JP2013174394A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数の増加や外形寸法の大型化を招くことなくより効果的にディスプレーサを往復動させることができる極低温冷凍機を提供すること。
【解決手段】本発明による極低温冷凍機１は、シリンダ２と、シリンダ２に対して往復動が可能なディスプレーサ３と、ディスプレーサ３の往復動の方向に軸方向を有する回転軸４を駆動する駆動手段５と、回転軸４の回転を往復動に変換する変換手段と、を含み、変換手段は雄ネジ部３ａと雌ネジ部２ａを組み合わせてなる螺合手段であり、雄ネジ部３ａはディスプレーサ３の一部であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮装置から供給される高圧の冷媒ガスを用いて、サイモン膨張を発生させて極低温の寒冷を発生する極低温冷凍機に関する。

極低温冷凍機として例えば特許文献１に記載のものがある。この極低温冷凍機はディスプレーサをシリンダ内部で往復動させながらバルブの開閉を行う。これより極低温冷凍機は、膨張空間内の冷媒ガスをディスプレーサとシリンダとの間のクリアランスを通して膨張させて寒冷を発生させ、この寒冷をクリアランス及び膨張空間の外周側に位置する冷却ステージに熱交換により伝えて、被冷却物の冷凍を行う。

特開平３−８４３６８号公報

ところが、ディスプレーサを往復動させるにあたり、スコッチヨーク機構やボールネジ機構を用いる構成では、いずれも機構の複雑化を部品点数の増大を招き、外形寸法の大型化も招くという問題がある。特に、後者においては、モータをアキシャルギャップタイプとするかロータが中空状の特殊なものを使用するためコストアップを招く。

本発明は部品点数の増加や外形寸法の大型化、コストアップを招くことなくより効果的にディスプレーサを往復動させることができる極低温冷凍機を提供することを目的とする。

上記の問題を解決するため、本発明による極低温冷凍機は、
シリンダと、当該シリンダに対して往復動が可能なディスプレーサと、ディスプレーサの前記往復動の方向に軸方向を有する回転軸を駆動する駆動手段と、前記回転軸の回転を前記往復動に変換する変換手段と、を含み、当該変換手段は雄ネジ部と雌ネジ部を組み合わせてなる螺合手段であり、前記雄ネジ部又は前記雌ネジ部は前記ディスプレーサの一部であることを特徴とする。

ここで、前記雄ネジ部が前記ディスプレーサの外周面に形成され、前記雌ネジ部が前記シリンダの内周面に形成されることとしてもよく、前記雌ネジ部が前記ディスプレーサの高温端面から低温端に向けて窪む凹部に形成されることとしてもよい。

後者においては、前記雄ネジ部は前記回転軸に前記軸方向に相対移動可能に駆動結合された円筒部の外周面に構成されることとしてもよく、前記回転軸に直接的に形成されるものとしてもよい。前者においては、前記ディスプレーサと前記シリンダとの間に形成されるクリアランスに設置されるシールが、潤滑剤を含有する含有層と、当該含有層を前記軸方向に挟持する挟持層とを含むことが好ましい。

加えて、前記駆動手段は、前記シリンダと前記ディスプレーサとにより構成される膨張空間の吸気及び排気を制御するロータリバルブを駆動することとしてもよい。

本発明の極低温冷凍機によれば、駆動手段により回転軸を正回転、逆回転することによって回転を往復動に変換して、ディスプレーサを往復動させることができる。この際、螺合手段がディスプレーサの一部により構成され、駆動手段は通常のモータを使用できるので、部品点数の増大や外形寸法の大型化、コストアップを招かない。

本発明に係る実施例１の極低温冷凍機１の一実施形態について示す模式図である。 実施例１の極低温冷凍機１のシールの具体的形態を示す模式図である。 本発明に係る実施例２の極低温冷凍機２１の一実施形態について示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。

