JP2003314918A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 第２シリンダ２と第２ディスプレーサ４との
間のクリアランスの範囲を広く設定しながらも冷凍性能
が高く、品質管理が容易なディスプレーサのシール機構
を提供する。 【解決手段】 各シリンダ１・２内に第１ディスプレー
サ３と第２ディスプレーサ４をそれぞれ収容して駆動手
段１０で往復連動可能に構成し、第１シリンダ１のガス
出入口５にガス通路６の切換弁７を介して圧縮機８を連
通連結する。第２ディスプレーサ４の第１シリンダ寄り
の基端側部分４ａをクリアランスシール機構とし、その
クリアランスシール機構の寸法Ｌを第２ディスプレーサ
４の往復ストローク範囲を超える寸法Ｌに設定し、第２
ディスプレーサ４の残余部分４ｂに螺旋溝１６を凹設す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２段構成で極低温
を得るのに適した極低温冷凍機に関し、特に第２ディス
プレーサのシール構造に関する。

【０００２】

【技術の背景】この種の極低温冷凍機は以下の基本構成
を備える（図２参照）。ここで図２（Ａ）は極低温小型
冷凍機の概要を示す縦断面図、図２（Ｂ）はその冷凍機
の作動工程図であり、図２（Ｂ）中の符号Ｖは後述する
膨張室の容積を、Ｐはその膨張室内の圧力を、１〜４は
作動工程順を、それぞれ示す。

【０００３】この種の極低温冷凍機は、第１シリンダ１
と第２シリンダ２とを直列に設け、上記各シリンダ１・
２内に第１ディスプレーサ３と第２ディスプレーサ４を
それぞれ収容して駆動手段１０で往復連動可能に構成
し、上記第１シリンダ１のガス出入口５にガス通路６の
切換弁７を介して圧縮機８を連通連結し、圧縮機８で圧
縮した冷媒ガスを第１ディスプレーサ３内、第１シリン
ダ下部の第１膨張室１１、第２ディスプレーサ４内、第
２シリンダ下部の第２膨張室１２へ順に圧送するように
構成されている。

【０００４】この極低温冷凍機は、以下のように４つの
工程で作動する。工程１で各ディスプレーサ３・４が上
方へ移動する。工程２で上記切換弁７が減圧側に切り替
わり、各シリンダ１・２の膨張室１１・１２内は低圧に
なり、断熱膨張により冷媒ガスの温度が低下する。工程
３で各ディスプレーサ３・４が下方へ移動する。工程４
で上記切換弁７が高圧側に切り替わり、各シリンダ１・
２の膨張室１１・１２内は高圧になる。この運転サイク
ルは反復して実行され、運転サイクルの反復により冷却
が進むこととなる。

【０００５】

【従来の技術】ところで、上記極低温冷凍機において、
所望の冷凍性能を得るためには、上記各シリンダと各デ
ィスプレーサとの間のシール機構が重要である。このシ
ール機構としては、従来より例えば図６に示すもので特
開平７−３２４８３１号に開示されたものが知られてい
る。

【０００６】この従来例は、図６に示すように、第２デ
ィスプレーサ４の外周面に螺旋溝１６を凹設し、第１シ
リンダ下部の第１膨張室１１と第２シリンダ下部の第２
膨張室１２とを、第２ディスプレーサ４内の冷媒ガス通
路１５以外に上記螺旋溝１６で連通し、この螺旋溝１６
を介して一定量の冷媒ガスを流すように構成されてい
る。

【０００７】なお、図６中の第２シリンダ２及び第２デ
ィスプレーサ４を構成する本体１３は、ステンレス製の
筒体で構成され、その本体１３の外周に耐摩耗性樹脂部
材１４（例えばＰＴＦＥ）が固着され、上記螺旋溝１６
はその耐摩耗性樹脂部材１４に凹設されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例において所望の冷凍性能を得るには、例えば図３
（Ｂ）に示すように、第２シリンダ２と第２ディスプレ
ーサ４との間隙（クリアランス）を所定の狭い範囲に設
定する必要があるため、製造時の品質管理が容易でな
く、コストが高くつくという問題があった。

【０００９】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、上記クリアランスの範囲を従
来例よりも広く設定しながらも冷凍性能が高く、品質管
理が容易なディスプレーサのシール機構を提供すること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による極低温冷凍
機は、以下の基本構成を備える。即ち、第１シリンダ１
と第２シリンダ２とを直列に設け、上記各シリンダ１・
２内にそれぞれ第１ディスプレーサ３と第２ディスプレ
ーサ４をそれぞれ収容して駆動手段１０で往復連動可能
に構成し、上記第１シリンダ１のガス出入口５にガス通
路６の切換弁７を介して圧縮機８を連通連結し、圧縮時
には圧縮機８で圧縮した冷媒ガスを第１ディスプレーサ
３内、第１シリンダ下部の第１膨張室１１、第２ディス
プレーサ４内、第２シリンダ下部の第２膨張室１２へ順
に圧送し、減圧時には冷媒ガスを逆順路で圧縮機８へ還
流させるように構成する。

【００１１】上記課題を解決するために、請求項１に記
載の発明は、上記基本構成を備える極低温冷凍機におい
て、例えば図１に示すように、上記第２ディスプレーサ
４の第１シリンダ寄りの基端側部分４ａをクリアランス
シール機構とし、そのクリアランスシール機構の寸法Ｌ
を当該第２ディスプレーサ４の往復ストローク範囲を超
える寸法Ｌに設定するとともに、第２ディスプレーサ４
の残余部分４ｂに螺旋溝１６を凹設したことを特徴とす
る。

【００１２】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の極低温冷凍機において、例えば図４に示すように、上
記第２ディスプレーサ４の外周面を耐摩耗性樹脂材料１
４で覆うとともに、上記螺旋溝１６の開口端の寸法ｃを
当該螺旋溝の幅ｂよりも狭くしたことを特徴とする。

