JP6440361B2 - Cryogenic refrigerator - Google Patents
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Description
本発明は、冷媒ガスを膨張させて発生した冷熱を蓄冷材に蓄冷する蓄冷器式の極低温冷凍機に関する。 The present invention relates to a regenerator-type cryogenic refrigerator that stores cold heat generated by expanding refrigerant gas in a regenerator material.
極低温を発生する冷凍機としてギフォードマクマホン(Gifford-McMahon;GM)冷凍機が知られている。GM冷凍機は、シリンダ内でディスプレーサを往復移動することにより、膨張空間の体積を変化させる。この体積変化に対応して膨張空間と圧縮機の吐出側と吸気側とを選択的に接続することで、冷媒ガスを膨張空間で膨張させる。GM冷凍機は、このとき発生する寒冷を用いて冷却対象を冷却する。 A Gifford-McMahon (GM) refrigerator is known as a refrigerator that generates an extremely low temperature. The GM refrigerator changes the volume of the expansion space by reciprocating the displacer in the cylinder. The refrigerant gas is expanded in the expansion space by selectively connecting the expansion space, the discharge side of the compressor, and the intake side in response to the volume change. The GM refrigerator cools the object to be cooled using the cold generated at this time.
GM冷凍機におけるシリンダは、少なくともディスプレーサが往復移動するための長さが必要になる。特に、複数のディスプレーサを直列に接続して寒冷を発生させる多段式のGM冷凍機の場合、一段式のGM冷凍機と比較して、GM冷凍機の全長が長くなる。 The cylinder in the GM refrigerator needs at least a length for the displacer to reciprocate. In particular, in the case of a multi-stage GM refrigerator that connects a plurality of displacers in series to generate cold, the overall length of the GM refrigerator is longer than that of a single-stage GM refrigerator.
一方、GM冷凍機は、例えば超伝導を利用する装置等に組み込んで使用される。この場合、冷凍機を組み込む装置の制約により、冷凍機を無制限に大きくすることはできず、特に全長を短くすることが求められている。 On the other hand, the GM refrigerator is used by being incorporated into a device utilizing superconductivity, for example. In this case, the refrigerator cannot be increased without limitation due to restrictions of the apparatus into which the refrigerator is incorporated, and in particular, it is required to shorten the overall length.
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、多段式の極低温冷凍機の全長を短くする技術を提供することである。 This invention is made | formed in view of such a subject, The objective is to provide the technique which shortens the full length of a multistage cryogenic refrigerator.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の極低温冷凍機は、接続ピンと、接続ピンを挿入する第1ピン穴を備える低温側ディスプレーサと、接続ピンを挿入する第2ピン穴を備え、接続ピンで低温側ディスプレーサと接続する高温側ディスプレーサと、低温側ディスプレーサと高温側ディスプレーサとを収容するシリンダとを備える。低温側ディスプレーサの軸方向を第1軸方向、第1ピン穴の軸方向を第2軸方向、第1軸と第2軸とに垂直な方向を第3軸方向とし、第1ピン穴と接続ピンとの間の第3軸方向のクリアランスをw、シリンダと低温側ディスプレーサとの間の第3軸方向のクリアランスをβとしたとき、β<wが成立する。 In order to solve the above problems, a cryogenic refrigerator according to an aspect of the present invention includes a connection pin, a low-temperature displacer having a first pin hole for inserting the connection pin, and a second pin hole for inserting the connection pin. The high-temperature side displacer is connected to the low-temperature side displacer with a connection pin, and the cylinder is provided for housing the low-temperature side displacer and the high-temperature side displacer. The axial direction of the low temperature side displacer is the first axial direction, the axial direction of the first pin hole is the second axial direction, and the direction perpendicular to the first and second axes is the third axial direction. When the clearance in the third axial direction between the pins is w and the clearance in the third axial direction between the cylinder and the low temperature displacer is β, β <w is established.
本発明の蓄冷器式冷凍によれば、多段式の極低温冷凍機の全長を短くする技術を提供することができる。 According to the regenerator type refrigeration of the present invention, it is possible to provide a technique for shortening the overall length of a multistage cryogenic refrigerator.
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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
極低温冷凍機として、GM冷凍機やスターリング冷凍機等がある。以下、本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機として、2段式のGM冷凍機を前提として説明する。しかしながら、本発明は多段のディスプレーサを備える冷凍機であれ本発明は適用でき、2段式のGM冷凍機には限定されない。 Examples of the cryogenic refrigerator include a GM refrigerator and a Stirling refrigerator. Hereinafter, the cryogenic refrigerator according to the embodiment of the present invention will be described on the assumption of a two-stage GM refrigerator. However, the present invention can be applied to a refrigerator having a multi-stage displacer, and is not limited to a two-stage GM refrigerator.
