JP2007205608A - Cold accumulator type refrigerating machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は蓄冷器式冷凍機に係り、特にシリンダーでディスプレーサーが往復移動する蓄冷器式冷凍機に関する。 The present invention relates to a regenerator refrigerator, and more particularly to a regenerator refrigerator in which a displacer reciprocates in a cylinder.
図1は、従来の一例である蓄冷器式冷凍機を示している。一般に、蓄冷器式冷凍機は、冷凍温度が40K以上である単段式のものと、冷凍温度を20K以下の極低温としうる2段式のものが知られているが、同図では単段式の蓄冷器式冷凍機1を示している。
FIG. 1 shows a regenerator type refrigerator as an example of the prior art. In general, there are two types of regenerator type refrigerators, a single-stage type having a freezing temperature of 40K or higher and a two-stage type having a freezing temperature of 20K or lower. 1 shows a
蓄冷式冷凍機1は、大略するとシリンダー2,ディスプレーサー3,蓄冷材4,ガス供給装置5等により構成されている。シリンダー2の内部にはディスプレーサー3がシリンダー向に往復移動可能に配設されている。ディスプレーサー3の内部には蓄冷材4が配設されている。
The
またディスプレーサー3の図中上部にはガス流通孔9が形成されると共に、下部にはガス流通孔10が形成されている。よって、ガス供給装置5から供給されるヘリウム等の作動ガスは、このガス流通孔9,10を通ってディスプレーサー3の下端とシリンダー2の底面との間に形成される膨張室11に供給される。
A gas flow hole 9 is formed in the upper part of the
また、従来では作動ガスがシリンダー2の内周面とディスプレーサー3の外周面との間の間隙を介して流れないよう、シリンダー2とディスプレーサー3との間をシールするシール部材が設けられていた。このシール部材としてはスリッパーシール12が用いられており、ディスプレーサー3の高温側(図中上側)に配設されていた。スリッパーシール12は、図2に示されるように、Oリング13とキャップシール14とよりなる構成とされている。更に、ディスプレーサー3の低温側(図中下側)には、シリンダー2内におけるディスプレーサー3の移動を案内する環状のウェアリング15が設けられていた(特許文献1参照)。
Further, conventionally, a sealing member for sealing between the cylinder 2 and the
一方、ガス供給装置5は、コンプレッサー7,吸気弁V1,及び排気弁V2とにより構成されている。ディスプレーサー3が下死点にあるとき、コンプレッサー7で生成された高圧の作動ガスは、吸気弁V1を開弁すると共に排気弁V2を閉弁することによりガス流路8を介してシリンダー2の内部に供給される。これにより、シリンダー2内の圧力は上昇する。
On the other hand, the
この状態において、モータMを駆動することによりディスプレーサー3を上死点まで上動させる。これにより高圧の作動ガスは、ガス流通孔9、蓄冷材4、及びガス流通孔10を通り膨張室11内に進入する。続いて、吸気弁V1を閉弁すると共に排気弁V2を開弁する。これにより、膨張室11内の作動ガスは膨張し、これに伴い寒冷が発生する。
In this state, by driving the motor M, the
続いて、モータMを駆動してディスプレーサー3を再び下死点まで移動させる。これにより、膨張した作動ガスは、ガス流通孔10、蓄冷材4、ガス流通孔9、及びガス流路8を通り、再びガス供給装置5に回収される。以上のサイクルを繰り返し行うことにより、膨張室11では30K程度の寒冷を発生することができる。尚、従来ではモータMの回転数は60rpm程度の回転速度でディスプレーサー3を駆動することが行われていた。
しかしながら従来の蓄冷式冷凍機1は、高温側と低温側に異なる特性を有するスリッパーシール12とウェアリング15が配設された構成とされていたため、低温側ではディスプレーサー3の移動を案内できるものの、高温側ではディスプレーサー3の移動を適正に案内することができないという問題点があった。
However, since the conventional
また、高温側においてディスプレーサー3が適正位置からずれることにより、ディスプレーサー3がシリンダー2に摺接して偏摩耗が発生してしまうという問題点があった。
Further, when the
また、メンテナンスを行う場合には、ウェアリング15に対して摩耗が早いスリッパーシール12を基準に行う必要があり、メンテナンスインターバルが短いという問題点もあった。
In addition, when performing maintenance, it is necessary to perform the
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、ディスプレーサーの適正移動を確保すると共にメンテナンスインターバルの長期化を図りうる蓄冷器式冷凍機を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of said point, and it aims at providing the regenerator-type refrigerator which can aim at the prolongation of a maintenance interval while ensuring the appropriate movement of a displacer.