【００１３】請求項３に記載の発明は、請求項１又は請
求項２に記載の極低温冷凍機において、例えば図５
（Ｂ）（Ｃ）に示すように、上記螺旋溝１６の断面積
を、クリアランスシール側では相対的に小さく、先端側
では大きくしたことを特徴とする。

【００１４】

【発明の作用・効果】本発明によれば、以下の作用・効
果を奏する。 （イ）請求項１に記載の発明では、前記基本構成を備え
る極低温冷凍機において、上記第２ディスプレーサ４の
第１シリンダ寄りの基端側部分４ａをクリアランスシー
ル機構とし、そのクリアランスシール機構の寸法Ｌを当
該第２ディスプレーサ４の往復ストローク範囲を超える
寸法Ｌに設定するとともに、第２ディスプレーサ４の残
余部分４ｂに螺旋溝１６を凹設したことから、例えば図
３（Ａ）に示すように、第２シリンダ２と第２ディスプ
レーサ４とのクリアランスの範囲を従来例（図３
（Ｂ））よりも広く設定した場合でも所要の冷凍性能が
得られる。これにより製造時の品質管理が容易になり、
極低温冷凍機を安価に製造することができる。

【００１５】これは第２ディスプレーサ４の基端側部分
４ａをクリアランスシール機構とし、そのクリアランス
シール機構の寸法Ｌを当該第２ディスプレーサ４の往復
ストローク範囲を超える寸法Ｌに設定したことから、そ
の第１シリンダ寄りの基端側部分４ａのシール性能がア
ップするとともに、螺旋溝１６に流れる冷媒ガスが第２
ディスプレーサ４の先端側（下端側）から基端側部分へ
向かって流れ、螺旋溝１６と冷媒ガスの間に生じるサー
フェスヒートポンピング作用（第２ディスプレーサ４の
先端側（下端側）から基端側（上端側）へ熱を運ぶ作
用）を奏するためと推測される。

【００１６】（ロ）請求項２に記載の発明では、請求項
１に記載の極低温冷凍機において、上記第２ディスプレ
ーサ４の外周面を耐摩耗性樹脂材料１４で覆うととも
に、上記螺旋溝１６の開口端の寸法ｃを当該螺旋溝１６
の幅ｂよりも狭くしたことから、当該螺旋溝１６内を第
２ディスプレーサ４の先端側（下端側）から基端側部分
へ向かって流れる冷媒ガスの流れを妨げることなく、螺
旋溝１６内を流れる冷媒ガスのサーフェスヒートポンピ
ング作用（第２ディスプレーサ４の先端側（下端側）か
ら基端側（上端側）へ熱を運ぶ作用）を奏する。他方、
螺旋溝１６に沿って流れる冷媒ガスとシリンダーの熱交
換に伴うシャトルヒート損失（サーフェスヒートポンピ
ング作用とは逆向きへ熱を運ぶ作用）を減らすことが可
能になる。これにより、一層冷凍性能を高めることがで
きる。

【００１７】（ハ）請求項３に記載の発明では、請求項
１又は請求項２に記載の極低温冷凍機において、例えば
図５（Ｂ）（Ｃ）に示すように、上記螺旋溝１６の断面
積を、クリアランスシール側では相対的に小さく、先端
側では大きくしたので、断面積が相対的に小さい螺旋溝
では、大きい螺旋溝よりも、第２ディスプレーサ４の先
端側（下端側）から基端側部分へ向かって流れる冷媒ガ
スの粘性抵抗が大きくなり、流れ辛くなる。この結果、
全体が同じ断面積の螺旋溝にくらべ、クリアランスシー
ル側の断面積を相対的に小さく、先端側の断面積を大き
くした螺旋溝では、大きな螺旋溝中を冷媒ガスが流れる
のが遅れる。これはサーフェスヒートポンピング作用を
より強める効果があり、より性能を向上することができ
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明は、極低温冷凍機であるギ
フォード・マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機と略記
する）やスターリング冷凍機、ソルベイ冷凍機に適用さ
れるが、以下、本発明の実施形態をＧＭ冷凍機を例に添
付図面を参照しつつ説明する。ここで、図１（Ａ）は本
発明の実施形態に係るＧＭ冷凍機の要部の縦断面図、図
１（Ｂ）は図１（Ａ）中の要部の拡大図である。

【００１９】この冷凍機は、図２に示す前記基本構成を
備え、４つの工程で作動する。即ち、第１シリンダ１と
第２シリンダ２とを直列に設け、上記各シリンダ１・２
内に第１ディスプレーサ３と第２ディスプレーサ４をそ
れぞれ往復動可能に収容して駆動手段１０で連動可能に
構成し、上記第１シリンダ１のガス出入口５にガス通路
６の切換弁７を介して圧縮機８を連通連結して成り、工
程１で駆動手段１０により第１ディスプレーサ３と第２
ディスプレーサ４が復動（上昇）し、工程２の減圧時に
は冷媒ガスを第２シリンダ下部の第２膨張室１２、第２
ディスプレーサ４内、第１シリンダ下部の第１膨張室１
１、第１ディスプレーサ３内へ順に圧縮機８へ還流さ
せ、工程３で第１ディスプレーサ３と第２ディスプレー
サ４が往動（下降）し、工程４の圧縮時には圧縮機８で
圧縮した冷媒ガスを逆順路で圧送させるように構成さ
れ、この運転サイクルを反復して実行することにより、
極低温（４Ｋ）が得られるように構成されている。

