JP2009236420A - 冷凍機用コールドヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ヘッド部を支持するサポート部材の設計や位置決めを容易にすることができる冷凍機用コールドヘッドを提供する。
【解決手段】 本発明に係る冷凍機用コールドヘッド３は、シリンダ１３と、シリンダ１３内で往復動し冷媒ガスを膨張させ冷熱を発生させるディスプレーサ１２と、シリンダ１３の先端側に設けられて発生した冷熱を被冷却物１７に伝達するコールドチップ１６を有するヘッド部と、ヘッド部の外側面の一部であるコールドチップ１６の外側面１６ａを支持する支持面２０ｃを有するサポート部材２０と、を備え、コールドチップ１６の外側面１６ａは、その外形が基端側から先端側に向かって細くなるように傾斜しており、コールドチップ１６の外側面１６ａとサポート部材２０の支持面２０ｃとは、非冷却時において接触している。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍機用コールドヘッドに関する。

従来、冷凍機として、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機から供給される圧縮された冷媒ガスを膨張させて冷熱を発生させるコールドヘッドとを備えるものが知られている。コールドヘッドは、シリンダと、シリンダ内で往復動し冷媒ガスを膨張させ冷熱を発生させるディスプレーサと、シリンダの先端に設けられて、発生した冷熱を被冷却物に伝達する冷熱伝達部材とを備えている。このようなコールドヘッドのシリンダは、一般的に、冷熱伝達部材側の端部を自由端として片持ち支持される。この場合、外部からの衝撃等によって冷熱伝達部材がシリンダの径方向に大きく変位すると、コールドヘッドが変形あるいは破損してしまうおそれがあるため、冷熱伝達部材の変位を規制する必要がある。

例えば、特許文献１に記載された冷凍機の荷重支持装置は、コールドヘッドのシリンダと冷熱伝達部材としての円板状のヘッド部とを囲うように設けられた円筒形状のサポート部材を備えている。サポート部材は、ヘッド部の外側面と対向するようにサポート部材の内側に突出された支持部を有している。この冷凍機の荷重支持装置では、非冷却時において、支持部がヘッド部の外側面に接触するように配置されることで、ヘッド部の径方向における変位を規制して、シリンダの変形及び破損の防止が図られている。

また、この冷凍機の荷重支持装置では、冷却時において、ヘッド部が熱収縮されて、支持部との間にわずかな隙間を形成することで、ヘッド部の冷熱が直接サポート部材に伝達されることを防止して、冷凍機の冷却効率が低下することを抑制している。
特開２００３−８３６２６号公報

ところで、上記特許文献１に記載された冷凍機の荷重支持装置では、ヘッド部の外側面が、円板状のヘッド部の中心軸に沿って延在すると共に、サポート部材の支持部も、ヘッド部の外側面に沿って延在するように構成されている。このような構成にあっては、熱収縮によるヘッド部の内径側への変形は微小なものであるため、冷却時に支持部がヘッド部に対して非接触となりつつ、非冷却時に支持部がヘッド部に接触するためには、支持部の内径をヘッド部の外径に厳密に合わせる必要があり、このような支持部を有するサポート部材を設計することや配置することは容易ではなかった。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、ヘッド部を支持するサポート部材の設計や位置決めを容易にすることができる冷凍機用コールドヘッドを提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍機用コールドヘッドは、シリンダと、シリンダ内で往復動し冷媒ガスを膨張させ冷熱を発生させるディスプレーサと、シリンダの先端側に設けられて発生した冷熱を被冷却物に伝達するコールドチップを有するヘッド部と、ヘッド部の外側面の少なくとも一部を支持する支持面を有するサポート部材と、を備えるコールドヘッドであって、ヘッド部の外側面の少なくとも一部は、その外形が基端側から先端側に向かって細くなるように傾斜しており、ヘッド部の外側面の少なくとも一部とサポート部材の支持面とは、非冷却時において接触していることを特徴とする。