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention is characterized by the following measures.
請求項1記載の発明に係る蓄冷器式冷凍機は、
シリンダーと、
該シリンダー内に往復移動可能に配設されたディスプレーサーと、
該ディスプレーサーをシリンダー内で往復移動させる駆動手段と、
前記ディスプレーサーの高温側及び低温側にそれぞれ設けられ前記ディスプレーサーの移動を案内する案内部材とを有することを特徴とするものである。
The regenerator type refrigerator according to the invention of
A cylinder,
A displacer disposed in a reciprocating manner in the cylinder;
Drive means for reciprocating the displacer in a cylinder;
And a guide member provided on each of the high temperature side and the low temperature side of the displacer for guiding the movement of the displacer.
上記発明によれば、案内部材を高温側と低温側にそれぞれ設けたことにより、案内部材の経時変化は高温側と低温側で略均一に発生するため、いずれか一方が偏って摩耗することを抑制できる。これにより、案内部材に起因してディスプレーサーがシリンダーに当接することを防止でき、信頼性の向上を図ることができる。 According to the above invention, since the guide member is provided on each of the high temperature side and the low temperature side, the temporal change of the guide member occurs substantially uniformly on the high temperature side and the low temperature side. Can be suppressed. As a result, the displacer can be prevented from coming into contact with the cylinder due to the guide member, and the reliability can be improved.
また、請求項2記載の発明は、
請求項1記載の蓄冷器式冷凍機において、
前記案内部材はフッ素樹脂製であることを特徴とするものである。
The invention according to claim 2
The regenerator type refrigerator according to
The guide member is made of a fluororesin.
上記発明によれば、案内部材を平滑性が良好で高硬度のフッ素樹脂製により形成したことにより、シリンダー内におけるディスプレーサーの案内を確実に行えると共に、メンテナンスインターバルを長くすることができる。 According to the above invention, since the guide member is made of a fluororesin having good smoothness and high hardness, it is possible to reliably guide the displacer in the cylinder and to lengthen the maintenance interval.
また、請求項3記載の発明は、
請求項1又は2記載の蓄冷器式冷凍機において、
前記駆動手段は73〜150rpmの回転速度で前記ディスプレーサーを駆動することを特徴とするものである。
The invention according to
In the regenerator type refrigerator according to
The driving means drives the displacer at a rotational speed of 73 to 150 rpm.
また、請求項4記載の発明は、
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の蓄冷器式冷凍機において、
前記案内部材は、環状溝が形成されていることを特徴とするものである。
The invention according to claim 4
In the regenerator type refrigerator according to any one of
The guide member is characterized in that an annular groove is formed.
また、請求項5記載の発明は、
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の蓄冷器式冷凍機において、
前記シリンダーと前記ディスプレーサーは単段であることを特徴とするものである。
The invention according to
The regenerator type refrigerator according to any one of
The cylinder and the displacer are single-stage.
本発明によれば、案内部材の経時変化は高温側と低温側で略均一に発生し一方が偏って摩耗することを抑制できるため、案内部材に起因してディスプレーサーがシリンダーに当接することを防止でき、信頼性の向上を図ることができる。 According to the present invention, the change with time of the guide member can be substantially uniformly generated on the high temperature side and the low temperature side, and one side can be prevented from being worn unevenly, so that the displacer abuts on the cylinder due to the guide member. Can be prevented, and reliability can be improved.