図1は、実施の形態に係る2段式のGM冷凍機10におけるシリンダの断面を示す模式図である。GM冷凍機10は、冷媒ガスに例えばヘリウムガスを用いる極低温冷凍機である。図1に示すように、GM冷凍機10は、GM冷凍機の駆動部1、圧縮機2、ガス管路3、および2段式シリンダ4を備える。2段式シリンダ4は駆動部1に固着されている。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross section of a cylinder in a two-stage GM
2段式シリンダ4は、高温側シリンダ4a1と低温側シリンダ4a2とを含み、これらは一体に形成されて2段式シリンダ4を構成する。高温側シリンダ4a1と低温側シリンダ4a2とは、それぞれ高温端と低温端とを備える。高温側シリンダ4a1の低温端と低温側シリンダ4a2の高温端とが、高温側シリンダ4a1の底部にて接続されている。
The two-
低温側シリンダ4a2は高温側シリンダ4a1と同一の軸方向に延在する形態にて形成されており、高温側シリンダ4a1よりも小径の円筒部材である。高温側シリンダ4a1は高温側ディスプレーサ4b1を長手方向に往復移動可能に収容し、低温側シリンダ4a2は低温側ディスプレーサ4b2を長手方向に往復移動可能に収容する。 The low temperature side cylinder 4a2 is formed in a form extending in the same axial direction as the high temperature side cylinder 4a1, and is a cylindrical member having a smaller diameter than the high temperature side cylinder 4a1. The high temperature side cylinder 4a1 accommodates the high temperature side displacer 4b1 so as to reciprocate in the longitudinal direction, and the low temperature side cylinder 4a2 accommodates the low temperature side displacer 4b2 so as to be capable of reciprocating in the longitudinal direction.
高温側シリンダ4a1、低温側シリンダ4a2には、強度、熱伝導率、ヘリウム遮断能などを考慮して、例えばステンレス鋼が用いられる。低温側ディスプレーサ4b2の外周部はステンレス鋼などの金属製の筒である。低温側ディスプレーサ4b2の外周面上には、フッ素樹脂などの耐摩耗性樹脂の皮膜を形成してもよい。 For example, stainless steel is used for the high temperature side cylinder 4a1 and the low temperature side cylinder 4a2 in consideration of strength, thermal conductivity, helium blocking ability, and the like. The outer periphery of the low temperature side displacer 4b2 is a cylinder made of metal such as stainless steel. A film of an abrasion-resistant resin such as a fluororesin may be formed on the outer peripheral surface of the low temperature side displacer 4b2.
高温側シリンダ4a1の高温端には、高温側ディスプレーサ4b1および低温側ディスプレーサ4b2を往復駆動するスコッチヨーク機構(図示せず)が設けられている。高温側ディスプレーサ4b1、低温側ディスプレーサ4b2は、それぞれ高温側シリンダ4a1、低温側シリンダ4a2にそって往復移動する。高温側ディスプレーサ4b1および低温側ディスプレーサ4b2は、それぞれ高温端と低温端とを備える。 A high temperature end of the high temperature side cylinder 4a1 is provided with a Scotch yoke mechanism (not shown) for reciprocatingly driving the high temperature side displacer 4b1 and the low temperature side displacer 4b2. The high temperature side displacer 4b1 and the low temperature side displacer 4b2 reciprocate along the high temperature side cylinder 4a1 and the low temperature side cylinder 4a2, respectively. Each of the high temperature side displacer 4b1 and the low temperature side displacer 4b2 includes a high temperature end and a low temperature end.
高温側ディスプレーサ4b1は円筒状の外周面を有しており、高温側ディスプレーサ4b1の内部には、第1蓄冷材E1が充填されている。高温側ディスプレーサ4b1の内部容積は第1蓄冷器として機能する。 The high temperature side displacer 4b1 has a cylindrical outer peripheral surface, and the high temperature side displacer 4b1 is filled with the first cold storage material E1. The internal volume of the high temperature side displacer 4b1 functions as a first regenerator.
室温室12は、高温側シリンダ4a1と高温側ディスプレーサ4b1の高温端により形成される空間であり、高温側ディスプレーサ4b1の往復移動に伴い容積が変化する。高温側ディスプレーサ4b1の高温端よりの部分と高温側シリンダ4a1との間にはシール5aが装着されている。
The
高温側ディスプレーサ4b1の低温端と高温側シリンダ4a1との間には、冷媒ガスを膨張するための第1膨張空間18が形成される。第1膨張空間18は、高温側ディスプレーサ4b1の往復移動に伴い容積が変化する。高温側シリンダ4a1の外周のうち、第1膨張空間18に対応する位置には、冷却対象物に熱的に接続された第1冷却ステージC1が配置されている。第1冷却ステージC1は第1膨張空間18で冷媒ガスが膨張する際に発生した寒冷により冷却される。
A
低温側ディスプレーサ4b2は円筒状の外周面を有している。低温側ディスプレーサ4b2の内部容積のうち、高温側の領域には、例えば鉛やビスマスなどの非磁性材の第2蓄冷材E2が充填される。仕切り材(不図示)の低温側には、高温側領域とは異なる蓄冷材、例えばHoCu2などの磁性材の第2蓄冷材E2が充填される。この低温側ディスプレーサ4b2の内部容積では第2蓄冷器として機能する。 The low temperature side displacer 4b2 has a cylindrical outer peripheral surface. Of the internal volume of the low temperature side displacer 4b2, the high temperature side region is filled with a second regenerator material E2 made of a nonmagnetic material such as lead or bismuth. The cold side of the partition member (not shown), different regenerator material is a high temperature side region, for example, a second regenerator material E2 of the magnetic material such as HoCu 2 is filled. The internal volume of the low temperature side displacer 4b2 functions as a second regenerator.