本実施例１の極低温冷凍機１は、例えば、冷媒ガスとしてヘリウムガスを用いるギフォードマクマホン（ＧＭ）タイプの冷凍機である。図１に示すように、極低温冷凍機１は、シリンダ２と、ディスプレーサ３と、モータシャフト４（回転軸）と、モータ５（駆動手段）と、スリーブ６と、ライブロード式パッキン７と、ハウジング８と、バルブプレート９と、バルブ本体１０と、ガス通路１１とを含んで構成される。

シリンダ２は有底円筒状に構成され、ディスプレーサ３を外包した上で、図１中頂部をハウジング８にて気密に閉塞される。図１中下部において、ディスプレーサ３と、シリンダ２とは膨張空間１２を形成する。図１中図示は省略するが、シリンダ２は、膨張空間１２に隣接するとともに外包するように位置する冷却ステージを含み、ディスプレーサ３は冷却ステージにクリアランスを介して対向する。冷却ステージは、例えば銅、アルミニウム、ステンレス等により構成される。

シリンダ２はディスプレーサ３を長手方向及びモータ５の軸方向に往復移動可能に収容する。シリンダ２には、強度、熱伝導率、ヘリウム遮断能の確保を主な観点として例えばステンレス鋼が用いられる。

シリンダ２の高温端には、ディスプレーサ３を往復駆動するためのモータ５が、ディスプレーサ３及びシリンダ２の軸方向に、モータシャフト４が指向するように設置される。ディスプレーサ３は円筒状の外周面を有しており、ディスプレーサ３の内部には、蓄冷材が充填されている。このディスプレーサ３の内部容積は蓄冷器を構成する。蓄冷器の上端側つまり室温室側にはヘリウムガスの流れを整流する上側の整流器が設けられ、蓄冷器の下端側には下側の整流器が設けられる。

ディスプレーサ３の高温端には、ディスプレーサ３の図１中上側の室温室からディスプレーサ３に冷媒ガスを流通する開口が形成されている。室温室は、シリンダ２とディスプレーサ３の高温端により形成される空間であり、ディスプレーサ３の往復移動に伴い容積が変化する。

モータ５とシリンダ２との軸方向の中間に位置するハウジング８内には、バルブプレート９及びバルブ本体１０により構成されるロータリバルブからなる吸排気系統が配置されている。給排気系統の一方には、図示しない圧縮機の高圧側から引き出される高圧フレキシブル配管ＨＦ、圧縮機の低圧側から引き出される低圧フレキシブル配管ＬＦとが接続され、他方には、給排共通配管をなすガス通路１１が室温室に接続されている。また、ディスプレーサ３の高温端よりの部分とシリンダ２との間にはライブロード式パッキン７が装着されている。

このライブロード式パッキン７は図２に示すように、シェブロン型パッキン７ａ（含有層：山形）、二つのパッキン７ｂ（挟持層）、グランド７ｃ、ボルト７ｄ、を含んで構成される。シェブロン型パッキン７ａは、相互に接触する傾斜面を有する断面が直角三角形の一対の紐状又は繊維状のエレメントにより構成されており、このエレメントは潤滑剤を含有している。

パッキン７ｂは上下一対配置されて、このシェブロン型パッキン７ａを軸方向に挟持するものである。図２中下側のパッキン７ｂは、シリンダ２の雄ネジ部３ａの高温端側に隣接させて設けられた隅部に配置され、このパッキン７ｂの上部にシェブロン型パッキン７ａが配置され、さらに、その上部に上側のパッキン７ｂが配置されて、さらに、スペーサの役目を果たすグランド７ｃが配置される。

グランド７ｃの上側にはハウジング８の壁部が配置されており、この壁部のハウジング８の内側から外側、つまり図２中上側から下側に貫通する雌ネジ孔が穿設されており、子の雌ネジ孔にボルト７ｄが螺合されている。このボルト７ｄの雄ネジ先端部はグランド７ｃの上面に当接されており、ボルト７ｄを雄ネジ孔へねじ込み雄ネジ先端部を下側に変位させると、一対のパッキン７ｂの挟持力が大きくなる。これに伴い、一対のシェブロン型パッキン７ａを構成するエレメントの有する傾斜面はより強い力で押圧され、内側のエレメントがディスプレーサ３の外周面により強い力で押圧され潤滑剤を供給しながらシールされる。