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図4は本発明の一実施例である蓄冷器式冷凍機20を示している。ヘリウム等の作動ガスを用い、蓄冷材を収容した蓄冷器を有する蓄冷器式冷凍機としては、ギフォードマクマホン(GM)サイクル冷凍機、(逆)スターリングサイクル冷凍機等が知られている。
FIG. 4 shows a
本実施例では、ギフォードマクマホン(GM)冷凍機を例にとって説明するものとする。このGM冷凍機は、大略するとヘリウムガス圧縮機からのガス流路を弁を用いて制御し、膨張空間でヘリウムガスを膨張させることによって寒冷を得る構成とされている。 In this embodiment, a Gifford McMahon (GM) refrigerator will be described as an example. In general, this GM refrigerator is configured to control the gas flow path from the helium gas compressor using a valve and to expand the helium gas in the expansion space to obtain cold.
蓄冷器式冷凍機20は、大略するとシリンダー22、ディスプレーサー23、蓄冷材24、及びガス供給装置25、及び案内部材35,36等により構成されている。ガス供給装置25を構成するコンプレッサー27は、作動ガス(ヘリウムガス)を20数Kgf/cm2に圧縮する。この高圧の作動ガスは、吸気弁V1を開弁し、排気弁V2を閉弁することにより、ガス流路28を介してシリンダー22内に供給される。
The regenerator-
シリンダー22は、ステンレス等の熱伝導率が低く、気密性の高い剛性材料で形成されている。本実施例に係る蓄冷器式冷凍機20は、単段式の蓄冷器式冷凍機であるため、シリンダー22も一つのみ配設された構成とされている。また、シリンダー22の外形は、円筒形状とされている。
The
このシリンダー22の内部には、ディスプレーサー23が図中上下方向に往復移動可能な構成で収納されている。ディスプレーサー23の上部からは軸部材Sが上方に延在し、駆動用モータM(駆動手段)に結合したクランク機構26と結合している。従って、モータMが回転すると、この回転はクランク機構26により軸部材Sの上下運動に変換され、これによりディスプレーサー23はシリンダー22内を往復移動する。
Inside the
本実施例では、モータMの回転速度は73〜150rpmの回転速度でディスプレーサー23を駆動する構成とするのがより好ましい。従来においては、モータMの回転速度は60〜72rpm程度が一般的であったが、本実施例では従来に比べてモータMの回転速度が高められており、よって冷凍能力の向上が図られている。しかしながら、モータMの回転速度の上昇に伴い、シリンダー22内におけるディスプレーサー23の往復速度及び単位時間当たりの往復回数も増大することになる。
In this embodiment, it is more preferable that the rotational speed of the motor M is configured to drive the
ここで、シリンダー22内におけるディスプレーサー23の支持構造に注目する。本実施例では、案内部材35,36としてウェアリングを用いており、ディスプレーサー23に配設されている。この案内部材35,36は、シリンダー22に対してディスプレーサー23の移動を案内する機能を奏するものである。しかしながら、従来用いられていたスリッパーシール12(図1及び図2参照)とことなり、シリンダー22とディスプレーサー23との間をシールする機能は有していない。
Here, attention is paid to the support structure of the
この案内部材35,36は環状形状を有しており、ディスプレーサー23の外周に形成された環状溝内に配設されている。また図3に拡大して示すように、案内部材35,36には溝部16が形成されており、ガイド性を高めた構成とされている。
The
尚、本実施例では案内部材35,36をディスプレーサー23に設けているが、案内部材35,36の配設位置はディスプレーサー23に限定されるものではなく、シリンダー22の内周位置に環状溝を形成し、この環状溝内に配設する構成とすることも可能である。
In this embodiment, the
また、案内部材35,36の材質は、PTFE(四フッ化エチレン樹脂)が選定されている。このPTFEは、耐熱性、耐薬品性、潤滑性、硬度、耐屈曲性、耐摩耗性等に優れている。このため、ディスプレーサー23がシリンダー22内で往復移動しても、往復移動を円滑に支持し案内を行うことができる。これにより、ディスプレーサー23とシリンダー22との接触を防止することができ、シリンダー22,ディスプレーサー23に偏摩耗が発生することを抑制でき蓄冷器式冷凍機20の信頼性を向上させることができる。また、案内部材35,36は、従来用いられていたスリッパーシール12に比べて寿命が長いため、メンテナンスインターバルを伸ばすことができる。
Further, PTFE (tetrafluoroethylene resin) is selected as the material of the
