JP5551028B2

JP5551028B2 - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JP5551028B2
Application number: JP2010194989A
Authority: JP
Inventors: 陽治水野
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-08-31
Also published as: CN102384601A; JP2012052720A; CN102384601B; US20120047913A1

Description

本発明は、回転体を回転させることにより流路を切り換える圧力切換弁を保持するベアリングを備える極低温冷凍機に関する。

従来から、流路を切換えるための回転体がベアリングに保持された圧力切換弁において、
ラジアル方向で回転体とベアリングの間に弾性体が挿入され、回転体の回転によりベアリングが確実に回転するように構成された圧力切換弁が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−５３１５７号公報

ところで、回転軸方向に配置された２つの部材の間にベアリングの外輪を挟持してベアリングの外輪を固定する構成では、当該２つの部材を高精度に加工しなければ加工公差等の影響で、ベアリングの外輪が確実に固定されない場合がありうる。ベアリングの外輪が固定されず回転してしまうと、ベアリングの外輪を外周面側からラジアル方向で支持する部材に磨耗が生じるため、これら２つの部材の加工には複雑な工程が必要となるという問題が発生する。

そこで、本発明は、回転軸方向に配置された２つの部材の間にベアリングを確実に固定することができる極低温冷凍機の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一局面によれば、回転体を回転させることにより流路を切り換える圧力切換弁を有する極低温冷凍機であって、
前記回転体の回転軸方向における一方側に位置する第１部材と、
前記回転体の回転軸方向における他方側に位置する第２部材と、
前記回転体に固定される内輪と、前記内輪に対して前記回転体の径方向外側で前記第２部材に固定される外輪とを有するベアリングであって、前記回転体を回転可能に支持するベアリングと、
弾性体と、を備え、
前記第１部材と前記第２部材とは、前記弾性体を介して前記ベアリングの外輪を回転軸方向で挟持することを特徴とする、極低温冷凍機が提供される。

本発明によれば、本発明は、回転軸方向に配置された２つの部材の間にベアリングを確実に固定することができる極低温冷凍機が得られる。

極低温冷凍機関連の全体構成の一例を示す図である。極低温冷凍機１４の要部の一例を示す断面図である極低温冷凍機１４'の要部のその他の一例を示す断面図である

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、極低温冷凍機関連の全体構成の一例を示す図である。

図１に示す構成は、作動ガス（冷媒ガス）を吸引する吸引口１０Ａ、及び、該吸引口１０Ａから吸引された作動ガスを圧縮して吐出する吐出口１０Ｂを有するガス圧縮機（以下、単に圧縮機と称する）１０と、圧縮機１０に接続される極低温冷凍機１４とを備える。図において、１６は低圧配管、１８は高圧配管である。

図２は、極低温冷凍機１４の要部の一例を示す断面図である。

極低温冷凍機１４は、ギフォード・マクマホンサイクル（ＧＭ）冷凍機である。ＧＭ冷凍機は、シリンダ内を往復動するディスプレーサによる空間の体積変化を利用してギフォード・マクマホン冷凍サイクルに基づいて冷却効果を得る冷凍機である。尚、ＧＭ冷凍機では、高圧の冷媒ガス（ヘリウムガス等）をシリンダに供給し、これを断熱膨張させて低温とする。膨張して極低温となった冷媒ガスは、周囲から熱を吸収するとともに、蓄冷材と熱交換して室温まで昇温された後、シリンダから排気される。これによりシリンダ内は極低温に維持される。シリンダから排出された冷媒ガスは圧縮機に送られ圧縮され、高圧の冷媒ガスとなる。この高圧の冷媒ガスは再びＧＭ冷凍機のシリンダに供給される。

極低温冷凍機１４は、図２に示すように、主に、シリンダ部２０と、バルブ本体３０と、バルブプレート３４と、ベアリング３６と、蓋部材５０と、ハウジング６０と、モータ４６とを含む。

シリンダ部２０は、１段式、２段式等を含む任意の段数を構成してもよい。尚、シリンダ部２０の構成自体は任意であってよく、ここでは詳説しない。

ハウジング６０は、略円筒形の形態を有し、内部にロータリバルブの各種構成要素（バルブ本体３０、バルブプレート３４、ベアリング３６等）等を収容する。

蓋部材５０は、ハウジング６０の一方側の開口（図示の例では上側の開口）を覆うように設けられる。蓋部材５０は、ハウジング６０にボルト８０により締結される。ボルト８０は、ボルト８０の緩みを防止するため、比較的高い締め付けトルクで締め付けされる。また、蓋部材５０とハウジング６０との間には、同様に気密性を保つためにOリング７２Ａ，７２Ｂが設けられる。蓋部材５０には、高圧配管１８に接続される高圧流路５０Ａが形成される。

