JP2014025652A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】熱損失を抑制し冷凍性能の向上を図った極低温冷凍機を提供する。
【解決手段】シリンダ１２と、このシリンダ１２内に往復移動可能に収容されたディスプレーサ１４と、シリンダ１２の内周φ_ｓとディスプレーサ１４の外周φ_ｄとの間に形成されると共に冷媒ガスが流れる間隙４０と、ディスプレーサ１４の外周又はシリンダ１２の内周に形成された溝部３８とを有する極低温冷凍機であって、溝部３８の体積をＶ_ｄとし、間隙４０の体積をＶ_ｇとしたとき、溝部３８の体積Ｖ_ｄと間隙４０の体積Ｖ_ｇとの体積比（Ｖ_ｄ／Ｖ_ｇ）を８以上７５以下（８≦（Ｖ_ｄ／Ｖ_ｇ）≦７５）とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、外周に溝が形成されたディスプレーサを有する極低温冷凍機に関する。

一般に、１５Ｋ以下の極低温を実現できる極低温冷凍機として、ギフォードマクマホン（ＧＭ）サイクル冷凍機、スターリングサイクル冷凍機等のディスプレーサを有した冷凍機が知られている。

例えば、ＧＭ冷凍機を例に挙げると、ディスプレーサはシリンダ内に往復移動可能に設けられており、またシリンダ内の低温端には膨張空間が形成されると共に、高温端には室温空間が設けられている。また、ディスプレーサ内には冷媒ガス（ヘリウムガス）が流れるガス流路が設けられると共に、このガス流路内には蓄冷材が充填されている。このガス流路は、膨張空間と室温空間を連通している。

ガス供給時においては、圧縮機より高温端側である室温空間に冷媒ガスが供給され、この高圧の冷媒ガスはディスプレーサ内のガス流路を通って膨張空間に導入される。また、ガス回収時においては、膨張空間内の冷媒ガスは、同一経路を通って圧縮機に回収される。

上記構成において、ディスプレーサの往復動及び冷媒ガスの供給と回収のタイミングを適宜設定することにより膨張空間内で寒冷が発生する。この寒冷が発生することにより冷却された冷媒ガスは、ガス回収時において膨張空間から圧縮機に回収されるときにディスプレーサ内の蓄冷材を冷却する。また、ガス供給時においては、蓄冷材により冷却された上で冷媒ガスは膨張空間に導入される。

ところで、シリンダとディスプレーサとの間には、ディスプレーサを往復移動させるために間隙が形成されている。しかしながら冷媒ガスがこの間隙を通り、室温空間と膨張空間との間で直接流れると、蓄冷材による冷却が行われないため冷却効率が低下してしまう。これを防止する方法としては、シリンダとディスプレーサとの間の隙間に冷媒ガスの流れを防止するシール機構を設けることが考えられる。このシール機構としては、一般にＯリングが用いられている。

しかしながら、この種のシール機構では経時劣化によりシール性が低下するおそれがあり、この場合には所望の冷凍能力を発揮できなくなる。そこで、Ｏリング等のシール機構に代えてディスプレーサの外周面上に螺旋溝を形成することが提案されている（特許文献１）。

特許第２６５９６８４号公報

シール機構に代えてディスプレーサの外周面上に螺旋溝を形成することにより、ある程度の熱損失を低減でき、冷凍性能は向上するものの、更に冷凍性能の高い冷凍機が求められている。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、熱損失を抑制し冷凍性能の向上を図った極低温冷凍機を提供することを目的とする。

上記の課題は、第１の観点からは、
シリンダと、
該シリンダ内に往復移動可能に収容されたディスプレーサと、
前記シリンダの内周と前記ディスプレーサの外周との間に形成されると共に冷媒ガスが流れる間隙と、
前記ディスプレーサの外周又は前記シリンダの内周の少なくとも一方に形成された凹部を有する極低温冷凍機であって、
前記凹部の体積をＶ_ｄとし、前記間隙の体積をＶ_ｇとしたとき、前記凹部の体積Ｖ_ｄと前記間隙の体積Ｖ_ｇとの体積比（Ｖ_ｄ／Ｖ_ｇ）を８以上７５以下（８≦（Ｖ_ｄ／Ｖ_ｇ）≦７５）としたことを特徴とする極低温冷凍機により解決することができる。