ところで、ウェアリングよりなる案内部材35,36は、上記のようにディスプレーサー23を支持及び案内する機能に優れるが、スリッパーシール12(図2参照)に比べてシール性が無い。図5は、図1に示した高温側にスリッパーシール12を配設すると共に低温側にウェアリング15を配設した従来の蓄冷式冷凍機1と、高温側に高温側案内部材35を配設すると共に低温側に低温側案内部材36を配設した蓄冷式冷凍機20の冷却特性を示している。
By the way, although the
図5では、冷却特性を示すのに横軸に温度を取り、縦軸に熱負荷を取っている。また、図中矢印A60で示すのは本実施例に係る蓄冷式冷凍機20を60Hzでディスプレーサー23を駆動したときの特性であり、図中矢印A50で示すのは本実施例に係る蓄冷式冷凍機20を50Hzでディスプレーサー23を駆動したときの特性である。また、図中矢印B60で示すのは従来の蓄冷式冷凍機1を60Hzでディスプレーサー3を駆動したときの特性であり、図中矢印B50で示すのは従来の蓄冷式冷凍機1を50Hzでディスプレーサー3を駆動したときの特性である。
In FIG. 5, the horizontal axis represents temperature and the vertical axis represents heat load to show the cooling characteristics. In addition, the arrow A60 in the figure shows the characteristics when the
同図より、矢印A60で示す特性と矢印B60で示す特性は略等しく、同様に矢印A50で示す特性と矢印B50で示す特性は略等しいことが分かる。これは、従来のようにスリッパーシール12を設けることによりシリンダー2とディスプレーサー3との間のシール性を向上させても、これが冷凍特性に大きく影響を及ぼさないことを意味している。
From the figure, it can be seen that the characteristic indicated by the arrow A60 and the characteristic indicated by the arrow B60 are substantially equal, and similarly, the characteristic indicated by the arrow A50 and the characteristic indicated by the arrow B50 are substantially equal. This means that even if the sealing performance between the cylinder 2 and the
本発明ではこの点に注目し、従来用いられていたスリッパーシール12を案内部材に代えることによりシリンダー22内におけるディスプレーサー23の案内及び支持を確実に行い、冷凍特性を維持しつつ、かつシリンダー22及びディスプレーサー23に磨耗が発生することを抑制したことを特徴とするものである。よって、本実施例に係る蓄冷式冷凍機20は、上記理由によりディスプレーサー23の高温側に高温側案内部材35を配設し、低温側に低温側案内部材36配設した構成としている。
In the present invention, paying attention to this point, the
次に、上記構成とされた蓄冷器式冷凍機20の動作について説明する。
Next, the operation of the
いま、モータMの駆動により、ディスプレーサー23がシリンダー22内の最下位置(この最下位置を下死点という)にあるとする。この状態おいて、ガス供給装置25の吸気弁V1を開弁すると共に排気弁V2を閉弁すると、コンプレッサー27で生成された高圧の作動ガスはガス流路28を介してシリンダー22の内部に供給される。これにより、シリンダー22内の圧力は上昇する。
Now, it is assumed that the
この状態において、モータMによりディスプレーサー3をシリンダー22内の最上位置(この最上位置を上死点という)まで上動させる。これにより高圧の作動ガスは、ガス流通孔29、空間室33内の蓄冷材24、及びガス流通孔30を通り膨張室31内に流入する。この際、ガス供給装置25からシリンダー22とディスプレーサー23との間隙に流入しようとした作動ガスは主に高温側ウェアリング35によりシールされるため、シリンダー22に流入した作動ガスは略全て蓄冷材24内に流入する。
In this state, the
続いて、吸気弁V1を閉弁すると共に排気弁V2を開弁する。これにより、膨張室31内の作動ガスは膨張し、これに伴い膨張室31で寒冷が発生する。このように膨張室31で発生した寒冷により冷凍処理が行われると、モータMを駆動してディスプレーサー31を再び下死点まで移動させる。これにより、膨張室31内の作動ガスは、ガス流通孔30、空間室33内の蓄冷材24、ガス流通孔29、及びガス流路28を通り、再びガス供給装置5のコンプレッサー27に回収される。
Subsequently, the intake valve V1 is closed and the exhaust valve V2 is opened. As a result, the working gas in the
この際、膨張室31で膨張した作動ガスは冷却されているため、この冷却された作動ガスが蓄冷材24を通過することにより蓄冷材24は冷却される。よって、次の吸気工程で供給される作動ガスは、蓄冷材24を通る際に冷却されるため、効率のよい冷却処理を行うことが可能となる。