ディスプレーサ３の低温端には、膨張空間１２にクリアランスを介して冷媒ガスを導入する開口が形成されている。膨張空間１２は、上述したようにシリンダ２とディスプレーサ３により形成される空間であり、ディスプレーサ３の往復移動に伴い容積が変化する。シリンダ２外周及び底部の膨張空間１２に対応する位置する、被冷却物に熱的に接続された冷却ステージはクリアランスを通る冷媒ガスにより冷却される。

ディスプレーサ３には、比重と耐摩耗性、強度、熱伝導率の観点から、例えばベークライト（布入りフェノール）等が用いられる。蓄冷材は例えば金網等により構成される。ディスプレーサ３の高温端よりの外周面には雄ネジ部３ａが形成され、シリンダ２の内周面にはこの雄ネジ部３ａに螺合する雌ネジ部２ａが形成される。ディスプレーサ３の高温端面には、円筒状のスリーブ６が嵌合される嵌合穴が設けられ、この嵌合穴にスリーブ６は嵌合されて、スリーブ６はディスプレーサ３に対して周方向及び軸方向に固定される。

スリーブ６の外周面は例えばセレーション加工がなされており、バルブプレート９の内側にスリーブ６に対応する内周面を有する内孔が形成され、この内孔の内周面には対応するセレーション加工がなされる。バルブ本体１０の内側にはスリーブ６の最大径よりも大きい径を有する円筒状の内孔が形成される。つまり、スリーブ６はバルブ本体１０に対しては周方向及び軸方向に拘束されず、バルブプレート９に対しては軸方向には拘束されず周方向には拘束される。すなわちモータ５の正転駆動又は逆転駆動によりスリーブ６を介してバルブプレート９はバルブ本体１０に対して相対回転され、後述する冷凍機の動作に寄与するサプライバルブ及びリターンバルブとして機能する。

スリーブ６の内周面も例えばセレーション加工がなされており、モータシャフト４の外周面はこの内周面に対応させたセレーション加工がなされている。つまり、スリーブ６はモータシャフト４に対して軸方向には拘束されず、周方向には拘束される。

モータ５は例えば三相交流同期電動機で構成され、図示しないインバータにより正転又は逆転の駆動がなされる。モータ５が正転駆動された場合には、モータシャフト４が正転されてそれに駆動結合されたスリーブ６及びディスプレーサ３は正転される。ディスプレーサ３が正転されると、雄ネジ部３ａと雌ネジ部２ａとで構成される螺合手段により、ディスプレーサ３は、図１中上側の下死点から下側の上死点へ移動される。この際に、スリーブ６の下側への移動は、スリーブ６とモータシャフト４との間の相対移動により吸収される。これとは逆にモータ５が逆転駆動された場合には、図１中下側の上死点から下死点へ移動される。

次に、冷凍機の動作を説明する。冷媒ガス供給工程のある時点においては、ディスプレーサ３はシリンダ２の図１中下側の上死点に位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでロータリバルブが構成するサプライバルブが開とされると、サプライバルブを介して高圧のヘリウムガスがガス通路１１（給排共通配管）からシリンダ２内に供給され、ディスプレーサ３の上部に位置する開口からディスプレーサ３の内部の蓄冷器に流入する。蓄冷器に流入した高圧のヘリウムガスは、蓄冷材により冷却されながらディスプレーサ３の下部に位置する開口及びクリアランスを介して、膨張空間１２に供給される。

このようにして、膨張空間１２は、高圧のヘリウムガスで満たされ、サプライバルブは閉とされる。この時、ディスプレーサ３は、シリンダ２内の図１中上側の下死点に位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでロータリバルブが構成するリターンバルブを開とすると、膨張空間１２、の冷媒ガスは減圧され、膨張する。膨張により低温になった膨張空間１２のヘリウムガスはクリアランスを介して冷却ステージの熱を吸収する。

