ツインバード工業株式会社

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第3回ものづくり日本大賞 製品・技術開発部門特別賞受賞

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FPSCとは?

「FPSC」(フリーピストン・スターリング方式冷凍機)は、ツインバード工業が、2002年に世界に先駆けて量産に成功した冷却システムです。

FPSCは、冷媒として少量のヘリウムガスを用いた、環境にやさしい完全脱フロンの冷却システムで、ステンレス製のケーシング内部にはシリンダーが据え付けられ、その内側を2つのピストンが自由に往復運動することでフリーピストン方式と呼ばれ、ヘリウムガスの圧縮・膨張が繰り返されることにより、突起している筒の先端部(吸熱部)が冷却されます。
この吸熱部に熱交換器を取り付けることにより、冷却対象物を冷やすことができます。 吸熱部温度は、周囲温度25℃環境において熱交換器等を取り付けない無負荷の状態では、数分間で-100℃に到達します。具体的には下記の動作原理を参照ください。

弊社では、この方式の冷却モジュールを、これまで全世界の理化学・ライフサイエンス分野に提供してまいりました。

主な特徴

  1. スターリングサイクルの冷却技術により
    ① 液体窒素温度レベルまでの冷却が可能
    ② 精密な温度制御
    ③ 地球温暖化係数ゼロのヘリウムガスを使用のため地球環境に優しい
  2. ツインバードの精密加工・量産技術により
    ① 高品質、高信頼性、低振動
    ② 小型・軽量
    ③ リーズナブルな価格

FPSCの動作原理

ステンレス製のケーシング内部には、冷媒として少量のヘリウムガスが加圧され封入されています。
ケーシング内部にはシリンダーが据え付けられ、その内側に2つのピストン(ピストンとディスプレーサー)が配置されています。
ピストンは、永久磁石(マグネットリング)が固定されており、リニアモーターによりおよそ80Hz(毎分4,800回)で往復動されます。
ディスプレーサーは、ヘリウムを介してピストンの往復動を受け、ピストンとほぼ一定の位相差を保ちながら従動します。
これらの動作により、ヘリウムガスの圧縮・膨張が繰り返されます。これがスターリングサイクルです。
この時、ピストンとディスプレーサーは、クランク等により機械的に固定されておらずフリーとなっています。
ケーシング内側先端部の膨張空間では、ガスの膨張により吸熱され、一方、ディスプレーサーとピストンに挟まれた圧縮空間では、ガスの圧縮により圧縮熱が発生します。
これらの2つの空間は、リジェネレーター(“再生器”呼ばれる部品)により繋がっています。
リジェネレーターは、そのすき間をヘリウムガスが通過することにより、ガスからの熱を蓄えたり冷えたガスを温めたりして熱のやり取りを行い、圧縮空間と膨張空間の温度差を維持します。
膨張空間では吸熱フィンを介してケーシング外部から吸熱され、圧縮空間での圧縮熱は排熱フィンを介して外部に排熱されます。
このようにして、膨張空間から圧縮空間へ熱が移動されることになります。
ケーシング先端部(吸熱部)に熱交換器を取り付けることにより、冷却対象物を冷やすことができます。
吸熱部温度は、周囲温度25℃環境において熱交換器等を取り付けない無負荷の状態では、数分間で-100℃に到達します。

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