低温側シリンダ4a2と低温側ディスプレーサ4b2により、第2膨張空間26が形成される。第2膨張空間26は、低温側ディスプレーサ4b2の往復移動に伴い容積が変化する。低温側シリンダ4a2の外周の第2膨張空間26に対応する位置には、冷却対象物に熱的に接続された第2冷却ステージC2が配置されている。第2冷却ステージC2は、第2膨張空間26で冷媒ガスが膨張する際に発生した寒冷により冷却される。低温側ディスプレーサ4b2の高温端よりの部分と低温側シリンダ4a2との間にはシール5bが装着されている。
A
高温側ディスプレーサ4b1には、比重、強度、熱伝導率などの観点から、例えば布入りフェノール等が用いられる。第1蓄冷材E1は例えば金網等により構成される。また、低温側ディスプレーサ4b2は、例えば鉛、ビスマスなどの球状の第2蓄冷材E2をフェルトおよび金網により軸方向に挟持することにより構成される。 For the high temperature side displacer 4b1, for example, phenol with cloth is used from the viewpoint of specific gravity, strength, thermal conductivity, and the like. The first regenerator material E1 is made of, for example, a wire mesh. The low-temperature side displacer 4b2 is configured by sandwiching a spherical second regenerator material E2 such as lead or bismuth in the axial direction with a felt and a wire mesh.
図2は、実施の形態に係る2段式のGM冷凍機11における、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2との連結部を説明する模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a connecting portion between the high temperature side displacer 4b1 and the low temperature side displacer 4b2 in the two-stage GM
図2に示すように、実施の形態に係る高温側ディスプレーサ4b1の低温端には、円筒凹部9が設けられている。高温側ディスプレーサ4b1の低温端にはさらに、高温側ディスプレーサ4b1と円筒凹部9を貫通するピン穴7a’が設けられている。
As shown in FIG. 2, the cylindrical recessed part 9 is provided in the low temperature end of the high temperature side displacer 4b1 which concerns on embodiment. A
低温側ディスプレーサ4b2の高温端は、高温側ディスプレーサ4b1設けた円筒凹部9に挿入可能である。低温側ディスプレーサ4b2の高温端には、ピン穴7b’が設けられている。なお、低温側ディスプレーサ4b2は円筒凹部9内において、ある程度の隙間が空くように形成されている。これにより、低温側ディスプレーサ4b2は、高温側ディスプレーサ4b1の円筒凹部9に挿入された状態で、隙間の分だけ移動することができる。GM冷凍機10の組立工程において、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とを接続した状態で2段式シリンダ4に挿入する際に、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2との位置調整が容易となる。
The high temperature end of the low temperature side displacer 4b2 can be inserted into the cylindrical recess 9 provided in the high temperature side displacer 4b1. A
高温側ディスプレーサ4b1の円筒凹部9に低温側ディスプレーサ4b2の高温端を挿入し、接続ピン7aをピン穴7a’とピン穴7b’とに挿通する。これにより、低温側ディスプレーサ4b2は、高温側ディスプレーサ4b1の円筒凹部9において接続される。高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とは接続ピン7aで接続されるため、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とは、接続ピン7aを回転軸として、回転可能に連結される。また、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とは、接続ピン7aの延在する方向に位置調整が可能である。これにより、GM冷凍機10の組立工程において、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とを接続した状態で2段式シリンダ4に挿入する際に、高温側ディスプレーサ4b1の軸と低温側ディスプレーサ4b2の軸とを容易に調整することができる。
The high temperature end of the low temperature side displacer 4b2 is inserted into the cylindrical recess 9 of the high temperature side displacer 4b1, and the
ここで、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とが接続ピン7aで接続されているとき、ピン穴7a’とピン穴7b’とは接続ピン7aが挿入されるひとつのピン穴を構成する。したがって、以下ピン穴7a’とピン穴7b’とを合わせて、単にピン穴7’ということがある。
Here, when the high temperature side displacer 4b1 and the low temperature side displacer 4b2 are connected by the
なお、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とを接続する手段の一例として、例えば高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2との間に連結のための部材を挿入する態様が存在する。以下、実施の形態に係る高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2との連結部の比較例として、連結ロッドを介した接続方法について説明する。 As an example of means for connecting the high temperature side displacer 4b1 and the low temperature side displacer 4b2, there is a mode in which, for example, a connecting member is inserted between the high temperature side displacer 4b1 and the low temperature side displacer 4b2. Hereinafter, a connection method via a connecting rod will be described as a comparative example of the connecting portion between the high temperature side displacer 4b1 and the low temperature side displacer 4b2 according to the embodiment.
