JPH0317472A

JPH0317472A - 冷凍機

Info

Publication number: JPH0317472A
Application number: JP15044289A
Authority: JP
Inventors: Katsumasa Araoka; 勝政荒岡; Takeshi Yamashita; 剛山下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-06-15
Filing date: 1989-06-15
Publication date: 1991-01-25
Anticipated expiration: 2013-07-16
Also published as: JP2777198B2

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、冷凍機に係り、特に、ギフオード・マクマホ
ン（　Ｇｉｆｆｏｒｄ＊Ｍｃｍａｈｏｎ　）形の冷凍機
に関する。

（従来の技術）極低温用の冷凍機には、橿々のタイプがある。

これらの中にギフォード●マクマホン形の冷凍機がある
。この冷凍機は通常第５図に示すように構成されている
。このタイプの冷凍機は大きく分けてコールドヘッドｌ
と冷媒ガス導排出系２とで構或される。コールドヘψド
ｌは，閉じられたシリンダ３とこのシリンダ３内に往復
動自王に収容された、ディスプレーサ４と、シリンダ３
の上部に配置され、上記ディスプレーサ４に往復動に必
要な動力を与える・駆動部４０とで構成される。尚、シ
リンダ３と上記駆動部４０とは，シール機構２７により
シリンダ３内と駆動部空間４ｌとは遮断されている。

シリンダ３は、大匝の第１シリンダ５とこの第ｌシＩ１
ンダ５に同軸に接続された小径の第２シリンダ６とで構
成されている。

そして、第１シリンダ５と第２シリンダ６との境界壁部
分で冷却面としてのｌ段ステージ７を構成し、また第２
シリンダ６の先端壁部分で１段ステージ７よク低温の２
段ステージ８を構成している。ディスプレーサ４は第１
シリンダ５内を往復動する第１ディスプレーサ９と、第
２シリンダ６内を往復動する第２ディスプレーサｌＯと
で構成されている。第１ディスプレーサ９と第２ディス
プレーサ１０とは、連結部材１１によりて軸方向に連結
されている。

第１ディスプレーサ９の内側には、軸方向に延びる流体
通Ｗ＆１２が形成されており、この流体通路１２には、
銅メッシュ等で形或された蓄冷材■３が収容されている
。

同様に、第２ディスプレーサ１０の内側にも軸方向に延
びる流体通路１４が形或されて２３ｖ１この流体通路ｌ
４内には球状の鉛などで形或された蓄冷材ｌ５が収容さ
れている。

ＷＩＩｌティスプレーサ９の外周面と第１シリンダ５の
内周面との間および第２ディスプレーサ１０の外周面と
第２シリンダ６の内周面との間には、それぞれシール機
構１６．１７が装着されている。

第ｌディスプＶ−サ９の上端は、往復駆動軸１８に連結
されて２５ク、往復駆動軸ｌ８の外周面と駆動部ケーシ
ング４２との間にシール機構２７が装庸されている。

上記往ｃｙＩ駆動軸ｌ８の上部は、コの字形のスライダ
一部ｌ９で形或されており、スライダ一部ｌ９内に偏心
カム２２に取り付けられたペアリング２ｌが入クている
。

偏心カム２２の＃Ｋはもう１つ吸排気作動ｌ：Ｉｌ１備
心カム２３を設けこの偏心カム２３は、モータ２４の軸
に取付けられている。

駆動部ケーシング４２７）＠壁部には前述の吸排気作動
用偏心カム２３と連動するシュプール弁２５が設けられ
ており，このシュプ　ール升２５の上下動作によりシリ
ンダー３内と圧縮機３０間の循環系を構成するもので、
すなわち冷媒ガスはシュプール弁２５の動きにより圧縮
された高圧ガスがシュプール弁２５の通路２通クシリン
ダー３内に導入され、また逆に通路を通ク駆動部空間４
ｌを経由して低圧ガスとなり圧縮機３０Ｋ戻る。

つまクシュプール弁２５の開閉はディスプレーサ４の往
復動との関連において後述する関係に制御される。

次に上記のように構成された冷凍機の動作について簡単
に説明する。この冷凍機では寒冷の発生する部分、つま
９冷却面に供給される部分は、第１ステージ７と第２ス
テージ８とである。これらは、熱負荷の無い場合にそれ
ぞれ３０Ｋ，８Ｋ程度までに冷える。このため、第１デ
ィスプレーサ９の図中上下端間には、常＠（３００Ｋ）
から３０Ｋまで＠度勾配がつき、また第２ディスプレー
サ１０の図中上下端間には３０Ｋから８Ｋまでの温度勾
配がつく。

