JP6664843B2 - GM refrigerator - Google Patents
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Description
本発明は、GM(ギフォード・マクマホン、Gifford-McMahon)冷凍機に関する。 The present invention relates to a GM (Gifford-McMahon) refrigerator.
極低温冷凍機の代表例であるGM冷凍機は、GMサイクルを利用して極低温を発生する。そのために、GM冷凍機は、膨張空間への作動ガスの吸気、断熱膨張および排気からなる膨張空間での周期的な圧力変動とディスプレーサの往復動による膨張空間の周期的な容積変化とを適正に同期させるよう構成されている。 A GM refrigerator, which is a typical example of a cryogenic refrigerator, generates a cryogenic temperature using a GM cycle. For this purpose, the GM refrigerator properly adjusts the periodic pressure fluctuation in the expansion space including the intake of the working gas into the expansion space, the adiabatic expansion and the exhaust, and the periodic volume change of the expansion space due to the reciprocating motion of the displacer. It is configured to synchronize.
GM冷凍機の一般的な基本構成は、1つの圧縮機と1つの膨張機(つまり1つのディスプレーサとその駆動部の組み合わせ)とを有する。ここから派生した1つの構成例として、1つのディスプレーサ駆動部に対し並列配置された2つのディスプレーサをもち、それぞれに対応する膨張空間への吸気動作を交互に行う冷凍機も提案されている。2つの膨張機の交互の吸気動作は、圧縮機での圧力変動の軽減およびそれによる圧縮機の効率向上をもたらしうる。これは冷凍機の効率向上に寄与しうる。 A general basic configuration of a GM refrigerator has one compressor and one expander (that is, a combination of one displacer and its driving unit). As one configuration example derived therefrom, a refrigerator having two displacers arranged in parallel with one displacer drive unit and alternately performing an intake operation to an expansion space corresponding to each displacer has been proposed. Alternate intake operation of the two expanders can result in reduced pressure fluctuations in the compressor and thereby improved compressor efficiency. This can contribute to improving the efficiency of the refrigerator.
しかし、1つの駆動部で2つのディスプレーサを駆動するには、相応の駆動トルクを発生させる比較的大型の駆動部が必要である。加えて、2つの膨張機の並列配置は、冷凍機の設置床面積を大きくしがちである。 However, driving two displacers with one drive requires a relatively large drive that generates a corresponding drive torque. In addition, the parallel arrangement of two expanders tends to increase the floor area of the refrigerator.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、複数のディスプレーサを有するGM冷凍機に関し、それらディスプレーサの駆動トルクを低減しつつ圧縮機の効率向上を実現することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and one of exemplary objects of an embodiment of the present invention relates to a GM refrigerator having a plurality of displacers, and reduces the driving torque of the displacers while reducing the compressor torque. The goal is to improve efficiency.
本発明のある態様によると、GM冷凍機は、軸方向往復動可能な第1ディスプレーサと、前記第1ディスプレーサとの間に第1ガス室を形成する第1シリンダと、を備える第1コールドヘッドと、前記第1ディスプレーサと同軸に配置され前記第1ディスプレーサと一体に軸方向往復動可能な第2ディスプレーサと、前記第2ディスプレーサとの間に第2ガス室を形成する第2シリンダと、を備え、前記第1コールドヘッドと対向配置された第2コールドヘッドと、前記第1ディスプレーサおよび前記第2ディスプレーサの軸方向往復動を駆動するよう前記第1ディスプレーサおよび前記第2ディスプレーサに連結された共通駆動機構と、前記第1ガス室と前記第2ガス室との間に前記共通駆動機構を補助する圧力差を生成するよう前記第1コールドヘッドおよび前記第2コールドヘッドに接続された作動ガス回路と、を備える。 According to one aspect of the present invention, a GM refrigerator includes a first cold head including a first displacer that can reciprocate in an axial direction, and a first cylinder that forms a first gas chamber between the first displacer and the first displacer. A second displacer disposed coaxially with the first displacer and capable of axially reciprocating integrally with the first displacer; and a second cylinder forming a second gas chamber between the second displacer and the second displacer. A second cold head disposed opposite to the first cold head, and a common cold head coupled to the first displacer and the second displacer to drive axial reciprocation of the first displacer and the second displacer. A drive mechanism, and the first gas chamber generating a pressure difference between the first gas chamber and the second gas chamber to assist the common drive mechanism. Rudoheddo and and a working gas circuit connected to the second cold head.
本発明のある態様によると、GM冷凍機は、軸方向往復動可能な第1ディスプレーサと、前記第1ディスプレーサとの間に第1ガス室を形成する第1シリンダと、を備える第1コールドヘッドと、前記第1ディスプレーサと同軸に配置され前記第1ディスプレーサと一体に軸方向往復動可能な第2ディスプレーサと、前記第2ディスプレーサとの間に第2ガス室を形成する第2シリンダと、を備え、前記第1コールドヘッドと対向配置された第2コールドヘッドと、を備える。 According to one aspect of the present invention, a GM refrigerator includes a first cold head including a first displacer that can reciprocate in an axial direction, and a first cylinder that forms a first gas chamber between the first displacer and the first displacer. A second displacer disposed coaxially with the first displacer and capable of axially reciprocating integrally with the first displacer; and a second cylinder forming a second gas chamber between the second displacer and the second displacer. And a second cold head disposed opposite to the first cold head.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described components, and any replacement of the components and expressions of the present invention between methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as embodiments of the present invention.
本発明によれば、複数のディスプレーサを有するGM冷凍機に関し、それらディスプレーサの駆動トルクを低減しつつ圧縮機の効率向上を実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, regarding the GM refrigerator which has a some displacer, the efficiency of a compressor can be improved, reducing the drive torque of those displacers.
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。 Hereinafter, embodiments for implementing the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description. The configuration described below is an exemplification, and does not limit the scope of the present invention in any way.
