JP2012087970A - Cold storage refrigerator - Google Patents

Cold storage refrigerator Download PDF

Info

Publication number
JP2012087970A
JP2012087970A JP2010233601A JP2010233601A JP2012087970A JP 2012087970 A JP2012087970 A JP 2012087970A JP 2010233601 A JP2010233601 A JP 2010233601A JP 2010233601 A JP2010233601 A JP 2010233601A JP 2012087970 A JP2012087970 A JP 2012087970A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
displacer
refrigerant gas
stage
cylinder
temperature end
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010233601A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yukio Mikami
行雄 三上
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Heavy Industries Ltd filed Critical Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority to JP2010233601A priority Critical patent/JP2012087970A/en
Publication of JP2012087970A publication Critical patent/JP2012087970A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cold storage refrigerator capable of preventing wear of an outer peripheral surface of a displacer.SOLUTION: The cold storage refrigerator includes: a cylinder 12; a displacer 14 of a roller shape provided in the cylinder 12 reciprocably along the cylinder 12, forming an expansion space 22 at one end in the cylinder 12 and forming therein a cooling medium gas flow channel 24 for supplying and discharging a cooling medium gas in the expansion space 22; and a cold-storage material 18 stored in the cooling medium gas flow channel 24 and storing the cold generated by expanding the cooling medium gas supplied to the expansion space 22 when the displacer 14 reciprocates along the cylinder 12. The displacer 14 has a radius R22 at a low temperature end smaller than a radius R21 at a high temperature end. A low temperature end of the cooling medium gas flow channel 24 communicates with an opening 46b provided in an outer peripheral surface of the displacer 14.

Description

本発明は、ヘリウムガス等の冷媒ガスを用い、蓄冷材を収容した蓄冷器を有する蓄冷器式冷凍機に関する。   The present invention relates to a regenerator type refrigerator having a regenerator containing a regenerator material using a refrigerant gas such as helium gas.

例えば4K程度の極低温を得るために、ヘリウムガス等の冷媒ガスを用い、蓄冷材を収容した蓄冷器を有する蓄冷器式冷凍機が用いられている。また、蓄冷器式冷凍機として、例えばギフォード・マクマホン(Gifford-McMahon;GM)冷凍機が用いられている。   For example, in order to obtain an extremely low temperature of about 4K, a regenerator type refrigerator having a regenerator that stores a regenerator material using a refrigerant gas such as helium gas is used. In addition, as a regenerator type refrigerator, for example, a Gifford-McMahon (GM) refrigerator is used.

GM冷凍機は、圧縮機からの例えばヘリウムガスよりなる冷媒ガスをシリンダ内に形成された膨張空間に供給し、供給した冷媒ガスを膨張空間で膨張させることによって、冷熱を発生する。発生した冷熱により極低温を得るために、GM冷凍機は、通常、複数段により構成される。   The GM refrigerator generates cold by supplying a refrigerant gas made of, for example, helium gas from a compressor to an expansion space formed in the cylinder, and expanding the supplied refrigerant gas in the expansion space. In order to obtain a cryogenic temperature by the generated cold heat, the GM refrigerator is usually configured by a plurality of stages.

GM冷凍機の各段は、シリンダと、シリンダ内に設けられたディスプレーサを有する。ディスプレーサは、シリンダ内に、シリンダに沿って往復動可能に設けられており、ディスプレーサの一端とシリンダとの間に膨張空間を形成する。また、ディスプレーサの内部には、膨張空間に冷媒ガスを供給及び排出するための冷媒ガス流路が形成されている。また、ディスプレーサの内部に形成された冷媒ガス流路には、冷媒ガスと接触して冷熱を蓄冷するための蓄冷材が収容されている。   Each stage of the GM refrigerator has a cylinder and a displacer provided in the cylinder. The displacer is provided in the cylinder so as to be capable of reciprocating along the cylinder, and forms an expansion space between one end of the displacer and the cylinder. In addition, a refrigerant gas flow path for supplying and discharging refrigerant gas to and from the expansion space is formed inside the displacer. In addition, the refrigerant gas passage formed inside the displacer contains a regenerator material for accumulating cold heat in contact with the refrigerant gas.

シリンダに沿って往復動することによって、膨張空間を気密に膨張させるか、又は気密に収縮させるため、ディスプレーサは、シリンダの内径よりやや小さい外径を有している。そして、ディスプレーサの外周面とシリンダの内周面との間には、ディスプレーサとシリンダとの隙間を気密に保持するための、シールが設けられている。このようなシールとしては、従来、シールリング、クリアランスシール、ラビリンスシール、らせん溝シール等が用いられてきた(例えば、特許文献1参照。)。   The displacer has an outer diameter that is slightly smaller than the inner diameter of the cylinder in order to expand or contract the expansion space hermetically by reciprocating along the cylinder. A seal is provided between the outer peripheral surface of the displacer and the inner peripheral surface of the cylinder to keep the gap between the displacer and the cylinder airtight. Conventionally, seal rings, clearance seals, labyrinth seals, spiral groove seals and the like have been used as such seals (see, for example, Patent Document 1).

特許第2659684号公報Japanese Patent No. 2659684

ところが、上記したGM冷凍機等の蓄冷器式冷凍機には、次のような問題がある。   However, the above-described regenerator refrigerators such as the GM refrigerator have the following problems.

例えばクリアランスシールを用いる場合、後述するハイドロリックロック現象等により、ディスプレーサが冷媒ガスの圧力の分布に起因して偏心し、シリンダの内周面に接触して固着し、ディスプレーサを往復動させることができなくなることがある。また、ディスプレーサの一部がシリンダの内周面に接触し、固着している状態で長時間GM冷凍機を運転すると、接触部分のみが摺動するため、ディスプレーサが磨耗する。ディスプレーサが磨耗すると、シリンダとディスプレーサとの隙間が大きくなり、膨張空間からの冷媒ガスのリーク量が増大し、GM冷凍機の冷凍能力が低下することがある。あるいは、ディスプレーサの磨耗が更に進行すると、GM冷凍機の寿命が短くなる等の問題がある。   For example, when a clearance seal is used, the displacer may be eccentric due to the distribution of refrigerant gas pressure due to a hydraulic lock phenomenon, which will be described later, and contacted and fixed to the inner peripheral surface of the cylinder, causing the displacer to reciprocate. It may not be possible. Further, when the GM refrigerator is operated for a long time in a state where a part of the displacer is in contact with and fixed to the inner peripheral surface of the cylinder, the displacer is worn because only the contact portion slides. When the displacer is worn, the gap between the cylinder and the displacer increases, the amount of refrigerant gas leaked from the expansion space increases, and the refrigeration capacity of the GM refrigerator may decrease. Alternatively, when the displacer wears further, there is a problem that the life of the GM refrigerator is shortened.

特に、シリンダを水平に配置する場合を含め、シリンダを鉛直方向に対して傾けて配置する場合には、ディスプレーサの自重によりディスプレーサの外周面の一部が偏心し、シリンダ内周面に接触しやすくなるため、上記した問題が顕著になる。しかし、シリンダを鉛直に配置する場合にも、ディスプレーサの外径の寸法公差あるいはシリンダの内径の寸法公差に起因して、ディスプレーサの外周面の一部がシリンダの内周面に接触し、ディスプレーサが磨耗する場合がある。従って、上記した課題は、シリンダを鉛直方向に対して傾けて配置する場合のみならず、シリンダを鉛直に配置する場合にも共通の課題である。   In particular, when the cylinder is placed at an angle with respect to the vertical direction, including when the cylinder is placed horizontally, a part of the outer peripheral surface of the displacer is decentered by the weight of the displacer and easily contacts the inner peripheral surface of the cylinder. Therefore, the above problem becomes remarkable. However, even when the cylinder is arranged vertically, due to the dimensional tolerance of the outer diameter of the displacer or the dimensional tolerance of the inner diameter of the cylinder, a part of the outer peripheral surface of the displacer contacts the inner peripheral surface of the cylinder, and the displacer It may wear out. Therefore, the above-described problem is a common problem not only when the cylinder is inclined with respect to the vertical direction but also when the cylinder is vertically disposed.

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、ディスプレーサの外周面の磨耗を防止できる蓄冷器式冷凍機を提供する。   This invention is made | formed in view of said point, and provides the regenerator type refrigerator which can prevent abrasion of the outer peripheral surface 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 problems, the present invention is characterized by the following measures.

本発明は、シリンダと、前記シリンダ内に、前記シリンダに沿って往復動可能に設けられ、前記シリンダ内の一端に膨張空間を形成するとともに、内部に、前記膨張空間に冷媒ガスを供給及び排出するための冷媒ガス流路が形成されている、回転体形状のディスプレーサと、前記冷媒ガス流路内に収容されており、前記ディスプレーサが前記シリンダに沿って往復動する際に、前記膨張空間に供給した冷媒ガスを膨張させることによって発生した冷熱を蓄冷する蓄冷材とを有し、前記ディスプレーサは、低温端の径が高温端の径よりも小さく、前記冷媒ガス流路の低温端は、前記ディスプレーサの外周面に設けられた開口に連通している、蓄冷器式冷凍機である。   The present invention is provided in a cylinder and in the cylinder so as to be capable of reciprocating along the cylinder, and forms an expansion space at one end of the cylinder, and supplies and discharges refrigerant gas into the expansion space. A displacer having a rotating body in which a refrigerant gas flow path is formed, and is accommodated in the refrigerant gas flow path, and is moved into the expansion space when the displacer reciprocates along the cylinder. A cold storage material for storing cold heat generated by expanding the supplied refrigerant gas, and the displacer has a low temperature end diameter smaller than a high temperature end diameter, and the low temperature end of the refrigerant gas flow path It is a regenerator type refrigerator that communicates with an opening provided on the outer peripheral surface of the displacer.

また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記冷媒ガス流路の低温端は、前記ディスプレーサの前記外周面に、周方向に沿って等配に設けられた、同一径を有する複数の開口に連通している。   Further, the present invention is the above-described regenerator-type refrigerator, wherein the refrigerant gas flow path has a plurality of low-temperature ends provided at equal intervals along the circumferential direction on the outer peripheral surface of the displacer. It communicates with the opening.

また、本発明は、上述の蓄冷器式冷凍機において、前記ディスプレーサは、前記高温端から前記開口が設けられた位置まで径が単調減少している。   Further, according to the present invention, in the above regenerator type refrigerator, the displacer has a monotonously decreasing diameter from the high temperature end to a position where the opening is provided.

本発明によれば、蓄冷器式冷凍機において、ディスプレーサの外周面の磨耗を防止できる。   According to the present invention, in the regenerator type refrigerator, it is possible to prevent the outer peripheral surface of the displacer from being worn.

第1の実施の形態に係るGM冷凍機の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the GM refrigerator which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係るGM冷凍機における第1段目ディスプレーサの構成を、第1段目シリンダとともに示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the 1st step displacer with the 1st step cylinder in the GM refrigerator which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係るGM冷凍機における第2段目ディスプレーサの構成を、第2段目シリンダとともに示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the 2nd stage displacer in the GM refrigerator which concerns on 1st Embodiment with a 2nd stage cylinder. 第2段目ディスプレーサの構成の別の例を、第2段目シリンダとともに示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows another example of a structure of a 2nd stage displacer with a 2nd stage cylinder. 図3のA−A線に沿う横断面図である。It is a cross-sectional view which follows the AA line of FIG. 第1の実施の形態に係るGM冷凍機の第2段目ディスプレーサが偏心している場合において、膨張空間に冷媒ガスを供給及び排出する様子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically a mode that refrigerant gas is supplied and discharged | emitted to expansion space, when the 2nd stage displacer of the GM refrigerator which concerns on 1st Embodiment is eccentric. 比較例に係るGM冷凍機の第2段目ディスプレーサが偏心している場合において、膨張空間に冷媒ガスを供給する様子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically a mode that refrigerant gas is supplied to expansion space, when the 2nd stage displacer of the GM refrigerator which concerns on a comparative example is eccentric. 比較例に係るGM冷凍機の第2段目ディスプレーサが偏心している場合において、膨張空間から冷媒ガスを排出する様子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically a mode that refrigerant gas is discharged | emitted from expansion space, when the 2nd stage displacer of the GM refrigerator which concerns on a comparative example is eccentric. 第1の実施の形態の変形例に係るGM冷凍機における第2段目ディスプレーサの構成を、第2段目シリンダとともに示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the 2nd stage displacer with the 2nd stage cylinder in the GM refrigerator which concerns on the modification of 1st Embodiment. 第2の実施の形態に係るGM冷凍機における第1段目ディスプレーサの構成を、第1段目シリンダとともに示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the 1st stage displacer with the 1st stage cylinder in the GM refrigerator which concerns on 2nd Embodiment.