開示の極低温冷凍機によれば、熱損失が抑制され冷凍性能の向上を図ることができる。

図１は、本発明の一実施形態である極低温冷凍機の概略構成図である。 図２は、本発明の一実施形態である極低温冷凍機の第２段目ディスプレーサの部分断面図である。 図３は、全体に溝部が形成されたディスプレーサにおける、溝部の体積と間隙の体積との比を説明するための図である。 図４は、一部に溝部が形成されたディスプレーサにおける、溝部の体積と間隙の体積との比を説明するための図である。 図５は、溝部の体積と間隙の体積との比と冷凍性能との関係を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１は、本発明の一実施形態であるディスプレーサを有した極低温冷凍機を示している。本実施形態では、ディスプレーサを有する極低温冷凍機としてギフォードマクマホン式冷凍機１（以下、ＧＭ式冷凍機という）を例に挙げて説明する。しかしながら、本発明の適用はＧＭ式冷凍機に限定されるものではなく、スターリングサイクル冷凍機等のディスプレーサを有した他の極低温冷凍機に対しても適用が可能なものである。

本実施形態に係るＧＭ式冷凍機１は、２段式のＧＭ冷凍機である。このＧＭ式冷凍機１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、及び蓄冷材１７，１８等を有した構成とされている。

圧縮機１０は、冷媒ガス（ヘリウムガス）を圧縮することにより、高圧冷媒ガスを生成する。この高圧冷媒ガスは、供給弁Ｖ１、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。

第１段目シリンダ１１の下部には、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の内部には第１段目ディスプレーサ１３が図中上下方向に移動可能に収容されており、第２段目シリンダ１２の内部には第２段目ディスプレーサ１４が図中上下方向に移動可能に収容されている。また、第１段目シリンダ１１の上端からは軸部材Ｓ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。

第１段目ディスプレーサ１３の上端部と第１段目シリンダ１１の上部との間には室温空間２５が形成され、第１段目ディスプレーサ１３の下端部と第１段目シリンダ１１の底部との間には第１段目膨張空間２１が形成されている。また、第２段目ディスプレーサ１４の下端部と第２段目シリンダ１２の底部との間には第２段目膨張空間２２が形成されている。

第１段目ディスプレーサ１３の内部には空間部１３ａが形成されており、この空間部１３ａ内には第１段目蓄冷材１７が充填されている。また、第１段目ディスプレーサ１３の高温端側には、室温空間２５と空間部１３ａを連通するガス流路２３ａが形成されている。更に、第１段目ディスプレーサ１３の低温端側には、空間部１３ａと第１段目膨張空間２１を連通するガス流路２３ｂが形成されている。よって、室温空間２５と第１段目膨張空間２１は、ガス流路２３ａ，空間部１３ａ，及びガス流路２３ｂを介して連通されている。

第２段目ディスプレーサ１４の内部には空間部１４ａが形成されており、この空間部１４ａ内には第２段目蓄冷材１８が充填されている。また、第２段目ディスプレーサ１４の高温端側には、第１段目膨張空間２１と空間部１４ａを連通するガス流路２４ａが形成されている。更に、第２段目ディスプレーサ１４の低温端側には、空間部１４ａと第２段目膨張空間２２とを連通するガス流路２４ｂが形成されている。よって、第１段目膨張空間２１と第２段目膨張空間２２は、ガス流路２４ａ，空間部１４ａ，及びガス流路２４ｂを介して連通されている。

更に、第１段目シリンダ１１の下部には、第１段目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の下部には第２段目ヒートステーション２０が熱的に結合している。

上記構成とされたＧＭ式冷凍機１において、供給弁Ｖ１を開くと共に排気弁Ｖ２を閉じると、高圧冷媒ガスは圧縮機１０から供給弁Ｖ１及びガス流路１６を介して室温空間２５内に供給される。続いて高圧冷媒ガスは、ガス流路２３ａ，第１段目蓄冷材１７，及びガス流路２３ｂを通って第１段目膨張空間２１に供給される。

第１段目膨張空間２１の高圧冷媒ガスは、更にガス流路２４ａ，第２段目蓄冷材１８，及びガス流路２４ｂを通って第２段目膨張空間２２に供給される。なお、ガス流路２３ａ、２４ａ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、実際の構造とは異なる。

一方、供給弁Ｖ１が閉じ、排気弁Ｖ２が開いたときには、高圧冷媒ガスは上記した供給時の経路と逆経路をたどって圧縮機１０に回収される。

次に、上記構成とされたＧＭ式冷凍機１の動作について説明する。

ＧＭ式冷凍機１の動作時においては、駆動用モータＭの回転によって第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は図中矢印で示すように上下方向に往復移動される。

