JP3851929B2

JP3851929B2 - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JP3851929B2
Application number: JP2002151592A
Authority: JP
Inventors: 悦治川口; 富雄西谷; 善生丸野; 裕充浦
Original assignee: Iwatani Industrial Gases Corp
Current assignee: Iwatani Industrial Gases Corp
Priority date: 2002-04-17
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2022-04-17
Also published as: JP2003314918A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２段構成で極低温を得るのに適した極低温冷凍機に関し、特に第２ディスプレーサのシール構造を改善した極低温冷凍機に関する。
【０００２】
この種の極低温冷凍機は以下の基本構成を備えている（図２参照）。ここで図２（Ａ）は極低温小型冷凍機の概要を示す縦断面図、図２（Ｂ）はその冷凍機の作動工程図であり、図２（Ｂ）中の符号Ｖは後述する膨張室の容積を、Ｐはその膨張室内の圧力を、１〜４は作動工程順を、それぞれ示す。
【０００３】
この種の極低温冷凍機は、第１ディスプレーサ３を内蔵する第１シリンダ１と、上記第１ディスプレーサ３と連動する第２ディスプレーサ４を内蔵する第２シリンダ２とが直列に形成されている。上記第１、２ディスプレーサ３、４は駆動手段１０により往復動されるように構成されており、上記第１シリンダ１のガス出入口５と圧縮機８との間に、切換弁７を備えてなるガス通路６が介装されている。そして、圧縮機８で圧縮された冷媒ガスがガス出入口５に流入すると共に、ガス出入口５に流入した冷媒ガスは第１ディスプレーサ３内、第１シリンダ下部の第１膨張室１１内、第２ディスプレーサ４内、第２シリンダ下部の第２膨張室１２の順に流入するように構成されている。
【０００４】
この極低温冷凍機は、以下のように４つの工程で作動する。工程１で各ディスプレーサ３，４が上方へ移動する。工程２で上記切換弁７が減圧側に切り換えられ、各シリンダ１，２の膨張室１１，１２内は低圧になり、断熱膨張により冷媒ガスの温度が低下する。工程３で各ディスプレーサ３，４が下方へ移動する。
工程４で上記切換弁７が圧縮側に切り換えられ、各シリンダ１，２の膨張室１１，１２内は高圧になる。この運転サイクルは反復して実行され、運転サイクルの反復により冷却が進むこととなる。
【０００５】
ところで、上記極低温冷凍機において、所望の冷凍性能を得るためには、上記各シリンダと各ディスプレーサとの間のシール機構が重要である。このような極低温冷凍機の第２ディスプレーサシール機構としては、例えば、特開平７−３２４８３１号公報に開示されている。
【０００６】
以下、上記従来例に係る極低温冷凍機を、その要部の縦断断面図の図６を参照しながら説明する。即ち、第２ディスプレーサ４の外周面に螺旋溝１６が周設されている。そして、第１シリンダ下部の第１膨張室１１と第２シリンダ下部の第２膨張室１２とは、第２ディスプレーサ４内に形成された冷媒ガス通路１５と、上記螺旋溝１６とで連通しており、この螺旋溝１６を介して一定量の冷媒ガスを流すように構成されている。