次に、本発明を実施するための形態について図面と共に説明する。
(第1の実施の形態)
図1を参照し、第1の実施の形態に係るGM冷凍機について説明する。このGM冷凍機は、本発明に係る蓄冷器式冷凍機をGM冷凍機に適用した例であり、数K〜20K程度の極低温を得るのに適した2段構成を有する。
Next, a mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
A GM refrigerator according to the first embodiment will be described with reference to FIG. This GM refrigerator is an example in which the regenerator type refrigerator according to the present invention is applied to a GM refrigerator, and has a two-stage configuration suitable for obtaining a cryogenic temperature of about several K to 20K.

図1は、本実施の形態に係るGM冷凍機の構成を示す概略断面図である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the GM refrigerator according to the present embodiment.

GM冷凍機は、圧縮機10、第1段目シリンダ11、第2段目シリンダ12、第1段目ディスプレーサ13、第2段目ディスプレーサ14、クランク機構15、冷媒ガス流路16、蓄冷材17、18、ヒートステーション19、20、膨張空間21、22、中空空間(冷媒ガス流路)23、24を有する。   The GM refrigerator includes a compressor 10, a first stage cylinder 11, a second stage cylinder 12, a first stage displacer 13, a second stage displacer 14, a crank mechanism 15, a refrigerant gas passage 16, and a cold storage material 17. , 18, heat stations 19 and 20, expansion spaces 21 and 22, and hollow spaces (refrigerant gas flow paths) 23 and 24.

なお、図1に示す配置において、第1段目シリンダ11、第2段目シリンダ12、第1段目ディスプレーサ13及び第2段目ディスプレーサ14の上端は高温端であり、下端は低温端である(図2から図4においても同様)。   In the arrangement shown in FIG. 1, the upper ends of the first stage cylinder 11, the second stage cylinder 12, the first stage displacer 13 and the second stage displacer 14 are high-temperature ends, and the lower ends are low-temperature ends. (The same applies to FIGS. 2 to 4).

圧縮機10は、ヘリウムガス(冷媒ガス)を約20Kgf/cmに圧縮し、高圧ヘリウムガスを生成する。生成された高圧ヘリウムガスは、吸気弁V1、冷媒ガス流路16を介して第1段目シリンダ11内に供給される。また、第1段目シリンダ11から排出された低圧ヘリウムガスは、冷媒ガス流路16、排気弁V2を介して圧縮機10に回収される。 The compressor 10 compresses helium gas (refrigerant gas) to about 20 Kgf / cm 2 to generate high-pressure helium gas. The generated high-pressure helium gas is supplied into the first stage cylinder 11 via the intake valve V1 and the refrigerant gas flow path 16. Further, the low-pressure helium gas discharged from the first stage cylinder 11 is recovered by the compressor 10 via the refrigerant gas passage 16 and the exhaust valve V2.

第1段目シリンダ11には、第2段目シリンダ12が結合されている。第1段目シリンダ11、第2段目シリンダ12内には、相互に連結された第1段目ディスプレーサ13、第2段目ディスプレーサ14がそれぞれ収容されている。   A second stage cylinder 12 is coupled to the first stage cylinder 11. A first stage displacer 13 and a second stage displacer 14 connected to each other are accommodated in the first stage cylinder 11 and the second stage cylinder 12, respectively.

第1段目シリンダ11からは、駆動軸Shが上方に延在し、駆動用モータMに結合したクランク機構15と結合している。   From the first stage cylinder 11, the drive shaft Sh extends upward and is coupled to a crank mechanism 15 coupled to the drive motor M.

第1段目ディスプレーサ13は、第1段目シリンダ11内に、第1段目シリンダ11に沿って往復動可能に設けられている。第1段目ディスプレーサ13は、第1段目シリンダ11の一端に、膨張空間21を形成する。第1段目ディスプレーサ13は、例えば、両端の直径が異なる略円柱形状などの回転体形状を有している。   The first stage displacer 13 is provided in the first stage cylinder 11 so as to be capable of reciprocating along the first stage cylinder 11. The first stage displacer 13 forms an expansion space 21 at one end of the first stage cylinder 11. The first stage displacer 13 has, for example, a rotating body shape such as a substantially cylindrical shape having different diameters at both ends.

また、第1段目ディスプレーサ13の内部には、膨張空間21に冷媒ガスを供給及び排出するための中空空間(冷媒ガス流路)23が形成されている。第1段目ディスプレーサ13は、第1段目シリンダ11に沿って往復動する際に、膨張空間21に供給した冷媒ガスを膨張させることによって冷熱を発生させる。   Further, a hollow space (refrigerant gas flow path) 23 for supplying and discharging refrigerant gas to and from the expansion space 21 is formed inside the first stage displacer 13. When the first stage displacer 13 reciprocates along the first stage cylinder 11, the first stage displacer 13 generates cold heat by expanding the refrigerant gas supplied to the expansion space 21.

中空空間23内には、蓄冷材17が収容されている。蓄冷材17は、膨張空間21から冷媒ガスを排出する際に、排出した冷媒ガスと接触して冷熱を蓄冷する。すなわち、蓄冷材17は、第1段目ディスプレーサ13が第1段目シリンダ11に沿って往復動する際に、膨張空間21に供給した冷媒ガスを膨張させることによって発生した冷熱を蓄冷する。   A cold storage material 17 is accommodated in the hollow space 23. When discharging the refrigerant gas from the expansion space 21, the cold storage material 17 contacts the discharged refrigerant gas and stores cold heat. That is, the cool storage material 17 stores the cold generated by expanding the refrigerant gas supplied to the expansion space 21 when the first stage displacer 13 reciprocates along the first stage cylinder 11.

第2段目ディスプレーサ14は、第2段目シリンダ12内に、第2段目シリンダ12に沿って往復動可能に設けられている。第2段目ディスプレーサ14は、第2段目シリンダ12の一端に、膨張空間22を形成する。第2段目ディスプレーサ14は、例えば、両端の直径が異なる略円柱形状などの回転体形状を有している。   The second stage displacer 14 is provided in the second stage cylinder 12 so as to be capable of reciprocating along the second stage cylinder 12. The second stage displacer 14 forms an expansion space 22 at one end of the second stage cylinder 12. The second stage displacer 14 has, for example, a rotating body shape such as a substantially cylindrical shape having different diameters at both ends.

また、第2段目ディスプレーサ14の内部には、膨張空間22に冷媒ガスを供給及び排出するための中空空間(冷媒ガス流路)24が形成されている。第2段目ディスプレーサ14は、第2段目シリンダ12に沿って往復動する際に、膨張空間22に供給した冷媒ガスを膨張させることによって冷熱を発生させる。   In addition, a hollow space (refrigerant gas flow path) 24 for supplying and discharging refrigerant gas to and from the expansion space 22 is formed inside the second stage displacer 14. The second stage displacer 14 generates cold by expanding the refrigerant gas supplied to the expansion space 22 when reciprocating along the second stage cylinder 12.

中空空間24内には、蓄冷材18が収容されている。蓄冷材18は、膨張空間22から冷媒ガスを排出する際に、排出した冷媒ガスと接触して冷熱を蓄冷する。すなわち、蓄冷材18は、第2段目ディスプレーサ14が第2段目シリンダ12に沿って往復動する際に、膨張空間22に供給した冷媒ガスを膨張させることによって発生した冷熱を蓄冷する。   A cold storage material 18 is accommodated in the hollow space 24. When discharging the refrigerant gas from the expansion space 22, the cold storage material 18 contacts the discharged refrigerant gas and stores cold heat. That is, the cool storage material 18 stores the cold generated by expanding the refrigerant gas supplied to the expansion space 22 when the second stage displacer 14 reciprocates along the second stage cylinder 12.

第1段目シリンダ11の下端(低温端)を囲むように、第1段目のヒートステーション19が熱的に結合されており、第2段目シリンダ12の下端(低温端)を囲むように、第2段目のヒートステーション20が熱的に結合している。   The first stage heat station 19 is thermally coupled so as to surround the lower end (low temperature end) of the first stage cylinder 11, and so as to surround the lower end (low temperature end) of the second stage cylinder 12. The second stage heat station 20 is thermally coupled.

第1段目シリンダ11、第2段目シリンダ12は、例えばステンレス綱(例えばSUS304)等によって形成されていることが好ましい。これにより、第1段目シリンダ11、第2段目シリンダ12に、高い強度、低い熱伝導率、及び高いヘリウムガス遮蔽能を持たせることができる。   The first stage cylinder 11 and the second stage cylinder 12 are preferably formed of, for example, a stainless steel (for example, SUS304). As a result, the first-stage cylinder 11 and the second-stage cylinder 12 can have high strength, low thermal conductivity, and high helium gas shielding ability.

第1段目ディスプレーサ13、第2段目ディスプレーサ14は、例えば布入りフェノール(ベークライト)等によって形成されていることが好ましい。これにより、第1段目ディスプレーサ13、第2段目ディスプレーサ14について、軽量化するとともに、耐摩耗性及び強度を向上させ、高温側から低温側への侵入熱量を低減することができる。   The first stage displacer 13 and the second stage displacer 14 are preferably formed of, for example, cloth-containing phenol (bakelite) or the like. Accordingly, the first stage displacer 13 and the second stage displacer 14 can be reduced in weight, wear resistance and strength can be improved, and the amount of heat entering from the high temperature side to the low temperature side can be reduced.

第1段目の蓄冷材17は、例えば金網等により構成されることが好ましく、第2段目の蓄冷材18は、例えば鉛球又は磁性蓄冷材等により構成されることが好ましい。これにより、低温領域において、十分高い熱容量を確保することができる。   The first-stage regenerator material 17 is preferably composed of, for example, a wire mesh, and the second-stage regenerator material 18 is preferably composed of, for example, a lead ball or a magnetic regenerator material. Thereby, a sufficiently high heat capacity can be secured in the low temperature region.

このように構成されているGM冷凍機では、以下のようにして冷熱を発生する。   In the GM refrigerator configured as described above, cold heat is generated as follows.

圧縮機10から吸気弁V1を介して供給された、冷媒ガスである高圧ヘリウムガスは、冷媒ガス流路16を介して第1段目シリンダ11内に供給される。そして、開口(冷媒ガス流路)23a、蓄冷材17が収容された中空空間(冷媒ガス流路)23、開口(冷媒ガス流路)23bを通って、第1段目の膨張空間21に供給される。   High-pressure helium gas, which is refrigerant gas, supplied from the compressor 10 via the intake valve V <b> 1 is supplied into the first-stage cylinder 11 via the refrigerant gas flow path 16. Then, the gas is supplied to the first-stage expansion space 21 through the opening (refrigerant gas flow path) 23a, the hollow space (refrigerant gas flow path) 23 in which the regenerator material 17 is accommodated, and the opening (refrigerant gas flow path) 23b. Is done.

第1段目の膨張空間21に供給された高圧ヘリウムガスは、更に開口(冷媒ガス流路)24a、蓄冷材18が収容された中空空間(冷媒ガス流路)24、開口(冷媒ガス流路)24bを通って第2段目の膨張空間22に供給される。   The high-pressure helium gas supplied to the first-stage expansion space 21 further includes an opening (refrigerant gas flow path) 24a, a hollow space (refrigerant gas flow path) 24 in which the regenerator 18 is accommodated, and an opening (refrigerant gas flow path). ) Is supplied to the second stage expansion space 22 through 24b.

