JPH03105166A

JPH03105166A - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JPH03105166A
Application number: JP24186489A
Authority: JP
Inventors: Toru Kuriyama; 透栗山; Hideki Nakagome; 秀樹中込
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-09-20
Filing date: 1989-09-20
Publication date: 1991-05-01
Anticipated expiration: 2013-06-18
Also published as: JP2766335B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の巨的〕（産業上の利用分野）本発明は、極低温冷凍機に係シ、特に、蓄冷式の冷凍機
に関する。

（従来の技術）極低温用の冷凍機には種々のタイプがある。これらの中
にギホード●マクマホン形の冷凍機がある。この冷凍機
は、通常、第２図に示すように構成されている。

すなわち、この冷凍機は大きく別けて、コールドヘッド
１と、冷媒ガス導排出系２とで構或されている。コール
ドヘッド１は、閉じられたシリンダ１１と、このシリン
ダ１１内に往復動自在に収容されたディスプレーサ１２
と、このディスプレーサ１２に往復動に必要な動力を与
えるモータ１３とで構威されている。

シリンダｌ１は、大径の第１シリンダ１４と、この第１
シリンダ１４に同軸的に接続された小径の第２シリンダ
ｌ５とで構成されている。そして、第１シリンダ１４と
第２シリンダ１５との境界壁部分で冷却面としての１段
ステージ１６を構或し、筐たシリンダ１５の先端壁部分
で１段ステージ１６よ９低温の２段ステージ１７を構或
している。

ディスプレーサ１２は、第１シリンダ１４内を往復動す
る第１ディスプレーサ１８と、第２シリンダ１５内を往
復動する第２ディスプレーサ１９とで構成されている。

第１ディスプレーサ１８と第２ディスプレーサ１９とは
、連結部材２０によって軸方向に連結されてｂる。第１
ディスプレーサ１８の内側には、軸方向に延びる流体通
路２１が形成されておｂ１この流体通路２１には銅メッ
シュ等で形或された蓄冷材２２が収容されている。

同様に、第２ディスプレーサ１９の内側にも軸方向に延
びる流体通路２３が形成されて′ｓ？υ、この流体通路
２３には鉛の球などで形成された蓄冷材２４が収容され
ている。第１ディスプレーサ１８の外周面と第１シリン
ダ１４の内周面との間および第２ディスプレーサｌ９の
外周面と第２シリンダ１５の内周面との間には、それぞ
れシール機構２５　．２６が装着されている。

シール機構２５　．２６は、たとえばシール機構２６を
代表して示すと、第１３図から第１４図に示すように構
或されている。すなわち、第２ディスプレーサ１９の外
周面に形成された環状溝２７内に外周面が第２シリンダ
１５の内周面に接触するように有端形のシールリング２
８を装着するとともにシールリング２８の内側にシール
リング２８をシリンダ内面に押付けるための有端形のば
ねリング２９を装着したものとなっている。

第１ディスプレーサ１８の図中上端は、連結ロッド３１
、スコグチョークあるいはクランク軸３２を介してモー
タ１３の回転軸に連結されている。したがって、モータ
１３の回転軸が回転すると、この回転に同期してディス
プレーサ１２が図中実線矢印３３で示すように往復動す
る。

第１シリンダエ４の側壁上部には冷媒ガスの導入口３４
と排出口３５とが設けてあシ、これら導入口３４と排出
口３５は冷媒ガス導排出系２に接続されている。冷媒ガ
ス導排出系２は、シリンダ１１を経由したヘリウムガス
循環系を構或するもので、排出口３５を低圧弁３６、圧
縮機３７、高圧弁３８を介して導入口３４に接続したも
のとなっている。すなわち、この冷媒ガス導排出系２ぱ
、低圧（約５　ａｔｍ　）のヘリウムガスを圧縮機３７
で高圧（約１　８　ａｔｍ　）に圧縮してシリンダ１１
内に送ｂ込むものである。そして、低圧弁３６、高圧弁
３８の開閉はディスプレーサ１２の往復動との関連にお
いて後述する関係に制御される。

このように構成された冷凍機の動作を簡単に説明すると
以下の通シである。この冷凍機では寒冷の発生する部分
、つｉｂ冷却面に供される部分は第１ステージｌ６と第
２ステージ１７とである。