モータ４６は、ハウジング６０の他方側の開口（図示の例では下側の開口）を覆うように設けられる。モータ４６のモータハウジングとハウジング６０との間には、気密性を保つためにOリング４６Ｃが設けられる。尚、モータ４６の内部は、低圧配管１６を介して圧縮機１０の低圧側吸引口１０Ａに接続する。モータ４６は、回転軸４６Ａを備える。モータの回転軸４６Ａの回転運動は、クランク４６Ｂ及び偏心ピン４６Ｄを介して、バルブプレート３４の回転運動と共に、スコッチヨーク９２を介したディスプレーサ２１の往復運動をもたらす。

ハウジング６０の側部には、シリンダ部２０が気密に結合される。ハウジング６０の側部には、流路６０Ｂが形成される。また、蓋部材５０には、流路６０Ｂに対応した流路５０Ｂが形成される。

バルブ本体３０は、蓋部材５０の内側（下面）の凹部内に配置される。バルブ本体３０は、蓋部材５０に対して回転不能に組み付けられる。バルブ本体３０の外周面と蓋部材５０と間には、Ｏリング３２が設けられる。バルブ本体３０は、中央部を貫通する高圧流路３０Ｂが形成される。高圧流路３０Ｂは、蓋部材５０の高圧流路５０Ａを介して高圧配管１８に連通する。バルブ本体３０は、また、流路６０Ｂ及び流路５０Ｂと連通するバルブ側流路３０Ｃ及びシリンダ側流路３０Ａが形成される。バルブ本体３０は、蓋部材５０との間に設けられるスプリング３１によりバルブプレート３４に向けて付勢される。

バルブプレート３４は、モータ４６の回転軸４６Ａに結合される回転体である。バルブプレート３４は、バルブ本体３０に対して摺動可能に接するように設けられる。バルブプレート３４におけるバルブ本体３０と接する面には、有底（溝又は凹部の形態）の高圧流路３４Ｂが形成される。バルブプレート３４の高圧流路３４Ｂは、バルブ本体３０の高圧流路３０Ｂ及び蓋部材５０の高圧流路５０Ａを介して、高圧配管１８に連通する。また、バルブプレート３４には、回転軸方向に平行に貫通する低圧流路３４Ａが形成される。バルブプレート３４の回転に伴い、バルブ本体３０のバルブ側流路３０Ｃ及びシリンダ側流路３０Ａは、高圧流路３４Ｂ及び低圧流路３４Ａと交互に連通し、これにより、冷媒ガスの方向が交互に切換えられる。

バルブ本体３０のバルブ側流路３０Ｃ及びシリンダ側流路３０Ａが高圧流路３４Ｂに連通するとき、圧縮機１０からシリンダ部２０の上部室９０内に冷媒ガスが送り込まれる。バルブ本体３０のバルブ側流路３０Ｃ及びシリンダ側流路３０Ａが低圧流路３４Ａに連通するとき、上部室９０内の冷媒ガスが、モータ４６内部を通って圧縮機１０に回収される。従って、バルブプレート３４を回転させると、上部室９０への冷媒ガスの導入（給気）と、上部室９０からの冷媒ガスの回収（排気）が繰り返される。冷媒ガスの導入及び回収の繰り返しと、シリンダ部２０のディスプレーサ２１の往復駆動とは、共にクランク４６Ｂの回転に同期する。冷媒ガスの導入と回収の繰り返しの位相と、ディスプレーサ２１の往復駆動の位相とを適当に調節すると、シリンダ部２０の膨張室（図示せず）内で冷媒ガスが極低温となり吸熱作用が生じる。

バルブプレート３４は、図２に示すように、ベアリング３６を介してハウジング６０に対して回転可能に支持される。バルブプレート３４は、その外周側がベアリング３６の内輪３６Ｂに嵌合される。尚、バルブプレート３４は、そのバルブ本体３０側外径にフランジ部３４Ｆを有し、ここで嵌め込まれたベアリング３６の内輪３６Ｂの押圧によって軸方向の位置決めがなされる。