なお、冷媒ガス流路23a、23b、24a、24bは、冷媒ガスの流れを説明するために機能的に記載したものであり、図2以降を用いて説明する実際の構造とは異なる。   Note that the refrigerant gas flow paths 23a, 23b, 24a, and 24b are functionally described to explain the flow of the refrigerant gas, and are different from the actual structure described with reference to FIG.

吸気弁V1が閉じ、排気弁V2が開く際には、第2段目シリンダ12、第1段目シリンダ11内の高圧ヘリウムガスは、吸気の場合とは逆の経路をたどって冷媒ガス流路16、排気弁V2を介して圧縮機10に回収される。   When the intake valve V1 is closed and the exhaust valve V2 is opened, the high-pressure helium gas in the second-stage cylinder 12 and the first-stage cylinder 11 follows the path opposite to that in the intake air, and the refrigerant gas flow path. 16. Recovered to the compressor 10 via the exhaust valve V2.

GM冷凍機の作動時においては、クランク機構15によって駆動用モータMの回転駆動力が駆動軸Shの往復駆動力に変換される。そして、駆動軸Shによって、第1段目ディスプレーサ13、第2段目ディスプレーサ14が、図1中の矢印で示すように、上下に(それぞれ第1段目シリンダ11及び第2段目シリンダ12に沿って)往復駆動される。   During the operation of the GM refrigerator, the rotational driving force of the driving motor M is converted into the reciprocating driving force of the driving shaft Sh by the crank mechanism 15. The first stage displacer 13 and the second stage displacer 14 are moved up and down by the drive shaft Sh as shown by arrows in FIG. 1 (to the first stage cylinder 11 and the second stage cylinder 12 respectively). Along).

駆動軸Shによって第1段目ディスプレーサ13、第2段目ディスプレーサ14が駆動軸Shと反対側(図1の下方)に駆動される際には、吸気弁V1が開き、排気弁V2が閉じる。そして、第1段目シリンダ11内の膨張空間21、及び第2段目シリンダ12内の膨張空間22に高圧ヘリウムガスが供給される(供給工程)。   When the first stage displacer 13 and the second stage displacer 14 are driven to the opposite side (downward in FIG. 1) by the drive shaft Sh, the intake valve V1 is opened and the exhaust valve V2 is closed. Then, high-pressure helium gas is supplied to the expansion space 21 in the first stage cylinder 11 and the expansion space 22 in the second stage cylinder 12 (supply process).

また、駆動軸Shによって第1段目ディスプレーサ13、第2段目ディスプレーサ14が駆動軸Sh側(図1の上方)に駆動される際には、吸気弁V1が閉じ、排気弁V2が開く。そして、第1段目シリンダ11内の膨張空間21、及び第2段目シリンダ12内の膨張空間22が低圧になるとともに、膨張空間21及び膨張空間22からヘリウムガスは排出され、圧縮機10に回収される(排出工程)。   Further, when the first stage displacer 13 and the second stage displacer 14 are driven to the drive shaft Sh side (upward in FIG. 1) by the drive shaft Sh, the intake valve V1 is closed and the exhaust valve V2 is opened. Then, the expansion space 21 in the first stage cylinder 11 and the expansion space 22 in the second stage cylinder 12 become low pressure, and helium gas is discharged from the expansion space 21 and the expansion space 22 to the compressor 10. Collected (discharge process).

このとき、膨張空間21、22において、ヘリウムガスが膨張することによって、冷熱が発生する。冷熱を発生し、冷却されたヘリウムガスは、膨張空間21、22から排出される際に、蓄冷材17、18と接触し、熱交換することによって、蓄冷材17、18を冷却する。すなわち、蓄冷材17、18に、発生した冷熱が蓄冷される。   At this time, cold energy is generated by the expansion of the helium gas in the expansion spaces 21 and 22. When the cooled helium gas that generates cold and is discharged from the expansion spaces 21 and 22 contacts the cold storage materials 17 and 18 to exchange heat, the cold storage materials 17 and 18 are cooled. That is, the generated cold energy is stored in the cold storage materials 17 and 18.

次の供給工程で供給される高圧ヘリウムガスは、蓄冷材17、18を通って供給されることにより冷却される。冷却されたヘリウムガスが膨張空間21、22で膨張することにより、さらに冷却が進む。   The high-pressure helium gas supplied in the next supply process is cooled by being supplied through the cold storage materials 17 and 18. As the cooled helium gas expands in the expansion spaces 21 and 22, the cooling further proceeds.

以上のようにして、供給工程と排出工程とを繰り返すことにより、第1段目シリンダ11内の膨張空間21が、例えば40K〜70K程度の温度に冷却され、第2段目シリンダ12内の膨張空間22が、例えば数K〜20K程度の温度に冷却される。   By repeating the supply process and the discharge process as described above, the expansion space 21 in the first stage cylinder 11 is cooled to a temperature of about 40K to 70K, for example, and the expansion in the second stage cylinder 12 is performed. The space 22 is cooled to a temperature of about several K to 20K, for example.

次に、図2を参照し、第1段目ディスプレーサ13の詳細な構成について説明する。図2は、本実施の形態に係るGM冷凍機における第1段目ディスプレーサ13の構成を、第1段目シリンダ11とともに示す概略断面図である。なお、図2では、ヒートステーション19の図示を省略している。   Next, a detailed configuration of the first stage displacer 13 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the first stage displacer 13 together with the first stage cylinder 11 in the GM refrigerator according to the present embodiment. In addition, illustration of the heat station 19 is abbreviate | omitted in FIG.

第1段目ディスプレーサ13は、回転体形状部材30を有する。   The first stage displacer 13 includes a rotating body-shaped member 30.

回転体形状部材30は、上蓋を有するとともに回転体形状を有し、その下端は開放されている。回転体形状部材30の上蓋上面には、回転体形状部材30の外径と略等しい径を有するフランジ31が取り付けられている。フランジ31と回転体形状部材30の上蓋には、開口32(図1に示す23a)が設けられている。開口32には、中空空間(冷媒ガス流路)23の高温端が連通している。フランジ31の上面には、回転体形状部材30を図2中矢印の方向に上下駆動するための駆動軸Shが取り付けられている。   The rotating body-shaped member 30 has an upper lid and a rotating body shape, and its lower end is open. A flange 31 having a diameter substantially equal to the outer diameter of the rotating body-shaped member 30 is attached to the upper surface of the upper cover of the rotating body-shaped member 30. An opening 32 (23a shown in FIG. 1) is provided in the upper lid of the flange 31 and the rotating body-shaped member 30. A high temperature end of the hollow space (refrigerant gas flow path) 23 communicates with the opening 32. On the upper surface of the flange 31, a drive shaft Sh for vertically driving the rotary member 30 in the direction of the arrow in FIG.

回転体形状部材30内には、上面に密着するように図示しない金網が配置されている。金網の下には、銅金網等の蓄冷材17が充填されている。蓄冷材17の下には図示しない他の金網が配置されている。   A wire mesh (not shown) is disposed in the rotary member 30 so as to be in close contact with the upper surface. Under the wire mesh, a regenerator material 17 such as a copper wire mesh is filled. Another wire mesh (not shown) is disposed under the cold storage material 17.

さらに、回転体形状部材30の下側開放端には、蓋部材33が挿入され、回転体形状部材30と接着されている。蓋部材33は盲蓋であり、回転体形状部材30の下端の開口を気密に閉じる。また、蓋部材33の下面には、第2段目ディスプレーサ14と連結するための、連結機構50が取り付けられている。   Further, a lid member 33 is inserted into the lower open end of the rotating body-shaped member 30 and bonded to the rotating body-shaped member 30. The lid member 33 is a blind lid and hermetically closes the opening at the lower end of the rotating body-shaped member 30. Further, a connection mechanism 50 for connecting to the second stage displacer 14 is attached to the lower surface of the lid member 33.

回転体形状部材30の外周面には、蓄冷材17の下側の金網が配置されている高さに、開口34(図1に示す23b)が設けられている。開口34には、中空空間(冷媒ガス流路)23の低温端が連通している。   An opening 34 (23b shown in FIG. 1) is provided on the outer peripheral surface of the rotating body-shaped member 30 at a height at which the lower wire mesh of the regenerator material 17 is disposed. The opening 34 communicates with the low temperature end of the hollow space (refrigerant gas flow path) 23.

回転体形状部材30及び蓋部材33は、例えば布入りフェノールで形成されることが好ましい。これにより、回転体形状部材30及び蓋部材33について、軽量化するとともに、耐摩耗性及び強度を向上させ、高温側から低温側への侵入熱量を低減することができる。   The rotating body-shaped member 30 and the lid member 33 are preferably formed of cloth-containing phenol, for example. Thereby, about the rotary body-shaped member 30 and the cover member 33, while reducing weight, abrasion resistance and intensity | strength can be improved and the amount of invasion heat | fever from a high temperature side to a low temperature side can be reduced.

回転体形状部材30の外周面と第1段目シリンダ11の内周面との間には、隙間D11が形成される。第1段目ディスプレーサ13を安定に往復駆動するために、隙間D11は0.01mm以上であることが好ましい。かつ、隙間D11を通って冷媒ガスが流れることを防止するために、隙間D11は0.03mm以下であることが好ましい。   A gap D <b> 11 is formed between the outer peripheral surface of the rotating body-shaped member 30 and the inner peripheral surface of the first stage cylinder 11. In order to stably drive the first stage displacer 13 back and forth, the gap D11 is preferably 0.01 mm or more. In order to prevent the refrigerant gas from flowing through the gap D11, the gap D11 is preferably 0.03 mm or less.

回転体形状部材30の外周面には、上端(高温端)から開口34が形成されている高さまで、1本のらせん溝35が形成されていてもよい。らせん溝35の形状として、例えば幅約2mm、深さ約0.6mm、ピッチ約4mmとすることができる。   One spiral groove 35 may be formed on the outer peripheral surface of the rotating body-shaped member 30 from the upper end (high temperature end) to the height at which the opening 34 is formed. As the shape of the spiral groove 35, for example, the width is about 2 mm, the depth is about 0.6 mm, and the pitch is about 4 mm.

回転体形状部材30の開口34よりも下の部分の外径は、開口34よりも上の部分の外径よりもわずかに小さくしてもよい。このとき、開口34よりも下の部分では、第1段目シリンダ11の内周面と回転体形状部材30の外周面との間に隙間D12が形成される。隙間D12は、回転体形状部材30の内部と膨張空間21との間を結ぶ冷媒ガス流路を形成する。   The outer diameter of the portion below the opening 34 of the rotating body-shaped member 30 may be slightly smaller than the outer diameter of the portion above the opening 34. At this time, a gap D <b> 12 is formed between the inner peripheral surface of the first stage cylinder 11 and the outer peripheral surface of the rotating body-shaped member 30 in a portion below the opening 34. The gap D <b> 12 forms a refrigerant gas flow path that connects the inside of the rotating body-shaped member 30 and the expansion space 21.

第1段目シリンダ11の内径を例えば82mmとした場合、回転体形状部材30の外径を例えば(82−2×D11)mm、内径を例えば72mmとすることができる。また、回転体形状部材30の開口34よりも下部分の外径及びフランジ31の外径を例えば81.5mmとすることができる(このとき、D12=0.25mmである)。また、回転体形状部材30の軸方向の長さを例えば150mm、フランジ31の厚さを例えば10mmとすることができる。   When the inner diameter of the first stage cylinder 11 is, for example, 82 mm, the outer diameter of the rotating body-shaped member 30 can be, for example, (82-2 × D11) mm, and the inner diameter can be, for example, 72 mm. Further, the outer diameter of the lower portion of the rotating body-shaped member 30 than the opening 34 and the outer diameter of the flange 31 can be set to 81.5 mm, for example (D12 = 0.25 mm at this time). Further, the axial length of the rotating body-shaped member 30 can be set to 150 mm, for example, and the thickness of the flange 31 can be set to 10 mm, for example.