図3は、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2との連結部の比較例を説明する模式図である。図3に示すように、比較例に係る高温側ディスプレーサ4b1の低温端には、先端中央部に直径の異なるふたつの円筒凹部からなる円筒凹部8が設けられている。高温側ディスプレーサ4b1の低温端にはさらに、高温側ディスプレーサ4b1と円筒凹部8のうち小径部を貫通するピン穴7a’が設けられている。
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a comparative example of the connecting portion between the high temperature side displacer 4b1 and the low temperature side displacer 4b2. As shown in FIG. 3, a
連結ロッド6は、高温側ディスプレーサ4b1に設けられた円筒凹部8の小径部に挿入可能である。連結ロッド6の一端には、高温側ディスプレーサ4b1に設けたピン穴7a’と連通するピン穴6aが設けられている。
The connecting
低温側ディスプレーサ4b2の高温端には、ピン穴7b’が設けられている。連結ロッド6の他端には、低温側ディスプレーサ4b2の高温端に設けたピン穴7b’と連通するピン穴6bを、ピン穴6aと直交する方向に設けられている。なお、連結ロッド6は円筒凹部8内である程度の隙間が空くように形成されている。
A
高温側ディスプレーサ4b1の円筒凹部8の小径部へ連結ロッド6の一端を挿入し、接続ピン7aをピン穴7a’とピン穴6aとに挿入する。これにより、連結ロッド6は高温側ディスプレーサ4b1の円筒凹部8の小径部内において接続される。次に、低温側ディスプレーサ4b2の高温端を高温側ディスプレーサ4b1の円筒凹部8の大径部へ挿入する。加えて、連結ロッド6の他端部を低温側ディスプレーサ4b2の高温端に挿入し、接続ピン7bをピン穴7b’とピン穴6bとに挿入する。これにより、連結ロッド6は低温側ディスプレーサ4b1と接続される。結果として、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とは、前後左右方向に折曲可能に連結される。
One end of the connecting
図4(a)−(b)は、比較例に係る連結部を採用したGM冷凍機10と実施の形態に係るGM冷凍機11との差異を説明するための模式図である。より具体的に、図4(a)は、比較例に係る連結部を採用したGM冷凍機10の概略構成を示す図であり、図4(b)は、実施の形態に係るGM冷凍機11の概略構成を示す図である。
FIGS. 4A and 4B are schematic diagrams for explaining the difference between the
図4(a)に示すように、比較例に係る連結部を採用したGM冷凍機10においては、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とは、連結ロッド6を介して接続される。これに対し、図4(b)に示すように、実施の形態に係るGM冷凍機11は、連結ロッド6を有しない。そのため、実施の形態に係るGM冷凍機11は、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とは、ひとつの接続ピン7aで接続される。結果として、実施の形態に係るGM冷凍機11は連結ロッド6を不要とするため、冷凍能力や冷凍機の製造効率を低下させることなく、比較例に係る連結部を採用したGM冷凍機10と比較して連結ロッド6の長さ程度、全長が短くなる。
As shown in FIG. 4A, in the
図5は、比較例に係る連結部を採用したGM冷凍機と実施の形態に係るGM冷凍機との全長の差を説明するための図である。図4に示すように、実施の形態に係るGM冷凍機11は、比較例に係る連結部を採用したGM冷凍機10と比較して、その全長が短くなる。図5においては、GM冷凍機10の全長とGM冷凍機11の全長との差がLで示されている。
FIG. 5 is a diagram for explaining a difference in total length between the GM refrigerator that employs the connecting portion according to the comparative example and the GM refrigerator according to the embodiment. As shown in FIG. 4, the overall length of the
限定はしないが、一例として、比較例に係る連結部を採用したGM冷凍機10の全長は約440ミリメートルである。これに対し、実施の形態に係るGM冷凍機11の全長は約420ミリメートルである。このため、実施の形態に係るGM冷凍機11は、比較例に係る連結部を採用したGM冷凍機10と比較して、5%程度全長が短い。これにより、例えばGM冷凍機11を超伝導を利用する装置等に組み込んで使用する際の、組み込みの自由度を上げることができる。
Although it does not limit, as an example, the total length of the
実施の形態に係るGM冷凍機11は高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とは、ひとつの接続ピン7aで接続される。このため、比較例に係る連結部を採用したGM冷凍機10と比較すると、GM冷凍機10の組立作業時における高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2との位置調整の自由度が少なくなる。
In the
上述したように、2段式シリンダ4は、高温側シリンダ4a1と低温側シリンダ4a2とが一体に形成されている。GM冷凍機10の組立工程において、接続ピン7aで接続された高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とを、2段式シリンダ4内に挿入する。このとき、加工精度等の問題により、高温側シリンダ4a1の軸と低温側シリンダ4a2の軸とがずれていると、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とを2段式シリンダ4に挿入しづらくなる。
As described above, in the two-
