(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に形成された膨張空間と圧縮空間との間を往復する作動媒体の流通路に再生器を備えたスターリング冷凍機において、
前記再生器の前記膨張空間側及び前記圧縮空間側の一方若しくは両方に前記再生器内を通過する前記作動媒体の流れを均一にするとともに、前記作動媒体中に含まれる水分を除去する整流兼吸湿手段を設けたことを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項２】
シリンダ内に形成された膨張空間と圧縮空間との間を往復する作動媒体の流通路に再生器を備えたスターリング冷凍機において、
前記再生器の前記膨張空間側及び前記圧縮空間側の一方若しくは両方に前記再生器内を通過する前記作動媒体の流れを均一にするとともに、前記作動媒体中に含まれる不純物を除去する整流手段兼フィルタを設けたことを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項３】
シリンダ内に形成された膨張空間と圧縮空間との間を往復する作動媒体の流通路に再生器を備えたスターリング冷凍機において、
前記再生器の前記膨張空間側及び前記圧縮空間側の一方若しくは両方に前記作動媒体中に含まれる水分及び不純物を除去する吸湿手段兼フィルタを設けたことを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項４】
シリンダ内に形成された膨張空間と圧縮空間との間を往復する作動媒体の流通路に再生器を備えたスターリング冷凍機において、
前記再生器の前記膨張空間側及び前記圧縮空間側の一方若しくは両方に前記再生器内を通過する前記作動媒体の流れを均一にするとともに、前記作動媒体中に含まれる水分及び不純物を除去する整流兼吸湿手段兼フィルタを設けたことを特徴とするスターリング冷凍機。
【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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、従来のスターリング冷凍機の一例の概略的な断面図である。以下、この従来のスターリング冷凍機の構成について図３を参照して説明する。内部に円筒状の空間を有するシリンダ１の前記空間内にディスプレーサ２及びピストン３を配設することにより、前記空間内に形成された圧縮空間６と膨張空間７との間に再生器８を設けて閉回路を構成し、この閉回路の作動空間にヘリウム等の作動ガスを充填するとともに、前記ピストン３をリニアモータ（図示せず）等の外部動力によって軸方向（Ｆの方向）に往復運動させる。このピストン３の往復運動は作動空間に封入された前記作動ガスに周期的な圧力変動をもたらすとともに、ディスプレーサ２に軸方向の周期運動を生じさせる。
【０００３】
ディスプレーサロッド４は、その一端がディスプレーサ２に固定されるとともにピストン３を貫通し、他端においてスプリング５と接続されている。ディスプレーサ２はピストン３と同じ周期かつ異なった位相でシリンダ１内を軸方向に往復運動する。ディスプレーサ２及びピストン３が適当な位相差を保って運動するとき、前記作動空間内部に封入された作動ガスは、逆スターリングサイクルとして既知の熱力学的サイクルを構成し、主として膨張空間７において冷熱を発生する。
【０００４】
再生器８は、細い針金のマトリックスや、ホイルを巻回した環状の隙間によって構成され、作動ガスが圧縮空間６から膨張空間７に移動する際に作動ガスから熱を受け取って蓄えておき、作動ガスが膨張空間７から圧縮空間６に戻る際に、この熱を作動ガスに与える蓄熱作用を有する。
【０００５】
また、９は高温側熱交換器であり、圧縮空間で作動ガスが圧縮されるときに発生する熱の一部をこの高温側熱交換器９を介して外部へ放出する。また、１０は低温側熱交換器であり、膨張空間７で作動ガスが膨張するときに、この低温側熱交換器１０を介して外部から熱を奪う。
【０００６】
以下に、その動作原理について簡単に説明する。ピストン３により圧縮された圧縮空間６内の作動ガスは、図中実線矢印Ａの如く、再生器８を経由して膨張空間７へ移動する際に、高温側熱交換器９を介して外部へ熱を放出し、前記再生器８に熱を預ける形で予冷される。大部分の作動ガスが膨張空間７に流入すると、膨張が始まり、該膨張空間７内に冷熱を発生する。
【０００７】
次に、作動ガスは、図中点線矢印Ｂの如く、再生器８を経由して圧縮空間６に戻る際に、低温側熱交換器１０を介して外部から熱を奪い、再生器８に半サイクル前に預けておいた熱を回収して圧縮空間６に入る。大部分の作動ガスが圧縮空間６に戻ると、再び圧縮が始まり次のサイクルに移行する。以上のようなサイクルが連続的に繰り返されることにより、極低温の冷熱を得ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記再生器８としては、例えばポリエステル等からなるフィルムを円筒状に巻回したもの等が用いられているが、巻回したフィルム間の隙間にバラツキがあり、そのため、これをスターリング冷凍機に組み込んだ場合、隙間の比較的大きな部分を多くの作動ガスが流れ、それ以外の部分はほとんど通過しないことになり、再生器８内の作動ガスの流れが不均一となるという問題があった。この結果、再生器８全体が無駄なく蓄熱に用いられなくなるため、再生熱交換効率が低下し、これによって冷凍機の性能の劣化を招いていた。