これらは熱負荷のない場合にそれぞれ３０Ｋ，１０Ｋ程
度まで冷える。このため、第１ディスプレーサ１８の図
中上下端間には常温（３００Ｋ）から３０Ｋまでの温度
勾配がつき、また第２ディスプレーサ１９の図中上下端
間には３０Ｋから１０Ｋ１での温度勾配がつく。ただし
、この温度は各段の熱負荷によって変化し、通常、１段
ステージ１６では３０〜８０Ｋ，２段ステージ１７では
１０〜２０Ｋの間となる。

モータ１３が回転を開始すると、ディスプレーサ１２は
下死点との間を往復動する。ディスプレーサ１２が下死
点にあるとき、高圧弁３８が開いて高圧のヘリウムガス
がコールドヘクド１内に流入する。次に、ディスプレー
サｌ２が上死点へと移動する。前述の如く、第１ディス
プレーサ１８の外周面と第１シリンダ１４の内周面との
間釦よび第２ディスプレーサ１９の外周面と第２シリン
ダ１５の内周面との間にはそれぞれシール機構２５　．
２６が装着されている。このため、ディスプレーサ１２
が上死点へと向かうと、高圧のヘリウムガスは第１ディ
スプレーサ１８に形成された流体通路２１釦よび第２デ
ィスプレーサ１９に形或された流体通路２３を通って、
第１ディスプレーサ１８と第２ディスプレーサ１９との
間に形或された１段膨脹室３９および第２ディスプレー
サ１９と第２シリンダｌ５の先端壁との間に形成された
２段膨脹室４０へと流れる。この流れに伴って、高圧の
ヘリウムガスは蓄冷材２２　．２４によって冷却され、
結局、１段膨脹室３９に流れ込んだ高圧ヘリウムガスは
３０Ｋ程度に、また２段膨脹室４０に流れ込んだ高圧ヘ
リウムガスは８Ｋ程度に冷却される。ここで、高圧弁３
８が閉じ、低圧弁３６が開く。このように低圧弁３６が
開くと、１段膨脹室３９内釦よび２段膨脹室４０内の高
圧ヘリウムガスが膨脹して寒冷を発生する。この寒冷に
よって第１ステージ１６釦よび第２ステージ１７が冷却
される。そして、ディスプレーサ１２が再び下死点へと
移動し、これに伴って１段膨脹室３９内シよび２段膨脹
室４０内のヘリウムガスが排除される。膨脹したヘリウ
ムガスは流体通路２１　．２３内を通る間に蓄冷材２２
．２４によクて暖められ、常温となって排出される。以
下、上述したサイクルが繰返されて冷凍運転が行なわれ
る。このタイプの冷凍機は、超電導マグネットの冷却や
赤外線センブリ冷却や、あるいは１たクライオポンプの
冷却源として使用される。

しかしながら、上記のように構威された従来の冷凍機に
あっては次のような問題があった。すなわち、シール機
構２５は常温部と１段膨脹室３９との間にかいてヘリウ
ムガスが第１シリンダ１４と第１ディスプレーサ１８と
の間の隙間を通して流れるのを防止してかか，またシー
ル機構２６は１段膨脹室３９と２段膨脹室４０との間に
３いてヘリウムガスが第２シリンダ１５と第２ディスプ
レーサ１９との間の隙間を通して流れるのを防止してい
る。これらのシール機構２５　．２６は、高純度（９９
．９９％）　　のヘリウムガス中で使用されて釦シ、ヘ
リウムガスの汚染を防止する意味からグリス等の潤滑材
を使用することはできない。

そこで、前記したように、第１３図から第１５図に示し
たように、第２ディスプレーサ１９の外周向に形成され
た環状溝２７内に、有端形のシールリング２８を装着し
、更にその背面側に押圧力を付与するための有端形のば
ねリング２９を装着した構成のシール機構２６を用いて
いる。しかしながら、このように端部３０をもつばねリ
ング２９は第１５図に示すように、端部から円周方向に
９０度ずれた位置Ａで最大の押圧力をシールリングに付
与するが、Ａから離れるに従って押圧力は減少し、図中
Ｂの位置での押圧力は０となる。

従って、シールリング２８の全円周に対して十分な押圧
力を与えることができない。そのためこのような構成の
シール機構２６におけるヘリウムガスの漏れ量が多く、
この結果、第２ステージ１７の温度上昇を招く問題があ
った。第２ステージの温度上昇は、結果的にある温度で
の冷凍能力の減少につながることになる。このことをも
う少し詳しく説明する。

