JP2004239564A

JP2004239564A - ディスプレーサ

Info

Publication number: JP2004239564A
Application number: JP2003031546A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Asami; 宏浅見
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】ディスプレーサの製造過程での水分除去工程を省略し、冷凍性能を安定化する。
【解決手段】蓄冷材１４を収容する筒状部材４０、７０を、吸水率の小さいＦＲＰ材で形成する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディスプレーサに係り、特に、最低到達温度が４Ｋ以下であるギフォード・マクマホン・サイクル冷凍機（４Ｋ−ＧＭ冷凍機と称する）に用いるのに好適な、製造工程を簡略化し、冷凍性能を安定化すると共に、メンテナンスサイクルを長寿命化することが可能なディスプレーサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリウム等のガス冷媒を用い、蓄冷材を収容した蓄冷器を利用して低温を得る蓄冷器式の極低温冷凍機として、ＧＭ冷凍機やスターリング・サイクル冷凍機、パルスチューブ冷凍機等が知られている。
【０００３】
例えばＧＭ冷凍機では、蓄冷器を備えたディスプレーサ（ピストン）と、このディスプレーサが挿入されるシリンダとを有する膨張器に、圧縮された作動流体（冷媒ガス）を供給し、この作動流体（冷媒ガス）を膨張器内で断熱膨張させて寒冷を得る。
【０００４】
このような極低温冷凍機、例えばディスプレーサを２段備えた２段式ＧＭ冷凍機においては、高温側の第１段ディスプレーサ１０として、例えば図１に示す如く、金網を積層させた蓄冷材１４が充填された蓄冷器１２を用いるものがある。図において、２０は、蓄冷材１４を収容するための、例えば布入りフェノール樹脂製の筒状部材、２２は、前記蓄冷材１４の上下に設けられた粗い金網、２４は、前記筒状部材２０の低温側（図の下側）に設けられた、例えば布入りフェノール樹脂製の蓋部材、２６はフランジ、２８はガス流路、３０は、図２に詳細に示す如く、蓄冷器１２を含むディスプレーサ１０が摺動するシリンダ３６との間に設けられた、Ｏリング３２とキャップシール３４からなるシールリング、２０Ａは、該シールリング３０用に筒状部材２０の外周面に形成された段差である。
【０００５】
出願人は特許文献１で、図１のようなディスプレーサを、シリンダの材料とほぼ同等の熱膨張率を有する材料で形成し、その上を耐摩耗性樹脂部材である布入りフェノール膨脂で被膜することを提案している。
【０００６】
又、特許文献２には、ディスプレーサを、金属製の筒と、この筒の外周面上に形成された被膜とを含んで構成することが記載され、特許文献３には、ディスプレーサの外周面を一周する溝を形成し、該溝内にスリッパシールを装填すると共に、スリッパシールの接触面及びシリンダの内周面のうち、少なくとも一方をダイヤモンドライクカーボンからなる薄膜で被膜することが記載されている。
【０００７】
又、特許文献４には、ディスプレーサを布入りフェノールで形成することが記載されている。
【０００８】
又、特許文献５には、ディスプレーサのヒートステーション側外周部に、摩擦係数の小さい耐摩耗性素材からなるガイドリング、又は、被膜層により構成するガイド部材を用いることが記載されている。
【０００９】
又、特許文献６には、ステンレス製の第２段ディスプレーサの外周面に、ポリイミド樹脂からなる低摩擦材コーティング層を形成することが記載されている。
【００１０】
又、特許文献７には、ディスプレーサを、温度降下に伴って膨張する性質（負の熱膨張率）を有する合成樹脂やシリンダ構成材料より熱膨張率の小さい素材で形成することが記載されている。
【００１１】
又、特許文献８、特許文献９、特許文献１０には、Ｏリング又はスプリングとキャップシールを組合せたシールリングをディスプレーサに用いることが記載されている。
【００１２】
又、特許文献１１には、ディスプレーサの外周面に、らせん溝を形成することが記載されている。
【００１３】