【０００９】
また、シリンダ１内に充填される作動ガスには水分が含まれている場合があるが、この水分が膨張空間７内で凍結してディスプレーサ２に張り付くことにより、ディスプレーサ２とシリンダ１との間に摩擦を生じてスムーズな摺動が阻害され、これもやはり冷凍機の性能を劣化させる原因となっていた。
【００１０】
あるいは、水分が膨張空間７内で凝縮して再生器８のフィルム間の隙間に流入し、該隙間部分に作動ガスが流れなくなるため、再生器８全体が無駄なく蓄熱に用いられなくなり、これもやはり冷凍機の性能を劣化させる原因となっていた。
【００１１】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、再生器内を通過する作動ガスの流れの不均一を改善することにより、再生熱交換効率を高めたスターリング冷凍機を提供することを目的とする。また、本発明は、作動ガス中に含まれる水分を除去することにより、水分の凝縮・凍結による冷凍機の性能劣化を防止することを目的とする。また、本発明は、作動ガス中に含まれる不純物を除去することにより、不純物による再生器の目詰まりを防止することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、シリンダ内に形成された膨張空間と圧縮空間との間を往復する作動媒体の流通路に再生器を備えたスターリング冷凍機において、前記再生器の前記膨張空間側及び前記圧縮空間側の一方若しくは両方に前記再生器内を通過する前記作動媒体の流れを均一にするとともに、前記作動媒体中に含まれる水分を除去する整流兼吸湿手段を設けたことを特徴とする。
【００１９】
この構成によると、膨張空間と圧縮空間との間を往復する作動媒体は再生器に流入する直前に、整流兼吸湿手段を通過する。従って、整流兼吸湿手段により再生器を通過する作動媒体の流れの不均一が改善されるとともに、作動媒体中に含まれる水分が取り除かれる。
【００２０】
また、前記再生器の前記膨張空間側及び前記圧縮空間側の一方若しくは両方に前記再生器内を通過する前記作動媒体の流れを均一にするとともに、前記作動媒体中に含まれる不純物を除去する整流手段兼フィルタを設けたことを特徴とする。
【００２１】
この構成によると、膨張空間と圧縮空間との間を往復する作動媒体は再生器に流入する直前に、整流手段兼フィルタを通過する。従って、整流兼吸湿手段により再生器を通過する作動媒体の流れの不均一が改善されるとともに、作動媒体中に含まれる不純物が取り除かれる。
【００２２】
また、前記再生器の前記膨張空間側及び前記圧縮空間側の一方若しくは両方に前記作動媒体中に含まれる水分及び不純物を除去する吸湿手段兼フィルタを設けたことを特徴とする。
【００２３】
この構成によると、膨張空間と圧縮空間との間を往復する作動媒体は再生器に流入する直前に、吸湿手段兼フィルタを通過する。従って、吸湿兼吸湿手段により作動媒体中に含まれる水分及び不純物が取り除かれる。
【００２４】
また、前記再生器の前記膨張空間側及び前記圧縮空間側の一方若しくは両方に前記再生器内を通過する前記作動媒体の流れを均一にするとともに、前記作動媒体中に含まれる水分及び不純物を除去する整流兼吸湿手段兼フィルタを設けたことを特徴とする。
【００２５】
この構成によると、膨張空間と圧縮空間との間を往復する作動媒体は再生器に流入する直前に、整流兼吸湿手段兼フィルタを通過する。従って、整流兼吸湿手段兼フィルタにより再生器を通過する作動媒体の流れの不均一が改善されるとともに、作動媒体中に含まれる水分及び不純物が取り除かれる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明に係るスターリング冷凍機の概略的な断面図である。尚、図１において、図３に示す従来のスターリング冷凍機と共通の部材については同一の符合を付し、その詳細な説明を省略する。
【００２８】
図１において、再生器８の膨張空間７側及び圧縮空間６側に整流器１１，１１を隣接して設けた以外は図３に示す従来のスターリング冷凍機の構成と同様である。本発明に係る整流器１１は、図２に示すように、ドーナツ状の部材であり、約１mm〜５mmの厚みを有している。この整流器１１は、例えば、ポリウレタンフォームから成るフィルタであり、その目の粗さは、再生器８、高温側熱交換器９、低温側熱交換器１０及び整流器１１を連結して作動ガスの流通路を形成して決まる圧縮空間６と膨張空間７との間の圧力損失が所望の値になるように調整されている。
【００２９】
このような構成のスターリング冷凍機を駆動すると、図中の矢印Ａ又はＢの如く圧縮空間６及び膨張空間７の一方から他方へ作動ガスは移動するが、その際通過抵抗のある整流器１１によって、作動ガスは整流器１１の全体にわたって分散しながら該整流器１１内を通過するため、通過後の流速は再生器８の入り口部で略一様となる。これにより、再生器８内のどこをとっても作動ガスが均一に流れるため、適度な整流効果が得られる。