【００２０】上記第１シリンダ１と第１ディスプレーサ
３及び上記第２シリンダ２と第２ディスプレーサ４を構
成する筒体は、いずれも線膨張率が等しくなるようにス
テンレス鋼で構成され、各ディスプレーサ３・４の内部
には、冷媒ガス通路１５が形成され、この冷媒ガス通路
内１５内に蓄冷材２５が充填されている。この蓄冷材２
５としては、ステンレス金網、銅金網、鉛球等が充填さ
れ、特に高い冷却性能が求められる第２ディスプレーサ
４の蓄冷材２５として磁性蓄冷材が用いられる。

【００２１】上記第１ディスプレーサ３と第２ディスプ
レーサ４は、連結ピン２０により連動可能に連結されて
いる。なお、図２中の符号２１・２２は第１ディスプレ
ーサ３のガス出入口、２３・２４は第２ディスプレーサ
４のガス出入口、２６・２７は冷熱取出部を示す。ま
た、図１中の符号２８・２９は上記ガス出入口２６・２
７を有する止端部材、３０はパンチングメタル、３１は
金網、３２はフェルト部材、をそれぞれ示す。

【００２２】以下、本発明の特徴をなす構成について説
明する。図１（Ａ）は本発明の実施形態に係る要部の縦
断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）中の要部の拡大図であ
る。本発明では、図１（Ａ）に示すように、第２ディス
プレーサ４の第１シリンダ寄りの基端側部分４ａをクリ
アランスシール機構とし、そのクリアランスシール機構
の寸法Ｌを当該第２ディスプレーサ４の往復ストローク
範囲を超える寸法Ｌに設定するとともに、第２ディスプ
レーサ４の残余部分４ｂに螺旋溝１６を凹設してある。
従来例で第２ディスプレーサ４の外周面に凹設した螺旋
溝１６が両端を連通するように構成した場合のガス熱交
換通路構造とは異なる原理によるものである。

【００２３】これは第２シリンダ２と第２ディスプレー
サ４とのクリアランスの範囲を従来例（図６）よりも広
く設定した場合でも、所要の冷凍性能が得られるように
意図したものである。これにより製造時の品質管理が容
易になり、極低温冷凍機を安価に製造することができ
る。これは第２ディスプレーサ４の基端側部分４ａをク
リアランスシール機構とし、その寸法Ｌを当該第２ディ
スプレーサ４の往復作動の範囲を超える寸法に設定する
ことにより、その基端側部分４ａのシール性能がアップ
したためである。

【００２４】上記第２ディスプレーサ４は、その外周面
が耐摩耗性樹脂材料１４で覆われ、この耐摩耗性樹脂材
料は例えばテフロン（登録商標）系の樹脂材料から成
り、その膜圧は略３０μｍに設定されている。また、上
記螺旋溝１６は第２ディスプレーサ４の残余部分４ｂに
凹設してあり、その螺旋溝１６の基端部はリング溝１７
に連接してある。これは螺旋溝１６の切設加工を容易に
するためである。ちなみに、上記螺旋溝１６のピッチ２
ｂは略４ｍｍに設定され、その溝幅ｂは略２ｍｍ、溝の
深さｄは略１ｍｍに設定されている。

【００２５】図３は各種極低温冷凍機の性能試験結果を
示すグラフで、図３（Ａ）は本発明に係る上記実施形態
の性能を、図３（Ｂ）は従来例の性能を、図３（Ｃ）は
第２ディスプレーサ全体がクリアランスシール機構の場
合の性能を、それぞれ示す。いずれも横軸に第２シリン
ダ２と第２ディスプレーサ４とのクリアランスを、縦軸
に第２ディスプレーサ４の冷熱取出部２７の温度（２段
温度と同義）を示す。

【００２６】これらの性能試験結果を対比すれば、図３
（Ａ）に示すように、本発明を適用することにより、第
２シリンダ２と第２ディスプレーサ４とのクリアランス
の範囲を、従来例（図３（Ｂ））やクリアランススシー
ルの場合よりも広く設定した場合でも所要の冷凍性能が
得られることが判明した。これにより製造時の品質管理
が容易になり、極低温冷凍機を安価に製造することがで
きる。

【００２７】図４は螺旋溝の変形例を示す図１（Ｂ）相
当図である。この変形例は、上記第２ディスプレーサ本
体１３の外周面に、例えばステンレス材等の外筒１３ａ
を固着し、この外筒１３ａを耐摩耗性樹脂材料１４で覆
うとともに、上記螺旋溝１６の開口端の寸法ｃを当該螺
旋溝１６の幅寸法ｂよりも狭くしたものである。この変
形例によれば、当該螺旋溝１６内の冷媒ガスの流れを妨
げることなく、螺旋溝１６内を流れる冷媒ガスのサーフ
ェスヒートポンピング作用（第２ディスプレーサ４の先
端側（下端側）から基端側（上端側）へ熱を運ぶ作用）
を奏する。他方、シャトルヒート損失（これとは逆向き
へ熱を運ぶ作用）を減らすことが可能になる。これによ
り、一層冷凍性能を高めることができる。

【００２８】図５は上記螺旋溝の配列の変形例を示す第
２ディスプレーサの外形図で、図５（Ａ）は図１（Ａ）
中のリング溝１７がないものを示し、図５（Ｂ）（Ｃ）
は上記螺旋溝１６の断面積を、基端側部分４ａに近い側
の螺旋溝１６ａでは相対的に小さく、先端側の螺旋溝１
６ｂでは大きくしたものを示す。ただし、図５（Ｂ）は
両螺旋溝１６ａ・１６ｂの配列ピッチが同じものを示
し、図５（Ｃ）は両螺旋溝１６ａ・１６ｂの配列ピッチ
が異なるものを示す。