なお、図６中における第２シリンダ２及び第２ディスプレーサ４を構成する本体１３はステンレス製の筒体により構成され、その本体１３の外周に、耐摩耗性樹脂筒体１４（例えば、ＰＴＦＥ）が外装されており、上記螺旋溝１６はその、耐摩耗性樹脂筒体１４に周設されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例において、所望の冷凍性能を得るためには、例えば第２シリンダと第２ディスプレーサとの間隙（クリアランス）と、２段温度との関係説明図の図３（Ｂ）に示すように、第２シリンダと第２ディスプレーサとのクリアランスを所定の狭い範囲内に設定する必要がある。そのため、製造時の品質管理が容易でなく、コストが高くつくという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、上記クリアランスの範囲が従来例よりも広く設定されているにもかかわらず冷凍性能が優れ、品質管理が容易なディスプレーサを備えた極低温冷凍機を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、本発明の請求項１に係る極低温冷凍機は、第１ディスプレーサ３を内蔵する第１シリンダ１と、上記第１ディスプレーサ３と連動する第２ディスプレーサ４を内蔵する第２シリンダ２とが直列に形成され、上記第１、２ディスプレーサ３，４を往復動させる駆動手段１０が設けられ、上記第１シリンダ１のガス出入口５と圧縮機８との間に、切換弁７を備えてなるガス通路６が介装されるとともに、圧縮時には圧縮機８からガス出入口５に流入する冷媒ガスが第１ディスプレーサ３内、第１シリンダ下部の第１膨張室１１内、第２ディスプレーサ４内、第２シリンダ下部の第２膨張室１２の順に流入する一方、減圧時には冷媒ガスが逆順路を経て上記ガス出入口５から流出するように構成された極低温冷凍機において、上記第２ディスプレーサ４の第１シリンダ寄りの基端側部分４ａに、この第２ディスプレーサ４のストローク範囲以上の寸法Ｌのクリアランスシール機構を形成し、この第２ディスプレーサ４の上記クリアランスシール機構を除く残余部分４ｂの外周に螺旋溝１６を周設したことを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項２に係る極低温冷凍機は、請求項１に記載の極低温冷凍機において、上記第２ディスプレーサ（４）の外周面に耐摩耗性樹脂層（１４）を形成させるとともに、上記螺旋溝（１６）の開口溝幅（ｃ）を、この螺旋溝（１６）の最大溝幅（ｂ）よりも狭くしたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項３に係る極低温冷凍機は、請求項１又は２のうちの何れか１つの項に記載の極低温冷凍機において、上記螺旋溝１６の断面積を、上記クリアランスシール機構側よりも先端側を相対的に大きくしたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形熊に係る極低温冷凍機を、極低温冷凍機がギフォード・マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）である場合を例として、添付図面を参照しつつ説明する。図１（Ａ）は本発明の実施の形態に係るＧＭ冷凍機の要部の縦断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）中の要部の拡大図である。なお、主要構成は、図２に示す従来例と同等であるから、主要構成については図２も参照することとする。
【００１３】
先ず、ＧＭ冷凍機の全体構成を説明する。即ち、第１ディスプレーサ３を内蔵する第１シリンダ１の下部に、上記第１ディスプレーサ３の連結ピン２０により連結された第２ディスプレーサ４を内蔵する第２シリンダ２の上端が固着されて一体形成されている。上記第１ディスプレーサ３は駆動手段１０で往復動され、この第１ディスプレーサ３に連動して第２ディスプレーサ４も往復動されるように構成されている。上記第１シリンダ１のガス出入口５と圧縮機８との間には、切換弁７を備えたガス通路６が介装されている。つまり、このガス通路６は、切換弁７の切り換えにより、圧縮機８から吐出される冷媒ガスをガス出入口５に流入させ、逆にこのガス出入口５から戻される冷媒ガスを圧縮機８のガス吸込口に戻すものである。
