JP6117309B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

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。この技術においては、モータの回転運動をスコッチヨーク機構により往復運動に変換して、ディスプレーサを動作させている。

この極低温冷凍機においては、ディスプレーサをシリンダ内部で往復動させながら、バルブの開閉によりシリンダとディスプレーサにより画成される膨張空間内の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生させる。この寒冷を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ることにより、被冷却物の冷凍が行われる。

この極低温冷凍機においては、低温端側の膨張空間が最も小さくなるディスプレーサの位置を上死点とし最も大きくなる位置を下死点とすると、ディスプレーサが上死点に移動し終えて到達する前に、バルブにより冷媒ガスの吸気（供給）がなされる。なお、上死点と下死点は上記と逆に定義する場合もある。

特開２０１１−１７４５７号公報

上死点の直前においてディスプレーサに作用する冷媒ガスの圧力損失による力（圧損力）は移動方向と冷媒ガスの流れ方向が一致することから同方向となり、ディスプレーサの移動方向への付勢力として作用し、モータにとっては回転力を増幅させる順方向の力となる。

上死点の直後においては移動方向と流れ方向が逆となることからディスプレーサに作用する力は移動方向と逆方向となり、ディスプレーサの移動方向への移動を妨げる力として作用し、モータにとっては回転力を妨げる逆方向の力となる。この順方向の力と逆方向の力は、下死点においてもディスプレーサが下死点に到達する前に、冷媒ガスの排気が行われるので同様に発生する。

つまり従来技術においては、下死点又は上死点にディスプレーサが到達した直後において冷媒ガスによる圧力損失に起因する逆方向の力が発生し、この逆方向の力はモータにとって負荷抗力となってしまい、モータのスリップ等の不都合を誘発するおそれが生じる。

本発明においては、冷媒ガスにより発生する圧力損失に係わらず、モータに対して逆方向の力が作用することをなるべく抑制して、モータのスリップ等の不都合を効果的に防止す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運動するディスプレーサと、を含み、前記ディスプレーサの往復運動範囲内の一対の端部をそれぞれ含む一対の端部領域の少なくとも一方にて、前記ディスプレーサが前記端部に近接する場合に弾性力を蓄積し、前記端部から離隔する場合に前記弾性力を解放する弾性手段を含むことを特徴とする。

なお前記端部とは上述した上死点又は下死点であり、前記端部領域は前記上死点を含む一方と、前記下死点を含むものの他方があり、本発明においては一方及び他方の少なくともいずれかあるいは双方で上述した機能を果たす前記弾性手段を有していればよい。前記端部領域以外の前記往復運動範囲は往復運動の中間点を含む。前記端部領域の長さは前記端部と前記中間点の間隔よりは小さく、前記ディスプレーサに作用する冷媒ガスの圧力損失による圧損力の特性により定まる。

ここで、前記弾性手段は、前記ディスプレーサに連結されたスコッチヨーク機構の一部をなす窓部に配置される第一弾性体を含むこととしてもよく、前記ディスプレーサに連結されたロッドのロッド端部に配置される第二弾性体を含むこととしてもよい。さらに、前記弾性手段は、前記ディスプレーサの高温端に配置される第三弾性体を含むこととしてもよく、前記ディスプレーサの低温端に配置される第四弾性体を含むこととしてもよい。加えて、前記弾性手段は例えばコイルスプリングであり、前記ディスプレーサ側と前記シリンダ側のいずれか一方のみに接合され、他方側は自由端とされ、当該自由端は前記端部領域においてのみ他方に接触する。

また、前記第三弾性体又は前記第四弾性体を収納する凹部を前記ディスプレーサ又は前記シリンダが含むことしてもよい。前記凹部は前記ディスプレーサと前記シリンダとの間に画成される軸方向の空間において、圧縮された前記第三弾性体又は前記第四弾性体を収容して前記第三弾性体又は第四弾性体によりデッドボリュームが発生することが防止できる深さがあればよい。

本発明の極低温冷凍機によれば、膨張空間に対して上死点の直前に吸気手段により吸気が開始される場合と、下死点の直前に排気手段により排気が開始される場合において、順方向の力が作用することを利用して、ディスプレーサが端部に到達する直前においてはこの順方向の力を弾性力として弾性手段に蓄積させることができる。

これにより、ディスプレーサが端部に到達した直後において弾性手段によってこの弾性力を解放して、圧力損失により作用する逆方向の力を解放された弾性力により打ち消して、スコッチヨーク機構を介してディスプレーサを動作させるモータに逆方向の力が負荷抗力として伝達されることを防止できる。つまり、負荷抗力に起因するモータのスリップ等の不都合をより効果的に防止できる。