次に、図3を参照し、第2段目ディスプレーサ14の詳細な構成について説明する。   Next, a detailed configuration of the second stage displacer 14 will be described with reference to FIG.

本実施の形態では、第2段目ディスプレーサ14は、低温端の径が高温端の径よりも小さい。また、第2段目ディスプレーサ14は、中空空間(冷媒ガス流路)24の低温端が、第2段目ディスプレーサ14の外周面に設けられた開口46b(図1に示す24b)に連通している。   In the present embodiment, the second stage displacer 14 has a diameter at the low temperature end smaller than the diameter at the high temperature end. Further, in the second stage displacer 14, the low temperature end of the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 communicates with an opening 46b (24b shown in FIG. 1) provided on the outer peripheral surface of the second stage displacer 14. Yes.

図3は、本実施の形態に係るGM冷凍機における第2段目ディスプレーサ14の構成を、第2段目シリンダ12とともに示す概略断面図である。なお、図3では、ヒートステーション20の図示を省略している。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the second stage displacer 14 together with the second stage cylinder 12 in the GM refrigerator according to the present embodiment. In addition, illustration of the heat station 20 is abbreviate | omitted in FIG.

第2段目ディスプレーサ14は、回転体形状部材40を有する。   The second stage displacer 14 includes a rotating body-shaped member 40.

回転体形状部材40は、上下端が開放された回転体形状を有する。回転体形状部材40の上端は、第1段目ディスプレーサ13に、連結機構50を介して連結されている。回転体形状部材40の下端には、蓋部材41が挿入接着されている。蓋部材41の上には、金網42が配置され、その上にフェルト栓43が配置されている。   The rotator-shaped member 40 has a rotator shape whose upper and lower ends are open. The upper end of the rotating body-shaped member 40 is connected to the first stage displacer 13 via the connecting mechanism 50. A lid member 41 is inserted and bonded to the lower end of the rotating body-shaped member 40. A wire mesh 42 is disposed on the lid member 41, and a felt plug 43 is disposed thereon.

回転体形状部材40の上端(第2段目ディスプレーサ14の高温端)における外径(以下、「径」ともいう。)をR21とする。また、蓋部材41の下端(第2段目ディスプレーサ14の低温端)における外径(以下、「径」ともいう。)をR22とする。   The outer diameter (hereinafter also referred to as “diameter”) at the upper end of the rotating body-shaped member 40 (the high temperature end of the second stage displacer 14) is R21. Further, the outer diameter (hereinafter also referred to as “diameter”) at the lower end of the lid member 41 (the low temperature end of the second stage displacer 14) is R22.

回転体形状部材40及び蓋部材41は、例えば布入りフェノールで形成されることが好ましい。これにより、回転体形状部材40及び蓋部材41について、軽量化するとともに、耐摩耗性及び強度を向上させ、高温側から低温側への侵入熱量を低減することができる。   The rotating body-shaped member 40 and the lid member 41 are preferably formed of cloth-containing phenol, for example. Thereby, about the rotary body-shaped member 40 and the cover member 41, while reducing weight, abrasion resistance and intensity | strength can be improved and the amount of invasion heat | fever from a high temperature side to a low temperature side can be reduced.

フェルト栓43の上には、前述したように、例えば鉛球で形成された蓄冷材18が充填される。蓄冷材18の上にはフェルト栓44が配置され、フェルト栓44の上にはパンチングメタル45が配置される。   As described above, the felt plug 43 is filled with the regenerator material 18 formed of, for example, a lead ball. A felt plug 44 is disposed on the cold storage material 18, and a punching metal 45 is disposed on the felt plug 44.

回転体形状部材40の上端(高温端)には、第1段目ディスプレーサ13と連結するための連結機構50が取り付けられている。また、回転体形状部材40の上端(高温端)には、連結機構50の周囲に開口46a(図1に示す24a)が設けられている。そして、開口46aには、中空空間(冷媒ガス流路)24の高温端が連通している。   A connecting mechanism 50 for connecting to the first stage displacer 13 is attached to the upper end (high temperature end) of the rotating body-shaped member 40. Further, an opening 46 a (24 a shown in FIG. 1) is provided around the coupling mechanism 50 at the upper end (high temperature end) of the rotating body-shaped member 40. The high temperature end of the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 communicates with the opening 46a.

回転体形状部材40の外周面には、金網42の高さの位置に冷媒ガス流路を形成する開口46bが設けられている。開口46bには、中空空間(冷媒ガス流路)24の低温端が連通している。   On the outer peripheral surface of the rotating body-shaped member 40, an opening 46b that forms a refrigerant gas flow path is provided at a height position of the wire mesh 42. The low temperature end of the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 communicates with the opening 46b.

第2段目ディスプレーサ14は、低温端の径R22が高温端の径R21よりも小さい。すなわち、蓋部材41の下端(第2段目ディスプレーサ14の低温端)における径R22が、回転体形状部材40の高温端の径R21よりも小さい。これにより、膨張空間22に冷媒ガスを供給及び排出する際に、第2段目ディスプレーサ14が第2段目シリンダ12の内周面に接触することを防止でき、第2段目ディスプレーサ14の磨耗を防止できる。   In the second stage displacer 14, the diameter R22 at the low temperature end is smaller than the diameter R21 at the high temperature end. That is, the diameter R22 at the lower end of the lid member 41 (the low temperature end of the second stage displacer 14) is smaller than the diameter R21 of the high temperature end of the rotating body-shaped member 40. This prevents the second stage displacer 14 from coming into contact with the inner peripheral surface of the second stage cylinder 12 when supplying and discharging the refrigerant gas to and from the expansion space 22, and wear of the second stage displacer 14. Can be prevented.

なお、蓋部材41が、上端(高温端)の径が下端(低温端)の径R22と等しく、円筒形状を有していてもよく、更に、回転体形状部材40の下端(低温端)の径が、蓋部材41の下端(低温端)の径R22と等しくてもよい。この場合、回転体形状部材40の下端(低温端)の径R22は、回転体形状部材40の上端(高温端)の径R21よりも小さい。   The lid member 41 may have a cylindrical shape with the diameter of the upper end (high temperature end) equal to the diameter R22 of the lower end (low temperature end). Further, the lid member 41 may have a lower end (low temperature end) of the rotating body shape member 40. The diameter may be equal to the diameter R22 of the lower end (low temperature end) of the lid member 41. In this case, the diameter R22 of the lower end (low temperature end) of the rotating body shaped member 40 is smaller than the diameter R21 of the upper end (high temperature end) of the rotating body shaped member 40.

更に、第2段目ディスプレーサ14は、回転体形状部材40の上端(高温端)から回転体形状部材40の下端(低温端)まで、径が単調減少してもよい。すなわち、第2段目ディスプレーサ14は、回転体形状部材40の上端(高温端)から開口46bが設けられた位置まで径が単調減少していてもよい。これにより、第2段目ディスプレーサ14が往復動する際の冷媒ガスの流れがより滑らかになり、後述する第2段目ディスプレーサ14の磨耗を防止する効果を向上させることができる。   Furthermore, the diameter of the second stage displacer 14 may monotonously decrease from the upper end (high temperature end) of the rotating body-shaped member 40 to the lower end (low temperature end) of the rotating body-shaped member 40. That is, the diameter of the second stage displacer 14 may monotonously decrease from the upper end (high temperature end) of the rotating body-shaped member 40 to the position where the opening 46b is provided. Thereby, the flow of the refrigerant gas when the second stage displacer 14 reciprocates becomes smoother, and the effect of preventing wear of the second stage displacer 14 described later can be improved.

また、第2段目ディスプレーサ14の上端(高温端)の外周面と第2段目シリンダ12の内周面との隙間をD21とし、第2段目ディスプレーサ14の下端(低温端)の外周面と第2段目シリンダ12の内周面との隙間をD22とする。このとき、第2段目ディスプレーサ14の低温端の径R22を、第2段目ディスプレーサ14の高温端の径R21よりも小さくすることにより、隙間D22を隙間D21よりも大きくすることができる。   The clearance between the outer peripheral surface of the upper end (high temperature end) of the second stage displacer 14 and the inner peripheral surface of the second stage cylinder 12 is D21, and the outer peripheral surface of the lower end (low temperature end) of the second stage displacer 14. And the inner peripheral surface of the second stage cylinder 12 is D22. At this time, the gap D22 can be made larger than the gap D21 by making the diameter R22 of the low temperature end of the second stage displacer 14 smaller than the diameter R21 of the high temperature end of the second stage displacer 14.

第2段目シリンダ12の内径を例えば35mmとした場合、回転体形状部材40の上端(高温端)における、外径を例えば(35−2×D21)mm、内径を例えば30mmとすることができる。また、回転体形状部材40の軸方向の長さを、例えば200mmとすることができる。   When the inner diameter of the second stage cylinder 12 is, for example, 35 mm, the outer diameter at the upper end (high temperature end) of the rotating body-shaped member 40 can be, for example, (35-2 × D21) mm, and the inner diameter can be, for example, 30 mm. . Moreover, the axial length of the rotating body-shaped member 40 can be set to 200 mm, for example.

第2段目ディスプレーサ14を安定に往復駆動するために、隙間D21は0.01mm以上であることが好ましい。かつ、隙間D21を通って冷媒ガスが流れることを防止するために、隙間D21は0.03mm以下であることが好ましい。   In order to stably drive the second stage displacer 14 back and forth, the gap D21 is preferably 0.01 mm or more. And in order to prevent that refrigerant gas flows through gap D21, it is preferred that gap D21 is 0.03 mm or less.

また、冷媒ガスが隙間D22を通って十分流れるために、隙間D22は0.4mm以上であることが好ましい。かつ、冷媒ガスが隙間D22を通る際に第2段目シリンダ12を効率よく冷却するために、隙間D22は1.0mm以下であることが好ましい。   Further, in order for the refrigerant gas to sufficiently flow through the gap D22, the gap D22 is preferably 0.4 mm or more. In order to efficiently cool the second stage cylinder 12 when the refrigerant gas passes through the gap D22, the gap D22 is preferably 1.0 mm or less.

従って、第2段目ディスプレーサ14における高温端の径R21と低温端の径R22との差は、0.74mm以上1.98mm以下であることが好ましい。   Therefore, the difference between the high temperature end diameter R21 and the low temperature end diameter R22 in the second stage displacer 14 is preferably 0.74 mm or more and 1.98 mm or less.

また、回転体形状部材40の外周面にらせん溝が形成されていてもよい。回転体形状部材40の外周面にらせん溝47が形成されている場合の、第2段目ディスプレーサ14の構成の別の例を、第2段目シリンダ12とともに、図4の概略断面図に示す。   Further, a spiral groove may be formed on the outer peripheral surface of the rotating body-shaped member 40. Another example of the configuration of the second stage displacer 14 in the case where the spiral groove 47 is formed on the outer peripheral surface of the rotating body-shaped member 40 is shown in the schematic sectional view of FIG. 4 together with the second stage cylinder 12. .

らせん溝47を形成することによって、第2段目ディスプレーサ14と第2段目シリンダ12との隙間D21を通って冷媒ガスが漏れることを防止することができ、GM冷凍機の冷凍能力を増大させることができる。   By forming the spiral groove 47, the refrigerant gas can be prevented from leaking through the gap D21 between the second stage displacer 14 and the second stage cylinder 12, and the refrigeration capacity of the GM refrigerator is increased. be able to.