図1は、本発明のある実施形態に係るGM冷凍機10を概略的に示す断面図である。図2は、図1に示すGM冷凍機10を概略的に示す外観図である。図3は、図1に示すGM冷凍機10の動作の一例を示す図である。
FIG. 1 is a sectional view schematically showing a GM
GM冷凍機10は、作動ガス(例えばヘリウムガス)を圧縮する圧縮機12と、作動ガスを断熱膨張により冷却する複数のコールドヘッドと、を備える。コールドヘッドは膨張機とも呼ばれる。詳しくは後述するように、圧縮機12は、コールドヘッドに高圧の作動ガスを供給する。コールドヘッドには作動ガスを予冷する蓄冷器が備えられている。予冷された作動ガスは、コールドヘッド内での膨張によって更に冷却される。作動ガスは蓄冷器を通じて圧縮機12に回収される。作動ガスは蓄冷器を通るとき蓄冷器を冷却する。圧縮機12は、回収した作動ガスを圧縮し、再び膨張機に供給する。
The GM
GM冷凍機10は、対向配置された第1コールドヘッド14aおよび第2コールドヘッド14bを備える。また、GM冷凍機10は、第1コールドヘッド14aおよび第2コールドヘッド14bのための共通駆動機構40を備える。第1コールドヘッド14aは、共通駆動機構40に対し一方側に配置され、第2コールドヘッド14bは、共通駆動機構40に対し他方側に配置されている。さらに、GM冷凍機10は、圧縮機12を第1コールドヘッド14aおよび第2コールドヘッド14bに接続する作動ガス回路70を備える。
The GM
第1コールドヘッド14aは単段式である。第1コールドヘッド14aは、軸方向往復動可能な第1ディスプレーサ16aと、第1ディスプレーサ16aを収容する第1シリンダ18aと、を備える。第1ディスプレーサ16aの軸方向往復動は、第1シリンダ18aによって案内される。通例、第1ディスプレーサ16aおよび第1シリンダ18aはそれぞれ軸方向に延在する円筒状の部材であり、第1シリンダ18aの内径は第1ディスプレーサ16aの外径よりわずかに大きい。ここで、軸方向は、図1において上下方向である(矢印C)。
The first
第1ディスプレーサ16aは、軸方向一端にて第1シリンダ18aとの間に第1膨張室20aを形成し、軸方向他端にて第1シリンダ18aとの間に第1室温室22aを形成する。第1室温室22aは、共通駆動機構40の近くに位置し、第1膨張室20aは、共通駆動機構40から遠くに位置する。その意味で、第1室温室22aは第1コールドヘッド14aの近位端に、第1膨張室20aは第1コールドヘッド14aの遠位端に、それぞれ形成されている。第1コールドヘッド14aの遠位端には、第1膨張室20aを外包するよう第1シリンダ18aに固着された第1冷却ステージ24aが設けられている。
The
第1ディスプレーサ16aが軸方向に動くとき、第1膨張室20aおよび第1室温室22aは相補的に容積を増減させる。すなわち、第1ディスプレーサ16aが上動するとき、第1膨張室20aは広がり第1室温室22aは狭くなる。逆も同様である。
When the
第1ディスプレーサ16aは、内蔵された第1蓄冷器26aを備える。第1ディスプレーサ16aはその上蓋部に、第1蓄冷器26aを第1室温室22aに連通する第1入口流路28aを有する。また、第1ディスプレーサ16aはその筒部に、第1蓄冷器26aを第1膨張室20aに連通する第1出口流路30aを有する。あるいは、第1出口流路30aは、第1ディスプレーサ16aの下蓋部に設けられていてもよい。加えて、第1ディスプレーサ16aは、上蓋部に内接する第1入口整流器32aと、下蓋部に内接する第1出口整流器34aと、を備える。第1蓄冷器26aは、こうした一対の整流器に挟まれている。
The
第1コールドヘッド14aは、第1シリンダ18aと第1ディスプレーサ16aとの間に形成されるクリアランスを塞ぐ第1シール部36aを備える。第1シール部36aは、例えばスリッパーシールであり、第1ディスプレーサ16aの筒部または上蓋部に装着されている。
The first
このように、第1シール部36aは共通駆動機構40の近くに位置し、第1出口流路30aは共通駆動機構40から離れて第1冷却ステージ24aの近くに位置する。言い換えれば、第1シール部36aは第1ディスプレーサ16aの近位部に取り付けられ、上述の第1出口流路30aは第1ディスプレーサ16aの遠位部に形成されている。
Thus, the
作動ガスは、第1室温室22aから第1入口流路28aを通じて第1蓄冷器26aに流入する。より正確には、作動ガスは、第1入口流路28aから第1入口整流器32aを通って第1蓄冷器26aに流入する。作動ガスは、第1蓄冷器26aから第1出口整流器34aおよび第1出口流路30aを経由して第1膨張室20aに流入する。作動ガスが第1膨張室20aから第1室温室22aに戻るときは逆の経路を通る。つまり、作動ガスは、第1膨張室20aから、第1出口流路30a、第1蓄冷器26a、および第1入口流路28aを通って第1室温室22aに戻る。第1蓄冷器26aを迂回してクリアランスを流れようとする作動ガスは第1シール部36aによって遮断される。
The working gas flows into the
第2コールドヘッド14bは、上述のように共通駆動機構40に対し第1コールドヘッド14aと反対側に配置されているが、その点を除き第1コールドヘッド14aと同様の構成を有する。よって、第2コールドヘッド14bは第1コールドヘッド14aと同様に単段式であり、第1コールドヘッド14aと同様の形状および寸法を有する。
The second
第2コールドヘッド14bは、第1ディスプレーサ16aと同軸に配置され第1ディスプレーサ16aと一体に軸方向往復動可能な第2ディスプレーサ16bと、第2ディスプレーサ16bを収容する第2シリンダ18bと、を備える。第2ディスプレーサ16bの軸方向往復動は、第2シリンダ18bによって案内される。通例、第2ディスプレーサ16bおよび第2シリンダ18bはそれぞれ軸方向に延在する円筒状の部材であり、第2シリンダ18bの内径は第2ディスプレーサ16bの外径よりわずかに大きい。
The second
第2ディスプレーサ16bは、軸方向一端にて第2シリンダ18bとの間に第2膨張室20bを形成し、軸方向他端にて第2シリンダ18bとの間に第2室温室22bを形成する。第2室温室22bは、共通駆動機構40の近くに位置し、第2膨張室20bは、共通駆動機構40から遠くに位置する。その意味で、第2室温室22bは第2コールドヘッド14bの近位端に、第2膨張室20bは第2コールドヘッド14bの遠位端に、それぞれ形成されている。第2コールドヘッド14bの遠位端には、第2膨張室20bを外包するよう第2シリンダ18bに固着された第2冷却ステージ24bが設けられている。
The
第2ディスプレーサ16bが軸方向に動くとき、第2膨張室20bおよび第2室温室22bは相補的に容積を増減させる。すなわち、第2ディスプレーサ16bが下動するとき、第2膨張室20bは広がり第2室温室22bは狭くなる。逆も同様である。
When the
第2ディスプレーサ16bは、内蔵された第2蓄冷器26bを備える。第2ディスプレーサ16bはその上蓋部に、第2蓄冷器26bを第2室温室22bに連通する第2入口流路28bを有する。また、第2ディスプレーサ16bはその筒部に、第2蓄冷器26bを第2膨張室20bに連通する第2出口流路30bを有する。あるいは、第2出口流路30bは、第2ディスプレーサ16bの下蓋部に設けられていてもよい。加えて、第2ディスプレーサ16bは、上蓋部に内接する第2入口整流器32bと、下蓋部に内接する第2出口整流器34bと、を備える。第2蓄冷器26bは、こうした一対の整流器に挟まれている。
The
第2コールドヘッド14bは、第2シリンダ18bと第2ディスプレーサ16bとの間に形成されるクリアランスを塞ぐ第2シール部36bを備える。第2シール部36bは、例えばスリッパーシールであり、第2ディスプレーサ16bの筒部または上蓋部に装着されている。
The second
このように、第2シール部36bは共通駆動機構40の近くに位置し、第2出口流路30bは共通駆動機構40から離れて第2冷却ステージ24bの近くに位置する。言い換えれば、第2シール部36bは第2ディスプレーサ16bの近位部に取り付けられ、上述の第2出口流路30bは第2ディスプレーサ16bの遠位部に形成されている。
Thus, the
作動ガスは、第2室温室22bから第2入口流路28bを通じて第2蓄冷器26bに流入する。より正確には、作動ガスは、第2入口流路28bから第2入口整流器32bを通って第2蓄冷器26bに流入する。作動ガスは、第2蓄冷器26bから第2出口整流器34bおよび第2出口流路30bを経由して第2膨張室20bに流入する。作動ガスが第2膨張室20bから第2室温室22bに戻るときは逆の経路を通る。つまり、作動ガスは、第2膨張室20bから、第2出口流路30b、第2蓄冷器26b、および第2入口流路28bを通って第2室温室22bに戻る。第2蓄冷器26bを迂回してクリアランスを流れようとする作動ガスは第2シール部36bによって遮断される。
The working gas flows into the
