JP5541795B2 - Regenerator type refrigerator - Google Patents
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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。 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.
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(例えば、特許文献1参照。)等が用いられてきた。 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 (see, for example, Patent Document 1) and the like have been used as such seals.
一方、GM冷凍機は、ディスプレーサを往復駆動する駆動軸を有する。駆動軸は、回転駆動する例えばモータ等に連結されており、その回転駆動力を往復駆動力に変換してディスプレーサに伝達する。ディスプレーサは、例えば自在継手等により、駆動軸に連結されている(例えば、特許文献2参照。)。 On the other hand, the GM refrigerator has a drive shaft that reciprocates the displacer. The drive shaft is connected to, for example, a motor that is driven to rotate, and converts the rotational driving force into a reciprocating driving force and transmits it to the displacer. The displacer is connected to the drive shaft by, for example, a universal joint (for example, see Patent Document 2).
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.
シールリングを除いた他のシール(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)は、シリンダを鉛直に配置する場合には、本来非接触シールである。しかし、シリンダを水平に配置する場合、又は、シリンダを鉛直方向に対して傾けて配置する場合には、ディスプレーサの外周面の一部と、シリンダの内周面とが、接触することがある。 Other seals (clearance seal, labyrinth seal, spiral groove seal, etc.) excluding the seal ring are originally non-contact seals when the cylinder is arranged vertically. However, when the cylinder is arranged horizontally, or when the cylinder is inclined with respect to the vertical direction, a part of the outer peripheral surface of the displacer may come into contact with the inner peripheral surface of the cylinder.
特に、シリンダを水平に配置する場合には、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シリンダの内周面に接触する。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、接触部分のみが磨耗するため、ディスプレーサが偏磨耗する。ディスプレーサが偏磨耗すると、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、ディスプレーサの偏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。 In particular, when the cylinder is disposed horizontally, a part of the outer peripheral surface of the displacer comes into contact with the inner peripheral surface of the cylinder due to the weight of the displacer. When the GM refrigerator is operated for a long time in a state where a part of the outer peripheral surface of the displacer is in contact with the inner peripheral surface of the cylinder, only the contact portion is worn, and thus the displacer wears unevenly. When the displacer wears unevenly, 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. Or when the partial wear of the displacer further proceeds, there is a problem that the life of the GM refrigerator is shortened.
特許文献2に開示されるように、ディスプレーサが、駆動軸に、自在継手を介して連結されているものもある。しかし、自在継手を介して連結した場合にも、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することに変わりはなく、ディスプレーサの偏磨耗を防止することができない。 As disclosed in Patent Document 2, there is a type in which a displacer is connected to a drive shaft via a universal joint. However, even when connected via a universal joint, a part of the outer peripheral surface of the displacer remains in contact with the inner peripheral surface of the cylinder, and uneven wear of the displacer cannot be prevented.
また、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、ディスプレーサが偏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。 Also, 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 There may be uneven wear. 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偏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 the uneven wear 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、円筒形状のディスプレーサと、前記ディスプレーサを往復駆動する駆動軸と、前記冷媒ガス流路内に収容されており、前記駆動軸により前記ディスプレーサを前記シリンダに沿って往復動させる際に、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、前記駆動軸に、前記ディスプレーサの中心軸を中心として回転可能に連結されている、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 cylindrical displacer in which a refrigerant gas flow path is formed, a drive shaft that reciprocally drives the displacer, and the refrigerant gas flow path accommodated in the refrigerant gas flow path. A regenerator material for storing cold heat generated by expanding the refrigerant gas supplied to the expansion space when reciprocating along the line, and the displacer has a central axis of the displacer on the drive shaft. It is a regenerator type refrigerator that is rotatably connected as a center.
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、前記駆動軸に、前記ディスプレーサの中心軸を中心として回転可能に連結されるとともに、前記ディスプレーサの中心軸の前記駆動軸に対する傾きを許容するように連結されている。 Further, the present invention is the above-described regenerator-type refrigerator, wherein the displacer is connected to the drive shaft so as to be rotatable about the center axis of the displacer, and the center axis of the displacer with respect to the drive shaft It is connected to allow tilt.