この冷凍機用コールドヘッドでは、ヘッド部の外側面の少なくとも一部の外形が基端側から先端側に向かって細くなるように傾斜している。これによって、ヘッド部の外側面の一部における先端側の縁が形成する最小外径、又は、ヘッド部の外側面の一部における基端側の縁が形成する最大外径が、支持面の形成するいずれかの内径と一致すれば、ヘッド部の外側面の一部がサポート部材の支持面に接触されて支持可能となる。従って、ヘッド部の外側面の一部とサポート部材の支持面との位置関係を厳密に設定しなくても、ヘッド部の支持が実現されるため、非冷却時は支持面がヘッド部に接触すると共に冷却時は支持面がヘッド部に対して非接触となるようにサポート部材を設計したり、位置決めしたりすることを容易にすることができる。

また、この冷凍機用コールドヘッドでは、冷却時に、ヘッド部及びシリンダが熱収縮される際に、ヘッド部の内径側への熱収縮と、ヘッド部の基端側への熱収縮と、シリンダの基端側への熱収縮とが累積的にヘッド部の外側面の少なくとも一部とサポート部との離間に寄与する。一方、従来のように、円板状のヘッド部とヘッド部の側面部に対向する支持部を有するサポート部材とでは、ヘッド部の内径側への熱収縮だけが、ヘッド部とサポート部材との離間に寄与している。従って、この冷凍機用コールドヘッドでは、従来と比べて、ヘッド部とサポート部材との間により大きな間隔を形成することができ、ヘッド部の冷熱がサポート部材に伝達することをより確実に防ぐことができる。

また、サポート部材の支持面は、ヘッド部の外側面の少なくとも一部の傾斜に対応して傾斜していることが好ましい。この場合、非冷却時において、ヘッド部の外側面の一部とサポート部材の支持面とが適切に面接触されるため、ヘッド部をより確実に支持することが可能となる。

ヘッド部の外側面の一部は、コールドチップの外側面の少なくとも一部であることが好ましい。コールドチップは、シリンダの先端側に設けられるため、コールドチップの外側面をサポート部材が支持することにより、ヘッド部の変位を好適に規制することができる。

また、ヘッド部の外側面の少なくとも一部は、テーパ面状であることが好ましい。ヘッド部の外側面の少なくとも一部を直線的に傾斜するテーパ面状として形成すると、非直線的に面を形成する場合と比べて、ヘッド部の設計や加工を容易にすることができる。

あるいは、ヘッド部の外側面の少なくとも一部は、凸球面状であることが好ましい。ヘッド部の外側面の少なくとも一部を曲率一定の凸球面状として形成すると、直線的に面を形成する場合と比べて、サポート部材の支持面との接触面積が広くなりやすいため、ヘッド部の耐久性の向上が図られる。また、ヘッド部の設計や加工が比較的容易である。

本発明の冷凍機用コールドヘッドによれば、ヘッド部を支持するサポート部材の設計や位置決めを容易にすることができる。

以下、本発明に係る冷凍機用コールドヘッドを備える冷凍機の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る冷凍機用コールドヘッドを備える冷凍機を示す概略断面図である。図１に示すように、冷凍機１は、例えば、スターリングサイクルを利用するスターリング冷凍機であり、圧縮機２と、冷凍機用コールドヘッド３と、これらを接続するガス配管４とを備えている。

圧縮機２は、図示しないピストンを往復動させることで、冷媒ガスの圧縮を行うと共に、ガス流路４を通じて圧縮した冷媒ガスを冷凍機用コールドヘッド３に供給している。

図２は、図１の冷凍機用コールドヘッドを示す拡大断面図である。図２に示すように、冷凍機用コールドヘッド３は、駆動源１０と接続された作動ロッド１１を介してディスプレーサ１２をシリンダ１３内で往復動させて冷凍作用を生じさせる一段式のコールドヘッドである。なお、冷凍機用コールドヘッド３は、多段式であってもよい。

シリンダ１３は、駆動源１０に対して真直に配置されると共に、その根元が駆動源１０に固定されて片持ち支持されており、シリンダ１３内には、内部に蓄冷材１４が収容されたディスプレーサ１２と、シールリング１５とが設けられている。また、シリンダ１３には、冷凍機用コールドヘッド３のヘッド部を構成するコールドチップ１６がシリンダ１３の先端部を覆うように設けられ、このコールドチップ１６とディスプレーサ１２との間には、圧縮空間Ｓが形成されている。

