ１  の流入側バルブＪ１  と低圧ガスＩ２  の流出側バルブＪ２  と、低圧ガスＫ１  の流出側バルブＬ１  と高圧ガスＫ２  の流入側バルブＬ２  とに置換してしまうことにより、すべての駆動部分を排除可能としたものであるが、スターリング冷凍機のように膨張ピストンＤによる仕事の回収が無いために効率は低下する欠陥がある。
【０００６】
また、前記のオリフィス型パルスチューブ冷凍機は、図３（Ａ）の如くパルス管Ｍ側における前記の流出側バルブＬ１  と流入側バルブＬ２  を、オリフィスバルブＮとバッファタンクＯに置換したことで、装置全体の簡略化が図られているが、効率の向上は期待できないものとなっている。ここで図中Ｐは圧縮機で、Ｑ１  とＱ２  は夫々高圧側圧力容器と低圧側圧力容器を示し、Ｒ１  、Ｒ２  は冷却水による熱交換器で、Ｓは低温部、Ｔは低温側熱交換器である。
【０００７】
さらに図３（Ｂ）に示された従来例は、図３（Ａ）のオリフィス型パルスチューブ冷凍機において、冷媒ガス圧送源としての圧縮機Ｐ、高圧側と低圧側の圧力容器Ｑ１、Ｑ２、流入側と流出側のバルブＪ１、Ｊ２などに替え、機械的な圧縮機とか膨張機等による機械的高圧ガス源Ｕを用いて、冷凍効率の向上を図るようにしたものである。
【０００８】
上記の機械的高圧ガス源Ｕは、シリンダＵ１  に内嵌のピストンＵ２  を往復動させるが、この際、ピストンＵ２  に対して液状潤滑材を用いることなく、固体潤滑材としてのシール材Ｕ３  を用いるようにしている。何故ならば、この種の冷凍機にあっては、使用される冷媒ガス中にオイル等による液状潤滑材が含まれてはならないとされ、このため当該液状潤滑材を用いたときは、上記機械的高圧源Ｕの出口側にあって、当該オイル成分を除去するための特別な装置を付設するようにしたり、上記の如くシール材Ｕ３  をピストンＵ２  に係嵌し、シリンダＵ１  とピストンＵ２  との間におけるシール状態を保証しようとしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成されているパルスチューブ冷凍機には、各種の利点があり、特にピストン式のオリフィスパルスチューブ冷凍機にあっては、当該利点をいかすことができ、しかも冷凍効率の改善にも役立つのであるが、固体潤滑材によるシール材Ｕ３  を用いた場合には、シール効果の完全性を保証し難く、かつ、当然のことながら耐久性に乏しいこととなり、しかも一般に使用されるオイル潤滑式のフロン冷凍用圧縮機等を利用できないので、高価なものとなる。
【００１０】
もちろん、安価な液状潤滑材を用いたピストン式のものを採択すれば、前記の通り冷媒ガス中のオイル成分除去装置を付設しなければならず、このため装置全体が高価となるだけでなく、当該回収オイル成分の再利用にも、別途人手を要することとなる。尚、オイル等の液状潤滑材を使用することから、これが固化しない温度領域において用いられることになるのは、もちろんである。
【００１１】
本発明は上記従来技術における難点に鑑み検討されたもので、先ず従来例のように、冷媒ガスを蓄冷器に圧入する以前にあって、オイル成分を除去しようとしていた理由を精査してみると、パルスチューブ冷凍機により極低温を発生させようとするから、オイル成分が当該蓄冷器やパルス管内で凍結してしまうことを避けるため、前記のオイル成分除去の装置が不可欠となってくるわけである。
【００１２】
従って、本発明では、液状潤滑材が凍結してしまうことのない温度範囲のパルスチューブ冷凍機を大前提とし、冷媒ガス中に含まれるオイル成分を、そのまま蓄冷器やパルス管、そしてバッファタンクへ送り込んでしまうのである。これにより、蓄冷器内に備えられた多数の細管を束状にしたり、多数の金属網を層状に配置した再生熱交換器の全表面に、当該液状潤滑材を付着させてしまい、この液状潤滑材をも蓄冷材料として活用し、これにより冷凍効率の向上を図ると共に、安価な液状潤滑材を用いたピストン式圧縮機等の直接利用を可能にしようとするのが、第１の目的である。
【００１３】