【００２９】上記のように、螺旋溝１６の断面積を、基
端側部分４ａに近い側の螺旋溝１６ａを相対的に小さ
く、先端側の螺旋溝１６ｂを大きくした場合には、下記
のような利点がある。断面積が相対的に小さい螺旋溝で
は、大きい螺旋溝よりも、第２ディスプレーサ４の先端
側（下端側）から基端側部分へ向かって流れる冷媒ガス
の粘性抵抗が大きくなり、流れ辛くなる。この結果、全
体が同じ断面積の螺旋溝にくらべ、クリアランスシール
側の断面積を相対的に小さく、先端側の断面積を大きく
した螺旋溝では、大きな螺旋溝中を冷媒ガスが流れるの
が遅れる。これはサーフェスヒートポンピング作用をよ
り強める効果があり、より性能を向上することができ
る。

【００３０】本発明に係る極低温冷凍機は、上記のＧＭ
冷凍機に限らず、スターリング冷凍機やソルベイ冷凍機
に適用することができる。また、この発明は上記の実施
形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を変更
しない範囲内において、種々の設計変更を施すことが可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（Ａ）は本発明に係る極低温冷凍機の要部
の縦断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）中の要部の拡大図
である。

【図２】図２（Ａ）は極低温冷凍機の縦断面図、図２
（Ｂ）はその冷凍機の作動工程図である。

【図３】各種極低温冷凍機の性能試験結果を示すグラフ
で、図３（Ａ）は本発明に係る上記実施形態の性能を、
図３（Ｂ）は従来例の性能を、図３（Ｃ）は第２ディス
プレーサがクリアランスシール機構を有する場合の性能
をそれぞれ示す。

【図４】本発明に係る螺旋溝の変形例を示す図１（Ｂ）
相当図である。

【図５】図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、それぞれ本発明に
係る螺旋溝の配列の変形例を示す第２ディスプレーサの
外形図である。

【符号の説明】

１…第１シリンダ、２…第２シリンダ、３…第１ディス
プレーサ、４…第２ディスプレーサ、４ａ…第２ディス
プレーサの基端側部分、４ｂ…第２ディスプレーサの残
余部分、５…ガス出入口、６…ガス通路、７…切換弁、
８…圧縮機、１０…駆動手段、１１…第１膨張室、１２
…第２膨張室、１４…耐摩耗性樹脂材料、１６…螺旋
溝、ｂ…螺旋溝の幅、ｃ…螺旋溝の開口端の寸法、Ｌ…
クリアランスシール機構の寸法。

【手続補正書】

【提出日】平成１４年６月２５日（２００２．６．２
５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（Ａ）は本発明に係る極低温冷凍機の要部
の縦断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）中の要部の拡大図
である。

【図２】図２（Ａ）は極低温冷凍機の縦断面図、図２
（Ｂ）はその冷凍機の作動工程図である。

【図３】各種極低温冷凍機の性能試験結果を示すグラフ
で、図３（Ａ）は本発明に係る上記実施形態の性能を、
図３（Ｂ）は従来例の性能を、図３（Ｃ）は第２ディス
プレーサがクリアランスシール機構を有する場合の性能
をそれぞれ示す。

【図４】本発明に係る螺旋溝の変形例を示す図１（Ｂ）
相当図である。

【図５】図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、それぞれ本発明に
係る螺旋溝の配列の変形例を示す第２ディスプレーサの
外形図である。

【図６】従来例に係る極低温冷凍機の図１（Ａ）相当図
である。

【符号の説明】 １…第１シリンダ、２…第２シリンダ、３…第１ディス
プレーサ、４…第２ディスプレーサ、４ａ…第２ディス
プレーサの基端側部分、４ｂ…第２ディスプレーサの残
余部分、５…ガス出入口、６…ガス通路、７…切換弁、
８…圧縮機、１０…駆動手段、１１…第１膨張室、１２
…第２膨張室、１４…耐摩耗性樹脂材料、１６…螺旋
溝、ｂ…螺旋溝の幅、ｃ…螺旋溝の開口端の寸法、Ｌ…
クリアランスシール機構の寸法 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１４年９月２６日（２００２．９．２
６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】 明細書

【発明の名称】 極低温冷凍機

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２段構成で極低温
を得るのに適した極低温冷凍機に関し、特に第２ディス
プレーサのシール構造を改善した極低温冷凍機に関す
る。

【０００２】この種の極低温冷凍機は以下の基本構成を
備えている（図２参照）。ここで図２（Ａ）は極低温小
型冷凍機の概要を示す縦断面図、図２（Ｂ）はその冷凍
機の作動工程図であり、図２（Ｂ）中の符号Ｖは後述す
る膨張室の容積を、Ｐはその膨張室内の圧力を、１〜４
は作動工程順を、それぞれ示す。

【０００３】この種の極低温冷凍機は、第１ディスプレ
ーサ３を内蔵する第１シリンダ１と、上記第４ディスプ
レーサ３と連動する第２ディスプレーサ４を内蔵する第
２シリンダ２とが直列に形成されている。上記第１、２
ディスプレーサ３、４は駆動手段１０により往復動され
るように構成されており、上記第１シリンダ１のガス出
入口５と圧縮機８との間に、切換弁７を備えてなるガス
通路６が介装されている。そして、圧縮機８で圧縮され
た冷媒ガスがガス出入口５に流入すると共に、ガス出入
口５に流入した冷媒ガスは第１ディスプレーサ３内、第
１シリンダ下部の第１膨張室１１内、第２ディスプレー
サ４内、第２シリンダ下部の第２膨張室１２の順に流入
するように構成されている。