なお、回転体形状部材40は、円筒状のステンレス管の表面に、例えば布入りフェノールよりなる耐磨耗性樹脂がコーティングされたものであってもよい。これにより、後述するように、第2段目シリンダ12を水平に配置し、第2段目ディスプレーサ14の自重により第2段目ディスプレーサ14の外周面が第2段目シリンダ12の内周面に接触する場合でも、第2段目ディスプレーサ14の磨耗を防止することができる。   In addition, the rotary body-shaped member 40 may be formed by coating the surface of a cylindrical stainless steel tube with, for example, an abrasion-resistant resin made of cloth-containing phenol. As a result, as will be described later, the second stage cylinder 12 is disposed horizontally, and the outer surface of the second stage displacer 14 is brought to the inner surface of the second stage cylinder 12 by the weight of the second stage displacer 14. Even in the case of contact, wear of the second stage displacer 14 can be prevented.

図5は、図3のA−A線に沿う横断面図である。ただし、図5では、図示を容易にするため、金網42の図示を省略している。   FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. However, in FIG. 5, the wire mesh 42 is not shown for easy illustration.

図3及び図5に示すように、回転体形状部材40の外周面における金網42の高さの位置に、同一径を有する複数の開口46bが、周方向に沿って等配に設けられていることが好ましい。そして、中空空間(冷媒ガス流路)24の低温端は、複数の開口46bに連通していることが好ましい。図5に示すように、例えば8個の開口46bを、周方向に沿って等配に設けることができる。   As shown in FIGS. 3 and 5, a plurality of openings 46 b having the same diameter are provided at equal positions along the circumferential direction at the height of the wire mesh 42 on the outer peripheral surface of the rotating body-shaped member 40. It is preferable. And it is preferable that the low temperature end of the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 is connected to the plurality of openings 46b. As shown in FIG. 5, for example, eight openings 46b can be provided at equal intervals along the circumferential direction.

なお、複数の開口46bは、周方向に沿って等配に設けられていなくてもよい。例えば複数の開口46bが同一径を有していないときは、隙間D22を流れる冷媒ガスの量が周方向に沿って略均一になるように、周方向に沿って開口46bが設けられる位置を調整することができる。   The plurality of openings 46b may not be provided at equal intervals along the circumferential direction. For example, when the plurality of openings 46b do not have the same diameter, the position where the openings 46b are provided along the circumferential direction is adjusted so that the amount of refrigerant gas flowing through the gap D22 is substantially uniform along the circumferential direction. can do.

ここで、図6から図8を参照し、本実施の形態に係るGM冷凍機が、第2段目ディスプレーサ14の外周面の磨耗を防止できる作用効果について、比較例と対比しながら説明する。   Here, with reference to FIG. 6 to FIG. 8, the effect that the GM refrigerator according to the present embodiment can prevent the outer peripheral surface of the second stage displacer 14 from wearing will be described in comparison with the comparative example.

図6は、本実施の形態に係るGM冷凍機の第2段目ディスプレーサ14が偏心している場合において、膨張空間22に冷媒ガスを供給及び排出する様子を模式的に示す断面図である。図6(a)は膨張空間22へ冷媒ガスを供給するときの様子を示し、図6(b)は膨張空間22から冷媒ガスを排出するときの様子を示す。図7及び図8は、比較例に係るGM冷凍機の第2段目ディスプレーサ14が偏心している場合において、膨張空間22に冷媒ガスを供給又は排出する様子を模式的に示す断面図である。図7は膨張空間22へ冷媒ガスを供給するときの様子を示し、図8は膨張空間22から冷媒ガスを排出するときの様子を示す。なお、図6から図8では、冷媒ガスの流れを矢印で示す。   FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing how refrigerant gas is supplied to and discharged from the expansion space 22 when the second stage displacer 14 of the GM refrigerator according to the present embodiment is eccentric. FIG. 6A shows a state when the refrigerant gas is supplied to the expansion space 22, and FIG. 6B shows a state when the refrigerant gas is discharged from the expansion space 22. 7 and 8 are cross-sectional views schematically showing how refrigerant gas is supplied to or discharged from the expansion space 22 when the second-stage displacer 14 of the GM refrigerator according to the comparative example is eccentric. FIG. 7 shows a state when the refrigerant gas is supplied to the expansion space 22, and FIG. 8 shows a state when the refrigerant gas is discharged from the expansion space 22. 6 to 8, the flow of the refrigerant gas is indicated by an arrow.

以下の説明では、第2段目ディスプレーサ14が偏心したときの狭い方の隙間をDn、広い方の隙間をDwとする。また、第2段目ディスプレーサ14の高温端及び低温端の位置を、それぞれX1及びX2とする。また、第2段目ディスプレーサ14の高温端における圧力をP1とし、第2段目ディスプレーサ14の低温端(膨張空間22)における圧力をP2とする。   In the following description, it is assumed that the narrower gap when the second stage displacer 14 is eccentric is Dn and the wider gap is Dw. The positions of the high temperature end and the low temperature end of the second stage displacer 14 are X1 and X2, respectively. Further, the pressure at the high temperature end of the second stage displacer 14 is P1, and the pressure at the low temperature end (expansion space 22) of the second stage displacer 14 is P2.

図7及び図8では、中央に断面図を示し、中央に図示される断面図よりも上方に隙間Dnにおける圧力分布グラフを示し、中央に図示される断面図よりも下方に隙間Dwにおける圧力分布グラフを示す。   7 and 8, a sectional view is shown in the center, a pressure distribution graph in the gap Dn is shown above the sectional view shown in the center, and a pressure distribution in the gap Dw is lower than the sectional view shown in the center. A graph is shown.

また、図6から図8に示す配置において、第2段目シリンダ12及び第2段目ディスプレーサ14の左端は高温端であり、右端は低温端である。   In the arrangements shown in FIGS. 6 to 8, the left end of the second stage cylinder 12 and the second stage displacer 14 is the high temperature end, and the right end is the low temperature end.

また、図6(図7及び図8も同様)では、図示を単純化するために、蓋部材41の図示を省略するとともに、第2段目ディスプレーサ14の高温端から第2段目ディスプレーサ14の低温端まで径が単調減少しているように図示している。しかし、回転体形状部材40の高温端から回転体形状部材40の低温端まで径が単調減少し、蓋部材41の高温端から蓋部材41の低温端まで外径が変化しないように構成した場合も、蓋部材41を省略して構成した場合も、第2段目ディスプレーサ14の磨耗を防止する点において同様の効果を奏する。   Further, in FIG. 6 (the same applies to FIGS. 7 and 8), the illustration of the lid member 41 is omitted to simplify the illustration, and the second stage displacer 14 is moved from the high temperature end of the second stage displacer 14. It is shown as a monotonically decreasing diameter to the low temperature end. However, when the diameter monotonously decreases from the high temperature end of the rotating body-shaped member 40 to the low temperature end of the rotating body-shaped member 40, and the outer diameter does not change from the high temperature end of the lid member 41 to the low temperature end of the lid member 41. Even when the cover member 41 is omitted, the same effect is obtained in that the second stage displacer 14 is prevented from being worn.

比較例に係るGM冷凍機では、中空空間(冷媒ガス流路)24の高温端は、第2段目ディスプレーサ14の高温端の端面に形成された開口46cに連通している。しかし、中空空間(冷媒ガス流路)24の低温端は、第2段目ディスプレーサ14の外周面に設けられた開口に連通していない。図7及び図8に示すように、中空空間(冷媒ガス流路)24の低温端は、第2段目ディスプレーサ14の低温端の端面に設けられた開口46dに連通している。   In the GM refrigerator according to the comparative example, the high temperature end of the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 communicates with an opening 46 c formed on the end surface of the high temperature end of the second stage displacer 14. However, the low temperature end of the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 does not communicate with the opening provided on the outer peripheral surface of the second stage displacer 14. As shown in FIGS. 7 and 8, the low temperature end of the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 communicates with an opening 46 d provided on the end surface of the low temperature end of the second stage displacer 14.

比較例において、膨張空間22に冷媒ガスを供給する際には、冷媒ガスの大部分は、中空空間(冷媒ガス流路)24を通して供給され、一部分が第2段目ディスプレーサ14と第2段目シリンダ12との隙間Dn、Dwを通して供給される。   In the comparative example, when the refrigerant gas is supplied to the expansion space 22, most of the refrigerant gas is supplied through the hollow space (refrigerant gas flow path) 24, and a part of the refrigerant gas is supplied to the second stage displacer 14 and the second stage. It is supplied through gaps Dn and Dw with the cylinder 12.

大部分の冷媒ガスは、高温側から第2段目ディスプレーサ14の高温端の端面に形成された開口46cを通って中空空間(冷媒ガス流路)24に供給される。中空空間(冷媒ガス流路)24に供給された冷媒ガスは、第2段目ディスプレーサ14の低温端の端面に形成された開口46dを通って膨張空間22に供給される。   Most of the refrigerant gas is supplied from the high temperature side to the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 through the opening 46c formed in the end surface at the high temperature end of the second stage displacer 14. The refrigerant gas supplied to the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 is supplied to the expansion space 22 through the opening 46d formed in the end surface at the low temperature end of the second stage displacer 14.

一方、一部分の冷媒ガスは、高温側から第2段目ディスプレーサ14の高温端と第2段目シリンダ12との間を通って隙間Dn、Dwに供給される。隙間Dn、Dwに供給された冷媒ガスは、第2段目ディスプレーサ14の低温端と第2段目シリンダ12との間を通って膨張空間22に供給される。   On the other hand, a part of the refrigerant gas is supplied to the gaps Dn and Dw from the high temperature side through between the high temperature end of the second stage displacer 14 and the second stage cylinder 12. The refrigerant gas supplied to the gaps Dn and Dw is supplied to the expansion space 22 through the space between the low temperature end of the second stage displacer 14 and the second stage cylinder 12.

このとき、高温端の圧力P1は、低温端の圧力P2よりも高圧である。また、隙間Dn、Dwともに、冷媒ガスが流れる方向に沿って流路の断面積が増大する。従って、隙間Dn及び隙間Dwのいずれにおいても、圧力は、高温端における圧力P1から低温端における圧力P2まで単調に減少(降下)する。   At this time, the pressure P1 at the high temperature end is higher than the pressure P2 at the low temperature end. Further, in both the gaps Dn and Dw, the cross-sectional area of the flow path increases along the direction in which the refrigerant gas flows. Accordingly, in both the gap Dn and the gap Dw, the pressure monotonously decreases (drops) from the pressure P1 at the high temperature end to the pressure P2 at the low temperature end.

また、前述したように、隙間Dnは隙間Dwよりも狭い。従って、狭い方の隙間Dnにおける圧力降下は、広い方の隙間Dwにおける圧力降下よりも大きいため、隙間Dnと隙間Dwでは圧力分布が異なる。   Further, as described above, the gap Dn is narrower than the gap Dw. Accordingly, the pressure drop in the narrower gap Dn is larger than the pressure drop in the wider gap Dw, and therefore the pressure distribution differs between the gap Dn and the gap Dw.

隙間Dn及び隙間Dwのいずれにおいても、高温端X1では圧力がP1であり、低温端X2では圧力がP2である。しかし、図7中央の断面図よりも上方の隙間Dnにおける圧力分布グラフ、及び、図7中央の断面図よりも下方の隙間Dwにおける圧力分布グラフに示されるように、高温端X1と低温端X2との間の位置Xでは、隙間Dwにおける圧力Pwが隙間Dnにおける圧力Pnよりも大きい。その結果、第2段目ディスプレーサ14には、図7中央の断面図に示すように、隙間Dwから隙間Dnに向かう力が作用する。そして、第2段目シリンダ12に対し偏心した第2段目ディスプレーサ14には、その偏心を増長する方向に偏心力が作用する。このような現象を、ハイドロリックロック現象という。   In both the gap Dn and the gap Dw, the pressure is P1 at the high temperature end X1, and the pressure is P2 at the low temperature end X2. However, as shown in the pressure distribution graph in the gap Dn above the center sectional view of FIG. 7 and the pressure distribution graph in the gap Dw below the center sectional view of FIG. 7, the high temperature end X1 and the low temperature end X2 In the position X between the pressure Dw, the pressure Pw in the gap Dw is larger than the pressure Pn in the gap Dn. As a result, a force from the gap Dw toward the gap Dn acts on the second stage displacer 14 as shown in the cross-sectional view in the center of FIG. An eccentric force acts on the second stage displacer 14 that is eccentric with respect to the second stage cylinder 12 in a direction that increases the eccentricity. Such a phenomenon is called a hydraulic lock phenomenon.