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が、下死点或いはその近傍の位置にあるときに供給弁Ｖ１が開かれる。これにより高圧冷媒ガスは、上記のように第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２の内部に供給される。

この高圧冷媒ガスの供給を維持しつつ、駆動用モータＭにより第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を上動させる。これにより、第１段目膨張空間２１及び第２段目膨張空間２２は、各シリンダ１１，１２内における冷媒ガスの高圧状態を維持しつつその容積が増大する。

そして、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が、上死点或いはその近傍の位置に達した時点で、供給弁Ｖ１は閉じられ、排気弁Ｖ２が開かれる。これにより、第１段目膨張空間２１及び第２段目膨張空間２２内の高圧冷媒ガスは断熱膨張を行い、よって第１段目膨張空間２１及び第２段目膨張空間２２内に寒冷が発生する。

膨張することにより低圧となった冷媒ガスは、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の下動に伴い、第２段目ディスプレーサ１４に配設された第２段目蓄冷材１８内、及び第１段目ディスプレーサ１３に配設された第１段目蓄冷材１７内を通過して圧縮機１０に回収される。この際、寒冷発生により低温化した冷媒ガスは、各蓄冷材１７，１８内の通過時にこれを冷却する。

従って、次の供給工程において圧縮機１０から各膨張空間２１，２２に高圧冷媒ガスが供給される際、高圧冷媒ガスは各蓄冷材１７、１８内を通過することにより冷却が行われる。よって、蓄冷材１７、１８を設けることにより、ＧＭ式冷凍機１の冷凍性能を向上させることができる。

図２は、図１に示したＧＭ式冷凍機１の第２段目ディスプレーサ１４を拡大して示している。第２段目ディスプレーサ１４は、本体部となる筒状部材３０を有している。この筒状部材３０は、その上下端が開放された円筒状形状とされている。

また、筒状部材３０の下端には、布入りフェノール等で形成された蓋部材３１が挿入接着され、その上に金網３２が配置され、更にその上にフェルト栓３３が配置されている。筒状部材３０の金網３２の高さの位置には、ガス流路２４ｂを形成する開口３７が設けられている。

また、フェルト栓３３の上には、蓄冷材１８が充填される。蓄冷材１８の上にはフェルト栓３４が配置され、フェルト栓３４の上にはパンチングメタル３５が配置される。パンチングメタル３５は、筒状部材３０の内面上部に円周に沿って設けられた段差により固定されている。筒状部材３０の上端には、前記した第１段目ディスプレーサ１３と結合するための結合機構３６が取り付けられている。

また、第２段目ディスプレーサ１４を構成する筒状部材３０の外周面には、凹部が形成されている。本実施形態では、この凹部として螺旋状の溝部３８を形成した構成としている。この溝部３８は、筒状部材３０の高温側から低温側まで略全体に亘り形成する構成としても、また筒状部材３０の一部分に形成する構成としてもよい。

また、溝部３８の形状も本実施形態のような螺旋形状に限定されるものではなく、第２段目ディスプレーサ１４の軸方向に対して直交するような環状溝を複数形成した構成としてもよい。更に、凹部の形状は溝に限定されず、窪み部等を形成した構成とすることも可能である。

第２段目ディスプレーサ１４を構成する筒状部材３０の外径は、第２段目シリンダ１２の内径に比べて若干小さく設定されている。よって、第２段目シリンダ１２と第２段目ディスプレーサ１４との間には、間隙４０が形成される。

これについて、図３及び図４を用いて説明する。図３及び図４は、図１に示した第２段目シリンダ１２及び第２段目ディスプレーサ１４を模式的に示したものである。図３は第２段目ディスプレーサ１４の全体に溝部３８が形成された例を示し、図４は第２段目ディスプレーサ１４の一部に溝部３８が形成された例を示している。

前記のように、第２段目ディスプレーサ１４の外径φ_ｄ（以下、ディスプレーサ外周φ_ｄという）は、第２段目シリンダ１２の内径φ_ｓ（以下、シリンダ内周φ_ｓという）に比べて若干小さく設定されている（φ_ｄ＜φ_ｓ）。よって、第２段目シリンダ１２と第２段目ディスプレーサ１４との間には、間隙４０が形成される。

この間隙４０は、第２段目ディスプレーサ１４の外周に形成された間隙４０と接している。また、第２段目シリンダ１２と第２段目ディスプレーサ１４との間には、Ｏリング等のシール機構は設けられていない。

