JP2007255734A - コールドヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】寿命及び性能に優れたコールドヘッドを提供する。
【解決手段】作動ロッド２を介して第１及び第２のディスプレーサ１０，２０をシリンダ３０内で往復動させて冷凍作用を生じさせる多段式のコールドヘッド１であって、作動ロッド２、第１のディスプレーサ１０、及び第２のディスプレーサ２０を互いに相対変位不能に一体に設け、シリンダ３０と第１及び第２のディスプレーサ１０，２０との間のシールをクリアランスシール６０としたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷凍作用を生じさせるための多段式のコールドヘッドに関する。

多段式のコールドヘッドとして、例えば非特許文献１に開示されたものがある。このようなコールドヘッドは、作動ロッドを介して第１及び第２のディスプレーサをシリンダ内で往復動させて、圧縮機から送られる冷媒ガスをコールドヘッド内で膨張させることで、冷凍作用を生じさせる。

このような従来の多段式のコールドヘッド１００では、図４に示すように、厳密な芯出しを不要として製造の容易化を図るため、作動ロッド１０２、第１のディスプレーサ１１０、及び第２のディスプレーサ１２０を連結ピン１８０により連結し、これらを長手方向に直交する方向に相対的に変位可能に設けていた。そして、シリンダ１３０との間のシール１６０により、シリンダ１３０内面にガイドさせ摺動させながら、第１及び第２のディスプレーサ１１０，１２０を前後動させる構成としていた。
ナラサキ他著、"DEVELOPMENT OF TWO-STAGE STIRLINGCOOLER FOR ASTRO-F"、ADVANCES IN CRYOGENIC ENGINEERING、VOLUME ４９B、AMERICANINSTITUTE OF PHYSICS、２００３年９月２２−２６日、p.1428-1435

しかしながら、このように作動ロッド、第１のディスプレーサ、及び第２のディスプレーサを連結ピンにより連結したのでは、第１及び第２のディスプレーサとの間のシールがシリンダ内面をガイドとして摺動するため、シリンダ及びシールが磨耗して、寿命及び性能に悪影響を及ぼすおそれがあった。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、寿命及び性能に優れたコールドヘッドを提供することを目的とする。

本発明に係るコールドヘッドは、作動ロッドを介して第１及び第２のディスプレーサをシリンダ内で往復動させて冷凍作用を生じさせる多段式のコールドヘッドであって、作動ロッド、第１のディスプレーサ、及び第２のディスプレーサを互いに相対変位不能に一体に設け、シリンダと第１及び第２のディスプレーサとの間のシールをクリアランスシールとしたことを特徴とする。

このコールドヘッドでは、作動ロッド、第１のディスプレーサ、及び第２のディスプレーサが互いに相対変位不能に一体に設けられているため、それぞれがピンにより連結されている場合と比較して、長手方向に直交する方向への振れが小さい。また、シリンダと第１及び第２のディスプレーサとの間のシールがクリアランスシールとなっている。従って、シリンダをガイドとして第１及び第２のディスプレーサが前後動することがなく、シリンダなどの磨耗を低減乃至抑制して、寿命及び性能を向上させることができる。

シリンダは、第１及び第２のディスプレーサがそれぞれ往復動する第１及び第２シリンダを有し、第１シリンダと第２シリンダとは、中心軸方向に継目無く一体に形成されていることを特徴としてもよい。このようにすれば、シリンダなどの磨耗を一層低減乃至抑制することができる。

作動ロッドを、中心軸方向への動きは許容する一方、中心軸方向と直交する方向への動きを規制する板バネにより支持したことを特徴としてもよい。このようにすれば、シリンダなどの磨耗を一層低減乃至抑制することができる。

作動ロッドは、二段目となる第２のディスプレーサまで延びており、一段目となる第１のディスプレーサは、作動ロッドを取り囲むように設けられる筒状体と、筒状体内に充填される蓄冷材と、筒状体の両端部を塞ぐ蓋部と、を有することを特徴としてもよい。このようにすれば、長手方向に直交する方向への振れをより低減することができ、また製造も容易になる。