ただし、この＠度は、各段の熱負荷にようて変化し、通
常１段ステージ７では、３０〜８０Ｋ１２段ステージ８
では、８〜２０Ｋの間となる。

モータ２４の軸に取り付けられた偏心カム２２が、ベア
リング２１を伴ないコの字形のスライダ一部ｌ９の内面
をモータ＠を中心として偏心運動することにより、往復
駆動軸ｌ８は上下の運動を行ない、結局、往復＠動軸ｌ
８に連結されたデイスプＶ−サ４がシリンダ３内を往復
動することになる。

ディスプレーサ４が上死点にあるとき、シュプール弁２
５が吸気側になり高圧のヘリウムガスがシリンダ３内’
＆Ｃｆ５ｆｆｌ人する。次に、ディスプレーサ４が下死
点へと移動する。前述の如く、第１ディスプレーサ９の
外周面と第ｌシリンタ５ｆ７）内囚面との間および＄２
ディスプレーサ１０の外周面と第２シリンダ６の内周面
との間にはそれぞれシール機構１６．１７が装着されて
いる。このためディプレーサ４が下死点へ移動すること
により、高圧のヘリウムガスは、＠ｌディスプレーサ９
の内部に形或された流体通路１　２、＃よび第２デイス
プレーサ１０の内部に形或された流体通路ｌ４を通ｖ第
１ディスプレーサ９と第２ディスプレーサ１０との間に
形成された１段膨張室３５、および第２ディスプレーサ
１０と第２シリンダ６の先端壁との間に形或された２没
膨張室３６へと流れる。この流れＫ：ｌ＃なクて高圧の
ヘリウムガスは、蓄冷材１３．１４により冷却され、結
局１段膨張室３５に流れ込んだ高圧ヘリウムガスは３０
Ｋ程度に、また２段膨張室３６に流れ込んだ高圧ヘリウ
ムガスは８Ｋ程度Ｋ冷却される。

ここでシュプール弁２５は吸排気作動用偏心カム２３と
連動して排気側となり、１段膨張室３５、および２Ｒ膨
張室３６内の高圧ヘリウムガスが膨張し寒冷を発生する
。この寒冷によりて第１ステージ７、および第２ステー
ジ８が冷却される。そしてディスプレーサ４が再び上死
点へと移動し、これに伴ない１段膨張室３５内、および
２段膨張室３６内のヘリウムガスが排除される。膨張し
たヘリウムガスは蓄冷材１３．１５により暖められ流体
通路１２．１４及び駆動部空間４ｌを通り排出される。

そして、このような動作を繰り返すことにより冷凍が連
続して行われることになる。

このタイプの令凍機は、超電導マグネ１トの冷却や、赤
外，線センサの冷却あるいは、またクライオポンプの帝
却源等として使弔することができ有望視されている。

（発明が解決しようとする課題）このように構成される冷凍機では次のような問題があっ
た。すなわち（】）偏心カムとバネ等を使弔した構造でシュプール弁
２構成しているため、ディスプレーサの運動とは間阪的
で信頼性に欠ける。

（２）またシュプール弁は上下運動シールのため、シー
ル性能に不安があり性能低下セ招く恐れがある。

（３）さらに、駆動部としてシュプール弁のしめる割合
が大きく全体が大型化し、保守、点検も容易でない。

本発明は上述した課題を解決する目的でなされ、ピスト
ンの往復動と＠接的に連動して揺動する吸、排気弁にす
ることにより、性能向上、信頼性向上を図るとともに駆
動部の簡素化、小型化を実現できる冷凍機を提供するこ
とを目的としている。

〔発明の構吠〕

（課題金解決するための手段）本発明の冷凍機にあクては、シリンダと、このシリンダ
ー内を所定方向に往復運動町能なディスプレーサと、こ
のディスプレーサに一端が取付けられる駆動軸と、前記
ディスプレーサ内に設けられるｔＩ酎器と、駆動手段力
）らの回転駆動力を往復運動に変換して前記＃Ｘ動・紬
に云遠する変換機構と、前記駆動軸の他端近傍に取付け
られ、前記シリンダー内と外部との間でガスの吸排気を
行なうための吸排気手段から成ることを′４！ｆ徴とし
ている。