比較例に係る連結部は、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とがふたつの接続ピン7aおよび接続ピン7bとで接続されているため、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2との位置調整が容易である。しかしながら、接続ピン7aを用いた連結では、接続ピン7aの軸方向に対する位置調整は容易であるが、接続ピン7aの軸方向に垂直な方向に対する位置調整は難しい。
In the connecting portion according to the comparative example, the high temperature side displacer 4b1 and the low temperature side displacer 4b2 are connected by the two
そこで実施の形態に係るGM冷凍機11は、接続ピン7aの軸方向に垂直な方向に対して位置調整ができるように、接続ピン7aとピン穴7a’との間にクリアランスが設けられている。以下、接続ピン7aとピン穴7a’との間のクリアランスについて説明する。
Therefore, the
図6は、実施の形態に係る接続ピン7aとピン穴7’との間のクリアランスを説明する模式図である。より具体的に、図6は、ピン穴7’に接続ピン7aを挿入した状態で、接続ピン7aの軸方向に垂直な方向におけるGM冷凍機11の断面図を示す模式図である。
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the clearance between the
ここで、低温側ディスプレーサ4b2の軸方向を第1軸方向(図6におけるZ軸方向)とする。また、ピン穴7’の軸方向を第2軸方向とし、第1軸と第2軸とに垂直な方向を第3軸方向(図6におけるY軸方向)とする。図6には図示していないが、第2軸方向は、3次元直交座標系におけるX軸方向に相当する。
Here, let the axial direction of the low temperature side displacer 4b2 be a 1st axial direction (Z-axis direction in FIG. 6). Further, the axial direction of the
実施の形態に係るGM冷凍機11においては、ピン穴7’は接続ピン7aよりも大きめの挿入孔となっている。これにより、接続ピン7aとピン穴7’との間に隙間(クリアランス)ができ、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とのY方向に関する位置調整が可能となる。
In the
図6に示すように、ピン穴7’と接続ピン7aとの間のZ軸(第1軸)方向のクリアランスをhとする。また、ピン穴7’と接続ピン7aとの間のY軸(第3軸)方向のクリアランスをwとする。さらに、低温側ディスプレーサ4b2の低温端と低温側シリンダ4a2との間のZ軸方向のクリアランスをαとし、低温側シリンダ4a2と低温側ディスプレーサ4b2との間のY軸方向のクリアランスをβとする。
As shown in FIG. 6, the clearance in the Z-axis (first axis) direction between the
実施の形態に係るGM冷凍機11は、ピン穴7’と接続ピン7aとの間のY軸方向のクリアランスwが、低温側シリンダ4a2と低温側ディスプレーサ4b2との間のY軸方向のクリアランスβよりも大きくなるように構成されている。すなわち、以下の式(1)が成立するように、ピン穴7’の内径と接続ピン7aの軸の太さとが設定されている。
β<w (1)
In the
β <w (1)
ピン穴7’と接続ピン7aとの間のY軸方向のクリアランスwの大きさは、GM冷凍機11の組立工程において、低温側ディスプレーサ4b2を低温側シリンダ4a2に挿入する際のY軸方向の調整量の大きさを規定する。実施の形態に係るGM冷凍機11は、この調整量が低温側シリンダ4a2と低温側ディスプレーサ4b2との間のY軸方向のクリアランスβよりも大きい。これにより、万が一高温側シリンダ4a1の軸と低温側シリンダ4a2の軸とがずれていたとしても、低温側シリンダ4a2の軸と低温側ディスプレーサ4b2の軸とが合致するように調整することができる。GM冷凍機11の動作時に低温側ディスプレーサ4b2が低温側シリンダ4a2に接触することが抑制できるので、GM冷凍機11の信頼性を向上することができる。また、GM冷凍機11の組立工程において、低温側ディスプレーサ4b2を低温側シリンダ4a2に挿入する際の位置調整をすることもでき、GM冷凍機11の組立が容易となる。
The size of the clearance w in the Y-axis direction between the
実施の形態に係るGM冷凍機11は、ピン穴7’と接続ピン7aとの間のZ軸方向のクリアランスhの2倍が、低温側ディスプレーサ4b2の低温端と低温側シリンダ4a2の底部との間のクリアランスαよりも狭くなるように構成されている。すなわち、以下の式(2)が成立するように、ピン穴7’の内径と接続ピン7aの軸の太さとが設定されている。
2h<α (2)
In the
2h <α (2)
ここで、低温側ディスプレーサ4b2の低温端と低温側シリンダ4a2の底部との間のクリアランスαは、低温側ディスプレーサ4b2が下死点にあるときの、低温側ディスプレーサ4b2の低温端と低温側シリンダ4a2の底部との間の距離である。すなわち、低温側ディスプレーサ4b2の低温端が低温側シリンダ4a2の底部に最も近づくときの両者の距離である。 Here, the clearance α between the low temperature end of the low temperature side displacer 4b2 and the bottom of the low temperature side cylinder 4a2 is the low temperature end of the low temperature side displacer 4b2 and the low temperature side cylinder 4a2 when the low temperature side displacer 4b2 is at the bottom dead center. The distance between the bottom of That is, this is the distance between the low-temperature end of the low-temperature side displacer 4b2 when the low-temperature end is closest to the bottom of the low-temperature side cylinder 4a2.