このハイドロリックロック現象は、第2段目ディスプレーサ14が高温端から低温端まで同一の径を有する場合にも、発生するおそれがある。第2段目シリンダ12の内径の寸法公差、第2段目ディスプレーサ14の外径の寸法公差等により、例えば第2段目ディスプレーサ14が第2段目シリンダ12に対しわずかに傾くことがあり、偏心力が発生することがあるからである。   This hydraulic lock phenomenon may also occur when the second stage displacer 14 has the same diameter from the high temperature end to the low temperature end. Due to the dimensional tolerance of the inner diameter of the second stage cylinder 12, the dimensional tolerance of the outer diameter of the second stage displacer 14, etc., for example, the second stage displacer 14 may be slightly inclined with respect to the second stage cylinder 12. This is because an eccentric force may be generated.

比較例において、膨張空間22から冷媒ガスを排出する際にも、冷媒ガスの大部分は、第2段目ディスプレーサ14の内部に形成された中空空間(冷媒ガス流路)24を通して排出され、一部分が第2段目ディスプレーサ14と第2段目シリンダ12との隙間Dn、Dwを通して排出される。   In the comparative example, when the refrigerant gas is discharged from the expansion space 22, most of the refrigerant gas is discharged through the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 formed inside the second stage displacer 14. Is discharged through the gaps Dn and Dw between the second stage displacer 14 and the second stage cylinder 12.

大部分の冷媒ガスは、膨張空間22から第2段目ディスプレーサ14の低温端の端面に形成された開口46dを通って中空空間(冷媒ガス流路)24に排出される。中空空間(冷媒ガス流路)24に排出された冷媒ガスは、第2段目ディスプレーサ14の高温端の端面に形成された開口46cを通って高温側へ排出される。   Most of the refrigerant gas is discharged from the expansion space 22 to the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 through the opening 46d formed in the end surface at the low temperature end of the second stage displacer 14. The refrigerant gas discharged to the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 is discharged to the high temperature side through the opening 46c formed in the end surface of the second stage displacer 14 at the high temperature end.

一方、一部分の冷媒ガスは、膨張空間22から第2段目ディスプレーサ14の低温端と第2段目シリンダ12との間を通って隙間Dn、Dwに排出される。隙間Dn、Dwに排出された冷媒ガスは、第2段目ディスプレーサ14の高温端と第2段目シリンダ12との間を通って高温側に排出される。   On the other hand, a part of the refrigerant gas passes through between the low temperature end of the second stage displacer 14 and the second stage cylinder 12 from the expansion space 22 and is discharged into the gaps Dn and Dw. The refrigerant gas discharged into the gaps Dn and Dw passes between the high temperature end of the second stage displacer 14 and the second stage cylinder 12 and is discharged to the high temperature side.

このとき、低温側の圧力P2は、高温側の圧力P1よりも高圧である。また、隙間Dn、Dwともに、冷媒ガスが流れる方向に沿って流路の断面積が減少する。従って、隙間Dn及び隙間Dwのいずれにおいても、圧力は、低温端における圧力P2から高温端における圧力P1まで単調に減少(降下)する。   At this time, the pressure P2 on the low temperature side is higher than the pressure P1 on the high temperature side. Further, in both the gaps Dn and Dw, the cross-sectional area of the flow path decreases along the direction in which the refrigerant gas flows. Accordingly, in both the gap Dn and the gap Dw, the pressure monotonously decreases (drops) from the pressure P2 at the low temperature end to the pressure P1 at the high temperature end.

また、前述したように、隙間Dnは隙間Dwよりも狭い。従って、狭い方の隙間Dnにおける圧力降下は、広い方の隙間Dwにおける圧力降下と異なるため、隙間Dnと隙間Dwでは圧力分布が異なる。   Further, as described above, the gap Dn is narrower than the gap Dw. Accordingly, since the pressure drop in the narrower gap Dn is different from the pressure drop in the wider gap Dw, the pressure distribution is different between the gap Dn and the gap Dw.

隙間Dn及び隙間Dwのいずれにおいても、低温端X2では圧力がP2であり、高温端X1では圧力がP1である。しかし、図8中央の断面図よりも上方の隙間Dnにおける圧力分布グラフ、及び、図8中央の断面図よりも下方の隙間Dwにおける圧力分布グラフに示されるように、低温端X2と高温端X1との間の位置Xでは、隙間Dnにおける圧力Pnが隙間Dwにおける圧力Pwよりも大きい。その結果、第2段目ディスプレーサ14には、図8中央の断面図に示すように、隙間Dnから隙間Dwに向かう力が作用する。そして、第2段目シリンダ12に対し偏心した第2段目ディスプレーサ14には、その偏心を防止する方向に復元力が作用する。   In both the gap Dn and the gap Dw, the pressure is P2 at the low temperature end X2, and the pressure is P1 at the high temperature end X1. However, as shown in the pressure distribution graph in the gap Dn above the center sectional view in FIG. 8 and the pressure distribution graph in the gap Dw below the center sectional view in FIG. 8, the low temperature end X2 and the high temperature end X1. In the position X between the pressure Dn and the pressure Pn in the gap Dn is larger than the pressure Pw in the gap Dw. As a result, a force from the gap Dn toward the gap Dw acts on the second stage displacer 14 as shown in the cross-sectional view in the center of FIG. A restoring force acts on the second stage displacer 14 that is eccentric with respect to the second stage cylinder 12 in a direction that prevents the eccentricity.

このように、比較例では、膨張空間22から冷媒ガスを排出する際は、第2段目ディスプレーサ14の偏心を防止する方向に復元力が作用するものの、膨張空間22に冷媒ガスを供給する際は、第2段目ディスプレーサ14の偏心を増長する方向に偏心力が作用する。GM冷凍機では、膨張空間22に冷媒ガスを供給する工程と膨張空間22から冷媒ガスを排出する工程とを交互に繰り返すため、常に復元力を作用させることができず、第2段目ディスプレーサ14は徐々に偏心することになる。   As described above, in the comparative example, when the refrigerant gas is discharged from the expansion space 22, the restoring force acts in a direction to prevent the eccentricity of the second stage displacer 14, but when the refrigerant gas is supplied to the expansion space 22. The eccentric force acts in the direction of increasing the eccentricity of the second stage displacer 14. In the GM refrigerator, since the step of supplying the refrigerant gas to the expansion space 22 and the step of discharging the refrigerant gas from the expansion space 22 are repeated alternately, the restoring force cannot always be applied, and the second stage displacer 14 Will gradually become eccentric.

そして、偏心力により第2段目ディスプレーサ14が第2段目シリンダ12の一方の内周面に接触すると、その後、偏心を解消させることはできない。そのため、第2段目ディスプレーサ14の同一の部分が第2段目シリンダ12の内周面と接触し、第2段目ディスプレーサ14が磨耗する。   If the second stage displacer 14 comes into contact with one inner peripheral surface of the second stage cylinder 12 due to the eccentric force, the eccentricity cannot be eliminated thereafter. Therefore, the same part of the second stage displacer 14 comes into contact with the inner peripheral surface of the second stage cylinder 12, and the second stage displacer 14 is worn.

一方、本実施の形態に係るGM冷凍機では、図6に示すように、中空空間(冷媒ガス流路)24の高温端は、第2段目ディスプレーサ14の高温端の端面に形成された開口46aに連通している。そして、中空空間(冷媒ガス流路)24の低温端は、第2段目ディスプレーサ14の外周面に設けられた開口46bに連通している。   On the other hand, in the GM refrigerator according to the present embodiment, as shown in FIG. 6, the high temperature end of the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 is an opening formed on the end surface of the high temperature end of the second stage displacer 14. It communicates with 46a. The low temperature end of the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 communicates with an opening 46 b provided on the outer peripheral surface of the second stage displacer 14.

本実施の形態においても、膨張空間22に冷媒ガスを供給する際には、冷媒ガスの大部分は、中空空間(冷媒ガス流路)24を通して供給され、一部分が第2段目ディスプレーサ14と第2段目シリンダ12との隙間Dn、Dwを通して供給される。   Also in the present embodiment, when supplying the refrigerant gas to the expansion space 22, most of the refrigerant gas is supplied through the hollow space (refrigerant gas flow path) 24, and a part thereof is connected to the second stage displacer 14 and the second stage displacer 14. It is supplied through gaps Dn and Dw with the second-stage cylinder 12.

大部分の冷媒ガスは、高温側から第2段目ディスプレーサ14の高温端の端面に形成された開口46aを通って中空空間(冷媒ガス流路)24に供給される。中空空間(冷媒ガス流路)24に供給された冷媒ガスは、第2段目ディスプレーサ14の外周面に形成された開口46bを通って隙間Dn、Dwに噴出する。隙間Dn、Dwに噴出した冷媒ガスは、第2段目ディスプレーサ14の低温端と第2段目シリンダ12との間を通って膨張空間22に供給される。   Most of the refrigerant gas is supplied from the high temperature side to the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 through the opening 46a formed on the end surface of the second stage displacer 14 at the high temperature end. The refrigerant gas supplied to the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 is ejected into the gaps Dn and Dw through the opening 46b formed in the outer peripheral surface of the second stage displacer 14. The refrigerant gas ejected into the gaps Dn and Dw is supplied to the expansion space 22 through the space between the low temperature end of the second stage displacer 14 and the second stage cylinder 12.

隙間Dn、Dwに噴出した冷媒ガスは、例えば静圧軸受けと同様の効果を奏する。   The refrigerant gas ejected into the gaps Dn and Dw has the same effect as, for example, a static pressure bearing.

一方、一部分の冷媒ガスは、高温側から第2段目ディスプレーサ14の高温端と第2段目シリンダ12との間を通って隙間Dn、Dwに供給される。隙間Dn、Dwに供給された冷媒ガスは、第2段目ディスプレーサ14の低温端と第2段目シリンダ12との間を通って膨張空間22に供給される。   On the other hand, a part of the refrigerant gas is supplied to the gaps Dn and Dw from the high temperature side through between the high temperature end of the second stage displacer 14 and the second stage cylinder 12. The refrigerant gas supplied to the gaps Dn and Dw is supplied to the expansion space 22 through the space between the low temperature end of the second stage displacer 14 and the second stage cylinder 12.

本実施の形態でも、第2段目ディスプレーサ14の高温端と第2段目シリンダ12との間を通って隙間Dn、Dwに供給される冷媒ガスにより、第2段目ディスプレーサ14の偏心を増長する方向に作用する偏心力は存在する。しかし、本実施の形態では、第2段目ディスプレーサ14の外周面に形成された開口46bから隙間Dn、Dwに噴出した冷媒ガスによる静圧軸受けの効果の方が大きい。そのため、本実施の形態では、第2段目ディスプレーサ14の偏心を防止し、第2段目ディスプレーサ14の第2段目シリンダ12への接触を防止することができる。   Also in the present embodiment, the eccentricity of the second stage displacer 14 is increased by the refrigerant gas supplied between the high temperature end of the second stage displacer 14 and the second stage cylinder 12 to the gaps Dn and Dw. There is an eccentric force acting in the direction of However, in the present embodiment, the effect of the static pressure bearing by the refrigerant gas ejected into the gaps Dn and Dw from the opening 46b formed on the outer peripheral surface of the second stage displacer 14 is greater. Therefore, in the present embodiment, the eccentricity of the second stage displacer 14 can be prevented, and the contact of the second stage displacer 14 with the second stage cylinder 12 can be prevented.