一段目となる第１のディスプレーサは、筒状体と筒状体内に充填される蓄冷材と、筒状体の両端部を塞ぐ蓋部と、を有し、作動ロッド、作動ロッド側の蓋部、及び筒状体は、中心軸方向に継目無く一体に形成されていることを特徴としてもよい。このようにすれば、シリンダなどの磨耗を一層低減乃至抑制しながら、蓄冷材が充填される筒状体内の容積を稼いで冷凍作用を高めることができる。

本発明によれば、寿命及び性能に優れたコールドヘッドを提供することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係るコールドヘッドの構成を示す断面図である。このコールドヘッド１は、スターリングサイクルを利用した２段式のスターリング冷凍機が備えるコールドヘッドである。

図１に示すように、コールドヘッド１は、作動ロッド２を介して第１及び第２のディスプレーサ１０，２０をシリンダ３０内で往復動させて冷凍作用を生じさせる多段式のコールドヘッドである。このコールドヘッド１は、作動ロッド２、第１のディスプレーサ１０、第２のディスプレーサ２０、シリンダ３０、及び駆動部４０を備えている。

作動ロッド２は、真直に設けられ、二段目となる第２のディスプレーサ２０まで延びている。一段目となる第１のディスプレーサ１０は、作動ロッド２を取り囲むように設けられる筒状体１１と、筒状体１１内に充填される蓄冷材１２と、筒状体１１の両端部を塞ぐ蓋部１３，１４と、を有する。駆動部４０側の蓋部１３は、作動ロッド２の途中に一体に設けられている。この蓋部１３は、筒状体１１内とシリンダ３０内とを連通する連通孔１３ａを有する。この作動ロッド２は、例えば一体で削り出すことで形成することができる。筒状体１１と蓋部１３，１４とは、溶接等により固定されている。

第２のディスプレーサ２０側の蓋部１４は、中心に作動ロッド２が挿通される穴を有すると共に、筒状体１１内とシリンダ３０内とを連通する連通孔１４ａを有する。

第２のディスプレーサ２０は、第１のディスプレーサ１０よりも小径の筒状体２１と、筒状体２１内に充填される蓄冷材２２と、先端を覆う蓋部２３とを有している。この蓋部２３は、筒状体２１内とシリンダ３０内とを連通する連通孔２３ａを有する。筒状体２１は、作動ロッド２の先端に溶接等により固定されている。蓋部２３は、筒状体２１の先端に溶接等により固定されている。なお、作動ロッド２の先端には、シリンダ３０内と第２のディスプレーサ２０の筒状体２１内とを連通する連通孔２ａが設けられている。

シリンダ３０は、第１のディスプレーサ１０が往復動する第１シリンダ３１と、第１シリンダ３１よりも小径で第２のディスプレーサ２０が往復動する第２シリンダ３２と、を有する。第１シリンダ３１と第２シリンダ３２とは、中心軸方向に継目無く一体に形成されている。このようなシリンダ３０は、例えば一体で削り出したり、絞り加工により異なる直径に加工したりして形成することができる。このシリンダ３０は、フランジ５０を介して駆動部４０に取り付けられている。なお、第２シリンダ３２の先端は、別部材からなる蓋部３３により塞がれている。

駆動部４０は、作動ロッド２を駆動して軸方向に前後動させる。この駆動部４０は、筐体４２内部に設けられた板バネ４４を有している。この筐体４２には、図示しない圧縮機とシリンダ３０内とを結ぶ冷媒ガス用のガス流路４０ａが設けられている。板バネ４４は、作動ロッド２の基端側を支持する。この板バネ４４は、図２に示すように、金属等の材料から円盤状に形成されており、中心には作動ロッド２が挿通固定される穴４４ａが設けられている。板バネ４４の板面には、複数のスリット４４ｂが渦巻状に設けられている。従って、板バネ４４の穴４４ａに挿通固定された作動ロッド２は、中心軸方向への動きは許容される一方、その中心軸方向と直交する方向への動きが規制される。