本発明に係る実施例の極低温冷凍機１の一実施形態について示す模式図である。 実施例の極低温冷凍機１のディスプレーサ３に連結される窓部６の第一弾性体４１とロッド５の端部の第二弾性体４２の一実施形態について示す模式図である。 実施例の極低温冷凍機１のディスプレーサ３の高温端に連結される第三弾性体４３と低温端に連結される第四弾性体４４の一実施形態を示す模式図である。 実施例の極低温冷凍機１のディスプレーサ３の往復運動において作用する冷媒ガスによる圧力損失よる圧損力の態様の一例を示す模式図である。 実施例の極低温冷凍機１のディスプレーサ３の第三弾性体４３に対応する凹部３ａの形態の一例を示す模式図である。 実施例の極低温冷凍機１のディスプレーサ３の第四弾性体４４に対応する凹部３ｂの形態の一例を示す模式図である。

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。

図１に示すように、本実施例の極低温冷凍機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。極低温冷凍機１は、シリンダ２と、ディスプレーサ３と、弾性手段４と、ロッド５と、窓部６と、ハウジング７と、上部カバー８と、バルブプレート９と、バルブ１０と、スコッチヨーク機構１１と、モータ１２とを具備している。

シリンダ２はディスプレーサ３との間に径方向にはクリアランスを形成し、ディスプレーサ３がシリンダ２内を移動可能な構成としている。また、ディスプレーサ３の図１中Ｂ側には膨張空間Ｃを形成し、図１中Ｂ側と反対側には室温室Ｈを形成している。図１では図示しないが膨張空間Ｃ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が設けられており、この冷却ステージは、例えば銅、アルミニウム、ステンレス等の熱伝導率の高い材質により構成される。

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、ヘリウム遮断能の観点から例えばステンレス鋼が用いられる。シリンダ２の図１中Ｂ側の反対側の高温端には、モータ１２の回転駆動に基づいてディスプレーサ３を往復駆動するスコッチヨーク機構１１が設けられている。スコッチヨーク機構１１のクランク軸１１ａは、ディスプレーサ３に連結されたロッド５の中間に設けられた窓部６に、ロッド５の軸方向に垂直な方向に相対移動可能に連結されている。

スコッチヨーク機構１１と窓部６、バルブプレート９、バルブ１０は、図１中左右方向に並列されて配置され、その全体を覆うハウジング７が設けられ、ハウジング７を貫通して図１中Ｂ側と反対側に突出するロッド５のロッド端部は、上部カバー８により覆われている。

ディスプレーサ３はこのスコッチヨーク機構１１によりシリンダ２の軸方向にそって往復移動される。さらに、クランク軸１１ａの先端はバルブプレート９の図示しないピン穴に連結されており、バルブプレート９はスコッチヨーク機構１１により回転されて、適宜のタイミングでロータリタイプのバルブ１０の開閉を行う。

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、図示しない蓄冷材が充填されている。このディスプレーサ３の内部容積は図示しない蓄冷器を構成する。蓄冷器の上端側つまり高温端側にはヘリウムガスの流れを整流する上側の図示しない整流器が設けられ、蓄冷器の下端側には下側の図示しない整流器が設けられる。

ディスプレーサ３の高温端には、室温室Ｈからディスプレーサ３に冷媒ガスを流通する図示しない開口が形成されている。室温室Ｈ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。

室温室Ｈには、図示しない圧縮機、バルブプレート９、バルブ１０からなる吸排気系統を相互に接続する配管のうち、給排共通配管が接続されている。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との間には図示しないシールが装着されている。

ディスプレーサ３の低温端には、膨張空間Ｃにクリアランスを介して冷媒ガスを導入する図示しない開口が形成されている。膨張空間Ｃは、シリンダ２とディスプレーサ３により図１中Ｂ側に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Ｃに対応する位置には、被冷却物に熱的に接続された冷却ステージが配置されており、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）等の樹脂が用いられる。内部の蓄冷材は例えば金網等により構成される。

本実施例では、弾性手段４は、第一弾性体４１、第二弾性体４２、第三弾性体４３、第四弾性体４４を具備している。図１中の楕円に示すように、第一弾性体４１は、窓部６とハウジング７の軸方向の一対の隙間にそれぞれ配置される。第二弾性体４２は、図１中に示すように、ロッド５のロッド端部と上部カバー８の軸方向の隙間に配置される。第三弾性体４３は、ディスプレーサ３の室温室Ｈ側、つまり高温端側に配置され、第四弾性体４４は、ディスプレーサ３の膨張空間Ｃ側、つまり低温端側に配置される。

第一弾性体４１と第二弾性体４２は、図１中のＡ方向視である図２に示すように、コイルスプリングにより構成される。ここでは四つの第一弾性体４１の一方端がそれぞれ、窓部６側に例えば接着剤等の適宜の接合手段により接合され且つ固定され、他方端は自由端とされている。第二弾性体４２はロッド５のロッド端部に一方端が接合され、他方端はやはり自由端とされる。