【特許文献１】
特許第２７６０９２８号公報
【特許文献２】
特開２００１−２４８９２９号公報
【特許文献３】
特開２００１−２８０７２８号公報
【特許文献４】
特開２０００−１７１１１３号公報
【特許文献５】
特開平７−２６９９７０号公報
【特許文献６】
特開平６−１５９８２８号公報
【特許文献７】
特開２００１−５６１５８号公報
【特許文献８】
特開平１０−１４１７９５号公報
【特許文献９】
特開平１１−３７５８４号公報
【特許文献１０】
特開平９−２８７８４１号公報
【特許文献１１】
特許第２６５９６８４号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、２段式４Ｋ−ＧＭ冷凍機の第１段ディスプレーサを、布入りフェノール樹脂で形成した場合、布の含有率が５０％以上であると、吸水率が１．６〜１．８％と大きいため、製造工程での水分除去に、（１）製品を一次加工品の状態で１回目の水分除去（１２０℃／８０〜１００時間）、（２）蓄冷材を充填後、２回目の水分除去（真空乾燥炉で１２０℃／１００時間）の２工程が必要であり、製造に時間がかかる。又、水分除去が不十分なディスプレーサを組み込んで冷凍機を運転すると、ディスプレーサから水分が抜けて、冷媒ガス中に不純物の水分が混入したり、ディスプレーサ筒が収縮して寸法変化を起こす等、冷凍性能が著しく低下する。又、布入りフェノール製のディスプレーサを大気中に放置しておくと、吸水による寸法変化で、シリンダに入らなくなることがある。更に、布入りフェノール樹脂材で形成されたディスプレーサは、耐磨耗性が劣り、なお且つ、ディスプレーサの低温側にシールリングが無いため、運転中に金属（例えばステンレス）製のシリンダと接触し、短時間で磨耗が進行して、性能劣化や、メンテナンスサイクルを短くする等の問題点を有していた。
【００１５】
又、ディスプレーサは、冷凍機の作動に伴い、温度が降下すると、例えばステンレス製のシリンダとの材料による熱膨張率の違いにより収縮量に差が生じ、シリンダの内周面とディスプレーサの外周面との隙間が増大して、冷凍性能が不安定になるという問題もあった。
【００１６】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、ディスプレーサの製造過程での水分除去工程を省略して、冷凍性能を安定化することを第１の課題とする。
【００１７】
本発明は、又、シリンダとディスプレーサの隙間を冷凍機の温度が変化しても常に一定に保ち、冷凍性能の安定化を図ることを第２の課題とする。
【００１８】
本発明は、更に、シール機能を向上させ、メンテナンスサイクルの長寿命化を図ることを第３の課題とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ディスプレーサの蓄冷材を収容する筒状部材を、吸水率の小さいＦＲＰ（繊維強化プラスチックス）材で形成することにより、前記課題を解決したものである。
【００２０】
又、前記ＦＲＰ材を、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチックス）材やＣＦＲＰ（カーボン繊維強化プラスチックス）材としたものである。
【００２１】
又、ディスプレーサを２種類以上の樹脂材料で構成し、接着接合で一体化したものである。
【００２２】
又、前記筒状部材を、シリンダ構成材料と略同等の熱膨張率の樹脂材料で形成することにより、前記第２の課題を解決したものである。
【００２３】
又、前記筒状部材の外表面に複数のシールリングを配設して、前記第３の課題を解決したものである。
【００２４】
又、前記シールリングを交換可能としたものである。
【００２５】
又、前記筒状部材の外表面をコーティング処理して、前記第３の課題を解決したものである。
【００２６】
又、前記筒状部材の外表面に螺旋溝又はラビリンス溝を形成したものである。
【００２７】
又、前記筒状部材の両端の蓋をねじ構造とし、蓄冷材を固定するようにしたものである。
【００２８】
本発明は、又、前記のディスプレーサを備えたことを特徴とする極低温冷凍機を提供するものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３０】