また、クリアランスαの大きさは、低温側ディスプレーサ4b2のZ軸方向の調整量の大きさを規定する。つまり、低温側ディスプレーサ4b2は、GM冷凍機11の組立工程においてZ軸方向に2hの距離だけずれる可能性がある。GM冷凍機11は上記式(2)を満たすように構成されているため、低温側ディスプレーサ4b2の低温端が低温側シリンダ4a2の底部に最も近づいたときの距離αは、低温側ディスプレーサ4b2におけるZ軸方向のずれ量の最大値2hよりも大きくなる。ゆえに、低温側ディスプレーサ4b2の低温端が低温側シリンダ4a2の底部と接触することが抑制され、GM冷凍機11の信頼性を向上することができる。
The size of the clearance α defines the amount of adjustment in the Z-axis direction of the low temperature side displacer 4b2. That is, the low temperature side displacer 4b2 may be shifted by a distance of 2h in the Z-axis direction in the assembly process of the
なお、クリアランスαの大きさはGM冷凍機11の大きさや求められる信頼性、冷凍性能等を考慮して実験により定めればよいが、一例としては数ミリメートル程度である。またピン穴7’と接続ピン7aとの間のZ軸方向のクリアランスhは1ミリメートル未満であり、好ましくは0.1ミリメートル以下である。
The clearance α may be determined by experiments in consideration of the size of the
図7(a)−(d)は、ピン穴7’の形状と、接続ピン7aの断面形状との組合せとの種々の態様を示す図である。
FIGS. 7A to 7D are views showing various modes of combinations of the shape of the
図7(a)は、接続ピン7aが円柱であるとともに、ピン穴7’は円柱状の空間である場合における、ピン穴7’の形状と接続ピン7aの断面形状との組合せを示す図である。この場合、上述したピン穴7’と接続ピン7aとの間のY軸方向のクリアランスwと、ピン穴7’と接続ピン7aとの間のZ軸方向のクリアランスhとは、同じ長さとなる。より具体的には、クリアランスwとクリアランスhとは、ピン穴7’の断面の半径と接続ピン7aの断面の半径との差であるtと等しくなる。すなわち、以下の式(3)が成り立つ。
w=h=t (3)
FIG. 7A is a diagram showing a combination of the shape of the
w = h = t (3)
式(1)、式(2)、および式(3)より、以下の式(4)を得る。
β<t<α/2 (4)
From the equations (1), (2), and (3), the following equation (4) is obtained.
β <t <α / 2 (4)
一般的なピンヒンジにおいては、接続ピン7aは円柱であることが多く、また、ピン穴7’も円柱状の空間であることが多い。したがって、上記式(4)は、一般的なピンヒンジで高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とを接続する場合において、GM冷凍機11の信頼性を向上するためにGM冷凍機11が満たすべき式とも言える。
In a general pin hinge, the
ところで、図7(a)に示す形状の接続ピン7aとピン穴7’とを用いて高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とを接続すると、接続ピン7aを回転軸として高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とが回転可能となる。しかしながら、GM冷凍機11の組立工程において上述したクリアランスwとクリアランスhとは意味を持つが、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2との回転運動は必ずしも必要ではない。むしろ、無用な回転をしない方が、GM冷凍機11の組立工程においては都合がよい。
By the way, when the high temperature side displacer 4b1 and the low temperature side displacer 4b2 are connected using the
図7(b)は、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2との回転を規制するための、ピン穴7’の形状と接続ピン7aの断面形状との組合せを示す図である。図7(b)に示す例において、接続ピン7aは、円柱の一部が長軸に平行な平面に沿って切り取られたような形状である。このため、図7(b)に示す接続ピン7aの断面は、弓状の形状となる。ピン穴7’は、接続ピン7aの断面を相似拡大した形状となる。
FIG. 7B is a diagram showing a combination of the shape of the
図7(b)に示すピン穴7’に接続ピン7aを挿入すると、ピン穴7’の壁面と接続ピン7の表面との少なくとも一部を面接触させることができる。これにより、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とが回転することを規制できる。
When the
図7(a)および図7(b)に示す例は、ピン穴7’の形状と接続ピン7aの断面形状は円または円を基本とする形状である。しかしながら、ピン穴7’の形状と接続ピン7aの断面形状は円形でなくてもよく、例えば矩形や楕円形であってもよい。
In the example shown in FIGS. 7A and 7B, the shape of the
図7(c)は、ピン穴7’の形状と接続ピン7aの断面形状とが矩形である場合を例示する図である。図7(c)に示す例は、図7(b)に示す例と同様に、ピン穴7’に接続ピン7aを挿入するとピン穴7’の壁面と接続ピン7aの表面との少なくとも一部が面接触する。これにより、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とが回転することを規制できる。
FIG. 7C is a diagram illustrating a case where the shape of the
また図7(c)に示す例は、ピン穴7’と接続ピン7aとの間のY軸方向のクリアランスwは、ピン穴7’と接続ピン7aとの間のZ軸方向のクリアランスhよりも広い。すなわち、以下の式(5)が成立する。
h<w (5)
In the example shown in FIG. 7C, the clearance w in the Y-axis direction between the
h <w (5)