コールドチップ１６は、例えば、熱伝導性が高い銅製の部材であり、ディスプレーサ１２の往復動によって生じた冷熱を被冷却物１７に伝達するための冷熱伝達部材として機能する。このコールドチップ１６の上面には、熱伝導性の高い銅板１８が載せられ、この銅板１８は、ボルト１９によってコールドチップ１６に固定されている。銅板１８の上面には、高温超伝導フィルターや低ノイズ増幅器などの被冷却物１７が配置され、コールドチップ１６の冷熱は、銅板１８を介して被冷却物１７に伝達される。

また、コールドチップ１６の外側面１６ａは、その外形が基端側（シリンダ側）から先端側（銅板側）に向かって細くなるように直線的に傾斜されて、いわゆるテーパ面状に形成されている。この外側面１６ａにおける傾斜角θは、特に１５度〜４５度であることが好ましい。コールドチップ１６の周囲には、外側面１６ａと当接してコールドチップ１６を支持するサポート部材２０が設けられている。

図３は、図１のサポート部材を示す斜視図である。図２及び図３に示すように、サポート部材２０は、コールドチップ１６よりも熱伝導性が低い素材、例えば、ＧＦＲＰ（Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）製の部材である。また、サポート部材２０は、コールドチップ１６の外側面１６ａに向かって、その半径方向に突出した支持部２０ａと、根元が駆動源１０に固定されて、シリンダ１３に沿って上下方向に延在する円筒状の本体２０ｂとを有している。

サポート部材２０の支持部２０ａの先端には、コールドチップ１６の外側面１６ａの傾斜に対応して傾斜して、コールドチップ１６の外側面１６ａに当接する支持面２０ｃが形成されている。サポート部材２０は、支持面２０ｃをコールドチップ１６の外側面１６ａに当接させることで、コールドチップ１６がその半径方向に振れないように支持する。

次に、上記した構成の冷凍機用コールドヘッドを有する冷凍機の作用及び効果について説明する。

まず、冷凍機が始動すると、圧縮機２において圧縮された冷媒ガスが、ガス流路４を通じて冷凍機用コールドヘッド３のシリンダ１３内に供給される。シリンダ１３内に送られた冷媒ガスは、ディスプレーサ１２に収容された蓄冷材１４内において予冷されつつ、圧縮空間Ｓ内に送り出される。

次に、駆動部１０により作動ロッド１１が駆動されて、ディスプレーサ１２が下方に移動することで、圧縮空間Ｓ内の冷媒ガスが膨張して、冷熱が生じる。その後、駆動部１０により作動ロッド１１が駆動されて、ディスプレーサ１２が上方に移動すると、膨張した冷媒ガスは、蓄冷材１４を冷却しながら、逆の経路を辿って圧縮機２に戻る。これが繰り返されることで冷凍作用が生じ、コールドチップ１６の冷熱が被冷却物１７に伝達されて、被冷却物１７が冷却される。

図４は、非冷却時におけるコールドチップとサポート部材とを示す概略断面図、図５は、冷却時におけるコールドチップとサポート部材とを示す概略断面図である。図４に示すように、非冷却時において、コールドチップ１６は、外側面１６ａがサポート部材２０の支持面２０ｃに当接されて、その半径方向に支持されている。これによって、冷凍機の輸送時などの振動環境において、片持ち支持されたシリンダ１３が振れて、径方向に大きく変位することを規制することができ、シリンダ１３やコールドチップ１６が変形あるいは破損することを抑制することができる。

冷凍機が始動されて、冷却が始まると、圧縮空間Ｓで冷熱が発生して、銅製のコールドチップ１６の温度が低下して、コールドチップ１６は内側に熱収縮される。一方、熱伝導性の低いサポート部材２０は、冷熱があまり伝達されず熱収縮もほとんど起きない。このため、図５に示すように、コールドチップ１６とサポート部材２０とが離間されて、非接触状態となる。その結果、コールドチップ１６の冷熱が直接サポート部材２０に伝達されることが防止されて、被冷却物１７の冷却効率が低下することを抑制することができる。