ディスプレーサ３は図１中下側の上死点に向けて移動し、膨張空間１２の容積は減少する。膨張空間１２内のヘリウムガスは、クリアランス、開口、蓄冷器、開口を介して圧縮機の吸入側に戻される。その際、蓄冷材は、冷媒ガスにより冷却される。この工程を１サイクルとし、冷凍機はこの冷却サイクルを繰り返すことで、冷却ステージを冷却する。

本実施例１の極低温冷凍機１においては、モータ５の駆動力のディスプレーサ３の上述した下死点と上死点との間の往復動への変換を、雄ネジ部３ａと雌ネジ部２ａとで構成される螺合手段により行うことができる。つまり本実施例１は、従来のスコッチヨーク機構やボールネジ機構をなくすことができる。前者に対してはモータ５の軸方向が鉛直方向にできるので、モータ５のモータシャフト４へのスラスト荷重が過大となることを防止できる利点を有する。また、後者に対してもモータ５を通常のモータとすることができ、コストダウンを図れる。さらに、螺合手段つまり変換手段はディスプレーサ３に対して軸方向にオーバーラップして位置する雄ネジ部３ａ、雌ネジ部２ａにより構成されるので、従来技術に対して特に軸方向の寸法の短縮や部品点数の削減を図ることができる。

また、螺合手段をディスプレーサ３の外周側の雄ネジ部３ａとシリンダ２の内周側の雌ネジ部２ａとで構成することで、本実施例１は、両者の密接な接触を前提としたネジ運動を実現するため、高温側から低温側へクリアランスを流れるヘリウムガスの漏れ量を小さくすることができる。また、漏れたヘリウムガスも螺旋状に流れることになるため、ディスプレーサ３の外周面との接触時間を長くして、クリアランスにおける流路抵抗を大きくすることができる。つまり、漏れによる冷却ステージへの熱浸入を減少することができる。

さらに、ディスプレーサ３とシリンダ２との径方向の隙間であるクリアランスをシールするにあたって、実施例１ではディスプレーサ３がシリンダ２の周方向に相対回転することとなるが、上述したライブロード式パッキン７によってより効率的にシールを行うことができる。特に周方向の相対回転に対する潤滑性を増して摩擦抵抗を減らすことができる。なお、シールは通常のＯリングつまりスリッパシール構造としてもよい。

上述した実施例１では螺合手段をディスプレーサ３の外周側に形成したが、内周側に形成してもよい。図３は本実施例２の極低温冷凍機２１を示す模式図である。なお、図１の実施例１と共通する構成要素については同一の符号を付し、相違点を主として説明する。

本実施例２の極低温冷凍機２１は、実施例１と同じくギフォードマクマホン（ＧＭ）タイプの冷凍機である。図３に示すように、極低温冷凍機２１は、シリンダ２２と、ディスプレーサ２３と、モータシャフト４（回転軸）と、モータ５（駆動手段）と、スリーブ６と、スリッパシール構造２７と、ハウジング８と、バルブプレート９と、バルブ本体１０と、ガス通路１１とを含んで構成される。

シリンダ２２は有底円筒状に構成され、ディスプレーサ２３を外包した上で、図３中頂部をハウジング８にて気密に閉塞される。図３中下部において、ディスプレーサ２３と、シリンダ２２とは膨張空間を形成する。図３中図示は省略するが、シリンダ２２は、膨張空間に隣接するとともに外包するように位置する冷却ステージを含み、ディスプレーサ２３は冷却ステージにクリアランスを介して対向する。冷却ステージは、例えば銅、アルミニウム、ステンレス等により構成される。

シリンダ２２はディスプレーサ２３を長手方向及びモータ５の軸方向に往復移動可能に収容する。シリンダ２２には、強度、熱伝導率、ヘリウム遮断能の確保を主な観点として例えばステンレス鋼が用いられる。

