JPH0384368A - 冷凍機 - Google Patents

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、ギフォド・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、種々のタイプがある。

これらの中にギフオード◆マクマホン形の冷凍機がある
。この冷凍機は通常第３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１
と冷媒ガス導排出系２とで構成される。コールドヘッド
１は、閉じられたシリンダ３とこのシリンダ３内に往復
動自在に収容された、ディスプレーサ４と、シリンダ３
の上部に配置され、」二足ディスプレーザ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４１とは遮断されている。

シリンダ３は、大径の第１シリンダ５とこの第１シリン
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１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より低温の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デイスプレーサ９と、第
２シリンダ６内を往復動する第２デイスプレーサ１０と
で構成されている。第１デイスプレーサ９と第２デイス
プレーサ］０とは、連結部材１１によって軸方向に連結
されている。

第１デイスプレーサ９の内側には、軸方向に延ｔＱ） びる流体通路１２か形成されており、この流体通路１２
には、銅メツシユ等で形成された蓄冷材１３が収容され
ている。

同様に、第２デイスプレーザ１０の内側にも軸方向に延
びる流体通路１４が形成されており、この流体通路１４
内には球状の鉛などで形成された蓄冷材１５が収容され
ている。

第１デイスプレーサ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デイスプレーサ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１
６．１７が装着されている。

第１デイスプレーサ９の上端は、往復駆動軸１８に連結
されており、往復駆動軸１８の外周面と駆動部ケーシン
グ４２との間にシール機構２７が装着されている。

」１記往復駆動軸１８の上部は、コの字形のスライダ一
部］っで形成されており、スライダ一部１９の内面２０
内に偏心カム２２に取り付けられたベアリング２１が入
っている。（第３図（ｂ）参照） ｋ８ノ 偏心カム２２は、インダクションモータ２４に取り付け
られている減速機２３の軸に取り付けられている。

駆動部ケーシング４２側壁部には、シリンダ３内に通じ
る冷媒ガスの導入口３０と排出口３１とが設けられてお
り、これら導入口３０と排出口３１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
３を経由したヘリウムガス循環系を構成するもので、排
出口３１を低圧弁３２、圧縮器３３、高圧弁３４を介し
て導入口３０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は低圧（約５ａｔｍ）のヘリウ
ムガスを圧縮器３３で高圧（約１８ａｔｍ）に圧縮して
シリンダ３内に送り込むものである。

そして、低圧弁３２、高圧弁３４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媒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
り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３０に、８に程度までに冷える。このため、第１デ
イスプレーサ９の図中」１下端間には、常温（３００Ｋ
）から３０Ｋまで温度勾配がつき、また第２ディスプレ
ーサ１０図中の上下端間には３０Ｋから８Ｋまでの温度
勾配がつく。

ただし、この温度は、各段の熱負殉によって変化し、通
常１段ステージ７では、３０〜８０Ｋ、２段ステージ８
では、８〜２０にの間となる。

インダクションモータ２４の回転を減速機２３にて減速
し、減速機２３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１９
の内面２０を減速機軸を中心として偏心運動することに
より、ベアリング２１は、コの字形スライダ一部１９の
内面２０を第４図中紙面上左右にすべりながら、上下の
運動を行ない、結局、往復駆動軸１８に連結された、デ
ィスプレーサ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、高圧弁３４が開
いて高圧のヘリウムガスがシリンダ３内に流入する。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のディスプレーサ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デイスプレーサ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、ディスプレ
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、第１デイスプレーサ９の内部に形成された流体
通路１２、および第２デイスプレーサ１０の内部に形成
された流体通路１４を通り第１デイスプレーサ９と第２
デイスプレーサ１０との間に形成された１段膨張室３５
、および第２デイスプレーサ１０と第２シリンダ６の先
端壁との間に形成された２段膨張室３６へと流れる。こ
の流れに伴なっ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に程度に、また２段膨張室３
６に流れ込んだ高圧ヘリウムガ（７） ス８に程度に冷却される。