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、前記駆動軸に、球面ベアリングを介して連結されている。 Further, according to the present invention, in the above-described regenerator type refrigerator, the displacer is connected to the drive shaft via a spherical bearing.
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の外周面又は前記シリンダの内周面にらせん溝が形成されている。 Further, in the present invention, in the above-described regenerator type refrigerator, a spiral groove is formed on the outer peripheral surface of the displacer or the inner peripheral surface of the cylinder.
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偏磨耗を防止できる。 According to the present invention, in the regenerator type refrigerator, uneven wear of the outer peripheral surface of the displacer can be prevented.
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
圧縮機10は、ヘリウムガス(冷媒ガス)を約20Kgf/cm2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
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
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
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、第1段目シリンダ11の内径よりやや小さい外径の円筒形状を有している。
The
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
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、駆動軸Shにより第1段目ディスプレーサ13を第1段目シリンダ11に沿って往復動させる際に、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
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、第2段目シリンダ12の内径よりやや小さい外径の円筒形状を有している。
The
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
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、駆動軸Shにより第2段目ディスプレーサ14を第2段目シリンダ12に沿って往復動させる際に、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
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
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
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
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-
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
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-
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
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-
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
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
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と反対側(図1の下方)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
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
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
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
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
第1段目ディスプレーサ13は、筒状部材30を有する。
The
筒状部材30は、上蓋を備えた円筒形状を有し、その下端は開放されている。筒状部材30の上蓋上面には、筒状部材30の外径よりもやや小さ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と筒状部材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、筒状部材30を、図2中の矢印で示すように、上下駆動するための駆動軸Shが取り付けられている。
The
筒状部材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
さらに、筒状部材30の下側開放端には、蓋部材33が挿入され、筒状部材30と接着されている。蓋部材33は盲蓋であり、筒状部材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
筒状部材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
筒状部材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、筒状部材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。
It is preferable that the
第1段目シリンダ11の内径を例えば82mmとした場合、筒状部材30の外径を例えば82mm、内径を例えば72mmとすることができる。また、筒状部材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。また、筒状部材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
筒状部材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。また、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