At this time, since the working gas expanded in the
上記した処理を1サイクルとして、蓄冷式冷凍機20は作動ガスの膨張室31への流入及び膨張処理を繰り返し実施し、これにより例えば30Kの極低温を実現することができる。
With the above-described process as one cycle, the
この冷却処理において、ディスプレーサー23はシリンダー22内を往復移動する。特に本実施例では、従来に比べてモータMの回転数を速くすることにより(73〜150rpm)により冷却効率の向上を図っている。このため、シリンダー22内でディスプレーサー23が往復移動する速度及び回数も従来に比べて増大している。
In this cooling process, the
しかしながら、本実施例ではシリンダー22の高温側に高温側案内部材35を設けると共に、低温側に低温側案内部材36を設けた構成としている。即ち、シリンダー22の上下位置にそれぞれ案内部材35,36が配設された構成とされている。ウェアリングよりなる案内部材35,36は、前記したように、従来用いられていたスリッパーシール12(図1及び図2参照)に比べて硬度及び耐磨耗性に優れている。
However, in this embodiment, the high temperature
このため、スリッパーシール12を用いていた従来の蓄冷式冷凍機1に比べ、案内部材35,36の交換を行うためのメンテナンスの間隔を延ばすことができる。また、高温側と低温側にそれぞれ案内部材35,36を設けたことにより、各案内部材35,36の摩耗は高温側と低温側で略均一に発生する。このため、高温側案内部材35或いは低温側案内部材36のいずれか一方が偏って摩耗することを防止でき、偏摩耗に起因してシリンダー22とディスプレーサー23との間のシール性が低下したり、またシリンダー22とディスプレーサー23が当接したりすることを防止できる。
For this reason, compared with the conventional
また、ディスプレーサー23の高温側に配設される高温側案内部材35と、低温側に配設される低温側案内部材36は同一構成であるため、摩耗の発生も略同様に発生する。このため、各案内部材35,36が経時的に変化しても、ディスプレーサー23の案内は低温側と高温側で略同一の状態で行われるため、往復移動に際してディスプレーサー23がシリンダー22と接触することを長期にわたり防止することができる。
Further, since the high temperature
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、GM式冷凍機に限らず、スターリング冷凍機やその他の蓄冷器を用いた冷凍機に本発明を適用することが可能である。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. For example, the present invention can be applied not only to the GM type refrigerator but also to a refrigerator using a Stirling refrigerator or other regenerator.
また、上記した各実施例では単段式の蓄冷器式冷凍機20に本願発明を適用した例について説明したが、本願発明の適用は単段式の式冷凍機に限定されるものではなく、多段式冷凍機の中の一部として適用することも可能なものである。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
Further, in each of the above-described embodiments, the example in which the present invention is applied to the single-
20 蓄冷式冷凍機
22 シリンダー
23 ディスプレーサー
24 蓄冷材
25 ガス供給装置
26 クランク機構
27 コンプレッサー
31 膨張室
35 高温側案内部材
36 低温側案内部材
37 溝部
M モータ
S 軸部材
V1 吸気弁
V2 排気弁
DESCRIPTION OF
Claims (5)
該シリンダー内に往復移動可能に配設されたディスプレーサーと、
該ディスプレーサーをシリンダー内で往復移動させる駆動手段と、
前記ディスプレーサーの高温側及び低温側にそれぞれ設けられ前記ディスプレーサーの移動を案内する案内部材と
を有することを特徴とする蓄冷器式冷凍機。 A cylinder,
A displacer disposed in a reciprocating manner in the cylinder;
Drive means for reciprocating the displacer in a cylinder;
A regenerator type refrigerator having a guide member provided on each of the high temperature side and the low temperature side of the displacer for guiding the movement of the displacer.
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