上述したように、クリアランスwの大きさはGM冷凍機11の組立工程において、低温側ディスプレーサ4b2を低温側シリンダ4a2に挿入する際のY軸方向の調整量の大きさを規定する。クリアランスhは1ミリメートル未満であるが、組立工程における調整の自由度を上げるためには、クリアランスwは数ミリメートル程度あることが好ましい。ピン穴7’の形状と接続ピン7aの断面形状とを矩形にすることにより、クリアランスhよりも広いクリアランスwを設けることが可能となる。
As described above, the size of the clearance w defines the amount of adjustment in the Y-axis direction when the low temperature side displacer 4b2 is inserted into the low temperature side cylinder 4a2 in the assembly process of the
図7(d)は、ピン穴7’の形状と接続ピン7aの断面形状とが矩形である場合を例示する図である。図7(d)に示す例では、ピン穴7’の形状である楕円と、接続ピン7aの断面形状である楕円とは、離心率が異なる。より具体的には、ピン穴7’の形状の離心率の方が、接続ピン7aの断面形状の離心率よりも大きい。このため、接続ピン7aの断面形状は、接続ピン7aの断面形状よりも扁平な形状となる。結果として、クリアランスwはクリアランスhよりも広くなり、GM冷凍機11の組立工程における調整の自由度を向上することができる。
FIG. 7D is a diagram illustrating a case where the shape of the
さらに、接続ピン7aの断面形状が接続ピン7aの断面形状よりも扁平な形状となるため、接続ピン7aを回転軸として高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とが回転することも規制できる。
Further, since the cross-sectional shape of the
なお上記では、実施の形態に係るGM冷凍機11として、2段式のGM冷凍機を前提に説明した。しかしながら、本願発明は2段以上のGM冷凍機にも有用であることは当業者であれば理解できることである。
In the above description, the two-stage GM refrigerator is described as the
以上説明したように、実施の形態に係るGM冷凍機11によれば、多段式の極低温冷凍機の全長を短くすることができる。
As explained above, according to the
また、実施の形態に係るGM冷凍機11は、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とを接続する接続ピン7aと、接続ピン7aを挿入するピン穴7’との間にクリアランスが設けられている。このため、実施の形態に係るGM冷凍機11は、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とが前後左右方向(X軸方向およびY軸方向)に移動可能に連結される。したがって、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とを接続ピン7aで接続した状態で、2段式シリンダ4への挿入作業がしやすくなる。このため、シリンダおよびディスプレーサを精密加工する必要がないので、製作コストを低減できる。
Further, in the
さらに、高温側ディスプレーサ4b1と低温側ディスプレーサ4b2とを接続する接続ピン7aと、接続ピン7aを挿入するピン穴7’との間のクリアランスにより、2段式シリンダ4内に挿入した低温側ディスプレーサ4b2が、2段式シリンダ4の壁面や底部に接触することが抑制される。これにより、GM冷凍機11の信頼性を向上することができる。
Further, the low temperature side displacer 4b2 inserted into the two-
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、実施の形態では、蓄冷器式冷凍機がディスプレーサ式のGM冷凍機である例について説明したが、これには限られず、スターリング冷凍機、ソルベイ冷凍機などにも適用することができる。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions are made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. be able to. For example, in the embodiment, the example in which the regenerator type refrigerator is a displacer type GM refrigerator has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to a Stirling refrigerator, a Solvay refrigerator, and the like.
1 駆動部、 C1 第1冷却ステージ、 E1 第1蓄冷材、 2 圧縮機、 C2 第2冷却ステージ、 E2 第2蓄冷材、 3 ガス管路、 4 2段式シリンダ、 4a1 高温側シリンダ、 4a2 低温側シリンダ、 4b1 高温側ディスプレーサ、 4b2 低温側ディスプレーサ、 5a,5b シール、 6 連結ロッド、 7’ ピン穴、 7a 接続ピン、 7’,7a’ ピン穴、 9 円筒凹部、 11 GM冷凍機、 12 室温室、 18 第1膨張空間、 26 第2膨張空間。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Drive part, C1 1st cooling stage, E1 1st cool storage material, 2 Compressor, C2 2nd cooling stage, E2 2nd cool storage material, 3 Gas pipe line, 4 Two-stage cylinder, 4a1 High temperature side cylinder, 4a2 Low temperature Side cylinder, 4b1 high temperature side displacer, 4b2 low temperature side displacer, 5a, 5b seal, 6 connecting rod, 7 'pin hole, 7a connecting pin, 7', 7a 'pin hole, 9 cylindrical recess, 11 GM refrigerator, 12 chambers Greenhouse, 18 first expansion space, 26 second expansion space.