一方、本実施の形態においても、膨張空間22から冷媒ガスを排出する際には、冷媒ガスの大部分は、中空空間(冷媒ガス流路)24を通して排出され、一部分が第2段目ディスプレーサ14と第2段目シリンダ12との隙間Dn、Dwを通して排出される。   On the other hand, also in the present embodiment, when the refrigerant gas is discharged from the expansion space 22, most of the refrigerant gas is discharged through the hollow space (refrigerant gas flow path) 24, and a part thereof is the second stage displacer 14. And the second-stage cylinder 12 through the gaps Dn and Dw.

大部分の冷媒ガスは、膨張空間22から第2段目ディスプレーサ14の低温端と第2段目シリンダ12との間を通って隙間Dn、Dwに排出される。隙間Dn、Dwに排出された冷媒ガスは、第2段目ディスプレーサ14の外周面に形成された開口46bを通って中空空間(冷媒ガス流路)24に排出される。中空空間(冷媒ガス流路)24に排出された冷媒ガスは、第2段目ディスプレーサ14の高温端の端面に形成された開口46aを通って高温側へ排出される。   Most of the refrigerant gas passes through the space between the low temperature end of the second stage displacer 14 and the second stage cylinder 12 from the expansion space 22 and is discharged into the gaps Dn and Dw. The refrigerant gas discharged into the gaps Dn and Dw is discharged into the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 through the opening 46b formed in the outer peripheral surface of the second stage displacer 14. The refrigerant gas discharged to the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 is discharged to the high temperature side through the opening 46a formed on the end surface of the second stage displacer 14 at the high temperature end.

一方、一部分の冷媒ガスは、膨張空間22から第2段目ディスプレーサ14の低温端と第2段目シリンダ12との間を通って隙間Dn、Dwに排出される。隙間Dn、Dwに排出された冷媒ガスは、第2段目ディスプレーサ14の高温端と第2段目シリンダ12との間を通って高温側に排出される。   On the other hand, a part of the refrigerant gas passes through between the low temperature end of the second stage displacer 14 and the second stage cylinder 12 from the expansion space 22 and is discharged into the gaps Dn and Dw. The refrigerant gas discharged into the gaps Dn and Dw passes between the high temperature end of the second stage displacer 14 and the second stage cylinder 12 and is discharged to the high temperature side.

このとき、低温側の圧力P2は、高温側の圧力P1よりも高圧である。また、隙間Dn、Dwともに、冷媒ガスが流れる方向に沿って流路の断面積が減少する。従って、隙間Dn及び隙間Dwのいずれにおいても、圧力は、低温端における圧力P2から高温端における圧力P1まで単調に降下する。また、前述したように、隙間Dnは隙間Dwよりも狭い。従って、比較例と同様に、第2段目ディスプレーサ14には、隙間Dnから隙間Dwに向かう力が作用する。すなわち、第2段目ディスプレーサ14には、その偏心を防止する方向に復元力が作用する。   At this time, the pressure P2 on the low temperature side is higher than the pressure P1 on the high temperature side. Further, in both the gaps Dn and Dw, the cross-sectional area of the flow path decreases along the direction in which the refrigerant gas flows. Accordingly, in both the gap Dn and the gap Dw, the pressure monotonously drops from the pressure P2 at the low temperature end to the pressure P1 at the high temperature end. Further, as described above, the gap Dn is narrower than the gap Dw. Therefore, as in the comparative example, a force from the gap Dn toward the gap Dw acts on the second stage displacer 14. That is, a restoring force acts on the second stage displacer 14 in a direction to prevent the eccentricity.

このように、本実施の形態では、膨張空間22に冷媒ガスを供給する際にも、膨張空間22から冷媒ガスを排出する際にも、第2段目ディスプレーサ14の偏心を防止する方向に力が作用する。GM冷凍機では、膨張空間22に冷媒ガスを供給する工程と膨張空間22から冷媒ガスを排出する工程とを交互に繰り返すため、常に第2段目ディスプレーサ14の偏心を防止する方向に力を作用させることができる。   As described above, in the present embodiment, when the refrigerant gas is supplied to the expansion space 22 and when the refrigerant gas is discharged from the expansion space 22, force is exerted in a direction to prevent the eccentricity of the second stage displacer 14. Works. In the GM refrigerator, since the process of supplying the refrigerant gas to the expansion space 22 and the process of discharging the refrigerant gas from the expansion space 22 are repeated alternately, a force always acts in a direction to prevent the eccentricity of the second stage displacer 14. Can be made.

その結果、第2段目ディスプレーサ14が一方の内周面に接触したとしても、その後偏心を解消させることができる。そのため、第2段目ディスプレーサ14の同一の部分が第2段目シリンダ12の内周面と接触し、第2段目ディスプレーサ14が磨耗することを防止できる。   As a result, even if the second stage displacer 14 comes into contact with one inner peripheral surface, the eccentricity can be eliminated thereafter. Therefore, it is possible to prevent the same part of the second stage displacer 14 from coming into contact with the inner peripheral surface of the second stage cylinder 12 and wear the second stage displacer 14.

更に、第2段目ディスプレーサ14の低温端の端面に開口が形成されておらず、中空空間(冷媒ガス流路)24の低温端が、第2段目ディスプレーサ14の外周面に形成された開口46bに連通していることにより、膨張空間22から中空空間(冷媒ガス流路)24を通って冷媒ガスを排出する際に、冷却された冷媒ガスが第2段目シリンダ12の内周面に沿って流れるため、第2段目シリンダ12を効率よく冷却することができ、GM冷凍機の冷却能力を向上させることができる。
(第1の実施の形態の変形例)
次に、図9を参照し、第1の実施の形態の変形例に係るGM冷凍機について説明する。本変形例に係るGM冷凍機では、第2段目ディスプレーサ14aの回転体形状部材40aが、高温端から開口46bが設けられた位置まで径が階段状に減少する。
Furthermore, no opening is formed in the end surface of the second stage displacer 14 at the low temperature end, and the opening in which the low temperature end of the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 is formed in the outer peripheral surface of the second stage displacer 14. When the refrigerant gas is discharged from the expansion space 22 through the hollow space (refrigerant gas flow path) 24, the cooled refrigerant gas is transferred to the inner peripheral surface of the second stage cylinder 12 by communicating with 46b. Therefore, the second stage cylinder 12 can be efficiently cooled, and the cooling capacity of the GM refrigerator can be improved.
(Modification of the first embodiment)
Next, with reference to FIG. 9, the GM refrigerator which concerns on the modification of 1st Embodiment is demonstrated. In the GM refrigerator according to this modification, the diameter of the rotating body-shaped member 40a of the second stage displacer 14a decreases in a stepped manner from the high temperature end to the position where the opening 46b is provided.

本変形例に係るGM冷凍機も、回転体形状部材40a以外の部分は、第1の実施の形態に係るGM冷凍機と同様である。従って、本変形例では、回転体形状部材40a以外の部分についての説明を省略する。   The GM refrigerator according to this modification is the same as the GM refrigerator according to the first embodiment except for the rotating body-shaped member 40a. Therefore, in this modification, description about parts other than the rotary body-shaped member 40a is omitted.

図9は、本変形例に係るGM冷凍機における第2段目ディスプレーサ14aの構成を、第2段目シリンダ12とともに示す概略断面図である。   FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the second stage displacer 14 a together with the second stage cylinder 12 in the GM refrigerator according to this modification.

なお、図9に示す配置において、第2段目シリンダ12及び第2段目ディスプレーサ14aの上端は高温端であり、下端は低温端である。   In the arrangement shown in FIG. 9, the upper ends of the second stage cylinder 12 and the second stage displacer 14a are high temperature ends, and the lower ends are low temperature ends.

回転体形状部材40aは、上下端が開放された回転体形状を有することは、第1の実施の形態と同様である。また、蓋部材41、金網42、フェルト栓43、蓄冷材18、フェルト栓44、パンチングメタル45の構成については、第1の実施の形態と同様である。   The rotating body-shaped member 40a has a rotating body shape with the upper and lower ends opened, as in the first embodiment. The configurations of the lid member 41, the wire mesh 42, the felt plug 43, the cold storage material 18, the felt plug 44, and the punching metal 45 are the same as those in the first embodiment.

また、回転体形状部材40aの外周面には、金網42の高さの位置に冷媒ガス流路を形成する開口46bが設けられている。開口46bには、中空空間(冷媒ガス流路)24の低温端が連通している。   In addition, an opening 46b that forms a refrigerant gas flow path is provided at the height of the metal mesh 42 on the outer peripheral surface of the rotating body-shaped member 40a. The low temperature end of the hollow space (refrigerant gas flow path) 24 communicates with the opening 46b.

本変形例では、回転体形状部材40aが、高温端から開口46bが設けられた位置まで径が階段状に減少する。図9に示すように、例えば3段で径が減少するように構成することができる。   In this modification, the diameter of the rotating body-shaped member 40a decreases in a stepped manner from the high temperature end to the position where the opening 46b is provided. As shown in FIG. 9, for example, the diameter can be reduced in three steps.

本変形例でも、第2段目ディスプレーサ14aは、低温端の径R22が高温端の径R21よりも小さい。これにより、膨張空間22に冷媒ガスを供給及び排出する際に、第2段目ディスプレーサ14aが第2段目シリンダ12の内周面に接触することを防止でき、第2段目ディスプレーサ14aの磨耗を防止できる。   Also in this modified example, the second stage displacer 14a has the low temperature end diameter R22 smaller than the high temperature end diameter R21. This prevents the second stage displacer 14a from coming into contact with the inner peripheral surface of the second stage cylinder 12 when supplying and discharging the refrigerant gas to and from the expansion space 22, and wear of the second stage displacer 14a. Can be prevented.

なお、回転体形状部材40aの外周面にらせん溝が形成されていてもよい。らせん溝を形成することによって、第2段目ディスプレーサ14aと第2段目シリンダ12との隙間D21を通って冷媒ガスが漏れることを防止することができ、冷凍能力を増大させることができる。
(第2の実施の形態)
次に、図10を参照し、第2の実施の形態に係るGM冷凍機について説明する。本実施の形態に係るGM冷凍機では、第1段目ディスプレーサ13aにおいて、低温端の径が高温端の径よりも小さく、冷媒ガス流路の低温端が、第1段目ディスプレーサ13aの外周面に設けられた開口34に連通している。
In addition, the spiral groove may be formed in the outer peripheral surface of the rotary body-shaped member 40a. By forming the spiral groove, the refrigerant gas can be prevented from leaking through the gap D21 between the second stage displacer 14a and the second stage cylinder 12, and the refrigeration capacity can be increased.
(Second Embodiment)
Next, with reference to FIG. 10, the GM refrigerator which concerns on 2nd Embodiment is demonstrated. In the GM refrigerator according to the present embodiment, in the first stage displacer 13a, the diameter of the low temperature end is smaller than the diameter of the high temperature end, and the low temperature end of the refrigerant gas flow path is the outer peripheral surface of the first stage displacer 13a. It communicates with the opening 34 provided in the.

本実施の形態に係るGM冷凍機は、第1段目ディスプレーサ13aの回転体形状部材30a以外の部分は、第1の実施の形態に係るGM冷凍機と同様に構成することができる。従って、本実施の形態では、回転体形状部材30a以外の部分についての説明を省略する。   The GM refrigerator according to the present embodiment can be configured in the same manner as the GM refrigerator according to the first embodiment, except for the rotating body-shaped member 30a of the first stage displacer 13a. Therefore, in the present embodiment, description of portions other than the rotating body-shaped member 30a is omitted.

図10は、本実施の形態に係るGM冷凍機における第1段目ディスプレーサ13aの構成を、第1段目シリンダ11とともに示す概略断面図である。   FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the first stage displacer 13a together with the first stage cylinder 11 in the GM refrigerator according to the present embodiment.

なお、図10に示す配置において、第1段目シリンダ11及び第1段目ディスプレーサ13aの上端は高温端であり、下端は低温端である。   In the arrangement shown in FIG. 10, the upper ends of the first stage cylinder 11 and the first stage displacer 13a are the high temperature ends, and the lower ends are the low temperature ends.