本発明の第１実施形態は、図１に示したと同様の第１段ディスプレーサ１０において、図３に示す如く、筒状部材４０を、ＧＦＲＰ製の筒状部４０Ａと同じくＧＦＲＰ製の蓋部材４０Ｂ、４０Ｃで構成し、筒状部４０Ａを蓋部材４０Ｂ、４０Ｃと接着すると共に、筒状部４０Ａの外表面をシリコンでコーティングしている。更に、該筒状部４０Ａの高温側に、耐磨耗性に優れたＰＴＦＥ（四ふっ化エチレン樹脂）製のシールリング４２を設けると共に、低温側にも同じくＰＴＦＥ製のシールリング４４を設けている。なお、蓋部材４０Ｃの外周には、ＧＦＲＰ製のリング部材４６を設けて、筒状部材４０とは接着せず、シールリング４４を交換する際に外せるようにしている。
【００３１】
前記ＧＦＲＰとしては、例えば、繊維がガラスクロス、高樹脂がエポキシで、吸水率が０．０５〜０．１５重量％の樹脂材料を用いることができる。なお、代りに、１段ディスプレーサの一部又は２段ディスプレーサの１部又は全部に、繊維がカーボンクロス、樹脂がエポキシで、吸水率が０．５〜０．１５重量％のＣＦＲＰを用いても良い。
【００３２】
前記ディスプレーサを構成する筒状部材は、シリンダ構成材料（例えばＳＵＳ３０４ステンレス）とほぼ同等の熱膨張率の樹脂材料で形成する。例えば、ＧＦＲＰは、成形方法を選択することにより、熱膨張率を変えることができ、エポキシを使用したプルトルージョン（引抜き）法やフィラメントワインディング（ＦＷ）法による成形方法によって、ステンレス（線膨張係数１２〜１７×１０^−６／℃）と同等（同７〜１４×１０^−６／℃）にすることができる。
【００３３】
前記筒状部材４０の外表面４０Ｓのコーティング処理は、例えば第１段ディスプレーサの場合は吸水し難くするための耐水対策、後出図８に例示する第２段ディスプレーサの場合はシリンダとの摩擦係数の向上のために行なわれる。
【００３４】
他の点については、図１に示した従来例と同様であるので、同じ符号を付して説明は省略する。
【００３５】
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態を詳細に説明する。
【００３６】
本実施形態は、第１実施形態と同様の第１段ディスプレーサにおいて、低温側のシールリング５０を、図５に詳細に示す如く、金属（例えばステンレス）製のＵ型ばね５２が内装されたＰＴＦＥ製のＵ型シールリング５４（特許文献１０参照）としたものである。
【００３７】
他の点については、第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
【００３８】
次に、図６を参照して、本発明の第３実施形態を詳細に説明する。
【００３９】
本実施形態は、第１実施形態と同様の第１段ディスプレーサにおいて、図７に詳細に示す如く、高温側のシールリング６０を、Ｏリング６２とＰＴＦＥ製のキャップシール６４で構成し、更に、筒状部材４０と接着したＣＦＲＰ製のリング部材６６に嵌め込んだものである。
【００４０】
他の点については第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
【００４１】
次に、図８を参照して、第２段ディスプレーサに適用した本発明の第４実施形態を詳細に説明する。
【００４２】
本実施形態は、ＣＦＲＰ製の筒状部材７０と、該筒状部材７０の中に充填された蓄冷材７２と、該蓄冷材７２の両端に挿入されたフェルト７４と、該フェルト７４の外側に配置された金網７６と、前記筒状部材７０の前後（図では左右）に配置された、ＣＦＲＰ製の蓋部材７８、８０と、ピン８４により、図示しない第１段ディスプレーサ（図の左方に存在）と回動自在に結合するためのピン８２を備えた結合機構８２と、を備えている。
【００４３】
図において、８６はガス流路である。
【００４４】
前記筒状部材の外表面７０Ｓはフッ素樹脂でコーティングされ、螺旋溝状の流路７０Ａが形成されている。なお、螺旋溝７０Ａは、環状のラビリンス溝であってもよい。
【００４５】
前記蓋部材７８、８０は、ねじ構造とされ、金網７６、フェルト７４を介して蓄冷材７２を固定するようにされている。
【００４６】
前記実施形態においては、いずれも、筒状部材をＧＦＲＰやＣＦＲＰで構成しているので、吸水率が小さく、製造工程の水分除去工程を省略することができる。図９に、第１段ディスプレーサの材質と、真空乾燥炉における水分除去試験での乾燥による重量変化を比較して示し、図１０に、ＦＲＰと布入りフェノールの乾燥後の重量変化を比較して示す。なお、ディスプレーサの材質は、これらに限定されず、他の吸水率の小さいＦＲＰ材を用いることもできる。