ベアリング３６は、外輪３６Ａと、内輪３６Ｂと、ボール（玉）３６Ｃとを含む。ベアリング３６は、図２に示すように、蓋部材５０とハウジング６０の間に設けられる。具体的には、ベアリング３６は、ハウジング６０の内周面に外輪３６Ａの外周面が接する態様でハウジング６０に嵌められる。ハウジング６０の内周面には、中心側に向かって突出する支持面６０Ａが形成される。ベアリング３６の外輪３６Ａの端面は、支持面６０Ａにより支持され、回転軸方向の荷重が支持面３６Ａを介してハウジング６０により受けられる。蓋部材５０は、ハウジング６０の支持面６０Ａとの間にベアリング３６の外輪３６Ａを挟みこむ態様で設けられる。この際、蓋部材５０は、図２に示すように、外輪３６Ａの端面に対してＯリング７０を介して回転軸方向に接するように設けられる。即ち、外輪３６Ａの端面と蓋部材５０とは、回転軸方向に直接接するのではなく、Ｏリング７０を介して接するように設けられる。Ｏリング７０は、ハウジング６０の内周面に接するように設けられる。Ｏリング７０は、ハウジング６０の内周面と略同一の径を有する。

このようにして、本実施例では、ベアリング３６を回転軸方向でハウジング６０と蓋部材５０との間に支持する際に、回転軸方向でハウジング６０と蓋部材５０との間にＯリング７０が設けられる。従って、ハウジング６０や蓋部材５０の加工公差等により、ハウジング６０と蓋部材５０との間に空間ができうる場合であっても、Ｏリング７０により当該空間が埋められる。これにより、ベアリング３６の外輪３６Ａを固定する際に、Ｏリング７０の弾性特性により与圧を適切に保つことができる。この結果、ハウジング６０と蓋部材５０との間の空間に起因して生じる不都合（特に、ベアリング３６の外輪３６Ａが固定されずに回転し、これにより、ハウジング６０の磨耗が発生するという不都合）を確実に防止することができる。尚、ベアリング３６の外輪３６Ａに働く与圧は、ハウジング６０と蓋部材５０との間の距離（回転軸方向の距離）やＯリング７０の弾性特性を適宜調整することで、容易に調整することができる。

本実施例によれば、とりわけ、以下のよう優れた効果が奏される。

本実施例では、上述の如く、ハウジング６０と蓋部材５０との間にＯリング７０のような弾性体を用いることで、ベアリング３６の外輪３６Ａに適切な与圧を与えることができ、これにより、ハウジング６０や蓋部材５０の寸法公差や加工公差による不具合を確実に防止しつつ、加工コストを低減することが可能となる。

また、本実施例では、蓋部材５０は、ハウジング６０に対する蓋機能のみならず、ベアリング３６の外輪３６Ａを固定する機能をも果たすように設けられる。これにより、ベアリング外輪固定用のプレートを無くして、部品点数を少なくし、コスト低減を図ることができる。ここで、蓋部材５０は、圧力容器の蓋として安全に機能するために、比較的多数のボルト８０を用いて締結する。これらのボルト８０毎の締め付けトルクにアンバランスが生じた場合に、ベアリング３６に傾きが生じる場合がある。これに対して、本実施例では、上述の如く、ベアリング３６を回転軸方向でハウジング６０と蓋部材５０との間に支持する際に、回転軸方向でハウジング６０と蓋部材５０との間にＯリング７０が設けられる。従って、ボルト８０を締め付けた際に、Ｏリング７０が弾性変形することで、ベアリング３６の外輪３６Ａに過大な力が作用することを防止することができると共に、締め付けトルクのアンバランス発生時にも、Ｏリング７０が弾性変形することで、ベアリング３６に傾きが生じることを防止することができる。

図３は、極低温冷凍機１４'の要部のその他の一例を示す断面図である。

図３に示す極低温冷凍機１４'は、図２に示した極低温冷凍機１４に対して、Ｏリング７０の設置位置が異なる点以外は同一である。具体的には、図２に示した極低温冷凍機１４では、Ｏリング７０が、ハウジング６０と蓋部材５０との間に、蓋部材５０に接する態様で設けられているのに対して、図３に示す極低温冷凍機１４'では、Ｏリング７０が、ハウジング６０と蓋部材５０との間に、ハウジング６０に接する態様で設けられる。即ち、図２に示した極低温冷凍機１４では、ベアリング３６の外輪３６Ａがハウジング６０の支持面６０Ａに直接支持されているのに対して、図３に示す極低温冷凍機１４'では、ベアリング３６の外輪３６Ａがハウジング６０の支持面６０ＡにＯリング７０を介して支持される。図３に示す極低温冷凍機１４'の場合も、上述の図２に示した極低温冷凍機１４と同様の効果を得ることができる。但し、図２に示した極低温冷凍機１４では、ベアリング３６の外輪３６Ａがハウジング６０の支持面６０Ａに直接支持されるので、ハウジング６０に対するベアリング３６の軸方向の位置が正確に定まるという利点がある。