さらに本発明は、上記のように冷媒ガスに含まれて圧送された液状潤滑材を重力と圧力差で、しかも蓄冷器、パルス管、バッファタンク等から逆止弁付きのパイプを用いてピストン側に還流させ、これにより液状潤滑材の自動的な再利用を可能にしようとするのが、第２の目的である。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するためシリンダに液状潤滑材を介して稼動するピストンが内嵌され、当該シリンダの上端部とピストンとの間に、ピストン空間の形成された冷媒ガス圧送機と、その上位に設置されて再生熱交換器を内設した蓄冷器の下端部とを、冷媒ガス流通パイプにより連設し、上記蓄冷器の上端部とパルス管の上端部とを低温部により連通すると共に、当該パルス管の室温部である下端部を、オリフィスバルブを介してバッファタンクに連設し、上記蓄冷器の下端部、パルス管の下端部、バッファタンクの下端部中、その全部または一部には、回収された液状潤滑材を、前記冷媒ガス圧送機のシリンダにおける上端部からピストン空間に落入する逆止弁付きの液状潤滑材還流パイプが設けられていることを特徴とする液状潤滑材を用いたピストン式のパルスチューブ冷凍機を提供しようとするものである。
【００１５】
【作用】
本発明にあって、冷媒ガス圧送機を稼動させれば、ピストンの往復動により冷媒ガスが蓄冷器内に圧送されるが、この際、シリンダとピストンとの間に施された液状潤滑材が、冷媒ガスと共に蓄冷器の再生熱交換器に流当付着する。
従って、再生熱交換器と、これに付着した液状潤滑材とが蓄冷材料として作用し、このためパルスチューブ冷凍機としての冷凍効率が助長されることとなる。
【００１６】
また、蓄冷器内の液状潤滑材は、再生熱交換器などを流下して、蓄冷器の下端部から逆止弁を介して液状潤滑材還流パイプにより、前掲シリンダ内に落流するから、当該液状潤滑材は労せずして再使用される。この際、蓄冷器だけでなく、パルス管やバッファタンクの下端部からも弁止弁を介して前同様にして液状潤滑材をシリンダ内に流下するようにすれば、より一層液状潤滑材の回収率を向上させることができる。
【００１７】
【実施例】
本発明を図示の実施例によって詳記すると、図１に示す通り冷媒ガス圧送機１はシリンダ１ａと、これに内嵌のピストン１ｂを有し、シリンダ１ａの内周面とピストン１ｂの外周面との間には、オイル等による既知の液状潤滑材２が供与されており、この際、シリンダ１ａの上端部１ｃと、ピストン１ｂの上端面１ｄとの間にピストン空間３が離間形成されている。
【００１８】
上記シリンダ１ａの上端部１ｃと、その上位に配設され、かつ、再生熱交換器４ａを内設した蓄冷器４の下端部４ｂとは、冷媒ガス流通パイプ５を介して連結されることにより、シリンダ１ａのピストン空間３と蓄冷器４内とが連通している。
【００１９】
ここで、上記の再生熱交換器４ａとしては、図示のように多数の細管４ｄを軸線方向へ束状となるよう内設するとか、既知の如く多数の金属網を層状に重積したものを使用でき、これにより冷媒ガス中に飛散した液状潤滑材２を捕集することが可能であり、もちろん、この際、液状潤滑材２が付着しても、冷媒ガスの流路が閉塞しないように、当該再生熱交換器４ａを設計しておくことになる。
【００２０】
次に、上記蓄冷器４の上端部４ｃは、既知の低温部６ａによって、パルス管６の上端部６ｂと連設されており、当該パルス管６の下端部６ｃである室温部側が、オリフィスバルブ７を介してバッファタンク８に連設されており、図中９ａは前記冷媒ガス流通パイプ５に臨設した冷媒ガス圧送側冷却熱交換部、９ｂはパルス管６の下端部６ｃである室温部に臨設のパルス管冷却熱交換部、６ｄはガスピストンを示している。
【００２１】
上記構成のパルスチューブ冷凍機にあって、本発明に係る実施例では、さらに、蓄冷器４の下端部４ｂと、パルス管６の下端部６ｃと、さらに、バッファタンク８の下端部８ａとの全部または一部と、前記冷媒ガス圧送機１のシリンダ１ａにおける上端部１ｃとの間に、夫々の液状潤滑材還流パイプ１０ａ、１０ｂ、１０ｃが連結されていると共に、これらには各逆止弁１１ａ、１１ｂ、１１ｃが介設され、これによって矢印１２ａ、１２ｂ、１２ｃ方向へ液状潤滑材２が重力および圧力差によって流下するが、前記のピストン空間３における冷媒ガスや、これに含まれた液状潤滑材は逆流しないよう構成されている。
【００２２】