GM冷凍機10は、使用される現場で図示の向きに設置される。すなわち、第1コールドヘッド14aが鉛直方向下方に、第2コールドヘッド14bが鉛直方向上方に、それぞれ配置されるようにして、GM冷凍機10は縦向きに設置される。第2コールドヘッド14bは、第1コールドヘッド14aと逆さまの姿勢で設置される。第1コールドヘッド14aは第1膨張室20aを鉛直方向下方に向けているが、第2コールドヘッド14bは第2膨張室20bを鉛直方向上方に向けている。あるいは、GM冷凍機10は、横向きまたはその他の向きに設置されてもよい。
The
共通駆動機構40は、第1ディスプレーサ16aおよび第2ディスプレーサ16bの軸方向往復動を駆動する往復駆動源42を備える。往復駆動源42は、回転出力軸46を有する回転駆動源44(例えばモータ)と、回転出力軸46の回転を軸方向往復動に変換するよう回転出力軸46に連結されたスコッチヨーク48と、を備える。
The
共通駆動機構40は、第1連結ロッド50aおよび第2連結ロッド50bを備える。第1連結ロッド50aは、往復駆動源42から軸方向に延在し往復駆動源42を第1ディスプレーサ16aに連結する。第2連結ロッド50bは、第1連結ロッド50aと反対側で往復駆動源42から軸方向に延在し往復駆動源42を第2ディスプレーサ16bに連結する。第1ディスプレーサ16a、第1連結ロッド50a、第2連結ロッド50b、および第2ディスプレーサ16bは、同軸に配設されている。
The
より具体的には、第1連結ロッド50aは、スコッチヨーク48から第1ディスプレーサ16aへと軸方向に延在してスコッチヨーク48を第1ディスプレーサ16aに連結する。第1連結ロッド50aは、第1ディスプレーサ16aの近位部をスコッチヨーク48に剛に接続する。第1連結ロッド50aは、第1軸受部38aによって軸方向に移動可能に支持されている。第1軸受部38aは、スコッチヨーク48と第1ディスプレーサ16aとの間に配設されている。
More specifically, the first connecting
第2連結ロッド50bは、スコッチヨーク48から第2ディスプレーサ16bへと軸方向に延在してスコッチヨーク48を第2ディスプレーサ16bに連結する。第2連結ロッド50bは、第2ディスプレーサ16bの近位部をスコッチヨーク48に剛に接続する。第2連結ロッド50bは、第2軸受部38bによって軸方向に移動可能に支持されている。第2軸受部38bは、スコッチヨーク48と第2ディスプレーサ16bとの間に配設されている。
The second connecting
図2に示されるように、共通駆動機構40は、駆動機構ハウジング52を備える。駆動機構ハウジング52の一方側に第1シリンダ18aが固定され、駆動機構ハウジング52の他方側に第2シリンダ18bが固定されている。第2シリンダ18bは第1シリンダ18aと同軸に配置されている。なお図2においては簡単のため圧縮機12の図示は省略されている。
As shown in FIG. 2, the
駆動機構ハウジング52には、図1に示す往復駆動源42およびスコッチヨーク48が収容されている。第1連結ロッド50aおよび第2連結ロッド50bはそれらの近位端がスコッチヨーク48と同様に駆動機構ハウジング52に収容されている。第1連結ロッド50aおよび第2連結ロッド50bの遠位端は、第1ディスプレーサ16aおよび第2ディスプレーサ16bと同様に第1シリンダ18aおよび第2シリンダ18bにそれぞれ収容されている。第1軸受部38aは、第1シリンダ18aと駆動機構ハウジング52との境界またはその近傍に配設されている。第2軸受部38bは、第2シリンダ18bと駆動機構ハウジング52との境界またはその近傍に配設されている。第1軸受部38aおよび第2軸受部38bはそれぞれ、駆動機構ハウジング52に対し第1シリンダ18aおよび第2シリンダ18bの気密性を保持するシール部として構成されている。
The
このようにして、共通駆動機構40は、第1ディスプレーサ16aおよび第2ディスプレーサ16bの軸方向往復動を駆動するよう第1ディスプレーサ16aおよび第2ディスプレーサ16bに連結されている。第1ディスプレーサ16aおよび第2ディスプレーサ16bは、相互に固定的に連結された単一のディスプレーサ連結体16を構成する。第1ディスプレーサ16aに対する第2ディスプレーサ16bの相対位置は、第1ディスプレーサ16aおよび第2ディスプレーサ16bの軸方向往復動の間、不変である。
Thus, the
したがって、第1ディスプレーサ16aおよび第2ディスプレーサ16bの軸方向往復動は互いに逆位相となる。第1ディスプレーサ16aがその上死点(すなわち近位端側の死点)に位置するとき第2ディスプレーサ16bはその下死点(すなわち遠位端側の死点)に位置する。第1ディスプレーサ16aが上死点から下死点へと動くとき(すなわち第1ディスプレーサ16aが第1膨張室20aを狭めるよう第1コールドヘッド14aの近位端から遠位端へと動くとき)、第2ディスプレーサ16bは、下死点から上死点へと動く(すなわち第2ディスプレーサ16bが第2膨張室20bを広げるよう第2コールドヘッド14bの遠位端から近位端へと動く)。
Therefore, the axial reciprocating motions of the
図2に示されるように、GM冷凍機10には、冷媒循環回路54が設けられている。GM冷凍機10は、冷媒循環回路54を流れる冷媒(例えば液体窒素)を冷却する。GM冷凍機10によって冷却された冷媒は、冷媒循環回路54を通じて被冷却物(図示せず)に供給される。被冷却物の冷却に使用された冷媒は、冷媒循環回路54を通じて回収されGM冷凍機10によって再冷却される。
As shown in FIG. 2, the
冷媒循環回路54は、第1コールドヘッド14aに熱的に結合された第1冷媒冷却部54a、第2コールドヘッド14bに熱的に結合された第2冷媒冷却部54b、および第1冷媒冷却部54aを第2冷媒冷却部54bに接続する接続冷媒管54cを備える。また、冷媒循環回路54は、供給管54dおよび回収管54eを備える。第1冷媒冷却部54aおよび第2冷媒冷却部54bはそれぞれ第1冷却ステージ24aおよび第2冷却ステージ24bを取り巻く螺旋状の冷媒管である。第1冷媒冷却部54aは第1冷却ステージ24aにより冷却され、第2冷媒冷却部54bは第2冷却ステージ24bにより冷却される。第1冷媒冷却部54aの一端に接続冷媒管54cが接続され、他端に供給管54dが接続されている。第2冷媒冷却部54bの一端に接続冷媒管54cが接続され、他端に回収管54eが接続されている。
The
接続冷媒管54cには、脱着可能な連結機構54fが設けられている。したがって、連結機構54fが取り外されるとき、接続冷媒管54cは、第1冷媒冷却部54a側の部分と第2冷媒冷却部54b側の部分とに分離される。連結機構54fは、冷媒循環回路54の分解を容易にする。これは、GM冷凍機10のメンテナンス作業の効率を高めるのに役立つ。
The connection
冷媒循環回路54における冷媒流れ方向が矢印で図示されている。冷媒は、回収管54eから、第2冷媒冷却部54b、接続冷媒管54c、第1冷媒冷却部54aを通って、供給管54dへと流れる。このように、冷媒はまず第2冷媒冷却部54bで冷却され、その次に第1冷媒冷却部54aで冷却される。
The flow direction of the refrigerant in the
コールドヘッドはその膨張室を鉛直方向下方に向ける姿勢で設置されるとき冷凍能力が最も高くなる。上述のように第1コールドヘッド14aは第1膨張室20aを鉛直方向下方に有するが、第2コールドヘッド14bはそうではない。そのため、第2冷却ステージ24bは、第1冷却ステージ24aより温度が高い。上述の冷媒回路構成によれば、回収された比較的高温の冷媒は、まず高温の第2コールドヘッド14bで冷却され、次いで低温の第1コールドヘッド14aで冷却される。したがって、冷媒とGM冷凍機10との熱交換効率を向上することができる。
The cold head has the highest refrigeration capacity when it is installed with its expansion chamber oriented vertically downward. As described above, the first
また、GM冷凍機10は、第2コールドヘッド14bおよび第2冷媒冷却部54bを収容する副真空容器56と、第1コールドヘッド14aを副真空容器56と別の主真空容器58に取り付けるためのフランジ部60と、を備える。第1コールドヘッド14aおよび第1冷媒冷却部54aは、主真空容器58に収容される。
The
副真空容器56は第2シリンダ18bの近位端に取り付けられ、フランジ部60は第1シリンダ18aの近位端に取り付けられている。副真空容器56は、副真空容器56を主真空容器58に気密に連通する接続管62によってフランジ部60に接続されている。接続管62は、供給管54dおよび接続冷媒管54cを主真空容器58から副真空容器56に導く通路を提供する。接続管62はその中途にベローズ部を有する。
The