【０００４】この極低温冷凍機は、以下のように４つの
工程で作動する。工程１で各ディスプレーサ３，４が上
方へ移動する。工程２で上記切換弁７が減圧側に切り換
えられ、各シリンダ１，２の膨張室１１，１２内は低圧
になり、断熱膨張により冷媒ガスの温度が低下する。工
程３で各ディスプレーサ３，４が下方へ移動する。工程
４で上記切換弁７が圧縮側に切り換えられ、各シリンダ
１，２の膨張室１１，１２内は高圧になる。この運転サ
イクルは反復して実行され、運転サイクルの反復により
冷却が進むこととなる。

【０００５】ところで、上記極低温冷凍機において、所
望の冷凍性能を得るためには、上記各シリンダと各ディ
スプレーサとの間のシール機構が重要である。このよう
な極低温冷凍機の第２ディスプレーサシール機構として
は、例えば、特開平７−３２４８３１号公報に開示され
ている。

【０００６】以下、上記従来例に係る極低温冷凍機を、
その要部の縦断断面図の図６を参照しながら説明する。
即ち、第２ディスプレーサ４の外周面に螺旋溝１６が周
設されている。そして、第１シリンダ下部の第１膨張室
１１と第２シリンダ下部の第２膨張室１２とは、第２デ
ィスプレーサ４内に形成された冷媒ガス通路１５と、上
記螺旋溝１６とで連通しており、この螺旋溝１６を介し
て一定量の冷媒ガスを流すように構成されている。な
お、図６中における第２シリンダ２及び第２ディスプレ
ーサ４を構成する本体１３はステンレス製の筒体により
構成され、その本体１３の外周に、耐摩耗性樹脂筒体１
４（例えば、ＰＴＦＥ）が外装されており、上記螺旋溝
１６はその、耐摩耗性樹脂筒体１４に周設されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例において、
所望の冷凍性能を得るためには、例えば第２シリンダと
第２ディスプレーサとの間隙（クリアランス）と、２段
温度との関係説明図の図３（Ｂ）に示すように、第２シ
リンダと第２ディスプレーサとのクリアランスを所定の
狭い範囲内に設定する必要がある。そのため、製造時の
品質管理が容易でなく、コストが高くつくという問題が
あった。

【０００８】本発明は、上記のような実情に鑑みてなさ
れたものであり、その目的は、上記クリアランスの範囲
が従来例よりも広く設定されているにもかかわらず冷凍
性能が優れ、品質管理が容易なディスプレーサを備えた
極低温冷凍機を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされたものであって、本発明の請求項１
に係る極低温冷凍機は、第１ディスプレーサ３を内蔵す
る第１シリンダ１と、上記第１ディスプレーサ３と連動
する第２ディスプレーサ４を内蔵する第２シリンダ２と
が直列に形成され、上記第１、２ディスプレーサ３，４
を往復動させる駆動手段１０が設けられ、上記第１シリ
ンダ１のガス出入口５と圧縮機８との間に、切換弁７を
備えてなるガス通路６が介装されるとともに、圧縮時に
は圧縮機８からガス出入口５に流入する冷媒ガスが第１
ディスプレーサ３内、第１シリンダ下部の第１膨張室１
１内、第２ディスプレーサ４内、第２シリンダ下部の第
２膨張室１２の順に流入する一方、減圧時には冷媒ガス
が逆順路を経て上記ガス出入口５から流出するように構
成された極低温冷凍機において、上記第２ディスプレー
サ４の第１シリンダ寄りの基端側部分４ａに、この第２
ディスプレーサ４のストローク範囲以上の寸法Ｌのクリ
アランスシール機構を形成し、この第２ディスプレーサ
４の上記クリアランスシール機構を除く残余部分４ｂの
外周に螺旋溝１６を周設したことを特徴とする。

【００１０】本発明の請求項２に係る極低温冷凍機は、
請求項１に記載の極低温冷凍機において、上記第２ディ
スプレーサ（４）の外周面に耐摩耗性樹脂層（１４）を
形成させるとともに、上記螺旋溝（１６）の開口溝幅
（ｃ）を、この螺旋溝（１６）の最大溝幅（ｂ）よりも
狭くしたことを特徴とする。

【００１１】本発明の請求項３に係る極低温冷凍機は、
請求項１又は２のうちの何れか１つの項に記載の極低温
冷凍機において、上記螺旋溝１６の断面積を、上記クリ
アランスシール機構側よりも先端側を相対的に大きくし
たことを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形熊に係る
極低温冷凍機を、極低温冷凍機がギフォード・マクマホ
ン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）である場合を例と
して、添付図面を参照しつつ説明する。図１（Ａ）は本
発明の実施の形態に係るＧＭ冷凍機の要部の縦断面図、
図１（Ｂ）は図１（Ａ）中の要部の拡大図である。な
お、主要構成は、図２に示す従来例と同等であるから、
主要構成については図２も参照することとする。

【００１３】先ず、ＧＭ冷凍機の全体構成を説明する。
即ち、第１ディスプレーサ３を内蔵する第１シリンダ１
の下部に、上記第１ディスプレーサ３の連結ピン２０に
より連結された第２ディスプレーサ４を内蔵する第２シ
リンダ２の上端が固着されて一体形成されている。上記
第１ディスプレーサ３は駆動手段１０で往復動され、こ
の第１ディスプレーサ３に連動して第２ディスプレーサ
４も往復動されるように構成されている。上記第１シリ
ンダ１のガス出入口５と圧縮機８との間には、切換弁７
を備えたガス通路６が介装されている。つまり、このガ
ス通路６は、切換弁７の切り換えにより、圧縮機８から
吐出される冷媒ガスをガス出入口５に流入させ、逆にこ
のガス出入口５から戻される冷媒ガスを圧縮機８のガス
吸込口に戻すものである。