【００４７】
又、前記実施形態においては、いずれも、高温側だけでなく低温側にもシールリングを設けているので、ディスプレーサが直接シリンダに接触することがなく、長時間運転にも耐えられる。
【００４８】
又、前記実施形態においては、本発明が２段式ＧＭ冷凍機に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、３段式ＧＭ冷凍機、スターリング冷凍機、ビルマイヤ冷凍機、パルスチューブ冷凍機等にも同様に適用可能である。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、ディスプレーサの製造過程での水分除去工程を省略すると共に、冷凍性能を安定化することができる。
【００５０】
又、ディスプレーサの筒状部材を、シリンダの材料と略同等の熱膨張率の樹脂材料で形成した場合には、シリンダとディスプレーサの隙間を冷凍機の温度が変化しても常に一定に保ち、冷凍性能を更に安定化することができる。
【００５１】
又、ディスプレーサの低温側にもシールリングを配置した場合には、シール機能を向上させ、メンテナンスサイクルを長寿命化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の２段式ＧＭ冷凍機の第１段ディスプレーサの構成を示す断面図
【図２】図１のＩＩ部拡大断面図
【図３】２段式ＧＭ冷凍機の第１段ディスプレーサに適用した本発明の第１実施形態の構成を示す断面図
【図４】同じく第２実施形態の構成を示す断面図
【図５】図４のＶ部拡大文面図
【図６】２段式ＧＭ冷凍機の第１段ディスプレーサに適用した本発明の第３実施形態の構成を示す断面図
【図７】図６のＶＩＩ部拡大断面図
【図８】２段式ＧＭ冷凍機の第２段ディスプレーサに適用した本発明の第４実施形態の構成を示す断面図
【図９】本発明の効果を説明するための、第１段ディスプレーサの材質と乾燥による重量変化の比較を示す線図
【図１０】同じく乾燥後の重量変化を比較して示す線図
【符号の説明】
１０…ディスプレーサ
１２…蓄冷器
１４、７２…蓄冷材
３０、４２、４４、５０、６０…シールリング
４０、７０…筒状部材
４０Ｂ、４０Ｃ、７８、８０…蓋部材
４６、６６…リング部材
７０Ａ…螺旋状流路（溝）

Claims

蓄冷材を収容する筒状部材が、吸水率の小さいＦＲＰ材で形成されていることを特徴とするディスプレーサ。
前記ＦＲＰ材が、ＧＦＲＰ材やＣＦＲＰ材であることを特徴とする請求項１に記載のディスプレーサ。
２種類以上の樹脂材料で構成され、接着接合で一体化されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のディスプレーサ。
前記筒状部材が、シリンダ構成材料と略同等の熱膨張率の樹脂材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のディスプレーサ。
前記筒状部材の外表面に複数のシールリングが配設されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のディスプレーサ。
前記シールリングが交換可能とされていることを特徴とする請求項５に記載のディスプレーサ。
前記筒状部材の外表面がコーティング処理されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のディスプレーサ。
前記筒状部材の外表面に螺旋溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のディスプレーサ。
前記筒状部材の外表面にラビリンス溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のディスプレーサ。
前記筒状部材の両端の蓋がねじ構造とされ、蓄冷材を固定するようにされていることを特徴とする請求項１、２、４乃至９のいずれかに記載のディスプレーサ。
請求項１乃至１０のいずれかに記載のディスプレーサを備えたことを特徴とする極低温冷凍機。