ここで高圧弁３４が閉じ、低圧弁３２が開く。

低圧弁３２が開くことにより、１段膨張室３５、および
２段膨張室３６内の高圧ヘリウムガスが膨張し寒冷を発
生する。この寒冷によって第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流体通路１２．１４内を通過す
る間に蓄冷材１３．１５により暖められ常温となり排出
される。そして、このような動作を繰り返すことにより
冷凍が連続して行なわれることになる。

このタイプの冷凍機は、超電導マグネットの冷却や、赤
外線センサの冷却あるいは、またクライオポンプの冷却
源等として使用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） 前記の通り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、このように構成されｔＱ） る冷凍機においてはシール機構１６．１７の両側の差圧
は、流体通路１２．１４内の圧力損失で決まり非常に小
さい。したがって、インダクションモータ２４に要求さ
れる駆動力は、シリンダ３内と駆動部空間４１との往復
駆動軸１８の軸径に相当する差圧力と、シール機構部２
７、およびディスプレーサ４のシール機構部１６．１７
における摩擦力また、ディスプレーサ４にかかる重力に
打ち勝つものであればよい。

しかしながら、インダクションモータ２４の回転を往復
動に変換するとき、偏心カム２２に取り付けられたベア
リング２１が、コの字形スライダ１９の内面２０を第４
図中左右すべることにより、往復駆動軸１８は往復駆動
軸１８の軸中心より左右に離れた位置にて力を受けてし
まう。このため、往復駆動軸１８は、左右に振られなが
ら往復動を行なうことになる。往復駆動軸１８が左右に
振られながら往復動することは、シール機構部２７の摩
擦力が増加することになり、ひいては、インダクション
モータに要求される駆動力の増加につながってくる。ま
た、往復駆動軸１８の軸径を大きくすることで、左右の
振れを小さくすることは、シリンダ３内と駆動部空間４
１との往復駆動軸１８の軸径に相当する差圧力を増加す
ることになる。これもまた、インダクションモータに要
求される駆動力の増加につながることになる。

さらに、往復駆動軸１８の左右の振れにより、シール機
構部２７は、均一なシール力を得られず、シール性能が
悪化し、冷凍能力の低下を招くだけでなく、シール寿命
の低下を招くこ゛とになる。

また、インダクションモータ２４に要求される駆動力の
増加は、モータの大型化ならびに冷凍機全体の大型化を
招くことになる。

また、インダクションモータ２４が往復運動軸１８と直
角方向に配設されている為、コールドヘッド１部の構造
が複雑化する。

本発明は、上記した課題を解決する目的でなされ、往復
駆動軸１の振れを防ぎ、シール機構部に均一なシール力
を与えることにより、冷凍能力の向上を図るとともに、
往復駆動軸の細径化にょる駆動用モータの小型化ひいて
は冷凍機全体の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。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明では、往復駆動軸の
一端に一方向の回転で往復運動が可能なネジ軸とナツト
を組合せた機構を設けその軸芯−ににモーターを配置し
、ｔト復動を行なう構成となっている。

（作　　用） 本発明によれば、往復駆動軸とネジ軸とナツトを同軸上
に配置することにより、往復駆動軸は振れることなく往
復動を行なう。往復駆動軸が振れないためシール機構部
に均一なシール力が得られる。

また、往復駆動軸の軸芯上にモーター（特に軸対称に）
を設けることによりコールドヘッド部を小型化できる。

（実施例） 以下、図面を参照しながら本発明の一実施例を説明する
。

尚、従来の第３図と同一部材あるいは相当するものには
、同一符号を付し、重複する説明は省略する。

第１図は、本発明に係る冷凍機を示している。

この実施例に係る冷凍機が従来の冷凍機と異なる点は、
ディスプレーサ４を往復動させる機構すなわち、ダイレ
クトモータ５２の］ｎ１転を社復動に変換する駆動部４
０にある。ディスプレーサ４の」１端は往復駆動軸１８
に連結され、往復駆動軸１８の上部に往復ネジ軸５０と
ボール（図示省略）を介したナツト５３の組合せで、ネ
ジ軸５０に右ネジと左ネジが交差し、両端で一体となり
、カム面を形成している。ナット５３内部のボールがネ
ジ溝を転動し、端末カム面で自動的に反対ピッチのネジ
溝に移行しナツト５３が逆進する。