上記した構成により、作動ロッド２、第１のディスプレーサ１０、及び第２のディスプレーサ２０は、互いに相対変位不能に一体に設けられている。そして、第１シリンダ３１と第１のディスプレーサ１０との間は、シール材により間隙が調整されて、クリアランスシール６０が設けられている。また、第２シリンダ３２と第２のディスプレーサ２０との間は、シール材により間隙が調整されて、クリアランスシール６０が設けられている。更に、作動ロッド２と駆動部４０の筐体４２との間も、シール材により間隙が調整されて、クリアランスシール６０が設けられている。クリアランスシール６０による間隙は、１０μｍ程度である。

一体化された作動ロッド２、第１のディスプレーサ１０、及び第２のディスプレーサ２０は、前述したように真直に設けられ、シリンダ３０内で精密に芯出しされている。そして、作動ロッド２、第１のディスプレーサ１０、及び第２のディスプレーサ２０が一体に設けられることで、軸方向に直交する方向への振れが、クリアランスシール６０による間隙よりも小さく抑えられている。

次に、上記した構成のコールドヘッド１の作用及び効果について説明する。

まず、高圧の冷媒ガスが図示しない圧縮機からガス流路４０ａを通して第１シリンダ３１内に送られる。このとき、駆動部４０により作動ロッド２が駆動されて、作動ロッド２は最も突き出た位置（図１中において最左端）に位置し、第１及び第２の圧縮空間Ｓ１，Ｓ２が形成されている。第１シリンダ３１内に送られた冷媒ガスは、蓋部１３の連通孔１３ａを通して第１のディスプレーサ１０の筒状体１１内を通り、蓄冷材１２にて予冷されると共に、蓋部１４の連通孔１４ａを通して第１の圧縮空間Ｓ１に送り出される。更に、冷媒ガスは、連通孔２ａを通して第２のディスプレーサ２０の筒状体２１内に送られ、蓄冷材２２にて予冷されると共に、蓋部２３の連通孔２３ａを通して第２の圧縮空間Ｓ２に送り出される。

次に、駆動部４０により作動ロッド２が駆動されて、作動ロッド２は最も引っ込んだ位置（図１中において最右端）まで移動される。このとき、冷媒ガスが膨張して、冷熱が生じる。膨張した冷媒ガスは、蓄冷材２２，１２を冷却しながら、逆の経路を辿って図示しない圧縮機に戻る。これが繰り返されることで冷凍作用が生じ、第１シリンダ３１付近では１００Ｋ程度、第２シリンダ３２付近では２０Ｋ程度の温度まで冷やされる。

ここで、本実施形態に係るコールドヘッド１では、シリンダ３０と第１及び第２のディスプレーサ１０，２０との間のシールがクリアランスシール６０となっている。また、作動ロッド２、第１のディスプレーサ１０、及び第２のディスプレーサ２０が互いに相対変位不能に一体に設けられているため、それぞれがピンにより連結されている場合と比較して、長手方向に直交する方向への振れが小さく、その振れがクリアランスシール６０による間隙よりも小さく抑えられている。従って、シリンダ３０をガイドとして第１及び第２のディスプレーサ１０，２０が前後動することがなく、シリンダ３０やシール材の磨耗を低減乃至抑制して、寿命及び性能を向上させることができる。

また、シリンダ３０を構成する第１シリンダ３１と第２シリンダ３２とは、中心軸方向に継目無く一体に形成されているため、これらを組み付ける作業が省略される。従って、シリンダ３０の精密な加工を行っておけば、芯出しにより第１及び第２のディスプレーサ１０，２０との間隙を正確に確保することができ、シリンダ３０やシール材などの磨耗を一層低減乃至抑制することができる。

また、作動ロッド２は板バネ４４により支持されているため、一体化された作動ロッド２、第１のディスプレーサ１０、及び第２のディスプレーサ２０の長手方向に直交する方向への振れを抑えながら前後動させることができ、シリンダ３０やシール材などの磨耗を一層低減乃至抑制することができる。

また、作動ロッド２は、第２のディスプレーサ２０まで延びているため、長手方向に直交する方向への振れをより低減することができる。また、第１のディスプレーサ１０は、作動ロッド２を取り囲むように筒状体１１を設け、筒状体１１内に蓄冷材１２を充填して、蓋部１３，１４により両端部を塞ぐだけで、容易に製造することができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、作動ロッド２、第１のディスプレーサ１０、及び第２のディスプレーサ２０を、次のように構成してもよい。