第2コールドヘッド14bおよび第2冷媒冷却部54bが副真空容器56で覆い隠され、第1コールドヘッド14aおよび第1冷媒冷却部54aだけが露出されている。そのため、GM冷凍機10を主真空容器58に取り付ける作業において、作業者は、GM冷凍機10を、単一のコールドヘッドをもつ一般的なGM冷凍機と同じように取り扱うことができる。
The second
図1に示す作動ガス回路70は、第1ガス室(すなわち第1膨張室20a及び/または第1室温室22a)と第2ガス室(すなわち第2膨張室20b及び/または第2室温室22b)との間に圧力差を生成するよう構成されている。この圧力差は、共通駆動機構40を補助するようディスプレーサ連結体16に作用する。図1にてディスプレーサ連結体16が下動するとき(つまり第1(第2)ディスプレーサ16a(16b)が上(下)死点から下(上)死点へと動くとき)、作動ガス回路70は、第1ガス室に対し第2ガス室の圧力を高くする。このようにすれば、第1ガス室と第2ガス室との圧力差によって、ディスプレーサ連結体16の下動を補助することができる。逆も同様である。
The working
作動ガス回路70は、バルブ部72を備える。バルブ部72は、第1吸気バルブV1、第1排気バルブV2、第2吸気バルブV3、および第2排気バルブV4を備える。バルブ部72は、図2に示す駆動機構ハウジング52に収容されている。バルブ部72は、ロータリーバルブの形式をとってもよい。その場合、バルブ部72は、回転駆動源44の回転により回転駆動されるよう回転出力軸46に連結されていてもよい。あるいは、バルブ部72は、複数の個別に制御可能な制御弁とそれら制御弁を制御する制御部とを備えてもよい。
The working
第1吸気バルブV1は、第1コールドヘッド14aの第1吸気期間A1を定めるよう構成されている。第1吸気バルブV1は、圧縮機12の吐出口を第1コールドヘッド14aの第1室温室22aに接続する第1吸気流路74aに配設されている。第1吸気期間A1において(すなわち第1吸気バルブV1が開いているとき)、圧縮機12の吐出口から第1室温室22aに作動ガスが流れる。逆に第1吸気バルブV1が閉じているときは、圧縮機12から第1室温室22aへの作動ガスの供給は停止される。
The first intake valve V1 is configured to determine a first intake period A1 of the first
第1排気バルブV2は、第1コールドヘッド14aの第1排気期間A2を定めるよう構成されている。第1排気バルブV2は、圧縮機12の吸入口を第1コールドヘッド14aの第1室温室22aに接続する第1排気流路76aに配設されている。第1排気期間A2において(すなわち第1排気バルブV2が開いているとき)、第1室温室22aから圧縮機12の吸入口に作動ガスが流れる。第1排気バルブV2が閉じているときは、第1室温室22aから圧縮機12への作動ガスの回収は停止される。図示されるように、第1排気流路76aの一部が第1室温室22a側で第1吸気流路74aと共通であってもよい。
The first exhaust valve V2 is configured to determine a first exhaust period A2 of the first
同様に、第2吸気バルブV3は、第2コールドヘッド14bの第2吸気期間A3を定めるよう構成されている。第2吸気バルブV3は、圧縮機12の吐出口を第2コールドヘッド14bの第2室温室22bに接続する第2吸気流路74bに配設されている。第2吸気期間A3において(すなわち第2吸気バルブV3が開いているとき)、圧縮機12の吐出口から第2室温室22bに作動ガスが流れる。第2吸気バルブV3が閉じているときは、圧縮機12から第2室温室22bへの作動ガスの供給は停止される。図示されるように、第2吸気流路74bの一部が圧縮機12側で第1吸気流路74aと共通であってもよい。
Similarly, the second intake valve V3 is configured to determine a second intake period A3 of the second
第2排気バルブV4は、第2コールドヘッド14bの第2排気期間A4を定めるよう構成されている。第2排気バルブV4は、圧縮機12の吸入口を第2コールドヘッド14bの第2室温室22bに接続する第2排気流路76bに配設されている。第2排気期間A4において(すなわち第2排気バルブV4が開いているとき)、第2室温室22bから圧縮機12の吸入口に作動ガスが流れる。第2排気バルブV4が閉じているときは、第2室温室22bから圧縮機12への作動ガスの回収は停止される。図示されるように、第2排気流路76bの一部が第2室温室22b側で第2吸気流路74bと共通であってもよい。また、第2排気流路76bの一部が圧縮機12側で第1排気流路76aと共通であってもよい。
The second exhaust valve V4 is configured to determine a second exhaust period A4 of the second
図3には、第1吸気期間A1、第1排気期間A2、第2吸気期間A3、および第2排気期間A4が例示されている。図3ではディスプレーサ連結体16の軸方向往復動の一周期を360度に対応づけて表しているので、0度は周期の開始時点にあたり、360度は周期の終了時点にあたる。90度、180度、270度はそれぞれ、1/4周期、半周期、3/4周期にあたる。
FIG. 3 illustrates a first intake period A1, a first exhaust period A2, a second intake period A3, and a second exhaust period A4. In FIG. 3, one cycle of the axial reciprocation of the
第1吸気期間A1および第2排気期間A4は、0度から135度の範囲であり、第1排気期間A2および第2吸気期間A3は、180度から315度の範囲である。第1吸気期間A1は、第1排気期間A2と交互であり、第2吸気期間A3は、第2排気期間A4と交互である。0度において第1(第2)ディスプレーサ16a(16b)は下(上)死点またはその近傍に位置し、180度において第1(第2)ディスプレーサ16a(16b)は上(下)死点またはその近傍に位置する。
The first intake period A1 and the second exhaust period A4 are in the range of 0 to 135 degrees, and the first exhaust period A2 and the second intake period A3 are in the range of 180 degrees to 315 degrees. The first intake period A1 alternates with the first exhaust period A2, and the second intake period A3 alternates with the second exhaust period A4. At 0 degrees, the first (second)
上記の構成をもつGM冷凍機10の動作を説明する。第1ディスプレーサ16aが第1シリンダ18aの下死点またはその近傍の位置にあるとき、第1吸気期間A1が開始される(図3の0度)。第1吸気バルブV1が開き、高圧ガスが圧縮機12の吐出口から第1コールドヘッド14aの第1室温室22aに供給される。ガスは第1蓄冷器26aを通過しながら冷却され、第1膨張室20aに入る。ガスが第1コールドヘッド14aに流入する間、第1ディスプレーサ16aは下死点から上死点に向けて動く。第1吸気バルブV1が閉じ、第1吸気期間A1が終了する(図3の135度)。第1ディスプレーサ16aは引き続き上死点に向けて移動する。こうして、第1膨張室20aの容積が増加されるとともに高圧ガスで満たされる。
The operation of the
第1ディスプレーサ16aが上死点またはその近傍の位置にあるとき、第1排気期間A2が開始される(図3の180度)。第1排気バルブV2が開き、第1コールドヘッド14aは圧縮機12の吸入口に接続される。高圧ガスは第1膨張室20aで膨張し冷却される。膨張したガスは、第1蓄冷器26aを冷却しながら第1室温室22aを経て圧縮機12に回収される。ガスが第1コールドヘッド14aから流出する間、第1ディスプレーサ16aは上死点から下死点に向けて動く。第1排気バルブV2が閉じ、第1排気期間A2が終了する(図3の315度)。第1ディスプレーサ16aは引き続き下死点に向けて移動する。こうして、第1膨張室20aの容積が減少されるとともに低圧ガスは排出される。
When the
第1コールドヘッド14aはこのような冷却サイクル(すなわちGMサイクル)を繰り返すことで、第1冷却ステージ24aを冷却する。よって、第1冷媒冷却部54aにて冷媒が冷却される。
The first