また、シリンダーと、このシリンダー内を所定方回に往
復運動可能なディスプレーサと、このディスプレーすに
取付けられる駆動軸と、前記ディスプレーサ内に設けら
れるＳ冷器と、駆動手段からの回転駆動力を往復運動に
変換して前記駆動紬に伝達するｆ｛！ｉ！！！機構と、
前記駆動柚の周囲に回動自在に設けられ前記シリンダー
内と外部との間でガスの吸排気を行なうための吸排気手
段と、からなることを特徴としている。

さらに、前記吸排気手段は、前記駆動軸の周囲に回動自
在なシール体と、前記駆動軸から突出したガイド手段と
、前記シール体に前記ガイド手段と係合するように設け
られ、前記ガイド手段の往復運動により前記シール体が
所望のタイミングで回動する形状に形成されたカム手段
と、前記シール体が前記所望のタイミングで回動した時
に、ガス導入口および排出口のどちらか一方に連通ずる
連通手段とから成り、前記述通手段を通して前記シリン
ダー内部にガスを導入あるいは排出を行なうことを特徴
としている。

（作用）このように構威されたものによれば、ディスプレーサに
直結した駆動軸の先端に吸排気弁を設けたことにより直
接的となク信頼性は向上する。

また、本吸排気弁は揺動シールのためシール性能は向上
し、＠能アップとなる。

しかも駆動軸芯上に設けることが可能となり、偏心カム
等不用となり簡素化、小型化が可能となる。

さらに駆動部画とディスプレーサ側とは圧力差が生じな
いようになるため、モータ容量は小さくすることができ
、しかも駆動部は大気放出とすることが可能となり大幅
な小型化、簡素化ができる。

（実施例）以下図面を参照しながら本発明の一実施列を説明する。

なお、第５図の従来と同一部材には同一符号を付し、重
複する説明は省略する。

＠１図には、本発明の一実施例に係る冷凍機が示してあ
る。

この実施例に係る冷凍機が従来の冷凍機と異なる点は，
シュプ　ール弁２５のかわりに往復駆動軸１８の先端に
新たな吸，排気升５０を設けたことである。この往Ｑｌ
駆勧輔ｌ８の中心には、窟ｌ２シリンダー５，６内に通
じる通路５ｌ｝設けている。

次に第２図以下に吸，排気弁部５０の詳細を示す。

往復駆動軸ｌ８の先端にはガイドビン５２が固定されて
２３ｖ、このガイドビン５２を包みこむようにシール体
５３が設けられている。

上記シール体５３の内側には、ガイドビン５２にようて
適切タイミングで揺動するように考慮したカム溝５４（
＄３図にカム溝５４の展開図を示す。）がシール体５３
の内側に設けられて２５ジ、これにより、駆動軸１８の
往復運動と合わせてシール本５３全体が揺動することに
なる。またシール体５３の外測には、１ヶの溝６０を設
け、揺動に合わせてフタ５５側に設けたガス導入通路５
６，ガス排出通路５７と溝６０とが合致し、連通ずるよ
うになクている。しかもガス導入通路５６とガス排出通
路５７の間はシール体５３が揺動しながらシールしてい
ることとなる。

すなわち、往復駆動軸ｌ８の上下運動にょクこの駆動軸
ｌ８の先端に設けたシール体５３がガイドビン５２とカ
ム＃＄５４によりて適切なタイミングで揺動し、これに
よって、シール体５３の外側に設けた１ヶの溝６０とフ
タ５５側に設けたガス導排出通路５７．５６とが適切な
タイミングで連通し、さらに駆動軸１８の中心の通路５
１を経て第１，第２シリンダー５，６内が通じてガスの
通路が確保され適切なサイクルをく９返すことが可能と
なる。

この結果、従来のシュプール弁２５による上下運動シー
ル方式からシール体５３の揺動シール方式となるためシ
ール性能は向上する。

また、シュプール弁２５では、吸排気作動用偏心カム２
３とバネにより、間接的（結びついていない）に駆動さ
れているか本実Ｍ　ＰＪでは上達のように直結した構造
となリｉ実性が増す。

この他、駆動軸ｌ８の上下間の圧力は従来は、シリンダ
内の圧力が変動するのに対して、駆動軸１８の上端は低
圧力で一定であうで、結果として駆動軸ｊｄ１Ｂの上下
間で圧力差が生じていたが、上記実ＩＵ列では駆動１紬
ｌ８の上端に吸排気弁５０を設けたために駆動軸１８の
上下間の圧力は、同じように変化して差圧が生じない構
造となク、モータ容量は小さくできる。しかも、従来駆
動部はガス通路空間となクてケーシング４２によりて全
体が密封されていたが、本実施例では、先端部のみが密
封されていればよくその他の部分は、大気中に配置され
ている。なおこの作用、効果は、吸排気弁の種類、方式
等には限定されることなく駆動軸ｌ８の上端に吸排気手
段を設けたことによジ得られるため吸排気手段は他のも
のでもよい。