Claims (6)
前記接続ピンを挿入する第1ピン穴を備える低温側ディスプレーサと、
前記接続ピンを挿入する第2ピン穴を備え、前記接続ピンで前記低温側ディスプレーサと接続する高温側ディスプレーサと、
前記低温側ディスプレーサと前記高温側ディスプレーサとを収容するシリンダとを備え、
前記低温側ディスプレーサの軸方向を第1軸方向、前記第1ピン穴の軸方向を第2軸方向、第1軸と第2軸とに垂直な方向を第3軸方向とし、前記第1ピン穴と前記接続ピンとの間の第3軸方向のクリアランスをw、前記シリンダと前記低温側ディスプレーサとの間の第3軸方向のクリアランスをβとし、ここで、クリアランスwを第3軸方向における第1ピン穴径と接続ピン径との差の半分とし、クリアランスβを第3軸方向におけるシリンダ径と低温側ディスプレーサ径との差の半分とするとき、
β<w
が成立し、
前記第1ピン穴と前記接続ピンとの間の第3軸方向のクリアランスwは、前記第1ピン穴と前記接続ピンとの間の第1軸方向のクリアランスhよりも広く、クリアランスhは、第1軸方向における第1ピン穴径と接続ピン径との差の半分であることを特徴とする極低温冷凍機。 Connection pins,
A low-temperature side displacer having a first pin hole for inserting the connection pin;
A second pin hole for inserting the connection pin, and a high temperature side displacer connected to the low temperature displacer with the connection pin;
A cylinder for accommodating the low temperature side displacer and the high temperature side displacer;
The axial direction of the low temperature displacer is the first axial direction, the axial direction of the first pin hole is the second axial direction, and the direction perpendicular to the first and second axes is the third axial direction, and the first pin The clearance in the third axial direction between the hole and the connecting pin is w, and the clearance in the third axial direction between the cylinder and the low temperature displacer is β, where the clearance w is the third axial direction in the third axial direction. When the difference between the pin hole diameter and the connection pin diameter is half, and the clearance β is half the difference between the cylinder diameter and the low temperature side displacer diameter in the third axis direction,
β <w
Is established ,
A clearance w in the third axial direction between the first pin hole and the connection pin is wider than a clearance h in the first axial direction between the first pin hole and the connection pin. cryogenic refrigerator according to claim half der Rukoto of the difference between the connection pin diameter as the first pin hole diameter in the axial direction.
前記低温側ディスプレーサの低温端と前記シリンダの底部との間のクリアランスをα、
前記第1ピン穴の断面の半径と前記接続ピンの断面の半径との差をtとしたとき、
β<t<α/2
が成立することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の極低温冷凍機。 The connection pin is a cylinder, and the first pin hole is a cylindrical space,
The clearance between the cold end of the cold side displacer and the bottom of the cylinder is α,
When the difference between the radius of the cross section of the first pin hole and the radius of the cross section of the connection pin is t,
β <t <α / 2
The cryogenic refrigerator according to any one of claims 1 to 3 , wherein:
前記接続ピンを挿入する第1ピン穴を備える低温側ディスプレーサと、
前記接続ピンを挿入する第2ピン穴を備え、前記接続ピンで前記低温側ディスプレーサと接続する高温側ディスプレーサと、
前記低温側ディスプレーサと前記高温側ディスプレーサとを収容するシリンダとを備え、
前記低温側ディスプレーサの軸方向を第1軸方向、前記第1ピン穴の軸方向を第2軸方向、第1軸と第2軸とに垂直な方向を第3軸方向とし、前記第1ピン穴と前記接続ピンとの間の第3軸方向のクリアランスをw、前記シリンダと前記低温側ディスプレーサとの間の第3軸方向のクリアランスをβとし、ここで、クリアランスwを第3軸方向における第1ピン穴径と接続ピン径との差の半分とし、クリアランスβを第3軸方向におけるシリンダ径と低温側ディスプレーサ径との差の半分とするとき、
β<w
が成立し、
前記第1ピン穴に前記接続ピンを挿入したとき、前記第1ピン穴の壁面と前記接続ピンの表面との少なくとも一部が面接触することを特徴とする極低温冷凍機。 Connection pins,
A low-temperature side displacer having a first pin hole for inserting the connection pin;
A second pin hole for inserting the connection pin, and a high temperature side displacer connected to the low temperature displacer with the connection pin;
A cylinder for accommodating the low temperature side displacer and the high temperature side displacer;
The axial direction of the low temperature displacer is the first axial direction, the axial direction of the first pin hole is the second axial direction, and the direction perpendicular to the first and second axes is the third axial direction, and the first pin The clearance in the third axial direction between the hole and the connecting pin is w, and the clearance in the third axial direction between the cylinder and the low temperature displacer is β, where the clearance w is the third axial direction in the third axial direction. When the difference between the pin hole diameter and the connection pin diameter is half, and the clearance β is half the difference between the cylinder diameter and the low temperature side displacer diameter in the third axis direction,
β <w
Is established,
The first when inserting the connection pin into the pin hole, cryogenic refrigerator you characterized in that at least a portion of the first pin hole in the wall and the connecting pin surface is in surface contact.
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