筒状部材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。このようならせん溝35を形成することによって、第1段目ディスプレーサ13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る。
One
筒状部材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の内周面と筒状部材30の外周面との間に隙間D12が形成される。隙間D12は、筒状部材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
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
本実施の形態では、第2段目ディスプレーサ14は、駆動軸Shに、第2段目ディスプレーサ14の中心軸を中心として回転可能に連結されている。
In the present embodiment, the
なお、第2段目ディスプレーサ14は、第1段目ディスプレーサ13を介して駆動軸Shに連結されている。従って、第2段目ディスプレーサ14は、第1段目ディスプレーサ13に、第2段目ディスプレーサ14の中心軸を中心として回転可能に連結されていてもよい。この場合も、第2段目ディスプレーサ14は、駆動軸Shに、第2段目ディスプレーサ14の中心軸を中心として回転可能に連結されていることになる。
The
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
第2段目ディスプレーサ14は、筒状部材40を有する。第2段目ディスプレーサ14は、第1段目ディスプレーサ13(すなわち駆動軸Sh)に連結機構50を介して連結されている。
The
筒状部材40は、上下端が開放された円筒形状を有する。筒状部材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
筒状部材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、筒状部材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
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
筒状部材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、後述する連結機構50が取り付けられている。また、筒状部材40の上端(高温端)には、連結機構50の周囲に、開口24aが設けられている。そして、開口24aには、中空空間(冷媒ガス流路)24の高温端が連通している。
At the upper end (high temperature end) of the
筒状部材40の外周面には、金網42の高さの位置に、開口46(図1に示す24b)が設けられている。開口46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
第2段目シリンダ12の内径を例えば35mmとした場合、筒状部材40の外径を例えば35mm、内径を例えば30mmとすることができる。また、筒状部材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
筒状部材40の外周面と第2段目シリンダ12の内周面との間には、隙間D21が形成される。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。また、隙間D21を通って冷媒ガスが軸方向に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。
A gap D <b> 21 is formed between the outer peripheral surface of the
筒状部材40の開口46よりも上の部分の外周面には、開口46の位置と上端とを結ぶ1本のらせん溝47が形成されていることが好ましい。らせん溝47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。
It is preferable that one
このようならせん溝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る。その結果、第2段目ディスプレーサ14と第2段目シリンダ12との隙間にシールリングを収容する必要がないため、筒状部材40の側壁の厚さを薄くすることができる。筒状部材40の側壁の厚さを薄くすることによって、第2段目ディスプレーサ14内の中空空間24の体積を増大できるため、収容する蓄冷材を増やすことができ、GM冷凍機の冷凍能力を増大させることができる。また、シールリングを不要にするため、部品点数が低減し、組み立て工程が簡単化するとともに製造コストを低減することが可能になる。
By forming the
なお、筒状部材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。
The
また、第2段目ディスプレーサ14の外周面に代え、第2段目シリンダ12の内周面にらせん溝が形成されていてもよい。第2段目シリンダ12の内周面にらせん溝47a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, instead of the outer peripheral surface of the
筒状部材40の開口46よりも下の部分の外径は、開口46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46よりも下の部分では、第2段目シリンダ12の内周面と筒状部材40の外周面との間に隙間D22が形成される。隙間D22も、筒状部材40の内部と膨張空間22とを結ぶ冷媒ガス流路を形成する。
The outer diameter of the portion below the
本実施の形態では、第2段目ディスプレーサ14は、連結機構50を介し、第1段目ディスプレーサ13に、第2段目ディスプレーサ14の中心軸を中心として回転可能に連結されている。すなわち、第2段目ディスプレーサ14は、連結機構50を介し、駆動軸Shに、第2段目ディスプレーサ14の中心軸を中心として回転可能に連結されている。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態では、第2段目ディスプレーサ14は、第1段目ディスプレーサ13(すなわち駆動軸Sh)に、第2段目ディスプレーサ14の中心軸を中心として回転可能に連結されるとともに、第2段目ディスプレーサ14の中心軸の第1段目ディスプレーサ13(すなわち駆動軸Sh)に対する傾きを許容するように連結されていることが好ましい。
Further, in the present embodiment, the
このような、中心軸を中心として回転可能で、かつ、中心軸の傾きを許容するように連結するための連結機構50として、例えば互いに球面接合する内輪50a及び外輪50bを有する球面ベアリング50を用いることができる。球面ベアリング50を用いることにより、中心軸を中心とする回転と中心軸の傾きとを、一つのベアリング機構によって実現することができる。そのため、GM冷凍機のシリンダ及びディスプレーサを小型化、軽量化することができる。
For example, a
なお、第1の実施の形態の第1の変形例で説明するように、第2段目ディスプレーサ14の中心軸を中心として回転可能に連結するための各種のベアリングと、第2段目ディスプレーサ14の中心軸の傾きを許容するように連結するための各種のベアリングとを、組み合わせて用いてもよい。
As described in the first modification of the first embodiment, various bearings for connecting the