第三弾性体４３と第四弾性体４４も、図３に示すように、コイルスプリングにより構成される。第三弾性体４３は、ディスプレーサ３の高温端側に一方端が接合され、他方端は自由端とされる。第四弾性体４４は、ディスプレーサ３の低温端側に一方端が接合され、他方端は自由端とされる。

第二弾性体４２、図１中の上側に位置する第一弾性体４１、第三弾性体４３の付勢力が作用しない状態での自由長は、ディスプレーサ３が図１中高温端側の下死点を含む所定の長さの端部領域に位置する場合にのみ他方端が、それぞれ、上部カバー８の上底面、ハウジング７の上底面、シリンダ２の上底面に当接するよう設定される。

図１中の下側に位置する第一弾性体４１、第四弾性体４４の付勢力が作用しない状態での自由長は、ディスプレーサ３が図１中低温端側の上死点を含む所定の長さの端部領域に位置する場合にのみ他方端が、それぞれ、ハウジング７の下底面、シリンダ２の下底面に当接するよう設定される。

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Ｂ側の上死点に位置する。その上死点にディスプレーサ３が到達する前にバルブプレート９の回転に伴わせてバルブ１０を開とすると、バルブ１０を介して高圧のヘリウムガスが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Ｃに供給される。

このようにして、膨張空間Ｃは、高圧のヘリウムガスで満たされ、バルブ１０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Ｂ側と反対側の下死点に位置する。その下死点にディスプレーサ３が到達する前に、バルブ１０を開とすると、膨張空間Ｃ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Ｃ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は上死点に向けて移動し、膨張空間Ｃの容積は減少する。膨張空間Ｃ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。

ここで、ディスプレーサ３の挙動と圧損力Ｆとの関係を図４に例示的に示す。図４において横軸は時間Ｔ（ｓ）を示し、右側の縦軸はディスプレーサ３のシリンダ２内での位置Ｐに対応するスコッチヨーク機構１１のクランク軸１１ａの角度を示す。０度（３６０度）が上死点を示し、１８０度が下死点を示す。また、左側の縦軸は下側に行くほど圧損力Ｆがアシスト方向（＋）に大きくなることを示し、上側に行くほど圧損力Ｆが逆方向（−）に大きくなることを示している。

時間Ｔ０において、ディスプレーサ３は上死点に位置しており、この上死点の手前で吸気が開始されることから、圧損力Ｆは手前から上死点にかけてアシスト方向に働き、上死点からは逆方向に働く、時間Ｔ１においては、ディスプレーサ３は下死点に位置しており、この下死点の手前で排気が開始されることから、圧損力Ｆは手前から下死点にかけてアシスト方向に働き、下死点からは逆方向に働く。

この際、本実施例の極低温冷凍機１では、第一弾性体４１、第四弾性体４４を具備しているので、上死点の手前でバルブ１０が開とされ吸気が開始された場合に、上死点の直前でアシスト方向に作用する冷媒ガスの圧損力Ｆを第一弾性体４１、第四弾性体４４で弾性力として蓄積して、上死点の直後でこの弾性力を解放することができる。このため、上死点直後の逆方向の圧損力Ｆを弾性力により打ち消すことができ、モータ１２に負荷抗力が作用することを防止することができる。

また、本実施例の極低温冷凍機１では、第二弾性体４２、第一弾性体４１、第三弾性体４３を具備しているので、下死点の手前でバルブ１０が開とされ排気が開始された場合に、下死点の直前でアシスト方向に作用する冷媒ガスの圧損力を第二弾性体４２、第一弾性体４１、第三弾性体４３で蓄積することができる。このため、下死点直後の逆方向の圧損力Ｆを弾性力により打ち消すことができ、モータ１２に負荷抗力が作用することを防止することができる。

なお、上述した実施例で用いた図２及び図３に示す弾性体の大きさは例示的なものであり、特にディスプレーサ３自体に設置される第三弾性体４３と第四弾性体４４のディスプレーサ３に対する相対的な大きさは、冷媒ガスの吸気と排気を阻害することのない大きさに適宜設定される。第三弾性体４３の設置に対応させて、ディスプレーサ３を軸方向から視て示す図５で示すような、ディスプレーサ３の高温端をなす上面に第三弾性体４３を収納する円環状の凹部３ａを設けてもよい。この凹部３ａにより、ディスプレーサ３が下死点に位置する場合に、凹部３ａが圧縮された第三弾性体４３を収容して、第三弾性体４３によってデッドボリュームが発生しないようにすることができる。

同様に第四弾性体４４の設置に対応させて、ディスプレーサ３を軸方向から視て示す図６に示すような、ディスプレーサ３の低温端をなす下底面に第四弾性体４４を収納する円環状の凹部３ｂを設けてもよい。この凹部３ｂにより、ディスプレーサ３が上死点に位置する場合でも、凹部３ｂが圧縮された第四弾性体４４を収容して、第四弾性体４４によりデッドボリュームが発生しないものとすることができる。