すなわち、図３に示すように、作動ロッド２は第１のディスプレーサ１０まで延びるものとする。第１のディスプレーサ１０は、筒状体１１と筒状体１１内に充填される蓄冷材１２と、筒状体１１の両端部を塞ぐ蓋部１３，１４と、を有するものとする。蓋部１４に、筒状体１１内とシリンダ３０内とを連通する連通孔１４ａを設けると共に、シリンダ３０内と第２のディスプレーサ２０の筒状体２１内とを連通する連通孔１４ｂを設ける。作動ロッド２、作動ロッド２側の蓋部１３、及び筒状体１１は、削り出し等により中心軸方向に継目無く一体に形成する。第２のディスプレーサ２０側の蓋部１４は、溶接等により筒状体１１に連結する。第２のディスプレーサ２０を構成する筒状体２１は、蓋部２３に溶接等に固定する。このようにしても、一体化された作動ロッド２、第１ディスプレーサ１０、及び第２ディスプレーサ２０の長手方向に直交する方向への振れが小さく、その振れがクリアランスシール６０による間隙よりも小さく抑えられる。従って、シリンダ３０をガイドとして第１及び第２のディスプレーサ１０，２０が前後動することがなく、シリンダ３０やシール材などの磨耗を一層低減乃至抑制することができる。また、蓄冷材１２が充填される第１のディスプレーサ１０の筒状体１１内の容積を稼いで、冷凍作用を高めることができる。

また、ディスプレーサは３段以上設けてもよい。また、本実施形態に係るコールドヘッド１は、スターリング冷凍機だけでなく、ＧＭ冷凍機など他の冷凍機にも適用可能である。

本実施形態にかかるコールドヘッドを備えた冷凍機は、例えば人工衛星搭載望遠鏡の冷却システム、クライオポンプ、ＭＲＩ装置などに利用可能である。特に、小型で高速に動かす場合が有効である。

本実施形態に係るコールドヘッドの構成を示す断面図である。 板バネの構成を示す平面図である。 コールドヘッドの変形例を示す断面図である。 従来のコールドヘッドの構成を示す断面図である。

符号の説明

１…コールドヘッド、２…作動ロッド、１０…第１のディスプレーサ、１１，２１…筒状体、１２，２２…蓄冷材、１３，１４，２３…蓋部、２０…第２のディスプレーサ、３０…シリンダ、３１…第１シリンダ、３２…第２シリンダ、４０…駆動部、４４…板バネ、６０…クリアランスシール、Ｓ１，Ｓ２…圧縮空間。

Claims (5)

1. 作動ロッドを介して第１及び第２のディスプレーサをシリンダ内で往復動させて冷凍作用を生じさせる多段式のコールドヘッドであって、
   前記作動ロッド、前記第１のディスプレーサ、及び前記第２のディスプレーサを互いに相対変位不能に一体に設け、
   前記シリンダと前記第１及び第２のディスプレーサとの間のシールをクリアランスシールとしたことを特徴とするコールドヘッド。
2. 前記シリンダは、前記第１及び第２のディスプレーサがそれぞれ往復動する第１及び第２シリンダを有し、
   前記第１シリンダと前記第２シリンダとは、中心軸方向に継目無く一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のコールドヘッド。
3. 前記作動ロッドを、中心軸方向への動きは許容する一方、該中心軸方向と直交する方向への動きを規制する板バネにより支持したことを特徴とする請求項１又は２に記載のコールドヘッド。
4. 前記作動ロッドは、二段目となる第２のディスプレーサまで延びており、
   一段目となる前記第１のディスプレーサは、前記作動ロッドを取り囲むように設けられる筒状体と、該筒状体内に充填される蓄冷材と、該筒状体の両端部を塞ぐ蓋部と、を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のコールドヘッド。
5. 一段目となる前記第１のディスプレーサは、筒状体と該筒状体内に充填される蓄冷材と、該筒状体の両端部を塞ぐ蓋部と、を有し、
   前記作動ロッド、該作動ロッド側の前記蓋部、及び前記筒状体は、中心軸方向に継目無く一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のコールドヘッド。
   

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