よって、圧縮機１０から冷媒ガスが第２段目膨張空間２２に向け供給される際、及び第２段目膨張空間２２から圧縮機１０に向け冷媒ガスが回収される際に、冷媒ガスは第２段目ディスプレーサ１４の内部に形成された第２段目蓄冷材１８（空間部１４ａ）を通る正規のガス流路（以下、この流路を主流路という）と、間隙４０を通るガス流路（以下、この流路を副流路という）の双方を分岐して流れることとなる。

具体的には、冷媒ガスが圧縮機１０から第２段目膨張空間２２に向けて供給される場合には、副流路を構成する間隙４０を流れる冷媒ガスは、第２段目ディスプレーサ１４の外周面に形成された溝部３８（螺旋溝）に入り込み、溝部３８内に存在する冷媒ガスと混合される。

第２段目ディスプレーサ１４は内設された第２段目蓄冷材１８により冷却されており、よって溝部３８内に存在する冷媒ガスも冷却されている。間隙４０から溝部３８内に入り込んだ冷媒ガスは、溝部３８内の冷媒ガスと混合されることにより冷却される。そして、溝部３８で冷却された冷媒ガスは、再び溝部３８から間隙４０に戻り第２段目膨張空間２２に供給される。

一方、第２段目膨張空間２２で断熱膨張され温度低下された冷媒ガスが圧縮機１０に回収される場合にも、副流路を構成する間隙４０を流れる冷媒ガスは、溝部３８に入り込み、溝部３８内に存在する冷媒ガスと混合される。溝部３８内の冷媒ガスは、断熱膨張されることにより低温化した冷媒ガスと混合されることにより冷却される。

これにより、第２段目ディスプレーサ１４は冷却され、内設された蓄冷材１８も冷却される。そして、溝部３８内で熱交換された冷媒ガスは間隙４０に戻り、第１段目膨張空間２１に供給される。

上記のように第２段目ディスプレーサ１４の外周面に一定の溝体積を有した溝部３８（凹部）を形成することにより、溝部３８内に冷媒ガスを存在させることができる。この溝部３８内の冷媒ガス量を、間隙４０を流れてくる冷媒ガスのガス量に対して所定の範囲内にすることで、間隙４０を流れてくる冷媒ガスがこの間隙４０内に存在する冷媒ガスと良好に混合し熱交換を行うことができる。

よって、第２段目ディスプレーサ１４に溝部３８を設けることにより、ディスプレーサに溝部を設けず各膨張空間間で冷媒ガスが直通してしまう構成に比べ、熱損失を小さくすることができる。

しかしながら、間隙４０の体積及び溝部３８の体積が変化すると、間隙４０を流れる冷媒ガスと溝部３８内の冷媒ガスとの混合状態が変化し、各冷媒ガス間における熱交換性に変化が生じることが考えられる。

そこで、本発明者は、溝部３８の体積Ｖ_ｄと間隙４０の体積Ｖ_ｇとの体積比（Ｖ_ｄ／Ｖ_ｇ）に注目し、これを変化させた場合において、ＧＭ式冷凍機１が実現できる冷凍温度を求める実験を行った。

間隙４０の体積Ｖ_ｇは、第２段目ディスプレーサ１４の長さをＬ_ｇとすると、間隙４０はディスプレーサ外周φ_ｄ及びシリンダ内周φ_ｓに比べて非常に小さいため、下式により求めることができる。なお、図４に示すように、溝部３８の形成範囲が第２段目ディスプレーサ１４の全範囲でないような場合であっても、長さＬ_ｇは第２段目ディスプレーサ１４の全体の長さとする。
Ｖ_ｇ＝(φ_s−φ_d)/2×π×φ_s×Ｌ_ｇ
また、溝部３８の体積Ｖ_ｄは、溝部３８の断面積をＳ_ｄとし、溝長さをＬ_ｄとすると下式から求めることができる。
Ｖ_ｄ＝Ｓ_ｄ×Ｌ_ｄ
よって、溝部３８の体積Ｖ_ｄと間隙４０の体積Ｖ_ｇとの体積比（Ｖ_ｄ／Ｖ_ｇ）は下式により求めることができる。
（Ｖ_ｄ／Ｖ_ｇ）＝(Ｓ_ｄ×Ｌ_ｄ)/｛(φ_s−φ_d)/2×π×φ_s×Ｌ_ｇ｝
図５は、上記した体積比（Ｖ_ｄ／Ｖ_ｇ）を変化させた場合において、ＧＭ式冷凍機１が実現できる冷凍温度を求める実験を行った結果を示している。なお、図５において、横軸は溝部３８の体積Ｖ_ｄと間隙４０の体積Ｖ_ｇとの体積比（Ｖ_ｄ／Ｖ_ｇ）であり、縦軸は実現できた冷凍温度である。