第1コールドヘッド14aの上述の動作と同時に第2コールドヘッド14bも動作する。第2ディスプレーサ16bが上死点またはその近傍の位置にあるとき、第2排気期間A4が開始される(図3の0度)。第2排気バルブV4が開き、第2コールドヘッド14bは圧縮機12の吸入口に接続される。高圧ガスは第2膨張室20bで膨張し冷却される。膨張したガスは、第2蓄冷器26bを冷却しながら第2室温室22bを経て圧縮機12に回収される。ガスが第2コールドヘッド14bから流出する間、第2ディスプレーサ16bは上死点から下死点に向けて(図1において上向きに)動く。第2排気バルブV4が閉じ、第2排気期間A4が終了する(図3の135度)。第2ディスプレーサ16bは引き続き下死点に向けて移動する。こうして、第2膨張室20bの容積が減少されるとともに低圧ガスは排出される。
The second
第2ディスプレーサ16bが第2シリンダ18bの下死点またはその近傍の位置にあるとき、第2吸気期間A3が開始される(図3の180度)。第2吸気バルブV3が開き、高圧ガスが圧縮機12の吐出口から第2コールドヘッド14bの第2室温室22bに供給される。ガスは第2蓄冷器26bを通過しながら冷却され、第2膨張室20bに入る。ガスが第2コールドヘッド14bに流入する間、第2ディスプレーサ16bは下死点から上死点に向けて(図1において下向きに)動く。第2吸気バルブV3が閉じ、第2吸気期間A3が終了する(図3の135度)。第2ディスプレーサ16bは引き続き上死点に向けて移動する。こうして、第2膨張室20bの容積が増加されるとともに高圧ガスで満たされる。
When the
このように、第2コールドヘッド14bは、第1コールドヘッド14aと逆位相で同様の冷却サイクル(すなわちGMサイクル)を繰り返す。それにより第2冷却ステージ24bが冷却され、第2冷媒冷却部54bにて冷媒が冷却される。
As described above, the second
GM冷凍機の膨張機における駆動トルクを低減するためにガス圧を利用するいわゆる「ガスアシスト」という技術がある。典型的なガスアシストは、供給された作動ガスの一部を膨張空間から隔離された膨張機内のガスアシスト室に分配することによって実現される。ガスアシスト室に供給された作動ガスは膨張空間でのPV仕事に寄与し得ない。故に、ガスアシストは、PV仕事の低下すなわち冷凍能力の低下を招きうるという欠点をもつ。 There is a so-called “gas assist” technology that uses gas pressure to reduce the driving torque in an expander of a GM refrigerator. Typical gas assist is realized by distributing a part of the supplied working gas to a gas assist chamber in an expander isolated from an expansion space. The working gas supplied to the gas assist chamber cannot contribute to the PV work in the expansion space. Therefore, the gas assist has a disadvantage that the PV work, that is, the refrigeration capacity may be reduced.
しかしながら、上述の実施形態においては、第1吸気期間A1が第2排気期間A4と重なっている。そのため、第1コールドヘッド14aに圧縮機12からガスが供給されるとき、第2コールドヘッド14bから圧縮機12にガスが回収される。このとき第1膨張室20aは第2膨張室20bより高圧となり、この圧力差がディスプレーサ連結体16を図1にて上向きに付勢する。付勢力の向きがディスプレーサ連結体16の移動方向と一致するから、圧力差によって共通駆動機構40を補助することができる。
However, in the above-described embodiment, the first intake period A1 overlaps the second exhaust period A4. Therefore, when gas is supplied from the
また、第1排気期間A2が第2吸気期間A3と重なるから、第1コールドヘッド14aからガスが回収されるとき第2コールドヘッド14bにガスが供給され、第1膨張室20aは第2膨張室20bより低圧となる。この圧力差はディスプレーサ連結体16を図1にて下向きに付勢する。よって、第1排気期間A2においても第1吸気期間A1と同様に、圧力差によって共通駆動機構40を補助することができる。
Further, since the first exhaust period A2 overlaps the second intake period A3, when the gas is recovered from the first
したがって、第1コールドヘッド14aおよび第2コールドヘッド14bそれぞれの運転それ自体が、ディスプレーサ連結体16にガスアシストを提供する。上述の典型的なガスアシスト構成のように作動ガスを専用のガスアシスト室で消費することがなく、それ故にPV仕事の損失も生じない。また、ディスプレーサ連結体16を駆動するために共通駆動機構40が生成する駆動トルクを低減することができるので、駆動機構の小型化が可能である。
Thus, the operation of each of the first
こうした利点を得るには、第1吸気期間A1が第2排気期間A4と正確に一致していなくてもよい。第2排気期間A4は、第1吸気期間A1と少なくとも部分的に重なっていればよい。同様に、第1排気期間A2が第2吸気期間A3と正確に一致していなくてもよい。第2吸気期間A3は、第1排気期間A2と少なくとも部分的に重なっていればよい。 To obtain such an advantage, the first intake period A1 does not need to exactly match the second exhaust period A4. The second exhaust period A4 may be at least partially overlapped with the first intake period A1. Similarly, the first exhaust period A2 may not exactly match the second intake period A3. The second intake period A3 may be at least partially overlapped with the first exhaust period A2.
上述の実施形態においては、第2吸気期間A3は、第1吸気期間A1と重なっていない。また、第2排気期間A4は、第1排気期間A2と重なっていない。このように、第1コールドヘッド14aへの圧縮機12からの吸排気タイミングが、第2コールドヘッド14bへの圧縮機12からの吸排気タイミングと完全にずれている。このようにすれば、圧縮機12の高低圧間の変動を抑制し、圧縮機12の効率を向上することができる。
In the above-described embodiment, the second intake period A3 does not overlap with the first intake period A1. Further, the second exhaust period A4 does not overlap with the first exhaust period A2. As described above, the timing of intake and exhaust from the
こうした利点を得るには、2つのコールドヘッドの吸排気タイミングが完全にずれている必要はない。第2吸気期間A3が、好ましくは150度以上、第1吸気期間A1から遅延されていればよい。それとともに、またはそれに代えて、第2排気期間A4が、好ましくは150度以上、第1排気期間A2から遅延されていればよい。 To obtain such an advantage, it is not necessary that the intake and exhaust timings of the two cold heads are completely shifted. The second intake period A3 is preferably delayed by at least 150 degrees from the first intake period A1. In addition, or instead, the second evacuation period A4 may be delayed from the first evacuation period A2 by preferably 150 degrees or more.