このような冷凍機に備えられた第１の実施形態に係る冷凍機用コールドヘッド３では、コールドチップ１６の外側面１６ａが基端側から先端側に向かって細くなるように傾斜していると共に、この外側面１６ａを支持するサポート部材２０の支持面２０ｃがコールドチップ１６の外側面１６ａの傾斜に対応して傾斜している。これによって、コールドチップ１６の外側面１６ａにおける先端側の縁が形成する最小外径、又は、外側面１６ａにおける基端側の縁が形成する最大外径が、サポート部材２０の支持面２０ａの形成するいずれかの内径と一致すれば、コールドチップ１６の外側面１６ａがサポート部材２０の支持面２０ａに接触されて支持可能となる。従って、コールドチップ１６の外側面１６ａとサポート部材２０の支持面２０ａとの位置関係を厳密に設定しなくても、コールドチップ１６の支持が実現されるため、非冷却時は支持面２０ｃがコールドチップ１６に接触すると共に冷却時は支持面２０ｃがコールドチップ１６に対して非接触となるようにサポート部材２０を設計したり、位置決めしたりすることを容易にすることができる。

また、この冷凍機用コールドヘッド３では、図５に示すように、冷却時に、コールドチップ１６及びシリンダ１３が熱収縮される際に、コールドチップ１６の内径側への熱収縮と、コールドチップ１６の基端側への熱収縮と、シリンダ１３の基端側への熱収縮とが累積的にコールドチップ１６の外側面１６ａとサポート部材２０の支持面２０ａとの離間に寄与する。従って、この冷凍機用コールドヘッド３では、コールドチップ１６とサポート部材２０との間により大きな間隔を形成することができ、コールドチップ１６の冷熱がサポート部材２０に伝達することをより確実に防ぐことができる。

また、コールドチップ１６の外側面１６ａが直線的に傾斜するテーパ面状とされ、サポート部材２０の支持面２０ａも外側面１６ａに対応する直線的に傾斜する面とされるため、外側面１６ａと支持面２０ａとが良好に面接触されて、サポート部材２０がコールドチップ１６を効果的に支持することができる。また、非直線的に面を形成する場合と比べて、コールドチップ１６及びサポート部材２０の設計や加工を容易にすることができ、更に位置決めも容易となる。

図６は、第２の実施形態に係る冷凍機の非冷却時におけるヘッド部とサポート部材とを示す概略断面図である。第２の実施形態に係る冷凍機用コールドヘッド３０が第１の実施形態と異なる点は、ヘッド部としてのコールドチップ３２の外側面３２ａが、凸球面状とされており、サポート部材３３の支持面３３ｃも、外側面３２ａに対応した凹球面状とされている点である。

このような第２の実施形態では、コールドチップ３２の外側面３２ａが曲率一定の凸球面状として形成され、サポート部材３３の支持面３３ｃも、外側面３２ａの曲率と等しい凹球面状として形成されるため、外側面３２ａと支持面３３ａとが良好に面接触されて、サポート部材３３がコールドチップ３２を効果的に支持することができる。また、コールドチップ３２及びサポート部材３３の設計、加工、及び位置決めが比較的容易である。

図７は、第３の実施形態に係る冷凍機の非冷却時におけるヘッド部とサポート部材とを示す概略断面図である。第３の実施形態に係る冷凍機用コールドヘッド４０が第２の実施形態と異なる点は、ヘッド部Ｈがシリンダ４１の先端部４１ａとシリンダ鍔部４１ｂとコールドヘッド４４とから構成されている点と、サポート部材４３の支持面４３ｃがシリンダ鍔部４１ｂの外側面４１ｃを支持している点と、シリンダ鍔部４１ｂの外側面４１ｃが凸球面状であるのに対してサポート部材４３の支持面４３ｃが直線状に形成されている点である。

このような第３の実施形態では、ヘッド部Ｈがシリンダ鍔部４１ｂの外側面４１ｃでサポート部材４３に支持されるため、コールドチップ４４の外側面に傾斜を設ける必要がなく、コールドチップの設計の自由度が増す。さらに、シリンダ４１やシリンダ鍔部４１ｂを熱伝導性の低い材質とすることでシリンダ鍔部４１ｂからサポート部材４３に冷熱が伝達することをより確実に抑制することができる。