シリンダ２２の高温端には、ディスプレーサ２３を往復駆動するためのモータ５が、ディスプレーサ２３及びシリンダ２２の軸方向に、モータシャフト４が指向するように設置される。ディスプレーサ２３は円筒状の外周面を有しており、ディスプレーサ２３の内部には、蓄冷材が充填されている。このディスプレーサ２３の内部容積は蓄冷器を構成する。蓄冷器の上端側つまり室温室側にはヘリウムガスの流れを整流する上側の整流器が設けられ、蓄冷器の下端側には下側の整流器が設けられる。

ディスプレーサ２３の高温端には、ディスプレーサ２３の図３中上側の室温室からディスプレーサ２３に冷媒ガスを流通する開口が形成されている。室温室は、シリンダ２２とディスプレーサ２３の高温端により形成される空間であり、ディスプレーサ２３の往復移動に伴い容積が変化する。

モータ５とシリンダ２２との軸方向の中間に位置するハウジング８内には、図示しない圧縮機の高圧側から引き出される高圧フレキシブル配管ＨＦ、圧縮機の低圧側から引き出される低圧フレキシブル配管ＬＦ、バルブプレート９及びバルブ本体１０により構成されるロータリバルブからなる吸排気系統が配置されている。この吸排気系統を相互に接続する配管のうち、給排共通配管をなすガス通路１１が室温室に接続されている。

ディスプレーサ２３の低温端には、膨張空間にクリアランスを介して冷媒ガスを導入する開口が形成されている。膨張空間は、シリンダ２２とディスプレーサ２３により形成される空間であり、ディスプレーサ２３の往復移動に伴い容積が変化する。シリンダ２２外周及び底部の膨張空間に対応する位置する、被冷却物に熱的に接続された冷却ステージはクリアランスを通る冷媒ガスにより冷却される。

ディスプレーサ２３には、比重と耐摩耗性、強度、熱伝導率の観点から、例えばベークライト（布入りフェノール）等が用いられる。蓄冷材は例えば金網等により構成される。ディスプレーサ２３の高温端側には円板状のアッパーカップ２３ｂが配置される。スリッパシール構造２７は、アッパーカップ２３ｂよりも低温端側の外周面に設置される。

ディスプレーサ２３の高温端面の中心には低温端面に向けて窪む凹部が形成され、この凹部の内周面には雌ネジ部２３ａが形成される。スリーブ２６の外周面には雌ネジ部２３ａに対応する雄ネジ２６ａが形成される。

スリーブ２６の雄ネジ部２６ａよりも図３中上側に位置する外周面には例えばセレーション加工がなされており、バルブプレート９の内側にスリーブ２６に対応する内周面を有する内孔が形成され、この内孔の内周面には対応するセレーション加工がなされる。バルブ本体１０の内側にはスリーブ２６の最大径よりも大きい径を有する円筒状の内孔が形成される。

つまり、スリーブ２６はバルブ本体１０に対しては周方向及び軸方向に拘束されず、バルブプレート９に対しては軸方向には拘束されず周方向には拘束される。モータ５の正転駆動又は逆転駆動によりスリーブ２６を介してバルブプレート９はバルブ本体１０に対して相対回転され、冷凍機の動作に寄与するサプライバルブ及びリターンバルブとして機能する。

スリーブ２６の内周面も例えばセレーション加工がなされており、モータシャフト４の外周面はこの内周面に対応させたセレーション加工がなされている。つまり、スリーブ２６はモータシャフト４に対して軸方向には拘束されず、周方向には拘束される。

モータ５は例えば三相交流同期電動機で構成され、図示しないインバータにより正転又は逆転の駆動がなされる。モータ５が正転駆動された場合には、モータシャフト４が正転されてそれに駆動結合されたスリーブ２６は正転される。スリーブ２６が正転されると、雄ネジ部２６ａと雌ネジ部２３ａとで構成される螺合手段により、ディスプレーサ２３は、図３中上側の下死点から下側の上死点へ移動される。ここで、ディスプレーサ２３は螺合手段の周方向摩擦力に対して十分に重くスリーブ２６の回転に伴い連れ回りが発生して、シリンダ２２に対して周方向に回転することはない。なお、ディスプレーサ２３とシリンダ２２との周方向の相対回転をより確実に防止する例えばキー等の機構を適宜設けることも可能である。