【００１４】
冷媒ガスの圧縮時には、圧縮機８からガス出入口５に流入する冷媒ガスが第１ディスプレーサ３内、第１シリンダ下部の第１膨張室１１内、第２ディスプレーサ４内、第２シリンダ下部の第２膨張室１２の順に流入する。一方、冷媒ガスの減圧時には、冷媒ガスが逆順路を経て上記ガス出入口５から流出する。このような冷媒ガスの圧縮、減圧は駆動手段１０による第１、２ディスプレーサ３，４の往復動により行われ、このような反復運転によって、極低温（４Ｋ）が得られるようになっている。
【００１５】
上記第１シリンダ１、第１ディスプレーサ３、第２シリンダ２、及び第２ディスプレーサ４を構成する筒体は、何れも腺膨張が等しいステンレス鋼で構成されている。各ディスプレーサ３，４の内部には空間状のガス通路１５が形成されており、そしてこれらガス通路１５には蓄冷材２５が充填されている。蓄冷材２５としては、ステンレス金網、銅金網、鉛球などが用いられ、そして特に高い冷却性能が求められる第２ディスプレーサ４用の蓄冷材２５には磁性材料が用いられている。
【００１６】
なお、図２において、第１ディスプレーサ３の上部で冷媒ガス通路１５と第１シリンダ１内とを連通させるポートは冷媒ガスのガス出入口２１であり、下部で冷媒ガス通路１５と第１膨張室１１とを連通させるポートは冷媒ガスのガス出入口２２である。また、第２ディスプレーサ４の上部で冷媒ガス通路１５と第２シリンダ２内とを連通させるポートは冷媒ガスのガス出入口２３であり、下部で冷媒ガス通路１５と第２膨張室１２とを連通させるポートは冷媒ガスのガス出入口２４である。また、第１シリンダ１の下部に外嵌され、下部にフランジを備えた筒体は冷熱取出部２６であり、第２シリンダ２の下部に外嵌され、下部にフランジを備えた筒体は冷熱取出部２７である。また、図１において、第２ディスプレーサ４の上端に嵌着されてなるものは上記ガス出入口２３が設けられた止端部材２８であり、下端に嵌着されてなるものは上記ガス出入口２４が設けられた止端部材２９である。さらに、上記止端部材２８の下部に組込まれてなるものはパンチングメタル３０であり、上記止端部材２９の上部に組込まれてなるものは金網３１、フェルト材３２である。
【００１７】
以下、本実施の形態１に係るＧＭ冷凍機の特徴をなす構成を説明する。
即ち、図１（Ａ）に示すように、第２ディスプレーサ４の第１シリンダ寄りの基端側部分４ａに、この第２ディスプレーサ４のストローク範囲以上の寸法Ｌのクリアランスシール機構を形成した。そして、この第２ディスプレーサ４の上記クリアランスシール機構を除く残余部分４ｂの外周に螺旋溝１６を周設した。この螺旋溝１６は、図６との比較において良く理解されるように、第２ディスプレーサ４が上昇した場合、従来例では螺旋溝が第１シリンダ１の第１膨張室１１内に位置するのに対して、必ず第２シリンダ２側に位置するように構成してある。
【００１８】
これは、第２シリンダ２と第２ディスプレーサ４とのクリアランスを従来例よりも大きく設定しても、所要の冷凍性能を得ることを狙いとしたものである。
冷凍機能を向上させることができるのは、第２ディスプレーサ４のストローク範囲以上の寸法Ｌのクリアランスシール機構により、第２ディスプレーサ４の基端側部分４ａのシール性能が向上する。これに加えて、螺旋溝１６に流れる冷媒ガスが第２ディスプレーサ４の先端側から基端側部分４ａの方向に流れ、螺旋溝１６と冷媒ガスの間の生じるサーフェイスヒートポンピング作用（第２ディスプレーサ４の先端側から基端側部分へ熱を運ぶ作用）が向上する。そのため、第２シリンダ２と第２ディスプレーサ４とのクリアランスの範囲を従来例より広く設定しても、所望の冷凍性能を得ることができる。従って、製造時の品質管理が容易になり、極低温冷凍機を低コストで製造することができる。