【００１４】冷媒ガスの圧縮時には、圧縮機８からガス
出入口５に流入する冷媒ガスが第１ディスプレーサ３
内、第１シリンダ下部の第１膨張室１１内、第２ディス
プレーサ４内、第２シリンダ下部の第２膨張室１２の順
に流入する。一方、冷媒ガスの減圧時には、冷媒ガスが
逆順路を経て上記ガス出入口５から流出する。このよう
な冷媒ガスの圧縮、減圧は駆動手段１０による第１、２
ディスプレーサ３，４の往復動により行われ、このよう
な反復運転によって、極低温（４Ｋ）が得られるように
なっている。

【００１５】上記第１シリンダ１、第１ディスプレーサ
３、第２シリンダ２、及び第２ディスプレーサ４を構成
する筒体は、何れも腺膨張が等しいステンレス鋼で構成
されている。各ディスプレーサ３，４の内部には空間状
のガス通路１５が形成されており、そしてこれらガス通
路１５には蓄冷材２５が充填されている。蓄冷材２５と
しては、ステンレス金網、銅金網、鉛球などが用いら
れ、そして特に高い冷却性能が求められる第２ディスプ
レーサ４用の蓄冷材２５には磁性材料が用いられてい
る。

【００１６】なお、図２において、第１ディスプレーサ
３の上部で冷媒ガス通路１５と第１シリンダ１内とを連
通させるポートは冷媒ガスのガス出入口２１であり、下
部で冷媒ガス通路１５と第１膨張室１１とを連通させる
ポートは冷媒ガスのガス出入口２２である。また、第２
ディスプレーサ４の上部で冷媒ガス通路１５と第２シリ
ンダ２内とを連通させるポートは冷媒ガスのガス出入口
２３であり、下部で冷媒ガス通路１５と第２膨張室１２
とを連通させるポートは冷媒ガスのガス出入口２４であ
る。また、第１シリンダ１の下部に外嵌され、下部にフ
ランジを備えた筒体は冷熱取出部２６であり、第２シリ
ンダ２の下部に外嵌され、下部にフランジを備えた筒体
は冷熱取出部２７である。また、図１において、第２デ
ィスプレーサ４の上端に嵌着されてなるものは上記ガス
出入口２３が設けられた止端部材２８であり、下端に嵌
着されてなるものは上記ガス出入口２４が設けられた止
端部材２９である。さらに、上記止端部材２８の下部に
組込まれてなるものはパンチングメタル３０であり、上
記止端部材２９の上部に組込まれてなるものは金網３
１、フェルト材３２である。

【００１７】以下、本実施の形態１に係るＧＭ冷凍機の
特徴をなす構成を説明する。即ち、図１（Ａ）に示すよ
うに、第２ディスプレーサ４の第１シリンダ寄りの基端
側部分４ａに、この第２ディスプレーサ４のストローク
範囲以上の寸法Ｌのクリアランスシール機構を形成し
た。そして、この第２ディスプレーサ４の上記クリアラ
ンスシール機構を除く残余部分４ｂの外周に螺旋溝１６
を周設した、この螺旋溝１６は、図６との比較において
良く理解されるように、第２ディスプレーサ４が上昇し
た場合、従来例では螺旋溝が第１シリンダ１の第１膨張
室１１内に位置するのに対して、必ず第２シリンダ２側
に位置するように構成してある。

【００１８】これは、第２シリンダ２と第２ディスプレ
ーサ４とのクリアランスを従来例よりも大きく設定して
も、所要の冷凍性能を得ることを狙いとしたものであ
る。冷凍機能を向上させることができるのは、第２ディ
スプレーサ４のストローク範囲以上の寸法Ｌのクリアラ
ンスシール機構により、第２ディスプレーサ４の基端側
部分４ａのシール性能が向上する。これに加えて、螺旋
溝１６に流れる冷媒ガスが第２ディスプレーサ４の先端
側から基端側部分４ａの方向に流れ、螺旋溝１６と冷媒
ガスの間の生じるサーフェイスヒートポンピング作用
（第２ディスプレーサ４の先端側から基端側部分へ熱を
運ぶ作用）が向上する。そのため、第２シリンダ２と第
２ディスプレーサ４とのクリアランスの範囲を従来例よ
り広く設定しても、所望の冷凍性能を得ることができ
る。従って、製造時の品質管理が容易になり、極低温冷
凍機を低コストで製造することができる。

【００１９】

【実施例】以下、上記実施の形態１に係る実施例を、図
１と、第２シリンダと第２ディスプレーサとのクリアラ
ンスと２段温度との関係説明図の図３（Ａ），（Ｂ），
（Ｃ）を参照して説明する。なお、図３（Ａ）は本実施
例に係る第２シリンダと第２ディスプレーサとのクリア
ランスと２段温度（Ｋ）との関係説明図であり、図３
（Ｂ）は従来例に係る第２シリンダと第２ディスプレー
サとのクリアランスと２段温度（Ｋ）との関係説明図で
あり、図３（Ｃ）は第２シリンダと全体にクリアランス
シール機構が形成されている第２ディスプレーサとのク
リアランスと２段温度（Ｋ）との関係説明図である。

【００２０】本実施例に係る第２ディスプレーサ４の外
周面に、４フッ化エチレン樹脂系材料からなる、厚さ３
０μｍの耐摩耗性樹脂層１４が形成されている。第２デ
ィスプレーサ４の残余部分４ｂに周設された螺旋溝１６
の上端は、基端側部分４ａの下端と接する部位に周設さ
れたリング溝１７に連通している。上記リング溝１７
は、螺旋溝１６の加工を容易にするために設けたもので
あり、必ずしも設ける必要がないものである。そして、
螺旋溝１６のピッチ２ｂ、溝幅ｂ、溝深さｄは、それぞ
れ実質的に４ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍに設定されている。