この際に、スリーブ２６の下側への移動は、スリーブ２６とモータシャフト４との間の相対移動により吸収される。これとは逆にモータ５が逆転駆動された場合には、図３中下側の上死点から下死点へ移動される。冷凍機の動作については実施例１と同様である。

本実施例２の極低温冷凍機２１においても、モータ５の駆動力のディスプレーサ２３の上述した下死点と上死点との間の往復動への変換を、雄ネジ部２６ａと雌ネジ部２３ａとで構成される螺合手段により行うことができる。つまり本実施例２でも、従来のスコッチヨーク機構やボールネジ機構をなくすことができる。前者に対してはモータ５の軸方向が鉛直方向にできるので、モータ５のモータシャフト４へのスラスト荷重が過大となることを防止できる利点を有し、後者に対してもモータ５を通常のモータとすることができ、コストダウンを図れる。さらに、螺合手段つまり変換手段はディスプレーサ２３に対して軸方向にオーバーラップして位置する雄ネジ部２６ａ、雌ネジ部２３ａにより構成されるので、従来技術に対して特に軸方向の寸法の短縮や部品点数の削減を図ることができる。

以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。

例えば、上述した極低温冷凍機においては段数が一段である場合を示したが、この段数は二段、三段等に適宜選択することが可能である。この場合、螺合手段は一段目のみに構成すればよい。また、実施の形態では、極低温冷凍機がＧＭ冷凍機である例について説明したが、これに限られない。例えば、本発明は、スターリング冷凍機、ソルベイ冷凍機など、ディスプレーサを備える何れの冷凍機にも適用することができる。また、上死点、下死点の定義は上記と逆の定義としてもよい。

本発明は、ディスプレーサを往復動させるにあたりスコッチヨーク機構やボールネジ機構を用いる必要をなくすものである。つまり、本発明は、部品点数の増加や外形寸法の増大、コストアップを招かないため、種々の極低温冷凍機に適用可能なものである。

１ 極低温冷凍機
２ シリンダ
２ａ 雌ネジ部
３ ディスプレーサ
３ａ 雄ネジ部
４ モータシャフト（回転軸）
５ モータ（駆動手段）
６ スリーブ
７ ライブロード式パッキン（シール）
７ａ シェブロン型パッキン（含有層）
７ｂ パッキン（挟持層）
７ｃ グランド
７ｄ ボルト
８ ハウジング
９ バルブプレート
１０ バルブ本体
１１ ガス通路
１２ 膨張空間
２１ 極低温冷凍機
２２ シリンダ
２３ ディスプレーサ
２３ａ 雌ネジ部
２３ｂ アッパーカップ
２６ スリーブ（円筒部）
２６ａ 雄ネジ部
２７ スリッパシール構造

Claims (6)

1. シリンダと、当該シリンダに対して往復動が可能なディスプレーサと、ディスプレーサの前記往復動の方向に軸方向を有する回転軸を駆動する駆動手段と、前記回転軸の回転を前記往復動に変換する変換手段と、を含み、当該変換手段は雄ネジ部と雌ネジ部を組み合わせてなる螺合手段であり、前記雄ネジ部又は前記雌ネジ部は前記ディスプレーサの一部であることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記雄ネジ部が前記ディスプレーサの外周面に形成され、前記雌ネジ部が前記シリンダの内周面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記雌ネジ部が前記ディスプレーサの高温端面から低温端に向けて窪む凹部に形成されることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
4. 前記雄ネジ部は前記回転軸に前記軸方向に相対移動可能に駆動結合された円筒部の外周面に構成されることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機。
5. 前記ディスプレーサと前記シリンダとの間に形成されるクリアランスに設置されるシールが、潤滑剤を含有する含有層と、当該含有層を前記軸方向に挟持する挟持層とを含むことを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
6. 前記駆動手段は、前記シリンダと前記ディスプレーサとにより構成される膨張空間の吸気及び排気を制御するロータリバルブを駆動することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の極低温冷凍機。

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