図５に示すように、ＧＭ式冷凍機１において最も良好な性能が得られているときの冷却温度は3.85Ｋであった。また、この最良な性能が得られる体積比の範囲は、１６≦（Ｖ_ｄ／Ｖ_ｇ）≦５４であった。更に、冷却温度が3.85Ｋ程度であるときの５％劣化程度が最低限冷凍機としての性能を維持するために必要な能力であるので、体積比の範囲を８≦（Ｖ_ｄ／Ｖ_ｇ）≦７５の範囲に設定することにより、冷凍性能を良好に保つことが可能となる。

従って、図５に示す実験結果より、体積比（Ｖ_ｄ／Ｖ_ｇ）を８以上７５以下に設定することにより、溝部３８の体積と間隙４０の体積（即ち、副流路の体積）の最適化を図ることができ、ＧＭ式冷凍機１を効率の高い状態で稼動できることが実証された。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能なものである。

上記の実施の形態では、ディスプレーサの外周面に凹部を設ける構成について説明したが、シリンダの内周面に凹部を設けても良く、又、ディスプレーサの外周面とシリンダの内周面の両方に凹部を設ける構成としてもよい。

１ ＧＭ式冷凍機
１０ 圧縮機
１１ 第１段目シリンダ
１２ 第２段目シリンダ
１３ 第１段目ディスプレーサ
１４ 第２段目ディスプレーサ
１５ クランク機構
１６ ガス流路
１７，１８ 蓄冷材
１９ 第１段目ヒートステーション
２０ 第２段目ヒートステーション
２１ 第１段目膨張空間
２２ 第２段目膨張空間
２３，２３ａ，２３ｂ ガス流路
２４，２４ａ，２４ｂ ガス流路
２５ 室温空間
３０ 筒状部材
３６ 結合機構
３７ 開口
３８ 螺旋状ガス流路
４０ 間隙
Ｍ 駆動用モータ
Ｖ１ 供給弁
Ｖ２ 排気弁
φ_ｓ シリンダ内周
φ_ｄ ディスプレーサ外周
Ｌ_ｇ ディスプレーサ長さ

１ ＧＭ式冷凍機
１０ 圧縮機
１１ 第１段目シリンダ
１２ 第２段目シリンダ
１３ 第１段目ディスプレーサ
１４ 第２段目ディスプレーサ
１５ クランク機構
１６ ガス流路
１７，１８ 蓄冷材
１９ 第１段目ヒートステーション
２０ 第２段目ヒートステーション
２１ 第１段目膨張空間
２２ 第２段目膨張空間
２３，２３ａ，２３ｂ ガス流路
２４，２４ａ，２４ｂ ガス流路
２５ 室温空間
３０ 筒状部材
３６ 結合機構
３７ 開口
３８ 螺旋状ガス溝部
４０ 間隙
Ｍ 駆動用モータ
Ｖ１ 供給弁
Ｖ２ 排気弁
φ_ｓ シリンダ内周
φ_ｄ ディスプレーサ外周
Ｌ_ｇ ディスプレーサ長さ

Claims (5)

1. シリンダと、
   該シリンダ内に往復移動可能に収容されたディスプレーサと、
   前記シリンダの内周と前記ディスプレーサの外周との間に形成されると共に冷媒ガスが流れる間隙と、
   前記ディスプレーサの外周又は前記シリンダの内周の少なくとも一方に形成された凹部を有する極低温冷凍機であって、
   前記凹部の体積をＶ_ｄとし、前記間隙の体積をＶ_ｇとしたとき、前記凹部の体積Ｖ_ｄと前記間隙の体積Ｖ_ｇとの体積比（Ｖ_ｄ／Ｖ_ｇ）を８以上７５以下（８≦（Ｖ_ｄ／Ｖ_ｇ）≦７５）としたことを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記凹部は溝であることを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍機。
3. 前記凹部は、螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の極低温冷凍機。
4. 前記ディスプレーサは、内部に前記冷媒ガスが流れる主流路が形成され、
   前記間隙及び前記凹部は、前記ディスプレーサの外周で前記冷媒ガスが流れる副流路を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の極低温冷凍機。
5. 前記凹部は前記ディスプレーサの外周面又は前記シリンダの内周面の少なくとも一方の一部に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の極低温冷凍機。

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