また、第３の実施形態では、シリンダ鍔部４１ｂの外側面４１ｃが凸球面状であるのに対してサポート部材４３の支持面４３ｃが平面状に形成されている。従って、外側面４１ｃと支持面４３ｃとの接触面積は、第１，第２の実施形態と比べて狭くなるため、冷却時において、より確実にヘッド部Ｈとサポート部材４３との離間を図ることができる。

図８は、第４の実施形態に係る冷凍機のコールドヘッドが備えるサポート部材を示す斜視図である。第４の実施形態に係るサポート部材５０が第１の実施形態に係るサポート部材２０と異なる点は、本体の根元５０ｄ以外の部位が、等角度間隔に切り欠かれて、３本のアーム状のサブサポート５０ｂとして構成されている点である。

このような第４の実施形態では、コールドチップ１６の外側面１６ａに対し、３つの支持面５０ａが三方から指示することになる。このようなサポート部材５０を採用することにより、サポート部材の重量を軽くして、冷凍機全体の軽量化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、図８に示すような複数の支持面を有するサポート部材を採用した場合には、コールドチップの外側面は、外周全体に渡って傾斜を有する必要はなく、支持面に当接される部位だけ傾斜していればよい。

また、サポート部材の材質としては、ＧＦＲＰの他、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）、ステンレス材、チタン材、アルミニウム材、及びこれらの合金などを用いてもよい。

また、コールドチップ又はシリンダ鍔部の外側面の外形は、その横断面形状が円形状であっても、矩形状であってもよく、その他の形状であることを妨げない。

本発明の第１の実施形態に係る冷凍機用コールドヘッドを示す概略断面図である。 図１の冷凍機用コールドヘッドを備える冷凍機を示す拡大断面図である。 図１のサポート部材を示す斜視図である。 非冷却時におけるコールドチップとサポート部材とを示す概略断面図である。 冷却時におけるコールドチップとサポート部材とを示す概略断面図である。 第２の実施形態に係る冷凍機の非冷却時におけるヘッド部とサポート部材とを示す概略断面図である。 第３の実施形態に係る冷凍機の非冷却時におけるヘッド部とサポート部材とを示す概略断面図である。 第４の実施形態に係る冷凍機のコールドヘッドが備えるサポート部材を示す斜視図である。

符号の説明

１…冷凍機、２…圧縮機、３、３０…冷凍機用コールドヘッド、４…ガス流路、１０…駆動源、１１…作動ロッド、１２…ディスプレーサ、１３、３１…シリンダ、１４…蓄冷材、１５…シールリング、１６，３２，４４…コールドチップ（ヘッド部）、１６ａ，３２ａ…外側面、１７…被冷却物、２０，３３…サポート部材、２０ａ，３３ａ…支持面、Ｓ…圧縮空間、Ｈ…ヘッド部。

Claims (5)

1. シリンダと、前記シリンダ内で往復動し冷媒ガスを膨張させ冷熱を発生させるディスプレーサと、前記シリンダの先端側に設けられて発生した冷熱を被冷却物に伝達するコールドチップを有するヘッド部と、前記ヘッド部の外側面の少なくとも一部を支持する支持面を有するサポート部材と、を備えるコールドヘッドであって、
   前記ヘッド部の外側面の少なくとも一部は、その外形が基端側から先端側に向かって細くなるように傾斜しており、
   前記ヘッド部の外側面の少なくとも一部と前記サポート部材の前記支持面とは、非冷却時において接触していることを特徴とする冷凍機用コールドヘッド。
2. 前記サポート部材の前記支持面は、前記ヘッド部の外側面の少なくとも一部の傾斜に対応して傾斜することを特徴とする請求項１記載の冷凍機用コールドヘッド。
3. 前記ヘッド部の外側面の少なくとも一部は、前記コールドチップの外側面の少なくとも一部であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の冷凍機用コールドヘッド。
4. 前記ヘッド部の外側面の少なくとも一部は、テーパ面状であることを特徴とする請求項１〜請求項３のうち何れか一項記載の冷凍機用コールドヘッド。
5. 前記ヘッド部の外側面の少なくとも一部は、凸球面状であることを特徴とする請求項１〜請求項３のうち何れか一項記載の冷凍機用コールドヘッド。
   
   
   
   
   
   

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