今、１段膨腺室３９の温度が３０Ｋ，２段膨脹室４０の
温度が１｛）Ｋであったとした掛合、シール機構２６の
部分で漏れが生じると、３０Ｋのヘリウムガスが第２デ
ィスプレーサｌ９内の蓄冷材２４に接触することなく２
段膨脹室４０内に入ｂ１また逆にＩＯＫのヘリウムガス
が１段膨脹室３９内に入ることになる。この結果、１段
ステージ１６の温度が下降し、２段ステージ１７の温度
が上昇してし１うことになる。第１６図にはシール機構
２６でのヘリウムガスの漏れ量割合（２段膨脹室４０へ
流れ込むヘリウムガスの総量に対するシール機構２６を
通して流れ込むヘリウムガスの割合）と各段（１段ステ
ージ１６、２段ステージ１７）の温度との関係を計算で
求めた結果が示されている。この図から判かるように、
シール機構２６の部分での漏れが各段ステージの温度に
大きい影響を与える。これはシール機構２６に限らず、
シール機構２５にも言えることである。

（発明が解決しようとする課題）上述の如く、従来のギホード●マクマホｙ形の冷凍機に
あっては、ディスプレーサとシリンダとの間の隙間をシ
ールするためのシール機構で完全なシールを行なうこと
ができず、これが原因して冷凍能力が低いと言う問題が
あった。

そこで本発明は、シール機構でのシール性能を大幅に向
上させることができ、もって冷凍能力を向上させること
ができる冷凍機を提供することを目的としている。

〔発明の構或〕

（課題を解決するための手段）この発明は、閉じられたシリンダと、このシリンダ内に
摺動自在に配置されるとともに内側に蓄冷材を収容した
通路を有するディスプレーサと、このディスプレーサを
往復動させる手段と、前記シリンダの一端側に設けられ
た冷媒ガスの導入口及び排出口と、前記ディスプレーサ
の往復動に関連させて前記導入口から前記シリンダ内に
高圧の冷媒ガスを導入した後に前記排出口から排出させ
る工程を繰返す冷媒ガス導排出手段とを備えた冷凍機に
おいて、前記ディスプレーサの外周面に形或された環状
溝と、この環状溝内に外周面を前記シリンダの内周面に
接触させて装着された少なくとも１つの有端形のシール
リｙグと、このシールリングの内側に同心円状にかつ有
端部をずらして装着された複数個の有端形のばねリング
とを具備してなる極低温冷凍機であｂ１前記複数個の有
端形のばねリングは、前記シールリングの内側の同心円
方向に設置されておｂ１又、前記複数個の有端形のばね
リングは、前記シールリングの内側の軸方向に積層して
なり、更には、前記複数個（Ｎ個）のばねリングの端部
が円周方向に３６０゜／Ｎずれて装着されてかυ、又、
閉じられたシリンダと、このシリンダ内に摺動自在に配
置されるとともに内側に蓄冷材を収容した通路を有する
ディスプレーサと、このディスプレーサを往復動させる
手段と、前記シリンダの一端側に設けられた冷媒ガスの
導入口Ｄよび排出口と、前記ディスプレーサの往復動に
関連させて前記導入口から前記シリンダ内に高圧の冷媒
ガスを導入した後に前記排出口から排出させる工程を繰
返す冷媒ガス導排出手段とを備えた極低温冷凍機に釦い
て、前記ディスプレーサの外周面に形或された環状溝と
、この環状溝内に外周面を前記シリンダの内周面に接触
させて装着された少なくとも１つの有端形のシールリン
グと、このシールリングの内側に装着されるコイルばね
をリング状に曲げて形威した有端形のばねリングとを具
備してなることを極低温冷凍機にある。

（作用）上記のように有端形のばねリングを有端部をずらして複
数個同心円状に配置したシ、又、コイルばねをリング状
に曲げて形或することにようシール機構を介してのヘリ
ウムガス漏れ量を大幅に減らすことができる。従って、
冷凍能力の向上を実現できる。

（実施例）以下、図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例に係る極低温冷凍機が示さ
れている。この図では第７図と同一部分が同一符号で示
されている。従って、重複する部分の説明は省略する。