【００３０】
表１に、この整流器１１を配設した場合と、配設しない場合（即ち、図３に示す従来例）におけるスターリング冷凍機の性能係数（ＣＯＰ）を示す。ここで、温度条件としては、高温側（圧縮空間６側）が30℃、低温側（膨張空間７側）が-23℃に設定されているものとする。
【００３１】
【表１】
0003751175.tif 000002
【００３２】
表１から明らかなように、整流器１１を配設することにより、再生器８内を通過する作動ガスの流れが均一化され、再生器１１全体が無駄なく蓄熱に用いられるようになった結果、冷凍機の性能が向上することが裏付けられた。
【００３３】
尚、整流器１１の材料としては、ポリウレタンフォームに限定されないことは勿論であって、圧力損失が極端に高くならないような適当なメッシュを有するものであれば、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００３４】
ところで、整流器１１の材料として、優れた吸湿性・吸水性を有する材料を用いることによって、上述したような作動ガスの整流効果に加えて、作動ガス中に含まれる水分を取り除くことができる。
【００３５】
このような材料の例としては、綿、羊毛、絹、レーヨン、アセテート、セルロース、親水性／吸水性ポリエステル、吸湿性／吸水性ナイロン等の繊維や、架橋ポリアクリル酸塩系繊維等の高吸水性高分子材料、ゼオライト、シリカ、珪藻土、アロフェン、アルミナシリカ、リン酸ジルコニウム、多孔質金属材料等の多孔質材料等が挙げられる。
【００３６】
これらの材料のうち、繊維のものはシート状、ハニカム状若しくはコルゲート状等に加工することにより、非繊維のものはドーナツ状に焼き固めたり、粉末をバインダーと共に不織布で挟み込んで定着させることにより、図２に示すような形状をした吸湿性の整流器１１を容易に作ることができる。
【００３７】
こうして形成した整流器１１を予め充分に乾燥した後、図１に示すように、冷凍機内に配設することによって、作動ガス中に含まれる水分を吸湿したり、水分が凝縮してもこれを速やかに吸水できるため、水分が膨張空間７側で凍結してディスプレーサ２等に張り付くことによる冷凍機の冷凍性能の低下を防止でき、あるいは、水分が膨張空間７内で凝縮して再生器８のフィルム間の隙間を塞ぐことによる冷凍性能の低下を防止できる。尚、上記のように整流器１１に整流性及び吸湿性を併せ持たせるものの他、整流器と吸湿材とを別々に構成してもよい。
【００３８】
また、整流器１１の材料として、ゼオライトや濾紙等を用いることによって、上述したような作動ガスの整流効果や吸湿・吸水効果に加えて、作動ガスによって媒介される部品の削れかすや部品表面から剥離したコーティング材等の不純物を吸着・除去でき、このような不純物が再生器８の目詰まりを起こして冷凍機の性能が低下することを防止できる。尚、上記のように整流器１１に整流性、吸湿・吸水性並びにフィルタ機能を併せ持たせるものほか、整流器、吸湿材及びフィルタの中から２つを適当に選んで組み合わせたり、それぞれをすべて別々に構成してもよい。
【００３９】
更に、整流器１１を適当な熱容量を有する材料（例えば、ポリエステル系の材料）で構成すると、再生器８だけでなく整流器１１でもある程度の蓄熱ができるため、再生熱交換効率の向上を図ることができる。
【００４０】
尚、本実施形態では再生器の膨張空間側及び圧縮空間の両側に整流器を設ける場合について説明したが、必ずしも両方である必要はなく、どちらか一方に配設してもよい。この場合は、部品点数が削減されて、コストダウンが図られる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、スターリング冷凍機のシリンダ内に形成された膨張空間と圧縮空間との間を往復する作動媒体の流通路に備えた再生器に隣接して前記作動媒体の流れを均一にするとともに前記作動媒体中に含まれる水分を除去する整流兼吸湿手段を設けた。この構成により、前記再生器内を通過する作動媒体の流れの不均一が改善されるとともに、作動媒体中に含まれる水分が除去され、再生熱交換効率を向上させることができるとともに膨張空間側で水分が凍結することによる冷凍機性能の低下を防止することができ、また、水分が膨張空間内で凝縮して再生器のフィルム間の隙間を塞ぐことによる冷凍性能の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】    本発明に係るスターリング冷凍機の概略的な断面図である。
【図２】    そのスターリング冷凍機に用いられる整流器の斜視図である。
【図３】    従来のスターリング冷凍機の一例の概略的な断面図である。
【符号の説明】
１    シリンダ
２    ディスプレーサ
３    ピストン
４    ディスプレーサロッド
５    スプリング
６    圧縮空間
７    膨張空間
８    再生器
９    高温側熱交換器
１０  低温側熱交換器
１１  整流器
【図１】
0003751175.tif 000003
【図２】
0003751175.tif 000004
【図３】
0003751175.tif 000005