（このような構成のアクチュエータは例えばＢＡＬＬ　
ＲＥＶＥＲ８ＥＲ（商品名）と呼ばれティる。）すなわ
ち、外ハウジング５５と内ハウジング５４に（１１） 取り付けられた軸芯が中空型のダイレクトモータ５２を
一方向回転駆動する事により、軸受５１で支持された内
ハウジング５４を介してナツト５３が回転し、ネジ軸５
０が往復運動する。

このような構成であると、往復駆動軸１８とネジ軸５０
が同軸上で一体構成されているので、ナツト５３の純粋
な垂直成分の力のみ受けることになり、往復駆動軸１８
の振れは起こらなくなる。

この結果シール機構部２７は、往復駆動軸１８の振れに
よる摩擦力の増大がなくなる、また、シール機構部２７
には、均一なシール力を得ることになり、シール機構部
２７のシール性能の向上が計れるばかりでなく冷凍能力
の向」二が計れる。

また、往復駆動軸１８の軸径を大きくすることで往復駆
動軸１８のゆれを防ぐ必要はなく、往復駆動軸１８の細
径化ができる。往復駆動軸１８の細径化によりシリンダ
３と駆動部空間４１との軸径に相当する差圧力を小さく
することができ、その結果ダイレクトモータ５２に必要
とされる駆動力が小さくなり、小型のモータの使用が可
能とな（１２） る。

また、ダイクレフトモータ５２を往復駆動軸１８の軸芯
上に配置することにより、冷凍機全体の小型化も実現で
きる。

第２図は、本発明の他の実施例を示すものである。この
実施例が先の実施例と異なる箇所は、ダイレクトモータ
５２の代わりにアキシアルモータ５６を設いたものであ
る。ダイレクトモータ５２の場合はロータとステータが
往復駆動軸１８の軸方向に沿う方向の内側と外側で対向
配置されていたが、第２図におけるアキシアルモータ５
６は軸方向に沿う方向にロータとステータが対向配置さ
れている。

このように、本発明におけるモータは種々のものを用い
ることができ、従来のインダクションモータ２４を軸心
上に配置してネジ軸５０を回転させることもできる。

また、小型化も達成するためには使用するモータを軸芯
が中空型のものを採用すればよい。

このように構成された冷凍機は、超電導マグネットの冷
却や赤外線センサの冷却や、あるいはまた、クライオポ
ンプの冷却源等として使用できる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、往復駆動軸のゆれを
無くすことができるので、シール性能の低下を防止する
ことができ、また、冷凍能力の低下も防止できる。

さらに、往復駆動軸の細径化が計れることにより、小型
のモータの使用を可能化でき、全体の小型化を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る冷凍機を示す概略図、第２図は
、同冷凍機の他の実施例を示す概略図、第３図は、従来
の冷凍機を示す概略図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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内に取付けられる蓄冷器と、前記デ
   ィスプレーサを駆動するための回転駆動力を供給する駆
   動手段と、 この駆動手段からの回転駆動力を往復運動に変換して前
   記ディスプレーサに伝達する変換機構と、を備えた冷凍
   機において、 前記変換機構は、 軸方向端部で一体となる左右ネジ溝が交差して形成され
   、前記駆動手段により一方向に回転するネジ軸と、 前記ネジ溝を転動し、前記ネジ軸端部で反対ピッチのネ
   ジ溝に移行するボールと、 このボールの移動に伴なって前記ネジ軸に対して往復運
   動を行なうナットと、 から成ることを特徴とする冷凍機。
2. （２）前記駆動手段は、中空部を有するモータであって
   、前記ネジ軸を中空部に挿入配置したことを特徴とする
   請求項１記載の冷凍機。