上記実施例にあって、冷媒ガス圧送機１を稼動させれば、前記従来例によって説示した如く、低温部６ａにあって冷媒ガスの断熱膨張による低温が得られ、これに臨設の低温側熱交換部１３により冷凍機としての熱交換が行われることになるが、当該稼動によって、冷媒ガス圧送機１の液状潤滑材２は冷媒ガスと共に冷媒ガス流通パイプ５を介して、蓄冷器４内に圧入される。
【００２３】
従って、上記の再生熱交換器４ａが蓄冷効果を発揮して、低温部６ａにおける冷媒ガスの低温化に貢献するだけでなく、再生熱交換器４ａに付着した液状潤滑材２も、蓄冷材料としての作用を果たすこととなる。
【００２４】
このようにしてパルスチューブ冷凍機としての稼動が開始されれば、上記の蓄冷器４にあっても、またパルス管６およびバッファタンク８にあっても、夫々冷媒ガスと共に侵入した液状潤滑材２が、重力によって下方へ向け流動することになり、これが各下端部４ｂ、６ｃ、８ａに連設されている液状潤滑材還流パイプ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、そして逆止弁１１ａ、１１ｂ、１１ｃを介して、シリンダ１ａの上端部１ｃからピストン空間３内に落流して行く。このため、当該液状潤滑材２は、ピストン１ｂとシリンダ１ａとの間に帰還流入されて、自動的な再使用が実現される。
【００２５】
尚、ここで実際上、逆止弁１１ａ、１１ｂ、１１ｃを、僅かではあっても冷凍効率の低下に影響のある冷凍ガスが、完全に阻止されることなく流過してしまうことがあるので、これを防止するため、液状潤滑材還流パイプ１０ａ、１０ｂ、１０ｃの内径、長さ、配置等を適切に選定したり、さらには、別途流量調節バルブや固定オリフィス等を逆止弁１１ａ、１１ｂ、１１ｃに直列となるよう付設しておくことが望ましい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は以上のようにして構成することができるので、使用可能な低温領域は限定されるが、液状潤滑材を蓄冷器内にあって蓄冷材料として、その効用を発揮することが可能となり、この結果、冷凍能力を向上することができるだけでなく、液状潤滑材を使用のピストンにより稼動することができることから、安価に生産されているオイル潤滑式のフロン冷凍機用圧縮機等の使用が可能となり、大幅なコストダウンを実現することができる。また、その利用形態に応じて、既知のレシプロ型、ロータリー型、スクロール型などの選択についても、その自由度が幅広くなる。
【００２７】
さらに、逆止弁付きの液状潤滑材還流パイプの適切な設置によって、冷媒ガスと共に圧送されることとなる液状潤滑材を、労することなしに冷媒ガス圧送機のシリンダ内に還流できるので、特別な人手を要せずに、液状潤滑材の再使用が効率よく行なわれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るピストン式のパルスチューブ冷凍機につき、その一実施例を示した一部切欠の全体構成配管図である。
【図２】従来の冷凍機を示し、（Ａ）はスターリング冷凍機、（Ｂ）はピストン型パルスチューブ冷凍機、（Ｃ）はバルブ型パルスチューブ冷凍機の各縦断全体構成説明図である。
【図３】（Ａ）は従来のオリフィス型パルスチューブ冷凍機、（Ｂ）は同じく従来のピストン式オリフィス型パルスチューブ冷凍機を夫々示す一部切欠の全体構成配管図である。
【符号の説明】
１    冷媒ガス圧送機
１ａ  シリンダ
１ｂ  ピストン
１ｃ  シリンダの上端部
２    液状潤滑材
３    ピストン空間
４    蓄冷器
４ａ  再生熱交換器
４ｂ  蓄冷器の下端部
４ｃ  蓄冷器の上端部
５    冷媒ガス流通パイプ
６    パルス管
６ａ  低温部
６ｂ  パルス管の上端部
６ｃ  パルス管の下端部
７    オリフィスバルブ
８    バッファタンク
１０ａ  液状潤滑材還流パイプ
１０ｂ  液状潤滑材還流パイプ
１０ｃ  液状潤滑材還流パイプ
１１ａ  逆止弁
１１ｂ  逆止弁
１１ｃ  逆止弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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