この実施例に係る極低温冷凍機から従来の極低温冷凍機
と異なる点は、第２ディスプレーサ１９の外周面に形或
された環状溝２７内に装着されて第２ディスプレーサと
第２シリンダ１５との間の隙間をシールするシール機構
４１の構或にある。

シール機構４１は、第２図から第４図に示すように、環
状溝２７内に有端形のシールリング４２と、このシール
リング４２の内側に同円状に装着され第２シリンダ１５
の内周面側への押圧力を与える有端形のばねリング４３
，４４が装着された構或となっている。そして、はねリ
ング４３．４４は第４図に示すように、両端間に僅かな
距離Ｒの切れ目を第２図に示すように円周方向にほぼ９
０度離れるようにして環状溝２７内に装着されている．このような構或であると、ばねリング４３の押圧力が最
も弱い部分に、ばねリング４４の押圧力が最も強い部分
が配置されるため、シールリング４２に対する押圧力が
円周方向に均一化される。

従って，シール機構４１でのヘリウムガス漏れを大幅に
減少させることができ、第２膨脹室、つまり第２ステー
ジ１７の温度上昇を抑制でき、冷凍能力を向上させるこ
とができる。

次の実施例は、第５図から第７図に示すように、環状溝
２７内に有端形のシールリング４２と、このシールリン
グ４２の内側に軸方向に２段構成で第２シリンダ１５の
内周面側への押圧力を与える有端形のばねリング４３ａ
　，４４ａが装着された構成となっている。そして、ば
ねり／グ４３ａ，４４ａは第７図に示すように、両端間
に僅かな距ＩＩＩＩＲの切れ目を第５図に示すように円
周方向にほぼ９０度離れるようにして環状溝２７内に装
着されている。

このような構或であると、はねリング４３Ｈの押圧力が
最も弱い部分に、ばねリング４４ａの押圧力が最も強い
部分が配置されるため、シールリング４２に対する押圧
力が円周方向に均一化される。従って、シール機構４１
でのヘリウムガス漏れを大幅に減少させることができ、
第２膨脹室、クまシ第２ステージｌ７の温度上昇を抑制
でき、冷凍能力を向上させることができる。

次の実施例は、第８図から第９図に示すように従来のシ
ール機構２６（第１３図〜第１４図）と同様の構或であ
υ、ばねリング２９のかわシに、コイルばねをリング状
に曲げて形或したばねリング４５を使用したものである
。このように構成することによ夛シールリング２８の全
円周に対して均一に十分な押圧力を与えることができる
。

第１０図には第１３図に示すシール機構を組込んだ従来
の冷凍機と第２図に示すシール機構４１を組込んだ本発
明冷凍機とのガス漏れ量の測定結果が示されている。こ
れは環状溝の幅を等しくするとともにばねリングの押圧
力を等しくして常温●靜止状態で測定した結果である。

実際の使用条件（低温，往復動）とは異なるが、漏れ量
が大幅に減少していることが判かる。この傾向は、使用
条件にかいても反映されるものと考えられる。第１１図
には第１３図に示すシール機構を組込んだ従来の冷凍機
と第２図に示すシール機構４１を組込んだ本発明に係る
冷凍機との冷凍曲線が示されてしる。横軸は第２ステー
ジ１７の温度（ｋ）を示し、縦軸は第２ステージ１７に
加えた熱負荷尚を示している。この図から判かるように
、同じ温度で冷凍し得る能力は本発明冷凍機の方が大き
い。したがって、上記構成のシール機構４１ａを設けた
ことによって冷凍能力を向上させ得ることが理解される
。このことは第５図，第８図に示す実施例のシール機構
４ｌｂ，４１Ｃであっても同様である。