【００１９】
【実施例】
以下、上記実施の形態１に係る実施例を、図１と、第２シリンダと第２ディスプレーサとのクリアランスと２段温度との関係説明図の図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を参照して説明する。なお、図３（Ａ）は本実施例に係る第２シリンダと第２ディスプレーサとのクリアランスと２段温度（Ｋ）との関係説明図であり、図３（Ｂ）は従来例に係る第２シリンダと第２ディスプレーサとのクリアランスと２段温度（Ｋ）との関係説明図であり、図３（Ｃ）は第２シリンダと全体にクリアランスシール機構が形成されている第２ディスプレーサとのクリアランスと２段温度（Ｋ）との関係説明図である。
【００２０】
本実施例に係る第２ディスプレーサ４の外周面に、４フッ化エチレン樹脂系材料からなる、厚さ３０μｍの耐摩耗性樹脂層１４が形成されている。第２ディスプレーサ４の残余部分４ｂに周設された螺旋溝１６の上端は、基端側部分４ａの下端と接する部位に周設されたリング溝１７に連通している。上記リング溝１７は、螺旋溝１６の加工を容易にするために設けたものであり、必ずしも設ける必要がないものである。そして、螺旋溝１６のピッチ２ｂ、溝幅ｂ、溝深さｄは、それぞれ実質的に４ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍに設定されている。
【００２１】
従来例の場合には、図３（Ｂ）に示すように、クリアランスが所定の値から外れると２段温度（Ｋ）が急激に悪化するため、極めて厳しい品質管理が必要であるということが分かる。それに対して、本実施例の場合には、図３（Ａ）に示すように、ある大きなクリアランス範囲においてほぼ同定度の２段温度（Ｋ）が得られる。つまり、クリアランスがばらついても所要の冷凍性能がえられ、従来例のような厳しい品質管理を行う必要がないことを示唆している。従って、ＧＭ冷凍機を低コストで製造することができるなお、図３（Ｃ）は、第２ディスプレーサ４の全体にクリアランスシール機構が形成されている場合の効果を確認するためにテストしたものである。その結果、螺旋溝が設けられていない第２ディスプレーサでは使用に供し得ないことが分かった。
【００２２】
本発明の実施の形態２を、螺旋溝の断面形状を示す図４（図１（Ｂ）に対応する）を参照して説明する。即ち、第２ディスプレーサ本体１３の外周面に、例えばステンレス鋼からなる外筒１３ａを外嵌する。この外筒１３ａには上記第２ディスプレーサ本体１３の外周面に周設されてなる螺旋溝１６の溝幅ｂよりも小寸の溝幅ｃの螺旋溝が刻設されており、この外筒１３ａの螺旋溝の内縁が上記第２ディスプレーサ本体１３の螺旋溝１６の内側方向に突出するように、上記第２ディスプレーサ本体１３の外周に外嵌されている。そして、この外筒１３ａの外周面には耐摩耗性樹脂層１４が形成されている。
【００２３】
本実施の形態２によれば、螺旋溝１６内における冷媒ガスの流れが妨げられることがない。従って、螺旋溝１６内を第２ディスプレーサ４の先端側から基端側部分４ａの方向へ冷媒ガスがスムーズに流れるため、冷媒ガスのサーフェイスヒートポンピング作用が効果的に働く。他方、螺旋溝１６に沿って流れる冷媒ガスと第２シリンダ２との熱交換に伴うシャトルヒート損失（サーフェイスヒートポンピング作用と逆の作用）を少なくすることができる。これにより、極低温冷凍機の冷凍性能を一層向上させることができるという優れた効果を奏することができる。
【００２４】