なお、第1吸気期間A1と第2排気期間A4とは長さが異なってもよい。同様に、第1排気期間A2と第2吸気期間A3とは長さが異なってもよい。吸気期間と排気期間との差は、例えば20度以内または5度以内であってもよい。このようにして、第1コールドヘッド14aと第2コールドヘッド14bとの冷凍能力の差が調整されてもよい。
Note that the first intake period A1 and the second exhaust period A4 may have different lengths. Similarly, the first exhaust period A2 and the second intake period A3 may have different lengths. The difference between the intake period and the exhaust period may be, for example, within 20 degrees or within 5 degrees. In this manner, the difference in refrigeration capacity between the first
また、第1吸気期間A1と第1排気期間A2とは長さが異なってもよい。同様に、第2吸気期間A3と第2排気期間A4とは長さが異なってもよい。この場合も、吸気期間と排気期間との差は、例えば20度以内または5度以内であってもよい。 Further, the first intake period A1 and the first exhaust period A2 may have different lengths. Similarly, the second intake period A3 and the second exhaust period A4 may have different lengths. Also in this case, the difference between the intake period and the exhaust period may be, for example, within 20 degrees or within 5 degrees.
さらに、上述の実施形態においては、対向配置された2つのコールドヘッドが縦向きとなるようGM冷凍機10が設置されるので、その設置床面積を小さくすることができる。
Furthermore, in the above-described embodiment, since the
図1から図3を参照して説明したGM冷凍機10においては、共通駆動機構40が作動ガス回路70によって補助されている。しかしながら、2つのコールドヘッド間の差圧のみによってディスプレーサ連結体16を駆動することも可能である。つまり、図4に例示されるように、GM冷凍機10は、共通駆動機構40を備えなくてもよい。
In the
図4は、本発明のある実施形態に係るGM冷凍機10を概略的に示す断面図である。GM冷凍機10は、第1連結ロッド50aおよび第2連結ロッド50bを備え、これらは軸方向に相互に連結されている。第1ディスプレーサ16aは、第1ディスプレーサ16aの軸方向往復動が第2ディスプレーサ16bの軸方向往復動と逆位相を有するよう第1連結ロッド50aおよび第2連結ロッド50bを介して第2ディスプレーサ16bに連結されている。第1ディスプレーサ16aに対する第2ディスプレーサ16bの相対位置は、第1ディスプレーサ16aおよび第2ディスプレーサ16bの軸方向往復動の間、不変である。第1ディスプレーサ16a、第1連結ロッド50a、第2連結ロッド50b、および第2ディスプレーサ16bは、同軸に配設されている。
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically illustrating the
第1連結ロッド50aおよび第2連結ロッド50bは、相互に固定的に連結された単一の連結ロッド50を構成する。あるいは、第1連結ロッド50aおよび第2連結ロッド50bは、中間部材を介して相互に固定的に連結されていてもよい。
The first connecting
第1連結ロッド50aは、軸方向に垂直な平面において第1断面積S1を有し、第2連結ロッド50bは、軸方向に垂直な平面において第2断面積S2を有する。第1断面積S1は第2断面積S2と等しい。例えば、第1連結ロッド50aは、第1直径を有する円形断面を有し、第2連結ロッド50bは、第1直径と等しい第2直径を有する円形断面を有してもよい。第1連結ロッド50aと第2連結ロッド50bは典型的に同一の断面形状を有するが、両者は異なる断面形状を有してもよい。
The first connecting
作動ガス回路70は、第1ディスプレーサ16aおよび第2ディスプレーサ16bの軸方向往復動を駆動するよう構成されている。作動ガス回路70は、第1ガス室と第2ガス室との間に圧力差を生成するよう第1コールドヘッド14aおよび第2コールドヘッド14bに接続されている。
The working
図4に示すGM冷凍機10においても、図1に示すGM冷凍機10と同様に、図3に示すバルブタイミングが採用されうる。
In the
第1吸気期間A1が第2排気期間A4と重なる。そのため、第1コールドヘッド14aに圧縮機12からガスが供給されるとき、第2コールドヘッド14bから圧縮機12にガスが回収される。このとき第1膨張室20aは第2膨張室20bより高圧となる。こうして、圧力差によりディスプレーサ連結体16は上動することができる。
The first intake period A1 overlaps the second exhaust period A4. Therefore, when gas is supplied from the
また、第1排気期間A2が第2吸気期間A3と重なる。第1コールドヘッド14aからガスが回収されるとき第2コールドヘッド14bにガスが供給され、第1膨張室20aは第2膨張室20bより低圧となる。圧力差によりディスプレーサ連結体16は下動することができる。
Further, the first exhaust period A2 overlaps with the second intake period A3. When the gas is recovered from the first
このようにして、共通駆動機構40を有しないGM冷凍機10を提供することができる。GM冷凍機10はガス差圧駆動式に構成される。なお、バルブ部72がロータリーバルブとして構成される場合には、上述のように、GM冷凍機10は、ロータリーバルブを回転駆動するようロータリーバルブに連結された回転駆動源(例えば回転駆動源44)を備えてもよい。
Thus, the
なお、図1に示すGM冷凍機10においても、第1連結ロッド50aは、軸方向に垂直な平面において第1断面積を有し、第2連結ロッド50bは、軸方向に垂直な平面において第2断面積を有する。第1断面積S1は第2断面積S2と等しい。例えば、第1連結ロッド50aは、第1直径を有する円形断面を有し、第2連結ロッド50bは、第1直径と等しい第2直径を有する円形断面を有してもよい。
In the
図5は、本発明のある実施形態に係るGM冷凍機10を概略的に示す断面図である。図1から図4を参照して説明したGM冷凍機10においては、第1連結ロッド50aと第2連結ロッド50bが等しい断面積を有する。しかしながら、図5に示すように、第1連結ロッド50aと第2連結ロッド50bが異なる断面積を有してもよい。
FIG. 5 is a sectional view schematically showing a
第1連結ロッド50aは、軸方向に垂直な平面において第1断面積S1を有し、第2連結ロッド50bは、軸方向に垂直な平面において第2断面積S2を有する。第1断面積S1は第2断面積S2と異なる。例えば、第1断面積S1は第2断面積S2より大きい。例えば、第1連結ロッド50aは、第1直径を有する円形断面を有し、第2連結ロッド50bは、第2直径を有する円形断面を有する。第2直径は第1直径より小さい。
The first connecting
このようにしても、作動ガス回路70は、共通駆動機構40を補助する圧力差を生成することができる。第1コールドヘッド14aおよび第2コールドヘッド14bそれぞれの運転それ自体がディスプレーサ連結体16にガスアシストを提供する。
Even in this manner, the working
加えて、図5に示すGM冷凍機10は、第1断面積S1が第2断面積S2と異なる非対称なガスアシスト構成を有する。ディスプレーサ連結体16の移動方向に応じて、ディスプレーサ連結体16に異なるアシスト力が与えられる。
In addition, the
図6(a)は、図5に示すディスプレーサ連結体16が上動するときスコッチヨーク48に作用する上動アシスト力Fupを示し、図6(b)は、ディスプレーサ連結体16が下動するときスコッチヨーク48に作用する下動アシスト力Fdownを示す。
FIG. 6A shows an upward movement assisting force Fup acting on the
スコッチヨーク48は、駆動機構ハウジング52の内部空間53に収容されている。上述のように、第1軸受部38aおよび第2軸受部38bはそれぞれ、内部空間53から第1室温室22aおよび第2室温室22bをシールする。内部空間53は、図1に示す圧縮機12の吐出口に連通され、従って低圧PLに常時維持されている。
The
ディスプレーサ連結体16が上動するとき第1室温室22aは高圧PHであり第2室温室22bは低圧PLであるから、上動アシスト力Fupは、Fup=(PH−PL)S1と表される。一方、ディスプレーサ連結体16が上動するとき第1室温室22aは低圧PLであり第2室温室22bは高圧PHであるから、下動アシスト力Fdownは、Fdown=(PH−PL)S2と表される。したがって、第1断面積S1が第2断面積S2より大きい場合、上動アシスト力Fupは下動アシスト力Fdownより大きい。