ここで、図5及び図6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の外周面の偏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.5 and FIG.6, the effect which the GM refrigerator which concerns on this Embodiment can prevent the partial wear of the outer peripheral surface of the
図5は、本実施の形態に係るGM冷凍機の第2段目シリンダ12が水平に配置されている例について模式的に示す図である。図5(a)は正面図であり、図5(b)は側面図である。図6は、比較例に係るGM冷凍機の第2段目シリンダ12が水平に配置されている例について模式的に示す図である。図6(a)は正面図であり、図6(b)は側面図である。
FIG. 5 is a diagram schematically showing an example in which the
図6(a)に示すように、比較例に係るGM冷凍機では、第2段目ディスプレーサ14と第1段目ディスプレーサ13とは、連結機構50Aにより連結される。そして、連結機構50Aは、一般的な自在継手(ユニバーサルジョイント)により構成される。自在継手は、第2段目ディスプレーサ14の中心軸の第1段目ディスプレーサ13の中心軸(すなわち駆動軸Sh)に対する傾きを許容するように連結されている。
As shown in FIG. 6A, in the GM refrigerator according to the comparative example, the
比較例では、第2段目シリンダ12を水平に配置する場合には、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。また、第2段目ディスプレーサ14は第2段目ディスプレーサ14の中心軸を中心として回転可能に設けられていないため、第2段目ディスプレーサ14の外周面の同一の部分が第2段目シリンダ12の内周面に接触することになる。そして、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の内周面に接触している状態で長時間GM冷凍機を運転すると、図6(b)に示すように、接触部分(点線で囲んだ領域I)のみが磨耗するため、第2段目ディスプレーサ14の外周面が偏磨耗する。
In the comparative example, when the
一方、本実施の形態では、図5(a)に示すように、連結機構50として例えば球面ベアリングを用いることにより、第2段目ディスプレーサ14を、第1段目ディスプレーサ13(すなわち駆動軸Sh)に、第2段目ディスプレーサ14の中心軸を中心として回転可能に連結することができる。
On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 5A, for example, a spherical bearing is used as the
第2段目シリンダ12を水平に配置する場合には、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。しかし、第2段目ディスプレーサ14が回転するため、第2段目ディスプレーサ14の外周面の同一の部分が第2段目シリンダ12の内周面に接触することがない。すなわち、第2段目ディスプレーサ14の外周面のうち、第2段目シリンダ12の内周面に接触する部分が分散する。従って、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の内周面に接触している状態で長時間GM冷凍機を運転しても、図5(b)に示すように、接触部分が分散するため、第2段目ディスプレーサ14の外周面が偏磨耗することを防止できる。
When the
また、第2段目シリンダ12を鉛直方向に対して傾けて配置する場合、及び第2段目シリンダ12を鉛直に配置する場合にも、第2段目ディスプレーサ14の外周面の同一の部分が第2段目シリンダ12の内周面に接触することを防止できる。そして、第2段目ディスプレーサ14の外周面が偏磨耗することを防止できる。
In addition, when the
また、球面ベアリングを用いるときは、第2段目ディスプレーサ14の中心軸の第1段目ディスプレーサ13(すなわち駆動軸Sh)に対する傾きを許容することができる。このため、製造時の寸法公差等により第2段目シリンダ12の中心軸が第1段目シリンダ11に対して微小に傾いていた場合でも、第2段目ディスプレーサ14の中心軸を第2段目シリンダ12の中心軸と平行に保持することができ、第2段目ディスプレーサ14の外周面が偏磨耗することを防止できる。
Further, when the spherical bearing is used, the inclination of the central axis of the
ただし、第2段目シリンダ12の中心軸の第1段目シリンダ11に対する傾きが極めて小さい場合等には、第2段目ディスプレーサ14は、第2段目ディスプレーサ14の中心軸の第1段目ディスプレーサ13(すなわち駆動軸Sh)に対する傾きを許容するように連結されていなくてもよい。
However, when the inclination of the center axis of the
また、筒状部材40が、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るときは、第2段目ディスプレーサ14の偏磨耗を更に防止することができる。
Further, when the
また、本実施の形態では、第2段目ディスプレーサ14の外周面に前述したらせん溝47を形成してもよい。らせん溝47が形成された第2段目ディスプレーサ14が、駆動軸Shにより往復駆動されると、その往復動に伴ってらせん溝47に微少量の冷媒ガスが出入りする。そして、らせん溝47中の冷媒ガスの流れに伴う回転駆動力が第2段目ディスプレーサ14に与えられるため、第2段目ディスプレーサ14は、第2段目ディスプレーサ14の中心軸を中心として自動的に回転駆動される。これにより、第2段目ディスプレーサ14の偏磨耗を更に防止することができる。
(第1の実施の形態の第1の変形例)
次に、図7を参照し、第1の実施の形態の第1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14と第1段目ディスプレーサ13(すなわち駆動軸Sh)とを連結する連結機構が、第1の連結機構51と第2の連結機構52とにより構成されている。
In the present embodiment, the
(First modification of the first embodiment)
Next, with reference to FIG. 7, the GM refrigerator which concerns on the 1st modification of 1st Embodiment is demonstrated. In the GM refrigerator according to the present modification, the connection mechanism that connects the
本変形例に係るGM冷凍機も、連結機構以外の部分は、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、連結機構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 coupling mechanism. Therefore, in this modification, description about parts other than a connection mechanism is abbreviate | omitted.