ここで、図２に示した極低温冷凍機１４において、Ｏリング７０は、好ましくは、ハウジング６０と蓋部材５０との間の気密性に寄与する態様で設けられる。図示の例では、Ｏリング７０は、ハウジング６０と蓋部材５０との間で弾性変形し、ハウジング６０と蓋部材５０との間の気密性に寄与する態様で設けられている。即ち、Ｏリング７０は、高圧の冷媒ガスを極低温冷凍機に送る際に、高圧の冷媒ガスがハウジング６０と蓋部材５０との間（ハウジング６０の流路６０Ｂと蓋部材５０の流路５０Ｂとの間）から低圧側の空間（モータ４６の内部に連通するハウジング６０内の空間）に漏れ出ることを防止するように機能する。従って、かかるＯリング７０のシール機能が十分に高い場合には、同機能を実現するＯリング７２Ａ（図２及び図３参照）を無くすことも可能である。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、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及び置換を加えることができる。

例えば、上述した実施例では、Ｏリング７０が弾性体の一例として開示されているが、弾性を有する部品（例えば樹脂やゴム等からなる部品）であれば、Ｏリング７０以外の弾性体が使用されてもよい。例えば、ウェーブワッシャ、断面Ｕ字型のシール部材（例えばＵシール（登録商標））等が使用されてもよい。

また、上述した実施例では、蓋部材５０がベアリング３６の外輪３６Ａを固定する機能をも果たすように設けられ、これにより、ベアリング外輪固定用のプレートを無くしている。しかしながら、蓋部材５０の代わりにベアリング外輪固定用のプレートのような他の部材を用いてベアリング３６の外輪３６Ａを固定する構成の場合も、同様に適用可能である。この場合、ベアリング外輪固定用のプレートのような他の部材とハウジング６０との間にＯリング７０を介してベアリング３６の外輪３６Ａを固定すればよい。また、ハウジング６０についても、他の部材で代用されてもよい。

また、上述した実施例では、ギフォード・マクマホンサイクル（ＧＭ）を採用した構成を例示しているが、他の極低温冷凍機、例えばパルス管冷凍機を採用した場合も同様に適用可能である。この場合、パルス管冷凍機の上流側のロータリバルブ収容部（ハウジング部）において上述の実施例の構造が適用されればよい。

１０圧縮機
１０Ａ吸引口
１０Ｂ吐出口
１４、１４' 極低温冷凍機
１６低圧配管
１８高圧配管
２０シリンダ部
２１ディスプレーサ
３０バルブ本体
３０Ａシリンダ側流路
３０Ｂ高圧流路
３０Ｃバルブ側流路
３１スプリング
３２Ｏリング
３４バルブプレート
３４Ａ低圧流路
３４Ｂ高圧流路
３４Ｆフランジ部
３６ベアリング
３６Ａ外輪
３６Ｂ内輪
３６Ｃボール
４６モータ
４６Ａ回転軸
４６Ｂクランク
４６Ｃ Oリング
４６Ｄ偏心ピン
５０蓋部材
５０Ａ高圧流路
５０Ｂ流路
６０ハウジング
６０Ａ支持面
６０Ｂ流路
７０Ｏリング
７２Ａ、７２ＢＯリング
８０ボルト
９０上部室
９２スコッチヨーク

Claims

回転体を回転させることにより流路を切り換える圧力切換弁を有する極低温冷凍機であって、
前記回転体の回転軸方向における一方側に位置する第１部材と、
前記回転体の回転軸方向における他方側に位置する第２部材と、
前記回転体に固定される内輪と、前記内輪に対して前記回転体の径方向外側で前記第２部材に固定される外輪とを有するベアリングであって、前記回転体を回転可能に支持するベアリングと、
弾性体と、を備え、
前記第１部材と前記第２部材とは、前記弾性体を介して前記ベアリングの外輪を回転軸方向で挟持することを特徴とする、極低温冷凍機。
前記第１部材と前記第２部材とは、前記回転体を気密に収容する空間を構成することを特徴とする、請求項１に記載の極低温冷凍機。
前記第２部材は、前記ベアリング及び前記弾性体を内部に収容するハウジングを構成し、
前記第１部材は、前記ハウジングの蓋部材を構成し、
前記弾性体を、前記蓋部材と前記ベアリングの間に設置することを特徴とする、請求項１又は２に記載の極低温冷凍機。
前記弾性体は、前記第１部材と前記第２部材との間の空間の気密性に寄与する態様で設けることを特徴とする、請求項２又は３に記載の極低温冷凍機