本発明の実施の形態３を、添付図面の図５（Ａ），５（Ｂ），５（Ｃ）を参照して説明する。図５（Ａ）は、リング溝（１７）が設けられておらず、同断面積の螺旋溝を有する第２ディスプレーサの模式図である。また、図５（Ｂ）は、クリアランスシール機構側の螺旋溝１６ａより先端側の螺旋溝１６ｂの断面積が大きく、かつ螺旋溝１６ａ，１６ｂが同ピッチである第２ディスプレーサの模式図である。また、図５（Ｃ）は、クリアランスシール機構側の螺旋溝１６ａより先端側の螺旋溝１６ｂの断面積が大きく、かつ螺旋溝１６ａ，１６ｂのピッチが異なる第２ディスプレーサの模式図である。
【００２５】
図５（Ｂ），５（Ｃ）に示すように、クリアランスシール機構側の螺旋溝１６ａより先端側の螺旋溝１６ｂの断面積を大きくすると、下記のとおりの効果を得ることができる。即ち、螺旋溝１６の流路抵抗は第２ディスプレーサ４のクリアランスシール機構側が先端側より大きいから、冷媒ガスが先端側からクリアランスシール機構側の方向に流れ難くなる。つまり、螺旋溝の全体が、図５（Ａ）に示すように、同じ断面積である場合に比較して冷媒ガスの流速が低下する。
そのため、サーフェイスヒートポンピング作用が強まるから、極低温冷凍機の冷凍性能がより一層向上するという、優れた効果を得ることができる。
【００２６】
以上では、極低温冷凍機がＧＭ冷凍機である場合を例として説明したが、本発明の技術的思想を、スターリング冷凍機やソルベイ冷凍機に対しても適用することができるから、ＧＭ冷凍機への適用に限定されるものではない。また、上記実施の形態は、本発明の具体例に過ぎないから、技術的思想を逸脱しない範囲内における設計変更は自由自在である。
【００２７】
【発明の効果】
上記のとおり、本発明の請求項１に係る極低温冷凍機では、第２ディスプレーサ４の第１シリンダ寄りの基端側部分４ａに、この第２ディスプレーサ４のストローク範囲以上の寸法Ｌのクリアランスシール機構を形成し、この第２ディスプレーサ４の上記クリアランスシール機構を除く残余部分４ｂの外周に螺旋溝１６を周設した。従って、本発明の請求項１に係る極低温冷凍機によれば、基端側部分４ａのシール性能が向上するとともに、螺旋溝１６に流れる冷媒ガスが第２ディスプレーサ４の先端側から基端側部分４ａの方向に流れ、螺旋溝１６と冷媒ガスの間に生じるサーフェイスヒートポンピング作用（第２ディスプレーサ４の先端側から基端側部分へ熱を運ぶ作用）が向上する。そのため、第２シリンダ２と第２ディスプレーサ４とのクリアランスの範囲を従来例より広く設定しても、所望の冷凍性能が得られるから、製造時の品質管理が容易になり、極低温冷凍機を低コストで製造することができる。
【００２８】
本発明の請求項２に係る極低温冷凍機では、第２ディスプレーサ４の外周面に耐摩耗性樹脂層１４を形成させるとともに、上記螺旋溝１６の開口溝幅ｃを、この螺旋溝１６の最大溝幅ｂよりも狭くした。従って、本発明の請求項２に係る極低温冷凍機によれば、螺旋溝１６内を第２ディスプレーサ４の先端側から基端側部分４ａの方向へ冷媒ガスがスムーズに流れるため、冷媒ガスのサーフェイスヒートポンピング作用が効果的に働く。他方、螺旋溝１６に沿って流れる冷媒ガスと第２シリンダ２との熱交換に伴うシャトルヒート損失（サーフェイスヒートポンピング作用と逆の作用）を少なくすることができる。これにより、極低温冷凍機の冷凍性能を一層向上させることができる。
【００２９】
本発明の請求項３に係る極低温冷凍機では、螺旋溝１６の断面積を、クリアランスシール機構側よりも先端側を相対的に大きくした。従って、本発明の請求項３に係る極低温冷凍機によれば、螺旋溝１６の流路抵抗は第２ディスプレーサ４のクリアランスシール機構側が先端側より大きいから、冷媒ガスが先端側からクリアランスシール機構側の方向に流れ難くなる。つまり、全体が同断面積の螺旋溝に比較して冷媒ガスの流速が低下する。そのため、サーフェイスヒートポンピング作用が強まり、極低温冷凍機の冷凍性能がより一層向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係り、図１（Ａ）はＧＭ冷凍機の要部の縦断面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）中の要部の拡大図である。