When the
GM冷凍機10は、使用される現場で図示の向きに設置されうる。すなわち、第1コールドヘッド14aが鉛直方向下方に、第2コールドヘッド14bが鉛直方向上方に、それぞれ配置されるようにして、GM冷凍機10は縦向きに設置されうる。この場合、駆動源(例えば回転駆動源44)の負荷は、ディスプレーサ連結体16の移動方向に応じて異なりうる。例えば、ディスプレーサ連結体16の自重により、駆動源(例えば回転駆動源44)の負荷は、ディスプレーサ連結体16が下動するときに比べて、ディスプレーサ連結体16が上動するときに大きくなりうる。
The
図5に示すGM冷凍機10は、非対称なガスアシスト構成を採用することによって駆動負荷を均一化することができる。例えば、第1断面積S1が第2断面積S2より大きいことによって、上動アシスト力Fupが下動アシスト力Fdownより大きくなる。それにより、ディスプレーサ連結体16の自重の影響を少なくとも部分的に打ち消すことができる。これは、第1コールドヘッド14aと第2コールドヘッド14bの冷凍性能の均一化に役立つ。また、駆動負荷の均一化によって駆動負荷のピーク値が低減されうるので、非対称ガスアシスト構成は、駆動源の小型化にも役立つ。
The
ある実施形態においては、駆動機構ハウジング52の内部空間53は、低圧PLと異なる所定の圧力に維持されていてもよい。同様に、ディスプレーサ連結体16の移動方向に応じてディスプレーサ連結体16に異なるアシスト力を与えることができる。
In some embodiments, the
ある実施形態においては、第1連結ロッド50aの第1断面積S1は、第2連結ロッド50bの第2断面積S2より小さくてもよい。例えば、第1連結ロッド50aは、第1直径を有する円形断面を有し、第2連結ロッド50bは、第2直径を有する円形断面を有し、第1直径は第2直径より小さくてもよい。このようにすれば、上動アシスト力Fupを下動アシスト力Fdownより小さくすることができる。
In one embodiment, the first cross-sectional area S1 of the first connecting
図7は、本発明のある実施形態に係るGM冷凍機10を概略的に示す断面図である。図7に示すGM冷凍機10は、図4に示すGM冷凍機10と同様に、共通駆動機構40を有しない。
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically illustrating a
GM冷凍機10は、第1連結ロッド50aおよび第2連結ロッド50bを備え、これらは軸方向に相互に連結されている。第1ディスプレーサ16aは、第1ディスプレーサ16aの軸方向往復動が第2ディスプレーサ16bの軸方向往復動と逆位相を有するよう第1連結ロッド50aおよび第2連結ロッド50bを介して第2ディスプレーサ16bに連結されている。第1ディスプレーサ16aに対する第2ディスプレーサ16bの相対位置は、第1ディスプレーサ16aおよび第2ディスプレーサ16bの軸方向往復動の間、不変である。
The
第1連結ロッド50aおよび第2連結ロッド50bは、相互に固定的に連結された単一の連結ロッド50を構成する。あるいは、第1連結ロッド50aおよび第2連結ロッド50bは、中間部材を介して相互に固定的に連結されていてもよい。
The first connecting
第1連結ロッド50aは、軸方向に垂直な平面において第1断面積S1を有し、第2連結ロッド50bは、軸方向に垂直な平面において第2断面積S2を有する。第1断面積S1は第2断面積S2と異なる。例えば、第1断面積S1は第2断面積S2より大きい。例えば、第1連結ロッド50aは、第1直径を有する円形断面を有し、第2連結ロッド50bは、第2直径を有する円形断面を有する。第2直径は第1直径より小さい。
The first connecting
図7に示すGM冷凍機10においても、図1に示すGM冷凍機10と同様に、図3に示すバルブタイミングが採用されうる。
In the
このようにしても、GM冷凍機10をガス差圧駆動式に構成することができる。また、ディスプレーサ連結体16の移動方向に応じてディスプレーサ連結体16に異なる駆動力を与えることができる。それにより、ディスプレーサ連結体16の上動と下動を対称化することができる。第1コールドヘッド14aと第2コールドヘッド14bの冷凍性能を均一化することができる。
Also in this case, the
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。 The present invention has been described based on the embodiments. It is understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above embodiment, and that various design changes are possible, various modifications are possible, and such modifications are also within the scope of the present invention. By the way.
例えば、2つのコールドヘッドが異なる構成を有してもよい。第1コールドヘッド14aが第2コールドヘッド14bと異なるサイズを有し、それにより第2コールドヘッド14bと異なる冷凍能力を有してもよい。あるいは、一方または両方のコールドヘッドが多段式(例えば二段式)でもよい。
For example, the two cold heads may have different configurations. The first
往復駆動源42は、第1ディスプレーサ16aおよび第2ディスプレーサ16bの軸方向往復動を駆動するリニアモータを備えてもよい。
The
10 GM冷凍機、 14a 第1コールドヘッド、 14b 第2コールドヘッド、 16a 第1ディスプレーサ、 16b 第2ディスプレーサ、 18a 第1シリンダ、 18b 第2シリンダ、 40 共通駆動機構、 42 往復駆動源、 44 回転駆動源、 46 回転出力軸、 48 スコッチヨーク、 50a 第1連結ロッド、 50b 第2連結ロッド、 54a 第1冷媒冷却部、 54b 第2冷媒冷却部、 54c 接続冷媒管、 54f 連結機構、 56 副真空容器、 58 主真空容器、 60 フランジ部、 70 作動ガス回路、 V1 第1吸気バルブ、 A1 第1吸気期間、 V2 第1排気バルブ、 A2 第1排気期間、 V3 第2吸気バルブ、 A3 第2吸気期間、 V4 第2排気バルブ、 A4 第2排気期間。 10 GM refrigerator, 14a first cold head, 14b second cold head, 16a first displacer, 16b second displacer, 18a first cylinder, 18b second cylinder, 40 common drive mechanism, 42 reciprocal drive source, 44 rotary drive Source, 46 rotation output shaft, 48 scotch yoke, 50a first connecting rod, 50b second connecting rod, 54a first refrigerant cooling unit, 54b second refrigerant cooling unit, 54c connecting refrigerant pipe, 54f connecting mechanism, 56 sub vacuum vessel , 58 main vacuum vessel, 60 flange part, 70 working gas circuit, V1 first intake valve, A1 first intake period, V2 first exhaust valve, A2 first exhaust period, V3 second intake valve, A3 second intake period V4 2nd exhaust valve, A4 2nd exhaust period.
Claims (14)
前記第1ディスプレーサと同軸に配置され前記第1ディスプレーサと一体に軸方向往復動可能な第2ディスプレーサと、前記第2ディスプレーサとの間に第2ガス室を形成する第2シリンダと、を備え、前記第1コールドヘッドと対向配置された第2コールドヘッドと、
前記第1ディスプレーサおよび前記第2ディスプレーサの軸方向往復動を駆動するよう前記第1ディスプレーサおよび前記第2ディスプレーサに連結された共通駆動機構と、
前記第1ガス室と前記第2ガス室との間に前記共通駆動機構を補助する圧力差を生成するよう前記第1コールドヘッドおよび前記第2コールドヘッドに接続された作動ガス回路と、を備え、
前記第1コールドヘッドは、前記第2コールドヘッドから遠い側の端部に第1冷却ステージを備え、前記第2コールドヘッドは、前記第1コールドヘッドから遠い側の端部に第2冷却ステージを備えることを特徴とするGM冷凍機。 A first cold head including: a first displacer that can reciprocate in the axial direction; and a first cylinder that forms a first gas chamber between the first displacer and the first displacer.