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、三段等に適宜変更することが可能である。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。

本発明は、冷媒ガスの吸気と排気に伴い発生する圧損力がディスプレーサの移動をアシストする方向に働いて端部を通過した後阻害する方向に働くことを利用するものである。つまり、弾性手段の設置に基づいて、アシスト方向の圧損力を弾性力として蓄積し、端部通過後に弾性力を解放することで、ディスプレーサの移動を阻害する方向の力を解放された弾性力によりキャンセルできる。これにより、スコッチヨーク機構を駆動するモータのトルクが過大となりスリップ等の不具合を招くことを防止でき、装置全体の耐久性も高めることができる。このため、種々の極低温冷凍機に適用して好適なものである。

１ 極低温冷凍機
２ シリンダ
３ ディスプレーサ
４ 弾性手段
４１ 第一弾性体
４２ 第二弾性体
４３ 第三弾性体
４４ 第四弾性体
５ ロッド
６ 窓部
７ ハウジング
８ 上部カバー
９ バルブプレート
１０ バルブ
１１ スコッチヨーク機構
１２ モータ

Claims (6)

1. 冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、
   内部に蓄冷材を収容し、上死点と下死点との間を往復移動するディスプレーサと、
   前記ディスプレーサを往復移動可能に収容するシリンダと、
   モータの回転駆動に基づいて前記ディスプレーサを往復駆動する機構と、
   前記シリンダを前記圧縮機の吐出側又は吸入側に選択的に接続するバルブと、
   前記モータの回転駆動に基づく往復駆動によって前記ディスプレーサが前記上死点又は前記下死点に近接する場合に前記ディスプレーサに作用する前記冷媒ガスによる順方向の力を弾性力として蓄積し、前記モータの回転駆動に基づく往復駆動によって前記ディスプレーサが前記上死点又は前記下死点から離隔する場合に、蓄積した前記弾性力を、前記ディスプレーサに作用する前記冷媒ガスによる逆方向の力を打ち消す力として解放する弾性手段と、
   を有し、
   前記順方向の力は、前記ディスプレーサの移動を付勢する力として作用し、
   前記逆方向の力は、前記ディスプレーサの移動を妨げる力として作用し、
   前記バルブは、前記ディスプレーサが前記上死点に到達する前に前記シリンダと前記吐出側を接続する管を開く、
   ＧＭ冷凍機。
2. 冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、
   内部に蓄冷材を収容し、上死点と下死点との間を往復移動するディスプレーサと、
   前記ディスプレーサを往復移動可能に収容するシリンダと、
   モータの回転駆動に基づいて前記ディスプレーサを往復駆動する機構と、
   前記シリンダを前記圧縮機の吐出側又は吸入側に選択的に接続するバルブと、
   前記モータの回転駆動に基づく往復駆動によって前記ディスプレーサが前記上死点又は前記下死点に近接する場合に前記ディスプレーサに作用する前記冷媒ガスによる順方向の力を弾性力として蓄積し、前記モータの回転駆動に基づく往復駆動によって前記ディスプレーサが前記上死点又は前記下死点から離隔する場合に、蓄積した前記弾性力を、前記ディスプレーサに作用する前記冷媒ガスによる逆方向の力を打ち消す力として解放する弾性手段と、
   を有し、
   前記順方向の力は、前記ディスプレーサの移動を付勢する力として作用し、
   前記逆方向の力は、前記ディスプレーサの移動を妨げる力として作用し、
   前記バルブは、前記ディスプレーサが前記下死点に到達する前に前記シリンダと前記吸入側を接続する管を開く、
   ＧＭ冷凍機。
3. 前記機構は、ハウジングに収容されるスコッチヨーク機構を含み、
   前記弾性手段は、前記ディスプレーサの往復移動方向において前記スコッチヨーク機構と前記ハウジングとの間に配置される第一弾性体を含む、
   請求項１又は２に記載のＧＭ冷凍機。
4. 一端が前記ディスプレーサに連結されたロッドを有し、
   前記弾性手段は、前記ロッドの他端とハウジングに固定されたカバーとの間に配置される第二弾性体を含む、
   請求項１乃至３の何れか一項に記載のＧＭ冷凍機。
5. 前記弾性手段は、前記シリンダの高温端と前記ディスプレーサの高温端との間に配置される第三弾性体を含む、
   請求項１乃至４の何れか一項に記載のＧＭ冷凍機。
6. 前記弾性手段は、前記シリンダの低温端と前記ディスプレーサの低温端との間に配置される第四弾性体を含む、
   請求項１乃至５の何れか一項に記載のＧＭ冷凍機。

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