回転体形状部材30aは、上下端が開放された回転体形状を有することは、第1の実施の形態と同様である。また、フランジ31、開口32、蓄冷材17、蓋部材33の構成については、第1の実施の形態と同様である。   The rotating body-shaped member 30a has a rotating body shape with the upper and lower ends open, as in the first embodiment. The configurations of the flange 31, the opening 32, the cold storage material 17, and the lid member 33 are the same as those in the first embodiment.

また、回転体形状部材30aの外周面には、蓄冷材17の下側の金網が配置されている高さに、冷媒ガス流路を形成するための開口34が形成されている。開口34には、中空空間(冷媒ガス流路)23の低温端が連通している。   Moreover, the opening 34 for forming a refrigerant gas flow path is formed in the outer peripheral surface of the rotary body-shaped member 30a at the height at which the lower metal mesh of the regenerator material 17 is disposed. The opening 34 communicates with the low temperature end of the hollow space (refrigerant gas flow path) 23.

第1段目ディスプレーサ13aは、低温端の径R12が高温端の径R11よりも小さい。すなわち、蓋部材33の下端(第1段目ディスプレーサ13aの低温端)における径R12が、回転体形状部材30aの高温端の径R11よりも小さい。その結果、第1の実施の形態における作用効果と同様の作用効果により、膨張空間21に冷媒ガスを供給及び排出する際に、第1段目ディスプレーサ13aが第1段目シリンダ11の内周面に接触することを防止でき、第1段目ディスプレーサ13aの磨耗を防止できる。   In the first stage displacer 13a, the diameter R12 at the low temperature end is smaller than the diameter R11 at the high temperature end. That is, the diameter R12 at the lower end of the lid member 33 (the low temperature end of the first stage displacer 13a) is smaller than the diameter R11 of the high temperature end of the rotating body-shaped member 30a. As a result, when the refrigerant gas is supplied to and discharged from the expansion space 21, the first stage displacer 13a has the inner peripheral surface of the first stage cylinder 11 by the same function and effect as those of the first embodiment. Can be prevented, and wear of the first stage displacer 13a can be prevented.

なお、蓋部材33が、上端(高温端)の径が下端(低温端)の径R12と等しく、円筒形状を有していてもよく、更に、回転体形状部材30aの下端(低温端)の径が、蓋部材33の下端(低温端)の径R12と等しくてもよい。この場合、回転体形状部材30aの下端(低温端)の径R12は、回転体形状部材30aの上端(高温端)の径R11よりも小さい。   Note that the lid member 33 may have a cylindrical shape with the upper end (high temperature end) diameter equal to the lower end (low temperature end) diameter R12, and may further have a lower end (low temperature end) of the rotating member 30a. The diameter may be equal to the diameter R12 of the lower end (low temperature end) of the lid member 33. In this case, the diameter R12 of the lower end (low temperature end) of the rotating body shaped member 30a is smaller than the diameter R11 of the upper end (high temperature end) of the rotating body shaped member 30a.

更に、第1段目ディスプレーサ13aは、回転体形状部材30aの上端(高温端)から回転体形状部材30aの下端(低温端)まで、径が単調減少してもよい。すなわち、第1段目ディスプレーサ13aは、回転体形状部材30aの上端(高温端)から開口34が設けられた位置まで径が単調減少していてもよい。これにより、第1段目ディスプレーサ13aが往復動する際の冷媒ガスの流れがより滑らかになり、第1段目ディスプレーサ13aの磨耗を防止する効果を向上させることができる。   Furthermore, the diameter of the first stage displacer 13a may monotonously decrease from the upper end (high temperature end) of the rotating body-shaped member 30a to the lower end (low temperature end) of the rotating body-shaped member 30a. That is, the diameter of the first stage displacer 13a may monotonously decrease from the upper end (high temperature end) of the rotating body-shaped member 30a to the position where the opening 34 is provided. Thereby, the flow of the refrigerant gas when the first stage displacer 13a reciprocates becomes smoother, and the effect of preventing the wear of the first stage displacer 13a can be improved.

また、第1段目ディスプレーサ13aの上端(高温端)の外周面と第1段目シリンダ11の内周面との隙間をD11とし、第1段目ディスプレーサ13aの下端(低温端)の外周面と第1段目シリンダ11の内周面との隙間をD12とする。このとき、第1段目ディスプレーサ13aの低温端の径R12を、第1段目ディスプレーサ13aの高温端の径R11よりも小さくすることにより、隙間D12を隙間D11よりも大きくすることができる。   The clearance between the outer peripheral surface of the upper end (high temperature end) of the first stage displacer 13a and the inner peripheral surface of the first stage cylinder 11 is D11, and the outer peripheral surface of the lower end (low temperature end) of the first stage displacer 13a. And a clearance between the inner circumferential surface of the first stage cylinder 11 and D12. At this time, the gap D12 can be made larger than the gap D11 by making the diameter R12 of the low temperature end of the first stage displacer 13a smaller than the diameter R11 of the high temperature end of the first stage displacer 13a.

また、図10に示すように、回転体形状部材30aの外周面にらせん溝が形成されていてもよい。らせん溝を形成することによって、第1段目ディスプレーサ13aと第1段目シリンダ11との隙間D11を通って冷媒ガスが漏れることを防止することができ、GM冷凍機の冷凍能力を増大させることができる。   Moreover, as shown in FIG. 10, the helical groove may be formed in the outer peripheral surface of the rotary body-shaped member 30a. By forming the spiral groove, the refrigerant gas can be prevented from leaking through the gap D11 between the first stage displacer 13a and the first stage cylinder 11, and the refrigeration capacity of the GM refrigerator can be increased. Can do.

以上、本発明の好ましい実施の形態について記述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。   The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Can be modified or changed.

10 圧縮機
11 第1段目シリンダ
12 第2段目シリンダ
13、13a 第1段目ディスプレーサ
14、14a 第2段目ディスプレーサ
15 クランク機構
16 冷媒ガス流路
17、18 蓄冷材
19、20 ヒートステーション
21、22 膨張空間
23、24 中空空間(冷媒ガス流路)
30、40 回転体形状部材
31 フランジ
32、34、46a、46b、48 開口
33、41 蓋部材
35、47 らせん溝
42 金網
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Compressor 11 1st stage cylinder 12 2nd stage cylinders 13 and 13a 1st stage displacer 14 and 14a 2nd stage displacer 15 Crank mechanism 16 Refrigerant gas flow path 17 and 18 Cool storage material 19 and 20 Heat station 21 , 22 Expansion space 23, 24 Hollow space (refrigerant gas flow path)
30, 40 Rotating body-shaped member 31 Flange 32, 34, 46a, 46b, 48 Opening 33, 41 Lid member 35, 47 Spiral groove 42 Wire mesh

Claims (3)

シリンダと、
前記シリンダ内に、前記シリンダに沿って往復動可能に設けられ、前記シリンダ内の一端に膨張空間を形成するとともに、内部に、前記膨張空間に冷媒ガスを供給及び排出するための冷媒ガス流路が形成されている、回転体形状のディスプレーサと、
前記冷媒ガス流路内に収容されており、前記ディスプレーサが前記シリンダに沿って往復動する際に、前記膨張空間に供給した冷媒ガスを膨張させることによって発生した冷熱を蓄冷する蓄冷材と
を有し、
前記ディスプレーサは、低温端の径が高温端の径よりも小さく、
前記冷媒ガス流路の低温端は、前記ディスプレーサの外周面に設けられた開口に連通している、蓄冷器式冷凍機。
A cylinder,
A refrigerant gas flow path provided in the cylinder so as to be capable of reciprocating along the cylinder, forming an expansion space at one end of the cylinder, and supplying and discharging a refrigerant gas into the expansion space inside. A rotating body-shaped displacer,
A regenerator that is housed in the refrigerant gas flow path and stores cold energy generated by expanding the refrigerant gas supplied to the expansion space when the displacer reciprocates along the cylinder. And
The displacer has a low temperature end diameter smaller than a high temperature end diameter,
A regenerator type refrigerator having a low temperature end of the refrigerant gas flow path communicating with an opening provided on an outer peripheral surface of the displacer.
前記冷媒ガス流路の低温端は、前記ディスプレーサの前記外周面に、周方向に沿って等配に設けられた、同一径を有する複数の開口に連通している、請求項1に記載の蓄冷器式冷凍機。   The cold storage according to claim 1, wherein the low-temperature end of the refrigerant gas flow path communicates with a plurality of openings having the same diameter provided on the outer peripheral surface of the displacer at equal intervals along the circumferential direction. Refrigerator. 前記ディスプレーサは、前記高温端から前記開口が設けられた位置まで径が単調減少している、請求項1又は請求項2に記載の蓄冷器式冷凍機。   The regenerator type refrigerator according to claim 1 or 2, wherein the displacer has a monotonically decreasing diameter from the high temperature end to a position where the opening is provided.
JP2010233601A 2010-10-18 2010-10-18 Cold storage refrigerator Pending JP2012087970A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010233601A JP2012087970A (en) 2010-10-18 2010-10-18 Cold storage refrigerator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010233601A JP2012087970A (en) 2010-10-18 2010-10-18 Cold storage refrigerator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2012087970A true JP2012087970A (en) 2012-05-10

Family

ID=46259773

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010233601A Pending JP2012087970A (en) 2010-10-18 2010-10-18 Cold storage refrigerator

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2012087970A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013220958A (en) * 2012-04-13 2013-10-28 Namiki Precision Jewel Co Ltd Microvoid forming method

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62112073U (en) * 1986-01-08 1987-07-16
JPH02504182A (en) * 1988-05-06 1990-11-29 ヒユーズ・エアクラフト・カンパニー Cryogenic cooling equipment with heat exchanger with primary and secondary flow paths
JPH07324831A (en) * 1994-05-31 1995-12-12 Sumitomo Heavy Ind Ltd Cold accumulating type refrigerator

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62112073U (en) * 1986-01-08 1987-07-16
JPH02504182A (en) * 1988-05-06 1990-11-29 ヒユーズ・エアクラフト・カンパニー Cryogenic cooling equipment with heat exchanger with primary and secondary flow paths
JPH07324831A (en) * 1994-05-31 1995-12-12 Sumitomo Heavy Ind Ltd Cold accumulating type refrigerator

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013220958A (en) * 2012-04-13 2013-10-28 Namiki Precision Jewel Co Ltd Microvoid forming method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2010216711A (en) Cold storage device type refrigerator
JP2659684B2 (en) Regenerator refrigerator
US9134048B2 (en) Regenerative refrigerator and partitioning member
JP5917153B2 (en) Cryogenic refrigerator, displacer
JP5877543B2 (en) Displacer, manufacturing method thereof, and regenerator type refrigerator
KR101333054B1 (en) Cryogenic refrigerator
JP2553203B2 (en) Cryogenic refrigerator
JP2015055374A (en) Ultra-low temperature freezer
JP3962353B2 (en) A superconducting magnet equipped with a regenerator and a regenerator
JP2011027272A (en) Partition member, cold storage device, and cold storage device type refrigerator
JP2007205608A (en) Cold accumulator type refrigerating machine
JP2012087970A (en) Cold storage refrigerator
JP5541795B2 (en) Regenerator type refrigerator
JP6376793B2 (en) Regenerator type refrigerator
JP2013079792A (en) Cryogenic refrigerator
JP6054079B2 (en) Stirling refrigerator
JPH07151410A (en) Gas compressor/expander
JP5507481B2 (en) Regenerator type refrigerator
JP2003314918A (en) Very low temperature refrigerator
JP3588644B2 (en) Regenerator refrigerator
JP2014025652A (en) Cryogenic refrigerator
JP6320142B2 (en) Cryogenic refrigerator
US7213399B2 (en) Refrigerator comprising a regenerator
JP2003028526A (en) Cool storage unit and refrigerating machine
US20120011858A1 (en) Displacer valve for cryogenic refrigerator

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130218

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20131129

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20131210

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20140617