図7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。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the
本変形例では、第1段目ディスプレーサ13側から第2段目ディスプレーサ14側に向かって順に、第1の連結機構51と第2の連結機構52が直列に連結されている。
In this modification, the
第1の連結機構51は、第2段目ディスプレーサ14を、第1段目ディスプレーサ13(すなわち駆動軸Sh)に、第2段目ディスプレーサ14の中心軸を中心として回転可能に連結するものである。
The
このような、中心軸を中心として回転可能に連結するための第1の連結機構51として、例えば内輪51aと外輪51bとを有し、内輪51aの外周面と外輪51bの内周面とが接合されているベアリングを用いることができる。
As such a first connecting
第2の連結機構52は、第2段目ディスプレーサ14を、第1段目ディスプレーサ13(すなわち駆動軸Sh)に、第2段目ディスプレーサ14の中心軸の第1段目ディスプレーサ13(すなわち駆動軸Sh)に対する傾きを許容するように連結するものである。
The
このような、中心軸の傾きを許容するように連結するための第2の連結機構52として、例えば自在継手(ユニバーサルジョイント)を用いることができる。
As such a second connecting
第1の連結機構51と第2の連結機構52とを組み合わせて用いることにより、中心軸を中心とする回転と中心軸の傾きを、それぞれ簡易な連結機構により実現することができる。そのため、GM冷凍機の製造コストを低減することができる。
By using the
本変形例でも、第2段目ディスプレーサ14は、第2段目ディスプレーサ14の中心軸を中心として自由に回転できるため、第2段目ディスプレーサ14の偏磨耗を防止できる。
Also in this modified example, the
また、第1段目ディスプレーサ13(すなわち駆動軸Sh)に対する第2段目ディスプレーサ14の中心軸の傾きを許容できるため、第2段目ディスプレーサ14の中心軸を第2段目シリンダ12の中心軸と平行に保持することができる。これにより、寸法公差等に起因する第2段目ディスプレーサ14の偏磨耗を防止できる。
(第1の実施の形態の第2の変形例)
次に、図8を参照し、第1の実施の形態の第2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14の外周面及び第2段目シリンダ12の内周面のいずれにもらせん溝が形成されていない。
Further, since the inclination of the center axis of the
(Second modification of the first embodiment)
Next, with reference to FIG. 8, the GM refrigerator which concerns on the 2nd modification of 1st Embodiment is demonstrated. In the GM refrigerator according to this modification, no spiral groove is formed on either the outer peripheral surface of the
本変形例に係るGM冷凍機も、第2段目ディスプレーサ14の外周面及び第2段目シリンダ12の内周面以外の部分は、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、第2段目ディスプレーサ14の外周面及び第2段目シリンダ12の内周面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 outer peripheral surface of the
図8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。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the
本変形例では、筒状部材40の外周面にらせん溝が形成されていない。また、第2段目シリンダ12の内周面にもらせん溝が形成されていない。筒状部材40の外周面と第2段目シリンダ12の内周面との間の隙間D21は、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0.01mm以上であることが好ましい。また、隙間D21を通って冷媒ガスが軸方向に直線的に流れることを防止するために、0.03mm以下であることが好ましい。
In this modification, no spiral groove is formed on the outer peripheral surface of the
本変形例では、筒状部材40の外周面及び第2段目シリンダ12の内周面のいずれにもらせん溝を形成しないが、隙間D21を調整することにより、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る。その結果、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にシールリングを収容する必要がないため、筒状部材40の側壁の厚さを薄くすることができ、中空空間24の体積を増大できるため、収容する蓄冷材を増やすことができ、冷凍能力を増大させることができる。また、シールリングを不要にするため、部品点数が低減し、組み立て工程が簡単化するとともに製造コストを低減することが可能になる。
In this modification, no spiral groove is formed on either the outer peripheral surface of the
本変形例でも、第2段目ディスプレーサ14は、第2段目ディスプレーサ14の中心軸を中心として自由に回転できるため、第2段目ディスプレーサ14の偏磨耗を防止できる。