従クて駆動部全体は大幅な小型化，簡素化が可能となる
。

なお、この揺動シール方式の吸排気弁５０は駆動軸ｌ８
の上端に設けなくとも駆動軸ｌ８の途中等に設けてもシ
ール性能の向上が図れる。

以上述べたように本発明によれば、吸排気方式は、（１１上下運動シール万式から揺動シール方式となクシ
ール性能の向上が図れ、しいては性能アップとなる。

＋２１また、間接的な構造から直接的に往復動と直結し
た構造となジ、確実性が増し信頼性が向上する。

（３）さらに、駆動軸１８の上端に吸排気弁５０を設け
たため駆動軸の上下間で差圧が生じない構造となり、モ
ータ容量を小さくできる他、密封部分を限られた部分と
することが可能となり、駆動部および全体は大幅な小型
化、簡素化が図れ、保守，点検も容易となり、経済性も
大幅に向上した冷凍機が実現できる。

なお、本発明は上記実施例に限定されることなくその要
旨を逸脱しない範囲で種々変形して用いることができる
。

〔発明Ｏ効果〕

以上詳述したように本発明によれば、シール性能信頼性
が向上するとともに駆動力の容量を小さく、また全体と
して小型な冷凍機が泉現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る冷凍機を示す概略図、
第２図は、本発明の冷凍機の吸排気手戊を示す概略図、
第３図は、本発明の冷凍機の吸排気手段に秋けるカム辱
の展開図、第４図は、同吸ｖト気手段の通路断面を示す
概略断面図、第５図は従来の冷凍機を示す概略図である
。ｌ・・・コールドヘッド、２・・・冷媒ガス導排出系、
３・・−シ１１ンダ、４・・・ディスプレーサ％　５・
・・第ｌシリンダ％　６・・・第２シリンダ，７・・・
第１ステージ，８・・・第２ステージ、９・・・８１デ
ィスプレーサ、１０・・・第２ディスプレーサ、１１・
・・連結金具、１３．１５・・・蓄冷材，１６，ｌ７，
２７・・・シール部材％　ｌ８・・・往復＠動軸、１９
・・・スライダ一部（往復運動部）、２ｌ・・・ベアリ
ング、２２・・・４ＪｆＪ心カム（変換機構）、２４・
・・モータ（絋動手段）５４・・・カム躊（カム手段）
、５６・・・ガス導入通路、５７・・・ガス排出通路、
６０・・・ｆ４（連通手段）。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）シリンダーと、このシリンダー内を所定方向に往復運動可能なディスプ
レーサと、このディスプレーサに一端が取付けられる駆動軸と、前記ディスプレーサ内に設けられる蓄冷器と、駆動手段
からの回転駆動力を往復運動に変換して前記駆動軸に伝
達する変換機構と、前記駆動軸の他端近傍に取付けられ、前記シリンダー内
と外部との間でガスの吸排気を行なうための吸排気手段
と、から成ることを特徴とする冷凍機。
（２）シリンダーと、このシリンダー内を所定方向に往復運動可能なディスプ
レーサと、このディスプレーサに取付けられる駆動軸と、前記ディ
スプレーサ内に設けられる蓄冷器と、駆動手段からの回
転駆動力を往復運動に変換して前記駆動軸に伝達する変
換機構と、前記駆動軸の周囲に回動自在に設けられ前記
シリンダー内と外部との間でガスの吸排気を行なうため
の吸排気手段と、から成ることを特徴とする冷凍機。
（３）前記吸排気手段は、前記駆動軸の周囲に回動自在なシール体と、前記駆動軸
から突出したガイド手段と、前記シール体に前記ガイド手段と係合するように設けら
れ、前記ガイド手段の往復運動により前記シール体が所
望のタイミングで回動する形状に形成されたカム手段と
、前記シール体が前記所望のタイミングで回動した時に、
ガス導入口およびガス排出口のどちらか一方に連通する
連通手段と、から成り、前記連通手段を通して前記シリンダー内部に
ガスを導入あるいは排出を行なうことを特徴とする請求
項１あるいは請求項２記載の冷凍機。