【００２１】従来例の場合には、図３（Ｂ）に示すよう
に、クリアランスが所定の値から外れると２段温度
（Ｋ）が急激に悪化するため、極めて厳しい品質管理が
必要であるということが分かる。それに対して、本実施
例の場合には、図３（Ａ）に示すように、ある大きなク
リアランス範囲においてほぼ同定度の２段温度（Ｋ）が
得られる。つまり、クリアランスがばらついても所要の
冷凍性能がえられ、従来例のような厳しい品質管理を行
う必要がないことを示唆している。従って、ＧＭ冷凍機
を低コストで製造することができる なお、図３（Ｃ）
は、第２ディスプレーサ４の全体にクリアランスシール
機構が形成されている場合の効果を確認するためにテス
トしたものである。その結果、螺旋溝が設けられていな
い第２ディスプレーサでは使用に供し得ないことが分か
った。

【００２２】本発明の実施の形態２を、螺旋溝の断面形
状を示す図４（図１（Ｂ）に対応する）を参照して説明
する。即ち、第２ディスプレーサ本体１３の外周面に、
例えばステンレス鋼からなる外筒１３ａを外嵌する。こ
の外筒１３ａには上記第２ディスプレーサ本体１３の外
周面に周設されてなる螺旋溝１６の溝幅ｂよりも小寸の
溝幅ｃの螺旋溝が刻設されており、この外筒１３ａの螺
旋溝の内縁が上記第２ディスプレーサ本体１３の螺旋溝
１６の内側方向に突出するように、上記第２ディスプレ
ーサ本体１３の外周に外嵌されている。そして、この外
筒１３ａの外周面には耐摩耗性樹脂層１４が形成されて
いる。

【００２３】本実施の形態２によれば、螺旋溝１６内に
おける冷媒ガスの流れが妨げられることがない。従っ
て、螺旋溝１６内を第２ディスプレーサ４の先端側から
基端側部分４ａの方向へ冷媒ガスがスムーズに流れるた
め、冷媒ガスのサーフェイスヒートポンピング作用が効
果的に働く。他方、螺旋溝１６に沿って流れる冷媒ガス
と第２シリンダ２との熱交換に伴うシャトルヒート損失
（サーフェイスヒートポンピング作用と逆の作用）を小
なくすることができる。これにより、極低温冷凍機の冷
凍性能を一層向上させることができるという優れた効果
を奏することができる。

【００２４】本発明の実施の形態３を、添付図面の図５
（Ａ），５（Ｂ），５（Ｃ）を参照して説明す。図５
（Ａ）は、リング溝（１７）が設けられておらず、同断
面積の螺旋溝を有する第２ディスプレーサの模式図であ
る。また、図５（Ｂ）は、クリアランスシール機構側の
螺旋溝１６ａより先端側の螺旋溝１６ｂの断面積が大き
く、かつ螺旋溝１６ａ，１６ｂが同ピッチである第２デ
ィスプレーサの模式図である。また、図５（Ｃ）は、ク
リアランスシール機構側の螺旋溝１６ａより先端側の螺
旋溝１６ｂの断面積が大きく、かつ螺旋溝１６ａ，１６
ｂのピッチが異なる第２ディスプレーサの模式図であ
る。

【００２５】図５（Ｂ），５（Ｃ）に示すように、クリ
アランスシール機構側の螺旋溝１６ａより先端側の螺旋
溝１６ｂの断面積を大きくすると、下記のとおりの効果
を得ることができる。即ち、螺旋溝１６の流路抵抗は第
２ディスプレーサ４のクリアランスシール機構側が先端
側より大きいから、冷媒ガスが先端側からクリアランス
シール機構側の方向に流れ難くなる。つまり、螺旋溝の
全体が、図５（Ａ）に示すように、同じ断面積である場
合に比較して冷媒ガスの流速が低下する。そのため、サ
ーフェイスヒートポンピング作用が強まるから、極低温
冷凍機の冷凍性能がより一層向上するという、優れた効
果を得ることができる。

【００２６】以上では、極低温冷凍機がＧＭ冷凍機であ
る場合を例として説明したが、本発明の技術的思想を、
スターリング冷凍機やソルベイ冷凍機に対しても適用す
ることができるから、ＧＭ冷凍機への適用に限定される
ものではない。また、上記実施の形態は、本発明の具体
例に過ぎないから、技術的しそうを逸脱しない範囲内に
おける設計変更は自由自在である。

【００２７】

【発明の効果】上記のとおり、本発明の請求項１に係る
極低温冷凍機では、第２ディスプレーサ４の第１シリン
ダ寄りの基端側部分４ａに、この第２ディスプレーサ４
のストローク範囲以上の寸法Ｌのクリアランスシール機
構を形成し、この第２ディスプレーサ４の上記クリアラ
ンスシール機構を除く残余部分４ｂの外周に螺旋溝１６
を周設した。従って、本発明の請求項１に係る極低温冷
凍機によれば、基端側部分４ａのシール性能が向上する
とともに、螺旋溝１６に流れる冷媒ガスが第２ディスプ
レーサ４の先端側から基端側部分４ａの方向に流れ、螺
旋溝１６と冷媒ガスの間に生じるサーフェイスヒートポ
ンピング作用（第２ディスプレーサ４の先端側から基端
側部分へ熱を運ぶ作用）が向上する。そのため、第２シ
リンダ２と第２ディスプレーサ４とのクリアランスの範
囲を従来例より広く設定しても、所望の冷凍性能が得ら
れるから、製造時の品質管理が容易になり、極低温冷凍
機を低コストで製造することができる。