【図２】図２（Ａ）は極低温小型冷凍機の概要を示す縦断面図、図２（Ｂ）はその冷凍機の作動工程図である。
【図３】本発明の実施の形態１に対応する実施例に係り、図３（Ａ）は第２シリンダと第２ディスプレーサとのクリアランスと２段温度（Ｋ）との関係説明図であり、図３（Ｂ）は従来例に係る第２シリンダと第２ディスプレーサとのクリアランスと２段温度（Ｋ）との関係説明図であり、図３（Ｃ）は第２シリンダと全体にクリアランスシール機構が形成されている第２ディスプレーサとのクリアランスと２段温度（Ｋ）との関係説明図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係り、螺旋溝の断面形状を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係り、図５（Ａ）はリング溝が設けられておらず、同断面積の螺旋溝を有する第２ディスプレーサの模式図であり、図５（Ｂ）はクリアランスシール機構側の螺旋溝より先端側の螺旋溝の断面積が大きく、かつ螺旋溝が同ピッチである第２ディスプレーサの模式図であり、図５（Ｃ）はクリアランスシール機構側の螺旋溝より先端側の螺旋溝の断面積が大きく、かつ螺旋溝のピッチが異なる第２ディスプレーサの模式図である。
【図６】従来例に係る極低温冷凍機の要部の断面図である。
【符号の説明】
１…第１シリンダ、２…第２シリンダ、３…第１ディスプレーサ、４…第２ディスプレーサ、４ａ…第２ディスプレーサの基端側部分、４ｂ…第２ディスプレーサの残余部分、５…ガス出入口、６…ガス通路、７…切換弁、８…圧縮機、１０…駆動手段、１１…第１膨張室、１２…第２膨張室、１３…第２ディスプレーサ本体、１４…耐摩耗性樹脂層、１５…冷媒ガス通路、１６…螺旋溝、１７…リング溝、２０…連結ピン、ｂ…螺旋溝の溝幅又は最大溝幅、ｃ…螺旋溝の開口溝幅、Ｌ…クリアランスシール機構の寸法。

Claims

第１ディスプレーサ（３）を内蔵する第１シリンダ（１）と、上記第１ディスプレーサ（３）と連動する第２ディスプレーサ（４）を内蔵する第２シリンダ（２）とが直列に形成され、上記第１、２ディスプレーサ（３）、（４）を往復動させる駆動手段（１０）が設けられ、上記第１シリンダ（１）のガス出入口（５）と圧縮機（８）との間に、切換弁（７）を備えてなるガス通路（６）が介装されるとともに、圧縮時には圧縮機（８）からガス出入口（５）に流入する冷媒ガスが第１ディスプレーサ（３）内、第１シリンダ下部の第１膨張室（１１）内、第２ディスプレーサ（４）内、第２シリンダ下部の第２膨張室（１２）の順に流入する一方、減圧時には冷媒ガスが逆順路を経て上記ガス出入口（５）から流出するように構成された極低温冷凍機において、上記第２ディスプレーサ（４）の第１シリンダ寄りの基端側部分（４ａ）に、この第２ディスプレーサ（４）のストローク範囲以上の寸法（Ｌ）のクリアランスシール機構を形成し、この第２ディスプレーサ（４）の上記クリアランスシール機構を除く残余部分（４ｂ）の外周に螺旋溝（１６）を周設したことを特徴とする極低温冷凍機。
請求項１に記載の極低温冷凍機において、上記第２ディスプレーサ（４）の外周面に耐摩耗性樹脂層（１４）を形成させるとともに、上記螺旋溝（１６）の開口溝幅（ｃ）を、この螺旋溝（１６）の最大溝幅（ｂ）よりも狭くしたことを特徴とする極低温冷凍機。
請求項１又は２のうちの何れか１つの項に記載の極低温冷凍機において、上記螺旋溝（１６）の断面積を、上記クリアランスシール機構側よりも先端側を相対的に大きくしたことを特徴とする極低温冷凍機。