Also in this modified example, the
また、第1段目ディスプレーサ13(すなわち駆動軸Sh)に対する第2段目ディスプレーサ14の中心軸の傾きを許容できるため、第2段目ディスプレーサ14の中心軸を第2段目シリンダ12の中心軸と平行に保持することができる。これにより、寸法公差等に起因する第2段目ディスプレーサ14の偏磨耗を防止できる。
(第2の実施の形態)
次に、図9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13と駆動軸Shとを連結する第3の連結機構53が設けられている。
Further, since the inclination of the center axis of the
(Second Embodiment)
Next, with reference to FIG. 9, the GM refrigerator which concerns on 2nd Embodiment is demonstrated. In the GM refrigerator according to the present embodiment, a
本実施の形態に係るGM冷凍機は、第3の連結機構53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、第3の連結機構53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
図9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。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the
第1段目ディスプレーサ13は、第3の連結機構53を介し、駆動軸Shに、第1段目ディスプレーサ13の中心軸を中心として回転可能に連結されるものである。
The
また、本実施の形態では、第1段目ディスプレーサ13が、駆動軸Shに、第1段目ディスプレーサ13の中心軸を中心として回転可能に連結されるとともに、第1段目ディスプレーサ13の中心軸の駆動軸Shに対する傾きを許容するように連結されていることが好ましい。
Further, in the present embodiment, the
このような、中心軸を中心として回転可能で、かつ、中心軸の傾きを許容するように連結するための第3の連結機構53として、例えば互いに球面接合する内輪53a及び外輪53bを有する球面ベアリングを用いることができる。球面ベアリング53を用いることにより、中心軸を中心とする回転と中心軸の傾きを、一つのベアリング機構によって実現することができる。そのため、GM冷凍機における往復駆動される部分を小型化、軽量化することができる。
As such a
本実施の形態でも、第1段目ディスプレーサ13は、第1段目ディスプレーサ13の中心軸を中心として自由に回転できるため、第1段目ディスプレーサ13の偏磨耗を防止できる。
Also in the present embodiment, the
また、駆動軸Shに対する第1段目ディスプレーサ13の中心軸の傾きを許容できるため、第1段目ディスプレーサ13の中心軸を第1段目シリンダ11の中心軸と平行に保持することができる。これにより、寸法公差等に起因する第1段目ディスプレーサ13の偏磨耗を防止できる。
Further, since the inclination of the center axis of the
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, but 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 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 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 筒状部材
31 フランジ
32、34、46 開口
33、41 蓋部材
35、47、47a らせん溝
50〜53 連結機構
DESCRIPTION OF
30, 40
Claims (4)
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、円筒形状のディスプレーサと、
前記ディスプレーサを往復駆動する駆動軸と、
前記冷媒ガス流路内に収容されており、前記駆動軸により前記ディスプレーサを前記シリンダに沿って往復動させる際に、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、前記駆動軸に、前記ディスプレーサの中心軸を中心として回転可能に連結されている、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 cylindrical displacer formed with
A drive shaft for reciprocating the displacer;
Cold storage stored in the refrigerant gas flow path for storing cold heat generated by expanding the refrigerant gas supplied to the expansion space when the displacer is reciprocated along the cylinder by the drive shaft. With materials,
The displacer is a regenerator-type refrigerator that is connected to the drive shaft so as to be rotatable about a central axis of the displacer.
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