A second displacer arranged coaxially with the first displacer and reciprocally movable in the axial direction integrally with the first displacer; and a second cylinder forming a second gas chamber between the second displacer and the second displacer. A second cold head facing the first cold head,
A common drive mechanism coupled to the first displacer and the second displacer to drive the first displacer and the second displacer to reciprocate in the axial direction;
A working gas circuit connected to the first cold head and the second cold head to generate a pressure difference between the first gas chamber and the second gas chamber to assist the common drive mechanism. ,
The first cold head includes a first cooling stage at an end remote from the second cold head, and the second cold head includes a second cooling stage at an end remote from the first cold head. GM refrigerator according to claim Rukoto equipped.
往復駆動源と、
前記往復駆動源から軸方向に延在し前記往復駆動源を前記第1ディスプレーサに連結する第1連結ロッドと、
前記第1連結ロッドと反対側で前記往復駆動源から軸方向に延在し前記往復駆動源を前記第2ディスプレーサに連結する第2連結ロッドと、を備え、
前記第1ディスプレーサの軸方向往復動は、前記第2ディスプレーサの軸方向往復動と逆位相を有することを特徴とする請求項1に記載のGM冷凍機。 The common drive mechanism,
A reciprocating drive source,
A first connecting rod extending in the axial direction from the reciprocating drive source and connecting the reciprocating drive source to the first displacer;
A second connecting rod extending in the axial direction from the reciprocating drive source on a side opposite to the first connecting rod and connecting the reciprocating drive source to the second displacer.
The GM refrigerator according to claim 1, wherein the axial reciprocation of the first displacer has an opposite phase to the axial reciprocation of the second displacer.
前記第1連結ロッドは、前記スコッチヨークから前記第1ディスプレーサへと軸方向に延在して前記スコッチヨークを前記第1ディスプレーサに連結し、
前記第2連結ロッドは、前記スコッチヨークから前記第2ディスプレーサへと軸方向に延在して前記スコッチヨークを前記第2ディスプレーサに連結することを特徴とする請求項2に記載のGM冷凍機。 The reciprocating drive source includes a rotary drive source having a rotary output shaft, and a scotch yoke coupled to the rotary output shaft so as to convert rotation of the rotary output shaft into axial reciprocation,
The first connecting rod extends axially from the scotch yoke to the first displacer to connect the scotch yoke to the first displacer;
The GM refrigerator according to claim 2, wherein the second connecting rod extends in an axial direction from the scotch yoke to the second displacer and connects the scotch yoke to the second displacer.
前記第1コールドヘッドの第1吸気期間を定める第1吸気バルブと、
前記第2コールドヘッドの第2吸気期間を定める第2吸気バルブと、
前記第1コールドヘッドの第1排気期間を前記第2吸気期間と少なくとも部分的に重なるよう定める第1排気バルブと、
前記第2コールドヘッドの第2排気期間を前記第1吸気期間と少なくとも部分的に重なるよう定める第2排気バルブと、を備えることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のGM冷凍機。 The working gas circuit includes:
A first intake valve for defining a first intake period of the first cold head;
A second intake valve for defining a second intake period of the second cold head;
A first exhaust valve that determines a first exhaust period of the first cold head to at least partially overlap the second intake period;
The GM refrigeration according to any one of claims 1 to 5, further comprising: a second exhaust valve that determines a second exhaust period of the second cold head so as to at least partially overlap the first intake period. Machine.
前記第2排気期間は、前記第1排気期間から遅延されていることを特徴とする請求項6に記載のGM冷凍機。 The second inspiration period is delayed from the first inspiration period, and / or
The GM refrigerator according to claim 6, wherein the second exhaust period is delayed from the first exhaust period.
前記第2コールドヘッドに熱的に結合された第2冷媒冷却部と、
前記第1冷媒冷却部を前記第2冷媒冷却部に接続する接続冷媒管と、さらに備え、
前記接続冷媒管には、脱着可能な連結機構が設けられていることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のGM冷凍機。 A first refrigerant cooling unit thermally coupled to the first cold head;
A second refrigerant cooling unit thermally coupled to the second cold head;
A connection refrigerant pipe connecting the first refrigerant cooling unit to the second refrigerant cooling unit, further comprising:
The GM refrigerator according to any one of claims 1 to 7, wherein the connection refrigerant pipe is provided with a detachable connection mechanism.
前記第1コールドヘッドを前記副真空容器と別の主真空容器に取り付けるためのフランジ部と、をさらに備えることを特徴とする請求項8に記載のGM冷凍機。 A sub-vacuum container containing the second cold head and the second refrigerant cooling unit;
The GM refrigerator according to claim 8, further comprising: a flange portion for attaching the first cold head to the sub vacuum container and another main vacuum container.
前記第2コールドヘッドは、第2の単段式コールドヘッドであることを特徴とする請求項8または9に記載のGM冷凍機。The GM refrigerator according to claim 8 or 9, wherein the second cold head is a second single-stage cold head.
前記第1ディスプレーサと同軸に配置され前記第1ディスプレーサと一体に軸方向往復動可能な第2ディスプレーサと、前記第2ディスプレーサとの間に第2ガス室を形成する第2シリンダと、を備え、前記第1コールドヘッドと対向配置された第2コールドヘッドと、を備え、
前記第1コールドヘッドは、前記第2コールドヘッドから遠い側の端部に第1冷却ステージを備え、前記第2コールドヘッドは、前記第1コールドヘッドから遠い側の端部に第2冷却ステージを備えることを特徴とするGM冷凍機。 A first cold head comprising: a first displacer that can reciprocate in the axial direction; and a first cylinder that forms a first gas chamber between the first displacer and the first displacer.
A second displacer arranged coaxially with the first displacer and reciprocally movable in the axial direction integrally with the first displacer; and a second cylinder forming a second gas chamber between the second displacer and the second displacer. A second cold head disposed opposite to the first cold head ,
The first cold head includes a first cooling stage at an end remote from the second cold head, and the second cold head includes a second cooling stage at an end remote from the first cold head. GM refrigerator according to claim Rukoto equipped.
前記第1連結ロッドは、軸方向に垂直な平面において第1断面積を有し、前記第2連結ロッドは、軸方向に垂直な平面において第2断面積を有し、前記第1断面積は前記第2断面積と等しいことを特徴とする請求項11または12に記載のGM冷凍機。 A first connecting rod and a second connecting rod connected to each other in the axial direction, wherein the first displacer has a phase opposite to that of the second displacer in axial reciprocation of the first displacer. Connected to the second displacer via the first connecting rod and the second connecting rod to have
The first connecting rod has a first sectional area in a plane perpendicular to the axial direction, the second connecting rod has a second sectional area in a plane perpendicular to the axial direction, and the first sectional area is GM refrigerator according to claim 11 or 12, characterized in that equal to the second cross-sectional area.
前記第1連結ロッドは、軸方向に垂直な平面において第1断面積を有し、前記第2連結ロッドは、軸方向に垂直な平面において第2断面積を有し、前記第1断面積は前記第2断面積と異なることを特徴とする請求項11または12に記載のGM冷凍機。 A first connecting rod and a second connecting rod connected to each other in the axial direction, wherein the first displacer has a phase opposite to that of the second displacer in axial reciprocation of the first displacer. Connected to the second displacer via the first connecting rod and the second connecting rod to have
The first connecting rod has a first sectional area in a plane perpendicular to the axial direction, the second connecting rod has a second sectional area in a plane perpendicular to the axial direction, and the first sectional area is GM refrigerator according to claim 11 or 12, characterized in that different from the second cross-sectional area.
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