【００２８】本発明の請求項２に係る極低温冷凍機で
は、第２ディスプレーサ４の外周面に耐摩耗性樹脂層１
４を形成させるとともに、上記螺旋溝１６の開口溝幅ｃ
を、この螺旋溝１６の最大溝幅ｂよりも狭くした。従っ
て、本発明の請求項２に係る極低温冷凍機によれば、螺
旋溝１６内を第２ディスプレーサ４の先端側から基端側
部分４ａの方向へ冷媒ガスがスムーズに流れるため、冷
媒ガスのサーフェイスヒートポンピング作用が効果的に
働く。他方、螺旋溝１６に沿って流れる冷媒ガスと第２
シリンダ２との熱交換に伴うシャトルヒート損失（サー
フェイスヒートポンピング作用と逆の作用）を少なくす
ることができる。これにより、極低温冷凍機の冷凍性能
を一層向上させることができる。

【００２９】本発明の請求項３に係る極低温冷凍機で
は、螺旋溝１６の断面積を、クリアランスシール機構側
よりも先端側を相対的に大きくした。従って、本発明の
請求項３に係る極低温冷凍機によれば、螺旋溝１６の流
路抵抗は第２ディスプレーサ４のクリアランスシール機
構側が先端側より大きいから、冷媒ガスが先端側からク
リアランスシール機構側の方向に流れ難くなる。つま
り、全体が同断面積の螺旋溝に比較して冷媒ガスの流速
が低下する。そのため、サーフェイスヒートポンピング
作用が強まり、極低温冷凍機の冷凍性能がより一層向上
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係り、図１（Ａ）はＧ
Ｍ冷凍機の要部の縦断面図であり、図１（Ｂ）は図１
（Ａ）中の要部の拡大図である。

【図２】図２（Ａ）は極低温小型冷凍機の概要を示す縦
断面図、図２（Ｂ）はその冷凍機の作動工程図である。

【図３】本発明の実施の形態１に対応する実施例に係
り、図３（Ａ）は第２シリンダと第２ディスプレーサと
のクリアランスと２段温度（Ｋ）との関係説明図であ
り、図３（Ｂ）は従来例に係る第２シリンダと第２ディ
スプレーサとのクリアランスと２段温度（Ｋ）との関係
説明図であり、図３（Ｃ）は第２シリンダと全体にクリ
アランスシール機構が形成されている第２ディスプレー
サとのクリアランスと２段温度（Ｋ）との関係説明図で
ある。

【図４】本発明の実施の形態２に係り、螺旋溝の断面形
状を示す図である。

【図５】本発明の実施の形態３に係り、図５（Ａ）はリ
ング溝が設けられておらず、同断面積の螺旋溝を有する
第２ディスプレーサの模式図であり、図５（Ｂ）はクリ
アランスシール機構側の螺旋溝より先端側の螺旋溝の断
面積が大きく、かつ螺旋溝が同ピッチである第２ディス
プレーサの模式図であり、図５（Ｃ）はクリアランスシ
ール機構側の螺旋溝より先端側の螺旋溝の断面積が大き
く、かつ螺旋溝のピッチが異なる第２ディスプレーサの
模式図である。

【図６】従来例に係る極低温冷凍機の要部の断面図であ
る。

【符号の説明】 １…第１シリンダ、２…第２シリンダ、３…第１ディス
プレーサ、４…第２ディスプレーサ、４ａ…第２ディス
プレーサの基端側部分、４ｂ…第２ディスプレーサの残
余部分、５…ガス出入口、６…ガス通路、７…切換弁、
８…圧縮機、１０…駆動手段、１１…第１膨張室、１２
…第２膨張室、１３…第２ディスプレーサ本体、１４…
耐摩耗性樹脂層、１５…冷媒ガス通路、１６…螺旋溝、
１７…リング溝、２０…連結ピン、ｂ…螺旋溝の溝幅又
は最大溝幅、ｃ…螺旋溝の開口溝幅、Ｌ…クリアランス
シール機構の寸法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丸野 善生 滋賀県守山市勝部４丁目５番１号 岩谷瓦 斯株式会社内 (72)発明者 浦 裕充 滋賀県守山市勝部４丁目５番１号 岩谷瓦 斯株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１シリンダ（１）と第２シリンダ
   （２）とを直列に設け、上記各シリンダ（１・２）内に
   それぞれ第１ディスプレーサ（３）と第２ディスプレー
   サ（４）をそれぞれ収容して駆動手段（１０）で往復連
   動可能に構成し、上記第１シリンダ（１）のガス出入口
   （５）にガス通路（６）の切換弁（７）を介して圧縮機
   （８）を連通連結し、圧縮時には圧縮機（８）で圧縮し
   た冷媒ガスを第１ディスプレーサ（３）内、第１シリン
   ダ下部の第１膨張室（１１）、第２ディスプレーサ
   （４）内、第２シリンダ下部の第２膨張室（１２）へ順
   に圧送し、減圧時には冷媒ガスを逆順路で圧縮機（８）
   へ還流させるように構成した極低温冷凍機において、 上記第２ディスプレーサ（４）の第１シリンダ寄りの基
   端側部分（４ａ）をクリアランスシール機構とし、その
   クリアランスシール機構の寸法（Ｌ）を当該第２ディス
   プレーサ（４）の往復ストローク範囲を超える寸法
   （Ｌ）に設定するとともに、第２ディスプレーサ（４）
   の残余部分（４ｂ）に螺旋溝（１６）を凹設した、こと
   を特徴とする極低温冷凍機。
2. 【請求項２】 請求項１に記載した極低温冷凍機におい
   て、 上記第２ディスプレーサ（４）の外周面を耐摩耗
   性樹脂材料（１４）で覆うとともに、上記螺旋溝（１
   ６）の開口端の寸法（ｃ）を当該螺旋溝（１６）の幅
   （ｂ）よりも狭くした、ことを特徴とする極低温冷凍
   機。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の極低温冷
   凍機において、 上記螺旋溝（１６）の断面積を、クリアランスシール側
   では相対的に小さく、先端側では大きくした、ことを特
   徴とする極低温冷凍機。