なか、上述した実施例では、第２ディスプレーサと第２
シリンダとの間に設けられるシール機構だけを第２図，
第５図，第８図に示すシール機構４１ａ，４ｌｂ，４１
Ｃで構或しているが、第１ディスプレーサと第１シリン
ダとの間に設けられるシール機構も第２図，第５図，第
８図に示すシール機構４１８，４ｌｂ，４１Ｃで構或シ
テモヨい。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、シール機構でのガス
漏れを大幅に減少させることができるので、一層の低温
度化を実現でき、冷凍能力を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は本発明の一実施例に係る冷凍機を局部的に切欠
して示す構或図、第２図は同冷凍機に組込まれたシール
機構を軸方向から見た第１の実施例を示す概略図、第３
図は同シール機構を局部的に取や出して示す縦断面図、
第４図は同シール機構に組込まれたシールリングの両端
の形態を示す概略図、第５図は同冷凍機に組込筐れたシ
ール機構を軸方向から見た第２の実施例を示す概略図、
第６図は同シール機構を局部的に取シ出して示す縦断面
図、第７図は同シール機構に組込まれたシールリングの
両端の形態を示す概略図、第８図は同冷凍機に組込まれ
たシール機構を軸方向から見た第３の実施例を示す概略
図、第９図は同シール機構を局部的に取り出して示す縦
断面図、第１０図および第１１図は本発明に係る第ｌの
実施例の冷凍機の特性を従来の冷凍機のそれと比較して
示す図、第１２図は従来の冷凍機の概略構或図、第１３
甲は同冷凍機に組込筐れたシール機構を軸方向から見た
図、第１４図は同シール機構を局部的に取出して示す縦
断面図、第１５図は同シール機構に組込壕れたシールリ
ングの両端部の形態を示す図、第１６図は従来の冷凍機
の問題点を説明するための図である。１・・・コールドヘクド、２・・・冷媒ガス導排出系、
１１・・・シリンダ、１２・・・ディスプレーサ、ｌ３
・・・モータ、１４・・・第１シリンダ、１５・・・第
２シリンダ、１６・・・第１ステージ、１７・・・第２
ステージ、１８・・・第１ディスプレーサ、１９・・・
第２ディスプレーサ、２１．２３・・・流体通路、２２
　．２４・・・蓄冷材、２７・・・環状溝、２８．４２
・・・シールリング、３９・・・第１膨脹室、４０・・
・第２膨脹室、４１ａ，４　ｌ　ｂ　，　４　１　Ｃ−
シー／Ｉ／機構、４３　，４３ａ　，４４　，４４ａ　
，４５・・・ばねリング。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）閉じられたシリンダと、このシリンダ内に摺動自
在に配置されるとともに内側に蓄冷材を収容した通路を
有するディスプレーサと、このディスプレーサを往復動
させる手段と、前記シリンダの一端側に設けられた冷媒
ガスの導入口及び排出口と、前記ディスプレーサの往復
動に関連させて前記導入口から前記シリンダ内に高圧の
冷媒ガスを導入した後に前記排出口から排出させる工程
を繰返す冷媒ガス導排出手段とを備えた冷凍機において
、前記ディスプレーサの外周面に形成された環状溝と、
この環状溝内に外周面を前記シリンダの内周面に接触さ
せて装着された少なくとも１つの有端形のシールリング
と、このシールリングの内側に同心円状にかつ有端部を
ずらして装着された複数個の有端形のばねリングとを具
備してなることを特徴とする極低温冷凍機。
（２）前記複数個の有端形のばねリングは、前記シール
リングの内側の同心円方向に設置されてなることを特徴
とする請求項（１）記載の極低温冷凍機。
（３）前記複数個の有端形のばねリングは、前記シール
リングの内側の軸方向に積層してなることを特徴とする
請求項（１）記載の極低温冷凍機。
（４）前記複数個（Ｎ個）のばねリングの端部が円周方
向に３６０゜／Ｎずれて装着されてなる請求項（１）記
載の極低温冷凍機。
（５）閉じられたシリンダと、このシリンダ内に摺動自
在に配置されるとともに内側に蓄冷材を収容した通路を
有するディスプレーサと、このディスプレーサを往復動
させる手段と、前記シリンダの一端側に設けられた冷媒
ガスの導入口および排出口と、前記ディスプレーサの往
復動に関連させて前記導入口から前記シリンダ内に高圧
の冷媒ガスを導入した後に前記排出口から排出させる工
程を繰返す冷媒ガス導排出手段とを備えた極低温冷凍機
において、前記ディスプレーサの外周面に形成された環状溝と、こ
の環状溝内に外周面を前記シリンダの内周面に接触させ
て装着された少なくとも１つの有端形のシールリングと
、このシールリングの内側に装着されるコイルばねをリ
ング状に曲げて形成した有端形のばねリングとを具備し
てなることを特徴とする極低温冷凍機。